模型及自动代码生成
模型及自动代码生成（精选6篇）
模型及自动代码生成 第1篇
随着国民经济的快速发展,用电需求逐年上升, 电力系统规模不断扩大,电网接线图也越来越复杂。因此,一方面单纯依靠人工手动绘制电网接线图非常困难,工作量巨大;另一方面,当前电力部门独立建设的业务系统之间的信息集成需求持续增大,但当前不同系统对相同电力设备图元尚缺乏统一的定义标准,导致了不同系统间图形交互能力相对不足。随着计算机技术的快速发展,已可以借助于计算机对大规模电网进行计算,这也使复杂的电网接线图的绘制、分析及优化成为可能。
当前,许多学者针对公共信息模型(CIM)的输变电一次图自动布局布线课题进行了大量研究[1,2,3,4,5]。在配电领域,配电网一次接线图对电网的运行管理人员同样非常重要,运行管理人员可以直观地通过配电网单线图、联络图,对电网进行管理、方式调度及事故处理等。现在的配电网节点众多、结构复杂, 依靠人工进行绘图或从外部系统导入图形难以达到满意的效果,且容易出错、不够美观。因此利用计算机基于电网模型驱动的方式自动生成各种配电网图形对象具有实际意义。
在配电网图形 自动生成 过程中,基于配电 网CIM模型的拓扑分析方法[6]必不可少。配电网的拓扑分析是基于配电网电气元件的连接关系,把整个配电网看成线与点结合的拓扑图,然后根据电源点、开关点等进行整个网络的拓扑连线分析。在成图过程中,若把电源点结点作为起始点,通过电流流向逐层向外扩散,则整个配电网可以看作是由多个具有层次结构辐射状的子网络组成,基于此特征,对于局部一次图选择一种层次化的布局算法更为合 理。
本文着眼于电网模型对象,基于配电网一次接线图的一般特点,综合研究多个行业的自动成图应用成果,选择一种基于Sugiyama[7,8]的改进型算法实现电力网络图形的自动 生成方法。通过对象识 别、拓扑搜索进行图元布局和布线,自动生成满足电网运行管理人员预期效果的配电网一次图对象。
1 自动成图概述
生物应用[9,10]、软件工程[11,12]、社区网络[13,14]和数据可视化[15]等很多行业关于自动成图都有研究。其本质可描述为:G(V,E)是一个图,根据集合V、边集合E的关系,计算出各个节点在一个二维空间中的逻辑坐标,同时满足约束条件:1边交叉数最小; 2曲线或折线数最少;3边的长度均衡;4点分布均匀;5整个图形匀称。
在不同的行业还需要考虑一些特定的约束条件,例如在自动生成配电网一次图时,需尽量保持连线横平竖直。针对该课题的研究方法,总体上可分为两类。
1)基于确定性算法的布局:研究人员非常清楚布局要达到的特定要求,然后针对这些需求设计相应的算法,并试图使计算资源最小化,因此能获得非常高的易用性和效率,但算法通用性不强。
2)基于多约束优化的布局[5,16,17]:其背景是 人工智能,通过构建一个多约束目标优化函数,利用遗传算法、蚁群算法、模拟退火算法等多次迭代获得最优或次优解,整个过程注重灵活性,给使用者一个良好的控制机制。然而通常效率不高,甚至不能保证得到结果。
基于确定性 算法的布 局常包括:力导向算 法[18,19,20],它是目前比较成熟的布局算法,但计算量 大,对于层次结构比较特殊的图形该算法不适用。斥力和引力系数直接影响到最终态的理想效果,参数难以适应一般化应用场景。对力导向算法的典型改进 研究有Kamada and Kawai(KK)算法、Fruchterman and Reingold (FR)算法、Graph Embedder(GEM)算法等[21]。文献 [22-23]都对该算法进行了改进尝试,但总体上说,力导向算法的参数难调节、布局效果依赖于图形的特定结构,布局效果难以达到工程应用的要求。
标准的Sugiyama算法[7]基本原理如下。
1)层次指定(layer assignment):将节点指定到特定的层次中。广泛应用的分层方法包括:最长路径分层算法、最小化宽度分层算法及虚拟节点最小化分层算法。
2)交叉减少(crossing reduction):重排层内节点和弯曲点(虚拟节点),减少交叉的数量。常用的算法包括2—层减少交叉算法、中心启发式算法和重心启发式算法。
其中重心启发式算法过程以图1为例,交叉减少前,A,B,C,D 4个节点的初始顺序分别为1,2, 3,4。X,Y,Z的初始顺序是1,2,3,此时交叉数为5。固定节点A,B,C,D所在的层,X相连的两条边的另一端点B,C的顺序为2和3,因此,X的重心为2.5,同理Y和Z的重心分别为3和1。此时是根据X,Y,Z的重心从小到大排序,可以得出新的节点顺序Z,X,Y,此时交叉数减少到1。如果再固定X, Y,Z层,计算A,B,C,D的重心并重排,新的顺序为A,C,B,D,此时交叉数减少到0。在实际应用中重心启发式算法广受欢迎,具有良好的输出结果和线性时间复杂度。
3)坐标指定(coordinate assignment):指定节点和弯曲点(虚拟节点)的坐标。
Sugiyama算法是针对特定结构的图形的布局, 要求图形具有严格的层次结构并由此可以逐层地计算以达到布局的优化,优化仅在层内进行,这样就避免了做繁杂的全局优化,层内优化时,Sugiyama算法是通过将结点从左向右、从右向左层调整节点次序减少交叉。
此外,相关研究算法还有Radar layout[23]、多层次算法[24]、高维嵌入算法[25]等。
在实际处理图形自动布局过程中,图形的遍历搜索算法必 不可少。主要 有两类:宽度优先 搜索 (breadth-first search,BFS)算法和深 度优先搜 索 (depth-first search,DFS)算法。
BFS算法是一个分层搜索的过程,和树的层序遍历算法相同。在图中选中一个节点,作为起始节点,然后按照层次遍历的方式,一层一层地进行访问。具体步骤如下。
步骤1:初始节点Vo入队列。
步骤2:当队列非 空时继续 执行,否则算法 结束。
步骤3:出队列,获得队头节点V,并标记V已经被访问。
步骤4:查找节点V的第一个邻接节点Vnext。
步骤5:若V的邻接顶点Vnext未被访问过,则Vnext进队列。
步骤6:继续查找V的其他邻接节点Vnext,转到步骤5,若V的所有邻接节点都已经被访问过,则转到步骤2。
DFS算法和BFS算法的区别仅在于访问节点的顺序,它是以堆栈的方式进行节点的存储,但其遍历过程基本类似。
2 总体框架
为简化建模,同时结合具体的自动成图及具体工程应用的需求,本文主要以电网的一次设备模型为主要考察对象,建立调配一体化的电网模型。自动成图算法的具体过程包括模型抽取、对象识别、图元布局、图形布线等过程。总体框架如图2所示。
调配一体化模型引擎基于标准的CIM,完成电网的统一建模工作,主要实现了调配模型的边界拼接处理,以中间库形式存储。成图算法利用拓扑搜索抽取出需要的子模型对象,通过对象识别、图元布局、图形布线过程自动生成一次接线图。
在具体应用中,本文基于单线图、联络图、供电路径图3种需求从中间库中,抽取出符合规则的子模型对象。为保证本文实现的具体应用的松耦合 性,屏蔽不同系统平台的差异性,自动成图的子模型以中间格式文 件存储,可描述为:S-MODEL:{S0, DdevSet,V,R},其中,S0为起点节点号集合,成图算法处理时,以此集合中的节点对象为起点;DdevSet为一次设备集合,每个设备对象包括ID、名称、电压等级、所属线路等基本属性;V为子模型的所有设备的节点集合,S0V;R为描述设备对象和节点集合的关系。
由于模型抽取的过程主要依赖于具体的应用需求,因此本文不详细阐述。
对象识别过程包括构建设备对象,同时根据母线信息,构建组合设备对象;图元布局过程通过宽度搜索初步定为相关模型节点的位置,再根据图形对象节点“度”信息,移动节点位置,达到整图对称;图形布线,则是在完成图元布局后,根据图元之间的“通道”信息,计算图元之间的布线走向;在图元布局时考虑了交叉消除工作,主要完成在联络图、供电路径图中存在部分可消除的交叉线现象,尽可能避免交叉。
3 成图算法
3.1 对象识别
对象识别的主要目标是要解决在配电网单线图成图过程中,如何构建组合设备对象(环网柜、分支箱、配电所等)。具体的识别过程如下。
1)从S-MODEL中的集合V遍历各个母线节点对象,压入队列。
2)弹出首节点,将与首节点通过开关、刀闸的关联的未访问过的节点压入队列。
3)队列为空时停止一次组合识别,否则转上一步。
通过上述过程即形成一个组合设备的处理,同时基于电气约束,可考虑将与母线节点直接连接的电缆对象L作为异常情况进行标注,如图3(a)所示。
除单母线组合对象外,还需要考虑多母线组合的对象,如图3(b)所示。不难看出,通过上述识别过程,可以从节 点N搜索到节 点S1,S2,S3,S4, N1′,S1′,S2′,S3′,S4′。其中S1,S2,S3,S4和S1′, S2′,S3′,S4′定义为该组合设备的外部端子节点。总的搜索范围可能包括多个母线对象,这里需要按母线进行分 组,即母线N (S1,S2,S3,S4);母线N′(S1′,S2′,S3′,S4′),同时可考虑根据母线名称建立N(××#Ⅰ母),N′(××#Ⅱ母)的顺序关系。
3.2 图元布局
图元布局包括图元定位和图元绘制两方面。
本文的图元定位策略基本上采用改进的层次布局方式。因此,经过分析一般单线图、联络图和供电路径图的基本特征,采用BFS算法,完成图形对象 (开关、刀闸、馈线段、组合设备等)的分层工作,同时计算了各个图形对象的“度”属性。
在生成单线图时,BFS算法遇到组合设备时需特殊处理一下。以组合设备的第一个母线节点为该组合设备的代表,其与外部其他节点通过该组合设备的外部节点。
BFS算法以S-MODEL中的集合S0为起始节点压入队列,放置在第0层。依次弹出队列节点,根据该节点压入新的节点对象,其层设置为前一节点所在层加1。根据节点的度d,设置本层下一节点的水平位置,设置为当前节点水平位置加上d-1,节点布局如图4所示。
根据应用需求,在进行宽度搜索时,对组合设备的端子节点进行了排序,保证最右侧的端子关联的下一层节点在最上面。对一个节点包括多个子节点的情形,为保证图形的对称性,尽量使最大权重(所有下级子节点数之和)的子节点放在中间,依次上下均匀分配,如图5(a)所示;同时在另一方面,根据具体用户需求,也可以考虑根据子节点关联设备的名称依次排序,保证业务上的顺序性,如图5(b)所示。
在完成图元定位后,即可开始图元的绘制工作, 包括单节点设备、双节点设备、组合设备等,见图6。
其中,单节点设备主要包括配电变压器、配电网负荷、母线等。绘制母线时,应根据母线节点位置及其包含的子节点数量和两端适当延长信息,动态绘制母线图元。在绘制配电变压器、负荷时,在存在一个节点关联多个配电变压器或负荷对象时,应保证均匀错开。双节点设备主要包括开关、刀闸、断路器、馈线段等,绘制时需考虑增加连接线及其合并处理,具体绘制过程参见图形布线一节。组合图元以一个矩形框表示,面积需包含该组合图元所有包含节点的位置。
3.3 图形布线
图形布线基于传统的电路通道布线算法[26],并结合分层的具体情况进行一定的修改,在各个通道中,根据对应图元类型设置相关的轨道对象,即一个通道包括多个通道对象,如图7所示。通过配电网组合设备识别和图元布局后,在逻辑背景网格中,每个位置(i,j)都可放置一个图元节点,该节点可以是拓扑节点或者是一个组合设备。图元经过特定的布局后,保证了相邻节点或组合设备放置在相邻的层。为方便布线,在每个逻辑位置的上下左右侧4个方向都设置了通道网格,同时每个通道可包含一系列的轨道对象。节点或组合设备与节点或组合设备之间都是通过特定的轨道组合完成连线。
图7中,组合图元N位置为(i,j),与其直接关联的节点或组合设备有M,C,G。通过图元的宽度搜索布局,实现了与S4相连的M在最上侧,与S2 相连的G在最下侧。以各个连线的起始节点S集合为考察对象,设定通道中轨道的分配原则,其下标序号越大,分配的轨 道号越小,如L1(S4-J1 ), L2(S3-C),L3(S2-H1)所示 ,对连线的终止节点则相反。同时,为尽量减少连线的拐点数,在具体连线时,还考虑了连线两端两个节点的相对位置及其两边是否存在其他节点或组合设备,尽量使连线拉直减少拐点数,如图7中的L3′所示,S2-H1 之间左侧无其他节点或组合图元,则可跨越节点位置,减少一个拐点数,如L3所示。
在具体布线过程中,综合枚举各种节点类型及其相对关系,选择合理的水平、竖直通道,对树状结构的单线图来说,可以实现零交叉,对联络图或存在“环”及“环中环”现象的图形来说,有些交叉难以避免,但总体上能够满足电网调度人员对图形使用的日常需求。
4 案例分析
为检验上述成图方法的有效性,以具体的工程现场真实模型为试验对象,分别生成多张单线图、联络图和供电路径图。总体上,算法性能完全可以满足用户需求,生成的图形基本实用。
单线图对象如附录A图A1所示,主要由开关、馈线段、母线、环网柜、配电变压器、箱式变压器等配电网设备组成。单线图以树状层次自左向右依次生成,且父节点尽量在所有子节点的中间水平位置,从而相对保证上下对称性,树状结构无交叉。
联络图对象如附录A图A2所示,主要由母线、开关、馈线段组成。通过特定的模型抽取方法,形成馈线的一次联络线路组合,自动生成联络图(其中最右侧和最上和最下侧的两个根馈线段由于现场模型问题未能关联到主网断路器及厂站对象)。
供电路径图对象如图8所示,主要由开关、刀闸、母线、变压器、馈线段等电力设备组成,跨越多个电压等级,以电压等级色 显示,绿色部分 为10kV线路,红色部分为110kV线路,蓝色部分为220kV线路。本图中供电路径目标电压等级为220kV。
总体上,上述图形对象基本遵循了相同的成图算法,个别特征区别处理。在Web应用环境下,对中等规模的配电网单线图来说,平均生成图形的时间约1.8s,满足工程应用需求。
5 结语
本文综合相关成图算法,实现以一体化模型为驱动的实用化配电网单线图、联络图、供电路径图自动生成算法。通过拓扑模型抽取、对象识别、图元布局、图形布线等过程完成了从电网模型到图形的无 缝生成技术。总体上看,单线图以树状形式呈现,生成的图形基本无需调整;部分联络图、供电路径图可能存在环的现象,本文通过一定的交叉消除处理可以消除大部分的交叉线特征,后续将辅助以一定的图形编辑、调整工具,方便对自动生成图形的修正处理,达到更理想的水平。
案例结果显示,本文实现的成图效果能够很好地满足配电网单线图、联络图、供电路径图的使用需求,可极大节省人工绘制成图和消除系统图形接口实现的不便之处,达到了预期设想。为进一步满足不同用户的定制化需求和更高的系统图成图需求, 后续将在此基础上进一步完善单线图、联络图、供电路径图的不同特征的灵活配置功能,扩展系统图算法实现。
模型及自动代码生成 第2篇
配网管理中, 地理图和单线图都是必不可少的图形工具。地理图, 顾名思义, 就是根据电气设备的地理位置而成的图, 缺点是线路会重叠交叉, 不易观察。而单线图就是抛弃设备的地理坐标, 仅从其连接关系构造的易于观察阅读的遵循如下美观原则的图: 设备分布均匀, 线路交叉重叠尽可能少。当前电力系统单线图生成有三类算法: 1 基于规则的方法; 2 图论方法; 3 软计算方法。以上算法虽然各有应用, 但主要应用在输电网或厂站接线图中, 在配网中的应用还是很受限, 配网单线图自动生成的算法主要是干线支线模型以及其扩展[2 -4], 该算法比较简单, 易实现, 效果也不错, 然而它只适用于配网中成辐射状 ( 树状) 的单条馈线。对于包含环网状结构的复杂配网来说, 目前仍未有好的解决方案, 而干线支线模型显然也不能满足环状结构的要求。
文献[5]提出了一种UML类图的布局算法, 该算法虽然布局效果很好, 但是非常复杂, 灵活性差, 而且当点数大于1000时, 运行速度会非常慢。文献[6]提出了一种基于引力-斥力模型的网络拓扑布局算法, 该算法容易理解, 易于实现。本文改进引力-斥力算法使其满足配电网特点, 期望生成的单线图达到如下效果: 尽量少的交叉重叠, 结构清晰易读。
1 设计思想
本文以配网的拓扑连接关系为基础进行拓扑建模, 拓扑建模包括合并站内点和标记母线点两步。接着通过收缩分支和处理母线点来简化拓扑, 然后使用引力-斥力算法进行自动布局, 最后对结果进行正交化处理即可得到配网单线图。自动成图系统使用C#语言实现, 基于Visual Studio 2010 平台, 具体的系统设计流程如图1 所示。
2 自动成图设计
读取并解析配网设备及其拓扑连接关系, 运用图论知识将设备及其关系转化成图, 使用邻接表结构存储, 接着对图作简化处理, 对简化后的图运行改进的引力斥力算法, 得到图的布局结果, 然后再作正交化处理, 即可得到单线图。
2. 1 拓扑建模
拓扑建模就是将配网的设备及其连接关系转换成由点和边组成的图。该阶段的任务有2 个: 合并站内点和标记母线点。
( 1) 配电网中的设备及其连接关系的表示
配网中设备及其连接关系的表示参照公共信息模型CIM中的连接点-端子模型[7], 每个设备关联两个端子 ( 主要是2 个, 也有单端子和3 端子的情况) , 端子又关联一个连接点, 每个连接点可以关联若干端子, 表示这些端子关联的设备相连。拓扑文件的格式如图2 所示, 每行代表一个设备。
图 2 拓扑文件的格式
针对这个格式, 我们建模的思想是: 每个设备抽象出边Edge, 设备两端的连接点抽象成节点Node。
( 2) 合并站内点
由于厂站内部的接线图有固定的算法, 不适用于引力-斥力, 因此我们需要将属于同一个厂站的设备合并成一个点。
我们的策略是在内存中建立一张映射表: 遍历拓扑, 对于每个在站内的设备 ( 站ID为0 表示不在站内) , 将其两端连接点添加到映射表, 添加一个设备后的映射表内容如表1 所示。
再次遍历拓扑忽略所有站内设备, 对于每个非站内设备 ( 所在站ID为0) 的两端点, 查找映射表, 若存在, 则替换成其对应的新连接点。这样构建的图就是合并了站内点的图。
( 3) 标记母线点
配网中主要用到的设备有母线、开关、变压器、断路器等。母线是个特殊的设备, 它是单端子, 并且通常要与多个设备相连, 一个单母线分段的接线形式如图3 所示。
我们需要对母线做特殊处理, 根据设备类型将其对应的连接点 ( 母线是单端子设备, 一个连接点为0) 标记为母线点。
2. 2 简化拓扑
简化拓扑主要包括两部分内容: 收缩分支和处理母线点。
(1) 收缩分支
算法描述Cut Branch ( G) :
注意: 母线点不能被删除。这样收缩了分支后的路径我们称为关键路径, 关键路径上的点成为关键节点。
由算法的描述可知, 剪去的部分是树状的, 可以很容易使用已成熟的干线支线模型实现, 我们做的只需记录所有剪去的分支连在哪个关键节点。
( 2) 处理母线点
母线点比较特殊, 由于其连接的设备比较多, 我们需要对其进行处理: 根据母线点所连设备的数目n, 虚拟出n - 1 个母线虚拟点, 这些母线虚拟点横坐标与母线点相差一定值, 纵坐标相等, 并且分别与母线点的一个设备相连, 母线虚拟点会对其他点产生引力或斥力, 而其他点对母线虚拟点不起作用, 母线虚拟点的坐标完全由母线点决定, 从而使得母线点和其母线虚拟点可以在引力-斥力算法中作为一个整体移动。
2. 3 自动布局
文献[6]为解决网络拓扑布局引入了引力斥力算法, 网络拓扑中各个节点是“公平的”, 即算法对每个节点采用同样的受力分析。然而由2. 1 节的分析知配网中母线是需要与其他设备区别开来的特殊设备, 因此必须改进引力斥力算法使其能够处理母线设备。在2. 2 节中对母线点构造母线虚拟点的基础上, 改进算法的主要内容就是实现母线点及其虚拟点能作为一个整体参与引力斥力作用。
( 1) 算法思想
把图中的每一个节点看成是一个物理质点, 每一条边看成是一个橡皮筋, 当两点间的距离超过橡皮筋的自然长度, 就会受到张力的作用; 任意两点间有斥力的作用。这样图中的节点就会在张力和斥力的相互作用下不断运动, 直到系统最终达到平衡。
( 2) 算法描述
任意两点间有斥力, 定义为Repulsion。相邻两点间有引力Tension。合力Force。说明一些概念后给出算法描述。
说明: 布局对象G ( V, E) , V是点集, E是边集。
点集V可分为三种: 站内点集Vi, 站外点集Vo; 其中Vi由母线基点Vb和母线虚拟点Vv组成。每个点对应2 个二元组, 分别代表坐标 ( x, y) 和待移动距离 ( dx, dy) 。
边集也可以分为站内边集Ei和站外边集Eo。边由点对from, to组成。
下面给出具体的算法描述:
2. 4 正交化
经过引力斥力的计算, 结果基本满足“尽量少的重叠交叉”的要求, 然而要达到“美观易读”, 还需要对结果进行正交化。
为了使结构更美观, 我们定义一个中心点: 连接最多设备的母线点。将中心点固定在画布的中心, 同时将其虚拟点固定, 然后以此为基础, 广度遍历图, 向外扩展, 需要注意的是广度遍历时如果是当前母线点, 那么下一层需要固定的点包括其母线虚拟点的邻接点和自己的邻接点。引入母线虚拟点后每个节点的度数不会大于4, 因此我们取其上下左右四个方向作为其邻接点的待定位置, 这样得到的结果就是横平竖直的单线图。
3 实验结果与分析
为了验证自动成图算法的有效性, 选取上海某地区10KV电压等级的配电网拓扑数据进行试验。对同一个拓扑文件, 首先使用不加母线处理功能的引力斥力算法 ( 简称Original FR) 对整个拓扑作用, 结果如图4 所示。
结果显示Original FR算法中存在较多的交叉重叠, 说明引力斥力算法在点数较多的情况下效果不理想。
使用我们改进的算法 ( 简称Modified FR) , 简化拓扑后对关键点布局, 结果如图5 所示。
图 5 Modified FR 算法对关键点的布局结果
在上面的基础上, 还原剪去的分支并做正交化处理后得到的单线图如图6 所示。
结果基本满足“最短的连接线、最少的交叉、元件均匀分布”的主要原则, 实验表明本文提出的先简化拓扑对关键点布局的思想适用于复杂配电网, 并且改进的引力斥力算法可以处理母线设备。图6 中只有一处母线设备, 为了更直观地观察算法效果, 选取包含较多母线设备的拓扑进行试验, 简化拓扑后的布局结果如图7 所示。
图 7 Modified FR 算法对多母线拓扑的布局
4 结语
本文改进引力-斥力算法, 使其能够处理配网中特殊的母线设备, 将其应用于配电网单线图的自动布局, 从设备的拓扑连接关系出发, 经过拓扑的建模、简化, 接着使用改进的引力斥力算法布局, 最后进行正交化处理即得配电网单线图。实验结果表明该算法生成的单线图满足“尽量少交叉重叠”的要求。
然而当配电网结构的复杂度加大时, 结果还不是太理想, 解决此问题的初步想法如下: 第一步合并同一站内的设备, 合并站与站之间成“直线型”的设备, 对合并后拓扑进行引力斥力布局。站与站之间的合并不会影响调度员的决策, 无需再还原, 因此站内设备的还原及布局是第二步的主要任务, 由于站内接线方式的特殊性, 可以采用文献[9]提出的模板匹配算法。
参考文献
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模型及自动代码生成 第3篇
调度大屏电网潮流图是数据采集与监视控制 ( SCADA) 系统或能量管理系统( EMS) 的核心应用展现。调度大屏一般为长条形,其上的电网单线图及断路器状态、潮流及方向形成实时潮流图,要求布局和走线清晰,便于调度人员调度决策。
借助于人力来绘制输电网接线图的任务越来越艰巨,并且生成的调度大屏接线图越来越呈现出拥挤凌乱的状态,给调度人员的辨识带来困难,所以急需开发大屏输电网接线图自动生成系统。
国内外对调度大屏输电网自动生成的研究较少。新加坡学者提出了最短的连接线、最少的交叉、元件均匀分布的原则[1,2,3]。文献[4]是国内采用优化方法进行输电单线图的尝试,提出的自动布局方法只考虑了连线的总长度作为目标函数,而且优化方法是采用了类似局部搜索优化的算法,这样容易使目标函数陷入局部极值点而无法跳出,给自动布局布线带来难以处理的情况。
文献[5-7]系统地提出了省级调度大屏输电网潮流图的自动生成系统。调度大屏输电网潮流图是在单线图上增加实时信息显示,因此其自动生成可分解为单线图布局、单线图布线和实时数据接入3个步骤。其中布局问题是给定一个布局空间和若干个待布的物体,将布局物体满足一定约束的条件下合理地分布在给定空间中,并达到某种最优效果[8]。布局时若能充分考虑到布线的特性,则布局可以独立于布线进行; 布局是自动成图最重要的环节,直接决定了最后图纸的效果,也决定了走线可能的最佳效果。
省级电网调度大屏输电网潮流图自动生成已基本实现了以下内容:
( 1) 省级调度按照IEC61970建立了严格的数据模型,模型与数据可生成基于统一信息模型( Common Information Model,CIM) 的XML文档; 该系统完成了从EMS / CIM XML文档自动获取电网资源数据的接口;
( 2) 开发的数据管理可以增加供区、原始坐标等录入;
( 3) 调度大屏的自动布局;
( 4) 调度大屏的自动走线;
( 5) 生成的调度大屏图形产生后,可加工上屏,且效果达到预期的目标。
在将省级电网调度大屏输电网潮流图自动布局布线系统应用到地区局的调度大屏单线图自动生成方面,遇到了一些特殊的问题,主要是: 1存在大量T接点和T接线; 2存在许多非EMS /CIM管理的站点,需要参与布局布线。
本研究首先提出统一处理流程,并就T接点、T接线进行统一建模,并提出其参与布局布线的步骤和算法。
1 地级调度大屏电网潮流图通用流程
1. 1 一般问题
研究调度大屏输电网自动生成问题,可以将变电站抽象成为一个给定端口的长方形电气元件,而线路则是连接变电站之间的连线。调度大屏的输电网单线图可以归于特殊的平面布局布线问题。它必须限制在一个长条矩形平面上进行布局布线,长条矩形可以抽象成为一个长为M,高为N的网格,变电站作为一个长方形图元,布置在每个网格中心,调度大屏网格划分及单线图布局如图1所示。
变电站的矩形框之间的通道用于横平竖直的走线以及断路器、线路名称等显示; 单线图上还要进行实时潮流量、潮流方向、断路器状态、设备状态挂牌标识等标识显示,形成潮流图。
调度大屏潮流图的优化布局问题,就是在给定的矩形空间内,在网格上放置变电站,使得具有线路连接的变电站之间的距离最短,并且线路交叉数最小。
布局后的布线必须限制在相应的廊道中进行; 不仅要考虑线路本身的走线要求,做到尽量减少交叉、不重合、美观均匀等,还要考虑线路名称、断路器图元、实时潮流量等标识的显示位置,留出相应的空间。
1. 2 优化布局模型
本研究采用了模拟退火算法。从实际的应用中得知,该算法确实可行、可靠。
由于地区电网没有明显的供区概念,需要将整个地区电网作为一个电网处理,按单一供区进行布局。
1. 3 优化布线模型
在经过优化布局后,可以得到变电站具体位置的坐标,在此基础上,就可以进行变电站之间的布线。布线的基本步骤包括顺序走线和优化布线。其中,顺序布线有以下4个步骤:
( 1) 廊道宽度设置与调整;
( 2) 变电站出线布置;
( 3) 线路顺序走线;
( 4) 断路器图元、线路、潮流、设备状态挂牌标识布置及调整。
为了简洁美观,走线采用常规的直接走线、双折线和四折线的连接方式,布线避让算法主要应用迷宫算法的思想,即后续的走线将已经布的线路当成障碍避让。
优化布线包括以下2个步骤:
( 1) 拆线和重布线;
( 2) 整体均匀走线调整。
顺序布线完成后,本研究将对全图进行交叉点的搜索,并根据交叉点的类型,分别选择采用保护性拆线和非保护性拆线策略,作为搜索引擎优化算法的策略库,来最小化布线线路的交叉。通过上述基于搜索引擎的算法优化,使得布线质量明显改善,消除了大部分可以避免的交叉,走线更加直观。在此基础上,再进行出线布置和廊道的走线均匀化处理。
2T 接点、T 接线建模与管理
2. 1 T 接点、T 接线由来与数据来源
为节省线路走廊或受线路走廊的限制,110 k V电网存在着大量的T接点和T接线。目前对这些T接点和T接线管理是比较混乱的,没有统一建模和实现统一数据管理,对电网调度和控制产生不利影响。
T接点与T接线示意图如图2所示。一个T接点至少具有3条T接线; 一般T接是针对原有的两站之间的线路而言的,如厂站1( 举例祝东变) 、厂站2( 举例双山变) 原先具有一条线路,假设其具有标准命名: 双祝1247线; 后建设一新变电站( 举例金龙变) ,其一出线与双山1247线实现T接,形成了3条T接线,一般命名会至少保持了原线路编码1247,但命名体系很不相同; 嘉兴局根据其命名规则,三T接线分别是: 祝东1247双祝线、双上1247双祝线、双祝1247金龙支线; 而丽水局的命名规则为: 祝东T 1247、祝东1247双山T接、祝东1247金龙T接。
另外,部分地区调度中心要求在调度大屏潮流图中增加部分未纳入EMS管理的厂站,如丽水电网,就存在一些没有纳入EMS系统的110 k V并网水电站。
从T接点、T接线的数据来源分析,存在着以下3种情况:
( 1) T接点、T接线均已在EMS中管理;
( 2) T接点不在EMS中管理,但与某一在EMS管理的线路实现T接;
( 3) T接点、T接线全不在EMS中管理。
2. 2 T 接点、T 接线统一模型及数据管理
T接点、T接线统一模型如图3所示,其通过增加两数据表,分别对电网的T接点、T接线进行管理。统一的数据获取及管理流程图如图4所示。
在自动布线系统的建立初期,需要从EMS /CIM XML中获取数据,并建立T接点、T接线的初始数据, 然后通过手工维护全部的T接点、T接线档案; 然后将厂站表、线路表、T接点表、T接线表转换成为一个统一的布局布线厂站表和线路表,基于这2个数据表,就可以直接调用原先的布局优化软件进行布局布线计算。
3调度大屏潮流图自动生成
3. 1 优化布局布线
对于T接连接,一种简便的方法就是将该T接点模拟一个虚拟的3端口变电站,即将图2的T接点视为与一般厂站一样的“T接站”,虚拟T接站如图5所示。这样就可以直接采用原先的算法进行布局布线计算。
3. 2 T 接站改为 T 接点处理
将T接站按一般变电站参与布局布线,但在最后需要将该类“T接站”缩小为1个明显的实心圆。
“T接站”首先被视为常规变电站进行布局与布线,其走线是在指定的廊道中行,在T接站缩小为1点时,必须采用一些特殊计算。最简单的方法,就是计算获取原先的“T接站”的方框中心作为“T接点”的坐标,保持“T接站”的3条出线原轨迹,向内部延伸,以单折线方式与该固定的“T接点”实现连接,但会出现的非理想走线效果如图6 ~ 8所示。
T接站只有3条出线; 因此,只有4种情形: 13侧3线,如图9所示; 22线1侧,与另1线垂直,如图10所示; 32线1侧,与另1线平行,如图11所示; 43线同侧,如图12所示。
对于图10,一定为2条平行,则选择非平行的线V,与P1、P2相交,相交点度数为3的则为“T接点”; 对于图11,采用与图10相同策略; 这两种情形的“T接点”与原“T接站”的中心点,可能不在同一水平或垂直线上。
对于图11和图12情形,则要利用原“T接站”的中心点的坐标信息。对于图11,同侧的2线,平行向站内部延伸,停止在原“T接站”的中心点的水平线上; 然后另1侧的线也向站内部延伸,也停止在相同的水平线上; 3线的平行连接线,可能穿过原“T接站”的中心点,; 也可能不会 穿过。图12情形与图11完全类似。
本研究按照以上的“T接站”缩减为“T接点”的新策略设计,可以方便地进行编程,形成“T接站”缩减为“T接点”的布局布线处理策略。
4应用案例的规模
本次研究与应用在浙江丽水、嘉兴地区局开展,地网规模列如表1所示。
5结束语
T接点与T接线是地区电网的主要特色,本研究对其统一建模进行了研究,并提出了基于T接点与T接线的地级调度大屏潮流图自动生成系统的解决方案,并改进了算法,使得原系统可以很好地适应地调的需求。
该系统目前已成功地在浙江省5个地区调度中心得到了应用,效果良好。
摘要：为解决110kV电网存在大量的T接点与T接线等问题,将优化布局布线技术应用到T接站改为T接点处理中。开展了统一的T接点与T接线模型和数据管理分析,建立了T接点、T接线之间的关系,提出了T接站通过特殊布线算法还原为T接点的方法。在成熟的省级电网调度大屏潮流图的布局布线算法生成相应的潮流图基础上,对地级电网潮流图的需求进行了评价,进行了地级电网调度大屏潮流图自动生成系统的实验。研究结果表明,该系统运行稳定可靠,在多个地级电网调度中心得到了实际应用。
关键词：地级电网,T接点,T接线,T接建模,调度大屏,潮流图,图形自动生成
参考文献
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[7]章坚民,谷炜,占震滨,等.调度大屏输电网潮流图自动生成(三)作业流程及系统开发[J].电力系统自动化,2010(2):64-68.
模型及自动代码生成 第4篇
电子商务活动的安全性已成为决定其发展的重要因素, 而安全可靠的网络协议则是实现电子商务安全的关键技术之一[1,2,3]。与传统的安全协议相比, 电子商务协议的执行环境更为复杂, 从而更容易存在安全缺陷, 同时也为形式化设计带来更多的挑战。
为提高此类复合协议设计的效率和质量, 国内外学者的研究多集中于自动生成机制[4,5,6]和组合设计方法[7,8,9,10,11,12]。但协议自动生成机制受到计算量爆炸的限制, 无法广泛用于复合协议的设计;组合设计过程中不同原语的安全属性可能会互相影响甚至被破坏, 且设计过程的复杂度较高。
为解决电子商务协议设计中的以上问题, 构建了行为原语自动生成的可组合设计新策略, 包括行为原语自动设计、可组合性设计和多原语组合设计三个模块, 如图1所示。
(1) 行为原语自动设计:将电子商务协议划分为不同阶段, 利用高效的自动生成工具从挑战/应答、现时值/秘密创建、加密/解密的角度描述每个阶段的核心安全行为, 并在各阶段的设计中将安全行为的内容具体化;
(2) 可组合性设计:针对认证性、保密性、完整性、不可否认性、可追究性以及客户隐私性等电子商务活动的核心安全属性, 通过5类原语可组合性设计规则规范行为原语中消息项的结构, 添加可组合元素, 使简单原语可用作组合设计电子商务协议的基本元素, 为后续的组合设计提供正确性保障并降低复杂度;
(3) 多原语组合设计:根据的新的原语组合设计规则, 确定多事件顺序、组合安全属性并精简信息, 得到完整的电子商务协议。
1 行为原语自动设计
根据应用环境, 可将电子商务协议中的主体划分为用户、商家、银行等不同角色。虽然可能处于价格协商、品质协商、客户支付、商品发送、退货处理等不同阶段, 但协议主体的核心行为必定属于挑战/应答、现时值/秘密创建、加密/解密等范畴。若从以上三个方面描述主体行为, 可生成适用于不同阶段的行为原语模板;然后根据安全需求, 将安全行为的内容具体化, 得到主体行为原语, 可用作后续设计阶段的基本组合元素。
考虑到人工设计原语过程繁琐、出错率高, 且需要在完成后额外进行形式化的验证, 因此可借助已有的自动生成工具[4,5,6]设计行为原语, 利用串空间Athena[4]等验证单个原语的正确性。只需在设计前选中相应的安全需求, 即可从自动生成的正确结果中选取合适的原语, 具备较高的设计效率。
2 可组合性设计
将多个行为原语组合为电子商务协议时, 为避免不同安全属性间的互相影响甚至破坏, 可根据新提出的5类可组合性设计规则, 规范原语中消息项的结构, 为后续的组合设计提供正确性保障和降低复杂度。
2.1 身份认证可组合规则
在电子商务协议中, 确保主体身份认证可组合的最重要属性是不可构造性和不可破坏性。基于串空间和认证测试理论, 使用一致性测试[9,13,14]机制确保认证的不可构造性, 利用认证的长期值和短期值的保密性确保认证目标的不可破坏性, 通过添加唯一的索引值或参与主体名称防止多回合中多条结构类似的认证消息造成相似消息混乱。
身份认证可组合规则:
(1) 电子商务主体的身份认证现时值以明文挑战的形式被发出, 以加密的形式被回收, 且加密密钥为保密的对称密钥或响应者的签名密钥;
(2) 在同一协议回合中, 电子商务活动的发起者与响应者唯一对应且对所有变量取值达成一致;
(3) 同一个现时值仅用于一次对电子商务主体的认证;
(4) 针对同一个会话中同时运行的多个结构相似的认证消息项, 添加唯一的索引值或参与主体名称。
2.2 信息保密可组合规则
在电子商务协议中, 需要考虑的信息保密可组合问题包括对称密钥或签名密钥等长期秘密, 以及传递的商品或支付秘密等短期秘密的可组合:
信息保密可组合规则:不能将长期秘密用作现时值或短期秘密, 且任何长期秘密和短期秘密的保护域Sx都是I兼容的。
2.3 信息完整可组合规则
在电子商务协议中, 必须确保多回合间商品和支付等秘密的信息完整性, 避免遭到中间人攻击。引入组合设计的绑定组理论[9], 在发送秘密的消息中包含绑定组信息, 并在随后收到响应消息的绑定确认信息, 确保每则挑战消息明确发送者和接收者且每则响应者回复消息都明确表达消息的含义:
信息完整可组合规则:若在加密信息中包含某个电子商务活动的秘密, 则必须同时包含该秘密的绑定组, 且在响应消息中必须包含绑定确认信息。
2.4 不可否认性/可追究性可组合规则
在电子商务协议中, 不可否认性与可追究性密切相关, 在单个原语中通过签名消息的方式实现。然而, 若在多个协议回合中存在多条类似结构的签名消息, 可能造成相似消息间的混乱, 需要使用索引值或参与主体名称标明不同的消息属于哪个原语。为保证可组合的有效性, 索引值或参与主体名称需要插入到发生密码学转换的消息中:
不可否认性/可追究性可组合规则:针对同一个会话中结构相似的签名消息项, 添加唯一的索引值或参与主体名称。
2.5 客户隐私可组合规则
在电子商务协议中, 客户往往要求订单和支付等商业活动信息的隐秘性。但在多个客户和商家对交易的情况下, 某个主体可能在组合设计的不同协议回合中同时扮演客户和商家的角色, 因此出于对客户的银行账号等信息隐私性的安全性考虑, 客户的支付指示应直接发送给银行, 降低客户账号信息泄露的可能性, 实现客户隐私性的可组合:
客户隐私可组合规则:客户的支付指示不经过商家转发, 而是直接发送给银行。
3 原语组合设计规则
通过可组合性设计阶段, 原语已经具备了可组合性, 组合设计的复杂度得到较大降低, 只需考虑多事件顺序、安全属性组合以及信息精简。
3.1 多事件顺序规则
(1) (vx) <e+ (x) , 变量x的生成事件先于发送事件;
(2) e+ (x) <e- (x) , 变量x的发送事件先于接收事件;
(3) 确定不同协议回合中相似事件顺序时, 电子商务活动发起者事件先于响应者的相似事件。
3.2 安全属性组合规则
(1) 组合不同原语的安全属性时, 从第一个拥有相同的消息发送者和接收者的消息开始依次合并;
(2) 合并后的同一步协议中, 将采用相同加密体制和密钥的加密消息项合并。
3.3 信息精简规则
(1) 同一步协议中, 清除内容或功能重复的项;
(2) 不同协议步中, 可以替换内容或功能重复的项;
(3) 若某个明文字段在消息项的加密字段中出现, 则删去该明文字段。
4 应用研究
安全支付协议是电子商务协议的一种, 用于确保电子支付的安全有效进行。采用新策略设计了一个新的安全支付协议, 实现了电子商品和实物商品在线支付的安全目标, 适用于多个客户和商家对同时交易的情况。
4.1 行为原语自动生成
安全支付协议为四个阶段:交易协商、客户支付、商品发送和退货处理, 每个阶段核心的安全行为包括双向认证和秘密的生成与传递。根据文献[8]中的退货处理协议分析, 退货处理的设计过程与前面三个过程类似, 因此不加赘述。使用自动生成工具设计出基本的行为原语模板:
参照文献[8]中的安全需求分析, 将各阶段安全行为的内容具体化。
(1) 交易协商
根据文献[8]中的电子商务行为分析, 该阶段包括价格协商和品质协商。在原语模板中添加客户C发出的价格协商请求PQ和商家M回复的价格描述信息PR, 转化为标准协议工程符号形式后, 得到价格协商行为原语P11如下:
同理, 得到品质协商行为原语P12如下:
其中, QQ表示客户发出的品质协商请求, QR表示商家回复的品质描述信息。
(2) 客户支付
根据文献[8]中的电子商务行为分析, 在原语模板中添加客户支付授权CPA、商家支付请求BTR、客户支付收据CPR, 转化为标准协议工程符号形式后, 得到支付授权行为原语P21和支付请求行为原语P22如下:
其中, B表示银行;CPA是采用sk C加密的支付授权, 包括商品规格说明、交易时限、交易序号、客户支付指示CPI等;CPR是采用sk B加密的客户支付收据, 可作为客户已经付款的凭证使用。商家收到该收据后, 将收据的一个拷贝发送给客户。若客户未收到此收据, 可向银行索取。
(3) 商品发送
根据文献[8]中的电子商务行为分析, 商家可以对不同类型的商品采取不同的发送方式。对于实物商品, 采取送货上门、客户签收的方式;针对电子商品在线发送, 在原语模板中添加电子商品EGD、客户接收确认CRA、商家转发确认MRA、银行收据BGR, 转化为标准协议工程符号形式后, 得到商品发送行为原语P31、接收确认行为原语P32和商品收据行为原语P33如下:
其中, EGD包括商品发送序号、交易号和加密处理过的电子商品;CRA是sk C加密项, 包括商品发送序号、交易号和加密后商品的密码学校验和CSG;MRA是sk M加密项, 包括CRA和商品密钥;BGR是sk B加密项, 包括商品发送序号、交易序号、商品密钥及商品的密码学校验和。
4.2 可组合性设计
在交易协商、客户支付、商品发送等各阶段, 根据协议的设计目标和原语结构, 通过5类原语可组合性设计规则, 规范消息项的结构, 使原语具备可组合性:
(1) 交易协商阶段
(1) 根据“身份认证可组合规则”, 身份认证现时值以明文挑战的形式被发出, 以加密的形式被回收;应确保原语P11和P12中认证过程采用不同的现时值;由于原语P11和P12均在同一个会话中使用结构相似的认证消息项完成认证, 应该为认证消息项中的现时值添加一个唯一的索引值;修改后的原语如下:
(2) 根据“信息保密可组合规则”, 应保证原语P11和P12中的秘密PQ、PR、QQ、QR的保护域Sx都是I兼容的, 修改后的原语如下:
(3) 原语P11和P12满足“信息完整可组合规则”, 因此无需修改消息项结构。
(4) 根据“不可否认性/可追究性可组合规则”, 原语P11和P12均使用结构相似的签名消息项确保不可否认性或可追究性, 应该为签名消息项中的现时值添加一个唯一的索引值。修改后的原语P11和P21如下:
(5) 此阶段不存在客户的支付指示, 因此无需根据“客户隐私可组合规则”修改消息项结构。
(2) 客户支付阶段
同理, 根据5类原语可组合元素附加规则, 将客户支付阶段的行为原语P21和P22修改为:
其中, 在此处和以下的章节中, CPA均不包含客户支付指示CPI。
在P23中, 根据“客户隐私可组合规则”, 客户支付指示CPI直接由客户发送给银行。
(3) 商品发送阶段
同理, 根据5类原语可组合元素附加规则, 将商品发送阶段的行为原语P31、P32和P33修改为:
4.3 组合设计
在交易协商、客户支付、商品发送等各阶段, 考虑可组合原语的多事件顺序、安全属性的合并以及信息精简, 进行组合设计。
(1) 交易协商阶段
(1) 根据多事件顺序规则, 确定时间组合顺序。
首先注明原语P11和P12中的各事件:
确定事件顺序为:
由于协议的设计目标是在完成价格协商后进行品质协商, 因此有:
(2) 根据“安全属性组合规则”, 令
首先合并不同原语的多个协议步:
然后将同一协议步中采用相同加密体制和密钥的加密消息项合并:
(3) 由于组合设计过程中, 某些消息项结构发生改变, 通过合并加密消息项避免了相似消息项结构带来的多回合干扰问题, 因此“{2, Nc2, PR, PQ, QQ, C, M}ek M”中的索引值信息成为冗余。
根据“信息精简规则”, 消减同一步协议中内容或功能重复的消息项, 替换不同协议步中功能重复的消息项, 可得交易协商子协议:
(2) 客户支付阶段
(1) 根据多事件顺序规则, 确定时间组合顺序。
首先注明原语P21和P22中的各事件:
确定事件顺序为:
接收到客户的支付指示和商家的支付请求后, 银行办理交易转账业务;在交易成功后, 银行将支付收据PR发送给商家, 而商家收到该收据后, 将收据的一个拷贝发送给客户。因此有:
(2) 根据“安全属性组合规则”, 令
(3) 由于组合设计过程中, 消息项结构未发生改变, 可得客户支付子协议:
(3) 商品发送阶段
根据多事件顺序规则, 确定时间组合顺序。三个子协议需严格按照按先后顺序执行, 令P3=P31P32P33, 且由于组合设计过程中, 消息项结构未发生改变, 可得客户支付子协议:
4.4 协议的原子性验证
为进行原子性验证, 忽略与资金、商品及交易证据无关的步骤, 抽象后的协议如下:
4.4.1 协议参与各方的状态转移图
(1) 客户的状态转移图
(2) 商家的状态转移图
(3) 银行的状态转移图
4.4.2 验证结果
将交易三方的状态转移图以及协议规格说明写入SMV程序中并验证, 结果表明, 新的安全支付协议满足电子商务协议的原子性安全需求。
5 结语
基于行为原语自动生成和组合设计理论, 构建了新的电子商务协议可组合设计策略。以安全支付协议的组合设计为例, 新策略具备更高安全性和设计效率:
(1) 安全性
电子商务协议等复合协议的安全性, 依赖于原语和组合设计过程的安全性, 以下从这两个方面进行比较:
(1) 在已有的组合设计方法[7,8,9]中, 可选用的成型原语较少, 仅限于认证性、保密性、完整性等类别, 无法适应电子商务协议中较为复杂的安全需求;若采用手动方式设计新的原语, 则重新需要形式化验证确保安全性。而在新策略中, 通过自动生成工具产生不同的原语模板, 根据各阶段的安全需求将安全行为的内容具体化, 得到串空间Athena的验证[4], 具备较好的灵活性和安全性。
(2) 已有的组合设计方法仅通过协议符号表示的规范性规则[10,11,12]确保组合设计的正确性, 缺少对原语可组合性的设计。而新策略扩展了认证性、保密性、完整性、不可否认性、可追究性、客户隐私性等安全属性的可组合设计, 更好地适应复杂的电子商务安全环境。
(2) 设计效率
传统的手动组合设计过程较为复杂且容易出错, 而通过利用自动生成工具, 主体行为原语模板的设计通过自动工具完成, 具备较高效率。以安全支付协议设计为例, 效率数据如表1所示。
得到正确的原语模板后, 根据各阶段的安全需求将安全行为的内容具体化, 接下来通过修改消息项的结构, 使简单原语成为可组合的基本元素, 降低后续组合设计的复杂度;然后遵循简单的组合设计规则, 即可获得正确的电子商务协议。
自动灌溉控制系统的控制模型及应用 第5篇
关键词：自动灌溉系统,控制模型,节水灌溉,景观灌溉
0引言
大型乐园中的园林景观灌溉是更好的保证景观植物健康生长、弥补自然降水在数量上不足与时间空间上的不均、保证适时适量地满足景观植物生长所需水分的重要措施。以往的园林景观灌溉工程, 很多没有完整的配套灌溉系统, 灌水时采用大水漫灌或人工洒水。不但造成水的大量浪费, 而且往往不能及时灌溉、灌溉过量或不足, 难以控制灌水均匀度, 对植物的正常生长产生不良影响。现代园林灌溉设计包括喷灌和微灌技术, 如果我们想使整个面积都得到相同的水量, 通常用喷灌, 如草坪灌溉。如果我们想让某一特定区域湿润而使周围干燥时, 可采用微喷灌或滴灌, 如灌木和乔木灌溉。为了节约劳力和资金、提高灌溉质量的要求, 园林灌溉大多采用自动控制灌溉系统。因此需要选择合适的设备并做科学合理的设计、安装、维护和管理, 以实现园林景观灌溉节约用水。
上海浦东的某大型乐园使用的是美国雨鸟公司的MAXICOM中央计算机控制系统。该系统可实现园林精确灌溉并自动监测气象和水文数据, 监测、分析、报警到数据统计及处理, 远距离数据传输和控制, 实现灌溉系统的自动化和智能化。香港迪士尼乐园及北京颐和园均采用该灌溉系统。
雨鸟 (Maxicom) 是一个为灌溉系统提供的中央管理硬件和软件包。通过发出指令, 并不断地监控反馈信息来检验指令的执行, 实现对灌溉系统的管理。 由气象站收集与植物需水相关的气象数据并反馈给中央计算机, 通过专用的管理软件, 运算出植物前一天损耗的水量并决策今天是否补充水分及补充多少水分;若需补水, 中央计算机向各集群控制器发送指令并由集群控制器传送给各田间控制器, 由田间控制器完成电磁阀的启闭, 在一定的时间内按一定的顺序自动完成园林绿地的灌溉并自动停机。Maxi- com通过流量管理软件来实现整个系统的流量最优分配和最大利用率。
1自动灌溉控制模型
1.1控制输出
在上海某大型乐园项目上, 喷头类型根据最大灌溉强度及地形等条件确定, 通过喷头对应的电磁阀做启闭完成灌溉。电磁阀只有启闭2种状态, 灌溉强度取决于灌溉时间。景观喷灌多数在夜间进行, 原因之一是白天喷灌, 蒸发损失大, 一般夜晚喷灌能比白天少消耗10%以上的水量;原因之二是景观可能白天不允许喷洒, 如乐园娱乐区进行文娱活动等。 因此每天通常只在夜间灌溉一次, 灌溉时间不超过8小时。该灌溉时间即控制输出, 灌溉时间乘电磁阀流量即灌溉水量I。对于不同土壤、不同植物, 需水量不一致。通过划分区域用不同电磁阀控制, 每个电磁阀可以单独控制, 因此不同区域的电磁阀灌溉时间应是不同的。需要注意, 灌溉用水量总是大于灌溉水量I, 灌溉水量I= 灌溉用水量×效率CI×喷头分组效率CP, 其中效率CI取决于灌溉方式和灌水器, 如滴灌效率80~90%;旋转喷头效率70~ 80%;散射喷头效率60~70%。喷头分组效率CP一般取95%。
1.2控制输入
灌溉控制保证适时适量地满足景观植物生长所需水分。水分消耗途径包括: (1) 植物蒸腾损失, 指植物将根系从土壤中吸收的水分, 通过叶片的气孔蒸散到大气中的水量 (包含少量植物光合作用需要的水量) 。 (2) 棵间蒸发损失, 指从植株间土壤表面蒸发到大气中的水量。 (3) 深层渗漏, 土壤由于降雨量或灌溉水量太多, 使土壤水分超过了土壤持水量, 向根系吸水层以下土层渗漏的现象。在节水灌溉情况下很少出现此情况。
需水量指植物在适宜的土壤水分和肥力水平下, 经过正常生长发育, 获得高产时的植株蒸腾、棵间蒸发以及构成植株体的水量之和[1]。主要包括棵间蒸发和植物蒸腾损失的水量, 两者之和称为蒸散量或ET值。影响植物需水量的因素: (1) 气象条件: 气温、大气湿度、风速、日照时间、辐射强度; (2) 土壤因素:土壤含水量、土壤质地、地下水埋深等; (3) 植物条件:植物品种、叶面积指数 (单位土地面积上的叶片面积) 、生育阶段; (4) 植物状况:植物状况受到气象和土壤条件的限制。如当土壤水分较少时, 植物生长受到抑制, 叶面积指数较小, 同时气孔开度减小, 蒸腾和蒸发量减少。
由于上述这些影响因素错综复杂, 确定灌溉需水量最可靠的办法是进行实际观测, 通过彭曼蒙特斯公式计算参考植物需水量ET0。联合国粮食与农业组织 (FAO) 推荐的Penman-Monteith以能量平衡和水汽扩散理论为基础, 既考虑空气动力学和辐射项的作用, 又涉及作物的生理特征[2]。联合国粮食与农业组织将ET0定义为一种假想的参考作物冠层的蒸发蒸腾速率, 参考作物被假设为高度为12cm, 固定的表面阻力为70s/m, 反射率为0.23, 非常类似于表面开阔、高度一致、生长旺盛、完全遮盖地面而不缺水的绿色草地[3]。
彭曼蒙特斯公式[4]:
式 (1) 中, ET0为参考作物蒸发蒸腾量, mm/d; △为温度- 饱和水汽压关系曲线上在T处的切线斜率, k Pa/℃;Rn为净辐射, MJ/m2·d;G为土壤热通量, MJ/m2·d;γ 为湿度表常数, k Pa/℃ ;P为气压, k Pa/℃;T为平均气温, ℃;Z为计算地点海拔高程, m;λ 为潜热, MJ/kg-1;u2为2m高处风速, m/s;ea为饱和水汽压, k Pa;ed为实际水汽压, k Pa。
对于特定的植物, 用ET0乘以一个植物系数Kc, 就得到ET值。
现场精确计算ET0往往较困难, 可根据影响需水量的主要因素进行简化计算。计算需要以下控制输入:
(1) 气象条件
气温、大气湿度、风速、日照时间、辐射强度等由园区小型气象站提供数据, 通过以太网输入控制系统中央计算机。降雨强度对控制系统影响较大, 需要较精确的数据, 因此需要使用雨鸟公司的RAIN- GAUGE雨量计做雨量现场测量, 将雨量转为脉冲电信号输入集群控制器以提高降雨强度的精度。
(2) 土壤条件
土壤吸收和保持水分很像海绵。特定质地和体积的土壤将保持特定的含水量。土壤的吸水率 (或入渗率) 将影响喷灌强度和使用的喷头类型。土壤的持水能力及其含水量, 将极大的影响灌溉制度。 但对于确定的区域, 如土壤类型、地下水埋深等, 通过土壤湿度传感器将取样点土壤含水量转为电信号输入集群控制器, 可以计算相似区域的土壤持水能力及其含水量。如果精度不足, 可以增加取样点。
(3) 植物条件
不同植物需水量不同, 同种植物叶面积指数也可能不同, 同一种植物在不同生长期需水量也可能不同。对于确定的区域, 这些植物条件都已确定, 根据不同区域情况在中央计算机手动输入参数。需要注意, 对于不同植物组合种植, 需水量计算要考虑景观系数。
1.3控制模型
土壤水量可以视为一个桶, 桶中的水为植物可利用水。桶的水量上限为田间持水量, 超过水量上限的水将通过深层渗漏及地表排水快速排走。桶的水量下限为永久凋萎点, 低于水量下限导致植物的死亡。水量上限及水量下限之间就是桶容量C, 桶容量通过估算获得, 并用土壤湿度传感器校正。
图一表示植物可利用的有效水。具体说明: (1) 吸湿水是与土壤颗粒结合得太紧而不能被植物利用的水分; (2) 毛细水是保持在土壤的空隙中可以被植物利用的水分; (3) 重力水是从土壤中排得非常快, 不易被植物有效利用的水分; (4) 永久凋萎点代表毛细水和吸湿水二者间的分界线。因为吸湿水不能被植物利用, 所以土壤含水量持续低于永久凋萎点将导致植物的死亡; (5) 田间持水量代表重力水和毛细水之间的分界线, 它是植物可利用水的上限。
该桶有二个入水口。入水口一为灌溉水, 由电磁阀启闭控制, 即控制系统输出。入水口二为气象降雨量R0, 不可控 (特殊条件下也可能可控, 如市内人工降雨) , 但可以由雨量计测量。需要注意, 降雨量不会全部进入土壤, 植物可能有盖板保护;暴雨会产生地表径流, 被排水系统排走;过大的雨量会产生深层渗漏。因此气象的雨要乘一个系数得到接受的雨量R。
该桶有一个总出水口ET。出水口ET包括前述棵间蒸发和植物蒸腾损失的水量。ET通过气象条件和植物条件计算。气象条件由园区小型气象站提供数据, 植物条件手动输入参数。
控制的目标是将园林植物主要根系吸水层的土壤含水量保持在植物所要求的范围内, 同时减少灌溉。即控制模型保持桶中水位W在水量上限下限之间, 同时尽量减少灌溉。多灌溉可以保证植物需求, 但会浪费水;少灌溉可能导致植物死亡。
图二表示桶的水位控制 (其中灌溉水入水口未画出) 。土壤存水能力有限, 同时水位也不可以降到永久凋萎点, 因此水位0<水位W<桶容量C。当水位W+接受的雨量R>桶容量C时, 水位W=桶容量C。此为计算水位的限定条件。
1.4控制策略
灌溉只能在晚上, 控制策略分为最大灌溉和最节水灌溉。 (1) 最大灌溉策略 (对植物最有利) 下明日灌溉水量I计算:明日灌溉水量I= 桶容量C-灌溉前水位W-明日雨量R。 (2) 最节水灌溉策略 (最节水) 下明日灌溉水量I计算:明日灌溉水量I= 明日蒸散量ET-灌溉前水位W-明日雨量R;明日灌溉用水量= 明日灌溉水量I/ 效率CI/ 喷头分组效率CP;电磁阀开启时间= 明日灌溉用水量/ 对应电磁阀流量。中央计算机会自动根据控制输入及灌溉参数计算每个电磁阀开启时间, 并通过集群控制器控制电磁阀, 完成自动灌溉。
2灌溉实施及节水情况
上海某大型乐园采用的是最大灌溉策略。使用最节水灌溉策略可以进一步提高节水率, 但对植物生长有一定影响。乐园对植物观赏性要求较高, 大部分乐园会采用最大灌溉策略。上海某大型乐园使用最大灌溉策略比人工洒水节水40%。使用自动园林灌溉系统有效的节约了灌溉用水, 降低了成本, 提高了管理水平。
3结束语
综上所述, 基于雨鸟Maxicom系统在上海某大型乐园的实施, 不仅满足了植物需水要求, 同时有效地提高水的利用率, 节省劳务及日常养护开支, 节约水电费, 把园林工人从繁重的灌水工作中解脱出来, 使他们集中精力从事植物的植保、养护等设备无法完成的工作。随着科技的不断进步, 自动园林灌溉控制系统将会有更多的改进, 并更好地降低成本, 提高公司的生产效率、管理水平和竞争力。
参考文献
[1]康绍忠, 蔡焕杰.农业水管理学[M].北京:中国农业出版社, 1996.
[2]许迪, 刘钰.测定和估算田间作物腾发量方法研究综述[J].灌溉排水, 1997, 16 (02) :54-59.
[3]Allen R.G., Smith M., Perrier A., et al.An ｕｐｄａｔｅ for the definitiono freferenceeapotranspiration[J].ICIDBulletin, 1994, 43 (02) :1-34.
土体本构模型研究及自动化技术 第6篇
1 土体本构模型及其发展
本构模型从不同的角度有不同的分类方法，如从静力学和动力学进行分类，有静力和动力本构模型;从材料的力学性质可分为弹性、弹塑性、黏弹塑性和黏弹塑性损伤等模型;从建模数学方法可以分成常规多项式、指数函数、幂函数、微分型、积分型和神经网络等模型。
1.1 静力本构模型
1.1.1 基于弹性理论的非线弹性模型
非线弹性模型理论上可分为以下3类：Cauchy弹性模型、Hyperelastic(Green超弹性)模型和亚弹性(Hypoelastic)模型。在非线弹性模型中最具代表性且应用最为广泛的是Duncan-Chang的E-B/E-μ模型(1963)。1980年Duncan依据许多土类实验研究成果，将E-μ模型修正为E-B模型，此模型能反映土体的主要变形性质，采用加载和卸载模量来部分反映土的非线性性质，所采用的参数具有一定的物理意义，可由一般三轴试验直接测得。但该模型不能反映土的剪胀性，也不能反映中间主应力对应变的影响，因此有一定的局限性。为此，沈珠江等(1986)提出考虑球张量和偏张量相互影响的非线弹性模型，该模型能考虑土体剪胀性。
1.1.2 基于经典塑性力学的弹塑性模型
经典塑性力学建立在传统塑性势假设、关联流动法则假设与不考虑应力主轴旋转等假设的基础上，将应变分成弹性和塑性应变。典型的弹塑性模型主要包括如下几种：(1)假设土体为理想刚塑性体的PrandtlReuss模型、Levy-Von Mises模型、Drucker-Prager模型和Mohr-Coulomb模型等;(2)假设土体为硬化材料，服从相关流动法则，由Roscoe等建立的剑桥(Cam-clay)模型(临界状态模型)，尽管该模型标志着土体弹塑性模型的新纪元，但是还是存在一些缺点。随后许多学者包括Roscoe、Burland、魏汝龙等根据实际情况对模型进行修改，这些修改初期主要体现在屈服面的改善上。1975年Lade和Duncan将土体看成加工硬化材料，提出了Lade-Duncan模型，该模型采用塑性功硬化规律。为了描述反向卸载时的Bauschinger效应和周期循环加载的情况，Morz、Iwan、Dafalias、Dafalias-Herrmann等人发展了各种边界面模型，其中有代表性的是Dafalias-Herrmann模型(1980)。基于经典弹塑性理论的本构模型难以对土体的变形，特别是剪缩(胀)性进行描述，于是许多专家相继提出多屈服面模型，其中主要包括沈珠江南水双屈服面模型和殷宗泽河海椭圆—抛物线模型(仍然采用关联流动法则)，两者都是经典弹塑性模型的改进，但都没有完全抛弃经典塑性力学的有关假设。
1.1.3 基于广义塑性力学的弹塑性模型
为克服经典塑性力学的缺陷，郑颖人等提出了广义塑性力学理论[1]，并在此基础上发展了相应的本构模型，杨光华等也基于广义位势理论提出了多重势面弹塑性本构模型[2]。这两种模型是在完全抛弃经典塑性力学假设的基础上通过数学推导得出的，因此具有更大的适用范围，但在工程应用中还要进一步积累经验。
1.1.4 基于流变理论的黏弹塑性模型
在土体本构模型的研究过程中，黏弹塑性模型在经典Maxwell、Kelvi、Bingham模型的基础上，相继开发了Merchant模型、Schiffman模型、Voigt模型和Lee模型等，同时国内也发展了多个黏弹塑性模型。
与基于元件组合模型相对应的是基于统一本构理论下的统一本构模型。冯明珲在其博士论文中以Miller模型为统一本构模型理论发展的纵剖面，分析了统一本构模型的发展历史;以所能搜集到的各种统一本构模型为横剖面，分析了目前统一本构模型的发展现状。在介绍热力学理论及说明状态方程和内变量的概念之后，对材料变形进行了概念分析，明确了经典强度理论中的变形概念与统一本构理论中的区别，在统一本构理论范围内已不再有屈服面、瞬态蠕变等概念。在统一本构模型中材料的各种变形都同时存在，只是不同变形阶段的分量比例不同，所有变形都将由一套统一本构模型方程同时表示。统一本构模型可以用一套方程描述材料的全部变形过程，这样避免经典强度理论中经常需要进行的各种判断以便按不同的阶段应用不同的本构关系。此外，统一本构模型还发展了正交各项异性统一本构模型。张嘎和张建民在试验基础上建立了一个可统一描述粗粒土与结构接触面力学特性的本构模型。提出了新的建模思路，基于试验得到的接触面本构规律建立了模型的数学公式及参数确定方法。进行了多种法向边界条件下接触面单调和循环剪切试验，采用新建立的模型对试验结果进行了预测，模型预测结果与试验结果吻合良好。该模型参数易于确定，能够统一地描述包括单调与循环加载条件下接触面的应变软化、剪胀规律、异向性等主要力学特性，能够合理地考虑受载过程中接触面的物态及相应力学特性的演化，能够统一地描述低法向应力到高法向应力范围内接触面的力学响应。郭宇峰、吕和祥、冯明珲在已有的统一本构模型的基础上，将粘弹性变形引入到统一本构模型之中，成功地改善了材料过渡段的变形模拟情况。通过Hastelloy-X的变形模拟及与其它统一本构模型的变形模拟比较，证明了粘弹塑性统一本构模型的合理性。
1.1.5 基于损伤力学的黏弹塑性损伤模型
基于热力学定律和Clausius-Duhem不等式，在定义合适的损伤变量的基础上，考虑材料的损伤得出的损伤演化方程在描述固体力学性质发展过程已经发挥了很大的作用，它是联系宏观力学和细微观力学的桥梁。考虑土体的各种损伤并在描述损伤演化的基础上建立土体本构模型具有十分重要的意义，包括谢定义、沈珠江[6]、施健勇等专家都曾对土体损伤本构模型进行研究。
1.1.6 基于破坏力学和复合材料力学的结构性模型
土体是由多种成分组成的复合材料，沈珠江等人定义了能考虑土体颗粒之间胶结破坏过程的结构性模型，其中典型代表就是堆砌体模型和复合体模型。前者假定总的应变增量一部分由有效应力增加引起，可由弹塑性模型计算，另一部分由颗粒破损引起，该模型能反映土体在低围压下的剪胀性，同时还有谢定义、施健勇、张士乔等专家都曾对结构性本构模型进行过研究。王立忠、赵志远，李玲玲[7]，将土体应力―应变关系分成应变软化型和应变硬化型，并分段进行讨论，同时引入损伤比对Duncan-Chang模型进行修正。
1.2 动力本构模型
刘汉龙、高玉峰等对土体动力本构模型进行了深入研究[8]。目前具体建立的动本构模型已多达数十个，大致可分为：粘弹性理论和弹塑性理论。
1.2.1 粘弹性理论
常用的粘弹性理论有等效线性和Masing型非线性模型，前者包括Hardin-Drnevich模型、RambergOsgood模型、双线性模型及一些组合曲线模型等。由于一般的粘弹性模型不能计算永久变形，为此，Martin等人根据等应变反复单剪试验结果，提出了循环荷载作用下永久体积应变的增量公式。其后，日本学者八木、大冈和石桥等由等应力动单剪试验及扭剪仪各自提出了计算永久体积应变增量的经验公式。沈珠江等对等价粘弹性模型进行了较深入的研究。Masing类模型以Hardin-Drnevich曲线或RambergOsgood曲线等为骨干，改用瞬时剪切模量代替前面的平均剪切模量。为使这类动本构模型更接近实测的动应力-应变曲线，很多学者作了大量的工作，如Prevost和Catherine分别对双曲线模型进行了改进;Pyke及王志良等分别对Masing规则进行了修正，以使其能够描述不规则循环荷载作用下土的动本构关系。伊万用一系列具有不同屈服水平的理想弹塑性元件来描述土的动本构关系。郑大同在伊万模型基础上，提出了一个新物理模型，该模型的骨架曲线可为加工硬化状，也可为加工软化状，骨架曲线与滞回曲线的两个分支既可相同，也可不同，而Masing模型只是其中的一种特殊情况。粘弹性理论是目前得到广泛应用，尽管其还存在多方面的不足，如不能考虑应变软化，不能考虑应力路径的影响，不能考虑土的各向异性以及大应变时误差大等，但它毕竟是试验结果的归纳，形式上也比较直观简单。
1.2.2 弹塑性理论
同静力本构模型类似，由于经典塑性理论的缺陷，动力本构模型也走过了从经典塑性理论到广义塑性理论乃至协同的发展道路。20世纪80年代中期，Dafalias提出了边界面低塑性理论，即应力增量与应变增量的非线性理论。考虑到引入增量非线性将增加数值积分的困难，Dafalias将这种非线性限定在流动法则与应力增量方向的相关性上。1989年，王志良在加里福尼亚大学发展了这一理论，建议了一个描述砂土旋转剪切特性的边界面低塑性模型。此外，Hirai及Desai也提出了考虑土循环荷载作用下主应力轴偏转影响的两面模型。除了上述基于各向异性运动硬化塑性理论的模型外，多机构概念的塑性模型也得到很大的发展。多机构概念是由Matsuoka和Aubry提出来的。Kabilamany和Ishihara、Provest、Paster以及Kameoka Zienkiewicz和Chen等，Iai、Matsunaga和Tomohiro等人采用多机构概念分别建立了多种新颖的描述循环加载条件下砂土动本构特性的塑性模型。其中Paster等人的模型很有特色。他们认为材料的变形是由M多个在相应应力状态条件下的独立机构所产生的变形叠加的结果，并提出了广义塑性理论体系。该理论体系不需要明确地定义屈服面和塑性势面，可考虑应力主轴旋转等多种复杂循环动力加载作用条件，并将经典塑性理论和上述边界面模型等视为其特例。Paster等人认为该模型可以在全范围内描述砂土与粘土的动、静力学性态，是当前最简单也是最有效的模型之一。Iai等将土体复杂的机理分为解体积机理和一系列简单的剪切机理，建立了一种考虑动主应力轴方向偏转的影响和液化时剪切大变形的多重剪切机构模型，从实例分析的结果来看，该模型对饱和砂土循环加载动力特性的模拟效果非常满意。从20世纪80年代以来，国内在动力弹塑性模型方面也取得了长足的进展。刘汉龙[9]根据Iai多重剪切机构塑性模型及边界面塑性模型的特点，建立了一个砂土多机构边界面塑性模型。该模型将土复杂的变形机理分解为体积机理和一系列简单的剪切机理。用边界面弹塑性模型模拟多重剪切机构塑性模型中虚拟单剪机构，避免了Iai多重剪切机构塑性模型在利用修正Masing准则模拟虚拟单剪应力-应变关系时确定比例参数的复杂性。根据大量试验资料，建立了液化面参数与归一累积剪切功的关系，能够用较少的参数很好地建立有效应力路径。由于多重机理的特性，该模型能够模拟复杂荷载作用下主应力轴偏转的影响。试验结果表明，应用该模型的计算结果与试验结果有较好的一致性。沈珠江在借用理性力学及内时理论中的减退记忆原理和老化原理的同时，提出了塑性应变的惯性原理、协同作用原理及驱动应力等新概念，在此基础上建议了一个反映砂土在循环荷载作用下的广义弹塑性模型，数值模拟与多种应力路径下试验结果的对比表明了其合理性。谢定义及其课题组经过多年的不懈努力，建立了饱和砂土的瞬态动力学理论体系。
李亮、杜修力、赵成刚、李立云[10]等利用土体的塑性流动理论，提出了基于SMP破坏准则的土体弹塑性动力本构模型，用于描述饱和砂土的动力反应性质。土体总的变形由3个部分组成：弹性应变、与体积屈服机制相关的塑性应变和与剪切屈服机制相关的塑性应变。土体在初始加载与卸载和重新加载阶段性质的差别通过采用不同的模型参数加以反映。通过将应用该模型模拟计算的结果与试验结果进行对比，表明该模型能够较为准确地描述饱和砂土在循环加载条件下的反应性质，具有较少的模型参数，这些参数都可以通过常规的三轴压缩试验和静水压力试验进行确定。同时，该模型的形式比较简单，可用于数值计算中。
1.3 其他本构模型
由于土体结构复杂，性质多样，土体本构模型也是数量众多。其他具有创新性的模型主要包括亚塑性本构模型、矢量本构模型和多重势面弹塑性本构模型等。张坤勇[11]在河海大学ZSY-1真三轴试验仪上进行了主要针对砂土的系列不等向固结后单向加载试验。通过对装样方法的试验验证，表明振捣湿法装样可以有效消除制样所引起初始各向异性的影响。在前人试验的基础上，进一步验证和揭示了土体在复杂应力状态下的各向异性应力变形规律，为建立各向异性模型提供了试验依据。通过对真三轴试验和相关资料试验结果分析比较，表明在三向应力状态下，土体这种非连续介质散粒体材料具有典型的应力各向异性;在复杂应力状态下土体真三轴试验揭示的出土体各向异性基本规律基础上，从柔度矩阵的角度分析各向异性的影响，建立了各向异性的土体本构模型。周建对非饱和土Barcelona模型修正及存在问题进行了探讨[12]。郑颖人、刘元雪[13]从纯主应力轴旋转、纯应力Lode角变化、多种因素变化、排水与不排水等方面较全面地描述了含主应力轴旋转情况下土体的基本变形特性。对当前较有影响的含主应力轴旋转的土体本构模型(基于一般应力空间的土体本构模型、运动硬化模型、边界面模型、土体弹塑性应力应变关系的完全应力增量表述等等)进行了较为系统的评述。提出了含主应力轴旋转的实验研究中存在的核心问题与建立含主应力轴旋转的土体本构关系的根本途径。
俞茂宏、杨松岩、范寿昌、冯达清[14]基于俞茂宏统一强度理论的双剪统一相关和非相关流动的弹塑性本构模型，给出了该统一弹塑性本构模型的有限元实施方法。重点讨论了所谓“奇异屈服面”奇异性的处理方法，定义了两类不同类型的奇异形式，给出了它们的不同处理方法。该方法既直观、简单又便于有限元的实施。其余还有基于广义非线性强度理论的应力路径本构模型(SSPM)。扰动状态概念(DSC)是基于变形材料单元，可被看成是一种由处于相对完整状态和完全调整状态(即所谓的基准状态)的两种基本部分所组成的混合物。在外部荷载的作用下，材料经历由自调整过程而产生的内部的微结构变化，结果使初始的相对完整(RI)状态逐渐转变为完全调整(FA)状态。这种自调整过程可能包含能导致材料微裂纹产生、损伤或强化的颗粒的相对运动，能引起观测响应的扰动，特别是在两种基准状态下的响应。材料单元可观测的平均响应是根据材料在两种基准状态(相对完整状态和完全扰动状态)下的响应通过扰动函数来表达的。研究成果表明：扰动状态概念为工程材料提供了一种统一的本构模拟方法，它包括其他早先的连续介质和损伤模型体系，并把它们作为特例[15]。
秦理曼、迟世春、林皋[16]从热力学基本定律出发，讨论了基于能量耗散的土体本构关系模型及其应用。根据Ziegler正交假定，确定耗散应力空间的流动法则;根据自由能函数确定迁移应力和弹性关系;再通过迁移应力确定真实应力空间的屈服函数和流动法则;最后结合硬化规律，建立完整的本构关系。以Collins提出的各向同性模型(isotropic model)耗散函数为出发点，建立了各向同性本构模型。根据屈服面的几何形状，分析了模型参数的取值范围。通过拟合某筑坝土料三轴试验曲线，提供了确定模型参数的方法。
秦理曼[17]从热力学基本理论出发，研究了土体受力变形过程中的能量耗散函数，据此构造了土的弹塑性模型。模型的屈服轨迹、塑性流动、硬化规律及弹性规律均可通过自由能函数和耗散增量函数推导得到。研究中区分塑性功与能量耗散，引出了储存塑性功的概念，定性地讨论模型参数的物理意义及其取值。并通过拟合三轴试验曲线，确定模型参数;将计算的应力-应变曲线及体变曲线或孔压增长与试验结果比较，验证了模型的有效性。这种本构模型的构造方法掘弃了以德鲁克公设为基础的传统塑性理论，自动满足热力学定律，具有较为严密的理论基础。
史宏彦和谢定义提出的无粘性土的应力矢量本构模型在充分考虑应力的矢量特性基础上，通过将应力矢量的作用效应分解为球应力作用效应与应力比矢量(偏应力矢量与球应力之比)作用效应的叠加，建立了一个全新的、适用于无粘性土在平面应变和三维条件下的非线性本构模型。该模型可以同时考虑应力的数量和方向变化对变形的影响，随适用于单调静荷作用，也适用于往返动荷作用，具有很强的通用性。
2 土体本构模型确定的一般方法和新理论
2.1 一般方法
本构模型确定的一般方法主要包括实验法、工程类比法、组合法、模型辨识、参数辨识、最优化法、神经网络法和数值分析法等。从分析的逻辑上看，本构模型的建立属于典型的反问题，应该应用反问题的分析方法加以解决。实际上，大量模型参数的反演分析文献的出现也说明了人们对模型识别反问题认识的加深。
大多数土体的本构模型是建立在三轴压缩实验的基础上，得到平均正应力p和广义剪应力q为变量的屈服方程，然后用p=σii/3和q=[3(σij-pδij)/2]1/2将这些模型推广到平面应变、真三轴等三维状态，由于这种方法有误差，因此孔亮、张鲁渝、郑颖人采用广义塑性力学方法和变换应力法进行三维化[18]。
模型辨识方法是将常用模型转化成统一或类似的(微分)方程形式，通过具体实验数据或现场测量数据对模型结构进行识别，误差最小的即为需要选择的模型。由于模型辨识难度较大，一般是选定模型后对有关参数进行辨识。
参数识别相对与模型而言比较简单，一般是采用最小二乘或优化方法进行参数识别，由于优化方法众多，这类反演分析应用比较多。
由于神经网络具有很强的非线性映射和鲁棒性、泛化能力，因此神经网络的出现很快就被人们应用到本构模型的建立上，即以通过实验数据建立应力-应变之间的映射。
由于实验中对土体的扰动及实验室内与现场条件的差异，利用现场实测资料，对室内实验进行修正的室内—现场联合的确定土体本构模型的方法是合理的。刘小生、刘启旺、王钟宁、陈宁等提出了联合室内和现场试验综合确定土体本构模型参数的方法，即联合进行室内模拟试验、原位旁压试验和现场大型载荷试验以模型模拟旁压试验和大型载荷试验过程，采用非线性阻尼最小二乘法和遗传算法最优化理论，依据现场实测旁压试验曲线及大型载荷试验实测土体各点的荷载位移关系曲线及土体变形分布规律，进行优化反演分析综合确定土体本构模型参数，从而为考虑土体原位结构性及粒径效应的影响，合理确定覆盖层及大粒径坝料土体的工程力学特性和本构模型参数开辟了新的研究途径。
2.2 本构模型研究中的新理论和新方法
2.2.1 广义塑性力学(Generalized Plastic Mechanics)
郑颖人[1]放弃了经典塑性力学的3条假设，从固体力学原理直接导出广义塑性位势理论，从而将经典塑性力学改造成更一般的塑性力学——广义塑性力学。广义塑性力学采用了塑性力学中的分量理论，能反映应力路径转折的影响，克服了塑性应变增量方向与应力增量无关的错误;要求屈服面与塑性势面对应，而不要求相等，避免了采用正交流动法则引起过大剪胀等不合理现象，也不会产生当前非关联流动法则中任意假定塑性势面引起的误差。郑颖人[1]等还给出了广义塑性力学的屈服面理论、硬化定律和应力-应变关系，并在应力增量分解的基础上，建立了考虑应力主轴旋转的广义塑性位势理论，从而可求出应力主轴旋转产生的塑性变形。通过分析屈服面的物理意义，表明屈服条件是状态参数，它与应力状态、应力历史及材性等状态量有关;同时也是试验参数，只能由试验给出。实际应用表明广义塑性力学不仅可以作为岩土材料的建模理论，而且还可以应用于诸如极限分析等土力学的诸多领域，具有广阔的应用前景。
2.2.2 内时理论（Endochronic Theory)
内蕴时间理论是K.C.Valanis在1971年提出用以描述耗散材料的粘塑性(热力学不可逆)过程的理论。它摒弃了传统塑性理论所采用的单纯用应力或应变空间的点来描述物体所处的应力应变状态的方法，而在内时空间中对物体的应力应变状态进行描述。所谓内时是以应变(或应力)增量的欧几里德模(应变或应力空间中弧长的增量)作为内蕴时间的度量。由于内蕴时间是单调递增的，所以完全可以用它来唯一地确定应力与应变状态。内蕴时间理论不以传统塑性理论所引用的屈服面的概念为前提，但也并不排斥屈服面的存在。利用它甚至可以求得传统塑性理论中屈服面的解析式。传统塑性理论的已有解答只是内蕴时间理论的特解。土是一种耗散材料，在外力作用下产生的粘塑性流变过程是不可逆热力学过程。因此可以用内蕴时间理论进行描述。范镜泓[20]、龚晓南[21]都曾经利用内时理论建立过土体本构模型并获得良好效果。
2.2.3 亚塑性理论（Hypoplastic Theory)
亚塑性理论是20世纪中晚期发展起来的一种基于有力力学的新型连续介质本构建模理论，主要用于刻画无黏性散粒体型土体的非弹性和非线性及剪胀(缩)性特征。到目前为止，已经有多种基于亚塑性模型的土体本构理论，其中比较著名的是Gudehusbauer模型。由于该模型以张量分析为基础，抛弃了经典塑性力学的假设，具有很好的可解释性。国内已经将其应用于沙土和堆石体本构模型的建立，在对Gudehus-bauer模型进行了改进的基础上获得良好效果[22]，目前该理论已经向黏性土体扩展。
2.2.4 广义位势理论(Generalized Potential Theory)
多重势面模型直接从数学原理出发建立本构关系,避开了传统塑性理论中屈服面的概念,为研究岩土工程材料本构模型提供了新的思路传统的土的弹塑性本构理论中需要引入塑性势函数和屈服函数。塑性势函数用来确定塑性应变增量的方向，屈服函数用来确定塑性应变增量的大小。
把塑性应变增量的3个主量dεpi(i=1,2,3)看作为1个三维矢量dεp的3个分量，则可用数学上的矢量拟合法，用3个任意线性无关的三维矢量来线性地表示，这3个线性无关的三维矢量可以选用3个线性无关的势函数的梯度矢量，此即为多重势面理论的思想。
2.2.5 微细观力学（Micmechanics)
从机理上研究土体材料的各种力学性质必须从微细观力学角度出发，目前已经有许多学者利用扫描电镜(SEM)、电子显微镜等设备对土体细微观力学进行研究，并企图建立宏观—细观—微观之间的力学关系。
2.2.6 人工智能（Artificial Intelligence)
人工智能设计领域很多，包括元胞自动机、神经网络、遗传算法、知识推理、数据融合和专家系统等，其中一些已经在土体本构模型识别和参数识别中获得应用，相信随着计算机科学的发展和人们对土体动力行为认识的深入，人工智能技术将获得更大的应用。
2.2.7 多相空隙介质（Multiphase Porous Media)
天然中的土体实际上大多数是一种含水的多空隙介质，因此应用多相空隙介质理论进行本构描述具有可能。文献[23]在混合物理论的框架内，提出了一个处理饱和和非饱和的多相孔隙介质(工程材料)变形和强度本构建模的新方法，并给出了相应的具体描述。该方法将多相工程材料看成由两个层次的3种混合物模型组成，即第一层次的“固相”和“液相”混合物模型，第二层次的由“固相”和“液相”组成的混合物模型，用该模型来模拟要研究的多相工程材料。这里定义的“固相”和“液相”实际上也是由各自组分组成的混合物，用以反映“固相”介质和“液相”介质的不同性质，因此该方法具有一定的普遍性。
3 土体本构模型的建立及有关参数确定的自动化方法
由于土体结构的复杂性，模型的选择应该将定量和定性结合起来，将专家经验和现场实际情况结合起来，将各个阶段和变化情况与具体模型结合起来。随着自动化技术的发展，应用自动化技术建立本构模型和确定模型参数已经得到很大程度的发展。
3.1 模型建立和参数辨识的自动化技术
在模型选择中可以应用模型和参数辨识技术，其中反演模型参数是常用的方法[24,25]，当然也可以联合室内实验和现场测试对模型参数进行确定和优化。由于结构或基础的不同时期，其参数状态和应力历史不相同，因此其表现的力学性质也会有差别，因此采用模型辨识技术具有十分重要的意义。模型辨识包括模型建立的数据挖掘技术和参数确定的最优化的算法，如遗传算法、进化算法和模拟退火算法等。
3.2 神经网络技术
由于神经网络的非线性映射和逼近能力，神经网络技术已经用于拟合试验资料建立土体本构模型。
3.3 数据库技术
由于土体总类繁多，利用数据库建立模型库和参数库对交流研究成果，提高分析速度具有十分重要的意义。
3.4 利用图像自动处理的微结构本构技术
采用图像自动处理，如CT等技术，通过建立土体微结构与材料本构模型的关系，对从本质上建立机理性模型具有十分重要的意义。在此过程中图像自动处理技术具有广阔的用途。
4 结语
由于土体的复杂性，土体本构模型也是复杂的。本构模型的研究需要面对工程实际，因此选择针对具体环境的、能刻画研究对象的应力-应变关系的土体本构模型是进行本构模型研究的最终目的。对本构模型的总结分析是为了了解各种模型的优缺点，为更好地选择和建立新模型服务。由于土体本构模型研究中，目前还存在模型种类多，模型机理不清晰等问题。因此一方面借助有效手段，如现场监测和检测来检验模型的正确性，另一方面，从微细观力学和土体结构出发，开发一种机理本构，这两个方面都非常重要，特别是自动化技术建立本构模型和确定本构模型的参数具有十分重要的意义。
摘要：对土体本构模型的分类、建模理论及其研究方法进行了系统总结和分析,指出土体微细结构、状态参数、受荷历史、应力路径和排水条件等都可能影响土体本构模型的建立及其参数的确定。由于土体本构模型的复杂性,采用先进的自动化与自适应技术建立土体本构模型或对模型参数进行反演具有十分重要的意义,为此在分析本构模型的基础上,对本构模型中应用的自动化技术,包括神经网络、数据库和基于现场实测资料的反演等技术进行了探讨。
