FAST协议

2024-08-27

FAST协议（精选5篇）

FAST协议篇1

摘要：针对目前我国环境监测系统中数据需要高效、高保真、低时延压缩传输的现状,采用FAST(FIX Adapted for Streaming)协议处理数据,该协议利用数据内容与结构描述分离的方法,对数据内容进行字节编码以及二进制序列化压缩,用发送和接受双方都理解的模板描述数据结构。试验结果表明FAST协议能够有效解决传输数据的大量重复,在工业高速海量实时数据的应用中具有巨大的优越性。为FAST协议在工业控制系统中的进一步应用提供了一定的基础。

关键词：FAST协议,数据压缩,环境监测系统

1 引言

在生产环境中,空气、工艺用纯气和液体的洁净度及其他空气参数(温/湿度,风速,压差)的实时数据对半导体,制药,电子等行业有着至关重要的作用。环境监测系统通过使用由大量互连的微型传感器节点组成的无线传感网络,不间断的进行高精度数据搜集,能克服人工检测时延长、不精确的缺点。但随着传感器节点的增多,现场级的每秒数万点采集速率的数据处理传送,特别是突发性事件(故障)时数据的存储、压缩、检索和实时反应,给监测系统造成了无法回避的难题。面对需要压缩的数据,传统的数据压缩方法难以兼顾压缩率、处理时间开销以及信号保真度,XML由于自身的自描述特性面对监测系统中海量消息性能太低,无法满足实时精确的要求,因此现场数据的高效压缩传输与处理是监测系统设计的重点和难点所在。本文将提出一个简单而有效的方法,利用新的传输协议———FAST协议来实现监测系统中数据的高效压缩实时传输处理。

2 FAST协议简介

FAST协议是的简称是对金融系统中进行证券金融市场数据传输的协议的优化,FAST协议像XML一样是FIX组织推广的一个开放的数据流编码协议,其核心是一种数据压缩算法,它能应用于涉及消息处理、存储、传输的所有信息领域,在高容量,低延迟的数据传输中性能显著。图1描述了FAST协议应用的一个简单层次结构。

FAST协议使用域级操作来减少数据流中携带的冗余信息,传输编码序列化数据,并使域长度和字段分隔等流的结构自描述,压缩后的数据通过可UDP或者TCP传输。会话控制层管理着会话初始化、结束以及错误报告等[1]。

3 数据传输系统设计

本文的应用背景是苏州宏瑞公司的监测系统,监测系统由三大部分组成:现场节点软硬件设计、监控管理服务中心系统设计以及用户终端系统设计。系统通过现场节点传感器获取的空气尘埃粒子指数以及温度湿度指数并通过网络传输到监控管理服务中心,监控管理服务中心通过计算得到空气洁净度并实时传送到用户终端系统,工作人员实时的了解现场的环境信息【2】,其总体系统结构图如图2所示。

系统中上位机系统采用C/S架构模式,所有现场节点都通过工业以太网将数据传输到监控管理服务中心,用户终端通过Internet网络从监控管理服务中心获取数据,并向工作人员显现实时数据,历史数据,实时数据曲线和报警信息。在数据通讯方面,采用TCP/IP模块经过Internet连接[3]。

为了进行有效的监控,需采集多路信号,包括采集的时间,现场的温度,湿度,尘埃粒子的数量等,采样周期必须小于0.2ms,同时为了能对故障进行诊断,分析,数据波形需要展开,要求保存故障点左右长达10秒内完整的所有信号,并且对信号保真度有很高要求,以达到故障时信息不丢失,无滤波的完整保存的需求。数据中信号的变化率差别很大,会导致大量的冗余数据,扩大采样周期又会丢失信号;采用不同种类的数据使用不同的数据结构的方法,会使软件总的体系复杂。因此实现现场采集的数据的高效压缩传输与处理是系统设计的重点和难点所在,本文采用FAST协议解决数据传输问题,系统结构如图3所示。

3.1 FAST编码

为了便于现场采集的数据的传输和分析处理、波形的展开等等,能适应整个系统应用需求的的最简单有效的数据结构类似如下所示。

FAST协议利用数据内容与数据结构描述分开的方法,采用字段编码和传输编码对数据进行高效压缩。

3.1.1 FAST字段编码

FAST协议对数据流采用二进制编码,其数据类型主要包括:有、无符号整数,实数,ASCII字符串、字节序列等。FAST协议对消息的字段进行压缩编码时,根据预先确定的FAST模板采用字段操作来进行。其基本思想是,当前记录某个字段的值与前一条记录对应字段的值相同信息部分就不参与编码,从而极大的减少了消息传输的大小[4]。

如上述的系统传输三条数据,则字段编码方式可如图4所示。

利用FAST字段编码很好的解决了系统中各类数据不同变化率与采集频率的折中问题。通常采样频率太高,巨大的数据量使系统传输、处理和存储难以承受,采样频率太低,在不可预知的故障发生时,容易丢失关键的数据,采用FAST编码,可以以最高速率来保存数据,增加的数据量非常有限。

3.1.2 FAST传输编码

FAST编码较好的解决了传统的C语言结构体以及ASCII文本编码的数据冗余,FAST数据是一种字节流,采用网络字节顺序。编码时,一个字节的第7位是保留作为“停止位”,0-6位为数据位。停止位起了数据流中字段的分隔符的作用,而不同的数据值占用的空间是变长的,遇到停止位表示该数据项结束,否则该数据项还没有完整如表所示设有个字节的数据流第一字节因为停止位是未完整接受,第二字节0xff,停止位是1,该数据项完整的接收。

这样传输的无符号整数就是16383,占用2字节。比4字节的整数编码占用空间少了一半,比ASCII字符编码减少了3个字节,且不再需要分隔符。

3.2 FAST模板

3.2.1 模板定义

FAST数据结构描述以及操作类型采用模板的方法,一个模板代表了从发送者到接收者传输数据其结构描述的一个逻辑单元。为了使FAST模板具有可读性,系统中采用XML语言来描述FAST模板。示例如下:

上述模板中序号、温度、压力和个数的数据类型为无符号32位整数,时间为十进制实数,字段操作分别是增量,拷贝,差值。模板中各种操作的压缩效率为constant>increase>default=copy>delta,所以编写模板时应该尽量按此顺序,增加数据压缩效率【5】。

3.3 主要软件实现

系统的软件实现基于Windows操作系统平台,使用Visualstudio2003开发工具和面向对象的方法设计

和开发了数据的传输压缩系统。软件设计中,将每一条消息的所有域数据类型以及操作类型进行定义,制定不同的模板模板用唯一的模板来区别在对数据进行压缩时分别构建并加载模板模板由模板类CMessageTemptale管理,加载模板类方法如图5所示。

对消息的编码和解码由基类CMessageDef封装完成,该类派生出编码类CMessageEncoder和解码类CMessageDecoder,分别包含编码和解码的方法。消息强词编码、解码类和基类的继承关系及方法如图6所示。

当准备传输数据时,发送端根据CmessageTemplate类加载相同的XML模板,根据模板利用CMessageEncoder类中的方法依次编码各个数据,编码完成后windowssocket利用TCP/IP将FAST流发送,接收端接收到收据后,加载和发送端相同的模板,根据模板对FAST流依次解码各个数据。利用基于Fast协议的数据压缩技术进行数据传输的软件实现时序图如图7所示。

4 结束语

FAST的性能测试已经由多家国际著名机构进行,其中包括美国ArcaEx电子证券交易现场、芝加哥商品交易所、伦敦股票交易所以及汇丰银行等,结果显示,FAST协议实际应用效果十分明显,可以将证券金融领域的FIX数据流压缩65%-90%,处理一条消息的时间减少10%-25%,占用带宽大为减少,特别是当负载增加时性能不仅不会降低反而还会提高,摘自FPLCanadianElectronicTradingConference 2008,经本项目测试数据压缩率在70%———80%。

FAST协议以其高压缩率,算法简单,良好的可扩展性,低延迟,以及开放、标准的特点,在监测系统数据通讯处理储存应用中具有明显的优势,能发挥巨大作用。而FAST的局限性是,对诸如图像之类的数据压缩没有什么效果以及只是一种数据流数据的随机访问方法有待进一步研究。

参考文献

[1]FIX Protocol Ltd.FASTSpecification Version1.x.1[R],12,2006.

[2]王思铱.基于无线传输网络的环境监测系统的设计[D].硕士学位论文,上海:上海交通大学,2007.

[3]李汪彪,吴允平,苏伟达等.一种低功耗以太网数据采集器的设计与实现[J].微计算机应用,2008,29(11):43-47

[4]FIX Protocol Limited.A Basic Guide to FASTv1.0[R],1,2006.

[5]Gun-Woo Lee,Youn-Jung Park,Gyun Woo.Automatic Generation Algorithm of FASTProtocol Templates for Efficient Trans-mission of Financial Data[R].Eighth International Conference On Parallel and Distributed,Applications and Technologies,IEEE2007163—164

FAST背架样机刚度实验分析篇2

千百年来人类只是通过可见光波段观测宇宙,而实际上天体的辐射覆盖整个电磁波段。1931年美国人央斯基使用旋转天线阵第一次接收到银河系的射电信号,开创了用射电波研究天体的新纪元。通过射电望远镜进行电磁波段的天文观测,具有高分辨率和高灵敏度的优点。射电望远镜按天线结构的不同可分几个类型,如抛物面天线、射电干涉仪、甚长基线干涉仪和综合孔径系统等。继美国Arecibo 300 m望远镜之后,具有中国人独立知识产权的FAST将成为世界上最大的单口径射电望远镜。FAST工程开创了建造巨型射电望远镜的新模式,并提出了三项自主创新:利用贵州天然的喀斯特洼坑作为台址;洼坑内铺设数千块单元组成500 m球冠状主动反射面;采用轻型索拖动机构和并联机器人,实现望远镜接收机的高精度定位[1]。自1994年开始,中国天文学家提出建造FAST的建议,并对选址、主动反射面、馈源系统、精密测量、控制接收机等方面进行了严谨的技术探讨,现在整体的初设方案已经完成。为了验证FAST项目的可行性,2005年在密云站建成了30 m口径缩尺模型[2]。2008年10月26日,在贵州省平塘县大窝凼台址举行的奠基典礼,开启了FAST工程项目新的里程碑[3]。

FAST主动反射面是一个口径500 m,半径300 m的球冠曲面,它通过索网结构支撑,采用短线程的分型方法将整个曲面分成4 600块三角形单元结构。每个子单元结构由面板、背架结构、主索网组成。背架结构作为连接面板和索网的支撑结构,其功能是保证反射面的曲面拟合精度,背架结构在整体反射面中有着非常重要的地位。为了验证背架结构的优化设计效果,研制了三种方案的背架原型实验样机。本文提出了背架结构设计指标和3种样机构型的参数,并介绍了实验方法和结果,结合ANSYS仿真讨论了3种背架样机不同工况的刚度变化,综合分析了结果和初步设计优化方案。

1 背架样机

综合考虑FAST各系统的性能及所需技术指标,背架结构的设计需达到以下四点技术要求:

(1)背架结构形状为边长大约11 m的三角形空间结构;

(2)反射面子单元面型在半径318.5 m的球面上;

(3)反射面子单元质量期望值为10 kg/m2;

(4)反射面子单元的拟合精度应该低于RMS2.5 mm。

FAST实体背架结构要经受环境荷载:自重荷载、风荷载和温度荷载。自重荷载要满足期望值10 kg/m2的重量;根据设计要求,工作风速荷载不大于4 m/s,而极限风速荷载取14 m/s;根据当地气象数据,全年温度覆盖-5℃到35℃,有40℃的温差。在环境荷载下背架结构各参数的设计要满足各项技术要求。

随着FAST项目的深入进行,为了验证理论结构设计的可靠性,制造了三种方案的背架样机。它们分别为:单层弦支结构、单层网格结构及空间三角锥网架结构,图1为三种背架样机的照片。此三种样机都是钢结构。背架上层通过调节螺栓连接冲孔铝面板。

单层弦支结构:其三角形的每个边框被分成6段,样机三角形被划分为36个小三角形网格(如图2.b)。该结构通过对下层的钢撑杆和钢拉杆施加预应力来支撑整个结构。此结构外边框构件为矩形框型钢80 mm×40 mm×2.0 mm;内部连接构件为C型钢70 mm×40 mm×10 mm×1.6 mm;钢撑杆采用48 mm×3 mm圆管;钢拉杆为直径12 mm的圆钢。单层弦支结构的上层框架通过焊接连接,下层的钢撑杆和钢拉杆相互铆接,并与上层结构铆接连接。此弦支结构具有质量轻的优点。

单层网格结构:其边框被分为4段,样机三角形框架共分成16个小三角形网格(如图2.a)。边框构件采用100 mm×80 mm×2.0 mm的矩形框型钢,内部构件为C型钢100 mm×50 mm×20 mm×2.0 mm。各杆件通过焊接连接在一起。此结构形式简单,与弦支结构相比无需调整预应力。

空间三角锥网架结构是由倒置的三角锥连接而成。该结构上层边框被分为6段,下层边框为5段(如图2.c)。整个结构都是由圆管26.8 mm×1.8 mm构成,各节点通过半径为60 mm的螺栓球连接,便于现场加工安装。

图2为三种背架结构的模型图,图2为某荷载下的位移变形分布框线图。

2 刚度实验

2.1 理论依据

刚度是描述结构抵抗外力变形的能力。

在有限元分析方法中,通过几何方程、物理方程、虚位移原理,可以推出有限单元的刚度方程,它描述了一个单元的节点力和节点位移的关系:

(1)式中Re是单元的等效节点力,δe是单元节点的位移,k是单元的刚度矩阵,它决定于该单元的形状、大小、方位和弹性常数。背架结构进行离散化后,将荷载力等效到各个单元的结点处,各单元的刚度方程集合后,可以建立这个结构的平衡方程。将各个单元的刚度矩阵集合成整个物体的刚度矩阵,可以得到以整体刚度矩阵K、荷载列阵R、以及整个物体的节点位移列阵δ表示的整个结构的平衡方程[4,5]:

比较三种方案的背架结构刚度,如果能得到结构离散后的整体刚度矩阵K,就可以直接比较不同结构的刚度特性。

而对尺度为11 m的背架结构,节点处径向(面板曲面的法向)的变形量在保障曲面拟合精度时是最重要的参量,也是结构设计中所关注的。在进行刚度实验时,加载与工作状态相似的荷载情况,测量影响曲面拟合精度的径向变形量,就可以间接的比较结构的刚度。背架与面板是通过各节点处的调节螺栓进行连接的,因此面板的自重和因为风荷载而产生的力都通过节点位置以集中力形式传递给背架结构。

2.2 实验数据及分析

背架结构在工作状态下主要是承受自重荷载、风荷载及温度荷载。自重荷载作为恒荷载,对于曲面成型有非常大得到影响,但对曲面拟合的影响不予考虑。风荷载和温度荷载为可变荷载,是反射面工作时拟合精度的主要影响因素。

由于背架结构所占的空间尺度较大,实验直接采用沙袋悬挂在节点的方式进行外力加载,用百分表进行径向位移量的测量。图3为空间三角锥网架结构进行外力加载时的图片。

首先对三种背架结构的刚度进行比较,从而可以得到刚度相对较好的结构方案。实验通过在相同的荷载条件下,读取相同位置的径向变形量来分析样机刚度。样机的具体刚度实验工况(工况1):背架结构在三角形边框的中心位置加载一组等差荷载11.5 kg、23 kg、32.5 kg、46 kg和57.5 kg。测量与加载点同一位移的径向位移量。这里将11.5 kg作为加载单元,主要是为了与之前所做实验的单元荷载统一。此实验是在2008年8月进行的,实验时温度在25℃左右。表1是在工况1时,三种背架样机测量点的径向位移变形量。

通过图4中三个样机在工况1下的刚度曲线,可以看出,三种结构样机在加载范围内刚度曲线都具有很好的线性。并且在此工况下空间三角锥网架结构是3种样机结构中刚度特性最好的。

在大尺度下,空间三角锥网架结构可以充分发挥空间三维捷径传力的优越性[6],因此对空间三角锥网架结构样机进行了另一组刚度实验,对此结构进行更细致的分析。

图5是空间三角锥背架结构的示意图及其节点的分布图。为验证此背架结构在维修荷载及极限风荷载条件下的存活能力,进行了与实际工况等效的加载实验。这次实验在2009年1月进行,实验时温度大约为0℃。极限风荷载14 m/s时整体背架结构受到约为650 kg的风压力,均布到28个上层节点后,每个节点约承受23kg的荷载。实验等效此受力情况,在除了三角形样机顶点位置的25个上层节点分别加载了23kg的外力荷载,通过测量加载前和卸载后的各节点的径向位移量,确定了背架样机可以在极限风荷载下存活。

维修时背架要承受人员及设备的重量约100 kg,而工况2在加载点的荷载范围达到了约180 kg。工况2:在空间三角锥网架结构上层的几何中心处(图5中的节点16)等差加载至180 kg。同时在该点和节点4、节点37、节点32处放置百分表进行径向位移的测量,表2是此次测量结果的数据。通过表2及图6的刚度曲线,空间三角锥网架结构所测量的4个节点都具有较好的刚度曲线,同时说明该结构可以承受维修荷载。

3 空间三角锥样机的分析比较

3.1 仿真值实验值比较

前期工作中对空间三角锥网架结构进行了具体设计和各参数的优化。在优化参数后,仿真的拟合精度可以达到RMS 0.55 mm[7]。为了证实仿真值的可信性,进行了与实验工况一致的仿真处理,并对仿真值和实验值进行比较。

表3中列出了在工况2的情况下,节点16、节点4、节点37和节点32的径向位移量的仿真值和实验值。通过比较,可以看出4处节点的仿真值和实验值基本吻合。仿真分析的径向变形量较小,误差占实验测量值的大约30%。仿真建模是对背架结构进行合理的物理模型简化,空间三角锥网架结构样机的节点是通过螺栓球进行连接的,而在AN-SYS建立模型时,各连接的节点只作为普通的有限元单元节点建立,所以仿真值与实验值有一定的误差是合理的。另一方面,比较测量点的仿真和实验刚度曲线(图6和图7),各节点有相同的变化趋势和变化关系,即空间三角锥网架结构的仿真刚度特性与实验刚度特性是吻合的。

3.2 温度荷载分析

温度荷载是背架结构承受的一个环境荷载。

仿真得出以上几种背架结构受温度荷载的影响很小,特别对空间三角锥网架结构的影响极小。

上述的刚度实验分别在不同的季节进行,环境温差比较大,可以实现对温度荷载仿真结果的验证。空间三角锥网架结构分别在2008年8月和2009年1月进行了相同工况的荷载实验,两次实验温差达到25℃,实验工况:分别在25℃、0℃时,对三角锥网架样机的节点16加载相同等差荷载34.5 kg、69 kg、103.5 kg,测量边框中点(节点4)的径向位移量。

通过比较表4中的数据,可以看出,在其它加载条件相同而温度荷载不同的情况下,空间三角锥背架样机的测量节点基本具有相同的径向位移变化量。同样仿真结果也表明,在25℃的温差下此结构的径向位移变化量对温度的敏感性差。温度荷载的实验结论和仿真结论很好的吻合。

4 结论

FAST背架结构的前期设计和分析主要是基于有限元模型的仿真计算。对于不同方案的背架样机进行刚度实验对未来的背架设计研究具有重要的意义。本文叙述的刚度实验验证了仿真分析的可信度,同时证明了背架结构的可行性。通过加载不同的外力荷载和温度荷载,对单层弦支结构、单层网格结构及空间三角锥网架结构进行实验,比较实验数据和仿真数据可以得到以下的几点结论:

(1)在相同荷载的情况下,空间三角锥网架结构在3种结构中具有较好的刚度特性。

(2)对于空间三角锥网架结构,背架结构径向位移的实验值与仿真值基本吻合,各个节点的变化趋势相一致;通过温差荷载实验,空间三角锥网架结构的径向位移对温度荷载的敏感性差;此结构具有在维修荷载及极限风荷载条件下的存活能力。

背架样机刚度实验对前期的仿真分析的可信性提供了验证数据。而且为FAST背架结构原型的设计优化提供了很好的借鉴。

参考文献

[1]Nan R D.Five hundred meter aperture spherical radio telescope(FAST).Science in China:Series G Physics,Mechanics&Astron-omy,2006;49(2):129—148

[2]Wang Q M,Zhu L C,Nan R D.Development of Active Reflector ofthe30-Meter FAST Model.In:Proc of SPIE2008Vol.701870184A,Marseilles,France,2008;1—8

[3]Science Times.The largest radio telescope starts to build in GuiZhou.http://www.cas.cn/10000/10001/10010/2008/127693.htm:CAS,2008

[4]谢贻权,何福保.弹性和塑性力学中的有限单元法.北京:机械工业出版社.1981:10—21

[5]Roy L.Structural engineering of microwave antennas.New York:IEEE Press,1996;53—81

[6]董石麒,钱若军.空间网格结构分析理论与计算方法.北京:中国建筑工业出版社.2000

FAST协议篇3

视频拼接是指对采集到有重合区域的视频图像,通过一系列算法融合成清晰无缝的宽场景视频的技术[1]。视频拼接技术被广泛应用于汽车影像,遥感,监控等领域[2,3,4,5]。

视频拼接主要有3种实现方法: 1) 单摄像头拼接: 通过云台的转动,对摄像头捕捉的每一帧图像进行拼接。 2) 多摄像头静态拼接: 同时对每个摄像头采集一帧图像, 计算图像之间的变换模型,之后的各摄像头同时采集的每一帧图像数据都按照这个变换模型进行变换。其优点是: 只需要计算一次变换模型就可以实现视频拼接,因此运算速度快。缺点是: 当摄像头移动后按照确定的变化模型就不能实现准确的拼接,而且对不同景深的物体拼接会出现鬼影现象。3) 多摄像头动态拼接: 同时对每个摄像头采集图像数据,实时计算每一帧图像之间的变换模型,并按照该模型拼接每一帧图像。缺点是: 由于需要计算每帧图像之间的变换模型,实时性比第二种略差。优点是: 对不同景深的物体拼接时不易产生鬼影现象。

图像拼接的核心关键是图像的配准。图像配准方法分为区域配准和特征配准。文中采用的是特征配准的方法。1999年David G. lowe教授提出了尺度不变特征变换- SIFT[6],该算法的角点定位的精度比较高,支持图像旋转和尺度空间的变换,但实时性比较差,不适用于视频拼接场合。2004年,Y. ke使用主成分分析法对SIFT算法128维描述子降维,提高了存储利用率和角点提取速度[7]。2008年Bay H,Ess A,Tuyrtelaars T提出了SURF算法[8],提出了一种图像积分的思想,再一次改进了SIFT算法的缺点,提高了角点提取速度。以上的算法中为了能够在各种变化图像中得到稳定的角点,使用Harris[9]提取角点,建立多尺度空间等。这些方法虽然能够适应各种图像变化,但大大影响视频拼接速度。现研究的就是以提高拼接速度为核心目的。因此提出了基于改进的FAST[10]特征提取图像拼接方法对图像拼接。实验表明该算法大大提高了运算速度,同时角点的精度也不会降低。

1系统流程

基于改进型FAST特征提取的视频拼接方法关键流程如下:

1) 两摄像头同时采集图像帧;

2) 使用FAST算法对图像角点粗提取;

3) 剔除噪声点，不稳定的角点，局部集中的角点;

4) 对角点进行描述与匹配;

5) 使用RANSAC算法剔除外点;

6) 使用图像变换矩阵计算变换模型;

7) 根据变换模型拼接图像;

8) 重复1) - 7) 形成拼接视频流。

下面对关键流程具体分析如图1所示。

1. 1角点的粗提取

角点提取算子有很多种。C. Harris和M. Stephens在1988年提出的Harris角点提取算子,即使图像存在旋转,灰度变化,噪声影响和视点变换,其角点提取也比较稳定,但由于该算子要经过一阶求导运算,因此耗时较长。 1997年S. M. smith和J. M. Brady提出了一种完全不同的角点提取方法,即SUSAN( smallest univalue segment assimi- lating nucleus) 算子[11],与Harris角点提取算子相比,该算子无须梯度运算,提高了算法的效率,抗噪方面也比较强, 但是阀值不易设定,定位不够精确。2006年Edward Ros- ten和Tom Drummond提出了一种高效快速的角点提取算法FAST( features from accelerated segment test) 。该算法提取角点很快,适合用于实时性要求高的场合。下面将对FAST和Harris的角点提取算法做些比较,实验采用9幅不同尺寸的图像,大小从191 × 128到768 × 512,后一幅图像比前一幅图像尺寸大由于 FAST 算法需要给定一个阈值，实验中选定阈值为 40。从图 2 和图 3 中可以看出FAST 角点提取算法在效率上要明显优于 Harris 算法，FAST 算法提取角点数与阈值有关，在该阈值下角点的数量略低于 harris 算法。

Edward Rosten和Tom Drummond论文中提到FAST提取角点的方法是基于假定角点周围的图像强度来定义角点的。图4[5]中给出了假定角点和周围区域的情况。

若要判断一个角点是否为候选角点的方法,通过检查候选像素周围一圈像素来决定是否接受这个角点。与中心差异较大的像素点的个数超过像素点总数的3 /4,那么认为该点为一个角点。计算公式如式( 1) 、式( 2) :

Ixi为图1圆P上的点的灰度值。Ip为圆心p的灰度值,阈值t决定所能检测到的角点的最小对比度,也决定所能忽略的噪声的最大容限,t的大小主要影响检测到的角点数量。阈值g决定角点的质量,即角点的锐利程度, 通常情况下选取g值为12。

N的值只要大于12即可将p点选为是候选角点。通过把这些点限定在以p点为圆心的连续的圆弧上,可以抑制图5所示的边缘响应。

1. 2角点的精提取

对于以上使用的FAST算法存在很多问题: 角点提取依赖一个阈值,鲁棒性较差,角点定位不够精确,存在伪角点等。因此引入一些方法解决这些问题。

1) 自适应阈值

对于FAST算法,t值的选取需要人为的确定,因此可以提出一种自适应阈值的方法,自动确定阈值t。一般而言,自适应阈值都是通过图像的全局对比度和角点数目系数来估计。按照对比度定义计算相对来说比较复杂。文献[12]给出了一种自适应阈值的方法。是通过将采集图像最大10个灰度值和最小10个灰度值之差作为对比度来运算阈值。该方法优点是简单,缺点是仅使用局部的几个点计算阈值缺乏准确性,容易受到噪声干扰。因此,可以引用文献[13]提出的方法。采用图像的标准差作为对比度,计算相对比较容易,可靠性好。具体如式( 3) :

STD( I) 代表整幅图像的灰度值标准差,系数a决定了可检测的角点数量。通过实验表明,系数a取值为0. 01较为合理,既保证角点数量,又能抑制伪角点的产生。

2) 提高角点的鲁棒性。

FAST算法对单点噪声响应比较强烈,如图6所示,中心点用0表示,和中心点不相似的周围像素点用1表示。 ( a) 为真实角点,( b) 为单点噪声。按照FAST算法,该噪声点会被误认为是角点。可以引入如下方法抑制单点噪声。如图6( c) 、( d) 所示,取中心像素点周围的8个点和中心像素点比较,如果周围存在和中心像素点相似的像素点,则认为该点为真实的角点,如果周围像素点和中心像素点不相似,并认为该点为噪声点。可以用式( 4) 、式( 5) 进行计算。

Vo为中心像素点的像素值,Vi为中心像素点周围像素点的像素值,ε 为一阈值,需要人为给定,文中选为60。

3) 抑制非极值点

对2维空间函数S( x) 进行曲线拟合,将S( x) 函数泰勒展开:

求得极值点为为了求解确切的极值点，对式( 6) 求解得按照这个公式将提取的角点坐标代入求得修正值。将 5 次修正后的代入式( 6) 。若所得的结果＜ 0． 04，( 像素灰度值取为［0，1］)则证明该点不是极值点或者是不稳定的极值点。这样剩余的角点值即为有效的稳定的极值点。

4) 小范围内角点抑制

使用FAST提取角点时会产生很多相邻角点,需要采用一些方法将其剔除。先将候选角点按照角点量从大到小排序,按顺序提取角点,确保与该角点街区距离为D的范围内不存在其他角点,如果存在,则将其剔除。如式( 7) :

其中: i,j为角点的序号,N为角点数量,( xj,yj) 为角点的坐标。满足式( 7) 则保留角点j,不满足式( 7) 则删除角点j。

1. 3角点描述与匹配

角点的描述方法很多。SIFT算法中角点描述是基于邻域分布法。通过计算角点周围像素点梯度幅值和方向, 最后形成128维描述子,用于描述该角点。SURF是计算邻域x,y方向上的Harr小波分布,这样做能够借助积分图加速运算,而且使用的是64维描述子,大大提高了运算速度。BRIEF ( binary robust independent elementary fea- tures)[14]算法是由EPFL提出的。主要原理就是在角点附近随机选取若干点对,将这些点对的灰度值的大小,组合成一个二进制串,并将这个二进制串作为该角点的特征描述子。为了实现视频快速拼接,采用BRIEF进行特征描述。如式( 8) :

其中: x,y是一对特征点对。

角点匹配是通过距离法实现的。即通过计算角点间距离判断两点间的匹配程度,寻找最佳匹配点对。常用的距离法有欧氏距离法,Hausdorff距离法,Hamming距离法等。在文中的BRIEF描述子使用的是32维的,采用Hamming距离法计算任意两个描述子每一维之间的对应位不同数字的个数,以此来判断描述子的匹配程度。如果对应位不同的个数越少,则两描述子越匹配。采用BRIEF和Hamming算法组合能够提高视频拼接的速度。

1. 4计算变化矩阵和剔除误匹配点。

在匹配点对中随机选取3个角点通过线性变换式( 9) 计算出变换矩阵H。计算其余匹配点通过矩阵H变换后与对应匹配点之间的距离,按照RANSAC算法要求的距离阈值分类内点和外点( 文中将距离阈值定义为一个像素距离,若匹配点按照矩阵H变换后与对应匹配点之间的距离小于1个像素则认为该匹配点为内点,否则为外点) 。内点按照最小二乘法估计式( 10) 变换矩阵H’取代原来的矩阵H。计算其余的匹配点通过矩阵H’ 变换后与对应点的距离,按照RANSAC算法要求的距离阈值分类内点和外点。重复以上步骤直到前后两次计算的内点个数差不超过1。那么就将该矩阵当做匹配点的变换矩阵。最后根据变换矩阵计算拼接两幅图像。

2算法的实时性分析

所谓实时性是指能够在限定时间内执行完规定的功能并对外部的异步事件做出响应的能力。实时性的强弱是以完成规定功能和做出响应时间的长短来衡量的[15]。实时视频拼接算法主要重视视频拼接的准确性和实时性, 视频拼接的准确性依赖于图像之间角点对匹配的准确性, 拼接的实时性依赖于算法的速度。影响视频拼接的实时性因素有图像的尺寸,算法的运算速度。

对于图像的尺寸,如表1所示,采用同种算法,图像尺寸越小,所用的时间也越少。但过小的图像尺寸不利于角点的提取,而且使视觉效果变差。因此,综合考虑,采用320 × 240大小的图像。

对于算法的运行速度,通过采集100,200,500帧图像所消耗的总时间来计算平均每帧用时,从表2中可以看出SURF算法用时是文中算法用时的10倍左右,可见对于实时性要求较高的场合可以采用此算法。

对于文中算法而言,如果每次拼接图像都执行算法的每个步骤的话,每秒只能形成大约8帧的视频流,这样观测视频会很不流畅。对于提高视频流速度,文献[16]提出可以通过提取RIO区域提高视频拼接速度。文献[17] 提出一种用光流法跟踪匹配点对的方法,对跟踪得到的点对由投影矩阵计算得到图像误差。若误差超过一定阈值或跟踪点对的数目太少,后台阶段就会再次执行。一旦得到了投影矩阵,就采取一种非线性的融合算法对视频进行融合。在文中采用如下方法,即引入一段判断程序,如果前后两帧图像数据有发生较大变化或者摄像头有移动就启动该算法计算变换矩阵再拼接图像,否则采用前一次的变换矩阵拼接图像。这样能够使视频流速度达到每秒25帧。

3实验结果和分析

实验采用的开发环境是visual stdio2008 + Open Cv 2. 4. 3,处理器为AMD Athlon ( tm ) Ⅱ x2 215 processor 2. 71 GHz,内存为1. 75GHz。使用双摄像头同步采集图像,摄像头型号是蓝色妖姬T91,图像尺寸为320 × 240,为了删除拼接后的空白部分,拼接后的图像尺寸为380 × 220。下面针对使用此论文算法和SURF算法进行图像匹配和拼接的效果对比。

对于SURF算法和文中算法采集的角点都以圆圈标记。匹配点使用白色圆圈标记,未匹配点使用黑色圆圈标记。角点按照匹配度排序,选取匹配度最高的25对匹配点用直线连接,如图7和图8所示。

下面是两种算法实现图像拼接的效果。黑色的边界是两幅图像拼接的边界,对图9和图10比较,可以看出两种算法用于拼接的效果都比较好。可见对于图像拼接使用此论文算法效果比较理想。

4结语

实验表明,文中算法可用于实时性要求较高的场合。在视频拼接中,很少需要考虑尺度空间上的问题。因此,相对于SURF,SIFT算法而言,文中算法牺牲了尺度不变性,大大提高算法的速度。如果视频前后两帧图像有较大变化或者摄像头有移动则会启动拼接算法计算变换矩阵,由于每对待拼接的图像使用的变换矩阵都不一致,因此经每对图像拼接后形成的视频流存在背景轻微抖动现象。

摘要：为提高视频拼接的实时性,提出一种改进型FAST快速视频拼接算法。该算法的过程是先计算图像的自适应阈值,根据该阈值对角点粗提取,接着对角点精提取,包括抑制单点噪声、剔除边缘角点、剔除不稳定的角点。为提高角点匹配速度,利用BRIEF算法对角点进行描述,通过Hamming算法匹配两幅图像的角点,接着使用RANSAC算法剔除外点。根据匹配点对计算变换矩阵,拼接每一帧视频图像。由于动态视频拼接产生的背景抖动现象可以通过动静态结合的拼接方法改善。实验表明,该拼接算法的速度显著提高,定位精度较高,能够满足实时性要求,而且能够改善静态拼接中景深不同而产生的鬼影现象。

FAST协议篇4

500 m口径反射面射电望远镜FAST(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope)是我国重大科技基础建设项目。主动反射面是FAST三项自主创新之一,由约4 400块三角形面板组成,用约7 000根钢索组成的索网来支撑,索网通过约2 300根下拉索连接到促动器。促动器是可以进行控制和位置反馈的伸缩机构,一端与地锚铰接,另一端与连接索网活动节点的下拉索铰接。根据控制信号命令,促动器克服索网内力产生下拉索拉力,通过改变长度而改变地锚点与索网活动节点位置,实现FAST主动反射面的面形调整。促动器最大载荷50 kN,行程1 200 mm,运行方式分为跟踪和换源两种,根据FAST望远镜的天文规划,运用MATLAB编程可得促动器的运行轨迹如图1所示。

按照传统的产品开发过程,通过加工促动器物理样机后对其进行反复测试改进,不仅难以提高促动器质量和性能,而且耗费大量的时间和资金[1]。运用虚拟样机技术,通过ADAMS和MATLAB软件搭建促动器的联合仿真系统,既可以对促动器的运动学及动力学进行仿真分析,又可以搭建促动器的控制系统,在制造促动器物理样机之前,对样机进行测试,找出和发现潜在的问题,为促动器物理样机的研制提供技术依据,达到提高促动器设计性能、降低设计成本、减少开发时间的目的。

1 促动器设计方案

促动器按其能源形式分为气动、电动和液压三大类。液动促动器推力最大,便于实现往复直线运动,缺点是需要相应的液压源,容易漏油,维护困难,控制和校正不如电气促动器方便;气动式促动器气源获取方便,成本低,动作快,但输出功率小,体积大,难以实现准确控制。电动促动器控制调节方便,能源获取方便,环境适应性好[2],选择电动作为FAST工程促动器的能源形式,如图2所示:促动器通过支座4与地锚铰接,采用sew公司F系列变频电机1做动力源,滚珠丝杠8固定在蜗轮5上,为减少丝杠挠度,丝杠末端装有支撑装置12,开有键槽的螺母7固定在外套筒9上,缸体11内安装一个直通键10,键槽和直通键配合,下拉索与装载装置13铰接。电机转动,通过蜗轮蜗杆将动力传递至滚珠丝杠8,丝杠8旋转运动时,开有键槽的螺母被缸体内的直通键卡住,不能随丝杠转动而变为上下直线移动,从而将滚珠丝杠的旋转运动转化为外套筒的直线移动。控制电机旋转方向的转变,螺母带动外套筒实现向上、向下直线往复运动,从而改变地锚点与索网活动节点之间距离,实现FAST主动反射面的面形调整。

1—变频电机, 2—蜗杆, 3—箱体, 4—支座, 5—蜗轮, 6—编码器, 7—螺母, 8—滚珠丝杠, 9—外套筒, 10—长键, 11—缸体, 12—支撑丝杠装置, 13—装载装置

2 促动器虚拟样机机械系统

2.1 建立促动器运动仿真系统

直接在ADAMS 中建立样机模型如图3所示。在蜗杆蜗轮上分别施加旋转副、在蜗杆蜗轮之间施加齿轮副,模拟蜗轮蜗杆的螺旋传动;在蜗杆上施加旋转驱动,模拟电机;在蜗轮丝杠间施加固定副,将丝杠和蜗轮连接在一起;在丝杠和螺母之间施加螺杆副、滑移副,模拟丝杠螺母的螺旋运动;在螺母和外套筒之间施加固定副,将螺母、外套筒连接在一起。

2.2 运动学及动力学仿真

根据FAST望远镜天文观测需求,由MATLAB软件编程,推导计算出促动器电机旋转速度所需数据,将数据生成mm.txt文件,导入ADAMS软件,生成函数AKISPL(time,0,SPLINE_1, 0)*1d,作为电机的驱动函数,外套筒受单向力,Direction设为On One Body,Moving with Body,Function设定为73500N。考虑促动器传动机构的传动效率,End time设定为14400s,Step time设定为1,运行结果如图4所示,由图4 可以知道,将电机的驱动函数设定为AKISPL(time,0,SPLINE_1, 0)*1d,促动器输出的速度曲线满足FAST工程需求,说明促动器关键部位的设计参数是合理的,并且可以作为下一步联合仿真系统的机械子系统。

3 促动器虚拟样机控制系统

FAST促动器是一个典型的单变量闭环控制系统,其基本的运动控制结构如图5所示。

上位机通过CAN总线将速度和位置指令传送给驱动系统如图6所示,控制器接收到上位机的指令后,控制变频电机驱动蜗轮蜗杆,经丝杠传动转换为直线运动,同时,通过编码器进行促动器丝杠的位置反馈,以实现全闭环位置控制。为了加快系统的响应,可以考虑加入比例环节,同时为了增大系统的阻尼,抑制系统超调,需要引入微分环节,从而构成了PD位置控制[3]。

4 促动器虚拟样机联合仿真系统

在虚拟样机动力学与控制集成仿真系统中,进行ADAMS和Matlab联合仿真,由ADAMS提供虚拟样机的三维模型、运动学模型和动力学模型,控制软件MATLAB提供控制目标轨迹、控制算法[4],在计算过程中ADAMS与MATLAB进行数据交换,共同完成整个控制过程的计算,行成完整的闭环控制系统[5,6],如图7所示。

为了进行ADAMS和MATLAB的联合仿真,在ADAMS中建立联合仿真所需要的3个变量,包括1个控制转矩变量,1个线位移变量DZ(sleeve.Marker75,ground.Marker88),1个线速度变量VZ(sleeve.Marker75,ground.Marker88),利用ADAMS/control模块实现ADAMS与MATLAB的数据交换,ADAMS实时调用控制系统输出的转矩变量值,将其作为本时刻的转矩指令驱动促动器的蜗轮蜗杆转动,促动器外套筒的位移量可以实时地被反馈到控制系统中,构成完整的闭环控制系统;将在ADAMS中建立好的促动器机械系统导入到MATLAB中,作为MATLAB/Simulink中的一个子系统,在MATLAB中利用Simulink模块搭建联合仿真系统。在ADAMS/control模块中,将转矩变量定义为输入变量,将线位移变量与线速度变量定义为输出变量,ADAMS/control模块将会生成三个文件control_pd.m、control_pd.cmd、control_pd.adm,这三个文件用于ADAMS和MATLAB之间进行数据交换。在MATLAB命令窗口中输入control_pd,然后输入adams_sys,MATLAB中将会产生促动器机械子系统模块,如图8所示。

FAST促动器系统是一个典型的单变量闭环控制系统,采用PD控制策略对其进行位置控制, 精度的位置跟踪,满足FAST望远镜的天文观测需求。联合仿真控制方案如图9所示:Kp与Kv—比例系数及速度反馈比例系数。

5 促动器虚拟样机性能测试

对促动器虚拟样机性能进行测试,以阶跃信号和正弦信号为激励,测试了促动器虚拟样机的阶跃响应特性和跟踪特性,如图10、图11所示。

通过联合仿真分析可以看出,在阶跃信号作用下,促动器系统上升时间为0.2 s,峰值时间为0.4 s,调整时间为1.7 s,说明促动器能在较短的时间内达到指定位置,实现快速、精确的位置控制,这一点在Adams的仿真动画中也可以看出;在正弦信号作用下,促动器能够精确地跟踪给定的信号指令,只有很小时间的延迟和很短时间的初期调整。由此说明,促动器方案设计和结构参数设计合理,其具有良好的动态响应特性和轨迹跟踪功能,可以满足FAST工程需求。

6 结论

针对射电望远镜FAST主动反射面促动器速度需求和受力情况,提出变频电机、蜗轮蜗杆、滚珠丝杠传动的促动器设计方案。通过ADAMS和MATLAB软件,建立了FAST促动器的机械模型,在对其进行运动学和动力学仿真的基础上,搭建了联合仿真系统。通过ADAMS和MATLAB联合仿真,得到了大量的设计参数,为物理样机的研制打下基础,并且仿真结果表明:促动器方案设计和结构参数设计合理,促动器虚拟样机具有良好的的动态响应特性和轨迹跟踪功能,可以满足FAST工程需求。

利用虚拟样机技术,在避免繁琐的动力学方程的情况下,实现了对FAST促动器机械系统和控制系统的设计,大大提高了设计效率,降低了促动器设计成本,节省了设计时间,对FAST工程工期紧、经费有限的现实情况具有重要意义。

参考文献

[1]李增刚.ADAMS入门详解与实例.北京:国防工业出版社,2006

[2]李云华.机电控制.北京:北京航空航天大学出版社,2003:3—5

[3]柳洪义,宋伟刚,原所先,等.机械工程控制基础.北京:科学出版社,2006

[4] Kiyo shi Ohishi,Katsuyuki Majima.Gait control of biped robot basedon kinematics and motion description in cartesian space.Conf and Ro-botics and Auto-mation,2001:236—239

[5]史耀强,厉明勇,顿向明,等.双足机器人基于ADAMS与Matlab的联合仿真.机械与电子,2008;(1):45

FAST协议篇5

中国科学院国家天文台500m口径球面射电望远镜（Five hundred meters Aperture Spherical Telescope，简称FAST）是国家科教领导小组审议确定的国家重大科技基础设施之一，拟采用我国科学家独创的设计和我国贵州南部的喀斯特洼地的独特地形条件，建设一个高灵敏度的世界上最大口径的巨型射电望远镜。

FAST主动反射面的基本曲面为一半径为300m，口径500m的球冠面。因此，FAST台址开挖面为独特的球冠面设计，开挖坡度高差130m，分为两部分：

1、500m直径圈梁范围内的开挖:直径500m范围内, 保持3m净空即半径R=303m的球面开挖区域 (含圈梁范围内螺旋道路) , 本文球面底标高按833.0m考虑开挖。

2、500m直径圈梁范围以外的开挖:当地面高程大于964.8m时, 设计标高964.8m以上为开挖区域 (包括圈梁及圈梁环形道路开挖区域) 。

FAST建设项目位于贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县克度镇金科村大窝凼洼地, 北东距平塘县城约85km, 西南距罗甸县城约45km。

根据“台址详勘岩土工程报告”, 在FAST台址斜坡区堆积分布大量岩堆, 几乎全面覆盖斜坡区。岩堆具有岩溶洼地的特殊性, 在开挖和超限爆破作用下, 岩堆将会产生滑塌、蠕滑变形。同时, 在开挖过程中爆破作用下岩堆的密实性将发生改变, 产生松动现象, 将会产生难以治理的滑塌, 严重威胁施工安全和FAST运行期间的安全, 同时对台址开挖投资控制产生重大影响。

FAST台址开挖是否科学, 主要受控于台址区岩堆治理的合理性和可行性。本文在分析FAST台址区岩堆特点及其稳定性的基础上, 对岩堆治理对策进行研究。

1 FAST台址区岩堆的特征

根据《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001) 3.3条规定：粒径大于2mm的颗粒质量超过总质量50%的土, 应定名为碎石土，故岩堆应归为碎石土一类。

考虑到FAST台址岩堆中多为含有大块石, 有的直径甚至超过10m，其局部物理力学性能和岩体密切相关, 不能完全用岩石或者土体来解释，这就决定了岩堆的稳定性评价标准与碎石土有很大区别。根据国内外有关文献及勘察工作中的认识和分析，FAST台址斜坡区岩堆边坡在自然营力与重力作用或人工开挖下，不是沿固有滑移面产生整体滑移破坏，而是沿自然安息角发生失稳破坏。

1.1 岩堆的分布

根据“台址详勘岩土工程报告”，FAST台址的斜坡中上部至洼地底部均有成层分布、厚度变化较大、形态各异的崩塌岩堆体，即FAST台址区在三次地壳运动作用下，岩石山坡在各种物理、化学作用下失稳，产生塌滑、剥落，形成大小不一的岩石碎块、岩屑等在自然力的作用下搬运、堆积形成的松散堆积物体，属于典型的不良工程地质体。按其形状、发展形式、工程特征、划分为9个岩堆体。

1.2 岩堆的稳定性特征——安息角

通过FAST台址岩堆结构、高度、坡度的背景值函数关系，得到纵面上岩堆安息角与稳定的关系，见表1

1.3 台址区岩堆的特殊性——“类谷仓效应”

FAST台址岩堆具有洼地的特殊性：在重力作用下受洼地地形控制，有侧向约束，当洼地底部封闭时，岩堆的稳定性仅以安息角为控制指标，表现为“类谷仓效应”。

2 岩堆的分级开挖防治对策

2.1 岩堆防治的原则

根据FAST台址区岩堆的特征，岩堆防治应遵循的原则有：

1、应遵循治理与开挖相结合的原则，先防治后开挖。

2、尽量避免破坏岩堆的天然状态，采用与岩堆天然安息角大致相适应的开挖坡度。

3、尽量避免边仰坡大刷方，严格贯彻“有序次开挖”的原则，坚持由上至下、断面分割、化大为小、截排水、弱爆破、强支护、勤量测、早闭合、支护紧跟的施工原则。

4、针对不稳定岩堆，应结合FAST开挖球冠面和台址区地形，采取合理科学可行的治理措施。

2.2 球冠面的开挖分级

FAST台址开挖断面理论上为一球冠面（曲面），但该断面形态难以设置支挡结构，亦将形成一个高一百三十多米的边坡，稳定性低；故可采用折线拟合曲线的方式进行分级：以开挖球面最低标高833.00m为基准，向上每10m分为一级，共分为13级边坡进行开挖。

2.3 岩堆稳定性分区及其开挖分级防治

根据岩堆稳定性与安息角的关系，FAST台址开挖应按安息角控制，以32°和45°为控制界限。

岩堆层坡度<32°为防护区（稳定区）；岩堆层坡度32°～45°为弱支护区（欠稳定区）；岩堆层坡度>45°为强治理区（不稳定区）。

根据岩堆的稳定性分区和开挖分级，岩堆分级开挖的防治方案见表3。

3 不稳定岩堆的治理对策

FAST台址区岩堆的稳定性受安息角和“类谷仓效应”控制，开挖后坡面纵向坡度<45°的稳定和欠稳定岩堆的治理可采取常规方式进行，本节主要对开挖后坡面纵向坡度≥45°的不稳定岩堆的治理进行探讨。

3.1 常规治理方式的不合理性

1、灌浆治理：台址区岩堆厚度大、孔隙率高、岩块粒径大，灌浆时易跑浆且比表面积不足。因此，灌浆治理成本高、施工难度大、胶结效果差，不合理。

2、分段支挡：当≥45°安息角开挖和超限爆破作用下，岩堆将会产生滑塌、蠕滑变形。同时，在开挖过程中爆破作用下岩堆体的密实性将发生改变，产生松动现象，亦将会产生难以治理的滑塌，稳定性难于保证。在FAST台址开挖过程中，由于地应力的重新调整，岩堆会发生变形，而完成重分布应力的调整期过长。采取分段支挡，对于岩堆变形难以控制，分段支挡的锚杆（索）会随着岩堆变形而发生变形，最终失效，后期维护工程量和费用均高。因此，分段支挡施工难度大、支挡效果差，稳定性和变形均难于控制，不合理。

3.2 空间格构网壳支挡体系治理不稳定岩堆

根据FAST台址岩堆所具有的特征及常规治理方式的分析，FAST台址不稳定岩堆的治理，必须采用整体式支挡体系方可取得良好的效果。

3.2.1 概念

根据FAST台址独特的开挖形态，采用连续的格构锚杆形成上大下小的封闭环带状整体支挡结构，将其定义为空间格构网壳支挡体系。

3.2.2 作用机理和受力特点

1、自锁效应及其受力特点：当空间格构网壳形成环状封闭形态后达到自锁，可由结构体系自身强度保证其整体稳定性不受局部岩堆垮塌造成的局部失稳的影响。其主要的受力特点是结构体系整体受力。

2、箍桶效应及其受力特点：当空间格构网壳形成环状封闭形态后，可将周边松散岩堆传递给结构体系的侧向应力，转化为内部的压应力，从而增强了空间格构网壳支挡体系的自身强度和支挡能力。其主要受力特点是将外部的侧向反力转换为体系内部的压应力，即箍桶效应。

3、应力拱效应及其受力特点：格构锚杆支挡实质是格构锚杆与周边岩土体共同作用而进行支挡的方式，当形成空间格构网壳后，大量格构锚杆与周边岩土体共同作用形成类似于应力拱的支挡体系。其主要特点是结构体系与岩土体共同作用。

3.2.3 体系的优点

空间格构网壳支挡体系具有如下优点：上大下小的空间网壳型整体式支挡结构体系，可充分利用FAST球冠面开挖形态的支挡方式；箍桶效应和应力拱效应共同作用的力学机制，使得受力合理，材料强度能得到充分利用，适合于大跨度空间；自稳→自锁→壳型的结构体系转化，施工安全和支挡效果都能保证，同时具有抗爆破扰动、抗蠕滑变形的特点。变形控制及稳定性均能满足要求，并且施工难度相对较低，节约工程量；此外可同时作为主动反射面地锚使用，节约开支。

3.2.4 支挡体系设置

1、单元曲片结构：设置单元曲片，曲片长60～100m、高10m，由圈梁、系梁、劲梁、肋梁、锚杆（索）构成。

2、曲带设置：每个曲带由横向相连的同曲面的单元曲片所构成，挖方区曲带沿设计标高设置，非挖方区曲带形态随地形线展布。

3、曲面设置：平面上将网壳按圆形平均分为12个曲面。每一曲面由垂向上，上大下小的六个曲带构成，形成锚杆格构梁曲面支护体系。

4、曲带环纵断面设置：横向相连的12个曲带构成一个曲带环，形成一个封闭圈。挖方区曲带环沿设计标高设置，非挖方区曲带环切合地形展布。

3.2.5 施工过程与应力结构体系的转变

空间格构网壳从施工到建成的过程中，其应力结构体系实现三个过程的转变：自稳→自锁→壳体稳定，能有效控制场地岩堆的变形和稳定性。既保证施工过程的安全，也满足场地对结构整体的稳定性要求。

1、采用分区跳挖和分段施工的方式，先开挖单片的单元曲面，并及时进行治理施工，以确保曲面单元的稳定，即依靠锚杆的锚固力达到自稳状态。

2、完成单片的单元曲面后，依序开挖锚固同级的单元曲面，在单元曲面的非开挖范围内顺地形延展进行格构锚固，最终在平面上形成一个的整体闭合圈，由于“箍桶效应”，整体的闭合圈在外围岩堆的压力下更为稳定，完成了由自稳→自锁的结构体系转变。

3、在平面上完成一个整体的闭合圈后，按照上述两步骤，由上而下逐级施工，最终形成上大下小的稳定壳体，依靠壳体和锚杆所形成的应力拱双重作用机理，利用岩土自身的特性与结构共同作用，完成了自锁→壳体稳定的应力体系转变，达到最终稳定。

4 结语

通过对FAST工程的特点分析和台址区对项目安全性有重大影响的岩堆的分析，根据其在FAST台址区的分布及其表现出的特性，提出切实可行的治理方案和理论依据，为FAST台址岩堆开挖和治理提供对策。