時間：2022-11-07 09:58:19
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軟件無線電是隨著計算機技術(shù)、高速數(shù)字處理技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的，其基本思想就是將寬帶A/D/A變換器盡可能地靠近天線，將電臺的各種功能盡量在一個開放性、模塊化的平臺上由軟件來確定和實現(xiàn)。該平臺的調(diào)制方式、碼速率、載波頻率、指令數(shù)據(jù)格式、調(diào)制碼型等系統(tǒng)工作參數(shù)具有完全的可編程性。
傳統(tǒng)的衛(wèi)星測控平臺存在著性能不完善，調(diào)制方式、副載波、碼速率組態(tài)不靈活，體積偏大等問題。研制和開發(fā)通用化、綜合化、智能化的測控平臺，通過注入不同的軟件，實現(xiàn)對調(diào)制載頻、調(diào)制方式、傳輸碼速率等參數(shù)的改變，應(yīng)用于各種軌道衛(wèi)星平臺的遙測遙控任務(wù)。數(shù)字信號處理器（DSP）是整個軟件無線電方案的靈魂和核心所在。通用平臺的靈活性、開妻性、通用性等特點主要是通過以數(shù)字信號處理器為中心通用硬件平臺及DSP軟件來實現(xiàn)的。經(jīng)過比較，我們采用TI公司的TMS320C6000系列DSP芯片和匹配的芯片形成一套實時的DSP系統(tǒng)。
圖1TMS320C6701結(jié)構(gòu)框圖
1軟件無線電通用平臺的DSP技術(shù)
1.1TMS320C6701DSP芯片介紹
TMS320C6701是TI公司的高性能DSP芯片，具結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
TMS320C6701的主要特點為：
*單指令字長為32位，8個指令組成一個指令包，總字長為256位，引腳與TMS320C6201系列的引腳兼容。
*體系結(jié)構(gòu)采用甚長指令字（VLIW）結(jié)構(gòu)；
*硬件支持IEEE標(biāo)準(zhǔn)的單精度和雙精度指令集，支持字節(jié)尋址獲得8位/16位/32位數(shù)據(jù)，指令集中有位操作指令（包括位域抽取、設(shè)置、清除以及位計數(shù)、歸一化等）；
*1Mb(位)的片內(nèi)存儲空間，其中程序存儲空間和數(shù)據(jù)存儲空間各512Kb；
*32b外部存儲器接口（EMIF），有52MB的外部存儲器尋址能力；
＊四通道自加載DMA協(xié)處理器，可用于數(shù)據(jù)的DMA傳輸；
*16位宿主機接口（HPI）；
*兩個多通道緩沖串口（McBSPs）；
*兩個32位通用定時器；
＊靈活的鎖相環(huán)路（PLL）時鐘產(chǎn)生器，可以對輸入時鐘進(jìn)行不同的倍頻處理；
*芯片內(nèi)部有IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)邊界掃描仿真器（JTAG），可用于芯片的自檢和開發(fā)；
*芯片共352腳采用BGA封裝，以獲得好的高頻電氣性能，并使芯片尺寸變?。?/p>
*采用0.18μm工藝，則五層金屬組成，輸入輸出接口電壓為3.3V，核心電壓1.8V(167MHz時為1.9V)。
1.2DSP技術(shù)在軟件平臺中的應(yīng)用
每套測控平臺含雙機備份的遙控調(diào)制器與遙控解調(diào)器，雙機分別由獨立電源供電。系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。調(diào)制器與解調(diào)器分別通過不同的RS232串口與遙控處理計算機通信，完成對調(diào)制解調(diào)器的控制及其帶數(shù)據(jù)的收發(fā)。
用戶在每次任務(wù)前通過控制計算機設(shè)置調(diào)制方式、調(diào)制參數(shù)及通信連接方式，并調(diào)用算法參數(shù)生成程序產(chǎn)生調(diào)制器和解調(diào)器中算法的預(yù)置參數(shù)，并在設(shè)備初始化時以批數(shù)據(jù)方式從串口送入DSP芯片，經(jīng)校驗后送FlashROM中。為保證程序傳送的可靠性，采用IRQ差錯控制方式，DSP每接收一個數(shù)據(jù)包在存儲的同時向計算機回傳數(shù)據(jù)信息，計算機一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)出錯即轉(zhuǎn)入重傳方式。參數(shù)設(shè)置成功后，調(diào)制解調(diào)器根據(jù)協(xié)議發(fā)送和接收遙控指令，并將工作狀態(tài)回送遙控處理計算機，同時在遙控前端機面板上顯示。
1.3調(diào)制器與解調(diào)器硬件結(jié)構(gòu)與功能描述
硬件系統(tǒng)以DSP為核心，電路主要由下述模塊組成：電源模塊、系統(tǒng)時鐘及模式設(shè)置模塊、存儲器模塊、系統(tǒng)監(jiān)控模塊、與控制計算機通信模塊、調(diào)制輸出模塊、B碼時鐘接收模塊和顯示控制模塊。在解調(diào)系統(tǒng)中，除解調(diào)輸入模塊、解密接口模塊和顯示控制模塊外，其余模塊均與調(diào)制系統(tǒng)一致，如圖3所示。
調(diào)制器加電時，DSP首先通過外部存儲器模塊完成自加載。自加載完成后，由DSP主程序?qū)顟B(tài)顯示監(jiān)控模塊進(jìn)行參數(shù)初始化設(shè)置。在有調(diào)制任務(wù)時，首先由控制計算機對DSP進(jìn)行參數(shù)設(shè)置（如濾波器參數(shù)、調(diào)制制式、調(diào)制副載頻、調(diào)制碼速率等），然后發(fā)調(diào)制數(shù)據(jù)給DSP，由DSP的串行通信口接收數(shù)據(jù)，在DSP內(nèi)完成副載頻調(diào)制；調(diào)制數(shù)據(jù)經(jīng)DSP串口發(fā)送給數(shù)模塊轉(zhuǎn)換進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的信號過低通可編程濾波器濾波后輸出。解調(diào)器的工作過程與上類似，在檢測到有已調(diào)副載波進(jìn)入A/D通道時，啟動解調(diào)模塊進(jìn)行解調(diào)，將解調(diào)的數(shù)據(jù)送到控制計算機。
2DSP實現(xiàn)信號調(diào)制和解調(diào)
2.1信號調(diào)制
調(diào)制器的設(shè)計目標(biāo)是在可編程的硬件平臺上，通過注入不同的算法或執(zhí)行軟件，實現(xiàn)不同載波頻率、調(diào)制方式、傳輸速率和碼型的多制式的通用型調(diào)制器。它將以靈活的重構(gòu)性支持各種通信發(fā)射機的不同需求，更有利于各通信設(shè)備的互連互連?？紤]到數(shù)字直接合成技術(shù)具有數(shù)控靈活、頻率分辨率高、頻率切換快、相位可連續(xù)線性變化、覆蓋帶寬大、生成的正弦/余弦信號正交性好等特點，我們的設(shè)計方案是以DSPs芯片為內(nèi)核，采用軟件DDS技術(shù)，實現(xiàn)高精度、高性能的數(shù)字調(diào)制器。調(diào)制器的總體框圖如圖4所示。
幀分析在設(shè)備初始化時完成程序數(shù)據(jù)的接收、校驗和轉(zhuǎn)發(fā)（向FlashROM送）。在正常工作時，從幀數(shù)據(jù)中分離出調(diào)制參數(shù)及等調(diào)制數(shù)據(jù)，分別送參數(shù)寄存器與數(shù)據(jù)寄存器。
圖5BPSK接收總體框圖
在數(shù)據(jù)格式變換中，完成將輸入的數(shù)據(jù)分別轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)制參數(shù)控制字（如相應(yīng)調(diào)制方式下的頻率控制字K、相位控制字φ和副度控制字A）和相應(yīng)格式的被調(diào)制數(shù)據(jù)，經(jīng)滾降處理后(對于FSK方式可不用滾降處理)對正弦載波進(jìn)行調(diào)制。
2.2信號解調(diào)
對于BPSK接收，我們采用相干解調(diào)方式，如圖5所示。接收信號經(jīng)帶通采樣得到原始信號序列后，首先與本地產(chǎn)生的正弦序列相混頻，然后經(jīng)低通濾波除高頻分量，得到其帶信號樣值序列（正弦序列的頻率與相位也由此樣值序列獲得）。再對基帶信號樣值序列進(jìn)行最佳判決點時刻波形估計，估計值送往均衡器做均衡處理，均衡結(jié)構(gòu)再做0、1判決得到最終的解調(diào)數(shù)據(jù)。解調(diào)的關(guān)鍵點在于本地載波的同步和符號定時誤差的提取。
ASK(FSK)信號的解調(diào)方法可分為相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩類。由于相干解調(diào)的抗干擾能力較強，本方案采用相干解調(diào)方式。圖6為采用相干解調(diào)時，接收端的解調(diào)總體方案流程框圖。
接收信號首先經(jīng)低通濾波器，濾除帶外噪聲（此處的低通濾波器由專用器件設(shè)計）。然后經(jīng)A/D變換，得到樣值序列，按照工作的不同階段，分兩路分別與本地相應(yīng)的相干載波進(jìn)行解調(diào)，主要包括混頻和低通濾波兩過程。解調(diào)后的信號經(jīng)低通濾波器后，恢復(fù)出基帶信號。基帶信號進(jìn)行位定時和碼元判決，得到最終的解調(diào)數(shù)據(jù)。
1高新測控技術(shù)的基本要素及其功能
現(xiàn)代化的測控技術(shù)[2],應(yīng)該具有采集數(shù)據(jù)、科學(xué)管理數(shù)據(jù)，及時或?qū)崟r對水利水電工程的安全狀況作出分析和評價，并對其異?；螂U情作出輔助決策等功能.因此,高新測控技術(shù)的基本要素包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和分析評價系統(tǒng)及其計算機通訊網(wǎng)絡(luò)支撐等(見圖1)。
圖1水利水電工程高新測控技術(shù)示意圖
1.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
通過測控單元(MCU)自動采集、筆記本電腦現(xiàn)場采集或人工觀測埋入壩體或安裝的傳感器采集的監(jiān)測效應(yīng)量(大壩的變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變和溫度等)和影響量(水位、氣溫、降雨和地震等)，并輸入計算機的數(shù)據(jù)庫。其中，自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實現(xiàn)實時采集，半自動化和人工采集為定期采集。因此，自動化采集數(shù)據(jù)一般是對水利水電工程關(guān)鍵部位(或壩段)主要監(jiān)測量(變形和滲流等)的采集。
1.2數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)
由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)入計算機數(shù)據(jù)庫后，由數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)對其進(jìn)行科學(xué)有序的管理。包括將電容、電感、電阻、電壓、頻率等轉(zhuǎn)換為位移、揚壓力、滲流量、應(yīng)力應(yīng)變、裂縫開合度以及溫度等，及它們的誤差識別和處理，并將監(jiān)測量按有關(guān)監(jiān)測規(guī)范進(jìn)行整編和初分析；編制月報和年報等。
1.3分析評價系統(tǒng)
分析評價系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行觀測資料的分析和反分析，結(jié)構(gòu)和滲流正、反分析，建立各類監(jiān)控模型和擬定監(jiān)控技術(shù)指標(biāo)等；將收集到的工程設(shè)計、施工、運行管理、有關(guān)法規(guī)和規(guī)范等方面的專家知識進(jìn)行編輯，構(gòu)成分析、評價、輔助決策等方面的知識庫和推理分析知識。
現(xiàn)簡述幾種傳感器的主要工作原理及其應(yīng)用情況.
(1)差動電阻式傳感器
該傳感器為美國加州大學(xué)卡爾遜教授所研制。置于其內(nèi)腔的兩根彈性鋼絲作為傳感元件，受力后一根受拉、一根受壓.當(dāng)環(huán)境量發(fā)生變化時，兩者的電阻值向相反方向變化，根據(jù)兩個元件的電阻值比值,測出物理量的數(shù)值。
我國南京電力自動化設(shè)備廠從20世紀(jì)50年代開始，已研制出幾十萬支差動電阻式傳感器，并應(yīng)用于大量的水利水電工程中，取得了成功經(jīng)驗。
(2)振弦式傳感器
由前蘇聯(lián)的達(dá)維金可夫發(fā)明。其核心元件是一根鋼弦，鋼弦的一端固定，另一端則固定在測量元件(受壓膜片或測量端塊)上。當(dāng)受力后，鋼弦長度將產(chǎn)生微小變化，引起固定頻率的變化，從而測出物理量的數(shù)值。
加拿大的Rocktest公司，美國的Sinco,Geokon公司等生產(chǎn)的振弦式傳感器性能良好，其中真空式為最佳。近幾十年來，我國較多的工程應(yīng)用了這種傳感器。
(3)差動電容式傳感器
由我國南京電力自動化研究院研制。其工作原理是，將垂線或引張線穿過由4塊組成矩形的電容極板中，當(dāng)測線發(fā)生位移時，電容極板的電容產(chǎn)生變化，從而測出位移量。
該傳感器經(jīng)過20多年的完善，其精度和長期穩(wěn)定性等均有較大提高，已在不少水利水電工程中應(yīng)用。
(4)差動電感式傳感器
首先由原法國的Telemac公司研制。其工作原理是，當(dāng)高頻交變電流通過垂線坐標(biāo)儀時，在周圍產(chǎn)生交變磁場,接收點的磁感應(yīng)強度與導(dǎo)線距離成反比；當(dāng)垂線產(chǎn)生位移時，接收點測得的感應(yīng)電勢發(fā)生變化,其變化量的大小反映位移量的大小。
該傳感器在我國龍羊峽等水利水電工程中得到成功應(yīng)用。我國有關(guān)廠家也仿制了這類傳感器。
(5)步進(jìn)馬達(dá)式傳感器
由原法國Telemac和意大利ISMS公司研制.其工作原理是，由步進(jìn)電機驅(qū)動光電探頭，探頭中的光照準(zhǔn)器先后對準(zhǔn)基準(zhǔn)桿和垂線鋼絲，然后返回原點，在此過程中，測量電路記錄探頭前進(jìn)及返回基準(zhǔn)點和垂線鋼絲的脈沖數(shù),經(jīng)計算得到位移量。
該傳感器的機械部件較多，易出現(xiàn)故障，其長期穩(wěn)定性也不易保證。我國有關(guān)廠家也仿制了這類傳感器，在實際工程應(yīng)用中的故障率較高。
(6)CCD傳感器
由河海大學(xué)結(jié)合國家三峽工程重大基金項目研制。該傳感器由若干個特別研制的CCD線陣模塊和發(fā)光二極管陣列模塊組成，當(dāng)垂線穿過并產(chǎn)生位移時，CCD線陣模塊記錄垂線位移與基準(zhǔn)點的位置，從而計算出位移量。
該傳感器技術(shù)先進(jìn)，精度和可靠性高，在上標(biāo)和響洪甸等水利水電工程中得到應(yīng)用。
(7)其它新穎傳感技術(shù)
①光纖傳感技術(shù)光導(dǎo)纖維是由不同折射率的石英玻璃包層及石英玻璃細(xì)芯組合而成的纖維。它能使感受到的各種物理量而計算出監(jiān)測量，以及傳送感受的信息通訊。目前，應(yīng)用于光纖傳感的監(jiān)測量主要是裂縫，應(yīng)力應(yīng)變尚需進(jìn)一步研究。應(yīng)用信息通訊較為廣泛，且安全可靠。
②CT技術(shù)意稱計算機層析成像。它指的是在不破壞物體結(jié)構(gòu)的前提下，根據(jù)物體周邊所獲取的某種物理量(如波速、X線光強)的一維投影數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)學(xué)方法，通過計算機處理，重構(gòu)物體特定層面的二維圖像及其由此重構(gòu)的三維圖像；從而定量描述物體內(nèi)部材料分布和缺陷。該技術(shù)將成為工程結(jié)構(gòu)物內(nèi)部隱患監(jiān)測和老化評估的一種重要手段，在國內(nèi)外得到應(yīng)用，我國豐滿水電站等工程中也得到成功應(yīng)用。
③滲流熱技術(shù)依據(jù)滲流場與溫度場同時滿足擴散方程及其初始和邊界條件的原理，利用埋設(shè)的溫度計測值分析滲流場的分布及其異常部位。
④GPS技術(shù)利用衛(wèi)星定位技術(shù)(GPS)監(jiān)測堤壩和巖土邊坡的表面變形.
⑤激光傳感技術(shù)由激光點光源(即發(fā)射點)發(fā)射的激光與激光探測儀(即接收端點)構(gòu)成激光淮直線，由發(fā)射的激光在波帶板及支架(測點)上觀測位移量。它可分大氣激光和真空激光準(zhǔn)直，其中的真空激光準(zhǔn)直除包括激光點光源、波帶板及其支架和激光探測儀，即發(fā)射點、測點和接收端點以外，,還有真空管道。我國豐滿和太平哨水電站等大壩壩頂水平位移和垂直位移的10多年觀測資料表明，真空激光準(zhǔn)直具有精度高、長期穩(wěn)定等優(yōu)點。
2.1.2數(shù)據(jù)采集裝置數(shù)據(jù)采集裝置將各類傳感器測出的物理量(如電阻、電阻比、電容、電感和頻率等)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量(如位移、滲壓、應(yīng)變和溫度等)，即A/D轉(zhuǎn)換,以便遠(yuǎn)程輸送。當(dāng)距離超過100m以后，傳感器輸出的電量和頻率等信號，隨距離的增大急劇衰減，以至無法測出物理量，但數(shù)字量可遠(yuǎn)距離輸送。因此，一般將幾十個傳感器按部位接入數(shù)據(jù)采集裝置，使傳感器觀測的物理量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。按監(jiān)測方式不同，數(shù)據(jù)采集裝置可大致分為以下幾種類型。
(1)自動化數(shù)據(jù)采集裝置國內(nèi)外自動化數(shù)據(jù)采集裝置主要有，美國Geomation公司的2300系統(tǒng)、Sinco公司的IDA系統(tǒng)；我國臺灣研華公司的ADAM4000和ADAM5000系統(tǒng)；南京電力自動化設(shè)備廠的FWC-1系統(tǒng)等。按結(jié)構(gòu)的不同可歸納為總線型和集散型兩大類。
①總線型結(jié)構(gòu)Geomation公司的2370型、IDA、ADAM4000、ADAM5000以及FWC-1等系統(tǒng)均屬于總線型結(jié)構(gòu).以IDA系統(tǒng)為例,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2(a)，模塊箱的結(jié)構(gòu)見圖2(b).圖中主機為工控機，中繼起聯(lián)接和中斷作用。
IDA母線有二線信號、二線電源；A1～An是智能測量模塊，每個模塊可接8個傳感器；B1～Bm是智能傳感器。A和B有解釋指令、多路傳輸、A/D轉(zhuǎn)換和錯誤查詢等功能。同時具有自動和人工測讀的兩種功能，并可防雷。
②集散型結(jié)構(gòu)Geomation公司研制的2350型、2380型等系統(tǒng)屬集散型結(jié)構(gòu)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。
從圖3中可見，NMS為主機；NRU起中繼和網(wǎng)點(即可轉(zhuǎn)成有線的調(diào)制信號)的作用；MCU(3)是異地單元,也起中繼作用(距離近的可以不用)；MCU(4)和MCU(5)也是異地單元，但它能起無線電發(fā)射和接收作用；MCU(6)～MCU(N)是監(jiān)測傳感器。在這兩種型式中，總線型結(jié)構(gòu)具有抗干擾能力強、可靠性高、現(xiàn)場調(diào)機方便和造價低等優(yōu)點。其中Geomation公司的2370型、IDA等系統(tǒng)可接入電式和頻率式傳感器。
(2)人工或半自動化數(shù)據(jù)采集裝置人工或半自動化數(shù)據(jù)采集儀可在現(xiàn)場測讀傳感器的測值，或用筆記本電腦采集。其中，差動電阻式采集儀主要有SQ-2型數(shù)字電橋、XJ型數(shù)字式電阻比檢測儀、ZJ型數(shù)字式和PSM-R型電阻比檢測儀等；鋼弦式采集儀主要有SDP-3型鋼弦溫度測試儀和GPC-1型袖珍式鋼弦頻率測定儀等。
2.2數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)
水利水電工程大壩可埋有幾百個、幾千個甚至上萬個傳感器。如長江三峽水利樞紐建筑物就埋設(shè)約一萬多個傳感器，其采集數(shù)據(jù)每年達(dá)幾百萬個，并隨著觀測年限的增加，數(shù)據(jù)將越來越多，對這些海量數(shù)據(jù)必須進(jìn)行科學(xué)有序地管理，以便為分析評價系統(tǒng)提供可靠的信息。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的核心是數(shù)據(jù)管理軟件和應(yīng)用軟件。
2.2.1數(shù)據(jù)庫管理軟件平臺在大、中型水利水電工程中，目前常用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)有Oracle、Sybase、Informix以及SQLServer等4大類。其中以O(shè)racle和Sybase數(shù)據(jù)庫在中國應(yīng)用最廣。而Sybase為單進(jìn)程、多線索結(jié)構(gòu)，即通過單進(jìn)程的多重通路來同時服務(wù)于多用戶，提高內(nèi)存的有效使用率，便于優(yōu)先程序的查詢。因此，Sybase數(shù)據(jù)庫無論在總體結(jié)構(gòu)、功能和特性等方面都有較大優(yōu)勢。本文作者開發(fā)和研制的7個大型水電工程的數(shù)據(jù)(或信息)管理及專家綜合評價系統(tǒng)，主要采用了Sybase數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。在小型水利水電工程中，目前常用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)有DBase，F(xiàn)oxbase和Foxpro等。而Foxpro為用戶級數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),目前采用較多。
2.2.2數(shù)據(jù)庫邏輯模型檢測的目的是分析評價工程的安全狀況。因此，根據(jù)分析評價的需要，數(shù)據(jù)庫的邏輯模型包括工程檔案、原始數(shù)據(jù)、整編數(shù)據(jù)和生成數(shù)據(jù)等4個分庫(見圖4)。
(1)工程檔案分庫該分庫管理工程概況以及與工程安全有關(guān)的設(shè)計、施工資料等.
(2)原始數(shù)據(jù)分庫管理監(jiān)測資料的原始數(shù)據(jù)，包括物理量(電阻、電阻比、電感、電容、頻率等)和監(jiān)測效應(yīng)量(變形、揚壓力、滲流量、應(yīng)力應(yīng)變和溫度等)，并應(yīng)保證原始數(shù)據(jù)的真實性。
(3)整編數(shù)據(jù)分庫依據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差識別和轉(zhuǎn)換；按結(jié)構(gòu)單元和監(jiān)測項目進(jìn)行整編，包括測值統(tǒng)計表及其過程線圖，以及特征值(如最大值、最小值等)和環(huán)境量(如水位、氣溫、降雨、地下水位等)的統(tǒng)計等；對測值進(jìn)行初步分析，初步識別異常值以及復(fù)測；編制日報、月報和年報，其中，日報是刊錄測頻高(每日一次或數(shù)次)的自動化監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。
(4)生成數(shù)據(jù)分庫對監(jiān)測資料分析和反分析的成果，結(jié)構(gòu)和滲流分析和反分析的成果，以及與工程安全有關(guān)的設(shè)計、施工和運行的專家知識等進(jìn)行管理，為工程安全分析評價提供定性和定量的依據(jù)。主要包括大壩或各結(jié)構(gòu)單元在各荷載組合工況下的應(yīng)力和位移、壩體溫度場、壩體和壩基滲流場(等勢線和流線)；位移和揚壓力的力學(xué)規(guī)律計算值；各測點的統(tǒng)計模型，變形測點和空間位移場的確定性模型和混合模型；變形、應(yīng)力和揚壓力的監(jiān)控指標(biāo)；歷次異常或險情的分析評價成果等。
2.2.3應(yīng)用軟件根據(jù)數(shù)據(jù)庫的邏輯模型,在數(shù)據(jù)庫的軟件平臺上，開發(fā)和研制數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用軟件，主要包括：
(1)菜單編程對數(shù)據(jù)庫的菜單和各個分庫的菜單等編制應(yīng)用程序?？梢圆捎孟吕交蛉聊皇?。
（2)原始數(shù)據(jù)管理的應(yīng)用軟件包括與采集系統(tǒng)相聯(lián)的通訊軟件；按結(jié)構(gòu)單元和測控裝置將傳感器監(jiān)測的物理量(電阻、電阻比、電感、電容和頻率等)或數(shù)字量(變形、滲壓、滲流量、應(yīng)力應(yīng)變和溫度等)編制成圖表的軟件。
(3)整編數(shù)據(jù)管理的應(yīng)用軟件包括誤差識別和處理程序；將物理量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量(應(yīng)變轉(zhuǎn)化為應(yīng)力，以及測控裝置沒有轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的物理量)；按結(jié)構(gòu)單元，將數(shù)字量及其相應(yīng)環(huán)境量編制整編成圖表的軟件；初分析軟件；編制日報、月報和年報的軟件等。
(4)生成數(shù)據(jù)管理的應(yīng)用軟件包括對監(jiān)測資料分析和反分析成果、結(jié)構(gòu)和滲流分析和反分析成果，以及有關(guān)專家知識等，并編制成相應(yīng)圖表的軟件。
2.3分析評價系統(tǒng)[3]
對水利水電工程監(jiān)測和監(jiān)控的目的是，依據(jù)監(jiān)測資料和相應(yīng)的專家知識，對工程的安全狀況作出綜合分析和評價。因此，完整的現(xiàn)代測控系統(tǒng)必須包括分析評價系統(tǒng).其功能是依據(jù)監(jiān)測資料、結(jié)構(gòu)、滲流等分析和反分析成果，以及與工程安全有關(guān)的設(shè)計、施工、運行管理、法規(guī)和規(guī)劃等專家知識，對監(jiān)測資料進(jìn)行分析和評價，從中尋找異常值或不安全因素，并對此進(jìn)行成因分析和輔助決策等。因此，分析評價系統(tǒng)應(yīng)包括資料評價、綜合檢查分析、觀測檢查、物理成因分析、專家綜合診斷和輔助決策等部分，其結(jié)構(gòu)和流程分別見圖5和圖6。
2.3.1資料評價應(yīng)用時空分布、力學(xué)規(guī)律、監(jiān)控模型、監(jiān)控指標(biāo)、日常巡查和關(guān)鍵問題等6類評判準(zhǔn)則，對監(jiān)測值進(jìn)行分析評判，從中識別異常值或不安全因素。
2.3.2檢查分析對異常值或不安全因素，通過同一部位的同類監(jiān)測量、相關(guān)監(jiān)測量和環(huán)境量的綜合分析(或相關(guān)分析)檢查，從中識別引起異常值或不安全因素的成因。如由觀測引起的，則進(jìn)入觀測檢查；是由結(jié)構(gòu)和荷載引起的，則進(jìn)入物理成因分析。
2.3.3觀測檢查對由觀測引起的異常測值，首先檢查觀測記錄，然后檢查采集系統(tǒng)。對觀測記錄錯誤的測值宜進(jìn)行刪除或修改；對監(jiān)測采集系統(tǒng)引起的異常測值，在排除故障后重測并進(jìn)行修正。
2.3.4物理成因分析對由結(jié)構(gòu)和荷載引起的異常值或不安全因素，首先檢查環(huán)境量(或外因)有無產(chǎn)生特殊荷載工況。若有，則分析壩基異常(包括變形、穩(wěn)定和應(yīng)力等)成因，然后分析建筑物異常(變形、應(yīng)力、裂縫等)成因，當(dāng)穩(wěn)定和強度滿足安全要求時，則“異?！被颉安话踩蛩亍笔怯珊奢d引起的，為結(jié)構(gòu)調(diào)整所致,所以屬基本正常。若無特殊荷載工況，則反分析壩基和壩體的計算模型和計算參數(shù)等；然后，正演分析監(jiān)測量,若與實測值一致，則為計算條件改變而引起的；并復(fù)核壩基和壩體的穩(wěn)定和強度，若滿足安全要求，則雖為結(jié)構(gòu)引起，但尚屬基本正常；若穩(wěn)定和強度不滿足安全要求，則為異常或險情，隨即進(jìn)入輔助決策。若分析不出物理成因，則進(jìn)入專家綜合診斷。
2.3.5專家綜合診斷對異?；虿话踩蛩氐囊呻y雜癥，即難以分析成因的，進(jìn)行專家綜合診斷，包括對其影響因素和安全度的專家綜合評判。
2.3.6輔助決策依據(jù)異?；螂U情的程度，首先提出報警級別，然后提出輔助決策的建議。其中報警級別分三級，一級為險情，二級為異常，三級為局部異常。輔助決策建議包括運行控制水位和補強加固處理措施的建議等。
2.3.7支持庫群為了給以上分析評價提供定量依據(jù)，該系統(tǒng)還包括數(shù)據(jù)庫、方法庫、知識庫和圖庫等支持庫群。
(1)數(shù)據(jù)庫主要管理監(jiān)測資料及其分析和反分析成果，與工程安全有關(guān)的設(shè)計、施工和運行資料等。
(2)方法庫依據(jù)安全分析評價需求，方法庫主要包括監(jiān)測資料分析和反分析軟件包，結(jié)構(gòu)和滲流分析軟件包,綜合分析和評價程序，以及輔助決策程序等。如本文作者給多座水利水電工程開發(fā)的分析評價系統(tǒng)中，共設(shè)置40個程序。其中，監(jiān)測資料分析和反分析軟件包有監(jiān)測資料預(yù)處理、資料分析和反分析等22個程序；結(jié)構(gòu)和滲流分析軟件包有規(guī)范法的應(yīng)力和穩(wěn)定分析，有限元靜力、動力以及粘彈性和粘彈塑性分析等13個程序；綜合分析和評價包括影響因素和安全度評價等2個程序；輔助決策包括報警、洪水反調(diào)節(jié)等3個程序。從而，總體上能滿足安全分析和評價的定量分析需要。
(3)知識庫包括專家語言的定量化知識,隱蔽薄弱部位的設(shè)計和施工的專家知識，歷次安全定期檢查以及異?；虿话踩蛩氐姆治鲈u價成果等。
(4)圖庫包括圖形庫和圖像庫。其中，圖形庫包括分析和評價過程中的各類圖表；圖像庫包括分析評價結(jié)論的多媒體演示等。
2.3.8分析評價的人工智能技術(shù)為了實現(xiàn)分析評價的人工智能化，分析評價系統(tǒng)采用正向推理、反向推理、混合推理和元控制等4種技術(shù)。其中，正向推理為已知問題的事實，在知識集中尋找匹配知識，反復(fù)循環(huán)直至找到有解結(jié)論；反向推理為已知或假設(shè)結(jié)構(gòu)，從知識集中尋找匹配的解，反復(fù)循環(huán)，直至找到匹配的解；混合推理為融合正向和反向推理的原理，先正向后反向或先反向后正向；元控制是將元知識(即知識的知識)構(gòu)成元知識庫，以求解問題的目標(biāo)。
2.4計算機及通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
由于高新測控技術(shù)是將數(shù)據(jù)采集、信息管理和分析評價融匯在一起的龐大系統(tǒng)工程，必須在現(xiàn)代計算機及通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持下才能實現(xiàn)。
2.4.1計算機網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有總線形、星形和樹形等(見圖7)。其中，總線形結(jié)構(gòu)為網(wǎng)絡(luò)所有結(jié)點連在通信總線上；星形結(jié)構(gòu)為網(wǎng)絡(luò)所有結(jié)點連接在中心結(jié)點上，由中心結(jié)點負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和交換；樹形結(jié)構(gòu)為自頂而下的層次化的擴展式結(jié)構(gòu)，頂部結(jié)點為根結(jié)點，連接2個以上結(jié)點的稱為支節(jié)點，以下為端結(jié)點，以根結(jié)點為網(wǎng)絡(luò)核心、支結(jié)點為子網(wǎng)絡(luò)中心、端結(jié)點為面向用戶的桌面。
一般大中型水利水電工程結(jié)構(gòu)單元(如壩段)較多、布置的測點也較多，宜用總線形；對省局(廳)或大網(wǎng)局，由于所屬水利水電工程較多，分布也廣，而需要由局中心控制時，宜用星形結(jié)構(gòu)，其中一個結(jié)點為一座水利水電工程；對特大型水利水電工程.如三峽工程，由于分項工程較多，宜用樹形結(jié)構(gòu)(見圖8)。
2.4.2計算機通訊網(wǎng)絡(luò)平臺單個的水利水電工程一般用局域網(wǎng)，可采用高速光纖、載波或微波等網(wǎng)絡(luò)通訊。對省網(wǎng)局(廳)或大型水利水電工程需要有外部技術(shù)支持的，一般采用廣域網(wǎng)，亦可采用以太網(wǎng)或Intranet網(wǎng)等。
2.4.3計算機工作方式一般采用C/S(客戶機/服務(wù)器)方式。其中，服務(wù)器主要存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)以及與工程安全有關(guān)的設(shè)計和施工等資料，應(yīng)該有強大的存儲和處理數(shù)據(jù)的功能；其型號和數(shù)量視工程規(guī)模、監(jiān)測項目的多少，由需求分析確定，一般應(yīng)有雙機或多機熱備份。客戶機主要面向用戶的分析評價和輔助決策等，可由多臺并行計算機完成。
3結(jié)語
(1)現(xiàn)代化測控技術(shù)應(yīng)包括數(shù)據(jù)采集、管理和分析評價等功能，以及完成這些功能的計算機軟硬件環(huán)境和通訊網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。
2問題來源
像控點測量是航測外業(yè)和航測內(nèi)業(yè)工作的基礎(chǔ)和前提。大多數(shù)測繪單位仍然采用傳統(tǒng)的作業(yè)模式開展這項工作:作業(yè)之前，首先在紙質(zhì)控制片上進(jìn)行像控點布設(shè)，繪制像控點結(jié)合圖，套合在小比例尺地形圖上，人工選取行車路線，作業(yè)時按照既定計劃行車進(jìn)行像控測量。這種作業(yè)方式存在較多限制效率的問題:(1)紙質(zhì)像片沖洗周期時間長，像控點布設(shè)花費大量時間。(2)紙質(zhì)像片不方便攜帶和使用，小比例尺地形圖現(xiàn)勢性差、內(nèi)容較粗略，對于不熟悉航攝區(qū)域的作業(yè)人員而言無異于霧里看花，經(jīng)常出現(xiàn)繞圈、走錯路的情況，在一定程度上降低了作業(yè)效率。(3)作業(yè)前作業(yè)人員通過人工比對影像，以確定像控點位置需要花費大量的時間，在某些地區(qū)，特別是某些農(nóng)村地區(qū)，沒有明顯特征地物，給人工比對確定像控點位置的工作增加了很多困難。(4)在像控點預(yù)選過程中，首先要找到多張航攝影像的重疊區(qū)域，然后在重疊區(qū)域中尋找影像清晰、易于判刺和立體量測的點位，這個過程也需要花費較長時間。IMU/DGPS和航空影像快速處理技術(shù)的應(yīng)用大大減少了外業(yè)像控點的布設(shè)密度，節(jié)省了人力物力，然而這一革新卻帶來新的問題［1］;像控點布設(shè)稀疏之后，點與點之間距離遠(yuǎn)，連續(xù)性和關(guān)聯(lián)性差，導(dǎo)致找點困難，且找準(zhǔn)點與點之間最方便、快捷的連通路線也很困難。這兩個問題就成為影響外業(yè)像控測量生產(chǎn)效率的技術(shù)瓶頸。目前，國內(nèi)的測繪單位對像控點測量面臨的問題都有所認(rèn)識，但是幾乎沒有一個較為全面、系統(tǒng)的解決方案。
3像控點快速測量技術(shù)
像控點快速測量技術(shù)以數(shù)字影像為基礎(chǔ)，按生產(chǎn)流程分為像控點快速布設(shè)、像控點導(dǎo)航定位和像控點整飾等幾個環(huán)節(jié)。其基本流程為:首先進(jìn)行像控點快速布設(shè)預(yù)選，完成像控點布設(shè)后，利用導(dǎo)航定位技術(shù)快速到達(dá)選定的像控點位置，測量像控點坐標(biāo)后，在實地完成像控點整飾及檢查工作。本文借助重慶市勘測院自主研發(fā)的航測外業(yè)數(shù)字化測量系統(tǒng)實現(xiàn)像控點快速布設(shè)和像控點整飾，設(shè)計程序?qū)崿F(xiàn)像控點預(yù)選，并借助移動終端為平臺實現(xiàn)像控點導(dǎo)航定位。
3.1像控點快速布設(shè)技術(shù)
根據(jù)空三加密的需要，作業(yè)人員在基于MicroSta-tion軟件的航測外業(yè)數(shù)字化測量系統(tǒng)上布設(shè)像控點。思路為:將像主點坐標(biāo)及像片編號展繪到矢量圖上(如圖1所示)，按照像控點區(qū)域網(wǎng)布設(shè)原則及要求進(jìn)行詳細(xì)的像控點和檢查點點位設(shè)計，并生成最終的像控點布設(shè)網(wǎng)圖(如圖2所示)。區(qū)域網(wǎng)布設(shè)原則為:區(qū)域網(wǎng)的布設(shè)圖形宜呈矩形;區(qū)域網(wǎng)大小和像控點的跨度主要依據(jù)成圖精度、航攝資料參數(shù)及對系統(tǒng)誤差的處理等因素確定;區(qū)域網(wǎng)的劃分和布點應(yīng)以能滿足空中三角測量精度要求為原則。重慶市地理國情普查正射影像制作像控點布設(shè)按照區(qū)域網(wǎng)布設(shè)，全部為平高點，每隔6條基線布設(shè)一對像控點，并且在像控點控制力最弱位置布設(shè)檢查點，空三加密成果滿足1∶5000航測成圖要求，優(yōu)于地理國情普查項目中正射影像制作的要求，實現(xiàn)一套成果多種利用。具體方法是，在像主點展點時，將對應(yīng)像主點的影像文件名作為文本一同展入文件，利用程序?qū)⑾窨卦O(shè)計略圖自動生成初步的像控布點網(wǎng)圖，生成像控點編號。如圖2所示，通過布設(shè)網(wǎng)圖能夠很直觀地知道與像控點PT826相關(guān)的6張影像，通過像控點和像主點之間的連線關(guān)聯(lián)影像和像控點，可自動加載影像文件。如果需要修改像控點的布點點位，可通過操作圖形，移動點位，改變連線，即實現(xiàn)該點新的自動加載方案，通常情況下，外業(yè)人員根據(jù)像控點布設(shè)網(wǎng)圖進(jìn)行測量，但當(dāng)現(xiàn)場判別實地點位不符合要求時，可直接在野外對布設(shè)網(wǎng)圖進(jìn)行修改。像控點快速布設(shè)另一個關(guān)鍵技術(shù)就是像控點的預(yù)選。像控點預(yù)選功能主要基于像控點關(guān)聯(lián)影像的特征點提取及影像匹配。特征點的提取主要通過改進(jìn)的SIFT算子實現(xiàn)［2］，然后對像控點關(guān)聯(lián)影像進(jìn)行特征點匹配，找出影像間的公共區(qū)域［3］(如圖3所示)，可將3張影像的公共區(qū)域從原圖上裁剪出來并分別顯示保存(如圖4所示)，供作業(yè)員進(jìn)行像控點預(yù)選。圖3三片匹配效果及公共區(qū)域圖4像控點預(yù)選功能提取出的三片重疊區(qū)域像控點快速布設(shè)技術(shù)的應(yīng)用降低了生產(chǎn)成本，大大提高航測外業(yè)像控測量的工作效率，主要體現(xiàn)在以下幾個方面:(1)降低成本，縮短生產(chǎn)周期像控點快速布設(shè)技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)了像控點布設(shè)數(shù)字化，省去了控制像片沖印的環(huán)節(jié)，降低了生產(chǎn)成本的同時，縮短了生產(chǎn)周期。(2)減少了作業(yè)員的工作量作業(yè)員無需再按照傳統(tǒng)的作業(yè)方法(在紙質(zhì)像片上，通過人工比對、拼接的方式得到像控點關(guān)聯(lián)影像的公共區(qū)域，浪費大量人力物力)，只需通過像控點預(yù)選功能就可以自動、快速找到像控點關(guān)聯(lián)影像公共區(qū)域，而且獲取的影像公共區(qū)域范圍較人工獲取的公共區(qū)域范圍精確，在減少工作量、降低生產(chǎn)成本的同時，大大提高了生產(chǎn)效率。(3)節(jié)約了工作時間以7條航帶，共93張航片(0.4m分辨率)，覆蓋面積約為478km2的區(qū)域為例，布設(shè)25個像控點，從像控點關(guān)聯(lián)影像的自動預(yù)處理到像控點預(yù)選指導(dǎo)結(jié)果的顯示，整個過程只需要20s左右的時間，相比于傳統(tǒng)的人工像控點預(yù)選方法，極大地減少了像控點預(yù)選工作的時間。(4)野外現(xiàn)場快速修改方案當(dāng)現(xiàn)場判別實地點位不符合要求時，需要重新選擇新點。傳統(tǒng)的像控測量在現(xiàn)場重新選點時，受攜帶的紙質(zhì)像片數(shù)量限制(另外的業(yè)人員可能正在使用相鄰航帶的影像)，容易導(dǎo)致選點達(dá)不到要求而重測。但航測外業(yè)數(shù)字化測量系統(tǒng)所帶資料齊全，可以現(xiàn)場快速調(diào)整最優(yōu)方案。在重慶市第一次地理國情普查項目的像控點測量工作中，以7條航帶，共93張航片(0.4m分辨率)，覆蓋面積約為478km2的區(qū)域為例(布設(shè)25個像控點)，進(jìn)行對比實驗:在不計控制片沖洗環(huán)節(jié)耗費時間的情況下，采用傳統(tǒng)的像控點測量方法，布設(shè)選擇10個像控點平均需要1h，采用像控點快速布設(shè)技術(shù)平均需要20min，效率提高了66%。
3.2像控點移動終端導(dǎo)航定位技術(shù)
能否快速到達(dá)像控點實地位置是像控點野外測量的關(guān)鍵，直接決定像控點測量的效率。通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理，借助移動終端(手機或平板電腦)進(jìn)行導(dǎo)航定位，可以實現(xiàn)像控點實時定位。本文中的像控點導(dǎo)航定位技術(shù)以谷歌地圖為導(dǎo)航平臺，通過帶有GPS模塊的移動終端實現(xiàn)。谷歌地圖可以提供含有政區(qū)和交通以及商業(yè)信息的矢量地圖、不同分辨率的衛(wèi)星照片，在帶有GPS模塊的移動終端上可輕松實現(xiàn)地圖上任意兩點間的路線規(guī)劃和實時定位導(dǎo)航，在PC機和移動終端上均有應(yīng)用，并可通過谷歌賬戶進(jìn)行實現(xiàn)在PC機和移動終端間的同步聯(lián)系。通過試驗研究，利用谷歌地圖和移動終端實現(xiàn)像控點導(dǎo)航定位的作業(yè)流程如下:(1)在進(jìn)行像控點預(yù)選后，將像控點布設(shè)網(wǎng)圖從CGCS2000坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到WGS－84坐標(biāo)系。(2)利用GlobalMapper和ArcGIS軟件對像控點布設(shè)網(wǎng)圖進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，將像控點布設(shè)網(wǎng)圖轉(zhuǎn)換為kml或kmz格式。(3)通過谷歌賬戶將像控點布設(shè)網(wǎng)圖導(dǎo)入到谷歌地圖中，規(guī)劃到達(dá)像控點的路線。(4)在移動終端上下載谷歌離線地圖，利用谷歌賬戶導(dǎo)入像控點布設(shè)網(wǎng)圖和規(guī)劃路線，實現(xiàn)像控點快速導(dǎo)航定位，如圖5所示。
3.3像控點數(shù)字化整飾技術(shù)
在外業(yè)航測外業(yè)數(shù)字化測量系統(tǒng)中，影像可以無極放大，不用繪制點位略圖。同時提供屬性信息輸入界面，自動生成像控說明注記的統(tǒng)一格式。刺點信息直接標(biāo)注于影像之上，通過設(shè)置信息顯示和隱藏，而不會造成影像遮擋。刺點完成之后，將刺點區(qū)域影像和像控信息疊加保存為JPG格式圖片，以便后續(xù)使用，如圖6所示。
（1）設(shè)計人員對作業(yè)情況勘察和調(diào)查分析較少。由于設(shè)計人員不深入作業(yè)一線，所以對作業(yè)區(qū)具體情況缺乏必要的勘察和調(diào)查，對于設(shè)計方案的正確性不能及時進(jìn)行檢查，而且發(fā)現(xiàn)問題后不能及時進(jìn)行處理。
（2）編寫依據(jù)不科學(xué)。部分設(shè)計人員對現(xiàn)行的法規(guī)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)缺乏深入的了解，對相關(guān)的地質(zhì)工程測量產(chǎn)品的定額管和裝備標(biāo)準(zhǔn)也缺乏重視，這就導(dǎo)致在編寫過程中存在著較多不科學(xué)的地方，由于過多的參考過進(jìn)的教材和規(guī)范，則會導(dǎo)致所編輯的測量方案與實際存在較多不符合的地方。
（3）對利用已有資料的情況分析不全。目前在測量方案設(shè)計時，由于對所參考的資料缺乏了解，部分資料由于時間較久，或是不是本單位所測，再加之一些資料很難收集到，同時在對這些資料利用時，缺乏必要的調(diào)查和科學(xué)的分析，盲目的對這些類似資料中的分析結(jié)查進(jìn)行照搬，從而導(dǎo)致設(shè)計方案的科學(xué)性缺乏。
（4）標(biāo)準(zhǔn)意識差。地質(zhì)工程測量方案由于缺乏統(tǒng)一的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，這就導(dǎo)致無論是文字、公式、數(shù)據(jù)和圖表等都存在著不準(zhǔn)確的地方，而且有關(guān)的名詞、術(shù)語、符號、代號及計量單位等在表述上也存在不一致的地方，由于缺乏一定的標(biāo)準(zhǔn)意識，這就導(dǎo)致在對技術(shù)方案、作業(yè)方法和設(shè)計思想的評價中存在著不客觀性，普遍存在評價偏高的情況。
（5）設(shè)計不深入。在設(shè)計中，不僅沒有從作業(yè)區(qū)的實際情況出發(fā)，而且在設(shè)計過程中對于各種新技術(shù)、新材料、新方法等應(yīng)用的較少，這就導(dǎo)致所選擇的設(shè)計方案不是最佳的，同時對于所選擇的措施也缺乏深入的研究，無法實現(xiàn)取期的效果。
1.2地質(zhì)工程測量項目中的問題
（1）在控制測量與碎部測量中可能難以對后期工作的需求進(jìn)行認(rèn)真考慮，造成后期工作的被動，增加整體測量上的工作量。
（2）在控制測量布網(wǎng)中可能使測區(qū)精度要求布局不合理。
（3）可能使測區(qū)有的地方控制布網(wǎng)漏布。后期補充布網(wǎng)不僅會增加控制測量的工作量。還會使原的統(tǒng)一性受到損害。
（4）在片面追求節(jié)省經(jīng)費、縮短工期的前提下，拋棄分級布網(wǎng)的基本原則，采用缺乏校核條件的一次性布網(wǎng)形式，其結(jié)果是缺乏誤差控制方法，造成誤差的過大積累，精度難以滿足工程要求。有時甚至出現(xiàn)地質(zhì)事故不能及時發(fā)現(xiàn)，造成難以挽回的損失。這樣，不僅使節(jié)省經(jīng)費、縮短工期的最初目的沒有達(dá)到，反而使測量工作處于極度被動的狀態(tài)。
（5）有些測量人員對測量方案設(shè)計缺乏認(rèn)識，甚至還往往錯誤使用概念，以至出現(xiàn)一些不應(yīng)有的概念與應(yīng)用錯誤。
2提高地質(zhì)工程測量成圖質(zhì)量的具體措施
2.1有效提高地質(zhì)工程測量人員的技術(shù)素養(yǎng)目前從事地質(zhì)工程測量的人員多為新畢業(yè)的大中專畢業(yè)生，這些人員對于計算機較為熟悉，但缺乏實際工作經(jīng)驗，所以在培訓(xùn)過程中，需要加強對技能和基本功的培訓(xùn)，通過野外實則并與講授相結(jié)合，這樣有利于地質(zhì)工程測量人員專業(yè)技能的提高。
2.2觀測員在工作前應(yīng)仔細(xì)檢查儀器在測量過程中，觀測號不僅需要與跑遲員之間做好配合工作，同時還要在安置好相關(guān)測量儀器后，做好儀器的檢查工作，確保儀器安置與輸入高度都沒有差錯時，還需要對后視方向相關(guān)站點進(jìn)行觀測檢查，確保數(shù)據(jù)的正確性，所以做為一名觀測員需要具有較強的責(zé)任心。
一、提升數(shù)控加工的意義所在
數(shù)控機床具有生產(chǎn)效率和加工自動化程度高，零件的加工精度和產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性好，能完成許多普通機床難以加工或根本無法加工的復(fù)雜型面加工，幾乎不要專用的工裝卡具、減少在制品，提高經(jīng)濟(jì)效益和大大減輕操作工人的勞動強度等一系列優(yōu)點。隨著制造業(yè)的迅速發(fā)展，大力發(fā)展以數(shù)控機床為先導(dǎo)的裝備制造業(yè)已成為我國政府的一項產(chǎn)業(yè)政策，將對數(shù)控機床的發(fā)展產(chǎn)生重大的影響。用好數(shù)控機床提高數(shù)控機床的利用率具有重要的現(xiàn)實意義，它不僅能增加企業(yè)的效益，而且還有助于提高我國制造業(yè)的整體素質(zhì)和加快建設(shè)制造強國的進(jìn)程。
二、影響數(shù)控機床加工的因素
1.數(shù)控機床應(yīng)用水平不高
數(shù)控加工在中國制造業(yè)中已經(jīng)有了較長的使用時間，雖然有嚴(yán)格的數(shù)控機床操作規(guī)范、良好的機床維護(hù)保養(yǎng)，但是其本身的精度損失是不可避免的。為了控制產(chǎn)品的加工質(zhì)量，我們定期對數(shù)控設(shè)備進(jìn)行檢測維修，明確每臺設(shè)備的加工精度，明確每臺設(shè)備的加工任務(wù)。對于大批量成批生產(chǎn)的零件加工工廠，應(yīng)嚴(yán)格區(qū)分粗、精加工的設(shè)備使用，因為粗加工時追求的是高速度、高的去除率、低的加工精度，精加工則相反，要求高的加工精度。而粗加工時對設(shè)備的精度損害是最嚴(yán)重的，因此我們將使用年限較長、精度最差的設(shè)備定為專用的粗加工設(shè)備，新設(shè)備和精度好的設(shè)備定為精加工設(shè)備，做到對現(xiàn)有設(shè)備資源的合理搭配、明確分工，將機床對加工質(zhì)量的影響降到了最低，同時又保護(hù)了昂貴的數(shù)控設(shè)備，延長了設(shè)備的壽命。
2.操刀次數(shù)及位置不合理
利用數(shù)控車床進(jìn)行批量生產(chǎn)、特別是大批量生產(chǎn)時，在保證加工質(zhì)量的前提下，提高加工效率、確保加工過程的穩(wěn)定性是獲得良好經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)。數(shù)控車削批量加工時，選擇簡便的換刀方式，是減少換刀輔助時間、減少機床磨損、降低加工成本的有效途徑。改進(jìn)換刀點設(shè)置是為達(dá)此目的進(jìn)行的有效嘗試之一。為此，在夾具選擇、走刀路線安排、刀具排列位置和使用順序等方面都要精細(xì)分析、優(yōu)化設(shè)計，改進(jìn)換刀點設(shè)置，減少運行成本，提高加工效率。
3.編程技巧不強
程序的效率直接影響著機床的工作效率，所以優(yōu)化編程質(zhì)量是提高數(shù)控機床工作效率的一個重要方法。首先，熟悉機床的指令，充分開發(fā)機床的內(nèi)部功能，尋找高效的編程和加工方法。其次，大力推廣計算機編程，加強計算機切削模擬，提高程序的可靠性，從而減少或取消在數(shù)控銑床上調(diào)試程序的時間。再次，合理編程，盡量減少機床走空刀的情況。
三、提高數(shù)控機床加工效率的措施
1.培養(yǎng)優(yōu)秀的數(shù)控技術(shù)人才
數(shù)控機床雖然智能程度提高，但是人的作用卻至關(guān)重要。沒有技術(shù)好的編程人員，數(shù)控機床的效率就不可能得到有效提高，沒有好的機床操作者就達(dá)不到最佳加工方式，產(chǎn)品的廢品率就會提高，同時也會大大降低數(shù)控機床的使用效率和縮短機床的使用壽命。因此，要提高數(shù)控加工的效率，就必須培養(yǎng)出優(yōu)秀的數(shù)控技術(shù)人員。
2.對數(shù)控機床實施科學(xué)管理
數(shù)控機床不同于普通機床，不能把管理普通機床的方法照搬到數(shù)控機床上。據(jù)一些使用數(shù)控機床較早的用戶多年管理實踐證明，凡是數(shù)控機床較多的單位，以相對集中管理的方式較好，即“專業(yè)管理，集中使用”的辦法。工藝技術(shù)準(zhǔn)備由工廠工藝技術(shù)部門負(fù)責(zé)，生產(chǎn)管理由工廠下達(dá)任務(wù)統(tǒng)一平衡。有條件的可以采用計算機集成管理的生產(chǎn)方式。由計算機把數(shù)控機床生產(chǎn)所需的各種作業(yè)和加工信息管理起來，實行信息共享，以減少生產(chǎn)準(zhǔn)備時間，優(yōu)化物流路線，可有效的提高生產(chǎn)率。
3.合理選擇切削刀具
刀具的選擇是保證加工質(zhì)量和提高加工效率的重要環(huán)節(jié)。為了提高生產(chǎn)率國內(nèi)外數(shù)控機床尤其是加工中心正向著高速、高剛性和大功率方向發(fā)展。這就要求具必須具有能夠承受高速切削和強力切削的性能，而性能要穩(wěn)定。在選用刀具材料時，凡加工情況允許選硬質(zhì)合金刀具時，就不應(yīng)選用高速鋼刀具。有條件的選用性能更好更耐磨的刀具，如涂層刀具、立方氮化刀具、陶瓷刀片等。
中圖分類號：U416.214
文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B
文章編號：1008-0422（2013）06-0132-02
1 引言
在高速公路基層施工過程中，水穩(wěn)基層是一種應(yīng)用范圍比較廣的半剛性基層結(jié)構(gòu)型式。該型式的力學(xué)性能、抗凍性能、承載力以及水穩(wěn)性等都較為良好，受到了廣大施工單位的歡迎。在施工過程中，由于材料的級配、配置過程中水泥的具體劑量、攤鋪碾壓施工情況以及道路成型時間等都比較難控制，所以有必要進(jìn)一步對水穩(wěn)碎石基層施工技術(shù)以及施工質(zhì)量的控制情況進(jìn)行探討。
2 工程概況以及主要施工要求
某高速公路工程項目，路基的寬度范圍為24.2-26m，采用水泥穩(wěn)定碎石基層。其中P6合同標(biāo)段路面結(jié)構(gòu)共由5層即瀝青砼路面厚17cm；下封層0.6cm乳化瀝青稀漿；基層采用5%水泥穩(wěn)定碎石34cm；底基層采用4%水泥穩(wěn)定碎石，厚20cm；及路基底層組成，全線瀝青砼路面上面層和中間面層均采用改性瀝青。該高速公路基層結(jié)構(gòu)所用主要施工材料有：水泥、碎石、水等，為保證質(zhì)量，應(yīng)對材料的技術(shù)特性嚴(yán)格進(jìn)行控制和要求，并按規(guī)范進(jìn)行混合料配合比試驗，以確保高速公路水穩(wěn)基層工程質(zhì)量。整個施工過程中需要做好環(huán)保工作，避免在材料運輸時發(fā)生揚塵、跑塵等現(xiàn)象；另外，施工期間要組織好交通行車，確保施工安全，其他事宜也都要嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范執(zhí)行。
3 水穩(wěn)碎石基層的具體施工過程以及施工質(zhì)量控制措施
3.1 高程控制樁施工
在對高度以及橫坡進(jìn)行控制的過程中，針對中央分隔帶的邊緣位置以及路肩內(nèi)邊緣位置，可以采用規(guī)格大小為10x15x3cm的混凝土方塊，將其作為高程控制點，確保每個點之間的間隔距離保持在10m左右，同時進(jìn)行換手復(fù)測，然后對控制點進(jìn)行固定。在高程控制點處設(shè)置導(dǎo)梁支點，并按照設(shè)計標(biāo)高適當(dāng)?shù)恼{(diào)整導(dǎo)梁的高度。
3.2 拌和以及上料施工
在進(jìn)行混合料的拌和之前需要調(diào)試設(shè)備，確保含水量以及混合料的顆粒組成都能夠滿足施工設(shè)計要求。在拌和過程中要根據(jù)試驗結(jié)果進(jìn)行配料操作，為了有效彌補混合料運輸、攤鋪以及碾壓施工中損失的水分，要求實際含水量高出最佳含水量的0.2%；拌和時應(yīng)該經(jīng)常檢查具體的含水量并及時調(diào)整，保證混合料的質(zhì)量滿足施工要求；完成拌和之后要盡快將其運到攤鋪施工現(xiàn)場，運輸時做好覆蓋工作；針對已經(jīng)完成拌和的水泥穩(wěn)定碎石混合料，需要進(jìn)行抽樣測量，確保含灰量滿足施工規(guī)定；合理控制卸料速度，要求卸料能夠和攤鋪保持同步，避免發(fā)生離析問題。
3.3 攤鋪及整型施工
根據(jù)水穩(wěn)基層的填筑厚度為18cm，根據(jù)試驗段數(shù)據(jù)初定松鋪厚度為22.50cm（松鋪系數(shù)為1.25）；并用導(dǎo)梁控制標(biāo)高。攤鋪時采用一臺ABG325型和一臺ABG423型攤鋪機前后相距8m進(jìn)行攤鋪；前一臺鋪攤機一側(cè)傳感器搭在鋼絞線上，另一側(cè)采用橫坡儀按設(shè)計坡度定位；后一臺攤鋪機一側(cè)傳感器搭在鋼絞線上，另一側(cè)用滑靴，把滑靴放在前一臺所攤鋪出的水泥穩(wěn)定碎石基準(zhǔn)面上，位置在距水泥穩(wěn)定碎石邊緣20～40cm內(nèi)同一位置上，調(diào)整好橫坡，調(diào)滅傳感器的指示燈，按照確定的松鋪系數(shù)以穩(wěn)定的速度連續(xù)地進(jìn)行攤鋪。攤鋪機后設(shè)專人消除粗細(xì)集料的離析，對局部粗集料窩進(jìn)行鏟除，并用新混合料填補。先右幅后左幅的次序進(jìn)行攤鋪。在施工現(xiàn)場設(shè)置三名專職試驗人員，進(jìn)行混合料攤鋪過程的含水量檢查。攤鋪時在每臺攤鋪機后面安排兩人負(fù)責(zé)消除粗集料離析現(xiàn)象，特別是局部粗集料窩應(yīng)該鏟除，并用新拌混合料填補。在每臺攤鋪機前面兩側(cè)傳感器處安排兩人鏟料，及時填補兩側(cè)傳感器處的混合料。攤鋪機在攤鋪水泥穩(wěn)定碎石混合料時，根據(jù)其運輸能力采用了0.15km/h的低速度攤鋪，保證了攤鋪的質(zhì)量，并且減少攤鋪機停機待料的情況。
3.4 攤鋪中的接縫處理施工
混合料攤鋪過程中發(fā)生的接縫主要包括兩種，分別是縱向接縫和橫向接縫。在攤鋪機的寬度滿足施工要求的前提下，整幅攤鋪一般不會發(fā)生縱縫接縫的問題；如果攤鋪機寬度不足，則需要利用兩臺攤鋪機同時進(jìn)行攤鋪和碾壓，通常會將一個施工斷落確定為兩個結(jié)構(gòu)物之間，可以有效防止橫向接縫問題的發(fā)生。如果情況特殊，可以采取下述方法對橫向接縫進(jìn)行處理：把攤鋪機周圍壓實度較差的混合料全部鏟除，并把滿足施工要求的壓實段末端挖成一個向下的斷面，確保該斷面保持橫向垂直，然后將攤鋪機停在壓實層的端部，利用木墊板將其提高到虛鋪的高度，之后才可以繼續(xù)開始新混合料的攤鋪。
3.5 碾壓成型施工
初壓時可以使用輕型光輪壓路機，將初壓速度控制在1.5～1.7km/h之間，在完成一遍錯1/3輪靜壓之后，需要按照測量結(jié)果對高程以及平整度進(jìn)行檢查，一旦發(fā)現(xiàn)不合格的點需要及時進(jìn)行局部修整工作，然后再靜壓一遍開始混合料的復(fù)壓。
在復(fù)壓階段需要按照先輕后重、先低后高以及先兩邊后中間的原則進(jìn)行，確保輪跡重疊，從弱振開始逐漸增強，要求先后分別兩遍弱振和強振碾壓，將碾壓速度控制在每小時2.0-2.5km之間。每完成一遍碾壓都應(yīng)該安排專門的測試員對密實度進(jìn)行檢測，對比前后兩次碾壓的密實度，確保密實度增加。在完成第五遍碾壓操作之后，密實度應(yīng)該滿足相關(guān)的施工設(shè)計要求。
在終壓階段，需要將碾壓速度控制在每小時3.0-3.5km之間進(jìn)行一遍靜壓，然后利用膠輪壓路機確保道路的平整度以及密實度良好，沒有明顯的輪跡。在完成每一個區(qū)段的碾壓工作之后，都應(yīng)該對道路的各項指標(biāo)進(jìn)行檢測。
4 配合比試驗
4.1 標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗
該試驗要求在水泥試樣加水拌和之后的1小時內(nèi)完成，在完成分層擊實最后一層的擊實操作之后，要保證試樣超出試筒頂部位置的高度保持在6mm以內(nèi)。
4.2 無側(cè)限試驗
該試驗和擊實試驗一樣，都需要在混合料完成拌和之后的1小時內(nèi)完成，凡是超出1小時的都應(yīng)該作廢。通常在脫模以后試件的高度都會超出很多，這時可以利用若干個厚度在0.1mm左右、直徑在150mm以內(nèi)的白鐵皮片進(jìn)行處理。
4.3 無側(cè)限抗壓強度
4.3.1 用壓力機成型試件時一定要確保加壓保持均勻，在把上下壓柱全部壓到試模里以后，將壓力保持在1mim。
4.3.2 在規(guī)定值的基礎(chǔ)上增加1—2個試件，避免在道路養(yǎng)生時一些試件無法正常工作，有效的控制偏差系數(shù)。
4.3.3 由于每一個人的裝料手法都不盡相同，因此在制作無側(cè)限試件的過程中會由于強度值偏差系數(shù)過大而對強度代表值產(chǎn)生影響，所以裝料工作要盡可能由一個人完成。
4.3.4 經(jīng)常使用游標(biāo)卡尺對試模進(jìn)行測量，一旦發(fā)現(xiàn)上下直徑大小不一致以及試件周邊發(fā)生“起毛”等問題，應(yīng)該及時進(jìn)行更換。
5 施工試驗檢測需要注意的問題
在進(jìn)行路面基層施工時候，一定要做好機械的配置工作，確保拌和樓的選擇科學(xué)合理。特別是在高等級公路工程的施工過程中，采用的拌和設(shè)備一定要具備電子計量裝置，確?；旌狭系募壟渚_程度滿足施工要求。另外，為了保證水泥水穩(wěn)碎石混合料的配比能夠符合施工設(shè)計規(guī)定，需要在正式施工之前安排專門人員對稱重設(shè)備進(jìn)行校核。
在完成料倉以及用水量等的調(diào)試工作之后開始試生產(chǎn)，采取EDTA滴定法等對水泥的劑量、含水量大小以及碎石的級配等進(jìn)行精確測量。要求級配符合施工要求，實際含水量不得超出預(yù)定含水量的±1%，另外要將水泥劑量保持在3.5%-5.0%之間。
5.1 級配
在拌和樓開機之前需要先投放一段混合料，并在一小時內(nèi)完成篩分試驗。如果試驗結(jié)果正常則開始混合料的拌和工作，如果試驗結(jié)果不滿足拌和要求則需要根據(jù)級配將拌和樓各種料的具體出料比例進(jìn)行調(diào)整，然后再進(jìn)行篩分試驗，直到篩分試驗結(jié)果滿足拌和要求為止。
5.2 含水量
在施工過程中一定要做好前后場的聯(lián)系工作，根據(jù)天氣情況來調(diào)整混合料的含水量。通常在粉塵含量較低時含水量會在4%～5%之間，而粉塵含量相對較高時，含水量則會增加到5.5%～6%。因此在出料的過程中如果集料發(fā)生了改變，也要做好含水量的調(diào)整工作。
5.3 灰劑量
對混合料中水泥的劑量進(jìn)行合理的控制。如果水泥的劑量過少達(dá)不到設(shè)計要求，將會對道路基層的強度造成影響，而劑量過多則會增加施工成本，而且基層在成型之后會發(fā)生開裂問題。因此及時是在拌和樓看似穩(wěn)定時，后場試驗工作人員也一定要多進(jìn)行滴定，確保拌和樓的穩(wěn)定性。通常對滴定成果產(chǎn)生影響的因素比較多，一般包括下述幾個方面：
5.3.1 在滴定過程中所使用的溶液配置情況是否符合要求，尤其是EDTA二鈉稱取的準(zhǔn)確程度，而且氯化銨溶液的放置時間也不能太長。
5.3.2 所有集料、水、水泥是否有代表性。各種材料比例是否準(zhǔn)確。
5.3.3 試驗是否嚴(yán)格按《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》JTJ057J-94操作，包括混合料攪拌、沉淀時間控制；取樣；對滴定終點的判斷；讀數(shù)等。
5.3.4 為防止單一滴定的不確定性，最好由2個試驗員獨立平行滴定、對照，這樣才能克服因滴定溶液配置錯誤、樣品、操作等引起的誤差。
5.3.5 水質(zhì)不同也會導(dǎo)致滴定結(jié)果有出入，要定期進(jìn)行總量校核，至少一周一次。
5.4 無側(cè)限抗壓強度
每天的無側(cè)限抗壓強度是否合格是判定這一天施工的水穩(wěn)是否合格的決定因素，因此強度試驗看似簡單，實質(zhì)上非常重要，需要引起試驗人員的高度重視。為了有效減少試件間強度的偏差系數(shù)，提高試件的強度，應(yīng)該從以下幾方面增強重視程度：
5.4.1 混合料取樣一定要有代表性，制作前測一下含水量及灰劑量。混合料含水量可通過鍋炒法和酒精灼燒法快速測定，同時樣品必須密封，防止含水量損失。
5.4.2 制作稱量前對混合料再次人工拌和，如監(jiān)理組、業(yè)主也取樣，應(yīng)同時取樣，以便結(jié)果相互比較。
5.5 原材料
在后場的試驗人員要多留意每天進(jìn)場的原材料，把進(jìn)場的材料和開始做配比的材料進(jìn)行對比，出現(xiàn)異常情況要及時與后場材料員聯(lián)系，杜絕不合格的材料進(jìn)場。由于其他因素，料源往往不是同一礦山的料，這就要求對每批新料進(jìn)行檢測?？词欠穹系V料用量比例，并及時進(jìn)行調(diào)整，防止出現(xiàn)斷檔等問題。要嚴(yán)格控制粉塵含量。粉塵含量直接影響著水穩(wěn)的強度以及成型。
5.6 其他
時刻注意皮帶上出料的情況，若出現(xiàn)水泥卡管、礦料口皮帶打滑等問題應(yīng)及時停料及處理。拌和場與攤鋪現(xiàn)場負(fù)責(zé)人應(yīng)保持聯(lián)系，隨時通報彼此運轉(zhuǎn)情況，以便對方采取相應(yīng)措施。
6 水穩(wěn)碎石基層裂縫預(yù)防控制措施
水泥穩(wěn)定碎石公路基層的裂縫一般有溫差引起的溫縮裂縫，干縮應(yīng)變引起的干縮裂縫、反射裂縫及外力破壞應(yīng)變產(chǎn)生的疲勞裂紋等，這些裂縫隨齡期的增長而增加。因此，在施工中盡量減少裂縫的產(chǎn)生，采取一些防止措施：
6.1 集料級配穩(wěn)定均勻，0.5mm以下細(xì)料的質(zhì)量應(yīng)嚴(yán)格要求，控制好其含量及塑性指數(shù)；
6.2 水泥劑量控制在5%-6%之間，在達(dá)到規(guī)定的強度下盡量采用水泥劑量低限；
6.3 碾壓時含水量不宜超過最佳含水量的1%：
6.4 控制好下層的壓實度、強度指標(biāo)；
6.5 碾壓成型后養(yǎng)生及時周到防止忽干忽濕，炎熱多風(fēng)天氣多灑水及時補足散失水分；
中圖分類號：G642.477 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）11-0200-02
本科畢業(yè)設(shè)計作為大學(xué)四年最后一個重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，長期以來受到指導(dǎo)教師的重視和關(guān)注，創(chuàng)新研究了各種有效途徑，取得了很好的實踐效果。[1-3]筆者所在的課題組基于多年的本科畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)實踐經(jīng)驗，深入分析了國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)軍事指揮類學(xué)生和工程技術(shù)類學(xué)生不同的特點，考慮到大范疇下單個畢業(yè)設(shè)計課題研究的局限性，分別設(shè)置了相應(yīng)的專題作為畢業(yè)設(shè)計課題，受到了學(xué)生的廣泛好評。
在本科畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)實踐過程中，課題組基于專題式本科畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)方案，提出了“四課法”本科畢業(yè)設(shè)計專題指導(dǎo)方法。針對軍事指揮類學(xué)生，為促進(jìn)空天作戰(zhàn)力量建設(shè)和“天戰(zhàn)”優(yōu)秀軍事指揮人才培養(yǎng)，基于空天作戰(zhàn)背景，設(shè)計了空天作戰(zhàn)專題作為畢業(yè)設(shè)計選題。另外，針對測控技術(shù)與儀器專業(yè)學(xué)生的專業(yè)特點，充分結(jié)合理論和實踐，軟件和硬件能力的雙重訓(xùn)練，設(shè)計了衛(wèi)星測控專題作為畢業(yè)設(shè)計選題。通過空天作戰(zhàn)專題和衛(wèi)星測控專題本科畢業(yè)設(shè)計的指導(dǎo)研究與實踐，深入分析和總結(jié)了專題畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)的相關(guān)經(jīng)驗，對后續(xù)畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)工作具有重要的指導(dǎo)意義。
一、本科畢業(yè)設(shè)計專題設(shè)計
1.軍事指揮類學(xué)生本科畢業(yè)設(shè)計專題設(shè)計
自20世紀(jì)90年代至今，國際上發(fā)生了幾場較大規(guī)模的局部戰(zhàn)爭，其中一個不容忽視的重要特點便是空天領(lǐng)域的軍事應(yīng)用，空天作戰(zhàn)的概念應(yīng)運而生?？仗熳鲬?zhàn)是指以航空航天力量為主，在其他有關(guān)力量的配合下，為達(dá)成一定的作戰(zhàn)目的，根據(jù)統(tǒng)一計劃和統(tǒng)一指揮，在空天戰(zhàn)場共同進(jìn)行的以空天威懾、空天支援和空天攻防為主要方式的作戰(zhàn)行動。[4]未來戰(zhàn)爭，誰能夠掌握空天的“制高點”，誰必將掌握戰(zhàn)爭的主導(dǎo)權(quán)。近年來，世界主要軍事強國都爭先發(fā)展空天作戰(zhàn)力量，太空領(lǐng)域的競爭更趨激烈，空天戰(zhàn)場的地位將進(jìn)一步凸顯。隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，未來高技術(shù)局部戰(zhàn)爭將首先從外層空間開始，空天戰(zhàn)場將成為敵對雙方激烈爭奪的戰(zhàn)略高地。
為了保衛(wèi)國家的空天安全，有效防御軍事強國的空天威脅，需要科學(xué)深入地研究空天作戰(zhàn)問題，理解和系統(tǒng)掌握空天作戰(zhàn)的有關(guān)理論，對空天作戰(zhàn)中的相關(guān)技術(shù)問題進(jìn)行前沿探索。結(jié)合國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)軍事指揮類學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)和特點，筆者所在的指導(dǎo)團(tuán)隊結(jié)合空天作戰(zhàn)相關(guān)的人才培養(yǎng)的迫切需求，確定了“空天作戰(zhàn)專題”作為學(xué)生的本科畢業(yè)設(shè)計課題。因此，本畢業(yè)設(shè)計專題不僅具有很強的軍事應(yīng)用背景，而且具有明確的研究意義。
以空天作戰(zhàn)為背景，從爭奪制天權(quán)的基本手段、空間信息的獲取及在空天作戰(zhàn)中的應(yīng)用、空間環(huán)境監(jiān)測、美國空天作戰(zhàn)相關(guān)研究對我軍的啟示、空天作戰(zhàn)系統(tǒng)中的目標(biāo)選擇、攻擊和防御等方面展開研究，精心設(shè)計了14個子課題以供14名軍事指揮類學(xué)生選擇，每個子課題都是空天作戰(zhàn)背景下相關(guān)問題的具體描述。專題包含的14個子課題是一個有機整體，有利于學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計過程中資源共享，相互交流和探討，群策群力，在有限的畢業(yè)設(shè)計時間里掌握更多的相關(guān)知識。
2.工程技術(shù)類學(xué)生本科畢業(yè)設(shè)計專題設(shè)計
課題組所指導(dǎo)的工程技術(shù)類學(xué)生來自于測控技術(shù)與儀器專業(yè)（以下簡稱“測控專業(yè)”），該專業(yè)一直被學(xué)生稱為“萬精油”專業(yè)。因為測控專業(yè)所涉及的領(lǐng)域很寬，它集計算機、軟件、網(wǎng)路、傳感、電子、機械、光學(xué)等多種技術(shù)于一體，用于解決實際工程中的控制管理、信號獲取、傳輸和處理等一系列問題。[5]但隨著我國航天事業(yè)的飛速發(fā)展，“航天測控”成為測控專業(yè)學(xué)生耳熟能詳?shù)念I(lǐng)域，更愿意將本專業(yè)和航天技術(shù)的發(fā)展同等看待。航天測控是反映一個國家綜合科技實力的重要標(biāo)志之一。作為當(dāng)今世界最尖端的領(lǐng)域之一，航天測控涉及天文、天體力學(xué)、空間控制技術(shù)、電子信息、數(shù)值計算等多個尖端學(xué)科。作為測控專業(yè)的本科畢業(yè)生，迫切希望通過畢業(yè)設(shè)計更深入地了解航天測控相關(guān)的技術(shù)細(xì)節(jié)。
針對5名測控專業(yè)學(xué)生，以衛(wèi)星測控為背景，確定了“衛(wèi)星測控專題”作為學(xué)生的本科畢業(yè)設(shè)計課題。從衛(wèi)星測控星載儀器電路原理與設(shè)計、衛(wèi)星測控星載儀器信號設(shè)計與合成、衛(wèi)星測控星載儀器信號接收與處理、衛(wèi)星測控中的擴頻信號捕獲技術(shù)研究、衛(wèi)星測控中的擴頻信號跟蹤技術(shù)研究，精心設(shè)計了5個子課題，每個子課題都是衛(wèi)星測控信號流程中的重要環(huán)節(jié)，環(huán)環(huán)相扣，最終構(gòu)建了一個完整的測控實驗平臺。有利于在畢業(yè)設(shè)計過程中培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作精神，加強學(xué)生間的交流與探討，共同將衛(wèi)星測控領(lǐng)域的技術(shù)細(xì)節(jié)理解的更加透徹。
二、“四課法”本科畢業(yè)設(shè)計專題指導(dǎo)實踐
專題式本科畢業(yè)設(shè)計與傳統(tǒng)的“一對一”本科畢業(yè)設(shè)計之間的不同之處在于學(xué)生從給定的子課題中選擇一個子課題開展畢業(yè)設(shè)計工作，所有學(xué)生要了解專題的整體情況，同時要求每人獨立完成一題。所有子課題是一個統(tǒng)一的整體，指導(dǎo)團(tuán)隊通過開展相應(yīng)的指導(dǎo)，確保每個學(xué)生都能在規(guī)定的時間內(nèi)進(jìn)行較為深入的研究，最終完成優(yōu)秀的畢業(yè)論文。指導(dǎo)團(tuán)隊包括10名教師，作為一個整體，由負(fù)責(zé)人協(xié)調(diào)進(jìn)行全面指導(dǎo)工作，同時根據(jù)教師的專業(yè)特長，確定具體指導(dǎo)的子課題。在整個指導(dǎo)過程中，提出了“四課法”本科畢業(yè)設(shè)計專題指導(dǎo)方法，在四個重要階段集中指導(dǎo)，以確保畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)工作進(jìn)行的更加高效。
1.下達(dá)任務(wù)課：明確任務(wù)，充分交代
在學(xué)生選定相應(yīng)的子課題之后，教師將下發(fā)《本科畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書》（簡稱《任務(wù)書》）。在學(xué)生初步理解《任務(wù)書》的基礎(chǔ)上，給學(xué)生們上第一課：下達(dá)任務(wù)課。
對于學(xué)生來說，本科畢業(yè)設(shè)計是一個全新的重要環(huán)節(jié)，它不同于前三年的課堂教學(xué)，也不同于任何之前進(jìn)行過的教學(xué)、實驗等單一訓(xùn)練，它是一個綜合的“項目”，所以學(xué)生在拿到《任務(wù)書》后會非常困惑，不知道具體該做什么，如何做。這就迫切要求教師能夠在第一時間把握學(xué)生的心理特點，針對他們的疑問，逐一解答他們的困惑。在下達(dá)任務(wù)課上，教師要積極引導(dǎo)學(xué)生“發(fā)問”，這樣才能有的放矢的解決他們最關(guān)心的難題，達(dá)到更好的指導(dǎo)效果?！昂玫拈_始，是成功的一半?！痹诘谝徽n上，教師要針對問題充分交代，幫助學(xué)生充分理解《任務(wù)書》的要求，讓他們明確自己的任務(wù)：需要哪些基礎(chǔ)知識，需要補充學(xué)習(xí)哪些新知識，任務(wù)的最終目標(biāo)是什么，各個過程環(huán)節(jié)該如何實施？每一個方面都要交代清楚，讓學(xué)生徹底打消疑慮，給他們建立自信心，為接下來的畢業(yè)設(shè)計奠定堅實的基礎(chǔ)。
2.開題報告課：確定方向，引導(dǎo)思維
學(xué)生在充分理解《任務(wù)書》研究內(nèi)容的基礎(chǔ)上，通過查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)，將各個任務(wù)進(jìn)一步細(xì)化，提煉出課題的關(guān)鍵問題，提出課題研究的基本方法，并制定詳細(xì)的研究計劃，完成《本科畢業(yè)設(shè)計開題報告》（簡稱《開題報告》）。
《開題報告》是學(xué)生開始進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計實質(zhì)性工作的第一步，也是畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)第一次由學(xué)生主導(dǎo)，向教師提交撰寫材料。開題報告課作為畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)的第二堂課，教師需要著重從以下幾個方面把握，協(xié)助他們確定明確的方向，引導(dǎo)學(xué)生的發(fā)散思維，為下一步畢業(yè)設(shè)計工作制定可行的計劃。
（1）對專題及子課題的認(rèn)識：學(xué)生針對不太熟悉的專題領(lǐng)域，要了解自己子課題的研究內(nèi)容，必須要全面認(rèn)識子課題所在的大專題背景。所以開題報告中，要簡要介紹自己對專題及課題的認(rèn)識。
（2）本課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢：要明確課題的具體研究內(nèi)容，首先要對國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進(jìn)行全面了解和梳理，準(zhǔn)確分析它的發(fā)展趨勢，找準(zhǔn)課題的研究方向。
（3）課題在理論與實踐上的意義：學(xué)生選擇一個子課題，最初對課題的意義并不完全清楚。通過開題報告課，教師根據(jù)學(xué)生分析的課題在理論與實踐上的意義，點評相關(guān)的內(nèi)容，為后續(xù)工作的展開明確方向。
（4）課題需要解決的關(guān)鍵理論問題和實際問題：課題研究的核心內(nèi)容是解決一定的理論問題和實際問題，這是學(xué)生必須把握的內(nèi)容，也是開題報告課最重要的部分。教師要根據(jù)學(xué)生《開題報告》的內(nèi)容分析他們的思路，從各子課題展開，確保每個學(xué)生都能理順課題的關(guān)鍵問題。
（5）課題研究的基本方法、實驗方案及技術(shù)路線的可行性論證，并估計在進(jìn)行論文工作中可能遇到的困難、問題和解決措施：明確了需要解決的關(guān)鍵問題之后，學(xué)生在《開題報告》中對研究的基本方法及可行性進(jìn)行分析。教師要客觀分析研究內(nèi)容的工作量和學(xué)生有效投入時間等因素，評價其可行性，及時修正不合理部分。此外，教師還要對論文工作中可能遇到的困難和問題與學(xué)生進(jìn)行充分探討，引導(dǎo)學(xué)生提出相應(yīng)的解決措施。
（6）論文研究的進(jìn)展計劃：在有限的時間里，需要進(jìn)行一定的研究工作。一般而言，時間較為緊張，通過制定詳細(xì)的研究進(jìn)展計劃，劃分重要的檢查節(jié)點，有利于教師更有針對性的指導(dǎo)學(xué)生順利完成畢業(yè)設(shè)計任務(wù)。在開題報告課上，教師根據(jù)學(xué)生制定的論文研究進(jìn)展計劃，分析其合理性和可考核性，并進(jìn)行必要的調(diào)整。
3.中期檢查課：查看方法與思路，細(xì)致指導(dǎo)，廣泛討論
在學(xué)生畢業(yè)設(shè)計工作進(jìn)行到一半時，實施“中期檢查課”。開題報告課上，已經(jīng)對整個畢業(yè)設(shè)計進(jìn)行全面規(guī)劃和部署，在中期檢查節(jié)點應(yīng)該完成哪些內(nèi)容，是有明確計劃的。因此在中期檢查課上，教師首先要查看研究方法是否正確，研究思路是否清晰，在更細(xì)節(jié)的方面加強指導(dǎo)，為后半部分的畢業(yè)設(shè)計定下方向。其次多個學(xué)生做同一個專題，有很多研究內(nèi)容和研究成果是可以提前進(jìn)行資源共享的。教師要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行廣泛的討論，取長補短，齊頭并進(jìn)，共同進(jìn)步。另外，還要給每個學(xué)生吃下“定心丸”：大家一定能在規(guī)定的時間內(nèi)順利完成畢業(yè)設(shè)計工作，只需要稍稍調(diào)整心態(tài)，更加投入，按照《任務(wù)書》中的任務(wù)需要，對照《開題報告》中的研究思路，一步步朝著目標(biāo)努力。
4.論文成稿課：查看內(nèi)容與數(shù)據(jù)，規(guī)定格式
在學(xué)生完成《本科畢業(yè)論文》（簡稱《論文》）初稿時，開設(shè)“論文成稿課”。事實上，從畢業(yè)設(shè)計之初，大部分學(xué)生就開始著手為撰寫畢業(yè)論文儲備有用的素材，認(rèn)真思考，形成新的觀點進(jìn)行論述。在論文成稿課上，教師要查看論文的內(nèi)容是否是學(xué)生獨自完成的，是否是帶有自己新觀點的論述；檢查相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)是否真實可信，必要時進(jìn)行相關(guān)的考證；其他方面也要嚴(yán)格把握，如語句是否通順，邏輯是否合理等，都要進(jìn)行全面的指導(dǎo)；另外，還要查看論文格式是否完全符合規(guī)定。
除了以上重要的“四課”之外，在畢業(yè)設(shè)計實施過程中，由指導(dǎo)團(tuán)隊負(fù)責(zé)人統(tǒng)一安排和部署，每周都有2～3名教師進(jìn)行全面的指導(dǎo)；指導(dǎo)教師針對各自具體負(fù)責(zé)的子課題，定期和學(xué)生見面，了解畢業(yè)設(shè)計進(jìn)展，進(jìn)行現(xiàn)場指導(dǎo)，及時解決學(xué)生畢業(yè)設(shè)計過程中遇到的問題。此外，鼓勵學(xué)生通過電子郵件的方式和指導(dǎo)教師每周聯(lián)絡(luò)一次，學(xué)生向指導(dǎo)教師匯報畢業(yè)設(shè)計的進(jìn)展情況，指導(dǎo)教師檢查學(xué)生的階段性完成情況，以確保指導(dǎo)工作落到實處。
三、感想與總結(jié)
在本次本科畢業(yè)設(shè)計工作中，針對軍事指揮類學(xué)生和工程技術(shù)類學(xué)生，均創(chuàng)新性地提出了“大專題”模式本科畢業(yè)設(shè)計團(tuán)隊指導(dǎo)方案。對于選定該專題的學(xué)生，每個人都要花費一個學(xué)期的時間完成一個完整的畢業(yè)設(shè)計課題，畢業(yè)論文就是最終的成果形式。事實上，每個人除了自己的成果之外，還能在每次討論及最終答辯中汲取其他同學(xué)的研究成果，學(xué)到其他的新知識，達(dá)到知識共享。這就是專題式畢業(yè)設(shè)計最大的意義所在。
通過本次畢業(yè)設(shè)計研究與實踐發(fā)現(xiàn)：第一，空天作戰(zhàn)專題和衛(wèi)星測控專題都是全新的畢業(yè)設(shè)計課題，深受學(xué)生們的歡迎，兩專題可以作為固定課題以供后續(xù)的學(xué)生繼續(xù)研究和學(xué)習(xí)。第二，畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)過程中，教師要指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論、基本知識和基本方法，學(xué)生通過思考和提問，又能促進(jìn)教師更多的思考，師生間碰撞出意想不到的火花，使學(xué)生學(xué)到更多新知識。第三，“四課法”本科畢業(yè)設(shè)計專題指導(dǎo)方法是通過多年實踐經(jīng)驗總結(jié)出來的，應(yīng)用成效顯著。課堂上對學(xué)生進(jìn)行針對性指導(dǎo)后，學(xué)生能更清晰地梳理自己的思路，調(diào)整自己的進(jìn)度，學(xué)生之間也可以取長補短，資源共享，達(dá)到更好的效果。通過分析和總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗，在后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)工作中，教師將更有針對性地指導(dǎo)學(xué)生，讓他們在畢業(yè)設(shè)計過程中取得更大的進(jìn)步。
參考文獻(xiàn)：
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[4]王萬春.空天作戰(zhàn)理論與實踐[M].北京：藍(lán)天出版社，2010.
1、選題意義和背景。
可編程序邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)具有可靠性高、抗干擾能力強、功能豐富等強大技術(shù)優(yōu)勢，已經(jīng)成為目前自動化領(lǐng)域的主流控制系統(tǒng)。然而，從目前的應(yīng)用情況來看，PLC還大都只是承擔(dān)最基本的控制功能，如順序控制、數(shù)據(jù)采集和PID反饋控制。各個PLC廠家也在其產(chǎn)品中設(shè)計了PID模塊。雖然PID算法控制有很高的穩(wěn)定性，但對于一些復(fù)雜控制系統(tǒng)，PID控制很難滿足控制要求，這也使PLC的發(fā)展面臨著一種挑戰(zhàn)。隨著越來越多的PLC產(chǎn)品與IEC1131-3標(biāo)準(zhǔn)兼容，PLC控制系統(tǒng)越來越開放，將先進(jìn)控制算法嵌入PLC常規(guī)控制系統(tǒng)成為可能。本課題從工業(yè)控制實際應(yīng)用角度出發(fā)，對PLC的控制功能進(jìn)行深入的研究和探討，以提高和擴展PLC控制器的應(yīng)用水平和應(yīng)用范圍。本課題：PLC先進(jìn)控制策略的研究與應(yīng)用，其目的是通過研究使一些先進(jìn)控制算法在PLC及組態(tài)系統(tǒng)上得以實現(xiàn)，并開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用程序，經(jīng)過驗證后最終應(yīng)用到工業(yè)過程控制中去。
在PLC組態(tài)系統(tǒng)中實現(xiàn)先進(jìn)控制算法，包括預(yù)測控制算法和模糊邏輯控制算法，形成具有人工智能的控制模塊及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能大大提高系統(tǒng)的控制水平，改善控制質(zhì)量。從經(jīng)濟(jì)角度來看，目前PLC生產(chǎn)商的一些產(chǎn)品具備先進(jìn)控制模塊，如模糊模塊。但它們的價格十分昂貴，且封閉性較強，不適合我國中小型企業(yè)的工業(yè)改造。因此開發(fā)較為通用的先進(jìn)算法實現(xiàn)技術(shù)，對于我國中小型企業(yè)的工業(yè)改造具有很大的意義，既可降低生產(chǎn)成本，又可提高經(jīng)濟(jì)效益。
模糊控制與預(yù)測控制是智能控制中技術(shù)較為成熟的分支，因此，研制和開發(fā)出適合工業(yè)環(huán)境的實時先進(jìn)控制開發(fā)工具，實現(xiàn)模糊控制、預(yù)測控制嵌入PLC,與常規(guī)控制集成運行，讓先進(jìn)控制從教授、專家手中走出來，實現(xiàn)先進(jìn)控制的工程化、實用化、轉(zhuǎn)化為社會生產(chǎn)力，對縮短控制系統(tǒng)開發(fā)周期，加快先進(jìn)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，提高我國的工業(yè)自動化水平有著重大的意義。
2、論文綜述/研究基礎(chǔ)。
在過程工業(yè)界，從40年代開始，采用PID控制規(guī)律的單輸入單輸出簡單反饋控制回路己成為過程控制的核心系統(tǒng)。目前，PID控制仍廣泛應(yīng)用，即便是在大量采用DCS控制的最現(xiàn)代的工業(yè)生產(chǎn)過程中，這類回路仍占總回路80%-90%.這是因為PID控制算法是對人的簡單而有效操作的總結(jié)和模仿，足以維護(hù)一般過程的平穩(wěn)操作與運行，而且這類算法簡單且應(yīng)用歷史悠久，工業(yè)界比較熟悉且容易接受。
然而，單回路PID控制并不能適用于所有的過程和不同的要求[4}0 50年代開始，逐漸發(fā)展了串級、比值、前饋、均勻和Smith預(yù)估控制等復(fù)雜控制系統(tǒng)，即當(dāng)時的先進(jìn)控制系統(tǒng)，在很大程度上滿足了單變量控制系統(tǒng)的一些特殊的控制要求。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，仍有10%-20%的控制問題采用上述控制策略無法奏效，所涉及的被控過程往往具有強藕合性、不確定性、非線性、信息不完全性和大純滯后等特性，并存在著苛刻的約束條件，更重要的是它們大多數(shù)是生產(chǎn)過程的核心部分，直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)率和成本等有關(guān)指標(biāo)。隨著過程工業(yè)日益走向大型化、連續(xù)化，對工業(yè)生產(chǎn)過程控制的品質(zhì)提出了更高的要求，控制與經(jīng)濟(jì)效益的矛盾日趨尖銳，迫切需要一類合適的先進(jìn)控制策略。自50年代末發(fā)展起來的以狀態(tài)空間方法為主體的現(xiàn)代控制理論，為過程控制帶來了狀態(tài)反饋、輸出反饋、解疆控制、自適應(yīng)控制等一系列多變量控制系統(tǒng)設(shè)計方法}s}.上述多變量控制策略有其自身的不足之處，工業(yè)過程的復(fù)雜性使得建立其正確的數(shù)學(xué)模型比較困難。同時，計算機技術(shù)的持續(xù)發(fā)展使得計算機控制在工業(yè)生產(chǎn)過程中得到了廣泛的應(yīng)用，強大的計算能力可以用來求解過去認(rèn)為是無法求解的問題，這一切都孕育著過程控制領(lǐng)域的新突破。
整個80年代，出現(xiàn)了許多約束模型預(yù)測控制的工程化軟件包。通過在模型識別、優(yōu)化算法、控制結(jié)構(gòu)分析、參數(shù)整定和有關(guān)穩(wěn)定性和魯棒性研究等一系列工作，基于模型控制的理論體系己基本形成，并成為目前過程控制應(yīng)用最成功，也最有前途的先進(jìn)控制策略。近年來，人工智能技術(shù)有了長足的長進(jìn)并在許多科學(xué)與工程領(lǐng)域中取得了較廣泛的應(yīng)用。就過程控制而言，專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊系統(tǒng)是最有潛力的三種工具。專家系統(tǒng)可望在過程故障診斷、監(jiān)督控制、檢測儀表和控制回路有效性檢驗中獲得成功應(yīng)用。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則可以為復(fù)雜的非線性過程的建模提供有效的方法，進(jìn)而可用于過程軟測量和控制系統(tǒng)的設(shè)計上。模糊系統(tǒng)不僅是行之有效的模糊控制理論基礎(chǔ)，而且有望成為表達(dá)確定性和不確定性兩類混合并提煉這些經(jīng)驗使之成為知識進(jìn)而改進(jìn)以后的控制，也將是先進(jìn)控制的重要內(nèi)容。
由于先進(jìn)控制受控制算法的復(fù)雜性和計算機硬件兩方面因素的影響，早期的先進(jìn)控制算法通常是在PC機和UNIX機上實施的。隨著DCS功能的不斷增強，更多的先進(jìn)控制策略可以與基本控制回路一起在DCS控制站上實現(xiàn)。國外發(fā)達(dá)國家?guī)缀跛衅髽I(yè)都采用了DCS系統(tǒng)或其它智能化設(shè)備來實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制，并在此基礎(chǔ)上通過實施先進(jìn)控制與優(yōu)化較大的提升了系統(tǒng)的性能?？梢哉f，高性能控制系統(tǒng)，尤其是DCS系統(tǒng)的普及為先進(jìn)控制的應(yīng)用提供了強有力的硬件和軟件平臺。國外從70年代末就開始了先進(jìn)控制技術(shù)商品化軟件的開發(fā)及應(yīng)用，并在DCS的基礎(chǔ)上實現(xiàn)先進(jìn)控制和優(yōu)化。如愛默生公司的DeltaV和Honeywell公司的TDC3000,其先進(jìn)控制軟件RMPGT和RPID等在現(xiàn)場的實際應(yīng)用都集中在自己的DCS系統(tǒng)上。傳統(tǒng)的PLC由于不支持浮點運算以及先進(jìn)控制所必須的精確的時間，因此，除了模糊邏輯控制外，其他的先進(jìn)控制并沒有在PLG平臺上實現(xiàn)。然而，在過程工業(yè)中大多系統(tǒng)使用先進(jìn)靈活的PLC控制系統(tǒng)，因此1996年Barnes提出了一種基于PC-PLC通訊的混合方式，通過控制網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)計算機與PLG的通訊，從而實現(xiàn)先進(jìn)控制。
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4、論文提綱。
第一章前言
1. I論文研究的目的和意義
1. 2論文研究的主要內(nèi)容及工作簡述
1. 3國內(nèi)外文獻(xiàn)綜述
I. 3. 1先進(jìn)控制的發(fā)展及現(xiàn)狀
1 .3 . 2 PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用
1.3 . 3 PLC基本控制方法
1. 3. 4 PLC模糊控制器
I. 3. 5 PLC預(yù)測控制算法
第二章SIMATIC S7-300 PLC及STEP7系統(tǒng)
2.1 SIMATIC 57-300 PLC系統(tǒng)
2.1.1 S7-300 PLC
2.1.2 S7-300 PLC控制系統(tǒng)
2.2 STEP7系統(tǒng)
2.2.1 STEP7功能及結(jié)構(gòu)
2.2.2組態(tài)環(huán)境及編程語言
2.2.3基本控制算法的實現(xiàn)二
第三章PLC模糊控制器的研究與實現(xiàn)
3.1模糊控制算法與系統(tǒng)
3.1.1模糊控制理論
3.1.2模糊控制系統(tǒng)
3.1.2.1模糊控制器的組成
3.1.2.2模糊控制算法
3.1.2.3模糊控制器的結(jié)構(gòu)
3.2 PLC模糊控制器設(shè)計
3.2.1 PLC模糊控制器結(jié)構(gòu)
3.2.2模糊控制器離線部分設(shè)計
3.2.2.1模糊控制器離線部分算法設(shè)計內(nèi)容
3.2.2.2基于MATLAB模糊邏輯工具箱的設(shè)計
3.2.3 STEP7實現(xiàn)模糊控制器設(shè)計
3.2.3.1模糊算法流程圖
3.2.3.2模糊算法的功能塊
3.2.4 PLC模糊控制器的仿真驗證
3.2.4.1仿真系統(tǒng)的建立
3.2.4.2仿真結(jié)果驗證
第四章PLC預(yù)測控制器的研究與實現(xiàn)
4.1廣義預(yù)測控制算法
4.1.1單值廣義預(yù)測控制
4.1.2單值廣義預(yù)測控制律計算
4.2 PLC單值廣義預(yù)測控制器的設(shè)計與實現(xiàn)
4.2.1單值廣義預(yù)測算法的實現(xiàn)步驟
4.2.2單值廣義預(yù)測控制器的設(shè)計
4.3單值廣義預(yù)測控制器的仿真驗證
4.3.1仿真模型的建立
4.3.2仿真結(jié)果分析比較
第五章基于PLC的空調(diào)性能檢測實驗室計算機控制系統(tǒng)
5.1工藝流程與控制方案
5.1.1工藝過程簡述
5.1.2控制要求
5.1.3控制方案設(shè)計
5.2控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及配置
5.3監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計
5.4 57-300 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計
5.4.1硬件系統(tǒng)組態(tài)
5.4.2 PLC控制程序設(shè)計
5、論文的理論依據(jù)、研究方法、研究內(nèi)容。
目前，PLC的應(yīng)用十分廣泛，涉及到過程控制的方方面面。但在控制策略上，它依然沿用傳統(tǒng)的PID控制。許多PLC開發(fā)商把PID算法做成模塊，固化在PLC中。
但從長遠(yuǎn)角度看，對于一些復(fù)雜的控制系統(tǒng)，PID很難滿足控制要求，這就需要把先進(jìn)的控制算法嵌入到PLC的設(shè)計中。本課題以此為主要研究內(nèi)容。
工業(yè)過程的復(fù)雜性以及對于控制日益提高的要求，各種先進(jìn)控制算法越來越多地深入到控制領(lǐng)域，但由于PLC的編程目前還限于低級語言(如梯形圖)，所以，給在PLC上實現(xiàn)先進(jìn)控制算法帶來了困難。SIEMENS在PLC的編程系統(tǒng)STEP7中提供了比較豐富的功能模塊，因此，本課題首先是通過對控制算法的研究與改進(jìn)和對STEP?功能的開發(fā)，使先進(jìn)控制策略在S7-300 PLC上得以較好的實現(xiàn)。本論文重點研究基于PLC的模糊控制器的實現(xiàn)，這一領(lǐng)域目前研究的比較多，因此在總結(jié)前人研究方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計出一個基于PLC的通用的模糊控制器，并使其固化在STEP7軟件中。此外，對于PLC預(yù)測控制雖已有一些研究，但都僅限于理論方面，尚未給出PLC上實現(xiàn)的實例。本課題也想在此方面有所創(chuàng)新，開發(fā)出基于PLC的預(yù)測控制實現(xiàn)技術(shù)。
本論文第一章簡要介紹了課題的來源背景、主要內(nèi)容、目的意義以及國外相關(guān)工作的研究狀況等。
第二章介紹了SIMATIC S7-300 PLC的主要特點，系統(tǒng)組成及控制系統(tǒng)的配置與實現(xiàn)，同時介紹了STEP?軟件的功能及結(jié)構(gòu)，組態(tài)環(huán)境，以及一些基本算法的實現(xiàn)方法。
第三章重點闡述了模糊控制的基本理論、模糊控制算法、模糊控制器的結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法。提出了基于PLC的模糊控制器的實現(xiàn)方法，即采用MATLAB離線設(shè)計，PLC在線查詢的方式。給出了STEP?實現(xiàn)模糊算法的流程圖及部分程序。
最后建立一個過程仿真系統(tǒng)，對PLC模糊控制器進(jìn)行仿真驗證。
第四章介紹了預(yù)測控制的基本理論，重點闡述了廣義預(yù)測控制算法，并結(jié)合PLC的特點，提出了基于PLC的單值廣義預(yù)測控制器的設(shè)計方法，給出了STEP7實現(xiàn)單值廣義預(yù)測算法的步驟與流程圖。最后建立一個二階大滯后的對象模型，構(gòu)成仿真控制系統(tǒng)，與PID控制進(jìn)行比較分析，驗證PLC預(yù)測控制器的有效性。
第五章是作者在研究生期間參加的某空調(diào)性能檢測實驗室基于PLC實現(xiàn)的計算機控制系統(tǒng)，從系統(tǒng)控制方案的設(shè)計、系統(tǒng)配置和硬件構(gòu)成、監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計等幾個方面分別進(jìn)行了詳細(xì)的論述。
第六章結(jié)論與體會，總結(jié)自己在課題研究和項目研究的過程中的一些體會和心得，分析了工作中的不足，提出了以后工作的注意事項，改進(jìn)方法。
6、研究條件和可能存在的問題。
I.盡快建立樣板工程，把己經(jīng)取得的研究成果應(yīng)用到工程實際過程中，通過實踐檢驗，發(fā)現(xiàn)問題以便不斷改進(jìn)和提高。
2. PLC預(yù)測控制器目前只應(yīng)用了簡單的單值廣義預(yù)測算法，有其自身的局限性，如控制精度不高。目前，應(yīng)用較為成熟的是MPC算法，因此可以把PLC-MPC控制器作為今后研究的一個重點。
3.對于PLC模糊控制器的改進(jìn)，主要是在算法上，為了提高控制效果，單純的模糊算法是不足的，改進(jìn)型模糊算法如模糊PID可以改善控制器性能，因此可以開發(fā)PLC模糊PID控制器。
4.進(jìn)一步挖掘STEP?軟件的功能，開發(fā)過程對象仿真模塊，給出基于PLC建立仿真系統(tǒng)的方法和步驟，為工業(yè)實阮應(yīng)用縮短調(diào)試時間，保證系統(tǒng)的可靠性。
7、預(yù)期的結(jié)果。
1.通過對先進(jìn)控制各種算法的分析比較，對先進(jìn)控制理論有了進(jìn)一步認(rèn)識，從中學(xué)到了不少解決問題的方法，理解了傳統(tǒng)控制方法與先進(jìn)控制方法的區(qū)別。
2.基于PLC實現(xiàn)先進(jìn)控制與基于PC實現(xiàn)先進(jìn)控制相比較，最重要的一個優(yōu)勢在于PLC實現(xiàn)先進(jìn)控制不需要通訊協(xié)議，而基于PC實現(xiàn)先進(jìn)控制，在系統(tǒng)設(shè)計和運行之前必須正確的配置PC與PLC之間的通訊協(xié)議，因此可以降低系統(tǒng)得開發(fā)時間。其次，在系統(tǒng)運行時，在下位機上完成先進(jìn)控制算法比在上位機完成更具有實時性。在可靠性方面，由于基于PC實現(xiàn)先進(jìn)控制，現(xiàn)場的數(shù)據(jù)和信號要經(jīng)過通訊傳給上位機，這難免會出現(xiàn)數(shù)據(jù)的丟失和信號的誤差，從而使系統(tǒng)的控制精度下降，而基于PLC實現(xiàn)先進(jìn)控制避免了這類現(xiàn)象的發(fā)生。
3.西門子57-300 PLC功能強、處理速度快、模塊化結(jié)構(gòu)易于擴展，被廣泛的應(yīng)用于自動化控制系統(tǒng)中;其相應(yīng)開發(fā)軟件STEP7采用模塊化編程方法，提供多種編程語言，豐富的功能模塊，能實現(xiàn)較為復(fù)雜的功能和算法。因此二者結(jié)合 起來，為先進(jìn)控制的設(shè)計與開發(fā)提供了很好的軟硬件平臺。
4. PLC模糊控制器采用MTALAB離線設(shè)計和PLC在線查表的方法，把復(fù)雜的模糊推理過程交給計算機離線完成，得到模糊控制量查詢表供PLC在線調(diào)用。此方法將復(fù)雜瑣碎的模糊控制系統(tǒng)的開發(fā)工作變得簡單明了，大大縮短了開發(fā)周期，同時也提高的PLC控制的實時性，是目前被廣泛采用且效果良好的PLC模糊控制器的設(shè)計方法。
5. PLC單值廣義預(yù)測控制器采用簡單實用的單值廣義預(yù)測控制算法，它需要調(diào)整參數(shù)少、在線計算時間短，可適用于PLC類控制采樣周期較短的快速動態(tài)過程系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明：PLC單值廣義預(yù)測控制器保持了預(yù)測控制的性能，控制效果較PID控制有很大改善，同時具有計算量小，響應(yīng)迅速的優(yōu)點。
8、論文寫作進(jìn)度安排。
20XX.05-20XX.06 開論文會議
20XX.06-20XX.07 確定論文題目
20XX.07-20XX.02 提交開題報告初稿
2糧倉濕度檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計
糧情測控系統(tǒng)是計算機硬件與軟件的結(jié)合體，實現(xiàn)了計算機對儲糧的檢測與預(yù)警。系統(tǒng)硬件由控制部分和信號檢測部分組成，其中，控制部分包含五個模塊：控制器模塊、手動按鍵、顯示模塊、通信模塊和報警模塊；信號檢測部分包含一個模塊：濕度檢測模塊。
2.1核心單元電路
綜合考慮系統(tǒng)的方便性，可靠性，性價比等因素，系統(tǒng)主機芯片采用AT89C51。AT89C51是控制系統(tǒng)常用的單片機，應(yīng)用在很多領(lǐng)域，利用它完成的報警系統(tǒng)很多。使用AT89C51單片機構(gòu)成的計算機系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的采樣煤氣濃度，能夠達(dá)到題目的設(shè)計要求，而且AT89C51單片機相對于其它型號的單片機，更加易于學(xué)習(xí)和掌握，性能也相對比較好。
2.2檢測傳感器和檢測電路
濕度檢測采用的是濕度傳感器HS1101。在糧情測控系統(tǒng)中主要是檢測室內(nèi)與室外的濕度，一般一個糧倉有兩個濕度檢測點，且精度要求不高。
2.3顯示電路設(shè)計
系統(tǒng)顯示模塊采用數(shù)碼管動態(tài)顯示原理，清晰的顯示實時濕度值
3軟件設(shè)計
整個系統(tǒng)軟件設(shè)計分為兩個部分，作為主控的上位機的軟件設(shè)計及作為數(shù)據(jù)采樣的單片機終端節(jié)點的軟件設(shè)計。系統(tǒng)采用模塊化編程，將各部分功能分別實現(xiàn)，主要的功能子程序有：數(shù)據(jù)采集、標(biāo)度變換、線性校正、數(shù)制轉(zhuǎn)換、數(shù)值顯示、發(fā)送、接收和部分中斷子程序。
4系統(tǒng)調(diào)試
本次設(shè)計采用的是模塊化電路和模塊化程序，因此在聯(lián)調(diào)時只需要把各模塊進(jìn)行正確的連接就可以實現(xiàn)仿真，其模塊與電路圖在前面已經(jīng)介紹這里只是給出總體調(diào)試的效果，把軟件調(diào)試的.HEX文件燒入其中的AT89C51中就可以運行了。
他是享譽國內(nèi)外的知名教授。作為一名科研尖兵，他在國內(nèi)外率先開展了多變量模糊-神經(jīng)自適應(yīng)控制方法研究并引領(lǐng)此方向開展了近20 年的研究。已經(jīng)指導(dǎo)畢業(yè)博士后、博士研究生，畢業(yè)碩士生近百人，其中1人獲得全國百篇優(yōu)秀博士論文提名獎、2人獲得省優(yōu)秀博士論文獎，3人入選教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃”。張化光作為國內(nèi)外智能控制的領(lǐng)軍人物之一，2010年入選“遼寧省院士人選培養(yǎng)工程”，目前是遼寧省控制學(xué)科為數(shù)不多的幾名教育部長江學(xué)者特聘教授和國家杰出青年科學(xué)基金獲得者之一。
從1991年開始，張化光在國內(nèi)外率先開展了多變量模糊-神經(jīng)自適應(yīng)控制方法研究，發(fā)表了多篇學(xué)術(shù)論文。特別是提出了基于模糊-神經(jīng)辨識的廣義預(yù)測自適應(yīng)控制方法，并于1993年出版了國內(nèi)外第一本結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)模糊自適應(yīng)控制的學(xué)術(shù)專著《復(fù)雜系統(tǒng)的模糊辨識與模糊自適應(yīng)控制》。經(jīng)過近20年的研究，發(fā)表了一系列關(guān)于模糊-神經(jīng)辨識、建模、動態(tài)特性分析、狀態(tài)或網(wǎng)絡(luò)傳輸時滯分析、模糊-神經(jīng)優(yōu)化、自適應(yīng)控制器設(shè)計等研究成果，在國際上引起了許多后續(xù)研究。著名國外學(xué)者R. Belohlavek、E. N. Sanchez、S. Arik等都對張化光在多變量模糊-神經(jīng)自適應(yīng)控制領(lǐng)域的開創(chuàng)性工作給予好評。同時，張化光也被推舉擔(dān)任IEEE 計算智能學(xué)會的自適應(yīng)優(yōu)化技術(shù)局主席。他的學(xué)術(shù)研究成果先后獲得2008年遼寧省自然科學(xué)一等獎，2010年度教育部自然科學(xué)一等獎。
近20年來，他一直堅持扎扎實實地做本科教學(xué)和研究生教學(xué)工作。張化光不只在戰(zhàn)略方面給學(xué)生指導(dǎo)，在細(xì)節(jié)方面也從不放過。每個學(xué)生發(fā)表的論文都要經(jīng)過他的審查，從文字的推敲，表達(dá)式的演算到結(jié)構(gòu)的安排組合，他都給予充分的重視。目前張化光已經(jīng)指導(dǎo)博士后10名（6名已經(jīng)出站），畢業(yè)博士生20人（其中留學(xué)生2人），畢業(yè)碩士生60多人，很多人都已成長為各單位的杰出人才。
張化光不僅在教學(xué)中注重培養(yǎng)方法，在生活上也重視對學(xué)生的人文關(guān)懷。2010年5月，他把當(dāng)選沈陽市特等勞動模范所獲得的一萬元獎金全部捐贈給優(yōu)秀的貧困學(xué)生，幫助他們順利完成學(xué)業(yè)。
在眾多科研成果中，張化光負(fù)責(zé)開發(fā)的流體輸送管網(wǎng)的實時數(shù)據(jù)采集分析方法、高精度泄漏檢測定位技術(shù)和面向節(jié)能的復(fù)雜配電網(wǎng)監(jiān)測控制與實時故障診斷系統(tǒng)已規(guī)?；a(chǎn)，廣泛應(yīng)用于中石油和中石化公司的56個輸油子站和11個省份的86家集控子站和電廠，每年創(chuàng)造直接經(jīng)濟(jì)效益過億元，對企業(yè)自動化水平和生產(chǎn)效率的提高及相關(guān)技術(shù)的科技進(jìn)步產(chǎn)生了積極、深遠(yuǎn)的影響，提升了我國在故障診斷、容錯和監(jiān)測控制領(lǐng)域的技術(shù)水平和國際地位。
前 言
與傳統(tǒng)的三相電機變頻調(diào)速系統(tǒng)相比，多相系統(tǒng)[1，2]擁有諸多優(yōu)勢：能夠?qū)崿F(xiàn)低壓大功率、擁有更多的控制自由度、更強的容錯運行能力和更小的轉(zhuǎn)矩脈動等。由于上述優(yōu)點以及大功率傳動領(lǐng)域的旺盛需求，多相調(diào)速系統(tǒng)成為學(xué)術(shù)界和工程界的研究熱點。目前高精度多相調(diào)速系統(tǒng)控制策略主要有矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，其中矢量控制對參數(shù)的依賴性比較大，而直接轉(zhuǎn)矩控制具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)快，以及魯棒性好等優(yōu)點，因此得到越來越多的研究。
基于開關(guān)表的直接轉(zhuǎn)矩控制[3]策略通過滯環(huán)方式，粗略地控制磁鏈大小和轉(zhuǎn)矩變化方向，而不能精確地控制其變化量，會導(dǎo)致調(diào)速系統(tǒng)低速運行性能較差并且穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩脈動較大，特別是在多相電機中，注入的電壓諧波映射到其他平面，進(jìn)而產(chǎn)生諧波電流，對電機產(chǎn)生不利影響。而基于多相SVPWM的轉(zhuǎn)矩預(yù)測控制策略[4]，可以通過相關(guān)算法得到所需要的理想電壓矢量，從而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩差值和磁鏈差值的精確控制。基于SVPWM的轉(zhuǎn)矩預(yù)測方法將磁鏈差值和轉(zhuǎn)矩差值經(jīng)過兩個PI調(diào)節(jié)器，得到相應(yīng)平面的電壓矢量。以5相感應(yīng)電機為例，可以分為基波平面和3次諧波平面，通過上述方法可以很方便實現(xiàn)對任何一個平面電壓矢量的控制，進(jìn)而可以有效抑制定子電流諧波，并且能夠應(yīng)用非正弦供電技術(shù)。
1、基于SVPWM的轉(zhuǎn)矩預(yù)測控制方法
相關(guān)文獻(xiàn)已經(jīng)對傳統(tǒng)3相電機基于SVPWM[的轉(zhuǎn)矩預(yù)測控制方法進(jìn)行了相關(guān)介紹與研究[3-4]。本文將其擴展到5相電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中。為方便分析，將電機定轉(zhuǎn)子電壓方程表示為如下形式：
（1）
其中， ， 。將式（1）在 坐標(biāo)系展開可得：
（2）
為簡化上述表達(dá)式，將式（2）等式右邊的表達(dá)式分別記為 和 ：
（3）
圖1 基于SVPWM的轉(zhuǎn)矩預(yù)測控制框圖
由于實際控制系統(tǒng)是基于數(shù)字控制實現(xiàn)算法，需要對上述連續(xù)系統(tǒng)表達(dá)式進(jìn)行離散化，圖1為基于SVPWM的轉(zhuǎn)矩預(yù)測控制方法的原理框圖。假定系統(tǒng)的中斷采樣周期為 ，磁鏈差值和轉(zhuǎn)矩差值分別為 和 ，則式（3）可以改寫為：
（4）
從而可以得到 和 的差分方程：
（5）
以 和 作為基波平面的電壓參考矢量，即 。然后利用多相SVPWM技術(shù)合成參考電壓矢量，即可實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩和磁鏈差的精確補償。
2、實驗結(jié)果
為了驗證上述理論，構(gòu)建了一套具有TMS320F2812為核心的5相感應(yīng)電機變頻調(diào)速系統(tǒng)，并給出了基于SVPWM轉(zhuǎn)矩預(yù)測控制策略的實驗結(jié)果，如圖2所示。5相異步電機參數(shù)為：極對數(shù) ，額定電壓為200V，額定電流為10A，額定轉(zhuǎn)速為970r/min，額定轉(zhuǎn)矩為100N，定子電阻 ，電感參數(shù) ， 。
圖2 基于SVPWM的轉(zhuǎn)矩預(yù)測控制實驗波形
上述實驗結(jié)果表明基于SVPWM的轉(zhuǎn)矩預(yù)測控制策略對3次諧波電流有較好的抑制作用，改善定子波形，并有效減少定子銅耗和轉(zhuǎn)矩脈動。
3、總結(jié)
仿真和實驗結(jié)果中可以看出：
（I）與傳統(tǒng)的開關(guān)表直接轉(zhuǎn)矩控制相比，基于SVPWM轉(zhuǎn)矩預(yù)測控制策略能有效控制電壓矢量，繼而有效控制定子電流。對多相電機來說，并不是所有諧波都是對電機有利的；不合理注入諧波會給電機帶來擾動與額外損耗，進(jìn)而影響電機總體效率和運行性能。
（II）SVPWM轉(zhuǎn)矩預(yù)測控制策略具有良好的穩(wěn)定性能，穩(wěn)態(tài)時轉(zhuǎn)矩波動較小。電機加載時，電流沖擊也不大，說明該控制策略下的系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和抗干擾能力。
（III） SVPWM轉(zhuǎn)矩預(yù)測控制策略沒有采用傳統(tǒng)DTC的bang-bang控制方式，在動態(tài)性能會有所減弱，這也是該方法的不足之處。這就需要根據(jù)實際應(yīng)用工況進(jìn)行合理選擇。
參考文獻(xiàn)
[1] 康敏. 單繞組多相無軸承電機的研究[博士學(xué)位論文]. 杭州： 浙江大學(xué)， 2008.
[2] 白玉茅.九相感應(yīng)電機的直接轉(zhuǎn)矩控制研究[碩士學(xué)位論文]. 杭州： 浙江大學(xué)，2012.
