時(shí)間：2023-03-20 16:20:13
序論：在您撰寫模型設(shè)計(jì)論文時(shí)，參考他人的優(yōu)秀作品可以開闊視野，小編為您整理的7篇范文，希望這些建議能夠激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，引導(dǎo)您走向新的創(chuàng)作高度。
飛機(jī)裝配工裝設(shè)計(jì)描述
飛機(jī)產(chǎn)品與一般機(jī)械產(chǎn)品不同，其裝配過程不能單獨(dú)依靠零件自身形狀和尺寸加工的準(zhǔn)確性來裝配出合格的產(chǎn)品，必須采用裝配工藝裝備（簡(jiǎn)稱裝配工裝）來保證產(chǎn)品的裝配質(zhì)量。飛機(jī)裝配工裝是飛機(jī)產(chǎn)品在完成從零組件到部件的裝配及總裝配過程中，用以控制其形狀幾何參數(shù)，且具有定位功能的專用工藝裝備，一般包括骨架、定位和夾緊裝置、輔助設(shè)備等組成結(jié)構(gòu)。
飛機(jī)研制過程是一個(gè)反復(fù)迭代、逐步逼近的過程，現(xiàn)代飛機(jī)研制正在由過去的串行開發(fā)模式向數(shù)字化產(chǎn)品、工藝和工裝協(xié)同設(shè)計(jì)的方向發(fā)展。在飛機(jī)制造企業(yè)，工藝設(shè)計(jì)部門根據(jù)下發(fā)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)模，進(jìn)行裝配工藝方案設(shè)計(jì)，并提出工裝設(shè)計(jì)申請(qǐng)。工裝設(shè)計(jì)部門依據(jù)數(shù)字化產(chǎn)品定義和裝配工藝要求完成設(shè)計(jì)，可根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)成熟度狀態(tài)及時(shí)調(diào)整和修改裝配工藝方案和工裝設(shè)計(jì)方案，并及時(shí)反饋工裝設(shè)計(jì)對(duì)工藝規(guī)劃和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需求。因此，飛機(jī)裝配工裝設(shè)計(jì)問題可描述為產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃與工裝設(shè)計(jì)融合與迭代的過程，如圖1所示。
信息視域表示
飛機(jī)裝配工藝設(shè)計(jì)需對(duì)裝配工藝裝備的功用、結(jié)構(gòu)和性能提出設(shè)計(jì)技術(shù)要求，需明確給出需要定位和夾緊的部位及相關(guān)特征。在數(shù)字化環(huán)境下，這些部位和特征即為工裝設(shè)計(jì)的原始幾何依據(jù)，工裝設(shè)計(jì)通過提取這些部位和特征來完成。因此，定義產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃和工裝設(shè)計(jì)三個(gè)階段的信息構(gòu)成，包括幾何信息和語義信息，為建立三者之間的映射關(guān)系奠定基礎(chǔ)。
1設(shè)計(jì)信息域
飛機(jī)設(shè)計(jì)所發(fā)放的飛機(jī)設(shè)計(jì)模型是面向功能描述的，表達(dá)了按設(shè)計(jì)分離面劃分的結(jié)構(gòu)和零部件之間的組成關(guān)系，是進(jìn)行后續(xù)工藝設(shè)計(jì)和產(chǎn)品生產(chǎn)的依據(jù)。
設(shè)計(jì)信息域是基于產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)表示的各種關(guān)鍵設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的數(shù)字化定義和表示，是設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)意圖的體現(xiàn)。設(shè)計(jì)信息域包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)描述、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和除設(shè)計(jì)基準(zhǔn)外的設(shè)計(jì)特征（幾何形狀及相關(guān)屬性描述），用表示；產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)模型即產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，用表示；設(shè)計(jì)基準(zhǔn)是對(duì)部件設(shè)計(jì)中的部件軸線、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)面、結(jié)構(gòu)軸線等信息的數(shù)字化定義和表示，用表示；設(shè)計(jì)特征是待裝配零部件的數(shù)模構(gòu)成特征的定義和表示，用DdSdDdF表示。D可表示為
2工藝信息域
工藝信息域是基于裝配工藝結(jié)構(gòu)表示，反映裝配工藝意圖的結(jié)構(gòu)形狀的工藝信息集合。飛機(jī)部件裝配工藝設(shè)計(jì)包含眾多研究?jī)?nèi)容，本文的工藝信息域僅包含與工裝申請(qǐng)和工裝設(shè)計(jì)相關(guān)的工藝信息描述。工藝信息域包括裝配工藝結(jié)構(gòu)表示、裝配工藝基準(zhǔn)及關(guān)鍵部位或特征，用表示；裝配工藝結(jié)構(gòu)即裝配工藝樹，是對(duì)裝配單元?jiǎng)澐趾脱b配順序的數(shù)字化表示，用PpS表示；裝配工藝基準(zhǔn)是對(duì)零部件的定位基準(zhǔn)、裝配基準(zhǔn)、測(cè)量基準(zhǔn)和混合基準(zhǔn)及其定位方式的描述，用pD表示；關(guān)鍵部位或特征是對(duì)關(guān)鍵型面、結(jié)構(gòu)交點(diǎn)等能夠?qū)ρb配準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響的互換協(xié)調(diào)部位或特征的定義和表示，用pF表示。數(shù)學(xué)表達(dá)式為
3工裝信息域
工裝信息域是面向裝配任務(wù)的，由用于支持工裝概念設(shè)計(jì)的一組結(jié)構(gòu)形狀及其相關(guān)工藝描述構(gòu)成的工藝信息集合。工裝信息域起兩個(gè)作用：輔助工藝設(shè)計(jì)人員制定工裝申請(qǐng)單和為工裝概念設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)參考。工裝信息域包括工裝設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、定位及夾緊信息和輔助裝置信息，用T表示。工裝設(shè)計(jì)基準(zhǔn)包括安裝基準(zhǔn)和構(gòu)件制造基準(zhǔn)，盡量與產(chǎn)品設(shè)計(jì)基準(zhǔn)保持一致，用表示定位及夾緊信息是對(duì)產(chǎn)品上需要工裝定位的關(guān)鍵部位或特征的數(shù)字化定義和描述，包括該類結(jié)構(gòu)的幾何信息、位置信息和精度信息等，用tL表示，是工裝定位件、夾緊件和骨架的設(shè)計(jì)參考；輔助裝置信息是對(duì)產(chǎn)品上需要使用輔助裝置支承或調(diào)整的部位或特征的數(shù)字化描述，用ttD。A表示。工裝信息域的數(shù)學(xué)描述為
基于多色集合的映射模型
1多色集合理論
俄羅斯Pavlov教授于1995年提出多色集合的概念，并于2002年提出多色集合的體系結(jié)構(gòu)。多色集合理論的核心思想是使用相同的數(shù)學(xué)模型來仿真不同的對(duì)象，例如設(shè)計(jì)過程、工藝規(guī)劃和生產(chǎn)系統(tǒng)等，描繪元素間的層次結(jié)構(gòu)和復(fù)雜關(guān)系。多色集合理論在問題的形式化研究方面前進(jìn)了一步，主要應(yīng)用于產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)建模、公差信息模型構(gòu)建、零件加工工藝建模、裝配工藝建模和過程建模等研究領(lǐng)域。
傳統(tǒng)集合是元素的全體，集合中的元素僅名字不同，元素的其他性質(zhì)都沒有表示出來。在多色集合中，集合整體本身和它的組成元素都能夠同時(shí)被涂上一些不同的顏色，用來表示研究對(duì)象和它的元素性質(zhì)。對(duì)應(yīng)于多色集合整體性質(zhì)的著色稱為統(tǒng)一顏色，對(duì)應(yīng)于元素性質(zhì)的著色稱為個(gè)人顏色。元素個(gè)人顏色的存在是多色集合統(tǒng)一顏色存在的首要原因，二者之間的關(guān)系可表示為其中，若個(gè)人顏色if影響到統(tǒng)一顏色jF的存在，則1ijc=，否則=0。ijc
2映射過程描述
設(shè)計(jì)域向工裝域的映射包含兩個(gè)過程：產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)向裝配工藝結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換和設(shè)計(jì)特征向工裝信息的映射。本文著重論述后者。工裝信息主要是明確產(chǎn)品在工裝上需要控制的部位、特征或方向，通過提取這些信息的幾何特征及其工藝屬性描述完成工裝設(shè)計(jì)。當(dāng)產(chǎn)品信息更改時(shí)，相應(yīng)的工藝屬性和工裝信息也要發(fā)生變化。映射過程分為兩個(gè)階段。在第一階段，首先由待裝配零件的典型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)推理出該結(jié)構(gòu)所包含的工藝特征信息，根據(jù)特征幾何屬性推理出每個(gè)特征所對(duì)應(yīng)的特征元及其約束信息；第二階段，提煉工裝申請(qǐng)語義信息，結(jié)合第一階段的推理結(jié)果，得到工裝信息，建立產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息、裝配工藝信息與工裝信息三者之間的派生關(guān)系。兩個(gè)階段的映射模型如圖2和圖3所示。給映射模型的每層節(jié)點(diǎn)和邊著色，采用多色集合層次結(jié)構(gòu)模型來表示上述映射模型。關(guān)于多色集合層次模型的相關(guān)介紹請(qǐng)參閱文獻(xiàn)。第一階段的映射過程如下：(1)從待裝配零件抽取典型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，得到第一層的統(tǒng)一顏色值，具有該類型的部位或特征對(duì)應(yīng)的顏色值為1，否則為0。(2)根據(jù)工藝基準(zhǔn)和需要控制的關(guān)鍵部位或特征定義第二層顏色。作為工藝基準(zhǔn)的部位和關(guān)鍵部位及特征對(duì)應(yīng)的顏色值為1，否則為0。(3)將工藝特征所包含的特征元作為第三層顏色。在第二階段，給出工裝申請(qǐng)語義信息，建立特征元信息與工裝信息之間的映射關(guān)系，得到工裝信息。
3映射關(guān)系建立
通過分析與飛機(jī)設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃和工裝設(shè)計(jì)相關(guān)的領(lǐng)域知識(shí)，并與工藝設(shè)計(jì)專家進(jìn)行深入交流，建立各層之間的顏色及映射關(guān)系。
(1)第一階段
第一層：通過對(duì)文獻(xiàn)給出的一般裝配工藝基準(zhǔn)選擇依據(jù)進(jìn)行分析，可以看出裝配工藝基準(zhǔn)通常為零件外形、孔、叉耳等。因此，按上述結(jié)構(gòu)形狀對(duì)零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行歸類，為工藝特征的確定奠定基礎(chǔ)。建立典型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與工藝特征以及工藝特征與特征元之間的映射關(guān)系矩陣如表1和表2所示。利用表1與表2所表示的映射關(guān)系，得到零件典型結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的工藝特征和特征元信息。特征元的信息附帶了相關(guān)約束信息：①線：平行于X軸的直線、平行于Y軸的直線、平行于Z軸的直線或其他直線；②平面：垂直于X軸的平面、垂直于Y軸的平面、垂直于Z軸的平面或其他平面；③自由曲面。
(2)第二階段
工裝申請(qǐng)語義由工藝專家給出，需指出待定位零件部位及需要約束的方向，根據(jù)此類語義信息，遍歷第一階段形成的設(shè)計(jì)-工藝-特征元之間的映射關(guān)系，從中抽取與工裝設(shè)計(jì)相關(guān)的知識(shí)形成工裝信息。
實(shí)例應(yīng)用
某公司飛機(jī)艙門骨架裝配模型如圖5所示。
基于上述建模方法和流程，以CATIA系統(tǒng)為平臺(tái)，采用CAA工具開發(fā)相關(guān)信息映射工具。應(yīng)用該工具為公司構(gòu)建了某機(jī)型艙門骨架從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到工裝信息的映射機(jī)制，完成了骨架設(shè)計(jì)信息向其工裝信息的映射，建立了骨架設(shè)計(jì)信息、工藝信息及其工裝信息之間的語義關(guān)系和幾何關(guān)系。并運(yùn)用該工具生成工裝申請(qǐng)單，構(gòu)建工裝概念信息模型。應(yīng)用過程如圖5所示。骨架裝配工裝設(shè)計(jì)基準(zhǔn)采用與骨架相同的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。以骨架上口框?yàn)槔f明設(shè)計(jì)信息域向工裝信息域的映射過程。
(1)給出工裝申請(qǐng)語義，骨架上口框需要控制其外形和Z方向。
(2)上口框的典型結(jié)構(gòu)包括：外形面、孔。上口框外形與蒙皮貼合，是需要控制的關(guān)鍵部位。根據(jù)表1和表2的映射關(guān)系，控制外形的定位方式可以選擇外形面（平面或曲面）、工藝孔或工藝接頭定位。因要嚴(yán)格控制上口框外形準(zhǔn)確度，故選擇整個(gè)外形面作為控制對(duì)象，并設(shè)置壓緊裝置。
(3)搜索特征元信息，找到Z軸垂直的面作為Z方向的定位特征；若沒有，則需通過其他形狀特征定位該方向。
(4)提取相關(guān)零件設(shè)計(jì)特征及其屬性信息（精度要求、功能要求等），建立與工裝信息之間的關(guān)系。
(5)按照上述過程完成其他待裝配零件與其工裝元件之間的語義和幾何關(guān)系的建立。
結(jié)論
(1)針對(duì)飛機(jī)制造企業(yè)需求，建立針對(duì)飛機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃和裝配工裝概念的信息域，并對(duì)各域之間的映射機(jī)理進(jìn)行研究，從而建立了設(shè)計(jì)-工藝-工裝之間的有機(jī)聯(lián)系。
1.教學(xué)層面
由于綜合性大學(xué)在畢業(yè)考評(píng)上學(xué)科間存在的差異，導(dǎo)致畢業(yè)考評(píng)的形式和內(nèi)容多元化，統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)難以適應(yīng)藝術(shù)設(shè)計(jì)各學(xué)科的教學(xué)要求，在具體的教學(xué)中教師又要求學(xué)生將畢業(yè)論文和畢業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)合起來，達(dá)到藝術(shù)設(shè)計(jì)理論研究和實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)目標(biāo)，以及使學(xué)生能夠深入地對(duì)一類問題或一個(gè)問題進(jìn)行方案構(gòu)思、設(shè)計(jì)創(chuàng)作、模型演示、效果展示等全面體現(xiàn)，以往的結(jié)果考評(píng)側(cè)重了學(xué)生論文撰寫能力和畢業(yè)設(shè)計(jì)的效果，對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新能力、就業(yè)能力培養(yǎng)卻顯得不足，也不能為整個(gè)教學(xué)體系的最終環(huán)節(jié)注入新的活力。
2.學(xué)生主觀層面
近年來，隨著我國(guó)高等學(xué)校招生規(guī)模的不斷擴(kuò)大，學(xué)生人均占有教學(xué)資源不足和教學(xué)條件的制約，畢業(yè)生往往對(duì)畢業(yè)論文的寫作認(rèn)識(shí)程度不夠，出現(xiàn)選題范圍過大或過小、學(xué)術(shù)性不強(qiáng)、創(chuàng)新點(diǎn)不突出、抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重等問題，教學(xué)難以達(dá)到預(yù)期效果，畢業(yè)設(shè)計(jì)虎頭蛇尾，預(yù)想高過實(shí)際設(shè)計(jì)的目標(biāo)，展示效果欠佳，實(shí)物模型的設(shè)計(jì)制作草率粗糙，如何來規(guī)避這些問題和增效值得深思。
3.管理層面
畢業(yè)論文與設(shè)計(jì)課程設(shè)置在第八學(xué)期，這個(gè)時(shí)期對(duì)于學(xué)生來說由于在校學(xué)習(xí)、社會(huì)實(shí)踐、擇業(yè)就業(yè)存在很多時(shí)間上的沖突，在心理上容易產(chǎn)生較大波動(dòng)，不利于寫出優(yōu)秀的畢業(yè)論文和創(chuàng)作畢業(yè)設(shè)計(jì)，往往顧此失彼。由于藝術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計(jì)一般需要進(jìn)行圖像、圖版、實(shí)物、模型等形式的展示，在各評(píng)價(jià)指標(biāo)分層制定的同時(shí)，學(xué)生能否得到一定程度的經(jīng)費(fèi)支持，也是從這個(gè)層面探討的問題之一。
二、藝術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)畢業(yè)考評(píng)模型
1.考評(píng)體系構(gòu)建
以“過程+結(jié)果+展示”三位一體的模式作為考評(píng)體系的制定依據(jù)，考評(píng)指標(biāo)的逐層細(xì)分。過程考評(píng)不僅能提高和促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性，顯著增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果，而且有助于教師在教學(xué)過程中，全面地及時(shí)的了解學(xué)生的方案進(jìn)展情況，考查學(xué)生解決問題的能力，階段目標(biāo)完成的好壞。在設(shè)計(jì)教學(xué)中，學(xué)生往往存在“會(huì)做不會(huì)說”“會(huì)畫不會(huì)寫”的現(xiàn)象，將結(jié)果考核始終作為評(píng)定設(shè)計(jì)優(yōu)劣的主要依據(jù)。畢業(yè)設(shè)計(jì)這個(gè)完整系統(tǒng)的過程就是畢業(yè)生向自己、向?qū)W校、向教師、向家長(zhǎng)、向社會(huì)交的一份答卷，必然要接受大家的檢閱。
2.參評(píng)主體構(gòu)成
建立以“指導(dǎo)教師評(píng)價(jià)+評(píng)閱教師+答辯委員會(huì)評(píng)價(jià)+網(wǎng)上投票”構(gòu)成的參評(píng)主體，對(duì)學(xué)生的畢業(yè)論文和畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行多角度評(píng)價(jià)。指導(dǎo)教師是學(xué)生畢業(yè)論文和畢業(yè)設(shè)計(jì)整個(gè)過程的直接參與者，所以具有一定的話語權(quán)。畢業(yè)答辯更像是一次檢閱，答辯委員會(huì)在畢業(yè)答辯時(shí)給出的評(píng)價(jià)基本上是客觀的、公正的，學(xué)生在答辯時(shí)的綜合表現(xiàn)因語言表達(dá)能力、形象氣質(zhì)、答辯技巧的強(qiáng)弱作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。在校園數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展下，傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)方式要適應(yīng)現(xiàn)階段的校園生活方式，建設(shè)專業(yè)的網(wǎng)上投票系統(tǒng)能夠讓更多的師生參與畢業(yè)設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)。
3.審查監(jiān)督
采用“教研室自查+專家盲審+教學(xué)督導(dǎo)抽查”相結(jié)合的方式對(duì)學(xué)生論文和設(shè)計(jì)進(jìn)行審查和監(jiān)督，增設(shè)用于網(wǎng)上投票的展示平臺(tái)和評(píng)價(jià)平臺(tái)。審查監(jiān)督是在教學(xué)管理機(jī)構(gòu)對(duì)畢業(yè)考評(píng)進(jìn)行綜合性的運(yùn)行保障機(jī)制，可從以上三個(gè)層次進(jìn)行，可將畢業(yè)論文和畢業(yè)設(shè)計(jì)的審查納入督導(dǎo)組的督導(dǎo)范圍，形成良性的循環(huán)機(jī)制。
三、考評(píng)體系的增效機(jī)制
1.深化教學(xué)改革
藝術(shù)設(shè)計(jì)人才需要有科學(xué)精神、人文素養(yǎng)、藝術(shù)創(chuàng)新、技術(shù)能力，不斷調(diào)整以往的教學(xué)觀念與方式。將“過程+結(jié)果+展示”的考評(píng)系統(tǒng)逐層展開，每層指標(biāo)建立詳細(xì)的子系統(tǒng)，進(jìn)行一般問題的梳理和特殊問題的列舉，然后對(duì)問題進(jìn)行排序和考核等級(jí)層次的制定，最后對(duì)考核分值的進(jìn)行分配，對(duì)初步建立的系統(tǒng)模型。
2.學(xué)生主觀驅(qū)動(dòng)
藝術(shù)設(shè)計(jì)是社會(huì)性的行為，但由于學(xué)生缺乏社會(huì)與文化責(zé)任感而沒有強(qiáng)大的使命為驅(qū)動(dòng)，知識(shí)儲(chǔ)備不足的同時(shí)又面臨諸多就業(yè)的壓力，面對(duì)知識(shí)信息大爆發(fā)所往往出現(xiàn)了浮躁與急功近利的現(xiàn)象，內(nèi)在的學(xué)習(xí)動(dòng)力不足。評(píng)價(jià)指標(biāo)可細(xì)化可深入至出勤率、同導(dǎo)師的溝通次數(shù)、方案草圖環(huán)節(jié)、定稿、制作、選材、印刷打印等，各環(huán)節(jié)進(jìn)度形成相應(yīng)的書面材料進(jìn)行歸檔整理，有效的避免學(xué)生無計(jì)劃的實(shí)施和不按進(jìn)度完成的情況，并能夠保證畢業(yè)論文和畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成質(zhì)量和效果。
3.管理的操作機(jī)制
畢業(yè)設(shè)計(jì)是全面系統(tǒng)訓(xùn)練培養(yǎng)提高學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力的系統(tǒng)整合性課程。因此，本科四年教學(xué)中的任何一個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)該貫穿創(chuàng)新這個(gè)基本原則，畢業(yè)設(shè)計(jì)也不例外，對(duì)于最終的考評(píng)子系統(tǒng)模型保留修改和增減項(xiàng)目的空間，保證系統(tǒng)對(duì)藝術(shù)設(shè)計(jì)專業(yè)人才培養(yǎng)的可持續(xù)性。此外，學(xué)校各部門可將畢業(yè)設(shè)計(jì)展與企業(yè)人才招聘會(huì)相結(jié)合。從而建立起完整的畢業(yè)設(shè)計(jì)展覽、畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯和人才招聘“三位一體”的畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)新模式。
四、結(jié)論
1.1不確定性分析
我國(guó)目前面臨確定最優(yōu)備用容量克服風(fēng)電機(jī)組出力的間歇性和波動(dòng)性影響，支持消納大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的問題。合理確定快速響應(yīng)火電機(jī)組規(guī)模，過多火電機(jī)組備用容量會(huì)增加運(yùn)行成本，因此需要考慮到系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。本文的研究基礎(chǔ)是新建快速響應(yīng)火電機(jī)組來解決面臨的風(fēng)電并網(wǎng)及消納問題，不考慮對(duì)現(xiàn)有火電機(jī)組升級(jí)改造的情形。大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)背景下快速響應(yīng)火電機(jī)組的規(guī)劃面臨2種不確定性：1）快速響應(yīng)火電機(jī)組參數(shù)的不確定性，包括燃料可用性、碳排放成本、折現(xiàn)率、投資成本等；2）系統(tǒng)調(diào)度水平的不確定性，包括隨機(jī)停運(yùn)(機(jī)組、輸電線路等)、負(fù)荷和風(fēng)速預(yù)測(cè)誤差等。本文假定發(fā)電商向調(diào)度機(jī)構(gòu)提出快速響應(yīng)火電機(jī)組建設(shè)申請(qǐng)，調(diào)度機(jī)構(gòu)結(jié)合規(guī)劃模型最終確定快速響應(yīng)機(jī)組規(guī)劃方案，因此，快速響應(yīng)機(jī)組參數(shù)的不確定性可以不用考慮。同時(shí)，假定電力系統(tǒng)的隨機(jī)性與系統(tǒng)元件停運(yùn)相關(guān)，負(fù)荷和風(fēng)速預(yù)測(cè)誤差與發(fā)電備用容量最優(yōu)水平相關(guān)。同時(shí)，本文采用蒙特卡羅模擬方法來仿真電力系統(tǒng)的隨機(jī)特性。假定風(fēng)速服從威布爾分布[17]，由于風(fēng)速預(yù)測(cè)誤差的存在，蒙特卡羅仿真將設(shè)定大量情景，并得到每個(gè)情景下每小時(shí)的風(fēng)力發(fā)電量?？紤]到發(fā)電機(jī)組和輸電線路的隨機(jī)性停運(yùn)，在蒙特卡羅仿真中引入2個(gè)向量X和Y。其中，Xmht=1表示第m個(gè)發(fā)電機(jī)組在第t年時(shí)段h時(shí)運(yùn)行，Xmht=0則表示停運(yùn)；Ynht=1表示第n條輸電線路在第t年時(shí)間段h時(shí)可用，Ynht=0則表示不可用。本文將年尖峰負(fù)荷預(yù)測(cè)表示為基本負(fù)荷與年增長(zhǎng)率的乘積[18]。年增長(zhǎng)率包括年平均增長(zhǎng)率和隨機(jī)增長(zhǎng)率2部分，隨機(jī)部分反映了不確定的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)或天氣變化對(duì)負(fù)荷預(yù)測(cè)的影響。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的每小時(shí)負(fù)荷是基于年系統(tǒng)尖峰負(fù)荷在使用既定負(fù)荷分布因素的情況下得出的。每個(gè)情景都有一定的發(fā)生概率，由生成的情景數(shù)目分布得到。情景總數(shù)對(duì)基于情景的優(yōu)化模型的計(jì)算工作量影響很大。因此，對(duì)于大型計(jì)算系統(tǒng)，采用有效的情景精簡(jiǎn)方法對(duì)提高計(jì)算效率是十分重要的。精簡(jiǎn)技術(shù)要求在盡量與原始系統(tǒng)接近的情況下得到最少的情景。因此，本文設(shè)定情景子集采用基于該子集的概率測(cè)度方法，該方法在概率度量方面與初始概率分布最為接近。另外，本文利用通用代數(shù)建模系統(tǒng)(generalalgebraicmodelingsystem，GAMS)中的SCENRED工具提供的精簡(jiǎn)代數(shù)式設(shè)定情景子集，并對(duì)情景進(jìn)行最優(yōu)概率分配。
1.2基于Benders分解算法的規(guī)劃模型
大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)時(shí)，系統(tǒng)調(diào)度機(jī)構(gòu)的目標(biāo)是在滿足規(guī)劃和運(yùn)行約束條件的前提下實(shí)現(xiàn)規(guī)劃總成本最小，如式(1)所示。式中：t為規(guī)劃年，t=1,2,…,T；h為時(shí)段，h=1,2,…,H；m為發(fā)電機(jī)組序號(hào)，m=1,2,…,M；k為情景，k=1,2,…,K；Cmt()為第t年機(jī)組m的投資成本；Gmts為k情境下第t年機(jī)組m的安裝狀態(tài)，1為已完成安裝，否則為0；d為貼現(xiàn)率；pk為情景k發(fā)生的概率；Omht為第t年的h時(shí)段發(fā)電機(jī)組m的運(yùn)行成本；Sht為相應(yīng)的運(yùn)行小時(shí)數(shù)；Pmhtk為k情境下第t年h時(shí)段機(jī)組m的調(diào)度電量。根據(jù)大規(guī)模并網(wǎng)背景下系統(tǒng)的不確定性及目標(biāo)函數(shù)的特點(diǎn)，本文利用Benders分解法將快速響應(yīng)火電機(jī)組規(guī)劃問題分解成1個(gè)主問題和2個(gè)子問題：主問題是不考慮可靠性的最優(yōu)投資規(guī)劃問題，2個(gè)子問題是可靠性和最優(yōu)運(yùn)行問題。其中，可靠性子問題的可行域受主問題影響，而最優(yōu)運(yùn)行子問題受可靠性子問題可行域的影響，也就是說可靠性子問題的約束中除含有自身決策變量還包括主問題的決策變量，同樣，最優(yōu)運(yùn)行子問題約束中除含有自身決策變量還包括可靠性子問題決策變量。在圖1中，發(fā)電商向系統(tǒng)調(diào)度機(jī)構(gòu)提供快速響應(yīng)機(jī)組的候選集，考慮規(guī)劃限制情況下，調(diào)度機(jī)構(gòu)以新機(jī)組投資總成本最小為目標(biāo)，確定新機(jī)組的最優(yōu)投資方案。其中，規(guī)劃限制因素包括機(jī)組最大數(shù)量和候選機(jī)組的建設(shè)時(shí)間等。其中主問題同樣確定了目標(biāo)函數(shù)的下界，并用該下界檢驗(yàn)規(guī)劃的最優(yōu)性。除了規(guī)劃限制因素，子問題中產(chǎn)生的Benders割也作為主問題附加約束條件。主問題中包含所有的變量，而且所有的限制條件是線性的。主問題是一個(gè)混合整數(shù)線性規(guī)劃問題。通過子問題提供的可靠性和最優(yōu)運(yùn)行對(duì)主問題的組合優(yōu)化狀態(tài)進(jìn)行修正?？煽啃詸z查子問題對(duì)主問題提出的規(guī)劃中涉及到的系統(tǒng)可靠性限制因素的可行性進(jìn)行檢測(cè)。該子問題不僅保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)是電力平衡的，而且滿足輸電安全和發(fā)電機(jī)組物理限制因素的要求。在可行性不允許的情況下，會(huì)形成可靠性割，用以分析主問題中規(guī)劃問題的派生情況。直到確定可靠的規(guī)劃后該派生過程才會(huì)停止。一旦滿足了系統(tǒng)可靠性，最優(yōu)運(yùn)行的子問題將考慮規(guī)劃方案的最優(yōu)性，直到滿足給定的收斂標(biāo)準(zhǔn)，該問題的派生過程才會(huì)停止。具體計(jì)算步驟如下：
1）系統(tǒng)調(diào)度機(jī)構(gòu)
最初獲得的信息包括投資候選快速響應(yīng)火電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性數(shù)據(jù)、機(jī)組斷電數(shù)據(jù)、輸電線路數(shù)據(jù)以及負(fù)荷和風(fēng)速預(yù)測(cè)誤差數(shù)據(jù)。然后利用蒙特卡羅模擬法設(shè)定一系列情景。隨機(jī)長(zhǎng)期規(guī)劃問題本質(zhì)上很復(fù)雜。本文用代數(shù)建模系統(tǒng)(GAMS)對(duì)情景進(jìn)行精簡(jiǎn)。
2）本文模型
包括1個(gè)混合整數(shù)線性規(guī)劃主問題和2個(gè)線性規(guī)劃子問題。主問題研究最優(yōu)投資規(guī)劃，子問題進(jìn)行可靠性檢查并確定最優(yōu)市場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)。主問題確定最優(yōu)投資規(guī)劃，其目標(biāo)是新確立的快速響應(yīng)發(fā)電機(jī)組的投資成本最小，如式(2)所示。式中：Bm為快速響應(yīng)機(jī)組m的建設(shè)時(shí)間；Mmht為第t年發(fā)電機(jī)組m啟停狀態(tài)，1為開機(jī)，0為停機(jī)。其中，式(3)—(5)分別為建設(shè)時(shí)間約束條件、裝機(jī)情況約束條件、快速響應(yīng)機(jī)組的組合優(yōu)化狀態(tài)約束條件。主問題的解包括最優(yōu)投資規(guī)劃、新機(jī)組的組合優(yōu)化狀態(tài)和規(guī)劃目標(biāo)函數(shù)的下界。在第1派生階段，對(duì)機(jī)組的組合優(yōu)化狀態(tài)沒有系統(tǒng)限制約束，因此變量賦有隨機(jī)值。但是，在接下來的派生過程中，來自于可靠性檢查和優(yōu)化運(yùn)行子問題中的Benders割為機(jī)組狀態(tài)設(shè)定了限制因素。如果出現(xiàn)意外情況(如圖1所示主問題求解環(huán)節(jié)出現(xiàn)無解的情況)，則調(diào)度機(jī)構(gòu)需要采取一系列預(yù)防措施，如切負(fù)荷、激勵(lì)市場(chǎng)參與者提供額外的容量作為快速響應(yīng)備用等。
3）主問題確定
第t年發(fā)電機(jī)組m的最優(yōu)安裝狀態(tài)mtG及其在h時(shí)段的啟停狀態(tài)mhtM后，可靠性檢查子問題基于主問題的解將系統(tǒng)偏差降到最小。在電力平衡變量中引入松弛變量，目標(biāo)函數(shù)(6)即是將松弛變量最小化。式中：Vitk為k情境下第t年的松弛變量；,1ijhtkL為第i次迭代k情境下第t年h時(shí)段j母線上的預(yù)期發(fā)電缺口；,2ijhtkL為第i次迭代k情境下第t年h時(shí)段j母線上的發(fā)電剩余；Phjtk為k情境下第t年h時(shí)段j母線上的調(diào)度電量；Dnjtk為k情境下第t年輸電線路n上來自母線j的有功潮流；Qjhtk為k情境下第t年h時(shí)段母線j上的負(fù)荷；Mmhtk為k情境下第t年發(fā)電機(jī)組m在h時(shí)段的開停機(jī)狀態(tài)；Pmhtk為k情境下第t年h時(shí)段機(jī)組m的調(diào)度電量；Pmin,m為機(jī)組m的最小出力限制；Mmht為第t年h時(shí)段機(jī)組m的啟停狀態(tài)；Xmthk為k情境下第t年h時(shí)段機(jī)組m的發(fā)電機(jī)可用狀態(tài)，0為處于停機(jī)狀態(tài)，否則為1；Pmax,m為機(jī)組m的最小出力限制；Dnhtk為k情境下第t年h時(shí)段輸電線路n上的有功潮流；Ynhtk為k情境下第t年h時(shí)段輸電線路n的輸電可用狀態(tài)；I為從線路n上某點(diǎn)注入的注入功率；θnchtkθndhtk為k情境下第t年h時(shí)段輸電線路n兩端電壓的相角差；xn為輸電線路n的電抗；Rm、Rm為機(jī)組m爬坡加速/減速極值。其中，式(7)為目標(biāo)函數(shù)的節(jié)點(diǎn)電力平衡約束條件，式(8)為發(fā)電機(jī)組安裝狀態(tài)，式(9)為主問題確定的組合優(yōu)化狀態(tài)，式(10)為發(fā)電限制，式(11)為直流電力潮流，式(12)為輸電線路限制，式(13)(14)為爬坡加速/減速限制。隨機(jī)規(guī)劃解將滿足長(zhǎng)期可靠性指數(shù)，如電量不足停電損失率η。當(dāng)?shù)趖年第h小時(shí)的η值比其目標(biāo)值大時(shí)，第r次迭代時(shí)產(chǎn)生Benders割，相應(yīng)的可靠性信號(hào)會(huì)反饋給主問題。將η作為約束條件限制未供給的每小時(shí)負(fù)荷數(shù)。年度負(fù)荷總數(shù)滿足年度η要求。但是，使用基于小時(shí)指標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)在于能夠阻止某些時(shí)段發(fā)生大規(guī)模甩負(fù)荷的情況。第t年h時(shí)段的η由式(6)中的預(yù)期發(fā)電缺口Lijhtk,1除以第t年第h小時(shí)的預(yù)測(cè)負(fù)荷所得。式(15)所示的可靠性限制會(huì)使發(fā)電剩余Lijhtk,2為0。如果式(15)中有任何一個(gè)式子不能滿足，則會(huì)產(chǎn)生Benders割。式中：αits和βihts分別為優(yōu)化過程中對(duì)應(yīng)于各約束的拉格朗日乘子最優(yōu)值，均為常量；Fhtk為k情景下第t年h時(shí)段的負(fù)荷；ηht為第t年h時(shí)段電量不足的概率。式(16)的Benders割表示現(xiàn)有機(jī)組組合優(yōu)化狀態(tài)和候選機(jī)組安裝狀態(tài)的耦合信息。割表示在t年通過調(diào)整投資規(guī)劃無法減輕電網(wǎng)受到的擾亂程度。
4）最優(yōu)運(yùn)行
子問題的目標(biāo)是基于提交的競(jìng)標(biāo)發(fā)電量和用電需求使社會(huì)福利最大化。社會(huì)福利定義為基于競(jìng)標(biāo)值的電力消費(fèi)支付額和生產(chǎn)成本之間的差額。該子問題的構(gòu)建基于安全約束的經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，并檢查所求解的最優(yōu)性。當(dāng)電力需求沒有彈性時(shí)，目標(biāo)函數(shù)是基于給定的投資規(guī)劃和機(jī)組組合優(yōu)化狀態(tài)使系統(tǒng)成本最小，如式(17)所示。在一些情景下，發(fā)電機(jī)組和輸電線路斷電會(huì)導(dǎo)致無可行解。為了計(jì)算此種情況下的價(jià)格，假設(shè)原發(fā)電機(jī)組由虛擬發(fā)電機(jī)組以更高的價(jià)格提供所需電量。利用電量不足期望值來表示虛擬發(fā)電機(jī)組提供的電能。(1)111(1)111min(1)(1)THKqhtmhtmhtkktthkTHJhtjhtjhtktthjSOPWdSCPd(17)s.t.111MJJmhjtkjhtkjhtkmjjPPQ(18)UPEQ+PAD(19)0,jhtkPj(20)式中：Wqk為系統(tǒng)運(yùn)行成本；jhtkP為k情境下第t年h時(shí)段母線j上虛擬機(jī)組的可調(diào)度容量；jhtC為第t年h時(shí)段母線j上虛擬機(jī)組的成本；U為母線機(jī)組關(guān)聯(lián)矩陣；E為母線負(fù)荷關(guān)聯(lián)矩陣；P為虛擬機(jī)組可調(diào)度容量向量；A為母線支路關(guān)聯(lián)矩陣；D為有功潮流矩陣；P為有功功率向量；Q為負(fù)荷向量。類似于可靠性檢查子問題，最優(yōu)運(yùn)行的目標(biāo)函數(shù)受到物理因素限制，如式(8)—(14)所示。該子問題的解為主問題目標(biāo)函數(shù)提供了上界，用于檢查解的最優(yōu)性。如果提出的投資規(guī)劃方案不是最優(yōu)的，會(huì)產(chǎn)生如式(21)所示的Benders割現(xiàn)象，并會(huì)添加到下一迭代過程中的主問題中。(1)(1)1111111111()(1)()()KTMqmtmtkmtkkktktmKTMkmtkmtkmtktmKTHMkmhtkmhtkmhtkthmCGGZpWdpGGpMM(21)Benders分解法的重要特點(diǎn)是可以在每一迭代階段為最優(yōu)解提供上下界，從而提供了收斂標(biāo)準(zhǔn)。收斂標(biāo)準(zhǔn)如式(22)所示。YZYZ(22)式中是最小的正數(shù)，表示接受最優(yōu)解的臨界值。
2、算例分析
本文通過一個(gè)6節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的算例來分析集中式和分布式風(fēng)電擴(kuò)張情形，如圖2所示。本文研究給定風(fēng)電并網(wǎng)水平情況下快速響應(yīng)火電機(jī)組的規(guī)劃問題?；陲L(fēng)速預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)分為3個(gè)區(qū)域，其風(fēng)電容量參數(shù)分別為31%、38%和49%。風(fēng)電容量參數(shù)是1a內(nèi)實(shí)際風(fēng)力發(fā)電量與裝機(jī)容量全部投入使用時(shí)的發(fā)電量的比值。本文研究的快速響應(yīng)火電機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)規(guī)劃期和年峰負(fù)荷預(yù)測(cè)期均為10a。表1列出了系統(tǒng)數(shù)據(jù)，圖3給出了基準(zhǔn)案例情況下年尖峰負(fù)荷預(yù)測(cè)情況。節(jié)點(diǎn)2、4和5的負(fù)荷比例分別為50%、30%和20%。假設(shè)負(fù)荷在該段時(shí)期內(nèi)擁有相同的分布參數(shù)。年尖峰負(fù)荷預(yù)測(cè)值是基準(zhǔn)負(fù)荷(如307MW)與年增長(zhǎng)率(如2.5%)的乘積。假定尖峰負(fù)荷隨機(jī)部分增長(zhǎng)率和風(fēng)速預(yù)測(cè)誤差服從正態(tài)分布[19]，中值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為0.01，每小時(shí)負(fù)荷參數(shù)和每小時(shí)風(fēng)力發(fā)電系數(shù)借鑒伊利諾伊理工大學(xué)提供的6節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)小時(shí)數(shù)據(jù)。表2所示為候選發(fā)電機(jī)組數(shù)據(jù)。風(fēng)電每小時(shí)成本忽略不計(jì)。風(fēng)電容量為150MW，在情形I中是集中式，情形II—IV分布式。5種情形如下：1）情形I，風(fēng)電機(jī)組集中在節(jié)點(diǎn)3的規(guī)劃問題。2）情形II，風(fēng)電機(jī)組分布在節(jié)點(diǎn)2、3和6的規(guī)劃問題。3）情形III，風(fēng)電機(jī)組分布在節(jié)點(diǎn)2、3和6，但是在第8年線路4-5部分停運(yùn)的規(guī)劃問題。4）情形IV，風(fēng)電機(jī)組分布在節(jié)點(diǎn)2、3和6，但是在第8年機(jī)組2停運(yùn)的規(guī)劃問題。5）情形V，風(fēng)電機(jī)組分布在節(jié)點(diǎn)2、3和6，但是在第8年線路4-5部分和機(jī)組2同時(shí)停運(yùn)的規(guī)劃問題。情形I：在該情形下，風(fēng)電機(jī)組全部安置在區(qū)域C的節(jié)點(diǎn)3處，因?yàn)榇颂庯L(fēng)速預(yù)測(cè)最為理想。第1年該節(jié)點(diǎn)接入裝機(jī)容量為150W、容量參數(shù)為49%的風(fēng)電機(jī)組。但是，這樣的規(guī)劃導(dǎo)致無法用其他機(jī)組降低節(jié)點(diǎn)3較大風(fēng)速誤差帶來的影響。表3列出了各機(jī)組投入使用的年份。機(jī)組3一直投入使用，機(jī)組1在尖峰投入時(shí)使用以滿足負(fù)荷需求，將運(yùn)行成本降到最小。總的投資和運(yùn)行成本為1336元/MW，其中運(yùn)行成本為553元/MW。起初，機(jī)組3在節(jié)點(diǎn)3，機(jī)組2在節(jié)點(diǎn)2(系統(tǒng)最大的負(fù)荷中心)。表3中的其他機(jī)組在以后年份風(fēng)電容量和負(fù)荷增加時(shí)逐步投入使用。風(fēng)電集中安裝情況下沒有足夠多的輸電通道。情形II：圖2顯示了風(fēng)電機(jī)組在3個(gè)區(qū)域分布式安裝的結(jié)果。風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量50MW，區(qū)域A和B的容量參數(shù)小于區(qū)域C的容量參數(shù)。表4給出了候選機(jī)組的安裝年份。與情形I類似，機(jī)組1在第5年安裝，機(jī)組2在第1年安裝。但是，在第7年機(jī)組3才在節(jié)點(diǎn)1安裝。節(jié)點(diǎn)3處的風(fēng)電機(jī)組WG3年發(fā)電容量為12.5MW(容量參數(shù)為25%)，線路2和3沒有阻塞。低成本的WG3在某些時(shí)候低于其容量參數(shù)運(yùn)行是因?yàn)橄到y(tǒng)慢加速限制因素。因此，在第7年接入快速響應(yīng)機(jī)組后，WG3平均發(fā)電量上升到22.5MW，容量參數(shù)為45%，仍然低于WG3的容量參數(shù)49%，這是由于輸電和運(yùn)行條件限制(如火電機(jī)組最低發(fā)電量限制、系統(tǒng)慢加速限制、開關(guān)限制等)。與情形1相比，總投資和運(yùn)行成本降低至1072元/MW，其中運(yùn)行成本上升到了601元/MW。在情形II中，由于區(qū)域A和B較低的容量參數(shù)，總風(fēng)電機(jī)組利用率與情形I相比降低了28%，這將導(dǎo)致更多的昂貴的火電機(jī)組的使用，并增加運(yùn)行成本。如果區(qū)域A和B的容量參數(shù)與區(qū)域C相同(49%)，則運(yùn)行成本將降低至540元/MW。圖4把運(yùn)行和總成本描述為風(fēng)電容量參數(shù)的函數(shù)。初始值是現(xiàn)有的風(fēng)電并網(wǎng)水平。圖4顯示隨著快速響應(yīng)機(jī)組投資額的增加，運(yùn)行成本降低。由社會(huì)成本可以看出，容量參數(shù)的最優(yōu)增長(zhǎng)為20%，此時(shí)社會(huì)成本最低。盡管區(qū)域A和B的風(fēng)電容量參數(shù)較低，但是風(fēng)電在3個(gè)區(qū)域的分布降低了總成本，提高了機(jī)組使用率。這是因?yàn)橐粋€(gè)區(qū)域的風(fēng)力間歇可以由其他區(qū)域來補(bǔ)充，同時(shí)，快速響應(yīng)機(jī)組投入減少。情形III：該情形考慮在第8年尖峰時(shí)段4-5線路停運(yùn)的情況。與情形II類似，機(jī)組2在第1年投入使用，機(jī)組1在第5年投入使用，機(jī)組3在第7年投入使用，如表5所示。另外，作為預(yù)防措施，機(jī)組4在第8年投入使用，機(jī)組6在第10年投入使用。線路4-5的停運(yùn)減少了區(qū)域A和區(qū)域B的輸電通道，因此有必要在區(qū)域B接入機(jī)組4和6。與情形2相比，總成本增加至1227元/MW。情形IV：第8年尖峰時(shí)段機(jī)組1的停運(yùn)將改變情形II中的規(guī)劃方案。機(jī)組2在第1年投入使用，機(jī)組1在第5年投入使用，機(jī)組3在第7年投入使用，如表6所示。另外，機(jī)組6在第8年投入使用，作為機(jī)組2停運(yùn)的補(bǔ)充。該預(yù)防措施使規(guī)劃成本上升至1162元/MW，運(yùn)行成本升至601元/MW。情形V：在第8年，線路4-5和機(jī)組2同時(shí)停運(yùn)，如表7所示。此處考慮尖峰和非尖峰時(shí)段2種情況。同之前情形類似，機(jī)組3在第1年投入使用，機(jī)組4和6在第8年投入使用作為停運(yùn)的補(bǔ)充?？偝杀旧?232元/MW，是所有情形中最高的，但是運(yùn)行成本和情形4和5相比變化不大。
3、結(jié)論
在優(yōu)化系統(tǒng)初始參數(shù)輸入的界面中，根據(jù)具體優(yōu)化問題，確定優(yōu)化對(duì)象相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)值與優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)范圍，然后在輸入欄里輸入相關(guān)參數(shù)值和初始值。設(shè)計(jì)界面中某些參數(shù)的輸入需要在一定的范圍內(nèi)，如果輸入非法時(shí)，會(huì)有相應(yīng)的提示，需要重新輸入正確的參數(shù)[4-5]。當(dāng)用戶輸完相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)之后，單擊“開始優(yōu)化”按鈕，系統(tǒng)首先將輸入的具體參數(shù)值類型轉(zhuǎn)化為MATLAB數(shù)據(jù)類型，然后將數(shù)值傳入到MATLAB優(yōu)化組件中進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化成功后的結(jié)果顯示在界面中，否則返回重新進(jìn)行優(yōu)化。整個(gè)分析過程在服務(wù)器上完成，不影響用戶進(jìn)行本地的其他操作。
2關(guān)鍵技術(shù)
筆者通過刮板輸送機(jī)的優(yōu)化實(shí)例用以說明在系統(tǒng)建立過程中的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的M文件編寫針對(duì)刮板輸送機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的不確定性，以達(dá)到其電機(jī)功率最小和運(yùn)輸性能最佳為目標(biāo)，取輸送機(jī)刮板鏈運(yùn)行速度v、槽深H及寬度B作為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量。具體優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的建立過程請(qǐng)見文獻(xiàn)[6]。根據(jù)以上的數(shù)學(xué)模型，編寫M文件，由于在具體工程實(shí)例中設(shè)計(jì)值的不同，筆者將文獻(xiàn)[6]中的某些具體的設(shè)計(jì)值作為可變的參數(shù)傳遞值。這里取鏈條最小張力、鏈條單位長(zhǎng)度質(zhì)量、輸送機(jī)的鋪設(shè)長(zhǎng)度和物料堆積角作為可變的傳遞參數(shù)，令其分別為x(4)、x(5)、x(6)、x(7)，以方便MATLAB與之間傳遞參數(shù)，代碼如下：編譯生成.net組件生成.net組件的步驟如下。(1)在CommandWindow里面直接輸入deploytool，在彈出的DeploymentProject窗口里，輸入相應(yīng)的保存位置和名稱，Type類型選擇：.NETAssembly。如圖3所示。(2)添加已經(jīng)編寫好的M文件guabanji.m，如圖4所示。(3)創(chuàng)建工程，選擇Build編譯成.net組件。文件保存后打開剛才保存工程的文件夾可以看到有兩個(gè)新建的文件夾distrib和src。這里包含了在調(diào)用中需要用到的文件、庫、資源和接口等，如圖5所示。調(diào)用.net組件與網(wǎng)頁設(shè)計(jì)打開vs2010，新建一個(gè)C#項(xiàng)目，添加引用，在彈出的菜單中找到已經(jīng)生成的.net組件文件夾src，選擇添加其中的guabanji.dll文件，另在.net中添加MWArray組件，這樣引用添加成功，如此便可以調(diào)用.net組件進(jìn)行優(yōu)化[7-8]。
3運(yùn)行實(shí)例
用戶通過瀏覽器進(jìn)入基于Web煤機(jī)裝備優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、提升機(jī)及掘進(jìn)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。筆者以刮板輸送機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)為例，介紹了整個(gè)系統(tǒng)需要優(yōu)化的機(jī)型，選擇所需優(yōu)化的零件進(jìn)入優(yōu)化設(shè)計(jì)頁面，并根據(jù)提示輸入合理參數(shù)，然后點(diǎn)擊“開始優(yōu)化”按鈕，系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)用戶輸入的參數(shù)，調(diào)用.net組件實(shí)現(xiàn)優(yōu)化分析設(shè)計(jì)，并將優(yōu)化的結(jié)果顯示在瀏覽器上[9-10]。以刮板輸送機(jī)為例進(jìn)行說明，首先打開網(wǎng)站首頁，選擇刮板輸送機(jī)優(yōu)化；進(jìn)入刮板輸送機(jī)零部件優(yōu)化列表頁面，選擇所需零件進(jìn)入其優(yōu)化設(shè)計(jì)頁面，在文本框中輸入具體問題的設(shè)計(jì)參數(shù)，然后點(diǎn)擊頁面中的“開始優(yōu)化”按鈕進(jìn)行優(yōu)化，如圖6所示。得到優(yōu)化結(jié)果后，將常規(guī)的設(shè)計(jì)方案與優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的結(jié)果對(duì)比，如表1所列。
4結(jié)語
作為一個(gè)新產(chǎn)品，在設(shè)計(jì)開始之前，不僅要明確創(chuàng)造產(chǎn)品的目的，而且要搞清楚有哪些約束縮小了設(shè)計(jì)方案的選擇。這些約束通常是以準(zhǔn)確表達(dá)出的條件或者以技術(shù)要求的形式表示出來的，符合這些約束的任何一個(gè)方案，都被認(rèn)為是可行的，設(shè)計(jì)的主要任務(wù)就是找到這個(gè)可行方案，哪怕是只有一個(gè)。如果設(shè)置的約束不很嚴(yán)格，能夠存在多個(gè)允許的方案集。在這種情況下，比較并選擇在不同的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)方面有優(yōu)越性的方案，或者選擇最優(yōu)的方案。在本質(zhì)不確定的條件下，常常是很難甚至不可能找到最優(yōu)的方案并證明它的存在。在解決結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)，許多計(jì)算公式和數(shù)量關(guān)系是接近的，因?yàn)樗鼈兪墙⒃诮y(tǒng)計(jì)依賴關(guān)系或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上。因此應(yīng)慎重評(píng)價(jià)得到的設(shè)計(jì)方案與實(shí)際最優(yōu)方案的相近性。在進(jìn)行功能設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)方案優(yōu)化的主要特點(diǎn)歸結(jié)于設(shè)計(jì)者的關(guān)注點(diǎn)，主要集中在可能的方案綜合方法選擇上。而僅僅是在可能的方案集形成以后，或是找到可能的方案形成的有效計(jì)算法以后，才會(huì)面臨選擇獲取最優(yōu)方案的方法問題。從本質(zhì)上說，優(yōu)化所有這些方法就是對(duì)可能的方案離散集合尋找最適條件。個(gè)別情況下，可能的方案集被以確定的一組某個(gè)結(jié)構(gòu)表示出來，能夠采用已知的優(yōu)化方法，如網(wǎng)式優(yōu)化法、排列優(yōu)化法等。
2案例分析
以飛機(jī)上的殼體零件為例，在使用過程中，殼體處于強(qiáng)大氣流中，承受空氣動(dòng)力負(fù)載，除此之外，它還是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)動(dòng)力布局的一部分。在殼體設(shè)計(jì)的不同階段，創(chuàng)建產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和功能優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。在擬定技術(shù)建議階段，為了下一步設(shè)計(jì)，形成產(chǎn)品Ai主要輪廓F（Ai）的組成，這些主要輪廓確定了產(chǎn)品的功能用途。對(duì)于殼體而言，主要輪廓的組成與工作用途輪廓的描述一樣，直接影響了殼體的結(jié)構(gòu)方案和工藝性指標(biāo)的選擇：FP11為外圈輪廓的圓柱表面；FP12為法蘭接合處輪廓；FP13為殼體的長(zhǎng)度L；FP14為殼體內(nèi)孔輪廓表面；…FP21為外圈輪廓相對(duì)理論表面FP11的許可偏差ΔP22；FP22為殼體長(zhǎng)度許可偏差ΔP22；FP23為接合處平面平行度許可偏差ΔP23；FP24為內(nèi)孔輪廓許可的表面粗糙度Ra……在構(gòu)思結(jié)構(gòu)方案的過程中，殼體的結(jié)構(gòu)方案分割性質(zhì)是不同的，如整體性程度不同，結(jié)構(gòu)材料不同，毛坯可能的形式不同等。在這個(gè)階段借助于生產(chǎn)工藝準(zhǔn)備模型和生產(chǎn)模型，進(jìn)行殼體工藝性評(píng)價(jià)，生產(chǎn)工藝準(zhǔn)備模型能夠評(píng)價(jià)生產(chǎn)工藝準(zhǔn)備的時(shí)間長(zhǎng)短，生產(chǎn)模型則能夠擴(kuò)展評(píng)價(jià)制造產(chǎn)品所需的勞動(dòng)消耗。針對(duì)各種不同的生產(chǎn)過程，對(duì)應(yīng)有不同的殼體結(jié)構(gòu)方案，整體式殼體，這種殼體可由金屬鑄造或者由非金屬材料壓制成型，并需要外圓表面和兩端面加工；雙半殼體組合的焊接殼體，所示，這種殼體是由兩個(gè)鍛件經(jīng)輾壓得到的，并需要外圓表面和兩端面加工與焊接；焊接外殼和法蘭組合的焊接殼體，它是由兩個(gè)法蘭和一個(gè)外殼組成，主要的聯(lián)接工序是焊接及其后的外圓表面加工；非金屬外殼和金屬法蘭組合的殼體，它是由一個(gè)非金屬外殼和兩個(gè)金屬法蘭組成，并需要外圓表面的加工和法蘭的緊固聯(lián)接。為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化，在設(shè)計(jì)階段便對(duì)殼體的結(jié)構(gòu)元素進(jìn)行分析。為評(píng)價(jià)其工藝性，選擇一個(gè)與安裝的對(duì)接螺釘相匹配的殼體空腔。從圖中可以清楚地看到，空腔可能是圓柱形的，或者是長(zhǎng)橢圓形的（A向視圖示）。前一種情況，空腔只能由鉆和锪來實(shí)現(xiàn)。但為了螺釘頭能固定在空腔壁上，必須把孔锪到對(duì)接螺釘?shù)南路剑坏诙N情況，不要求锪孔，空腔用不少于二道的工序加工完成，即鉆和銑。在設(shè)計(jì)階段，確定工藝性的任務(wù)包含在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)元素加工工序和工步方案的評(píng)價(jià)之中，解決這個(gè)任務(wù)需借助于基于工序、工步和具體類型設(shè)備和工裝水平上的生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。
3結(jié)語
根據(jù)非等時(shí)距灰色GM（1，1）模型的構(gòu)建過程，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理流程，如圖1所示。利用VB編寫主程序，完成程序用戶界面設(shè)計(jì)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的輸入，MATLAB的調(diào)用（包括等時(shí)距變換、灰色GM（1，1）模型的構(gòu)建等），預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的輸出以及預(yù)測(cè)擬合曲線與實(shí)測(cè)曲線對(duì)比圖的顯示等操作。VB調(diào)用MATLAB的主要程序代碼如下：PublicMATLABAsObject‘在VB變量聲明部分聲明要調(diào)用Matlab的ActiveX對(duì)象‘在Command1_Click（）中鏈接Matlab的ActiveX部件SetMatlab=CreateObject（"Matlab.Application"）‘初始化對(duì)象CallMatlab.MinimizeCommandWindow‘matlab窗口最小化g=Matlab.execute（gm）‘執(zhí)行matlab命令，gm為mat_lab執(zhí)行代碼非等時(shí)距時(shí)間序列轉(zhuǎn)換為等時(shí)距時(shí)間序列的主要程序代碼如下：dtim=tim（length（tim））/（length（tim）-1）；%計(jì)算平均時(shí)間間隔x0（1）=dat（1）；x0（length（tim））=dat（length（tim））；fori=2：length（dat）-1x1（i）=dat（i-1）+（dat（i）-dat（i-1））/（tim（i）-tim（i-1））*（（i-1）*dtim+tim（1）-tim（i-1））；x2（i）=dat（i）+（dat（i+1）-dat（i））/（tim（i+1）-tim（i））*（（i-1）*dtim+tim（1）-tim（i））；x0（i）=（x1（i）+x2（i））/2；%計(jì)算等時(shí)距時(shí)間序列end灰色GM（1，1）模型構(gòu)建的主要程序代碼如下：x1=cumsum（x0）；%一次累加生成fori=1：length（x0）-1；B（i，1）=（-1/2）*（x1（i）+x1（i+1））；B（i，2）=1；Yn（i，1）=x0（i+1）；end；A=（inv（B'*B））*B'*Yn；a=A（1）；u=A（2）；%計(jì)算發(fā)展系數(shù)以及灰色作用量fork=1：length（x0）+T；xsum（k）=（x0（1）-u/a）*exp（-a*（tim1（k）/dtim））+u/a；xsum1（k）=（x0（1）-u/a）*exp（-a*（tim1（k）-dtim）/dtim）+u/a；end；xyc（1）=xsum（1）；fork=2：length（x0）+T；xyc（k）=xsum（k）-xsum1（k）；%累減還原預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)end。
2工程實(shí)例分析
某基坑工程位于青島市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，地處長(zhǎng)江路示范居住中心地段，共分三期開發(fā)，每期工程各由4棟32~33層高層住宅、地下2層機(jī)械停車庫組成，其中二期工程包含5#、6#、7#、8#樓?，F(xiàn)以監(jiān)測(cè)點(diǎn)J8、J10、J16、J19、J22的累計(jì)位移變化量為時(shí)間序列進(jìn)行建模分析。表2為J16點(diǎn)的部分觀測(cè)數(shù)據(jù)。選取第1~8期作為牛頓插值數(shù)據(jù)，第9~10期作為檢驗(yàn)數(shù)據(jù)。運(yùn)行程序，依次輸入第1~8期的累計(jì)時(shí)間間隔和累計(jì)位移變化量，點(diǎn)擊“計(jì)算”控件調(diào)用MATLAB進(jìn)行運(yùn)算，將非等時(shí)距數(shù)據(jù)序列轉(zhuǎn)換為等時(shí)距序列，并在用戶界面上輸出等時(shí)距變換結(jié)果，然后輸入第9~10期的累計(jì)時(shí)間間隔，點(diǎn)擊“預(yù)測(cè)”控件，調(diào)用灰色GM（1，1）模型構(gòu)建程序模塊，計(jì)算得出第1~10期的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行精度檢驗(yàn)，最終將預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、預(yù)測(cè)模型精度等結(jié)果顯示輸出在用戶界面上，如圖2所示。將第1~10期實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，結(jié)果如表3所示。為方便直觀顯示，繪制預(yù)測(cè)擬合曲線與實(shí)測(cè)曲線，見圖2。其中，實(shí)線代表實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，虛線代表預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)從圖2中可以看出，J16點(diǎn)采用非等時(shí)距灰色GM（1，1）模型模擬的擬合曲線較為平滑，與實(shí)測(cè)曲線吻合較好。對(duì)模型進(jìn)行精度檢驗(yàn)，計(jì)算得J16點(diǎn)的后驗(yàn)差比值C=0.1126，小概率誤差P=1。由表1可知，利用該工程J16監(jiān)測(cè)點(diǎn)的第1~8期累計(jì)位移變化量為時(shí)間序列所構(gòu)建的灰色GM（1，1）模型，其精度等級(jí)為一級(jí)。依次以監(jiān)測(cè)點(diǎn)J8、J10、J19、J22的同時(shí)段累計(jì)位移變化量為時(shí)間序列建立灰色GM（1，1）模型，并進(jìn)行精度檢驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果見表4?？梢钥闯觯?個(gè)模型的精度等級(jí)均為一級(jí)。綜上可知，利用該程序?qū)Ρ?數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以獲得良好的變形預(yù)測(cè)結(jié)果，精度較高，充分驗(yàn)證了基坑變形非等時(shí)距灰色預(yù)測(cè)模型的可靠性、有效性與實(shí)用性，且程序設(shè)計(jì)界面友好、操作簡(jiǎn)便、數(shù)據(jù)處理高效，能夠?yàn)榛庸こ痰陌踩u(píng)判提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)，以便進(jìn)行適時(shí)控制。
3結(jié)束語
關(guān)鍵詞:下一代網(wǎng)絡(luò)（NGN）；軟交換；SIP協(xié)議
引言
目前傳統(tǒng)的公眾交換電話網(wǎng)（PSTN）上傳送著許多數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，由于快速增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)給并不適合傳送數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的電話網(wǎng)造成了很大的壓力。因此，基于分組技術(shù)的數(shù)據(jù)網(wǎng)與電路交換網(wǎng)最終必將走向融合，產(chǎn)生下一代由業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)。軟交換是下一代網(wǎng)絡(luò)交換的核心，如果說傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)是基于程控交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)，而下一代網(wǎng)絡(luò)則是基于軟交換的網(wǎng)絡(luò)。
一、系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)基礎(chǔ)
1.1軟交換的概念
我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)部電信傳輸研究所對(duì)軟交換的定義是：“軟交換是網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)以及下一代分組網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備之一，它獨(dú)立于傳送網(wǎng)絡(luò)，主要完成呼叫控制、資源分配、協(xié)議處理、路由、認(rèn)證、計(jì)費(fèi)等主要功能，同時(shí)可以向用戶提供現(xiàn)有電路交換機(jī)所能提供的所有業(yè)務(wù)，并向第三方提供可編程能力?！?/p>
1.2SIP協(xié)議介紹
會(huì)話初始化協(xié)議SIP（SessionInitiationProtocol）是一個(gè)面向Internet會(huì)議和電話的簡(jiǎn)單信令協(xié)議，SIP最初由IETFMMUSIC(MultipartyMultimediaSessionControl)工作組提出。它的主要目的是為了解決IP網(wǎng)中的信令控制，以及同軟交換機(jī)的通信，從而構(gòu)成新一代的通信平臺(tái)。
二、系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)
2.1系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)
軟交換采用業(yè)務(wù)與交換分離的設(shè)計(jì)思想，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上將軟交換技術(shù)應(yīng)用設(shè)計(jì)為三層結(jié)構(gòu)，底層為用戶接入層，中間為交換支撐層，最上面是業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)層。系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2.2呼叫管理服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
呼叫管理服務(wù)器處于該體系結(jié)構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)控制層，它是軟交換系統(tǒng)的核心部分。呼叫管理服務(wù)器除了完成呼叫控制、連接控制和協(xié)議處理功能外，還將提供原來由網(wǎng)守設(shè)備提供的資源管理、路由以及認(rèn)證、計(jì)費(fèi)等功能。軟交換系統(tǒng)的運(yùn)行需要SIP協(xié)議棧和SDP協(xié)議棧?？蛻舳藨?yīng)該能夠產(chǎn)生INVITE和ACK請(qǐng)求，能夠產(chǎn)生和解析Call-ID，Content-Length，Content-Type，Cseq，F(xiàn)rom和To頭部字段。呼叫管理服務(wù)器應(yīng)該能夠接收INVITE，ACK，BYE，CANCEL和REGISTER請(qǐng)求，應(yīng)該能夠產(chǎn)生和解析Call-ID，Content-Length，Content-Type，Cseq，Expires，F(xiàn)rom，Max-Forwards，Via和To頭部字段。為了能夠使客戶端和服務(wù)端能夠使用RTP傳輸語音流，SDP協(xié)議應(yīng)該能夠產(chǎn)生和解析v，o，s，c，t，m和a頭部字段。
本系統(tǒng)以面向?qū)ο蟮姆椒ㄔO(shè)計(jì)了一個(gè)滿足系統(tǒng)要求的最小SIP和SDP協(xié)議棧。SIP協(xié)議棧支持INVITE，ACK，BYE，REGISTER和CANCEL請(qǐng)求，支持100，180，200，300，400，500和600狀態(tài)應(yīng)答，支持Subject，Contact，Call-ID，Content-Length，Content-Type，Cseq，Expires，F(xiàn)rom，Max-Forwards，Via和To頭部字段。SDP協(xié)議棧支持v，o，s，c，t，m和a頭部字段。SIP和SDP中的頭部字段都是以類的形式實(shí)現(xiàn)的，所支持的頭部字段都是從一個(gè)抽象類Header繼承而來。抽象類Header的定義如下：
其中最主要的方法為decode，主要用來對(duì)相應(yīng)的頭部字段進(jìn)行解析，getName方法返回當(dāng)前的頭部字段類的類名，encode方法用來產(chǎn)生相應(yīng)的頭部字段的字符串。
其中SIP協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)如圖2所示：
解析層是對(duì)SIP消息進(jìn)行解析和構(gòu)造。解析層實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于各個(gè)頭部字段類的設(shè)計(jì)及其相應(yīng)decode方法的實(shí)現(xiàn)。解析層的實(shí)現(xiàn)借鑒了VOCAL開放源碼中SipStack的頭部字段類的設(shè)計(jì)方法，VOCAL的SipStack對(duì)RFC2543完全支持，但協(xié)議棧非常的龐大，設(shè)計(jì)的過程中參考了VOCAL的SipStack的頭部字段類的設(shè)計(jì)形式實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)潔，實(shí)用的SIP協(xié)議棧，SIP協(xié)議棧的大小還不到VOCAL的SipStack的1/10。
三、結(jié)束語
總之，基于SIP協(xié)議軟交換系統(tǒng)的前景非常廣闊，在這個(gè)領(lǐng)域，有許多技術(shù)難題等待人們?nèi)ソ鉀Q。相信在大家的共同推動(dòng)之下，軟交換系統(tǒng)的應(yīng)用將得到快速的發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
[1]強(qiáng)磊等編著.基于軟交換的下一代網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)[M].人民郵電出版社,2005
[2]秦維佳.C/C++程序設(shè)計(jì)教程[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2007
