導言：作為寫作愛好者，不可錯過為您精心挑選的10篇基于模型的優(yōu)化設計，它們將為您的寫作提供全新的視角，我們衷心期待您的閱讀，并希望這些內(nèi)容能為您提供靈感和參考。

篇1

中圖分類號：TV212.2 文獻標識碼：A 文章編號：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)化算法進行給水管網(wǎng)設計的課題以來，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)化設計，應考慮到4個方面：即保證供水所需的水量和水壓、水質(zhì)安全、可靠性和經(jīng)濟性。管網(wǎng)技術經(jīng)濟計算就是以經(jīng)濟性為目標函數(shù)而將其余的作為約束條件，據(jù)此建立目標函數(shù)和約束條件的表達式以求出最優(yōu)管徑或水頭損失。由于水質(zhì)安全性不容易定量的進行評價，正常時和損壞時用水量會發(fā)生變化，二級泵房的運行和流量分配等有不同方案，所有這些因素都難以用數(shù)學式表達。因此，管網(wǎng)技術經(jīng)濟計算主要是在考慮各種設計目標的前提下求出一定設計年限內(nèi)管網(wǎng)建造費用和管理費用之和為最小時的管段直徑或水頭損失，也就是求出經(jīng)濟管徑或經(jīng)濟水頭損失。

2 數(shù)學優(yōu)化模型

2.1 壓力流單水源環(huán)狀網(wǎng)的優(yōu)化設計數(shù)學模型

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

該數(shù)學模型是以經(jīng)濟性為目標函數(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的度量問題，水壓的約束也僅僅是要求水源泵站揚程必須滿足控制點的水壓要求，只要控制點的壓力在最高用水時可以達到最小服務水頭，整個管網(wǎng)就不會存在低壓區(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)化設計數(shù)學模型

多水源管網(wǎng)供水安全，可以節(jié)省造價和電能。其優(yōu)化設計計算原理與單水源時相同，目標函數(shù)為:

該數(shù)學模型與上述系統(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 設加壓泵站環(huán)狀網(wǎng)的優(yōu)化設計數(shù)學模型

為滿足管網(wǎng)中局部地區(qū)的水壓應在管網(wǎng)中設置加壓泵站。當加壓泵站位置靠近水源泵站時，水源水泵降壓快，而加壓泵加壓流量大；加壓泵站遠離水源泵站時，水源水泵降壓慢，而加壓泵加壓流量小。這樣，目標函數(shù)在進行優(yōu)化設計計算時應考慮水源泵站和加壓泵站兩項動力費用。因此建立如下數(shù)學模型:

該數(shù)學模型與上述系統(tǒng)不同的是：在滿足管網(wǎng)水力約束和可靠性約束的同時要滿足加壓揚程約束。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。

對上述系統(tǒng)采用優(yōu)化的方法進行實現(xiàn)，最終求得系統(tǒng)最優(yōu)時的管徑、管段流量、流速、水力坡度、水泵揚程、各節(jié)點的水壓等。

3 結(jié)束語

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的50%-80%。在工程總投資有限的前提下，在保證整個供水系統(tǒng)中水量、水壓、水質(zhì)安全以及供水可靠性的基礎上，以整個系統(tǒng)的總造價或年費用為目標函數(shù)進行管網(wǎng)優(yōu)化設計，尋求目標函數(shù)最小的設計方案,對加強安全可靠性、降低工程成本、提高經(jīng)濟效益和社會效益有著重要的現(xiàn)實意義。

參考文獻

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

篇2

中圖分類號：TM914 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2013）16-0019-04

新能源利用是我國七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，太陽能光伏發(fā)電是新能源利用的重要領域。在設計太陽能小屋時，需在建筑物外表面（屋頂及外墻）鋪設光伏電池，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格差別很大，且每峰瓦的實際發(fā)電效率或發(fā)電量還受諸多因素的影響，如太陽輻射強度、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，在太陽能小屋的設計中，研究光伏電池在小屋外表面的優(yōu)化鋪設是很重要的問題。

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)電費用盡可能小的目標，首先根據(jù)地區(qū)地理條件、電池組安裝部位及方式，給出太陽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，考慮各太陽能組件的不同設計參數(shù)及價格，從而確定最佳光伏系統(tǒng)設計方案。

研究在僅考慮貼附安裝方式的情況下，對光伏陣列鋪設方案的優(yōu)化問題。首先，需要根據(jù)題目給出的小屋外觀尺寸，對每個墻面分別建立直角坐標系。然后，主要考慮光伏電池組件面積和房屋的鋪設條件，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)電費用最小的雙目標最優(yōu)化模型.并考慮逆變器額定輸入電壓和功率約束，調(diào)整太陽能電池組件安裝設計方案，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

1）假設太陽能電池方陣的架設是獨立的，不受周圍環(huán)境影響。

2）假設同一分組陣列中的組件在安裝時，具有相同的陣列方位角、傾角。

3）假設各類電池組件的最低輻射量限值分別為：單晶硅和多晶硅電池啟動發(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）假設逆變器設置在房屋外部，不占用建筑外表面。

6）假設當太陽輻射值低于電池表面太陽光輻照閾值時，電池組件不輸出電力。

2 變量與符號說明

：表示墻面的長度；

：表示墻面的寬度；

：表示第i類光伏電池組件的鋪設數(shù)量；

：表示對第i類光伏電池組件中的第j個組件的標記；

：表示第i類的光伏電池組件鋪設數(shù)量；

：表示第i個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，以及相應鋪設數(shù)量的計算模型。其次，在僅考慮無瑕疵平面情況下，構(gòu)造太陽能電池組的最優(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)對模型進行修正，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)濟效益及投資的回收年限的計算模型。

3.1 光伏電池年發(fā)電總量計算模型的建立

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)電量計算模型：

其中，表示第k個太陽時的輻射量，表示第i類型號電池板的面積，表示第類型號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%的阻性負載，故計算光伏電池年發(fā)電總量時，應當加上0.8乘項，修正陣列年總發(fā)電量輸出值。

然后，計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)電量的計算模型為：

其中，8759表示一年太陽時最大值。

3.2 光伏電池年經(jīng)濟效益計算模型的建立

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度有效值數(shù)據(jù)，建立光伏電池總經(jīng)濟效率的計算模型：

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

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

3.3 光伏陣列投資回收年限計算模型的建立

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

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

利用上述關系，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)布線復雜性的情況下，引入變量（，表示橫放；，表示豎放），用來描述各個墻面上第i類第j塊光伏陣列的鋪設方向。其中，橫向擺放表示電池組件的長邊與墻面的長平行擺放，縱向擺放表示電池組件的長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，達到簡化問題的目的。

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

利用每個墻面除去窗口后的總面積和各類電池組件的面積，可計算得到第i類電池的最大擺放組件個數(shù)。又需要考慮光伏電池組件的單位發(fā)電功率費用指標，。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，同時考慮各類電池組件轉(zhuǎn)換效率，可得到排序指標R的計算模型如下：

各墻面的最佳組件字典序排序與值相關，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。

由太陽輻射相關知識可以得到。其中為平面的法線和太陽入射方向的夾角。

3）無瑕疵條件下光伏陣列最優(yōu)布局規(guī)劃模型。

按照問題分析中對光伏系統(tǒng)設計的目標分析，確定如下兩個最優(yōu)化目標：

目標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數(shù)量，表示第i類光伏電池組件的實際功率，由于電池發(fā)電總量與光伏組件的實際功率僅相差太陽輻射乘項，且根據(jù)對太陽輻射的假設，同一平面上的太陽輻射相等，故原目標與光伏陣列總實際功率最大等價。

目標II：單位發(fā)電量的總費用最小可表示為：

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

為確定光伏電池組件的鋪設位置，針對不同墻面，建立如圖1所示的直角坐標系。

其中，x軸的取值范圍是，表示該面墻體的長度；y軸的取值范圍是，表示該面墻體的寬度，直角坐標系內(nèi)點的坐標表示光伏電池組件左下角的橫縱坐標數(shù)對。

然后，對問題進行約束條件分析，無瑕疵平面鋪設約束如下：

約束I：鋪設范圍界定約束

基于對墻體邊界條件的分析，鋪設光伏電池組件不應超出安裝平面范圍的約束，即鋪設面積不可超過墻面總面積，則鋪設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；表示第i類光伏電池組件的長度；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，且第i類光伏電池組件總數(shù)。

約束II：電池組件分離約束

當鋪設多塊光伏組件時，各個太陽能電池板需要保證相互獨立擺放，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，建立無瑕疵條件下光伏陣列布局雙目標混合整數(shù)規(guī)劃模型如下：

其中，約束條件1、2表示鋪設范圍界定約束，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取值范圍.通過確定各目標優(yōu)先級P1和P2，可將該雙目標規(guī)劃模型轉(zhuǎn)化為單目標規(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，因此需要對模型約束條件進行調(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值，Y1、Y2分別表示瑕疵的上邊界和下邊界的縱坐標值.約束限制當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

由于在鋪設每個光伏組件時，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方法進行計算機模擬，具體程序框圖如圖2所示。

利用Matlab軟件，對每個墻面光伏電池組件選擇方案進行1000次模擬，比較各次模擬結(jié)果，保留使得模型I中目標最優(yōu)方案，得到各立面和屋頂最優(yōu)鋪設方案，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)鋪設方案應選擇橫向布局，分別需要6個A3類、8個A4類及16個B1類光伏發(fā)電組件。

在緊貼鋪設的情況下，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，進而計算得到最優(yōu)光伏系統(tǒng)設計方案下，35年總發(fā)電量，經(jīng)濟效益為，投入資金，得到投資回報年限年年。

4 模型評價與改進方向

4.1 模型的評價

1）模型的優(yōu)點。

本文建立了關于太陽能小屋設計的多個優(yōu)化模型，較好的解決了太陽能小屋設計中的一系列問題。

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

對于架空情況下的電池板優(yōu)化設計，通過對電池板的長度進行轉(zhuǎn)化，可以直接利用在電池板貼附設計情況下建立的優(yōu)化模型，避免了重新建立模型帶來的復雜性，簡化了問題。

對于太陽能小屋的尺寸設計，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僅為兩個，簡化了問題分析與求解.通過確定電池板的評價指標，基于不同的接收輻射情況，給出了每個墻面的最優(yōu)電池板型號，從而可以簡化約束條件，避免了房屋尺寸與電池板選取兩方面問題同時考慮的復雜性。

2）模型的缺點。

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

4.2 模型的改進方向

對于布局問題，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，遺傳算法等，我們模型的求解可以利用這些算法進行改進，并比較多個結(jié)果取最優(yōu)。

參考文獻

[1]李大軍.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設計與應用實例[J].2009，38：23-44.

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

篇3

中圖分類號：P311.12 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）04-0199-01

當前配電網(wǎng)絡中用戶節(jié)點繁多，存在大量數(shù)據(jù)，相互間的關聯(lián)錯綜復雜并且變換頻繁，因而數(shù)據(jù)庫設計是研究者科研的重要課題。傳統(tǒng)的設計方法分為兩類，一類是在輸電網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫中依據(jù)層級構(gòu)造建模，搭建網(wǎng)狀節(jié)點模型，但忽視了特殊配電網(wǎng)絡構(gòu)造，并存在后期維護工作繁瑣的弊端；另一類則將線路轉(zhuǎn)換為桿塔方式搭建，被設置變配和開閉裝備，該方法操作簡單，但數(shù)據(jù)庫不易更新，靈活度不高。

1 配電網(wǎng)絡的E-R模型搭建

1.1 E-R模型下的配電網(wǎng)絡建模

（1）配電網(wǎng)絡的實體。E-R模型由實體，連接和屬性構(gòu)成。實體作為數(shù)據(jù)目標，即應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。而相同類別的實體則構(gòu)成實體類，如配電網(wǎng)絡中的變壓裝置行程配電變壓實體部分。（2）配電網(wǎng)絡的連接。由于實體之間并不孤立并存在相互關聯(lián)，而配電網(wǎng)絡的連接代表了一個和多個實體間連接。如配電變壓裝置和用電負荷間的電能供應關聯(lián)。（3）配電網(wǎng)絡的屬性。配電網(wǎng)絡的屬性能夠表述實體的特點，如配電變壓裝置的名字，編碼，容量等相關屬性數(shù)據(jù)[1]。

1.2 配電網(wǎng)絡中的桿塔和開關

在配電網(wǎng)絡體系中，每條配電線路均包含多個桿塔和開關，并包含幾十個到幾百個分支線路，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)建科學的信息模型對設計數(shù)據(jù)庫有很大幫助。

1.3 變阻抗支路設計

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

2 E-R模型的配電網(wǎng)數(shù)據(jù)庫設計

2.1 E-R模型下配電網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫組成

（1）線路數(shù)據(jù)庫。線路數(shù)據(jù)庫基準數(shù)據(jù)組成包含信息標識，線路表述，銜接變電裝置，電壓層級部分。（2）分線路數(shù)據(jù)庫。分線路數(shù)據(jù)庫線路標定，線段標定，供電部分標定，并給出線路表述，線段種類，桿塔數(shù)目，阻抗和電壓等級等部分。（3）配電變壓裝置數(shù)據(jù)庫。配電變壓裝置數(shù)據(jù)集合包含名字，編碼，種類，容量，供電線路標定，接桿編碼等部分。（4）桿塔數(shù)據(jù)庫。桿塔數(shù)據(jù)庫包含桿塔編碼，所在線路編碼，桿塔種類，擋距，材料等部分。（5）線路開關數(shù)據(jù)庫。線路開關數(shù)據(jù)庫包含開關編碼，開關型號，關聯(lián)桿塔，出場以及開關種類編碼部分。（6）電力負荷數(shù)據(jù)庫。電力負荷數(shù)據(jù)庫包含使用者名稱，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)絡數(shù)據(jù)庫特點

E-R模型下配電網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫以電能輸送，配準，使用為基準，反饋配電網(wǎng)絡拓撲構(gòu)造與物理銜接關聯(lián)，能夠應用在結(jié)構(gòu)繁雜的網(wǎng)絡線路中，若進行更新操作，僅需要改變鏈路表中相應供電標識部分。

2.3 配電網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫層次體系

配電網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫完成電網(wǎng)拓撲和數(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，實現(xiàn)定位和移動操作。將電網(wǎng)作為分層模式并依據(jù)電能輸配送進行網(wǎng)絡層次化數(shù)據(jù)庫分析[2]。

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

（1）數(shù)據(jù)庫標準化。配電網(wǎng)數(shù)據(jù)庫標準化即去除冗余信息，管理系統(tǒng)完成標準化處理能夠縮小數(shù)據(jù)庫表，并減少信息占據(jù)空間，縮減I/O時間。管理系統(tǒng)具體操作為：智能化識別表數(shù)目和列數(shù)目，減少冗余表，榮譽列和冗余字符。（2）數(shù)據(jù)庫表的橫向分割操作。將大的數(shù)據(jù)庫表拆分成多組表，并進行分段保存，以變電站和基礎線路為約束標準，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）增多標識列。在完成數(shù)據(jù)庫設計時，往往需要用到設備編碼才能標定設備，本文在數(shù)據(jù)庫表中增加對該裝備的標定，能夠在搜索中替代大型組合鍵，提升整體效能[3]。

4 結(jié)語

本文首先給出配電網(wǎng)絡的E-R模型搭建，完成配電網(wǎng)絡建模，并分析了配電網(wǎng)絡的實體，連接，屬性，桿塔和開關以及變阻抗支路設計。進而完成E-R模型的配電網(wǎng)數(shù)據(jù)庫設計，分析了E-R模型下配電網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫組成，包含線路數(shù)據(jù)庫，分線路數(shù)據(jù)庫，配電變壓裝置數(shù)據(jù)庫，桿塔數(shù)據(jù)庫，線路開關數(shù)據(jù)庫和電力負荷數(shù)據(jù)庫，并給出E-R模型下配電網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫特點和配電網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫層次體系。最后給出配電網(wǎng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)優(yōu)化操作，包括數(shù)據(jù)庫標準化，數(shù)據(jù)庫表的橫向分割操作以及增多標識列。

參考文獻

篇4

1研究背景

選線是道路設計中最根本的問題,因為它不但影響道路本身的經(jīng)濟效益和社會效益,而且也影響到路線在道路網(wǎng)中的作用[1]。目前國內(nèi)外研究中, 王衛(wèi)紅[2]的基于MapGIS的公路選線; Jong等[3]的同時優(yōu)化三維空間線形的進化模型; Manoj等[4]的一個基于標準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區(qū)域內(nèi)路網(wǎng)服務水平的影響。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內(nèi)容。我們以前的研究[6]在應用遺傳算法枚舉線路空間位置,以及新增線路后拓撲網(wǎng)絡關系, OD交通量被服務的質(zhì)量改善和交通環(huán)境負荷減輕等方面取得了突破。但是,并沒有應用道路設計理論,沿自動生成的道路空間位置進行道路設計。

因此我們以尚未被充分研究的問題為對象,開發(fā)同時優(yōu)化新建道路的空間位置與詳細設計的模型。在優(yōu)化目標函數(shù)中考慮新建道路本身的相關費用及其對路網(wǎng)的影響所導致的費用變化。力爭應用道路設計的理論與方法設計道路的詳細線形,開發(fā)平面和縱斷面自動設計系統(tǒng),并計算道路的建設費、土方工程費。利用交通量分配模型計算新建道路帶來的道路網(wǎng)服務水平的變化,從而計算OD交通的走行時間費用,并利用環(huán)境排放模型計算道路網(wǎng)上交通的環(huán)境負荷及其金錢價值。在本研究中,上述所有過程將以同一個GIS數(shù)據(jù)庫為平臺, 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)新點將在相關章節(jié)予以敘述。

2•1道路的空間位置及遺傳算法的應用

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,通常有兩個或數(shù)個控制點是事先指定的,確定道路的空間位置就是給出控制點間新建道路通過的各個地點。因此新建道路的空間位置應該以控制點連線周邊的地形數(shù)據(jù)為基礎設定,當使用DEM數(shù)據(jù)作為地形數(shù)據(jù)時,線路的空間位置可以被認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,沿控制點的連線隔一定距離設定一個橫斷面,位于該斷面上的網(wǎng)格單元就是道路在這個橫斷面上可能通過的位置。假設控制點間的直線被分成n+1段,就會有n組網(wǎng)格單元,對每組單元進行連續(xù)排列可以得到各組網(wǎng)格單元的最小和最大編號。初始空間位置可以表示為一個數(shù)字串,其中每個數(shù)字都對應一組網(wǎng)格單元中的一個編號。隨即生成的道路空間位置的初始方案可用式(1)計算[6],也就是說在每一組網(wǎng)格單元中隨機選取一個網(wǎng)格(圖2中五角星標示的網(wǎng)格),將網(wǎng)格的中心點作為道路的控制點,連接所有的控制點生成道路的初始線形i。

2•1•2遺傳算法的設計和適應度函數(shù)的選取

如圖1所示遺傳算法被用來判斷各個候選方案的優(yōu)劣并繁衍出新的候選方案,它對代表上一代道路空間位置的數(shù)字串進行交叉、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,各單元編號就是染色體的基因,然后進行基因交叉、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,并用十進制編碼法對初始染色體編碼。

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

第3步∶在兩個父代染色體間交換基因。這里采用式(2)所示的算術交叉法。

其中,為父代染色體， 為子代染色體;αi為(0,1)間的一個隨機數(shù);i=1,2,…,k(k是進行交叉的染色體的對數(shù))。

第4步∶實施變異操作。如果c=(c1,c2,…,cn)是一個染色體 是一個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]間的一個值,該值隨進化代數(shù)增加向0逼近。

式中,r是[0,1]間的隨機數(shù);t是當前進化代數(shù);λ(λ=25)是由計算者根據(jù)經(jīng)驗指定。

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,其標準是:新建道路上的最小平面轉(zhuǎn)角應該大于某個值;新建道路不應該和既有的某個路段相交多次。然后對余下的空間位置方案進行道路設計和交通量分配,并選擇適應度高的Psize個方案返第2步操作。

2•2基于DEM數(shù)字地形進行詳細線形設計

由于優(yōu)化的目標函數(shù)包含道路建設費用,因此必須盡可能詳細地設計出道路的縱斷面和水平斷面形態(tài)。盡管在本階段達到施工要求的設計是不可能的,但是與之盡可能地相似的設計還是必要的和可以做到的。由于在整個優(yōu)化過程中,要用遺傳算法為一條新建道路繁衍出數(shù)十萬個空間位置方案,因此手工設計的方法是無法滿足計算流程的要求的。另外,遺傳算法的計算因子很多都是隨機變化的,因此還要保證上百代的遺傳算法得以連續(xù)不斷地進行。因此,在求解優(yōu)化模型的計算過程中實現(xiàn)道路設計的自動化以及無縫不間斷輸入、輸出是必不可少的。接下來介紹道路平、縱曲線的設計方法及在GIS中的自動化實現(xiàn)。

2•2•1平曲線在GIS中的實現(xiàn)

遺傳算法中每次在GIS數(shù)據(jù)庫中生成的道路線形都是折線對象,考慮道路設計的要求,道路平面線形設計應符合直線、緩和曲線與圓曲線的連接原則,但這樣會導致問題的復雜,加大計算的難度和負擔。因此這里不考慮緩和曲線的設計,用圓曲線平滑新建道路的每個折點,設計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鍵問題。新建道路線形中,每個控制點都有兩條線段與之相鄰,這里取水平長度較短的線段長的1/2作為該圓曲線切線長,利用切線與半徑的數(shù)學關系,確定圓曲線半徑。如圖3所示,以控制點C2為例,C1C2長度小于C2C3,T點為線段C1C2的中點,確定圓曲線半徑R=TC2tan (α)。同理在C3,C4,C5等控制點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,因此要利用懲罰費用對不滿足該要求的方案進行處理,以便在進入到下一次循環(huán)之前淘汰它們。

2•2•2豎曲線在GIS中的實現(xiàn)

在道路設計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折點。根據(jù)道路的豎曲線設計原理,在縱斷面上針對于每個控制點,取與之相鄰的水平長度較短的線段的1/3作為二次拋物線的切線長,由于在平曲線設計時以長度的1/2作為圓曲線的切線長,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計規(guī)范的要求,因此還要對包含不滿足縱坡要求的線形附加懲罰費用。

如圖4所示,CP1、CP2、CP3為3個控制點,控制點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標示一個樁位,通過上面的公式,計算該樁號上的高程值,用于下面介紹的土方工程量的計算。

2•3評價新建道路對路網(wǎng)服務水平的影響

在遺傳算法的各代中都有許多道路方案,而每個方案都對應一個不同的路網(wǎng)。要想研究路網(wǎng)的服務水平,首先要實現(xiàn)路網(wǎng)在GIS中自動重新拓撲題,這里采用文獻[6]中描述的自動拓撲路網(wǎng)的方法。

新建道路對路網(wǎng)服務水平的影響,表現(xiàn)為節(jié)約的OD總走行時間的價值,汽車尾氣排放所引起的金錢損失兩個方面。在對每個方案實施自動路網(wǎng)拓撲后,可以用Frame-Wolf法[7]進行OD交通量的分配,從而獲得同一個OD交通量在各個路網(wǎng)中路段上的交通流量、走行時間以及行車速度,最后計算出整個OD交通量在各路網(wǎng)上的總走行時間的金錢價值、各種尾氣排放量以及相應的金錢損失額度。

2•4計算新建道路涉及的費用

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

這里,為一條新建道路的總費用成本 為與設計相關的費用總和 為與道路交通相關的費用總和。

2•4•1與道路設計相關費用

這里， 為基本建設費用,是單位長度的基本建設費用與道路長度的乘積 為土方工程費;為橋梁隧道費用;為懲罰費用。

在計算 時首先利用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度,最后利用跨越長度和橋梁單位長度造價的乘積得到。

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

由于利用遺傳算法自動生成控制點,設計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)范的懲罰費用,以實現(xiàn)道路方案的有效評價。

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

其中,為縱斷面坡度懲罰費用 為平曲線半徑懲罰費用。

其中,為評價時自定義的系數(shù);為道路縱斷面第i個控制點的坡度;

為規(guī)范要求的最大坡度。

其中 為評價時自定義的系數(shù);為道路平面第i個控制點處設置的圓曲線半徑 為設計規(guī)范要求的最小圓曲線半徑。

2•4•2與道路交通相關的費用

為環(huán)境負荷費用,如圖1所示,對于每一種線形方案都進行新路網(wǎng)的重新拓撲與交通量平衡分配,通過分配的輸出結(jié)果(路段交通量、走行時間、平均車速等)可以計算環(huán)境負荷費用和走行時間費用。

在計算環(huán)境負荷費用時主要考慮了汽車排放的尾氣(CO,HC,NO2)造成的污染費用,其計算公式如下。

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

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

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)走行時間費用,其中,n為路網(wǎng)中的路段總數(shù) 為第i號路段的走行時間;為時間價值。

為占用綠地費用,占用拆遷費用。 的計算是在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,得到相應的建筑物編號,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得到占用拆遷費用,占用綠地費用及濕地破壞費。

2•5數(shù)字試驗

這里用一個有35個交通小區(qū)的地區(qū)對上述方法進行了數(shù)字試驗,試驗地區(qū)的道路網(wǎng)由433個路段條, 287個節(jié)點構(gòu)成。實驗時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計車速100km/h,路面寬10m,最小圓曲線半徑1 000m,縱斷面最大坡度4%,挖土費用40元/m3,填土費用12元/m3, 1km工程造價1 000萬元,時間價值0•6元/min,道路壽命30年。在GAs算法進行70代后獲得比較令人滿意的結(jié)果。

篇5

為了適應社會對人才的多樣化需求和學生對語文教育的期待，《普通高中語文課程標準（實驗）》（以下簡稱《課標》）將高中語文課程設置為必修和選修兩部分，其中選修課程設計為五個系列：詩歌與散文、小說與戲劇、新聞與傳記、語言文字運用、文化論著研讀。并指出：“學校應按照各個系列的課程目標根據(jù)本校的課程資源和學生需求，有選擇地設計模塊，開設選修課。對于模塊內(nèi)容組合以及模塊與模塊之間順序編排，各學?？梢愿鶕?jù)實際情況靈活實施?！盵1]然而，這種理念上的初衷只是“看上去很美”?，F(xiàn)實當中，高中語文選修課程模塊設計可謂問題叢生，具體表現(xiàn)如下。

1.選修模塊多樣有余而科學不足

高中語文選修課程設置了詩歌與散文、小說與戲劇、新聞與傳記、語言文字運用、文化論著研讀等五個系列。圍繞這五個系列，各個學校集思廣益，結(jié)合實際開發(fā)出了各種各樣的選修模塊，如“論語選讀”、“中國小說欣賞”、“外國小說欣賞”、“影視名作欣賞”、“中國民俗文化”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文學科領域內(nèi)的“自娛自樂”，缺乏與其他學科的交叉糅合，少有的一些交叉內(nèi)容卻也僅限于簡單的移植。顯然，選修模塊的狹窄視野必然帶來學生學習視野的狹窄。其次，選修課程模塊對學生發(fā)展關照不夠。我國普通高中需要完成兩個層次的教育任務，“第一層次的教育任務是，按照國家對高中學生提出的全面發(fā)展、具有個性的要求和學生身心發(fā)展的需要，對全體學生進行基本的全面素質(zhì)教育，使之達到高中畢業(yè)的標準。第二層次的教育任務，是按照高三學生對于升學和就業(yè)的不同選擇而分別進行升學教育與擇業(yè)就業(yè)教育”[2]。而從現(xiàn)實來看，大多學校語文選修課程模塊只是關照到第一層次教育任務以及第二層次教育任務的升學教育目標，而擇業(yè)就業(yè)教育的目標卻極少體現(xiàn)。這與西方發(fā)達國家選修課程相比，是有很大出入的。再次，高中語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、地方特色的語文選修模塊開設空間就顯得非常狹小了。最后，高中語文選修課程實施時間保障不足。大多數(shù)學校往往在高二學年集中實施選修課程，以致學校無論如何加快速度，最多只能開設三個或四個選修模塊。而《課標》建議：“從五個系列的選修課程中任意選修四個模塊。對于語文學習興趣濃厚并希望進一步深造的學生，建議在此基礎上，再從這五個系列里任意選修三個模塊?！盵1]顯然，時間的保障不足可能帶來選修模塊的“走馬觀花”以及學生學習的“消化不良”，并且給學校的師資、場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上的進一步提高與拓展，其主旨在于關照學生的興趣、愛好和志向，關照學生的個體差異，培養(yǎng)學生全面發(fā)展。自由與選擇是選修課程的最大特征，這也是落實選修課程目標的關鍵所在。然而，囿于傳統(tǒng)認識、教學設施、教學任務、教師水平和時間精力等因素的限制，許多中學在語文選修課程模塊的開設上作了很多限制。這些限制可以概況為三種：一種是完全以高考為“指揮棒”，明確要求只開設與高考內(nèi)容相關的幾個選修模塊，并且要求全體學生都選這幾個模塊，如此導致選修課程“名存實亡”，湮滅了選修課程的本真含義和價值。一種是由于學校師資、教學設施限制，或沒有更多的教師來開設選修課，或沒有更多的教學場地提供給學生走班、自由選課，因此，學生只能“看菜吃飯”，統(tǒng)一時間、室、師指定選修課程。第三種情況是由于必修課程任務繁重，高三升學壓力較大，許多學校干脆大量擠占和壓縮選修課程的時間，使選修課程僅僅停留在靜態(tài)的課程設計層面。

3.選修模塊功利有余而功效不足

《課標》要求“選修課與必修課的教學存在一定的差距”，“不能把選修課上成必修課的補習課和應考的輔導課，也不能照搬大學里的選修課”[1]。然而，當前大多高中語文選修課的實施狀況卻正應驗了這種擔心。這種情況主要表現(xiàn)在三個方面：一是將選修課上成必修課。教師在選修課教學時，照常按照慣性思維大肆訓練學生的知識與技能、過程與方法，至于新課程要求的培養(yǎng)學生的審美能力、探究能力、增強學生的文化修養(yǎng)和關注歷史與現(xiàn)實的意識等等或無從顧及或視而不見。二是將選修課上成高考專題輔導課。如開設“詩歌與散文”模塊時，許多教師就選擇古代詩歌、文言散文或詩詞散文閱讀專題訓練；開設“小說與戲劇”甚至“文化論著研讀”模塊時，也是把相關的文章作為閱讀專項訓練的寶貴題材。三是簡單照搬大學選修課教學模式，教師單純從自身的知識儲備和教學喜好出發(fā)決定教學內(nèi)容，從而導致教學漫無計劃，凌亂隨意，效果甚微。

二、高中語文選修課程模塊設計的優(yōu)化思路

高中語文選修課程模塊優(yōu)化是指在高中語文課程標準的指導下，語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設計語文選修課程模塊是一項系統(tǒng)且復雜的工程，涉及諸多要素。要有機整合各種要素，就要求學校在新課程理念的指導下，圍繞學生的語文基礎、語文興趣、語文能力，在語文必修課的基礎上進一步拓展和提高，凸現(xiàn)課程的選擇性，實現(xiàn)學生全面而有個性的發(fā)展。要有效優(yōu)化高中語文選修課程模塊設計，可以從宏觀、中觀和微觀三個課程結(jié)構(gòu)入手。

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

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

在選修課程模塊開設時間安排上，許多中學基本上是先上完必修課程后，再集中開設選修課程。這種安排的弊端在于必修課上得太匆忙而沒落到實處，而選修課過于集中導致學生身心疲勞，學習效率低下。因此，選修課程的開設可以實行“同步穿插”的方式進行，即在時間上適當同步，在內(nèi)容上必修與選修相互搭配，交叉安排，協(xié)調(diào)推進。具體而言，學?？梢岳L選修模塊的學習時間。在高中12個學段內(nèi)（將以往的學期制改革為學段制，一學年分為4個學段，每個學段10周，其中9周學習，1周考試），第3～5學段開始設置趣味性的任意選修模塊，第6～8學段集中開設限定選修模塊，第9學段開設偏向文理升學方向和就業(yè)方向的選修模塊。必修與選修同步穿插的課程實施模式，會給學生從學習內(nèi)容到學習方式上帶來新鮮感，有利于學生科學的學習方式養(yǎng)成，有利于提高學生全面的語文素養(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，“語文選修課程是在必修課程基礎上的拓展和提高”，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)決定了語文選修課是在約束性下的選擇性修習。因此，在高中12個學段的劃分范疇內(nèi)，學校在第1～2學段可只開設必修課程，原因有二：一是高中第一學期學生大多來自不同學校和地區(qū)，語文基礎參差不齊，語文習慣各不相同，有必要對語文常規(guī)、語文基礎、學習習慣進行統(tǒng)一的教學；二是以行政班為單位的必修學習有利于班級凝聚力、團隊意識的培養(yǎng)。第3～5學段可以開設趣味性的任意選修模塊，原因有二：一是這一學段學生的語文基礎還不夠扎實，不能開設具有一定難度的、專題性的選修模塊，以防挫傷學生語文學習積極性；二是趣味性的任意選修模塊有益于培養(yǎng)和提高學生語文學習興趣。第6～8學段集中開設限定選修模塊，一是因為這一學段學生經(jīng)過前面的學習，有了一定的語文基礎，在必修的基礎上進一步拓展和提升有了可能；二是必修任務大多已完成，有充裕時間集中選修，為學生的專業(yè)方向的發(fā)展和學生的個性特長發(fā)展奠定基礎。最后，學?？稍诘?學段開設偏向文理升學方向和就業(yè)方向的選修模塊，主要解決高三學生分流，滿足不同學生的需求。以上選修課程模塊組聯(lián)模式，通過興趣選修模塊進入限定選修模塊，再到專業(yè)提升和擇業(yè)就業(yè)準備選修模塊，模塊切換頻度適中，基本符合學生的身心發(fā)展，既注重學生的語文學習基礎、學習興趣，更注意關照學生未來發(fā)展的需要。

3.微觀結(jié)構(gòu)——施行“有機整合+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

計算機臨床實驗仿真(CTS)運用計算機模擬技術從前期研究中獲得信息，揭示試驗設計中變量和假設對結(jié)果的影響，預測和評價不同研究方案可能產(chǎn)生的結(jié)果。CTS適用于實際系統(tǒng)費用昂貴，存在安全問題的情況，根據(jù)藥物的藥效學和藥代動力學設計臨床試驗仿真，分析仿真結(jié)果，改進方案，從而節(jié)約了成本，提高了研發(fā)新藥的效率[1-2]。

在臨床試驗中常遇到反應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變量與其影響因子間關系，分析得到調(diào)整后的藥物評價結(jié)果[4]。D-優(yōu)化試驗設計是按照一定的算法，最大化FIM行列式，在幾組設計方案中尋求最優(yōu)。本研究提出了將傳統(tǒng)的比例優(yōu)勢模型與優(yōu)化試驗設計結(jié)合的方法，進行計算機藥物臨床試驗仿真。

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變量的logistic回歸模型，討論藥效和給藥劑量、時間之間的關系。最后，采用D-最優(yōu)試驗設計最大化FIM行列式，分析比較幾組不同的劑量和給藥時間與藥物療效的關系，從而得出較好的設計方案。

2.1 比例優(yōu)勢模型

采用多分類有序反應變量的logistic回歸模型，即比例優(yōu)勢模型分析分類變量與一個或多個變量間關系。比例優(yōu)勢模型是一般的二分類logistic回歸的擴展，當結(jié)果變量只取兩個等級時，有序分類結(jié)果的logistic回歸就等于一般的二分類logisitc回歸。標準的比例優(yōu)勢模型定義如下所示：

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表示反應變量，有k個等級，Yij表示在第i個時間點采用第j種劑量產(chǎn)生的疼痛減輕的變化等級。 通過公式得Pr(Y)概率函數(shù)的數(shù)學表達式：

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

得Pr(Y)概率函數(shù)的數(shù)學表達式：

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為處理因素的效應參數(shù)，Ce表示藥物在假設效應點的血藥濃度，θ5tijtij+θ6表示關于時間單調(diào)的飽和安慰劑效果。θ7CeijCeij+θ8表示單調(diào)的關于Ceij的純藥效。ηi表示除去時間、計量對Y的影響后的隨機效應，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間和血藥濃度之間的關系，需要先討論血藥濃度的變化情況。本研究僅討論快速靜脈注射時血藥濃度Ce變化的情況，將機體看成兩個房室，藥物靜脈注射后先進入中央室，然后逐漸向周邊室轉(zhuǎn)運，在中央室與周邊室之間藥物進行著可逆的轉(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時刻的藥量為Xc，中央室的表觀分布容積為Vc，周邊室t時刻的藥量為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，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)化試驗設計原理

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

當存在一個線性的變量聯(lián)合時，F(xiàn)isher信息矩陣用公式(7)表示，在用Fisher模型進行響應面擬合時一般取二階多項式回歸模型。如果在PD模型中，偏頭痛的類型被忽略，那么該響應模型有4個參數(shù)(θ，β1，β2和β3)和兩個變量——時間和劑量。對于這些可能的劑量組和效應采樣時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作為效應采樣時間。

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個測試點，通過不同劑量和時間的組合求解FIM的最大行列式從而確定最優(yōu)設計點。

3 結(jié)果和討論

藥物臨床試驗仿真首先要根據(jù)試驗目的建立一個仿真模型，然后，把試驗數(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之間的關系，預測不同設計方案的試驗結(jié)果并加以分析，從而確定試驗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驗仿真結(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)勢模型分析那拉曲坦的藥效與給藥時間和劑量的關系，然后利用D-優(yōu)化試驗設計得到比較合理的給藥劑量和時間的設計方案。

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—時間變化曲線

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

3.2 分析藥物效應—時間關系

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

根據(jù)比例優(yōu)勢模型，得出藥物效應和時間的關系曲線，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

對照圖2和圖3，從圖2中觀察出血藥濃度在1.5～3 h達到血藥濃度峰值，而在圖3中藥物效應在6～10 h才達到峰值，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是效應部位，藥物從中央室向效應室中的分布需要一定的時間[10]，所以，大多數(shù)藥物效應的變化滯后于血藥濃度的變化。

3.3 預測分類疼痛減輕概率

我們研究不同因素對偏頭痛療效的影響時，采用5種有序的疼痛減輕(Pain Relief，PR)等級評價藥物療效，PR等級分類見表1。通過建立比例優(yōu)勢模型，得到不同PR等級下PR概率的變化，從而反映藥物療效在不同給藥劑量和時間條件下的變化趨勢。

PR概率作為一個關于時間和劑量的函數(shù)，其變化趨勢見圖4。其中，x軸表示時間，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，當給表1 疼痛減輕等級分類

Table 1 The level of pain relief

PR等級表示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，疼痛減輕需要的時間相對比較長;當給藥計量比較大時，疼痛減輕需要的時間相對較短。另外，PR概率與PR的等級變化也有關系。PR等級>=1時， PR概率比較高，說明藥物對輕微疼痛減輕效果顯著;PR等級>=2時， PR的概率也相對較高，說明藥物對中度疼痛減輕效果明顯;PR等級>=3時，PR的概率略為下降，說明藥物不能完全減輕疼痛;PR等級=4時，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)化試驗設計

通過事先確定兩個固定的設計點—一個安慰劑圖4 特定PR等級下的PR概率

Fig 4 Pain relief probability of having specific pain relief scores

劑量和一個2 h的采樣時間點，再選擇其他設計點，根據(jù)公式(7)計算出每個設計方案下的Fisher信息矩陣行列式，結(jié)果見表2?？梢钥闯觯蓸訒r間除了2 h以外，分別有3、4、5、6、7、8、9 h七個采樣時間作比較，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 幾組臨床試驗設計下的FIM行列式

如表2所示，在相同時間下設計五組劑量，每組需要的劑量數(shù)是實際應用設計(組6)的一半，在試驗中用一半的藥物劑量預測臨床試驗結(jié)果，節(jié)約了一半的藥物劑量。在試驗設計中，不同時間和劑量組對應得到不同的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有效性。如圖5所示，采樣時間選擇2、5 h，劑量選擇第5組，效果比較好。分析結(jié)果表明，在臨床試驗設計中，需要權衡優(yōu)化和理論化設計的利弊，通過定量地比較可選擇的試驗設計，選出更加符合實際情況的試驗設計。

4 結(jié)論

本研究基于藥物臨床試驗模型的臨床實驗仿真，采用優(yōu)化試驗設計方法，以抗偏頭痛新藥那拉曲坦(naratriptan)為例，仿真藥物臨床試驗療效與不同因素的關系。實例仿真結(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。不同給藥劑量和時間對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。

在整個藥物臨床試驗仿真中，通過各種曲線圖直觀地表示藥效與給藥劑量和時間的關系并預測其變化趨勢。根據(jù)實驗結(jié)果，討論分析給藥劑量和時間對藥效產(chǎn)生的影響，并給出優(yōu)化試驗設計方案，有利于幫助和指導研究人員進一步的工作以及方案的制定與選擇。

參考文獻

[1]Holford N H G，Kimko H C，Montelone J P R， et al. Simulation of clinical trials[J]. Pharmacol Toxicol，2000，40:209-234.

[2]焦正，蔣新國，鐘明康，等.藥物臨床研究的計算機模擬[J].中國新藥與臨床雜志，2005 ，24：491-495.

[3]林寰，潘曉平，李苑.流行病學中有序分類結(jié)果變量的回歸模型介紹及應用[J].現(xiàn)代預防醫(yī)學，2006，33：704-706.

[4]易丹輝，何錚.Logistic 模型及其應用[J].統(tǒng)計與決策，2003，3：26-27.

[5]Chui Yu Liu，Nancy C. Sambol.Pharmacodynamic analysis of analgesic clinical trials using empirical methods[J].Pharmaceutical Research，1995，12:438-456.

[6]梁文權主編.生物藥劑學與藥物動力學[M].人民衛(wèi)生出版社，2004：231.

[7]郭強，劉建國，葛仁東，等.混合效應模型中的D-最優(yōu)設計[J].運籌與管理，2003，12：31-35.

篇7

近年來，隨著我國高等教育的不斷發(fā)展，高校連續(xù)多年擴招，每年大學畢業(yè)生數(shù)量連創(chuàng)新高。同時，由于社會經(jīng)濟的高速發(fā)展和經(jīng)濟的變化性導致了高校所開設的專業(yè)與社會對人才的需求不完全匹配，給廣大的大學畢業(yè)生造成了十分嚴峻的就業(yè)壓力。因此，在目前國家宏觀經(jīng)濟下行壓力較大，大學畢業(yè)生就業(yè)形勢不太理想的情況下，應當未雨綢繆，想企業(yè)之所想，急企業(yè)之所急，在充分了解社會對應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，通過改革行政管理專業(yè)人才培養(yǎng)目標，優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)設置，以加強學生就業(yè)質(zhì)量為導向，構(gòu)建培養(yǎng)實踐性、應用型的行政管理專業(yè)背景的理論基礎與實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80年代在我國高校中恢復專業(yè)設置以來，其發(fā)展勢頭如雨后春筍，并逐步確立了本科-碩士-博士的三級學位培養(yǎng)體系，在公共管理專業(yè)學位教育、公務員在職培訓教育方面發(fā)揮了十分重要的作用，為黨政機關、企事業(yè)單位培養(yǎng)了眾多的高級行政管理人才。然而，近年來，隨著我國社會主義市場經(jīng)濟體制的逐步確立，大學生自主擇業(yè)機制的進一步完善，高校行政管理專業(yè)畢業(yè)生就業(yè)形勢越來越嚴峻，尤其是自1999年高校擴招以來，行政管理專業(yè)畢業(yè)的大學生就業(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)大學生就業(yè)流向來看，當前該專業(yè)大學畢業(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個方面：

 

(一)行政管理專業(yè)畢業(yè)生入職對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，畢業(yè)生對口就業(yè)單位一般為黨政機關、國有企事業(yè)單位以及社會團體等公共部門。然而，隨著開設行政管理專業(yè)的學校數(shù)量不斷增多，我國公務員考錄制度的不斷完善，加上高等教育制度改革不斷推進，高校擴招，行政管理專業(yè)畢業(yè)人數(shù)激增，入職對口公共部門難度越來越大。比如在2012年國家公務員考試招考的中央機關及其直屬機構(gòu)共130余單位，計劃招考人數(shù)1.8萬多人，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)如社會學、人力資源管理等專業(yè)也可報考。

 

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

 

近年來，隨著我國經(jīng)濟社會的高速發(fā)展，中小微等私營企業(yè)發(fā)展受到國家高度重視，企業(yè)發(fā)展環(huán)境得益改善，促進了私營企業(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)實來看，任何組織，無論是政府、國有企事業(yè)單位，還是社會團體、私營企業(yè)，其內(nèi)部組織機構(gòu)中常見的如辦公室、行政部、綜合處等機構(gòu)都會或多或少涉及大量的行政事務的處理。

 

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

 

一方面是黨政機關、國有企事業(yè)單位等傳統(tǒng)用人單位對行政管理專業(yè)畢業(yè)生需求銳減，一方面是廣大私營企業(yè)對該專業(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)人才還遠遠達不到企業(yè)的用人標準。從當前高校對行政管理專業(yè)設置的培養(yǎng)目標及安排的主要課程上看，高校依然不能意識到社會對事件型人才的渴求，而是依然把政治學、行政學、法學及管理學等理論教學放在首位，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關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)與時俱進，根據(jù)市場需求適時調(diào)整專業(yè)培養(yǎng)目標

 

當前，行政管理專業(yè)培養(yǎng)目標主要以為黨政機關培養(yǎng)從事公共事務管理的專門人才。這樣的目標設定，一方面是較為模糊的，管理人員需要的不僅是技術技能，而且應當具備較高實踐操作管理能力。一方面該目標的設定僅限制為為黨政機關培養(yǎng)，已經(jīng)脫離了當前社會對行政管理人才需求的實際。因而，行政管理專業(yè)人才培養(yǎng)目標應當結(jié)合當前經(jīng)濟社會發(fā)展現(xiàn)狀和市場對人才需求的反饋，進一步細化，并把企業(yè)作為該專業(yè)人才培養(yǎng)的主要對象，強化培養(yǎng)人才的科學思維，具備對企業(yè)和政府互動關系有充分的協(xié)調(diào)、處理能力的人才。

 

(二)調(diào)整課程設置，提升學生專業(yè)素質(zhì)能力

 

對行政管理專業(yè)人才培養(yǎng)目標的設置，需要建立在該專業(yè)課程調(diào)整的基礎上，可以把該專業(yè)理論學習的內(nèi)容設置為兩大塊，包括政府行政管理模塊和企業(yè)行政管理模塊，教學上偏重于企業(yè)行政管理的相關知識，如增加《政府經(jīng)濟學》、《政府營銷學》、《政府失靈與市場失靈》、《公共投資學》等與企業(yè)經(jīng)營有著一定聯(lián)系的課程;在企業(yè)行政管理課程中，則可以設置一些如《人力資源管理》、《組織行為學》、《辦公自動化》、《公文寫作》、《公共關系學》等課程，有機地將政府和企業(yè)的管理理論課程進行結(jié)合，從而加強學生在政府和企業(yè)管理的有效融匯貫通。

 

(三)加強校地合作，培養(yǎng)實踐性應用型人才

 

篇8

中圖分類號：K928.78 文獻標識碼：A 文章編號：

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)化還是局部優(yōu)化, 都是以容許應力法為基礎建立起來的。隨著現(xiàn)代設計理論的發(fā)展, 即由傳統(tǒng)的容許應力設計法到基于可靠度理論的半概率設計法、近似概率設計法、全概率設計法等的發(fā)展，工程師認識到結(jié)構(gòu)優(yōu)化時不能忽略各種因素以及設計理論的不確定性，結(jié)構(gòu)優(yōu)化找到了新的發(fā)展契機，朝著基于可靠度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方向前進。

基于可靠度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計發(fā)展

一個好的設計方案應當使結(jié)構(gòu)在設計基準期內(nèi)以最經(jīng)濟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)化設計兩種技術的綜合。

事實上, 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)化設計幾乎和可靠度的概念同時出現(xiàn)。早在1924 年, Forsell就開始了基于可靠度結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的研究。其發(fā)展過程可分為兩個階段: 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)化設計方法和以結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的失效概率為約束條件( 目標函數(shù))的優(yōu)化設計方法。

基于可靠度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計特點

(1) 結(jié)構(gòu)設計目標多樣性；

(2) 結(jié)構(gòu)約束多重性；

(3) 結(jié)構(gòu)設計不確定性。

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)設計變量的特性分為四種：其一、設計變量為截而尺寸，即截而優(yōu)化；其二、設計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、設計變量為結(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、設計變量為材料參數(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)化設計，一方面其在結(jié)構(gòu)設計中引入概率論和數(shù)理統(tǒng)計原理，充分考慮設計參數(shù)的隨機性和材料、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，考慮以最低的費用消耗來達到規(guī)范所要求的技術指標，從而達到最佳經(jīng)濟效益。

基于可靠度的橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計重點研究方向

(1)對符合橋梁結(jié)構(gòu)特點并實用可行的優(yōu)化模型的研究。對橋梁結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的邏輯功能關系的研究。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)關系的單元（單元既可以是單個構(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)、混合關系）可以簡化問題，對橋梁可靠度優(yōu)化設計具有十分重大的意義。

(2)對單元失效之間和失效模式之間的相關性問題研究。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計中十分關鍵的一個環(huán)節(jié)就是關于可靠度的計算。這就需要合理的考慮單元（構(gòu)件）失效之間的相關性和失效模式之間的相關性，從而避免重大誤差的出現(xiàn)。研究對橋梁結(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又簡化問題。對橋梁結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）造價和可靠度之間的函數(shù)關系表達式的研究，以及研究結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）失效損失值的估計方法。

(3)對適用于橋梁結(jié)構(gòu)可靠度分析和計算方法的研究。主要包括對結(jié)構(gòu)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)體系的可靠度計算。橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計中對控制參數(shù)的選擇，通常應該滿足如下要求：

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系；

其三，這些參數(shù)之間要有明確的關系。

在設計中，通常作為設計變量的是那些對結(jié)構(gòu)起著重要作用、會直接影響結(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計考慮能滿足要求的參數(shù)作為預定參數(shù)來考慮，從而減少在設計、計算及編制程序過程中的工作量。雖然橋梁結(jié)構(gòu)是由單個的構(gòu)建組成的，但是在橋梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計中，應該從整體上考慮，以達到顧全大局優(yōu)化結(jié)構(gòu)的目的。但同時也需注意，單個橋梁構(gòu)件的參數(shù)選取如果不當，也會影響整個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)化設計的解決過程中最重要的一個步驟就是數(shù)學模型表示出優(yōu)化設計問題。建立一個優(yōu)化設計模型。主要包含定義設計變量、確定目標函數(shù)和構(gòu)造約束函數(shù)這三個要素。設計變量包括構(gòu)件材料的力學特性、構(gòu)件尺寸、描述結(jié)構(gòu)幾何布置的參數(shù)和在設計過程中能夠定量處理的各種量，它們的改變過程標志著設計方案的改變。而目標函數(shù)又可以稱之為效益函數(shù)、費用函數(shù)，設計方案的優(yōu)化過程就是找到這個函數(shù)的最小值，一個設計方案是否具有優(yōu)越性就是以其作為標準來進行衡量的。設計必須滿足的條件就是約束函數(shù)，一般是由設計規(guī)范或是規(guī)程規(guī)定或是設計者的特殊要求。約束函數(shù)可以是對一些變量的直接限制，也可以是這些變量無法直接表示的函數(shù)關系。

結(jié)構(gòu)可靠性模型有隨機變量可靠性模型、半隨機過程可靠性模型和全隨機過程可靠性模型。當作用效應S和抗力R的所有設計基本變量和均選用隨機變量概率模型：

則結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)為

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

結(jié)構(gòu)可靠概率的計算，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）和響應面法（Response Surface Method）;數(shù)值積分法。

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

響應面法其原始意思是用一個合適的修勻函數(shù)即響應面，近似表達一個未知的函數(shù)。當系統(tǒng)的參數(shù)和系統(tǒng)的輸出響應之間的關系以某種隱含的方式存在時，響應面法無疑提供了一種近似表達這種隱含關系的合適手段。

當前橋梁工程結(jié)構(gòu)設計的主要發(fā)展趨勢即是從確定性的設計方法向概率設計方法轉(zhuǎn)變。將結(jié)構(gòu)抗力、計入作用中實際存在的隨機性以及主要依靠直觀經(jīng)驗確定的安全系數(shù)，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變?yōu)閼媒y(tǒng)計數(shù)學定量給出一定基準期內(nèi)結(jié)構(gòu)的失效概率和統(tǒng)一可比的可靠指標，這在橋梁結(jié)構(gòu)設計的思想、概念和方法上都無疑是較大的突破。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?；诳煽慷鹊慕Y(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, 定量的分析計算安全與經(jīng)濟的各項指標并能很好地協(xié)調(diào)這兩者之間的矛盾, 這是傳統(tǒng)的定值設計法所做不到的。因此將其應用于橋梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計是一個值得研究的課題。而針對具體的大跨度橋梁結(jié)構(gòu), 怎樣根據(jù)不同的實際情況, 選擇實用可行的優(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： S611文獻標識碼：A 文章編號：

航行于海面上的船舶，由于風浪的作用，其受力和運動非常復雜，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雜。.在利用有限元方法分析綁扎橋的時候，首先要建立合適的力學求解模型，然后利用大型商業(yè)有限元軟件ANSYS對綁扎橋結(jié)構(gòu)進行求解分析。

本文主要是針對兩層綁扎橋這一新形式的結(jié)構(gòu)進行有限元強度及優(yōu)化設計，為綁扎橋結(jié)構(gòu)的力學性能分析以及進一步的優(yōu)化設計提供一種有效的有限元數(shù)值解決方案。

1、基本假設條件

利用有限元方法對綁扎橋結(jié)構(gòu)進行分析時，需要把結(jié)構(gòu)的實際物理模型轉(zhuǎn)化成數(shù)學模型，并根據(jù)有關受力分析離散成有限元計算模型，這一過程實際上是把一個真實模型簡化為一個理想模型，采用的基本假設條件如下：

（1）忽略模型的局部缺陷以及不均勻等特點，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，可以簡化為綁扎橋與船艙簡支連接。

綁扎橋優(yōu)化設計

2.1力學模型

綁扎橋主要受集裝箱對其斜拉力的作用，斜拉力的大小與方向與很多因素有關，譬如風速、浪高、船體傾斜度等。在本項目中，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

綁扎橋拓撲優(yōu)化設計

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

圖2拓撲優(yōu)化示意圖

綁扎橋參數(shù)優(yōu)化設計

基于ANSYS建立了綁扎橋的拓撲優(yōu)化分析模型，對綁扎橋參數(shù)優(yōu)化分析。ANSYS參數(shù)優(yōu)化設計如圖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、約束條件和目標函數(shù)，然后ANSYS自動搜尋設計域，進行優(yōu)化設計。對綁扎橋進行優(yōu)化分析，設計變量為角度、跨距、板厚等變量，約束邊界條件為綁扎橋內(nèi)應力不超過材料屈服應力，位移滿足綁扎橋最小位移要求，目標函數(shù)為質(zhì)量最小，經(jīng)過ANSYS參數(shù)優(yōu)化設計，最終綁扎橋設計如圖3所示：

圖3ANSYS參數(shù)優(yōu)化設計流程圖

圖4綁扎橋參數(shù)優(yōu)化設計后的有限元模型

小結(jié)

基于ANSYS拓撲優(yōu)化設計和參數(shù)化優(yōu)化設計，對綁扎橋進行了優(yōu)化設計。進過優(yōu)化設計后的綁扎橋，無論是在強度上（綁扎橋應力小于鋼材屈服應力），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%，取得了不錯的經(jīng)濟效益。

參考文獻

篇10

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：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、拓撲優(yōu)化方法簡介及理論

（一）優(yōu)化方法簡介。拓撲優(yōu)化是一種數(shù)學方法，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。拓撲優(yōu)化在工程結(jié)構(gòu)設計的初始階段可以提供一個概念性設計，幫助設計者對復雜結(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，且其在概念設計階段能夠激發(fā)設計人員的靈感，有效實現(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)化設計領域的熱點。拓撲優(yōu)化方法包括均勻化法、漸近結(jié)構(gòu)優(yōu)化法和相對密度法，在HyperWords中主要使用相對密度法，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,并假定材料的宏觀彈性常量與其密度成非線性關系。優(yōu)化過程中以單元設計變量的大小來決定單元的取舍。相對于其他優(yōu)化方法,相對密度法設計變量少、計算求解過程簡單。

（二）優(yōu)化理論

1.優(yōu)化設計的數(shù)學基礎。優(yōu)化設計最為關鍵一步是建立優(yōu)化設計的數(shù)學模型，該模型是用數(shù)學的形式表示設計問題的特征和追求目標，是用抽象的方法表達實際問題的特征或本質(zhì)。數(shù)學模型3個方面的內(nèi)容組成，即由設計變量、目標函數(shù)和約束條件，設計變量是在優(yōu)化過程中會發(fā)生改變，是提高優(yōu)化性能的一組參數(shù)，不同參數(shù)代表不同的設計方案。目標函數(shù)是關于設計變量的函數(shù)，即要求的最優(yōu)設計性能。約束條件是對設計變量和其他性能的要求，是對設計的限制。優(yōu)化設計的數(shù)學模型為目標函數(shù)

在Optistruct中，目標函數(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。設計變量X是一個n維向量，它的確定依賴于優(yōu)化類型。在拓撲優(yōu)化中，設計變量是單元的密度；在尺寸優(yōu)化中，設計變量是結(jié)構(gòu)單元的屬性，優(yōu)化設計即在約束條件下，求解目標函數(shù)的最優(yōu)值。

2.基于Optistruct的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計流程結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的選擇為根據(jù)結(jié)構(gòu)設計的特點和要求，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)目標函數(shù)是否已經(jīng)達到最小值、最優(yōu)值。如果達到最優(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)和當前優(yōu)化變量的狀態(tài)修正設計變量，重新進入循環(huán)。Optistruct采用HyperMesh進行結(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、約束和目標以及優(yōu)化參數(shù)；然后提交Optistruct進行結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化。

二、解藕板的輕量化設計

（一）設計目標。解藕板是焊線機中音圈電機和焊頭部分的連接件。在焊線的過程中音圈電機通過解藕板帶動焊頭部分高速、高頻運動，且音圈電機的瞬間加速度為8G左右，因此要求解藕板必須具備高剛性和高頻率，否則將嚴重影響焊頭部分的定位進度。由于焊頭部分及音圈電機的安裝位置已經(jīng)確定，因此不能改變解藕板的長、寬尺寸。現(xiàn)以原始解藕板為基礎進行簡化，將倒角、圓角、螺釘孔等去除，因為這些特征系統(tǒng)位移及動態(tài)特性的影響很小，因此建模時將這些特征略去，簡化后的解藕板模型如圖1所示。通過本次優(yōu)化設計要使解藕板的質(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）拓撲優(yōu)化設計。由于SOLIDWORKS中的模型文件不能直接導入到HyperWords中，因此需將文件轉(zhuǎn)換為PRT為后綴的格式，然后導入到HyperWords中進行幾何清理、網(wǎng)格劃分、質(zhì)量檢查、建立負載和約束等操作。其中在網(wǎng)格劃分時為提高后處理運算效率，用四面體網(wǎng)格進行劃分，尺寸大小為10L。在添加負載及約束時，通過三維建模計算，得焊頭部分的質(zhì)量200K，將其施加于焊頭部分連接面，解藕板與音圈電機連接面采用全約束，網(wǎng)格及加載后模型如圖2。

在拓撲優(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當成優(yōu)化參數(shù)。本文解藕板的拓撲優(yōu)化以解藕板的體積和柔順度（Compliance為響應體積是全局響應，柔順度必須分配到子程序中），以柔順度最小為目標函數(shù)，對于結(jié)構(gòu)靜力優(yōu)化，結(jié)構(gòu)整體剛度最大等價于結(jié)構(gòu)的柔順度（Compliance）最小化，以0.5的體積上限范圍為約束，運用Optistruct模塊進行解藕板的拓撲優(yōu)化計算，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)果對比

在ALGOR中對原始及優(yōu)化后的解藕板模型進行靜應力和模態(tài)分析，對比靜態(tài)位移、固有頻率及質(zhì)量指標，通過簡單計算檢驗優(yōu)化結(jié)果是否達到設計目標。驗證分析中所加負載及約束與拓撲優(yōu)化時完全相同，根據(jù)焊線頭部分運動頻率及振動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處。四階模態(tài)頻率及對應最大位移如表1。

為了直觀的看出驗證結(jié)果，現(xiàn)將設計目標及優(yōu)化結(jié)果的一些重要參數(shù)列于表2：

由表2看到拓撲優(yōu)化設計的解藕板完全滿足設計目標，而且三項參數(shù)均得到不同程度的改善，證明拓撲優(yōu)化設計的解藕板是較合理的。

四、結(jié)論

（一）基于HyperWords的Optistruct模塊，運用優(yōu)化理論對焊線機的解藕板進行了輕量化設計，同時考慮到實際應用及機加工工藝的要求，依據(jù)實際經(jīng)驗對模型進行部分修改及布筋。通過對原始解藕板及優(yōu)化設計后的解藕板進行靜力學及動力學分析及參數(shù)對比，驗證了輕量化設計的預設目標。從優(yōu)化過程及結(jié)果可以得出：基于HyperWords的Optistruct模塊的優(yōu)化設計，不僅在產(chǎn)品的設計開發(fā)初期縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)成本，而且可以對已有部件以柔度和固有頻率為目標進行輕量化設計，降低了原材料成本。

（二）拓撲優(yōu)化設計不僅要求從事此工作的技術人員有豐富的工作經(jīng)驗及專業(yè)技能，更要求要不同學科技術人員的參與，如CAD、CAE、CAM等多學科技術人員。

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

（四）拓撲優(yōu)化技術在國外工程領域已經(jīng)有較多應用，而且已有大量成功應用的案例，反觀國內(nèi)的工程應用還較少，我們要加強這方面的工作，縮小與國外的差距。

參考文獻

[1]隋允康,葉紅玲,杜家政.結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化的發(fā)展及其模型轉(zhuǎn)化為獨立層次的迫切性[J].工程力學,2005,22:107-118

[2]劉旺玉,曾琳.基于OptiStruct的風力葉片拓撲優(yōu)化設計[J].機械工程師,2009,6:47-48