结构嵌入（通用9篇）
结构嵌入 篇1
现阶段我国高速铁路与重载线路都从传统的有喳轨道系统逐渐转变为无喳轨道系统, 这样不仅可以起到轨道沉降减少, 还可以大大降低养护维修成本。由Holland Railconsult公司研发的钢轨嵌入式轨道结构, 是一种在软土地区使用的新型无碴轨道系统。在地面上铺设的连续混凝土箱梁是钢轨嵌入式轨道结构的重要组成部分。其主要是轨道在混凝土箱型梁直接固定, 这种轨道结构必须与重力平衡原则相符合, 其结构重量应对开挖土体重量多出一些, 进而不增加结构恒载。钢轨嵌入式轨道结构具有较大刚度, 可以对不均匀沉降与振动进行有效降低。
1 嵌入式轨道结构的优点
传统轨道结构通过扣件连接其钢轨与轨枕, 钢轨的支撑与固定都处于离散状态, 钢轨完全暴露在空气中。通过连续固定与支撑的方式, 嵌入式轨道结构的基本方式为在钢筋混凝土板整体道床凹槽内用一种叫Corklast的弹性体固定在钢轨上, 在弹性体内完全埋设整个钢轨, 除了所需的信号电缆与牵引供电电缆之外, 没有任何机械联结在钢轨和混凝土之间或两条钢轨之间。与传统非连续支承轨道结构相比, 嵌入式轨道结构的优点主要包括以下几点:
第一, 轨道结构厚度的降低, 一般控制在200毫米;
第二, 在设计方面具有较大的自由度, 因其钢轨属于连续支撑, 进而对钢轨疲劳产生机率进行有效降低;
第三, 与其他轨道结构相比, 无需轨距拉杆、混凝土轨枕和钢轨联结部件等构成部分;
第四, 在嵌入式轨道结构设计中, 附近线路路基相比钢轨面具有平齐性, 这样有利于平交道口和库内作业;
第五, 减振降噪性能良好及养护维修费用较低。列车轨道行驶中, 主要有两部分作用力作用到轨道结构中, 主要为车辆自重构成静载和运行中列车出现的振动荷载。列车振动荷载产生主要因素为车辆与轨道, 其中主要原因为轨道不平顺。其减振轨道结构主要构成部分类型为科隆蛋减振扣件、Vanguard (先锋) 扣件、弹性短枕整体道床、浮置板等。嵌入式轨道结构减振降噪中, 由槽内弹性体与轨下弹性条对钢轨连续固定与支承, 这个可以对整个轨道结构的水平刚度与竖向刚度进行最大限度地优化。同时由轨下弹性条与槽内弹性体一起提供该结构的垂向弹性, 这样就可以对传统有喳轨道结构受荷响应进行模拟。
2 钢轨嵌入式轨道结构的应用
本工程钢轨嵌入式轨道结构是在Edilon嵌入式轨道系统内固定Voest54E1钢轨。其大部分土质主要为粘土, 这与合钢轨嵌入式轨道结构的应用范围较为符合。在本工程重载线上铺设钢轨嵌入式轨道试验段, 其长度为200米, 梯形是其箱型梁承载结构的横截面。铺设后18个月内应对轨道进行不断监测试验。监测主要包括以下内容:轨道和下层20m深土体的垂向位移、加速度和孔隙水压力以及列车通过时的长期变形和变形证实。
在设计钢轨嵌入式轨道结构时, 应对其减振降噪性能加以重视, 同时确保工程造价的有效降低。因嵌入式轨道具有较为简单的结构, 并没有扣件等连接零件, 由此可见, 在设计中应对钢轨自身与弹性体加以优化。为将列车通过时轨道结构引发的振动与噪声进行有效降低, 荷兰在板式轨道开发中, 进行了轨头形状与U IC 54相似的SA42型矮轨形状的研制, 同时选用了嵌入式轨道结构技术 (如下图) 。
这种新型低噪声嵌入式轻型钢轨, 其高度为8厘米, 重量为42kg/m, 其具有较小的凹槽体积, 进而可以起到弹性体大量节约的作用, 一般节约比例为60%, 在轨道结构高度降低的同时, 起到工程造价减少的作用。因新型低噪声嵌入式轻型钢轨形状呈现出矮胖状态, 车辆通行时, 具有较低的钢轨腹板振动频率, 在对轨道结构减振降噪效果提升中, 相比U IC 54钢轨有碴轨道结构, 噪声减少5~7 d B (A) 。
作为一项复杂严密性较高的工作, 在调整定位嵌入式钢轨后, 应确保今后不能对其横向与竖向等方面进行改变。这种情况下, 要求钢轨嵌入式轨道下部基础设计必须严格遵循相关设计规定进行。通常情况下, 钢轨嵌入式轨道下部基础结构中主要有两种形式, 首先, 最常见的嵌入式轨道结构为混凝土板式道床, 这种形式主要通过预应力进行混凝土板质量提升, 预应力施加比例应比沿线路的纵向和横向多出1.5%。在荷兰铁路干线和轻轨线路中这种类型轨道结构, 特别在桥梁和平交线路设计中得到了广泛地应用。其次, 钢轨嵌入式轨道结构下部基础选用箱型梁。在土路基上直接放置箱型梁, 确保这种轨道结构路基沟槽形状符合梁体相关规定, 整个梁的重量与挖出土体重量相比, 要少一点, 这样才能确保降低, 梁下土体沉降与变形。箱梁具有和桥梁相当的挠曲刚度, 能够保证轨道结构正确的几何形位, 因此非常适合于嵌入式轨道结构。
3 结束语
综上所述, 随着我国交通运输事业发展速度的不断提升, 轨道交通所在的比例也越来越重。为满足社会经济的发展要求, 钢轨嵌入式轨道结构设计作为工程建设的主要组成部分, 其设计优化水平高低将直接影响到工程的整体质量。为确保其整体质量, 单位必须重视钢轨嵌入式轨道结构设计, 只有这样才能提高工程的整体质量, 实现其经济效益。
摘要：钢轨嵌入式轨道结构作为一种新型无碴轨道系统, 通过优化其设计, 可以有效提升工程整体质量。本文主要对钢轨嵌入式轨道结构优点与应用进行了分析与探究。
关键词：钢轨嵌入式轨道结构,优点,应用,减振降噪
参考文献
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[3]练松良, 刘加华.城市轨道交通减振降噪型轨道结构的选择[J].城市轨道交通研究, 2003 (03) .
[4]牛月明, 戴月辉.钢轨嵌入式轨道结构及其设计优化[J].城市轨道交通研究, 2003 (06) .
[5]王其昌, 蔡成标, 张雷, 罗震.高速铁路土路基上无碴轨道的应用[J].铁道标准设计, 2003 (12) .
结构嵌入 篇2
模块划分的“划”是规划的意思，意指怎样合理的将一个很大的软件划分为一系列功能独立的部分合作完成系统的需求。C语言作为一种结构化的程序设计语言，在模块的划分上主要依据功能（依功能进行划分在面向对象设计中成为一个错误，牛顿定律遇到了>相对论），C语言模块化程序设计需理解如下概念：
（1）模块即是一个.c文件和一个.h文件的结合，头文件(.h)中是对于该模块接口的声明；
（2）某模块提供给其它模块调用的外部函数及数据需在.h中文件中冠以extern关键字声明；
（3）模块内的函数和全局变量需在.c文件开头冠以static关键字声明；
（4）永远不要在.h文件中定义变量！定义变量和声明变量的区别在于定义会产生内存分配的操作，是汇编阶段的概念；而声明则只是告诉包含该声明的模块在连接阶段从其它模块寻找外部函数和变量。如：
以上程序的结果是在模块1、2、3中都定义了整型变量a，a在不同的模块中对应不同的地址单元，这个世界上从来不需要这样的程序。正确的做法是：
这样如果模块1、2、3操作a的话，对应的是同一片内存单元。
一个嵌入式系统通常包括两类模块：
（1）硬件驱动模块，一种特定硬件对应一个模块；
（2）软件功能模块，其模块的划分应满足低偶合、高内聚的要求。
多任务还是单任务
所谓“单任务系统”是指该系统不能支持多任务并发操作，宏观串行地执行一个任务。而多任务系统则可以宏观并行（微观上可能串行）地“同时”执行多个任务。
多任务的并发执行通常依赖于一个多任务操作系统（OS），多任务OS的核心是系统调度器，它使用任务控制块（TCB）来管理任务调度功能。TCB包括任务的当前状态、优先级、要等待的事件或资源、任务程序码的起始地址、初始堆栈指针等信息。调度器在任务被激活时，要用到这些信息。此外，TCB还被用来存放任务的“上下文”（context)。任务的上下文就是当一个执行中的任务被停止时，所要保存的所有信息。通常，上下文就是计算机当前的状态，也即各个寄存器的内容。当发生任务切换时，当前运行的任务的上下文被存入TCB，并将要被执行的任务的上下文从它的TCB中取出，放入各个寄存器中。
嵌入式多任务OS的典型例子有Vxworks、ucLinux等。嵌入式OS并非遥不可及的神坛之物，我们可以用不到1000行代码实现一个针对80186处理器的功能最简单的OS内核。究竟选择多任务还是单任务方式，依赖于软件的体系是否庞大。例如，绝大多数手机程序都是多任务的，但也有一些小灵通的协议栈是单任务的，没有操作系统，它们的主程序轮流调用各个软件模块的处理程序，模拟多任务环境。
单任务程序典型架构
（1）从CPU复位时的指定地址开始执行；
（2）跳转至汇编代码startup处执行；
3）跳转至用户主程序main执行，在main中完成：
a.初试化各硬件设备；
b.初始化各软件模块；
c.进入死循环（无限循环），调用各模块的处理函数。
用户主程序和各模块的处理函数都以C语言完成。用户主程序最后都进入了一个死循环，其首选方案是：
有的程序员这样写：
这个语法没有确切表达代码的含义，我们从for(;;)看不出什么，只有弄明白for(;;)在C语言中意味着无条件循环才明白其意。
下面是几个“著名”的死循环：
1.操作系统是死循环；
2.WIN32程序是死循环；
3.嵌入式系统软件是死循环；
4.多线程程序的线程处理函数是死循环。
你可能会辩驳，大声说：“凡事都不是绝对的，2、3、4都可以不是死循环”。Yes，you are right，但是你得不到鲜花和掌声。实际上，这是一个没有太大意义的牛角尖，因为这个世界从来不需要一个处理完几个消息就喊着要OS杀死它的WIN32 程序，不需要一个刚开始RUN就自行了断的嵌入式系统，不需要莫名其妙启动一个做一点事就干掉自己的线程。有时候，过于严谨制造的不是便利而是麻烦。君不见，五层的TCP/IP协议栈超越严谨的ISO/OSI七层协议栈大行其道成为事实上的标准？
中断服务程序
中断是嵌入式系统中重要的组成部分，但是在标准C中不包含中断。许多编译开发商在标准C上增加了对中断的支持，提供新的关键字用于标示中断服务程序(ISR)，类似于__interrupt、#program interrupt等。当一个函数被定义为ISR的时候，编译器会自动为该函数增加中断服务程序所需要的中断现场入栈和出栈代码。
(1)不能返回值；
(2)不能向ISR传递参数；
(3)ISR应该尽可能的短小精悍；
(4)printf(char * lpFormatString,…)函数会带来重入和性能问题，不能在ISR中采用。
在某项目的开发中，我们设计了一个队列，在中断服务程序中，只是将中断类型添加入该队列中，在主程序的死循环中不断扫描中断队列是否有中断，有则取出队列中的第一个中断类型，进行相应处理。
按上述方法设计的中断服务程序很小，实际的工作都交由主程序执行了。
硬件驱动模块
一个硬件驱动模块通常应包括如下函数：
（1）中断服务程序ISR
（2）硬件初始化
修改寄存器，设置硬件参数（如UART应设置其波特率，AD/DA设备应设置其采样速率等）；
b.将中断服务程序入口地址写入中断向量表。
（3）设置CPU针对该硬件的控制线
a.如果控制线可作PIO（可编程I/O）和控制信号用，则设置CPU内部对应寄存器使其作为控制信号；
b.设置CPU内部的针对该设备的中断屏蔽位，设置中断方式（电平触发还是边缘触发）。
（4）提供一系列针对该设备的操作接口函数。
LCD，其驱动模块应提供绘制像素、画线、绘制矩阵、显示字符点阵等函数；而对于实时钟，其驱动模块则需提供获取时间、设置时间等函数。
C的面向对象化
在面向对象的语言里面，出现了类的概念。类是对特定数据的特定操作的集合体。类包含了两个范畴：数据和操作。而C语言中的struct仅仅是数据的集合，我们可以利用函数指针将struct模拟为一个包含数据和操作的“类”。下面的C程序模拟了一个最简单的“类”：
我们可以利用C语言模拟出面向对象的三个特性：封装、继承和多态，但是更多的时候，我们只是需要将数据与行为封装以解决软件结构混乱的问题。C模拟面向对象思想的目的不在于模拟行为本身，而在于解决某些情况下使用C语言编程时程序整体框架结构分散、数据和函数脱节的问题。我们在后续章节会看到这样的例子。
最后总结一下
结构嵌入 篇3
关键词:综合电子系统;嵌入式计算机体系;结构
中图分类号:TD672文献标识码:A文章编号:1007-9599 (2010) 06-0000-01
Integrated Electronic System Embedded Computer Architecture
Feng Lipei
(The State Administration of Radio Film and Television 723 Radio,Shijiazhuang050086,China)
Abstract:As the modern electronic information technology development and innovation and electronic information technology application of the areas of diversification of integrated electronic computer system,and embedded in the military,a smart appliance,the digital machine tools,
refrigerators and other areas of electronic devices are widely used. this article by a brief analysis and study electronics and computer system to embedded systems architecture to meet the new generation of integrated electronic computer systems for performance of the embedded application requirements.
Keywords:Integrated electronic systems;Embedded computer system;Structure
一、综合电子系统嵌入式计算机的特点
综合电子系统嵌入式计算机是嵌入到对象体系中的专用计算机,其物理结构和功能都嵌入到应用系统中,不能脱离系统操控程序而独立运行。进入21世纪以后,综合电子系统嵌入式计算机在军事上得到了广泛的推广与应用,同时在智能家电、数字机床、车载电子设备等生活领域也得到不少的应用,为人类的发展注入了全新的科技动力。综合电子系统嵌入式计算机的特点,主要表现在以下几方面:
(一)实时性
综合电子系统嵌入式计算机直接从前端传感器获取信息和资料,进行实时或近实时的操控处理和技术分析,因此,综合电子系统嵌入式计算机对信息的处理、分发和管理的实时性要求极高。
(二)与宿主系统相匹的性能与功能
综合电子系统嵌入式计算机是宿主系统的主要组成部分,其体积、重量、形状、性能等诸多数据参数必须满足各种宿主系统的不同技术性要求,其功能性与技术性必须与宿主系统的水平相适应,符合技术应用的科学发展方向。[1]
(三)环境的可靠性和适应性
综合电子系统嵌入式计算机被大量应用于工业、军事、野外等恶劣环境中,要经受振动、辐射、盐雾、高低温、电磁干扰等经验,对可靠性要求极高。传统综合电子系统嵌入式计算机的体系结构设计主要根据嵌入式系统的应用特点进行剪裁。[2]综合电子系统嵌入式计算机采用模板化结构,但是总线带宽和扩展能力有限,不具备动态重构、数据信号综合处理等功能。
二、综合电子系统嵌入式计算机的体系结构
嵌入式系统是现代电子信息技术、计算机技术和半导体技术,以及各个行业具体应用相结合的产物。因此,嵌入式系统是一个资金密集、技术密集、高度创新、不断创新的知识集成系统。综合电子系统嵌入式计算机体系结构的核心部件是处理器,系统结构较为复杂。
图1 综合电子系统嵌入式计算机的体系结构
(一)嵌入式微控制器
嵌入式微控制器将整个计算机系统集成到一块芯片中,芯片内部集成RAM、ROM/EPROM、总线逻辑、总线、定时/定时器,WatchDog、串行口、D/A、A/D、Flash RAM、EEPROM等各种基础功能和外设。为了适用综合电子系统嵌入式计算机不同的体系结构和功能需求,一般一个系列的单片机具有多种衍生产品,每种衍生产品的处理内核体系结构都是相近的,不同的存储器和外设的配置及封装。[3]这种体系机构可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配,功能不多不少,从而减少功耗和成本。目前,世界通用的嵌入式控制器型号主要有:P51XA、8051、C166/167、MCS-96/196/296、MC68HC05/11/12/16等。
图2 嵌入式微控制器结构图
(二)嵌入式微处理器
嵌入式微处理器是综合电子系统嵌入式计算机的CPU,在实际应用中,微处理器被装配在专门设计的电路板上,只是保留和嵌入式应用的相关母版功能,这种体系结构可以最大幅度减少系统的体积和能源消耗。[4]嵌入式微处理器具有重量轻、体积小、可靠性高、成本低等优点,其体系结构的电路板上必须包括:总线路接口、各种外线器件、RAM、ROM等,技术保密性相对较强。目前,世界主要应用的嵌入式微处理器主要有:386EX、Power PC、SC-400、MIPS、68000、ARM等系列。
图3嵌入式微处理器结构图
(三)嵌入式片上系统
近年来,随着EDI的推广和VLSI设计的普及化,综合电子系统嵌入式计算机体系结构中一个硅片上实现一个更为复杂的全新计算机系统,也可以称之为SOC。嵌入式片上系统一般可以分为通用和专用两类,通用系列包括Infineon的TirCore,Motorola的M-Core;专用系列包括Philips的Smart XA等。
图4嵌入式片上系统
(四)嵌入式DSP处理器
结构嵌入 篇4
关键词：持续创新,结构嵌入,领导企业
在当前严峻的经济形势下, 作为中国经济的重要组织方式, 产业集群的持续创新和发展至关重要。集群持续创新的目的是既要满足当前环境的需要, 又要为未来的环境变化做好准备, 以实现持续的生存和发展。这就要求处理好针对当前环境的增量创新 (Incremental innovation) 和针对未来环境的突破式创新 (Radical innovation) 之间的辩证关系[1,2], 将两者整合到同一个系统中, 实现知识的持续创新与更新。这是一项极具挑战性的管理工作, 正如March[3]指出, “发现一个合适的平衡点特别困难, 因为平衡存在于嵌套系统中——个人层面、组织层面和社会系统层面。”
产业集群是在地理上集聚的具有产业联系的一组企业和相关机构的集合, 作为一个复杂的网络系统, 集群网络具有经济和社会属性, 并且是多维、耦合性网络[4]。通过集群内外部企业及相关机构间组织化程度的提高, 不断加强企业和其他机构的合作网络和人际关系网络, 促进集群的知识输入、传播、学习和整合, 进而实现集群组织、技术、产品的持续创新。当前的相关研究大多集中在知识共享, 对于集群知识管理的目的及过程仍缺乏详细的分析。据此, 本文基于行为受到结构影响的结构嵌入性视角, 探索支持集群增量创新和突破式创新的动力要素及作用机制, 在此基础上研究集群整合两类创新的平衡系统的特征及作用机制。
一、集群增量创新
增量创新是指在已有技术轨道上、在成熟市场中进行的产品和服务创新。本地企业通过已有知识交流与共享促进了企业和集群知识的增量创新, 进而形成包括企业和企业网络两个层次的“本地知识库”。本地企业间的联系交流方式对集群能否吸纳以及如何吸纳新知识至关重要, 影响着“本地知识库”的更新范围和速度。从本地知识库形成的角度来看, 集群可分为横向和纵向两个维度。
本地知识库的横向发展维度由生产相似产品并相互竞争的企业推动形成, 其核心是知识学习, 这一维度在集群发展的专业化早期发挥着决定性作用, 是嵌入于集群之中的企业获取竞争优势的重要来源[5]。在这一阶段, 企业间的激烈竞争是知识创新的重要激励因素, 竞争企业之间不需要有紧密的关系, 但可以通过共同的地理区位了解到竞争者的产品特点和所使用的生产要素情况[6], 有利于企业间的知识学习和模仿, 进而推动增量创新。
当竞争企业发展到一定规模时, 开始出现专业化的供应商和零售商, 本地知识库的纵向维度开始展开。本地知识库的纵向发展维度由生产商、供应商和客户等具有知识互补关系的企业推动形成, 其核心是不同专业知识的进一步分化。一旦建立了纵向维度的专业化分工, 集群中的生产企业就倾向于利用专业化服务以降低成本、提升效率。这样反过来激励供应商在地理上靠近这些生产企业, 以获得规模经济效应, 包括节约交易成本和运输成本。可以预测, 由于这一联系的加强, 集群会发展出基于交易和产品联系的稠密网络。
在这一阶段, 集群成长在横向和纵向维度可能同时展开, 并形成相互强化作用, 实质性提高生产和服务的水平。这两个维度的发展最终形成基于本地面对面交流的本地化知识、能力及学习优势, 如图1所示。Bathelt等[6]将集群中这种基于本地面对面交流的学习称为“自播” (local buzz) 机制, 正如Marshall描述的“产业空气”一样, 可以以很低的成本接触本地知识库。Maskell和Malmberg[7]指出, 共享的知识基础使得集群企业能够持续地整合和再整合相关资源以生产新知识和创新, 促进了集群中的经济专业化, 导致适用于集群内企业的本地化能力的发展, 给坐落于产业集群之中的企业带来了竞争优势。
二、集群突破式创新
突破式创新是指开辟新的技术轨道, 开发新的产品和服务以及进入新市场。创新研究表明, 突破式的知识创造经常是更大范围、更高层次、不同维度主体间相互作用的结果。具有封闭系统特征的“自播”学习机制有利于本地知识库既有知识和经验的传播、消化和吸收。但“自播”机制的利益有一定的“门槛” (threshold) , 超过这个门槛, “知识同化”的效应就会显示出来, 导致集群难以适应环境的非连续性变化, 陷入能力陷阱。因此局限于“自播”机制的集群难以取得持续的发展, 要求进行更大范围内的交流互动以实现突破式创新, 快速适应环境变化。
1. 基于企业网络的突破式创新机制
与“自播”机制相关, “渠道” (global pipelines) 机制构成了集群学习优势的另一重要来源, 指的是企业与集群所在区域外企业的交流。基于企业网络的集群知识创新系统的要素不仅包括了地域内的本地企业, 还包括了与集群内企业有着经济社会联系的区外企业。企业与区外企业更大地理范围内的新颖知识交流有利于本地知识库的更新, 相对于本地知识的增量创新而言, 更加有利于突破式的知识创新。“渠道”机制有利于集群摆脱已有知识和经验的束缚, 寻找适应环境非连续性变化的全新问题解决方案。如Owen-Smith和Powell[8]对波士顿生物技术集群的研究表明, 接触新知识经常要通过跨区域和跨国的战略伙伴, 集群中的企业不仅嵌入于本地, 而且嵌入于跨区域的分散空间中。同样, 纽约的服装产业区依靠其设计方面的领导地位吸引了全世界的设计商和其他创新源, 纽约的服装生产商不需要离开城市去寻找新的知识源[9]。
2. 基于多维度主体网络的突破式创新机制
近来的集群结构研究大多集中于企业间网络, 与之相关, Bunnell和Coe[10]则认为, 研究焦点应从特定的空间尺度作为分析和理解集群创新本质转移到强调不同空间尺度间的关系, 每一个跨尺度的因素都增加了知识创造和扩散过程的一个重要维度, 如地区创新系统中包括了经济、政治和社会等维度。Cooke等[11]提出, 区域创新系统通过提供本地研究的基础设施、专业化培训系统、广阔的教育系统、物质基础设施和投资吸引维度的政策影响集群绩效。类似地, Hendry等[12]将企业集群看成区域创新的核心系统, 而将地区内中介机构、大学、科研机构、地方政府等看成区域创新体系的辅助支撑系统。波特[5]则将产业集群定义为“一组在地理上靠近的相互联系的公司和关联的机构, 它们同处在一个特定的产业领域, 由于具有共同和互补性而联系在一起。”
可见, 产业集群是拥有经济、社会和学习等维度的网络组织, 拥有本地企业组成的最关键节点, 以及由大学、科研院所、生产型服务机构、政府及其他公共政策机构和其他服务企业等辅助节点, 这些主体构成了集群创新重要的动力要素。正如相关研究所强调的, 本地社会机构及企业间联系和相互作用过程在知识创新和成长过程中发挥着重要作用[6]。在这一过程中, 不同类型企业和相关机构等集群主体在集群知识创新和更新过程中发挥着各自不同的作用, 包括知识的输入、扩散、吸收、整合和导引等。本文将不同集群主体在知识共享网络中的作用区分为五类, 如图2所示。由于区外企业的知识输入和区内企业的知识吸收分别在“渠道”机制和本地知识库形成中做了详细分析, 在此不再赘述。
(1) 政府机构。政府机构在引导知识发展, 避免集群陷入能力陷阱和路径依赖的过程中发挥着重要的作用, 正如Gertler&Wolfe[13]明确指出, 成功的区域必须能够投入到地区预见 (foresights) 实践中以确认和培育其资产, 并鼓励区域思维模式以鼓励成长。 (2) 大学和科研院所。当产业界寻求技术问题的解决方案时, 这些解决方案很可能来源于早已存在于科学领域的成果。本地共享知识的一个主要方式是本地研究机构和私人企业间的研究成果的转移。同样重要的另一类知识转移方式是人才如科学家、毕业生从研究机构流动到私人企业以及在企业间流动的高素质人才。 (3) 中介服务机构。中介服务机构了解地区内应对环境挑战的多种解决方案, 因此能够较为准确地定位知识和专业能力减少搜索成本。正如Mc Evily和Zaheer[14]指出的, 在地理集群的背景下, 并不要求所有企业相互联结, 每个企业可以通过与提供信息的地区机构的单一联结获取竞争能力的信息。
三、集群持续创新
集群要避免创新和能力陷阱, 实现更为持续的创新和发展, 就既要进行脱离既有知识和经验的突破式创新, 为快速适应市场和技术等外部环境的非连续性变化做好准备;又要基于现有知识和经验的积累在已有的技术轨道内进行持续改进和创新, 以更成功地在已有市场竞争, 并获得当前利益, 同时为突破式创新提供资金和技术支撑。可见增量创新和突破式创新既相互竞争资源, 又相互补充, 仅进行增量创新将无法适应环境的非连续性变化, 而仅进行突破式创新将由于缺乏资金和技术支持而难以生存。这就要求构建管理两类创新活动的平衡系统, 以促进组织的持续创新和发展。
由于外部知识在突破式创新中非常重要, Cohen等[15]将企业中的承担起知识探索任务的组织单元称为“守门者”。“守门者”不仅要在更大范围内、不同维度上搜索更好的问题解决方案, 又要保证新知识的传播、吸收和利用, 即担负起将知识传递给企业其他成员的任务, 即“传播者”的角色。相应的, 企业内其他成员则要担负起知识“接受者”的角色, 以缩短与“守门者”之间的认知距离。这一创新整合模型适用于更高组织层次的集群, 在集群中, 占据“守门者”位置进行突破式创新的企业需要具备一定的条件。Bathelt等[6]提出, 建立全球渠道需要投资和资源, 企业能够控制的渠道数量很可能与其规模成正比。因此, 历史发展悠久、资源丰富的本地企业在时间、人员、资金、技术等方面具有优势, 能够占据集群中领导位置。而在知识上依赖这些领导企业的相关企业则在协作网络中处于从属地位, 据此本文将集群中的企业区分为领导企业和跟随企业。意大利产业区最近一系列研究表明有着“中心—外围”层次结构特征的企业网络具有普遍性[16]。如Malipiero等[17]实证研究表明, 意大利集群中核心企业使用外部知识的程度大大高于集群中的其他企业, 而非核心企业则大量接受核心企业的知识扩散。Boari[18]发现, 从长期来看, 意大利中小企业发展依赖于有限数量的企业, 这些企业能够认知市场和产品, 并管理区域内、外庞大的企业和其他组织关系。
可见, 领导企业在集群本地知识库的更新过程中发挥着关键作用 (如图3所示) , 一方面领导企业可能是区外企业与区内企业交流的中介, 另一方面领导企业可能是区域创新系统的核心成员, 是政府机构、大学和科研院所以及生产型服务机构的主要服务对象, 领导企业通过在更大地理范围、不同维度的交流促进其突破式创新, 进而通过与相关跟随型企业的联系进行知识传播, 实现知识的消化吸收和本地知识库的更新。通过这一过程领导企业将增量创新和突破式创新有机整合成动态适应系统, 有利于集群持续创新, 适应环境变化的挑战。
四、结论
结构嵌入 篇5
一、独特的情节结构:框架-嵌入式叙事结构
框架叙事和嵌入叙事是叙事学中的概念。根据叙事学理论家普林斯的观点, 嵌入叙事是指“叙事中的叙事”, 与之相对的是框架叙事, 即为嵌入叙事提供背景的叙事。[1]这种叙事结构类似于略萨所说的“中国套盒”, 特点是故事中套故事。
小说中故事正常的发展顺序是 (1) 女人遇见、迷恋、委身于R先生, 生下他的孩子但选择隐瞒, 而R先生只把她当作一夜风流的对象, 从未记得她。 (2) 女人的孩子死去, 自己病重, 写信给男作家讲述自己一生的爱恋。 (3) 女人去世, 男作家收到来信, 阅读后思绪万千。但在小说中, 作家为追求艺术效果对事件顺序进行了变动, (1) (2) 合并于女人的信中讲述, 女人的信则在 (3) 男作家读信的过程中呈现, 由此便形成了小说独特的情节结构———框架-嵌入式叙事结构。
结合具体文本来看, “他的好奇心突然被激起。他开始往下念.....他两手哆嗦, 把信放下。然后他长时间地凝神沉思。”[2]作家R先生在他41岁生日那天收到一封长信, 读完信后感慨万千。这就是小说的框架叙事部分, 出现在小说的首尾。陌生女人长达一生的爱情故事则作为小说主体, 以书信形式嵌在这一基本框架之中, 构成“叙事中的叙事”, 即嵌入叙事部分。
二、基本框架与嵌入故事的区别
框架-嵌入式叙事结构的设置, 将小说划分为基本框架和嵌入故事这两个相关联的部分, 文本内容决定了这两个部分具有不同的叙述视角和叙述时间。基本框架与嵌入故事中不同叙述手法的运用, 使小说呈现出更为丰富的形式面貌, 提高了文学的表现力。
1. 多变的叙述时间
情节的核心问题是对时间的驾驭, 涉及到如何处理故事时间和叙述时间的关系。时间的创造要服务于人物的塑造和主题的需要, 基本框架和嵌入故事的主要人物不同, 所采取的叙述时间手法也就有所区别。
从时间顺序看, 小说的基本框架即R先生收信读信的过程, 采用的是顺叙手法。嵌入故事讲女人对自己一生爱情的回顾与倾诉, 主要采用了插叙手法。“我的孩子昨天死了”是信的开头, 后文每插叙一段回忆, 作者都会用这句话再把时间拉回到女人写信的当下。
从时间速度看, 小说的框架叙事部分对故事时间进行了延绵, 即叙述时间长于故事时间, 主要体现为结尾对R先生心理活动的细腻描写, 从而突显这份爱情给他带来的巨大震撼。嵌入叙事部分则对故事时间进行了压缩, 即叙述时间短于故事时间, 女人数十年的岁月在一封信里集中展现, 给读者留下陌生女人一生都只用来迷恋R先生的痴情印象。
2. 双重的叙述视角
托多洛夫指出:“构成故事环境的各种事实从来不是以它们自身出现。而是根据某种眼光, 某个观察点呈现在我们面前。”独特的叙事结构设置使作者在基本框架和嵌入故事中选择了两种不同的视角进行叙述。
小说的基本框架采用了第三人称的非介入型叙述视点也就是零聚焦。“著名小说家R·到山里去进行了一次为时三天的郊游之后, 这天清晨返回维也纳, 在火车站买了一份报纸......‘四十一岁了’, 这个念头很快地在他脑子里一闪, 他心里既不高兴也不难过。”“他两手哆嗦, 把信放下......他感觉到死亡, 感觉到不朽的爱情。”[3]叙述者叙说、报道、描述或者展示所发生的事件和场景, 也能够自由进入R先生的内心世界, 无所不知, 无所不晓, 但并不介入事件本身发表自己的观点。作者利用这一全知全能的叙述视角交代R先生的个人身份、生活情况与读信前后的心理感受, 为陌生女人的来信提供了背景并进行一定补充。
小说的嵌入故事是书信体, 因此采用了第一人称的参与型叙述, 视点也就是固定式内聚焦。“我要和你单独谈谈, 第一次把一切都告诉你。”“我这种期待的心情, 使我四肢酥麻, 我正担心, 我不得不停住脚步, 心简直象小鹿似的狂奔猛跳———这时你走到我旁边来了。”[4]在嵌入故事中, 陌生女人身兼叙述者与参与者的双重身份。她是这个爱情故事的主人公, 同时承担着叙述的任务。信的全部内容都是从她的眼光来观察、以她的口吻来叙述的, 主观情感色彩极为浓厚。作者利用这一视角直接表现陌生女人的所思所想, 细腻地刻画其心理活动, 竭力塑造出一个痴情主人公的形象。
三、基本框架与嵌入故事的互动
基本框架与嵌入故事之间存在叙述手法上的区别, 但二者的嵌套模式让彼此在形式和内容上产生互动与映照, 大大增强了小说的文学艺术效果, 具体表现在:
1. 精简小说结构
如果按事件发展顺序来写整个故事, 小说会变得冗长且相对平淡。而如果直接略去开头结尾, 女人信中的倾诉就显得突兀而不真实。框架-嵌入式叙事结构的巧妙之处就在于将R先生看信的时空、女子写信的时空、女子爱慕男子的时空叠合在一起, 使小说结构在高度精简的同时又不失自然。以一封信的篇幅集中展现一段长达数十年的漫长爱恋, 时距上的压缩加强了这个爱情故事带给读者的冲击力度, 让人在回到R先生读信的时空中时有一种恍惚之感, 和R先生一样陷入长久的沉思。除了使小说结尾余韵悠长外, 这种结构上的精简还构成了小说的悬念。“他的目光十分惊讶地停住了:这指的是他, 还是一位臆想的主人公呢?”[5]一个疑问未解, 一个悬念又起。“我的儿子昨天死了———为了这条幼小娇弱的生命, 我和死神搏斗了三天三夜”[6]双重悬念激起读者强烈的好奇心, 吸引读者展开阅读。
2. 增强小说真实性
小说的基本框架交代了R先生的住址位于维也纳, 家中有仆人等细节, 这些细节与嵌入故事中女人信里的叙述相吻合。尽管小说结尾R先生依旧不能完全回忆起这个陌生女人, 但那个摆在桌上的空花瓶无疑证明了这份爱恋曾经真实存在。“可是谁……谁还会在你的生曰老给你送白玫瑰呢?啊, 花瓶将要空空地供在那里”“他的目光忽然落到他面前书桌上的那只蓝花瓶上。瓶里是空的, 这些年来第一次在他生日这一天花瓶是空的, 没有插花。”[7]框架内外细节的相互补充印证, 提高了小说的真实性与说服力, 也让陌生女人的爱情更容易打动读者。
3. 丰富读者情感体验
框架叙事结构使小说具有双重的叙述视角。基本框架所采用的全知全能视角引领读者先将目光放在R先生身上, 而随着信的引出, 读者和R先生一样被激起强烈的好奇心, 于是由看R先生转为受邀站在R先生的角度一起看陌生女人。嵌入故事采用的是书信体第一人称视角, 又加之细腻的心理描写、叙述时间技巧的使用, 读者在读信过程中会不由自主进入陌生女人的角色去看R先生。等信读完, 读者自然又想重新审视R先生, 渴望在他那里得到故事的证实或推翻, 而结尾处基本框架的全知全能视角正好能够满足读者的这一需要, 对R先生的内心世界进行了描述:“他从颤抖着的手里把信放下, 然后就久久地沉思。某种回忆浮现在他的心头, 他想起了一个邻居的小孩, 想起一位姑娘, 想起夜总会的一个女人......他感觉到死亡, 感觉到不朽的爱情。”[8]小说读完, 读者再次回到旁观者的身份, 既看陌生女人, 也看R先生, 反复回味这个堪称传奇的爱情故事。通过框架-嵌入式叙事结构, 读者得以站在旁观角度、R先生角度、陌生女人角度全方位地进入并审视小说人物, 由此得到的情感体验更为丰富深刻。
综上所述, 《一封陌生女人的来信》能取得如此之高的文学艺术成就, 框架-嵌入式的叙事结构做出了独特的贡献。小说首尾部分作为基本框架给读者以整体把握, 书信部分作为嵌入故事彰显小说主题。二者之间的区别丰富了小说的形式面貌, 提高了文学表现力;其互动则精简了小说的结构、增强了小说的真实性、丰富了读者的情感体验, 最终使陌生女人的的形象和她的爱情深入人心, 好比远方传来的一曲乐声, 奏响在千千万万的读者心中。
参考文献
[1]杰拉德·普林斯.叙述学词典[M].上海:上海译文出版社, 2011.
结构嵌入 篇6
目前, 国内外有关FRP加固砌体结构抗弯性能的研究表明[1,2,3,4,5], FRP加固砌体在抗弯承载力、平面外刚度和延性方面都有很大的提高, FRP加固量和FRP类型均影响到墙体的刚度, 而砌体构件的失效模式取决于FRP的粘贴方式和锚固方式, 通过合理的界面处理和锚固措施, 可以避免发生剥离破坏, 充分发挥FRP材料优良的拉伸性能。这为利用其它形式的FRP制品加固砌体结构提供了新的思路。
FRP嵌入式加固砌体结构, 是在砌体结构表面处开槽, 然后将FRP采用环氧树脂、水泥基等胶结材料嵌入粘结到槽内, 作为一种新型加固方式, 其弥补了FRP粘贴砌体结构外墙加固方式的不足。本文主要针对CFRP嵌入式加固时的CFRP与砌体结构锚固粘结性能影响因素及对砌体结构抗弯性能影响进行了初步探讨。
1 原材料及试样制备
1.1 原材料
碳纤维布:上海东维化建新材料科技有限公司生产的TRCA, 型号:TC2-200, 理论厚度0.111 mm, 其性能依据GB50367—2006《混凝土结构加固设计规范》进行测试, 结果见表1。
环氧树脂胶:上海东维化建新材料科技有限公司生产的TIGER, 型号:TGE-2, m (A) ∶m (B) =3∶1, 其性能依据GB 50367—2006进行测试, 结果见表2。
M7.5砂浆;MU15粉煤灰实心砖;150 mm×150 mm的C50混凝土试块。
1.2 试样制备及试验方法
1.2.1 CFRP条的制作
(1) 玻璃板上, 放置1层隔离塑料膜, 先刷1层搅拌好的环氧树脂胶, 将剪好的碳纤维布粘上, 然后在碳纤维布上浸刷环氧树脂胶并用玻璃棒滚平赶走气泡, 使之浸抹均匀, 完毕后在空气中固化2 d。
(2) 用小刀或剪刀剪取相应宽度CFRP条, 待用。
1.2.2 砖砌试样的制作及CFRP条嵌入加固
(1) 砌体采用粉煤灰实心砖砌筑, 具体砌筑方式按照GB/T50129—2011《砌体基本力学性能试验方法标准》实施和设计, 试验的试件分为4组, L1为未加固砌体, L2为嵌入2条CFRP加固;L3为嵌入3条CFRP加固;L4为嵌入4条CFRP加固, 每组3个试件, 试件尺寸240 mm×240 mm×930 mm, 如图1所示。
(2) CFRP嵌入方式:在砌体表面等处开槽, 并清理干净凹槽内的灰渣, 将环氧树脂胶涂抹CFRP片材两面及凹槽内表面, 并将CFRP片材嵌入凹槽内, 固化2 d, 其中砌体开槽宽度3 mm, CFRP宽度为凹槽宽度的2/3, 剩余用砂浆勾缝填平。具体嵌入方式, 嵌入2条时, 即在砌体砖中部开槽, 具体参照图1;嵌入3条时, 在嵌入2条基础上, 在砌体灰缝处再嵌入1条;嵌入4条时, 使4条CFRP条在砌体宽度方向均匀等距离分布。
1.2.3 抗弯试验装置及加载方式
砌体沿通逢截面抗弯试验采用由试验台座、千斤顶、应变仪等组成的加荷系统进行加载 (见图2) , 并用百分表进行挠度测量。正式加载之前, 在试件上标出支座与荷载作用线的准确位置, 在纯弯区段, 测量截面尺寸, 每组选择3个试件, 测其自重并计算平均值。用应变仪对千斤顶进行校准, 按每级5k N进行加载, 记录每级荷载下对应的应变仪读数。在试验台座上, 按简支梁3分点集中加载的要求, 使试件准确就位。试验采用匀速连续加载方法, 加载速度按试件在3~5 min内破坏进行控制, 试件破坏时, 记录破坏荷载值、挠度及试件的破坏特征[6]。
2 结果与讨论
2.1 嵌入式CFRP片材锚固性能影响
试验采用上海益环仪器科技有限公司生产的YHS-229WJ-50KN型万能试验机, 最大承载力50 k N。利用万能试验机拉伸嵌入到混凝土块体中的CFRP条来测试CFRP的锚固粘结性能, 测试试件见图3。
CFRP拉伸粘结性能试验结果见表3。
注:CFRP拉伸荷载发挥系数为CFRP粘结破坏荷载与CFRP拉伸强度破坏荷载之比, 下同。
从表3可知, 试样均为拉出破坏, 且增加CFRP宽度与层数, 均可提高CFRP的粘结荷载, 这是因为增加CFRP宽度与层数均可增加CFRP与砌体接触面积, 从而增加锚固力。而增加CFRP宽度与层数均降低CFRP拉伸荷载发挥系数, CFRP层数从1层增加到3层, CFRP拉伸荷载发挥系数为58%、54%、45%, 依次降低;CFRP试样宽度分别为20、25、30 mm时, CFRP拉伸荷载发挥系数分别为56%、55%、53%, 依次降低。CFRP粘结破坏荷载与CFRP试件横界面周长、长度及与凹槽界面摩擦系数成正比, 而CFRP拉伸粘结荷载与CFRP横截面面积成正比, 因此在本试验条件下, 同种材料的CFRP拉伸荷载发挥系数与CFRP试件横截面周长与横截面面积的比值成正比。而试样层数越少、试样宽度越小, 横截面周长与横截面面积的比值越大, CFRP拉伸强度发挥系数越大。
表4为利用3 mm短切碳纤维增强环氧树脂胶来增加CFRP粘结锚固强度, 3 mm短切碳纤维占环氧树脂胶体积分数5%, 短切碳纤维增强环氧树脂胶涂于CFRP及砌体凹槽表面。
由表4可见, 用短切碳纤维增强环氧树脂胶, 大大提高了环氧树脂胶的粘结强度, 增强了CFRP粘结破坏荷载, 并且使得单层15 mm宽的CFRP拉出破坏荷载更接近CFRP拉伸断裂荷载, 且CFRP材料拉伸荷载发挥系数提高后, 试样破坏模式由单纯的拉出破坏到出现CFRP条破裂、拔出及块体剪切破坏, CFRP锚固粘结强度明显提高。
2.2 抗弯试样破坏模式
砌体试件中分别嵌入2、3、4条单层15 mm宽CFRP, 并用3 mm短切碳纤维增强环氧树脂胶提高CFRP与砌体的粘结强度。
抗弯试验表明, 未加固砌体在竖直灰缝处出现裂缝后迅速失去承载力, 其破坏是突然性的, 具有明显的脆性特征, 且断裂面平整, 并出现在跨中位置, 为弯曲破坏;而嵌入CFRP的砌体, 在竖直灰缝处出现裂缝后, 破坏出现延迟, 随后CFRP折断或者剥离而出现突然破坏, 并伴随砌体砖破坏, 为弯剪破坏。具体如下:
嵌入2条CFRP, 砌体破坏是由于CFRP条从砌体凹槽处拔出, 初始破坏发生在砌体灰缝砂浆处, 砌体破坏的声音是渐次的, 是伴随着CFRP条破坏的, 砌体结构的抗弯应力由砌体灰缝处砂浆粘结力承担, 嵌入CFRP时, 砌体结构的抗弯应力大部分由CFRP条承担, 此种加固方式是环氧树脂胶与砌体截面松懈导致。
嵌入3条CFRP, 砌体破坏是由于剪切所致, 同嵌入2条时相似, 在最大弯曲应力时, 破坏首先出现在砂浆灰缝处, 在破坏最后阶段可见CFRP从砌体凹槽截面处松懈拔出。并且初始破坏发生时间相对未加固时有所延迟, 且破坏裂缝宽度随嵌入CFRP数量增加而减小 (相对嵌入2条CFRP) 。
嵌入4条CFRP, 砌体破坏与嵌入3条不同之处是, 砌体最终破坏是某条CFRP突然断裂所致。
2.3 嵌入CFRP对砌体结构抗弯性能影响
试验中弯矩采用式 (1) 计算[5]:
式中:M———试件跨中弯矩, k N·m
P———竖向荷载, k N
L1———剪跨段长度, m
G———试件的自重, k N
L———2个支座之间的距离, m。
嵌入CFRP对砌体结构抗弯性能的影响见表5。
由表5可知, 嵌入CFRP加固后砌体与未加固的砌体相比, 砌体抗弯承载力和变形能力均有较大的提高。砌体通逢截面嵌入2条、3条、4条单层15 mm宽CFRP后, 其竖向荷载分别为未加固砌体的3.45倍、5.39倍、7.83倍, 极限弯矩分别为未加固砌体的1.96倍、2.72倍、3.68倍, 极限挠度分别为未加固砌体的5.50倍、6.83倍、8.67倍。
3 结论
(1) 增加CFRP片材的厚度及宽度均可增加CFRP材料与砌体结构的锚固性能, 而CFRP材料拉伸强度效率发挥系数却随CFRP材料厚度及宽度的增加而下降。CFRP材料拉伸强度发挥系数与CFRP材料横截面周长与横截面面积之比正相关, 采用短切碳纤维增强环氧树脂胶粘结CFRP明显提高了CFRP材料的拉伸强度发挥系数。
(2) 嵌入式CFRP加固砌体结构的破坏模式主要是弯剪切破坏, 并且可明显延迟破坏, 而未加固砌体主要破坏模式为脆性弯曲破坏。
(3) 嵌入CFRP片材后, 砌体结构抗弯性能改善明显, 沿通逢嵌入2、3、4条15 mm宽单层CFRP片材, 砌体结构竖向荷载分别为未加固砌体的3.45倍、5.39倍、7.83倍;极限弯矩分别为未加固砌体的1.96倍、2.72倍、3.68倍;极限挠度分别为未加固砌体的5.50倍、6.83倍、8.67倍。
参考文献
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[2]Tan K H, Patoary M K H.Strengthening of masonry walls against out-of-plane loads using fiber-reinforced polymer reinforcement[J].J.Compos.Constr., 2003, 7 (1) :170-178.
[3]Hamoush S A, McGinley M W, Mlakar P, et al.Out-of-plane strengthening of masonry walls with enforced composites[J].J.Compos.Constr., 2001, 5 (3) :139-145.
[4]Velazquez-Dimas J I, Ehsani M R.Modeling out-of-plane behavior of URM walls retrofitted with fiber composites[J].J.Compos.Constr., 2000, 4 (4) :172-181.
[5]由世岐.FRP加固砌体结构受力性能及计算方法研究[D].沈阳:东北大学, 2007.
结构嵌入 篇7
供应链整合是对供应链管理的发展,是供应链管理的有效手段和核心所在,是一项错综复杂的系统工程。刘瑞涵(2009)认为供应链整合是对供应链整个流程进行综合设计和改进,以从各个方面提升综合管理优势,他在此基础上将供应链整合内容分为三个构面:基于运作层面的流程整合(包括信息整合)、基于合作关系的节点整合及节点间的利益机制整合等。刘莉与罗定提(2009)将供应链整合分为内部供应链整合与外部供应链整合。倪文斌与张怀修(2010)通过实证分析,总结出供应链整合的三个维度:范围、层次、强度,他们将供应链整合的范围分为供应商整合、内部整合、顾客整合,将层次分为信息整合、活动和程序整合、功能整合。姜大尉(2007)认为供应链整合具有三个维度:信息整合、协调与资源共享、战略联盟关系。潘文安(2006)用规划整合、控制整合和协调整合来衡量内部整合能力,并以客户导向整合、信息整合、供应与服务整合来衡量外部供应链整合。
从宏观角度来看,按照刘莉、罗定提和潘文安的研究,可以将供应链整合从内部整合与外部整合两个维度来划分。因为供应链可以分为内部供应链和外部供应链,内部整合可以促进企业各部门之间的密切合作,外部整合可以保证企业之间的供需合作,因此将供应链整合从总体上分为内部和外部两个维度可以完整地囊括全局,实现整体优化。根据刘瑞涵、倪文斌和潘文安对供应链内外整合的具体研究,可以得出内部整合主要涉及生产流程整合和部门之间的信息整合。内部流程整合可以重新设计、简化生产流程,统筹规划企业资源,提高生产效率,而内部信息整合可以加大部门之间的信息、知识共享程度,提高生产柔性和市场响应能力。外部整合除了流程整合和信息整合两个维度之外还要考虑关系整合维度,因为上下游企业之间的合作除了利用协议、契约等有形纽带来连接之外,更需要情感关系的连接。关系整合可以加强企业之间的信任、沟通、协调水平,从而有利于战略合作伙伴关系的建立和稳固。
通过对以上研究的总结,本文将供应链整合的内容分为两个层次:第一层为内部供应链整合与外部供应链整合,第二层将内部供应链细分为信息整合与流程整合,将外部供应链整合细分为信息整合、流程整合以及关系整合。
二、内部供应链整合
内部供应链整合是对企业内部经营流程和经营信息的整合。经营流程是由订单、采购、库存、生产、运输、市场、销售、服务等业务单元组成的工作流,经营信息是指业务经营过程中获取的市场信息、企业内部产生的财务、生产、销售等信息流程。刘莉和罗定提指出内部供应链整合是指企业为实现顾客价值和需求,内部跨职能部门的物流、信息流、资金流的整合。内部供应链整合将企业供应链管理的模式由以物流、资源和产品为核心的“推式”供应链管理,转变为以客户需求和客户满意度为导向的“拉式”供应链管理。内部供应链整合将企业内部的各个业务单元通过物流、信息流、资金流的整合,使企业连接成一个紧密合作的整体,创造竞争优势,提高企业绩效,才可以为外部供应链的整合奠定基础。
(一)内部流程整合
供应链整合是供应链管理的一种全新模式,将“纵向一体化”的传统管理模式,向“横向一体化”转变。随之而来的是企业运作流程的优化整合,使企业流程更加有利于各部门之间的横向交流合作。内部流程整合具体指企业对各部门之间的职能、资源和业务进行协调整合,实现业务流程的不断优化,创造面向过程的跨职能的运作机制。在市场环境快速变化的情况下,为适应这种变化而进行流程整合,调整产业结构,提高生产效率、柔性、适应性的能力是企业的重要资源之一。企业各部门之间的能力是具有差异性的,各部门之间要加强流程整合,充分发挥各部门的核心优势。内部流程整合强调企业各部门之间的密切合作,实现供应链整体最优化,缩短生产提前期、提高产品质量和服务质量、提高企业整体柔性和应变能力、减少库存等战略性目标。
(二)内部信息整合
内部流程整合为内部信息整合奠定了基础,企业内部运营流程的合理安排使企业内部信息交流更加顺畅。内部信息整合是指企业利用计算机、网络等信息技术,将企业的市场调查、产品研发、生产制造、销售服务等业务活动所产生的信息进行整合,实现信息加工和管理的系统化,使信息在企业内部各部门之间及时、顺畅地流动,为企业决策提供准确依据,保障供应链管理的顺利实施。企业内部流程整合是内部信息整合的基础,同时企业内部信息整合促进企业内部流程整合的深化,从而使内部运作流程加速运转和自动化,及时向客户提供优质的产品和满意的服务,而且能够及时获取客户的反馈信息,从而对产品和服务做出及时的改进。由此可以看出内部信息整合使企业的内部流程形成良性的回路系统,促进企业的循环向上发展。
三、外部供应链整合
内部供应链整合可以提升企业自身的竞争优势,提高企业绩效,然而在当今激烈竞争环境下,没有一个企业能够仅仅依靠内部的资源来谋求持久的竞争优势。因此,企业不仅要注重内部供应链的整合,还要将企业自身有效纳入一个紧密的供应链中,加强供应链上下游合作伙伴之间的合作,互相取长补短,在供应链的价值增值过程中谋求更广泛的创新。外部供应链整合主要包括企业与供应商的整合和企业与顾客整合,无论是上游整合还是下游整合都可以概括为流程整合、信息整合、利益分配机制整合。
(一)外部流程整合
外部供应链流程整合是指在供应链中跨越企业边界对企业之间的业务流程进行设计、协调、优化,使企业之间的业务流程更加顺畅,消除一些冗余程序、减少资源浪费,实现企业之间的资源优化整合。企业之间的资源、能力必须分配在合理的业务流程上才能发挥竞争优势。供应链上企业之间的流程整合要从流程分析开始,确定每项流程的价值创造能力,然后对各项流程进行调整和重新设计,建立一条顺畅的供应链业务流程。业务流程的整合不仅可以提高产品的质量和产量,而且可以提高企业流程的效率性、柔性和组织的适应性,成为创造竞争优势的关键要素。
(二)外部信息整合
外部信息整合是指消除供应链上企业之间的信息壁垒,利用信息技术、网络技术充分共享企业之间信息和知识资源的过程,它能更好地促进供应链上企业之间的流程整合。信息技术和网络技术的迅速发展为信息共享整合提供了便利,为公共信息平台的搭建提供了技术支持。供应链上企业之间信息整合,一是要为系统功能和结构建立统一的业务标准,便于信息存储的标准化;二是要对信息系统定义、设计和实施建立连续的实验、检测方法;三是实现企业与供应商和顾客的高度信息集成。通过信息整合可以提高企业响应市场需求的能力,加深企业之间的合作,有助于供应链整体竞争优势的提高。
(三)企业关系整合
在供应链整合过程中,合作伙伴之间既有合作关系又有竞争关系,由于各个节点企业的最终目的是追求自身利益,供应链中总会存在利益冲突和机会主义,长期如此必然会影响相互之间的合作效果。因此,关系整合对于供应链整合而言必不可少。
关系整合分为两个方面:利益关系整合与情感关系整合。利益关系整合的价值主要表现为特殊待遇利益、信心利益。特殊待遇利益可以降低交易成本、增加收入,而且可以使企业得到额外的服务或优先的服务。信心利益可以消除对产品以及服务的不确定而产生的焦虑感。顾客对厂商或销售人员有信心可以使交易顺利进行,即使厂商的产品或服务存在不尽如人意的地方,只要厂商主动做出改善,将改善合作企业之间的关系,加深彼此之间的信任,提升交易效率。情感关系整合是建立在伙伴之间相互信任和承诺的基础上。情感关系促进企业之间的信息共享、降低“牛鞭效应”带来的市场风险,还可以降低彼此的交易成本,提高交易成功的可能性。
经济利益是利益最根本、最主要的形式。因此,基于利益激励基础上的关系整合是关系整合的重点。利益关系整合可以分为三步进行,首先要确定核心企业即激励主体,继而确定激励对象。其次要制定激励规则,一般通过供应链协议来实现。供应链协议使供应链管理工作程序化、标准化、规范化,使供应链系统得到有效控制、良好运作、充分发挥功能。再次,建立合理的利益分配机制,利益分配主要通过供应链契约来实现。供应链契约明确规定各成员企业所应履行的义务、所应承担的责任,为利益分配提供科学的依据。契约是虚拟企业联系各成员的纽带,自始至终维持和保证各方的权益。
四、内外供应链整合的交流机制
内部整合和外部整合的优势和机制已经分别给以描述,然而两者之间并非相互独立,而是相互影响的。
(一)内外整合的关系
1.内部整合是外部整合的基础。
内部整合是外部整合的基础,内部整合的核心是内部资源及信息的集成,优化企业内部资源、能力配置,以提高产品的生产效率和企业的市场反应能力。内部整合可以使企业生产出更加令客户满意的产品,达到更高的内部满意,为供应链的外部整合提供必要的物质基础。台湾学者尤克强(2004)通过对一些电子行业企业内部供应链研究,发现内部流程整合程度高的企业,所体现出来的客户导向的反应能力和资源整合能力也比较强。
内部整合的核心是内部集成化供应链管理的效率问题,在考虑优化资源、能力的基础上,以最低的成本和最快的速度生产出最好的产品,快速地满足用户的需求,以提高企业反应能力和效率;根据Prida和Seth的观点,客户满意包括“内部满意”和“外部满意”两个部分。“内部满意”主要体现在产品的质量和价格上,“外部满意”主要体现在产品的配送和售后服务两个方面,而供应链整合的最终目标是实现“内部满意”和“外部满意”的高度统一。由此可见“内部满意”是实现客户满意的基础和前提,而内部整合是实现“内部满意”的必由之路。
供应链内部整合对外部整合的“信息整合”、“流程整合”方面存在显著性差异,而对“关系整合”则未出现显著性差异。其中原因可能与关系整合是一个互动行为,它需要双方的目标一致有很大关系。关系整合所涉及的是一个目标性和情感性的问题,它更需要合作双方的互动和努力,内部整合很难改变相互间的利益机制和情感连接,从而使其影响削弱。
2.外部整合为内部整合提供支持。
外部整合为内部整合提供必要支持,外部整合为企业内部的生产、库存、采购和销售等业务提供必要的信息,为企业快速响应复杂多变的市场环境提供决策依据。方便快捷的上游供应与下游销售及售后服务为顾客满意达到更高水平,为核心企业产品的研发及生产提供必要的支持。外部整合为内部整合提供了必要的信息支持,使企业在内部组织和业务流程、库存控制、采购与物流管理、生产计划与控制等方面能与外部环境变化保持一致性。外部整合为内部整合提供了必要的客户导向支持,使企业内部生产计划和流程控制能及时满足市场的需要。
根据潘文安对供应链内外整合关系研究,可以得出外部整合对内部整合存在着显著性的正向影响,但外部整合对内部信息整合影响比较明显,而对流程整合影响微弱。这主要是因为内部信息整合与外部信息交流的关联性更大,供应商的供给信息和销售商的销售信息嵌入到企业内部,可以帮助企业做出合理的生产决策,从而有利于内部信息的整合。流程整合在企业内部进行,具有较强的独立性,这就说明了外部整合对内部流程整合影响较小的原因。
(二)内外整合的嵌入机制
供应链整合的根本目的是实现专业化运作,从而优化供应链中各环节的运营程序,提高整体运营绩效。外部供应链整合是对内部供应链整合的延伸。内部整合将企业原有的“纵向一体化”转为“横向一体化”,方便了企业各部门之间的信息、资源共享,提升自身核心竞争力。外部整合虽然使企业将供应链中某些节点“拱手”让于其他有优势的企业,但可在整个供应链范围内建立起共同利益的战略合作伙伴关系,通过联合、规划和运作,优化企业内部资源和社会资源,形成高度整合的供应链物流网络体系,从而提高整个供应链的竞争优势。据美国《财富》杂志报道,目前全世界年收入在5 000万美元以上的公司,都普遍开展了业务外包。
1. 内外整合嵌入机制的构成因素。供应链内外整合交流机制的构成因素涉及三个方面:外部社会环境因素、经济性因素和非经济性因素。
第一,外部社会环境因素。经济全球化、市场不确定性增加、市场竞争加剧、科学技术迅猛发展和政策、法律、制度的放宽构成了外部环境因素,全球市场已经逐步形成,这意味着经济已经跨越国界,组建战略合作联盟的模式。因此,企业单纯依靠自身力量必然显得势单力薄。顾客对产品的要求越来越高,而且不断变化;科学技术尤其是信息技术的发展为企业之间的合作交流提供了很大的便利;各国对国际合作交流的政策放宽及鼓励国际间合作交流的趋势更加明显。在这种情况之下,各个企业都在努力寻找战略合作伙伴实现内部供应链整合向外部整合的延伸。
第二,经济性因素。经济性因素主要包括资产、资源和技术的专用性、交易的频率和相互依赖程度。由于各个企业之间资产、资源和技术的专用性和差异性,为企业的互补关系的建立提供了基础。交易频率是促使企业建立合作伙伴关系的重要因素,高交易频率可以有效地使合作企业达成囚徒困境的最佳组合,从而保证长期合作有效性。企业间的相互依赖可以分为对称依赖和非对称依赖。对称依赖是指双方企业之间的实力相当,彼此之间的依赖程度不相上下。非对称依赖是指一方实力弱于另一方,一方对另一方具有更加强烈的依赖。相比之下,对称依赖比非对称依赖更有利于企业之间的整合。
第三,非经济性因素。非经济性因素主要包括企业文化,相互信任,声誉和企业间冲突。企业文化相似的企业具有相同或相近的奋斗目标,为企业之间的整合提供了强有力的基础,而且可以降低整合管理过程中的协调成本。相互信任是企业之间建立合作伙伴关系的重要机制,高层管理人员之间的信任可以有效降低监督成本,保证信息交流通畅,有利于合作伙伴关系由战略层面转向战术层面。声誉是企业的一种无形资产,良好的声誉可以赢得企业的信任,有效地减少机会主义行为,帮助企业重复进行交易,从而促进企业之间的合作。合作企业间的冲突是指其中任何一方的经营行为、经营目标阻碍另一方战略目标实现的程度,冲突严重阻碍企业之间的合作交流。因此,要加强企业之间的学习与交流,将冲突的程度降到最低水平。
2.内外整合嵌入机制探析。社会关系网络理论的提出使人们认识到社会关系及结构可以嵌入到经济结构当中,基于这种理论可以分析总结出供应链内外整合过程中的嵌入机制。格兰诺维特对嵌入性进行分类,将嵌入性分为关系性嵌入和结构性嵌入。关系性嵌入(relational embeddedness)是指经济行动者嵌入于其所在的关系网络中并受其影响和决定。从关系性嵌入的角度分析,可以将供应链内外整合的嵌入机制分为沟通机制、互利机制、适应机制。
第一,沟通机制。企业之间信息沟通的程度受嵌入深度的影响,企业之间嵌入越深沟通越顺畅,所获得的信息质量越高。日本的丰田公司特别重视与上游供应商的合作,其目的是为了了解本行业产品在市场上的最新发展动态和变化趋势。丰田公司与其供应商保持强关系就能够对现有的技术和革新有更深入的了解,可以获得更加专业性的信息和知识。戴尔等通过对丰田公司的供应商网络进行分析,发现戴尔公司通过沟通组建了一个由5-7家企业组成的企业集群。在这个集群中,各个企业从事同样的工艺流程,为的就是分享工作经验和传送默会性知识,以期对原有的技术进行必要的改进,从而可以实现技术创新优化。
第二,互利机制。每个企业最终都在追求自身利益,当一个企业联盟在经营中遇到困难时,其合作者通常会利用机会,以获取更高的收益。当组织间存在嵌入关系的情况下,一个战略联盟就会在生产经营出现意外情况时,及时通知交易伙伴,并放弃获得即时经济收益来帮助生意不好的交易伙伴渡过难关。对于这种不自利行为的一个解释是,当行动者的社会和经济生活相混合时,关系在经济交易结束后仍然独立存在,共同的成功、共同的经历以及共享符号会生动地、持久地产生影响,使得行动者为没有可预期收益的对象提供资源。这些因果机制得到大量心理学家研究的支持,他们表明紧密的私人关系能增进感情,从而增加利他行为的发生。也就是说,组织之间关系性嵌入,可能产生简单追逐私利所无法出现的互利行为。
第三,适应机制。一般来说,当组织之间是简单的市场交换关系时,资源的分配主要依靠价格体系,这时市场情况的变化与生产者的调整之间是有时滞的。时滞越长,市场不均衡的时间就越长,导致资源次优分配的时间越长。尤其是当产品从设计到产出需要较长的生产周期时,这种情况更加明显。当组织之间存在嵌入关系时,由于信息交流更顺畅,使公司能够更好地将生产能力同消费者需求相匹配,这种匹配超出了市场交换关系中价格体系所起的作用。也就是说嵌入对于紧密联结的网络中的企业成员更容易拥有共同的行为预期,因此有利于网络中行为规范的形成和实施。
3.结构性嵌入(Structural embeddedness)是指行为者们所构成的关系网络是嵌入于由其构成的社会结构中,并受到来自社会结构的文化、价值观等因素的影响,从结构性嵌入的角度分析,可以将供应链内外整合的嵌入机制分为创新机制、多次博弈机制、重复嵌入机制。
第一,创新机制。早在马歇尔关于产业区的论述中就可以看到结构性嵌入对集群竞争力的影响,马歇尔他认为产业区内企业经济外部性的主要来源是产业“氛围”(air)。正是这种面对面交流、信任以及协同的氛围使得集群内部的新知识与思想不断被激发并得以迅速传播,使得集群内部企业获得外部企业所不具备的竞争优势。与此类似,普特南对“第三意大利”传统产业集群的研究也表明,“第三意大利”的成功在于其高度信任的公民社会传统以及社区参与力,正是这种社会资本为该区域分工经济的迅猛发展提供了外部文化支持。此外,萨克森宁在《地区优势》中对硅谷竞争优势的解释也为人们理解结构性嵌入提供了很好的参考依据。她认为与波士顿128公路地区相比,硅谷密集的社会网络和开放的劳工市场弘扬了不断试验探索以及开拓进取的创业精神;各公司之间在展开激烈竞争的同时,有保持着良好的信任、合作关系……正是这种独特的区域文化与思维方式,为硅谷集群的创新和良性演化提供了不断衍生的土壤和持续动力。
第二,多次博弈机制。交易费用是制度经济学的重要概念,肯尼思·阿罗给它下的定义是“经济系统的运行成本”。这种、费用不同于生产成本,通常将其分为内生交易费用和外生交易费用,所谓内生交易费用,是指人们在交易中为争夺更多的好处而不惜牺牲别人的好处(损人利己)这种机会主义行为而引致的效率损失,而外生交易费用则指在交易过程中直接或间接发生的那些费用(如运输费用)。对于内生交易费用,杨小凯和黄有光认为其产生的根本原因是由于信息不对称而引起的人们逆向选择和道德风险的机会主义行为,也就是说当企业之间基于“个人实施”的、“一次性”的信任博弈时,由于信息不对称是很难建立起高水平的信任关系的。但当企业之间的关系是嵌入在社会结构之中时,企业的行为就会受该区域特定的信任水平、习俗与价值观等结构性特征的影响。这时,企业间的关系就转变为“社会实施”的、“多次性”的信任博弈,从而可以降低内生交易费用的产生。
第三,重复嵌入机制。威廉姆森对治理结构的“过程特征”的分析提示人们注意合同缔结后出现的“根本性转变”,他所谓的“根本性转变”的涵义是指即使缔约前存在着为经济学家们所推崇的多人竞价局面,但在此后的合同执行阶段会因为专用性投资的产生而使多人竞价局面转化为少数人间的交易。在这种情况下,一方就可能利用对方的专用性投资而实行机会主义行为。为了避免出现这种情况,一种常用的措施就是利用组织之间关系的多元属性采取重复嵌入的治理机制。例如委托人为避免自己被某一个代理人套牢,可以实施同时委托多个代理人的组织安排。这种安排使代理人之间相互监督和竞争,其实质就是在众多代理人之间制造出一种重复嵌入的关系,从而减少某一个代理人的机会主义行为。
由此可见供应链外部和内部整合是可以相互转化的,而且随着市场环境的变化,供应链将成为一个动态的网链结构,成为一个能够灵活组建的动态组织结构。供应链上各企业应该根据市场环境的变化和科学技术的发展,及时调整企业在供应链中的位置,使自己的竞争优势充分发挥,保证整个链条的专业化运作,从而可以稳固供应链上下游企业之间的战略合作伙伴关系,进而加快市场反应能力、降低库存水平、降低交易成本、增加收益并和供应商、销售商实现“双赢”、知识与创新能力也得到提高,提高供应链整体绩效。
五、结论
供应链整合是一个对系统进行统筹规划的过程,从层次上可以分为内部整合与外部整合。内部整合主要从信息、流程两个方面进行,内部流程整合使各部门之间的合作更加紧密,优化业务流程,提高生产效率、柔性、环境适应性;内部信息整合加强了企业各部门之间信息共享程度,提高企业对市场的响应能力,使企业具有良性的闭合回路,保证企业循环向上发展。外部整合可以细分为流程、信息、关系三个维度。外部流程整合消除了各节点之间的贸易壁垒,使链上各企业连为一体,各自发挥自己的核心优势,实现资源与优势互补,从而提高整体绩效。现代信息技术的发展为外部信息整合提供了基础条件,保证有效信息在各企业之间的顺畅流通。关系整合可以从利益关系和情感关系两个角度进行,合理的利益分配机制是建立长期相互信任关系的重要前提。情感关系是在长期的交易合作过程中培养出来的,为战略合作伙伴关系的建立提供保证。
本文的重点在于阐述内外部供应链整合的交流机制,供应链内外部整合之间具有正向影响关系,内部整合为外部整合提供基础,内部整合消除企业内部的“纵向一体化”,将资源和能力集中于自身的核心优势上,为与其他各节点进行合作实现优势互补提供基础条件。外部整合是内部整合的延伸,将企业上下游节点变成企业自身的供应商和销售商,从而使上下游企业建立友好的战略合作伙伴关系,加强各企业之间的相互依赖性,充分发挥各企业的核心优势,保证供应链整体绩效的提高。
摘要：随着市场经济的不断发展和信息技术的广泛应用,企业内部供应链整合已经逐步糅合于整个供应链体系。供应链整合从整体上分为内部整合和外部整合,而且二者之间有密切的嵌入关系和交流机制。本文分析了供应链整合的层次和维度,分析这些关系和机制旨在促进企业与供应链上下游企业合作关系更好发展。
关键词：供应链整合,内部整合,外部整合,嵌入关系,交流机制
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结构嵌入 篇8
从20世纪中期开始,数控技术经历了6代的发展历程[1],进入了当前的以工控微机为控制核心的计算机数控时代。工控微机的硬件电路针对通用的数据处理和文件管理而设计,CPU适合于复杂指令集,具有很强的数值计算、逻辑处理和控制功能,但结构复杂,在专用的控制系统中产生了不必要的硬件冗余,多余电路无法裁剪,功耗很大,结果是工作可靠性降低,数控系统的平均无故障时间(MTBF)不能达到正常的生产指标要求[2,3]。此外,工控微机的硬件不是针对实时控制设计的,不能很好地满足实时控制需要[4]。
近年来,以ARM、MIPS等为代表的基于精简指令集(RISC)的新一代32位嵌入式微处理芯片,体积小、功耗低、主频高、实时性强、片上资源丰富、支持多数嵌入式操作系统,实现了嵌入式系统的片上集成(SoC),其特点是软硬件可裁剪,具有多级指令执行流水线,处理速度快,具有硬件浮点运算功能等,大大增强了嵌入式系统的实时计算与控制能力,将之取代工控微机,作为数控系统的控制核心,能显著提高数控系统的可靠性和控制性能。
本文研究嵌入式数控系统的体系结构,基于英特尔Xscale PXA275的ARM10微控制器,结合开源的嵌入式Linux操作系统,通过软硬件自主开发,操作系统和系统模块的裁剪设计,控制多台交流伺服电动机伺服进给和系统辅助信号等的功能控制[5,6,7],实现具有自主知识产权的嵌入式多轴联动数控系统的设计。
2 嵌入式数控系统的体系结构
2.1 硬件结构
根据数控系统的功能水平,可将嵌入式数控系统分为如下两种结构。
1.基于单微控制器的嵌入式数控系统
单微控制器嵌入式数控系统,使用单个嵌入式系统,全部功能操作,通过集中控制、分时处理的方式执行。结构框图如图1所示。
6个硬件模块的功能如下:
(1)嵌入式数控装置。
它是系统的控制核心,在嵌入式微控制器上建立有嵌入式操作系统,完成信息处理和实时控制,实现人机交互。在嵌入式操作系统的管理下,处理输入程序、执行译码、刀具补偿和速度处理,进行插补运算和位置控制;执行M、S、T等辅助功能指令,将逻辑控制信号发送给嵌入式PLC,实现系统的功能控制;在系统管理上,还要进行程序开发、调试、监控和诊断等工作。
(2)嵌入式伺服模块。
接受数控核心发出的电动机伺服控制信号,如进给脉冲和方向信号等,通过驱动电路,进行电流环、速度环和位置环的精确控制,驱动伺服电动机,实现多轴联动的轨迹控制。
(3)嵌入式主轴模块。
实现主轴调速和控制主切削运动,采用嵌入式PLC实现主轴的启动和停止,配合主轴驱动电路完成主轴的定位和伺服运动,实现系统的C轴驱动及换刀等功能。
(4)嵌入式PLC模块[8]。
实现系统的开关量控制和各种逻辑控制。数控系统的开关量信号很多,包括机床控制面板(MCP)、刀位等控制信号,一般有上百至几千个开关量,仅靠嵌入式微控制器的接口扩展,资源不能满足要求,需要通过PLC的扩展模块得以实现。此外,采用PLC可以实现模/数、数/模转换,实现对模拟量的控制,易于实现伺服进给与主轴转速的倍率控制等。
(5)显示与输入模块。
通过键盘、触摸屏、手摇脉冲发生器等输入装置,输入控制指令;数控系统的实时运行状态通过LCD、指示灯等显示,实现人机友好交互。
(6)通信模块。
主要指RS232、RS485、以太网口、USB等接口模块。嵌入式系统是借助宿主微机来开发其系统软件与应用程序的,一般通过RS232接口进行超级终端显示,通过以太网进行网络文件系统(NFS)的挂载,实现嵌入式操作系统的建立和软件开发。因此通信模块对于嵌入式系统的程序输入与软件开发尤为重要。此外有了以太网口,可方便与局域网、互联网的连接,便于远程操作,实现网络化控制。
单微控制器的嵌入式数控系统,由于只有一个中央处理单元,难于处理较为复杂的控制任务,因此控制轴数有限,响应速度较慢,一般适合于不超过4轴的经济型数控系统的控制应用。
2.基于多微控制器的嵌入式数控系统
多微控制器嵌入式数控系统,使用多个嵌入式系统,各个系统能并行处理信息,适应高速度、高效率和多轴控制等的需要,一般在系统的主要功能模块和处理部件上分别采用独立的嵌入式MCU来实现,各个MCU之间通过现场总线或通信接口进行信息交换,按照每个模块承担任务的重要程度,预先安排优先顺序,优先级较高的MCU能够优先占用系统的现场总线,实现优先控制。基于多微控制器和现场总线结构的嵌入式数控系统的结构框图如图2所示。
从图2可知,基于多微控制器的嵌入式数控系统的基本结构仍是由6个模块组成,只是主要模块之间的通信采用了工控现场总线进行,这就组成了基于现场总线结构的分布式系统,其中以嵌入式数控模块为核心,作为分布式系统的上位机,负责数控系统中主要的信息处理、实时控制和人机交互等工作,伺服、PLC以及主轴模块作为下位机实现系统的控制功能。
由此可知,各个控制模块分别有各自的CPU,扩展有统一的总线接口,实现上下位机之间的通信;而显示与输入模块可以根据需要分别设计在各个模块上,且每个模块所具有的显示及输入接口可以根据需要有所不同,上位机的主界面上需要有完整的显示和输入接口,而下位机上的显示界面和输入接口可以较简单些;PLC接口板可以根据所需的开关量数扩展输入输出点数,全部的开关量由PLC板上的CPU统一调度和处理,然后通过现场总线与上位机通信。
由于嵌入式系统的软硬件结构允许裁剪,因此在上述各个组成模块中可以根据功能需要的不同,分别配置各自的嵌入式系统结构,组成结构优化的嵌入式数控系统[9]。
2.2 软件结构
嵌入式数控系统的系统控制软件和应用程序是建立在嵌入式操作系统之上通过设计开发产生的,因此数控软件模块与嵌入式操作系统的软件模块共同构成了嵌入式数控系统的软件结构,如图3所示。
如图3所示,建立在嵌入式微控制器硬件平台之上的首先是引导程序BootLoader,用于对硬件进行初始化设置,执行时钟设置、内存映射、栈点设置、中断设置等操作,然后将嵌入式操作系统的内核映像zImage解压缩到工作内存RAM区,并启动嵌入式操作系统,此后的控制权交由嵌入式系统执行[10]。嵌入式硬件结构精简优化,需要裁剪嵌入式系统中冗余的硬件引导,禁止相应的内核模块,以提高系统的实时性能,这是嵌入式数控系统与基于工控微机的数控系统的主要区别之一。
基于嵌入式MCU建立起来的数控硬件,是专用于数控功能模块的结构,需要编制各自的驱动程序,通过加载,添加到嵌入式系统的内核空间中,形成嵌入式数控系统的设备驱动。
文件系统是嵌入式操作系统的组成部分,用于存储和管理嵌入式数控系统的文件。所有的系统程序和数控应用中开发的用户程序,都由文件系统管理。在嵌入式系统中,文件系统与操作系统内核一般都以压缩文件的形式,烧写在FLASH内存中,在系统引导启动时,被解压并复制到RAM区运行。
网络接口在嵌入式系统中有重要的作用,嵌入式系统本身的软件经过定制,已经非常紧凑,没有冗余的资源用于系统软件开发,因此一般是借助于宿主微机进行程序设计,在宿主微机上开发的程序,通过交叉编译,形成映像文件,烧写到嵌入式系统的存储介质中,然后才能在嵌入式环境中运行。在宿主微机上开发数控程序时,需要经常挂载到嵌入式目标系统中,进行动态调试,这就需要结合网络接口电路,设计网口驱动程序并建立通信协议。此外,结合硬件电路,还需要开发相应的包括RS232、USB和现场总线在内的接口软件,实现功能优越的嵌入式数控的通信系统。
数控系统是多任务工作系统,有实时性很强的插补与位置控制任务,也有诊断、显示、代码编程等非实时的管理任务,要求有多进程的管理界面,因此嵌入式数控系统的图形用户界面的设计凸显重要,决定着数控系统的操作难度和实际应用。图形用户界面的开发软件能够将嵌入式操作系统及其低层的硬件驱动加以抽象,提供给应用编程接口以抽象化的硬件接口函数,便于嵌入式数控系统的管理与控制软件的设计。目前有多种面向实时嵌入式操作系统的GUI开发软件,如:MiniGUI、MicroWindows以及Qt/Embedded等系统可供使用[11],可根据实际的应用场合选择一款合适的GUI软件实施开发。
在数控系统应用编程中,还有加工代码宏指令的设计和嵌入式PLC程序设计[12,13]。这是建立在一般高级编程语言(如C语言)之上的编程语言,符合ISO标准编程代码和PLC梯形图或语句表,作为宏指令,需要由高级编程语言解释,解释成嵌入式系统中常用的C/C++语言,然后编译成嵌入式MCU可执行的机器代码,实现加工控制。数控应用编程需要做好宏代码编译器的设计工作,一般包含词法分析、语法分析、中间代码生产、代码优化以及目标代码生产5个环节。
嵌入式数控系统是光机电综合系统,随着控制功能水平的不断增加,其软硬件的体系结构会逐步复杂,其涉及技术面广,软硬件的设计工作量很大,在嵌入式数控系统中,可通过定制和裁剪,逐步加以完善。
3 系统设计
根据嵌入式系统的技术特点,基于Intel Xscale PXA275的ARM10微控制器,设计一套基于CAN高速现场总线的分布式多微处理器控制结构的嵌入式数控系统如图4所示。
3.1 上位机结构设计
上位机采用基于工控应用场合的ARM10微控制器的芯片PXA275 (工作主频为520MHz)作为控制核心,结合相应器件扩展各个模块如下:
(1)结合DM9000接口芯片,在总线上扩展RJ45网口电路,实现网络连接。
(2)引出ARM10的DN0与DP0引脚信号,与+5V电源引脚及地线,组成USB接口电路。
(3)采用芯片MAX3232电路,在总线上扩展RS232接口电路,实现串口通信。
(4)ARM10芯片的输出引脚上设计有驱动LCD显示的FrameBuffer控制信号线,将之引出,与LCD显示屏的对应引脚相连,即可实现图形显示;而且,在该连接插座上,可以增加连接MCU的nYPON、nXPON、XPOS、YPOS、XMON、YMON信号线的驱动电路,即可实现触摸屏的输入功能。
(5)基于ARM10芯片的IIC总线,结合ZLG7290键盘扩展芯片,可扩展出8×8的键盘输入接口,用于上位机的功能指令和程序输入。
以上是上位机的基本模块设计,其余模块可以通过通过嵌入式系统的功能扩展,给予增减。在嵌入式系统中,每一模块的增减,都需要设计相应的驱动软件,才能使增减的模块实现功能操作。
3.2 下位机结构设计
下位机可以有多种功能控制模块,在嵌入式数控系统中,主要有伺服电动机驱动模块、主轴驱动模块和嵌入式PLC扩展模块等。
(1)伺服电动机驱动模块。
对ARM10微控制器的接口进行扩展,设计交流伺服电动机的双闭环调速电路和位置控制电路,实现多轴联动复杂曲线的联动控制。为了提高位置控制的实时响应能力,引入FPGA硬件插补电路[14],结合交流伺服电动机的功放电路,提高伺服控制功能水平。
(2)主轴驱动模块。
从ARM10引出控制信号,设计变频调速电路,实现主轴速度输出和主轴编码器信号输入,控制电主轴,实现主轴变频调速。
(3)嵌入式PLC控制模块。
在ARM10微控制器的内部总线上,扩展FPGA电路[15],定义相应的I/O接口点数,每条I/O线经过功率放大,转换为工作电压为24V的接口线,供标准的PLC控制信号使用。在该PLC接口板上,还可以设计A/D、D/A转换电路,满足包括倍率控制在内的数控功能控制需要。
以上每一模块都需要设计高速总线接口,确保上下位机相互间可靠通信。
3.3 现场总线CAN通信模块
上下位机之间的通信通过CAN总线进行[16],这是一种多主方式的串行通信总线,使用独特的位仲裁技术,通过报文滤波即可实现点对点、点对多点以及全局广播等方式收发数据,信号使用差分方式传送,具有高抗干扰能力,通信速率可达1MB/s,报文信息带有优先级和节点标志,可满足不同的实时要求。
使用ARM10微控制器芯片上的SPI总线,可以连接CAN总线控制器MCP2515,产生收发信号,通过CAN总线收发器MCP2551,即可将成帧的报文信号传送的CAN总线上,实现实时通信。
以上的各个模块电路,需要设计相应的驱动程序,加入到嵌入式操作系统的硬件驱动中,然后在应用程序中,通过硬件驱动来调用。
3.4 软件架构设计
基于嵌入式Linux操作系统,在上述硬件设计及其驱动开发基础上,采用MiniGUI图形用户界面开发软件,将操作系统及底层的硬件驱动通过可移植层给以抽象,上层的数控应用编程接口就可以通过MiniGUI提供的API以及ANSI C库实现数控软件的程序设计。
采用基于进程机制的MiniGUI运行模式,可以实现数控系统的多任务控制。同时运行数控加工代码的编辑、编译,伺服进给,I/O信号的PLC逻辑控制,加工状态的实时显示以及故障的监控与诊断等。
3.5 样机与调试
将上述设计研制的嵌入式数控系统,连接4台伺服电动机的驱动电路,再与作者自主研制的4轴数控工具磨床的机械结构连接,构成4轴嵌入式数控工具磨床原型机如图5所示。
在研发的嵌入式数控工具磨床上,进行性能测试和试磨运行,实验证明系统运行平稳,主频高,脉冲响应快,结合FPGA硬件插补技术可使信号实时响应能力达2ms水平,可适应速度达30～40m/min的多轴联动伺服进给控制要求,适应较高功能水平要求的数控应用要求。
4 结论
本文将数控技术与嵌入式系统相结合,提出了嵌入式数控系统的体系结构,采用ARM10嵌入式微控制器设计了基于CAN现场总线的多轴联动嵌入式数控系统,并应用于4轴工具磨床的伺服控制,设计和测试结果表明:
嵌入式数控系统具有优越的系统资源可配置性能,通过软硬件裁剪,可获得无冗余结构的高集成度数控系统。
嵌入式微控制器,主频高,基于精简指令集工作,功耗低,片上资源丰富,支持多数的嵌入式操作系统,控制功能强,结合FPGA硬件插补技术,能达到2ms的响应能力,确保嵌入式数控系统中实时而又可靠的功能控制。
基于工控应用场合的ARM10微控制器PXA-275,目前市场推广价格,已与单片机相当,组成的嵌入式数控系统性能价格比高,有推广价值。
基于源码开放的Linux系统,采用通用的C/C++结合ARM汇编语言,结合嵌入式系统的驱动开发,能够充分利用联网资源,具有开放性,设计出的多轴联动的数控系统,拥有自主知识产权。
结构嵌入 篇9
经过多年实践, 笔者总结出了一种适合这种情况的应用系统结构。该结构不仅仅能够满足视频监控前端的应用需求, 也适用于其他实时网络音视频应用, 比如音视频直播前端设备。
1 面临的问题
随着嵌入式设备应用功能增多, 系统越来越庞大, 代码越来越多, 带来了一些问题:
大型系统需要多人开发才能完成, 多人协作之间的耦合性太强, 沟通难度大, 联调时间周期长。
局部功能代码出现问题, 会导致整个系统崩溃的风险出现。代码越多, 系统越容易崩溃, 系统越不稳定。
局部功能代码出现资源泄漏和越界访问时, 不能定位哪里出了问题, 多人协作时责任不明确。
多产品共用代码时, 版本控制难度大, 修改一个产品会影响到另一个产品, 一个产品的开发进度对其它共用代码的产品有影响。
2 系统基本结构
为解决上述问题, 笔者在长期的工作实践中, 不停总结归纳, 最后选择采用多个独立进程隔离的方式来完成应用系统功能。在这个系统中, 各个功能模块都是独立的进程, 但作为一个整体系统, 各进程之间存在数据交互。根据交互的方式, 可以把数据分为两类:
2.1 信令
特点是数据量小, 交互不频繁, 最好少于1秒一条。实时性要求不高的, 可以5到10秒一条, 或者由用户操作触发。
2.2 数据流
特点是数据量大, 而且一旦启动就是一个持续的流, 数据之间的间隔非常小, 比如视频数据1秒可以有25帧。
为完成两种数据的内部交互, 在系统结构中引入了两个核心功能进程:
2.3 信令中心
信令的交互转发由此完成, 所有其他进程都和信令中心建立一个信令通道。如要给其他进程发送消息, 都发给信令中心进行转发。
2.4 数据中心
数据流的交互转发由此完成, 所有需要有数据流交互的进程, 都和数据中心建立数据通道, 由数据中心完成数据的转发和分发。
3 系统交互流程
系统的交互流程分信令交互流程和数据流交互流程两种。
3.1 信令的交互模型及流程
3.1.1 请求和响应信令
A进程发送请求给信令中心, 并指定这个请求是给B进程的。信令中心把这个请求转发给B进程。B进程处理请求之后, 把响应发回给信令中心。信令中心再把响应发回给A进程。
3.1.2 分发型通知信令
A进程把通知发送给信令中心。信令中心把这个通知转发给那些订阅了这个通知的进程。
3.1.3 定向型通知信令
A进程把通知发送给信令中心, 并指定这个通知是给B进程的。信令中心把这个通知转发给B进程。
3.2 数据流的交互模型及流程
3.2.1 分发型数据流
数据源进程产生数据之后, 通过和数据中心建立的数据通道发送给数据中心, 数据中心把这些数据分发给需要这种数据的进程。
3.2.2 点对点型数据流
两个需要交互数据的进程都和数据中心建立数据通道, 需要交互的两个进程通过各自的数据通道收发数据即可。
4 结语
笔者按照上述系统结构和交互流程, 对工作中的几种产品的代码进行了重构。实践证明, 该结构能够有效的完成各个产品的多种功能, 而且能够最大限度的实现功能模块在多个产品中重复使用, 提高了开发效率, 还具有如下优点:
功能模块进程之间耦合性小, 方便多人协作开发, 沟通代价小。
功能模块进程出错崩溃之后, 只影响局部功能, 不会影响整个系统。
某个功能进程出现越界访问和资源泄漏, 影响被限制在功能进程内部, 不会影响其他功能模块。
多产品共用的功能进程, 开发稳定之后, 如不改动, 就能确保其正确性和稳定性, 减少了测试代价及出错风险。
参考文献
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