拓扑处理

拓扑处理（精选7篇）

拓扑处理 篇1

摘要：地表覆盖数据采集是地理国情普查的重要内容, 在数据采集、编辑、整理过程中, 相邻图斑之间发生微小移动, 这会影响整个地理国情普查数据成果的精度, 造成数据无法入库。简要介绍地表覆盖数据在入库前产生的面缝隙和面重叠的拓扑错误, 应用Arc GIS拓扑工具可以快速查找到问题图斑, 并结合数据管理工具实现高效修正, 确保入库前数据质量符合入库要求。

关键词：地理国情普查,地表覆盖数据,拓扑错误

0 引言

Arc GIS10.1 是Esri公司集40 余年地理信息系统 (GIS) 咨询和研发经验, 呈现给用户的一套完整的GIS平台产品, 它具有强大的地图制作、空间数据管理、空间分析、空间信息整合、发布与共享的能力[1]。Arc GIS for Desktop下的应用程序Arc Map是地理国情普查数据采集的主要工作平台, 处理的是空间信息, 需要统一的量算, 因此了解GIS的坐标系统是必要的。GIS的坐标系统大致有三种, Plannar Coordinate System (平面坐标系统, 或者Custom用户自定义坐标系统) 、Geographic Coordinate System (地理坐标系统) 、Projection Coordinate System (投影坐标系统) 。Plannar Coordinate System用于小范围内不需要投影或坐标变换的情况下使用。Geographic Coordinate System和Projection Coordinate System之间相互联系。Geographic Coordinate System是一种球面坐标系统, 以经纬度为地图的存储单位。Projection Coordinate System是一种平面坐标系统, 其地图单位通常是米。Geographic Coordinate System是Projection Coordinate System的基础之一, 每一个Projection Coordinate System必定会有Geographic Coordinate System。地理国情普查数据采集在大范围内进行的, 且矢量化时以米为单位进行存储, 所以选择Projection Coordinate System。

1 地理国情普查介绍

地理国情普查主要包括地表形态、地表覆盖和重要地理国情要素三个方面。地表形态数据反映地表的地形及地势特征, 也间接反映了地貌形态。地表覆盖反映地表自然营造物和人工营造物的自然属性或状况。地表覆盖不同于土地利用, 一般不侧重于土地的社会属性 (人类对土地的利用方式和目的意图) 等。重要地理国情要素反映与社会生活密切相关、具有较为稳定的空间范围或边界、具有或可以明确标识、有独立监测和统计分析意义的重要地物及其属性。

在整个地理国情普查中, 地表覆盖要素采集虽然只有一个面层 (LCA) , 但数据采集工作量大, 单个作业员无法完成数据采集工作, 通常是几个作业员合作完成。不同作业人员采集的矢量数据需要合并, 在合并过程中会引起图斑移动或合并时相邻图斑公共边结点未完全重合, 这会造成了拓扑检查时出现大量面重叠和面缝隙。

2 Arc GIS拓扑介绍

在Arc GIS中Coverage和Geo Database数据格式可以建立拓扑, Arc GIS拓扑是在同一个要素集下要素类之间拓扑关系的集合。要参与一个拓扑的所有要素类, 必须在同一个要素集下, 一个要素类可以有多个拓扑, 但每个要素类最多只能参与一个拓扑。

数据是GIS的核心, 在实际的操作中, 由于数据的多源性、数据格式的多样性、数据生产、数据转换、数据处理的标准不一致导致数据质量无法满足现实的需要。基于这个问题, 对数据进行拓扑检查, 可以找出有悖于拓扑规则的拓扑错误, 便于修改, 达到所需数据质量。

地理国情普查中矢量数据和属性数据存储在唯一的系统中, 所以采用基于对象数据模型的Geo Database数据格式。

3 地表覆盖数据拓扑检查与修改

3.1 新建拓扑

在地理数据库中创建要素集tp_Topology, 导入LCA, 在要素集下新建拓扑 (拓扑容差为0.01) , 设置拓扑规则。对于单个面要素拓扑规则如表1 所示。拓扑建立完成后, 需要对其进行验证, 验证拓扑的时间和图斑数量成正比, 图斑数越多, 所需时间越长。

3.2 拓扑错误处理

把建好的拓扑数据tp_Topology加载到Arc Map中, 在编辑器中开始编辑, 从拓扑工具条中打开错误检查器, 进行搜索 (取消仅搜索可见范围的对号) 可以发现图斑中存在的所有面缝隙和面重叠。图斑最外围的面缝隙是属于异常情况, 合理存在, 其他都需要进行修改。出现这种错误是由于在数据编辑过程中, 需要合并的图斑公共边部分结点位置或个数不一致引起的, 同时数据在编辑过程操作不当也会出现这个问题。单个修改从整个图斑的个数来看, 效率很低, 手动修改不太现实。对于出现的此类问题我们可以借助Arc GIS已有的功能来完成。具体步骤如下:

(1) 在错误检查器中分别选中同一类错误 (除图斑最外围的面缝隙) , 右键单击选择“创建要素”, 面缝隙和面重叠可以生成极小面。 (2) 打开LCA属性表, 按CC码排序, 可以看到新生成的极小面中所有的CC码是空值。根据这一属性选择生成的极小面的所有记录。 (3) 选择生成的极小面环绕的图斑。 (4) 在编辑器中选择“合并”选项, 选择CC码存在的图斑, 点击确定即可完成错误的修正。

上面操作只是针对单个图斑在数据处理过程中发生微小移动产生的拓扑错误处理方法。对于多个图斑产生的面缝隙和面重叠, 如图1 所示, 我们需要用到Arc Toolbo中的消除工具。消除工具是通过将面与具有最长公用边界的临近面合并来消除面 (我们也可以选择通过删除公用边界将所选面与邻近的最大面合并) 。具体步骤如下:

(1) 对已存在的面缝隙和面重叠分别通过创建要素生成极小面。 (2) 打开LCA属性表, 选择CC码是空值的所有记录, 如果不进行此操作, 后边的消除操作将无法进行。 (3) 打开Arc Toolbox→数据管理工具→制图综合→消除, 打开消除对话框, 在输入图层中选择LCA, 在输出要素类中选择要保存的路径和名称LCA_Eliminate, 其他默认即可, 点击确定即可完成操作。经过以上处理达到面与面之间的狭长缝隙与相邻图斑之间进行合并以消除错误, 同时满足数据采集精度0.1 的要求。 (4) 在Arc Map中, 图层LCA_Eliminate就是消除面缝隙和面重叠之后的矢量数据。 (5) 对LCA_Eliminate重新进行拓扑处理, 验证后的结果如图2 所示, 即所有缝隙被消除, 精度到达了0.01, 高于要求的0.1。 (数据采集要求的精度、新方法达到的精度和数据处理的结果) 。 (6) 删除LCA中数据, 将LCA_Eliminat的数据加载到LCA中, 就是入库前需要的数据。

通过上述方法可以修改LCA中面重叠和面缝隙的错误, 但只是针对图斑发生的微小移动, 通过创建要素使其生成狭长面来完成操作。在这一系列的操作中, 我们需要注意LCA层的工作地图是数字正射影像图 (DOM) , 精度要求一般不超过五个像素。如果通过创建要素产生的面过大, 即数据精度超限, 我们需要核查消除后的图斑边界是否超限, 如果超限, 需在拓扑工具条下对LCA层图斑边界进行调整, 否则将影响整个地理国情普查数据成果的质量。

4结束语

本文简要介绍了地理国情普查和Arc GIS拓扑功能, 运用Arc GIS对LCA层中的数据进行拓扑检查, 实现对发生错误的图斑通过创建面要素来能达到批量修改的目的。这种方法, 应用在地理国情普查中是高效的。但同时它也有缺点, 它的使用范围是图斑边界移动未超过五个像素, 我们可以直接使用, 对于图斑移动超过五个像素, 在上述方法的基础上, 结合拓扑工具条对图斑边界进行重新修改才能保障数据质量。

参考文献

[1]黄亮.Arc GIS 10.1地理信息系统软件在国情地表覆盖数据处理中的应用和拓扑检查[J].测绘与空间地理信息, 2014 (6) .

[2]GDPJ 01-2013, 地理国情普查内容与指标-20140402-V3.1-订正本[S].

[3]贾晓光, 刘金辉, 殷涛.Arc GIS拓扑在地理国情普查项目中的应用[J].测绘与空间地理信息, 2014 (6) .

[4]刘德刚, 叶良茂, 周刚.基于Arc GIS Geo Database的宗地拓扑模型建模与实现[J].微计算机信息, 2007, 23 (24) .

DDR拓扑分析 篇2

DDR (Double Data Rate SDRAM) 称“双倍数据流SDRAM”, 采用的是双边沿采样, 假设采样时间是400MHZ, 则双边沿则是800Mb/s。随着现代技术的不断发展, 内存的传输速率也随之快速提升, 从而信号完整性问题也越来越受到关注。同电路的设计在不同的产品中, 由于PCB实现的差异而导致产品的调试难度也会不同, 调试的时间也会不同, 从而严重影响产品投入到市场的时间。而DDR在如今的使用却是非常的广泛, 由于设计人员的经验差异, 没有根据实际情况选取正确的拓扑方式, 从而延长了开发周期时间。为此本文将对DDR的拓扑结构做出相应的分析。

2 DDR总线架构

DDR总线包括数据信号 (DQ) , 时钟信号 (CLK) , 数据选通信号 (DQS, DQ Strobe) , 地址总线和控制总线;其中DQ/DM/DQS采用的是点对点的连接, 不需要采用拓扑方式连接, 其中地址线、时钟线、控制性、命令线都需要进行多点互联的方式进行连接。因此, 会由于阻抗不匹配而产生反射现象, 从而需要进行拓扑和匹配电阻来减小反射的现象。

3拓扑结构

在DDR中比较常用的拓扑方式主要有T型和FLY-BY两种方式。

T型结构包括树形结构与星型结构, 它的拓扑特点是每个分支的接收端负载和走线长度尽量保持一致, 这种拓扑结构可以确保不同接收端没有skew, 在多负载的情况下可以有效的避免时钟, 地址和控制信号不同步的问题。同时这种布线方式相对比较困难, 空间资源使用比较多。

FLY-BY拓扑方式与星型结构不同, 它不保证每个驱动端到各负载的走线长度相等, 而是确保到每个驱动端的长度尽量的短, 从而避免分支信号对主干信号的反射干扰。该结构不保证时钟、地址和控制信号同步。理论上它能FLY-BY拓扑结构分布长度stub=0, 应该具有更好的信号完整性, 我们可以通过仿真来进行相应的验证。

3.1 T结构

3.1.1树形结构

图1-1所示的结构如同树一样, 有着根, 树干, 分支所以称为树形结构, 该结构由于分支比较多, 阻抗的连续性不是很好, 当走线等宽, 每个分支点也会产生相应的反射系数, 这些噪声不仅会对每个分支的内部干扰, 也会分支和分支间产生干扰。但当分支对称时, 它的噪声会相对的overlap, 波形会平顺些, 因此该结构的对称性也是很重要。

根据图1-2所示, 当该结构的总传输线不是很长的情况下, 根据图1-1 (a) 的拓扑方式既可以得到比较好的波形, 从而也可以得出总传输线不是太长且传输线主抗合适的情况下可以不使用R1电阻和VTT。当总传输线过长的时候, 干扰会增加, 为了使其更好的工作, 我们需要使用端接匹配设计如图1-1 (b) 所示, 增加端接电阻R1来进行阻抗匹配和匹配电源VTT, 大多数设计师都会留意R1阻值的选择而忽略其位置的选择, 通过理论和仿真测试, 只有当R1放置如图1-1 (b) 所示的位置才能达到最佳效果, 因此也满足了其对称性这一原则。

3.1.2星型结构

星型结构和树型结构比较相似, 也是阻抗不易控制, 由于采用星型方式堆成, 所以时序比较容易控制。其结构如图1-3所示, 由于其原理和树型结构及其类似, 此处略。

3.2 FLY-BY结构

FLY-BY又称为菊花链结构, 其特点是结构简单, 阻抗易控, 驱动端到信号主干道的长度较短, 缺点是没有保证驱动哥负载的等长, 因而无法让地址信号, 控制信号和时钟信号同步。拓扑结构如图1-4所示。

通过本次设计仿真结果对比可知FLY-BY在不添加终端电阻的情况下很难实现阻抗匹配, 要想实现阻抗匹配需要添加终端电阻R1, 根据戴维宁定理R1放置于前面三个负载的任一节点都无法达到阻抗匹配的效果。比较图1-5的 (a) 与 (b) 后我们可以看到在添加了终端电阻进行阻抗匹配后, (b) 图比 (a) 图有了很大的改善, 但波形的过冲现象仍然非常严重, 且由于每片负载到驱动端的的走线长度不同, 因此它们都有一些延时, 由此可以看出FLY-BY并不适合本次pcb设计。

4小结

T结构要使信号质量同步的前提是要保证走线长度的基本一致, 因此走线难度比较大。一旦走线长度的误差超过DDR里面的datasheet里面的要求, 很容易影响其正常的工作。

FLY-BY结构虽然走线容易, 但会存在一定的延时, 在选用该拓扑结构的时候要考虑是否适合自己PCB设计的同时也要看驱动芯片是否允许该拓扑结构的实现。

DDR的T结构和FLY-BY结构都是最常用的两种结构, 在pcb设计中没有任何拓扑结构是百分百适用的, 我们在进行拓扑选择的时候需要根据PCB的堆叠, 布局, 走线等一系列的要求来进行对DDR拓扑结构的选择。

参考文献

时空过程拓扑关系表达 篇3

关键词：时空数据挖掘,时空过程,时空过程拓扑,时空耦合

时空过程是地理实体在指定时间区间内的发展演化过程,是时间与空间的有机统一整体,其间的拓扑关系是时间拓扑关系与空间拓扑序列的有机偶合体。空间拓扑和时态拓扑分别从空间和时间的角度独立地表达拓扑关系,机械地离散了具有密切联系的时空对象时间与空间的联系,不能表达时空过程之间的动态拓扑关系。因此,很多学者开始尝试将时间和空间纳入一个统一的框架内,探索时空拓扑关系的表达。Christophe等基于时间与空间的等同性归纳出了56 种时空关系,但其没有区分时态方向与时态拓扑关系,也没有进一步探讨时空拓扑操作的实现[1,2]。徐志红等基于地籍实体空间静态空间关系,采用地籍实体变更事件驱动地籍实体及其拓扑关系的变更[3]。高勇等基于时间片时空数据模型和9 交模型的建模思想针对二维欧式空间内的平面移动对象,构建了移动对象的时空拓扑关系定性表达模型[4]。还有部分学者利用空间拓扑与时态拓扑关系的笛卡尔积来表达时空拓扑关系,并利用耦合矩阵对时空拓扑进行描述[5,6]。曾联斌等在时段时空数据模型的基础上,利用9交模型定义了基于时段的时空对象时空拓扑关系模型[7]。以上研究,将空间拓扑和时态拓扑进行耦合来表达时空拓扑,是时空过程拓扑的一种特例,并没有体现空间拓扑关系在时间区间的变化过程。

鉴于此,本文旨在统一的时空框架下,将基于时空过程原子实体来探讨时空过程之间的拓扑关系,为进一步的时空过程推理、分析和时空数据挖掘提供理论基础。因此,将时间与空间进行正交组合构建统一的时空框架体系,在时态拓扑和空间拓扑分析的基础上构建原子时空过程拓扑关系,并对其几何表达、语义描述和联合矩阵表达进行讨论,最后利用原子时空过程拓扑关系实现时空过程拓扑关系的统一存储与计算表达。

1 时态与空间拓扑关系描述

1.1 时态拓扑关系描述

Allen基于时间区间逻辑模型,给出了13 种互不相交且联合完备的时态拓扑关系,但是它混淆了时态方向关系和时态拓扑关系[8]。舒红等将时态区间作为时态拓扑分析的基元,并用4-交模型和9-交模型来表达时态区间之间的拓扑关系,并证明二者在时态拓扑表达上具有等同性[9,10]。

8种时态拓扑关系分别为时间相离、时间相接、时间部分覆盖、时间覆盖、时间被覆盖、时间重合、时间包含与时间被包含,记为:TDisjoint,TMeet,TOverlap,TCover,TCovered By,TEqual,TContain,TInside,其4 交模型的矩阵表达,如图1所示[10]。

1.2 时态拓扑关系描述

空间拓扑模型主要有两种表达模型RCC-n模型和n交模型。RCC-n模型是基于哲学逻辑的公理化拓扑,它的研究主要集中于空间推理领域[11]。n交模型是基于点集拓扑理论的数学形式拓扑,主要用于GIS领域的空间拓扑分析[12]。所以下面主要分析基于n交模型空间拓扑关系的表达。

现实世界中的空间对象A是由内部、边界和外部三个部分组成,用符号分别表示为,A∘、∂A和A-。n交模型的基本思想是利用两个对象的边界、内部、外部之间的交集矩阵来表达空间拓扑关系,矩阵元素取值为 θ 或 θ̂。根据是否考虑对象的外部,又可以分成4交模型和9交模型,二者在空间拓扑关系表达上具有等同性。

8种面/面拓扑关系的4交模型的矩阵表达,如图2所示。

2 时空过程拓扑关系表达

2.1空间拓扑关系变化顺序

地理空间在时空过程中的变化体现在两个方面:1地理实体的变化,包括空间位置、形状、大小、属性变化等;2空间关系的变化,主要包括空间距离、方向和拓扑关系的变化。空间拓扑关系的变化主要是由地理实体自身的形状变化和地理实体位移所引起的。

时空过程中,地理实体会发生不同程度的变化,从而可能引起空间拓扑关系的变化,这种变化是按照一定的顺序进行的。图3 描述了由地理实体的位移和形变所引起的空间拓扑关系变化的顺序关系。

图3 中,A和B是两个面状地理实体。双向箭头两侧的拓扑关系是相邻的,即箭头一侧拓扑关系发生变化可能会产生箭头另一侧的拓扑关系,但不可能出现跨越相邻拓扑关系直接形成另一种拓扑关系的变化过程,如相离拓扑关系变化不能直接产生部分覆盖拓扑关系,其必须经过相邻拓扑关系才能变成部分覆盖拓扑关系。图中黑色双向箭头两侧的拓扑关系皆可通过地理实体形变或地理实体位移完成相互转化;红色双向箭头两侧的拓扑关系只能通过地理实体的形变完成相互转化。

2.2原子时空过程拓扑关系

时空过程是地理实体在时空多维空间中,沿着时间维向前不断移动、变化的过程,其变化形成的轨迹是一个以时间为纵轴的时空立方体。图4 展示了地理实体A和B沿着时间轴t演化,形成的时空立方体。

在时间区间[Tstart,Tend]内,A和B都在向前演化,其中A从t1时刻开始向周围匀速扩散,B在整个时间区间内没有发生任何变化。A与B的拓扑关系在时间区间内发生了变化,由相离变化成相邻。时空过程中,地理实体的演化是一个持续变化的过程,但与其他地理实体之间空间拓扑关系的变化是离散的、突变的。

随着时间区间长度的增加,拓扑关系的变化过程变得更加复杂。以简单、明确为目的,这里仅探讨基本拓扑关系过程的表达。

定义基元空间拓扑关系过程:在指定的时间区间内,地理实体间的空间拓扑关系仅在相邻拓扑关系之间变化或不发生变化,形式化表达为:Tpprocess=[Tp1→ Tp2],其中Tp1和Tp2分别为变化前后的拓扑关系,当Tp1=Tp2,被认为是一种特殊的基元空间拓扑关系过程。

基于4交模型,用拓扑关系组合结构来表达基元空间拓扑关系过程,如式1所示。

为了表达的统一性,将在时间区间保持不变的空间拓扑关系也表达为前后相同的基元空间拓扑关系过程。根据拓扑关系变化的顺序,可以将相邻拓扑关系过程分解成30 种基元空间拓扑关系过程,其几何表达,如图5所示。

图5 中黄绿色和灰色图形分别表达两个面状地理实体在时间区间[tstart,tend]演化过程所形成的时空立方体。此处空间拓扑关系的变化只涉及相同的时间区间的面状实体,并未考虑时间区间之间的时态拓扑关系。

2.3原子时空过程拓扑关系表达

在时空过程中,时间和空间是相互联系、相互影响的:时间是通过空间对象或相互关系的变化来体现,空间是通过地理实体在时间方向存在的延续性而得到证明;同时,二者又是相互独立的,它们可以单独地在各自领域中进行推理和计算。因此,通过时间与空间状态序列的耦合可以对时空过程进行表达。从认知学的角度出发,需要把时空过程作为一个时空整体进行理解与描述,但由于持续变化过程表达的复杂性和计算机只能进行二进制数存储,目前大都采用有序的空间状态序列来对时空过程进行表达。

时间与空间的相互独立性,为通过基元空间拓扑变化过程与时态拓扑关系耦合表达时空过程拓扑提供了可能。因此,本文采用基元空间拓扑关系过程与过程所占时间区间之间的时态拓扑关系进行笛卡尔积耦合,来表达原子时空过程拓扑关系。4交模型基元空间拓扑关系过程与4交模型时态拓扑关系笛卡尔积矩阵的原子时空过程拓扑关系表达,如式2所示。

以4交模型的基元空间拓扑关系过程与4交模型的时态拓扑关系笛卡尔积耦合,TPProcess×TEqual、TPprocess×TDisjoin、TPprocess×TMeet、TPprocess×TOverlay、TPprocess×TCover、TPprocess×TCoveredby、TPprocess×TContain、TPprocess×TIn-side,形成240种原子时空过程拓扑关系。由于篇幅所限,在此仅给出TPprocess×TDisjoin的30 种原子时空过程拓扑关系的几何表达和耦合矩阵,如图6所示,其的基本语义描述如表1所示。其他的耦合矩阵的时空过程拓扑语义及其耦合矩阵,可以根据相同的方法得到。

2.4 时空过程拓扑关系表达

随着时空过程所占时间区间长度的增大,地理实体之间的空间拓扑关系变化也变得更加频繁和复杂。通过相邻空间拓扑变化状态的有序集合和与其对应时间区间的时态拓扑关系进行笛卡尔积耦合来表达复杂时空过程之间拓扑关系策略在理论上是可行的,但实际操作起来就会因为拓扑关系状态过多、变化过程复杂和数目庞大的拓扑关系变化过程分类,而致使其实用性大大降低。

对于长时间区间时空过程拓扑关系,可以采用化繁为简的策略,将其离散成多个原子时空过程拓扑关系,当需要表达整个时空过程拓扑关系时,可以通过时间区间联接操作来实现。图8展示了长时间区间时空过程拓扑关系的变化过程。

地理实体A在整个过程中没有发生变化,而实体B却不断地发生变化:首先变大、再变小、最后又变大。在整个时间区间[t1,t4]内,二者之间的空间拓扑关系发生了三次变化:相离到邻接、相邻到相离和相离到部分覆盖,变化发生的时间区间分别为,[t1,t2],[t2,t3]和[t3,t4]。为了符合原子时空过程拓扑关系时间联接表达时空过程拓扑关系的要求,将包含跨越相邻空间拓扑关系的时间区间[t3,t4]拆分成[t3,t3_m]和[t3_m,t4],分别对应相离到部分覆盖拓扑关系变化的子过程,相离到相邻和相邻到部分覆盖。图8 中时空过程拓扑关系离散成原子时空过程拓扑关系序列的操作过程,如图8所示。

显然,时间区间的前后顺序是很容易获得的,因此在进行原子时空过程拓扑关系联合后,就可以清晰地表达在指定时间区间内空间拓扑关系的变化过程。如图9所示,前一原子时空过程拓扑表达矩阵中的后拓扑关系与后一原子时空过程拓扑表达矩阵中的前拓扑关系是相同的,称此关系为连接拓扑关系。通过相同的连接拓扑关系,可以对有序的原子时空过程拓扑关系序列进行合并,来表达长时间区间时空过程之间的拓扑关系。例中时空过程拓扑关系变化过程为:相离→相邻→相离→相邻→部分覆盖。当然,还可以对这个变化过程进行抽象以获得更高层次上拓扑关系变化的趋势。

3 结束语

时空过程之间的拓扑关系是时态拓扑关系与空间拓扑关系变化过程的有机耦合,是进行时空推理、时空数据挖掘和时空分析的重要基础。论文主要完成以下几个方面的工作:1)对时空过程间空间拓扑关系的变化过程进行分析,确定了30 基本空间拓扑关系变化过程,并给出相应的几何描述和组合矩阵表达;2)将30 种基本空间拓扑过程与时态拓扑关系进行笛卡尔积耦合,构建了240 种原子时空过程拓扑关系,并说明了相应的几何语义和矩阵表达模型;3)基于原子时空过程拓扑关系,给出了时空过程拓扑关系分解与表达的方法。基于原子时空过程拓扑的时空过程拓扑关系的表达,使得复杂的时空过程拓扑关系表达变得简单、直观和易操作,语义描述也更加符合人的认知习惯,能更好地解释时空过程,并且存储表达具有完备的数理基础,为时空过程知识挖掘和时空过程推理奠定了基础。

转移潮流法拓扑错误辨识 篇4

电力系统状态估计[1]根据遥信进行实时结线分析以确定电网的拓扑结构。开关和刀闸采集状态错误或缺少将造成拓扑错误,将影响状态估计的精度,甚至使状态估计不收敛。目前关于电网拓扑错误辨识的方法主要有残差法[2,3,4,5,6]、规则法[7,8]、人工神经网络(ANN)法[9,10]、最小信息损失法[11,12]和新息图法[13,14,15]。基于加权最小二乘估计的残差法[2,3]认为状态估计的大的残差对应于拓扑错误支路,但当拓扑错误和不良数据同时存在时,其辨识可能存在错误;基于增广状态估计的残差法[4,5,6]虽然可以同步辨识拓扑错误和不良数据,但它需要的局部量测冗余度很高,并且存在数值不稳定问题。规则法可以快速辨识出简单的拓扑错误,但对于接线方式复杂的大电网,规则的制定比较麻烦。ANN法存在数量和范围的矛盾,难以用于实际系统。最小信息损失法把拓扑错误辨识转化为一个混合整数规划问题,但建模比较复杂,应用的难度较大。新息图法可以快速辨识拓扑错误和不良数据,但对于支路的拓扑错误和多不良数据同时发生时的辨识也存在困难。

本文通过比较当前时刻的遥测数据与基态得到转移潮流,深入分析了网络拓扑变化时转移潮流的特点以及多不良数据对转移潮流的影响,提出了一种转移潮流法拓扑错误辨识方法。

1 转移潮流

当电网拓扑结构或注入功率发生变化时,支路潮流会发生变化,这种支路潮流的变化称为转移潮流。把一个维护很好的状态估计结果作为基态,此基态的状态估计合格率很高,所有残差都很小,因此可以认为基态的状态估计结果是正确值。

1.1 单一支路拓扑变化时的转移潮流

设基态下的节点电抗矩阵为X,基态下节点注入电压矢量为$\dot{\mathit{U}}=[\dot{\mathit{U}}{}_1^{\text{Τ}},\dot{\mathit{U}}{}_2^{\text{Τ}},\cdots ,\dot{\mathit{U}}{}_{{\rm N}}^{\text{Τ}}]{}^{\text{Τ}}$;N为拓扑节点的总数目,设节点N为平衡节点;节点注入电流矢量为$\dot{\mathit{{\rm I}}}=[\dot{\mathit{{\rm I}}}{}_1^{\text{Τ}},\dot{\mathit{{\rm I}}}{}_2^{\text{Τ}},\cdots ,\dot{\mathit{{\rm I}}}{}_{{\rm N}}^{\text{Τ}}]{}^{\text{Τ}}$;支路k两端的节点为l,m。现在来考察网络拓扑变化时转移潮流的计算方法。当支路k开断而同时注入功率不变时,相当于在节点l,m间增加一条电抗为-xk的线路,形成新的网络,而网络的其他部分不变,如图1所示。

在文献[16]的基础上可以推导出支路lm开断引起支路ij的转移潮流为:

$\text{Δ}{\rm P}{}_{ij-lm(\text{o})}=\frac{x{}_{lm}}{x{}_{ij}}\frac{\mathit{A}{}_{ij}^{\text{Τ}}\mathit{X}\mathit{A}{}_{lm}}{x{}_{lm}-\mathit{A}{}_{lm}^{\text{Τ}}\mathit{X}\mathit{A}{}_{lm}}{\rm P}{}_{lm(t-1)}(1)$

式中:ΔPij-lm(o)为支路lm开断而引起支路ij的转移潮流;Plm(t—1)为支路lm断开前的有功功率,即基态有功;Alm为支路k的节点—支路关联矢量,只在支路k的两端节点l,m对应位置有+1和-1这2个非零元,其余元素都为0;Aij为支路ij的节点—支路关联矢量;xlm和xij分别为支路lm和ij的电抗。

引进支路开断分布系数为:

${\rm K}{}_{ij-lm}=\frac{\text{Δ}{\rm P}{}_{ij-lm(\text{o})}}{{\rm P}{}_{lm(t—1)}}=\frac{x{}_{lm}}{x{}_{ij}}\frac{\mathit{A}{}_{ij}^{\text{Τ}}\mathit{X}\mathit{A}{}_{lm}}{x{}_{lm}-\mathit{A}{}_{lm}^{\text{Τ}}\mathit{X}\mathit{A}{}_{lm}}(2)$

式中:Kij-lm为支路lm开断而引起支路ij的支路开断分布系数。

同样可以推导出支路lm闭合时引起支路ij的转移潮流为:

$\text{Δ}{\rm P}{}_{ij-lm(\text{c})}=-\frac{1}{x{}_{ij}}\frac{\mathit{A}{}_{ij}^{\text{Τ}}\mathit{X}\mathit{A}{}_{lm}}{x{}_{lm}+\mathit{A}{}_{lm}^{\text{Τ}}\mathit{X}\mathit{A}{}_{lm}}\theta {}_{lm(t—1)}(3)$

式中:ΔPij-lm(c)为支路lm闭合引起支路ij的转移潮流;θlm(t—1)为支路lm闭合前节点l与m的相角差。

支路lm闭合后的有功功率Plm(t)为:

${\rm P}{}_{lm(t)}=\frac{1}{x{}_{lm}+\mathit{A}{}_{lm}^{\text{Τ}}\mathit{X}\mathit{A}{}_{lm}}\theta {}_{lm(t—1)}(4)$

支路lm闭合而引起支路ij的支路闭合分布系数Jij-lm为:

$J{}_{ij-lm}=\frac{\text{Δ}{\rm P}{}_{ij-lm(\text{c})}}{{\rm P}{}_{lm(t)}}=-\frac{\mathit{A}{}_{ij}^{\text{Τ}}\mathit{X}\mathit{A}{}_{lm}}{x{}_{ij}}(5)$

由转移潮流的物理意义,容易得到下式:

$\{\begin{array}{l}|{\rm K}{}_{ij-lm}|\le 1\\ |J{}_{ij-lm}|\le 1\end{array}(6)$

式(6)说明,发生单一支路拓扑变化时,开断(闭合)支路的转移潮流绝对值最大。因此,在发生单一支路拓扑错误且不考虑不良数据时,转移潮流绝对值最大的支路为拓扑错误可疑支路,从而拓扑错误辨识问题就是要设法排除多个不良数据后找到转移潮流绝对值最大的支路。

1.2 注入功率和拓扑同时变化时的转移潮流

假设网络拓扑不变,同时有多个节点的注入功率发生变化,此时由注入功率变化引起的所有支路转移潮流矢量ΔPLG为:

$\text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_{L\text{G}}=\mathit{Y}{}_L\mathit{A}{}^{\text{Τ}}\mathit{X}\text{Δ}\mathit{{\rm P}}(7)$

式中:YL为支路电纳对角矩阵;A为除平衡节点外的降阶节点—支路关联矩阵;ΔP=[ΔP1,ΔP2,…,ΔPN-1]T为除平衡节点外的节点注入功率变化矢量;L为支路总数;N为节点总数。

当同时存在拓扑变化和注入功率变化时,根据叠加定理,仅仅由拓扑变化引起的转移潮流ΔPL为:

$\text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_L=\mathit{{\rm P}}{}_{L\text{s}\text{u}\text{m}(t)}-\mathit{{\rm P}}{}_{L\text{s}\text{u}\text{m}(t-1)}-\text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_{L\text{G}}(8)$

式中:PLsum(t)和PLsum(t-1)分别为当前时刻和基态的支路潮流;有些支路上无量测,故PLsum(t)中有些值不可得。

对于少数无量测的支路,可根据基尔霍夫电流定律(KCL)来计算这些支路的转移潮流。在电网中选择一棵树,选树时保证连支上面有量测,令电网的支路—回路关联矩阵为C,将树支和连支分开,将C按行分块,其中1至l行为连支,其余为树支,即:C=[I,CTt]T,Ct为树支—回路关联矩阵。将转移潮流按行分块,1至l行对应连支,其余对应树支,则有:

$\text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_L=\left[\text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_l^{\text{Τ}},\text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_t^{\text{Τ}}\right]{}^{\text{Τ}}(9)$

式中:ΔPl和ΔPt分别为连支和树支转移潮流矢量。

采用直流潮流模型,并用有功功率来代替电流,根据KCL引进初始扩展转移潮流ΔPLe1为:

$\text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_{L\text{e}1}=\left[\begin{array}{c}\text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_{l\text{e}1}\\ \text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_{t\text{e}1}\end{array}\right]=\mathit{C}\text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_l=\left[\begin{array}{c}\text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_l\\ \mathit{C}{}_t\text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_l\end{array}\right](10)$

式中:ΔPle1和ΔPte1分别为连支和树支初始扩展转移潮流矢量。

显然,当不存在不良数据时,初始扩展转移潮流中绝对值最大的支路为拓扑错误支路。为了分析转移潮流与初始扩展转移潮流的关系,引入初始差别潮流,定义为二者之差,表示为下式:

$\text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_{L\text{d}1}=\left[\begin{array}{c}\text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_{l\text{d}1}\\ \text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_{t\text{d}1}\end{array}\right]=\text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_L-\text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_{L\text{e}1}=\left[\begin{array}{c}0\\ \text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_t-\mathit{C}{}_t\text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_l\end{array}\right](11)$

容易证明无不良数据时,满足:

$\text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_{L\text{d}1}\approx 0(12)$

式(11)和式(12)说明初始差别潮流矢量的范数明显偏于0是存在不良数据的标志。

2 不良数据估计和拓扑错误辨识

首先分析不良数据的影响,然后估计其数值和辨识拓扑错误。本文的不良数据是指量测值与真值的差值大于门槛值的部分。

2.1 不良数据的影响

假设连支和树支的不良数据矢量分别为βl和αt,ΔPl和ΔPt分别是连支和树支转移潮流矢量的正确值,则连支和树支转移潮流矢量可以分别表示为βl+ΔPl和αt+ΔPt。此时初始差别潮流矢量为:

$\text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_{L\text{d}1}=\left[\begin{array}{c}\text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_{l\text{d}1}\\ \text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_{t\text{d}1}\end{array}\right]\approx \left[\begin{array}{c}0\\ \mathit{\alpha }{}_t-\mathit{C}{}_t\mathit{\beta }{}_l\end{array}\right](13)$

由式(13)可知,树支初始差别潮流约等于其上的不良数据值与所有经过此树支的基本回路对应的连支上的不良数据之差。

当βl不为0时,初始扩展转移潮流矢量为:

$\text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_{L\text{e}1}=\left[\begin{array}{c}\text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_{l\text{e}1}\\ \text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_{t\text{e}1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathit{\beta }{}_l+\text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_l\\ \mathit{C}{}_t(\mathit{\beta }{}_l+\text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_l)\end{array}\right](14)$

式(14)说明,初始扩展转移潮流会受到连支不良数据的影响。尽管如此,由于事先不知道不良数据的分布,仍然认为初始扩展转移潮流绝对值最大的支路为拓扑错误可疑支路。通过后文介绍的方法将可以检验这一假设。

综上,不良数据的存在干扰了拓扑错误支路,必须首先排除不良数据,然后才能找出拓扑错误支路。

2.2 不良数据的估计

用初始扩展转移潮流来检查它们是否满足KVL,所检查的回路包括网孔回路和相邻网孔的环和回路。正常回路的转移潮流相角差代数和满足:

${\displaystyle \sum \text{Δ}}\theta ={\displaystyle \sum _{i=1}^k(}{\rm P}{}_{\text{b}i(t)}-{\rm P}{}_{\text{b}i(t-1)})x{}_i\approx 0(15)$

式中:Pbi(t)和Pbi(t-1)分别为支路i当前时刻和基态的潮流,Pbi(t)-Pbi(t-1)为转移潮流;xi为支路i的电抗;k为回路的支路总数。

式(15)可用来区别正常回路和非正常回路。非正常回路中的支路初始扩展转移潮流必然包含有不良数据或者非正常回路本身为拓扑错误回路。

连支上面的不良数据影响到所有支路的初始扩展转移潮流。定义连支最终扩展转移潮流为排除了不良数据的连支初始扩展转移潮流,则连支最终扩展转移潮流符合电路的基本定律。所有支路的最终扩展转移潮流矢量ΔPLe2定义为:

$\text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_{L\text{e}2}=\left[\begin{array}{c}\text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_{l\text{e}2}\\ \text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_{t\text{e}2}\end{array}\right]=\mathit{C}\text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_{l\text{e}2}=\left[\begin{array}{c}\text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_{l\text{e}2}\\ \mathit{C}{}_t\text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_{l\text{e}2}\end{array}\right](16)$

式中:ΔPle2和ΔPte2分别为连支和树支最终扩展转移潮流矢量。

正常回路上连支的最终扩展转移潮流等于其初始扩展转移潮流;对于非正常回路,可以把位于其上的连支最终扩展转移潮流设置为未知量而予以估计。设y是未知的连支最终扩展转移潮流矢量,它和正常回路中的连支初始扩展转移潮流一起构成了ΔPle2,由式(16)可以计算出所有非正常回路中支路的最终扩展转移潮流,它们都是y的线性函数。在电网中保留正常回路,对于非正常回路依据KVL而列写的方程为:

$\mathit{D}\mathit{y}=\mathit{\epsilon }(17)$

式中:D为回路系数矩阵,由支路电抗元素组成;ε为对应的回路转移潮流相角差矢量。

由于初始扩展转移潮流绝对值最大的支路是拓扑错误可疑支路,因此所选择的回路将不包含这些支路所在回路。不良数据和拓扑错误发生概率都较小,方程(17)一般为超定方程,其最小二乘解为:

$\mathit{y}=(\mathit{D}{}^{\text{Τ}}\mathit{D}){}^{-1}\mathit{D}{}^{\text{Τ}}\mathit{\epsilon }(18)$

这样就得到所有连支的最终扩展转移潮流矢量。

以上假定存在不良数据时,绝对值最大的初始扩展转移潮流支路为拓扑错误可疑支路,可以对此假设进行检验。根据式(2)或式(5),可以用此可疑支路的初始扩展转移潮流计算正常支路的初始扩展转移潮流,将计算值与正常支路的初始扩展转移潮流相比较。如果很接近,则假设正确;如果相差较大,则假设有错误。若假设得以验证,可将此支路的初始扩展转移潮流约束增广进方程(17)中以提高估计精度。

最终扩展转移潮流矢量符合电路基本定律,根据电路解的唯一性原理,连支最终扩展转移潮流矢量接近于其初始扩展转移潮流矢量的正确值,从而也接近于其真实转移潮流矢量的正确值,即

$\text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_{l\text{e}2}\approx \text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_l(19)$

定义连支初始扩展转移潮流矢量与其最终扩展转移潮流矢量的差矢量为连支的最终差别潮流矢量,用ΔPld2表示,则

$\text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_{l\text{d}2}=\text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_{l\text{e}1}-\text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_{l\text{e}2}(20)$

将式(19)代入式(20),计及式(14)可得:

$\text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_{l\text{d}2}\approx (\mathit{\beta }{}_l+\text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_l)-\text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_l=\mathit{\beta }{}_l(21)$

式(21)说明,连支最终差别潮流矢量即为连支上不良数据的估计值。根据式(13),可得树支上不良数据的估计值,称其为树支最终差别潮流矢量,用ΔPtd2表示,则有:

$\text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_{t\text{d}2}=\text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_{t\text{d}1}+\mathit{C}{}_t\text{Δ}\mathit{{\rm P}}{}_{l\text{d}2}\approx \mathit{\alpha }{}_t(22)$

所有支路的最终差别潮流矢量即为其支路不良数据的估计值。

2.3 拓扑错误的辨识

排除了不良数据后,就可以辨识拓扑错误。其辨识规则如下:最终扩展转移潮流的绝对值以及回路的转移潮流相角差代数和都较大且其基态有功不为0的支路状态是断开的;最终扩展转移潮流的绝对值较大且其基态的有功为0的支路状态是闭合的;最终扩展转移潮流的绝对值都较小时无支路拓扑错误发生。

2.4 转移潮流法的辨识能力

转移潮流法用当前时间断面的数据采集与监控(SCADA)数据与基态进行比较得到转移潮流,它充分利用了转移潮流中蕴含的拓扑变化信息,并且在对不良数据分布的深入分析基础上给出了不良数据的估计方法,从而可以有效辨识出单一支路拓扑错误和多不良数据同时发生的情况。在没有拓扑错误时,此方法可以给出支路有功不良数据的最小二乘估计。

3 算例分析

下面以东北局部电网2009年3月24日15时10分的实时断面为例进行仿真试验,该局部电网有18个计算节点,25条支路,量测配置齐全。基态选用一个调试很好的状态估计结果。当时的预校验发现有较多的支路和厂站功率不平衡。所选的连支为1-2,5-8,6-9,7-10,10-13,12-15,13-16和16-18,其余支路为树支。分别用新息图法和转移潮流法对此算例进行辨识。通过人工调试和程序运行找到正确的拓扑错误支路和不良数据,对辨识结果进行分析和比较。转移潮流法的初始辨识数据如表1所示。

在利用转移潮流法继续辨识之前,先用已经发表的新息图法[11,12,13]进行辨识。如果认为基态估计值等于预报值,根据表1给出的数据,用新息图法对不良数据的辨识结果如表2所示。

由表2可见,新息图法对不良数据的辨识出现了错误;根据新息图法的辨识规则,新息图法认为支路2-5实际是断开的,这一结论是正确的。

转移潮流法估计出的连支和树支上面的不良数据估计值(即最终差别潮流)分别如表3和表4所示,作为对比,表中还给出了不良数据的正确值。

由表3和表4可知,转移潮流法辨识出了所有的不良数据,而且估计值与正确值吻合很好。估计出了支路一端量测的数值,则很容易判断另一端量测是否有不良数据。根据转移潮流法的辨识规则,最终确定支路2-5的实际状态是断开的。用转移潮流法得到的结果对量测量以及网络拓扑进行修正,然后运行加权最小二乘状态估计,此局部拓扑的残差都变得很小,状态估计合格率上升了不少。

至此,用转移潮流法正确辨识出了支路拓扑错误和多不良数据交叠的情况,证明了转移潮流法具有良好的工程应用前景。

4 结语

本文利用当前断面的SCADA遥测数据与基态比较得到转移潮流,利用转移潮流法辨识出支路拓扑错误和不良数据后,再运行当前时刻的状态估计,则可提高状态估计精度。转移潮流法数据获取容易,方法简单可靠,将转移潮流法与规则法相结合,可以有效辨识支路拓扑错误和多不良数据同时发生的情况。对于大电网,可分区应用转移潮流法来辨识拓扑错误和不良数据。如果没有拓扑错误,则此方法可给出支路有功不良数据的最小二乘估计。

关于网络拓扑故障的分析 篇5

一般情况下, 在网络的设计之初, 网络设计者们都已经将网络的各种功能基本上发挥到了一定的程度, 同时也已经考虑到了某些故障, 并会作出一些相应的措施来避免故障的发生。但作为一名合格的网络工程师, 应该同时作出相应的解决方案。一般在网络初次建好后是不会出现故障的。因为在网络建好后, 网络设计者们已经将各种网络设备的设置和连接做好了, 并已经完成了种种的调试和测试。

网络拓扑所引起的故障, 多数情况下是因为网络管理人员对网络的结构模糊, 或者对网络拓扑结构进行某些操作所造成的, 所以对于网络拓扑结构来说, 其故障一般是人为造成的。网络拓扑结构故障一般是由于更改网络拓扑结构, 或对网络拓扑进行优化。网络拓扑结构的更改, 一般主要是由于对网络设备的重新配置而改变了网络拓扑结构, 或在网络的主要结构中加入了新的网络设备, 从而改变了网络拓扑结构而发生故障。对于网络拓扑结构的优化故障一般主要是由于网络管理人员对网络内的设备, 包括交换机和路由器, 进行了重新配置, 目的是使其能够最大限度地提供服务而最终造成的故障。

2、更改拓扑结构

由于局域网中的网络拓扑结构相对来说是比较稳定的, 一般不会像笔记本电脑一样, 位置可以随意改变。但这并不能说, 网络拓扑结构是一定不能改变的。需要注意的是, 在改变网络拓扑结构之前, 必须对需要更改的网络拓扑结构有一个比较详细的了解, 必须根据现有的网络拓扑结构进行更改。

建议网络管理人员要有网络拓扑结构图的备份, 以便在网络出现故障时, 可以轻松查找到故障原因。另一方面, 在升级网络时也可以避免一些不必要的故障出现。

随着技术的发展, 网络都会面临升级。这里所说的升级, 不单单是指网络设备的升级, 还包括网络拓扑结构和网络软件的升级。网络的可升级性在网络是设计之初也是一项必不可少的工作。网络设计的升级和扩展的空间, 是判断网络好坏的一个重要指标, 因此在升级网络之前, 应首先考虑网络的升级空间到底有多大。如果在升级网络时, 完全不管网络的可升级性, 而对网络盲目添加设备、盲目升级网络, 有可能在升级网络之后, 产生一些莫名其妙的故障, 从而导致最终用户受损。

某些单位的网络主要分为两部分, 一部分是由一些老计算机和集线器组成的局域网, 一部分是由一些新计算机和交换机组成的局域网。一开始两部分的网络是相互独立的, 两个局域网之间不能进行通信。为了使所有的计算机都能互访, 便使用一根双绞线将交换机与集线器连接在了一起。但连接后的结果并不像开始想象的那样, 两部分网络的计算机可以实现相互间的信息通信, 而是一部分计算机之间可以实现信息通信, 剩余部分则不能, 从而造成了网络故障的发生。

在这个网络中, 既有交换机也有集线器混合构建的网络叫作混合网。因为在网络中由于计算机数量比较多, 所有很容易使网络传输产生碰撞而影响正常访问。另外, 由于交换机和集线器本身工作原理的不同, 也使得交换机在传输带宽和传输效率方面都比集线器要高很多。如果直接将交换机和集线器连接在一起工作, 因其工作效率不同, 就很容易产生网络通信故障。因此, 要想解决该网络的故障, 必须从故障根源上解决, 即改变网络的拓扑结构。

对于混合网络, 应当把其中一台性能最好的交换机作为网络的中心, 其他交换机、集线器、服务器、打印机等设备都连接至该交换机, 而普通计算机则连接至集线器。这种方式以交换机端口将各集线器的碰撞域分割开来, 有效的减少了网络碰撞冲突, 大幅度提高了网络传输效率。且由于服务器和打印机等各用户频繁访问的设备都连接至交换端口, 拥有较高的网络带宽, 从而解决了网络的传输瓶颈。

3、拓扑结构优化

网络拓扑结构的优化是指对已经正式投入使用的网络结构进行分析, 并找出影响网络运行的原因, 通过采取某些网络技术手段优化网络, 从而达到优化网络的运行状态, 充分利用资源等。尽管每个网络在开始设计之初, 已经考虑的十分周密, 但随着时间的推移、设备的不断更新以及新购计算机的投入, 原来所规划的网络已经不能再满足所要求的应用和需要, 此时对网络进行优化就成为确保网络运行的首选。

对网络拓扑结构进行优化的多少网络都属于大、中型网络, 而在这些网络中一般采用三层网络设计模型, 分别为:核心层、汇聚层和接入层。在实际的优化过程中, 由于三层结构的不同功能, 优化的重点主要是保证核心层的高速、稳定、可靠性;汇聚层的可扩展性;接入层的可管理性。

优化过程中, 应根据网络的实际需求选择合适的拓扑结构。在传统的网络拓扑布线时, 为了减少线路成本, 比较多的采用节点汇聚的方式。而随着网络介质成本的降低、维护成本的增加, 网络设计者更多地考虑减少节点或有源点的方式, 将汇聚层直接设置在大楼内部, 从核心层到汇聚层都采用直接逻辑连接, 不再设置中将有源节点。这种方式主要对用户较多、网络应用较多、路由协议复杂的大规模网络比较适合。

最后, 对于虚拟局域网VLAN的规划也是网络拓扑设计中值得注意的问题。使用VLAN可以控制广播, 避免混乱;支持工作组和网络的安全性;减少在解决移动、添加、修改终端用户等问题时的管理开销。但如果将VLAN设置出错, 也就直接改变了局域网的拓扑结构, 所以在设置过程中务必小心, 并做好相应的设置文档备份工作。

4、结语

综上所述, 网络管理人员只有在充分掌握网络拓扑结构的基础上方可对网络拓扑结构进行更改升级与优化, 同时, 还要具有一定的计划性和充分的准备, 以合理的利用网络资源, 确保网络运行的可靠性。

参考文献

[1]陈丽娜, 黄宏斌.《计算物理系统网络拓扑模型研究》.计算机研究与发展, 2010

[2]王国成.《浅析计算机网络拓扑与网络设备》.硅谷, 2008

[3]王春明, 康子明.《局域网拓扑结构优化的探讨》.电脑编程技巧与维护, 2010

网架式底座拓扑加固研究 篇6

机械臂的复杂运动轨迹或作用于机架不确定的外力,都会导致平台底座大幅晃动,不利于平台上显微镜对样品的检验。本文着力于抑制振动,提高底座刚度。为避免整机过于笨重、节省材料,必须使机架达到必要刚度且尽量轻便。

1 平台底座分析

平台底座是由边长40mm的不锈钢方管焊接而成的架子。其上支承检验平台,检验平台由机械臂及与其几何相关的附属件组成。架子仅于四角设置小凸台与被支承的检验平台接触。底座中部有侯备使用的托物平台,由五根小截面的冷弯不锈钢槽钢与框架焊接组成。底座下方使用橡胶调整块调整平台的水平。

由于底座主要由细长的方管组成,在划分有限元网格时,相比六面体、八面体或壳体单元,梁单元可大幅减少有限元运算量,从而提高计算速度。本文使用Solidworks,该软件具有通过简洁的三维草图及截面绘制结构构件的功能。其自带的有限元分析模块能自动识别模型里的长零件,生成梁单元。

尝试在底座正面施加100N推力,如图4(a)。忽略橡胶调整块中橡胶的变形。最大位移1.429×10-4m,即底座正面刚度为699.79k N/mm。橡胶调整块的螺纹部分变形严重,变形量占总变形量的65%。若再考虑橡胶的变形。每个刚度约为2.94~10k N/mm,变形量将约为钢架变形的18~60倍,是平台晃动的主要原因之一。故首先必须更改为刚度更高的如楔铁的调整形式。下文的建模将忽略橡胶调整块,将钢架立柱延伸并替换橡胶调整块所在的空间,其变形如图4(b)。

2 假想工况

由于机械臂运动轨迹复杂,由此所产生的惯性力加上不可知外力对底座的影响具不确定性。故无法面面俱到,研究时假设相对独立且具代表性的两种工况作为研究依据。由于低刚度主要体现在水平方向,于是载荷也仅从水平方向施加。

工况一,在底座一个凸台上施加35.35N斜向推力,如图5所示,该推力由水平方向沿着两个直角边的25N的推力合成的。右前脚约束X、Y、Z三个方向位移即铰接于地,右后脚约束水平方向左右位移及竖直方向位移,左边两脚只约束竖直方向位移,以减少水平约束,模拟可能存在的滑移。以此工况代表水平方向受力的工况。钢架最大位移为2.731×10-4m。工况二是在四个支承块上施加总扭矩84N·m载荷——由于机架上方长宽比等于5:3,于四角凸台各施加一对大小比例为5:3的力,25N和15N的力沿着直角边组成扭矩,如图6。约束四个脚的三个方向位移,即铰接于地。钢架最大位移为1.041×10-4m。

3 拓扑加固优化

网架式比框架式结构更加稳固。鉴于从框架式结构加固为网架式,理清各结构细节的相互关系较繁琐,决定对结构使用有限元拓扑优化。拓扑优化相对于尺寸优化和形状优化,具有更多自由度,更加灵活。拓扑优化中变密度法被广泛应用。以伪密度为变量决定材料分布;以体积减小的百分比为约束条件;以应变能最小,即提高结构的刚度为目标函数[1,2]。权威有限元软件Ansys的Workbench能方便调用多款软件如Solidworks的建模图形[3],具备人性化的操作界面,方便进行拓扑分析。设置载荷、约束、材料去除比例等参数,便可迭代求解。

为减少单元数量简化分析,将组成机架的杆件建模成实心杆。将候备仓门处留空。其余表面增加板状材料用于拓扑优化,其厚度与杆件截面边长一致。模型如图7所示。并区分设置框架上的材料为优化或非优化去除的两种情况进行分析。

在工况一的情况下,保留钢架,拓扑优化设置去除78%材料得到的结果如图8所示,图中原框架已被隐藏。

若设置框架可以被优化,去除85%材料,结果如图9。

在工况二的情况下进行分析,去除78%材料,图中原框架已被隐藏,如图10。

若设置框架可以被优化去除材料、去除85%材料得到图11。

由分析结果可得出如下结论。

(1)托物平台的材料在两种工况下全被优化消失,对刚度的贡献很小。四个支撑腿底部被拓扑剩余的杆状材料连在一起。

(2)若框架不作为优化削减对象,则如图8、图10所示加宽框架横截面尺寸可能会是好的方法。若把底座的原框架一起作为优化削减对象,可看出各个表面优化结果,是一些特定载荷下形成的杆状斜撑。

(3)从工况一可见,主要是生成了上表面、底面斜撑杆以及侧面的若干支撑。从工况二可见,主要需要的是各个侧面的加固;在保留原框架进行分析的情形下,底面及上表面的斜撑杆没有太大的贡献。

为便于加工安装,必须将不规则的形状以尽量小的差异规则化。鉴于目的是加固已有框架,加大框架截面可行性不高,在原底座上增加斜撑杆会相对方便一些。

4 优化比较

根据拓扑优化分析的结果,为方便分析及安装起见,对所有的加固件都选取与原底座框架相同截面大小的杆件。由于上下表面和后表面该如何加固仍旧相对不确定,例如底面可能如图11所示应该使用两个交叉杆加固,也可能如图9近似只需一个交叉杆加固。上表面及后表面也存在类似情况。于是区分不同的加固方式,根据加载分析结果进行方案择优。分三种方案讨论。如图12~14所示。并将结果列于表1。

方案一、上下表面跟后表面各加两个交叉杆加固。

方案二、后面改为单交叉杆,上下表面各加两个交叉杆加固。

方案三、所有表面都只有一个交叉杆加固。

由结果可见,方案三接近于斜推的拓扑结果,其工况一的刚度略优于其余两种方式;但其工况二的结果相对于前两者略显逊色。从方便制造的角度出发,选取方案三。

5 结论

本文通过有限元及其拓扑方法,简化了设计过程;验证了设计结果。

通过有限元拓扑结果的启示,明确加固的布局方式,将结构从框架式转变为网架式。经拓扑优化加固,在假想的两种工况下,底座刚度分别为原来的199倍和85倍,而重量仅为2.2倍。若考虑去除了的原机架橡胶调整块,包括螺纹及橡胶部分的影响,刚度将提高数千倍。

摘要：对随机受力的框架式底座进行加固。在假定的较具代表性的两种工况下进行有限元拓扑优化,底座加固为网架式。对比若干加固方案,抑制了机架振动。

关键词：有限元,拓扑,机架,刚度

参考文献

[1]杨姝.复杂机械结构拓扑优化若干问题研究[D].大连:大连理工大学,2007.

[2]王伟,杨伟,常楠,等.基于MSC.PATRAN/NAS TRAN的变密度法拓扑优化系统[J].机械设计,2008(5):5-8.

日光温室结构拓扑优化设计 篇7

随着日光温室广泛应用于设施农业中,对温室结构优化的研究越来越多。目前,我国日光温室结构优化设计的研究主要包括:根据日光温室采光设计的理论,确定最优采光屋面角和采光面形状;研究蓄热保温构造,设计实现提高温室保温性能;研究保证温室安全性的承重结构设计,以降低温室成本。

结构设计是工程设计的重要组成部分,一个优秀的结构设计方案应该保证结构满足安全性、可靠性、适用性和持久性[1],同时还应考虑结构的经济性。结构设计一般分为结构强度设计、结构刚度设计、结构稳定性设计、结构可靠性设计和结构优化设计。结构拓扑优化又称为结构布局优化,是一种根据约束、载荷及优化目标而寻求结构材料最佳分配的优化方法。通常把结构优化按照设计变量的类型划分成3个层次,即结构尺寸优化、形状优化和拓扑优化。

本研究以新疆焉耆地区日光温室为研究对象,根据拓扑优化原理,采用满应力法,进行有限元分析得到各单元在节点处的最大应力(Voa Misses),并围绕对每一单元进行应力分析,通过增加下部杆件、迭代不断改变各单元所受力,使杆件所受的应力趋近最大的允许值,达到满应力的设计目的。

1 日光温室上弦受力分析

1.1 日光温室上弦有限元模型的建立

日光温室尺寸的取值应满足在一年中最冷的一天当地时间11:00(正午前1h)太阳直射光能直射在后墙底处。上弦曲线采用周长吉[3]提出的以抛物线和圆组合的屋面曲线为合理受力曲,得到日光温室上弦模型图,如图1所示。

在有限元分析中,上弦单元类型为Beam3。Beam3单元是一种可承受拉压弯作用的单轴单元,每个单元有2个节点,每个节点有3个自由度。上弦使用Q235的钢管ϕ30×2,定义弹性模量为2.1E-11Pa,泊松比为0.3。定义前,屋面前脚处O节点和后屋面E节点有XY方向的约束,得到日光温室有限元模型如图2所示。其中,主要关键节点位置如表1所示。

1.2 日光温室上弦所承受荷载的确定

日光温室所承受的荷载包括恒载和活载。本文参照《建筑结构荷载规范》[4],根据日光温室使用过程在结构上可能同时出现的荷载,以雪后人上屋顶操作工况来确定荷载组合,得到日光温室上弦的受力情况,如图3所示。表1中,列出了部分节点所受荷载情况。

节点所受荷载可由温室所受的均布荷载转化而得。

1.3 日光温室上弦受力分析

应用ANSYS10.0对温室上弦进行静态受力分析,得到弯矩图如图4所示。

在上弦前屋面前脚处,所受的弯矩最大,最大值为4 329N·m;在上弦脊顶处和上弦中部,所受弯矩较大。由弯矩图可以把上弦分成5段进行受力分析:第1段由节点1～15组成;第2段由节点15～37组成;第3段由节点37～46组成;第4段由节点46～51组成;第5段由节点51～59组成。

2 温室结构的拓扑优化设计

2.1 结构的满应力优化设计

满应力设计是优化准则法中的一种主要方法,是直接从结构力学的原理出发,以满应力为其准则,使得杆件的材料能够得到充分利用的一种方法[5,6,7]。本文的设计思想是对一个未知的结构布局,通过构件的组合,使布局未定的结构在多种载荷作用下,结构的每一构件至少在一种载荷情况下的应力达到容许应力,此时就认为结构最合理。

2.2 结构优化基本原理

温室上弦采用梁结构,在进行强度校核时,只考虑弯矩引起的弯矩应力和轴力引起的正应力。由此可以通过弯矩图把上弦分为5段进行受力分析,选择合适的方式使其承受的弯矩减少,使结构承受的最大应力趋近许用应力,从而满足结构的强度要求,也达到了节省材料的目的。以前屋面曲线第1段为实例进行结构优化设计,如图5所示。

利用结构力学的知识,可求得

F′x=Fx+N1cos(b-a) (1)

F′y=Fy+N1sin(b-a) (2)

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N(x)=qxsinb-F′ysinb-F′xcosb (4)

在x处截面处的最大应力值为

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式中 γ—截面塑性发展系数,对于圆截面取γ=1.15;

Wz—截面抵抗矩。

为了用料最省,可以使材料的每一单元承受的最大应力趋近于材料的许用应力,表达式为

σmax=[σ] (6)

式中,[σ]为材料的许用应力,可通过材料的拉伸压缩试验得到,也可查《材料手册》查得每一种材料的许用应力。建造温室通常使用的材料为ϕ235的钢,其许用应力为215MPa。

2.3 拓扑优化模型的建立

由式(1)、式(2)、式(3)和式(4)可得

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undefined (7)

在弯矩图(图4)中,节点7处所受弯矩最大。由于上弦采用的是梁结构,对结构进行受力分析时主要考虑弯矩,所以可以取节点7的位置作为满应力的位置。用力法对模型(图2)求解,得到在1点处的x,y方向的支座返利大小为:Fx=10 312N,Fy=14 595N。温室前屋面所承受的荷载由表1可以得到。

在本设计研究中,上弦材料采用Q30*2的圆管,查材料表可以得到A和WZ的大小。腹杆采用ϕ12的圆钢,以其能所承受的最大拉压力N1为设计值,对上弦进行设计,最大拉压力N1可查材料表得。代入式(7)可得,α=7.8°。

过节点7做法向量与下弦交于点X1,从而得到点X1(1.08,1.48)。

根据上述原理,依次可求得点X2,X3,X4的位置,如表2所示。计算过程在此不做赘述。

综上所述,对下弦曲线进行优化设计,得到设计模型如图6所示。

图6中,下部分杆件为Q235材料的ϕ12圆钢的桁架杆件,腹杆用Q235材料的ϕ12圆钢,上弦杆件与腹杆半铰链接在一起,下弦杆件与腹杆铰链接在一起。

2.4 利用有限元分析软件对优化结构进行分析

把优化设计模型导入ANSYS10.0中,定义上弦单元为Beam3,定义下部分杆件单元为Link1。求解后,得到上弦结构所受最大应力分布图如图7所示,结构所受轴力分布图如图8所示,结构所受弯矩图如图9所示。

由最大应力图可知:优化后的结构最大应力值基本接近于2×108N/m2,最大值为1.99×108N/m2,最小值为1.27×107 N/m2。由轴力等值线图可以看出:最大轴力23 953N,为压力;最小轴力982N,为压力。由弯矩等值线图可知,最大弯矩为1 207N·m,最小弯矩为107N·m。

3 结语

1)本研究是基于拓扑优化原理,应用满应力法确定日光温室拱架合理的骨架结构,优化结果使温室骨架各构件受力均趋近于满应力状态;而以往日光温室结构优化方法得到的平行弦桁架骨架(如图10所示),其经验性的成分较多。所以,本方法具有明显的科学性和合理性。

2)应用满应力法设计的日光温室结构模型简单、明了。除日光温室拱架上弦据采光设计取曲梁外,其他构件都是链杆,而且数量大为减少,使得结构计算简单。

3)优化后得到的日光温室骨架结构所受的应力分布均匀,由最大应力图(图7)和轴向应力图(图8)可知,大部分单元杆件所受的应力值都趋近于1×108～2×108Pa,使所有构件承受的应力接近于材料许用应力,达到节省材料的目的。 优化后的温室骨架与跨度、高度相同的传统日光温室骨架相比,用钢量能节省2.9%。

4)拓扑优化后得到的骨架模型应用于施工建造中,较现有日光温室骨架减少了焊接点,既降低了工程量,又避免因焊点过多而造成的质量隐患。

参考文献

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