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關鍵詞：數字化仿真；卓越計劃；機械原理；創新能力
作者簡介：李杰（1979-），男，河北石家莊人，石家莊鐵道大學機械工程學院，講師；范曉珂（1972-），女，河北石家莊人，石家莊鐵道大學機械工程學院，副教授。（河北 石家莊 050043）
中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）05-0083-02
“卓越工程師教育培養計劃”（簡稱“卓越計劃”）是高等院校貫徹落實《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》和《國家中長期人才發展規劃綱要（2010-2020年）》的一項重大改革項目，其目的在于培養造就一大批具有較強創新能力、適應經濟社會發展需要的高質量各類型工程技術人才，為國家工業的轉型升級、建設創新型國家和人才強國戰略服務。該項目的實施將促進高等教育面向社會需求培養人才，對全面提高工程教育人才培養質量具有十分重要的示范和引導作用。[1]2011年，石家莊鐵道大學被教育部批準成為第二批133所“卓越工程師教育培養計劃”培養高校之一。“機械原理”課程作為機械工程類的專業基礎課程，是石家莊鐵道大學（以下簡稱“我校”）機械設計制造及其自動化專業、車輛工程專業、“茅以升”試驗班和“卓越”班的必修課程，占有重要的地位。由于學生人數的增加和新課程的開設，“機械原理”計劃學時不斷被壓縮，而教學內容卻不斷補充，傳統的教學模式很難滿足“卓越計劃”的要求，很難培養具有創新意識、創新能力的高素質人才。[2]因此，利用數字化仿真技術改善“機械原理”以往傳統的教學與實驗存在的問題，提高學生的創新能力，培養學生成為具有工程思維的實用型與創新型人才，適應“卓越計劃”的發展具有重要的意義。
一、課程教學內容與安排
“機械原理”的課程內容主要有：機械的結構分析、機構的運動和力分析、機械的效率、自鎖與平衡、各種常用機構的設計和機械系統的方案設計等內容，共64學時，講授54課時，實驗8學時，“機械原理”課程設計1周。講授的內容中，主要重點介紹機械的結構分析、機構的運動和力分析、機械的效率、自鎖與平衡、常用機構的特點及其設計，其中包括連桿機構、凸輪機構、齒輪機構、輪系和其他的常用機構等；[3]機械系統的方案設計內容結合課程設計時完成；實驗安排主要針對一些機構的驗證、設計與綜合，旨在提高學生的動手能力和對機構進行創新設計的能力。但是，由于課時限制，該課程所設置的實驗只能完成4個，很難滿足“卓越計劃”的要求，不利于培養學生的實踐能力和創新能力。
二、教學方式的改革
數字化仿真技術是近幾年發展起來的一種先進的機械設計方法，它是指將計算機仿真技術應用于產品設計領域，利用計算機分析軟件通過建模可對該機構進行運動模擬，對機構及整機進行運動仿真。數字化仿真技術在“機械原理”教學中的應用，不僅可以使得學生對機械原理中的各種機構有感性的認識，而且通過對各種機構的仿真模擬可以使得學生對各種機構的運動與動力特性有直觀的了解，有利于培養學生的創新能力。[4]筆者將數字化仿真技術引入到“機械原理”教學中，下面以連桿機構為例，介紹在連桿機構教學中應用數字化仿真技術的一些體會。
1.理論教學的改革
在連桿機構的教學中，連桿機構的基本形式為鉸鏈四桿機構，其三種基本形式分別為曲柄搖桿機構、雙曲柄機構和雙搖桿機構，當一個鉸鏈四桿機構為曲柄搖桿機構時，通過機構的倒置則可以得到雙曲柄機構和雙搖桿機構。
在教學過程中，利用數字化仿真軟件建立曲柄搖桿機構的數字化模型，按照要求對各相關參數進行設置，其中包括：各桿長度、質量、電機轉速、力矩大小等。如圖1所示，在四桿機構中各桿分別以轉動副相連，分別為A、B、C、D；各桿桿長分別為280mm、520mm、500mm、720mm，然后對桿4固定，桿1為曲柄，在轉動副A上加力矩，其數字化模型如圖1所示。通過運動仿真對曲柄搖桿機構進行相應的運動分析。[5]曲柄搖桿機構的運動分析如圖2所示。
在教學過程中，圖1能夠清晰演示四桿機構的運動畫面，其中曲柄以等角速度轉動，搖桿則在一定角度范圍內擺動。從圖2的角速度圖中可以看出曲柄轉速為30°/S，而搖桿的擺角為0°～30°。
在曲柄搖桿機構中其他參數保持不變的前提下，只改變曲柄搖桿機構的機架，取原來的桿件1為機架，桿件2為曲柄，對機構進行運動仿真，可以看出，通過改變機架后，原來的曲柄搖桿機構變為了雙曲柄機構。雙曲柄機構的運動分析如圖3所示。
在教學過程中，利用數字化仿真技術學生能夠直觀看出此時兩個曲柄都在做整周的回轉運動。從圖3中的角速度圖中可以看出主動曲柄轉速為30°/S，而從動曲柄的轉速為不等速連續回轉，范圍在15°/S～65°/S之間。
最后，在曲柄搖桿機構中，取原來的搖桿3為機架，桿4為曲柄，在其他參數保持不變的前提下對機構進行運動仿真，可以看出，通過改變機架后，原來的曲柄搖桿機構變為了雙搖桿機構。雙曲柄機構的運動分析如圖4所示。
圖4的動畫演示中能夠看出，兩個搖桿都不能在整周范圍內轉動，都在一定范圍內做往復擺動，從圖4中的角速度圖中可以看出主動曲柄搖桿轉速為30°/S，而從動搖桿的轉速為不等速擺動，范圍在0°/S～35°/S之間。
在課堂教學過程中，通過四桿機構的數字化仿真能夠使學生在較短的時間內對機構的倒置有清晰的認識，同時提高了學生對計算機應用的興趣和創新能力。
2.實驗教學的改革
由于課時的限制，“機械原理”課程實驗共有四次，具體安排如表1所示。
由表1看出：“卓越”班的實驗教學比較少，不能夠滿足學生創新能力和實踐能力培養的需求。在實驗教學過程中，可以利用數字化仿真技術進行有效的彌補，同時也可以對以上實驗進行虛擬驗證。在實驗2機構運動方案創新設計實驗教學過程中，可以先讓學生根據實驗臺搭建不同的機構，分析機構的運動過程，并繪制機構的運動簡圖，課下讓學生通過計算機根據所繪制的機構運動簡圖建立所搭建的機構模型，進行數字化仿真模擬，直觀形象地模擬實際搭建機構的運動過程。而對于實驗3機構運動參數測量與分析實驗，事先讓學生在計算機上對機構進行數字化仿真，測量出機構的位移、速度和加速度曲線，然后再與實驗測量的曲線進行相應的比較。對于實驗中沒有的內容，也可以通過對機構的數字化仿真來培養學生的計算機應用能力和機械創新設計的能力。
三、教學效果
通過數字化仿真技術在“機械原理”課程中的應用，在理論教學過程中對所講授知識可以實時地進行虛擬仿真，有效改變傳統理論教學加實驗教學的方法，節省課時。在實驗教學中，通過數字化仿真技術和實驗相結合大大提高了學生對實驗的興趣，提高了學生的計算機應用能力，同時也培養了學生的機械創新設計意識。
四、結束語
通過教學實踐表明，將數字化仿真技術引入到“機械原理”教學中具有較大的新穎性，促進了學生對“機械原理”課程基本理論的理解，實現了教學方法的創新。
新的教學方法能夠調動學生學習的積極性，在教學過程中學生能夠變被動接受為主動思考，通過對不同的方案進行實時仿真，能夠激發學生的創新意識，提高分析問題、解決問題的能力。
數字化仿真技術在本門課程中的應用鍛煉了學生將理論知識與實際應用相結合的能力，同時也提高了學生的創新能力。這種教學模式的探索為其他工程類專業基礎課程適應“卓越工程師培養計劃”的教學改革提供了借鑒經驗。
參考文獻：
[1]毛婭.適應“卓越工程師培養計劃”的機械原理雙語教學探索與實踐[J].探索與踐，2006，4（13）：191-192.
[2]盧梅，李威，邱麗芳.虛擬仿真實驗技術在機械原理實驗教學中的應用研究[J].儀器儀表用戶，2006，4（13）：25-26.
[3]孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2006.
關鍵詞：家具 數字仿真 個性定制 快速設計
中圖分類號：TS664.01 文獻標識碼：A 文章編號：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
隨著用戶對家具的個性化要求不斷提高，家具制造行業正在發生以下方面的變化：（1）激烈的市場競爭以及數字化生產技術的應用使家具產品的生命周期縮短；（2）傳統家具市場逐漸呈飽和趨勢，以整體衣柜、整體櫥柜為代表的更具選擇性的銷售行為使家具市場朝著個性化、多樣化的方向快速發展；（3）用戶售前體驗和使用質量已經成為用戶購買的首要因素之一；（4）數字化制造可以大大加快產品的開發速度并降低開發風險。
1家具制造行業現狀
近年來，自動化的家具制造裝備普及應用使我國家具行業有了飛速發展，但是大多數企業仍然以工廠模式設計、生產傳統家具，設計環節大部分也只是采用通用CAD軟件。與德國等制造業強國相比，我國家具制造業存在的主要問題是：（1）家具產品以低端固定產品為主，缺乏原創性和定制化；（2）勞動力成本和材料價格上升等原因致使成本增加，傳統家具企業競爭優勢正在減弱，一大批小型家具企業面臨倒閉。這些問題促使家具行業與其他相關產業相互滲透、交叉、重組，行業融合有深入發展趨勢。當前，以“互聯網+家具”的數字化家具設計與制造模式處于萌芽期，發展潛力巨大。與此同時，政府扶持下的產學研一體化進程加快，互聯網制造和產品虛擬化設計受到空前重視。
如何能在高質量低成本的基礎上縮短家具產品的生命周期，開發出具有市場競爭力的產品，是家具制造企業普遍面臨的問題。企業能否根據用戶的個性需求快速地設計制造出定制產品，已經成為企業能否占領市場、發展壯大的關鍵。數字仿真技術支撐下的快速設計方法，用戶個性定制支撐下的快速設計理念將成為家具行業未來設計發展的主要方向。
2 定制化家具產品設計方法
傳統的家具生產中，賣方主導市場，生產出標準產品供用戶選擇，消費者對商品沒有選擇的主動權，賣方只關心產品數量，很少考慮市場的個性化需求。傳統的家具產品設計流程如圖1所示。
在經融危機、勞動力成本上升、傳統家具市場逐步飽和等因素的沖擊下，家具制造企業必須轉型升級。同時，面對消費者不斷變化的個性化需求，制造過程需要不斷縮短產品生命周期，降低生產成本，更加直接的面對用戶需求設計家具產品。此時，更高效的家具產品設計流程如圖2所示。
上述對比可知，數字化定制設計來源除了概念設計（分析用戶需求生成概念產品的設計活動）外還有變形設計（修改參數或局部調整結構的設計活動）。與傳統的概念設計相比，現在的概念設計來源不單單是用戶需求下的重新設計，而是家具產品標準件、常用件標準庫支撐下的組合設計，其設計效率更高。新增的變形設計則是根據用戶的實際需求，對已有的可進行生產制造的產品模型進行合理改動并快速生成，新產品的設計周期更短。在龐大的由標準件庫、常用件庫、可變型制造的產品模型庫組成的數據庫支撐下，產品的開發設計時間會大幅縮短。同時，概念設計中補充進來的新數據將進一步的擴充標準數據庫，從而促進后續的開發設計，使整個開發設計形成良性循環。
此外，與傳統的基于通用CAD的家具產品設計流程相比更高效的家具產品設計流程中多了通過建立虛擬產品模型（樣機），并對其做仿真測試與實驗的步驟。一方面，設計人員通過虛擬家具產品能夠更好的模擬其生產出來的效果，提升用戶的售前體驗，評估是否滿足購買需求；另一方面，設計人員通過虛擬產品能夠發現可能遇到的設計缺陷、制造缺陷等。
家具產品的虛擬設計可通過搭建家具產品數字仿真平臺來實現。
3 數字化仿真平臺研究
數字仿真技術，就是在數字化參數下運用一個虛擬的系統模擬真實系統的技術。數字仿真技術已經成功應用在航空航天、信息、生物、材料等領域，并在產品研制的全生命周期中得到廣泛的使用。在家具設計領域，該技術尤其是在家具組建庫的建立以及三維渲染效果方面有待進一步探索。圖3給出了家具產品數字仿真平臺的整體研究架構。
數字化仿真平臺的研究構架中，通過基礎項目的研究，完成各項數字化支撐技術進而開發出各類工具，最終完成整個平臺的搭建。在虛擬現實技術VR（Virtual Reality）等設備的支持下，以家具行業工藝和知識庫為基礎，通過相關學科的優化算法來研究家具三維數據下的動態工藝生成、三維渲染、拆單排樣等技術。并以三維引擎為核心研究仿真元模型建模技術、模板定制技術、組件模型裝配技術、模型資源庫中的家具產品分類標準技術。這些技術的互動則是通過虛擬交互動作規則與虛擬交互產品行為算法來實現的。在這些支撐技術的基礎上，開發相應的管理工具、模型建模、裝配仿真工具以及配套的數據Web交互系統和接口。
以下5點是建立數字仿真平臺的關鍵：（1）三維數據引擎。平臺主要是面向設計與虛擬交互，其中存在大量的三維圖像實時互動，這對系統的三維數據引擎提出了較高的要求。三維數據引擎作為底層開發工具支撐著高層的圖形軟件開發，它包含了基本圖形的通用算法和工具的封裝。三維引擎還包括仿真圖形的三維渲染算法，使得用戶能夠觀測到逼真的設計效果圖。（2）零件族模型的信息模型描述。產品建模是變型設計的必要手段，而建模的核心任務是建立能夠變型的產品和零件族模型。而零件族模型的變型能力（尺寸變型能力和局部結構變形能力）與所建立的信息模型描述息息相關。因此，零件族模型的信息模型即其數據結構的確定非常重要。（3）設計過程中的數據層次結構的建立與維護的算法。在產品設計過程中，需要確定一種數據結構類型來描述組件間的層次關系，并確定相關實現算法。（4）產品設計中的基于約束的選配算法。大批量定制設計是根據產品主體結構、零部件主模型和文檔來進行，根據產品特性可將所要選配的模塊分為：基礎模塊、必選模塊和可選模塊。在選配時，已被選配的模塊可能對后者選配時有約束作用，因此需借助于關聯矩陣，構建基于屬性約束的選配算法。（5）產品設計中的裝配建模技術。目前比較典型的裝配方法有兩種：自底向上和自頂向下的建模方法。但在大批量的定制設計中，裝配的自動化程度決定了裝配建模的速度，采取上述方法進行裝配建模不能滿足設計要求，因此需要研究基于特征約束的預定義的裝配方式。
4 平臺實現
定制家具數字化設計與仿真平臺（圖4）采用Visual Studio 2010環境開發，基于OpenGL三維圖形引擎。平臺構建了板式家具零件族模型和組建庫，并建立了模型組件間的形變關系約束與裝配參數約束，平臺能夠根據設定的家具外形尺寸自動生成組建尺寸和加工工藝，目前已經初步應用于衣柜等板式定制家具產品的仿真設計。
5結語
家具產品數字仿真平臺革新了企業的產品設計和生產方式。一方面，在三維建模環境中，由家具行業標準件庫、常用件庫支撐的概念設計能有效的縮短家具產品的設計周期，平臺能直接根據用戶個性定制的需求完成家具產品的變形設計；另一方面，數字化設計平臺能夠與企業的自動化生產線進行對接，從而實現設計數據驅動生產的定制家具制造執行系統。平臺有效提升了定制型家具企業的產品設計效率，顯著縮短家具產品的生命周期，降低企業的生產成本，通過數字化的方式控制生產，還有效的降低了出錯率。
參考文獻
[1]董媛媛，劉文金.家具產品生命周期的細分與設計策略[J].家具與室內裝飾，2007 （3）：30-31.
[2]蔣松林，陳祖建，何曉琴.基于消費者價值的家具產品設計策略[J].家具與室內裝飾，2010（10）：11-13.
[3]王偉榮.家具產品的三維展示設計與實現[D].上海：上海交通大學，2012.
關鍵詞:軟件無線電;中頻數字化接收機;Matlab;PCM-FM
中圖分類號:TN911.3文獻標識碼:A
文章編號: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
中頻數字化接收機是基于軟件無線電的思想,根據帶通采樣定理將射頻接收機輸出的中頻信號通過ADC(模/數轉換器)轉換成數字信號,并通過數字下變頻將中頻信號變換到數字基帶,然后在基帶進行數字化解調和處理。中頻數字化接收機具有結構簡單、編程靈活、可靠性高等優點,因此在民用和軍事通信中被廣泛應用。通常采用Matlab的可視化工具Simulink對中頻數字化接收機進行建模和仿真,但是由于Simulink建模采用的是Matlab工具庫中已經封裝好的模塊,其實現過程與數字化接收機中的硬件實現過程不一定完全相同,所以仿真結果往往不能完全反映硬件平臺所能達到的實際性能。本文介紹了利用Matlab語言編程實現中頻數字化接收機的建模和仿真,使系統模型盡可能與真實的硬件平臺相一致,仿真結果更加真實可信。
1 系統原理及結構
中頻數字化接收機的系統框圖如圖1所示,由抗混疊濾波器、高速ADC模塊、數字下變頻、抽樣率轉換和數字信號處理模塊等部分組成。抗混疊濾波器首先將帶外信號濾除,以防止在數字采樣時發生頻率混疊;高速ADC模塊根據帶通采樣定理將中頻信號轉變為數字中頻信號;數字下變頻模塊將數字中頻信號轉換為基帶信號并產生兩路相互正交的分量;抽樣率轉換模塊將系統采樣率降低以利于后面的數字信號處理;經過降采樣的I,Q信號送入數字信號處理模塊進行數字解調。
圖1 中頻數字化接收機系統框圖
2 基于Matlab編程的系統仿真
以PCM-FM中頻數字化接收機為例,通過Matlab編程建立了中頻數字化調制、解調的系統仿真模型,如圖2所示。
圖2 PCM-FM系統仿真模型
仿真模型中模擬信號源的信息速率為5 Kb/s,FM調制指數為0.7,中頻輸入信號頻率為42 MHz,根據正交數字下變頻原理[1],選擇符合fs=4f0/(2K-1),K為大于等于1的整數且fs≥2B條件的采樣頻率fs,可以不需要正交本振和混頻運算,因此fs設為8 MHz。
2.1 數字模擬源
數字模擬源產生一組二進制數字序列,通過將數字符號一一映射為相應的信號波形后,就形成了數字調制信號,數字模擬源的Matlab程序如下:
%采樣頻率8 MHz
fs=800000;
%信息速率5 kHz
fb=5000;
%時間采樣間隔
dt=1/fs;
%子碼數據長度
N=32;
%超采倍數
N_sample=fs/fb;
%碼元寬度
Ts=N_sample*dt;
%仿真時間
t=0:dt:(N*N_sample*dt-dt);
%二進制序列
uk=(sign(randn(1,N)));
%整數倍內插
dk=sigexpand(uk,N_sample);
%NRZ成形濾波
gt=ones(1,N_sample);
ds=conv(dk,gt);
xt=ds(1:length(t));
figure(1)
plot(t,xt);
axis();
運行結果如圖3所示。
圖3 數字模擬源運行結果
2.2 載波調制
根據奈奎斯特采樣定理,經過A/D采樣之后的信號頻譜為原信號頻譜之搬移后的多個疊加,如圖4所示。42 MHz的中頻信號經過8 MHz的A/D采樣,在2 MHz頻點處也會存在搬移后的信號頻譜,所以載波頻率設為2 MHz與設為42 MHz等價。載波調制根據數字直接頻率合成器(DDS)的工作原理實現。
圖4 采樣信號的頻譜
載波調制的Matlab程序如下:
%載波頻率2 MHz
f0=200000;
%調制指數
hp=0.7;
%DDS滿幅度(20位寬)
MP=2^20;
%DDS初相控制字
DP=0;
%DDS頻率控制字
DF=f0/fs*MP;
%瞬時頻率控制字
FQ=DF+xt*hp*fb/fs*MP;
%瞬時相位
PQ=zeros(1,length(t));
for i=2:length(t)
v1=PQ(i-1);
v2=FQ(i-1);
%瞬時相位
v3=DP+v1+v2;
PQ(i)=v3;
if PQ(i)>MP
PQ(i)=PQ(i)-MP;
end
end
%FM調制信號,功率為1 W
sig=sqrt(2)*cos(2*pi*PQ/MP);
%FFT變換
=T2F(t,sig);
figure(2)
subplot(2,1,1)
plot(t,sig);
subplot(2,1,2)
plot(f,abs(xf));
運行結果如圖5所示,分別為調制信號的時域波形和頻譜特性。
圖5 載波調制信號波形及頻譜
2.3 加入高斯白噪聲
根據設定的載波調制信噪比,可以調用Matlab的隨機序列產生函數(randn)產生一定功率的高斯白噪聲,randn函數產生的是寬帶高斯白噪聲,實際進入中頻數字化接收機的高斯噪聲為經過抗混疊濾波器以后的窄帶噪聲,窄帶高斯白噪聲序列的生成代碼如下:
%信噪比10 dB
SNR=10;
%噪聲功率譜密度
N0=10^(-SNR/10);
%噪聲功率
sigma=sqrt(N0);
%產生寬帶高斯白噪聲
noise=sigma*randn(1,N*N_sample);
%FFT變換
=T2F(t,noise);
df=f(2)-f(1);
%PCM-FM載波調制信號帶寬
B=(2*(1+hp)*fb);
B1=f0-B/2;
B2=f0+B/2;
T=1/df;
%帶通濾波器的沖擊響應
hf=zeros(1,length(f));
bf=;
bf1=floor(length(f)/2)+bf;
bf2=floor(length(f)/2)-bf;
%功率譜密度放大fs/(2B)倍
hf(bf1)=sqrt(fs)/sqrt(2*(B2-B1));
hf(bf2)=sqrt(fs)/sqrt(2*(B2-B1));
%頻域帶通濾波
yf=hf.*sf.*exp(-j*2*pi*f*0.1*T);
=F2T(f,yf);
%窄帶高斯白噪聲
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 正交數字下變頻
根據正交數字下變頻的原理,當采樣頻率滿足fs=4f0/(2K-1)的條件時,將采樣序列進行奇偶分路和符號變換就能得到數字基帶信號的同相分量和正交分量,但兩者的頻譜相差一個相位因子e-jω/2,對應時域上相當于半個周期的延遲。這種時間上的“對不齊”,可以采用兩個插值濾波器加以校正。正交數字下變頻的代碼如下:
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倍內插濾波器第一支路
ht1=0.176760 0.048912 -0.011994 -0.000307〗;
%4倍內插濾波器第三支路
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抽取濾波器
由于信號帶寬只有5 kHz,而經過正交數字下變頻以后的采樣率為4 MHz,因此可以采用抽取濾波器降低數據處理速率。根據CIC濾波器的公式推導,一級K倍CIC抽取濾波器的輸出為K個元素求和,即:
y(m)=x(Km)+x[K(m-1)]+…+
x[K(m-K+1)]
(1)
二級級聯K倍CIC抽取濾波器的輸出為K×K個元素求和,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)
同樣,三級級聯K倍CIC抽取濾波器的輸出為K×K×K個元素求和。N級濾波器的帶內容差是單級時的N倍,因此多級級聯雖然能增大阻帶衰減,減小混疊影響,但會增大帶內容差,所以濾波器的級聯數是有限的,不宜太多,一般以5級為限。下面是正交支路IK經過3級級聯CIC濾波器的Matlab代碼:
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 數字鑒頻
經過降采樣和濾波的I,Q兩路信號進入數字信號處理單元進行數字化正交解調,數字鑒頻可以采用以下代碼來實現:
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 蒙特卡羅仿真
在通信系統的誤碼率計算中,由于計算公式復雜,甚至在很多情況下無法得到解析解。因此通過蒙特卡羅方法模擬實際的通信過程,得到仿真的通信系統誤碼率就成為一種方便的手段。
由于蒙特卡羅仿真得到的誤碼率是一個隨機變量,它的精度與仿真次數有關,如果要使仿真得到的誤碼率精度控制在一定范圍內,通常必須保證足夠的仿真次數,仿真次數的大小視要求的誤碼率精度而定,通常選擇平均誤碼事件超過誤碼率倒數的100倍可以達到精度約90%左右,例如要仿真10-3的誤碼率,需要仿真約105 b。PCM-FM中頻數字接收機的仿真結果如圖6所示。
圖6 PCM-FM中頻數字接收機仿真
3 結 語
本文以PCM-FM為例,詳細介紹了在Matlab中
采用M語言編程實現中頻數字化接收機系統的建模和仿真,由于仿真系統可以保持與硬件實現過程相一致,因此試驗結果與系統仿真結果基本一致,使系統仿真更具有工程實用價值。
參考文獻
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[關鍵詞]數字化模型；繼電保護；計算機仿真；系統性校驗
中圖分類號：TM727 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2014）37-0039-01
0 引言
電網規模的不斷擴大和一次系統接線方式的日益復雜對電力系統的安全穩定運行提出了更高的要求。繼電保護設備作為維護電網安全穩定運行的第二道防線，已越來越受到人們的重視。
由于電力系統本身是一個動態的系統，電網故障的發生也具有突發性、瞬時性、不可預見性等特點，電網二次系統作為電網安全穩定運行的主要控制手段，有必要在設備投運前對二次系統全面的測試和校驗。
目前的繼電保護校驗只能對二次系統中的繼電器（保護裝置）的功能與動作特性進行校驗，對于在系統故障時能否正確切除故障起決定作用的繼電保護定值及二次系統其它參數無法進行驗證。
因此本項目提出了在建立電網一次精確模型的基礎上，進一步建立二次系統的主要構成元件――各種保護繼電器的數字化模型（即虛擬繼電器），從而搭建整個電網系統的數字化模型，利用計算機仿真這一先進的技術手段對電網的第二道防線進行模擬，從根本上解決目前難以對電網中的二次系統配置的合理性、準確性、以及各項控制功能的有效性進行全面驗證的問題。
1 國內外研究水平綜述
目前，對電網中繼電保護系統的校驗仍然處于裝置級水平，即僅僅對單臺（套）繼電保護設備進行硬件性能、邏輯功能、動作特性等方面的檢驗，而對于關系到繼電保護設備能否正確動作的保護定值的合理性及準確性無法進行檢驗。
電網本身是由眾多元件連接成的統一的系統，對電網中繼電保護設備的要求不僅僅局限于邏輯功能正確、動作可靠，更重要的是強調各級電網的繼電保護設備的動作特性必須嚴格配合，在一次設備發生故障時，保護裝置必須做到該動必動，不能誤動。繼電保護定值作為保護設備能否動作的直接依據，各級繼電保護裝置動作特性的配合實際上就是保護定值的配合。如果對保護定值的正確性進行校驗就必須考慮到各級保護定值的逐級配合，聯系各級電網對定值進行系統的校驗。
由于電力系統故障的瞬時性、突發性、破壞性以及故障過程的不可逆轉性，現有的技術手段尚不能對電網各級保護定值進行系統的檢驗。本文在現已成熟的電網一次設備電磁暫態仿真技術的基礎上，提出了建立電網中各種繼電保護設備的數字化模型――虛擬繼電器，將電網中各級保護定值置入虛擬繼電器，通過對電網進行各種電磁暫態仿真過程，觀察各虛擬繼電器的動作情況，從而檢驗電網中各級繼電保護定值的正確性。
2 理論和實踐依據
（1）虛擬繼電器模型的建立
實現本文的關鍵在于建立各種繼電保護裝置的數字化模型，即虛擬繼電器。利用先進的數字建模技術，根據常見繼電保護裝置的基本原理及動作邏輯，編制程序完成各種繼電保護裝置的基本功能，并進行測試完善，使之具有與實際繼電器相同的動作特性，并預留同外部程序的接口。
（2）虛擬電網的繼電保護系統的建立
根據電網的實際情況，實現對電網的電磁暫態仿真模型（一次系統）的保護配置，主要實現虛擬繼電器對一次系統模型中相應斷路器的控制功能。
（3）對電網一、二次系統模型的仿真研究
利用現已成熟的電網的電磁暫態仿真模型，通過模擬一次系統的各種異常及事故運行狀況，分析電網中各種繼電保護設備及斷路器的動作行為，在此基礎上進一步分析繼電保護設備的配置與參數整定是否合理。
（4）本文的創新點
本文提出建立電網二次系統的數字化模型，對電網的二次系統進行全面的仿真研究，克服了以前的電網仿真只研究一次模型，忽略二次模型的弊端，只有對電網的一、二次設備進行全面的仿真研究，才能真正實現對電力系統的全方位、全過程的動態仿真。
繼電器作為構成電網二次系統的基本元素，本文提出了虛擬繼電器的概念，建立虛擬繼電器是本文的關鍵部分，在國內外尚未看到有關虛擬繼電器的有關報道。
3 研究內容和實施方案
本文利用計算機建模技術建立虛擬繼電器，使之具有與實際繼電器相同的故障分析、邏輯判斷、動作出口等功能，并具有良好的人機界面，可方便的實現對虛擬繼電器進行各種參數及定值設置，從而實現與實際繼電器完全相同的功能。
設想電網系統的數字化模型開發及仿真系統由三部分構成，分別為基于微機保護的電網實時仿真裝置，通訊和信號轉接口以通用自動化二次設備，如圖1。
圖1 電力系統仿真系統構成圖
電力系統是一個龐大而復雜的系統，按照其內在的物理規律、相互關系及實際功用，可將電力系統紛繁復雜、形態各異的設備歸納為若干種類。依其內在機理確定算法，算法面向一類設備，代表其共性。
然后根據實際系統，將通用性的算法應用到特定的設備，對各輸入、輸出、系數進行配置以反映其特性。并依據物質流向、控制信息流向將它們一一連接起來，即構成模型。建模工程師無須專門的計算機軟件知識，只要熟悉仿真對象的工藝流程，具備相應的專業知識，即可從事模型開發和維護工作。
具體到繼電保護設備，可根據每種保護的輸入、輸出量及工作原理建立數學模型，正確反映保護的啟動、動作、復歸、時間等特性。
所有設備算法均依據物理機理建立，算法涵蓋了仿真對象的全工況動、靜態特性，既反映了正常運行的規律，又模擬了異常、故障情況下的特性。
在原有電網一次系統仿真模型上，根據實際電網保護配置情況，實現電網二次系統的配置，從而形成完整的電力系統。然后利用現已成熟的電網電磁暫態仿真技術，模擬電網的各種故障及異常運行方式，觀察電網中一、二次設備的動作情況，從而判斷電網中的各種繼電保護設備的配置情況及參數整定是否合理、正確。
4 預期目標和成果形式
本文利用計算機建模技術建立虛擬繼電器，使之具有與實際繼電器相同的故障分析、邏輯判斷、動作出口等功能，并具有良好的人機界面，可方便的實現對虛擬繼電器進行各種參數及定值設置，從而實現與實際繼電器完全相同的功能。
在原有電網一次系統仿真模型上，根據實際電網保護配置情況，實現電網二次系統的配置，從而形成完整的電力系統。然后利用現已成熟的電網電磁暫態仿真技術，模擬電網的各種故障及異常運行方式，觀察電網中一、二次設備的動作情況，從而判斷電網中的各種繼電保護設備的配置情況及參數整定是否合理、正確。圖2為系統進行單相重合閘的仿真結果，圖1中給出了一次系統故障電壓、電流的曲線以及二次系統虛擬繼電器的動作情況，為設計人員及繼電保護整定計算人員提供直觀的分析依據。
圖2 系統進行單相重合閘的仿真
參考文獻
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關鍵詞：自動控制理論 模擬仿真技術 電氣工程 實時監控
中圖分類號：TP13-4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（a）-00-01
社會的進步科技的發展帶動了自動化技術逐漸取代手工技術，當前工業社會生產活動中自動化技術已經大規模普及推廣開來，而且自動化程度不斷加深。隨之自動控制理論隨著數學、計算機等多學科的發展也取得很大的進步，并逐漸由傳統的經典控制理論向現代控制理論發展，現代控制理論在精準度和過程控制方面的優勢也使得電氣自動化技術其過程更加復雜化，在自動化產品設計進入實際工程前要進行一系列的模擬仿真，以確保能夠世紀工程需要。
1 電氣自動化和仿真技術
1.1 電氣自動化的發展和特點
電氣自動化作為電氣信息方向的一門新學科，因為和人們生產生活密切相關而迅速發展。經過長時期的發展，如今電氣自動化已經作為高新技術產業的重要部分而發展較為成熟。電氣自動化從一個電氣開關開始到整個電氣系統的控制部分都有其分布組成。它包括了對開關信號進行控制，對工程目的進行分析，對系統中各設備進行信息交流，對系統中反饋的信息做匯總并按人們預期設定的程序步驟進行智能化的邏輯分析并準確快速做出動作反映，已達到脫離人工而能自動運行的目的。如今，電氣自動化技術廣泛的應用于工業、農業、軍事和交通運輸中。在電氣自動化中，控制理論是其重要的基礎內容。自20世紀四五十年代開始，控制理論一直在不斷的發展。經典控制理論的出現標志著控制理論的形成，自動化技術開始得以普及推廣。之后隨著各種自然學科和計算機技術的迅猛發展，在20世紀五六十年代依托于數列和計算機技術的狀態空間法的出現標志著現代控制理論的形成。經典控制理論計算簡單便于分析，能夠很好的解決單變量定常系統的設計應用。而隨著工業進程的發展，人們對自動化程度提出了更高的要求，工業中有關多變量系統的分析設計已經不能再用經典控制理論，現代控制理論的出現解決了這個問題，使得電氣自動化技術向著系統更加復雜，控制更加精準的方向發展。
1.2 自動化中的仿真技術
隨著工業進程的加快，工業工廠、交通管理、軍事國防在進行自動化程度加深的同時也要求對控制過程進行實時監控或著遠程監控。仿真技術是自動化控制過程中不可分割的一部分。它通過力控軟件將可編程邏輯控制器（PLC）中采集的現場實時數據反映到人際交換界面上來，并用仿真模擬圖像對生產過程進行監控。模擬仿真技術也可以在自動化設備投入運行前進行預先模擬運行，以便檢查自動控制程序是否穩定，是否滿足實際生產需要。
2 仿真技術在電氣自動化中的應用
2.1 仿真技術在自動化鋼鐵廠中的應用
在大型鋼鐵廠中，從鐵礦向高爐送料開始一直到鋼鐵成型，其過程大多是脫離人工的自動完成，這主要有現場的各種傳感器（溫度傳感器、壓力傳感器、紅外傳感器、噪聲傳感器等），控制室的大型工控機（可編程邏輯器PLC），各種配套的邏輯開關，相關的變頻器，變壓器等電氣設備組成。PLC作為整個自動化的核心部分，對整個自動化過程進行邏輯分析和控制，邏輯開關通過通斷作為相應PLC控制動作的執行者，現場的各種傳感器和行程開關作為信息來源，將現場的各種實時數據信息傳輸給PLC，相關電氣設備作為運行的支持。在中央控制室中，通過人機交換界面可以將PLC中匯總的各種實時數據反饋到顯示屏上，通過這些配套的力控軟件可以以圖像的形式對鋼鐵廠的各個生產車間和每個生產過程進程數據進行仿真，并可以在顯示屏幕上直接對各個生產過程進行手動控制操作。也可將其上傳至網絡進行遠程協助操作和監控。
2.2 仿真技術在大型汽車組裝廠的應用
在大型汽車生產廠，各種零部件的組裝是汽車生產廠商所進行的主要活動，一輛車往往需要上萬個零部件，而不同的車型需要不同的零部件，即便是同一輛車型的不同配置也需要不同的零部件，如何在最短的時間內組裝出最多的車而且正確無誤一直生產廠商所關注的問題。電氣自動化技術的出現很好的解決了這項問題，并大大提高了汽車的組裝速度。在汽車總裝車間，各種細小繁多的零件需要按不同的車型組裝到一起，由于汽車廠商往往是根據客戶的訂單需求，同一批次的車型中往往是不同的配置同時進行，這就使現場的操作工單靠腦力無法按時保質保量的完成任務。通過自動控制技術和仿真技術可以有效的解決這個問題。在將汽車組裝進行幾個部分的分割之后，在各個部分上安裝可編程控制器（PLC）作為自動控制器，并安裝顯示屏作為仿真顯示器，將各部分的PLC通過工業以太網連接在CCR（中央控制室）的服務器上，通過IPMS系統通過前端的仿真控制端將各種車型數據導入服務器中，服務器再降不同的配置信息分配到相應的現場PLC中，PLC可以根據不同車型的配置信息將所需的零部件現實到屏幕上，或者制作零部件架并在加上安裝撥碼燈，使PLC直接控制對應零件撥碼燈的亮滅，這樣可以是操作工很快捷準確的選取各種零部件，減少了工作強度，增加工作效率。
3 結語
電氣工程及其自動化的發展使得我國各行業的自動化進程不斷加快，仿真技術作為自動化控制系統中的組成部分，能夠很形象的反映出設備實時運行的情況，方便監控與管理。目前可編程控制器（PLC）作為行業經常采用的生產控制設備，與之相應的力控軟件能夠很好的模擬仿真系統的運行狀況，他們已經被越來越廣泛運用到社會的各行各業。
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1引言
小型化質譜儀[1～3]由于其成本低，使用方便等特點，成為了質譜相關研究領域的熱點。小型化的質譜技術與傳統相比已有了很大的區別，在實現質譜小型化的過程中，不可避免地需要設計新的結構[4，5]。
矩形離子阱（Rectilinear ion trap，RIT）[6]是近年來出現的一種新的質量分析器，因具有易加工、離子存儲量大等優點而備受關注。優化矩形離子阱的結構或參數使之發揮更好的分析效果，是質譜研究的方向之一。在實際研究中，判斷優化是否可行首先需要對優化后的結構或參數進行仿真分析[7，8]，目前比較有效的仿真軟件有SIMION、ITSIM[9]等。
常規的仿真方法首先需要確定矩形離子阱的尺寸、電壓等參數，再判斷離子在其中是否穩定。若仿真結果不理想，則需要修改離子阱的參數再進行仿真。如此循環，直至得到理想的仿真結果，即在某種結構以及參數下，離子在離子阱中最穩定。離子在矩形離子阱中越穩定，說明矩形離子阱捕獲并束縛離子的能力越強，獲得的信號強度也越強。該矩形離子阱即為優化后的矩形離子阱。常規的仿真方法一次只能對一種特定的結構或參數進行仿真，需要耗費大量的時間與精力才能得到優化的結果。
本研究提出了一種新的對矩形離子阱進行仿真的方法。此方法可以使用循環遍歷的方式一次性對多個不同的參數進行仿真，大大縮短了仿真需要的時間和耗費的精力。此方法以數值分析為基礎，對離子在矩形離子阱中的運動進行分析，得到相應的離子運動二階微分方程。該方程包含了影響離子在離子阱中運動情況的參數。選擇需要優化的某個或某幾個參數為未知數，其余設為定值，使用數值分析的RungeKutta法，對此二階微分方程進行求解，得到理想狀態下離子最穩定的條件。該條件即為矩形離子阱的優化仿真結果。
此方法簡單易行，便于修改，針對性強，可以使用循環遍歷的方式來尋找最優參數，避免了繁瑣的人工操作，特別適用于對未知結構或參數的探索研究。以此方法為基礎可開發離子運動仿真軟件，有很好的應用價值。
2離子運動分析
矩形離子阱的電壓加載方式：RIT的左右、上下極板加載了高頻率的射頻（Radio frequency，RF）電壓，分別為U+Vsin（Ωt）和U-Vsin（Ωt），U為直流部分幅值，V為高頻部分幅值，f=Ω/2π為RF波的頻率。
對矩形離子阱進行電場分析[10]，同時根據其特性和電壓加載方式，得到電場中任一點的電勢Φ表達式：
第10期陳一 等： 一種基于數值分析的矩形離子阱仿真優化方法
其中，（x，y）為t時刻下，離子在矩形離子阱中的坐標，t的單位為10
Symbolm@@ 6 s；RF電壓頻率為1 MHz；參考目前常用的矩形離子阱的尺寸，設定x，y的單位量級為mm；常用質荷比（m/z）為100（以下仿真所用質荷比均為100）。考慮各變量的單位后，式（3）變為
（4）
其中，若以離子在t時刻的位置（x，y）為未知數，則式中需要優化的參數包括RF電壓幅值V，以及矩形離子阱的極板大小比（x0∶y0）。式（4）是二階微分方程，即Mathieu方程，解這個二階微分方程可以得到xt， yt的關系，即可以分析離子在t時刻的位置。如果離子的位置超過了離子阱的尺寸范圍（x0， y0），說明離子已經撞到了極板上而泯滅，這時的離子阱設計是不合適的。反之，若離子的位置始終在離子阱中，則該離子阱的設計是合適的。進一步，相同時刻下，如果有某個固定的參數V、（x0∶y0），使得離子在離子阱中的位置（x，y）最小，則離子最穩定，此參數為離子阱的最優參數。
3基于數值分析的矩形離子阱仿真與優化
改變矩形離子阱尺寸為15 mm×15 mm，結果如圖1b所示。離子阱的尺寸增大后，在相當一部分時刻下，離子位置（x，y）都超過了離子阱的尺寸（15 mm），即離子會在這些時刻撞上離子阱的外壁，從而泯滅，故此時的離子阱是不穩定的。這不難理解，因為在離子阱上加載的電壓仍然是200 V，此電壓對于增大尺寸的離子阱來說較小，不能完全束縛住離子。
在保證電壓能束縛住離子的情況下，固定電壓幅值，對矩形離子阱的最佳長寬比進行探討，將長寬比值x0∶y0從10逐漸減小到1（即從5 mm×0.5 mm變化到5 mm×5 mm）。編寫循環算法并計算，得到離子在不同尺寸比例下的運動范圍與對應尺寸的比例關系，如表1所示。在尺寸為5 mm×0.5 mm、5 mm×1 mm時，Max（y）/y0>1，即離子運動超出了離子阱的范圍，故這種設計是不正確的。在尺寸為5 mm×1.5 mm～5 mm ×5 mm時，離子的運動范圍都在離子阱內，都是穩定的。但是，離子運動的范圍各不相同，當運動范圍最小時穩定性最好。使用x、y方向運動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，表征離子運動的穩定性。由表1得出，在尺寸為5 mm×3.5 mm時，上式的值最小，能夠得到最好的穩定性。
從圖2可見，在不同電壓下，矩形離子阱極板的尺寸比約為1∶0.7到1∶0.8時，離子的運動幅度最小，離子最穩定，此時離子阱的尺寸最優。所以，矩形離子阱的長寬比應為1∶0.7或1∶0.8，才能保證最優的離子捕獲及束縛效果。
4結果與討論
根據優化條件，設計加工了尺寸為10 mm × 7 mm × 40 mm的矩形離子阱，并進行了實驗。實驗裝置如圖3。實驗采用紫外燈源（德國賀利氏特種光源）作為離子源，其極化能量為10.6 eV，波長為116.5 nm[12]。使用乙醇（C2H5OH，m/z=46）為樣品，揮發出來的乙醇氣體和載氣（氮氣）[TS（][HT5”SS]圖3矩形離子阱測試實驗裝置示意
Fig.3Facilities for the experiment of rectilinear ion trap[HT5][TS）]
混合后成為樣品混合氣體。樣品混合氣體中的乙醇通過紫外燈源時被離子化。紫外燈源的極化電壓為1.5 V，混合氣體流速為0.8 L/min。
真空系統使用德國Pfeiffer的Hicube80E真空泵組，真空腔為自制。使用夾管閥[2]（意大利SIRAI公司）實現樣品的進樣。夾管閥關閉時，真空腔內部的氣壓約為4×10
使用法拉第筒作為檢測器進行檢測，法拉第筒檢測器連接微電流檢測儀（Keithley）。測得的電流信號轉化為數據傳遞至計算機，經計算機處理后得到相應的質譜圖。
實驗參數及得到的信號如圖4所示，其中橫坐標是折算后的質荷比，縱坐標為測得的電流值（負模式）。在m/z 45.8左右得到了質譜峰。由于實驗中法拉第筒檢測器的屏蔽不完善，RF電壓在掃描時對測量信號產生了一定的影響，導致了背景信號有略微傾斜。本研究使用的法拉第筒檢測器，其靈敏度較低，作為對比的結構未優化的矩形離子阱基本測不到信號。這從側面證明了仿真優化的效果。從實驗結果可知，所設計的矩形離子阱能夠正常工作，證明了本文所述方法的實用性和正確性。
5結論
本研究介紹了一種基于數值分析的仿真方法，實現了對矩形離子阱的仿真以及優化設計。使用本方法設計加工了矩形離子阱并進行了實驗，得到了乙醇的質譜圖，證明了本方法的實用性和正確性。
本方法可以推廣到質譜小型化的相關研究中去。質譜的小型化不僅是結構上的等比例縮小，而且涉及到新的結構或方法。本方法可以有效地輔助研究人員完成新結構以及新方法的確立，有很好的應用價值。
基于數值分析的仿真方法是一種探索性的仿真方法，簡單易行，便于修改，針對性強，使用循環遍歷的方式可一次性對多個不同的參數進行仿真，大大縮短了仿真需要的時間和耗費的精力，特別適用于對未知結構或參數的探索研究。以本方法為基礎可開發離子運動仿真軟件，有很好的應用前景。
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關鍵詞:射頻標簽;防碰撞;編址策略;應急;物資管理;計算機仿真
1研究背景和概述
射頻標簽(RFIDtag)又稱電子標簽，在跟蹤、物流、物資管理等領域已得到廣泛應用，例如:圖書館門禁系統，交通收費，倉儲管理、貨架管理以、應急物資管理及食品安全溯源等。其中，用于解決讀寫器作用范圍內多標簽識別情景下的射頻標簽識別防碰撞方法已成為該領域的重要研究點。射頻標簽的防碰撞方法主要是為了解決在射頻標簽識別設備的有效通信區域內，當多個射頻標簽同時與識別設備進行通信時產生的地址沖突問題。目前學術界對射頻標簽防碰撞問題集中于對算法本身的研究，一般沒有考慮射頻標簽編碼策略的因素。本文對采用經典的QT射頻標簽防碰撞算法情況下，分別使用“層次化編址”和“隨機編址”兩種編址策略的射頻標簽識別吞吐率進行比較研究。通過模擬仿真可以得出結論，利用“隨機編址”策略可以獲得比“層次化編址”策略更高的射頻標簽識別吞吐率。而“層次化編址”策略也有其優勢，一是現有的商用射頻標簽產品，大多采用了高位地址相同，低位地址連續增加的“層次化編址”策略；二是“層次化編址”本身可以直接提供商品廠家、類型等信息。因此，研究針對“層次化編址”策略的射頻標簽防碰撞算法、以及研究“層次化編址”策略的應用場景是下一步的研究方向。
2射頻標簽編碼策略分析
2.1射頻標簽國際標準協議采用的射頻標簽編碼協議
在較早版本的射頻標簽國際標準協議（如ISO18000-6TypeB）中，射頻標簽的地址是固定的。而在較新的射頻標簽國際標準（如ISO18000-6TypeC）集中，用戶可以根據需要優化定制射頻標簽編址策略。隨著RFID技術的發展，在許多應用領域中，需要更加靈活的射頻標簽國際標準，因此本文研究采用經典的QT射頻標簽防碰撞算法情況下，分別對射頻標簽使用“層次化編址”和“隨機編址”兩種編址策略時，對射頻標簽識別吞吐率的影響，為射頻識別系統優化設計和新的射頻標識標準科學制定提供參考。
2.2層次化編址策略與隨機編址策略
作為“層次化編址”策略的一個例子，EPC（ElectronicProductCode）即電子產品編碼，是一種編碼系統。它建立在EAN.UCC（即全球統一標識系統）條型編碼的基礎之上，并對該條形編碼系統做了一些擴充，用以實現對單品進行標志。EPC編碼由版本號、產品域名管理、產品分類部分和序列號四個字段組成。EPC編碼根據地址長度的不同又分為EPC-64,EPC-96等多種編碼方法，如圖1所示。EPC-64是目前得到行業支持較廣泛的一種EPC編碼方法，又分為TYPE-I,TYPE-II,TYPE-III三種實現方案。較新的射頻標簽國際標準ISO18000-6TypeC也在協議的層面上對EPC提供了支持。“隨機編址”策略，顧名思義，就是對每一個射頻標簽隨機生成和分配一個地址。隨機生成的地址僅做標簽識別，沒有具體的意義，可以在后臺數據庫中與產品類型、廠商品牌等其他信息進行關聯。
3基于計算機仿真的射頻標簽編碼策略比較研究
3.1射頻標簽編碼策略計算機仿真
本文開發了射頻標簽識別防碰撞算法計算機仿真軟件，分別對射頻標簽使用“層次化編址”和“隨機編址”兩種編址策略的射頻標簽識別吞吐率進行計算機模擬。在仿真過程中，射頻標簽防碰撞算法采用經典的QT算法。射頻標簽地址長度為64bit。對于“層次化編址”策略，采用EPC-64TYPY-I規范，對“隨機編址”策略，采用隨機生成的方式生成射頻標簽地址。射頻標簽識別防碰撞算法計算機仿真參數的選擇基于現實的射頻標簽讀取場景，包括超市個人結算場景和大型倉儲區貨架管理場景。這兩種場景的共同點是每種場景下系統都需要考慮兩個數量Ntotal和Nlocal。Ntotal表示已經入庫且分配了射頻標簽的物品總數量，Nlocal表示射頻標簽閱讀器某一次讀取操作中需要讀取的射頻標簽數量。在超市個人結算場景下Nlocal大約在數十個的數量級，在大型倉儲區貨架管理場景場景下Nlocal大約在數百個的數量級。而Ntotal可能在幾萬至幾十萬的數量級。在本文的模擬過程中，Ntotal取值為10000至100000，每隔10000計算一個模擬數值。而Ntotal取20和200兩個數值，分別模擬超市個人結算場景和大型倉儲區貨架管理場景。
3.2不同射頻標簽編址策略仿真結果
可以看出在射頻標簽閱讀器一次需要讀取20個射頻標簽的情景下，采用隨機編址策略時，射頻標簽閱讀器只需發起50次左右前綴匹配。而采用EPC-64TYPY-I層次化編址策略，則大約需要發起400次左右前綴匹配。由圖3右側圖表可以看出在射頻標簽閱讀器一次需要讀取200個射頻標簽的情景下，采用隨機編址策略情況下，射頻標簽閱讀器只需發起不到600次左右前綴匹配。而采用EPC-64TYPY-I層次化編址策略，則大約需要發起800至1500次前綴匹配。
3.3仿真結果分析與進一步的研究方向
通過上文的仿真結果，可以得出結論：采用隨機編址策略，射頻標簽閱讀器可以通過發起更少的射頻標簽前綴匹配操作，完成射頻標簽匹配讀取任務，射頻標簽識別吞吐率由于“層次化編址”策略。出現這種情況的原因是因為，在使用隨機編碼編址情況下，射頻標簽間的地址是低相關性的，標簽地址沖突只會出現在射頻標簽地址前幾位。而采用層次化編址策略情況下，射頻標簽間的地址是高相關性的，在不同策標簽地址層次分段上，都有可能產生射頻標簽地址讀取沖突。雖然從射頻標簽讀取效率的角度講，“隨機編址”策略，優于“層次化編址”策略，然而簡單放棄“層次化編址”策略并非最終的解決方案。第一個原因是而現有的射頻標簽產品，大多采用了高位地址相同，低位地址連續增加的“層次化編址”策略；第二個原因是“層次化編址”策略本身比“隨機編址”策略直接提供了關于產品的更多信息。因此，下一步的研究方向包括下面幾個方面：一是對基本的QT算法進行優化，研究在采用層次化射頻標簽編址策略情況下，讀取效率仍然較高的射頻標簽讀取算法。二是從系統優化的觀點選取適合的射頻標簽編址策略。例如某應用需要通過掃描射頻標簽獲得產品信息，就需要從系統的角度考慮是直接采用包含產品信息的“層次化編址策略”更加優化，還是采用“隨機編址”策略，然后從數據庫讀取產品信息更加優化。
4結論
射頻標簽又稱電子標簽，是一種得到廣泛應用的物品單元自動識別通信技術。本文根據射頻標識技術的最新發展，在射頻標簽地址優化編碼技術方向上開展研究與仿真。模擬結果表明采用經典的QT射頻標簽防碰撞算法，利用“隨機編址”策略可以獲得比“層次化編址”更高的射頻標簽識別吞吐率。下一步的研究方向包括：一是對基本的QT算法進行優化，研究在采用層次化射頻標簽編址策略情況下，讀取效率仍然較高的射頻標簽讀取算法；二是面向應用，綜合考慮射頻標簽識別算法吞吐率、數據庫訪問瓶頸等多種關鍵影響因素，從系統優化的觀點選取適合的射頻標簽編址策略。本文的研究成果具有較高的現實指導意義。
參考文獻
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1 軟件選擇
Inventor是美國Autodesk公司推出的一款三維可視化實體模擬軟件，能夠方便快捷地創建和驗證完整的數字樣機，可用于建模、裝配等工作。3ds Max是Autodesk公司研發的三維動畫制作和渲染軟件，具有通用性好、方便易學、價格低廉、擴展性強等優點，是目前較為流行的同類軟件之一。本文所述的自動化集裝箱碼頭三維建模和動畫仿真基于Windows操作系統，三維建模由Inventor軟件完成，三維動畫制作由3ds Max軟件完成，動畫后期制作由After Effects后期特效軟件和Premiere Pro非線性編輯軟件完成。
2 模型創建及導入
自動化集裝箱碼頭設備眾多，這些設備的三維模型需要利用Inventor軟件分別創建。本項目創建的模型包括集裝箱船舶、橋吊、內集卡、自動導引車、自動導引車伴侶、軌道吊、鐵路吊、碼頭地形等。
模型創建完成后，需要導入3ds Max軟件中以構建場景模型。在3ds Max軟件中，依次選擇“應用程序”菜單“導入”選項“選擇要導入的文件”對話框“文件類型”“Autodesk Inventor（*.IPT；*.IAM）”，將建好的模型逐個導入。導入模型時應當根據具體情況選擇適當的選項，以確保模型精度及Z軸方向正確（見圖1）。設備模型全部導入后，按方案布置圖將模型放置在相應位置，形成自動化集裝箱碼頭總體三維模型（見圖2）。
3 材質及燈光設置
對模型進行材質、紋理貼圖是關鍵步驟之一。為增強碼頭整體效果的真實性，要根據業主的要求，利用材質編輯器賦予模型相應的顏色、材質。一般情況下不要求對材質進行做舊處理，只要根據業主提供的色標調出相應的顏色，再調整高光級別及光澤度參數即可。此外，對港徽銘牌、集裝箱材質等進行貼圖處理，并利用3ds Max軟件的UV紋理編輯器進行對位和編輯，配合整體模型達到最好的效果。
本項目使用mr Sun和mr Sky設置燈光參數，能夠精確渲染日光場景，實現較真實的光照陰影效果（見圖3）。
4 腳本設計
本項目需要動畫演示7種作業工況，分別為卸船、裝船、堆場移箱、堆場接力、集卡裝卸、特殊箱裝卸、邊裝邊卸等，每種作業工況均要制定詳細的動畫腳本。卸船作業的動畫腳本見表1。
5 動畫設置
3ds Max軟件設置運動的方法有關鍵幀法、變形法和關節法等，技術動畫一般采用關鍵幀法和關節法。該軟件中幾乎所有參數都可以創建關鍵幀，而機械運動和受物理規律制約的運動僅需少數關鍵幀就能使畫面栩栩如生。
本項目采用關鍵幀法進行動畫設置。為便于設置動畫關鍵幀，對設備及其零部件按所在位置關系分組，并用“選擇鏈接”和“打斷鏈接”的命令建立物體之間的層級關系，定義父物體和子物體，形成動作關聯性，使子物體跟隨父物體運動。需要注意的是，集裝箱分別跟隨橋吊小車、自動導引車、軌道吊小車運動，而常規的分組或鏈接只能使其在整個動畫過程中跟隨唯一的父物體運動，對其單獨設置動畫幀的工作量又較大，為此，將集裝箱的控制器類型改為“鏈接約束”，使其繼承目標對象的位置、旋轉度和比例，從而隨場景中的不同對象運動。集裝箱在特定關鍵幀的鏈接狀態見圖4。
6 渲染輸出及后期合成
按照動畫腳本對相關的設備、零部件設置關鍵幀后，即可進行渲染輸出，在“渲染器設置”對話框中調節“活動時間段”“輸出大小”“渲染輸出”“指定渲染器”等參數。本項目采用Mental Ray渲染器進行渲染，輸出分辨率為高清電視的1280？20，并采用TGA圖片序列為最終渲染結果，這樣方便后期特效軟件和非線性編輯軟件合成動畫視頻，通過添加字幕、音樂、配音等完成整個三維仿真動畫的制作。
7 結束語
Inventor軟件和3ds Max軟件各有優勢，在動畫仿真應用上能夠實現功能互補。利用上述軟件模擬自動化集裝箱碼頭的布局規劃和各種作業工況，可以使抽象的技術問題形象化，使碼頭管理者和研發人員直觀了解自動化集裝箱碼頭的布局方案和作業流程，從而大大方便方案論證和交流改進，并為調整優化方案提供決策依據。實踐證明，三維建模和動畫仿真軟件以其獨特的設計理念，將科學性與藝術性相結合，為自動化集裝箱碼頭設計和推廣提供重要支撐。
參考文獻：
關鍵詞：調度自動化；數字物理；仿真培訓
隨著國家電網建設的加快，系統需要實現電網調度自動化，是電網安全經濟運行的有力保障。目前，調度自動化仿真培訓系統是以電力系統運行特點為基礎，通過計算機仿真調度自動化系統提供培訓人員[1]。然而，當它們被改編成模擬主界面進入實際生產工作時，也需要投入大量的時間和精力來熟悉實際操作，應用動態調度系統。因此，利用計算機仿真技術模擬電網調度自動化系統的運行，結合實際需要的混合仿真培訓系統由此出現。
在這種混合仿真系統中，仿真網格通信功能部分和實際調度主調度問題已成為一個非常重要的部分。其可靠性、實用性和效率需要得到滿足標準。本文介紹了遠程終端解決方案，基于混合自動站的標準協議IEC60870-5-104仿真培訓系統，結合實際工程中的應用試驗。
一、主要技術
調度自動化仿真培訓系統主要由混合核心網絡仿真模塊、通信模塊、實時主站系統三部分組成。仿真終端主要是指通信模塊、IEC 104通信協議的設計功能。通訊方式：IE C 104通信模塊作為從站（服務器），作為主站的主調度端（客戶端），二者運用一個網絡端口物理鏈路。
（一）仿真模塊以及通信模塊數據交換
仿真系統要求高實時性和高效率的數據通信模塊，對仿真系統提出了更高的要求。電力系統仿真可能涉及自變電站仿真，對于仿真系統大規模數據的問題，考慮使用共享內存數據庫來進行請求間數據交換的過程。
目前，實時數據庫是OSI PI的主要市場，呈分布式網絡結構，價格比較貴，不適合訓練系統設計。測試網絡開源SQLite數據庫，不能滿足設計要求。因此，選擇模式識別，在共享內存隊列中實現數據交換。
通信模塊主要負責監視上行隊列、下行隊列，并將數據轉發到相應的仿真模塊和104個通信程序。在系統實際運行中，遙控和遙測站傳輸、遠程遙測、位移實時調度仿真系統，對于時間和SOE信息，只需接收遠程控制預調度主站發出遠程命令執行。因此，在IE仿真系統的指導下，C104通信模塊為下行。
（二）調度自動化系統以及通信模塊通信
在調度自動化系統中，區域電網仿真數據的趨勢往往需要。根據電網規模的不同需求，模擬和白色的RTU裝置，有幾十個站跟一個或多個通信站通信。因此，如果在變電站直接使用104種通信方式。在一個過程或RTU通信處理能力是所有設備的需求將相當大的提高，從而增加了系統的硬件成本。
本設計采用了編程和多線程技術，大大降低了系統資源的利用率。在通信終端設備的通信過程中的服務器通信模塊，每個線程模擬一個站或站。RTU站設備之間的端口的設置及使用請求線程工廠端口號識別。在初始化階段從配置文件中讀取的站點列表信息。
在交流的^程中，IEC協議提供104和4連接超時，T（CTCP連接超時）對測試過程的格式結束的開始；（TZ）從等待超時響應（RTU）在消息發送信息或更改，P端調用消息超時站到后返回的時間（T3）；從站和終點站問沒有實際的數據交換時間，任何一端的測試過程時的最大時間間隔格式Q。
在仿真過程中，非生產系統的安全性、可靠性和效率的平衡，可能需要松弛的量。因此，，加入重聯機制，并在交流的過程中，從站（RTU）確定響應消息。為了提高處理系統的效率，減少線程在進程中的負擔。因此，只需要考慮T3超時，沒有收到任何站里面T3消息（RTU），主動發送測試消息的格式和中斷的保護環節結束。
二、實際應用于測試
當程序啟動時，第一站端口配置信息從程序進入，端口信息創建一個線程，讀取對應的端口站。然后根據通信鏈路初始化、監控主站的TCP連接請求，TCP連接請求的網站[2]。當網絡連接設置接收和回答請求啟動網絡接收數據通信。呼叫和響應報告。然后改為正常通信，遙測和遠程數據報告，并接收遠程控制和遠程命令。
本設計采用IEC 104協議，移動通信網絡仿真系統和實際的調度問題，通過測試和驗證。主要控制廠商調度自動化系統，該程序根據通信程序進行測試系統。測試包括建立通信連接、遠程遙控開關遙控遙測。
修改站數、配置文件、啟動通信程序和主站建立連接，然后插上電纜使程序重新連接，掌握基站的信道狀態并記錄結果和連接。
在站數不同的情況下，增加各站遙測/遙控點的數量，啟動通信程序，建立與主站的連接，然后檢查遙測/遙測值是否正確。在不同站數情況下，主通信程序開始建立連接，20個遙控單元隨機選擇切換到遠程操作進行3次測試。在不同的工廠條件下，選擇主通信程序和開關的遠程操作之間的連接。我們可以得出結論，該方案完全可以滿足調度和動態混合仿真系統的實際需要。
三、結束語
仿真培訓系統在終端站調度自動化設計中的應用。最廣泛使用的IE 104協議，提出了一個可靠、有效和實用的培訓系統，信息流仿真和數據通信。利用現有共享內存，模擬多終端和遠程控制站調度通信端口識別，建立物理鏈路單端口網絡。與電網調度仿真系統設計方案無縫連接，滿足調度自動化專業人員需求。
參考文獻：
