時(shí)間：2023-03-17 18:06:00
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葉酸是一組化學(xué)結(jié)構(gòu)相似，生化特性相近的化合物統(tǒng)稱，是由喋啶、對氨基苯甲酸和1個(gè)或多個(gè)谷氨酸結(jié)合而成。食物中的葉酸絕大多數(shù)是以喋酰多谷氨酸(或稱多谷氨酸葉酸)的形式存在的。食物葉酸經(jīng)小腸粘膜細(xì)胞內(nèi)特異葉酰多谷氨酸水解酶的作用，水解為喋酰單谷氨酸(或稱單谷氨酸葉酸，PteGlu)后吸收。吸收后的單谷氨酸葉酸一部分又轉(zhuǎn)變?yōu)槎喙劝彼崛~酸，在肝臟、紅細(xì)胞及其他組織細(xì)胞內(nèi)貯存，其余部分則以單谷氨酸葉酸的形式分布于血漿、組織液、膽汁及尿液中。肝臟的葉酸濃度是血漿的幾百倍，但其單谷氨酸葉酸濃度與血漿相近。
葉酸以8種輔酶形式存在于生物體內(nèi)，為一碳單位的載體參與嘌呤、嘧啶等重要物質(zhì)的合成。用于評價(jià)人體葉酸營養(yǎng)狀況最常用的檢測指標(biāo)是紅細(xì)胞葉酸及血清或血漿葉酸。目前，葉酸的檢測方法已有多種，其中微生物法、同位素放射免疫法的使用最為廣泛。
一、微生物法
微生物法是檢測生物體內(nèi)葉酸的經(jīng)典方法，通常所用的微生物有干酪樣乳酸桿菌（L.casei)、糞鏈球菌和啤酒小球菌屬。此3種微生物對不同形式葉酸的敏感度不同。糞鏈球菌只對非甲基化葉酸敏感，如PteGlu、二氫葉酸(DHF)和四氫葉酸(THF)，可用于鑒別分析各種形式葉酸在不同檢測物的分布。L.casei對單谷氨酸葉酸、含2或3個(gè)谷氨酸葉酸(PteGlu2、PteGlu3)及其還原型衍生物均敏感，是3種微生物中反應(yīng)譜帶最寬的一種，也是最為常用的菌種。它對含7個(gè)谷氨酸葉酸(PteGlu7)的敏感度很小，約為對PteGlu敏感度的1％，故有人認(rèn)為L.casei對超過3個(gè)谷氨酸基團(tuán)的多谷氨酸葉酸無響應(yīng)。但有研究發(fā)現(xiàn)，L.casei對PteGlu4、PteGlu5、PteGlu6和PteGlu7的敏感度分別為對PteGlu的65.6％、19.9％、3.5％及2.4％，同時(shí)對某些形式的多谷氨酸葉酸的敏感度隨培養(yǎng)時(shí)間的延長而增加，其機(jī)理有兩種可能：其一，微生物在培養(yǎng)過程中合成水解酶，隨培養(yǎng)時(shí)間延長，水解酶產(chǎn)量增加，促使部分長鏈谷氨酸水解斷裂；其二，細(xì)菌在培養(yǎng)過程中細(xì)胞壁對多谷氨酸葉酸的通透性增加。所以，盡管L.casei對葉酸的反應(yīng)譜帶較寬，但如檢測物中含有多谷氨酸葉酸須將樣品在檢測前加入多谷氨酸葉酸水解酶進(jìn)行水解，使各種形式葉酸均轉(zhuǎn)變成單谷氨酸葉酸，否則檢測結(jié)果不能代表其葉酸總含量。
傳統(tǒng)的微生物學(xué)檢測方法是試管法，操作繁雜。1987年，Newman和Tsai［3］在進(jìn)行食物葉酸分析過程中，對傳統(tǒng)的方法做了改良，將96孔酶標(biāo)板和全自動(dòng)酶標(biāo)板讀數(shù)儀(酶標(biāo)儀)引進(jìn)方法中，大大減少了試劑的消耗，縮短了加樣及人工讀取檢測結(jié)果的時(shí)間。如使用在對數(shù)生長期冷凍保存的L.casei菌種或／及對抗生素耐藥菌株，還可使檢測方法進(jìn)一步簡化。另有研究證實(shí)［4］，使用對數(shù)生長期L.casei菌種(ATCC7469)可使檢測物培養(yǎng)時(shí)間從36～48小時(shí)減至18小時(shí)。O′Broin和Kelleher［5］用L.casei氯霉素耐藥株(NCIB10463)對血清及紅細(xì)胞葉酸進(jìn)行檢測，結(jié)果與傳統(tǒng)的微生物法檢測結(jié)果呈顯著線性相關(guān)(r值分別為0.975和0.96)。使用氯霉素耐藥株，可以省略試劑過濾消毒及無菌操作等步驟。
盡管微生物法靈敏度高，結(jié)果準(zhǔn)確，但也有許多局限性，如整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期長，批間檢測結(jié)果重復(fù)性差，檢測結(jié)果受樣品中所含抗葉酸藥物或抗生素成分的影響等。用β-乳酰胺酶處理樣品后，可消除青霉素和先鋒霉素等抗生素對葉酸檢測結(jié)果的干擾［5］。
微生物法除可用于檢測血清和全血葉酸外，還可用于檢測紙血片葉酸［6］，檢測結(jié)果為葉酸與血紅蛋白的比值。由于紙血片標(biāo)本制備技術(shù)簡單，紙血片葉酸穩(wěn)定性較好，故該法對大規(guī)模人群葉酸營養(yǎng)狀況的流行病學(xué)調(diào)查具有重要的意義。
二、同位素放射免疫法
盡管微生物法得到各種改進(jìn)，但仍因耗時(shí)大，操作復(fù)雜而不能得到廣泛使用。70年代初，有學(xué)者提出同位素放射免疫法檢測血清葉酸。該方法具有快速、簡便的特點(diǎn)，同時(shí)由于葉酸放射免疫試劑盒的出現(xiàn)，很快得到普及，尤其廣泛應(yīng)用于臨床實(shí)驗(yàn)室。
放射免疫法與微生物法檢測葉酸，除原理不同外，檢測結(jié)果的意義也有所不同。對大量標(biāo)本總體而言，兩種方法結(jié)果相關(guān)性較好，但對個(gè)體標(biāo)本，兩種方法結(jié)果的差異較大。微生物法對多谷氨酸葉酸響應(yīng)值低，不能直接用于檢測葉酸含量。但微生物法對所有單谷氨酸葉酸及其衍生物的反應(yīng)靈敏度相同，故在用葉酸水解酶處理樣品使所有葉酸形式轉(zhuǎn)變?yōu)閱喂劝彼崛~酸后進(jìn)行檢測，可得到準(zhǔn)確的葉酸值。同位素放射免疫法對多谷氨酸葉酸反應(yīng)的相對靈敏度有較大的差別，隨著葉酸濃度增加，反應(yīng)的相對靈敏度增加，但多谷氨酸葉酸的反應(yīng)曲線不可能與單谷氨酸葉酸的反應(yīng)曲線重合；另一方面，多谷氨酸葉酸與結(jié)合蛋白的親合性與單谷氨酸葉酸相比較高，不同的單谷氨酸葉酸衍生物反應(yīng)靈敏度不同，放射免疫法也不適用于檢測單谷氨酸葉酸衍生混合物。由于上述原因，盡管放射免疫法可用于檢測和評價(jià)葉酸的營養(yǎng)狀況，但從定量檢測的角度來講，難以得到準(zhǔn)確的葉酸含量值。
目前用于檢測葉酸的放射免疫試劑盒已有數(shù)種，其原理基本相同，但不同的試劑盒檢測結(jié)果也有差異［7］,主要區(qū)別有如下幾方面：①競爭結(jié)合蛋白不同，或?yàn)樨i血清結(jié)合蛋白，或?yàn)榕Ｄ探Y(jié)合蛋白，或?yàn)棣?乳球蛋白。(l)-5-甲基四氫葉酸與豬血清結(jié)合蛋白的親合力好于多谷氨酸葉酸，后者又略好于單谷氨酸葉酸的其他衍生物，而5-甲基四氫葉酸的d型異構(gòu)體不能與豬血清結(jié)合蛋白結(jié)合；牛奶結(jié)合蛋白與單谷氨酸葉酸和（d,l）-5-甲基四氫葉酸具有相同的親合力，但對單谷氨酸葉酸的其他衍生物的親合力各不相同，對多谷氨酸葉酸的親合力高于對其單谷氨酸葉酸衍生物；β-乳球蛋白則對(d,l)-四氫葉酸的結(jié)合力較差。②配制標(biāo)準(zhǔn)系列的溶液不同，主要有兩種，即緩沖液和血清。用血清作配制溶液與用緩沖液作配制溶液的試劑盒相比，檢測結(jié)果偏低。③放射免疫法檢測葉酸結(jié)果與試劑盒選擇哪一種形式葉酸作標(biāo)準(zhǔn)品有關(guān)，如選擇的標(biāo)準(zhǔn)品為(d,l)-5-甲基四氫葉酸，則使用此類試劑盒的前提便是假設(shè)檢測物中絕大多數(shù)葉酸是以此單一輔酶形式存在的，從而使檢測結(jié)果與實(shí)際含量間的誤差增大。以上所述的各種因素可能是造成目前各類試劑盒檢測結(jié)果間差別較大的主要原因。所以，盡管各類試劑盒均有其相應(yīng)的正常值參考范圍，但各實(shí)驗(yàn)室還應(yīng)結(jié)合與葉酸營養(yǎng)狀況有關(guān)的其他指標(biāo)，來確定本實(shí)驗(yàn)室的紅細(xì)胞或血漿、血清葉酸正常值。
三、其他方法
1.氣相色譜-質(zhì)譜檢測：血清或紅細(xì)胞葉酸是目前用于評價(jià)葉酸營養(yǎng)狀況的兩個(gè)重要指標(biāo)，且紅細(xì)胞葉酸是反映體內(nèi)葉酸貯存狀況的客觀指標(biāo)，對診斷葉酸缺乏具有更為重要意義。微生物法、放射免疫法可以實(shí)現(xiàn)血清或血漿及溶血液葉酸含量的檢測，紅細(xì)胞葉酸均是通過某種數(shù)學(xué)公式，從溶血液葉酸、血清葉酸和紅細(xì)胞壓積等指標(biāo)計(jì)算出來的。1995年，Santhosh-Kumar等［8］提出用氣相色譜-質(zhì)譜檢測的方法(GC-MS)檢測紅細(xì)胞葉酸含量，填補(bǔ)了直接檢測樣品紅細(xì)胞葉酸濃度的空白，該方法特異性好，靈敏度高，且結(jié)果準(zhǔn)確。
2．色譜分析法:以上所述各種葉酸的檢測方法，其檢測結(jié)果均為單或／和多谷氨酸葉酸及其衍生物混合物的總量。即使是微生物法也因不同微生物對不同形式葉酸的生物利用率不同，無法進(jìn)行某一種或某幾種單谷氨酸葉酸衍生物的分析檢測。70年代，有學(xué)者提出應(yīng)用色譜分析法，包括高效離子交換層析、離子對分配層析和高效液相色譜分析(HPLC)技術(shù)分離提取各種形式的葉酸，但由于葉酸濃度低于檢測器檢測下限，人們不得不在應(yīng)用色譜技術(shù)分離提取葉酸后，再用微生物學(xué)檢測方法進(jìn)行定量檢測。因該方法費(fèi)時(shí)，需要樣品量較大，故其實(shí)際應(yīng)用受到限制。HPLC-電化學(xué)檢測方法對單谷氨酸葉酸及其衍生物的檢測靈敏度高于紫外或熒光檢測方法［9］，對四氫葉酸及5-甲基四氫葉酸的檢測靈敏度是微生物法的10～50倍。此方法可用于人類及大鼠等多種生物樣品葉酸檢測，且檢測前無需樣品濃縮處理。這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用對體內(nèi)葉酸吸收、代謝及轉(zhuǎn)運(yùn)等基礎(chǔ)理論的研究具有重要意義。1996年，Gunter等［7］發(fā)現(xiàn)，HPLC對全血葉酸的檢測結(jié)果與Bio-Rad放射免疫試劑盒對同份樣品葉酸的測定結(jié)果相近，但血漿葉酸的測定結(jié)果僅為其他方法測定結(jié)果的一半，作者認(rèn)為盡管HPLC對5-甲基四氫葉酸特異性好，但在洗脫過程中有葉酸丟失的可能。HPLC技術(shù)復(fù)雜，不適用于臨床常規(guī)檢測。
3．離子捕獲法:Wilson等［10］提出離子捕獲法檢測葉酸，該技術(shù)可謂葉酸檢測技術(shù)中的最新方法，即在實(shí)驗(yàn)中，樣品加入變性劑后葉酸與內(nèi)源性結(jié)合蛋白分離，釋放后的葉酸再與帶有大量陰離子的親合試劑結(jié)合，合成產(chǎn)物經(jīng)過離子捕獲池而與陽離子纖維結(jié)合，最后通過堿性磷酸酶與喋酸(葉酸的類似物)結(jié)合物對葉酸結(jié)合蛋白上游離結(jié)合位點(diǎn)的探查，定量分析樣品的葉酸含量。該研究證實(shí)，離子捕獲法測定血清或紅細(xì)胞葉酸，其結(jié)果與同位素放射免疫法的結(jié)果具有良好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.96和0.93。
4．其他方法:80年代后期～90年代，有學(xué)者相繼提出用非放射性標(biāo)記蛋白結(jié)合技術(shù)檢測血液葉酸，其中包括克隆酶供體免疫測定法(CEDIA)［11］、酶聯(lián)配體吸附試驗(yàn)(ELLSA)［12］、化學(xué)發(fā)光受體實(shí)驗(yàn)等［13］。CEDIA方法的原理在激素、地高辛及其他維生素的檢測中已有應(yīng)用，其血清葉酸檢測結(jié)果與放射免疫法相近，該方法檢測速度約為放射免疫法的兩倍，又無離子輻射，操作簡單，可作為一般實(shí)驗(yàn)室常規(guī)檢查。不足之處為費(fèi)用高，約為放射免疫法的2～3倍?；瘜W(xué)發(fā)光法檢測重現(xiàn)性好，靈敏度較高，對低濃度葉酸樣品檢測結(jié)果明顯高于其他方法［7］。
20家研究所或臨床實(shí)驗(yàn)室對目前用于檢測血清及全血葉酸的幾種方法進(jìn)行了比較研究［7］，結(jié)果顯示，血清葉酸和全血葉酸檢測結(jié)果平均變異系數(shù)分別為27.6％和35.7％，部分樣品用不同方法檢測的結(jié)果可相差2～9倍，表明不同實(shí)驗(yàn)室的葉酸檢測結(jié)果差異較大，不同檢測方法的檢測結(jié)果之間可比性較差。這種差異不利于正確地客觀地評價(jià)某人群葉酸營養(yǎng)狀況，同時(shí)也給制定每日膳食葉酸供給量帶來困難。隨著葉酸在巨幼紅細(xì)胞貧血、高同型半胱氨酸血癥及神經(jīng)管畸形的預(yù)防中的作用進(jìn)一步明確，確定統(tǒng)一的檢測方法和參照標(biāo)準(zhǔn)，提高葉酸檢測準(zhǔn)確率的需求也日益緊迫。目前美國疾病控制中心(CDC)、美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院和美國農(nóng)業(yè)部等機(jī)構(gòu)已開始這方面的工作。
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異步延遲采樣（ADS）
ADS通過加入延遲線對光信號在一個(gè)比特周期內(nèi)進(jìn)行兩次采樣，獲取信號的相圖［10］，即二維幅度直方圖，并進(jìn)行傳輸損傷分析。采用ADS技術(shù)的OPM模塊結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，待測的WDM光信號以帶寬為1nm的光帶通濾波器（BPF）進(jìn)行選通，濾除相鄰信道光信號功率，但不影響選通信道的被監(jiān)測光信號的波形狀態(tài)；光電探測器（PD）輸出電信號經(jīng)帶寬為0．8倍信號符號率的低通電濾波器（LPF）消除帶外噪聲干擾；再進(jìn)行3dB分路，一路以可調(diào)電延遲線（VDL）引入Δt延遲；最后以外部圖1ADS原理。（a）ADS光性能監(jiān)測器結(jié)構(gòu)圖；（b）10Gb／sNRZ－OOK半比特ADS示意圖Fig．1PrincipleofADS．（a）StructureofthedelaytapsamplingOPMmonitor；（b）halfbitdelaytapsamplingof10Gb／sNRZ－OOK時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的低采樣速率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）對兩路電信號進(jìn)行采樣并對采樣后數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理。以10Gb／sNRZ－OOK信號為例說明半比特ADS原理，如圖1（b）所示。其中Tb＝100ps為信號比特周期；以可調(diào)電延遲線設(shè)定3dB分路之后的一路電信號延遲時(shí)間為Δt＝50ps，即半比特延遲；如采用80MSPS的14－bit分辨率雙輸入ADC，例如AD9644，進(jìn)行異步降頻采樣，則采樣周期Ts＝12．5ns，Ts與Tb無關(guān)，且TsTb；雙路ADC的每次采樣包含兩個(gè)采樣點(diǎn)E（xi）和E（yi），對應(yīng)的時(shí)間差為Δt，將兩路采樣點(diǎn)進(jìn)行幅度值的歸一化，之后再以X－Y模式做二維散點(diǎn)圖可得ADS相圖。在NRZ－OOK半比特ADS相圖中，沿45°對角線的兩端代表0、1電平的不同組合狀態(tài)（0，0）和（1，1）；其間的過渡點(diǎn)對應(yīng)眼圖中波形的上升和下降沿，沿－45°對角線的最大寬度反映其斜率。ADS相圖中包含被測信號相同或相鄰比特周期間的過渡態(tài)信息，能夠反映信號波形受傳輸損傷影響的狀態(tài)，可用作OPM。
OPM仿真驗(yàn)證
對光信號速率、碼型調(diào)制格式透明，并能同時(shí)監(jiān)測多種傳輸損傷是OPM技術(shù)的核心要求。在10Gb／s及更低速率系統(tǒng)中，NRZ－OOK為代表的強(qiáng)度調(diào)制直接檢測（IM－DD）系統(tǒng)因調(diào)制和接收器件簡單、成本低而占據(jù)主導(dǎo)地位。但在40Gb／s及更高速率的系統(tǒng)中，由于CD和PMD容限的降低和對頻譜效率要求的提高，NRZ－OOK調(diào)制不再適用于長距離傳輸。而以相位輔助強(qiáng)度調(diào)制，如ODB，也稱相位整形二進(jìn)制傳輸（PSBT）和相位調(diào)制，如RZ－DPSK等為代表的先進(jìn)調(diào)制格式由于損傷閾值高、頻譜效率高而受到重視［20］。以上述三種碼型調(diào)制格式為監(jiān)測對象，基于OptiSIM4．0商業(yè)仿真軟件平臺(tái)構(gòu)建采用ADS和ANN技術(shù)的OPM仿真系統(tǒng)，驗(yàn)證所提出方案的透明性和損傷參數(shù)集總監(jiān)測能力。
110Gb／sNRZ－OOK
10Gb／sNRZ－OOK光性能監(jiān)測系統(tǒng)如圖3（a）所示，1550nm連續(xù)光源（CW）經(jīng)工作于正交傳輸點(diǎn)的無啁啾馬赫－曾德爾調(diào)制器（MZM）進(jìn)行外調(diào)制產(chǎn)生NRZ信號，數(shù)據(jù)源為10Gb／s偽隨機(jī)二進(jìn)制序列（PRBS），其序列長度為27－1。級聯(lián)的摻鉺光纖放大器（EDFA）和可調(diào)光衰減器（VOA）用于調(diào)整系統(tǒng)的OSNR值，通過設(shè)置不同單模光纖（SMF）的傳輸距離和CD、PMD系數(shù)來模擬不同程度的CD和DGD傳輸損傷，入纖光功率保持為0以消除非線性效應(yīng)影響。包含損傷的光信號一部分經(jīng)PD光電轉(zhuǎn)換后以示波器（OSC）顯示眼圖作為參考，另一部分經(jīng)ADS監(jiān)測器進(jìn)行Δt＝50ps，即半比特延遲采樣和數(shù)據(jù)采集，最后通過提取相圖特征參量對ANN模型進(jìn)行多損傷監(jiān)測的訓(xùn)練和測試。光通信性能監(jiān)測系統(tǒng)圖中的細(xì)實(shí)線代表電路連接，粗實(shí)線代表光路，而虛線代表信號數(shù)據(jù)，下同。NRZ信號在不同損傷條件下的眼圖與相圖如圖3（b）所示，OSNR導(dǎo)致信號1電平和過渡點(diǎn)幅度分布展寬；CD和DGD均導(dǎo)致信號時(shí)域展寬，但CD導(dǎo)致信號消光比降低，相圖點(diǎn)沿45°對角線外擴(kuò)，而DGD導(dǎo)致信號波形三角化，相圖出現(xiàn)非對稱性。根據(jù)不同損傷參數(shù)特點(diǎn)，提取相圖特征參數(shù)，其中珡m和σm分別為相圖采樣點(diǎn)到原點(diǎn)距離的均值和標(biāo)準(zhǔn)差；珋θ為相圖采樣點(diǎn)角度平均值；Qd＝（μ1－μ0）／（σ1＋σ0）類似眼圖中Q值的定義，以相圖中沿45°對角線上采樣點(diǎn)區(qū)分0、1電平，求其均值和標(biāo)準(zhǔn)差得對角線Q值。以上述4個(gè)參數(shù)構(gòu)成如圖3（c）所示ANN模型的輸入向量，OSNR，CD，DGD參數(shù)構(gòu)成輸出向量，MLP－3包含26個(gè)隱元，采用擬牛頓（Quasi－Newton）算法作為訓(xùn)練算法，ANN的訓(xùn)練使用張齊軍教授開發(fā)的NeuroModeler軟件包。為了驗(yàn)證ANN模型監(jiān)測傳輸損傷的性能，以125組不同損傷條件下相圖參數(shù)構(gòu)成訓(xùn)練樣本，其中OSNR分別為40，36，32，28，24dB；CD分別為0，200，400，600，800ps／nm；DGD分別為0，12，24，36，48ps，對ANN進(jìn)行訓(xùn)練。在訓(xùn)練完成后，以另外的64組不同損傷參數(shù)，其中OSNR分別為38，34，30，26dB；CD分別為100，300，500，700ps／nm；DGD分別為6，18，30，42ps，構(gòu)成測試樣本對ANN的預(yù)測輸出進(jìn)行測試。10Gb／sNRZ－OOK光性能監(jiān)測結(jié)果如圖4所示，其中ANN模型在200次迭代之后的訓(xùn)練誤差Etrain＝0．008，ANN模型預(yù)測輸出與測試樣本相關(guān)系數(shù)Rc＝99．3％，損傷參數(shù)監(jiān)測的均方根誤差分別為EOSNR＝0．1dB，ECD＝8．34ps／nm和EDGD＝0．92ps，在監(jiān)測損傷參數(shù)的測量范圍內(nèi)，監(jiān)測誤差小于5％。
240Gb／sODB
40Gb／s光通信系統(tǒng)與10Gb／s系統(tǒng)相比，CD容限減小16倍，PMD容限減小4倍，NRZ－OOK調(diào)制的無電中繼再生可傳輸距離大大縮短。ODB調(diào)制格式采用三電平調(diào)制，非連續(xù)的相鄰1電平之間相位相差π，在CD、PMD或?yàn)V波器效應(yīng)引入波形展寬時(shí)，產(chǎn)生干涉相消，使0電平保持低電位，從而大幅提高其對色散損傷的閾值，而且其頻譜較NRZ－OOK調(diào)制更窄，有利于窄信道間隔的WDM傳輸［20］。同時(shí)，ODB調(diào)制格式只需改動(dòng)發(fā)射機(jī)，而接收機(jī)不變，在性能和復(fù)雜度之間實(shí)現(xiàn)折中。40Gb／sODB光性能監(jiān)測系統(tǒng)如圖5（a）所示，信號源產(chǎn)生40Gb／sPRBS，其序列長度為27－1，首先進(jìn)行雙二進(jìn)制預(yù)編碼，之后經(jīng)帶寬為10GHZ的低通濾波器產(chǎn)生三電平驅(qū)動(dòng)信號，在工作于傳輸零點(diǎn)的MZM中對1550nm的CW光源進(jìn)行外調(diào)制得ODB信號，入纖功率保持為0，消除非線性效應(yīng)影響。光纖鏈路中OSNR、CD和PMD三種傳輸損傷的模擬與眼圖監(jiān)測部分與4．1中相同，ADS監(jiān)測器的延遲為半比特，即Δt＝12．5ps。不同損傷條件下的ODB信號眼圖與ADS相圖如圖5（b）所示，OSNR降低導(dǎo)致0、1電平和過渡點(diǎn)幅度值均勻展寬；CD導(dǎo)致波形三角化，相圖中第3象限采樣點(diǎn)外擴(kuò)；DGD導(dǎo)致波形斜率降低，消光比減小，相圖點(diǎn)沿對角線方向閉合。根據(jù)相圖變化特點(diǎn)提取特征參數(shù)，其中珡m、σm、珋θ和Qd與4．1中相同，σm3為相圖第3象限采樣點(diǎn)到原點(diǎn)距離的標(biāo)準(zhǔn)差。以相圖特征參數(shù)為輸入向量，監(jiān)測損傷參數(shù)為輸出向量構(gòu)造ANN模型如圖5（c）所示，采用擬牛頓訓(xùn)練算法，隱元數(shù)目為32個(gè)。以125組不同的傳輸損傷組合構(gòu)成訓(xùn)練樣本，其中有OSNR分別為42，38，34，30，26dB；CD分別為0，40，80，120，160ps／nm；DGD分別為0，4，8，12，16ps，對ANN進(jìn)行訓(xùn)練。以64組不同的傳輸損傷組合構(gòu)成測試樣本對訓(xùn)練完成的ANN模型進(jìn)行預(yù)測輸出的檢驗(yàn)，其中有OSNR分別為40，36，32，28dB；CD分別為20，60，100，140ps／nm；DGD分別為2，6，10，14ps。監(jiān)測結(jié)果如圖6所示，ANN模型訓(xùn)練誤差Etrain＝0．031，預(yù)測輸出與測試樣本相關(guān)系數(shù)Rc＝97．6％，損傷監(jiān)測均方根誤差為EOSNR＝0．72dB，ECD＝3．24ps／nm和EDGD＝0．49ps，測量范圍內(nèi)的監(jiān)測誤差小于5％。
340Gb／sRZ－DPSK
在RZ－DPSK調(diào)制格式中，由于采用了平衡光電探測（BPD），其達(dá)到相同誤碼率所需的OSNR值要求比OOK調(diào)制格式要低3dB，即接收機(jī)靈敏度提高一倍。對于受到光放大器自發(fā)輻射噪聲限制的長距傳輸系統(tǒng)而言，使用RZ－DPSK調(diào)制可使無電再生中繼可傳輸距離增加一倍，2003年以后的陸基和海纜長距大容量光通信系統(tǒng)中，DPSK和差分四相移鍵控（DQPSK）調(diào)制逐漸取代OOK而成為主流［21］。40Gb／sRZ－DPSK光性能監(jiān)測系統(tǒng)如圖7（a）所示，序列長度為27－1的40Gb／sPRBS經(jīng)差分預(yù)編碼后在工作于傳輸零點(diǎn)的MZM1中對CW光源進(jìn)行相位信息加載，再采用40GHz正弦時(shí)鐘信號在工作于正交傳輸點(diǎn)的MZM2中進(jìn)行RZ碼型調(diào)制，最終獲得50％占空比的RZ－DPSK信號。光纖鏈路中OSNR、CD和PMD三種傳輸損傷的模擬與4．1中相同，在加入傳輸損傷之后，部分光信號經(jīng)過延遲干涉儀（DLI）解調(diào)和BPD平衡探測后，在OSC1中顯示解調(diào)信號眼圖；部分光信號直接PD檢測，在OSC2中顯示線路傳輸眼圖；部分光信號進(jìn)入ADS監(jiān)測器，其延遲量設(shè)置為1bit，即Δt＝25ps。不同損傷條件下的RZ－DPSK信號的解調(diào)后眼圖、線路傳輸傳輸眼圖和ADS相圖如圖7（b）所示，OSNR降低導(dǎo)致信號波形和相圖點(diǎn)幅度值的展寬；CD導(dǎo)致波形幅度值和消光比降低，相圖點(diǎn)局部外擴(kuò)；DGD導(dǎo)致兩偏振態(tài)的信號產(chǎn)生相位差，在PD檢測中干涉相消，使信號波形幅度值降低，相圖點(diǎn)沿對角線方向縮短。根據(jù)相圖變化的特點(diǎn)，提取與傳輸損傷變化有關(guān)的特征參量，其中珡m和σm與4．1中相同，珋θhalf為相圖45°對角線以上采樣點(diǎn)到原點(diǎn)的角度平均值，σθ為全部采樣點(diǎn)到原點(diǎn)角度值的標(biāo)準(zhǔn)差，M為采樣點(diǎn)到原點(diǎn)幅度最大值與最小值之差。以上述特征參數(shù)為輸入向量，損傷參數(shù)為輸出向量構(gòu)造ANN模型如圖7（c）所示，隱元數(shù)目為30，采用擬牛頓訓(xùn)練算法。以125組傳輸損傷組合構(gòu)成訓(xùn)練樣本，包括OSNR分別為36，32，28，24，20dB；CD分別為0，12，24，36，48ps／nm；DGD分別為0，3，6，9，12ps，對ANN進(jìn)行訓(xùn)練。以64組不同的傳輸損傷組合構(gòu)成測試樣本對訓(xùn)練完成的ANN模型進(jìn)行預(yù)測輸出的檢驗(yàn)，包括OSNR分別為34，30，26，22dB；CD分別為6，18，30，42ps／nm；DGD分別為1．5，4．5，7．5，10．5ps。監(jiān)測結(jié)果如圖8所示，ANN模型訓(xùn)練誤差Etrain＝0．06，預(yù)測輸出與測試樣本相關(guān)系數(shù)Rc＝95．8％，監(jiān)測均方根誤差為EOSNR＝0．15dB、ECD＝1．74ps／nm和EDGD＝0．61ps，測量范圍內(nèi)的監(jiān)測誤差小于5％。
【關(guān)鍵詞】樁基工程；檢測技術(shù)；檢測方法
樁基作為現(xiàn)今高層建筑普遍采用的基礎(chǔ)形式，應(yīng)用的范圍很廣泛，要想保障工程的質(zhì)量，就必須要提高工程質(zhì)量的檢測手段和技術(shù)，總結(jié)現(xiàn)在樁基工程檢測中存在的問題，進(jìn)一步的進(jìn)行改善，使檢測技術(shù)得到進(jìn)一步的發(fā)展，為樁基檢測事業(yè)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。
1、樁基工程檢測中存在的問題
目前樁基工程檢測的工作，總體的情況是比較好的，但是由于各個(gè)檢測單位和地區(qū)的情況出現(xiàn)一定的差異，也會(huì)在不同程度上存在著一定的問題。
1.1 技術(shù)上存在的問題
樁基工程檢測技術(shù)是由成孔后檢測和成樁后檢測兩個(gè)部分構(gòu)成，我國現(xiàn)今樁基檢測技術(shù)的發(fā)展特點(diǎn)是成樁檢測技術(shù)比成孔檢測技術(shù)更加的優(yōu)秀，但是從防范于未然的觀點(diǎn)上來看，樁的成孔檢測應(yīng)比成樁后檢測更加的重要。
承載力檢測試驗(yàn)做得不夠到位，在成樁檢測的技術(shù)中，承載力檢測試驗(yàn)的工作仍需要加強(qiáng)，不能為了省時(shí)省錢而減少了靜載試驗(yàn)的數(shù)量。在樁的動(dòng)力檢測方法未取得突破性進(jìn)展之前，樁的靜載試驗(yàn)仍是檢驗(yàn)樁承載力值的評定標(biāo)準(zhǔn)。在樁的承載力的檢測問題上，任何企圖以更省時(shí)、更省力的方法來等同靜載試驗(yàn)效果的想法是不現(xiàn)實(shí)的。
在檢測的儀器上面，個(gè)別單位使用的儀器性能比較老舊，不能滿足當(dāng)前樁基檢測的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程的要求，一些單位低應(yīng)變檢測時(shí)的傳感器采用速度計(jì)，會(huì)導(dǎo)致檢測波形質(zhì)量不高，在儀器上沒有貼準(zhǔn)用的標(biāo)簽，儀器周期檢測的執(zhí)行情況較差，這些都是重要的問題。
目前我國的樁基檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)初步的建成了完整的檢測體系，但是各標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程之間還缺乏協(xié)調(diào)和銜接，適用的范圍不夠的明確，甚至?xí)霈F(xiàn)重復(fù)、遺漏、矛盾之處，因此要更加的規(guī)范它們之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。
1.2 管理上存在的問題
市場檢測的行為不夠規(guī)范，由于檢測市場的不規(guī)范和片面的壓價(jià)，一些單位在檢測的過程中，現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集不夠認(rèn)真，資料數(shù)據(jù)的處理比較的草率，個(gè)別的單位還出現(xiàn)了賣資質(zhì)給無資質(zhì)方進(jìn)行使用的現(xiàn)象。
檢測單位的硬件設(shè)備參差不齊，有一些單位的辦公場所比較的擁擠破舊，沒有專門的檔案存放地點(diǎn)，在技術(shù)的裝備上，有的單位是采用進(jìn)口的低應(yīng)變和高應(yīng)變設(shè)備，而有些比較差的單位，甚至連計(jì)量器都不能進(jìn)行定期的標(biāo)定工作。
檢測單位內(nèi)部管理比較混亂，一些單位的法律意識(shí)和責(zé)任意識(shí)比較缺乏，在其內(nèi)部沒有建立相互制約的監(jiān)督機(jī)制。即使有了相關(guān)的制度，但是也缺乏制約的力度，也就是形同虛設(shè)。在崗位的管理上存在著持證人員變動(dòng)大，崗位人員不到位，有無證人員在現(xiàn)場開展檢測工作等問題。在檔案的管理上，有些單位沒有專門的檔案存放地點(diǎn)、設(shè)施和管理人員，資料雜亂混裝，沒有按照“一個(gè)工程一份檔案”的要求裝訂成冊。
1.3 檢測成果精確度不高
執(zhí)行的規(guī)范不夠嚴(yán)肅，采用非規(guī)范規(guī)定的檢測方法做出報(bào)告，應(yīng)反映或引用的材料不夠齊全，數(shù)據(jù)不是十分的準(zhǔn)確，結(jié)論比較簡單或者結(jié)論含糊，抽檢的數(shù)量沒有滿足有關(guān)規(guī)程的要求，動(dòng)測報(bào)告中的使用單位和專業(yè)術(shù)語不符合相關(guān)的規(guī)程規(guī)定。
動(dòng)測報(bào)告中的實(shí)測波形質(zhì)量比較差，一些單位采用高應(yīng)變推算承載力的報(bào)告中，沒有提供實(shí)測波形，低應(yīng)變完整性檢測的波形質(zhì)量差，多為速度計(jì)測得，
在聲波透射法報(bào)告中的波形圖大多偏小。靜載實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容一致性的規(guī)范不符，原始記錄潦草且涂改嚴(yán)重，基準(zhǔn)梁安置不標(biāo)準(zhǔn)，觀測時(shí)間不充分，長度不夠，S-L曲線和Q-S曲線采用手工繪制，誤差比較大，極限承載力基本值和標(biāo)準(zhǔn)值判斷不準(zhǔn)，原始記錄出具的檢測報(bào)告無編號或者符號大小書寫不規(guī)范。
報(bào)告結(jié)論的正確性存在一定的問題，低應(yīng)變完整性檢測時(shí)以振蕩波形出報(bào)告，結(jié)論的隨意性很大，高應(yīng)變檢測推算承載力時(shí)，報(bào)告中無計(jì)算公式、無實(shí)測曲線、無參數(shù)取值，僅有最終承載力值，基本上屬所謂的暗箱操作，高應(yīng)變檢測的曲線擬合質(zhì)量不高，擬合時(shí)間段長度也不夠。
高應(yīng)變檢測采集的曲線沒有注意錘重、一致性差、落距的選擇，錘擊力不夠，分析時(shí)選用的參數(shù)不合理或過于簡單、不全。引、有一些單位沒有編制相關(guān)的檢測方案或檢測方案過于簡單、不能對整個(gè)檢測過程起到指導(dǎo)作用。報(bào)告的簽名不用手簽，卻采用打印，個(gè)別單位出現(xiàn)無證人員簽字。
2、樁基檢測的方法
樁基檢測的方法分為靜載荷試驗(yàn)和動(dòng)力測樁兩大類，還有鉆芯法和靜力、動(dòng)力觸探以及埋設(shè)傳感器法等輔助類方法。
2.1 基樁檢測的分類
樁基的檢測類型可分為：特殊條件下或事故處理中的其它檢測；樁（墩）底持力層承載力及變形性狀的檢測；各類樁、墩、樁墻豎向或橫向承載力檢測，包括單樁及群樁承載力檢測；施工中對環(huán)境影響（如噪音、震動(dòng)）的檢測；各類樁、墩及樁墻結(jié)構(gòu)完整性檢測；考慮樁同作用或復(fù)合地基中樁土荷載分擔(dān)比的檢測，樁體及土體應(yīng)力一應(yīng)變的檢測。
樁基按檢測的時(shí)間可以分為：為設(shè)計(jì)提供依據(jù)的先期的檢測；施工階段的施工檢測；施工完成后的驗(yàn)收檢測；施工階段或使用階段的鑒定檢測。
2.2 檢測的方法與討論
在進(jìn)行各類樁、墩及樁墻結(jié)構(gòu)完整性的檢測時(shí)，一般會(huì)采用高應(yīng)變動(dòng)力或低應(yīng)變測樁法進(jìn)行檢測，大直徑樁一般采用鉆芯法或聲波透射法進(jìn)行檢測。由散體材料樁或低粘結(jié)強(qiáng)度樁和土組成的復(fù)合地基（碎石樁、石灰樁等），一般采用靜載荷試驗(yàn)，也可以采用靜力觸探分別對樁和土進(jìn)行檢測，確定復(fù)合地基的承載力。由高粘結(jié)強(qiáng)度樁和土組成的復(fù)合地基（水泥土樁、低標(biāo)號混凝土樁等）一般采用靜載荷試驗(yàn)檢測豎向的承載力。在施工工程中噪音的測試可以采用分貝計(jì)加以判定。在施工工程中由于震動(dòng)對環(huán)境的影響因素，一般會(huì)采用加速度監(jiān)測系統(tǒng)或者質(zhì)點(diǎn)速度監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行測試，也可使用地震儀進(jìn)行檢測。使用階段樁體應(yīng)力一應(yīng)變的測試，使用鋼筋應(yīng)力計(jì)，混凝土應(yīng)力計(jì)或特制的傳感器。在復(fù)合地基中，樁、土荷載分擔(dān)比的檢測一般采用壓力盒或鋼弦通過靜載荷試驗(yàn)進(jìn)行測定，也可以采用特制的應(yīng)力傳感器測試。在施工工程中由于擠土效應(yīng)對于環(huán)境的影響，可以使用變形傳感器（測斜儀）進(jìn)行工程的監(jiān)測，也可以使用沉降變形標(biāo)配合水平儀，經(jīng)緯儀進(jìn)行檢測。當(dāng)樁長大于30m，用其它的檢測方法難以準(zhǔn)確判定樁完整性時(shí)，可以采用抽芯的方法，也可以采用聲波透射法進(jìn)行目標(biāo)的檢測。
在進(jìn)行樁基工程檢測時(shí)，要根據(jù)不同的情況進(jìn)行檢測方法的合理選用。在動(dòng)測的技術(shù)沒有取得突破性的發(fā)展之前，靜載荷試驗(yàn)仍然是樁基檢測最基本最可靠的方法，動(dòng)測只是為靜載實(shí)驗(yàn)作補(bǔ)充的，是工程驗(yàn)收的方法之一，動(dòng)測確定承載力的方法還要進(jìn)一步的完善。
3、總 結(jié)
樁基施工的質(zhì)量關(guān)系到整個(gè)建筑物工程的質(zhì)量，它既不同于常規(guī)的建筑材料試驗(yàn)，又不同于普通建筑結(jié)構(gòu)的測試。因此，不斷提高樁基檢測的質(zhì)量水平，強(qiáng)化對樁基檢測隊(duì)伍的管理，有很重要的意義。
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關(guān)鍵詞 蘋果 蘋果輪紋病 孢子 田間監(jiān)測 方法
環(huán)渤海灣蘋果主產(chǎn)區(qū)為農(nóng)業(yè)部確定的我國蘋果兩大優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)之一，其氣候及主要土壤類型適于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)蘋果，但也適宜各種病害發(fā)生發(fā)展。山東省煙臺(tái)市是環(huán)渤海灣蘋果主產(chǎn)區(qū)中的主產(chǎn)地之一，蘋果種植面積17.3萬余hm2，年產(chǎn)量近400萬t，其中紅富士蘋果種植面積占蘋果種植總面積的80％以上。蘋果輪紋病[Botrvosphaeda dothidea(MOUg.)Ces.＆DeNot]為環(huán)渤海灣蘋果生產(chǎn)中的主要病害之一，尤其隨著易感病品種紅富士的廣泛種植，該病在各地蘋果園普遍發(fā)生，嚴(yán)重發(fā)病園果實(shí)發(fā)病率在40％以上，且蘋果枝干輪紋病發(fā)生日趨嚴(yán)重。據(jù)調(diào)查，蘋果枝干輪紋病在山東省發(fā)生最為嚴(yán)重，發(fā)病率達(dá)100％，病情指數(shù)達(dá)87.20。
當(dāng)前，防治蘋果輪紋病仍以化學(xué)藥劑為主，由于果農(nóng)缺乏對蘋果輪紋病流行規(guī)律的深入了解，任意增加農(nóng)藥使用次數(shù)和使用量，不僅造成農(nóng)藥浪費(fèi)，還會(huì)導(dǎo)致果品農(nóng)藥殘留和環(huán)境污染。蘋果輪紋病病原菌對多菌靈、戊唑醇等殺菌劑已產(chǎn)生了低水平抗藥性。國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于蘋果輪紋病防治方面的研究報(bào)道較多，而對蘋果輪紋病流行監(jiān)測方法鮮見報(bào)道。為此，2009年我們在山東省煙臺(tái)市比較了雨水收集法和玻片黏著法對蘋果輪紋病病原菌孢子的監(jiān)測效果，可為監(jiān)測蘋果輪紋病孢子田間釋放動(dòng)態(tài)，針對性地防治病害，抗病育苗等研究工作提供科學(xué)方法與依據(jù)，現(xiàn)將結(jié)果報(bào)道如下。
1 材料和方法
1.1 試驗(yàn)園概況
供試品種為13年生高感蘋果輪紋病的紅富士蘋果，試驗(yàn)地設(shè)在山東省煙臺(tái)市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院蘋果園，該園具有10余年的種植蘋果歷史，果實(shí)和枝干蘋果輪紋病發(fā)生嚴(yán)重。監(jiān)測樹常年均未噴施任何殺菌劑。
1.2 孢子田間釋放監(jiān)測方法
(1)雨水收集法在蘋果園內(nèi)選擇3～5年生、蘋果輪紋病病瘤較多的枝條，枝條的傾斜角度約45°，枝條段長30cm。在枝條段的上方和下方各綁扎布條，下方布條處掛1個(gè)細(xì)口瓶，上方布條下綁1個(gè)石塊，下方布條頭放入細(xì)口瓶內(nèi)(圖版3)。在監(jiān)測果園內(nèi)共選擇10個(gè)枝條段，掛10個(gè)細(xì)口瓶，瓶內(nèi)放人少量硫酸銅，防止收集到的孢子萌發(fā)。每次降雨后，收集10個(gè)細(xì)口瓶內(nèi)所有雨水，并用5～10 mL的清水沖洗細(xì)口瓶2～3次，測量收集到的雨水和沖洗液體的總體積。將收集的液體搖動(dòng)、混勻后，用血球計(jì)數(shù)板測量蘋果輪紋病病原菌孢子的濃度，并計(jì)算孢子數(shù)。
孢子數(shù)(個(gè))=總水量(mL)×孢子濃度(個(gè)／mL)。
(2)玻片黏著法 將玻片涂有凡士林的一面貼近蘋果枝干輪紋病病斑和病瘤(圖版3)，做好編號與標(biāo)記，定點(diǎn)監(jiān)測，每隔10天左右更換1次玻片。鏡檢玻片時(shí)，在100倍的顯微視野下記錄2行內(nèi)蘋果輪紋病病原菌孢子數(shù)。
1.3 監(jiān)測時(shí)間
從蘋果花序分離期直到10月底或11月初監(jiān)測蘋果輪紋病病原菌孢子田間釋放動(dòng)態(tài)，評價(jià)2種監(jiān)測方法的優(yōu)勢。
2 結(jié)果與分析
雨水收集法和玻片黏著法2種方法均能從5月中旬至8月下旬收集到蘋果輪紋病病原菌孢子。采用雨水收集法，從5月14日開始監(jiān)測到蘋果輪紋病病原菌孢子，5月中下旬出現(xiàn)孢子釋放小高峰，6月下旬至8月中下旬為孢子釋放高峰期。7月21日收集的孢子數(shù)最多，為127916個(gè)；8月21日次之，為80514個(gè)；7月12、14日收集的孢子數(shù)均在4萬個(gè)以上；6月20日和7月9日收集的孢子數(shù)均在2萬個(gè)以上；7月26日和8月27日孢子數(shù)均大于1萬個(gè)(表1)。該收集方法監(jiān)測到的孢子數(shù)明顯多于玻片收集的孢子數(shù)，這是由于所選擇的枝條段含有大量蘋果輪紋病病斑和病瘤，體現(xiàn)了蘋果輪紋病病原菌孢子釋放動(dòng)態(tài)的整體水平。
采用玻片黏著法，同樣是在5月14日開始監(jiān)測到蘋果輪紋病病原菌孢子，5月中下旬出現(xiàn)孢子釋放小高峰。7月23、30日收集的孢子數(shù)最多，分別為1060、1030個(gè)；其次為8月21日和7月14日，收集的孢子數(shù)分別為678、485個(gè)(表1)。孢子釋放高峰期同雨水收集法的結(jié)果基本一致，但孢子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于雨水收集法。這與玻片黏著法的特點(diǎn)有關(guān)，該方法主要將玻片貼近單個(gè)蘋果輪紋病病斑，導(dǎo)致了菌源數(shù)量較少，但該種方法可從微觀上體現(xiàn)單個(gè)病斑或病瘤的孢子釋放特點(diǎn)，還可研究與評價(jià)單個(gè)分生孢子器釋放孢子的能力。
3 結(jié)論與討論
本研究評價(jià)了雨水收集法和玻片黏著法收集蘋果輪紋病病原菌孢子的效果。這2種方法分別可在宏觀和微觀角度上研究蘋果輪紋病病原菌孢子的田間釋放規(guī)律，從而為深入開展蘋果輪紋病病原菌孢子群體特性和個(gè)體特性等方面研究提供技術(shù)與方法。孢子釋放與否同降水關(guān)系密切，只有在降水后才能監(jiān)測到孢子，且釋放出的孢子隨著雨水流動(dòng)進(jìn)行傳播與侵染。因2009年后期元降水；雨水收集法和玻片黏著法分別在8月27日和9月11日后均未能收集到病原菌孢子。陳功友曾提到蘋果輪紋病病原菌孢子的分生孢子器自2月開始開口釋放孢子，在5-6月為釋放高峰期。本試驗(yàn)監(jiān)測的煙臺(tái)地區(qū)蘋果輪紋病病原菌孢子釋放始期、高峰期與陳功友報(bào)道的有所不同，這可能與不同地區(qū)氣候條件有差異等因素有關(guān)。
蘋果輪紋病可嚴(yán)重為害蘋果果實(shí)和枝條，從而導(dǎo)致大量爛果，削弱樹勢，嚴(yán)重時(shí)死枝，尤其是可引起花、芽、枝死亡，造成的損失不可估量。蘋果輪紋病主要侵染來源為枝干，確定該病病原菌孢子的監(jiān)測方法，可有針對性地開展蘋果枝干輪紋病病斑孢子釋放動(dòng)態(tài)的研究，對于確定防治關(guān)鍵期具有十分重要的作用。
參考文獻(xiàn)
1 高艷敏，沈永波；張恩堯，等，蘋果輪紋病發(fā)生規(guī)律及條件的研究，安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)
關(guān)鍵字:入侵檢測;協(xié)議分析;模式匹配;智能關(guān)聯(lián)a
1引言
入侵檢測技術(shù)是繼“防火墻”、“數(shù)據(jù)加密”等傳統(tǒng)安全保護(hù)措施后新一代的安全保障技術(shù),它對計(jì)算機(jī)和
網(wǎng)絡(luò)資源上的惡意使用行為進(jìn)行識(shí)別和響應(yīng),不僅檢測來自外部的入侵行為,同時(shí)也監(jiān)督內(nèi)部用戶的未授權(quán)活動(dòng)。但是隨著網(wǎng)絡(luò)入侵技術(shù)的發(fā)展和變化以及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用的不斷深入,現(xiàn)有入侵檢測系統(tǒng)暴露出了諸多的問題。特別是由于網(wǎng)絡(luò)流量增加、新安全漏洞未更新規(guī)則庫和特殊隧道及后門等原因造成的漏報(bào)問題和IDS攻擊以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)特征匹配的不合理特性等原因造成的誤報(bào)問題,導(dǎo)致IDS對攻擊行為反應(yīng)遲緩,增加安全管理人員的工作負(fù)擔(dān),嚴(yán)重影響了IDS發(fā)揮實(shí)際的作用。
本文針對現(xiàn)有入侵監(jiān)測系統(tǒng)誤報(bào)率和漏報(bào)率較高的問題,對幾種降低IDS誤報(bào)率和漏報(bào)率的方法進(jìn)行研究。通過將這幾種方法相互結(jié)合,能有效提高入侵檢測系統(tǒng)的運(yùn)行效率并能大大簡化安全管理員的工作,從而保證網(wǎng)絡(luò)
安全的運(yùn)行。
2入侵檢測系統(tǒng)
入侵是對信息系統(tǒng)的非授權(quán)訪問及(或)未經(jīng)許可在信息系統(tǒng)中進(jìn)行操作,威脅計(jì)算機(jī)或網(wǎng)絡(luò)的安全機(jī)制(包括機(jī)密性、完整性、可用性)的行為。入侵可能是來自外界對攻擊者對系統(tǒng)的非法訪問,也可能是系統(tǒng)的授權(quán)用戶對未授權(quán)的內(nèi)容進(jìn)行非法訪問,入侵檢測就是對企圖入侵、正在進(jìn)行的入侵或已經(jīng)發(fā)生的入侵進(jìn)行識(shí)別的過程。入侵檢測系統(tǒng)IDS(IntrusionDetectionSystem)是從多種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)機(jī)及網(wǎng)絡(luò)中收集信息,再通過這些信息分析入侵特征的網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)。
現(xiàn)在的IDS產(chǎn)品使用的檢測方法主要是誤用檢測和異常檢測。誤用檢測是對不正常的行為進(jìn)行建模,這些行為就是以前記錄下來的確認(rèn)了的誤用或攻擊。目前誤用檢測的方法主要是模式匹配,即將每一個(gè)已知的攻擊事件定義為一個(gè)獨(dú)立的特征,這樣對入侵行為的檢測就成為對特征的匹配搜索,如果和已知的入侵特征匹配,就認(rèn)為是攻擊。異常檢測是對正常的行為建模,所有不符合這個(gè)模型的事件就被懷疑為攻擊?，F(xiàn)在異常檢測的主要方法是統(tǒng)計(jì)模型,它通過設(shè)置極限閾值等方法,將檢測數(shù)據(jù)與已有的正常行為比較,如果超出極限閾值,就認(rèn)為是入侵行為。
入侵檢測性能的關(guān)鍵參數(shù)包括:(1)誤報(bào):實(shí)際無害的事件卻被IDS檢測為攻擊事件。(2)漏報(bào):攻擊事件未被IDS檢測到或被分析人員認(rèn)為是無害的。
3降低IDS誤報(bào)率方法研究
3.1智能關(guān)聯(lián)
智能關(guān)聯(lián)是將企業(yè)相關(guān)系統(tǒng)的信息(如主機(jī)特征信息)與網(wǎng)絡(luò)IDS檢測結(jié)構(gòu)相融合,從而減少誤報(bào)。如系統(tǒng)的脆弱性信息需要包括特定的操作系統(tǒng)(OS)以及主機(jī)上運(yùn)行的服務(wù)。當(dāng)IDS使用智能關(guān)聯(lián)時(shí),它可以參考目標(biāo)主機(jī)上存在的、與脆弱性相關(guān)的所有告警信息。如果目標(biāo)主機(jī)不存在某個(gè)攻擊可以利用的漏洞,IDS將抑制告警的產(chǎn)生。
智能關(guān)聯(lián)包括主動(dòng)和被動(dòng)關(guān)聯(lián)。主動(dòng)關(guān)聯(lián)是通過掃描確定主機(jī)漏洞;被動(dòng)關(guān)聯(lián)是借助操作系統(tǒng)的指紋識(shí)別技術(shù),即通過分析IP、TCP報(bào)頭信息識(shí)別主機(jī)上的操作系統(tǒng)。
3.1.1被動(dòng)指紋識(shí)別技術(shù)的工作原理
被動(dòng)指紋識(shí)別技術(shù)的實(shí)質(zhì)是匹配分析法。匹配雙方一個(gè)是來自源主機(jī)數(shù)據(jù)流中的TCP、IP報(bào)頭信息,另一個(gè)是特征數(shù)據(jù)庫中的目標(biāo)主機(jī)信息,通過將兩者做匹配來識(shí)別源主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)流中是否含有惡意信息。通常比較的報(bào)頭信息包括窗口(WINDOWSIZE)、數(shù)據(jù)報(bào)存活期(TTL)、DF(dontfragment)標(biāo)志以及數(shù)據(jù)報(bào)長(Totallength)。
窗口大小(wsize)指輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)大小,它在TCP會(huì)話的初始階段由OS設(shè)定。數(shù)據(jù)報(bào)存活期指數(shù)據(jù)報(bào)在被丟棄前經(jīng)過的跳數(shù)(hop);不同的TTL值可以代表不同的操作系統(tǒng)(OS),TTL=64,OS=UNIX;TTL=12,OS=Windows。DF字段通常設(shè)為默認(rèn)值,而OpenBSD不對它進(jìn)行設(shè)置。數(shù)據(jù)報(bào)長是IP報(bào)頭和負(fù)載(Payload)長度之和。在SYN和SYNACK數(shù)據(jù)報(bào)中,不同的數(shù)據(jù)報(bào)長代表不同的操作系統(tǒng),60代表Linux、44代表Solaris、48代表Windows2000。
IDS將上述參數(shù)合理組合作為主機(jī)特征庫中的特征(稱為指紋)來識(shí)別不同的操作系統(tǒng)。如TTL=64,初步判斷OS=Linux/OpenBSD;如果再給定wsize的值就可以區(qū)分是Linux還是OpenBSD。因此,(TTL,wsize)就可以作為特征庫中的一個(gè)特征信息。3.1.2被動(dòng)指紋識(shí)別技術(shù)工作流程
具有指紋識(shí)別技術(shù)的IDS系統(tǒng)通過收集目標(biāo)主機(jī)信息,判斷主機(jī)是否易受到針對某種漏洞的攻擊,從而降低誤報(bào)率。
因此當(dāng)IDS檢測到攻擊數(shù)據(jù)包時(shí),首先查看主機(jī)信息表,判斷目標(biāo)主機(jī)是否存在該攻擊可利用的漏洞;如果不存在該漏洞,IDS將抑制告警的產(chǎn)生,但要記錄關(guān)于該漏洞的告警信息作為追究法律責(zé)任的依據(jù)。這種做法能夠使安全管理員專心處理由于系統(tǒng)漏洞產(chǎn)生的告警。
3.2告警泛濫抑制
IDS產(chǎn)品使用告警泛濫抑制技術(shù)可以降低誤報(bào)率。在利用漏洞的攻擊勢頭逐漸變強(qiáng)之時(shí),IDS短時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的告警信息;而IDS傳感器卻要對同一攻擊重復(fù)記錄,尤其是蠕蟲在網(wǎng)絡(luò)中自我繁殖的過程中,這種現(xiàn)象最為重要。
所謂“告警泛濫”是指短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的關(guān)于同一攻擊的告警。IDS可根據(jù)用戶需求減少或抑制短時(shí)間內(nèi)同一傳感器針對某個(gè)流量產(chǎn)生的重復(fù)告警。這樣。網(wǎng)管人員可以專注于公司網(wǎng)絡(luò)的安全狀況,不至于為泛濫的告警信息大傷腦筋。告警泛濫抑制技術(shù)是將一些規(guī)則或參數(shù)(包括警告類型、源IP、目的IP以及時(shí)間窗大小)融入到IDS傳感器中,使傳感器能夠識(shí)別告警飽和現(xiàn)象并實(shí)施抵制操作。有了這種技術(shù),傳感器可以在告警前對警報(bào)進(jìn)行預(yù)處理,抑制重復(fù)告警。例如,可以對傳感器進(jìn)行適當(dāng)配置,使它忽略在30秒內(nèi)產(chǎn)生的針對同一主機(jī)的告警信息;IDS在抑制告警的同時(shí)可以記錄這些重復(fù)警告用于事后的統(tǒng)計(jì)分析。
3.3告警融合
該技術(shù)是將不同傳感器產(chǎn)生的、具有相關(guān)性的低級別告警融合成更高級別的警告信息,這有助于解決誤報(bào)和漏報(bào)問題。當(dāng)與低級別警告有關(guān)的條件或規(guī)則滿足時(shí),安全管理員在IDS上定義的元告警相關(guān)性規(guī)則就會(huì)促使高級別警告產(chǎn)生。如掃描主機(jī)事件,如果單獨(dú)考慮每次掃描,可能認(rèn)為每次掃描都是獨(dú)立的事件,而且對系統(tǒng)的影響可以忽略不計(jì);但是,如果把在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的一系列事件整合考慮,會(huì)有不同的結(jié)論。IDS在10min內(nèi)檢測到來自于同一IP的掃描事件,而且掃描強(qiáng)度在不斷升級,安全管理人員可以認(rèn)為是攻擊前的滲透操作,應(yīng)該作為高級別告警對待。例子告訴我們告警融合技術(shù)可以發(fā)出早期攻擊警告,如果沒有這種技術(shù),需要安全管理員來判斷一系列低級別告警是否是隨后更高級別攻擊的先兆;而通過設(shè)置元警告相關(guān)性規(guī)則,安全管理員可以把精力都集中在高級別警告的處理上。元警告相關(guān)性規(guī)則中定義參數(shù)包括時(shí)間窗、事件數(shù)量、事件類型IP地址、端口號、事件順序。
4降低IDS漏報(bào)率方法研究
4.1特征模式匹配方法分析
模式匹配是入侵檢測系統(tǒng)中常用的分析方法,許多入侵檢測系統(tǒng)如大家熟知的snort等都采用了模式匹配方法。
單一的模式匹配方法使得IDS檢測慢、不準(zhǔn)確、消耗系統(tǒng)資源,并存在以下嚴(yán)重問題:
(1)計(jì)算的負(fù)載過大,持續(xù)該運(yùn)算法則所需的計(jì)算量極其巨大。
(2)模式匹配特征搜索技術(shù)使用固定的特征模式來探測攻擊,只能探測明確的、唯一的攻擊特征,即便是基于最輕微變換的攻擊串都會(huì)被忽略。
(3)一個(gè)基于模式匹配的IDS系統(tǒng)不能智能地判斷看似不同字符串/命令串的真實(shí)含義和最終效果。在模式匹配系統(tǒng)中,每一個(gè)這樣的變化都要求攻擊特征數(shù)據(jù)庫增加一個(gè)特征記錄。這種技術(shù)攻擊運(yùn)算規(guī)則的內(nèi)在缺陷使得所謂的龐大特征庫實(shí)際上是徒勞的,最后的結(jié)果往往是付出更高的計(jì)算負(fù)載,而導(dǎo)致更多的丟包率,也就產(chǎn)生遺漏更多攻擊的可能,特別是在高速網(wǎng)絡(luò)下,導(dǎo)致大量丟包,漏報(bào)率明顯增大。
可見傳統(tǒng)的模式匹配方法已不能適應(yīng)新的要求。在網(wǎng)絡(luò)通信中,網(wǎng)絡(luò)協(xié)議定義了標(biāo)準(zhǔn)的、層次化、格式化的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包。在攻擊檢測中,利用這種層次性對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議逐層分析,可以提高檢測效率。因此,在數(shù)據(jù)分析時(shí)將協(xié)議分析方法和模式匹配方法結(jié)合使用,可以大幅度減少匹配算法的計(jì)算量,提高分析效率,得到更準(zhǔn)確的檢測結(jié)果。超級秘書網(wǎng)
4.2協(xié)議分析方法分析
在以網(wǎng)絡(luò)為主的入侵檢測系統(tǒng)中,由于把通過網(wǎng)絡(luò)獲得的數(shù)據(jù)包作為偵測的資料來源,所以數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)傳輸中必須遵循固定的協(xié)議才能在電腦之間相互溝通,因此能夠按照協(xié)議類別對規(guī)則集進(jìn)行分類。協(xié)議分析的原理就是根據(jù)現(xiàn)有的協(xié)議模式,到固定的位置取值(而不式逐一的去比較),然后根據(jù)取得的值判斷其協(xié)議連同實(shí)施下一步分析動(dòng)作。其作用是非類似于郵局的郵件自動(dòng)分撿設(shè)備,有效的提高了分析效率,同時(shí)還能夠避免單純模式匹配帶來的誤報(bào)。
根據(jù)以上特點(diǎn),能夠?qū)f(xié)議分析算法用一棵協(xié)議分類樹來表示,如圖2所示。這樣,當(dāng)IDS進(jìn)行模式匹配時(shí),利用協(xié)議分析過濾許多規(guī)則,能夠節(jié)省大量的時(shí)間。在任何規(guī)則中關(guān)于TCP的規(guī)則最多,大約占了50%以上,因此在初步分類后,能夠按照端口進(jìn)行第二次分類。在兩次分類完成后,能夠快速比較特征庫中的規(guī)則,減少大量不必要的時(shí)間消耗。如有必要,還可進(jìn)行多次分類,盡量在規(guī)則樹上分叉,盡可能的縮減模式匹配的范圍。
每個(gè)分析機(jī)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中包含以下信息:協(xié)議名稱、協(xié)議代號以及該協(xié)議對應(yīng)的攻擊檢測函數(shù)。協(xié)議名稱是該協(xié)議的唯一標(biāo)志,協(xié)議代號是為了提高分析速度用的編號。為了提高檢測的精確度,可以在樹中加入自定義的協(xié)議結(jié)點(diǎn),以此來細(xì)化分析數(shù)據(jù),例如在HTTP協(xié)議中可以把請求URL列入該樹中作為一個(gè)結(jié)點(diǎn),再將URL中不同的方法作為子節(jié)點(diǎn)。
分析機(jī)的功能是分析某一特定協(xié)議的數(shù)據(jù),得出是否具有攻擊的可能性存在。一般情況下,分析機(jī)盡可能的放到樹結(jié)構(gòu)的葉子結(jié)點(diǎn)上或盡可能的靠近葉子結(jié)點(diǎn),因?yàn)樵娇拷鼧涓糠值姆治鰴C(jī),調(diào)用的次數(shù)越多。過多的分析機(jī)聚集在根部附近會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能。同時(shí)葉子結(jié)點(diǎn)上的協(xié)議類型劃分越細(xì),分析機(jī)的效率越高。
因此,協(xié)議分析技術(shù)有檢測快、準(zhǔn)確、資源消耗少的特點(diǎn),它利用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的高度規(guī)則性快速探測攻擊的存在。
5結(jié)束語
本文對幾種降低IDS誤報(bào)率和漏報(bào)率的方法進(jìn)行分析研究,通過將這幾種方法相互結(jié)合,能有效提高入侵檢測系統(tǒng)的運(yùn)行效率并能大大簡化安全管理員的工作,從而保證網(wǎng)絡(luò)安全的運(yùn)行。由于方法論的問題,目前IDS的誤報(bào)和漏報(bào)是不可能徹底解決的。因此,IDS需要走強(qiáng)化安全管理功能的道路,需要強(qiáng)化對多種安全信息的收集功能,需要提高IDS的智能化分析和報(bào)告能力,并需要與多種安全產(chǎn)品形成配合。只有這樣,IDS才能成為網(wǎng)絡(luò)安全的重要基礎(chǔ)設(shè)施。
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關(guān)鍵詞：減速器優(yōu)化設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)的減速器設(shè)計(jì)一般通過反復(fù)的試湊、校核確定設(shè)計(jì)方案，雖然也能獲得滿足給定條件的設(shè)計(jì)效果，但一般不是最佳的。為了使減速器發(fā)揮最佳性能，必須對減速器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以在不同的優(yōu)化目標(biāo)下進(jìn)行。除了一些極為特殊的場合外，通?？梢苑譃閺慕Y(jié)構(gòu)形式上追求最小的體積(重量)、從使用性能方面追求最大的承載能力、從經(jīng)濟(jì)效益角度考慮追求最低費(fèi)用等三大類目標(biāo)。第一類目標(biāo)與第二類目標(biāo)體現(xiàn)著減速器設(shè)計(jì)中的一對矛盾，即體積(重量)與承載能力的矛盾。在一定體積下，減速器的承載能力是有限的；在承載能力一定時(shí)，減速器體積(重量)的減小是有限的。由此看來，這兩類目標(biāo)所體現(xiàn)的本質(zhì)是一樣的。只是前一類把一定的承載能力作為設(shè)計(jì)條件，把體積(重量)作為優(yōu)化目標(biāo)；后一類反之，把一定的體積(重量)作為設(shè)計(jì)條件，把承載能力作為優(yōu)化目標(biāo)。第三類目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，將涉及相當(dāng)多的因素，除減速器設(shè)計(jì)方案的合理性外，還取決于企業(yè)的勞動(dòng)組織、管理水平、設(shè)備構(gòu)成、人員素質(zhì)和材料價(jià)格等因素。但對于設(shè)計(jì)人員而言，該目標(biāo)最終還是歸結(jié)為第一類或第二類目標(biāo)，即減小減速器的體積或增大其承載能力。
一、單級圓柱齒輪減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)
單級主減速器可由一對圓錐齒輪、一對圓柱齒輪或由蝸輪蝸桿組成，具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量小、成本低、使用簡單等優(yōu)點(diǎn)。但是其主傳動(dòng)比i0不能太大，一般i0≤7，進(jìn)一步提高i0將增大從動(dòng)齒輪直徑，從而減小離地間隙，且使從動(dòng)齒輪熱處理困難。單級主減速器廣泛應(yīng)用于轎車和輕、中型貨車的驅(qū)動(dòng)橋中。單級圓柱齒輪減速器以體積最小為優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，是一個(gè)具有16個(gè)不等式約束的6維優(yōu)化問題，其數(shù)學(xué)模型可簡記為：
minf(x)x=[x1x2x3x4x5x6]T∈R6S.t.gj(x)≤0(j=1，2，3∧，16)
采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法后，在滿足強(qiáng)度要求的前提下，減速器的尺寸大大地降低，減少了用材及成本，提高了設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。優(yōu)化設(shè)計(jì)法與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)密切相關(guān)，優(yōu)化設(shè)計(jì)是以傳統(tǒng)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，沿用了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中積累的大量資料，同時(shí)考慮了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)所涉及的有關(guān)因素。優(yōu)化設(shè)計(jì)雖然彌補(bǔ)了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的某些不足，但該設(shè)計(jì)法仍有其局限性，因此可在優(yōu)化設(shè)計(jì)中引入可靠性技術(shù)、模糊技術(shù)，形成可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)或模糊可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)法，使工程設(shè)計(jì)技術(shù)由“硬”向“軟”發(fā)展。
二、混凝土攪拌運(yùn)輸車減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)
1.主要參數(shù)
混凝土攪拌運(yùn)輸車攪拌筒(罐)的設(shè)計(jì)容積為8～10m3，最大安裝角度12°，工作轉(zhuǎn)速2～4r/min和10～12r/min(卸料時(shí)的反向轉(zhuǎn)速)；減速器設(shè)計(jì)傳動(dòng)比131∶1，最大輸出轉(zhuǎn)矩60kN·m，要求傳動(dòng)效率高、密封性好、噪聲低、互換性強(qiáng)。2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括前蓋組件、被動(dòng)輪組件、第一級行星輪總成、第二級行星輪總成、機(jī)體中部組件和法蘭盤組件6大部分。機(jī)體間采用螺栓和銷釘連接與定位，機(jī)體與內(nèi)齒圈之間采用彈性套銷的均載機(jī)構(gòu)。為便于用戶在使用時(shí)裝配與拆卸，減速器主軸線與安裝面設(shè)計(jì)有15°的傾角，法蘭盤軸線可以向X、Y和Z方向擺動(dòng)±6°，并選用專用球面軸承作為支承。軸承裝入行星輪中，彈簧擋圈裝在軸承外側(cè)且軸向間隙≤0.2mm，減速器最大外形尺寸467mm×460mm×530mm，總質(zhì)量(不含油)為290kg。
2.傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
該減速器采用3級減速方案：第一級為高速圓柱齒輪傳動(dòng)，其余兩級為NGW型行星齒輪傳動(dòng)。其中，第二、三級分別有3個(gè)和4個(gè)中空式行星輪，行星輪安裝在單臂式行星架上，行星架浮動(dòng)且采用滾動(dòng)軸承作為支承；第二級行星架與法蘭盤之間采用鼓形齒雙聯(lián)齒輪聯(lián)軸器連接，混凝土攪拌運(yùn)輸車減速器對齒面接觸疲勞強(qiáng)度、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度和齒面磨損等要求十分苛刻，因此合理地選擇變位系數(shù)和進(jìn)行修形計(jì)算十分重要。
三、減速器優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型
1.目標(biāo)函數(shù)
對于C型問題，目標(biāo)函數(shù)是A=min{f(x)}=min{f(x1，x2，…，xn)}式中：A——減速器總中心距，即各級中心距之和；x——各設(shè)計(jì)變量(包括各級中心距、模數(shù)、螺旋角、齒數(shù)、齒寬和變位系數(shù)等)；n——設(shè)計(jì)變量的個(gè)數(shù)。對于P型問題，目標(biāo)函數(shù)是P=max{f(x)}=max{f(x1，x2，…，xn)}。式中：P——減速器的許可承載功率；x——同C型；n——同C型。
2.約束條件
約束條件是判斷目標(biāo)函數(shù)中設(shè)計(jì)變量的取值是否可行的一些規(guī)定，因此減速器優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中提出的每一個(gè)供選擇的設(shè)計(jì)方案；都應(yīng)當(dāng)由滿足全部約束條件的優(yōu)化變量所構(gòu)成。對于減速器來說，在列出優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束條件時(shí)，應(yīng)當(dāng)從各個(gè)方面細(xì)致周全的予以考慮。例如，設(shè)計(jì)變量本身的取值規(guī)則，齒輪與其它零件之間應(yīng)有的關(guān)系等等。減速器優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下約束條件：
（1）設(shè)計(jì)變量取值的離散性約束
齒數(shù)：每個(gè)齒輪的齒數(shù)應(yīng)當(dāng)是整數(shù)；模數(shù)：齒輪模數(shù)應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列(GB1357-78)；中心距：為避免制造和維護(hù)中的各種麻煩，中心距以10mm為單位步長。
（2）設(shè)計(jì)變量取值的上下界約束
螺旋角：對直齒輪為零，斜齒輪按工程上的使用范圍取8°~15°；總變位系數(shù)：由于總變位系數(shù)將影響齒輪的承載能力，常取為0~0.8。
（3）齒輪的強(qiáng)度約束
齒輪強(qiáng)度約束是指齒輪的齒面接觸疲勞強(qiáng)度與輪齒的彎曲疲勞強(qiáng)度，這兩項(xiàng)計(jì)算根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB3480-83中的方法進(jìn)行。強(qiáng)度是否夠，根據(jù)實(shí)際安全系數(shù)是否達(dá)到或超出預(yù)定的安全系數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)。
（4）齒輪的根切約束
為避免發(fā)生根切，規(guī)定最小齒數(shù)，直齒輪為17，斜齒輪為14~16。
（5）零件的干涉約束
要求中心距、齒頂圓和軸徑這三者之間滿足無干涉的幾何關(guān)系。對于三級傳動(dòng)的減速器(如圖1)，干涉約束相當(dāng)于兩個(gè)約束：第二級中心距應(yīng)大于第一級大齒輪齒頂圓半徑與第三級小齒輪頂圓半徑之和；第三級中心距應(yīng)大于第二級大齒輪頂圓半徑與第4軸半徑之和。而二級齒輪傳動(dòng)類推。
四、結(jié)語
機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是在常規(guī)機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上發(fā)展和延伸的新設(shè)計(jì)方法，而減速器的優(yōu)化就是其中之一，是以傳統(tǒng)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)、沿用了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中積累的大量資料，同時(shí)考慮了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)所涉及的有關(guān)因素。在實(shí)際應(yīng)用中已產(chǎn)生了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，減少了用材及成本，提高了設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，使減速器發(fā)揮了最佳性能。
參考文獻(xiàn)：
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關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)葉輪 無損檢測 超聲表面波檢測 超聲爬波檢測
無損檢測是工業(yè)發(fā)展必不可少的有效工具,在一定程度上反映了一個(gè)國家的工業(yè)發(fā)展水平,其重要性已得到公認(rèn)。無損檢測的最大特點(diǎn)就是能在不損壞試件材質(zhì)、結(jié)構(gòu)的前提下進(jìn)行檢測,所以實(shí)施無損檢測后,產(chǎn)品的檢查率可以達(dá)到100%。但是,并不是所有需要測試的項(xiàng)目和指標(biāo)都能進(jìn)行無損檢測,無損檢測技術(shù)也有自身的局限性。某些試驗(yàn)只能采用破壞性試驗(yàn),因此,在目前無損檢測還不能代替破壞性檢測。文中汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子無損檢測采用超聲檢測。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的無損檢測是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,涉及汽輪機(jī)和金屬材料等多個(gè)專業(yè)。為使轉(zhuǎn)子安全運(yùn)行及其壽命的檢測提供可靠數(shù)據(jù),文中針對葉輪介紹了多種檢測手段,并總結(jié)出相對成熟的檢測方法,
根據(jù)DL438-2009《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)要求,規(guī)定調(diào)節(jié)級葉輪變截面處和熱槽等部位在制造過程與日常檢修中應(yīng)進(jìn)行外圓探傷和硬度檢測。
1、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子材料軟化特性和硬度測量意義
汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子由主軸、葉輪或轉(zhuǎn)鼓、動(dòng)葉片和聯(lián)軸器等汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)部件組成的組合體。在高溫環(huán)境下轉(zhuǎn)子工作,由于蠕變、疲勞等因素,導(dǎo)致材質(zhì)等出現(xiàn)老化的情況。CrMoV轉(zhuǎn)子鋼材質(zhì)老化現(xiàn)象的典型特征之一就是材料軟化,其表現(xiàn)特征就是材料硬度降低。硬度是衡量部件軟化的一個(gè)重要指標(biāo)。有研究表明,在轉(zhuǎn)子聯(lián)軸節(jié)處,由于運(yùn)行溫度降低,可以認(rèn)為保持了原始材料的性能,但其它部位,特別是高溫部分,硬度有很大的降低,最低達(dá)到H_V≈80。隨著材料硬度降低,相應(yīng)的蠕變斷裂時(shí)間減少,即蠕變斷裂壽命下降,疲勞斷裂循環(huán)次數(shù)顯著減小。
根據(jù)《電站汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子無損檢測標(biāo)準(zhǔn)》,有關(guān)轉(zhuǎn)子硬度的檢測規(guī)定如下:(l)試驗(yàn)時(shí)間:硬度檢測的時(shí)間從轉(zhuǎn)子生產(chǎn)過程一開始就適用,對運(yùn)行中的轉(zhuǎn)子則在定時(shí)大修情況下進(jìn)行。(2)試驗(yàn)位置:為了調(diào)查轉(zhuǎn)子高溫部位的時(shí)效變化,試驗(yàn)位置應(yīng)選擇在易受熱疲勞的高溫部位。另外,轉(zhuǎn)子鑄件生產(chǎn)制造時(shí)期的試驗(yàn)位置應(yīng)與運(yùn)行中的轉(zhuǎn)子檢修時(shí)測定位置相同。(3)試驗(yàn)方法:要求選定的試驗(yàn)位置上測量5點(diǎn),但各點(diǎn)試驗(yàn)壓痕間的距離必須大于壓痕直徑的兩倍。
2、調(diào)節(jié)級葉輪裂紋的超聲波檢驗(yàn)
調(diào)節(jié)級葉輪R過渡區(qū)位置較窄,此區(qū)域因承受高溫高壓工況,加之水汽的影響,表面覆蓋一層較厚的氧化皮,因而常用的滲透和磁粉檢驗(yàn)受到限制。分別采用超聲表面波和超聲爬波兩種不同波形檢測,對表面和近表面的裂紋或其它缺陷有較滿意的效果。
2.1 超聲表面波檢測R過渡區(qū)缺陷
近表面缺陷檢測時(shí),表面波的能量集中于表面下兩個(gè)波長之內(nèi),檢測表面裂紋靈敏度極高,并且表面波的強(qiáng)度法和時(shí)延法可以較為準(zhǔn)確地測定裂紋深度,如圖l所示。
但是,對于表面粗糙的工件,在堆焊層部位等會(huì)出現(xiàn)干擾雜波,使探測靈敏度大大下降。表面波傳播中遇到工件的棱邊會(huì)產(chǎn)生反射波,如果棱邊存在倒角,即可以更多能量通過圓弧面,調(diào)節(jié)級葉輪及過渡區(qū)表面波同樣有較多能量通過,只有存在裂紋波時(shí)會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈反射。
(1)表面波探傷時(shí)儀器時(shí)基線調(diào)整掃描速度調(diào)整方法與普通探頭不一樣,入射點(diǎn)按探頭前沿計(jì)算。調(diào)節(jié)時(shí),將探頭對準(zhǔn)試塊棱邊,回波信號按水平距離調(diào)節(jié)成一定比例。(2)探傷靈敏度調(diào)整探頭對準(zhǔn)直角棱邊,調(diào)整棱邊回波高度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值(如滿屏的80%),再增益21dB作為探傷靈敏度。對于5MHz的探頭,此靈敏度相當(dāng)于發(fā)現(xiàn)0.1mm的裂紋。
2.2 超聲爬波檢測R過渡區(qū)缺陷
爬坡是指表面下縱波,它是縱波從第一介質(zhì)的第一臨界角附近的角度入射于第二介質(zhì)時(shí)在第二介質(zhì)中產(chǎn)生的表面下縱波。在第二介質(zhì)中,除了表面下縱波外還有其它波型。前者以縱波速度傳播,通常稱其為“爬波”,相應(yīng)的探頭成為爬波探頭。圖2為超聲爬波檢測調(diào)節(jié)級葉輪R過渡區(qū)裂紋,可探測最大深度)≥15mm,圖3為利用爬波檢測技術(shù)測量表面裂紋。
圖2 超聲爬波檢測調(diào)節(jié)級葉輪R過渡區(qū)
圖3 用爬波檢測測量表面裂紋
(1)超聲爬波探傷時(shí)儀器時(shí)基線調(diào)整 掃描速度調(diào)整與表面波調(diào)整方法相似,亦可以當(dāng)人工裂紋與探頭前沿并齊時(shí),使裂紋位于時(shí)基線20處,比例為1:1。(2)探傷靈敏度調(diào)節(jié) 根據(jù)裂紋試塊上裂紋深度和裂紋反射波高成正比關(guān)系,選擇0.5mm或更高增益作為探傷靈敏度。
3、調(diào)節(jié)級前后彈性槽(熱槽)超聲縱波檢驗(yàn)
調(diào)節(jié)級前端存在彈性槽(熱槽),常規(guī)的超聲波檢驗(yàn)探頭無法實(shí)施。為了實(shí)現(xiàn)外圓檢測,可使用矩形晶片直人射縱波探頭或00-40TR雙晶探頭放置在彈性槽內(nèi)進(jìn)行周向掃查。靈敏度調(diào)節(jié)采用底波方法及試塊方法,底波法無需再制作試塊。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有中心孔和無中心孔實(shí)心轉(zhuǎn)子兩種。實(shí)心轉(zhuǎn)子圓柱體曲底面調(diào)節(jié)靈敏度時(shí)的當(dāng)量計(jì)算如下:
式中:――平底孔缺陷至探測面距離;
――鑄件底面至探測面距離;
――材質(zhì)衰減系數(shù);
I――波長;
――平底孔缺陷的當(dāng)量直徑;
――中心孔圓柱面與平底孔缺陷的回波分貝差。
對于熱槽內(nèi)裂紋,常用表面檢測方法(如滲透著色法、磁粉法)檢測,由于存在矩形槽,很難實(shí)施常規(guī)的程序。在實(shí)際操作時(shí),采用點(diǎn)式渦流探傷方法不僅能檢出缺陷,而且能測量出裂紋深度,是一種值得推廣的方法。
4、壽命預(yù)測
某電廠汽輪機(jī)截止大修時(shí)累計(jì)運(yùn)行123208h,啟停336次。大修時(shí),發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子前軸封高溫段1,2號彈性槽底部圓弧過度圓角處分別存在周向斷續(xù)裂紋1條,深約2mm;周向連續(xù)裂紋2條,裂紋張口0.5-0.6mm,深約7mm。在對轉(zhuǎn)子鋼30CrMoV進(jìn)行材質(zhì)分析時(shí),發(fā)現(xiàn)1,2號彈性槽底及調(diào)節(jié)級前葉輪根部表面維氏硬度值由最初的203降到目前的173。室溫下屈服強(qiáng)度467MPa也比標(biāo)準(zhǔn)屈服強(qiáng)度686MPa低很多。
按常規(guī),必須對1,2號彈性槽底部裂紋進(jìn)行車削處理,改進(jìn)原彈性槽結(jié)構(gòu)尺寸。同時(shí),從1,2號彈性槽底的裂紋來看,調(diào)節(jié)級工作溫度最高,溫度變化也最強(qiáng)烈,其葉輪根部的壽命損耗也應(yīng)該很大。因此,還應(yīng)該對調(diào)節(jié)級葉輪根部表面進(jìn)行預(yù)測和分析。
根據(jù)上述致裂壽命預(yù)測方法,通過查詢現(xiàn)存運(yùn)行檔案、啟停和調(diào)峰情況,對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子調(diào)節(jié)級前葉輪根部表面進(jìn)行了在蠕變疲勞交互作用下壽命損耗的計(jì)算,表1為該處在各運(yùn)行時(shí)段壽命損耗情況。
從表1結(jié)果看,到這次大修時(shí),壽命總損耗達(dá)到86.391%,接近轉(zhuǎn)子表面萌生裂紋程度,應(yīng)對調(diào)節(jié)級前葉輪根部進(jìn)行研磨處理,消除損傷表層,增加使用壽命。如不作任何處理,繼續(xù)運(yùn)行2年,則壽命總損耗將達(dá)到109.718%,調(diào)節(jié)級前葉輪根部表面將出現(xiàn)裂紋。若對調(diào)節(jié)級前葉輪根部進(jìn)行研磨處理,可使表面硬度恢復(fù)到Hv=193,繼續(xù)運(yùn)行2年,壽命總損耗僅為13.755%。因此,對轉(zhuǎn)子表面進(jìn)行研磨處理是必要的。
