DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 4. 对策 4.1. 术后康复与训练方法 国内多数研究者认为人工全髋关节置换术后患者的康复训练主要应包括肌力训练、关节活动范围的训练和后期步态矫正三部分 [ 4 ] 。患者在髋关节置换术后，及时适量进行力量训练对保持髋关节置换后的稳定性和尽快恢复髋关节功能具有重要作用。陈维华等 [ 5 ] 极力建议患者在全髋关节置换术后应尽可能早的进行肌肉力量训练。从手术后的第一天开始，为了维持和提高患者的心肺功能和非手术部位的运动功能，首先指导患者进行腹部呼吸和肺部呼吸的训练，然后引导患者进行距骨和小腿关节功能锻炼，当患者处于仰卧位时，进行脚趾屈背动作的锻炼；站立位时，对股四头肌、腘绳肌及臀大肌等做离心和向心运动的训练。初期患者主要在康复师的帮助指导下以被动运动的方式进行肌力训练，然后在器械的辅助下进行小强度的被动运动，最后可以做主动的屈伸运动和抗阻运动，逐渐增强患肢的肌肉力量，达到恢复髋关节活动度的理想效果。肌肉训练不仅仅限于术后，有学者认为股四头肌强度和髋关节活动度与术后早期关节功能呈正相关。特别注意，股四头肌功能不全患者应仔细考虑全髋关节置换术 [ 6 ] 。吕汐妍等 [ 7 ] 将98例髋关节置换患者根据术前有无进行康复干预分成两组，试验组在术前接受两周康复锻炼，对照组不作处理，通过对比两组患者术后各时间点的Harris评分、术后3 d患者的康复锻炼依从性和术后初次下地时间，发现术前康复干预能消除人工全髋关节置换患者的恐惧心理及思想负担，提高患者的综合体质，增强髋关节周围肌肉力量，术后对康复锻炼的依从性好，缩短卧床时间，改善早期髋关节功能。因此，为了完善和提高患者的综合体质，增强髋关节周围肌肉力量，术前、术后对患者的肌力充分评估，术前及时进行科学性、有针对性的康复训练，术后积极进行康复锻炼，合理控制处于仰卧位的时间，尽快恢复髋关节功能。袁立等 [ 8 ] 在手术前对患者进行合理的核心控制力量训练，结果发现术前进行运动康复锻炼，有助于术后较早地改善髋关节功能。在关节活动范围训练方面，关节活动度训练是恢复关节功能的基础，但进行关节活动度训练要遵循循序渐进的原则。在保证患者安全的前提下，先在康复师的引导下被动进行训练，当关节功能水平达到一定高度后再渐增大活动范围，进行主动训练，还可应用CPM机进行髋关节的屈曲练习，但应注意避免易使人工关节脱位的动作及体位。如罗世玉 [ 9 ] 应用CPM机对患肢进行被动锻炼，明确规定了CPM机的使用角度，避免假体脱位的发生。后期步态矫正方面，首次全髋关节置换和使用骨水泥固定假体可以尽快进行步态锻炼；使用非骨水泥固定假体进行髋关节置换的，可以适当推迟地面行走的练习 [ 10 ] 。正常人的行走重心由臀中肌向上和向下移动以形成正弦波。臀中肌肌力不足时，在同侧支撑期间骨盆会相对侧倾斜，会影响身体站立位的稳定性。躯干弯曲时，以避免对侧骨盆过度缩小，为了保持平衡，臀肌组织、臀肌步态增加髋部应力，造成假体磨损，从而缩短假体的使用寿命，患者行走时会出现疼痛症状。因此，为了避免了背部肌肉的代偿性活动，及时增强臀中肌肌力是术后恢复步态的重要内容之一。 综上所述，运动康复锻炼在髋关节置换术前和术后的恢复中具有重要的意义。康复过程必须要遵循循序渐进，因人而异的原则，在关节活动度稳定提高的基础之上增强肌肉力量。人工髋关节置换术的早期及术后康复能最大限度地保证手术的效果，基于此前提下加快康复时间，节省医疗费用。 4.2. 术后康复时机与训练方法的选择 在运动康复时机的选择上，要因人、因病情而异，不能盲目求快，导致伤口破裂；也不宜过于谨慎，担心运动后伤口愈合不好。这是因为在关节制动的情况下，关节周围疏松的结缔组织容易变为致密的结缔组织 [ 11 ] 。如果关节缺乏活动，就会引起周围组织的粘连，并直接影响关节的运动功能 [ 12 ] 。因此，早期肌力和关节活动范围的锻炼对于髋关节置换术后患者的康复起到关键性作用。通常在术后1~5 d开始功能锻炼，并制定科学合理的锻炼方法与运动手段 [ 13 ] [ 14 ] 。方汉萍等 [ 15 ] 将90例髋关节置换术后患者随机分为3组(各30例)，分别于术后第1天、第3天、第10天开始康复训练，通过对术后第1、3、6个月末的Harris髋关节评分对比，发现在保证生命体征平稳的前提下，康复训练于术后第1天开始为最佳。运动康复计划的制定要以缓解患者疼痛和促进身体功能恢复为目的，运动康复治疗时机的选择应根据患者的性别、年龄、发病史、生理素质、心理素质以及患处受损情况和日后对髋关节功能的要求不同而定，运动康复的具体方法也要因人而异，遵循个体化原则，及时与患者尽可能多的沟通交流，为解决训练康复中的问题，制定有针对性的功能锻炼计划。在科学性、系统性、专业化和个体化的功能锻炼指导下，不仅能恢复患肢功能，而且能提高机体的心肺功能与运动功能，达到最佳的治疗效果。 髋关节置换术后的康复是一个系统和长期的过程，要帮助患者及时意识到早期功能训练的必要性和重要性，鼓励患者树立积极的康复观念和信心。制定科学、系统的运动康复训练方案，提高患肢的肌力和日常生活活动能力，加快康复进程。减少术后并发症，降低医疗费用，缩短住院时间，最大限度地恢复髋关节置换术后髋关节功能 [ 16 ] 。髋关节置换术后的康复训练能促进术后恢复，提高患者生活质量，同时必须要注意在康复训练时，需有效控制训练量，做到由小及大，循序渐进，避免内收、过度屈曲、伸直，同时患者需长期坚持训练，做到定期复查。在临床护理方面，应注意正确的位置和翻身方法，能有效防止假体松动、脱位等并发症的发生。
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user: 摘 要 随着社会对可再生能源质量的不断需求，仅仅依靠扩大电网规模已经难以满足用户对电能的高质量要求，作为分布式发电的有效载体，智能微网得到了迅速的发展与关注。本文首先扼要回顾了智能微网系统的发展，概述了智能微网的概念以及基础，重点介绍了智能微网的结构体系及建模方法，对多种能源的管理调配方法、智能微网的稳定性及性能进行了分析。最后，描述了智能微网系统目前存在的一些问题，对智能微网系统的发展进行了展望和总结。 关键词 :智能微网，分布式发电，可再生能源，稳定性 Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 4. 展望 4.1. 能源优化问题 微电网的研究过程考虑到系统中存在能量储存或将剩余能量出售给外部公用电网的情况。对于前一种情况，储能系统将自行承担成本，同时也可在一定程度上缓解可再生能源波动引起的不确定性问题，特别是存储容量足够大时的不确定性。至于储能系统的最佳容量，主要取决于能量需求的波动和微电网系统的规模。对于后一种情况，可能必须考虑一些其他条件，例如电价，不同微电网之间的竞争等，这两种不同情况下的优化问题还值得进一步去研究。 可再生能源存在资源可变性，不可预测性和天气依赖性，都成为可再生能源发电与主电网集成的主要挑战，因此这些能源的功率输出可能发生突变，甚至频繁地发生变化，给维持微电网稳定性带来挑战。此外，增加的可再生能源份额或许会导致配电网络拥塞问题，还会有可再生能源发电的间歇性，缺乏调度能力等问题发生。对于微电网中能源生产调度问题，可再生能源发电的统计特性需要更详细的研究，通过分析大量的历史数据验证可再生能源发电的单峰概率密度函数。此外还可以进一步考虑更实际的情况，即能量存储的有限性，这种有限性会导致能源生产的调度策略发生变化，以及如何确定能量存储装置的合适尺寸等其他问题。 传统的能源生产调度方案通常基于对未来需求的完美预测，但微电网的小规模需求难以预测且可再生能源高度波动，因此无法预测需求。此外，尽管热电联产发电机的整合可以通过同时生产有用的热能和电力输出为微电网带来巨大经济效益，从而提高整体效率并带来环境效益，但调度问题却带来新的不确定性：热需求呈现出新的随机模式，使预测整体能源需求变得更加困难。我们考虑用新的灵活的不确定性模型来捕捉净需求和热需求的波动性，主要就是提取参考分布作为有用参考，并允许净需求和热需求的实际分布围绕其参考变化。 4.2. 供需匹配问题 微电网比传统集中式电网方法更具有鲁棒性且成本效益高，但仍需适当关注电力供需负载的有效管理，这相当于匹配发电和消耗概况。具体而言，微电网中使用的发电机或微电源通常是可更新的或非传统的分布式能源，纳入这些可再生资源带来巨大的环境效益的同时也带来了新的挑战：与传统的具有可控发电机的电力系统不同，在具有波动且依赖气候的可再生能源微电网中的发电调度必须应对各种不确定性。微电网中考虑采用分层或分散的需求控制方案，分散控制方案有利于大型复杂系统的分布式控制和管理，这种控制在实施之前需要大量的实验，可能会引入新的安全挑战。分层控制由负责匹配生成和负载的主控制器执行，需求资源在干扰发生下受到控制时的策略通常称为直接负载控制，在直接控制程序中，根据中央控制器和客户之间的协议，控制器可以远程控制家中某些设备的操作。 4.3. 成本优化问题 设想利用控制器和能源消费者场所之间可以进行实时通信的情况来处理微电网系统中央控制器(MGCC)面临的基本问题，即实现电力需求与供应之间的良好匹配，从而优化微电网系统的能源成本。具体而言，发电方面，在每个时间段内，操作员控制器接收具有不同功率级要求，持续时间和时间弹性水平的消费者功率需求，MGCC需要通过按照用户设定的要求优化每个设备的运行时间来最大限度地降低发电成本。在供电方面，MGCC必须集中精力有效管理发电，以便与用户负荷相匹配并保持系统可靠性，考虑利用一种新的不确定性模型来捕捉可再生能源的波动性。具体而言，参考经验分布方法，允许可再生能源的实际分布围绕其变化，开发易于处理的鲁棒优化方法解决问题，从而来降低微电网系统的能源成本。 4.4. 保护问题 微电网的保护是重要的挑战之一，设计一个适合主电网和微电网故障的适当保护系统并不容易，主要原因是系统中的故障电流大小取决于微电网的运行模式，且在并网和孤岛运行模式之间可能会存在很大差异。传统的电力系统已经设计和构建了径向分配系统的单向故障电流，但将分布式电源与微电网并入主电网将会使得故障电流从单向流动到双向流动，微电网通过快速静态开关与主电网系统相连接，从而保护微电网在两种运行模式下都能抵御不同类型的故障。 在低压配电网的保护方面，其馈线是径向的，沿着它们被抽出的负载通常由单向功率流所设计，并具有基于电流辨识能力的过流(OC)继电器。新的标准规定在PCC(公共耦合点)进行测量的强制性电压和频率跳闸设置，微电网控制系统由于电网中的故障而与常规电网分离时由PCC接收/发送的信息应该是快速且可靠的。此外，出现无法正确判别是否处于“非故障条件”情况，电压降容差将与电网分开，因此分析低压保护装置在连接到电网和孤岛模式过程需谨慎。
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user: 5. 结论 智能微网概念已经从愿景逐渐演变为正在慢慢实现的目标。随着技术的发展，设备和系统能够支持更加智能化的形成，具体的能源政策也促进了各国对智能微网的规划。智能微网的固有特性是在需要时提供从电网连接/断开的灵活性，微网的这一特点对提高可靠性、降低投资成本，减少排放，提高电能质量起着重大作用，并可降低配电网的电力损耗。 本文对现有智能微网的技术发展现状进行了描述，并对其结构体系及建模方法进行了介绍。对多种能源的管理调配方法进行了分析。在对智能微网的运行特性描述的基础上，进一步对并网和孤岛形式下的微网稳定性进行了研究。在智能微网中，对发电、预测技术、数据传输和监测技术的控制，被视为智能微网的功能。使用这些功能可以更好完善和提高智能微网技术，但这些功能仍然无法解决所有问题。最后，讨论了实现智能微网技术过程中的一些其它重要问题：能源优化问题，供需匹配问题，成本优化问题，保护问题，以及解决这些障碍的可能性。电力系统面临着向客户提供高效、可靠能源的挑战。主要挑战之一是增加能源需求，而主要能源供应受到限制，需要由分布式能源提供更多的发电。由此带来新问题，如发电不确定和间歇性，这个问题也要求存储单元提供更好的电能质量。解决能源需求问题，可再生能源不确定和不可持续发电问题的更好方法是采取小型子系统方法来满足需求和供应平衡，这是微电网发展和扩张的关键动力。
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user: 摘 要 为了使电枢控制式直流电机达到调速性能良好且便于工程实施的目的，通过对其数学建模并合理简化，得出转速与输入电压之间的传递函数，分别以理论推导和仿真试验得到传递函数中系数的求解方法，并根据所得系数设计出以伪微分反馈控制为算法的控制参数计算方法，据此采用AMEsim软件对直流电机速度响应能力、抗干扰性和鲁棒性能进行仿真分析，仿真结果表明采用伪微分反馈控制算法的直流电机调速系统具有响应快、抗干扰性能好、鲁棒性强等特点。 关键词 :AMESim，直流调速，伪微分反馈 Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 直流电机因原理简单、控制方便等因素得到广泛应用，其中以电枢控制式为典型，在其闭环调速领域出现了各种控制方法，以PID控制为代表。一个好的控制方法，应以控制效果好、使用简单为追求目标，文献 [ 1 ] 采用自适应模糊PID实现了对无刷直流电机的速度控制，但在工程实施时，对技术人员的理论要求较高，且对技术人员的经验水平依赖较强。笔者认为，要对某个对象进行控制，基本前提是对其有充分了解，对直流调速而言，除了知道输入输出之间的定性关系，还需要对这种关系进行量化，这种量化关系应在控制算法中体现，也就是控制参数应依据被控对象的参数进行设计，这样才能做到有的放矢。 控制效果好最基本的要求是响应速度快且无超调，对于一个二阶的闭环系统，当阻尼系数设置为过阻尼或临界阻尼时均不会出现超调，但是过阻尼会影响响应速度，因此为满足响应速度较快且无超调的要求，临界阻尼成了唯一选择，但仅仅依据这一条设计控制参数，还是不能满足响应速度快的要求。我们知道，如果提供给被控对象的能量越大，则响应也越快，但是能量的输出不应超过能量提供单元在线性范围内的最大能力，也就是不能在其饱和区工作，否则容易出现超调。因此选择临界阻尼和能量提供单元在线性范围内的最大能力成了设计控制参数的两条基本依据，正是由于能量的充分利用才使得系统的抗干扰性和鲁棒性得到极大的提升，因为它能对系统外在和自身参数的变化迅速做出反应并抑制。因此以系统外在和自身参数的变化的最大可能情况来进行系统及控制参数设计，就可以实现使用简单的目的，因为参数是一次性设计完成而不需要修改。文献 [ 2 ] 也是采取这种参数设计思想，但是其在参数推导过程中忽略了负载的阻尼系数，实验及仿真表明，负载的阻尼系数与负载惯量相比很小可忽略时，影响不大，但不能忽略时，如果控制参数没有考虑负载的阻尼系数会造成控制超调很大的情况 [ 3 ] 。
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user: 2. 直流电机数学建模及参数辨识 2.1. 直流电机数学建模 电枢控制式直流电机原理如图1所示 [ 4 ] 。 图1. 电枢控制式直流电机原理图 根据图1得到以下三个方程： 电枢回路电压平衡方程： u a ( t ) = L a d i a ( t ) d t + R a i a ( t ) + C e ω m ( t ) (1) 在工程应用中，电枢电感很小，可忽略不计，则式(1)可简化为下式： u a ( t ) = R a i a ( t ) + C e ω m ( t ) (2) 电机电磁转矩方程： T m ( t ) = C t i a ( t ) (3) 电机轴上转矩平衡方程： T m ( t ) = J d ω m ( t ) d t + B ω m ( t ) (4) 由式(2)、(3)和(4)可得到以电压 u a ( t ) 为输入量，角速度 ω m ( t ) 为输出量的微分方程： R a J R a B + C t C e d ω m ( t ) d t + ω m ( t ) = C t R a B + C t C e u a ( t ) (5) 进一步可得到速度对电压输入的传递函数，如式(6)所示： Ω m ( s ) U a ( s ) = 1 a s + b (6) 其中： a = R a J C t (7) (8) 由此看出在对直流电动机进行速度控制时，被控对象可看成一个一阶系统。 以上公式中各符号意义及量纲如下： u a ——电枢电压(V)； ——电枢电流(A)； L a ——电枢电感(H)； R a ——电枢电阻( Ω )； C e ——反电势系数(V∙s/rad)； ω m ——电动机角速度(rad/s)； C t ——电动机转矩系数(N∙m/A)； T m ——电动机电磁转矩(N∙m)；J——折合到电动机轴上的负载转动惯量(kg∙m 2 )；B——折合到电动机轴上的粘性负载阻尼系数(N∙m∙s/rad)。 2.2. 直流电机参数辨识原理 在已知了 C t 、 C e 、J、B和 R a 这5个参数的前提下利用公式(7)及(8)可直接计算出a和b的值，对于实际的电机，往往某些参数的获取很难，这时可用实验的方法来获取，其原理如下：阶跃信号发生器的信号输出至功率放大器，功率放大器再把小信号放大并输出到直流电机的电枢，直流电机轴上连接速度传感器，转速信号通过示波器件以曲线方式显示。 根据以上方法，可得到如图2所示的速度——时间曲线。 图2. 直流电机参数辨识响应曲线 由图2可得到： b = r 0 ω max (9) a = T b (10) 式中 为阶跃输入信号； ω max 为直流电机稳态时的转速；T为当直流电机转速达到稳态值的0.632倍时所对应的时间。 试验时，可给定不同的阶跃输入，获得多条的响应曲线，计算出几组a和b的值，最后再取其算术平均值最为最终的参数。
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user: 3. 伪微分反馈控制参数设计 伪微分反馈控制方法是由美国康奈尔大学R. M. Phelan教授首先提出 [ 5 ] ，针对如式(6)所示的一阶被控对象，伪微分反馈控制方法给出的控制框图如图3所示。 图3. 一阶被控对象伪微分反馈控制框图 图3中R为参考输入， Ω 为输出响应， K i 和 K d 为伪微分反馈控制参数，FCE为末级控制单元(Final control element)，即能量输出部件，其输出最大线性值为 M max 。 在推导伪微分反馈控制参数时，传统的做法是不考虑被控对象的参数b，这在b与a相比较小可忽略时，影响甚小，但当b较大不能忽略时，控制会出现较大的超调，其原因是较大的b吸收了传递到被控量的大部分能量，使得原本响应很快的系统响应变慢，引起控制器发生积分累积，引发过驱动 [ 3 ] ，因此在高精度控制中，需要考虑b的影响，由此伪微分反馈控制参数需要重新设计。 由图3可以得到系统闭环传递函数为： Ω ( s ) R ( s ) = K i a s 2 + ( K d + b ) s + K i (11) 由等极点条件得： K i = ( K d + b ) 2 4 a (12) 系统微分方程： a d 2 ω d t 2 + ( K d + b ) d ω d t + K i ω = K i r 0 (13) 微分方程的解： ω = r 0 [ 1 − ( 1 + K d + b 2 a t ) e − K d + b 2 a t ] (14) 在FCE的线性范围内有： m = a d ω d t + b ω (15) 把式(14)代入(15)，且令 d m d t = 0 ，得到当 t = 2 a K d − b 时，M有极大值，且M的极大值应满足： m ≤ m max (16) 式(16)取“=”时可得到下列公式： (17) 式(17)的lambertw为郎伯W函数，此式与式(12)共同构成一阶被控对象的伪微分反馈控制参数计算公式。
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user: 4. AMEsim直流电机速度控制建模及仿真 4.1. 参数辨识建模及仿真 AMESim是基于直观的图形界面的建模平台，在整个仿真过程中系统模拟可以显示在该平台中，使用图标符号代表系统中的各个元件 [ 6 ] 。采用AMEsim软件进行被控对象参数辨识的模型如图4所示，各模块的参数值见表1。 根据表1可得到下列参数值： ， C e = 1.8   V ⋅ s / rad ， C t = 1.8   N ⋅ m / A ， R a = 0.6   Ω ， J = 5   kg ⋅ m 2 ， ， m max = 100   V 。 图4. AMEsim的直流电机参数辨识建模 Table 1 Module parameter tabl 序号 模块 参数 值 1 step value after step 100 2 saturation minimum permitted value −100 maximum permitted value 100 3 dc motor reference temperature 20 degC armature winding resistance at reference temperature 0.6 Ohm armature winding inductance 0.012 H back EMF and torque constant at Reference temperature 1.8 V*s/rad 4 rotary load moment of inertia 5 kgm**2 coefficient of viscous friction 0.1 Nm/(rev/min) 5 constant constant value 0 6 其他 默认设置 表1. 模块参数表 由公式(7)、(8)及上述参数可计算出 a = 0.175 ， b = 0.222 。 根据图4仿真出转速曲线，并得到如下参数值：稳态时转速为 ω max = 450.797   rev / min ，达到稳态值的0.632倍时的时间 T = 0.79s ，则根据式(9)求得 b = 0.222 ，根据式(10)求得 a = 0.175 。 由此可见采用理论计算与仿真实验得到的结果是一致的，在实际操作中，采用真实实验测量的方法把一切不便测量的产生阻尼的因素均考虑在内，因此结果应比理论计算更加准确。 4.2. 采用伪微分反馈的直流电机速度控制建模及仿真 由伪微分反馈算法构成的直流电机速度控制AMEsim模型如图5所示，图中“step”模块的输入值设置为450，“speed transducer”模块的参数“gain of signal output”设置为“1 min/rev”，由公式(17)与(12)可求分别求得 K d = 0.322 ， K i = 0.423 ，其他模块的参数见表1。 由图6(a)中三条曲线从上到下依次为阶跃输入450、300和150时的速度响应仿真曲线，可以看出系统输出均没有出现超调；图6(b)中三条曲线从上到下依次为阶跃输入450、300和150时的能量输入仿真曲线，可知经伪微分运算之后输入到末级控制单元FCE中的能量在没有出现饱和状态，且在阶跃输入为450时瞬时达到了其线性范围的极大值，说明能量得到了充分利用，这是和设计初衷是相吻合的，另外两种输入下没有达到线性范围的极大值的原因是，伪微分的控制参数 K d 和 K i 是根据阶跃输入的极大值来进行计算的；图6(c)为阶跃输入450时，负载惯量减小100倍时的速度响应仿真曲线，可以看出系统输出仍然稳定且没有超调，即鲁棒性能好，鲁棒性能好带来的最直接的好处是在实际电机控制中，如果没有条件或不方便获取电机及负载的参数时，可以估算一组参数来计算控制参数，用于电机控制，观察响应性能是否满足要求，必要时适当修改控制参数直至满足响应性能要求；图6(d)为在0输入条件下，2秒时叠加10 Nm的干扰负载时的速度响应曲线，可知系统在此干扰负载作用下，速度变化很小，1%左右，说明采用该算法具有较强的抗干扰能力。 图5. 直流电机伪微分反馈速度控制AMEsim仿真原理图 图6. 仿真结果
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user: 5. 结语 任何一种控制效果好的算法都应对被控对象的参数有足够精度的把握，伪微分反馈控制根据被控对象参数设计了一套计算公式，极大地利用了末级控制单元的能量提供能力，而又不超出其能力范围，可以很快地调试出控制参数，避免了参数调整的盲目性，节省时间。 控制参数中体现了末级控制单元在线性范围内的极限输出能力，使得系统的响应速度大大提高；同时设计控制参数时考虑了闭环传递函数中的等效阻尼比为1，可以实现输出无超调，即可使系统输出达到又快又稳的效果。在遇到大阻尼特性机械负载时，由于控制参数考虑了对负载阻尼系数的补偿校正，不会因为较大的阻尼吸收过多的能量而出现响应慢，末级控制单元处于饱和区工作时间较长而造成输出超调的情况。因此，伪微分反馈控制在改善系统响应性、减小超调、系统稳定方面更为优越。
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user: 摘 要 在面部表情生成方面已经有了很多研究，其中有一种是将多个面部表情基通过线性组合来得到目标表情，这也就要求有一种可以自动生成面部表情基的系统来提供所需要的表情基。本文针对人脸结构的特征，将人脸模型转化为三角网格模型，再根据给定的样例表情基生成目标表情基。研究内容主要包括两个主要方面，即将源三角网格的形变表征为仿射变换和通过仿射变换的一致性约束网格形变保证网格形变的连续性。最后仿真结果表明基于样例生成面部表情基系统最终可以成功生成目标人脸模型的表情基并且具有较强的真实感。 关键词 :基于样例，表情基，网格形变 Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 人的面部表情向来都是神秘而复杂的，就像世界名画《蒙娜丽莎的微笑》一样，但同时，人们对于面部表情的探索也从未止步。目前在计算机领域一个非常热门的课题就是用计算机生成面部表情。并且，随着科研学者们的不断研究，目前这项技术已应用在了生活中的很多领域。用计算机生成面部表情这一研究课题无论是在理论研究中，还是在实际应用中都具有十分重要的意义，广泛的应用领域使得它有着广阔的发展前景。 人类具有6种基本表情：高兴、悲伤、愤怒、惊讶、厌恶和恐惧。我们可以将这六种表情称为基表情，而其他的表情都是可以通过这些表情基线性表示 [ 1 ] [ 2 ] ，也就是说如果我们可以获得一个人的六个基本表情的三维模型，那么我们就可以利用它们生成这个人的其他表情。一般来说，我们将基本表情的三维人脸模型称为表情基，因此，如何快速而高效地生成不同的表情基，成为了生成面部表情的基础。本文针对人脸结构的特征，将人脸模型转化为三角网格模型，再根据给定的样例表情基生成目标表情基。如何将给定的样例表情基的面部表情迁移到目标人脸模型并同时考虑到目标人脸模型的个性化特征是其中的关键问题，具体描述如下： 1、量化模板表情的形变 量化模板表情的形变是表情迁移的基础，由于使用三角网格来表征人脸模型，因此模板表情的形变就可以转化为量化网格顶点的形变 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 。首先可以考虑用顶点的位移量来表征形变，但是考虑到模板模型和目标模型的差异，我们就需要按比例来对这个位移量进行缩放。基于以上两个主要因素的考虑，本文选择使用一组仿射变换来表征模板模型各三角网格的形变。 2、使用仿射变换的一致性约束网格形变 为了能尽可能真实的将模板模型的表情迁移到目标模型上，需要在网格形变的过程中添加约束，即仿射变换的一致性。仿射变换的一致性是指如果模型中的多个三角网格共用一个顶点，那么各三角形形变后也应使得公共顶点位于同一位置 [ 6 ] [ 7 ] 。该约束条件可以保证形变后的模型具有光滑的表面。 本文针对基于样例的生成面部表情基系统进行研究，研究内容主要包括将源三角网格的形变表征为仿射变换、通过仿射变换的一致性约束网格形变两个主要方面。
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user: 3. 系统实现 本文中所涉及的系统最终在Unity3D上实现。Unity3D是由Unity Technologies开发的一个让玩家轻松创建诸如三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的多平台的综合型游戏开发工具，是一个全面整合的专业游戏引擎。所使用的编程语言为C#和JavaScript。 3.1. 输入模块的实现 对于系统的输入模块，首先通过从文本框里得到的用户手动输入的文件名称，确定需要读取的目标文件。之后再对这些目标文件的内容进行分析处理。为了保存OBJ文件的内容，系统创建了的一个特殊的类ObjMesh。首先分析OBJ文件的内容，按照相应的规则将顶点信息、顶点法线信息、贴图点坐标信息以及面信息都分别存储在一个链表中，然后将面信息中关于顶点索引部分的信息提取到面数组中以供之后的调用，不同于面信息的处理，对于顶点等信息，需要先对其进行去重处理，再保存进各自的数组中以供之后的调用。对于要生成的形变后的目标模型而言，首先要对它的各种数组等进行初始化，考虑到要生成的形变后的目标模型与形变前的目标模型具有相同的顶点数和三角网格数，因此直接读取形变前的目标模型的相关信息，对要生成的形变后的目标模型的各种数组等进行初始化，之后再将计算得到的顶点坐标和顶点法线等信息重新读入数组。 3.2. 输出模块的实现 对于系统的输出模块，首先通过从文本框里得到的用户手动输入的文件名称，确定新生成的形变后的目标模型要保存的文件名称。之后再对这些目标模型的内容进行分析处理并写入相应的OBJ文件。通过MeshToString函数，将Mesh中的信息按照OBJ文件的相应格式进行改写，最终生成一个包含全部网格信息并符合OBJ文件格式的字符串。最后在检测到用户点击了保存按钮之后，将生成的字符串写入到用户指定的文件中。 3.3. 图形界面 对于系统图形界面是设计部分，Unity3D平台可以直接调用GUI控件完成交互页面的设计，另外还需要考虑镜头和光源的位置，尽可能使得生成的模型清晰可辨，最终的界面展示如图1、图2所示： 图1. 系统界面 图2. 模型生成结果
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user: 4. 结论 本文使用的方法在处理模板模型与目标模型的网格拓扑相同的情况时可以做到完全由计算机自动生成且真实感良好。但是当网格拓扑不一致时则仍然需要对特征点进行手工标记，耗时较久且标记的结果会直接影响最终的目标表情基的生成质量。因此在未来的工作中，可以考虑修改三角网格间对应关系的生成方法，避免大量的手工标记，并且进一步增强生成表情基的真实感。
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user: 摘 要 在非寿险应用研究中，经典的Bühlmann信度模型并不能充分利用数据尾部的信息，且保单之间的风险并不是完全独立的，因而考虑在分位数视角下结合信度理论，综合风险之间存在的共同效应，研究了具有共同效应的分位数信度模型，拓展了经典的信度模型。 关键词 :共同效应，正交投影，分位数，信度模型 Copyright © 2019 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 在保险实践研究中，针对特定的投保人，观察到 n 年的索赔数据 X 1 ， X 2 ， ⋯ ， X n ，假设在同一费率级别中每个投保人的风险水平可用一个风险参数 Θ 来表示，不同的投保人对应不同的 Θ ，且 Θ 的分布为 π ( Θ ) ，以此将风险差异进行量化。我们假设 Θ 的存在性，理想情形下第 n + 1 年应当收取个体保费(条件期望) μ n + 1 ( Θ ) = E ( X n + 1 | Θ ) ，而不是净保费 。 Bühlmann (1967) [ 1 ] 提出无分布信度模型，用经验数据的线性组合 α 0 + ∑ i = 1 n α i X i 来逼近 μ n + 1 ( θ ) ，通过求解下面的期望损失函数： 得到最优信度保费。之后，Bühlmann和Straub (1970) [ 2 ] 将无分布信度模型延伸到自然权重的情形。但这些模型均要求所研究的保单数据独立同分布，同时个体风险之间相互独立，我们期待能够找到一种针对特定环境下对保单进行分组并计算每个保单第 n + 1 年的个体保费 μ n + 1 ( θ ) 的费率厘定方法。因此，Yeo and Valdez (2006) [ 3 ] 通过用随机变量刻画风险之间存在的某种共同效应(例如某种特定环境)，在这种特殊结构下研究了信度保费估计，而后温利民等分别研究了信度模型及回归信度模型在共同效应情况下的信度保费 [ 4 ] [ 5 ] 。更一般地，考虑保单风险之间的相依关系，打破经典的风险独立假设，张强等(2018) [ 6 ] 研究了平衡损失函数下具有相依结构的信度估计。 鉴于保险数据经常具有较强的鲁棒性，存在一些具有强影响的离群点，经典的Bühlmann信度模型并不能有效利用这些离群值的数据信息，而分位数方法能够很好地解决这一问题，Georgios Pitselis (2013) [ 7 ] 在风险独立性的假设下，用分位数技术首次建立了分位数信度模型，阐述了分位数与经典的Bühlmann信度与Hachemeister回归信度模型之间的联系，并将分位数纳入到这两大经典的信度模型中。本文综合考虑数据鲁棒性及风险之间的特定影响效应，创造性地建立了具有共同效应的分位数信度模型，致力于充分利用所有数据的信息，作出最佳的估计，从而实现保险产品结构的优化。
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user: 3. 具有共同效应结构的分位数信度模型 定理3.1：在模型假设1及假设2下，求解最小化问题(1)可得 Ξ P ( Θ ) 的最优线性信度估计为 Ξ ^ ( p ) = Z 1 ξ ^ ¯ ( p ) + Z 2 ξ ^ ¯ ¯ ( p ) + Z 3 Ξ 1 (p) 式中， Z 1 = n S 2 2 ( p ) n S 2 2 ( p ) + S 1 2 ( p ) ， Z 2 = n k ψ 1 ( p ) S 1 2 ( p ) [ n S 2 2 ( p ) + S 1 2 ( p ) ] [ n k ψ 1 ( p ) + n S 2 2 ( p ) + S 1 2 ( p ) ] ， Z 3 = 1 − Z 1 − Z 2 = S 1 2 ( p ) n k ψ 1 ( p ) + n S 2 2 ( p ) + S 1 2 ( p ) . 为信度因子。 其中， ξ ^ ¯ i ( p ) = 1 n ∑ j = 1 n ξ ^ i j ( p ) ， ξ ^ ¯ ¯ ( p ) = 1 k ∑ i = 1 k ξ ^ ¯ i ( p ) . 证明：由引理1及引理3得 Ξ ^ ( p ) = E [ Ξ ( p ) ] + C o v [ Ξ ( p ) ， ξ ^ ( p ) ] C o v − 1 [ ξ ^ ( p ) ， ξ ^ ( p ) ] [ ξ ^ ( p ) − E ( ξ ^ ( p ) ) ] = Ξ 1 ( p ) + 1 n S 2 2 ( p ) + S 1 2 ( p ) [ S 2 2 ( p ) e ′ i ⊗ 1 ′ n + ψ 1 ( p ) S 1 2 ( p ) n k ψ 1 ( p ) + n S 2 2 ( p ) + S 1 2 ( p ) 1 ′ n k ] [ ξ ^ ( p ) − Ξ 1 ( p ， Λ ) 1 n k ] = Ξ 1 ( p ) + 1 n S 2 2 ( p ) + S 1 2 ( p ) [ n S 2 2 ( p ) ( ξ ^ i ¯ ( p ) − Ξ 1 ( p ) ) + n k ψ 1 ( p ) S 1 2 ( p ) n k ψ 1 ( p ) + n S 2 2 ( p ) + S 1 2 ( p ) ( ξ ∧ ¯ ¯ ( p ) − Ξ 1 ( p ) ) ] = Z 1 ξ ^ i ¯ ( p ) + Z 2 ξ ^ ¯ ¯ ( p ) + Z 3 Ξ 1 (p) 定理3.1得证。
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user: 4. 总结 本文在分位数的视角下，结合信度理论，建立了共同效应结构下的分位数信度模型。通过自由选择样本分位点打破了经典的信度模型中数据鲁棒性的弊端，利用随机变量反映风险之间的共同效应，解决实际应用中保单风险并不独立的情形，得到了最优的信度保费，从而降低经营风险，使得保险产品真正回归到保障本质。
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user: 摘 要 作为城市扩展的前沿阵地，城乡结合部无疑是土地资源利用变化最为激烈的地区，也是我国国土部门管理的薄弱环节。本文以南京雨花城乡结合部为例，深度分析这一城乡结合部的特征以及在发展过程期间其土地资源利用的问题，以此为出发点，根据凸显的问题给出了相应的对策，以期对我国城乡结合部土地资源可持续利用有所启示。 关键词 :城乡结合部，土地资源，可持续利用 Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 据国家统计局资料显示，截止2017年，我国城镇化率达到57.35%。随着我国城镇化进程的逐渐加快，原本聚集了社会发展所需的多种资源的城市，其规模和密度达到了一定的阈值，城市土地利用的时间和空间差异性发生着显著变化，城市土地容量供给的有限性和建设用地需求的刚性矛盾日益突出，城市用地范围不断向外围扩张，这就形成了一个城市和农村过渡的区域，这一过渡性区域就是城乡结合部。 城乡结合部作为农村城镇化的缓冲区，承载着尤为关键的历史使命，正是在这里，我国小城镇慢慢地从初期的雏形走向成熟。城乡结合部是农村走向城市的重要通道，它兼有城市和农村的双重特点。它的形成是一个城市动态拓展的过程，不仅协调着资金、劳动力、能源等多种生产要素的配置，而且还是城市外部空间和城乡结合部内部环境之间相互作用的物质和资源流动的聚集地。作为城市扩展的前沿阵地，城乡结合部无疑是土地利用变化最为激烈的地区，也是我国国土部门管理的薄弱环节。城乡结合部是农用地与非农建设用地矛盾、建设用地与绿化用地矛盾、城乡发展矛盾等各地矛盾的集中地，这些矛盾产生主要来源于不同利益主体对土地的竞争。每年有大量的耕地在城乡结合部消失，因此城乡结合部土地问题的解决在很大程度上关系到区域土地资源可持续利用及土地安全。城乡结合部土地资源可持续利用是加快我国城乡一体化进程的关键。本文以南京雨花区城乡结合部土地资源利用为例，通过梳理这一城乡结合部土地资源利用结构的演变过程，剖析南京城乡结合部土地资源利用中的现实问题，探讨城乡结合部土地资源可持续利用的对策，为我国其他城乡结合部土地的可持续利用提供借鉴。
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user: 2. 国内外有关城乡结合部土地资源利用的研究动态 自1970年以来，土地利用变化作为全球变化的重要驱动力，其研究内容和发展方向获得了国内外学者的高度关注。1995年“国际科学联合会”(ICSU)和“国际社会科学联合会”(ISSC)两组织共同拟定并发表了《土地利用变化科学研究计划》，并将其作为全球变化研究的核心研究项目之一，这使土地利用变化成为了各国政府和社会公众的关注焦点。随着城市化进程的加快，城乡结合部大量涌现，其特殊的城乡交错属性引发了一些新的土地利用问题，从而引起了国内外学者对城乡结合部土地利用变化问题的研究。西方发达国家工业发展迅速，工业化、城市化比较早，因此对城乡结合部土地利用问题研究也较早。20世纪初期，欧美等资本主义国家逐渐步入后工业化时代，由于城市土地容量有限，导致其发展不得不向外蔓延，蔓延向城市外围的边缘地带，这一边缘地带在城市化进程中具有重要的战略地位。作为一个特殊区域，很快引起了众多学者的关注。“城市边缘区”(urban fringe)、“边缘城市”(edge cities)、“城市蔓延区”(the area of urban sprawl)、“都市扩展区”(extended metropolitan regions)、“半城市化”(peri-urbanization， desakota)等概念也纷纷被提出，尽管学者们对这一过渡区域的提法各不相同，但对其角色定位却极为相似。1936年德国学者赫伯特·路易斯将城市边缘带定义为：原本处于城市的边界，后因城市的扩张被侵吞成为城市建成区的地区。他指出这一地带的空间结构、住宅类型、基础服务设施等具有独特性，与原城市主城区存在着许多明显差异 [ 1 ] 。城乡结合部就是这样一种土地利用、社会和人口特征的过渡地带，位于城市连续建成区，与外围几乎没有城市居民住宅和非农土地利用的纯农业腹地之间，兼有城市与乡村两方面的特征，人口密度低于中心城市，但高于周围的农村地区。普莱尔在城市蔓延理论和人口统计学理论的基础上，通过对城乡居民、城乡间距离、土地利用等情况进行分析研究，指出城乡结合部被看作是城市高速发展中一个复杂的过渡地带，而且还具有城市的某些功能 [ 2 ] 。S-威特雷等从地理学的角度提出了城乡边缘地带的特征既不完全像城市也不完全像农村，不能简单将其理解为城市内部区域的一种独特景观类型，它也具有农村土地的特征，其土地利用具有二者综合的特点。Brown等综合考虑人口、农业发展、城市化土地利用的时空变化，指出非城市地域越来越有吸引力，城市化的发展促使城市边缘地带和远郊地区形成高密度的开发区域 [ 3 ] 。Verburg等强调不同规模的发展进程驱动着欧洲的土地利用变化，他利用经济学模型和综合评价模型来计算农业区的土地需求量，并把欧洲土地利用变化归结于内部和外部两方面的影响 [ 4 ] 。Svoray等指出城乡交错带作为敏感区域，其土地利用分配是一个复杂问题，它取决于居民区和工业区发展的需要 [ 5 ] 。Simon指出在城市化高速发展的背景下，针对城乡结合部的环境发展问题，提出应根据不同地域因地制宜、富有弹性地规划和发展 [ 6 ] 。Overmars等通过对菲律宾的土地利用状况在时空变化建立模型，用归纳法和推断法，包括影响因子和因果机制来解释土地利用变化 [ 7 ] 。加拿大学者西耶维安以魁北克为研究对象，揭示研究区域的不同景观背景下乡村居民点住宅模式的土地利用变化，提出要发挥土地利用总体规划和乡村景观规划作用来正确引导其发展 [ 8 ] 。 国内对于城市边缘区的研究起步较晚，20世纪80年代后期伴随着国外相关理论的梳理、介绍发展起来的。我国以城乡结合部的概念来代替城市边缘带的描述较多，对城乡结合部土地利用的研究始于80年代中、后期，主要是以某城市为例就城乡结合部的土地利用方面的有关问题进行研究。 张增峰、黄克龙认为城市化进程中城乡结合部产生了土地供需矛盾突出、耕地资源浪费和生态环境恶化等问题 [ 9 ] 。洪敏、陈焕伟等通过对北京海淀区城乡结合部的实证研究，分析了土地利用变化的影响因素，指出自然因素、城市化发展、城市生态环境建设和土地利用政策是影响城乡结合部土地利用格局变化的主要因素 [ 10 ] ；李勇针对城乡结合部某村集体违法用地的行为，借助于历史制度主义的方法进行了制度分析，并提出相应的对策 [ 11 ] ；汤江龙、刘友兆等认为造成城乡结合部土地利用问题的深层原因是城市经济快速发展，开发区过多、过泛和人口的无序增长，分析指出城乡结合部土地利用规划的主要困境是人口数量、建设用地规模、基础数据和基本农田确定困难，通过构建城乡结合部详细的土地利用规划，提高规划的编制技术水平可以解决城乡结合部土地利用规划存在的问题 [ 12 ] 。高颖立足于成都市城乡结合部近年来的土地利用结构变化，利用神经网络模型研究该区域土地利用的数量、用途转入和转出过程 [ 13 ] ；胡雅芬等分析了北京市城乡结合部地区环境秩序问题及成因，指出城乡结合部作为城市发展和农村发展相协调的重要纽带，承载着资源聚合、功能疏解、生态保护、区域发展等重要功能，但随着城市化进程的加快，城乡结合部开始出现发展问题，尤其是环境秩序问题日益突出，给城市可持续发展和城市安全稳定带来很大隐患 [ 14 ] 。王森、韩玲等对城乡结合部土地可持续利用问题展开研究，提出提高城市土地开发利用效益、加强土地节约集约利用对于缓解城市压力、改善城市地域结构有着重要意义 [ 15 ] 。吕萍等指出城乡结合部土地供求状况直接影响土地利用结构，并通过土地价格的变化来反映，进而驱动城乡结合部土地利用发生变化 [ 16 ] ；候海玉、李淑荣等指出城乡结合部作为城市向农村的过渡带，既是城市的边缘区，也是农村的边缘区，其土地利用中存在土地配置不合理、土地市场管理无序、土地产权不清等问题，必须加强土地法治观、运用现代信息遥感技术以及完善土地市场等来加强城乡结合部土地资源的管理 [ 17 ] 。刘玉等以北京海淀区为研究区域，从经济因素、制度因素、规划因素等角度分析，指出这四方面共同驱动城乡结合部土地利用变化 [ 18 ] ；陆传英等集中在城乡结合部问题与对策两个层面，在界定城乡结合部和确定“城乡结合部最终会发展为城区”这一假设的基础上，从经济发展、社会管理、环境治理、文化发展与管理体制等角度，归纳分析了国内学者关于城乡结合部问题与治理对策研究的主要观点国内城乡结合部问题与对策的研究综述 [ 19 ] 。
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user: 4. 城乡结合部土地资源可持续利用对策建议 (一) 严格立法执法，强化城乡结合部土地利用法制管理 严格立法执法，将宏观调控的全国性土地法律和微观补充的地方性法紧密结合，严格检查和控制城乡结合部各种土地利用活动。城乡结合部作为城市和乡村的过渡地带，土地权属问题一直比较模糊，土地管理部门一定尽快依据有关法律法规明晰土地权属，城市土地属国家所有，农村土地属集体经济组织所有。要遵照《基本农田保护条例》，严格非农用地的审批，对于已转移的土地必须做到转移一宗，土地权属就变更一宗，决不允许土地权属模糊不清，对于已申请用作开发但却一直闲置的土地，应依据相关文件给予撤销转移或处罚，使土地的价值及时得到开发和利用。对因乱建乱占造成土地浪费的现象，必须采取行政手段和法律手段加以坚决禁止。依据新的《土地管理法》，从法律的高度切实保护土地资源，杜绝各种形式的土地投机，加强对违法用地的查处力度，以促进土地资源的有效利用和合理流动。 (二) 切实保护耕地，加强城乡结合部土地利用的动态监测 我国采取了世界上较为严格的耕地保护措施，但每年耕地还是在大量减少。这其中很大一部分减少发生在城乡结合部，减少城乡结合部的耕地占用是实施保护耕地战略的有效途径。因此，城乡结合部建立更为详细和严厉的耕地保护措施迫在眉睫。城乡结合部本身是一个动态系统，为更好地把握城乡结合部土地利用的状况和动态变化信息，有必要采用更先进、更科学的动态监测系统来监测，当然监测的手段和方法可以多样化、互补化，随着信息时代的到来，现代计算机、网络以及现代通信技术飞速发展，以计算机技术、地理信息系统(GIS)和全球定位系统(GPS)为支撑的土地管理软件应运而生，把这些最新的科学成果用于城乡结合部土地利用管理上，可以及时了解各种土地信息的变化情况，动态监测如土地用途变更等，并及时、适当地进行宏观调控和管理，如严格控制非农用地审批，使土地管理达到实时、高效。通过信息系统软件分析数据并获取不同时期土地利用的动态变化，从而揭示土地系统形成与演化的特点及其内在机制，为城乡结合部土地可持续利用的规划、设计及决策提供科学依据。另外，对于耕地减少的现状可以通过相关信息手段预测出发展的趋势，对于可能出现的被占用的情况提前预警，便于及时制止土地利用的短期行为或不合理行为。 (三) 加强城乡结合部生态建设，改善土地生态环境 城乡结合部的土地作为国家最重要的有限资源和最大的国有资产的组成部分，其利用和发展必须走一条可持续发展的道路。城乡结合部的生态建设不仅关系到农村自身的环境，还直接影响到城市的环境，要使城乡结合部区域成为城市的生态屏障。树立统一协调的城乡一体化生态建设思路，把生态建设放到更加突出的位置，走城乡结合部开发建设与生态建设相统一、发展与生态容量相协调的城乡一体化道路。对已经形成污染的城乡结合部要下大力气加强环境污染综合治理，增强民众的环保意识，加强环保设施建设，提高环境治理标准，逐步改进城乡结合部的环境质量。以可持续发展理论为指导，实现城乡结合部整体良性循环和经济的持续发展。
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user: 摘 要 大体积混凝土坝施工仿真常常历时数年，需要知道任意给定点的物理量值在某一时间段内的变化情况。为此，采用VB和Fortran混合编程的方法，以动态链接库DLL文件作接口，结合VB时程曲线绘制方法，研制了混凝土坝时程曲线显示模块，作为后处理软件的一部分。该模块可以高效显示混凝土坝任意给定点的物理量值在某一时间段内的变化情况。 关键词 :混凝土坝，Visual Basic，时程曲线，混合编程 Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 等值线和云图都是结构在选定的一个时间点某物理量值的分布图，大体积混凝土坝施工仿真常常历时数年，需要知道任意给定点的物理量值在某一时间段内的变化情况，即时间历程曲线。目前，等值线和云图已有成熟算法，多数后处理软件均具有该功能，而对任意点的时程曲线绘制研究较少，难以满足大体积混凝土坝施工仿真后处理要求。为此，本文研究了从庞大的有限元结果中提取任意给定点的物理量值的关键技术：等参逆变换，采用Taylor展开的线性项进行的逆变换算法编制了Fortran语言的计算程序，实现了任意给定点的结果数据提取。研究图形显示所需的坐标轴自动刻度算法，提出了更为高效简洁的算法。采用VB和Fortran混合编程的方法，以动态链接库DLL文件作接口，结合VB时程曲线绘制方法，研制了混凝土坝时程曲线显示模块。该模块已形成软件，并在大型碾压混凝土坝温度场及温度应力施工仿真中得到应用。
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user: 2. 等参逆变换算法 等参单元是目前有限元软件中最常用的单元，在如ANSYS，ABAQUS，ADINA，NASTRAN 等通用商业软件中具有重要地位，广泛应用在各种十分复杂的工程分析项目中。该变换的特点在于仅能列出正变换的显式 ，而不能列出其逆变换的显式，由于该单元所有矩阵的推演都是在局部坐标系中进行的，一般可以避免逆变换。然而，在某些特殊的情况下，这样的逆变换是无法避免的。例如，在绘制时程曲线时，用户输入的都是任意点整体坐标，因为有限元计算所得结果都是节点值，所以对非节点的点必须进行坐标逆变换求出局部坐标以后再求该点的物理量值。 对于等参逆变换，国内外学者已进行过研究。钱向东、徐燕萍等人运用Taylor级数展开的方法进行了迭代求解 [ 1 ] [ 2 ] ；朱以文等人通过求解9次方程来求解局部坐标 [ 3 ] ；包劲青等人采用几何二分法 [ 4 ] ，避免了求解高维高阶的非线性方程组，但需要修正，以消除畸形单元对所求结果的影响；Murti等人提出过一般性逆变换算法 [ 5 ] ，但过于复杂，实际应用较少。本文采用文献 [ 1 ] 中的用Taylor展开的线性项进行的逆变换算法，该算法作了较大的简化，迭代格式简单明确，有利于程序实现。 如图1所示，对整体坐标中一点 P ( x ， y ， z ) ，其局部坐标 ( ξ ， η ， ζ ) 应符合下式 x = ∑ i = 1 n N i ( ξ ， η ， ζ ) x i y = ∑ i = 1 n N i ( ξ ， η ， ζ ) y i z = ∑ i = 1 n N i ( ξ ， η ， ζ ) z i (1) 式中， 为三维等参单元的形函数矩阵， 为单元节点坐标，n为单元节点数。 图1. 空间八节点等参单元 将方程(1)的 ( x ， y ， z ) 在点 ( ξ 0 ， η 0 ， ζ 0 ) 进行Taylor级数展开，仅保留线性项，其矩阵形式表示为 x ˜ ≈ x ˜ 0 + J ˜ 0 T ( ξ ˜ − ξ ˜ 0 ) (2) 式中， 为对应于 ξ ˜ 0 的整体坐标， ξ ˜ 为对应于 的局部坐标， J ˜ 0 T 为 处的Jacobi矩阵的转置矩阵。由式(1)可直接解出 ξ ˜ ≈ ξ ˜ 0 + [ J ˜ 0 T ] − 1 ( x ˜ − x ˜ 0 ) (3) 式中， 为 ξ ˜ 0 处的Jacobi矩阵转置矩阵的逆矩阵。由式(2)可以建立求解等参单元内任意点 x ˜ p 所对应的局部坐标 ξ ˜ p 的迭代公式 ξ ˜ k + ! ≈ ξ ˜ k + [ J ˜ k T ] − 1 ( x ˜ p − x ˜ k ) (4) 其中 ξ ˜ k 表示 ξ ˜ p 的第k次近似值， x ˜ k 为 ξ ˜ k 对应的整体坐标向量， [ J ˜ k T ] − 1 为 ξ ˜ k 处的Jacobi矩阵转置矩阵的逆矩阵。
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user: 3. 自动刻度算法 时程曲线绘制时，因数据的范围是不固定的，故不能够在程序编制时就确定下来坐标轴刻度。若利用程序根据数据的范围动态调整坐标轴刻度，则设置的刻度很可能不符合人们的读图习惯，所以研究坐标轴刻度标定的程序化是很有必要和意义的。 费海涛、朱连章等人提出的坐标轴刻度规范化处理算法 [ 6 ] [ 7 ] ，使用提供的坐标起点、终点和刻度数推导出了刻度的步长、起点和终点的规范化计算公式，并编制了根据数据变化范围动态设置坐标轴刻度的通用程序。但该算法还有一些不足之处，利用新确定的单位长度、最小刻度值、最大刻度值计算出来的新刻度数，可能与原刻度数并不相等，于是则须在步长不变的情况下重新修正最小、 最大刻度值，故增大了计算量。本文提出了确定坐标轴刻度的简易算法，克服了上述算法存在的不足之处。 坐标轴刻度规范化标定关键在于步长的规范化，因为只要步长确定了最大刻度最小刻度只需根据步长略微调整即可，而一旦这三个量定了以后刻度数就是确定的了。符合人们读图习惯的步长一般为0.1、0.2、0.25、0.5、1，或者是这些步长的下一个或多个数量级的数据。设变量的最大值最小值分别为 v max 和 v min ，则刻度区间为 Δ v = v max − v min 。利用科学记数法 Δ v 可以表示为 Δ v = t ⋅ 10 λ (5) 式中 t ∈ [ 1 ， 10 ) 。 至此，我们已将普通问题转化为已知的特定问题，即根据t值来从集合 { 0.1 ， 0.2 ， 0.25 ， 0.5 ， 1 } 中选定步长 t s t e p ，则原问题规范化步长为 v s t e p = t s t e p ⋅ 10 λ (6) 求出规范步长 v s t e p 以后，利用 来对原始最大最小值 和 v min 进行调整，即求刻度的起点和终点。 n ⋅ v s t e p ≤ v min n ∈ N (7) m ⋅ v s t e p ≥ v max m ∈ N (8) 分析可知，求出满足式(7)的n的最大值 n 0 ，和满足式(8)的m的最小值 m 0 ，也就求出了刻度的起点和终点，分别为 n 0 ⋅ v s t e p 和 m 0 ⋅ v s t e p 。而刻度数为 k = m 0 − n 0 (9) 综上可见，本文算法简洁高效，便于程序实现，省去了文 [ 7 ] 中的反复修正的繁琐过程。