基于模型设计

基于模型设计（共12篇）

基于模型设计 篇1

1996年6月.Ariane5火箭发射失败,导致数十亿美元的巨大损失,原因就是在四上运行的算法拿到了五上用,但它的处理器换了,导致了数据溢出,所以发射37秒后坠毁。这次失败催生了一种避免数据溢出的技术,这就是软件运行时错误检测工具(Polyspace)。日前,2013SIMULINK巡回研讨会在我国四个城市先后上演,主办会议的MathWorks公司是数学计算软件领域世界领先的开发商,本刊记者采访了该公司中国区应用工程师团队经理魏奋先生。

引入两款Polyspace代码验证新产品

近日,MathWorks宣布引入两款新的代码验证工具以扩充其Polyspace产品系列:Polyspace Code Prover和Polyspace Bug Finder。据悉.这两款产品提供了端到端软件验证功能,供早期开发阶段使用,其中涵盖了查找缺陷、检查代码规则以及证明不存在运行时错误,可以使验证功能更加完善,小到快速查找缺陷,大到验证嵌入式软件的高完整性,由此便可确保嵌入式软件的稳健性,使其能够以最高级别的质量和安全性运行。

魏奋告诉记者,Polyspace Code Prover是一款基于形式化方法的验证工具,用于证明代码的正确性,负责代码安全和认证的工程师可以使用它来确定何处会发生或不会发生运行时错误。颜色编码和基于证明的结果简化了验证任务,使得软件开发流程更加高效和优质。此外.Polyspace Code Prover还利用MATLAB平台,使用户可以访问强大的MATLAB功能,例如稳健的计算机集群间工作分配,自动化脚本编写,结果可视化以及认证报告生成。Polyspace Code Prover融入了先前在Polyspace Client for C/C++和Polyspace Server for C/C++中提供的功能。

Polyspace Bug Finder可识别嵌入式软件中的运行时错误、数据流问题以及其他缺陷。魏奋说,Polyspace Bug Finder可以利用静态分析方法来分析软件控件,数据流以及过程间行为。此软件还能够查找各种缺陷,例如数值,内存以及其他编程错误。与传统的人工审验不同,Polyspace Bug Finder使工程师可以快速识别,诊断和修复代码缺陷,从而简化开发流程。此工具不仅可检查是否符合代码规则标准(例如MISRA和JSF++、自定义规则),而且能够生成衡量代码质量和复杂度的指标。与Polyspace Code Prover一样,Polyspace Bug Finder可利用MATLAB平台进行工作分配、脚本编写和结果可视化。这两款产品都与Simulitnk集成在一起以便用于自动生成代码。

Polyspace产品系列可提供全面的代码验证解决方案,使工程师在整个开发流程中对嵌入式软件的质量和安全性更加充满自信。以上两款产品将静态分析和形式化方法代码验证技术融于一体,可帮助工程师在开发流程早期找出缺陷,证实其软件的关键环节是安全的,从而加以部署。

增强MATLAB和Simulink产品功能

MathWorks公司推出的MATLAB是一种用于算法开发、数据分析,可视化和数值计算的程序设计环境,称为“科学计算的语言”。魏奋解释说,其实作为仿真软件,MATLAB在数学建模或其他数学运算上常用,例如通信领域的数字信号处理,所谓的最基础的蝶形图和频谱图等都是可以使用MATLAB画出来的,这些图形可以帮助工程师去监测他们模拟建模出来的方案信号是否符合最终要求,也可以帮助工程师快速搭建系统框架.为硬件搭建打下基础。而Simulink是一种图形环境,可用于对多领域动态系统和嵌入式系统进行仿真和模型化设计,它作为控制类工程师必不可少的软件.其在控制方向发挥着非常重要的作用,快速以及精准地排查模型的可行性以及错误率等因素,进一步从根源上杜绝最终产品的失败。例如,Simulink可以快速排查汽车或者飞机引擎中的各个参数是否合格,如果不合格,最终产品就面临非常严重的事故。全球的工程师和科学家们都依赖于MathWorks公司所提供的这些产品系列,来加快在汽车、航空,电子,金融服务、生物医药以及其他行业的发明、创新及开发的步伐,此外,MathWorks产品也是全球众多大学和学术机构的基本教研工具。

MathWorks每年都会对产品进行两次定期更新,上半年一次为a.而下半年的这次则为b。该公司最新推出的2013b版MATLAB和Simulink产品系列是2013年的第二次更新,更新主要围绕控制以及数学运算等方向,针对应用包括汽车电子、通信电子以及航天控制等方向。

魏奋说.这次MATLAB的更新主要有:数据类型的更新,扩充了更多表格数据和分类数据,对现在急需数学数据整理和运算的工程师非常有帮助,GPU提速针对图像处理工程师,在通信电子应用方面帮助很大,Phased Array Syslem Toolbox借助MATLAB Coder对C代码生成支持,就目前做系统架构的工程师而言非常便捷他还说,Simulink仿真速度进一步加强,帮助控制类工程师缩短项目运行时间,便于将更多精力投入其他研发阶段,主要应用于汽车控制与航空控制,Simulink硬件连接,用于基于项目的学习,便于大学类教育,可以直接硬件与软件连接,代码直接写入硬件,便捷操控,此外,还有Xilinx ZYNQ&Zedboard的支持,

总之,MathWorks产品作为软件类的工具,可以说从学校到工作,到处都有它的使用者而作为项目类的团队以及系统架构类的工程师更喜欢使用MathWorks的产品,不仅仅是因为其兼容性,更因为它的便捷与高效,作为各个行业的研究和应用,软件发挥了其不可替代的作用,而MathWorks直致力于更细节的应用,帮助整个行业做到更好。

基于模型设计 篇2

摘 要 对网络学习空间的概念进行界定，在总结网络学习空间中知识共享过程性、依赖性、情景性、效果性四大特性的基础上，构建网络学习空间中知识共享的模型。

关键词 网络学习空间；知识共享；学习资源

中图分类号：G652 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2017）07-0055-03

前言

中共中央办公厅、国务院办公厅印发的《2006―2020年国家信息化发展战略》中指出，全球信息化正在引发一场全方位的社会变革，加快信息化的脚步是全人类的共同选择[1]。2012年9月5日，刘延东同志在“全国教育信息化工作电视电话会议”上指出：“十二五”期间，要以建设好“三通两平台”为抓手[2]。网络学习空间首次在我国提出，并把网络学习空间的建设提到一个相当重要的位置，成为当前教育领域一个具有重大意义的课题。网络学习空间的概念界定

目前针对网络学习空间较为权威的定义还没有，研究者一般从广义和狭义两个层面来理解网络学习空间。

贺斌、薛耀锋认为，网络学习空间是指经过专门设计的，利用现代信息技术和计算机网络构建的支持学习发生的虚拟空间[3]。祝智庭提出，网络学习空间作为面向正式学习与非正式学习的虚拟空间，运行于一定的学习支撑服务平台上。他参照教育传统模型，从“通”“达”两个层面指出网络学习空间的建设和应用要求，即从建设层面和应用层面指出网络学习空间由角色空间、内容资源空间、媒体工具空间、过程信息空间四大要素构成[4]。吴忠良提出，网络学习空间是指教师和学习者在虚拟的网络学习环境中的一块专属领地，在这里空间主人既可以像博客那样收藏、创建、分享学习资源，管理自己的学习，又可以像Moodle、Sakai平台那样组织或参加课程协作学习，及时提供或获取教师及其他学习者的帮助[5]。

笔者认为，以上研究者的观点是站在广义的角度来界定，认为网络学习空间是指运行在任何平台载体之上，支持在线教学活动开展的虚拟空间。

钟绍春认为，根据使用者的个性化需要，提供不同的个性化需要的网络应用系统，该系统被称之为网络学习空间。他认为不同的人要有不同的网络应用系统，大致可分为学生、教师、校长、家长等个人空间，班级、年级、教研组、学校、教育局等机构空间。在这些网络学习空间里，使用者可以根据自己的需求得到相应的应用服务，可以进行个人收藏、关注网站、结交好友、发布通知、接收信息、展示成果等[6]。张子石等指出，网络学习空间平台是一个以教师、学生和家长为服务对象的网络化社交学习的平台，能够建立优质教育资源的共建共享机制，让教师在网络上开展教学和教研活动，让学生进行个性化学习，推进教学方式与学习方式变革，实现教育的公平均衡发展[7]。

笔者认为，以上研究者的观点是站在狭义的角度来界定，认为网络学习空间特指运行在专门的教育服务平台之上，支持在线教学活动开展的虚拟空间。

笔者认为，网络学习空间是根据学习者的个性化需求设计，能够开展正式学习与非正式学习的学习环境。在网络学习空间中，学习者可以自主地选择学习内容，安排学习时间、选择学习方式，甚至于安排自己的老师与同学。网络学习空间中知识共享的内涵

网络学习空间中知识共享是针对某一知识（包括显性知识和隐性知识），知识拥有者和知识获取者以自身知识或经验为依托，通过网络学习空间进行互动交流，通过外化传递、内化吸收的形式，将散落的知识资源整合成为一个跨越时间、空间和组织的知识库，通过知识转移、知识创新、知识整合、知识融合，促进知识的快速流动和扩散，实现知识增值的目的，如图1所示。网络学习空间中知识共享的特性

动态公开性 网络学习空间中的知识共享是同步的交流或者异步的交流，不受?r间和空间的影响，摆脱了传统学习中的层级关系。知识共享活动中只有学习伙伴，没有教师、专家、教授等特殊角色的束缚，并且交流内容和互动成果，通过学生个人网络学习空间会被更多的人看到。一次知识共享活动并不是限定于一对知识拥有者和知识获取者之间的交流互动，每个知识共享活动的全过程对所有的学习者都是开放的，在知识共享过程中，新的成员可以随时加入交流讨论。随着学生个人网络学习空间里存储的数据、信息不断增多，学习者的知识水平不断提高，新的学习者的加入，新的知识也被引入网络学习空间知识库中。

因素不定性 学习者具有不同的属性，针对于特定的问题或者特殊的情景，不同的学习者以其自身视角，会提出独特的解决方法或者选择独到的解决途径。甚至一些知识的拥有者是将感性理解模糊地传递给知识的获取者，传递的知识不系统，难以被共享。这种不系统、不清晰、难以被共享的知识，大部分是隐性知识，隐性知识的产生伴随着特殊的情景、不同的经验、难以用语言文字表达的逻辑和知识拥有者独特的理解。学生个人网络学习空间中的学习是个性化的学习，每个学习者的属性不同，每个学习者选择的行为也不一样。

激励依赖性 知识的共享常常伴随实践活动的进行而发生，学习者通过讨论推理、协作对话完成知识创新，达到知识增值的目的。通过明确推理获得的知识比教师或学者总结的知识缺乏严密性、普适性，学习者容易丧失信心，半途而退。在网络学习空间中，对学习者知识共享行为主要以反馈和评价、积分等无形的形式进行激励。网络学习空间中知识共享的模型设计

知识共享包含知识发送、知识加工、知识接受、角色互换四个阶段，如图2所示。

知识发送 学习者在家庭作业学习中遇到不能解决的问题或者困惑时，网络学习空间中的学习同伴就成为学习者寻求帮助的重要途径，促进知识的发送。

知识加工

1）知识转移。知识拥有者将自身所拥有的知识、自己的学习经验和心得体会发送到学生个人网络学习空间中，有学习需要的人阅读、收藏此部分学习资源，从而实现知识的转移。

2）知识整合。将外部获取来的信息内化吸收成为自身的知识，从而实现知识的整合。知识整合是提升个人能力的关键环节，整合外部资源获取来的语言、文字、图示等转化为个人知识系统的一部分，分散的知识归类整理成为模块，使知识结构化。

3）知识融合。整合好的知识需要很好地融合，否则就会出现死记硬背、生拉硬套等问题。在群体的分享中，注意融合个人学习的心得和成果，并且将不易表达的隐性知识转化为显性知识，从而促进整个群体知识的积累和沉淀，同时充分吸纳他人的心得体会，内化成个人的隐性知识，将他人的学习成果跟自己的所思所想结合，实现知识融合。

4）知识创新。当学习者面对复杂的学习情境时，会激发出知识的创造力。学生个人网络学习的平台为学生提供了这样一个孕育创造力的平台。网络学习者在知识创新的同时，也增加了对学习环境信息的吸纳能力。学习者知识创新的能力越强，进行自主选择的空间和范围就越大，获得的知识管理和学习自由度就越大。

5）知识更新。将知识创新的成果公布到学生个人网络学习的平台中，就实现了知识的更新。当然并不是所有的知识创新都被平台所接纳，学生个人网络学习空间会对生成性知识有一个筛选和评价机制，知识的更新使得学习者的学习视角更加广阔。

知识接受 知识拥有者发送知识，知识获取者接受知识，一个寻求者一个提供者。每个学习者在学生个人网络学习空间的共享过程中可以担任双重身份，既可以是知识寻求者，又可以是知识提供者。知识接受、存储、整理、融合、创新后形成的生成性资源，又成为自由获取的公共知识资源发挥更大的作用，提升知识共享的效率。

角色互?Q 知识拥有者可以通过角色的互换成为知识获取者，当然知识获取者也可以将自己新获取的知识发送给下一个需要它的学习者，所以一个学习者是在知识拥有者和知识获取者两个角色之间进行转换的。角色的互换使得网络学习空间中的学习更加生态化。小结

本文对网络学习空间的概念进行界定，分析网络学习空间中知识共享过程性、依赖性、情境性、效果性四大特性的基础上，构建网络学习空间中知识共享的模型，以期对一线教师的教育教学工作带来新的思路。

参考文献

基于角色模型的家具设计教学探究 篇3

关键词：角色模型 产品设计 家具设计

一 引言

家具设计是工业设计专业的主干专业课之一。在作者所在的院校，家具设计是产品设计（二）的教学内容，该课程安排在大学三年级的上半学期。其目标主要是通过完整案例的设计，使学生掌握产品设计的基本流程和方法，掌握市场调研、设计定位和用户研究的方法，并能在实际设计中予以应用。在以往的产品设计课中，由于大多为虚拟项目，没有真实的用户，学生并不重视调研，出现调研与设计脱节，甚至先设计后补做调研的情况。而在方案设计中也仅凭个人经验和直觉围绕产品本身展开设计，在目标用户与设计结果之间没有建立起应有的联系。为避免这种情况，在此次家具设计课程中引入了角色模型（Personas）的概念，用以引导学生的设计。

二 基于角色模型的产品设计

（一）何为角色模型

角色模型（Personas）的运用源于戏剧中的角色描写（character description）。文学创作中的角色创造有一定的原型，而又超越原型本身。为了使角色有骨有肉，会对其外貌特征、衣着服饰、言行举止等进行细节描写。成功的人物塑造，虽在一定程度上带有艺术加工和虚构的成分，但却能够让人觉得是真实存在的，仿佛就是某一类人的典型。基于这样的原理，在产品设计中引入角色模型的概念，在了解目标用户群的基础上，通过塑造一个或多个虚构的人物作为目标使用者，并以此为基础，进行产品的开发设计。这种设计的方法可称之为角色模型法。

可见，角色模型法是一种以用户为中心的设计法。但是，相对于传统的用户为中心的设计法，角色模型法通过构建角色、设定角色环境、讲述角色故事，形成特定的情境，使目标使用者更加具体形象，在设计团队成员之间也更容易建立起统一的设计目标。

（二）运用角色模型的产品设计的程序与方法

在不同的企业，产品设计的程序不尽相同，但大致上可概括为五个步骤，即：设计调研、分析定位、概念方案设计、方案细化和模型制作。如（图1）所示。

若基于角色模型法进行产品设计，则其一般程序可概括为：

1 角色构建，即人物的塑造。角色构建是在用户调研和资料收集的基础上进行的。在构建角色之前要先明确设计的目标群体，通过访谈、观察、问卷调查或桌面调查（desk research）的方法收集目标用户的资料，明确该群体的特征，并找出这一群体的若干典型人物。最后再以其中的一个典型人物为蓝本，结合该目标群体的共同特征构建角色，对角色进行深入刻画。刻画人物的角度没有定律，可根据人物特色和产品开发的需求而定。

2 根据角色定义产品，即进行产品定位。产品定位包括根据角色的使用需求确定产品的使用情境和基本功能；根据角色的生活方式定义产品的视觉形象等。产品使用情境与基本功能的定位，通常是用一系列关键词或短语、语句表示，也可以依据5W2H法，快速设定产品化的条件：

Who——为谁设计？

Where——在什么场合使用？

When——何时使用？

Why——为什么设计？

What——做什么？

How——怎么使用？

How much——达到怎样的水平或标准？

而产品视觉形象的定位可以用情绪模板、材料模板、色彩模板、风格模板等将产品的材料、色彩、形式风格等构想具体化。

3 进行产品概念构思，其目的是将产品属性可视化。主要是根据产品定位，借助各种创造技法如头脑风暴法、联想法、仿生法、类比法等进行功能方式的创造，用草图的方式探索可能多的产品的功能、形态创意。

4 方案选择和细化。对概念方案进行初步的筛选或方案之间的重组整合，选出几个方案进行细化发展。这一阶段要进一步明确产品的特征，并且要对照角色特征，反复进行方案的调整。方案的发展主要用详细的草图对细节进行推敲，用计算机辅助设计软件进行产品3D建模和渲染。同时要初步确定产品的工艺方案（CMF proposal），包括产品的外观色彩、材料、加工方法等。

5 模型制作。通过制作比例模型，可以进一步检验设计，并根据需要对产品进行人机测试、功能测试或用户测试，以便根据测试结果对设计进行调整，并准备结构设计和样品试制，直至生产准备。

由此可见，角色模型法的应用，主要集中在设计调研和分析定位阶段，进而影响概念方案的设计和后续方案的发展，从而影响最终的设计结果。

三 家具设计教学实践

此次课程为期6周共72学时。参加的学生数共19人，分为6组（每3至4人为一组）。课程项目为虚拟项目，要求分别自定目标群体，并为该群体设计一组家具。为了使学生避免以往常见的凭个人主观想象进行方案设计的情况，决定尝试用角色模型法指导学生的设计，以期培养学生以使用者为中心的设计意识。因此，在讲授角色模型法之后，学生就围绕项目要求，根据角色模型法的一般程序展开设计。课程的教学也是围绕项目的进度进行讲解与辅导。

这里以其中三组作品为例，介绍角色模型法在家具设计中的应用，重点介绍角色构建、产品定位、方案设计与实物模型效果。

（一）第一组作品

1 角色构建

（1）目标群体：年轻小资白领，年龄：25-30岁。

（2）角色模型：Lina，女，27岁。

（3）角色描述：

作家、平面模特、自由职业。

在中国念完高中后随父母移居日本。

现在中国独自生活，工作的随意性让她有很多的时间做自己喜欢的事情。

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喜欢恬淡自然的生活，标准的80后文艺青年。喜欢的服饰、物品、风格都来自她一切尊崇自然的生活态度。如（图2）

（4）角色生活故事：通过“Lina的一天”来描述角色典型的衣、食、住、行、娱乐、工作等活动。（图3）

早上8：00，空气清新的早晨，打开窗台上老式的收音机，听着深深浅浅的音乐，穿着舒适的棉麻质衣服。名牌？时尚？我不知道怎么定义。我只是选择适合我的生活方式的。

早上8：00至16：00，我喜欢干净、舒适、有质感的生活。即使工作中也不例外。微黄的台灯，牛皮纸包的本子和窗台上的野菊，会让我心情愉快地完成一天的写作。

下午16：00至18：00，昏昏沉沉的下午，非常适合一个人安静地喝茶看书。看着香炉里探出的一缕青烟，立柜上某个城市买回来的小摆件，墙角喃喃私语的花草，一切静谧中，思绪却热闹非凡。

我认为追求自然，还原自然是生活的本质。金钱、名利都不是我在乎的，我的能力足够支付我的生活所需。侍弄花草、拉手风琴，我都不是专业，但又有什么关系呢？偶尔天气晴好，我会带上心爱的相机，行走伫立于闹市，记录他们的一切。

从这样的描述中，我们不仅能够看到角色人物所使用的物品和选择物品上的风格倾向，从她一天的工作和活动中也不难体会到人物的性格、品位、生活态度，从而为产品的设计定位提供依据。

2 产品定位

在角色构建的基础上，根据角色人物的生活方式，将所设计的一组家具定位为“由椅子、茶几和搁物架围合成的轻松的阅读空间”。并且进一步从材质、色彩和风格几个方面进行家具视觉形象的定位。如（图4）

（1）材质：实木，有质感。根据人物崇尚自然，追求传统自然而舒适的生活的特点，可选用的材料包括实木，皮革，藤，竹，陶瓷，玻璃，棉麻等。

（2）色彩：淡雅，有格调。选用天然的木色，淡黄的灯光，干净的白色，清新的黄绿，温暖，朴实淡雅，清新自然；整体感觉干净，色调统一，有格调。从人物的生活环境和喜欢的生活用品中提炼颜色，也可以作为设计方案配色的参考。

（3）风格：简约，有品位。简约风格就是简单而有品位。这种品位体现在设计上的细节把握和推敲。在制作上更要求精工细作。

3 方案设计与实物模型效果

在产品定位的基础上，进行方案设计。设计构思阶段会产生多个关于功能与形态的草图方案，但是必须围绕“角色模型”与“产品定位”进行筛选，从多个草图方案中选择一个或多个进行整合细化。再根据设计方案选择合适的材料制作1：1的实物模型。从实物模型的效果上看，整体造型风格统一，符合预设的产品视觉形象，与角色人物的关联度较好。但是由于学生的能力所限，在细节的把握与处理上还不够到位，还可以进一步的改进完善。如（图5）

（二）其他两组作品

其他小组的设计也是围绕角色模型法的程序展开，分别进行角色构建、产品定位与方案设计。

1.根据角色人物喜欢阅读、上网、喝咖啡的习惯而设计的一组家具，包括：搁物架、椅子和边桌。如（图6）2.根据角色人物喜欢自由的生活方式而设计的沙发和茶几。这组沙发可以根据需要自由组合，而且其中的一件沙发也可以变为茶几，使用方式比较灵活多变。如（图7）

四 小结

在家具设计的教学中，用角色模型法指导学生的设计实践，可以通过角色的塑造，了解目标用户的需求，在小组成员之间树立起统一明确的设计目标，使设计能够围绕用户展开。从设计的结果看来，不同人物角色的塑造和描述，能够在设计之初帮助确立不同的设计方向，进而影响设计的展开，并最终形成多元化的设计方案。而且在方案的功能和形式上，都能与用户的需求建立较好的联系。

基于模型设计 篇4

关键词：Excel,存货,模型设计

存货是指在日常经营过程中为了销售而持有的、为了销售而处于生产过程中的、为用于生产销售的商品或劳务而持有的资产。存货在资产负债表中列为流动资产, 包括原材料、在产品、半成品、产成品、低值易耗品、委托加工材料、包装物等。企业持有足够的存货, 不仅有利于生产过程的顺利进行, 节约采购成本与生产时间, 而且能够迅速地满足客户各种订货的需要, 从而为企业生产与销售提供较大的机动性, 避免因存货不足带来的机会损失。

一、存货成本及其经济订货批量

1. 存货成本

企业为存货所发生的一切支出, 称之为存货成本。主要包括采购成本、定货成本、存储成本、缺货成本等部分。存货成本的构成从理论上讲, 应该包括从购入到使商品处于可供销售的地点和状态的一切直接和间接的支出。

2. 经济订货批量

经济进货批量, 是指能够使一定时期存货的总成本达到最低点的进货数量。决定存货经济进货批量的成本因素主要包括变动性进货费用 (简称进货费用) 、变动性储存成本 (简称储存成本) 以及允许缺货时的缺货成本。不同的成本项目与进货批量呈现不同的变动关系, 因此存在一个最佳的进货批量, 使成本总和保持最低水平。

3. 存货ABC分类管理

对存货的日常管理, 根据存货的重要程度, 将其分为ABC三种类型。A类存货品种占全部存货的10%~15%, 资金占存货总额的80%左右, 实行重点管理, 如大型备品备件等。B类存货为一般存货, 品种占全部存货的20%~30%, 资金占全部存货总额的15%左右, 适当控制, 实行日常管理, 如日常生产消耗用材料等。C类存货品种占全部存货的60%~65%, 资金占存货总额的5%左右, 进行一般管理, 如办公用品、劳保用品等随时都可以采购。通过ABC分类后, 抓住重点存货, 控制一般存货, 制定出较为合理的存货采购计划, 从而有效地控制存货库存, 减少储备资金占用, 加速资金周转。

二、相关函数介绍

1. SQRT函数

SQRT函数的功能是返回正平方根。

函数语法:

SQRT (number)

Number要计算平方根的数。

函数说明:

如果参数Number为负值, 函数SQRT返回错误值#NUM!。

2. IF函数

IF函数是较为常用的逻辑函数之一, 它执行真假值判断, 根据逻辑计算的真假值, 返回不同结果。可以使用函数IF对数值和公式进行条件检测。

函数语法:

IF (logical_test, value_if_true, value_if_false)

Logical_test表示计算结果为TRUE或FALSE的任意值或表达式。

Value_if_true logical_test为TRUE时返回的值。

Value_if_false logical_test为FALSE时返回的值。

函数说明:

函数IF可以嵌套七层, 用value_if_false及value_if_true参数可以构造复杂的检测条件。

在计算参数value_if_true和value_if_false后, 函数I返回相应语句执行后的返回值。

如果函数IF的参数包含数组 (数组:用于建立可生成多个结果或可对在行和列中排列的一组参数进行运算的单个公式。数组区域共用一个公式;数组常量是用作参数的一组常量) , 则在执行IF语句时, 数组中的每一个元素都将计算。

3. INT函数

INT函数的功能是将数字向下舍入到最接近的整数。

函数语法:

INT (number)

Number需要进行向下舍入取整的实数。

三、利用Excel建立经济订货批量模型与存货ABC模型

1. 经济订货批量综合模型

(1) 新建工作簿与工作表。启动Excel电子表格, 在BOOK1工作簿中新建一工作表, 命名为“经济订货批量”, 建立“经济订货批量综合决策模型表” (如图1所示) 。

(2) 计算“经济订货批量”。单击B13单元格→在编辑栏中输入“=IF (A11=1, SQRT (2*B4*B5/B6) , IF (A11=2, SQRT (2*B4*B5/B6* (B7+B6) /B7) , SQRT ( (2*B4*B5*B8) / ( (B8-B9) *B6) ) ) ) ”→按【回车】键确认, 即可求出在不允许缺货、允许缺货以及陆续到货三种不同情况下的经济订货批量。

其中, IF是逻辑函数、SQRT是平方根函数。当A11单元格等于1时, 计算的是不允许缺货的经济订货批量;当A11单元格等于2时, 计算的是允许缺货的经济订货批量;当A11单元格不等于1或2时, 计算的是陆续到货的经济订货批量。

(3) 计算“年订货次数”。单击B14单元格→在编辑栏中输入“=INT (B4/B13+0.5) ”→按【回车】键确认, 即可求出三种不同条件年订货次数。

(4) 计算“年最低订货费用”。单击B15单元格→在编辑栏中输入“=IF (A11=1, SQRT (2*B4*B5*B6) , IF (A11=2, SQRT (2*B4*B5*B6*B7/ (B7+B6) ) , SQRT ( (2*B4*B5*B6* (1-B9/B8) ) ) ) ) ”→按【回车】键确认, 即可求出三种不同条件年最低订货费用。

(5) 添加控件。调出窗体工具栏, 在B10单元格添加一组合框, 将其数据源链接到D1:D3单元格区域, 条件单元格链接到A11单元格;最后结果 (如图2所示) 。

(6) 建立动态图表。单击A19单元格→在编辑栏中输入”=B4/B13*B5”;单击A20单元格, 在编辑栏中输入”=B13/2*B6”;单击A21单元格→在编辑栏中输入”=SUM (A19:A20) →按【回车】键确认, 即计算出不允许缺货情况下最低总成本。

单击C21单元格→在编辑栏中输入“=A21”, 选取B29:B34单元格区域, 分别输入不同的订货量;选取B28:B34单元格区域, 单击“数据”菜单, 选择“模拟运算表”, 在打开的“模拟运算表”对话框“输入引用列的单元格”中输入“B13”, 单击“确定”后, 即形成了总成本与经济订货批量模拟运算表 (如图3所示) 。

选取A36:A40单元格区域, 在编辑栏中以数组方式输入公式“=B13”, 选取B36:B40单元格区域输入相关数值 (如图4所示) 。

分别选取上述两个区域, 利用图表向导, 建立一XY散点图。调出窗体工具栏, 在图表区添加一“微调控件”, 右击该“微调控件”, 选择“设置控件格式”在“单元格链接”文本框中输入“B4”, 这样就形成了一个动态图表, 反映在不同需求量情况下, 订货量与总成本之间的变动情况 (如图5所示) 。

2. 存货ABC管理模型

(1) 新建表。在“BOOK1.xls”工作簿中另建一工作表, 命名为“库存ABC”, 建立“库存ABC管理模型表”, 并将库存金额降序排列 (如图6所示) 。

(2) 计算“库存金额所占比重”。单击D3单元格→在编辑栏中输“=C3/$C$24”→按【回车】键确认, 复制公式至D23单元格, 这样就计算出了各库存金额所占的比重。

(3) 计算“累计比重”。单击E4单元格→在编辑栏中输入“=D4+E3”→按【回车】键确认, 复制公式至E23单元格, 这样就计算出了各库存金额的累计比重。

(4) 库存分类。单击A3单元格→在编辑栏中输入“=IF (E3>=95%, “C”, IF (E3>=80%, “B”, “A”) ) ”→按【回车】键确认, 复制公式至A23单元格即可, 这样就将其库存商品进行了A、B、C分类 (如图7所示) 。

(5) 品种分析。单击I3单元格→在编辑栏中输入“=COUN-TIF ($A$3:$A$23, “A”) ”→按【回车】键确认, 复制公式至I5单元格, 这样就求出了不同分类的品种个数。

单击J3单元格→在编辑栏中输入“=I3/$I$6”→按【回车】键确认, 复制公式至J5单元格, 这样即可求出各品种所占的比重 (如图8所示) 。

从计算结果可以看出, ly205、ly206和ly203这三种存货占用资金比重合计达73.81%, 而其品种数只占14.29%, 故企业应对这三种存货加强监督与管理。

参考文献

基于模型设计 篇5

基于综合评判的最佳线路的数学模型设计

针对全国大学生数学建模竞赛中乘车线路选择问题,提出了一种基于综合评判数学理论的最佳线路选取的`优化算法.该算法考虑了不同因素对线路选择的影响,因而更加科学、合理.

作 者：王达开  作者单位：辽宁石化职业技术学院,辽宁・锦州,121001 刊 名：科教文汇 英文刊名：THE SCIENCE EDUCATION ARTICLE COLLECTS 年，卷(期)： “”(12) 分类号：G712 关键词：乘车线路   最佳线路   综合评判  

基于模型设计 篇6

摘 要：目前，各种各样的学习平台和学习终端层出不穷。因此，面对多样化的终端设备，我们在开发应用程序时考虑如何实现在不同设备的无差异化移植显得越来越重要。如何运用相关技术保证跨终端、跨平台的统一用户体验，这是值得探索的问题。针对一般的三维物理模型存在跨平台问题，文章通过研究WebGL技术在构建三维物理模型中的应用，提出了利用浏览器对WebGL的支持来解决跨平台问题的方法。该方法通过HTML5中Canvas画布获得三维绘制场景，在该场景中利用WebGL第三方库（three.js）构建三维物理模型，然后由浏览器对模型进行渲染，从而解决跨平台问题。研究结果表明，WebGL技术的应用为三维物理模型的构建提供了新的思路，克服了跨平台问题，极大地支持泛在学习，适应教育新常态——创客教育。

关键词：三维模型；WebGL；跨平台；设计与开发；

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2016）06-0075-05

一、引言

随着计算机技术和网络技术的快速发展，虚拟现实和三维可视化技术已成为时下Web技术的焦点。近年来3D技术因其开发和设计上的突出优势而被广泛应用在软件行业、3D硬件行业、数字娱乐行业、制造业、建筑业、虚拟现实、地理信息GIS以及3D互联网等行业[1]。然而当互联网时代的热潮还未褪去时，移动互联网时代已悄然来临。随着手机、Pad等移动设备的普及，越来越多的学校逐步开始尝试开放移动终端进入课堂，更进一步将移动设备引入教与学的过程。为更好地实现信息化创新教学，实现教师教学方式的改变与学生学习方式的转变，促进学生的知识建构，实现泛在学习、无缝学习，实现创客教育。那么如何使教学资源体现出交互性、移动性、智能化，以更好地适应课堂教学方式的变革？这对我们开发相关应用程序和教学资源提出了更大挑战：如何运用相关技术保证跨终端、跨平台的统一用户体验？

在过去，Web3D技术主要依赖不同的插件，为了展示3D效果，用户不得不安装各种插件，跨平台性较差。随着HTML5技术近年来的迅猛发展[2]，这种状况得到了极大改善。特别是随着HTML5标准的进一步规范和完善，其提供的新特性和新标签能更好地适应现今多终端访问需求。目前，更多的主流浏览器如Chrome、Firefox、Safari、Opera以及IE11等对HTML5和WebGL提供了较好的支持。因此，我们可以在浏览器内部实现3D图形的硬件加速，创建3D游戏或其他高级的3D图形应用程序，从而使其在不同终端运行成为可能。

在此背景下，本文针对一般三维物理模型存在开发复杂、硬件要求高以及移植不便等问题，研究了WebGL技术在构建三维物理模型中的应用，提出了利用浏览器对WebGL的支持来解决跨平台问题的方法。该方法利用图形硬件加速图形绘制，有着较快的调用速度，通过HTML5中Canvas画布获得三维绘制场景，在该场景中利用WebGL第三方库（three.js）构建三维物理模型，然后由浏览器对模型进行渲染和运行。该技术使用方便，不需要任何插件，增加了复用性和灵活性，且更容易得到跨平台的支持，如Windows、Mac OS、Linux、Android和iOS等操作系统的支持。WebGL技术的应用不仅可以克服跨平台问题，为无缝学习提供很好的支持，而且为构建三维物理模型做出了有益的探索和尝试。

二、无缝学习与创客教育

1.学习新常态——无缝学习

无缝学习是以社会学习、情景学习、知识建构为理论基础，在移动设备下进行的一对一数字化学习[3]。

移动终端设备的普及，人们对教与学资源的碎片化、可视化需求，在WebGL技术下能很好地实现三维物理模型的可视化，使学生能更好地理解，符合学生的认知。基于WebGL技术的三维物理模型能适合于各种系统软件和移动设备，在互联网+时代，能更好地适应学生利用碎片化时间进行无缝学习，促进学生学习方式的转变，也能很好地适应翻转课堂教学。

2.教育新常态——创客教育

创客教育是一种融合信息技术、秉承“开放创新、探究体验”教育理念，以“创造中学”为主要学习方式和以培养各类创新人才为目的的新型教育模式[4]。在创客教育中，教师角色的转变，从关注知识技能教学，转向培养学生终身发展能力和思维的教学，学生角色的转变，从知识的灌输到知识建构，在做中学，促进学生知识建构和创造性思维培养。基于WebGL技术开发的三维物理模型能促进学生的知识建构，培养学生高级思维技能，引领学生高级思维的发展，能引导教师从浅层学习走向深层学习的教学策略，有利于学生创造性思维的培养。

随着信息技术的发展、智能手机的普及，面对信息技术与教育教学深度融合的今天，人们对移动学习资源建设越来越重视，能更好地促进学生的无缝学习，在互联网时代，学生对碎片化思维与碎片化知识的需求，有利于学生学习方式的转变。基于WebGL技术开发的三维物理模型在物理课堂中的应用将是信息化教学创新必不可少的，三维物理模型的可视化与交互性能更好地促进学生的知识建构，有利于培养学生的创造性思维，为实现智慧教育提供可能。

三、WebGL技术简介

1.WebGL技术

WebGL是一个用来在Web上生成三维图形效果的应用编程接口，也是一种3D绘图标准，这种绘图技术标准允许把JavaScript和OpenGL ES 2.0结合在一起，通过增加OpenGL ES 2.0的一个JavaScript绑定[5]，WebGL可以为HTML5 Canvas提供硬件3D加速渲染，这样Web开发人员就可以借助系统显卡在浏览器里更流畅地展示3D场景和模型，还能创建更为复杂的导航和数据视觉化。WebGL技术直接利用JavaScript编程创建3D场景和动画，非常复杂且容易出错。框架的应用极大地简化了开发步骤，提高了开发效率，且更易维护和更新。目前已有大量基于WebGL技术的JavaScript库正在开发以加快创建3D图形的速度，如GLGE、SceneJS、Three.js等。本文主要采用Three.js开发框架来实现三维物理模型的开发。Three.js是一个很出色的开发框架，该框架以简单、直观的方式封装了WebGL底层的图形接口，从而降低了WebGL的使用难度，并且完全开源[6]。它提供了一个JavaScript应用程序接口，允许在浏览器端未安装任何插件的情况下进行2D/3D硬件加速渲染。

2.三维场景Web显示设计

在三维场景绘制之前，首先需要获取HTML5的canvas元素，然后通过该元素获得WebGL的绘制环境。在该上下文环境中，由Three.js通过以下6个基本步骤创建三维模型：

（1）设置场景：场景变量是一个三维空间，相当于一个大容器，用于存储和跟踪我们要渲染的所有物体的轨迹。场景设置没有很复杂的操作，只需要进行实例化，然后再依次将相机、灯光、模型等加入场景即可。

（2）设置相机：要渲染一个场景，我们需要一个相机来决定我们在渲染场景时能看到什么。在 Three.js 中能够指定透视投影和正投影两种方式的相机。

（3）设置光源：在一个场景中可以设置多个光源。Three.js中可以设置点光源、聚光灯、平行光源和环境光等。可根据具体场景模型和需求，添加适合的一种光源或几种光源的组合。

（4）设置模型：场景可以添加需要渲染的任何对象。对象主要由几何形状和材质构成。材质定义了对象的样式。我们可以通过编程来控制对象的位置，旋转和缩放。场景中添加的模型可以使用Three.js中的形状类，也可以使用JSON格式或二进制格式文件，也可以使用其它流行的3D建模工具（3DMAX、Maya）导出的obj文件，然后由Three.js的不同加载器对其解析。

（5）设置渲染器：三维空间里的物体映射到二维平面的过程被称为三维渲染。一般来说我们都把进行渲染操作的软件叫做渲染器[7]。具体需要生成渲染器对象、指定渲染器的高宽、设置渲染器的清除色等。通常设置好相机、添加完模型就可以调用渲染器的渲染函数来渲染整个场景了。

（6）设置交互：Web页面最终呈现模型，以及提供用户交互操作。良好的交互设计不仅能够吸引用户，增强用户体验，而且能够使用户对模型有更全面的认识。可以从三个技术模块进行设置：HTML5技术设计界面的结构、CSS技术对显示样式进行设定、DOMEvent处理鼠标键盘事件。

通过以上几个步骤，具有交互功能的三维模型就可以在网页上显示。图1为WebGL的绘图流程。

四、双节摆物理模型的设计与实现

双节摆模型是理论力学的一个基本模型，也是比较重要的一个模型。该模型的运动规律较为复杂，通过模拟双节摆的运动规律，能够使抽象的规律具体化和形象化。该模型主要是两根长度为L1和L2的无质量的细棒的顶端系有质量分别为m1和m2的两个球，初始状态如图2所示。我们将利用WebGL标准下的Three.js框架来模拟该模型从初始状态释放之后的两小球的运动轨迹。

1.双节摆物理模型的设计思路

首先对该模型进行功能分析，该模型需要实现改变两个小球初始位置或者质量观察两个小球的运动轨迹，并能够绘制两个细棒张力的变化曲线图，可以对各物理量变化情况如坐标、速度、能量等进行采集保存。基于以上功能描述，我们可以将本模型的实现归结为以下几点：

（1）画布、灯光、相机和渲染器等基本场景的设置；

（2）两个小球、细杆、固定点等初始状态绘制；

（3）运行过程中小球、细杆位置及变化曲线图的动态绘制；

（4）模型交互功能的实现（模型移动、旋转、缩放、参数改变、数据采集）。

本模型的关键是对小球进行受力分析以及运动轨迹的运算。在运动过程中忽略空气的阻力和细杆的质量。在整个系统中，不断变化的量是杆的张力、小球的速度、位置以及细杆的位置，而细杆的长度则是保持不变的。我们将固定点坐标设为（y，x，z），小球m1的坐标设为（y1，x1，z1），小球m2的坐标设为（y2，x2，z2），在处理小球速度时，我们将其分别沿着三个轴正交分解。

根据双节摆运动的速度、时间、细杆的张力以及系统的能量等来不断获得两个小球的坐标，从而在不同位置绘制小球和细杆来模拟其运动轨迹。细杆L1的绘制用绘制直线方法表示，通过固定点坐标和球m1坐标来确定，细杆L2的绘制通过球m1的坐标和球m2的坐标来确定。

2.双节摆物理模型的实现步骤

首先基于对模型的设计与分析，接下来开始模型的具体实现：

（1）基本场景设置

整个模型的绘制以及实现是基于Canvas画布实现的，Canvas元素有两个属性width和height来定义其大小。我们在Web页面中定义一个div元素，在JavaScript中通过id来获取该容器元素，随后引入Three.js库文件，通过WebGL渲染器来获得Canvas的上下文三维绘制场景。我们可以对renderer的尺寸、颜色等进行更加详细的设置，通过编写initCamera、initScene和initLight三个函数实现相机、场景和灯光的初始化。

（2）双节摆模型初始化设置

在整个模型绘制过程中，其工作主要分为初始化和运行两部分，分别由initObject和loop函数实现。我们将双节摆系统构建成Pendulum对象，主要包括支点对象（Cube）、小球对象（Ball）、细杆张力、长度、夹角余弦、系统能量等属性。小球对象包含的属性主要有质量、坐标和速度等，我们给这些属性设置一定的初始值，也可通过前端用户输入获得。通过封装对象的方式简化了调用过程，也便于灵活操作其相关属性，同时能够扩展相关属性。在创建物体时，需要传入两个参数，一个是形状（Geometry），本文用到的是立方体和球体，另一个是材质（Material），通过设置材质可以改变物体的颜色和纹理。

（3）绘制小球运动轨迹

小球运动轨迹的绘制主要是通过不断更新元素的状态位置等来实现动画。设置一定的时间间隔，不断获取小球的坐标，根据不同位置绘制小球，模拟出小球运动。通过编写loop函数来实现该功能，并调用如下代码实现小球的循环绘制。

window.requestAnimationFrame（） 是由浏览器专门为动画提供的API，该方法将告知浏览器要开始动画效果了，它在运行时浏览器会自动优化方法的调用，并且如果页面不是激活状态下的话，动画会自动暂停，有效节省了CPU开销。使用这个函数时需要在下次动画前调用相应方法来更新画面，这个方法就是传递给window.requestAnimationFrame的回调函数。通过递归调用同一方法来不断更新画面以达到动起来的效果。

在绘制细杆时我们使用new THREE.Line（）方法实时绘制，另外需要注意的是，在下次绘制之前需要清除本次绘制的细杆，调用scene.remove（）方法清除。为了使小球运动的轨迹更加符合运动规律，减小绘制误差，我们使用标准4级4阶的龙格库塔法（Runge–Kutta）[8]对小球位置和速度的微分方程进行高精度求解。

至此，双节摆的三维物理模型构建完成，我们需要调用Three.js库中的渲染器对整个场景和模型进行渲染，在渲染之前需要调用renderer的clear（）方法，来清除其颜色、深度和模板绘制缓冲区。随后该双节摆三维物理模型便可在Web上显示。为了能够使两个细杆的张力变化可视化，我们通过引入flotr2.js绘制两个细杆的张力变化曲线图。Flotr2[9]是HTML5绘制图表和图形库，它是一个独立框架，可以扩展，能够自定义图表类型，并且支持移动设备显示。

（4）交互功能实现

该模型对交互功能的实现主要包括三个方面：首先是参数的改变，在Web页面我们设置了可以让用户改变两个小球坐标位置和质量的输入文本框，用户可以输入不同参数以观察不同数据下小球运动的状态；其次是监听鼠标事件，主要包含mousedown、mouseup、mousemove和mousewheel等事件。这些事件是绑定在用于展示三维物理模型的div容器元素上。通过对这些事件的监听，模拟观察者，使用户能够将双节摆模型平移、旋转、缩放，以调整到自己喜欢和所需的角度或方式观看三维模型的每个局部细节；最后是数据采集和保存。在模型运行过程中，用户可以随时开始和暂停动画，我们使用的是按钮形式，有开始、暂停、继续和输出四个按钮。用户可保存任意时刻采集到的速度、张力和能量等数据，该功能利用HTML5新功能实现。

3.测试环境部署和运行

基于上述模型实现关键步骤和技术，我们实现了双节摆模型的构建。接下来需要对其进行部署和测试。WebGL对服务器端没有特殊要求，任意支持HTTP服务的Web服务器都可，我们将其配置在tomcat服务器上，接下来对其在不同操作系统、不同终端设备上进行测试。WebGL对硬件没有太高要求，CPU在1Ghz，内存在512MB以上即可。通过测试我们发现该模型可以通过PC端浏览器浏览，也可以通过手机、平板电脑等浏览器浏览，动画效果较为流畅，模型能够较为真实地模拟物理运动规律（如图3、图4、图5所示）。

五、总结与展望

1.总结

本文针对一般三维图形渲染过程中安装插件的麻烦，提出一种无插件的渲染方法，采用WebGL技术，三维模型可直接在浏览器端绘制和展现，无需安装任何插件。结合利用HTML5与WebGL相关技术，同时利用Three.js框架，在浏览器上构建出三维双节摆物理模型。通过测试实践，我们发现不管在PC端还是移动端，该模型三维动画的实现都较为流畅，在场景中能很好地通过鼠标或者触屏对模型进行移动、旋转、缩放等操作，从而实现多角度、细粒度的与模型进行交互，并且该模型能够进行相关数据采集和保存。研究结果表明，目前的主流浏览器都对WebGL都有较好的支持，这一技术的出现能够很好地解决跨平台问题。我们相信随着标准的进一步完善和相关技术的进一步推动，WebGL技术在网络交互、可视化及虚拟现实等领域都会有较大的推广价值，基于Web的3D仿真系统必将在商业、教育等领域有广阔的应用前景。

2.展望

开发基于WebGL的三维物理模型对开发建设移动学习资源的启示：

（1）开发移动学习资源是信息技术与教育教学深度融合发展的基本要求

教育信息化的大力发展，三通两平台的实现，新技术新媒体等的发展，教育信息化将促进教育的全面改革，建设移动学习新资源能为教师和学生开展移动学习、泛在学习提供可能，能更好的促进课堂教学方式的变革，促进学校的变革，也是促进信息技术与教育教学深度融合的基本要求。

（2）开发移动学习资源是变革教与学方式的基础

随着信息技术的不断发展，教与学也在不断的发生变化，移动学习资源的建设为开展信息化创新教学提供了有利条件，促进学生的知识建构，是更好地实施翻转课堂教学、开展创客教育的基础，也为学生开展泛在学习、移动学习提供方便。

（3）开发移动学习资源为智慧教育的实现提供可能

随着智慧教育的发展，人们对新型教与学资源的智能化需求越来越高，移动学习资源的智能化能进一步满足学生的个性化学习需求，促进学习者知识建构。建设新型优质教与学资源的共建共享，促进优质教育均衡化发展，进一步促进智慧教育的发展与实现。

当然，利用WebGL技术开发三维物理模型不是我们最终的目的，如何利用WebGL技术模拟演示物理现象及原理，将抽象的知识直观化、形象化，以激发学习者的学习兴趣和动机，并通过良好的交互设计来引导学习者进行知识的自我建构，能够给予学习者即时反馈是我们需要深入探究的重要课题。特别是处在移动互联网时代，如何利用这些技术创建出优质的移动学习资源，使学习者能够随时随地，更加灵活地利用技术进行学习是我们下一步研究的方向。我们有理由相信，随着技术的不断发展，必将推动教育融合创新，使教育更加开放灵活。

参考文献：

[1]艾达，乔明明，李敏等.Web 3D技术综述[J].微型机与应用，2014（2）：4-7.

[2]Wikipedia.WebGL[EB/OL]. http：//en.wikipedia.org /wiki/WebGL.

[3]祝智庭，孙妍妍.无缝学习——数字化学习新常态[J].开放教育研究，2015（1）：11-16.

[4]杨现民，李翼红.创客教育的价值潜能及其争议[J].现代远程教育研究，2015（3）：23-34.

[5]Khronos Group[EB/OL].http：//www.khronos.org/webgl.

[6]周敬敬，陈昕等.利用WebGL技术实现机房动态虚拟装配设计的可视化[J].科研信息化技术与应用，2013（2） ：87-92.

[7]况卫飞，彭四伟.三维渲染引擎编辑器的研究[J].电子设计工程，2009（9） ：91-92.

[8]陈哲.捷联惯导系统原理[M].北京：宇航出版社，1986：31-32.

[9]Flotr2 website[EB/OL].http：//www.humblesoftware.com/flotr2/.

基于骨架模型的参数化设计方法 篇7

1 开展原因

开展骨架模型参数化设计,基于以下的原因和考虑:①设计过程中常常需要反复更改,一处更改涉及的问题往往是多方面的,更改过程难免有疏漏,更改有时比初始设计更繁琐,更占用时间;②机床设计总体是参照设计,设计过程充分利用已有成熟的结构,以减少重复劳动,缩短设计时间;③现代设计方法如优化设计、有限元分析计算等的应用越来越普及,而三维图形尤其是参数化模型是实现这些设计方法的重要保证。

2 方法流程

本方法是模仿实际产品的开发过程,即先设计产品的原理和结构,然后再进一步设计其中的零件,属于自上而下的设计方法范畴。利用骨架模型的参数传递控制零部件的生成。所谓的骨架模型(即草图模型)相当于平面图各个投影及剖面的空间组合。不同于平面图的是,它以轮廓为主,表达主要结构,为生成实体服务。

骨架模型是根据组件内的上下关系创建的特殊零件模型,它作为一个元件放置在装配体中,用来控制装配结构和尺寸,其他零件参照骨架模型并以骨架模型作为设计规范。骨架模型也可以通过声明与布局建立关联,可实现布局控制骨架、骨架控制装配和零件的自顶向下设计的数据传递关系。

此设计流程参照通常设计流程,只是在开始的设计中,先建立主参数的骨架草图,之后各个部件/零件设计人员逐级完善,具体流程如图1 所示。

3 应用

为更好地理解此设计方法,选用压力机上横梁中间罩子作为建模零件,如图2 所示。因为中间罩子主体由结构件型材焊接完成。在不同的产品设计中,其外形尺寸及开口尺寸根据机床的结构特点而变,但总体结构基本不变,其骨架模型可通过图形驱动(或尺寸驱动) 方式在设计过程中进行参数修改,实现新产品图纸的绘制。

建模使用结构件生成器生成型材框架。摸索实现了三维结构件骨架、自建轮廓随动结构件、边角修理、模型的建立、零件工程图设计等操作。

3.1 骨架模型的建立

结构件框架通常为三维构造,最好使用三维草图构件骨架。首先依据已生产出的产品,进行草图绘制,施加约束,并进行赋值,建立两个主体二维草图,在二维草图基础上,建立三维草图(为更清晰地表现骨架线条,将尺寸和位置约束进行隐藏),如图3 所示。

3.2 自建轮廓随动结构件

如果所需要的零件为资源库中的标准型材,需要插入建立的三维草图,在结构需要的位置点击“插入结构件”按钮安装各种型材。

如果需要的零件在资源库标准型材中没有,则需要通过i Part生成零件,并衍生出自建轮廓随动结构件。建立零件,使草图方向与结构件框架要求方向一致,建立草图;投影坐标原点;建立封闭轮廓;拉伸实体;运行结构件形状编写;填写相应要求,“确认基点”选项,选择“几何图元”,选择草图中投影的坐标原点,发布零件型材。此自建结构件可以实现结构件编辑器中所有操作。

3.3 边角修理

对结构件型材末端可以采用软件命令进行处理。也可以在衍生的草图中建立相应轮廓及修改衍生草图已有轮廓,实现修剪,保证模型的柔性。

3.4 三维实体模型的建立

结构件生成器设计出来的三维实体与其他由骨架草图衍生出来的三维零件相结合,就形成了整个设计部件的三维图,如图4 所示。

3.5 零件工程图设计

将三维装配图和各个零件图分别投影到二维工程图中,进行尺寸标注、明细表格的编制等,就能形成指导生产的工程图。

至此,参数化骨架模型建立完成。经过验证,与传统设计方法图纸相比无差错。如图5 所示,在结构相同的情况下,当赋予不同的参数时,可驱动原有几何模型生成新的几何图形,而且二维视图自动更新,完成高效建模与模型修改,加速了设计的自动化。

4 结论

通过对上述部件的骨架参数化建模,实现了设计的自动化,提高了设计效率。今后需要对结构复杂部件的设计进一步研究,推动参数化设计方法在企业的推广。

摘要：根据Inventor三维设计软件的设计功能特征,结合压力机产品的机构特点,进行参数化设计。建立参数化的骨架模型,通过尺寸约束或程序约束的控制,进行工程图纸的生成,指导生产,提高设计效率。

关键词：参数化设计,骨架模型,Inventor,压力机

参考文献

[1]戴春来.参数化设计理论的研究[D].南京:南京航空航天大学,2002.

[2]胡琪,等.汽车覆盖件包边模工作部件参数化设计[J].锻压装备与制造技术,2014,49(5):80-82.

[3]苏梦香,等.基于Autodesk Inventor的三维参数化设计方法.机械设计与制造,2007,(6):168-169.

基于生物视觉模型的人脸识别设计 篇8

1999年,Riesenhuber和Poggio总结前人方法,提出了以非线性最大化联合操作作为关键机制的HMAX模型[1],可定量模拟前下颞叶皮层(AIT)中视细胞的选择和不变特性,为之后的视觉模型研究提出一个规范。基于HMAX模型,Thomas Serre提出的标准模型[2,3]和全模型,能模拟V2层到IT层中对形状组件集合的学习,为VLPFC中实现特定分类任务提供了有效特征描述,其分级结构既实现了神经元的选择性,又逐步建立起平移及尺度不变性,能有效描述V4区和后下颞叶皮层(PIT)的生理特性。

本文基于Thomas Serre的视觉标准模型,针对人脸特性来构建符合生物视觉理论的高效人脸识别模型。

2 Thomas Serre的标准模型理论

Thomas Serre的标准模型模拟腹部通路中前100~200 ms的立即识别过程,分为4层结构:S1,C1,S2,C2。此模型是视觉全模型的一种简化形式,比全模型处理速度更快,便于实际应用。S1层单元模拟Hubel和Wiesel提出的V1区简单细胞[4],用Gabor滤波器组对原始图像进行滤波,其定义为

式中:X=xcosθ+ysinθ;Y=-xsinθ+ycosθ。

实验中,Gabor滤波器组采用4个方向16个尺度,其尺寸分别取7,9,11,…,37。将原始图像滤波分为64个子图,相邻的两级尺度子图分布在1个子带中。

C1层单元模拟V1区复杂细胞。复杂细胞响应不同方向上不同位置和尺度的条纹或边缘。该层采用Riesenhuber和Poggio提出的最大化联合操作方法构建V1区复杂细胞的平移和尺度不变性,并通过下抽样操作减少神经元数目。仿真时,先计算出各子带Ni×Ni(Ni=8,10,12,…,22;i=1,2,…,8)范围内的最大值并下抽样,实现局部平移不变性;再提取各子带中两个尺度间的最大值,实现一定范围内的尺度不变性。

S2层对应于视觉皮层中的V4层或PIT层,该层按照径向基函数(RBF)公式,计算C1层输出X与不同尺寸的K个模版Ps(s=1,2,…,K)之间的匹配度。RBF公式能有效描述视觉和运动神经系统中学习和归纳的特性[5],其定义为

式中:б定义为调谐锐度,实验中设为1;模版Ps是从训练图像的某一尺度C1层特征中随机提取的。

实验时,模版尺寸nv=4,8,12,16,v=1,2,3,4,X和Ps均为nv×nv×4维。S2层经式(2)得到K×8个S2子图。

C2层对应于视觉皮层中的IT层。对S2层输出在所有位置和尺度上取最大值,最终得到K个具有平移和尺度不变性的C2特征。文献[4]中的实验结果表明,K取1 000时,性能曲线趋于平稳。

模型采用简单的线性分类器SVM模拟VLPFC中的分类功能,经对大型数据库Caltech和MIT-CBCL进行两类及多类分类实验,实验结果表明,此模型相对于基准算法分类准确度更高。

3 基于标准模型的人脸识别模型

标准模型的C2层特征是具有较大范围的尺度不变性和平移不变性,能有效识别复杂背景中基于纹理特性的物体。但对预处理后的人脸图像进行识别时,C2层庞大冗余的特征集严重影响处理速度。本节对C2特征的提取方法进行改进,使之更适于描述人脸特性,满足实际应用要求。

3.1 对标准模型的改进

Thomas Serre的标准模型中,S2层不同尺寸的模版都从同一尺度的C1特征中提取,且模版尺寸相对图像尺寸较小,需用较多模版描述大范围的图像信息,在人脸识别时,较大范围的面部信息(如,五官相对位置)具有重要意义,提取较多模版使得C2层特征维数增加,延长C2特征的学习时间并影响分类器的处理速度,而通过简单增大模版尺寸来减少模版提取数量,又将明显加大S2层计算量。由于C1层采用最大化联合操作及下抽样操作,使单元数量沿子带逐层减少,因此,本文从C1层的8个子带中分别提取模版,不仅能在小尺度子带中提取到面部细节特征(如,眼、鼻等),且可在大尺度子带中用少量单元描述较大范围面部信息,既降低了C2特征维数又缩短了S2层计算时间。

S1层的Gabor变换能捕捉到整幅图像的边界信息(水平、垂直边缘)。标准模型虽然考虑到图像边界影响,将S1子图的边界处设为0值,但提取模版时,忽略了边界的影响,模版可能因提取到边界0值而性能降低,干扰S2,C2层的特征学习。本文对模版提取的随机位置进行限定,避免模版提取到边界0值,保证模版能描述有效图像。

标准模型的S2层采用RBF公式(2)计算C1层输出与模版之间的匹配度。此公式能描述视觉皮层细胞的钟形调谐特性,即当输入模式与突触权值完全匹配时,单元响应最大(等于1),随着输入模式与突触权值逐渐偏离,单元响应按钟形结构衰减。由于模版尺寸nv不同,大尺寸模版在高维空间中计算相似度,相对于小尺寸模版,只有在更多维上相互匹配才能得到高相似度,因此,不同尺寸模版的权重不同。Jim Mutch对式(2)进行了改进[6],将C1层输出X与模版Ps间的匹配公式修改为

式中:参数аv=[nv/min(nv)]2为不同模版尺寸的归一化因数。此公式可使不同尺寸模版具有相同权重。

C1层在获得一定尺度不变性后,在C2层对所有尺度取不变性,这对于复杂背景中识别大小不确定的目标物具有明确意义。对预处理为相同大小的人脸图像进行识别时,所有尺度取不变性不但没有实际意义,且易产生误判。实际上,V4和IT中的神经元也并非具有完全意义上的不变性,其感受范围仅在部分视域和一定尺度范围内[7]。本文根据预处理后的人脸图像特性,仅保留C1层特征小范围内的尺度不变性,而不再获取C2层特征的全局尺度不变性。

标准模型的C2特征具有全局范围内的平移不变性,更适用于复杂背景中的目标物识别。而人脸五官位置相对固定,因此,本文仅保留C2特征在一定范围内的平移不变性。当尺寸为nj的模版在C1层中的位置为(P1,P2),C1层子图宽为W时,定义对应于此模版的C2特征平移不变范围为

式中:m=(W-P1)/δ,δ为平移不变范围参数。

3.2 改进的人脸识别模型

基于Thomas Serre标准模型的分层结构,本节构建专门的人脸识别模型。此模型仍采用经典的4层结构描述人脸立即识别过程,各层分别模拟视觉皮层中的V1区简单细胞、V1区复杂细胞、V4区或PIT层以及IT层。

S1层、C1层与标准模型一致:通过Gabor滤波器组滤波,产生分布在8个子带中的4个方向,16个尺度子图;计算各子图中Nj×Nj(Nj=8,10,12,…,22;j=1,2,…,8)范围内的最大值并下抽样,实现C1层特征的局部平移不变性;通过对8个子带中相邻尺度间的最大化联合操作,实现C1层特征的尺度不变性。

训练时,从C1层特征的8个子带中随机提取非边缘处的Kj个模版Pt(t=1,2,…,Kj),各子带中提取的模版尺寸nj逐层增加,每个模版Pt包含nj×nj×4个元素。大尺寸模版描述较大范围的图像信息,模版提取个数Kj可以相对减少。

在S2层中的模版Pt所在尺度的子带上,按照式(2)或式(3)计算C1层该子带输出与Pt之间的匹配度,8个尺度子带上分别得到Kj个S2子图。

C2层对8个尺度子带上的每个S2子图在式(4)定义的有限范围内计算最大值,最终得到∑Kj个具有一定平移和尺度不变性的C2特征。改进模型与标准模型的S2,C2层框图比较如图1所示。

分类阶段采用简单的多类线性分类器SVM,实验中使用V.Franc和V.Hlavac的Matlab统计模式识别工具箱,Thomas Serre和Jim Mutch的视觉模型在进行多类目标识别时也都采用此工具箱。

4 实验结果与分析

对ORL和Yale标准人脸图像库进行实验。ORL人脸库共有40类人脸,每类10幅,分辨力为112×92,每类图像略有尺度和旋转变化;Yale人脸库包含15类人脸,每类11幅,分辨力为100×100,每类图像包含不同的表情和光照条件。两个库都从每类人脸图像中随机选取5幅作为训练样本,剩余图像作为测试样本。图2为ORL和Yale人脸库中的部分人脸图像。

本文中改进的人脸识别模型在提取模版时,各尺度子带的模版尺寸及模版提取个数如表1所示,C2层的平移不变范围参数!设为4。在PⅣ2.4 GHz,256 Mbyte硬件环境下,用Matlab7.0进行仿真,所有结果均为相同条件下运行8次的平均值。

表2列出了改进的人脸识别模型与Thomas Serre标准模型对ORL和Yale人脸库进行分类实验的比较结果。模版个数与C2层特征数成正比,而C2层特征数决定分类器SVM的建模时间。从表2的实验结果可看出:当改进模型的C2层特征数不高于标准模型时(标准模型中4种尺寸模版各取20个),识别率明显提高,且每幅图的C2层特征提取时间大大缩短,能达到实时分类识别的要求;对ORL人脸库进行识别时,S2层采用式(2)计算模版匹配度,模型识别效果优于式(3);而在识别Yale人脸库时,采用模版尺寸归一化的公式(3)能明显改善识别效果。这可能是因为ORL人脸库中,各类人脸的发型、脸型等大尺度特征明显不同,而Yale人脸库的大尺度信息在不同类之间非常相似,用于分类的主要信息为小尺度的五官特征(如图2所示)。公式(2)中描述大尺度信息的大尺寸模版权值大,强化了对大尺度信息的描述,适于识别各类大尺度特征有较大差别的ORL人脸库;而公式(3)使不同尺寸模版具有相同权值,在减小大尺寸模版权值的同时使小尺寸模版的权值相对增大,适于识别以小尺度信息为主要特征的Yale人脸库。改进的人脸识别模型对两库的正确识别率分别可达到99.86%和97.23%,理想的识别效果说明,模拟灵长类视觉皮层结构的人脸识别模型能有效学习ORL人脸图像的不同尺度和旋转特性及Yale人脸图像的不同光照和表情特征,是有效的人脸识别算法。

5 小结

Thomas Serre提出的标准模型能模拟灵长类视觉皮层腹部通路的生理特性,在对复杂背景中的两类及多类目标识别时,表现出良好性能。本文根据人脸特性,改进了标准模型的S2层模版提取方法及匹配算法,修正了C2层特征的平移及尺度不变范围,在提高人脸正确识别率的同时降低C2层特征维数,大大缩短了特征提取时间及分类器建模时间。对ORL及Yale标准人脸库的分类实验结果表明,改进的人脸识别模型对于不同姿态、表情、光照的人脸图像具有较高的识别能力,两库的正确识别率分别可达到99.86%和97.23%,且识别速度很快,能达到实时分类要求。

参考文献

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基于数字模型的倾斜床优化设计 篇9

关键词：晕厥,倾斜床,数字化建模,干涉检查

1 引言

晕厥是临床上较为常见的一种危急症状,血管迷走性晕厥(vasovagalsyncope,简称VVS)是诸多晕厥中既特殊又常见的一种类型。血管迷走性晕厥(VVS)为发作性,平时很少症状,但对自主神经系统的刺激似较敏感。发作时表现为血压下降、心动过缓(窦性静止、窦房或房室传导阻滞)、冷汗、面色苍白、听力减退和肌无力,难以维持自主体位,而出现接近晕厥或意识完全丧失。一般来说愈后良好,患者多能自行缓解,但也可因长时间心搏停止及血压降低,导致心脏猝死而需要心肺复苏。

倾斜试验(Upright Tilt Test,UTT)是利用体位的迅速改变(病人体位由平卧位在3~15s时间内迅速改变为80°足低直立位),引起神经体液的过度反应,诱发心血管系统异常变化导致晕厥发作,以诊断评价血管迷走性晕厥(VVS)的方法。因此倾斜试验(UTT)是研究和诊断不明原因晕厥重要方法,而倾斜床是开展倾斜试验(UTT)的关键设备。

2 对倾斜床的要求分析[1]

1)载荷:倾斜床单人使用,设计的最大工作载荷为200kg。

2)倾斜床外形尺寸要符合工程要求和美观,特别是宽度小于普通门的尺寸,否则无法进入;操作尺寸位置应满足舒适、方便的原则。

3)倾斜床面:倾斜台要求有支撑脚板,两侧有护栏,胸膝关节处有固定带,以免膝关节屈曲,并可防止受试者跌倒。倾斜床面变位应平稳迅速,它的变位角度应准确且达到60°~80°,并要求在3~15s内到位。

4)倾斜角度:倾斜角度取60°~80°,但常用为70°。倾斜角小,阳性率低;倾斜角大,特异性降低。

5)倾斜持续时间:基础倾斜试验对于成年人或老年人通常选用45min,其依据为VVS者倾斜试验阳性多发生在45min以内;儿科病人可适当缩短时间。基础倾斜试验未激发症状者,加用药物激发。

6)工作安全可靠,机构自锁,操作简单方便。

3 倾斜床的设计

3.1 机械传动系统设计[2,3]

机械传动系统是指将原动机的运动和动力传递到执行构件的中间环节,其作用不仅是转换运动形式,改变运动大小和保证各执行构件的协调配合工作,而且还要将原动机的功率和转矩传递给执行构件。因此,机械传动系统的设计是机械设计中极其重要的一环,设计的正确和合理与否,对提高机械的性能和质量,降低制造成本与维护费用等影响很大。同时机械传动系统方案的设计是一项创造性活动,要求设计者运用已有知识和实践经验,广泛收集、了解国内外的有关信息,充分发挥创造思维和想象能力,灵活应用各种设计方法和技巧,设计出新颖、灵巧、高效的传动系统。

倾斜床机械传动设计考虑倾斜床的运动要求、操作和控制,初步设计的机械传动系统有三套方案。方案A:传动方案如图1所示,电动机——带传动——螺旋机构,该方案利用带传动、螺旋机构减速,利用螺旋机构自锁,可完成要求运动,但固定电机和带轮的安装板必须摆动,增加了噪音和轴的磨损,如果螺纹导程6mm,倾斜床在3s变位从水平位置(α=0°)到直立位置(α=80°),螺杆转速要求达到800rad/min,转速过高,有一定的安全隐患,按人体最大重量200kg考虑,需电动机功率0.8kW;方案B:传动方案如图2所示,电动机——蜗轮蜗杆——扇形齿轮机构,该方案利用蜗轮蜗杆减速并自锁,可完成要求运动,但扇形齿轮摩擦磨损大,力矩大,制造成本高,按人体最大重量200kg考虑,需电动机功率0.5kW;方案C:传动方案如图3所示,电动机——蜗轮蜗杆——四杆机构,该方案利用蜗轮蜗杆减速并自锁,采用全低副机构,摩擦磨损小,制造方便,成本低,按人体最大重量200kg考虑,需电动机功率0.4kW。

1.床面2.螺母3.丝杆4.带轮5.带6.安装板7.电动机8.轴

1.电动机2.蜗轮蜗杆传动3.齿轮传动4.床面

经综合分析,最后确定采用方案C,工作原理如图3所示。当四杆机构使床面6处于水平位置时,倾斜床即为水平状态;电动机带动蜗轮蜗杆减速器使连架杆逆时针旋转,驱动床面6逆时针旋转,当床面6处于直立位置,倾斜床即为直立状态。为了保证倾斜床工作在任何位置不自动下退,要求机构能自锁,在机械传动中设计了蜗轮蜗杆传动,它同时可以达到减速,增加扭矩的作用;为了减少摩擦,降低噪音,执行机构采用全低副的四杆机构。

1.电动机2.蜗轮蜗杆减速器3.电气装置4.连杆5.床身6.床面

四杆机构设计时需注意避开死点位置,各杆件长度要协调配合,以完成倾斜床要求的变位运动。上升最大转矩发生在水平位置,刚启动时为最大转矩;下降最大转矩发生在直立位置,刚启动时为最大转矩,设计时必须充分考虑这两个要求的最大转矩。

3.2 数字化电气控制设计[4]

根据倾斜床对变位角度的要求,在电机轴外伸端上安装编码器,可控制变位角度(45°~80°);根据倾斜床对变位速度的要求,采用普通电动机加变频调器,构成变频调速;速度程序插补,电脑控制,保证运动平稳。同时设有极限行程开关,起保护限位作用。操作面板上有启动按钮,时间数字设定1~15s和数字显示,时间间隔1s,角度数字设定(45°~80°)和数字显示,角度间隔1°,如图4所示。

3.3 结构设计

1)倾斜床宽度尺寸为600mm,小于普通门的尺寸,保证能进入普通房间;控制操作台高度550mm,操作舒适、方便。

2)主要旋转部分采用尼龙轴承,降低噪音和磨损,同时减少润滑油和油的外泄。

3)支撑脚板、两侧护栏等部位采用不锈钢,保证使用寿命,不会生锈,外观天蓝色美观大方。

4)倾斜床外形喷塑,主色调为天蓝色,与医院的色调协调,给人以安全、安静的感觉。

倾斜床的原理、结构如图3所示。

4 三维数字化建模及干涉检查

4.1 Pro/E三维数字化建模[5]

Pro/E三维数字化建模采用参数化技术,可方便地完成模型的生成、编辑、修改、转换,以及工程图的自动生成等等。另一方面三维数字化模型是装配、CAM的关键,并由此可实现计算机辅助工艺、计算机辅助管理、计算机辅助工艺销售等的信息数据基础。因此采用Pro/E完成倾斜床所有零件的三维数字化建模。

4.2 倾斜床虚拟装配

虚拟装配是在一个Pro/E装配文件中将两个或两个以上零件进行组合,使用配合关系来确定零件的位置和方向,通过给装配体添加约束关系,可以使零部件之间精确定位,从而将各个单独的零件组合成所需要的装配体。

4.3 干涉检查

在完成倾斜床所有零件三维数字化建模后,完成倾斜床的装配,并进行干涉检查,消除了在加工装配前不必要的零件装配干涉隐患,保证产品一次试制成功,以降低成本、缩短研发周期。

5 结论

倾斜床由倾斜床体、机械传动和电气控制三部分组成,可以拆装,便于内部器件维修。电脑控制,具有工作稳定、精度高、可靠性强、抗冲击和抗振动等特点。通过三维数字建模、虚拟装配和干涉检查,消除在加工装配前不必要的隐患,保证产品试制一次成功,缩短设计制造周期。该倾斜床经过400人/次的使用表明,性能稳定,安全可靠,具有较好的推广应用前景。

参考文献

[1]武留信,吴家龙.多功能双向式医用倾斜床的研制与应用评价[J].北京生物医学工程,2001(4):268-270.

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[3]王昌明.机械设计基础[M].南京:东南大学出版社,1996.

[4]项毅.机床电气控制[M].南京:东南大学出版社,2002.

基于PLC的教学电梯模型设计 篇10

电梯是一种典型的随机逻辑控制对象,非常适合作为教学模型。该模型接近工程实际,可增强动手能力。

PLC控制的电梯自动控制系统是楼宇智能控制、工业过程控制的典型实例,是近年来机电一体化、电气自动化、智能楼宇控制等专业的配套教学和实验装置,是PLC、电气控制等课程实践教学的一个必不可少的重要内容。为满足可编程控制器技术及应用课程实验教学的需要,有必要开发一套PLC控制电梯实验教学模型。

2 外围设计

2.1 模型结构设计框架

设计模型结构框架时主要考虑教学实验功能要求,同时要考虑到实际制作可行和安装布线方便的原则。电梯结构框图如图1,模型电梯主要由电动机、轿厢、支架、滑轮、吊绳、车轮、传感器(限位器)、呼叫按钮、楼层指示灯等组成。

图1中,L1—L4为电梯所在楼层指示灯;K1—K4为内呼叫按钮(带灯);M电动机;T1—T4外呼叫按钮(带灯);1F—4F电梯楼层;S1—S4为传感器位置检测。

2.2 控制系统设计框架

设计系统框架时,注意考虑信号的延时和系统电路的抗干扰等。电梯控制系统框图如图2,控制系统主要由外呼梯信号、内呼梯信号、传感器检测信号、开关门信号、PLC控制器、电机拖动、楼层显示等组成。通过框图可以看出电梯的控制系统可分为三个部分:(1)信号输入部分:外呼梯信号、内呼梯信号、传感器检测信号、开关门延时信号;(2)PLC控制器;(3)信号输出控制部分:电机拖动、楼层显示。

3 电路设计

传感器原理图见图3。经过测试PLC的电阻约为3K左右,从24V输入端到OUT端经2K的两个电阻并联分流后电阻为1K。分流使得两个2K电阻不易发热,PLC上能分到的电压约为18V左右能驱动PLC。在通电的情况下,当J1(红外发光接收管的封装)红外接收器没有接收到信号时,比较器LM324的2脚是通过R3接地,此时LM324的3脚电压要大于2脚,LM324的输出为了1,D1发光,同时9013导通,OUT几乎为0,不能驱动PLC工作;当J1红外接收器接收到信号时,比较器LM324的2脚是通过R3接地,此时LM324的3脚电压要小于2脚,LM324的输出为了0,D1不发光,同时9013截止,24V电流通过两个并联电阻,流经PLC到地,此时OUT为18V左右,能驱动PLC工作。原理图中VCC为5V。红外检测的距离通过两个电位器进行调节控制。

按钮灯的设计为常开继电器,并且灯是不带自锁的,通过程序使灯亮与灭。由于电路中的5 V,1 2 V,2 4 V电压需求,选项用GZM-H100T5+24+1(新星牌)直接提供输出,继电器选用JQX-13F DC24V。

4 程序设计

本设计采用OMRON SYSMAC CP1H系列PLC。它是用于实现高速处理,高功能的小型高端单元型P L C,具体型号是CP1H-X40DT-D(晶体管输出漏型)来构建实验平台。通过CX-Programmer7.1上编写梯形图程序,可参见文献[1]。本设计为四层电梯模型及其控制系统。根据随机的输入信号以及电梯的相应的状态适时控制电梯的运行与停止。轿厢的位置由每层的传感器行程开关来检测,当轿厢经过或停在某一层时,传感器检测到该信号,则将其输入到PLC相应行程开关的KEEP位。为了观察方便,对电梯所在楼层采用指示灯显示,对按钮信号用指示灯显示(带灯按钮不自锁)。按钮灯的控制,通过输入呼叫使其灯亮,并保持该状态至对应行程开关到,则其灯灭,在中间层要串入上下行标志。

当电梯响应呼梯信号到达所需楼层时,同时楼层显示的指示灯亮,电梯开关门延时。经过延时,电梯继续执行输入的呼梯信号,同时该楼层相应的指示灯灭。内呼叫的响应不考虑上下行标志,只要到达该层则响应。共需要10个输入与16个输出。编写程序时充分利用PLC的内部继电器。内部辅助继电器(WR)区域CP1H:字地址W000-W511(W0.00-W511.15)和保持继电器(HR)区域:存储/操作各种数据,可按字或位存取。操作方式改变,电源中断或PLC停止操作时,HR区域能保持状态。CP1H:字地址H000-H511(H0.00-H511.15)。可参见图4第二层的部分设计思路,其它层类似。

4.1 上行状态

轿厢停于1楼,当2、3楼有上行呼叫或者4楼有下行呼叫时,轿厢上行。轿厢停于2楼,当3楼有上行呼叫或者4楼发出下行呼叫时,轿厢上行。轿厢停于3楼,当4楼有下行呼叫时,轿厢上行。所有上行记入不同内部辅助继电器(WR)区域,再相或后,汇总计入标志位H0.10和上行位H1.00置1,该位由总停来复位。

4.2 下行状态

轿厢停于4楼,当2、3楼发出下行呼叫或者1楼发出上行呼叫时,轿厢下行。轿厢停于3楼,当2楼发出下行呼叫或者1楼发出上行呼叫时,轿厢下行。轿厢停于2楼,当1楼发出上行呼叫时,轿厢下行。所有下行记入不同内部辅助继电器(WR)区域,再相或后,汇总计入标志位H0.10置0和下行位H1.01置1,该位由总停来复位。同时也可参阅文献[2]的上下行控制。

4.3 停靠楼层控制

当电梯运行到达某一楼层,检测到该楼层有呼叫信号输入,则电梯停靠在该楼层,通过定时器定时来延时5秒钟,通过延时可以进行其它的操作[3]。若电梯上行,当某一楼层有上行呼梯信号时,电梯停靠在该楼层并延时,响应该楼层的呼梯信号(当上行呼叫信号要大于当前楼层时,否则不响应,如上升到三楼,二楼有上呼叫则不响应);若某一楼层有下行呼梯信号,则也不响应。下行与此类似。所有停计入不同内部辅助继电器(WR)区域然后相或,得到一个总停的内部辅助继电器(WR),并将其取反后串入上下行位。

4.4 轿厢内的运行控制

在没有其它呼叫时,当进入轿厢后,如果输入比当前楼层号小的楼层号,则轿厢会下行,反之上行。处于上行状态时,当进入轿厢后,如果按下比当前楼层号大的楼层号,当楼层到达所呼叫的楼层时,停靠,开门。如果按下比当前楼层号小的楼层号,程序会通过KEEP记忆该呼叫状态,在响应完上行对应呼叫后再响应下行呼叫;下行时,与此类似。

4.5 优先级的判定

在设计中是采用楼层检测判断,加入上下行标志位,设计中主要选用KEEP指令,因其指令周期短,能很好节省时间,尤其用于更多层电梯时。电梯实行顺向优先执行的功能,即首先判断电梯在哪一层。例如:当电梯在上行过程中,优先响应轿厢所在楼层以上的同向呼梯信号(如本层有呼叫则延时再响应上呼叫),直到轿厢以上楼层无呼梯信号或轿厢已到达顶楼时,电梯才会换向,执行下行的呼梯信号;当电梯在下行过程中,优先响应该楼层以下的同向呼梯信号,直到轿厢以下楼层无呼梯信号输入或者轿厢已经到达底层,电梯才会换向行使,若无呼梯信号输入,则轿厢停在该楼层。

5 问题讨论

调试顺序:先是楼层指示灯,内选层指示灯,到所在楼层后,则其所对应层的指示灯灭;外呼叫上指示灯,到所在楼层后,则其所对应层的指示灯灭。同理调试外呼叫下指示灯。保证外围灯都没有问题时,再调试控制运动部分的程序,这是关键部分,也是最难部分,因为电梯到每一层后,它的所有情况都要考虑到,而且还不能有冲突。

调试过程中所遇到的问题:(1)对于本层有呼,如果是外二上呼叫,上到二楼后,停下,延时,延时时间到后,还要使停止部分断开,不然停的优先级更高,会使得电机一直停下去,而没有动作。解决方法为在相应停操作中加入延时位的常闭继电器。(2)对上下行要进行标识,这就涉及到一个优先级的问题,如上行到二楼,标志1,如果此时有二楼下呼叫按下,则不响应,让其保持.再在下中检测下呼叫。(3)当电梯在三楼或四楼时,一楼下呼叫时,下到二楼就停了,解决方法是把二楼的行程开关换为点动的,不能保持,并且并联上一三楼的行程开关取反。(4)在设计二三楼时,遇到一个逻辑相冲突的问题,同一条线路的,矛盾即同时为一个KEEP的置1与置0,则由于置0的优先级更高始终置0,从而导致错误。加入一个自锁,从而使得问题解决。

6 结束语

本次设计完成了四层电梯的自动控制功能。能实现电梯在上下行优先级的控制和电梯开关门延时的控制以及楼层显示等功能。该控制系统适用于四层电梯的控制,并在功能上有良好的扩展性。加入开关门光电检测可参阅文献[4]和[5],加入行进中的加减速可参阅文献[6],要进行更多层的设计可以通过加入编码、译码功能进行I/O中的扩展,亦可参见文献[7]所述方法,同时其它更多层的中间层类似于四层楼的中间层二、三层编程方法串入即可,顶层与底层也做相应的变化。因此,本系统经过适当的修改和扩展,可适用于大型高层建筑中使用的电梯。

摘要：本文主要完成了基于PLC的实验室电梯模型的设计,并对设计中的相关问题作了较细致的探讨。通过搭接外围硬件电路与编写程序,做出了实体模型,工作情况稳定,可靠,为在此平台上进行其它设计提供了条件。

关键词：电梯模型,PLC,传感器

参考文献

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[2]王恒升,李丹峰,龙迎春.PLC电梯控制系统设计[J],工业仪表与自动化装置.1999(6):25-27.

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[6]赵晶.PLC电梯模型设计的几点思考.厦门理工大学学报.2006.14(3):44-47.

基于模型设计 篇11

关键词：路灯灯罩清洗；伸缩体；地面支撑装置；灯罩清洗装置；丝杆

随着社会飞速发展，现代化城镇的水平不断提高，像路灯这样的基础设施不断的增加。路灯为我们在夜间出行提供了极大的方便，但路灯建设在外界环境中，长时间下来，路灯的灯罩会由于外界环境的因素而沾染灰尘等，因此路灯的照明度会受到影响。而且路灯一般会很高，在一些设施不完善的地方，清洗起来十分不便，所以团队设计了一种路灯灯罩清洗装置，可方便的对路灯灯罩进行清洗。

项目的研究意义在于路灯灯罩清洗装置可方便的对路灯灯罩进行清洗，减少了人力物力的投入，这样可对路灯灯罩进行定期的清洗，路灯的照明度会得到极大的改善，对于交通方面有极大的意义。

1 项目结构原理

路灯灯罩清洗装置由地面支撑装置，伸缩体，清洗装置三大主要部分构成。

地面支撑装置采用可移动车体式结构，移动方式采用全向轮加定向轮，车体上配备一套丝杠传动装置与伸缩体相连，控制水平伸缩装置的伸缩幅度。水平伸缩装置由一块金属板构成，金属板上表面可与伸缩体相连，下表面与一套丝杠传动装置相连接，金属板与丝杆螺母通过螺栓连接，丝杆通过BK支座支撑，BK支撑座固连在底板上。采用丝杆传递运动，可以实现水平金属板在水平方向的运动，但是在这里需要考虑的是丝杆的自锁问题，丝杆自锁是整个机构设计的关键，只有在丝杆自锁时，金属板位置才会固定，伸缩体才会处于静止状态。丝杆在设计时采用的滚珠丝杠，滚珠丝杠传动效率高、摩擦小，摩擦角小于滚珠丝杠的螺旋角，因而不能被自锁，所以配备自锁器。由于金属板直线运动，金属板在运动过程中带动伸缩体在竖直方向的伸缩运动，这样就可以把清洗装置送到高处。

伸缩体采用剪叉式结构，伸缩体主要包括法兰轴承、光轴、剪叉臂等。

清洗装置分为主体、水箱、地面遥控器、水管、喷水器等结构组成。清洗装置与伸缩体连接。主体上安装喷水器，喷水器通过水管与水箱相连，水箱配备供压装置。喷水器都可以进行不同方向的旋转，旋转过程是通过程序控制旋转构件完成旋转工作，通过地面遥控器人为控制喷水器可以更合理的对路灯灯面进行清洗，实现对不同形式的路灯灯面和灯面的不同位置的喷水清理。

2 工作过程

人为操控地面支撑装置，人工控制丝杆或通过电机带动丝杠转动，将丝杠的螺旋运动转化为伸缩体的直线运动，伸缩体上下移动通过伸缩体把清洗装置升到路灯灯面附近，地面支撑装置兼可以控制伸缩体的伸缩高度。升起工作完成后，通过遥控器控制清洗装置，控制喷水器对灯面进行清洁工作，由于喷水器的可旋转，通过控制可以对灯面的不同位置进行清洗。

3 三维模型的建立

采用自底向上的建模方法构建装配体。因本人是初学者，所以一般方法建立总装。

首先建立的是伸缩体的三维模型，该装置设计为小型装置，一人可完全操作，再从经济角度考虑，所以体积不必太大。依据剪叉臂CAD图，在Solidworks建立草图，并进行特征操作，凸台拉伸厚度为3mm。在这里有一点是要注意的是凸台拉伸完成后，模型基本完成，但是我们要给模型在颜色上给予两种不同的配置，这样做的目的方便以后建立伸缩体装配体时区分两侧的剪叉撑。

剪叉撑的三维模型建立以后，接下来我们按照设想的系统组成分别建立模型，这里不再一一叙述。分别为底盘丝杆传动系统、清洗丝杆传动系统、清洗装置。

下面我们来介绍一下以上部分建模时的主要问题，建立这样的装配体对我们学生而言，其规模相对较大，在建立总装配的时候难免会遇到些问题。在solidworks进行总装时，配合很多，而且在一更新时，配合就会出错，让人很头疼。在完成总装过程时配合方式选择错误，这里前面已经叙述过，不再重复说明。还有配合过多也是原因之一。

底盘丝杠传动系统和清洗丝杠传动系统在建模时主要问题在于与其它部件的位置配合关系，采用自底向上的建模方法时，要注意的是尺寸的正确性，以免装配出错。

清洗装置主要结构包括伺服电机，这里也是要配合的正确性。

上述三维模型建立完成后，及时在Solidworks 中保存文件，然后我们以自底向上的方式建立装配体，本项目三维模型中需要注意的配合方法按照实际配合方式选择配合形式。如实际中某处为铰链连接，那么在solidworks中为三维模型选择铰链配合。Soldworks中提供了非常全面的配合方式，在本模型中主要涉及到轴孔配合，部件的位置固定等。为了以后在motion中进行运动仿真，我们必须选择正确的配合方式，对于相对位置不变的零部件，采用标准配合进行定位，然后删除这些定位配合，然后在Solidworks配合中选择标准配合下的锁定，即将两个固连在一起，这样做的优势是减少计算机的计算，提高效率。

4 结论

基于泊松分布的需求预测模型设计 篇12

若平均每客户对公司产品在时间0,!t"的需求遵从参数为λt的泊松分布,即在时间0,!t",为满足每客户的需求,生产部门平均对该物料的需求数为K的概率为:

式中

Pk——对某物料需求为K的概率

K——对某物料的需求

t——计算时间

λt——时间0,!t"内物料的客户需求

1 物料需求量计算模型

需求量的确定是整个物料管理的关键问题之一,与需求量相关的参数有:

PN——平均每客户产品需求数(件)

MN——每单位产品耗用材料数(件)

N——客户数量(个)

R——平均需求率(次/天)

T——计算间隔时间(天)

α——计划保障率

λt——客户对公司产品在时间0,!t"的需求

K——生产部门对该物料的需求

RN——单位时间(天)的平均客户需求数

由以上参数,可以计算出单位时间(天)的平均客户需求数RN:

RN=PN×MN×N×R

时间T内物料的客户需求λt:

λt=RN×T=PN×MN×N×R×T

于是该物料的生产需求K就是在保障率α下满足下式的最小整数:

从以上的模型中,我们可以看出,在物料需求量的计算公式中,直接变量只有λt一个,而其决定因素中,PN、MN、N和T都比较容易得到的(其中PN可以由历史数据获得),只有产品的平均需求率R是比较不容易得到的。

2 时间序列法在需求率预测中的应用

对需求率R值的预测可采用时间序列法,计算流程如图1所示:

(1)计算R的季节指数

设Yt为t期的实际值,N为周期数,Mt为t期的预测值,移动平均法的公式为:

式中

Mt——t期的预测值

N——移动周期数

Yt——t期的实际值

移动平均数排除了实际值因季节因素引起的差异和部分随机因素的影响,可以作为长期趋势估计值,即

(2)计算R值的长期趋势

常用的趋势预测模型为线性趋势模型:

式中

——时间序列法预测值

t——时间

a、b——方程的参数

用最小二乘法导出的标准方程组为:

联解这个方程组,就可以求出参数a、b。

3 通过模型对需求量预测

假设某物料2009年7月R的预测值为0.16(次/天),在这一阶段的其他数据如下:T=7;PN=30;MN=1;N=150;α=92%。

根据以上数据,我们可以预测出在2009年该部件的平均每天客户需求数RN:

RN=PN×MN×N×R=30×1×150×0.16=720

订货周期的λt:

查泊松分布表,可得:K=5 139(件)。即在7天的订货周期内,该物料满足92%的保障率的生产需求量预计在5 139件。

摘要：研究的目的是运用有效的方法来提高需求预测的准确性,从而优化物料库存控制,以解决当前困扰生产企业的库存管理难题。通过分析物料的消耗规律,运用管理科学的理论与方法建立了基于泊松分布的物料需求模型,利用时间序列法对主要参数进行科学计算。研究的需求预测方法能够较好地解决库存控制中存在的计划问题,具有较强的可操作性,对提高企业库存管理水平具有很好的指导作用。

关键词：泊松分布,时间序列法,需求预测

参考文献

[1]马庆国.管理统计——数据获取、统计原理、SPSS工具与应用研究[M].北京:科学出版社,2004:182-202.