单向交通系统（共6篇）
单向交通系统 篇1
摘要：轨道交通主体结构钢、附近的埋地金属管线、电气设备经常遭受轨道交通杂散电流的电化学腐蚀。这种杂散电流会破坏混凝土结构, 腐蚀埋地金属管线, 干扰通讯设备甚至会危及人体安全造成灾难性的事故。该单向导通装置主要有控制器模块、二极管支路、消弧支路、隔离开关、过电压保护支路、温湿度控制、浪涌保护及电源模块组成。其内部还设置了数据采集、数据处理及远程通信系统, 可实时检测主回路的运行状态。
关键词：轨道交通,杂散电流,单向导通装置
随着国内工业现代化、城镇化持续推进, 我国资源环境压力日益加大, 促进节能环保的“绿色轨道交通”提高城镇承载力是缓解资源环境压力提高经济社会发展质量和效率的新方向。中国城市轨道交通已进入快速发展的新时期, 同时轨道交通杂散电流防护问题越来越引起社会各界的重视。在轨道交通系统中, 牵引供电系统一般采用直流方式, 会产生杂散电流。地铁中, 很多铁路采用走行轨、走行轨连接件以及电缆组成回流系统。走行轨与地之间并非绝对绝缘, 存在多个电流泄漏点, 流经走行轨的电流不能全部经由走行轨流回牵引变电所的负极, 有一部分电流会泄漏进入大地, 然后再流回变电所, 这部分泄漏到大地中去的电流就是杂散电流也称作迷流。
1. 总体性能
1.1 功能介绍
单向导通装置通过电缆与绝缘结两端回流轨相连, 使回流轨中电流仅能单方向流通, 以利于杂散电流防护, 减少杂散电流影响。其内部除设置二极管支路外, 还设有隔离开关和消弧支路, 隔离开关用于特殊运行方式下, 将绝缘结两端回流轨直接电气连接;消弧支路用于车辆再生制动导致单向导通装置附近回流轨电位升高时, 该支路电气导通, 降低走行轨电位, 限制绝缘结两端放电和保证回流轨附近人员的安全。
1.2 单向导通装置电气原理图
单向导通装置电气原理图如图1所示。
2. 系统组成
2.1 控制单元模块
单向导通装置控制单元分为以下几个部分:CPU模块、开入量输入模块 (DI) 、开出量输出模块 (DO) 、模拟量输入模块 (AI) 、PWM驱动模块、HMI人机接口模块以及通讯模块等。包括16路开入量输入, 其中14路共用公共端, 另外2路为互相独立的开入量输入;每路开入量输入采用光耦隔离, 支持DC+24V输入;6路开出量输出, 每路开出最大支持5A、220VAC或5A、30VDC;12路模拟量输入, 每路模拟量最大支持±5V输入;支持2路可控硅驱动;1路RS-485, 1路CAN以及7个LED指示各二极管支路及可控硅支路故障状态。
2.2 二极管支路
每个二极管支路均由二极管、快速熔断器、霍尔电流传感器等组成。该装置采用了永济机电的ZP4400-30二极管, 额定电压3000V, 额定电流是4400A。首先要满足额定电流3000A设计要求并且预留一定裕量来保证系统的稳定性。按额定容量的1.5倍来设计, 则主回路实际额定电流容量为ITa=1.5×3000A=4500A。均流系数Kp取0.90, 主回路实际电流为IT=ITa/Kp=4500A/0.90=5000A。按自然冷却条件下电流取风冷条件下的25%, ZP4400-30二极管实际可通电流为:IP=4400A×25%=1100A。则需并联元件数为:Np=IT/IP=5000A/1100A≈5 (取整) , 故设置5路二极管并联, 由于已考虑到1.5倍冗余度要求, 且当一支二极管损坏造成断路时, 单向导通装置仍可满足3000A的额定电流。
另外一个需要考虑的因素是如何保证很好的均流效果。理想条件下是5路二极管均分摊20%电流是最理想的, 然而实际中并不可能那么理想, 只能尽量使5路二极管分摊的电流大致相同, 防止均流失败烧坏二极管。为此首先要对二极管进行严格筛选, 进行导通压降测试必须确保相同规格的两只二极管导通压降偏差不超过0.2V, 其次要保证5路二极管布局合理尽可能对称。
同时每个二极管支路都应串联一个快速熔断器, 当二极管发生反向击穿或流过电流超过系统额定电流使快速熔断器熔断时, 检测系统检测到故障后, 向主监测系统发出报警信号, 以便及时检修。
2.3 消弧支路
消弧支路由可控硅、霍尔电压传感器、快速熔断器、霍尔电流传感器组成。霍尔传感器采用霍尔器件, 能避免常规分流器的发热问题, 同时由于霍尔元件输出的是0~4V的电压信号, 很好地解决了分流器的m V级小电压放大成大信号电压时的信号延迟及误差问题。
消弧支能熄灭列车在制动情况下产生的电弧, 当列车通过绝缘结后, 检测轨道绝缘结的反向电压, 当反向电压达到起弧电压 (可手动设置) 时, 触发可控硅使之导通, 熄灭电弧, 以保证单向导通装置正常工作, 电压降低后, 自动关断。可控硅回路同时还需串联快速熔断器, 以保护可控硅。
2.4 隔离开关
隔离开关采用宁波耀华G N 2 2-1.5k V/3150A-50 (D) 开关, 额定电压DC1800V, 额定电流3150A, 工频耐压5.5k V, 主要由旋转隔离开关、操动机构和操作面板组成。该隔离开关可以方便的装入开关柜内, 方便安装, 整体性好。电动隔离开关的操动机构采用电动操动机构, 具备电动、手动两种操作方式, 电动操作时能实现远动控制。
2.5 过电压保护支路
二极管与可控硅在开通与关断瞬间的尖峰脉冲其主要为奇数倍高次谐波, R、C分压, 频率越高, 电容容抗越小, 电容电压就越低, 大部分降落到R上了, RC低通滤波的H (w) =1/ (1+jw RC) , 故直接并联RC阻容吸收回路, R取5~10Ω, 功率取5~20W, C取0.05~1μF即可。同时为防止过电压, 在RC支路上还需并联一个压敏电阻, 当二极管两端电压超过其阀值时, 压敏电阻将二极管自动旁路以防止二极管损坏, 当电压恢复时, 压敏电阻恢复正常。
2.6 温湿度控制
为控制单向导通装置内温湿度, 可以选用WSK-HS (TH) 系列智能温度控制器, 其带有一路温湿度传感器, 能随时监测柜体内的温湿度变化并通过自动调节柜体内部安装的加热装置的工作状态及时改善柜体内部的温湿度环境。
2.7 浪涌保护
为抑制线路上的浪涌和瞬时过电压、泄放线路上的过电流, 二次回路应安装浪涌保护器浪涌保护器 (SPD) , 可采用科安达SSLP-385V浪涌保护器有效保护二次设备。
3. 安装防护
安装时二极管、可控硅、隔离开关、过电压过电流保护装置应安装在单向导通装置正面, 在布置上应考虑通风散热、接线方便。单向导通装置为户外安装的独立式金属柜, 柜体防护等级为应达到IP45, 考虑到热辐射和雨水的浸渍, 整个柜体设计需有防雨的散热通道, 柜顶应装有防止雨水的顶盖, 既保证有良好的防雨作用, 又保证有良好的散热效果。
结语
实际生产中经模拟负载测试, 该单向导通装置二极管支路均流系数大于0.9, 过载能力强, 可达150%, 具有故障自动报警功能, 方便维护。采用可控硅自动消弧技术, 可避免电弧烧损钢轨, 隔离开关采用手动电动两种操作方式, 方便远程控制。该装置可以有效缩小杂散电流影响的范围, 从而减少杂散电流对结构钢筋的腐蚀, 具有广泛的应用前景。
参考文献
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单向交通系统 篇2
关键词：单向交通,路网阻抗,出行时间,双层规划
随着我国经济的飞速发展,城市化进程的不断加快,机动车拥有量不断攀升,城市交通日益严峻,仅凭规划新增路网,已经难以缓解交通拥堵问题,主要是因为土地资源有限,道路面积及其密度的增加无法满足城市快速增长的交通需求。尤其是老城区现状路网基本已经成型,路网密度无法进一步加密,如何挖掘现有交通设施的服务能力,运用各种管理手段均衡交通流的措施日益受到重视。单向交通是解决城市交通拥堵、增加道路容量的最直接、最有效、最经济的方法之一,它具有投资少、见效快、易操作等优点,越来越受到国内外很多城市的重视和利用。
Robbins最早给出了道路定向的定理,探讨了把一个城市的街道变成单行道后,如何使得从城市的任何位置总能到达其他地方的可行性;王新红、崔玉泉从网络定向的角度讨论了城市道路的合理定向,利用就近配对思想与断头切技术设计了合理定向问题的启发式算法;刘伟、华雯婷提出了基于均衡原理的单向交通瓶颈路段的诊断方法;史峰等人从降低路段饱和度的角度出发,建立了应用于微循环交通网络中的单向交通组织的优化模型;龙东方等人从道路负荷与公平性的角度出发,提出了单向交通组织的优化方法。
现阶段理论研究主要从图论和交通流理论的角度出发,研究单向交通组织设置的可行性条件,研究条件比较单一。单向交通组织并不能解决所有的交通拥堵问题,实施单向交通的同时必将带来车辆绕行,影响路网的阻抗,为了合理的设置单向交通,文本以路网阻抗和出行时间为评价指标,以容量限制——增量加载方法进行交通量的重分配,建立了单向交通组织的双层规划模型,在设置单向道路的过程中着眼于降低道路网阻抗和车辆的出行时间,在迭代过程中以路网阻抗超过某个定值为单向交通组织的迭代条件,结合遗传算法搜索结果,具有较高的优化效率,可应用与各种路网的单向交通组织。
1 单向交通组织分析
单向交通组织应用于支路能够提高支路的利用率,增大支路的通行能力,相应分担干道的交通压力;同时单向交通组织可以减少交叉口的交叉冲突,提高交叉口的交通安全。
单向交通有利有弊,一方面单向交通组织在路段上减少了对向来车的干扰,提高了路段上的行车速度,提高了路段的通行能力,降低了路段饱和度;另一方面,不合理的单向交通组织增加了车辆的绕行距离,给机动车出行带来不便。
单向交通组织不能仅从一条道路或者几条道路去研究,而应该结合整个道路网布局,以降低路网系统阻抗,减少车辆行驶时间,提高交通效率为目标,研究单向交通组织的优化方法。
2 双层规划模型
对于给定的交通网络G=(V,A∪B),其中V={v1,v2,…,vn}为节点集,A为干道路段集(相邻节点之间存在2条相向狐段,对应2个相反的行车方向),B为支路路段集(相邻节点之间在B中只存在1条无向边,用于确定是否单行及单行方向),路段长度定义为l(a),a∈A∪B。交通需求记为(qrs)n×n,其中qrs为节点r至节点s的流量。将C1为a∈A的路段通行能力,C2为a∈B双向行车时的单向通行能力,C3为a∈B单向通行时的通行能力。
只考虑支路单向行驶情况,干道均为双向行驶。记y(a),a∈B为单行方案决策变量,对于路段a=(vi,vj),i<j,y(a)=0表示a为双向行驶路段,y(a)=1表示路段a由节点vi到节点vj单向行驶,y(a)=-1表示路段a由节点vj到节点vi单向行驶。据此建立支路有向路段集为
则设定的单向行驶方案d对应的路网为Nd=(V,A∪Bd),设Cd(b)为有向路段b∈A∪Bd的路段通行能力,定义如下
若a∈A,则Cd(b)=C1(a);
若a=(vi,vj)∈B,y(a)=0,则Cd(b)=C2(a);
若a=(vi,vj)∈B,y(a)=-1,则Cd(b)=C3(a);
若a=(vi,vj)∈B,y(a)=1,则Cd(b)=C3(a).
记qd(b)为路段b∈A∪Bd的流量,路段阻抗为
α,β为参数,取α=0.15,β=4。这里以时间作为阻抗函数,主要是考虑到驾驶员一般希望在最短的时间到达目的地。
交通分配方法分为平衡与非平衡分配两大类。平衡分配模型由于引入了许多理想化假设,并且模型结构复杂、约束条件较多,求解困难。相比之下,非平衡分配模型具有结构简单、概念明确、计算简单等优点。
由于在非平衡分配模型中,最短路径分配法不考虑各条道路的交通阻抗与交通量之间的关系,是不符合实际情况的。因为随着某条路径交通量的增加,其交通阻抗也不断增加,即通行所需要的时间、费用等成本不断增加,可能导致原来最短的路径已不再最短,一部分道路使用者就会选择次短的路径,随着两点之间交通量继续增加,两点之间所有的路径都有可能被利用。
而容量限制—增量加载分配法由于考虑了路权与交通负荷之间的关系,即考虑了交叉口、路段的通行能力限制等实际情况,所以,qd(b)采用容量限制—增量加载法对路网交通量进行重新再分配的流量。
对于用户来说,单向交通组织可能会导致部分车辆不得不较远的路径绕道出行,过度绕行可能会增加车辆的出行时间,造成出行者的心理反感,影响单行交通组织的实施效果。因此,有必要考虑车辆的绕行时间问题,设每车单向路网Nd的最短出行时间为t
将上述目标(1)、(2)赋予不同的权重系数λ,可以得到单向交通组织优化的双层规划模型
其中路段流量qd(b),b∈A∪Bd由容量限制—增量加载分配法得来,满足下层规划
式中:f
3 求解模型的遗传算法设计
鉴于双层规划模型求解比较复杂,考虑到遗传算法具有自组织、自适应、智能性;易于并行化;算法基本思想简单,运行方式和实现步骤规范,便于具体使用等特点,采用遗传算法设计模型的求解算法。
对支路路段的单行决策变量y(b),b∈Bd进行编码得(y(b),b∈Bd),估计目标函数z(f)的上界zmax,构造适应度函数h(y)=zmax-z(f)。设计单行交通组织优化的遗传算法如下:
输入:交通需求qrs,路段通行能力Cd(b),自由流行驶时间trs,b∈A∪Bd。
输出:单行交通组织决策y(b),b∈Bd,路段上的流量qd(b),各路段交通阻抗tb(qd(b)),车辆总绕行系数R。
开始:随机产生初始群体。
循环执行以下步骤:
1)对于每一个个体y(b),b∈Bd,利用容量限制-增量加载经行交通分配,得到各路段的交通流量qd(b),b∈Bd。
2)对于每一个个体y(b),b∈Bd,计算目标函数值和适应度。
3)利用选择、交换、变异、复制等算子构造下一代群体。
4)根据遗传代数和目标函数的更新频率等确定是否终止算法。
5)返回。
6)结束。
4 算例分析
建立虚拟路网区域作为实验路网,如图1所示,(1,2)、(2,3)、(3,4)、(4,1)为干道,其余为支路,图中数字表示节点标号。为了简化分析,各干道均设置中央隔离栏,支路只能右进右出干道,干道双向行驶,支路是否双向行驶及行驶方向待定。干道的通行能力为2 400 pcu/h,支路双向行驶时通行能力为1 400 pcu/h,单向行驶时通行能力为1 800 pcu/h。具体数据见表1～表3。
单向交通组织前,假定所有支路为双向行驶。
单向交通组织优化:取λ1=0.65,λ2=0.35,种群数为200,交换率为0.7,变异率为0.1,共迭代30次,并借助MATLAB7.8编写遗传算法,求得单行组织方案如图2所示,支路上的箭头表示行车方向,干道双向行驶。
实行单向交通组织与不实施单向交通组织相比有很大差别,道路网总阻抗下降9.8%,总的出行时间下降7.6%。
5 结束语
本文研究了基于道路交通阻抗的单向交通组织优化方法,建立了以路网阻抗及出行时间最小化为目标的双层优化模型,并采用了遗传算法对模型经行了求解。通过构建虚拟路网,对单向交通组织方法经行了验证,算例分析表明,实施单向交通组织后,能够有效的降低道路网的交通阻抗及其总的出行时间,对提高路网的交通效率具有积极的改善作用。
参考文献
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单向交通系统 篇3
由多台自动导引车 (automated guided vehicle, AGV) 组成的自动导引车系统 (automated guided vehicle system, AGVS) 广泛运用于多个行业的物流自动化[1]。在AGVS的设计过程中需要解决的问题很多, 如导引路径网络的设计[2]、搬运任务分配和AGV调度[3]、AGV路径规划及避碰问题[4,5]等等。其中AGVS的路径规划与避碰问题是AGVS研究领域的一个难点, 为了回避此问题, 可以采用基于单循环导引路径布局或基于“串级配置”导引路径布局的AGVS。虽然此类系统控制简单, 可靠, 然而运行效率低。为了提高AGVS的运行效率, 可以采用双向导引路径网络[6], 然而实现这样一个系统难度较大, 一般只适用于小型AGVS[7]。为了降低系统控制的难度, 可以采用基于单向路径网络的AGVS, 与双向路径网络不同, 单向路径网络在任意时刻每条路径上面允许的运行方向确定不变, 使得路径规划和交通管理算法的难度显著降低, 同时系统的可集成性和扩展性也很好, 成为实施AGVS的最佳选择, 因此本文以基于单向路径网络的AGVS作为研究对象, 提出了一种AGV自主路径规划及交通管理方法, 通过仿真和实验证明此方法能够保证AGVS无碰撞运行。
1 问题描述
AGVS由单向导引路径网络和若干辆AGV组成, 某AGVS单向导引路径网络如图1所示, 路径段上的方向表示AGV在当前路径段上允许的运行方向, 路径段上的数字表示路径段长度。节点由路径交叉点和工位点组成。所谓AGVS路径规划及交通管理问题是指:当AGV收到一搬运任务需要规划一条从自身当前位置到达搬运任务工位点的最优路径, 同时还要避免与其他AGV或环境障碍发生碰撞。对于基于单向路径网络的AGVS而言, 可能引起AGV之间发生碰撞的冲突如图2所示。
2 基于电子地图的自主路径规划方法
2.1 基于图论的电子地图建立方法
2.1.1 图论法
图论通过由点和边组成的图形来描述具有某种二元关系的系统, 并根据图的性质进行分析, 提供研究各种系统的巧妙方法[1]。在本文中, 将各个装卸点、充电站等看作图中的点, 连线表示两个点之间相互联通。可以用一个有序三元组G (28) (7) V, E, (8) 表示一个图, 其中V (28) v 1, v2, (43) , vn是有穷非空集, 表示的是点集;E (28) (7) e 1, e2, (43) , en (8) 也是有穷非空集, 表示的是边集;是从边集E到点集V的有序或是无序的元素偶对的集合的映射, 称为关联函数。
在图中, 与V中的有序偶对对应的边e (7) (7) e (8) (28) (7) vi, vj (8) , 称为图的有向边, 而与无序偶对vivj相对应的边称为图的无向边。如果图中的每条边都是有向边则该图称为有向图;反之, 该图称为无向图;如果图中既有有向边又有无向边则称图为混合图。我们将每条边都带有权值的图叫做有权图, 没有带有权值的图叫做无权图。
本文中采用带有权值的有向图, 其中权值表示顶点间的实际距离, 方向表示AGV行驶只能从起点到终点。
2.1.2 基于图论的电子地图建模
点和线是图的基本元素, 本文中将点和线组合作为路径段, 以路径段作为电子地图的基本单元。本文将路径段的数据结构设计成如表1所示。
数据结构中的各个数据的含义如表2所示。
根据本文设计的路径段的数据结构, 通过文档串行化可以方便的将电子地图数据信息保存成一个二进制数据文件, 而且这样的文件有良好的保密性, 不易遭到恶意的修改破坏, 只能通过本文开发的专用软件才能安全打开和修改。
为了后期能够有效的利用计算机进行处理, 本文利用邻接矩阵来表示电子地图。对于一个加权有向图可以用带权邻接矩阵表示, 其中aij值如式1所示。
2.2 路径规划方法
采用Dijkstra算法来求解这个问题, Dijkstra算法的基本思想是生长一颗以v0为根的最短路径树, 在树上的每一个顶点与根之间的路径皆为最短路径[10]。由于网络中不存在负权, 最短路径树的生长过程中每个顶点将按照距v0的远近以及顶点的相邻关系, 逐次长入树中, 先近后远, 直至所有顶点都已在树中。
假定S是具有永久标号的顶点集, 是vi的标记, 这里是顶点vi到顶点v0的最短距离, 表示顶点vi的父节点, 用来确定最短路径链, 带权邻接矩则对于图的Dijkstra算法的步骤如下[8]:
3) 设是使取得最小值的中的顶点, 令
4) 若转2) , 否则, 算法停止。
3 基于单向导引路径网络的AGVS交通管理方法研究
对于基于单向路径网络的AGVS而言, 可能引起AGV之间发生碰撞的冲突如图2所示。各种冲突处理方法如下:
如图2 (a) 所示冲突属于赶超冲突。在一条路径上有两辆AGV同向行驶, 后面的AGV行驶速度大于前面的AGV行驶速度产生这样的冲突。可通过在AGV前方安装必要的避碰传感器, 车载控制器利用避碰传感器反馈回来的信号来判断与前方车辆的距离, 当车辆之间的距离过近, 则AGV立即减速直至停车, 避免两车相撞。
如图2 (b) 所示由于两AGV争抢同一个十字路口引起的, 也是本文重点要解决的冲突。为每个路口定义一把锁, 并在交叉路口入口和出口分别设置加锁和解锁标签 (电子标签) , 各AGV通过射频读卡设备拾取电子标签信息来确定自身位置信息。当AGV获取到加锁标签信息时, 说明此时位于交叉路口入口, 立即查询此路口锁信息, 若已加锁说明另一辆AGV已经占用此路口, 此时应在加锁标签点等待, 直至此路口锁解锁。若路口未加锁则立即以广播的形式主动向系统内的AGV发送此十字路口加锁信息, 确认所有AGV均收到信息后进入交叉路口, 继续运行, 当获取到解锁标签信息时说明此时已安全离开交叉路口, 再次以广播的形式向系统内所有AGV发送路口解锁信息, 确保所有AGV均收到路口解锁信息。
如图2 (c) 所示由于即将进入的路径段无剩余容量, AGV#1会较长时间占用交叉路口, 这导致AGV#4较长时间被阻塞, 降低了系统的运行效率, 因此当AGV进入交叉路口时除了检测此路口是否被占用以外, 还需检测即将进入的路径段是否有剩余容量。路径段eij的剩余容量R (eij) 定义如下:
式中:I (eij) 表示已经处于路径段eij上的AGV数量, C (eij) 表示路径段eij所能容纳AGV的数目, 定义如下:
式中:Round () 表示向下取整函数;Wij为路径段eij的长度;L为AGV长度, D为AGV之间的最小安全距离。
4 仿真验证
为了验证所提死锁搜索与避免算法, 针对某实际应用设计了仿真实验, 如图1所示为某汽车公司淋雨测试车间, 此车间有两种车型, 共有4条生产线, 每种车型两条生产线, 每个淋雨间可同时测试两辆车。A型车只能在淋雨间1测试, 测试时间为3min, B型车只能在淋雨间2测试, 测试时间为5min, 每种车的生产节拍与淋雨测试时间相同, 系统中共有6辆AGV运行。仿真软件采用西门子公司的Plant Simulation 9.0, AGV和导引路径分别使用Transporter和Track对象表示, AGVS所涉及的各种控制算法均可以通过在Method对象中编制SimTalk仿真语言实现。对应的仿真界面如图3所示, 根据生产节拍实时产生搬运任务。
仿真结果表明:6辆AGV有序运行, 不会发生相互碰撞的情况, 证明了本文所提自主路径规划及交通管理方法的有效性。同时也证明了基于单向路径网络的AGV自主路径规划方法切实可行。
5 结论
本文针对基于单向导引路径网络的AGVS提出了一种自主路径规划与交通管理方法, 各AGV根据电子地图负责自身的路径规划, 针对AGV运行过程中可能出现的几种冲突, 提出了对应的避碰策略, 最后结合一AGVS在某汽车淋雨测试测试车间的应用, 通过仿真实验证明这种交通管理策略可以保证AGVS无碰撞运行。
摘要：以基于单向导引路径网络的自动导引车系统为研究对象, 提出了一种AGV自主路径规划与交通管理方法。各AGV采用Dijkstra算法实现基于全局地图的最优路径规划;提出了一种交通管理方法, 针对AGVS在运行过程中的出现的几种冲突, 提出了对应的避碰策略。以含有6台自动导引车的淋雨线车间为应用案例进行仿真实验, 仿真结果证明了所提方法的有效性。
关键词：自动导引车系统,路径规划,交通管理
参考文献
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单向交通系统 篇4
办公系统是基于Internet/Intranet以及工作流技术,在企业内部建立的提高工作效率、方便信息共享的计算机信息系统。
试验系统与办公系统通常是两套相互独立的业务系统,之间没有关联。但是为了实现对试验系统中自动采集数据的分析、评估、存储备份及事后利用,需要在采集系统与办公系统之间建立一条安全传输通路。在确保试验系统安全可靠、不受外来病毒、人为干扰攻击等的基础上,实现由试验系统向办公系统单方向实时传输正确有效的数据是一个迫切需要解决的问题。
1 单向网闸技术
1.1 网闸技术
网闸技术(Net Gap)是使用带有多种控制功能的硬件,通过没有物理连接的“数据摆渡”方式,实现两个独立的网络系统之间的数据交换技术。因为没有物理连接,所以可以阻止网络间的入侵攻击,实现系统间隔离与安全。网络间的数据交换,通常是通过TCP/IP协议交换数据包实现,网闸是采用硬件模块切断网络之间的TCP/IP连接,通过私有协议对数据包进行转发。而且,网闸与需要摆渡数据的两个网络之间,在同一时刻只与一个网络连接,阻止两个网络之间的物理连接。通过这两方面,防止了网络之间的双向连接,起到了单向连通、避免反向病毒、主动攻击等行为的发生。
网闸技术基本示意如图1所示。网闸在两个需要交换数据的主机之间设置两个开关,通过系统控制这两个开关使得一个开启的时刻另外一个关闭,以此确保网络A与网络B永不相连,从而达到安全隔离与数据摆渡的目的。
1.2 单向光闸技术
第一代网闸技术是采用单刀双掷开关,通过内部处理模块分时存取共享存储设备来实现数据交换,通过应用层数据交换与安全控制来实现对协议层攻击的阻止和应用层安全的加强。该技术可以保障安全,但是数据交换速度相对较慢。
第二代网闸技术是在第一代网闸的基础上,创造性的采用了专用交换通道PET(Private Exchange Tunnel)技术,也就是通过专用硬件通信卡、私有通信协议、加密签名机制来实现安全的数据交换。PET新技术的引入在保障数据安全性、准确性的前提下使两网之间的数据交换速度提高了几十倍甚至上百倍。
单向光闸,正是在第二代网闸技术的基础上,利用光单向传输通道的物理特性,采用单根光纤,通过光传输模块,实现两个隔离网络之间的安全准确的单向无反馈数据传输。
单向光闸技术通常包括软件和硬件两部分,其中硬件部分如图2所示,采用“2+1”架构模型,即包括主机1、主机2、单向隔离传输模块三部分。单向隔离传输模块由两个通用的光传输模块组成,模块之间采用单根光纤连接。通常,光传输模块由两根光纤完成通信,一根用于接收数据,一根用于发送数据,从物理上,无法通过单根光纤实现既进行接收又进行发送数据。因此单根光纤保证了数据的绝对单向无反馈传输。单向隔离传输模块基于专有的安全隔离芯片和交换芯片。其中安全隔离芯片通过多线程并行固化处理将数据块转化为私有协议格式的数据包,交换芯片的交换子系统和开关控制子系统实现对数据的临时缓存和安全交换。
单向光闸技术的软件部分包括三部分:单向传输控制模块、应用服务模块、管理模块。软件架构示意图如图3所示,其中应用服务模块至少提供以下服务功能:单向文件传输、单向数据库同步、单向邮件传输、单向传输API等。
1)单向传输控制模块:保证在单向无反馈通信环境中数据传输的完整性和可靠性;
2)应用服务模块:提供基于单向传输的业务应用,包括:单向文件传输、单向数据库同步、单向邮件传输和单向传输API接口;
3)管理模块:系统配置和管理的接口,通过该平台配置管理主机系统和业务应用系统,并提供启动或关闭一些特殊引擎接口,例如:病毒检测等引擎接口。
2 部署方法
2.1 安全域划分
试验系统是完成飞机结构强度试验的物理试验的平台,该平台对试验设备的安全性、精确性要求极高,任何来自外部的病毒、或者利用系统漏洞对试验过程造成影响都将会破坏整个试验过程,因此试验系统的安全性要求极高。为此,设计了如下安全域划分模型见图3,以阻止来自不同网络的安全威胁。
试验系统中的试验控制系统、试验采集系统都是以太网络连接的计算机系统,内部有服务器、工作站、网络交换设备、电液伺服自动协调加载控制设备、数据采集设备等。
隔离交换区包括一台单向光网闸设备。
办公系统是计算机信息系统,包括网络交换设备、服务器、存储设备、计算机终端、防火墙等。
2.2 系统拓扑结构
试验系统与办公系统单向安全传输方法部署拓扑结构如图4所示。
其中,试验系统区在数据采集系统的网络环境中部署一台数据发送计算机终端,上游连至采集系统网络,下游连至单向光闸的输入端,实时将采集系统中的采集数据文件发送出去。办公系统中设置一台数据接收计算终端,上游连至单向光闸的输出端,下游连至办公系统网络。在办公系统中,根据安全保密要求部署相应的防火墙并设置安全访问控制策略,保障系统内部安全及杜绝泄密隐患。
在目前的飞机结构强度试验中需要单向传递的数据都是数据文件(例如:***.55%-20160708.xlsxtemp、***.55%-20160708.txttemp等),没有邮件,也无需数据库同步。因此在单向光闸的软件管理端配置网闸地址、文件传输通道、任务监听端口、收发目录、收发用户、时间策略、备份策略、过滤策略以及优先级等基本设置。
3 应用效果评价
在2015-2016年期间,中国飞机强度研究所承担了C919大型客机全机静力试验,试验过程即采用了该试验系统与办公系统单向安全传输方法,完全实现了物理试验现场采集系统实时采集的试验过程数据到所内部员工办公网络之间的实时单向数据传递,传输效率高,未发现丢包现象,也未发现试验系统有来自办公系统的任何干扰,是绝对的物理单向传输。同时,该方法也符合国家、行业的有关安全防护标准、法规。该方法在我所已经运行6个月有余,运行状态稳定。该方法使得两套网络之间的数据传递效率得到极大的提高,显著提升了工程技术人员的办公效率。同时,这种效率提升未对两套网络系统造成任何安全防护隐患,充分保障了原有业务系统的安全防护级别。图5展示了2016年7月8日C919大型客机全机静力试验的办公系统接收数据界面。
4 结束语
本文针对中国飞机强度研究所试验系统与办公系统之间单向数据传递的需求,在深入分析数据传递需求及安全隔离需求的基础上,通过研究单向光闸技术,利用单向光闸技术搭建了数据单向交换平台,在确保试验系统全面安全的前提下实现了物理隔离环境下的试验系统至办公系统之间的单向数据传递。该方法在研究所内部得到了高度认可,同时也在其他行业得到了认可,可以在行业内部以及其他行业的类似网络环境下推广应用。
参考文献
[1]李佩玥,石俊霞,陈雪,章明朝.单纤单向数据隔离系统的设计与实现[J].电子测量技术,2014,37(6):115-117.
[2]闵涛,李贷松.徐州国土资源局基于单向光网闸的数据交换平台建设经验介绍[J].国土资源信息化,2013(2):51-54.
[3]颜敏燕,韦樑.单向隔离网闸的设计及其传输可靠性探讨[J].价值工程,2014,(27):219-220.
单向交通系统 篇5
为了保证移动存储设备与计算机之间的各种数据能够安全地传送, 需要采取可靠的措施完善数据单向导入系统。这种系统设计方案的实现, 将会增强数据从存储设备传送到计算机内网中的安全性, 为用户信息的安全性和机密性带来了重要的保障作用。同时, 基于光通信的数据单向导入系统, 主要的优势在于光的单向传输, 避免数据的反向流出。这种系统的操作简单, 通过USB延长线的作用即可实现。
系统之所以可以做到绝对的单向传输, 关键就在光通信上。光通信和其他通信系统一样, 也是分为发送和接收两个部分, 不同的是发送和接收之间传送的不是电信号, 而是光信号[1]。光通信发送部分的激光器在收到上一级传来的电信号后, 将其转化为光信号发射出去。而接收部分有对应的光敏感的器件, 可以将接收到的光信号重新转化为电信号传送到下一级, 从而完成一次光通信。在这样的工作机制中, 接受部分只会接收到系统发送的数据。同时, 由于接受部分不存在光敏感器件与激光器, 实际工作中也不会出现数据反向传输的现象。
在上述工作原理的支持下, 可以按照一定的方式设计出单向导入系统。该系统本质上是一种数据传输系统, 可以为数据的正常发送带来重要的保障作用。通过对发送部分与接收部分的有效设计, 有利于完善单向导入系统的服务功能。其中, 在光纤的作用下, 将发送部分的相关设备与接收部分的相关设备进行有效地连接, 并对人机交互界面进行合理地设计, 增强系统运行过程中的服务效果。用户查阅存储设备中的相关内容时, 主要依赖的是可靠的内嵌文件系统与使用寿命较长的LCD屏幕。在具体的设计过程中, 将主控制器作为发送部分的核心部分, 并将LCD、数据处理器等作为重要的外设基础部分。通过数据总线的有效设置, 可以确保主控制器与外设之间数据的正常传递。同时, 将外设中的数据处理器与光纤部分进行有效地连接, 有利于提高数据的传输效率。 除此之外, 需要对光纤部分进行编码, 降低数据传输过程中的误码率。
在对单向导入系统接收部分的设计中, 核心的部分依然是主控制器。但是, 接收部分相比发送部分, 不需要进行人机交互与文件系统设计, 依靠终端计算应用软件实际作用的充分发挥, 可以确保数据的正常接收。通过解码部分的正常工作, 实现差分信号转变为单信号的操作目标。
二、基于光通信的数据单向导入系统的实现
为了确保设计出的系统能够在实际的运行中达到预期的效果, 需要建立可靠的硬件实验平台。该平台主要是由发送和接受部分两块电路板组成的, 可以满足系统设计方案中发送与接收部分的具体要求。为单向导入系统数据的正常传输提供可靠地保障。同时, 按照合理的方式将LCD屏幕设置在发送电板上, 确保存储设备中的目录结构能够随时地被查阅。用户通过相关的操作查阅可移动磁盘中不同文件的内容, 进而对这些文件进行发送, 确保了所有数据信息传递的高效性。通过计算机终端设备与接收电路相连的方式, 实现了单向导入系统正常运行的发展目标。
在具体的操作过程中, 用户通过按键操作对选定的文件进行发送。这些文件内容最终会被系统中的主控制器接收, 然后放到外部数据总线上[2]。通过数据总线的作用, 所有数据将会在发送数据处理器的作用下进行有效地编码, 并将编码完成后的数据送到光纤上。此时, 接收单元的处理器可以对光纤上的数据进行必要地转换和解码, 并对主控制器发出相关的反馈信息。主控制器通过自身的调节作用, 可以将经过处理后的数据及时地送到终端计算机上, 完成整个数据的传送任务。
结束语
大量移动存储设备的频繁使用, 可能会给计算机网络带来各种各样的病毒, 给系统的正常运行埋下了较大的安全隐患。因此, 需要结合网络系统实际运行中的具体要求, 完善基于光通信的数据单向导入系统的设计方案, 促使操作者使用移动存储设备过程中各种数据可以安全地传送到内网中, 避免系统正常使用中受到相关存在因素的影响。
参考文献
[1]白建兵.光通信数据构建模式下单向导入系统的设计实践[J].激光杂志, 2015, 12:150-152.
单向交通系统 篇6
近年来,天气情况对电力系统运行的影响越来越受到关注。暴风、雷雨、覆冰等偶发性天气均会影响元件的故障率[1,2,3],严重的大风、覆冰可能会造成倒塔,破坏基础设施[4,5],各种元件、设备的故障率突然增加还会造成电厂中大量机组相继切出[6,7,8],严重的天气变化事件会导致聚集性故障,对电力系统可靠运行危害极大。因此,研究不同天气条件对输电系统可靠性的影响非常必要,能够为电力系统的稳定运行提供关键信息。
电力系统可靠性评估方法是以元件可靠性原始参数为基础的。目前,输电系统可靠性计算多采用平均值作为元件可靠性参数,但这些参数随运行环境不同而差别很大,直接用平均值进行可靠性计算与实际情况误差较大。文献[9]根据电力系统可靠性原始参数的特点,在原始数据缺乏的情况下,利用灰色模型对输电线路故障率进行预测,该方法在面对大样本的情况下,精度略显不足。文献[10,11]根据经验公式对输电线路可靠性的影响因子进行分析,但影响因子的处理采用简单的数学相加,并不符合实际情况,不能反映气象因子的实际作用。文献[12]运用联系数建立故障率模型,考虑了天气对线路故障率的不确定性,但没有考虑实际的天气情况,与实际不符。
波兰数学家Z.Pawlak教授于1982年提出粗集理论,它是一种处理模糊和不确定知识的数学工具,能有效地分析和处理各种不精确、不一致、不完整的信息,并从中发现隐含的知识,揭示潜在的规律。粗集理论已在电力系统负荷预测[13]、电网规划[14]、故障选线[15]等方面得到了应用。史开泉教授在粗集理论的基础上,提出了用动态集合描述的单向、双向S粗集以及函数S-粗集、F-分解规律[16]等理论。
由于可靠性评估常常会受到气候因素、地理因素等一些动态的、不确定的外部因素的影响,使得故障率和可靠性指标具有不确定性。单向S-粗集理论具有规律性和动态迁移性,能很好地解决此类具有动态特性的不确定规律问题。
本文针对现有可靠性评估方法的不足,基于历史统计数据,分析天气随机变化的特点,采用单向S-粗规律分析方法,建立考虑天气因素的元件可靠性参数模型,用F-分解规律分析气候对可靠性指标的影响程度,对输电线路故障率进行预测,优化输电系统可靠性评估方法,揭示天气因素对可靠性评估的影响规律。最后将本文采用的方法与常规方法的可靠性指标进行对比,验证本文方法的有效性、合理性。
1 单向S-粗集理论[17]
在电力系统可靠性评估中,当影响可靠性的外部因素不变时,其影响因子用属性集A描述,其对应的影响因子属性值为X,采用单向S-粗规律得到元件故障率模型,即元件故障率与影响因子之间的关系。当外部因素动态变化时,属性集A变为Af,属性值X变为Xf,采用F-分解粗规律分析可靠性指标与影响因子的关系。
1.1 单向S-粗规律
设A为规律p(t)的属性集,X为p(t)的属性值向量,即X=[x1,x2,…,xm]为属性集A={a1,a2,…,am}的值,其中m为属性的个数。利用元件故障率模型得到故障率集λ={λ1,λ2,…,λn},n为线路数,再通过规律生成模型,得到元件故障率的粗规律p(t)。
1.2 F-分解粗规律
在一个动态系统中,a为具有动态特性的属性集,以f作为动态迁移族。若Af=A∪{a′}={a1,a2,…,am,a′},其中a′为新增加(减少)的属性,则称Af为A的属性补充集,同理Xf=[x1,x2,…,xm,x′]为属性值向量X的f-分解向量,从而pf(t)为p(t)的f-分解规律。称为p(t)的F-上分解规律,为p(t)的F-下分解规律,则称为F-分解粗规律。
2 考虑天气因素的元件可靠性参数模型
一些在户外运行的输电系统设备,特别是架空线路,受雷雨、冰雹、大雾等天气的影响很大,因此需要在多态天气下考虑元件的可靠性参数。
根据可靠性影响因子的特点,将影响架空输电线路故障率的因素归结为以下几类:暴风天气(a1);暴雨天气(a2);冰雪天气(a3);高温天气(a4);地基原因及其他(a5);投产时间(a6)。其中a1—a4为天气量,a5、a6为非天气量。则影响因子的属性集A={a1,a2,a3,a4,a5,a6},影响因子的属性值向量X=[x1,x2,x3,x4,x5,x6]。设各种属性所对应的权重H=[h1,h2,h3,h4,h5,h6]T,且有。
2.1 元件故障率模型
如果电力系统输电线路数为n,则由各条线路属性值向量Xi得到属性特征值矩阵为:
计算属性特征值矩阵中每个特征值xij的效益型目标优度:
其中,∨为取大运算;∧为取小运算。
得到目标优度矩阵Γ为:
其中,γij为目标优度。
根据逼近于理想解的排序方法(TOPSIS),构筑理想优度(优等决策的目标优度)和负理想优度。
理想优度向量为:
负理想优度向量为:
由各条线路的属性权重Hi得到权重矩阵为:
将权重矩阵中各权重值代入式(3)得到故障率λi:
其中,i=1,2,…,n;j=1,2,…,m;距离参数p=2。进而得到元件故障率集λ={λ1,λ2,…,λn}。
当影响因子集A动态扩张时,形成了影响因子值序列集,即时,将得到一个元件故障率序列集:
2.2 元件故障率的粗规律生成模型
元件故障率样本中天气量为变化因子,非天气量为相对稳定因子。所以以天气量作为单侧动态变化量,形成新的样本集{Xfi,λfi}。
将集合λ数据代入Lagrange插值式,得到集合λ的一种规律生成:
其中,t为线路编号。
考虑天气量与非天气量时,由式(3)形成λi,通过规律生成模型式(4)得到规律p(t),形成上规律;只考虑非天气量时,形成λfi,通过规律生成模型得到规律pf(t),形成下规律。因此,形成单向S-粗规律。
2.3 预测元件故障率
已知历年天气样本值,用正态抽样方法预测下一年的天气量。非天气量因为相对稳定,采用平均值确定下一年的非天气量。根据2.1节所述元件故障率模型,可以预测下一年的元件故障率λn+1。
3 可靠性评估流程
3.1 原始数据处理
首先根据故障率样本,预测各条线路故障率;其次,根据2.3节所述预测下一年的元件故障率λn+1;再用F-分解粗规律,根据不同的天气变化,得到不同的Xfi,进而得到不同天气情况下的故障率λfi。
3.2 系统状态选择
蒙特卡洛模拟法在复杂电网可靠性评估中得到了广泛的应用,由于非序贯蒙特卡洛法抽样简单且所需原始数据较少,故本文采用非序贯蒙特卡洛方法进行系统状态选取。
本文采用两状态模型,假设每个元件都只有故障和运行2种状态,并且元件的故障彼此独立。如果元件i的故障率和修复率分别为λi和μi,元件的强迫停运率,则元件的状态为:
其中,si=0表示元件处于故障状态,si=1表示元件处于运行状态;ri为元件i在[0,1]区间内均匀分布的随机数。
那么具有d个元件的系统状态可表示为:
3.3 系统状态分析
采用非序贯蒙特卡洛法对系统所有元件进行状态选取之后,可能会使系统网络拓扑结构发生很大变化,所以需要进行网络拓扑分析。本文采用深度优先算法进行网络拓扑分析,判断系统是否解列,进而进行潮流分析,得到各节点的电压、线路有功和无功值等;再进行切负荷计算,得到系统可靠性指标计算所需数据。其中求解最小切负荷的数学模型采用文献[18]中最优负荷削减模型。
3.4 运行计算系统可靠性指标和能量规律、规律干扰度
3.4.1 系统可靠性指标计算
在系统状态选取和状态分析后,计算系统的可靠性指标。由系统可靠性指标计算公式[19]得到考虑天气变化的系统可靠性指标。
(1)电力不足概率LOLP(Loss Of Load Probability),即系统有效容量不能满足负荷要求的时间概率,又称为系统停电概率,可以用式(6)表示:
其中,Nfi为节点或者系统的停电次数;Ns为抽样次数。
(2)功率不足期望值EPNS(Expected Power of Not Supplied)可用式(7)表示:
其中,Pfij为节点i在系统第j次抽样状态下的停电功率。
(3)电量不足期望值EENS(Expected Energy of Not Supplied),即在一定时期内由于供电不足而造成用户停电损失电量的期望值,可以用式(8)表示:
其中,Efij为节点i在系统第j次抽样状态下的停电电量。
3.4.2 规律能量和规律干扰度
规律能量是元件性能的反映,可以作为选择元件的依据。规律干扰度反映不同天气情况对输电系统的影响程度。
规律能量:设p(t)为区间[a,b]上的规律,称w为p(t)的规律能量,可表示为:
规律干扰度:设pf(t)为分解基p(t)生成的f-分解规律,称ρ为pf(t)关于p(t)的属性f-扰动度,可表示为:
其中,X为p(t)对应的属性值向量,‖X‖2为向量X的2范数。
随着F-分解粗规律的干扰属性集的逐渐增加(减少),F-分解粗规律的干扰程度逐渐减弱(增强)、规律能量逐渐增大(减小);F-分解粗规律的干扰度描述了F-干扰对可靠性的影响程度。如果(pF(t),pF(t))的F-故障率粗规律干扰度(ρf,ρf)=0,则系统对p(t)的F-分解粗规律的干扰趋于平衡,F-干扰对p(t)不产生影响。
4 算例分析
线路故障率样本数据见表1,2008—2014年的天气数据如图1所示。根据本文提出的模型算法,对IEEE 30节点测试系统的可靠性进行评估。由于大部分输电线路在户外运行,特别是架空线路,受雷雨、冰雹、大雾等天气的影响特别大,而变压器受天气影响较小,因此在本文可靠性评估中,输电线路的故障率考虑天气影响的不确定性,而变压器的故障率则采用平均值[20]。
4.1 单向S-粗集预测合理性检验
首先,利用元件故障率粗规律生成模型预测表1中各线路的故障率规律p(t),即故障率λ的上、下范围值如图2所示,并与表1中输电线路实际值进行对比。
由图2和表1可以看出,输电线路故障率的实际值在用单向S-粗规律得出的上、下故障率规律范围内,证实了单向S-粗规律对输电线路故障率预估的合理性。
4.2 预测2015年线路故障率
根据如图1所示的历年天气样本值,采用正态抽样方法预测2015年的天气量。得到属性值向量X=[3.876 2,2.733 8,10.532 9,28.386,5,10],其中非天气量采用平均值。
由元件故障率模型、规律生成模型得出2015年的线路故障率λ的范围值为[0.061,0.073]。
4.3 可靠性评估
由2015年的线路故障率λ值的上、下限值,通过VC++编程对IEEE 30节点系统进行可靠性评估,得到可靠性指标LOLP、EPNS、EENS的上、下限值。
表2中给出了不考虑天气情况影响即故障率为平均值(方法1)、考虑天气情况影响的可靠性评估方法[12](方法2)和本文方法的可靠性评估结果。
由表2可以看出,方法1和方法2结果之间存在偏差。而外界影响是可靠性评估时必须要考虑的因素,本文由已知的影响因素得出故障率的范围值,更符合实际情况。
方法2和本文方法的评估结果均为范围值,但方法2的范围值是通过对故障率以天气的不确定性取±10%,再以i[-1,1]的随机取值来体现可靠性评估结果不确定性的动态波动;本文方法依据客观数据(天气情况)预测故障率λ的上、下范围值进行可靠性评估,更具客观性。
4.4 不同天气下可靠性评估影响分析
因为气候因素多为动态影响,在考虑综合因素的作用下,选取4种气候因子进行试验,运用F-分解规律分析不同天气下的可靠性指标,得到能量规律w和干扰度ρ值。根据w和ρ,分析天气对可靠性指标的影响,如表3所示。为了分析各种因素的影响程度,设置以下6种情况进行可靠性评估:情况1,acase1={a1,a2,a3,a4,a5,a6};情况2,acase2={a4,a5,a6};情况3,acase3={a3,a5,a6};情况4,acase4={a2,a5,a6};情况5,acase5={a1,a5,a6};情况6,acase6={a5,a6}。其中,因素a1为暴风天气,a2为暴雨天气,a3为冰雪天气,a4为高温天气,a5为地基原因,a6为投产时间。
由表3可以看出,冰雪因子对可靠性指标影响最大,暴雨因子次之,高温因子与暴风因子对其影响程度相同,影响较小。从扰动度可看出,4种气候因子共同作用时,并不是单个因子简单地相加,而是复杂的多种天气因素综合作用的结果。从规律能量可以看出,影响因素越弱,规律能量越小,输电线路性能越好。可靠性指标范围越小,可靠性指标越精确。
5 结论
本文提出了不同天气下基于单向S-粗集的可靠性评估方法。运用单向S-粗集处理线路故障率和天气情况的不确定性,F-分解规律分析天气对可靠性指标的影响,对可靠性指标的不确定性有确定的度量。用单向S-粗集理论处理输电系统可靠性参数的不确定性只需要简单的年气候天数,由此得到的可靠性指标以客观数据为基础,可以杜绝人为主观因素的影响,评估结果更客观。
运用本文所提方法在IEEE 30节点仿真系统进行可靠性评估,结果如下。
(1)基于天气情况的不确定性,单向S-粗集可以合理地预测输电线路故障率。
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