实现方向（共7篇）
实现方向 篇1
0 引言
智能电网是新一代电网建设的目标,也是国际电力工业界的共同选择。它的直接动力来源于经济社会和能源环境必须协调发展的要求。有分析认为,智能电网将重塑世界经济和能源格局,并升至为国家战略层面。由此,智能电网建设不仅得到电力工业界的高度重视,而且也受到各国政府的极大关注。应该说当下是电网发展的极好契机。
从控制论出发,智能控制是基于自动控制、人工智能、运筹学、系统理论的四元结构体系,是多学科知识的交叉和融合。面向大电网这个复杂对象的智能控制,除了基于智能控制学科基础外,还需要有其他很多理论和技术加以支撑。在大电网实现智能决策的诸多环节中,最为重要的是保障智能电网的安全性。保障安全性不仅体现在能抵御人为的恐怖袭击和战争,还要保障智能电网在自然灾害中的恢复能力以及降低人为失误和其他风险的概率。保障智能电网安全性的理论研究主要涉及复杂系统理论和稳定性理论。自愈是智能电网的一个突出特征,自愈技术是实现电网自愈的重要保证,也是大电网实现安全运行最有力的支撑。
本文论述了复杂系统理论、稳定性理论以及自愈技术对于大电网实现安全与自愈的理论支持。基于已有研究成果和现状分析,提出了为实现大电网自愈有待进一步研究的方向和内容。
1 智能电网的内涵
智能电网目前尚未有统一的定义。作为倡导智能电网建设的美国电力科学研究院(EPRI),对智能电网的定义是用自愈、安全、集成、协同、预测、优化、交互加以描述(见http://www.epri-intelligrid.com)。这个定义主要体现了美国对电网建设的3个重要要求:可靠性要求(自愈、安全、预测)、经济与效益要求(优化、协同、交互)、技术支撑要求(集成)。而且这个定义是以自愈为基础逐步发展形成的,自愈电网是美国电网建设的重点。欧盟委员会对智能电网的定义内容是:支持分布式和可再生能源的接入、更可靠安全电力供应、面向服务的架构、灵活的电网应用、高级自动化和分布式智能、负荷和电源的本地交互、以客户为中心。从这个定义可以看出,欧盟国家主要反映了电网建设在对市场、能源和环境方面的要求,分布式电网则是欧盟电网建设的重点。中国作为发展中国家,在智能电网建设中密切结合中国电网建设的国情,提出了建设具有中国特色的智能电网,其内涵为:坚强可靠、经济高效、清洁环保、灵活互动、友好开放。
尽管各国根据自身的国情对智能电网建设有着不同的重点和目标,但是智能电网建设的驱动都是基于市场、安全、电能质量和环境因素,而且它的特征可归结为:自愈、优化、互动、兼容、集成、环保。
2 大电网实现自愈的理论支持
2.1 复杂系统理论支持
2.1.1 复杂系统理论在电网大停电分析中的应用
电力系统是世界上人造的最大复杂系统。它的复杂性首先体现在自身的结构。现代电力系统具有机组大容量、网络超(特)高压、输电长距离及交直流混合、大区电网互联、灵活交流输电系统(FACTS)装置的应用及新型负荷等构成了其复杂性。近年来由于风电等清洁电源的接入更增加了电力系统的复杂性。电力系统复杂性的另一方面则来自外部的扰动,尤其是极端外部灾害,如地震、冰雪等自然灾害,以及人为的恐怖袭击和战争。目前电力系统对这些外部扰动的抵御能力还很有限。
复杂系统有很多特性,如非线性、混沌、自组织等。复杂网络研究的内容也非常丰富,主要包括网络的几何性质、网络的形成机制、网络演化的统计规律、网络的结构稳定性和网络的演化动力学机制等。上述复杂系统的特性在电力系统中得到了呈现和验证。尤其是在探讨复杂系统故障传播机理和电力系统大停电的规律方面已进行了重点的研究[1,2,3]。基于小世界网络的复杂系统故障传播模型为制止级联事件避免系统大停电提供了理论和方法。
电力系统大停电的自组织临界现象研究结果表明:大停电发生的时间和规模具有可预测性[2],这使得电力系统发生大停电的安全预警成为可能。然而,现有的复杂系统理论对电力系统的研究还只是从理论和模型上进行了一些初步的探讨,要将理论和模型转化为实用的安全预警高级分析软件还需要有很长的路要走。
2.1.2 复杂系统理论在大电网网架研究中的应用
电网规划是一个复杂的综合性问题。它涵盖了负荷预测、网架规划、无功规划、稳定分析等内容。中国电网正在成为世界上规模最大、网架组成成分最复杂的电网。它的规模体现在跨大区电网之间的互联。近年将初步形成华北—华中—华东的“三华”同步电网的格局。它的复杂构架体现在:输电网层次多,在现有的超高压电网之上覆盖了一个特高压电网、交直流混合输电、长距离直流输电且多直流接入受端系统等。国家电网公司提出智能电网建设的首要目标是“统一坚强智能电网”。“坚强”电网需要有合理、优化的网架作为支撑,即电网自身强壮是自愈的坚实基础。
具有规模效应的跨大区电网的互联规模有无极限,尤其是同步电网规模的极限规律,特高压电网作为骨干网架其拓扑结构和规模如何合理;已形成的超高压电网的网架与待建的特高压电网如何协调;随着特高压电网和超高压电网的强壮,220 kV电网逐步向次输电网转变,220 kV电网网架应如何重构,它遵循何种规律。以上问题不是优化理论所能解决的,只有借助于复杂系统理论进行研究。
大电网运行遵循分层、分区的原则是中国电力系统成功的运行经验[4]。以特高压输电网为骨干网架,形成特高压、超高压和高压多层次的分层电网如何分区,分区的网络拓扑结构有无内在规律,这些都是需要应用复杂系统理论进一步研究的问题。
网架结构是保证电网安全运行最坚实的基础,如网架结构不合理则会造成电网的先天不足,给日后的运行带来隐患和造成难以解决的问题。所以大电网的网架研究是必须大力研究的关键问题。
2.2 电力系统稳定性理论的支持
2.2.1 电力系统稳定性研究现状
电网安全预警是实现自愈的重要前提,电网稳定性分析则是实现安全预警的关键。电网稳定性问题(功角、电压、频率稳定)是电力系统运行的核心问题,它长期得到学者的重视和关注,是国内外电力界学者多年来致力研究的重点和难点问题。电力系统是一个高维时变的非线性系统。尽管非线性系统的研究近代取得了不少的进展,如混沌、分岔理论等。然而,动力系统与非线性科学涉及面宽,存在大量需解决的理论和应用问题。电力系统功角、电压、频率稳定这3大稳定问题表现了极其复杂的特性。充分揭示这些稳定性问题的机理、科学地应用非线性系统理论的成果并建立电力系统稳定性的相关理论,对于实现大电网的安全与自愈有着实际的工程价值。
相对于电压稳定和频率稳定研究而言,电力系统功角稳定性是研究得比较充分的一个领域。这不仅表现在对它的研究时间长,而且主要体现在从认识稳定的机理到分析方法都较为成熟,对功角稳定性的机理和计算方法上的研究成果得到普遍认可。目前形成了以时域仿真的数值方法为主导的分析方法。但时域仿真方法的定性分析缺乏机理和无法定量分析则成了对该方法的最大挑战。暂态能量函数方法的研究则是针对该挑战进行了长达数十年的研究,对于此期间出现的诸多方法和形成不同流派的学术讨论[5,6,7,8],可期望能得到相对认可的观点是基于轨迹研究电力系统的功角稳定。
对于电力系统电压稳定性的研究,到20世纪70年代末期才得到广泛的重视,近20多年来已成为电力界的一个研究热点。电压稳定的研究经历了从静态模型分析方法到动态模型分析方法的研究过程,并在电压稳定的机理探讨、分析方法、性能指标和控制措施等方面展开了全面的研究。但至今对电压失稳的机理还存在多个诠释,目前还未得到一致认可的机理解释。另一方面,基于轨迹的电压失稳物理特征还未被认识,在应用非线性动力系统理论中的分岔理论(鞍结点分岔、Hopf分岔等)分析电压失稳时,非线性分岔在真实系统中是否存在仍是一个未决的问题[9],因为随参数变化出现的分岔是用试探性的方法得到而不是依据实际的运行轨迹。
与上述2类稳定问题研究相比,频率稳定问题的研究在稳定机理和分析方法方面研究不多,其研究主要集中在频率稳定控制的策略和方法方面。该领域的机理研究和分析方法研究有待加强和深入。
2.2.2 基于轨迹的电力系统稳定性研究
对于电力系统功角稳定分析,为了解决快速和定量分析的问题,对暂态能量函数方法研究了近半个世纪,然而该方法在实际系统应用中并没有得到所期望的效果。分岔理论在电压稳定研究中发挥了重要作用,验证了电压稳定的很多分岔现象,但这些分岔现象还无法与系统的实际轨迹联系起来,因此难以揭示电压失稳的机理。以上问题表明,基于轨迹研究动态电力系统的稳定性是必须遵循的规律。电力系统的运动轨迹反映了该系统稳定性的物理过程和特性,稳定性理论是认知的最高成果,它是用抽象概念构建起来的具有普遍性的观念体系,物理过程和稳定性理论两者之间有着双向交织的关系,因此充分结合和利用电力系统在动态过程中的物理特性,可能会使电力系统稳定性研究找到一条更有效的途径并更有实际工程意义。
另一方面,相量测量单元(PMU)技术的应用也为基于轨迹研究电力系统稳定性提供了技术支持。PMU为电力系统提供了同时在时间和空间的2维坐标下实时研究和观察动态行为的条件。中国是目前世界上安装PMU数量最多的国家。如何充分利用PMU数据的动态特性,快速、有效地对电力系统稳定性进行实时预测和控制,是电力系统面临的重要课题。因此,基于轨迹研究电力系统的稳定性也是有效提高PMU应用的前提。
基于轨迹研究电力系统动态过程不同稳定问题所呈现的物理特征,探讨其失稳机理;应用动力系统非线性理论现有的理论与成果对电力系统稳定性问题进行定性研究,探讨其动力学行为(性态);突破现有动力系统非线性理论,结合稳定性的物理特性和动力学特征,拓展现有动力系统非线性理论,寻求定性分析和定量分析方法并将两者有机结合。以上是基于轨迹研究电力系统稳定性的总体思路。
3 自愈系统的技术支持
自愈是智能电网的一个突出特征,也是电网安全运行的重要保证。目前,对自愈系统还没有一个公认的严格定义。有观点认为只有存在于生物体中的自愈系统才是真正的自愈系统。无论自愈系统如何定义,从功能上看,智能电网的自愈应该是这样一个系统:对于无论来自外部还是来自内部的对电网的损害,它都能自动作出反应并自行修复,且在此过程中尽可能小地对系统正常运行产生影响。电网的自愈可划分为2个层面:一是元件层,二是系统层。元件层即电力网络的一、二次元件,如一次元件有断路器、变压器、FACTS装置等;二次元件有各类保护和自动装置等。元件层的自愈主要是针对某个局部设备的修复或替换。系统层则是针对系统中的故障进行自行隔离并自动完成不中断输电和供电的功能,它基于全系统的信息,以全系统能最大限度保证正常运行为目标并涉及对多个元件的处理。
3.1 故障诊断是实现自愈的基础
电力系统故障诊断是研究了多年的课题,但它只能作为自愈功能的基础工作。在故障诊断研究中,同样分为元件的故障诊断和系统的故障诊断。对元件层的故障诊断是自愈研究组成的基本单元,对系统层的故障诊断是自愈功能的第1步,它只完成了自愈对系统故障进行自行隔离的功能,而下一步自动恢复和不中断输电与供电的功能则需进一步研究。现有对元件层和系统层的故障诊断研究成果为自愈系统的研究提供了技术基础。对电网故障诊断的方法研究得非常充分,包括专家系统、人工神经网络、Petri网络、多代理系统等方法[10]。在电网故障诊断获取故障信息方面,文献[11]研究了基于复杂事件处理技术的电网故障信息分层处理模型。文献[12]进一步依据广域测量系统的综合信息进行电网故障在线诊断研究。然而电网故障诊断还只是处于理论和模型的探索阶段,基于故障时序分析的电网故障诊断理论还有待研究[13],尤其是电网故障诊断的实用化进程还需努力推进。
3.2 自愈系统构架的研究
电力系统故障诊断只是自愈功能的基础,要实现电网自愈还必须从整体上构建一个自愈系统的构架。文献[14]提出了时空协调的大停电防御框架,论述了各类控制的优化和自适应要求及各类控制之间的协调问题。文献[15]提出了双环控制逻辑、3层控制结构、6个控制环节的电网自愈控制体系结构。上述研究为自愈系统架构研究提供了重要的支持。大电网自愈最关键的功能是必须制止级联事件演变成大停电[16]。该功能是自愈系统构架的重要组成部分。自愈系统构架研究主要包括电网自愈策略研究和电网自愈恢复搜索方法研究。电网自愈策略研究的核心内容是研究预防控制、紧急控制、校正控制、恢复控制的自适应性与相互协调性。电网自愈恢复搜索方法研究重点要解决为制止级联事件造成大停电的电网主动解列与灵活分区问题。建立基于广域同步信息的网络保护和各类控制一体化系统为自愈系统提供了强大支撑,而自愈系统的构架即自愈策略和自愈恢复搜索方法是实现自愈功能的核心。
4 结语
大电网的安全问题一直是电力界非常关注的问题。已有的研究从理论到应用都有很多成果。这些成果将为实现大电网的智能决策提供很好的技术支撑。但智能电网建设对大电网的安全提出了更高的要求。自愈功能在大电网中的实现是一项非常艰巨的工作,本文提出的上述需重点研究的内容是管中窥豹,只见一斑。要建设一个反应速度快、自愈能力强的大电网还任重道远。
摘要：论述了复杂系统理论、稳定性理论以及自愈技术对大电网实现自愈的支持。基于已有研究成果和现状分析,提出了为实现大电网自愈有待进一步研究的方向和内容。电网自身强壮是自愈的坚实基础,重点阐述了应用复杂网络理论进行电网网架研究的内容;电网安全预警是实现自愈的重要前提,提出了应用相量测量单元(PMU)基于轨迹研究电力系统稳定性的观点和总体研究思路;在研究自愈系统构架方面,强调了电网自愈策略和电网恢复搜索方法的研究。
关键词：智能电网,复杂系统,电力系统稳定,自愈技术
实现方向 篇2
摘 要：随着经济与文化的不断发展，企业文化建设逐渐被我国各企业重视起来，相对于国内项目而言，国外项目的铁建文化建设更加重要，对此，本文研究铁建文化在国外的建设创新方法，并结合我国国情提出我国企业打造企业文化的途径。
关键词：企业文化；创新方向；实现途径
一、企业文化的重要性
俗话说：“人管人气死人，文化管人管住人”，企业文化在企业中起着极强的凝聚作用，它与时俱进地更新思想观念与文化内涵，使企业的新思想以及时代的新观念直接传达给企业员工。它是增强企业整体竞争力、员工活力、激发员工的积极性与员工潜力的最佳途径，也是企业提升整体效率，提升企业综合竞争力的必需工作。企业需要有自己优秀的企业文化，并且，企业文化不能是一成不变，它是要随着时代的变迁与当前先进思想的发展而不断改变的。我国企业在文化建设方面相较国外先进企业略输一筹，有必要总结国外的先进经验与创新方向，结合我国的基本国情与文化特点，以我国铁建国外项目的基本情况为基本，因地制宜地打造具有中国特色的铁建文化。
二、国外项目企业文化建设的创新方法
（一）突出企业文化和社会文化的统一性。铁建在不同的国家，会感受到不同的企业文化，各国有各自不同的文化，要突出企业文化和社会文化的统一性，也就是将本国民族文化的传承和弘扬融入企业文化的打造和建设过程中，同时在其他国家的经营活动中尊重和容纳所在国的民族文化。比如，通常意义上，德国的企业文化以严谨、认真、理性为突出特点；而美国的企业文化则更多体现出多样化、个性化和开拓创新精神；中日韩等国家的企业文化中表现出显著的和谐、中庸和团队合作风格等等，所以，铁建企业在不同国家的项目文化建设，必须根据所在国的当地文化特色，将当地特色融入到自身企业文化的打造和日常工作中。
（二）突出企业文化的重要性。企业文化对企业的生存和发展极为重要，很大程度上决定了企业所能取得的成就和高度。铁建国外项目的企业文化建设要适当借鉴国外的一些大企业，比如，发源于瑞典的跨国公司，大部分都在国际市场中取得了成功，在日益激烈的市场竞争中不断发展壮大，构建了“小国家、大企业”以及“小产品、大市场”的发展模式。在这一成就的达成中，其独特的发展思想和文化内涵功不可没。
（三）突出价值观在企业发展中的重要性。海外项目的施工相较国内更加艰苦，因为很多员工都是初次出国，面对着陌生的环境与人群，他们的心理上会有很多压力。这一点，铁建可借鉴国外诸多企业，对员工的整体发展有良好的规划，从而使员工自身拥有主人公的意识感，在工作中全身心投入，对未来充满期待，对工作充满热情，对自己的人生也有更大的努力目标。
（四）企业与员工的心要在一起。铁建的国外项目需要员工长时间待在国外，所以，比国内员工更加需要一种温暖和家的感觉。因此，铁建在国外项目的文化建设要突出企业“以人为本”和员工“以企为家”的统一性，强调人企合一的发展理念。以企业持续稳定发展为出发点，加强员工队伍的稳定性，为企业的长远发展打好人员基础。在优秀的企业中，通常会有如下措施来确保这一理念的实施和实现：一是突出企业价值，用共同的目标和愿景提高员工的凝聚力；二是突出培训的重要性，真正将企业的经营理念传达给员工，获得员工的忠诚度；三是构建完善有效的福利体系，加强员工的归属感；四是构建完善的激励机制，激发员工的工作热情和成长动力；五是强化工会组织的职能作用，承担起企业与员工沟通的桥梁和纽带作用，强化企业与员工之间的融洽性和凝聚力；六是丰富企业与员工的交流和互动，通过恰当的交流活动，加强企业的团队合作精神和凝聚力。
（五）企业自身要拥有极高的社会责任感。相比国内项目，铁建赴国外项目进行实施工建设的员工，需要更为强烈的社会责任感。培养和树立企业的社会责任感和使命感，树立遵纪守法、诚实守信的企业形象，为企业的发展打造健康和谐的环境和氛围。企业的社会责任，逐渐成为企业重要的发展内容，更多的体现为企业的责任意识，主要有五个方面的内容：一是以企业和员工合法利益的实现和维护为基础；二是以施工质量的完善为表现；三是以地区经济文化的繁荣昌盛为目标；四是以企业信息的公开透明为保障；五是以社会的可持续发展为使命。
三、我国实现企业文化建设创新方向的途径
（一）引起企业的高度重视。铁建的国外项目更要突出企业文化的重要地位，加强企业品牌打造和企业形象塑造的力度和深度。结合多种途径和有效手段，宣传和弘扬企业的经营理念和独特文化，以之作为企业发展壮大的新动力。以企业文化为引导，加大传承和弘扬工作，指导企业积极有效的发展壮大。
（二）加强文化融合。铁建国外的施工项目因为地处异族，企业、员工等都会与国外论出现冲突的时候，所以，要大力加强文化的融合，令企业和员工在国外项目的施工过程中，不会因不同文化之间的差异性与冲突性而导致施工的不顺利。将异国文化与我国文化进行融合，并与企业文化相辅相成，从而令企业能够适应项目所在国的文化氛围，员工也能够接受项目所在国的民族习俗、文化价值等，从而使铁建的施工项目更加顺利更高质量地完成。
（三）实现企业文化与我国民族文化的融汇。需要注意的是，在国外的项目为了良好施工的过程中，会与所在国的相关文化进行交流与融合，但是，铁建国外项目的文化建设必须要保证与我国的民族文化相融汇。突出文化传承与开拓创新的统一性，保持企业持续发展的动力和活动。传承和创新并不矛盾，二者的和谐统一是企业发展壮大的重要保障。
（四）推行以人为本的文化理念。铁建文化的建设必须建立在以人为本的信念之上，尤其是国外项目的文化建设，远赴国外的员工身心上都需要抚慰，所以，企业文化更要秉承人本理念，表面上管理效率是其取得成功的支柱，但从根本上讲，独特的企业文化才是竞争力的最终保障。铁建在国外项目的文化建设上要抓住三个核心：一是以人为本，培养和树立员工的责任感、成就感和价值感，通过充分的信任激发员工的潜能，提升员工的创造性；二是将创新理念和开拓精神灌输到员工思想中，提高企业整体的创新能力；三是责任管理，强化员工的责任意识，提高企业整体发现问题、解决问题的能力，为发展壮大提供动力。因此，在铁建国外项目的发展成长中，同样要重视和加强企业文化建设工作，充分保障企业的生命力和竞争力，实现企业经营和文化的统一发展。
结论：在当今社会，企业文化是企业实现其本真价值的重要组成，国外项目的实施建设性质特殊，文化建设不可急于求成，需一步步按部就班地循序渐进，一点点实现企业文化的革新与建设，以我国的文化为基础，以企业的基本现状为依据，切实从实际出发，建设铁建的国外项目企业文化，并在企业的发展过程中不断地加强企业文化建设，提升企业文化的内涵，做到与时俱进。充分体现企业文化的重要地位，充分将文化作为企业重要的资源之一，以科学发展观为指导，以构建和谐社会为己任，提高企业的文化内涵，为企业的发展壮大奠定坚实的文化基础，保证铁建国外项目的完美开展。
参考文献：
[1] 汤念.浅析企业文化建设的途径及创新机制[D].西南大学.2013年
实现方向 篇3
摘要：以预瞄与跟随理论为基础，设计了以FPGA为控制核心的导盲小车控制系统，可实现正常盲道行进、障碍物避障行进和红绿灯识别行进控制，为盲人出行提供安全保障.系统首先建立了基于平面几何约束的角度与速度综合控制模型，在此基础上提出了一种适于FPGA实现的基于模糊规则的自校正舵机控制算法，进而实现对导盲小车的方向与速度综合控制，本设计首先在Matlab环境下进行建模与调试，调试成功后运用Quanus II对控制器进行设计与仿真，实验证明该系统具有很强的实时性与可靠性，可极大程度的保障盲人出行的安全。
关键词：导盲系统；FPGA；方向与速度综合控制模型；模糊规则的自校正舵机控制
DoI：10.15938/j.jhust.2016.06.011
中图分类号：TP391.41
文献标志码：A
文章编号：1007-2683（2016）0-0055-06
0.引言
导盲小车是盲人出行的重要辅助工具，而导盲小车控制系统的实时性与可靠性是尤为重要的，目前常用的导盲控制系统大都采用GPS定位和超声波导盲控制，使系统成本高，实时性不理想；而模糊PID算法具有超调小稳定性高的特点，但响应速度一般，本文采用了高度集成的FP-GA芯片作为导盲小车的控制核心，与预瞄跟踪理论相结合，建立了基于平面幾何约束的角度与速度综合控制模型，根据预期路径获取预瞄点位置和路径方向的相关信息，经基于模糊规则的自校正舵机控制算法，实现对导盲小车的方向与速度综合控制，进而提高盲人出行的安全性。
1.导盲小车的硬件系统
导盲小车以FPGA为控制核心，同时配备了电机和舵机以及他们的驱动装置、红外传感器检测装置、速度光电编码器、转角光电编码器以及电源和时钟模块.导盲小车的控制系统结构图如图1所示。
1.1远红外检测装置
本文采用红外测距传感器对小车行驶的盲道线边界进行检测，红外测距传感器具有一对红外信号发射和接收二极管，发射管发射特定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当红外检测方向遇到障碍物时，红外信号反射回来，被接收管接收，由于光的传播速度为3×108m/s，只要记录下光信号的往返时间，用光速乘以往返时间的二分之一就是所需测量的距离。
1.3其他装置
驱动装置主要包括电机驱动和舵机驱动，电机的驱动采用PWM来控制电机的正反转，改变其占空比调节电机的转速，产生的控制信号通过BTS7960驱动电路控制电机，复位、时钟以及电源模块为系统上电时提供复位信号、时钟信号和电源的供给，以确保整个系统的正常运行，整个系统的电源控制选用LM317可调稳压电源实现。
2.导盲小车方向与速度综合控制
2.1参数设定
2.1.1盲道小车的速度与预瞄周期T的确定
本设计假设在正常盲道上行进时为匀速运动，考虑盲人行进过程中的心理因素和生理因素的影响，选取速度介于正常人行进速度1.2m/s与病人的步行速0.7m/s之间；根据时间与速度计算公式t=s/v（s为导盲小车到盲道中线的最大距离），预瞄周期取最长控制时间870ms的八分之一；根据《城市道路和建设无障碍设计规范》取s=0.8m，选取的预瞄周期因速度不同而不同，在正常盲道上，选取v=0.9m/s，预瞄周期选取T1=134ms；当遇到障碍时导盲小车做加速度为α1，=-0.2m/s2的匀减速运动，预瞄周期选取T2=126ms；当行进至交叉路口时，遇到绿灯则做加速度为α2=0.2m/s2的匀加速运动，预瞄周期选取T3=167ms；遇到红灯则停止.
2.1.2车与盲道中线距离的测定
导盲小车在行进过程中的最佳控制是沿着盲道中线前行，由于红外检测只能检测小车到盲道两个边缘的距离，建立一个以小车为坐标原点的绝对坐标系f（x.y），经过任意一个预瞄周期Tp时（p为任意采样时刻），检测到小车距盲道左右边缘的坐标分别为f（xm.yn）和f（Xn，yn），由此得到导盲小车到盲道中线的距离L（lp）为：
2.2角度与速度综合控制模型设计
2.2.1基于平面几何约束的方向控制
根据预瞄与跟踪理论，对盲道小车的方向进行基于模糊规则的自动校正舵机控制.在每次预瞄控制的间隔时间Tp，根据传感器所采集的路况信息，确定最优曲率预瞄点，当检测到L（lp）>0，则小车向右转，反之，J（tp）<0，向左转.小车行进轨迹如图2所示，在建立的坐标系中，P1为某位置的预瞄点，P2为经过一个预瞄周期后的预瞄点，α1和α1分别为他们的预瞄角度。
2.2.2基于平面几何约束的综合控制模型
当导盲小车遇到障碍物或是交叉路口时，需要对小车的速度和方向同时进行控制，在原匀速运动的基础上做如下的假设：
1）遇障碍物做小曲率匀减速运动；
2）遇绿灯做小曲率匀加速运动；
控制模型的外围触发逻辑状态图如图3所示，当红灯亮、避障失败、寻径失败这3个条件中的任何一个触发时，则导盲小车停止前行；绿灯亮和避障成功触发时，系统进行匀加速或匀减速方向与速度综合控制；在寻径成功触发后，系统再回到原有小曲率匀速运动的模糊舵机自校正控制，交叉口状态和避障状态只有系统探测到交通灯和障碍物时才会触发，而寻径状态则一直伴随导盲系统整个工作过程中。
2.3基于模糊规则的自动校正舵机控制算法
在理想状态下，预瞄角度α等于小车的实际转角y'但是由于阻力等环境因素以及自身结构因素的影响，α和y存在一定的角度偏差.所以本文提出了基于模糊规则的自动校正舵机控制算法.该算法的目的就在于得到自校正角度β，使得实际转角y无限接近于预瞄角度α基于平面几何约束的自校正控制算法设计流程如图4所示。
2.3.1模糊控制方案设计
基于模糊规则的自动校正舵机控制系统如图5所示。
模糊控制器采用典型的双输入单输出的模糊控制结构，输入量分别为α与y的偏差E以及α的变化率△E，输出量u为自校正角度届.
对偏差E、偏差变化AE以及控制量U的模糊集及其论域定义如下：
假设小车做小曲率的匀速运动，所以E的论域为M，M的范围[-30，30].在论域上定义7个模糊子集{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，记为{NB，NM，NS，NO，Ps，PM，PB}。
小车速度为0.9m/s，则在预瞄周期内小车行进距离为0.6m，偏差变化率AE变化不会太大，因此，AE的论域N为{-10，10}，在论域上定义7个模糊子集{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，记为{NB，NM，NS，NO，PS，PM，PB}。
u的模糊集为{SB，SM，ss，SO，Js，JM，JB}7档，分别表示{减大，减中，减小，零，加小，加中，加大}.u的论域范围为[-20，20]。
描述输入、输出变量的词汇都具有模糊的特性，可用模糊集合来表示，因此模糊概念的确定问题就直接转变为模糊集合隶属函数的问题。
模糊控制器的控制规则是以手动控制策略为基础的，手动控制策略一般都可以用if then形式的条件语句来加以描述。
根据专家经验总结出的舵机校正模糊控制规则如表1所示。
当小车预瞄角度与实际的转角的偏差正大以及α的变化率都正大时，输出一个负的较大的β；当偏差正大而偏差变化率向负方向变化很大时，说明偏差正在变小，此时输出一个负较小的β。
3.FPGA控制系统的设计与仿真
利用Matlab对控制系统进行建模和控制算法的设计与仿真.在预瞄与跟踪理论的基础上，在Matlab软件的simulink环境下搭建了基于平面几何约束的方向与速度综合控制模型，并使用Fuzzy log—ic模块设计模糊控制器及模糊规则，图6为自校正舵机控制系统的simulink仿真模型图。
将清晰化的控制量u制成表放在FPGA中，用来进行查询的对应输出值，调用在Quartus II中的LPM—ROM的IP核，通过查询该表得到每对e和Ae所对应的输出值。
根据导盲小车检测到是否在盲道上，将控制系统分为2大模块，顶层设计采用自下而上的设计思想进行模块划分，并采用了模糊规则自校正算法的并行处理方法，利用Quartus II的原理图输入法进行顶层设计的输入.控制系统的顶层设计原理图如图7所示，图8为导盲小车控制系统仿真波形图，仿真结果表明导盲小车的实际转角y与预瞄角度α非常接近，在一个控制周期内y和α的差不超过0.9°，响应时间为80ns，控制效果能满足系统要求，
4.结论
实现方向 篇4
节能降耗, 高效智能
《通信世界周刊》:作为上海贝尔网络建设方案的最高战略目标, “高效能网络”的内涵和价值是怎样的?
何其锐:上海贝尔提出“高效能网络”战略, 致力于为运营商构建创新型网络架构, 实现高水平的网络与业务转型, 降低网络运营成本、能耗, 并不断提升业务能力。
具体而言, 高效能网络战略使网络提供商可以用最低的总体拥有成本不断调整其网络接入层到传输层的带宽, 提供可扩展、可靠的低成本比特传输。高效能网络还允许网络提供商在网络中引入内置服务、应用感知、QoS, 以及流量优化, 提升网络的智能化水平, 以最佳的成本提供增值服务。
我们正积极通过利用各领域的创新产品助力电信运营商构建起“高效能网络”, 大幅提高运营商网络的性能和信息服务能力、降低运营成本及能耗, 帮助运营商合作伙伴以更加低成本、高效的方式, 拓展先进的信息服务。
上海贝尔目前一系列先进的无线、IP及光、应用、固定宽带接入等解决方案和产品, 都将作为助力运营商构建高效能网络架构的有机组成部分。最近, 阿尔卡特朗讯在无线/IP/光领域的最新创新成就, 更将推动高效能网络建设引领至新的高度。
light Radio实现无线技术重大突破
《通信世界周刊》:上海贝尔lightRadio架构的推出引起了国内外领先运营商的热烈关注, 其对无线通信领域的推动作用表现在哪里?又在哪些具体的技术层面实现了重大的创新?
何其锐:今年2月, 阿尔卡特朗讯推出携手行业合作伙伴开发出lightRadio系统, 将消除全球移动行业对天线塔及基站设施的依赖。lightRadio是阿尔卡特朗讯在高效能网络战略指导下所开发的解决方案, 在提升移动通信技术效率和降低系统成本方面取得了重大突破。
lightRadio带来的关键效益还包括:削减移动网络碳排放量50%以上;降低移动网络运营商总体拥有成本最高达50%;通过广泛部署小型天线, 增加单用户的带宽, 进一步提升用户服务体验
通常基站系统会部署在蜂窝基站塔的底部, 而lightRadio将带来基站技术的全新革命。该方案把基站系统分解为不同组件, 采用分布式方式安装在天线及整个类云网络中。
lightRadio解决方案将目前支持2G、3G及LTE系统的各种天线有序整合为贝尔试验室研发的单一且功能强大的创新型天线, 能够安装在天线杆上、建筑物边缘或者任一可供电并提供宽带接入的地点。
lightRadio推出后不久, 上海贝尔就宣布与全球最大的移动运营商中国移动签署谅解备忘录 (MOU) , 共同发展下一代无线接入网 (C-RAN) 。本次C-RAN战略合作将充分利用阿尔卡特朗讯最新推出的lightRadio架构。该架构实现了对现有移动和宽带基础设施的突破, 彻底简化了移动网络架构并提高了网络效能。
上海贝尔与中国移动将联合启动技术和经济研究, 还将对建立集成化、协作式的基于云计算的无线接入网 (C-RAN) 所必需的关键技术进行调研, 以便确定成本效益、网络智能和节能 (绿色) 新标准。C-RAN将为GSM、3G和LTE等多种无线技术提供通用的平台, 显著提升网络质量和覆盖范围, 减少传输资源消耗, 可使运营成本 (OPEX) 降低高达50%, 资本支出 (CAPEX) 减少15%。
6月13日, 阿尔卡特朗讯又采用lightRadio技术成功实现全球首次远距离、高品质移动视频呼叫。首次呼叫的成功证明了light Radio拥有高水平的数据业务处理能力, 能够满足客户对于互联网视频业务不断增长的需求。
包括法国电信/Orange、西班牙电信和中国移动在内的多家网络运营商已经就共同推动lightRadio市场发展与阿尔卡特朗讯展开了密切合作。通过部署该系统, 运营商及网络基础架构拥有者的运营成本将大幅降低, 并将终结现有系统中复杂的基站和大型信号塔的使用。
引领固定宽带奔向100G时代
《通信世界周刊》:数据业务的爆炸式增长对网络的传输能力提出了巨大的挑战, 近年来, 1G、10G、40G等传输技术也在加速演进, 100G传输的商业化进程成为各界关注的焦点, 在此方面, 上海贝尔有何突破和创新?目前在全球范围内, 是否有过成功应用案例?
丁浩:上海贝尔在今年3月进行了国内首次100G IP及光传输联合解决方案现场演示, 展示了一个由EPON/GPON和1G/10G共平台、TBit容量的路由器和达到商用标准的100GONT/WDM光传送平台构建的未来宽带网络。该网络从通用接入、强化边缘、应用使能、网络演进和运营转型五个方面对运营商网络系统加以规划及实施。
我们的EPON/GPON和1G/10G共平台7306ISAM产品系列, 支持多种主流10GPON接入技术, 具备宽带支持和系统矩阵交换能力, 提供内置OTDR功能的线卡, 具备MPLS级别的业务支持能力。
在现场进行的100G实际环境演示中, 虽然是在一个房间中演示100G传输, 不过通过设置, 现场展示的所有设备将可以提供1500公里以上的长距离骨干网传输, 而最高传输距离将可达到2500公里内不发生光色散。
对100G这样的前沿技术加大研发和产业化力度, 是上海贝尔一贯坚持的方向。
阿尔卡特朗讯在2010年率先商业化的100G相干光传输技术, 除了可以提供单信道100G的大带宽, 还可以通过相干接受和高速采样、模数转换和数字信号处理, 在接收端集中实时补偿高速光传输过程中诸如色散和偏振色散所造成的损伤, 线路上未补偿的色散又进一步减低了非线性干扰引起的损伤, 使得带宽与无电中继的距离的乘积大大提高, 配以多维无色无向限制的ROADM让动态光网络的实现成为可能。通过这种网络资源与信息流需求动态匹配的方式, 节约不必要的开销和功耗可以进一步放大宽带的效益。
作为40/100GE和40/100G传输新技术的领导者, 阿尔卡特朗讯是业界惟一能提供100G IP和光传输商用平台的厂商, 全面支持各种业务的同时保证不影响性能。为适应宽带发展的需求, 阿尔卡特朗讯积极倡导并实施高效能网络的理念和方案, 打造高效、低耗、智能的Broadband@100G宽带网络, 成功实现每G比特功耗仅4瓦, 帮助运营商以高效节能的方式良性地发展宽带网络。
在全球市场中, 目前已有多个国家开启使用100G传输方案。西班牙的运营商telefonica通过阿尔卡特朗讯实现了在现有网络上进行10G/40G和100G的混合传输;Verizon利用阿尔卡特朗讯在Dallas城域网部署了100G网络;日本软银也采用了阿尔卡特朗讯的解决方案实现了100G应用;德国电信采用阿尔卡特朗讯的7750SR和1830PSS两款产品部署了100G。
FP3助力实现顶级IP业务质量
《通信世界周刊》:数据吞吐量的空前加大, 对通信网络的处理能力提出了日益严苛的考验, 许多企业都在积极致力于网络处理能力的突破和创新, 100G甚至是400G bit/s的网络处理能力呼声日高, 在此方面, 上海贝尔进行了什么前沿研究和技术创新?
朱震:阿尔卡特朗讯的“高效能网络”愿景致力于满足市场对于宽带容量和业务的爆炸性需求增长, 并将为运营商带来巨大的收益, 把握未来互联世界的新机遇。
2011年6月阿尔卡特朗讯推出的FP3网络处理器将在高效能网络愿景中发挥重要作用, 可确保运营商增加容量、降低成本并拓展营收新渠道。FP3网络处理器能够将网络性能提升高达4倍, 能够支持400Gbit/s的处理能力, 并能确保业务质量, 将使运营商能够在自有网络上交付新型宽带业务、内容和应用, 并实现更高的可靠及可持续性。未来, FP3处理器将应用在阿尔卡特朗讯高性能IP业务路由系列产品中, 支持城域网、边缘网络及高效能网络的核心架构。阿尔卡特朗讯将于2012年正式推出采用该处理器的业务路由器商用产品。
作为新一代IP路由技术的首款产品, FP3处理器可以满足未来对公共和专用的超高性能IP网络的需求。例如, 单个FP3处理器能同时处理70, 000个高清视频流请求或840万个云会话请求。
阿尔卡特朗讯是业内首家面向IP网络开发40 0G技术的公司, 推动了2010年正式获批的100GE以太网技术标准的市场应用加速发展。此举为更高速率的传输技术发展指明了方向。Dell'Oro集团的最新预测指出, 在2010至2015年间, 预计100GE端口的出货量每年将保持200%以上的增长速度。
实现方向 篇5
针对上述算法的缺陷, 本文提出一种新的基于多Agent的有限广域方向比较算法, 该算法采用有限广域内的多Agent分布式结构, 简化Agent间的通讯, 利用Agent与线路/母线关联矩阵进行广域方向比较, 能快速可靠地实现线路和母线的后备保护;在若干线路保护信息丢失的情况下, 该算法通过对母线后备保护的自适应整定, 并充分考虑方向元件的高容错性, 保证了后备保护系统的可靠工作;最后在电力和通信同步仿真平台 (EPOCHS) 上验证了该算法的准确性。
1 系统结构模型
系统结构模型如图1所示。按照后备保护的配置原则, 该后备保护系统需给本站元件 (包括母线和线路) 提供近后备保护, 还要给下一级变电站元件 (对端母线及对端母线的出线) 提供远后备保护。因此, 本系统中的有限广域半径取为R=2, 即需要收集直接相邻变电站所有Agent的信息及次相邻变电站靠近本站侧的Agent的信息。有限广域划分示意图如图2所示, 虚线范围即为变电站A内的保护Agent需要信息的范围。对某一确定Agent, 他发送自己信息的对象就是有限广域范围包含本Agent的变电站的所有Agent。以A1 (表示Agent1, 以此类推) 为例, 它需发送自己信息给A2、A3、A4、A5、A6和A7。
2 基于方向元件冗余的方向比较算法
每个Agent均配置方向元件和距离元件, 配置方法见参考文献[3], 假设其输出值分别为f、j, 并将线路主保护和近后备保护的动作信息构成记忆故障方向元件, 将这三个元件的输出结果进行融合, 形成Agent的故障测度值, 再经过通信网络收集其他Agent的故障测度值, 根据Agent与线路/母线关联矩阵, 计算保护范围内各元件的故障综合值并与故障整定值相比较, 就可以得出各元件的故障情况。下面介绍记忆故障方向元件和故障测度值、故障综合值的形成以及故障判别方法。为方便描述, 记近后备延时为Tlocal, 远后备延时为Tremote, 最长待包时间为waittime。
2.1 记忆故障方向元件
引入记忆故障方向信息, 把主保护和近后备保护的动作信息作为一种方向信息维持一段时间。若本侧线路主保护正确动作, 则可以确定故障发生在本段线路正方向, 故将记忆故障方向信息置为1, 如果主保护没动作, 则记忆故障方向值置为0;若本侧线路或母线近后备保护动作, 将记忆故障方向信息值置为1。兼顾主保护可能误动的情况, 记忆故障方向元件的输出值为:
记忆故障方向信息的维持时间整定为Tremote和waittime之和。
2.2故障测度值与故障综合值
利用方向元件、距离元件和记忆故障方向元件的输出值, 定义Agent的故障测度值为:
收集完有限广域范围内Agent的故障测度值后, 计算各元件故障综合值F。若元件故障综合值的绝对值大于其故障整定值绝对值, 则将其判为确定故障元件;若等于, 则判为疑似故障元件;若小于, 则判为正常元件。
对于线路, 利用线路各端Agent的故障测度值来计算故障综合值, 如式 (3) 所示。线路故障整定值如式 (4) 所示。
式中, Ni表示关联矩阵中线路所在列中的非零元素个数。
母线故障综合值的计算方法如式 (5) 所示。
式中, Xi为关联矩阵中母线所在行中的非零元素个数, Yi为母线所在行中非零元素对应列中的其他非零元素个数, Coutj和Coutm则为非零元素对应Agent的故障测度值。
母线故障整定值如式 (6) 所示。
其中, n为与对应母线关联的Agent丢包的数量, 如果某Agent检测到其他Agent信息全部丢失, 可以判断为本Agent通信端口出现故障, 则取消最长待包延时, 并将Tlocal提高至与Tremote相等。
3 跳闸策略
如图3所示。
4 EPOCHS仿真
电力与通信同步仿真平台EPOCHS将电力仿真软件PSCAD和网络仿真软件NS2整合到一起, 利用文件传递数据和命令, 实现两者的同步运行, 十分适合广域保护系统的仿真。本文利用EPOCHS搭建图2所示输电网络来验证算法的准确性, 并获取通信延时。设定Tlocal为100ms, Tremote为200ms;假设系统正常运行后0.2s发生故障, k1为线路接地, k2为母线接地。下面分别对各Agent正常工作及有限个Agent失效情况下两种接地故障的仿真结果作分析。
4.1 各Agent与通信均正常
当线路2-5发生A相接地故障时, 各Agent正常输出, 各元件输出如表1所示。通过计算故障综合值, 线路2-5被判为确定故障线路。对于线路3-1有两种情况, 即故障点在A3的距离元件整定范围之外或之内, 对应的A3的故障测度值为0或1, 线路3-1被判为正常线路或疑似线路, 但由于保护范围内存在确定故障线路, 由跳闸策略可知, 切除线路2-5。A5主保护在0.236s动作, A2近后备保护在0.351s动作, 正确动作。
当母线A发生A相接地时, 各元件输出如表2所示。母线1-2故障综合值为-4, 因此被判为确定故障, 其他元件无故障。因此, A1和A2后备保护在0.351s动作, 正确动作。
4.2 有限个Agent失效
对于有限个Agent失效的情况, 主要考虑线路末端高阻接地时距离元件或序分量方向元件拒动, 以及由于通信丢包而导致某个Agent信息未能按时送达, 或者故障时某变电站路由器拥塞导致该站所有Agent对外通信中断。下面分别进行讨论:
(1) 线路2-5末端高阻接地时A2距离元件拒动。
各元件输出如表3所示。通过计算故障综合值, 比较可得, 线路2-5和母线A被判为疑似故障, 由跳闸策略可知, 近后备延时后先跳闸线路2-5, 故障在0.351s被切除, 母线后备保护返回, 正确动作。
(2) k1或k2接地时, A2发给A5的信息包丢失。
Agent2信息包丢失时, A5一直等到waittime结束时, 才将A2的故障测度按0处理。
当k1接地时, 假设A2和A5的线路主保护都拒动, 各元件输出如表4所示, A2于0.251s将线路2-5判为确定故障;A5于0.293s将线路2-5和母线A判为疑似故障, 根据跳闸策略, A5将于Tlocal后跳闸。因此, A2在0.351s动作, A5在0.393s动作, 正确动作。
当母线A接地时, 各元件输出如表2所示。A1和A2于0.251s将母线A判为确定故障, 而A5于0.293s将线路2-5判为疑似故障线路。因此, A1和A2在0.351s动作, 正确动作。
(3) k1或k2接地时, 变电站A对外通信中断。
变电站A对外通信中断将导致A1和A2只能收到本站内Agent的信息, waittime到达后将其他站的Agent故障测度值作0处理。
k1点接地时, A5线路主保护于0.236s正常动作, 各元件输出见表1。由于变电站A对外通信中断, A1和A2将线路2-5和母线C判为疑似故障, A2于0.391s跳闸, 正确动作。
k2点接地时, 各元件输出如表2所示。A1和A2将母线A判为疑似故障, 而由于A5和A3未接收到A1和A2的信息, 判断得出线路2-5、线路3-1和母线A为疑似故障。因此, A1、A2、A3和A4于0.391s左右先后动作跳闸, 正确动作。
5 结语
本文提出了一种有限广域内的分布式方向比较算法, 该算法不仅能为本站母线和线路提供近后备保护, 还能为相邻变电站的母线和出线提供远后备保护。在有限个Agent失效的情况下, 该算法还具有较高的容错性;另外, 由于该算法涉及的通信范围与通信量较小, 通信包种类较少, 因此, 基于该算法的分布式后备保护系统容易在装置上实现。
摘要：容错性是电网广域后备保护系统设计应考虑的重要因素。本文在分析广域后备保护研究现状的基础上, 提出一种基于多Agent的有限广域方向比较算法, 该算法简化了Agent间的通讯, 并充分考虑方向元件冗余以保证算法的高容错性, 从而可快速可靠地进行故障定位, 实现了线路与母线的后备保护。在EPOCHS平台上对该算法进行了仿真, 验证了该算法的可行性和正确性。
关键词：有限广域后备保护,容错性,Agent方向比较
参考文献
[1]苏盛, 段献忠, 曾祥君等.基于多Agent的广域电流差动保护系统.电网技术, 2005, 29 (14) :15-19.
[2]杨增力, 石东源, 段献忠.基于方向比较原理的广域继电保护系统.中国电机工程学报, 2008, 28 (22) :87-93.
[3]张保会, 周良才, 汪成根等.具有容错性能的广域后备保护算法.电力系统自动化, 2010, 34 (5) :66-71.
磁导率近零超材料实现方向性辐射 篇6
1968年,Veselago教授理论上提出了介电常数和磁导率同时为负的材料,其中的电场、磁场和波矢满足左手定则,又被称为“左手材料”,在该材料界面会发生负折射现象[1]; 1998年前后,Pendry教授先后提出了实现负介电常数和负磁导率的实际结构[2,3],D. R. Smith教授于2001年用微波实验证明了负折射现象[4]。此后,拥有与常规材料不同介电常数ε和磁导率μ 的“超材料”( Metamaterials) 的研究在全球范围开展起来。
早期的超材料研究以负介电常数和负磁导率材料研究为主,但随着研究的深入,超材料的涵盖范围逐渐延伸,近年来介电常数ε或磁导率μ 为零的超材料逐渐引起人们的关注。根据斯涅耳折射定律可知,当介电常数ε或磁导率μ为零的情况下可实现零折射,即电磁波的出射方向将垂直于出射界面[5]。该种在一定频段内可使折射率接近零的材料被称之为折射率近零超材料( Index-near-zero Metamaterials,简称INZ超材料) 。
INZ超材料可 分为介电 常数近零 超材料( Epsilon-near-zero Metamaterials,简称ENZ超材料)和磁导率近零超材料( Mu-near-zero Metamaterials,简称MNZ超材料) 两大类,两大类之 间存在交集[6,7,8]。国内外现有文献对ENZ超材料的研究较多,本文在前人研究基础上,对MNZ超材料进行了较为细致的研究,对比分析了该种材料在各向异性与各向同性2种实现方式下对对称阵子天线电磁波方向性辐射的改善效果,并提出了一种工程应用方案。
1 超材料的等效参数提取
超材料是由单元结构周期性排列组成的人工材料,单元尺寸远小于电磁波的波长,单元结构的微观特性基本忽略,可以把该材料作为均匀介质对待,材料与电磁波的相互作用可以用等效电磁本构参数描述。一般认为超材料的单元尺寸为λ /4甚至更小时,超材料可以被等效为均匀介质,并利用散射参数反演算法来得出其材料的等效电磁本构参数[9]。
厚度为d的超材料平板两侧可以定义2个平面波端口。将具有微观结构的超材料等效成介电常数为ε、磁导率为μ的均匀介质,则能够定义该二端口网络的传输矩阵为T,其解析形式为:
式中,n为平板的折射率; z为波阻抗。n和z与ε和μ之间的关系为:
在工程计算和工程实践中,散射矩阵比传输矩阵更易于获得,它既可以借助商业软件对模型进行仿真计算获取,也可以通过实验的方法直接测得。根据二端口网络传输矩阵与散射矩阵的变换关系,可以得到折射率n和阻抗z用散射参数表达为:
这样,根据超材料结构对电磁波的散射系数,就可以得到该超材料平板的等效介电常数和等效磁导率。
2 磁导率近零超材料的结构实现
现有的能控制磁导率的 单元形式 大都是从Pendry教授提出的开口谐振环( SRRs) 演变而来的,本文选取了SRRs的一种基本演变形式———方形开口谐振单环,其结构形式如图1所示。
该结构的实现是采用PCB电路印制技术[10],将开口环结构以铜质覆层( 厚度为0. 035 mm) 印制在介电常数为2. 2,损耗正切为0. 000 9,厚度T为0. 25 mm的低损耗介质板上。其单元结构参数中线宽W、开口间距D、开口折线长度C、方环边长L以及单元排布周期U的取值大小均与材料整体的等效本构参数相关。取W = 0. 2 mm、D = 0. 2 mm、C= 1. 1 mm、L = 2. 8 mm、U = 4. 1 mm,利用参数提取技术得到材料在x,y 2个方向的等效磁导率如图2所示。
在这组参数下获得了工作于10 GHz附近的零磁导率超材料。通过改变结构单元中的参数,可以灵活地调节磁导率为零的工作频率。
由图2还可以看 到,这种形式 的超材料 对于y方向磁场的响应随频率变化,并在10 GHz时接近于零,而其x方向的等效磁导率接近1。以这种超材料单元为基本结构,通过不同的排布方式,可以获得不同的块材超材料。将这种单元形式平行周期扩展,则这种材料是一种各向异性MNZ超材料,其俯视图与沿对角线剖视图如图3所示。如果这种单元形式垂直交叉周期扩展,则消除了各向异性,得到了各向同性的MNZ超材料,其俯视图与沿对角线剖视图如图4所示。
3 磁导率近零超材料的仿真结果性能对比
对称振子天线是一种经典的天线形式,它在水平面内为全向辐射,而在垂直面内的辐射图为“8”字形。这种全向辐射的振子天线的增益通常较低。本文将零磁导率超材料加载于对称振子天线周围,在水平面内实现方向性辐射,提高天线的方向性和增益。为了消除该单元形式在开口方向的不对称性,本文使用的超材料,其结构单元的开口方向是交替排布的。
零折射率材料作为一种人工构造的等效介质,它在改善辐射方向性的同时,也会引入一定的反射损耗和插入损耗。本节将全面比较加载各向异性和各向同性2种MNZ超材料后 天线的工 作性能。2种MNZ超材料的仿真模型结构由内至外的层数均为6层,外部尺寸均为45. 1 mm×45. 1 mm×24. 6 mm。2种模型中使用的偶极子天线完全相同,( 其总高度为9. 6 mm,直径为2. 6 mm,馈电点的间隙为0. 6 mm) 。加载2种超材料的对称振子天线的辐射方向图如图5所示。
3. 1 辐射方向
从图5可以看出,在各向异性模型中电磁波垂直于4边出射; 而在各向同性模型中电磁波是沿4角方向出射的。可见,各向异性MNZ超材料能够有效地校正辐射场的幅相分布,使电磁波在超材料外表面等相分布,实现4条边上的方向性辐射。而各向同性超材料中,电磁场在超材料外表面的分布主要受到超材料尺寸的影响,这里波程差补偿起了重要作用,使电磁波最终沿4角出射。
3. 2 方向性系数与 3 d B 波束宽度
图5的仿真结果表明,加载各向异性超材料的对称振子天线的方向性为7 d B,而各向同性超材料模型中的天线方向性系数为5. 7 d B。各向异性模型的H面波束宽度略大于各向同性模型; 各向异性模型的E面波束宽度要显著小于各向同性模型中的波束宽度。在二者的综合作用下,各向异性模型的方向系数比各向同性模型高了1. 3 d B。
3. 3 反射损耗与插入损耗
一般而言,将介质材料加载到辐射天线的近场区域会显著改变天线的输入阻抗,导致天线与馈线之间的阻抗失配,增加反射损耗。计算结果表明,各向异性模型的能量反射系数S11为-21. 4 d B; 而各向同性模型中的反射系数S11为-7. 7 d B。该结果表明各向异性材料的阻抗与空气匹配良好,而各向同性超材料的阻抗与空气失配严重,反射损耗较大。从反射损耗看,各向异性材料的优势非常明显。
另一方面,本文使用的超材料是由谐振单元周期排列形成的,它会存在一定的插入损耗。不过从仿真结果看,2种模型的插入损耗都非常小( 0. 07 ~0. 08 d B) 。这是因为零折射率材料的工作频率已经远离谐振单元的谐振频率,热损耗效应大为降低。
3. 4 方向性辐射有效带宽
通过对10 GHz附近的频点进行观测,发现各向异性模型在10 ~ 12. 2 GHz都能保持良好的朝4边垂直出射的效果,方向系数稳定在6. 9 ~ 7. 6 d Bi。而各向同性仅能在9. 7 ~ 10. 2 GHz保持朝4角出射的效果,方向系数保持在4. 8 ~ 5. 7 d Bi。可见各向异性模型的有效带宽是各向同性模型的4倍,技术优势非常明显。
3. 5 性能对比结果分析
2种天线模型的性能指标如表1所示。对比结果表明,各向异性MNZ超材料对偶极子天线的改善效果更好,其有效带宽是各向同性MNZ的4倍多;并且在有效带宽内,各向异性MNZ的反射损耗明显优于各向同性MNZ超材料。再考虑到结构复杂度所导致的加工难度差别,不难得知各向异性MNZ超材料更加适用于改善天线的方向性。
4 各向异性磁导率近零超材料的应用前景
本文提出了一种可用于实际工程的方向性辐射的技术方案,该方案将各向异性MNZ超材料排布于偶极子天线周围,使得偶极子天线的全向辐射改变为多指向的方向性辐射。该方案可使得在人口密度较小的地区实现通讯覆盖时,有效降低基站建设费用[11]。
假如当有3个距离较近的村落有通讯需求,可在3村落的中心位置设立一个基站。按常规方案需要安装3个指向性天线来对应3个村落,而该方案便可使用一个偶极子全向天线加载超材料阵列实现3方向波束覆盖。此处假设3村落到中心基站的连线夹角分别为90°、120°和150°,以便代表大多数布置需求,相应设计的加载超材料的偶极子天线结构俯视图和仿真得到的频率为10. 5 GHz时H面方向图如图6所示。
该结构每扇超材料阵列均采用W=0. 4 mm、D=0. 2 mm、C = 1 mm、L = 3. 3 mm和U = 5 mm的单元结构,层间距为8. 5 mm,共11层板。由内向外,前8层板主要起到调节相位幅度的作用,外3层板则主要起到相位补偿的作用,从而使得出射波更为接近平面波。每扇中轴线之间的夹角为90°、120°及150°,以对应村庄分布。
由仿真数据可知,在10. 5 GHz时,H面的3 d B波束宽度为16. 5°,E面的3 d B波束宽度为24°; 方向系数为12. 5 d Bi; S11为 - 23. 4 d B,插入损耗为-0. 008 d B。
该结构在10 ~ 12 GHz均可实现12 d B以上的增益效果,相比于偶 极子天线 可在指定 方向产生10 d B左右的方向系数提升。
由于每扇超材料结构的相对位置可调节,电磁波束方向灵活可变。而且由于该结构实际加工时,除中心偶极子天线外,便只有PCB印制板以及板间的泡沫填充及塑料加固杆,整体重量非常轻,便于安装调试。该技术方案可以灵活调整辐射波束个数和波束指向,且根据实际需求还可做进一步优化设计,有较好的应用前景。
5 结束语
本文首先由等效介质理论引出超材料的S参数反演本构参数算法,以此为基础结合前人对近零折射率超材料的研究,构造了各向异性MNZ超材料与各向同性MNZ超材料,并通过两者对偶极子天线方向性的改善效果的对比分析,得出了各向异性MNZ超材料更适于改善天线的方向性的结论。并在此基础上提出了各向异性MNZ超材料用于通信基站建设的改善方案,可有效降低基站建设成本,展示了该种超材料的一种应用前景。
本文首次对比了各向异性与各向同性MNZ超材料在方向性辐射上的特性,并提出了一种MNZ超材料的工作应用场景。本文的分析结果对新型超材料天线设计和基于超材料的天线性能改善研究具有一定的参考价值,为超材料的大规模工程应用奠定了基础。
摘要：提出一种基于磁导率近零超材料实现对称振子方向性辐射的技术手段。使用经典的开口谐振环结构,设计出工作在10 GHz附近的磁导率近零超材料,并将其放置于对称振子天线周围,在水平面内将原天线的全向辐射转化为多波束辐射。对比了各向同性和各向异性磁导率近零超材料在方向性辐射中的性能,全波仿真结果表明,各向异性超材料的性能更优异。使用磁导率近零超材料实现了3个波束的高方向性辐射,该种技术方案可以降低多点之间通信的建设费用,有一定的工程应用前景。
关键词：磁导率近零,超材料,对称振子,多波束
参考文献
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实现方向 篇7
1“青梅之乡”青梅产业的优势和劣势
1.1 青梅产业优势分析
一是诏安县的土壤、水质和气候条件特别适宜青梅的生长,出产的青梅果肉饱满、内含物丰富、口感清爽、风味独特。拥有“中国青梅之乡”的称号,拥有“诏安红星青梅”中国驰名商标,也有了原产地标记认证及众多的绿色食品A级产品认定;诏安县还是“中国海峡硒都”,出产的青梅果大多数能够达到富硒食品标准。二是诏安青梅产业已具有一定规模。全县青梅种植面积达12万多亩,产量5万多吨。青梅果总产出量占了全国青梅产量的半壁江山。现有青梅加工企业70多家,其中荣祺、荣华、能裕、福益四家企业的加工能力合计超过2万吨,产业聚集和龙头初步成形。已开发出话梅、青梅晶、调味梅、梅饼、梅油等九十种系列产品,是全球最大的青梅生产、加工、出口基地。三是青梅产业发展市场前景广阔。首先,青梅是健康食品,具有净血、整肠、降血脂、消除疲劳、美容、调节人体酸碱平衡等保健功能,是一种延年益寿的健康食品,在李时珍的《本草纲目》和神农氏的《神农本草经》里有详细记载,对高血压、癌症具有一定的预防作用。其次,青梅及制品潜在的市场需求巨大。目前国际上对青梅产品的需求主要集中在日本及东南亚等少数几个国家,欧美以及世界其他国家的认知度较低。国内消费者对青梅的了解也大多停留在话梅等休闲类蜜饯层面。因此,青梅产品市场还有很大的空间可以挖掘,国内外青梅产业发展的潜在能力也是很大的。
1.2 青梅产业劣势分析
一是产品单一,大多数是初级加工品,精深加工产品较少。青梅加工工艺缺少延伸整合,尚未形成产业链条,产业价值无法得到实现。二是销售渠道单一,本地加工企业的初级产品100%销往日本,且主要是通过中田及和本两家株式会社经销。国内市场拓展步伐不快,青梅产品定价权由日本方面掌握,价格涨跌由其操纵。三是市场不规范,存在无序竞争等情况。
2 高效整合青梅产业链的意义
通过对青梅之乡青梅产业优劣势的分析,发现虽然其有着很好的独特的自然资源优势,但在青梅产业发展上却缺少主动权。青梅鲜果价起伏不定,说跌就跌,最低时每斤只卖2毛钱,收入远远低于种植成本,很多果农无奈之下只好洒泪砍梅树了。之所以出现这种情况,并不是因为青梅太多了———全球青梅种植区就几小块,而诏安青梅产业有减无增;也不是因为青梅食品不健康———青梅号称“凉果之王”,药食两用,符合现代“健康食品”潮流;也不是因为日本的消费量下降了,日本民众嗜爱青梅制品,每餐必食,每年出口到日本的量并没有减少。
青梅鲜果价格低廉的原因主要在于没能整合好产业链,无法争取到定价的主动权,只能任由控制产业链高端的那一边怜悯给价了。现代经济学原理表明,创造产业链是产业价值实现和增值的根本途径。产业链中的某一个节点的效益发生变化时,会导致产业链中的其他关联产业相应地发生倍增效应、“1+1>2”的效应。无论是从“竞争战略之父”迈克尔·波特在产业链的定性分析法的“五力模型”来看,还是从产业链定量分析的主要方法来看,抑或从发达国家农业一体化经营的经验来看,未来的农产品竞争将是“链与链”之间的竞争,没有产业链的整合就没有真正的竞争力,而被定位为产业链低端的一方,将任人宰割。
著名经济学家郎咸平提出过产业链的“非常6+1”概念,认为任何行业的产业链,除了加工制造,还有6大环节:产品设计、原料采购、物流仓储、订单处理、批发经营、终端零售。这6大环节才是整条产业链里面最有价值、最关键、最能赚钱的部分。
“他山之石可攻玉”,发展青梅产业也要开阔视野,更多地借鉴最新的理论成果和成功案例的经验。以苹果i Phone手机为例,其硬件设备在我国富士康公司生产制造,生产制造成本也就20美元左右。但它的全球零售价达600美元以上。从20美元升值到600美元的过程中,这么巨大的价值从哪里来的呢?再比如拉菲葡萄酒每瓶价格过万元人民币,但其生产成本和营养成分也不见得和青梅酒有天壤之别。那为何青梅制品每斤卖几元,青梅酒每瓶卖几十元,还愁着卖不出去,而人家价格卖那么高还供不应求?原因不是只在于其生产制造水平的高超,而在于其高效整合了产业链,取得了定价权。
3 产业链几大环节对整合产业链及产业价值实现的影响
整合就是要通过占据产业链的战略控制点,而对产业价值链的其他环节进行战略控制,从而实现对整个产业价值链的整合,并不是自己深入产业链的各个环节。是“为我所控”“为我所用”,而非“为我所有”。产业链整合可分为横向整合、纵向整合和混合整合三种,也有很多具体的整合模型。具体适用何种整合,要根据不同的本质、特点、环节侧重点再具体应用。
3.1 原材料保障环节
就如让我国屡屡吃亏的进口铁矿石定价问题,三大矿企是横向整合成功的典范。通过大规模兼并与收购及约束同类企业来提高集中度,扩大市场势力,使三大矿企的铁矿石产量占全球的2/3。通过对上游原材料供给环节的控制,它们牢牢把握住了定价的主动权。青梅产业的原材料供给也在我们这一边,但定价权却不是我们能影响的。处境被动,任人操纵。如此,种植得再好的青梅也难免为他人做嫁衣,永久的是人家的廉价原材料供应基地、附属配套基地了。
3.2 产品设计环节
苹果公司则是手机行业纵向整合成功的典范了。苹果公司本身不生产制造任何手机硬件,它只是牢牢控制住产品设计研发环节,其他环节通过对上下游企业施加纵向约束,来进行高效整合,使得产业链中的其他关联产业相应地实现增值和倍增效应。发展青梅产业也一定要注重对产品设计研发的投入。这是一个产业保持兴旺繁荣的重要驱动力。在这方面可借鉴天福集团设立天福茶学院一样,也可考虑通过设立青梅学院等方法,提高产业发展的话语权,深入开发产业价值链。
3.3 物流仓储环节
这一环节包含了仓储运输、采购运输、分装、包装等内容,是产业链的中间环节,不同的管理者对这个供应链过程有不同的处理,最终,造成了竞争结果的悬殊差距。根据青梅果一年集中于1~2个月采摘的季节性特点,以及腌制的青梅果可多年保存的特点,应从资源配置的角度,有节奏地控制市场投放量,事先优化每个步骤,让整个供应链高效整合,并持续更新换代,成为参与产业链战争的关键,从而增加其对争取定价权的控制力。
3.4 订单处理环节
包括采购订单、生产订单、出口订单等。诏安县的青梅市场过于集中,本地加工企业的初级产品100%销往日本,运往广东等的鲜果加工后,也大部分销往日本,本地市场还存在无序竞争的情况。因此,对这个环节要加倍注意。可以考虑依托信息化建立统一订单平台等,并协调各环节之间的信息公平共享。
有这样一个关于订单的案例。某企业集团手中有10万吨的产品加工订单,第一年,它给A厂5万吨订单,给B厂3万吨,给C厂2万吨,给大家很好的利润,要大家好好干。到第二年还是10万吨的订单,但它给B厂4万吨订单,给C厂3万吨,只留给A厂3万吨,这时A厂有点懵了,因为它的场地及固定设备等固定成本已一次性投入了,尚还有2万吨的产能不能满足。不敢怨言,只能压低报价争订单了。到第三年还是10万吨的订单,但它说今年我只需你们当中的任意两家就足够了,有一家今年很可能要出局。然后引入网上同时独立报价的办法。竞相压价,恶性竞争开始了,从此就变成人家的廉价加工基地了。完成产业链高效整合的企业或产业联盟处强势地位,对市场价格握有控制力;反之,则被动挨打,任人宰割。
3.5 批发经营环节
开拓青梅市场一定要走向世界,到巴拿马、到好望角、到欧洲西班牙、到中国上海等国际货物市场集散地去,大量接触大批发商。寻找商机,寻找可靠的合作伙伴。这里分享一则两个推销员的故事。说一个推销员到一个海岛推销鞋子,发现岛上的人历来都是打光脚走路的。就打报告给总部,说我回去了,这个岛上的人都是不穿鞋子的。后来第二个推销员到了岛上,也发现了这一情况,但他立即高兴地给总部打电报说赶快发一大批鞋子过来啊!这岛上的人都没有鞋子穿啊!开拓青梅之乡的青梅市场,不能只局限于日本市场,要有开阔思维和逆向思维。
3.6 终端零售及售后管理环节
产品最终价值的实现就是要销售出去。只要有利于产业链的整合,有利于定价权的争取,不管是打入沃尔玛、新华都等大超市销售,还是扩建自己的分销网络等,都可以百舸争渡。
3.7 生产加工环节
诏安县的青梅产业这一环节包含了种植和加工制造两部分。在种植上开展农业企业化、种植管理技术标准化等,在深加工方面生产出青梅味精、青梅萃取素等都是应努力的方向。青梅深加工、精细加工、做好产品品质就好比“蹲马步”打基础。而高效整合青梅产业链,就等同于“练拳脚”。高效整合好青梅产业链,才能有过招能力,才能确保持久的竞争优势,才能争取到定价权,才能促成青梅产业的价值实现和发生倍增效应。
4 争取青梅定价权的可能性和必要性
如果设想争取诏安县荔枝、龙眼或其他一些工业品的定价权,那是有点不切合实际,因为它们无论从产品特性、产业集中度等,还是从易被大量复制性、供应增长有限性上,都难具优势。但诏安的青梅产业却具备一定的独特资源禀赋优势,争取定价主动权是完全可能的。
4.1 争取青梅定价权的可行性分析
(1)青梅具有深度开发价值。如前所述,青梅属于药食两用食品类。深度开发、打造品牌时,要成功就必须将自己从食品与药品的模糊地带中凸显出来。以“长期健康”为核心,定位为天然保健品,阐明其来源于食品却高于食品,具保健功效又没有药品的毒副作用的优点。健康食品———青梅,正随着生活水平的提高,“健康”意识的觉醒,蕴藏着强劲的开发潜力。
(2)拥有独特的自然资源。青梅对水土、气候等种植条件要求十分严格,要满足阳光、温度、水分、土壤等一系列自然条件,才可产出优质青梅果。在很多春寒之地,往往“花而不果”,在全球可适栽的地方都是极稀缺的,而诏安县恰恰拥有了这一系列独特的自然生态条件,决定了青梅可大面积栽培,且在果实外观、果肉、内含物等方面均优于其他地区同类产品。
(3)只要联合起来,足以对市场价格产生控制力。以诏安县的青梅原果出产量及青梅供应增长的有限性为控制支点,全县梅界大联合,全国梅界大联盟,形成一种合能,高效整合自己的产业链,开辟多维市场。这是可以对市场价格产生控制力的。
(4)内在价值回归。在十几年前,高峰时,青梅入厂价最高达每千克20元左右。加工成初级品后旺销日本。当时的高价畅销,真正体现出了青梅的价值所在。而后来的跌宕起伏和惨淡情景,更恰恰体现了我们在这一产业发展上的失误及幼稚,体现了日本商战高手的高明。
因此,通过高效整合产业链,争取青梅鲜果每千克达20元以上是可能的。近来网上畅销的纤体梅及台湾畅销的减肥梅,每包2个青梅,售价20元。这是值得青梅之乡各界学习、思考的成功案例。
4.2 争取青梅定价权的必要性分析
(1)没有退路。诏安县已在12多万亩的土地上种上青梅,是全球最大的青梅生产、加工、出口基地,已初具一定的产业规模。放弃这么有价值的产品,改弦易张,发展别的产业,代价太大,也不现实,只能向前突围了。争取定价权,必然面临场场商战,对日本商战高手也罢,对其他发达地区商战高手也罢,要具有“亮剑精神”。
(2)百姓期待。走进青梅之乡,进行普查问卷,了解群众最关心的产业是什么,毫无疑问,青梅产业发展排在第一位。问问群众最痛心的产业又是什么,青梅产业发展还是排在第一位。十几万户人家的诏安,拥有十二多万亩的青梅,可以说青梅产业的兴衰,牵动着诏安百姓的喜怒哀乐。
(3)该是“扬梅亮剑”时。这是一场没有硝烟的战争。我们细看看青梅“战区”,仅仅21世纪头15年,诏安县因青梅失价就损失100多亿元,全中国梅业损失约250亿元。这是纯经济账。更重要的是,青梅主产区由于长时间无生产利润,百业衰微,民气不振。这就是对方高手要的局面,中国的青梅已攥在手心了,下一个目标又是什么呢?自怨自艾、竞相杀价无异于引颈待裁。要改变现状,必须“扬梅亮剑”。
5 青梅产业发展及产业链整合的关键措施
5.1 制定及实施有效的总体战略
发展青梅之乡的青梅产业,需要有一个周密正确的总体战略规划来统领全局,系统推进。它能帮助许多中小企业以更具战略性的观点思考自身的问题;能够使企业、政府及其他机构更好地充当好各自角色;能够使梅企及相关人员对产业综合结构了然于胸,紧抓发展的根本问题,洞察产业链关键环节,发现更多的竞争威胁,发现更多机遇,创建出有竞争力的商业模式。而如果总体战略缺失,将会是一盘散沙式的发展,甚至是南辕北辙的发展,或只注重于种植、加工、销售、品牌等某一环节的发展。如此,在商战中必输无疑。诏安县青梅产业这么多年发展不起来,总体战略缺失为其根本原因。
5.2 确定价值主张
诏安青梅产业经过几十年的发展,不论是政府还是企业都没能提出自己明确的价值主张,或是好的价值主张。而日本则提出“健康始于每日一颗的梅干”,使得梅制品作为一种健康食品长期以来广受日本大众的重视。诏安青梅也需要有一个简短、响亮、统一的宣传口号,以有效地传达及统一整个的价值主张,让青梅的一切传播,生产和营销活动围绕价值主张来进行。且最好是围绕“天然健康食品”概念提出,不要只停留在蜜饯及口味好等层面,以免压缩价值扩展空间。
5.3 通过整合形成核心竞争力
整合的目的,一是提升整个产业价值链创造价值的能力,二是提升自己在产业价值链的战略地位。通过内外资源整合,充分利用青梅之乡得天独厚的自然资源禀赋及大规模种植优势等,最终打造出自己的核心竞争力,争取到定价主动权。