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第1篇

關(guān)鍵詞：給水管網(wǎng)；管網(wǎng)優(yōu)化；數(shù)學(xué)模型

中圖分類號(hào)：TV212.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3198（2007）09-0249-01

1 引言

自從60年代Carmelita以及Shake等人提出利用系統(tǒng)分析的方法，尤其是優(yōu)化算法進(jìn)行給水管網(wǎng)設(shè)計(jì)的課題以來(lái)，前人在如何建立管網(wǎng)優(yōu)化模型方面已經(jīng)做了大量的研究和探索工作。

給水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮到4個(gè)方面：即保證供水所需的水量和水壓、水質(zhì)安全、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。管網(wǎng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)計(jì)算就是以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)函數(shù)而將其余的作為約束條件，據(jù)此建立目標(biāo)函數(shù)和約束條件的表達(dá)式以求出最優(yōu)管徑或水頭損失。由于水質(zhì)安全性不容易定量的進(jìn)行評(píng)價(jià)，正常時(shí)和損壞時(shí)用水量會(huì)發(fā)生變化，二級(jí)泵房的運(yùn)行和流量分配等有不同方案，所有這些因素都難以用數(shù)學(xué)式表達(dá)。因此，管網(wǎng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)計(jì)算主要是在考慮各種設(shè)計(jì)目標(biāo)的前提下求出一定設(shè)計(jì)年限內(nèi)管網(wǎng)建造費(fèi)用和管理費(fèi)用之和為最小時(shí)的管段直徑或水頭損失，也就是求出經(jīng)濟(jì)管徑或經(jīng)濟(jì)水頭損失。

2 數(shù)學(xué)優(yōu)化模型

2.1 壓力流單水源環(huán)狀網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型

起點(diǎn)水壓未給的管網(wǎng)需要供水動(dòng)力費(fèi)用，而動(dòng)力費(fèi)用隨泵站的流量和揚(yáng)程而定，揚(yáng)程則決定于控制點(diǎn)要求的最小服務(wù)水頭，以及輸水管和管網(wǎng)的水頭損失等。水頭損失又和管段長(zhǎng)度、管徑、流量有關(guān)。所以，管徑由管網(wǎng)的建造費(fèi)用和管理費(fèi)用之和為最低的條件確定，這時(shí)目標(biāo)函數(shù)為:

該數(shù)學(xué)模型是以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)函數(shù)，將其余條件作為約束條件(水力約束和可靠性約束)。由于水質(zhì)的可靠性指標(biāo)難以量化，故未考慮水質(zhì)的約束條件，同樣由于可靠性指標(biāo)的度量問(wèn)題，水壓的約束也僅僅是要求水源泵站揚(yáng)程必須滿足控制點(diǎn)的水壓要求，只要控制點(diǎn)的壓力在最高用水時(shí)可以達(dá)到最小服務(wù)水頭，整個(gè)管網(wǎng)就不會(huì)存在低壓區(qū)。此外，也要考慮管徑的范圍約束，以保證管網(wǎng)的水量和水壓。

2.2 多水源環(huán)狀網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型

多水源管網(wǎng)供水安全，可以節(jié)省造價(jià)和電能。其優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算原理與單水源時(shí)相同，目標(biāo)函數(shù)為:

該數(shù)學(xué)模型與上述系統(tǒng)不同的是，每一水源的供水量，隨著供水區(qū)用水量、水源的水壓以及管網(wǎng)中的水頭損失而變化，從而存在各水源之間的流量分配問(wèn)題，即要考慮到水源的水量約束條件。

2.3 設(shè)加壓泵站環(huán)狀網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型

為滿足管網(wǎng)中局部地區(qū)的水壓應(yīng)在管網(wǎng)中設(shè)置加壓泵站。當(dāng)加壓泵站位置靠近水源泵站時(shí)，水源水泵降壓快，而加壓泵加壓流量大；加壓泵站遠(yuǎn)離水源泵站時(shí)，水源水泵降壓慢，而加壓泵加壓流量小。這樣，目標(biāo)函數(shù)在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮水源泵站和加壓泵站兩項(xiàng)動(dòng)力費(fèi)用。因此建立如下數(shù)學(xué)模型:

該數(shù)學(xué)模型與上述系統(tǒng)不同的是：在滿足管網(wǎng)水力約束和可靠性約束的同時(shí)要滿足加壓揚(yáng)程約束。加壓泵站流量屬于待求的未知數(shù)，可近似取為所屬管段的管段流量。

對(duì)上述系統(tǒng)采用優(yōu)化的方法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，最終求得系統(tǒng)最優(yōu)時(shí)的管徑、管段流量、流速、水力坡度、水泵揚(yáng)程、各節(jié)點(diǎn)的水壓等。

3 結(jié)束語(yǔ)

給水管網(wǎng)是給水工程中投資最大的子系統(tǒng)，一般要占到工程總造價(jià)的50%-80%。在工程總投資有限的前提下，在保證整個(gè)供水系統(tǒng)中水量、水壓、水質(zhì)安全以及供水可靠性的基礎(chǔ)上，以整個(gè)系統(tǒng)的總造價(jià)或年費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，尋求目標(biāo)函數(shù)最小的設(shè)計(jì)方案,對(duì)加強(qiáng)安全可靠性、降低工程成本、提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

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第2篇

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第3篇

關(guān)鍵詞：無(wú)線射頻識(shí)別；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；融合模型；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP212；TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）01-00-03

0 引 言

微電子技術(shù)、通信技術(shù)的迅速發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，極大地促進(jìn)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）和無(wú)線射頻識(shí)別（RFID）這兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的研究和應(yīng)用。RFID技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用，WSN技術(shù)也在各種環(huán)境下發(fā)揮重要的作用，兩者在延續(xù)各自獨(dú)立的發(fā)展和研究路徑的同時(shí)，逐漸開(kāi)始進(jìn)行融合技術(shù)的探索。

RFID技術(shù)可以在短距離內(nèi)自動(dòng)快速確定對(duì)象的關(guān)鍵信息，主要用于對(duì)象的跟蹤與管理，但在很多應(yīng)用領(lǐng)域中，管理對(duì)象對(duì)環(huán)境具有敏感性，需要通過(guò)遠(yuǎn)程觀察獲取周圍的物理環(huán)境信息[1]，傳統(tǒng)的RFID技術(shù)無(wú)法解決這個(gè)問(wèn)題。例如在一個(gè)使用RFID的資產(chǎn)管理系統(tǒng)中，僅采用射頻識(shí)別可以追蹤一個(gè)特定資產(chǎn)的當(dāng)前位置，卻不能獲取溫濕度等相關(guān)環(huán)境信息。WSN由若干小型節(jié)點(diǎn)組成，這些節(jié)點(diǎn)具有感知、計(jì)算和無(wú)線通信的能力。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以收集、聚合以及分析環(huán)境信息，用于火災(zāi)探測(cè)、污染監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，但它卻無(wú)法檢索具有物體關(guān)鍵信息的標(biāo)識(shí)以及位置。在這種情況下，通過(guò)對(duì)RFID與WSN的融合，我們可以構(gòu)建一個(gè)具備豐富環(huán)境信息的對(duì)象跟蹤和管理系統(tǒng)[2]，將兩種技術(shù)相輔相成，最大化提升兩者的效率，為更加廣泛的應(yīng)用提供新視角。

文中主要?dú)w納總結(jié)出了目前主流的四種融合模型，對(duì)模型進(jìn)行分析、優(yōu)化，并基于優(yōu)化的模型設(shè)計(jì)出一套新型RFID-WSN融合系統(tǒng)。

1 四種融合模型

目前國(guó)內(nèi)外提出了諸多基于RFID與WSN融合的理論和應(yīng)用，Lei Zhang等人較全面地總結(jié)了三種融合技術(shù)，即RFID閱讀器與WSN基站的融合、分布式智能節(jié)點(diǎn)、智能傳感標(biāo)簽[3]。Ashwini W. Nagpurkar等人首次將RFID標(biāo)簽與傳感器的融合總結(jié)為有限通信能力（Limited Communication Capability）和擴(kuò)展通信能力（Extended Communication Capability）[4]。通過(guò)對(duì)近年來(lái)相關(guān)研究的分析和總結(jié)，將目前主要的融合技術(shù)歸納為傳感器-標(biāo)簽融合模型、WSN-標(biāo)簽融合模型、WSN-閱讀器融合模型、WSN-RFID系統(tǒng)融合模型四種。四種RFID與WSN融合模型如圖1所示。

1.1 傳感器-標(biāo)簽融合模型

傳感器-標(biāo)簽融合模型如圖1（a）所示。將RFID標(biāo)簽與傳感器集成，使RFID標(biāo)簽配備環(huán)境感知能力，使標(biāo)簽可以通過(guò)傳感器采集環(huán)境信息，并直接作為識(shí)別信息被RFID閱讀器快速讀取。Ferrer-Vidal等人設(shè)計(jì)的搭載傳感器的超低功耗紙基RFID標(biāo)簽[5]與Cho等人設(shè)計(jì)的搭載傳感器5.1 W功率的超高頻RFID標(biāo)簽[6]即基于此種模型。

1.2 WSN-標(biāo)簽融合模型

WSN-標(biāo)簽融合模型如圖1（b）所示。在WSN節(jié)點(diǎn)上集成RFID標(biāo)簽，集成方式分為兩種。一是在WSN節(jié)點(diǎn)Flash上存儲(chǔ)RFID標(biāo)準(zhǔn)格式的識(shí)別信息；另一種是直接在硬件上連接RFID標(biāo)簽。這種類型的傳感器節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽不僅能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)簽信息的識(shí)別和追蹤，還能感知環(huán)境并互相傳遞信息。文獻(xiàn)[1]和[7]提出的SIWR模型和RSN模型便是在此模型基A上將節(jié)點(diǎn)分為匯聚節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和感知節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)信息管理，路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)信息轉(zhuǎn)發(fā)，只有感知節(jié)點(diǎn)融合了RFID標(biāo)簽，負(fù)責(zé)感知和識(shí)別。

1.3 WSN-閱讀器融合模型

WSN-閱讀器融合模型如圖1（c）所示。通過(guò)WSN節(jié)點(diǎn)與RFID閱讀器的集成，將WSN與RFID連接在一起。RFID通過(guò)WSN遠(yuǎn)程交換數(shù)據(jù)，擴(kuò)大了識(shí)別范圍。Omar M.Q.等人設(shè)計(jì)的基于RFID與WSN的機(jī)器狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)[8]、C.Salvatore等人設(shè)計(jì)的工廠安全系統(tǒng)[9]就是這種模型的應(yīng)用實(shí)例。該模型還可以與傳感器-標(biāo)簽融合模型共存，如Pablo GARCíA ANSOLA等人設(shè)計(jì)的ZigID模型[10]。

1.4 WSN-RFID系統(tǒng)融合模型

WSN-RFID系統(tǒng)融合模型如圖1（d）所示。保持WSN和RFID的原有架構(gòu)，引入智能基站進(jìn)行系統(tǒng)集成。智能基站是搭載了融合框架的集成服務(wù)器，其主要任務(wù)是控制WSN和RFID進(jìn)行協(xié)同工作，采集WSN與RFID的信息，通過(guò)融合框架進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，呈現(xiàn)出更加綜合和智能的信息。Jaekyu Cho等人提出的WSN與RFID融合框架SARIF[2]正是該融合模型的實(shí)例。

2 融合模型的優(yōu)化

四種模型從不同的角度對(duì)RFID與WSN做了融合，相比融合之前都豐富了功能或提升了性能，但仍存在一些問(wèn)題，因此需要對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 存在的問(wèn)題

傳感器-標(biāo)簽融合模型并沒(méi)有融合WSN的無(wú)線通信能力，所以系統(tǒng)的覆蓋范圍過(guò)小是最顯著的問(wèn)題。

WSN-標(biāo)簽融合模型將WSN-標(biāo)簽作為WSN節(jié)點(diǎn)，需要遵循入網(wǎng)、分配地址、握手通信、退網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，導(dǎo)致標(biāo)簽喪失了RFID快速識(shí)別的特性，其數(shù)量和流動(dòng)性也受到網(wǎng)絡(luò)負(fù)載能力的制約。

在WSN-閱讀器融合模型中，WSN-閱讀器是模型上層WSN與下層RFID連接的唯一樞紐，數(shù)據(jù)交換負(fù)載量大，一旦失效，便會(huì)導(dǎo)致融合系統(tǒng)癱瘓，所以模型存在負(fù)載均衡和魯棒性的問(wèn)題。

在WSN-RFID系統(tǒng)融合模型中，WSN與RFID在硬件上相互獨(dú)立，部署成本是兩者之和，且單純依靠軟件層面進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和系統(tǒng)協(xié)作來(lái)實(shí)現(xiàn)融合，也需要更高性能和成本的基站服務(wù)器。

2.2 優(yōu)化模型

針對(duì)上述四種模型存在的問(wèn)題，結(jié)合WSN-標(biāo)簽融合模型和WSN-閱讀器融合模型，提出了圖2所示的優(yōu)化融合模型。

該優(yōu)化模型保留WSN節(jié)點(diǎn)的同時(shí)引入了WSN-標(biāo)簽和WSN-閱讀器兩種融合節(jié)點(diǎn)，這是一種復(fù)合型融合架構(gòu)。模型中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都基于WSN節(jié)點(diǎn)，具有環(huán)境感知和無(wú)線通信能力；WSN-閱讀器節(jié)點(diǎn)和WSN-標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行無(wú)線射頻識(shí)別，即節(jié)點(diǎn)之間既可以按照WSN架構(gòu)構(gòu)建，進(jìn)行遠(yuǎn)程采集傳輸，也可以按照RFID架構(gòu)構(gòu)建，進(jìn)行對(duì)象信息快速識(shí)別，抑或同時(shí)進(jìn)行。此舉解決了WSN-標(biāo)簽融合模型無(wú)法支持大量標(biāo)簽快速識(shí)別的問(wèn)題，相比WSN-閱讀器融合模型提升了負(fù)載均衡和魯棒性。

3 新型融合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

優(yōu)化的融合模型能否發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，關(guān)鍵在于如何設(shè)計(jì)出高效的融合節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)之間如何構(gòu)建來(lái)滿足應(yīng)用需求。

3.1 新型融合節(jié)點(diǎn)

針對(duì)優(yōu)化模型中定義的三種節(jié)點(diǎn)，文中將設(shè)計(jì)一種集WSN節(jié)點(diǎn)、RFID閱讀器、RFID標(biāo)簽于一體的新型融合節(jié)點(diǎn)，該新型節(jié)點(diǎn)既可以按WSN節(jié)點(diǎn)工作，又可以按WSN-閱讀器工作，也可以切換成WSN-標(biāo)簽工作，既節(jié)約了硬件成本，又提高了系統(tǒng)的靈活性，能夠充分發(fā)揮優(yōu)化模型的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。新型融合節(jié)點(diǎn)架構(gòu)如圖3所示。

該架構(gòu)在WSN五層網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上集成了RFID角色層（包括RFID閱讀器和RFID標(biāo)簽）和RFID應(yīng)用層。WSN與RFID共用物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，這樣使得融合節(jié)點(diǎn)的硬件成本得到控制。原始數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)鏈路層被分發(fā)，WSN數(shù)據(jù)繼續(xù)向上層傳遞，RFID數(shù)據(jù)直接發(fā)送至RFID角色層，實(shí)現(xiàn)RFID的快速識(shí)別。由于RFID角色層支持RFID閱讀器和RFID標(biāo)簽兩種角色，所以融合節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)RFID應(yīng)用層的設(shè)置，來(lái)進(jìn)行WSN節(jié)點(diǎn)、WSN-閱讀器與WSN-標(biāo)簽三種角色的動(dòng)態(tài)切換。RFID應(yīng)用層與WSN應(yīng)用層既可以相互獨(dú)立運(yùn)行應(yīng)用，也可以配合執(zhí)行任務(wù)。

3.2 動(dòng)態(tài)構(gòu)建機(jī)制

由于這種新型融合節(jié)點(diǎn)具有動(dòng)態(tài)切換角色的能力，相應(yīng)的，融合系統(tǒng)也可以動(dòng)態(tài)變換其架構(gòu)，所以需要建立相應(yīng)的動(dòng)態(tài)構(gòu)建機(jī)制，才能使系統(tǒng)體現(xiàn)出對(duì)不同環(huán)境的適應(yīng)性，提高工作效率。

3.2.1 初始化構(gòu)建

首先要在基站建立和維護(hù)節(jié)點(diǎn)角色表，按照RFID標(biāo)識(shí)信息將節(jié)點(diǎn)角色分別定義為WSN節(jié)點(diǎn)、WSN-閱讀器或WSN-標(biāo)簽。系統(tǒng)啟動(dòng)后，所有節(jié)點(diǎn)先以WSN節(jié)點(diǎn)角色組網(wǎng)，并上傳自己的RFID標(biāo)識(shí)信息。然后系統(tǒng)根據(jù)節(jié)點(diǎn)角色表向每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送相應(yīng)的角色配置命令，使節(jié)點(diǎn)切換為特定角色。

3.2.2 將WSN切換為RFID

當(dāng)需要把某個(gè)區(qū)域的WSN切換為RFID時(shí)，向該區(qū)域的匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送“WSN-閱讀器啟動(dòng)”命令，此節(jié)點(diǎn)通過(guò)RFID應(yīng)用層啟動(dòng)RFID閱讀器功能，向其所有子節(jié)點(diǎn)廣播“WSN-標(biāo)簽啟動(dòng)”命令，使子節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)RFID標(biāo)簽功能。最后刪除所有子節(jié)點(diǎn)，并禁止WSN接收入網(wǎng)，此時(shí)所有子節(jié)點(diǎn)離開(kāi)WSN網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行RFID快速識(shí)別。

3.2.3 將RFID切換為WSN

當(dāng)需要把某個(gè)RFID系統(tǒng)切換為WSN時(shí)，向該RFID的閱讀器發(fā)送“WSN-閱讀器停止”命令，此節(jié)點(diǎn)關(guān)閉RFID閱讀器功能，并啟用WSN的接收入網(wǎng)功能，此時(shí)附近所有WSN-標(biāo)簽將連為它的子節(jié)點(diǎn)。最后向子節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送“WSN-標(biāo)簽停止”命令，關(guān)閉其RFID標(biāo)簽功能。

3.2.4 自適應(yīng)構(gòu)建

當(dāng)某個(gè)WSN節(jié)點(diǎn)負(fù)載過(guò)重，其子節(jié)點(diǎn)數(shù)量超過(guò)系統(tǒng)閾值設(shè)定時(shí)，將自動(dòng)執(zhí)行WSN切換RFID操作來(lái)減輕該節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載；當(dāng)某個(gè)WSN-閱讀器在連續(xù)時(shí)間內(nèi)識(shí)別到某個(gè)WSN-標(biāo)簽的次數(shù)高于系統(tǒng)閾值設(shè)定值時(shí)，將對(duì)此WSN-標(biāo)簽發(fā)送“WSN-標(biāo)簽停止”命令，并將其連為WSN-閱讀器的子點(diǎn)，以減輕WSN-閱讀器的負(fù)載并避免與其他標(biāo)簽碰撞。

3.3 優(yōu)缺點(diǎn)分析

首先，新型融合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了RFID與WSN融合的基本目的，即遠(yuǎn)程環(huán)境信息采集和對(duì)象識(shí)別管理。其次，對(duì)比優(yōu)化前的四種融合模型，新型融合系統(tǒng)同時(shí)解決了它們的問(wèn)題。最后，新型融合系統(tǒng)擴(kuò)大了識(shí)別范圍、支持大量標(biāo)簽的快速識(shí)別、提高了負(fù)載均衡性和魯棒性，很好的控制了成本。

但系統(tǒng)不支持被動(dòng)式RFID標(biāo)簽，因?yàn)橄到y(tǒng)使用的新型融合節(jié)點(diǎn)工作在WSN的物理層上，無(wú)法支持被動(dòng)式RFID標(biāo)簽的讀寫。因此系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域受到了一定限制。

4 結(jié) 語(yǔ)

本研究總結(jié)了四種典型的RFID與WSN融合模型，并針對(duì)這些模型存在的問(wèn)題，提出了針對(duì)融合模型的優(yōu)化，并基于優(yōu)化模型設(shè)計(jì)了一套新型RFID-WSN融合系統(tǒng)。

本研究提出的融合系統(tǒng)由一種新型融合節(jié)點(diǎn)組成，該節(jié)點(diǎn)的架構(gòu)設(shè)計(jì)基于WSN網(wǎng)絡(luò)模型與RFID協(xié)議的集成，在不增加硬件成本的情況下，通過(guò)軟件將WSN節(jié)點(diǎn)、RFID標(biāo)簽和RFID閱讀器三種角色融于一體。通過(guò)設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)構(gòu)建機(jī)制來(lái)組織管理這些節(jié)點(diǎn)，融合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了WSN與RFID的動(dòng)態(tài)切換和自適應(yīng)構(gòu)建。

最后根據(jù)優(yōu)缺點(diǎn)分析發(fā)現(xiàn)，本研究提出的新型融合模型及系統(tǒng)在主動(dòng)式RFID的使用領(lǐng)域中具有更優(yōu)的特性和更靈活的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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（上接第頁(yè)）

第4篇

關(guān)鍵詞:道路設(shè)計(jì);交通量分配;地理信息系統(tǒng);遺傳算法;道路選線

1研究背景

選線是道路設(shè)計(jì)中最根本的問(wèn)題,因?yàn)樗坏绊懙缆繁旧淼慕?jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,而且也影響到路線在道路網(wǎng)中的作用[1]。目前國(guó)內(nèi)外研究中, 王衛(wèi)紅[2]的基于MapGIS的公路選線; Jong等[3]的同時(shí)優(yōu)化三維空間線形的進(jìn)化模型; Manoj等[4]的一個(gè)基于標(biāo)準(zhǔn)的選線決策支持系統(tǒng); Manoj等[5]的基于遺傳算法的線形優(yōu)化模型,都沒(méi)有考慮新建道路對(duì)區(qū)域內(nèi)路網(wǎng)服務(wù)水平的影響。Manoj等[5]提到了路網(wǎng)優(yōu)化的概 念,但卻將具體研究確定為未來(lái)的研究?jī)?nèi)容。我們以前的研究[6]在應(yīng)用遺傳算法枚舉線路空間位置,以及新增線路后拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)關(guān)系, OD交通量被服務(wù)的質(zhì)量改善和交通環(huán)境負(fù)荷減輕等方面取得了突破。但是,并沒(méi)有應(yīng)用道路設(shè)計(jì)理論,沿自動(dòng)生成的道路空間位置進(jìn)行道路設(shè)計(jì)。

因此我們以尚未被充分研究的問(wèn)題為對(duì)象,開(kāi)發(fā)同時(shí)優(yōu)化新建道路的空間位置與詳細(xì)設(shè)計(jì)的模型。在優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)中考慮新建道路本身的相關(guān)費(fèi)用及其對(duì)路網(wǎng)的影響所導(dǎo)致的費(fèi)用變化。力爭(zhēng)應(yīng)用道路設(shè)計(jì)的理論與方法設(shè)計(jì)道路的詳細(xì)線形,開(kāi)發(fā)平面和縱斷面自動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng),并計(jì)算道路的建設(shè)費(fèi)、土方工程費(fèi)。利用交通量分配模型計(jì)算新建道路帶來(lái)的道路網(wǎng)服務(wù)水平的變化,從而計(jì)算OD交通的走行時(shí)間費(fèi)用,并利用環(huán)境排放模型計(jì)算道路網(wǎng)上交通的環(huán)境負(fù)荷及其金錢價(jià)值。在本研究中,上述所有過(guò)程將以同一個(gè)GIS數(shù)據(jù)庫(kù)為平臺(tái), GA算法被用來(lái)枚舉道路空間位置的候選方案,以及求解該非線性優(yōu)化模型。

2研究方法

研究的總體框架如圖1所示,各階段的具體內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)將在相關(guān)章節(jié)予以敘述。

2•1道路的空間位置及遺傳算法的應(yīng)用

2•1•1初始空間位置的生成

在確定新建道路的空間位置時(shí),通常有兩個(gè)或數(shù)個(gè)控制點(diǎn)是事先指定的,確定道路的空間位置就是給出控制點(diǎn)間新建道路通過(guò)的各個(gè)地點(diǎn)。因此新建道路的空間位置應(yīng)該以控制點(diǎn)連線周邊的地形數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)設(shè)定,當(dāng)使用DEM數(shù)據(jù)作為地形數(shù)據(jù)時(shí),線路的空間位置可以被認(rèn)為是線路的中心線所占用的DEM網(wǎng)格單元的集合,初始空間位置生成就是確定這個(gè)集合的過(guò)程。

為了提高遺傳算法候選方案的有效性,可以先確定選線走廊。如圖2所示,為了使初始空間位置有足夠的選擇余地,沿控制點(diǎn)的連線隔一定距離設(shè)定一個(gè)橫斷面,位于該斷面上的網(wǎng)格單元就是道路在這個(gè)橫斷面上可能通過(guò)的位置。假設(shè)控制點(diǎn)間的直線被分成n+1段,就會(huì)有n組網(wǎng)格單元,對(duì)每組單元進(jìn)行連續(xù)排列可以得到各組網(wǎng)格單元的最小和最大編號(hào)。初始空間位置可以表示為一個(gè)數(shù)字串,其中每個(gè)數(shù)字都對(duì)應(yīng)一組網(wǎng)格單元中的一個(gè)編號(hào)。隨即生成的道路空間位置的初始方案可用式(1)計(jì)算[6],也就是說(shuō)在每一組網(wǎng)格單元中隨機(jī)選取一個(gè)網(wǎng)格(圖2中五角星標(biāo)示的網(wǎng)格),將網(wǎng)格的中心點(diǎn)作為道路的控制點(diǎn),連接所有的控制點(diǎn)生成道路的初始線形i。

2•1•2遺傳算法的設(shè)計(jì)和適應(yīng)度函數(shù)的選取

如圖1所示遺傳算法被用來(lái)判斷各個(gè)候選方案的優(yōu)劣并繁衍出新的候選方案,它對(duì)代表上一代道路空間位置的數(shù)字串進(jìn)行交叉、變異、選擇操作,從而得出一組新的空間位置方案,通過(guò)循環(huán)計(jì)算尋找道路空間的最優(yōu)位置。這里根據(jù)遺傳算法的規(guī)則將初始空間位置表示成初期染色體,各單元編號(hào)就是染色體的基因,然后進(jìn)行基因交叉、變異和選擇染色體,具體算法步驟如下。

第1步∶將道路空間位置的初始方案作為初始染色體,染色體的數(shù)量由Psize來(lái)控制,并用十進(jìn)制編碼法對(duì)初始染色體編碼。

第2步∶判斷已有的方案是否最優(yōu),如果是停止計(jì)算,否則進(jìn)行下一步計(jì)算。

第3步∶在兩個(gè)父代染色體間交換基因。這里采用式(2)所示的算術(shù)交叉法。

其中,為父代染色體， 為子代染色體;αi為(0,1)間的一個(gè)隨機(jī)數(shù);i=1,2,…,k(k是進(jìn)行交叉的染色體的對(duì)數(shù))。

第4步∶實(shí)施變異操作。如果c=(c1,c2,…,cn)是一個(gè)染色體 是一個(gè)被選擇用于變異的基因,那么ck的變異結(jié)果如式(3)所示。

這里,Δ(t,y)的形式如式(4)所示,它返回[0,y]間的一個(gè)值,該值隨進(jìn)化代數(shù)增加向0逼近。

式中,r是[0,1]間的隨機(jī)數(shù);t是當(dāng)前進(jìn)化代數(shù);λ(λ=25)是由計(jì)算者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)指定。

第5步∶從上一代染色體中選取子代染色體。考慮到道路的特征,可以事先排除一部分交叉變異后的染色體,其標(biāo)準(zhǔn)是:新建道路上的最小平面轉(zhuǎn)角應(yīng)該大于某個(gè)值;新建道路不應(yīng)該和既有的某個(gè)路段相交多次。然后對(duì)余下的空間位置方案進(jìn)行道路設(shè)計(jì)和交通量分配,并選擇適應(yīng)度高的Psize個(gè)方案返第2步操作。

2•2基于DEM數(shù)字地形進(jìn)行詳細(xì)線形設(shè)計(jì)

由于優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)包含道路建設(shè)費(fèi)用,因此必須盡可能詳細(xì)地設(shè)計(jì)出道路的縱斷面和水平斷面形態(tài)。盡管在本階段達(dá)到施工要求的設(shè)計(jì)是不可能的,但是與之盡可能地相似的設(shè)計(jì)還是必要的和可以做到的。由于在整個(gè)優(yōu)化過(guò)程中,要用遺傳算法為一條新建道路繁衍出數(shù)十萬(wàn)個(gè)空間位置方案,因此手工設(shè)計(jì)的方法是無(wú)法滿足計(jì)算流程的要求的。另外,遺傳算法的計(jì)算因子很多都是隨機(jī)變化的,因此還要保證上百代的遺傳算法得以連續(xù)不斷地進(jìn)行。因此,在求解優(yōu)化模型的計(jì)算過(guò)程中實(shí)現(xiàn)道路設(shè)計(jì)的自動(dòng)化以及無(wú)縫不間斷輸入、輸出是必不可少的。接下來(lái)介紹道路平、縱曲線的設(shè)計(jì)方法及在GIS中的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)。

2•2•1平曲線在GIS中的實(shí)現(xiàn)

遺傳算法中每次在GIS數(shù)據(jù)庫(kù)中生成的道路線形都是折線對(duì)象,考慮道路設(shè)計(jì)的要求,道路平面線形設(shè)計(jì)應(yīng)符合直線、緩和曲線與圓曲線的連接原則,但這樣會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題的復(fù)雜,加大計(jì)算的難度和負(fù)擔(dān)。因此這里不考慮緩和曲線的設(shè)計(jì),用圓曲線平滑新建道路的每個(gè)折點(diǎn),設(shè)計(jì)直線與圓曲線直接相連的線形。

圓曲線的加入使得圓曲線半徑的確定成為關(guān)鍵問(wèn)題。新建道路線形中,每個(gè)控制點(diǎn)都有兩條線段與之相鄰,這里取水平長(zhǎng)度較短的線段長(zhǎng)的1/2作為該圓曲線切線長(zhǎng),利用切線與半徑的數(shù)學(xué)關(guān)系,確定圓曲線半徑。如圖3所示,以控制點(diǎn)C2為例,C1C2長(zhǎng)度小于C2C3,T點(diǎn)為線段C1C2的中點(diǎn),確定圓曲線半徑R=TC2tan (α)。同理在C3,C4,C5等控制點(diǎn)處可以確定另外一條圓曲線。這種方法并不能保證所有的圓曲線半徑滿足最小圓曲線半徑的要求,因此要利用懲罰費(fèi)用對(duì)不滿足該要求的方案進(jìn)行處理,以便在進(jìn)入到下一次循環(huán)之前淘汰它們。

2•2•2豎曲線在GIS中的實(shí)現(xiàn)

在道路設(shè)計(jì)中通常要滿足平包豎的原則,用二次拋物線平滑新建道路縱斷面上的各個(gè)折點(diǎn)。根據(jù)道路的豎曲線設(shè)計(jì)原理,在縱斷面上針對(duì)于每個(gè)控制點(diǎn),取與之相鄰的水平長(zhǎng)度較短的線段的1/3作為二次拋物線的切線長(zhǎng),由于在平曲線設(shè)計(jì)時(shí)以長(zhǎng)度的1/2作為圓曲線的切線長(zhǎng),這樣可以很好地滿足平包豎的原則。但是這樣也不能保證所有的縱坡都滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求,因此還要對(duì)包含不滿足縱坡要求的線形附加懲罰費(fèi)用。

如圖4所示,CP1、CP2、CP3為3個(gè)控制點(diǎn),控制點(diǎn)間的兩縱坡坡度分別為i1和i2,ω=i2-i1,若ω>0,則曲線為凹形;反之為凸形,本圖中為凸形。這里采用二次拋物線作為豎曲線的基本方程式

豎曲線外距

如圖4,在水平方向上每隔50m標(biāo)示一個(gè)樁位,通過(guò)上面的公式,計(jì)算該樁號(hào)上的高程值,用于下面介紹的土方工程量的計(jì)算。

2•3評(píng)價(jià)新建道路對(duì)路網(wǎng)服務(wù)水平的影響

在遺傳算法的各代中都有許多道路方案,而每個(gè)方案都對(duì)應(yīng)一個(gè)不同的路網(wǎng)。要想研究路網(wǎng)的服務(wù)水平,首先要實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)在GIS中自動(dòng)重新拓?fù)漕},這里采用文獻(xiàn)[6]中描述的自動(dòng)拓?fù)渎肪W(wǎng)的方法。

新建道路對(duì)路網(wǎng)服務(wù)水平的影響,表現(xiàn)為節(jié)約的OD總走行時(shí)間的價(jià)值,汽車尾氣排放所引起的金錢損失兩個(gè)方面。在對(duì)每個(gè)方案實(shí)施自動(dòng)路網(wǎng)拓?fù)浜?可以用Frame-Wolf法[7]進(jìn)行OD交通量的分配,從而獲得同一個(gè)OD交通量在各個(gè)路網(wǎng)中路段上的交通流量、走行時(shí)間以及行車速度,最后計(jì)算出整個(gè)OD交通量在各路網(wǎng)上的總走行時(shí)間的金錢價(jià)值、各種尾氣排放量以及相應(yīng)的金錢損失額度。

2•4計(jì)算新建道路涉及的費(fèi)用

新建道路涉及的費(fèi)用是評(píng)價(jià)各選線方案的關(guān)鍵原則,本研究將它作為遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)的主要部分。如圖1所示,本研究將新建道路的社會(huì)總費(fèi)用成本以及懲罰函數(shù)作為遺傳算法中的適應(yīng)度值。這里從道路設(shè)計(jì)和交通規(guī)劃的角度分別計(jì)算費(fèi)用,最后綜合兩方面計(jì)算總費(fèi)用成本。下面詳細(xì)敘述費(fèi)用的計(jì)算過(guò)程。

這里,為一條新建道路的總費(fèi)用成本 為與設(shè)計(jì)相關(guān)的費(fèi)用總和 為與道路交通相關(guān)的費(fèi)用總和。

2•4•1與道路設(shè)計(jì)相關(guān)費(fèi)用

這里， 為基本建設(shè)費(fèi)用,是單位長(zhǎng)度的基本建設(shè)費(fèi)用與道路長(zhǎng)度的乘積 為土方工程費(fèi);為橋梁隧道費(fèi)用;為懲罰費(fèi)用。

在計(jì)算 時(shí)首先利用GIS的空間分析功能,疊加新建道路數(shù)據(jù)層和選線區(qū)域的河流數(shù)據(jù)層得出道路跨越的河流長(zhǎng)度,最后利用跨越長(zhǎng)度和橋梁?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度造價(jià)的乘積得到。

在計(jì)算 時(shí)要同時(shí)考慮橫斷面、縱斷面的線形,計(jì)算新建道路的土方工程費(fèi)。土方工程量計(jì)算分填土、挖土和平衡運(yùn)土3部分。由于研究采用DEM的網(wǎng)格作為地表高程狀況,所以分割相鄰兩個(gè)格網(wǎng)間的路段,并假設(shè)各個(gè)區(qū)間的坡度是均勻的。這樣就可以獲得線形實(shí)際地面高程,同時(shí)利用縱斷面和橫斷面設(shè)計(jì)線形取得計(jì)算高程,按Manoj[5]的方法得到土方工程費(fèi)計(jì)算方法如公式(10)所示。

由于利用遺傳算法自動(dòng)生成控制點(diǎn),設(shè)計(jì)新建道路的平曲線線形和豎曲線線形,所以很難完全滿足所有的平面圓曲線半徑都大于最小半徑值的要求,以及縱斷面坡度都小于最大坡度的要求,為此,這里引入違反規(guī)范的懲罰費(fèi)用,以實(shí)現(xiàn)道路方案的有效評(píng)價(jià)。

這里把 懲罰費(fèi)用計(jì)算分為兩部分,平曲線半徑的懲罰費(fèi)用和縱斷面坡度的懲罰費(fèi)用的計(jì)算,具體公式如下式。

其中,為縱斷面坡度懲罰費(fèi)用 為平曲線半徑懲罰費(fèi)用。

其中,為評(píng)價(jià)時(shí)自定義的系數(shù);為道路縱斷面第i個(gè)控制點(diǎn)的坡度;

為規(guī)范要求的最大坡度。

其中 為評(píng)價(jià)時(shí)自定義的系數(shù);為道路平面第i個(gè)控制點(diǎn)處設(shè)置的圓曲線半徑 為設(shè)計(jì)規(guī)范要求的最小圓曲線半徑。

2•4•2與道路交通相關(guān)的費(fèi)用

為環(huán)境負(fù)荷費(fèi)用,如圖1所示,對(duì)于每一種線形方案都進(jìn)行新路網(wǎng)的重新拓?fù)渑c交通量平衡分配,通過(guò)分配的輸出結(jié)果(路段交通量、走行時(shí)間、平均車速等)可以計(jì)算環(huán)境負(fù)荷費(fèi)用和走行時(shí)間費(fèi)用。

在計(jì)算環(huán)境負(fù)荷費(fèi)用時(shí)主要考慮了汽車排放的尾氣(CO,HC,NO2)造成的污染費(fèi)用,其計(jì)算公式如下。

其中,為單位污染氣體的金錢損失指標(biāo),有很多種估計(jì)值,本研究采用Nakamura等[8]提出的指標(biāo)值

n為新建路網(wǎng)中的路段總數(shù) 為路段i的長(zhǎng)度 為第i個(gè)路段上的平均行駛速度;qi為第i個(gè)路段上的交通流量。

表1給出了各種普通車輛在各種走行速度下的CO, HC, NO2的排放因子。

為路網(wǎng)走行時(shí)間費(fèi)用,其中,n為路網(wǎng)中的路段總數(shù) 為第i號(hào)路段的走行時(shí)間;為時(shí)間價(jià)值。

為占用綠地費(fèi)用,占用拆遷費(fèi)用。 的計(jì)算是在GIS中完成的,首先以新建道路的中心線,以新建道路寬度制作緩沖區(qū),生成道路空間面對(duì)象,然后分別與表示建筑物、綠地、濕地的數(shù)據(jù)層疊加,得到相應(yīng)的建筑物編號(hào),綠地、濕地面積,最后乘以建筑物的和綠地、濕地的單位面積造價(jià)得到占用拆遷費(fèi)用,占用綠地費(fèi)用及濕地破壞費(fèi)。

2•5數(shù)字試驗(yàn)

這里用一個(gè)有35個(gè)交通小區(qū)的地區(qū)對(duì)上述方法進(jìn)行了數(shù)字試驗(yàn),試驗(yàn)地區(qū)的道路網(wǎng)由433個(gè)路段條, 287個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)時(shí)GAs中的參數(shù)為pc=0•6,pm=0•001,Psize=50,Tmax=60,λ=3,并假定新建道路的設(shè)計(jì)車速100km/h,路面寬10m,最小圓曲線半徑1 000m,縱斷面最大坡度4%,挖土費(fèi)用40元/m3,填土費(fèi)用12元/m3, 1km工程造價(jià)1 000萬(wàn)元,時(shí)間價(jià)值0•6元/min,道路壽命30年。在GAs算法進(jìn)行70代后獲得比較令人滿意的結(jié)果。

3總結(jié)

第5篇

【關(guān)鍵詞】城市綠地系統(tǒng)；楔形綠地；T型模式；優(yōu)化設(shè)計(jì)；荊州

中圖分類號(hào):S73 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1、研究背景

傳統(tǒng)綠地系統(tǒng)規(guī)劃只是在總規(guī)階段控性，控規(guī)階段控量，而到了修規(guī)階段卻完全由開(kāi)發(fā)商自主設(shè)計(jì)，往往就造成了壓縮綠地指標(biāo)，提高建筑容積率的現(xiàn)象。由此看來(lái)綠地系統(tǒng)規(guī)劃的設(shè)計(jì)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到人性化的要求。本文所要思考的就是在保證城市綠地系統(tǒng)架構(gòu)的前提下探索對(duì)各層面綠地系統(tǒng)進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以塑造人性化城市為原則，打造城市特色，并實(shí)現(xiàn)城市的有機(jī)生長(zhǎng)。

2、T型綠地的概念與特征

顧名思義，本文所提出的T型綠地就是指形態(tài)上與T相似布局的綠地結(jié)構(gòu)。他總體上由橫向與縱向兩部分具有寬度的綠地所構(gòu)成，有如下特征：突出結(jié)構(gòu)相似，構(gòu)成T型綠地的橫縱兩大部分是線型綠地與楔形綠地的組合；突出綠地之間的聯(lián)系，加強(qiáng)了楔與外部綠地的聯(lián)系；突出有機(jī)生長(zhǎng)的特性，在所需要的用地內(nèi)均能有效的滲透。

3、理論依據(jù)

（1）有機(jī)生長(zhǎng)理論。工業(yè)革命以前，城市多表現(xiàn)出自然生長(zhǎng)為主，有機(jī)生長(zhǎng)理論以樸素的自然設(shè)計(jì)觀為特征。工業(yè)革命以后，主要分為主張技術(shù)派、主張?zhí)飯@派、主張歷史角度三個(gè)傾向。這些理論的出發(fā)點(diǎn)均是在尋求人、城市、自然三者的和諧共處。到了現(xiàn)代，有機(jī)生長(zhǎng)逐漸與可持續(xù)發(fā)展理論相結(jié)合，多強(qiáng)調(diào)組團(tuán)式布局。如我國(guó)的中新天津生態(tài)城規(guī)劃，組團(tuán)特征特別明顯。

（2）綠楔理論。綠楔思想是生態(tài)意識(shí)形態(tài)下的產(chǎn)物。綠楔作為聯(lián)系城鄉(xiāng)的紐帶，對(duì)控制大城市攤大餅式的蔓延也起有很好的效果，并逐步演變成為一種規(guī)劃思想。綠楔較早地出現(xiàn)在西方城市規(guī)劃中。如在哥本哈根的指狀規(guī)劃、莫斯科發(fā)展總體規(guī)劃、墨爾本市規(guī)劃、慕尼黑規(guī)劃中均有綠楔存在。我國(guó)近年來(lái)各大城市城市規(guī)劃中也均出現(xiàn)了綠楔（見(jiàn)表1）。

4、傳統(tǒng)綠地系統(tǒng)規(guī)劃的問(wèn)題

傳統(tǒng)綠地系統(tǒng)規(guī)劃具有用地規(guī)整化、分級(jí)分類明確、體系完整等特征。從以往實(shí)施效果來(lái)看，主要存在下面的問(wèn)題。

（1）人工化而不人性化。傳統(tǒng)的綠地系統(tǒng)規(guī)劃對(duì)系統(tǒng)的考慮十分全面，但是最關(guān)鍵的是弱化了對(duì)于使用者切身感受的環(huán)節(jié)，人性化設(shè)計(jì)往往只停留在理念的階段。

（2）過(guò)于圖面化而實(shí)操性較差。規(guī)劃設(shè)計(jì)人員過(guò)分追求圖面效果，疏于考慮現(xiàn)狀特征，往往采用一刀切的方式。事實(shí)上，基地的微環(huán)境是塑造具有特色的綠地景觀的關(guān)鍵要素。

（3）綠地功能單一、缺少聯(lián)系。往往規(guī)定的一塊綠地只有一種功能類型，缺少其他功能的加入。不同功能綠地之間往往被道路、建筑、圍墻等分隔，使得不同綠地之間缺少通道、聯(lián)系不便。

（4）過(guò)于強(qiáng)調(diào)綠地邊界。在所有的用地中綠地的邊界最模糊，因?yàn)樗哂凶罡叩臐B透度，與所有的用地都高度兼容。過(guò)于強(qiáng)調(diào)綠地邊界的結(jié)果就是反而讓綠地外的用地開(kāi)發(fā)商思考如何侵入綠地，綠地所有者永遠(yuǎn)進(jìn)行著邊界保衛(wèi)戰(zhàn)。

（5）規(guī)劃落后。綠地分類在以往進(jìn)行了幾次修訂，如今，城市用地分類標(biāo)準(zhǔn)將廣場(chǎng)被納入綠地類型之一，但規(guī)劃設(shè)計(jì)人員對(duì)變動(dòng)的意義了解不夠，應(yīng)用時(shí)也僅僅是將S2換成G3。

5、T型綠地布局模式構(gòu)想

T型綠地布局事實(shí)上是在傳統(tǒng)帶型綠地與楔形綠地模式上的改進(jìn)，是將兩者進(jìn)行融合并關(guān)聯(lián)形成的一個(gè)整體，筆者稱為綠T模式。

以基本的T型綠地單元，可以通過(guò)四種方式進(jìn)行組合。其中十字、工字形模式是我們通常所能見(jiàn)到的現(xiàn)代化城市的棋盤狀網(wǎng)格型綠地系統(tǒng)的基本單元。這種模式的特征就是所有綠地的聯(lián)系較直接，多以貫穿式劃分地塊，形成的綠地系統(tǒng)具有明顯的人工痕跡。

表2 綠T模式基本組合形態(tài)

基本單元 基本組合模式

十字形傳統(tǒng)組合 工字形傳統(tǒng)組合 T型組合一 T型組合二 T型組合三

在基本組合的基礎(chǔ)上，將多個(gè)單元再次組合，就會(huì)形成大綠T模式，可以適用于組團(tuán)、城市、區(qū)域等不同尺度的城市空間。可見(jiàn)這樣組合形成的城市的綠地系統(tǒng)具有很強(qiáng)的有機(jī)形態(tài)，與樹(shù)形結(jié)構(gòu)非常相似。

T型綠地相比傳統(tǒng)綠地系統(tǒng)規(guī)劃有如下幾點(diǎn)改進(jìn)。

（1）更為有機(jī)的結(jié)構(gòu)。T型模式結(jié)構(gòu)體現(xiàn)的是一種更加有機(jī)的生長(zhǎng)方式。只要需求，綠地就存在。這樣的結(jié)構(gòu)亦具有傳統(tǒng)綠地規(guī)劃“點(diǎn)線面”結(jié)合的層次。

（2）更靈活的布局方式。一定意義上，T型綠地打破了傳統(tǒng)綠地以貫穿性、包圍性、切蛋糕等較為粗放的麥當(dāng)勞式的布局方式，提倡建立在需求層次之上的綠地安排，注重基地的微環(huán)境，因此具有更加靈活的布局方式。

（3）更具趣味性的城市空間。T型模式布局，增加了更多異型的不規(guī)則的城市空間，也充分保留了城市的水體、山體等自然景觀，維持城市肌理。城市將更加充滿趣味性，更加有特色。

（4）更具有實(shí)效性。由于T型模式遵循城市有機(jī)生長(zhǎng)原理，盡量不改變城市自然環(huán)境，保留城市河流、山體及局部的微地形等。同時(shí)由于保存了城市文化環(huán)境，因此實(shí)施中易于為人們接受。

6、荊北新區(qū)概念規(guī)劃設(shè)計(jì)實(shí)踐

項(xiàng)目位于湖北省荊州城市中心區(qū)邊緣，荊州古城北部，具有良好的區(qū)位優(yōu)勢(shì)、交通優(yōu)勢(shì)、人文及生態(tài)資源優(yōu)勢(shì)。項(xiàng)目定位為打造成集商業(yè)、教育醫(yī)療服務(wù)、文化娛樂(lè)、休閑體育等功能于一體，配套設(shè)施一流的綜合性居住社區(qū)。其現(xiàn)狀主要存在的問(wèn)題之一就是如何利用T型綠地，提高項(xiàng)目品質(zhì)。

規(guī)劃中利用T型生態(tài)綠地基底，將綠地引入各個(gè)地塊內(nèi)部，并在公共綠地中配套相應(yīng)的設(shè)施，實(shí)現(xiàn)景觀、休閑、健身、交流及服務(wù)多種功能為一體的活力“綠T”空間。這種模式城市生態(tài)綠地與社區(qū)公共綠地融為一體，實(shí)現(xiàn)了城市公共空間與社區(qū)半公共空間的有機(jī)過(guò)渡。

在這種綠T模式下，我們確定了“T型綠構(gòu)、帶狀延伸、核心引領(lǐng)、群組輝映”的規(guī)劃結(jié)構(gòu)，從而為方案的完成奠定了基礎(chǔ)。

7、總結(jié)

T型綠地模式是對(duì)傳統(tǒng)線型綠地空間及楔形空間的改進(jìn)，加強(qiáng)了兩者的聯(lián)系，更加體現(xiàn)人性化設(shè)計(jì)與有機(jī)生長(zhǎng)方式。對(duì)于打造景觀特色鮮明的生態(tài)城市具有很大的意義。對(duì)解決城市更新改造中的綠地系統(tǒng)的問(wèn)題有著十分有效的作用。

參考文獻(xiàn)

林仲煜，胡紋，金偉，等.中國(guó)可持續(xù)城市形態(tài)構(gòu)建研究[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)社會(huì)科學(xué)版，2006，12(4):18-22.

沈玉麟編.外國(guó)城市建設(shè)史[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1989.

楊濱章.哥本哈根“手指規(guī)劃”產(chǎn)生的背景與內(nèi)容[J].城市規(guī)劃，2009，33(8):52-58.

王佐.有機(jī)生長(zhǎng)理論及思考—從有機(jī)生長(zhǎng)理論到可持續(xù)發(fā)展理論[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版，1997，12(2):75-80.

第6篇

論文關(guān)鍵詞：南京地鐵，可靠性，模塊化，修程優(yōu)化

 

0 引言

目前，南京地鐵設(shè)備維修模式同國(guó)內(nèi)大多同行類似，均依照大鐵路的維修經(jīng)驗(yàn)對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期的預(yù)防性維修和“事后維修”，定期預(yù)防修如三月檢、定修，維修作業(yè)內(nèi)容復(fù)繁雜，特別是對(duì)地鐵關(guān)鍵設(shè)備，維修內(nèi)容冗余程度較大，且存在著維修針對(duì)性不強(qiáng)，維修效益不高甚至造成破壞性維修，導(dǎo)致設(shè)備維護(hù)成本高、可靠性不足等情況。因此，有必要對(duì)南京地鐵關(guān)鍵設(shè)備維修規(guī)程進(jìn)行優(yōu)化研究。

1 可靠性維修優(yōu)化理論

1.1 RCM分析法

以可靠性為中心的維修(RCM：ReliabilityCentered Maintenance.)是用于確定設(shè)備在其運(yùn)行環(huán)境下維修需求的方法[1]，其核心思想是通過(guò)對(duì)設(shè)備進(jìn)行功能與故障分析,明確設(shè)備各故障的后果，用規(guī)范化的邏輯決斷方法，確定各故障的預(yù)防性維修對(duì)策。在實(shí)施RCM維修優(yōu)化分析時(shí)，基本流程可按照以下的七步作業(yè)法進(jìn)行，如圖1所示。

圖1 實(shí)施RCM的七步作業(yè)法

1.2 修程模塊化

模塊化設(shè)計(jì)是近幾年比較流行的設(shè)計(jì)方法之一。模塊化大約是20 世紀(jì)中期發(fā)展起來(lái)的一種標(biāo)準(zhǔn)化形式，維修模塊化設(shè)計(jì)是處理復(fù)雜維修系統(tǒng)的一種直觀簡(jiǎn)化方法[2]，以模塊為基礎(chǔ)，將各個(gè)維修內(nèi)容所需要的維修工器具、備品備件材料、維修作業(yè)人力資源以及相關(guān)制度規(guī)范等包絡(luò)在各個(gè)修程模塊中模塊化，，形成較小的維修模塊以便于保證作業(yè)的靈活性和管理控制有效性，通過(guò)維修模塊的分工合作，實(shí)現(xiàn)高效保質(zhì)維修操作。

在確定關(guān)鍵設(shè)備維修模塊時(shí)，可以設(shè)備維修部件為單元模塊進(jìn)行劃分。考慮到不同維修模塊之間有著多種聯(lián)系和約束的，因此，需要通過(guò)數(shù)據(jù)收集與集中調(diào)研，確定相應(yīng)的維修維修模塊信息，包括：模塊編號(hào)、作業(yè)內(nèi)容、相應(yīng)維修作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、模塊作業(yè)所需人員數(shù)量、人員應(yīng)具備技能、必備工器具名稱及其數(shù)量、消耗維修備件名稱和數(shù)量、作業(yè)所需時(shí)間、特殊維修條件要求、作業(yè)流程順序要求、模塊維修風(fēng)險(xiǎn)程度及其維修周期要求等，如下表1、2所示。只有充分掌握各個(gè)模塊的基本信息，才能更好的為維修模塊優(yōu)化奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

表1 維修模塊基本信息

表2 維修模塊故障數(shù)據(jù)信息

2 基于可靠性的維修優(yōu)化技術(shù)

結(jié)合以上所述的RCM可靠性分析方法及模塊化理論，設(shè)計(jì)基于可靠性的地鐵關(guān)鍵設(shè)備維修修程優(yōu)化方法，具體實(shí)施步驟如下：

首先，對(duì)關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行分析，確定實(shí)際維修需求，指導(dǎo)維修修程的更新，這是維修模塊化設(shè)計(jì)的前提，模塊化首先要保證模塊所覆蓋的維修內(nèi)容是全面的合理的，因此，需要借助科學(xué)的手段更新現(xiàn)有的維修修程。在本文中，依托上述的RCM可靠性分析法，對(duì)地鐵的關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行分析，確定相應(yīng)的實(shí)際維修需求更新原有維修內(nèi)容。

其次，劃分維修模塊，模塊的劃分可以大到整個(gè)設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)，也可以小到螺帽電容等更換，模塊范圍定義得大了起不到模塊化應(yīng)有的作用，而劃分得越細(xì)，維修管理的模塊也越多，管理起來(lái)也越繁瑣，因此，需要找到合理的模塊界定范圍，劃分出合理的維修模塊。

第三，調(diào)查收集模塊附屬信息，包括模塊名稱，模塊內(nèi)容，相應(yīng)維修作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，模塊作業(yè)所需人員數(shù)量，人員應(yīng)具備技能模塊化，必備工器具名稱及其數(shù)量，消耗維修備件名稱和數(shù)量，作業(yè)所需時(shí)間，特殊維修條件要求，模塊維修風(fēng)險(xiǎn)程度，模塊維修方式及其維修周期要求等。對(duì)于不能明確的模塊，需要根據(jù)需要進(jìn)行跟蹤調(diào)查。

第四，模塊化維修修程重組優(yōu)化，在由可靠性分析確定各個(gè)維修模塊最佳維修周期基礎(chǔ)上，以追求模塊化維修效益最高、可靠性最大為目標(biāo)，優(yōu)化重組關(guān)鍵設(shè)備的維修模塊，包括維修模塊的組合以及維修時(shí)機(jī)等。

第五，積累各個(gè)維修模塊相關(guān)歷史故障數(shù)據(jù)，為閉環(huán)反饋和持續(xù)進(jìn)行可靠性維修修程優(yōu)化做好數(shù)據(jù)支持。

3 結(jié)論

通過(guò)RCM分析，剔除不增值的冗余維修環(huán)節(jié)，更新維修作業(yè)內(nèi)容，不僅使設(shè)備維修更具有針對(duì)性，也保障設(shè)備可靠性，在RCM可靠性分析基礎(chǔ)上進(jìn)行模塊化維修修程優(yōu)化，使得在保障關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)可靠的前提下實(shí)現(xiàn)維修管理與維修質(zhì)量的最佳平衡，進(jìn)一步提升設(shè)備維修價(jià)值。對(duì)實(shí)現(xiàn)維修可靠性、經(jīng)濟(jì)性的維修大綱優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

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[2]陸良，楊殿閣，顧錚珉等.采用模塊化思想的汽車電器智能化設(shè)計(jì)方法[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2010, 44(5):111-115.

第7篇

 

近年來(lái)，隨著我國(guó)高等教育的不斷發(fā)展，高校連續(xù)多年擴(kuò)招，每年大學(xué)畢業(yè)生數(shù)量連創(chuàng)新高。同時(shí)，由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和經(jīng)濟(jì)的變化性導(dǎo)致了高校所開(kāi)設(shè)的專業(yè)與社會(huì)對(duì)人才的需求不完全匹配，給廣大的大學(xué)畢業(yè)生造成了十分嚴(yán)峻的就業(yè)壓力。因此，在目前國(guó)家宏觀經(jīng)濟(jì)下行壓力較大，大學(xué)畢業(yè)生就業(yè)形勢(shì)不太理想的情況下，應(yīng)當(dāng)未雨綢繆，想企業(yè)之所想，急企業(yè)之所急，在充分了解社會(huì)對(duì)應(yīng)用型人才需求的前提下，充分挖掘?qū)W校在人才培養(yǎng)方面的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)改革行政管理專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)設(shè)置，以加強(qiáng)學(xué)生就業(yè)質(zhì)量為導(dǎo)向，構(gòu)建培養(yǎng)實(shí)踐性、應(yīng)用型的行政管理專業(yè)背景的理論基礎(chǔ)與實(shí)踐能力并重的人才培養(yǎng)模式。

 

一、高校行政管理專業(yè)畢業(yè)生就業(yè)環(huán)境變化

 

行政管理專業(yè)自20世紀(jì)80年代在我國(guó)高校中恢復(fù)專業(yè)設(shè)置以來(lái)，其發(fā)展勢(shì)頭如雨后春筍，并逐步確立了本科-碩士-博士的三級(jí)學(xué)位培養(yǎng)體系，在公共管理專業(yè)學(xué)位教育、公務(wù)員在職培訓(xùn)教育方面發(fā)揮了十分重要的作用，為黨政機(jī)關(guān)、企事業(yè)單位培養(yǎng)了眾多的高級(jí)行政管理人才。然而，近年來(lái)，隨著我國(guó)社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制的逐步確立，大學(xué)生自主擇業(yè)機(jī)制的進(jìn)一步完善，高校行政管理專業(yè)畢業(yè)生就業(yè)形勢(shì)越來(lái)越嚴(yán)峻，尤其是自1999年高校擴(kuò)招以來(lái)，行政管理專業(yè)畢業(yè)的大學(xué)生就業(yè)問(wèn)題矛盾日益突出。從近年來(lái)高校行政管理專業(yè)畢業(yè)大學(xué)生就業(yè)流向來(lái)看，當(dāng)前該專業(yè)大學(xué)畢業(yè)生的就業(yè)環(huán)境已經(jīng)發(fā)生變化。具體來(lái)說(shuō)主要表現(xiàn)在以下2個(gè)方面：

 

(一)行政管理專業(yè)畢業(yè)生入職對(duì)口公共部門難度加大

 

高校行政管理專業(yè)培養(yǎng)以培養(yǎng)公共行政管理人才為主要目標(biāo)，畢業(yè)生對(duì)口就業(yè)單位一般為黨政機(jī)關(guān)、國(guó)有企事業(yè)單位以及社會(huì)團(tuán)體等公共部門。然而，隨著開(kāi)設(shè)行政管理專業(yè)的學(xué)校數(shù)量不斷增多，我國(guó)公務(wù)員考錄制度的不斷完善，加上高等教育制度改革不斷推進(jìn)，高校擴(kuò)招，行政管理專業(yè)畢業(yè)人數(shù)激增，入職對(duì)口公共部門難度越來(lái)越大。比如在2012年國(guó)家公務(wù)員考試招考的中央機(jī)關(guān)及其直屬機(jī)構(gòu)共130余單位，計(jì)劃招考人數(shù)1.8萬(wàn)多人，而要求行政管理專業(yè)的僅有200余崗位，僅占1.1%，且這類崗位其他專業(yè)如社會(huì)學(xué)、人力資源管理等專業(yè)也可報(bào)考。

 

(二)企業(yè)發(fā)展對(duì)行政管理專業(yè)畢業(yè)生需求不斷增加

 

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，中小微等私營(yíng)企業(yè)發(fā)展受到國(guó)家高度重視，企業(yè)發(fā)展環(huán)境得益改善，促進(jìn)了私營(yíng)企業(yè)的發(fā)展壯大。企業(yè)的發(fā)展壯大需要以管理人才作為支撐，一方面，從企業(yè)管理的現(xiàn)實(shí)來(lái)看，任何組織，無(wú)論是政府、國(guó)有企事業(yè)單位，還是社會(huì)團(tuán)體、私營(yíng)企業(yè)，其內(nèi)部組織機(jī)構(gòu)中常見(jiàn)的如辦公室、行政部、綜合處等機(jī)構(gòu)都會(huì)或多或少涉及大量的行政事務(wù)的處理。

 

(三)高校培養(yǎng)行政管理專業(yè)人才素質(zhì)與社會(huì)對(duì)該專業(yè)人才要求匹配度不高

 

一方面是黨政機(jī)關(guān)、國(guó)有企事業(yè)單位等傳統(tǒng)用人單位對(duì)行政管理專業(yè)畢業(yè)生需求銳減，一方面是廣大私營(yíng)企業(yè)對(duì)該專業(yè)畢業(yè)生大量需求。而從企業(yè)反饋的行政管理專業(yè)人才素質(zhì)上看，高校培養(yǎng)的行政管理專業(yè)人才還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到企業(yè)的用人標(biāo)準(zhǔn)。從當(dāng)前高校對(duì)行政管理專業(yè)設(shè)置的培養(yǎng)目標(biāo)及安排的主要課程上看，高校依然不能意識(shí)到社會(huì)對(duì)事件型人才的渴求，而是依然把政治學(xué)、行政學(xué)、法學(xué)及管理學(xué)等理論教學(xué)放在首位，培養(yǎng)出來(lái)的是熟悉黨政方面的方針、政策法規(guī)，能夠從事的是黨政機(jī)關(guān)行政管理的基本能力。

 

二、行政管理專業(yè)人才培養(yǎng)模式優(yōu)化方向

 

(一)與時(shí)俱進(jìn)，根據(jù)市場(chǎng)需求適時(shí)調(diào)整專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)

 

當(dāng)前，行政管理專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)主要以為黨政機(jī)關(guān)培養(yǎng)從事公共事務(wù)管理的專門人才。這樣的目標(biāo)設(shè)定，一方面是較為模糊的，管理人員需要的不僅是技術(shù)技能，而且應(yīng)當(dāng)具備較高實(shí)踐操作管理能力。一方面該目標(biāo)的設(shè)定僅限制為為黨政機(jī)關(guān)培養(yǎng)，已經(jīng)脫離了當(dāng)前社會(huì)對(duì)行政管理人才需求的實(shí)際。因而，行政管理專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)應(yīng)當(dāng)結(jié)合當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展現(xiàn)狀和市場(chǎng)對(duì)人才需求的反饋，進(jìn)一步細(xì)化，并把企業(yè)作為該專業(yè)人才培養(yǎng)的主要對(duì)象，強(qiáng)化培養(yǎng)人才的科學(xué)思維，具備對(duì)企業(yè)和政府互動(dòng)關(guān)系有充分的協(xié)調(diào)、處理能力的人才。

 

(二)調(diào)整課程設(shè)置，提升學(xué)生專業(yè)素質(zhì)能力

 

對(duì)行政管理專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的設(shè)置，需要建立在該專業(yè)課程調(diào)整的基礎(chǔ)上，可以把該專業(yè)理論學(xué)習(xí)的內(nèi)容設(shè)置為兩大塊，包括政府行政管理模塊和企業(yè)行政管理模塊，教學(xué)上偏重于企業(yè)行政管理的相關(guān)知識(shí)，如增加《政府經(jīng)濟(jì)學(xué)》、《政府營(yíng)銷學(xué)》、《政府失靈與市場(chǎng)失靈》、《公共投資學(xué)》等與企業(yè)經(jīng)營(yíng)有著一定聯(lián)系的課程;在企業(yè)行政管理課程中，則可以設(shè)置一些如《人力資源管理》、《組織行為學(xué)》、《辦公自動(dòng)化》、《公文寫作》、《公共關(guān)系學(xué)》等課程，有機(jī)地將政府和企業(yè)的管理理論課程進(jìn)行結(jié)合，從而加強(qiáng)學(xué)生在政府和企業(yè)管理的有效融匯貫通。

 

(三)加強(qiáng)校地合作，培養(yǎng)實(shí)踐性應(yīng)用型人才

 

高校教育的最終目的是為社會(huì)提供高素質(zhì)的應(yīng)用型人才，人才的培養(yǎng)不僅需要學(xué)校的努力，同時(shí)也需要社會(huì)的支持，特別是地方政府、企事業(yè)單位的大量支持。一方面，除了需要地方政府在辦學(xué)經(jīng)費(fèi)、優(yōu)惠政策、人才引進(jìn)、就業(yè)安置及高校實(shí)習(xí)基地建設(shè)等方面給以支持外，還需要地方企業(yè)為學(xué)校人才培養(yǎng)提供相應(yīng)的支持，如加強(qiáng)校企的溝通互動(dòng)，企業(yè)提出人才培養(yǎng)的需求，學(xué)校根據(jù)企業(yè)的需要調(diào)整人才培養(yǎng)的方向，并利用企業(yè)實(shí)踐優(yōu)勢(shì)，建立實(shí)習(xí)基地，以企業(yè)管理為標(biāo)本，建立校企人才培養(yǎng)實(shí)習(xí)進(jìn)出路徑，培養(yǎng)實(shí)踐性的應(yīng)用型人才。

第8篇

關(guān)鍵詞：ANSYS參數(shù)化語(yǔ)言 APDL 鋼結(jié)構(gòu) 優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TU3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1.引言

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論已有近四十年的發(fā)展歷史,目前在一些重要的結(jié)構(gòu)(如飛機(jī)結(jié)構(gòu))上已經(jīng)得到了應(yīng)用,這也引起了土木和建筑工程界人士的廣泛關(guān)注,尋求建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論、方法一直在緊張有序的進(jìn)行當(dāng)中。由于傳統(tǒng)的優(yōu)化方法,例如準(zhǔn)則法、數(shù)學(xué)規(guī)劃法以及兩者的結(jié)合(即所謂的混合法)等靜態(tài)優(yōu)化方法都是基于代數(shù)方程模型的;最優(yōu)控制理論中的動(dòng)態(tài)規(guī)劃優(yōu)化方法是基于微分方程或差分方程模型的。而這些傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的描述能力和求解方法有相當(dāng)?shù)木窒扌?使得最優(yōu)化理論和方法在實(shí)際應(yīng)用中受到了很大的限制,存在著局部最優(yōu)解、維數(shù)災(zāi)難、不確定性等問(wèn)題,這些困難需要尋求新的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,才能得到最終解決。

隨著有限元理論的迅猛發(fā)展和日趨成熟,特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用,基于ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言APDL的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)越來(lái)越體現(xiàn)出它強(qiáng)大的生命力,這無(wú)疑給建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)注入了新的活力。

ANSYS是一種運(yùn)用廣泛的通用有限元分析軟件,其有限元分析過(guò)程主要包括:建立分析模型并施加邊界條件、求解計(jì)算和結(jié)果分析3個(gè)步驟。對(duì)于某一有限元模型來(lái)說(shuō),當(dāng)分析結(jié)果表明需要修改設(shè)計(jì)時(shí),就必須修改有限元模型的幾何尺寸或改變載荷狀況,建立新的有限元模型,然后再重復(fù)以上分析過(guò)程。這種/設(shè)計(jì))分析)修改設(shè)計(jì))再分析)再修改0的過(guò)程,在有限元分析中存在著大量的重復(fù)性工作,將直接影響設(shè)計(jì)的效率。而運(yùn)用ANSYS提供的參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言(APDL),通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的調(diào)整,則可以自動(dòng)完成上述循環(huán)功能,進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),從而大大減少修改模型和重新分析所花的時(shí)間。

2.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本理論

2.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)概念

假定分析搜索最優(yōu)設(shè)計(jì)一般被歸納為結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析過(guò)程的流程。而這其中優(yōu)化分析的核心部分為搜索過(guò)程。在包括滿足各種給定條件的前提下，是否達(dá)到最優(yōu)是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)最先對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行的判斷。如果沒(méi)能達(dá)到，但又為了使得預(yù)定的最優(yōu)指標(biāo)能逐步達(dá)到，就需要遵循某一設(shè)定的規(guī)則進(jìn)行修改。而以數(shù)學(xué)規(guī)劃為基礎(chǔ)，進(jìn)行數(shù)學(xué)模型建立，并對(duì)計(jì)算方法進(jìn)行選擇，使得工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問(wèn)題，然后在多種可行性設(shè)計(jì)中運(yùn)用計(jì)算機(jī)選擇出相對(duì)屬于最優(yōu)設(shè)計(jì)的方案，這也正是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。

2.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型

設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要要素：。其數(shù)學(xué)模型的一般表達(dá)式為

求設(shè)計(jì)變量

使目標(biāo)函數(shù)

滿足約束條件

3.基于APDL的鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1APDL語(yǔ)言簡(jiǎn)介和使用

APDL是指ANSYS 參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言，是使得某些功能或建模可以自動(dòng)完成的腳本語(yǔ)言之一。它提供如參數(shù)、宏、標(biāo)量、向量及矩陣運(yùn)算、分支、循環(huán)、重復(fù)以及訪問(wèn)ANSYS 有限元數(shù)據(jù)庫(kù)等一般程序語(yǔ)言的功能，同時(shí)其可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)交互輸入、消息機(jī)制、界面驅(qū)動(dòng)和運(yùn)行應(yīng)用程序等，因此它也提供簡(jiǎn)單界面定制功能。為了擴(kuò)展了傳統(tǒng)有限元分析范圍以外的能力，它可以根據(jù)指定的函數(shù)、變量設(shè)定程序的輸入，同時(shí)選它使用戶對(duì)任何設(shè)計(jì)和分析屬性有控制權(quán)，也就是說(shuō)其為了為用戶提供了自動(dòng)完成繁瑣循環(huán)的功能而運(yùn)用了建立智能分析的手段，從而為優(yōu)化設(shè)計(jì)運(yùn)行繁瑣的迭代提供了可能和高效率，具體為參數(shù)、函數(shù)、分支與循環(huán)、重復(fù)、宏等功能。

3.2優(yōu)化基本原理

優(yōu)化方法采用復(fù)形法。復(fù)形法優(yōu)化是一個(gè)運(yùn)用較多且較為成熟的非線性數(shù)學(xué)規(guī)劃方法，其基本思路來(lái)源于無(wú)約束優(yōu)化算法的單純形法。而無(wú)約束優(yōu)化算法的單純形法就是復(fù)合形法的基本思路的來(lái)源。

3.3優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

為了將有限元法與優(yōu)化方法結(jié)合起來(lái)，可以采用基于APDL語(yǔ)言的ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊（OPT）來(lái)實(shí)現(xiàn)。基本流程圖如圖1所示。

圖1ANSYS軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)程序流程圖

3.4APDL優(yōu)化程序關(guān)鍵技術(shù)

首先建立鋼框架結(jié)構(gòu)參數(shù)化有限模型。參數(shù)是指APDL中的變量與數(shù)組。參數(shù)化模型的建立，便于模型的修改，也便于設(shè)置優(yōu)化設(shè)計(jì)變量。

其次建立鋼框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。下面是部分優(yōu)化命令：

/POST1！進(jìn)入后處理器

*GET,V,SSUM,,ITEM,EVOL！提取結(jié)構(gòu)體積，賦予參數(shù)V

……

/OPT！進(jìn)入優(yōu)化設(shè)計(jì)器

OPANL,1.LGW!指定分析文件

OPVAR,W1,DV,.1,.4!定義設(shè)計(jì)變量

OPVAR,TW1,DV,0.005,0.02

OPVAR,TY1,DV,0.005,0.02

……

OPVAR,MS1,SV,0,225750!定義狀態(tài)變量

OPVAR,SS1,SV,0,125000

……

OPVAR,V,OBJ,,,.01!定義目標(biāo)函數(shù)

OPKEEP,ON!要求保留最優(yōu)設(shè)計(jì)序列時(shí)的數(shù)據(jù)庫(kù)和結(jié)果文件

OPTYPE,SUBP!使用零階方法

OPFRST,40!最大40次迭代

OPEXE!運(yùn)行優(yōu)化

4.優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例分析

本文以單跨單層鋼框架結(jié)構(gòu)廠房為例，跨度為 12m，層高為4.5m，框架梁、柱均采用焊接H 型鋼截面且翼緣采用焰切邊，材質(zhì)均為Q235 鋼。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，取恒荷載為0.5kN/m2，活荷載為2.0kN/m2。通過(guò)APDL 優(yōu)化程序，得出用鋼量約為18.2kg/m2。優(yōu)化前后的結(jié)果對(duì)比分析見(jiàn)表1。

表1 優(yōu)化前后結(jié)果分析

5.結(jié)語(yǔ)

本文首先論述了進(jìn)行鋼框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究的意義，介紹了優(yōu)化算法（復(fù)形法）和ANSYS 中的APDL語(yǔ)言。并通過(guò)與實(shí)際工程相結(jié)合，并分別采用復(fù)形法和有限元軟件ANSYS優(yōu)化模塊，同時(shí)以最低化用為優(yōu)化的目的，使一平面鋼結(jié)構(gòu)的梁柱截面尺寸得到優(yōu)化并進(jìn)行相應(yīng)的分析。通過(guò)理論分析與結(jié)果的分析比較，證實(shí)了該優(yōu)化方法是可行的，不僅能明顯降低工程造價(jià)，促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)的普及和推廣。而由設(shè)計(jì)實(shí)例可知，基于ANSYS 的二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言APDL 語(yǔ)言建立的鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊操作方便，優(yōu)化程序可自定義優(yōu)化過(guò)程和控制性變量，適應(yīng)了不同的結(jié)構(gòu)類型和荷載組合，具有很強(qiáng)的靈活性。本文的優(yōu)化設(shè)計(jì)思想，可以推廣到其它結(jié)構(gòu)形式，可對(duì)其它類型結(jié)構(gòu)優(yōu)化起到借鑒作用。

參考文獻(xiàn)：

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第9篇

關(guān)鍵詞：模擬集成電路；基于方程的優(yōu)化方法；基于仿真的優(yōu)化方法；誤差增量模型

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）05-0-02

0 引 言

模擬集成電路設(shè)計(jì)通常分為三個(gè)步驟[1-3]：首先根據(jù)電路性能要求選擇合適的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后設(shè)計(jì)電路參數(shù)，最后設(shè)計(jì)版圖并驗(yàn)證。而最為重要的是前兩步。在選好一個(gè)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后，如何完成電路的參數(shù)設(shè)計(jì)，即根據(jù)預(yù)期的電路性能參數(shù)來(lái)確定電路中器件尺寸、電阻、電容等參數(shù)的取值非常重要。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法首先根據(jù)電路設(shè)計(jì)指標(biāo)列出方程，從方程中計(jì)算尺寸并進(jìn)行仿真。如果所得結(jié)果不符合要求，則需更改方程得到新的器件尺寸繼續(xù)調(diào)試，不斷重復(fù)直至符合電路要求。這一過(guò)程繁瑣、冗長(zhǎng)且難以保證結(jié)果，是模擬電路設(shè)計(jì)效率難以提高的主要原因。

目前，電路領(lǐng)域提高電路設(shè)計(jì)效率的方法主要是基于優(yōu)化的方法。基于優(yōu)化的方法是將電路性能指標(biāo)作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，利用函數(shù)優(yōu)化的方法來(lái)完成電路設(shè)計(jì)。一般優(yōu)化設(shè)計(jì)方法有兩種，即基于方程的優(yōu)化和基于仿真的優(yōu)化。基于方程的優(yōu)化中目標(biāo)函數(shù)由解析公式計(jì)算而得，雖然優(yōu)化速度快但精度低。基于仿真的優(yōu)化中目標(biāo)函數(shù)通過(guò)電路仿真獲得，雖然精度高，但計(jì)算量大，優(yōu)化速度慢。

如何獲得精度與基于仿真方法相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確解，又使計(jì)算量不致過(guò)大，是近年來(lái)電路優(yōu)化研究領(lǐng)域備受關(guān)注的課題。人們雖采用多種方法嘗試，但最常見(jiàn)的是先構(gòu)造電路性能指標(biāo)的宏模型，再進(jìn)行優(yōu)化。宏模型的計(jì)算相當(dāng)于一個(gè)解析式的計(jì)算，因此可較快完成，只要宏模型構(gòu)造得當(dāng)，精度可達(dá)到與仿真接近的程度。需要研究的主要問(wèn)題是宏模型的形式，如簡(jiǎn)單多項(xiàng)式、統(tǒng)計(jì)回歸、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊邏輯、SVM等，及宏模型的構(gòu)造算法。

本文采取的方法是一種基于方程與誤差增量模型的混合優(yōu)化方法，可大幅減少仿真器的調(diào)用次數(shù)，降低計(jì)算成本，同時(shí)又具備與基于仿真方法幾乎相同的精度。方法的主要思想是以基于方程的優(yōu)化結(jié)果作為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)構(gòu)造電路性能準(zhǔn)確值與解析近似之間的差值增量模型，求解一系列誤差不斷減小的近似優(yōu)化問(wèn)題，通過(guò)迭代逐步獲得問(wèn)題的準(zhǔn)確解；每一次迭代在上一次優(yōu)化解附近構(gòu)造新的差值增量模型再調(diào)用優(yōu)化算法，相當(dāng)于采用基于方程的方法求解，因此速度很快；電路仿真只在構(gòu)建誤差增量模型時(shí)需要，而一次迭代解附近的誤差增量模型一般用二次多項(xiàng)式近似即可，因此所需仿真次數(shù)不多。整體上可達(dá)到既減少仿真次數(shù)，又不影響精度的目的。我們稱這種方法為基于誤差增量模型的優(yōu)化方法。

1 基于誤差增量模型的優(yōu)化

電路性能指標(biāo)的解析表達(dá)雖然存在誤差，但大致反映了性能隨設(shè)計(jì)變量的變化情況。將其準(zhǔn)確值表達(dá)為：

f（x）=fa（x）+fd（x） （1）

其中，fa（x）是性能的近似解析表達(dá)，fd（x）=f（x）-fa（x）是誤差增量。基于這一表達(dá)，本文提出的基于方程與基于仿真的混合優(yōu)化方法如下：

（1）用基于方程的方法進(jìn)行一次初始優(yōu)化，即求解：

（2）

獲得一個(gè)近似最優(yōu)解x0作為初始點(diǎn)；

（2）在點(diǎn)xk附近構(gòu)造電路性能準(zhǔn)確值與解析近似之間的誤差增量模型，包括目標(biāo)函數(shù)：

（3）

與約束函數(shù)：

（4）

由于只需在一點(diǎn)附近的增量誤差近似，因此通常用二次插值即可構(gòu)造這一模型[4]。

（3）求出如下題的最優(yōu)解：

（5）

這一步的優(yōu)化目標(biāo)與約束函數(shù)均是解析計(jì)算，因此可以很快完成。

（4）重復(fù)步驟（2）、（3），直至該過(guò)程收斂。

這種混合優(yōu)化方法的基本思想從基于方程的近似最優(yōu)解出發(fā)，通過(guò)迭代逐步消除誤差，與一般非線性問(wèn)題的迭代求解類似。該方法的特點(diǎn)在于充分利用了電路的性能解析表達(dá)式。解析表達(dá)雖有誤差，但包含了目標(biāo)與約束函數(shù)的基本特性，反映了函數(shù)變化的總體趨勢(shì)，降低了每次迭代時(shí)誤差增量函數(shù)的復(fù)雜性，可用較簡(jiǎn)單的函數(shù)形式近似，也有利于設(shè)計(jì)者更好地理解優(yōu)化過(guò)程。該方法既改善了電路性能解析表達(dá)式精度不高的問(wèn)題，又可大幅減少仿真器調(diào)用次數(shù)，提高優(yōu)化效率。

2 兩級(jí)運(yùn)放設(shè)計(jì)實(shí)例

以一個(gè)帶米勒補(bǔ)償?shù)膬杉?jí)運(yùn)放為例，說(shuō)明利用該方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程。電路采用TSMC 0.35 μm工藝，其中CL=3 pF，VDD=2.5 V，VSS=-2.5 V，電路要求的性能指標(biāo)見(jiàn)表3所列，考慮到的性能指標(biāo)有功耗（Power），單位增益（Av），單位增益帶寬（UGB），擺率（SR）以及相位裕度（PM）。CMOS兩級(jí)運(yùn)算放大器電路如圖1所示。兩級(jí)運(yùn)放性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

圖1 CMOS兩級(jí)運(yùn)算放大器電路

表1 兩級(jí)運(yùn)放性能指標(biāo)

性能

指標(biāo) Av PM UGB Power SR Area

設(shè)計(jì)

要求 >70 dB >65° >10 MHz 10 V/μs

對(duì)該電路，性能的近似表達(dá)式為[5-8]：

SR=I5/Cc

Power=（VDD-VSS）?（I5+I7+IBias）

AV=gM1?gM6/（（gds1+gds3）?（gds6+gds7）） （6）

Area=2?W1?L1+2?W3?L3+W5?L5+W6?L6+W7?L7+W8?L8

UGB=ωc/2π

PM=180°-tan-1（ωc/p1）-tan-1（ωc/p2）-tan-1（ωc/z1）

f3db=p1/2π

Ω玫緶方行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用Matlab工具箱中的約束優(yōu)化工具fmincon，將功耗作為目標(biāo)函數(shù)，表1中的其他性能指標(biāo)作為約束條件，做基于方程的優(yōu)化。為保證電路正常工作，需要對(duì)電路中的晶體管添加約束。對(duì)于NMOS管，有：

Vds≥Vgs-VT>0 （7）

對(duì)于PMOS管：

-Vds>VT-Vgs>0 （8）

除此之外晶體管需滿足工藝庫(kù)對(duì)器件尺寸的要求：

Wi≥1 μm， i=1，2，…，8

Wi≤195 μm， i=1，2，…，8

之后，利用誤差增量模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并以一次基于仿真的優(yōu)化設(shè)計(jì)作為比較。基于方程的優(yōu)化設(shè)計(jì)見(jiàn)表2所列，方程和誤差增量模型的混合優(yōu)化設(shè)計(jì)見(jiàn)表3所列，基于仿真的優(yōu)化設(shè)計(jì)見(jiàn)表4所列。

表2 基于方程的優(yōu)化設(shè)計(jì)

電路性能 參數(shù) 器件尺寸 參數(shù)（μm）

UGB 9.66 MHz W1 2.94

Power 0.40 mW W3 5.30

PM 63.32° W5 5.52

Av 72.58 dB W6 66.79

SR 10.00 V/μs W7 46.59

Area 146.40 μm2 W8 6.06

表3 方程和誤差增量模型的混合優(yōu)化設(shè)計(jì)

電路性能 參數(shù) 器件尺寸 參數(shù)（μm）

UGB 10.00 MHz W1 2.81

Power 0.43 mW W3 8.73

PM 65.00° W5 5.53

Av 72.89 dB W6 131.28

SR 10.00 V/μs W7 57.12

Area 223.10 μm2 W8 6.06

表4 基于仿真的優(yōu)化設(shè)計(jì)

電路性能 參數(shù) 器件尺寸 參數(shù)（μm）

UGB 10.00 MHz W1 2.80

Power 0.44 mW W3 8.84

PM 65.00° W5 5.53

Av 72.89 dB W6 132.73

SR 10.00 V/μs W7 57.14

Area 224.78 μm2 W8 6.06

可見(jiàn)，利用基于仿真和方程的混合優(yōu)化方法可以得到和完全基于仿真方法相近的結(jié)果。且通過(guò)表5可以看出，混合優(yōu)化方法減少了仿真器的調(diào)用次數(shù)，提高了優(yōu)化效率。

表5 混合設(shè)計(jì)和基于仿真設(shè)計(jì)的F-count比較

混合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法 基于仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

F-count 136 335

3 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種基于方程和誤差增量模型的混合優(yōu)化方法，即通過(guò)對(duì)性能誤差建立二階模型來(lái)建立新的性能方程。再采用Matlab的優(yōu)化工具箱進(jìn)行基于方程的優(yōu)化。本文通過(guò)運(yùn)算放大電路優(yōu)化實(shí)例來(lái)驗(yàn)證該方法的有效性，且相較于基于仿真的優(yōu)化方法減少了調(diào)用Hspice的次數(shù)，節(jié)約了時(shí)間。

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