成本控制可视化（共12篇）
成本控制可视化 篇1
项目是企业的基石,项目经营的成败直接关系着企业的生存与发展。决定项目经营成败的因素有许多,成本控制无疑是最关键的一项。目前许多施工企业仍然沿用传统的成本管理手段,成本控制结果优劣不一,项目成本控制好就认为项目经理有能力,项目成本控制不好的就指责投标单价的问题或认为企业内部体制出现问题的状况屡见不鲜,实际上这些观点反映的只是一种表面现象,没有真正体现项目成本控制得失的真正原因。本文根据作者参与、主导过的项目管理实例,提出细化财务备查账目,对项目进行动态监控,形成一种项目成本可视化的管理模式,为项目成本控制的发展探索新的思路。
1 项目成本管理的历史发展
项目的管理实质就是要结果,要成功的结果而进行必要的管理,而成本控制正是实现这一成功结果的一个必要环节。
(1)成本管理的产生
早在春秋战国时期《考工记》中:“凡修筑沟渠堤防一定要以匠人一天修筑的进度为参照,在以一里工程所需的匠人数和天数来预算这个工程的劳力,然后方可调配人力进行施工”这是人类最早的成本控制方法。
(2)据记载我国唐代已经有定额“功”的应用,《营造法式》一书中记载在北宋时期管理技术应用的“料例”和“功限”就是我们现在的”材料消耗定额”和”劳动消耗定额”,这些只是人们用直觉和经验开展的各项成本控制。
(3)随着社会的进步,项目管理经过古典型和传统型发展到现代导向型的管理阶段,成本管理也有很大飞跃,现在我们应用的一种改善项目绩效,预警成本超支的有效管理技术即成本挣值管理已经有广泛应用。
从项目成本管理的发展可以看出,成本控制经过漫长的发展,随着项目的变化而变化,原来项目单一、简单,现在项目复杂、多样,成本管理也越来越全面,越来越复杂,但成本控制的本质是相同的,控制的着力点就是从项目的单元体着手,从而控制整个项目。
2 项目成本控制存在的问题
加强项目成本管理,控制项目成本支出,提高项目的赢利能力,是保证施工企业生存与长期稳定发展的必由之路。然而现阶段项目管理中的成本控制理论在实际应用时总出现控制不到位、超支频发、经济活动分析中找不到根本原因、经济活动分析流于形式等现象。究其原因主要在于项目成本控制主要由现场工程师组织进行,现场工程师不管财务,无法及时从项目财务报表中得到项目成本的相关信息;而能够及时得到项目成本第一手信息的会计师又不能控制项目工程,在工作中大家都很努力,结果却不理想。
(1)工程和财务没有找到很好的链接点,工程人员计算的成本结果和财务反应的结果总存在不一致情况。
(2)工程范围经过细化分解后可以划分到分部、分项及子分项工程,而财务系统只对分项工程进行记录,也就是工程和财务所列细目不匹配,成本控制常死后验尸。例如在彰通高速路基桥涵四标段工程结束后进行成本分析时,财务系统只显示下部工程成本超支,并不能体现那座墩柱或那座承台成本超支,是什么原因。这就很有必要结合施工的具体情况,提出工程项目成本可视化的管理模式。
3 成本控制可视化原则
施工项目成本控制可视化原则是项目成本管理的基础和核心。项目在施工过程中进行成本控制时,应遵循以下基本原则。
(1)成本最低化
施工项目成本控制可视化根本目的,在于通过成本管理各种手段,不断降低施工项目成本,以达到可能实现最低的目标成本要求。
(2)全面成本控制
全面成本管理是全项目、全员和全过程管理,项目成本的全过程控制要求成本控制要随着项目进展的各结合段进行,实现可视化。
(3)动态控制及目标管理
施工项目是一次性的,成本控制应强调项目的动态控制。因为施工准备阶段的成本控制是根据施工组织设计的具体内容确定成本目标,编制成本计划,制定成本控制方案,为以后的成本控制做好准备,而竣工阶段的成本控制由于成本盈亏已经基本定局,即使出现偏差,也来不及纠正。因此成本动态控制、在动态中实现可视化十分必要,发现问题及时纠正,将成本控制于一个良性循环中。
(4)责权利相结合
在项目实施过程中,项目各部门有权有义务对各自工作范围进行成本控制,从而形成整个项目成本控制责任网络。项目部对成本控制好的部门、人员进行奖励,差的要进行惩罚。只有把责权利相结合,才能使成本控制可视化真正落到实处。
4 施工成本控制可视化的依据
(1)工程承包合同
施工成本控制可视化要以工程承包合同为依据,围绕降低工程成本这个目标,从预算收入和实际成本两方面,努力挖掘增收节约的潜力,以求项目获得最大经济效益。
(2)施工成本计划
施工成本计划是根据施工项目的具体情况制定施工成本控制方案,是施工成本控制的指导文件。
(3)进度报告
进度报告提供了每一时刻工程的实际完成量、工程施工成本实际支付情况等重要信息。施工成本控制可视化工作通过实际情况与施工成本计划相比较,找出了二者之间的差别,分析偏差产生原因,从而采取措施改进以后的工作。
(4)工程变更
在项目的实施过程中一旦出现变更,工程量、工期、成本都将发生变化,从而使得施工成本控制可视化变得更加困难。因此施工成本管理人员就应通过对变更要求中各类数据的计算分析,随时掌握变更情况。
5 项目成本可视化的控制方法
施工项目的成本控制,是指在项目成本形成的过程中,根据事先制定的成本计划,对项目日常发生的各项经营活动按照一定的要求进行控制。由于工程成本管理是一套办法,财务系统是另一套模式,造成施工成本可视化程度不够,每个工程项目完成后工程结果不能真正达到积累和总结,即使比较也只是粗略对比,这就要对财务管理进行细化,体现工序过程控制,实现项目成本监控,即项目成本可视化管理,方法如下:
(1)确定工程范围,对工程规模进行细化分解,经总监办和项目指挥部审批确定工程的分部、分项、子分项,这是明确项目范围、掌握项目内容的首要一步。
(2)将合同中的工程量清单按审批完成的分项和子分项进行分解,明确各分项和子分项的直接费部分预算数值。
(3)财务部门按照各分项和子分项建立账目,并根据施工进度计划制定成本控制计划。
(4)强化首件子分项工程的成本控制,在相同条件下首件成本将会成为批量生产成本的度量。
(5)在实际操作中,财务部门单独建立以子分项为单位的控制系统,工作量特别大,在实践中可执行度较差,为免除这一缺点,可将以子分项为单位的控制系统设为财务成本备查系统,由工程合同部和材料设备部通过网络平台与财务部共建系统。
(6)财务备查系统建立过程:每天班组长按生产计划提领料计划,工长复核,工程部长按子分项进行审核,生产经理审批,由仓库管理员发放材料,内业将发放情况录入系统,工程、材料、财务三个部门即时对成本情况跟踪,每个相同子分项的成本时时对比,一旦偏差出现,可立即反馈信息,全面进行分析纠偏,使项目成本在过程中可视化。例如在沈阳三环改扩建工程桥梁三标段中1#承台的成本可视化跟踪表(见表1),从跟踪表中清晰掌握各工序的投入情况以便及时调整。
6 结束语
成本控制关系到企业的经济效益,施工项目必须要进行成本控制,成本控制的关键是要把成本控制贯穿于施工项目的全员和全过程,只有通过建立项目成本备查系统,时时体现工程各个工序、子分项的成本情况,才能使项目成本可视化,真正实现精细化成本管理,才能在激烈的市场竞争中立于不败之地。
摘要：工程项目在企业经营中发挥着越来越重要的主导作用,然而却存在着项目成本管理粗放、成本控制不到位等问题。针对目前公路市场现状,以项目成本管理得失为例,提出项目成本可视化管理模式。
关键词：工程项目,成本控制可视化,成本管理
参考文献
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[2]庞峰,李书源.施工企业项目施工[M].中国铁道出版社,2007.
[3]李玉军.我国建筑工程项目成本控制研究[J].合作经济与科技,2009.
[4]陆惠民等.工程项目管理[M].东南大学出版社,2002.9.
[5]赵树猛.企业成本控制技术[M].广东经济出版社,2003.7.
成本控制可视化 篇2
信息可视化简史
信息可视化有着悠久的历史，并在 17 世纪以来取得了长足的进步。由于计算能力的发展，20 世纪在信息可视化的发展方面取得了卓越的成就。我们从历史说 起，在 年的俄罗斯战役中，绘制法国军队连续损失的地理图形 可视化可谓是信息可视化历史上的一座丰碑，提到信息可视化的历史，都少不了要提起它。现在，同样的图形可以通过更丰富的细节和交互元素渲染出来。
作者/版权所有者：IñigoLopez。版权条款和许可：CC BY-SA 4.0世纪的信息可视化发展情况
在 20 世纪早期，信息可视化领域的进展不大。人们做了一些努力来改进现有的模型，但整体而言-虽然可视化仍在向前发展，但是这门学科似乎没有突显出来，也很少有惊人的进步。
然而，20 世纪下半部分的信息技术发展，则创造了信息可视化学科的发展和繁荣，持续至今。20 世纪是个充满戏剧性的时代，各种新技术一批一批涌现，先是计算技术的革新，之后又是互联网的发明，加快了信息传播的速度，这就间接催生了信息可视化技术的发展。
1950--1975--
数据可视化的变化
约翰·图基于 1962 年发表了一篇论文“数据分析的未来”。在那篇论文中，他探索了信息可视化的学科（没有参考信息可视化，因为这个术语在 20 世纪 80 年代在施乐帕洛阿尔托研究中心创造后才成为常用的说法），特别是开始创建可用于分析的新模型，如箱形图，悬挂根图等, Tukey 的工作重振了这门学科，并开始吸引专业人士回到数据分析领域。
1967 年，法国的 Jaques Bertin 试图在他的作品 Semiologie Graphique 中统一图形和演示。它提供了巨大的洞察力，可以直观地生成信息，从而更好地了解统计分析。
然后在 20 世纪 50 年代末和 60 年代，采用编程语言 FORTRAN，这是第一种“高级”语言，开始能够创建计算机处理的统计数据-大大增加了要处理的信息量。
DataFocus
开发了高度交互的统计计算系统并且这些系统是常用的。这与使用编译批处理的早期命令驱动系统进行了比较。
实现了可视化数据分析的新方法，例如链接，刷涂，选择，聚焦等，可以应用于交互式数据模型。
开发了诸如盛大游览，散点图矩阵，平行坐标图等工具，因此可以更好地分析具有大量维度的数据。
开发了用于绘制离散的分类数据的新技术。
信息可视化领域已经扩展到包含许多新形式的数据，数据结构。
除了提供美学上令人愉悦的简单静态可视化之外，信息可视化领域已经开始实现对显示数据的认知和感知方面的理解。
出现，将可视化的发展推向了新的高度，除了大量的使用交互新技术以外，一些 前卫的软件如 也开始引入自然语言处理技术（NLP），增强数据分析的 易用性，将数据可视化推向深入。
一个比较通用的例子，是一大批工业界商业智能产品和数据可视化软件的 在 20 世纪 60 年代后期，通过计算机创建信息可视化的过程正在进行中，并且第一批统计应用程序在 20 世纪 70 年代初开始出现。
作者/版权所有者：Arnold Reinhold。版权条款和许可：CC BY-SA 2.5
许多形式的统计表示也在 20 世纪 70 年代早期出现，包括：傅立叶函数图，Chernoff 面图，起始图，聚类和表示以及使用多维双标图。
1975 年
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至今
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互动和动态数据可视化的出现
由于发展过于迅速，为信息可视化的进展提供精确时间表变得更加困难。
Michael Friendly 提供以下要点：
作者/版权所有者：Chris 73.版权条款和许可：CC BY-SA 3.0
虽然理论上可以手动创建上述图像，但实际上它们需要计算能力才能实现经济高效的开发。如果手工绘制的话，一个小小的错误会使这样的图表变得无用;在计算机上单击按钮可以修改可视化。
除此之外，整个世纪还开发了越来越强大的应用程序来实现信息可视化。这包括开发动态图形方法，允许数据用户快速，轻松，直接地处理图形及其属性。
走开
成本控制可视化 篇3
[摘要]为了构建低廉、可靠的小区可视对讲系统，实现小区安全防范、信息采集的要求，我们对现场总线技术和它的一种解决方案 — CAN网络技术进行了研究。我们分析了RS-485主从式多机通信的缺点，提出了对等式多机通信网络控制。通过对网络有效利用率的研究，发现对等式多机通信中动态延时方式比固定延时多机通信更高效，更能满足可视对讲系统中控制网络的需求。在此基础上，我们结合我国目前小区智能化系统的现状及未来的发展趋势，设计并改进了“CAN+RS485”底层网络，实现了小区可视对讲系统的控制网络。
[关键字]CAN；RS-485；现场总线；智能小区；串行通信
Design of Control Network in Visual-speaking System of Intelligent Community
Zhang Xiao-min1,Wei Ming-fei2
(Shanxi technicians'school of electric powerXi'an ；Xi'an university of architecture ＆ technology Xi'an )
[Abstract] In order to construct low-priced, reliable video-intercommunication system in the community, and meet the demands of safety and information acquisition in the intelligent community, bus technology and one of its settle programs — CAN technology are studied. After researching the defects of RS485 in master-slave mode, control network of equivalent mode in multiple computer's communication is put forward in this paper. The dynamic time delay control is proved to enhance highly network communication efficiency compared with constant time lag in multiple computer's communication, and measure up to the needs of video-intercommunication system. Based on our country's condition and development tendency of intelligent building system in the future, CAN+RS485 bottom network is designed and modified, in order to achieve an intelligent control network of video-intercommunication system in the community.
[Key words]CAN ; RS485 ; Field Bus ; Intelligent Community ; Serial Communication
1.引言
随着现代科学技术的发展，小区可视对讲系统集成度越来越高，首先实现了多门口机多管理机系统，接着集成了安防报警、小区服务及信息发布等功能。对讲系统的数字化、网络化、信息化、智能化是楼宇监控今后发展的方向，而对小区可视对讲系统底层网络的研究和实现，是进一步提高小区智能化系统各项性能的关键。
2.小区可视对讲系统中的控制网络总线技术
小区可视对讲系统在向综合安全防范系统发展，功能包括访客可视对讲、住宅门窗安防、紧急呼叫、异常自动报警、出入口管理和信息服务等，要实现这些功能关键是控制网络的技术特性。目前可视对讲中控制网络常用的总线有Lonworks总线、CAN(Controller Area Network)总线及RS-485总线[1,2,3]等。
Lonworks总线成本比较昂贵，虽然兼容TCP/IP协议，但是并不能取代上层局域网直接挂接到INTERNET上。另外，它的仲裁方式决定了它会因数据的无限重发而导致网络的瘫痪，这使Lonworks与CAN相比，优势并不明显[3]。
RS-485总线，是指一种标准异步串行通信接口。RS-485串行总线接口具有很强的抗共模干扰能力，允许一对双绞线上的一个发送器驱动多个负载设备。RS-485总线没有硬件通讯协议，其通讯协议完全依赖软件支持，其数据的丢失率正比于总线数据的流量，其网络不适合长期处于连续或长字串的收发状态。但由于其在长线传输的抗干扰能力以及传输速率方面的优势，485总线能满足在单幢多层住宅中构建智能网络单元内的数据传输要求。
CAN总线，又称控制器局域网，是Bosch公司推出的一种多主机局部网。由于其卓越的性能，极高的可靠性，独特灵活的设计和低廉的价格，现已广泛应用于工业现场控制、智能大厦、环境监控等众多领域[4,5]。CAN协议是建立在国际标准组织的开放系统互连参考模型基础上的，主要工作在数据链路层和物理层[6]，用户可在其基础上开发适合系统实际需要的应用层通信协议。CAN总线在数据通讯方面具有突出的可靠性、实时性和灵活性，不会因数据传输而导致网络瘫痪，其采用短帧结构，数据出错率极低[2,3]。
3.CAN＋RS458控制网络的提出
本文设计的小区可视对讲系统底层网络模型，采用了“CAN＋RS485”总线的分层结构。考虑到可视对讲底层网络的主干通道要求传输较大数据量的信息，而CAN总线在有较大数据容量系统网络方面的应用有较强的处理能力和优势，所以CAN总线是构成小区智能化系统底层网络的较好解决方案之一。
但就智能小区而言，由于其节点相对分散而数量巨大（一般有数百到数千个不等），且单层CAN总线网络的节点容限为110个（在不加接续器的情况下），所以为了不使底层网络过于复杂和降低成本，将底层网络分成两层：上层为CAN网络层，下层为RS-485网络层。这样，既达到了节点数和节点的灵活性方面的要求，避免了单独由CAN总线构建的底层网络的层次关系过于复杂，又利用了多主CAN网络性能方面的优势，弥补了单独的CAN底层网络及RS-485网络各自的缺点，充分发挥了两者自身的性能优势。
4.CAN＋RS458控制网络的改进
对于CAN＋RS458控制网络，由于CAN有硬件通信协议，其通信性能和效率基本已经稳定，而RS-485的通信协议只能依靠软件支持，同时RS-485的网络控制能力不强，因此CAN＋RS458控制网络的整体性能与RS-485网络性能的开发和利用有密切关系。
对于RS-485多机通信模式，一般采用的是主从式多机通信，本设计的改进之处在于采用另一种多机通信方式——对等式多机通信。
对等式多机通信与主从式多机通信的区别是主机不是固定在某一单机上，而是所有RS-485总线上的单机都可能成为主机，但是一次不可以有一个以上的主机同时存在。在这些单机中，只要有某一个成为主机，则其它单机就成为此总线上的从机。当前主机完成工作后，自动退出主机模式，作为普通单机。当单机需要作为主机时若此时总线上没有主机，则可以成为主机；若此时总线上有主机则需要等待当前主机完成工作后，才可能成为主机。
对等式多机通信虽然可以适应灵活多变的住户节点控制和通信,但是由于其控制原理是：当485通信链路中有一个节点取得发送资格后，其它各节点都要等待足够的时间长度，以此来避免多个节点同时争夺发送资格，引起发送数据的混乱和系统工作的无序，因而对于等待时间的控制非常重要。等待延时控制方式一般有两种：固定时间延时和动态延时。
对于固定时间延时是指当检测到当前网络有节点间的通信，其它节点都固定延时相同时间，延时时间到后各个节点再争取通信权。而动态延时是指当某个节点取得通信权时，发送一个网络广播通知其他节点等待，当通信完毕时再发送一个网络广播通知网络节点通信结束，其它节点可以争取通信权。
固定时间延时对于延时时间的控制不能做到准确，它根据信息长短不同；而在延时时间控制方面，只能粗略的划分为长信息延时和短信息延时。时间的粗陋估计对于网络利用率是很大浪费，使系统资源浪费和网络效率降低。对于动态延时，采用节点动态时间控制，达到了只要网络空闲，则任意节点可以即时进行通信，所以网络利用率高，但在网络控制方面比固定延时要复杂一些。
下面通过分析多机网络通信的网络有效利用率问题来说明采用对等式多机通信的优点：
（1）对于主从式多机通信，其网络有效利用率可以用公式（1）表示：
其中表示网络有效利用率，N表示网络中总共节点数，m表示网络中排队通信的总节点数，tm表示网络排队通信的第m个节点需要占用网络进行通信的时间，tm求和表示网络中所有等待排队通信节点需要占用网络的总通信时间。t表示网络中非排队节点被节点主机轮询占用的时间，(N-1-m)t表示所有非排队节点被节点主机轮询的总时间。所以式中分子代表网络被使用的时间，分母代表总时间, 为网络有效性因子，可见 。
（2）对于对等式固定延时多机通信，由于采用的不是主从节点轮询方式控制，非排队通信的节点不会占用网络资源，其网络有效利用率可由节点的固定延时时间和实际通信时间来决定,可以用公式（2）表示：
其中t代表节点实际通信时间，T表示节点通信固定延时时间。而T一般选取最大通信估算时间的2倍，而最大通信估算时间可能是实际通信时间t的1～10倍，当T=2t时 取最大值；当T=20t时 取最小值；所以 的取值范围一般在0.05～0.5之间。
（3）对于对等式动态延时多机通信，由于通信节点采用即时广播通知获取通信权限，可以近似认为在式（2）中T=t，所以 近似为1。
通过以上分析和研究发现，小区可视对讲系统底层控制网络由于其节点关系复杂，通信方式多样，故对等式多机通信比主从多机通信更适应，而且通过对网络有效利用率的分析研究，发现对等式多机通信中动态延时方式比固定延时方式更高效。RS-485各种通信控制方式的性能和特点对比如下表：
RS-485通信性能和特点对比表
5.CAN＋RS458控制网络的实现
小区可视对讲系统最大的意义是为住户提供一个先进、方便、安全、舒适的环境，在安防系统自身规范要求的基础上，融合实际的调查研究结果，系统有以下几个方面的功能需求：
(1)系统由住户单元、楼门单元、大门单元、中央管理单元组成。
(2)系统由4级控制组成：中央单元控制、大门单元控制、楼门单元控制、住户单元控制。
(3)系统实现的功能有来客访问、呼叫管理员、视频监控、信息发布、内部呼叫、门口可视对讲、安全防卫、紧急呼叫。
(4)系统可以实现远距离通信，必要时可加信号放大中继单元。
(5)系统容量灵活可调。
小区可视对讲系统中控制网络要尽量降低网络的复杂性和建设成本。考虑到可视对讲底层网络的主干通道要求传输较大数据量的信息，采用了“CAN＋RS485”总线的分层结构。CAN网络作为RS-485网络的上层网络使得整个控制网络稳定性比单独的CAN网络稳定性大大增强，同时比单独采用CAN网络的节点容量扩充很多，这种结构对于可视对讲控制环境很适应。可视对讲监控系统结构如下图所示。
可视对讲系统控制网络结构
(1)大门口机、N个门口机和CAN接口由CAN网络连接。
(2)N个门口机由控制盒连接在485网络上，485网络上有N个住户机。
(3)以太网连接上位机、数据库服务器、TCP/IP接口。
6.小结
本文在研究CAN总线和RS-485总线的基础上，结合小区可视对讲系统需要实现的功能，设计并改进了“CAN+RS485”底层网络，实现了小区安全报警与远程传输的控制系统网络。该控制网络将能够更有效的满足构建低廉、可靠的小区可视对讲系统，实现小区安全防范、信息采集的要求。
参考文献
[1]秦兆海.智能楼宇技术设计与施工[M].北京:北方交通大学出版社,2003.P14-P31.
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成本控制可视化 篇4
工业控制中经常需要观察系统的运行状态或者修改运行参数。相较于常用的模拟或数字测量仪器仪表，触控屏能够直观、生动地显示系统的运行参数、指示系统的运行状态，而且，通过触控屏幕直接更改系统设定更简洁、直观，具有非常好的人机交互性。单片机广泛应用于工控领域中，与触控屏结合，可组成集人机交互和系统控制于一体的良好的可视化控制环境。
本文基于Modbus等通信协议，以STM32F103R-BT6单片机为控制核心、以Kinco公司的MT5320T型触控屏为显示终端，以高频开关整流模块为控制对象，实现对高频开关整流模块的监控和调节。
1 工作原理
本系统以STM32F103RBT6为主机，通过Modbus通信协议与从机MT5320T触控屏通信，通过高频开关电源整流模块自带的485通信协议与从机整流模块通信。系统工作原理框图如图1所示。MT5320T触控屏作为显示和控制输入终端，实现系统运行参数的显示及控制量的给定。整流模块作为被控对象，接收到控制指令后，按设定参数运行或向STM32发送运行参数。
2 通信电路硬件设计
本系统中STM32采用外部8MHz的晶振作为输入时钟，经内部锁相环倍频后，系统时钟频率达到72MHz。采用STM32内部的通用异步串行通信口USART1与触控屏进行通信、USART2与整流模块进行通信。
MT5320T触控屏支持多种通信协议，有多种与外部设备通信的接口，本系统采用的是Modbus协议下的RS-232连接，传输速率设置为9600 kbps。ZZG-20整流模块使用的是厂商自定义的通信规约，模块上留有RS-485接口，因此STM32与整流模块的通信采用RS-485连接。主控芯片及通信电路的原理图如图2所示。
3 控制系统软件设计
本系统的软件设计包括使用EV5000组态编辑软件构建触控屏的显示画面及触控逻辑，为STM32编写通信协议，以跟触控屏及整流模块通信等部分。
3.1 触控逻辑编辑
根据工程需要，确定系统的控制逻辑。通过调用EV5000中的相关元件构建控制逻辑。EV5000支持用户自定义元件图标，用户根据需求择用位图或矢量图，可在控制功能实现的基础上让触控屏显示的画面更美观，以更好地表达用户的想法。
本工程中所实现的控制逻辑部分显示界面如图3-5所示。
系统开机后进入图3所示的主界面，轻触“用户设置”即可进入图4所示的电量参数设定界面进行相关的设置。轻触“运行状态”即可进入图5所示的模块参数显示界面，获得模块当前的运行参数等信息。
3.2 STM32上主机通信程序的实现
本系统中使用到了两种通信协议，一种是Modbus协议，另一种是ZZG-20整流模块厂商自定义的基于RS-485物理层的特殊的通信协议。因这两种协议都具有很高的相似性，本文以常用的Modbus协议为例，对主机通信程序的编写进行叙述。
Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息帧结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络(例如以太网)和其它设备之间可以通信。Modbus协议已经成为一种通用的工业标准。
3.2.1 Modbus RTU通信数据传输模式
在标准的Modbus网络中通信时，控制器能设置为两种传输模式，ASCII模式和RTU模式。本系统中选用的是RTU模式，其优点是在同样的波特率下，能传送更多的数据。
数据位采用8位二进制编码，每个8位域都由2个十六进制字符组成。RTU模式下Modbus消息帧结构如表1所示。
(1)地址码
地址码为通信传送的第一个字节。从机用预先设定好的唯一的地址码与主机发来的地址码相比较，地址匹配的从机接受主机发来的后续信息，否则不接受。匹配的从机向主机回馈自己的地址码，表明做好了接受主机信息的准备。地址0为广播地址，所有从设备均能识别。
(2)功能码
功能码代表主机要对从机进行的操作或从机对主机的操作进行信息反馈。Modbus通信规约定义的合法代码范围是1～255，其中有通用的功能码，特殊功能码(适用于特定控制器)和一些没有功能的保留码。表2列出了部分常用的Modbus功能码。
(3)数据区
数据区根据功能码的不同而不同。数据区包含主机让从机执行特定动作所需提供的必要信息，或从机响应主机操作所返回的相关信息。这些信息可以是实际数值、设置点、地址值等。如功能码告诉从机读取寄存器的值，则数据区必须包含要读取寄存器的起始地址及读取长度。
(4)错误校验码
主机、从机均可用校验码来判别接收的信息是否正确。RTU模式下采用的是16位的CRC校验。CRC校验码是两个字节，包含一16位的二进制值。由传输设备计算后加入到消息中，接收设备重新计算收到消息的CRC，并与接收到的CRC值进行比较，如果两值不同，则有误。
3.2.2 主从机通信机制
本系统中以STM32作为主机，触控屏及高频开关整流模块为从机。本文以STM32读取触控屏上电量参数给定值为例。系统中，电量参数存放在触控屏内部起始地址为207的数据存储器内的连续字单元中。表3-4为主机从从机存放电量参数数据单元的起始地址开始获取连续8个字单元中数据的主机命令帧及从机应答帧。
命令帧中，主机首先给出数据采集从机的地址01(十六进制，下同)，接着给出控制命令03以连续读取从机数据，然后送出连续字单元的首地址00CF以供从机定位，再送出主机要读的数据长度0008，最后传送先前送出数据的CRC校验码7433。
应答帧中，从机先发出自己的地址码01，以让主机确认先前所发命令帧已被从机正确接收并正在反馈信息，接着发出功能码03跟字节数10以让主机做好连续接收十六个字节数据的的准备，然后连续发出十六个字节的数据供主机接收，最后发送先前送出数据的CRC校验值7298。
3.2.3 软件流程
STM32先与整流模块通信读取其参数，然后进行CRC校验，确认发送无误则送触控屏显示，接着读取触控屏上的设定参数，再次进行CRC校验，确认无误则去设定整流模块的工作状态;如果CRC校验时发现数据出错，则要求整流模块或触控屏重新发送数据，在容错次数内传送正确则循环执行，否则报警，停机。程序执行流程如图6所示。
4 结束语
高频开关整流模块目前主要采用模拟电路的控制方式，在设定过程中存在滑动变阻器的滑丝问题，容易导致输出电压误差大。而且输出电压和输出电流必须用电压表和电流表来显示，存在输出可靠性差和成本高的缺点。
本系统主要采用STM32的数字控制方式，遵循电驱实验电源内高平开关整流模块的RS485通讯规约，实现电驱实验电源的输出电压和电流的给定和显示，使用MT5320触控屏作为人机界面，实现对电驱实验电源的监控，成本低，工作稳定可靠。
摘要：以基于CORTEX-M3内核的STM32作为控制核心,使用MT5320触控屏作为人机界面。以RS232为监控系统通讯的物理层,Modbus为通讯应用层,用STM32与触控屏进行通讯,实现对系统的监控;同时遵循高频开关整流模块的RS485通讯规约,实现对高频开关整流模块的输出电压和电流的调节及工作方式的设定。
关键词：Modbus,STM32,触控屏,可视化控制
参考文献
[1]STM32F101xx和STM32F103xx固件函数库[Z].
[2]STM32F10xxx参考手册[Z].
[3]ZZG-20整流模块通信规约2011-11-11入库[Z].
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[5]李宁.基于MDK的STM32处理器开发应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.
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[7]邸兴,陈贝,韩俊.基于STM32的便携式人机界面系统[M].电子设计工程,2011(5):94-97.
思维可视化培训感言 篇5
关注思维 提升能力
9月20日，我们有幸聆听了华东师范大学现代教育技术研究所刘濯源主任的专题报告《基于思维可视化技术的学生学习力系统发展策略》。报告中刘主任讲座风趣幽默，内容深入浅出。他先后从可视化思维的基本理念，思维导图的类型、基本画图方法等方面给我们树立了思维大于知识，过程大于结果的教学理念。如何关注知识背后的思维能力？他分别从知识层、规律层、能力层、心态层四个方面进行分析和指导。并结合不同学科对思维导图的画法从提要素、理关系、建结构三方面进行类比指导。从中让我深刻感悟到关注思维的意识，关注思维的过程，关注思维的方法才是提升学生学习能力的关键。
眉县首善镇东关小学 李荣
加强自主
探究学习
刘教授在报告中讲到我国学生现在的教育现状——“增其技而堕其心，强其识而弱其智。学生没有自己的爱好，没有自己的探究，没有自己梦想，没有学习力。”这样的现状，这样的学生不由让我想起：在花卉市场看到的一盆盆被园艺工人精雕细琢的盆景，没有自主生长的权利，只能遵循着园艺工人的意愿成长，美得太“家化” 了。其实，学生天生就喜欢自主探索，这是天性，是最重要的学习途径。然而长期以来，无论是备课还是 上课，我们总是一厢情愿去理解教材，把握教材，精心设计“教学高招”。上课时直接教学生如何做，甚至 举手代劳，更有甚者把教参中的“标准答案”一字不落地抄给学生。学生被剥夺了参与学习的机会，长期 没有了“自主学习”的权利，慢慢地他们的学习热情越来越淡漠，能力越来越差，久而久之，他们没有了 自己的思想，完全被塑造成一个个循规蹈矩，亦步亦趋跟着教师的节拍向前走的“木偶”。我想，今后应该树立以生为本，让学生会学习，会思考，充分发挥学生的主观能动性，真正做个学习的主人。
陈仓区周原镇军辉中心小学 杨利平
改变固有思维模式 构建新颖思维导图
昨天听了刘濯源教授题为《基于思维可视化技术的中小学学生学习力提升策略》的学术报告，触动很深。他说：教育追求的结果是促进儿童的全面发展；游戏注重的是过程、是快乐、是积极的参与、是不断的体验与感受。刘教授这段开场白给我留下了非常深刻的印象。刘教授报告语言简练诙谐幽默，报告形式以互动问答、体验感受为主，他与学员们一起互动，气氛活跃，脸上始终洋溢着孩童般的笑容，刘濯源教授用他的人格魅力感染着我们，使我受益匪浅。
岐山县安乐中心小学 兰文学
在行动中探索
刘老师讲的“思维可视化技术的小学生学习力系统发展策略”非常符合我们教师的教学实际，主张在教学过程中，大胆创新，进行实践，改过去满堂灌的教学方法，积极发展学生思维，切实提高教学质量。
面对课改，找准位置，做完善课改的促进者。并找准问题症结，抓住思维方法，要树立起正确的思维方法。思维不偏激不绝对，从整体方位来解决问题。
听了刘老师的报告，我深刻的感觉到，作为教师，我们的责任重大，我们要在教学中不断探索，不断发展学生的思维对每个学生负责！
千阳县水沟镇中心小学 秦晓婉
聚集思维
听了刘濯源教授的《基于思维可视化技术的中小学生学习力提升策略》，我感受颇深，纵观现在教育现状，传统的课堂教学增其技而堕其心，强起识而弱其智，而刘濯源的思维可视化教学聚焦知识，聚焦思维，依据学生的认知规律，大大提高了教学效率。感谢刘濯源教授，你的讲座不但弥补了现在教育的不足，传承了文明，而且还引领了现在教育的发展方向，我要将您的教学理念带到我的实际工作中去，为教育事业贡献力量。
麟游县丈八小学 何亚贞
更新理念
提高认识
听完刘教授的讲座，我感触很深，我们常说：“要想给学生一碗水，自己必须成为源源不断的自来水。”不再做以前的“教书匠”。要做学生的引领者、合作者和建设者。适应社会发展与人才需求。这就要求我们：
1、一定要树立终身学习的观念，给自己不断充电，消除职业倦怠。
2、随着时代不断更新自己的教学理念和教学思想，努力实践、探索，潜心摸索教学方法。
3、我们不仅要尊重我们的学生，还要与时俱进，勇于探索，敢于创新，更要具有专业化知识和技能。做一名合格的人民教师。
可视化水果采摘器 篇6
二、研究背景：假期里，我们到附近果园体验枇杷采摘时，看到高处的枇杷需要工人爬到树上采摘，工作效率低还存在危险。摘树尖的枇杷需要用钩子将果树枝拉过来，很容易把挂果的树枝折断，影响第二年的果树产量。由此萌生了发明一种器械，站在地面就可以采摘水果的想法。
三、研究目标：设计一款携带方便、使用范围广的水果采摘器。无论采摘什么样的水果，都可以准确地观察到采摘部位。
四、研究过程：
一.收集水果采摘器产品，找出缺陷，思考改进。
二.设计产品的雏形。结构如右图：
1.水果剪；2.水果剪牵引线；3.wifi摄像头；
4.水果篮升降轮；5.水果篮；6.水果剪牵线收
放轮轴；7.水果篮升降牵引绳；8.海杆（一种钓鱼竿）线轮（用于升降水果篮）9.水果剪牵线收放轮轴手柄；10.手机（平板）安装吸盘；11.可以伸缩的水果采摘杆。
三.实验过程：（1）调节水果采摘器长度，在每节顶部装设抱箍增加强度，防止杆体缩回。（2）在相应支架上安装摄像头，通过wifi连接在手机或平板上观察最佳角。（3）通过海杆线轮调节水果篮的高度；（4）观察水果剪工作部位，到达准确位置后，右手转动水果剪牵引线轮，完成采摘动作。（5）传送水果。当水果篮中的水果装满之后打开海杆线轮开关，放下水果篮。
五、该项目应用的科学方法与原理
利用轮轴控制水果剪开合动作，达到采摘水果的目的；利用轮轴控制水果篮的升降，达到减轻劳动负担的目的；利用无线摄像头与手机（或平板）相连，观察采摘部位。不用仰头，减轻颈部疲劳。
六、创新点：
1.采摘器可以根据需要调节。
2.采用轮轴控制，不受距离限制，便于采摘器高度调节。
3.可视化：采用wifi摄像头连接手机监控水果剪的工作位置，减轻疲劳，提高采摘效率。
4.利用海杆的线轮，控制水果篮的升降，减轻水果采摘时的工作强度。
成本控制可视化 篇7
分布式电源(DG)主要包括风力发电(WTG)和光伏发电(PVG)两种。DG接入配电网运行能够起到降低电能损耗、改善电压质量和减少环境污染等作用[1]。但是,DG的出力受气候环境影响很大,具有明显的波动性和间歇性,如果接入配电网的位置和容量不合适,将会影响到网络的正常运行。目前,国内外学者已对DG选址定容规划问题进行了大量的研究并取得了一定成果[1,2,3,4,5,6],这些所建立的模型多为基于某种目标,考虑等式、不等式约束,通过选取某种算法加以求解的数学优化问题。从理论上来说,这种求解方法可以满足DG选址定容规划的研究,但是,在配电网运行时,若DG出力过大,势必导致线路过载,若DG出力过小,则造成线路容量的浪费,而如何实现DG出力的快速控制,就成为保证配电网安全性水平和资产效率的关键性问题。
传统的安全分析方法一般都基于N-1仿真来给出安全或不安全的信息以及切负荷策略[7,8,9]。但是,逐个元件N-1校验速度慢。同时,这些方法难以对系统的运行状态给出整体评价,如工作点安全裕度有多大,从而难以实现对负荷、DG接入量控制。与之相比,配电系统安全域理论是智能配电网安全性分析的一种高效新方法[10,11,12,13,14]。而随着配电自动化(DA)在中压配电网中广泛应用,可通过馈线终端装置(FTU)获得充分的馈线负荷信息[15],中压配电网开关的远程遥控动作也将变得更加迅速[16],负荷可以通过站内开关与网架开关的配合实现快速转带,使得新的配电网N-1安全边界扩展到馈线级别,这也为利用配电系统安全域理论,预先计算安全距离,实现快速的在线安全性评估提供了平台。通过降维可视化技术,调度人员可以直观观测当前工作点在不同方向上的安全裕量,掌握配电网的全局信息,从而实现对负荷、DG接入量的快速可视化控制。
文献[10-12]提出了配电系统安全域的概念、模型以及安全评价与控制策略。文献[13]介绍了安全边界的N-1仿真拟合算法,并指出了安全边界的拓扑性质。文献[14]给出了以安全高效运行为目标的配电网实时监测、预警、预防、预测及优化控制的功能框架,建立了基于安全域的自愈控制体系。然而,随着DG的广泛接入,对配电网安全性分析提出了更高的要求,现有文献均尚未考虑含DG的配电网动态安全性能。基于配电系统安全域理论,研究如何在线监测、快速控制DG出力,对保证含DG的配电网N-1安全性,充分发挥资产效率具有重大的意义。
为弥补现有DG出力控制分析方法存在的不足,本文提出了一种计及N-1安全的DG出力控制可视化方法。该方法通过引入安全距离概念,对WTG和PVG机组组合出力上限进行求解,并进行可视化流程设计。仿真示例验证了本文所提方法的有效性和正确性。
1 安全距离模型
1.1 配电系统安全域
配电系统安全域是指在配电网主变压器(简称主变)N-1和线路N-1的约束下,配电网能够安全运行的所有工作点的集合[11],记为ΩDSSR。文献[17]将配电系统安全域定义在馈线负荷的工作点向量;考虑馈线出口负荷计算方程、馈线N-1约束、主变N-1馈线负荷转带约束、主变—馈线负荷等式约束和主变N-1主变容量约束。ΩDSSR具体可表述为:
式中:SiF为馈线Fi所带负荷;Si,jf,tr为馈线Fi发生N-1故障时转带给馈线Fj的负荷量;SjF,max为馈线Fj的容量;Sm,nT,tr为主变Tm发生N-1故障转带给主变Tn的负荷量;Φ(m)表示主变Tm;SnT为主变Tn所带的负荷;i∈Φ(m)表示馈线Fi出自主变Tm对应的母线;SnT,max为主变Tn的额定容量。
1.2 配电网安全边界
配电网安全边界是由所有恰好满足N-1安全的临界工作点组成的一系列线性超平面。安全边界具有以下几个性质[13]:①存在性,配电网N-1安全边界是存在的;②线性,配电网安全边界由线性的、紧致的且不会“打结”的超平面精确描述;③连通性,安全边界围成的区域是连通的、内部无空洞的凸集。
1.3 配电网安全距离
工作点在配电系统安全域中的位置可以反映系统N-1安全性,并利用安全距离来量化反映这一数据[11]。配电网安全距离定义为工作点到配电网安全边界的距离,记为DNi,其具体计算方法已在文献[17]中定义,在此不再赘述。为方便说明,本文将配电网安全距离拆分为馈线安全距离、主变安全距离两个子概念。其中,基于馈线N-1计算的安全距离定义为馈线安全距离,记为DFi,基于主变N-1计算的安全距离定义为主变安全距离,记为DTi,则配电网安全距离为两者中的较小值。当工作点不满足N-1安全时,安全距离为负值,绝对值越大,此工作点不安全程度越高;当工作点满足N-1安全时,安全距离为正值,绝对值越大,此工作点安全程度越高。
2 DG出力及其组合
2.1 WTG出力特性
本文的WTG采用恒功率因数控制,则WTG的出力SWTG与风速V之间的关系可近似用以下分段函数表示[18]:
式中:SrWTG为WTG的额定出力;Vci,Vr,Vco分别为WTG机组的切入风速、额定风速和切出风速。
2.2 PVG出力特性
本文的PVG采用恒功率因数控制,则PVG出力SPVG与光照强度I之间的关系可近似表示为[19]:
式中:SrPVG为PVG的额定出力;Ir为光照强度额定值。
2.3 DG出力组合特性
假设配电网中接入的WTG机组和PVG机组为同一类型,由于配电网规模相对较小且地域跨度不是很大,可认为各WTG受风风速近似相等,各PVG所受光照强度大体相同,即接入配电网中的各WTG机组和PVG机组出力分别相等,同时,考虑到待选节点的DG安装容量约束和WTG,PVG容量的离散性约束,配电网中接入的WTG和PVG具有组合特性,因此,馈线Fi上接入的DG出力SiDG可表示为:
式中:ai和bi分别为安装在馈线Fi的WTG机组和PVG机组的数量;SiWTG和SiPVG分别为安装在馈线Fi的各WTG机组的出力和各PVG机组的出力。
由于WTG和PVG的出力分别取决于风速和光照强度,引入坐标变换技术,即将WTG出力随光照强度的变化关系,通过定义风光转换系数,将其转换为随风速的变化关系,从而实现DG出力在同一坐标系下的计算。风光转换系数ρWPCF的计算式如下:
经推算,得到馈线Fi上接入的DG出力SiDG与风速V之间的关系可分为Vr<Ir/ρWPCF,Vci≤Ir/ρWPCF≤Vr,Vci>Ir/ρWPCF三种情景,具体分析见附录A图A1至图A3。
3 DG出力上限求解
3.1 基于馈线安全距离的DG出力上限
以图1为例给出基于馈线安全距离的DG出力上限求解分析。
正常运行方式下,馈线F1和馈线F2通过常开联络开关形成单联络接线模式,DG1,DG2和DG3分别接在节点2,3,4。
图1中馈线F1出口发生N-1故障后,原馈线F1所带负荷由联络馈线F2转供,由文献[17]方法求得此时满足的潮流约束如下:
式中:Sfi为节点i的负荷。
从而解析出馈线安全距离DF1为:
设DG出力为零时的馈线安全距离为D1F,I,则由式(7)可知,基于馈线安全距离的DG出力上限可表示为2S2F,max-D1F,I。
需要说明的是,本文计算馈线安全距离过程中进行的一些简化已在文献[20]中说明,在此不再赘述,而且本文不考虑DG孤岛运行方式,要求DG始终接在系统当中。
3.2 基于主变安全距离的DG出力上限
以图2中主变T1发生N-1故障为例,给出基于主变安全距离的DG出力上限求解分析。
为了使主变T1满足主变N-1安全,除馈线F1和F3需满足馈线N-1安全容量约束外,仍需满足以下约束:
由式(8)可解出主变安全距离DT1为:
设DG出力为零时的主变安全距离为D1T,I,则由式(9)可知,基于主变安全距离的DG出力上限为2S3T,max-D1T,I。
上述计算主变安全距离过程也进行与3.1节相同的简化。
3.3 DG出力上限
对于实际配电网优化运行问题,通常需考虑的运行约束有支路潮流约束和节点电压约束。通过馈线安全距离、主变安全距离的大小,可用于表征配电网满足主变及馈线N-1潮流约束的松紧性。若忽略电压约束,则DG出力上限应取为基于馈线安全距离和基于主变安全距离两者中的DG出力上限较小值。
而对于含DG的配电网,由于DG具有调压能力,过大的DG出力势必造成节点电压的抬升甚至越限,使得考虑对节点的电压约束更为必要。因此,在用安全距离确定DG最大化出力的同时,需校验是否满足节点电压约束:若DG出力在达到基于馈线安全距离和主变安全距离两者中的DG出力上限较小值之前,已不满足电压约束,则以满足电压约束的DG临界出力作为DG出力上限;反之,则以基于馈线安全距离和主变安全距离两者中的DG出力上限较小值作为DG出力上限。
4 DG出力控制可视化流程
本文提出的DG出力控制可视化方法计算流程见附录A图A4,具体步骤如下。
步骤1:绘制馈线Fi上的DG出力图像。
步骤2:根据配电网网络拓扑关系,仿照式(7)、式(9),写出馈线安全距离DFi、主变安全距离DTi计算表达式。
步骤3:设初始时刻,馈线Fi上DG出力为零,求解此时刻的馈线安全距离DiF,I和主变安全距离DiT,I,利用步骤2中得到的表达式计算忽略节点电压约束下的DG出力上限。解释:传统意义下,安全距离是指满足N-1安全准则下的最大运行增加负荷,可由N-1潮流约束计算得到。而随着DG在配电网层面的大量接入,系统潮流方向由原来变电站馈线出口流向各负荷节点的单一方式变得具有不确定性。当DG出力较大时,配电网潮流呈现出反向流动特性,而此时系统安全运行仍需满足N-1潮流约束。由式(7)、式(9)可知,随着DG出力的增加,安全距离将先增大后减小,当安全距离为零时,若忽略节点电压约束,对应的DG出力即为DG出力的上限。
步骤4:以一定步长增大此馈线上DG出力,直至校验到馈线上节点电压不满足约束,记录上一次迭代的DG出力值作为最大值SiDG,max。解释:随着接入DG出力的增大,将导致接入DG的节点电压升高,可能使得节点电压超过节点电压约束上限,所以每次迭代都需校验节点电压约束是否满足。
步骤5:将步骤3中得到的和步骤4中得到的SiDG,max进行比较,若前者大于后者,则将SiDG,max作为DG出力上限,反之,将作为DG出力上限。解释:若DG出力上限比DG出力最大值大,说明此时工作点仍位于安全域内,可将DG出力最大值作为DG出力上限;反之,说明此时工作点已位于安全域外,要使系统满足主变N-1和馈线N-1安全,需将步骤3所得结果作为DG出力上限,即将工作点调整到安全边界上。
步骤6:将步骤5中得到的DG出力上限与DG出力图像相匹配,得到其上接入WTG的最大允许风速,利用之前定义的风光转换系数,得到馈线Fi上接入PVG的最大允许光照强度。解释:以DG出力上限作为纵坐标,观测对应横坐标的大小,即得到接入WTG的最大允许风速。考虑到观测接入WTG的最大允许风速和接入PVG的最大允许光照强度具有同时性,故在同一时刻,风光转换系数为一定值,在求解得到接入WTG的最大允许风速后,乘以该时刻的风光转换系数,即得到该时刻接入PVG的最大允许光照强度。
5 DG出力控制可视化方法示例
5.1 算例基本情况
本文采用修改的IEEE RBTS-Bus4配电系统作为示范,其网架结构见附录B图B1。算例变电等级为35kV/10kV,含3座变电站、10条单联络线、20条馈线、104个已有负荷节点,各节点负荷类型均相同且功率因数为0.85。变电站总容量为84 MVA,馈线总容量为131.72 MVA,已有平均总负荷为24.58 MVA。两相邻负荷节点间线路长度均为1km。算例中,各主变及导体数据、联络线数据、已有负荷节点数据见附录B表B1至表B3。
一些DG接入参数如下:单台WTG机组的额定出力为0.5 MVA,切入风速、额定风速和切出风速分别为3,13,20 m/s。单台PVG机组的额定出力为0.5 MVA,额定光照强度为0.5kW/m2,该地区的最大光照强度为0.6kW/m2。DG出力迭代步长为0.1 MVA,节点电压所允许的范围为0.9~1.1(标幺值)。
现以馈线F1为例,给出在节点5接入20台风电机组,节点6接入10个光伏发电系统后的出力控制分析。本文所有仿真的计算条件是:计算机CPU为i5-3570K,主频为3.4 GHz,内存为4 GB,在MATLAB2013a平台上编制计算程序。
5.2 DG出力为零时的馈线、主变安全距离计算
按照文献[17]对安全距离的定义,结合算例拓扑关系,求解各条馈线出口负荷及其主变、馈线安全距离结果见表1。
5.3 DG出力控制可视化方法
由于WTG和PVG具有同时性,所以某时刻风光转换系数为一定值。考虑不同时段使得ρWPCF分别取0.03,0.10,0.30kW·s/m3时,绘制出对应的DG出力与风速V的关系图,如图3所示。
通过将所得到馈线F1的DG出力上限与DG出力图像相匹配,得到ρWPCF取0.03,0.10,0.30kW·s/m3时的WTG最大允许风速分别为11.07,8.84,8.84m/s,利用风光转换系数,进而求解得到PVG的最大允许光照强度分别为0.33,0.88,2.65kW/m2。可以发现:当ρWPCF取0.03kW·s/m3时,WTG最大允许风速小于WTG额定风速,PVG最大允许光照强度小于该地区的最大光照强度,说明若WTG和PVG工作在额定状态下,将使得工作点在安全域外,配电网处于不安全的运行状态,因此,需对WTG扩大弃风,对PVG采取遮光,以调节WTG受风风速和PVG所受光照强度至最大允许水平。当ρWPCF取0.10kW·s/m3或0.30kW·s/m3时,WTG最大允许风速小于WTG额定风速,PVG最大允许光照强度大于该地区的最大光照强度,说明此时PVG出力不受限制,而WTG仍应采取弃风措施,将其所受风速降至最大允许水平。
对馈线F1上的各节点的电压水平进行校验,得到其上各节点电压水平如图4所示。
可以看出,馈线F1上的各节点电压在所满足的范围内,符合电压约束要求,所求得的WTG最大允许风速、PVG最大允许光照强度即为满足配电网N-1安全且资产效率最高的WTG和PVG运行点。
需要指出的是,限于篇幅,对于其他WTG和PVG组合及ρWPCF取其他值时的情况,可仿照算例方法进行可视化分析,结果均表明建立的DG出力控制方法具有合理性,可保证配电网N-1安全。
5.4 计算结果对比与分析
为说明本文方法的正确性,在文献[21]中建立的多电源考虑电压调整约束模型基础之上,以DG出力最大化为目标函数,添加N-1安全约束,构建综合考虑电压和N-1安全约束的DG最大出力数学优化模型,并利用动态小生境差分进化算法(DNDEA)[18]对5.3节中情景进行求解,其中,DNDEA的参数如下:最大迭代次数为50,种群规模为100,缩放因子和交叉率均从0.9线性递减到0.1。求解流程见附录C图C1。
最终通过编程得到ρWPCF取0.03,0.10,0.30kW·s/m3时的WTG最大允许风速分别为10.93,8.68,8.95m/s,PVG最大允许光照强度分别为0.33,0.87,2.69kW/m2。与5.2节所得数据对比可以看出:本文得到的WTG最大允许风速、PVG最大允许光照强度相比本节所述方法有小有大,但是在误差允许的范围内,基本可认为本文得到的结果是正确的,从而进一步论证了本文所提出的可视化方法的合理性。
6 结论
本文提出了一种考虑N-1安全约束的DG出力控制可视化方法。该方法可实现对含DG的配电网N-1安全进行在线实时监测,通过调整DG出力,以指导配电网安全可靠、设备经济运行,具有合理性和可视化的特点。本文得到的主要结论如下。
1)拓展了安全距离的物理意义,使其可用于表征DG出力上限大小,并用以分析含DG的配电网N-1安全运行问题。
2)DG出力图像为三拐点、四段分段函数,拐点的位置与WTG切入风速、WTG额定风速和最大光照强度与风光转换系数的比值有关。
3)本文方法在保证含DG的配电网N-1安全的同时,计及了对馈线上各节点电压约束的要求。
4)建立并求解考虑电压和N-1潮流约束的DG出力最大化优化模型,并与本文方法对比,校验本文方法的正确性。
附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。
摘要：配电网运行需满足N-1安全准则,而现有文献中的分布式电源(DG)优化运行模型均未计及N-1准则,所得出力策略未必满足系统安全要求。为解决这一基础性问题,提出了一种考虑N-1安全约束的DG出力控制可视化方法。首先,介绍了配电系统安全域理论,给出了安全域、安全边界和安全距离的概念、模型和意义。其次,利用坐标变换技术,定义了风光转换系数,以研究以风电和光伏发电为代表的DG组合的出力特性。然后,分析了考虑节点电压限制和N-1潮流约束的DG出力上限求解方法。此外,以每条馈线为研究单位,给出了DG出力控制可视化流程。最后,通过修改的IEEE RBTS-Bus4配电系统算例进行了验证,结果表明建立的DG出力控制方法具有合理性和可视化的特点,并能满足N-1安全。在保证资产效率最大化的同时,此法为含DG的配电网在线安全监视、评价提供了一定的理论和实践凭据。
成本控制可视化 篇8
环境的污染对人类的日常生活与生产带来了极大危害,全球日益变暖的气候将威胁人类生存。每年汽车发动机产生的尾气排放物占总污染排放的比重较大,降低尾气排放可以通过优化燃料与空气混合过程来优化发动机的燃烧,从而达到降低发动机有害排放物的目的。
目前对喷雾及混合气形成过程的大部分研究是在定容弹中完成。在定容弹中对比分析了不同外界条件下柴油与不同掺混比的菜籽油的喷雾锥角及贯穿距[1]。在定容弹中研究燃料沸点温度对燃料喷雾贯穿距的影响[2]。采用激光荧光诱导法(LIEF)在定容弹中研究了不同温度场下柴油的雾化蒸发过程[3]。国内天津大学、西安交通大学、上海交通大学、大连理工大学等也在定容弹中开展了柴油和天然气等高压喷射射流特性、燃油喷射特性、喷雾撞壁等试验研究[4,5,6]。
为了配合生物柴油在汽车上适用性的项目研究,需要开发一种可视化定容弹来模拟发动机缸内高温、高压条件,用于对比研究生物柴油与柴油喷雾和蒸发过程及其差异。该基础试验研究对生物柴油这种清洁替代燃料在发动机上应用具有重要的指导意义[7,8]。
1 可视化单次喷雾试验系统
可视化喷雾试验系统原理如图1所示。可视化单次喷雾试验系统主要包括定容弹、油泵试验台与单次喷射装置、高速摄影装置及图像处理、数据采集与控制子系统组成。
1.1 定容弹
为了在定容弹中研究生物柴油在不同背压及环境温度下的喷雾宏观与微观特性,需要定容弹在设计功能上具备耐高压、耐高温、气体密封好以及能方便地对不同型号喷嘴进行安装与夹持等性能提出了较高的要求。定容弹剖面的结构如图2所示。
本试验设计的定容弹为300 cm×300 cm×268 cm的金属方型容器。为了便于对喷雾特性进行多参数测量,在定容弹的四个侧面开有直径为140 cm的石英玻璃窗,实现了大可视场。为了便于对多孔喷油器的喷雾特性参数进行测量,在定容弹的底面开有一个可拆卸的直径为140 cm的石英玻璃窗。该定容弹性能设计指标参数和要求为:能够耐1 200 K高温及5 MPa高压;气体密封性能优良;视窗可视面积大;结构简单、操作方便、安全且适用性广。
定容弹实物图如图3所示。在定容弹的设计、加工过程中为了取得较好的气体密封效果,对石英观测窗与侧板面采用锥型面加硅胶密封,容弹内气体压力越大,石英玻璃与侧板接触得越紧,可有效阻止气体的外泄,密封效果好。对两个顶面板盖的密封采用O型圈来完成。经充气加压试验表明该定容弹基本无漏气现象产生。试验中测量了不同充气压力下定容弹内压力为充气压力95 %时所经历的时间(图4)。
充气装置采用的是高压氮气钢瓶通过减压阀向容弹内充气。进排气口附近均有手动调压阀门,用于紧急排气控制以及调整容弹内气体压力。容弹上接有一个三通接头分别与机械式压力表以及压力传感器相连接,用于测量容弹内气体压力。
为了适应不同的喷油器在定容弹上进行喷雾试验研究,设计了一个喷油器的固定夹持块,便于喷油器的拆卸及定位紧固。喷油器为经过特殊加工的喷孔直径为0.18 mm的单孔喷嘴,喷嘴长度0.8 mm,喷油器的启喷压力为20 MPa[5,9]。
1.2 油泵试验台与单次喷射装置
油泵试验台采用直流电机作为动力源驱动直列泵。直列泵采用无锡威孚的P型泵,该油泵试验台可以稳定工作的转速范围为400～1 100 r/min。试验中通过调节直流电机控制器改变直流电机的工作电压来调节油泵的转速,喷油器的最高喷射压力随油泵转速变化而改变。单次喷射是通过高速强力电磁阀控制停油拉杆断油和回位的两个位置来实现[10]。
为了测量油泵的运行转速,在电机端的飞轮盘上安装有磁钢片。每当磁钢片转过霍尔传感器的正对位置时就产生一个方波信号,在控制程序中通过检测该信号的上升沿作为相位触发信号控制高速电磁阀的接通时刻。高速电磁阀再控制停油拉杆的不同位置就实现了定相位且定喷射脉宽单次喷射,为喷雾试验研究的可重复性提供了条件。该油泵试验台如图5所示。
1.3 高速摄影装置及图像处理
试验时采用美国VRI公司的Phantom V7.3系列高速摄像机,该相机采用最新的14位、800×600像素SR-CMOS传感器,满幅每秒可拍摄6 688幅图像。降低分辨率每秒最快可拍摄500 000幅图像。
由于喷雾试验过程中高速摄影的拍摄速度为每秒40 000张,整个喷雾生长过程中拍摄照片数量较多,所以需要对图片采用分析软件进行自动处理。采用VC编写的喷雾图像处理软件可对每张照片的喷雾锥角、贯穿距等参数进行自动计算并将计算结果保存于文本文件中。该试验喷雾处理软件界面如图6所示。
1.4 喷雾试验控制子系统
为了对试验过程中油泵转速、定容弹内气体压力、喷射压力、喷射时间等参数进行监测以及对高速摄影拍摄触发控制,采用Infenion公司的XC167CI高性能单片机制作了一块数据采集与控制硬件电路。该硬件控制系统模块如图7所示。
定容弹数压力传感器选用的是American Sensor Technologies (AST)公司的通用型压力传感器AST4100,具有测量精度高、使用寿命长及抗腐蚀等特点。喷油压力测量选用的是昆山双桥传感器有限公司的CYG1401型压力传感器,压力测量范围为0～100 MPa,输出为0～5 V电压信号,该传感器的频率响应特性为5 kHz。试验过程中测得油泵的转速信号、喷雾触发信号、喷射压力之间时序如图8所示。
控制系统将容弹内气体压力、温度、油泵转速、喷射压力等数据采集并进行软件滤波后传递给PC机。由于油泵的转速信号容易受到干扰,因此在处理转速信号时采用软件移动平均值滤波加上限幅滤波消抖。在PC机定容弹程序控制界面设定好进气压力、喷射时间后,PC机将这两个参数传递给单片机,单片机根据进气压力设定值来控制电磁阀调节进气压力。喷射触发信号由上位机控制程序面板的布尔值开关给出,单片机在接收到PC机发出的喷射指令后,在转速传感器的第一个上升延触发高速电磁阀,按设定时间进行喷射。单片机控制程序流程如图9所示。
由于单片机采集的数据通过RS232串口传递给PC机,同时上位机对传递的数据进行运算处理、显示与保存。由于单片机中运行的程序需要与PC机进行通信,二者之间相互传递有数据与指令。为了正确区分传递数据还是指令,需要为该通信制定一个数据通信协议。该试验硬件系统模块如图10所示。
单片机中数据的接收与发送在数据接收中断中完成。首先PC机发送一段数据给单片机,若单片机返回相同数据,则认为PC机与单片机握手成功可以进行通信,反之控制界面弹出连接错误提示信息。握手成功后单片机接受到PC机发送的消息后,首先通过命令号检测该消息为数据还是指令,接收消息为指令,则根据相应的指令编号发送PC机所请求的数据;接收消息为数据,则根据定义好的数据发送格式对单片机中的参数变量进行设定。
PC机的定容弹程序控制界面编制软件采用的是LabWindows/CVI开发的面向计算机测控领域的虚拟仪器软件开发平台。它提供交互式C语言开发环境,将C语言平台与测控专业化工具有机地结合起来,为自动测量系统、过程监控系统和数据采集系统等提供了一个理想的软件开发环境[11]。该定容弹喷雾试验控制程序界面如图11所示。
定容弹内气体温度、充气压力、燃油喷射压力、油泵转速等参数在控制界面上均可以在仪表盘或图表曲线上进行实时监测。在定容弹程序控制界面上可对喷射持续时间及单次喷射时刻进行触发。这样人机交互式的对话控制程序给定容弹喷雾试验带来了极大的便捷。
2 试验数据结果分析
在容弹背压1.5 MPa、油泵转速1 000 r/min(最高喷射压力46 MPa)的试验条件下,拍摄速度为每秒40 000幅,得到生物柴油喷雾图片如图12所示。每张图片时间间隔为0.25 ms, 从图片上可以清晰地看到不同时刻喷雾的宏观尺寸与形态上的变化。
图13为喷雾锥角随背压的变化情况。由图13可见:生物柴油喷雾锥角随背压的升高而增大。同时喷雾锥角经历先增大后减小再逐渐增大的过程。这是由于在初始阶段随喷雾向前发展过程中喷雾锥角慢慢增大,但喷雾边缘轮廓的生物柴油颗粒直径小、雾化好、挥发快,所以喷雾锥角逐渐减小。但在后续阶段由于高压油管内压力波动会造成喷油器继续喷出一小股柴油,由于压力波造成这次补充喷射,使得喷雾锥角又逐渐增大。
图14为喷雾贯穿距随背压的变化情况。由图14可见:背压越小,生物柴油喷雾贯穿距越大;在背压为0.1 MPa下进行喷射时,生物柴油的喷雾贯穿距在喷雾持续时间为700 μs时达到最大,并超越石英玻璃视窗的可视范围。
图15为喷雾前锋面速度随背压的变化情况。由图15可见:背压越小,喷雾前锋面速度越大;当生物柴油在大气环境下喷射时,喷雾前锋面速度最大可达201 m/s。由于生物柴油液滴颗粒的不断挥发与扩散,使得向前运动燃油液滴的动量逐渐降低,同时后续喷雾又推动喷嘴轴向气流运动。两种影响因素在喷雾后续运动中达到动态平衡,所以喷雾在1 000～2 000 μs阶段维持一个相对稳定的速度向前发展,最终超出视窗可视范围速度降为零。喷雾初始速度的波动与喷雾过程中高压油管内压力波动有关[12,13,14,15]。
3 结论
(1) 通过该试验装置研究得出:相同喷射压力下生物柴油喷雾贯穿距随背压增大而减小,喷雾锥角随背压增大而增大,喷雾前锋面的速度随背压增大而减小。
成本控制可视化 篇9
随着乳制品供应链业务的发展,乳制品供应商、生产商、销售商和消费者对乳制品的整个业务流程的掌控要求越来越严格。对业务过程中各种相关的事件、地点、状态等的要求更加明确,精度要求更高,响应速度要求更快。同时,相应的附加服务也在逐渐增加,例如:报表、KPI、流程定制、异常处理,甚至包括一些业务BI功能,都旨在对乳制品供应链进行全程的可视可控可追溯[1,2]。
与此同时,出现了一种新的解决方案——Control Tower(简称CT),为乳制品供应链可视可控可追溯找到了出路。控制塔的解决方案对于乳制品供应链的管理,带来了前所未有的灵活性,可以对乳制品供应链的相关业务按需配置、管理,并能对整个供应链的运行状态和乳制品状态进行监控,及时处理出现的异常情况,为整个乳制品供应链提供全面、完善的服务。
1 控制塔的基本架构和原理
控制塔是一种供应链协同控制模型,采用“总览全局信息、全面协同控制”的模式对整个供应链进行协同控制。其核心是供应链全程质量信息直通和顶层控制。从控制流程的角度来看,控制塔分为五层。从控制塔的结构来看,该塔又分为塔顶、塔身和塔基三部分,塔基部分实现对业务支撑层和信息采集层的信息感知功能;塔身部分实现对质量控制层和信息服务平台的信息集成与质量控制功能;塔顶实现对协同管理决策层的顶层全链控制功能。控制塔基本架构如图1所示[3]。
业务支撑层用来划定控制塔的解集边界,表征供应链全链业务过程。信息采集层采用物联网技术实现供应链信息全面感知,又可分为感知层、网络层、处理层和应用层。信息服务平台层实现采集信息的集成,形成信息服务。信息平台既是控制塔的信息处理工具,又是控制塔信息服务的主要表现平台。业务协同控制层是在信息平台的基础上进行业务的优化、控制。协同管理决策层是控制塔的顶层,顶视供应链全链控制,包括供应链物流服务合作决策、物流资源整合、平台服务模式创新等管理决策行为。
“供应链物流协同控制塔”的主要特点在于信息的可视性、通透性和管理的灵活性。控制塔采集供应链业务流程中需要监控的各个节点信息,以及相关的状态(时间、地点、状态值等),通过异构信息共享与交换等技术实现信息的可视性,采用信息直通机制实现信息的通透性。由于信息的可视性和通透性,管理层可实现对供应链的相关业务按需配置、管理。
2 基于控制塔的乳制品供应链可视可控可追溯系统的总体架构
2.1 基于控制塔的乳制品供应链可视可控可追溯系统总体架构蓝图
基于控制塔的乳制品供应链可视可控可追溯系统总体上分为多个层次进行设计,包括:基础设施层、数据交换层、数据采集对象层、信息资源层、服务支撑层、协同服务层、应用层、界面层、用户层、以及IT治理框架等部分。基于控制塔的乳制品供应链可视可控可追溯系统总体架构蓝图如图2所示。
2.2 基于控制塔的乳制品供应链可视可控可追溯系统的特点
(1)可视
CT采集乳制品业务流程中需要监控的各个节点信息,以及相关的状态属性(时间、地点、状态值等),作为CT的基础数据。CT提供一个乳制品追溯控制中心网站,允许每个用户根据自己的需要,自行定义、组合需要显示状态以及其他内容。
(2)可控
CT提供对乳制品业务规则自定义的支持,可以对乳制品业务规则产生的不同结果定义多种处理、展示方式。在采集到状态信息以后,使用预先定义的乳制品业务规则进行校验、展示,如果出现预先规定的结果之外的情况,或者是预先定义的异常情况,CT能够支持多种方式(邮件、短信、传真、消息推送等),自动提醒相关角色、人员。
(3)可追溯
CT中自定义多种乳制品指标,不同的报表,对整个乳制品业务流程和各个节点,进行多维度、不同深度的考核总结,使用户能够直观地了解这个乳制品业务流程的运行状况,以及各个环节的效率等,可以做到追溯到每个乳制品的信息节点。
3 基于控制塔的乳制品供应链可视可控可追溯系统功能架构
乳制品可视可控可追溯系统旨在控制追溯整个乳制品供应链的物流信息,为了能够完整有效地进行乳制品的信息采集,数据处理和方便用户使用,系统采用如下功能架构。包括跟踪信息整合、对外服务、系统管理三个部分,具体见功能架构图,如图3所示。
(1)系统各部分具体功能架构
根据图3乳制品可视可控可追溯系统的功能架构,为了保证乳制品业务及功能需求和流程的统一,系统分为信息整合、对外服务、系统管理三大部分,各部分具体功能结构如图4所示。
(2)追溯控制中心网站功能架构
为了方便乳制品企业和消费者使用,系统建立对外服务网站———乳制品追溯控制中心网站,整个乳制品供应链中的生产商、供应商、销售商、消费者都可以进入网站查询相关乳制品信息,整个乳制品供应链的信息都可以在网站上共享,具体的功能架构如图5所示。
4 基于控制塔的乳制品供应链可视可控可追溯系统技术设计
4.1 追溯总体技术设计
根据乳制品追溯控制中心建设原则,采用SOA思想,应用B/S架构,使用RIA(Rich Internet Application)方式,使得乳制品追溯控制中心网站的界面效果丰富,更加容易使用。乳制品可视可控可追溯系统技术架构设计如图6所示。
4.2 可视可控可追溯系统消息处理层
系统消息处理层主要是对报文消息进行处理,主要集中在两部分,Web Service消息通讯组件和异常处理方式组件。
其中Web Service消息通讯组件是系统与其他系统对接的门户,主要用于与数据交换平台进行报文交互,接收各种不同格式的消息报文,并将其放入线程池中,交付给报文处理主逻辑进行后期处理。
异常处理方式组件,包括EMAIL消息通讯组件,SMS消息通讯组件,MQ消息通讯组件。主要用于处理异常消息,通过预设流程对异常情况进行一定程度的自动处理,并将异常代码和相关信息及时发给业务、技术等相关人员进行处理。
(1)服务接口处理
CT系统提供面向其他系统的服务接口,可以针对不同系统的特点进行有效扩展,同时能够保证原有功能的稳定,保证代码开发程度最小。服务接口处理流程结构如图7所示。
(2)数据接口处理
CT系统与其他系统做数据接口对接,利用Web Service客户端的方式与其他做大批量数据交互。无论何种业务模式,都是通过客户端的请求来发起的,设计中考虑到两种业务情况:(1)获得其他系统发送过来的业务报文;(2)向其他系统请求业务数据。
该功能在前置服务应用中加以实现:
如图8所示,Web Service组件实现所有与数据交换平台交互所必须的处理流程,包括申请令牌、获得消息报文等处理。同时,还提供“对外申请报文数据”的接口,提供未来业务扩充的需要。
4.3 可视可控可追溯系统数据解析层
数据解析层主要负责纯数据非业务的数据处理,其中涉及到异常单线程处理逻辑模块和KPI单线程处理逻辑模块,以上两个模块处理方式相似,此处仅以异常单线程处理逻辑模块为例进行分析说明。
异常单线程处理逻辑模块,从数据解析处理逻辑线程池接收到数据,通过解析数据对象,查询异常配置表中是否有对应本票报文的配置信息,将查询出来的异常信息遍历,并从数据对象中得到异常计算公式,以及公式中各参数值,调用规则引擎,获得规则引擎计算结果,并将异常相关数据一一存储到物流动作异常情况记录表中,若计算结果显示,需要通知业务人员对此异常进行及时处理,则根据在数据库中得到的异常处理方式及业务人员信息,进行后期消息处理层消息通讯组件的调用。
(1)规则引擎设计
系统架构规则引擎所使用的核心组件是Drools5.1,利用它来进行规则订制和计算。本架构开发的规则引擎可以实现规则订制、规则引擎对外功能接口和跟踪系统业务结构调整规则等。
系统架构主逻辑调用规则引擎进行规则计算时,会根据具体业务需要在配置文件中找到具体业务处理类路径,选取规则,最终将对应业务对象和公式名称传入,进行规则计算,并返回计算结果。
此外,系统架构提供了规则包动态加载功能,当规则文件内容有变动时,架构会将最新内容自动加载到应用中,而不需要启停服务。规则引擎整体结构图如图9所示:
(2)KPI数据设计逻辑
根据数据报文中的系统识别信息,读取数据库《KPI定义表》中符合该系统条件的KPI记录,并与该报文所对应的节点动作做联合查找,检查是否存在需要进行规则校验的KPI数据,进行数据校验,并获得结果保存到《物流动作执行KPI考核情况记录表》。
主要涉及到的表格如图10所示:
根据对规则引擎设计规范的描述,得出在做规则校验时只需要调用相应的规则类即可实现规则计算得到规则结果。
(3)异常数据设计逻辑
根据数据报文中系统的识别信息,读取数据库《异常表》中符合该系统条件的异常记录,并与该报文所对应的节点动作做联合查找,检查是否存在需要进行规则校验的异常数据,进行数据校验。同时,根据从《异常处理方式表》中获得的对应处理方式规则,找到具体实现类进行专门处理,最后将异常处理结果保存到《物流动作异常情况处理结果记录表》表中。
根据对规则引擎设计规范的描述,得出在做规则校验时只需要调用相应的规则类即可实现规则计算得到规则结果。
5 结论
本文主要对基于控制塔的乳制品供应链可视可控可追溯系统进行了研究,提出了该系统的系统蓝图、功能架构、数据架构、技术架构和网络架构等,完整的分析了可视可控可追溯系统的技术方案。控制塔的解决方案给乳制品供应链的管理带来了前所未有的灵活性,可以对乳制品供应链的相关业务按需配置、管理,并能对整个供应链的运行状态、乳制品状态进行监控,及时处理出现的异常情况,加强供应链的实时监控能力、保证乳制品物流质量、提升供应链的透明度、提高供应链管理效率、加强生产监控和物流质量控制、明确企业的风险责任。基于控制塔的乳制品供应链可视可控可追溯系统为整个乳制品供应链提供了全面、完善的服务。
摘要：文章介绍了控制塔的基本架构和原理,设计了基于控制塔的乳制品供应链可视可控可追溯系统蓝图、功能架构、技术架构等,详细分析了可视可控可追溯系统的技术方案,为乳制品可视可控可追溯的服务模式的建立提供了基础。
关键词：控制塔,可视可控可追溯,总体架构,技术方案
参考文献
[1]黄桢.基于物联网技术的乳业食品安全追溯平台分析与设计[D].北京:北京邮电大学(硕士学位论文),2014.
[2]赵岩,吴莉宇,王强,等.我国农产品质量安全追溯系统的建立研究[J].现代农业科技,2009(8):323-325.
信息可视化与数据可视化 篇10
“可视化”正在强有力的影响着人们的思考方式和阅读习惯, “可视化”使读者在短时间内更好的理解接受想要传达的信息。随着越来越多的可视化图表的出现, 各类有设计成分的信息图标统称为“信息可视化”如果细分开来不难发现, 我们一般称之为的信息可视化, 实则是由数据可视化, 与信息可视化组成的。数据可视, 则是未来设计师与工程师们发展研究的重头戏。
1 数据可视化与信息可视化的含义
数据可视化和信息可视化是两个相近的专业领域名词。狭义上的数字可视化指的是讲数据用统计图表方式呈现, 而信息图形 (信息可视化) 则是将非数字的信息进行可视化。前者用于传递信息, 后者用于表现抽象或复杂的概念、技术和信息。而广义上的数据可视化则是数据可视化、信息可视化以及科学可视化等等多个领域的统称。
我们熟悉的那些饼图、直方图、散点图、柱状图等, 是最原始的统计图表, 它们是数据可视化的最基础和常见应用。作为一种统计学工具, 用于创建一条快速认识数据集的捷径, 并成为一种令人信服的沟通手段。传达存在于数据中的基本信息。所以我们可以在大量PPT、报表、方案以及新闻见到统计图形。
信息可视化的主要目的是通过图形化手段进行清晰、有效的信息传递。信息可视化是为了有效的传达信息, 美学形式和功能需要齐头并进, 通过对海量的复杂信息进行分析, 并以非常直观的视觉手段进行表达。
数据可视化的开发和大部分项目开发一样, 也是根据需求来根据数据维度或属性进行筛选, 根据目的和用户群选用表现方式。同一份数据可以可视化成多种看起来截然不同的形式。有的可视化目标是为了观测、跟踪数据, 所以就要强调实时性、变化、运算能力, 可能就会生成一份不停变化、可读性强的图表。
2 信息可视化与数据可视化的视觉表现
信息的可视化表达已经远远比简单的饼状图或者条形图更加的吸引人的眼球。今天, 信息的可视化表达已经有各异和数量众多的极具视觉吸引力的表达形式。它们包含着设计的趋势, 思想的再创新。互联网以各种扣人心弦的方式让信息的传播充满着趣味性。使老旧的表现形式成为过去式。
设计潮流变幻多端, 朝秦晚楚。但是, 信息的可视化表达的潮流却难以阻挡的不断前进。像是很多的知名网站, 例如Facebook, USA Today, New York Times还有Google, baidu甚至是奥巴马的总统竞选网站, 信息可视化图表已经成为传播大量信息的有力武器。大大小小的公司都通过信息的可视化表达来打造他们的品牌、引导他们的受众以及优化他们的搜索引擎以提高排名。
常见的的表现形式有:地图、时间轴、网络图、树状图、矩阵图、热力图、标签云、散点图、气泡图、流程图、折线图、平行坐标轴、数据表、雷达图、插画、解刨、说明图等等。众多的表现形式需要通过各种各样的手段来呈现, 或纯手工的组织设计, 或通过程序算法来实现。然而两方面的研究在目前市场行情来看都十分炙手。个信息研究所都马力全开, 不断探究新型的表现形式, 希望在信息图形研究领域取得新的突破, 有属于自己的一席之地,
进行数据可视化的时候, 一定要让读者的视线顺畅的在页面上移动, 错误的配色方式是一个阻碍。选择正确的配色能吸引注意力。在设计前考虑这些因素, 合理的安排你的不同的元素。如果一个页面的选色很困难的话, 遵循三色法则是最适合不过的了。不论怎样取色, 一定要保持整体色调的凝聚力和平静感, 让画面显得和谐。
修饰简单图形表格的方式字体排版, 可以创造也可以破坏一个设计, 但是它不应该成为信息可视化设计的一个瓶颈。一个可视化设计师经常性的充满能量并且异常兴奋, 但是也许很快他们便迷失在页面中去了。这常常导致决策的混乱。比如一些设计师利用大号的字体去炫耀数据量的庞大, 而不是通过信息的可视化表达来表现这些数据。如图1, 是针对华中科技大学校园面积分布来设计的图表。
从信息图形中可以看出, 图表所想要表现是一个数据分析信息。以圆、异色来区分校园面积的使用情况。与已往地图泡形式有明显区分。直观的传达出信息, 展现出华科不同领域使用面积的情况, 从而看出学校对校园建设的侧重点, 更快的分析出哪方面有不足需要改进, 有助于领导者们调整华科未来的发展规划。
3 信息可视化的宏观过程
根据乔治A米勒 (George A.Miller) 的研究, 人类短期记忆一般一次只能记住5-9个事物.这一事实经常被用来作为限制导航菜单选项到7个的论据;然而关于神奇的“7, 加2或者减2”还是引起了激烈的讨论.
所以, 在信息爆炸时代, 怎么在同类的海量信息中, 让受众, 更加容易认同自个儿的, 就得尽量不违反“7±2原则”。7+2原则, 是认知科学中最基础的定理之一。
制作一个可视化图表, 至少包含以下环节:
收集—整理—设计—输出
然而数据的收集和整理则是重中之重。每次可视化都是为了解决特定问题的, 所以, 面对海量以标准形式收集的数据, 要事先思考怎么针对领域问题合理抽取对应的数据。罗列出要解决的问题, 什么数据对于可视化的需求有用?这需要数据分析者有一个强有力的准确方向。重要的是, 所有问题, 都要归结为一个单一形式来表现。
信息图形化设计, 在明确想要展现的内容后, 脑子里面有个基本的框架和第一时间想到的展示形式, 还要运用视觉元素的造型, 色彩的选取, 动态等赋予图表更好的视觉体验。如果用代码形式在网页上面做出相应的布局, 信息图形就不仅仅是一个简单的静态页面了, 而是一个可以活动的大型数据流的输出展示。在确定表现形式, 非人工实现设计, 而是要通过数字工具统计分析后输出图形时。就需要设计者设计合理的输出合成的形式。
面对日益丰富的可视化数据分析工具。一些相关工作人员则设计出不同的展现形式, 来帮助用户更好的进行视觉风格的选择。例如datavlab公司开发的插件可以根据你提供的数据帮你选择适合的展现形式, 例如:treemap, tree, stream, scatterplot Matrix, force, matrix, bubble, chord设计师在选择表现形式的同时一定要考虑到受众是否能够很好的去接受和吸收信息, 设计师需要了解视觉心理对用户浏览时的影响。伴随着互联网的发展, 对于优良设计的要求也越来越高了。
4 结语
信息 (数据) 可视化是一个较为复杂的领域, 最终目的不是可视, 而是从可视化中进行数据挖掘, 信息传播, 帮助分析问题。带领人们思考。设计在这里不仅作为表现形式那么简单。要更深刻的理解才能找到最合适的手法去分析制作。也许几年后我们会发现, 现在的探讨根本就是低级的。我们要迎着时间一同进步, 不断探索未知, 任重而道远。
参考文献
[1]Julie Steele, Noah Iliinsky.数据可视化之美机械工业出版社2011-06出版.
[2]周宁.张玉峰, 张李义.信息可视化与知识检索, 2005.
[3]Zhang Jiao Jie.Johnson K A.Malin J Human-centered information visualization 2007.
船舶航行环境可视化仿真 篇11
摘 要：为制定大型船舶和危险品船舶的监管方案，提高海事管理部门应对各种危险情况的能力，降低实际训练的成本和风险，采用虚拟现实技术构建船舶航行环境仿真系统.该系统利用ArcGIS和Creator等可视化建模软件建立三维地形和船舶、航标等三维实体，以Vega管理三维场景，模拟雾、白天、黑夜等自然现象.系统在湄洲湾LNG船舶监管方案设计中得到实际应用，为LNG船舶监管方案的设计和优化提供辅助和支持.
关键词：虚拟现实； 航行环境； 仿真
中图分类号：U644.3; U666.158; U675.9文献标志码：A
Visual simulation in navigational environment
XIONG Zhennan, ZHOU Shibo
(Navigation Institute, Jimei Univ., Xiamen Fujian 361021, China)
Abstract： In order to establish the supervision schemes for large ships and dangerous cargo ships, help the maritime safety administration to improve the ability of dealing with the various dangerous situation, reduce the drilling cost and risk, a visual navigational environment system is established adopting the technology of the visual reality. In this system, 3D entities such as 3D terrains, ships and navigation marks are set up by the help of the visual modeling software of ArcGIS, Creator, etc. 3D environment is supervised by Vega to simulate the navigational environment such as fog, day and night. The system has been applied in the supervision project for LNG vessels navigating in Meizhouwan to provide assistance and reference for designing and perfecting the supervision schemes.
Key words： virtual reality； navigational environment； simulation
0 引 言
保证大型船舶和危险品船舶的航行安全是海事主管部门的重要工作.为保证监管方案的可操作性和可靠性，需要在实践中不断调整和优化不同船舶的监管方案，不仅增加经济成本，而且存在一定的安全隐患.因此，利用虚拟现实技术构建船舶航行环境，真实再现船舶周围的地形、水文、助航设施和交通流等情况，使海事管理人员在较短时间内不断演练事先制定的监管方案，在演练中调整和优化该方案是比较经济和安全的做法.
本文结合湄洲湾LNG船舶监管方案设计，介绍虚拟船舶航行环境的组成和可视化仿真方法，并对可视化仿真中建模技巧、数据的简化和处理方法等进行阐述.
1 船舶航行环境仿真
船舶航行环境指航行中除人员与设备以外的客观环境.从航行涉及的客观因素分析，航行环境包含地理环境、气象环境、水文环境与通航环境等，它们的空间形态随航行过程演变，具有多维性.如果把航行环境作为1个系统，其功能就是构成航行的空间载体与物理条件，航行环境中各类环境的相互关系构成该空间载体的有机整体.运用虚拟现实技术模拟航行环境，首先需要把航行环境数字化，即建立航行环境的数字模型，这是航行环境可视化仿真的基础，通过三维地形、声效和海浪等要素展现航行环境.船舶驾驶员通过一定的操作界面感知周围环境，达到辅助熟悉环境、掌握态势和辅助决策等目的，这种“环境感知化”的结果供人脑认识船舶周围环境.在航行环境仿真中，根据地形、船舶等模型驱动而改变的数据通过可视化展现，使用人员通过人机交互感知周围环境［1］，见图1.
2 虚拟航行环境系统的组成和功能
船舶航行时驾驶员最关注船舶周围的地形、助航设施、气象条件以及与其他船舶的会遇态势等与航行安全相关的因素.因此，虚拟航行环境应包括：三维地形；实体模型，如人文地理环境、船舶、助航设施和码头及其附属设备等；水文气象，如云、雾、雨、雪和昼夜变化等.此外，为逼真表现特定区域的自然情况，还应包括烟雾与火灾等特殊效果，用于船舶的应急演练、航行过程的记录和回放以及训练结果的评估等模块.
通过分析航行环境仿真的功能要求，结合湄洲湾LNG船舶监管方案设计仿真系统的实践，采用ArcGIS和Creator处理地形数据和构建三维地形，采用Creator作为三维实体模型创建工具，实现船舶、助航设施、码头及其附属设施以及岸上建筑物等三维模型的创建；采用Vega作为场景驱动平台，实现场景显示、船舶漫游、视点控制、对象拾取、碰撞检测与特效显示等操作和控制.通过虚拟航行环境的可视化仿真，可以逼真模拟以陆地、岛屿、岸基、海面、码头和助航设施等各种要素组成的三维海域虚拟环境，以及白天、夜晚、能见度不良或不同级别风浪等复杂海况下船舶周围不同的环境，直观、形象、全面地把周围景观和助航设施表现出来，并提供基于空间特征和属性特征的信息查询、距离度量、报警实时响应以及综合监控等功能.［2］
3 航行环境可视化仿真实现
3.1 三维地形的生成
三维地形可视化是现实世界中真实地形的再现，真实度高，必须采用具体数据构造.地形的生成多采用数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）建立地形的网格模型，然后通过纹理映射与光照等技术，再现真实地貌，见图2.
DEM数据可以从多方面获取，如电子海图或扫描的纸质海图，经过Photoshop和ArcGIS等工具处理和转换得到，通过航拍图片或卫星图片获取的高程数据可以为地形模型的建立提供详细信息，是生成DEM的重要数据源.
数据的预处理包括两方面内容：(1)对数据进行分割.大规模的地形可覆盖范围较大，生成地形的三角形数目可达几十万甚至数百万个，因此，不能一次性将所有的地形数据调入内存，而是根据实际情况将大地形分为若干个小地形，再分块操作，以保证显示的流畅.(2)对数据的误差进行修正.数据采集的方法不同，其精度和可靠性也不同.同时，由于数据采集误差、数据转换时的信息损失以及技术处理误差等原因，原始数据不可避免地包含各种误差和错误，因此，必须进行查错和相应的处理.具体方法是对建立的初步模型和实际数据进行对比分析，查看与实际地形地貌的差异.一般存在的问题主要包括等高线出现断线、某些位置缺少高程点和边界轮廓没有界限这3点，相应的处理策略是根据原始数据添加一些控制点，连接断线和手工添加边界等.
用Creator加载处理过的数据就可转化为三维地形，再进行纹理和细节层次（Levels of Detail, LOD）处理，生成真实感的三维可视化地形.图3为实际生成的湄洲湾三维效果.
3.2 实体建模
实体的几何建模技术是航行环境可视化仿真中最重要的内容之一，其研究对象是物体几何信息的表示与处理，涉及表示几何信息的数据结构以及相关的构造与操作该数据结构的算法.虚拟航行环境中的每个物体包含形状和外观2个方面，物体的形状由构成物体的各个多边形、三角形和顶点等确定；物体的外观由表面纹理、颜色、光照因数等确定.物体形状的细节层次由构成物体的多边形数量决定.物体的外观特征是表面反射属性和表面纹理，表面反射需要考虑光源的位置和类型；纹理能增强物体的细节层次和真实感，也能提供三维空间感，且显著减少物体需要的多边形数目，提高显示刷新率.图4为制作的散货船三维模型.［5］
3.3 运用多重层次细节
虚拟航行环境运行是否流畅的重要标准是人机交互响应的能力.当交互响应达到实时时，视觉上表现为场景随交互过程而连续平滑地变化；当交互响应有明显延时时，视觉上表现为场景的停滞和抖动变化.因此，影响交互能力除系统硬件对场景数据处理和显示的性能外，还与场景的数据量有关.在建构虚拟航行环境系统时，要充分考虑场景的数量.在航行环境仿真中，参与可视化处理的场景数据包括三维地形、实体模型、烟火特效以及声效等数据，数据量庞大，为实现大数据量的实时交互显示，在保证航行环境显示细节的前提下，必须使参与实时处理的场景数据最少，以保证交互响应的效率.
LOD是1组代表三维模型数据库中同一物体具有不同细节程度的模型对象，不同细节程度版本模型的多边形复杂程度也不一样，细节程度越高的模型对象所包含的多边形数量也越多.在可视化仿真运行过程中，系统以当前视点到所包含区域中心点距离作为切换依据，对场景中的不同物体或物体的不同部分，采用不同的细节描述方式.在绘制场景中的物体时，根据视点远近选择“粗糙”或“精细”的模型来减少场景的几何复杂性，优化总的显示面数，减少实时渲染的开销，有效增加仿真系统的绘制效率与视觉效果.［3-4］在航行环境仿真中，三维模型的LOD有2个层次：第1个层次针对整个场景，在距离当前视点较远的地方，较小的物体如房屋、码头上的低矮建筑物以及船舶等不在场景中显示，同时，远处的山脉、岛屿和大的建筑物，采用“粗糙”的、细节程度不高的模型在场景中绘制；第2个层次针对单个的三维模型，在场景的不同LOD阶段使用适当细节程度的模型绘制.
3.4 场景数据管理和驱动
在可视化仿真系统运行过程中，根据当前的视点位置，连续在模型数据库中搜索当前可见的三维模型，将其实时渲染.判断当前视点下场景中三维模型对象可见的标准是看三维模型是否落在当前视点的观测体有效范围内，即系统模型数据库中所有组节点是否与观测体相交，如果不相交，组节点及其子节点会在当前帧被剔除，这些节点也就不会渲染在场景中.［3］在航行环境场景数据的管理中，采用空间结构组织数据，即根据三维模型对象在场景中的具体位置组织数据，场景中所有三维物体都按照其真实的空间位置进行分组.使用这种场景数据管理方式，系统可以快速判断哪些区域在当前的可视范围内.由于按照空间结构进行分组可以组节点为单位进行可见性判断，不用遍历不可见的其他三维模型，系统处理速度提高.
Vega是美国Multigen Paradim公司用于虚拟现实、实时视景仿真及其他可视化领域的应用软件工具，将易用的工具和高级仿真功能巧妙结合，使用户以简单的操作迅速创建、编辑和运行复杂的仿真应用程序；Visual C++ 6．0的MFC包含强大的窗口和事件管理函数，成为Vega的主要工作平台.系统采用Visual C++ 6．0与Vega实现实时仿真程序设计.图5为湄洲湾首艘LNG船舶“SERIALAM”实际靠泊与湄洲湾LNG船舶监管方案设计三维仿真系统运行效果对比.
4 结 论
随着虚拟现实技术的不断发展和虚拟航行训练对环境仿真效果要求的不断提高，航行环境可视化仿真仍有许多关键技术有待研发，特别是三维场景的逼真度和大规模场景的实时渲染有待进一步提高.依据虚拟航行环境的组成和功能要求，开发湄洲湾LNG船舶监管方案三维仿真系统，实际应用表明符合需求，为LNG船舶监管方案的制定和优化提供科学的辅助支持.
参考文献：
［1］游雄. 基于虚拟现实技术的战场环境仿真［J］. 测绘学报, 2002, 31(1): 7-11.
［2］彭国均, 翁跃宗. 三维仿真技术在航标管理中的应用研究［J］. 中国航海, 2007(4): 17-21.
［3］王乘, 周均清,李利军, 等. Creator可视化仿真建模技术［M］. 武汉: 华中科技大学出版社, 2005: 184-192.
［4］关克平, 王胜正, 陈锦标, 等. 一种新的生成航海模拟器视景地形数据库文件的方法［J］. 上海海运学院学报, 2003, 24(3): 213-216.
［5］万刚, 夏青, 陈刚, 等. 虚拟地景仿真中地物的几何建模技术［J］. 系统仿真学报, 2001, 13(S): 73-76.
简析信息可视化 篇12
根据感知心理学的研究, 人类对图像的认知速度及接受度要远远大于文字。本文所指的信息可视化主要是指把复杂的、隐晦的、朦胧的甚至常人难以理解的信息变得通俗易懂, 把隐藏在信息中的内在规律以可视化的方式表示出来, 便于传播、沟通、预测以及研究。信息可视化最近几年主要是随着计算机技术的发展逐渐为人们所认知的, 事实上公元前610 年~前546 年, 古希腊哲学家Anaxiruander就绘制出了世界上第一张全球地图, 这可以看做是可视化的雏形。而具有信息可视化雏形的图片则是以1812 年拿破仑踏上征服莫斯科的旅程为数据来源, 50 年后, 巴黎的工程师Charles Minard做出的一张数据图。在这张图上, 粗线显示了极端天气如何击败了拿破仑的军队。而信息可视化预测功能的最早雏形则是1854 年伦敦爆发霍乱时流行病专家John Snow绘制的地图。John在地图上用黑杠标注死亡案例, 最终成功的将污染源指向大街水龙头[1]。
现代意义上的“信息可视化”一词出现在ROBERTSON等1989 年发表的文章《用于交互性用户界面的认知协处理器》中。
2 信息可视化的分类
根据研究对象、应用领域等的不同, 信息可视化的分类也各有不同, 本文作者认为刘玮等学者基于信息资源的特征为比较科学的分类方式, 根据他们的研究[2], 信息可视化可以分为以下几类:
2.1 一维信息可视化
主要是对简单的诸如文本或者数字之类的线性信息的可视化表达, 这种可视化的方式可以很大程度上避免文字处理工作, 不但节约用户的脑力劳动而且对各类文献信息的检索及知识挖掘也能起到很大的作用。该类别里一系列的文本信息访问和可视化分析工具由PNNL的科学家们提出。
2.2 二维信息可视化
该类别主要是指包含了两个主要属性的信息, 以地理信息系统 (GIS) 为代表。主要应用于区域规划、交通管理, 气象预报等等, 常见的也有健康和普查数据。
2.3三维信息可视化
该类别主要应用于建筑和医学领域, 同时许多科学计算可视化也是三维信息可视化。
Quick Time- VR技术以及数字化图像技术也通常被用于创建和描述现实的三维信息。这种虚拟的三维信息往往比真实的空间更加实用和高效。
2.4多维信息可视化
多维信息是指可视化环境中超过三个属性的信息, 典型的如马里兰大学人机交互实验室的研究人员开发的一个动态查询的框架结构, 比如Home Finder提供的就是多维房屋数据的可视化。用户移动数据库中相关属性对应的滑块, 比如卧室数量、位置、价位等, 随着滑块的移动, 查询结果动态更新。
2.5时间序列信息可视化
Liddy建立了一个信息系统SHESS, 该系统可以从文本信息中抽取时间信息并按照时间序列组织这些知识。
2.6 层次信息可视化
层次关系是抽象信息之间的一种普遍关系, 如:文件目录结构、图书分类等。对于该类信息的可视化目前大多集中在如何寻求简洁的层次信息可视化结构方面。
2.7网络信息可视化
网络信息主要是指与其他节点有着密切联系的一个节点。New Brunswick大学研发了Graph Visualizer3D系统, 它能可视化组成一个软件程序的各成分之间的关系。可以使用户更加便捷的理解大型系统内的各种关系。其他的还有面向各个领域的可视化分类, 比如医疗信息可视化, Citespace的引文可视化等等。
3信息可视化的实现方式
CARD的信息可视化模型将信息可视化的过程主要分为以下3 个阶段[3]:
3.1数据准备
数据准备阶段的主要工作是数据预处理, 主要是把采集来的数据源进行预处理和加工, 使其便于被处理并进行进一步分析。
3.2可视化图形绘制
绘制的主要功能是运用可视化的实现工具完成数据到可视化图像的转换。
3.3 可视化实现
将绘制模块生成的可视化图形按用户指定的要求进行显示。除了完成可视化信息输出功能外, 还需要综合用户的反馈形成基本的交互。针对信息可视化的主要任务, 交互技术主要包括动态过滤、全局+ 详细、平移+ 缩放、焦点+ 上下文及变形等技术。
4信息可视化的发展趋势
一图胜千言, 随着读图时代的到来, 信息可视化作为一种信息展示、传播、互动以及分析的手段, 在信息展示、传播等领域都将获得更为广泛的应用, 对信息可视化的研究与应用也不断深化, 并表现出以下趋势:
4.1视觉驱动转向数据驱动
信息图出现之初, 优良的设计加上简单的数据即可成为一张优秀的信息可视化图形, 而随着大数据时代的到来, 海量数据的筛选与表达成为信息可视化需要解决的一个关键问题。
4.2以用户为中心的设计
一直以来, 信息可视化设计中主要以任务为中心, 对用户需求、用户心理把握、用户认知能力以及后期使用效果和评价等关怀不够。后期的设计信息可视化设计将会强调技术的发展要以用户为中心。
参考文献
[1]DEFANTI T A, BROWN M D, MCCORMICK B H.Visualization;Expanding scientific and engineering research opportunities[J].Computer, 1989, 22 (8) :12-16.
[2]陈建军, 于志强, 朱昀.数据可视化技术及其应用[J].红外与激光工程, 2001, 30 (5) :339-342.