时间：2023-11-06 11:02:40
引言：易发表网凭借丰富的文秘实践，为您精心挑选了九篇数字化仿真技术范例。如需获取更多原创内容，可随时联系我们的客服老师。
关键词：数字化仿真；卓越计划；机械原理；创新能力
作者简介：李杰（1979-），男，河北石家庄人，石家庄铁道大学机械工程学院，讲师；范晓珂（1972-），女，河北石家庄人，石家庄铁道大学机械工程学院，副教授。（河北 石家庄 050043）
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）05-0083-02
“卓越工程师教育培养计划”（简称“卓越计划”）是高等院校贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》和《国家中长期人才发展规划纲要（2010-2020年）》的一项重大改革项目，其目的在于培养造就一大批具有较强创新能力、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，为国家工业的转型升级、建设创新型国家和人才强国战略服务。该项目的实施将促进高等教育面向社会需求培养人才，对全面提高工程教育人才培养质量具有十分重要的示范和引导作用。[1]2011年，石家庄铁道大学被教育部批准成为第二批133所“卓越工程师教育培养计划”培养高校之一。“机械原理”课程作为机械工程类的专业基础课程，是石家庄铁道大学（以下简称“我校”）机械设计制造及其自动化专业、车辆工程专业、“茅以升”试验班和“卓越”班的必修课程，占有重要的地位。由于学生人数的增加和新课程的开设，“机械原理”计划学时不断被压缩，而教学内容却不断补充，传统的教学模式很难满足“卓越计划”的要求，很难培养具有创新意识、创新能力的高素质人才。[2]因此，利用数字化仿真技术改善“机械原理”以往传统的教学与实验存在的问题，提高学生的创新能力，培养学生成为具有工程思维的实用型与创新型人才，适应“卓越计划”的发展具有重要的意义。
一、课程教学内容与安排
“机械原理”的课程内容主要有：机械的结构分析、机构的运动和力分析、机械的效率、自锁与平衡、各种常用机构的设计和机械系统的方案设计等内容，共64学时，讲授54课时，实验8学时，“机械原理”课程设计1周。讲授的内容中，主要重点介绍机械的结构分析、机构的运动和力分析、机械的效率、自锁与平衡、常用机构的特点及其设计，其中包括连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、轮系和其他的常用机构等；[3]机械系统的方案设计内容结合课程设计时完成；实验安排主要针对一些机构的验证、设计与综合，旨在提高学生的动手能力和对机构进行创新设计的能力。但是，由于课时限制，该课程所设置的实验只能完成4个，很难满足“卓越计划”的要求，不利于培养学生的实践能力和创新能力。
二、教学方式的改革
数字化仿真技术是近几年发展起来的一种先进的机械设计方法，它是指将计算机仿真技术应用于产品设计领域，利用计算机分析软件通过建模可对该机构进行运动模拟，对机构及整机进行运动仿真。数字化仿真技术在“机械原理”教学中的应用，不仅可以使得学生对机械原理中的各种机构有感性的认识，而且通过对各种机构的仿真模拟可以使得学生对各种机构的运动与动力特性有直观的了解，有利于培养学生的创新能力。[4]笔者将数字化仿真技术引入到“机械原理”教学中，下面以连杆机构为例，介绍在连杆机构教学中应用数字化仿真技术的一些体会。
1.理论教学的改革
在连杆机构的教学中，连杆机构的基本形式为铰链四杆机构，其三种基本形式分别为曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构，当一个铰链四杆机构为曲柄摇杆机构时，通过机构的倒置则可以得到双曲柄机构和双摇杆机构。
在教学过程中，利用数字化仿真软件建立曲柄摇杆机构的数字化模型，按照要求对各相关参数进行设置，其中包括：各杆长度、质量、电机转速、力矩大小等。如图1所示，在四杆机构中各杆分别以转动副相连，分别为A、B、C、D；各杆杆长分别为280mm、520mm、500mm、720mm，然后对杆4固定，杆1为曲柄，在转动副A上加力矩，其数字化模型如图1所示。通过运动仿真对曲柄摇杆机构进行相应的运动分析。[5]曲柄摇杆机构的运动分析如图2所示。
在教学过程中，图1能够清晰演示四杆机构的运动画面，其中曲柄以等角速度转动，摇杆则在一定角度范围内摆动。从图2的角速度图中可以看出曲柄转速为30°/S，而摇杆的摆角为0°～30°。
在曲柄摇杆机构中其他参数保持不变的前提下，只改变曲柄摇杆机构的机架，取原来的杆件1为机架，杆件2为曲柄，对机构进行运动仿真，可以看出，通过改变机架后，原来的曲柄摇杆机构变为了双曲柄机构。双曲柄机构的运动分析如图3所示。
在教学过程中，利用数字化仿真技术学生能够直观看出此时两个曲柄都在做整周的回转运动。从图3中的角速度图中可以看出主动曲柄转速为30°/S，而从动曲柄的转速为不等速连续回转，范围在15°/S～65°/S之间。
最后，在曲柄摇杆机构中，取原来的摇杆3为机架，杆4为曲柄，在其他参数保持不变的前提下对机构进行运动仿真，可以看出，通过改变机架后，原来的曲柄摇杆机构变为了双摇杆机构。双曲柄机构的运动分析如图4所示。
图4的动画演示中能够看出，两个摇杆都不能在整周范围内转动，都在一定范围内做往复摆动，从图4中的角速度图中可以看出主动曲柄摇杆转速为30°/S，而从动摇杆的转速为不等速摆动，范围在0°/S～35°/S之间。
在课堂教学过程中，通过四杆机构的数字化仿真能够使学生在较短的时间内对机构的倒置有清晰的认识，同时提高了学生对计算机应用的兴趣和创新能力。
2.实验教学的改革
由于课时的限制，“机械原理”课程实验共有四次，具体安排如表1所示。
由表1看出：“卓越”班的实验教学比较少，不能够满足学生创新能力和实践能力培养的需求。在实验教学过程中，可以利用数字化仿真技术进行有效的弥补，同时也可以对以上实验进行虚拟验证。在实验2机构运动方案创新设计实验教学过程中，可以先让学生根据实验台搭建不同的机构，分析机构的运动过程，并绘制机构的运动简图，课下让学生通过计算机根据所绘制的机构运动简图建立所搭建的机构模型，进行数字化仿真模拟，直观形象地模拟实际搭建机构的运动过程。而对于实验3机构运动参数测量与分析实验，事先让学生在计算机上对机构进行数字化仿真，测量出机构的位移、速度和加速度曲线，然后再与实验测量的曲线进行相应的比较。对于实验中没有的内容，也可以通过对机构的数字化仿真来培养学生的计算机应用能力和机械创新设计的能力。
三、教学效果
通过数字化仿真技术在“机械原理”课程中的应用，在理论教学过程中对所讲授知识可以实时地进行虚拟仿真，有效改变传统理论教学加实验教学的方法，节省课时。在实验教学中，通过数字化仿真技术和实验相结合大大提高了学生对实验的兴趣，提高了学生的计算机应用能力，同时也培养了学生的机械创新设计意识。
四、结束语
通过教学实践表明，将数字化仿真技术引入到“机械原理”教学中具有较大的新颖性，促进了学生对“机械原理”课程基本理论的理解，实现了教学方法的创新。
新的教学方法能够调动学生学习的积极性，在教学过程中学生能够变被动接受为主动思考，通过对不同的方案进行实时仿真，能够激发学生的创新意识，提高分析问题、解决问题的能力。
数字化仿真技术在本门课程中的应用锻炼了学生将理论知识与实际应用相结合的能力，同时也提高了学生的创新能力。这种教学模式的探索为其他工程类专业基础课程适应“卓越工程师培养计划”的教学改革提供了借鉴经验。
参考文献：
[1]毛娅.适应“卓越工程师培养计划”的机械原理双语教学探索与实践[J].探索与践，2006，4（13）：191-192.
[2]卢梅，李威，邱丽芳.虚拟仿真实验技术在机械原理实验教学中的应用研究[J].仪器仪表用户，2006，4（13）：25-26.
[3]孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2006.
关键词：家具 数字仿真 个性定制 快速设计
中图分类号：TS664.01 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2015）07-0000-00
Abstract：Furniture manufacturing traditional design approach has been difficult to meet the globalization of markets， the demand for individual requirements. How to improve the quality of furniture products， shortening product life cycles furniture， furniture market to meet the needs of personalized custom furniture business is a common problem faced. Digital simulation platform furniture products through its vast library of standard parts， used parts library， variable type of products manufactured model library conceptual design and variant design， thereby enhancing the core competitiveness of enterprises radically. This article introduces a numerical simulation based platform and personalized custom furniture product design process， and the architecture and key technologies of digital simulation platform for a analysis.
Key words： furniture； digital simulation； personalized custom； rapid design
随着用户对家具的个性化要求不断提高，家具制造行业正在发生以下方面的变化：（1）激烈的市场竞争以及数字化生产技术的应用使家具产品的生命周期缩短；（2）传统家具市场逐渐呈饱和趋势，以整体衣柜、整体橱柜为代表的更具选择性的销售行为使家具市场朝着个性化、多样化的方向快速发展；（3）用户售前体验和使用质量已经成为用户购买的首要因素之一；（4）数字化制造可以大大加快产品的开发速度并降低开发风险。
1家具制造行业现状
近年来，自动化的家具制造装备普及应用使我国家具行业有了飞速发展，但是大多数企业仍然以工厂模式设计、生产传统家具，设计环节大部分也只是采用通用CAD软件。与德国等制造业强国相比，我国家具制造业存在的主要问题是：（1）家具产品以低端固定产品为主，缺乏原创性和定制化；（2）劳动力成本和材料价格上升等原因致使成本增加，传统家具企业竞争优势正在减弱，一大批小型家具企业面临倒闭。这些问题促使家具行业与其他相关产业相互渗透、交叉、重组，行业融合有深入发展趋势。当前，以“互联网+家具”的数字化家具设计与制造模式处于萌芽期，发展潜力巨大。与此同时，政府扶持下的产学研一体化进程加快，互联网制造和产品虚拟化设计受到空前重视。
如何能在高质量低成本的基础上缩短家具产品的生命周期，开发出具有市场竞争力的产品，是家具制造企业普遍面临的问题。企业能否根据用户的个性需求快速地设计制造出定制产品，已经成为企业能否占领市场、发展壮大的关键。数字仿真技术支撑下的快速设计方法，用户个性定制支撑下的快速设计理念将成为家具行业未来设计发展的主要方向。
2 定制化家具产品设计方法
传统的家具生产中，卖方主导市场，生产出标准产品供用户选择，消费者对商品没有选择的主动权，卖方只关心产品数量，很少考虑市场的个性化需求。传统的家具产品设计流程如图1所示。
在经融危机、劳动力成本上升、传统家具市场逐步饱和等因素的冲击下，家具制造企业必须转型升级。同时，面对消费者不断变化的个性化需求，制造过程需要不断缩短产品生命周期，降低生产成本，更加直接的面对用户需求设计家具产品。此时，更高效的家具产品设计流程如图2所示。
上述对比可知，数字化定制设计来源除了概念设计（分析用户需求生成概念产品的设计活动）外还有变形设计（修改参数或局部调整结构的设计活动）。与传统的概念设计相比，现在的概念设计来源不单单是用户需求下的重新设计，而是家具产品标准件、常用件标准库支撑下的组合设计，其设计效率更高。新增的变形设计则是根据用户的实际需求，对已有的可进行生产制造的产品模型进行合理改动并快速生成，新产品的设计周期更短。在庞大的由标准件库、常用件库、可变型制造的产品模型库组成的数据库支撑下，产品的开发设计时间会大幅缩短。同时，概念设计中补充进来的新数据将进一步的扩充标准数据库，从而促进后续的开发设计，使整个开发设计形成良性循环。
此外，与传统的基于通用CAD的家具产品设计流程相比更高效的家具产品设计流程中多了通过建立虚拟产品模型（样机），并对其做仿真测试与实验的步骤。一方面，设计人员通过虚拟家具产品能够更好的模拟其生产出来的效果，提升用户的售前体验，评估是否满足购买需求；另一方面，设计人员通过虚拟产品能够发现可能遇到的设计缺陷、制造缺陷等。
家具产品的虚拟设计可通过搭建家具产品数字仿真平台来实现。
3 数字化仿真平台研究
数字仿真技术，就是在数字化参数下运用一个虚拟的系统模拟真实系统的技术。数字仿真技术已经成功应用在航空航天、信息、生物、材料等领域，并在产品研制的全生命周期中得到广泛的使用。在家具设计领域，该技术尤其是在家具组建库的建立以及三维渲染效果方面有待进一步探索。图3给出了家具产品数字仿真平台的整体研究架构。
数字化仿真平台的研究构架中，通过基础项目的研究，完成各项数字化支撑技术进而开发出各类工具，最终完成整个平台的搭建。在虚拟现实技术VR（Virtual Reality）等设备的支持下，以家具行业工艺和知识库为基础，通过相关学科的优化算法来研究家具三维数据下的动态工艺生成、三维渲染、拆单排样等技术。并以三维引擎为核心研究仿真元模型建模技术、模板定制技术、组件模型装配技术、模型资源库中的家具产品分类标准技术。这些技术的互动则是通过虚拟交互动作规则与虚拟交互产品行为算法来实现的。在这些支撑技术的基础上，开发相应的管理工具、模型建模、装配仿真工具以及配套的数据Web交互系统和接口。
以下5点是建立数字仿真平台的关键：（1）三维数据引擎。平台主要是面向设计与虚拟交互，其中存在大量的三维图像实时互动，这对系统的三维数据引擎提出了较高的要求。三维数据引擎作为底层开发工具支撑着高层的图形软件开发，它包含了基本图形的通用算法和工具的封装。三维引擎还包括仿真图形的三维渲染算法，使得用户能够观测到逼真的设计效果图。（2）零件族模型的信息模型描述。产品建模是变型设计的必要手段，而建模的核心任务是建立能够变型的产品和零件族模型。而零件族模型的变型能力（尺寸变型能力和局部结构变形能力）与所建立的信息模型描述息息相关。因此，零件族模型的信息模型即其数据结构的确定非常重要。（3）设计过程中的数据层次结构的建立与维护的算法。在产品设计过程中，需要确定一种数据结构类型来描述组件间的层次关系，并确定相关实现算法。（4）产品设计中的基于约束的选配算法。大批量定制设计是根据产品主体结构、零部件主模型和文档来进行，根据产品特性可将所要选配的模块分为：基础模块、必选模块和可选模块。在选配时，已被选配的模块可能对后者选配时有约束作用，因此需借助于关联矩阵，构建基于属性约束的选配算法。（5）产品设计中的装配建模技术。目前比较典型的装配方法有两种：自底向上和自顶向下的建模方法。但在大批量的定制设计中，装配的自动化程度决定了装配建模的速度，采取上述方法进行装配建模不能满足设计要求，因此需要研究基于特征约束的预定义的装配方式。
4 平台实现
定制家具数字化设计与仿真平台（图4）采用Visual Studio 2010环境开发，基于OpenGL三维图形引擎。平台构建了板式家具零件族模型和组建库，并建立了模型组件间的形变关系约束与装配参数约束，平台能够根据设定的家具外形尺寸自动生成组建尺寸和加工工艺，目前已经初步应用于衣柜等板式定制家具产品的仿真设计。
5结语
家具产品数字仿真平台革新了企业的产品设计和生产方式。一方面，在三维建模环境中，由家具行业标准件库、常用件库支撑的概念设计能有效的缩短家具产品的设计周期，平台能直接根据用户个性定制的需求完成家具产品的变形设计；另一方面，数字化设计平台能够与企业的自动化生产线进行对接，从而实现设计数据驱动生产的定制家具制造执行系统。平台有效提升了定制型家具企业的产品设计效率，显著缩短家具产品的生命周期，降低企业的生产成本，通过数字化的方式控制生产，还有效的降低了出错率。
参考文献
[1]董媛媛，刘文金.家具产品生命周期的细分与设计策略[J].家具与室内装饰，2007 （3）：30-31.
[2]蒋松林，陈祖建，何晓琴.基于消费者价值的家具产品设计策略[J].家具与室内装饰，2010（10）：11-13.
[3]王伟荣.家具产品的三维展示设计与实现[D].上海：上海交通大学，2012.
关键词:软件无线电;中频数字化接收机;Matlab;PCM-FM
中图分类号:TN911.3文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)05-035-04
Modeling and Simulation of IF Digital Receiver
XIANG Bing
(China Airborne Missile Academy,Luoyang,471009,China)
Abstract:Conventional IF digital receiver uses the Simulink module in Matlab to create the modeling and simulation,the function module is realized by subfunction of Matlab,so the difference is existed between system models and hardware implementation,and the simulation results are in consistent with the fact.How to create the modeling and simulation by using Matlab programming language,make the system modeling according with the hardware as soon as possible are introduced,and the simulation results reflect the factual capability much more.
Keywords:software radio;IF digital receiver;Matlab;PCM-FM
中频数字化接收机是基于软件无线电的思想,根据带通采样定理将射频接收机输出的中频信号通过ADC(模/数转换器)转换成数字信号,并通过数字下变频将中频信号变换到数字基带,然后在基带进行数字化解调和处理。中频数字化接收机具有结构简单、编程灵活、可靠性高等优点,因此在民用和军事通信中被广泛应用。通常采用Matlab的可视化工具Simulink对中频数字化接收机进行建模和仿真,但是由于Simulink建模采用的是Matlab工具库中已经封装好的模块,其实现过程与数字化接收机中的硬件实现过程不一定完全相同,所以仿真结果往往不能完全反映硬件平台所能达到的实际性能。本文介绍了利用Matlab语言编程实现中频数字化接收机的建模和仿真,使系统模型尽可能与真实的硬件平台相一致,仿真结果更加真实可信。
1 系统原理及结构
中频数字化接收机的系统框图如图1所示,由抗混叠滤波器、高速ADC模块、数字下变频、抽样率转换和数字信号处理模块等部分组成。抗混叠滤波器首先将带外信号滤除,以防止在数字采样时发生频率混叠;高速ADC模块根据带通采样定理将中频信号转变为数字中频信号;数字下变频模块将数字中频信号转换为基带信号并产生两路相互正交的分量;抽样率转换模块将系统采样率降低以利于后面的数字信号处理;经过降采样的I,Q信号送入数字信号处理模块进行数字解调。
图1 中频数字化接收机系统框图
2 基于Matlab编程的系统仿真
以PCM-FM中频数字化接收机为例,通过Matlab编程建立了中频数字化调制、解调的系统仿真模型,如图2所示。
图2 PCM-FM系统仿真模型
仿真模型中模拟信号源的信息速率为5 Kb/s,FM调制指数为0.7,中频输入信号频率为42 MHz,根据正交数字下变频原理[1],选择符合fs=4f0/(2K-1),K为大于等于1的整数且fs≥2B条件的采样频率fs,可以不需要正交本振和混频运算,因此fs设为8 MHz。
2.1 数字模拟源
数字模拟源产生一组二进制数字序列,通过将数字符号一一映射为相应的信号波形后,就形成了数字调制信号,数字模拟源的Matlab程序如下:
%采样频率8 MHz
fs=800000;
%信息速率5 kHz
fb=5000;
%时间采样间隔
dt=1/fs;
%子码数据长度
N=32;
%超采倍数
N_sample=fs/fb;
%码元宽度
Ts=N_sample*dt;
%仿真时间
t=0:dt:(N*N_sample*dt-dt);
%二进制序列
uk=(sign(randn(1,N)));
%整数倍内插
dk=sigexpand(uk,N_sample);
%NRZ成形滤波
gt=ones(1,N_sample);
ds=conv(dk,gt);
xt=ds(1:length(t));
figure(1)
plot(t,xt);
axis();
运行结果如图3所示。
图3 数字模拟源运行结果
2.2 载波调制
根据奈奎斯特采样定理,经过A/D采样之后的信号频谱为原信号频谱之搬移后的多个叠加,如图4所示。42 MHz的中频信号经过8 MHz的A/D采样,在2 MHz频点处也会存在搬移后的信号频谱,所以载波频率设为2 MHz与设为42 MHz等价。载波调制根据数字直接频率合成器(DDS)的工作原理实现。
图4 采样信号的频谱
载波调制的Matlab程序如下:
%载波频率2 MHz
f0=200000;
%调制指数
hp=0.7;
%DDS满幅度(20位宽)
MP=2^20;
%DDS初相控制字
DP=0;
%DDS频率控制字
DF=f0/fs*MP;
%瞬时频率控制字
FQ=DF+xt*hp*fb/fs*MP;
%瞬时相位
PQ=zeros(1,length(t));
for i=2:length(t)
v1=PQ(i-1);
v2=FQ(i-1);
%瞬时相位
v3=DP+v1+v2;
PQ(i)=v3;
if PQ(i)>MP
PQ(i)=PQ(i)-MP;
end
end
%FM调制信号,功率为1 W
sig=sqrt(2)*cos(2*pi*PQ/MP);
%FFT变换
=T2F(t,sig);
figure(2)
subplot(2,1,1)
plot(t,sig);
subplot(2,1,2)
plot(f,abs(xf));
运行结果如图5所示,分别为调制信号的时域波形和频谱特性。
图5 载波调制信号波形及频谱
2.3 加入高斯白噪声
根据设定的载波调制信噪比,可以调用Matlab的随机序列产生函数(randn)产生一定功率的高斯白噪声,randn函数产生的是宽带高斯白噪声,实际进入中频数字化接收机的高斯噪声为经过抗混叠滤波器以后的窄带噪声,窄带高斯白噪声序列的生成代码如下:
%信噪比10 dB
SNR=10;
%噪声功率谱密度
N0=10^(-SNR/10);
%噪声功率
sigma=sqrt(N0);
%产生宽带高斯白噪声
noise=sigma*randn(1,N*N_sample);
%FFT变换
=T2F(t,noise);
df=f(2)-f(1);
%PCM-FM载波调制信号带宽
B=(2*(1+hp)*fb);
B1=f0-B/2;
B2=f0+B/2;
T=1/df;
%带通滤波器的冲击响应
hf=zeros(1,length(f));
bf=;
bf1=floor(length(f)/2)+bf;
bf2=floor(length(f)/2)-bf;
%功率谱密度放大fs/(2B)倍
hf(bf1)=sqrt(fs)/sqrt(2*(B2-B1));
hf(bf2)=sqrt(fs)/sqrt(2*(B2-B1));
%频域带通滤波
yf=hf.*sf.*exp(-j*2*pi*f*0.1*T);
=F2T(f,yf);
%窄带高斯白噪声
nt=real(nt);
figure(3)
subplot(4,1,1)
plot(t,noise);
subplot(4,1,2)
plot(f,abs(sf));
subplot(4,1,3)
plot(f,abs(yf));
subplot(4,1,4)
plot(t,nt);
2.4 正交数字下变频
根据正交数字下变频的原理,当采样频率满足fs=4f0/(2K-1)的条件时,将采样序列进行奇偶分路和符号变换就能得到数字基带信号的同相分量和正交分量,但两者的频谱相差一个相位因子e-jω/2,对应时域上相当于半个周期的延迟。这种时间上的“对不齐”,可以采用两个插值滤波器加以校正。正交数字下变频的代码如下:
IK=zeros(1,length(t)/2);
QK=zeros(1,length(t)/2);
th=zeros(1,length(t)/2);
for i=1:length(t)/2
th(i)=t(2*i);
IK(i)=((-1)^i)*ft(2*i);
QK(i)=((-1)^i)*ft(2*i-1);
end
%4倍内插滤波器第一支路
ht1=0.176760 0.048912 -0.011994 -0.000307〗;
%4倍内插滤波器第三支路
ht2=0.133363 -0.004164 -0.004291 0.000083〗;
IK=conv(IK,ht1);
IK=IK(1:length(th));
QK=conv(QK,ht2);
QK=QK(1:length(th));
2.5 CIC抽取滤波器
由于信号带宽只有5 kHz,而经过正交数字下变频以后的采样率为4 MHz,因此可以采用抽取滤波器降低数据处理速率。根据CIC滤波器的公式推导,一级K倍CIC抽取滤波器的输出为K个元素求和,即:
y(m)=x(Km)+x[K(m-1)]+…+
x[K(m-K+1)]
(1)
二级级联K倍CIC抽取滤波器的输出为K×K个元素求和,即:
y(m)= {x(Km)+x[K(m-1)]+…+
x[K(m-K+1)〗}+{x[K(m-1)]+
x[K(m-2)]+…+x[K(m-K)〗}+
……
{x[K(m-K+1)+ x[K(m-K)]+…+
[K(m-2)(K+2)〗}
(2)
同样,三级级联K倍CIC抽取滤波器的输出为K×K×K个元素求和。N级滤波器的带内容差是单级时的N倍,因此多级级联虽然能增大阻带衰减,减小混叠影响,但会增大带内容差,所以滤波器的级联数是有限的,不宜太多,一般以5级为限。下面是正交支路IK经过3级级联CIC滤波器的Matlab代码:
for i=1:length(th)/K
if i>(-3/K+3)
v1=0;
for j1=0:(K-1)
for j2=0:(K-1)
for j3=0:(K-1)
v1=v1+IK(K*i-j1-j2-j3);
end
end
end
ID(i)=v1/K^3;
end
2.6 数字鉴频
经过降采样和滤波的I,Q两路信号进入数字信号处理单元进行数字化正交解调,数字鉴频可以采用以下代码来实现:
fm=zeros(1,length(td));
am=0;
for i=1:length(td)-1
am=am+(ID(i)^2+QD(i)^2);
fm(i)=ID(i+1).*QD(i)-QD(i+1).*ID(i);
end
am=am/length(th);
fm=fm/am;
2.7 蒙特卡罗仿真
在通信系统的误码率计算中,由于计算公式复杂,甚至在很多情况下无法得到解析解。因此通过蒙特卡罗方法模拟实际的通信过程,得到仿真的通信系统误码率就成为一种方便的手段。
由于蒙特卡罗仿真得到的误码率是一个随机变量,它的精度与仿真次数有关,如果要使仿真得到的误码率精度控制在一定范围内,通常必须保证足够的仿真次数,仿真次数的大小视要求的误码率精度而定,通常选择平均误码事件超过误码率倒数的100倍可以达到精度约90%左右,例如要仿真10-3的误码率,需要仿真约105 b。PCM-FM中频数字接收机的仿真结果如图6所示。
图6 PCM-FM中频数字接收机仿真
3 结 语
本文以PCM-FM为例,详细介绍了在Matlab中
采用M语言编程实现中频数字化接收机系统的建模和仿真,由于仿真系统可以保持与硬件实现过程相一致,因此试验结果与系统仿真结果基本一致,使系统仿真更具有工程实用价值。
参考文献
[1]路后兵,姜秋喜,毕大平,等.基于DSP的多相滤波正交数字下变频[J].电子对抗技术,2004(5):14-17.
[2]杨小牛,楼才义,徐建良.软件无线电原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2001.
[3]郭文彬,桑林.通信原理――基于Matlab的计算机仿真[M].北京:北京邮电大学出版社,2006.
[4]钟麟,王峰.Matlab仿真技术与应用模型[M].北京:国防工业出版社,2004.
[5]韦岗,季飞,傅娟.通信系统建模与仿真[M].北京:电子工业出版社,2007.
[6]朱晓华,王建新,于雷.多相滤波法实现的数字正交相干检波器[J].南京理工大学学报,2001,25(6):642-645.
[7]董晖,姜秋喜,毕大平.数字接收机中基于TMS320C6416的数字下变频技术[J].电子技术应用,2003,29(3):49-51.
[8]姜宇柏,游思晴.软件无线电原理与工程应用[M].北京:机械工业出版社,2006.
[关键词]数字化模型；继电保护；计算机仿真；系统性校验
中图分类号：TM727 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）37-0039-01
0 引言
电网规模的不断扩大和一次系统接线方式的日益复杂对电力系统的安全稳定运行提出了更高的要求。继电保护设备作为维护电网安全稳定运行的第二道防线，已越来越受到人们的重视。
由于电力系统本身是一个动态的系统，电网故障的发生也具有突发性、瞬时性、不可预见性等特点，电网二次系统作为电网安全稳定运行的主要控制手段，有必要在设备投运前对二次系统全面的测试和校验。
目前的继电保护校验只能对二次系统中的继电器（保护装置）的功能与动作特性进行校验，对于在系统故障时能否正确切除故障起决定作用的继电保护定值及二次系统其它参数无法进行验证。
因此本项目提出了在建立电网一次精确模型的基础上，进一步建立二次系统的主要构成元件――各种保护继电器的数字化模型（即虚拟继电器），从而搭建整个电网系统的数字化模型，利用计算机仿真这一先进的技术手段对电网的第二道防线进行模拟，从根本上解决目前难以对电网中的二次系统配置的合理性、准确性、以及各项控制功能的有效性进行全面验证的问题。
1 国内外研究水平综述
目前，对电网中继电保护系统的校验仍然处于装置级水平，即仅仅对单台（套）继电保护设备进行硬件性能、逻辑功能、动作特性等方面的检验，而对于关系到继电保护设备能否正确动作的保护定值的合理性及准确性无法进行检验。
电网本身是由众多元件连接成的统一的系统，对电网中继电保护设备的要求不仅仅局限于逻辑功能正确、动作可靠，更重要的是强调各级电网的继电保护设备的动作特性必须严格配合，在一次设备发生故障时，保护装置必须做到该动必动，不能误动。继电保护定值作为保护设备能否动作的直接依据，各级继电保护装置动作特性的配合实际上就是保护定值的配合。如果对保护定值的正确性进行校验就必须考虑到各级保护定值的逐级配合，联系各级电网对定值进行系统的校验。
由于电力系统故障的瞬时性、突发性、破坏性以及故障过程的不可逆转性，现有的技术手段尚不能对电网各级保护定值进行系统的检验。本文在现已成熟的电网一次设备电磁暂态仿真技术的基础上，提出了建立电网中各种继电保护设备的数字化模型――虚拟继电器，将电网中各级保护定值置入虚拟继电器，通过对电网进行各种电磁暂态仿真过程，观察各虚拟继电器的动作情况，从而检验电网中各级继电保护定值的正确性。
2 理论和实践依据
（1）虚拟继电器模型的建立
实现本文的关键在于建立各种继电保护装置的数字化模型，即虚拟继电器。利用先进的数字建模技术，根据常见继电保护装置的基本原理及动作逻辑，编制程序完成各种继电保护装置的基本功能，并进行测试完善，使之具有与实际继电器相同的动作特性，并预留同外部程序的接口。
（2）虚拟电网的继电保护系统的建立
根据电网的实际情况，实现对电网的电磁暂态仿真模型（一次系统）的保护配置，主要实现虚拟继电器对一次系统模型中相应断路器的控制功能。
（3）对电网一、二次系统模型的仿真研究
利用现已成熟的电网的电磁暂态仿真模型，通过模拟一次系统的各种异常及事故运行状况，分析电网中各种继电保护设备及断路器的动作行为，在此基础上进一步分析继电保护设备的配置与参数整定是否合理。
（4）本文的创新点
本文提出建立电网二次系统的数字化模型，对电网的二次系统进行全面的仿真研究，克服了以前的电网仿真只研究一次模型，忽略二次模型的弊端，只有对电网的一、二次设备进行全面的仿真研究，才能真正实现对电力系统的全方位、全过程的动态仿真。
继电器作为构成电网二次系统的基本元素，本文提出了虚拟继电器的概念，建立虚拟继电器是本文的关键部分，在国内外尚未看到有关虚拟继电器的有关报道。
3 研究内容和实施方案
本文利用计算机建模技术建立虚拟继电器，使之具有与实际继电器相同的故障分析、逻辑判断、动作出口等功能，并具有良好的人机界面，可方便的实现对虚拟继电器进行各种参数及定值设置，从而实现与实际继电器完全相同的功能。
设想电网系统的数字化模型开发及仿真系统由三部分构成，分别为基于微机保护的电网实时仿真装置，通讯和信号转接口以通用自动化二次设备，如图1。
图1 电力系统仿真系统构成图
电力系统是一个庞大而复杂的系统，按照其内在的物理规律、相互关系及实际功用，可将电力系统纷繁复杂、形态各异的设备归纳为若干种类。依其内在机理确定算法，算法面向一类设备，代表其共性。
然后根据实际系统，将通用性的算法应用到特定的设备，对各输入、输出、系数进行配置以反映其特性。并依据物质流向、控制信息流向将它们一一连接起来，即构成模型。建模工程师无须专门的计算机软件知识，只要熟悉仿真对象的工艺流程，具备相应的专业知识，即可从事模型开发和维护工作。
具体到继电保护设备，可根据每种保护的输入、输出量及工作原理建立数学模型，正确反映保护的启动、动作、复归、时间等特性。
所有设备算法均依据物理机理建立，算法涵盖了仿真对象的全工况动、静态特性，既反映了正常运行的规律，又模拟了异常、故障情况下的特性。
在原有电网一次系统仿真模型上，根据实际电网保护配置情况，实现电网二次系统的配置，从而形成完整的电力系统。然后利用现已成熟的电网电磁暂态仿真技术，模拟电网的各种故障及异常运行方式，观察电网中一、二次设备的动作情况，从而判断电网中的各种继电保护设备的配置情况及参数整定是否合理、正确。
4 预期目标和成果形式
本文利用计算机建模技术建立虚拟继电器，使之具有与实际继电器相同的故障分析、逻辑判断、动作出口等功能，并具有良好的人机界面，可方便的实现对虚拟继电器进行各种参数及定值设置，从而实现与实际继电器完全相同的功能。
在原有电网一次系统仿真模型上，根据实际电网保护配置情况，实现电网二次系统的配置，从而形成完整的电力系统。然后利用现已成熟的电网电磁暂态仿真技术，模拟电网的各种故障及异常运行方式，观察电网中一、二次设备的动作情况，从而判断电网中的各种继电保护设备的配置情况及参数整定是否合理、正确。图2为系统进行单相重合闸的仿真结果，图1中给出了一次系统故障电压、电流的曲线以及二次系统虚拟继电器的动作情况，为设计人员及继电保护整定计算人员提供直观的分析依据。
图2 系统进行单相重合闸的仿真
参考文献
[1] 杨乐平，李海涛.LabVIEW程序设计与应用.北京：电子工 业出版社，2005：1～32.
关键词：自动控制理论 模拟仿真技术 电气工程 实时监控
中图分类号：TP13-4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）03（a）-00-01
社会的进步科技的发展带动了自动化技术逐渐取代手工技术，当前工业社会生产活动中自动化技术已经大规模普及推广开来，而且自动化程度不断加深。随之自动控制理论随着数学、计算机等多学科的发展也取得很大的进步，并逐渐由传统的经典控制理论向现代控制理论发展，现代控制理论在精准度和过程控制方面的优势也使得电气自动化技术其过程更加复杂化，在自动化产品设计进入实际工程前要进行一系列的模拟仿真，以确保能够世纪工程需要。
1 电气自动化和仿真技术
1.1 电气自动化的发展和特点
电气自动化作为电气信息方向的一门新学科，因为和人们生产生活密切相关而迅速发展。经过长时期的发展，如今电气自动化已经作为高新技术产业的重要部分而发展较为成熟。电气自动化从一个电气开关开始到整个电气系统的控制部分都有其分布组成。它包括了对开关信号进行控制，对工程目的进行分析，对系统中各设备进行信息交流，对系统中反馈的信息做汇总并按人们预期设定的程序步骤进行智能化的逻辑分析并准确快速做出动作反映，已达到脱离人工而能自动运行的目的。如今，电气自动化技术广泛的应用于工业、农业、军事和交通运输中。在电气自动化中，控制理论是其重要的基础内容。自20世纪四五十年代开始，控制理论一直在不断的发展。经典控制理论的出现标志着控制理论的形成，自动化技术开始得以普及推广。之后随着各种自然学科和计算机技术的迅猛发展，在20世纪五六十年代依托于数列和计算机技术的状态空间法的出现标志着现代控制理论的形成。经典控制理论计算简单便于分析，能够很好的解决单变量定常系统的设计应用。而随着工业进程的发展，人们对自动化程度提出了更高的要求，工业中有关多变量系统的分析设计已经不能再用经典控制理论，现代控制理论的出现解决了这个问题，使得电气自动化技术向着系统更加复杂，控制更加精准的方向发展。
1.2 自动化中的仿真技术
随着工业进程的加快，工业工厂、交通管理、军事国防在进行自动化程度加深的同时也要求对控制过程进行实时监控或着远程监控。仿真技术是自动化控制过程中不可分割的一部分。它通过力控软件将可编程逻辑控制器（PLC）中采集的现场实时数据反映到人际交换界面上来，并用仿真模拟图像对生产过程进行监控。模拟仿真技术也可以在自动化设备投入运行前进行预先模拟运行，以便检查自动控制程序是否稳定，是否满足实际生产需要。
2 仿真技术在电气自动化中的应用
2.1 仿真技术在自动化钢铁厂中的应用
在大型钢铁厂中，从铁矿向高炉送料开始一直到钢铁成型，其过程大多是脱离人工的自动完成，这主要有现场的各种传感器（温度传感器、压力传感器、红外传感器、噪声传感器等），控制室的大型工控机（可编程逻辑器PLC），各种配套的逻辑开关，相关的变频器，变压器等电气设备组成。PLC作为整个自动化的核心部分，对整个自动化过程进行逻辑分析和控制，逻辑开关通过通断作为相应PLC控制动作的执行者，现场的各种传感器和行程开关作为信息来源，将现场的各种实时数据信息传输给PLC，相关电气设备作为运行的支持。在中央控制室中，通过人机交换界面可以将PLC中汇总的各种实时数据反馈到显示屏上，通过这些配套的力控软件可以以图像的形式对钢铁厂的各个生产车间和每个生产过程进程数据进行仿真，并可以在显示屏幕上直接对各个生产过程进行手动控制操作。也可将其上传至网络进行远程协助操作和监控。
2.2 仿真技术在大型汽车组装厂的应用
在大型汽车生产厂，各种零部件的组装是汽车生产厂商所进行的主要活动，一辆车往往需要上万个零部件，而不同的车型需要不同的零部件，即便是同一辆车型的不同配置也需要不同的零部件，如何在最短的时间内组装出最多的车而且正确无误一直生产厂商所关注的问题。电气自动化技术的出现很好的解决了这项问题，并大大提高了汽车的组装速度。在汽车总装车间，各种细小繁多的零件需要按不同的车型组装到一起，由于汽车厂商往往是根据客户的订单需求，同一批次的车型中往往是不同的配置同时进行，这就使现场的操作工单靠脑力无法按时保质保量的完成任务。通过自动控制技术和仿真技术可以有效的解决这个问题。在将汽车组装进行几个部分的分割之后，在各个部分上安装可编程控制器（PLC）作为自动控制器，并安装显示屏作为仿真显示器，将各部分的PLC通过工业以太网连接在CCR（中央控制室）的服务器上，通过IPMS系统通过前端的仿真控制端将各种车型数据导入服务器中，服务器再降不同的配置信息分配到相应的现场PLC中，PLC可以根据不同车型的配置信息将所需的零部件现实到屏幕上，或者制作零部件架并在加上安装拨码灯，使PLC直接控制对应零件拨码灯的亮灭，这样可以是操作工很快捷准确的选取各种零部件，减少了工作强度，增加工作效率。
3 结语
电气工程及其自动化的发展使得我国各行业的自动化进程不断加快，仿真技术作为自动化控制系统中的组成部分，能够很形象的反映出设备实时运行的情况，方便监控与管理。目前可编程控制器（PLC）作为行业经常采用的生产控制设备，与之相应的力控软件能够很好的模拟仿真系统的运行状况，他们已经被越来越广泛运用到社会的各行各业。
参考文献
[1] 肖金凤，朱荣辉，盛义发.电气工程及其自动化专业电机学教学改革研究[J].电力系统及其自动化学报，2003（6）.
[2] 王云岭，高建树.仿真技术在课堂教学中的应用[J].电力系统及其自动化学报，2004（2）.
[3] 杨敏南.中国自动化学会“系统仿真”79年学术交流会在烟台召开[J].冶金自动化，1980（2）.
1引言
小型化质谱仪[1～3]由于其成本低，使用方便等特点，成为了质谱相关研究领域的热点。小型化的质谱技术与传统相比已有了很大的区别，在实现质谱小型化的过程中，不可避免地需要设计新的结构[4，5]。
矩形离子阱（Rectilinear ion trap，RIT）[6]是近年来出现的一种新的质量分析器，因具有易加工、离子存储量大等优点而备受关注。优化矩形离子阱的结构或参数使之发挥更好的分析效果，是质谱研究的方向之一。在实际研究中，判断优化是否可行首先需要对优化后的结构或参数进行仿真分析[7，8]，目前比较有效的仿真软件有SIMION、ITSIM[9]等。
常规的仿真方法首先需要确定矩形离子阱的尺寸、电压等参数，再判断离子在其中是否稳定。若仿真结果不理想，则需要修改离子阱的参数再进行仿真。如此循环，直至得到理想的仿真结果，即在某种结构以及参数下，离子在离子阱中最稳定。离子在矩形离子阱中越稳定，说明矩形离子阱捕获并束缚离子的能力越强，获得的信号强度也越强。该矩形离子阱即为优化后的矩形离子阱。常规的仿真方法一次只能对一种特定的结构或参数进行仿真，需要耗费大量的时间与精力才能得到优化的结果。
本研究提出了一种新的对矩形离子阱进行仿真的方法。此方法可以使用循环遍历的方式一次性对多个不同的参数进行仿真，大大缩短了仿真需要的时间和耗费的精力。此方法以数值分析为基础，对离子在矩形离子阱中的运动进行分析，得到相应的离子运动二阶微分方程。该方程包含了影响离子在离子阱中运动情况的参数。选择需要优化的某个或某几个参数为未知数，其余设为定值，使用数值分析的RungeKutta法，对此二阶微分方程进行求解，得到理想状态下离子最稳定的条件。该条件即为矩形离子阱的优化仿真结果。
此方法简单易行，便于修改，针对性强，可以使用循环遍历的方式来寻找最优参数，避免了繁琐的人工操作，特别适用于对未知结构或参数的探索研究。以此方法为基础可开发离子运动仿真软件，有很好的应用价值。
2离子运动分析
矩形离子阱的电压加载方式：RIT的左右、上下极板加载了高频率的射频（Radio frequency，RF）电压，分别为U+Vsin（Ωt）和U-Vsin（Ωt），U为直流部分幅值，V为高频部分幅值，f=Ω/2π为RF波的频率。
对矩形离子阱进行电场分析[10]，同时根据其特性和电压加载方式，得到电场中任一点的电势Φ表达式：
第10期陈一 等： 一种基于数值分析的矩形离子阱仿真优化方法
其中，（x，y）为t时刻下，离子在矩形离子阱中的坐标，t的单位为10
Symbolm@@ 6 s；RF电压频率为1 MHz；参考目前常用的矩形离子阱的尺寸，设定x，y的单位量级为mm；常用质荷比（m/z）为100（以下仿真所用质荷比均为100）。考虑各变量的单位后，式（3）变为
（4）
其中，若以离子在t时刻的位置（x，y）为未知数，则式中需要优化的参数包括RF电压幅值V，以及矩形离子阱的极板大小比（x0∶y0）。式（4）是二阶微分方程，即Mathieu方程，解这个二阶微分方程可以得到xt， yt的关系，即可以分析离子在t时刻的位置。如果离子的位置超过了离子阱的尺寸范围（x0， y0），说明离子已经撞到了极板上而泯灭，这时的离子阱设计是不合适的。反之，若离子的位置始终在离子阱中，则该离子阱的设计是合适的。进一步，相同时刻下，如果有某个固定的参数V、（x0∶y0），使得离子在离子阱中的位置（x，y）最小，则离子最稳定，此参数为离子阱的最优参数。
3基于数值分析的矩形离子阱仿真与优化
改变矩形离子阱尺寸为15 mm×15 mm，结果如图1b所示。离子阱的尺寸增大后，在相当一部分时刻下，离子位置（x，y）都超过了离子阱的尺寸（15 mm），即离子会在这些时刻撞上离子阱的外壁，从而泯灭，故此时的离子阱是不稳定的。这不难理解，因为在离子阱上加载的电压仍然是200 V，此电压对于增大尺寸的离子阱来说较小，不能完全束缚住离子。
在保证电压能束缚住离子的情况下，固定电压幅值，对矩形离子阱的最佳长宽比进行探讨，将长宽比值x0∶y0从10逐渐减小到1（即从5 mm×0.5 mm变化到5 mm×5 mm）。编写循环算法并计算，得到离子在不同尺寸比例下的运动范围与对应尺寸的比例关系，如表1所示。在尺寸为5 mm×0.5 mm、5 mm×1 mm时，Max（y）/y0>1，即离子运动超出了离子阱的范围，故这种设计是不正确的。在尺寸为5 mm×1.5 mm～5 mm ×5 mm时，离子的运动范围都在离子阱内，都是稳定的。但是，离子运动的范围各不相同，当运动范围最小时稳定性最好。使用x、y方向运动的最大值和原始尺寸相比之和再取平均，即[Max（x）/x0+Max（y）/y0]/2，表征离子运动的稳定性。由表1得出，在尺寸为5 mm×3.5 mm时，上式的值最小，能够得到最好的稳定性。
从图2可见，在不同电压下，矩形离子阱极板的尺寸比约为1∶0.7到1∶0.8时，离子的运动幅度最小，离子最稳定，此时离子阱的尺寸最优。所以，矩形离子阱的长宽比应为1∶0.7或1∶0.8，才能保证最优的离子捕获及束缚效果。
4结果与讨论
根据优化条件，设计加工了尺寸为10 mm × 7 mm × 40 mm的矩形离子阱，并进行了实验。实验装置如图3。实验采用紫外灯源（德国贺利氏特种光源）作为离子源，其极化能量为10.6 eV，波长为116.5 nm[12]。使用乙醇（C2H5OH，m/z=46）为样品，挥发出来的乙醇气体和载气（氮气）[TS（][HT5”SS]图3矩形离子阱测试实验装置示意
Fig.3Facilities for the experiment of rectilinear ion trap[HT5][TS）]
混合后成为样品混合气体。样品混合气体中的乙醇通过紫外灯源时被离子化。紫外灯源的极化电压为1.5 V，混合气体流速为0.8 L/min。
真空系统使用德国Pfeiffer的Hicube80E真空泵组，真空腔为自制。使用夹管阀[2]（意大利SIRAI公司）实现样品的进样。夹管阀关闭时，真空腔内部的气压约为4×10
使用法拉第筒作为检测器进行检测，法拉第筒检测器连接微电流检测仪（Keithley）。测得的电流信号转化为数据传递至计算机，经计算机处理后得到相应的质谱图。
实验参数及得到的信号如图4所示，其中横坐标是折算后的质荷比，纵坐标为测得的电流值（负模式）。在m/z 45.8左右得到了质谱峰。由于实验中法拉第筒检测器的屏蔽不完善，RF电压在扫描时对测量信号产生了一定的影响，导致了背景信号有略微倾斜。本研究使用的法拉第筒检测器，其灵敏度较低，作为对比的结构未优化的矩形离子阱基本测不到信号。这从侧面证明了仿真优化的效果。从实验结果可知，所设计的矩形离子阱能够正常工作，证明了本文所述方法的实用性和正确性。
5结论
本研究介绍了一种基于数值分析的仿真方法，实现了对矩形离子阱的仿真以及优化设计。使用本方法设计加工了矩形离子阱并进行了实验，得到了乙醇的质谱图，证明了本方法的实用性和正确性。
本方法可以推广到质谱小型化的相关研究中去。质谱的小型化不仅是结构上的等比例缩小，而且涉及到新的结构或方法。本方法可以有效地辅助研究人员完成新结构以及新方法的确立，有很好的应用价值。
基于数值分析的仿真方法是一种探索性的仿真方法，简单易行，便于修改，针对性强，使用循环遍历的方式可一次性对多个不同的参数进行仿真，大大缩短了仿真需要的时间和耗费的精力，特别适用于对未知结构或参数的探索研究。以本方法为基础可开发离子运动仿真软件，有很好的应用前景。
References
1Gao L， Song Q Y， Patterson G E， Cooks R G， Ouyang Z. Anal. Chem.， 2006， 78（17）： 5994-6002
2Gao L， Sugiarto A， HarperJ D， Cooks R G， Ouyang Z. Anal. Chem.， 2008， 80（19）： 7198-7205
3Pau S， Whitten W B，Ramsey J M. Anal. Chem.， 2007， 79（17）： 6857-6861
4Taylor N， Austin D E. Int. J. Mass Spectrom.， 2012， 321322： 25-32
5Wang M， Quist H E， Hansen B J， Peng Y， Zhang Z， Hawkins A R， Rockwood A L， Austin D E， Lee M L. J. Am. Soc. Mass Spectrom.， 2011， 22（2）： 369-378
6Ouyang Z， Wu G X， Song Y S， Li H Y， Plass W R， CooksR G. Anal. Chem.， 2004， 76（16）： 4595-4605
7LUO Chan， DING ChuanFan. Chinese J. Anal. Chem.， 2012， 40（7）： 989-995
罗 婵， 丁传凡. 分析化学， 2012， 40（7）： 989-995
8Li X， Jiang G Y， Luo C， Xu F X， Wang Y Y， Ding L， Ding C F. Anal. Chem.， 2009， 81（12）： 4840-4846
9Bui H A， Cooks R G. J. Mass Spectrom.， 1998， 33（4）： 297-304
10HUANG WenXue， WANG Yue， XU HuShan， SUN ZhiYu， XIAO GuoQing， ZHAN WenLong. Nuclear Physics Review， 2005， 22（3）： 254-260
黄文学， 王 玥， 徐瑚珊， 孙志宇， 肖国青， 詹文龙. 原子核物理评论， 2005， 22（3）： 254-260
11LI HongZhi， LI JianGuo. J. Mathematical Study，2004， 37（3）： 279-285
李宏智， 李建国. 数学研究， 2004， 37（3）： 279-285
关键词:射频标签;防碰撞;编址策略;应急;物资管理;计算机仿真
1研究背景和概述
射频标签(RFIDtag)又称电子标签，在跟踪、物流、物资管理等领域已得到广泛应用，例如:图书馆门禁系统，交通收费，仓储管理、货架管理以、应急物资管理及食品安全溯源等。其中，用于解决读写器作用范围内多标签识别情景下的射频标签识别防碰撞方法已成为该领域的重要研究点。射频标签的防碰撞方法主要是为了解决在射频标签识别设备的有效通信区域内，当多个射频标签同时与识别设备进行通信时产生的地址冲突问题。目前学术界对射频标签防碰撞问题集中于对算法本身的研究，一般没有考虑射频标签编码策略的因素。本文对采用经典的QT射频标签防碰撞算法情况下，分别使用“层次化编址”和“随机编址”两种编址策略的射频标签识别吞吐率进行比较研究。通过模拟仿真可以得出结论，利用“随机编址”策略可以获得比“层次化编址”策略更高的射频标签识别吞吐率。而“层次化编址”策略也有其优势，一是现有的商用射频标签产品，大多采用了高位地址相同，低位地址连续增加的“层次化编址”策略；二是“层次化编址”本身可以直接提供商品厂家、类型等信息。因此，研究针对“层次化编址”策略的射频标签防碰撞算法、以及研究“层次化编址”策略的应用场景是下一步的研究方向。
2射频标签编码策略分析
2.1射频标签国际标准协议采用的射频标签编码协议
在较早版本的射频标签国际标准协议（如ISO18000-6TypeB）中，射频标签的地址是固定的。而在较新的射频标签国际标准（如ISO18000-6TypeC）集中，用户可以根据需要优化定制射频标签编址策略。随着RFID技术的发展，在许多应用领域中，需要更加灵活的射频标签国际标准，因此本文研究采用经典的QT射频标签防碰撞算法情况下，分别对射频标签使用“层次化编址”和“随机编址”两种编址策略时，对射频标签识别吞吐率的影响，为射频识别系统优化设计和新的射频标识标准科学制定提供参考。
2.2层次化编址策略与随机编址策略
作为“层次化编址”策略的一个例子，EPC（ElectronicProductCode）即电子产品编码，是一种编码系统。它建立在EAN.UCC（即全球统一标识系统）条型编码的基础之上，并对该条形编码系统做了一些扩充，用以实现对单品进行标志。EPC编码由版本号、产品域名管理、产品分类部分和序列号四个字段组成。EPC编码根据地址长度的不同又分为EPC-64,EPC-96等多种编码方法，如图1所示。EPC-64是目前得到行业支持较广泛的一种EPC编码方法，又分为TYPE-I,TYPE-II,TYPE-III三种实现方案。较新的射频标签国际标准ISO18000-6TypeC也在协议的层面上对EPC提供了支持。“随机编址”策略，顾名思义，就是对每一个射频标签随机生成和分配一个地址。随机生成的地址仅做标签识别，没有具体的意义，可以在后台数据库中与产品类型、厂商品牌等其他信息进行关联。
3基于计算机仿真的射频标签编码策略比较研究
3.1射频标签编码策略计算机仿真
本文开发了射频标签识别防碰撞算法计算机仿真软件，分别对射频标签使用“层次化编址”和“随机编址”两种编址策略的射频标签识别吞吐率进行计算机模拟。在仿真过程中，射频标签防碰撞算法采用经典的QT算法。射频标签地址长度为64bit。对于“层次化编址”策略，采用EPC-64TYPY-I规范，对“随机编址”策略，采用随机生成的方式生成射频标签地址。射频标签识别防碰撞算法计算机仿真参数的选择基于现实的射频标签读取场景，包括超市个人结算场景和大型仓储区货架管理场景。这两种场景的共同点是每种场景下系统都需要考虑两个数量Ntotal和Nlocal。Ntotal表示已经入库且分配了射频标签的物品总数量，Nlocal表示射频标签阅读器某一次读取操作中需要读取的射频标签数量。在超市个人结算场景下Nlocal大约在数十个的数量级，在大型仓储区货架管理场景场景下Nlocal大约在数百个的数量级。而Ntotal可能在几万至几十万的数量级。在本文的模拟过程中，Ntotal取值为10000至100000，每隔10000计算一个模拟数值。而Ntotal取20和200两个数值，分别模拟超市个人结算场景和大型仓储区货架管理场景。
3.2不同射频标签编址策略仿真结果
可以看出在射频标签阅读器一次需要读取20个射频标签的情景下，采用随机编址策略时，射频标签阅读器只需发起50次左右前缀匹配。而采用EPC-64TYPY-I层次化编址策略，则大约需要发起400次左右前缀匹配。由图3右侧图表可以看出在射频标签阅读器一次需要读取200个射频标签的情景下，采用随机编址策略情况下，射频标签阅读器只需发起不到600次左右前缀匹配。而采用EPC-64TYPY-I层次化编址策略，则大约需要发起800至1500次前缀匹配。
3.3仿真结果分析与进一步的研究方向
通过上文的仿真结果，可以得出结论：采用随机编址策略，射频标签阅读器可以通过发起更少的射频标签前缀匹配操作，完成射频标签匹配读取任务，射频标签识别吞吐率由于“层次化编址”策略。出现这种情况的原因是因为，在使用随机编码编址情况下，射频标签间的地址是低相关性的，标签地址冲突只会出现在射频标签地址前几位。而采用层次化编址策略情况下，射频标签间的地址是高相关性的，在不同策标签地址层次分段上，都有可能产生射频标签地址读取冲突。虽然从射频标签读取效率的角度讲，“随机编址”策略，优于“层次化编址”策略，然而简单放弃“层次化编址”策略并非最终的解决方案。第一个原因是而现有的射频标签产品，大多采用了高位地址相同，低位地址连续增加的“层次化编址”策略；第二个原因是“层次化编址”策略本身比“随机编址”策略直接提供了关于产品的更多信息。因此，下一步的研究方向包括下面几个方面：一是对基本的QT算法进行优化，研究在采用层次化射频标签编址策略情况下，读取效率仍然较高的射频标签读取算法。二是从系统优化的观点选取适合的射频标签编址策略。例如某应用需要通过扫描射频标签获得产品信息，就需要从系统的角度考虑是直接采用包含产品信息的“层次化编址策略”更加优化，还是采用“随机编址”策略，然后从数据库读取产品信息更加优化。
4结论
射频标签又称电子标签，是一种得到广泛应用的物品单元自动识别通信技术。本文根据射频标识技术的最新发展，在射频标签地址优化编码技术方向上开展研究与仿真。模拟结果表明采用经典的QT射频标签防碰撞算法，利用“随机编址”策略可以获得比“层次化编址”更高的射频标签识别吞吐率。下一步的研究方向包括：一是对基本的QT算法进行优化，研究在采用层次化射频标签编址策略情况下，读取效率仍然较高的射频标签读取算法；二是面向应用，综合考虑射频标签识别算法吞吐率、数据库访问瓶颈等多种关键影响因素，从系统优化的观点选取适合的射频标签编址策略。本文的研究成果具有较高的现实指导意义。
参考文献
[1]J.H.Choi,D.Lee,Y.Youn,H.Jeon,andH.Lee,“Scanningbasedpre-processingforenhancedRFIDtaganticollisionprotocols,”inInternationalSymposiumonCommunicationsandInformationTechnologies(ISCIT),(Bangkok,Thailand),2006.
[2]D.Klair,K.Chin&R.Raad,"AsurveyandtutorialofRFIDanti-collisionprotocols",IEEECommunicationsSurveys&Tutorials,vol.12,(03)pp.400-421,2010.
[3]张予帅,蒋泰,苏平,罗义学,肖煌.ISO18000-6TypeB与TypeC标准的分析与比较[J].广西科学院学报,2009(04):336-339.
[4]F.Zhou,C.Chen,D.Jin,C.Huang,andH.Min,“Evaluatingandoptimizingpowerconsumptionofanti-collisionprotocolsforapplicationsinRFIDsystems,”inProc.2004internationalsymposiumonLowpowerelectronicsanddesign,pp.357-362,2004.
1 软件选择
Inventor是美国Autodesk公司推出的一款三维可视化实体模拟软件，能够方便快捷地创建和验证完整的数字样机，可用于建模、装配等工作。3ds Max是Autodesk公司研发的三维动画制作和渲染软件，具有通用性好、方便易学、价格低廉、扩展性强等优点，是目前较为流行的同类软件之一。本文所述的自动化集装箱码头三维建模和动画仿真基于Windows操作系统，三维建模由Inventor软件完成，三维动画制作由3ds Max软件完成，动画后期制作由After Effects后期特效软件和Premiere Pro非线性编辑软件完成。
2 模型创建及导入
自动化集装箱码头设备众多，这些设备的三维模型需要利用Inventor软件分别创建。本项目创建的模型包括集装箱船舶、桥吊、内集卡、自动导引车、自动导引车伴侣、轨道吊、铁路吊、码头地形等。
模型创建完成后，需要导入3ds Max软件中以构建场景模型。在3ds Max软件中，依次选择“应用程序”菜单“导入”选项“选择要导入的文件”对话框“文件类型”“Autodesk Inventor（*.IPT；*.IAM）”，将建好的模型逐个导入。导入模型时应当根据具体情况选择适当的选项，以确保模型精度及Z轴方向正确（见图1）。设备模型全部导入后，按方案布置图将模型放置在相应位置，形成自动化集装箱码头总体三维模型（见图2）。
3 材质及灯光设置
对模型进行材质、纹理贴图是关键步骤之一。为增强码头整体效果的真实性，要根据业主的要求，利用材质编辑器赋予模型相应的颜色、材质。一般情况下不要求对材质进行做旧处理，只要根据业主提供的色标调出相应的颜色，再调整高光级别及光泽度参数即可。此外，对港徽铭牌、集装箱材质等进行贴图处理，并利用3ds Max软件的UV纹理编辑器进行对位和编辑，配合整体模型达到最好的效果。
本项目使用mr Sun和mr Sky设置灯光参数，能够精确渲染日光场景，实现较真实的光照阴影效果（见图3）。
4 脚本设计
本项目需要动画演示7种作业工况，分别为卸船、装船、堆场移箱、堆场接力、集卡装卸、特殊箱装卸、边装边卸等，每种作业工况均要制定详细的动画脚本。卸船作业的动画脚本见表1。
5 动画设置
3ds Max软件设置运动的方法有关键帧法、变形法和关节法等，技术动画一般采用关键帧法和关节法。该软件中几乎所有参数都可以创建关键帧，而机械运动和受物理规律制约的运动仅需少数关键帧就能使画面栩栩如生。
本项目采用关键帧法进行动画设置。为便于设置动画关键帧，对设备及其零部件按所在位置关系分组，并用“选择链接”和“打断链接”的命令建立物体之间的层级关系，定义父物体和子物体，形成动作关联性，使子物体跟随父物体运动。需要注意的是，集装箱分别跟随桥吊小车、自动导引车、轨道吊小车运动，而常规的分组或链接只能使其在整个动画过程中跟随唯一的父物体运动，对其单独设置动画帧的工作量又较大，为此，将集装箱的控制器类型改为“链接约束”，使其继承目标对象的位置、旋转度和比例，从而随场景中的不同对象运动。集装箱在特定关键帧的链接状态见图4。
6 渲染输出及后期合成
按照动画脚本对相关的设备、零部件设置关键帧后，即可进行渲染输出，在“渲染器设置”对话框中调节“活动时间段”“输出大小”“渲染输出”“指定渲染器”等参数。本项目采用Mental Ray渲染器进行渲染，输出分辨率为高清电视的1280？20，并采用TGA图片序列为最终渲染结果，这样方便后期特效软件和非线性编辑软件合成动画视频，通过添加字幕、音乐、配音等完成整个三维仿真动画的制作。
7 结束语
Inventor软件和3ds Max软件各有优势，在动画仿真应用上能够实现功能互补。利用上述软件模拟自动化集装箱码头的布局规划和各种作业工况，可以使抽象的技术问题形象化，使码头管理者和研发人员直观了解自动化集装箱码头的布局方案和作业流程，从而大大方便方案论证和交流改进，并为调整优化方案提供决策依据。实践证明，三维建模和动画仿真软件以其独特的设计理念，将科学性与艺术性相结合，为自动化集装箱码头设计和推广提供重要支撑。
参考文献：
关键词：调度自动化；数字物理；仿真培训
随着国家电网建设的加快，系统需要实现电网调度自动化，是电网安全经济运行的有力保障。目前，调度自动化仿真培训系统是以电力系统运行特点为基础，通过计算机仿真调度自动化系统提供培训人员[1]。然而，当它们被改编成模拟主界面进入实际生产工作时，也需要投入大量的时间和精力来熟悉实际操作，应用动态调度系统。因此，利用计算机仿真技术模拟电网调度自动化系统的运行，结合实际需要的混合仿真培训系统由此出现。
在这种混合仿真系统中，仿真网格通信功能部分和实际调度主调度问题已成为一个非常重要的部分。其可靠性、实用性和效率需要得到满足标准。本文介绍了远程终端解决方案，基于混合自动站的标准协议IEC60870-5-104仿真培训系统，结合实际工程中的应用试验。
一、主要技术
调度自动化仿真培训系统主要由混合核心网络仿真模块、通信模块、实时主站系统三部分组成。仿真终端主要是指通信模块、IEC 104通信协议的设计功能。通讯方式：IE C 104通信模块作为从站（服务器），作为主站的主调度端（客户端），二者运用一个网络端口物理链路。
（一）仿真模块以及通信模块数据交换
仿真系统要求高实时性和高效率的数据通信模块，对仿真系统提出了更高的要求。电力系统仿真可能涉及自变电站仿真，对于仿真系统大规模数据的问题，考虑使用共享内存数据库来进行请求间数据交换的过程。
目前，实时数据库是OSI PI的主要市场，呈分布式网络结构，价格比较贵，不适合训练系统设计。测试网络开源SQLite数据库，不能满足设计要求。因此，选择模式识别，在共享内存队列中实现数据交换。
通信模块主要负责监视上行队列、下行队列，并将数据转发到相应的仿真模块和104个通信程序。在系统实际运行中，遥控和遥测站传输、远程遥测、位移实时调度仿真系统，对于时间和SOE信息，只需接收远程控制预调度主站发出远程命令执行。因此，在IE仿真系统的指导下，C104通信模块为下行。
（二）调度自动化系统以及通信模块通信
在调度自动化系统中，区域电网仿真数据的趋势往往需要。根据电网规模的不同需求，模拟和白色的RTU装置，有几十个站跟一个或多个通信站通信。因此，如果在变电站直接使用104种通信方式。在一个过程或RTU通信处理能力是所有设备的需求将相当大的提高，从而增加了系统的硬件成本。
本设计采用了编程和多线程技术，大大降低了系统资源的利用率。在通信终端设备的通信过程中的服务器通信模块，每个线程模拟一个站或站。RTU站设备之间的端口的设置及使用请求线程工厂端口号识别。在初始化阶段从配置文件中读取的站点列表信息。
在交流的^程中，IEC协议提供104和4连接超时，T（CTCP连接超时）对测试过程的格式结束的开始；（TZ）从等待超时响应（RTU）在消息发送信息或更改，P端调用消息超时站到后返回的时间（T3）；从站和终点站问没有实际的数据交换时间，任何一端的测试过程时的最大时间间隔格式Q。
在仿真过程中，非生产系统的安全性、可靠性和效率的平衡，可能需要松弛的量。因此，，加入重联机制，并在交流的过程中，从站（RTU）确定响应消息。为了提高处理系统的效率，减少线程在进程中的负担。因此，只需要考虑T3超时，没有收到任何站里面T3消息（RTU），主动发送测试消息的格式和中断的保护环节结束。
二、实际应用于测试
当程序启动时，第一站端口配置信息从程序进入，端口信息创建一个线程，读取对应的端口站。然后根据通信链路初始化、监控主站的TCP连接请求，TCP连接请求的网站[2]。当网络连接设置接收和回答请求启动网络接收数据通信。呼叫和响应报告。然后改为正常通信，遥测和远程数据报告，并接收远程控制和远程命令。
本设计采用IEC 104协议，移动通信网络仿真系统和实际的调度问题，通过测试和验证。主要控制厂商调度自动化系统，该程序根据通信程序进行测试系统。测试包括建立通信连接、远程遥控开关遥控遥测。
修改站数、配置文件、启动通信程序和主站建立连接，然后插上电缆使程序重新连接，掌握基站的信道状态并记录结果和连接。
在站数不同的情况下，增加各站遥测/遥控点的数量，启动通信程序，建立与主站的连接，然后检查遥测/遥测值是否正确。在不同站数情况下，主通信程序开始建立连接，20个遥控单元随机选择切换到远程操作进行3次测试。在不同的工厂条件下，选择主通信程序和开关的远程操作之间的连接。我们可以得出结论，该方案完全可以满足调度和动态混合仿真系统的实际需要。
三、结束语
仿真培训系统在终端站调度自动化设计中的应用。最广泛使用的IE 104协议，提出了一个可靠、有效和实用的培训系统，信息流仿真和数据通信。利用现有共享内存，模拟多终端和远程控制站调度通信端口识别，建立物理链路单端口网络。与电网调度仿真系统设计方案无缝连接，满足调度自动化专业人员需求。
参考文献：
