拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)精選(九篇)

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第1篇：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)范文

關(guān)鍵詞：拓?fù)?/a>結(jié)構(gòu)；總線型；環(huán)型；星型；訪問控制方式

對(duì)于學(xué)習(xí)過一些計(jì)算機(jī)知識(shí)的人來說，“拓?fù)洹边@個(gè)詞應(yīng)該不算陌生，對(duì)于常見的三種標(biāo)準(zhǔn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)——總線型、星型和環(huán)型也都會(huì)有所了解?！巴?fù)洌═opology）是幾何學(xué)和圖論中的基本概念，用于描述點(diǎn)、線、面之間的幾何關(guān)系；計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中借用拓?fù)涞母拍顏砻枋龉?jié)點(diǎn)之間的相互關(guān)系，從而確定節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的確切位置以及它與網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)關(guān)系。”[1]大多數(shù)人對(duì)三種標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)都是從它們的物理布局開始的。正如名稱表示的那樣，總線型是網(wǎng)絡(luò)的所有計(jì)算機(jī)都通過一條電纜線互相連接起來；環(huán)型是每臺(tái)計(jì)算機(jī)都與相鄰的兩臺(tái)計(jì)算機(jī)相連，構(gòu)成一個(gè)封閉的環(huán)狀；而星型是計(jì)算機(jī)通過各自的一條電纜與一臺(tái)中央集線器相連。

但學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不僅僅要明確它們的物理布局和簡(jiǎn)單記憶各自的優(yōu)缺點(diǎn)，更主要的是了解各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)流動(dòng)的方式。通過對(duì)各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中訪問控制方式的深入認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)各類型的對(duì)比，從而進(jìn)一步體會(huì)各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。

下面是總線型、星型、環(huán)型三種標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中訪問控制方式的相關(guān)內(nèi)容以及自己的一些理解和看法。

1 總線型

總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也稱點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，原因就是網(wǎng)絡(luò)中的每臺(tái)計(jì)算機(jī)均可以接收從某一節(jié)點(diǎn)傳送到另一節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)?？此坪?jiǎn)單的數(shù)據(jù)傳輸方式卻有許多值得思考的地方，例如某一時(shí)刻在共用的信道上，可以同時(shí)發(fā)送幾個(gè)電子信號(hào)；如果某一時(shí)刻只能發(fā)送一個(gè)電子信號(hào)，那么怎樣決定發(fā)送權(quán)等等。

總線型網(wǎng)絡(luò)只有一條主電纜，該電纜僅能支持一個(gè)信道，所有計(jì)算機(jī)共享總線的全部容量。故而在某一時(shí)刻，只能有一臺(tái)計(jì)算機(jī)發(fā)送電子信號(hào)。同時(shí)電纜線上的其他計(jì)算機(jī)均在監(jiān)聽傳送中的信號(hào)，但只有那個(gè)地址與信號(hào)地址相匹配的計(jì)算機(jī)才能接收電纜上的信號(hào)，而具有其他地址的計(jì)算機(jī)對(duì)此信號(hào)不做反應(yīng)。

總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)一般采用分布式媒體訪問控制方法。傳統(tǒng)的總線型網(wǎng)絡(luò)采取競(jìng)爭(zhēng)的方式獲得發(fā)送權(quán)，還有一種總線型網(wǎng)絡(luò)在物理連接上是總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而在邏輯結(jié)構(gòu)上則采用令牌環(huán)?！啊钆啤且环N控制標(biāo)志，由“空閑”與“忙”兩種編碼標(biāo)志來實(shí)現(xiàn)。

“‘邏輯結(jié)構(gòu)采用令牌環(huán)’的實(shí)現(xiàn)是總線型網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)工作站按一定順序，如按接口地址大小，排列形成一個(gè)邏輯環(huán)?！盵2]只有令牌持有者才能控制總線，才有發(fā)送信息的權(quán)力?？偩€網(wǎng)中令牌的傳遞與環(huán)型網(wǎng)中令牌的傳遞相似，但由于是邏輯成環(huán)，所以控制電路對(duì)于真正的環(huán)型網(wǎng)絡(luò)稍顯復(fù)雜。

總線網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布線容易、可靠性較高，易于擴(kuò)充，但若主干電纜某處發(fā)生故障，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)將癱瘓，且發(fā)生故障時(shí)不易判斷故障點(diǎn)。

2 環(huán)型

環(huán)型拓?fù)渲芯W(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)都連接在一條首尾相接的封閉式通信線路上，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)既沒有起點(diǎn)，也沒有終點(diǎn)。在了解了總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之后，我們不難想到環(huán)型拓?fù)渚褪前芽偩€型拓?fù)渲械氖孜矁晒?jié)點(diǎn)連接在起來。

與總線型相同，環(huán)型網(wǎng)絡(luò)在任一時(shí)刻最多也只能有一臺(tái)計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，并且也采用分布式媒體訪問控制方法。環(huán)型網(wǎng)絡(luò)中的“令牌機(jī)制”使每個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得數(shù)據(jù)發(fā)送權(quán)的機(jī)會(huì)均等。令牌處于空閑狀態(tài)時(shí)沿著環(huán)型網(wǎng)絡(luò)不停的循環(huán)傳遞。當(dāng)一臺(tái)計(jì)算機(jī)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，其本身的系統(tǒng)就會(huì)允許它在訪問網(wǎng)絡(luò)之前等待令牌的到來，一旦它截取令牌，該計(jì)算機(jī)就控制了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。此時(shí)該計(jì)算機(jī)就會(huì)把令牌轉(zhuǎn)換成一個(gè)數(shù)據(jù)幀，該幀被網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)依次驗(yàn)證，直至達(dá)到目標(biāo)計(jì)算機(jī)。目標(biāo)計(jì)算機(jī)應(yīng)答后會(huì)發(fā)送一個(gè)新的空的令牌，供其他需發(fā)送信息的計(jì)算機(jī)使用，進(jìn)行新一輪的發(fā)送。[3]

環(huán)型網(wǎng)絡(luò)控制簡(jiǎn)單、信道利用率高、通信電纜長(zhǎng)度短，缺點(diǎn)是擴(kuò)展?jié)摿τ邢?，以及同總線網(wǎng)相似的，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障都可能導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)不能正常工作，且尋找故障點(diǎn)比較困難。

3 星型

有人將星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形象地將比喻為一個(gè)由車軸和輻條所組成的車輪，車軸部分就是中央集線器hub。由此可以看出，星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)屬于集中控制型網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由中心節(jié)點(diǎn)執(zhí)行集中式通行控制管理，各節(jié)點(diǎn)間的通信都要通過中心節(jié)點(diǎn)。因此，星形網(wǎng)采用集中式媒體訪問控制方法。

星型拓?fù)湟彩峭ㄟ^競(jìng)爭(zhēng)方式獲得發(fā)送權(quán)。只是每一個(gè)要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)都將要發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送中心節(jié)點(diǎn)，再由中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)送到目的節(jié)點(diǎn)。因此，中心節(jié)點(diǎn)相當(dāng)復(fù)雜，而各個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信處理負(fù)擔(dān)都很小，只需要滿足鏈路的簡(jiǎn)單通信要求。中央節(jié)點(diǎn)有三項(xiàng)主要功能：“當(dāng)要求通信的站點(diǎn)發(fā)出通訊請(qǐng)求后，控制器要檢查中央轉(zhuǎn)接站是否有空閑的通路，被叫設(shè)備是否空閑，從而決定是否能建立雙方的物理連接；在兩臺(tái)設(shè)備通信過程中要維持這一通路；當(dāng)通信完成或者不成功要求拆線時(shí)，中央轉(zhuǎn)接站應(yīng)能拆除上述通道”。[4]

星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、便于管理、連接點(diǎn)的故障容易監(jiān)測(cè)和排除。但不難看出，中心結(jié)點(diǎn)是全網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，中心結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。

參考文獻(xiàn)

[1] 倪玉興.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)第二章課件.2007

[2] 數(shù)字電視原理與實(shí)現(xiàn)

第2篇：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)范文

面對(duì)傳統(tǒng)燃油汽車因尾氣排放造成的污染及其對(duì)石油等自然資源的過渡消耗，電動(dòng)汽車成為各國(guó)發(fā)展的熱點(diǎn)。目前許多國(guó)家的政府、各大汽車生產(chǎn)廠商以及各個(gè)科研機(jī)構(gòu)都在從事電動(dòng)汽車技術(shù)的研究。而電動(dòng)汽車車載充電機(jī)是電動(dòng)汽車中的一個(gè)重要部件，對(duì)電動(dòng)汽車的發(fā)展及推廣應(yīng)用都有很重要的作用。

【關(guān)鍵詞】車載充電機(jī) 拓?fù)?PFC DCDC

電動(dòng)汽車從供電電源處獲取電能，并將電能轉(zhuǎn)換為蓄電池的化學(xué)能，當(dāng)汽車運(yùn)行時(shí)提供給電動(dòng)汽車行駛的動(dòng)能。其充電技術(shù)是電動(dòng)汽車的一項(xiàng)重要的技術(shù)，目前充電機(jī)根據(jù)應(yīng)用環(huán)境，主要有地面式充電機(jī)和車載充電機(jī)。地面式充電機(jī)一般安裝在地面，可適應(yīng)不同的充電需求進(jìn)行大功率地快充或者小電流地慢充。而車載充電機(jī)安裝在電動(dòng)汽車上，一般設(shè)計(jì)為能與普通的民用交流電源插座連接，用以對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行小功率慢速充電，而車載充電機(jī)與地面式充電機(jī)不同，其除了要考慮充電對(duì)蓄電池的影響，還需要對(duì)整個(gè)充電機(jī)的體積、重量、環(huán)境因素、車內(nèi)布局等因素進(jìn)行考慮，同時(shí)由于其大部分采用民用電力進(jìn)行充電，還需要考慮充電機(jī)對(duì)電網(wǎng)的影響。

1 車載充電機(jī)總體結(jié)構(gòu)

國(guó)內(nèi)外都針對(duì)電動(dòng)汽車車載充電機(jī)進(jìn)行了研究，目前采用的結(jié)構(gòu)分為兩大類，一種是不控整流加高頻隔離直流變換器。這種結(jié)構(gòu)一般來說對(duì)功率有很大限制且功率因數(shù)較低，對(duì)電網(wǎng)造成的污染較大，因而其大量接入電網(wǎng)可能會(huì)對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定產(chǎn)生影響，但是這種結(jié)構(gòu)滿足安全的要求，且一般成本較低，其體積和重量也較容易控制。該結(jié)構(gòu)中，不控整流模塊將電網(wǎng)的交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能，并進(jìn)行穩(wěn)壓濾波后，再通過DC/DC變換器將電能變換為可以對(duì)蓄電池進(jìn)行充電的電能。

另一種是前級(jí)功率因數(shù)校正，后級(jí)隔離直流變換器的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)也可以滿足安全的要求，且對(duì)電網(wǎng)污染小，能實(shí)現(xiàn)低諧波和高功率因數(shù)的要求，但是由于其兩級(jí)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其裝置一般體積會(huì)較大，成本較高。該兩級(jí)結(jié)構(gòu)中的第一級(jí)為PFC電路，其可提高輸入的功率因數(shù)并抑制高次諧波；而第二級(jí)為DC/DC變換器，其將電能變換為可以對(duì)蓄電池進(jìn)行充電的電能。而這種兩級(jí)結(jié)構(gòu)中也有串聯(lián)的并聯(lián)兩種連接方式，而串聯(lián)型結(jié)構(gòu)應(yīng)用最多。其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 車載充電機(jī)電路設(shè)計(jì)

由前級(jí)PFC和后級(jí)DCDC構(gòu)成的兩級(jí)結(jié)構(gòu)由于其對(duì)電網(wǎng)污染小，能滿足效率和功率因數(shù)的要求，因而應(yīng)用最多。

2.1 前級(jí)PFC結(jié)構(gòu)

前級(jí)PFC電路用于輸出穩(wěn)定的電壓，同時(shí)使輸入具有較高的功率因數(shù)。其典型的前級(jí)PFC電路結(jié)構(gòu)由BOOST型升壓電路、交錯(cuò)并聯(lián)型PFC等。

2.1.1 BOOST型升壓電路

Boost型升旱緶紛魑前級(jí)功率因數(shù)校正的應(yīng)用由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，因而應(yīng)用很廣，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

該電路的優(yōu)點(diǎn)是輸入電流連續(xù)，EMI和RFI較低，其輸入電感可以降低對(duì)輸入濾波的要求，功率因數(shù)較高，其缺電是隨著輸出功率的增加，其導(dǎo)通損耗增大，效率降低同時(shí)對(duì)散熱也有較高要求，其電感體積較大，輸出紋波電流也較大。

2.1.2 交錯(cuò)并聯(lián)型PFC

隨著功率等級(jí)的不斷提高，BOOST型PFC的使用受到限制，而交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)能夠有效降低功率器件的電流應(yīng)力，減小電流紋波和磁性元件的體積并提升設(shè)備的功率等級(jí)，因而交錯(cuò)并聯(lián)型PFC在車載充電機(jī)中的引用也非常常見。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

典型的交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC電路采用兩路Boost電路并聯(lián)，相互互補(bǔ)工作。其電路的優(yōu)點(diǎn)是工作時(shí)由于電路紋波電流的抵消使得輸入和輸出的紋波電流較低，其相應(yīng)的濾波電路尺寸可以減小，相比Boost型升壓電路，其損耗降低，但是其器件數(shù)目增加帶來的控制電路使得其成本升高，其對(duì)散熱也有較高要求。

2.1.3 其他PFC結(jié)構(gòu)

除上述Boost型和交錯(cuò)并聯(lián)PFC外，其他PFC電路，如全橋PFC、Buck、Buck/Boost、反激式、Cuk式、Zeta式，也在一些設(shè)計(jì)中有其應(yīng)用。

2.2 后級(jí)DCDC結(jié)構(gòu)

后級(jí)DCDC一般受控于電池管理系統(tǒng)，根據(jù)電池組反饋的電量信息和所需的充電模式，即使調(diào)整輸出，以實(shí)現(xiàn)智能充電。

2.2.1 移相全橋DCDC變換器

其可以達(dá)到最大的輸出功率，因而其適用于大功率的場(chǎng)合，但是由于其結(jié)構(gòu)及其控制電路復(fù)雜導(dǎo)致其陳本較高，可靠性相對(duì)較低。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.2.2 LLC諧振變換

LLC諧振電路具有開關(guān)損耗低、輸入電壓輸出電壓調(diào)節(jié)范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，由于其諧振元件都集中到一個(gè)磁性元件上因而減小了變換器的體積。然而由于其參數(shù)眾多，因而導(dǎo)致其工作過程復(fù)雜，調(diào)試難度大。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.2.3 其他DCDC電路

除上述移相全橋型和LLC諧振外，還有推挽式電路，其通態(tài)損耗較小，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，這適用于低電壓、大電流的工作場(chǎng)合，全橋DCDC電路適合一些大功率應(yīng)用的場(chǎng)合，其他如有源鉗位正激式電路等也在一些設(shè)計(jì)中有其應(yīng)用。

3 總結(jié)

隨著電動(dòng)汽車在世界范圍內(nèi)受到越來越多的關(guān)注，其市場(chǎng)潛力十分大，而電池及其充電技術(shù)仍然是一個(gè)限制電動(dòng)汽車普及的因素，其中的車載充電技術(shù)也是亟待發(fā)展的，電動(dòng)汽車惡劣的車載條件對(duì)其效率、功率因數(shù)、功率密度和溫度等提出了更高的要求。在現(xiàn)有市場(chǎng)中，其各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)功率需求、輸出電壓、電流等級(jí)要求、成本等具體要求的不同，其車載充電機(jī)的具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是多種多樣

參考文獻(xiàn)

[1]陳柳欽.新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策支持[J].全球科技經(jīng)濟(jì)t望，2010（05）.

[2]孫逢春.電動(dòng)汽車發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].科學(xué)中國(guó)人，2006（08）：44-47.

[3]高麗麗.大功率電動(dòng)汽車多功能智能快速充電機(jī)的研究[D].山東：山東科技大學(xué).2010（05）.

第3篇：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)范文

關(guān)鍵詞：EPA 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 實(shí)時(shí)性

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416(2011)12-0117-01

隨著工業(yè)控制過程中對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率的要求不斷提高，RS232或RS485等串口總線無法滿足工業(yè)控制的要求，將以太網(wǎng)用于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。EPA(Ethernet for Plant Automation) 工業(yè)以太網(wǎng)是中國(guó)完全擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第一個(gè)也是唯一的現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。EPA采用了通過交換機(jī)或集線器建立起來的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模比較大時(shí)需要通過級(jí)聯(lián)的形式組網(wǎng)，大量的集中布線，不但會(huì)增加成本，而且也增加了安裝、調(diào)試的難度。此外采用交換機(jī)的EPA網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)的最遠(yuǎn)直接傳輸距離受以太網(wǎng)物理層PMD電路驅(qū)動(dòng)能力的限制，最大不超過200米（雙絞線），因此采用EPA技術(shù)的工業(yè)以太網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)分布距離只能在200米線纜范圍（非地理范圍）之內(nèi)。對(duì)于一些不宜大量布線和傳輸距離較遠(yuǎn)的工業(yè)場(chǎng)合如城市地鐵監(jiān)控系統(tǒng)、礦井生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)等，這些因素嚴(yán)重阻礙了EPA的推廣應(yīng)用。所以要進(jìn)一步改進(jìn)EPA的性能, 拓展EPA網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍,對(duì)EPA的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)展開研究很有必要。

1、 EPA及其微網(wǎng)段概述

為了提高網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性能，EPA對(duì)ISO／IEC8802.3協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行了擴(kuò)展，增加了一個(gè)EPA通信調(diào)度管理實(shí)體（Communication Scheduling Management Entity,CSME）。CSME不改變IEC8802.3數(shù)據(jù)鏈路層提供的服務(wù)，也不改變與物理層的接口，只是完成對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)文的調(diào)度管理，包括周期報(bào)文和非周期報(bào)文的調(diào)度。對(duì)于非周期報(bào)文，CSME不作任何處理直接傳輸；而對(duì)于周期性的報(bào)文，則要先根據(jù)事先組態(tài)好的控制程序和優(yōu)先級(jí)大小，傳送給數(shù)據(jù)傳送設(shè)備，經(jīng)過處理后再傳到網(wǎng)絡(luò)上，以避免同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送數(shù)據(jù)，產(chǎn)生報(bào)文沖突。在EPA系統(tǒng)中，將控制網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個(gè)控制區(qū)域，每個(gè)控制區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)微網(wǎng)段。這種方案能夠完全避免沖突的發(fā)生，每個(gè)微網(wǎng)段通過EPA網(wǎng)橋與其他網(wǎng)段分隔，該微網(wǎng)段內(nèi)EPA設(shè)備間的通信被限制在本控制區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，而不會(huì)占用其他網(wǎng)段的帶寬資源。處于不同微網(wǎng)段內(nèi)的EPA設(shè)備間的通信，需由相應(yīng)的EPA網(wǎng)橋轉(zhuǎn)發(fā)控制。EPA網(wǎng)橋至少有2個(gè)EPA接口，當(dāng)它需要轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文時(shí)，首先檢查報(bào)文中的源IP地址、目的IP地址和EPA服務(wù)標(biāo)識(shí)等信息，以確認(rèn)是否需要轉(zhuǎn)發(fā)，并確定報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)路徑。因此，任何廣播報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)也將受到控制，不會(huì)發(fā)生采用一般交換機(jī)所出現(xiàn)的廣播風(fēng)暴。這一方案比單純集線器方式的反應(yīng)速度更快,抖動(dòng)也更小。

2、總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

實(shí)際上以太網(wǎng)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的目的，是由于以太網(wǎng)的MAC層協(xié)議是CSMA/CD，該協(xié)議使得在網(wǎng)絡(luò)上存在沖突，特別是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷過大時(shí)，更加明顯。對(duì)于一個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，如果存在著大量的沖突，就必須得多次重發(fā)數(shù)據(jù)，使得網(wǎng)間通信的不確定性大大增加。采用基于交換機(jī)的全雙工以太網(wǎng)，就從物理上避免了沖突的可能性。從前面分析可以看出EPA已經(jīng)從協(xié)議上避免了報(bào)文沖突，所以EPA完全可以支持布線簡(jiǎn)單、無中心節(jié)點(diǎn)的共享介質(zhì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如總線型、環(huán)型等，如果采用環(huán)型結(jié)構(gòu)需要對(duì)EPA網(wǎng)橋等物理硬件等進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，本文主要給出了總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案,若要構(gòu)成這樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，只需開發(fā)一個(gè)三端口的T型中繼器，原來所有EPA設(shè)備均無須作任何改變，皆可以直接接入該網(wǎng)絡(luò)。至于原EPA節(jié)點(diǎn)的總線供電問題，可以通過T型中繼供電解決，每個(gè)T型中繼由專用電源線獨(dú)立供電。

3、線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)性能分析

用于測(cè)量與控制的數(shù)據(jù)通信的主要特點(diǎn)之一是：允許對(duì)實(shí)時(shí)的事件進(jìn)行確定通信。實(shí)時(shí)性是工業(yè)控制過程中最重要的指標(biāo)，下面我們將分析這種總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)性能。EPA實(shí)時(shí)性是建立在確定性通信通信的實(shí)現(xiàn)即CSME（通信調(diào)度管理實(shí)體）基礎(chǔ)之上。通過CSME調(diào)度周期數(shù)據(jù)報(bào)文和各個(gè)優(yōu)先級(jí)的非周期數(shù)據(jù)報(bào)文都會(huì)在當(dāng)前周期的確定的時(shí)間發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)，從而使報(bào)文的發(fā)送及響應(yīng)控制在一定時(shí)間內(nèi)，保證實(shí)時(shí)性傳輸。其實(shí)時(shí)性能指標(biāo)反映于EPA終端設(shè)備和EPA通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)處理能力。EPA實(shí)時(shí)性測(cè)試的目的是檢驗(yàn)EPA被測(cè)設(shè)備的實(shí)時(shí)性能是否符合EPA標(biāo)準(zhǔn)的要求。T型中繼器的功能是增加接口方便靈活組線，它對(duì)信號(hào)不做處理只是進(jìn)行透明傳輸，所以延遲可以按連線處理。由于EPA網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)預(yù)先設(shè)定順序周期且有序進(jìn)行通信，并且每次通信都是在確定的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行的，所以數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間延遲是確定的，可計(jì)算的。同星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由于采用相同的通信調(diào)度算法不同的只是線路的傳輸時(shí)延，通過實(shí)驗(yàn)分析得出總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在10個(gè)節(jié)點(diǎn)且兩點(diǎn)通信線路距離小于1000米的情況下，通信實(shí)時(shí)性可以達(dá)到155μs，星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在10個(gè)節(jié)點(diǎn)且兩點(diǎn)間通信線路距離小于200米情況下，通信實(shí)時(shí)性可以達(dá)到150μs?？梢娍偩€拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并沒有影響實(shí)時(shí)性。

4、結(jié)語(yǔ)

通過上面的分析研究，可以得出EPA不僅支持總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而且能滿足工業(yè)控制的實(shí)時(shí)性要求。相對(duì)于只支持單一的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以增加EPA的可應(yīng)用范圍，加速EPA的推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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第4篇：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)范文

關(guān)鍵詞：礦井；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；LEACH算法；層次拓?fù)洌唤Y(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）16-3900-04

Abstract： Aiming at the characteristics of complex environment and wiring difficult in mine， according to mine real environment and system requirements， a four-storey clustering type chain topology of wireless sensor networks in the mine is built. The topology formation processes of stationary node networks， mobile node networks and whole networks are researched. Specially， the topology of mobile node networks is built by combination weighted LEACH algorithm，and the experiment simulation shows that the algorithm can reduce energy consumption effectively， and prolong the lifecycle of whole network. Meanwhile， aiming at the mobility of mine worker， the join strategy and leave strategy of mobile node are put forward respectively. The system has the specialties of multi-level， good stability and strong extensibility， which provides a good foundation for further data transmission and fusion and personnel location of mine monitoring system.

Key words：mine； wireless sensor networks； LEACH algorithm； hierarchical topology； structure optimization

我國(guó)煤礦井下自然環(huán)境復(fù)雜，礦井安全事故經(jīng)常發(fā)生，造成了重大生命財(cái)產(chǎn)損失，同時(shí)也影響著煤炭工業(yè)的發(fā)展[1][2]。因此，建立一個(gè)有效的礦井環(huán)境及人員監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就顯得非常重要。目前，國(guó)內(nèi)礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大部分使用的是有線方式，存在著靈活性差、布線和維護(hù)困難等局限性，無法對(duì)礦井重要參數(shù)及工作人員進(jìn)行無縫的全面監(jiān)控，給煤礦開采留下不可避免的安全隱患。因此，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就成為了必然。將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與工業(yè)以太網(wǎng)相結(jié)合應(yīng)用于礦井環(huán)境及人員監(jiān)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)井內(nèi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的靈活性和全面覆蓋，降低布線的難度和成本，提高數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和安全性。

礦井無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3]是礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)一步的數(shù)據(jù)傳輸、融合和人員監(jiān)控的基礎(chǔ)。目前已有研究者對(duì)礦井無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步的研究，并提出了基于Prim算法拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[4]、基于節(jié)點(diǎn)地址分配的礦井拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5]、基于LEACH算法礦井網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[6]等等?，F(xiàn)提出來的這些方案都還存在改進(jìn)和完善的空間，因此本文將提出一種基于組合加權(quán)LEACH算法的礦井網(wǎng)絡(luò)四層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1 系統(tǒng)的整體規(guī)劃

礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和有線工業(yè)以太網(wǎng)[7]的集成，由兩部分組成：地面監(jiān)控系統(tǒng)和井下信息采集系統(tǒng)。兩系統(tǒng)之間通過以太網(wǎng)連接。地面監(jiān)控系統(tǒng)包括服務(wù)器和用戶終端。地面服務(wù)器負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)信息，并存儲(chǔ)和整理，用戶終端通過訪問服務(wù)器里的數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)時(shí)掌握井內(nèi)環(huán)境變化情況和井下人員動(dòng)態(tài)。井下信息采集系統(tǒng)包括以太網(wǎng)、交換機(jī)、匯聚節(jié)點(diǎn)和無線傳感器節(jié)點(diǎn)。無線傳感器節(jié)點(diǎn)包括固定節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)對(duì)井下環(huán)境信息和工作人員位置信息的采集，并發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。交換機(jī)則是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)通信的橋梁，匯聚節(jié)點(diǎn)收集信息后通過交換機(jī)和以太網(wǎng)上傳至地面服務(wù)器，地面監(jiān)控系統(tǒng)收到信息后，做出相應(yīng)的判斷和應(yīng)急反應(yīng)。

2 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1 井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

考慮到井下惡劣的環(huán)境條件，所部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能源受限，拓?fù)渚哂袆?dòng)態(tài)性，因此本文將設(shè)計(jì)一種多層次的、擴(kuò)展性強(qiáng)的井下拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。

由圖1可看出，整個(gè)井下網(wǎng)絡(luò)由匯聚節(jié)點(diǎn)、固定節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括四層，其中匯聚節(jié)點(diǎn)（CH1）為一級(jí)簇頭，負(fù)責(zé)接收整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，并與地面服務(wù)器通過有線網(wǎng)絡(luò)連接；固定節(jié)點(diǎn)（CH2）為二級(jí)簇頭，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的融合和轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)還是未知節(jié)點(diǎn)定位的參考節(jié)點(diǎn)；三級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)（CH3）是從移動(dòng)節(jié)點(diǎn)中通過組合加權(quán)LEACH算法選出來的，負(fù)責(zé)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)信息的收集并轉(zhuǎn)發(fā)給二級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)；第四層則是普通的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)（CN），各CN加入到各個(gè)簇，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集。

2.2 固定節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

固定節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)也可以稱做上層骨干網(wǎng)，由事先安裝在巷道內(nèi)固定位置的匯聚節(jié)點(diǎn)（CH1）和固定節(jié)點(diǎn)（CH2）組成，匯聚節(jié)點(diǎn)一般安裝在巷道口，固定節(jié)點(diǎn)則按一定間距安裝在巷道內(nèi)，它們的位置信息是已知的且存儲(chǔ)在地面監(jiān)控中心，固定節(jié)點(diǎn)一般是不可移動(dòng)的。

固定節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)的二級(jí)簇頭，負(fù)責(zé)將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)，因此二級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)之間應(yīng)建立一個(gè)有效的通信拓?fù)?。LEACH拓?fù)淇刂扑惴ㄖ校J(rèn)為所有簇頭節(jié)點(diǎn)都能與匯聚節(jié)點(diǎn)直接通信，而在礦井實(shí)際環(huán)境中，這是無法實(shí)現(xiàn)的。因此根據(jù)巷道的長(zhǎng)形結(jié)構(gòu)，構(gòu)建鏈狀的上層骨干網(wǎng)，無法與匯聚節(jié)點(diǎn)直接通信的二級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)選擇不同的二級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)作為它的父節(jié)點(diǎn)，由父節(jié)點(diǎn)承擔(dān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。

首先，匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)起建網(wǎng)信息，CH2（二級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)）向周圍廣播自身信息，若收到匯聚節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)信息，則發(fā)送鏈接請(qǐng)求給匯聚節(jié)點(diǎn)，收到鏈接響應(yīng)后入網(wǎng)成功。未收到匯聚節(jié)點(diǎn)響應(yīng)信息的CH2分析是否有其他已入網(wǎng)的CH2的響應(yīng)信息，根據(jù)響應(yīng)信息的信號(hào)強(qiáng)度值，選擇距離較近的已入網(wǎng)CH2節(jié)點(diǎn)作為自己的父節(jié)點(diǎn)，并向其發(fā)送鏈接請(qǐng)求。網(wǎng)絡(luò)中子節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)隙表由其父節(jié)點(diǎn)為其分配。

二級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹欣^節(jié)點(diǎn)，任務(wù)較重，能耗較大，因此在實(shí)際應(yīng)用中可在重要的二級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)周圍部署備用節(jié)點(diǎn)，備用節(jié)點(diǎn)一直處于睡眠狀態(tài)，只有在二級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)能量耗盡時(shí)才被喚醒，替代原來二級(jí)簇頭，同時(shí)向地面監(jiān)控中心發(fā)送報(bào)警信息，提醒工作人員更換電池。備用節(jié)點(diǎn)的部署，保障了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，使礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有更好的魯棒性和安全性[8]。

2.3 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在井下網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)眾多移動(dòng)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送信息給CH2時(shí)，容易引起信道沖突，造成能量的浪費(fèi)，因此本文根據(jù)組合加權(quán)的LEACH算法來構(gòu)建移動(dòng)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)中選出合適的節(jié)點(diǎn)作為三級(jí)簇頭（CH3），由CH3負(fù)責(zé)簇內(nèi)信息的收集并轉(zhuǎn)發(fā)給CH2節(jié)點(diǎn)，從而提高能量利用率，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期。

三級(jí)簇頭的選舉采用組合加權(quán)的LEACH算法，即為每一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)權(quán)值W，該權(quán)值衡量了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)適合充當(dāng)簇頭的程度，權(quán)值W越小的節(jié)點(diǎn)越適合充當(dāng)簇頭。考慮到礦井環(huán)境的實(shí)際情況，權(quán)值W的計(jì)算考慮四個(gè)影響因子：剩余能量、節(jié)點(diǎn)度、節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性、節(jié)點(diǎn)與其鄰居節(jié)點(diǎn)之間的平均距離。因此，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)j的權(quán)值[W（j）]可由以下公式計(jì)算可得：

[W（j）=a1×E（j）+a2×D（j）+a3×M（j）+a4×P（j）]

其中，[E（j）]表示節(jié)點(diǎn)j已經(jīng)消耗的能量，[D（j）]表示節(jié)點(diǎn)j的節(jié)點(diǎn)度與網(wǎng)絡(luò)理想節(jié)點(diǎn)度之差，[M（j）]表示節(jié)點(diǎn)j 的移動(dòng)性，[P（j）]表示節(jié)點(diǎn)j與其鄰居節(jié)點(diǎn)之間的平均距離。[a1]，[a2]，[a3]，[a4]為權(quán)重因子，其取值關(guān)系為：[a1>a2>a3>a4]。

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫纬蛇^程描述如下：（1）移動(dòng)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)多由礦井工作人員構(gòu)成，他們通常聚集在一起進(jìn)入井內(nèi)，在下井之前就已成簇，由于各節(jié)點(diǎn)的初始能量相同（每個(gè)便攜式設(shè)備都已充滿電），設(shè)定第一輪的三級(jí)簇頭由ID 號(hào)最小的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)充當(dāng)；（2）當(dāng)三級(jí)簇頭的能量下降至初始能量的70%時(shí)，將進(jìn)行下一輪的三級(jí)簇頭選舉，這時(shí)三級(jí)簇頭會(huì)在本簇中廣播一個(gè)權(quán)值查詢命令，每個(gè)簇成員節(jié)點(diǎn)收到命令后按權(quán)值公式計(jì)算自己的權(quán)值，并發(fā)送給簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)選擇一個(gè)權(quán)值最小的節(jié)點(diǎn)來充當(dāng)下一輪簇頭，并把新簇頭ID號(hào)發(fā)送給簇成員節(jié)點(diǎn)，同時(shí)把自己設(shè)置為非簇頭節(jié)點(diǎn)，簇成員節(jié)點(diǎn)把新簇頭ID與自己ID相比較，若相等，則把自己設(shè)為簇頭節(jié)點(diǎn)；（3）當(dāng)選為三級(jí)簇頭的節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)廣播簇頭消息，其他移動(dòng)節(jié)點(diǎn)收到簇頭廣播消息后，發(fā)送入簇消息給所選擇簇的簇頭，簇頭節(jié)點(diǎn)收到所有入簇消息后，建立一個(gè)TDMA調(diào)度時(shí)間表，并發(fā)送給簇內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)；（4）當(dāng)所有普通移動(dòng)節(jié)點(diǎn)都收到時(shí)間表后，進(jìn)人數(shù)據(jù)傳輸階段，各簇成員節(jié)點(diǎn)按照TDMA時(shí)間表將采集數(shù)據(jù)發(fā)送給三級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)，三級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)收集所有成員節(jié)點(diǎn)發(fā)來的信息，對(duì)其進(jìn)行融合處理并轉(zhuǎn)發(fā)給二級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)在TDMA時(shí)間表分配給自己的時(shí)隙之外關(guān)閉其通信模塊。

每一輪中，當(dāng)三級(jí)簇頭的能量下降至充當(dāng)簇頭時(shí)能量的70%時(shí)，進(jìn)行下一輪的三級(jí)簇頭選舉。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中，基于組合加權(quán)LEACH算法的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形成流程圖如圖2所示。

2.4 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫纬?/p>

當(dāng)上層骨干網(wǎng)建立后，若沒有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入巷道內(nèi)，固定節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)，只對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)并周期性上傳給匯聚節(jié)點(diǎn)。當(dāng)有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入巷道內(nèi)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)自主組成簇結(jié)構(gòu)，由三級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)喚醒二級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)（固定節(jié)點(diǎn)），二級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)記錄下移動(dòng)簇群的信息并轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)。若某三級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)在規(guī)定時(shí)間[Tw]內(nèi)沒有發(fā)送任何信息給二級(jí)簇頭，二級(jí)簇頭則認(rèn)為該簇群已離開，同時(shí)從鏈接表中刪除該簇群信息。

3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化是指移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的加入或離開。由于井下工作人員的移動(dòng)性強(qiáng)，那么就必然涉及到單個(gè)節(jié)點(diǎn)的加入或離開，另外也有可能有節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)失效的情況，從而引起網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化。節(jié)點(diǎn)失效也可看作是節(jié)點(diǎn)的離開。

1） 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的加入：移動(dòng)節(jié)點(diǎn)向周圍廣播入簇請(qǐng)求信息，收到請(qǐng)求信息的三級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)回復(fù)響應(yīng)信息，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)根據(jù)響應(yīng)信息的信號(hào)強(qiáng)弱，選擇信號(hào)強(qiáng)的三級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)作為自己的簇頭節(jié)點(diǎn)，并發(fā)送鏈接請(qǐng)求給所選簇頭，當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)收到簇頭分配的工作時(shí)間表后，加入成功。

2） 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的離開：三級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)會(huì)周期性的廣播查詢信息，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)收到查詢信息后會(huì)在自己的工作時(shí)隙內(nèi)發(fā)送一個(gè)應(yīng)答信息給三級(jí)簇頭，如果三級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)在規(guī)定時(shí)間[Tw]內(nèi)未收到某節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答，則判斷為此移動(dòng)節(jié)點(diǎn)已離開本簇，三級(jí)簇頭節(jié)點(diǎn)便在自己的鏈接表中刪除該節(jié)點(diǎn)信息，并重新給簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)分配工作時(shí)隙。

4 仿真結(jié)果與分析

使用MATLAB對(duì)井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真，設(shè)置巷道長(zhǎng)為500m，寬10m，匯聚節(jié)點(diǎn)布置在巷道口，CH2按一定間距布置在巷道內(nèi)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)則隨機(jī)分布在巷道內(nèi)。分別對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)平均剩余能量和網(wǎng)絡(luò)生命周期進(jìn)行仿真，并與LEACH算法進(jìn)行比較分析。

1） 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)平均剩余能量。即井下網(wǎng)絡(luò)正常工作中，所有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)平均剩余能量仿真結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，該文構(gòu)建的井下網(wǎng)絡(luò)中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量要高于采用LEACH算法構(gòu)建的井下網(wǎng)絡(luò)。這是因?yàn)椋撐牟捎媒M合加權(quán)的LEACH算法選舉出的三級(jí)簇頭綜合性能好，并且當(dāng)CH3的能量下降至充當(dāng)簇頭時(shí)能量的70%時(shí)，才進(jìn)行簇頭的更新，減少了簇頭的更新次數(shù)，從而降低了選舉簇頭帶來的能耗。

2） 生命周期。即網(wǎng)絡(luò)維持正常工作所持續(xù)的時(shí)間。網(wǎng)絡(luò)生命周期仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，隨著移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的最大通信距離的增大，該文算法與LEACH算法的網(wǎng)絡(luò)生命周期都在減小，并且，在整個(gè)通信范圍內(nèi)，該文算法的生命周期都優(yōu)于LEACH算法。其原因是：相比于LEACH算法，該文采用組合加權(quán)算法選出的三級(jí)簇頭綜合性能更好，節(jié)點(diǎn)能量能夠得到有效利用，負(fù)載也更均勻，從而延長(zhǎng)了節(jié)點(diǎn)存活的時(shí)間，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期也更長(zhǎng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于組合加權(quán)的LEACH算法，提出了一種井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的四層層次型鏈狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得選出的三級(jí)簇頭具有較好的性能，能夠有效的降

低移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的能耗和延長(zhǎng)整個(gè)井下網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。另外，由于井下工作人員構(gòu)成的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)具有強(qiáng)移動(dòng)性，增添了單個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的加入策略和離開策略，提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)出的井下網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有能耗低、網(wǎng)絡(luò)生命周期長(zhǎng)、靈活性好等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井內(nèi)部的無縫監(jiān)測(cè)。下一步研究工作可對(duì)分簇算法與功率控制相結(jié)合的礦井拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立機(jī)制做一定的嘗試和研究。

參考文獻(xiàn)：

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第5篇：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)范文

關(guān)鍵詞：槽式太陽(yáng)能；聚光器；拓?fù)鋬?yōu)化；有限元

1.拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)理論

1.1拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)的基本要求

在滿足硬度等一系列條件的情況下，在給定的設(shè)計(jì)空間里，開鑿，挖洞，把不需要的東西全部去掉。找到更好的結(jié)構(gòu)方式，讓產(chǎn)品在要求中獲得最成功的樣子。拓?fù)鋬?yōu)化具有其他優(yōu)化方式無法具有的優(yōu)點(diǎn)，比如可以對(duì)基本結(jié)構(gòu)的布局進(jìn)行修改，模擬出概念性設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)方案給設(shè)計(jì)者，使設(shè)計(jì)更具備實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，在優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的過程中，設(shè)計(jì)者甚至不用去管拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形態(tài)，僅需提出設(shè)計(jì)范圍，就可以尋找出最佳的結(jié)構(gòu)分布狀態(tài)，設(shè)計(jì)人員通過了解整個(gè)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，然后針對(duì)一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)方式最終要達(dá)到的目的是在滿足一系列要求的情況下，使結(jié)構(gòu)的性能達(dá)到接近理想的狀態(tài)。

1.2結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的原理和方法

就目前來說，連續(xù)體結(jié)構(gòu)是拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的主流對(duì)象。這種方式的優(yōu)化需要化整為零，把整體分成若干個(gè)小部分，然后根據(jù)所提出的基本要求和要達(dá)到的條件對(duì)這若干個(gè)小部分進(jìn)行擇優(yōu)選擇，形成猶如蜂窩一樣的連續(xù)體，最終獲得連續(xù)體的最優(yōu)設(shè)計(jì)，目前這種優(yōu)化方式比較適用的方法有，漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，均勻化方法以及變密度方法。

1.2.1漸進(jìn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法

具體操作比較簡(jiǎn)單，那就是對(duì)各種材料精挑細(xì)選，剔除糟粕，剩余的結(jié)構(gòu)也就趨向于標(biāo)準(zhǔn)了。在這種優(yōu)化迭代的計(jì)算方法中，用零來表示不存在的單元材料。同理，存在的單元材料用一進(jìn)行表示，這種算法可以用有限元法，在計(jì)算機(jī)上通過迭代過程實(shí)現(xiàn)。這種算法應(yīng)用范圍廣，而且結(jié)構(gòu)的單元數(shù)規(guī)模相當(dāng)巨大。

1.2.2均勻優(yōu)化方法的應(yīng)用

均勻優(yōu)化的方法比較理論化，要用切實(shí)可行的方法應(yīng)用在學(xué)科中，把細(xì)小的東西加入到應(yīng)用結(jié)構(gòu)的材料中，其中改變的是微小結(jié)構(gòu)單胞大小，整體的材料密度和彈性由局部材料的大小和方式?jīng)Q定，單胞大小的整改可以對(duì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，如此便擴(kuò)大了涉及范圍，從而對(duì)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化成功。

1.2.3變密度方法

變密度方法是比較常見的在拓?fù)湓O(shè)計(jì)連續(xù)體結(jié)構(gòu)所用的方法。是一種材料勾畫效果，通過分析材料物理和密度之間的聯(lián)系，不許進(jìn)行拓?fù)湓O(shè)計(jì)，只是考慮合理布置材料，將整體分成有限的單元后，然后看體積的要求，讓每一個(gè)小部分的密度盡量一樣，每個(gè)單位的密度是改變的，把結(jié)構(gòu)的平順柔軟度減小。

2.槽式聚光器支架介紹以及拓?fù)鋬?yōu)化的意義

槽式聚光器是一個(gè)接一個(gè)排列的，上面有一個(gè)個(gè)聚光鏡對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行聚焦，對(duì)集熱管進(jìn)行加熱，把里面的水加熱后形成水蒸氣，利用氣壓在催動(dòng)發(fā)電機(jī)工作。聚光器是由驅(qū)動(dòng)、傳感器、反射鏡、金屬支架、吸收管和控制器等組成的太陽(yáng)能聚熱裝置。而在整個(gè)聚光器的總體重量中，支架結(jié)構(gòu)占有很高的比重，重量既增加了成本又增加了系統(tǒng)的負(fù)重，而且支架的強(qiáng)度和剛度對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的強(qiáng)度和剛度都有影響，所以優(yōu)化支架對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的好處是不言而喻的。因?yàn)橥負(fù)鋬?yōu)化對(duì)于輕量化的優(yōu)化能力相對(duì)于其他優(yōu)化方式更好，所以選用拓?fù)鋬?yōu)化對(duì)聚光器的支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化的優(yōu)化。

3.太陽(yáng)能聚光器支架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法

在選定拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)方法之后，就要確定支架和鏡子的連接位置，優(yōu)化結(jié)果的好壞取決于鏡子的支撐位置對(duì)結(jié)構(gòu)的受力狀況，所以確定了鏡子的位置之后就可以建立拓?fù)鋬?yōu)化的模型。總體的優(yōu)化流程可概括為：先選定拓?fù)鋬?yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，然后選定優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)象，在對(duì)鏡子支點(diǎn)位置設(shè)計(jì)優(yōu)化，接著對(duì)反射鏡支架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，最后對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果可制造化進(jìn)行處理。

上文提到了各種拓?fù)鋬?yōu)化的方法，最普通不過的是變密度法，這種方法得到的部分密度是數(shù)字規(guī)則分布的，有助于最后解決可制造的問題，所以，我們著重討論一下變密度法的優(yōu)化方式，借助合適的工具才能使用這個(gè)方法。可以用optistrtct進(jìn)行工作，然后用可以利用三維視圖的工具構(gòu)建空間，在過程中不斷地進(jìn)行修復(fù)和改善，力求沒有問題、一次通過。接著，把優(yōu)化空間再進(jìn)行處理，最后做出這個(gè)模型。模型建立完成后，需要通過拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析考證，看結(jié)果是否能合理地運(yùn)用且實(shí)際可行。如果結(jié)果合理，就能夠進(jìn)行下一項(xiàng)克制造化的處理，并且進(jìn)行有限元的分析，最終實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化；如果結(jié)果不合理，那么就要一切從新來過，直到結(jié)果合理為止。

聚光器的支架拓?fù)鋬?yōu)化的流程可以概括為：首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求建立cad模型，然后建立pe模型，分析載荷和邊界條件，接著對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對(duì)參數(shù)的定義進(jìn)行優(yōu)化，下面才進(jìn)入到拓?fù)鋬?yōu)化，再建立一個(gè)cad模型，并再次對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果合理后結(jié)合工程實(shí)踐進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.結(jié)論

由此我們可以得出拓?fù)鋬?yōu)化的嚴(yán)謹(jǐn)性，安全性，可用性，以及對(duì)軟件技術(shù)的要求和對(duì)設(shè)計(jì)者的技術(shù)的要求，只有遵循這些要求，才能更好地進(jìn)行太陽(yáng)能聚光器支架結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

第6篇：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)范文

關(guān)鍵詞：指揮信息系統(tǒng)；通信網(wǎng)絡(luò)；拓?fù)浞治?/p>

指揮信息系統(tǒng)，主要為各級(jí)防空指揮員及指揮機(jī)關(guān)遂行防空作戰(zhàn)指揮任務(wù)提供自動(dòng)化的指揮控制平臺(tái)。

通信網(wǎng)絡(luò)是指揮信息系統(tǒng)各分系統(tǒng)組網(wǎng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，是指控、情報(bào)等要素的重點(diǎn)保障。研究指揮信息系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)于分析裝備使用過程中的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，使裝備的使用風(fēng)險(xiǎn)最小、效能最大，對(duì)提高基于指揮信息系統(tǒng)的體系作戰(zhàn)能力有著重要意義。

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)就是具有復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和動(dòng)力行為的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。從復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的定義，可以得出所要研究的該裝備通信網(wǎng)絡(luò)也是一個(gè)典型的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)樵撏ㄐ啪W(wǎng)由大量的節(jié)點(diǎn)所組成，且每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有自身動(dòng)力學(xué)特征，每個(gè)節(jié)點(diǎn)不是獨(dú)立存在的，它們與其他節(jié)點(diǎn)具有相互連接、相互作用的特點(diǎn)，從而整個(gè)通信網(wǎng)具有非常復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)特征。故該裝備的通信網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)典型的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論對(duì)它進(jìn)行可靠性研究是科學(xué)有效的。

本文對(duì)該裝備的通信網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，為該裝備的通信網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)管理做基礎(chǔ)性研究。

1 基本定義及通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治瞿Ｐ?/p>

1.1 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的定義

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)就是具有復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和動(dòng)力行為的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。就目前的研究成果而言，一般從圖論和矩陣兩種方式定義復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。

從圖論的方面出發(fā)，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中存在n個(gè)節(jié)點(diǎn)和m條連接線，則可以定義節(jié)點(diǎn)集合V={v1，v2，v3，…vn}和邊集E={e1，e2，e3，…em}來表示這個(gè)網(wǎng)絡(luò)，其中的邊可以有方向和無方向兩種，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，只考慮無向圖。圖1是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)圖示例，它有5個(gè)節(jié)點(diǎn)和4條連接這些節(jié)點(diǎn)的邊，可以將它視為端集V={1，2，3，4，5}，邊集E={e12，e15，e23，e25}，其中節(jié)點(diǎn)4為獨(dú)立節(jié)點(diǎn)。

從矩陣的角度出發(fā)，最常用的就是用一個(gè)鄰接矩陣A來表示網(wǎng)絡(luò)的圖的結(jié)構(gòu)信息，如果網(wǎng)絡(luò)中的i節(jié)點(diǎn)和j節(jié)點(diǎn)是相互連接的，則矩陣上相應(yīng)位置上Aij的數(shù)值為1，如果這兩點(diǎn)之間不存在連接邊，則相應(yīng)的Aij的數(shù)值就為0，顯然一個(gè)無向圖的鄰接矩陣式一個(gè)對(duì)稱矩陣。為了方便對(duì)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的同步特性的研究，本文用比較特殊的對(duì)稱鄰接矩陣表示所對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)。

對(duì)角線上元素Aij=。對(duì)于圖1的矩陣表示為

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的可靠性定義為：在自然或者人為的破壞下，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)自身能夠保持原有功能的能力。

從復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的定義可以看出，包括了可靠性的研究對(duì)象、規(guī)定條件、原有功能著三個(gè)要素。首先研究對(duì)象就是：具有數(shù)量級(jí)大的節(jié)點(diǎn)和邊的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，且這些節(jié)點(diǎn)具有非線性動(dòng)力性、還要具有按照一定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錆u漸演化的過程。規(guī)定的條件：自然或認(rèn)為的破壞作用，這里主要是指對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)和邊進(jìn)行隨機(jī)攻擊或者進(jìn)行智能攻擊。保持原有功能的能力指的是：復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的存在都是為了完成現(xiàn)實(shí)中的一些客觀存在的功能，如果對(duì)這些網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了隨機(jī)攻擊和智能攻擊后，會(huì)對(duì)原來的網(wǎng)絡(luò)造成一定的影響，然而在這種情況下，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)仍然能夠保持或者部分保持實(shí)現(xiàn)某一功能的能力。

1.2 指揮信息系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)模型

為了計(jì)算的方便我們將導(dǎo)彈營(yíng)、高炮營(yíng)配屬數(shù)量減半并簡(jiǎn)化，將節(jié)點(diǎn)編號(hào)如圖3：

從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞暮?jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖可以看出節(jié)點(diǎn)對(duì)之間的連接關(guān)系，可以將它表示為

端集V={1，2，3，…，13}，

邊集E={e12，e13，e14，e15，e16，e23，e24，e25，e28，e29，e2，10，e34，e35，e3，11，e3，12，e3，13，e45，e47}的圖。

2 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的描述參數(shù)

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的描述參數(shù)有助于我們對(duì)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部特征深入了解，描述參數(shù)有：網(wǎng)絡(luò)的度、網(wǎng)絡(luò)的聚集系數(shù)、網(wǎng)絡(luò)的最短路徑和耦合矩陣特征值。

2.1 節(jié)點(diǎn)的度

節(jié)點(diǎn)度數(shù)ki是第i個(gè)節(jié)點(diǎn)連接的邊數(shù)目，即相當(dāng)于i點(diǎn)的所有相鄰節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。在物理學(xué)領(lǐng)域中，節(jié)點(diǎn)的度表示本地的網(wǎng)絡(luò)連接的連通性。通過鄰接矩陣可以很簡(jiǎn)單地推出度ki的值：

節(jié)點(diǎn)的度分布是一個(gè)擴(kuò)展的節(jié)點(diǎn)的度的概念。用分布函數(shù)P（k）來表示度的分布，P（k）是網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)具有k條邊或k個(gè)鄰接點(diǎn)的概率。網(wǎng)絡(luò)的全局連通性和節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的重要性都靠節(jié)點(diǎn)度的分布，所以它是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的基本統(tǒng)計(jì)特征，它同樣可以表征網(wǎng)絡(luò)的均勻性特征。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的平均度也是一個(gè)很重要的概念，平均度這里用表示：

網(wǎng)絡(luò)的平均度是用來表征整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點(diǎn)的平均度的數(shù)值，同樣也可以來衡量網(wǎng)絡(luò)的疏密程度，越大，對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)就越密集，越小，網(wǎng)絡(luò)就越稀疏。

2.2 最短路徑

我們將網(wǎng)絡(luò)中某一節(jié)點(diǎn)到達(dá)另一節(jié)點(diǎn)所要經(jīng)過的距離定義為路徑長(zhǎng)度，在本文中就是指節(jié)點(diǎn)直接相互連接所需要的邊的數(shù)目。最短路徑長(zhǎng)度lij表示的是節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的最短距離，即經(jīng)過的最少的邊的數(shù)目。從上述定義可以得出，最短路徑長(zhǎng)度是以邊長(zhǎng)作為單位的拓?fù)渚嚯x。與平均節(jié)點(diǎn)度概念類似，也存在平均最短路徑長(zhǎng)度L的概念，它表示的是圖的任意兩點(diǎn)的最短路集合{lij}的平均值。最短路徑長(zhǎng)度L的數(shù)值可以表征網(wǎng)絡(luò)的特征尺寸，可以表征網(wǎng)絡(luò)的連通度。

2.3 聚集系數(shù)

我們將圖中某一節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)最近鄰也是近鄰的概率定義為聚集系數(shù)C。設(shè)點(diǎn)i的數(shù)目為Ei，k表示這些近鄰點(diǎn)與i之間有連線的數(shù)目。則定義節(jié)點(diǎn)i的聚集系數(shù)為：

節(jié)點(diǎn)i附近環(huán)境的連通性用聚集系數(shù)Ci來表示。對(duì)網(wǎng)絡(luò)上全部節(jié)點(diǎn)Ci進(jìn)行平均計(jì)算得到的C即為平均聚集系數(shù)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的連通性用C來衡量。

2.4 耦合矩陣特征值

耦合矩陣的特征值是用來表征網(wǎng)絡(luò)同步特性的重要參數(shù)，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的同步特征是一個(gè)重要的屬性，反映復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)同步特征的參數(shù)就是耦合矩陣的特征值。

對(duì)于圖3，可以得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)度，如k1=5，k2=7，則該網(wǎng)絡(luò)的平均節(jié)點(diǎn)度=2.77，從平均節(jié)點(diǎn)度可以看出，該網(wǎng)絡(luò)的密集程度不高。

3 網(wǎng)絡(luò)的點(diǎn)攻擊設(shè)計(jì)

為了對(duì)網(wǎng)絡(luò)可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)，首先要對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行攻擊，本文中，分別對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行隨機(jī)攻擊和智能攻擊，從而評(píng)價(jià)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)所能承受攻擊的能力，為網(wǎng)絡(luò)可靠性的評(píng)定提供依據(jù)。

3.1 隨機(jī)攻擊

隨機(jī)攻擊就是對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的點(diǎn)進(jìn)行隨機(jī)的撤除或?qū)υ摴?jié)點(diǎn)的連接線進(jìn)行隨機(jī)的切斷。在現(xiàn)實(shí)中可能發(fā)生的事故是由于網(wǎng)絡(luò)自身的故障，而引起某個(gè)或部分節(jié)點(diǎn)失效。只要對(duì)網(wǎng)絡(luò)相應(yīng)的鄰接矩陣中的某行和列進(jìn)行隨機(jī)的置零就完成了。

對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行隨機(jī)點(diǎn)攻擊的流程出圖4：

隨機(jī)點(diǎn)攻擊的MATLAB代碼如下：

T=input（‘T=’）；

p2=input（‘p2=’）；

N=size（A，2）；

c=randperm（N）；

h=1；

for k=1：T

h1=h+p2-1

for i=h：h1

A（c（i），：）=0

A（：，c（i））=0

end

h=h+p2

end

3.2 智能攻擊

智能攻擊就是有選擇性地對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的點(diǎn)，按照一定的策略進(jìn)行蓄意的破壞攻擊。如，敵人在選擇攻擊目標(biāo)時(shí)，總是先選擇重要度高的目標(biāo)進(jìn)行攻擊。為了研究對(duì)網(wǎng)絡(luò)的智能攻擊，我們對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)按照它的節(jié)點(diǎn)度的大小按照一定比例進(jìn)行去除。與隨機(jī)攻擊類似，我們對(duì)網(wǎng)絡(luò)相應(yīng)的鄰接矩陣按照節(jié)點(diǎn)度的大小將該矩陣的某一行和列上的元素進(jìn)行置零，這樣就可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行智能點(diǎn)攻擊。

對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行智能點(diǎn)攻擊的流程如圖5

生成智能攻擊的MATLAB代碼如下：

T=input（‘T=’）；

p2=input（‘p2=’）；

N=size（A，2）；

for kc=1：T

dc1=sum（A）；

dc2=length（dc1）；

[sorted，index]=sort（dc1）；

cc=rot90（index，2）；

Ac（cc（1：p2*kc），：）=0；

Ac（：，cc（1：p2*kc））=0；

end

對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行隨機(jī)點(diǎn)攻擊和智能點(diǎn)攻擊，可以評(píng)價(jià)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的抗毀性。對(duì)某型指揮信息系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行攻擊，在受到隨機(jī)點(diǎn)攻擊后，網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)除的抗毀性比較強(qiáng)，但受到智能點(diǎn)攻擊后，由于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)度高的點(diǎn)被智能地去除，所有網(wǎng)絡(luò)的連接度被破壞，網(wǎng)絡(luò)的抗毀性下降的比較明顯。

4 計(jì)算通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可靠性

4.1 計(jì)算步驟

對(duì)于一個(gè)給定的網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包含三部分：節(jié)點(diǎn)N，連接節(jié)點(diǎn)之間的弧E和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)T，網(wǎng)絡(luò)的抗毀性R與節(jié)點(diǎn)、弧及網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有關(guān)。

若通信網(wǎng)共有n個(gè)節(jié)點(diǎn)，通信網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)抗毀性R的計(jì)算步驟如下：

（1）確定每條弧的可靠性，經(jīng)過分析，我們簡(jiǎn)化設(shè)定每條弧的可靠性為rk=0.9；

（2）計(jì)算路徑的可靠性，節(jié)點(diǎn)對(duì)i，j之間的第m條路徑上弧的數(shù)目為p，則該路徑的可靠性為：

（3）計(jì)算節(jié)點(diǎn)對(duì)之間的可靠性，節(jié)點(diǎn)對(duì)i，j之間共有m條路徑，則節(jié)點(diǎn)對(duì)i，j之間的可靠性：

（4）確定整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性

4.2 數(shù)據(jù)仿真

對(duì)于ET90B通信網(wǎng)，首先根據(jù)第二步公式計(jì)算路徑的可靠性，假設(shè)我們計(jì)算節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)13的路徑可靠性為0.81，則對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)13之間的可靠性為0.81，從而通過編程計(jì)算可以算出整個(gè)某型指揮信息系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性。這里算出的可靠性，可以為該裝備通信網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語(yǔ)

利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論對(duì)某型指揮信息系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，可以簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)模型，將通信網(wǎng)絡(luò)抽象為只有節(jié)點(diǎn)與連接線的圖，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行隨機(jī)點(diǎn)攻擊和智能點(diǎn)攻擊，來評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)受到這兩種攻擊下抗毀性的變化，針對(duì)規(guī)程給出的拓?fù)淇煽啃杂?jì)算步驟，對(duì)某型指揮信息系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目煽啃赃M(jìn)行仿真計(jì)算，可以看出，該裝備通信網(wǎng)絡(luò)密集程度不高，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為可靠，但抗毀性不強(qiáng)，為該裝備通信網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估相關(guān)研究開辟了蹊徑、提供網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇煽啃缘幕A(chǔ)數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]楊麗徙，曾新梅，方華強(qiáng)，婁北，張鴻雁，李珂.基于抗毀性分析的中壓配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013.4

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第7篇：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)范文

關(guān)鍵詞： 防誤閉鎖系統(tǒng)； 網(wǎng)絡(luò)型； 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)； 電網(wǎng)

中圖分類號(hào)： TN711?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）09?0156?04

Abstract： The problems existing in traditional three anti?misoperation locking systems of mechanical type， electrical type and microcomputer type are analyzed. For the above problems， the advanced network technology used to design the networked anti?misoperation locking system scheme for the substation based on topology structure is proposed. The identification method and locking mode of the network topology structure for the substation are determined. And then the hardware and software of this new anti?misoperation locking system are respectively introduced in detail. The networked anti?misoperation locking system for the substation based on topology structure can solve the problems existing in traditional anti?misoperation locking systems， and is easy to realize automation. The system has a practical guiding significance.

Keywords： anti?misoperation locking system； network mode； topology structure； power grid

如今，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模也越來越大，但是，電氣誤操作造成損傷的案例卻時(shí)有發(fā)生。隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的增大，電氣誤操作產(chǎn)生的危害也越來越大，它可以在一瞬間讓電網(wǎng)大面積的停電，讓生活和生產(chǎn)受到極大影響，它可以讓一些價(jià)格昂貴的電力設(shè)備在瞬間毀壞，更有甚者造成人員傷亡。避免類似事件發(fā)生的系統(tǒng)，統(tǒng)稱為防誤閉鎖系統(tǒng)。防誤閉鎖系統(tǒng)，就是利用自身既定的程序閉鎖功能，裝設(shè)在高壓電氣設(shè)備上以防止誤操作的裝置系統(tǒng)。雖然這一系統(tǒng)可以有效地降低誤操作導(dǎo)致不良后果的概率，但是目前該系統(tǒng)依然存在不少問題：首先，防誤閉鎖系統(tǒng)的自動(dòng)化程度太低，在系統(tǒng)的倒閘操作中增設(shè)了許多人為的操作解鎖或閉鎖的動(dòng)作，導(dǎo)致過程耗時(shí)很長(zhǎng)，不僅效率低而且耗費(fèi)操作者大量的體力，增加了勞動(dòng)強(qiáng)度。另一方面，電力系統(tǒng)發(fā)展出現(xiàn)了新的趨勢(shì)，如無人值班變電所、電動(dòng)操作設(shè)備的增多以及監(jiān)控中心的建立，這些要求傳統(tǒng)的防誤閉鎖系統(tǒng)必須進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，以適應(yīng)電力系統(tǒng)的新發(fā)展。因此，在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)達(dá)的今天，要充分發(fā)揮現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，將現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融入到變電站的防誤閉鎖系統(tǒng)中，使其在設(shè)計(jì)理念和科學(xué)技術(shù)上實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新和突破。

1 傳統(tǒng)防誤閉鎖系統(tǒng)分析

以往在發(fā)電廠或變電所等的電氣生產(chǎn)作業(yè)過程中，為了達(dá)到規(guī)定的“五防”要求，發(fā)展形成了一些防誤閉鎖系統(tǒng)，本文首先對(duì)這些傳統(tǒng)的防誤閉鎖系統(tǒng)（裝置）作簡(jiǎn)要介紹，并分析存在的問題，針對(duì)這些問題，提出基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變電站網(wǎng)絡(luò)型防誤閉鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1.1 傳統(tǒng)防誤閉鎖系統(tǒng)類型

傳統(tǒng)防誤閉鎖系統(tǒng)按照閉鎖方式的不同，大體可以分為三種類型：

（1） 機(jī)械式防誤閉鎖系統(tǒng)。在機(jī)械鎖防誤閉鎖系統(tǒng)中，有機(jī)械程序鎖和機(jī)械聯(lián)鎖之分，但無論何種，這種防誤閉鎖系統(tǒng)，都是純機(jī)械系統(tǒng)，利用特定的機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)電氣系統(tǒng)的開關(guān)、刀閘等電氣設(shè)備的操作實(shí)行機(jī)械目標(biāo)定位來實(shí)現(xiàn)閉鎖功能。程序鎖是置換或充分利用鑰匙隨操作源程序傳遞而達(dá)到開鎖先后操作的基本功能要求；聯(lián)鎖是指在開關(guān)柜的操作部位之間，充分利用聯(lián)動(dòng)與互相制約的機(jī)械構(gòu)件實(shí)現(xiàn)先后運(yùn)動(dòng)的基本閉鎖功能。

（2） 電氣式防誤閉鎖系統(tǒng)。電氣鎖是在機(jī)械鎖的基礎(chǔ)上引入電磁控制。電和磁的相互轉(zhuǎn)化使得電氣的控制更加方便，有效的利用電磁鎖的基本構(gòu)件鎖栓對(duì)網(wǎng)門、刀閘等電氣設(shè)備的操作把手來實(shí)現(xiàn)機(jī)械的基本定位控制，并利用控制電路的通電和斷電實(shí)現(xiàn)被控制開關(guān)或閘刀的開與合。

（3） 微機(jī)式防誤閉鎖系統(tǒng)。微機(jī)鎖則是在電氣鎖的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)，把多點(diǎn)處的電氣鎖進(jìn)行串聯(lián)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)多個(gè)電氣鎖進(jìn)行控制，就形成了微機(jī)鎖防誤閉鎖系統(tǒng)。該防誤閉鎖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)防誤閉鎖的基本數(shù)字化功能，而且還可以實(shí)現(xiàn)很多更具有挑戰(zhàn)性的防誤閉鎖功能。

1.2 傳統(tǒng)防誤閉鎖系統(tǒng)存在的主要問題

傳統(tǒng)的三種防誤閉鎖系統(tǒng)，依然存在不少問題，主要有以下幾方面：

（1） 走空程。所謂的“走空程”，就是指開鎖后不經(jīng)操作即跳入下一步。在傳統(tǒng)防誤閉鎖系統(tǒng)中，這是最突出的問題，而且一直沒能找到很好的技術(shù)措施，大多是依靠操作人員的責(zé)任心，人為因素導(dǎo)致事故的風(fēng)險(xiǎn)依然很大。在微機(jī)防誤閉鎖系統(tǒng)中，為解決這一問題，設(shè)置了檢位鎖，這樣又引起了新的問題，一方面使得設(shè)備的維護(hù)量大大增加，另一方面使得操作異常繁瑣，總給人一種得不償失的感覺。

（2） 無實(shí)時(shí)對(duì)位。在機(jī)械式或電氣式防誤閉鎖系統(tǒng)中，在倒閘操作中，對(duì)保護(hù)的投、退以及開關(guān)操作電源的拉、合等一些危險(xiǎn)點(diǎn)很難實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制閉鎖，達(dá)不到保護(hù)的效果。而微機(jī)防誤閉鎖系統(tǒng)中的電腦鑰匙又無法得到相關(guān)設(shè)備的變位信息，這又是一個(gè)隱患。

（3） 無法自動(dòng)化。電力系統(tǒng)的擴(kuò)大與系統(tǒng)運(yùn)行的復(fù)雜化急需對(duì)變電站實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。但傳統(tǒng)的三種防誤閉鎖系統(tǒng)基本采用了“Key+Lock”的模式，這一模式根本無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，因此與變電站控制發(fā)展的大趨勢(shì)背道而馳。

2 基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變電站網(wǎng)絡(luò)型防誤閉鎖系統(tǒng)

設(shè)計(jì)

基于傳統(tǒng)防誤閉鎖系統(tǒng)存在的問題，充分利用現(xiàn)達(dá)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)防誤閉鎖系統(tǒng)在理念和技術(shù)上的創(chuàng)新和突破，達(dá)到實(shí)時(shí)在線、根據(jù)設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)防誤閉鎖系統(tǒng)的響應(yīng)功能，下面就基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變電站網(wǎng)絡(luò)型防誤閉鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案加以描述。

2.1 電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)表示

如今電網(wǎng)規(guī)模越來越大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，這樣的結(jié)果就是電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)越來越多，如果仍然采用傳統(tǒng)的鄰接矩陣法，以窮舉遍歷的形式描述兩個(gè)保護(hù)對(duì)象是否存在電氣連接效率會(huì)大大降低。其實(shí)，盡管電網(wǎng)規(guī)模龐大，但是電網(wǎng)保護(hù)對(duì)象關(guān)聯(lián)的支路是不變的，通常情況下，母線關(guān)聯(lián)一般有二十幾個(gè)支路，其中變壓器為三個(gè)支路，一般線路要關(guān)聯(lián)兩個(gè)支路。在實(shí)際操作中，可利用雙層的鏈表體系表示出某斷路器的相鄰節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，如圖1所示，斷路器指向某斷路器的狀態(tài)信息，鏈接[n]指向與本斷路器近鄰的斷路器信息狀態(tài)，因斷路器均有正負(fù)極性端，因此雙層鏈表的一層指正極性端直接相鄰的接點(diǎn)信息，另一層指負(fù)極性端直接相鄰的接點(diǎn)信息。

在實(shí)際情況中，電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)因運(yùn)行方式的不同而有所不同，需要根據(jù)實(shí)時(shí)的狀態(tài)信息進(jìn)行判別，看相鄰斷路器是否具有電氣連接的條件，以便保護(hù)裝置。圖2是對(duì)一個(gè)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行上述拓?fù)涞睦印?/p>

2.2 閉鎖方式確定

對(duì)于變電站而言，需要設(shè)置防誤閉鎖的對(duì)象只有遙控操作和手動(dòng)操作兩類，前者像斷路器，后者如地刀。遙控操作設(shè)備不需要人員到場(chǎng)，除非緊急情況遙控失靈，而手動(dòng)操作設(shè)備，需要人員到場(chǎng)才能操作。因此，防誤閉鎖系統(tǒng)只要針對(duì)這兩類設(shè)備設(shè)置防誤閉鎖就可以解決問題。

根據(jù)以上分析，確定基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變電站網(wǎng)絡(luò)型防誤閉鎖系統(tǒng)中采用的閉鎖方式為：第一種方式是在刀閘的支路中串接一個(gè)接點(diǎn)，然后用現(xiàn)成控制器控制該點(diǎn)，這種方式主要用于遙控操作，其原理如圖3所示；第二種方式是在電磁鎖的支路中串聯(lián)一個(gè)接點(diǎn)，這種方式主要用于手動(dòng)操作的設(shè)備，這種電磁鎖是另外配置的，如圖4所示。

2.3 硬件系統(tǒng)

基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變電站網(wǎng)絡(luò)型防誤閉鎖系統(tǒng)的硬件設(shè)備包括以下幾個(gè)部分：

（1） 閉鎖接點(diǎn)：主要用于監(jiān)控某些設(shè)備的閉鎖和位置狀態(tài)，閉鎖接點(diǎn)的通斷，由直流固態(tài)繼電器控制。閉鎖點(diǎn)可以探測(cè)出被控制設(shè)備的實(shí)時(shí)狀況，并將這種狀態(tài)傳送到監(jiān)控的主機(jī)，這樣就可以很好的防止發(fā)生“走空程”。在某些情況下執(zhí)行倒閘的基本操作時(shí)，控制器要將接到的主機(jī)傳出的狀態(tài)命令解讀，然后將解鎖的發(fā)出信號(hào)再發(fā)送給閉鎖接點(diǎn)，閉鎖接點(diǎn)接到該狀態(tài)信號(hào)后，在其內(nèi)部電路將實(shí)現(xiàn)通電，這樣就可以實(shí)現(xiàn)解鎖功能。當(dāng)系統(tǒng)操作人員操作任務(wù)完成以后，閉鎖接點(diǎn)的內(nèi)部電路會(huì)檢測(cè)到設(shè)備操作完成后的狀態(tài)信息，會(huì)自動(dòng)中斷電源通路，這時(shí)的閉鎖接點(diǎn)進(jìn)入閉鎖狀態(tài)。

（2） 現(xiàn)場(chǎng)控制器：它的主要作用是依據(jù)本地設(shè)備的狀態(tài)信息，控制間隔內(nèi)設(shè)備閉鎖接點(diǎn)的通斷，自主的完成間隔內(nèi)設(shè)備的邏輯閉鎖操作。如果操作員在本地操作或防誤主機(jī)發(fā)生故障，并觸發(fā)間隔級(jí)防誤功能時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)控制器會(huì)呈現(xiàn)聲光報(bào)警單元發(fā)出報(bào)警指令，同時(shí)會(huì)檢驗(yàn)間隔帶電單元實(shí)施自動(dòng)閉鎖，實(shí)時(shí)系統(tǒng)時(shí)鐘會(huì)記錄下故障或誤操作的發(fā)生情況。

（3） 總線接口：本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用串口轉(zhuǎn)CAN總線接口的技術(shù)方案，其接口卡主要由三大組件構(gòu)成，包括串口接口電路、微控制器與CAN總線接口電路，使其達(dá)到主機(jī)與CAN總線連接的功能。

（4） 通信網(wǎng)絡(luò)：對(duì)于設(shè)備和控制器間的通信設(shè)計(jì)，要使用CAN總線網(wǎng)絡(luò)將串口轉(zhuǎn)CAN總線接口卡、防誤主機(jī)，然后用施工現(xiàn)場(chǎng)控制器組成現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)間隔級(jí)設(shè)備與防誤主機(jī)的通信功能。

2.4 控制器軟件

現(xiàn)場(chǎng)控制器是一個(gè)間隔內(nèi)的核心設(shè)備，控制器負(fù)責(zé)管理間隔內(nèi)的所有閉鎖接點(diǎn)。

現(xiàn)場(chǎng)控制器中斷服務(wù)程序與引導(dǎo)程序Program0的流程如圖5所示，現(xiàn)場(chǎng)控制器的應(yīng)用程序在通電和復(fù)位后都要從Program0的入口執(zhí)行基本操作，其流程中首先需要判斷此次復(fù)位是否是由于接收到編程命令后操作的，即標(biāo)志位ISP是否等于I，如果不是，要將程序指令引導(dǎo)到Program1；如果是，要等待接收編程數(shù)據(jù)?？偩€和Program0的通信要采用中斷方式。當(dāng)有報(bào)文接收時(shí)，要執(zhí)行中斷服務(wù)操作程序，對(duì)報(bào)文進(jìn)行保存操作，并返回中斷口；當(dāng)CAN總線中斷返回以后，Program0會(huì)對(duì)Program1重新進(jìn)行編程，直到收到結(jié)束報(bào)文。這時(shí)，置VIS=1，ISP=0，使Program1可見并調(diào)用其中的程序運(yùn)行。

現(xiàn)場(chǎng)控制器的終端用戶主程序Program1的主要功能是負(fù)責(zé)管理間隔內(nèi)的所有閉鎖接點(diǎn)，并定期對(duì)閉鎖接點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，保存到內(nèi)部E2PROM中，并隨時(shí)提供給設(shè)備主機(jī)查詢。當(dāng)檢測(cè)到強(qiáng)行解鎖功能操作時(shí)，則對(duì)設(shè)備狀態(tài)的變化進(jìn)行基本的邏輯判斷，若不符合正常狀態(tài)則給出警報(bào)信息并進(jìn)行記錄，供設(shè)備主機(jī)查詢。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)控制器接收到防誤主機(jī)發(fā)出的命令時(shí)則根據(jù)命令內(nèi)容執(zhí)行相應(yīng)的功能操作。終端用戶主體程序Program1流程如圖6所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

在分析了傳統(tǒng)的機(jī)械式、電氣式和微機(jī)式三種防誤閉鎖系統(tǒng)存在的問題的基礎(chǔ)上，提出了利用發(fā)達(dá)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變電站網(wǎng)絡(luò)型防誤閉鎖系統(tǒng)方案，首先確定了變電站網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的識(shí)別方法和閉鎖方式，然后分別對(duì)該新型防誤閉鎖系統(tǒng)的硬件和軟件加以詳細(xì)介紹，基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變電站網(wǎng)絡(luò)型防誤閉鎖系統(tǒng)不僅解決了傳統(tǒng)防誤閉鎖系統(tǒng)存在的問題，而且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

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第8篇：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)范文

中圖分類號(hào)：O327文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 10044523（2013）02016909

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工程實(shí)際問題的需求不斷提高，為了提高受控結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的總體性能，引入了結(jié)構(gòu)控制一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)策略。智能桁架結(jié)構(gòu)一體化拓?fù)鋬?yōu)化能夠除去桁架中不必要的節(jié)點(diǎn)和桿件，同時(shí)考慮了振動(dòng)控制中所需作動(dòng)器的數(shù)目，配置的位置和控制器參數(shù)，從而達(dá)到預(yù)期結(jié)構(gòu)控制同時(shí)優(yōu)化的目的。目前在這方面國(guó)內(nèi)外已經(jīng)取得了一些研究成果：趙國(guó)忠等建立了具有壓電智能桁架的結(jié)構(gòu)和振動(dòng)控制的聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)模型[1]，采用了基于靈敏度的優(yōu)化求解算法；Hiramoto等以懸臂輸液管道的外半徑和傳感器與作動(dòng)器位置為設(shè)計(jì)變量[2]，以閉環(huán)系統(tǒng)關(guān)鍵流速最大為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)控制的一體化優(yōu)化；在2004年至2007年的研究表明[3～5]，將結(jié)構(gòu)尺寸拓?fù)鋮?shù)、控制器設(shè)計(jì)參數(shù)和作動(dòng)器配置參數(shù)（位置和數(shù)目）均處理為獨(dú)立設(shè)計(jì)變量，能夠極大地優(yōu)化受控系統(tǒng)性能。但是在實(shí)際工程問題中，由于制造和各種環(huán)境因素的影響，使結(jié)構(gòu)參數(shù)不可避免地呈現(xiàn)不確定性。以往的結(jié)構(gòu)控制一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)研究都沒有考慮這些不確定因素的影響，如果硬將這些不確定性因素作為確定性信息來處理，有時(shí)會(huì)得出矛盾或很不合理的結(jié)果[6]。

因而，針對(duì)區(qū)間參數(shù)壓電智能結(jié)構(gòu)控制一體化多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化，本文提出了一種區(qū)間參數(shù)結(jié)構(gòu)控制多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化方法：對(duì)于目標(biāo)函數(shù)處理引入決策風(fēng)險(xiǎn)因子和偏差懲罰項(xiàng)，對(duì)于不確定性約束函數(shù)轉(zhuǎn)為非概率可靠性約束，將不確定性優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為風(fēng)險(xiǎn)因子意義下的確定性優(yōu)化目標(biāo)問題；優(yōu)化求解策略采用基于個(gè)體排序的求解有約束多目標(biāo)優(yōu)化問題的Pareto遺傳算法（CMOPGA）。將此方法應(yīng)用于桁架結(jié)構(gòu)，算例結(jié)果表明所提方法是有效的。

2性能靈敏度分析

針對(duì)小區(qū)間參數(shù)壓電智能桁架的性能分析，本文采用一階泰勒展開法，并且在小區(qū)間范圍內(nèi)，此法可以保證精度要求。

21開環(huán)系統(tǒng)

第9篇：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)范文

關(guān)鍵詞：拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)；汽車設(shè)計(jì)；應(yīng)用

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.06.236

0 前言

作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的一門新技術(shù)，拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在汽車、機(jī)床、電子機(jī)械等領(lǐng)域中已經(jīng)得到了廣泛地應(yīng)用。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的盲目性，完全依賴于工程師的經(jīng)驗(yàn)，并且需要做大量的實(shí)驗(yàn)，周期較長(zhǎng)且成本較高?，F(xiàn)階段，通過在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的初始階段引入拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，大大提高了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，改變了傳統(tǒng)的僅憑經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)的理念。

拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)是指在指定的設(shè)計(jì)空間內(nèi)，重新規(guī)劃材料分布，使得部件的某種性能滿足設(shè)計(jì)者的要求。拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)主要探討結(jié)構(gòu)材料的分布形式和構(gòu)件的聯(lián)結(jié)方式，運(yùn)用去除材料、增加孔洞數(shù)量等拓?fù)鋬?yōu)化形式，旨在使結(jié)構(gòu)在滿足應(yīng)力、位移等約束條件下，其強(qiáng)度或固有特性等指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。

1 拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)概述

結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的主要思想是將結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為材料優(yōu)化問題，并在給定的設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的思路首先需給定材料類型和設(shè)計(jì)方法，在此基礎(chǔ)上得到既滿足約束條件又能使目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)的結(jié)構(gòu)布置形式。由于拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)初始約束條件較少，工程師僅需給定設(shè)計(jì)域而不必清楚具體的結(jié)構(gòu)拓?fù)湫问健?/p>

拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)是在指定的設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)，通過迭代過程計(jì)算求解材料最優(yōu)分布的一種優(yōu)化手段。以某種材料為例進(jìn)行說明，首先需定義材料分布形式，再以靈敏度計(jì)算、結(jié)構(gòu)分析、修改材料分布等方式進(jìn)行迭代計(jì)算。經(jīng)過多輪迭代優(yōu)化后，材料分布逐漸趨于穩(wěn)定，優(yōu)化過程結(jié)束。對(duì)于連續(xù)體優(yōu)化問題，通過計(jì)算通?？傻玫阶顑?yōu)的材料分布形式，使設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)。

在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)之前需明確設(shè)計(jì)區(qū)域、目標(biāo)約束及分析類型模型等因素，用戶可直接監(jiān)視優(yōu)化過程，在優(yōu)化結(jié)束后需對(duì)結(jié)果進(jìn)行后處理。因拓?fù)鋬?yōu)化后盡管結(jié)構(gòu)最優(yōu)，但局部區(qū)域仍不太完善，常需進(jìn)行局部?jī)?yōu)化，如形狀優(yōu)化等。局部完善后需根據(jù)結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模從而完成結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。由于需要修改參數(shù)等原因，常需對(duì)某一步或整個(gè)過程進(jìn)行反復(fù)迭代。

2 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的研究方法

目前拓?fù)鋬?yōu)化方法主要有以下三種，分別為變密度法、均勻化方法以及漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法[2]。

（1）變密度法就是將材料密度與特性之間建立某種聯(lián)系，假設(shè)材料的密度是可變的，其屈服極限、抗拉強(qiáng)度等物理參數(shù)與密度之間的聯(lián)系也是人為假定的。在進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化時(shí)，以材料密度為設(shè)計(jì)變量，這樣結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化問題即轉(zhuǎn)換為材料的最優(yōu)分布問題。

（2）均勻化方法是建立在均勻化理論基礎(chǔ)之上的，通過在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)材料中引入帶有孔洞的單胞結(jié)構(gòu)，并將設(shè)計(jì)區(qū)域離散成多個(gè)微結(jié)構(gòu)單胞集合體，經(jīng)計(jì)算可實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)體的拓?fù)鋬?yōu)化。通過均勻化方法計(jì)算，可確定結(jié)構(gòu)材料密度呈 0～1 分布，最終得出最優(yōu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。目前廣泛應(yīng)用于三維連續(xù)體、振動(dòng)、熱彈性、屈曲及復(fù)合材料的拓?fù)鋬?yōu)化分析。

（3）漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法（Evolutionary Structure Optimization，ESO）的基本原理是將結(jié)構(gòu)中多余或低效的材料逐漸去除，從而使剩余的結(jié)構(gòu)趨于合理。該方法物理概念簡(jiǎn)單、明確、通用性好，易于被工程技術(shù)人員接受和理解，因此應(yīng)用范圍較廣。ESO方法自提出以來，廣泛應(yīng)用于各類結(jié)構(gòu)的尺寸、形狀和拓?fù)鋬?yōu)化，如應(yīng)力、剛度、位移、振動(dòng)頻率、響應(yīng)等穩(wěn)定性約束的連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)問題。

3 拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)學(xué)優(yōu)化算法的發(fā)展，拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)取得了重大的成就，目前廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、航空航天、機(jī)械制造、機(jī)車和復(fù)合材料等設(shè)計(jì)領(lǐng)域。拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在汽車工業(yè)上的運(yùn)用，國(guó)外起步較早且應(yīng)用較廣泛，國(guó)內(nèi)則相對(duì)較晚。汽車拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對(duì)象主要為車身本體構(gòu)件、底盤和動(dòng)力總成支架等；優(yōu)化目標(biāo)一般包括質(zhì)量最小、能量吸收最優(yōu)、柔順度最好等；約束通常涵蓋固有頻率、應(yīng)力和最大位移等[3]。

在對(duì)某車身整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化時(shí)，以質(zhì)量最小化為目標(biāo)，首先獲取整車的初始設(shè)計(jì)空間，以車身在實(shí)際工作過程中所承受的載荷為約束，并根據(jù)各種約束的重要程度分配不同的權(quán)重因子，在此基礎(chǔ)上對(duì)該車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。優(yōu)化結(jié)果表明：車身結(jié)構(gòu)在質(zhì)量、設(shè)計(jì)成本、乘員艙空間及能耗指標(biāo)均得到了很大程度的優(yōu)化。

汽車底盤系統(tǒng)的許多零部件均是實(shí)心結(jié)構(gòu)，如控制臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、副車架等。因經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)往往存在多余，從而造成整個(gè)結(jié)構(gòu)重量加大。因此，在對(duì)該類零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，常以質(zhì)量最小為優(yōu)化目標(biāo)?？刂票垡再|(zhì)量最小化作為目標(biāo)，以結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力作為約束，通過對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化減重效果明顯，比例達(dá)到 14%，結(jié)構(gòu)應(yīng)力控制在材料的屈服極限內(nèi)。同樣，在對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化時(shí)，其目標(biāo)設(shè)置為質(zhì)量最小，約束為結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和連接點(diǎn)位移。經(jīng)過優(yōu)化，轉(zhuǎn)向節(jié)強(qiáng)度大幅度提高。但在局部位置出現(xiàn)高應(yīng)力集中現(xiàn)象，可通過后續(xù)設(shè)計(jì)，降低這些部位的應(yīng)力水平，增強(qiáng)連接點(diǎn)的剛度。

對(duì)于支架結(jié)構(gòu)，頻率和剛度是其關(guān)鍵指標(biāo)。對(duì)某支架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化時(shí)，目標(biāo)通常為質(zhì)量最小，并將支架的一階頻率和載荷施加點(diǎn)位移控制在一定范圍內(nèi)。經(jīng)過優(yōu)化，質(zhì)量減少了 42%，應(yīng)力也控制在材料屈服極限內(nèi)。

4 結(jié)論

隨著環(huán)境問題和能源問題的日益凸顯，如何快速地研發(fā)出產(chǎn)品，對(duì)各汽車制造商都尤為重要。拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)可在前期設(shè)計(jì)階段大幅度縮短項(xiàng)目的開發(fā)周期，并在滿足性能目標(biāo)的前提下使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最優(yōu)。通過該技術(shù)，可以為工程師在設(shè)計(jì)企劃階段提供大量的優(yōu)化方案，對(duì)后期整車輕量化具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]范文杰，范子杰，桂良進(jìn).多工況下客車車架結(jié)構(gòu)多剛度拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].汽車工程，2008，30（06）：531-533.

[2]劉林華，辛勇，汪偉.基于折衷規(guī)劃的車架結(jié)構(gòu)多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2011，30（03）：382-385.