時間：2023-03-20 16:20:13
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飛機裝配工裝設計描述
飛機產(chǎn)品與一般機械產(chǎn)品不同，其裝配過程不能單獨依靠零件自身形狀和尺寸加工的準確性來裝配出合格的產(chǎn)品，必須采用裝配工藝裝備（簡稱裝配工裝）來保證產(chǎn)品的裝配質(zhì)量。飛機裝配工裝是飛機產(chǎn)品在完成從零組件到部件的裝配及總裝配過程中，用以控制其形狀幾何參數(shù)，且具有定位功能的專用工藝裝備，一般包括骨架、定位和夾緊裝置、輔助設備等組成結構。
飛機研制過程是一個反復迭代、逐步逼近的過程，現(xiàn)代飛機研制正在由過去的串行開發(fā)模式向數(shù)字化產(chǎn)品、工藝和工裝協(xié)同設計的方向發(fā)展。在飛機制造企業(yè)，工藝設計部門根據(jù)下發(fā)的產(chǎn)品設計數(shù)模，進行裝配工藝方案設計，并提出工裝設計申請。工裝設計部門依據(jù)數(shù)字化產(chǎn)品定義和裝配工藝要求完成設計，可根據(jù)產(chǎn)品設計成熟度狀態(tài)及時調(diào)整和修改裝配工藝方案和工裝設計方案，并及時反饋工裝設計對工藝規(guī)劃和產(chǎn)品設計的需求。因此，飛機裝配工裝設計問題可描述為產(chǎn)品設計、工藝規(guī)劃與工裝設計融合與迭代的過程，如圖1所示。
信息視域表示
飛機裝配工藝設計需對裝配工藝裝備的功用、結構和性能提出設計技術要求，需明確給出需要定位和夾緊的部位及相關特征。在數(shù)字化環(huán)境下，這些部位和特征即為工裝設計的原始幾何依據(jù)，工裝設計通過提取這些部位和特征來完成。因此，定義產(chǎn)品設計、工藝規(guī)劃和工裝設計三個階段的信息構成，包括幾何信息和語義信息，為建立三者之間的映射關系奠定基礎。
1設計信息域
飛機設計所發(fā)放的飛機設計模型是面向功能描述的，表達了按設計分離面劃分的結構和零部件之間的組成關系，是進行后續(xù)工藝設計和產(chǎn)品生產(chǎn)的依據(jù)。
設計信息域是基于產(chǎn)品設計結構表示的各種關鍵設計數(shù)據(jù)的數(shù)字化定義和表示，是設計者設計意圖的體現(xiàn)。設計信息域包括產(chǎn)品設計結構描述、設計基準和除設計基準外的設計特征（幾何形狀及相關屬性描述），用表示；產(chǎn)品設計結構模型即產(chǎn)品結構樹，用表示；設計基準是對部件設計中的部件軸線、設計基準面、結構軸線等信息的數(shù)字化定義和表示，用表示；設計特征是待裝配零部件的數(shù)模構成特征的定義和表示，用DdSdDdF表示。D可表示為
2工藝信息域
工藝信息域是基于裝配工藝結構表示，反映裝配工藝意圖的結構形狀的工藝信息集合。飛機部件裝配工藝設計包含眾多研究內(nèi)容，本文的工藝信息域僅包含與工裝申請和工裝設計相關的工藝信息描述。工藝信息域包括裝配工藝結構表示、裝配工藝基準及關鍵部位或特征，用表示；裝配工藝結構即裝配工藝樹，是對裝配單元劃分和裝配順序的數(shù)字化表示，用PpS表示；裝配工藝基準是對零部件的定位基準、裝配基準、測量基準和混合基準及其定位方式的描述，用pD表示；關鍵部位或特征是對關鍵型面、結構交點等能夠?qū)ρb配準確度產(chǎn)生影響的互換協(xié)調(diào)部位或特征的定義和表示，用pF表示。數(shù)學表達式為
3工裝信息域
工裝信息域是面向裝配任務的，由用于支持工裝概念設計的一組結構形狀及其相關工藝描述構成的工藝信息集合。工裝信息域起兩個作用：輔助工藝設計人員制定工裝申請單和為工裝概念設計提供設計參考。工裝信息域包括工裝設計基準、定位及夾緊信息和輔助裝置信息，用T表示。工裝設計基準包括安裝基準和構件制造基準，盡量與產(chǎn)品設計基準保持一致，用表示定位及夾緊信息是對產(chǎn)品上需要工裝定位的關鍵部位或特征的數(shù)字化定義和描述，包括該類結構的幾何信息、位置信息和精度信息等，用tL表示，是工裝定位件、夾緊件和骨架的設計參考；輔助裝置信息是對產(chǎn)品上需要使用輔助裝置支承或調(diào)整的部位或特征的數(shù)字化描述，用ttD。A表示。工裝信息域的數(shù)學描述為
基于多色集合的映射模型
1多色集合理論
俄羅斯Pavlov教授于1995年提出多色集合的概念，并于2002年提出多色集合的體系結構。多色集合理論的核心思想是使用相同的數(shù)學模型來仿真不同的對象，例如設計過程、工藝規(guī)劃和生產(chǎn)系統(tǒng)等，描繪元素間的層次結構和復雜關系。多色集合理論在問題的形式化研究方面前進了一步，主要應用于產(chǎn)品概念設計建模、公差信息模型構建、零件加工工藝建模、裝配工藝建模和過程建模等研究領域。
傳統(tǒng)集合是元素的全體，集合中的元素僅名字不同，元素的其他性質(zhì)都沒有表示出來。在多色集合中，集合整體本身和它的組成元素都能夠同時被涂上一些不同的顏色，用來表示研究對象和它的元素性質(zhì)。對應于多色集合整體性質(zhì)的著色稱為統(tǒng)一顏色，對應于元素性質(zhì)的著色稱為個人顏色。元素個人顏色的存在是多色集合統(tǒng)一顏色存在的首要原因，二者之間的關系可表示為其中，若個人顏色if影響到統(tǒng)一顏色jF的存在，則1ijc=，否則=0。ijc
2映射過程描述
設計域向工裝域的映射包含兩個過程：產(chǎn)品設計結構向裝配工藝結構的轉(zhuǎn)換和設計特征向工裝信息的映射。本文著重論述后者。工裝信息主要是明確產(chǎn)品在工裝上需要控制的部位、特征或方向，通過提取這些信息的幾何特征及其工藝屬性描述完成工裝設計。當產(chǎn)品信息更改時，相應的工藝屬性和工裝信息也要發(fā)生變化。映射過程分為兩個階段。在第一階段，首先由待裝配零件的典型設計結構推理出該結構所包含的工藝特征信息，根據(jù)特征幾何屬性推理出每個特征所對應的特征元及其約束信息；第二階段，提煉工裝申請語義信息，結合第一階段的推理結果，得到工裝信息，建立產(chǎn)品設計信息、裝配工藝信息與工裝信息三者之間的派生關系。兩個階段的映射模型如圖2和圖3所示。給映射模型的每層節(jié)點和邊著色，采用多色集合層次結構模型來表示上述映射模型。關于多色集合層次模型的相關介紹請參閱文獻。第一階段的映射過程如下：(1)從待裝配零件抽取典型設計結構，得到第一層的統(tǒng)一顏色值，具有該類型的部位或特征對應的顏色值為1，否則為0。(2)根據(jù)工藝基準和需要控制的關鍵部位或特征定義第二層顏色。作為工藝基準的部位和關鍵部位及特征對應的顏色值為1，否則為0。(3)將工藝特征所包含的特征元作為第三層顏色。在第二階段，給出工裝申請語義信息，建立特征元信息與工裝信息之間的映射關系，得到工裝信息。
3映射關系建立
通過分析與飛機設計、工藝規(guī)劃和工裝設計相關的領域知識，并與工藝設計專家進行深入交流，建立各層之間的顏色及映射關系。
(1)第一階段
第一層：通過對文獻給出的一般裝配工藝基準選擇依據(jù)進行分析，可以看出裝配工藝基準通常為零件外形、孔、叉耳等。因此，按上述結構形狀對零件結構進行歸類，為工藝特征的確定奠定基礎。建立典型設計結構與工藝特征以及工藝特征與特征元之間的映射關系矩陣如表1和表2所示。利用表1與表2所表示的映射關系，得到零件典型結構所對應的工藝特征和特征元信息。特征元的信息附帶了相關約束信息：①線：平行于X軸的直線、平行于Y軸的直線、平行于Z軸的直線或其他直線；②平面：垂直于X軸的平面、垂直于Y軸的平面、垂直于Z軸的平面或其他平面；③自由曲面。
(2)第二階段
工裝申請語義由工藝專家給出，需指出待定位零件部位及需要約束的方向，根據(jù)此類語義信息，遍歷第一階段形成的設計-工藝-特征元之間的映射關系，從中抽取與工裝設計相關的知識形成工裝信息。
實例應用
某公司飛機艙門骨架裝配模型如圖5所示。
基于上述建模方法和流程，以CATIA系統(tǒng)為平臺，采用CAA工具開發(fā)相關信息映射工具。應用該工具為公司構建了某機型艙門骨架從產(chǎn)品設計到工裝信息的映射機制，完成了骨架設計信息向其工裝信息的映射，建立了骨架設計信息、工藝信息及其工裝信息之間的語義關系和幾何關系。并運用該工具生成工裝申請單，構建工裝概念信息模型。應用過程如圖5所示。骨架裝配工裝設計基準采用與骨架相同的設計基準。以骨架上口框為例說明設計信息域向工裝信息域的映射過程。
(1)給出工裝申請語義，骨架上口框需要控制其外形和Z方向。
(2)上口框的典型結構包括：外形面、孔。上口框外形與蒙皮貼合，是需要控制的關鍵部位。根據(jù)表1和表2的映射關系，控制外形的定位方式可以選擇外形面（平面或曲面）、工藝孔或工藝接頭定位。因要嚴格控制上口框外形準確度，故選擇整個外形面作為控制對象，并設置壓緊裝置。
(3)搜索特征元信息，找到Z軸垂直的面作為Z方向的定位特征；若沒有，則需通過其他形狀特征定位該方向。
(4)提取相關零件設計特征及其屬性信息（精度要求、功能要求等），建立與工裝信息之間的關系。
(5)按照上述過程完成其他待裝配零件與其工裝元件之間的語義和幾何關系的建立。
結論
(1)針對飛機制造企業(yè)需求，建立針對飛機產(chǎn)品設計、工藝規(guī)劃和裝配工裝概念的信息域，并對各域之間的映射機理進行研究，從而建立了設計-工藝-工裝之間的有機聯(lián)系。
1.教學層面
由于綜合性大學在畢業(yè)考評上學科間存在的差異，導致畢業(yè)考評的形式和內(nèi)容多元化，統(tǒng)一的標準難以適應藝術設計各學科的教學要求，在具體的教學中教師又要求學生將畢業(yè)論文和畢業(yè)設計結合起來，達到藝術設計理論研究和實踐相結合的教學目標，以及使學生能夠深入地對一類問題或一個問題進行方案構思、設計創(chuàng)作、模型演示、效果展示等全面體現(xiàn)，以往的結果考評側重了學生論文撰寫能力和畢業(yè)設計的效果，對學生的創(chuàng)新能力、就業(yè)能力培養(yǎng)卻顯得不足，也不能為整個教學體系的最終環(huán)節(jié)注入新的活力。
2.學生主觀層面
近年來，隨著我國高等學校招生規(guī)模的不斷擴大，學生人均占有教學資源不足和教學條件的制約，畢業(yè)生往往對畢業(yè)論文的寫作認識程度不夠，出現(xiàn)選題范圍過大或過小、學術性不強、創(chuàng)新點不突出、抄襲現(xiàn)象嚴重等問題，教學難以達到預期效果，畢業(yè)設計虎頭蛇尾，預想高過實際設計的目標，展示效果欠佳，實物模型的設計制作草率粗糙，如何來規(guī)避這些問題和增效值得深思。
3.管理層面
畢業(yè)論文與設計課程設置在第八學期，這個時期對于學生來說由于在校學習、社會實踐、擇業(yè)就業(yè)存在很多時間上的沖突，在心理上容易產(chǎn)生較大波動，不利于寫出優(yōu)秀的畢業(yè)論文和創(chuàng)作畢業(yè)設計，往往顧此失彼。由于藝術設計專業(yè)的畢業(yè)設計一般需要進行圖像、圖版、實物、模型等形式的展示，在各評價指標分層制定的同時，學生能否得到一定程度的經(jīng)費支持，也是從這個層面探討的問題之一。
二、藝術設計專業(yè)畢業(yè)考評模型
1.考評體系構建
以“過程+結果+展示”三位一體的模式作為考評體系的制定依據(jù)，考評指標的逐層細分。過程考評不僅能提高和促進學生學習的興趣和積極性，顯著增強學習效果，而且有助于教師在教學過程中，全面地及時的了解學生的方案進展情況，考查學生解決問題的能力，階段目標完成的好壞。在設計教學中，學生往往存在“會做不會說”“會畫不會寫”的現(xiàn)象，將結果考核始終作為評定設計優(yōu)劣的主要依據(jù)。畢業(yè)設計這個完整系統(tǒng)的過程就是畢業(yè)生向自己、向?qū)W校、向教師、向家長、向社會交的一份答卷，必然要接受大家的檢閱。
2.參評主體構成
建立以“指導教師評價+評閱教師+答辯委員會評價+網(wǎng)上投票”構成的參評主體，對學生的畢業(yè)論文和畢業(yè)設計進行多角度評價。指導教師是學生畢業(yè)論文和畢業(yè)設計整個過程的直接參與者，所以具有一定的話語權。畢業(yè)答辯更像是一次檢閱，答辯委員會在畢業(yè)答辯時給出的評價基本上是客觀的、公正的，學生在答辯時的綜合表現(xiàn)因語言表達能力、形象氣質(zhì)、答辯技巧的強弱作為評價指標。在校園數(shù)字網(wǎng)絡的快速發(fā)展下，傳統(tǒng)的評價方式要適應現(xiàn)階段的校園生活方式，建設專業(yè)的網(wǎng)上投票系統(tǒng)能夠讓更多的師生參與畢業(yè)設計的評價。
3.審查監(jiān)督
采用“教研室自查+專家盲審+教學督導抽查”相結合的方式對學生論文和設計進行審查和監(jiān)督，增設用于網(wǎng)上投票的展示平臺和評價平臺。審查監(jiān)督是在教學管理機構對畢業(yè)考評進行綜合性的運行保障機制，可從以上三個層次進行，可將畢業(yè)論文和畢業(yè)設計的審查納入督導組的督導范圍，形成良性的循環(huán)機制。
三、考評體系的增效機制
1.深化教學改革
藝術設計人才需要有科學精神、人文素養(yǎng)、藝術創(chuàng)新、技術能力，不斷調(diào)整以往的教學觀念與方式。將“過程+結果+展示”的考評系統(tǒng)逐層展開，每層指標建立詳細的子系統(tǒng)，進行一般問題的梳理和特殊問題的列舉，然后對問題進行排序和考核等級層次的制定，最后對考核分值的進行分配，對初步建立的系統(tǒng)模型。
2.學生主觀驅(qū)動
藝術設計是社會性的行為，但由于學生缺乏社會與文化責任感而沒有強大的使命為驅(qū)動，知識儲備不足的同時又面臨諸多就業(yè)的壓力，面對知識信息大爆發(fā)所往往出現(xiàn)了浮躁與急功近利的現(xiàn)象，內(nèi)在的學習動力不足。評價指標可細化可深入至出勤率、同導師的溝通次數(shù)、方案草圖環(huán)節(jié)、定稿、制作、選材、印刷打印等，各環(huán)節(jié)進度形成相應的書面材料進行歸檔整理，有效的避免學生無計劃的實施和不按進度完成的情況，并能夠保證畢業(yè)論文和畢業(yè)設計的完成質(zhì)量和效果。
3.管理的操作機制
畢業(yè)設計是全面系統(tǒng)訓練培養(yǎng)提高學生綜合設計能力的系統(tǒng)整合性課程。因此，本科四年教學中的任何一個環(huán)節(jié)都應該貫穿創(chuàng)新這個基本原則，畢業(yè)設計也不例外，對于最終的考評子系統(tǒng)模型保留修改和增減項目的空間，保證系統(tǒng)對藝術設計專業(yè)人才培養(yǎng)的可持續(xù)性。此外，學校各部門可將畢業(yè)設計展與企業(yè)人才招聘會相結合。從而建立起完整的畢業(yè)設計展覽、畢業(yè)設計答辯和人才招聘“三位一體”的畢業(yè)設計教學新模式。
四、結論
1.1不確定性分析
我國目前面臨確定最優(yōu)備用容量克服風電機組出力的間歇性和波動性影響，支持消納大規(guī)模風電并網(wǎng)的問題。合理確定快速響應火電機組規(guī)模，過多火電機組備用容量會增加運行成本，因此需要考慮到系統(tǒng)的經(jīng)濟性。本文的研究基礎是新建快速響應火電機組來解決面臨的風電并網(wǎng)及消納問題，不考慮對現(xiàn)有火電機組升級改造的情形。大規(guī)模風電并網(wǎng)背景下快速響應火電機組的規(guī)劃面臨2種不確定性：1）快速響應火電機組參數(shù)的不確定性，包括燃料可用性、碳排放成本、折現(xiàn)率、投資成本等；2）系統(tǒng)調(diào)度水平的不確定性，包括隨機停運(機組、輸電線路等)、負荷和風速預測誤差等。本文假定發(fā)電商向調(diào)度機構提出快速響應火電機組建設申請，調(diào)度機構結合規(guī)劃模型最終確定快速響應機組規(guī)劃方案，因此，快速響應機組參數(shù)的不確定性可以不用考慮。同時，假定電力系統(tǒng)的隨機性與系統(tǒng)元件停運相關，負荷和風速預測誤差與發(fā)電備用容量最優(yōu)水平相關。同時，本文采用蒙特卡羅模擬方法來仿真電力系統(tǒng)的隨機特性。假定風速服從威布爾分布[17]，由于風速預測誤差的存在，蒙特卡羅仿真將設定大量情景，并得到每個情景下每小時的風力發(fā)電量。考慮到發(fā)電機組和輸電線路的隨機性停運，在蒙特卡羅仿真中引入2個向量X和Y。其中，Xmht=1表示第m個發(fā)電機組在第t年時段h時運行，Xmht=0則表示停運；Ynht=1表示第n條輸電線路在第t年時間段h時可用，Ynht=0則表示不可用。本文將年尖峰負荷預測表示為基本負荷與年增長率的乘積[18]。年增長率包括年平均增長率和隨機增長率2部分，隨機部分反映了不確定的經(jīng)濟增長或天氣變化對負荷預測的影響。每個節(jié)點的每小時負荷是基于年系統(tǒng)尖峰負荷在使用既定負荷分布因素的情況下得出的。每個情景都有一定的發(fā)生概率，由生成的情景數(shù)目分布得到。情景總數(shù)對基于情景的優(yōu)化模型的計算工作量影響很大。因此，對于大型計算系統(tǒng)，采用有效的情景精簡方法對提高計算效率是十分重要的。精簡技術要求在盡量與原始系統(tǒng)接近的情況下得到最少的情景。因此，本文設定情景子集采用基于該子集的概率測度方法，該方法在概率度量方面與初始概率分布最為接近。另外，本文利用通用代數(shù)建模系統(tǒng)(generalalgebraicmodelingsystem，GAMS)中的SCENRED工具提供的精簡代數(shù)式設定情景子集，并對情景進行最優(yōu)概率分配。
1.2基于Benders分解算法的規(guī)劃模型
大規(guī)模風電并網(wǎng)時，系統(tǒng)調(diào)度機構的目標是在滿足規(guī)劃和運行約束條件的前提下實現(xiàn)規(guī)劃總成本最小，如式(1)所示。式中：t為規(guī)劃年，t=1,2,…,T；h為時段，h=1,2,…,H；m為發(fā)電機組序號，m=1,2,…,M；k為情景，k=1,2,…,K；Cmt()為第t年機組m的投資成本；Gmts為k情境下第t年機組m的安裝狀態(tài)，1為已完成安裝，否則為0；d為貼現(xiàn)率；pk為情景k發(fā)生的概率；Omht為第t年的h時段發(fā)電機組m的運行成本；Sht為相應的運行小時數(shù)；Pmhtk為k情境下第t年h時段機組m的調(diào)度電量。根據(jù)大規(guī)模并網(wǎng)背景下系統(tǒng)的不確定性及目標函數(shù)的特點，本文利用Benders分解法將快速響應火電機組規(guī)劃問題分解成1個主問題和2個子問題：主問題是不考慮可靠性的最優(yōu)投資規(guī)劃問題，2個子問題是可靠性和最優(yōu)運行問題。其中，可靠性子問題的可行域受主問題影響，而最優(yōu)運行子問題受可靠性子問題可行域的影響，也就是說可靠性子問題的約束中除含有自身決策變量還包括主問題的決策變量，同樣，最優(yōu)運行子問題約束中除含有自身決策變量還包括可靠性子問題決策變量。在圖1中，發(fā)電商向系統(tǒng)調(diào)度機構提供快速響應機組的候選集，考慮規(guī)劃限制情況下，調(diào)度機構以新機組投資總成本最小為目標，確定新機組的最優(yōu)投資方案。其中，規(guī)劃限制因素包括機組最大數(shù)量和候選機組的建設時間等。其中主問題同樣確定了目標函數(shù)的下界，并用該下界檢驗規(guī)劃的最優(yōu)性。除了規(guī)劃限制因素，子問題中產(chǎn)生的Benders割也作為主問題附加約束條件。主問題中包含所有的變量，而且所有的限制條件是線性的。主問題是一個混合整數(shù)線性規(guī)劃問題。通過子問題提供的可靠性和最優(yōu)運行對主問題的組合優(yōu)化狀態(tài)進行修正?？煽啃詸z查子問題對主問題提出的規(guī)劃中涉及到的系統(tǒng)可靠性限制因素的可行性進行檢測。該子問題不僅保證每個節(jié)點是電力平衡的，而且滿足輸電安全和發(fā)電機組物理限制因素的要求。在可行性不允許的情況下，會形成可靠性割，用以分析主問題中規(guī)劃問題的派生情況。直到確定可靠的規(guī)劃后該派生過程才會停止。一旦滿足了系統(tǒng)可靠性，最優(yōu)運行的子問題將考慮規(guī)劃方案的最優(yōu)性，直到滿足給定的收斂標準，該問題的派生過程才會停止。具體計算步驟如下：
1）系統(tǒng)調(diào)度機構
最初獲得的信息包括投資候選快速響應火電機組的經(jīng)濟性和技術性數(shù)據(jù)、機組斷電數(shù)據(jù)、輸電線路數(shù)據(jù)以及負荷和風速預測誤差數(shù)據(jù)。然后利用蒙特卡羅模擬法設定一系列情景。隨機長期規(guī)劃問題本質(zhì)上很復雜。本文用代數(shù)建模系統(tǒng)(GAMS)對情景進行精簡。
2）本文模型
包括1個混合整數(shù)線性規(guī)劃主問題和2個線性規(guī)劃子問題。主問題研究最優(yōu)投資規(guī)劃，子問題進行可靠性檢查并確定最優(yōu)市場運行狀態(tài)。主問題確定最優(yōu)投資規(guī)劃，其目標是新確立的快速響應發(fā)電機組的投資成本最小，如式(2)所示。式中：Bm為快速響應機組m的建設時間；Mmht為第t年發(fā)電機組m啟停狀態(tài)，1為開機，0為停機。其中，式(3)—(5)分別為建設時間約束條件、裝機情況約束條件、快速響應機組的組合優(yōu)化狀態(tài)約束條件。主問題的解包括最優(yōu)投資規(guī)劃、新機組的組合優(yōu)化狀態(tài)和規(guī)劃目標函數(shù)的下界。在第1派生階段，對機組的組合優(yōu)化狀態(tài)沒有系統(tǒng)限制約束，因此變量賦有隨機值。但是，在接下來的派生過程中，來自于可靠性檢查和優(yōu)化運行子問題中的Benders割為機組狀態(tài)設定了限制因素。如果出現(xiàn)意外情況(如圖1所示主問題求解環(huán)節(jié)出現(xiàn)無解的情況)，則調(diào)度機構需要采取一系列預防措施，如切負荷、激勵市場參與者提供額外的容量作為快速響應備用等。
3）主問題確定
第t年發(fā)電機組m的最優(yōu)安裝狀態(tài)mtG及其在h時段的啟停狀態(tài)mhtM后，可靠性檢查子問題基于主問題的解將系統(tǒng)偏差降到最小。在電力平衡變量中引入松弛變量，目標函數(shù)(6)即是將松弛變量最小化。式中：Vitk為k情境下第t年的松弛變量；,1ijhtkL為第i次迭代k情境下第t年h時段j母線上的預期發(fā)電缺口；,2ijhtkL為第i次迭代k情境下第t年h時段j母線上的發(fā)電剩余；Phjtk為k情境下第t年h時段j母線上的調(diào)度電量；Dnjtk為k情境下第t年輸電線路n上來自母線j的有功潮流；Qjhtk為k情境下第t年h時段母線j上的負荷；Mmhtk為k情境下第t年發(fā)電機組m在h時段的開停機狀態(tài)；Pmhtk為k情境下第t年h時段機組m的調(diào)度電量；Pmin,m為機組m的最小出力限制；Mmht為第t年h時段機組m的啟停狀態(tài)；Xmthk為k情境下第t年h時段機組m的發(fā)電機可用狀態(tài)，0為處于停機狀態(tài)，否則為1；Pmax,m為機組m的最小出力限制；Dnhtk為k情境下第t年h時段輸電線路n上的有功潮流；Ynhtk為k情境下第t年h時段輸電線路n的輸電可用狀態(tài)；I為從線路n上某點注入的注入功率；θnchtkθndhtk為k情境下第t年h時段輸電線路n兩端電壓的相角差；xn為輸電線路n的電抗；Rm、Rm為機組m爬坡加速/減速極值。其中，式(7)為目標函數(shù)的節(jié)點電力平衡約束條件，式(8)為發(fā)電機組安裝狀態(tài)，式(9)為主問題確定的組合優(yōu)化狀態(tài)，式(10)為發(fā)電限制，式(11)為直流電力潮流，式(12)為輸電線路限制，式(13)(14)為爬坡加速/減速限制。隨機規(guī)劃解將滿足長期可靠性指數(shù)，如電量不足停電損失率η。當?shù)趖年第h小時的η值比其目標值大時，第r次迭代時產(chǎn)生Benders割，相應的可靠性信號會反饋給主問題。將η作為約束條件限制未供給的每小時負荷數(shù)。年度負荷總數(shù)滿足年度η要求。但是，使用基于小時指標的優(yōu)點在于能夠阻止某些時段發(fā)生大規(guī)模甩負荷的情況。第t年h時段的η由式(6)中的預期發(fā)電缺口Lijhtk,1除以第t年第h小時的預測負荷所得。式(15)所示的可靠性限制會使發(fā)電剩余Lijhtk,2為0。如果式(15)中有任何一個式子不能滿足，則會產(chǎn)生Benders割。式中：αits和βihts分別為優(yōu)化過程中對應于各約束的拉格朗日乘子最優(yōu)值，均為常量；Fhtk為k情景下第t年h時段的負荷；ηht為第t年h時段電量不足的概率。式(16)的Benders割表示現(xiàn)有機組組合優(yōu)化狀態(tài)和候選機組安裝狀態(tài)的耦合信息。割表示在t年通過調(diào)整投資規(guī)劃無法減輕電網(wǎng)受到的擾亂程度。
4）最優(yōu)運行
子問題的目標是基于提交的競標發(fā)電量和用電需求使社會福利最大化。社會福利定義為基于競標值的電力消費支付額和生產(chǎn)成本之間的差額。該子問題的構建基于安全約束的經(jīng)濟調(diào)度模型，并檢查所求解的最優(yōu)性。當電力需求沒有彈性時，目標函數(shù)是基于給定的投資規(guī)劃和機組組合優(yōu)化狀態(tài)使系統(tǒng)成本最小，如式(17)所示。在一些情景下，發(fā)電機組和輸電線路斷電會導致無可行解。為了計算此種情況下的價格，假設原發(fā)電機組由虛擬發(fā)電機組以更高的價格提供所需電量。利用電量不足期望值來表示虛擬發(fā)電機組提供的電能。(1)111(1)111min(1)(1)THKqhtmhtmhtkktthkTHJhtjhtjhtktthjSOPWdSCPd(17)s.t.111MJJmhjtkjhtkjhtkmjjPPQ(18)UPEQ+PAD(19)0,jhtkPj(20)式中：Wqk為系統(tǒng)運行成本；jhtkP為k情境下第t年h時段母線j上虛擬機組的可調(diào)度容量；jhtC為第t年h時段母線j上虛擬機組的成本；U為母線機組關聯(lián)矩陣；E為母線負荷關聯(lián)矩陣；P為虛擬機組可調(diào)度容量向量；A為母線支路關聯(lián)矩陣；D為有功潮流矩陣；P為有功功率向量；Q為負荷向量。類似于可靠性檢查子問題，最優(yōu)運行的目標函數(shù)受到物理因素限制，如式(8)—(14)所示。該子問題的解為主問題目標函數(shù)提供了上界，用于檢查解的最優(yōu)性。如果提出的投資規(guī)劃方案不是最優(yōu)的，會產(chǎn)生如式(21)所示的Benders割現(xiàn)象，并會添加到下一迭代過程中的主問題中。(1)(1)1111111111()(1)()()KTMqmtmtkmtkkktktmKTMkmtkmtkmtktmKTHMkmhtkmhtkmhtkthmCGGZpWdpGGpMM(21)Benders分解法的重要特點是可以在每一迭代階段為最優(yōu)解提供上下界，從而提供了收斂標準。收斂標準如式(22)所示。YZYZ(22)式中是最小的正數(shù)，表示接受最優(yōu)解的臨界值。
2、算例分析
本文通過一個6節(jié)點系統(tǒng)的算例來分析集中式和分布式風電擴張情形，如圖2所示。本文研究給定風電并網(wǎng)水平情況下快速響應火電機組的規(guī)劃問題?；陲L速預測數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)分為3個區(qū)域，其風電容量參數(shù)分別為31%、38%和49%。風電容量參數(shù)是1a內(nèi)實際風力發(fā)電量與裝機容量全部投入使用時的發(fā)電量的比值。本文研究的快速響應火電機組安全經(jīng)濟規(guī)劃期和年峰負荷預測期均為10a。表1列出了系統(tǒng)數(shù)據(jù)，圖3給出了基準案例情況下年尖峰負荷預測情況。節(jié)點2、4和5的負荷比例分別為50%、30%和20%。假設負荷在該段時期內(nèi)擁有相同的分布參數(shù)。年尖峰負荷預測值是基準負荷(如307MW)與年增長率(如2.5%)的乘積。假定尖峰負荷隨機部分增長率和風速預測誤差服從正態(tài)分布[19]，中值為0，標準差為0.01，每小時負荷參數(shù)和每小時風力發(fā)電系數(shù)借鑒伊利諾伊理工大學提供的6節(jié)點系統(tǒng)小時數(shù)據(jù)。表2所示為候選發(fā)電機組數(shù)據(jù)。風電每小時成本忽略不計。風電容量為150MW，在情形I中是集中式，情形II—IV分布式。5種情形如下：1）情形I，風電機組集中在節(jié)點3的規(guī)劃問題。2）情形II，風電機組分布在節(jié)點2、3和6的規(guī)劃問題。3）情形III，風電機組分布在節(jié)點2、3和6，但是在第8年線路4-5部分停運的規(guī)劃問題。4）情形IV，風電機組分布在節(jié)點2、3和6，但是在第8年機組2停運的規(guī)劃問題。5）情形V，風電機組分布在節(jié)點2、3和6，但是在第8年線路4-5部分和機組2同時停運的規(guī)劃問題。情形I：在該情形下，風電機組全部安置在區(qū)域C的節(jié)點3處，因為此處風速預測最為理想。第1年該節(jié)點接入裝機容量為150W、容量參數(shù)為49%的風電機組。但是，這樣的規(guī)劃導致無法用其他機組降低節(jié)點3較大風速誤差帶來的影響。表3列出了各機組投入使用的年份。機組3一直投入使用，機組1在尖峰投入時使用以滿足負荷需求，將運行成本降到最小?？偟耐顿Y和運行成本為1336元/MW，其中運行成本為553元/MW。起初，機組3在節(jié)點3，機組2在節(jié)點2(系統(tǒng)最大的負荷中心)。表3中的其他機組在以后年份風電容量和負荷增加時逐步投入使用。風電集中安裝情況下沒有足夠多的輸電通道。情形II：圖2顯示了風電機組在3個區(qū)域分布式安裝的結果。風電機組裝機容量50MW，區(qū)域A和B的容量參數(shù)小于區(qū)域C的容量參數(shù)。表4給出了候選機組的安裝年份。與情形I類似，機組1在第5年安裝，機組2在第1年安裝。但是，在第7年機組3才在節(jié)點1安裝。節(jié)點3處的風電機組WG3年發(fā)電容量為12.5MW(容量參數(shù)為25%)，線路2和3沒有阻塞。低成本的WG3在某些時候低于其容量參數(shù)運行是因為系統(tǒng)慢加速限制因素。因此，在第7年接入快速響應機組后，WG3平均發(fā)電量上升到22.5MW，容量參數(shù)為45%，仍然低于WG3的容量參數(shù)49%，這是由于輸電和運行條件限制(如火電機組最低發(fā)電量限制、系統(tǒng)慢加速限制、開關限制等)。與情形1相比，總投資和運行成本降低至1072元/MW，其中運行成本上升到了601元/MW。在情形II中，由于區(qū)域A和B較低的容量參數(shù)，總風電機組利用率與情形I相比降低了28%，這將導致更多的昂貴的火電機組的使用，并增加運行成本。如果區(qū)域A和B的容量參數(shù)與區(qū)域C相同(49%)，則運行成本將降低至540元/MW。圖4把運行和總成本描述為風電容量參數(shù)的函數(shù)。初始值是現(xiàn)有的風電并網(wǎng)水平。圖4顯示隨著快速響應機組投資額的增加，運行成本降低。由社會成本可以看出，容量參數(shù)的最優(yōu)增長為20%，此時社會成本最低。盡管區(qū)域A和B的風電容量參數(shù)較低，但是風電在3個區(qū)域的分布降低了總成本，提高了機組使用率。這是因為一個區(qū)域的風力間歇可以由其他區(qū)域來補充，同時，快速響應機組投入減少。情形III：該情形考慮在第8年尖峰時段4-5線路停運的情況。與情形II類似，機組2在第1年投入使用，機組1在第5年投入使用，機組3在第7年投入使用，如表5所示。另外，作為預防措施，機組4在第8年投入使用，機組6在第10年投入使用。線路4-5的停運減少了區(qū)域A和區(qū)域B的輸電通道，因此有必要在區(qū)域B接入機組4和6。與情形2相比，總成本增加至1227元/MW。情形IV：第8年尖峰時段機組1的停運將改變情形II中的規(guī)劃方案。機組2在第1年投入使用，機組1在第5年投入使用，機組3在第7年投入使用，如表6所示。另外，機組6在第8年投入使用，作為機組2停運的補充。該預防措施使規(guī)劃成本上升至1162元/MW，運行成本升至601元/MW。情形V：在第8年，線路4-5和機組2同時停運，如表7所示。此處考慮尖峰和非尖峰時段2種情況。同之前情形類似，機組3在第1年投入使用，機組4和6在第8年投入使用作為停運的補充。總成本升至1232元/MW，是所有情形中最高的，但是運行成本和情形4和5相比變化不大。
3、結論
在優(yōu)化系統(tǒng)初始參數(shù)輸入的界面中，根據(jù)具體優(yōu)化問題，確定優(yōu)化對象相關的設計參數(shù)值與優(yōu)化參數(shù)設計范圍，然后在輸入欄里輸入相關參數(shù)值和初始值。設計界面中某些參數(shù)的輸入需要在一定的范圍內(nèi)，如果輸入非法時，會有相應的提示，需要重新輸入正確的參數(shù)[4-5]。當用戶輸完相關設計參數(shù)之后，單擊“開始優(yōu)化”按鈕，系統(tǒng)首先將輸入的具體參數(shù)值類型轉(zhuǎn)化為MATLAB數(shù)據(jù)類型，然后將數(shù)值傳入到MATLAB優(yōu)化組件中進行優(yōu)化。優(yōu)化成功后的結果顯示在界面中，否則返回重新進行優(yōu)化。整個分析過程在服務器上完成，不影響用戶進行本地的其他操作。
2關鍵技術
筆者通過刮板輸送機的優(yōu)化實例用以說明在系統(tǒng)建立過程中的幾個關鍵技術。優(yōu)化數(shù)學模型的M文件編寫針對刮板輸送機設計參數(shù)的不確定性，以達到其電機功率最小和運輸性能最佳為目標，取輸送機刮板鏈運行速度v、槽深H及寬度B作為優(yōu)化設計變量。具體優(yōu)化數(shù)學模型的建立過程請見文獻[6]。根據(jù)以上的數(shù)學模型，編寫M文件，由于在具體工程實例中設計值的不同，筆者將文獻[6]中的某些具體的設計值作為可變的參數(shù)傳遞值。這里取鏈條最小張力、鏈條單位長度質(zhì)量、輸送機的鋪設長度和物料堆積角作為可變的傳遞參數(shù)，令其分別為x(4)、x(5)、x(6)、x(7)，以方便MATLAB與之間傳遞參數(shù)，代碼如下：編譯生成.net組件生成.net組件的步驟如下。(1)在CommandWindow里面直接輸入deploytool，在彈出的DeploymentProject窗口里，輸入相應的保存位置和名稱，Type類型選擇：.NETAssembly。如圖3所示。(2)添加已經(jīng)編寫好的M文件guabanji.m，如圖4所示。(3)創(chuàng)建工程，選擇Build編譯成.net組件。文件保存后打開剛才保存工程的文件夾可以看到有兩個新建的文件夾distrib和src。這里包含了在調(diào)用中需要用到的文件、庫、資源和接口等，如圖5所示。調(diào)用.net組件與網(wǎng)頁設計打開vs2010，新建一個C#項目，添加引用，在彈出的菜單中找到已經(jīng)生成的.net組件文件夾src，選擇添加其中的guabanji.dll文件，另在.net中添加MWArray組件，這樣引用添加成功，如此便可以調(diào)用.net組件進行優(yōu)化[7-8]。
3運行實例
用戶通過瀏覽器進入基于Web煤機裝備優(yōu)化設計系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括采煤機、刮板輸送機、提升機及掘進機優(yōu)化設計系統(tǒng)。筆者以刮板輸送機的優(yōu)化設計系統(tǒng)為例，介紹了整個系統(tǒng)需要優(yōu)化的機型，選擇所需優(yōu)化的零件進入優(yōu)化設計頁面，并根據(jù)提示輸入合理參數(shù)，然后點擊“開始優(yōu)化”按鈕，系統(tǒng)就會根據(jù)用戶輸入的參數(shù)，調(diào)用.net組件實現(xiàn)優(yōu)化分析設計，并將優(yōu)化的結果顯示在瀏覽器上[9-10]。以刮板輸送機為例進行說明，首先打開網(wǎng)站首頁，選擇刮板輸送機優(yōu)化；進入刮板輸送機零部件優(yōu)化列表頁面，選擇所需零件進入其優(yōu)化設計頁面，在文本框中輸入具體問題的設計參數(shù)，然后點擊頁面中的“開始優(yōu)化”按鈕進行優(yōu)化，如圖6所示。得到優(yōu)化結果后，將常規(guī)的設計方案與優(yōu)化設計方案的結果對比，如表1所列。
4結語
作為一個新產(chǎn)品，在設計開始之前，不僅要明確創(chuàng)造產(chǎn)品的目的，而且要搞清楚有哪些約束縮小了設計方案的選擇。這些約束通常是以準確表達出的條件或者以技術要求的形式表示出來的，符合這些約束的任何一個方案，都被認為是可行的，設計的主要任務就是找到這個可行方案，哪怕是只有一個。如果設置的約束不很嚴格，能夠存在多個允許的方案集。在這種情況下，比較并選擇在不同的技術經(jīng)濟指標方面有優(yōu)越性的方案，或者選擇最優(yōu)的方案。在本質(zhì)不確定的條件下，常常是很難甚至不可能找到最優(yōu)的方案并證明它的存在。在解決結構設計任務時，許多計算公式和數(shù)量關系是接近的，因為它們是建立在統(tǒng)計依賴關系或經(jīng)驗數(shù)據(jù)的基礎上。因此應慎重評價得到的設計方案與實際最優(yōu)方案的相近性。在進行功能設計時，設計方案優(yōu)化的主要特點歸結于設計者的關注點，主要集中在可能的方案綜合方法選擇上。而僅僅是在可能的方案集形成以后，或是找到可能的方案形成的有效計算法以后，才會面臨選擇獲取最優(yōu)方案的方法問題。從本質(zhì)上說，優(yōu)化所有這些方法就是對可能的方案離散集合尋找最適條件。個別情況下，可能的方案集被以確定的一組某個結構表示出來，能夠采用已知的優(yōu)化方法，如網(wǎng)式優(yōu)化法、排列優(yōu)化法等。
2案例分析
以飛機上的殼體零件為例，在使用過程中，殼體處于強大氣流中，承受空氣動力負載，除此之外，它還是產(chǎn)品結構動力布局的一部分。在殼體設計的不同階段，創(chuàng)建產(chǎn)品結構和功能優(yōu)化數(shù)學模型。在擬定技術建議階段，為了下一步設計，形成產(chǎn)品Ai主要輪廓F（Ai）的組成，這些主要輪廓確定了產(chǎn)品的功能用途。對于殼體而言，主要輪廓的組成與工作用途輪廓的描述一樣，直接影響了殼體的結構方案和工藝性指標的選擇：FP11為外圈輪廓的圓柱表面；FP12為法蘭接合處輪廓；FP13為殼體的長度L；FP14為殼體內(nèi)孔輪廓表面；…FP21為外圈輪廓相對理論表面FP11的許可偏差ΔP22；FP22為殼體長度許可偏差ΔP22；FP23為接合處平面平行度許可偏差ΔP23；FP24為內(nèi)孔輪廓許可的表面粗糙度Ra……在構思結構方案的過程中，殼體的結構方案分割性質(zhì)是不同的，如整體性程度不同，結構材料不同，毛坯可能的形式不同等。在這個階段借助于生產(chǎn)工藝準備模型和生產(chǎn)模型，進行殼體工藝性評價，生產(chǎn)工藝準備模型能夠評價生產(chǎn)工藝準備的時間長短，生產(chǎn)模型則能夠擴展評價制造產(chǎn)品所需的勞動消耗。針對各種不同的生產(chǎn)過程，對應有不同的殼體結構方案，整體式殼體，這種殼體可由金屬鑄造或者由非金屬材料壓制成型，并需要外圓表面和兩端面加工；雙半殼體組合的焊接殼體，所示，這種殼體是由兩個鍛件經(jīng)輾壓得到的，并需要外圓表面和兩端面加工與焊接；焊接外殼和法蘭組合的焊接殼體，它是由兩個法蘭和一個外殼組成，主要的聯(lián)接工序是焊接及其后的外圓表面加工；非金屬外殼和金屬法蘭組合的殼體，它是由一個非金屬外殼和兩個金屬法蘭組成，并需要外圓表面的加工和法蘭的緊固聯(lián)接。為了實現(xiàn)產(chǎn)品設計方案的優(yōu)化，在設計階段便對殼體的結構元素進行分析。為評價其工藝性，選擇一個與安裝的對接螺釘相匹配的殼體空腔。從圖中可以清楚地看到，空腔可能是圓柱形的，或者是長橢圓形的（A向視圖示）。前一種情況，空腔只能由鉆和锪來實現(xiàn)。但為了螺釘頭能固定在空腔壁上，必須把孔锪到對接螺釘?shù)南路剑坏诙N情況，不要求锪孔，空腔用不少于二道的工序加工完成，即鉆和銑。在設計階段，確定工藝性的任務包含在產(chǎn)品結構元素加工工序和工步方案的評價之中，解決這個任務需借助于基于工序、工步和具體類型設備和工裝水平上的生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)學模型。
3結語
根據(jù)非等時距灰色GM（1，1）模型的構建過程，設計數(shù)據(jù)處理流程，如圖1所示。利用VB編寫主程序，完成程序用戶界面設計，實測數(shù)據(jù)的輸入，MATLAB的調(diào)用（包括等時距變換、灰色GM（1，1）模型的構建等），預測數(shù)據(jù)的輸出以及預測擬合曲線與實測曲線對比圖的顯示等操作。VB調(diào)用MATLAB的主要程序代碼如下：PublicMATLABAsObject‘在VB變量聲明部分聲明要調(diào)用Matlab的ActiveX對象‘在Command1_Click（）中鏈接Matlab的ActiveX部件SetMatlab=CreateObject（"Matlab.Application"）‘初始化對象CallMatlab.MinimizeCommandWindow‘matlab窗口最小化g=Matlab.execute（gm）‘執(zhí)行matlab命令，gm為mat_lab執(zhí)行代碼非等時距時間序列轉(zhuǎn)換為等時距時間序列的主要程序代碼如下：dtim=tim（length（tim））/（length（tim）-1）；%計算平均時間間隔x0（1）=dat（1）；x0（length（tim））=dat（length（tim））；fori=2：length（dat）-1x1（i）=dat（i-1）+（dat（i）-dat（i-1））/（tim（i）-tim（i-1））*（（i-1）*dtim+tim（1）-tim（i-1））；x2（i）=dat（i）+（dat（i+1）-dat（i））/（tim（i+1）-tim（i））*（（i-1）*dtim+tim（1）-tim（i））；x0（i）=（x1（i）+x2（i））/2；%計算等時距時間序列end灰色GM（1，1）模型構建的主要程序代碼如下：x1=cumsum（x0）；%一次累加生成fori=1：length（x0）-1；B（i，1）=（-1/2）*（x1（i）+x1（i+1））；B（i，2）=1；Yn（i，1）=x0（i+1）；end；A=（inv（B'*B））*B'*Yn；a=A（1）；u=A（2）；%計算發(fā)展系數(shù)以及灰色作用量fork=1：length（x0）+T；xsum（k）=（x0（1）-u/a）*exp（-a*（tim1（k）/dtim））+u/a；xsum1（k）=（x0（1）-u/a）*exp（-a*（tim1（k）-dtim）/dtim）+u/a；end；xyc（1）=xsum（1）；fork=2：length（x0）+T；xyc（k）=xsum（k）-xsum1（k）；%累減還原預測數(shù)據(jù)end。
2工程實例分析
某基坑工程位于青島市經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)，地處長江路示范居住中心地段，共分三期開發(fā)，每期工程各由4棟32~33層高層住宅、地下2層機械停車庫組成，其中二期工程包含5#、6#、7#、8#樓。現(xiàn)以監(jiān)測點J8、J10、J16、J19、J22的累計位移變化量為時間序列進行建模分析。表2為J16點的部分觀測數(shù)據(jù)。選取第1~8期作為牛頓插值數(shù)據(jù)，第9~10期作為檢驗數(shù)據(jù)。運行程序，依次輸入第1~8期的累計時間間隔和累計位移變化量，點擊“計算”控件調(diào)用MATLAB進行運算，將非等時距數(shù)據(jù)序列轉(zhuǎn)換為等時距序列，并在用戶界面上輸出等時距變換結果，然后輸入第9~10期的累計時間間隔，點擊“預測”控件，調(diào)用灰色GM（1，1）模型構建程序模塊，計算得出第1~10期的預測數(shù)據(jù)，并進行精度檢驗，最終將預測數(shù)據(jù)、預測模型精度等結果顯示輸出在用戶界面上，如圖2所示。將第1~10期實測數(shù)據(jù)與預測數(shù)據(jù)進行比較分析，結果如表3所示。為方便直觀顯示，繪制預測擬合曲線與實測曲線，見圖2。其中，實線代表實測數(shù)據(jù)，虛線代表預測數(shù)據(jù)從圖2中可以看出，J16點采用非等時距灰色GM（1，1）模型模擬的擬合曲線較為平滑，與實測曲線吻合較好。對模型進行精度檢驗，計算得J16點的后驗差比值C=0.1126，小概率誤差P=1。由表1可知，利用該工程J16監(jiān)測點的第1~8期累計位移變化量為時間序列所構建的灰色GM（1，1）模型，其精度等級為一級。依次以監(jiān)測點J8、J10、J19、J22的同時段累計位移變化量為時間序列建立灰色GM（1，1）模型，并進行精度檢驗，計算結果見表4?？梢钥闯?，4個模型的精度等級均為一級。綜上可知，利用該程序?qū)Ρ?數(shù)據(jù)進行分析，可以獲得良好的變形預測結果，精度較高，充分驗證了基坑變形非等時距灰色預測模型的可靠性、有效性與實用性，且程序設計界面友好、操作簡便、數(shù)據(jù)處理高效，能夠為基坑工程的安全評判提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)，以便進行適時控制。
3結束語
關鍵詞:下一代網(wǎng)絡（NGN）；軟交換；SIP協(xié)議
引言
目前傳統(tǒng)的公眾交換電話網(wǎng)（PSTN）上傳送著許多數(shù)據(jù)業(yè)務，由于快速增長的數(shù)據(jù)業(yè)務給并不適合傳送數(shù)據(jù)業(yè)務的電話網(wǎng)造成了很大的壓力。因此，基于分組技術的數(shù)據(jù)網(wǎng)與電路交換網(wǎng)最終必將走向融合，產(chǎn)生下一代由業(yè)務驅(qū)動的網(wǎng)絡。軟交換是下一代網(wǎng)絡交換的核心，如果說傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡是基于程控交換機的網(wǎng)絡，而下一代網(wǎng)絡則是基于軟交換的網(wǎng)絡。
一、系統(tǒng)開發(fā)的技術基礎
1.1軟交換的概念
我國信息產(chǎn)業(yè)部電信傳輸研究所對軟交換的定義是：“軟交換是網(wǎng)絡演進以及下一代分組網(wǎng)絡的核心設備之一，它獨立于傳送網(wǎng)絡，主要完成呼叫控制、資源分配、協(xié)議處理、路由、認證、計費等主要功能，同時可以向用戶提供現(xiàn)有電路交換機所能提供的所有業(yè)務，并向第三方提供可編程能力。”
1.2SIP協(xié)議介紹
會話初始化協(xié)議SIP（SessionInitiationProtocol）是一個面向Internet會議和電話的簡單信令協(xié)議，SIP最初由IETFMMUSIC(MultipartyMultimediaSessionControl)工作組提出。它的主要目的是為了解決IP網(wǎng)中的信令控制，以及同軟交換機的通信，從而構成新一代的通信平臺。
二、系統(tǒng)的總體設計和實現(xiàn)
2.1系統(tǒng)的層次結構
軟交換采用業(yè)務與交換分離的設計思想，在系統(tǒng)設計結構上將軟交換技術應用設計為三層結構，底層為用戶接入層，中間為交換支撐層，最上面是業(yè)務實現(xiàn)層。系統(tǒng)的層次結構如圖1所示。
2.2呼叫管理服務器的設計與實現(xiàn)
呼叫管理服務器處于該體系結構中的網(wǎng)絡控制層，它是軟交換系統(tǒng)的核心部分。呼叫管理服務器除了完成呼叫控制、連接控制和協(xié)議處理功能外，還將提供原來由網(wǎng)守設備提供的資源管理、路由以及認證、計費等功能。軟交換系統(tǒng)的運行需要SIP協(xié)議棧和SDP協(xié)議棧?？蛻舳藨撃軌虍a(chǎn)生INVITE和ACK請求，能夠產(chǎn)生和解析Call-ID，Content-Length，Content-Type，Cseq，F(xiàn)rom和To頭部字段。呼叫管理服務器應該能夠接收INVITE，ACK，BYE，CANCEL和REGISTER請求，應該能夠產(chǎn)生和解析Call-ID，Content-Length，Content-Type，Cseq，Expires，F(xiàn)rom，Max-Forwards，Via和To頭部字段。為了能夠使客戶端和服務端能夠使用RTP傳輸語音流，SDP協(xié)議應該能夠產(chǎn)生和解析v，o，s，c，t，m和a頭部字段。
本系統(tǒng)以面向?qū)ο蟮姆椒ㄔO計了一個滿足系統(tǒng)要求的最小SIP和SDP協(xié)議棧。SIP協(xié)議棧支持INVITE，ACK，BYE，REGISTER和CANCEL請求，支持100，180，200，300，400，500和600狀態(tài)應答，支持Subject，Contact，Call-ID，Content-Length，Content-Type，Cseq，Expires，F(xiàn)rom，Max-Forwards，Via和To頭部字段。SDP協(xié)議棧支持v，o，s，c，t，m和a頭部字段。SIP和SDP中的頭部字段都是以類的形式實現(xiàn)的，所支持的頭部字段都是從一個抽象類Header繼承而來。抽象類Header的定義如下：
其中最主要的方法為decode，主要用來對相應的頭部字段進行解析，getName方法返回當前的頭部字段類的類名，encode方法用來產(chǎn)生相應的頭部字段的字符串。
其中SIP協(xié)議棧的結構如圖2所示：
解析層是對SIP消息進行解析和構造。解析層實現(xiàn)的關鍵在于各個頭部字段類的設計及其相應decode方法的實現(xiàn)。解析層的實現(xiàn)借鑒了VOCAL開放源碼中SipStack的頭部字段類的設計方法，VOCAL的SipStack對RFC2543完全支持，但協(xié)議棧非常的龐大，設計的過程中參考了VOCAL的SipStack的頭部字段類的設計形式實現(xiàn)了一個簡潔，實用的SIP協(xié)議棧，SIP協(xié)議棧的大小還不到VOCAL的SipStack的1/10。
三、結束語
總之，基于SIP協(xié)議軟交換系統(tǒng)的前景非常廣闊，在這個領域，有許多技術難題等待人們?nèi)ソ鉀Q。相信在大家的共同推動之下，軟交換系統(tǒng)的應用將得到快速的發(fā)展。
參考文獻
[1]強磊等編著.基于軟交換的下一代網(wǎng)絡組網(wǎng)技術[M].人民郵電出版社,2005
[2]秦維佳.C/C++程序設計教程[M].機械工業(yè)出版社,2007
