突变故障（共6篇）
突变故障 篇1
0引言
直流输电相比于交流输电更适于远距离大功率跨区输电[1,2,3],因此在我国得到了越来越广泛的应用。但在土地资源愈发紧张的背景下,为了能够有效利用输电走廊,提高线路单位走廊的输电容量和土地利用率,降低电力建设成本,高压直流输电工程已开始采用同塔双回输电方式[4,5]。
然而直流线路作为直流输电系统的重要元件之一,故障几率极高,且双回直流输电方式相比于传统的单回直流输电方式,其极线间的互感耦合更加复杂,任一线路发生故障,均会导致非故障极电压、 电流波动,对直流线路保护的故障极识别造成严重影响。因此开展同塔双回直流线路的故障选线研究具有重要的理论和工程实用意义。
目前,国内外学者已经对同塔多回线路互感耦合特性及故障选线问题进行了大量研究,但主要集中在交流线路,如交流耦合线路感应电压和电流的计算[6,7,8],同塔四回交流线路的故障选线方法等[9,10]。 而在直流线路的研究上则主要集中在单回直流线路故障暂态分析及保护原理[11,12,13],涉及两回直流线路的还较少。文献[14]对直流与交流线路间的电磁暂态过程进行了仿真研究,文献[15]则针对双回直流线路故障极对健全极的影响进行了仿真计算。
为此,本文在研究平行四线系统解耦理论的基础上,对同塔双回直流线路进行解耦,提取出同向与环流电压突变量,并分析了不同故障形式下同向与环流电压突变量相互间关联的故障特征,以此为基础提出了同塔双回直流线路的故障选线判据与方法;最后利用PSCAD/ EMTDC电磁暂态仿真软件, 建立实际±500 k V同塔双回直流输电系统仿真模型,验证了所提故障选线方法的正确性。
1同塔双回直流线路的解耦方法
同塔双回直流线路可视为不换位的平行四线系统,对其进行解耦,可参考同塔四回交流输电线路的解耦方法[10]:将同塔双回直流线的布置形式近似为如图1所示的长方形布置,则可得平行四线系统的相模变换矩阵,即双回双极线路的解耦方程。
式中:ux(t ) ux(t ) ux,0表示线路始端或末端的电压突变量,为故障后电压减去故障前的电压值;下标1P、1N和2P、2N分别表示I回线正极、负极和II回线正极、负极。
式(1)可将各极线的瞬时电压突变量分解为4个独立的模分量,其中一个为四线同向叠加与大地构成回路的地模分量即同向量,称为e模量;另外三个为四线互为回路的线模分量即环流量,分别称为f、g、h模量。
2同塔双回直流线路的故障特征分析
2.1单极线故障的电压突变量特征
设直流极线发生接地故障时,其电压突变量为 uk,则若1P线故障,由于故障电压从正值减小, 则有uk0 ,可进一步表示为uk=-uF,其中 uF 0表示正的附加电压源;同理若2P线故障, 有uk=-uF 0;而对于1N和2N的负极故障, 则有uk=uF 0。
各故障极线上的突变电压均可在其余非故障极线上耦合出电压突变量,该分量的大小由故障极与非故障极间的耦合系数决定。然而,不同极线间实际的耦合系数并不相等,以实际同塔双回线路为例, 不同极线相互间的耦合系数在0.16~0.26之间[16]。 考虑到不同极线间耦合系数的差异不会对本文的故障特征造成影响,为了简化分析,可近似认非故障极耦合量相等,记为k uk(0 k 1) 。
于是,利用式(1)可得单极线故障时各模量的故障特征,列于表1。
由表1可见,当发生单极线故障时,各环流电压突变量大小相等,ug的极性均为负值不能用于故障极线识别,而uf和uh的极性组合则可区分各种单极线故障类型。
2.2双极线故障的电压突变量特征
若双极线同时发生接地故障,根据故障极线的不同,可分为异回同极性线故障、同回异极性线故障和异回异极性线故障三种类型。若为异回同极性线故障,两个故障极电压突变量都为uk,则非故障极耦合电压突变量为2k uk;若为异极性线路故障,则两个故障极电压突变量分别为uF和uF, 非故障极耦合电压突变量为0。由式(1)可得双极线故障的故障特征,列于表2。
2.3多极线故障的电压突变量特征
同理,由式(1)可得故障极数大于等于3时的故障特征,列于表3。
由表1~表3可发现,任一种故障发生,g模量电压突变量极性都为负。而对比表3和表1,可发现单极线故障与三极线故障具有相同的环流电压突变量极性组合特性,因此,仅依靠环流电压突变量极性特征无法区分单极线故障与三极线故障。例如1P故障和1P1N2N故障时,各环流电压突变量极性相同。此时,可以利用三极线故障与单极线故障环流电压突变量的幅值大小特征差异:单极线故障时, 各环流电压突变量大小相等;而三极线故障时g模量要远大于其他模量电压突变量。
3基于模量电压突变量的故障选线方法
3.1故障类型识别
根据上述同塔双回双极直流输电线路在各种故障类型下的故障特征分析,可基于同向和环流电压突变量,构成同塔双回直流输电线路的故障选线判据与逻辑。首先,为了判定故障类型,定义以下三个判据:
式中,uact为环流电压突变量起动定值,取正常运行时环流电压突变量的最大值。
式中,uMaxmax(uf,ug,uh),为环流电压突变量绝对值的最大值;K为比率系数,取0.5<K<1, 本文K取0.8。
式中,uZero0.1uMax,为判断是否存在环流电压突变量的门槛值。
上述三个判据中,式 (2) 为基于环流电压突变量的起动判据,若f 、 g和h模量任意一个满足则起动选线;式 (3) 可用于判断各环流电压突变量大小是否相等,以体现三极线故障与单极线故障环流电压突变量幅值大小特征的差异, 若满足该式则可判定为单极线故障;式 (4) 则用于判断各环流电压突变量是否都非零,若满足该式则判定为三极线故障,否则为双极线路或四极线故障。 于是,可得故障类型的判定逻辑如图2所示。
3.2故障极线的判别
在判定故障类型后,根据不同的故障类型,采用不同故障类型的故障极线判定方法。对于单极线故障类型,根据表1所示的环流电压突变量极性特征,可根据uf和uh的极性判定故障极线,其故障选线方法的流程图如图3所示。三极线故障的故障选线方法类似于单极线故障情况,其流程图如图4所示。
对于双极线故障或四极线故障的故障极线判定,就是需要判定异回同极性、同回异极性和异回异极性以及四极线同时故障4种情况。由表2和表3知,可根据的大小分别判定e 、f和h模量的电压突变量是否存在,进而来区分上述4种故障情况;然后分别利用e 、 f和h模量的电压突变量极性对故障极线进行判定。双极线或四极线故障的故障选线流程图如图5所示。
由于同向量的传播波速低于环流量,即同向电压突变量的检测时刻滞后于环流电压突变量。而本文所提故障选线方法仅在1P2P、1N2N和1P1N2P2N三种故障情况下需要利用同向e模量进行判别,其余故障情况仅需采用环流模量。所以,在故障选线过程中,先不计算同向电压突变量,若可判定故障极线,则可输出故障选线结果;若判定过程中需要同向分量,则在设定的延时tset内,更新各极线电压并计算 同向电压 突变量 , 如图5所示延时tsetlength/ (vfve), length为线路长度。
4仿真分析与验证
采用PSCAD/EMTDC仿真软件,参考溪洛渡广东直流工程的实际参数,构建±500 k V同塔双回直流输电系统模型,如图6所示;同塔双回直流输电线路线路全长1 286 km[17],其结构如图7所示,采用了频变参数模型。仿真中,分别在线路整流侧始端、逆变侧末端及线路中点处设置接地故障,故障类型包括单极线、双极线等15种情况,故障过渡电阻考虑了金属性接地和高阻接地故障(500 Ω);采样频率为10 k Hz。
(单位:k V)
通过获取整流侧1P、1N、2P、2N的电压瞬时值,计算各极线电压突变量并转换为同向与环流电压突变量,然后采用本文所提的故障选线方法判定故障极线。其中电压突变量幅值取为行波到达后3 ms内的电压变化量最大值。
表4给出了金属性接地故障和高阻接地故障时的选线结果。由表1可见,在各种故障情况下,各电压突变量所呈现出的极性和幅值大小特征与前面的理论分析基本一致。虽然由于实际耦合系数的不完全相等,造成实际计算的各电压突变量大小与理论分析有一点误差,但并不会对故障极线的判别造成任何影响;而对于高阻接地情况,尽管各电压突变量幅值变小了,但其相互间的特征关系依然不变。 由此可见,本文所提故障选线方法准确可靠,且不受高阻接地故障的影响。
5结论
本文基于平行四线系统解耦理论,分析了不同故障情况下同向和环流电压突变量特征,进而提出一种基于同向与环流电压突变量极性及幅值大小特征的同塔双回直流输电线路故障选线方法。应用PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件对实际同塔双回直流输电系统模型进行大量仿真,结果表明该方法准确、有效且不受过渡电阻影响。
突变故障 篇2
配电网是电力系统的重要组成部分,其调度对监控对象数据的实时性和安全可靠性有着很高的要求。对于配电网单相接地故障,需要在故障发生后进行快速准确的故障定位。目前,针对配网离线故障定位技术已有很多实用的方法,而对在线不断电故障定位方法的研究较少,本文提出了基于零序电流突变量的故障判断和定位方法,比较分析消弧线圈参数改变前后的零序电流值来确定故障线路和位置,应用Matlab软件建立配电网单相接地故障定位系统的仿真模型,并对该方法的可行性进行验证。
1 零序电流突变量故障定位机理
针对谐振接地配电网单相接地故障,改变消弧线圈参数,可以改变补偿电流的大小,而补偿电流大小的变化只会反映在故障线路的零序电流中。文献[1]通过详细论述变电站出线端的线路分支故障、非出线端线路分支故障以及故障点前后的零序电流特征,提出了利用零序电流突变量进行带电故障定位的判据,利用此判据可以很好地解决谐振接地配电网单相接地故障带电定位的难题。随后本文将通过Matlab仿真,验证该判据的正确性和有效性。
在谐振接地配电网中,安装有消弧线圈的变电站出线端有很多线路分支,配电网的其他地方也有很多线路分支,故障与非故障线路分支的零序电流突变量以及故障点前后的零序电流突变量特征不同。
假设从变电站出线端引出的第1条线路发生单相接地故障,消弧线圈参数改变前后,各条线路的零序电流值分别为I1q、I2q、…、I(n-1)q、Inq和I1h、I2h、…、I(n-1)h、Irh,零序电压值为Uq和Uh,其中下标q和h分别表示消弧线圈参数改变前与改变后,线路对地电容大小为C1、C2、…、Cn-1、Cn。
其中,的变化与消弧线圈电流的变化相一致,消弧线圈参数改变前,故障点前后的零序电流值为:
消弧线圈参数改变后,故障点前后的零序电流值为:
消弧线圈参数改变前后,故障点前后的零序电流归算至同一个电压,其突变量为:
由于消弧线圈参数改变前后零序电流归算至同一电压时,只有故障线路或故障点前的零序电流改变,故可根据下式对故障线路和故障点进行判定:
据此,对于线路分支,若,则该线路为故障线路;对于故障点,若故障点前零序电流突变量而故障点后的零序电流突变量,则可据此定位该故障点;若归算前后改变明显,而各条分支线路的零序电流突变量为0,则据此可判定母线故障。
由于消弧线圈参数改变前后零序电流归算到同一个电压后,其相角差很小,且各个采集点的零序电压模值基本相等,故可将式(7)简化如下:
式中,Imq、Imh、Uq、Uh分别为消弧线圈参数改变前后零序电流和零序电压的有效值。
因此,根据现场传感器节点测得的消弧线圈参数改变前后的零序电流和零序电压有效值,便可确定故障分支线路,并可同样根据式(8)定位故障点位置。
2 零序电流和电压的测量
在电气设备和线路正常的情况下,三相电流经叠加后的矢量和为0,当发生接地故障时其三相电流矢量和不为0,若此时将三相电流输出到一个节点进行叠加则可得到发生故障后的零序电流,也可以计算出其有效值。
为得到零序电流,实际应用中,现场传感器节点通过其上的电流互感器采集三相线路每相的电流时,每相电流采集起始时刻和频率应相同,这需要通过内置的时钟同步电路实现。如图1所示,三相的电流均从ωt1时刻开始采集,并且每隔Aτ时间采集一次,这样测得的电流叠加后便是三相电流的矢量和,故障时即零序电流。同时,为了能计算得到零序电流有效值并提高准确度,其采集频率需要满足一定的要求,即一个周期(50 Hz电网为0.02 s)内采集次数需大于一定值,这里设每个周期的采集次数为20,即Δr=0.001 s,以较好地满足精度要求。采集的三相电流数据均传送给协调器,由协调器进行叠加并计算得到有效值。
归算需要的零序电压,由于故障时全网的零序电压模值基本相等,其值可以直接在变电站测量得到。
3 Matlab建模与仿真
3.1 仿真模型建立
SimPowerSystems电气模块库是在Simulink环境下进行电力电子系统建模和仿真的先进工具。
该模型中母线端有3条出线,从上到下分别为线路1、线路2和线路3,线路长度均设置为10 km,单相故障点设置在线路1的A相中,在故障点前后的示波器模块可以查看故障发生后的零序电流波形,通过RMS模块连接到display模块可以以数字形式显示故障点前后零序电流的有效值。消弧线圈参数改变前,仿真运行后分别测得零序电压和各线路及故障点前后的零序电流模值,然后改变消弧线圈模块的参数,仿真后又得到一组零序电压和各线路及故障点前后的零序电流模值,随后根据消弧线圈参数改变前后的零序电压模值将零序电流模值归算到同一个电压,此时便可根据式(8)选线并确定故障位置。
3.2 仿真波形和数据分析
设置一个消弧线圈电抗值,故障发生器的A相为故障相,设置故障发生器作用时间为0.05～0.15 s,此时故障前后的三相电流和零序电流如图2所示,左图中波形突变的就是故障相电流。
记录消弧线圈参数改变前后3条线路、变压器出线及故障点前后的零序电流有效值,然后根据参数改变前后的零序电压有效值,将消弧线圈参数改变后的零序电流组归算到参数改变前的零序电压下,即ImhUq/Uh。
改变接地电阻和线路参数后再做一次相同的记录。
仿真模型中变压器出线零序电流有效值,从消弧线圈参数改变前的2.432 A变化为参数改变后的3.277 A,变化明显;线路1在消弧线圈参数改变前后的零序电流改变同样也很明显;而线路2和线路3在消弧线圈参数改变前后的零序电流模值基本不变,据此可判断出故障点在线路1上。对于线路1,故障点前的零序电流即IBE改变量明显,而故障点后的零序电流即IFG基本不变,据此可定位故障点在E、F两点之间。
4 结语
我们要善用基于零序电流突变量的配网故障定位方法,通过比较分析消弧线圈参数改变前后的零序电流值来确定故障线路和故障点位置。
摘要：研究了基于零序电流突变量的配电网单相接地故障定位方法,并应用Matlab软件对系统进行建模仿真,结果验证了该方法的正确性和有效性。
关键词：零序电流突变量,故障定位,Matlab仿真
参考文献
[1]倪广魁,鲍涛,张利,等.基于零序电流突变量的配电网单相故障带电定位判据[J].中国电机工程学报,2010,30(31)
[2]蒙恩,王巨丰,龙浩然.基于Matlab的配电网接地故障仿真[J].电力系统,2008,27(16)
突变故障 篇3
关键词：一步法定点突变,单核细胞增生李斯特菌,bsh
定点突变技术(site-directed mutagenesis)是生物化学与分子生物学中的一种常规实验技术,在基因和蛋白质结构与功能领域具有广泛的应用[1]。本研究介绍了一种高效便捷的定点突变方法,该方法的基本原理是利用完全互补的并带有突变位点的引物PCR扩增整个模板质粒DNA,由于从细菌细胞提取的模板质粒DNA具有甲基化位点,而PCR扩增产物不具有甲基化位点,因此采用能特异识别甲基化位点的DpnⅠ酶,就能去除PCR产物中剩余的模板DNA。最后将PCR扩增的线型突变质粒转化入大肠杆菌,利用大肠杆菌自身的修饰酶系统使线型质粒环化。该方法简单高效,PCR产物无需纯化,只要把握好对引物设计,高保真的DNA聚合酶、PCR扩增程序以及模板DNA浓度的选择,突变率可以达到100%。
本研究以构建单核细胞增生李斯特菌(简称LM)中编码胆碱水解酶(Bile Salt Hydrolase,简称BSH)的bsh基因突变启动子为例,具体介绍一步法定点突变技术的要点及其操作步骤。BSH能水解肠道胆汁酸盐,促使细菌在肠道环境中的生存[2],是LM中重要的毒力因子之一。其编码基因bsh启动子上既有LM毒力基因转录调控蛋白PrfA (Positive Regulatory Factor A)的结合位点PrfA-box(TTAAAAATTTTTAA),同时也存在压力胁迫调节因子σB因子的结合位点SigB-box[GGGTAT(-10区)和GTTA(-35区)],暗示σB和PrfA在调控细菌耐受肠道胆汁酸盐的机制中可能起着重要且复杂的作用。本研究成功构建了bsh启动子(以下称Pbsh)的三种突变:PrfA-box突变;SigB-box(-10区)突变;PrfA-box和SigB-box(-10区)同时突变,为进一步研究PrfA和SigB在bsh转录表达中的作用奠定了坚实的基础,该方面的研究工作在国内外尚未见报道。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 实验材料
单核细胞增生李斯特菌(Listeria monocytogenes)标准株EGD和大肠杆菌DH5α菌株以及pUC18质粒为本实验室保存。
1.1.2 试剂
(1)XbaⅠ、Pfu、T4连接酶、Taq DNA聚合酶、CIAP酶购自上海赛百盛基因技术有限公司。
BHI(Brain Heart Infusion,脑心浸液)为Betcon,Dickinson & Company公司产品。其它所有化学试剂均为进口或国产分析纯。
(2)试剂盒:
①基因组DNA提取试剂盒,PCR产物回收试剂盒购自上海赛百盛基因技术有限公司;②质粒小量提取试剂盒,凝胶回收试剂盒购自Omega公司。
(3)引物:
由上海赛百盛基因技术有限公司合成(带有下划线的代表突变位点)。
1.1.3 仪器
离心机:Centrifuge5415D、5415R、5804R(eppendorf);PCR仪:Master cyclerg radient (eppendorf);电热恒温培养箱:HPP-9082(北京东联哈尔滨仪器制造有限公司);电转化仪:Gene Pulser Xcell Electroporation System(BIO-RAD)。
1.1.4 培养基
LB(Luria-Bertani)培养基:酵母抽提物5g/L,胰蛋白胨10g/L,氯化钠5g/L,pH 7.0,121℃高压蒸汽灭菌20min备用。
BHI培养基:BHI 37g/L,121℃高压蒸汽灭菌20min备用。
1.2 方法
1.2.1 突变模板Pbsh-XbaⅠ-pUC18重组质粒的构建
利用基因组提取试剂盒从EGD菌株中提取总DNA,然后以提取的总DNA为模板,以Pbsh-XbaⅠ-1F/Pbsh-XbaⅠ-1R为引物, 扩增带有XbaⅠ酶切位点的bsh基因启动子序列(Pbsh)。PCR程序:95℃ 2min;[95℃ 45s,53℃ 45s,72℃ 30s]30×;72℃ 5min。XbaⅠ酶切Pbsh和pUC18载体后用PCR产物回收试剂盒纯化酶切产物,然后用CIAP酶处理pUC18-XbaⅠ片段,防止pUC18连接。XbaⅠ酶切后的Pbsh和pUC18载体经T4连接酶连接后,转入大肠杆菌DH5α菌株,涂布添加了Ampicillin(100μg/mL)的LB平板。经酶切筛选的阳性克隆送英俊公司测序确认。
1.2.2 定点突变过程中模板浓度的选择
本研究通过预实验来确定PCR反应中的模板质粒Pbsh-XbaⅠ-pUC18的浓度,以保证在PCR成功扩增的同时,模板质粒能被DpnⅠ酶完全消化,提高突变效率。选择的模板浓度分别为20ng、40ng和60ng,PCR结束后取10μL上样进行琼脂糖凝胶电泳检测。
1.2.3 运用定点突变技术构建突变启动子
Pbsh上有PrfA和SigB的结合位点:PrfA-box和SigB-box(-10区)。本实验运用PCR介导的定点突变技术,利用设计的引物bsh-MprfA-1F/bsh-MprfA-1R和bsh-MsigB-1F/bsh-MsigB-1R构建携带:①PrfA-box突变的质粒—mPrfA-Pbsh-XbaⅠ-pUC18;②SigB-box(-10区)突变的质粒—mSigB-Pbsh-XbaⅠ-pUC18。然后以PrfA-box突变的质粒DNA为模板,以bsh-MsigB-1F/bsh-MsigB-1R为引物构建③PrfA-box与SigB-box(-10区)同时突变的质粒—mPrfA-mSigB-Pbsh-XbaⅠ-pUC18。
PCR反应体系:1μL质粒DNA模板、2μL dNTPs (10mmol/L)、1μL 10×pfu buffer、1μL pfu、引物(100pmol)各1μL,添加ddH2O至50μL。PCR程序:95℃ 2min;[95℃ 45s,51℃ 1min,68℃ 9min]18×;72℃ 10min。
PCR反应完成后,取PCR产物20μL加入1μL的DpnⅠ酶和2.3μL的DpnⅠ buffer在37℃温育1h后,直接转化大肠杆菌DH5α感受态细胞,然后涂布添加了Ampicillin (100μg/mL) 的LB平板,随机挑取10个克隆,送英俊公司测序检测。
2 结果与分析
2.1 突变模板Pbsh-XbaⅠ-pUC18重组质粒的构建结果
PCR扩增获得bsh启动子片段经1%的琼脂糖凝胶电泳检测,可见一条清晰的约380 bp的电泳条带,与预期片段379bp大小相符,见图1A。
M: Marker DL5000;1: Amplification of bsh promoter by PCR; 2:Pbsh-XbaⅠ-pUC18 digested with XbaⅠ.
获得的重组质粒Pbsh-XbaⅠ-pUC18用XbaⅠ酶切鉴定,结果如图1B所示:酶切后可见两条清晰的条带,与预期的Pbsh片段长度(379bp)以及pUC18载体 (2674bp) 的片段长度一致,表明重组质粒Pbsh-XbaⅠ-pUC18构建成功。
2.2 定点突变过程中模板浓度的确定
为确保扩增后剩余模板能被DpnⅠ酶完全消化,提高突变率,本研究通过预实验来选择合适的模板浓度。选择的模板浓度分别为20ng、40ng和60ng,PCR结束后,取10μL上样进行琼脂糖凝胶电泳检测,结果如图2所示:三种浓度均能成功扩增,得到所需的PCR产物,尽管随着模板浓度的增高,PCR扩增产物的亮度也有所增加,显示产物的浓度也随之增加,但为了保证突变的成功率,我们选择了模板为20ng的PCR扩增产物用于DpnⅠ酶切。酶切后直接转化大肠杆菌感受态,随机挑取10颗转化子进行测序,阳性突变率达到100%,表明该浓度适于做为本研究的PCR反应的模板工作浓度。
M: Marker DL5000; 1: 60ng template; 2: 40ng template; 3: 20ng template.
2.3 测序鉴定定点突变结果
构建的突变质粒送到英俊公司,应用M13-Reverse引物测序结果如下:
2.3.1 重组质粒Pbsh-XbaⅠ-pUC18的测序结果
模板重组质粒Pbsh-XbaⅠ-pUC18的测序结果如图3所示:野生型bsh基因启动子的PrfA-box碱基序列为TTAAAAATTTTTAA,SigB-box(-10区)为GGGTAC。
The sequence TTAAAAATTTTTAA between 241-255bp is PrfA-box and the sequence GGGTAC between 342-348bp is SigB-box(-10box).
2.3.2 PrfA-box突变质粒mPrfA-Pbsh-XbaⅠ-pUC18的测序结果
PrfA-box突变质粒mPrfA-Pbsh-XbaⅠ-pUC18测序结果如图4所示:PrfA-box中的TAA碱基突变为GGC,突变结果与预期一致。
2.3.3 SigB-box(-10区)突变质粒mSigB-Pbsh-XbaⅠ-pUC18测序结果
SigB-box(-10区)突变质粒mSigB-Pbsh-XbaⅠ-pUC18的测序结果如图5所示:SigB-box(-10区)中的GGG碱基突变为ATA,与预期一致。
2.3.4 PrfA-box与SigB-box(-10区)同时突变质粒mPrfA-mSigB-Pbsh-XbaⅠ-pUC18的测序结果
PrfA-box与SigB-box(-10区)同时突变的mPrfA-mSigB-Pbsh-XbaⅠ-pUC18的测序结果如图6所示:PrfA-box中的TAA碱基突变为GGC,SigB-box(-10区)中的GGG碱基突变为ATA,突变结果与预期一致。
3 讨论
定点突变技术是研究基因和蛋白质结构和功能的有力工具之一,也是实验室研究基因表达调控的主要手段。目前国内外采用的定点突变的方法很多,如重叠延伸PCR定点突变技术[3]、寡核苷酸引物介导的定点突变技术[4]、大引物PCR定点突变技术[5]等;同时,商业公司还开发出多种定点突变试剂盒,如Stratagene公司的QuikChange Site-Directed Mutagenesis Kit和QuikChange XL site-directed mutagenesis kit,Clontech公司的Transformer Site-Directed Mutagenesis Kit等。与以上这些定点突变技术相比,本方法的关键及特色在于:
The sequence GGC between 241-255bp is the mutated points in the PrfA-box
The sequence ATA between 362-364bp is the mutated points in the SigB-box(-10box)
The sequence GGC between 247-249bp is the mutated points in the PrfA-box and the sequence ATA between 346-348bp is the mutated points in the SigB-box(-10box)
(1)突变过程中PCR反应程序的设定。PCR程序大体为:95℃ 2min;[95℃ 45s,50-55℃ 1min,68℃ N min]12～18×;72℃ 10min。“N”根据所需扩增的突变模板DNA长度来确定,一般pfu酶的扩增效率为0.5kb/min。本研究所用的重组质粒大约为3kb,为了保证能充分扩增出整个质粒,以及避免质粒二级结构干扰扩增效率,我们最终设定的扩增时间为9min。扩增循环数的选择:若进行一个碱基的突变则为12个左右循环,两个碱基的突变为16个左右循环,多个碱基的突变则为18个左右的循环,为了提高突变的效率,扩增循环数应控制在此范围内。循环数太少,难以得到足量用于转化大肠杆菌所需的突变产物;而扩增循环数太多则有可能引入随机突变。本实验设定的PCR程序为95℃ 2min;[95℃ 45s,51℃ 1s,68℃ 9min]18×;72℃ 10min,一次PCR实现了对三个碱基的同时突变。
(2)高保真DNA聚合酶的选用。本实验采用了高保真的pfu聚合酶,降低了PCR扩增过程中随机突变的几率,但实验中我们发现该酶仅对于扩增全长小于4kb的DNA序列的效果较好,如需扩增更长片段,则应选取能扩增长片段的高保真DNA聚合酶。张宝真[6]等使用的高保真耐热DNA聚合酶Phusion(购自New England Biolabs公司,可以扩增10 kb以上的DNA片段)成功的对长度大于7kb的质粒进行了定点突变。朱大兴[7]等利用的Pyrobest DNA聚合酶(购自宝生物工程有限公司)也成功的对长度大于7kb的质粒进行了定点突变。
(3)有效选取了定点突变模板的浓度,确保DpnⅠ酶的工作效率。PCR扩增产物中剩余模板DNA能否被DpnⅠ酶完全消化,是关系到突变成功率的关键因素之一,从理论上讲,模板DNA浓度越低,扩增后产物中剩余的模板量越少,越易被DpnⅠ酶消化完全。但是,模板浓度过低又会导致PCR反应效率低下,产物的浓度过低,从而得不到阳性转化子。王宏梅[8]等建议为了保证DpnⅠ酶的充分消化,在PCR结束后可进行电泳验证,确认产物的浓度,如果产物浓度很高,可以减少消化的产物量或适当延长酶切时间。此方法存在一定的局限,一是因为影响PCR产物浓度高低的因素较多,模板浓度高不一定就意味PCR产物浓度就高;二是产物浓度降低到多少才能保证DpnⅠ酶的充分消化,需要经过多次反复摸索才能确定,从而增加了实验的操作步骤和成本。而通过预实验选取有效且较低的定点突变模板浓度,可以确保DpnⅠ酶的工作效率,减少由于测序来筛选正确突变子所需的时间和成本。
(4)操作简化,成本降低。重叠延伸PCR定点突变技术、寡核苷酸引物介导的定点突变技术、大引物PCR定点突变技术都需要多对引物及多轮PCR,且突变过程需要繁琐的提纯步骤才能得到最终的突变子。与这些传统方法相比,本研究只需要一对引物,整个PCR过程只需一步就可得到突变质粒,简化了由于传统的多对引物带来的繁琐的提纯步骤,增加了得到突变子的几率。
(5)应用范围广。与近年来广为使用的“设计限制酶辅助突变”(Designed Restriction Enzyme Assisted Mutagenesis, DREAM) 技术相比, 本研究介绍的方法所利用的原理与其大体相似,但DREAM技术是通过引进的限制性内切酶位点对转化子进行鉴定,虽然避免了使用测序法对突变产物的筛选[6,9],但由于设计和引入的限制性酶切位点必需与突变位点相匹配,因此存在很大的局限性,而本实验介绍的定点突变方法可以将目的基因碱基按照要求任意突变,因此可广泛应用于基因调控以及蛋白质结构与功能之间的研究。
综上所述,本研究介绍了一种经济、高效、简便快捷的定点突变方法,为基因表达调控以及蛋白质结构和功能的研究提供了技术支撑。
参考文献
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[5]张碧乾,邓会群,宫彩霞,等.大引物PCR定点突变方法的改进[J].湖北大学学报,2009,31(1):79-81.
[6]张宝中,冉多良,刘大斌,等.利用DREAM设计和同源重组进行一步定点突变[J].中国生物工程杂志,2008,28(11):77-81.
[7]朱大兴,周清华,王艳萍,等.利用Pyrobest DNA聚合酶一步法进行大片段基因的定点突变[J].生物技术通讯,2007,18(4):590-593.
[8]王宏梅,赵心清.一步PCR法对拟南芥ATPK64基因的快速定点突变[J].华中农业大学学报,2008,27(1):19-21.
突变不如暗变 篇4
逆来顺受肯定不是办法,这样做最终的结果是“逼良为娼”。本来还是一个心性很好的管理者,逆来顺受时间长了,心理慢慢畸形,反成了冰冷似铁的毒蛇型管理者,发展到了这副田地,失败肯定是必然。
而直接反抗会因过于突然而遭到强烈的反扑,结果出师未捷身先死,落得一个商鞅的结局,被人“五马分尸”。
暗变是最佳的选择,可以只付出最小的代价就能达到目的,也不至于对自己的情绪驾驭能力发出太大的挑战,何乐而不为。
暗中叛逆
在《红楼梦》中,宝玉多数情况下只能算是一个逆来顺受的人。吃穿用度、事业婚姻等,几乎所有事情都是完全服从父母和贾母的安排。
在事业上,起初的时候,不愿意学八股文,但最后,为了贾家中兴,还是苦学了起来,并考上了状元。
在婚姻上,本不喜欢宝钗,但最终还是按父母长辈的意思,弃了木石姻缘,默认了金玉良缘。
宝玉一生其实只做了一次像样的反抗,而且还是突然的反抗,那就是:没有听从父母长辈的安排,选择了出家。这一举动说穿了,还不能算是纯纯粹粹的抗争,实质上只是逃避而已。
现在,许多学者把宝玉看成是叛逆者,甚至是五四新文化运动的先驱,这显然有些过了。
虽然宝玉的身上有点叛逆者的影子,也体现出了一些民主、平等、自主思想的光芒,但还是太少太朦胧,只是有那么一点意思而已,终究与五四新青年差得太远,所以戴不了这么高的帽子。
纵观全书,我们看到更多的是宝玉的压抑、麻木和无作为。
比如,晴雯、芳官、四儿、金钏这些宝玉身边的丫鬟面临险境时,宝玉是完全可以向贾母或王夫人求求情的,即便是她们没答应,尽了这个力也不遗憾。
而宝玉却硬压抑下了这份感情。对于父母长辈的不合理要求,他不但没抗争,甚至连疏导都没做——他太想做乖孩子了。
其实,有些乖特别没必要。就拿让晴雯补雀金裘这件事来说,宝玉就做得很过分。当得知外面的裁缝无法缝补时,麝月就曾劝过宝玉:明儿不穿也罢了。
宝玉却偏想穿。且说:明儿是正日子,老太太、太太说了,还叫穿这个去呢。偏头一日就烧了,太扫兴了。
只是为了让宝玉不扫兴,贾母不责怪,他就舍得让病中的晴雯拼着命地为他补了一夜,这多少有些残忍。
结果累得晴雯头晕眼黑,气喘神虚。第二天王太医来诊了脉后,疑惑地说:昨日已好了些,今日加重得这么厉害,这汗后失于调养,非同小可。
宝玉此时也感觉到情况的严重性,说:如果你万一有个好歹,都是我造的孽。他这话倒是说中了,病里拼着命补雀金裘,成了晴雯最终惨死的诱因之一。
这一点十分像《射雕英雄传》里的黄老邪。在弟子陈玄风与梅超风盗走九阴真经下部后,黄药师因急怒交加,神情恍惚,妻子冯蘅为了安抚丈夫,苦思九阴真经,终至心力交瘁,难产而死。
一个身体本来就不好的孕妇,还要默背那么繁难的经书,可当时的黄老邪并没有劝说妻子停止这件事。当时,他跟宝玉一样,为了自己的一点私欲,便不再顾及他人的死活,为人生留下了一件终身的憾事。
怎么变革都要付出代价
对于和黛玉的爱情,宝玉没有想到任何解决的办法,更没有自己或求人向贾母及王夫人说起这件事,说穿了,他还是怕离开这个家,并没有真的想:我的青春我做主。
在这方面,还不及紫鹃这个小姑娘,紫鹃还能想出试探宝玉的方法,为黛玉的婚姻造势。
试探完之后,紫鹃对自己的测试结果特别满意,因为不但试出宝玉的真心,还得来了宝玉的一句誓言:活着,咱们一处活着,不活着,咱们一处化灰化烟。高兴得她在晚上和林黛玉说了半宿的真心话。
紫鹃毕竟没有学过心理学,其实,宝玉在这次测试中就暴露出了自己的弱点:知道林妹妹要走了,他首先失去了理智,不是选择求林黛玉不走或求贾母把她留住,而是“走火入魔”,眼也直了,手脚也冷了话也不说了,李妈妈掐着也不疼了,已死了大半个。
这倒是和传说中的梁山伯有点相像,得知祝英台的父母不同意双方的婚事,不去想办法反抗,而是在家活活郁闷死了。
过去,谈及这些事,人们一直以封建社会制度的黑暗为由来为宝玉开脱,其实,在封建社会,为爱情私奔的人数不胜数,其中也不乏名门世族。
比如卓文君,就放弃富庶华贵的家,和穷书生司马相如私奔。为了维持生计,二人开了家酒馆,卓文君这个富家千金,在酒馆站柜台,而司马相如这个超级帅哥兼才子也和下人们一样,喂马,扫马圈。二人心心相印,小日子过得有滋有味,一点也没觉得苦。
实战案例
案例一
我所咨询的一家公司发生过这样一件事。
这家公司的老板叫陆林志洪。公司主要销售手机和电子产品。原来一直走的是地面渠道,可公司的一个韩国籍员工叫朴大江。他找到陆林志洪,希望他们能用电视购物的形式销售科技含量较高的产品,并认为这个渠道会越来越好。
陆林志洪叹了口气说:“可惜,这个渠道从一开始进入中国就是个畸形儿,所有厂家、经销商都夸大宣传。”
朴大江说:“在韩国,家庭电视购物从1996年开始时,最初的时候市场也是很乱的,不过很快便走向正规化了。发展到今天,已经成为可以和大型商场、减价超市竞争的‘第三势力’,韩国到2006年已经演变成一个产值高达53亿美元的巨大市场,涌现出了不少知名企业,比如LG、现代和CJ……”
一讲起营销管理方面的事,朴大江就开始滔滔不绝,语言精准流畅,很难让人想象他是个外国人。
陆林志洪觉得朴大江说得有道理,有点心动。就附和着说:
“是呀,现在商场超市这些促销员最高学历也就是高中水平,而且大都是一些不爱学习的人。商品如果复杂了,他们根本介绍不清楚。太影响销量了!你觉得咱们公司应该主销什么呢?”
朴大江说:“手机!尤其是那种有新功能的国产手机,价格又不太贵的。”
陆林志洪犹豫道:“有那么大销量吗?现在老百姓都不爱看电视购物节目。”。
朴大江说“那也不能说是电视购物这种销售模式不行,只是咱们的节目制作水平和销售策略有问题。在韩国,有近三分之一的电视台要拿出大部分时段播放电视购物节目,一些影视明星还经常在这种节目中客串表演,特别精彩,许多韩国女性对电视购物频道的依赖几乎已经到了着迷的程度。”
陆林志洪说:“可手机毕竟也是个较贵的产品,大家会轻易相信电视上的宣传吗?”
由此看来,在企业管理中,虽然暗中改变代价小,但不论是叛逆,还是变革,都是要付出代价的。这个要提早作好心里准备,不能等到事情发生后,没了主心骨,有病乱投医,把事情弄得越来越无法收拾。
朴大江说:“在韩国,手机可是电视购物中卖得最好的产品之一。销量上来了,价格就可以降下来,比市场价能便宜一多半。我们公司前不久为一家外国公司作过调查:现在,在中国的发达地区的城里人平均每年要换两部手机。手机已不是什么耐用消费品了,而是快销品。有些人,看手机有了吸引他的新功能,就会毫不犹豫地淘汰旧手机。”
朴大江接着说。,“代理手机企业的一个产品要多少钱啊?”朴大江终于吊起了陆林志洪的胃口。
“五百万肯定是没戏的。至少1000万才能周转过来。”朴大江说。
陆林志洪嘴动了动,半天没说出话。
想了半天,说:“想改革,就要豁得出去,有条件要上,没有条件也要争取条件上!”
陆林志洪马上贷款,在公司成立了电视购物部,让朴大江负责,主要利用电视购物模式销售一款超常待机的双卡双带手机。
可项目上马后,各电视台的电视购物时段大幅涨价,公司的销售成本一下涨了上去。不久,资金便周转不开了,朴大江便经常回韩国四处找人投钱,最终也没什么结果。
这时,好多经销商都来找陆林志洪和朴大江做批发山寨机项目。陆林志洪什么也没说,让朴大江决定。
见朴大江毫不动心,经销商又说:“我们可以弄到‘五码’机的,有入网证、三包卡,发票上有IMEI码。你们就放心吧不会有任何问题。现在大家不都卖这种货吗,利润高,又好卖,何必弄厂家的东西呢?现在,全国有将近一半的手机都是山寨机,连阿尔卡特这样的国际名牌在中国都快被挤黄摊了,你们何必非要销品牌货呢,利润太薄了!”
朴大江婉言谢绝了经销商。他感慨地对陆林志洪说:
“这种丢人的事打死我也是不会做的,我们在中国,代表的是韩国人的形象,我不能丢国家的脸。。”
陆林志洪点了点头,内心很惭愧。从这一段时间的接触来看,韩国男人性格是激烈的,为了国家,为了大义,断指和自焚,什么事都会做得出来的。
见陆林志洪不说话,朴大江又说:“我们的国歌里有这样一句歌词,‘愿我大韩精神,如秋夜晴空的浩月,清辉洒向大地,坚定、真诚、执著’,从小我父母就用这句话教育我,做人要真诚,这样才能做久。”
陆林志洪拍了拍朴大江的肩膀,劝他道:
“我理解,这点困难是吓不倒我的。改革吗,总是要付出代价的,再准备一阵子,我们重新再来。”
案例二
我所咨询的一家公司发生过这样一件事。
这家公司是个传媒集团,有一份属于自己的报纸。报纸创刊后,公司对报刊部一直实施的是弹性工作制:不打卡,也不用天天坐班,只要求周一和周五来公司两次。
没过多久,公司几位元老就对此十分有意见,说报纸编辑部这样散漫,工作积极性不高,有吃大锅饭的现象。这些坏现象不但影响了报刊部,也给其他部门的管理和考核带来了许多不良影响,不停地劝洪主编采用公司其他部门的管理模式。
老洪也知道,自己的部门存在许多问题,于是他一狠心,废除了原有的管理模式,实施了和公司其他部门一样的管理模式。
这项改革刚开始实施就受到很多阻碍,各个方面都出现了一些棘手的问题。
就拿每日打卡这件事来说,大家就很不习惯。许多记者每天都要早早来到公司,打完卡再出去采访,采访完后,还要再回到公司打卡。这样,一天要有好几个小时耽误在路上。
没过多久,对这种工作方式不习惯的核心记者都慢慢跳了槽,报纸的质量受到了很大的影响。
mtDNA突变研究新进展 篇5
1 线粒体基因组的结构
1.1 基本结构
mt DNA呈闭合的双链环状结构, 包含16 569对碱基[1], 共编码37个结构基因, 包括12S和16S 2个核糖体RNA以及22种转移RNA。另外13个结构基因编码13个蛋白多肽, 它们分别是[2]:复合体Ⅰ (NADH-泛醌还原酶) 中7个亚基 (ND1, ND2, ND3, ND4, ND4L, ND5, ND6) ;复合体Ⅲ (泛醌-细胞色素C还原酶) 中1个亚基 (Cytb) ;复合体Ⅳ (细胞色素C氧化酶, CO) 中3个亚基 (COⅠ, COⅡ, COⅢ) 和复合体V (ATP合酶) 中的2个亚基 (ATPase6和ATP ase8[3]) 。非编码区包括HV区和D-loop区。其中D-loop区长1 124 bp, 既是线粒体DNA转录和复制的起点, 又是突变热点。
1.2 开放阅读框架
在人的Hela细胞线粒体中发现[4]的
7SRNA中含有一个线粒体通用的终止密码子及Poly A尾, 是Hela细胞中含有Poly A尾最多的mt RNA, 其间有一个潜在的开放阅读框架 (ORF) , 编码23或24个氨基酸的多肽。
2 基因突变及可能因素
2.1 mt DNA在整个细胞周期的合成十分活跃, 而相应的DNA聚合酶γ不具有校读功能, 导致复制错配频率高。
2.2 缺乏组蛋白和DNA结合蛋白的保护, 分子裸露, 易受外来因素的攻击而发生损伤。
2.3 线粒体内氧的浓度高, 易产生氧自由基及过氧化氢等物质[5], 它本身又不能合成谷胱甘肽将其有效清除, 故mt DNA易受氧化损伤。线粒体的能量代谢中, 呼吸链的底物端有些物质, 如黄素蛋白、非血红素铁蛋白、醌, 尤其是半醌发生氧化反应的能量保障是很低的, 常常直接启动O2的单电子还原, 产生超氧阴离子自由基 (O2-) , 这种在电子传递末端氧化酶之前漏出呼吸链与氧反应生成超氧自由基的过程是线粒体生成有害活性氧 (reactive oxygen species, ROS) 的源头[6]。细胞存在有效的抗氧化防御体系, 如超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶等。实验证明, μmol水平引起细胞凋亡, nmol水平可促进细胞增生, mmol水平则引起细胞的损伤反应[7]。
2.4 mt DNA缺乏组蛋白和DNA结合蛋白的保护, 并且线粒体内脂肪/DNA比值很高, 因而mt DNA易于和致癌物尤其是嗜脂性致癌物结合[8]。
3 线粒体DNA与疾病的联系
3.1 衰老
随着生命的进程, mtDNA突变日益积累, 当突变的mt DNA成为主导时, 将引起氧化磷酸化功能缺失, 尤其使需要较高能量供应的组织受累。这样随着年龄的增长而mt DNA突变增加累积的结果, 即是引起衰老。
3.2 糖尿病
对糖尿病的研究表明:与糖尿病有关的mt DNA位点突变有20余种, 其中具有致病作用的是3243A-G突变。后来有人相继报道了3316G-A、3394T-C位点突变也可以导致糖尿病。
3.3 耳聋
目前发现可以导致耳聋的突变有12SrRNAl555-G, CoI/t RNA Ser (UCN) 7445A-G;tRNALeu (UUR) 327 l T-G;mtDNA4834bp和4977bp缺失, t RNASer (UCN) 7472插入U。线粒体DNA缺失突变与链霉素 (AmAn) 耳毒作用存在着易感性的关系, 大多数家族史的AmAn中毒性聋患者呈mt DNA1555G突变。
3.4 肿瘤
在各种人类肿瘤中已经发现各种线粒体DNA突变[9], 这些突变既有在线粒体DNA编码区, 也有在非编码区, 而且大部分突变是同质突变。各种因素所致的mt DNA损伤 (包括突变、缺失、整合和不稳定性等) 与细胞的癌变、肿瘤的发生之间可能存在一定的关系。在实体性肿瘤如乳腺癌、结肠癌、胃癌、肝癌和肾癌中都有mt DNA畸变的报道。
3.4.1 肺癌
Sanehez-Cespedes等[10]研究了27例原发性肺癌组织, 有9例体细胞突变。其中2例是碱基替代, 7例为D-Loop区 (C) n重复序列的插入和缺失。Dai等[11]检测了37对肺癌组织和癌旁正常组织, 20例正常肺组织的线粒体DNA大片段缺失, 发现缺失率分别为54.1%, 59.5%, 30%。这三种组织之间差异无显著性, 但发现大片段缺失与年龄和吸烟有相关性。
3.4.2 肾癌
Nagy等[12]在6例晚期肾癌患者中发现94个线粒体DNA多态性, 其中56%为能导致氨基酸改变的异质性改变。他还直接测序了8对肾细胞癌组织和对应癌旁正常组织, 28%的线粒体DNA改变发生在D-Loop区。Simonnet等[13]的研究认为线粒体DNA氧化磷酸化的减少有助于肿瘤的生长和转移。
4 小结
应急物流能力突变控制模型 篇6
近年来我国各类突发事件如地震、洪水、泥石流、台风、海啸、传染病 (如SARS、H1N1) 等频频发生, 财产人员损失惨重。应急物流能力是灾难损失程度的重要影响因素之一。应急物流能力系统 (emergency logistics capability system) , 是指某特定的应急物流系统从应急需求分析与确认、应急物资采购、分拣、运输到交付给应急客户的全过程中, 在响应时间、响应速度、物流成本、满足需求准时性和可靠性等方面的综合反映[1]。应急物资与救援人员的运入, 受灾群众撤出、死者安葬、卫生防疫等都依赖于强大柔性、安全高效的应急物流能力系统。相关资料显示, 智利8.8级地震只夺走了几百人的生命, 而海地7.0级地震就导致20多万人死亡, 其间差异与应急物流能力的强弱密切相关。由于应急物流指挥、受过专业训练的应急救援队伍和应急物流设备 (如后备役车辆) 等所构成的强大应急物流能力系统, 2008年汶川地震和2009年玉树地震的救援抢险过程有序有效, 较以往明显提高了救援效率效果。我国应急物流能力系统建设还处于初期阶段, 对其深入研究将对应急物流能力的提高, 国家应对突发事件具有理论和实践意义。
学者们已关注应急物流能力问题, 并从不同角度运用不同方法对应急物流能力进行评价[2,3,4,5]。不少学者运用突变模型研究突发事件, 如建立突变模型研究公共空间拥堵、近海水污染、传染病爆发等公共突发事件[6,7,8,9]。张亚平、唐铁桥等[10,11]分别用尖点、燕尾突变理论对交通流进行预测, 前者选择速度为状态变量, 流量和密度为控制变量建立尖点突变模型, 后者在前者的研究基础上, 将时间因素补进控制变量建立燕尾突变模型进行研究。陈涛等[12]运用尖点突变理论建立拥挤控制模型, 利用势函数和动能函数描述拥挤空间交通系统变量之间关系, 并提出限制交通流的拥挤控制模型。在社会科学中, 系统本身的精确描述很难做到, 用突变模型研究各种突发事件和交通流问题是本研究良好的基础和启示。应急物流能力系统的特征和突变模型的适用性表明突变模型是研究动态应急物流能力有效的工具之一。本文将以应急物资需求、应急时间需求和应急成本需求为三个控制要素建立燕尾突变模型对应急物流能力系统展开研究。通过对应急物流能力系统的势函数、平衡曲面和奇点集的讨论分析, 求解其突变临界点, 并讨论其稳定性和变化方向, 在此基础上建立应急物流能力系统的控制模型, 以预测、控制和提升应急物流能力。
2 应急物流能力系统燕尾突变模型
2.1 突变理论与应急物流能力系统
20世纪60~70年代, 法国数学家Thom借助于奇点理论和结构稳定性理论提出突变理论。该理论认为:突变系统在状态空间演化过程中有多个稳定态和不稳定态, 当控制参数发生变化并越过一定界限时, 系统会从一个稳定态向另一个稳定态跃迁, 直接跨过其间不稳定态, 即发生突变。突变系统存在五个突变指征:多模态、不可达、突跳、发散和滞后。根据不同突变指征、状态变量和控制变量的数目, Thom等建立了七种初等突变模型:折迭, 尖点, 燕尾, 蝴蝶, 椭圆脐, 双曲脐和抛物脐[14]。目前突变理论及模型散见于数学、力学、社会学等学科的应用中。根据突变理论, 系统如果显现二个及以上的突变指征, 就可以运用突变理论进行分析;根据状态变量和控制变量的数目可以选择相应的初等突变函数作为系统的演化模型, 分析突变系统的演化特点和规律。
应急物流能力系统是由多个参数描述和控制的复杂问题。一方面, 突发事件的发生和紧急救援的需求成为社会各界关注的焦点。本着“救援第一”和“绿色通道”的思想, 应急物流能力会在思想上、组织上和通行上变得异常强大;另一方面, 由于突发事件 (如地震、洪水等) 会毁坏甚至阻断物流通道与设施, 加之可能引起的伴生性事件, 例如信息沟通不畅、次生性灾害、民众聚集引起的交通堵塞等, 这些又会造成应急物流能力的巨大削弱。在多种条件、多种因素作用下, 这个复杂系统呈现多模态 (能力强、能力弱二种基本稳定态, 能力较强、能力较弱等多种不稳定状态) 、突跳 (如应急物资从各地涌向救援点, 当超出救援点承受能力时, 应急物流能力系统会出现停滞甚至崩溃) 、发散 (突跳出现后, 系统出现严重堵塞甚至次生灾害, 已无法通过自组织改变现状) 、不可达 (系统在多种不稳定区域不断运动调整直至到稳定状态, 不稳定即为不可达) 等特性。这就使得应急物流能力不断在能力强 (满足应急物流需求) 、能力弱 (不能满足应急物流需求) 之间突变。本文拟选用一个状态变量、三个控制变量来描述应急物流能力系统, 根据Thom的理论, 可用燕尾突变模型来分析应急物流能力系统的突变结构和突变特征。突发事件发生时, 应急物流能力系统受到扰动, 控制变量发生不同变化, 从而使应急物流能力系统不断呈现“能力强-能力弱-能力再强-能力再弱”的状态, 即发生应急物流能力系统从一稳定态向另一稳定态的突跳。
2.2 控制变量与状态变量
突发事件对应急物流能力系统的影响首先表现为控制变量的变化, 进而引起状态变量在多个状态空间变化以至系统的突变。应急物流能力系统追求的是最大限度满足应急物流需求, 主要体现在应急物流物资流量大、耗时短 (速度快) 、成本低等方面。因此本质上, 流量、时间和成本是应急物流能力系统的三个控制要素。考虑到三个要素实际值相对于应急需求的相对满足程度更能动态体现其对状态变量和系统函数的影响, 同时也考虑到三个控制要素在量纲上的一致性, 本文对控制变量作修正, 即选用应急物流流量变化率、时间变化率和成本变化率为控制变量。现对控制变量和状态变量作如下定义。
定义1应急物流流量变化率φ (q) , 第一控制变量, 表示应急时的I个供应点物资流量 (∑qi (s) ) 相对于J个救援点物资需求量 (∑qj (d) ) 满足程度的变化情况, 即:
假设货源充足, 则物资流量 (供应量) 仅指在约束条件下到达救援点的流量, 即∑qi (s) 是在时间窗[0, tw]内实际通过图1中弧群rcdk (k=1, 2, …, K) 的流量和。时间窗是指救援点需要紧急物资供给的有效时间区间 (时段) 。应急物流系统对救援点的物资供应, 必须在救援点要求的有效时间区间内进行。本文采用单边上限时间窗, 即[0, tw]。图1中, 弧群rabm (m=1, 2, …, M) 、rcdk为公路运输路段, 弧群rbcn (n=1, 2, …, N) 存在公路运输、铁路运输和航空运输等多种运输方式。而弧群rcdk表示直达救援点的公路运输方式, 根据受灾情况, 可能存在各种车型的公路运输, 如大车、小货车和人力车等。时间窗内的V种运输方式通过rcd路段区间K条道路的总流量为:
定义2应急物流时间变化率φ (t) , 第二控制变量, 表示应急时物流时间 (∑tA (e) ) 与时间窗长度 (T (e) ) 相比的变化率。 (以常态物流时间∑tA (z) 为参照, T (e) =∑tA (z) 。)
∑tA (e) 、∑tA (z) 分别表示应急e时和常态z时物资在所有节点、路段、网络中流动所需时间和, A为所有路段和节点集合。常态物流时间由各路段的运输时间与节点作业时间组成, 即∑tA (z) =∑tA1 (z) +∑tA2 (z) 。而突发事件发生时, 由于思想上、组织上、行动上的“绿色通道”, 在弧群rabm、rbcn段以及各节点在时间效率上都有不同程度的提高, 物流时间会大大缩短;而在弧群rcdk段, 由于受到内外部扰动, 发生道路阻塞、中断以及修复等情况的概率较大, 因而会增加非常态的等待时间。由此应急物流时间由运输时间、节点作业时间和阻抗应对时间三部分组成, 即:
其中, t1rv (e) 、p1rv (e) 分别表示第v种运输方式在路段r的运输时间和运输任务份额, ;t2uv (e) 表示在第v种运输方式在第u个节点的作业时间, 其中第一个节点包含非常态物资组织延迟时间;t3h (e) 、p3h (e) 分别表示第h次阻抗应对时间和阻抗发生的概率。
定义3应急物流成本变化率φ (c) , 第三控制变量, 表示应急时的物流成本 (∑cA (e) ) 与常态物流成本 (∑cA (z) ) 相比的变化率。
应急物流成本主要由运输费用、中转费用和阻抗应对费用组成, 即
c1rv (e) 、p1rv (e) 分别表示第v种运输方式在路段r的运输费用和运输任务份额, ;c2uv (e) 、p2uv (e) 分别表示在第v种运输方式在节点u的中转费用和承担的费用份额;c3h (e) 、p3h (e) 分别表示第h次阻抗应对费用和阻抗发生概率。运输、中转费用与流量相关, 运输费用主要包括基本运费 (如公路、铁路、航空的基本运价) 和里程运费 (与路段长度、货物重量、燃油、人工和损耗等相关的费用) 。
定义4应急物流能力l, 系统状态变量, 是指突发事件发生后, 应急物流能力系统面向救援点在物资大流量需求、短时间需求和低成本需求上的满足程度。在外界各种扰动下, 控制变量发生不同程度变化时, 它是直接导致应急物流能力系统突变的变量。它的稳定与否是系统是否会发生突变的直接影响因素, 也可以说应急物流能力和应急物流能力系统是自变量和因变量的关系。它的微小摄动可能导致系统状态的完全变化, 即突变。由于各个控制变量变化方向和程度的不一致, 从而带来状态变量不断变化, 进而引起能力系统在强、弱二个稳定态和介于强弱之间的多个不稳定态之间发生变化。
2.3 应急物流能力系统突变模型
根据突变理论和本文研究对象特点, 以应急物流能力为状态变量, 以流量变化率、时间变化率和成本变化率为控制变量, 构造应急物流能力系统的燕尾突变模型势函数:
其中:l为应急物流能力, φ (q) 为流量变化率, φ (t) 为时间变化率, φ (c) 为成本变化率。
由f′ (l) =0得到其平衡曲面方程:
再由f″ (l) =0得奇点集方程为:
3 应急物流能力系统突变奇点及其稳定性讨论
3.1 应急物流能力系统分岐曲线图和势函数曲线图
式 (8) 、式 (9) 联立, 消去l, 可得燕尾模型的分岐点集:
应急物流能力系统的分岐点集为多维空间 (φ (q) , φ (t) , φ (c) ) 中的一个空间曲面, 曲面上的点就是可能导致应急物流能力系统发生突变的奇点。燕尾模型的分岐点集曲面在φ (q) >0和φ (q) ≤0时的φ (t) -φ (c) 截面曲线图像不同。根据本研究对象的特点, 当φ (q) >0即已100%满足需求, 所以仅对φ (q) ≤0时的情况作探讨。当其他控制参数保持不变, φ (q) 趋向于0的过程就是应急物流能力增强的过程。借助式 (8) 、式 (9) 和式 (10) , 作出φ (q) ≤0时的分岐曲线图 (见图2) , 其中小图为相应的势函数空间曲线图。曲线将势函数空间曲面划分为不同的区域, 不同区域截线形状不同, 极值点个数不同, 势函数性质不同, 应急物流能力系统的稳定状态存在差异。
3.2 φ (q) ≤0时应急物流能力系统突变临界点及其稳定性
由燕尾突变分岐点集的对称性特征, 保持控制因子φ (q) 为常数, 讨论φ (t) -φ (c) 平面在φ (q) ≤0时的区域分割情况。由于分岐点集是平衡位置的个数和性质改变的界线, 只需找一个点作代表就可以了[14,15]。考虑满足“应急”时间需求, 即φ (t) =0时的情形, 由式 (8) 求出平衡曲面的解为:
其中, Δ=9φ2 (q) -20φ (c) , 后同。将式 (11) 代入式 (9) , 得:
当f″ (l) >0时, 则应急物流能力系统的势函数有极小值点l, 是稳点奇点, 应急物流能力系统处于某一稳定状态, 不会发生突变;当f″ (l) <0时, 则系统的势函数有极大值点l, 是不稳点奇点, 应急物流能力系统处于某一不稳定状态, 会发生突变;当f″ (l) =0时, 则系统的势函数只有拐点, 不会发生突变。根据式 (9) 、式 (10) 、式 (11) 、式 (12) 和图2分析可知, 当φ (t) =0时系统有三种状态:
状态1:当φ (q) ≤0且时, 系统势函数无奇点, 应急物流能力系统处于稳定状态, 不会向其他状态突变。
状态2:当φ (q) ≤0且时, 系统势函数有4个奇点:, 其中:为不稳定奇点, 会导致应急物流能力系统向其他状态发生突变。
状态3:当φ (q) ≤0且φ (c) ≤0时, 系统势函数有2个奇点, 同样不稳定的奇点 (负解) 会使得应急物流能力系统状态发生突变。
从以上状态可知, 区域中不稳定歧点越多系统越活跃, 越容易发生突变。当φ (t) =0时, 系统在状态2或状态3时都存在不稳定的奇点, 当不稳定奇点越过分岐点集时, 系统就会发生突变, 要么从一个稳定状态变到另一个稳定状态 (如从状态2到状态3或状态3到状态2) , 要么稳定状态消失 (如从状态2到状态1或状态3到状态1) 。
4 应急物流能力系统控制与优化
突变模型中, 势函数越大代表应急物流能力系统性能越强。但根据Maxwell约定, 势函数达到极大值后会向一个极小值点方向迅速移动, 直至分岐集另一区域中平衡稳定, 即系统发生突变。此时, 必须借助外力作用, 势函数方能再向极大值方向移动。或者在势函数极大值时改变控制变量, 稳定控制点在极大值点附近活动, 只要控制点不越过分岐集, 系统就不会发生突变。由于系统有多个控制变量, 且控制方向不一致, 导致系统的变化趋势复杂而不确定, 如遇路段阻塞, 控制流量可以重新获得物流流量, 但降低了供给;如遇路段阻断, 则需借助大物流设施设备等令其重新通行, 增加了流量, 减少了等待时间, 但提高了成本。突变模型给我们提供了系统状态和变化方向, 而对控制参数的控制可以使得系统始终向良好状态发展。控制变量控制方向不一致, 很难找到一组解使得多目标中每个目标达到最优。借助Pareto最优思想, 建立非线性规划控制模型求解非劣解:
模型表示保持控制点在分岐点集相应区域内时, 力求系统势函数最大。通过对相应分岐点集的控制点进行管控, 以达到应急物流能力系统的高性能保持。突发事件发生后, 应急物流能力系统面向救援点物资大流量需求、短时间需求和低成本需求, 力求三者平衡提升, 以获得最大的应急物流能力, 达到最好的救援效果。也就是说, 当φ (q) 向正方向变化, φ (t) 、φ (c) 向负方向变化的过程, 也是应急物流能力系统趋于强能力的过程。因此本文将模型转化为以φ (t) =0 (进行应急时间管理, 满足应急时间需求) 时系统的最大流量和最小成本为目标的非线性规划模型:
式 (15) 为目标函数, 求解最大应急流量、最小应急成本;式 (16) 和式 (17) 为流量 (供应量) 约束, 中转节点的流入量与流出量需相等, 还要满足路段弧容量的限制;式 (18) 为流量变化率和成本变化率的平衡约束 (由式 (10) φ (t) =0时得到) , 式 (19) 为时间约束, 式 (20) 为非负约束。
5 仿真算例分析
5.1 仿真算例设计
南方某地区发生7.0级地震。灾害发生后, 受灾严重的d1、d2、d3、d4四个城市对应急物资的需求量 (折合平均) 至少为250t (t表示吨, 后同) 。根据四个城市的物资需求和外援城市物资供应情况, 决定从a1、a2二个周边城市调运物资900t, 从西北城市a3调运物资80t, 从东北城市a4空运紧缺物资20t.根据灾情, 救援物资需在12~16h (h表示小时, 后同) 内到达救援点, 时间越短救援效果越好。结合某物流公司的运行数据和本案例情况分析, 物流常态下从四个供应点到四个需求点的总运输成本约为20万元, 路段单位运输成本为2.5元/5t·km (t·km表示吨·公里, 后同) 。图3为从四个供应点城市到救援点的拓扑图, S、T为虚拟节点, 表示供应点集和需求点集, 不发生流量、时间和成本。表1为各路段、节点相关流量、时间和费用数据。根据物流公司经验, 对于时速为60km/h、100km/h、40km/h的路段, 路段应急通行能力 (应急通行能力=常态通行能力-常态流量) 分别300v/h、500v/h、200v/h (v/h表示辆/小时, 后同) 。应急时, 节点平均服务能力为10v/h.救援车采用标准5t车型, 假设满载。
5.2 运算结果分析
本文考虑单边时间窗tw (e) 分别为12h、13h、14h、15h、16h时的流量变化和成本变化情况。当φ (t) =0时, 根据式 (1) 、式 (2) 、式 (3) 、式 (4) 、式 (5) 、式 (6) 、式 (15) 、式 (16) 、式 (17) 、式 (18) 、式 (19) 、式 (20) , 各项运算结果见表2所示。
注:max∑q (s) 的单位为t, min∑c (e) 的单位为元。αi为阻抗应对时间减少率。
①从表2左6列可以看出, 单边时间窗tw (e) 为12h、13h、14h时, 系统很活跃、势函数很不稳定, 皆有两个不稳定奇点。随着φ (q) 由负值向0方向的变化、φ (c) 由正值向0方向的变化, 在14h向15h过渡的过程中系统发生突变, 系统由四奇点的稳定态转变为二奇点的稳定态, φ (c) 由正值变为负值。从φ (q) 、φ (c) 的变化情况来看, 在12h到13h变化过程中变化幅度较大, 但控制点未越过临界点, 因此系统性质未发生变化, 但这个阶段的变化推动了后面阶段的突变。
②根据表2右4列数据可以看出, 通过时间管理, 当阻抗应对平均时间缩短10%、30%、50%后, 不同时间窗内∑q (s) 和∑c (e) 的值会发生不同程度的变化, 相应地控制点会发生变化。由表中数据可以看出, 12h内的流量相比于管控前188t有小幅度下降, 分别为181t、169t、156t.但在12~13h阶段, 流量分别获得765t、875t和984t, 较1h前提高了321.90%、417.91%、529.32%, 而管控前的提高率为278.19%, 说明在时间管理初期应急物流能力效果不明显甚至倒退, 但在后期提升很快。从供应量满足率突变情况来看, 当α1=0.1时, 流量在16小时内全部满足;当α1=0.3时, 流量在15h内全部满足;当α1=0.5时, 流量在14h内全部满足。从成本变化来看, 时间管控程度越高, 成本越高。阻抗应对平均时间缩短10%、30%时, 流量变化率大于成本变化率, 而缩短50%时后者远大于前者。就类似本案例情况, 当时间窗是13h且φ (t) =0, 流量变化率得到较大幅度提升, 而成本变化率却没有大幅提升是较理想的状态。
③流量和时间的满足程度是衡量应急物流能力最重要指标。本案例中, 相比于常态物流, 应急物流时间增加主要在于非常态供应始节点的物资组织时间延迟和路段rcd的应对阻抗。承担90%物资供应任务的周边城市尽管路途不长, 但因物资流量大, 货源组织的难度和路途遇阻风险使其物流时间较长。运算表明, 当φ (q) =0, 即流量与最低需求量相等, 物资到达救援点的平均时间为14.28h, 此时φ (t) =0.262, φ (c) =-0.021, 属状态3, 有2个奇点 (±0.805) , 不稳定奇点使得系统状态可能发生突变。如果加强外力作用, 在φ (q) =0条件下能够缩短应急时间, 成本持平或下降;或者在tw (e) 保持不变、φ (t) =0的条件下, 能够增加流量、成本持平或下降, 皆可表明应急物流能力在不断提升。
6 结论与建议
本文运用燕尾突变理论, 以应急物流能力为状态变量, 物流流量变化率、时间变化率和成本变化率为控制变量, 建立应急物流能力系统突变模型, 构建系统势函数并确定了系统平衡曲面、奇点集和分岐点集, 讨论了应急物流能力系统在时间需求满足状态的突变临界点及其稳定性, 在此基础上提出应急物流能力控制模型, 并用算例对模型作了验证。通过研究得出以下三点结论:①如果能通过调查及实测可以获得三个控制变量的相关数据, 就可以确定控制点的奇点集和分歧点集, 分析系统在分岐点集各区域的奇点个数和性质, 进而确定系统当前状态的稳定性和突变趋势, 以采取相应的管控措施。②根据应急物流需求的特点、不同时段的主要目标、控制变量的性质和外力作用程度对相关控制变量进行有效管理, 将对应急物流能力的瞬时提升起到非常明显的作用与效果。③应急物流能力系统的稳定与提升是系统工程, 鉴于各控制要素在管控中活动方向的相背情况, 借助Pareto思想对主要要素进行控制, 求解非劣解, 在获得时间效益、流量效益的同时力求成本效益是可行思路。由于灾害事件中信息收集难度较大, 本文仅运用简单算例分析验证模型的可行性, 如何对模型作进一步修正以解决更多更复杂的实例将是下一步研究方向。
摘要：运用燕尾突变理论, 以应急物流能力为状态变量, 应急物流流量变化率、时间变化率和成本变化率为控制变量, 建立应急物流能力系统突变模型, 建立系统势函数确定平衡曲面、奇点集和分岐点集, 讨论应急物流能力的突变临界点及稳定性, 在此基础上建立非线性规划模型以控制和提升应急物流能力, 并用仿真算例分析验证模型应用的可行性。通过研究本文得出三点结论:通过调查及实测可以获得三个控制变量的相关数据, 确定系统的奇点集和分歧点集, 进而确定系统当前状态的稳定性和突变趋势;根据应急物流需求的特点、控制变量的性质和外力作用程度对相关控制变量进行有效管理, 将对应急物流能力的瞬时提升起到非常明显的作用与效果;应急物流能力系统的稳定与提升是系统工程, 鉴于各控制要素在管控中活动方向有背离情况, 借助Pareto思想对主要要素进行控制, 可获得时间效益、流量效益和成本效益的相对平衡的非劣解。