复杂软件系统（精选12篇）
复杂软件系统 篇1
随着社会的发展, 对网络的应用不断地扩大, 以网络为基础的软件系统也在随着科技的发展应用与日俱增, 它的复杂度以及风险也不断增加, 软件质量难以有效控制。越来越多的人认识到软件系统复杂度的控制与网络有着密切的关系, 从网络寻找解决的根本方法, 研究软件工程领域的系统设计以及优化问题, 构建良好的软件。要想从根本的网络上解决复杂软件系统遇到的问题, 就要从软件网络结点方面入手。研究复杂软件系统的软件网络结点的影响也就有着非常重要的意义。
1 网络结点重要性
软件网络结点作为一个基本的网络构成要素, 复杂网络中许多问题都与其有着密不可分的关系, 发现并研究网络结点的重要性, 有着很高的实用性。一般网络中都会有一个核心的网络结点, 这个结点是与其他结点都联系, 起着重要的作用, 相当于一个网络中核心中点, 保护好这个核心, 可以提高整个网络的可靠性和安全性, 营造一个良好的网络环境, 否则就会容易受到攻击, 成为全网的薄弱环节, 更为严重的可能是会摧毁整个网络。因此关注软件网络结点, 更好地保护软件安全, 保护网络安全至关重要。
1.1 评估重要性的意义
既然在复杂软件系统中软件网络结点有着重要的作用, 那么就会有相应的系统去研究这个网络结点, 而一个很重要的研究指标就是评价网络结点的重要度。对复杂软件网络系统中的软件网络结点的重要度的评估是一件非常有意义的事。当网络中出现故障时, 一般来说都是网络结点出现问题, 而最有可能出现问题的地方就是所谓的核心结点。虽然这个结点是被想象出来的、根本不存在的, 但实际上依然存在对系统起到核心作用的网络结点。发生故障时就要去修复这个网络, 在修复时不是盲目地去修复, 而是有先后顺序的。先去修复较为重要的核心结点, 再去修复影响相对较小的结点, 这样的修复方式才不会使系统再次陷入瘫痪, 而且在很大程度上会减少损失。
重要性的评估是一个非常庞大的工程, 需要各个方面的共同努力。在软件系统中, 不仅仅要在维修方面注意维修顺序, 最为重要的是要在软件开发中加大投入力度, 减少软件系统中出现的问题, 这是从根本上解决问题。在网络结点自身方面, 加大对核心结点的保护力度, 减少核心出故障的次数, 将每一次的损失都降到最小。抓住核心结点不是一个容易的事, 在构建时要注意, 如果在软件系统开发时没有注意构建, 就要在实践中找到这个核心。这种情况就要对网络结点进行重要性的评估。核心结点及其周围结点的重要性是呈放射状, 逐渐降低的, 距离核心结点越近的结点重要性也就越大, 在维修时就要越先维修, 反之, 距离越远的是不太重要的, 维修就会越靠后。也就是说, 网络结点的重要性的评估对决定维修先后顺序有着重要的作用, 只有根据结点重要性排定先后顺序, 才会在出现故障时最短时间内找到最为有效、损失最小的维修方法。
1.2 评价方法
软件网络结点有着非常重要的作用, 而核心结点对网络软件系统有重要意义, 判定重要性也就是一个必要的工作。一个工作的展开要有一定的工作方法, 评定网络结点的重要性这项工作也需要行之有效的方法去实现工作目标。一般来说, 最为常用的, 也是最为有效的方法就是中介数法。这种方法是通过计算结点和结点的路径, 并记录, 然后再进行比较各结点间的路径距离大小。经过某一个结点的路径最短的个数越多, 那么这个结点重要性就越大, 反之重要性不大, 距离越远, 维修也就越靠后。经过比较各个结点路径, 有着个数最多而且距离最短的某个结点就是最为理想的核心结点。找到了理想中的核心结点, 并且能够通过这种中介数法排好结点重要性的顺序, 那么这个工作也就能够顺利地展开, 为以后工作中的维修奠定良好的基础。
2 影响分析
软件网络结点之所以重要与它自身的特性分不开, 在复杂软件系统中他担任的是一个桥梁的角色, 起到连接各个网络结点的作用。复杂软件系统彼此间交叉联系, 共同构成一个复杂的网络, 这个网络也就有着复杂性, 它涉及很多方面的知识比如医学、物理等。这个复杂的网络是由复杂的拓扑结构和动学行为通过结点连接起来的。考虑网络的拓扑结构特性和各个相邻节点重要性的反馈, 对于研究复杂软件系统的软件网络结点有重要影响。软件网络结点有着深刻的意义, 能够构建一个复杂的小世界和无标度网络, 这也是软件网络结点的重要影响。
2.1 小世界效应
小世界效应在学术上也被称为六度分离。这个理论与计算机软件网络结点相结合后, 它是指在网络中任意两个结点间的平均距离会随着结点个数的增长呈对数增长, 而且增长的越来越多, 就会形成明显的局部结构。这种结构不会因为结点的增加而使得核心结点远离理想中的位置, 核心结点仍然具有原来的特征, 与每个结点产生联系, 而且在两个结点中距离最近, 距离近的结点数最多。在六度分离理论产生的时候, 是作为一个社会心理学去研究的, 它是通过一封信件来不断与发信的人一步步接近, 形成一个以信件为核心的信件链条, 最后取与发信件人的联系。一般来说, 在逐渐取得联系时平均会经过6个人, 这6个人就相当于网络中核心结点与其他结点之间的联系, 无论是一个结点距离核心结点有多远都会通过其他的结点取得联系。这种联系不是片面地带来好处, 也不会片面地带来坏处, 结点的这种特征应该好好被加以利用, 达到趋利避害的效果, 进而让软件网络系统更加安全可靠地运行。
当一个结点被破坏时, 这个被破坏了的地方就会通过不同的结点, 将这个信号传达出去, 但在传达时, 原来的传递任务就无法完成, 因为还有其他的结点信息要通过这个发生故障的结点去传递信息。做好软件网络结点的保护, 积极维修, 将故障控制在小世界内发生的范围极其重要。
2.2 无标度网络
无标度网络是指在现实网络中, 每一个结点的连接都不是随机的, 大部分结点只与少部分的结点相连接, 在不同地方的结点连接的结点个数有着很大的不同。无标度网络有着异质性的特点, 每个结点连接有较强的分布不均匀性。简单来说就是在复杂软件系统中, 软件网络结点中的核心结点与其他结点连接的个数比较多, 在距离核心结点越远的结点, 它所连接的网络结点也就越少。相对应的, 连接个数越多其重要度也就越高, 在被破坏时也要去先维修。复杂软件系统的软件网络结点在维修时注意无标度网络的特性, 抓住主要的问题, 以及会出现主要问题的结点, 加强维修, 在构建时多加防范。
3 结语
复杂软件系统的软件网络结点对软件系统的安全性有着直接密切的联系。这种联系与网络结点自身的特性是分不开的, 当然在研究网络结点的影响时还要从其他方面着手, 共同寻求网络结点产生影响的原理, 进而可以在保护软件系统时能够采用行之有效的方法, 减少因结点出现故障而产生的损失。通过网络结点重要度的评价, 找到理想中的核心结点, 加强对核心结点的监控力度, 及时发现软件系统中的问题, 以便能够更早地解决问题。
参考文献
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复杂软件系统 篇2
人地系统复杂性机理剖析
摘要：采用系统分析方法,按照组成-结构-功能顺序对复杂的人地关系地域系统展开深入的.系统分析;同时,将地方政府的政策作为一个外生变量,通过对人类活动调节从而对人地系统进行调控.在人地系统复杂性分析过程中,强调人地系统的尺度效应,并构建了人地系统相互作用机理的概念模型,揭示人地系统的相互作用机理.最后,针对人地系统的研究与实践,提出4条建议和启示.作 者：王成超 WANG Chengchao 作者单位：福建省亚热带资源与环境重点实验室,福建福州350007;福建师范大学地理科学学院,福建福州350007期 刊：海南师范大学学报(自然科学版) Journal：JOURNAL OF HAINAN NORMAL UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE)年，卷(期)：,23(2)分类号：X22关键词：人地系统 复杂性 机理 剖析
复杂机械系统研究初探 篇3
关键词：复杂机械系统；多学科；复杂机电
一、前言
随着科学技术水平的不断发展，现代机械系统已发展成为由机、电、液、光等多物理过程耦合于载体的复杂物理系统，同时也是将多种单元技术集成于几点载体，形成整体功能的复杂装备。在完成高度复杂的多物理过程中，系统及其内部的各子系统与环境间进行着能量、物质与信息流的多种传递、转换和演变。
二、现代机电系统及其特征
现代各种高效的生产设备、航空航天运载工具、高速列车、盾构是掘进机等无一不是高度耦合、功能复杂、运动控制能力强大的复杂机械系统。与传统机械相比，可以认为，现代机电系统是将机械工程、材料工程、电气工程、控制工程、信息技术等通过信息流融合与信息驱动，按照复杂规律运行的机械系统，其共有特征主要体现在：（1）系统由多个相同和不相同层次的子系统组成，各个系统之间通过耦合关系构成结构复杂的有机整体。复杂机电系统耦合关系见图1.1所示。（2）系统具有动态性与开放性。系统内部及系统与外部环境之间，通过耦合与协同进行能量、物质及信息流的传递、交互及转换，实现多个复杂的物理过程并形成系统的基本功能。
三、关于复杂机械系统的研究
复杂机械系统具有复杂系统的特征，设计属于复杂机械产品的设计范畴，其设计过程是包括数十门学科交叉的系统工程问题，虽然已经在每门学科以及领域积累的丰富的理论及相关技术，比如精密轨道、减速箱。连杆机构的运动学、动力学、摩擦学等等。而复杂机电系统的整体行为不能通过独立分析其各部分的行为来确定，需要建立基于物理耦合与多异域技术协同的系统研究方法，以寻求复杂机械产品的整体最优。
传统复杂机械产品设计一般流程为：方案设计——详细设计——生产设计。其中方案设计所占比重较小，处于产品全生命周期的初始阶段，统计数据表明，产品方案设计的费用只占产品开发总成本的5%，但产品总成本的70%～80%由方案设计阶段决定。方案设计是为了获取满足产品设计要求，详细表达方案的功能原理、原理结构的相互关系以及功能载体的关键参数，其设计质量依赖于设计师的经验，对其进行优化设计非常有用。一旦方案确定下来，就限制了后续设计的优化空间，详细设计与生产设计相对于方案设计的自由度小，所以方案设计是产品设计的关键所在，其设计结果将直接影响后续详细设计、制造等环节，而且这一阶段所造成的设计失误很难为详细设计阶段弥补，正是基于以上原因，设计人员逐渐意识到应该大力提高方案设计阶段的质量，其中，一个很重要的手段就是采用各种优化技术。
基于计算机辅助的方案设计方法符合当今产品数字化设计的需求，在设计方法上融合了各种现代设计方法，如有限元设计原理、可靠性设计理论、优化设计理论、系统建模理论、评价决策等，使得设计过程更具创新性，寻求新的方案。
现有的设计方法——传统的串行设计模式，在不同的设计阶段，选择不同的重点学科进行产品设计和优化，实质上忽视了学科之间的联系，人为割裂了学科间的相互耦合可能产生的协同效应，结果极有可能失去系统的整体最优解，降低了产品的总体性能，并且设计周期长。这就导致得到产品整体最优解的困难不仅仅在于优化算法本身，而是需要新的优化理论与方法。多学科设计优化（MDO）就是一种通过充分探索和利用工程系统中相互作用的协同机制来设计复杂产品及其子系统的方法论，其思想顺应了复杂机械产品设计的需求，其宗旨与并行工程的思想不谋而合，用优化原理为产品的全生命周期设计提供了理论基础与实施方法，所以已经提出，就被认为是“能够帮助设计师解决困惑的重要途径”，目前已广泛应用于航天、汽车、交通运输、机械等行业。可以认为各个学科设计理论、设计经验是研究复杂机电系统（由学科组成）的基石，而直接研究复杂机电系统整体规律已是社会发展的急切需求。而MDO为此提供了可行理论和方法。
参考文献：
[1] 白晓涛，李为吉.利用协同优化方法实现复杂机械系统的设计优化[J].机械设计，2006，（19）：211-213.
[2] 王玉明等.基于拓扑动力系统的复杂机械系统故障信息特征提取[J].中国机械工程，2012，（8）： 17-20.
复杂软件系统 篇4
针对Co PS的特点, 一些学者从不同的角度研究了Co PS创新模式, 提出了环生命周期模型[3]; 虚拟组织开发模式[4];基于项目的组织模式[5]等多种开发模式, 但随之引起了一些学者的争议[2,6]。复杂性是Co PS的典型特征, 由于Co PS的系统复杂性及技术密集性等特性, 在其设计和制造过程中往往会有些无法预测的事件发生, 是影响Co PS创新成败的关键因素。因此, 将复杂性测度纳入到复杂产品系统创新中是非常必要的。
一、Co PS复杂度
复杂度是指引起Co PS创新困难和不确定性的技术和组织复杂性程度。由于Co PS的复杂性, 使得Co PS创新成功率很低, 引起延期交货, 成本上升, 可靠性低等诸多问题。一些学者从不同领域对复杂性及其度量方法进行了研究。Kim and Wilemon[7]将产品复杂性分为技术复杂性 ( 包括技术综合度、创新数量、功能数量等) 和组织复杂性 ( 包括人的因素、过程和使用的工具等因素) 。Shinner认为复杂性包括元素的有序度和无序度[8]。Gokpinar[9]认为复杂度包括系统中元素的数量及其之间的关系结构, 并将复杂性作为产品结构进行评估。这些研究大都针对产品创新完成后的复杂度评估, 但这时风险已经发生。Co PS创新是一个系统工程, 通常是由许多高度特化的、相互联系紧密的、不同技术领域的组分集合而成, 其性能高度依赖其组分及其集成结构, 如果在创新的规划期, 将Co PS创新复杂度纳入规划的范围, 预测各阶段和组分的复杂度并进行预先的干预, 可以极大地减少风险的发生概率。
二、Co PS创新系统结构
为保证企业在经营过程中, 尽可能降低生产投资风险, 就必定要对企业的复杂产品系统进行深入的探讨研究。Co PS创新结构系统图如图1 所示。Co PS创新很难由一个企业单独完成, 一般由核心企业 ( 项目的组织者) 和众多的技术供应商组成。核心企业首先对Co PS创新的技术需求进行分析, 形成技术缺口清单, 然后会采用技术合作、外包等形式从外部寻求技术支持。在技术研发过程中, 核心企业和技术供应商以及技术供应商之间不仅仅是供应和需求关系, 经常性的合作、交流及信息反馈是他们之间关系的典型特点。此外, Co PS创新还受外部环境的影响, 如政府的政策、国际经济形势等。
三、基于复杂性的Co PS创新模式
基于图1 的创新结构, 建立了如表1 所示的基于复杂性的Co PS创新模式。
Co PS创新复杂性可分为技术复杂性、组织复杂性和外部环境的复杂性。技术复杂性包括核心企业以及各类技术供应商所提供的研发技术本身的复杂性, 还包括集成阶段的集成技术的复杂性。组织复杂性既存在于各组织本身, 还存在于组织之间关系的复杂性。环境复杂性体现了技术经济环境的不确定性对Co PS创新的影响。与一般的Co PS创新模式相比, 增加了复杂度测量和风险评估两个环节, 并在其它环节增加了复杂度相关内容。即在项目规划和研发期始终高度重视项目各环节的复杂度及其风险, 最终降低项目研发的整体风险。
摘要：复杂产品系统创新成功能推动多个相关产业的发展及产业链的升级。但其开发涉及多个技术领域, 成本高而研制周期长, 风险极高。本文将复杂性测度纳入到复杂产品系统创新中, 建立了一套基于复杂性测度的创新模式, 通过定量化创新中技术复杂性和组织复杂性, 分析其在创新中的传递过程, 预测创新风险, 以期能提高创新成功率。
关键词：复杂产品系统,复杂性,创新模式
参考文献
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[2]陈劲等.复杂产品系统创新的过程模型研究[J].科研管理, 2005, 2:61~67
[4]霍艳芳, 齐二石等.基于虚拟组织的复杂产品系统集成开发模式研究[J].制造技术与机床, 2004, 9:46~49
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[8]李炜.演化中的标度行为和雪崩动力学[D].华中师范大学, 2001:111~112
复杂系统布尔网络模型及应用 篇5
复杂系统布尔网络模型及应用
生命是一种自发的秩序,有其自身的调节机制.从布尔网络模型所表示的行为,探讨了生物的.稳定性、进化以及个体发生学中的一些问题,为解决生物界中的复杂性问题提供了新的思路.
作 者：李谋勋 LI Mouxun 作者单位：华南师范大学,广东,广州,510631刊 名：系统科学学报 PKU英文刊名：CHINESE JOURNAL OF SYSTEMS SCIENCE年，卷(期)：14(4)分类号：N941.4关键词：布尔网络 稳定性 进化 复杂性
复杂软件系统 篇6
作为中国巨幕的研发带头人，中国电影科学技术研究所所长杨雪培显得格外兴奋：“年内还会有成都、昆明、广州、石家庄等地的中国巨幕影厅与观众见面。我们的目标是争取今年有10个中国巨幕影厅投入使用。”
2011年年底贺岁档，《金陵十三钗》携“中国巨幕”版与《龙门飞甲》的IMAX版正面交锋， “中国巨幕”开始进入国内观众的视野，并引发国内外业界的关注。早在2010年《阿凡达》席卷全球之后，中国巨幕系统就已开始研发。2011年7月，由中国电影科学技术研究所、中国电影股份有限公司共同研发的“中国巨幕”正式宣告成功。2011年12月中国巨幕在北京UME国际影城（双井店）正式接受观众的检验。”
“很多人都以为中国巨幕只是一块超大银幕，这是一种误解。其实它是一个非常复杂的智能系统。”为了让记者近距离了解中国巨幕，杨雪培把这次专访约在北京UME国际影城（双井店）的巨幕厅里进行。
浮出水面的“中国巨幕”
“这是我和团队打造的第一个标准巨幕影厅。为了便于随时调试，我在这里专门留了一间办公室。我们可以到影厅里边体验边交流。”一见面，杨雪培就带记者走进这个巨幕影厅。
360多个座位的超大影厅里， 与20米宽、12米高的大银幕相匹配的是11.1声道的立体环绕音。“除了大部分人比较关注的大银幕和音响系统，这个复杂的智能系统还包括服务器、放映机、座椅、装饰、以及核心技术图像优化器等。所以说‘银幕’和‘中国巨幕’是两个完全不同的概念。中国巨幕与IMAX一样可以给观众带来高品质的电影视听享受，这是普通影厅所不能做到的。”
当年《阿凡达》在中国取得了14亿元票房，其中IMAX巨幕收入1.53亿元，两者均创下国内电影市场的纪录。这让国内外的电影投资者们看到了“巨幕”的惊人商业潜力。
“在《阿凡达》之前，全球共81块IMAX银幕，中国只有 11座影院可看IMAX版影片。可如今，国内已有超过50个IMAX影厅了。”IMAX在我国内地的快速发展，一度让国内观众甚至影院投资商一提到“巨幕”，就只想到IMAX。“可以说IMAX占领的是高端电影市场，国产电影如果想在这块市场有所发展，就必须研发自己的巨幕系统。”
《阿凡达》之后不久，杨雪培带领团队开始做市场调研和技术研发。“自主创新不是目的，目的是为了自我发展，不受制于人。所以一定要走自我研发的道路。”之后，中国电影科学技术研究所、中国电影股份有限公司和中国电影器材公司等多方联手，组建专门的研发队伍，正式投入中国巨幕的研发。而杨雪培是研发团队的灵魂人物。
2011年7月，拥有中国自主知识产权的中国巨幕系统正式宣告研发成功。
杨雪培告诉记者，目前一个中国巨幕影厅最高成本在400万元左右，一张电影票仅90元，比普通3D电影票只贵了10元。“这使得普通观众到巨幕影厅体验观影乐趣不再是什么奢侈的事。观影成本大大降低。”
復杂的智能系统
为了让记者了解中国巨幕的复杂性，杨雪培给打了个简单的比方：把一部标准版电影放在标准版的银幕上，那就是观众平常在普通影厅看到的效果。如果把这个标准版本的电影放到20米宽、12米高的巨幕上放映，“画面清晰度、色彩、反差、均匀度、重合度等众多指标均不能满足观影的基本要求，更别提临场感、视觉享受和心灵震撼。”
“巨幕影厅也并非两台放映机加一块巨幕。”杨雪培告诉记者，其中影响观影效果的因素很多，为了使电影在巨幕上放映的效果能达到普通影厅的效果，能体验到临场感以及获得超凡的视听享受，除了放映机和银幕这两个基础设备外，“这个系统还包括服务器、图像拾取器、图像优化器、音响、座椅、装修装饰，此外还需对影片进行专门的巨幕制版。” 而这一个个技术参数，正是杨雪培和他的团队工作的全部内容。
服务器、图片优化器、放映机、图片拾取器才是整个巨幕系统的核心，而它们之间的运作是一个不断高速运转、相互配合、不停循环的过程。“简单地说就是影片从服务器出来以后进入图像优化器，与标准画面参数进行比对，如反差、亮度、颜色、均匀度等方面都在实时调整，在整个放映链路上建立了一个实时捕捉反馈及比对优化处理的闭环过程。经过这样的过程之后再把图像送到放映机，然后放映到银幕上，让放映画面时时确保高质量的再现。”
采访过程中，杨雪培不断强调，胶片时代的普通放映和双系统放映，以及一般的数字电影放映都属于开环系统。而中国巨幕系统是一个闭环的高速实时运算的过程。正是这样高速运转和循环的闭环系统，才能确保观众能欣赏到高质量的影片，体验到非凡的视听效果。“要达到最好的效果，至少在中国巨幕系统上调试近百遍，才能过关，不能让国内观众对中国巨幕失望。”
细节决定成败
在这样一个复杂的工作系统中，非核心技术领域也异常重要，杨雪培指着影厅侧墙上的一块块深色装饰板告诉记者，“这个影厅刚投入使用时，我们在调试的过程中发现，银幕上画面的对比度怎么都提不上去，反差太小，影像发灰，怎么调试设备都解决不了，经过反复测试终于发现问题源于墙面装饰板的光反射——装饰板是米色的，银幕的安装弧度太小，银幕上的光折射到侧墙又从侧墙反射到银幕上，就会对银幕形成杂散光干扰使画面的对比度下降。对墙面的颜色进行处理，调整了银幕的弧度后，画面的帧内对比度明显提高，问题得到解决。”
作为巨幕系统研发的新军，杨雪培也承认，目前投入使用的中国巨幕系统还有很多需要改进的地方，还需要一定时间的培育，才能赢得影院投资商和观众的普遍接受和认可。 随着品牌认知度的提升和市场培育不断成熟后，他相信 “中国巨幕”会有理想的市场份额。
杨雪培向记者透露，在今年计划投入使用的 10个中国巨幕影厅中，中国电影股份公司今年新开业的大部分影院里都要打造中国巨幕影厅，而UME影院管理公司也将新增3至5个中国巨幕厅。杨雪培强调，“速度不是我们追求的目标。关键看影院自身条件是否适合建成巨幕厅，成熟一家开一家，不鼓励大跃进，不要影响品牌的信誉，坚持标准，质量优先。”
对话杨雪培 “中国巨幕”的技术特点
《综艺》：中国巨幕选用的银幕有哪些技术指标和特点？
杨雪培：首先，银幕宽不能低于20米，宽高比目前是按2K数字电影放映芯片2048x1080确定的，即1.89:1的比例。银幕选用的是2.4至2.5高增益的金属幕。这种银幕不同于普通银幕，其悬挂角度和幕面弧度也是经过严格设计的，其弧度会直接影响银幕的均匀度和观影效果。
巨幕银幕安装时还会出现一个倾角——金属幕反射定向性很强，当放映机的光打出来以后会形成一个主光轴，从银幕上反射回来后就会出现一个观影效果很好的区域，位于影厅的中间位置。如果想让主光轴的覆盖面更广就需要加一个倾角。这虽然不能完全保证亮度均匀度都一样，但增加弧度和倾角之后，可以大大提高观众舒适度的范围，使得观众坐在非中心区域的位置也能较好地欣赏影片。
弧度与倾角都要根据每一个影厅的实际尺寸、起坡大小、每一个放映室的放映光轴位置不断调整，这是一个很复杂的设计过程。
《综艺》：中国巨幕匹配的放映机和音响有哪些技术标准？与普通影厅的设备相比，效果有何不同？
杨雪培：目前中国巨幕影厅选用的放映机是巴可2K放映机，被喻为全世界上最亮的放映机。中国巨幕要求的放映机必须达到2K放映水平，目前我们还在不断升级，不断提高放映水平，也在对4K、激光、高帧率等放映技术做实验，希望能把最先进的放映技术应用在我们的巨幕系统上。
音响方面，中国巨幕使用的是美国JBL的扬声器。而UME国际影城（双井店）巨幕厅采用的是11.1声道。巨幕影厅的空间相对大了很多，观众对音效的要求很高，立体声效果要更加强烈。这些音响是这样分布的：银幕后面有3组（左中右），厅堂侧墙又分前左、前右、中左、中右、后左、后右共6组，天花板2组，再加上一组次低音系统，总共加起来是11.1声道。目前DCI数字电影技术规范给出的是15.1声道。我们在声效方面一开始就是高起点，因为目前电影观众更多是一些追求时尚的年轻人。以前看电影主要看故事和情节，如今更多是体验消费，对视听效果的要求更高。
《综艺》：除了放映机和音响之外，巨幕系统其他配套的设备有什么特点？
杨雪培：除了放映机之外，放映设备其实还有服务器、优化器、图像反馈系统等。服务器是电影放映的源头，中国巨幕的服务器有别于其他普通影院的服务器。其优势在于，既可以放映进口影片，又可以放映国产影片。国产影片与进口影片的制作是有区别的，所以在服务器与优化器之间的对接方面完善了软硬件系统，在智能化安全性方面更有保障。目前我们在实验阶段采用的是GDC公司提供的专用服务器。
图像优化是IMAX放映的核心技术，也是中国巨幕所攻克的关键技术。优化器的主要功能是进行图像优化，比如反差、亮度、锐化、双机重合度等。画面放映出去之后，图像反馈系统会把放出去的图像再抓回来，反馈给图像优化器，这就是图像抓取器也叫图像传感器的功能。
《综艺》：相对于市场上出现的多个巨幕系统，中国巨幕有哪些优势？
杨雪培：首先，中国巨幕是从系统角度出发考虑问题，不是一块银幕加两台放映机的概念。甚至如墙面的装饰、室内灯光的要求、地脚灯的要求等微小的细节都在考虑之内。
其次，我们的技术参数是领先的，如电影放映出来的亮度很高，目前声音效果也是最好的，我们用的是11.1声道，而现在影厅普遍用的还是5.1声道。图像优化等的各项指标，都选择了最高的参数。
再者，整个系统的造价成本低。比如国外品牌，不但收取昂贵的专利使用费，还要从影院里分取票房。而中国巨幕没有高昂的专利使用费，也不用从影院的票房里去分账，成本就低了很多。
还有一个优势——无片源限制，打破了由技术垄断造成的片源限制和市场垄断。这些优势可以让观众以合理的成本来观看巨幕放映的高质量画面。
复杂矿井通风系统优化改造研究 篇7
1 通风系统存在的问题及原因分析
1.1 存在的问题
1) 矿井通风系统总风量富余系数低。
金鸡岩风机电动机额定功率为2×185 kW, 电动机输入功率为354 kW, 已接近额定功率, 已无法上调风机叶片角度;阳地湾风机负压达2 510 Pa, 而且风机叶片配合比不好, 若调增角度, 风机负压将超过规定值, 运行功率也会接近额定功率, 故无法上调阳地湾风机叶片角度。
2) 采掘工作面配风困难。
北三东、西区开拓延伸水平掘进工作面通风路线长, 配风困难。北二东区布置2个采煤工作面和4个掘进工作面, 北三东区布置4个掘进工作面总需风量达10 600 m3/min, 而阳地湾风机仅能供风9 502 m3/min, 在这种情况下, 矿井采取“东风西调”的措施由金鸡岩风机供风1 098 m3/min, 如此以来, 金鸡岩通风路线将有所增长, 会导致矿井通风系统失衡[1,2]。
1.2 原因分析
1) 瓦斯治理和瓦斯“双高”控制需要较大风量;矿井北三区深部延伸水平地温较高, 导致矿井采掘工作面所需风量增大。
2) 备用采煤工作面的形成、掘进工作面增多、打钻地点需风量大, 都将提高矿井总需风量。
3) 矿井通风路线长, 断面小, 阻力大。
4) 风机能力有限, 金鸡岩风机的电动机功率已接近额定功率。
2 矿井通风系统改造方案
2.1 矿井所需风量及通风阻力计算
2.1.1 矿井所需风量计算
资料表明, 2011年11月矿井需风量最大, 其值计算如下:
undefined
=14 670×1.20=17 604 m3/min
式中 Q矿——矿井所需最大排风量, m3/min;
∑Q采——采煤工作面需风量之和, m3/min;
∑Q掘 ——掘进工作面需风量之和, m3/min;
∑Q硐室——硐室需风量之和, m3/min;
∑Q其他——其他巷道需风量之和, m3/min;
K矿通——矿井通风系数, 抽出式为1.15~1.20, 取1.20。
风机供风能力按以下公式计算:
Q=KLQ矿=1.05×17 604=18 484 m3/min
式中:Q为风机供风能力, m3/min;KL为 通风设备的漏风系数, 一般为1.05~1.10, 取1.05。
2.1.2 矿井通风阻力
1) 矿井通风系统改造后, 金鸡岩风机更换电动机, 北二西区选N2709西工作面为最大通风阻力路线, 按局部阻力系数1.2计算, 金鸡岩风机通风阻力达到2 500 Pa, 井巷通风长度达8 134 m。
2) 矿井通风系统改造后, 北二东区选N21110工作面为最大通风阻力路线, 按局部阻力系数1.2计算, 阳地湾风机通风阻力达到2 800 Pa, 井巷通风长度达7 061 m。
2.2 矿井通风系统改造方案
1) 优化-60
m水平通风系统。-60 m排矸石门为水井湾排矸立井的主要进风大巷, 由于提升设备未施工完毕, 未形成主要进风系统, 本次优化设计要撤除-60 m排矸石门风门, 减小矿井进风阻力。
2) 施工+380~+420
m总回风巷, 刷扩原+355 m充电硐室回风道, 启封N07东瓦斯巷, 将轴部胶带巷由进风调整为回风, 与金鸡岩总回风巷形成并联通风网络, 减小通风阻力, 给调整风机叶片角度创造条件, 如图1所示。
3) 更换金鸡岩风机电动机, 其功率由2×185
kW更换为2×315 kW, 上调风机叶片角度, 增大风机系统风量。北二西区由金鸡岩风机承担, 北二东区和北三区开拓巷道由阳地湾风机承担, 北二东区和北三区开拓巷道部分风量通过“东风西调”进入金鸡岩风机, 再通过矿井清风补漏, 减少巷道漏风, 合理分配风量, 从而满足矿井安全生产的需要[3,4]。
2.3 矿井风机风量验证
根据2011年10月11日金鸡岩风机的运行参数, 风机风量为8 816 m3/min, 负压为2 659.46 Pa, 可得出矿井风阻为0.123 8 N·s2/m4, 结合金鸡岩风机+4°性能曲线绘制矿井工况点:风量149.78 m3/s, 负压2 833 Pa, 如图2所示。金鸡岩风机风量增加2 491 m3/min, 撤除+310~+390 m总回风巷风门, 阳地湾风机风量增加200 m3/min, 预计矿井总风量增加2 691 m3/min, 能够解决矿井用风紧张的问题[5,6]。
3 改造方案的实施及经济分析
3.1 实施情况
1) 根据采掘部署, 2011年1— 4月施工+380~+420 m 总回风巷, 刷扩原+355 m充电硐室回风道, 启封N07东瓦斯巷构成并联通风网络, 矿井通风阻力减少了430 Pa。
2) 2011年7月优化-60 m水平通风系统, 减小进风阻力。
3) 2011年6—8月改换金鸡岩风机电动机, 增大风机电动机功率, 提高风机的排风量, 并于8月31日对风机进行了性能测试, 以+2.5°投入运行。
4) 2011年10月20日撤除+310~+390 m总回风巷风门, 减小阳地湾通风系统阻力, 并调整金鸡岩风机叶片角度至+4°, 完成整个系统改造方案。
3.2 资金投入情况
1) 金鸡岩风机更换电动机费用详情见表1。
2) 施工回风平硐联络巷115 m, 净断面10.0 m2, 需要资金40.25万元;刷扩+355 m充电硐室回风道505 m, 净断面10.0 m2, 需要资金126.25万元;共计投入资金166.50万元。
3) 改造方案中风机电动机及井巷工程投入资金共计283.5万元。
4 结语
1) 根据矿井通风系统实际情况, 优化了-60 m水平通风系统, 解决了该水平采掘部署相对集中、配风困难的问题。
2) 施工+380~+420 m总回风巷, 刷扩原+355 m充电硐室回风道, 启封N07东瓦斯巷, 在其与金鸡岩回风巷并联通风网络形成后, 将金鸡岩风机电动机功率调至2×315 kW, 并通过“东风西调”, 使矿井风机风量增加了2 662 m3/min, 缓解了北二东区和北三区供风紧张的局面, 通过合理配风, 满足了矿井安全生产的需要。
3) 矿井通风系统的优化改造, 提升了矿井通风能力, 降低了矿井通风阻力, 有效减少了采掘工作面瓦斯超限次数, 为矿井安全生产奠定了坚实的基础。
摘要：针对复杂矿井通风系统总风量富余系数低、采掘工作面配风困难等问题, 提出了有针对性的改造方案。通过采用优化通风网络、刷扩风道、改造风机等技术措施, 有效提高了矿井通风总量, 改造后总风量达18 660 m3/min, 比改造前增加了2 662 m3/min, 极大地缓解了井下用风紧张的局面, 为矿井安全生产奠定了基础。
关键词：复杂矿井,通风系统,优化改造
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物流系统的复杂适应性研究 篇8
1 物流系统的概念
随着科学技术的进步, 生产规模不断扩大, 产品花色品种不断更新, 社会需求日新月异。物流系统在优化物流结构、降低运输成本、提高运输效率、减少产品库存等方面作用越来越重要, 同时也表现出新的发展趋势。物流就是以最小的总费用, 按用户的要求, 将物质资料 (包括原材料、半成品、产成品、商品等) 从供给地向需要地转移的过程。主要包括运输、储存、包装、装卸、配送、流通加工、信息管理等活动。物流系统一般分为宏观物流系统和微观物流系统两大类。前者研究的是物质流转的全过程, 主要是对物质从原材料供应开始, 经过流通, 运到消费者手中的整个循环过程的系统研究, 而后者指的是一个企业内部的物流[1]。物流系统虽然本身是一个社会系统, 但同时处在国民经济这个比它更大的系统之中, 是国民经济系统之中的一个子系统, 它对整个国民经济的运行起着特别重要的作用。对物流系统的分析, 既要从宏观方面去研究物流系统的运行过程, 也要从微观方面对物流系统的每一环节加以分析研究。
2 复杂适应系统理论
复杂适应系统 (Complex Adaptive System, CAS) 理论是霍兰德教授于1994年提出来的。所谓复杂适应系统, 是指由大量的按一定规则或模式进行非线性相互作用的行为主体所组成的动态系统[2]。复杂适应系统理论的基本思想是:CAS的复杂性起源于其中的主动个体 (Active Agent) 的适应性, 正是这些个体与环境以及与其它个体间的相互作用, 不断改变着他们的自身, 同时也改变着环境[3]。复杂系统中的个体在与环境中的其他个体进行交流的过程中不断“学习”或“积累经验”, 并根据经验不断地改变着自身的结构和行为方式。大量个体的行为反过来有对所在的环境产生影响不断改变环境, 如此反复, 个体和环境就处于一种永不停止的相互作用、相互影响、相互进化过程之中。这个宏观系统演化, 包括新层次的产生分化和多样性的出现, 新的、经聚合而成的更大的主体的出现等, 都是在这个基础上逐步派生出来的。
霍兰根据以往研究遗传算法和系统模拟的经验, 提出了复杂适应系统理论, 指出了复杂适应系统在适应和演化过程中的七个要素。它们是:聚集 (Aggregation) 、标识 (Tagging) 、非线性 (Non-linearity) 、流 (Flows) 、多样性 (Diversity) 、内部模型 (Internal Models) 、构件 (Building Blocks) 。并且霍兰指出:同时具有这七个要素的复杂适应系统[4]。
3 物流系统复杂适应性特征分析
3.1 聚集机制
“聚集”主要含义是指主体通过“黏合”形成较大的所谓多主体的聚集体, 我们可以把相似的事物聚集成类, 然后再把他们看成是等价的, 即聚合、集合的含义。具有同种功能和为了完成共同功能的主体能够通“黏合”形成较大的主体, 较大的主体再通过特定方式结合起来形成更大的更高层次的个体。这个过程重复几次后, 可以产生典型的层次结构, 从而涌现出大尺度的行为, 这是一个十分重要的关键的步骤, 往往是宏观形态发生的转折点[5]。
物流系统包含着多个制造商、批发商和零售商等多个主体, 各个主体之间有通过竞争或合作的关系联系起来, 组成一个新的主体供应链。每个主体都具有主动性和适应性, 他们有自己的目标、取向, 能够在与环境的交流过程中有“目的”、有“方向”地改变自己原有的行为方式和结构, 以更好地适应环境。物流系统具有典型的复杂性, 有具有主动性的主体组成, 一个或多个主体构成一个核心企业 (也称主导企业) , 同时它将其他企业吸引在周围形成一个网链 (供应链) , 多个网链又聚集成一个物流系统。在上述主体的不断聚集过程中, 复杂物流系统的组织结构不断形成, 而这种聚集是为了实现获取长期稳定的竞争优势这一共同目标。
3.2 非线性特性
“非线性”是指个体以及他们的属性在发生变化时, 并非遵从简单的线性关系, 整体并不等于部分之和。复杂适应理论认为, 主体之间、主体与环境之间的相互影响不是简单、被动、单向的因果关系, 而是主动、适应、互动的, 甚至是互为因果的关系[6]。复杂物流系统的这种各种反馈相互影响、互相缠绕的复杂关系使得复杂系统行为难以预测, 进化经历曲折, 呈现出丰富多彩的性质和状态。
物流系统是典型的非线性系统, 表现出强烈的非线性特征。物流系统有众多的主体构成, 而每个主体都有自己的经营目标和经营策略。每一个主体的变化都会受到其他主体变化的影响, 同时也会对其他主体产生影响。如零售商的需求制约着批发商的需求, 批发商的需求制约着制造商的产量, 同时制造商的生产能力也制约着零售商和批发商的供货能力。此外物流系统的能力并不是全部主体各自能力的简单相加, 单个主体实力的增强并不意味着整体实力的增强, 而受各种因素的制约和影响。物流系统与环境也有着密切的联系, 不断地与外界环境进行信息、物质和能量的交换外部环境的任何一种变化都会波及整体功能的实现, 给系统带来不确定性。
3.3 流特性
“流”被霍兰教授定义为复杂适应系统中主体之间资源的流动[7]。“流”广泛存在于复杂适应系统内部和外界环境之间, 包括物质流、能量流和信息流。系统越是复杂, 信息、能量和物质交换就越发频繁, 各种流也就越发错综复杂。流的传输速度与效率对系统的演化有重大影响。
物流系统是由地理上分布的许多主体组成的网链, 通过这个网链各层次的主体之间以及主体和环境之间进行着物质、能量和信息的交流。如原材料、中间产品和最终产品在供应商、制造商、批发商和零售商之间的物理流动过程。其具体的物流方向是:由供应商向制造商提供原料, 制造商通过生产工厂把原料转化为中间产品, 并通过分销渠道把中间产品运送到批发商, 批发商再把产品运送到零售商。信息流在物流系统中通常表现为订单信息的传递, 每个主体从其下游获取订单并为上游主体提供需求等输入信息, 作为上游主体进行库存决策的依据。
3.4 多样性特性
“多样性”是指复杂适应系统在适应过程中, 由于种种原因, 个体之间的差别会发展与扩大, 最终形成分化;即使是同一属性的主体他们之间也有着或多或少的差异, 而且这种差异决定着他们在行为上不是完全相同的。
物流系统也具有多样性, 不同地区的主体具有不同基础设施, 不同服务质量, 不同的效率, 不同的流。主体的种类也有多样性, 物流系统中的主体根据管理与决策的权限不同, 可分为从属主体、半自主主体和自主主体。从属主体、半自主主体一般存在于企业内部物流, 自主主体一般存在于企业外部物流。各主体在组织结构、企业文化信息基础结构及资源状况等方面存在差异。主体之间的相互关系也存在多样性, 这种关系用网状结构来表示, 可表现为链状、树状、星状、网状等结构, 而实际问题中的物流系统常常是这些结构的复合, 使得主体间的关系更为复杂。
3.5 标识机制
复杂适应系统理论认为, 个体的标识在个体与环境的相互作用中起着相互识别和选择的作用, 为筛选、特化和合作提供了合理的基础。它允许主体在一些不易分辨的主体或者目标中进行选择。可见, 标识是为了聚集和边界生成而普遍存在的一种机制。
在物流系统中标识如同纽带, 由它所引导的聚集形成了主体之间的功能耦合。物流系统中主体由少到多, 由结构功能单一到结构功能多样化的发展过程中会发生涌现现象, 而在涌现过程中标识既是物流系统形成的生成物, 同时又是物流系统引导不同主体聚集方向的一个图标, 它又反过来促进了物流系统的发展和完善。
3.6 内部模型机制
每个个体都是有复杂的内部机制的, 对于整个系统来说, 这就统称为内部模型。它代表了主体对外在刺激的反应能力。它可以是复杂适应系统主体在适应环境过程中的一个行为规则, 可以是对现实可能状态的一个预期, 也可以是一个概念、一个符号等。
物流系统中的主体要适应外界环境, 就必须对外在的刺激做出适当的反应, 而反应的方式是由内部模型所决定的。内部模型是主体在实践中的知识和经验的积累, 它决定着主体处理问题的模式。主体在适应过程中接受外部刺激, 做出相应反应并合理调整自身内部结构也即内部模型, 使主体能够预知再次遇到该情况时会随之产生的后果, 主体由此来适应环境, 每个主体都在互动中调整自身的内部结构。比如, 物流企业在面对客户的需求时, 企业自身有一个处理问题的“历史经验”, 同时它还记录着与其他企业的相互作用和处理类似问题的行为模式, 于是它就会根据这些数据来逐步形成最终应对这种局面的一个系统策略。
3.7 构件机制
复杂系统常常是相对简单的一些部分, 通过改变组合方式而形成的。因此, 事实上的复杂性往往不在于构件的多少和大小, 而在于原有构件的重新组合。
在物流系统中, 每一时期内的具体服务内容和服务对象等都是不同的, 但是大多都能在以前的经验中找到类似处理问题的方法, 这样一个系统的解决问题的办法就是那些构件的不同组合, 并且随着系统的发展和环境的变化不断分解和改变组合方式。例如, 物流系统在面对一个新的需求时, 各主体可以根据以往处理类似问题的“信息”、“知识”、“业务流程”等经验和方法, 进行合理组合, 快速形成一个解决方案。
通过上述分析可以看出, 物流系统具备复杂适应系统的七大要素, 物流系统的各主体具有自主的判断和行为的能力、与其他主体之间交互 (信息、能力和物质) 的能力、对环境适应的能力, 并且具有相互依赖性, 还能根据其他主体的行为以及环境变化不断修正自身的行为规则, 以便与整个系统和环境相适应。根据复杂适应系统理论, 可以判定物流系统是比较典型的一类复杂适应系统, 它具备复杂适应系统的典型特征及现象, 其发展演化符合复杂适应系统的规律[8]。
4 物流系统复杂适应性概念模型构建
4.1 物流系统复杂适应性体现
在上述分析中已经判定, 物流系统是一类复杂适应系统, 它除了具有一般复杂适应系统所具备的七大要素外, 其复杂适应性还体现在以下几个方面:
(1) 系统的学习演化:物流系统中的各个主体之间以及环境之间不断进行交流, 在这种不断交流的过程中, 主体根据自己的有限知识和资源等条件选择性的“学习”或“积累经验”。为了更好地适应系统环境, 主体根据学到的经验有意识的改变自身结构和行为方式, 从而产生变异。正是这种有选择的“学习”和有意识的变异, 使主体适应了动态的环境, 得到了进化和发展。物流系统在演变或进化过程中具有目标取向, 与外界环境有所交流, 能够在与环境交互中“成长”或“进化”。
(2) 主体间的协同:Merry (1999) 将协同进化定义为当一个系统适合度的变化改变其他系统的适合度时, 这种互相依赖称为协同进化, 协同进化是进化的相互连接的物种或组织之间的互相改变[9]。在物流系统中, 协同进化发生在交互作用的主体之间, 一个主体所做的决策会迫使或促使其他主体做出其相应的决策。各个主体之间必须通过合作实现共赢。由于物流系统各主体的目标、利益和行为难以完全协调一致, 所以矛盾、冲突难以避免, 需要管理者进行协调控制。因此, 应从复杂适应系统的角度分析物流系统的协同性并提出相应的解决办法。
(3) 系统的动态性及环境的交互作用:物流系统是一个具有满足社会需要、适应环境能力的动态系统。为适应经常变化的社会环境, 人们必须对物流系统的各组成部分经常不断地修改、完善, 这就要求物流系统具有足够的灵活性和可改变性。在有较大的社会变化的情况下, 甚至可以对物流系统进行重新系统设计。物流系统与外部环境有着密切的联系与交往, 通过与环境的相互作用, 不断从环境中吸取物质、能量、信息和知识等资源, 提高自身的能力水平, 以便更好地适应环境的发展变化。同时物流系统的发展也能对周围环境产生影响, 使之向着有利于自己的方向发展。
(4) 主体集成的涌现性:涌现是构成系统的各个主体 (子系统) 依据一定的规则进行相互作用并最终形成稳定的系统整体结构的过程。物流系统的成长过程类似于生命结构的自组织过程, 用网格理论来说, 系统中的任何下层都是上层的混沌背景, 任何上层都是下层的性质突现。物流系统中的各主体 (子系统) 通过不断寻求相互适应和自我完善而超越了自身, 涌现出更为宏大的东西———物流系统整体效益的提高。
4.2 物流系统复杂适应性概念模型
根据前面的分析, 可以构建物流系统复杂适应性的概念模型[10]如图1所示。
在图1中, 有意识的选择是一个重要的变量, 它是经济进化和生物进化的关键区别。主体在不断变化的环境中, 通过积累的经验进行有意识的选择, 各主体之间通过竞争与合作不停地发生交互作用, 从而发生协同进化。物流系统是通过各主体之间和外界环境之间的交互作用运行的, 交互作用将会引起主体行为的改变, 主体通过协同进化、自组织和涌现影响其它主体的行为。
5 总结
本文对物流系统以及复杂适应性系统理论进行了分析, 并运用复杂适应系统理论对物流系统的复杂适应性进行了分析研究。物流系统作为一个典型的复杂适应系统, 在我国的经济发展中作用越来越重要。
从复杂系统角度研究物流系统的复杂性, 为物流系统中主体之间和环境之间的互动关系研究做了有益的尝试。
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复杂系统生态论方法及其应用 篇9
1 复杂系统三论
复杂系统三论即复杂系统的生态论(ecologism)、健康论(healthism)与和谐论(harmoniousism)。张国庆于2012年基于“师法自然”理念提出复杂系统三论,与此同时还提出了生态论的能流分析(energy analysis)、系统群分析(system group analysis)、TSE分析(TSDA,Time-Space Dynamic Analysis About Event)、代谢分析(metabolism analysis)、生命周期分析(life cycle analysis)方法,系统发展发育规律及其关键因子(key factor)分析方法,以及系统的精确管理(precision management)、GCSP(Graded management,Classification management,Subarea management,Phased management)、PDCS(Plan,Do,Check,Study)、健康管理与系统和谐等理论[1,2,3,4,5,6,7]。
1.1 生态论
生态论,就是运用生态思想,去探索世界,研究并指导人类社会的发展的一种基本理论与方法,生态论的渊源是“师法自然”。生态论理论与方法既来源于生物学、数学、物理学、化学等学科,融合提炼后又应用于包括上述学科在内各学科,如此循环,使得方法论不断进步。
1.2 健康论
系统健康(system health),是指系统具有和谐稳定的结构,可以持续发挥完善的功能,并且安全可靠。系统健康管理(system health management,SHM),就是指人类按照系统的健康状况,在遵从系统运行规律的基础上,对系统进行科学合理的开发利用与保护,使系统的结构、功能得以高效、和谐、持续运行。
1.3 和谐论
和谐论(harmonious),是指系统的组织结构处在最佳状态,能充分并能持续发挥系统的功能。和谐,对广义系统来说,是系统的最佳状态,是系统的理想目标,是系统朝理想目标进化的过程。另外,在系统管理中,还有一个重要的理论,即学习论(studism)。学习论属于系统管理的内容,也即系统PDCS管理。
1.4 生态论、健康论与和谐论之间的关系
生态论是一种方法论。健康论则是研究评价系统健康状况与实施系统健康管理的理论与方法技术。和谐论是研究系统最佳状态及其过程,以及如何实现系统和谐的理论与方法。如果说生态论是研究系统的一种方法,那么,健康论与和谐论就是系统评价与管理的一种方法与工具。复杂系统三论,即生态论、健康论与和谐论之间的关系,可以简单地描述为:生态论奂健康论奂和谐论;此种描述只是形象地表达,不是其内涵的全部。
2 系统能流分析
2.1 能流
系统的能(energy),是系统保持运转的动力,也是系统发生发展的潜力。就一个具体的系统而言,能可以是物质的,也可以是非物质的,例如信息、能量等。系统的能,在系统的关系网中不断汇集、流动、转换,并与系统的环境进行交换,在该动态过程中的能,便是能流(energy flow)。
2.2 能流分析方法
系统的能流,具有流体的性质,因此可以借鉴流体力学中的欧拉—朗格朗日法(Eulerian-Lagrangian method),对能流进行分析。
3 系统群分析
3.1 系统群及系统群间的作用
系统群(system group),是指在一定的物理空间内,同一类系统的集合。系统群间的相互作用类型分为正相互作用(positive interaction)、负相互作用(negative interaction)和中性作用。正相互作用是指系统群间的作用促进系统双方增长与进化,包括共生和协作;负相互作用是指系统群间的作用对系统双方的发展有遏制作用,包括竞争、兼并和寄生;中性作用是指系统群之间的作用对系统群双方的发展没有明显的影响。
3.2 系统位
系统位(systemic niche,sys-niche),又叫系统生态位,是指一个系统在所在的时间或空间域中所占据的位置及其与相关系统之间的功能关系与作用。
4 系统TSE分析
TSE分析,又叫TSDA分析、系统事件的时空动态分析(Time-Space Dynamic Analysis About Event),TSE分析以事件为线索,对系统的时空结构以及系统状态进行动态分析[5]。TSE分析方法主要是事件流分析。事件流分析是对系统内各组成元素间的关联强度、能流等进行分析,并用网络流表达方式,然后进一步采取网络流分析技术,计算最大流、最小流、增益流以及能流的速度、加速度和流量等。通过事件流分析,可以对研究对象进行模拟,以及对事件发生过程进行详细分析。
5 系统代谢分析
系统的代谢分析(metabolic analysis),就是对系统运转过程中能(energy)的流通、转换情况进行分析。也就是说,系统代谢分析的对象就是系统的能。系统的能,包括物质的,也包括扩非物质的(如信息、能量等),能是系统保持运转的动力,也是系统发生发展的潜力。系统代谢分析,常用分析方法主要有房室模型代谢分析、非线性代谢分析、非线性房室模型代谢分析、代谢网络分析、代谢TSE分析等方法。
6 系统生命周期分析
系统的生命周期分析(LCAN,life cycle analysis),是对系统的发展过程进行分析,从而掌握系统发展的详细情况,更好地存进系统更新或进化。系统生命周期分析方法主要有生命表法和生命周期评价2种方法。通过系统生命周期分析,可以对系统实施生命周期管理。系统生命周期管理(LCM,life cycle management),就是按照系统发育发展周期规律,不断改善影响系统发育发展的内外因子,促进系统健康发展。
7 系统关键因子分析与管理
系统关键因子分析(key factor analysis),就是通过事因分析,寻找关键事因、关键事件或关键时刻,探究关键因子调控方法。
7.1 生命表分析法
生命表法分析系统的关键因子,就是在生命表中分别衰减原因计算各衰减原因产生的衰减力,然后对其求和,求出世代总衰减力。然后很据计算结果,用图解法或解析法求出影响系统发育的关键因子。
7.2 TSE分析法
在系统中,事因作用于系统,当累积事因强度超过一定阈值时,就发生事件。此过程除了与事因强度直接相关外,还与事因作用时间长短、所处的空域和系统的事因阈值有关。因此,事因、空间域、时间域、系统稳定性(事因阈值)合称为“事件发生四因子”,也即事件发生的完整的事因,广义上的事因或事件发生因子。
如果把事因、事因作用对象用点表示,事因之间、事因与作用对象之间关联用边表示,事因链链则可以用图表示。设事因作用对象为O,事因为vi,事因之间关联的边为eij,事因与作用对象之间关联的边为eoi,i,j=1,2,…,n,i≠j,则可以用下式表示:
显然,eij≠eji,也即
事因之间、事因与作用对象之间的关联强度可以用边的权数表示。这样,事因可以使用图论或网络分析等数学方法进行分析与控制。
关键事因,是指那些激发事件发生的关键性因素。对于事因控制来说,关键因子可以通过以下方法得到:①有较多关联边数的事因“点”;②权数较大的“边”;③控制成本较小事因“点”或“边”;④若由于技术原因,或者控制成本原因等因素,使得通过方法①、方法②或者方法③获得的事因“点”或“边”不可控制,则使用方法①、方法②或者方法③对其上游或下游事因进行筛选;⑤综合使用方法①、方法②、方法③、方法④确定关键事因。上述关键因子确定方法,可以通过网络分析方法确定。
7.3 健康分析法
对系统进行健康评价,不健康的部分,即为系统的关键因子。对系统实施健康管理,促进系统恢复健康。
例如,对于人体来说,由于人体结构的复杂和功能的完善,如果人们是健康的,则人们是感觉不到自己的身体有什么器官存在。但是,如果身体有哪一个部分出了问题,则人们就会感觉到它的存在。当然,这只是一种定性描述,科学的方法还是需要做身体健康检查,对健康进行评估。不健康的组织器官,将是影响人们身体整体功能发挥的关键。
如果人们按照这种“感觉存在即不健康”的原理,对复杂系统尤其是复杂的人工系统,建立网格布局的监测网络,就可以实现复杂系统的健康状况以及关键因子自动监测评估与分析,如果技术上可能,还可以实现复杂系统关键因子自动智能化管理,甚至自动智能恢复健康。
7.4 关键因子管理
关键因子管理,也就是对系统的关键事件实施控制。从宏观上来看,事件的控制,一方面在于事先控制,也即在事件发生之前对事件进行预先控制;另一方面在于事件发生时,调节事件规模。
从微观上看,实现事件控制,可以从事因入手,分析研究事件发生的4个因子,从事件发生4个因子着手,采取相应的“事件控制四策略”,实现对事件的控制:一是狭义事因控制。研究探索狭义事因作用机理,根据其作用机理,采取相应的控制措施。二是时域控制。研究时域与事件发生之间的关系,根据其关系,采取相应的控制措施。三是空域控制。研究空域与事件发生之间的关系,根据其关系,采取相应的控制措施。四是系统稳定性控制。改变系统的稳定性,也即调节系统的修复力或者事因阈值,实现对事件的控制。
8 系统管理
系统管理(system management),就是指人类按照系统理论与系统运行规律,对系统进行科学合理的开发利用与保护,确保系统的结构、功能得以高效、和谐、持续运行。系统管理的实质是一个不断学习与进化过程,即促进PCDS循环,对系统施加人为干扰,使得系统持续保持健康状态并更多持续地为人类社会提供更多的服务。管理的目标是系统在保持健康的基础上和谐化,系统管理的重点是健康管理。
8.1 系统管理基本原理
(1)精确管理。系统精确管理(precision management)理论,源于张国庆的“双精”管理(张国庆,2007)理论。系统的精确管理,就是对系统实行实时监测,及时发现影响系统健康的因素,找出影响系统健康的关键因子,采取先进的系统管理措施,及时、快速地恢复系统的健康;对处在健康、亚健康状态的系统,采取合理的管理措施,维护并保持系统处在比较稳定的健康状态。
(2)GCSP管理原理。GCSP管理是分级管理(graded management)、分类管理(classification management)、分区管理(subarea management)、分期管理(phased management)的英文缩写。系统的GCSP管理,主要是针对系统的不同时空和组织结构特点,采取不同的管理策略。一是分级管理。根据系统的组织结构等级或者功能等级,对系统进行分级,不同等级的系统,采取不同管理措施。二是分类管理。按照系统种类或功能输出,对系统进行分类,根据不同种类,采取不同管理措施。三是分区管理。根据系统所处区域不同,采取不同管理措施。此种区域可以是自然区域,也可以是人为划分的区域,对于人类社会系统,也可以是行政区域。四是分期管理。系统的发育发展,常常遵循一个特定的生命周期。根据系统不同的发育发展周期,采取不同的管理措施。
(3)PDCS管理原理。根据系统发育发展过程中的PDCS循环的不同阶段,采取不同的管理措施。对复杂系统而言,理想状态是,在系统即将达到成熟期,或者达到成熟期尚未进入衰退期,就对系统进行调整,使其适应新的变化,摆脱衰退与消亡,直接进入新的增长期,即进化。当然,这对系统管理者来说,需要有很敏锐的观察力,以及准确的判断能力和决策能力。系统理想的生命周期可以用动态的PDCS表示。P(Plan)计划,包括系统方针和目标的确定,以及系统的活动计划的制定;D(Do)执行,就是具体计划的实施运作;C(Check)检查,就是评估计划执行的结果;S(Study)学习,对评估结果进行处理,成功的经验加以肯定发扬,对于失败的教训要避免重现,并将学习结果遗传到下一轮计划中。
8.2 系统健康管理
系统健康(system health),是指系统具有和谐稳定的结构,可以持续发挥完善的功能,并且安全可靠。
系统承载力(system capacity),是指某一系统在一定条件下,该系统所能持续提供的最大输入或输出能力。系统承载力是反映系统健康状况的重要指标,当外界压力超出系统承载力时,系统就处在不健康状态,甚至会导致系统崩溃或消亡。因此,对系统健康状况的评价,可以从系统承载力分析着手。
系统健康管理(system health management,SHM),就是指人类按照系统的健康状况,在遵从系统运行规律的基础上,对系统进行科学合理的开发利用与保护,使系统的结构、功能得以高效、和谐、持续运行。
人造系统(man-made system,artificial systems)也称人工系统,是人们为了达到某种目的而构成的系统。为了保障人造系统健康地运行,人造系统的设计、制造与管理,应该遵从适当冗余原理、清洁原理、节约原理、生态位原理、竞争共生原理、反馈原理、补偿原理、循环再生原理、多样性与主导性原理、生态发育原理等人造系统健康10项原理。
8.3 系统和谐化
和谐(harmonious),是指系统的组织结构处在最佳状态。从生态论中的生命周期理论可以知道,任何一个系统,都有一个生命周期。不同状态的系统,或者不同性质的系统,其生命周期的表达是不一样的,对于不能进化的系统而言,它只能采取再生、增殖的策略来延续自己,甚至于有些系统只能直接消亡分解。而理想的系统,在系统即将达到成熟期,或者达到成熟期尚未进入衰退期,就对系统进行调整,使其适应新的变化,摆脱衰退与消亡,直接进入新的增长期。
因此,高级的、理想的系统,是能进化的,这也就是说,也只有系统处在健康状态下,才能进行进化。仅在健康状态下的系统,进化不是高效的,而且还有风险。要实现系统高效、低风险进化,只有使得系统内部的组织结构达到最佳状态,即和谐状态,才能高效地充分利用系统内部以及外部环境中的信息、物质和能源,并能抵御进化风险,以较小的进化成本,来实现系统的进化。
9 应用
9.1 系统溯源
溯源(trace to the source),就是追寻事物产生的根源。系统溯源(system trace),就是通过系统的能流分析与代谢分析,再采用TSE方法,对系统或事件的时域与空域的点、片、段,或者对事件或系统本身的点、片、段进行分析研究,详细了解事件发生的机理,对系统的历史进行追溯,重现历史事件,实现系统溯源。
系统溯源在系统管理中有着十分重要的作用,通过系统溯源,了解系统历史事件发生的事因、时空域范围、强度以及事因作用方式等,为系统建模仿真提供理论依据和基础数据,为系统预测与规划、提高系统健康水平、系统人工干扰等提供理论依据和实践依据。
(1)食品安全溯源。现代食品种养殖、生产等环节繁复,食品生产加工程序多、配料多,食品流通进销渠道复杂,出现食品安全问题的概率大大增加。为了严格控制食品质量,食品安全监管强调从农田到餐桌的整个过程的有效控制,并且在全程监管的基础上实行食品溯源制度。
(2)设备故障溯源。设备故障溯源,就是对设备进行TSE分析,确定故障源的过程。对于复杂设备,可以综合3个途径进行故障溯源:一是根据设备设计资料,进行TSE分析仿真模拟,确定故障源;二是对设备运转情况进行实时监测,并建立设备运转状况数据库,根据监测数据进行TSDA分析,建立仿真模型,确定故障源;三是建立设备故障数据库,根据以往该设备或同类设备的故障数据,进行TSE分析模拟,确定故障源。通过长期的设备故障溯源数据积累,结合设备运转情况数据库、故障数据库,建立设备健康数据库,对设备实施健康管理,把故障排除在故障发生之前。
(3)系统健康溯源。系统健康溯源,就是对系统进行TSE分析,对系统健康状况进行评价,通过系统事件的点、片、段回溯,确定引发系统健康事件的事因。系统健康溯源是系统溯源的主要内容之一,食品安全溯源与设备故障溯源只是其具体应用。此外,系统健康溯源还可以应用于生态健康监测与评析、社会经济状况监测与评析等。
9.2 复杂系统设计与制造
复杂系统制造业是制造业的高端领域,提高复杂系统制造业的管理水平,对降低工业综合资源消耗水平、提高整个国民经济效益增长方式的转变作用巨大。
在复杂系统产品设计方面,针对复杂系统制造业产品结构复杂、产品品种复杂的特点,采用基于协同过程管理系统的体系结构,可以提高设计过程的工作效率、产品结构质量。
在复杂系统产品生产制造过程管理方面,针对复杂装备制造产品加工行程长、成套产品进度一致性高等特点,采用基于具有行程计划、成套性控制、物料跟踪管理、计划制造一体化的企业生产计划与制造执行一体化系统,可以提高生产效率与效益。
在企业信息集成方面,针对复杂装备制造业产品制造离散性的特点,采用企业信息集成技术,实现产品设计数据、工程数据等数据的有效转换,提高复杂系统制造业的管理水平,降低工业综合资源消耗水平[8]。
9.3 营林管理
利用复杂系统生态论方法中的TSE分析技术,对现有的营林数据,建立营林措施数据库、树种数据库和立地因子数据库。再根据外业的立地因子调查数据、气象数据、市场需求数据以及营林历史数据、社会经济数据和林业技术标准,进行TSE分析,建立环境立地因子—市场需求—树种适应与生长因子模型数据库,对营林未来结果进行仿真,然后据此仿真结果提出营林规划设计。通过TSE分析仿真,有利于林业先进技术的推广应用,有利于林业标准化的推进,有利于林业生态效益、社会效益与经济效益的提高[9,10]。
9.4 林业生物灾害管理
利用TSE分析方法,可以对林业生物灾害发生的时空因子进行分析,建立TSE模型进行仿真,对林业生物灾害发生状况进行预测与评估,并提出灾害管理规划。按照规划,对有害生物实施精确管理,根据有害生物的不同危害特征,实施空间和时间管理,将其危害控制在允许阈值之内[11,12]。
摘要：“师法自然”实质就是“出世求天道,入世度众生”,实行“天道良法,善治万物”的“自然”之治,达到“民心物体”的和谐境界。生态论就是基于该理念,通过对复杂系统进行能流分析、系统群分析、TSE分析、代谢分析、生命周期分析,掌握系统发展发育规律及其关键因子,对系统实施精确管理、GCSP、PDCS等管理,促进并维护系统健康,最终实现系统的和谐。复杂系统生态论方法可以广泛应用于系统溯源、复杂系统制造以及林业上的营林管理和生物灾害管理。
关键词：系统,生态论,能流分析,TSE分析,代谢分析,应用
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复杂电磁环境预测系统设计与实现 篇10
雷达、远距离无线通信、北斗卫星导航系统 (BDS) 、电子对抗还是遥感遥测等依赖电磁波的系统, 都避免不了对电磁波传播特性的分析。对复杂环境中的电磁波传播一种粗略的分析方法是将环境视为自由空间, 而精确的分析必然考虑电波传播实际环境如地形、地物以及大气层环境变化的影响等。然而传统解析法如基尔霍夫近似法 (Kirchhoff Approximation, KA) 、微扰法 (Small Perturbation Method, SPM) 等不能用于求解粗糙表面的散射特性, 虽然最近发展了一些改进算法, 但未考虑大气环境的影响, 且计算量较大[1⁃3]。射线追踪法可以定量地描述电磁波在各种大气环境条件下的轨迹, 但没有解决场分布的问题[4]。抛物方程法可处理非均匀大气与复杂边界条件[5⁃8]下的电磁波传播问题, 且可用迭代法求解, 在解决电磁波传播问题方面得到了广泛运用。
由于电磁环境构成较为复杂, 本文只研究构成电磁环境中最主要部分, 它是影响处于电磁环境中武器平台的关键因素, 主要包括自然界热噪声和人为产生的无线电发射。自然界热噪声一般为高斯白噪声, 它均匀地分布在每个频率上, 主要影响无线电接收机的底噪电平, 决定了无线电接收机的接收灵敏度或者说是通信质量。人为产生的无线电发射往往会对不同地区产生不同影响。因此刻画电磁环境应采用场论的方法, 主要采用的物理量为场强。根据电磁波传播路径损耗、天线方向增益、发射功率, 就可以预测某个地理位置的最大场强的大小。综合多个发射电台在某一地理位置场强的大小和热噪声就可以描述某个地理位置的电磁环境。由于军用复杂电磁环境的构成以30 MHz~300 GHz为主, 因此本文仅研究该频段内复杂电磁环境的预测方法。
1 基于统计模型的复杂电磁环境预测方法
复杂电磁环境主要由自然电磁辐射和人为电磁辐射形成。自然电磁辐射主要是热噪声, 人为电磁辐射主要是无线电发射电台。这两者是形成复杂电磁环境的关键因素。此外, 不同地域电磁环境不同, 或者说是电磁环境与地理位置有关, 因此描述和刻画电磁环境应采用物理学中场论的方法。也就是说描述电磁环境的最佳物理量是场强或功率通量密度。场强是矢量, 功率通量密度是标量。这两个物理量之间可以相互转换。
1.1 人为电磁辐射对电磁环境的影响
对于主要影响电磁环境之一的无线电发射电台, 它影响电磁环境的主要发射参数模型如图1所示, 主要包括了工作频段内的必要带宽内发射、带外发射、杂散、谐波。因此, 在构造电磁环境时这些因素都应当考虑在内。
必要带宽内发射一般称为带内发射, 带外发射和杂散发射一般称为无用发射。带内发射和无用发射的大小主要由发射功率和滤波器决定。由于各个生产厂家在生产设备时选择的滤波器不同, 因地不同厂家生产的无线电设备造成的无用发射也不一样。但是凡是经过型号核准或无线电发射机检测的无线电设备都必须满足规定的发射模板 (或频谱模板) 的技术指标规范。表1给出了我国8 MHz数字电视地面广播传输系统的发射模板。因此, 可以根据发射模板预测发射设备的最大无用发射功率。这一方法也满足电磁干扰预测的保守原则。
为了预测的准确度, 必须考虑特殊区域的地理地形条件和定向接收天线的方位。电磁波即使在自由空间的传播, 定向天线接收到的信号强度也与天线的方向有关, 因而收到的信号强度不同。下面举例进行说明。
假设在同样的电磁环境中, 完全相同的两个接收天线的地理位置和接收天线方向如图2所示。由于辐射源和被干扰设备的相对位置与方位不同, 从而对被干扰设备的干扰程度不同, 而且干扰程度与夹角θ有关。
对于图2中所示的地理位置关系, 目前研究的方法有3种:以水平面为基准, 将被干扰设备等效到水平平面;以被干扰设备为基准, 将辐射源等效到高度为h的水平面;以辐射源与高度为h的被干扰设备之间的连接虚线所在平面为基准, 将辐射源和被干扰设备等效到该平面上。
1.2 自然电磁辐射对电磁环境的影响
自然电磁辐射最重要的就是热噪声。热噪声是稳定上升到绝对零度 (开氏温标K, 0 K=-273℃) 以上时激发的电子随机运动引起的。它可以像其他电磁能量那样产生辐射, 特性是高斯白噪声, 分布在每个频率上。噪声功率表达式为:
式中:K为波耳兹曼常数, 为1.37*10-23J/K;T为以开氏温标为测量单位的绝对温度;B为系统等效噪声带宽。工程应用中, 为分辨小信号一般采用式 (1) 的对数并乘以10的形式, 于是得到噪声功率为:
1.3 无线电磁波的传播
无线电磁波在传播过程中主要遭受到的损耗是扩散损耗、路径损耗和吸收损耗。扩散损耗主要是无线电磁波的球面效应 (惠更斯原理) 产生的损耗。路径损耗是无线电磁波在传播中遇到障碍物时产生的损耗。吸收损耗主要是无线电磁波受到大气中水和氧气引起的损耗。由于高频才出现吸收损耗, 一般来说不考虑电磁波的吸收损耗。
对于自由空间来说, 电磁波因扩散 (见图3) 形成的自由空间损耗为:
电磁波的自由空间损耗与电磁波传播的频率和距离密切相关。它决定了无线电发射台站对某一地理位置的最大场强的预测, 影响到无线电台站间部署的位置、使用的频率和发射的功率等参数。最大场强预测公式为:
式中:d为距离;Pt为发射功率;Gt为发射天线增益。
比较典型的有Egli模型, Okumura⁃Hata模型, CCIR (ITU⁃R) 公式, Ibrahim⁃Parsons模型, COST 231⁃Hata模型, Lee模型等。
在构成复杂电磁环境的多个无线电的第i个辐射源, 它在某一位置j产生的最大场强为:
这样遍历所考虑的辐射源集合的每个元素, 即i={1, 2, 3, …, N}就可以知道各辐射源对某一个地理位置电磁环境构成的影响。
2 基于PE的复杂电磁环境预测方法
抛物型方程 (Parabolic Equation, PE) 是从基本的麦克斯韦方程组经严格推导, 分离掉时间因子和后向传播分量后得来的, 并且方程中包含了折射效应和绕射效应, 满足全波解的要求, 通过PE方程能够很好地解决直、绕射和散射等过程对电磁波传播的影响, 从而给出电磁场强预测的确定解[9⁃10]。
在线性、各向同性的均匀媒质中, E和H满足的麦克斯韦方程的微分形式如下:
上述方程组中, μ是磁导率, ε是电容率, σ是电导率。
根据取旋度与求导法则得:
式 (7) 称为电场的一般波动方程。
研究二维坐标下的电磁波传播特性。即为在x⁃z直角坐标系内建立电磁波传播模型, 其中x代表水平传播方向, z代表垂直传播方向, 如图4所示。
当计算区域选择在二维坐标系中时, 引入时谐矢量场Ψ, 其表达式为:
将波动方程中按拉普拉斯算符展幵, 用Ψ代替电场E, 分离掉时间变量写为:
其中, 波数, 折射率
为了降低导数的阶数简化计算, 可引入与x相关的衰减函数:
由于, 这样将u (x, z) 代替Ψ (x, z) 后, 不会对电场的大小产生影响。同时引入的u (x, z) 对计算的影响也可以直接将u (x, z) 的值代入到损耗公式中进行计算。
Ψ (x, z) 对x和z的二阶偏导结合式 (10) 化简式 (9) 可得:
则得到了二维坐标系情况下的标准抛物型方程 (SPE) 表达式。
场强的大小或分布取决于在传播路径上的损耗情况。求解SPE解时可将场量进行分解, 分解后的结果为两个不同因子的乘积。因此, 传播损耗在数值上等于传播空间的传播损耗 (称为损耗因子) 与电磁波发射天线的空间发散损耗 (称为传播因子) 之和。
传播空间的传播损耗不仅与电磁波的波长或频率有关, 还与传播距离的大小有关, 单位为d BW, 其表达式如下:
电磁波发散损耗的大小, 等于参考点处电场值与自由空间中全向天线在同一点处电场值的比值, 根据本文中u的表达式, 则发散损耗为:
式中:d为参考点与天线之间的水平距离, 单位为km;λ为波长, 单位为m。
在传输平面内, 总的传播损耗等于传播因子和损耗因子对电磁波场量的叠加, 从而基于SPE的传播模型其总的传播损耗为:
其中电磁波频率的单位为MHz。利用PE方程确定了无线电磁波的传播损耗, 即可计算接收点的接收功率, 确定该点的电磁环境。
3 复杂电磁环境预测系统
基于以上理论分析, 构建典型场景下的电磁环境预测系统。复杂电磁环境预测系统由四个模块组成, 即参数输入模块, 图形显示模块, 操作模块和结果显示模块。其中, 参数输入模块包括典型战场场景选择, 辐射源及接收点参数设置, 地图加载等。复杂电磁环境预测系统演示总界面如图5所示。
场景分为三种, 如图6所示。操作模块包括辐射源放置, 场强预测, 图形绘制, 模型选择, 可以根据战场环境特点, 选择相应模型进行图形绘制与分析。以海战场为例进行复杂电磁环境预测, 并给出分析结果。辐射源放置如图7所示, 仿真参数设置如下:辐射源频率1 500 MHz, 发射功率46 d Bm, 发射增益16 d B, 接收增益为0 d B, 系统损耗为3 d B, 发射天线高度为30 m, 接收天线高度为1.5 m, 收发天线距离为15 km。
距辐射源一定距离的接收点处的电磁环境预测结果如图8所示, 覆盖区的接收功率用颜色的深浅 (由红至蓝) 来衡量, 其中红色表示功率越强, 蓝色表示越弱。如图9所示分别给出了自由空间、基于统计模型 (Oku⁃mura⁃Hata) 以及基于PE的电磁波传播损耗、接收功率及场强随距离的变化关系。
当辐射源与定向接收存在角度关系时, 不同工作频率及角度关系下, 接收点的功率如图10所示。图10 (a) 为不同角度接收功率随距离的变化;图10 (b) 为不同频率接收功率随角度的变化。
当海面电磁波传播收发天线高度均为10 m, 海面路径0.6倍菲涅耳间隔路径距离内没有障碍, 计算模型与ITU⁃R_P.1546⁃3模型的仿真对比如图11所示。
对特定战场环境中某地理位置处的电磁环境进行预测, 即可按照上述思路, 在考虑影响辐射源电磁辐射因素的基础上, 结合具体的环境信息, 在不同环境场景中调用不同的电磁波传播模型, 最终实现电磁环境的预测。
4 结语
从以上的仿真可以看出, 本系统可以方便、快速地模拟计算出电磁波在复杂战场环境下的路径损耗、接收功率与场强值, 并能够直观、实时地显示, 因此, 复杂电磁环境预测系统对于战场复杂电磁环境下武器装备受扰分析与效能评估具有辅助作用。本仿真系统在电磁环境预测过程中, 虽然考虑了电磁波传播路径损耗、天线方向增益、发射功率等因素, 但对于传播路径损耗影响因素、天线极化特性等, 考虑得还不是很充分, 因此本系统还有待于完善, 将以上因素考虑进去, 将为今后的电磁环境预测系统提供更加完美的仿真环境。
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复杂软件系统 篇11
关键词：复杂配线系统；绝缘缺陷；脉冲火花放电；时域反射
引言
载人航天器、商业客机一旦出现事故，将难以救助，其造成的社会影响力远大于地面、水面运载工具的事故影响力。同时，由于航天器、商业客机的造价远大于地面运载工具，发生事故后发生的经济效应非常严重，如1998年瑞士航空公司一架客机因电线着火失事，最终造成了公司破产。航天器、飞机上有非常复杂的通信、电力系统，在高空紫外辐射环境下，特别是对于航天器的飞行环境，宇宙高能射线会加速系统绝缘的老化，导致绝缘缺陷。及时诊断绝缘缺陷，以解决安全隐患，对于保证航天器、飞行器的安全具有非常重要的意义。
传统的检测方法
时域反射法(TDR)是一种远程电子测量技术。它最早被应用于电力和通讯工业上，用于确定通信电缆和输电线路的故障与断裂。其所采用的基本原理是“脉冲发射”法。根据传输线理论，在有限电缆的一端发送一个探测脉冲，它就会沿着电缆线路进行传输，如果线路正常且终端负载阻抗等于线路的特征阻抗时，发射脉冲被负载吸收而无反射回波产生：如果线路有故障时，故障点的阻抗不再是线路的特征阻抗，从而将产生反射回波，其反射系数定义为反射波幅度与入射波幅度的比值。当线路发生断线等故障时，故障点的阻抗即为负载阻抗，通过测量出的反射系数，计算出负载阻抗的大小，再依据传输线的特征阻抗，就能够分析出故障的性质。同时，通过测量发射脉冲和反射脉冲之间的时间间隔，可以计算出测量点与故障点的实际距离，从而精确定位。
在进行TDR测量时，必须处理TDR波形中的多次反射问题。被测装置如果具有若干阻抗层，这种多次反射就会使TDR示波器上的图像严重失真。对于由同轴电缆、金属屏蔽层和周期性的用节点和系带捆绑在一起的双绞线组成的复杂配线系统，存在沿导线长度方向的高度不均匀阻抗特性，这时就不适宜采用时域反射法进行绝缘缺陷的诊断与定位。
局部放电是绝缘介质内部发生的局部重复击穿和熄灭现象，这种放电一般发生在电缆的局部缺陷处，放电量很小，在放电初期基本不会影响电力电缆的绝缘能力，但如果这种放电长期发生，则会逐渐的损坏电缆的绝缘，缩短电缆寿命。
由于局部放电时，电缆的绝缘电阻、介质损耗和泄露电流都不会有太大变化，因此，检测以上参数是无法判断出局部放电的。但在绝缘发生局部放电的时候，一般都会产生电脉冲、电磁波放射、光、热、声等现象，基于对这些现象的研究，局部放电检测技术中相应出现了电检测法和光测法、声测法、红外热测法等非电量检测方法。
在目前市场上，电测法仍是局部放电检测中最重要的手段，其中的脉冲电流法已经很成熟，由于其检测灵敏度很高，且容易进行放电量校准，但是，由于其易受到外电路的电磁干扰，使其灵敏度大大下降，在现场环境中，脉冲电流法应用并不很多。超高频检测法是近年发展起来的新型局部放电检测方法，具有频带高、灵敏度好、抗电磁干扰能力强等显著优点，被认为是最有潜力的局部放电在线检测方法。但是，超高频检测用微带天线传感器目前还在研究之中，制造工艺要求甚高，技术尚不成熟。
脉冲火花放电法用于绝缘诊断
1996年，Department ofEnergy-sponsoredNuclear Energy(DEO)对于PASD法在复杂配线系统中的应用首次立项进行了试验研究。这项关于PASD法的基础性研究于2002年10月申请到一个美联邦航空部(FAA)为期3年的项目，研究焦点集中在商业航天器复杂配线系统和PASD技术的实际应用。研究证实PASD法能够检测和定位复杂配线系统中的多种缺陷，例如运行在空间环境中的航天器导线系统的老化过程，制造缺陷，安装损坏以及在传统电线／电缆系统中各种各样缺失的缺陷。Sandia国家实验室于2005年2月8日PASD技术获得了美国专利。
PASD技术采用一个高电压(几kV)，低能量(几mJ)的短脉冲来诱发绝缘缺陷点处的电气火花放电。此脉冲由一个结构紧凑的电池驱动的脉冲发生器产生，它可以和进行绝缘缺陷诊断的软件一起封装在一个小盒子里，组成一个便携式系统。此脉冲能量在量级上与走在人工地毯上而产生的静电放电电量相当。足够低的能量水平不会损坏主绝缘或复杂配线系统中的导体。放电沿测试条件下的导体到一个邻近的返回通道(另一导线或地面)内发生。在短短几个纳秒时间内发生电弧阻抗击穿，这将产生一个瞬时的短路并把能量返回到注入点处的传感器。这时传统的TDR技术就可以准确地定位缺陷点的位置。这项技术还可用来直接检测绝缘系统的介电强度，因为PASD电压还不足以击穿整个绝缘体，仅仅是暴露在中心的绝缘缺陷受到影响。
PASD技术首先利用低电压(数百伏)脉冲测试电缆的阻抗特性，建立对PASD在不规则阻抗配线系统中测试能力非常重要的阻抗基线。此基线用于对比高电压脉冲下的发生击穿的电缆阻抗曲线。然后注入脉冲电压并逐渐上升以检测绝缘缺陷。如果出现能探测到的缺陷的最小闽值，传感器波形将偏离低电压特性基线。波形与特性基线相分离是由于发生了电弧击穿，两个波形的分离点即为绝缘缺陷点处。
随着施加测试电压的升高，在相同实验过程中的基线变化是规则的。因而不需要为了对比而建立线路特性基线的数据库。这也是脉冲火花放电法的优点。
脉冲火花放电法的技术难点
实验证明PASD法在较长的配线系统中也非常有效。在PASD的早期发展中，人们关注的是PASD脉冲的高频分量能不能有效地沿着为低频特性而设计的绝缘长导线传播。当PASD脉冲沿着长导线传播时，脉冲振幅的衰减主要是由导线的非均匀阻抗特性引起的。这在松散的捆绑在一起的双绞线中特别明显，进行相关研究则具有重大的意义。
对更长的线路长度，首先对线路施加1～2kV的预脉冲，然后再施加PASD脉冲。预脉冲可以是单一的直流电压，也可以是几微妙的短脉冲。当处理较长导线时这种“复合脉冲”方法比单一脉冲更为有效。因为在长导线中持续的阻抗变化不断地削弱PASD脉冲的峰值，如果削弱足够厉害，就会没有足够的电压击穿缺陷点。如果施加一个缓慢上升的预脉冲，整条线路上的电势随阻抗变化独立上升。随后快速上升的PASD脉冲注入并沿着导线传播到检测缺陷点(缺陷点处已经充电到大约几千伏，这时PASD脉冲就比较容易将缺陷点击穿)。这种
“复合脉冲”方法的实施是PASD法的难点。
PASD法应用实例
实例1：PASD法检测与定位表面破损
一个同轴电缆上外部屏蔽层存在磨损的例子。
电缆在测试条件下的PASD波形。下面的波形代表测试条件下电缆的低电压阻抗基线。上面的波形是高电压脉冲诱发绝缘缺陷点处击穿的阻抗曲线。波形首次分离处代表电缆的起点，末次分离处代表电缆终点。两次事件的时间差表示电缆的长度(以时间计)。显而易见，由于电弧击穿导致缺陷点处阻抗发生急剧变化。这个变化大概发生在沿电缆长度的中点。计算得到缺陷点位于25，8英尺长电缆的11，7英尺处。
在这个实例中，PASD的脉冲峰值为12，4kV，脉冲宽度为5ns。
实例2：PASD法检测与定位绝缘破裂
一根100英尺长的双绞线中63，3英尺处具有0,5ram的裂口缺陷，应用PASD技术检测。
应用PASD技术可以很容易地诊断和定位到双绞线中的缺陷，缺陷特征非常清晰。电缆总传输时间为276ns，在182ns处波形开始分离即为缺陷点处。脉冲在电缆中传播速度为2，76ns／ft，因脉冲宽度引起的传播延迟时间校正值取9ns。
结语
商业航天器、飞机的配线系统的多对双绞线被周期性的节点和系带捆绑在一起，这就造成了沿导线长度方向的高度不均匀阻抗特性。绝缘缺陷本身可能比较小，却造成了缺陷点处阻抗的不可估量的改变，这些特性往往让阻抗测量或传统的时域反射(TDR)方法显得无效。其他的方法如局部放电法或直流击穿技术，或许可以检测到一些类型的绝缘缺陷，但不能对复杂阻抗配线系统进行定位。
基于复杂性分析的软件研究 篇12
复杂性是所有系统的特征属性,就如同能量、质量、动量这些基本属性一样。系统复杂性可以量化,因此可以用来指导决策。复杂性与系统的组成结构、不确定的动态行为、观察者的能力等因素密切相关。复杂系统的特点是易受攻击、脆弱和敏感、难于精确预测和管理、难以可持续发展、易受外界影响、整体健康程度低。系统复杂性不能无限增加。复杂系统的自组织临界性现象即由大量相互作用单元组成的系统会自然地向自组织临界态发展。当系统结构演化到某临界态时,系统结构和功能特征会发生骤然变化,系统行为不可预测、可能功能丧失,难于管理并且系统变得很脆弱,即使小的干扰事件也可能引起系统发生一系列灾变。
进入21世纪以来,人类面临着环境、政治、经济、社会、工程等各领域的复杂性问题和挑战。复杂性问题的共性是:无法完全解释成因,或精确预测发生时刻和程度。 对于一个由大量相互作用单元组成的复杂系统会自然地向自组织临界态发展,当系统结构演化到某临界态时,系统结构和功能特征会发生骤然变化,系统行为不可预测、可能功能丧失,难于管理;同时,系统变得很脆弱,即使小的干扰事件也可能引起系统发生一系列灾变。由此可见,随着系统复杂性增加,管理成本呈指数增加。那么,如何有效的管理系统复杂度的增长呢?有效管理复杂性的前提是:对复杂性进行量化分析。因为复杂性是所有系统的特征属性(就如同能量、质量、动量这些基本属性一样);同时,复杂性与系统的组成结构、不确定的动态行为、观察者的能力等因素密切相关。因此,复杂性量化分析方法需要满足如下条件:①能够客观真实的分析系统特征数据;②能够从系统整体角度全面分析系统复杂性构成;③能够对系统复杂性的演化进行估计。随着系统复杂性增加,管理成本呈指数增加。一旦系统的复杂性能够被量化,就可以有效的进行复杂性管理。由于人类不能回避不确定性扰动(如制造、使用、环境、等过程),因此只有主动降低系统复杂性,才能降低系统受到不确定激扰时的脆弱性;同时,通过监测系统离临界复杂度的距离,进行危机预警,避免灾变发生。
随着科学技术的进步,产品的功能和结构日益复杂。由于产品使用者对产品安全性的高度重视,以及国家法规的严格要求,产品质量和可靠性、稳健性是影响企业生存发展的关键问题之一。由于产品在真实的环境中工作时,会受到大量的不确定性因素的影响,越复杂的系统,越呈现内在的脆弱性,存在高度的风险,其原因在于:①高度的复杂性增加了系统脆弱性,降低了系统在真实环境中满足期望功能的能力,比如apple手机天线事件;②高度的复杂性给系统安全、可靠和稳定运行带来巨大风险,局部的微小破坏往往演化成全局的灾难,比如丰田召回事件、挑战者航天飞机事故;③高度的复杂性增加产品开发成本,延长交货周期,是产品质量和顾客满意度的敌人。因此,如何科学有效地进行产品、流程或系统的复杂性设计、控制和管理,是攸关企业可持续健康发展的重要问题。而客观、真实、定量地评价系统复杂性是驾驭和管理复杂性的前提所在。
2复杂性量化分析的应用
复杂性量化分析和管理技术可以广泛应用于如下领域:
2.1 对于机电产品设计
帮助设计人员认识产品的复杂度,以便选择更简单、更稳健的方案,最终节省成本,提高品质。比如:火箭载荷适配器减震设计、航空发动机轮盘的复杂度设计等。
2.2 对于系统运行维护
状态监测和危机报警,帮助工作人员主动采取措施,避免系统崩溃造成重大损失,比如:空中交通流量监控、电厂和化工厂状态监控、飞行器结构健康检测、数据中心状态监控、危重病人手术过程监控等。
2.3 对于试验数据分析
提供了从复杂度角度认识被测系统的新思路,用于分析系统或过程的运行模式,比如:汽车碰撞数据分析、宏观经济数据分析预测等。
2.4 对于仿真模型验证
提供了快速有效对比试验和仿真复杂度的指标,从而判断仿真模型是否真实可信,为改善和提高仿真模型可信度提供建议,比如:汽车碰撞模型验证和标定等。
2.5 对于企业风险管理
提供了风险管理的量化手段,可以对企业运营健康程度进行评估和建议,为企业可持续经营提供决策参考,比如:银行客户流失率分析、企业分支机构运营健康度评级分析等。
复杂性量化分析和管理软件通过分析系统或过程的数据,得到复杂度、关键参数、相关图、风险评级等指标, 帮助人们了解系统运行模式、健康状况、风险程度和稳健性。其典型客户包括:
①航空航天:GE研发中心, 欧洲空间局,欧洲宇航防务集团,德国宇航中心,波音;
②车辆工程:奥迪汽车 、保时捷汽车 ;
③能源动力:南非球床模块堆;
④精密机械:意大利COMAU机器人;
⑤交通运输:西班牙航空控制塔 ;
⑥电子信息 :瑞士电信 、日本维奥投影仪 ;
⑦金融保险:意大利迪松德里奥人民银行;
⑧过程工业:意大利艾尼(ENI)集团炼油公司;
⑨高校科研:美国国家制造科学研究中心NCMS, 瑞士苏黎世理工大学机电系 、英国巴斯大学 、意大利罗马大学、意大利热那亚化学系、马来西亚国民大学;
⑩医疗器械:波士顿科学国际公司等。
3复杂性分析原理
从数据中抽取知识。系统图是系统所有可能模式的集合。按照变量间连接交错最小进行排列, 借鉴MIT麻省理工大学研究的DSM(设计结构矩阵)。优点是易于识别变量间的信息流、易于识别变量间的依赖关系、发现核心输入输出变量、发现系统最薄弱的环节、识别不可控的输出变量。从三个角度辨识核心变量。核心变量(Hubs)是系统稳定运行的最重要部分。根据变量自信息:香农熵(high Shannon Entropy),自信息最高的变量为Hub。根据变量连接数自由度=变量与其他变量的总数,自由度最高的变量为Hubs。根据变量间相关性:通过互熵(互信息)排序,总相关性最高的变量为Hubs。复杂度下限是系统处于确定性状态,行为完全可预测,结构主导系统行为。复杂度上限(临界复杂度)是系统图上所有关连都被破坏,系统处于混沌边界,行为变得难以预测,难以发挥其应有的功能。微小扰动,就可能导致一系列灾变。系统稳健度(拓扑稳健度Topological robustness):量化的表达系统保持其功能的能力,与其当前状态距离临界复杂态的远近成正比。稳健性越高,系统的抗攻击(vulnerability)或抗扰动能力越强。预警复杂度:系统图上最弱的关连被破坏;提示系统正在发生衰退,或正在遭受攻击。
3.1 基本思想
复杂性低的方案能更好地抵御不确定性的影响,具有更好地实现预期功能的能力,是高安全性、可靠性和稳健性的有力保障。它与奥卡姆剃刀原理不谋而合,即在同等条件下,简单的方案是最好的方案。
基于复杂性的稳健设计方法就是将系统复杂性测度纳入产品评价体系,从满足性能、成本、可靠性、可维修性、可保障性等指标要求的可行设计方案中,寻找复杂性最低、品质最高的设计方案。
3.2 计算流程
Step1 定义设计问题,包括:设计变量、噪声变量、典型工况、性能指标。
Step2 集成CAE仿真流程,比如:总体性能、结构、流体、电磁、动力学、热、光、声等。
Step3 可行性设计:通过传统的试验设计,优化计算方法得到可行方案或权衡方案,此时不考虑噪声变量的影响。
Step4 考虑不确定性:对多个可行设计方案进行蒙特卡罗分析,每个方案50到100个样本即达到90%工程精度,计算量与变量数无关。
Step5 评价复杂度:对每个可行设计方案的蒙特卡罗结果进行复杂性量化分析。
Step6 稳健性设计:在所有可行方案中选择复杂度最低的设计方案。
4软件功能
4.1 评测、跟踪和帮助客户理解系统的脆弱性(Fragility of Systems)
评测动态、时变系统的复杂性(complexity), 熵(entropy)和稳健性(robustness)
交互式的系统复杂性结构图(Interactive System Map)
计算当前的复杂性值、以及上下临界复杂性(Critical Complexity)
五级风险评级机制(risk rating),分析系统健康状况(state-of-health))
分级排序散点图(Ranked scatter plots)
每个系统变量的信息特征
每个系统变量的稳健性
局部统计学指标
快速、交互式数据追踪功能
复杂度曲线(Complexity Profile)
全面的系统复杂性HTML报表
4.2 辨识关键变量
辨识关键变量,并进行变量重要性排序
变量可以根据系统信息内容的复杂性或者对系统复杂性拓扑结构的影响程度进行排序。
4.3 实时数据复杂度分析(Real-Time Tracking Complexity)
实时分析系统或过程的复杂度趋势
根据临界值和预警值对过程进行监控
分析系统中关联关系的演化过程
4.4 假设分析(What-if Analysis)
允许用户在N维数据空间中进行交互漫游,并进行假设分析。
允许用户设置等式或不等式约束,定义变量目标值,搜索所有可行设计方案。
4.5 动态变量分组(Dynamic Variable Grouping)
在用户与系统复杂结构图进行交互操作时,变量可以被分组显示。
允许用户辨识变量依赖关系,或对复杂结构进行分解,达到更好的了解系统复杂性结构的目的。
4.6 复杂度曲线(Complexity Profiling)和复杂谱(Complexity Spectrum)
分析系统或部件的复杂度分布。
分析系统或部件的脆弱性。
分析系统最脆弱的关联关系
4.7 能处理病态数据(Pathological Data)
软件对数据的分析过程是模型无关(model-free)的,避免了数学模型引入的不确定性对结论的影响。可以根据马氏距离进行异常数据点(outliers)的清理。
5结论和展望
各行各业面临复杂性问题的挑战是复杂性增加,导致管理成本骤增;当复杂系统演化到某临界态时特征发生骤然变化,行为不可预测、功能丧失,系统变得很脆弱,小的干扰事件也可能引起系统发生一系列灾变。如何积极应对复杂性挑战?复杂性科学方面研究复杂现象或复杂系统,以寻找一般性规律。复杂性设计方面降低复杂性,提高抗不确定因素的稳健性;复杂性监控方面掌握系统复杂性演化方向。灾变预警、风险管理方面可持续发展。
摘要：文中对系统复杂性问题进行了阐述,介绍了复杂性量化分析的应用和原理,分析了复杂性分析软件的功能,并提出了结论和展望。