汽车尾气实时监测系统

汽车尾气实时监测系统 1、相关定义 1.1、PERCLOS 定义和计算方法 PERCLOS的概念最早由W.W.Weirwille在1994年德国慕尼黑第十四届ESV国际技术 大会上提出,并且得到美国联邦公路管理局FHWA(Federal Highway Administration)的 大力推荐。W.W.Weirwille 和他的同事把PERCLOS定义为”在一定时间内眼睛闭合程度 为80%-100%的时间占总时间的百分比”,其英文解释是”The proportion of time that a subject’s eyes were 80% to 100% closed[20]”。 设P为PERCLOS值t, 单位 为单位时间t, 闭 为在此单位时间内眼睛闭合程度为80%-100% 的时间,为按照定义,计算公式为: 例如,一驾驶员在一分钟里面有有 15 次闭眼,每次 0.4 秒,共计 6 秒,那么该驾 驶员的 PERCLOS 值就是 P=(6/60)×100%=10%。 对 PERCLOS 进行研究的后来者,大部分都沿用这一定义,并对定义中的 80%-100% 的眼睛闭合程度的有效性和可靠性实验进行了验证。 1.2、GIS的定义和ARCGIS简介 ic Information System)。顾名思义,地理信息 系统是处理地理信息的系统。地理信息是指直接或间接与地球上的空间位置有关的信息, 又常称为空间信息。 地理信息系统事实上就是地图的一个延续,就是用地理信息系统扩展地图工作的内 容。一般来说,GIS可定义为:”用于采集、存储、管理、处理、检索、和表达地理空 间数据的计算 机系统,是分析和处理海量地理数据的通用技术”。从GIS系统应用角度, 可进一步定义:”GIS由计算机系统、地理数据和用户组成,通过对地理数据的集成、存储、 检索、操作和分析,生成并输出各种地理信息,从而为土地利用、资源评价与管理、环境 监测、交通运输、经济建设、城市规划以及政府部门行政管理提供新的知识,为工程 和规划、管理决策服务”。(陈述彭,1999)。 ARCGIS是美国环境系统研究所(Environment System Researeh Institute,ESRI)开发 的新一代GIS软件,是世界上应用广泛的GIS软件之一,是我国GIS领域常用的商用软件。 1978年第一个ARC/IN’F0产品诞生。本研究使用ARCG工58.3版本的软件。 在ARCGIS中,最重要的栅格数据格式是GRID。GRID是一种利用格网研究一个地区空 间信息的数据模型,其由正方形网格组成,某个GRID中所有的网格大小相等。 栅格结构是最简单最直观的空间数据结构,又称为网格结构(Raster或Grid Cell)或 象元结构(Pixel),是指将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列,每个网格作为 浙江大学硕士学位论文 杭州早情实时自动及遥感监测方法研究 一个象元或象素,由行、列号定义,并包含一个代码,表示该象素的属性类型或量值。 因此栅格结构以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织,组织中的每个数 据表示地理要素的非几何属性特征。 3.4.2空间插值的定义 空间插值是利用已知点的属性值来估测未知点的属性值,常用于将离散点的测量数据 转换为连续的数据曲面。空间插值理论的假设依据是:空间位置越靠近的点,越可能具有 相似的特征值。 ARCGIS提供了三种空间插值方法,分别是: 距离反比权重法(工nverse DIStance We 1 ghted),样条插值法(Spline Method),克里金插值法(Kriging Method)。 距离反比权重插值法(功 W)的基本思想是:距离相近的事物相互之间的影响大,距离 远的影响 小。利用多个已知数据点对某一位置插值时,距离近的贡献大,距离源 的贡献小。 根据这一原理得到倒数距离权重描述的插值公式: Zi己 知点的值;Dij到已知点的距离。 Zj未知点的值;n选择的指数。 3.4.3 ARCGls土壤墒情空间插值实现 气候要素的空间插值:基于在点位置 (14个土壤墒情站)所自动监测到的20cm的土壤 体积含水量(转换后 获得该层土壤的相对湿度值),插值获得土壤相对湿度空间分布图。 数 据准备: (1) 14个土壤墒情站的经纬度,20cm层土壤相对湿度值。 (2)所在区域的行政区划图(polygon)。 插值方法:采用距离反比权重插值 法(IDW方法)。 表3.8杭州全市2006年8月13日16时ZOcm土壤 干旱监测数据 站站号 号站名 名时间 间20em体积积20cm最大 大 20em土壤壤 含 含 含 含 含水量量体积含水量量相对湿度度 KKK1047 77跑马岗 岗2006081316667 7713 3353% %% KKK1075 55 中洲 洲20060813166615 5531 1148% %% KKK1063 33白马 马 20060813166618 8836 6650% %% KKK1018 88龙井山园园 200608131666 6626 660 00 KKK1035 55佳山坞 坞20060813166627 7748 8856% %% KKK1046 66岛石 石200608131666l0 0016 6663% 浙江大学硕士学位论文 杭州早情实时自动及遥感监测方法研究 KKK1013 33航头 头2006081316662999488860% %% KKK1014 44 东江围垦垦2006081316662333488850% %% KKK1019 99塘栖 栖 2006081316662000455545% %% KKK1051 11春建 建2006081316661888355551% %% KKK1039 99乾潭 潭2006081316668 88311126% %% KKK1026 66瑶琳 琳2006081316661lll333333% %% KKK1057 77宋村 村200608131666l999422245% %% KKK1043 33军建 建2006081316662333466650% %% 具体操作流程: (1) ARCGIS软件中加入土壤墒情站的经纬度和相对湿度值。 (2)设置空间分析的分析窗口参数和掩码(Mask)参数。 (3)设置搜索半径或邻点数。 最后获得杭州全市2006年8月13日16时土壤干旱监测插值分布图3.20。 广广’’ 图3.20杭州全市2006年8月13日16时土壤干早监测分布 3.5小结 (1)在杭州全市范围内建立了14个土壤墒情监测站,分别是淳安县3个(宋村、中 洲、白马),建德市2个(航头、乾潭),桐庐县1个(瑶琳),富阳市1个(春建)。萧山 区2个(佳山坞、东江围垦),余杭区1个(塘栖),临安市3个(跑马岗、岛石、军建), 杭州市区1个(龙井山园)。 (2)通过无线GSM网络将土壤墒情监测数据实时传输到中心站即监测中心(杭州) 的数据库中,成功开发了杭州土壤墒情监测业务平台。 (3)用新的方法确定了14个站土壤达到田间持水量时体积含水量,并依此获得了14 32 浙江大学硕士学位论文杭州早情实时自动及遥感监测方法研究 个土壤墒情站20cm深度最大田间持水量时的最大体积含水量的数据。 (4)应用AICGIS的距离反比权重插值法在14个监测站数据的基础上获取了每个小 时的杭州全市土壤相对湿度面上分布情况。 浙江大学硕士学位论文 杭州早情实时自动及遥感监测方法研究 第 四章杭州市旱情遥感监测方法研究 4.,研究区概况 杭州位于中国东南沿海,浙江省的西北部,京杭大运河南端,地理坐标介于北纬 29On’一300 34’和东经118020‘一120’37‘,是长江三角洲南翼重要中心城市和浙江省 会、浙江省政治、经济、文化中心。市辖8个区(上城、下城、西湖、拱墅、江干、滨江、 萧山和余杭区)、3个县级市(临安、富阳和建德)、2个县(桐庐和淳安)。全市总面积16596 平方公里。境内地形复杂多样,地势西高东低,西部、中部和南部属浙西中低山丘陵,东 北部是浙北平原。以低山丘陵为主。山地丘陵面积占65.6%,平原占26.4%,江、湖、水 库占8%。 杭州的自然环境具有三个明显的特点:一是东部近海,西部连山,地貌类别多样。杭 州市西部、中部和南部属浙西中低山丘陵,东北部属浙北平原,”三面云山一面城”、”乱 峰围绕水平铺”,是杭州市山、水、城融为一体的真实写照;二是地跨南、北两个热量带, 气候四季分明。杭州市地处亚热带季风区、冬夏季风交替明显。年平均气温巧?一17?, 年平均降水量1100毫米一1600毫米,以春雨、梅雨和台风雨为主;三是自然资源丰富。 杭州市江、湖众多,较大的河流有钱塘江、东曹溪和大运河、土壤按发生学分类,有n 个土类、21个亚类、59个土属、149个土种。其中以红壤和水稻土为主。分别占土壤总面 积的54.8%和14.0%。红壤分布在海拔600一700米以下的低山丘陵区、该区是粮、油、 麻、桑和多种蔬菜的主要产地,也是我国著名的鱼米之乡、丝绸之府。其余土壤依次为黄 壤、黑色石灰土、粗骨土、潮土和滨海盐土。这种光温同步、雨热同季,气候多宜、资源 丰富的特点也为生产处一批诸如茶叶、柑橘、桑 叶、山核桃、雷竹、蜜梨、芦笋、琵琶、 香枉、杨梅、草蓦等特色农产品创造了极佳的条件。 4.2杭州市旱情遥感监测方法 杭州市位于亚热带季风性气候,植被覆盖程度较高,所谓的干旱往往是指植被干旱, 上述的热惯量法、微波遥感法监测干旱虽然已经取得了良好的效果,但是只适用与裸土或 者是稀疏植被覆盖的区域,因此不适用与杭州地区的高植被覆盖的情况(杭州森林覆盖率 达64%以上),适用高植被覆盖的方法有归一化植被指数距平法,供水植被指数法,作物水 分胁迫指数(ewSI)法。 4.2.1归一化植被指数距平法 归一化植被指数距平法需要长时间的植被序列,目前,AVHRR传感器的N’DvI(归一化植 被指数)已形成了20多年较完整的数据序列,而MODIS传感器的NDVI现在只积累了4年左右 的资料,而在距平植被指数法中均涉及植被指数距平,但通过对MODIS和AvHRR植被指数在 不同下垫面类型下数据分布特征进行分析,得出其数据分布趋势相同但没有明显线性相关 关系,因此MODIS传感器的N’DVI不能直接沿用AVHRR传感器的N’DVI序列作为历史均值。以4 年左右的历史资料作为历史平均值不足以代表历史的平均水平。所以以MODIS资料为基础 建立的归一化植被指数距平法存在历史平均值难以解决的问题。 植被指数差异可以反映在土地利用变化不大和耕作条件无明显差异的情况下,水分条 浙江大学硕士学位论文杭州早情实时自动及遥感监测方法研究 件对植被生长的影响,即: 侧叨犷今胭VI,一胭VIJ一了 其中,侧叨叹为j像元两年同一时期的植被指数的差,胭叹厂为当年的植被指数值, 胭叹刁为比较年像元j的植被指数,刀叨VIj越大表明这 两年同一时期的植被指数的差异 越大,水分差异越明显;反之夕口VI’越小表明这两年同一时期的植被指数的差异越小,水 分的供应相当。 是否能以近年无干旱或作物生长相对正常的年份为基准,来部分替代植被指数的多年 平均值,将当年同期的植被指数与其比较,得出当年作物的受旱程度和旱情分布的范围。 2003年杭州地区出现了异常高温干旱的极端气候事件,到8月下旬,各县市不同程度 的受旱。 2002年7、8月份降水量均比常年偏多,未出现旱情,植被生长正常,计算了2002年 8月和2003年8月MODIS卫星植被指数差值,对上述观点进行了验证。(见图4.1,图4.2) 图4.1杭州市2003年8月13日一28日EVI分布图 图4.2杭州市2002年8月13日一28日Evi分布图 浙江大学硕士学位论文杭州早情实时自动及遥感监测方法研究 利用遥感处理软件ENVI对2003年8月24日和2002年8月23日的MODIS数据进行 必要的处理,得到两者的归一化植被指数,两者相减得到2003年8月下旬与2002年同期 植被指数差值图(见图4.3),图中蓝色代表水体,白色代表云,绿色代表正差值,黄色 代表负差值。红色代表负差值较大的地方。负差值表明2003年的作物的受旱的程度大于 2002年同期。负值越大,表明受早的程度越明显,正差值则反之。从图中可以看出2003 年8月杭州地区的植被生长情况不如2002年同期,在杭州地区各县市均存在不同程度负 差值,在临安市、余杭境内的负差值的面积较大,尤其是在天目山附近,在桐庐县北部地 区也存在较大的负差值。 图4.3杭州市2003年8月13日一28日与2002年同期Evi差值分布图 利用杭州市气象局自动气象站和杭州市林水 局的雨量遥测站2003年7月1日一8月24 日的降水资料(见图4.4)进行了对比分析。 图4.4杭州市2003年7月1日一8月24日累计降雨量分布图 浙江大学硕士学位论文杭州早情实时自动及遥感监测方法研究 从范围上分析,降水量的空间分布情况和植被指数差值的空间分布基本一致,在降水 量少的地方对应负差值,降水比较多的地方对应正差值;而从干早程度上讲,降水量相对 少的地方,如杭州市区,临安大部、建德东北部,富阳大部等地,都与植被指数负差值相 对大的区域对应较好。因此在作物生长其他的环境条件基本一致的条件下,可以利用同期 的植被指数差异来反映年际间的差异情况。 4.2.2作物水分胁迫指数(CWSI)法 作物水分胁迫指数(CWSI)是以作物冠层温度与空气温度之差(Tc一Ta)为基础而建立 起来的一个综合反映作物一土壤一大气系统特征的参数,冠层与空气的温差,是作物对天气 和土壤水分状况综合作用的结果,在一定净辐射条件下,作物冠层温度与空气温度之差在 很大程度上决定于植被蒸散量的大小,即地表能量平衡中潜热通量的所占份额,当土壤 供水充足时,植被蒸腾旺盛,大部分能量用于潜热消耗,只有小部分感热通量用于升高 冠层温度,因此冠层温度较低,作物冠层与空气温度之差也较小。而当土壤含水量较低时, 植被会因受到水分胁迫而关闭部分叶片气孔以减少蒸腾耗水,潜热通量消耗的减少将导 致感热通量的增加,从而引起冠层温度的升高。从而与空气温度之差增大。因此,作物冠 层温度与空气温度之差(Tc一Ta)的高低可作为土壤墒情的反映。作物水分胁迫指数法的计算 公式为: c姗_卫立鱼 dTu一四 公式中:dT是作物冠层温度与空 气温度之差,dT。是作物冠层温度与空气温度之差的 上限(这时由于干旱作物没有呼吸作用),dTI是作物冠层温度与空气温度之差的下限(这 时作物的水分供应充足)。空气温度值在区域较小,空气温度变化不大时,用气象站点的 测量的空气温度值代替。 由上式可知,CWSI为0时表示作物水分供应充足,无水分胁迫,为1时表示作物受到 最严重的水分胁迫。 cwsl方法是对完全覆盖(郁闭)的植被适用。但杭州市范围内并不是全部为植被完全 覆盖的,因此应用具有一定的局限性。 4.2.3温度植被干旱指数汀VDI)法 温度植被干旱指数法(Temperature一Vegetation DryneSS Index)是对作物水分缺乏 指数(Water Deficit Index)法的一种发展,考虑了植被覆盖程度对遥感地表温度的影 响,因此从理论上讲可能适合杭州地区的旱情监测。利用NASA网站上下载的数据和杭州 市实测土壤数据进行比较。讨论这种方法的可行性。 4.2.3.1 MODIS数据预处理 本研究使用的地表温度数据和植被指数产品从NASA网站上定购得到,分别为16天合 成的Ikm分辨率的MODI 3A2数据产品和8天合成的Ikm分辨率的MOD 1 IA2数据产品。本项 目定购了全年的杭州市的MODllAZ和M0D13A2数据产品。 37 浙江大学硕士学位论文 杭州早情实时自动及遥感监测方法研究 MOD 1 IA2是8天合成空间分辨率为Ikm的陆地表面温度产品,该产品包含白天地表温 度、夜间地表温度、31、32波段通道发射率等资料。该产品中的地表温度是通过31、32 通道亮温线性组合的分裂窗算法计算获得,其中通道亮温是根据辐射度与0.IK步长亮温 的查找表来确定,在计算地表温度过程中需要的发射 率是根据湘DIS土地覆盖产品确定的 (Wan,1 999)。对已经发射率的像素点陆地表面温度的精度为1K。为每天地表温度的8天 平均值产品。 MOD13AZ是16天合成的空间分辨率为1腼的植被指数产品。该产品包含NDVI、EVI、 红光、近红外、中红外、蓝光等波段反射率以及其他辅助信息。MOD13AZ使用新的合成算 法减少随观测角度的变化和太阳一目标一传感器几何学因素引起的变化。在生成植被指数 格点资料是将应用分子散射、臭氧吸收、气溶胶订正算法。用BEDF模式将观测量订正到 天顶角。 由于NDVI在植被高覆盖区容易饱和,这除了红光通道就容易饱和外,主要是基于 N工R/RED比值的NDVI算式本身存在容易饱和的缺陷;而且N’DVI没有考虑树冠背景对植被 指数的影响;而MODIS一Evl不采用基于比值的方法,减少了NDVI算式容易饱和的缺陷; 再者MODIS一EVI综合ARVI(Atmospheri。Resistan。eV。getation Index)即抗大气植被 指数和SAVI(5011 Adjusted Vegetation Index)即土壤调节植被指数的理论基础,形成 “增强型植被指数(EVI)”,它可以同时减少来自大气和土壤噪音的影响;总之,MOD工S一EVI 使植被指数与不同覆盖程度植被的线性关系得到明显改善,尤其在高覆盖区表现良好。 基于以上原因,杭州处于华东地区,植被覆盖程度比较高,在对植被指数产品的选择 上,选用了MODIS的EVI即增强性植被指数(Enhaneed Vegetation Index),而未选用 NDV工产品。 图4.5 2006年7月28日至8月13日地表温度分布图 研究采用MODIS数据投影软件MRT(Modis Reprojeetion Tool)对下载的数据图像的 进行拼接、MOD工S一EVI 和地表温度数据集提取。输出数据格式为GEOTIFF格式,输出投影 浙江大学硕士学位论文杭州早情实时自动及遥感监测方法研究 采用Albers Equal Area,椭球体采用WGS84。Central_Meridian为105,Standard_Paral lel_1为25;Standard_Parallel_2为47。其他参数为0。输出数据的空间分辨率为1000 米。重采样方法采用双线性插值法。 然后在ENVI遥感处理软件中利用杭州地区的边界矢量文件做Mask(掩码),切出杭州市 的地表温度和植被指数图像数据(见图4.5,图4.6),数据为171行、211列。对于地表 温度数据,得到实际数值需对数据乘以0.02,单位为K。对于植被指数数据,得到实际数 值需对数据乘以0.0001,无量纲。 图4.6 2006年7月28日至8月13日16天合成EVI分布图 将2个时相8天合成的地表温度数据合成为1个时相16天合成的地表温度数据。合 成时,取每一像元2个时相的最大值作为合成后这个像元的LST。(选用平均值合成)利用 ENV工的二次开发环境IDL编写程序完成。 4.2.3.2数据二次处理步骤 (1)使用工DL编程,利用16天合成的地表温度数据和增强型植被指数数据,提取某 一EVI对应的所有地表温度中的最大值和最小值,将不同EVI下的最大和最小陆地表面温 度保存于文本中。 (2)利用上一步骤中提取的数据,在Excel中对EVI和最大和最小陆地表面温度进 行线性拟合,获得干边和湿边方程系数。 (3)使用IDL编程,根据公式: ,ED了_止生竺诬二 Tsmax一Ts~ 计算图像上每个像元的温度植被干早指数(TVDI)值,获取杭州市TVDI的分布图。 (4)提取野外同步采样点位置的TVDI值和土壤相对湿度值,确定干、湿边对应的土 浙江大学硕士 学位论文杭州早情实时自动及遥感监测方法研究 壤相对湿度。 (5)根据TVDI对杭州市土壤湿度进行反演并按一定对旱情分级。 4.2.3.3数据二次处理分析 4.2.3.3.ITs一NDVI特征空间 利用16天合成的地表温度数据和增强型植被指数数据,获得2006209的LsT一Evl特 征空间,如图4.7所示。 、.J K 了.、 T于seser 内b .L叹口 J.山 勺J .: ; ““EVI 一0 .3一0.2一0.1 0 0.10,2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 图4.7 2006209的LST-EVI特征空间 使用IDL编程,利用16天合成的地表温度数据和增强型植被指数数据,提取某一EVI 对应的所有地表温度中的最大值和最小值。如图4.8。 、.了 K 了f、 下二! ,t口 L亡」 曰.上 0J 户 +-.. 一奋 、., 二, +’c 妙卜, 山护l ,.’... 令心 下,。砍沪?,:’ 人今 盛今. :’‘:::一,.N’ 一0 .3一0.2一0.10 EV! 0 .1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 图4.8 2006209的Evl与对应的LsT最大最小值分布图 鲤左塑兰燮塑—一一一- 从图4.8中可以看到,以EV工 杭州早情实时自动及遥塑缨里壑堕 二0.2为界, 呈三角形,这和前面的讨论基本一致,EV工 90%的区域为土壤水分过湿区。分类结果见图4.21。 Soi1H恤idity(%) T、吧I 1 图4.20干、湿边土壤相对湿度确定图 图4.21 2006年7月28日一8月13日杭州市土壤干旱分布 浙江大学硕士学位论文 杭州早情实时自动及遥感监测方法研究 SoilH恤idity(%) 100r 90 80 70 60 50 40 30 20 Soi1H恤dity(%) 80 IUU 图4.22杭州市土壤水分遥感反演值与实测值比较 由图4.21可见,杭州市东部、中部以及西南部的部分地方出现了轻到中旱,这和实 际的旱情分布基本一致。杭州市土壤水分遥感反演结果与实测土壤相对湿度数 据的拟合结 果(见图4.22)通过了显著性检验,表明其反演精度基本满足业务实际需要。 4.2.3.4 TVDI法反演土壤湿度的影响因子分析 用TVDI法得到土壤湿度的分布规律不符合土壤湿度分布的一般规律,需要对TVDI法 进行土壤湿度反演过程中的影响因子进行分析及订正,以得到更理想的反演结果。 4.2.3.4.1 WDI法影响因子的研究情况 TVD工的值取决于TS一NDVI特征空间的情况,对TVDI的影响来源于对TS一NDVI特征空 间的影响,对TS一NDVI特征空间影响因子的探讨有很多。 Fried利用航空数据研究了美国堪萨斯北部草原TS,N’DVI的关系,发现TS,N’DVI 关系受到植被覆盖及土壤湿度情况的影响。Goetz研究了不同传感器获取的TS,N’DVI之间 的关系,发现NDV工/TS斜率很大程度上取决于植被情况和土壤湿度,与传感器类型关系不 大。Goetz的研究还发现TS对土壤湿度的敏感性强于N’DVI。 Sandholt总结了对TS,NDVI关系影响因子的研究,认为TS,N’DVI关系的影响因子有: 植被覆盖、土壤水分蒸发蒸腾、表面热特性、净辐射、大气动力及表面粗糙度等。这些因 子都影响地表温度,从而影响TS一N’DVI特征空间的情况。Geoward用基于能量和水分平衡 原理的SSIB模型和田间实测资料研究各因子对TS,NDVI关系的影响情况,认为土壤湿度 和入射辐射是决定TS,NDVI关系的重要因子,而风速和水汽压等影响较小,可以忽略。 土壤湿度是决定Ts,NDVI关系的重要因素,从Ts一NDV工特征空间得到的TVDI能从 一定程度上反映土壤湿度的状况。TS,N’DVI的关系不是由土壤湿度唯一确定,因而用TVDI 反演土壤湿度受到太阳入 射辐射、植被覆盖、表面热特性、大气动力、水汽压等因子的影 响。这些因子都影响地表的能量平衡,使平衡状态对应的TS值发生变化,从而改变TS一N’DVI 浙江大学硕士学位论文杭州早情实时自动及遥感监测方法研究 特征空间的情况,影响TvDI值。 4.2.3.4.2用地表能量平衡方程分析影响因子 用TvDI反演土壤湿度的原理是基于地表水分蒸发和植被蒸腾对地表温度的降低作用。 基于Ts一NDVI特征空间中存在等值线理论得出的TVDI基于两点假设。(1)土壤湿度是决 定TS值变化情况的主要因素;(2)土壤水分含量的变化引起的土壤热惯量及蒸发及蒸腾 作用的变化,从而影响地表能量平衡。TVDI通过这一过程与土壤湿度相关,地表温度的变 化与地表的能量交换过程密切相关,地表温度由地表能量平衡状况决定。下面通过探讨地 表能量平衡方程及决定地表温度的因素来探讨TVDI反映土壤湿度的影响因子。 地表能量平衡的方程为: Rn=G+H+五百 Rn:为地表的净太阳辐射通量; G:为地面热通量,即下垫面土壤中的热交换; H:为下垫面到大气的显热通量(又称感热通量),即下垫面与大气间湍流形式的热交 换; LE为下垫面到大气的潜热通量,即下垫面与大气间水汽的热交换,指地面蒸发或植被 蒸腾、蒸发的能量。 其中L为水汽的汽化潜热,E为蒸发量。 式中的G一般可以通过土壤热惯量法加以确定,热惯量的值与土壤湿度相关。 G可以表示为: G=凡尺u 式中K。为0.2一0.5间的常数,其值取决于土壤类型和湿度条件。尺为土壤表 面净辐射通量。u为太阳天顶角的余弦值。 H与地气温差相关,H=川夕嘿一Ta)/ra 式中Ta为参考高度(一般距地面2米)的空气温度,Ts为地表 温度。p为空气密度,吼 为空气定压比热,川夕表示空气的体积热容量;凡为空气动力学阻力,随风速 粗糙度和 大气层结构等因素的变化而变化。 Jackson(1977)建立的日蒸散与冠层一地气温度差蒸散模型将潜热通量表示为: LE洲尤今(e:一ea)/[r(ra十rc)] 可为温度Ts时的下垫面饱和水汽压,ea为温度Ta同高度处的空气水汽压, 与土壤湿度状况相关。厂为干湿球常数,rc为下垫面表面阻力,是大气、植被、土壤因子的 函数。 浙江大学硕士学位论文杭州早情实时自动及遥感监测方法研究 Rn还可表示为: 凡=Q(l一a)+I 其中Q为太阳总辐射,包括紫外一短波红外波段(0 .3一3um)的入射到地面的太阳辐射总 量,由太阳直射辐射和大气散射辐射两部分组成,是纬度、时间及云的函数;a为地表反 照率,Q(1一a)表示地表吸收辐射;I为地表长波有效辐射;为大气长波辐射和地表发射辐 射的差值,可表示为: I=气衅一凡衅 其中凡为无云天气的大气有效发射率,凡为地表发射率,占为斯特藩一玻耳兹曼常数, 综合上式可得: 凡衅+PCr兀/ra=Q(1一a)一G一LE+PCrTa/ra+气衅 式中列出了决定TS的变量。TVDI的假设中土壤水分含量的变化引起的土壤热惯量及 蒸发及蒸腾作用的变化主要体现在G和乙百两个变量中。 TVDI的假设忽略了除G和LE之外决定Ts的因素。从公式中进行分析可以得出,这些 因素包括太阳总辐射Q、地表反照率a、气温Ta、空气密度p、地表发射率凡、对ra产生 影响的风速等。其中风速、空气密度、土壤类型和植被等对G和LE变量也有影响。 4.2.3.5高程影响校正 气温、地表温度与DEM的关系。 气温降低时,地气温差降低,大气和下垫面间湍流作用加强,地 表的热能更多的传递 到大气中,地表温度降低,气温对地表温度的影响主要是是由于地表的湍流作用。 当气温变化时,地气温差发生改变,热交换能量发生变化,地表温度也随之变化。在 进行热交换的过程中,气温影响地表温度,反过来地表温度也影响气温。地表温度和气温 之间是一种互相影响的关系。一般情况下,随高程增加,气温降低。大气的主要热源在地 球表面,近地面大气升温的能量主要来源于地表长波辐射、传导和能流交换作用输送的热 量。随地势的升高,空气中水汽、二氧化碳和尘埃的含量越来越少,空气输送和保存热量 的能力减弱,于是气温随地势的升高而降低。另一方面,距离地面越远,长波辐射衰减越 大,自由大气的气温随着高程增加而降低。参考高度(一般距地面2米)气温不仅受到地表 热源的影响,还受到自由大气的调节作用。随高程增加,参考高度气温与自由大气的差值 增加,自由大气的调节作用加大。因而随高程增加,参考高度气温降低。地表温度受气温 的影响与高程相关。明显的地表起伏和高程差异也对应着变化显著的气温分布。地表温度 受气温影响的变化不可忽视。随高程变化气温对地表温度的降低作用可以部分解释高程和 地表温度之间的负相关性。气温对地表温度的降低作用是地表温度随高程增加降低值的一 部分。由于气温对地表温度的降低作用主要是由于气温随高程发生变化,气温对土壤湿度 52 浙江大学硕士学位论文杭州早情实时自动及遥感监测方法研究 反演过程的影响可以用DEM来订正。 气温随高程的变化对TVDI反演土壤湿度的影响及表现。 地表温度由于受气温的影响,也会随着高程的增加而降低。杭州地势从西南向东北倾 斜, 三面环山,东北敞口,杭州市最高点是位于西部浙皖交界的清凉峰,海拔1987米, 最低处在东北部的余杭区的东苔溪平原,海拔2一3米,高程跨度近2000米,地表起伏明 显,气温分布差异较大,地表温度因高程的变化存在较大的差异,TVDI与土壤湿度的关系也 受到一定的影响。图3中的斜线是TVDI的等值线,代表相同的土壤湿度,越靠近干边的等 值线,代表的土壤湿度越低;越靠近湿边的等值线,代表的土壤湿度越高。由于水分蒸发 及植被蒸腾降低地表温度,在相同N’DVI条件下,土壤湿度高的像元对应TS值低,像元对 应(TS,NDVI)点在空间中的分布更接近湿边,反演得到的土壤湿度高,但是由于气温对地 表温度的影响,使得相同N’DVI条件下高程大的像元对应的TS值有所降低,(TS,N’DVI) 点的分布也更接近湿边,高程大的地区反演得到的结果,也同样会表现出土壤湿度高的特 性。 从未做高程校正的TS一NDVI分布的散点图上也可以看到,水体上的地表温度在300K 左右,但是某些像元的地表温度值由于高程的升高出现了地表温度低于水体地表温度的情 况,这对于利用TVDI反演土壤水分会带来比较大的误差。 因此需要进行高程对TS影响的校正。再与NDVI构建经过高程订正的TS一N’DVI特征空 间,并计算TVDI。减小高程对地表温度的影响,使得高程校正后的TDVI能更多地取决于土 壤湿度,减少高程对TvDI的影响。 4.2.3.5.,丁VDI高程订正方法 地表温度在一定程度上受到气温的影响,气温主要是通过大气与下垫面间湍流热交换 来影响地温,一般情况下气温随高程增加而降低。 在进行土壤湿度反演时,先对地表温度进行订正,所用公式为: Td=Ts+H*a 式 中:Td为订正后的地表温度;TS为订正前的地表温度;H为高程值;Q是地表温度受 气温影响随高程增加的降低程度。 4.2.3.5.2高程影响程度值的确定 影响程度值a表示的是地表温度受气温影响,随高程增加的降低程度。一般认为,高 程每升高100m,气温降低约0.6?左右,而对地表温度随高程变化情况的研究还不多。一 般情况下,地表温度和气温随高程的变化趋势也一致,可用气温的变化作为参考。 4.2.3.5.3数据处理步骤 利用杭州市的空间分辨率为1000米的DEM数据,乘以高程影响系数,获得高程订正 场分布,然后和原地表温度数据相加,得到高程校正后的地表温度数据(见图4.23、图 4 .24、图4.25、图4.26)。 杭州早情实时自动及遥感监测方法研究 浙江大学硕士学位论文 图4.23空间分辨率为1000米的DEM数据分布图 ‘~-. 厂 味 ...J匕 砰飞 、,尸 图4.24高程校正后2006209的地表温度数据 54 浙江大学硕士学位论文 杭州早情实时自动及遥感监测方法研究 32择(K) 32子srT(,) “砍‘~_气 护~‘r公,‘、矿、”‘一 “、沙‘ 、序.:、: 七,L.』入、气 一。.3一。.:、.:”‘“。。.,。.:。.3。,;。.。。.6。.:麦警一3一。.:一l一。。.:。.:。.3。.。。.5。.6。.:皮警 图4.25高程校正后2006209的EVI一LST分布图4.26高程校正后2006209的Ts一EVI特征空间 从图中可以看出:以EV工一0.2为界,EV工>0 .2时LST和EVI之间的散点图基本上呈三 角形,与未做过高程校正的Ts一NDVI的散点图相比,明显的不同在湿边,由于对像元做了 高程影响校正,湿边上的地表温度很少出现小于水体地表温度的情况。同时高程高的像元 的地表温度值趋于干边一侧。 按上面的TVDI的计算步骤,对高程校 正后的像元进行水体和城镇的剔除,并计算其 干、湿边(见图4.27、图 4.28、图4.29、图 4.30)。 咒。峥T(K) 32oL爷T‘K〕 .沪,..,二、,.’,:- .、 与-. 一一 一 图4.27易U除水体和城镇后2006209的EVI一LST分 布图4.28剔除水体和城镇2006209Ts一EVI特征 同样EVI在0.2一 0.25之间的像元,不作处理。选取0.25 90%的区域为土壤水分 过湿区,分类图见图4.32。高程校正后杭州市土壤水分遥 感反演值与 实测值比较见图4.33。 浙江大学硕士学位论文 杭州早情实时自动及 遥感监测方法研究 表4.3杭州市土壤墒情监测站2006209实测值和 高程校正后TVDI值 站名 站号 K1075 经度 1 18.48 ZOcm土壤相 对湿度TVDI 中洲 0 .62 佳山坞 龙井山园 航头 瑶琳 东江围垦 宋 村 乾潭 军建 塘栖 岛石 跑马岗 春建 白马 K1035 120.11 29.86 0 .51 K1018 120.11 30.24 0.49 K1013 119.17 29.33 0 .67 K1026 119.53 29.9 0 .82 K1014 120.63 30.28 0 .60 K1057 118.86 29.69 0.41 K1039 119.53 29.66 K1043 119.22 30.02 0 .61 K1019 120.19 30.47 K1046 118.94 30.29 所在地址 淳安县中洲镇政府 萧山区楼塔镇佳山坞 杭 州市龙井山公园 建德市航头镇 桐庐县瑶琳镇政府大院 萧山区东江 围垦 淳安县宋村乡政府 建德市乾潭镇 临安市军建村路边 塘栖第 三中学 临安市岛石镇 临安市太湖源镇横路村 富阳市春建乡铁坎村 淳安县白马乡政府 0 .72 0 .62 K1047 119.57 30.31 0 .75 K1051 119.81 30.09 0 .48 K1063 118.71 29.25 0 .80 Soi1H姐idity(%) 愧愧曝黍扮~~ ~~ 准准筹毒葵乙于一一 八八簇羡专李冬 冬 火火谈芡书 书 火火 泛 泛 哪‘ 图4.31高程校正后干、湿边土壤相对湿度确定图 浙江 大学硕士学位论文 杭州早情实时自动及遥感监测方法研究 }’~”、、喻_} 图4.32高程校正后杭州市2006年7月28日一8月13日土壤干早分布 501 100 IH困idity(%) RZ二0.续998 _SoilH幽idity帆) 80 100 八Un一n,n,八U跳11,跳Un,门,,U q,no tr,hL勺dJ OJn乙1人 图4.33高程校正后杭州市土壤水分遥感反演值与实测值比较 从高程校正后的TVDI分布图和未校正的TVDI分布图的比较可以发现,高程大的临安 市的西北部天目山区,TVDI值的变化较大,从原来的0.2一0.4变到0.4~0.6。TVDI靠近 干边。 4.2.3.6杭州市2 0 07全年LS丁一EVI散点图 浙江大学硕士学位论文 杭州早情实时自动及遥感监测方法研究 2007年全年去除水体、城镇并高程校正后的LST一EVI图(见图4.34、图4.35、图4.36 和图4.37)。 rFI,11 l卜瓦百.t...才l 尸r.,乍J内,。 飞,才呀少‘写, ,,产,,归,,鸣、 LST,K, LST(K) 、铲,卜 公留门飞 户,叮卜 LST,叭) 二弓于 辩几、 二车八 三了2 ,‘r.二卜1. - EVI 份子” 资 「厂;一俨v‘卜反 仑甲,, 一一当尸一一—____________ EVI 2007年l月1日至1月16日LST一EVI散,组图 :.!_1上21于。一番.F 2007年l月17日至2月1日LST一EVT散.支图 以l”‘行绪 2007年2月2日至2月17日LS丁一EV丁散.互图 声 尸ST(K) 加心 LST,巴 LST,尸) ~沪口 令 几:’‘创I e份.-一一—一——一-—一——— EVI ..二._络一卜 2007年2月18日至3月5日IST一EVT散点图 :「廿三「书 2007年3月6日至3月21日LST一Ev丁散点图 .「11一‘)tq 2007年3月22日至4月6日LST一EVT散点图 图4.34杭州市2007年l月l 日一4月6日EVI一LST分布图 |上l||于|11卜||lr||11|上 + 旧.,。崎,, 一产_:, 2007年4月23日至5月8日IST一下V丁散点图l EVI l!J七eel‘!户‘l备ILILlll卜llJ LST,,) 矛于, 一 一 。险一 LST(洲), 2007年‘月7日至月月22日LST一Evl散点图 匕L月.卜 2007年5月,日至5月24日LST一EVI嵌.+.图 羹 {:. 巍舞 } :.只丁’“ LST(爪) 一!L‘|.|卜|一!1.1 到,伏‘代 -,,、 LST(洲) 七, p, 一 J 一 一 一 一 , 一 一 一 一 ， 一 一 一 一 一~份丝‘—一一-一~一一一—一—一一—一——~ ‘:「1,_二「弓色匕f了 EVI 、.户产.一一~— _一—一Ev川一‘一 2007年5月25日至6月9日LST一FVT长点图 二1.,.r.、 2007年6月10日至6月25日LS丁一Ev丁散点图 t:_日几r 11.「卜.下 2007年6月26日至7月11日I名T一Evl散点图 图4.35杭州市2007年4月7日一7月11日EVI一LST分布图 59 浙江大学硕士学位论文 杭州早情实时自动及遥感监测方法研究 尸ST,匕 羹:,: Ls、,,, 3L吨 勺!r 沙U卜 、粉 匕,5 EVI 分印, 尹州勺 EVI rlLL卜卜卜卜!11一 2日.弓” 2007年7月12日至7月27日LST一EVI散点 日.之4叭J「 2007年7月2昌日至8月12日LST一EVI散点图 以t之、「.亏勺.b一二 200,年8月13日至g月28日LST一EvT散点图 8圈 命 鑫::。 3沈口 r叫 口, ,月 矛‘. 七孙芍 LST一K) 又自亡 3〔19 砚:三 之3孚 匕日甘 泛吕5 〔Vl EVI ‘卜,l,!l么r eseses，leseseseseses卜一一一一一一一卜l rl,二「于日.弓J吸认袄,了护3 2007平8月29日至9月13日15T一EVI长点图 份即种 “t弓 日云 2007年9月14日至9月29日LST一艺 VT散点图 习、tl「.「:IU之〕‘空._.刀,三一仁.、 2007年宁月30日至10月14日LST一EVT散点图 图4.36杭州市2007年7月12日一10月14日EVI一LST分布图 加 LST一K, 尸ST(洲) ; 令一 .勺、、 .f队卜,‘击丁LI,lrl 月,日,L 山加产男 羹一 娜 ,...您甲。 ,,..栩沁神, 一l队氏eel!r 曰咚相 J 一 一 一 一 J 一 ;;;}:” 一止 一 一 一 !一 一口二二布一f 2007年10月15日至10月30日LST一EvT散.汽图 口l三日有一‘_‘ 2007年10月31日至11月15日LST一Evl散点图 .1.匕:纽 2007年11月16日至12月1日IST一FVT散点圈 !!;|一‘、协卜卜. ,,渐绷,,.城一,m LST(K) 军乡 {;l EVI 一r与冲.场 2007年12月2日至12月17日LST一EVI散点图 卜一、「_l日.业妇呼 2007年12月17日至12月引日LST一EVI散点图 图4.37杭州市2007年10月15日一12月31日EVI一LST分布图 由于时间关系,没有来得及在上述工作的基础上,利用TVDI方法基于MODIS资料进 一步反演了杭州市的2007年全年每隔16天的土壤相对湿度分布。 60 浙江大学硕士学位论文杭州早情实时自动及遥感监测方法研究 4 .3 IJ、结 TVDI方法考虑了植被指数和地表温度两个反映干旱情况的因子,因此比单一考虑一种 因子具有更高的反演精度,对杭州这种江南植被覆盖度较高的地方比较适合。本文利用 NASA提供的杭州市2006年7月28日一8月13日的MODIS地表温度和植被指数产品,利 用TVDI方法对杭州市该时期的土壤水分情况进行了初步的反演,结果表明,利用TVDI方 法反演的杭州市土壤水分是可行的,其结果和实际情况基本吻合,满足业务实际 需要。同 时进一步利用TVDI方法基于MODIS资料获取了杭州市2007年全年去除水体、城镇并高程 校正后每隔16天的LST一EVI图。 影响TvDI的因子很多,包括太阳总辐射Q、地表反照率a、气温兀、空气密度p、地 表发射率乓、对ra产生影响的风速等。其中风速、空气密度、土壤类型和植被等对地面热 通量G和下垫面到大气的潜热通量LE变量也有影响。这需要进一步的研究工作。 浙江大学硕士学位论文 杭州早情实时自动及遥感监测方法研究 第五章结论与展望 本研究在杭州全市范围内建立了14个土壤墒情监测站,通过无线GSM网络将旱情监 测数据实时传输到杭州监测中心站,成功开发了杭州旱情监测业务平台,并利用TVDI方 法对杭州市该2006年7月28日一8月13日的土壤水分情况进行了初步的反演,取得了如 下研究成果: (1)组建浙江省内第一个旱情监测网—杭州旱情自动监测网,对杭州全市的旱情 进行无线、实时、动态监测,并开发了杭州市旱情监测业务平台。 (2)改进了传统求土壤相对湿度的方法。对传统通过围框淹灌法测定最大田间持水 量进而求土壤相对湿度的方法进行改进,利用频域反射仪每小时不间断监测数据的特点结 合围框淹灌法来测定土壤达到田间持水量时体积含水量,成功确定了14个站土壤达到田 间持水量时体积含水量,并依此获得了14个土壤墒情站的土壤相对湿度值。该方法缩小 了测试区的范围,更加符合野外作业实际,测试区由4扩缩小到0.5扩,大大降低了灌水量, 减轻了野外测试的工作量,缩短了测定周期。 (3)考虑了植被指数和地表温度两个反映干旱情况的因子,利用TVDI方法反演杭州 市土壤水分,其结果和实际 情况基本吻合,满足业务实际需要。同时进一步利用TvDI方 法基于MODIS资料获取了杭州市2007年全年去除水体、城镇并高程校正后每隔16天的 LST一EVI图。 (4)利用全市148个中尺度自动气象站的降水量资料和14个土壤墒情自动监测站的 数据以及卫星遥感的植被监测情况,进行杭州地区干旱诊断综合分析,形成《杭州市干旱 监测公报》、《杭州市人工增雨天气周报))等决策服务材料为政府抗旱提供决策参考。 在研究中,虽然考虑了比较重要的水体、城镇、地形高程的影响因子,但是我们注意 到影响TvDI的因子很多,包括太阳总辐射Q、地表反照率a、气温Ta、空气密度p、地表 发射率乓、对凡产生影响的风速等,本次研究并未对其一一做校正,需要在后续研究中进 一步的深入和强化;二是利用频域反射仪每小时不间断监测数据的特点结合围框淹灌法来 测定土壤达到田间持水量时体积含水量的研究中,虽已经用浙江省气象科学研究所的土壤 水分中子仪对富阳春建、淳安中洲和淳安宋村土壤墒情站部分时次进行了对比监测,但由 于时间关系,还没有完全完成。在今后的工作中,我们将对所有的14个土壤墒情站进行 一定时次的对比监测,来订正土壤墒情站的数据。 浙江大学硕士学位论文 杭州旱情实时自动及遥感监测方法研究 1.3、Zigbee无线传感网络的概念及特点 4.1.1 Zigbee无线传感网络的概念4.1.1 Zigbee无线传感网络的概念 Zigbee无线网络技术是在无线标记技术和蓝牙技术的基础上发展起来的一 种新兴的、短距离的、低速率的无线网络技术。该技术以自己固定的无线电标准 在许多微小的传感器之间实现相互通信,这些传感器消耗很少的能量,以接力的 方式高效的把信息传输到计算机。 Zigbee —词来源于蜜蜂(bee)为了交流信息而跳的据齿舞(ZigZag),是小 动物通过简单的动作达到信息传递的目的。现代人借用蜜蜂的这种传递信息的舞 姿称呼低成本、低功耗、低速短距离的一种无线网络通信技术 Zigbee网络是按照一定的协议组建起来的,完整的Zigbee协议栈有5层组 成,如图4-2所示。在这五层协议找中,用户可以在应用层根据自己的需求对其 进行开发,节点的加入、路由的查找、信息传输等功能可以在Zigbee联盟制定 的安全层和网络层实现,底层协议物理层和介质链路层遵循I 变比、计量倍率等情况 考核结果电量 考核结果电量反映并网用户上网电量经考核后的电量数据,包括应收购有功 电量、拒购电量、扣调峰、差值电量和应付电费、执行电价等 并网用户 描述并网用户的详细情况,包括:联系人、联系电话、开户银行、帐号、税 率、装机台数、装机容量等。 并网装机容量详表 通过并网装机容量详表描述每个并网用户装机的详细情况,包括:机组台数, 每机组的发电容量。 并网用户上网电量收购 描述对每一用户每个月的上网电量的收购计划。 并网用户收购电价 描述对每个用户上网电量的收购价格 并网用户发电量 9 电子科技大学硕士学位论文 1.5、网络舆情监测的概念 网络舆情监测是指在网络空间应用计算机软件系统及相关技术对网络舆情尤其是 负面网络舆情进行监测、预测与控制,随时把握网络舆情的导向、特点和趋势。通过网 络舆情监测可以及时发现不利于社会稳定的舆情并向理管部门汇报,使管理部门尽快制 定出相应的对策,从而起到有效化解网络舆情危机的目的。 网络舆情监测包括监测、预测、与应对三个环节。在监测环节,有关人员和系统对 网络舆情的内容、走向、价值观等方面进行密切关注,将最新情况及时反映到有关部门; 在预警环节,对内容进行判断和归纳,对这些正在形成、有可能产生更大范围影响的舆 论进行筛选,为接下来可能发生的网络舆情走向做好各种应对准备;在应对环节,当网 络舆情变为现实的网络舆论危机事件后,有关部门采取的具体行动,化解危机、消除不 良影响。这三个环节有机组合,从整体上构成了网络舆情联动应急机制。现代网络舆情 监测系统还集成了舆情采集、舆情智能分析、舆情处理、舆情预警、舆情搜索、舆情报 中北大学学位论文 14 告辅助生成、舆情短信自动提醒等核心功能。帮助管理部门全面掌握舆情动态,正确进 行舆论引导。为确保互联网及大众媒体的舆论导向的正确性起到一定的辅助作用[40]。 1.6、乙肝监测病例定义 《全国乙型病毒性肝炎监测实施(试行)》中规定乙肝监测病例定义: 指首次就诊的 HBsAg 阳性患者,且伴有下列情况中至少一种 的病人:?既往感染 危险因素史,曾接受血及血液制品;曾有其它医源性操作,如不安全注射、穿刺、 手术、针灸等;日常生活密切接触乙肝病人、乙肝病毒携带者;?临床症状,近 期出现>1 周的明显乏力、消化道症状,可伴有肝病面容、肝掌、蜘蛛痣、脾肿大、 肝脏肿大、肝脏触痛或叩痛、肝脏触及肿块、黄疸等症状;?血清 ALT 持续或间 歇升高。 1.7、无线电监测的基本概念 (1) 信号频率测量方法 对信号的发射频率进行测量,常用的监测方法有拍频法、偏置频率测量法、 李沙育图形法、频率计数器测量法、鉴频器测量法、数字信号处理(DSP)分析法等。 其中 DSP 频域法又分为 PSD 功率谱方法和 FFT 测量法,DSP 时域法又分为 IFM 瞬时测量法和相栅法。 (2) 信号场强和功率通量密度测量 信号场强测量:场强用符号 E 表示,单位为 V/m 或 μV/m(伏/米或微伏/米)。 也可用对数 dB(μV)/m 表示:e=10logE(dB),e 是大于 1μV/m 的 dB 值。 功率通量密度测量:在较高的频率上,特别是 1GHz 以上是通过功率通量密度 (S)测量,提供更适宜的有关发射有效强度的信息。功率通量密度的单位:每平方 米瓦特,用 S=W/m2表示。对于自由空间的一个线性极化来说,S=E2/120 (E 为场 强,120π为自由空间波阻抗)。也可用对数 dB(pW)/m2表示,s=10logS(dB),即大 于 1pW/m2或 1μμV/m2的 dB 数值。 通常使用便携式或移动式监测设备在一点或多点获取上述两种特征的瞬时数 据或短时数据。其主要目的是确定 无线电信号强度和给定业务信号源的(或发射机) 效能;确定已知无线电发射(电磁兼容)的干扰程度;确定发射电磁能设备所产生 的信号强度和任何波形的无意干扰的影响,并评估抑制措施的效能;确保与相关 的”无线电规则”一致。 (3) 频谱占有度测量 指单个频率或频段上有发射信号的持续时间(包括忙时间、峰值时间、平均和 最低使用时间等),用单位百分比 x( )表示。 9 通过对频段内频谱的使用情况的自动统计分析(如增长率)来编制频谱的实际 使用情况表,可为下列工作提供有价值的信息:解决干扰问题;鉴定发射机的稳 定性和信号质量;指示发射的开始和结束,从而推断它们的业务使用时间;杂散 辐射源的识别,尤其在城市,对不同信道和随时间变化的人为噪声的分析。 (4) 带宽测量 必要带宽:对给定的发射类而言,在相应速率及在指定条件下,保证信息传 输质量所需要的带宽。 占用带宽:指这样一种带宽,在它的频率下限之下和频率上限之上所发射的 平均功率分别等于某一给定发射的总平均功率的规定百分数 β/2。ITU-R 规定 β/2(%)应取 0.5(%)。如图 2-2 所示,其中 B 为占用带宽。 图 2-2 占用带宽定义 x-dB 带宽:即频带宽度,在上、下限频率之外,任何离散频谱或连续的频谱 功率密度至少比预定的参考电平(例如 0dB)低 x-dB,通常采用 26dB 带宽。 带宽的测量方法:频谱分析仪法和 FFT 法等。 (5) 调制测量 调制是用一个信号使载波信号(如电压、电流、光、电或磁场)的正弦波或脉冲 序列(幅度、相位、时间)随该信号变化发生变化。就无线电监测而言,只考虑正弦 波电磁载波(电压、电流或场)。大多数接收机都具有 FM、AM、LSB、USB 等调 制测量模式。一般通 过对信号中频频谱分析,观察信号的频谱形状,可人为判断 该信号是何种调制方式。 (6) 无线电测向定位测量 无线电测向就是利用无线电波的传播特性测定无线电波的入射方向,在此基 础上,利用定位技术确定无线电辐射源的地理位置。在无线电管理中的无线电测 向和定位主要是测定无线电来波的方位和无线电辐射源的地理位置。无线电测向 和定位中最重要的测量就是测向准确度测量和测向灵敏度测量及无线电辐射源的 10 位置确定。 (7) 信号识别 发射识别:即对发射信号的识别。通过注册申请人提供的发射特征,例如呼 号、电台名称、电台方或位置、操作部门、地面固定/移动或水上移动等业务标识、 注册标志、空中飞行识别数码、选择呼叫、识别数码或信号、特征信号、发射特 性等,进行发射识别,是否与注册时提供的发射特征相同,判定是正常还是非正 常发射。 杂散识别:除中频、镜频以外的所有因变频技术和频率合成器技术所引起的 额外信号的辐射称为杂散辐射。通过频率扫描搜索和相关的监测测量及分析,分 辨可能存在的杂散辐射、互调产物等干扰,其中最常用的是采用基于 DSP 的 FFT 分析处理方法。 调制识别:即信号模式识别,测量接收机通常都具有几种常规的调制解调方 式,如果对信号的调制模式已知,则数字解调并无太大的困难;但要完成对未知 调制模式的数字信号解调的前提是要明确信号的调制模式,这就需要对经无线传 输之后的信号调制模式进行识别,采用 DSP 分析处理技术,可以测算各种各样的 调制方式与参数,但经无线传输之后,信号调制状态已经发生了许多变化,为调 制模式的识别增添了难度,由于有较多不确定因素,所以成熟 的调制模式识别方 法有待进一步研究。目前大多数还是采用与相应的标准调制模型的类型、参数、 时域波形或频谱图或眼图或信号空间图或状态图等的比对的识别方法,从应用的 角度出发,比对的方法也有多种,但对调制模式的最终确定,还是需要综合考虑。 1.8、实时系统定义 实时系统(Real Time System)是一种特殊的多道程序系统,它主要应用于需要对外部 事件进行及时响应并处理的特殊领域[4]。实时系统最重要的特征就是实时性,实时也就 是即时、立即,换而言之,对实时系统的要求是它的行为是可预测的并且能满足对系统 的时间约束。 POSIX(Portable Operating System Interface)中的定义如下”实时系统是指产生系统输 出的时间对系统是至关重要的系统,从输入到输出的滞后的时间必须足够小到一个可以 接受的时限(deadline)的范围内”[4]。指的是使计算机能及时响应外部事件的请求,在规 定的严格时间内完成对该事件的处理,并控制所有实时设备和实时任务协调一致地工作 的操作系统。这里”规定的严格时间”也称为时限(deadline), 又称截止期,指的是系统 执行时间的限制。因此,在实时计算中,系统的正确性不仅依赖于计算的逻辑结果而且 依赖于结果产生的时间[5]。 1.9、实时系统生存性的定义 目前各种论文和文献中提及的生存性定义有 45 个之多,这些定义 里面没有任 何一个能够得到学界和业界的普遍认可。然而,仍然有一些非常具有代表性。 Deutsch 从软件工程的角度提出生存性的定义[32]:在系统部分瘫痪的情况下, 关键服务还能够使用的程度。 IEEE 定义的生存性是指系统一部分无法工作时,软件系统能够无故障地执行 和维持关键功能的能力[33]。 弗吉尼亚大学(University of Virginia) 的 Knight 等人提出的定义:生存性是指即 使系统或运行环境受到破坏,但系统仍然具有在这种运行环境下提供持续服务(或 许是降级服务)的能力。 以 Ellison 等为代表的 CMU/SEI 的研究小组则提出了下面的定义[34]:生存性 是指在遭受攻击、故障或意外事故时,系统能够及时完成其关键任务的能力。 生存性研究假设所有部件的安全性和可靠性都可能受到危害,系统安全不依 赖于任何一个专门的部件或组件[35]。生存性强调的生存是指服务、任务的可生存, 而非系统中具体的某些模块或者组件。 这些定义虽然从表面上看区别不大,可是内涵上面还是有一定的差异,这导 致了生存性还没有统一的严格定义,不过在 3 个因素上均达到了比较一致的共识, 虽然这 3 个因素不一定同时出现在一个定义当中。这 3 个因素包括: 系统:需要明确定义出系统的体系结构,明确区分关键服务和非关键服务。 29 在系统工作在非正常状态下时,关键服务是需要系统持续提供的,这种能力也是 衡量系统生存性的重要指标,而非关键服务在同等情况下拥有较低的重要性,甚 至可以放弃。 威胁:可能影响到系统提供服务的威胁因素,可以分为意外威胁、恶意威胁 或灾难威胁。这些威胁包括可以预知和不可预知的。生存性避开威胁来源这一复 杂的细节问题, 转而关注威胁对系统的影响上,各种威胁最终会对系统的性能产 生不同的影响,这也是之所以考虑威胁的原因。 持续性:面临威胁事件,系统有能力适应威胁并且持续向用户提供一定的服 务。 因此,根据上面的描述,可将嵌入式实时系统的生存性定义为:系统在非正 常情况下,仍然持续提供及时关键服务并尽快恢复的能力。 1.10、实时任务的定义及特性 实时任务(Real-Time Task)是指带有截止期并且能够完成规定功能的软件实体,是实时调 度的基础单元。一个实时任务,就调度层面而言具有六个基本特性,分别为任务到达时间、 就绪时间、运行时间、截止期、等待时间以及任务的实时性。 1)到达时间:任务产生且进入就绪队列的时间。 2)就绪时间[20]:任务满足运行所需的全部资源条件且被分配到处理核上准备执行的时 间。 3)运行时间:任务从开始运行到执行结束所耗费的时间。 4)截止期[21]:任务不得不完成的最后时间。任务错过截止期的直接后果是系统不稳定或 者系统崩溃。 5)等待时间:任务处于阻塞状态的时间。 6)实时性:根据这一特性,任务可分为硬实时任务与软实时任务[22]。硬实时任务具有非 常严格的时间约束,要求能够完全满足应用的时间需求,通常应用于航空航天、国防、 核工业等关键领域。该类系统的设计与实现,需进行各种缜密的分析、全方位的模拟 以及精确的形式化验证,让应用的时间需求、功能需求得到充分的满足,从而避免重 大的安全事故、生命财产损失以及生态破坏的发生。软实时任务的时间约束不是很严 格,偶尔错过截 止期,对系统的环境和运行来说,可以被接受并且不会造成严重或恶 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 多核系统中实时任务调度现状 8 劣的影响。软实时系统的典型应用有检索系统、VOD 系统、信息采集系统、监控系 统等。在信息采集系统中,仅需保证系统在绝大部分情况下能将从大量网页中抽取出 来的特定信息整理并存放到规定数据库,偶尔的信息传输延迟不会严重影响用户的正 常使用,当然也不会导致飞机失事那样灾难性的后果。 2、相关背景 2.1、背景差分法 背景差分法是对比当前帧和背景帧两帧灰度图像之间的差别,从而求得运动目标的 方法。 设 f(x,y)表示图像像素点的灰度值,从 RGB 空间灰度化的公式见 4-3 式,x 和 y 表示像素点的坐标位置,f(x,y,t)为当前帧与背景帧经过差分运算后的变化值。 f=0.299r+0.587g+0.114b f(x,y,t)=abs(f 当前 (x,y)-f 背景 (x,y)) T 为设定的阀值,若 f(x,y,t)?T,则判定该点为变化点;若 f(x,y,t) 2.2、背景差分和帧间差分结合法 比较相邻帧图像会发现背景像素点是随时间缓慢变化的,在一定的时间里差别不 大;而且图像中的目标——驾驶员却因为车辆的行驶有轻微的震动,则运动变化区域对 (4-5) 图 4-4 帧间差分处理结果序 列 a b c d 图 4-3 背景差分处理结果序列 a b c d - 3 1- 应的像素点变化很大。以上两种差分算法都可用来提取视频图像中的运动区域,而且均 有算法简单和计算速度快的特点,比较适合于实时处理。因此,可以考虑对算法加以修 改或者结合以适合本文的需求。 文献[58]提出了相邻三帧图像两两差分的方法,在一定程度上解决了目标扩大的 问题,但是确定人脸的目标帧是第二帧,那么采用这种方法进行的疲劳判断就会有更大 的滞后性。为解决以上问题,在参考文献[58][59]的基础上,本文提出了背景差分 和帧间差分的结合方法(简称:结合法),也就是把当前帧和前一帧以及背景帧进行差 分,两个差分结果进行与运算。这样,一可避免目标范围变大,二可消除背景轻微变化 的干扰。为了提高运动检测的鲁棒性,对差分图像使用了一种自适应的阀值选择方法。 方法的具体规则如下: (1)获取一帧无目标的图像作为背景,并且灰度化。 (2)对视频序列图像中的每帧进行灰度化,然后采用三幅图像差分,见式 4-4, 4-4。其中 f(x,y)表示图像的灰度值,从 RGB 空间灰度化的公式见 4-3 式。f1(x,y, t)、f2 (x,y,t)分别为当前帧与背景帧、前一帧经过差分运算后的变化值。则帧差 f(x, y,t)中包含了运动引起的变化。结合 4-3 式、4-4 式和 4-5 式得出以下计算式。 f=0.299r+0.587g+0.114b fl(x,y,t)=abs(f当前(x,y)-f背景(x,y)) f2(x,y,t)=abs(f当前(x,y)-f前帧(x,y)) (3)在阀值的选定上,本文采用自适应阀值法[49]。一般情况下,运动区域内各像 素的变化幅度要大于整个图像变化幅度的平均值,另外,考虑到噪声等因素的影响,选 择整个图像变化幅度的均方差作为运动区域像素变化幅度的附加值,见式 4-6,4-7, 4-8。 式中 N 和 M 分别为图像的宽度和高度,aver、σ和 T 分别表示帧差图像的均值、 均方差和自适应阀值。如果 f(x,y,t)大于 T,则该点为运动点,输出图像的灰度值等 于后帧图像的值;否则为不动点,附加值为 0。实验结果表明采用式(4-8)作为自适应 阀值进行运动检测的效果要比固定阀值法进行判别的结果好。固定阀值法的适应性不 强,在光照等因素影响下,阀值的选择波动性大,不具有通用性,往往需要重新设定阀 值;而该自适应阀值法,它不仅适应性好,而且抗噪性强。 1 1 0 0 1N M ( , , ) x y aver f x y t N M ? ? = = = × ?? 1 1 2 0 0 N M( ( , , ) ) x y f x y t aver σN M ? ? = = ? =?? × (4-6) (4-7) T=aver+σ (4-8) - 3 2- (4)通过自适应阀值获得的两幅差值图像二值化后,经过对应像素间的与运算, 就可以更正确地提取出运动区域。 照样以图 4-2 为原图像序列,结合差分结果如下图所示,图 4-5 中的 a、b、c、 d 分别为图 4-3 和图 4-4 对应序号帧与运算的结果。图 4-5 中的黑色像素点表示背 景和差分两种差分中均有变化的点,而白色像素点表示至少在一种差分计算中无变化的 点。 对比图 4-3 和图 4-5,背景差分处理的差分效果明显,对下一步的检测很有利, 但是当背景有了变化后,其结果把背景也包含进去了;对比图 4-4 和图 4-3,帧间差 分处理就不会在背景出现的下一帧处理结果中包含背景变化;对比图 4-5 和图 4-4, 可知结合法的结果虽然没有帧间差分的结果那么明显,但是这对人脸的定位结果影响不 大,而且其优势会在人脸定位中体现出来。如图 4-7 和图 4-8 所示,帧间检测在目标 物运动变化较大的情况下,其检测的结果会不尽如人意,会检测出物体在两帧中的信息, 即将目标扩大了;而结合法让人脸的定位变得更加准确。 2.3、项目背景 吉林省人民政府于 2001 年 4 月 4 日,以吉政函[2001]35 号文,批准建立 了”长白山天然矿泉水靖宇水源保护区”。2002 年 9 月 19 日,以吉政函[2002]90 号文《关于批准建立长白山天然矿泉水靖宇水源保护区总体规划的批复》提出 建立保护区符合省委、省政府发展经济三大战略和建设生态省、发展”生态环 保型效益经济”的思路。 为贯彻省政府关于总体规划的批复精神,同时考虑到本保护区内的主要保 护对象矿泉群与火山群在国内外具有明显的典型性、稀有性和代表性,极具保 护价值,并且该保护区目前做为省级自然保护区,已不能适应保护与管理工作 的需要。因此,编制并提交了《靖宇县自然保护区总体规划》,总体规划的目的 是拟申报与建设符合国家标准的国家级自然保护区,并提出建设与管理本自然 保护区的具体方案与规划蓝图。 作为天然矿泉水保护区,要使靖宇成为全国矿泉水的生产、检测、评审、 配送基地,需要建立监测系统,从建立基础信息数据库开始,进而上升到完成 总体评价决策机制。 2.4、课题的研究背景和意义 展,我国已进去以电力为主要能源的飞速发展新时 代。这给用电安全和电力故障处理的巨大挑战。电力的传输是整个电网的重点环节。电 力传输得不到保障,意味着电能无法得到利用。因此,适当采用先进 的监测技术对电缆 的运行状态进行监测,及早发现事故隐患并及时予以排除,对城市电网而言具有十分重 要的意义[1]。 目前,在电缆隧道监测方面,主要面临着如下问题: 1. 人工维护,危险性大; 很多情况下,为了确保电力资源的正常输送,地下的电缆隧道成为电力专责人员的 重要工作产所。然而,靠人工进入地下电缆隧道中对电缆进行维护,是一件非常耗费人 力资源和有一定危险性的工作。尤其是在一些比较复杂和不稳定的地底环境下,隧道中 可能存在各种有毒有害气体或者烟雾,可能因为电缆的损坏而造成漏电,更甚者,会出 现火灾等等。这些情况,往往会造成不必要的人员伤亡。 2. 只能监测局部数据,无法综合评估; 通过研究发现,目前存在的大量针对输电的状态监测系统,都只能监测到局部的数 据。例如,有的只能监测到电缆线头温度,有的只能监测到隧道的水位。然而,影响电 缆隧道管理和维护的因素有很多,还包括,湿度,烟雾浓度,有毒气体浓度等等。只捕 获局部因素的数据,是无法对电缆隧道进行综合的评估,也无法全面地协助专责人员对 电缆隧道中的电缆进行管理和维护。 3. 无法自动化地智能地处理电力事故; 目前的监测系统,往往只能够机械地捕获到某类数据,但是还不能根据捕获到的数 据来智能地对当前状态进行评估,更加不能根据评估结果来对电力事故进行预防和处理。 一般情况下,系统只有数据的捕获,数据的存储与数据的展示这三个机械性过程,却没 有数据的智能化分析,和控制联动设备处理事故这两个智能的核心。 4. 无法直观展示实时数据; 很多监测系统,都采取列表,或者曲线图,柱状图等方式来展示监到的实时数据。 这种方式非常传统,用户只能 通过数字或者图表来了解隧道中的情况。而数字和图表不 能直观表达隧道的状况,要靠用户自己通过判断来得知。而且,繁杂的数据有时往往会 1 华南理工大学硕士学位论文 直接导致用户判断的失误,从而,给输电维护工作带来不必要的麻烦,甚至造成额外的 损失。 本文从地下电缆隧道环境的在线监测出发,开发一个能够实时获取隧道环境的各种 数据并且通过计算机终端向相关人员直观地展示情况;能够智能分析数据,自动预警, 自动告警,自动联动控制隧道中的硬件设备排除警情的基于智能电网需求的隧道环境在 线监测系统。从而解决上述提出的问题,使电力相关人员不用进入隧道,只需通过计算 机,便能够得知隧道中的状况,在计算机的智能配合上,更加方便,准确地对地下电缆 和隧道进行更加完善的维护工作,满足了智能电网对输电的保障性,安全性和智能性的 需求。 2.5、研究背景与意义 地应力是存在于地层中的天然应力,也称原岩应力[1]。在没有开挖工程的扰 动下,岩体处于原始平衡状态。地下巷道或采场的开挖,打破了原始平衡状态, 导致地应力的释放,从而引起岩体的变形和向自由面的位移,引起围岩应力的重 新分布。围岩的过量位移和应力集中将导致围岩局部的或整体的失稳和破坏。”十 五”时期,工矿商贸企业共发生事故 68805 起,死亡 77158 人[2],给人们的生产 和生命财产安全带来了重大的损失。为了使矿山压力显现不致影响采矿工作和作 业人员的安全生产,必须对矿山地压进行实时监测,采取各种措施控制 矿山压力、 安全预警保证作业人员的生命安全[3]。 地压监测是地压研究的重要环节,是揭示矿山地压活动规律的科学手段。由 于采矿工程面临的对象是岩体,岩体是在特定赋存环境下(地应力、地下水、地 温等)非连续、非均质、各向异性体,其力学形态或本构关系表现出非常复杂的 非线性。同时,采矿工程具有荷载形式、施工因素等自身特殊性,使得目前乃至 相当长的时期内都难以通过各种计算方法得到与工程实际完全相符合的稳定性定 量结果,所以采矿工程地压情况必须通过实时监测系统对现场进行实时监测,了 解矿山地压的实时情况,对灾害情况做出预警[4]。 地压监测主要监测矿山支护体、充填体和围岩的受力状态、变形移动、破裂 及声响。根据各个矿区及工程的实际情况对声发射、应力、位移、变形、压力、 声波等参数中的几个进行监测,对矿井的地压做出准确的判断[5]。 声发射(Acoustic Emission, 简称 AE),也称为应力波发射,指的是材料局部在 变形或者断裂的过程中快速释放能量产生瞬态弹性波的现象[6,7]。声发射技术[8,9,10] 1 武汉科技大学硕士学位论文 用来测定金属矿床采掘过程中围岩破坏和声发射能量、频率之间的关系,可以作 为预报该地下开挖工程失稳破坏和确定合理支护方式的有效手段之一[11]。应力监 测[12]主要监测围岩或矿柱中应力的变化,矿柱中应力的变化是导致矿柱破坏的最 根本原因。位移监测[13]主要监测顶底板以及两帮的位移量和速度,是判断采场和 巷道稳定性最有效的方法之一。 2.6、压力容器安全监测研究背景 压力容器通常用来盛装液体或气体,在储存和运输中都处于高压密封状态。早期在化学工 业应用居多,其内部压力范围从 0.1MPa 到 100MPa 不等,随着化工、石油、核电等工业的发展, 压力容器又得到进一步的发展,广泛被各行各业应用在生产中。上个世纪 60 年代开始,工业部 门对于压力容器工作温度、容量、防腐等特性要求不断提高,但是其安全事故仍然时有发生。 当压力载荷大大超过设计数值时,筒壁由于膨胀变薄,最后达到不稳定点,容器就会因为塑性 变形而破裂;另一种常见的破坏形式是在交变应力作用下,容器由于自身制造缺陷、材料问题、 或者存在腐蚀斑块,出现微小裂纹,最后很容易产生安全事故。根据美国锅炉压力容器检查协 会的事故报告统计,从 1992 到 2002 年间,锅炉、压力容器事故总计发生了 25001 起,平均每 年大约 2273 起;2006 年陕西某氮肥化工厂就曾因压力容器活门漏气造成一场大火,2007 年, 某厂染色车间中的高温高压染色机工作过程中突然发生爆炸,造成一名工人当场死亡。我国对 于压力容器的使用原则和检验要求都有明确的技术规范,但是由于事故的突发性,并不能做到 安全的预警与监测,因此展开对于压力容器结构应变的监测对于安全生产具有重要意义[4]。 图 1.3 压力容器安全事故 随着智能材料与结构技术的发展与进步,光纤光栅传感器在复合材料全尺寸的监测领域已 经得到广泛认可[5]。在机翼变形监测、环境温度监测、结构应力应变测量已经得到广泛应用[6][7]。 利用光纤光栅监测特殊工程结构在整个服役周期内的健康状况和疲劳寿命问题,是目前高科技 的集成于体现,也是当下结构测试技术的发展趋势,正成为一个世 界性的研究热点,具有重大 的社会意义和经济价值[8]。 2.7、监测的意义及政策背景 2.2.1.1 为何进行监测? 监测对确认当前正在发生的、以及将来可能发生的事件与变化具有重要意义,并且 能够将这些变化趋势与现有的政策与目标相对照,以此作出新的决策。监测有助于发现 : 是否所有的政策目标都在实现中,尤其是它们是否都是能够促进可持续发展的? 政策是否出现了非预期的结果? 规划设想与政策目标是否仍然保持一致? 是否正在不断实现预期目标? 监测能够及时反馈周围环境的信息和政策绩效,从而有利于形成循环式的决策过 程,为规划管理部门确定未来可能面对的关键挑战、机遇并适时调整政策以满足未来需 求提供指引。新的规划体系的核心目标是可持续发展和建设可持续社区,监测是实现这 一目标的手段之一[44]。新规划管理体系的重要特征之一就是它能够灵活应对环境和发展 形势的变化,地方规划当局有能力编制各种各样的地方发展文件,或者对某一地方规划 文件提出反对,这有利于他们针对本区域发展中优先性的变化作出快速的反应。监测在 这一过程中担当了重要的角色。 2.2.1.2 空间监测的必要性 新规划体系的其中一个关键目标,就是地方发展文件将是”空间的”,而不是单纯 地通过规划许可的批准与驳回来制定的土地利用规划。它将囊括更广阔的社会、环境和 经济目标,例如: ?通过解决社会、环境和经济问题,以及相关的土地利用问题,为可持续发展目标 的提出提供实施机制; ?考虑到社区的需要、存在问题和愿望,以及 区域变化的关键空间驱动力; ?采用一种能够兼顾其他的战略与政策的综合性方法; ?促进并鼓励与广大的机构,包括社区和具体利益相关者进行新形式的合作; ?制定一致的实施机制(包括开发控制),重点关注相关基础设施及服务供应商的投 资和行动计划的实施情况。 整体而言,面向空间的规划,意味着规划的制定需要更多能作为分析依据的综合性 信息。这也是地方规划当局需要建立完善的方法来进行规划和政策监测的原因之一。 2.8、航空金属结构温度场监测研究背景 复杂环境温度下,航空大型结构每一部分的受热情况不能保持完全一致,温度产生的变形 量也不相同,因此,有必要研究温度分布对结构热稳定性的影响。温度不仅仅是一个统计平均 的物理量,而且更具有”三维”的念义。近年来人们发现,对温度场的研究和定量测量,不仅 与我们的生产和生活密切相关,而且意义更加重大。为了保持一定的温度条件,许多结构通过 部件的合理布局控制温度场分布[1]。事实上,对于一个大型的机械结构来说,各个部分的温度 不会完全相同,即使在同一温度场中,由于热传导等因素的影响,必然存在温度差,导致不同 部分受热不均匀,相互作用之下容易发生扭曲变形、膨胀失效等不良后果[2]。 飞机机翼设计中,机翼骨架部分是承受重量的主要构件,由于纵贯长度非常大,相互之间 连接方式复杂,在承受温度载荷时,不同部分发生的膨胀各异。金属构件的膨胀系数非常大, 研究表明,在温差为 10?的条件下,发生变形的最大程度能够达到 0.3mm,加上其他 部件产生 的热变形累积能够达到 2cm,由此产生的应力集中很容易对脆弱部分造成破坏。然而温度场的 测量又是一个十分复杂的问题,虽然采用”温度计”进行逐点测量的方法可以在一定程度上解决 一些实际问题,但在大多数场合采用这种方法测量温度场却是极不现实的,甚至是根本行不通 的。因此,简便、快捷的温度场测量方法和技术的研究以及设备的研制,已经成为目前一个十 分活跃的研究领域[3]。如图 1.2 所示,在箱体外壳设计中,对结构各个部分发热情况进行探测与 分析。 图 1.2 复杂箱体结构受热温度分布云图 2 2.9、课题背景 随着世界经济的全球化进程和我国加入 WTO 组织,国际化的市场环境要求 国内电信运营商在经营管理体制上必须向国外先进的电信运营企业看齐,以提高 电信运营业的国际竞争能力。同时随着我国日益深入的经济体制改革,国内电信 市场的逐步开放,近年来移动通信事业在中国得到迅猛发展,市场竞争也变得日 趋激烈,这些都给中国联通带来了前所未有的挑战。与此同时,手机的普及不仅 带来了传统语音业务的快速增长,也为移动数据增值业务带来了广阔的发展空 间。多样化的业务种类不仅给移动运营商带来了丰厚的利润,而且为联通公司充 分挖掘业务潜力,全面超越竞争对手提供了有力的条件。 随着电信竞争格局的进一步形成和加剧,电信运营商越来越注重提供”差异 化”服务,”增值业务”就是在这种大环境下应运而生的。同时,随着全社会的参 与,以”增值业务”为表征的电信/IT 产业生态链也已 经和正在形成,并且日新月 异地发生着深刻的变化。这种发展趋势给传统的电信业务管理模式带来了严峻的 挑战,也需要电信运营商迅速拿出新的应对策略和解决办法,适应新的业务需求 。 目前,中国联通业务的计费方式可以划分为预付费和后付费两种[1],其中预 付费又包括实时预付费和准实时预付费两种,实时预付费是由智能网平台实现的 在线计费,它能够很好地控制成本,实时获取使用量信息,有效防止欠费情况的 发生。作为基于智能网的在线计费模式,预付费虽然能够避免欠费情况,但是智 能网对业务的支持有限,并且不能有效地与客户资料相结合,致使业务捆绑等需 求很难实现,大大降低了运营商对市场的灵活应变能力,准实时预付费和后付费 业务的计费由支撑系统实现,可以提供更为复杂的资费计划、更灵活的折扣策略 , 并且能够支持不同的支付选择,但同样存在问题无法做到实时控制业务使用 , 尤 其是对增值业务和漫游业务的控制,若用户在短时间内产生高昂的信息费,将存 在很大的欠费风险。主要表现为两个方面: 2 (1)用户利用语音增值业务平台计费系统的非实时性漏洞,但是在单次通 话过程中使用完卡中所有金额后继续透支,打爆储值卡。 (2)联通公司增值业务部在业务发展中与各个 SP/CP(Server Provider & Content Provider)之间在资费结算中,自业务投放以来,一直存在着不同程度的 欠费现象。甚至一些非法的 SP/CP 采取不正当的手段,骗取运营商的收入,对 运营商而言,不仅没有收入,反而造成收入流失。 2.10、背景 目前,国内新建或改造的城市轨道交通项目大都采用基于通信的移动闭塞列车控制 系统(CBTC),CBTC系统需要对每列在线运营列车实时运行进行监控,因此,就必须 建立地面轨旁与列车的实时通信系统,而无线局域网技术的出现正好为此提供了一个良 好的平台。 CBTC 系统是利用高精度的列车定位(不依赖于轨道电路),双向连续、大容量的 车一地数据通信,车载、地面的安全功能处理器实现的一种连续自动列车控制系统CBTC 系统摆脱了用地面轨道电路设备判别列车占用和信息传输的束缚,实现了移动闭塞。 基于通信的列车控制CBTC信号系统在北京、上海、广州、深圳等地都有着广泛的 应用。当前,由于国家对频点资源分配的限制,CBTC信号系统等基本上都只能采用ISM (Industrial Scientific Medical) 频段,此频段( 2.4~2.4835GHz)主要是开放给工业、 科学、医学,三个主要机构使用,属于公开频段,并没有所谓使用授权的限制,无需许 可证,只需要遵守一定的发射功率(一般低于1W),并且不要对其它频段造成干扰即可。 华南理工大学硕士学位论文 18 由于ISM频段频点应用的部门众多,所采用的技术及设备也鱼龙混杂,存在众多干扰 , 给PIDS系统的可靠性稳定性运行带来比较大的威胁。因此,工作在2.4GHz或5.8GHz 的 PIDS 系统会与工作在 2.4GHz 的 CBTC 系统之间形成造成相互干扰,影响列车的正 常通信甚至行车安全。由于这两个系统已经成为城市轨道交通中不可或缺的两部分,所 以PIDS系统与CBTC系统的干扰是实际中存在且需要解决的问题。 PIDS 系统在实时播放情况下,地面设备对列车传输的信息包括:数字图像资讯信 息、列车的紧 急疏散信息及列车的预告信息等;列车对地面设备传输的信息包括:列车 车厢内的视频监控图像信息、列车运行状态信息(根据需要)等。这些信息基本上都是 图像信息,如果传输的图像采用 MPEG 2 编码方式,一般传输速率在 8bpsMbps;采用 MEPG 4 编码方式,传输速率在 2Mbps 左右。按照 PIDS 系统一般的传输要求:监控需 要上传两路图像,对一列列车而言需要15Mbps 左右的传输速率。但地铁中PIDS系统 相对CBTC系统来说非安全系统,其传输数据的安全等级比CBTC系统低。 CBTC 系统对列车传输的信息包括:线路特征信息(位置、坡道及曲线)、前方许 可的移动授权(目标距离)、限速信息和目标速度等;列车对地面设备传输的信息包括: 列车目的地码、车次号、本列车的定位信息及本列车的速度信息等。这些信息都是数字 信息,信息编码长度较短,车地传输的数据包长度一般不会超过 1000bits。40 100Kbps 的净传输速率作为信号系统必须保证的最低传输速。相对 PIDS 而言,CBTC 系统的传 输速率要求不高,信息量也不大,对报文更新时间要求不高,但安全性要求较高。 表3 1信号系统与PIDS系统的传输需求对比表 系统名称 速率要求 安全性等级 通信传输需求 信号 40-100Kbps 很高 传输数据少 PIDS (车对地采用 MP E8-G-140M,bp地s 对车采用 MPEG-2) 一般 传输数据多 根据通信传输需求分析可以看出:信号系统传输数据少,但安全等级高,适用的无 线通信标准可以是IEEE 802.11b和IEEE 802.11g,PIDS系统传输的数据量大,必须选 择IEEE 802.11g作为其传输方式。 基于802.11b无线系统标准推出早,技术成熟,产品应用广,价格低,可靠性高, 可满足CBTC传输速率低,可靠性高的要求。基于802.11g的无线系统标准推出时间稍 晚,产品应用没有802.11b广泛,但速率高,兼容性好,发展势头强,正好可满足PIDS 系统传输速率高的要求。 3、研究意义 3.1、研究目的和意义 实现对机动车排放污染物进行有效控制已成为我国环境保护一项刻不容缓的 任务,尾气分析不仅是检查排放污染物治理效果的唯一途径,还是对发动机工作 状况及性能判定的重要手段。尾气分析是在发动机不同工况下,通过检测废气中 5 不同成分气体的含量来判断发动机各系统故障的方法。 在汽车尾气监测方面,目前市场上有不少汽车尾气分析仪出现,但主要用于 一些检测和维修机构,如果能在自己的汽车上进行动态监测,通过物联网技术, 使环保部门、车辆管理部门和维修部门随时了解运行中车辆的排放情况。比如, 根据尾气中含有 CO、HC 等化合物的有害气体的浓度,可以判断汽油燃烧的程度, 并能及时判断出汽车出现的一些问题,从而及时送维修部门修理。 车载尾气监测系统可以实时连续地监测尾气,可以反映发动机的燃烧状况和 对空气污染的情况,可以及时发现汽车的故障,及时维修从而达到保证汽车安全 和防止尾气污染的目的。车载尾气监测系统中主要分析的参数,有一氧化碳(CO)、 碳氢化合物(HC)和氮氧化合物(NOX)。该系统的开发可以更好地在较少的人力 物力的条件下实现实时监测车辆排放状况,它的研究具有重要的现实意义。 3.2、论文选题意义和主要研究内容 1.3.1 论文选题意义1.3.1 论文选题意义 AT 发展历史悠久,在越野车辆、重型车辆、工程车辆和军用车辆等领域有其它 类型的自动变速器不可比拟的优势,而我国在 AT 的研发、生产上都与国外还有很大 差距。本课题开展 AT 换挡过程实时监测与评价的研究,对我国 AT 研发技术的发展 具有重要的意义。 AT 换挡过程中的部分控制参数,例如充油时间,通常是通过标定试验在特定条 件下测得的,而实际控制过程当中由于发动机转速、油温、制造误差、磨损等因素的 影响,同样的控制参数不能保证控制效果的再现性[56-57]。与传统的换挡品质离线评价 不同,本课题所研究的 AT 换挡过程实时监测与评价不仅仅对换挡品质进行评价,其 最终目在于当换挡品质不良时得到换挡过程控制参数的修正方向,以提高下一次的换 挡品质。实际上,本课题把换挡过程自适应跟踪控制分成了四个部分:实时监测、换 挡控制、实时评价以及参数自适应,主要研究实时监测、实时评价两个部分,是实现 AT 换挡过程自适应跟踪控制的基础工作,为 AT 换挡品质优化的研究提供技术支撑。 3.3、实时监测的内容和意义 通过 GPRS 采集回来的数据我们可以实现电站的实时监测,我们可以在任何 时刻通过采集回来并网电站并网点和计量点上的电压、电流等数值,了解这一时 刻电站的发电出力,预测每月发电量;通过采 集回来并网电站的上网电量,通过 比较后可以发现电站有没有私自对用户进行供电,可以得到准确的结算电量。通 过实时监测,确保并网电厂电费结算的正确性。 实时监测和管理改变了目前市县供电企业对并网电站决策中不能及时获得数 据的现状,可以随时随地的获取电站的信息和实时运行情况,对此进行分析比较, 为科学决策提供数据支持和技术保障。 3.4、研究目的及意义 得高的产油量需要具备三个条件:一是油层含油饱 和度要大,就象海绵中只有吸入足够的水才能挤出更多的水一样,这是油井高产 的物质基础;第二是油层压力要高,这是油层中石油流动能力大小的反映;第三 是油层渗透性能要好,高渗透油层中石油流动阻力就小。在以上三个条件中,油 层的含油饱和度是自然形成的,人们无法改变;关于提高地层压力,现在是以注 水、注气等方法解决;而压裂、酸化就是改变油层渗透性能的有效手段。 压裂是为了在地下形成人工裂缝,改善地层渗流条件、疏通堵塞,提高油 井产能。美国 40 年代开始使用压裂技术,随着技术的进步,压裂的规模越来越 大,范围越来越广,成本也越来越高,有的甚至达到开发井成本的一半。人工压 裂有的在油井投产前就进行,有的则在投产一段时间后再实施,还有的在生产中 视情况多次进行。 吉林油田近些年开发动用的油田区块绝大多数是低渗透甚至是超低渗透储 层,这类储层自然产能极低甚至没有自然产能,只有能过对储层进行有效改造, 才能达到一定的产量。水力压裂这项工 艺技术在吉林油田低渗透储层改造起到了 相当重要的作用。随着水力压裂技术的不断进步,改造效果明显提升。水力压裂 的主要作用就是在储层中造缝,压裂施工后,我们最关心的是否产生的裂缝,所 产生的裂缝的大小、高度、延伸方向以及延伸长度等情况,这里我们就需要有一 种手段来对水力压裂进行监测。 压裂井人工微地震实时监测评价技术是建立在微地震监测技术基础上的一 项油田生产动态监测技术。微地震监测技术自上世纪七十年代来,已在国内外进 行了广泛的研究和实践,应用该项技术,已在油田生产工作中取得了很多实际效 果,诸如可利用该项技术监测压裂井的裂缝空间形态、有效缝长、缝高及地应力 分布情况,为完善压裂工艺、评价压裂效果、对压裂井进行压后产能分析和井网 布置提供有力的依据。压裂井人工微地震实时监测也是在这一已有的技术基础 上,利用压裂时产生的微地震,使用 Pekingrongchuang 公司开发的现场监测系 1 统,及计算机和其相应的专家解释系统,解释、分析现场监测实时数据。储层压 裂是低渗透率储层实现高产稳产的重要手段。微地震监测是目前储层压裂中最精 确、最及时、信息最丰富的监测手段。实时微地震成像可以及时指导压裂工程, 适时调整压裂参数;压裂参数与震源参数的综合分析可以确定储层最大、最小水 平地应力的主方向以及地应力的历史最大值;对压裂的范围、裂缝发育的方向、 大小进行追踪、定位,客观评价压裂工程的效果,对下一步的生产开发提供有效 的指导,降低开发成本。 对一次开发而言,了解裂缝方位和分布范围将有助于从井中最有效地开采 出移动油气;而在二次开采时,通过实测裂缝范围确定充 填井位能够提高扫油率, 有助于确定新的注水、采油井位。微地震监测除了可以在上述水力压裂和流体驱 动监测方面发挥重要作用外,通过长期监测与短期监测相结合,在油气田的开发 规划中还能发挥以下作用: 1)大多数微地震是在原有的裂缝和断层附近发生的;因此通过微地震监测 可以识别可能引起储层分区或充当过早见水流动通道的断层或大裂缝;描述断层 的封堵性能。 2)对于裂缝为主的储层,微地震事件也可以作为位于储层内部的有效纵波 和横波震源,用于速度成像和横波各向异性分析;对裂缝性储层有关的流动各向 异性进行成像。 3)对微地震波形和震源机制的研究,可提供有关油藏内部变形机制、传导 性裂缝和再活动断裂构造形态的信息,以及流体流动的分布和压力前缘的移动状 况。 4)微地震监测与其它井中地震技术和反射地震技术结合起来提供了功能强 大的常规预测工具,能大大降低储层监测的周期和费用。 3.5、边坡监测的目的和意义 边坡工程是建筑工程中的重要组成部分。边坡的稳定性直接关系到人民的生 命财产安全以及整个项目工程的施工进度和投资成本。为了确保边坡在施工期和 运营期的安全,开展边坡监测工作是很有必要的。开展边坡监测工作的目的和意 义主要有以下六点[14,84]: (1) 边坡监测可获得更充分的地质资料和边坡发展动态,从而圈定可疑边坡的 不稳定区段。 (2) 运用长期积累的观测资料掌握边坡的变化规律,对边坡的未来性态作出及 时有效的预报,为采取防护措施做好准 备。 (3) 通过对观测资料的分析,有利于深入认识边坡变形机理及破坏特征。 (4) 观测资料是边坡工作性态的真实反映,为未来设计和施工提供必要的岩土 工程和水文地质等技术资料,有利于设计概念和施工技术的更新。 (5) 通过边坡监测,可对新的施工技术的优越性进行评估和改进,也可评价边 坡治理措施的质量和效果。 56 (6) 对由于工程事故而引起的责任和赔偿问题,观测资料有助于确定其原因和 责任,以便法庭作出公证判决。 3.6、场强环境监测的意义 1.1.1 工频电场的影响1.1.1 工频电场的影响 介绍了工频电场对人体的影响,分析了人体静电感应的产生、人体在高压工 频电场中所引起的一些感知现象,收集了有关国家在高压交流工频电场对人体生 态方面影响的研究情况,说明了进行电场环境监测的重大意义。 1、人体静电感应 众所周知,如果用绝缘工具把一段金属导体送入电场内,导体内的自由电子 受到电场的作用,电子就向电场的反方向做定向移动,结果使导体两端出现正负 电荷。这种电荷又受到外电场的作用而进行重新分布,在导体上出现一个电势通 常称为悬浮电位,这种现象叫做静电感应。其电位高低与导体所处的位置有关, 距带电导体愈近导体上的悬浮电位就高,反之就低。 人体与金属相比是个电阻值较高的导电体。人体电阻在一般的情况下为 800~1000?,由于作业人员脚穿绝缘胶鞋攀杆塔或借助绝缘工具去接近带电导 体作业,使人体脱离了大地电位,因此处于电场中的人体就会出现一定感应电位。 由于人在载流导体附近进行操作活动,因此也包含着电磁场的电磁效应分量,但 主要的是电场的作用。同样人体电位的高低与人在电场中所处的位置、体表接受 电力线的数目即电荷量的多少有关,距带电体近,出现的悬浮电位就高。从另一 角度分析,当作业人员进入电场时,人对带电体、人对大地所形成电容交链耦合, 构成阻容回路,其电容量的大小与人体外形尺寸和人在电场中所处的位置有关, 当身高在 1.7m 左右的工人脚穿绝缘鞋时一般对地电容在 50~300μμF,身穿屏蔽 服处在 220kV 导线等电位的情况下距地面 8~10m 时,人对地电容约在 25~ 20μμF。由于电容是个储能元件,因此当作业人员借助绝缘工具进入电场时,只 2 要离开杆塔 (大地电位) 即在人体上就会出现高于地电位的感应电压,杆塔上的 其他作业人员就不能与他直接接触,否则二人会同时遭受电击造成意外的感电事 故。这主要是由于人体离开大地后较高的人体感应电压对处于接地体的人放电所 致。而处于杆塔上的人员感应电压的高低除距带电体远近有关外,还取决于人体 对地绝缘电阻的大小。经有关资料和现场实际测量所知,当作业人员处在 220kV 线路铁塔平口距中导线 1.6m 米处时感应电压高达 800~1700V。工人感到烦恼和 担忧的是,作业中,在无精神准备的情况下,人体感应电压由身体某一裸露部位 瞬间对接地体放电。这种放电的特点:放电电压较高,放电能量较小,一般是微 库仑到毫库仑级,当间隙空气游离击穿时形成集中的放电通路,能量释放快。这 种冲击性的瞬间暂态电流是很高的,远超过 1mA 人体感知水平,因此会使肌肉 感受到针刺似的甚至难以忍受的麻电现象,给人造成精神紧张 和胆怯心理。由于 作业人员为了到达作业地点去工作,在攀登杆塔的过程中没有保护措施,不论杆 塔设备多高完全依靠双手双脚牢固地攀登构件作为人身安全的唯一措施,当人身 上的感应电压通过手或手腕的裸露部位对接地体放电的一瞬间,往往会使手在无 精神准备的情况下突然离开杆塔构件,可能造成高处坠落的意外人身事故。 2、高压工频电场所引起的其他一些感知现象 在高压工频电场中的工作人员除经常碰到比较明显的麻电现象以外,还时常 遇到一些其他的感知现象。如:风吹感、蛛网感、嗡声感等,这些现象都说明高 压工频电场对人体的感知器官产生反应。特别是等电位作业人员在 110kV 以上 超高压输变电设备上进行等电位作业时这些现象尤为突出。 1)风吹感 等电位作业时,等电位人员面部总有较明显的微风吹拂的感觉,这主要是人 体表面的电荷在电场力的作用下做功的表现。由于交流电场的集肤效应绝大部分 电荷分布在导体表面,尖端是电荷集中的地方,因而尖端的电场强度也最强,会 使附近空气分子产生电离,尖端电荷的异性离子跑向尖端,同性离子离开尖端, 这样就形成了一股气流,通常称为电风。 当等电位人员进入电场后会使电场发生畸变,电力线被位移后使得等电位作 业人员的头部和脚部单位面积的电力线数目增加,也就是说使得电场变形更为严 重。由于人的面部是无屏蔽的裸露部位,面部的鼻子又是尖端,因此电荷密度大, 电场也较强,所以感到的风吹感也更为明显。 2)蛛网感 在高压强电场中由于人的面部没有屏蔽措施,时常还会出现另一种特殊的感 觉——蛛网感。这种现象使得作业人员十分烦恼,就像人们爬山野游钻树林时蜘 蛛网粘 在脸上一样的感觉,这种现象仍是高压电场尖端效应的结果。面部神经在 密集游动电荷的作用下产生这种特有的感觉,经实践证明这种现象不仅与电场高 3 低有关而且还与气象条件有很大关系,特别是在夏天高温季节等电位作业人员出 汗较多的时候,这种现象更为明显。 3)嗡声感 当等电位作业人员在超高压输变电设备上进行等电位作业时,经常在身边出 现一种嗡嗡响声,特别是在 500kV 线路上作业,这种现象尤为突出,同样使作 业人员感到烦恼。有些人讨厌这种噪声竟把头部的屏蔽帽摘掉进行作业,这种作 法是不允许的,因为不戴屏蔽帽作业会使人体表面的局部场强增高,身体电流就 会增加,对作业人员是不利的。分析这种声音的出现,主要是来自工频交流电场 周期性的变化作用到屏蔽服上所引起的机械振动,它的声音与频率恰似通电运行 的变压器的嗡声。 3、高压交流工频电场对人体的影响 1)物理环境影响 工频高压电场是物理环境影响因素之一,自从 70 年代初前苏联学者报告电 场对人体有不良影响以来,有关电场的生物效应已很快引起关注。针对电磁污染 对从事该工作的作业人员和他人的危害,一些发达国家普遍开展了电场与机体相 互作用机制的研究。在 1976 年召开的国际大电网会议上,很多学者提出了强电 场生物效应和对作业人员机体影响的报告。但对人员存在何种程度危害,相当长 的一段时间内仍众说纷纭,对某些生命器官及组织的影响,在结果上仍有一些分 歧和争论。 工频高压电场的生物因素影响,尤其是遗传效应方面,国外报道较少,而此 点也引起了普遍关注。试验表明,接触似稳态电磁场和接触高压电非稳态电磁场 对人体的遗传效应是 不同的。 在实验室通过动物实验是进行此项工作的重要方法,它可以探索出对电场反 映比较敏感的生理、生化指标,但值得指出的是,由动物实验得出的结果推理到 人时,必须持谨慎态度。国内学者在场强为 50-240kV/m 时,所进行的系统的动 物实验,确切反映出工频高压电场对机体存在的不良影响,但目前仍认为属于功 能性改变。 另外,反映工频电场对机体作用的早期敏感和稳定指标的工作有了突破。在 探讨工频电场对机体非特异免疫功能影响方面也取得了进展。工频电场对生物因 素的影响是一个较新课题,而研究还在进一步深入。目前国内国外研究结果倾向 于其生物因素影响为功能性居多。 2)带电作业的影响 低于 240kV/m 的电场强度,虽然不会引起人的不良感觉,但对人体是否有 不良影响?尤其是长时间在强电场下的工作人员是否有影响,这是国内外不少人 从事研究的课题,尤其是从事带电作业人员探讨的重要问题。国际上对此曾有争 4 论。 美国约翰霍普金斯医科大学对11名带电作业人员进行长达9年的跟踪体检, 结论是对人体无影响;德国、法国曾在 20kV/m 的场强下对人体和动物进行试验, 没有发现生理学生物化学的变化;瑞典关于心理学影响的研究,也没有发现明显 的变化。原苏联 70 年代曾在国际大电网会议上提出高压电场对人体有影响;80 年代初,国际大电网会议通报明确,高压线路走廊下的电场不会对人体产生影响 。 带电作业在我国兴起至今已有 50 多年,从事带电作业的现场工人经过几代 人在超高压设备上进行几百万次的带电操作还没有发现由于在高压电场中作业 产生的不良影响。我国的研究中进行的跟踪体检,作业时心电遥测,结论是无影 响, 主要是有防护措施。因此,只要防护措施得当,电场不会对人体产生影响 。 工频电场与人体的作用将产生电荷在体内的流动,束缚电荷的极化(形成电偶极 子)以及已经存在于组织中的电偶极子的转向。这些不同因素的相对大小决定于 人体的电特性,即电导率(形成电流的大小)和电容率(决定极化幅度的大小)。 电民率和电容率随人体组织的不同而变化,也随外加场的频率而变。人体外的电 场在人体表面感应表面电荷;这将导致体内产生感应电流,其分布情况决定于暴 露条件,人体的尺寸、形状及人体在电场中的位置。 3.7、研究意义 通过此平台的建设,充分开发应用与矿泉水源监控有关的信息资源,远程 实时掌握矿泉水源的水量、水质,周边环境变化预警等情况,实施水源地无人 值守,确保水源水质、水量及生态环境更趋完美。为靖宇天然矿泉水的保护、 开发、配置以及矿泉水赋存环境的保护与治理等综合管理和决策服务,从而提 高靖宇水源保护区环境优化配置及科学管理水平,解决好企业和居民饮水安全 问题 [1] 。 3.8、选题背景及意义 业发展现状1.1.1 我国汽车行业发展现状 20 世纪 50 年代我国汽车行业开始发展,但是由于我国当时经济技术手段的 落后,汽车行业发展相对缓慢,落后于其他国家。从 1979 年开始,我国汽车行 业在改革开放政策的不断推动下,有了长足的发展,目前已成为我国国民经济 发 展的重要支柱,推动着能源、钢铁、电子等多个行业的发展。我国汽车产业在 90 年代首次突破 100 万辆,自从 2001 年加入 WTO 后,中国汽车产业的发展更 加快速,2002~2004 年汽车年产量相继突破 300 万、400 万和 500 万辆,在 2010 年更是达到了 7802 万辆,如表 1-1 所示。 汽车产业现在已成为我国支柱产业,但是在汽车产业不断发展的同时,也消 耗了大量的能源、资源,并且对环境产生了极大的危害。目前发达国家的汽车保 有量已经处于平稳期,发展速度已经放缓,增长幅度也不断减小。但我国汽车产 销量逐年增长,汽车保有量越来越多,同时汽车保有量的增长率也越来越快。根 据中国统计年鉴中的数据表示,与 1990 年相比,我国 2006 年汽车保有量增长了 8 倍多。到 2008 年为止,美国汽车的人均拥有量为 0.82 辆,日本汽车的人均拥 有量为 0.59,世界的平均拥有量为 0.15,然而我国 2008 年的汽车人均拥有量只 为 0.04,如果按照这个发展趋势继续发展的话,未来我国汽车保有量有可能达到 1.94 亿万辆,达到世界人均水平。如果按照美国人均拥有量计算的话,我国汽车 保有量将达到 10.93 亿辆。我国汽车数量快速的增长,带来每年的汽车报废量也 在不断增多,但废旧汽车的回收拆解行业的发展与汽车的增长状况不相匹配,规 模小且处理成本高,报废车辆经正规拆解程序的约 40%,大量废旧汽车流入二手 市场和黑市,造成环境污染和交通安全隐患。此外,在汽车的使用阶段会对环境 造成严重影响。从德国汽车研究机构的研究结果看出,在汽车使用阶段排放一共 会排放 59.7 吨二氧化碳到大气中,同时会产生 26.5 吨的固体垃圾。汽车保有量 的增多,汽车尾气的排 放量增大,汽车磨损与消耗零件的不断更替,更加剧了环 境污染的严 重性。从国家环保部公布的信息可知,我国汽车的尾气排放占城市大 气污染中的 79%左右。北京、广州、上海等城市中,机动车已经成为 排放 CO2、 CO、NOx、HC 等污染物的第一大污染源[1]。 1 第一 章 绪 论 2009 和 2010 年间,国家相继出台了一系列关于汽车产业 的鼓励和限制政策, 如成品油税费改革方案、汽车以旧换新政策、《重 型车用汽油发动机与汽车排气 污染物排放限值及测量方法(中国 III、IV 阶段)》和《关于做好节能汽车推广补 贴兑付工作的通知》 等,从政策、技术等多个方面引导汽车产业的发展。2010 年底,环境保 护部发布《中国机动车污染防治年报(2010 年度)》,首次公布我 国机 动车污染物排放情况[2]。从我国政府相继出台的政策可以看出国家 对汽车产 业发展所带来的环境问题的重视程度。因此我们在继续扶 持汽车产业的同时,也 要将更多的注意力集中于其可持续性研究上。 表 1-1 1997-2010 年我国汽车拥有量及产销量 单位:万辆 年份 民 用汽车拥有量 私人汽车拥有量 产量 销量 2010 7802.0 6539.0 1826.5 1806.2 2009 6280.6 4574.9 1379.1 1364.5 2008 5099.6 3501.4 934.5 938.1 2007 4358.4 2876.2 888.3 879.2 2006 3697.4 2333.3 728.0 721.6 2005 3159.7 1848.1 570.8 575.8 2004 2693.7 1481.7 507.1 507.2 2003 2382.9 1219.2 444.4 439.2 2002 2053.2 969.0 325.4 324.9 2001 1802.0 770.8 234.2 237.1 2000 1608.9 625.3 206.8 207.8 1999 1452.9 533.9 183.2 183.3 1998 1319.3 423.7 162.8 160.3 19971219.1 358.4 158.3 156.6 数据来源:《中国统计年鉴》,中国统计出版社(1998~2011 年) 3.9、本文研究意义 本文的研究意义在于以下几个方面: (1)通过 GT-Power 软件模拟柴油机的工作过程,可以得出柴油机尾气余热与 转速的关系,为以后的有机朗肯循环余热回收系统提供设计参数点。 (2)通过朗肯循环的工质选择计算,为有机朗肯循环系统提供纯备选工质。 (3)通过对潍柴某发动机有机朗肯循环系统方案分析及优化,为柴油机尾气余 热回收系统提供优化路线。 (4)通过对 BJ493ZLQ3 增压柴油机尾气余热利用实验台主要部件的选型,为 - 8 - 第 1 章 绪 论 以后实验台的优化搭建提供经验。 本文通过上述工作,研究发动机与余热利用系统的相互影响规律,为余热利 用系统的设计提供参考依据。 - 9 - 北京工业大学工学硕士学位论文 - 10 - 第 2 章 利用 GT-Power 软件搭建柴油机模型 第 2 章 利用GT-Power软件搭建柴油机模型 发动机的设计开发能力反映了发动机企业的技术水平,是企业能否长期生存 发展的核心和关键。传统的”图板+经验+发动机台架”的设计方法设计周期长、 开发成本高,难以适应市场对产品多样化和小批量生产的要求。相比之下,计算 机软、硬件技术的巨大进步和相关基础理论如有限元分析(FEA)、计算流体力学 (CFD)等的研究进展,为计算机辅助设计(CAD)的发展和应用提供了必要的前提 条件和坚实的基础。 在汽车研发过程中,计算机仿真技术应用十分广泛。由于计算机仿真技术可 大大节省试验时间、不受时间、经费、场地等客观条件的限制,显 著提高产品开 发速度,因此 GT-POWER 等模拟软件已经成为现代汽车企业必不可少的研发手 段。 3.10、本课题意义 目前我国汽车行业的发展速度不断提高,与此同时,使用阶段的环境污染以 及持续增长的保有量所造成的燃油消耗、尾气排放压力以及各个部件由于磨损和 消耗造成的环境污染问题日益严重。这也就给我国汽车行业的设计制造以及针对 使用过程中造成的环境污染提出了前所未有的挑战。 本文针对汽车在使用阶段的燃油消耗、尾气排放、轮胎磨损、催化剂磨损以 及噪声等多个方面进行环境影响分析。从中找出在汽车的使用阶段不合理的以及 对环境危害较大的因素,并进行分析后,提出具有针对性的建议。利用 Gompertz 曲线预测方法对我国汽车 2020 年的保有量及油耗、尾气、轮胎和催化剂未来产 生量进行预测。最后对降低当前我国汽车使用阶段的环境影响的解决方法进行定 量化分析,利用经济(Eo)、环境(Env)和能源(En)(简称 3E)综合评价体系,从 2 第一章 绪 论 经济、能源、环境三方面的综合影响进行数据的整合,使评价结果更加具有实际 的应用价值,最后针对汽车使用阶段环境影响削减方式提出相对最优的解决方 案。对所提出的解决方案进行情景分析,为我国汽车行业实现可持续化发展提供 相关依据。 4、研究目的 4.1、研究目的和意义 实现对机动车排放污染物进行有效控制已成为我国环境保护一项刻不容缓的 任务,尾气分析不仅是检查排放污染物治理效果的唯一途径,还是对发动机工作 状况及性能判定的重要手段。尾气分析是在发动机不同工况下,通过检测废气中 5 不同成分气体的含量来判断发动机各系统故障的方法。 在汽车尾气监测方面,目前市场上有不少汽车尾气分析仪出现,但主要用于 一些检测和维修机构,如果能在自己的汽车上进行动态监测,通过物联网技术, 使环保部门、车辆管理部门和维修部门随时了解运行中车辆的排放情况。比如, 根据尾气中含有 CO、HC 等化合物的有害气体的浓度,可以判断汽油燃烧的程度, 并能及时判断出汽车出现的一些问题,从而及时送维修部门修理。 车载尾气监测系统可以实时连续地监测尾气,可以反映发动机的燃烧状况和 对空气污染的情况,可以及时发现汽车的故障,及时维修从而达到保证汽车安全 和防止尾气污染的目的。车载尾气监测系统中主要分析的参数,有一氧化碳(CO)、 碳氢化合物(HC)和氮氧化合物(NOX)。该系统的开发可以更好地在较少的人力 物力的条件下实现实时监测车辆排放状况,它的研究具有重要的现实意义。 4.2、测试目的、平台、参数与指标 5.1.1 测试目的5.1.1 测试目的 本系统的测试主要分为功能测试和性能测试两方面。功能测试主要是看本系统数据 监控,数据展示,数据分析,事故处理等功能是否得以实现;性能测试则是通过把本课 题的 系统和已经使用多年的基于 SSH 的电缆隧道在线监测系统进行对比,从而考察本 课题的系统是否符合性能方面的要求。 4.3、研究目的及意义 得高的产油量需要具备三个条件:一是油层含油饱 和度要大,就象海绵中只有吸入足够的水才能挤出更多的水一样,这是油井高产 的物质基础;第二是油层压力要高,这是油层中石油流动能力大小的反映;第三 是油层渗透性能要好,高渗透油层中石油流动阻力就小。在以上三个条件中,油 层的含油饱和度是自然形成的,人们无法改变;关于提高地层压力,现在是以注 水、注气等方法解决;而压裂、酸化就是改变油层渗透性能的有效手段。 压裂是为了在地下形成人工裂缝,改善地层渗流条件、疏通堵塞,提高油 井产能。美国 40 年代开始使用压裂技术,随着技术的进步,压裂的规模越来越 大,范围越来越广,成本也越来越高,有的甚至达到开发井成本的一半。人工压 裂有的在油井投产前就进行,有的则在投产一段时间后再实施,还有的在生产中 视情况多次进行。 吉林油田近些年开发动用的油田区块绝大多数是低渗透甚至是超低渗透储 层,这类储层自然产能极低甚至没有自然产能,只有能过对储层进行有效改造, 才能达到一定的产量。水力压裂这项工艺技术在吉林油田低渗透储层改造起到了 相当重要的作用。随着水力压裂技术的不断进步,改造效果明显提升。水力压裂 的主要作用就是在储层中造缝,压裂施工后,我们最关心的是否产生的裂缝,所 产生的裂缝的大小、高度、延伸方向以及延伸长度等情况,这里我们就需 要有一 种手段来对水力压裂进行监测。 压裂井人工微地震实时监测评价技术是建立在微地震监测技术基础上的一 项油田生产动态监测技术。微地震监测技术自上世纪七十年代来,已在国内外进 行了广泛的研究和实践,应用该项技术,已在油田生产工作中取得了很多实际效 果,诸如可利用该项技术监测压裂井的裂缝空间形态、有效缝长、缝高及地应力 分布情况,为完善压裂工艺、评价压裂效果、对压裂井进行压后产能分析和井网 布置提供有力的依据。压裂井人工微地震实时监测也是在这一已有的技术基础 上,利用压裂时产生的微地震,使用 Pekingrongchuang 公司开发的现场监测系 1 统,及计算机和其相应的专家解释系统,解释、分析现场监测实时数据。储层压 裂是低渗透率储层实现高产稳产的重要手段。微地震监测是目前储层压裂中最精 确、最及时、信息最丰富的监测手段。实时微地震成像可以及时指导压裂工程, 适时调整压裂参数;压裂参数与震源参数的综合分析可以确定储层最大、最小水 平地应力的主方向以及地应力的历史最大值;对压裂的范围、裂缝发育的方向、 大小进行追踪、定位,客观评价压裂工程的效果,对下一步的生产开发提供有效 的指导,降低开发成本。 对一次开发而言,了解裂缝方位和分布范围将有助于从井中最有效地开采 出移动油气;而在二次开采时,通过实测裂缝范围确定充填井位能够提高扫油率, 有助于确定新的注水、采油井位。微地震监测除了可以在上述水力压裂和流体驱 动监测方面发挥重要作用外,通过长期监测与短期监测相结合,在油气田的开发 规划中还能发挥以下作用: 1)大多数微地震是在原有的裂缝和断层附近发生的;因此通 过微地震监测 可以识别可能引起储层分区或充当过早见水流动通道的断层或大裂缝;描述断层 的封堵性能。 2)对于裂缝为主的储层,微地震事件也可以作为位于储层内部的有效纵波 和横波震源,用于速度成像和横波各向异性分析;对裂缝性储层有关的流动各向 异性进行成像。 3)对微地震波形和震源机制的研究,可提供有关油藏内部变形机制、传导 性裂缝和再活动断裂构造形态的信息,以及流体流动的分布和压力前缘的移动状 况。 4)微地震监测与其它井中地震技术和反射地震技术结合起来提供了功能强 大的常规预测工具,能大大降低储层监测的周期和费用。 4.4、监测的目的 本方案的主要目标是针对主体框架柱和核心筒之间的竖向变形差和腰桁架 的受力情况进行监控。因此,一方面需要对结构不同楼层内外框架柱和核心筒竖 向变形差监控,另一方面对腰桁架的主要受力构件及关键区域进行现场监测,得 到施工过程中实测的结构变形和受力状态指标,特别是监测在腰桁架焊接加固 前、加固过程中和过程后杆件的应力变化情况。通过监控把监测所得的数据结果 进行汇总和分析,得出不同施工阶段结构的应力、应变和位移变化规律和趋势, - 37 - 4.5、监测目的 在逆作法施工过程中,通过对施工全过程监测,可以对基坑围护系 统、地 下结构的受力状态和变形特征实行实时监测,让人们及时了解围护系统、地下 结构以及周边建筑和市政设施的安全性状。及时为施工方提供信息,以便施工 方根据监测资料随时调整施工程序,对可能出现的危害工程结构、周围建筑物 安全及施工人员安全的险情采取应急预案和补救措施,消除安全隐患。确保施 工期间基坑及地下结构本身的安全和稳定;确保施工现场周边的建筑、管线以 及路面的安全;通过对施工现场监测结果的进分析研究,还将监测结果反馈给 设计单位,为改进设计提供直接依据,同时实现信息化安全施工。 4.6、课题背景及目的 迅速发展,人们之间的交流方式复杂多样,但语音通信依然 是人们信息交流的主要手段。在电信网等语音通信网络中,恶意传播的语音信息通常是一 些录音播放的特定音频。它们在不同信道上进行传播,除了因为噪声造成的信道干扰外, 在听觉效果上基本”相同”[1-2]。为此,可以通过建立相应的语音模板库,采用模板匹配的 方法实现识别,称此种方法为固定语音识别。这种方法的优点是对通信过程干涉少,缺点 是当模板数量较多时,计算量巨大,对系统实时处理性能要求很高。 本课题来源于国家 863 计划信息技术领域某重点项目(编号:2011AA010603)。 在本课题需要识别处理单元达到指标要求: 识别率要求高(>95%); 识别速度要求高,要求模板库容量大于 8000 时能够做到并发处理 20 路以上; 4.7、本文研究目的 本文研究的主要目的是对现有的视频解码过程进行研究,并找出所占用 CPU 资源 最多 来对高清晰视频实时解码进行加速的方 法。 主要过程以及每个过程所占用的计算消耗。 速的方法。 建议并验证。 并通过软 。 方法。 的可行性。 频的应用现状,并概括介绍论文所要做的工作(第一章), 然后 的过程,同时针对该过程提出改进措施。利用 GPGPU 的思想,将视频解码过程中 计算消耗较大的部分移植到 GPU 上进行运算,已便达到对高清晰视频进行实时解码的 目的。 4.8、论文研究目的 本选题的研究目标是:针对车用空调类制造企业车间生产异常事件管理的特 点和需求,借鉴制造执行系统(MES)等先进的管理思想和理念,研究、开发和 实施一套能支持车间生产异常事件信息的动态采集、实时传递、快速处理和综合 查询分析以及能对各种生产异常事件进行预测和预警的车间生产异常事件实时管 理系统,实现了生产异常事件的采集、传递、监控、评价和预警等一体化集成运 行,从而大大提升企业对异常事件的快速反应和处理能力,同时也为其它类似企 业起到示范作用。 4.9、PVC 生产工艺尾气处理的目的 清洁生产因为国际环境标准的不断的提高,近年来越来越受重视,所以,想 要减少氯乙烯对自然环境的污染,就必须回收精馏装置尾气 中乙炔气体、氯乙烯。 尾气回收的目的是将氯乙烯精馏尾气中的氯乙烯、乙炔等气体回收至生产系 统,主要含有氢气、氮气、少量氯乙烯和乙炔等混合气体,尾气排放到生产系统 之外[4]。 同时,回收有经济效应的气体,如氯乙烯精馏装置尾气中的乙炔气体、氯乙 烯、H2等,既可以使企业的生产成本减少,又能增加经济效益,使企业的竞争 力提高。 4.10、研究的目的和意义 要搞好汽车排放污染物的监控与防治,首先必须做好检测工作。用尾气分析仪测 定排气污染物的浓度,目的是控制排气污染物的扩散,使其限定在被允许的范围内,以 达到保护生态环境和自然界生态平衡的目的。同时,汽车发动机所排出的污染物成份和 浓度与发动机的技术状况密切相关,所以通过对发动机的排气污染物进行检测,可评价 发动机的技术状况,特别是燃油供给系统和点火系统的技术状况。 如何保证抽测数据的准确性,政府出台了各种政策、法规和办法,其中各级环境监 测部门所进行的尾气抽测工作充分利用抽测数据,对数据进行分析、整理、汇总、统计, 8 找出规律,为汽车尾气防治管理工作提供科学依据,是一项非常有意义的工作。 目前,我国对汽车尾气检测系统的需求越来越大,但主要依赖进口,投资大、用汇 多,且维修和零部件来源极不方便,费用高。开展红外汽车分析仪的研究将把我国环境 监测技术推向高技术水平,以及为满足不同档次需求的环境检测仪器研发提供源头和创 新动力,这样,一方面我们拥有了自主知识产 权,另一方面可以推动民族环保产业发展, 促进我国产业结构的调整。 5、国内外研究现状 5.1、国内汽车尾气监测技术研究现状 长时间以来,中国汽车维修市场对尾气分析仪的重视度不高,这与中国汽车 工业的发展和环保政策是息息相关的。尾气分析仪的两大主要功用是故障诊断和 尾气检测对七八十年代的中国汽车市场来说,并未受到足够的认识。由于当时占 绝大数量的化油器式汽车结构都比较单一,主要用于怠速工况的检测,而且国内 相关生产厂家也少之又少。而环保方面对汽车尾气排放也没有相应的法规要求, 尾气分析仪的检测作用在检测和维修企业也没有得以推广应用。 九十年代,随着汽车技术的迅速发展和维修技术的升级变化,很多汽车厂家 要求特约维修站将尾气分析仪作为诊断工具应用在发动机的故障诊断中。尾气诊 断仪为诊断维修结果复杂的现代汽车带来了极大的便利,很多维修企业都开始引 进尾气分析仪,以适应现代汽车维修的需要。同时,人们对汽车尾气排放造成的 环境污染日益重视,按照环保法规要求,汽车必须定期进行尾气检测。经过十几 4 年的发展,尾气分析仪的技术越来越先进,绝大多数产品采用与国际市场同水平 的先进检测技术(含进口),分别适应怠速、双怠速、ASM(简称单加速模拟工况 法)和工况法的测试规范。 尽管如此,我国红外汽车尾气分析仪技术水平与国外相比还存在很大差距。 主要表现为红外气体分析理论的基础研究不完善、不系统、不深入、产品受环境 影响比较严重、可靠性 差、自动化水平低、某些高性能产品没有独立知识产权等。 随着汽车排放限值的日益严格,检测汽车排放的技术水平也不断向前发展,利用 正确的检测方法才能准确地反映出车辆的实际排放效果。总之,我国汽车检测技 术虽然已经取得了很大的进步,但与世界先进水平相比还有一定距离,要赶超上 去,我国的汽车检测技术应向以下方向发展。 (1)汽车检测技术基础规范化。制定和完善汽车检测项目的检测方法和限值 标准;制定营运汽车技术状况检测评定细则,统一规范全国各地的检测要求及操 作技术;制定用于综合性能检测站的大型检测设备的形式认证。 (2)汽车检测设备智能化。目前国外的汽车检测设备已大量应用光、机、电 一体化技术,并采用计算机测控。有些检测设备具有专家系统和智能化功能,能 对汽车技术状况进行检测。 (3)汽车检测管理网络化。随着技术和管理的进步,今后汽车检测站将实现 真正的网络化(局域网),从而做到信息资源共享、硬件资源共享、软件资源共享。 在此基础上,利用信息高速公路将全国的汽车综合性能监测站连成一个广域网, 使上级主管部门可以即时了解各地区车辆状况。 目前市场上有二气分析仪,三气分析仪,四气分析仪和五气分析仪四种分析 仪。因为要查找发动机出现故障的原因,要检测发动机可视烟、CO、HC、NOX、 PM、CO2 等,所以,检测站和维修单位一般用四/五气分析仪。公安交通部门选二 气分析仪,维修管理部门选三气分析仪,即可满足日常需要。 通过对国内外尾气监测技术研究现状的分析,了解到,目前对汽车尾气的监 测还停留在利用现有的尾气分析仪对尾气进行离线的分析和处理的阶段,汽车尾 气分析仪价格昂 贵、体积庞大,不利于实时监测汽车尾气。因此,应用传感技术、 计算机网络技术和自动控制技术,对汽车尾气实现在线实时监测,这一新兴技术 有着广阔的应用前景。 5.2、汽车尾气监测技术研究现状 1.2.1 国外汽车尾气监测技术研究现状1.2.1 国外汽车尾气监测技术研究现状 对汽车尾气的治理是世界性的环保课题,它推动了汽车工业的发展,同时也 带动了燃料、净化技术及监测仪器等相关产业的发展。常用的气体分析方法有电 化学法、电气法,如热导式和半导体式色谱法、层析法、光学吸收法、红外吸收 法和紫外吸收法等 [8] 。与其它方法相比,红外光学吸收法的优点是精度和灵敏度高, 响应速度快,测量范围大,选择性、稳定性和可靠性好,可以快速和连续检测。 3 因此受到各国重视,在尾气监测方面具有广泛应用。 1938 年世界上第一台红外气体分析仪问世。在 50 年代,以费因格夫和勒夫特 为代表研制出了有选择性的光气体检测器使不分光型红外气体分析仪技术趋于成 熟。到 60 年代红外技术在军事上的应用不断扩大,高灵敏度的红外探测仪器的研 究蓬勃发展起来,红外干涉滤光片制造技术也日趋完善,促使以红外探测仪器为 接收元件的分析仪迅速发展起来。从 70 年代开始,英、美、德等国一些厂家生产 出多组分红外线气体分析仪,最初的产品采用光谱响应宽的半导体红外探测器和 有许多不同波长滤光片的切光轮结合,设计成时间多束系统。有代表性的产品是 KENT 公司生产的 IR500 型红外气体分析仪。这种仪器 虽然能实现多组分分析,但 是,测量对象的吸收灵敏度不能相差太大,选择性也不够好。70 年代末到 80 年代, 气体滤波相关技术用于多组分分析,极大地提高了分析仪的选择性,但是仪器的 测量灵敏度低,要测量 PPM 级的气体成分必须有较大的气室。80 年代末以来,红 外气体分析技术逐渐完善,对于一些问题,如精确测量低浓度气体,提高仪器抗 干扰性等,人们正在寻求解决的方法。随着现代化技术的不断发展,电子计算机 技术在红外吸收光谱分析中发挥了重要作用,不但用来处理数据,记录分析结果, 通过求解线性方程对多组分混合物进行定量分析,而且承担红外气体分析仪的其 它许多自动化、多功能的任务,使仪器的性能大大提高。尾气分析仪的发展,现 在国际上正朝着多参数、智能化、高精度、便携式及长期稳定性方向发展。瑞典 汽车故障诊断设备公司的”MULTI-GAS-PRD”五气分析仪,英国凯恩梅公司成产 工艺的 AUTO 系列二气、四气和五气分析仪,美国 OTC 公司生产的五气分析仪等。 它们都具有小型化、交直流两用供电、可多参数测量、数据精确等优点。 5.3、国内外睡眠监测技术的研究现状 1.2.1 国内睡眠监测技术研究现状1.2.1 国内睡眠监测技术研究现状 1.2.1.1 基于织物电极的睡眠监测研究 国内关于睡眠监测技术的研究起步较晚,目前在国内可见一款理念新颖的基于织物 电极的非接触式睡眠心电监测系统的设计[9],此款设计采用的传感器为弹性镀银导电织 物,该织物由 76%的医用级镀银尼龙、24%的弹性纤维织物 构成,据该设计论文介绍, 该镀银导电织物与皮肤表面接触时,能够直接采集并传导人体皮肤表面信号,如图 1-1 所示: 图 1 - 1 织物电极睡眠衣服[9] 但是此款设计尚存在如下几个技术性难题: (1)镀银织物像一件衣服一样将使用者全身包裹着,金属材质做成的衣服和传统纯 棉材质的衣服舒适感肯定大相径庭,不能给使用者在睡眠过程中带来舒适与自然的感 受,从严格意义上来讲此款设计不能算是真正意义上的非接触式的睡眠监测设计; (2)此款镀银织物衣服如果是设计成紧身式的,势必会大大降低舒适感,若是非紧 身式的设计那么使用者在睡眠中任何一个身体部位的轻微动作都会使信号产生较大的波 动干扰,而正常人在睡眠过程中总是会有各种细微的肢体动作,在信号干扰频繁的情况 下,监测得到的数据参考性不高; (3)由于嵌入式家用睡眠监测设备连续工作的时间比较长,一般都会采用 220V 交 流电源供电,金属织物的感应器直接与人体皮肤接触,万一出现板路故障导致漏电,使 4 5.4、国内外实时监测系统的研究现状 1.3.1 国外实时监测系统的研究工作1.3.1 国外实时监测系统的研究工作 由于隧道埋于地下,工程和水文地质条件复杂多变,在地表较厚或地质条件复杂的情 况下,地质勘察受勘察方法和勘察成本的限制,往往与实际有很大误差,很难把一些较细 的情况反映出来。 由于地质灾害的存在,依靠施工揭露再行处理的办法有很大盲目性,常常会发生各种 突发事故,造成实际投资增加、人员受到伤害、设备受到损 坏、工期延误等问题。而在施 工阶段开展深入细致的监测工作,可有效地避免上述问题的发生。 隧道施工中的地质监测是一个国际前沿课题,也是一个难题,各国都在研究。世界各 国为摆脱隧道施工中由于对地质情况认识不详的被动局面,在七十年代就开始进行隧道施 工地质预报工作,方法多为通过导坑先行、平行导坑先行的方法来了解前方不良地质,或 在隧道轴线上打水平钻孔进行预报,都有明显的效果,但由于成本及工期的要求,目前则 多以物探方法为主。 1972 年 8 月在美国芝加哥召开了快速掘进与隧道工程会议,在迄今为止十几次的类似 会议中,隧道施工中的地质条件预报一直受到重视,准确预报施工前方地质条件是隧道建 设的迫切要求,80 年代世界各国都列为重点研究课题。日本列题研究开挖前方的地质状况 预报,澳大利亚研究隧道施工前方地层状况预报,西德研究掌子面附近地层动态详细情况, 法国则把不降低掘进速度的勘察地质方法作为重点研究课题,这些都取得了较大的进展。 隧道地质超前预报关系到工程的安全、质量、进度和经费等重要问题,因而倍受工程界关 注 [30-33] 。 特别是在地质条件复杂的地段和采用 TBM 现代施工设备的情况下,地质预报工作更显 得尤为重要。例如奥地利横穿阿尔卑斯山的 Nterwaler 隧道施工中就全程使用了超前预报。 - 8 - 日本从 20 世纪 90 年代开始,就采用地质图像技术对掌子面的地质条件进行监测,提炼出 与围岩分级有关的数据,对围岩分级进行修正,开发了隧道掌子面图像系统。日本京都大 学提出的用数码相机进行隧道净空位移量测的成果,精度可达到 lmm。日本佐藤工业开发 了”SIT 系统” ,它是一个把洞 内量测数据、机械和运输车辆运行数据、通信数据等信号, 用单一通信线路进行传输,实现洞内施工的一体化管理。日本地层科学研究所开发的”隧 道量测和掌子面情报快速管理”系统,操作简单、判断迅速,并能显示出隧道的掘进情况、 掌子面情况和量测结果 [34-39] 。 5.5、大坝变形监测的研究现状和发展趋势 大坝安全监测的发展最早可追溯到 19 世纪 90 年代,尤其是上世纪 20 年代 以来,国内外相继发生了美国 Teton 土石坝、法国拱坝、意大利 Vajaut 拱坝、中 国石板桥等水库的垮坝事件,对各国的经济、安全带来了巨大的损失,因此大坝 安全监测引起各国的重视[10]。 5.6、边坡监测的研究现状 目前,基于 ATR ( Automatic Target Recgonition)功能的全站仪自动变形监测系 统,在国内外已得到较为广泛的重视与实践。在国外高精度自动变形监测系统中, 徕卡仪器公司发展最早,80 年代制造了第一台视像马达经纬仪 TM3000V,配合监 测软件 APS 组成高精度自动变形监测系统,在欧洲和新加坡已经使用。目前已用 TCA2003, TCA1800 自动全站仪代替上述仪器,研制开发出新一代的 TCA+APSWin 全自动变形监测系统,对大坝、边坡、地铁、隧道、桥梁、超高层建筑物进行大 范围无人值守,全方位自动监测。并于 1997 年首次在香港九龙塘试验成功,实现 24 小时连续观测,与常规方法测量结果比较无论在位移的方向和数量都相符合, 证明系统是可靠的, 能达到毫米级精度,该系统正式被香港地铁所接受。现在, 该系统已在香港九龙塘地铁隧道运营监测,Lauterbrunnen 滑坡变形监测,新疆三 屯河水库大坝外部变形监测、上海杨浦大桥变形测量等多项工程中得到成功实践, 新加坡地铁公司已将其作为常规装备用于地铁监测。 中南大学1998年用两台TCA 1800自动全站仪在五强溪水电站大坝进行边长 交会实验观测,证明连续观测结果可靠,精度可达亚毫米级。由徕卡郑州欧亚测 量系统有限公司与解放军测绘学院联合开发的 ADMS ( Automatic Deformation Monitoring System)自动变形监测软件,是在学习、消耗和吸收瑞士 Leica 公司研制 的 APSWin (Automatic Polar System for Windows)自动极坐标测量系统的基础上,通 过实际的工程应用,并结合国内外用户的实际需求成功研制的。该系统已在新疆 三屯河水库大坝外部变形监测等工程正在得到较好的应用。 河海大学土木学院袁宝远等学者选用面向对象的数据库管理系统开发平台 ( Access)和面向对象的程序设计语言(Visual Basic)开发了具有面向对象风格和可视 化特征的边坡监测信息系统。该系统由监测信息管理子系统、监测信息可视化询 分析子系统及边坡不稳定先兆分析子系统构成。 武汉大学测绘学院梅文胜、张正禄等学者研制了测量机器人变形监测软件, 该软件在进行初始化设置及给定监测计划后,能够严格按计划执行全自动观测, 并自动对原始观测成果进行处理和分析。该软件实现了无人值守变形监测,如遇 大雾、大雨等恶劣天气,仪器不能读数时,软件会自动控制测量机器人间隔一小 段时间后在试,若仍不行,则自行再隔一段时间重试,直至观测条件正常。 香 港理工大学研制开发出一种多天线 GPS 系统。该系统中一套 GPS 仪器可以 监测多个点位(目前可以监测 8 个点),可对边坡从表面到内部实施位移监测,若出 4 现滑裂面,可确定滑裂面的深度。监测过程中,若出现大的暴雨,可监测出降雨 量与地下水位上升之间的关系,对边坡的稳定状态进行全方位的评价和合理的评 估。 5.7、井筒变形监测研究现状 随着煤炭生产的发展,深部煤层或具有厚松散层煤层的开采越来越普遍,随之产生 的井筒移动变形问题也引起人们的重视。大量实践表明,对井筒有危害的是井筒的弯曲 和沿井筒竖直方向的拉伸、压缩,井同的弯曲可能影响矿井提升,而拉伸和压缩则可能 使井筒断裂和垮落。井筒的所有这些变形破坏都会对矿井的正常与安全生产造成严重影 响。井筒纵向弯曲作用为井壁变形和破坏形态所证实,井壁变形量测表明,井壁横向应 变均为拉应变,说明在该受力条件下,井筒变为椭圆,纵向应变在土岩界面附近有拉有 压,说明有纵向弯曲作用存在,从而引起井壁弯拉破坏。井壁破坏观察表明,破坏段集 中在土岩界面附近,显示出横断面剪切破坏和沿轴向拉伸破坏的特征。由于土岩界面水 平地应力的突变差异作用,根据井筒附近周围压力盒的观测显示,井筒受载在土岩界面 附近存在一应力过渡段(图 1.5),土层中井筒受水平力小于基岩中井筒所受水平力,这 种外载分布将引起井壁受纵向弯曲的作用[5]。 井 筒 基 岩 风化带 表土层 图 1.5 井壁外载分布示意图 目前,针对井筒变形国内外主要的监测方法有以下数种: (1)井筒三维变形监测法[6] 6 山东科技大学在研究了华东地区井筒发生井壁破坏事故的资料和实地考察了破坏 井筒后,提出了对井筒变形的三维监测系统。97 年将这种方法用于兖州矿业集团东滩煤 矿的井筒变形监测项目,经过近一年的监测,监测效果显著,获得了许多现场监测经验。 这种对井筒变形进行全面、直接、长期的监测方法,简称立体监测 。 (2)井筒变形 GPS 监测法[7] 这种技术在山东省金桥煤矿进行了实际应用,主要测量的是井筒的地面变形情况。 传统的地表变形监测方法是定期的对地表移动进行监测,并由时段平均值拟合出变形曲 线,其缺陷是掩盖了时段内非线性变化。GPS 可对地表变形监测点进行全天候、连续、 同步的三维变形监测。GPS 实时测量就是利用高精度 GPS 接收机,在监测点上设站进 行同步观测,接收 24h 运转的卫星信号。通过精密解算,获得不同时段监测点位的水平 位移和垂直位移。利用 GPS 技术, 可实现数据采集、平差计算及变形分析的连续自动化。 这种监测技术优点是:易实现采集数据的实时性和准确性,能够显现出时段内数据的非 线性变化。缺点是它对地面变形测量较为方便,而对地下变形测量较为困难。 (3)倒锤法[8] 这种监测手段在山东的菜园生建煤矿进行了现场实践。倒锤法的倒锤结构,上部为 一浮子,悬挂于井塔某部位,其内盛有稳定液体,可供浮子在液体内自由摆动,浮子通过 夹线头及连接支架与倒锤上端固连。倒锤线一般采用直径 0.8~1mm 的不锈钢丝(最好采 用铟钢丝) ,其下端挂一锚块,深埋于井筒内不受开采影响的稳定地层内。当浮体静止 不动时,由于浮力的作用,倒锤线始终位于铅直位置。以倒锤线为基准线,通过 多期观测钢 丝到标志点间距,相互比较即可确定井筒径向变形值。一般 1 个井筒建立 3 个倒锤标志, 倒锤线下端锚于 3 种不同地层内,以便分析不同地层的移动情况。为了及时发现变形,研 制了立体位移量测仪,安放在每个倒锤线上端(在井口附近),可测出 1 个竖直方向和 两个水平方向的位移。这种监测方法的优点是监测方法简单、监测费用低且测量的精度 高。缺点是相关监测技术手段要求较高。 (4)钢丝基准线法[9] 这种方法在山西阳泉煤业集团五矿排矸井的井筒变形测量中得到了实际应用。它以 井中钢丝作为监测基准线,直接测量井壁变形。它的优点是投入少、施测简便且易于各 单位独立完成。但是它的测量精度不高,无法监测井壁的细微变形,从而限制了它的广 泛应用。 (5)压缩木法[10] 在井筒和井筒附近的车场巷道中施工钻孔(可设置水平孔和垂直孔两种),并在钻 孔中安放压缩木,钻孔中下放钢丝与压缩木连接,钻孔上口固定钢丝并观测压缩木的水 平与垂直变形值。此外,还可以在井筒和井筒附近的车场巷道中施工钻孔(可设置水平 孔和垂直孔两种),通过钻探法观测井筒和井筒附近的车场巷道变形情况。 7 (6)位移法[11] 煤炭科学研究总院合肥研究所的王伟成等人利用位移法对井筒变形测量进行了研 究。位移测量包括轴向位移测量和径向位移测量。轴向位移测量的测点是沿着井筒轴向 设置在井壁上,施测时测量相邻两测点之间的距离。径向位移测量的测点是埋设在同一 水平面上不同方位的井壁上,施测时需要在井筒中心悬挂一根铁丝,作为参照原点,测 量不同方位的半径大小。用位移法测量井筒变形,方法简单且能有效地反映井筒变形的 大小。但是由于 现场操作时受提升容器和作业时间的限制,径向位移测量很难测量。 (7)井筒变形的摄影测量法[12] 河南理工大学测绘与国土信息管理工程学院刘昌华等人按照矿山井筒的特点,提出 了一种井筒变形监测的新方法——应用摄影测量方法,并初步建立了井筒摄影监测及其 数据处理的技术方案。用摄影测量方法进行变形观测,就是在现场迅速获取反映变形体 全貌的摄影像片,通过室内像片量测,确定观测点的空间坐标,而将其与起始的或设计 的数值进行比较,了解变形体的变形状况或找出其变形规律。按照矿山井筒的特点,可 以在地面建立稳定的基准控制点,利用联系测量导入的井下控制点,通过摄影测量及其 解析处理方法获得井筒壁上点位的空间三维坐标。根据摄影测量获得的多期观测数据进 行井筒的应力应变分析,其技术流程如图 1.6 所示。 图 1.6 摄影测量流程图 (8)埋入传感器法[13] 这种监测方法是中国矿业大学岩土工程研究所针对兖矿集团济宁二号煤矿副井井 壁所进行变形监测及研究。井壁受力和变形监测选用的传感器为差动电阻埋入式混凝土 应变计,用于测量井壁混凝土的轴向和切向应变变化,这种应变计使用寿命长,精度高, 同时可以测量温度的变化,反映温度应力对井壁的受力的影响。这种监测方法具有性能 稳定、寿命长、精确度高等优点,但是它易受到井筒工作环境的影响。 (9)井壁变形远程全自动监测系统[14] 这种监测方法是中国矿业大学在河南永城煤电集团城郊矿所做的一个现场观测。井 壁变形远程全自动监测系统是分布式网络测量系统,其组成见图 1.7。它的基本工作原 理是:将控制测量单元一端与传感器联接,一端与一台调制解调器(称为下调 制解调器) 连接。系统控制计算机与一台调制解调器(称为上调制解调器)连接。2 台调制解调器 通过电话网进行通信,所有系统操作均在系统控制计算机终端前完成。指令由系统控制 计算机发出,通过调制解调器和电话线传给控制测量单元,由其对传感器进行测量操作。 井上、下控制点的建立 井筒摄影标志点的建立 井筒摄影 变形分析 多期观测数据比较分析 井壁点坐标解算 室内相片量测 8 测量操作完毕后,再由控制测量单元将测得的数据根据计算机指令通过调制解调器和电 话线传给系统控制计算机。显然,任何地方的计算机,只要经授权和拥有测量操作系统 软件,均可通过任意一台调制解调器(相当于图 1.7 中的上调制解调器,与下调制解调 器通信协议要一致)和电话线(包含长途电话线)与下调制解调器连接,在远程计算机 终端前操作控制测量单元,进行井壁变形监测。这种方法监测速度高,操作简单,能防 止误操作带来的危害。 图 1.7 监测系统组成图 (10)压力盒+混凝土应变计法[15] 这种监测方法在淮南市新集矿区进行了实际应用。在实际应用时对两种监测仪器进 行了一些技术处理:?压力盒、切向应变计及竖向应变计共同组合成一个应力应变状态 观测点,它们在空间上交于一点;?为使压力盒不受侧向压力的影响,仅使受力膜受力, 特制了高强度压力盒保护罩。埋设时将压力盒置于保护罩内,并用经多次试验效果很好 的半固化胶充填空隙,然后将压力盒的受力膜紧紧地固定在整平的冻土壁上;?所有测 试元件均进行高压密封试验,以保证元件长期不漏水。传输电缆采用双护套铠装电缆, 接头采用自制的接线盒,电缆用钢丝绳悬吊在井筒内,套壁时打入混凝土井壁内。 采集 到的数据通过多芯屏蔽电缆直接传到地面,用 XJ-4 综合测试仪在地面进行观察。这种 测试方法具有简单易于操作的优点,但是它的测量精度受到限制。 (11)井壁竖向变形自动监测系统[16] 中国矿业大学的李钢、齐淑娟等人开发了井壁竖向变形自动监测系统。井壁变形自 动监测系统主要由计算机、数据采集器、通讯电路及位移传感器四大部分组成。系统的 工作原理为(见图 1.8):井筒竖向变形的位移量,通过位移传感器将位移这个物理量转 化为模拟电信号,数据采集器对这个模拟信号进行模数转换,采样保持、放大等一系列 处理变成数字量,数据采集器对采集到的数字量存储,并可进行简单的数据处理。计算 机用来控制数据采集器的工作,并可对采集到的数据进行处理,采集到的数据可以通过 计算机指令回送到计算机进行进一步的数据分析处理、显示、打印等。井壁竖向变形自 动监测系统 1993 年在淮北矿务局进行了首次使用,相继在大屯等矿区也成功地应用了 多次。这种监测系统具有耗力少,精度高等优点,但是它的测试系统复杂,不易于现场 操作。 传 感 器 控 制 测 量 单 元 下 调 制 解 调 器 下 调 制 解 调 器 计 算 机 电话线 9 数据采集器 地面部分井下部分位移传感器 数字发射 接收 数接收字发射 通讯电缆 通讯系统 1000m 显示器 打印机电脑主机 图1.8 井壁竖向变形自动监测系统原理图 5.8、预应力监测研究现状 目前国内外针对预应力损失监测的方法主要有以下几种: 钢弦式 测力计是目前应用最广泛的监测预应力损失的方法,适用于矿 山、边坡、水利及桥梁等领域的锚固工程[16]。其工作原理是当被测载荷作 用在锚索测力计上,将引起弹性圆筒的变形并传递给振弦,转变成振弦应力 的变化,从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振钢弦并测量其振动频率, 频率信号经电缆传输至振弦式读数仪上,即可测读出频率值,从而计算出作 用在锚索测力计的载荷值。通过测试预张拉荷载,间接推出构件的预应力 值。这种测力计长期稳定性差,多数传感器在装上 2 至 3 年内就失效了,不 能达到长期监测的目的,且其测试结果系统误差较大,更不能实现分布式测 量[13]。 差动电阻式测力计是由多个差动电阻式应变计并联组成,当测力计受 到载荷作用时产生弹性变形,引起应变计电阻和电阻比的变形,由电阻比和 电阻变化计算出被测载荷值[17]。这种测力计受温度变化影响较大,而且初 始偏移和灵敏度的偏差很大。电阻应变计的寿命制约了其耐久性,不适合长 期监测,也不能实现分布式测量[18]。 磁通量传感器是利用铁磁材料的磁弹性效应,建立导磁性能变化与应 力、温度的关系,通过测量磁导率变化,测定铁磁材料构件的张力,间接测 量预应力筋的内力和预应力的损失[19-20]。这种方法大多用在缆索、杆件结 构中,且受电磁影响大,测量精度和应用范围受到限制。 光纤光栅作为一种新型的无源光学器件,具有防潮、耐腐、易于传输、 损耗小、易于布设、易于组网、准分布式测量、绝对测量和实时监测能力强 等优点,如何应用到预应力损失的监测,是一项新的课题[21-22]。姜德生、 梁磊等人[23-24]采用光纤布拉格光栅来测试钢绞线的预应力损失,但是其工 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4 - 艺为裸光栅直接粘帖,其致命的缺点是钢绞线在受力过程中的扭转很容易破 坏传感器的传输线路,且其胶粘剂的耐久性没有基本保障,无法实现长期耐 久性监测。 5.9、实时传输技术的研究现状 实时流媒体传输技术是网络通信技术和多媒体编码技术共同发展的产物。除了多媒 体信源的压缩问题之外,另外一个重要的问题就是采用何种方式将压缩后的数据通过网 络发送出去,发送的的方式决定了传输的效率。为了达到实时性的要求,不仅要保证数 据传输顺序的正确性,还要确保播放不会因网络暂时的拥堵出现停顿。流媒体的传输需 要合适的传输协议支持,由此诞生了实时传输协议(RTP)和实时传输控制协议(RTCP), 该协议的出现对于流媒体的传输来说具有里程碑式的意义[6]。 RTP/RTCP 是由互联网专家任务组(IETF)提出来的一个位于应用层的协议簇,应用 的范围主要是针对视频、音频等多媒体数据。除此之外,该协议针对具体的应用提出了 相关的建议,对于 H.264 的封装,该协议建议在封装的过程中,将时间戳等特征信息保 河北大学工学硕士学位论文 4 存在 RTP 的包头当中,将 H.264 视频数据保存在 RTP 静荷中,以此保证传输的 QoS。 在传输过程中通过采用 RTCP 控制算法,在接收端使用 QoS 反馈机制、流缓冲机制和补 偿算法,在很大程度上上弥补了网络差错造成的服务质量损失。 下面阐述与 H.264 的 RTP 传输相关的应用场景以及对编码、传输技术的要求。目前来看 主要有以下三种应用场景[7]: (1) 下载服务,这类服务对于实时性没有过高的要求,因而可以使用基于 TCP 的诸 如 FTP、HTTP 等面向连接的协议,从而可以保证传输的可靠性和有效性,在编码器方 面,对延迟和差错控制机制也没特殊的需求。 (2) 视频会话应用:如视频监控、视频会议以及可视电话等会话类的应用有着严格 的时延要求。一般要求端到端的延迟应当小于 1s,一般应该小于 100ms。因此一些计算 复杂的编码算法和负责的参数不能使用,另外,编码参数也要随时调整以适应网络状况 的变化。 (3) 流媒体应用,这类应用对实时的编码有要求,但是要低于会话类的应用,因此 可以采用 H.264 的一些高级特性如双向预测等算法进行编解码器的优化。与此同时,在 流媒体的传输通常使用的是 UDP、或者是基于 UDP 的协议(如 RTP/RTCP 协议),这就 需要在通过网络传输的时候进行差错控制等信道编码,防止误码的扩散。 5.10、分布式实时系统中容错技术的研究现状 实时分布式计算机系统由于其模块性,自治性,并行性以及实时性方面的优 势而快速的发展起来,正成为研究的热门领域,它在自动控制,航天,国防等方 面的应用极为广泛[4]。实时系统不仅要求系统有良好的灵活性和可靠性,而且 要求系统的操作具有时间特性。许多实时系统,特别是强实时系统的实时任务必 须在规定的时限内完成,否则会产生人员伤亡,财产损失等严重的后果。这些实 时系统具有两个特征,一是保证所有实时任务在截止的时限内完成。二是在系统 的硬件或软件出现错误的时候,实时任务仍然可以继续运行。 目前有很多 的研究讨论了实时系统的容错技术,这些容错技术有不同的前提 假 设,具有不同的优点。例如:暂时性的错误通常使用时间冗余法进行容 错处理; 硬件和软件故障可以分别被N个冗余模块和N个软件版本 所屏蔽。当构成系统的 硬件设备性能完全确定后,影响系统实时性的 便是软件设计中所采取的各种策略 和算法。尤其是对于分布式系统 来说,由于存在多个处理节点,除了每个处理节 点上的调度算法之外, 各个任务在多个处理节点上的分配方法也会在很大程度上 影响系统 实时性。任务不适当的调用会使得系统真正的潜在的计算能力不能被 发 挥出来,有的节点任务堆积,效率低下;有的节点一直空闲,无所事 事。所以在 5 实时分布系统中,任务调度的技术研究一直受到人们的 关注。 本文将目前已经取得的典型成果及特点介绍如下: (1)针对相 关多任务的调度(无任务复制)所取得的成果 ? Mulitiprocessor scheduling algorithm utilizing linear cluster of directed acyclic[5] ? Real-time gang scheduling with workload models for parallel computers[6] ? Allocation of periodic task modules with precdence and deadline constraints in distributed real-time systems[7]. ? Dynamic critical-path scheduling:An effective technique for allocating task graphs to multiprocessors[8] ? 多机多任务实时系统调度策略[9]。 ? 一个 调度Fork-Join任务图的新算法[10]。 ? 启发式任务调度中的处理器 选择策略[11]。 这类算法尽管基于相关多任务调度,但是由于任务无 法复制,因而相关多任 务间的通信开销就不可避免,这样制约了系统 性能达到最有的潜能。 (2)针对相关多任务的调度(有任务复制)所取 得的成果 ? On exploit task duplication in parallel program scheduling[12]. ? Optimal scheduling algorithm for dustributed-memory machines. ? An optimal scheduling algorithm based on task duplication. IEEE Trans on computers[13] ? TSA-OT: 一个调度 OUT-TREE任务图的算法[14] 此类算法改进了第一类算法 的缺点,通过复制技术使任务间的通信开销得到 完善,但由于任务间 的前驱,后继关系复杂,在进行复制时并未全面考虑将某一 任务哪些 前驱,后继进行复制才是最佳效果,同时这类算法均假设系统中处理机 数目不限,这点在实际应用中,特别是实时系统中是不合实际的,因为 很多实时 系统中由于空间,体积等实际情况,对处理机的数目必须加 以限制。 (3)针对非周期性任务的动态调度所取得的成果 ? An efficient dynamic scheduling algorithm for multiprocessor real-time systems[15]. 6 ? 提高非周期任务响应性能的调度算法[16]。 ? 一 种新的实时多处理机系统的动态调度算法[17]。 此类算法主要针对 非周期性任务的动态调度,并且算法均考虑了系统资源利 用率。但是 由于非周期性任务在实时应用背景下一般较少,并且动态调度算法由 于考虑的因素较多,因而算法复杂性较高。 除了以上三种算法外,针对 不同应用产生了进化算法,预测算法,遗传算法 等[18],并在理论上取 得了较好的成果,但尚未在实时分布式容错系统的任务调 度中取得 较好的实际应用。 实时分布式系统的任务调度是在分布式系统调度 的任务上,设法增加任务并 行度,减少并行运行任务间的通信开销和 等待时间,使任务的执行时间尽可能短, 实时任务的响应速度尽可能 快,从而改善系统负载的均衡性,最终优化系统运行 效率。目前基本的任务调度方法有四类:图类法,排队模型法,数学规划法和启 发式方法。其中以启发式方法最具有代表性,它考虑了最难以考虑的资源共享, 时间链约束,通信开销和延迟,I/O设备存取等因素。利用启发式方法研究任务 调度问题主要有两类方法:基于有任务复制的调度和无任务复制的调度。 综合国内外的研究可以发现,虽然对于实时分布式系统的容错调度研究较 多,但是仍主要集中在理论探讨阶段,致力于设计新颖的资源管理分配策略,离 实际应用还有一定的差距;而且目前文献中大多数的实时容错调度算法都是要求 系统中所有的任务的周期相同且等于其时限,而实际任务中的任务周期常常是互 不相同的。所以本文对现有容错调度算法进行研究的基础上,进一步研究实现了 新的容错调度功能,这对容错实时系统在安全关键系统中的应用有很大的现实意 义。 5.11、嵌入式实时操作系统的研究现状 嵌入式系统最初是基于单片机的。20 世纪 70 年代 Intel 公司的 8048、Motorola 公司的 68HC05,Zilog 公司的 Z80 系列等单片机的出现,使得工业机器、汽车、家电 等产品产品可以通过内嵌电子装置来获得更佳的使用性能。这些内嵌的电子装置已经 初步具备了嵌入式的应用特点,但是这时的应用只是使用 8 位的芯片,执行一些单线 程的程序,还谈不上”操作系统”的概念。 第 1 章 绪 论 2 20 世纪 80 年代 Ready System 公司的 VRTXI、ntegrated System Incorporation (ISI) 公司的 PSOS 和 Windriver 公司的 VxWorks 等嵌入式操作系统的出现,使得嵌入式系 统有了更为广阔的应用空间。这些操作系统确切的说是一个包含了许多操作系统特性 实时核,包括进程间通信、任务管理、终端支持、同步与互斥、内存管理等功能,同 时这些操作系统具有嵌入式的典型特点:响应时间短、采用抢占式的调度、任务执行 时间可确定;系统内核小、可剪裁、扩充和移植,具有较强的实时性和可靠性。这些 嵌入式操作系统的出现,使得嵌入式系统有了更为广阔的应用空间。 90 年代以后, 随着嵌入式微处理器的发展和软件规模的上升,嵌入式系统对嵌 入式操作系统的实时性和多任务处理能力的要求也越来越高。 实时操作系统[4](Real Time Operating System)是指当外界事件或者数据产生时, 能够在确定时间内作出处理,并在规定时间内控制生产过程或者对处理系统作出快速 响应,并控制实时任务协调一致运行的操作系统。实时操作系统按照响应时间分为硬 实时(Hard Realtime)系统和软实时(Soft Realtime)系统,硬实时系统要求在确定时间内 必须完成操作;软实时系统要求按照任务的优先级,尽快的完成任务,对响应时间的 要求不太严格。 常见的嵌入式实时操作系统有:VxWorks、WinCE、uCOS-II、PSOS、Rtems、 QNX 以及多种基于 Linux 的实时操作系统,如 MontaVista Linux、Kurt 等。 6、研究方法、思路 6.1、主要研究方法 利用现代计算机网络技术、数据库技术、地理信息系统技术、WEB 技术、 模型组建技术、多媒体技术等高科技手段搭建靖宇水源保护区环保监测管理一 7 体化平台。建设环保监测管理的综合数据库,实现对各种数据的综合存储、管 理和应用;建立环保综合信息服务,建设环保基础数据共享服务平台,建立环 保监测采集系统。对整个长白山天然矿泉水靖宇水源保护区在保护培育、风景 游赏、生态保护、居民社会调控、经济发展引导等方面进行全面规划,达到保 护—开发利用—管理三环节的良性循环。 6.2、密歇根大学创新性的睡眠分期方法研究 4.3.1 密歇根大学研究方法的先进性4.3.1 密歇根大学研究方法的先进性 美国密歇根大学的 Jennifer 等人进行了一项仅仅针对呼吸信号进行实时睡眠时相 (Wake 期,REM 期、NREM 期)成功划分的研究[40],该研究采用了一款售价极低的嵌 入式处理器来配合一种舒适感很强的、家用用途设计的、低成本的、非侵入式呼吸信号 传感器(报告中未描述该传感器细节,仅指出该传感器不需连接任何电极感应装置)实 现了对睡眠时相的实时分析处理,即在睡眠监测的过程中,这个系统可以每隔 10 秒钟 就判断出睡眠者在 10 秒这段时间内所处在的睡眠深度,最后当睡眠监测过程结束的时 候,通过对每一个 10 秒钟的睡眠时相的判断结果做统计,就可以得到完整的整夜的睡 眠时相分析。 在 Jennifer 等人的研究中,其从呼吸信号中所提取的睡眠生理指标数据包括: (1) 呼吸信号的强度值; (2) 呼吸强度(呼吸信号 幅值)在 3 个频率通带范围内所占的比率:极低频带 (0.01-0.1Hz),低频带(0.1-0.4Hz),高频带(0.4-0.8Hz); (3) 呼吸信号波形的相邻波峰值与波峰值之间的平均时间间隔(10秒钟时间内); (4) 呼吸信号波形的非相邻波峰(如 2 个波峰跨度、3 个波峰跨度)之间的时间 间隔; (5) 呼吸信号瞬间频率(Instantaneous Frequency)的平均值; (6) 呼吸信号的瞬间频率的绝对偏差值(即不同时间轴刻度的瞬间频率比较值); 41 华南理工大学工程硕士学位论文 Jennifer 等人的设计也需要在睡眠者刚刚入睡的阶段、每位睡眠者的呼吸运动幅度 各自不同条件下,将睡眠者的呼吸波形的波峰值放大到一个预先设计好的初始值,这样 的设计模式与本项目的 AUTO-LEVEL 设计有着异曲同工之妙。因为如果没有一个对呼 吸强度做参考的标准值,整个系统也无法实现对睡眠时相的实时判断。经过将睡眠时相 的判断结果与传统睡眠监测手段的判断结果进行比较,Jennifer 等人的设计对各睡眠时 相的命中率平均达到了 70.39%,其命中率甚至还略高于嵌入式睡眠监测领域普遍采用 的线性睡眠数据分析方法(即对整晚睡眠数据进行滤波处理的方法,准确率达到70%)。 总而概之,Jennifer 等人的研究具有如下先进性: (1) 整个系统采用非侵入式的、低成本的、便携式的、人体生理信号传感器(与 本项目的传感器设计模式相同) (2) 对不同睡眠者的呼吸波形做了信号放大调整,并赋予了初始波峰值;(与本 项目的 AUTO-LEVEL 设计模式相同) (3) 创新性的仅仅通过呼吸信号来进行睡眠时相的分析; (4) 创新性的实现了对睡眠时相判断的实时性分析;(即每 10 秒钟得出一个睡 眠时相的判断结果) (5) 具有较高的 对睡眠时相成功识别的成功率;(成功识别率达到了 70.39%,相 比嵌入式睡眠监测领域普遍采用的对整晚数据进行线性分析方式的命中率 要高) 从 Jennifer 等人的研究中得出结论,对于不同呼吸强度的睡眠者的呼吸信号的波峰 值进行预先放大至一个合适的波峰值是多么重要,因为不同睡眠者的呼吸波峰强度本来 就不一样,如果没有这个与本项目 AUTO-LEVEL 功能相同的设计,对睡眠者在睡眠过 程中呼吸状态变化的跟踪也无从谈起。 6.3、论文研究主要内容及思路 (1) 应用力学的基本理论来分析微地震的产生机理。以声发射学和地震学为 基础,Kaiser 效应是利用微地震监测技术估计地下岩层中地应力大小的理论基 础。针对注水、人工压裂时的应力变化情况,分析微地震产生的机理。为监测注 水前缘、人工压裂提供了理论依据。 (2) 应用摩尔-库伦理论分析微地震的形成;根据 Irwin 的断裂力学理论,分 析裂缝延伸机制;对微地震信号预测进行分析;微地震信号的识别、空间地震的 定位方法进行分析;分析了水力压裂诱生微地震波的频谱特性与传播距离。 (3) 对数据采集、震源成像的几种方法和精细反演、回归分析等微地震监测 的主要技术方法进行阐述,介绍了微地震监测的一般过程。 (4) 通过微地震实时监测技术在油田开发中的对不同段数及水平井压裂实 例进行分析对比,介绍了在实际现场施工的一些具体步骤以及一些注意事项,分 析、总结了该技术的特点及在油田开发应用过程中应用的适应性等问题。 8 第 2 章 微地震 产生机理 材料(一般为固体材料)在受到外界扰动时(如载荷、温度的变化等),在其内 部将产生局部的应力集中,这种应力集中(即局部高能状态)会导致材料因局部强 度不足而产生塑性变形或微观损伤。微观损伤集聚、扩展后会形成局部宏观裂纹, 进而可导致材料破坏或失稳。这一过程实质上是材料变形能的动态再分配过程。 在这一再分配过程中,由于裂纹的集聚和扩展并非是连续稳定的,而是积蓄—— 突发式的,应变能往往伴以弹性波的形式往外快速释放,这种现象一般通称为声 发射。声发射是一种非常普遍的物理现象,大多数材料(金属、木材、岩石等) 在塑性变形和裂纹产生直至断裂破坏的整个过程中都伴随有声发射,对于岩石、 混凝土等脆性材料,此现象尤其强烈。 由于声发射是材料变形、裂纹开裂及扩展过程的伴生现象,它与材料的力学 行为有着密切的相关性,因而声发射信号中包含了大量的关于材料受力及破坏过 程的有用信息。用精密的仪器检测、分析,利用声发射信号来推断材料力学行为 的技术称为声发射技术。 人们在长期的采矿及地下岩土工程实践中发现,围岩结构在破坏过程中,总 是伴随着声发射(AE)现象。这主要是由于在较高的应力水平,特别是在采动的影 响下,岩石发生破坏(如裂纹产生、集聚扩展,并导致突发性强烈的断裂)或原有 的地质缺陷被激活产生错动,能量以振动波的形式释放并传播出去。由于在岩土 工程中,围岩结构破坏以及由此导致的某些地质缺陷活动时产生的声发射能量等 级较大,接收到的信号频带较低(一般在 1kHz 以下,高频分量在地层的传播过程 中都被衰减),故一般称为微地震。而在实验室对岩石试样进行实验时,可以较 容易地测到带宽达到 3MHz 的信号,而且能级很小,故一般仍称为岩石声发射。 微地震研究的姊妹学科就是地震勘探学,二者都是依据地震波信号来研究岩 石性质,只是前者是被动监测,后者是主动探测,目的和应用也是不同的。微地 震波的走时、幅值、相位变化等,反映了岩石的破裂面及其内部流体的信息。随 着数据采集及分析处理能力的增强,现在可依据地震波来揭示岩石的力学性质、 岩石的多孔性质以及含水岩层的饱和度及孔隙流动等,而这些因素对岩石的地震 特性、地震波等有明显的影响。 微地震监测技术就是通过观测、分析生产活动中所产生的微小地震事件来监 测生产活动之影响、效果及地下状态的地球物理技术。其基础是声发射学和地震 学。声发射是指材料内部应变能量快速释放而产生的瞬态弹性波现象。1956 年, 德国学者J.Kaiser发现,声发射活动对材料载荷历史的最大载荷值具有记忆能力。 9 这一现象被称为 Kaiser 效应。1963 年,Goodman 发现岩石材料也具有一定的 Kaiser 效应。地下岩石因破裂而产生的声发射现象又称为微地震事件。Kaiser 效 应是利用微地震监测技术估计地下岩层中地应力大小的理论基础。与地震勘探相 反,微地震监测中震源的位置、发震时刻、震源强度都是未知的,确定这些因素 恰恰是微地震监测的首要任务。完成这一首要任务的方法主要是借鉴天然地震学 的方法和思路。 微地震事件发生在裂隙之类的断面上,裂隙范围通常只有 1~10m。地层内地 应力呈各向异性分布,剪切应力自然聚集在断面上。通常情况下这些断裂面是稳 定的。然而,当原来的应力受到生产活动干扰时,岩石中原来存在的或新产生的 裂缝周围地 区就会出现应力集中、应变能增高;当外力增加到一定程度时,原有 裂缝的缺陷地区就会发生微观屈服或变形、裂缝扩展,从而使应力松弛,储藏能 量的一部分以弹性波(声波)的形式释放出来产生小的地震,即所谓微地震。注 入作业期间引发的微地震事件在空间和时间上的分布是复杂的,但不是随机的, 可以在 1Km 范围内用适当的灵敏仪器检测到。 人工压裂时,由于地层压力的升高,地层所受压力大于井眼周围岩石所受的 周向应力时,岩石破裂,发生微地震,实际微地震的频段从几十到几百周,相当于-2 至-5 级地震。一般来说,震级越小,频率越高。仪器的工作频段为 50-200 周, 仅取较大的微地震(-2 级)。记录这些微地震,并根据微地震走时进行震源定位, 由微地震震源的空间分布可以描述注水效应区域的轮廓。 图 2-1 表示了地应力对岩石裂缝形态和方向的影响。 岩石是一种主要呈脆性的材料,可以采用弹性断裂力学理论来分析岩石裂缝 的断裂、扩展行为。岩石在地层中的受力情况可以简单的归纳为三个,即垂向应 力 v,和最大、最小水平地应力 H、 h。当垂向应力 v 为最小应力时,会 产生水平裂缝,不过这种情况的出现多在浅井,岩石破裂强度大于上覆地层压力 时,所以主要分析产生垂直裂缝时候的情况。 根据上图可知,当水平地应力小于垂直应力时,裂缝产状为垂直裂缝,而且 10 裂缝的方位总是平行于最大水平地应力的方向(可见图 2-1a 中,裂缝方位和 H 平行)。根据岩石力学,可以把压裂时井壁油层应力模型简化为一个无限大岩石 平板中一圆孔,圆孔孔轴和垂向应力平行,在平板内作用两个水平主应力 H 、 h,其基本假设为: 1、岩石是均质的,各向同性的线性弹体。 2、 井筒受力模型可简化为一个无限大的岩石平板中的一个圆孔。 3、裂缝面是垂直的,即产生的裂缝是垂直裂缝。 4、裂缝面是直立的,平行于垂向应力的方向。 图 2-2 依据弹性理论,岩石平板上的应力分布可以写为下式(1): r= ( H+ h)(1—r2i/r2)+ ( H— h)(1+3r4i/r4—4r2i/r2) cos2 + (r2i/r2) Pi—Pp = ( 2H+ h)(1+ri/r2)— ( H— h)(1+3r4i/r4) cos2 —(r2i/r2) Pi—Pp(1) r = ( H— h)(1—3r4i/r4+ 2r2i/r2) sin2 由式 = ( 2H+ h)(1+r22i/r)— ( H— h)(1+3r4i/r4) cos2 —(ri/r2) Pi—Pp 知,随着 ri 的增加,周向应力迅速降低。大约在几个圆孔直径之外,即降 为原地应力值,孔壁上的应力比远处的大得多,这就是在压裂中地层破裂压力大 于延伸压力的一个重要原因。当 r=ri 时,无限大岩石平板中井筒壁处某点的切向 有效主应力可以写成: 11 =( H+ h)—2( H— h)cos2 —Pi—Pp(2) 其中: r—径向有效主应力 —切向有效主应力 r —剪切应力 H、 h—最大、最小水平主应力 Pi、Pp—分别为井眼中的液体压力、地层孔隙压力 —井眼周围某点径向与最大水平主应力方向的夹角 r、ri——为井壁半径和岩体内某点到井眼中心的距离 从材料力学上说,地层破裂是由于井内液体压力过大,使井筒外岩石所受周 向应力超过岩石的抗拉强度而造成的,即当 —St(岩石单轴抗拉强度,可通过 实验确定)时,岩石张开。从式(2)中可以看出当 Pi增大时, 减小。当 Pi 增大 到一定程度时, 将变成负值,即岩石所受周向应力由压缩变为拉伸,当 这种拉伸力大到克服岩石抗拉强度 St时,产生破裂,破裂发生在 最小处,即 =0 或 180 处,岩石发生破裂,产生微地震,成为微地震发生的必要条件,这 为我们监测注水前缘、人工压裂提供了依 据。 12 第 3 章 微地震波传播、检测机理 6.4、GNSS 系统时差监测方法研究 关,还与电子元件所处的外部条件有关[35,36]。当用户不需要精确测量接收机硬件通 道延迟偏差时,可将其作为接收机时延的一部分进行测量或计算。 3) 监测站噪声 通常所指的监测站噪声具有较广泛的含义,包含监测站外部参考源噪声、接收 机噪声、天线周围辐射及信号干扰等。监测站噪声具有随机性,很难准确的测出其 值。 本文所指的监测站噪声包含了 3 部分:?信号从接收机天线到计算机的传输路 径中的噪声;?监测站参考信号产生和传递过程中的噪声;?数据测量中的噪声。 4. 误差估计 单站监测系统时差的误差源较多,本文针对影响监测精度的主要误差源进行分 析,如表 3.1 所示。 表 3.1 误差源分析 误差源 典型值(ns) 监测站参考时钟误差及连接钟的电缆校准误差 2.0 卫星钟误差 4.5 卫星轨道 4.5 电离层误差 3 对流层误差 1.5 接收机误差与多径效应误差 3 时间间隔计数器测量误差 0.5 根据表 3.1 中的各项误差源分析,单星监测系统时差总的误差估计为: 2 2 4.5 2 4.52 32 1.52 32 0.52 8.06ns。 从卫星星座分布看,在观测条件较好的情况下,每个 GNSS 系统的可视卫星都 能达 6 颗以上,高度角超过 30 度的可视卫星也可达到 4 颗以上。由于每颗卫星的 观测误差是相互独立的,因此,当观测 4 颗星时,单站监测系统时差的误差估计为 8.064 4.03ns,约为 4ns。 6.5、研究内容与思路 本文在分析了目前的远程传输方式优缺点后,根据用户需求设计了基于 GPRS 技术 第一章 绪论第一章 绪论 - 8 - 的远程数据传输系统的系统方案。主要的研究内容和思路为: (1)提出基于 GPRS 技术的 LWD 数据远程传输系统的方案: ?通过比较远程数据传输载体存在优势与缺陷,确定使用基于 GPRS 网络作为载体 进行 LWD 数据的远程数据传输。 ?提出多种无线数据远程传输系统的组网方案,提出本文的设计方案,采用数据中 心采用 APN 专线通过申请 VPN 服务,将所有终端设备包括(数据中心)都采用 APN 虚拟网内部虚拟的 IP 地址,通过 TCP/IP 技术直接 IP 寻址连接的方式。 ?比较分析网络传输协议和传输模式对于本系统应用的影响,最终选择采用 TCP/IP 协议下的 C/S 模式进行网络通信。通过比较分析实现网络通信的常用三种方式: a、直接使用 Winsock API 技术,实现底层通讯协议 b、使用 ActiveX 控件实现通信 c、使用 MFC 的自带类 三种实现方式各有其特点,本文采用第一种方法来实现网络的通信。 (2)根据 LWD 硬件系统要求,设计数据采集程序,使用串口通讯并实现与数据传输部分 并发工作,根据系统特点采用多线程技术。 (3)分析 Socket 机制,使用 API 技术实现网络通信应用程序。采用数据库 OBDC 技术进 行数据库链接,并实现对终端数据的存储和管理。 (4)分析系统的安全性。从多方面分析了如何实现系统安全性。 6.6、分析方法研究 在有机物分析方法中,气相色谱法应用比较广泛,在此介绍一下气相色谱 分析方法的开发。我国有机物监测标准方法体系正处于发展中。对于分析人员, 当接到一个分析任务时,有时没有现成的分析方法,这就需要分析人员针对所 8 6.7、两相流的研究方法 8 第二章 理论及分析第二章 理论及分析 两相流的研究方法和研究流体运动的规律一样,有三种基本研究方法:理论解析、 实验研究和数值方法。由于两相流动现象的复杂性,使得流动规律的研究至今主要还是 依靠实验来观察和测量,但对其它两种方法却不能忽视。 (1) 理论解析法 对于工程实际问题,通过分析所观察到的现象,在了解其物理本质的基础上,导出 数学方程,得出定量结果,这种方法充分利用了数学上的成就,其结果可以用简明的数 学表达式表示出来。 (2) 实验研究 对于许多工程实际问题,流动现象极其复杂,即使经过简化,也不一定能进行定量 的理论解析,或者理论解析所得的结果与实际相去甚远。应用测试技术和实验方法来解 决工程实际问题,即实验研究乃是—种节能基本的方法。通过实验可以验证理论计算的 结果,也可以探索新的流动现象。由于实验方法的逐步完善和测试技术的迅速发展,特 别是非接触测试技术(如激光、超声、电子束测量技术等)的发展,使人们对复杂流动现 象的物理本质有了更深刻、更真实、更准确的认识、从而推动了有关理论与数值方法的 发展。 (3) 数值方法 电子计算机的广泛应用和数值计算方法的发展,便利数值方法成了和理 论解析、实 验研究并列的基本研究方法。数值方法仍是利用各相关学科的基本原理,建立各种复杂 条件下对象或过程的基本守恒方程组,加以封闭,并不加简化地直接用数值计算求解这 些非线性联立偏微分方程组。对于一些机理清楚的流动问题,利用电子计算机不仅能作 准确的数值计算,还能进行数值模拟,代替部分实验研究。这种方法,在两相流动研究 中,已经取得显著成效,先后提出过多种数值模型,并在不同程度上应用于工程实际装 置中。 6.8、研究目标、方法与技术路线 针对我国汽车在使用阶段环境保护措施相对滞后的问题,本文将在总结归纳 现有研究的基础上,采用我国汽车产业相关数据对汽车使用阶段各方面对环境造 5 第一章 绪 论 成的影响进行定性和定量的分析,识别出系统各环节中的影响较大的环境因素, 对识别出的环境因素进行分析和判断,并对我国汽车保有量进行预测,进一步研 究汽车使用阶段对我国环境危害的严重性,评估其环境风险,最后通过 3E 评价 体系针对我国汽车使用阶段的消减措施进行分析,找出适合我国汽车使用阶段环 境保护的方法手段及政策建议,为相关部门制定战略、政策提供理论依据。 汽油耗 明确车 研究尾气 使 内容用轮胎磨损 与目阶 标段催化剂磨损 噪声 数据收集与分析 利建立模型 用情景1:按当前趋 龚势发展 帕确定参数 茨 曲有效性检验油耗 线情 预预测分析景 测预 测尾气 E建立计算关系式 E E确定参数情景2:优先发展 评乙醇和轻量化汽车 价优化求解 优化方法 政策 建议 图 1-1 研究技术路线 6 6.9、汽车噪声的研究方法 汽车设计师们通过不断研究和经验总结,得到了在汽车噪声分析与控制领 域的三种主要方法。它们分别是相似结构外推法、结构-声场耦合分析法和统 计能量分析法[9],各有如下特点: 1.相似结构外推法 它的优点是能快速提供预示数据,但对相似参数和质量载荷处理都很粗 糙,会造成很大的误差。 2.结构-声场耦合分析法——包括有限元方法、边界元方法等。 1)有限元法(FEM) 在汽车噪声问题上,它的研究范围多集中在车内中低频固体传声方面。根 据有限元法研究的需要将整车模型分为多个子结构,它们包括动力总成、副车 架、悬架、车身以及车内声腔等子结构。 研究中一般首先对影响车内噪声的各个子结构分别建立它们的有限元模 型,以正确反映它们对车内噪声的影响为基础进行车内噪声的控制。然后,在 此基础上使用”组合结构系统分析法”建立整车的结构有限元模型,使用”模 7 态分析法”将整车结构模型与车内声腔子结构模型综合形成整车声腔与结构耦 合模型。最后,利用有限元方法进行车内噪声分析和车内声学最优化设计。 使用有限元方法进行汽车噪声预测时,虽然它可以预测出车内任意一点的 噪声,计算结果直观,但对高频噪声的预测误差较大。 2)边界元法(BEM) 该方法主要是用来解决声场的外部问题,但也可用于车内噪声的研究。在 处理具有复杂边界条件的内部噪声问题时,比如,在处理具有阻抗表面的吸声 问题、孔隙泄漏噪声的问题时,边界元法 具有比有限元方法误差低、效率高的 优点。 3.统计能量分析法(SEA) 统计能量法应用能量流动的理念,使用一套独特的建模方法,以梁、杆、 板、壳、柱等子结构模块作为建模基础,分析得出统计意义上的预测结果。 6.10、汽车用户研究的基本思路 明确用户研究的目的,通过市场调研的方法收集一手资料,并进行系统的分析,提出建设性的 建议。汽车用户研究可以分为五个阶段: 第一阶段:明确用户研究的目的,形成用户研究说明需求说明书; 第二阶段:问卷设计,通过多种方式来并执行市场调查; 第三阶段:整理市场调查收集到的数据,结合数据统计方法和相关的数据分析模型,进行综合 的用户行为分析; 第四阶段:根据第三阶段的分析结果和相关图表展示的信息,进行系统的分析; 第五阶段:在数据分析的基础上,提出在产品、营销、服务等方面的建议。 9 6.11、汽车侧面抗撞性研究的方法 汽车侧面抗撞性的研究方法主要有经验法、试验法和数学分析法等。经 验法是最直接的设计方法,主要是人们凭借日常生活中的经验和直觉来设计 及改进汽车的结构[19]。 试验法是一种直接而客观的设计与验证方法,实车碰撞试验与事故情形 最为接近,试验结果最有说服力,虽然周期较长,费用昂贵且重复性差,但 到目前为止,却是不可替代的一种方法。早期的汽车侧面碰撞的研究几乎完 全依赖试验方 法进行,主要的试验方法有两种:实车碰撞试验,台车模拟碰 撞试验。 近几十年来,计算机仿真碰撞技术迅速发展,在安全车身的开发、乘员 保护措施的优化、人体生物力学、碰撞用标准假人开发的工作中发挥了很大 的作用。尽管计算机模拟试验还不能完全取代昂贵的实车碰撞试验,但是在 产品的概念设计阶段,样车的试制、试验次数的减少,开发费用及周期的降 低等方面有明显的优势。从而碰撞研究方法变为以计算机仿真为主,然后以 较少的试验来验证结果。 随着牛顿矢量力学、拉格朗日分析力学,到多刚(柔)体系统动力学和有 限元理论,以及数值方法和计算机技术水平的不断提高,汽车碰撞计算模拟 理论和方法得到了不断发展和完善。 多刚体动力学采用刚体、无质量弹簧、阻尼和各种动态铰来描述刚体的 动态响应,可以对大位移系统做运动分析,能够更好的处理非线性问题,建 模方便,计算速度快,适合于进行人体动力学响应分析,在汽车碰撞中也称 为碰撞受害者模拟(CVS-Crash Victim Simulation)。现在已开发出来的并且应 用较为广泛的 CVS 类软件有 CAL3D 和 MADYMO。 有限元法是一种数值方法,分析与计算都是在计算机上进行,有限元法 计算准确,能模拟出车身、车架等的撞击变形及动态响应,以及人体的碰撞 响应等多种未知量;求解的结果可直接用来评价车辆或部件碰撞安全性能的 优劣以及碰撞肇事者的判定;能够任意多次地重复再现各个部件的中间变形 过程,方便设计人员对结构的观察、分析和改进。用于碰撞模拟的有限元软 件最常用的是 LS-DYNA3D、PAM-CRASH 和 MSC\DYTRAN。 -5- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 7、相关技术 7.1、设备状态监测相关技术 2.1 传感器基础[14] 传感器是状态监测系统中一个关键的环节,它实现了状态量到电量的转换。 正确选择和应用传感器,是获取有用的状态信息,实现准确监测的基础。现代测 试技术中的传感器,已经不再是传统概念上的独立的机械测量装置,它是整个测 试或监测系统中的一个环节,与后续系统紧密关联。在整个监测系统中,传感器 总是第一个环节,传感器的精度和可靠性直接影响着整个监测系统的工作情况。 许多监测系统不能正常工作,其主要原因是传感器因选型不当导致失准,因此, 深入了解传感器的基础知识对设备状态监测工作有着非常重要的实际意义。 7.2、相关技术国内外研究现状 1.2.1 监控系统研究现状1.2.1 监控系统研究现状 近年来由于国家重视煤矿安全工作,全国 80%以上的高瓦斯矿井和几乎所有国统煤矿 都装备了煤矿安全监测监控系统,安全状况得到显著改善,然而由于煤矿超能力生产和管 理及监测监控还不够精确等原因,煤矿瓦斯事故甚至特大事故仍然时有发生。发生瓦斯事 故的煤矿几乎都有监测监控系统,为何还发生如此严重的事故,除管理原因外,现有监测 监控系统技术落后也是主要原因之一。 我国煤矿安装监测监控系统起步于 80 年代,采用集散模式(DCS),现有的煤矿安全 监控系统传感器数据 的简单反应,空间上测点相对孤立、数据分析利用不够,不能进行灾 害的预警,严重滞后于矿井对抗击灾害,特别是瓦斯异常涌出造成的瓦斯爆炸和煤与瓦斯 突出重大灾害的迫切需要,还不能完全满足矿井安全生产管理的需要。其主要缺陷和不足 表现在以下几个方面: (1) 缺少灾变时期矿井通风系统的应变分析与控制功能; (2) 缺少灾变时期工作面供电系统监控功能; (3) 无法判别工作地点瓦斯超限类别和危险程度; (4) 无法实现井下作业人员的动态管理。 - 4 - 随着煤矿向深部发展,矿井范围越来越大,通风和巷道系统越来越复杂,受经济利益 驱使,许多煤矿增开作业点,造成控制关系更为复杂。现有集散模式的测控系统容量小、 速度慢、成本高,采用主从轮巡孤岛式测控方式,不能够进行网络区域断电监测与控制。 所以传统的 DCS 模式的监测监控系统已不适应现代化管理之需要,取而代之的应该是煤矿 井下现场总线监测监控系统。我国煤矿现场总线尚处于开发阶段,而国外先进国家如德国、 英国、美国、澳大利亚 90 年代以来即已经普遍采用现场总线监测监控技术。国外在瓦斯 涌出动态预测和矿井监测监控系统方面取得了很大的进步。基本实现了矿井瓦斯预测与监 控的可视化与图形图像化,可以根据开采条件和赋存条件的变化超前准确预测采掘工作面 瓦斯涌出变化动态值,并可根据预测结果随时调整工作面的风量并采取合理处理瓦斯技术 措施,取得了较好的应用效果。 煤矿电网实现与安全监控系统的联动联控对安全生产具有重要意义。我国目前普遍应 用的矿井监测系统实现了地面对井下风流、瓦斯、风门、提升运输等工作状态的实时监测, 但对井下电网, 通用的隔爆开关如高压配电装置、馈电开关和磁力启动器等,或者不具备 通信接口,或者不能满足分级、分区功能控制需要。 研究开发建立以无主型现场总线为核心技术的新型煤矿井安全生产自动化监测监控 系统,作为对现有系统的更新换代产品,缩短我国在矿用灾害检测技术和监控系统体系结 构、通信方式与国外先进国家之间的差距。实现煤矿生产、安全监控技术的升级换代,对 于促进煤炭行业技术进步具有十分重大意义。其用户为我国所有煤矿用户及其企业集团及 其各级监测监管部门。所开发出的更新换代产品市场年增长率可以高达 30%。研究矿井瓦 斯异常涌出分级分区控制机制,将为煤矿信息化建设提供先进的基础平台,大大提高煤矿 对重大灾害的预警防范能力,为煤炭工业安全生产形势的根本好转及其健康发展提供重要 的技术支撑和保障。 7.3、系统应用的相关技术 本系统的核心任务是利用电子信息技术,将企业的电能质量数据、相互逻辑关系、发 生的故障以及状态信息、及时准确地采集,并通过信息系统标准方法,存放于中心数据库 中。通过对采集的数据进行处理,负荷分类、时段能耗分类、各工序的电能消耗分类、统 计、电能质量指标的分类等相关分析、计算、处理,及时反映出企业用电状况。 本系统采用 Java 编程语言、JSP 技术、应用 UML 对系统建模,在 Eclipse 开发环境下 最终实现电能质量的在线监测功能,这里将重点介绍 UML 建模技术其它技术不做赘述。 本系统将基于上述提到的 技术和开发环境,对系统进行 UML 建模,最终根据建立的模 型实现电能质量监测与管理系统。UML(Unified Modeling Language)统一建模语言通过 UML 可以将面向对象的设计用符号、图形的形式表达出来,是一种面向对象的语言。UML 支持面向对象的设计与分析,在对复杂系统建模方面有很大的优势,这种优势尤其在软件 架构层次非常有效、突出,是一种可视化的标准语言。 UML 包括五种比较重要的图,分别是用例图、静态图、交互图、行为图、实现图。用 例图体现了系统的功能和操作者;静态图中最重要的为类图,类图中包括系统的类及各个 类之间的关系,还包括类内的属性和方法等。类图体现的是类之间静态的关系;交互图中 主要包括顺序图和协作图,其中顺序图主要体现对象之间的动态的合作关系,协作图能体 现对象的合作级别;行为图主要包括状态图和活动图,其中状态图主要是用来补充类图中 不明确的地方,而活动图则更有利于识别系统中的并行活动;实现图主要为构件图,由源 代码构件、可执行构件或动态链接库构成,还可以体现构件之间的关系。 7.4、森林场景的实时绘制相关技术原理 2.1 层次细节LOD技术 2.2 场景裁剪技术 2.3 基于图像的绘制技术 2.4 基于GPU的绘制技术 2.5 场景管理技术 2.6 本章小结 第三章 复杂森林场景建模与加速绘制 3.1 树木的形态结构建模 3.2 多层次垂直结构森林场景中树木绘制 3.3 林下草本植物的实时绘制 3.5本章小结 7.5、阴影绘制中的相关概念和技术 本章主要介绍在实时阴影算法中需要了解的基础知识,这主要包括三维坐标变 换、阴影的基本概念、OpenGL 的简介以及在后续算法介绍中会出现的一些 OpenGL 中常见的测试问题。在三维坐标变换中,由于本文采用的是透视投影变换,故其他 的变换不在本文的讨论之中。 7.6、天然气发动机尾气处理相关技术的发展与现状 环保、节能是当今人类社会经济发展的主题。目前,在世界一次能源的消费 中石油仍将占据主导地位。但20世纪70年代石油危机的出现,促使了工业化国家 进行代用燃料汽车的研究开发,以对付石油供应的危机及最终的石油枯竭。同时, 随着人们环保意识的增强,尾气排放法规的更为严格,也促使了可清洁燃料的代 用燃料的研究与应用。使用代用燃料是解决空气污染,石油供应不足以及石油储 第 1 章 绪论 - 15 - 藏最终枯竭的最有效的方法之一。 天然气就是可作为汽车代用燃料之一。它与传统的燃料汽油、柴油相比,其 能量储存密度和比能量都较低。同时,天然气汽车在排放方面具有明显的优越性, 与使用汽油车相比,天然气汽车颗粒物排放几乎为零,NOx、CO和HC的排放也 显著降低,所以天然气汽车在改善空气质量方面有着重要意义。天然气作为汽车 能源的另一个突出优点是:汽车发动机不必作大的改动就可直接使用,且天然气 的价格比汽油便宜,约是汽油的 一半。 鉴于这些原因,近年来,许多国家都在积极研制新型的天然气汽车,这种汽 车除了配装有气罐外,还要对发动机的燃烧特性做必要改进,以使它能得到广泛 的应用。国外对天然气汽车的研究已有近60年的时间,目前已有40多个国家推广 应用天然气汽车。从发展趋势上来看,其应用还将进一步扩大[29]。 天然气汽车与汽油车相比,有害排放物少是勿庸置疑的,但不加排放装置仍 然无法满足目前的排放标准。天然气汽车的排放控制装置与汽油车使用的排放控 制装置基本是一样的,不同的是催化剂种类,因为对于不同的未燃烃的氧化反应, 同一催化剂的活性是不同的。天然气汽车发动机排放的未燃烃主要成分是甲烷 (约99%),甲烷排放量约是汽油车的9倍,而甲烷是一种温室气体,它对大气的 加热潜力是CO2的32倍。因此,用于天然气发动机尾气处理的催化剂首先必须对 甲烷的氧化有很好的催化活性,而甲烷是烃类化合物中最难氧化的化合物,因此 用于汽油车的三元催化剂难以达到高的甲烷转化率。此外,天然气辛烷值高,燃 烧速度不同于汽油,气缸内温度高,因此排气温度高,要求催化剂耐高温劣化能 力强[30]。 7.7、国外相关产业技术现状、发展趋势 己内酰胺是重要的有机化工原料,主要用于制备尼龙纤维和树脂。己内酰 胺的生产方法有多种,如 DSM/HPO、BASF/NO、东丽 PNC、SNIA 工艺等。DSM 公司和 BASF 公司是目前世界上最大的两家己内酰胺生产厂家,DSM/HPO 和 BASF/NO 工艺由此也得到了广泛的 应用。SNIA 工艺是由意大利 SNIA 公司发展 的,唯一以甲苯为主要原料的己内酰胺生产工艺,目前国外已无采用 SNIA 工艺 的己内酰胺生产装置。 目前国外在解决有机化工生产过程中甲苯废气的环保污染问题方面,一般 采用活性炭吸附技术,但此技术由于存在活性炭用量大,再生困难,有燃烧危险, 可能造成二次污染等诸多问题。 7.8、国内相关产业技术现状、发展趋势 由于尼龙下游产业-纺织工业的迅速发展,亚洲己内酰胺市场需求持续旺 盛,成为主要的消费增长地区。我国 2005 年己内酰胺消费量已超过 70 万吨, 然而自给率仅约 30%,市场缺口大于 50 万吨(约 2.2 万元/吨),国内己内酰胺 生产厂亟待改扩建、有效提高产能,填补 100 多亿元的己内酰胺缺口。 我国现有的己内酰胺工艺主要包括 DSM/HPO 工艺和 SNIA 工艺,其基础均 11 7.9、汽车设计并行工程应用的主要相关技术 目前,在相当的汽车企业,都已经较好的运用了并行工程技术。首先是在开 发设计软件的突破,使得很多的并行工程技术能够得到充分的应用。在此先介绍 几种在汽车行业可以很好促进并行工程实施的管理技术和几种计算机技术工具 。 管理技术: 协同的工作环境 组织管理和协同工作是并行工程的首要问题。首先要有称职的领导和完善、 良好的组织管理;其次是以产品为中心,全生命周期中各相关地部门和用户代表 组成学科小组进行团队工作,使他们在设计阶段协同 工作,同时设计产品和了解 有关的过程。 汽车并行设计过程中的技术工具: CAX(Computer Aid X)技术 在现代化的汽车设计过程中,已经应用了大量的计算机辅助工程( CAX)技 术。例如,计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助分析(CAE)、计算机辅助制 造(CAM),成为顺利实施并行工程的非常重要的工具。并行工程中 CAX 之间 15 7.10、汽车产品单一数据源相关应用技术 为了应对日益变化的客户需求,快速满足客户需求,整车企业普遍采用可配 置 BOM(Super BOM)形式进行数据管理。各 BOM 视图中除了包含零件及其上下 级关系、单车用量和零件的使用条件、约束等关系集合外,同时还可以包含零部 件所有有价值的属性信息,包括有 CAD 图纸、数模信息、装配要求、装配力矩、 互换信息等。完成企业 BOM 数据管理的基础数据应包含: 7.11、汽车整车开发技术相关概念 2.1.1 设计重用2.1.1 设计重用 在创新设计中,大约有 40%是重用过去零部件设计,约 40%是对已有设计稍作 修改,而只有大约 20%是新设计[34]。对于汽车企业来说,新车型的开发很大程度是 基于已有车型的基础上的变型设计开发。新的车型与已有车型形成同一车型的系列。 汽车企业如果能把新车型的设计开发建立在一个较好或最好的已有设计(最相似的 实例)的基础上,就有可能实现对已有车型设计的重用,从而可以大大的提高设计 的质量和效率。 尽管各种设计 重用系统在知识获取方式、自动化程度、形式化及集成化方面存 在差异,但其采用的关键技术一般都是知识建模、索引和信息检索、知识重用、领 域探索与修改等相关技术。其中研究最为广泛的领域是知识建模和知识重用,支持 技术包括: 基于实例的推理(CBR)。借鉴过去设计实例的经验与知识来求解当前设计 问题。技术路线可归结为 4R 循环,即检索、重用、修改和存储。关键技术 是实例的表示、索引、组织、检索与修改。CBR 是典型的设计重用支持技 术,其中实例的表示(知识建模)对重用效果起着至关重要的作用。 基于模型的推理(MBR)。关键是建立综合知识模型,至少应是过去设计实 例的一级抽象。MBR 与 CBR 的主要区别在于模型代表通用知识,而实例表 示具体知识。一般认为应将 CBR 和 MBR 联合用于设计推理。 第 11 页 计划重用。存储设计决策中的基本原理以及重用适当的设计历史,通过一系 列的辅助决策过程来完成新设计。 定制视图。基于这样一种考虑,要使过去的设计知识得到有效地重用,设计 者需要从不同的视点来观察过去的设计。这种方法试图使存在于过去设计中 的大量隐式知识显式化,以适应设计者的特殊需要。 特征技术、参数化设计。建立系列产品和标准件重用库的关键技术,抽象和 实例化是其主要思想。 8、应用 8.1、PCB 测试技术的应用 PCB 电路测试技术按照被测对象 (PCB) 和测试装置之间的安装 位置,可以 将 PCB 测试系统分为 2 类:一类是接触式系统;另一类为非接触式系统。接触 2 中国计量学院硕士学位论文 式系统被含义为测试装置借助于某种传输介质直接获取 PCB 产品电路中的某个 元件或者是某个电路单元的外部电参量,从而判断 PCB 的故障与否。接触式测 试技术主要运用于在线检测、功能检测和边界扫描检测中。而非接触式测试是 指测试设备不通过 PCB 本身固有的原件特性关系获取被测电路板内部电路原 件或模块的测试信息,而是通过某种介质获取测试信息。该技术主要运用于光 学检测和 X 光检测。下面分别对各种测试方法作一个简要的介绍[7]。 光学测试主要是监测 PCB 在实验测试过程中的红外图象,通过与正常的红 外图象进行对比来确定 PCB 板上各个模件的运行状态。因此在监测过程中,务 必对故障状态下电路板的温度进行准确记录,以便和模版正常红外图像下的温 度进行匹配,由此可以分析得出产生异常状态的电子元器件。但是使用该检测 方法存在两点非常明显的局限性,其一,红外检测仪器购置成本非常高,而且 检测结果的准确度很难得到保证;其二,这种测试技术不太适合现场运用,局 限于实验室使用。此外在电路板故障时如果持续提供激励电源,将导致电路板 温度持续上升,严重时有可能毁坏 PCB 故障模件附近的相关电路或电子元件。 X 光检测是指通过 X 光探测仪观测 PCB 内部电路的连接情况。利用该检测方 法得到的测试结果比较可靠,常常运用于大中型焊接系统中。但是这种仪器有 2 方面的不足:一方面,该设备体积庞大并且购置成本比较高;另一方面,通过 X 光检测能够判断出焊点的故障,但是不能诊断出某 个原件或是某个单元的具体 故障[8]。 边界扫描检测技术广泛运用于高度集成的大规模或超大规模电路的测试场 合。在满足边界扫描检测标准 IEEE Std 1149.1 的电子元件中,给它们信号输入 端口提供相应的激励信号,就能够测得芯片的固有特性曲线,从而根据该曲线 实时变化情况可以分析出电子原件的运行状态。这种测试技术相对比较准确可 靠,但是缺乏一定通用性,原因是目前市面上的 PCB 产品不一定都符合 IEEE Std 1149.1 标准[2]。 功能测试技术主要运用于测试电路板内部各个功能模件能否完成预期的功 能。在进行功能测试的过程中,根据测试需求提供特定的激励源,使得各个模 块产生相应的响应,并观测被测对象的特性曲线,最终判断各模件正常与否。 因为功能测试的最终目的是对电路板的综合性能进行评测,所以需要对被测电 路板的结构和工作原理进行深入分析,带来的弊端就是系统总体方案的设计将 花费大量时间,通常占项目开发周期的 50%左右。一般来讲,功能测试主要运 3 中国计量学院硕士学位论文 用于在产品开发前期或是产品批量生产过程的最后阶段,以保证 PCB 产品的质 量能够达到生成或是出厂要求[11]。 路内测试是测试已经焊接好各类电子元器件的 PCB 产品中不同的电子功 能器件,判断有无元件装错或者装漏等现象,也可以用于检测所焊接的电子元 件自身所存在的缺陷问题。路内测试常用的技术手段是将针床中的一组或多组 测针作为被测模件激励信号输入和作为被测模件信号输出的传输介质,通过路 内测试将输入输出信号进行联合分析,最终确定元件在电路中的运行状态,并 对其故障与否进行诊断。在 PCB 中,被测元件周 围所焊接的其他元件会对彼此 产生影响,因此电路板上周边电子器件对测试结果产生的干扰是不容忽视的, 在采取路内测试技术时应尽量利用隔离等方法来避免被测元件受周围元件的影 响,最终使测试结果得到保证[9,10,12]。 光学测试主要运用于 PCB 板自身断裂或者焊接问题;边沿测试则是适合复 合国家标准的标准器件,常常运用于路内测试和功能测试之前。路内测试技术 和功能测试技术各有其优缺点,采用路内测试主要是对 PCB 内部各个电子元件 进行测试,而对其功能和在整个电路工作时的特性曲线是无法实现的,而采用 功能测试能够很好的解决部分路内测试不能达到的效果[12]。 PCB 的路内测试与功能测试是相互代替不了的,但是从设计功能上可以实 现互补。对产品质量把关较严格的电路板可以采用两种测试技术相结合的设计 方案,首先对电路板采用路内测试的方法,待测试完成后再采用功能测试的方 法,通过两种测试方法的联合使用,最终取得到令人满意的检测结果。前者判 断电路板中不同功能模件的固有特性及其焊接是否得当;后者能够对电路板综 合性能进行测试,能够单独判断每个模件的工作状况正常与否。通常单独使用 两者,各自故障覆盖率可以达到 70% 左右,如果将二者合理结合使用,故障覆 盖率就可达到 80% 以上[8,50]。 目前市场上的电子产品种类繁多、性能各异,几乎不可能存在能够满足现 有市场所有 PCB 规格的检测系统。只能根据需求文档针对特定系列产品开发测 试设备。这样一方面,有效的降低了开发成本的支出;另一方面,很好地提高 了设备在生产测试过程中的实用性。 鉴于此,以上阐述完了工程运用中常常提及到的 PCB 测试技术。为了有效 的降低成本,充分发挥测试技术在测试工程中的测试效率,本文将路内测试技 术和功能测试技术充分结合,并在此基础上研制一汽车电动脚踏板控制器的实 时监测系统,主要应用于控制器研发过程对多路信号进行同时监测、分析,以 4 中国计量学院硕士学位论文 便日后进行故障诊断,最终将 PCB 存在的故障在研发过程中就很好的处理,避 免批量生产过程中造成不必要的损失。 8.2、国内实时监测系统的研究及应用 在我国,地下工程实时监测技术还处于起步和探索阶段,尽管在一些重大特长隧道中 做过一些监测工作,但仅仅局限于某一条隧道,并未形成系统化的方法。 目前国内已开发了数个安全监测数据处理系统,如南京水利科学研究院编制的 “SPQ”,主要用于土石坝渗流监测资料的处理,并在门楼水库主坝坝基渗流观测资料分 析中获得成功应用;南京水利科学研究院编制的”面板堆石坝观测资料整编数据库”在青 狮潭水库大坝的监测资料分析中得到了成功应用;武汉水利电力大学编制的”土石坝工程 监测管理信息系统”也应用在工程实际中。上述数据处理软件编制的基本思路是利用数据 库软件的数据处理和图表功能,根据自己的需要编制相应的程序,来完成具体的数据处理 功能。这些系统对于提高原观数据处理效率和质量发挥了重要作用。 我国小浪底安全监测自动化系统是在工程建设初期确立按照统一规划、分步实施的原 则,从满足工程需要出发开始建设的,共划分为三个实施阶段。系统首批设备于 1998 年 年底到货,当时全国人民刚 刚经历过长江、嫩江、松花江等特大洪水的考验,为防止类似 洪水在黄河上重演,小浪底工程立足抗大洪防大汛,加速大坝填筑施工,在汛前将枢纽拦 洪能力由 20 年一遇提高到百年一遇,为减缓黄河下游抗洪压力而发挥工程防洪效益。系 统一期工程就是这样开始实施的,它不仅要满足枢纽首次下闸蓄水的需要,而且要能够满 足汛期防大汛的要求,同时还要考虑施工期外部条件不完备及土建施工干扰等的影响。 同济大学曲海锋提出了隧道信息化施工中综合超前地质预报的技术,但整个框架简 单,预报技术方法中只采用了地面地质调查法、地质雷达和 TSP 地震法,没有将施工综合 监测技术和一些新的物探超前预报技术纳入到预报方法体系中。宜万铁路建设施工中也提 - 9 - 出了综合的预报方法,但是主要针对的是超前预报之前系统规划,在综合分析方面却没有 一种较为系统的方法。 总之,目前国内外隧道监测系统研究的总体水平还处于发展之中,需要进一步改进和 完善,准确性和可靠性还有待提高。现阶段使用的各种隧道监测技术还存在各自的适用范 围和缺陷。 在实际工作中,欲取得较好的预报效果,必须结合具体情况对某几方法加以优化组合、 综合运用,与此同时,还要考虑加大基础理论研究、开发和引进一些新的高科技技术。在 提高监测精度与准确率的同时,考虑避免占用时间过长,尽量减少监测对隧道施工相关工 序的干扰,以加快工程进度。 8.3、环境监测系统应用支撑平台设计 应用支撑平台建设要充分考虑各应用系统的通用、共性的技术,对 其进行 提炼与抽象,搭建统一的开发与运行环境,构建各系统共用的应用组件,实现 跨系统的数据、流程交互,解决各业务应用系统统一布局的问题,实现各应用 系统的快速搭建,同时保障稳定性、扩展性,保障各系统之间的互连、互通、 互操作,满足应用系统变化快、要求高的发展需要,并形成可供复用的软件资 源,减少重复开发和投资,保证靖宇水源保护区环境监测系统长期、有序、高 效的运行,为实现全面信息化管理提供基础支撑。 39 8.4、系统应用于工程实例的监测成果分析与检核 62 0 10 20 30 40 50 60 -30 -20 -10 0 10 20 差 异 沉 降 值 / m m 施工 进度 / 天 图 5-6 11#-7#差异沉降曲线 根据以上监测成果曲线,结合平移工程的施工进度进行分析,可得出: ?南北向的变形在主站楼移出原地基、进出跨地铁通道的筏板式基础的过程 中变形较大(见图):在移出原地基的过程中,最大变形量发生在测点 16 与 17 之间(17.1mm,第 9 天);在进出跨地铁通道的筏板式基础的过程中,最大变形 量发生在测点 1 与 11 之间(-23.8mm,第 28 天); ?总的来看,在向南平移的过程中,南北向的变形较大;在向东平移的过程 中,东西向的变形较大。整个平移搬迁过程中,主站楼最大变形量发生在向东平 移的过程中,且为东西向的测点 11 与 7 之间,其值为-29.7mm(第 51 天,见图), 此值在规范允许的范围[35]之内,这说明平移搬迁的施工过程是安全的。 8.5、全站仪在监测中的应用 社会在一天一天发展进步,在这方面的技术也取得了相应的成果,例如全站仪就得到 了很大的提高和改进,功能也变得越来越全,可以处理所很多有需要监测的内容;而且目 前来说,全站仪已经可以把监测对象处理成 3D 图象,可使监测结果变得更加直观,同时 数据的获得和处理也更加快速,因而能够对工程的一步的施工作及时的反馈和指导作用, 这样就能很好地提高工程的安全系数,提高工程的质量。因此,现在全站仪在各种工程的 监测中得到了广泛的应用。 全站仪的监测方法可以简单描述为:首先选定几个容易测量的点,测量出它们的三维 坐标,即选定基准点;然后选择一个合适的位置放置全站仪。利用全站仪对观测点进行观 测时,首先要对已经选定的基准点进行测量,这样就可以得到这些基准点的两套坐标,即 原先测量出的三维坐标和全站仪测量出的一套坐标,然后就可以救出这两套坐标之间的变 换关系;然后再对其它未知的观测点进行测量,所测量出的坐标就可以按照已经求出的变 换关系得出这些未知点的三维数据。全站仪对观测点进行测量时,是使用极坐标的方法进 行测量的,也就是说首先选择一个方向作为参照方向,然后测量出待没点的相对于参照方 向的转角;然后再测出待测点相对于全站仪的距离。按一定的时间间隔对所有待监测的点 进行测量,就可以得出这些点的变化情况,进而对整个系统的形变情况进行监测[21, 23]。 大量的监测结果表明,全站仪能够有益地对深基坑的整个施工过程进行有效监测。而 且在选择全站仪的放置位置时,可以根据方便的原则自由的加以选择,这就给监测过 程提 供了极大的方便,这也是全站仪得到广泛应用的原因之一;当然其得以广泛应用的主要原 因还在于它能够高质量地完成监测工程。 8.6、监测数据分析应用 监测作为一种手段,其目的在于:1)采用先进技术持续采集相关信息,通 过分析了解建筑遗产的损毁变化规律;2)分析相关的技术标准,为科学制定保 护方案提供必要数据和可靠依据;3)确认建筑遗产的保护状态,为进一步有效 开展经营管理提供参考依据。 在我国,关于监测数据的分析应用还没有真正建立一套完善系统的体系,表 现在:注重监测而对监测数据分析不够;应用监测数据做好遗产的保护和管理工 作方面明显不足;监测的项目在部门间缺乏协调配合,缺乏及时交流和沟通。今 后应根据相关的法律法规规定,吸收国内外先进的遗产管理经验,建立一套适合 于我国的遗产管理模式;逐步完善遗产监测体系,重视监测数据的分析与应用; 建立协调机制,使管理层及时掌握监测结果,做出科学决策。 以宁波市保国寺大殿的监测系统为例,其首先根据相关技术文献并结合过去 保护实践经验,确定了采集的主要信息包括环境信息、材质(木材)相关信息和主 要结构和构造相关信息的采集;接着将采集获取的大量信息存储于数据库便于积 累数据;然后运用专业知识和专业技术对各个信息进行处理,如数据预处理、数 据挖掘(比较、统计和分析)等,同时形成计算机三维模型,并以可视化的方式将 相关信息展示给观众并通过计算机多媒体技术实现互动。最终目的是通过分析积 累的监测数据,了解建筑遗产变化规律,确定监 测值的安全、警戒、行动的临界 点,为保护维修提供理论依据和数据支撑,采取适用性对策措施及时消除隐患 。 又如苏州市世界文化遗产古典园林监测预警信息系统,2006 年 1 月,苏州市 园林局着手开发《苏州古典园林监测预警系统》软件平台。”经过数十次反复深 入的研究,在实践中摸索,在摸索中实践”。2007 年上半年狮子林管理处开始 使用该软件平台进行实时监测:其后”边使用边修改,边修改边提高,逐步建立 起系统平台的各类模块,逐步完善了系统软件的结构和功能”。至 2008 年 2 月 8.7、水准仪在监测中的应用 全站仪可以对基坑的变形情况进行监控;在监测基坑的沉降时,则还需要使用水准仪。 选择水准仪时,需要工程技术要求选择精度合适的水准仪;一般情况下需要选择 DS05 等 具有较高精度的水准仪。在施工的开始阶段,各个水准点的情况都不太稳定,需要增加监 测频率,减少监测周期,这时的监测的时间间隔至少为一个沉降周期,也就是说,每次沉 26 降之前都需要对牻的水准点按照一定的次序进行监测。经过几次的观测分析之后,如果各 个水准点确实已经逢君之恶(但至少观测五六次),之后可适当减少观测频率,这时可以 将观测的时间间隔定为两个沉降周期。但这种情况下,也需要时刻注意各个水准点的稳定 情况,如果一旦发现存在有异常情况,就需要加强监测,然后视具体情况作相应的处理。 需要说明的量,根据对水准仪的使用要求,在第段上设置的测量点应该是二的倍数, 但目前来说,保大工程中大都并未 严格按照此项要求,当然也存在一些工程把测量点设置 为二的倍数的情况。大部分的工程采取的是这样的方法,即对第段需要测量的水准点进行 往与返的再次测量,而且进行往与反测量时所设置的波澜壮阔测量点的数目是必须相等 的。采用往与返进行再次测量时,产生的一个结果就是,测量同一水准点时所采用的标尺 不一样,但往测与反测时,所获得的相对沉降一样的,这其实就已经足够了。因为对水准 点的监测工作主要就是对其相对沉降值进行分析和监测。 8.8、实时数据仓库的应用 实时数据仓库扩展了传统数据仓库的查询和报表服务,使得提供活动监测和警告、 实时的数据决策支持等上层应用成为了现实。 目前,实时数据仓库在客户关系管理系统、反欺诈系统、呼叫中心等应用系统中都 有很好的应用,为企业的精细化运营起到了至关重要的作用。例如,在银行业,由于很 少客户真正了解一家银行能提供的全部产品和服务,因此,基于某种需求客户常常会从 该银行撤出大笔的资金。一些领先的银行在其数据仓库中设置了事件规划来迅速捕获这 种商机,数据仓库检测到这种事件的发生后,迅速将客户名单传送到呼叫中心,在与客 户进行沟通后,银行不仅留住了该顾客,还成功地销售了其信贷服务。 随着数据仓库的应用深入以及当前市场快速响应的需求,从传统数据仓库到实时数 据仓库的演变是一个很自然地过程,实时数据仓库的引入有助于企业减少信息延迟,让 企业能够更加快速的响应市场的变化。 在实时数据仓库中,作为企业的信息中枢,确保了企业 业务应用的更好的集成,可 以帮助企业实现更主动地提供商业服务,使商业智能被更多的人所掌握,他们根据这些 信息来指导他们的决策和工作。 最终,由于有效地利用了现有的系统,实时数据仓库使得许多组织最大化的利用了 他们对数据的潜在投资[21]。 8.9、MAC协议在实时应用下的性能研究 信标帧中携带目标设备相关信息;目标设备在收到信标帧后,采用基于时槽的 CSMA一CA发送MAC层数据请求命令帧。协调器首先按要求决定是否发送应答 帧,然后也采用基于时槽的CSMA一CA机制把数据发送出去。在得到确认后, 协调器从自己的内存中删除对应的数据;若未收到确认,协调器重新发送数据。 在信标使能的网络中,如果存在应答确认帧,则一般直接跟到对应帧后传输给 源设备,不采用信道竞争访问,因为应答帧一般比较短。 在无信标使能的网络中,数据传输流程和图3.1基本一致,只是网络协调器 不再使用信标帧。 3.1.2超帧结构 超帧是用来组织网络通信时间分配的一种逻辑结构,它在信标使能网络通信 中起着非常重要的作用。超帧的时间由网络主协调器(PANc卫ANcoordinator) 定义,从PANC发出信标帧开始,到PANC发出下一个信标帧时结束。其中信 标帧中MAC负载字段中的超帧描述字段定义了超帧持续的时间,以及对超帧的 分配信息等内容。从图3.2中可知,超帧主要包括CAP和CFP两部分。网络中 的所有通信都必须在活跃时段进行,而在非活跃时段,PANC不与其它的设备交 互通信,设备可以进入休眠模式以达到低功耗的状态。所以信 标帧总是位于超 帧的前面,占用超帧的第一个时槽,用来表示一个超帧的开始,超帧划分为16 个等宽的时槽。 BeaconS一ot=aBaseS一otnuration x 250 Beaeon GG GG GG GG GG GG GG GG GGGTS333GTSZ ZZ } }} ll ll ll ll ll ll ll ll ll ll l llGTsl ll ll ll ll ll ll ll ll ll ll l ll}} }} }} }} }} }} }} }} }} }} }} }} } }} }} CCCFP PP 盯盯Sn一aBasesup晶卉amenuration x ZBo oo 图3.2超帧结构 RANC周期性的在每个信标间隔BI(Beacon Intervai)发送信标帧,同步将 要与之通信的设备。超帧的活跃期可以分为三部分:信标发送阶段、竞争访问 阶段(CAP,Contention AccesS Period)和非竞争访问阶段(CFP, Contention Free period)。设备与RANe在活跃期sD(suPerframe Duration)内通信,活跃期被 以C协议在实时应用下的性能研究 分为16个等长的时槽,时槽的长度及CAP包含的时槽数量都由网络协调器决定, 并通过广播的方式发送超帧到整个网络,但最小时槽是由标准定义的。设备节 点在非活动期内会进入低功耗模式,降低系统能量损耗。超帧由两个参数定义 (信标序号BO,超帧序号50),超帧长度、活动期长度及时槽长度分别如公式 3.1、3.2、3.3所示: 班=砧ases即e听a脚e介uarionxZBO(3.1) 胭=招asesuPe加meDura一onxZSO(3.2) slot=妞aseslo山uratson又250(3 .3) 式中,0三50三BO三14。当BO=o时,常量aBases即erfameDuration表示一个 超帧的最小长度,等于9605卿bols。常量aBaseslotDuration表示最小时槽,值 为60 symbo1s。当BO一巧时,PANc不发送信标帧,即不使用超帧结构,网络 进入无信标使能的模式。当0三BO引4,BI的值为公式3.1所表示的符号数。50 描述了超帧中活跃期的长度,该长度包括信标帧所占时槽空间。若50二15,则 信标帧之后的超帧不再含有活跃期。所以使用超帧结构的PANC必须满足, 0三50三BO且4的关系。若不使用超帧结构,则令BO=50=15,此时访问信道的 方式是使用基于竞争的无时槽的CSMA一CA机制。 8.10、CDYR-106 型离子液体在工艺尾气脱硫中的应用研究 本节将进行 CDYR 型离子液体在工艺尾气脱硫中的应用研究。主要包括单质 硫取出方式是否可行、材料的选择是否能满足长期运行的要求、工业运用中环境、 物料组分、温度等因素对离子液体脱硫效率的影响等,以期为工业应用打下基础。 8.11、多孔材料的应用 多孔材料具有独特的多孔道结构,高比表面积和大的孔容,以及高的扩散性 和高的存储能力,目前其应用已遍及许多领域,主要应用在以下几个方面: (1) 催化剂载体[45-47] 作为催化剂载体是由于多孔陶瓷比表面积较高,具有良好的吸附能力。当催 化剂涂覆在多孔陶瓷表面时,可以使其与反应流体的有效接触面积大大增加,进 而提高催化转化效率。此外,多孔陶瓷还具有较高的热稳定性和机械强度,便于 加工成形以及成本低等优点。目前国内外应用最广泛的车用催化剂载体为具有优 良的耐高温和耐腐蚀性能,以及良好的吸附能力的堇青石蜂窝陶瓷载体。 (2) 保温隔热材料[48, 49] 多孔陶瓷凭借优良的耐 热循环和抗热震性使其成为较理想的耐热隔热材料。 相对于致密体来说,多孔陶瓷中存在大量的闭孔,具有较低的导热系数,可以产 生巨大热阻。利用多孔陶瓷的这种特点,可以将其用于各种防止热辐射的场合, 达到保温节能的作用。此外,多孔陶瓷与同类隔热材料相比还具有质轻的优点, 因此在航天器的热防护系统中也得到了应用。 (3) 过滤器[50-52] 多孔陶瓷用作过滤器由于其内部具有大量连通且分布均匀的开口气孔,是一 种集吸附、表面过滤和深层过滤相结合的一种过滤方式。因此过滤面积大、效率 高,当流体通过时压力损失小,流体接触效率高。与传统的陶瓷颗粒烧结体和玻 璃纤维相比,多孔陶瓷特别是在熔融金属、高温流体及腐蚀性流体的过滤时,具 有易操作、省能源、低成本、过滤效率高等优点。