三维体系结构

三维体系结构（精选12篇）

三维体系结构 篇1

农村素质教育倡导已久, 课程改革推行多年, 但从实际状况看, 许多农村初中的教师依然高压、强制、灌输式地教, 这势必造成学生被动、沉闷、应付式地学。叶圣陶早就提出:“教是为了不教。”其实, 教即一种辅助, 自觉、自主、自励学习才是教学的终极目标。“三维助学”体系正体现了这样的教学理念。“三维助学”体系分为“课堂三步助阵”“课外三字助推”和“策略六法助力”。该体系旨在对学生的课堂、课外学习过程进行必要的资料辅助、方法扶助、组织协助, 以学生的自主、合作、探究学习为主体, 以教师的有效帮助为依托, 遵循“学生需全面和谐发展、个性充分发展、终身发展”的学生观, “教师是学生学习的组织者、合作者、帮助者和促进者”的教师观, “教的根本目的是帮助学生学”的教学观。[1]教师是“帮助者”的角色, 既不能采取散放式, 袖手旁观, 也不能越俎代庖, 一味填鸭。“助学”既能充分激发学生主动学习的意识, 形成终身受益的学习能力和习惯, 又能有效发挥教师“平等中首席”的应有价值, 提高教师“助”的有效性。

一、农村初中“三维助学”体系的生成背景

(一) 灌输式教学瓶颈掣肘

农村传统讲授式教学在班级授课制背景下确实发挥了一定作用, 但其过分注重知识的灌输, 学生主体地位被严重忽略的缺陷变得日益突出。这种填鸭式教学, 最大的问题在于教与学的悖谬:学生能解决的问题, 教者大教特教;学生自主发展的瓶颈, 教者无应对策略。教师只管教, 教案不变, 教法不变;学生面对灌输式教学, 往往不是逆反, 就是应付。

(二) 名校示范魅力难挡

在课程改革的大背景下, 如江苏洋思中学“先学后教, 当堂检测”、山东杜郎口中学“预习—展示—反馈”等一批名校的课堂教学模式应运而生。这些名校教学模式的共性特色在于学生自主学习为先, 小组互助合作为主, 教师必要的协助为辅。课堂教学流程简练易控, 学生学习兴致得以有效激发, 其教学效果的示范效应魅力无限。然而在向名校学习的一波又一波热潮中, 许多学校出现了三种偏颇。一是习其形而失其神, 华而不实。例如, 重视了课前预习, 但缺失预习反馈与跟踪;倡导自主学习, 但不给学生自由的时间和空间;要求分层教学, 实际仅仅是题目多做与少做的差别;建立学习小组, 只是满足于课堂讨论表面的轰轰烈烈;等等。二是心血来潮, 碰壁便回。课程改革绝非易事, 也非一朝一夕之功, 往往需要多年的坚持才能见到显著效果。实施过程不可避免地会遇到难题与瓶颈, 甚至种种非议。如果时冷时热, 遇难就避, 肯定前功尽弃。三是依葫芦画瓢, 全盘照搬。实施中, 不能结合地方教育文化背景, 不能凝聚全体教师的共识, 不能联系学生实际, 致使先进模式产生了“水土不服”的现象, 机械模仿则不利于整体教育教学质量的提升。

(三) 素质教育形势逼人

《国家中长期教育改革和发展规划纲要 (2010-2020年) 》明确要求学校教育要“关心每个学生, 促进每个学生主动地、生动活泼地发展, 尊重教育规律和学生身心发展规律, 为每个学生提供适合的教育”。各级教育部门都出台了相应的举措, 规范办学行为, 推进课程改革。在新的教育教学形势下, 办学改革, 特别是推进人文化、人性化课程运行体系的革新已刻不容缓。

农村初中“三维助学”体系正是在摒弃传统教学陋习、汲取名校教学经验、适应与时俱进的教改形势基础上, 充分结合农村教学实际, 经过不断实践和完善后形成的行之有效的教学体系。该体系重在淡化硬性设计, 强化学习协助;简化环节掣肘, 深化交流反馈;着眼自主学习, 突出合作探究。我校经过近几年的努力, 学生主动参与学习、主动发展的意识显著增强。

二、“三维助学”体系的运作

(一) 课堂三步助阵

1. 学案辅学

充分预习、主动自学可以提升课堂教学效益, 而“学案辅学”则能引导学生很好地把握课堂学习的重难点, 增强学习的针对性、目的性和实效性。各学科的“学案”是这样形成的:由主备人拿出“学案”的初稿并在集体备课前打印, 分发给备课组的每个成员进行修改, 大家带着自己的思考和建议进行集体会商, 形成“学案”的正稿, 其内容包括课题名称、学习时间、学习目标、重点难点、参考学法、阅读提示、预习练习、互助探究、问题反馈等。学案层层深入地引导学生独立看书、自学、思考和探究。学生通过课前自学, 对教材有一个初步了解, 并产生困惑, 提出问题, 完成首轮学习。同时, 教师在学生自学过程中进行适当辅助点拨, 使学生较好地把握教学内容, 培养学生的自学能力。[2]自主预习解决不了的问题可以在学习小组内交流解决, 共性问题再反馈给教师。教师对预习情况进行检查、评比并对问题进行汇总, 以增强课堂活动的针对性。

2. 互助探究

课堂互动设计内容包括知识梳理、学法指导、成果共享、问题共研等内容。教师引导学生在课堂上积极讨论交流、合作探究、分析问题、总结规律, 努力实现有效教学。课堂上生生、师生合作探究是教学的中心环节, 其中, “合作小组”是合作学习的主要平台与渠道。为了实现顺畅、深入而有效的交流探索, 教师主要是启发和引导, 对主讲、补充、质疑、听讲的学生进行全面关注和调控, 学生讲解不到位的要补充、偏离主题的要拨正, 调动学生、激励学生, 使学生主动参与、积极思考, 人人体验, 个个收获。做到“三讲三不讲”:“三讲”即讲学生提出的问题, 讲学生不理解的, 讲方法规律;“三不讲”即学生不预习不讲, 学生没问题不讲, 学生能讲的教师不讲。

“助学”课堂重在交流, 交流要注意以下三点:

一是探索方式的灵活性。有效交流倡导灵活的交流方式, 从交流行为遵循的逻辑看, 它既可以是纵向的, 也可以是横向的;既可以是单向线形的, 也可以是立体交叉的。

二是互动过程的和谐性。互动过程的和谐是理想课堂的追求。外在的, 它体现为尊重交流主体地位与促进互动的统一, 精心预设与有效生成的统一, 高参与度与合理监控的统一;内在的, 它能够激荡起和谐的心理体验, 形成张弛自在、乐在苦中的愉悦感、怡然共鸣的成就感。

三是探究结果的深刻性。合作探究要完成预期的任务, 形成对主体较高的发展度, 即主体通过面对面的促进性互动, 在心理和行为上有较多的正向变化。有效的交流要真正能够在交流主体之间架设起信息交流、人际交往、情感交融、观念沟通的桥梁。

3. 反馈巩固

及时的反馈和有效的检测是提升教学质量的生命线。课堂助学的效果、学习的质量, 不能仅凭形式的轰轰烈烈, 必须要强化及时反馈和有效检测。教师可以通过质疑、释疑、提问、追问和微型训练等形式进行及时反馈, 也可以利用每节课的最后时间进行反馈练习:现场小组成员间互改, 教师汇总批改情况, 再进行针对性的讲解补充。训练反馈需要注意以下两个问题:

(1) 优化训练设计, 拓展启思。教学效率低下, 在很大程度上是训练设计的粗糙化。教学训练是需要设计的。从内容上看, 包括基本训练、变式训练, 面对不同的教学对象, 应选择不同能级的训练内容;从方式上看, 包含分散训练与集中训练。另外, 我们还必须注意训练的密度与时间, 注重情境的设计等。

(2) 突出当堂训练, 及时评点。冗长、烦琐的讲解, 过量、重复的练习只能使学生厌倦。因此, 教师需要整理学习内容、筛选课堂所提的问题、编制必要的随堂练习, 力求使课堂练习科学而精要, 保证学生在有限的时间内将所学内容的掌握情况真实地反映出来, 再根据反馈的情况及时进行完善, 从而提升课堂目标的达成度。

(二) 课外三字助推

课外作业是课堂助学的延伸。课外作业要减负增效, 立足于“活”“精”“趣”。“活”, 首先是灵活选择。教师提供两种不同难度、不同情境的作业, 学生根据自己的基础和喜好自由选择。其次是灵活运用。注重学生的实际运用, 注重知识情境的变化, 着力引导学生深入探究, 将课堂知识与生活紧密联系, 多设计实践作业, 提高学生的实践创新能力。[3]例如, 语文进行名句背诵竞赛、随笔展示、口头作文交流等;数学进行实践应用类一题多解、一题多变训练;英语进行单词默写竞赛、语法小讲座、英语演讲竞赛等;物理、化学等学科进行生活实践调查等。“精”指精要, 各学科严格控制作业量, 每科每天课外一般只选做一项作业, 使学生有时间进行深入思考, 同时对旧知识进行回味, 对新知识进行巩固。“趣”, 指课外作业要有趣味性, 增强知识的亲和力, 减轻学生的疲劳感, 消除他们对知识的畏惧感。

(三) 策略六法助力

1. 双标引学

贴近教材、结合学生实际设立“基础目标”与“挑战目标”, 基础目标要求人人达标, “挑战目标”鼓励“学优生”努力达成, 启发“学进生”努力尝试, 使每一个学生都明确学习方向, 感受“我能行”的成功。

2. 情趣激学

教师在助学过程中尊重每一个学生、关注每一个学生, 以关爱之情、信任之心激发学生参与学习。在教学设计中, 不断创设趣味情境, 让学生在有趣情境中享受快乐、体验成功, 让学生在人文与意趣的氛围中学习知识、锻炼能力、提高素质。

3. 生疑启学

在教学过程中, 根据预习产生的共性困惑, 精心设计问题, 通过引导启发, 使学生在小组交流、集体互动、教师点拨中释疑。在此基础上, 努力促进学生独立发现问题、勇于提出问题、合作解决问题能力的不断提升。

4. 小组推学

课堂、课外以合作小组互补、互助探究为主, 教师讲解点拨为辅。采用多种互动形式实施教学, 让学生自由表达思想, 畅谈感悟与疑惑, 倾听别人的见解和建议。教师主要进行适时与适度的点拨、点评, 并及时表扬鼓励。

5. 精练强学

备课组要整合各种学习资源, 严禁照搬教辅资料, 远离题海战术, 精心分层设计适量和适度的随堂训练、课外作业, 及时批改、反馈、讲解、矫正。以学生个体自主研学为主体, 以学习小组结对帮扶为主力, 以教师课外个别辅导为协助, 形成“基础目标”人人达成、“挑战目标”多数学生跃跃欲试的生动学习局面。积极创造条件, 让学生在实践的情境中学习知识, 锤炼能力, 在实践中体验学习的收获和创新的快乐。

6. 励评促进

明确进步就是成功、进步就是发展的理念, 使评价真正成为激励发展的驱动器, 使学生在自我评价、小组互评、教师评价等多元评价体系中, 激发内驱力, 提高学习信心, 提升学习能力, 形成团队合作精神。

三、农村初中“三维助学”体系的实践反思

农村初中“三维助学”体系的建构, 关键在“助学”。一是小组帮助。小组学习是助学的主要依托, 为使学习小组真正发挥作用, 不仅要给小组活动提供舞台和机会, 还要加强督导、评选与激励, 让互助学习成为学生进步成长的不懈动力。二是教师辅助。放手让学生自主、合作、探究, 需要教师作必要的辅助, 因此教师必须改变根深蒂固的“保姆式”包办教学的做法, 真正学会在幕后欣赏学生, 在身旁激励学生, 助推学生成长。三是教师互助。要整体推进助学质量, 教师间特别是同备课组内教师的互助合作是根本保障, 否则就无法在全校有效推进助学体系的运行。因此, 学校管理者就要摒弃排斥性、贬斥性的考评机制, 努力将备课组进行结对帮扶、捆绑考核:骨干教师重点看帮带作用, 后进教师着重看进步。为了避免备课组陷入集体平庸, 还可以设立助学过程与目标考核的标准, 以此来推进全校各科助学体系的深入实施。“三维助学”体系的建构与高效运行, 必须走出“换汤不换药”的教改误区, 需要学校管理者的深情守望与执著坚守, 凝聚全体教师躬身的实践。□◢

参考文献

[1]陈旭远.课程与教学论[M].长春:东北师大出版社, 2002:256.

[2]叶澜.教师角色与教师发展[M].北京:教育科学出版社, 2003:139.

[3]严卫林.追寻学校管理的原生态[M].北京:中国轻工业出版社, 2008:84.

三维体系结构 篇2

及其外部保障环境系统研究

摘要：影响高新技术企业发展的核心要素是企业内部的资金、人才、技术。建立一套以资金控制为中心，以价值运动为主线，以资金、人才、技术协调发展为目标的内部控制三维体系，在支持体系中，由政府行为发挥功能，对其他三个关键要素分别影响，满足高新技术企业对资金、人才、技术要素的控制，而随着各个要素(资金、人才、技术等)的自由流动，最终形成了以资金流多元流动为链条的高新技术企业内部控制三维体系及其外部保障环境系统。

高新技术企业内部控制本身是一个以控制环境为基础，风险评估为依据，监控为保证的有机整体。在高新技术企业生产经营活动的各个环节同时存在着“物流”与“资金流”两种流转形式，它们的流转是否合理有效，关键在于企业内部控制是否有效。相应地，还应建立一整套包括政策、资金、技术、人力资源、产业发展在内的完善高效的支持体系作为保障，而这些环境的建立和优化必须以政府行为作为导向和重心。只有如此，才能完善高新技术企业内部控制机制，促进高新技术企业快速和可持续发展。

一、高新技术企业内部控制的核心因素

(一)资金

高新技术企业集研究、开发、生产、贸易和服务等多种活动于一身，其资金运动过程相对复杂，其资金运动主要呈现三大特点：

1.资金流入的多渠道性。高新技术企业的高风险性，使得稳健派的投资者望而却步，造成其资金的筹集难度较高，企业不得不从多方面设法筹集资金，形成了资金从投资者、银行、风险投资公司多方面进入企业的情况。

2.无形资产所占比重较大。高新技术企业生产的产品具有技术密集型的特性，资金进入企业后，主要用于研究、开发和生产经营等不同环节，并多以专利权、非专利技术、软件、商标等形式的资产存在，因此，无形资产所占比重较大。

3.用于研发活动的资金较多。高新技术企业的技术和产品具有高层次性、先导性和创新性，所以企业不断将资金投入技术的研发活动，以实现技术创新，占领或扩大市场份额，保持其立于不败之地。

正是由于高新技术企业资金运动的特殊性，致使其不得不面对筹集资金渠道狭窄，政府资金有限且效率不高，商业银行因为规避风险的特性而惜贷、通货膨胀、财政金融政策等引起的利率水平变化而导致投资成本上升的现实局面。有关资料表明：我国每年有专利技术7万多项，省部级以上科技成果3万多项，但专利技术实现率仅为10%左右，得到足够的资金支持并且转化为商品、形成规模效益的仅占5%—7%，高新技术产业产值占制造业产值的比重为12.2%，占国民生产总值的比重为3%左右。相比之下，发达国家科技成果产业化率达到12%，高新技术产业产值占制造业产值的比重为30%，占国民生产总值的比重为15%左右。

(二)人才

人力资源是高新技术企业提高其管理质量的关键因素。企业在高科技领域中的发展和创新，不仅需要先进的机器设备和生产手段，更需要能够满足研发需要的技术人才和管理人才。只有具备符合高新技术开发要求的人才，企业的技术创新能力才能不断提高；只有搞好企业人力资源的管理和控制，企业才能取得成功。根据高新技术的特性其人才主要包括高技术人才、高层管理人才两类，高新技术企业的管理者大多是技术人才，这些人往往缺乏丰富的管理经验和科学的理财意识，使得企业发展受阻，甚至导致企业破产。同时，这些人才的稳定性与传统行业相比较差。据外企服务公司下属的咨询公司2004年市场调查结果显示，高新技术企业的员工全部职位的总体离职率为13.5%，相当于传统行业的1.73倍。而高新技术人才的培养时间比较长，企业需要投入大量的财力、物力，频繁的人才流动给企业造成了一定的损失，使得高新技术企业面临着人才断层、后继乏人的潜在危机。因此，提高高新技术企业人才的管理力度和防止人才流失对于企业的发展至关重要。

(三)技术

高新技术企业是建立在高技术、新技术基础上的，其最主要特征就是技术密集，技术创新性强，新的技术发明是高新技术企业成立的首要条件。高新技术企业必须不断地进行技术创新或通过市场获取新技术，以保证企业的成长和发展。而要达到技术创新，研发资金的投入是最重要的保障之一。目前，高新技术企业的研发资金投入呈逐年递增的趋势，但是研发资金的投入多依靠政府的政策性支出，投入渠道单一化，很难保证资金投入的数量。从企业角度来看，我国企业的研发经费支出占全国研发经费支出的比例小于美国10多个百分点，且美国企业的研发经费主要来自市场渠道，而我国企业的研发经费相当一部分来自政府支出。总的来看，我国非政府来源的研发资金所占比例较低，政府来源的研发资金所占比例较高，这种状况需要高新技术企业拓宽资金的筹集渠道，促进资金筹集方式的多元化，加大研发资金的投入力度，实施研发资金的有效控制，确保技术创新，以达到占领和扩大市场份额的目的。

二、高新技术企业内部控制的特点

(一)内部控制以资金控制为核心

高新技术企业集研究、开发、生产、贸易和服务等多种活动于一身，其资金运动过程相当复杂。因此，对高新技术企业的资金进行有效的管理控制对于企业来说相当重要。

(二)内部控制以人本管理为重点

高新技术企业人力资源管理具有员工素质高、流动性较大、追求高报酬、员工独立性强等特点，必然要求企业为留住人才而投入大量资金，以激励他们为实现企业的目标而努力工作。另外，企业需要用资金来吸引和挖掘人才，辅之以高薪金和高福利，并对其进行定期培训。这些都要求企业贯彻以资金控制为保障，以人为本的内部控制思想，为创造性思维的发挥营造良好的控制环境、完善的风险评估机制、有效的控制程序和方法，从而为企业总体目标的实现奠定更为坚实的基础。

(三)内部控制以技术创新为基础

高新技术企业主要在于技术含量高，具有独创性。只有不断的技术创新才是企业的发展和存在的前提。技术的管理控制，是由企业的高技术性决定的，要求企业能够快速有效的开发新技术，合理运用新技术，尽快扩散到产品中，并保持技术创新。

(四)内部控制评价融合财务与非财务指标

内部控制评价体系中，不仅要依靠财务指标，同时也应结合多种非货币性的综合管理水平的非财务指标，比如新产品开发情况，产业结构调整对企业的影响等背景信息。综合计分卡、经济增加值、自由现金流量等广泛应用，就体现了企业评价方法发展的一种方向。总之，企业只有将财务指标结合起来进行内部控制的综合评价，才能全面、系统地分析出每个企业内部控制的绩效情况。

(五)内部控制的风险意识增强

高新技术企业具有高风险高收益特性。为此，要求内部控制从预测、决策、计划、分析、评价等各个环节都要对风险有足够认识，采用正确的方法加以计量，以确定其对项目及企业的影响。内部控制风险预警模型主要由因素分析、预警指标选择、指标数据的取得、指标权重的确定和模型的构建等内容组成。

三、高新技术企业资金流流转控制

高新技术企业资金控制上的缺失直接影响到人才的引入和培养，技术的开发与创新，最终阻碍了企业的整体发展和核心竞争力的提升。因此，迫切需要建立和完善一个基于资金流流转控制的内部控制系统，具体包括筹资控制、投资预算控制、营运控制。

(一)筹资控制

高新技术企业的融资有多种方式，包括银行借款、发行债券和股票，吸收风险投资等。当产品符合市场的需求，需要进行批量生产时，可以选择吸收风险投资的方式筹集所需资金，此时高新技术企业应对吸收风险投资全过程进行控制和管理，风险投资公司也可以选派综合性人才进入高新技术企业的管理层，参与其重大经营决策并监督其日常经营活动及资金流动，实现与高新技术企业共同管理，以期控制和降低投资的风险。当企业的生产相对稳定发展时，可以寻求过渡性融资，还可通过上市从资本市场上直接融资。伴随着企业管理的逐渐完善，企业的融资渠道、融资规模有了大规模的拓展，此时企业应制定最优资本结构政策，选择资金成本最小、资本结构最优的融资组合，使资本结构处于最佳状态，降低资本成本，提高资金效益，完善筹资全过程的内部控制，提高企业资金的管理控制能力。

(二)投资预算控制

由于高新技术企业的风险较高、项目周期较长，会出现盲目投资、资产投向不合理、投资效益不理想、投资期满无法回收的情况。鉴于此，高新技术企业对投资项目应慎重选择，对外投资可以采取兼并、联营的方式，也可以采取在证券市场上购买股票、债券等方式，但无论采用何种方式，都应该进行审慎的分析，根据企业当时的状况和外部经济政治环境，充分考虑决策的风险性，力争企业能够得到较大的收益。在保证企业内部经营运转良好的情况下，加强对外投资管理，健全和完善对外投资的相关制度和程序，加强投资项目立项、评估、决策、实施、投资处置等环节的内部控制，强化对外投资管理，以降低投资风险。

(三)营运控制

伴随着资金的筹集和运用，高新技术企业应制定长远而有效的战略计划，避免盲目扩张和发展，决策者应根据环境变化、行业发展趋势，竞争对手实力变化及企业的发展周期调整资本运营战略。针对资金使用过程中出现的实际脱离预算的差异进行认真分析、纠正，规避财务风险，对资金实施全面预算管理；企业必须保有一定资金用于R&D，以保证技术的先进性，使产品不断推陈出新，保持企业的市场竞争力；要控制企业的研发成本，实施有效的成本监控体系；加强对

企业的盈利收入、筹资与投资、固定资本金、流动资本金和其他资本金的管理和控制。

由此，本文构建了以资金流多元流动为链条的高新技术企业内部控制三维体系，如下图所示。

四、高新技术企业内部控制的外部环境支持体系分析

(一)政策支持环境

政策支持环境是高新技术企业内部控制的外部环境中最重要的一个子系统，它是对高新技术企业资金、人才、技术及产业支持环境发展提供指导、支持与协调的一种重要的管理方式和实施机制。同时通过资金、人才、技术及产业等环境反馈的信息，进一步转变政府职能，改进与完善政府行为，为高新技术企业营造一个良好的外部激励约束机制。它主要包括国家针对高技术企业制定的财政激励政策和政府扶持政策等。

一直以来，各级政府都比较重视高新技术企业的发展，给予了许多政策倾斜与资金投入。以黑龙江省为例，2007年黑龙江省科技经费投入总额为93亿元，其中，研究与开发经费总额为60.5亿元。可见，黑龙江省各级政府对高新技术企业的持续发展较为重视，地方财政给予了大力扶持。但是，其投入力度仍低于一些发达省市，发展后劲相对不足，应采取积极措施，加快政府支持环境的建设。

(二)资金支持环境

资金是高新技术企业的命脉。高新技术企业的资金支持环境己成为企业扩大生产经营、扩张资本实力，实现持续、快速发展的助推器。充足的资金支持有利于人才的有效开发和利用。企业需要用资金来吸引和挖掘人才，为员工创造有利于其体现自身价值的环境，从而实现与保障人力资源的内部控制。同时，良好的资金支持环境使得资金合理有效地转化为技术创新的投入，创造技术成果，从而形成良性的技术控制机制。

(三)人力资源环境

人才是高新技术企业的主体，人力资源对于高新技术企业的成长起着至关重要的作用。影响高新技术企业发展的人力资源环境主要是指一个国家或地区科研人才的储备、科技人员的素质和人才政策环境等方面。高新技术企业的发展主要靠人力资本，只有拥有一支高素质的科研队伍和管理核心才能创造出更多的资本，带动企业的良性发展。同时，人才是企业技术开发与创新的关键因素，人才质和量的不断发展使得技术创新环境呈现动态的发展趋势。

目前，我国缺乏大量的科研技术人才，更需要良好的人才政策环境以创造人才和留住人才。据统计近年来本科毕业生留在黑龙江省就业的大约是70％左右，硕士以上毕业生留在黑龙江省就业的不足60％，尽管黑龙江省的科技潜力较高，但并没能转化为直接的生产力，要留住更多的人才，还必须为他们提供良好的科研条件，生活环境等。

(四)技术支持环境

技术是高新技术企业的核心。高新技术企业的技术支持环境主要是国家及地方政府对高新技术企业的基础研究、产业化研究和竞争前研究的支持等。高新技术企业在注重技术的研究、引进与消化的同时，也促进了人才的培养和使用，技术环境的不断改善使得人才的创新意识不断增强，科研能力不断提高，为专业人才和管理人才提供更为广阔的发展空间。同时技术的提高会引导企业的投资方向，将更多的投资机会展现在企业面前，从而增进资金积累，推动技术创新。最终，技术支持环境不断改善促进了高新技术企业资金与人才内部控制的不断优化与升级。

五、结论

综上所述，从我国高新技术企业内部控制实际需要出发，深入分析高新技术企业内部控制的核心因素——资金、技术、人才，并建立支撑高新技术企业资金、人才、技术内部控制的外部环境保障体系。该体系包括的子系统有：政策支持环境、资金支持环境、技术支持环境、人力资源支持环境。

课堂教学三维评价体系创设研究 篇3

摘 要：依据国际现代教育评价理论，用三维视角审视“学生素质、课程资源、教学环境、教学方法、教师素养”课堂教学五要素，构建课堂教学质量三维测评模型，创建课堂教学三维评价体系，应用于现代课堂教学诊断、分析与评价。

关键词：课堂教学；五要素；三维模型；三维评价体系

中图分类号：G712 文献标识码：B 文章编号：1002-7661（2014）19-008-01

世界教育评价理论存在比较清楚的发展脉络，从泰勒模式到CIPP模式、从预定式评价到应答式评价，教育评价历经测量、描述、判断到心理建构四个阶段，评价过程由封闭转为开放、评价内容由片面转为全面、评价功能由单一转为多样、价值观念由收敛转为发散、评价手段由定量转为定量、定性相结合。随着评价理论多元化发展，现行课堂教学评价模式必须依势而行，用全新视角构建立体化测评模型与评价体系，教学评价进入3D测评时代。

“课堂教学三维评价体系”（以下简称“三维评价体系”）建立在课堂教学影响因子研究基础之上，用三维视角审视课堂教学构成要素，建立三维课堂教学质量诊断模型与评价体系。

一、“三维评价体系”数学建模

依据联合国教科文组织“教学质量=[学生（1分）+教材（2分）+环境（4分）+教法（3分）]×教师素质”公式，②可见“学生素质、课程资源、教学方法、教学环境、教师素养”是影响课堂教学质量的五个基本要素，并且对教学质量具有不同的影响力。

如何度量“课堂教学五要素”？辛克莱儿（R.L.Sinclair）[美]、高凌飚、张海平等专家学者认为他们是多维度的。数学上通常用一维数轴度量尺寸，二维度量面积，三维度量体积；机械制图通常用用三维视图（如轴测图）反映物体全貌，因此，我们可以建立课堂教学三维模型，度量其大小，描述其状况，评判其优劣。

1、课堂教学五要素三维模型

“课堂教学五要素”是多维度的，为了便于分析研究，将他们整合为三个维度（二级指标），每个维度用五个单项指标（三级指标）来表达是可行的（参见图1）。

以“学生素质”为例，参照有关专家与学者文献论述，如《国际“终身学习素养”的内涵和特征分析》一文将“学习素养”归结为七个维度：自我评价、反思、规划和管理维度、学习准备维度、自主学习能力维度、信息素养维度、社会素养维度、个人特质维度及基础素养维度，③通过归纳整理，整合为三个维度 （X1-表示“学习态度”，Y1-表示“学习能力”，Z1-表示“学习管理”），下设五个权重不一的单项指标概括评定每一维度，如“学习能力”由学生的问题、沟通、操作、感悟与信息等五项能力加以评定，然后，经过测评交流与数据处理，在指标模型中形成实测映像，计算立体容积V1，得到“学生素质”评定值。

同理，通过科学整合，“课程资源”采用“教材质量-辅助资源-适切程度”、“教学方法”采用“教师主导-学生主体-契合程度”、“教学环境”采用“物理环境-人文环境-优化设计”、“教师素养”采用“知识素养-实践技能-育人品质”等各三个维度，依据现代教育理念下设若干单项指标，构建起课堂教学五要素三维测评模型，获得五要素内涵评定值Vi。

2、课堂教学质量轴测模型

参见图2，课堂教学质量轴测模型由“课堂教学五要素”按不同权重构建而成，其中，教师素养维度（V5）铅直布置，其他四个要素（V1～V4）从原点出发依次水平布置（轴间角450/1350）。在指标模型基础之上绘制出实测映像，实测映像反映课堂教学质量概况，通过实测映像与指标模型比较分析与容积测算，得出课堂教学质量优劣程度，最终作出课堂教学整体价值判断。

图1课堂教学五要素三维模型 图2 课堂教学质量轴测模型

3、数据处理与图像生成

二级指标采用五分制，三级指标权重不一，独立设置。

（1）五要素计算公式：Vi=Xi·Yi·Zi×4/5×Ki%

其中：Vi——五要素评定值；

Xi、Yi、Zi——二级指标评定值；

4/5——百分制转化系数；

Ki%——五要素权重比例，规定K1+K2+K3+K4=100，K5：0～100。本案例设定学生素质、课程资源、教学环境、教学方法和教师素养权重分别为10%、20%、30%、40%、100%。

（2）教学质量计算公式：V=（V1+V2+V3+V4）×V5

（3）三维图像与计算结果可由计算机软件系统自动生成或输出，教学质量输出为百分制。

二、“三维评价体系”设计原则

“三维评价体系”指标设计是重要环节，需遵循四项原则：

1、“导向性”原则

三维指标设计体现课堂教学五要素全面和谐发展理念，通过测评，促进评价对象思想和行为向评价标准靠拢，促进课堂教学、课程开发与专业建设持续改善。

2、“先进性”原则

三维指标设计体现以“教师主导、学生主体”教育思想为核心的现代教学观念，体现与教育国际化、信息化、社会化，以及终身学习与个性全面发展相适应的现代教学观。

3、“有效性”原则

三维指标设计符合课堂教学特点，反映内在与外在要求，体现课堂教学规律与核心要素，得到教师、学生、教学专家与教学行政部门的广泛认同。

4、“开放性”原则

课堂教学影响因子错综复杂，需要发挥教学各方创造性，因此，三维评价体系只能是开放性的，为评价者在评价过程中具体掌握标准留下一定的余地，根据不同情况与时期设计侧重点不同的评价标准，即实施者可以自行设计与调整三维指标、分值与权重，以适应不同学校、专业、学科及其课堂的内在要求。

三、“三维评价体系”轴测影像分析

三维隔震结构的地震响应分析 篇4

基础隔震是被动控制的一种——在结构基础顶面和上部结构之间安装一层具有足够可靠性的隔震层, 将结构基础和上部结构隔离开, 可有效控制地面运动向上部结构的传递。建筑的基础隔震技术经过近几十年的发展, 如今已进入实用阶段。目前, 国内外已建成数百上千的隔震建筑, 但是关于竖向地震作用对隔震建筑的影响尚处于研究阶段。

本文将基础隔震技术对水平地震分量的控制称为水平隔震, 而对水平地震分量、竖向地震分量共同作用的控制称为三维隔震。本文将通过一个实例分析, 阐述竖向地震分量对基础隔震建筑的作用, 进而提出一种三维隔震体系, 并通过与水平隔震体系的对比, 表明此三维隔震体系对三向地震作用的有效控制。

1 分析模型的建立

1.1 结构简介

计算结构为规则的3层混凝土框架, X向为三跨, Y向为两跨, 每跨皆为6m。柱的截面尺寸为500×500mm, 梁的尺寸为500mm×300mm, 板厚为100mm, 采用C30混凝土。层高皆为3m。抗震设防类别为乙类, 场地类别为Ⅱ类, 设防烈度为8度, 地震基本加速度为0.2g。

1.2 水平隔震层

水平隔震层由水平隔震支座以及一块厚度为0.12m的楼板构成, 水平隔震层的框架梁尺寸亦为500×300mm。所有柱子底部皆布置铅芯叠层橡胶隔震支座。在SAP2000软件中, 水平隔震支座用。

1.3 竖向隔震层

竖向隔震层独立布置于水平隔震之上, 由竖向隔震支座、导轨以及厚度为0.15m的楼板构成。竖向隔震支座由钢弹簧和粘滞阻尼器并联构成。导轨的作用在于将水平地震分量与竖向地震分量解耦, 即当水平地震分量单独作用时, 三维隔震结构同水平隔震结构并无太差异;而竖向地震分量单独作用时, 竖向隔震支座将发挥其隔震减震的功能;水平、竖向地震分量同时作用于结构时, 水平隔震支座、竖向隔震支座将独立地发挥其各自功能。

1.4 输入地震波

选取Ⅱ类场地适用的EI-Centro波作为时程分析的地震波输入, 持续时间为30s, 时段大小为0.02s, 加速度峰值为341.7cm/s2。根据我国现行抗震规范中规定:此结构采用三向 (两个水平和一个竖向) 地震波输入时, 其加速度最大值按1 (水平1) :0.85 (水平2) :0.65 (竖向) 的比例调整。

2 三维隔震结构的地震反应分析

2.1 三种结构形式的自振周期

表2是三种形式的结构前六阶振型的自振周期数据, 可以看出水平隔震明显延长了结构的自振周期, 而三维隔震结构与水平隔震结构相比, 前六阶的主振型的自振周期相差不大。

2.2 竖向地震分量对水平隔震结构的作用

对水平隔震结构分别只施加X、Y两向地震波, 对比同时施加X、Y、Z三向地震波的情况, 分别取顶层X向加速度的时程作图如下:

从图5中可以看出, 在高烈度地区, 竖向地震分量对水平隔震结构的影响是不能忽略的。三向地震波同时作用于水平隔震结构时产生的顶层X向的加速度时程的峰值为545.6cm/s2, 而仅对其施加水平地震波时顶层X向的加速度时程的峰值为453.4cm/s2。

2.3 三维隔震结构的减震效果

分别对水平隔震结构、三维隔震结构施加三向地震波, 考查各自的顶层X向加速度时程, 作图如图6:

由图6可知, 和水平隔震结构相比, 三维隔震结构由于设置了竖向隔震层, 使结构在三向地震作用下的反应明显削弱, 其顶层X向加速度时程的峰值为340.1 cm/s2。

结语

本文基于水平隔震结构的基础之上, 提出了一种新型的三维隔震结构, 用于减弱高烈度区竖向地震分量对于结构的作用。通过SAP2000软件建模分析, 可知竖向地震分量对于隔震结构的影响较大;而三维隔震结构可以有效减弱这一反应。

三维隔震结构尚处于研究阶段, 目前国内外并无太多的工程实践。其关键的问题在于竖向隔震层的竖向隔震支座的选取是否合适, 以及竖向隔震层导轨的抗弯刚度是否足以抵抗上部结构的倾覆弯矩。总之, 三维隔震结构的抗震性能还有待进一步的实验研究与分析。

参考文献

[1]周福霖.工程结构减震控制[M].北京:地震出版社, 1997.

[2]GB50011-2010.建筑结构抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社, 2010.

[3]熊世树.三维基础隔震系统的理论与试验研究[D].武汉:华中科技大学, 2004.

伊蚊浓核病毒三维结构的比较分析 篇5

细小病毒是目前已知的结构最小的病毒,其宿主范围很广.利用冷冻电镜和三维重构技术获得了伊蚊浓核病毒1.2 nm分辨率下的三维结构,并利用计算机生物信息处理技术和氨基酸序列比对技术比较了该病毒和其他细小病毒的结构和序列的异同.尽管均属于浓核病毒亚科,但是无论从衣壳结构还是其蛋白质的氨基酸序列上,伊蚊浓核病毒和其他昆虫的细小病毒都有很大差异.相比之下,伊蚊浓核病毒和人类B19细小病毒的衣壳蛋白相似性较大,两者的.结构蛋白和非结构蛋白一致性也高于伊蚊浓核病毒与其他昆虫的细小病毒的一致性.此结果表明:伊蚊浓核病毒和人类B19细小病毒有着密切关系,前者可能来源于B19病毒的较近期变种.

作 者：程凌鹏 陈森雄 Z.H.Zhou 张景强 作者单位：程凌鹏(华南理工大学生物科学与工程学院生物医学工程系,广州,510640;中山大学有害生物控制与资源利用国家重点实验室,广州,510275)

陈森雄,张景强(中山大学有害生物控制与资源利用国家重点实验室,广州,510275)

Z.H.Zhou(Department of Pathology & Laboratory Medicine,University of Texas Medical School at Houston,Houston,TX77030,USA)

复数域上三维李代数的结构 篇6

关键词:李代数;同态同构定理;复数域;三维代数

由参考文献[1]和[3]知道任何一个单李代数(即没有非平凡理想的李代数)都会包含一个sl(2,C),所以单李代数只有一种情况:

[e1,e2]=2e2,[e1,e3]=-2e3,[e2,e3]=e1

下面要考慮的就是非单李代数的情况:

定理:三维李代数G在同构的意义下只有以下五种:

(1)[e1,e2]=0,[e1,e3]=0,[e2,e3]=0

(2)[e1,e2]=0,[e1,e3]=e3,[e2,e3]=0

(3)[e1,e2]=e3,[e1,e3]=0,[e2,e3]=0

(4)[e1,e2]=e1,[e1,e3]=0,[e2,e3]=ke3,k≠0

(5)[e1,e2]=e1,[e1,e3]=0,[e2,e3]=e1+e3

证明:由于G是一个非单的李代数,故必有一个理想N,因此可以做出一个G的商空间G/N,并且定义?鬃为一个自然同态映射:

?鬃:G/N|m?鬃

下面分情况对此进行讨论:

1.N是一个一维理想

由于G是三维的,因此必然有Im?鬃是二维的,由于文献[3]知道二维的李代数只有两种情况:

[e1,e2]=e1或者[e1,e2]=0,因此|m?鬃只有两种情况:

(i)|m?鬃是李代数[e1,e2]=0

则存在G的一组基,使得e1,e2,e3,使得

[e1,e2]=0+N,[e1,e3]=0+N,[e2,e3]=0+N

即[e1,e2]=k1e3,[e1,e3]=k2e3,[e2,e3]=k3e3,k1,k2,k3∈C

由于李代数需要满足Jacobi等式[[e1,e2],e3]+[[e2,e3],e1]+[[e3,e1],e2]=0,带入得到该式恒成立.

通过简单的代换易见可以将k1,k2,k3中的非零的全部换为1,若三个都为0,则即为情况(1),若三个不全为1,我们就得到了五种不同的李代数结构:

1.[e1,e2]=0,[e1,e3]=e3,[e2,e3]=0

2.[e1,e2]=0,[e1,e3]=e3,[e2,e3]=e3

3.[e1,e2]=e3,[e1,e3]=0,[e2,e3]=0

4.[e1,e2]=e3,[e1,e3]=e3,[e2,e3]=0

5.[e1,e2]=e3,[e1,e3]=e3,[e2,e3]=e3

下面证明上面的五种在同构意义上实际上只有两种:

1,2同构:取e1=e2,e2=e2,e2-e1,e3=e3即得二者同构

1,4同构:取e1=e2,e2=e3+e1,e3=e3

2,5同构:e1=e1,e2=e2-e3,e3=e3

1,3不同构:如果二者同构,那么在3中必然有x,y使得[x,y]=x,假设x=λ1e1+λ2e2+λ3e3,y=μ1e1+μ2e2+μ3e3

?圯y=0,矛盾,因此二者不同构.

(ii)|m?鬃是李代数[e1,e2]=e1

同理可得[e1,e2]=e1+k1e3,[e1,e3]=k2e3,[e2,e3]=k3e3,k1,k2,k3∈C

将此带入Jacobi等式得出k2=0

?圯[e1,e2]=e1+k1e3,[e1,e3]=0,[e2,e3]=k3e3,k1,k3∈C

为了方便我们记作ade2e1=[e1e2]

?圯ade2(e1,e3)=(e1,e3)1 0k1 k3

由于若当标准型只有两种1 00 k,1 10 1

从而有两种李代数结构,

[e1,e2]=e1,[e1,e3]=0,[e2,e3]=ke3,k≠0,[e1,e2]=e1,[e1,e3]=0,[e2,e3]=e1+e3

最后我们要证明的就是这两种结构不同构,并且和上面的结构都不同构:

4,5不同构:令e2=λ1e1+λ2e2+λ3e3得出

?圯ade2(e1,e3)=(e1,e3)λ11 0k1 k3

所以e2无论怎么改变,其标准型不过只是多了一个常数因子(这是由于[e1,e3]=0得到的),这里如果λ2=0,那么后面必然可以通过改变e3,e1来保证线性相关性,这是合理的.所以若当标准型不会因为基的改变而改变,所以这两大类李代数,包括第一种不同的k的取值都是不同构的.

4,5和前面几种李代数都是不同构的:

我们发现4,5这两种李代数有一个共同的特点,那就是[e2,span(e3,e1)]的维数是二维的,而上面的李代数的基无论是怎么选取的,维数都是一维的,因此不可能同构

因此同构.

2.N是一个二维理想

和上面的使用情况完全类似的方法分析可以知道,这种情况下的李代数都包含在上面的五种李代数之中的,因此命题得证.

结论:复数域上三维李代数一共有六种:

(1)[e1,e2]=0,[e1,e3]=0,[e2,e3]=0

(2)[e1,e2]=0,[e1,e3]=e3,[e2,e3]=0

(3)[e1,e2]=e3,[e1,e3]=0,[e2,e3]=0

(4)[e1,e2]=e1,[e1,e3]=0,[e2,e3]=ke3,k≠0

(5)[e1,e2]=e1,[e1,e3]=0,[e2,e3]=e1+e3

(6)[e1,e2]=2e2,[e1,e3]=-2e3,[e2,e3]=e1

并且前五种是非单李代数,最后一种是单李代数.

参考文献:

[1]苏育才,卢才辉,崔一敏.有限维半单李代数简明教程.北京:科学出版社,2008.

[2]孟道骥,白承铭,李群.北京:科学出版社,2003.

[3]James E.Humphreys. Introduction to Lie Algebras and Representation Theory. New York:Springer,1972.

“三维结构化”薪酬分配管理 篇7

基层班组是供电企业发展的重要支撑, 一线员工是企业生产经营的主力军, 要调动一线员工立足岗位、敬业奉献的内生动力, 就要在不断加快一线员工成长成才、合理提高员工收入的基础上, 突出一线重点, 合理划分档次, 使一线员工的劳动所得与效率效益、价值创造相匹配[1]。目前枣庄供电公司薪酬分配向缺员严重的单位、工作量较大的岗位倾斜不够, 向工作业绩突出、综合表现优秀的员工倾斜不够, 一线岗位人才流失问题凸显。薪酬分配向一线合理倾斜, 不仅能够调动一线员工的工作热情, 使员工沉下心思练本领, 扎根基层磨练成才, 更有利于形成企业内部合理有序的人力资源配置新格局, 为企业发展储备人才, 增强发展后劲。

1 实施背景

随着“三集五大”体系建设全面落地, 国家电网公司在薪酬管理上提出了要向一线员工倾斜的要求。枣庄供电公司现执行以岗位技能工资为主的工资制度, 较为全面地反映了按岗位、技能分配的原则, 对调动员工工作积极性, 促进企业生产经营发展和经济效益提高, 起到了较好的推动作用。然而随着国有企业改革的不断深入, 企业内外部形势的不断发展变化, 相关问题也逐渐显现出来, 主要体现在薪酬分配系数设置“平衡有余、弹性不足”, 薪酬分配结构中“活”的部分比重小, 一线激励作用发挥不明显。为促进传统保障型薪酬制度向创新激励型薪酬制度的转变, 迫切需要一种新型的薪酬分配管理方式, 实现薪酬分配结果与一线员工实际工作量、工作强度相匹配, 充分发挥薪酬分配激励作用。

2 工作内涵

“三维结构化”薪酬分配管理, 就是在不断加大薪酬分配向基层单位和一线员工倾斜比例的基础上, 通过构建数量、业绩、素质三个维度评价考核体系, 科学设置各维度薪酬分配系数, 提高薪酬分配的激励“空间”, 从而达到向一线合理倾斜的目的, 营造关心基层、重视一线、尊重劳动的良好环境。数量结构化就是以基层单位缺员率、核心岗位人员比例为依据, 设置权重系数, 核定基层单位月度绩效奖金基数;业绩结构化就是通过每季度评选一线“绩优员工”, 对工作业绩突出、综合表现优秀的一线员工给予适当奖励;素质结构化就是对个人能级得到提升或取得创新成果的一线员工, 按照奖励标准进行奖励兑现[2]。

3 主要做法

3.1 数量结构化, 提高基层月度绩效奖金分配比例

按照各单位超缺员情况以及核心岗位人员占比情况, 设置不同的权重系数, 重点解决结构性缺员单位用人需求短期内无法解决等突出问题。通过合理提高缺员单位的月度绩效奖金分配比例, 进一步激发员工工作热情, 有效缓解了“家家要人”的被动局面, 进而促进单位整体工作效率提升。

(1) 分档设置各单位超缺员权重系数

根据《国家电网公司供电企业劳动定员标准》, 按照各单位超缺员情况不同, 设置不同的权重系数。缺员率在25%以上划归为一档, 权重系数为1.1;缺员率在0~25%划归为二档, 权重系数为1.075;缺员率在0~-25%划归为三档, 权重系数为1.05;缺员率在-25%以下划归为四档, 权重系数为1.025。

(2) 分档设置各单位核心人员占比权重系数

根据《国网山东省电力公司“三集五大”体系建设标准岗位序列》, 统计各基层单位核心岗位人员配置情况, 按照各单位核心岗位人员占比情况不同, 设置不同的权重系数。占比为100%划归为一档, 权重系数为1.1;占比在80%~100%划归为二档, 权重系数为1.075;占比在70%~80%划归为三档, 权重系数为1.05;占比在70%以下划归为四档, 权重系数为1.025。

(3) 确定各单位薪酬分配最终权重系数

将上述两个权重系数加权平均, 计算出各基层单位的最终权重系数。

3.2 业绩结构化, 评选一线“绩优员工”

依托全员绩效管理基本框架, 全面完善了班组量化考评体系, 针对不同工作性质的班组、岗位, 按照简约、实用、有效原则, 制定班组绩效考评细则。在此基础上, 开展了季度一线“绩优员工”评选活动, 重点对工作业绩突出、综合表现优秀的员工进行奖励, 按照不超过班组人数10%的比例, 在季度绩效考评等级为A的一线员工中择优评选。对获得“绩优员工”称号的给予一次性奖励, “绩优员工”的评选结果将记入员工个人档案, 并作为公司年度优秀员工评选的重要依据。

3.3 素质结构化, 设立一线员工“人才指数提升奖”

为了提高一线员工收入水平, 通过建立人才指数综合考评机制, 设立“人才指数提升奖”, 并进行一次性物质奖励, 激励一线员工主动学业务、学技术、比技能, 营造一线班组“比、学、赶、超”的良好氛围。对通过提高个人学历、职称、技能进而提升“人才当量密度”的一线员工, 根据学历、职称、技能提高程度, 折算成相应的点值, 每提升0.1点一次性奖励500元;对获得科技攻关、典型经验、竞赛比武、普调考、QC小组活动奖项, 取得注册执业资格证书、申请专利的一线员工, 根据所获奖项级别、名次, 执业证书类型, 按照标准给予一次性奖励。

4 结束语

通过实施“三维结构化”薪酬分配管理, 实现薪酬分配向一线员工、核心岗位、业绩优秀人员合理地倾斜, 促进了传统保障型薪酬制度向创新激励型薪酬制度的转变, 彰显了薪酬分配的激励约束作用。

(1) 坚定了员工扎根一线的思想意识

薪酬向一线倾斜, 资源向一线投入, 公司通过薪酬激励杠杆撬动了员工扎根一线、立足岗位的极大热情, 增强了青年员工留在一线、奉献一线的坚定信心。

(2) 调动了员工争先创优的比拼活力

用业绩说话, 用成效衡量, “绩优员工”的评选丰富了一线员工绩效管理的内涵, 改变了月度评价“轮流坐庄”的潜规则, 增强了“绩优员工”的说服力, 让业绩突出的一线员工得到了实实在在的“实惠”, 建立起了一线员工向“优秀”看齐、争当“绩优员工”的比拼机制, 展现了一线员工队伍“两多两少”的良好精神风貌, 即:讲实干多了, 发牢骚少了;讲奉献多了, 提条件少了。良好的业绩比拼评选机制, 激发了广大一线员工争先创优的极大热情, 汇聚了公司争先发展的强大合力。今年以来, 枣庄供电公司电网建设提速加力、安全生产态势良好、经营管理持续加强、优质服务不断深化、员工队伍保持和谐稳定, 各项工作有序顺利推进。

(3) 激发了员工提升素质的内生动力

设立“人才指数提升奖”, 把一线员工素质提升与薪酬分配紧密挂钩, 职称评审、资格认证、专利创新激励由“隐性”变为“显性”, 成为一线员工发展自我、成就自我的自觉行为, 彻底改变了“不情愿、有怨言”的消极现象, 公司人力资源发展、员工创新创效、人才支撑保障能力得到明显提高。

参考文献

[1]滕兴乐.浅谈中小企业薪酬管理中的常见问题[J].商场现代化, 2007 (04X) .

产业集群成长的三维结构分析 篇8

一、产业集群成长的生命周期与阶段特征

(一)产业集群的生命周期

产业集群的生命周期是指集群从产生到消亡的时间经历。产业集群的内在机理和外部环境变化决定其发展和演化的进程,不存在永远具有竞争优势的产业集群。国家或区域产业政策的调整、市场规模和市场结构的变化、集群内骨干企业的变迁、竞争的加剧、集群网络的破坏等等都可能导致产业集群走向衰落或解体。产业集群呈现出明显的生命周期特征。

奥地利经济学家蒂奇(Tichy,1998)借鉴产品生命周期理论,把集群的生命周期划分为创立期、成长期、成熟期和衰退期四个阶段[1]。王缉慈(1988)、盖文启(2002)等人则以区域创新网络演进过程将集群划分为网络形成阶段、网络成长与巩固阶段、网络逐渐根植的高级阶段等三个阶段[2]。魏守华(2002)依据集群竞争优势的发展将集群成长分为发生、发展和成熟阶段[3]。马建会(2004)将产业集群分为初期形成阶段、快速成长阶段和成熟阶段[4]。根据产业集群成长的一般规律和实践,本文将产业集群生命周期划分为萌芽期、成长期、成熟期和衰退期四个阶段,成长曲线如图1所示。

产业集群的S型成长曲线类似于产品生命周期曲线,其中的拐点具有特别的意义,决定了不同阶段的划分。在第一个拐点A之后,集群从萌芽期进入快速成长期,是整个生命周期中发展最快的阶段。当出现第二个拐点B时,集群成长已经趋于成熟,表现出最为强劲的竞争实力。拐点C表明集群进入衰退阶段,被其他集群所替代或者转型其他产业。虽然产业集群的发展大都需要经历以上四个阶段,但是不同产业集群的生命期长短却有很大差异。有的集群可以在较长时间内保持竞争优势,获得可持续的发展;也有的集群可能只是昙花一现,在很短的时间内就走向衰落。此外,不同产业集群经历各阶段的时间长短也并不相同,有的是萌芽期较长,有的是成长期或成熟期较长,有的经过成熟期后逐渐衰退,也有的在成长阶段还未进入成熟期就开始迅速衰退。因此,产业集群的演化往往较为复杂且非线性,其成长过程不一定走完所有阶段,而且在各阶段中的发展也可能多次反复,并非一蹴而就。

(二)产业集群不同成长阶段的主要特征

产业集群不同成长阶段表现出不同特征,从集群内企业数量、经济规模、产业特色等方面进行归纳总结如表1所示。

二、产业集群成长的三维结构框架

通过上述产业集群不同成长阶段主要特征的分析,可以将各阶段主要特征变量加以综合。如企业数量规模和经济总量规模主要反映了集群成长规模的变化,可以将二者综合为集群产业规模变量;产业特色、产业链和产业配套反映集群产业特色和产业关联情况,总体上可归结为产业结构变量;企业间联系、集群创新网络和根植性之间具有内在关系,反映集群内部相互联系的程度和大小,本质上由集群网络所决定,可以将三者综合为集群网络变量。由此,根据集群产业规模、产业结构和集群网络这三个主要特征变量,建立产业集群成长的三维结构框架,并按照三个维度的不同组合方式将其划分为八个区域,如图2所示。

每个区域既代表了产业集群发展的不同阶段状态和水平,又代表了产业集群发展模式的不同类型。产业集群三个维度的发展程度和协调关系,决定了产业集群的成熟度和竞争优势。区域Ⅰ靠近三个维度的最低点,产业结构不合理,产业规模小,集群网络没有形成,处于产业集群发展的低端水平;区域Ⅱ属于产业结构比较合理完善,形成一定产业特色和产业关联,但产业规模小,集群网络发育水平低;区域Ⅲ虽然形成一定的集群网络,但产业结构和产业规模都不甚理想;区域Ⅳ表现出较好的产业结构和集群网络,但产业规模偏小;区域Ⅴ属于产业规模较大,但产业结构不够成熟,集群网络水平较低;区域Ⅵ表现为产业结构和产业规模较成熟,但集群网络发育水平较低,目前我国很多发展较好的产业集群具有这样的特征;区域Ⅶ属于产业规模和集群网络较发达,但产业结构有待完善和优化;区域Ⅷ是一种最理想的状态,表现为集群产业结构优化合理,产业规模效应明显,集群网络发育程度高,能够尽量发挥产业集群效应,具有持续的竞争优势,是产业集群发展的成熟阶段。

按照以上三维结构框架,本文认为可以从以下三个维度来描述产业集群的成长过程:

1.在产业集群成长过程中,集群规模呈现出明显变化,无论是集群内企业数量规模、企业生产经营规模,还是集群总体经济规模都随着集群发展而不断扩大。集群进入成熟期后,企业数量和生产规模基本保持稳定而不再扩大,产出的经济指标有可能继续增长,但增长缓慢。集群进入衰落期,产业规模开始萎缩,直至集群消亡或者转型其他产业。

2.产业集群的发展,离不开产业结构的不断调整和优化。合理的产业结构包括产业链长短、主导特色产业的形成和配套支持产业的完善等方面内容。产业结构是否合理、产业特色是否鲜明是产业基地成熟度的重要指标,也是获得竞争优势的重要源泉。大量同一产业或相关产业的聚集和发展,可以促使集群产业结构不断优化,产业特色更加突出。产业集群成长过程,同时也是其产业结构不断优化、产业特色逐步形成的过程。

3.产业集群的成长过程,同时也是集群网络的形成过程。伴随着产业集群成长,企业间联系紧密,广泛开展专业化分工与协作,形成集群交易网络和创新网络,并根植于当地的社会经济文化系统之中,进而形成并强化了集群的社会资本网络。

三、集群成长的三维结构分析与讨论

(一)产业规模与集群成长

集群成长过程伴随着集群产业规模的不断变化,根据上述产业集群生命周期的划分,产业集群在不同成长阶段对应着不同的规模,即初始规模、成长规模、成熟规模和替代规模。在整个产业集群生命周期中,产业规模与集群成长基本表现为同步关系,也呈现S曲线的变化趋势,即集群产业规模先从缓慢增长到迅速扩大,在达到成熟期后基本稳定在一个较高水平,当产业集群进入衰退期,大量企业外迁或破产,集群规模则开始下降。集群规模与集群成长还是一种相互促进的关系,集群的不断发展吸引更多的企业进入集群,扩大了产业规模;反之产业规模的扩大更有利于集群规模效益的形成,进一步促进了集群成长。

集群产业规模的扩大无疑有利于集群内企业获取外部规模经济,降低企业长期平均成本,扩大产品市场份额,提升产业集群竞争力。但是,集群产业规模对集群效应存在一个极值点,当集群规模超越极值点时集群效应将迅速递减,这个极值点是集群规模对集群效应的极限约束[5]。集群规模之所以存在一个最大值,一是由于集群网络制约机制的较弱,随着集群规模的扩大,机会主义和搭便车行为滋生,给集群企业带来处部不经济;二是由于产业集群的循环积累和自我强化机制,使集群网络逐渐丧失开放灵活的协同性和适应性,容易陷入僵化而形成锁定效应,阻碍产业集群的持续发展;另外,随着集群成长和集群规模的扩大,产业集群区域往往表现出地价飞涨、基础设施不堪负重等“拥挤效应”,也会造成企业经营成本增加,当这种增加的成本大于企业在集群中所获得的集群效益时,则会导致部分企业离开集群地区,使产业集群的“向心力”变为“离心力”。

(二)产业结构与集群成长

产业结构与集群成长有密切关系,合理优化的产业结构是构建集群网络和发挥集群效应的前提,是产业集群走向成熟的重要标志。产业结构的成熟度可由产业特色和产业关联二个方面来衡量,产业特色反映产业集群主导产业的地位,产业关联则反映集群相关企业之间的产业联系。产业特色越突出,产业关联度越高,则产业集群的产业结构成熟度越高。利用二维平面坐标系统可以将集群的产业结构成熟度划分为四种基本类型,如图3所示。

其中Ⅰ区域表示集群既有突出的产业特色,又有较高的产业关联度,是一种成熟的产业结构;Ⅱ区域表示集群产业特色虽然突出,但产业关联度不高,因此产业结构成熟度一般;Ⅲ区域产业关联度较高,但整个集群的产业特色并不突出,没有形成明确的主导产业,因此产业结构成熟度一般;Ⅳ区域表示产业集群既没有突出的产业特色,也不存在较高的产业关联,是一种产业结构不够成熟的状态。只有主导特色产业突出,产业链完整,产业关联度高的集群,才更有利于建立围绕主导特色产业,相关配套产业支持的合理产业结构,也才更有利于集群广泛和深层次的专业化分工与协作,形成集群网络,以获得持续的竞争优势。

当前,我国以产业集群理论建立的各类高新技术产业开发区、科技园、产业园中,产业结构雷同现象比较突出,很多园区都以电子信息、生物医药、新材料新能源等为主导产业,盲目追求包括各种高新技术产业的庞大产业计划,似乎产业门类越多,产业结构越完善,这是一种误区。从产业集群效应的机理来看,只有围绕主导产业形成相关产业的配套,建立密切的产业联系,才有利于专业化分工与协作,共享知识技术溢出和市场信息,形成特色品牌优势,从而构建集群的创新网络,获得集群效应。因此,缺乏产业特色和产业关联的高新技术产业集群发展得并不理想,相反一些传统产业集群如浙江、广东等一些专业镇,由于产业特色突出,产业合作密切,则发展得比较成熟。

(三)集群网络与集群成长

经济学中关于网络的研究越来越广泛和深入,网络被称为“有组织的市场,可调整的企业”。不同学者从不同角度对网络的类型、结构和层次、网络对组织和区域经济的影响、网络对创新的影响以及集群网络与集群效应的关系等方面进行了研究。本文定义的“集群网络”是指集群相关行为主体间在交换资源、传递资源过程中发生联系时建立的各种关系的总和。集群网络包括三个基本要素:行为主体、网络活动和资源,三个要素分别构成网络的结点、联系和流。行为主体是集群网络的各个结点,包括集群内的企业、个人以及与集群有密切关系的政府、中介组织、科研和教育机构等;网络活动指构成网络结点的行为主体之间资源和信息等的交易、交流活动,包括正式的交易活动和非正式的社会交往,网络活动使结点和结点之间建立起网络联系;资源,包括人力资源、信息资源和各种物质资源,是行为主体间进行网络活动的客体,形成集群网络的各种流,如物流、资金流、信息流等。

集群网络的结构层次比较复杂。刘斌(2004)认为,对集群效应影响较大的网络包括交易网络、技术网络和社会网络三个层次[6]。付新爽(2007)提出集群网络可以分为经济网络、创新网络和社会资本网络[7]。本文认为产业集群网络可分为交易网络、创新网络和社会资本网络三个层次。交易网络是指产业集群内部企业间通过专业化分工与合作以及共享市场信息和技术而形成的相互联系。交易网络通常是围绕产业链上下游分工而形成的,包括各种由产业分工确定的分包和外包关系,网络主体主要是企业。交易网络在网络层次上处于表层,是产业集群内企业获取规模效应、降低交易成本的重要组织基础和源泉。创新网络是指由企业、大学或研究机构、政府机构、行业组织以及其他各类中介组织之间相互建立的合作关系和信息网络,是促进产业集群创新、提高创新效率的核心和重要前提。社会资本网络是渗透于上述交易网络和创新网络,由集群内相关主体间关于集群的制度、规则、信任、价值观、文化一等系列认同关系所构成。社会资本作为交易网络和创新网络得以建立和有效运行的软性黏合剂,构成对这两种网络的深层次支持。

对于高技术产业集群,创新网络是最重要的集群网络,是推动高技术产业集群成长的重要动力。而对于传统产业集群,交易网络和社会资本网络往往对促进集群成长更具有直接的意义。当集群进入衰退期,集群网络也同时逐渐瓦解,二者表现为基本同步的关系。

集群网络是发挥集群效应的核心和基础,伴随着集群成长过程不断形成和完善。首先,交易网络是企业获取规模经济、降低交易成本的基础。如果企业间不存在产业关联,没有建立专业化分工与合作机制,也就没有形成交易网络,那么,就不能获得规模经济和范围经济,降低交易成本也无从谈起。其次,创新网络与知识和技术溢出有密切关系。一方面,创新为知识溢出提供源头,新知识、新技术的不断涌现,产生了技术扩散;另一方面,各类传播和扩散的知识,在社会资本网络中交流、碰撞、集成,有利于促进新的创新。再次,社会资本网络在很大程度上影响着知识溢出和交易成本。集群内社会资本越丰富,基于信任和共同价值观念的行为主体之间联系越密切,也就越有利于知识溢出和降低交易成本。因此,集群网络决定了产业集群效应,是判断产业集群成熟度的重要因素。当前很多产业集群的效应不明显,主要问题就是集群网络没有形成和建立。

四、结论和启示

产业集群成长的内在动力是为了获取集群效应,内在动力与成长环境相互作用,推动产业集群不断成长,构成产业集群成长的动力机制。产业集群的生命周期可以划分为萌芽期、成长期、成熟期和衰退期四个阶段,在集群成长过程中,集群规模、产业结构和集群网络构成产业集群成长的三维结构。优化产业结构应该突出的产业特色,加强产业关联,以促进集群成长。集群规模演化与集群成长阶段基本同步,集群规模的扩大,有利于外部规模经济和集群网络的形成,但集群规模存在极限约束。集群网络伴随集群成长逐步建立和形成,是发挥产业集群效应的基础和核心。培育集群网络,重视集群网络建设,是集群成长的关键。近些年来,很多地方政府把大力发展产业集群作为促进地方经济增长的长期战略,为此,可以得到如下几点启示:

1.地方政府在实施产业集群战略时,要注意集群成长环境的建设,尤其是法规制度、产业政策、市场规则、各类中介服务等软环境的建设。对于各种开发区、科技园,仅仅利用土地、税收等优惠政策招商引资,人为“创造”产业集群,但缺乏适合产业集群成长的环境,往往不能取得理想的集群效果。

2.要注重优化集群产业结构,突出产业特色和产业关联。对于通过“招商引资”新建的产业集群,要事先做好产业集群的规划和定位,并根据集群的产业特色和产业链有选择地引入产业关联较强的企业;对于已经存在的产业集群,可以通过产业政策引导产业整合和产业升级,形成具有特色鲜明的主导产业和相互配套的支持性产业互相协调的产业格局。

3.积极扶持和培育产业集群网络。通过完善市场机制来促进集群交易网络,通过创新激励政策和创新机制建立集群创新网络,通过行业协会、加强本地联系、弘扬创业精神等促进产业集群的根植性,促进社会资本网络的形成。

4.根据产业集群成长规律,对不同发展阶段的产业集群采取不同措施,调控集群规模,优化集群网络,防范集群风险,促进产业集群健康成长。

参考文献

[1]Tichy G.Clusters Less Dispensable and More Risky than Ever[M].London,Pion Linited,1998:228-233.

[2]盖文启.创新网络—区域经济发展新思维[M].北京:北京大学出版社,2002:38.

[3]魏守华.产业群的动态研究以及实证分析[J].世界地理研究,2002,11(3):16-24.

[4]马建会.产业集群成长机理研究[D].暨南大学博士学位论文,2004:47.

[5]李煜华,胡运权,孙凯.产业集群规模与集群效应的关联性分析[J].研究与发展,2007,19(2):63-70.

[6]刘斌.产业集聚竞争优势的经济分析[M].北京:中国发展出版社,2004:92-93.

供热管网三维拓扑结构的仿真方法 篇9

采用区域供热 (District Heating, DH) 系统代替单独供热锅炉可大幅提高能源利用效率和可靠性, 在世界各地都受到了普遍重视[1,2,3]。当前, DH系统结合热电联供、可再生能源、余热利用、储热和热泵等技术正在向第四代区域供热系统发展[1]。在丹麦, 可再生能源已经在区域供热系统中提供了近20%的供热来源[2]。在芬兰, DH系统占有50%的供热市场, 并且有超过80%的DH结合CHP, RES一起供热[3]。在2012年, 欧洲28国的总能源消耗中, 可再生能源达到14.1%, 并有望在2020年增加到20%[4]。

此外, 新一代DH系统工程还提出利用工业过程产生余热提高节能率[5,6,7,8,9]。2000年之后国内也有很多类似的废热利用的报道。如采用钢铁厂的冲渣水热量对居住建筑供热[8,9]。采用吸收式热泵降低热网回水温度大幅提升工业余热利用[10,11]。最近, 文献[12]提出了采用工业废热的低品质能源用于DH系统的关键因素和解决办法。除了收集和整合多种品质的工业余热和负荷调峰管理之外, 关键因素之一是利用工业余热需要长距离管道输送[12]。

工业余热源一般远离城市中心, 而且多数在30-40℃之间, 难以利用。宏观数据表明, 每年中国北方有大约260MT (tce) 低品位热量被浪费[11]。要有效利用这些低品位的能源以及分散各处且不稳定的可再生能源需要能源梯级利用与合理的管网拓扑结构相结合。比如在供热主回路的回水管路经过余热 (或可再生能源供能, 储能) 环节的顺序需要按照进出口温度逐渐升高的顺序。要完成这样的工作需要合理布置管网结构, 才能节约输配能耗和投资。

石兆玉教授指出“要真正实现不多不少, 我国供热系统能效必须大幅提高, 向着三零的目标努力”[13]。所谓三零, 就是水力平衡时没有节流损失, 流量调节时没有过流量存在, 热量控制时没有剩余热量浪费。除了多热源联网成环状管网之外, 可再生能源、工业余热、热泵和储热等环节也加入到管网中。此时, 基于平面拓扑结构的传统网络水力热力分析方法很难解决加入多种节能环节后出现的输配问题, 如供水和回水网络不对称, 不同地点的工业余热温度是否对口等。因此, 在近年来对立体供热网络的研究基础上[14,15,16,17], 本文提出一种改进的立体网络建模方法。该方法能够基于空间拓扑结构解决在热网中加入各类节能环节后水力和热力工况的输配问题。

2. 三维管网拓扑结构立体图

新一代区域供热系统中, 热电联产、可再生能源、工业余热和热泵等都可以是供热系统的热量来源。在文献[14]中介绍了回收赤峰市铜冶炼厂低品位工业余热用于城镇集中供热的工程应用。在该应用中, 按照温度对口原则大量回收工业余热并采用“吸收式换热器”降低一次侧回水温度 (20℃甚至更低) 。在需求侧, 随着近年来低能耗建筑的逐渐推广, 平均单位面积用热量不断减少。特别是当用户采用低温辐射取暖或地暖后, 二次侧的供、回水温度平均降低10-20℃[12]。当供热一次、二次侧的回水温度降低后, 大量较低温度 (30-80℃) 的工业余热和可再生能源就可能被回水利用。在采用新的节能技术后, 继续优化管网拓扑结构不仅有助于合理利用可再生能源和回收工业余热, 而且还能进一步提高供热稳定性。下面以一个简单的管网结构为例说明, 如图1所示,

1-主热源;2-热力站;3-太阳能制热;4-水泥厂余热;5-炼钢厂余热;6-风能制热;

S1, S2主热源;u1-u7热用户;r1-r6工厂余热;n1-n6可再生能源

在图1中, 供热管网结构是由一个主热源和两个热力站组成的一次侧管网结构。在城市周围的工业余热和可再生能源就可用于加热回水。热力站的回水除了可以直接返回主热源外, 还可以根据温度对口, 梯级利用的原则, 分别到太阳能、风能制热, 或者到水泥厂、炼钢厂等吸收工业余热, 然后再返回主热源。根据这些低温热源的产热时段, 产热量大小, 用循环泵 (阀门) 调节流量。由于管路简单, 只有一个热源, 枝状拓扑结构, 完全可以采用平面图。

在图2中, 管网系统中采用了2个主热源, 多环拓扑结构, 与多个可再生能源及工业余热联合供热的立体管网。管网的供、回水拓扑结构出现不对称。特别是若考虑多处供热资源需要温度对口的先后顺序, 可再生能源和余热资源接入管网结构的布置可能更加复杂。在这种立体结构的表示方式中, 主热源和用户放在垂直线上, 上平面放置供水管段, 下平面放置回水管段。可再生能源和余热等环节都放在由回水管段连接的平面中。采用这种立体网络结构的示意方法直观明了。当某个可再生能源或余热停止供热时, 若该段管路的阀门关闭。当出现供、回水管网不对称情况下, 采用立体网络图能更直观的表示管路的连接关系。

但仅表现直观是不够的, 还需要与之对应的水力、热力分析方法。目前在供热管网的水力、热力分析中, 适用于立体管网拓扑结构的方法很少。当供水和回水网络的结构差异较大时, 平面网络的分析方法需要采用供水和回水网络分别计算。但两者连接处往往布置各类型热源、热用户和阀泵等元件, 分别计算并不容易获得满意结果。而采用立体网络分析是整体处理, 无需分开计算。因此, 为实现新一代供热系统更节能、稳定和走向智能化供热, 需要有一套分析立体网络拓扑结构的新方法。

3. 平面网络和立体网络建模方法

传统供热方式下, 供热网络的回水管网与供水管网的拓扑结构对称, 只需分析供水部分就可直接获得回水部分的水力工况。在新一代供热网络中, 供、回水网络拓扑结构一般不对称。若将所有供、回水管路放在平面上分析则管路不可避免出现交叉重叠。特别是由多个、多种热源供热构成的拓扑结构比较复杂时, 采用平面图分析不方便。但采用立体图需要建模方法的改进。

基于图论的传统平面网络分析方法应用广泛, 相关算法成熟。其建模的一般方法是先采用某种 (广度优先或深度优先) 搜索方法生成热网的“树”。据此构建网络基本关联矩阵和基本回路矩阵。然后根据基尔霍夫定律, 由基本关联矩阵和基本回路矩阵生成含有流量 (流量增量) 或压力 (压力增量) 未知向量的方程组。这种建模方法能够满足平面网络基于稳态分析的基本需求。对于规则立体网络, 文献中也提出采用类似平面网络的处理方式[15]。先生成空间管网树, 然后构建空间管网的基本关联矩阵和基本回路矩阵。其基本关联矩阵Ak为:

基本回路矩阵Bk为:

其中, 网络节点数为N;管段数为B;

如满足空间管网的基本回路数F=B-N+1, 则有

基于基尔霍夫定律建模, 由节点连续性方程和环路能量方程有

其中, 为管段流量列向量;为节点入流列向量;为管段阻力损失列向量;为水泵扬程列向量。

建立求解方程组后, 采用某种管网平差方法, 如Hardy Cross法, МКР法, Newton-Raphson法等, 求得方程组的解。由于采用联立方程组, 所以可一次求得一种稳态工况下所有管段平均流量和节点压力值。一般来说, 管段数量越多, 联立方程的数量越大。当管段数量很大时, 需要提高求解方法的效率。

当得到一组管段流量和节点压力后, 对阻力系数进行校正计算直至满足精度要求。水力计算结束后, 继续进行热力计算和热力学参数的校正计算。一般来说, 水力计算和热力计算需要反复迭代进行, 直至获得足够精度的解。

对于有一定组成规则立体网络, 如图4所示, 即便其中一些供水管段或回水管段关闭, 仍然满足空间管网的基本回路数F=B-N+1。因此仍可基于图论搜索供、回水管路及热源、热用户管路, 建立基本关联矩阵和基本回路矩阵。但由于实际用户地理位置的特殊性等原因, 很可能产生非规则的连接方式, 如图5所示, 基本回路数F≠B-N+1。

在图5中, 用户u8和u9的管段连接方式具有空间非规则性。这种情况下采用搜索基本回路的方法就很难奏效。当管网中还含有多种空间非规则连接的储热环节、阀门和水泵等元件时, 要搜索基本回路并建立类似式 (2) (3) 的模型会非常困难。因此, 本文根据前期研究[16,17], 提出一种采用“面向对象”思想的新方法。这种新方法可解决如图5中非规则网络的水力和热力工况分析。

首先, 将供热网络“对象”化。“对象”化是将所有组成网络的元件, 包括管段、阀、泵和热源, 可再生能源, 工业余热等, 都定义为某类特定对象。不同的对象称为不同的“类”, 如管段类, 阀类, 泵类。元件的水力和热力参数定义为对象的“属性”, 元件所遵循的水力和热力学控制方程定义为对象的“方法”。对管段和各类元件的方法均采用偏微分方程或代数方程建模。其中, 管段的“方法”是根据其连续性方程、动量方程式和能量方程建立, 如下式 (4) 、 (5) 和 (6) :

其中, 摩擦系数λ采用Colebrook&White (C-W) 方程计算,

根据非稳态流动方程 (4) ~ (6) 建立的管道模型考虑了温度、高程差和沿管程散热损失的影响。

在构建了整个网络的对象后, 进行网络初始化。根据网络实际布置, 生成各类管网元件实例;所谓生成实例就是将管网元件的对象属性赋予具体数值。如不同位置管段的编号、长度、管径和粗糙度等属性。此外, 还要确定每个元件实例与周围元件实例的连接属性。下一步是确定各元件的初始状态和边界条件。初始状态是指开始计算时, 各元件的参数值。边界条件是根据已知条件设定热源, 水泵, 用户处的压力、流量和温度值;网络内部对象的计算相对独立, 并以所连接的周围其他元件的状态作为边界条件。在计算前, 设定初始的时间步长及计算总步长 (时间步长在计算过程中可以改变) 。再设定收敛条件 (每个时间步长的计算到达收敛的条件) 和达到稳态的条件 (所有管段内的流体流动状态随时间步长推进时几乎不再变化) 。此时可开始进行第一个时间步长的计算。对管段对象, 需要求解方程 (4) ~ (6) 。对于水泵对象, 求解水泵特性方程 (如压头-流量特性方程) 。当所有元件完成一个时间步长的计算后, 只要没有发生计算发散, 就继续下一个时间步长的计算。随着计算时间步长的推进, 管网内的流动会逐渐到达稳态。此时, 就可获得稳态时所有管段的流量、压力沿管程分布值。非管段元件的水力工况也同时获得。下一步, 根据管内流动状态, 由式 (7) 校核各管段摩擦系数, 并再次迭代计算到稳态。此时, 水力计算已经结束。下面进行热力计算, 并对密度、粘度等热力学参数进行校核计算。热力计算和水力计算一般需要反复迭代进行, 直至满足设定的精度要求结束计算。

采用面向对象思想的方法本质上是一种基于非稳态计算的方法。当边界条件固定时, 随着时间步长的不断推进, 计算直到稳态为止。表1给出了传统方法和新方法的主要特点。

值得一提的是, 上文中讨论的有关主供热网络拓扑结构的影响同样适用于二次侧供热网络。因此, 完全可采用新方法对加入了可再生能源、余热、热泵等节能环节的二次侧网络进行分析。

4. 算例

为验证本文提出的三维管网结构的计算方法, 这里给出了某供热城镇的供热一次管网简化图, 如图6所示。

该供热管网是一种多源、多环结构。共有2个主热源, 10个热力站, 78根管段, 4个新热源。其中, S1和S2为主热源。u1-u10为热力站。ne1-ne3为太阳能供热热源, ne4为工业余热。当热源ne1-ne3处于供热时段, 阀门v2, V3, v5, v6, v8和v9开启, 阀门V1, v4和v7关闭。此时, 部分回水经过ne1-ne4加热后再到热源S1和S2处。设在热源S1处的流量为720m3/h, S2处的流量为1080m3/h。并在热源S2处的回水入口处设定压点, 定压为0.5MPa。设用户u1-u10处压力损失均为0.05MPa。设新热源ne1-ne4处带有循环水泵, 压力损失均为100Pa。

表2中给出了管段的计算结果。通过验证可知, 在任意节点处均有节点流量的代数和为零;任意环路节点压降为零。所以, 计算结果满足基尔霍夫定律。

表3展示了用户, 新能源及工业余热的流量、入出口压力的具体计算结果。计算结果表明, 用户u1-u9的阻力都为50k Pa, 且流向与预设方向都一致。流过用户的总流量等于热源提供的总流量 (1800m3/h) 。可再生能源ne1-ne4的压损为100Pa, 其中n1的方向与预设方向相反。计算结果与计算前的设置条件完全符合。至此, 案例计算结果验证了新方法采用立体网络建模进行模拟水力计算的正确性。

5. 结论

对加入了可再生能源、余热等节能环节的新一代热网, 采用立体网络结构表示更直观。通过与平面网络结构的传统建模方法比较, 本文针对三维拓扑结构提出一种新的建模方法。通过算例模拟计算, 验证了新方法进行水力计算的正确性。本文的主要结论是,

(1) 新一代区域供热网络具有供、回水网络结构不对称性, 采用一种新的立体网络拓扑结构表示更直观。主热源和用户放在立体结构的垂直线上;立体结构的上平面放置供水管段, 下平面放置回水管段。可再生能源和余热等环节都放在由回水管段连接的下平面中。

(2) 提出一种采用“面向对象”思想对管网建模的新方法。这种方法不仅可解决传统平面管网拓扑结构的水力、热力分析问题, 还能有效解决加入了可再生能源、工业余热等环节后产生的非规则的三维网络拓扑结构的水力、热力分析问题。

基于结构光亚像素提取的三维重建 篇10

光条的亚像素提取方法很多[3,4],像灰度阈值法、极值法和阈值法等常用方法非常简单,但是精度差,基于方向模板的方法采用几个方向模板来检测亚像素位置,具有最大法线方向增量的方向即为亚像素位置所在的方向。此方法具有很强的抗噪能力,但是计算复杂。图像中的光条可以认为是具有曲线结构特征的,大多数都采用Steger的曲线结构检测器[5]。该方法精确、鲁棒,但真实被测物往往有遮挡、阴影和表面的不连续性,导致了图像中有很多光条端点,Steger方法不能准确地检测光条端点的亚像素位置。为了解决这一问题,本文采用了Steger曲线结构检测器与过零点检测[6]相结合的方法提取结构光的亚像素位置,并采用连接算法按顺序连接每个光条上的亚像素点。

1 结构光成像系统

本文设计的双目结构光成像系统由一台LCD投影仪(SONY,CPJ-D500)、两台性能参数一致的摄像机构成,如图1所示。投影仪具有24位真彩色VGA/SVGA输出,输出信号分辨率可达800 X 600@60 Hz,并通过视频端口与PC机相连,由电脑控制投影仪投影编码结构光模板。在测量过程中,投影模板被投影到被测物上,被两台CCD摄像机(MINTRON,MTV-188IEX)采集到。摄像机采集图像的分辨率设为768×576像素。在PC机上采用大恒采集卡DH-CG410采集从摄像机获取图像,采集卡的S端子与摄像机的视频输出端相连,通过软件控制图像采集过程。

三维数据的获取如图2所示,摄像机与投影仪之间在xoz平面上构成三角关系。在提取了图像上的结构光光条上的点后,可根据摄像机与投影仪之间的几何关系计算相应的三维表面数据。从图像上一点(u,v)可以计算出直线op的方程。从在标定时求得的外部参数中可以获取摄像机与投影仪之间的距离l。在结构光标定时可以获得角度θ。直线op与结构光op′相交于点p。求解点p的函数可以简单表示如下:

由式(1)可知,改变亚像素点(u,v)就会改变重建的三维数据,因此为了实现三维数据的精确获取,结构光亚像素的精确提取是必不可少的。

2 结构光亚像素的提取

2.1 线结构光检测法

首先,采用线结构检测方法来检测亚像素值[4,5,6,7]。设一个像素点(x,y)的灰度值为f(x,y),光条的法向方向向量为n=[nx,ny]T,梯度为r=[rx,ry]T。在点(x,y),用Gaussian模板的偏微分与图像卷积就可以得到rx、ry、rxx、rxy和ryy;方向向量n可以通过计算Hessian矩阵的特征值和特征向量得到。亚像素坐标灰度的泰勒多项式可以表示为:

2.2 过零点检测法

过零点检测方法能够很好地解决端点处的结构光提取问题,其步骤如下:

构造如下函数:

如果亚像素点(x,y)在光条的脊上,(nx,ny)与(rx,ry)正交,也就是说Q(x,y)=0。如果在一个像素点上的Q值为正,在该像素点相邻的另一个像素点上的Q值为负,则在这两个像素点的连线上必有一个亚像素点在光条的脊上,即这两点之间必定存在一个亚像素点(x,y)使得Q(x,y)=0[4]。然而,(nx,ny)有两个相反方向正交于光条曲,因此必须考虑(nx,ny)的方向。设(x0,y0)为一个像素点的坐标,(xi,yi)为该像素点的八邻域中的一个点。可以构造另一个函数

如果E(x,y)<0,即在点(x0,y0)和点(xi,yi)处Q(x,y)异号,即在这两点之间必定有一脊点,该脊点即可作为结构光的端点。

图3所示为应用Steger方法检测亚像素的过程。图3(a)为原始图像,对图3(a)中求得每个像素点的(nx,ny),采用Steger方法得到满足式(4)的偏移量,再得到每一点偏离该像素点中心位置的偏移量(tnx,tny),每个像素点上所得到的亚像素位置必须在该像素点上,并且把具有满足要求的偏移量所对应的像素点标识如图3(b)所示。对图3(b)中每个标识点,如果满足式(6),就在图3(b)中标识该点。从图3(b)端点处可以看出,用Steger方法得到多个像素宽度的端点,由于曲线在端点处失去了方向,Steger方法不能提取光条端点的亚像素坐标。而在图3(c)中,采用了过零点检测算法后得到了最多两个像素宽度光条,与图3(b)相比,光条在端点处变细,便于亚像素级结构光光条的重建。因此,在结构光提取过程中,可采用Steger检测器与过零点检测相结合的方法,解决端点问题,以达到很好的检测效果,提高三维测量精度。

3 实验结果及分析

为了验证本文中结构光亚象素的提取方法是否可提高三维数据获取的准确性,文中采用一个平板作为被测物。分别用本文方法与三角测量法获取了大约300,000个三维坐标点,再把这些三维坐标点拟合成平面,计算每个点到这个平面的距离作为最小均方误差(LMS)。采用本文方法计算出来的LMS为0.1009 mm,而采用如图2所示的光学三角测量法得到的LMS为0.1257 mm。详细计算结果见图4(a)。与光学三角测量法相比,本文采用的方法具有更高的测量精度。PL与PR分别表示从左右摄像机获取的三维数据。

同时,从这些数据中取出一小块区域(大约1,500个点)显示如图4(b)所示,从图中可以看出,从左右摄像机所获取的三维数据点吻合度相当好。这从另外一个角度反映了本系统实现三维测量的稳定性与准确性。

此外,以石膏头像作为被测物,采用本文方法获取了石膏头像表面上大约200,000个点的坐标,这些点云显示如图5所示,可以更直观地看出本文方法的效果。

4 结论

在结构光测量系统中,影响三维测量精度的因素很多,如系统标定、投影点的提取等。本文着重分析了结构光光条亚像素提取的影响,并提出了Steger方法与过零点检测相结合的亚像素提取算法。这种方法较好地解决了结构光光条端点的亚像素提取问题。通过获取一平板表面的三维数据点,对比本文方法与三角测量法之间的误差,进而分析了数据点的精度,本文方法计算出来的LMS为0.1009 mm。对于有效视场深度在1 m的成像范围来说,本文提出的亚像素提取方法将大大提高三维数据重建精度。用石膏头像的三维重建实验更直观地说明了采用本文亚像素提取算法的效果。

摘要：将Steger曲线结构检测器与过零点检测相结合,提出一种新的亚像素提取算法,并通过实验验证了此方法的有效性。

关键词：图像处理,光学测量,亚像素提取,结构光,三维重建

参考文献

[1]Blais,F.Review of20years of range sensor development[J].Electron Imaging,2004,13(1):231-243.

[2]Zhang L,Curless B,Seitz S M.Rapid shape acquisition using color structured light and multi-pass dynamic programming[C].in:Proc.1st Int.Symp.on3D Data Processing,Visualization,and Transmission.2002,24-36.

[3]Amor,B.B.,Ardabilian,M.,and Chen,L.3D face modeling based on structured-light assisted stereo sensor[C].in:Proc.13th Int.Conf.on Image Analysis and Processing.2005,p.842-849.

[4]陶立,孙长库,何丽,等.基于结构光扫描的彩色三维信息测量技术[J].光电子-激光,2006,17(1):111-114.

[5]Steger,C.An unbiased detector of curvilinear structures[J].IEEE Trans.Pattern Anal.Mach.Intell,1998,20(2):113-125.

[6]郝丽俊,程胜,杨荣骞,等.投影结构光空间位置和形状的标定方法研究[J].光电子-激光,2007,7(18):816-819.

三维体系结构 篇11

关键词:细胞 模型 制作

中图分类号:G633.91文献标识码:A文章编号:1673-9795(2012)01(c)-0106-01

生物学科是一门自然科学,研究也离不开模型的构建。模型是人们为某种特定目的对认识对象所作的一种简化概括性描述,这种描述可以是定性的也可以是定量的。模型有物理模型、数学模型、概念模型,制作真核细胞的三维结构模型(人民教育出版社《分子与细胞》54～55页)是运用物理模型的方法,以实物的形式直观地表现对真核细胞三维结构的认识。这个物理模型的制作需要时间长、选择材料难、工作量大,下面将自己做法与大家交流。

1 制定“制作真核细胞三维结构模型”的评价标准及要求

真核细胞三维结构物理模型的制作科学性、艺术性要求高、需要时间长、工作量大、选择材料困难等,根据“三维目标”要求制定如下具体要求及评价标准。

构建真核细胞模型的评价标准。

完成时间:2011-09-25——2011-10-20。

学生个人或以小组为单位,制作真核细胞的三维结构试验模型,或计算机三维动画模型,或绘真核细胞结构图,或下载显微摄像的细胞图,以学习小组为单位上交作品,课代表评选出优秀作品,全班展评,颁发奖品,表扬鼓励。学生个人根据自己劳动多少合作态度自评等级,由组长负责同组讨论后为每位同学评定等级。

评级标准:

优秀,小组由组长负责制定完整设计方案,实施过程和具体分工,上交制作方案。选择材料恰当、实用、环保节能,作品大小比例适合,美观、大方、科学;作品具有创意,细胞各部分结构特点突出,便于观察,给大家有知识的享受,同时具有艺术家的享受,制作过程中能与同组同学积极合作,发现问题,解决问题。

良好,有完整的设计方案,上交制作方案。选择材料恰当、实用、环保节能,作品大小比例适合,美观、大方、科学;细胞各部分结构特点突出,便于观察。组内同学能积极配合。

合格,上交制作方案,上交制作作品。大小比例不恰当,缺乏科学性。

不合格,没有制作方案,没有上交制作作品。

2 制作展示

2.1 将学生分组,选出组长

教师将全班学生随机5～6人分成一组,每组由学生选出组长。

2.2 分配任务,制作模型

组长负责协调、分配工作任务、宏观设计、组装、交流信息、修改完善等任务。组长将细胞膜,细胞核、线粒体、叶绿体、内质网、高尔基体、中心体、溶酶体、液泡(植物有)等工作,每个组员分配做一种或二種。任务分配后,组长负责,每个学生将自己制作的结构、功能,初步设想,一起交流讨论,大家提出修改意见。然后利用课后时间,完成各自制作的模型,各自完成后,组长负责大家一起组装、讨论、修改、完善。

2.3 展示、交流、评价

各组模型做好后,生物科代表组织将全班的模型展示、交流、质疑、反思、评价,具体做法:每组选一名学生向全班介绍自己作品的制作过程、材料选择、结构特点等,然后学生提问质疑,讲解人对提出的问题解答并提出修改完善的意见,课堂展示后,根据提出的意见,各组再修改模型,修改后将作品在教室展示一周,各组组长根据评价标准评定等级,最后由生物科代表、学习委员将各组评定等级统计,对各组做出最后评定等级,每个学生记一次过程性评价成绩。

3 学生在制作真核细胞三维结构模型过程中的靓点

3.1 材料选择

将鲜鸡蛋煮熟后,按90度角切去鸡蛋四分之一,蛋壳为细胞模型,蛋膜为细胞膜、蛋黄为细胞核,用牙签将蛋黄戳孔表示核孔,用橡皮泥捏成各种细胞器,固定在切面上,显示出内部立体结构;用苹果果皮做细胞膜、果肉做细胞质;小皮球壁做细胞膜,乒乓球做细胞核,海带丝做内质网、腐竹做高尔基体;沙布做细胞膜、凉粉做细胞质等等,真是五花八门,各具特色,学生在活动中表现出的丰富创造力和想象力是我没有想到的。

3.2 交流评价

各组讲解人介绍自己作品时,既有科学家的严谨致密,提问者有新闻记者的刁钻古怪,回答有外交家随机应变,又有小品演员的幽默风趣……,整个提问解答探讨过程,各抒己见,畅所欲言,对答如流,生动活泼,和谐有序,学生沉浸在科学的殿堂,思绪在细胞的结构中飞扬。体现科学性的提问,如在制作过程中如何体现细胞各部分结构大小比例、位置;功能方面的问题皮球壁如何体现细胞膜的选择性、流动性;凉粉做细胞质如何体现流动性;你作品的制作材料将造成环境污染,你们如何处理,有的学生当作工艺品长期保存,有的对自己的作品材料分析,在一定时间内将会被分解,不会造成环境污染;面对同学们咄咄逼人的低碳、节能提问,讲解人耐心的给大家算自己作品的成本价等等。学生在展示、交流、反思、评价中表现出的科学、自信、责任感令人惊讶。

3.3 学生收获体会

学生在制作报告中提到的收获体会普遍是:通过这次制作细胞模型,体验了制作过程的乐趣,更进一步掌握了细胞各组成结构及各种细胞器的显微结构与形态,以及它们的联系和功能;通过活动,小组成员加深了感情,培养了合作交流、语言表达、提出问题、解答问题的能力,还培养了多方面感知和考虑问题的方法,能够从不足中反思,在反思中改进,仔细斟酌,不断完善,通过大家合作努力,做出了一个既科学又实在且成本低廉的模型,在活动中我们获益匪浅;制作细胞模型,加深对细胞空间结构的认识,边做模型边考虑,更清楚地了解细胞各部分结构与功能,寻找符合要求的材料,更形象的联想到细胞器的作用,增强了动手动力,小组间的团结协作,对我们教育意义太大了;生物体是非常奥妙的,在动手做模型时才体会到快乐;实践与学习相结合,实践使我们记得更快、更牢,让人充实,充分感受到学习的乐趣;制作细胞模型还是很辛苦的,能体会到科学家工作的艰辛,我们应该尊重科学家;科学研究需要严谨性,但我们在严谨性的体现上做得不好,如无细胞质基质等缺点等等。学生在制作过程中,表现出的严谨、实事求是、享受到如此的成功、快乐是我没有想到的。

参考文献

[1]教育部.普通高中生物课程标准(实验)[M].人民教育出版社,2003(4).

[2]生物教师培训手册[M].人民教育出版社.

[3]普通高中课程标准实验教科书生物1分子与细胞[M].人民教育出版社,2007(2).

[4]普通高中课程标准实验教科书生物1分子与细胞教师教学用书[M].人民教育出版社,2007(1).

三维体系结构 篇12

随着我国大型水电站建设的展开,水电站隧洞衬砌结构向着体形大型化,地质条件多样化,受力条件复杂化的方向发展[1]。衬砌自身的结构形式也日益复杂。如何分析衬砌结构的力学特性,以及如何计算衬砌结构的配筋,使之同时满足安全性和经济性的要求,是一个重要的课题。压力隧洞的传统计算方法[2,3]假定围岩及衬砌材料为连续各向同性的弹性介质,忽视了围岩及衬砌材料的非线性性质的不利影响,并且是将围岩与衬砌结构分开进行计算,从而导致隧洞混凝土衬砌厚度及配筋量偏大。因此,有必要对考虑隧洞围岩、衬砌联合承载及材料非线性情形下的衬砌结构进行分析计算。基于此,本文首先采用三维弹塑性损伤有限元分析方法,对复杂受力条件下衬砌结构进行计算,研究探讨了各工况下隧洞衬砌结构的受力特点;其次利用有限元插值应力场在衬砌截面上积分计算内力,基于内力结果在配筋截面上进行配筋计算,以保证衬砌配筋满足要求,并提出优化建议。

该方法基于三维有限元计算,综合考虑了初始地应力场,开挖卸荷,复杂地质条件及地下水位等多种因素,研究了衬砌结构的稳定特性,并直接由有限元结果插值进行配筋计算。为在工程实际中选择经济合理的衬砌形式以及提高隧洞运行的安全度提供依据。相较于传统衬砌结构设计评价方法更高效,精确,可为类似工程提供借鉴与参考。

1 衬砌结构三维有限元分析的基本方法

本文对衬砌结构采用弹性模型进行计算;对围岩单元则采用弹塑性模型[4],屈服准则采用Ziekiewicz-Pande准则,以增量变塑性刚度法进行迭代计算[5]。

衬砌结构是在隧洞开挖完毕后施加上去的。为了反映隧洞开挖变形对衬砌作用的影响,可以洞室开挖释放的荷载:

改写成:

式中:σ0是开挖单元的初始地应力场,包括自重应力场和构造应力场;γ为岩体容重;α为荷载分配系数。

衬砌结构施加前,作用于结构的荷载为

衬砌结构施加后,作用于结构的荷载为:

式中荷载分配系数α的取值与岩性、地应力和支护时机等因素相关,工程中一般靠经验确定[6]。因此,本文尝试给出一种确定取值的数值计算方法。

弹塑性有限元计算中,开挖后围岩单元的应力状态按下式可分为弹性和塑性,即:

式中:F为屈服函数;σ为开挖后的围岩应力;σ0为岩体的初始应力;Δσ为开挖引起的应力增量。当岩体开挖后,若围岩单元进入塑性状态,则一定存在一个临界应力状态,满足:

式中:β为单元的弹性系数。令p=1-β,p称为塑性系数,其大小反映了总应力增量Δσ 中塑性荷载的比例。由式(6)可以看出,初始地应力场下已屈服的岩体单元p=1;开挖后仍处于弹性的单元p=0。

根据式(6),采用Zienkiewicz-Pande屈服准则[7],通过一次开挖计算,令全部开挖释放荷载作用于围岩,求出所有围岩单元的塑性系数p;塑性系数p的分布在一定程度上反映了围岩的承载条件,因此,式(2)中的荷载分配系数可根据洞室顶拱和边墙单元的塑性系数p分布按式(7)综合确定。

其中,η为支护时机滞后系数。视工程实际情况,对于自承能力较差的岩体,数值分析时可取用较小η值,使围岩单独承担的荷载减少;对于自承能力较强的围岩,数值分析时可适当放大η取值,使围岩承担部分塑性荷载。一般地,岩性越差,地应力越大,则η越小;反之,η越大。

洞室开挖荷载释放完毕后,再根据运行期引水隧洞的水位分布情况,计算隧洞衬砌受内、外水压力作用的受力特征。

2 衬砌结构的配筋计算

本文基于应力图形法,编制了地下洞室衬砌结构的配筋计算程序。并可以自动生成配筋截面:对于衬砌结构有限元模型,先生成模型的拓扑关系,即结点、单元线、单元面、单元间的相互包含关系;再对模型进行消隐,建立表面单元线表,这里定义表面单元面仅有一相关单元或相关单元仅有一衬砌单元,表面单元线包含在表面单元面中,以一平面截取表面单元线,生成内外轮廓交点,依序连接交点,即形成内外轮廓线,即可获得配筋截面。

2.1 应力修正与内力修正

由于有限元计算的特点,单元内部有应力均化现象,从而导致配筋截面上计算弯矩偏小。引入应力修正系数r。首先对结点应力作估值,可由与该结点相关的单元应力取平均值求得。分别计算单元应力及结点应力在问题域局部的极值,令其为σeij、σnij,取

这里‖ ‖ 表示应力张量的度量,取为应力不变量的函数。一般有r>1。将r与结点应力相乘即得修正结点应力。

有时沿配筋截面仅有少数几层单元,这可能导致计算弯矩偏小甚至方向相反。引入应变修正方法,假设在配筋截面方向上,应力依线性分布,设应力梯度为沿配筋截面应力的斜率,则应力梯度可由配筋截面两端点应变计算获得。假设配筋截面两端点沿所取投影方向正应变分别为ε1和ε2,则可得配筋截面上应力梯度为:

式中:L为配筋截面长度;L依结构形状和受力情况取值。

2.2 配筋截面的内力及配筋计算

单个截面的内力计算过程如下:

(1)设置应力插值点,取配筋截面分点作为插值点,份数与单元层数成比例,一般为其2倍或以上[8]。

(2)由上述插值方法计算各插值点应力,并根据上述应力修正方法对应力进行修正。

(3)由柯西公式σn=ninjσij计算各插值点沿某一方向正应力。通过数值积分计算配筋截面上内力,这里采用复合积分公式。依据沿配筋截面方向单元层数对截面上内力作修正[9,10]。

以一长圆筒为例。其内径r=5m,外径R=6m,受外压q1=0.5 MPa,内压q2=0.7 MPa,按弹性本构计算,则由解析解公式可得配筋截面上轴力N=500kN,弯矩N=16.56kN·m。建立该圆筒有限元模型,沿径向取5层单元,对其进行有限元分析。图1左右分别为经由插值及数值积分所得的轴力及弯矩结果。可以看出,与解析解相比,轴力误差在4%以内,弯矩误差在6%以内。若考虑应力修正取应力张量度量为第一应力不变量可得应力修正系数为1.01,从而使结果更趋近于解析解。

截面上配筋参照《水工混凝土结构设计规范》(DL/T 5057-2009)。如果截面上应力分布接近线性,按正截面承载力方法计算配筋;若偏离线性较大,按拉应力图形面积计算,即As=K T/fy,这里T取为拉应力面积,为钢筋强度设计值,K为承载力安全系数。裂缝宽度验算依据具体工程情况参照相应规范计算。

3 工程实例分析

3.1 工程概况

本文结合某水电站引水隧洞衬砌结构进行分析计算。电站装机容量2 400 MW。电站单机引用流量较大(Q=621.4m3/s),机组采用单管单机供水形式,对应4台机组。每条引水道由进口渐变段(矩形 → 圆形)、上平段(有压引水隧洞)、渐缩段(有压隧洞段→地下压力钢管段)、上弯段、斜井段、下弯段、下平段等组成。引水道进口底板高程1 575.00m,出口中心高程为1 494.80m。由于引水隧洞条数较多、洞径较大(最大开挖断面16.8m,居已建发电引水隧洞最大开挖直径的前茅)、相邻隧洞间的岩柱厚度较小(略大于一倍开挖洞径),且围岩地质条件较复杂,因而有必要对隧洞衬砌结构受力特性进行分析,并进行结构配筋计算以满足限裂要求。

3.2 计算参数及有限元模型

计算网格一共剖分了362 544个8节点空间等参单元,节点总数376 960个。由四条引水隧洞进口段始端建至有压段末端。有限元模型参见图2,根据引水隧洞地址剖面图,共划分了三类岩体单元。衬砌采用C25混凝土,衬砌结构参见图3。计算所取的岩体和衬砌参数见表1及表2。

模型X轴垂直于进水口段轴线方向,Y轴沿进水口段水的流向,Z轴与大地坐标重合,指向上为正,范围由1 433.6m高程至地表。边界条件为:底部全约束,四周法向约束,顶部不约束。

3.3 计算工况

本文以四条隧洞均过流为最不利工况展示衬砌受力及配筋成果。

(1)内水压力由正常蓄水位1 618m确定。水击压力,4号压力管道末端的最大水击压力值为36.8m,其余3个引水道的压力管道末端的水击压力值也按4号引水道取,为36.8m,水击压力分布按线性规律计算。

(2)外水压力由水库蓄水后地下水位线确定,水库蓄水后的地下水位线由渗流场分析求得[11,12]。根据计算所得的岩体渗流场节点水头,在衬砌结构上施加渗透体积力。

(3)计算使用自行编制的地下洞室三维有限元分析以及渗流分析程序。

3.4 计算结果分析

(1)衬砌应力及位移分布规律。进水口渐变段1-1以及上弯段2-2两段截面衬砌第三主应力分布规律参见图4及图5。两段典型截面变形示意图参见图6及图7。

受内水压力作用,隧洞典型断面第一主应力均为压应力,分布在-1.14~-0.19 MPa,应力矢量沿洞周径向。

断面第三主应力为拉应力,应力矢量沿洞周切向。1-1断面由于断面形式,四周拐角处出现应力集中,拉应力值达1.5MPa;2-2断面由于高程比1-1断面高程低,内水压力较大,断面各部位第三主应力量值均大于1-1断面第三主应力。4号洞由于洞径最大,洞周围岩参数较其他三条隧洞洞周围岩参数低,故而衬砌承担较多围岩荷载,断面各部位拉应力量值大于其他隧洞拉应力值,两侧腰部拉应力值达2.5 MPa。计算结果表明,渐缩段以及下游衬砌拉应力超出混凝土抗拉强度设计值,应重点加强配筋。

1-1断面位移分布在0.2~0.7mm。2-2断面各部位位移值相对于1-1断面位移略大,分布在0.3~1.2mm。变形指向洞外,各断面底部位移大于隧洞顶部及两侧位移。其中圆形断面洞周变形较渐变段洞周变形均匀。

(2)隧洞衬砌配筋计算限于篇幅,本文展示4号隧洞1-1断面和2-2断面的截面内力以及配筋分布图,分布参见图8和图9。

1-1断面受截面形状影响,角点处弯矩与边上弯矩方向相反,由于内水压力,边上弯矩向内弯,近角点处弯矩向外弯。其余各断面弯矩基本向外。

各洞基本按小偏心受拉配筋,并利用裂缝宽度限值验算配筋率。按所处环境类别,取裂缝宽度限值为0.3mm,先由单宽配筋截面上内力进行配筋计算,结果表明:1-1断面按构造配筋,2-2断面裂缝宽度均未超出限值。若对于其他断面出现裂缝宽度超出限值,需对这些截面通过裂缝宽度验算求得配筋率。

4 结论

(1)考虑隧洞围岩、衬砌联合承载及材料非线性情形下对衬砌结构进行分析计算。为了反映隧洞开挖荷载对衬砌作用的影响,提出了“荷载分配系数”取值的一种数值计算方法,为类似工程计算提供参考。

(2)基于有限元分析结果,实现了地下洞室隧洞衬砌结构的配筋。采用应力图形法配筋,配筋截面自动生成,能适应各种截面形式,同时应力分析与配筋过程相对独立,具有较高的效率,对圆筒结构的验算表面,该方法具有较高的精度。

(3)采用应力修匀计算结点应力,再计算插值点应力。特别地,该方法对于网络稀疏的情况具有很好的精度。对某水电工程引水隧洞的计算实例表明,衬砌结构有限元分析以及配筋计算方法成果合理,可以用于实际工程的配筋设计中。

参考文献

[1]卞康,肖明,任祎.复杂调压井结构的三维有限元分析计算[J].中国农村水利水电,2008,(3):115-117.

[2]河海大学,武汉大学,大连理工大学,等.水工钢筋混凝土结构学[M].北京:中国水利水电出版社,2009.

[3]吕西林,金国芳,吴晓涵.钢筋混凝土结构非线性有限元理论与应用[M].上海:同济大学出版社,1997.

[4]肖明.地下高压岔管洞室稳定及衬砌损伤开裂分析[J].武汉水利电力大学学报,1995,28(6):594-599.

[5]俞裕泰,肖明.大型地下洞室围岩稳定三维弹塑性有限元分析[J].岩石力学与工程学报,1987,6(1):47-56.

[6]肖明.地下洞室施工开挖三维动态过程数值模拟分析[J].岩土工程学报,2000,22(4):421-425.

[7]王勖成,邵敏.有限单元法基本原理和数值方法[M].北京:清华大学出版社有限公司,1997.

[8]张雨霆,肖明,熊兆平.三维空间离散点数据场的插值方法[J].武汉大学学报:工学版,2008,41(4):34-37.

[9]钱向东,任青文,赵引.一种高效的等参有限元逆变换算法Ξ[J].计算力学学报,1998,15:4.

[10]李春光,郑宏,葛修润,等.六面体单元等参逆变换的一种迭代解法[J].岩土力学,2004,25(7):1-050.

[11]张巍,肖明.地下工程复杂渗流场数值模拟研究与应用[J].岩土工程技术,2005,19(1):13-16.