动态模拟实验（共7篇）
动态模拟实验 篇1
国发〔2014〕19号《关于加快发展现代职业教育的决定》提出大力发展职业教育, 向应用型本科转变, 深化产教融合、校企合作, 培养高素质劳动者和技能型人才。各院校把学生动手能力的培养放在更加突出的位置, 而实验实训是动手能力培养的重要载体之一;怎样建设更加贴近社会的实验实训场景, 让实验室真正成为学生与社会对接的桥梁, 这是每位实验室场景建设工作者需要深入思考课题。
广西经济管理干部学院会计系是学院最大的系部之一, 学生众多, 实验实训量大, 实验实训室较多, 从原有核心专业的实验实训室和学生实验实训锻炼环节来看, 缺乏系统性和整体性, 特别表现在实验实训的场景设计和建设方面, 与社会真实情景相差甚远, 很难达到培养动手能力强的应用型人才需求。会计系近两年来提高对实验实训教学重要性的认识, 加大改革力度, 以现有实验室为基础, 以重点本科实验室建设为依托, 以防真实验实训室场景建设为突破口, 加强实验实训模拟防真场景设计和建设的探索, 进一步明确实验实训室场景建设的指导思想, 克服原先建设实验实训室场景中存在的问题, 提出动态模拟防真会计实验室场景设计和建设的创新点。
1 动态模拟防真场景建设指导思想和建设目标
1.1 指导思想
会计系会计类实验实训室场景建设以培养会计领域高端应用型、实用型专业人才为目标, 以培养学生会计操作技能和企业管理视角为抓手, 以专业建设五年规划为依据, 紧紧围绕全面提高教学质量为中心, 注意实验室的理论性、实距性和应用性功能, 以动态模拟防真实验室场景和把企业财务搬进实验室为创新点, 建立符合系情、系统的、完整的实验实训平台。
1.2 建设目标
以全面提升会计系实践教学水平为主题, 按照“加强技能, 突出实践, 强化协作, 提高层次”的实验室建设思路, 构建起覆盖面广、功能齐全、布局合理、满足教研的会计专业实验室平台体系, 努力达到区内同类专业的先进水平。
2 原会计实验实训室场景建设存在的问题
2.1 模拟资料单一化、缺少能动性
每个院校在会计实验实训室的硬件配置上大相径庭, 但在软件配置方面千差万别, 会计系几年前在模拟防真实验训室场景建设上也存在很大的缺陷, 表现在模拟资料的单一性, 学生模拟用资料基本是社会上商品化的实训教材, 实训教材所有财务数据都已事先提供, 教师让学生裁下教材上的原始资料, 跟着教师做记账凭证, 说白了就是抄会计分录, 虽然课堂上学生很忙, 但只是机械地完成模拟内容, 不能发挥学生的能动性和积极性。特别是选用了北方编写的教材, 很多经济业务南方是没有的, 所以学生很难理解, 有些教材更新内容慢, 有些内容特别是税务方面的内容已与现在的税法有出入, 照搬教材不利于学生学习, 很机械、很被动、很僵化, 不能调动学生积极性和培养学生主动性, 由于没有形成一套完整的模拟资料, 导致引响了模拟实训的效果, 通过这几年毕业生反馈的信息来看, 学生到财务部门后不知道该做什么。
2.2 手工模拟与电算化模拟相脱离
在会计实训模拟中存在手工模拟与电算化模拟相脱离的现象, 手工账是一个企业实例, 模拟电算化时又用另一个企业的实例, 手工账和电算化分开模拟实训, 会导致学生很难把手工账和电算化联系起来。在教师授课中, 没有把电算化模拟操作过程与手工账操作过程联系起不, 导致学生很难理解电算化操作的步骤。例如:在电算化初始化过程中, 学生很难理解初始化是什么意思, 如果把电算化中的初始化和手工账中的开设账户和在账簿中填入期初数据联系起来, 学生就很容易理解初始化的意思。我系在以前安排学生模拟实训会计时, 电算化和手工账模拟实训分开进行, 教学教果不理想, 不能形成手工模拟与电算化模拟相互动。
2.3 会计核算与业务部门相脱离
在会计模拟实验实训中存这样两种现象, 一种是教师只要求学生模拟会计核算, 即只要求学生裁下资料上的原始凭证, 完成记账凭证, 再完成登账, 最后到编制报表;可能是一个学生独立完成从编制凭证到出会计报表。模拟实训缺少分工协作, 使学生误以为一个人就可以完成所有工作, 在模拟实训中没有培养学生团队协作能力, 在社会上这种团队协作能力是必要的。另一种现象, 只模拟会计核算本身的分工, 没有涉及到与财部门相关的业务部门, 如企业内部的产供销部门、生产部门、行政部门、人力部门、研发部门和企业外面常见的银行、工商和税务部门等。缺少业务部门场景的模拟, 学生很难掌握业务的流程, 不懂得业务流程, 学生很难得到核算和监管能力的培养, 所以培养的学生只会模拟做账, 到企业后不会做会计工作, 一个最主要的原因来自在模拟仿真会计实验实训中缺少业务部门场景的设计和模拟运作。
2.4 模拟环境面小、管理视角狭窄
会计综合模拟中, 大部分教师只要求学生完成会计核算和装订好凭证为主, 导致学生误认为会计工作主要是完成会计核算和整理会计资料。现实会计工作中, 大量的数据计算和信息加工工作已被会计电算化所替代, 会计人员从复杂繁琐的数据计算和信息加工中解放出来, 余下更多的时间用来溶入企业的管理工作之中。如今学生掌握会计第二职普遍较差, 这也是大多数院校培养的短板。目前会计系在学生管理视角能力的培方面也处于短板中, 主要精力还是培养学生的会计第一职能, 即核算职能。现在的核算职能已被电算化取代, 所以培养目标已与社会的要求产生偏差, 模拟环境面小, 仅限于会计核算, 管理视角狭窄。
3 会计实验实训场景建设的探索和建议
3.1 丰富模拟资料、发挥主动性
现今社会正处于深度调整和转型期, 经济结构和业务流程变化大, 特别是财经法规变化更大;因此教师在设计模拟防真实验场景方面也要随之变化, 特别是税法变动更快, 在模拟会计实训中, 要不断更新实验实训资料, 实训资料要及时贴近社会, 要不断丰富实验实训资料, 及时补充新内容, 特别是教实训的教师要及时走进社会, 不断完善丰富模拟资料。市场上的模拟资料基本上都是印刷好的, 学生不用填制, 这样学生就失去了主动性, 建议在设计模拟资料时留有一部分空白资料, 让学生自己填写, 如:在模拟出纳岗位时, 可以用一些空白的支票, 当学生做账时发现, 库存现金已不够使用时, 就应该安排填写现金支票取现, 这样可以举一反三, 不但提高学生能动性, 还可以让学生懂得会计核算与业务管理的关系, 提高学生的主动性, 把核算和管理联系起来。因些模拟场景的动体性体现在模拟资料的及时更新完善、教师的能动性和学生的能动性基础上。我系这两年来, 不断更新模拟资料、让教师和学生有更多动手机会和思考空间, 调动教师和学生主动性。
3.2 提高手工和电算化核算的融合度
手工账和电算化账模拟分离存在诸多缺陷, 建议在设计模拟防真场景时, 把电算化和手工账核算融合起来, 最好把手工账和电算化账分模块进行模拟, 这样对比度更强, 学生更容易理解, 如:手工账中存在出纳核算的业务, 把手工账出纳业务用电算化中的出纳模块同步模拟一次, 可以相互映射核算结果, 学生对电算化会加深理解;在模拟手工账时要给学生做好分工, 不要一个人独立完成整套账, 会计人员是有分工的, 在手工模拟中通过文件分工来进行, 电算化中采用授权、账号和密码来控制的;通过手工账和电算化融合模拟可以让教师更形象地向学生展示核算过程, 学生可以把手工核算和电算化核算各过程进行对应, 加深理解, 在核算同一套业务时, 可以及时核对结果, 提高学习效果, 我系目前已偿试电算化和手工账分模拟融合模拟, 教师和学生反映的效果都较比较满意, 正处理进一步探索融合过程中。
3.3 强化会计核算和业务流程培养
社会上普遍反映, 会计毕业生办事能力和团队协作能力比较差, 笔者认为一个主要的原因就是在会计模拟实训中缺少会计分工和业务流程所对应部门模拟;缺少会计分工模拟, 弱化了学生团队协作能力的培养;缺少业务流程的模拟, 导致学生管控业务流程能力欠缺, 影响学生办事能力的培养, 因此笔者建议在模拟仿真会计实训过程中, 要设置财务部门内部各岗位场景和与业务有关的企业内部部门和企业外部部门场景, 通过细化各岗位和各部门场景, 学生的动手能力、业务把控能力和协作能力都会得到锻炼, 我系目前非常重视强化参学生会计核算和业务流程把控能力的培养, 具体见图1。
3.4 拓宽模拟环境、增强管理视角
为适应社会对会计人员职能要求的改变, 院校在设计模拟环境方面要拓宽模拟范围, 从单纯的会计核算模拟环境中解放出来, 更多地模拟会计的管理能力, 如:可以先设计企业的环境, 为企业设定各种指标, 准备好日常会计所用和各业务部门所用的空白原始资料, 让学生扮演企业财务部门和业务部门的不同角色, 由学生自由发挥, 来组织财务核算和经营业务, 把会计核算溶入到企业经营中去, 培养学生的管理视角。广西经济管理干部学院还创办了大学生创业园, 学生自己成立了会计服务公司, 可以接一些企业的账回来处理, 让学生看到真账, 可以起到把企业财务搬到实验室的效果。目前市场上已开发出这样的软件和实物经营沙盘, 可以通过实物经营沙盘和软件的模拟来达到增强学生管理视角。目前会计系已通过用友电子和实物模拟沙盘来训练学生, 拓宽了模拟环境, 增强了学生的管理视角。
4 结语
实现应用型高级人才的培养离不开院校实验室建设的支撑, 在实验室建设过程中, 不但要重视硬件投入, 更重要的是软件的投入, 如:组建高质量的“双师型”教学团队, 编写完备的实验实训材料, 打造良好的实验室文化氛围, 建立完善的实验教学管理制度, 设计模拟防真的实验环境等, 在模拟仿真实验室建设过程中要以会计核算技能和增强企业管理视角为抓手, 重视理论性、实践性和应用性教育。会计系目前对于模拟防真实验实训场景建设还是处于探索之中, 在模拟仿真场景建设和把企业搬进实验室方面虽然取得了一些成绩, 教师还会在探索模拟仿真会计实验室场景建设之路上不断努力, 建立系统的、完整的模拟仿真实验实训平台, 来满足会计类专业教学和科研之用。
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动态模拟实验 篇2
本文采用动态试验法-循环柱实验来探讨Pu在板岩与粘土中的迁移。循环柱实验是具有静态和动态两种方法特性的一种实验室研究核素迁移的方法[3,4,5]。利用该装置可以直接测量液相和固相的放射性活度, 从而计算吸附比, 还可以研究核素在柱中迁移的分布状态以及各种因素 (如酸度、浓度、粒度、有机质等) 对核素迁移过程的影响。循环柱实验方法是介于动态与静态之间的一种值得探索的实验装置, 实验结果更接近现场实验值。
1 实验部分
1.1 实验原理
动态吸附法, 关键是吸附分配系数Kd值。吸附分配系数是固相中核素浓度与溶液中核素浓度之比, 即[6]:
其中, Ca为固相中活度, cpm;Cb为液相中活度, cpm;V为液相体积, ml;W为吸附介质质量, g。实验结束后, 取出粘土 (板岩) 柱, 放置数日, 然后每1cm则解体切割、称重、测量。
1.2 实验装置及实验方法
将实验介质粘土或板岩 (60—120目) 填充在35mm×120mm的有机玻璃柱中 (玻璃注射器) , 吸附介质的填充高度为100mm, 装置示意图如图1。
实验方法:将装好的土柱安装在实验柱中压实, 联接所有管路接头, 放置24h, 加入200ml的地下水, 在系统中循环检漏。在确认无漏时, 运行5个小时待流量稳定后, 排出循环水, 测量其体积。往实验柱中一次性注入1ml钚标液 (600Bq/ml) , 开启循环泵, 调节流量计。每天取样 (24小时取一次) 监测循环液的活度变化, 直到分析数据基本不变为止。水样测量用φ20mm不锈钢测量盘取0.5ml, 红外线红线烘干后进行测量。本文板岩柱的流速为18ml/小时, 土壤柱的流速为2.5ml小时流。
1.3 仪器与试剂
Multi Low Level Counter (FHT 770T, Thermo) ;LD4—2A型离心机;红外线干燥箱;艾柯实验室超纯化水机;回旋水浴恒温振荡器。
239Pu (NO3) 4溶液 (400 Bq/m L, 中国工程物理研究院提供) ;实验用粘土与板岩均采自中国四川西南某地区, 其化学成分见表1。
2 结果与讨论
2.1 时间对Pu在粘土与板岩中吸附的影响
从图2中可以看出, 板岩与粘土的吸附分配系数Kd值随时间逐渐减小, 但未达平衡。粘土的吸附分配比要远大于板岩的吸附分配比, 吸附分配比约是板岩中4倍左右。这是因为板岩柱中水流速度快, 循环次数多, 而粘土柱液相流速慢, 循环次数少, 还未充分反应, 且粘土矿物, 利于吸附进行, 因此, 粘土中吸附分配系数要比板岩中大。
2.2 循环柱解体测量
从图3可以看出, 粘土和板岩中同一深度核素分布趋势基本相同, 钚在粘土中数值要稍大于板岩中的含量, 可能是由于板岩循环柱中水流速度比板岩中快 (板岩循环柱中水流速为粘土柱的7倍) , 板岩柱中循环次数多。由此可以看出, 流量变化是影响核素迁移的主要因素之一, 在循环柱试验中要求流速稳定。但实际上只能达到相对稳定。究其原因, 一是柱体结构在长时间对流中有所变化, 同时控制流速过程中, 认为因素干扰较大。
2.3 循环柱器壁对Pu吸附的影响
循环柱实验, 发现液相活度随器壁吸附变化而变化。表2可以看出, 当器壁吸附占注入量的74%时, 液相中Pu核素残留为11%;当器壁吸附占34%时, 液相中Pu核素残留为56%。结果表明, 当忽略吸附介质的吸附时, 吸附主要与器壁吸附的大小有关。器壁吸附越小, 液相活度越高。因此, 对循环柱而言, 器壁吸附使吸附分配系数Kd增大, 从而表明器壁吸附对Pu在板岩与粘土吸附比的影响在循环柱实验中是很大的, 以后实验要对容器进行筛选, 以降低容器器壁吸附对实验结果的影响。
3 结论
循环柱实验过程无须液固相分离, 是直接测量固相及液相活度, 计算其吸附分配比的简便易行的实验方法。
3.1循环柱实验虽然都未达到吸附平衡, 但在粘土中分配系数远远大于岩石中分配系数, 约是板岩中2倍左右。主要因为粘土中含多种矿物成分, 所以吸附性较强。板岩的吸附比小于粘土的吸附比, 是因为板岩中无粘土成分。
3.2玻璃容器的器壁吸附十分显著, 在吸附实验中有需要对容器材料进行筛选, 以降低容器壁的吸附量, 使得实验结果更准确。
3.3粘土和板岩中同一深度核素分布趋势基本相同, 且钚在粘土中数值要稍大于板岩中的含量, 可能是由于板岩循环柱中水流速度比板岩中快 (板岩循环柱中水流速为粘土柱的7倍) , 板岩柱中循环次数多。因此, 流量变化是影响核素迁移的主要因素之一。
摘要：以西南某地的板岩与粘土为吸附介质, 采用动态吸附法来模拟放射性Pu废液在吸附介质的扩散与迁移, 得出Pu浓度随时间与淋滤柱柱深的变化曲线。实验结果表明:Pu在粘土中分配系数约是板岩中4倍左右;粘土和板岩中同一柱深时, 钚在土壤中数值要稍大于板岩中的含量, 且流量变化是影响核素迁移的主要因素之一。
关键词：Pu,板岩,粘土,动态吸附
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动态模拟实验 篇3
在实际电力系统动态模拟实验室中,要求对模拟线路、模拟变压器的开关进行跳合闸操作[1],如做变压器保护的区外故障实验,要对模拟线路开关进行跳合闸操作,以模拟出和实际现场一致的开关动作行为,如果在模拟实验室安装线路保护装置,让线路保护装置去出口跳合模拟线路开关,这无疑是给实验室增加成本,而且不能模拟保护误动作或拒动作等情况,因此很有必要在电力系统动态模拟实验室中装一个开关跳合闸时间控制器,所有开关跳合闸时间全由人为控制,这样可以轻松解决这一问题。电力系统动态模拟实验室开关跳合闸时间控制器对保证实验室能够真实模拟实际电力系统具有较高的意义。
1 控制器设计目标
结合实际电力系统动态模拟实验室主接线图(见图1),能实现对4个线路开关、2个母联开关进行分相跳闸操作、三相合闸操作,对三绕组变压器3侧开关、双绕组变压器2侧开关进行三相跳闸操作(见表1)。以故障开关动作作为触发起始时间,对模拟线路开关、模拟变压器三侧开关的跳合闸各种时序控制操作,可实现如线路开关不同时的分相跳闸、合闸及重合后加速跳闸等多个不同时序的开关出口操作。实现对实验室三个交流系统的跨系统时序控制操作,实现由其他计算机对实验室的三套交流系统的各开关进行时序控制操作。
2 控制器的实现
2.1 设计框架
根据控制器的设计目标和实验室已有条件(已具备模拟开关操作回路),对控制器的框架设计如图2,实验室配有三台主机,每台对应一个系统,利用此三台主机的串口,控制器后台程序通过串口对控制器前置器发送操作时序和命令,前置器接收到信息后设置时间序列,等待中断到达后(故障开关动作引起中断)执行一系列模拟开关的跳合操作。另外,控制器前台程序利用局域网使用UDP协议,可以发送或接收命令,这样就实现了其他计算机对实验室三套系统模拟开关的控制(当多套系统连接在一起组成更大的系统时用到)[2,3,4,5]。
2.2 硬件部分的实现
控制器前置器需要利用一部分元器件加以实现,根据输出节点共有29个的设计目标和程序逻辑不复杂这一特点,选择最常用的89C51芯片。故障开关动作时节点触发51芯片的外部中断,以此中断作为起始时间开始计时,当计时达到所设定的各时间后,51芯片P口产生一所设脉冲宽度的低电平,经过反向器、光隔离放大器驱动继电器动作。实际原理图如图3。
2.3 软件部分的实现
2.3.1 控制器前置器软件部分
89C51有4个口,P0～P3口,本前置器除P3.0,P3.1管脚当作串口用,P3.2管脚当作外部中断外,其他管脚(共29个管脚)全部作为I/O输出口。89C51有128个字节内存,分为定值和变量,定值有1个脉冲宽度,13组时间,对应这13组时间的各开关跳合标志,其中脉冲宽度和时间分别为1个字,各占2个字节,每个线路开关和母联开关的跳全标志因为是分相跳开(有跳A,跳B,跳C)和合闸信号,需占4个位,0.5个字节,两变压器高低压侧5个跳闸标志占1个字节(有3个位不用)。表2是以1号系统为例的内存定值分配表。总共80个字节的定值,其余内存地址作为程序的变量使用。此方法把看似复杂的问题简单化。
软件主要实现过程为:外部中断后启动1 ms中断一次的定时器中断,在定时中断服务程序中,每中断一次,计数器加1,当计数器数值等于设定的时间时,判断各开关的跳合闸标志,当发现有标志时就置该开关相应的89C51管脚为0,从而启动继电器操作对应开关,再经过所设定的脉冲宽度后返回该管脚。当计数器计数到最大时间加脉冲宽度时,停止定时器中断。程序具体流程图见图4。
2.3.2 控制器后台软件部分
控制器后台程序采用vb编写,引用office2003的SpreadSheet控件,和Winsock控件和MSComm控件,SpreadSheet控件主要完成界面功能,能方便地实现对表格的排序和初始化界面的功能。Winsock控件主要完成多台机器之间的UDP协议的网络发送数据功能,MSComm控件主要完成上位机用串口发送数据给前置器的功能。图5为后台程序的主界面,能实现对时间定值及开关跳合标志定值的设置,在时间定值设置方面支持滚轮,方便易用。图6为对应图5在外部中断(故障启动)后的时序图。
控制器后台程序的界面可以通过修改Spread Sheet的属性很方便地设置,主程序为发送按钮的程序,图7为主程序流程图。
上位机与前置器的通信协议如表3,此通信协议为仿103规约的串口通信协议,简单可靠。
接收到“0x31”——发送的第1步出错(不是68H),应该重新发送;
“0x32”——发送的第2步出错(L1,L2不相等),应该重新发送;
“0x33”——发送的第3步出错(不是68H),应该重新发送;
“0x34”——发送的第4步出错(结束字符不是16H),应该重新发送;
“0x39”——发送的内容全部正确。
3 结论
本控制器已在南京南瑞继保电气有限公司动模实验室运行多年,输出时间精确,操作简单,性能良好,能精确模拟出故障后各个开关跳合时间,达到预期效果。是电力系统动模实验室必不可少的一个工具。另外,本控制器在使用方面不局限于电力系统动模实验室,也适用于其他控制领域。若把UDP协议改成TCP协议,分为服务端和客户端,则可适用于广义网的远程控制。
参考文献
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动态模拟实验 篇4
钛合金具有优良的力学性能和耐蚀性能,目前已在航空航天、造船、石油化工等领域得到了广泛应用[1]。诸多研究表明,钛合金是一种应变率敏感材料,且在高应变率下的动态力学性能与静态、准静态下的力学性能相比有很大的差异[2,3,4,5],因此,要在不同应变率、温度下对钛合金进行单独实验,才能准确得到其特有的动态力学性能数据。但在实际研究中不可能对钛合金在所有应变率、温度下进行测试,所以研究者提出了各种本构模型,以描述其与应变率、温度相关的力学行为。
目前常用的金属材料动态本构模型有两类[6,7]:一类是从材料的宏观动态力学行为出发,总结其动态行为的变化规律提出的经验公式,如Johnson-Cook模型、Khan-HuangLiang模型[8]等;另一类是从材料的变形机制出发,通过研究其微观物理结构在动态冲击过程的变化,提出适合该类型材料的动态本构关系,如Bodner-Parton模型[9]、Chaboche模型[10]等。
Johnson-Cook模型以形式简单、各参数含义清晰、参数数量较少且容易通过试验数据进行拟合等优点,能很好地模拟多种材料特别是金属的动态本构行为,已被LS/DYNA、MSC/DYTRAN、ABAQUS/EXPLICIT等商用有限元软件所采用,用于结构或构件在动态载荷作用下的动力学有限元分析。但Akhtar S.Khan在研究中发现,Johnson-Cook模型对钛合金的动态拉伸行为的拟合能力较差,因为在高应变率下钛合金表现出热粘塑性,出现温度、应变、应变率三者互相作用、互相影响的复杂现象。
传统单因素敏感度分析方法会忽略本构参数间相互作用对计算结果的影响,本研究采用敏感度整体分析方法,并通过改进遗传算法基于实验数据优化选取Johnson-Cook模型材料参数建立精细模型。采用UMAT用户子程序将该模型嵌入ABAQUS有限元软件进行钛合金的动态响应数值模拟,并结合已有实验数据开展验证分析。
1 本构模型与材料参数确定
1.1 Johnson-Cook本构模型
经典Johnson-Cook模型适用于模拟高应变率下的金属材料,可以反映应变硬化、应变率硬化和温度软化效应,其流变应力-塑性应变关系式为:
式中:A、B、n、C、m为材料参数,需要通过实验来确定;σ为等效流动应力;ε为等效塑性应变,为等效塑性应变率;为参考应变率,一般取1s-1;Troom为室温,Tm为材料熔点温度。
在高应变率下,钛合金表现出热粘塑性,其内部温升成为影响本构关系的重要因素,而温度的升高降低了应变、应变率的强化作用,反过来强化作用的减弱又减缓了温度的上升。
通过实验数据采用传统的参数敏感度分析方法忽略了温度、应变、应变率三者相互作用对计算结果的影响,因此需要对Johnson-Cook模型材料参数进行优化选取。
1.2 材料参数优化方法
经典John-Cook本构模型共5个参数,某些参数的微小变化可能对目标函数产生较大的影响,而某些变量的微小摄动可能会产生较小的影响。实际运算分析中当涉及的参数量较大时,若对所有参数都予以考虑,计算量将非常大。此时,需对所有参数作筛选及优化处理,重点分析影响程度大的参数,以减少计算量。
传统的参数敏感度分析方法(即单因素分析法),对某一系统参数进行微小摄动,同时固定其他参数取值进行系统计算,即计算整体目标函数关于系统参数的偏导数。该方法忽略了本构参数间的相互作用对计算结果的影响。而Johnson-Cook本构模型呈非线性且各参数相互关联,所有参数会共同影响该模型对材料本构关系的拟合精度,因此需要进行参数敏感度的整体性分析,即当所有参数在指定范围内同时变化时,考察各参数对目标函数的影响程度[11]。
为综合分析所有变化的参数,首先需在整个参数空间中抽样。拉丁超立方抽样(LHS)[12]是一种适用于复杂多维参数空间抽样的方法,其基本实现过程如下:(1)设有m个本构参数构成的参数集{x1,x2,…,xm},将每个参数的取值范围分为等概率的n个互不重叠的区间。(2)在每个参数xi的各个区间内随机抽取一个样本代表xik,即每个参数xi含n个样本值。(3)将每个参数xi的n个样本值均随机进行排列,共生成m个随机排列。(4)每次从m个排列中顺序提取各参数的一个样本值,即形成一个样本参数集Xk;依次提取n次,即得n个样本参数集{X1,X2,…,Xn}。
LHS方法的基本实现过程示意如图1所示。
完成参数总体抽样后,采用非参数统计方法的Spearman秩相关分析法进行随机参数之间的相关性分析,其基本实现过程如下:(1)定义“秩”:设有样本集{A1,A2,…,An},把它们按大小顺序排列,构成一个有序序列A;若Ai在该序列A中占第Ri个位置,则称Ri为Ai在{A1,A2,…,An}中的“秩”。(2)将n个样本参数集{X1,X2,…,Xn}代入式(1)可计算得目标函数解集{W1,W2,…,Wn},即每个参数xi的样本集{xi1,xi2,…,xin}所对应的目标函数解集为{W1,W2,…,Wn}。(3)设参数xik在{xi1,xi2,…,xin}中的“秩”为αk,Wk在{W1,W2,…,Wn}中的“秩”为βk,则参数xi的随机输入样本集{xi1,xi2,…,xin}与其对应的输出结果集{W1,W2,…,Wn}的Spearman秩相关系数的绝对值即为参数xi的敏感度ri,其表达式为:
将各本构参数xi的敏感度ri按大小进行排列,敏感度越大说明该本构参数对输出结果的影响越大,在后续的参数识别分析时需重点关注。利用上述方法计算得到的参数敏感度分析结果为确定本构模型参数离散区间的疏密程度提供了理论基础,极大地减少了后续参数识别的计算工作量,而且确保了参数识别结果的可靠性。
本构材料参数识别的目的是寻找一组最优解,使模拟结果与观测结果之间的误差为最小,即寻找一组材料参数,使如下目标函数成立:
式中:W(X)为目标函数;X为离散设计变量;为塑性应变εip处所对应的流变应力实验测量值,σi(εip)为通过式(1)计算得到的塑性应变εip处所对应的流变应力模拟计算值。此时目标函数W(X)取得极小值,相应模拟计算用的材料参数X*=[x1*,x2*,…,x5*]T即为钛合金本构模型参数的最优解。
基于参数敏感度分析结果,采用遗传算法可快速实现对本研究建立的钛合金粘塑性本构模型5个待定参数的识别。与传统的优化算法相比,遗传算法具有更好的全局搜索能力,其基本特征是利用群体进化,即在求解的过程中,通过种群不断优化,从而找到最优解。但基本遗传算法(SGA)在应用中存在诸多缺陷,主要包括:无法同时满足精度、可靠性和计算时间3方面的要求,且容易产生早熟现象,局部寻优能力较差等。
本研究针对基本遗传算法的诸多缺陷进行有效改进,采用改进小生境算法、可疑峰值点判断策略和局域精确搜索技术,提高了遗传算法的全局搜索能力。其关键实现要点有以下几个方面。
(1)对小生境算法的改进。
建立最优个体保存策略。各小生境独立进化,每代进化完毕后保存当前最优个体。保存策略为:在每代进化开始前首先复制当前最优个体作为复本,然后让所有个体平等地参与交叉、变异运算。该代进化完毕后,若该最优个体仍保留在群体中,则不做任何处理,否则就用当前最优个体的复本替换掉当代最差个体。该方法能确保最优个体不在进化中被淘汰,能加快收敛速度。
在各小生境间建立数据交换机制。每进化一代都会在各小生境间进行最优个体的交换,即用第一个小生境的最优结果替换第二个小生境的最差结果,用第二个的最优替换第三个的最差,以此类推。该方法能在保证群体多样性的前提下提高优等个体的比例,加快收敛速度。
(2)建立可疑峰值点判断策略。
每个小生境独立进化完毕后,均收敛于一个峰值点处。当小生境数目较大时,求得的所有峰值点必含全局最优点和局部最优点。在最终确定全局最优点前,对求得的所有峰值点均视为“可疑峰值点”。所有可疑峰值点中的最优点A必为全局最优点,记其目标函数值为F*,对应的变量为{x1*,x2*,…,xm*}。设某一可疑峰值点B的目标函数为F,其对应的变量为{x1,x2,…,xm},则B点为相异于A点的全局最优点的判断条件为:
式中:α为0~1之间的常数,指最优点附近的目标函数值域相对搜索范围;βi为判断两个体是否“相邻”的常数;di为两个体的海明距离,若di≤βi,则说明A、B两个个体的相隔距离较近,经精确搜索后必收敛于同一个峰值点。式(4)的第1个不等式用于确定该点为全局最优点,第2个不等式用于确定B点为相异于A点的全局最优点。
(3)对所有相异的全局最优点作局域精确搜索。
设某个全局最优点对应的变量集为{x1*,x2*,…,xm*},其各个变量的取值范围为xil≤xi≤xiu,则将各个变量的上下限边界条件改为:
其中,γi为变量xi附近的搜索邻域。
然后以各变量新的上下限进行遗传进化操作,直到达到预先设定的最大进化代数为止,这就进一步提高了最优解的精度。改进遗传算法的程序流程图如图2所示。
根据上述优化选取方法并基于实验数据,选取了Ti-6Al-4V钛合金Johnson-Cook动态本构参数A、B、C、n、m的优化值,从而建立更精细的本构模型。优化值如表1所示。
2 数值模拟方法
2.1 全隐式应力积分算法
Johnson-Cook本构模型考虑率相关塑性,塑性变形是关联的,即塑性流动沿着屈服面的法线方向,本研究采用Von Mises屈服面。对率相关的本构方程进行积分即应力更新方法,由于采用隐式积分可克服显式积分的不稳定性以及积分过程中无法保证下一时间步屈服条件仍可满足等缺点,本研究采用隐式积分算法通过UMAT用户子程序将优化本构模型及参数嵌入ABAQUS中进行数值模拟。
应力更新算法利用基于Von Mises屈服面的J2流动理论,即屈服条件和塑性流动方向基于应力张量的偏量部分。数值算法采用隐式径向回归算法[13,14],首先进行一个初始的弹性预测步,再进行塑性调整步使应力返回到更新后的屈服面上。屈服应力写作:
式中σn+1=σn+C∶Δε是弹性预测的试应力,是塑性修正量,沿结束点塑性流动的方向。C和分别为弹性张量矩阵和塑性流动方向,λ为等效塑性应变,n和n+1为时间增量步指标,第n步物理量及应变增量向量Δε为已知,上标p代表塑性。对于J2流动理论:
其中σdev为偏应力向量。弹性预测阶段,塑性应变保持不变。塑性修正阶段,总体应变和塑性流动的方向保持不变,第n时间步的第k次迭代开始时,检查屈服条件:
式中:G为剪切模量。迭代求解就是调整Δλ,使f接近0的过程。Δλ和σy都是标量,则式(8)为一维方程。若式(8)收敛,则迭代完成;否则计算Δλ的增量:
收敛后更新λ、H以及弹性应变向量εe,塑性应变向量εp和应力向量σ。
2.2 一致切线刚度矩阵
采用塑性模型进行隐式有限元求解时,需要提供一致切线刚度矩阵(材料雅克比矩阵)来求解平衡方程。本研究推导了一个关于应力增量和应变增量的隐函数形式,并通过隐函数求导法则来获得一致切线刚度矩阵,推荐的方法能够极大削减张量运算的难度。详细的推导过程如下。
弹性应力应变的增量形式,可用张量表示:
式中:Δ(σ)t+Δt,Δ(ε)t+Δt和Δ(εp)t+Δt分别表示t+Δt时刻的应力增量、应变增量和塑性应变增量。C表示弹性刚度张量。
根据塑性应变增量与流动方向的关系得:
将式(11)带入式(10)可得:
式中:()nt+Δt和Δ(p)t+Δt分别表示t+Δt时刻的塑性流动方向和等效塑性应变。
假设
并且
将式(14)代入式(13)可得:
在此,采用()nt近似地代替()nt+Δt,则式(15)可以表达为:
对表达式(16)采用隐函数求导法则,一致切线刚度矩阵[J]能够表示为:
假设
则可得
式中:I是四阶单位张量,并且,最终,可以表示为:
采用矩阵格式,表达式(20)可以写为:
式中:符号“{Θ}”表示与张量“Θ”相对应的矩阵。
同理可得:
通常情况下,采用这种方法所获得的一致切线刚度矩阵不是对称矩阵。一致切线刚度矩阵的非对称性会导致平衡迭代的求解时间过长。为了克服这个困难,可以采用式(23)来获得对称的一致切线刚度矩阵。
最后推导得到一致切线矩阵如下:
3 模型验证与结果分析
基于上节所述应力更新方法及一致切线刚度矩阵,按照ABAQUS用户子程序接口规范,通过Fortran语言编写UMAT子程序,本构参数采用表1所示数据,本研究UMAT暂不考虑温度软化效应,即温度始终保持室温,并且不考虑塑性耗散。
UMAT在单元积分点上调用,增量步开始时主程序调用UMAT,单元当前积分点必要变量的初始值将随之传递给UMAT的相应变量。UMAT结束时,变量的更新值将通过接口返回主程序。整个UMAT流程如图3所示。
考虑到材料行为与结构形态无关,文中采用一个八节点六面体等参元(C3D8R)计算Ti-6Al-4V钛合金在单轴加载条件下的力学行为[15],测试单元的边界条件及载荷如图4所示。
通过ABAQUS有限元软件调用UMAT用户子程序,得到钛合金在室温时不同应变率下的应力-应变曲线,并与实验数据[8]进行对比,如图5所示。
由图5可发现在不同应变率下优化后的动态本构模型表现出明显的率相关特性,应变率硬化效应明显。数值模拟结果与实验数据吻合良好,高应变率下也能够较好地预测Ti-6Al-4V钛合金材料的动态响应,同时验证了优化材料参数后的UMAT子程序的正确性。
4 结论
(1)采用拉丁超立方抽样、Spearman秩相关分析的参数敏感度整体分析方法,并在参数敏感度分析结果和基本遗传算法的基础上,建立了一种基于改进小生境算法、可疑峰值点判断策略和局域精确搜索技术的改进遗传算法。有效减少了Johnson-Cook本构模型参数识别的计算量,并克服了单因素分析法忽略了本构参数间的相互作用对计算结果的影响的缺点,基于实验数据优化选取本构参数,建立了更精细的本构模型。
(2)通过ABAQUS有限元软件编写用户子程序,实现了钛合金率相关动态本构模型的嵌入,并通过隐函数求导方法推导得到Johnson-Cook本构模型的一致切线刚度矩阵。
(3)调用UMAT用户子程序计算得到Ti-6Al-4V钛合金材料不同应变率下的应力-应变曲线,通过对比发现其动态响应结果与已有实验数据吻合良好。验证了优化动态本构模型的合理性,该UMAT子程序可用于钛合金材料的动态响应预测。
摘要：为确定钛合金材料的Johnson-Cook模型中5个待定本构参数,克服传统单因素分析法的弊端并提高参数识别效率和精度,采用拉丁超立方抽样、Spearman秩相关分析的参数敏感度整体分析方法,并在参数敏感度分析结果和基本遗传算法的基础上,建立了一种基于改进小生境算法、可疑峰值点判断策略和局域精确搜索技术的改进遗传算法,基于实验数据建立了精细的钛合金Johnson-Cook本构模型。采用隐式应力积分法将该模型嵌入到ABAQUS用户材料子程序UMAT中,并通过隐函数求导方法推导出一致切线刚度矩阵。通过ABAQUS有限元软件对钛合金材料的动态响应进行数值模拟分析,计算结果与已有的实验数据吻合良好,UMAT子程序的准确性得到验证,可用于钛合金材料的动态响应预测分析中。
卫星信号模拟器技术研究动态分析 篇5
卫星信号模拟器是一种精确度非常高的信号发射装置, 发射出来的信号能够被一些特殊的卫星所接收作为导航信息使用, 为导航接收装置的开发研究、数据测试创造了良好的条件, 是导航接收装置在设计与开发过程必不可少的部分。
1 卫星信号模拟器国内外研究动态
1.1 卫星信号模拟器在国内的研究状态
根据卫星导航信号模拟器可模拟的卫星通道数量的不同, 可以将模拟器分为单通道模拟器和多通道模拟器两种类型。在国家政策的支持与扶持下, 多个科研机构第一时间展开了与GPS卫星信号模拟器相关的研究。这种型号的GPS信号模拟器与以往的GPS卫星信号模拟器存在一定的差异, 根据GPS信号发射装置、计算机和信号接收装置共同组成, GPS信号发生装置由多种不同的硬件组成, 这种信号发生装置能够在同一时间产生多种多样的通道的信号。信号接收装置是GPS信号发生器核心组成部分, GPS信号发生装置所用到的各种信号都是从仿真软件计中整理得出的。
1.2 卫星信号模拟器在国外的研究状态
我国GPS卫星信号模拟器的研制相对国外一些发达国家起步较晚, 但是, 现在已经很多厂家提供多个系列的产品, 比如英国Spirent公司开发研究的GSS和STR系列卫星信号模拟设备、美国CAST公司开发研究的数字信号系列的卫星模拟装置、雅虎公司研制的GJ100、GS600、GS5410系列等。从这些产品可以看出目前国际上高端GPS卫星信号模拟器的开发研究状况。
2 卫星信号模拟器研究的技术现状及发展趋势
2.1 卫星信号模拟器技术现状
从现在的市场发展状况可以看出卫星信号模拟器的发展模式, 主要有下列两种。
1) 基于软件的模式:在这种运营模式下, 所有和导航相关的信息和信号都是通过计算机处理获得, 包括对各种模型的数据和信号都是通过计算机软件进行计算处理后, 存储在相关设备中进行保存。
2) 基于软硬件结合的模式:在这种运营模式下, 计算机软件主要负责整理和计算相关的信息与信号, 然后运用与信号相一致的参数控制硬件对整理的信息进行分析, 发射出卫星信号。北京航空航天大学张其善等研究开发的高动态信号模拟器就是运用了这种模式。卫星信号模拟器的这两种形式都存在各自的优点, 对我国卫星信号模拟器的研究和发展有很大的帮助。
2.2 卫星信号模拟器发展趋势
卫星信号模拟器是一个全新的系统装置, 就目前来看, 其功能还无法满足所有用户同时接受信号的要求, 还有很多关键技术不够成熟, 需要进一步进行完善。对于目前卫星信号模拟器存在的问题和缺陷, 对未来卫星信号模拟器进一步发展我们需要做到以下几点:开发使用多模卫星信号收集整理功能, 对于多模卫星接收机的GPR功能、定点收索能力进行验证和测试;监视和掌控接收机在高频率环境中对信号收集、跟踪和识别的能力, 特别是在频率突然变化的状态下对卫星信号进行准确的定位与识别;运用仿真器发射一种专门跟踪一些特殊信号的装置, 对接收机系统程序的分析准确程度进行更加科学有效的验证。建立不同类型的误差模型, 然后根据对误差模型进行具体细致的实验与测试, 并根据实验所得结果逐渐完善各种误差模型, 使信号模拟器的工作环境与具体效果相互对应;减少接收机运动模型在工作过程中的误差和错误。除此之外, 可以根据实验所得结果增加信号接收机对多种错误信息的识别和筛选;另一方面, 则根据信号模拟器的运动轨迹对数据构建进行筛选和识别;使卫星导航的定位与追踪功能得到更新和升级。在开发研究定位与跟踪卫星信号模拟接收器方面, 为跟踪和定位导航计划的检验和测试提供经验和方法。选取正确有效的差分信息整理收集方案, 充分发挥出信号模拟器的测量系统功能, 使天线模型功能更加完整。并着重研究天线方向敏感程度及覆盖面积对信号的干扰问题, 构建出科学有效的数学模型, 从而对天线信号的敏感程度进行深入研究, 分析不同载体形态对卫星信号的接受方式。有些信号载体在飞行测试期间姿态角变会随着时间的变化而改变, 使得接收机天线对空间的覆盖面积也出现一些错误的判断, 严重的时候就会导致部分或全部卫星无法正常接受和处理信号。
3 结语
我国关于卫星信号模拟器的研究还处于初级阶段, 虽然进展显著, 但是还有一些技术性问题尚未突破, 在下一阶段, 需要针对卫星信号模拟器的技术规范与指标要求进行深入研究, 促进卫星信号模拟器技术水平的提升。
摘要：详细介绍卫星信号模拟器在国内外的研究状况, 总结得出一些相关的理论知识, 根据这些理论知识对卫星信号模拟器未来的发展趋势进行详细的探讨。
关键词：卫星信号模拟器,技术研究,应用
参考文献
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太阳能炕热过程动态模拟 篇6
关键词：太阳能炕,加热系统,动态数值模拟,蓄热质量
1 引言
火炕在中国北方广泛地使用,大约85%的农村家庭使用火炕进行采暖[1,2]。但是传统火炕存在空气污染和热效率低下问题。本文提出了一种新型的太阳能炕并建立了相应的数学模型。基于此模型,研究了炕表面温度和炕对室内供暖负荷的影响。
2 数学模型
图1是炕系统和房间的简图。房间尺寸是4m×4m×2.6m;南墙有一个1.2m×1.2m的窗户;周围墙体材料是普通砖,其厚度为0.24m;地板和天花板是混泥土,其厚度是0.1m。在此研究中地板的温度假设为15℃。炕的尺寸为4m×1.8m×0.22m,其中从底部到炕表面各层的尺寸为0.08m、0.03m、0.02m、0.06m和0.03m。
图2是房间和炕系统的热网络差分图,太阳能炕离散为3部分(每部分由一个热容和两个热阻组成)。节点1代表房间空气温度,节点2代表炕表明温度;节点6代表四周墙体;节点7代表炕表面;所有表面与室内空气进行对流换热(热阻R12,R17,R18和R16));节点2和节点6之间的辐射换热热阻R26。S代表进入房间被各表面吸收的太阳辐射。R10代表通过窗户由空气渗漏引起的热阻。在此模型中假设70%的太阳辐射被地板和炕表面吸收,其余部分被其它各表面吸收[3]。假设热源大小由炕表明设定温度Tsp与炕表面实际温度T2之差确定,即:
qaux=Kp(Tsp-T2) (1)
式中Kp为一个常数,大小由房间供热负荷确定。热网络差分图各节点的差分方程为[4,5]:
式中C是热容;j代表所有与 节点i相连的节点;q是热源;p代表时间;△t代表时间步长,它的选取由如下式确定:
在此模拟中,室外空气温度和太阳辐射假如下:
To(t)=(5cos(ωt+3π/4)-5) (4)
式中:
3 模拟结果和讨论
按上述模型对上述系统进行了3d(共72h)的模拟。由于第一天的结果受初始条件的影响,因此结果讨论取后2d的数据进行。本文对以下两种情况进行了模拟:案例1:炕表面设定温度为25℃;案例2:炕表面温度温度设定为25℃但经过64h后,炕不加热。
图3和图4为案例1的结果,从图3中可以看出房间空气温度波动很小,波动范围在17～19℃之间。因此房间的热舒适度大大提高;水管表明温度不超过40℃,因此太阳能热水很适合作为炕加热的热源。图4表明热负荷的最大值和最小值分别在早上5点左右和中午12点左右。
图5为案例2的结果,从图中可以清晰看到在炕在晚上停止加热后房间空气温度仍然保持在舒适的范围内。可以设想如果选择合适的蓄热质量,房间空气温度波动将减少并保持房间温度在舒适的范围内。由此可见炕的蓄热能改善房间的热舒适度。
4 结语
运用热网络差分方法对带有太阳能炕系统的房间进行了数学建模。在设定炕表面温度的情况下,利用特定气象数据,对房间热负荷和炕的蓄热特性进行了研究,得到了如下结论:在炕表面温度设定为25℃时,房间空气温度保持在18℃左右并在全天内温度波动较小,大大改善了建筑房间的室内舒适度。太阳能炕水管表面温度不超过40℃,这意味着太阳能热水系统可以用于太阳能炕加热的热源。选取合适的太阳能炕的蓄热质量,房间空气温度的波动将减少并使得房间空气温度在晚上炕不加热的情况下保持舒适的范围内,这表明太阳能炕是太阳能在建筑上利用的良好载体。
参考文献
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动态无线传感器应用模拟系统设计 篇7
关键词：多线程模拟,语义解释器,传感器网络
1 本文思路与研究现状
目前无线传感器网络作为新兴技术,受到越来越多人的关注。但是可以各类模拟程序并不能完全满足用户的各类需求,商业模拟软件往往庞大而且费用较高。网络模拟常用的NS2只能在linux和unix下运行(在Windows下只能使用虚拟机),而且只善于做低层协议的模拟,在应用层的模拟设计较为困难且不便,所以我们需要一种简单易用而免费的,可跨平台的,侧重于应用层模拟功能的模拟系统。
2 底层通信模块设计思路
模拟传感器结点的分布式流程,结点的独立通信是其中最重要的一环,每个结点需要独立的发送消息和监听消息。如果使用传统的编程方法,是无法做到结点通信的独立性的,所以我们将每个结点作为独立的通信单元,使用多线程模型控制通信过程。
我们采用了一种灵活的设计方法,采用目共享通信模块的方法来模拟底层通信。这种方法可以根据模拟环境的硬件水平和模拟要求灵活调节线程池的规模,在系统开销和并发性上进行平衡,以适应更多的情况。这类方法也有两种思路:
第一种是为线程配备线程池,流程线程为相对短小的处理线程,结点发送消息时,直接由线程池中空闲的监听线程接收消息,并交由结点处理。这种方法基本思想就是创建一个容纳线程的容器(少于实际需要的线程),每当请求到来的时候,如果容器内没有空闲的线程,而且总线程数未到达容器上限时,创建线程来处理请求,当流程结束将线程并不直接销毁,而是回收到线程池中,改为空闲状态等待下一个到来的请求。当有请求到达时,而线程池内所有线程都处于工作状态,而且数量已达到上限时,请求将被阻塞,等待直到出现空闲线程。
第二种方法也需要一个缓冲区是存放消息,不同于第一种方法的是不需要线程池来控制线程的数量,而是打开固定数量的循环监听线程,持续监听队列中的消息,一旦发现队列中存在消息就将其取出交给结点处理,如果不存在则进入阻塞状态,所以需要一个阻塞队列作为缓冲区。阻塞队列不同于一般的队列,可以自动完成同步工作,即同时有多个请求队首数据的线程到达时,会自动互斥,将数据分配给请求线程,而当队列为空时,请求数据的线程会自动阻塞。
考虑到无线传感器结点的特点与这两种方法的优缺点,我们采用建立二级缓存结合两种方法建立模拟通信模块。首先消息的发送过程只是将数据包放至第一级缓存中。在消息的传递上我们采用阻塞队列作为线程之间通信的渠道。结合监听器的线程池模型,这里我们采用单队列多服务台策略处理结点之间的消息通信。即根据结点数目与其他因素创建一定数量的搜索线程,运用上面提到的第二种处理方式,将一级缓存中的数据取出进行拆包和再封装,将处理后的数据包投放至二级缓存中(如果运用了分布式模拟模式,这一步会将数据包分别分发至各个模拟客户端机)。然后,由一个单独的提取线程将数据从二级缓存中取出,交给负责处理消息业务流程的线程池,由线程池控制创建实际的业务流程线程,如果线程池内线程全部处于工作状态则阻塞提取线程。最后由业务流程处理消息,完成通信过程。
3 结点功能性组件设计
在大规模的结点模拟过程中,无疑结点对象是整个模拟程序占用内存最多的部分,随着结点数量的增加,内存的占用也会大幅度增加。所以有效控制结点对象的内存消耗是降低空间复杂度的最重要的一步。
考虑结点的组成,结点对象内部主要由静态字段和功能性模块组成。结点的功能性模块有每个模拟程序实体采用单例模式创建,在所有结点之间共享,实现享元设计模式,有效地节省内存开销。主要的功能性模块有三个:监听器、消息识别器和消息处理器。
监听器内置一个一级缓存区,负责监听任何发送至结点的消息包,然后存放至缓存区内。消息包是结点通信的基本单位,里面封装了消息发送方与接收方的地址与消息数据。一个模拟实例共享一个监听器,也就是说所有结点的通信包都存在在一个缓冲区呢。为了节省存储空间,每个结点发送的消息包,无论是发送至单个结点或是多个结点,都共享一个消息包。
消息识别器内置一个有固定数量线程的消息识别线程组。消息识别线程负责识别一级缓存区内的消息包内的地址信息,并将消息包拆为消息数据,如果采用了多主机分布式模拟方式,将消息数据分发至目标结点所在主机的消息处理器内的二级缓存区内。
消息处理器里面提供了二级缓存功能和一个消息处理线程池。消息处理器自身不断从二级缓存内提取消息数据,交给线程池内的消息处理线程然后返回继续提取。消息处理线程根据事先设定好的消息头的处理命令,对消息进行处理然后返回线程池内待命。
4 语义分析器模块
本系统提供了用户自由设计结点工作流程的功能,以便于传感器网络的应用层等上层协议的模拟工作。所有程序的业务流程都可以分解为由命令组成。无线传感器结点的业务流程和监听触发器也可以分解为命令。本模拟程序就是设计了用户自定义命令的功能。我们把组成一个业务流程的命令称为命令集。而命令集由若干命令构成,而命令是业务执行的基本单位。
为了实现这样的功能,我们运用解释器模式设计了一套抽象的语义表达式,代表一个命令。我们将命令分为三大类:条件性命令,循环命令和元命令。条件性命令相当于程序语言中的if语句,循环命令相当于while语句,一个条件性命令和循环命令由触发条件和一定数量的元命令组成,所有类型的命令均可以相互嵌套。而元命令代表真正的业务内容,相当于一个动作,如发送消息、控制结点休眠、设置某些字段或变量的值。元动作由系统给出,包括各类结点和运算功能,能够满足大多数模拟工作的需要。
作为一个完整的元命令必须要有实施动作的主体与动作内容,有时还需要动作客体。在无线传感器网络中命令的主体往往是结点,所以在设计过程中命令的运行都需要结点参数。而其他的动作客体或是对象需要在创建或运行命令时指定。我们规定元命令的参数不是任意的对象,是系统中自定义的一种实体对象。实体对象可以是基本数据类型,如整数,浮点,布尔等,也可以是是结点对象,另外用户可以按照一定条件自定义结点组或是某种集合,但范围由模拟程序限定,不能使用程序规定以外的对象。
在设计上,我们采用代理模式设计所有实体对象。在每个实体对象内部设置一个字段代表他的模式类型,每个实体对象在实际需要时才会返回实际内容,根据创建模式的不同,在返回实际值时采用不同的获取方式,如常量模式则从自身内部获取,而变量模式则会从变量列表中读取数据。
5 结语
本系统通过内存的共享机制大限度地降低了多线程程序对系统资源的消耗,通过解释器模式使得用户可以自由设计结点的业务流程,并提供了丰富的元命令组件有相当的灵活性。
参考文献
[1]C.Song,M.Guizani,H.Sharif,Adaptive clustering in wireless sensornetworks by mining sensor energy data,Computer Communications,30(14-15)(2007)2968-2975.
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