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篇1

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

1 引言

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

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

2 數(shù)學(xué)優(yōu)化模型

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

3 結(jié)束語(yǔ)

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

參考文獻(xiàn)

［1］王訓(xùn)儉，張宏偉，趙新華.城市配水系統(tǒng)宏觀模型的研究［J］.中國(guó)給水排水，1988,4，(2).

篇2

中圖分類號(hào)：TM914 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2013）16-0019-04

新能源利用是我國(guó)七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，太陽(yáng)能光伏發(fā)電是新能源利用的重要領(lǐng)域。在設(shè)計(jì)太陽(yáng)能小屋時(shí)，需在建筑物外表面（屋頂及外墻）鋪設(shè)光伏電池，光伏電池組件所產(chǎn)生的直流電需要經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換成220 V交流電才能供家庭使用，并將剩余電量輸入電網(wǎng)。不同種類的光伏電池每峰瓦的價(jià)格差別很大，且每峰瓦的實(shí)際發(fā)電效率或發(fā)電量還受諸多因素的影響，如太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、光線入射角、環(huán)境、建筑物所處的地理緯度、地區(qū)的氣候與氣象條件、安裝部位及方式（貼附或架空）等。因此，在太陽(yáng)能小屋的設(shè)計(jì)中，研究光伏電池在小屋外表面的優(yōu)化鋪設(shè)是很重要的問題。

本文主要研究戶用并網(wǎng)光伏陣列安裝方案的組合優(yōu)化問題。為滿足年光伏發(fā)電總量盡可能大，單位發(fā)電費(fèi)用盡可能小的目標(biāo)，首先根據(jù)地區(qū)地理?xiàng)l件、電池組安裝部位及方式，給出太陽(yáng)能電池組的選定方案。然后在各電池分組的逆變器選配原則下，考慮各太陽(yáng)能組件的不同設(shè)計(jì)參數(shù)及價(jià)格，從而確定最佳光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

研究在僅考慮貼附安裝方式的情況下，對(duì)光伏陣列鋪設(shè)方案的優(yōu)化問題。首先，需要根據(jù)題目給出的小屋外觀尺寸，對(duì)每個(gè)墻面分別建立直角坐標(biāo)系。然后，主要考慮光伏電池組件面積和房屋的鋪設(shè)條件，以各類光伏電池組件數(shù)量和安裝位置為決策變量，建立年發(fā)電總量最大、單位發(fā)電費(fèi)用最小的雙目標(biāo)最優(yōu)化模型.并考慮逆變器額定輸入電壓和功率約束，調(diào)整太陽(yáng)能電池組件安裝設(shè)計(jì)方案，從而得到最優(yōu)光伏電池組件及逆變器的選配方案。

1 模型假設(shè)

1）假設(shè)太陽(yáng)能電池方陣的架設(shè)是獨(dú)立的，不受周圍環(huán)境影響。

2）假設(shè)同一分組陣列中的組件在安裝時(shí)，具有相同的陣列方位角、傾角。

3）假設(shè)各類電池組件的最低輻射量限值分別為：?jiǎn)尉Ч韬投嗑Ч桦姵貑?dòng)發(fā)電的表面總輻射量≥80 W/m2、薄膜電池表面總輻射量≥30 W/m2。

4）假設(shè)所有光伏組件在0～10年效率按100%，10～25年按照90%折算，25年后按80%折算。

5）假設(shè)逆變器設(shè)置在房屋外部，不占用建筑外表面。

6）假設(shè)當(dāng)太陽(yáng)輻射值低于電池表面太陽(yáng)光輻照閾值時(shí)，電池組件不輸出電力。

2 變量與符號(hào)說明

：表示墻面的長(zhǎng)度；

：表示墻面的寬度；

：表示第i類光伏電池組件的鋪設(shè)數(shù)量；

：表示對(duì)第i類光伏電池組件中的第j個(gè)組件的標(biāo)記；

：表示第i類的光伏電池組件鋪設(shè)數(shù)量；

：表示第i個(gè)同類電池板的額定功率；

：表示第j類逆變器的額定輸入功率。

3 模型的建立與求解

主要研究在有瑕疵墻面上光伏陣列布局的數(shù)學(xué)模型與算法。由于僅考慮光伏電池組件貼附安裝，故首先需要建立安裝光伏電池組件的類型選擇模型，以及相應(yīng)鋪設(shè)數(shù)量的計(jì)算模型。其次，在僅考慮無(wú)瑕疵平面情況下，構(gòu)造太陽(yáng)能電池組的最優(yōu)布局規(guī)劃模型。再利用各墻面的門窗尺寸和位置數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行修正，得到有瑕疵情況下，各墻面和屋頂?shù)墓夥姵仃嚵凶顑?yōu)布局方案。最后，根據(jù)所得布局方案，給出小屋光伏電池35年壽命期內(nèi)的發(fā)電總量、經(jīng)濟(jì)效益及投資的回收年限的計(jì)算模型。

3.1 光伏電池年發(fā)電總量計(jì)算模型的建立

為求解光伏電池年發(fā)電總量，首先建立光伏電池第m年發(fā)電量計(jì)算模型：

其中，表示第k個(gè)太陽(yáng)時(shí)的輻射量，表示第i類型號(hào)電池板的面積，表示第類型號(hào)電池板在輻射為情況下的轉(zhuǎn)換效率，表示第i類逆變器的逆變效率。由于逆變器存在80%的阻性負(fù)載，故計(jì)算光伏電池年發(fā)電總量時(shí)，應(yīng)當(dāng)加上0.8乘項(xiàng)，修正陣列年總發(fā)電量輸出值。

然后，計(jì)算光伏組件在第年的效率，已知發(fā)電效率為：

則光伏電池35年的總發(fā)電量的計(jì)算模型為：

其中，8759表示一年太陽(yáng)時(shí)最大值。

3.2 光伏電池年經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算模型的建立

由模型I可得到光伏陣列最優(yōu)布局方案，據(jù)此，結(jié)合各墻面年總輻射強(qiáng)度有效值數(shù)據(jù)，建立光伏電池總經(jīng)濟(jì)效率的計(jì)算模型：

其中，表示光伏陣列35年的毛經(jīng)濟(jì)效益總和（即不減去成本的毛收益），其計(jì)算模型如下：

式中，表示光伏電池第i年的毛經(jīng)濟(jì)效益，光伏電池第m年的發(fā)電量由光伏電池年發(fā)電總量計(jì)算結(jié)果可知。

3.3 光伏陣列投資回收年限計(jì)算模型的建立

通過分析光伏陣列的年發(fā)電總量與年經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算模型間的關(guān)系，可得光伏陣列投資回收年限T應(yīng)滿足如下關(guān)系：

其中，表示光伏電池第i年的毛經(jīng)濟(jì)效益；C表示逆變器和電池組的總成本；表示使用的第i種型號(hào)電池組件的數(shù)量；表示使用的第i種型號(hào)逆變器的數(shù)量；表示所使用的第i種型號(hào)電池組件的價(jià)格；表示所使用的第i種逆變器的價(jià)格。

利用上述關(guān)系，求解使得上述不等式成立的最小整數(shù)T，即為所求的回收年限。

3.4 光伏陣列最優(yōu)布局規(guī)劃模型的建立與求解

3.4.1 模型的建立

1）電池組件的擺放方向分析。

對(duì)于每塊放入的電池組件，均存在兩種不同擺放方向：橫向和縱向。在不考慮光伏發(fā)電系統(tǒng)布線復(fù)雜性的情況下，引入變量（，表示橫放；，表示豎放），用來描述各個(gè)墻面上第i類第j塊光伏陣列的鋪設(shè)方向。其中，橫向擺放表示電池組件的長(zhǎng)邊與墻面的長(zhǎng)平行擺放，縱向擺放表示電池組件的長(zhǎng)邊與墻面的寬平行擺放。

2）電池組的類型選擇分析。

考慮到同一安裝平面內(nèi)所鋪設(shè)組件受到逆變器選配約束，故首先建立各墻面安裝光伏電池組件的類型最優(yōu)排序模型，選擇不超過3種類型的電池組，從而降低安裝組件類型的選擇方案，達(dá)到簡(jiǎn)化問題的目的。

通過分析各墻面光照輻射年均值，同時(shí)考慮各類型光伏發(fā)電組件的發(fā)電輻射閥值，計(jì)算各墻面各類型的電池組件接收總輻射有效值：

利用每個(gè)墻面除去窗口后的總面積和各類電池組件的面積，可計(jì)算得到第i類電池的最大擺放組件個(gè)數(shù)。又需要考慮光伏電池組件的單位發(fā)電功率費(fèi)用指標(biāo)，。其中，表示逆變器和電池組的總成本，表示第i類光伏電池陣列的年發(fā)電總量。

利用（1）、（2）式條件，同時(shí)考慮各類電池組件轉(zhuǎn)換效率，可得到排序指標(biāo)R的計(jì)算模型如下：

各墻面的最佳組件字典序排序與值相關(guān)，越大表示該電池組越優(yōu)，表示電池組件的轉(zhuǎn)換效率需要受到的影響，據(jù)此，可得電池類型最優(yōu)選擇方案。

由太陽(yáng)輻射相關(guān)知識(shí)可以得到。其中為平面的法線和太陽(yáng)入射方向的夾角。

3）無(wú)瑕疵條件下光伏陣列最優(yōu)布局規(guī)劃模型。

按照問題分析中對(duì)光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)分析，確定如下兩個(gè)最優(yōu)化目標(biāo)：

目標(biāo)I：年光伏發(fā)電總量最大可表示為：

其中，表示第i類的光伏電池組件鋪設(shè)數(shù)量，表示第i類光伏電池組件的實(shí)際功率，由于電池發(fā)電總量與光伏組件的實(shí)際功率僅相差太陽(yáng)輻射乘項(xiàng)，且根據(jù)對(duì)太陽(yáng)輻射的假設(shè)，同一平面上的太陽(yáng)輻射相等，故原目標(biāo)與光伏陣列總實(shí)際功率最大等價(jià)。

目標(biāo)II：?jiǎn)挝话l(fā)電量的總費(fèi)用最小可表示為：

其中，表示第i類的光伏電池組件鋪設(shè)數(shù)量，表示第i類光伏電池組件的單位發(fā)電功率費(fèi)用，與原目標(biāo)中的單位發(fā)電量費(fèi)用等價(jià)。

為確定光伏電池組件的鋪設(shè)位置，針對(duì)不同墻面，建立如圖1所示的直角坐標(biāo)系。

其中，x軸的取值范圍是，表示該面墻體的長(zhǎng)度；y軸的取值范圍是，表示該面墻體的寬度，直角坐標(biāo)系內(nèi)點(diǎn)的坐標(biāo)表示光伏電池組件左下角的橫縱坐標(biāo)數(shù)對(duì)。

然后，對(duì)問題進(jìn)行約束條件分析，無(wú)瑕疵平面鋪設(shè)約束如下：

約束I：鋪設(shè)范圍界定約束

基于對(duì)墻體邊界條件的分析，鋪設(shè)光伏電池組件不應(yīng)超出安裝平面范圍的約束，即鋪設(shè)面積不可超過墻面總面積，則鋪設(shè)范圍界定約束可表示為：

其中，表示第i類第j塊的光伏電池組件左下角的直角坐標(biāo)；表示第i類光伏電池組件的長(zhǎng)度；表示第i類光伏電池組件的寬度；表示表示第i類第j塊的光伏電池組件是否鋪設(shè)，且第i類光伏電池組件總數(shù)。

約束II：電池組件分離約束

當(dāng)鋪設(shè)多塊光伏組件時(shí)，各個(gè)太陽(yáng)能電池板需要保證相互獨(dú)立擺放，即板與板之間互不交疊，則電池組件分離約束可表示為：

由（4）～（7）式的分析，建立無(wú)瑕疵條件下光伏陣列布局雙目標(biāo)混合整數(shù)規(guī)劃模型如下：

其中，約束條件1、2表示鋪設(shè)范圍界定約束，約束條件3表示電池組件分離安裝約束，約束4表示光伏組件的坐標(biāo)取值范圍.通過確定各目標(biāo)優(yōu)先級(jí)P1和P2，可將該雙目標(biāo)規(guī)劃模型轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)規(guī)劃問題，得到最終混合整數(shù)線性規(guī)劃模型如下：

4）考慮門窗的光伏陣列最優(yōu)布局規(guī)劃模型。

將門窗看作各墻面瑕疵，考慮光伏陣列不能在門窗上方安裝，因此需要對(duì)模型約束條件進(jìn)行調(diào)整，引入墻面瑕疵約束如下：

約束III：墻面瑕疵約束

其中，X1、X2分別表示瑕疵的左邊界和右邊界的橫坐標(biāo)值，Y1、Y2分別表示瑕疵的上邊界和下邊界的縱坐標(biāo)值.約束限制當(dāng)組件橫放或縱放情況下，電池的邊界與瑕疵四周不能存在交疊區(qū)域，從而得到帶瑕疵條件下光伏陣列最優(yōu)布局規(guī)劃模型如下：

至此，即得到有瑕疵任意安裝平面的光伏陣列最優(yōu)布局規(guī)劃模型。

3.4.2 模型求解

由于在鋪設(shè)每個(gè)光伏組件時(shí)，有橫向擺放與縱向擺放兩種方案.為求解該NPC組合優(yōu)化問題，我們利用Monte Carlo方法進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，具體程序框圖如圖2所示。

利用Matlab軟件，對(duì)每個(gè)墻面光伏電池組件選擇方案進(jìn)行1000次模擬，比較各次模擬結(jié)果，保留使得模型I中目標(biāo)最優(yōu)方案，得到各立面和屋頂最優(yōu)鋪設(shè)方案，其中小屋屋頂帶天窗面的最優(yōu)光伏陣列布局方案如表1所示。

根據(jù)該方案，可得到屋頂較大斜面外表面各擺放方法下，電池組件鋪設(shè)分組陣列圖形（其余各外表面布局圖形因篇幅原因未給出），如圖3所示。

分析表1中結(jié)果，可知屋頂較大斜面最優(yōu)鋪設(shè)方案應(yīng)選擇橫向布局，分別需要6個(gè)A3類、8個(gè)A4類及16個(gè)B1類光伏發(fā)電組件。

在緊貼鋪設(shè)的情況下，小屋一年發(fā)電量，且各外表面分布發(fā)電量如表2所示。

分析表，進(jìn)而計(jì)算得到最優(yōu)光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案下，35年總發(fā)電量，經(jīng)濟(jì)效益為，投入資金，得到投資回報(bào)年限年年。

4 模型評(píng)價(jià)與改進(jìn)方向

4.1 模型的評(píng)價(jià)

1）模型的優(yōu)點(diǎn)。

本文建立了關(guān)于太陽(yáng)能小屋設(shè)計(jì)的多個(gè)優(yōu)化模型，較好的解決了太陽(yáng)能小屋設(shè)計(jì)中的一系列問題。

對(duì)于太陽(yáng)能電池板的鋪設(shè)問題，利用坐標(biāo)定位思想，建立了有瑕疵布局問題的優(yōu)化模型。由于坐標(biāo)的引入，可以很容易地解決不同形狀不同個(gè)數(shù)的瑕疵情況，因此該模型具有較普遍的適用性。

對(duì)于架空情況下的電池板優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過對(duì)電池板的長(zhǎng)度進(jìn)行轉(zhuǎn)化，可以直接利用在電池板貼附設(shè)計(jì)情況下建立的優(yōu)化模型，避免了重新建立模型帶來的復(fù)雜性，簡(jiǎn)化了問題。

對(duì)于太陽(yáng)能小屋的尺寸設(shè)計(jì)，通過確定一些明顯可以使得結(jié)果最優(yōu)的參數(shù)，減少了變量，使得最終的決策變量?jī)H為兩個(gè)，簡(jiǎn)化了問題分析與求解.通過確定電池板的評(píng)價(jià)指標(biāo)，基于不同的接收輻射情況，給出了每個(gè)墻面的最優(yōu)電池板型號(hào)，從而可以簡(jiǎn)化約束條件，避免了房屋尺寸與電池板選取兩方面問題同時(shí)考慮的復(fù)雜性。

2）模型的缺點(diǎn)。

由于布局規(guī)劃問題屬于NP完全問題，沒有多項(xiàng)式時(shí)間算法，基于窮舉思想的算法無(wú)法解決此類問題，因此我們采用了蒙特卡洛方法，由于蒙特卡洛方法無(wú)法保證得到最優(yōu)解，故我們對(duì)求解結(jié)果進(jìn)行人工修正，并多次計(jì)算取最優(yōu)解。這樣無(wú)法進(jìn)行自動(dòng)化計(jì)算，這是我們模型的缺點(diǎn)，也是目前學(xué)術(shù)界的難點(diǎn)。

4.2 模型的改進(jìn)方向

對(duì)于布局問題，目前較好的解決方法是啟發(fā)式搜索法，包括模擬退火算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，遺傳算法等，我們模型的求解可以利用這些算法進(jìn)行改進(jìn)，并比較多個(gè)結(jié)果取最優(yōu)。

參考文獻(xiàn)

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[2]李寧峰.屋頂太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].2012，31（3）：43-50.

篇3

中圖分類號(hào)：P311.12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）04-0199-01

當(dāng)前配電網(wǎng)絡(luò)中用戶節(jié)點(diǎn)繁多，存在大量數(shù)據(jù)，相互間的關(guān)聯(lián)錯(cuò)綜復(fù)雜并且變換頻繁，因而數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)是研究者科研的重要課題。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法分為兩類，一類是在輸電網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)中依據(jù)層級(jí)構(gòu)造建模，搭建網(wǎng)狀節(jié)點(diǎn)模型，但忽視了特殊配電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造，并存在后期維護(hù)工作繁瑣的弊端；另一類則將線路轉(zhuǎn)換為桿塔方式搭建，被設(shè)置變配和開閉裝備，該方法操作簡(jiǎn)單，但數(shù)據(jù)庫(kù)不易更新，靈活度不高。

1 配電網(wǎng)絡(luò)的E-R模型搭建

1.1 E-R模型下的配電網(wǎng)絡(luò)建模

（1）配電網(wǎng)絡(luò)的實(shí)體。E-R模型由實(shí)體，連接和屬性構(gòu)成。實(shí)體作為數(shù)據(jù)目標(biāo)，即應(yīng)用過程中的客觀事物，如配電網(wǎng)中的變壓裝置，輸電線路等部分。而相同類別的實(shí)體則構(gòu)成實(shí)體類，如配電網(wǎng)絡(luò)中的變壓裝置行程配電變壓實(shí)體部分。（2）配電網(wǎng)絡(luò)的連接。由于實(shí)體之間并不孤立并存在相互關(guān)聯(lián)，而配電網(wǎng)絡(luò)的連接代表了一個(gè)和多個(gè)實(shí)體間連接。如配電變壓裝置和用電負(fù)荷間的電能供應(yīng)關(guān)聯(lián)。（3）配電網(wǎng)絡(luò)的屬性。配電網(wǎng)絡(luò)的屬性能夠表述實(shí)體的特點(diǎn)，如配電變壓裝置的名字，編碼，容量等相關(guān)屬性數(shù)據(jù)[1]。

1.2 配電網(wǎng)絡(luò)中的桿塔和開關(guān)

在配電網(wǎng)絡(luò)體系中，每條配電線路均包含多個(gè)桿塔和開關(guān)，并包含幾十個(gè)到幾百個(gè)分支線路，各部分線路采用配電變壓裝置的模式給使用者供電，信息量巨大，因而構(gòu)建科學(xué)的信息模型對(duì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)有很大幫助。

1.3 變阻抗支路設(shè)計(jì)

在整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)中，線路間經(jīng)過開關(guān)完成互聯(lián)，而開關(guān)是物理存在的實(shí)體并不從屬于相關(guān)線路。在構(gòu)建配電數(shù)據(jù)集合時(shí)，為獲取線路間的關(guān)聯(lián)，需串接變阻抗支路，完成上游電源部分和下游各節(jié)點(diǎn)間通訊。

2 E-R模型的配電網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

2.1 E-R模型下配電網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)組成

（1）線路數(shù)據(jù)庫(kù)。線路數(shù)據(jù)庫(kù)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)組成包含信息標(biāo)識(shí)，線路表述，銜接變電裝置，電壓層級(jí)部分。（2）分線路數(shù)據(jù)庫(kù)。分線路數(shù)據(jù)庫(kù)線路標(biāo)定，線段標(biāo)定，供電部分標(biāo)定，并給出線路表述，線段種類，桿塔數(shù)目，阻抗和電壓等級(jí)等部分。（3）配電變壓裝置數(shù)據(jù)庫(kù)。配電變壓裝置數(shù)據(jù)集合包含名字，編碼，種類，容量，供電線路標(biāo)定，接桿編碼等部分。（4）桿塔數(shù)據(jù)庫(kù)。桿塔數(shù)據(jù)庫(kù)包含桿塔編碼，所在線路編碼，桿塔種類，擋距，材料等部分。（5）線路開關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)。線路開關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)包含開關(guān)編碼，開關(guān)型號(hào)，關(guān)聯(lián)桿塔，出場(chǎng)以及開關(guān)種類編碼部分。（6）電力負(fù)荷數(shù)據(jù)庫(kù)。電力負(fù)荷數(shù)據(jù)庫(kù)包含使用者名稱，使用者編碼，備用電源編碼，線路名字，供電變壓裝置編碼等部分。

2.2 E-R模型下配電網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)特點(diǎn)

E-R模型下配電網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)以電能輸送，配準(zhǔn)，使用為基準(zhǔn)，反饋配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造與物理銜接關(guān)聯(lián)，能夠應(yīng)用在結(jié)構(gòu)繁雜的網(wǎng)絡(luò)線路中，若進(jìn)行更新操作，僅需要改變鏈路表中相應(yīng)供電標(biāo)識(shí)部分。

2.3 配電網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)層次體系

配電網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)完成電網(wǎng)拓?fù)浜蛿?shù)據(jù)搜索組合，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的分層保存，便于解析圖像，實(shí)現(xiàn)定位和移動(dòng)操作。將電網(wǎng)作為分層模式并依據(jù)電能輸配送進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)層次化數(shù)據(jù)庫(kù)分析[2]。

3 配電網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)優(yōu)化操作

（1）數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)化。配電網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)化即去除冗余信息，管理系統(tǒng)完成標(biāo)準(zhǔn)化處理能夠縮小數(shù)據(jù)庫(kù)表，并減少信息占據(jù)空間，縮減I/O時(shí)間。管理系統(tǒng)具體操作為：智能化識(shí)別表數(shù)目和列數(shù)目，減少冗余表，榮譽(yù)列和冗余字符。（2）數(shù)據(jù)庫(kù)表的橫向分割操作。將大的數(shù)據(jù)庫(kù)表拆分成多組表，并進(jìn)行分段保存，以變電站和基礎(chǔ)線路為約束標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建已各組變電站為供電裝置的線段數(shù)據(jù)表，能夠顯著提升查詢速率。（3）增多標(biāo)識(shí)列。在完成數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)時(shí)，往往需要用到設(shè)備編碼才能標(biāo)定設(shè)備，本文在數(shù)據(jù)庫(kù)表中增加對(duì)該裝備的標(biāo)定，能夠在搜索中替代大型組合鍵，提升整體效能[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

本文首先給出配電網(wǎng)絡(luò)的E-R模型搭建，完成配電網(wǎng)絡(luò)建模，并分析了配電網(wǎng)絡(luò)的實(shí)體，連接，屬性，桿塔和開關(guān)以及變阻抗支路設(shè)計(jì)。進(jìn)而完成E-R模型的配電網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，分析了E-R模型下配電網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)組成，包含線路數(shù)據(jù)庫(kù)，分線路數(shù)據(jù)庫(kù)，配電變壓裝置數(shù)據(jù)庫(kù)，桿塔數(shù)據(jù)庫(kù)，線路開關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)和電力負(fù)荷數(shù)據(jù)庫(kù)，并給出E-R模型下配電網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)特點(diǎn)和配電網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)層次體系。最后給出配電網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)優(yōu)化操作，包括數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)化，數(shù)據(jù)庫(kù)表的橫向分割操作以及增多標(biāo)識(shí)列。

參考文獻(xiàn)

篇4

1研究背景

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

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

2研究方法

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

2•1道路的空間位置及遺傳算法的應(yīng)用

2•1•1初始空間位置的生成

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

2•2•1平曲線在GIS中的實(shí)現(xiàn)

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

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

2•2•2豎曲線在GIS中的實(shí)現(xiàn)

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

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

豎曲線外距

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

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

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

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

2•4計(jì)算新建道路涉及的費(fèi)用

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

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

2•4•1與道路設(shè)計(jì)相關(guān)費(fèi)用

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

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

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

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

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

其中,為縱斷面坡度懲罰費(fèi)用 為平曲線半徑懲罰費(fèi)用。

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

為規(guī)范要求的最大坡度。

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

2•4•2與道路交通相關(guān)的費(fèi)用

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

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

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

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

表1給出了各種普通車輛在各種走行速度下的CO, HC, NO2的排放因子。

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

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

2•5數(shù)字試驗(yàn)

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

篇5

為了適應(yīng)社會(huì)對(duì)人才的多樣化需求和學(xué)生對(duì)語(yǔ)文教育的期待，《普通高中語(yǔ)文課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》（以下簡(jiǎn)稱《課標(biāo)》）將高中語(yǔ)文課程設(shè)置為必修和選修兩部分，其中選修課程設(shè)計(jì)為五個(gè)系列：詩(shī)歌與散文、小說與戲劇、新聞與傳記、語(yǔ)言文字運(yùn)用、文化論著研讀。并指出：“學(xué)校應(yīng)按照各個(gè)系列的課程目標(biāo)根據(jù)本校的課程資源和學(xué)生需求，有選擇地設(shè)計(jì)模塊，開設(shè)選修課。對(duì)于模塊內(nèi)容組合以及模塊與模塊之間順序編排，各學(xué)?？梢愿鶕?jù)實(shí)際情況靈活實(shí)施?！盵1]然而，這種理念上的初衷只是“看上去很美”?，F(xiàn)實(shí)當(dāng)中，高中語(yǔ)文選修課程模塊設(shè)計(jì)可謂問題叢生，具體表現(xiàn)如下。

1.選修模塊多樣有余而科學(xué)不足

高中語(yǔ)文選修課程設(shè)置了詩(shī)歌與散文、小說與戲劇、新聞與傳記、語(yǔ)言文字運(yùn)用、文化論著研讀等五個(gè)系列。圍繞這五個(gè)系列，各個(gè)學(xué)校集思廣益，結(jié)合實(shí)際開發(fā)出了各種各樣的選修模塊，如“論語(yǔ)選讀”、“中國(guó)小說欣賞”、“外國(guó)小說欣賞”、“影視名作欣賞”、“中國(guó)民俗文化”等等，不一而足。然而總體來看，這些選修模塊在表面的“熱鬧”下卻掩蓋不了存在的缺陷。首先，選修模塊大多限于語(yǔ)文學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)的“自?shī)首詷贰?，缺乏與其他學(xué)科的交叉糅合，少有的一些交叉內(nèi)容卻也僅限于簡(jiǎn)單的移植。顯然，選修模塊的狹窄視野必然帶來學(xué)生學(xué)習(xí)視野的狹窄。其次，選修課程模塊對(duì)學(xué)生發(fā)展關(guān)照不夠。我國(guó)普通高中需要完成兩個(gè)層次的教育任務(wù)，“第一層次的教育任務(wù)是，按照國(guó)家對(duì)高中學(xué)生提出的全面發(fā)展、具有個(gè)性的要求和學(xué)生身心發(fā)展的需要，對(duì)全體學(xué)生進(jìn)行基本的全面素質(zhì)教育，使之達(dá)到高中畢業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。第二層次的教育任務(wù)，是按照高三學(xué)生對(duì)于升學(xué)和就業(yè)的不同選擇而分別進(jìn)行升學(xué)教育與擇業(yè)就業(yè)教育”[2]。而從現(xiàn)實(shí)來看，大多學(xué)校語(yǔ)文選修課程模塊只是關(guān)照到第一層次教育任務(wù)以及第二層次教育任務(wù)的升學(xué)教育目標(biāo)，而擇業(yè)就業(yè)教育的目標(biāo)卻極少體現(xiàn)。這與西方發(fā)達(dá)國(guó)家選修課程相比，是有很大出入的。再次，高中語(yǔ)文選修課程模塊的地方特色、民族特色以及校本特色凸顯不夠。一些學(xué)校選用了某一版本的必修課教材后，接著就選用該版本的選修模塊教材，這樣，校本、地方特色的語(yǔ)文選修模塊開設(shè)空間就顯得非常狹小了。最后，高中語(yǔ)文選修課程實(shí)施時(shí)間保障不足。大多數(shù)學(xué)校往往在高二學(xué)年集中實(shí)施選修課程，以致學(xué)校無(wú)論如何加快速度，最多只能開設(shè)三個(gè)或四個(gè)選修模塊。而《課標(biāo)》建議：“從五個(gè)系列的選修課程中任意選修四個(gè)模塊。對(duì)于語(yǔ)文學(xué)習(xí)興趣濃厚并希望進(jìn)一步深造的學(xué)生，建議在此基礎(chǔ)上，再?gòu)倪@五個(gè)系列里任意選修三個(gè)模塊?！盵1]顯然，時(shí)間的保障不足可能帶來選修模塊的“走馬觀花”以及學(xué)生學(xué)習(xí)的“消化不良”，并且給學(xué)校的師資、場(chǎng)地條件帶來巨大的壓力。

2.選修模塊限制有余而自由不足

區(qū)別于必修課程，選修課程是在必修課程基礎(chǔ)上的進(jìn)一步提高與拓展，其主旨在于關(guān)照學(xué)生的興趣、愛好和志向，關(guān)照學(xué)生的個(gè)體差異，培養(yǎng)學(xué)生全面發(fā)展。自由與選擇是選修課程的最大特征，這也是落實(shí)選修課程目標(biāo)的關(guān)鍵所在。然而，囿于傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)、教學(xué)設(shè)施、教學(xué)任務(wù)、教師水平和時(shí)間精力等因素的限制，許多中學(xué)在語(yǔ)文選修課程模塊的開設(shè)上作了很多限制。這些限制可以概況為三種：一種是完全以高考為“指揮棒”，明確要求只開設(shè)與高考內(nèi)容相關(guān)的幾個(gè)選修模塊，并且要求全體學(xué)生都選這幾個(gè)模塊，如此導(dǎo)致選修課程“名存實(shí)亡”，湮滅了選修課程的本真含義和價(jià)值。一種是由于學(xué)校師資、教學(xué)設(shè)施限制，或沒有更多的教師來開設(shè)選修課，或沒有更多的教學(xué)場(chǎng)地提供給學(xué)生走班、自由選課，因此，學(xué)生只能“看菜吃飯”，統(tǒng)一時(shí)間、室、師指定選修課程。第三種情況是由于必修課程任務(wù)繁重，高三升學(xué)壓力較大，許多學(xué)校干脆大量擠占和壓縮選修課程的時(shí)間，使選修課程僅僅停留在靜態(tài)的課程設(shè)計(jì)層面。

3.選修模塊功利有余而功效不足

《課標(biāo)》要求“選修課與必修課的教學(xué)存在一定的差距”，“不能把選修課上成必修課的補(bǔ)習(xí)課和應(yīng)考的輔導(dǎo)課，也不能照搬大學(xué)里的選修課”[1]。然而，當(dāng)前大多高中語(yǔ)文選修課的實(shí)施狀況卻正應(yīng)驗(yàn)了這種擔(dān)心。這種情況主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：一是將選修課上成必修課。教師在選修課教學(xué)時(shí)，照常按照慣性思維大肆訓(xùn)練學(xué)生的知識(shí)與技能、過程與方法，至于新課程要求的培養(yǎng)學(xué)生的審美能力、探究能力、增強(qiáng)學(xué)生的文化修養(yǎng)和關(guān)注歷史與現(xiàn)實(shí)的意識(shí)等等或無(wú)從顧及或視而不見。二是將選修課上成高考專題輔導(dǎo)課。如開設(shè)“詩(shī)歌與散文”模塊時(shí)，許多教師就選擇古代詩(shī)歌、文言散文或詩(shī)詞散文閱讀專題訓(xùn)練；開設(shè)“小說與戲劇”甚至“文化論著研讀”模塊時(shí)，也是把相關(guān)的文章作為閱讀專項(xiàng)訓(xùn)練的寶貴題材。三是簡(jiǎn)單照搬大學(xué)選修課教學(xué)模式，教師單純從自身的知識(shí)儲(chǔ)備和教學(xué)喜好出發(fā)決定教學(xué)內(nèi)容，從而導(dǎo)致教學(xué)漫無(wú)計(jì)劃，凌亂隨意，效果甚微。

二、高中語(yǔ)文選修課程模塊設(shè)計(jì)的優(yōu)化思路

高中語(yǔ)文選修課程模塊優(yōu)化是指在高中語(yǔ)文課程標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下，語(yǔ)文選修課程模塊的限制性與靈活性之間的調(diào)控以及各選修模塊之間最優(yōu)化的組聯(lián)方式?？茖W(xué)設(shè)計(jì)語(yǔ)文選修課程模塊是一項(xiàng)系統(tǒng)且復(fù)雜的工程，涉及諸多要素。要有機(jī)整合各種要素，就要求學(xué)校在新課程理念的指導(dǎo)下，圍繞學(xué)生的語(yǔ)文基礎(chǔ)、語(yǔ)文興趣、語(yǔ)文能力，在語(yǔ)文必修課的基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓展和提高，凸現(xiàn)課程的選擇性，實(shí)現(xiàn)學(xué)生全面而有個(gè)性的發(fā)展。要有效優(yōu)化高中語(yǔ)文選修課程模塊設(shè)計(jì)，可以從宏觀、中觀和微觀三個(gè)課程結(jié)構(gòu)入手。

1.宏觀結(jié)構(gòu)——探索“雙軌并行+同步穿插”的選修模塊實(shí)施模式

基于新課程理念而言，“走班制”應(yīng)當(dāng)是選修課程實(shí)施的最佳方式。然而，考慮到高中教育需要保障相對(duì)穩(wěn)定而有序的教學(xué)秩序以及學(xué)校的教學(xué)設(shè)施、師資力量等軟硬條件限制，高中選修課程實(shí)施要完全實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)的行政班授課制轉(zhuǎn)到理想化的“走班制”，在當(dāng)前多少是不可實(shí)現(xiàn)的。因此，實(shí)行“雙軌并行”應(yīng)當(dāng)是高中選修課程實(shí)施的可行路徑。所謂“雙軌并行”是指把選修課程模塊分為兩軌，且兩軌平行進(jìn)行。其中，限定選修模塊（即每個(gè)學(xué)生必選的課程模塊）為一軌，任意選修模塊（學(xué)生可真正自主選擇的課程模塊）為一軌。限定選修模塊由學(xué)校統(tǒng)一組織安排，并在原有行政班基礎(chǔ)上統(tǒng)一實(shí)施。而任意選修模塊則由學(xué)生根據(jù)興趣自主選擇課程，并打亂E有行政班格局真正實(shí)行“走班教學(xué)”。學(xué)?？梢悦恐艽_定一個(gè)固定時(shí)間，全部安排任意選修課程。這種開設(shè)組織形式一定程度上能夠滿足學(xué)生自主選課的需求，也緩解了大規(guī)模走班上課所引發(fā)的教學(xué)秩序混亂和教學(xué)設(shè)備不配套的矛盾。

在選修課程模塊開設(shè)時(shí)間安排上，許多中學(xué)基本上是先上完必修課程后，再集中開設(shè)選修課程。這種安排的弊端在于必修課上得太匆忙而沒落到實(shí)處，而選修課過于集中導(dǎo)致學(xué)生身心疲勞，學(xué)習(xí)效率低下。因此，選修課程的開設(shè)可以實(shí)行“同步穿插”的方式進(jìn)行，即在時(shí)間上適當(dāng)同步，在內(nèi)容上必修與選修相互搭配，交叉安排，協(xié)調(diào)推進(jìn)。具體而言，學(xué)?？梢岳L(zhǎng)選修模塊的學(xué)習(xí)時(shí)間。在高中12個(gè)學(xué)段內(nèi)（將以往的學(xué)期制改革為學(xué)段制，一學(xué)年分為4個(gè)學(xué)段，每個(gè)學(xué)段10周，其中9周學(xué)習(xí)，1周考試），第3～5學(xué)段開始設(shè)置趣味性的任意選修模塊，第6～8學(xué)段集中開設(shè)限定選修模塊，第9學(xué)段開設(shè)偏向文理升學(xué)方向和就業(yè)方向的選修模塊。必修與選修同步穿插的課程實(shí)施模式，會(huì)給學(xué)生從學(xué)習(xí)內(nèi)容到學(xué)習(xí)方式上帶來新鮮感，有利于學(xué)生科學(xué)的學(xué)習(xí)方式養(yǎng)成，有利于提高學(xué)生全面的語(yǔ)文素養(yǎng)。

2.中觀結(jié)構(gòu)——構(gòu)建“統(tǒng)一集中+自主選擇”的選修模塊組聯(lián)模式

高中階段，“語(yǔ)文選修課程是在必修課程基礎(chǔ)上的拓展和提高”，必修課程是主要和核心，選修課程只能是“錦上添花”，這一性質(zhì)決定了語(yǔ)文選修課是在約束性下的選擇性修習(xí)。因此，在高中12個(gè)學(xué)段的劃分范疇內(nèi)，學(xué)校在第1～2學(xué)段可只開設(shè)必修課程，原因有二：一是高中第一學(xué)期學(xué)生大多來自不同學(xué)校和地區(qū)，語(yǔ)文基礎(chǔ)參差不齊，語(yǔ)文習(xí)慣各不相同，有必要對(duì)語(yǔ)文常規(guī)、語(yǔ)文基礎(chǔ)、學(xué)習(xí)習(xí)慣進(jìn)行統(tǒng)一的教學(xué)；二是以行政班為單位的必修學(xué)習(xí)有利于班級(jí)凝聚力、團(tuán)隊(duì)意識(shí)的培養(yǎng)。第3～5學(xué)段可以開設(shè)趣味性的任意選修模塊，原因有二：一是這一學(xué)段學(xué)生的語(yǔ)文基礎(chǔ)還不夠扎實(shí)，不能開設(shè)具有一定難度的、專題性的選修模塊，以防挫傷學(xué)生語(yǔ)文學(xué)習(xí)積極性；二是趣味性的任意選修模塊有益于培養(yǎng)和提高學(xué)生語(yǔ)文學(xué)習(xí)興趣。第6～8學(xué)段集中開設(shè)限定選修模塊，一是因?yàn)檫@一學(xué)段學(xué)生經(jīng)過前面的學(xué)習(xí)，有了一定的語(yǔ)文基礎(chǔ)，在必修的基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓展和提升有了可能；二是必修任務(wù)大多已完成，有充裕時(shí)間集中選修，為學(xué)生的專業(yè)方向的發(fā)展和學(xué)生的個(gè)性特長(zhǎng)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。最后，學(xué)?？稍诘?學(xué)段開設(shè)偏向文理升學(xué)方向和就業(yè)方向的選修模塊，主要解決高三學(xué)生分流，滿足不同學(xué)生的需求。以上選修課程模塊組聯(lián)模式，通過興趣選修模塊進(jìn)入限定選修模塊，再到專業(yè)提升和擇業(yè)就業(yè)準(zhǔn)備選修模塊，模塊切換頻度適中，基本符合學(xué)生的身心發(fā)展，既注重學(xué)生的語(yǔ)文學(xué)習(xí)基礎(chǔ)、學(xué)習(xí)興趣，更注意關(guān)照學(xué)生未來發(fā)展的需要。

3.微觀結(jié)構(gòu)——施行“有機(jī)整合+遴選優(yōu)化”的模塊內(nèi)容選擇模式

篇6

Clinical Trial Simulation based on

Proportional Odds Model and Doptimal Design ZHENG Dan1， ZHU Ling， LIU Yajie， SHI Xinling

(1.Electronical Engineering Department， Information School， Yunnan University， Kunming 650091，China)

Abstract：To introduce the clinical trial simulation based on proportional odds model. Taking naratriptan as example， which is a novel agonist for the acute treatment of migraine， we adopted the method of D-optimal design to simulate the drug clinical trail of naratriptan.We adopted proportional odds model and analysed different factors such as time and does how to impact Pain Relief(PR). Then， the D-optimal design was used to maximize the determinant of Fisher information matrix(FIM) and compared the clinical trial simulated results. Finally more reasonable dose and time of the designs were obtained.The curve of the PR probability expressed PR trend directly， reflecting administration dose and time on the impact of PR. According to the simulated results， we found that there was a delay of the effect with respect to the plasma concentration in “effect” compartment and the probability of having a specific Pain Relief (PR) score depended on different facts such as dose， the effect sampling time and model parameters. Clinical trial simulation is a useful tool for the new drug development and it can be used for the quantitative assessment of the controllable factors to the effect of treatment.

Key words：Proportional odds model; D-optimal design; Fisher information matrix; Clinical trials simulation

1 引 言

計(jì)算機(jī)臨床實(shí)驗(yàn)仿真(CTS)運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)從前期研究中獲得信息，揭示試驗(yàn)設(shè)計(jì)中變量和假設(shè)對(duì)結(jié)果的影響，預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)不同研究方案可能產(chǎn)生的結(jié)果。CTS適用于實(shí)際系統(tǒng)費(fèi)用昂貴，存在安全問題的情況，根據(jù)藥物的藥效學(xué)和藥代動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)臨床試驗(yàn)仿真，分析仿真結(jié)果，改進(jìn)方案，從而節(jié)約了成本，提高了研發(fā)新藥的效率[1-2]。

在臨床試驗(yàn)中常遇到反應(yīng)變量為多分類有序變量[3]，采用Logistic回歸模型研究多分類反應(yīng)變量與其影響因子間關(guān)系，分析得到調(diào)整后的藥物評(píng)價(jià)結(jié)果[4]。D-優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)是按照一定的算法，最大化FIM行列式，在幾組設(shè)計(jì)方案中尋求最優(yōu)。本研究提出了將傳統(tǒng)的比例優(yōu)勢(shì)模型與優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)合的方法，進(jìn)行計(jì)算機(jī)藥物臨床試驗(yàn)仿真。

2 方法

以抗偏頭痛新藥那拉曲坦為例，首先分析血藥濃度變化，然后采用多分類有序反應(yīng)變量的logistic回歸模型，討論藥效和給藥劑量、時(shí)間之間的關(guān)系。最后，采用D-最優(yōu)試驗(yàn)設(shè)計(jì)最大化FIM行列式，分析比較幾組不同的劑量和給藥時(shí)間與藥物療效的關(guān)系，從而得出較好的設(shè)計(jì)方案。

2.1 比例優(yōu)勢(shì)模型

采用多分類有序反應(yīng)變量的logistic回歸模型，即比例優(yōu)勢(shì)模型分析分類變量與一個(gè)或多個(gè)變量間關(guān)系。比例優(yōu)勢(shì)模型是一般的二分類logistic回歸的擴(kuò)展，當(dāng)結(jié)果變量只取兩個(gè)等級(jí)時(shí)，有序分類結(jié)果的logistic回歸就等于一般的二分類logisitc回歸。標(biāo)準(zhǔn)的比例優(yōu)勢(shì)模型定義如下所示：

logit〔Pr(Yij≤k)〕=logPr(Yij≤k)1-Pr(Yij≤k)(1)

其中，Pr(·)表示疼痛減輕(Pain relief，PR)概率，Y表示反應(yīng)變量，有k個(gè)等級(jí)，Yij表示在第i個(gè)時(shí)間點(diǎn)采用第j種劑量產(chǎn)生的疼痛減輕的變化等級(jí)。 通過公式得Pr(Y)概率函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

logit〔Pr(y)〕=g(y;θ，η)=log〔Pr(y)/(1-Pr(y))〕

得Pr(Y)概率函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

Pr(Yij

=exp[g(yij;θ，η)]/{1+exp[g(yij;θ，η)]｝

yij=0，1，2，3，4(2)

Pr(Yij

Pr(Yij

定義：

g(yij;θ，η)=∑4m=1θmQm(yij)+θ5tijtij+θ6+

θ7CeijCeij+θ8+ηi(3)

公式(3)中θm(yij)為指示函數(shù)，θi為處理因素的效應(yīng)參數(shù)，Ce表示藥物在假設(shè)效應(yīng)點(diǎn)的血藥濃度，θ5tijtij+θ6表示關(guān)于時(shí)間單調(diào)的飽和安慰劑效果。θ7CeijCeij+θ8表示單調(diào)的關(guān)于Ceij的純藥效。ηi表示除去時(shí)間、計(jì)量對(duì)Y的影響后的隨機(jī)效應(yīng)，服從均值為0方差，為ω2η的正態(tài)分布[5]。

為了研究疼痛減輕概率與時(shí)間和血藥濃度之間的關(guān)系，需要先討論血藥濃度的變化情況。本研究?jī)H討論快速靜脈注射時(shí)血藥濃度Ce變化的情況，將機(jī)體看成兩個(gè)房室，藥物靜脈注射后先進(jìn)入中央室，然后逐漸向周邊室轉(zhuǎn)運(yùn)，在中央室與周邊室之間藥物進(jìn)行著可逆的轉(zhuǎn)換，其體內(nèi)過程模型見圖1[6]。

圖1 二房室模型靜脈注射給藥

Fig 1 Two-compartment model of intravenous administration

其中，中央室內(nèi)t時(shí)刻的藥量為Xc，中央室的表觀分布容積為Vc，周邊室t時(shí)刻的藥量為Xp，K12和K21為中心室和周邊室互相交流的速率常數(shù)，K10為中央室消除速率常數(shù)。根據(jù)圖1列出微分方程組：

dxc=-K12Xc+K10Xc+K21Xp

dxp=K12Xc-K21Xp(4)

初始條件為t=0時(shí)，Xc=D，Xp=0，解微分方程組(4)得：

xc=D(α-K21)α-βe-αt+D(K21-β)α-βe-β t(5)

血藥濃度為：

Ce=xcVc=D(α-K21)Vc(α-β)e-αt+D(K21-β)Vc(α-β)e-β t(6)

2.2 D-優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理

D-優(yōu)化試驗(yàn)是按照一定的算法得到的試驗(yàn)方案，目的是以最少的試驗(yàn)次數(shù)得到試驗(yàn)結(jié)果[7]。在本文中，D-最優(yōu)設(shè)計(jì)就是滿足Fisher信息矩陣XTX的行列式最大的設(shè)計(jì)。

當(dāng)存在一個(gè)線性的變量聯(lián)合時(shí)，F(xiàn)isher信息矩陣用公式(7)表示，在用Fisher模型進(jìn)行響應(yīng)面擬合時(shí)一般取二階多項(xiàng)式回歸模型。如果在PD模型中，偏頭痛的類型被忽略，那么該響應(yīng)模型有4個(gè)參數(shù)(θ，β1，β2和β3)和兩個(gè)變量——時(shí)間和劑量。對(duì)于這些可能的劑量組和效應(yīng)采樣時(shí)間組的附加約束條件如下[8]：(1)它們?yōu)檎龜?shù);(2)需要含有安慰劑劑量;(3)需要2 h作為效應(yīng)采樣時(shí)間。

πi=exp(θ+β1ti+β2di+β3ti×di)1+exp(θ+β1ti+β2di+β3ti×di)，

t=time，d=dose，wi=πi(1-πi)

MF=∑ni=1wi∑ni=1tiwi∑ni=1diwi∑ni=1tidiwi

∑ni=1tiwi∑ni=1ti2wi∑ni=1tidiwi∑ni=1ti2diwi

∑ni=1diwi∑ni=1tidiwi∑ni=1di2wi∑ni=1tidi2wi

∑ni=1tidiwi∑ni=1ti2diwi∑ni=1tidi2wi∑ni=1ti2di2wi(7)

公式(7)中，πi表示不同時(shí)間和給藥劑量產(chǎn)生的疼痛減輕概率，該信息矩陣為4×4的矩陣，共有16個(gè)測(cè)試點(diǎn)，通過不同劑量和時(shí)間的組合求解FIM的最大行列式從而確定最優(yōu)設(shè)計(jì)點(diǎn)。

3 結(jié)果和討論

藥物臨床試驗(yàn)仿真首先要根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康慕⒁粋€(gè)仿真模型，然后，把試驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入該模型，用更為客觀的方法，定量描述藥物的給藥方案和效應(yīng)之間的關(guān)系，預(yù)測(cè)不同設(shè)計(jì)方案的試驗(yàn)結(jié)果并加以分析，從而確定試驗(yàn)藥物的有效性和安全性。

本研究以那拉曲坦(naratriptan)為例，討論分析藥物臨床實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果。那拉曲坦是一種新型的高選擇性五-羥色胺(5-TH)受體激動(dòng)劑，主要用于治療急性偏頭痛發(fā)作[9]。首先采用比例優(yōu)勢(shì)模型分析那拉曲坦的藥效與給藥時(shí)間和劑量的關(guān)系，然后利用D-優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)得到比較合理的給藥劑量和時(shí)間的設(shè)計(jì)方案。

3.1 分析血藥濃度變化

根據(jù)血藥濃度方程(6)，得到血藥濃度的變化曲線，見圖2。在時(shí)間1～10 h之間，給藥劑量分別為1、2.5、5、8、10 mg的血藥濃度變化曲線。

圖2 血藥濃度—時(shí)間變化曲線

Fig 2 Plasma concentration-time curves 如圖2所示，對(duì)于不同劑量在同一時(shí)間下，血藥濃度隨劑量的增加而增加;對(duì)于同一劑量，血藥濃度的變化是一個(gè)先上升，后下降，最后平衡地減少的過程。血藥濃度需要大概1.5 h達(dá)到峰值。

3.2 分析藥物效應(yīng)—時(shí)間關(guān)系

研究某種藥物療效與影響因素的關(guān)系時(shí)，以藥物產(chǎn)生的疼痛減輕概率P為應(yīng)變量，給藥劑量和時(shí)間為自變量，建立與各自變量有關(guān)的回歸方程，利用logistic回歸分析得到調(diào)整后的藥物評(píng)價(jià)結(jié)果。

根據(jù)比例優(yōu)勢(shì)模型，得出藥物效應(yīng)和時(shí)間的關(guān)系曲線，見圖3。從圖3中可以看出在相同劑量下，隨著給藥時(shí)間的增加，疼痛減輕的概率增大，在2～10 h之間疼痛減輕概率變化比較大;在相同時(shí)間下，隨著給藥劑量的增加疼痛減輕的概率增大。

圖3 那拉曲坦的PR概率曲線

Fig 3 Naratriptan probability of pain relief profile

對(duì)照?qǐng)D2和圖3，從圖2中觀察出血藥濃度在1.5～3 h達(dá)到血藥濃度峰值，而在圖3中藥物效應(yīng)在6～10 h才達(dá)到峰值，表明血液通常不是藥物的直接作用部位，藥物作用的直接靶標(biāo)是效應(yīng)部位，藥物從中央室向效應(yīng)室中的分布需要一定的時(shí)間[10]，所以，大多數(shù)藥物效應(yīng)的變化滯后于血藥濃度的變化。

3.3 預(yù)測(cè)分類疼痛減輕概率

我們研究不同因素對(duì)偏頭痛療效的影響時(shí)，采用5種有序的疼痛減輕(Pain Relief，PR)等級(jí)評(píng)價(jià)藥物療效，PR等級(jí)分類見表1。通過建立比例優(yōu)勢(shì)模型，得到不同PR等級(jí)下PR概率的變化，從而反映藥物療效在不同給藥劑量和時(shí)間條件下的變化趨勢(shì)。

PR概率作為一個(gè)關(guān)于時(shí)間和劑量的函數(shù)，其變化趨勢(shì)見圖4。其中，x軸表示時(shí)間，y軸表示劑量，z軸表示疼痛減輕的概率。從圖4中可以看出，當(dāng)給表1 疼痛減輕等級(jí)分類

Table 1 The level of pain relief

PR等級(jí)表示0沒有疼痛減輕1輕微疼痛減輕2中度疼痛減輕3大部分疼痛消失4疼痛完全消失

藥劑量比較小時(shí)，疼痛減輕需要的時(shí)間相對(duì)比較長(zhǎng);當(dāng)給藥計(jì)量比較大時(shí)，疼痛減輕需要的時(shí)間相對(duì)較短。另外，PR概率與PR的等級(jí)變化也有關(guān)系。PR等級(jí)>=1時(shí)， PR概率比較高，說明藥物對(duì)輕微疼痛減輕效果顯著;PR等級(jí)>=2時(shí)， PR的概率也相對(duì)較高，說明藥物對(duì)中度疼痛減輕效果明顯;PR等級(jí)>=3時(shí)，PR的概率略為下降，說明藥物不能完全減輕疼痛;PR等級(jí)=4時(shí)，表示疼痛完全消失，這種情況的PR概率比較小，說明藥物控制疼痛的效果也有一定的局限性。

3.4 D-優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過事先確定兩個(gè)固定的設(shè)計(jì)點(diǎn)—一個(gè)安慰劑圖4 特定PR等級(jí)下的PR概率

Fig 4 Pain relief probability of having specific pain relief scores

劑量和一個(gè)2 h的采樣時(shí)間點(diǎn)，再選擇其他設(shè)計(jì)點(diǎn)，根據(jù)公式(7)計(jì)算出每個(gè)設(shè)計(jì)方案下的Fisher信息矩陣行列式，結(jié)果見表2?？梢钥闯觯蓸訒r(shí)間除了2 h以外，分別有3、4、5、6、7、8、9 h七個(gè)采樣時(shí)間作比較，給藥劑量組中除了安慰劑量(0mg)確定，其它均分別由低劑量、中劑量、高劑量組成。表2 幾組臨床試驗(yàn)設(shè)計(jì)下的FIM行列式

如表2所示，在相同時(shí)間下設(shè)計(jì)五組劑量，每組需要的劑量數(shù)是實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)(組6)的一半，在試驗(yàn)中用一半的藥物劑量預(yù)測(cè)臨床試驗(yàn)結(jié)果，節(jié)約了一半的藥物劑量。在試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，不同時(shí)間和劑量組對(duì)應(yīng)得到不同的FIM行列式，構(gòu)成FIM的表面，見圖5。Fisher信息矩陣中得到的行列式大小反映了藥物相對(duì)有效性。如圖5所示，采樣時(shí)間選擇2、5 h，劑量選擇第5組，效果比較好。分析結(jié)果表明，在臨床試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，需要權(quán)衡優(yōu)化和理論化設(shè)計(jì)的利弊，通過定量地比較可選擇的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，選出更加符合實(shí)際情況的試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

本研究基于藥物臨床試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷呐R床實(shí)驗(yàn)仿真，采用優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，以抗偏頭痛新藥那拉曲坦(naratriptan)為例，仿真藥物臨床試驗(yàn)療效與不同因素的關(guān)系。實(shí)例仿真結(jié)果表明：血藥濃度與藥效之間存在滯后環(huán)節(jié)，即藥效的變化滯后于血藥濃度圖5 Fisher信息矩陣行列式面

Fig 5 Determinant of the Fisher information matrix surface

的變化。不同給藥劑量和時(shí)間對(duì)藥物療效的影響不同，藥物產(chǎn)生顯著療效的概率比產(chǎn)生輕微療效的概率低，采用小劑量的藥物療效比大劑量的緩慢。

在整個(gè)藥物臨床試驗(yàn)仿真中，通過各種曲線圖直觀地表示藥效與給藥劑量和時(shí)間的關(guān)系并預(yù)測(cè)其變化趨勢(shì)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，討論分析給藥劑量和時(shí)間對(duì)藥效產(chǎn)生的影響，并給出優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，有利于幫助和指導(dǎo)研究人員進(jìn)一步的工作以及方案的制定與選擇。

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篇7

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

 

一、高校行政管理專業(yè)畢業(yè)生就業(yè)環(huán)境變化

 

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

 

(一)行政管理專業(yè)畢業(yè)生入職對(duì)口公共部門難度加大

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

二、行政管理專業(yè)人才培養(yǎng)模式優(yōu)化方向

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

篇8

中圖分類號(hào)：K928.78 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

現(xiàn)有的大跨度橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論, 不論是整體優(yōu)化還是局部?jī)?yōu)化, 都是以容許應(yīng)力法為基礎(chǔ)建立起來的。隨著現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論的發(fā)展, 即由傳統(tǒng)的容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法到基于可靠度理論的半概率設(shè)計(jì)法、近似概率設(shè)計(jì)法、全概率設(shè)計(jì)法等的發(fā)展，工程師認(rèn)識(shí)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)不能忽略各種因素以及設(shè)計(jì)理論的不確定性，結(jié)構(gòu)優(yōu)化找到了新的發(fā)展契機(jī)，朝著基于可靠度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方向前進(jìn)。

基于可靠度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)展

一個(gè)好的設(shè)計(jì)方案應(yīng)當(dāng)使結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)以最經(jīng)濟(jì)的途徑來滿足其功能要求。結(jié)構(gòu)安全的含義從概率意義上理解才更符合實(shí)際，人們基于這一思想尋求結(jié)構(gòu)最優(yōu)解的合理方法，就是基于可靠度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。基于可靠度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法是結(jié)構(gòu)可靠度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)兩種技術(shù)的綜合。

事實(shí)上, 由于優(yōu)化和可靠度概念的本質(zhì)聯(lián)系, 基于可靠度結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)幾乎和可靠度的概念同時(shí)出現(xiàn)。早在1924 年, Forsell就開始了基于可靠度結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究。其發(fā)展過程可分為兩個(gè)階段: 以元件可靠度或以各失效模式的可靠度為約束條件的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和以結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的失效概率為約束條件( 目標(biāo)函數(shù))的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

基于可靠度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)特點(diǎn)

(1) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)多樣性；

(2) 結(jié)構(gòu)約束多重性；

(3) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不確定性。

基于可靠度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化水平劃分

基于可靠度的橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化水平，可以根據(jù)設(shè)計(jì)變量的特性分為四種：其一、設(shè)計(jì)變量為截而尺寸，即截而優(yōu)化；其二、設(shè)計(jì)變量為截而尺寸和描述形狀的幾何尺寸即形狀優(yōu)化；其三、設(shè)計(jì)變量為結(jié)構(gòu)特性參數(shù)、截而尺寸和描述形狀的幾何尺寸，即結(jié)構(gòu)優(yōu)化；其四、設(shè)計(jì)變量為材料參數(shù)、結(jié)構(gòu)特性參數(shù)、截而尺寸和描述形狀的幾何尺寸，即總體優(yōu)化。

基于可靠度的橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，一方面其在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引入概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理，充分考慮設(shè)計(jì)參數(shù)的隨機(jī)性和材料、施工質(zhì)量的不確定性，使人們有可能利用可靠度或是失效概率，定量、科學(xué)地描述結(jié)構(gòu)的安全可靠程度；另一方面，考慮以最低的費(fèi)用消耗來達(dá)到規(guī)范所要求的技術(shù)指標(biāo)，從而達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)效益。

基于可靠度的橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)重點(diǎn)研究方向

(1)對(duì)符合橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并實(shí)用可行的優(yōu)化模型的研究。對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的邏輯功能關(guān)系的研究。在結(jié)構(gòu)體系可靠度理論中，較多較成熟的研究是關(guān)于“串聯(lián)系統(tǒng)”的，因而，將橋梁結(jié)構(gòu)劃分為若干具有串聯(lián)關(guān)系的單元（單元既可以是單個(gè)構(gòu)件也可以是組合構(gòu)件，并且這種組合可能出現(xiàn)并聯(lián)、混合關(guān)系）可以簡(jiǎn)化問題，對(duì)橋梁可靠度優(yōu)化設(shè)計(jì)具有十分重大的意義。

(2)對(duì)單元失效之間和失效模式之間的相關(guān)性問題研究。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中十分關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)就是關(guān)于可靠度的計(jì)算。這就需要合理的考慮單元（構(gòu)件）失效之間的相關(guān)性和失效模式之間的相關(guān)性，從而避免重大誤差的出現(xiàn)。研究對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)起控制作用的失效模式，以便在抓住主要矛盾的同時(shí)又簡(jiǎn)化問題。對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）造價(jià)和可靠度之間的函數(shù)關(guān)系表達(dá)式的研究，以及研究結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）失效損失值的估計(jì)方法。

(3)對(duì)適用于橋梁結(jié)構(gòu)可靠度分析和計(jì)算方法的研究。主要包括對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)體系的可靠度計(jì)算。橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中對(duì)控制參數(shù)的選擇，通常應(yīng)該滿足如下要求：

其一，具有高度的綜合性質(zhì)，能充分代表結(jié)構(gòu)對(duì)構(gòu)建的要求；

其二，借助這些參數(shù)可以建立各構(gòu)件之間的橫向約束關(guān)系；

其三，這些參數(shù)之間要有明確的關(guān)系。

在設(shè)計(jì)中，通常作為設(shè)計(jì)變量的是那些對(duì)結(jié)構(gòu)起著重要作用、會(huì)直接影響結(jié)構(gòu)性能的參數(shù)。而將那些變化范圍不大、根據(jù)構(gòu)造要求或是局部性的設(shè)計(jì)考慮能滿足要求的參數(shù)作為預(yù)定參數(shù)來考慮，從而減少在設(shè)計(jì)、計(jì)算及編制程序過程中的工作量。雖然橋梁結(jié)構(gòu)是由單個(gè)的構(gòu)建組成的，但是在橋梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，應(yīng)該從整體上考慮，以達(dá)到顧全大局優(yōu)化結(jié)構(gòu)的目的。但同時(shí)也需注意，單個(gè)橋梁構(gòu)件的參數(shù)選取如果不當(dāng)，也會(huì)影響整個(gè)橋梁的總體使用功能。

基于可靠度的橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

在優(yōu)化設(shè)計(jì)的解決過程中最重要的一個(gè)步驟就是數(shù)學(xué)模型表示出優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。建立一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。主要包含定義設(shè)計(jì)變量、確定目標(biāo)函數(shù)和構(gòu)造約束函數(shù)這三個(gè)要素。設(shè)計(jì)變量包括構(gòu)件材料的力學(xué)特性、構(gòu)件尺寸、描述結(jié)構(gòu)幾何布置的參數(shù)和在設(shè)計(jì)過程中能夠定量處理的各種量，它們的改變過程標(biāo)志著設(shè)計(jì)方案的改變。而目標(biāo)函數(shù)又可以稱之為效益函數(shù)、費(fèi)用函數(shù)，設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化過程就是找到這個(gè)函數(shù)的最小值，一個(gè)設(shè)計(jì)方案是否具有優(yōu)越性就是以其作為標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行衡量的。設(shè)計(jì)必須滿足的條件就是約束函數(shù)，一般是由設(shè)計(jì)規(guī)范或是規(guī)程規(guī)定或是設(shè)計(jì)者的特殊要求。約束函數(shù)可以是對(duì)一些變量的直接限制，也可以是這些變量無(wú)法直接表示的函數(shù)關(guān)系。

結(jié)構(gòu)可靠性模型有隨機(jī)變量可靠性模型、半隨機(jī)過程可靠性模型和全隨機(jī)過程可靠性模型。當(dāng)作用效應(yīng)S和抗力R的所有設(shè)計(jì)基本變量和均選用隨機(jī)變量概率模型：

則結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)為

也為一隨機(jī)變量，則稱為隨機(jī)變量可靠性模型，其不涉及時(shí)間參數(shù)t，為靜態(tài)模型。

結(jié)構(gòu)可靠概率的計(jì)算，一般有近似分析法，如FORM法（First Order Reliability Method）、FOSM法（First Order second Moment Method）SORM法（Second Order Reliability Method）;模擬法，如蒙特卡洛法（Monte Carlo Simulation）和響應(yīng)面法（Response Surface Method）;數(shù)值積分法。

蒙特卡洛法也稱為隨機(jī)模擬法，其基本思想是通過建立一個(gè)概率模型或隨機(jī)過程，使它的參數(shù)（數(shù)字特征）等于所求問題的解，然后對(duì)該模型或過程進(jìn)行觀察或抽樣試驗(yàn)來計(jì)算所求參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征，最后給出近似解，近似精度可用估計(jì)值的誤差來表示。

響應(yīng)面法其原始意思是用一個(gè)合適的修勻函數(shù)即響應(yīng)面，近似表達(dá)一個(gè)未知的函數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)的參數(shù)和系統(tǒng)的輸出響應(yīng)之間的關(guān)系以某種隱含的方式存在時(shí)，響應(yīng)面法無(wú)疑提供了一種近似表達(dá)這種隱含關(guān)系的合適手段。

當(dāng)前橋梁工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要發(fā)展趨勢(shì)即是從確定性的設(shè)計(jì)方法向概率設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)變。將結(jié)構(gòu)抗力、計(jì)入作用中實(shí)際存在的隨機(jī)性以及主要依靠直觀經(jīng)驗(yàn)確定的安全系數(shù)，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)用統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)定量給出一定基準(zhǔn)期內(nèi)結(jié)構(gòu)的失效概率和統(tǒng)一可比的可靠指標(biāo)，這在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思想、概念和方法上都無(wú)疑是較大的突破。未來的研究將以系統(tǒng)可靠度為約束條件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法探討為主。基于可靠度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論能描述和處理橋梁結(jié)構(gòu)中客觀存在的各種不確定性因素, 定量的分析計(jì)算安全與經(jīng)濟(jì)的各項(xiàng)指標(biāo)并能很好地協(xié)調(diào)這兩者之間的矛盾, 這是傳統(tǒng)的定值設(shè)計(jì)法所做不到的。因此將其應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)值得研究的課題。而針對(duì)具體的大跨度橋梁結(jié)構(gòu), 怎樣根據(jù)不同的實(shí)際情況, 選擇實(shí)用可行的優(yōu)化模型和求解方法, 還有待我們?nèi)パ芯俊?/p>

篇9

中圖分類號(hào)： S611文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

航行于海面上的船舶，由于風(fēng)浪的作用，其受力和運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，因此固定在船舶上的綁扎橋受集裝箱斜拉力情況也比較復(fù)雜。.在利用有限元方法分析綁扎橋的時(shí)候，首先要建立合適的力學(xué)求解模型，然后利用大型商業(yè)有限元軟件ANSYS對(duì)綁扎橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行求解分析。

本文主要是針對(duì)兩層綁扎橋這一新形式的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元強(qiáng)度及優(yōu)化設(shè)計(jì)，為綁扎橋結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能分析以及進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一種有效的有限元數(shù)值解決方案。

1、基本假設(shè)條件

利用有限元方法對(duì)綁扎橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，需要把結(jié)構(gòu)的實(shí)際物理模型轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)有關(guān)受力分析離散成有限元計(jì)算模型，這一過程實(shí)際上是把一個(gè)真實(shí)模型簡(jiǎn)化為一個(gè)理想模型，采用的基本假設(shè)條件如下：

（1）忽略模型的局部缺陷以及不均勻等特點(diǎn)，不考慮由于焊接不完整等因素而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)間斷問題，即分析中采用的模型連續(xù)性能的均勻模型；

（2）綁扎橋的側(cè)向受力特別小，且對(duì)稱，因此在綁扎橋受力分析中忽略側(cè)向力。

（3）綁扎橋通過螺栓與船艙連接，可以簡(jiǎn)化為綁扎橋與船艙簡(jiǎn)支連接。

綁扎橋優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1力學(xué)模型

綁扎橋主要受集裝箱對(duì)其斜拉力的作用，斜拉力的大小與方向與很多因素有關(guān)，譬如風(fēng)速、浪高、船體傾斜度等。在本項(xiàng)目中，我們只分析極限受力狀況下，綁扎橋受力變形狀況。單根綁扎載荷按230KN加載，綁扎橋極限受力狀況詳見圖1。

圖1綁扎橋受力示意圖

綁扎橋拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)上述力學(xué)模型，基于ANSYS建立了綁扎橋的拓?fù)鋬?yōu)化分析模型，拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)是尋找承受單載荷或多載荷的物體的最佳材料分配方案。這種方案在拓?fù)鋬?yōu)化中表現(xiàn)為“最大剛度”設(shè)計(jì)。綁扎橋拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)流程如圖:2所示：

圖2拓?fù)鋬?yōu)化示意圖

綁扎橋參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于ANSYS建立了綁扎橋的拓?fù)鋬?yōu)化分析模型，對(duì)綁扎橋參數(shù)優(yōu)化分析。ANSYS參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖3所示，首先建立初始有限元模型，然后求解，形成參數(shù)化結(jié)果、定義參數(shù)化變量、約束條件和目標(biāo)函數(shù)，然后ANSYS自動(dòng)搜尋設(shè)計(jì)域，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)綁扎橋進(jìn)行優(yōu)化分析，設(shè)計(jì)變量為角度、跨距、板厚等變量，約束邊界條件為綁扎橋內(nèi)應(yīng)力不超過材料屈服應(yīng)力，位移滿足綁扎橋最小位移要求，目標(biāo)函數(shù)為質(zhì)量最小，經(jīng)過ANSYS參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終綁扎橋設(shè)計(jì)如圖3所示：

圖3ANSYS參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖

圖4綁扎橋參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的有限元模型

小結(jié)

基于ANSYS拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)和參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)綁扎橋進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。進(jìn)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后的綁扎橋，無(wú)論是在強(qiáng)度上（綁扎橋應(yīng)力小于鋼材屈服應(yīng)力），還是在剛度上（綁扎橋位移小于限制位移），均滿足要求，且鋼材總用量減少了近10%，取得了不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

篇10

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1007-9599 (2011) 04-0000-02

The Lightweight Design of Wire Bonders Decoupling Board on HyperWorks

Wang Shijun,Wang Dacheng

(Wuyi University,Jiangmen529020,China)

Abstract:SOLIDWORKS board established in the original model decoupling,to use it into HyperWords in the use of the relative density method,the objective of minimizing the degree to supple,and add the symmetry constraint on the decoupling plate optimization,according to the optimized morphology and board decoupling,the model is part of the experience modification and reinforcement distribution,the establishment of the final model decoupling board.ALGOR in the decoupling of the original board and new board decoupling of the static and dynamic analysis,static stress and the frequency of their results were compared to verify lightweight design goals.

Keywords:SOLIDWORKS;HyperWords;ALGOR;Lightweight designdesign;

Decoupled board

一、拓?fù)鋬?yōu)化方法簡(jiǎn)介及理論

（一）優(yōu)化方法簡(jiǎn)介。拓?fù)鋬?yōu)化是一種數(shù)學(xué)方法，在給定的空間結(jié)構(gòu)中尋找最優(yōu)材料分布，其目的在于用最少的材料得到結(jié)構(gòu)的最佳性能。拓?fù)鋬?yōu)化在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的初始階段可以提供一個(gè)概念性設(shè)計(jì)，幫助設(shè)計(jì)者對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)與部件能夠靈活地、理性地優(yōu)選方案，尋找結(jié)構(gòu)最佳的傳力路徑，且其在概念設(shè)計(jì)階段能夠激發(fā)設(shè)計(jì)人員的靈感，有效實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)最佳功能和最小成本的結(jié)合，因此成為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。拓?fù)鋬?yōu)化方法包括均勻化法、漸近結(jié)構(gòu)優(yōu)化法和相對(duì)密度法，在HyperWords中主要使用相對(duì)密度法，其基本思想是人為地引入一種假想密度在0-1之間可變的材料，0為空1為實(shí),并假定材料的宏觀彈性常量與其密度成非線性關(guān)系。優(yōu)化過程中以單元設(shè)計(jì)變量的大小來決定單元的取舍。相對(duì)于其他優(yōu)化方法,相對(duì)密度法設(shè)計(jì)變量少、計(jì)算求解過程簡(jiǎn)單。

（二）優(yōu)化理論

1.優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。優(yōu)化設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵一步是建立優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，該模型是用數(shù)學(xué)的形式表示設(shè)計(jì)問題的特征和追求目標(biāo)，是用抽象的方法表達(dá)實(shí)際問題的特征或本質(zhì)。數(shù)學(xué)模型3個(gè)方面的內(nèi)容組成，即由設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件，設(shè)計(jì)變量是在優(yōu)化過程中會(huì)發(fā)生改變，是提高優(yōu)化性能的一組參數(shù)，不同參數(shù)代表不同的設(shè)計(jì)方案。目標(biāo)函數(shù)是關(guān)于設(shè)計(jì)變量的函數(shù)，即要求的最優(yōu)設(shè)計(jì)性能。約束條件是對(duì)設(shè)計(jì)變量和其他性能的要求，是對(duì)設(shè)計(jì)的限制。優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型為目標(biāo)函數(shù)

在Optistruct中，目標(biāo)函數(shù)f（X）、約束函數(shù)g（X）與h（X）是從有限元分析中獲得的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。設(shè)計(jì)變量X是一個(gè)n維向量，它的確定依賴于優(yōu)化類型。在拓?fù)鋬?yōu)化中，設(shè)計(jì)變量是單元的密度；在尺寸優(yōu)化中，設(shè)計(jì)變量是結(jié)構(gòu)單元的屬性，優(yōu)化設(shè)計(jì)即在約束條件下，求解目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值。

2.基于Optistruct的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的選擇為根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和要求，將需要參與優(yōu)化的數(shù)據(jù)定義成模型參數(shù)，優(yōu)化處理器根據(jù)2次優(yōu)化參數(shù)的比較后確定該次循環(huán)目標(biāo)函數(shù)是否已經(jīng)達(dá)到最小值、最優(yōu)值。如果達(dá)到最優(yōu)，完成迭代，退出優(yōu)化循環(huán)；否則，將根據(jù)已完成的優(yōu)化循環(huán)和當(dāng)前優(yōu)化變量的狀態(tài)修正設(shè)計(jì)變量，重新進(jìn)入循環(huán)。Optistruct采用HyperMesh進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題的前處理和定義，在HyperMesh中完成有限元建模后，利用優(yōu)化定義面板定義優(yōu)化變量、約束和目標(biāo)以及優(yōu)化參數(shù)；然后提交Optistruct進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化。

二、解藕板的輕量化設(shè)計(jì)

（一）設(shè)計(jì)目標(biāo)。解藕板是焊線機(jī)中音圈電機(jī)和焊頭部分的連接件。在焊線的過程中音圈電機(jī)通過解藕板帶動(dòng)焊頭部分高速、高頻運(yùn)動(dòng)，且音圈電機(jī)的瞬間加速度為8G左右，因此要求解藕板必須具備高剛性和高頻率，否則將嚴(yán)重影響焊頭部分的定位進(jìn)度。由于焊頭部分及音圈電機(jī)的安裝位置已經(jīng)確定，因此不能改變解藕板的長(zhǎng)、寬尺寸?，F(xiàn)以原始解藕板為基礎(chǔ)進(jìn)行簡(jiǎn)化，將倒角、圓角、螺釘孔等去除，因?yàn)檫@些特征系統(tǒng)位移及動(dòng)態(tài)特性的影響很小，因此建模時(shí)將這些特征略去，簡(jiǎn)化后的解藕板模型如圖1所示。通過本次優(yōu)化設(shè)計(jì)要使解藕板的質(zhì)量減少15%以上、靜態(tài)位移減少15%以上、一階固有頻率增加20%以上。

（二）拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。由于SOLIDWORKS中的模型文件不能直接導(dǎo)入到HyperWords中，因此需將文件轉(zhuǎn)換為PRT為后綴的格式，然后導(dǎo)入到HyperWords中進(jìn)行幾何清理、網(wǎng)格劃分、質(zhì)量檢查、建立負(fù)載和約束等操作。其中在網(wǎng)格劃分時(shí)為提高后處理運(yùn)算效率，用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，尺寸大小為10L。在添加負(fù)載及約束時(shí)，通過三維建模計(jì)算，得焊頭部分的質(zhì)量200K，將其施加于焊頭部分連接面，解藕板與音圈電機(jī)連接面采用全約束，網(wǎng)格及加載后模型如圖2。

在拓?fù)鋬?yōu)化中優(yōu)化參數(shù)不需要人工定義，而是軟件將材料分布自動(dòng)當(dāng)成優(yōu)化參數(shù)。本文解藕板的拓?fù)鋬?yōu)化以解藕板的體積和柔順度（Compliance為響應(yīng)體積是全局響應(yīng)，柔順度必須分配到子程序中），以柔順度最小為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)于結(jié)構(gòu)靜力優(yōu)化，結(jié)構(gòu)整體剛度最大等價(jià)于結(jié)構(gòu)的柔順度（Compliance）最小化，以0.5的體積上限范圍為約束，運(yùn)用Optistruct模塊進(jìn)行解藕板的拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算，經(jīng)過80步迭代得到優(yōu)化后的結(jié)果，在HyperView中查看密度等值面結(jié)果，將Curren Valu取0.015，得到等值面圖，如圖3。

三、結(jié)果對(duì)比

在ALGOR中對(duì)原始及優(yōu)化后的解藕板模型進(jìn)行靜應(yīng)力和模態(tài)分析，對(duì)比靜態(tài)位移、固有頻率及質(zhì)量指標(biāo)，通過簡(jiǎn)單計(jì)算檢驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果是否達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。驗(yàn)證分析中所加負(fù)載及約束與拓?fù)鋬?yōu)化時(shí)完全相同，根據(jù)焊線頭部分運(yùn)動(dòng)頻率及振動(dòng)頻率的參與性確定提取原始解藕板及新解藕板的靜態(tài)位移及前二階模態(tài)分析結(jié)果，如圖4、圖5。其中靜態(tài)位移的最大值在解藕板與焊頭部分連接面的中點(diǎn)處。四階模態(tài)頻率及對(duì)應(yīng)最大位移如表1。

為了直觀的看出驗(yàn)證結(jié)果，現(xiàn)將設(shè)計(jì)目標(biāo)及優(yōu)化結(jié)果的一些重要參數(shù)列于表2：

由表2看到拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的解藕板完全滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，而且三項(xiàng)參數(shù)均得到不同程度的改善，證明拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的解藕板是較合理的。

四、結(jié)論

（一）基于HyperWords的Optistruct模塊，運(yùn)用優(yōu)化理論對(duì)焊線機(jī)的解藕板進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮到實(shí)際應(yīng)用及機(jī)加工工藝的要求，依據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行部分修改及布筋。通過對(duì)原始解藕板及優(yōu)化設(shè)計(jì)后的解藕板進(jìn)行靜力學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析及參數(shù)對(duì)比，驗(yàn)證了輕量化設(shè)計(jì)的預(yù)設(shè)目標(biāo)。從優(yōu)化過程及結(jié)果可以得出：基于HyperWords的Optistruct模塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)初期縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)成本，而且可以對(duì)已有部件以柔度和固有頻率為目標(biāo)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，降低了原材料成本。

（二）拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)不僅要求從事此工作的技術(shù)人員有豐富的工作經(jīng)驗(yàn)及專業(yè)技能，更要求要不同學(xué)科技術(shù)人員的參與，如CAD、CAE、CAM等多學(xué)科技術(shù)人員。

（三）鐵、銅等金屬資源為非可再生資源，利用優(yōu)化設(shè)計(jì)可以在滿足技術(shù)要求的前提下降低金屬的使用量。

（四）拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在國(guó)外工程領(lǐng)域已經(jīng)有較多應(yīng)用，而且已有大量成功應(yīng)用的案例，反觀國(guó)內(nèi)的工程應(yīng)用還較少，我們要加強(qiáng)這方面的工作，縮小與國(guó)外的差距。

參考文獻(xiàn)

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