一、引言
高校计算机实验室是学校信息技术教学主要场所，承担了大量的计算机系列课程实验教学工作，良好的实验教学环境是顺利进行教学的重要保证。目前高校计算机实验室面向广大学生开放，具有使用人数多、使用频率高的特点，计算机不光要承受长时间连续正常运作的压力，并且要承受学生在学习和使用过程中对计算机软硬件的损坏以及病毒的攻击。因此，如何有效地利用现有资源对计算机实验室进行升级、管理和维护，保证计算机实验室良好的运行速度和稳定性，是广大计算机实验管理人员面临的问题。
参考文献[1]叙述了实验室机房设备管理、机房制度和设备维护，并阐述了硬盘还原卡的选择和使用；参考文献[2]提出制度与技术并行的管理模式。为了保护系统和硬盘数据不被破坏，参考文献[1]和参考文献[2]中均提到采用硬盘还原卡技术，这也是目前计算机实验室广泛采取的一种计算机系统保护方式。通过还原卡可以防止硬盘数据（主要是系统分区）被修改，包括学生的恶意操作和病毒的攻击。另外，还原卡还可以实现一对多的网络同传，降低实验室系统安装与维护工作量。但是，用还原卡对系统进行维护在实际使用中还存在一些问题：
（1）密码问题。一般的还原卡都有密码设置，由于各类还原卡的初始密码都非常简单，如果实验室管理员疏忽和上机学员恶意攻击”，很容易造成密码丢失或被改动，这将给维护工作带来极大的不便，有时甚至要报告还原卡厂商维修。
（2）硬件配置不一致问题。还原卡的网络同传功能要求发射端和接收端的硬件配置与型号完全一致，否则将会带来严重的后果。譬如主板或硬盘型号不同的计算机网络同传后，所有接收端的计算机将无法启动，此时若无法设置还原卡参数，那么就只能报还原卡厂商维修了。还原卡对于非法操作而引起的故障难以避免，比如强行断电最容易损坏硬盘，轻则丢失数据，重则造成物理损坏，不得不更换硬件，硬件更换容易造成硬件配置与型号与原来的配置和型号不一致，从而无法进行网络同传。特别是在旧机房中，这种硬件配置与型号不一致现象极为普遍。
（3）还原卡病毒也可使还原卡完全失去作用。计算机实验室中的电脑系统故障很多都是由于系统硬盘软件或应用软件被破坏造成的，通常使用还原卡进行系统备份与恢复来消除故障。若学生操作的计算机上不安装系统软件和应用软件，而把所有的软件安装在服务器上，通过服务器启动工作站的方式，这样可以防止学生有意或无意对系统的破坏。因此本文提出在计算机实验室采用基于pxe的无盘windowsxp启动有盘工作站的无盘”与有盘”相结合的管理方式，不仅可以很好地解决以上提出的问题，而且系统安装与升级、管理与维护非常方便，实验室管理员工作量大大地减少。
二、pxe简介
pxe（prebootexecuteenvironment，远程引导技术）是由intel公司开发的最新技术，是ripl（remoteinitialprogramload，远程启动服务）的技术升级。它工作于client／server的网络模式，支持工作站通过网络从远端服务器下载映像，并由此支持来自网络操作系统的启动过程。其启动过程中，终端要求服务器分配ip地址，再用tftp（trivialfiletransferprotocol）或mtftp（multicasttrivialfiletransferprotocol）协议下载一个启动软件包到本机内存中并执行，由这个启动软件包完成终端基本软件设置，从而引导预先安装在服务器中的终端操作系统。
三、pxe无盘windowsxp启动有盘工作站的管理方式
通常计算机实验室在使用硬盘还原卡的过程中，每台计算机都必须安装系统及需要使用的各种软件，将硬盘空间划分为若干个分区，一般只对系统盘进行保护，设置为每次还原，而对于非系统盘，根据具体情况设置为不还原或每月固定日期还原。这样既保护了系统，又能保存学生的实验结果及一些重要的文件。为了减少每台计算机系统各种软件安装的工作量，目前采用了ghost克隆母盘的方式，即先在一台机上安装所需的操作系统、应用软件，并设置好所需各方面参数，运行检验无误后，以此机的硬盘为母盘，用ghost软件作为桥梁克隆到别的机器的硬盘上；若实验室中所有计算机的硬件配置完全一致，也可采用还原卡的网络同传功能完成软件的安装。
基于pxe的无盘windowsxp启动不要求计算机的硬件配置完全一致，也不需要在每台计算机上安装各种软件，只需要在一台计算机上安装所需要所有的系统软件和应用软件，并将这台计算机作为服务器，网络上的工作站都无须安装软件，由服务器控制和管理整个实验室计算机工作站的正常启动和运行。这就是无盘启动的涵义。无盘启动并不意味着每台工作站一定要求没有硬盘，该技术完全适用于有硬盘的工作站，故本文提出基于pxe的无盘windowsxp启动有盘工作站的无盘”与有盘”相结合的管理方式：从服务器控制工作站工作的角度而言，工作站是无盘”的；从工作站本身的硬件配置而言，工作站是有盘”的，并且工作站的硬盘可以完全供学生使用，用于保存学生的实验数据和重要文件。学生还可以根据具体的需要在工作站安装各种学习软件，进行个性化的学习，满足学生多种需求，这一点对开放式收费机房很重要。服务器对工作站完全支配，可以定期对工作站硬盘数据进行拷贝、清除等操作。
1.pxe无盘windowsxp的安装
要想安全稳定地运行无盘windowsxp必须要有一个稳定的网络环境，可以根据网络规模和要求选择合适的网络拓扑结构构建计算机网络，如图所示是一个典型的组网布线图。下面以锐起无盘xp为例详细讲述无盘windowsxp的安装。
（1）安装主服务器
1）将windows2003企业版安装在服务器的c盘，并且所有分区都采用ntfs格式；
2）配置好tcp／ip协议，将服务器的ip地址设为192.168.1.254”，子网掩码255.255.255.0”；其他均按默认方式进行安装。须注意的是，务必留出足够的空间以容纳无盘系统的磁盘映像文件、工作站临时文件以及还原点文件，并且这些文件所在的磁盘格式必须为ntfs；
3）在服务器上以默认方式安装锐起xp3.1的服务器端程序；
4）启动锐起的无盘管理器；
5）单击工具栏上的磁盘管理新增磁盘，添加一个名称为system”的磁盘。
（2）加入模板工作站
打开锐起无盘管理器后单击新增按钮，新增名称为wks001”的模板工作站、输入模板工作站网卡mac地址、ip地址、子网掩码、网关、工作站目录，并设置工作站磁盘system”。单击确定按钮后，管理器里面会自动显示刚添加的工作站信息。添加完工作站后，然后在服务端管理器选中刚加入的模板工作站信息，单击超级用户”按钮，选择磁盘system”。
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（3）安装模板工作站
1）准备一台有盘客户机，作为模板工作站，在c盘下安装好winxp系统，并且c盘采用ntfs格式分区；
2）添加必要的网络组件和tcp／ip协议，指定工作站ip192.168.1.1”，子网掩码255.255.255.0”，如果安装的是winxp系统，还必须删除qos计划任务服务”；
3）在有盘客户机上以默认方式安装锐起xp3.1的客户端程序。
安装结束后，会弹出参数设定”对话框，输入服务器的ip地址192.168.1.254”后按确定”按钮。
（4）分区格式化网络磁盘
将模板工作站重新启动，计算机找到scsi控制器，安装完成后，重启；须注意的是，在这里找到新硬件后需要连续重启2次；然后单击开始”—控制面版”—管理工具”—计算机管理”—单击磁盘管理”，出现设置动态磁盘向导，单击取消”；此时可以看到两个磁盘，分别是磁盘0和磁盘1，其中磁盘0就是你工作站的硬盘，磁盘1，实际上就是虚拟硬盘，就是在服务器上创建的硬盘。
（5）进行分区格式化操作
右击磁盘1，选磁盘初始化”并将其换为基本磁盘”初始化后，进行分区及格式化。分区及格式化时要分成ntfs格式。此时打开我的电脑可看到新增的盘符，如本地磁盘（d：）”。
（6）上传客户机系统
格式化网络磁盘后，运行客户端的锐起无盘xp上传工具”，软件会自动检查硬盘中的系统和网络磁盘，并确定需要上传的源盘和目标盘，按默认，单击开始”上传。
（7）网络启动模板工作站
上传结束后将客户机正常关机，移除硬盘，设置coms启动为网络启动，再次开启，客户机应能正常启动，进入操作系统;验证工作站能在无盘状态下正常启动后关机，然后在服务端管理器内将该工作站设回普通用户。
（8）加入其他工作站
打开无盘管理器，单击工具栏上的选项设置按钮，设置工作站加入方式为全自动添加工作站，选择参照模板工作站。然后依次开启其他无盘工作站，设置为网络启动，这些工作站应能正常启动，进入操作系统。服务端管理器主界面里也应能自动显示出这些无盘工作站的信息。
（9）安装应用软件
首先将一台工作站设为超级用户，然后再在该工作站上安装应用软件（如：office2003，vb，vc等），最后安装完成之后将该工作站设为普通用户即可。此时其他无盘工作站上就能使用此次安装的应用软件了。
2.pxe无盘windowsxp的测试与维护
笔者在南华大学计算机实验室采用百兆网络组建了40台工作站pxe无盘windowsxp。经过一个学期的使用和测试，网络系统运行稳定流畅，40台机器同时启动平均用时1分31秒，单台启动仅需28秒。为了使计算机启动速度加快，可采用千兆网。由于该系统的所有工作站受服务器集中控制，若服务器故障则会引起全网瘫痪，所以需要使用备用服务器以防服务器故障。
基于pxe的无盘windowsxp启动有盘工作站的管理方式的维护实际上相当简单，只在服务器上即可完成对工作站系统的更新与维护。由于基于这种技术的无盘网络系统比较稳定，所以一般来说很长时间系统都不会出问题，所以维护的工作相对就少得多了，因此实验室软件维护量大大减少，要维护的主要是硬件。硬件故障主要是网络故障、鼠标故障、电源故障、cpu风扇故障、内存和显卡故障。具体的硬件故障诊断与排除本书不作赘述，参考文献[2]。另外，该无盘网络中可兼容多种不同硬件类型，网络扩展性极强，整个系统升级极其方便简单，能让使用年限较长、配置低的计算机得到很好的利用，延长了计算机的使用寿命。
关键词：三维装箱；装箱策略；自由落体算法；遗传算法；条形装箱；NP完全问题；启发式规则；多目标优化；模拟退火算法；禁忌搜索算法；组合优化；交互式算法；预分配策略；现实约束
中图分类号：TP301.6文献标识码：A文章编号：1007-9599（2012）17-0000-03
1引言
近些年来随着物流行业的快速发展，在激烈的竞争下，物流企业在控制成本的方面提出了越来越高的要求。在物流公司的运营成本中，集装箱装载成本已成为最重要的一项内容。因此，在最大程度上的提高集装箱装载水平，降低集装箱装载成本，已成为当务之急。
在问题求解的早期阶段，大多采用单独设计一组启发式规则来满足某一种通用的装箱问题求解方案。George在AHeuristicforPackingBoxesintoaVontainer一文中提出将箱体分层的策略之后，很多研究人员均采用了这一原则。启发式策略在解决装箱问题时的确具有其独到之处，但在规模化程度上升时，重复的使用启发式算法不能在有限的时间内得出比较理想的结果。之后，更多的人逐渐意识到具有全局搜索能力的遗传算法（GA）去解决装箱问题具有独特的优势，随后关于GA解决装箱问题的算法逐渐涌现。与单一的启发式算法比较，通过引入遗传算法，无论在设计的可扩展性，规范性还是在求解问题效率方面都得到了很大的改善。最后，一种新的协同进化计算方法也被应用到装箱问题的过程中，相信随着各类算法的进一步的深入研究，可以得到更好的装箱的解决方法。
2三种代表性算法在三维装箱问题中的研究
2.1启发式算法解决方案
首先介绍一下国外的具有代表性的启发式算法，George和Robinson算法的主要思想是通过建立容器宽度层，结合空间平整规划，使得剩余空间外表面平整，来提高容器的利用率。Bischoff和Dowsland方法同George和Robinson方法相类似，也是基于通过建立容器宽度层进行填充的。Bischoff和Dowsland方法和George和Robinson方法相比较还有着明显的不同：第一，箱体内各个层的物品种类单一；第二，单体层内的布局采用二维布局过程，将单个容器的宽*高面积的利用率最大化。这两种方法共同点是：在物品的种类单一，数量很大的情况下，可以得到较好的解。
DavidPisinger提出了基于墙壁支撑理论的容器启发式装载方法，该方法是把空间先分层然后划条的方式来分割。采用分枝定界法来规划层和条的划分，该方法针对Hetrogeneous类和Homogeneous类的具体问题进行了测试，结果表明较大规模的问题所获得的较优解的质量更好。
MichaelEley提出了建立同一个方向上的同质块算法，首先，将物品在相同的方向上进行排放，然后将堆放好的物品继续放入集装箱。这种装箱方式使装入容器中的物品装卸方便，摆放稳定。
国内具有代表性的是陈治亚提出的启发式算法：在模拟实际装箱的过程中，总是尽量使得每一层装箱效果比较“平直”，从而设计了一种智能启发式算法，用来克服一般启发式算法对于经验的依赖，该算法的主要思想是对人工智能思路的模拟，在装箱的过程中人们总是在经验的指导下挑选与已经装入的箱体尺寸相差较小的一只箱子装入，在这种方式的指导下可以确保每一层装的相对平直，例如，我们可以在一个坐标方向进行选择，然后通过目测所选尺寸与已装入尺寸相差不大的物品来装入，假如某个方向上有缺口，那么通常的做法采用寻找一件物品来把缺口填平，直到没有合适的物品为止，然后在该方向上继续装入新物品。
另一种比较有代表性的启发式算法是由国内张德富教授提出的组合启发式算法：在日常的生活中，采用拟人的思想来解决实际问题通常是很有效的。在砌墙的过程中，人们一般会先放置一块参考砖，并且将参考砖的高度作为基准，设定每块物体的高度均不能超过参考高度，当物体不再能放入箱体时则提高参考高度，受此类思想的启发，我们在解决三维装箱问题的过程中，在垂直和水平方向上均引入参考高度来指导装填的过程，采用了记录可放置特殊点的方式来查找装填位置，此方法的不同之处在于不需要装填结构作为特定的条件，从而使装填过程比较灵活，并且通过垂直水平参考线和水平参考线来指导装填的全过程，最终与模拟退火算法相结合来改变箱子的装填方向与装填顺序。结果表明，此方法可以获得较高的填装效率。但是在箱子种类较少的情况下，解空间比较有限，改进效果不明显；而在箱子种类较多的情况下，算法的运行时间较长。
2.2遗传式算法解决方案
遗传算法（GA）本身作为一种随机搜索的算法，具有非常强的全局搜索能力，特别针对求解问题的近似最优过程，用遗传算法来解决装箱问题具有可行性。但遗传算法本身存在着许多的不足，尤其在针对解群分布不均匀的时候容易出现未成熟的收敛，陷入局部最优。目前针对基本遗传算法仍有很多需要改进的工作，为避免未成熟的收敛，以及提高群体多样性是改进的主要方面之一。
国外首先提出遗传算法应用于三维装箱领域的是GehringH。在解决三维装箱的问题上采用建立多维模型的遗传算法，并且在当时具有很大程度的创新性。之后，相关的国内文献中，大多数均会涉及到该算法的核心思想。
国内在求解基于遗传算法的三维装箱问题方案中，具有代表性的是曹先彬，他提出了采用免疫遗传算法对装箱问题来进行求解，下面具体介绍一下他提出的相关算法：
已有待装箱的一个组合R={R1，R2，R3……，RN}，Ri代表第i个箱体，其中ai，bi，ci表示箱体的长，宽，高。F=L*W代表将要填充的箱子。对R求出相应的子集，将其中的各个元素互不重叠的对方在F中，最终可达到较高的空间利用率。
具体的装箱步骤如下：
Step1：针对当前装箱的墙面，对R求出相应的子集R’，并且R’中的元素的总长度尽量小于F的总长度L，且具体的高与宽应当尽量接近。
Step2：将R’的宽按照具体的宽度来进行排列。
Step3：将排好的元素逐个放入装箱页面中，其中R’宽度较大的对应当前较窄的一段，依据当前装箱的凹凸度来具体判断箱体是否下移。
Step4：在R=R-R’时，假如R已经为空，算法结束，否则进行下一步。
Step5：假如已装入元素的顶点坐标已经在方向上大于W，则超出宽度剩余的元素一同放回至R中，若当前装箱完全处理结束时，进行下一步，否则转到第二步继续执行。
Step6：若R不为空，同时F还有剩余空间时，转到第二步对上一层进行装箱，否则结束算法。
此外，江那提出的关于遗传模拟退火算法的港口装箱研究，同样代表了一种新的解决方案。将模拟退火算法与遗传算法相结合，生成一种创新的优化算法。虽然遗传算法具有很多优点，比如：应用范围广，鲁棒性强，使用简单等。但其本身也有许多的不足，尤其在过早的收敛上，容易陷入到局部最优解中，所以将模拟退火算法引入至遗传算法中，过程如下：
（1）针对控制参数进行初始化：α为温度冷却参数；T。为退火初始温度；Pm为变异概率；N为群体规模；
（2）初始化随即种群；
（3）具体产生种群的操作如下所示：
·在种群中对每个个体的适应度进行评价，将空间利用率作为适应度的函数。
·通过选择算法来选择个体。
选择的具体思想是：生成随即数γ∈[0，1]，同时计算相对适应值pi=fi/∑fi，假如，p0+p1+…+pi-1
·对复制的个体进行交叉操作，分别选择两个个体xi和xj进行交叉操作，相应计算个体的适应函数值f（x'i）和f（x'j）；生成具体在[0，1]之间的随机数，记为random，以min{1，exp（-Δf/Tk）}>random[0，1]概率得出的新解，作为新个体。
·对交叉后的个体进行变异操作，按第三步中的方法决定是否接收变异后的解；
（4）若在收敛条件得到满足时，结束进化过程；否则Tk+1=α，转（3）。
首先模拟退火算法利用选择法淘汰了较低适应度的个体，而遗传算法的核心是交叉操作，从而实现了进一步的寻优过程。在这一思想的指导下，模拟退火算法在选择后代的过程中均采用交叉操作，将编译与交叉后的父代与子代充分竞争，不但对保留优良个体有利，同时预防了过早收敛等问题。随着进化过程，逐渐温度下降，接受劣质解的概率同时也逐渐下降，充分利用了模拟退火算法的特性，提高了收敛的速度。
2.3一种新的协同进化计算方法
由国内张新征提出了一种创新型协同进化算法Coop&compEA与某种启发式规则相结合来解决典型的NP-complete问题。在用该策略求解的过程中，通过利用Coop&compEA算法将个体层的合作进化过程添加到种群竞争的行列中。在该过程中，即对合作进化的求解质量进行了优化，又为竞争的收敛效果增加了融合度；此外，装箱过程的启发式规则得到了完善，实验结果表明，这种求解方式，无论在进化速度还是在求解效果上都优于传统CCGA方法和GA方法。
下面对Coop&compEA协同进化算法做进一步具体介绍：
Step1：该问题由n个小问题组成。算法随即的初始化个体，子群和种群。其中种群中子群的向量Si=（Si1，Si2，Si3…，Sin），种群向量S=（S1，S2），种群i的第j个子群个数即为子群大小为|Sij|。
Step2：种群内的子群采用合作方式，在种群S1，S2的子群向量采用目标函数合作计算的方式得出个体适应度。依据适应度值来组成全局最优解。若在当前的过程中得出满意结果或者超出进化代数的限制而结束。
Step3：将种群的向量S中的每个个体组成全局解，进行采样并放入向量集T=（T1，T2）中。
Step4：对测试集向量T=（T1，T2）采用种群竞争的方式进行计算。
Step5：将反馈因子以竞争结果的方式来奖励给个体，并对适应值进行修改。
Step6：将最佳个体逐个保存，并对种群中的子群向量Si=（Si1，Si2，Si3…，Sin）依据适应度数值来采用GA操作，并转至Step2。
3对比分析
在比较中，本文中包含了Bischoff在文献[2]中所提及的启发式算法H_BR，Gehring[9]提出的GA_GB算法以及Bortfeldt所采用的禁忌搜索算法TS_BG，Bortfeldt等提出的混合遗传算法HGA_BG以及并行遗传算法，Bortfeldt等提出的并行禁忌搜索算法PTSA，Kim提出的MFB算法，Biles等提出的GRASP算法，Bischoff提出的新启发算法H_B以及Bortfeldt等提出的启发式算法SPPBBL-CC4，张德富等提出的组合启发式算法CH，模拟退火算法HSA以及黄文琪等提出的A2算法。
表1和表2都是在满足C1的条件下进行装箱的，此外HAS，TS_BG，GA_GB，H_BR算法的装箱结果均满足C2的约束，并属于完全支撑的类型。在问题需要满足越来越多约束的条件下，求解的过程也相对较为困难。
此外，表2的最后两行中都是在不采用其他算法的辅助下，表示混合模拟退火算法基础启发中的填充率和组合启发式算法你人启发中的填充率，他们均在默认输入下计算。拟人启发式序列以体积从大到小排序，而基础启发式则更多考虑约束条件C1和C2得到满足。在这种情况下，由表2可知，基础启发式的计算结果实际过程中均超出拟人启发式策略，填充率的平均值高出约1.5%。在组合启发式策略下的平均填充率高出约2.0%。结果充分证明了初始启发式算法，具有很大的优势。由上可见，启发式算法的优劣对提升领域搜索算法在复杂三维装箱问题上有着举足轻重的作用。
4结论
本文主要介绍了关于启发式算法，遗传算法以及其他混合算法来解决复杂三维装箱中装箱效率的问题，随后对这些算法的优劣程度进一步进行了归纳，并通过1000个测试的计算结果来分析实际装箱过程中装箱算法的效率问题。由以上分析得出，在领域搜索技术紧密结合的启发式算法是求解复杂三维装箱问题的一种有效解决方案。
参考文献
[1]陈德良，陈治亚.三维装箱问题的智能启发式算法[J].中南林业科技大学学报Vol.29No.3.
[2]阎威武，邵惠鹤，田雅杰.集装箱装载的一种启发式算法[J].信息与控制，2002，31（4）：353-356.
[3]张德富，魏丽军，陈青山，陈火旺.三维装箱问题的组合启发式算法[J].软件学报，2007，9.
[4]周明，孙树栋.遗传算法原理及应用.北京：国防工业出版社，2000.
[5]江娜，丁香乾，刘同义等.集装箱装载问题的模拟退火遗传算法[J].电子技术应用，2005，10.
[关键词]虚拟实验；计算机；创新教育
[中图分类号]F224-39[文献标识码]A[文章编号]1672-5158（2013）06-0071-01
一、技术应用
系统为CS客户端-服务器结构。该结构通过将任务合理分配到Client端和Server端，降低了系统的通讯开销，可以充分利用两端硬件环境的优势。核心代码均使用C#语言编写。系统的开发环境为VisualStudio2005集成开发环境，用户可以在该环境中使用C++、.NET、VB、C#等编程语言进行算法和系统的实现。系统的后台数据库采用的是SQL2005，它为数据管理与分析带来了灵活性，允许单位在快速变化的环境中从容响应。
二、虚拟实验平台的实现
所有的虚拟设备和虚拟实验项目都建立在一个统一的平台之上。该平台式必须是一个虚拟实验的集成环境，通过该平台，用户可以对多种操作进行结合，完成各种复杂的工作任务。
最上边的是菜单栏，通过菜单栏，用户可以选择文件操作，编辑方式，上传下载等功能；菜单栏主要用来对平台进行管理，方便用户的个性化使用。左边的是虚拟设备栏。该栏目根据虚拟设备的不同，将设备分放在不同的设备类别中，当用户选择某个类别时，可以展开所有的虚拟设备，通过鼠标操作可以方便的选择和拖动虚拟设备。中间的核心区域是编辑区域，所有的虚拟实验的操作都在该区域中实现，包括设备的拖动、连接和电路联通等。右边的栏目是辅助菜单栏。通过它，用户可以了解自己的操作流程历史记录，通过点击可以返回到记录中的任何步骤。用户还可以从该栏目中找到联机帮助，通过帮助，学生可以解决系统中已经记录的相关问题。最下面的栏目是状态信息栏，它主要提供一些额外辅助信息，如登录时间，当前的系统版本号，显示方式，登录方式等。
三、虚拟实验的虚拟设备实现
虚拟设备是计算机虚拟实验系统中的最基本元素，通过对它们的操作可以完成复杂的虚拟计算机实验项目。虚拟实验系统中的虚拟设备，每个设备都具有众多的属性，这些属性对虚拟设备的基本型号以及可执行的操作给出了详细的说明，有重要意义，需要对它们统一管理。采用面向对象的基本思想，本虚拟实验系统统采用JavaBean组件技术开发虚拟设备，从而增加虚拟设别模型的可重用性。
在系统中，所有虚拟设备的公共属性都定义在父类Component中。当构建一个新的元件时，需要从父类Component中继承。因此，当开发或者设计具体设备时，只需要关注组件的特有属性和功能方法，大大提高了组件的开发效率。当需要设定一个新的设备时，需要对该设备的各种属性进行描述。为了方便表达和管理，对于每一个设备，使用XML文档对其相应属性进行存储。XML是一种标记语言，具有可扩展性、结构化的特点。以CPU为例，为其建立的虚拟设备的XML属性描述文件。描述了系统中的某CPU虚拟设备。标签指定了该设备的型号编号和所属组群编号。标签对该设备的各种属性进行了说明，包括该设备的名称，主频，内核等属性。当用户使用某个特定虚拟设备时，系统从XML文件中读取各种属性和方法。使用Java语言读取XML文件有多种方法，本文使用DOM4J作为工具，从XML文件中获取数据。
四、虚拟实验的设备的多线程运行实现
在一个规模较大的虚拟实验系统中，用户需要使用多个虚拟元件才能完成一个实验项目。这些虚拟元件有各自的独立性又保持着相互联系。在一个完整的实验项目中，为了不影响各元件的独立运行，需要对每个元件分配独立的线程。线程的建立可以通过Java中的Thread类进行实现。
如果该设备需要和其他设备进行通信，则需要为该设备设置监听端口。当学生将所有设备连接到一起时，可以开启实验，这时，各个线程将逐一启动。num为系统中需要启动的所有线程的数量的和，通过代码的循环结构，使得每一个线程都被初始化，这里的线程对象VThread继承了Thread线程类，当线程初始化结束后，可以通过run（）方法来对某个线程所要执行的功能进行调用。以时钟信号发生器为例，它是一个特定的虚拟设备元件，它继承自Component父类，和线程父类。当一个类继承了Thread类后，可以在线程中添加特定的执行代码。
五、虚拟实验交互功能实现
在本虚拟实验系统中，交互功能分为两个方面，一是用户和虚拟设备之间的交互。二是虚拟设备之间的交互。这两方面从不同的角度实现了系统的可操作性。
首先是用户和虚拟设备之间的交互。这样的交互过程是用户和计算机软件进行沟通的过程，通过鼠标动作，虚拟实验系统能够识别用户的操作意图，并且根据用户的具体操作，对给定命令做出反应。用户定义的操作有鼠标左键点击、拖拽、鼠标右键点击、鼠标双击等。这几种鼠标操作可以实现全部的对可视化界面中的虚拟设备的管理。为了实现这一个过程，可以设置监听器，对鼠标动作进行监听，当监听器注意到新的鼠标动作时，则通知系统做出合理的反应。对于鼠标时间，首先启动一个监听线程，该线程负责监听鼠标在什么时间发生了什么样的状态改变。当状态改变时，系统会逐一对可能的状态进行判断，当状态为左键单击时，启动选择虚拟设备函数；当状态为右键单击时，启动显示设备信息函数；当状态为鼠标拖拽时，启动移动虚拟设备函数；当状态为鼠标双击时，启动打开虚拟设备属性面板函数。另一种重要的交互式虚拟设备之间的交互，即一个虚拟设备发生改变时，其他的虚拟设备也要发生相应的变化。这种虚拟设备间的触发机制可以被理解为设备之间的交互。
在系统使用中，定义了三类角色，学生用户、教师用户和管理员用户。每类用户均实现了自己的功能。对于学生用户，他们可以完成实验选择、实验操作、实验结果上传和疑难问题提问等功能；对于教师用户，他们可以完成问题解答、班级管理和实验结果评阅等功能；管理员是系统的最高权限拥有者，他们可以对系统的整个运行进行管理，包括学生管理、教师管理和实验模型管理。
六、结论及展望
由于计算机实验设备昂贵、占地较大等因素，相对于传统的实验模式而言，虚拟实验方式有其独特的优势，这些优势包括：虚拟实验只需要创建在普通微机上即可，缩小的占地面积，即使是极其复杂的、需要大量实验设备的实验也可以再微机上通过虚拟系统完成；由于虚拟系统采用了虚拟的方式，不用担心硬件因为误操作而引起的损坏问题，同时这种自由的操作方式大大地提高的学生学习热情和创新能力，更加利于教学活动的开展。今后还需要在以下方面做出努力，以提高系统的性能和发展空间：
（1）系统对3D模型的应用较少，为了达到更好的教学效果和操作便捷性，将考虑使用3D模型对系统的虚拟设备进行构建。
（2）进一步加强系统的可视化操作能力。
参考文献
[1]J.deLaP&，M，Alfonseca，VisualInteractiveSimulationforDistanceEducation，SIMULATION，2003，79（1），19-34
中图分类号：TP308文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)03-0687-02
1机房系统集成与维护中的问题
随着信息技术飞跃式的发展，计算机技术已经融入到社会各行各业，高职院校开设的各类课程中的教学、实验和实训已经离不开计算机这一教学辅助设备，因此，计算机实验室建设投入随之增加，计算机数量骤然上升，成百上千台的计算机系统的集成、维护与管理对机房管理者来说是个不小的挑战。
高职院校为降低计算机设备购置成本，在采购过程中减少或者去除计算机硬件配置，例如光驱、软驱等配件，但机房系统集成时的网络拷贝启动引导，系统、应用类软件文件的读取与安装仍需依靠此类硬件辅助，如果计算机数量少，可通过使用外部辅助硬件，如外置USB软驱、USB光驱启动计算机，然而，计算机相关专业数量增加，专业所需应用类软件更新速度的加快，为保证教学顺利开展，机房教学系统与教学软件也需快速升级，在缺少辅助硬件的情况下，继续采用外置辅助设备启动、安装几十台甚至几百台计算机，效率将会大大降低，维护成本也会增加。机房教学系统的更新与大批量系统集成、维护的低效矛盾越来越突出。为能有效解决系统集成与维护问题，在现有硬件条件不足的情况下，引入硬件虚拟，为每台计算机装配虚拟设备，搭建系统集成与维护的基础平台，使机房计算机系统能快速得更新，提高系统的日常维护效率，以达到节省财力、物力、人力的目的。
2系统集成准备
众所周知，计算机裸机安装系统需光驱、软驱等设备作为引导，当然，在没有此类设备的情况下也可以通过其他方法引导，U盘是目前最常见的移动存储设备，具有小巧方便，性能稳定的特点，相比光驱、软驱来说具有性价比高，便于携带等优点，随着U盘量产技术的出现，U盘的使用价值获得了更高的提升。U盘量产技术是通过检测U盘芯片，并运用此类芯片特定量产工具对U盘进行逻辑上的处理与设置，扩展了U盘的应用。量产技术可以修改U盘分区，修复U盘，加密U盘，制作不同模式的启动盘，例如硬盘HDD、软驱FDD和光驱CDROM，这里主要将U盘量产为USB-CDROM（光盘仿真模式），具体方法为：
首先通过Chipgenius（芯片精灵）检测U盘VID&PID号判断出主控芯片型号，然后找出对应厂家出品的量产工具，其次通过Ul?traISO制作一张带有DOS版网卡驱动和GHOST等系统维护工具的启动光盘，再通过UltraISO生成光盘ISO镜像文件，接着先将U盘插在计算机USB端口，打开对应的量产工具，设置U盘量产模式为USB-CDROM，并加载之前生成的光盘ISO镜像，点击确定，等待一段时间即可完成U量产，在WINDOWS系统中只会将此U盘识别为带有文件内容的光驱，在计算机主板BIOS下设置USB-CDROM启动，U盘将被识别为USB光驱，引导启动并可安装系统。Usbboot也是一款不错的U盘制作工具，相比U量产来说“自定义”内容不是很方便。
笔者管理的计算机都是采用的较早版本的硬盘保护卡WINDOG，此类保护卡有单机版和网络版之分，单机版只能本机日常系统维护工作，网络版在单机版的基础上增加了网络传输功能，可以实现多点广播传输系统，缺点是先要通过软盘加载网卡驱动才能启动网络传输，不方便系统集成与维护，但是通过安装虚拟软驱可以解决这一问题，笔者采用的是vfloppy，这款工具可以将网卡启动软盘集成进入系统中，不会破坏引导区和系统，很安全，它可将软盘中驱动文件做成后缀名为IMG镜像文件，再将镜像文件集成进系统，安装方法为：
1)在装有软驱设备的计算机上将带有网络驱动的软盘插入软驱，接着打开vfloppy，如图1，点击“由软驱直接生产软盘映像文件”如图2，选择保存路径，点击制作。
2)回到如图1界面，将制作好的镜像路径输入映像文件栏，也可以通过浏览选中镜像文件，显示文本可以根据自己需要填入，文件位置中的路径默认，点击应用即可。
这就将软驱及软盘中驱动整个虚拟进入了系统，计算机重启后会出现多重启动菜单，选定自己定义名称的菜单启动虚拟软驱，虚拟软驱就如同硬件版软驱一样工作，硬盘保护卡的网络传输功能也可以开启，方便了系统的集成与维护。
单机版硬盘保护卡只能本机自身维护，机房计算机数量庞大，管理人员逐台计算机进行维护极大降低系统集成和维护的效率，只有通过网络多点广播才能提高机房维护效率，三茗网络对拷和GHOST是目前用的比较多的网络传输工具，但前者应用有一定局限，网络传输耗时长，Symantec的NortonGhost克隆软件是目前比较流行的软件，具有分区或硬盘快速备份与恢复功能，支持多种分区格式，其中基于TCP/IP协议的多点传播技术是当前比较领先的技术，只需在DOS状态下加载网卡驱动，启动网络，GHOST就可以自动启用网络传输模式，应用性强。NortonGhost克隆工具软件可以很好的弥补单机版硬盘保护卡的不足。
单机版与网络版硬盘保护卡所使用到的虚拟软驱制作有少许不同，在网络版制作的基础上，向软盘中加入GHOST执行程序，以便在网卡芯片启动后可以直接运行GHOST。
3机房系统集成与维护平台的搭建
高职院校办学特点决定了高职计算机房始终有着较高的使用率，学生层次参差不齐，计算机操作不当引发系统不稳定甚至崩溃的发生率也相应增加，加上硬盘保护卡一旦损坏，或者金手指氧化接触不良失效，造成系统感染病毒，死机和数据丢失等现象时常发生，随着各类专业软件技术的不断发展，高职专业所需的软件需要不断更新、升级，因而计算机房系统的集成与维护的工作量有增无减。
计算机硬件条件不足，机房使用率、系统更新率高的情况下如何有效而快速地对计算机系统进行集成与维护是每个机房管理人员迫切需要解决的问题，笔者从事机房管理多年，认为只有建立一个多样化、网络化的计算机系统集成与维护平台，才能有效的管理与维护好机房。对于一个新建的机房，最初是需要对每台计算机进行平台搭建，之后的系统的再集成与维护将会一劳永逸。
在系统集成准备中论及硬盘保护卡分为单机版与网络版，由于网络版只需启动网卡即可做好系统集成与维护工作，而单机版需引入GHOST多播技术，实现的功能相同，但单机版更具实用性，利用单机版硬盘保护卡裸机的平台搭建方案如下：3.1系统生成
1)将全部计算机裸机装上硬盘保护卡，分区、设置成开放模式，主板设置成USB-CDROM启动。2)选一台计算机作为原型机，利用量产好的系统U盘启动引导计算机并安装操作系统、必要的专业软件和保护卡驱动，接着安装vfloppy，添加应带有GHOST程序的网络启动镜像。3)准备一台服务器，其操作系统为windowsserver版本，并配置好DHCP地址池，地址池IP数量应大于机房内计算机数量，并与服务器IP地址在同一网段内，在服务器上安装Ghost控制台，打开GhsotCast，定义任务名称，选择备份文件保存路径，点击接收，等待原型机连接。4)重启原型机，在多重启动菜单上选虚拟软驱生成的菜单项，启动网卡，执行GHOST程序，此时Multi?casting项不再为灰色，进入后输入任务名称确认由服务器分配IP地址与之连接，接下来GHOST操作与单机备份相同，区别在于不用设置备份路径，远程系统备份启动，原型机系统被备份至服务器。
3.2系统
1)在服务器上启动DHCP服务，并配置好地址池，打开GhsotCast服务器，定义任务名称，选择恢复，加载由原型机备份出的系统镜像，点击发送，等待其余裸机连接。2)逐台用量产好的U盘启动计算机网卡，运行GHOST，进入Multicasting项，输入任务名称，等待服务器分配IP，选择系统恢复所需分区。3)所有设置并连接到服务器的裸机IP地址都会显示在GhsotCast服务器端，点击发送即可。4)每台裸机接收完数据后，重启进入系统，修改IP地址和机器名，重启计算机，将硬盘保护卡设置成保护模式。
计算机装载完系统后，一旦在使用过程中出现系统崩溃等情况，可启动虚拟软驱激活网卡，通过网络传输进行系统恢复，无需再使用外置设备启动。
通过引入硬件虚拟技术，大大提高了系统集成与维护效率。
4结束语
计算机技术的日新月异，硬件与软件技术的交替提升，对计算机房的集成与维护，对从事计算机机房管理的人员将不断提出新要求，只有不断学习，充分发挥主观能动性，灵活运用好相关技术，才能保障机房有效运行，更好的服务于大众。
参考文献：
[1]杨光.计算机机房管理Ghost网络应用实践[J].长春大学学报,2007,17(3).
[2]欧高林.封装技术在高校计算机管理中的应用[J].江苏经贸职业技术学院学报,2007(4).
关键词：全阀数值模拟动力学动网格泄放机理
前言
全阀是工业生产系统内安全方面的重要元件，主要作用就是保证生产系统能够在合理的压力条件之下运行，保证生产系统的安全性能。但是全阀在实际运行过程中还是会出现不同故障。科研人员在对于全阀分析研究过程中，主要集中在三个方面，分别是实验测试、数值模拟与全阀。现阶段对于全阀研究工作已经取得了十分显著的工作成果。
1、计算模型
本文在对于全阀超压泄放瞬态动力学数值模型研究过程中，利用的是ANSYSCFX软件，该软件与科研人员在研究过程中所应用的软件相比较，无法自动再生网格，但是能够对于已经形成的网格进行转移，进而保证网格能够按照用户自身需求到达针对性位置，保证对于该区域内计算工作完毕。在对于全阀开启过程中的动力学分析研究过程中，主要通过动网格技术进行研究分析，利用数值模拟的方法对于全阀在启动过程中有关参数的改变进行分析研究。为了能够保证计算模型更加便捷，首先就需要对于计算模型内有关参数进行确定，例如时间步长就为tstep，全阀启动元件质量就为mdisc。
通过利用动网格技术和全阀启动软件位置改变情况，就能够有效对于全阀软件在开启过程中瞬时变化情况进行分析研究，对于全阀启动的时候流域瞬态变化问题进行计算。
2、数值模拟过程
2.1网格划分
在建模过程中需要利用到CFX内的流体薄片技术，也就是按照一定厚度从某个方向进行拉伸，进而得到厚度为一个固定单元的薄片，将所得到的薄片放入到针对的平面之中，保证与该平面相垂直的部分数值为零，构建计算区域。其次就是将计算区域引入到ICEMCFD内，应用四面体对于所生成网格的尺寸进行控制，同时对于全阀启动周围及入口位置上面的网格进行重新加密处理。在对于网格计算完毕之后，需要对于网格质量进行检查，同时对于网格平滑度进行整体分析。
2.2物理参数设置及边界条件
本文在对于全阀超压泄放瞬态动力学数值模拟分析研究过程中所应用到动力网技术内，对于边界设置上面已经提供了针对性条件，其中还包含特殊情况下的边界条件。全阀超压泄放瞬态动力学数值模拟瞬态流场内，并不涉及到无效边界组合，同时也并不涉及到特殊性边界，例如对于初始条件相对于敏感的边界，在对于边界条件设置过程中，需要受到精确性与收敛性的影响。在对于全阀超压泄放瞬态动力学数值模拟初步性分析研究过程中，将全阀运行条件设置为常规性条件，也就是温度为25℃，对于高速气体动力学所造成的影响暂时忽视，高速气体动力学所造成的影响主要表现在两个方面上，分别是密度与比热容，同时也忽视重力的影响。通过利用稳健边界条件，在对于入口边界条件设置过程中，压力为5%，出口应用的是开放式的出口，也就是气体能够自动流入或者是流出，整个计算区域具有开放性特征，整个计算区域内具有显著零梯度涡流特点。
整个计算区域内的壁面边界主要有两种模式构成，这样也就造成在计算区域内的入口通道内基本上都是保持相对静止状态，并不会产生任何滑移，因此壁面应用无滑移绝热壁面。但是全阀软件在开启过程中，会产生移动，通过移动速度与动网格内所应用到的编辑语言之间有着十分紧密的关联，所以就需要应用到滑移绝热壁面。
在涡流模型内，所应用到的模型框架为SST，这种模型框架具有近壁运算与远场计算的优势，能够对于跨声速带激波的边界流动情况内应用。模型所得到的计算结果具有一定收敛性，在对其分析研究过程中主要应用残差曲线，最大误差不会超过0.001.
3、模拟结果与分析
在全阀超压泄放瞬态动力学数值模拟内应用动网格技术，能够有效保证数值模拟计算结果与实际情况之间更加贴近，这样进行稳态模拟次数就能够有效减少，防止在多次计算过程中出现惯性失真的情况。同时由于全阀在刚开始启动的时候参数变化十分激烈，为了能够对于在该段时间内的参数进行重点了解，创建瞬态模拟就十分重要。
3.1压力场云图
如图一所示，为全阀在瞬态启动过程中在每一个时间段内的压力云图。由图一能够发现，其中第一个图表示全阀在没有启动之前，全阀管道内外之间所产生的压力效果，但是由于全阀管道属于密封性管道，图内的管道内部是在进行预泄之前所出现的情况，在这种情况下由于流体运动，造成入口处内的压力显著提升。
全阀启动软件与介质压力在感受到弹簧力处于失衡状态下之后，全阀启动软件就是立即与密封面相脱离，进而保证全阀能够启动，这样全阀内场就会出现气流紊乱情况，流场内的压力发生显著改变，具体情况如图一内的第二个图。在经过一段短暂的时间之后，全阀就能够进入到稳定泄压状态下，全阀内壁上面的局部压力将能够超过1mpa，但是全阀阀口的位置还会出现较为明显的负压力情况。
3.2速度场矢量图
如图二所示，图二内全阀在瞬态启动过程中，每一个时间段内的速度矢量。
全阀在刚开始启动的时候，速度基本为零，流入在逐渐进入到阀道之后，全阀启动软件密封区域内就会出现细小的泄露情况，进行预泄露，在这个时候全阀瞬态速度就会发生一定改变。全阀在流体在进入到瞬态状态下的时候，全阀内的某一个开高位置上面就会出现超压泄放的情况，在这个阶段内全阀泄压处于高度饱和状态下。当全阀泄压在进入到最高的时候，流体泄放逐渐趋于平稳状态。从图二内能够发现，全阀在Q点的之后，周围速度变化具有不连贯特点，速度变化十分明显，这样就能够充分表明全阀在进入到稳定排放过程中所具有的特点，也就是流体开发在趋于稳定之后，流体参数基本上不会发生显著改变。
结论：本文在对于全阀超压泄放瞬态力学数值模拟分析研究过程中，通过利用动力学方程式，利用动力学参数与动网格技术，对于数值模拟编程语言进行确定，选择适合本文研究所应用的涡流模型，完成了对于全阀超压泄放瞬态动力学数值模拟任务。在研究之后发现，在全阀超压泄放瞬态动力学内，是以密封性管道作为外部接线，进而构成了内流场与外流场，在内流场内流体主要以收缩流动为主要特点，在外流场内主要以扩张为主要特点，两个流畅之间参数的流场正好与压缩流体流动特点相吻合。本文在研究上面还存在一定不足，希望有关研究人员不断进行深入性研究与分析。
参考文献
[1]陈殿京，刘殿坤，董海波，等.安全阀流场数值模拟研究[J].流体机械，2014，36（10）：24-28.
关键词：农网网架结构优化
1农网高压配电网结构特点
相对于城区电网来说，农网的拓扑结构要简单、清晰，但由于负荷对电能可靠性要求等其他原因，一般都会有小型发电厂，且通常均为小容量机组，即系统除了通过若干220kV、110kV变电所接受区域大电网电力以外，往往包括多个110kV及以下并网发电的若干电源点，从而使得电网不是单纯的放射型单方向模型，需要通过建立数学模型来确立电源点的建设和系统接线方式。
2农网网架结构优化方法的选择
2.1网架结构优化的一般方法
负荷预测是电力系统规划工作的基础，在负荷预测的基础上一般应结合区域规划进行负荷分布分析，进而确定负荷平衡结果，即确定变电所的分布和容量规划，在负荷预测和变电所布点确定的基础上进行网络优化规划。一般来说，网络规划的目标是满足系统有功负荷的最优网架设计，有静态规划和动态规划之分。静态规划考虑的是针对某一负荷水平进行网架规划，一般从基准年开始按年度进行，需考虑现有的网架，同时后一年的网架结构规划需将前一年的网架设定为已有网架，因此，每规划目标年的网架规划既要瞻前也要顾后，做到从时间序列上的前后协调相互呼应，从而节约建设投资。但规划设计方案的评价指标一般考虑整个规划期的总的性能指标最优来评价方案，而且往往加入投资分析，甚至列入资金的时间价值，因而称为动态规划。网架规划优化方法常用的有两类，即启发式方法和数学优化方法。数学最优方法是通过将电网规划问题用数学化模型进行描述，然后采用一定的算法求解，从而获得满足系统要求的最优规划方案。该类方法从理论上将可以保障方案的最优性，但一般要求得最优解需要很大的计算量。启发式方法则是通过定义方案运行性能以及投资需求等综合指标，根据一定规则对线路进行逐步迭代选择直至得到满意的最优解。该类方法难以保证方法的最优性，但计算量较数学优化方法要小，计算较为方便且便于与规划设计人员的检验相结合，因而是一种更为经济而实用的方法。
2.1.1启发式网架优化方法
根据所确定的衡量安全性指标的不同，启发式方法分为基于支路性能的启发式方法和基于系统性能指标的启发式方法。基于支路性能指标的启发式分析方法中，线路的选择是根据系统运行时线路功率传输情况来实现的，常选用的有线路是否能满足负荷要求或者线路过负荷程度等指标；而基于系统性能指标的启发式方法中，线路的选择是根据线路对系统运行时整个系统的一个特定运行性能指标的影响程度来实现的，常选用的指标有系统缺负荷大小指标等对线路的逐步选择。
基于线路指标的启发式网架规划方法分为逐步倒退法和逐步扩展法两种。逐步倒退法是根据目标年数据构成一个虚拟网络，该网络除了已有线路以外，包括所有待选的线路，这样，构成的就是一个冗余度很高但不经济的网络，然后采用潮流模型对该网络进行分析，比较各待选线路在系统中的作用和有效性，逐步去掉有效性低的线路，直到网络没有冗余线路为止。而采用逐步扩展法是根据各待选线路对过负荷线路的过负荷量的消除的有效度，选择适当的线路到现状网络上，直至网络无过负荷为止。为计算各待选线路的有效度，需要进行变结构时的潮流计算。
基于支路性能指标的启发式方法有计算简单灵活等优点，但由于通常是独立地考虑各待选线路的作用，无法直接体现系统充裕的大小等性能指标，而基于系统性能指标的启发式方法则能体现系统性能指标，从而可以从整体上识别薄弱环节并充分考虑各待选线路对系统的整体影响来选择最佳扩建线路。
2.1.2网架结构的数学优化方法
网络优化的数学化方法可以分为确定性和不确定性两种优化方法。传统上采用的常常是确定的网络优化方法，即将规划问题表达成确定性的优化问题来进行求解。但随着规划的环境以及相关要求日益复杂，且负荷、设备费用、线路路径等因素均具有不确定性，这些不确定性对电网规划有较为显著的影响，因而在规划中考虑不确定性因素是必要的。按照考虑不确定性因素特征的不同，不确定网络优化有分为随机优化法和模糊优化法。随机优化法常常用于事件是否发生以及发生的时刻存在不确定性的情形，而模糊优化法则常常用来处理有关事情表达不清晰的这种不确定性的情况。在通常情况下，在满足对保障负荷电能供应的前提下，可能有多种架线方法和导线截面的选择，要对多个方案进行比较选择，则需要选择目标函数，在电网规划设计中常用到的目标函数有网架建设总投资、电能损失、维修运行费用为目标函数。由于电能的特殊性，需要考虑各种约束条件，如电压范围、线路的长期极限传输容量限制等。因此，网架优化过程实际上是目标函数与约束条件、状态参数之间的协调处理过程。
网络规划法是针对网络的拓扑特性所提出来的一种数学规划方法，也是在线形规划中专门处理网络问题的一种特殊算法。数学上把图看作节点和弧的集合，弧是连接在两个节点之间的有向线段。在电力系统中，节点就是接受电力或者发送功率的发电厂、变电所或者负荷点，弧就是线路。这种优化网架方法在电力系统网络优化中常用的数学模型有最少费用法、最短路径法、费用最小最大流法等方法。
2.2农网网架结构优化方法的选择
结合农网高压配电网结构特点，选用支路交换法来进行这种辐射式结构的高压配电网的优化计算较为适用。采用该方法是从一个既定的辐射式电网开始，增加一条闭合联络支路后使辐射型网络变成一个闭合回路，然后将某一条支路断开，恢复网络的辐射型结构，并按照给定的目标函数对新构成的辐射型网络进行计算。重复上述计算过程，直到目标函数值最好为止，对应的网络即为所选用网络接线。采用这种方法简单实用，但只能达到局部最优解，对于农网来说，一般规划年需要新建的高压（110kV及以上）线路是局部的，因而采用支路交换法可以满足其要求。一般地对于既定的系统接线，考虑到节约投资，其改建项目的实施相对于系统网损等指标来说往往是不经济的，且由于受电压、可靠性等电网分析计算的约束性条件的影响。在工程实际中，其高压配电网往往是通过对新增支路，以及由于负荷的增长需要改建的线路的多个建设方案的比较，来确定规划年内网络结构的优化方案。在分析中，我认为需引入动态经济比较的概念，而对于网络优化设计方案来说，结合个人设计方案比较的经验来看，最适用的经济方案比较以年费用比较法较为适合。
3计算框图设计
计算步骤一：目标函数的确定。
当新建或者改建线路对支路潮流仅是局部影响时，只需对所需考察的支路进行网损最小分析。采用最小网损作为目标函数，即函数为：
计算步骤二：先计算电网的潮流分布，再找出与本次计算相关的支路，即列出目标支路集合，交换支路前辐射型网络网损计算。
计算步骤三：第一次支路交换后，重新进行潮流计算后，在潮流计算结果的基础上进行支路交换后的辐射型网络网损计算。
重复以上支路交换计算，直至得出最优结论为止。
4经济比较方法引入网架结构优化
在电力系统规划设计的实际应用中，单纯采用以上支路交换法优化网络接线是不够的，应该结合经济比较，即在对方案进行投资分析计算的基础上进行比较，从而得出经济的方案。常用的方案比较方法有最小费用法、净现值法、内部收益率法、折返年限法，每种方法又可以演化成不同的表达式。最小费用法是电力系统规划中较为普遍的方法，适用于比较效益相同或者效益基本相同，但难以具体估算的方案。最小费用法通常有以下三种不同的方案：费用现值比较法、计算期不同的现值费用比较法和年费用比较法。费用现值比较法是将各个方案基本建设期和生产运行期的全部支出费用均折算到计算期的第一年，现值低的方案是可取方案。对于不同建设期的方案则一般按照方案中计算期最短的进行计算，及计算期不同的现值费用比较法。
年费用比较法是将参加比较的诸方案计算期的全部支出折算成年费用后进行比较，费用低的方案为经济上的优越方案。其表达式为：
在比较方案部分费用相同的情况下，可以采用只考虑有差别的费用的年费用比较法，即只考虑差别部分的费用的比较，这种方法将初始投资差额以及末期残值差额折合为年费用或者年值，再综合运行维护、改造等运行年需要投入的差别费用，比较即可以得出经济最优方案。对于农网电力建设项目，笔者推荐使用这种简化了的年费用比较法。
5总结
结合农网作为辐射型受端电网的特点，用支路交换法来进行这种辐射式结构的高压配电网的优化计算，虽只能达到局部最优解。对于农网来说，一般规划年需要新建的高压线路是局部的，因而采用支路交换法可以满足其要求。在工程实际中，其高压配电网往往是通过对新增支路，以及由于负荷的增长需要改建的线路的多个建设方案的比较，来确定规划年内网络结构的优化方案。在分析中，文中引入了动态经济比较，并提出对于农网采用有差别的年费用比较法最为适用。
参考文献：
[12]张焰.陈章潮.不确定性的电网规划研究.电网技术，1999.3.
[13]李林川.夏道止等.电力系统电压和网损优化计算.电力系统及其自动化，1995.7.
[5]中电联供电分会技术管理专委会.城市配电网优化的指导意见.2003年.
0.引言
编译原理与设计课程是计算机科学与技术专业的核心课程，具有较强的抽象性、理论性和逻辑性，学生学习和理解该课程相对困难。同时，该课程与其他课程，如离散数学、数据结构、算法分析、操作系统、体系结构等课程具有交叉性，因此学生不仅要有扎实的专业基础，还要有很好的创新意识。部分学者在编译原理的教学教改方面已经开展了卓有成效的工作。张晶等人研究了编译原理实践课程“多层次-多目标-多效果”的教学方法；钱忠胜等人提出从典型案例设计、实验实践教学模式、与其他课程知识相融合、与各类应用相结合、复合型考核方式等方面人手展开教学改革研究；徐晶探索了研究型教学在编译原理课程教学实践中的应用，并提出了“验证、应用、创新”三步掌握编译技术的课程设计方案；柴艳妹等人从激发学生兴趣、培养学生专业素质和提高学生动手能力三个方面入手，提出了一系列教学改革的具体步骤和方法；王挺等人提出编译原理课程能够培养学生的计算思维，提升学生的系统能力，使学生在系统的级别上重新认识算法和程序。
笔者面向编译原理与设计课程，以互动式、启发式、案例式教学和实践平台为依托，研究基于创新的“互动式+启发式+案例式”教学方法，基于激励机制的“分层+分系列+分专题”的创新实践活动，构建面向编译原理与设计课程的学生创新性思维阶梯式教学模式，培养从事计算机研究和应用的创新型人才。同时，研究通过此培养模式的实施，培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，从而使学生的研究能力、实践能力与创新能力得到锻炼和提高的方法。
1.学生创新性思维阶梯式培养模式
科学合理地配置学生的知识结构是构建学生培养模式的第一步。学生创新性思维培养模式是一个反复循环、不断提升的动态发展过程。构建面向编译原理与设计课程的学生创新性思维阶梯式培养模式需根据社会发展对人才的客观需求，结合学校的培养目标和培养方案，选择合适的培养途径加以实施，并针对人才培养模式实施后社会对培养结果的评价做适时地调整。
1.1知识结构的构建
面向编译原理与设计课程的学生创新性思维阶梯式培养的课程主要包括3个方面：数理基础（离散数学、数值分析）、算法基础（数据结构、算法分析）和核心课程（操作系统、体系结构、编译原理与设计），如图1所示。
在课程设置及教学内容安排上要坚持以下两点：一是厚基础、强能力、重创新，努力做到把编译原理与设计课程与前沿知识以及多学科间知识交叉与渗透融入到教学内容中来；二是坚持知识、能力、素质的辩证统一，培养学生的创新性思维。阶梯式培养课程的分类见表1。
1.2学生创新性思维的阶梯式培养模式
学生创新性思维培养模式以课程内容学习、分析评价、创新实践方式3种形式进行阶梯式培养，每个阶段进行学生的反馈，发现学生的创新性思维，激励学生进行创新性活动。教学环节采用互动式、启发式、案例式的教学方式，并通过课堂讨论、学生演讲、课外作业、各类实验、学生科技活动、科研课题等丰富的教学活动提高学生的创新能力。学生创新性思维的阶梯式培养模式，如图2所示。
1.3学生创新性思维阶梯式培养层次
面向编译原理与设计课程的学生创新性思维阶梯式培养包括3个层次，自底向上依次是基础形成层、思维构建层和创新体现层，如图3所示。
基础形成层主要进行数理基础课程的学习，培养方式采用课堂讲解、学生讨论课外作业、课程实验、学生科技活动等形式。
思维构建层主要培养学生的计算机思维和编程素质，启发学生的创新性思维。在这一层次中主要进行数据结构、算法分析课程的学习，培养方式采用课堂讲解、学生讨论课外作业、课程实验、学生科技活动、科研课题。
创新体现层重点培养和强化学生的创新性思维，进行编译原理与设计创新思维的培养，其方式更多元化，包括课堂讲解、学生讨论、课外作业、学生演讲、课程实验、学生科技活动、科研课题等。
2.基于创新的“互动式+启发式+案例式”教学方法
2.1多元化教学形式
编译原理与设计课程采用多元化的教学形式：PPT讲解、课堂讨论、学生演讲、学术报告、课程内容的视频分析、学生的科技活动、各类实验、科研课题等，激发学生的学习兴趣，提高学生的知识水平，增强学生的创新思维和能力。多元化的教学形式如图4所示。
多元化教学形式体现在：丰富的课堂教学手段、教学与研究相结合、学生参与教师的课题研究并参加课外科技活动。
2.2“互动式+启发式+案例式”教学方法
编译原理与设计课程采用师生互动式、启发式课堂教学，将创新性思维训练融于“互动式+启发式+案例”教学方式中，激发学生的创新潜能，为进一步科学研究打下坚实的理论基础和实践能力，激发学生的学习兴趣，使学生形成一种以创新精神吸收知识、应用知识的习惯。在课外作业、各类实验、科技活动和科研课题方面，研讨课内开展“启发式、互动式、案例式”的教学实践，鼓励学生开展创新性思维活动。
3.3培养学生问题意识，提高学生创新能力
培养学生的问题意识和学生创新能力的最主要体现就是问题解决能力。培养学生问题解决能力的主要途径就是各类实验、科技活动和科研课题。因此，教师应不断鼓励学生深入专业领域和社会生活中发现问题、分析问题和解决问题，鼓励学生共同参与课题研究，并从不同角度激发学生，有效培养学生思维的创新性。
3.基于激励机制的“分层+分系列+分专题”的创新实践活动
设计“分层、分系列、分专题”的、具有一定创造性的实践活动是培养学生创新性思维的特色之一。教师应依据课程的内容，采用由浅入深、循序渐进的方式设计实践活动，建立创新活动与研究方向的有机结合，增强教学与研究相辅相成的关联，有效组织和管理学生的学习活动，评价学生的创新活动。
创新实践活动培养学生科学研究的思维方法、科学研究能力和创新精神，分为课程实验、科技活动、课题研究3个层次。在课程实验中分为基础实验、综合性设计实验、应用提高实验3个系列，并在每个系列实验中设定多个专题，解决特定的问题。采用答疑式指导、项目式指导和课题式指导“三级指导”方式。
1）科学设置课程实验。
实验课对检验和巩固学生在课堂中学到的理论知识、启发学生的创新思维、提高实践能力具有重大意义，因此必须有针对性地加强课程实验，并根据培养目标和课程实验建立3层课程设计模式：基础实验、综合性设计实验、应用提高实验。
2）组织科技活动。
有计划地组织学生进行学术科技活动，鼓励学生利用课余时间开展科学研究并参加校内外不同层次的竞赛。科技活动主要包括ACM程序设计竞赛、机器人大赛、各类程序设计大赛等。
3）课题研究。
分专题进行有针对性的课题研究，包括文献查阅、科研选题、实验设计、实验操作、数据整理、结果分析、撰写论文、报告与答辩环节，训练学生的科学研究思想和方法，实施实践活动的个性化教育。
关键词：美国PHM数学教材例题设计特点
例题是数学教材的重要组成部分，它一方面能起到加深概念与知识的理解作用，另一方面是培养学生数学能力的重要载体。因此，研究教材例题的设置规律和特点具有重要意义。本文试对美国Person公司出版的数学教材《PrenticeHallMathematics》的例题设置进行文本分析研究，探讨该教材例题设置特点，以期对我国数学教材编制及广大数学教师在教材例题的处理方面起到一定的借鉴作用。
一、例题演示详细，采用“一例一练”模式
该教材的例题编排注意学生的理解，不仅教会学生怎样做，还注重让学生明白为什么要这样做。例题的演示过程十分详细，不仅减轻了教师的教学负担，而且有利于学生预习、自主学习和复习，感受数学的规范和严谨，提高学生提出问题、解决问题的能力，发展数学逻辑思维能力。教材采用“一例一练”的样例学习方式，每个例题后面紧接一个练习，通过类比实现迁移，利于学生真正理解和巩固新知识。
二、算法多样化，利于发展学生创造性思维
很多数学问题可以用不同的方法来解决，而且不同的人有不同的方法选择。算法多样化就是指在计算教学中，鼓励学生独立思考，鼓励学生用自己的方法解题，这样在班级的群体中就有可能出现不同的算法。提倡算法多样化，就是尊重学生的选择，尊重学生的独立思考成果，尽量让学生获得成功体验。美国的这套数学教材中的例题设置充分体现了数学方法的多样化思想，将不同的解决方法列举出来，方便学生自主选择。
【案例3】
教材中通过列举Elena和Leon的方法，清楚地表明比较小数大小的两种方法。这两种方法都简便易行，学生可以选择数位比较的方法，也可以选择建立数轴模型比较大小的方法，学生的自主选择将有利于学生的个性发展。不仅如此，积极提倡算法多样化，还有利于学生主动地参与，有利于实现教学民主，有利于学生体验成功感，树立学习的自信心。算法多样化同样为学生提供了交流的机会，有利于促进学生的思维活动。需要注意的是，提倡算法多样化，并非要求学生一定要掌握多种计算方法；也并不是要求学生生硬地套出多种算法。算法多样化应是学生在探索算法的过程中自然形成的。
三、鼓励运用建模方法解决问题，重视建模思想的培养
在例题呈现中，该教材善于采用建立具体的模型将抽象的数学符号变得具体化，有利于学生理解、接受和掌握。
【案例4】
此案例中，将小数0.4和0.36用方格模型和数轴模型呈现出来，学生根据阴影部分面积的大小和数轴上的数字特点，很容易就可以理解0.4>0.36。这种方法直观具体，适合初学小数时使用。在我国的教材中，小数的大小比较这部分内容只有介绍数位比较的方法，没有建立直观模型。
四、对我国数学教材编写和教学的启示
透过美国数学教材，我们发现许多值得借鉴的地方，获得诸多启示。
首先，对于例题的素材选择应尽可能做到多样化、新颖化，不拘泥于小范围，开阔学生视野。我们可以从生活小事着手编题，让学生感受数学与生活的紧密联系，也可以联系地理、历史、社会、工商业等多方面，使得学生感知到数学应用的广泛性。
其次，“一例一练”的模式值得学习。在讲授完例题之后马上让学生进行相应的练习，这有利于巩固学生所学知识，培养学生类比的学习思想。还有，在教材中插入【预习思考】模块，在其中放置一些简单的练习题，这样既能培养学生的自学意识，又能让学生对上课内容有初步的了解，有利于提高教学效率。
再者，例题的选择应该简单、少量，可以尝试在教材上多设置一些一题多解的例题，培养学生的发散性思维。当然，这对实现算法的多样化教学也很有帮助，可以使教学面向全体学生，为学生搭建起交流的平台，有利于因材施教，促进学生个性发展。
最后，数学模型是数学学习内容中的重要部分。小学生学习数学知识的过程，实际上就是对一系列数学模型的理解、把握的过程。我国《全日制义务教育数学课程标准》提出，在“数与代数”的教学中，应帮助学生建立数感和符号意识，发展运算能力和推理能力，初步形成模型思想。模型思想的建立是帮助学生体会和理解数学与外部世界联系的基本途径。数学建模是数学学习的一种新的方式，它为学生提供了自主学习的空间，有助于学生体验数学在解决实际问题中的价值和作用，体验数学与日常生活和其他学科的联系，体验综合运用知识和方法解决实际问题的过程，增强应用意识；有助于激发学生学习数学的兴趣，发展学生的创新意识和实践能力。但是，我国小学阶段对学生模型思想的培养重视还不够，教材中更是没有多少体现。因此，加强小学数学教材中模型思想的体现及学生模型思想的培养应是深化数学课程改革的重要内容。
参考文献：
关键词：数字模型；城市防洪；调度方案；常州
中图分类号：F291.1文献标识码：A文章编号：
引言
常州市规划建设城市防洪大包围工程，确定常州市城市防洪规划标准为100～200年一遇，其中城区（指大包围运北片）为200年一遇；城区河道排涝标准为20年一遇最大24小时降雨不漫溢。近年，常州市完成了城市防洪大包围主要节点控制工程的建设，主要内容为新建南运河枢纽、串新河枢纽、大运河东枢纽、采菱港枢纽、澡港河南枢纽、大运河西枢纽、北塘河枢纽等工程。
新的防洪工程格局由众多大小不一的水利枢纽工程组成，不同水利枢纽排水能力、对城区水位影响程度等等都不一样。以往，周边具有城市大包围工程的市、区一般是通过多年演练、实况调度，从而摸索多枢纽的联合调度。但是利用实况进行摸索总结，时间慢，工况少，特别是极端不利情况难以研判。因次，本文在水利科技专题研究的基础上，总结了利用数字河网模型去探索主要节点工程联合调度方案的一些过程和成果。
1常州市城市防洪工程情况
常州城市防洪规划共设置水闸（套闸）93座，排涝泵站109座，总流量896.4m3/s，其中新建（改建）水闸39座，排涝泵站36座，总流量538.7m3/s。
常州城市防洪大包围主要工程包括大运河东枢纽、采菱港枢纽、串新河枢纽、南运河枢纽、大运河西枢纽、澡港河南枢纽、老澡港河北枢纽、永汇河枢纽、北塘河北枢纽枢纽工程。其他工程主要是拆除重建龙游河南站，新建北童子河闸、新龙河闸、小龙港闸、皇粮浜闸等4座节制闸。新增排涝泵站装机容量总计为330m3/s。各枢纽的规模见下表，其中大运河东枢纽、采菱港枢纽、串新河枢纽、南运河枢纽、大运河西枢纽、澡港河南枢纽、北塘河枢纽等7座节点工程是运北片防洪工程的重要组成部分，无论是位置、功能，还是排涝功率都在整个防洪体系中占到较高比重，因此也是本文讨论的主要节点工程。
表1城区主要防洪节点规模表
图1常州市大包围防洪工程分布图
2数字河网模型
（1）模型基础信息
模型主要使用的是太湖流域数字河网模型。模型构建以太湖流域为边界，细化常州区域河道，从而形成适合常州小区域的数字模型。根据流域地形特征，河网水系、水资源特点和流域治理总体布局等多种因素，太湖流域划分为8个水利分区，即湖西区、武澄锡虞区、阳澄淀泖区、太湖区、杭嘉湖区、浙西区、浦东区和浦西区。在此基础上，结合数值计算的需要，进一步细分为36个水利计算分区和4个自排区，36个计算分区中平原区16个，湖西山丘区10个，浙西山区10个。
根据流域特点，将太湖流域平原河网地区（圩外及圩内）下垫面分为水面、水田、旱地及城镇（包括非耕地、和道路等）四类。常州市各类河道补充297条，形成了以太湖流域骨干河网为主体，常州区域小河道为支脉的比较全面的概化河网。
（2）模型构建
根据流域的地形特征，并综合考虑不同地貌区域的降雨径流计算特点、河网水系和水利工程布局等多种因素，在湖西山丘区和平原区采用不同的产汇流模型。
湖西山丘区采用采用类似平原区的产流模型，单位线的方法进行汇流计算；浙西山丘区采用三水源、三层蒸发模式的新安江模型，汇流采用马斯京根法。平原区的汇流方式采用河网多边形分散式汇入周边河网，平原区的汇流计算，目前尚无成熟的理论和计算方法。假定一种汇流曲线，即平原区的日净雨一日天汇入河网。
河网水量模型，分别通过零维模型实现湖、荡、圩的水量交换、一维模型描述河道水流运动。
上述所有模型组成分布式的数字模型，离散计算方程组后，经过处理形成全流域统一的节点水位、流速线性方程组，其求解采用矩阵标识法。对于河网一维与湖泊零维间的耦合，采用全隐耦合方式进行，这样保证了计算的稳定性与计算精度，实现了整个流域内的水流演进过程模拟。
（3）模型率定
通过对金坛、坊前、常州、太湖四站实测水位，以99年为典型年，对河网模型参数进行了率定。率定计算结果，各站计算与实测数据最大偏差10cm，符合要求。
3调度方案探索
常州市遭遇的暴雨洪水，主要为2类，一是流域型特大暴雨，如1991年型，1999年型，二是多发的区域型局地暴雨或台风暴雨，如2003年型。1991年型暴雨（太湖流域百年一遇）作为规划设计雨型进行水文水利计算，已得出了科学的成果以及相应的大包围工程调度规则。本文主要以非设计暴雨年型，如1999年型和2003年型暴雨为典型，进行大包围主要控制工程的调度方案模拟，原则是大包围内控制最高洪水位不超过保证水位4.80米，同时对周边防洪影响最小。
大包围沿线主要的7处控制枢纽枚举了从分片控制、直至全部控制的调度预想方案，并模拟演算不同组合的调度对大包围内、外产生的水情效果和影响，提出应对非设计工况下典型暴雨洪水的大包围控制工程优化调度方案。
1、根据常州市城市防洪规划中各节点工程的调度办法，遇91年型暴雨，大包围工程启动，以常州站水位4.00m为大包围封闭启动条件，4.30m启动泵站排水，常州站洪水位控制在4.80米以下。
模型演算表明，遇99年洪水，在大包围没有形成的工况下，大运河常州站最高水位为5.48米，城区周边水位自西向东高水位为5.53~5.30米。
2、99年型情况下，常州水位达到4.40米时，启动调度方案，常州站最高洪水位为4.73米；当常州水位达到4.50米时，启动推荐调度方案，常州站最高水位为4.81米；当常州站水位达到4.60时，启动推荐调度方案，常州站最高水位为4.86米。
3、在2003年型局地暴雨情况下，流域与区域都属平水偏枯年份，汛期常州沿江遭遇百年一遇特大暴雨，导致短期内运河水位快速上涨。模拟验证结果表明，西枢纽东枢纽挡其它排方案也有较好的效果，常州城区洪水位下降0.63m。因此，遇2003年型暴雨，大包围主要节点工程可在常州站水位接近4.60m时，启动大运河东枢纽、西枢纽挡水，其它主要节点工程排水，包围圈内洪水位可控制在4.80m以下
4、99年流域性洪水实况，常州地区暴雨相对91年较小，受太湖及运河下游高水位顶托影响，常州区域水位较高，作为较优调度方案，在实际大包围工程调度中，可以结合气象情况，利用东枢纽进行错峰排涝，在钟楼闸水位4.30m～4.80m，排除部分城区涝水，可以进一步缓解城区防汛压力，对周边无影响。
结语
随着产品更新换代速度的加快和顾客消费水平的提高,很多产品在完成使用价值后被消费者丢弃或淘汰,这些产品(如冰箱、彩电)大多还有一定的残余价值,如果直接报废,不但会造成资源的很大浪费,而且会污染环境。二十一世纪以来,随着人们环保意识的日益增强和可利用资源的逐渐减少,同时在政府“生产商延伸责任”制度及各种经济因素的驱动下,废旧产品的回收再利用成为全球制造业,特别是高科技制造业的一个热点问题。产品的回收再利用改变了传统的正向物流运作模式,导致了一种反向结构———逆向物流。逆向物流在保护环境、节约资源和推动社会可持续发展方面具有非常重要的价值和意义,因此,逆向物流成为近年的研究热点之一。逆向物流的研究已经从早期的概念发展和驱动力研究发展到网络设计、路径优化、库存管理、循环再利用、回收价值的评价和预测等方面。本文从以上几个方面对逆向物流的研究现状进行综述,并对逆向物流的未来研究方向进行了展望。
2逆向物流网络设计
关于逆向物流网络设计的研究主要是采用仿真模拟法和数学建模法。Louwers等(1999)针对废旧地毯加工处理中心的选址问题,提出了一个非线性整数规划选址定位模型。该模型综合考虑了处理成本、运输成本以及加工处理中心固定成本,确定了加工处理中心的位置及其处理能力。Hu等(2002)研究了危险废物的回收物流系统,提出了一个多阶段、多类型物品的离散时间线性分析模型,实现了回收物流运营成本最小化,利用该模型对实际案例进行计算,结果显示出全部回收物流的成本削减可超过49%。Sheu等(2005)考虑了废旧产品回收率和从政府组织可获得的补贴等因素,构造了多目标规划模型。结果显示,运用该模型的供应链净利润可以提高21·1%。Listes等(2005)采用了一个多阶随机规划的方法分析了从建筑废弃物中循环再利用沙子的案例。冷杰等(2004)构建了一个包含回收中心、拆卸/检验中心和再制造工厂三级结构的逆向物流网络MILP模型,并采用启发式算法求得了全局优化解,实现了回收网络整体运行成本最小化的目标。
Amponsah(2004)针对固体废弃物的收集、运输和处理具有可见度高、费用高等特点,提出采用以最小插入规则和转换技巧法为基础的启发式算法。赵宜等(2005)建立了废弃物品回收设施选址问题的MILP模型,并采用遗传算法和分支定界相结合的方法对模型进行了求解,结果表明该混合算法可以在较短的时间内获得回收设施位置的次优解。Wang等(2007)提出了一种新的混合整数线性规划模型,并采用了RSHCMHE和MCCMHE两种算法在较短的时间内成功地求得了较优解。Lee(2009)提出一种基于启发式算法的整合抽样方法,用动态位置和分配模式解决逆向物流网络设计问题,并通过数值试验证实了该方法的效率。Mutha(2009)建立了逆向物流网络设计数学模型,解决了只考虑回收产品数量而没有考虑再造产品和部分已使用产品的需求问题,并用一个数值实例对模型进行了验证。
3逆向物流路径优化
由于逆向物流具有产生地点、时间及回收品的质量和数量等高度不确定性,因此对于逆向物流路径优化的研究主要集中于回收需求量不确定和客户需求时间不确定两类问题的研究。Lists等(2001)研究了废沙回收的路径优化问题,在需求不确定的前提下,以利润最大化为目标函数,将MILP模型扩展为随机模型。周根贵等(2005)考虑随机需求,建立了一个单目标、单品种混合整数规划模型,并采用遗传算法进行了求解。Tavakkoli-Moghaddam等(2006)采用了启发式算法求解了先配送后回收的闭环物流车辆路径问题。
Salema等(2007)扩展了RNM模型,提出一个基于容量限制的多产品逆向物流混合整数规划模型,并指出目前大部分研究都是基于实例的,缺乏一般性。文章也指出随着问题规模的增加,计算时间是非常大的。Hyun等(2007)提出一个多周期多产品的动态逆向物流混合整数非线性规划模型,并采用启发式遗传算法进行了求解。Tung等(2002)提出一个多时间段、多种有毒废物回收系统的费用最小模型。Kris等(2007)考虑到提前期和库存位置的不确定性对逆向物流的影响,建立了单目标、单品种混合整数非线性规划模型,并采用基于不同进化方式的遗传算法进行了求解。
4逆向物流库存管理
关键词：起动过程；轴流泵机组；快速闸门；动网格；VOF模型
中图分类号：TV136.2文献标志码：A文章编号：1672-1683（2017）01-0167-06
Abstract：Rsearchonthestartingprocessoftheaxialflowpumpisaveryimportantpartoftheresearchonpumpstations.Inordertocaptureaccuratelythedynamiccharacteristicsofanaxialflowpumpinthestartingprocess，athree-dimensionalgeometricalmodelofthefullpassagewasestablished.TheCFDsoftwareFluent，thedynamicmeshtechnologybasedonfinitevolumemethod，andtheVOFmultiphaseflowmodelwereallusedtoconductthree-dimensionaltransientnumericalsimulationoftheaxialflowpump，fromwhichthevariationpatternsofexternalcharacteristicparameterswereobtained.Whentheopeningtimeofthegatewas60s，themaximumheadwas2.76mat12s，whichwas1.28timesoftheratedhead.Lessstartingtimeofthegateledtoalowerstartinghead，butitaggravatedtheback-flow.Theresultsshowedthatthedynamicmeshtechnologycanbeusedin3Dnumericalsimulationofthestartingtransitionprocessofanaxialflowpumpwithaquick-stopgate.Theresultscanhelpoptimizethehydraulicparametersofpumpstationsandcanbeusedasareferencefortheresearchofthetransitionprocessofaxialflowpumpunits.
Keywords：startingprocess；axialflowpump；quick-stopgate；dynamicmesh；VOFmodel
大型立式轴流泵机组在南水北调东线工程中具有重要作用[1]。当立式轴流泵机组的断流措施为快速闸门时，若闸门的起动规律设置不合理，会致使起动扬程急剧升高，甚至造成停机事故。起动过程中小流量不稳定马鞍区的存在也导致轴流泵机组的起动过程较为复杂[2]。因而，针对大型立式轴流泵机组起动过程的研究显得尤为重要。目前国内针对轴流泵机组起动过渡过程的研究主要采用一维数值解析计算方法[3-6]，通过合理简化和近似，将水流近似为一元流动并引入恰当数学模型求解。
计算流体力学（CFD）已在流体机械的稳态数值模拟中得到广泛运用[7-9]，由于一维数值计算的方法无法捕捉叶轮及流道的动态流场特性，CFD技术也越来越多的应用到水力机械的过渡过程计算当中[10-14]。其中，对包含运动边界的非定常流动进行数值模拟是三维过渡过程研究的难点[15-16]。本文利用动网格技术结合VOF多相流模型，对利用快速闸门断流的轴流泵机组的起动过程进行了三维瞬态数值模拟。
1计算对象
1.1模型参数
本文计算模型基于某立式轴流泵机组，采用快速闸门断流，悬挂式主电动机直接传动，其具体参数见表1。数值计算模型与轴流泵机组实际尺寸比例为1∶1，包含进水池、肘型进水流道、叶轮区、导叶区、直管式出水流道、快速闸门、出水池等部件，结构见图1。
1.2网格
采用非结构化网格来划分进水流道、叶轮、导叶及出水流道；采用结构化网格来划分进水池、快速闸门及出水池；由于叶轮区和导叶区流态复杂，对其进行网格加密。经网格无关性验证计算，发现网格超一定数量后对机组性能影响很小，且方案3P程与流量数值与机组参数基本吻合，最终选择方案3来划分计算模型，不同网格划分方案见表2。
2.1控制方程与湍流模型
在VOF模型中，通过求解水和空气的体积分数连续方程追踪空气与水的界面，求解控制方程获得的速度场由各相共享，本次模拟中水为主相。
Realizablek-ε模型已被有效地用于各种不同类型的流动模拟，包括旋转均匀剪切流、包含有射流和混合流的自由流动、管道流动、边界层流动和带有分离的流动等[17]。利用快速闸门断流的轴流泵机组，起动过程中气液两相的流态变化规律是起动过程动态特性研究的重要部分，因此本文选用Realizablek-ε湍流模型封闭控制方程组。
2.2动网格技术
为使网格能够适应运动边界的移动和几何形状的变化，必须要对计算网格进行修正。本文利用动网格技术控制叶轮的旋转，采用铺层（Layering）算法及UDF自定义的方法控制快速闸门边界条件的变化[18]。该算法会根据计算区域的扩张或收缩来相应地生成网格或合并网格。图2为网格变化过程的效果图。
2.3离散格式及定解条件
离散格式：本次数值计算利用Fluent6.3软件完成，用有限体积法对上述数学模型进行离散，压力项采用PRESTO格式，体积分数项采用Geo-Reconstruct格式，湍动能和对流项采用一阶迎风格式，采用适合瞬态计算的PISO算法对流场速度压力进行求解[19]，数值计算迭代时间步长为0.002s，初始时间为0s，总计算时长65s。
定解条件：进水池水面采用压力进口条件，压力值由进水池水位确定；出水池水面、溢流孔出口采用压力出口条件，压力值为0；初始时刻，出水流道上部快速闸门左侧为空气（水面位置由进水池水位决定），故初始条件设出水流道空气区域空气体积分数为1，其他区域空气体积分数为0。
2.4叶轮转速控制及闸门开启规律
叶轮的控制规律为：0～2s叶轮不动，2s时设定叶轮按直线规律上升[2]，用时5s，即7s时达到额定转速。
快速闸门控制规律为：在叶轮起动2.5s后，即4.5s时按直线规律开启，60s后完全开启。叶轮及快速闸门的控制规律见图3，s为叶轮转速与额定转速比值，a为快速闸门开度。
3计算结果分析
3.1起动过程动态特性分析
起动过程气液两相状态见图4，2s时机组未开启，气液界面稳定在初始位置。叶轮转速从2s开始，按直线规律增大，叶轮转速上升后，出水流道内水面上升，空气相体积减小，空气从溢流孔排出。快速闸门于叶轮起动2.5s后开启。闸门刚开启时，由于出水池水位高于出水流道内水面，上游水流通过闸门倒流至出水流道，而上游倒流与出水流道上升水流产生撞击，使出水流道内水流流态紊乱，出水流道内水面发生较大波动。从图4可见，7s时出水流道内空气体积已明显减小，而此时出水流道内流态较为紊乱，部分水流伴随着空气的排出从溢流孔中溢出。水流的溢出过程在26s时结束，此时出水流道内空气已基本排出，溢流孔内形成稳定的气液界面，闸门开度已超过1/3，机组流态趋于稳定。之后，随着快速闸门的开启，溢流孔内液面逐渐下降。65s时闸门已完全开启，气液状态稳定，溢流孔内液面稳定在出水池出口高度，机组进入正常运行状态，起动过程结束。
本次数值模拟中，进口流量Qin、出口流量Qout、扬程H、叶轮叶片轴向力Fz（方向为正下）、叶轮叶片转矩M、溢流孔流速V的变化过程见图5。
2～7s叶轮转速直线上升，进口流量随之升高，7s后逐渐稳定；4.5s前快速闸门为关闭状态，因而出口流量开始为0，4.5s后，由于出水池水面高于出水流道内水面，产生倒流，出口流量先为负值，7s左右转为正值；机组扬程在12s时达到最高为2.76m，为正常运行扬程的1.28倍，之后下降至正常运行扬程；叶轮叶片轴向力及叶片转矩的变化规律均为先增大，后逐渐减小并趋于稳定，且12s为最大值时刻；溢流孔流速的变化规律为初始时为零，后随叶轮转速上升逐渐升高，在7s时达到最大值2.93m/s，之后逐渐下降，26s时溢流孔流速已很小，溢流孔内形成稳定液面并平稳缓慢下降。
本次数值模拟中，机组在65s时已进入正常运行工况，此时机组的流量、扬程、出力与轴流泵机组运行参数吻合较好。可见本文的数值模拟方法具有较高的准确性，可对利用快速闸门断流的轴流泵机组的起动过程进行有效模拟。
3.2闸门处流态分析
由图5（a）可见，在本次数值模拟中，出口流量在4.5～7s时为倒流。倒流水流与水泵排出的水流在出水流道内相撞会导致流道排气困难、引起较大压力脉动[20]。
为细致的分析此时的流动现象，对快速闸门处6.4～7.6s内流态做速度矢量图，见图6。阀门刚开启时，由于出水池水位高于出水流道内水位，水流从出水池倒流至出水流道，与来流发生撞击。倒流沿闸门左侧向上流动，同时，空气从溢流孔排出。随着叶轮转速上升，机组进口流量增大，出水流道快速闸门左侧水面上升，7.2s时闸门处水流方向已反转，出水池靠近闸门侧水流方向亦随之改变。
3.3叶轮叶片表面压力分析
由于叶轮转速在2～7s内按直线规律上升，叶轮叶片进口的圆周速度增加。如图7（a）和图7（b）所示，随着叶轮转速的升高：叶片压力面压强增大，吸力面压强减小，叶片进水侧因水流撞击产生局部高压。由图5（c）可见，12s时机组扬程达到最大值，此时叶片压力面和吸力面的压强差亦为最大。12s时，压力面进水侧叶缘处的高压区域增大，同时吸力面进水侧叶缘处的脱流增大，产生局部真空区域，且为起动过程中真空值最大时刻。随着快速闸门的开启，机组扬程逐渐降低，叶片压力面与吸力面压强差随之减小，叶片压力面进水侧撞击现象和吸力面M水侧外缘处的真空现象均逐渐减弱。65s时机组进入正常运行状态，起动过程基本结束。
4快速闸门不同开启时间对机组性能的影响
为探究快速闸门不同起动时间对机组性能的影响，此处对快速闸门启动时间为30s的起动过程进行数值模拟。设快速闸门启动时间为30s，同样于叶轮起动2.5s后开始启动，模型及其他参数的设置与启动时间为60s时相同。
图8为快速闸门两种启动时间下轴流泵机组外特性参数的比较。由图可见，两种情况下，进口流量Qin的变化规律基本相同，而出口流量Qout受闸门开启时间影响较大：闸门30s开启时，出口流量达到额定值的时间大幅缩短，而由于出口流量处于倒流状态时闸门开度增大，开始时闸门处的回流明显增大。而30s开启快速闸门时，较大回流与流进出水流道的水流相撞，则导致较大的压力脉动。如图8（b）、8（c）所示，30s开启快速闸门时外特性参数扬程H、力矩M及轴向力Fz均在7s左右发生较60s开启时更大的脉动。
另一方面，扬程、叶轮力矩及叶片轴向力达到最大值的时间与60s开启时的情况基本相同，都为12s左右，而快速闸门30s开启时，扬程、力矩、轴向力的最大值均明显减小。
在实际应用中，闸门开启时间还要受到闸门启闭机性能的限制。缩短闸门开启时间可以起到减小起动过程中扬程、力矩、轴向力最大值的作用，但会加剧起动开始时的回流撞击及其产生的脉动，同时，缩短闸门的开启时间增大了对闸门启闭机功率的需求。
5结论
（1）利用动网格与VOF模型相结合的技术可以较为准确的模拟基于快速闸门断流的轴流泵机组的起动过程，可清晰直观地捕捉流道内水流的动态特性。
（2）在机组起动过程中，快速闸门刚开启时存在短时间倒流，叶片真空区域的真空值在最大扬程时刻达到最大，高于正常运行工况下真空值。
（3）线性规律起动的快速闸门，开启时间延长会增大机组的最大扬程、力矩及叶片轴向力，而另一方面快速闸门刚开启时出水流道内的回流及撞击现象会得到减轻。
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关键词:C-W算法;配送车辆优化调度;启发式算法
中图分类号:TP312文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)09-2132-02
ApplicationofC-WAlgorithminLogisticsDistributionVehicleScheduling
CAOJing-xia1,2
(1.SchoolofInformationEngineering,JiangnanUniversity,Wuxi2141222,China;2.JiangyinPolytechnicCollege,Jiangyin214400,China)
Abstract:LogisticsDistributionVehicleSchedulingisaverycrucialstepintheprocessoflogisticdistribution.Thispaperbrieflydescribesthemostrepresentativealgorithm,pointsoutthattheheuristicalgorithmisthemainmethodtosolvevehicleroutingproblem,anddemonstratesitsapplicabilitytosolvingtheproblemofvehicleschedulingbycitingtheexamplesofC-Walgorithm,atypicalmethodamongtheheuristicalgorithm.
Keywords:C-Walgorithm;deliveryvehiclescheduling;heuristicalgorithm
随着我国市场经济的建立和发展,作为“第三利润源泉”的物流日益受到政府有关部门和广大企业的重视,成为当前最重要的竞争领域。配送是物流活动中直接与消费者相连的环节,在物流的各项成本中,配送成本占了相当高的比例。配送车辆调度的合理与否对配送速度、成本、效益影响很大,采用科学、合理的方法来进行配送车辆调度,是物流配送中非常关键的一环。
1物流配送车辆路径问题(VRP)概述
物流配送车辆路径问题(VehicleRoutingProblem,VRP)最早是由Dantzig和Ramser于1959年提出的,一经提出立即引起了运筹学、物流科学、计算机应用等学科专家和运输问题制定和管理者的极大关注。
该问题的研究目标是对一系列的顾客需求点设计适当的路线,使车辆有序地通过它们,在满足一定的约束条件(如货物需求量、发送量、交发货时间、车辆容量限制、行驶里程限制、时间限制等)下,达到一定的优化目标(如里程最短、费用最少、时间尽量少、车队规模尽量小、车辆利用率尽量高等)。
2VRP问题的求解算法
VRP问题是组合优化领域著名的NP难题之一,即随着客户数量的增加,可选的配送路径方案数量将以指数速度急剧增长,即出现组合爆炸现象,因此通常的做法就是应用相关技术将问题分解或者转化为一个或者多个已经研究过的基本问题,再使用相对比较成熟的基本理论和方法求解。VRP问题的求解方法基本上可以分为精确算法和启发式算法两大类。
2.1求解VRP问题的精确算法
求解VRP问题的精确算法主要运用线性规划、整数规划、非线性规划等数学规划技术来描述物流系统的数量关系,以便求得最优解。求解VRP问题常用的精确算法有分枝定界法、割平面法、动态规划法、网络流算法等。这些方法从理论上给出了VRP问题精确求法,在可以求解的情况下,其解通常要优于启发式算法。由于精确算法在求解时引入了严格的数学方法(手段),因而无法避开指数爆炸问题,使其获得整个系统的最优解越来越困难,因此,这些算法都是针对某一特定问题设计的,适用能力较差,在实际中其应用范围很有限。
2.2求解VRP问题的启发式算法
为了克服精确算法的不足,可以运用一些经验法则来降低优化模型的数学精确程度,并通过模仿人的跟踪校正过程来求取运输系统的满意解,为此专家们主要把精力花在构造高质量的启发式算法上。启发式算法能同时满足详细描绘和求解问题的需要,较精确式算法更加实用。
目前己经提出的启发式算法很多,按照CesarReg的分类法,基本可以分为构造启发式算法(节约算法、最邻近法、插入法、扫描法)、两阶段启发式算法、不完全优化算法和智能化启发式算法(禁忌搜索算法、模拟退火法、遗传算法、神经网络算法、蚁群算法、微粒群算法等)四类。启发式算法中由Clarke和Wright在1964年提出的节约法(简记为C-W算法)具有非常典型的代表性。
3C-W算法的应用
3.1定义与原理
C-W算法是根据物流中心的运输能力和物流中心到各送/取货点以及各个送/取货点之间的距离,制订使总的车辆运输吨公里数(或者时间或者费用)最小的方案。
C-W算法的基本思路如图1所示,已知P点为配送中心,它分别向用户A和B送货。设P点到用户A和用户B的距离分别为a和b。用户A和用户B之间的距离为c,现有两种送货方案,如图1(a)和(b)所示。
在图1(a)中配送距离为2(a+b);图1(b)中,配送距离为a+b+c。对比这两个方案,2(a+b)-(a+b+c)=a+b-c,很明显,由三角形的几何性质可知,三角形中任意两条边的边长之和大于第三边的边长。即:a+b-c>0。连接AB所得的节约量是a+b-c。
3.2实例
为了使C-W算法体现较为明了,选取较典型的实例介绍。假设配送中心使用同类型的配送车(主要是装载量和容积相同),保证一条线路上各用户的货运量之和不大于车辆的载重量。
基本资料介绍:
现有6个用户(标号是1,…,6),各个用户的货运量是gi(吨)(i=1,…,6),这些用户由配送中心(标号是0)发出的载重量为8吨的车辆完成配送任务,要求最后的路线安排使总距离最小。具体数据见表1、表2。
首先,把各个点单独与配送中心相连,构建仅含一个点的初始路线,得到总的距离为:2*(40+60+75+90+200+100)=1130km
然后,连接两两用户到同一条线路上得到节约值(节约量公式a+b-c),节约值越大,说明两用户连在一起时运距减少的越多,如果是负值就不应该把两用户连在同一条线路上。
C-W算法解题步骤:
1)计算各用户之间的节约值(节约量公式a+b-c)
例如:连接用户1和用户2时,节约量=40+60-65=35
连接用户3和用户5时,节约量=75+200-50=225,类似可以得到其他,如表3。
2)按照从大到小的顺序排序,见表4。
表4节约里程排序表
3)连接点对,见表5。
根据表,得到最后的路线安排如下:
0-3-5-6-0
0-1-2-4-0
比初始路线节约运距:230+225+50+35=540km
通过使用C-W算法,对配送线路进行组合以后,由原来的6条初始化线路,减少到2条组合线路,运行距离从开始的1130km缩短为590km,节约的里程相当可观。不难明白,中国的物流行业是一座金山。只有不断进行物流管理和技术创新,提高物流效率,才可能大幅降低整个业务成本。
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