关键词： 抗震
安全性能评估（精选十篇）
安全性能评估 篇1
在工业控制领域,安全仪表系统是过程控制的重要组成部分,是企业实施风险管理与降低风险的重要手段。然而,在国、内外现行的标准中并没有明确给出计算安全仪表系统各项性能指标的统一方法,这种情况严重削弱了标准化带来的益处。为此,笔者基于白盒测试的思想把安全评估方法抽象成具有特定功能的模块并对其进行测试,以衡量各种安全评估方法的适用性。
1 安全完整性等级与安全仪表系统
安全完整性等级(SIL)是设计安全仪表系统的重要依据,是衡量安全仪表系统运行水平的重要指标。IEC 61508对SIL的定义是:在一定时间、一定条件下,安全相关系统执行其所规定的安全功能的可能性。选择安全完整性水平的目的是通过降低风险发生的概率,把系统的风险降低到可以接受的水平。从另一方面讲,每一个SIL值代表一个风险降低的数量级,如一个SIL2的安全功能装置能使一个事故发生的频率降低两个数量级。有关于SIL的各种术语中,要求时失效率PFD是一个重要概念,选择安全完整性水平的实质就是选择要求时失效概率PFD的数量级。
SIL贯穿于安全仪表系统的整个生命周期,将安全仪表系统生命周期的3个阶段(分析阶段、实现阶段、运行阶段)有效地联系起来。在分析阶段,设计人员根据需要降低的风险为安全仪表系统中的某个安全仪表功能选择适当的SIL,然后选择能够满足结构约束条件的结构,并采用定量或定性的方法确认系统由于随机硬件失效引起的安全功能失效的概率是否能够满足要求的目标失效量,即某一安全功能的PFD值。
目前有关SIL采用的IEC 61508、IEC 61511、ISA-S 84.01和GB/T 20438标准中,各种定量和定性方法差异较大,而且没有明确给出在何种情况下采用什么方法来选择和验证SIL水平,过高的SIL水平会造成安全仪表系统的投入、产出比下降;而SIL过低的安全仪表系统则不能满足安全要求。笔者选择几种主流定量或定性的选择、验证SIL方法进行对比分析,并根据结果确定该方法在何种情况下具有较高的置信度。
2 安全评估方法简介
安全仪表系统的生命周期中,在分析阶段为安全仪表功能选择适当的SIL水平,在实现阶段确认某个安全仪表功能是否达到要求的SIL水平是一个十分重要的环节。在各个标准中采用的方法主要分为定量和定性两种。
2.1 定性计算SIL等级的方法
2.1.1 风险矩阵法
风险矩阵法是一种基于分类的方法。首先创建一个矩阵,后果和可能性分别构成矩阵二维坐标中的一个,矩阵元素对应一个SIL等级。确定哪个元素对应于选择的后果和可能性分类,该元素就是要增加的安全仪表功能必须达到的SIL[2]。
2.1.2 风险图法
风险图法可以通过对与工业过程和基本过程控制系统有关的风险因素的了解,来确定安全相关系统的安全完整性等级[2]。
2.1.3 保护层分析法
保护层分析法(Layer of Protection Analysis,LOPA)主要用于分析阶段的系统风险分析。在使用该方法确定SIL等级时,使用者首先确定每个保护层降低的风险,然后得出安全仪表系统所要降低的风险,即SIL值[3]。
2.1.4 基于专家经验的方法
基于专家经验的方法主要是基于具有一定专业知识的技术人员依据个人经验,与以往类似系统进行对比分析后确认安全仪表功能是否达到设计的SIL水平[4]。
2.1.5 失效模式和影响分析
失效模式和影响分析(Failure Modes and Effects Analysis,FMEA)由系统内所有部件的一个详细列表开始,一次一个部件地分析整个系统。FMEA是自底向上的方法,不能得出明确的PFD[1]。
2.2 定量计算SIL等级的方法
2.2.1 故障树分析法
故障树分析是一种自顶向下识别系统故障的分析方法,它把系统故障状态或故障事件作为故障树的顶点,然后找出导致故障或事件的全部因素,依此类推,直至找到故障机理或概率分布都是已知的因素为止。
2.2.2 可靠性框图法
可靠性框图是用图形的方式来表示系统内部组件的串、并联关系,将表决方式的链接关系也转换为串、并联方式,从而得出系统PFD。
2.2.3 马尔可夫模型法
马尔可夫模型是将系统归于不同的若干状态,每个状态会以某种概率转移到其他状态,进而得出系统某个状态在某个时间段的失效率。
3 功能安全评估方法性能分析
借助于白盒测试的思想,计算SIL等级的各种方法可以看成是具有特定功能的模块,各种输入信息通过模块分析处理后得到相应的输出信息[5]。输入的信息可以是定量的,也可以定性的。分析处理过程则是基于专业人员的判断或者是严格的数学计算,处理的结果可以是直观的SIL等级或者是可以转换为SIL的PFD。
3.1 输入信息对比
笔者对SIL分析处理过程需要的各种输入信息进行对比分析(表1),主要包括系统结构、失效模式、失效影响及维修策略等。
注:a.必要的系统基本布置信息;b.带有诊断功能的系统;c.必要的诊断和维修策略。
分析表1可以得出以下结论:
a.定性方法,如专家法一般不需要详细的系
统结构信息,但需要有明确的安全目标;而FEMA法则正好相反,其目的并不是获得具体的安全目标,而是全面地分析系统每个元件的失效模式及其产生的后果。
b.定量方法,如可靠性框图法只需要系统功能级或部件级的信息即可;而故障树法或马尔可夫法要想获得更为准确的数据,则需要系统元件完整的信息。
c.在测试和维修时,故障树和马尔可夫模型法获得的结果能更真实地反映实际情况。
3.2 分析处理过程
对上述获得SIL方法的处理过程进行对比分析(表2),表2中序号表示各项工作在每种方法的顺序,F1为允许风险频率,Fnp是SIL的要求率。
注:a.采用技术是否符合设计要求;b.依据使用者的经验选择;c.Ft/Fnp;d.依据专家个人经验得出SIL水平。
分析表2可以得出如下结论:
a.有些定性方法(如风险图法、风险矩阵法及专家法等)处理过程首先从确认安全指标开始;有些方法从系统失效或可能造成的危害开始(如故障树法和LOPA分析法);有些方法从元件列表开始(如FMEA);另一些则从系统功能分析开始(如可靠性框图法)。
b.对于定量分析法来说,确认系统失效造成的影响及其失效数据是必不可少的。
c.故障树法和可靠性图法处理过程一致性强,人为因素干扰小,所得结果的统一性好。3.3输出信息分析输出信息表(表3)可以得出:每种方法得出的结果在特定的应用环境下都具有较高的置信度,不同的应用环境下各种方法的有效性并不一样;定量方法得出的结果通常都可以验证系统SIL的有效性;对于由定性方法得出的结果,一般需要对结果进行校准(校准采用的方法必须一致);运用某些方法后(如FMEA、LOPA),可以获得详细的系统文档。
注:a.非规范文档;b.根据不同顶事件得出不同结果。
4 结论
4.1 笔者介绍的几种验证SIL的定量方法还可用于计算安全仪表系统其他的一些可靠性指标。
4.2 定性方法依赖于使用者的个人经验以及是否有类似的在役系统可供参考,定量方法则依赖其数学模型的准确性、适用性和所需数据是否清晰准确。
4.3 通过FMEA分析法可生成详细的安全系统文档,有助于生命周期中其他工作的展开,为定量分析提供有效的数据。由于系统中每个元件均被看作是独立的,因此FMEA分析法并不能识别复合失效或共因失效。
4.4 故障树法适合在已知事故后果的情况下,逐步向下寻找引发事故的一系列原因,是一种演绎的分析方法,因此对于故障树来说选择一个合适的顶事件尤为重要。
4.5 与其他验证SIL水平定量的方法相比,马尔可夫模型法涵盖了系统的多个可靠性指标(如系统失效率、失效模式、测试周期及维修周期等)的同时,也带来分析过程复杂及计算空间爆炸等问题。
4.6 对比各种评估方法,马尔可夫模型最为复杂而定性的方法则最为简单,而且模型越复杂其
模型描述能力也越强。
摘要：针对安全仪表系统的各种安全评估方法适用性不明确的问题,基于白盒测试思想把安全评估方法抽象成具有特定功能的模块,测试该模块的过程就相当于衡量各种安全评估方法适用性的过程。最后,由比较结果给出各种安全评估方法的适用范围及其在特定环境下的置信度。
关键词：安全仪表系统,安全评估方法,白盒测试,适用范围,置信度
参考文献
[1]白焰,董玲,杨国田.控制系统的安全评估与可靠性[M].北京:中国电力出版社,2008:2-4.
[2]IEC 61508,Functional Safety of Electrical/Electronic/ Programmable Electronic Safety-related Systems[S]. Geneve:Bureau Central de la Commission Electrotechnique International,2000.
[3]白永忠,党文义,于安峰.保护层分析——简化的过程风险评估[M].北京:中国石化出版社,2011:14 -25.
[4]Marszal E M,Fuller B A,Shah J N.Comparison of Safety Integrity Level Selection Methods and Utilization of Risk Based Approaches[J].Process Safety Progress,1999,18 (4):189-194.
Spacer评估主要性能指标 篇2
评价SPACER的性能指标，主要有三个方面：
1.平均粒径和Cv值
2.物性参数，包括硬度，回复性和破损力等 3.工艺实施的宽容度和兼容性
对以上各点分析如下：
1.因为数据来源于统计，基于较大的样本量（每次统计个数超过2万），国产的水平与积水等同，略好于早川，这是因为各自的工艺方式不同，早川目前主要采用的悬浮聚合法很难得到均一分散的Spacer，Cv值的优化过多依赖于筛分工艺，导致要做到更好的粒径的分布，则需要付出更多的时间及成本
另一方面，单看统计数据并不足够，当样本量过大时，简单的统计分布会忽略掉个体的影响，Spacer中一定会存在微小比例的超大或超小的粒子，有时会显著影响LCD的特性，相对这方面的工作积水最成熟，指标也最好；纳微居于中间；早川限于技术特征，同样敬陪末座
顺便提一句，早川的Spacer粒径并非标准正态分布，这个对整屏工艺有影响
2.物性参数而言，早川产品基于材料不同，目前是行业内将指标做得最高的，硬度最大，回复性最好，破损力最高
纳微产品则在兼容性方面做了最多的工作，有跟随积水不同系列的产品，物性参数的接近度达到98%；亦有跟随早川的产品，物性参数的接近度可以达到90-95% 一般而言，指标越好，盒厚控制越容易，热压工艺宽容度越高，另一个角度，技术人员的偏好不同，因为大的物性指标会带来喷粉密度减少，调盒压力上限下移等影响，对工装的要求可能升高
前面的回复中有同事提到硬粉容易中间开花，其实比较好解决，降低粉密度或调整边框或降低调盒压力都可以得到较好效果，不过，这种思维对研发人员的影响是全行业的 客观的说，三种塑胶Spacer，不管何种物性参数，都能够适用，中间开花基本不是Spacer 本身导致的，但萝卜青菜，各有所爱，关键看你的工艺配合和个人偏好
3.其实第二条基本就已经回答了工艺宽容度问题，但Spacer属于LCD中涉及工艺流程较多的材料，不单是盒厚控制，还有几条需要注意： a.喷粉
湿喷特性三家大同小异
干喷特性，起电方面，纳微优于积水，积水优于早川 电量稳定性：同样是以上顺序
但易起电，也同样会难于消除静电，所以干喷机，传送装置的处置方面，反过来早川更容易进行 b.粉移动 这个也有同事提及，总体而言，粉与PI的粘附，在不使用特别方式（如：粘性球）时，取决于静电和两种材料之间的微小化学力
所以，同一款Spacer，在不同厂家的移动表现不一致，个人倾向于PI材料的特征和固化工艺也会影响粉的移动，而且这个影响是较大的 c.超声清洗
尽量在低功率下清洗，这个基本是行业共识，相对回复性更好的产品，在超声清洗中的问题较少
d.贴片或装机按压
当然是物性指标高的产品易于得到更好的贴片（耐压）及装机（按压彩虹）效果，但 这会减少前文中所述的工艺宽容度，因为必须加大喷粉密度 也有厂家逆向而行，使用最软最不容易反弹的产品进行
重卡外气动性能评估与优化 篇3
（东风汽车有限公司 东风商用车技术中心，武汉 430056）
节能、安全与排放是当今汽车工业的三大课题，而汽车空气动力学特性与这三大课题紧密相关。汽车空气动力学特性直接影响着汽车的动力性、燃油经济性、操纵稳定性、舒适性和安全性，因此，汽车空气动力学特性已成为评价汽车造型优劣的重要依据。
空气动力学的研究主要有两种方法：第一、进行风洞试验；第二、通过CFD软件进行数值模拟。风洞试验能够得到具有较高可靠性的结果，但是它也有诸如成本高、周期长等局限性，而这显然不能适应不断变化的市场需求。随着计算机技术的迅猛发展，通过CFD软件进行数值模拟由于其计算精度接近风洞试验，而又大大缩短了设计周期的优点，从而被广泛的应用。
本文论述了用格子—玻尔兹曼方法（LBM）计算整个卡车的外流场特性。这种方法允许保留所有的几何细节包括最小的元件如管子和电线。几何可以包括外部和内部的部件。表面/气流的相互作用和自动格子生成方法可以使仿真准备时间大大缩短。同时，该方法高数值效率允许使用大规模的单元，因此会有较高精度的结果。本文仿真计算是采用商业LBM算法软件PowerFLOW来进行的。
1 数学模型
流体仿真一个主要的困难就是难以足够离散化流体区域，同时解析复杂几何的表面细节。在工业应用上最多的纳维—斯托克斯方法对实际计算的网格质量和尺寸要求较高。这些要求是有限体积法特性的直接要求，有限体积法是 N-S方程数值求解采用最多的方法。该方法利用压力修正运算法则来保持质量守恒。压力修正是一个数值庞大的交互过程，因此限制了用来实际计算的有效网格尺寸。为了限制单元数量，一般采用非结构化网格，可以离散复杂几何同时保持较少的单元数。非结构化网格形状的变化导致结果不可避免的依靠网格尺寸和质量。在过去这些年N-S方程求解的网格产生法则已经有所提高而且相当多的过程是自动的。然而，几何表面的准备和许多网格生成程序仍然需要用户参与。这部分工作量仍然很大，而且比较强的依赖于网格划分者的技能。全部划分网格过程限制几何细节的水平，在实际使用和大多数项目中，需简化几何以降低准备时间，保证产品设计节点。
格子—玻尔兹曼方程（LBE）求解是维纳—斯托克斯求解的一个替代。它们不需要任何特别的交互程序且能实现质量、动量和能量守恒。因而，LBE求解在数值上非常有效且稳健。增加的数值效率允许操作数量非常大的单元（或voxels）。另外，玻尔兹曼方程的特性提高了流体与壁面的相互作用。表面单元（或者surfels）用来设计作为有效单元与相邻格子单元交互作用。大量的格子和动态表面处理的组合允许不需几何简化就精确的表示曲面。
2 格子—玻尔兹曼方程的原理
玻尔兹曼方程可以写成下述的形式：
其中f为速度分布函数，Θ为碰撞算子。玻尔兹曼方程的格子形式可以表达为各个状态下的可能分布的一列代数方程：
其中碰撞算子用BGK形式［1］建模：
平衡分布函数 fi（0）为速度的扩展［1］：
可以表明玻尔兹曼方程不再屈从于N-S方程。更精确的说，N-S方程代表玻尔兹曼方程在小Knudsen数上的子集。玻尔兹曼方程求解一个好的特征是通过执行所有状况下的碰撞都等于零来自动实现质量和动量守恒的：
湍流影响采用以原来的RNG公式［2，3］为基础的修正的k-ε模型建模：
无量纲系数的值与起初模型的公式［2，3］中的值相同。以LBE为基础的湍流波动描述包含流动过程和回流信息，包括高阶项来解雷诺压力的非线性［4］。这与趋向于使用以雷诺压力模型为基础的常规线性涡流黏性典型的N-S求解截然不同。
3 仿真计算及改进
3.1 仿真模型
建立了详细的整车模型，包括车身、外饰件、车架、底盘（包括了发动机、变速箱和冷却系统）、前轮、油箱等。整车模型如图1。
3.2 计算边界条件
计算边界条件见表1
表1 计算边界条件
3.3 计算结果及分析
经过迭代计算后，得到流场结果，压力分布如图2～图6所示。
从图2整车表面压力云图可以看出，车身正面、遮阳罩、后视镜，货箱正面均出现高压力区，这些高压区的产生将导致整车风阻的增加。
从图3可见，后视镜存在过大的压力滞止区，而且使得过多的气流从后视镜外侧流过，可以通过改进后视镜的结构减小压力滞止区和后视镜尾流的大小。
图4为遮阳罩局部的压力云图，可见由于台阶和正面高压冲击的影响，遮阳罩附近存在明显的流动分离，可以优化遮阳罩的形状来避免高压冲击和边角流动分离，更改台阶的形状来减少台阶下游的流动分离。
图5为货箱正面的静压云图，可见由于流动气体直接冲击货箱的上边角产生了流动分离，这可以通过优化顶部导流罩角度、长度和半径来减小流动滞止区。后扰流板的后缘边角导致货箱边角出现较大的流动滞止。
图6是货箱侧面的静压云图，可见货箱侧边的流动滞止区只有很小的压力增加。此处不是必须要进行优化的，但在后视镜尾流减小，并且更改顶部导流罩之后侧边的流动滞止区可能会增大。
3.4 结构改进及效果对比
通过以上的分析，结合实际情况，对顶导流罩结构部分曲面的曲率进行调整，改型后整车风阻相比改型前下降7.4%。
从图7可以看到，改型后车身与货箱间的流速明显下降，相应的空气动能大为降低，而图8显示，货箱前部顶端部分压力同样明显下降。
从图9可以看出，改型后货箱正面高压区明显减少，这也是导致风阻系数降低的主要原因。
4 结论
应用数字仿真方法对某款重卡进行外流场分析，得到整车表面的压力分布、流场速度、整车的风阻系数等重要气动参数。根据流场特性，对局部区域的结构进行改进，改型后整车风阻，系数降低7.4%，事实证明应用数字方法进行整车气动特性分析与改型，对降低开发成本，缩短开发周期，减小风阻降低用户后续使用费用，进而提高产品综合竞争力具有重要意义。
［1］D.d’Humieres，P.Lallemand and Y.H.Quian.Lattice BGK models for Navier-Stokes equations［J］.，Europhysics Letters17（6）：479-484，1992.
［2］V.Yakhot，and S.A.，Orszag.Renormalization Group Anal ysis of Turbulence.I.Basic Theory ［J］.J.Sci.Comput 1（2），3-51，1986.
［3］V.Yakhot，V.，S.A.Orszag，S.Thangam，T.Gatski，and C.Speziale.Development of turbulence models for shear flows by a double expansion technique ［J］.Phys.Fluids A 4（7），1510-1520，1992.
安全性能评估 篇4
为解决我国建筑外墙外保温系统的防火安全性能评估技术问题,公安部天津消防研究所承担完成了公安部消防局重点攻关计划项目《建筑外墙外保温系统防火安全性能评估》,该项目成果已通过专家验收。
该项目以我国当前建筑节能中所使用的各类 保温材料和制品为目标,采用小尺度、中尺度和实尺度等多尺度试验相结合的方法,对模塑聚苯乙烯泡沫、挤塑聚苯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫、酚醛泡沫、岩棉等常见保温材料进行中小尺度的燃烧特性评估,研究了不同防护面层对聚苯乙烯类和聚氨酯类外保温系统整体防火性能的影响;以我国目前市场常见的各类保温材料为基础,选取薄抹灰、厚抹灰、保温装饰一体化、幕墙保温及防火隔离带构造等类型构成外墙外保温系统,进行了实尺度的防火安全性能测试,得到了系统试验数据和评估结论。
安全性能评估 篇5
特征点提取技术一直是摄影测量和计算机视觉的研究热点.从兴趣算子的角度研究了几种主流特征点提取算法,通过大量的实验,从速度、精度、适应性方面,定量地比较和分析了各算法性能、优缺点和适应环境,针对特征点分布欠均匀的`问题,提出改进措施,并取得了较理想的结果.
作 者：张春美 龚志辉 黄艳 ZHANG Chun-mei GONG Zhi-hui HUANG Yan 作者单位：张春美,ZHANG Chun-mei(信息工程大学,测绘学院,河南,郑州,450052;73603部队,江苏,南京,210049)
龚志辉,黄艳,GONG Zhi-hui,HUANG Yan(信息工程大学,测绘学院,河南,郑州,450052)
刊 名：测绘科学技术学报 PKU英文刊名：JOURNAL OF GEOMATICS SCIENCE AND TECHNOLOGY 年，卷(期)： 25(3) 分类号：P231 关键词：特征点提取 性能评估 重复率 局部熵
安全性能评估 篇6
关键词：仿古石塔,石斗拱,结构安全性,抗震性能
0 引言
我国是一个历史悠久、幅员辽阔、山水众多的国家, 随着我国经济文化和旅游事业的发展和提高, 在我国大江南北, 都新建和开发了不少的园林景点。在这些园林景点中, 存在着各种各样的仿古建筑。园林景点中的这些仿古建筑主体多为石混或钢筋混凝土结构, 主要是利用钢筋混凝土梁柱的刚性节点代替木结构的各式榫卯结合, 能获得较大的刚度、强度及整体性, 提高了其承载力与抗震性能, 而后在外部装修装饰上采用传统古建筑的造型, 从而达到建筑上的仿古目的。
1 石塔概况
本塔矗立于县城北山之巅, 外围轮廓呈八角形, 现为7 层7 廊石砌体与钢筋混凝土混合结构的仿古建筑, 石砌墙体、现浇混凝土楼板、屋盖; 塔身承重墙体采用外墙面铺浆砌筑较为平整的细料石、内墙面铺浆砌筑表面稍加修整的平毛石, 并在内外墙面中空浇筑细石混凝土; 每层在塔身西侧沿内壁布置弧状旋转式现浇钢筋混凝土楼梯。经现场测绘, 塔身各层高度如下: 室外地面至室内地面高为1. 5 m, 1 层~ 7 层层高为3. 2 m, 5 层楼板到塔顶高为6. 0 m ( 未包括塔尖) , 该塔室外地面至塔顶 ( 未包括塔尖) 的总高度为25. 2 m。该塔身平面内径为一直径6. 5 m的圆筒, 外围轮廓为正八面体, 底层塔宽8. 0 m, 顶层塔宽为7. 2 m, 层层缩进; 1 层墙体厚1. 4 m, 2 层墙体厚1. 3 m, 3 层墙体厚1. 2 m, 4 层墙体厚1. 1 m, 5 层墙体厚1. 0 m, 6 层墙体厚0. 9 m, 7 层墙体厚0. 8 m, 每层墙体外边均向内缩近0. 1 m。石塔立面见图1, 石塔标准层建筑平面见图2。
该塔建于1988 年, 在使用过程中于2012 年3 月份期间3 层、4 层外廊石斗拱挑梁局部断裂, 共坠落4 处, 产生安全隐患。为确切的了解该塔的结构安全性能及斗拱的坠落原因, 我院相关技术人员对石塔进行上部结构安全性分析及抗震性能评估。
2 石塔结构安全性分析
2. 1 挑廊板结构分析评估
现场分别对转角石柱斗拱梁处挑檐结构做法、转角石柱左右两侧斗拱梁处挑檐结构做法、门洞处挑檐结构做法、外挑走廊结构做法进行全面检查, 主要斗拱挑檐做法大样见图3。
现场检查该塔外廊采用挑板结构, 外廊挑板采用不截断的连续配筋方式与室内楼板相连; 现场采用非金属板测试仪检测挑板平均厚度为150 mm, 采用钢筋扫描仪检测挑板板面受力钢筋平均间距为150 mm; 现场采用剔凿法检测到的挑板板面受力钢筋规格为14。挑板外挑结构分为外挑走廊及挑檐两部分, 其中外挑走廊宽度约0. 9 m, 外挑走廊外侧设置挑檐, 宽度为0. 6 m, 做成坡屋面形式, 上铺红色琉璃瓦, 使自然排水及建筑美观巧妙地融合在一起; 在挑板上距外墙700 mm处布置与外墙平行的走廊挡板, 在每段走廊挡板上设置3 根截面尺寸为250 mm ×200 mm、高度为500 mm的钢筋混凝土短柱, 短柱上平铺一道截面尺寸150 mm × 200 mm的钢筋混凝土拉梁, 拉梁与挑檐斜板相连。
根据现场挑板检测的截面尺寸、挑板混凝土强度等级并考虑挑檐上各种装修、装饰荷载的作用, 对挑板承载能力进行计算分析, 挑板实测截面配筋满足结构承载能力及正常使用的要求。
2. 2 石斗拱梁结构分析评估
斗拱作为华丽的象征, 是中国古建筑中最赋有地方民族特色的一种装饰构件, 广泛用于亭、台、楼、阁等木结构建筑上; 石斗拱是由若干根石梁及拱件, 相互搭交而成的既具有悬挑作用, 又具有装饰效果的支撑构架, 它在古建筑中的作用, 可以归纳为以下四点:1) 它可以增加屋檐宽度、延长滴水距离; 2) 它能将檐口荷载进行均匀传布; 3) 它能丰富檐口造型, 增添装饰效果; 4) 它能增强抗震能力, 提高建筑安全度。
该塔正八面体转角立倚柱, 柱顶置栌斗, 斗上出华拱, 层层托出, 既缩小了上部石梁的跨度, 又使石斗拱变化的梯度能够满足脆性材料对刚性角的要求, 这样不但减少了石斗拱上梁、板的跨度和弯矩, 而且改变了石梁的受力形式, 克服了石梁抗弯性能差易被折断的不足之处, 同时又充分发挥了石结构材料抗压性能好的特点;石斗拱梁根部及石斗拱梁下的石榫均稳固地嵌入墙体, 石斗拱梁上外端与混凝土梁连接处石榫嵌入钢筋混凝土板, 而采用榫卯连接, 则增加结构阻尼, 在地震作用时起到耗能作用。石斗拱梁做法见图4 ~ 图6。
现场检查斗拱的实际做法表明, 斗拱梁为自承重结构, 并不承受上部挑板传来的荷载, 该塔共有6 处位置的外檐石斗拱梁出现齐根部断裂现象, 见图7, 主要是斗拱梁与石榫的榫卯连接处、石榫与混凝土挑板的连接处均无足够的耗能空隙, 混凝土挑板在长期的使用中, 产生一定的向下挠曲变形后, 板上荷载直接传递至斗拱梁上, 而斗拱梁石材具抗压强度高、抗弯性能差、易折断的特性, 故在荷载作用下, 斗拱梁根部产生较大弯矩, 最终折断、脱落, 产生安全隐患, 建议对该塔斗拱梁与石榫的榫卯连接处、石榫与混凝土挑板连接处做法无足够的耗能空隙的节点进行处理, 为混凝土挑板的挠曲变形留有余地, 消除安全隐患。
2. 3 承重墙体结构分析评估
现场测绘石塔平面内筒直径为6. 5 m, 外边为正八面体, 1 层塔宽度为8. 0 m, 塔顶 ( 未包括塔尖) 总高度为25. 2 m, 该塔结构平面密度接近60% , 塔高与塔宽的比值为3. 2。1 层塔身墙体厚度为1. 4 m, 塔身墙体厚度随塔高而逐渐变薄, 7 层塔身墙体厚度减至0. 8 m, 1 层塔身墙体高厚比为2. 3, 5 层高厚比为4. 0, 远小于《砌体结构设计规范》中对无筋砌体墙体的最小容许高厚比的限值要求。
2. 4 塔体结构抗震性能评估
1) 该塔显著的特点是采用石斗拱和榫卯连接, 塔梁支座采用仿木石斗拱, 沿外筒壁对称排列, 层层托出, 既缩小了上部石梁的跨度, 又使石斗拱变化的梯度能够满足脆性材料对刚性角的要求, 这样不但减少了石斗拱上梁的跨度和弯矩, 而且改变了石梁的受力形式, 克服了石梁抗弯性能差易被折断的不足之处, 同时又充分发挥了石结构材料抗压性能好的特点; 而采用榫卯连接, 则增加结构阻尼, 在地震作用时起到耗能; 现场检查部分斗拱梁与石榫的榫卯连接处、石榫与混凝土挑板的连接处均无足够的耗能空隙, 应采取处理措施。2) 该塔现为7 层7 廊石砌体与钢筋混凝土混合楼阁式仿古建筑, 建筑平面外边为正八边形, 内为等直径塔筒, 在立面上, 塔体自下而上内筒保持等直径、外筒半径逐层减小, 形成7 级阶梯, 每阶截面不变的阶形建筑; 塔体每层每边设一门或一龛, 门龛位置逐层、逐边互换, 这种布局不但立面壮观, 而且避免结构在某一侧面引起应力过于集中, 同时使得结构的质量和刚度沿任一对角线都是对称分布, 塔体的质量中心和刚度中心能较好地重合, 在水平地震力作用下不易产生扭转振动; 塔体结构类似筒体, 有较好的抗震性能。3) 塔体采用现浇钢筋混凝土楼板、屋面板, 在每一层的楼板、屋面板标高处均设置钢筋混凝土圈梁, 环形圈梁对塔筒墙体起到了侧向约束作用, 加强了塔体结构的整体性, 保证了水平地震作用下结构的均匀受力和同时抗御外力的作用, 对该塔抗震性能有利。
3 结语
1) 由于该石塔当初建造时的设计资料缺失, 又由于现场检测条件的限制, 检测手段和检测仪器的局限, 本文识别了石斗拱的受力属性, 仅对挑板承载力进行了验算, 未能对塔体主体结构建立力学模型进行抗震承载力验算分析, 未能对塔基结构安全性进行分析评估。2) 该塔为高耸结构, 高耸结构的动力特性直接关系其抗震性能和破坏形式。通常动力特性的研究有两种途径, 一种途径是采用脉动法通过现场实测的方法获得, 第二种途径是近似按变截面悬臂杆力学模型采用结构动力学的方法获得。本工程由于客观原因未能对该塔进行结构动力特性测试, 有待后续建立力学模型利用数学求解的方法或通过实测的方法补充和完善该塔的抗震性能评估。
参考文献
[1]姚道平, 张艺峰, 谢志招, 等.石结构古塔抗震性能研究[J].世界地震工程, 2009, 25 (1) :111-116.
[2]袁建力, 李胜才, 刘大奇, 等.砖石古塔抗震鉴定方法的研究与应用[J].扬州大学学报 (自然科学版) , 1998, 2 (3) :54-58.
[3]GB 50292—1999, 民用建筑可靠性鉴定标准[S].
[4]GB 50010—2010, 混凝土结构设计规范[S].
换挡性能评估研究 篇7
汽车作为人类重要的交通工具,随着社会经济水平的发展,已逐渐进入普通家庭的日常生活,人们对汽车性能的要求也越来越高,推动着汽车向更高效、更安全、更舒适的方向发展。影响汽车性能的一个重要的零部件就是变速器总成。我国目前使用的汽车大多为手动变速器,手动变速器汽车使用时换挡频繁,驾驶员对换挡性能是否舒适十分敏感,此项性能严重影响驾驶员对车型的评价[1]。有鉴于此,汽车厂商为了满足消费者的需求,需要集中精力解决变速器换挡性能方面的问题。目前国内对手动变速器换挡性能的评估尚处于起步阶段,本文尝试对变速器换挡性能的评估和评价指标进行探索和研究。
1、定义
变速器是驾驶者在整车驾驶时经常操纵的少数整车装置之一。除此以外,驾驶者经常操纵的整车装置还有方向盘、加速踏板、离合器等。这些装置的操纵性能对驾驶者对整车的性能评价有很重要的影响。那么什么是车辆的变速性能呢,实际上就是驾驶者在操纵变速器换挡机构时的一种主观感觉。
设计者在开发整车时,因车辆的追求目标不同,对车辆的变速器性能质量要求也不一样。必须根据车辆的商品目标而给出合适的变速器质量和目标。例如,运动型乘用车,力求向运动型车一样,快速、准确是对变速性能的重要要求。为此,这类车辆十分重视变速行程,甚至不惜加大操纵力。这类车辆的发动机扭矩大,离合器踏板力也大。方向盘也设定得较重。同时将变速杆、离合器和方向盘的操纵力设定得与变速操纵力相平衡,这一点十分重要。与此不同,在微型车上,离合器和方向盘都较轻便,与此相平衡,变速性能也力主轻快。高级车的要求又不一样,力求变速圆滑,变速时操纵力变化小,努力追求高级感。
2、变速操纵型式
变速操纵机构分为直接操纵式和远距离操纵式。
直接操纵式,直接将变速箱变速杆布置在车内地板上。特点是由于没有中间传动,变速操纵速度快。只有FR车适宜采用直接操纵式结构。这种操纵方式的缺点是,地板上的振动容易直接传递给变速杆,容易掉档。乘用车现在已经很少采用连接杆式操纵方式,卡车还在使用中。
F F乘用车大都采用拉杆式或拉索式操纵机构,和拉索式相比,拉杆式操纵机构传递效率高,变速主观感觉好。缺点是在整车上布置困难,特别是在4WD车上布置十分困难。拉索式结构的优点是容易在整车上布置,也容易在4WD车上布置。但是传动效率较差,如何解决变速传动效率不高和变速操纵主观感觉不好的问题是拉索式结构的大课题。
3、评价项目
对于一款手动变速器,其变速性能的评价,主要有以下四个评价项目:
①发动机熄火,停车状态下换挡力、换挡行程试验。这主要是评价变速器在静态下选挡力、选挡行程、各档换挡力和行程的大小,以及无效的变速器换挡系统的空行程等。
②车辆在正常行驶时,变速性能试验。在这项试验中,主要评价变速器在动态下的换挡力、吸入感、圆滑度等;
③发动机怠速运转,停车状态下变速器换挡性能试验。这项实验的目的是为了考核变速器各挡入挡过程中的BLOCK机率和挂入倒挡时的异常噪音。
④车辆行驶和停止时,对变速器变速性能进行综合评价。如手球的位置、手球的形状、斜向换挡性、振动及噪音等。
3.1 发动机熄火,静态换挡性能评价
在评价静态换挡性之前,应先踩下离合器踏板,进行一次换挡换挡操作。利用本次操作,使同步器齿套、同步环及挡位齿轮上的结合齿处于如图1所示位置。在变速杆上贴上应变片和行程测量仪,测量操纵力和形成的关系。入挡后,以100N左右的力推动变速杆,对变速杆的刚度进行测量。将结果记录在X-Y记录仪上,坐标原点(0点)为空挡位置,横坐标为行程,纵坐标为换挡力,打印出如图2所示曲线。由空档先换档到3档,在自锁钢球通过换档导轨的自锁槽时,首先出现操纵力峰值F1,越过自锁槽后,自锁钢球再次进入换档导轨沟槽之前,操纵力由F1变化为F2。换档完了之后,继续推动变速杆,测量刚度F4/A。F3是从3档返回空挡的齿轮退档拔出力。
静态最大操纵力目标值为20～30N,在这一目标条件下选择自锁弹簧载荷。采用拉索式操纵机构时,软轴的布置和摩擦力对这项试验测量结果影响十分大,必须多加注意。Ricardo公司推荐的F1值介于25～35N,F3值介于20～25N;
变速杆刚度越高,变速操纵主观感觉越好。但是,刚度过高可能会带来操纵噪声过大,应该适当选择。一般来说,变速杆刚度目标值应大于2.5N/mm。
数据测试完后,如果除某挡外,换挡操纵力F1都比较低,在目标范围之间,应该对该挡自锁槽的形状进行研究,调查产生这一现象的原因。同样地,F3值如果异常,就应该对退档过程进行优化。
选挡力和选挡行程的测试和换挡性能测试基本相似,如图3所示。图中F1、F2分别为5挡和R挡选挡力及选挡退档力。在选档方向上,如何使1档和2档、5档和R档从选档位置快速的返回空挡位置,这一点十分重要。为了快速返回空挡位置,若弹簧力过大,将使操纵力过大。为了解决这一问题,应该尽可能地降低弹簧刚度。在拉索式操纵机构上,因软轴摩擦力将使选档力和返回力之差H变大,使返回时的主观评价结果变坏。为此,在车体上必需追加选档方向的回位弹簧。车体回位弹簧力的设定要点是,务必比变速箱内部弹簧弱一些,若车体上的弹簧过强,空挡位置将取决于车体弹簧,最终将使变速箱内部空挡位置混乱。这一问题经常出现,务必注意。一般来说,选挡操纵力应在20～30N的范围内比较合适,变速杆刚度大于2.5N/mm。Ricardo公司推荐的刚度值为6～8N/mm。
如果选挡力和选挡退挡力相差较大,即H值较大,估计最大的因素是拉索软轴的摩擦系数较大。但由于操纵力是变速器内部弹簧和外部操纵机构弹簧力之和,所以需要分别调查研究。
在静态换挡性能测试项目中,应该还要考虑到对自由间隙评价。具体评价内容有:在5N力作用下,①空挡位置选挡方向行程;②空挡位置换挡方向行程;③挂入各挡后选换挡方向行程。间隙过大,难以准确的换挡,间隙过小,增加金属装机感,令人厌烦。最佳操作需要的自由间隙为3～4mm。
选换挡行程的目标值如图4所示,图中横坐标为选挡行程,纵坐标为换挡行程。5分水平为驾驶者在换挡时能够够到的极限,超过这个极限值将无法进行换挡操作。行程越小,驾驶者的主观感觉越好,但同时也降低了变速器换挡机构的杠杆比,使换挡力变大。一般情况下,乘用车达到7分目标值,运动型车辆可以做到8分。为了实现上述目标,必须考虑增大同步器容量或减小被同步零部件的惯性矩。
3.2 车辆动态变速性能评价
测量行驶时操纵力时,首现要发动机处于怠速状态。先测量从空挡到1档的操纵力,然后再测量从空挡到倒档的操纵力。其后再在车辆实际行驶中测量各档位的操纵力。升档测量的发动机转速为发动机最大功率点转速的50%。降档测量的发动机转速为发动机最大功率点转速的35%。变速操纵速度为0.1秒到0.6秒之间,各变速时间内操纵次数尽可能均等,连续测量50次以上。操作方法如表1所示。
同样,在X-Y记录仪上,以换挡经过时间为横坐标,以操纵力为纵坐标,来显示车辆行驶时的操纵力测量数据。操纵力最大部分被称为最大操纵力。操纵力最小值被称为吸入力。吸入力之后出现的峰值DP被称为2次移动。这一峰值是导致变速主观评价结果变坏的重要因素,但是无法在每次变速时使变速力不变,保持一定值。因而,为了定量地评价这部分的好坏,大都使用这一峰值的积分面积(阴影线)出现的频度来进行评价。当然,最好能消除这部分峰值。若这部分连续出现2或3个峰值,则被称为Nibble。
一般,快速换档操作时间约为0.2秒左右。慢速换档操作时间约为0.4秒左右。因此可以利用对标车定量地进行比较,求得0.2秒和0.4秒的操纵力。
由于寒冷地区对变速箱操纵力投诉较多,所以分别按照低温条件和温态条件进行测量。表2可作为一般乘用车的目标值。操纵力是以变速杆手握中心部分进行测量获得的值。应该和对标车相互比较来设定目标值。可在参考样车购进之后组织测量,积累大量测量数据十分重要。
上面已经介绍过,一般使用二次移动阴影线部分的积分面积值进行评价动态换挡的主观感觉。评价时,为了处理采用大量积分值数据的力积值,必须使用专用的计算机进行分析。使用力积进行评价时,一般都将力积超过1.5Ns的出现频度小于20%作为目标值。若没有专用计算机,也可以使用DP最大值F1和最大操纵力的比值进行评价。Ricardo公司将平均值小于0.5作为允许极限值,将平均值小于0.3作为目标值。采用1.5N作为吸入力目标值。吸入力小于该值,则认为吸入感觉良好。如果在采集的数据中出现Nibble,就需要对同步器结构尺寸进行更改。
3.3 发动机怠速状态下,静态换挡评价
为了考核变速器由档,进行换档操作途中,因同步套被阻止不能前进现象的发生概率,我们需要在怠速状态下评价变速器的静态换挡性能。换档被阻止的原因之一是,有时因同步环静摩擦系数太大,使同步环固定在挡位齿轮上。有时还会出现同步套和挡位齿轮结合齿前端倒角相互碰到一起,使同步套无法前进。在出现上述现象之时,必须再次返回空挡,再次进行换档操作。
本试验的要领是,先从空档换档到1档,然后再返回到空档。接通离合器之后,再次换挡到倒挡。这样反复操作5次之后,车辆前进1m左右,然后再次反复同样操作。最后调查每50次换档操作期间,换档受阻的次数。换档受阻出现概率的目标值为小于2%,最近很多车辆已经达到了0%。倒档换档受阻概率因常啮合式结构或怠速滑动式结构而异。怠速滑动式结构的出现概率较高,其目标值为小于5%。
为了评价由空挡挂入倒挡过程中产生的异常噪音,我们主要按照以下方法进行评价。在发动机怠速状态下,由空挡挂入倒挡,改变换挡时间,记录出现异常噪音的换挡时间。该项试验的目标值为0.5秒,极限目标值为0.7秒。
3.4 综合评价
首现,需要注意变速杆位置的以下要点:变速杆与手制动之间的间隙,与前方仪表板和烟灰盒之间的间隙。向后方换挡时,与手制动之间需要确保不碰手的间隙。向前方换档时,应确保与开启的烟灰盒之间不干涉。变速杆形状十分重要,过去一段时间曾经流行过易于手握式形状,最近对标车大都采用圆形。手握部分形状不得易于转动。变速杆外露部分不得露出金属,变速杆应该看起来较短粗等。
其次,要检查换挡后手握位置是否为概略对称位置,评价斜向换挡(直接由2挡推入三挡等)是否存在落后现象,是否存在无法进入现象等。如果斜向换挡性能不好,就需要更改换挡Lag的倒角形状。
换挡操纵机构的噪音在音量上并不明显,但其由于音质较差,且经常出现在车内噪音问题中,所以对换挡操作的噪音问题也要进行评价。主要包括拉索噪声、挡块噪声、变速杆底座噪声及胶套噪声。特别难的问题是变速杆底座噪声,这一噪声与车体固定位置的刚度和变速杆总成的弹性支撑结构有关。若弹性支撑结构柔软,变速杆总成刚度过低。若过硬,则容易产生噪声问题,设计上必须同时兼顾上述两种要求。
4、结论
①同一变速箱搭载在不同车辆上,所要求的变速主观评价指标也不相同。
对变速主观评价指标的要求,不同的人会提出各自不同的意见,难于汇总成一个方案。必须通过对标来明确方案,汇总出明确目标。
②根据车辆级别确定目标
例如,若对FRV提出BMW的变速质量目标,是毫无意义的。重要的是,要经常把握同一级别竞争车的变速质量。
③以数据为基础进行评价
任何人都可以参与主观评,问题是每个人都有不同的意见,很难将众多意见汇总成一个方案。如何将主观评价定量化十分困难,但是必须加以定量化。
参考文献
[1]张栋杰毛世伟朱波.手动挡汽车换挡困难原因及改进方法[J].汽车工程师.2011(2).
北斗卫星导航系统定位性能评估 篇8
在过去的20年里,GNSS系统在大地测量以及地学研究领域获得广泛应用,从导航应用、高精度控制网布设、城市建筑变形监测、地震监测与预报到全球板块地壳运动研究等,GNSS系统都扮演着重要的角 色[1]。北斗卫 星导航系 统 ( Bei DouNavigation Satellite System,BDS ) 是中国自行研制的继美国GPS和俄罗斯GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统[2]。2012年底第13、14号卫星的成功运行标志着覆盖亚太地区的北斗区域卫星导航系统已经建设完成,伪距定位精度可达10m以内,并且初步具备高精度定位能力[3~5]。随着北斗系统的进一步提高和完善,其在地震监测、预报,大陆板块运动等研究领域的潜力逐渐显现,这一系列应用的基础便是正确的位置解算。近年来,越来越多的国内外学者就北斗单点定位、精密单点定位、基线解算等方面开展学术研究,创新数据处理方法,评估系统定位导航性能。Oliver Montenbruck等利用北斗实测数据从轨道、多路径效应、卫星钟差、单点定位、相对定位等多个方面对北斗卫星导航系统进行初步评估并给出相关的计算结果[6]。李敏基于武汉大学提供的北斗卫星精密轨道和卫星钟差产品,利用武汉大学“北斗卫星观测实验网”实测北斗观测数据,首次开展北斗卫星导航系统精密单点定位应用研究[7]。施闯等利用北斗GEO、IGSO卫星实时观测数据进行精密相对定位,解算结果可达厘米级[5]。本文就北斗卫星导航系统单点定位、精密单点定位、基线相对定位等算法开展研究,利用实测数据评估了北斗系统的定位性能,为北斗系统进一步应用于地学研究领域打下一定的基础。
1 定位解算方法
1. 1伪距单点定位
对于北斗伪距观测量可以罗列如下方程[8]:
式 ( 1) 中,P代表伪距观测值; 上标j表示当前的卫星号; ρ表示卫星到接收机的几何距离; δtr和δts分别表示接收机钟差和卫星钟差; δion、δtrop、δrel分别表示电离层延迟、对流层延迟和相对论效应误差; MP表示伪距多路径误差; εP表示伪距的随机噪声。为了方便起见,所有的项都以m为单位。
在实际解算中分别对以上各误差项采用如下策略进行改正:
( 1) 对于卫星钟差δts,采用北斗广播星历提供的卫星钟钟差、钟速、钟速变率等参数进行改正,即δts= a0+ a1( t - toe) + a2( t - toe)2;
( 2) 对于电离层误差δion,本文采用Klobuchar( 克罗布歇) 的8参数模型进行改正;
( 3) 对于对流层误差δtrop,本文采用了Hopfield( 霍普菲尔德) 模型进行改正;
( 4) 对于相对论相应δrel,本文采用北斗ICD文件中提供的改正公式进行改正。
1. 2 精密单点定位
对当前时刻的伪距、载波相位观测数据可罗列如下方程[8]:
式 ( 2) 中, φ代表载波相位观测值; m φ表示相位多路径误差; ε φ表示相位随机噪声; Nj表示整周模糊度参数,λ为相应信号的波长。
对于双频接收机,一般采用无电离层组合观测值进行解算。无电离层组合可以消除电离层延迟的一阶项,其组合方程如下:
其中,L = λ φ,f表示相应频段的频率。把组合观测值带入式 ( 2) 即可。
在进行精密单点定位时,除了常规单点定位解算时考虑电离层、对流层等误差改正外,还要对其他误差进行更为细致和精准的改正,误差项以及改正方法见表1。
进行解算时,对于静态观测,位置参数可以作为常未知数处理; 没有周跳情况下,整周未知数作常数处理; 出现周跳时,整周未知数看做一个新的常数参数计算。同时,接收机钟存在抖动现象,因此将其参数当作白噪声处理; 对流层变化较为平缓,在模型改正后可利用随机游走的方法估计其残余影响。本文采用常规的序贯最小二乘法进行精密单点定位的解算。
1. 3 相对定位
GNSS绝对定位的精度受到诸多因素的影响。相对定位可有效削弱这些误差的影响。观测方程进行双差后,可消除接收机和卫星钟差,其观测方程为[8]:
式 ( 4) 中,下标A,B为测站,上标i,j为观测卫星,其中A为基准站,i为参考卫星; 下标组合表示对测站作差,上标组合表示对卫星作差。d X、d Y和d Z分别为基线向量的三个坐标改正数; l、m和n分别为三个坐标方向上的方向余弦; I和T分别为电离层延迟改正和对流层延迟改正,当基线长度较短时此两项误差可忽略不计。常数项:
双差观测值的随机模型为[9]:
式 ( 6) 中,S表示观测值类型,nS为该类观测值的卫星数。
高精度的定位结果依赖于正确的模糊度解算,因此模糊度固定是基线解算的核心。为便于模糊度的固定,文中先固定双差宽巷模糊度,而后根据B1和B2的线性关系固定B1和B2的模糊度[10,11]。具体流程如图1所示。
2 北斗系统定位性能评估
2. 1 北斗系统概述
北斗系统是中国自主研制的全新一代卫星导航系统,截止2014年,在轨工作的卫星有5颗地球静止轨道 ( GEO ) 卫星、4颗中圆地 球轨道( MEO) 卫星和5颗倾斜地球同步轨道 ( IGSO) 卫星。现阶段星座具体发展情况如表2所示。
北斗系统 的时间基 准采用北 斗时 ( Bei DouSystem Time—BDT) 。北斗时基于原子时,起始历元为2006年1月1日协调世界时 ( UTC) 00时00分00秒,采用周和周内秒计数。北斗系统采用CGCS2000坐标系 ( 2000中国大地坐标系) 。目前北斗系统已经覆盖中国以及大部分亚太地区,成为继美国GPS和俄罗斯GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统 ( 见图2、图3) 。
2. 2 实验数据
本文用于系统性能评估的数据全部来自各个测站的实测数据。其中用于单点定位和精密单点定位评估的测站数据采用Trimble NetR9以及UB240CORS型接收机采集,采样间隔设为30s。用于短基线定位评估的数据由同济大学提供,采用和芯星通( UNICORE) 公司生产的UB240-CORS北斗/GPS双系统四频接收机 ( GPS: L1、L2; 北斗: B1、B2)对两条小于1km的短基线进行了数据采集,一条位于北京的超短基线3. 0669m,数据时间段为2012年11月8到10日; 另一条位于上海同济大学的基线长度为470. 3009m,数据时间段为2012年11月8到15日,数据的采样间隔均为1s。
2. 3 单点定位评估
如图4所示,为Rcv01站一天24h观测值北斗B1频率伪距单点定位N、E、U方向与真值偏差的时间序列,其他测站结果见表3统计。
由表3可知,N方向一般在4m以内,E方向一般在2m以内,U方向一般在5m以内,三维精度已满足设计要求的10m。同时可以看到,一般解算结果都是E方向最好,U方向最差。U方向为高程方向,高程方向解算结果最差在情理之中; 而北斗系统定位的东西方向结果明显好于其他两个方向,这是由于北斗特殊的星座构成导致的。现阶段北斗系统大量采用GEO卫星进行定位导航,5颗GEO卫星近似均衡地分布在我国赤道上空,加强了星座东西方向的约束,对E方向的定位结果提高显著。
2. 4 精密单点定位评估
对8个测站一天24h的观测数据利用自编的软件进行了精密单点定位解算,给出了各测站的静态解。在该软件解算的数据预处理过程中,采用了M-W联合GF组合的方法进行野值点剔除、周跳探测和修复[12]。同时利用相位平滑后的伪距作为辅助观测值,提升精密单点定位初始化的效率[13]。各测站结果见表4。
可以看到,对于北斗精密单点定位,平面精度一般在3 ~ 4cm左右; 高程方向精度一般在4 ~7cm,不超过10cm; 系统已经 具备高精 度定位能力。
2. 5 基线相对定位评估
利用自制的北斗短基线数据处理软件,按1s采样率分别解算了同济大学测站11月8到15日、北京测站11月8到10日的实测数据。由于篇幅所限,本文只将上海站11月8日一天观测数据 ( 采样率1s,解算历元86400个) 求得的北斗基线相对于标准值的偏差时间序列如图5所示。其他时间段观测数据的解算结果如图6所示。
由图5的误差序列求得北斗基线在N、E、U各方向上的RMS值分别为0. 41cm、0. 30cm、和0. 71cm。
为了评估北斗系统在上海、北京两站的定位表现,对多天解算结果进行了统计分析,如图6所示。经统计,上海基线6天解算结果N、E、U方向误差序 列的平均RMS值分别为0. 42cm、0. 31cm、0. 80cm; 北京基线3天解算结果N、E、U方向误差序列的平 均RMS值分别为0. 21cm、0. 18cm、0. 55cm。可以看到,对于这两条短基线数据,北斗单历元基线解算得到了较好的结果。
3 结论
北斗是中国自行研制的全新一代卫星导航系统,目前系统已经覆盖中国以及大部分亚太地区,成为继美国GPS和俄罗斯GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。本文就北斗卫星导航系统单点定位、精密单点定位、基线相对定位等算法开展研究,利用实测数据评估了北斗系统的定位性能,现初步得到以下结论:
( 1) 对于基于伪距观测值的单点定位,N方向一般在4m以内,E方向一般在2m以内,U方向一般在5m以内,三维精度已满足设计要求的10m。
( 2) 对于北斗精密单点定位,平面精度一般在3 ~ 4cm左右; 高程方向精度一般在4 ~ 7cm,不超过10cm; 系统已经具备高精度定位能力。
( 3) 对于1km以内的短基线,单历元基线解算结果可以达到平面精度5mm左右,高程方向精度1cm左右。
( 4) 现阶段,北斗系统大量采用GEO卫星进行定位导航,5颗GEO卫星近似均衡的分布在我国赤道上空,加强了星座东西方向的约束,E方向的定位解算结果明显好于其他两个方向。
摘要：北斗卫星导航系统是中国自行研制的继美国GPS和俄罗斯GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。本文就北斗卫星导航系统单点定位(SPP)、精密单点定位(PPP)、基线相对定位等算法开展研究,利用实测数据评估了北斗系统的定位性能,为北斗系统进一步应用于地学研究领域打下了一定的基础。评估结果显示,伪距单点定位精度可达10m以内,精密单点定位和基线相对定位精度可达厘米级。
数字图像水印性能评估方法研究 篇9
关键词：数字水印,性能评估,不可感知性,鲁棒性,水印容量
着科学技术和计算机网络的快速发展，形式多样的数字产品已经与人类生活相融合。数字作品极易被复制的特性，使得产品的版权保护和服务认证面临着日益严峻的挑战。数字水印是版权保护的一种有效手段，利用数字作品中存在的数据冗余和数据随机性把版权信息嵌入到数字作品本身，以保护作品版权。其基本思想是在数字图像、音频和视频等数字产品中嵌入秘密信息以保护数字产品版权，可以证明产品的真实性，实现跟踪盗版行为和提供产品有效信息等功能，数字水印是目前保护数字作品版权的一种有效可行的技术手段。
1 数字水印的特性
数字水印已经成为多媒体信息安全研究领域发展最快的热点技术之一，受到国际学术界和企业界的高度关注。不同的应用对数字水印系统的要求不尽相同，对数字水印系统的特性理解也会随之变化。一般认为数字水印系统应具有如下特点:
1)不可感知性：又称不可见性，水印的存在不应明显干扰原始载体图像的数据，不得使原始数据发生可感知的变化，也不能使得原始载体数据在质量上产生能够感觉得到的失真。
2)鲁棒性：即稳健性，是数字水印技术的重要指标。数字水印必须在一般的信号处理操作(如A/D转换、D/A转换、滤波、平滑、图像增强和有损压缩等)和一般的几何处理操作(如旋转、裁剪、缩放等)之后，仍能够保持数据完整性或仍能被准确识别。
3)水印容量：在数字图像水印系统中，水印容量是指一幅数字作品所能嵌入的最大信息量。水印容量越大，不可感知性就越小。在考虑鲁棒性和不可感知性的情况下，应尽量在载体中嵌入更多的信息。
4)可证明性：数字水印应该为相应数字产品的版权信息提供完全可靠的证据，并能够监视被保护数字产品的传播、有效鉴别真伪以及控制非法复制等。
5)安全性：指数字水印嵌入算法应具有较强的抵抗攻击能力。在水印不被破坏的前提下，可以承受一定程度的人为攻击。甚至在理想情况下，非法的用户将不能检测到产品中是否含有水印。
2 数字水印的性能评估
数字水印技术由数字水印算法设计和数字水印性能评估两部分组成。数字水印算法设计只是整个水印技术的一半，必须对算法作性能评估，并且进行实验验证才能真实地评估水印算法的优劣，得出客观的性能评估结论。由此可知，数字水印的性能评估对水印算法的研究至关重要。
2.1 数字水印性能评估一般步骤
目前，数字图像水印的性能评估还没有统一的步骤，在此介绍一般的测试过程。测试过程中把整个水印的嵌入和提取看成一个黑匣子，将标准的测试参数作为输入，然后观测各种输入下的性能指标输出，以一种统一的方式得到输出结果。测试过程如下：
1)在保证视觉质量的前提下，以最大的强度嵌入水印。即嵌入水印使得对于某一给定的质量度量而言，嵌入水印的图像质量大于某一给定的下限。
2)对嵌入水印的图像进行一系列攻击。
3)对每种攻击，进行水印提取，判断提取是成功还是失败。
对每幅图像都重复上述过程。
2.2 数字水印性能评估方法
不可感知性、鲁棒性和水印容量是数字水印最重要的三个特性，数字水印性能评估主要侧重于这三个特性。数字图像水印算法要求在视觉没有感觉到失真的情况下，嵌入尽可能多的水印信息到载体图像中。数字水印的鲁棒性由水印嵌入强度和嵌入的信息量决定。嵌入的强度越大鲁棒性越高，嵌入的信息量越大鲁棒性越低，这两者之间要有一个平衡。对水印算法的评价和比较要仔细权衡水印的不可感知性和鲁棒性之间的关系。
2.2.1 主观评估
图像质量的主观评价是指采用目视观察和主观感觉评价图像的质量。主观评估反映的是人对图像质量的直观感受，对最终质量评估是有意义的。然而在实际应用中，不同的人对水印图像的主观评价会产生很大差异，并不实用。主观评估包括两个步骤：1)划分数据等级。2)测试者根据失真程度进行打分。一般依据ITU-R Rec.500质量等级级别，如表1所示。
2.2.2 客观评估
图像质量的客观评估是指提出某个或某些定量参数和指标来描述图像质量。主观评估的不精确性，并且由于客观评估的测量结果不依赖于主观感觉，可以作为定量评价的标准，客观评估在数字水印性能评估中占有十分重要的地位。常用的客观评估指标主要有:峰值信噪比、均方误差、信噪比、平均绝对差分、拉普拉斯均方误差等。下面列举数字水印常用评估指标:
1)峰值信噪比(PSNR:Peak Signal-to-Noise Ratio)
图像在经过压缩之后，一般都会出现与原始图像某种程度的不一样，峰值信噪比是广泛使用的评价图像质量的客观度量法。一般可以参考峰值信噪比来衡量处理后的图像质量，定量评估含水印图像的质量。大量实验表明，保证PSNR值大于38dB是水印不可见性的基本要求。而且PSNR越大，被检测图像与原始图像越相似，水印的不可见性越好。对于大小为M×N的二维图像，I表示原始载体图像，I’表示含水印图像，则计算PSNR的公式如下：
2)归一化相关系数(NC:Normalized Correlation)
数字图像水印技术一般通过NC系数来估从待检测图像中提取的水印和原始水印之间的相似程度。NC系数取值介于0和1之间，大量实验结果表明，当NC系数大于或等于阈值0.75时，提取出的数字水印大多数可以为人眼直接辨识，可视为有效数字水印。而当所得NC系数小于阈值0.75时，可视为无效数字水印。NC系数越大，说明提取出的水印和原始水印越相似，水印的鲁棒性越好。W(i,j)表示原始水印，W(i,j)表示提取出的水印，NC的计算公式如下：
峰值信噪比与归一化互相关系数是最常用的客观评价标准，其它经常用到的基于像素的图像质量评测方法如表2示。
3 结束语
目前，数字水印性能评估的研究相对滞后于数字水印算法的研究，虽然国内外的很多学者和相关研究人员在数字水印性能评估方面取得了一些成就，但只是初步探索。建立更具客观性、全面性的数字水印性能评估系统，还需研究和解决很多问题。目前，迫切需要解决的问题有：如何建立完整、统一的数字水印性能评估步骤，完善、规范的评估标准以及兼容的评估系统。针对没有统一的水印评估标准的问题，欧盟的Certimark计划已经启动，表示未来会建立统一的水印测试标准。数字水印性能评估对水印算法的研究非常重要，本文提出了数字水印的不可感知性、鲁棒性、水印容量等几项性能指标，并且对数字图像水印的性能评估从不同的角度进行研究，对数字水印性能评估及标准的建立起到了较好的的指导作用。
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基于推倒分析的桥梁抗震性能评估 篇10
1 推倒分析方法的基本原理与假设
推倒分析方法是基于性能/位移评价现有结构和设计新结构的一种方法。推倒分析是结构分析模型在一个沿结构高度为某种规定分布形式且逐渐增加的侧向力或侧向位移作用下,直至结构模型控制点达到目标位移或是结构倾覆为止的过程。推倒分析可用于建筑物的抗震鉴定和加固,以及对新建结构的抗震设计和性能评价。它可以对设计的地震运动作用在结构体系和它的组件上的抗震需求提供充足的信息。推倒分析方法基于以下两个基本假设:1)结构的响应受单一振型控制,因此,可以将多自由度体系的弹塑性反应用等效的单自由度体系的响应来表达。2)结构沿高度的变形由形状向量中表示。在整个地震反应过程中,不管结构变形大小,中始终保持不变。
从实际的情况出发,这种假设存在不合理性,但是大多数的研究表明,对于响应以第一振型为主的结构,该方法可以得到结构较为合理的最大地震反应。该方法首先假定结构的变形为:
u=utφ (1)
将式(1)代入结构地震运动方程,得到:
式(2)为单自由度体系的地震响应运动方程。若令:
并在式(3)两侧同乘中,最后得到如下的运动方程:
如果已知多自由度结构体系的变形形状向量切,结构的地震响应可从式(4)的单自由度体系振动方程计算得到。而单自由度结构的地震响应可以采用能量一定原则、位移一定原则等简略算法近似得到,所以整个计算过程将非常简单。
2 推倒分析方法的实施步骤
1)建立结构的计算模型,确定结构各单元的恢复力模型,对结构进行推倒分析,得到底部剪力与顶端位移关系曲线,具体操作过程为:a.建立结构的计算模型;b.对结构施加重力荷载,分析结构在自重作用下的内力情况;确定结构上施加的侧向力模式,通常采用结构基本振型形式作侧向力的分布模式;c.计算单元内力,并对横向荷载与垂直的重力荷载引起的内力进行组合;d.判断单元是否达到屈服(自定义或位移屈服准则);e.记录施加总的侧向力与结构控制点的水平位移,通常取最大水平位移的点为控制点;f.对于已经屈服的单元,将其刚度折减或置零,对结构施加新的侧向力增量,使得另一个或另一组单元屈服;g.迭加荷载增量和控制位置,直至结构顶点位移足够大或塑性铰足够多,或是达到预定的破坏极限状态;h.绘制基础剪力—顶部位移关系曲线,即推倒分析曲线。在现有的计算程序中,步骤e～步骤h都在程序内部直接运行了,分析时只需要确定荷载的模式、增量,逐级施加荷载即可。
2)由上一步分析得到的描述结构抵抗侧向力荷载能力的能力曲线,由得到的抵抗侧向力荷载能力曲线计算结构在相应地震荷载等级下的位移,即目标位移。
3)在目标位移下,评价结构的性能及抗震能力。
3 基于推倒分析的抗震能力评价准则
推倒方法本身包含两个方面的内容:计算结构的能力曲线,计算结构的目标位移及结果的评价。第一方面内容的中心问题是静力弹塑性分析中采用的结构模型和加载方式;第二方面内容的中心问题则是如何确定结构在预定水平地震作用下的反应,目前可分为以ATC-40为代表的能力谱法和以FEMA356为代表的非线性静力方法。CSM的表现形式是对弹性反应谱进行修正,而NSP则是直接利用各种系数对弹性反应谱的计算位移值进行调整,二者在理论上是一致的。
基于结构行为设计使用推倒分析包括形成结构近似需求和能力曲线并确定曲线交点。需求曲线基于反应谱曲线,能力曲线基于推倒分析。在推倒分析中,结构在逐渐增加的荷载作用下,其抗侧能力不断变化,这条曲线我们可以看作是表征结构抗侧能力的曲线。将需求曲线与抗侧能力曲线绘制在一张图表中,如果近似需求曲线与能力曲线有交点,则称此交点为性能点。利用性能点能够得到结构在用需求曲线表征的地震作用下结构底部剪力和位移。通过比较结构在性能点的行为与预先定义的容许准则,判断设计目标是否达到。
推倒分析基于ATC-40和FEMA356中对钢结构、钢筋混凝土结构、砌体结构及木结构建筑物以其性能表现为基准的抗震评价方法。它主要是依照不同的地震等级与不同的建筑物性能表现等级而制定出不同的修复目标。地震大小等级是指建筑物在使用年限中可能遇到的地震灾害,建筑物性能等级则代表建筑物在受地震作用后可维持的功能,共分四级:正常使用、可立即使用、生命安全、建筑物不倒塌,以达到大震不倒,中震可修,小震不坏的原则。
在利用推倒分析得到了结构荷载—位移曲线后,可以通过种方法进行结构抗震能力评价:1)用规范规定的容许层间位移角,检验结构承载力曲线上对应层剪力的位移角是否符合要求2)用层承载力曲线相应的恢复力模型,按时程分析校核非线性层间变形是否符合规范限值的要求。3)建立ADRS谱和能力谱将两条曲线放在同一个图上,得出交汇点的位移值,同目标位移进行比较,检验是否满足弹塑性变形验算要求。
摘要：对如何在桥梁抗震能力评估中运用推倒分析进行了介绍,指出推倒分析应用于桥梁结构的抗震能力评价,可以简化计算过程,从整体上把握结构各构件的破坏过程,了解桥梁结构抗震的薄弱环节并采取相应的工程措施加以改善。
关键词：桥梁,推倒分析,抗震能力评估
参考文献
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