复杂优化（精选九篇）
复杂优化 篇1
关键词：火炮,高平机,优化设计
0引言
为适应现代战争所要求的机动性,作为地面部队主要压制火力的火炮轻量化设计成为火炮现代设计中的重要课题。高平机是火炮轻量化设计的产物,是将高低机和平衡机结合在一起,具有调节高低射角和减小手轮力的双重效果的新型结构。其结构紧凑、操作方便的特点,不仅使全炮质量大大降低,而且能够保证良好的机动性能。传统火炮高平机设计方法过于依赖工程人员的经验,且很难得到性能最优的结构,所以基于先进设计理论与方法的高平机参数优化研究具有重大意义[1]。
为了更加充分地挖掘高低系统的优良性能,提高传动系统效率,有必要进一步对整个高低系统进行优化。国内已经有学者对高平机进行了初步优化,但是模型过于简化,不符合实际。对于文中分析的对象,螺杆气压式高平机来说,要提高手轮力以及系统整体的效率,不能局限于高平机部件。高平机部件属于火炮高低系统的一部分,要得到手轮力的最优力学性能,就必须考虑高平机部件在高低系统中的耦合关系,将从驱动装置手轮到执行部件高平机之间的所有传动环节,包括由花键副、万向节、螺杆螺母副等组成的整个传动链视为优化对象。文中旨在找到最优性能下的各参数的相对最优解。针对简单结构或零件传动刚度、效率等传统问题,前人虽进行过定性分析和研究,但却没有很好的应用到复杂机械系统传动的优化分析中,目前国内对机械传动的优化仅局限于齿轮、丝杠等局部零部件的优化。在前人的基础上进行深层次的探究,将整个火炮高低系统作为一个复杂的机械系统详细分析并进行建模寻优计算,这对目前正在研究的新型轻量化牵引火炮具有重大意义。作为新的分析手段在传统问题上的应用,这种新的探索不仅代表了现代机械设计的趋势,而且对实际生产设计具有很好的指导作用[2,3,4]。
1高平机系统结构及工作原理
文中研究的是螺杆气压式高平机,即高低机功能由螺杆螺母实现,平衡机功能由密闭腔高压气体实现,并通过弹簧在大射角时补偿。左右高平机对称布置,通过传动杆相连,同步运动。火炮被赋予某个射角后,起落部分产生的重力矩被平衡力矩抵消一部分,剩余的不平衡力矩由高低机承受并实现自锁[5]。
当打高火炮射角时,转动手轮,使输入转矩通过锥齿轮以及万向花键联轴节传递给高平机左侧齿轮箱,通过传动箱及传动杆带动左右两侧螺杆同步转动,使得螺母相对螺杆向上运动,带动外筒相对内筒向上滑动,从而带动摇架射角增大,起到高低机的作用。外筒和内筒间装有高压气体和密封液体,当外筒相对内筒向上滑动时,由于空间体积的增大使气体压力按多方规律下降,产生较小的平衡力,从而可以克服较小的起落部分力矩,完成平衡机的功能。
当打低火炮射角时,原理与打高火炮射角时相同,通过螺母相对螺杆向下运动带动摇架射角减小; 通过气体压力上升,产生较大的平衡力克服较大的起落部分力矩。高平机传动机构原理图如图1。
手轮传动箱固定于上架,经高低传动机构,使摇架绕上架耳轴进行转动,此传动链为一闭链传动,且左右高平机并联对称布置,同步运动,故在分析机构位置时可将高平机传动系统视为图2所示的平面机构。
由图2可知,以射角为零度时的位置作为初始坐标位置,A点代表上架耳轴,B点为高平机上铰轴; 杆AB代表摇架,通过A点与上架铰接,通过B点与左右高平机铰接。G点为高平机下铰轴与上架的链接位置,BG代表高平机部件,其中移动滑块代表高平机螺筒与螺杆的移动副链接关系。F点为左右高平机间传动杆位置,E点为前万向节联轴器中心位置,FE为带动高平机螺杆传动的输入齿轮轴,F点与两齿轮轴相交位置重合,两轴夹角为要优化的结构安装尺寸。D点为后万向节联轴器中心位置,将E、D点简化为平面上的转动副,E、D之间通过移动副链接,代表空间上的花键结构。C点为火炮上架上的点,将上架视为地面,则A、D两点同时固接于地面,其中C点为手轮轴与计算平面的垂直交点; CD为手轮带动的齿轮轴。
图2为由旋转副和移动副组成的简单平面机构,自由度为一,可将其视为两个平面四杆机构的组合,即曲柄滑块机构ABHG和曲柄滑块机构GEID,在对其进行运动学分析时可使用矢量三角形的方法。
2手轮力相关因素运动学分析
万向节两端的齿轮轴装配角度可调,直接影响到不同高低射角下前后万向节夹角,而在夹角过大时会极大的降低传动效率。将通过空间传动机构简化为平面连杆传动机构的方法计算万向节传动夹角的表达式,进而计算出万向节花键轴的传动效率,而分析平面传动机构位置关系的同时也可以精确计算出变结构重力矩力臂的长度,修正前人将其视为简单正弦函数所带来的误差。
a) 万向节夹角计算
建立整体坐标系,利用矢量环建立各点和杆件位置之间的关系。建立如图3所示坐标系o - xy,AB与水平线的夹角,范围为- 3°至65°,以左水平线作为AB杆角度的参考位置,顺时针为正,逆时针为负。坐标原点设定在下支点G处。
将AB杆的转动角作为输入,转角范围是- 3°至65°, FE与ED间的所夹锐角为 α,ED与水平线的夹角为 β,可用 θ 来表示。为方便使用矢量三角形法分析,将图2演变成图3所示机构。
建立如图3所示坐标系o - xy,易得A、B、C、D、E、F、G各点初始坐标。
B的动态坐标表达式通过矢量环来确定:
可以得到下式:
则B点的坐标值:
GB的单位方向矢量为:
则GF可表示为:
为方便后续的速度、加速度、力等的分析,采用变换矩阵的方式求解FE的矢量。
在G点建立局部坐标系O - xy,该坐标系与连杆GB固结的,坐标系O - xy到o - xy的旋转矩阵为:
GB与GE的夹角固定,通过余弦公式计可以算得GB、 GE、BE的杆长。GB与GE的夹角大小为 φ,GE在坐标系O - xy中可表示为GE'矢量:
可求得后万向节夹角为:
可求得前万向节夹角为:
b) 万向节效率计算
以往在理论计算手轮力时,将传动的效率估算为一个常数值,但是对于文中研究的火炮的传动结构来说,这样的分析方法会在不同射角时产生较大的偏差,所以给出打高低射角过程中效率的计算公式,即效率是随射角变化而变化的变量。
根据经验对前人用过的万向节效率公式进行修正,传动系统中有锥齿轮副m个,滚动轴承n个,则单个万向节效率计算公式为:
c) 变结构质心位置修正
起落部分包括上部架体和与高平机外筒固接的部分, 两者的相对位置在火炮改变高低射角时随之改变,前人的分析方法是直接将其在零度射角的质心与转动中心——— 耳轴的距离看做旋转半径,继而计算重力矩。但这样的处理方法在较大射角时会带来较大的误差,即起落部分的质心位置不是随射角简单变化的线性函数,这就需要对组成高低系统两部分分别计算其相对于耳轴的力臂,再通过加权平均的方法算出瞬时的质心。
设上部架体质心位置为动点N,高平机外筒质心位置为动点M,则两点处的质量相对于耳轴A重力矩的力臂应为矢量AN、AM的水平分量的绝对值。
先求出矢量GM
通过矢量三角形GAM可得到AM矢量:
则,点M与点A的水平距离为向量AM的水平分量:
在初始位置时AN连线与水平线的夹角为:
可得任意射角时N与点A的水平距离为:
由上可计算重力矩力臂为:
3手轮力分析计算
高平机受力分析示意图如图4所示,图中O为耳轴中心,A为高平机与摇架相连接的上支点,B为高平机与上架相连接的下支点,β 为OA、OB的夹角,G为起落部分的质心,lq为耳轴O点与起落部分质心G点之间的距离, φ 为起落部分的高低射角,γ 为OG与水平线的夹角,h为耳轴O点到AB直线间的距离,Fp为高平机产生的平衡抗力,l为上下支点AB间距离,g为重力加速度,r1为耳轴与上支点距离,r2为耳轴与下支点距离。下文所示符号的脚注中,0表示高低射角为0时的状态,j表示高低射角为j时的状态,- 3≤j≤65,j为整数。
a) 几何位置
0°射角r1、r2夹角:
上下支点间的距离:
压缩行程:
相对于耳轴的力臂:
其中: ( x1,y1) 为A点初始坐标,( x2,y2) 为B点坐标。
b) 重力矩 Mqj
产生重力矩的质量分为相对为之随射角改变而改变的两部分: 不含高平机筒的上部架体部分m1和高平机外筒部分m2,所以应采用变结构力矩的计算方法分析重力矩,得到动结构力臂:
总重力矩:
其中: lq1为上部架体重力相对于耳轴的力臂,lq2为外筒部分相对于耳轴的力矩。
c) 弹簧补偿力矩MTj
当 φj> φc时,补偿弹簧才起作用,φc为补偿弹簧开始工作角度。
单个高平机弹簧力:
弹簧补偿力矩:
其中k0为补偿弹簧刚度。
d) 平衡力矩Mpj
高平机容积:
单个高平机平衡力:
平衡力矩:
其中: V65为65°射角时的高平机容积,P65为65°射角时的高平机压强。
e) 紧塞部分摩擦力矩Mfj
紧塞部分摩擦力:
摩擦力矩:
其中: f1为平衡机密封圈与内筒的摩擦系数,f2为平衡机密封圈与螺筒的摩擦系数,d1为内筒外径,d2为螺筒外径,l1为内筒与密封圈接触长度,l2为螺筒与密封圈接触长度,c为修正项。
f) 有效平衡力矩
有效平衡力矩由平衡力矩、弹簧补偿力矩和紧塞装置摩擦力矩组成。其中弹簧补偿力矩是弹簧开始起作用时有效。摩擦力矩的方向与其运动趋势相反,所以火炮打高射角和打底射角的有效平衡力矩计算公式不同。
1) 当打高射角时,平衡机的有效平衡力矩为:
2) 当打低射角时,平衡机的有效平衡力矩为
g) 不平衡力矩计算
不平衡力矩为有效平衡力矩与重力矩之差,即:
当有效力矩大于重力矩时,高平机处于过平衡状态; 当有效平衡力矩小于重力矩时,高平机处于欠平衡状态。 即打高射角时,过平衡状态下,螺杆受拉,螺母运动方向与其轴向受力方向相同; 欠平衡状态下,螺杆受压,螺母运动方向与其轴向受力方向相反。向下打时,情况相反。
1) 当打高射角过平衡和打低射角欠平衡时,螺杆驱动力矩为:
2) 当打高射角欠平衡和打低射角过平衡时,螺杆驱动力矩为:
h) 传动效率 η 与手轮力
通过传动效率和传动比,可将螺杆驱动转矩直接转化为改变射角时所需的手轮力。高平机手轮半径为R,传动比为i,由式( 17) 求得 η,则手轮力计算公式为:
4手轮力优化建模
传统的设计方法是根据总体方案的要求,选取不同的结构参数进行方案预算,因此,要想取得一个较为满意的方案往往要反复多次,而要取得最优方案就更困难了。前人尝试过的优化设计方法是在整个射界内多参数寻优,将最大不平衡力矩最小作为优化目标,但其优化设计模型过于简化,与实际相差较大,不易得到最优解,不能体现优化的真正意义。而文中优化得到的最优方案,可以为总体布置提供高平机的最佳参数匹配。
考虑传动系统中补偿弹簧和压缩气体的特性,结合相关结构、位置及特性参数,建立起高低系统整体力传递模型,推导力传动效率及手轮驱动力的计算公式,分析各可变参数对传递效率和手轮力的影响,并找出关键影响参数。以提高整体系统的传动效率,减小手轮驱动力,根据性能分析的结果合理配置设计变量,建立起高低系统的多目标性能优化模型,采用多学科优化软件i Sight,对所建立的优化模型进行求解,以获得高低系统的最优力学性能。 同时,对优化的结果进行分析评价。
考虑高平机压缩气体初始压强、体积,螺杆摩擦特性、 弹簧补偿特性、结构尺寸等有关参数,对弹簧的设计计算、 万向节花键联接轴的效率计算、传动效率匹配等方面分别建立独立的优化模型进行试验,验证模型的可行性。在此基础上进行设计变量的合理配置,同时以最大手轮力最小作为优化目标,建立高平机的参数化模型。
优化模型以高平机的位置参数、结构参数及特性参数为设计变量。考虑高平机压杆稳定以及螺杆行程需控制高平机上下支点最大距离的上限; 高压气体密封的实际操作难度及由此所带来的附加摩擦力,控制高平机初始内部气体压力最大值的上限。以手轮力最大值最小为设计目标,优化设计的数学模型如下:
其中,FSL为手轮力,包括打高射角手轮力与打低射角手轮力,整个射角范围内手轮力最大值为FSLmax; Lmax与Pmax为约束条件上限。设计变量设置与说明如表1所示。
5优化前后结果对比
采用多学科优化软件i Sight集成Matlab进行优化,优化的流程为: 首先输入优化设计参数的初始值,调用一次Matlab进行计算,得到一轮手轮力数值,输出结果后采用遗传算法寻优,获得新的输入参数,重复上述优化流程,知道搜寻到全局最优解的大概位置,按经验选择一定的计算次数时开始采用胡克基夫算法进行寻优,其特点是较快收敛到最优解,提高效率。
本次计算共寻优14 400次,耗时15 h,进化历程图如图5。
通过组合优化算法的寻优可得到全局最优解即可行域内手轮力最大值达到最小,将得到的参数值进行圆整并重新计算手轮力。表2为优化设计结果与传统设计结果的对比。
手轮力曲线表示要使得火炮射角改变的力的大小,以及在射程范围内手轮力变化趋势。图6为将优化前后的曲线相对比的曲线图,可以看出优化后的曲线趋势变为平缓,变化范围大幅度减小,即最大手轮力明显减小。其中虚线代表打低射角时的手轮力,实线代表打高射角时的手轮力。优化前手轮力最大的时刻出现在打底射角65°的地方,且相当一部分射角的手轮力在150 N左右,这会给实际操作带来较大的困难。而优化后的手轮力除不常用到的- 3°射角之外,整个射程内手轮力均不到100 N,且打高和打底射角时手轮力范围相当,体现出优化的明显效果。
6结语
针对火炮重要部件高平机进行了结构参数及特性参数的优化,通过多岛遗传算法与胡克基夫组合优化算法得到全局最优解,将手轮力的最大值降低60%,实际操作可行。
在某些靶场实验的情况下,高平机的结构及位置参数已经确定,此时可以实际装配情况为准将除初始容积、初始压强以外的参数作为定值,针对初始容积、初始压强进行高平机特性参数的单目标寻优,针对优化结果对高平机特性进行调整,及时的将手轮力控制在可操作的范围内。 而文中的创新点在于,将高平机本体与传动系统同时考虑,较全的考虑各方面影响参数,研究对象是包括高平机本体部件、上部架体特性以及手轮传动在内的整个高低系统。
复杂优化 篇2
复杂物流系统订货点量建模与仿真优化
复杂物流系统是一个由若干个制造商、若干个批发商和若干个零售商组成的网状物流链.讨论了在不确定性环境下.采取周期性盘点策略的复杂物流系统中各实体订货点量的建模与仿真间题.作者认为,在分散控制策略和以零售商为核心的控制策略这两种情况下,可以通过建立基于模糊集合理论的复杂物流系统模糊分析模型来确定各实体的.最佳订货点量,在此基础上运用作者所开发的复杂物流系统仿真工具CLSim对订货点量进行仿真优化,可以得到在物流链集成控制策略下的订货点量.文章的最后,通过一个实例对作者的上述观点进行了说明.
作 者：朱卫锋 费奇 ZHU Wei-feng FEI Qi 作者单位：华中科技大学系统工程研究所,湖北,武汉,430074刊 名：数学的实践与认识 ISTIC PKU英文刊名：MATHEMATICS IN PRACTICE AND THEORY年，卷(期)：35(7)分类号：C93关键词：复杂物流系统 供应链 模糊集合 仿真模型 订货点量 不确定性
用“复杂性理论”优化城市交通系统 篇3
有没有这样的专门研究呢？北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室教授吴建军告诉记者：“复杂性科学可以为我们研究这些复杂问题提供强有力的工具。”而吴建军从事的正是这一复杂性研究，他从交通系统的科学问题入手，围绕城市交通管理的复杂性展开了一系列深入研究。
2004年，吴建军硕士直博，师从高自友教授。吴建军说，自己的成长离不开导师及其团队的影响。从论文选题到前沿文献的获取，导师都给予了吴建军详细的指导。为了汲取科学研究素养，培养自己独立开展研究的能力，吴建军总是抓住每一个机会，积极参与国家级高水平项目的研究。同时，他也常和导师交流讨论专业热点问题。正是这些无形中的点滴积累，吴建军得到了快速成长。
博士期间，他便主持了北京交通大学第一批优秀博士论文创新基金和北京交通大学专项研究员基金，并获“北京交通大学五四奖章”“北京交通大学优秀研究生”等多项荣誉称号。其毕业论文获2010年全国优秀博士学位论文。博士毕业以后，吴建军按需要加入到了轨道交通控制与安全国家重点实验室基础理论研究团队工作。为了弥补自己在轨道交通知识上的缺陷，他决定从最基础的课本知识开始学习，积极参加讨论班，并通过各种学习、研讨及现场锻炼等途径不断补充自己。
有心人，天不负。十多年的深入研究，吴建军在城市交通系统管理与优化、城市交通网络结构复杂性研究等方面取得了多项重要前期科研成果，在国际上最早将交通出行行为科学与复杂性科学理论相结合，从理论建模、新算法设计和数值模拟等方面对交通系统管理中的基础理论问题进行了系统深入的研究，部分解决了一些国际公认的难题，丰富了交通系统科学理论的研究范畴。
基于城市交通出行者行为科学及复杂网络相关理论，吴建军构建了一系列出行行为影响下的城市交通系统管理与优化模型，从新角度研究了网络拓扑与流量承载力的关系难题。结合宏观路网与微观个体出行行为复杂性以及车流在路网上的运行特征，吴建军首次基于网络复杂性科学，构建了复杂交通网络上的交通流传播与级联效应模型。以城市公共交通系统为研究对象，他还研究了城市轨道交通线网间首末班车换乘衔接问题，为城市交通系统的信息化与智能化提供理论模型与方法上的支撑，部分解决了如何处理交通枢纽均衡利用这一现实问题。
大型复杂GSM网络优化方法探讨 篇4
在国内很多城市的GSM网都是大型的、复杂的网络,由于频率资源受限,在高密度的当前网络规模下,干扰问题日益严重,通话质量不断降低,整个移动通信网络将面临网络干扰失控、网络性能无法平衡、网络可扩展性差、网络建设效益逐步下降的发展瓶颈。为解决网络快速发展和持续稳定的客户感知之间的矛盾,平衡好大型复杂的无线网络的容量、覆盖和质量之间的关系,网络优化的方法和思路必须从网络结构层面开展优化整治,在基于无线网络结构重整的基础上开展各项网络优化工作,才能从根本上提升无线网络质量。
一般地,网络的覆盖优化就是对网络中基站的布放和配置进行调整优化,这些调整优化包括站间距、站高,天线方向和下倾,乃至小区载波配置、室内外站点分布、直放站分布等。调整无线网络的结构,提高大型、复杂的网络质量尤为必要的是“三高”的整治,城市“三高”整治就是:室外高站、室外高容量配置站和高比例城市无线直放站整治与优化。
1 室外高站整治与优化
室外高站一般建于基站密度较低的建网早期,最大的特点是信号强、覆盖远,载频配置高,那么这种高站就极易对周边邻近小区造成严重干扰。在移动网络发达地区应当逐步解决室外高站的干扰问题,使其最终从网络中消失。开展室外高站整治优化,应按照“评估—分离—弱化—消除”的循序渐进的优化过程,通过逐渐弱化高层站在网内的功能,最终消除室外高站。
室外高站整治优化可以遵循“评估—分离—弱化—消除”的循序渐进过程,减少高站在整治过程中导致的感知严重波动和质量恶化影响,最终实现室外高层站从网络中消失的目的。
(1)评估阶段:
本阶段主要为实现整治及优化对象的筛选,并对优化工作量和达成目标进行预测。
①依据室外高站过覆盖系数评判标准,结合扫频分析和动态覆盖评估分析结果,找出网络中的TOP严重过覆盖室外高站。
②根据有效干扰小区数,对室外高站的整治优先级进行排序。
(2)分离阶段:
本阶段主要为实现将室外高站承担的过多功能进行分离,通过室分改造、街道站建设、天线优化等方法,将特殊场景的覆盖和容量剥离出来。
①针对室外高站整治优化后可能出现的涉及投诉和道路的小范围覆盖盲区,通过调整周边中层站的天线方向,分担该小范围盲区的覆盖。
②针对室外高站整治优化后可能出现的大范围覆盖空洞,需及时规划新小区或新站进行覆盖空洞填补。
③针对以上措施无法解决的投诉覆盖死角,通过新建光纤直放站、GRRU光纤拉远等方式进行增补覆盖。
④针对室外高站整治优化后可能出现的具有高容量需求的覆盖盲区,通过新建底层街道站、室内分布独立信源等方式进行容量吸收解决。
⑤针对室外高站覆盖的高层楼宇室内区域,为避免整治后出现无覆盖问题,需及时开展室内分布方案或全楼覆盖改造进行增补;若因其他原因无法开展室内分布改造,应暂时保留该高站并更换高增益窄波束天线进行专向覆盖的解决方案。
(3)弱化阶段:
本阶段主要为实现室外高站的干扰影响弱化,使在最终达成消除室外高站前的在较长工程时期内,减少室外高站的存在对周边产生的频率约束限制和网络结构破坏所造成的干扰影响。
①通过将室外高站的逻辑层值调至最高层,控制层门限参数降低接入优先级,将重叠覆盖区域的话务转移至周边小区,仅保留其覆盖功能,并结合基站地理分布,判断该站是否广域覆盖站。
②若该室外高站不是广域覆盖站,则根据周边小区的话务分担和拥塞情况,结合共址1800M小区建设、底层街道站建设、硬件及参数调整,开展周边区域的话务均衡,弱化该站的容量功能。
③若该室外高站是广域覆盖站,则分析周边环境、楼层结构和选址难度等因素,评估是否具备降低该站高度的可行性。
④如暂时无法实现室外高站降高,则一方面,通过共址1800M小区建设、底层街道站建设、硬件及参数调整等方式,开展周边区域的容量均衡;另一方面开展天线俯仰角调整、天线类型置换等方式开展高站过覆盖整治,同步弱化该室外高站的容量功能和覆盖功能。
⑤对弱化容量功能后的高层站及时进行无线利用率评估,拆除冗余载频配置,减少室外高站对周边小区的频率限制水平。
(4)消除阶段:
本阶段主要通过工程改造,彻底消除室外高站对周边网络结构的破坏、消除其对周边频率约束的限制影响。
①对完成容量分担后的无广域覆盖的室外高站进行拆除。
②对可以实现天线降高的广域覆盖室外高站,降低该站的天线高度。
③对无法降高的广域覆盖的室外高站,通过容量和覆盖功能弱化,同步开展搬迁谈判,最终实现该室外高站搬迁降高。
④对拆除后的现有高站机房作为工程资源进行利用,通过改造转变为街道站或底层站的集中拉远机房,降低选址难度,推进工程进度。
⑤对具备重要战略地位的高站,通过天馈及电力系统改造,将其转型为容灾备用基站,一旦网络出现重大故障时,即可迅速启用以实现对故障区域的应急容灾覆盖。
通过对室外高站整治与优化,可以使跨簇的频率干扰大大减少,降低优化中高干扰的影响。
2 室外高容量配置站整治与优化
随着室外高站逐渐在网络消除,室外中层站将逐渐替代高层站成为承担广域覆盖及广域话务吸收的主力网络,为长期保持中层站的稳定覆盖和良好质量,建议900M室外中层站承担广域覆盖功能,由1800M室外中层站承担广域容量功能。
在不同的网络环境下,室外高容量配置站的整治优先级应具有不同的涵义。根据理论和经验分析,在现有900M和1800M可用频点资源分别为95个和125个的条件下,对于密集城区,建议定义满足以下任一条件时为室外高容量配置站:
(1)同站±30度方向内所有900M小区的载频配置数>7个时。
同站±30度方向内所有1800M小区的载频配置数>9个时。
(2)同站±30度方向内所有900M小区的载频配置数+1800M小区的载频配置数>16个时。
开展室外高容量站的优化,可以遵循以下原则:
(1)室外高容量配置站的整治应以降低网络干扰、提高频率载干比为最终目标。
(2)室外高容量配置站的整治不应以话务损失、牺牲通话编码速率、过度抑制数据业务性能作为代价。
(3)室外高容量配置站的整治应该结合实际排频难度、区域质差话务比例等指标来调整整治优先级。
(4)根据网络的结构化发展,室外高容量配置站的整治应遵循“容量评估—层内均衡—层间均衡—实施减容”的循序渐进的优化过程,最终使室外高配置站趋近900M和1800M分别不超过7个和9个的理想载频配置目标。
3 城市无线直放站整治与优化
城市无线直放站一直是导致网络干扰指数升高的一大原因。降低城区无线宽带直放站比例,就能降低上行干扰、提高话音质量。如果室外高站整治与室外高容量配置站整治相结合,针对客户、业务、区域差异化渐进部署资源,就可以逐步提高服务等级,从而打造网络新优势。
总体整治思路如下:
(1)从网络问题集中突出的中心城区开始,由市区中心到县区中心,由紧急到一般展开,有计划、有步骤、有重点地按区域连片整治、优化、评估。
(2)直放站网络结构优化整治必须考虑TD-SCDMA、WLAN系统的兼容覆盖,满足后期业务发展的扩容需要和局部高速的数据业务需求,对热点地区要达到100%全覆盖。
(3)直放站网络结构优化整治必须制定具体站点整改实施步骤,施工前有通知到各市场部门做好客户解释工作,并确保传输、无线专业同步施工,独立小区及时完成,减少对原系统覆盖区域业务影响。
(4)降低无线直放站比例,将其置换成光纤直放站、光纤GRRU、微蜂窝、宏蜂窝或RRU等光纤化设备,针对不同类型采取不同的调整方案,实现吸收话务、提高功率扩大覆盖区域、降低对基站干扰、分流室外基站话务同时增加室外基站可调性的目的。
城市无线直放站整治主要包括前期评估、整治实施、区域优化及效果后评估三个阶段。
(1)前期评估
无线直放站整治前期评估工作包括整治站点数据搜集分析,区域初评估和勘查,分专业评审确定整治目标和范围,制订整治计划。
①整治站点数据搜集分析和整改区域划定
无线直放站整治前期工作须从多方面综合评估待整治区域,以利于整治工作的目标达成和整治成果的有效性。从规划、投诉、路测、性能分析、频率和直放站维护等多专业、多维度搜集前期主要存在问题数据,并借助地图将各专业问题制作成图层,然后在地图上划定各行政区的整改区域。
待整治区域确定后,从现网直放站数据库中导出并分析各整改区域的所有直放站站点信息,去掉部分容量充足、质量良好,无需增补的非无线直放站及室内分布系统站点,便可以初步确定整改站点。
②各专业评审制定整治方案
将初步分析数据提交给到频率规划、GSM性能优化、投诉、DT/CQT测试、直放站规划及维护专业评审。各专业安排人员到现场勘查核实信息。现场勘察应对每个整治的站点的信息进行核查,并给出初步整治建议。通过现场勘查并结合各专业反馈的整改建议,最终确定整改站点清单,制定站点初步整治方案。
根据覆盖区域特征确定覆盖设备类型,如表1所示。
③制订整治计划
从网络问题集中突出的中心城区开始,由市区中心到县区中心,按区域连片提出整治。
整治站点的优先次序如表2所示。
优先评估计算公式:
优先系数=100/8*(0.366*A+0.309*(0.651*B+0.348*C)+0.225*(0.808*D+0.192*E)+0.1*F)
(2)整治实施
①组建跨专业项目小组,按项目整体推进整治工作开展,做好无线、传输、优化、维护专业间的协调工作,并协调工程建设中出现的各类问题。通过制订相关规范(如会审规范等等),控制工程质量及进度,不断优化调整整治方案。
②会审需要注意的要点:
室内覆盖天线选取兼顾四网(GSM900、GSM1800、TD和WLAN四频段)合一需求。
楼层内覆盖天线密度经验值为覆盖半径10米～12米,对于无法做到入户覆盖的大户型住宅,适当提高天线功率。
设计采用“先功分,后耦合”的原则,将设备功率充分的分配到分布系统中。
相同覆盖类型的区域适用“天线功率均衡性”原则,同层天线口功率之间相差不超过3dB。
2G电梯覆盖天线采取三层一副,天线朝向电梯口的覆盖方式,单天线功率不低于10dB。
楼层天线功率分布采取从高层到低层功率递减的覆盖方式,区分高低层不同采用不同功率覆盖,实现高层抗干扰,低层保覆盖的目的。涉及超高楼层(比周边其他楼层超出1/3),须考虑分小区覆盖,同时根据具体干扰水平调整覆盖功率。
机房内近端设备取电须统一从电源柜上直流端子取电,取电点不允许共用端子,取电统一-48V或24V,禁用交流供电设备或逆变器取电;主机电源插板采用多插板,考虑一体化取电,取电兼顾提供接口供TD/WLAN和传输设备取电。
(3)效果评估
为评估整治后整治区域上行干扰、话音质量的改善情况,可从以下几个指标去评估:
①原无线直放站机小区上行干扰指标整治前后对比。
②整治区域上行干扰指标整治前后对比。
③原无线直放站信源上下行质差话务整治前后对比。
④整治片区上下行质差话务整治前后对比。
根据评估情况进行总结,对问题区域进行网优优化。整治后优化辅以常规网络优化,确保整治目标的实现。
4 结束语
本文总结了对于国内大型复杂的网络的一些有效的优化措施,从室外高站、室外高容量配置站和城市无线直放站整治与优化三个方面进行了网络优化措施的实践建议,给出了具体有效的网络优化工作方法。
山地城市复杂路口交通组织优化研究 篇5
关键词：山地城市,复杂路口,交通组织优化,交通仿真
交通组织优化是指通过在空间和时间上科学合理地分配道路资源, 将交叉口的交通效益最大化。信号交叉口的交通组织优化主要由渠化设计和信号配时优化组成, 渠化设计反应车道对道路的空间使用权, 即各行其道的原则, 配时优化反应车道对道路的时间使用权, 即遵守交通信号的原则。渠化设计决定配时设计, 同时又受配时设计的制约, 需要将渠化设计与配时设计结合, 反复协调优化, 以发挥交叉口的最大潜力。近年来, 国内外专家学者在关于交叉口的交通组织优化方面做了大量研究, 但多集中于十字交叉口、丁字交叉口、环形交叉口的交通组织优化, 而对复杂路口的研究则缺乏案例分析和规律性研究。本文从复杂路口的特征分析开始对复杂路口的交通组织优化进行研究, 并以重庆市某复杂路口的实例对其进行分析应用。
1 山地城市复杂路口特征分析
重庆市是典型的山地城市, 主城被长江和嘉陵江分隔, 地势高低起伏, 道路狭窄, 车道数少, 城市组团特征明显。道路起伏坡度大, 蜿蜒曲折, 存在大量的复杂路口, 大量的交通集中在城市主干道和快速路上, 交通行为比较特殊。
1.1 几何特征
重庆市主城区道路形态受地理条件的限制, 道路交叉口具有明显的山地特色, 存在大量的多路口交叉口、X形交叉口、畸形交叉口等复杂路口, 如大溪沟交叉口、南坪西路交叉口等;同时存在交叉口坡度较大等在平原城市少见的复杂路口, 如马家岩交叉口、凯旋路与新华路交叉口等;有的交叉口相交道路是曲线, 如临江门交叉口等。这些类型的复杂路口在山地城市较普遍, 具有一定的代表性。
1.2 交通运行特征
山地城市道路蜿蜒曲折, 路幅较窄, 自行车不宜出行, 在各种交通出行方式中, 可以忽略自行车的出行。居民的短距离出行中, 步行比例占总出行方式的50%以上, 交通流受行人的干扰大。调查显示, 公共交通出行方式约占出行比例的33.4%, 公交出行的比例较大, 同时公交线路比较集中, 部分路段公交车的比例达到30%以上, 大量的公交线路集中在主干道上。
由于城市的组团式结构, 大量的城市机动车交通量集中在主干道上, 主干道上的交通量大于道路通行能力, 导致主干道交通拥堵;城市的多个商业中心, 采用单向交通组织, 缓解商业中心交通量大的问题。
1.3 交通管理特征
山地城市道路交叉口由于受到用地的限制, 多数进口道没有进行车道划分、拓宽渠化, 在主干道与支路相交的部分交叉口多采用右进右出的交通管理方式。在交通管理过程中, 缺乏对特殊路口的针对性管理, 大都采用宏观层面上的统一管理模式, 交通参与者的交通行为无法有效约束。部分交叉口的交通标线模糊, 驾驶员不按照车道功能划分行驶, 随意变换车道, 随意路边停车, 在交通量不大的路口, 行人不遵守交通规则等现象屡禁不止, 闯红灯现象严重。
2 复杂路口交通组织优化
2.1 交通组织优化概念及分类
道路交通组织优化是利用科学合理的交通管理方法与措施, 通过在空间和时间上科学合理的分配道路资源, 提高道路通行能力和交通参与者的安全性, 使道路交通始终处于高效、有序、安全的运行状态。道路交通组织按照其范围分为宏观交通组织、区域交通组织、微观交通组织。宏观交通组织多是从总体调控和政策上进行控制, 如经济调控、公交优先政策、机动车保有量的控制等;区域交通组织主要是针对主干道、重点区域的交通组织, 如干道协调控制等;微观交通组织主要是针对单点交叉口的交通组织, 如渠化设计、信号配时设计等。本文阐述的复杂路口交通组织属于微观交通组织。
2.2 复杂路口交通组织优化流程
复杂路口交通组织优化步骤一般可按图1所示流程进行。
2.3 复杂路口交通组织优化方法
复杂路口交通组织优化的原则:与城市总体规划、城市综合交通规划相协调;尽量减少不同车流之间的冲突, 减少行人与机动车之间的干扰, 保证交通流运行安全, 提高道路通行效率, 满足交通需求;渠化设计与信号配时优化协调等。
1) 合理的交通渠化。应结合山地城市复杂路口的几何特征来进行合理的交通组织优化, 例如, 设置导流线、导流岛等设施疏导车流, 诱导车辆安全行驶;拓宽车道提高路口的通行能力;规范行人与车辆的行驶秩序, 在保证交通流运行安全和提高通行能力的前提下, 尽量减少交叉口的冲突点数目。
2) 改变复杂路口的形式。结合复杂路口实际情况可以通过改变交通流相交角度或局部调整交叉口中心线等方式, 将部分复杂路口改变成相对规则的十字形路口。
3) 缩小复杂路口的面积。针对复杂路口的具体情况, 可以采取将进口停车线、行人过街人行横道提前的方式, 减小交叉口的面积, 以利于交通组织。
4) 信号配时优化。根据渠化后的车道功能、交通流冲突特点、结合实际车辆运行情况确定信号相位相序, 并根据各流向的交通流量进行验算确定合理的信号配时方案。同时, 在主干道的情况下, 可以考虑多个相邻路口之间的协调控制。
2.4 优化方案仿真分析
在进行复杂路口交通组织优化方案后, 借助先进的交通仿真软件模拟改善方案的交通运行情况, 并通过仿真得到的评价指标进行分析。
目前, 微观交通仿真软件数量众多, 既有商业化的, 也有学术研究的。英国Quadstone公司开发的Paramics软件, 德国PTV公司开发的VISSIM软件, 美国Trafficware公司开发的Synchro系统, 澳大利亚的SIDRAINTERSECTION软件等等。
在众多微软交通仿真软件中, SIDRAINTER-SECTION是一款面对交叉口交通设计和分析研究的交通仿真软件。SIDRAINTERSECTION可以确定造成交叉口交通拥挤的原因, 模拟各种交通管理和控制措施对交叉口的影响效果, 可获得各种类型交叉口的通行能力、延误、排队长度和停车率, 以及油耗、污染指数等评价参数, 分析不同的渠化设计、信号相位和配时方案对交叉口时间和空间资源的利用, 还可根据交通量的增长, 分析设计方案的有效期等功能。
3 案例分析
3.1 复杂路口现状及问题分析
该复杂路口位于商业中心附近, 由北区路、中华路、临江路交叉而成;该路口处于市中心地带, 机动车流量巨大;北区路存在一定的坡度, 且与临江西路夹角较小, 公交车较多, 交通组织困难;该路口有行人过街地下通道, 信号配时只考虑机动车, 不需考虑行人过街的影响。该交叉口现状如图2所示。通过交通调查获得交叉口高峰时间段的最高15min流量换算出的高峰小时交通量, 如图3所示。
目前, 该交叉口采用三相位定时信号控制, 周期时长138s, 各相位全红时间1s, 黄灯时间3s, 第一相位时间 (包括黄灯和全红时间, 下同) 48s, 第二相位54s, 第三相位36s, 现状相位方案如图4所示。
应用SIDRAINTERSECTION软件对该路口现状进行仿真分析, 得到该路口的平均延误为117.6s, 服务水平为F级, 如图5所示。
通过现场调查及仿真结果分析, 该路口存在的问题有: (1) 北区路和临江东路两个进口道的服务水平偏低, 车辆经常滞留在下一周期放行, 平均延误时间高于其他路口, 该进口道交通运行效率偏低; (2) 北区路左转车道渠化为3车道, 直行车道却只有1车道, 而北区路左转和直行车流量相差并不大, 导致直行车道饱和度、延误时间大大高于左转车道, 车道功能划分不合理; (3) 整个交叉口信号配时周期过长, 且部分相位设计不太合理, 如临江东路车流量很大, 而现状相位配时较短, 降低了通行能力; (4) 部分交通标志标线模糊, 影响驾驶员视线, 降低了交叉口的通行能力。
在交通组织优化时, 北区路考虑将一条左转车道改为直行车道;临江东路交通流量较大, 由于受空间的限制, 不可能采用增加车道的方法来提高该进口道的通行能力, 因此, 在交通组织优化的时候要从信号相位配时方案考虑, 增加进口道信号相位的时长, 提高通行能力。
3.2 复杂路口交通组织优化及仿真分析
针对现状问题对其进行交通组织优化, 北区路一条左转车道改为直行车道;临江东路受道路空间限制, 不可能拓展进口车道, 采取增加信号相位时长的方法提高通行能力;重新进行相位方案及配时优化, 优化后的信号相位方案如图6所示。
经过SIDRAINTERSECTION优化, 得到该路口的周期时长为90s, 第一相位Phase A为29s, 第二相位Phase B为31s, 第三相位Phase C为30s, 优化后的各评价指标见图7。
从图7可知, 运用SIDRAINTERSECTION仿真软件对该复杂路口仿真优化后, 交叉口的平均延误由原来的117.6s减小到36.4s, 服务水平由原来的F级上升到D级, 且接近C级, 各进口道的平均延误较均衡, 交叉口的交通通行状况得到较大的改善, 达到优化的目的。
同时, 利用SIDRAINTERSECTION仿真软件, 模拟出当交通量增长到一定比例时, 该复杂路口的各项评价指标, 如图8所示。由图8可知, 当交通量增长到120%时, 整个交叉口的最大饱和度接近于1, 交通量增长到150%时, 整个交叉口的最大饱和度接近于1.3。由此可以看出, 该交通组织优化方案能在一定时间内适用。
4 结束语
复杂路口的交通组织优化对于解决城市日益严重的交通拥堵问题, 提高复杂路口的通行效率和安全性具有重要的意义。从分析复杂路口的特征出发, 提出复杂路口交通组织优化流程和方法, 并以重庆市某复杂路口为例, 提出交通组织优化方案, 利用交通仿真软件对交通组织优化方案进行仿真分析, 结果表明, 对复杂路口进行交通渠化、信号配时结合的交通组织优化方案可以明显改善交通运行状况, 提高交叉口的运行效率, 而且简单、实用。
参考文献
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复杂优化 篇6
1 需求分析
1.1 问题描述
在.Net中, 查询统计功能实现的常规思路是通过结构化查询语言 (SQL) 读取相关数据库的数据表信息, 并以此数据信息作为依据, 按照制定好的各种查询需求对数据信息重新整理整合, 最终将整合后的结果信息集合显示到用户访问的页面上。
当查询结果需求与数据表的结构基本一致时, 只需采用SQL查询语言简单读取几次数据库即可直接得到所需结果。只要开发者的查询逻辑清晰, 查询的运行速度应该可以得到保证, 这种情况不再本文的讨论范围之内。
但当查询需求较复杂时, 为实现查询的功能需求, 可能需要从多个数据表中读取数据, 而数据表结构又常与查询需求结果格式相差较大, 此时无法简单使用SQL查询语言实现。甚至还必需借助临时表或通过页面上的控件等工具暂存部分过程数据, 然后再以这部分过程数据进行数据库检索读取, 直至最终得到查询结果。这种复杂查询以此种方式应用后的直接后果, 就是查询速度慢, 占用资源多, 致使服务器系统性能降低, 并影响其他应用。本文主要讨论的就是此类问题的解决方案。
1.2 问题分析
当出现上述问题时, 分析其产生原因, 不难发现这种复杂查询都有一个共性问题, 在查询中都伴有大量的数据读取操作, 需要频繁操作数据库, 而数据库操作本身则会消耗较多的系统资源。特别是需要使用过程数据逐条进行数据库查询比对等操作时, 查询的运行时间是以过程数据数量的倍数增长, 对系统造成较大负担。当过程数据量比较大时, 甚至会导致系统资源耗尽, 无法得到查询结果, 出现用户访问页面错误等一系列连锁反映。因此, 解决问题的关键就是尽可能的减少数据库的读写操作, 降低对系统资源性能的不必要占用。
2 解决方案
减少数据库的读写操作, 需要对整个查询过程进行优化, 最直接的想法就是对SQL查询语句直接进行优化重组。但SQL语句优化需要对整个需求的思维逻辑重新整理组合或巧妙的对一些数据库内置的函数加以利用, 此方式需要较多的开发经验且要求较高, 否则有可能会收效甚微, 成功率较低。因此, 其适用面比较窄, 实现较困难, 仅能作为辅助的解决方案。
要为从根本上解决此问题, 有效降低数据库读写次数, 经过分析研究, 最后采取的解决方案如下:
一次性从数据库中读取查询结果所需的所有相关数据信息, 并加载到内存中;然后按照查询需求中所要求的逻辑关系, 在内存中对各数据表数据进行重组比对, 最后在内存生成一个保存有最终结果的数据表, 并把数据表反馈给用户访问的页面。整个操作除了初始的读取基础数据需要有操作数据库的过程外, 其余操作全部在内存中完成, 从而降低因频繁读取数据库造成的系统开销。而实现上述思路方法关键就是内存中表的建立及各种操作, 此时就需要用到两个基于.Net的辅助工具DataTable与HashTable, 利用其特有的特性实现上述方案。
3 系统模型设计
3.1 应用环境
本次应用研究采用B/S结构, 基于Web环境, 使用VS.NET作为开发框架, C# 作为编程开发语言。Sql Server作为后台数据库支持。
3.2 关键技术
3.2.1 构建内存数据表
本文查询性能优化的核心操作全部集中在内存中进行, 所以在内存中数据表如何建立, 字段如何设置, 字段类型如何指定就成为优化能否成功的前提技术条件。因DataTable本身就是在内存中存在的数据表, 因而问题就转化为DataTable的建立及设置。
在内存中建立数据表DT_table及建立字符串类型的字段的关键代码:
3.2.2 DataTable数据表整合
当内存中将相关数据表建立之后, 需要根据业务逻辑对基础数据进行重新整合, 此时要掌握DataTable数据表整合的基本操作方法, 关键语句如下:
3.2.3 按条件过滤DataTable
在某些条件下, 需要对已经在内存中形成的表, 再次进行过滤查询。因内存中的数据表非数据库中的数据表, 无法通过SQL结构化查询语言进行直接查询过滤, 此时需要借助DataTable提供的select () 方法进行查询过滤。
3.2.4 HashTable应用数据去重
因为无法使用SQL查询语言, 相应的数据库中特有的数据去重功能也无法使用。当在内存中要快速去除重复的数据, 就需要合理的运用HashTable (哈希表) 的key/value键值对特性, 运用得当可对查询优化起到事半功倍的作用, 哈希表的基本操作包括:
判断哈希表是否包含特定键key:HashTable.Contains (key) ;
4 结论
经过对复杂查询性能优化的实践验证, 在.Net环境中Datatable、HashTable使用得当, 不仅能使程序简洁, 提升处理效率、缩短运行时间。并且业务逻辑越复杂, 数据库需要读取次数越多的情况下, 经优化后的效果越显著。
参考文献
复杂优化 篇7
为了加快系统大停电后的恢复速度,通常将整个电力系统划分为若干个子系统,然后对各个子系统同时进行恢复。每个恢复子系统内的输电网络重构优化问题包括2个重要环节:一是确定目标骨架网络;二是确定恢复到目标骨架网络的恢复路径序列[1]。到目前为止,国内外在优化目标骨架网络方面的研究开展得不多,发表的文献也较少,只有文献[1,2]研究了如何优化目标骨架网络,但对如何恢复到目标骨架网络亦即最优恢复路径序列没有进行研究。在恢复路径优化方面的研究成果较多。其中文献[3]采用了基于知识的专家系统来优化恢复路径。文献[4]提出了优化恢复路径的通用恢复动作法。文献[5]把网络重构分为串行恢复和并行恢复2个阶段来研究,并提出了串并行送电阶段路径优化算法[6],适用于较复杂的电力系统,但该方法存在如下缺点:需要根据专家经验来判定重要负荷节点和发电厂节点;串行恢复阶段得到的优化路径只是分段最优;只考虑了线路充电电容对恢复的影响。
自1998年以来,复杂网络理论方面的研究不断加强[7]。随着该理论研究的不断深入,其在电力系统中的应用也逐步受到重视[8,9]。文献[10]应用加权复杂网络理论辨识电力系统脆弱线路,分析表明加权电网拓扑模型比无权网络模型更能反映节点的重要程度和实际电力系统的运行状况。另一方面,复杂网络的社团结构理论也逐渐被应用于解决电力系统问题[11]。社团结构的划分是通过不断移除介数最大的边来把2个或多个子网络从整个网络中划分出来。
在上述背景下,本文提出了一种新的基于加权复杂网络模型确定目标骨架网络和对恢复路径进行优化的方法。该方法可以确定目标骨架网络,同时也可以得到最优的恢复路径。解决了现有方法只能单独确定目标骨架网络或只能单独优化恢复路径序列的缺点,即克服了确定目标骨架网络和优化恢复路径序列这2个输电网络重构环节脱节的缺点,以及恢复路径序列优化时分段寻优的缺点。因此,本文方法适用于整个输电网络重构阶段,可以同时解决目标骨架网络确定和恢复路径序列优化这2个问题。
1 基于加权复杂网络模型的输电网络重构
在介绍输电网络重构优化方法之前,为了后面描述方便,先定义下面几个概念。
1)带电区域网络:是指由已充电的节点和线路组成的输电网络。在输电网络重构中,一般不关心带电区域内部具体有多少个节点以及这些节点间是通过哪些路径相连的,因此可以把它简单等效为一个电源点S。
2)失电区域网络:是指由待充电的节点以及这些节点间的高压输电线路或变压器支路组成的输电网络。
3)候选恢复路径:是指由等效电源点(即带电区域网络)与失电区域网络的节点之间相连的所有高压输电线路或变压器支路。
4)冗余线路:在候选恢复路径中,如果存在一些候选恢复路径都与失电区域网络中的某一个节点相连,则相当于等效电源点S与该节点之间的多回路线路,故称这些候选恢复路径为准双回路线路或准多回路线路。为了缓解输电网络重构过程中充电电容过大引起的线路末端过电压问题,故只保留这些候选恢复路径中充电电容最小的一回线路,而把其他多回路线路从候选恢复路径集中予以剔除。这里,把被剔除的多回路线路称为冗余线路。
5)冗余节点:是指在网络重构过程中,某些没有带重要负荷且不是网络的重要联络节点的节点。
1.1 电力网络拓扑模型
用加权复杂网络的思想来研究电力网络特性时,首先需要将电力网络用抽象图来表示。下面介绍在输电网络重构优化研究中需要用到的简化原则。
1)本文的研究局限于高压输电网络。对于高压输电网络,当采取并行恢复策略时,在各个子系统内部可以实行串行路径恢复。此外,为了使恢复步骤尽量简单清晰,也忽略了发电厂和变电站的主接线。
2)把黑启动路径所包含的节点合并成为一个等效电源点S,如果合并后存在冗余线路则应予以剔除;而对失电区域电网拓扑模型中的所有发电厂节点、变电站节点和负荷节点则均抽象为网络中的节点,且不考虑接地点。
3)为了减少对地电容对恢复过程的影响,一般先只投双回线路中的一回,因此,在网络简化时可以合并同杆并架的输电线,且忽略并联电容支路。这样做可以消除电网拓扑模型中的多重边和自环,使相应的图成为简单图。
4)由于候选恢复路径是带有方向性的,即电能是由带电区域通过候选恢复路径向失电区域网络提供电能的,而失电区域网络中潮流的方向是可变的,故可将其视为双向边。综合起来看,本文所研究的网络应把它看成一个有向网络。
5)所有高压输电线路和变压器支路均抽象为网络中的加权边,边的权重为折算到同一电压等级下的输电线路或变压器支路的充电电容(对于没有充电电容值的线路或支路,可赋予一个很小的值)。
6)忽略高压输电线路和变压器支路的其他电气特性参数以及电压等级的不同[12]。
经过上述简化,电力网络就被抽象为一张有向加权的稀疏连通图。
1.2 加权边介数计算方法
在实际输电网络重构过程中,除网络拓扑结构外,待启动的发电机的有功发电容量和待恢复的重要有功负荷的量以及各节点在网络中的分布情况也对恢复过程有重要影响。传统的边介数计算方法是单纯从网络拓扑结构出发的,且视各个节点对之间的最短路径的权重相等并都为1。这样,就不能反映从等效电源点到失电区域各节点之间输送电能的各条最短路径的重要性方面的不同,也不能反映待启动的发电机节点之间和待恢复的重要负荷节点之间的相对重要性及恢复的优先级。
为了反映节点之间的相对重要性,有必要给各个节点赋予不同的节点重要度。一般而言,在输电网络重构阶段,对于负荷节点主要关注的是其重要负荷量,故可以将节点上的重要负荷量作为该节点的权重;对于待启动的发电机节点,类似地可以将有功发电容量作为该发电机节点的权重,这样就使得发电机节点与负荷节点之间具有可比性。
为了反映待恢复供电的节点之间的分布情况(即与等效电源点的距离),引入了最短路径长度来描述节点与带电区域网络之间的距离对恢复的影响,并以该最短路径经过的边的数目计算加权电网中输电路径的最短路径长度[10],这样就既考虑了恢复过程中的充电过电压问题,又计及了输电网络重构过程中恢复路径上待合闸线路的数目对恢复速度的影响。实际网络的共性结构表明节点间的相互作用具有局部特性,即每个节点的影响力将随着拓扑距离的增大而迅速衰减。因此,结合复杂网络的信息传输效率的概念,假定等效电源点到待恢复节点的拓扑距离对所经过的候选恢复路径介数的影响力服从参数为2的指数衰减趋势。因此,候选恢复路径的加权边介数[8]计算公式如下:
式中:Cj为节点j的重要度,即该节点上的重要负荷量或有功发电容量;dSj为等效电源点S经过所选择的候选恢复路径到失电区域中任一点j的最短距离;Vd为失电区域网络所包含的节点集合。
从式(1)可以看出:距离带电区域(即等效电源点)越远,节点负荷或发电容量对候选的恢复路径的影响(即起决定作用的程度)会逐步减弱。
虽然高压电力网络一般都是环网运行的,但是本文考虑的是加权拓扑网络,即用充电电容作为线路权重,因此节点对之间存在若干条等权重的最短路径的可能性很小。Newman提出的边介数计算方法视各个节点对之间的最短路径的权重相等,故不适用于加权边介数的计算。可采用传统的用于求取网络指定节点对之间最短路径的著名的Dijkstra算法来求取等效电源点到失电区域网络中各节点的最短路径,进而根据式(1)计算加权边介数。
1.3 输电网络重构优化方法
1.3.1 恢复路径的优化
在输电网络重构阶段,可以把整个恢复的网络分为已恢复供电的带电区域网络(即等效电源点)和待恢复供电的失电区域网络,而连接这2个网络的线路则为该时刻的候选恢复路径,因而选取一条候选恢复路径就相当于在这2个网络之间添加一条边。在优化恢复路径时,主要关注该时刻带电区域网络与失电区域网络之间候选恢复路径的介数,而不是失电区域网络内部边的介数。因此,本文的优化路径过程与社团结构的划分过程恰恰相反,故可用衡量网络枢纽性的边介数指标来优化恢复路径。
由于输电线路具有分布电容,其可能使得发电机产生自励磁现象,并使发电机机端和线路末端出现过电压,故一般优先恢复充电电容较小的线路。对于大停电或部分停电后的输电网络恢复问题,操作各线路所需的时间差别不大,而线路的充电电容则对路径恢复的优先顺序起着重要作用。这样,在恢复路径优化过程中可以把折算到同一电压等级下的输电线路充电电容作为网络拓扑模型中边的权重[5],这与加权复杂网络模型相吻合。对于没有对地电容的变压器支路,可以将其看成理想支路,并假定其支路权值为一个很小的数。对于有载调压变压器,在输电网络重构过程中,可以通过调节分接头的位置,来降低变压器输出端的电压,以有利于其后充电空载线路。此外,为了降低高压输电线路的对地电容,对于双回线路一般先只投其中的一条,这样可以把双回线路视为一回线路看待。当从带电区域到失电区域的候选恢复路径中存在冗余线路时,可采用对双回路类似的处理方式剔除冗余线路。
除了恢复路径的充电电容对恢复过程有较大影响而必须考虑外,为了优先向重要的发电节点和负荷节点提供电能,还需要考虑发电机的有功发电容量和相关节点的重要有功负荷量以及各节点在网络中的分布情况对系统恢复的影响,只有这样,得到的优化结果才可能是最优的。
在社团结构的划分过程中,每次都是计算当前网络中所有线路的边介数,然后再移除介数最高的边。前已述及,优化恢复路径的过程与社团结构划分过程正好相反,因此在计算某条候选恢复路径的介数时,应把其余几条候选恢复路径暂时从带电区域网络与失电区域网络之间移除,这样就可以体现恢复该条路径对恢复后续阶段路径的影响。当采用这种方法得到了该阶段所有候选恢复路径的介数后,其中的介数最大者即为该阶段最优的候选恢复路径。这样,该优化问题的目标函数为:
式中:Bl为候选恢复路径l的加权边介数,l∈Vp;Vp为候选恢复路径的集合。
此外,当某一条候选恢复路径和其端点并入带电系统后,停电区域可能变成2个或多个不连通的区域。由于这些不连通区域必定与带电区域有路径相连,事实上这些路径为下一步优化过程中的候选恢复路径,因此停电区域中不连通区域的出现不会对下一步的恢复路径优化产生影响。
1.3.2 目标骨架网络的确定
目标骨架网络是网络重构要达到的最终状态,其应较为全面地覆盖电网中的重要厂站、枢纽节点和重要负荷节点,且包含在目标骨架网络中的线路的功率分布要比较合理[1]。
在实际输电网络重构过程中,发电机节点的有功发电容量和负荷节点的重要有功负荷量以及各节点在网络中的分布情况对输电网络重构也具有较大的影响。如果先优化目标骨架网络,之后再确定恢复到目标骨架网络的恢复路径序列,这样得到的结果一般不是最优的,因为这2个问题是相关的。可以考虑先优化恢复路径序列,使得每步得到的恢复路径序列为最优解,并剔除重构网络中的冗余线路,当重构网络中重要发电机节点和重要负荷节点都得到充电时,这时的树状网络即为目标骨架网络。
此外,目标骨架网络还必须满足运行要求,包括潮流计算的收敛性、节点电压限制以及线路或变压器的容量限制等。
1.3.3 优化算法的计算流程
综上所述,输电网络重构阶段的恢复路径优化和目标骨架网络确定的算法步骤如下:
1)对电力网络进行简化并表示为抽象图;
2)计算网络中候选路径的数目;
3)选取某条候选恢复路径l;
4)断开其他候选恢复路径;
5)先用Dijkstra算法求出dSj,再按式(1)计算该候选恢复路径的加权边介数Bl;
6)选取另一条候选恢复路径,重复步骤4,直到求得所有候选恢复路径的加权边介数为止;
7)对所有候选恢复路径的加权边介数进行排序,介数最大的即为首选恢复路径,其他恢复路径依次为备选恢复路径;
8)对首选恢复路径进行充电,并将该路径在失电区域的端节点合并到带电区域(即等效电源点)之中,从候选恢复路径集合中移除该首选恢复路径,并将与首选恢复路径相连的无电的支路加入到候选恢复路径集中;
9)检查候选恢复路径集中是否有冗余线路,如果有则将其剔除;
10)回到步骤2,直到失电区域中所有重要发电机节点和带有重要负荷的节点都合并到带电区域中为止;
11)将各次迭代得到的首选恢复路径按序排列即得到最优的恢复路径序列;
12)连接计算得到的最优恢复路径序列,如此得到的树状网络即为目标骨架网络;
13)验证目标骨架网络是否满足运行要求,包括潮流计算的收敛性、节点电压限制以及线路或变压器的容量限制等,在系统恢复过程中,电压上下限和容量限制可以适当放宽,如果不满足运行要求,可调用最优潮流程序,调整各发电机组的出力或负荷功率(鉴于这方面已经有很成熟的方法,这里不再赘述)。
2 算例分析
以新英格兰10机39节点系统(见附录A图A1)为例来说明所提出的方法的有效性和合理性。假设黑启动发电机组位于节点33,其在黑启动阶段向位于节点34的非黑启动机组提供启动电源,路径为33→19→20→34;假定各个负荷节点的重要负荷量分别占其总负荷量的30%。附录A表A1列出了待启动发电机的有功发电容量数据,负荷节点的有功功率数据参见文献[13]。
首先,对算例系统进行简化,合并黑启动路径所包含的节点,即将节点19,20,33,34合并为等效电源点S。经简化后该系统就转化为一张具有36个节点和43条边的加权、有向连通网络。然后,计算各候选恢复路径的介数,各次迭代得到的计算结果如附录A表A2所示。
在第1次迭代时,只有黑启动阶段的恢复路径所经过的节点为带电区域,其他节点都为待恢复的失电区域。此时,候选恢复路径只有线路19-16,故该线路即为首选恢复路径,经计算得到该线路的介数为309.76。
由于后续每次迭代的流程一样,这里以第25次迭代为例进行介绍。这次的迭代结果如附录A表A2所示,此时带电区域网络由附录A图A2所示的阴影部分所覆盖的所有节点组成,失电区域网络则由剩下的节点组成。候选恢复路径共14条,即线路10-32,5-8,6-7,16-15,39-9,16-21,29-28,4-14,17-18,10-13,11-12,22-21,26-28,3-18。其中,线路17-18与3-18,16-21与22-21,29-28与26-28分别为准双回路线路,它们在本次迭代过程中分别对节点18,21,28充电,这些线路的充电电容如附录A表A3所示。经比较可知,线路17-18,16-21,29-28的充电电容较小,故将线路3-18,22-21,26-28从候选恢复路径集中移除。此时,候选恢复路径剩下11条,经计算得知线路10-32的介数是375,为其中的最高值。这样,本次迭代的最优结果为恢复线路10-32(即最优候选恢复路径为线路10-32),其他候选恢复路径则为备选恢复路径。
经过32次迭代后,失电区域由节点9,13,14组成,候选恢复路径为线路8-9,9-39,10-13,12-13,4-14,15-14。由于失电区域中的节点上都没有负荷,可以认为这些节点为不重要的联络节点,故无需再进行优化,算法迭代结束。
从附录A表A2可以看出,系统的最优恢复路径依次为:19-16,16-24,24-23,23-36,23-22,22-35,16-17,17-27,27-26,26-25,25-2,2-1,1-39,25-37,26-29,29-38,2-30,2-3,3-4,4-5,5-6,6-31,6-11,11-10,10-32,5-8,16-15,16-21,8-7,29-28,17-18,11-12。这样,共恢复32条线路,对32个节点充电。由于节点9,13,14上没有带负荷,可认为是不重要的联络节点,在输电网络重构阶段不予充电,等到系统恢复的主要工作已经完成并开始形成环网时,再对其充电并网。
从迭代过程中可以看出,所提出的算法可以得到最优恢复序列,能够以充电电容较小的恢复路径优先对容量较大的重要的待启动发电机节点送电,在此过程中同时也计及了送电路径中的重要负荷节点。当所有重要的待启动发电机节点都得到启动电源后,再对剩余的重要负荷节点送电,在此过程中计及了重要负荷的量及其与带电区域网络的距离,负荷量大且距离较近的节点优先恢复供电。
在优化恢复路径的过程中,当重要发电机节点和重要负荷节点都被充电后,得到的网络即为目标骨架网络,如图1所示。从图中可以看出:运用所提出的算法优化得到的结果为剔除了冗余线路和节点后的一棵树,其即目标骨架网络;该目标骨架网络覆盖了待启动机组所在的节点、重要负荷节点以及连接这些节点的重要线路。剔除的冗余线路共有4条,即3-18,6-7,21-22,26-28;剔除的冗余节点共有3个,即节点9,13,14,同时也剔除了与这些冗余节点相连的7条线路,即8-9,9-39,10-13,12-13,13-14,4-14,14-15。
3 结语
采用加权复杂网络模型来优化恢复路径和确定目标骨架网络,能够计及发电机的有功发电容量和重要有功负荷的量及其分布情况,既可以得到最优恢复路径序列,也可以获得目标骨架网络。在所提出的方法中,每一步均按全过程寻优策略来优化恢复路径,在每个阶段不仅考虑了线路充电电容对恢复的影响,而且也考虑了某条线路的恢复对后续恢复工作所产生的影响。克服了现有方法在优化恢复路径时采用分段寻优和存在人为主观因素的缺点,解决了传统方法只能给出目标骨架网络或只能提供恢复路径序列,即这2个输电网络重构环节严重脱离的问题。本文的工作从理论上为制定输电网络重构方案提供了一种新途径。
摘要：输电网络重构是电力系统大停电或部分停电后进行恢复的第2个阶段,如何确定恢复的目标骨架网络及其恢复路径序列是该阶段的主要任务。文中提出了一种新的基于加权复杂网络模型的输电网络重构优化算法,考虑了节点有功发电出力和有功负荷(特别是重要负荷)的大小以及各节点在网络中的分布情况和重要性程度,并利用了加权复杂网络模型中衡量网络枢纽性的介数指标来优化恢复路径。该算法可以得到最优的恢复路径序列和目标骨架网络,克服了现有方法在确定目标骨架网络和优化恢复路径序列这2个输电网络重构环节严重脱离的缺点,并在一定程度上解决了现有的恢复路径优化方法采用专家经验或分段寻优策略而无法得到最优解的问题。最后,以新英格兰10机39节点系统为例说明了所提出的方法的基本特征。
复杂地质条件下煤巷断面设计优化 篇8
1.1 立题背景
大屯公司徐庄煤矿煤巷锚网支护一直根据锚杆支护的悬吊理论和组合梁理论而进行设计, 采用矩形或梯形断面, 该类断面在巷道断面较小、埋深浅、地应力较小时比较合理, 且施工方便。在该矿-400水平以上巷道使用比较普遍, 取得了比较好的效果;但随着开采深度的增加、且为提高资源回收率而致使断层保护煤柱的缩小, 使工作面上下两道布置往往位于压力集中区和破碎带, 此时沿用原设计的矩形断面与梯形断面就会导致巷道支护失效、维修量大增, 并对安全生产构成威胁, 如该矿7195工作面材料道、7230工作面材料道和溜子道等巷道在掘进过程中匀经常出现了煤体破碎、顶板离层、顶帮移近量增大、网包、锚杆失效、锚索退索等现象发生, 尽管在施工过程中采取减小锚杆锚索间排距、增打点柱、锚架结合等加强支护措施, 但仍难以控制住巷道的变形。如7195工作面材料道2006年11月初开始掘进, 开始掘进时巷道成型就很难控制, 经常出现掉顶现象, 巷道缓慢变形, 掘进400m后, 从材料道口开始向里连续出现了顶板下沉、两帮向巷中明显位移, 局部锚杆托盘被挤压变形甚至翻转现象, 导致迎头不得不停止掘进, 而对后部巷道进行修复以便再掘, 采取刷帮扩巷、重新打锚杆、套棚、卧底方法进行修复, 耗时约16天, 消耗锚杆、工字钢棚、及金属网等支护材料近20万元。该巷道掘进完工后又安排巷修队伍对整条已掘巷道所有发生变形处采取套架棚、打木点柱、补打锚杆方法进行修复巷道350米, 其中套架棚260米, 消耗材料40余万元;采煤队在回采过程中边回采边修复维护巷道, 对损坏的金属棚进行即时更换, 卧底403米, 最后巷道断面才勉强满足生产需要, 严重制约生产, 阻碍产量进一步提高, 每米巷道支护成本合计超过4000元, 增加了巷道施工成本。
1.2 设计改进方案
根据以上现状, 查阅有关资料与技术分析研究, 矿决定在煤巷施工中尝试使用新的锚杆支护理论:加固拱理论, 改变巷道断面形状, 由矩形改为拱形, 以改善围岩受力状况。首先在与7195材料道地质条件相似的7198综放工作面材料道、溜子道实施。
7198综放工作面原巷道设计方案如下, 材料道、溜子道及切眼均采用矩形断面, 跟底掘进, 锚网支护, “M”钢带配锚索补强支护。毛断面规格:材料道宽4200*高2500mm、溜子道宽4400*高2500mm、切眼宽4200*高2500mm。
通过对7195工作面材料道、7230工作面材料道和溜子道等巷道在使用过程中的总结分析, 若还采用原设计方案, 不能保证有效控制巷道变形, 维护工程量将加大, 显然不适宜。通过调查研究, 巷道冒落后自然拱的形状分析, 根据物体的三向受力的特性, 抗压强度>抗剪强度>抗拉强度, 改变巷道断面形状, 使顶部煤体的受力状况由受拉变为受压, 这样采用三心拱断面可以充分利用煤体本身的强度, 大幅度提高巷道受力性能。
将原矩形改用三心拱断面, 其断面规格分别为:材料道毛宽4200mm, 溜子道毛宽4400mm, 毛中高匀为2800mm, 帮高匀为1800mm, 大拱半径3458mm, 小拱半径554mm。 (如下图)
1.3 修改设计后断面支护参数
选用MGL20/2000/550/20型螺纹锚杆, 材质HBR335, 顶及帮锚杆间、排距匀为750*800mm, 每杆锚杆配一支MSCK23/60树脂锚固剂;补强支护锚索配“M”钢带, 锚索选用SKL17.8/1*7/7250/1200/1860/17, 锚索间、排距1500*3200mm每根锚索配2支树脂锚固剂;“M”钢带长3400mm;顶铺点焊网片, 规格准4.5mm/2250*900mm/60*60mm, 两帮铺钢塑网。
2 设计方案实施及效果小结
7198工作面溜子道联络巷于2008年12月份初开始施工, 2009年元月份施工完工溜子道联络巷后进入溜子道, 就开始实施拱形断面施工方案。因该巷道紧靠落差15米F14大断面布置, 断层走向与巷道走向基本一致, 在施工过程中多次揭露小断层面, 巷道压力显现大、顶板破碎, 给施工带来一定困难。巷道采用EBZ-135综掘机掘进, 在掘进过程中, 顶板经常出现大面积掉煤现象, 通过采取缩小循环进度、加密锚索, 即锚索排距由原来3200mm改为1600mm, 以及在顶板特别破带区采取先用掘进机切割一半巷道断面铺网支护好后再割另一半的施工方法掘进, 有效地控制了迎头巷道顶板, 保证掘进正常施工, 月平均进尺285m, 与矩形断面施工进度基本一致, 即采用拱形断面与矩形断面相比单进水平没有受到影响。到2009年四月初完成了860米整条巷道的施工。
从巷道完工至2009年12月始终没有对该巷道进行修复, 巷道变形较小, 完全满足生产需要, 工作面割煤机、液压支架、皮带等综采设备在2009年12月底安装完成后开始试生产, 在2010年度正式回采期间, 通过观察比较分析总结, 采用三心拱断面巷道的受力性能明显优于矩形断面巷道, 综合比较有以下优点:
2.1
有利于截割, 肩部成形较好;
2.2
顶肩成拱形, 受力由顶部向两帮分解, 受力性能较好;
2.3
在应力集中区的肩部提高了抗剪切能力, 不易出现顶板切断;
2.4
减少顶肩部网包的形成;
2.5
相对增加了顶部有效锚杆的锚固深度;
2.6
延长了巷道的使用寿命, 减少巷道的二次维护, 极大节约巷道维修费用;
2.7
支护安全更得到保障;
2.8
在工作面回采时, 由于两道抗压能力强, 巷道不易变形, 从而减小维护量;
2.9
由于拱部较平顶断面增高, 较半圆拱低, 既能保障有足够的巷道中高, 又能解决回采时因巷道过高超前支护难的问题。
该矿因受地质条件所限, 断层较多, 煤层开采已逐步向深部水平延伸, 相当一部分工作面布置在断层破碎带、应力集中区, 单纯依靠增加支护难以解决巷道受压变形问题, 通过对7198综放工作面巷道设计方案改用三心拱断面的实施、观察与分析总结, 煤巷采用三心拱断面能有效改善巷道的受力性能, 减小巷道变形量, 为下一步解决深步开采设计巷道断面提供了可靠的实际依据, 且具有较大推广应用价值。
摘要：通过对中煤大屯公司徐庄煤矿7198综放工作面材料道、溜子道的设计与施工, 以及实际使用分析, 在煤巷中采用三心拱断面的巷道比采用传统的矩形或梯形断面巷道相比更具有受力性能好, 不易出现顶板切断, 机割易成形, 减少顶及肩窝部网包的形成, 相对增加了顶部有效锚杆的锚固深度, 延长了巷道的使用寿命, 减少巷道的二次维护, 增加了支护安全系数等优点。
复杂优化 篇9
人道救援物流复杂网络的研究是一门新的交叉学科,主要结合复杂科学、管理科学和计算机仿真技术。对于人道救援物流路径问题的研究,目前已有学者将复杂网络理论引入到物流领域进行研究,如文献(俞峰,2009)系统研究了动态随机复杂网络的最短路径问题;文献(李靖、张永安,2011)在分析物流网络特征的基础上,探讨了引入复杂网络的合理性;文献(唐晋韬、王挺、王戟,2011)基于现实网络的拓扑特征,提出了一种适合于复杂网络的最短路径近似算法;文献(后锐、杨建梅、姚灿中,2010)利用复杂网络分析我国物流企业竞争关系网络,发现其具有小世界特征与无标度特征。但总体来看,公开发表的基于复杂网络理论来研究人道救援物流的成果仍然较少,而且这些研究通常是在考虑道路边权的情况下,用最短路的方法来进行路径优化,忽略了各节点的连接度和最大通行能力,很容易导致高连接度的节点负荷过重,从而造成交通堵塞。因此,本文主要从复杂网络的角度研究人道救援物流网络,通过分析节点度与交通负荷之间的关系,提出新的路径优化策略,旨在让人道救援车辆能够及时绕开连接度较高的节点,缓解因交通堵塞而引起的救灾延迟,提高救援效率。
二、人道救援物流网络的复杂性分析
复杂网络是指具有自相似性、自组织性、小世界属性、吸引子属性、无标度属性中部分或全部性质的网络。当前的主要研究方法是把各种复杂系统简化为节点以及连接节点的边的集合,其中系统的基本组成单位是各个节点,边则用来表示各个节点之间的相互联系,并通过计算机技术来分析网络上的相关指标,用这些作为代表来描述整个网络的性质。
1、节点度和度分布
节点的度就是指与这个节点直接相连的其他节点的数目,用ki来表示。该指标的作用是来衡量节点在网络中的地位的,如果网络中有许多节点都直接与其中的一个节点相连,那么该节点就拥有较高的度,对整个网络的重要性也较高。
节点度是节点最基本的特性之一,通常更具广泛性的特征就是节点的度分布,通常是用来表示网络中度为K的节点在整个网络中所占的比例。如果一个网络中有Nk个度值为k的节点,网络中所有的节点数为N,那么度值为k的节点的度分布可表示为:。
2、介数
介数主要是用来反映节点在网络中重要程度的指标,如果一个节点在其他许多点对的最短路径上,那么该点的介数就较大,它起到网络中控制信息流的桥梁纽带作用。若假设节点i和j之间有n条最短路径,此时存在第三个节点k,该节点在它们的最短路之间,且n条最短路径中有n(k)条经过此节点,用bij(k)来表示节点k对节点i、j之间来往的控制力,也就是k位于i、j最短路上的概率,则那么bij(k)=n/n（k）。节点k的介数就是把节点k相应于网络中所有点对的中间度相加,可表示为:。
3、平均距离
网络中连接这两个节点的最短路径上的边权就是两节点之间的距离d,网络中任意两个节点之间的距离的最大值就是该网络的直径,通常记为D,表达式为:D=maxd。
平均最短距离是在进行复杂网络结构分析时最常考察的,可以理解为网络中任意两节点之间距离的平均值,可用公式表示为:
网络的大小在一定程度上是由网络的平均距离决定的。许多物理学家通过对现实的网络的研究,发现了大多数网络的平均距离较小的特性,这种现象被描述为小世界属性。通过研究发现,世界上绝大部分的复杂网络基本具有小世界属性和无标度网络结构特征,道路网络也不例外,这就为从复杂网络的角度来研究人道救援物流提供了可能。
三、改进的最短路径策略
无标度网络存在显著的二八现象,体现的是一种非均匀的网络,就拿道路网络系统来说,80%的节点度值较小,只有20%的节点度值较大,Yang等通过研究认为多数网络中节点的度值与介数正相关,即网络中度值较大的节点其介数通常也比较大,因此节点往往处在网络的中心位置,承载的负荷较大,容易形成交通堵塞。为了能够及时规避这些负荷较大的节点,提出新的路径优化策略:假设人道救援车辆需要从节点s运送救灾物资到节点t,以其起始节点s为中心,搜索其邻近节点的度值和道路边权,接着以该邻接节点的度值与其所有邻接节点度值之和的比为权重调整起始点s与其邻接节点的距离,并以该距离为基准选择邻接节点,按照传统最短路算法(Dijkstra算法)逐层向外扩展,直到扩展到终点为止。可用公式表示为:
其中,L表示起点s到终点t之间的总距离;dij表示节点i到节点j的道路边权;kj表示节点j的连接度值;表示与节点i相连的所有节点的度值总和。a为调节系数,当a=0 时,则车辆按最短路径行驶。
四、最短路径策略仿真设计
人道救援物流复杂网络是由一系列低连接度和高连接度的节点构成的,当自然灾害发生时,高连接度节点的交通流量较大,当负荷超过一定值就会形成交通堵塞,为了规避这些高连接度的节点,可以设置较高的a值。较高的a值虽然可以绕开连接度高的节点,缓解因交通堵塞而引起的救灾延迟,但是人道救援车辆的行车路程会因为绕道而增加,所以应该综合考虑等待时间和绕道增加时间之间的关系,这样能够找到一个合适的a值,为人道救援物流车辆路径选择提供决策支持。
为了找到合适的a值,本研究设计了一个仿真,在进行仿真之前,我们需要进行相关假设:
第一,道路网络符合BA模型,且可以由BA模型生成;
第二,计算机随机产生每辆车的起始点;
第三,网络中所有救援车辆的行车速度相等;
第四,Ci为节点i的设计通行量,当车流量超过该值就会发生堵塞;
第五,如果节点发生堵塞,按先到先服务的原则处理车流量;
第六,相邻两个路口之间的距离为L。
仿真流程描述如下:自然灾害发生之后,如何将救灾物资及时迅速的运往灾区,让受灾民众得到最快的救治是最重要的。在人道救援车辆出发之前,救援指挥中心需要根据已经掌握的信息来构建人道救援物流网络,并通过数据分析与统计来了解该网络的各种属性;然后运用计算机技术模拟灾害发生时人道救援物流网络中产生的初始车流量,用R表示。其中,车辆的起始点是由计算机随机产生的,并以最短路原则来选择行使路径。接着,通过控制时钟,模拟车辆在该网络中的行驶,记录每个时刻每个节点的车流量,当节点i的瞬时流量超高其设计通行量Ci时,该节点发生堵塞,即满足:
其中Li(t)表示节点i在时刻t的流量,V表示时刻t0的瞬时速度。最后,用计算机随机生成一系列救援设施点和受灾点,通过设置不同的a值模拟人道救援车辆在该网络中的行车路径,统计分析不同a值情况下人道救援车辆的平均行车时间,找出最合适的a值,为人道救援车辆路径选择提供决策依据。
五、人道救援网络中最短路径策略仿真分析
假设各个节点的设计通行量如表1 所示。灾害发生后,网络中的初始车流量为R=10000 辆;路口之间的距离L=50 米;网络中救援车辆行车速度v=5 米/ 秒;网络的最长距离为5,那么在没有发生交通堵塞的情况,整个仿真的时间为50*5/5=50 秒。初始网络规模为m=4,当网络的规模N=500 时,仿真结束。
运用计算机在500 个节点中随机产生1000 对救援设施点和受灾点,通过设置不同的a值,模拟人道救援车辆在网络中的救援路径,通过统计得到不同a值下的平均行车时间,具体数据如表2 所示。
由表2 可知,随着a值的逐渐增大,人道救援车辆的平均行驶时间先逐渐降低后逐渐增加。人道救援车辆平均行驶时间的先降低是由于车辆在行驶过程中为了绕过高连接度的节点,避免交通堵塞造成的等待时间;但是随着a值的逐渐增大,人道救援车辆需要绕道的节点在逐渐增多,救援路程在一定程度上变大,所以平均行驶时间又开始增加。
为了验证a=1 在其它初始交通流的情况下依然存在帕累托最优解,调节R的取值,重复做以上实验,得到的数据如表3 所示。
表3 可以说明,无论R值如何变化,当a=1 时,车辆根据新的路径优化策略在网络中行驶,所花费的平均行驶时间是最短的。
六、结论与展望
本文将复杂网络理论引入到人道救援物流研究中,通过分析人道救援物流复杂网络的含义及特点,从而选择最贴近其特点的道路网络系统作为主要研究对象,并分析其属性。从规避连接度高的节点的角度出发,提出了一种新的路径优化策略,新的路径优化策略主要是在在绕道时间和等待时间之间进行选择,通过调节变量a值来控制他们之间的关系。运用计算机仿真技术,找出了存在帕累托最优解时a值是1。
本文是在假设信息通畅和单目标的前提下做的相关研究,因此,在考虑信息局限性以及自然灾害对道路造成不确定性影响的前提下,从多目标决策和占线问题的角度对人道救援物资运输的路径进行动态选择将是下一步研究的重点。
摘要：传统的人道救援车辆路径优化方法主要是用最短路径策略进行选择,容易造成重要交通节点的连接度过大、负荷超重引起堵塞的问题,本文从复杂网络的角度提出新的路径优化策略,在绕道时间和等待时间之间进行选择,通过调节变量a值来控制他们之间的关系,并运用MATLAB程序进行仿真分析,统计结果表明:当a=1时,整个系统存在帕累托最优解。新的路径优化策略为进一步提高人道救援物流效率提供了新的思路。
关键词：复杂网络,路径优化,人道救援物流
参考文献
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