三维优化（精选九篇）
三维优化 篇1
教学过程是一个双边互动的过程,在这个过程中 ,要打破“教师中心”、“课堂主角” 的旧思想,教师要转 变角色做 一个引导 者 ,引导学生有效参与, 让学生自主学习, 成为有效参与学习的主体者、主动者。现代教学论指出:教学过程是师生交往、积极互动、共同发展的过程。没有交往,没有互动,就不存在或未发生教学。那些只有教学的形式表现而无实质性交往的“教学”是假教学。教师必须转变角色, 促进师生之间的真正交往。教学的过程是师生共同成长的过程, 是师生平等参与教学的过程, 在民主平等的学习氛围中引导学生自由表达, 自主探索。同时教师作为学生发展的促进者, 应积极创设自主探究合作的空间, 尊重学生的人格和个性差异,建立和谐、民主 、平等的师生关系, 促进师生之间的真正交往互动。
二、转变学习方式
转变学习方式就是要转变这种被动性的学习态度, 把学习转变成人的主动性、能动性、独立性,不断生成、张扬、发展、提升的过程, 使学生学习的过程成为发现问题、提出问题 ,分析问题 、解决问题的过程。转变学生的学习方式,促进学生发展,关键是让课堂教学真正成为学生自主、合作、探究学习的天地。自主、合作、探究三者相辅相成,水乳交融,有机结合。学生采用这样的学习方式,在学习过 程中有情 感的投入 ,能获得有效的情感体验, 有利于学生良好的价值观的形成。同时也发展了学生的能力, 使知识文化得到积累。如学习《鸿门宴》一课时, 我们可以让学生选择适合自己的学习方式, 分组合作表演课文内容, 学生便自由组成了一个小组。课外他们为表演好课文内容,献计献策,选资料,互相帮助,学习研究。有的编歌舞、话剧等。等到课堂交流时, 在课堂上尽情展现,使得课堂生动 、活泼 ,对课文的理解收到了显著效果。这样,在自主、合作、探究的 过程中 ,学生的积极 性得到了 充分调动 ,潜能得到了开发, 主动的地位得以真正体现, 从而促进了学生的共同发展。“语文课堂应该是开放而富有创新的活动。”因此在课堂上, 注意引导学生积极参与课堂教学活动, 放手让学生自己去品读,去揣摩、品味、欣赏 文中的语言。 在这个过程中,学生也由被动接受转变为主动学习。学生在各自体验和相互启发之中, 使学习成为一种愉悦而有意义的精神生活。
三、培养学生能力
应试教育过多地注重学生的知识传授, 而忽视了学生的能力培养, 把知识的传授与能力培养割裂开来, 培养出来的只是眼高手低的人,而不是真正的人才。把传授知 识与培养 能力结合 起来 ,才是我们语文教学应完成的重要目标。语文教学中,要落实的能力目标主要是“听、说、读、写”。这四个方面是相辅相成的, 互相促进的。在课堂教学中我们要有意识地对学生进行这几个方面的综合训练。如,在学习《风景谈》这篇写景说理文章中,把听、说、读、写四种能力有机地融合在一起, 使学生获得多方面知识, 并发展他们的思维能力。又如,在每节课前安排两名同学进行演讲, 开辩论会等,从而锻炼学生口头表达能力。训练学生写日记, 培养他们观察生活的能力。我认为“听、说、读、写”能力都应注意培养。同时,学生的处世、应变、协调能力等也应在语文课上得到培养。
四、优化评价方法
优化三维目标提高语文课堂实效 篇2
崭新的理念向语文老师提出了新的挑战,那么如何走进新课程标准下的语文课堂教学,推出一种崭新的、充满活力的、高效的语文课堂呢?
有效的课堂教学应将“三维目标”即“知识与技能”、“过程与方法”、“情感、态度和价值观”优化整合。然而,反思目前的初中语文课堂教学,仍存在着两种不和谐的现象:一是教师本位现象。教师凭着自己的经验备课,不能蹲下来看学生,没有研究学生的语文水平和接受能力,只是把自己对知识的理解过程和解决问题的方法简单地告知学生,让学生感知教师的思路,领悟教师所有方法的意图和效果,让学生积累教师解决问题,探究问题的方法,积累研究问题的经验,进而影响学生在自读本文时逐步形成比较完整思路,最终造成设定的教学目标难易不当;二是知识本位现象。教师的目光总是停留在知识目标上,而忽视了学生的学习兴趣的培养和学习方法的渗透,造成教学目标单一。这两种现象直接影响了有效教学目标的设定,导致一节课下来学生收效甚微。那么如何设定有效的符合学生发展需要的“三维教学目标”呢?
一、三维目标的设定应符合新课程理念
新课程理念强调“面向全体学生”、“以学生的发展为本”,“构建全体学生全面发展”的“三维”教学目标,三个方面要均衡发展,缺一不可。教师应将它们合理地整合。在课堂教学过程中,情感、态度、价值观始终存在并影响着学生的学习,所以教师在课堂上要尽可能将学生消极的情感转为积极的情感,将积极情感加以激发和呵护,培养学生学习的兴趣和学习的自觉性,让学生热爱学习。
二、三维目标的设定应符合学生的实际水平
课堂教学的主体是学生,教师所设定的教学目标一定要体现以人为本,叶澜老师认为“课堂教学的价值需要从单一地传递教科书上呈现的现成知识,转为培养能在当代社会中实现主动、健康发展的一代新人”即强调课堂教学关注的是人,课堂教学最终目的就是使学生获得进步和发展。所以在设计课堂教学目标时,教师应充分了解学生的知识基础和认知水平,从学生的实际出发,确立能确实为每个学生全面发展服务的“三维目标”。
三、三维目标的设定应紧随课堂发展
教师可以对课堂教学目标进行预设,但课堂的教学过程是千变万化的,一堂好课在课前是不可能完全预设好的。在课堂中应有教师和学生情感、智慧与思维的碰撞过程,有师生互动的活动过程。在这个过程中,既有教学资源的生成,又有活动过程状态生成,教师所设定的教学目标可以随着课堂生成性资源的开发而灵活调整,不断完善,这样才能有利于学生的发展。
金属矿山通风系统三维仿真优化 篇3
在我国,未来的几十年将处于工业化中期阶段,对矿产资源的利用及需求将会进入一个高峰期,矿产资源的供求矛盾将会更加突出[1]。由于地下矿产资源稀缺,且不可再生,目前我国的浅表矿床及开采条件相对较好的矿床储量不断减少,迫使大多数矿山转入深部或复杂矿床的开采[2]。据统计,我国大型金属矿山约有10%的开采深度在700～1 000m,20%的开采深度在500～700m。而且未来金属矿山的开采深度还会继续增加,随之而来的技术难题之一就是通风问题。例如,矿井通风的内外部条件将会变得更加复杂,通风网络越来越复杂,通风阻力增大,热害显现、通风能耗高等[3,4]。如果不进行通风网络的优化和调整,将对矿井的安全生产造成不利影响。因此,对矿井通风系统理论及技术研究就显得迫切和有意义。
矿井通风涉及到采矿工程学、流体力学、测量学、计算机科学以及数据库等多种学科的理论知识,矿井通风系统是一个动态的、多变的复杂系统,对其进行设计、分析、管理以及改造所需的工作量巨大。因此,对于大型矿山的复杂通风网络,必须借助于计算机软件来处理。近些年来,伴随着电子信息技术的不断发展,国内外在矿井通风仿真系统方面的研究十分活跃,各种矿井通风系统仿真软件相继推出。而且矿山通风系统的信息化、可视化、智能化已成为各国矿业所关注的课题[5],本文选用Ventsim三维通风仿真软件进行通风网络的模拟计算。
2 通风系统三维仿真模拟与优化
2.1 Ventsim模拟软件
Ventsim采用最常用的Hardy-Cross法进行风网解算(回路法),根据模型属性数据、风量平衡定律、风压平衡定律、风阻定律来建立数学模型,经过多次反复拟合修正,使各分支风量达到预定的精度时结束计算。此时所得到的近似风量,即可认为是要求的自然分配的风量,从而对矿井通风系统进行优化,使矿井通风系统稳定运行[6]。
Ventsim三维通风仿真系统包含整套风流模拟、热模拟、污染物模拟和通风经济性分析的功能包。系统具有良好的可视化效果和简单易学的特点。通过兼容DXF数据,工程师可使用Ventsim系统快速地在现有设计数据的基础上进行三维通风系统建模。用户同样可以将三维仿真系统中的真三维模型直接输出到AutoCAD系统中形成通风立体图[7]。
2.2 红透山矿通风系统的三维模型
为了保证所建的巷道模型与实际相符合,采用红透山矿业公司所提供的巷道AutoCAD二维平面图形,作为建模的基础。首先利用资料将整个通风系统的AutoCAD三维模型建成,如图1所示。
通风系统AutoCAD三维模型建成后,需要导入到Ventsim软件中,在这之前,需要进行巷道尺寸设置,出于对模型简化的考虑,在这里假设所有巷道的宽与高为2.5m和2.7m。然后导入DWG文件,此时,所有的巷道尺寸都默认为2.5m×2.7m,然后再对个别的尺寸进行修改,比如竖井、回风井、斜坡道等。这样大部分风路在导入后都不需要调整断面尺寸,只需进行小范围内的调整。
模型生成后,利用Ventsim软件的简化工具对模型进行简化,包括风路简化、绑定和删除重复项等。最后对巷道参数进行设置,包括巷道断面类型的设置、巷道特性设置、巷道属性设定及通风动力设置。巷道的断面类型在前面已经设置完成,不需要另设;巷道的特性设置包括是否连接到地表、风流方向是否固定、风流的类型以及所处的图层等;巷道属性的设定包括风阻、摩擦系数和局部阻力的设定;通风系统通风动力的设置包括固定风量或风压以及风机的设定。本文中模型所模拟的是正常工作状态下的通风系统,因此,所有的参数设置均在正常工作状态下。至此,正常工作状态下红透山矿通风系统的Ventsim三维仿真模型已经建成,如图2所示。
模型建成之后,按“F5”键,进行风流模拟。如果风网还有问题,会出现黄色警告,按照提示进行模型的修改,直到模拟成功为止。Ventsim系统在对模型进行模拟解算之后,会给出一个总结报告,让用户更直观地了解目前整个系统的情况。这个报告包括通风网络的总风量、风阻、通风效率、风路数及风路总长度等。
3 红透山矿通风系统测试与分析
3.1 通风系统的测试
对铜锌矿现有通风系统、阶段平巷、工作面等地点的风量、风速、风向、温度、湿度以及气压进行测试,在详细分析测试数据的基础上,结合所建立的模型,提出合适的通风系统改造方案。
测试内容主要包括:①地表西部风机和地表东部风机两个出口的尺寸、风速、温度、湿度、静压;②东部风机合开、467东部风机单开时467东部风机硐室进风口的尺寸、风速、温度、湿度、气压;西部风机合开时,467西部风机硐室进风口的尺寸、风速;③各工作中段的进风量:包括巷道-467、-527、-587、-647m平巷的尺寸、风速、风向、温度、湿度;253m井口处、巷道-707、-767、-827m平巷的尺寸、风速、风向、温度、湿度、气压。
3.2 通风系统测试结果分析
(1)将所测的每个中段的进风量与所建模型的模拟结果进行比较,如表1所示。
从表1可以看出,模拟结果与测试结果的最大相对误差是5.59%,误差都在10%之内。考虑到矿井内通风情况复杂,以及测量时不可避免的人为误差,认为误差在合理范围内,可以确定此次基础数据可靠,所使用的风网基础参数符合实际。因此,上面所建模型是可靠的。
(2)现场测试-467m和-527m中段的风量很小,越靠近下部中段的风量越大,说明风门调控有效;但现场反应下部中段采场风量不大。结合模型可以看到,-647m中段的风流通过爆破器材库短路直接流向回风井,因此到达各采场的风量很小。
(3)下部7个中段的风量为86.34m3/s,-467m东部风机风量为73m3/s(此时,-467m西部风机未开),说明东部风井承担了大部分的通风量,剩余13m3/s由西部风井承担。
(4)通过几个风机状态切换测试发现,上部风机的开关对下部中段的风量影响不大,例如当地表西部风机与-467m东部井下风机合开时,测得-467m井下风机入口处的风量为73.24m3/s,这时再闭合地表东部井上风机时,同一地点测得风量为72m3/s,忽略测试误差,可认为东部井上风机的开关对风量基本没影响。而且在模型上重复上述操作时,东部井下风量只增加了3.2m3/s,可以考虑移除东部地表风机。因此下部的风量主要靠-467m中段东部风机提供动力。
(5)东部井下主扇的风量为73m3/s,此时东部地表未开,其地表有一些雾气呈扩散态,风量很小,说明东部风井-467m以上有漏风点。
(6)地表西部主扇风量为51m3/s,而西部井下风机的风量为13m3/s,说明地表西部主扇的排风主要来自3个方面:西部井下风机、东部井下风机和上部空区。
4 通风系统的优化
4.1 通风系统优化方案的提出
结合上面建立模型的模拟结果以及上述测试结果,发现正常工作状态下通风系统的问题,据此提出相应的解决方案。
方案一:从整个通风系统的局部风流来看,有些回风巷密封不好,下一中段的污风会进入上一中段的采场中,造成风流污染;有些中段的进风总量很大,但实际上进入采场的风量很小;西部地表风机的运行效率只有50%。针对通风系统的局部通风问题,提出-467中段的2采斜坡道加一道风门,在不使用时,将风门关闭,以防-527中段采场的污风进入-467中段的运输大巷;-467中段东部接力风机回风巷中的风门打开,以防污风回流;在-587中段的28采场附近的系统风井的东侧增加密封,以防污风流入采场;在-647中段的爆破器材库的进口加风窗调节,以防造成风流短路,进入-647中段的风流直接通过爆破器材库回流到西风井,而流入采场中的风量很小;在-827中段,将17采的3702井作为中段的回风井,以解决-827中段东部采场风量小的问题;西部地表风机的效率不高主要是由于其所承担的阻力较大,微量调节-467、-527、-587中段西风井回风巷中的风门、风窗等,不仅增加中段的进风量,而且能提高西部地表风机的效率。在模型上完成方案的修改后,再进行模拟,可得到模拟后的模型,并且得出总结报告。
方案二:从通风系统的整体来看,整个矿体向东侧伏,回风井跟不上生产需求。目前还能维持矿山的开采,随着新矿藏的勘察,整个矿山开采还要继续向东进行,对以后的通风不利。针对此种情况,提出在-467中段东风井东侧,开拓一条回风井直接接通地表。此时,经过Ventsim软件模拟,结果显示:-467东部井下风机过速,不能正常工作。需要进行风机的选型及安装,这个过程可借助Ventsim软件进行。在没调整风机时,会因为系统的风阻改变,使得系统的工况点不在风机的特性曲线上,即找不到工况点,系统会提示风机风压过低的错误。但是风网会解算出风机此时的风压和风量,可以根据这两个值选取风机的类型及安装角,主要考虑国内K系列节能矿用风机,可以通过查矿用风机手册或是Ventsim系统数据库,找到合适的风机。因此,-467中段的接力风机将DK-6-No.19替换为DK45-6-No.18,其安装角度为40°,并且将东部地表风机移至新建回风井井口位置。将此方案进行Ventsim模拟,可得总结报告。
4.2 通风系统优化方案的选择
根据Ventsim软件进行通风系统优化模拟仿真的结果,将两套通风系统优化设计方案与原系统进行对比,见表2。
综上所述,方案一的基建工程小、投资少、见效快,可在短期内缓解矿山的通风压力,但是难以解决整个通风系统风量不足的问题。从表2中可以看出,方案一的模拟结果与通风系统现状进行比较,各项指标略有提高,但不是很明显。而方案二的投资较大、回风井的基建周期较长,但可以解决通风系统的长久通风问题,对以后矿山的开采也多有益处,用该方法进行优化后,通风系统的年功耗成本将每年减少约8万美元,从长久的经济效益来说,是获利的。因此,结合矿山长远规划,应该选择方案二,但是首先要改善通风不良问题,同时加快回风井的建设。在矿山通风管理上建议加强Ventsim软件在通风管理中的应用,为以后红透山矿的通风系统分析和通风管理提供技术支持。
5结语
选用Ventsim矿井通风三维模拟软件,针对红透山矿的实际情况,建立了矿井通风系统三维模型,对其矿井通风系统进行解算,并将模拟计算结果同实际测试数据进行了比对,验证了所建三维模型的可靠性,并且得到合理的优化方案。
(1)针对超过8 700条、120km长巷道的红透山矿,采用Ventsim软件建模的方法对通风系统进行解算和优化,对复杂矿井通风系统的现状分析和系统管理高效、准确。
(2)经过红透山矿的调研及测试,根据测试所得的各中段的风量和风机参数,可以初步判断出东部井上主扇对于深部东向开采的作用不大,井下风门调控有效,但是仍存通风需求得不到满足的情况,-467m上部中段有漏风点的问题。
(3) Ventsim作为一款三维通风模拟软件,其模拟计算结果与实测数据基本吻合,误差小于6%,验证了此模型的的可靠性。同时发现了红透山矿还存在污风混入新风和风流短路的现象。
(4)通过对通风现状的综合分析,提出两种矿山通风改造的方案,利用Ventsim软件对红透山矿通风系统改造方案进行模拟计算后,考虑矿体的分布及未来的发展,建议在东侧新建回风井。此方案可以减少风阻0.158 43N·s2/m8,降低网络年功耗成本76 475美元,通风效率高达到71.5%。
参考文献
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[2]高贺祥.对制约深部找矿有关原因的分析[J].中国科技博览,2012,(15):44.
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[6]王大尉.基于Ventsim软件的矿井通风系统优化[J].煤矿开采,2011,16(5):25-26.
三维优化 篇4
并且本文使用MIDAS软件对高达双线隧道进行三维开挖仿真模拟，从而得出更为符合工程实际的理论数据，为工程实际提供更为准确的理论参考
【关键词】隧道；不同断面；数值分析；稳定性
1. 引言
公路隧道的一般设计过程与铁路隧道大体相同，但铁路隧道建筑限界固定统一，而公路隧道的建筑限界却不固定，且公路隧道为大跨度、扁平、几何形状呈多样化的特点，它取决于公路等级、技术标准、车道数、通风要求、工程地质、施工方法等条件，公路隧道的附属设施如通风、照明、消防、报警等也均比铁路隧道多、要求高，且每一座隧道均会因交通流量和长度不同而要求不同。因此，公路隧道难以像铁路隧道那样编制出标准设计图，而需根据其具体的要求进行单独设计，其中魏建军、蒋斌松发表的公路隧道内轮廓形状的数值优化中对此内容进行了研究。
本文基于高达隧道所遇到的选择断面问题为背景，尝试借助于数值分析的方法，从理论上来探讨高达隧道断面形状的设计比选、优化，并使用MIDAS软件分析工程稳定性问题，国内韩贝传发表的数值分析技术的发展现状及在岩土工程中的应用，张云峰发表的隧道施工过程的数值模拟分析与方案的优化对这方面的问题进行了阐述。
2. 工程概况
高达隧道位于辽宁省东部的宽甸县青山沟乡，走向南西237°左右。设计双线分离隧道，间隔40m左右，属短隧道。
隧道区位为中低山区，属长白山脉东南部余脉。总体上北西侧高，向南东倾斜，海拔高度370.60～433.60m之间，相对高差63.00m，山势较缓，树枝状沟谷发育，冲沟窄坡陡，东侧洞口（右进左出口）中等坡地貌，坡角18～24°左右，西侧洞口（右出左进口），坡角11～17°左右。
根据《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）中的公路隧道围岩分级方案的有关规定，综合考虑隧道底板标高以上三倍洞径范围内的围岩工程地质条件及岩土体物理力学性质诸多要素，对隧道围岩进行工程地质分级，洞口段为Ⅴ级围岩，洞身为Ⅲ、Ⅳ级围岩。
由高达隧道工程地质概况可以得出隧道大部分地段处在Ⅲ级、Ⅳ级围岩下，地质条件较为差，所以隧道稳定性研究需要在弹塑性理论下进行。而稳定性研究主要考虑在较不利的条件下进行的开挖受力情况，所以本文不讨论隧道断面在Ⅲ级围岩下的稳定性问题，而主要分析讨论Ⅳ级围岩下不同断面的稳定性问题。
3. 不同断面隧道的开挖模拟数值分析
由于本隧道属于细长结构物，即隧道的横断面相对于纵向的长度来说很小，可以假定在围岩荷载作用下，在其纵向没有位移，只有横向发生位移，所以隧道的力学分析可以采用平面应变模型进行。
本文选取了四种典型的隧道断面进行计算分析，分别为圆形隧道、单心圆隧道、直墙圆拱形隧道和三心圆隧道，计算分析隧道围岩及衬砌内力和位移。通过隧道开挖过程中的仿真力学分析，以模拟结果比较分析得出最为适合本工程的隧道断面形式。
ANSYS分析隧道及开挖、支护利用软件中的生死单元法，平面单元采用PLANE42单元，锚杆采用Link1单元，支护用BEAM3梁单元进行模拟。计算中采用了Drucke-Prager屈服准则。
3.1 圆形断面开挖模拟分析。
圆形隧道位移图见图1。
通过隧道位移矢量云图可以看到隧道在X方向的拱脚处发生较大的位移0.314e-3m，Y方向拱顶处发生最大位移0.0155m。
3.2 单心圆断面开挖模拟分析。
单心圆隧道位移图见图2。
通过隧道位移矢量云图可以看到隧道在X方向的拱脚处发生较大的位移0.812e-4m，Y方向拱顶处发生最大位移0.00413m。
3.3 直墙圆拱形断面开挖模拟分析。
直墙式隧道位移图见图3。
通过隧道位移矢量云图可以看到隧道在X方向的边墙处发生最大位移0.967e-4m，Y方向拱顶处发生最大位移0.004122m。
3.4 三心圆断面开挖模拟分析。
三心圆隧道位移图见图4。
通过隧道位移矢量云图可以看到隧道在X方向的边墙处发生最大位移0.909e-4m，Y方向拱顶处发生最大位移0.0041m。
3.5 特征内力。
各开挖断面位移最大值及位置见表1。
由图可以看出，圆形断面的受力是最小的，而且内力沿断面分布也很均匀，断面受力最为合理；而单心圆断面、三心圆断面的剪力、弯矩则在边墙脚处发生较大的突变；直墙圆拱形断面的剪力同样在边墙发生突变，而断面的弯矩也在边墙中处有一定的突变，对工程稳定性有较大的影响。
本隧道模拟选用Druker-Prager屈服准则，对四种隧道断面进行开挖模拟分析。分别比较了隧道的洞周位移、应力及衬砌的弯矩、剪力和轴力等力学数据，从各项数据中可以得到结论，圆形断面隧道的受力是最为合理，但是同时隧道的断面面积过大，对于实际工程来说很不经济。而相比较之下直墙圆拱断面的断面面积最小，受力较为合理，并且开挖方法也最为简便，故综合比较各断面的经济、力学等因素，最终选择直墙圆拱形断面为高达隧道的断面形式
4. 高达隧道工程稳定性分析
鉴于MIDAS/GTS软件在隧道三维建模及施工。
模拟方面的优越功能，本文将采用MIDAS/GTS对高达隧道进行开挖过程的模拟及工程稳定性的分析。
在断面优化比选中，本文选择了直墙圆拱断面形式为高大隧道的主隧道断面，下面将进行隧道的稳定性分析：隧道周围的围岩位移从有限元分析结果来看隧道在开挖过程中总的拱顶下沉在19.2mm，两侧边墙的水平位移27mm。隧道周围的围岩的移动趋势水平方向上拱脚、边墙处的位移较为明显施工时需注意加强支护。
隧道周围的围岩应力从各个方向地层的应力图以及主应力图可以看出随着隧道的开挖修建整个地层大部分区域都是受压的，水平方向上隧道边墙应力明显集中，垂直方向上隧道拱顶应力较集中。故需对隧道边墙中加强支护。
5结论
5.1 本文以辽宁丹东地区高达隧道工程施工实际遇到的选择断面问题为工程背景，采用有限元分析等手段，模拟工程实际情况，通过ANSYS有限元分析软件，对不同断面的受力状态进行分析和比较，通过比选得出高达隧道工程技术可行、经济合理的开挖断面为直墙圆拱形断面。
5.2 为更好对高达隧道工程提供理论上的参考，本文最后采用MIDAS软件对高达隧道工程进行三维仿真开挖模拟。对高达隧道提供更为准确的理论参考数据。
5.3 通过对高达隧道开挖模拟的三维仿真模拟可以得出，总体上说隧道结构是安全的，但是隧道的边墙、拱脚及隧道的底部需注意加强防护工作，尽量早的对隧道进行支护，以保证隧道的安全施和运营。
参考文献
［1］韩贝传，数值分析技术的发展现状及在岩土工程中的应用［J］，全国岩土工程计算机高效率利用展示与研讨 19990512 中国建筑学会.
［2］张云峰，隧道施工过程的数值模拟分析与方案的优化［D］，合肥，合肥工业大学，2007.
交通信号干线控制优化设计三维仿真 篇5
计算机仿真技术的快速发展, 为城市交通的模拟仿真和相关技术的研究提供了迅速发展的平台。交通仿真是计算机仿真技术在交通工程领域的应用, 可以为交通管理系统设计方案评价、道路几何设计方案评价、交通工程理论研究、交通安全分析、新交通技术和设想的测试以及人员培训等应用领域提供方便、高效的实验分析工具[1]。如何使用发展迅速的计算机图形学技术, 建立精细的模型, 精确的仿真交通系统的各个方面, 就成为一项非常有必要的研究课题。
1 交通信号干线协调控制
交通信号控制从空间关系上划分为单路口控制 (点控) 、干线控制 (线控) 和网络控制 (面控) [2]。点控是指对单一交叉口或一条干线上或一区域内的各个交叉路口分别单独进行信号控制的方式[3]。把一条干道上一批相邻的交通信号连接起来, 加以协调控制, 这就是交通信号干线协调控制。点控是线控的组成部分。韦伯斯特经反复测算, 得出了韦伯斯特最佳周期的近似计算公式:
其中L为每个周期总的损失时间, Y为交叉口交通流量比[4]。最佳周期是信号控制交叉口上, 能使通车效益指标最佳的交通信号周期[5]。
假设:某十字路口东南西北入口道的总车流量分别为600veh、900veh、900veh和1200veh, 各个方向的车流量如图1。设饱和流量s=2 0 0 0 v e h, 黄灯时间为tY=3s, 全红时间为tR=2s。采用四相信号控制, 如图2。
相位1的临界车道 (临界车道是指每一信号相位上交通量最大的那条车道) 车流量为q1=600veh, 相位2为q2=300veh, 相位3为q 3=400 veh, 相位4为q4=300veh。
各相临界车道流量比之和为
总损失时间为
得出南北路口直行时间为17s, 左拐时间为8s, 黄灯时间为3s, 红灯时间为27s;东西路口直行时间为12s, 左拐时间为8s, 黄灯时间为3s, 红灯时间为32s。
为使干线上各交叉口的交通信号能够协调控制, 各个交叉口交通信号的周期时长必须是统一的。根据以上方法可以计算出不同交叉口的最佳周期, 从中选取最长周期作为整个干线的周期时长。当车辆在相邻交叉口间的行驶时间等于交通信号周期的倍数时, 即相邻交叉口的间距符合关系式
其中v为车辆可连续通行的车速, n为倍数, 那么车辆就可在干线上连续行驶, 减少了时行时停的情况。
假设南北干线上有两个相邻的单交岔路口, 车辆通过该干线的车速为110km/h, 则两个交叉路口应相距:
在本仿真中取n=2, 得到两个交叉路口相距3.36km。
2 3D MAX仿真
使用3D MAX对以上交通干线进行三维仿真, 首先对道路、汽车、交通灯等进行建模。按照图1所示各个方向的车流量, 设置交叉口东西南北四个方向右拐、直行和左拐的车辆, 并随机设置他们的初始位置, 根据 (11) 式设置两个交叉口相距的距离。
然后为模型设置动画。依据 (6) (7) (8) (9) 式得出的交通信号的时间长度, 设置交通信号的材质动画, 以达到交通信号红黄绿变化的效果。设置好交通信号的动画后, 就要设置汽车的动画了。图3是某辆汽车在X、Y、Z三个方向的动画轨迹。
为每辆汽车设置帧动画比较繁琐, 可以使用3D MAX内置脚本语言MaxScript, 同时设置多个汽车的群体动画。首先在脚本中将具有相同行驶方向的汽车设置成为一个数组:
然后使用for循环来为数组中的每一个元素设置动画:
当汽车行驶到停车线附近, 而且前方交通信号的红灯亮时, 汽车就要停下来, 一直等到交通信号的绿灯亮, 汽车才可以再行驶。在汽车行驶过程中, 还要防止汽车之间发生碰撞。由于在3D MAX中, 各个对象之间是可以互相穿透的, 如果所有遇到红灯停下的汽车都停在了停车线附近, 就会出现多辆汽车重叠的现象, 这在现实中是不可能发生的。鉴于以上几个情况, 汽车停止行驶需同时满足以下几个条件:
(1) 行驶方向的交通信号红灯亮;
(2) 汽车在停车线后方的位置停止;
(3) 停车线处已停有汽车时, 后来的汽车要以一定间距停于其后。
为了满足第三个条件, 设置一个停车计数器, 初始值为0, 停车线后每停一辆车, 计数器加1, 相应的下辆车的停车位置应与停车线位置相距停车间距的N倍, 而且在停车线后方。
最后在场景中创建摄像机, 设置摄像机动画, 将摄像机与某辆汽车绑定, 调整视角, 以得到好像在马路上真正驾驶汽车的效果, 图4是摄像机视图的渲染效果。
3 结论
通过运用3D MAX对交通信号干线控制的仿真, 可以很直观的观察到交通信号控制的优劣, 各种交通问题一目了然。因此, 三维交通仿真将是一项非常有必要的研究课题, 而3D MAX也会为三维交通仿真提供很好的仿真平台。
摘要：通过对交通干线的研究, 建立交通信号干线控制优化算法, 并使用三维动画软件3DS MAX进行建模和仿真, 得到直观的场景效果。
关键词：交通,仿真,3DS MAX,动画
参考文献
[1]Yang Qi.A Simulation Laboratory for Evaluation of Dynamic Traffic Management Systems.Massachusetts Institute of Technology, 1997:160-169
[2]韩雪, 张秉森, 张引等.单交岔路口交通信号定时控制三维仿真[J].系统仿真技术.2008, 4 (1) :30-34
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[4]刘智勇.智能交通控制理论及其应用[M].北京:科学出版社.2003
三维优化 篇6
一、优化思想政治教材的必要性
1. 教材的性质
教材是什么?上网一搜索, 我们发现一些有趣的比喻, 如教材好比是剧本, 教师好比是导演, 类似导演要依据剧本进行影视分镜头的拍摄和制作, 剧本的内容与自己的思路、视角等会有一定的距离, 只有充分发挥自己的才智, 才能将风格各异的影视片呈现在广大观众面前;教材是桥梁, 一头搭建在校园, 一头通向社会, 学生通过这座桥梁走向社会、融入社会, 教师既是这座桥梁的搭建者、维修者, 也是设计者, 等等。
这些比喻, 都验证了叶圣陶先生曾经说过的一句话:“教材无非是个例子。”这启示我们, 教材只是一个载体, 一个素材, 需要教师精心剪裁、挖掘和创造。所以, 我们教学的过程不是教教材的过程, 而是一个用教材教的过程, 是一个再创造的过程, 是对教材的不断发展、不断丰富的过程。
2. 思想政治教材的特点
高中思想政治课进行马克思列宁主义、毛泽东思想、邓小平理论和“三个代表”重要思想的基本观点教育, 以社会主义物质文明、政治文明、精神文明建设常识为基本内容, 强烈地体现着国家意志。这些学科的内在规定性, 决定了思想政治课教材必须适应社会存在的变化并相应做出调整。但是, 教材的调整是赶不上时代变化的。为跟上时代的步伐, 需要教师及时调整教材内容, 提高学生的学习兴趣和教学的实际效果。
同时, 遵循了从生活到理论的原则, 新课程背景下的思想政治课教材设置了大量的感性材料和探究活动, 增强了教学的直观性、趣味性和学生参与的机会, 于启迪学生的思维, 培养学生动手、动脑和动口的能力大有益处。但面对众多的素材, 我们不可能一一利用, 需要教师根据实际情况进行选择性的使用。
3. 思想政治教学的特殊性
从《普通高中思想政治课程标准 (实验) 》 (以下简称《课程标准》) 提出的课程性质与课程基本理念中我们知道, 思想政治课是一门对学生进行马克思主义基本观点教育, 提高学生认识、参与当代社会生活的能力, 培养公民思想政治素质的课程。思想政治课教学要坚持马克思主义基本观点教育与把握时代特征相统一, 加强思想政治方向的引导与注重学生成长的特点相结合, 构建以生活为基础、以学科知识为支撑的课程模块, 强调课程实施的实践性和开放性, 建立促进发展的课程评价机制。而要实现上述要求, 优化课堂教学内容是绝对必要的。
二、优化思想政治教材的原则
1. 强调情感态度与价值观优先, 坚持思想政治观点统领知识点
《课程标准》提出知识、能力和情感态度价值观三个维度的课程目标, 课程目标虽然分三个维度来表达, 并不意味从三个维度分别实施课程目标, 而是必须从整体上把握这三个目标维度的关系。作为中学德育主渠道、主阵地的思想政治课教学, 必须强调以情感态度价值观为优先目标, 在处理知识点与思想政治观点的关系时, 要坚持思想政治观点统领知识点的原则, 知识点的选择要服从并服务于思想政治教育的目标设置。
例如, 针对“源远流长的中华文化”的内容, 《学科教学指导意见》提出“结合我国某一传统文化现象产生和发展历程的分析, 加深对中华文化‘源远流长’的理解, 激发对中华文化的热爱之情”的要求。教学该内容时正值“神舟七号”实现太空行走之后不久, 于是, 笔者就用翟志刚身穿“飞天”太空服的照片、敦煌飞天壁画和明朝万户飞天图替换了教材中“秦始皇陵兵马俑”等材料, 贯穿教学始终。这样处理, 不仅明确了文字、史书典籍是中华文化源远流长的见证, 而且能用从中自然延伸的“为什么我国能够实现太空行走”这一设问激发学生的爱国热情。
2. 打破教材的“唯一资源”地位, 突出其“工具”性
我们现在所使用的新教材与课改前教材之间存在明显的区别。课改前, 我们把教材定性为“教师教学和学生学习的资源”, 甚至是“唯一的资源”。所以, 师生都力求用足教材、学透教材, 甚至以能够背熟教材为豪。在新课程背景下, “教材好比是剧本”, 只能当做一种教学工具, 选择性就成为新课程的一个重要特征。于是, 笔者依据课程标准确定教材的重点和主干知识, 对教材进行补充、删减、替换, 合理地重组教学内容, 体现时代性, 并将一些重要概念、原理、观点等教学与自己所教班级学生的日常生活和已有经验紧密联系、融合起来, 以帮助学生结合自己的经验建构知识模块, 实现三维教学目标。
例如, “弘扬中华民族精神”强调新中国成立后, 尤其是在改革开放新时期, “中国共产党继续弘扬中华民族精神, 不断为中华民族精神增添新的时代内容, 把中华民族精神提升到了一个新水平”。为此, 课文列举了“两弹一星”精神、大庆精神、抗洪精神、载人航天精神。教学该内容时, 正值中央举行抗震救灾表彰大会, 于是, “万众一心, 众志成城, 不畏艰险, 百折不饶, 以人为本, 尊重科学”的抗震救灾精神就成为重要的补充内容。这样的补充, 不仅仅弥补了教材的时效性欠缺, 及时向学生传达党和国家的大政方针, 更突出了中国共产党“继续弘扬中华民族精神, 不断为中华民族精神增添新的时代内容”的性质, 从而有效地支持、服务于课程目标的实施。
3. 理解教材编排意图, 立足课程标准, 大胆整合教材知识体系
《课程标准》规定了本学科的性质、目标、内容框架、教学建议、评价标准等, 它既是国家管理和评价课程的基础, 也是教材编写、教学与评估以及升学考试命题的依据, 因此, 它是指导教学活动、优化教学过程和衡量教学成果的纲领性文件。而各地以《课程标准》为依据编写的教材, 其结构和线索不似数学、物理等学科那样严谨、清晰。所以, 教师要用好教材, 必须首先正确理解教材的编排意图, 理清教材线索, 从中找出隐含在其中的知识点, 然后将其放到整个教材体系下进行解读。作为“桥梁的搭建者、维修者和设计者”, 我们教师在进行教学设计时必须立足于课程标准, 把课程标准的“内容目标、提示与建议”细化为具体的可操作的课堂教学目标, 对教材进行大胆整合, 使之形成一个相对完整的知识体系。
例如, 选修3“国家和国际组织常识”专题二“君主立宪制和民主共和制:以英国和法国为例”中的1、2框题, 教材所叙述的内容都是英国的政体内容, 理论逻辑性较差, 学生很难自己概括出知识体系。笔者在仔细研究《学科教学指导意见》, 明确这两个框题教学要求的基础上, 教学时把两个框题合并重组, 理出一个学生比较容易把握的“英国议会制君主立宪制”知识体系 (见下图) 。
三维优化 篇7
三维装箱问题在集装箱装载、飞机装仓、码头装货、物流公司等诸多领域有着广泛的应用。特别是随着我国市场经济的发展,医药物流的作业效率和效益越来越显现出它的重要性,而装箱问题作为医药物流配送过程中的一个关键技术越来越多地受到重视。
三维装箱问题是一个具有复杂约束条件的组合优化问题,在实际中有许多约束条件需要考虑。为了在合理的时间内找到近似最优解,在实践中一般采用启发式方法来求解.
1.1 问题定义与约束描述
多种药品单箱三维装箱问题定义为:给定1个宽度为W,长为L,高为H的箱体A和n种不同类型的药品a1,a2,,an第i(i=1,2,⋯,n)种药品有mI个,第i种药品的三维尺寸为bi×ci×di.求这些药品在B箱的装载方案(可以有部分药品剩余),使其在满足一定约束的情况下放入药品的空间利用率最大。针对药品的特殊性该算法主要考虑的约束包括:
(1)空间约束。被放入的任何药品边界不能超出箱长宽高限制的范围,这是最基本,也是最重要的一个约束。
(2)摆放位置的稳定性。稳定性指上层药品需被下层药品完全支撑,没有悬空的部分。药品摆放稳定性高,保护药品不受损坏;药品批号的完整性约束。即同一类型药品,尽可能放在一起,这样能够方便药品的装卸,提高装卸的效率;药品的方向约束。指药品可以以6个面中的哪几个面作为底面。
1.2 启发式算法
根据医药分拣装箱实际操作过程,本文算法采用由底向上的方式完成药品的装载,既优先铺满底面,然后再向上堆放药品。大体过程是:首先由完全相同的药品组成“模块”,然后用模块自底向上依次填充所选择的目标平面,并重新生成若干新的平面,然后不断重复上述过程来完成最终的摆放方案。算法流程如图1所示。
(1)排序原则:
一般情况下,体积大的放在下面,也就是大不压小。
按药品的体积大小排序,先大后小;按药品的底面积大小排序;开始时同类药品存放在一起,后来由于空间逐渐减少,同类药品可以进行拆分放置。
(2)matlab平台下装箱试验三维装箱模拟过程:
创建一个足够大的矩阵,使之能够容纳基于当前坐标轴大小的一系列指定的图形。
调用getframe函数生成每个帧。该函数返回一个列矢量,利用这个矢量,就可以创建一个电影动画矩阵。调用movie函数按照指定的速度和次数运行该电影动画。调用movie2avi函数可以将矩阵中的一系列动画帧转换成视频文件avi文件。
1.3 装箱试验三维装箱试验模拟过程
试验分析:设定纸箱空间尺寸为(200mm*300mm*100mm),随机生成10种药品,应用启发式算法,利用matlab进行程序编制,计算装载率,生成视屏动画。
本文算法最终计算结果空间利用率为90.53%,达到了较好的效果。比文献[4]描述的同类问题结果83.3%有显著提高。
2 分类选箱
2.1 现状分析
笔者通过到某医药物流公司仓储内复核提取部分药品包装及拼箱的实际数据,计算出公司内复核员装箱装载率平均为68.55%。由于实际装箱选箱是最大的难题,药品的摆放受一定的限制,装箱率低是普遍存在的问题。由于医药物流公司用来内复核装箱的纸箱都是整件拆零后废弃的箱子,箱子的种类和尺寸有上万种。选择合适的纸箱是内复核效率的瓶颈。
(1)纸箱分类原则
按可用纸箱体积的大小,等体积分类。
当一个订单的药品总体积比最大的箱类还大时,要把该订单的药品拆分,且尽量使拆分后选箱类型相同。
当一个订单的药品总体积比最小的箱类还小时,用塑料袋装。
(2)纸箱分类数
将纸箱分类,类别的选择也很重要。类别少,易操作,选箱速度快,但装箱率低;类别过多,难操作,选箱速度慢,但装箱率较高。因此综合考虑类别和装箱率的关系是算法得以实现的关键问题,算法流程图如图3。
2.2 案例分析
以某医药物流公司北京分公司的药品纸箱数据为例,对箱子进行分类,假设所有纸箱都存在且可快速找到,按纸箱容积大小均匀分成9~20类,找最合适的箱子。应用启发式算法,利用matlab进行程序编制,计算不同分类对装载率的影响。计算结果见表1。
由表1可知,在选箱分类数达到15时,装载率达到75%,成功装箱次数达到94%,虽然选箱分类数达到20时,装载率达到76%,但是进行过多的分类,浪费人力。以分类数15为最佳分类,实行分类装箱原则后,装载率由68.55%提高到了75%,大大提高了装载率。
3 结论
上述计算结果表明,本分类选箱算法可以得到较高的装箱空间利用率,比原有装载率提高近7%。新的分类选箱算法和装箱启发式算法的结合可使装箱的空间得到合理的利用。
基于该算法的实用程序在matlab的环境下已调试通过。实验结果表明,该分类选箱算法结合装箱启发式算法是解决此类问题的一种有效的方法。
参考文献
[1]刘嘉敏,等.基于组合的三维集装箱装入启发式算法的研究[J].工程图学学报,2005,5.
[2]姜义东,查建中,何大勇.集装箱装载矩形货物的布局研究[J].铁道学报,2002,22,(6):13~18.
[3]翟钰等.多种物品三维装箱问题的一种启发式算法.上海交通大学报,2007,8,(6):244-247.
三维优化 篇8
结构拓扑优化在结构设计中具有良好的实用性, 已经成为当今结构优化设计领域中的一个研究热点。目前, 结构拓扑优化研究大多集中在静力领域, 动力学拓扑优化的研究成果相对较少;而在实际工程中, 结构不仅承受静荷载, 而且还受到地震、气流等产生的随机动力作用的影响。因此, 开展随机荷载作用下的结构拓扑优化研究具有重要的工程应用价值。
近年来, 苏成, 徐瑞[1]从时域角度出发, 提出了非平稳随机振动分析的时域显式法, 该方法在大型复杂结构分析过程中表现出良好的计算效率[2]。Z.Q.Hu, C.Su等[3]采用直接微分法求解灵敏度方程, 提出了非平稳随机振动灵敏度分析的时域显式法。
因此, 本文建立以结构随机响应为约束、结构体积最小为目标的优化模型, 并采用上述时域显式法分析结构随机响应及其灵敏度, 最后结合全局收敛的移动渐近线法 (GCMMA) [4]求解结构拓扑优化问题。
1 优化模型的建立及求解
以结构体积最小为优化目标, 指定节点位移方差最大值不超过预定限值为约束条件, 分别以杆件截面面积及节点坐标为设计变量, 则其优化模型可以表达为如下形式:
其中, V为结构总体积;Aj为结构第j根杆件截面面积;lj为结构第j根杆件的长度;m为杆件数;t为地震作用时长;max (σi2 (Y) ) 为结构第i个自由度响应方差最大值;珚σi2为第i个自由度响应方差预定限值;s为响应约束数目;Amin和Amax分别为杆件截面的上下限值; (xk, yk) 为第k个节点坐标;xmin和ymin分别为节点坐标变量的下限值;xmax和ymax分别为节点坐标变量的上限值;p为节点数。优化算法采用全局收敛的移动渐近线法 (GCMMA) 。
2 结构动力响应及其灵敏度分析
2.1 动力响应分析的时域显式法
考虑n维自由度的线性结构系统, 地震作用下的动力学方程可以表示为:
其中, M, C, K分别为结构的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵;Y, 分别为结构的位移向量、速度向量和加速度向量;L为荷载定位矩阵;为地面运动加速度。
由文献[1]可得, 当系统初始状态V0为零向量时, 第i时刻结构系统状态Vi在时域内可显式表达为:
其中,
其中, Ai, 1, Ai, 2, …, Ai, i分别为前面的只与结构参数有关的系数矩阵, 反映结构参数对结构动力响应的影响。
在分析过程中, 通常并不需要求解所有响应向量, 从而第i时刻结构某自由度的响应方差可表示为:
其中, φ为某自由度响应的定位向量, 其元素由0和1组成。
2.2 动力响应灵敏度分析的时域显式法
基于以上动力响应时域显式表达的基本思路, 同理可得动力响应灵敏度的时域显式表达。设θ代表线性结构的某设计变量, 动力学方程式两端对θ求偏导, 且假设地震加速度与设计变量无关, 整理可得:
对比上式发现, 两式仅荷载项不同, 因此, 当系统初始状态灵敏度为零向量时, 由文献[3]可得第i时刻结构响应灵敏度的时域显式表达为:
其中,
其中, 分别为只与结构参数有关的系数矩阵, 反映结构参数对结构动力响应灵敏度的影响, 若要求解响应方差的灵敏度, 可根据文献[5]的结构随机响应方差灵敏度的一般计算公式:
将公式整理可得第i时刻结构某自由度响应方差灵敏度的计算表达式:
3 数值算例
考虑如图1所示空间桁架结构, 结构有限元模型采用196个空间杆单元, 108个自由度, 所有单元弹性模量为E=210×109Pa, 质量密度为ρ=7 800 kg/m3, 杆件的质量堆积到各杆端部节点上。此外, 二层和四层的所有节点均附加质量块M=80 000 kg, 如图1中小黑点所示。结构阻尼采用Rayleigh阻尼模型, 其中阻尼系数为α=1.5, β=0.025。考虑结构同时受x方向和y方向水平非平稳地震作用, 两个方向的非平稳地面水平运动加速度均采用均匀调制的平稳随机过程模拟, 即。其中, 调制函数g (t) 取如下形式:
其中, 相关参数为δ=12.21, β1=0.4, β2=0.5。均采用零均值高斯平稳随机过程, 其功率谱密度函数采用Kanai-Tajimi过滤白噪声谱, 即:
其中, ωg为地基土卓越频率, 取14 rad/s;ζg为地基土阻尼比, 取0.6;S0为地面水平运动加速度的谱强度因子, 均取0.05 m2/s3, Δt为计算时间步长, 取0.05 s。
以结构总体积最小为目标, 取A, B, C, D四个节点的x和y方向的位移方差最大值为约束条件, 即max (σ2Ax (Y) ) ≤5.0×10-11m2, max (σ2Ay (Y) ) ≤5.0×10-11m2;为了使优化后的结构为对称结构, 其余三个节点的约束条件均与节点A一致。固定顶层所有节点坐标, 以其余各节点的坐标及各杆件截面面积为设计变量, 共计244个设计变量。为避免刚度矩阵和质量矩阵出现奇异性, 杆件截面面积的下限值取Amin=0.001 m2。优化后的结构如图2所示, 优化过程中结构总体积和约束条件的收敛曲线如图3所示。优化前后结构的位移方差及总体积如表1所示。
4 结语
本文建立以结构随机响应为约束、结构体积最小为目标的优化模型, 采用时域显式法求解结构随机响应及其灵敏度, 并结合全局收敛的移动渐近线法 (GCMMA) 求解优化问题, 通过数值算例验证该方法可以很好的推广到空间桁架结构的随机动力拓扑优化问题中。从上述的图表中可得, 空间桁架结构在满足位移方差约束的条件下, 结构材料总用量得到了节省, 优化后的结构拓扑布局较为合理, 对工程结构的优化设计具有一定的指导意义。
摘要：建立了以结构体积最小为目标、指定节点响应方差为约束的优化模型, 采用时域显式法分析了随机地震作用下结构响应及其灵敏度, 并结合全局收敛的移动渐进线法 (GCMMA) 求解了结构拓扑优化问题, 最后通过三维桁架结构数值算例验证了该拓扑优化的可行性。
关键词：拓扑优化,三维桁架结构,时域显式法,随机地震作用
参考文献
[1]苏成, 徐瑞.非平稳随机激励下结构随机振动时域分析法[J].工程力学, 2010, 27 (12) :77-83.
[2]苏成, 徐瑞, 刘小璐, 等.大跨度空间结构抗震分析的非平稳随机振动时域显式法[J].建筑结构学报, 2011, 32 (11) :169-176.
[3]Z.Q.Hu, C.Su, T.C.Chen, et al.An explicit time-domain approach for sensitivity analysis of non-stationary random vibration problems[J].Journal of Sound and Vibration, 2016 (382) :122-139.
[4]K.Svanberg.A class of globally convergent optimization methods based on conservative convex separable approximations[J].SIAM J.Optim, 2002 (12) :555-573.
三维仿真地形中的寻路算法优化研究 篇9
路径规划和寻路问题主要是指在已有的原始地图路网中选出一条从起点到目标点之间的最佳路径, 具有非常重要的实际意义[1]。本文介绍了三维仿真图形中的寻路算法, 并在构造寻路路网的基础上进行了寻路算法的优化。
2 寻路算法理论与技术
到目前为止, 很多研究人员都至力于寻路算法的研究并取得了很大进展, 产生了一些研究成果, 这些研究成果主要表现在两个方面:静态寻路方法和动态寻路方法。
静态寻路方法主要是指在外界环境 (寻路地形信息) 不变的情况下, 计算最优路径。其次, A*算法的使用环境约束条件较多, 非常适用于方形网格构造的路网, 对使用其他方式构造的路网并不适用。再次, A*算法无法在动态地形环境中使用, 所以对于地形状态实时改变的情况, 无法作出正确的判断。而且在一张大范围的路网中, A*算法可能需要遍历数百甚至上千个节点, 这样就花费了太多CPU时间并且占据大量的存储空间。
动态寻路方法是指外界环境 (寻路的地形信息和寻路条件) 不断发生变化, 在不能预估计的情况下计算最短路径[5]。其次, D*算法虽然可以工作在简单的具有三维高程信息的地形模型上, 但对于多个寻路对象从源点向目标点出发进行寻路这种协同交互合作的情况, D*算法无能为力。
3 三维仿真地形中的寻路算法
三维仿真地形是指在传统的二维平面栅格地形表示中, 加入第三维高度维。使得每一个在计算机中存储和表示的坐标点, 除了具有在XOY平面中的相对位置之外, 还具有高度Z的信息。这样, 形成的地形不再只具有二维平面空间上的位置信息, 通过第三维高度维的表述, 得到了形如同自然界中高低起伏的真实地形的存储、显示以及计算的方法。
三维仿真地形中的寻路:在三维仿真地形中, 路径规划问题仍然是找到一条从起始点到中止点的最优路径。但是寻路环境的变化对寻路方法提出了很大的挑战。分形布朗运动是现代非线性时序分析中的重要随机过程, 它能有效地表达自然界中许多非线性现象, 也是迄今为比能够描述真实地形的最好的随机过程。
4 局部栅格表示方法
由于现实自然景物的复杂性, 真实模拟自然景物的计算量还是很大的, 因此特别需要探索出一些高效的算法, 尤其在虚拟仿真系统中, 通常希望产生实时动画的效果, 因此算法的效率更显重要。各相邻三角形间没有信息传递导致了地景表面留有不自然的线型轨迹, 并且不能通过局部平滑去除, 即所谓的“折痕问题”。为了消除折痕, 提出了改进的随机中点位移法。
对于已经生成的三维随机分形地形, 需要对其进行路网的构造, 以此来形成可寻路的路网, 为寻路算法的正确执行提供保证。以下是寻路路网构造的简单步骤:
(1) 输入具有自相似性可控分形地形图;
(2) 进行地形的三角化;
(3) 对划分完成的具有TIN地形网格特征的地形进行顶点重要度估价;
(4) 计算所有边的特征值;
(5) 对符合一定条件的边进行塌陷和消除处理。
在3D交互虚拟现实引擎中, 主要完成寻路个体的路径决策和路径规划过程, 寻路模块指导寻路个体找到从起始节点到目标节点的最优路径。在此模块中, 我们实现了多对象协同决策、判断、寻路的算法。以下是路径选择算法的设计:
算法功能:进行多寻路个体路径选择及行进决策
输入:寻路个体的初始信息;寻路个体所在的路网网格的当前状态和相临状态信息。
输出:若存在最优路径, 输出。否则, 返回路径不存在的标志信息。
(1) 为第k个寻路个体初始化两个列表:Openk和Closedk。Open列表存储当前位置的所有相临网格的信息。Closed表存储己被访问过的网格及此网格的各种相关属性。
(2) 对于第k个寻路个体, 前面k-1个寻路个体己经出发了, 那么在t时刻, 和三角形网格i相临的三个三角形网格j, m, n上的决策信息量, , 就有可能不是初始值。
(3) 以第i个网格为起点, 检查所有与网格i相临的网格j, m, n是否已经存在于Closedk列表中, 将还没有进入Closedk列表中的网格纳入进入Closedk列表中。然后分别计算出网格j, m, n的, , 。既求出网格i相临的网格j, m, n的状态行进决策函数。
(4) 在三个相临的网格中找出D (t) 值最小的网格j, 这个网格是我们所要选择的网格。切换第J个网格为当前位置。
(5) 在第j个网格成为当前位置之后, 根据第三章协同交互系统的理论, 更新第j个网格上的决策信息量为, 以便影响后面寻路的个体。
5 小结
本文首先叙述了寻路算法的理论和技术, 然后重点介绍其中的静态寻路算法和动态寻路算法, 并对其优缺点和适用情况进行了分析, 最后对三维仿真图形中的寻路算法提出改进, 并通过寻路实例来进行了有效验证。在地图规模较大、分岔路数量众多时, 该寻路方式可能需要较长的时间, 存在一定的不足。对相关的路径规划算法作进一步地优化, 将是下一步的工作重点。
摘要：路径规划和寻路问题主要是指在已有的原始地图路网中选出一条从起点到目标点之间的最佳路径, 受到越来越多的计算机研究人员的重视, 具有非常重要的实际意义。本文介绍了三维仿真地形中的寻路算法, 并在构造寻路路网的基础上进行了寻路算法的优化。
关键词：三维仿真地形,寻路算法优化,栅格表示
参考文献
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