DS理论的计算机模拟

DS理论的计算机模拟（共8篇）

DS理论的计算机模拟 篇1

有粘结预应力加固技术以其简单的施工工艺和耐久性的优势越来越受到国内工程界的重视。该技术适用于中等跨径的钢筋混凝土桥和预应力混凝土连续箱梁桥, 对提高桥梁加固后的补强材料利用率、提高结构的耐久性和桥梁的使用寿命方面对我国现有的桥梁加固设计理论有着指导意义。

1 有粘结预应力加固体系

有粘结体外预应力体系在施加预应力阶段, 唯一和结构有联系的地方是在被加固结构的锚固区域, 并通过锚固区域的粘结力传递预应力完成张拉阶段的施工, 此阶段属于体外预应力加固。而在体外预应力加固完成后喷注高性能复合砂浆, 通过砂浆的粘结力形成有粘结的预应力体系, 此阶段属于有粘结预应力体系的范畴。因此有粘结体外预应力加固其实是两种体系, 两种施工阶段的叠加, 它具有体外预应力加固主动加固的优点, 同时有具有了有粘结预应力体系的受力特点。

本文的试验基本组成分为:预应力钢绞线、预应力锚固系统、转向系统、体外有粘结补强材料, 如图所示。

2 有限元模拟分析

2.1 计算模型

本文使用ANSYS来进行模拟计算, 计算模型采用钢筋混凝土分离式模型, 即将混凝土简化为实体单元, 钢筋简化为梁单元。混凝土采用Solid65单元, 钢筋采用Link8单元。在模拟中把钢筋作为线单元考虑, 不考虑横向抗剪强度, 在钢筋和混凝土之间加粘结单元来模拟实际的钢筋和混凝土之间的粘结和滑移。由于材料的物理性能不同, 当裂缝产生时两种材料间变形效果不同, 会导致粘结失效, 出现滑移效果。而作为实体单元的混凝土可以有效的模拟出三个正交方向的拉裂、压碎、塑性变形和蠕变的能力。

2.2 材料模型

本文模拟的是钢筋混凝土结构塑性变形阶段, 因此材料模型采用Hognestad模型来表现混凝土应力-应变关系。

2.3 裂缝的模拟

混凝土的抗拉强度比抗压强度小很多, 多数情况下是带裂缝工作的。裂缝的出现会引起裂缝周围混凝土应力重分布, 本文采用分布裂缝模型, 其实质是将混凝土裂缝分布到整个单元中, 把混凝土材料看成各向异性材料, 利用混凝土的本构关系来模拟裂缝。

3 计算模型分析

有粘结预应力加固桥梁结构的受力变形分为3个阶段, 用于计算的梁分别模拟了这3个阶段。

3.1 施加预应力阶段

在施加预应力前, 构件的自重和恒载均由原梁独立承担, 预应力产生反向弯矩, 使原结构受拉去受压, 受压区受拉, 裂缝闭合, 但预应力筋仍属于体外配筋, 与梁变形不协调。

3.2 成桥阶段

通过喷射高性能复合砂浆, 将预应力筋与梁体结合, 形成组合截面。此时, 体外预应力体系转变为有粘结预应力加固体系, 砂浆产生的恒载仍由原梁独立承担。

3.3 运营阶段

车辆荷载等由加固后的组合截面承担, 桥梁受力同普通受弯梁基本相同。

4 ANSYS模拟计算结果

试验模型采用2组共6矩形梁, 混凝土梁跨度4m, 截面为200×300mm, 材料为C30混凝土, 弹性模量3.0×104MPa。其中1-1和2-1是未加固梁, 底部受拉钢筋分别为2根20mm钢筋;1-2和2-2是加固梁, 采用1×2股8.6mm钢绞线锚固, 并喷注高性能复合砂浆形成有粘结力预应力体系的梁;1-3和2-3分别是加固完成后投入使用阶段的受力模拟。

5 结束语

本文对有粘结预应力加固体系进行了有限元模拟受力分析, 建立了符合力学假定的试验模型, 得出结论:

5.1 有粘结体外预应力体系在施加预应力阶段, 属于体外预应力加固, 在喷注高性能复合砂浆以后, 通过砂浆的粘结力形成有粘结的预应力体系, 此阶段属于有粘结预应力体系的范畴。因此有粘结体外预应力加固其实是两种体系、两种施工阶段的叠加, 具有桥梁加固主动加固的优点和特点。

5.2 加固构件的承载力一般以原梁钢筋屈服控制设计, 最终破坏都是以钢筋屈服变形过大为最终破坏形态;极限状态下后加预应力筋的应力原则上应按其变形确定, 极限状态下后加预应力筋的应变与原梁的配筋率和预应力筋的张拉控制应力及应力损失有关。

5.3 有粘结预应力加固受弯构件的使用阶段应力验算, 其实质是构件的承载能力计算, 其内容包括使用阶段正截面混凝土的法向压力和钢筋拉应力的验算, 应力计算也应考虑分阶段受力特点。

5.4有限元模拟计算的极限承载能力值均高于理论计算值。

摘要：有粘结体外预应力体系在施加预应力阶段, 唯一和结构有联系的地方是在被加固结构的锚固区域, 并通过锚固区域的粘结力传递预应力完成张拉阶段的施工, 此阶段属于体外预应力加固。而在体外预应力加固完成后喷注高性能复合砂浆, 通过砂浆的粘结力形成有粘结的预应力体系, 此阶段属于有粘结预应力体系的范畴。因此有粘结体外预应力加固其实是两种体系, 两种施工阶段的叠加, 它具有体外预应力加固主动加固的优点, 同时有具有了有粘结预应力体系的受力特点。

关键词：有粘结,预应力,桥梁,加固

参考文献

[1]李晨光.体外预应力技术在工程加固改造中的应用[J].施工技术, 1999.128 (2) :30-32.

[2]邱青云.体外预应力混凝土桥梁的发展现状及探讨[J].铁道标准设计, 2000, 20 (5) :19-20.

[3]卢文良, 等.体外预应力加固铁路混凝土梁设计方法[J].北方交通大学学报, 1999, 23 (4) :22-25.

DS理论的计算机模拟 篇2

关键词：3Ds Max软件 晶体场理论 课件开发

中图分类号：G434 文献标识码：B 文章编号：1673-8454（2008）19-0085-03

3Ds Max软件是当前流行的三维动画制作软件之一。该软件将运动状态的设定简化为对起始状态和终止状态的定义（即关键帧），制作三维动画时只需要做出运动的关键点的场景，利用每个关键帧画面的视觉残留，就可获得流畅的、富有表现力的动画。[1] 运用3Ds Max制作的动画可输出为适用于大多数播放器的格式，适用于Windows或XP平台，因而得以广泛使用。在教育领域，3Ds Max动画可插入ppt等主流多媒体文件，能与教学活动有机结合，是一个突出的优点。

中级无机化学是针对化学专业三年级本科生开设的一门专业基础课，具有很强的综合性，需要学生准确无误地把握关键的概念和理论。[2] 在教学中，晶体场理论是一个重点，也是一个难点。学生在学习时，碰到的障碍常常是不能正确理解5个d轨道与配体之间分布的方向关系，因此不能正确理解由于中心离子与配体之间排斥作用的差异而导致的d轨道能量分裂，为后续学习留下隐患。笔者曾经采用Flash等工具软件制作过二维动画课件，但是实践表明，二维的工具要表达三维的思想，总有些力不从心。因此，笔者进而探索利用3Ds Max软件制作三维动画的优势，设计、制作晶体场理论内容的教学演示动画，帮助学生克服学习障碍，达到教学目的。

一、课件设计

以dx2-y2轨道在八面体场中为例，笔者确定了晶体场理论演示动画课件的设计思想：表示d轨道和6个配体各自在三维空间中分布的方向性；表示配体与d轨道之间的空间关系；表示排斥力不等。为了突出d轨道和配体的相对位置，配合设置图形的旋转。通过这样的三维动画可以清楚地表现出配合物的中心离子d轨道发生能级分裂的根源，是配体在中心离子周围排布的方向性，其造成配体与中心离子d轨道之间的排斥作用不等，从而有效地帮助学生克服学习障碍，从本质上把握晶体场理论的精髓。[3]

为了达到上述目的，课件制作分为d轨道模型、d轨道置于笛卡儿坐标系、配体分布、定义颜色、设置动画、渲染输出这几个步骤。

二、d轨道模型制作

打开3Ds Max软件，进入工作界面。工作界面默认的四个视窗分别是左上角的顶视窗（Top）、右上角的前视窗（Front）、左下角的左视窗（Left）和右下角的透视窗（Perspective），分别代表四个视角。

首先创建d轨道的四个瓣。通过创建一个球体，对其进行压缩拉伸制得一个瓣。选择“创建”→“几何体”→“球体”，在任意一个视窗中建立球体模型。将鼠标光标移动到该视窗的中部，按住鼠标左键并拖动光标，建成一个球体模型。此时，四个视窗中都同时出现该球体。单击任一视窗中的球体并单击“修改”，即可修改球体Sphere01的属性（半径等）。

选中球体，选择“修改器列表”的黑三角按钮→“对象空间修改器”→“FFD 3×3×3”→“＋”→“控制点”→“选择并均匀缩放”。点击球体，出现一个三角形坐标。在球体外按着鼠标左键并拖动鼠标，使虚线框选中球体的下部，因此三角形坐标位于球体下部。沿三角坐标的某一方向拖动鼠标，三角形内模型非常明显地变形。按照需要分别沿X、Y坐标方向拖动，使球体下部变小，得到一个瓣状模型。

通过各视窗观察并进行调整，使瓣状模型对称（一般只看顶、前、左视窗，透视窗由于视角的缘故，较少在建模中使用）。在“修改器列表”中除“FFD 3×3×3”以外的选项中选择“选择并均匀缩放”。选中瓣状体，点击“镜像”→“镜像轴”→“Y”→“克隆当前选择”→“复制”→确定，得到复制版瓣状体Sphere02。选择“工具栏”→“选择并移动”，沿着－y轴方向移动，使两个瓣状体相接形成纺锤形。重复上面的步骤，复制出d轨道的四瓣模型。在使4个瓣状对齐时，通过滑动鼠标上的滚轮，将视图放大或缩小。

三、将d轨道置于笛卡儿坐标系

以细长的圆柱体代表坐标轴。经“创建”→“几何体”→“圆柱体”，在“修改列表”→“参数”中修改参数。经“选择并移动”使圆柱体与d轨道中心对齐。必须注意，这里的对齐是指四个视窗都对齐，而不是仅仅在其中一个视窗中对齐。通过“镜像”→“选择并移动”→“选择并旋转”，制成三根互相垂直的圆柱体分别代表x、y、z轴，并与d轨道中心重合。经“几何体”→“圆锥体”，创建一个底面半径比坐标轴横截面半径稍大的圆锥体，用于表示坐标轴的正方向。

经“创建”→“图形”→“文本”，输入“X”，将光标移至某一视窗，单击鼠标左键，得文字“X”。选定文字X，经“修改器列表”→“倒角”→“倒角值”→“级别1”的高度设为3.0，得到三维文字“X”。再经“选择并移动”→“选择并旋转”，使之靠近坐标轴正方向上的圆锥体。用同样的方法制作三维文字Y、Z。

将以上视图内的对象全部选定，选择“工具栏”→“组”→“成组”，得到组合的模型，方便下面的操作。

四、制作分布在d轨道周围的6个配体

用球体表示分布在d轨道周围的配体。打开“创建”→“几何体”→“球体”，创建一个新的球体，其大小可与制作d轨道的球体有所区别。选中该球体，使用“工具栏”→“镜像”，复制5遍，得到6个表示配体的球。使用“工具栏”→“选择并移动”，使6个配体分别位于d轨道的±x、±y、±z轴方向（见图1）。注意在配体与d轨道之间为运动留出空间。坐标轴的长度可以解组后调整。

五、定义颜色

将光标放在“工具栏”的空白处，单击“材质编辑器”。将光标移到任一圆球上，单击“漫反射”→“颜色选择器：漫反射颜色”，通过移动色调窗口或自定义数字来选择颜色。

d轨道的位相有正、负之分，所以需要两种截然不同的颜色，笔者选择了橙色和蓝色。笛卡儿坐标是判断方位的辅助工具，其方向标志需要十分醒目。笔者将坐标轴设置为灰色，坐标轴箭头定义为鲜红色，文字X、Y、Z则设为稍微偏白一些的红色。配体的颜色设置为比坐标轴更深的灰色。

为了使渲染效果更好，可以经“材质编辑器”→“反射高光”→“高光级别”和“光泽度”进行调整，使得材质看起来更为立体、美观，效果见图2。

六、设置动画

为了清楚地展示d轨道与将6个配体在空间分布的方向性，动画设计为：（1）出现笛卡儿坐标中的d轨道；（2）出现配体；（3）旋转；（4）配体向中心d轨道运动；（5）出现6个配体形成的八面体；（6）闪烁；（7）旋转。

设置动画，就是设置关键帧的位置。软件默认的时间轴长度只有100帧，需要先调整时间轴的长度。将底部的“动画控制区”→“时间配置”→“动画”→“结束时间”设置为700。

动作（1）和（2）：按“ctrl＋鼠标左键”全部选定6个配体。单击鼠标右键，选择“属性”→“对象属性”→“渲染控制”→“可见性”，将参数设为“0.0”，使6个配体隐去。保持6个配体全选，单击时间轴下方“自动关键点”，使之变红。移动时间滑轮至“20”处，再同上操作将可见性设定为“1.0”。此时设定了两个关键帧，一个处在“0帧”，可见性为0.0，一个处在“20帧”，可见性为1.0。软件默认0－20帧内是两个状态之间的渐变。若要缩短渐变时间，可将处在“0帧”的关键点后移到“18帧”上。设定关键帧后要单击“自动关键点”使之变灰，以免错误记录。

动作（3）：将d轨道和6个配体成组，经“自动关键点”→“旋转”，使模型旋转足够角度后静止。

动作（4）：将时间滑块后移至“100帧”，单击“自动关键点”，选择1个配体，选择“工具栏”→“选择并移动”，将配体沿着坐标轴向着d轨道移动一段距离。其余5个配体同样设置，注意让6个配体与坐标原点等距。再全选6个配体，将“0帧”上的关键帧后移到“25帧”，使得配体先出现、后移动。

动作（5）：打开“创建”→“几何体”→“四棱锥”，将光标移到顶视窗，按住鼠标左键并移动，创建一个新的四棱锥，在“参数”→“宽度”、“深度”、“高度”进行调整，使四棱锥能连上各个配体。打开“修改器列表”→“晶格”→“支柱”→“半径”，设定为2.0。再通过“镜像”将晶格复制。设置可见性，让它出现一段时间后消失。

动作（6）：由于±x和±y轴方向上的配体与d轨道迎头相碰，这两个方向上的配体比±z轴方向上的配体更靠近d轨道，这个空间关系是导致d轨道能级分裂的根本原因，也是教学动画要展示的重点。笔者采用了设置±x和±y轴方向上的配体与d轨道同时闪烁的方法来强调这一特点。

将时间滑块移至“120帧”，单击“自动关键点”，选定±x和±y轴方向上的配体与d轨道，可见性设置为“0.0”。依次设置“118帧”的可见性为“1.0”，“140帧”的可见性为“1.0”，“138帧”可见性为“0.0”。将这四个关键帧全选，按住“shift＋鼠标左键”向右移动，得到复制关键帧。复制多次，就可营造出闪烁的效果。

动作（7）：确定设置的关键帧准确无误后，将视图内所有元素成组。选择“500帧”→“自动关键点”→“选择并旋转”，旋转模型，使学生看清空间关系。注意将“0帧”的关键点后移到“400帧”上，使对象从“400帧”时开始旋转而不是从“0帧“开始。

七、渲染输出

单击“主菜单”→“渲染”→“环境”→“环境和效果”→“背景颜色”，在颜色选择器中调节白度，将背景颜色由默认的黑色改为所需要的颜色。进入“渲染”→“渲染”→“渲染场景：默认扫描线渲染器”。选择“时间输出”→“活动时间段”，如果只需要输出图像，选择“单帧”。将面板下拉，在“渲染输出”→“文件”→“渲染输出文件”，设置文件名与保存路径。一般“保存类型”设置为“AVI文件（*.avi）”，单击“文件名”→“保存”→“AVI文件压缩设置”→“XviD MPEG-4 Codec”→“确定”。再单击“渲染场景：默认扫描线渲染器”→“渲染”，即开始渲染。

至此，dx2-y2轨道在八面体场中的三维动画教学课件制作完毕。经教学实践证明，基于3Ds Max开发的课件，具有有效地帮助学生理解和掌握抽象理论的优势，非常有利于提高教学效率。

参考文献：

[1]李绍勇，王玉，李乐乐.3Ds Max 9中文版三维动画制作范例导航[M].北京:清华大学出版社,2007.

[2]朱文祥.中级无机化学[M].北京:高等教育出版社,2004.

DS理论的计算机模拟 篇3

当电网某处发生故障时, 与之相联接的供电系统各点都会受其扰动, 形成扰动信号, 此时供电系统中的继电保护应当对这些扰动信号进行初步识别, 分析并确定故障点的故障类型, 并执行相关的调度操作[1]。相关调度操作的正误直接关系到供电系统下一步的稳定性, 而作出相应调度操作决策的依据则是供电系统各点上传的录波信号。供电系统故障状态产生的特征量往往是多维的复杂的特征量, 采用单一的判据进行决策往往会产生误判, 采用过多特征量的判断, 往往又会造成过高的维数运算, 加大供电系统的运算开销。基于DS证据理论的多判据融合决策可解决上述问题, 从而实现基于较少特征量的多判据方法的电网故障诊断功能。

1 常用的故障诊断方法

当电力系统出现故障时, 会产生故障信息, 表征该信息的电气量称为故障分量, 该分量包括暂态分量与稳态分量。故障信息按用途分, 又可分为内部故障信息与外部故障信息, 分别用来切除故障设备和防止误切除非故障设备。通常采用复合序网法或故障附加状态复合序网法来求得故障分量;采用消除非故障分量法、故障特征检出法和门限法这三种方法来提取故障信息;采用电流差动法、电流相位比较法、方向比较法、量值区间法和逻辑判定法提取内部与外部故障信息。鉴于上述各种方法的优缺点, 选用以下3种判定方法进行基于DS证据理论的电网故障诊断。

(1) 基于量值区分的门限法

该方法也是底层继电保护常采用的方法, 这是因为该方法计算简单, 当故障信息大于某一门限时供电系统可迅速切除故障电路。该方法的误判性相对较高, 对故障点的定位也存在很大的误差, 这是因为在供电系统源到故障点之间的所有电量都叠加有故障分量, 虽然经过不同的距离电量会有所衰减, 但是其对故障区间的判断还是有很大的错误率。该方法应用在DS证据理论中时, 在速断保护中所占的权重可相对大一些, 以确保供电系统的安全运行, 而在过载保护中所占的权重可适当降低, 并且在结合误辨率的基础上给出该方法的辨识框架, 认为基于该方法的判据, 除确定故障发生、不发生外, 还有一定的概率为可能发生, 这个概率可以结合经验与历史数据给出。

(2) 基于电流差动的门限法

该方法通过对比被保护线路两端的电流差值, 应用基尔霍夫第一定律 (纵差用) 或电流平衡原理 (衡差用) 来判断被保护区间内是否有故障发生[2]。同样, 该方法也具有一定的误动性, 虽然理论上理想状态下该方法不存在误动, 但是, 由于被保护线路遭雷击等不可抗外界因素影响时还是有一定的误动可能。因此, 该方法应用在DS证据理论中时, 也按基于量值区分的门限法一样处理, 赋于其一个辨识框架更为合理一些。

(3) 基于功率方向的门限法

该方法是利用电压和电流的乘积判断电流流向 (相位) 的继电保护方法, 用于具有多侧电源的供电系统中。其主要元件是功率方向继电器, 由电压互感器和电流互感器采集电压、电流信号, 电压、电流信号取出后故障类型的判别仍以门限法为依据, 而故障点区间则利用电压电流的相位来判别, 从而可判断短路故障位于保护装置处的正向或反向。该方法同样也存在一定的误判性, 所以也将其考虑成一个辨识框架。

结合上述3个辨识框架, 可以将基于同一段故障录波的数据采用不同的方法做出的判别结果应用DS证据理论进行融合, 以提高电网故障诊断系统的识别能力。

2 DS证据理论概述

DS证据理论是基于辨识框架的一种决策理论, 辨识框架θ定义了一个互不相容事件的完备集合, 在数据融合中可以把它看作一个平台数据库, 这里θ表示对某些问题的可能答案的一个集合, 但其中只有一个是正确的。贝叶斯推理是对θ中的元素进行运算, 而DS证据理论则是对2θ中的元素进行运算。在概率论中, 把一个事件A以外的事件均看作undefinedDS证据理论则对其进行了修正, 它不采用事件―概率的概念, 而引入了命题―信任度概念, 认为对命题A的信任度与对命题undefined的信任度之和可以小于1[3,4,5,6,7]。

DS证据理论定义了θ上的基本信任度分配函数m:2θ到[0, 1]的映射, 满足

undefined

式中:命题A为θ的非空子集, 称为焦元;m (A) 为基本可信数, 它反映了对A的信任度大小。

DS证据理论对命题A的确定和不确定表示如图1所示。信任函数Bel (A) 表示对命题A的信任程度, 定义为undefined, 似然函数Pl (A) 表示命题A的支持证据区间, [0, Pl (A) ]表示命题A的拟信区间, [Pl (A) , 1]表示命题A的拒绝区间。

如果m1, …, mn是同一辨识框架θ上由n个独立的证据源导出的可信度分配函数, 则利用下面的Dempster组合规则可计算出这n个证据共同作用下的可信度分配函数:

undefined

用DS证据理论组合证据后如何进行决策是与具体应用密切相关的问题。在解决多判据融合决策时, 采用基于可信度分配函数的决策。其主要思想如下所述。

设A1为本区段未知命题即不确定命题, A2为本区段发生指定类型的故障, A3为本区段未发生指定类型的故障, 可见A1、A2、A3均属于辨识框架θ, 满足

undefined

若有

undefined

则可判定A2为事件结果。其中ε1、ε2为预先设定的门限。

3 基于DS证据理论的电网故障诊断系统

设F为电网故障诊断系统针对某区间某种故障的辨识框架, 其框架为θ={A1, A2, A3, A4}, 分别代表未知、本区间发生该类故障、本区间未发生该类故障、空集4种状态, 而其中空集是不会出现的, 可以略去。则可应用上述各种故障判据和证据理论进行综合判断。

例如, 某段高压线路在恶劣天气情况下落雷, 引起两端继电保护动作, 这时故障录波数据送至电网集中调度中心, 调度中心对录波数据进行综合分析, 做出是否重合闸的决策。应用基于量值区分的门限法、基于电流差动的门限法、基于功率方向的门限法这3种判据方法按上述辨识框架θ得到的数据如表1所示。

然后应用DS证据理论进行融合计算, 首先融合判据m1与m2, 如表2所示。判据m1与m2融合后的结果如表3所示。同理, 判据m1、m2与m3融合后的结果如表4所示。

由式 (2) 可得m (A1) =0.057, m (A2) =0.396, m (A3) =0.548。

选取ε1=ε2=0.1时, 可得辨识结果为A2, 即该区段未发生相应的过压故障, 而是外界干扰引起的, 可重合闸重新并网运行。

4 结语

介绍了将基于量值区分的门限法、基于电流差动的门限法、基于功率方向的门限法3种判据方法应用于基于DS证据理论的电网故障诊断系统中的实现方法。实例分析表明, 将DS证据理论应用于电网故障诊断上, 改善了基于单一判据的电网故障诊断系统误判率高的现象, 提高了供电系统的运行安全性, 对电网的智能决策有一定的参考价值。

参考文献

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[2]李钢, 冯辰虎, 孔集伟, 等.纵联电流差动保护数据同步技术及通道切换时数据交换的研究[J].电力系统保护与控制, 2010 (22) :154-158, 163.

[3]王杰贵, 罗景青, 尹成友.多传感器基于证据理论的机载雷达用途识别[J].系统工程与电子技术, 2002, 24 (6) :49-52.

[4]杨万海.多传感器数据融合及其应用[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2004.

[5]彭明伟, 刘毅, 郭创新, 等.故障录波信息和D?S证据理论用于电网故障诊断[J].高电压技术, 2009, 35 (9) :2176-2180.

[6]李天庆.基于多传感器融合的机器人自主爬楼梯研究[D].合肥:合肥工业大学, 2008.

DS理论的计算机模拟 篇4

1 DS证据理论及其不足

证据理论中, 论域U称为识别框架, U包含的有限个研究对象的全体构成U= (u1, u2…un) , 识别框架中的每个元素称为一个基元, 基元两两互斥且为离散值。对于问题域中的目标都包含于集函数m:2U→[0, 1], 且满足:

m为识别框架U上的基本概率指派 (basic probability assignment, BPA) 函数, 对AU, 函数m (A) 为基本置信度。在识别框架下, 有两个或多个证据进行组合, 组合规则为

k是反映证据之间冲突程度大小的, 称为冲突系数, 范围[0, 1]。其值越接近1, 表明证据间冲突越大:越接近0, 表明冲突越小。对于冲突较小的证据, DS证据理论能够得到较好的结果。但对于冲突较大的甚至完全对立的证据, DS证据理论失去了融合能力, 由于DS将冲突丢弃, 得到有悖于常理的融合结果, 主要表现在:

设识别框架U= (u1, u2, u3) ,

证据1:m1{u1}=0.99, m1{u2}=0.01, m1{u3}=0;

证据2:m2{u1}=0, m2{u2}=0.01, m2{u3}=0.99;

可以直观地看到两证据是高度冲突的, 用DS证据理论进行融合后, 得到:m12{u1}=0, m12{u2}=1, m12{u3}=0。本来高度支持的u1和u3经融合后支持度为0, 支持度很低的u2反而为1, 这与常理相悖, 可见DS证据理论失效。

对于识别框架U={a, b}, 有两条完全冲突的证据:

证据1:m1 (a) =0, m2 (b) =1;

证据2:m1 (a) =1, m2 (b) =0;

根据DS证据理论得:K=1, 说明证据完全冲突, 此时公式分母为零, 不能进行融合, DS证据理论无法得出结论。

可以看出, 对于高度冲突的证据运用DS证据理论融合后得到的结果往往有悖于常理。因此, 国内外学者们关于DS证据理论的改进进行了大量的研究。基本分为两类: (1) 对组合规则的改进[7—8]; (2) 重新分配指派概率, 再运用DS证据理论进行融合[9—11]。本文通过考虑证据之间贴近度, 重新分配权值, 得到新的指派概率, 再运用DS证据理论进行融合。

2 新的证据冲突处理方法

对于不同传感器, 由于测量精度以及所受环境干扰不同, 所获得数据的准确性有所差别, 在处理信息时, 根据各传感器提供的信息的重要性进行区分。如果不加以区分, 以相同的方式接收利用, 会给结果带来误差。因此, 对传感器所得数据的准确性要有所区别, 根据一定的方法对不同的传感器分配不同的权值。这样, 在减小冲突信息影响同时更多地保留了证据的有用信息, 使得融合结果更加精确。虽然证据之间存在冲突, 但是也存在一定的贴近程度。引入贴近度来表示证据之间的贴近程度, 也从侧面反映了证据的冲突程度。贴近度定义如下[12]:

设识别框架U= (u1, u2…uk…un) , 对uk, 两条证据基本概率指派分别为mi (uk) , mj (uk) , 则这两个数据之间的贴近度为

式 (5) 中min{ui (k) , uj (k) }表示两数之中较小值, max{ui (k) , uj (k) }表示两数之中较大值。所以求出的范围为 (0, 1]。根据规定, 当aij (k)

式 (6) 中aij (k) 可以看作模糊理论中隶属度函数, 在实际中有重要的研究意义。不过aij (k) 只能表示mi (uk) 和mj (uk) 的贴近度, 并不能反映出证据i的mi (uk) 或者证据j的mj (uk) 与其他所有证据的mk (uk) 的贴近程度。证据i的mi (uk) 的真实程度应由ai1 (k) , ai2 (k) …ain (k) 共同来体现, 用贴近度矩阵A表示,

通过A, 我们可清楚地知道证据i的mi (uk) 的真实程度, 即第i行元素值的总和Asum (i) =ai1 (k) +ai2 (k) +…+ain (k) 。Asum (i) 越大表明其真实度越高, 越小, 则越低。另外, 矩阵主对角线的值全部为1, 说明自身之间是完全贴近的。

其次, 最关键的是确定各条证据的mi (uk) 的权重系数, 用wi (uk) 表示。各条证据的mi (uk) 的权系数wi (uk) 应满足下式

根据上面提及的第i条证据的mi (uk) , 其真实程度应综合ai1 (k) , ai2 (k) …ain (k) 共同来体现。因此, 我们在确定权值wi (uk) 时应该综合ai1 (k) , ai2 (k) …ain (k) 的所有信息, 有:

考虑到证据i和证据j之间关于uk的贴近程度与证据j和证据i之间关于uk贴近程度是相等的, 因此A中aij (k) 和aji (k) 是相等的。观察发现A是对称性矩阵, 根据对称性质可知, 矩阵A一定存在一个特征值λ (λ>0, 因为矩阵A的值都大于0) 以及λ对应的特征向量R[13], 其中R中元素记为Ri (uk) 。则,

根据矩阵性质, 将式 (9) 变换为下面形式

其中W=[w1 (uk) , w2 (uk) , …, wn (uk) ]T, C=[c1, c2, …, cn]T。通过相关线性变换, 得到:

在式 (12) 中, 记矩阵P的元素为p1 (k) , p2 (k) , …, pn (k) , 将其进行规一化处理后可得:

由式 (13) 可知要得到每条证据的mi (uk) 的权系数wi (uk) , 关键求出矩阵P, 而P是由A多重变换求得的。故对矩阵A的求解是关键所在。而贴近度可用隶属度函数表示, 由大量实验分析和数据可知, 在此用正态分布隶属度函数较适合[14]。

式 (14) 中, xi (k) 为证据i关于uk的基本概率指派函数mi (uk) , a和b分别为正态分布函数中mi (uk) 的平均值和方差, 则mi (uk) 的隶属度可以这样计算:

根据式 (15) , 求出第k条证据的mi (uk) 的隶属度, 然后带入式 (13) , 求出mi (uk) 的权重系数。然后对重新分配基本概率指派函数, 最后运用DS证据理论进行数据融合。

3 算法分析

设识别框架U= (u1, u2, u3) , 有4条证据, 基本概率指派函数分布如下:

m1:m1 (u1) =0.98;m1 (u2) =0.01;m1 (u3) =0.01

m2:m2 (u1) =0;m2 (u2) =0.01;m2 (u3) =0.99

m3:m3 (u1) =0.9;m3 (u2) =0;m3 (u3) =0.1

m4:m4 (u1) =0.9;m4 (u2) =0;m4 (u3) =0.1

根据以上定义, 首先对目标u1进行处理, 先求平均值a和方差b,

求出a、b分别为0.695、0.234 7, 将a、b带入式 (15) 中求得p1 (k) 、p2 (k) 、p3 (k) 、p4 (k) 为0.2289、0.000 2、0.466 3、0.466 3。将求得的pi (k) 带入到式 (13) 中求出各证据的权重系数w1 (u1) 、w2 (u1) 、w3 (u1) 、w4 (u1) , 分别为0.197、0.000 2、0.401 4、0.401 4, 满足式 (8) 。将求得权重对基本指派函数处理, 得到

m1 (u1) =0.98×w1 (u1) =0.193 1;

m2 (u1) =0×w2 (u1) =0;

m3 (u1) =0.9×w3 (u1) =0.361 3;

m4 (u1) =0.9×w4 (u1) =0.361 3。

同理, 对目标u2和u3同样做上述处理:

m1 (u2) =0.01×w1 (u2) =0.01×0.25=0.002 5;

m2 (u2) =0.01×w2 (u2) =0.01×0.25=0.002 5;

m3 (u2) =0×w3 (u2) =0×0.25=0;

m4 (u2) =0×w4 (u2) =0×0.25=0;

m1 (u3) =0.01×w1 (u3) =0.01×0.276 4=0.002 8;

m2 (u3) =0.99×w2 (u3) =0.044×0.99=0.043 7;

m3 (u3) =0.1×w3 (u3) =0.1×0.339 8=0.034;

m4 (u3) =0.1×w4 (u3) =0.1×0.339 8=0.034。

处理后得到新的基本指派函数为:

m1:m1 (u1) =0.193 1;m1 (u2) =0.002 5;m1 (u3) =0.002 8, m1 (Θ) =0.801 6;

m2:m2 (u1) =0;m2 (u2) =0.002 5;m2 (u3) =0.043 7, m2 (Θ) =0.953 8;

m3:m3 (u1) =0.3613;m3 (u2) =0;m3 (u3) =0.034, m3 (Θ) =0.604 7;

m4:m4 (u1) =0.3613;m4 (u2) =0;m4 (u3) =0.034, m4 (Θ) =0.604 7。

运用DS证据理论对新的基本概率指派函数进行数据融合, 并与直接运用DS证据理论、Yager[15]以及孙全[16]的方法进行比较, 得到表1、表2、表3。

通过表1、表2、表3给出的数据可以看出, DS证据理论无法处理冲突证据, 因为证据2中m2 (u1) =0, 否定了目标u1, 尽管别的证据支持目标u1, 但是结果还是为0。对于Yager方法, 类似于DS证据理论, 得到的结果也为0。孙全改进了Yager方法, 是Yager方法的沿袭, 去掉了归一化, 收敛速度慢。本文提出的方法考虑证据之间贴近度, 根据贴近度处理局部冲突的权重, 使得与其他贴近度高的证据在融合中起到较大的作用。可以看出, 对重新得到的基本指派函数进行融合时, 2个证据的融合就对u1有了较大支持。随着证据的增加, u1的支持度m (u1) 逐渐上升且高于孙全方法的结果, 未知项m (Θ) 数值逐渐下降, 显示较好的结果, 且收敛速度快, 有效地弥补了DS证据理论的不足。

4 小结

对于DS证据理论无法处理冲突证据的情况, 国内外学者们从两个方面进行了不同程度的改进, 在一定程度上有效弥补了DS证据理论。对于冲突证据, 必须进行合理分析, 正确以及充分地利用有效信息, 才能较好地处理冲突, 得到合理的结果。本文基于DS证据理论, 在考虑证据的贴近度的基础上对证据权重进行了客观计算, 得到了新的基本概率指派函数, 然后运用DS证据理论进行数据融合, 充分有效地运用了冲突证据。算例证明, 相比于其他方法, 更加客观地计算了权重, 收敛速度更快, 得到了更好的融合效果, 提供了一种新的处理冲突证据的方法。

摘要：经典DS证据理论在处理高度冲突的证据信息时常常会导致错误的结论。为解决证据冲突问题, 基于证据可信度的思想, 引入证据之间目标的贴近度, 提出一种新的确定权重的方法, 然后运用经典DS证据理论融合。在保持DS证据理论规则不变的情况下, 改进了融合结果。相比其他处理方法, 考虑到证据之间的冲突和贴近度, 客观地计算了证据的权值, 收敛更快, 使得融合结果更符合事实。算例验证了方法的有效性, 为DS证据理论提供新的改进途径。

DS理论的计算机模拟 篇5

中长期电力负荷预测是电力系统安排各项经济活动的重要基础。由于时间跨度长、受如生产总值、人口数、气候、政策等影响,中长期负荷变化的规律不易为人们所把握。目前没有一种单一负荷预测模型能够恒定地处理中长期负荷预测这样的复杂非线性系统,因此组合预测是将来提高其预测精度的研究方向之一[1]。

组合预测能够吸收利用各类单一预测模型的优点,因而有效地提高了预测精度,受到了专家们的重视。其中组合预测的权重确定一直是研究的焦点,权重的分配直接影响预测结果的准确有效性。常见的权重处理方法有最优不变权组合和变权组合[2]:变权组合能够灵活处理单一预测模型在不同时期的不同权重,但处理过程比较复杂;而最优不变权重组合则是基于不同最优准则来计算权系数,主要根据预测误差指标、预测有效度、非线性加权平均和相关性指标等确定权重[3]。近年来,更多的新理论和新方法被引入到组合预测的权重确定中,取得了不错效果。文献[4,5,6]将模糊集、粗糙集、信息理论等应用于权重的确定,而文献[7,8,9]则分别引入最新的软集理论和DS(Dempster,登普斯物)证据理论至权重的分配中,均取得较好的预测精度。可见组合预测方法的研究在新理论发展中不断完善,需要不断地探索建立多种准则的最优组合预测模型。

基于上述分析,本文提出一种基于模糊软集理论和DS证据理论的混合型中长期电力负荷预测方法,以此充分吸收整合传统和现代预测方法的优点。该方法利用模糊隶属度将单一模型的预测效果表达成模糊软集合,同时将每一时间点看成判断证据,结合DS证据理论进行信息融合,得到最终的权重。实例表明,对于预测结果的误差指标分析,本文建立的新模型不仅明显优于其中单个预测模型,而且优于文献[8]提出的单纯软集合模型。

1 组合预测模型中的理论

1.1 模糊软集理论

俄罗斯学者Molodtov于1999年提出了软集概念[10],标志着一种处理不确定性、不精确性的全新数学工具的诞生。之后Maji、Roy和Biswas[11,12]等进一步明确和丰富了软集合的相关定义和性质,同时给出了基本运算法则,使得软集理论应用于指导评价、决策、预测等领域成为可能。本文则尝试首次将软集理论应用于中长期的负荷预测中,拓宽软集合的应用范围。

定义1[12]:软集)设U为1个非空集合,称为论域,E为1个参数集,,P(U)表示论域U的幂集,称序对(F,A)为U上的1个软集,其中F:A→P(U)为从参数子集A到幂集P(U)的1个映射,即对V e∈E,F(e)={:x∈U}∈P(U),μF(e)(x)∈[0,1]表示元素x(∈U)属于集合F(e)的特征函数。

定义2:软集合(F,E)所有值的集合类被称为软集合的值类,用C(F,E)表示。

但是在实际问题中,很多情况不是简单使用“属于”或者“不属于”来描述元素和集合间的隶属关系,这就需要引入模糊集,用隶属度函数来刻画两者间的具体关系,以此表达两者间的模糊性和不确定性。

定义3[13]:(模糊软集)设U为1个非空集合,称为论域,E为1个参数集,I=[0,1],IU表示U上模糊集的全体,称序对(F,E)为U上的1个模糊集合,其中F:E→IU为1个参数集E到IU的映射,即对,F(e)={:x∈U}∈IU,μF(e)(X)∈[0,1]表示元素x(∈U)属于模糊集F(e)的隶属度。

1.2 DS证据理论

证据理论源于20世纪60年代,首先由美国哈佛大学数学家A.P.Dempster[14]提出,旨在利用上、下限概率来进行多值映射问题方面的研究。Dempster的学生G.Shafer[15]对证据理论做了进一步的发展,引入信任函数概念,形成了一套基于“证据”和“组合”来处理不确定性推理问题的数学方法。并于1976年出版了《证据的数学理论》(A Mathematical Theory of Evidence),这标志着证据理论正式成为一种处理不确定性问题的完整理论。

定义4:设Θ为识别框架。如果集函数m:2Θ→[0,11(2Θ为Θ的幂集),满足:

则称m为识别框架Θ上的基本可信度分配;,m(A)称为A的基本可信度。

定义5:设Θ为识别框架,m:2Θ→[0,1]为框架Θ上的基本可信度分配,则称由,所定义的函数Bel:2Θ→[0,1]为Θ上的信度函数。

定义6:如果m(A)>0,则称A为信度函数Bel的焦元,所有焦元并称为其核心。

定义7:设Bel1和Bel2是同一识别框架Θ上的2个信度函数,BeI1⊕Bel2存在。m1和m2分别是其对应的基本信度分配,焦元分别是A1,A2,…,Ak和B1,B2,…,Bl,设:

那么由下式定义的函数m:2Θ→[0,1]是基本信度分配[16]:

1.3 组合预测理论

设对某一预测对象f利用K个预测方法得到k个模型的预测值为fi(i=1,2,…,k),利用这k个预测值构成1个对f的最终预测结果,即[17]:

其中:,ωi≥0。

2 基于模糊软集和DS证据理论的组合预测方法

对于权重的确定,本文首先对k个预测方法的预测效果按照l年的时间序列进行精确性隶属度处理,形成模糊软集合;然后对l年的精确性预测效果进行证据组合,这样依次组合形成最终的组合权重,可以充分体现出k个预测方法在l年时间序列上的预测效果,具体步骤如下:

步骤1:定义在U={o1,o2,…,ol}上的模糊软集合(F,A),这里U代表时间序列中的数据,A={c1,c2,…,ck}其中cj为不同的预测方法,F:A→P(U)。步骤2:令是定义在模糊软集合(F,A)上的模糊变量,其模糊隶属度函数定义如下:

式中:为预测方法cj在i时刻的预测值;yi为i时刻的真实值。为了提高不同预测方法的预测效果辨识度,根据负荷预测的实际情况,本文将相对误差达到20%的隶属度设为最小值0。当然在某些极端情况下,例如误差大于20%,有可能出现隶属度为负的情况,为避免出现负隶属度,本文设立与0的比大运算。显然f(ξij)∈[0,1],f(ξij)的值越大说明预测的精度越高。

步骤3:定义模型j在i时刻对应1个焦元Aij,模型1对应于焦元Ai1,模型2对应于焦元Ai2,模型3对应于焦元Ai3。其中i时刻分别作为对应于j种模型的i个精确性证据,作为后面Dempster合成的证据基础。

步骤4:对应焦元Aj的信度函数为m(Aj),因此此处包含l个证据,则证据i(i=1,2,…,l)对应的信度函数为mi。因此,在证据i下,焦元Aj(即模型j)对应的信度函数表示为:

步骤5:按照式(7),依次循环进行证据组合,融合各个时间序列预测效果证据的信息,得到最终各单一预测模型的权重。

步骤6:按照式(5),计算出最终的组合预测值,并进行相关的误差指标分析。

3 算例计算

本文选取某省2001—2010年全社会用电量数据进行中长期拟合预测,分别采用趋势外推法、线性回归法和灰色预测法作为单一模型,具体预测结果见表3。

计算3个单一模型预测值与原始值的差值,按照步骤2可以得到模糊软集合,如表1所示。

将表1数据年度归一化后,可以得到对应的信度函数mi(Aj),3个单一模型作为独立证据按照式(7)进行置信度循环融合,此处融合步数为9步,其结果如表2所示。

对比表1和表2可以看出,DS证据融合步数结果明显受到每一时间序列预测值的精确度的影响,能及时地反映出单一预测模型的累计预测效果,这样使得每一年的预测效果都作为证据体现在组合中。根据第9步的融合可以得到最终的单一模型权重为ω=(0.426 5,0.330 0,0.243 5),得到最终预测结果见表3。

×108 kWh

分析表3可以看出,3种组合预测法在平均绝对百分比误差(M APE)和均方百分比误差(MSPE) 2个指标上都明显优于3个单一预测模型,说明组合预测法的确能提高预测精度;同时本文基于模糊软集和DS证据理论的组合方法更优于熵权法和文献[8]中所述的方法,说明本文提出的方法具有一定的优越性,适用于中长期电力负荷预测。

4 结语

DS理论的计算机模拟 篇6

1 硬件故障

处理硬件故障，首先要对系统设备做到全面的了解，对工作原理和易发生故障点要做到心中有数。

1.1 联锁机系统硬件故障

联锁机系统硬件故障是在工作机故障时，系统自动或人工切换至备机工作，原工作机转为备用或脱机，控制台有故障机下网的红色报警提示。若备机故障，系统将由双机工作自动降级为单机工作，控制台有故障机下网的红色报警提示，故障备机可进行脱机检修。

故障实例1

现象：某站发生联锁A机无规律偷停，即使用主机为A机时，有时突然倒至B机;使用主机为B时，联锁A机报警红灯亮，有时A机能自动启动，有时就彻底死机。

原因：联锁A机由于雷害造成驱动模块软故障，遇电压波动时，驱动模块停止输出，联锁A机安全检查程序启动，强制联锁A机停机。

处理：更换故障驱动板。

故障实例2

现象：SⅡD闪烁，SⅡ调车信号不能开放。

原因：联锁机死机。

处理：重启A、B联锁机，恢复。

故障实例3

现象：10#、28#、43#道岔不能转动，上行闭塞机复原不了，SI出发开放不了，10时25分停用。

原因：联锁机柜内驱动电源电压低，导致驱动盒不工作。

处理：更换工控机内部的故障电源模块。

1.2 输入输出接口故障

接口故障表现为计算机有输出时被控制的继电器不动作或接收不到动态信号，控制台上该设备表现为故障报警，如道岔无表示、轨道红光带等。

接口电路故障涉及到计算机接口电路和继电器电路两部分，排除接口电路故障首先要判断故障点在计算机一侧还是在继电电路一侧，其分界点为接口架的插头和插座。

判断方法是在接口插座上测量故障位的电压。正常情况下，计算机无输出时可测得+24V直流电压，有输出时可测得一个脉动的正电，电压12V左右，如此时继电器不动作则故障在继电电路一侧，如测不到上述电压，可判定故障在计算机一侧。

计算机一侧输出故障判断方法是：观察光隔驱动板上的指示灯，有输出时闪亮，表明CPU板至光隔驱动板之间电路正常，故障在驱动板输出级至接口电缆插头之间，可校核电缆是否断线或接触不良，否则更换驱动板。如果光隔输出板驱动指示灯不亮，应在监测机上查看输出命令信息是否有记录，如有记录则故障在7122板、50线扁平电缆和驱动板输入级间，可检查电缆或更换电路板排除故障;如果监测机上无记录，则联锁机故障。

输入故障查找：可先观察光隔输入板指示灯闪光，如果闪光，表明输入信号己送入输入板接收电路，故障在7122板，50线扁平电缆和输入板的输出级之间，应检查电缆或更换故障板。如果指示灯不闪光，可在接口插座端子上测量，正常应有12V～14V脉动电压，如测不到该电压，可以判定故障在组合架的接点上。

2 软件故障

控显机软件故障，主要是站场图形显示与实时不符。

故障实例1

现象：某站办理下行进I道通过进路，控制台显示进路正常，但列车实际进了3道。

原因：由于该站使用的联锁系统为较早期的版本，程序及硬件配置较低，特别是控显机主备机同时开启，经长期运行后，产生的数据较多，造成通信紊乱，致使进路乱显示。

处理：控显机采用冷备，然后定期进行倒机(后经升级软件，该故障消失)。

故障实例2

现象：某站上行4道接车，列车顺序占用进路中的轨道电路，进入4道停车，但控制台显示8DG、10DG、及4道红光带，实际车已进标。接着值班员开放S4出发信号机，该信号机室外显示绿灯，控制台显示红灯，无进路白光带，十几秒后，8DG、10DG红光带顺序消失，4道出发进路白光带及S4绿灯出现，恢复正常。

原因：控显机与联锁机通信阻塞，使控制台显示滞后。

处理：重新启动控显机，(经升级软件，该故障消失)

由以上两例软件故障看出，定期升级软件以及硬件，会减少故障的发生频率。

3 网络故障处理

DS6-11系统为多机分布式结构，系统中的各台计算机通过网络互连进行通信，网络通信故障将导致系统瘫痪。DS6-11系统采用双重冗余网络，系统中每个工控机内安装两个网卡，通过两条独立的网络电缆连接。维护人员在日常维护中通过仔细观察掌握网络状态，及时发现网络的单重故障，加以排除，保证系统的可靠性。联锁双机之间从此网络进行数据交换，通过机柜面板的指示灯状态监测双机同步情况。

3.1 网络工作状态的判断

观察控制台显示器屏幕上的指示灯及字符提示可以判断各台机器的网络工作状态。网络通信正常时，显示器上无任何提示;显示器上显示黄灯和机器名称表示该机有一个网处于下网状态;显示器上显示红灯和机器名称表示该机有两个网全部处于下网状态。

从监测机上的系统网络工作状态图判断下网节点。

从每个网卡后面的工作状态指示灯判断网卡状态。指示灯亮稳定绿灯(偶尔闪烁1、2下)表示正常，连续闪烁或灭灯表示故障。

单网故障，一般不影响系统正常运行，但应及时采取措施排除，避免故障积累，造成双网故障，导致系统瘫痪的严重后果。

3.2 网络故障的处理

1)更换网卡。更换网卡时，换上的新网卡必须正确设置网卡上的SW1、SW2、JP1～JP14，每个网卡的节点地址用SW2设置。单网卡和双网卡的SW1、SW2、JP1～JP14设置均不相同，须仔细对照换下的故障网卡，将欲换上的新网卡的SW1、SW2、JP1～JP14设成与更换下的故障网卡一致。

2) T型头和终端电阻接触不良，应重新安装牢固。

3)网络连接电缆断线。如确认检查电缆是断线，应更换电缆。

4 结论

DS理论的计算机模拟 篇7

DS6-60计算机联锁采用二乘二取二冗余结构设计, 是设计院DS6系列的最新产品, DS6-60是设计院依托DS6-11, DS6-20, DS6-K5bstract多年的应用经验, 以EN系列标准为参考研发的新一代用于铁路信号控制的安全平台, 其可靠度指标:平均故障间隔时间大于或等于106h, 安全指标:平均危险侧输出间隔时间大于或等于1011h。

2 计算机联锁的信号安全技术原则

DS6-60计算机联锁的信号安全技术主要体现在:

(1) 系统工作时能完成正常的功能, 保证正常安全输出;

(2) 系统发生故障时, 保证系统输出自动倒向安全侧。

3 风险分析与安全性设计

DS6-60安全性设计方法:DS6-60计算机联锁按照安全等级为SIL4级的要求进行设计的, 通过对实现各功能中遇见的故障错误进行风险分析, 其思路是在DS6-11, DS6-20, DS6-K5bstract多年的应用经验基础上的完整、准确的功能设计。DS6-60设计中采用定性的危害识别方法识别出系统中所存在的所有风险, 对风险进行分类处理, 分析原因和结果, 对风险级别高的采取措施降低风险, 使风险降低到可以接受的合理范围内。目前, DS6-60系统降低风险因素的手段就是靠设计、及检测、冗余的方法。正确设计实现安全需求, 保证系统功能安全。系统风险的规避措施主要采用以下几个方面:

3.1 设备组合安全

当对一个器件产生的结果不确定时, 就增加至两个或多个器件来各自运行, 并对输出的数据数值等加以对比, 如果结果相同意味着是安全输出, 认可该结果, 同时, 也要选择检测性技术, 利用硬件、软件的相异性, 控制共模错误的发生。

3.2 处理功能时能安全反应

如果选择某个器件来操作, 则可以借助检验方法、反复运算等方式来运行, 以此来确保其功能与作用安全、稳定地发挥。

3.3 器件的固有安全

在安全关键部位采用固有安全特性器件, 当安全器件存在断线、短路、或不符合的电流参数时, 器件不予执行, 就没有输出, 这就是器件的固有安全。

4 DS6-60计算机联锁实现故障导向安全的方法措施

计算机联锁系统要实现故障—安全设计, 首先要对系统的整体结构进行故障—安全的设计;其次实现系统设备各功能单元的信息传输安全。第三, 是发生共模错误的处理。针对这三个问题分析处理结果如下。

(1) 解决计算机系统层面的故障—安全主要从两个方面进行处理一方面是避错技术, 另一方面是容错技术。

避错技术是对系统硬件的选择, 系统的硬件是否高可靠性的芯片, DS6-60系统采用高可靠性配置。但硬件的高可靠性是有局限性的, 这就让我们提出了容错技术, 当故障不可避免的出现时, 我们接受, 并采取其他措施导向安全侧。容错技术为我们解决了这一问题。

容错技术的主要实现方法就是故障检测和冗余技术。一般联锁计算机中都建立了设备监测系统, 方便了故障检测。故障检测可以在系统故障时检查出故障, 并进行报警, 呈现在监测系统上, 系统根据故障情况做出反应, 并给出安全输出。冗余技术就是对必须的硬件、软件、时间等进行余量的设计, 完成技术的自动转换。DS6-60系统采用二乘二取二冗余结构设计, 并设有系统监测机;系统联锁逻辑部为二乘二取二结构, 分为Ⅰ系和Ⅱ系, 各系内部为二取二结构, 任何一系都可以独立工作, 双系采用主从方式运行, 任一系检测到严重故障都会主动切换;系统内部一切关系到安全的问题, 都可以采用故障安全的思路来实行双重结构设计, 这样其中某个单点故障也具有相对独立性, 也不能对系统构成威胁, 这样才能达到铁路车站信息安全控制的目标。

(2) 信息传输的安全技术目前都基于通信系统的安全系统。系统的对外接口就是通信系统提供一个通信通道, 将传送的信息在通信软件的应用层进行安全编码和保护, 不存在软件上的故障-安全要求。DS6-60通信系统也通过建立2系实现故障-安全要求, 计算机联锁通信部分 (包括各单元之间) 都是按照EN50159要求设计, 系统内网络采用双网结构, 互为冗余备份, 保证当一个网络失效时, 另一个网络能够继续承担子系统之间的通信任务。

(3) 共模错误的分析和处理。当系统遭遇瞬间干扰时, 如电磁干扰、EMI干扰等, 可能会对系统的2套设备造成破坏, 或瞬间运算错误。这种瞬间运算错误, 可能是由于CPU在读取信息时, 地址码加错或锁存信息有误, 对于这类干扰引起的共模错误, 风险解决的措施就是硬件相异性、软件相异性、及程序时间相异性。再一个共模错误就是由软件设计错误, 由于软件检测错误的局限性和编译错误都可导致共模错误的发生, 软件相异性、工具相异性是避免共模的发生。DS6-60计算机联锁中联锁双系中每系均包括两个独立的CPU单元, 两个CPU单元实现二取二比较, 仅当两个中央处理器达到相同的运算结果, 再向外输出数据, 系统内部的各个CPU单元软件都应该选择各自不同的编译器进行编译, 以此来控制错误的呈现, 维护系统的安全。

(4) 另外, DS6-60计算机联锁中。

1) 输入采集单元采用动态采集方式, 由输入采集机笼内的两个独立CPU单元分别进行采集, 由联锁逻辑部对采集结果进行比较, 比较一致认为采集数据有效, 否则采集数据无效, 构成二取二故障-安全采集。

2) 输出单元采用双断控制, 动态和静态两路驱动串联输出, 静态和动态输出分别由输出机笼内的两个独立的CPU单元控制, 当一路输出无效时, 总输出则为无效, 构成硬件相异的二取二故障-安全输出。这两项功能的实现都遵循容错技术和组合安全、反应安全的故障—安全原则, 保证系统的安全可靠。

5 安全的全面性

DS6-60系统按照EN铁路执行的安全指标, 实际设计操作中要重点强化对风险的预测, 创建风险日志, 对安全需求进行全过程的动态跟踪, 立足于安全需求来进行设计、生产与检验, 达到对不同环节的闭环控制, 维护系统安全, 确保其功能的发挥。

DS6-60系统很好的应用于天津地铁3号线车辆段项目, 发生故障率低, 维护方便, 并可与其他系统很好的接口, 完成转换任务。

6 结束语

实践证明, DS6-60计算机联锁技术具有广阔的应用前景, 是我国铁路发展的重要方向。

摘要：信号安全技术是系统故障时, 自动导向安全侧的技术。根据DS6-60计算机联锁技术中风险和安全设计分析, 研究、分析了DS6-60计算机联锁中实现故障—安全侧的方法措施, 证明DS6-60计算机联锁技术是具有很广阔的发展前景的。

关键词：DS6-60计算机联锁,信号安全技术,研究与探讨

参考文献

[1]中国铁路通信信号集团公司, DS6-60计算机联锁系统介绍、维护手册.

DS理论的计算机模拟 篇8

为保障DS6-K5B型计算机联锁系统稳定运行, 电务维修人员需定期对系统设备进行日常维护、集中检修。由于该系统内部结构的复杂性和设备安装的封闭性, 日常维护中很难检查到设备部件, 只能通过观察电路板运行指示灯显示变化, 查看电务维护机报警信息, 逐一排查潜在的故障隐患。

发生故障时, 结合故障显示现象, 电务维护机监测信息, 分析故障范围, 寻求故障处理方法。快速诊断故障原因、故障发生点, 需要熟练地掌握系统设备内部结构、工作原理以及日常维护中处理故障积累的经验。

1 DS6-K5B型计算机联锁系统组成

DS6-K5B型计算机联锁系统主要由联锁机、电子终端、控显机、维护机、电源等硬件设备组成。其中与安全信息处理和传输相关的部件联锁机、电子终端、控显机均按照“故障- 安全”原则采取了2 重系结构设计, 双机同步运行, 主机发生故障时, 主备机自动切换。

1.1 联锁机

联锁双系并排安装于同一机架内, 电路板组成完全相同, 每系均包含IPU6 电源板、F486-4I联锁板、FSIO接口板等, 各板之间通过机架底的VME总线互连。

IPU6 板是联锁各系内部配备的专用电源。输入为逻辑电源引入的直流24 V, 输出为直流5 V。IPU6板前面板有电源开关, 开关打开后即为本系的逻辑电路供电。

F486-4I板是联锁各系的CPU板。每一系各有一块F486-4I板, 主要功能为联锁逻辑运算、两重系间通信及切换控制、两重系一致性检查、系统的故障检测及报警等。发生异常时, F486-4I板停止动作, 导向安全控制。

FSIO板是联锁机与监控机、控显机以及电子终端之间的通信接口板。FSIO板与IPU6 板、F486-4I板并列安装, 位于联锁各系的第三个槽位。

1.2 电子终端

输入采集和输出控制接口电路又称电子终端, 为两重系并列结构。每个电子终端机架共有12 个插槽, 左侧的2 个插槽用来安装两系LINE板, 剩余10个由左侧第三个插槽起成对相邻安装PIO板。

两系LINE板, 左侧为Ⅰ系与联锁Ⅰ系相连, 右侧为Ⅱ系与联锁Ⅱ系相连, 采用光纤通信。在成对的PIO板中, 位置左边的属Ⅰ系PIO板, 右边的为Ⅱ系PIO板。

LINE板是总线通信和电源转换板。通信部分通过两根单芯光缆与联锁的FIO7[P]板连接实现电子终端与联锁机的通信;电源转换部分利用内部DC24V-DC5V降压模块将逻辑24 V转换为5 V, 供自身光电转换电路及PIO板总线传输使用。

PIO板是输入输出接口板。集成32 路输入和32路输出, 通过电子终端底板与外部连接。

2系统通信光缆、电源供电路径

DS6-K5B型计算机联锁系统采取了二乘二取二的结构方式, 内部由高速通道进行数据交换, 保证两重系统设备同步运行, 实现不间断切换功能。

2.1 通信光缆路径

控显双机与联锁两系, 通过光分路器互连交叉构成冗余关系。控显双机每台均安装INIO1、INIO2两块INIO光电转换通信卡, 分别同联锁Ⅰ系和Ⅱ系通信。

电子终端两系与联锁两系, 电子终端通过输入电路将继电器同一组接点获取的输入信号, 分别发给联锁两系;联锁两系的输出信息分别送达电子终端的两系。

联锁两系与控显双机、电子终端两系、电务维修机以及前置通信机与通信监测机间信息传输的光缆连接, 如图1 所示。

2.2 电源供电路径

K5B计算机联锁系统的电源由一组UPS和两路24 V直流稳压电源组成, 如图2 所示。UPS的输入电源由信号电源屏独立的一路220 V交流电源供给。两路24 V直流电源中, 一路为逻辑24 V电压, 经联锁两系和电子终端内DC-DC降压电路产生5 V电压, 供逻辑电路工作;另一路为接口24 V电压, 供电子终端输入采集电路和输出驱动电路工作。

3故障分析处理

K5B计算机联锁系统出现故障时, 首先初步分析与判断, 然后运用逐一排查的方法排除故障可能发生的部位, 将故障范围限定后进行处理。

3.1 联锁故障

故障现象:联锁主从系不同步。

分析判断:通过联锁机内部结构得知两系设置完全相同, 因此两系不同步可能有两种情况, 一是其中一系正常工作另一系停机;二是两系各自正常运行, 但时钟出现不同步。

首先查看联锁机面板, 观察联锁逻辑部I系和II系各板指示灯显示情况, 逐一排查故障可能发生的部位。

排查电源故障, 确认I系和II系IPU6 板电源开关开启, 电源指示灯显示绿灯, 说明电源供电正常;各VHSC26 通信面板电源打开, 排除内部通信故障;排查停机故障, 由I系和II系F486-4I板D7 灯显示状态判断联锁运行情况。如果其中一系D7 亮灯则确定本系为停机状态。将F486-4I板插入IC卡的同时, 重启本系电源开关, 可恢复正常;若还不正常, 则需更换F486-4I板或FISO板。F486-4I、FISO板指示灯停机状态信息, 需及时通知维护中心。

排查不同步故障, 如双系D7 均灭灯确定系统两系均运行正常, 在D7 灭灯的情况下, 继续由I系和II系F486-4I板D1、D2 灯判断主系与从系以及两系同步情况。如果D2 点亮可以推断, 联锁从系与主系不同步。处理时, 首先确定站场上没有任何作业, 然后重新启动从系;若仍不同步, 需向调度要点重新启动联锁双系。

3.2 电子终端故障

故障现象:电子终端II系LINE板Normal灯不亮, RXD灯不闪烁。

分析判断:故障现象中运行指示灯Normal灯不亮, 可初步判断本板供电电源异常;RXD灯不闪烁, 可判断通信线路连接可能出现断路情况。

首先查看电子终端面板, 观察电子终端I系和II系各板显示的不同状态, 逐一排查故障可能发生的部位。

排查电源故障, 查看电子终端面板时, 检查电子终端LINE前面板电源开关开启、电源指示灯绿灯。在站场上无任何作业的情况下, 重新开关电源, 启动LINE板, 电源可以重启, 电源指示灯绿灯正常, 对比之前Normal灯不亮、RXD灯不闪烁情况无变化, 说明电源供电未发生故障。

排查通信故障, Normal灯不亮与RXD灯不闪烁, 由此现象说明通信线路中LINE的接收端接收不到数据, 对照图1 中系统联锁逻辑部与电子终端通信光缆连接, 联锁逻辑部CN51 发送端与LINE板A4 接收端处可能出现异常情况。

查找故障点, 检查联锁逻辑部CN51 发送端发送指示灯正常, 连接无无异常;观察ET-LINE板后面A4 接收端处光缆接插, 发现有松动迹象。重新插接光缆, Normal灯点亮, RXD灯闪烁, 设备恢复正常。

3.3 控显故障

故障现象:显示器屏幕图形不能正确反映站场变化。

分析判断:由于故障现象中的站场显示信息, 通过路径涉及的设备较多, 很难直观判断出故障发生的具体原因, 因此需要依据信息传输路径从显示器、控显机、联锁机等设备进行逐一排查。

首先查看显示器VGA线插接、电源连线等外围设备, 确定故障发生在运转室范围内还是信号微机室范围内, 逐步缩小故障可能发生的部位。

排查显示器故障, 检查VGA线插接良好、电源连线正常时, 启动备用显示器、鼠标键盘等, 若屏幕反映站场变化恢复, 为显示器出现问题;若不能恢复, 则故障可能在控显机与联锁机处。

排查控显机故障, 控显主机、备机接收由联锁机经光缆传输控制信息, 要确认控制信息是否传输到控显机, 此时还需确认备机接收情况:首先切换到另一台控显机进行操作, 站场若恢复正常变化, 则故障在控显主机;若无效, 说明故障发生后, 联锁机控制信息未传送到控显机。

排查联锁故障, 重新启动联锁机双系, 待两系均正常运行时, 查看显示屏幕状态, 如恢复正常, 联锁运行出现故障;若无效, 需继续排查控显机与联锁机间的通信连接。

4结语

运行中的联锁设备出现故障有一定规律性也有一定随机性, 按表现可分为非潜伏性故障和潜伏性故障两类。非潜伏性故障在设备运用中可以通过电路的自诊直接报警显示, 这类故障现象明显, 故障范围容易查找, 处理也较为容易。潜伏性故障发生后未及时显现, 只有在另一故障出现后与其构成组合才可显示出故障现象, 对此类有安全隐患的故障, 排查难度较大。处理故障时, 首先要明确故障现象, 读懂控制台的变化, 然后抓住重点整体分析, 运用逐一排除的方法, 将故障限定在较小的范围内处理。

摘要：详细介绍了DS6-K5B型计算机联锁系统的组成, 阐述了系统通信光缆、电源供电的具体路径, 从而对故障进行分析及处理。