能力验证体系（通用7篇）
能力验证体系 篇1
能力验证是指利用实验室间比对判定实验室的特定检测/校准能力。能力验证的出现是因为早期一些管理者担心实验室检测的准确性而自发组织不同的实验室进行比对试验产生的,发展到今天实验室能力验证已经作为国际通行的实验室质量控制方法之一。目前,世界上可以组织实验室能力验证的机构在英国有FAPAS、LGC,美国有EPA,澳大利亚有ANQAP,中国有CNAS。本文主要介绍英国能力验证体系的基本特点和先进经验,以对我国实验室能力验证起到参考借鉴作用。
1 英国实验室能力验证概况
能力验证的出现是一些管理者因实验室检测准确性而经常引发的检测数据纠纷寻求的解决办法。英国是世界上较早实行实验室自发参加能力验证计划的国家。英国的能力验证都是非强制性的,由一个或几个专门的机构来组织,具有很高的权威性。在英国,提供能力验证的机构主要有英国中央实验室和英国政府化学家实验室,并且均是我国合格评定国家认可委员会承认的能力验证项目提供者。
1.1 英国主要实验室能力验证计划
1.1.1 英国政府化学家实验室(LGC)能力验证计划
政府化学家实验室(Laboratory of Government Chemist,LGC)由英国政府于1842年设立,并将设立政府化学家列入了议会法律条文中,在食品安全法和农业法中也有规定,任何实验室之间发生数据纠纷,并因此需要付诸法律或影响行政层面的最高问题时,最高仲裁者应将保留样品交由政府化学家进行分析。英国政府化学家每届只有一位,任期三年,到目前为止,所有的政府化学家都出自LGC。
LGC在英国与中国计量院在中国的工作类似,主要职责是使不同的测量方法能够溯源到国际标准单位,以保证不同国家、不同实验室之间测量结果的可比性。LGC在英国的工作职责之一就是确保英国国内实验室的测量一定要具有目的性,即要为某些正确目的做测量,并且数据也要准确。LGC与不同国家的计量院开展实验比对活动,以便发现不同计量系统间测量的差异,从而确保该层面测量数据的一致性。
1996年LGC开始私有化,虽已私有化,但LGC一直是化学和生物计量及标准物质方面的市场领导者,并一直深受英国政府的信赖。2004年,作为LGC的重要分支机构——LGC标准品公司,其生产要求通过了ISO 34的最高要求,成为全球第一个获得此证书的标准品生产商,证书编号为0001,主要提供标准物质分销、组织实验室能力验证和分析能力培训等业务。目前LGC在英国设有8个分支机构和12个实验室,在法国、印度等国设有办事处和实验室,每年全球检测的样品数量可达数百万个。2009年,LGC在中国设立了办事处,进一步开拓亚洲市场,部分中国实验室对LGC的标准品和能力验证计划也开始有了初步认识,并积极参与,毕竟通过国际公认的能力验证计划已成为检测实验室检测结果获得认可的重要条件。
1.1.2 英国中央实验室(CSL)能力验证计划
英国中央实验室(Central Science Laboratory,CSL),由英国政府食品和乡村事务部(Defra)负责管理。1990年,英国农业部和卫生部创办FAPAS,是Defra的一个执行机构,属于非赢利性官方组织,由CSL负责管理。FAPAS是专门从事食品、水质、化工等检测方面的能力验证机构,在全球提供4种主要的能力验证服务:FAPAS (食品化学分析)、FEPAS (食品微生物检测)、GEMMA (转基因生物分析)和LEAP (水/环境分析检测)。
FAPAS目前约为世界3,000家实验室提供医学、食品检测等方面的能力验证计划,已经建立起一套完整的能力验证提供者的评价制度。该体系在全球各国的食品分析实验室迅速普及,已是食品分析领域全球第一的国际评价体系。2004年FAPAS进入中国,目前有4个国内代理商,所提供的能力验证计划是我国检测实验室参加最广泛的国际实验室间比对活动,也是农产品质检机构参加最多的国际实验室能力验证活动。
1.2 主要特点
无论是LGC还是FAPAS都拥有世界顶尖水平的检测队伍,每年投入大量的资金和力量研究全球食品安全及检测方法,使能力验证体系更适合全球检测机构的最高需求。总的来说,英国的能力验证体系主要有以下几个特点。
1.2.1 测试材料广泛,测试项目齐全。
例如:FAPAS测试项目的材料广泛,包括初级农产品、农业投入品、加工品和食品成品等,测试指标包括FAPAS、FEPAS、GEMMA和LEAP项目中的营养成分、食品配料成分、污染物、农兽药残留、添加剂、食品真实性分析等。LGC在食品、饮料、水、环境等方面都有检测计划,项目也基本包括农残、微生物、转基因、过敏原等各方面。
1.2.2 测试次数多,周期短。
LGC每年都组织多次能力验证计划,帮助用户杜绝检测不稳定现象的发生,参评实验室可以参加1～12月组织的所有测试,LGC可以出具评价12个月表现的报告,也可给予阶段性的评价报告。FAPAS每年都会根据全球食品安全事件发生的风险,由风险评估专家编制全年的能力验证计划,并通过网站、邮件、传真等形式公布。用户无论是参加LGC或是FAPAS能力验证计划都可根据公布的能力验证项目,结合自身实验室的工作性质选择性参加。
1.2.3 测试灵活性高,服务针对性强。
参加能力验证计划的实验室可以自愿选择FAPAS或是LGC提供的测试项目,自行选择参加时间和分析方法,并按照要求网上填报测试结果。能力验证提供者会运用统计学的方法对结果、方法等进行评估,并向参评实验室提供评价报告,提供参考性建议和个性化的服务。
1.2.4 测试结果不公开,仅作为检测实验室自身质量控制的手段之一。
对于检测实验室来说,参加能力验证相当于日常小测验,只是借此对实验室的质量管理进行一次阶段性的检查,从而完善检测质量,提高检测能力。无论是FAPAS或是LGC都不会对外公布能力验证单位的国籍、名称和测试结果,对每个参加能力验证计划的实验室只提供一个编号和密码,用于检测实验室查询自身的测试结果。
1.3 质量保障
英国实验室能力验证体系之所以在全球有较高的声誉并且结果与欧盟互认,除了其拥有上述特点外,主要是拥有一套完善而规范的质量保障体系。
FAPAS用于测试的样品全部由其统一制备,测试样品完成后,由FAPAS的一个实验室进行同一性和均匀性试验,随机抽选一定数量的样品进行测试,并对有效值运用统计学方法进行判定;样品分发过程通过优选包装材料和邮递公司,以及实时追踪邮递信息等措施保障测试样品及时到达目的参评实验室。
LGC也有一套解决实验室数据纠纷的保障体系:制定良好的质量控制体系,健全管理体系,严格分析人员的操作规程,校准检测时采用高质量的标准物质和低水平的测试样品等。
此外,鉴于参评实验室数量较大,为保证判定结果的合理性,进行结果统计时FAPAS或LGC都会选定一个“指定值”(所有采用不同方法的参评实验室共同认可的值),采用国际上通行的离群Z值的方法,根据Z值的范围判定结果是否满意。
通过对自身体系的不断完善和规范,FAPAS或LGC已拥有各自完整的评价制度和用户权益保障制度,保证能力验证计划的可信性和公认度。
2 我国主要的实验室能力验证概况
2.1 中国合格评定国家认可委员会(CNAS)
中国合格评定国家认可委员会(CNAS)于2006年正式成立,是由原中国认证机构国家认可委员会(CNAB)和原中国实验室国家认可委员会(CNAL)整合而成的。CNAS根据国际实验室认可合作组织(ILAC)、亚太实验室认可合作组织(APLAC)相关要求制定能力验证政策和要求,组织开展能力验证活动并参加国际能力验证计划。2006年5月,《实验室能力验证管理办法》发布,国家认监委负责我国实验室的能力验证工作,由CNAS具体实施,每年结合国家质检总局的工作重心和社会的关注重点,设置能力验证项目。截至2009年初,国内约有1,600多家实验室参加CNAS组织的能力验证计划。
国家认监委的能力验证计划包括A、B两类计划项目,其中A类是带有强制性的,B类是自愿性的。能力验证通知规定国家质检总局直属获得相关检测项目资质(计量认证)的各省级(自治区、直辖市、计划单列市)产品质量监督检验院(所)、各直属出入境检验检疫局技术中心(实验室)、各相关部委或行业产品质检中心必须参加相关A类计划测试项目;获得食品安全检测专项项目中相关检测项目资质(计量认证)的各省级(自治区、直辖市、计划单列市)产品质量监督检验院(所)、各直属出入境检验检疫局技术中心(实验室)、各相关部委或行业产品质检中心必须参加A类计划中相关食品安全检测项目,不能参加上述两项项目的机构要向国家认监委提交书面报告;其他实验室可自愿参加A类项目,实验室也可自愿参加B类计划项目。以2010年国家认监委下达的能力验证通知为例,A类计划项目有19项,其中8项是食品安全检测专项,B类计划项目20项。
2.2 各行业部委能力验证计划
以农业部为例,近年来我国农业系统也加强了对本系统内各检测机构开展能力验证工作。2003年农业部开始组织能力验证,项目主要包括蔬菜中农药残留、畜禽水产品中兽药残留,土壤肥料中重金属污染以及乳制品中添加剂含量测定等,已有超过200家农业系统内质检机构和相关检测实验室参加此项计划。行业内部的考核通常带有一定的强制性,农业部能力验证计划也不例外,要求承担农业部任务的检测机构必须参加,并将能力验证结果作为考评检测机构检测能力的一个重要方面。
3 英国实验室能力验证体系对我国能力验证体系的借鉴作用
3.1 我国能力验证体系存在的不足
我国在实验室能力验证工作方面起步较晚,体系建设还有待完善,现有水准与英国、美国、欧盟等国家或地区有一定差距,尚未与欧盟达成互认,国际化程度不高。无论是CNAS还是农业部组织的能力验证计划都带有一定的政策性,并且我国的能力验证体系没有专门的毒理研发和生产质量控制样本的专一机构,能力验证项目的提供者由能力验证管理者委派一些权威性相对较高的实验室来具体执行质控样本的生产工作,导致我国能力验证的专业化总体水平低、能力验证项目欠缺,行业之间参差不齐,另外由于某些项目的参评实验室数量不大,结果统计存在差异,结果评定的合理性还有待研究,对结果的趋势性分析和利用率也不高。
目前,全国范围内通过实验室资质认定的实验室约26,000家,但由于能力验证的测试项目较少,大多数只局限于与产品质量安全相关的重点产品和项目。因此,参加能力验证的实验室覆盖面少,能力验证计划尚不能作为提高全国实验室技术和管理能力的有效措施,管理者也不能通过这些能力验证项目全面掌握我国实验室的总体检测技术能力。由于我国实验室参加国际能力验证计划的数量较少,数据也还不能完全得到国际认可。
3.2 建议
为进一步完善我国能力验证体系,通过对英国两大能力验证体系概况的基本了解,有利于我国借鉴其先进经验,笔者提出如下建议:
能力验证提供者要公平、公正地服务于每个参评实验室,不断提高自身实验室质控水平,确保考核样品的均匀性和稳定性,这是保障能力验证计划顺利实施的关键环节;
能力验证参加者要客观地认识能力验证的目的和作用,将能力验证作为考核本实验室检测质量的一次日常小测试,正确地对待能力验证结果,不特别关注分数和排名,只作为促进自身检测能力和技术水平的有效手段,这是保障能力验证计划顺利实施的前提条件;
能力验证组织者要正确引导和宣传实验室能力验证工作的重要性,监督能力验证计划的组织和实施,对能力验证提供者实行有效的技术考核与监督检查,这是保障能力验证计划顺利实施的有效手段。
此外,对能力验证相关大类项目和测试样本的提供者进行整合,有利于分散资源的统一,有利于监督管理的实施,有利于全面提升我国能力验证体系的专业化、国际化水平。
参考文献
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能力验证体系 篇2
自《农民专业合作社法》颁布以来, 我国合作社的数量以平均每年10%的速度增长, 截止2013年11月底, 全国依法登记的专业合作、股份合作等农民合作社达到95.07万家, 实有成员达7221万户, 占农户总数的27.8%, 出资额1.21万亿元, 中国农民专业合作社正走向规范发展的新阶段。我们在调查中发现, 尽管农民专业合作社具备一定的运营能力, 但是无法直观比较和判断农民专业合作社的运营能力, 缺乏系统依据。因此, 我们应尽快确定度量农民专业合作社运营能力评价体系, 探明农民专业合作社是否具有运营能力及能力强弱, 是急需解决的重要理论和现实问题。
二、农民专业合作社运营能力评价体系
(一) 评价方法选择和说明
综合分析各种评价方法的优缺点, 并结合农民专业合作社性质, 本文采用层次分析法和模糊评价法构建农民专业合作社运营能力评价指标体系。
(二) 评价体系确定
根据系统性、科学性、全面性和可操作性等指标构建原则, 本文设计了包括定性和定量、静态和动态等五个方面共13个指标作为农民专业合作社运营能力度量依据。该指标体系把合作社运营能力评价指标分为三个层次, 目标层 (A) 是“合作社运营能力”;准则层 (B) 包括基础保障能力 (B1) 、生产能力 (B2) 、加工能力 (B3) 、发展能力 (B4) 、影响能力 (B5) ;指标层 (C) 包括社员人数等可以具体测量的项目 (详见表1) 。
(三) 评价指标说明
1. 基础保障能力各项指标说明
社员总数 (人) , 该指标用合作社年末在册成员数, 包括法人社员数;注册资金 (万元) , 该指标是合作社所有的社员实际缴纳的出资数额, 是合作社所有财产的货币表现;固定资产总额 (万元) , 根据《农民专业合作社财务会计制度》规定, 固定资产是指凡是使用年限在一年以上, 单位价值在规定限额以上如合作社的房屋、建筑物、机器设备、冷冻保鲜设备、分级整理设备、钢架大棚、农业基本建设设施等劳务资料, 都是固定资产。
2. 生产能力各项指标说明
签订购销合同, 是指农民专业合作社是否与其社员签订购买销售合同;社员标准化生产的比例 (%) , 指组织的社员在年度依照家或地方标准进行生产的面积占总面积的比例;统一采购农产品投入品的比例 (%) , 指本合作社本年度为社员统一采购农业投入品占社员采购农业投入品的比例;统一组织销售主产品的比例 (%) , 指该合作社本年度为社员统一销售主产品占社员销售主产品总量 (额) 的比例。
3. 加工能力各项指标说明
产品增值比例 (%) , 是指农民专业合作社员加入合作社后, 经过深加工农产品与初级农产品相比价格提升比例。
4. 发展能力各项指标说明
主产品品牌度 (分) , 该指标考察合作社本年度生产经营的主产品的市场品牌化程度。
5. 影响能力各项指标说明
带动当地非社员农户数 (人) , 指该合作社本年度发生业务往来 (包括各种服务和培训) 的当地非社员农户总数;合作社年开展培训次数 (次) , 指合作社近五年平均对社员或非社员农户统一进行技术、经营等方面培训的次数。
(四) 指标权重的确定
建立指标体系后, 确定了合作社运营能力的各层次之间的指标隶属关系, 然后确定各指标的权重。本文采用层次分析法中1-9级比较尺度构建判断矩阵, 以农民专业合作社运营能力评价指标的层次结构模型为依据, 通过邀请相关领域专家 (包括经管专业学者, 合作社扶着人, 基层专业合作社主管部门官员) 根据因子间的相对重要性打分, 得到两两比较判断矩阵。并采用“和积法”计算指标权重并通过一致性检验 (见表1) 。
(五) 农民专业合作社运营能力计算
一般地, 根据分层赋权逐层汇总方法计算农民专业合作社的综合运营能力。
三、农民专业合作社运营能力评价体系验证
(一) 数据来源
为验证农民专业合作社运营能力评价指标体系是否科学合理, 笔者于2013年7月至8月期间, 对河北省肃宁县的合作社进行随机选取调查;期间共发放80份问卷, 实际收回70份问卷, 有效问卷66份, 有效率84%。因此, 可以认为本次调查的样本数据真实有效。
本文利用以上合作社的样本数据, 进一步采用因子分析法验证农民专业合作社运营能力评价指标体系是否合理、科学。
(二) 因子分析过程
1. 因子分析的可行性检验
首先, 通过统计软件对原始数据标准化, 然后计算相关系数矩阵, 进行KMO检验和Bartlett的球形度检验 (如表) , 以判断数据因子分析的可行性。一般认为, 如果KMO的值小于0.5时则不适宜因子分析, 从表中可知Bartlett的球形度检验和KMO检验结果。数据结果显示, KMO值为0.708, 检验结果是可以接受的。此外, Bartlett的球形度检验结果为0.000, 小于0.01的显著性水平, 表明相关矩阵间存在共同因子, 这也说明适合做因子分析。
2. 提取公因子
利用SPSS统计软件, 构建因子分析模型进行因子分析, 可以得到各变量的相关系数矩阵R, 从相关系数矩阵来看, 变量之间具有较强的相关性, 适合做因子分析。采取主成分法得到特征值及各个公因子的贡献率和累计贡献率。其中, 方差贡献率越大, 说明其对应的公因子包含原指标信息就越多。从表2中可以看出, 前五个特征值分别为4.05、1.533、1.487、1.309、1.132累计贡献率达到73.16%, 即前五个公因子包含了原来的13个指标 (记为X1、X2…X13) 的绝大部分信息。通过综合分析和实验, 本研究提取5个公因子代表原指标。
3. 建立因子载荷矩阵并命名因子
本研究采用方差极大正交旋转法, 旋转后的公因子载荷向0和1两极分化 (见表) 。将前文提取的5个公因子分别表示为F1、F2、F3、F4和F5。从表中可以看出:第一公因子F1在X2, X3, X13上的系数大于其他变量的系数, 第二公因子F2在X8, X9上的系数较大, 第三公因子F3在X1, X12上的系数较大, 第四公因子F4在X6, X7, X4上的系数较大, 第五公因子F5在X10, X11, X4上系数较大。可以看出, 第一公因子F1在大体对应前述基本保障能力因子, 第二公因子F2恰好对应加工能力因子, 第三公因子F3大体对应影响能力因子, 同时体现出运营能力评价指标体系的的不周全, 第四公因子F4大体对应生产能力因子, 第五公因子F5大体对应发展能力公因子。
4. 计算各因子得分及综合评价得分并排序
采用回归方法计算各因子得分系数矩阵 (见表4) 。
本文应用回归法计算出的公因子得分系数矩阵如表, 并得到线性方程组:
其中X1、X2、X3…..X13为各项指标经过预处理后的标准化数据。最后以各种因子对应的贡献率归一化处理后作为权重进行加权求和, 即可得到各农民专业合作社运营能力的综合评价得分Y, 即
运用因子分析法计算出样本合作社的综合运营能力得分见表5 (截取排名前30家) 。其中, 因子分析方法得到排名A, 指标体系分析得到排名B。
(三) 结果分析
上述结果表明:1.从表4中可以看到, 前五个公因子的特征值分别为4.050、1.533、1.487、1.309、1.132, 并且累计贡献率达到73.162%, 说明本研究涉及的13个农民专业合作社运营能力评价指标基本上包含了影响农民专业合作社运营能力全部指标的绝大部分信息。因此, 研究中的5个公因子可以代表原变量。2.第一公因子F1、第一公因子F2、第一公因子F3、第一公因子F4、第一公因子F5大致与评价体系中的基本保障能力、加工能力、影响能力、生产能力、发展能力对应。3.从两种方法的排名对比看, 排名变动差异也不显著。因此可以认为本研究的构建的农民专业合作社运营能力评价指标体系基本上是科学合理的。
三、讨论
本研究构建的运营能力评价指标体系也存在不少值得商榷之处。例如在基本保障能力层, 应选用“注册资金”指标, 还是合作社现有资本;“社员对合作社的了解程度”是由合作社的管理层通过核查该合作社自身管理规范程度进行间接评价, 还是对社员进行直接调查?“带动非社员人数”的准确定位是什么?应该再设立“社员人均年收入”、“合作社年收入”这些绩效指标吗?应该指出, 本指标体系实际上比较适用于以采购、销售为主的农民专业合作社, 对于其他类型的农民专业合作社的运营能力评价应作适当调整。
摘要：设计一套能够准确评价农民专业合作社运营能力的指标体系, 构建农民专业合作社运营能力测度模型, 有利于农民专业合作社做出投资决策, 提高创收能力。文章从基础保障能力、生产能力、加工能力、发展能力、影响能力五个方面选取14个指标构建农民专业合作社的运营能力评价指标体系, 并以肃宁县农民专业合作社为样本进行了检验。
关键词：农民专业合作社,运营能力,评价体系,肃宁县
参考文献
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能力验证体系 篇3
微处理器的研究是计算机科学与技术的核心研究内容之一,其更新换代更是计算机行业迅速发展的强劲动力。而微处理器的演变一方面依赖于生产工艺上的进步,另一方面则取决于其微体系结构上的设计。从科学计算、工业应用再到民用数码产品,应用领域的拓宽和专用计算机发展的迫切需求正期待着新型体系结构的诞生。而一个新的微体系结构的出现是否符合其应用领域更高层次的需求则需要一个评价环境或平台。在计算机微体系结构的研究领域,对于不同微体系结构的处理器的性能验证,更多地是通过理论分析来进行和完成的,再通过对数学模型的建立和分析,得出最终结论。此外,软件仿真也是常用的方法。这两种方式在一定程度上虽然能够对系统性能进行客观、科学评价,但仍存在其局限性,例如,数学模型的分析效果与模型建立的精确程度密切相关;而软件仿真则更是只能对微处理器的部分性能指标进行模拟,而不可能仿真实现所有环节。经过研究分析可知,一个通用的硬件验证平台则可以弥补模型仿真的不足,实现更为贴近实际的效果评价。这种平台对微体系结构的研究和微处理器的开发都大有助益。具体来说,可以帮助研究开发者缩短设计周期,在第一时间快速验证设计的正确性;同时,不同微体系结构的处理器也可以在这个平台上进行性能的比较。
国外现有的验证平台可分为软件模拟平台和硬件验证平台。
其中,软件模拟平台是通过软件模拟系统来对CPU设计进行正确性验证。常见的软件模拟工具有:Simics、Synopsys公司的VCS、Cadence公司的NC Verilog和Verilog XL、Mentor Graphics公司的ModelSim等[1]。前述工具中,Simics仿真平台是一种商用仿真系统,在追求性能的同时,也保证了仿真的精度[2]。
另外,硬件验证平台则是对原型实物在电路板上进行实际验证。
其中,BEE系统由美国Berkeley大学开发,是一种基于多FPGA的可重构硬件平台,属于较高端的仿真计算系统[3]。
RAPIDO项目由菲利普研究院主持,包含两个部分:原型系统和PC机。原型系统为含有FPGA和ARM核的处理器以及存储器的嵌入式系统,并通过PCI-to-PCI桥与PC机相连[4]。
如果一个待测试的系统已经形成了完整的机器,使用真实的应用来进行测试则是很好的方法[5],事实上,常常使用的是基准测试程序,例如SPEC CPU基准程序集。该程序集由整数程序和浮点程序组成,其性能评价的标准是程序的运行时间[6]。
国内的硬件验证平台主要分为两大类。
一类是专门面向特定款微处理器的,例如,国防科大的多核流体系结构原型验证平台,该平台基于多FPGA实现,设计了片间流优化机制,可支持多核流体系结构的互联映射[7]。又如,中国科学院计算技术研究所开发的针对高性能处理器龙芯2F的硬件验证平台,既能验证其逻辑功能,又能测试其性能指标[8]。
而另一类平台则以面向基础教学为主。例如,清华科教仪器厂出品的TEC-XP与TEC-CA,这两种系统有自己的指令系统和监控程序,能够与PC机相连,可进行联机操作和执行比较完整的程序,用户可自行设计带有流水及Cache的处理器,而该系统可对其跟踪运行[9]。另有一种FD-MCES计算机体系结构实验仪,采用FPGA为主芯片,配有实验控制电路、键盘、打印机、开关、LED等,可完成RISC计算机系统结构相关实验[10]。还有一部分教学实验平台只能对确定的处理器进行验证,指令系统不可修改[11]。
本文设计了一种基于FPGA的微体系结构验证平台,该平台由FPGA硬件验证板和上位机软件分析系统组成。其实现的功能为:可以将设计完成的微处理器下载到FPGA芯片当中,由硬件验证板构成该微处理器能够正常工作的最小系统,同时,板上拥有可简单显示处理器性能指标的光电资源;硬件验证板也可以和上位机进行通信,将该处理器工作时的性能参数传输给上位机,由运行在上位机的软件系统进行分析,从而,为微体系结构的分析研究提供依据。由于条件所限,该平台的硬件部分没有实际制作,本文通过使用现有的开发板,搭建了一个原型系统,验证了该平台的功能。
1 硬件验证板的设计
1.1 硬件平台的基本功能
硬件验证板是整个系统的基础,为微处理器的工作提供了底层平台,其逻辑框图如图1所示。该硬件平台具有的功能主要有:下载调试、基本输入/输出、串行通信、功能扩展。
1.2 硬件平台的结构
硬件验证平台的设计以FPGA为核心,外围电路有:电源模块、JTAG下载调试模块、显示输出模块、基本输入模块、串行通信模块以及功能扩展接口。其平面结构如图2所示。
在整个硬件平台系统中,串行通信模块、输入模块中的去抖动单元、显示输出模块中的程序运行周期数统计单元等是在FPGA芯片上实现的,而其他部分则要通过分立元件在电路板上实现。
1.3 硬件平台的工作流程
当微处理器下载到FPGA芯片中,输入输出模块为其基本功能的验证提供了切实有效的保障,可以运行一段代码以测试处理器对IO的读写控制。输入模块中提供的微动开关可以取代时钟电路而为CPU的运行提供手动脉冲时钟信号,以实现指令的单拍运行;同时,显示输出模块的数码管会实时显示处理器内部各相关流水段寄存器的最新状态,还可以统计一段代码运行的周期数,以比较不同体系结构对于程序执行效率的影响。串行通信模块则采集了与系统性能指标相关的更多参数,并实时传送给系统计算机,供软件系统使用。功能扩展模块则为进一步的应用预留了发展空间,预留的接口可以安排SD卡读写接口、以太网接口、VGA视频接口等等,以利于对加载了操作系统后更为复杂的系统性能进行全面测试。
2 软件评测系统的设计
2.1 软件系统的基本功能
软件系统的功能是通过JTAG接口进行FPGA下载,并读取由串行接口发送的性能指标相关数据,而且还要对其进行分析。本系统对待测处理器跟踪监测的功能除了在硬件平台上进行呈现之外,还可通过PC机软件界面显示更多的信息。在这一过程中,PC机和硬件平台通过串行接口进行实时通信,硬件平台将微处理器的各种状态参数随时发送给PC机,而在软件界面上,这些信息则将以文字和图形化的方式加以清晰显示。图3为软件平台的逻辑结构。
2.2 软件系统实现的CPU性能评价
除基本功能外,软件平台还将对性能参数进行处理,以得到量化的处理器基本性能指标,如计算每一条指令的平均时钟周期数CPI:
CPI=CPU时钟周期数/IC (1)
其中,IC为指令的条数。
计算CPI所需的参数将由FPGA传送给CPU。
同时,还可计算MIPS(每秒百万条指令数):
一定程度上,MIPS可反映系统的性能。
另外,软件平台还将统计得到Cache命中率与Cache容量的关系、与块大小的关系、与组数的关系,并以图形的方式加以绘制和实现。
该软件还可实现对流水线的跟踪分析。随着系统的单步运行,软件界面上将动态、同步显示流水线的时空图,而且还将计算出流水线的实际吞吐率,计算公式为:
其中,n为任务数,k为流水的段数,Δt为时钟周期。
此外,还可以计算流水线的加速比、流水线的效率等性能参数。
3 OpenRISC处理器的功能验证
为了对系统自身功能进行验证,还需要一款能充分利用本系统功能的微处理器。本文采用32位的开源软核处理器OpenRISC,对该处理器的指令系统、寻址方式、数据表示、寄存器结构以及5级流水线结构、具有Cache的存储系统在开发验证平台上进行跟踪测试。
OpenRISC是开放源代码的精简指令集计算机处理器,采用Verilog HDL实现了寄存器传输级描述。其性能介于ARM7和ARM9之间[12]。在对该处理器微体系结构的验证过程中,需要深入研究OpenRISC的结构、流水线及相关性设计方法,也要进一步研究Cache结构和设计方法。
3.1 OpenRISC处理器在FPGA开发板上的移植
本课题对OpenRISC开源软核处理器的源码基于现有FPGA开发平台进行了移植。该开发板采用Altera公司的型号为EP4CE17C8N的FPGA,外设配备了数码管、微动开关、LED发光二极管、RS232接口,JTAG接口等,可以基本满足移植测试需要。移植的具体工作包括:构建了适合OpenRISC开源软核处理器指令运行的RAM模块,构建了系统时钟及系统复位模块,使用Verilog硬件描述语言编写顶层模块,将CPU、总线、GPIO、串行通信接口等主要功能模块进行了组合并且针对现有的FPGA开发平台进行了配置与改造,如图4所示。
OpenRISC开源软核处理器的移植结果可以通过一个简单的C语言程序实例在OpenRISC处理器上运行来验证。该C语言程序的实现功能为,控制开发板上的LED,与上位机进行串行通信,同时发送一组数据。经验证,该示例程序可有效控制开发板上的资源并正确实现了与系统计算机之间的串行接口的通信,从而证实了OpenRISC在本开发板上的成功移植。
3.2 基于Ubuntu系统的OpenRISC汇编指令程序的交叉编译环境的搭建与应用
作为一种嵌入式处理器,在开源软核处理器OpenRISC上运行的程序需要在PC机环境下进行交叉编译。该部分工作主要是在Ubuntu系统下进行了交叉编译环境的搭建,同时,编写Makefile设定编译、连接、转换等流程,最后,还要将编译得到的机器码转换成可以在OpenRISC的RAM中运行的mif文件。同时,对开源软核处理器OpenRISC的指令集进行了研究,编写了可以在开发板上运行的OR1200汇编语言指令程序,实现了OpenRISC处理器通过GPIO对开发板上资源的读写控制操作,为下一步处理器的性能评测奠定了良好基础。
3.3 在FPGA开发板平台上对开源软核处理器OpenRISC的汇编指令实现跟踪
使用Verilog硬件描述语言对汇编指令单步跟踪模块进行了设计,实现了通过微动开关控制OpenRISC汇编指令的单步运行。同时,通过对指令计数模块的编写,可以实现对程序运行周期数的统计,从而为验证微处理的指令流水的执行效率提供了基础准备。目前,对汇编语言指令运行周期数的统计是通过数码管模块实现并显示的。在进一步的工作中,这一显示也可通过串口通信传送到系统计算机,最终在系统计算机界面上显示出该数据。此处运行的是用于单步跟踪的汇编程序,其具体功能是将一个数据通过开发板上的LED进行输出显现。
3.4 编写串行通信程序,实现OpenRISC与系统计算机的通信
本串行接口通信程序的基本功能是实现了待测试微处理器与上位机之间的通信。借助这一通道,硬件平台上待测试微处理器内部各寄存器中每一时刻所存储的内容都可以实时地传送至上位机,便于上位机对这些数据实行进一步的分析。同时,传送的数据也可以是存储器内某一存储单元或某一存储区域的数据;也还可以传送Cache中存储的数据等
等。总之,通信程序为系统计算机软件能够准确分析该待测试微处理器的性能提供了有力的数据支持与通道保证。
4 结束语
本文所介绍的系统能够很好地完成对微体系结构进行研究验证的设定目标,硬件平台和软件系统的设计也能够满足对微体系结构进行基本验证的要求,同时预留了功能扩展的空间,使得系统具有进化升级的可能。在现有FPGA开发板上构建了一个原型系统,并针对开源软核处理器OpenRISC进行了测试,实现了对指令的跟踪以及待测试处理器与系统计算机之间的通信,真实验证了本平台的基本功能,因而表明该系统具有一定的实用价值。
参考文献
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[11]李山山,汤志忠,周继群.基于FPGA的开放式教学CPU的设计与测试系统[J].计算机工程与应用,2005,14:98-99.
真实IPv6源地址验证体系结构 篇4
基于TCP/IP协议的互联网已经成为全球信息化的基础设施, 正是该协议的一些特性, 导致当前互联网的发展面临各种由于缺少信任而带来的问题, 其中一个重要的方面就是缺乏对IP地址真实性的验证。由于在当前网络体系结构中, IP协议的转发机制只基于目标IP地址进行路由选择, 并不对源地址进行检查, 使得伪造源地址攻击容易实现。在TCP/IP网络中, IP地址是主机的唯一标识, 缺乏了对源地址的验证, 便无法在网络层建立起信任关系。因此, IP源地址验证已经成为互联网正在面临的一个挑战性的问题。
真实IPv6源地址验证体系结构SAVA:Source address validation archite cture是在网络层提供的一种透明服务, 以确保互联网中转发的每一个分组都使用“真实的IP源地址”:
1) 经授权的:IP源地址必须是经过互联网IP地址管理机构分配授权的, 不能伪造;
2) 唯一的:IP源地址必须全球唯一, 除了对唯一性不做要求的特殊情况外;
3) 可追溯的:网络中的IP分组, 可以根据其IP源地址追溯到起所有者。
通过实现真实IPv6源地址验证体系结构, 所有伪造IP源地址的报文都无法被转发, 这能够带来以下好处:
1) 可以直接解决一些基于源地址伪造的DDoS攻击 (如反射式DDoS攻击) 问题;
2) 使得互联网中的流量更加容易被追踪, 使得设计安全机制和网络管理更加容易;
3) 可以实现基于源地址的计费、管理和测量, 如同现有的电话网络一样;
4) 高质量的端到端服务, 使新的互联网应用 (如P2P应用和基于SIP的大规模多媒体应用) 拥有更高的性能, 且部署更加方便。
IETF批准通过的RFC5210 Source Addre s s Validation Archite cture (SAVA) Te s tbe d and De ploym e nt Expe rie nce, 是我国第一个非信息类 (informational) 的RFC, 也是在非中文相关的互联网核心技术领域以我国学者为主体署名的第一个互联网RFC。
2 相关研究
目前, 与源地址验证相关的研究工作可以分为3类:加密认证方法、预先过滤方法和事后追溯方法。
加密认证方法主要有IPSec和SPM (Spoofing Prevention Me thod) :
1) IPSe c是一种端到端的方法, 并且它的大规模部署, 依赖于全局的PKI;
2) SPM是一个自治系统到自治系统的解决方案, 每一对互相通信的自治系统拥有一对单独的临时的密钥做地址验证。
采用以上两种方法, IP源地址真实性的检查只能在目的主机或者目的自治系统。
过滤方法是一种预先处置的方法。它利用预先生成的验证规则, 在路由器上过滤伪造源地址的分组。代表性的方法有入口过滤 (RFC2827) 、DP和SAVE:
1) 入口过滤需要在边界网络全局部署;
2) DPF将验证规则的部署位置从边界网络扩展到了核心网络, 并且支持增量部署, 但是它只能获得IP前缀粒度的地址验证;
3) SAVE设计了一个新的协议在全网传递源地址验证规则信息, 但是协议不分层, 可部署性和可扩展性受到制约。
这些过滤方法的一个共同的问题在于它们无法处理一个接入子网内的地址伪造的情形, 那时IP地址前缀是相同的、真实的。
追溯方法是一种事后处置的方法。分组转发时记录路径信息, 并从目的端追踪伪造源地址分组的起源。主要的工作包括SPIE、i Trace、i Trace-CP、PPM和DPM:
1) SPIE在路由器上记录路径信息;
2) i Trace和i Trace-CP利用ICMP消息保留路径信息;
3) PPM和DPM直接使用IP分组记录路径信息。
事后处置的设计思想, 复杂的追溯算法是这类方法的主要缺陷。
上述方法部分解决了IP源地址的验证问题, 但是还缺乏一个可行的有效的系统的解决方案。
3 真实IPv6源地址验证体系结构的实现
3.1 接入网真实源地址验证
接入网真实源地址验证是体系结构的重要组成部分, 实现端系统IP地址级的细粒度的真实IPv6源地址验证。如果没有这一级验证, 主机依然可以伪造IP前缀相同的同一子网内其他主机的地址。
接入子网真实IPv6源地址验证具有以下特点:
1) 所有相关网络设备在同一个网络管理机构管理控制下;
2) 解决方案与接入子网的地址管理分配和控制策略密切相关;
3) 解决方案与端系统的接入方式密切相关。
接入网真实源地址验证技术的基本思想是:通过一个由真实IPv6地址准入验证服务器、真实IPv6地址准入交换机和真实IPv6地址准入客户端构成的系统对用户进行准入控制。其中, 准入验证服务器对用户身份进行验证, 分配相应的IPv6地址区间, 并建立两者的对应关系, 准入交换机从准入验证服务器得到用户IPv6地址区间后, 同客户端MAC地址以及用户访问该交换机的端口号关联起来, 写入绑定关系表, 并将IPv6地址发送给客户端。
接入网真实源地址验证技术适用于用户通过以太网, 经交换机直接接入互联网的条件。在实施端口绑定的方法上, 该技术可以与包括802.1x在内的现有方案很好的结合起来, 方便部署。
3.2 自治系统内真实源地址验证
由于自治系统内的网络设备都在同一个管理机构管理下, 主要的验证机制部署在运营商网络的接入位置, 网络规模相对较小, 且获取网络信息的途径也更加灵活。目前, Ingress Filtering及其在多宿主网络中的部署方案 (RFC2827、RFC3704) 在技术上已经比较成熟, 可以选取这两个标准作为自治系统内源地址验证方案。
3.3 自治系统间真实源地址验证
所有支持真实IPv6源地址验证体系结构的自治系统共同组成一个信任联盟, 自治系统间真实IPv6源地址验证可以分为以下两种情况:两个直接相连的自治系统;两个非直接相连的自治系统。
3.3.1 直接相连的自治系统
对于两个直接相连的支持真实IPv6源地址验证体系结构的自治系统, 在其边界路由器上的每个接口均建立一个验证规则表, 这个规则表将一组真是有效的IPv6地址前缀与路由器接口关联起来。验证规则的生成是基于自治系统互联关系。
自治系统间的真实IPv6源地址验证主要由3个部分组成:
1) 验证规则生成引擎 (VRGE) :每一个支持真实IPv6源地址验证体系结构的自治系统有一个VRGE, 负责生成验证规则 (VR) , 并与其他自治系统的VRGE交换VR信息, 向本自治系统的VE下发VR信息;
2) 验证引擎 (VE) :加载由VRGE下发的VR, 并执行验证;
3) AIMS维护自治系统号到其拥有的IPv6地址前缀信息的映射关系。
由于有了AIMS的支持, 只需要将自治系统号在自治系统的VRGE之间传递, 而又VRGE生成IPv6地址前缀集合, 降低了协议传输的开销, 同时也避免了由于路由振荡带来的影响, 只有自制系统互联关系发生变化或者自治系统号与IPv6地址前缀的映射关系发生变化时, VRGE才需要更新VR。
3.3.2 非直接相连的自治系统
对于两个非直接相连的支持真实IPv6源地址验证体系结构的自治系统, 采用一种基于轻权标记的自治系统间真实IPv6源地址验证方法。其基本思想如下:
1) 对于任何一对不直接相连, 但却属于信任联盟的自治系统, 他们拥有一对单独的临时标记;
2) 当一个IPv6数据分组离开它的源自治系统时, 如果目标地址也属于信任联盟的一个自治系统, 源自治系统的边界路由器根据目标地址和事先协商好的临时标记, 将这个标记加在IPv6的协议扩展头上;
3) 当一个IPv6数据分组到达它的目标自治系统时, 如果源地址也属于信任联盟的一个自治系统, 目标自治系统的边界路由器根据IPv6的协议扩展头中的临时标记进行过滤。
4 结论
真实IPv6源地址验证体系结构从接入网、自治系统内和自治系统间单个层次设计了对真实IPv6源地址的验证方法, 对互联网中转发的IPv6分组进行源地址验证, 确保每个被转发的IPv6分组源地址都是真实可信的, 从网络层为构建可信的下一代互联网奠定基础。
参考文献
[1]Park K, Lee H.On the effectiveness of route-based packet filtering for dis-tributed DoS attack prevention in power-law internets.ACM SIGCOMM Comput Commun Rev, 2001.
在验证中培养学生的数学能力 篇5
数学课堂上经常有这样的情景, 教师带领学生通过几个简单的事例推想出一定的“规律”后, 就开始总结和应用“规律”。其实, 从几个简单算式得到的结论只属于个别现象, 还未经锤炼和验证, 此时的结论只能称其为“猜想”, 还不足以证明它是一条规律。只有所有的算式被验证符合这一猜想或结论, 猜想才能变成规律。
如, 最著名的“哥德巴赫猜想”, 哥德巴赫本人在18世纪对许多偶数进行了检验, 都说明这个命题是正确的。但是自然数是无限的, 二百多年以后的今天, 在无法对所有的偶数都进行检验和证明的情况下, 人们仍然不能确定哥德巴赫的这一命题是一条定理, 所以后人将它称之为“哥德巴赫猜想”。
笔者认为, 通过观察、实验、归纳、类比等获得的数学猜想仅仅是数学探究的开始, 教师应重视引导学生进一步寻求证据、给出证明或举出反例, 学习科学的数学验证方法, 培养学生严谨的数学思维习惯, 促进学生创造性思维的发展。如在推导运算定律时, 教师可引导学生列出一个个算式, 寻找反例;在进行推论之后, 提醒学生根据已学的定理和公式进行推导和证明。验证是为得出结论服务的, 没有完整科学的验证, 结论就毫无意义。对科学验证的学习, 教师不可轻易放弃或走过场。如果验证仅仅停留于表面形式, 任何场合都照葫芦画瓢, 那么验证就成了“伪验证”和“形式验证”。教师要帮助学生树立科学验证的意识, 别止步于猜想。
二、在数学验证的学习中, 锻炼学生的分类与归纳能力
正如科学研究一样, 学生提出一种假设后, 还要想办法证明这种假设是否正确、合理。在小学教学中, 教师并不要求学生像科学研究那样作出非常烦琐、非常严格的科学验证, 但要引导学生用已学过的定理、公式、科学的方法, 进行多角度、多方位的检验证明, 让学生在学习验证的过程中, 锻炼发散思维, 打开思路, 形成正确的认识, 提高数学分类与归纳的能力。
案例1:“加法交换律”教学片段
师:刚才大家猜到, 交换两个加数位置, 和不变。请在练习本上举几个例子。
师: (巡视一圈) 我发现很多同学举的都是两位数加两位数的例子, 那别的情况也符合吗?
师: (学生开始举出“三位数加三位数、两位数加一位数”的例子) 那有些特殊数相加也符合吗?比如, 整百数、整十数。 (学生开始举整百数、整十数的例子, 也有开始举有关“0”“1”的例子)
(全班汇报交流)
师:为什么要举各种类型的例子? (教师点拨数学验证是数学探究的关键)
在案例1中, 教师引导学生验证的过程, 也是锻炼学生发散思维能力的过程, 使学生不仅仅思考了“两位数加两位数”, 还思考了其他多位数的相加, 以及“0”“1”等特殊情况。经历这样的过程学生就能明白, 验证是一个科学的、严谨的过程, 应该考虑到各种不同的情况, 尤其是一些特殊条件。学生在考虑不同设定条件时, 锻炼了数学研究中所不可缺少的数学分类与归纳的能力。
三、在数学验证的学习中, 培养学生的反思能力
科学结论的得出源于一次又一次的反思, 教师要引导学生在推论过程中进行反思, 如从正面证明推论的正确性, 或举出一个反例否定它, 让学生在正反两方面的验证中, 逐步发现数学的内涵与真谛, 感受到数学成就来源于不断的反思。
要想提升学生的验证能力, 教师不仅要提供给学生正确的推论, 还要适当让学生感受错误猜想, 通过对比和反思, 使学生感受到验证过程的必要, 体会到结论的来之不易。
案例2:“整数除以分数”教学片段
(学生列出算式:4÷1/2)
师:我们在前面学习了分数除以整数, 那么整数除以分数该怎样计算呢?请同学们猜想一下, 整数除以分数的计算方法是什么?
生1:整数除以分数等于这个整数的倒数乘分数。
生2:整数除以分数等于这个整数乘分数的倒数。
师:有两种不同的声音, 请你们根据自己猜想的计算方法进行计算。
(生1板演:4÷1/2=1/4×1/2=1/8。)
(生2板演:4÷1/2=4×2=8。)
师:我们根据自己猜想的计算法则计算出了结果, 请大家用学过的知识来计算这个算式, 验证你们的猜想。
(讨论汇报)
生1:我把分数化成小数进行计算:4÷1/2=4÷0.5=8。
生2:我利用商不变的性质进行计算的:4÷1/2= (4×2) ÷ ( (1/2) ×2) =8÷1=8。
生3:我是画图来看的, 每人吃1个, 正好够分给8个人。 (如图)
师:大家应用以前学过的知识, 通过计算验证了刚才猜想中的一个是正确的。
在案例2中, 当学生出现两种不同的声音时, 教师没有马上评价, 而是先给学生充足的时间和空间, 让学生充分运用自己已有的知识, 采用转化、实验等方法进行科学论证, 从而形成正确的认识。这不仅能让学生学会新知识, 还能让学生学到猜想和验证的数学思想方法, 提高获取知识的能力和思维的创造性。同时, 这让学生意识到验证的“本质”:验证有可能证明猜想是对的, 也有可能反驳猜想, 结论的得出需要有力的验证。
10V直流电压校准能力验证方法 篇6
1 能力验证简介
能力验证是利用电气实验室间比对来判定实验室和检查机构能力的活动，也是认可机构加入和维持国际相互承认协议(MRA)的必要条件之一。中国合格评定国家认可委员会(CNAS)根据国际实验室认可合作组织(ILAC)、亚太实验室认可合作组织(APLAC)相关要求制定了能力验证政策和要求，组织开展能力验证活动并参加国际能力验证计划。寻求CNAS认可和已获准认可的机构必须满足CNAS的能力验证相关政策，并按照CNAS能力验证领域、频次要求参加CNAS组织或承认的能力验证活动，包括：能力验证计划、实验室间比对和测量审核活动。
直流电压是电学计量的重要参数之一，10V直流电压校准是CNAS能力验证计划测试主要项目之一，参与该项测量审核活动对提高实验室量值传递的准确性和可靠性起到促进作用。
2 10V直流电压测量结果的不确定度评定
采用标准源直接比较法，由标准源5500A和被校表34401A数表组成测量系统，其中标准源5500A由上级计量标准数字多用表(修正值来源)8508A进行校准。设标准源输出为N，即为实际值，被校表的显示读数为X。
2.1 模型
式中：y——被测数表示值与标准源输出差值;X——被测数表示值;N——标准源输出值。
2.2 分析
考虑不确定度来源时应做到不遗漏、不重复。对测量不确定度分析，要考虑实际测量过程中有哪些因素会影响结果的不确定度，并列出不确定度分量。同时不确定度分析取决于对测量方法、测量设备及被测量的本质的认识，必须具体问题具体分析。上述仪器由于修正使用，仪器带来的不确定度主要是对该仪器进行检定/校准的测量不确定度，所以不确定度这个参数对仪器使用的准确度影响是最直接的。
灵敏系数:
由于Y输入量相互独立不相关，因此
式中：u (x)为随机效应引起的示值不确定度，其中包括示值不稳引起的不确定度u (x1)和数字仪表固有的量化误差引起的不确定度u (x2), u (x1)用A类方法评定，即x单次测量标准差的估计值s (x1)表示，u (x2)量化误差的不确定度用B类方法评定。
u (N)是标准源的不确定度，其中包括上级计量标准数字多用表8508A的不确定度u (N1)和标准源5500A的不确定度u (N2)，据其概率分布用B类方法评定。
2.3 直流电压测算
现对数表10V点进行测量，进行10次重复测量，
示值不稳引起的不确定度u (x1)=5.7μV
数表10V量程分辨率δ为10μV, 则标准不确定度为：u (x2)=0.29δ=2.9μV。
u (x1)、u (x2)彼此独立，故X项合成方差为：
其合成不确定度：u (x)=6.4μV
u (N1)由上级计量标准数字多用表8508A的不确定度组成，按B类评定方法评估。查数字多用表8508A说明书，在直流10V输出时，不确定度为31μV，置信概率P=0.95，则：u (N1)=31/2=15.5μV
u (N2)由标准源/5500A的不确定度组成，按B类评定方法评估。查标准源/5500A说明书，在直流10V输出时，24小时内不确定度为±70μV，置信概率P=0.95，则：
u (N1)、u (N2)彼此独立，故N项合成方差为：
其合成不确定度：u (N)=38.3μV
总合成不确定度：
扩展不确定度：U=kuc (y)=78μV, k=2
3 测量审核
申请单位提供的校准值，及对应的测量不确定度评定报告，负责审核的实验室依据CNAS《能力验证结果的统计处理和能力评价指南》，对申请单位的上述数字多用表的校准能力进行审核验证，通过下式进行测量审核满意度判定。
式中：y为申请单位给出的校准值;yn为负责审核的实验室给出的校准值;U为申请单位评定的与y值所对应的测量不确定度(k=2);U0为负责审核的实验室评定的与yn所对应的测量不确定度(k=2)。
当En≤1为满意。
4 结束语
80MN油压机能力验证 篇7
某厂80MN油压机于2003年完成设计、制造并投入运行。其主要用于海绵钛电极成型工艺和等温模锻工艺。其公称力为30MN、80MN两级, 其最大工作压力为100MN。
受实际工况限制, 该油压机交工中并未进行80MN公称力测试, 运行后一直在30MN公称力下运行。由于实际生产需要, 现该油压机需在100MN工作载荷下运行。
研究决定采用试验验证的方法验证整个油压机能力。在试验前, 需要对于各个子系统进行测试确认, 以确保油压机在100MN压力下可以正常工作。
油压机由压机本体 (即机械系统) 、液压系统、润滑系统、冷却系统、气动系统和电气控制系统等子系统组成。
对于包括润滑系统、冷却系统、气动系统和电气控制系统等子系统在30MN与100MN工况下存在的差异较小。经过反复研究, 决定对于这些子系统加强日常点检工作即可。但是机械系统和液压系统差异较大, 需要进行较多的测试。
2 机械系统
2.1 机械系统空间位置状态检测
鉴于原设计对油压机其各部件之间的位置关系有明确的要求, 在经历近3年的运行后, 为了掌握其各部件之间的位置关系能否达到原设计要求, 所以需对各部件之间的位置关系进行几何关系检测, 另外根据测试要求需对滑块下移速度等进行检测。
采用便携式三维激光动态跟踪仪对底座上平面纵横向水平度、移动工作台上平面纵横向水平度、立柱导向面与底座上平面垂直度主滑块垫板下平面纵横向水平度、主滑块垫板下平面与移动工作台平行度等进行测量, 发现部分实测值已超出原安装技术要求。经检测发现各立柱与大地水平面所成角度情况良好。
采用便携式三维激光动态跟踪仪对滑块位移传感器进行了在线校验, 校验结果表明滑块位移传感器工作情况良好。采用便携式三维激光动态跟踪仪对滑块轨迹进行了测量, 结果表明滑块轨迹良好。
实测100MN工况下拉紧螺栓伸长量与理论计算符合较好。
检测结果表明:在100MN工作状态下, 油压机整体结构稳定, 未发生结构变形。
2.2 机械系统无损检测
油压机拉紧螺栓相对油压机其他构件而言, 其应力水平较高, 而油压机拉紧螺栓由于螺纹根部存在应力集中, 其应力水平更高一些, 加之油压机在实际使用过程中其拉紧螺栓的载荷存在脉动, 能造成拉紧螺栓根部承受疲劳载荷, 从而可能在拉紧螺栓螺纹根部形成疲劳裂纹, 给测试工作带来较大的安全隐患, 所以需采用超声波方法对4根拉紧螺栓的螺纹根部进行无损探伤, 以确定是否存在裂纹等严重缺陷。焊件在焊接过程中往往会导致淬硬组织, 而淬硬组织较容易产生裂纹, 加之上梁部分焊缝在拉应力状态下工作, 更容易产生裂纹, 为了保证后续验证试验的顺利进行, 所以需对上梁部分焊缝进行磁粉检测。
按照GB/T 15822-1995采用荧光磁粉对顶部焊缝进行了两次 (试验前和试验后) 无损检测, 均未发现缺陷。参照GB/T6402-1991标准对4根拉紧螺栓两端螺纹区域进行了两次 (试验前和试验后) 超声波检测, 均未发现缺陷。
2.3 拉紧螺栓安全校核
拉紧螺栓在安装完工后将会存在一定的预应力, 预应力的存在对拉紧螺栓在工作载荷下的安全运行会有一定影响。工作载荷下拉紧螺栓的应力水平将直接关系到拉紧螺栓的安全。所以需对在100MN工作压力下的应力和伸长量等进行计算, 确定拉紧螺栓在测试状态下的安全状况。
采用有限元模拟了拉紧螺栓在100MN静载荷下的应力分布, 应力分布见图1、图2。
螺栓材料为42CrMo, 其屈服强度为450MPa, 其强度极限为640MPa。从图2可知在100MN下, 螺栓第一圈螺纹部分区域应力已超过强度极限640MPa, 这是由于采用的是完全弹性分析的结果。由于本处缺少42CrMo的真应力-应变曲线, 所以无法进行弹塑性分析。可以预见, 在弹塑性分析下, 由于塑性变形导致塑性流动的产生, 从而力承载面积增加, 应力水平降低, 而弹塑性分析则比较接近真实结果, 在弹塑性分析下, 其应力水平将会降低;且从图上可知, 高于材料屈服强度区域较少, 所以在100MN静载荷下, 拉紧螺栓是安全的。
2.4 高压管道强度校核
油压机在工作载荷达到100MN后, 其主油缸和两侧油缸压力将高达30.5MPa, 而油压机7#变量泵的最高输出压力可达到31.5MPa, 因而各高压管道承受的压力将可能高达31.5MPa。为保证人员、设备安全, 所以需要对其各高压管道强度进行校核。
由于管道系数所以不能按照薄膜进行强度校核, 而应按照厚壁管进行强度校核。校核选用拉美公式进行应力计算, 应用Von Mises屈服准则进行多向应力合成, 其最终应力计算公式为:
经校核, 各规格高压管道强度均合乎要求, 即σ<[σ]。
3 液压系统
3.1 液压仪器仪表检定
液压系统中的计量液压仪器仪表的可靠性和准确性非常重要。为了确保能力验证试验的成功, 对其所有的压力传感器和压力表进行了检定, 对于部分不合格的压力传感器采用检定合格的传感器替换, 确保了液压系统计量的可靠性和准确性。
3.2 液压油油液分析
液压油品质对于液压系统性能影响较大。为了保证液压油品质, 在能力验证试验前对当前的液压油进行了污染度分析, 分析结果表面当前油品质为NAS8级, 符合要求的NAS9级。
3.3 变量泵检修调试
由于安装测试中发现个别变量泵存在较大噪声和异常响声, 出于安全起见且为了保证100MN能力验证的顺利进行, 所以将变量泵送至其生产厂进行了测试。经解体检查和测试后确定变量泵可以正常工作。后对该泵组进行了电-液联合调试, 找出噪声和异常响声来源, 成功将噪声问题解决。
3.4 重新标定10台主泵出口压力、控制阀组的设定值
基于对油压机能力验证及生产过程的安全性考虑, 对液压系统10台主泵出口压力、控制阀组的设定值进行了重新标定。
4 能力验证试验
在保证人员和设备安全的前提下, 为了验证油压机的实际加载能力, 特设计了如下试验:在移动工作台放置如图3所示试样, 然后按照预定加载程序加载, 直至100MN, 确定在试验过程中有否液压冲击, 加压停顿等现象。
试验结果表明:经过检修和测试后, 油压机在其试验过程没有异常情况发生, 完全按照预定程序完成所有预定功能测试。实际试验表明油压机最大工作压力可以达到100MN。
5 结语
在对油压机各子系统全面了解的情况下, 制定了全面的检测、检修、试验方案。按照此方案进行检测、检修后的油压机经试验证明其能力完全可以达到100MN的最大工作压力。
摘要：某厂油压机虽然其设计最大工作压力为100MN, 但受实际工况限制, 该油压机交工中并未进行100MN最大工作压力测试, 运行后一直在30MN公称力下运行。由于实际生产需要, 现该油压机需在100MN工作载荷下运行。文中在对油压机各子系统全面了解的情况下, 制定了全面的检测、检修、试验方案, 按照此方案进行检测、检修后的油压机实现了100MN的最大工作压力。
关键词：油压机,能力验证,调试,检测
参考文献
[1]刘晓义.面向分布式制造的机械工程文件安全传输技术研究[D].哈尔滨:东北林业大学, 2010.
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