拓撲結(jié)構(gòu)精選(九篇)
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第1篇：拓撲結(jié)構(gòu)范文
關(guān)鍵詞：拓撲結(jié)構(gòu)；總線型；環(huán)型；星型；訪問控制方式
對于學習過一些計算機知識的人來說，“拓撲”這個詞應該不算陌生，對于常見的三種標準的拓撲結(jié)構(gòu)——總線型、星型和環(huán)型也都會有所了解。“拓撲（Topology）是幾何學和圖論中的基本概念，用于描述點、線、面之間的幾何關(guān)系；計算機網(wǎng)絡技術(shù)中借用拓撲的概念來描述節(jié)點之間的相互關(guān)系，從而確定節(jié)點在網(wǎng)絡中的確切位置以及它與網(wǎng)絡中其他節(jié)點之間的相對關(guān)系。”[1]大多數(shù)人對三種標準拓撲結(jié)構(gòu)的認識都是從它們的物理布局開始的。正如名稱表示的那樣，總線型是網(wǎng)絡的所有計算機都通過一條電纜線互相連接起來；環(huán)型是每臺計算機都與相鄰的兩臺計算機相連，構(gòu)成一個封閉的環(huán)狀；而星型是計算機通過各自的一條電纜與一臺中央集線器相連。
但學習網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)不僅僅要明確它們的物理布局和簡單記憶各自的優(yōu)缺點，更主要的是了解各種拓撲結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)流動的方式。通過對各種拓撲結(jié)構(gòu)中訪問控制方式的深入認識，加強各類型的對比，從而進一步體會各種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點。
下面是總線型、星型、環(huán)型三種標準拓撲結(jié)構(gòu)中訪問控制方式的相關(guān)內(nèi)容以及自己的一些理解和看法。
1 總線型
總線型拓撲結(jié)構(gòu)也稱點對點的拓撲結(jié)構(gòu)，原因就是網(wǎng)絡中的每臺計算機均可以接收從某一節(jié)點傳送到另一節(jié)點的數(shù)據(jù)?？此坪唵蔚臄?shù)據(jù)傳輸方式卻有許多值得思考的地方，例如某一時刻在共用的信道上，可以同時發(fā)送幾個電子信號；如果某一時刻只能發(fā)送一個電子信號，那么怎樣決定發(fā)送權(quán)等等。
總線型網(wǎng)絡只有一條主電纜，該電纜僅能支持一個信道，所有計算機共享總線的全部容量。故而在某一時刻，只能有一臺計算機發(fā)送電子信號。同時電纜線上的其他計算機均在監(jiān)聽傳送中的信號，但只有那個地址與信號地址相匹配的計算機才能接收電纜上的信號，而具有其他地址的計算機對此信號不做反應。
總線型拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡一般采用分布式媒體訪問控制方法。傳統(tǒng)的總線型網(wǎng)絡采取競爭的方式獲得發(fā)送權(quán)，還有一種總線型網(wǎng)絡在物理連接上是總線拓撲結(jié)構(gòu)，而在邏輯結(jié)構(gòu)上則采用令牌環(huán)?！啊钆啤且环N控制標志，由“空閑”與“忙”兩種編碼標志來實現(xiàn)。
“‘邏輯結(jié)構(gòu)采用令牌環(huán)’的實現(xiàn)是總線型網(wǎng)絡中的各個工作站按一定順序，如按接口地址大小，排列形成一個邏輯環(huán)?！盵2]只有令牌持有者才能控制總線，才有發(fā)送信息的權(quán)力?？偩€網(wǎng)中令牌的傳遞與環(huán)型網(wǎng)中令牌的傳遞相似，但由于是邏輯成環(huán)，所以控制電路對于真正的環(huán)型網(wǎng)絡稍顯復雜。
總線網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單、布線容易、可靠性較高，易于擴充，但若主干電纜某處發(fā)生故障，整個網(wǎng)絡將癱瘓，且發(fā)生故障時不易判斷故障點。
2 環(huán)型
環(huán)型拓撲中網(wǎng)絡的所有節(jié)點都連接在一條首尾相接的封閉式通信線路上，整個網(wǎng)絡既沒有起點，也沒有終點。在了解了總線型拓撲結(jié)構(gòu)之后，我們不難想到環(huán)型拓撲就是把總線型拓撲中的首尾兩節(jié)點連接在起來。
與總線型相同，環(huán)型網(wǎng)絡在任一時刻最多也只能有一臺計算機發(fā)送數(shù)據(jù)，并且也采用分布式媒體訪問控制方法。環(huán)型網(wǎng)絡中的“令牌機制”使每個節(jié)點獲得數(shù)據(jù)發(fā)送權(quán)的機會均等。令牌處于空閑狀態(tài)時沿著環(huán)型網(wǎng)絡不停的循環(huán)傳遞。當一臺計算機需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，其本身的系統(tǒng)就會允許它在訪問網(wǎng)絡之前等待令牌的到來，一旦它截取令牌，該計算機就控制了整個網(wǎng)絡。此時該計算機就會把令牌轉(zhuǎn)換成一個數(shù)據(jù)幀，該幀被網(wǎng)上的計算機依次驗證，直至達到目標計算機。目標計算機應答后會發(fā)送一個新的空的令牌，供其他需發(fā)送信息的計算機使用，進行新一輪的發(fā)送。[3]
環(huán)型網(wǎng)絡控制簡單、信道利用率高、通信電纜長度短，缺點是擴展?jié)摿τ邢蓿约巴偩€網(wǎng)相似的，任何一個節(jié)點發(fā)生故障都可能導致整個網(wǎng)絡不能正常工作，且尋找故障點比較困難。
3 星型
有人將星型拓撲結(jié)構(gòu)形象地將比喻為一個由車軸和輻條所組成的車輪，車軸部分就是中央集線器hub。由此可以看出，星型拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡屬于集中控制型網(wǎng)絡，整個網(wǎng)絡由中心節(jié)點執(zhí)行集中式通行控制管理，各節(jié)點間的通信都要通過中心節(jié)點。因此，星形網(wǎng)采用集中式媒體訪問控制方法。
星型拓撲也是通過競爭方式獲得發(fā)送權(quán)。只是每一個要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點都將要發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送中心節(jié)點，再由中心節(jié)點負責將數(shù)據(jù)送到目的節(jié)點。因此，中心節(jié)點相當復雜，而各個節(jié)點的通信處理負擔都很小，只需要滿足鏈路的簡單通信要求。中央節(jié)點有三項主要功能：“當要求通信的站點發(fā)出通訊請求后，控制器要檢查中央轉(zhuǎn)接站是否有空閑的通路，被叫設備是否空閑，從而決定是否能建立雙方的物理連接；在兩臺設備通信過程中要維持這一通路；當通信完成或者不成功要求拆線時，中央轉(zhuǎn)接站應能拆除上述通道”。[4]
星型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)、便于管理、連接點的故障容易監(jiān)測和排除。但不難看出，中心結(jié)點是全網(wǎng)絡的瓶頸，中心結(jié)點出現(xiàn)故障會導致整個網(wǎng)絡的癱瘓。
參考文獻
[1] 倪玉興.計算機網(wǎng)絡技術(shù)基礎第二章課件.2007
[2] 數(shù)字電視原理與實現(xiàn)
第2篇：拓撲結(jié)構(gòu)范文
面對傳統(tǒng)燃油汽車因尾氣排放造成的污染及其對石油等自然資源的過渡消耗，電動汽車成為各國發(fā)展的熱點。目前許多國家的政府、各大汽車生產(chǎn)廠商以及各個科研機構(gòu)都在從事電動汽車技術(shù)的研究。而電動汽車車載充電機是電動汽車中的一個重要部件，對電動汽車的發(fā)展及推廣應用都有很重要的作用。
【關(guān)鍵詞】車載充電機 拓撲 PFC DCDC
電動汽車從供電電源處獲取電能，并將電能轉(zhuǎn)換為蓄電池的化學能，當汽車運行時提供給電動汽車行駛的動能。其充電技術(shù)是電動汽車的一項重要的技術(shù)，目前充電機根據(jù)應用環(huán)境，主要有地面式充電機和車載充電機。地面式充電機一般安裝在地面，可適應不同的充電需求進行大功率地快充或者小電流地慢充。而車載充電機安裝在電動汽車上，一般設計為能與普通的民用交流電源插座連接，用以對電動汽車進行小功率慢速充電，而車載充電機與地面式充電機不同，其除了要考慮充電對蓄電池的影響，還需要對整個充電機的體積、重量、環(huán)境因素、車內(nèi)布局等因素進行考慮，同時由于其大部分采用民用電力進行充電，還需要考慮充電機對電網(wǎng)的影響。
1 車載充電機總體結(jié)構(gòu)
國內(nèi)外都針對電動汽車車載充電機進行了研究，目前采用的結(jié)構(gòu)分為兩大類，一種是不控整流加高頻隔離直流變換器。這種結(jié)構(gòu)一般來說對功率有很大限制且功率因數(shù)較低，對電網(wǎng)造成的污染較大，因而其大量接入電網(wǎng)可能會對電網(wǎng)的穩(wěn)定產(chǎn)生影響，但是這種結(jié)構(gòu)滿足安全的要求，且一般成本較低，其體積和重量也較容易控制。該結(jié)構(gòu)中，不控整流模塊將電網(wǎng)的交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能，并進行穩(wěn)壓濾波后，再通過DC/DC變換器將電能變換為可以對蓄電池進行充電的電能。
另一種是前級功率因數(shù)校正，后級隔離直流變換器的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)也可以滿足安全的要求，且對電網(wǎng)污染小，能實現(xiàn)低諧波和高功率因數(shù)的要求，但是由于其兩級結(jié)構(gòu)導致其裝置一般體積會較大，成本較高。該兩級結(jié)構(gòu)中的第一級為PFC電路，其可提高輸入的功率因數(shù)并抑制高次諧波；而第二級為DC/DC變換器，其將電能變換為可以對蓄電池進行充電的電能。而這種兩級結(jié)構(gòu)中也有串聯(lián)的并聯(lián)兩種連接方式，而串聯(lián)型結(jié)構(gòu)應用最多。其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2 車載充電機電路設計
由前級PFC和后級DCDC構(gòu)成的兩級結(jié)構(gòu)由于其對電網(wǎng)污染小，能滿足效率和功率因數(shù)的要求，因而應用最多。
2.1 前級PFC結(jié)構(gòu)
前級PFC電路用于輸出穩(wěn)定的電壓，同時使輸入具有較高的功率因數(shù)。其典型的前級PFC電路結(jié)構(gòu)由BOOST型升壓電路、交錯并聯(lián)型PFC等。
2.1.1 BOOST型升壓電路
Boost型升旱緶紛魑前級功率因數(shù)校正的應用由于其結(jié)構(gòu)簡單，控制結(jié)構(gòu)簡單，工作性能穩(wěn)定等優(yōu)點，因而應用很廣，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。
該電路的優(yōu)點是輸入電流連續(xù)，EMI和RFI較低，其輸入電感可以降低對輸入濾波的要求，功率因數(shù)較高，其缺電是隨著輸出功率的增加，其導通損耗增大，效率降低同時對散熱也有較高要求，其電感體積較大，輸出紋波電流也較大。
2.1.2 交錯并聯(lián)型PFC
隨著功率等級的不斷提高，BOOST型PFC的使用受到限制，而交錯并聯(lián)技術(shù)能夠有效降低功率器件的電流應力，減小電流紋波和磁性元件的體積并提升設備的功率等級，因而交錯并聯(lián)型PFC在車載充電機中的引用也非常常見。其拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
典型的交錯并聯(lián)Boost PFC電路采用兩路Boost電路并聯(lián)，相互互補工作。其電路的優(yōu)點是工作時由于電路紋波電流的抵消使得輸入和輸出的紋波電流較低，其相應的濾波電路尺寸可以減小，相比Boost型升壓電路，其損耗降低，但是其器件數(shù)目增加帶來的控制電路使得其成本升高，其對散熱也有較高要求。
2.1.3 其他PFC結(jié)構(gòu)
除上述Boost型和交錯并聯(lián)PFC外，其他PFC電路，如全橋PFC、Buck、Buck/Boost、反激式、Cuk式、Zeta式，也在一些設計中有其應用。
2.2 后級DCDC結(jié)構(gòu)
后級DCDC一般受控于電池管理系統(tǒng)，根據(jù)電池組反饋的電量信息和所需的充電模式，即使調(diào)整輸出，以實現(xiàn)智能充電。
2.2.1 移相全橋DCDC變換器
其可以達到最大的輸出功率，因而其適用于大功率的場合，但是由于其結(jié)構(gòu)及其控制電路復雜導致其陳本較高，可靠性相對較低。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。
2.2.2 LLC諧振變換
LLC諧振電路具有開關(guān)損耗低、輸入電壓輸出電壓調(diào)節(jié)范圍寬的優(yōu)點，由于其諧振元件都集中到一個磁性元件上因而減小了變換器的體積。然而由于其參數(shù)眾多，因而導致其工作過程復雜，調(diào)試難度大。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。
2.2.3 其他DCDC電路
除上述移相全橋型和LLC諧振外，還有推挽式電路，其通態(tài)損耗較小，驅(qū)動簡單，這適用于低電壓、大電流的工作場合，全橋DCDC電路適合一些大功率應用的場合，其他如有源鉗位正激式電路等也在一些設計中有其應用。
3 總結(jié)
隨著電動汽車在世界范圍內(nèi)受到越來越多的關(guān)注，其市場潛力十分大，而電池及其充電技術(shù)仍然是一個限制電動汽車普及的因素，其中的車載充電技術(shù)也是亟待發(fā)展的，電動汽車惡劣的車載條件對其效率、功率因數(shù)、功率密度和溫度等提出了更高的要求。在現(xiàn)有市場中，其各種拓撲結(jié)構(gòu)各有其優(yōu)缺點，根據(jù)功率需求、輸出電壓、電流等級要求、成本等具體要求的不同，其車載充電機的具體拓撲結(jié)構(gòu)是多種多樣
參考文獻
[1]陳柳欽.新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策支持[J].全球科技經(jīng)濟t望，2010（05）.
[2]孫逢春.電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].科學中國人，2006（08）：44-47.
[3]高麗麗.大功率電動汽車多功能智能快速充電機的研究[D].山東：山東科技大學.2010（05）.
第3篇：拓撲結(jié)構(gòu)范文
關(guān)鍵詞：EPA 拓撲結(jié)構(gòu) 實時性
中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416(2011)12-0117-01
隨著工業(yè)控制過程中對數(shù)據(jù)傳輸速率的要求不斷提高，RS232或RS485等串口總線無法滿足工業(yè)控制的要求，將以太網(wǎng)用于工業(yè)控制網(wǎng)絡已經(jīng)成為一種趨勢。EPA(Ethernet for Plant Automation) 工業(yè)以太網(wǎng)是中國完全擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的第一個也是唯一的現(xiàn)場總線國際標準。EPA采用了通過交換機或集線器建立起來的星型拓撲結(jié)構(gòu)，當網(wǎng)絡規(guī)模比較大時需要通過級聯(lián)的形式組網(wǎng)，大量的集中布線，不但會增加成本，而且也增加了安裝、調(diào)試的難度。此外采用交換機的EPA網(wǎng)絡中的節(jié)點的最遠直接傳輸距離受以太網(wǎng)物理層PMD電路驅(qū)動能力的限制，最大不超過200米（雙絞線），因此采用EPA技術(shù)的工業(yè)以太網(wǎng)的節(jié)點分布距離只能在200米線纜范圍（非地理范圍）之內(nèi)。對于一些不宜大量布線和傳輸距離較遠的工業(yè)場合如城市地鐵監(jiān)控系統(tǒng)、礦井生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)等，這些因素嚴重阻礙了EPA的推廣應用。所以要進一步改進EPA的性能, 拓展EPA網(wǎng)絡的應用范圍,對EPA的拓撲結(jié)構(gòu)展開研究很有必要。
1、 EPA及其微網(wǎng)段概述
為了提高網(wǎng)絡的實時性能，EPA對ISO／IEC8802.3協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)鏈路層進行了擴展，增加了一個EPA通信調(diào)度管理實體（Communication Scheduling Management Entity,CSME）。CSME不改變IEC8802.3數(shù)據(jù)鏈路層提供的服務，也不改變與物理層的接口，只是完成對數(shù)據(jù)報文的調(diào)度管理，包括周期報文和非周期報文的調(diào)度。對于非周期報文，CSME不作任何處理直接傳輸；而對于周期性的報文，則要先根據(jù)事先組態(tài)好的控制程序和優(yōu)先級大小，傳送給數(shù)據(jù)傳送設備，經(jīng)過處理后再傳到網(wǎng)絡上，以避免同時向網(wǎng)絡上發(fā)送數(shù)據(jù)，產(chǎn)生報文沖突。在EPA系統(tǒng)中，將控制網(wǎng)絡劃分為若干個控制區(qū)域，每個控制區(qū)域為一個微網(wǎng)段。這種方案能夠完全避免沖突的發(fā)生，每個微網(wǎng)段通過EPA網(wǎng)橋與其他網(wǎng)段分隔，該微網(wǎng)段內(nèi)EPA設備間的通信被限制在本控制區(qū)域內(nèi)進行，而不會占用其他網(wǎng)段的帶寬資源。處于不同微網(wǎng)段內(nèi)的EPA設備間的通信，需由相應的EPA網(wǎng)橋轉(zhuǎn)發(fā)控制。EPA網(wǎng)橋至少有2個EPA接口，當它需要轉(zhuǎn)發(fā)報文時，首先檢查報文中的源IP地址、目的IP地址和EPA服務標識等信息，以確認是否需要轉(zhuǎn)發(fā)，并確定報文轉(zhuǎn)發(fā)路徑。因此，任何廣播報文的轉(zhuǎn)發(fā)也將受到控制，不會發(fā)生采用一般交換機所出現(xiàn)的廣播風暴。這一方案比單純集線器方式的反應速度更快,抖動也更小。
2、總線型拓撲結(jié)構(gòu)
實際上以太網(wǎng)采用星型拓撲結(jié)構(gòu)的目的，是由于以太網(wǎng)的MAC層協(xié)議是CSMA/CD，該協(xié)議使得在網(wǎng)絡上存在沖突，特別是在網(wǎng)絡負荷過大時，更加明顯。對于一個工業(yè)網(wǎng)絡，如果存在著大量的沖突，就必須得多次重發(fā)數(shù)據(jù)，使得網(wǎng)間通信的不確定性大大增加。采用基于交換機的全雙工以太網(wǎng)，就從物理上避免了沖突的可能性。從前面分析可以看出EPA已經(jīng)從協(xié)議上避免了報文沖突，所以EPA完全可以支持布線簡單、無中心節(jié)點的共享介質(zhì)拓撲結(jié)構(gòu)，如總線型、環(huán)型等，如果采用環(huán)型結(jié)構(gòu)需要對EPA網(wǎng)橋等物理硬件等進行重新設計，本文主要給出了總線型拓撲結(jié)構(gòu)的設計方案,若要構(gòu)成這樣的拓撲結(jié)構(gòu)，只需開發(fā)一個三端口的T型中繼器，原來所有EPA設備均無須作任何改變，皆可以直接接入該網(wǎng)絡。至于原EPA節(jié)點的總線供電問題，可以通過T型中繼供電解決，每個T型中繼由專用電源線獨立供電。
3、線式拓撲結(jié)構(gòu)的實時性能分析
用于測量與控制的數(shù)據(jù)通信的主要特點之一是：允許對實時的事件進行確定通信。實時性是工業(yè)控制過程中最重要的指標，下面我們將分析這種總線拓撲結(jié)構(gòu)的實時性能。EPA實時性是建立在確定性通信通信的實現(xiàn)即CSME（通信調(diào)度管理實體）基礎之上。通過CSME調(diào)度周期數(shù)據(jù)報文和各個優(yōu)先級的非周期數(shù)據(jù)報文都會在當前周期的確定的時間發(fā)送到網(wǎng)絡，從而使報文的發(fā)送及響應控制在一定時間內(nèi)，保證實時性傳輸。其實時性能指標反映于EPA終端設備和EPA通信網(wǎng)絡的實時處理能力。EPA實時性測試的目的是檢驗EPA被測設備的實時性能是否符合EPA標準的要求。T型中繼器的功能是增加接口方便靈活組線，它對信號不做處理只是進行透明傳輸，所以延遲可以按連線處理。由于EPA網(wǎng)絡中各節(jié)點預先設定順序周期且有序進行通信，并且每次通信都是在確定的兩個節(jié)點之間進行的，所以數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間延遲是確定的，可計算的。同星型拓撲結(jié)構(gòu)相比，總線拓撲結(jié)構(gòu)由于采用相同的通信調(diào)度算法不同的只是線路的傳輸時延，通過實驗分析得出總線型拓撲結(jié)構(gòu)在10個節(jié)點且兩點通信線路距離小于1000米的情況下，通信實時性可以達到155μs，星型拓撲結(jié)構(gòu)在10個節(jié)點且兩點間通信線路距離小于200米情況下，通信實時性可以達到150μs。可見總線拓撲結(jié)構(gòu)并沒有影響實時性。
4、結(jié)語
通過上面的分析研究，可以得出EPA不僅支持總線拓撲結(jié)構(gòu)，而且能滿足工業(yè)控制的實時性要求。相對于只支持單一的星型拓撲結(jié)構(gòu)，總線拓撲結(jié)構(gòu)可以增加EPA的可應用范圍，加速EPA的推廣應用。
參考文獻
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第4篇：拓撲結(jié)構(gòu)范文
關(guān)鍵詞：礦井；無線傳感器網(wǎng)絡；LEACH算法；層次拓撲；結(jié)構(gòu)優(yōu)化
中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）16-3900-04
Abstract： Aiming at the characteristics of complex environment and wiring difficult in mine， according to mine real environment and system requirements， a four-storey clustering type chain topology of wireless sensor networks in the mine is built. The topology formation processes of stationary node networks， mobile node networks and whole networks are researched. Specially， the topology of mobile node networks is built by combination weighted LEACH algorithm，and the experiment simulation shows that the algorithm can reduce energy consumption effectively， and prolong the lifecycle of whole network. Meanwhile， aiming at the mobility of mine worker， the join strategy and leave strategy of mobile node are put forward respectively. The system has the specialties of multi-level， good stability and strong extensibility， which provides a good foundation for further data transmission and fusion and personnel location of mine monitoring system.
Key words：mine； wireless sensor networks； LEACH algorithm； hierarchical topology； structure optimization
我國煤礦井下自然環(huán)境復雜，礦井安全事故經(jīng)常發(fā)生，造成了重大生命財產(chǎn)損失，同時也影響著煤炭工業(yè)的發(fā)展[1][2]。因此，建立一個有效的礦井環(huán)境及人員監(jiān)測系統(tǒng)就顯得非常重要。目前，國內(nèi)礦井監(jiān)測系統(tǒng)大部分使用的是有線方式，存在著靈活性差、布線和維護困難等局限性，無法對礦井重要參數(shù)及工作人員進行無縫的全面監(jiān)控，給煤礦開采留下不可避免的安全隱患。因此，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡構(gòu)建礦井監(jiān)測系統(tǒng)就成為了必然。將無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)與工業(yè)以太網(wǎng)相結(jié)合應用于礦井環(huán)境及人員監(jiān)測，可以實現(xiàn)井內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)的靈活性和全面覆蓋，降低布線的難度和成本，提高數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和安全性。
礦井無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)[3]是礦井監(jiān)測系統(tǒng)進一步的數(shù)據(jù)傳輸、融合和人員監(jiān)控的基礎。目前已有研究者對礦井無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)進行了初步的研究，并提出了基于Prim算法拓撲結(jié)構(gòu)[4]、基于節(jié)點地址分配的礦井拓撲結(jié)構(gòu)[5]、基于LEACH算法礦井網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)[6]等等?，F(xiàn)提出來的這些方案都還存在改進和完善的空間，因此本文將提出一種基于組合加權(quán)LEACH算法的礦井網(wǎng)絡四層拓撲結(jié)構(gòu)。
1 系統(tǒng)的整體規(guī)劃
礦井監(jiān)測系統(tǒng)是對無線傳感器網(wǎng)絡和有線工業(yè)以太網(wǎng)[7]的集成，由兩部分組成：地面監(jiān)控系統(tǒng)和井下信息采集系統(tǒng)。兩系統(tǒng)之間通過以太網(wǎng)連接。地面監(jiān)控系統(tǒng)包括服務器和用戶終端。地面服務器負責收集數(shù)據(jù)信息，并存儲和整理，用戶終端通過訪問服務器里的數(shù)據(jù)庫，實時掌握井內(nèi)環(huán)境變化情況和井下人員動態(tài)。井下信息采集系統(tǒng)包括以太網(wǎng)、交換機、匯聚節(jié)點和無線傳感器節(jié)點。無線傳感器節(jié)點包括固定節(jié)點和移動節(jié)點，負責對井下環(huán)境信息和工作人員位置信息的采集，并發(fā)送給匯聚節(jié)點。交換機則是無線傳感器網(wǎng)絡和以太網(wǎng)通信的橋梁，匯聚節(jié)點收集信息后通過交換機和以太網(wǎng)上傳至地面服務器，地面監(jiān)控系統(tǒng)收到信息后，做出相應的判斷和應急反應。
2 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)
2.1 井下無線傳感器網(wǎng)絡架構(gòu)
考慮到井下惡劣的環(huán)境條件，所部署的無線傳感器網(wǎng)絡能源受限，拓撲具有動態(tài)性，因此本文將設計一種多層次的、擴展性強的井下拓撲結(jié)構(gòu)，如圖1所示。
由圖1可看出，整個井下網(wǎng)絡由匯聚節(jié)點、固定節(jié)點、移動節(jié)點組成。網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)包括四層，其中匯聚節(jié)點（CH1）為一級簇頭，負責接收整個網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)，并與地面服務器通過有線網(wǎng)絡連接；固定節(jié)點（CH2）為二級簇頭，負責數(shù)據(jù)的融合和轉(zhuǎn)發(fā)，同時還是未知節(jié)點定位的參考節(jié)點；三級簇頭節(jié)點（CH3）是從移動節(jié)點中通過組合加權(quán)LEACH算法選出來的，負責簇內(nèi)節(jié)點信息的收集并轉(zhuǎn)發(fā)給二級簇頭節(jié)點；第四層則是普通的移動節(jié)點（CN），各CN加入到各個簇，負責數(shù)據(jù)的采集。
2.2 固定節(jié)點網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)
固定節(jié)點網(wǎng)絡也可以稱做上層骨干網(wǎng)，由事先安裝在巷道內(nèi)固定位置的匯聚節(jié)點（CH1）和固定節(jié)點（CH2）組成，匯聚節(jié)點一般安裝在巷道口，固定節(jié)點則按一定間距安裝在巷道內(nèi)，它們的位置信息是已知的且存儲在地面監(jiān)控中心，固定節(jié)點一般是不可移動的。
固定節(jié)點作為網(wǎng)絡的二級簇頭，負責將網(wǎng)絡內(nèi)收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點，因此二級簇頭節(jié)點和匯聚節(jié)點之間應建立一個有效的通信拓撲。LEACH拓撲控制算法中，認為所有簇頭節(jié)點都能與匯聚節(jié)點直接通信，而在礦井實際環(huán)境中，這是無法實現(xiàn)的。因此根據(jù)巷道的長形結(jié)構(gòu)，構(gòu)建鏈狀的上層骨干網(wǎng)，無法與匯聚節(jié)點直接通信的二級簇頭節(jié)點選擇不同的二級簇頭節(jié)點作為它的父節(jié)點，由父節(jié)點承擔數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務。
首先，匯聚節(jié)點發(fā)起建網(wǎng)信息，CH2（二級簇頭節(jié)點）向周圍廣播自身信息，若收到匯聚節(jié)點的響應信息，則發(fā)送鏈接請求給匯聚節(jié)點，收到鏈接響應后入網(wǎng)成功。未收到匯聚節(jié)點響應信息的CH2分析是否有其他已入網(wǎng)的CH2的響應信息，根據(jù)響應信息的信號強度值，選擇距離較近的已入網(wǎng)CH2節(jié)點作為自己的父節(jié)點，并向其發(fā)送鏈接請求。網(wǎng)絡中子節(jié)點的工作時隙表由其父節(jié)點為其分配。
二級簇頭節(jié)點作為網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹欣^節(jié)點，任務較重，能耗較大，因此在實際應用中可在重要的二級簇頭節(jié)點周圍部署備用節(jié)點，備用節(jié)點一直處于睡眠狀態(tài)，只有在二級簇頭節(jié)點能量耗盡時才被喚醒，替代原來二級簇頭，同時向地面監(jiān)控中心發(fā)送報警信息，提醒工作人員更換電池。備用節(jié)點的部署，保障了網(wǎng)絡的穩(wěn)定性，使礦井監(jiān)測系統(tǒng)具有更好的魯棒性和安全性[8]。
2.3 移動節(jié)點網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)
在井下網(wǎng)絡中，當眾多移動節(jié)點同時發(fā)送信息給CH2時，容易引起信道沖突，造成能量的浪費，因此本文根據(jù)組合加權(quán)的LEACH算法來構(gòu)建移動節(jié)點網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，在移動節(jié)點中選出合適的節(jié)點作為三級簇頭（CH3），由CH3負責簇內(nèi)信息的收集并轉(zhuǎn)發(fā)給CH2節(jié)點，從而提高能量利用率，延長網(wǎng)絡生命周期。
三級簇頭的選舉采用組合加權(quán)的LEACH算法，即為每一個移動節(jié)點分配一個權(quán)值W，該權(quán)值衡量了移動節(jié)點適合充當簇頭的程度，權(quán)值W越小的節(jié)點越適合充當簇頭?？紤]到礦井環(huán)境的實際情況，權(quán)值W的計算考慮四個影響因子：剩余能量、節(jié)點度、節(jié)點的移動性、節(jié)點與其鄰居節(jié)點之間的平均距離。因此，移動節(jié)點j的權(quán)值[W（j）]可由以下公式計算可得：
[W（j）=a1×E（j）+a2×D（j）+a3×M（j）+a4×P（j）]
其中，[E（j）]表示節(jié)點j已經(jīng)消耗的能量，[D（j）]表示節(jié)點j的節(jié)點度與網(wǎng)絡理想節(jié)點度之差，[M（j）]表示節(jié)點j 的移動性，[P（j）]表示節(jié)點j與其鄰居節(jié)點之間的平均距離。[a1]，[a2]，[a3]，[a4]為權(quán)重因子，其取值關(guān)系為：[a1>a2>a3>a4]。
移動節(jié)點網(wǎng)絡的拓撲形成過程描述如下：（1）移動節(jié)點網(wǎng)絡多由礦井工作人員構(gòu)成，他們通常聚集在一起進入井內(nèi)，在下井之前就已成簇，由于各節(jié)點的初始能量相同（每個便攜式設備都已充滿電），設定第一輪的三級簇頭由ID 號最小的移動節(jié)點充當；（2）當三級簇頭的能量下降至初始能量的70%時，將進行下一輪的三級簇頭選舉，這時三級簇頭會在本簇中廣播一個權(quán)值查詢命令，每個簇成員節(jié)點收到命令后按權(quán)值公式計算自己的權(quán)值，并發(fā)送給簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點選擇一個權(quán)值最小的節(jié)點來充當下一輪簇頭，并把新簇頭ID號發(fā)送給簇成員節(jié)點，同時把自己設置為非簇頭節(jié)點，簇成員節(jié)點把新簇頭ID與自己ID相比較，若相等，則把自己設為簇頭節(jié)點；（3）當選為三級簇頭的節(jié)點在移動節(jié)點網(wǎng)絡內(nèi)廣播簇頭消息，其他移動節(jié)點收到簇頭廣播消息后，發(fā)送入簇消息給所選擇簇的簇頭，簇頭節(jié)點收到所有入簇消息后，建立一個TDMA調(diào)度時間表，并發(fā)送給簇內(nèi)每個節(jié)點；（4）當所有普通移動節(jié)點都收到時間表后，進人數(shù)據(jù)傳輸階段，各簇成員節(jié)點按照TDMA時間表將采集數(shù)據(jù)發(fā)送給三級簇頭節(jié)點，三級簇頭節(jié)點收集所有成員節(jié)點發(fā)來的信息，對其進行融合處理并轉(zhuǎn)發(fā)給二級簇頭節(jié)點，簇內(nèi)節(jié)點在TDMA時間表分配給自己的時隙之外關(guān)閉其通信模塊。
每一輪中，當三級簇頭的能量下降至充當簇頭時能量的70%時，進行下一輪的三級簇頭選舉。移動節(jié)點網(wǎng)絡中，基于組合加權(quán)LEACH算法的拓撲結(jié)構(gòu)形成流程圖如圖2所示。
2.4 整個網(wǎng)絡的拓撲形成
當上層骨干網(wǎng)建立后，若沒有移動節(jié)點進入巷道內(nèi)，固定節(jié)點處于睡眠狀態(tài)，只對環(huán)境信息進行監(jiān)測并周期性上傳給匯聚節(jié)點。當有移動節(jié)點進入巷道內(nèi)，移動節(jié)點自主組成簇結(jié)構(gòu)，由三級簇頭節(jié)點喚醒二級簇頭節(jié)點（固定節(jié)點），二級簇頭節(jié)點記錄下移動簇群的信息并轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點。若某三級簇頭節(jié)點在規(guī)定時間[Tw]內(nèi)沒有發(fā)送任何信息給二級簇頭，二級簇頭則認為該簇群已離開，同時從鏈接表中刪除該簇群信息。
3 網(wǎng)絡拓撲的動態(tài)變化
網(wǎng)絡拓撲的動態(tài)變化是指移動節(jié)點的加入或離開。由于井下工作人員的移動性強，那么就必然涉及到單個節(jié)點的加入或離開，另外也有可能有節(jié)點出現(xiàn)失效的情況，從而引起網(wǎng)絡的拓撲動態(tài)變化。節(jié)點失效也可看作是節(jié)點的離開。
1） 移動節(jié)點的加入：移動節(jié)點向周圍廣播入簇請求信息，收到請求信息的三級簇頭節(jié)點回復響應信息，移動節(jié)點根據(jù)響應信息的信號強弱，選擇信號強的三級簇頭節(jié)點作為自己的簇頭節(jié)點，并發(fā)送鏈接請求給所選簇頭，當移動節(jié)點收到簇頭分配的工作時間表后，加入成功。
2） 移動節(jié)點的離開：三級簇頭節(jié)點會周期性的廣播查詢信息，簇內(nèi)節(jié)點收到查詢信息后會在自己的工作時隙內(nèi)發(fā)送一個應答信息給三級簇頭，如果三級簇頭節(jié)點在規(guī)定時間[Tw]內(nèi)未收到某節(jié)點的應答，則判斷為此移動節(jié)點已離開本簇，三級簇頭節(jié)點便在自己的鏈接表中刪除該節(jié)點信息，并重新給簇內(nèi)節(jié)點分配工作時隙。
4 仿真結(jié)果與分析
使用MATLAB對井下無線傳感器網(wǎng)絡進行仿真，設置巷道長為500m，寬10m，匯聚節(jié)點布置在巷道口，CH2按一定間距布置在巷道內(nèi)，移動節(jié)點則隨機分布在巷道內(nèi)。分別對移動節(jié)點平均剩余能量和網(wǎng)絡生命周期進行仿真，并與LEACH算法進行比較分析。
1） 移動節(jié)點平均剩余能量。即井下網(wǎng)絡正常工作中，所有移動節(jié)點的平均剩余能量。移動節(jié)點平均剩余能量仿真結(jié)果如圖3所示。
從圖3可以看出，該文構(gòu)建的井下網(wǎng)絡中，移動節(jié)點的平均剩余能量要高于采用LEACH算法構(gòu)建的井下網(wǎng)絡。這是因為，該文采用組合加權(quán)的LEACH算法選舉出的三級簇頭綜合性能好，并且當CH3的能量下降至充當簇頭時能量的70%時，才進行簇頭的更新，減少了簇頭的更新次數(shù)，從而降低了選舉簇頭帶來的能耗。
2） 生命周期。即網(wǎng)絡維持正常工作所持續(xù)的時間。網(wǎng)絡生命周期仿真結(jié)果如圖4所示。
由圖4可知，隨著移動節(jié)點的最大通信距離的增大，該文算法與LEACH算法的網(wǎng)絡生命周期都在減小，并且，在整個通信范圍內(nèi)，該文算法的生命周期都優(yōu)于LEACH算法。其原因是：相比于LEACH算法，該文采用組合加權(quán)算法選出的三級簇頭綜合性能更好，節(jié)點能量能夠得到有效利用，負載也更均勻，從而延長了節(jié)點存活的時間，整個網(wǎng)絡的生命周期也更長。
5 結(jié)束語
本文基于組合加權(quán)的LEACH算法，提出了一種井下無線傳感器網(wǎng)絡的四層層次型鏈狀拓撲結(jié)構(gòu)，使得選出的三級簇頭具有較好的性能，能夠有效的降
低移動節(jié)點的能耗和延長整個井下網(wǎng)絡的生存時間。另外，由于井下工作人員構(gòu)成的移動節(jié)點具有強移動性，增添了單個移動節(jié)點的加入策略和離開策略，提高了網(wǎng)絡的穩(wěn)定性。設計出的井下網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)具有能耗低、網(wǎng)絡生命周期長、靈活性好等優(yōu)點，可實現(xiàn)對礦井內(nèi)部的無縫監(jiān)測。下一步研究工作可對分簇算法與功率控制相結(jié)合的礦井拓撲結(jié)構(gòu)建立機制做一定的嘗試和研究。
參考文獻：
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第5篇：拓撲結(jié)構(gòu)范文
關(guān)鍵詞：槽式太陽能；聚光器；拓撲優(yōu)化；有限元
1.拓撲優(yōu)化的設計理論
1.1拓撲優(yōu)化的設計的基本要求
在滿足硬度等一系列條件的情況下，在給定的設計空間里，開鑿，挖洞，把不需要的東西全部去掉。找到更好的結(jié)構(gòu)方式，讓產(chǎn)品在要求中獲得最成功的樣子。拓撲優(yōu)化具有其他優(yōu)化方式無法具有的優(yōu)點，比如可以對基本結(jié)構(gòu)的布局進行修改，模擬出概念性設計的結(jié)構(gòu)方案給設計者，使設計更具備實用性和經(jīng)濟性，在優(yōu)化拓撲結(jié)構(gòu)的過程中，設計者甚至不用去管拓撲結(jié)構(gòu)形態(tài)，僅需提出設計范圍，就可以尋找出最佳的結(jié)構(gòu)分布狀態(tài)，設計人員通過了解整個設計的結(jié)構(gòu)特點，然后針對一個點進行設計。這種設計方式最終要達到的目的是在滿足一系列要求的情況下，使結(jié)構(gòu)的性能達到接近理想的狀態(tài)。
1.2結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設計的原理和方法
就目前來說，連續(xù)體結(jié)構(gòu)是拓撲優(yōu)化設計的主流對象。這種方式的優(yōu)化需要化整為零，把整體分成若干個小部分，然后根據(jù)所提出的基本要求和要達到的條件對這若干個小部分進行擇優(yōu)選擇，形成猶如蜂窩一樣的連續(xù)體，最終獲得連續(xù)體的最優(yōu)設計，目前這種優(yōu)化方式比較適用的方法有，漸進結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，均勻化方法以及變密度方法。
1.2.1漸進結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法
具體操作比較簡單，那就是對各種材料精挑細選，剔除糟粕，剩余的結(jié)構(gòu)也就趨向于標準了。在這種優(yōu)化迭代的計算方法中，用零來表示不存在的單元材料。同理，存在的單元材料用一進行表示，這種算法可以用有限元法，在計算機上通過迭代過程實現(xiàn)。這種算法應用范圍廣，而且結(jié)構(gòu)的單元數(shù)規(guī)模相當巨大。
1.2.2均勻優(yōu)化方法的應用
均勻優(yōu)化的方法比較理論化，要用切實可行的方法應用在學科中，把細小的東西加入到應用結(jié)構(gòu)的材料中，其中改變的是微小結(jié)構(gòu)單胞大小，整體的材料密度和彈性由局部材料的大小和方式?jīng)Q定，單胞大小的整改可以對微結(jié)構(gòu)進行改變，如此便擴大了涉及范圍，從而對結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化成功。
1.2.3變密度方法
變密度方法是比較常見的在拓撲設計連續(xù)體結(jié)構(gòu)所用的方法。是一種材料勾畫效果，通過分析材料物理和密度之間的聯(lián)系，不許進行拓撲設計，只是考慮合理布置材料，將整體分成有限的單元后，然后看體積的要求，讓每一個小部分的密度盡量一樣，每個單位的密度是改變的，把結(jié)構(gòu)的平順柔軟度減小。
2.槽式聚光器支架介紹以及拓撲優(yōu)化的意義
槽式聚光器是一個接一個排列的，上面有一個個聚光鏡對太陽光進行聚焦，對集熱管進行加熱，把里面的水加熱后形成水蒸氣，利用氣壓在催動發(fā)電機工作。聚光器是由驅(qū)動、傳感器、反射鏡、金屬支架、吸收管和控制器等組成的太陽能聚熱裝置。而在整個聚光器的總體重量中，支架結(jié)構(gòu)占有很高的比重，重量既增加了成本又增加了系統(tǒng)的負重，而且支架的強度和剛度對整個系統(tǒng)的強度和剛度都有影響，所以優(yōu)化支架對于整個系統(tǒng)的好處是不言而喻的。因為拓撲優(yōu)化對于輕量化的優(yōu)化能力相對于其他優(yōu)化方式更好，所以選用拓撲優(yōu)化對聚光器的支架結(jié)構(gòu)進行輕量化的優(yōu)化。
3.太陽能聚光器支架拓撲優(yōu)化設計方法
在選定拓撲優(yōu)化設計為設計方法之后，就要確定支架和鏡子的連接位置，優(yōu)化結(jié)果的好壞取決于鏡子的支撐位置對結(jié)構(gòu)的受力狀況，所以確定了鏡子的位置之后就可以建立拓撲優(yōu)化的模型?？傮w的優(yōu)化流程可概括為：先選定拓撲優(yōu)化方法進行優(yōu)化設計，然后選定優(yōu)化設計對象，在對鏡子支點位置設計優(yōu)化，接著對反射鏡支架結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設計，最后對拓撲優(yōu)化結(jié)果可制造化進行處理。
上文提到了各種拓撲優(yōu)化的方法，最普通不過的是變密度法，這種方法得到的部分密度是數(shù)字規(guī)則分布的，有助于最后解決可制造的問題，所以，我們著重討論一下變密度法的優(yōu)化方式，借助合適的工具才能使用這個方法。可以用optistrtct進行工作，然后用可以利用三維視圖的工具構(gòu)建空間，在過程中不斷地進行修復和改善，力求沒有問題、一次通過。接著，把優(yōu)化空間再進行處理，最后做出這個模型。模型建立完成后，需要通過拓撲優(yōu)化計算，對結(jié)果進行分析考證，看結(jié)果是否能合理地運用且實際可行。如果結(jié)果合理，就能夠進行下一項克制造化的處理，并且進行有限元的分析，最終實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化；如果結(jié)果不合理，那么就要一切從新來過，直到結(jié)果合理為止。
聚光器的支架拓撲優(yōu)化的流程可以概括為：首先根據(jù)設計要求建立cad模型，然后建立pe模型，分析載荷和邊界條件，接著對結(jié)構(gòu)進行分析，對參數(shù)的定義進行優(yōu)化，下面才進入到拓撲優(yōu)化，再建立一個cad模型，并再次對結(jié)構(gòu)進行分析，結(jié)果合理后結(jié)合工程實踐進行設計。
4.結(jié)論
由此我們可以得出拓撲優(yōu)化的嚴謹性，安全性，可用性，以及對軟件技術(shù)的要求和對設計者的技術(shù)的要求，只有遵循這些要求，才能更好地進行太陽能聚光器支架結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化設計。
參考文獻
第6篇：拓撲結(jié)構(gòu)范文
關(guān)鍵詞：指揮信息系統(tǒng)；通信網(wǎng)絡；拓撲分析
指揮信息系統(tǒng)，主要為各級防空指揮員及指揮機關(guān)遂行防空作戰(zhàn)指揮任務提供自動化的指揮控制平臺。
通信網(wǎng)絡是指揮信息系統(tǒng)各分系統(tǒng)組網(wǎng)運行的基礎，是指控、情報等要素的重點保障。研究指揮信息系統(tǒng)通信網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)，對于分析裝備使用過程中的風險點，使裝備的使用風險最小、效能最大，對提高基于指揮信息系統(tǒng)的體系作戰(zhàn)能力有著重要意義。
復雜網(wǎng)絡就是具有復雜拓撲結(jié)構(gòu)和動力行為的大規(guī)模網(wǎng)絡。從復雜網(wǎng)絡的定義，可以得出所要研究的該裝備通信網(wǎng)絡也是一個典型的復雜網(wǎng)絡。因為該通信網(wǎng)由大量的節(jié)點所組成，且每個節(jié)點具有自身動力學特征，每個節(jié)點不是獨立存在的，它們與其他節(jié)點具有相互連接、相互作用的特點，從而整個通信網(wǎng)具有非常復雜的動力學特征。故該裝備的通信網(wǎng)絡作為一個典型的復雜網(wǎng)絡，用復雜網(wǎng)絡理論對它進行可靠性研究是科學有效的。
本文對該裝備的通信網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)進行分析，為該裝備的通信網(wǎng)風險管理做基礎性研究。
1 基本定義及通信網(wǎng)絡拓撲分析模型
1.1 復雜網(wǎng)絡的定義
復雜網(wǎng)絡就是具有復雜拓撲結(jié)構(gòu)和動力行為的大規(guī)模網(wǎng)絡。就目前的研究成果而言，一般從圖論和矩陣兩種方式定義復雜網(wǎng)絡。
從圖論的方面出發(fā)，假設網(wǎng)絡中存在n個節(jié)點和m條連接線，則可以定義節(jié)點集合V={v1，v2，v3，…vn}和邊集E={e1，e2，e3，…em}來表示這個網(wǎng)絡，其中的邊可以有方向和無方向兩種，為了簡化計算，只考慮無向圖。圖1是一個網(wǎng)絡圖示例，它有5個節(jié)點和4條連接這些節(jié)點的邊，可以將它視為端集V={1，2，3，4，5}，邊集E={e12，e15，e23，e25}，其中節(jié)點4為獨立節(jié)點。
從矩陣的角度出發(fā)，最常用的就是用一個鄰接矩陣A來表示網(wǎng)絡的圖的結(jié)構(gòu)信息，如果網(wǎng)絡中的i節(jié)點和j節(jié)點是相互連接的，則矩陣上相應位置上Aij的數(shù)值為1，如果這兩點之間不存在連接邊，則相應的Aij的數(shù)值就為0，顯然一個無向圖的鄰接矩陣式一個對稱矩陣。為了方便對復雜網(wǎng)絡的同步特性的研究，本文用比較特殊的對稱鄰接矩陣表示所對應的網(wǎng)絡。
對角線上元素Aij=。對于圖1的矩陣表示為
復雜網(wǎng)絡的可靠性定義為：在自然或者人為的破壞下，復雜網(wǎng)絡自身能夠保持原有功能的能力。
從復雜網(wǎng)絡的定義可以看出，包括了可靠性的研究對象、規(guī)定條件、原有功能著三個要素。首先研究對象就是：具有數(shù)量級大的節(jié)點和邊的復雜網(wǎng)絡，且這些節(jié)點具有非線性動力性、還要具有按照一定網(wǎng)絡拓撲漸漸演化的過程。規(guī)定的條件：自然或認為的破壞作用，這里主要是指對網(wǎng)絡中的節(jié)點和邊進行隨機攻擊或者進行智能攻擊。保持原有功能的能力指的是：復雜網(wǎng)絡的存在都是為了完成現(xiàn)實中的一些客觀存在的功能，如果對這些網(wǎng)絡進行了隨機攻擊和智能攻擊后，會對原來的網(wǎng)絡造成一定的影響，然而在這種情況下，復雜網(wǎng)絡仍然能夠保持或者部分保持實現(xiàn)某一功能的能力。
1.2 指揮信息系統(tǒng)通信網(wǎng)絡模型
為了計算的方便我們將導彈營、高炮營配屬數(shù)量減半并簡化，將節(jié)點編號如圖3：
從網(wǎng)絡拓撲的簡化結(jié)構(gòu)圖可以看出節(jié)點對之間的連接關(guān)系，可以將它表示為
端集V={1，2，3，…，13}，
邊集E={e12，e13，e14，e15，e16，e23，e24，e25，e28，e29，e2，10，e34，e35，e3，11，e3，12，e3，13，e45，e47}的圖。
2 復雜網(wǎng)絡的描述參數(shù)
復雜網(wǎng)絡的描述參數(shù)有助于我們對網(wǎng)絡的內(nèi)部特征深入了解，描述參數(shù)有：網(wǎng)絡的度、網(wǎng)絡的聚集系數(shù)、網(wǎng)絡的最短路徑和耦合矩陣特征值。
2.1 節(jié)點的度
節(jié)點度數(shù)ki是第i個節(jié)點連接的邊數(shù)目，即相當于i點的所有相鄰節(jié)點的數(shù)目。在物理學領(lǐng)域中，節(jié)點的度表示本地的網(wǎng)絡連接的連通性。通過鄰接矩陣可以很簡單地推出度ki的值：
節(jié)點的度分布是一個擴展的節(jié)點的度的概念。用分布函數(shù)P（k）來表示度的分布，P（k）是網(wǎng)絡中某個節(jié)點具有k條邊或k個鄰接點的概率。網(wǎng)絡的全局連通性和節(jié)點在網(wǎng)絡中的重要性都靠節(jié)點度的分布，所以它是整個網(wǎng)絡的基本統(tǒng)計特征，它同樣可以表征網(wǎng)絡的均勻性特征。復雜網(wǎng)絡的平均度也是一個很重要的概念，平均度這里用表示：
網(wǎng)絡的平均度是用來表征整個網(wǎng)絡上的所有節(jié)點的平均度的數(shù)值，同樣也可以來衡量網(wǎng)絡的疏密程度，越大，對應的網(wǎng)絡就越密集，越小，網(wǎng)絡就越稀疏。
2.2 最短路徑
我們將網(wǎng)絡中某一節(jié)點到達另一節(jié)點所要經(jīng)過的距離定義為路徑長度，在本文中就是指節(jié)點直接相互連接所需要的邊的數(shù)目。最短路徑長度lij表示的是節(jié)點i到節(jié)點j的最短距離，即經(jīng)過的最少的邊的數(shù)目。從上述定義可以得出，最短路徑長度是以邊長作為單位的拓撲距離。與平均節(jié)點度概念類似，也存在平均最短路徑長度L的概念，它表示的是圖的任意兩點的最短路集合{lij}的平均值。最短路徑長度L的數(shù)值可以表征網(wǎng)絡的特征尺寸，可以表征網(wǎng)絡的連通度。
2.3 聚集系數(shù)
我們將圖中某一節(jié)點的兩個最近鄰也是近鄰的概率定義為聚集系數(shù)C。設點i的數(shù)目為Ei，k表示這些近鄰點與i之間有連線的數(shù)目。則定義節(jié)點i的聚集系數(shù)為：
節(jié)點i附近環(huán)境的連通性用聚集系數(shù)Ci來表示。對網(wǎng)絡上全部節(jié)點Ci進行平均計算得到的C即為平均聚集系數(shù)，整個網(wǎng)絡的連通性用C來衡量。
2.4 耦合矩陣特征值
耦合矩陣的特征值是用來表征網(wǎng)絡同步特性的重要參數(shù)，復雜網(wǎng)絡的同步特征是一個重要的屬性，反映復雜網(wǎng)絡同步特征的參數(shù)就是耦合矩陣的特征值。
對于圖3，可以得到每個節(jié)點的節(jié)點度，如k1=5，k2=7，則該網(wǎng)絡的平均節(jié)點度=2.77，從平均節(jié)點度可以看出，該網(wǎng)絡的密集程度不高。
3 網(wǎng)絡的點攻擊設計
為了對網(wǎng)絡可靠性進行評價，首先要對網(wǎng)絡進行攻擊，本文中，分別對網(wǎng)絡進行隨機攻擊和智能攻擊，從而評價一個網(wǎng)絡所能承受攻擊的能力，為網(wǎng)絡可靠性的評定提供依據(jù)。
3.1 隨機攻擊
隨機攻擊就是對網(wǎng)絡中的點進行隨機的撤除或?qū)υ摴?jié)點的連接線進行隨機的切斷。在現(xiàn)實中可能發(fā)生的事故是由于網(wǎng)絡自身的故障，而引起某個或部分節(jié)點失效。只要對網(wǎng)絡相應的鄰接矩陣中的某行和列進行隨機的置零就完成了。
對網(wǎng)絡進行隨機點攻擊的流程出圖4：
隨機點攻擊的MATLAB代碼如下：
T=input（‘T=’）；
p2=input（‘p2=’）；
N=size（A，2）；
c=randperm（N）；
h=1；
for k=1：T
h1=h+p2-1
for i=h：h1
A（c（i），：）=0
A（：，c（i））=0
end
h=h+p2
end
3.2 智能攻擊
智能攻擊就是有選擇性地對網(wǎng)絡中的點，按照一定的策略進行蓄意的破壞攻擊。如，敵人在選擇攻擊目標時，總是先選擇重要度高的目標進行攻擊。為了研究對網(wǎng)絡的智能攻擊，我們對網(wǎng)絡中的節(jié)點按照它的節(jié)點度的大小按照一定比例進行去除。與隨機攻擊類似，我們對網(wǎng)絡相應的鄰接矩陣按照節(jié)點度的大小將該矩陣的某一行和列上的元素進行置零，這樣就可以對網(wǎng)絡進行智能點攻擊。
對網(wǎng)絡進行智能點攻擊的流程如圖5
生成智能攻擊的MATLAB代碼如下：
T=input（‘T=’）；
p2=input（‘p2=’）；
N=size（A，2）；
for kc=1：T
dc1=sum（A）；
dc2=length（dc1）；
[sorted，index]=sort（dc1）；
cc=rot90（index，2）；
Ac（cc（1：p2*kc），：）=0；
Ac（：，cc（1：p2*kc））=0；
end
對通信網(wǎng)絡進行隨機點攻擊和智能點攻擊，可以評價一個網(wǎng)絡的抗毀性。對某型指揮信息系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡進行攻擊，在受到隨機點攻擊后，網(wǎng)絡表現(xiàn)除的抗毀性比較強，但受到智能點攻擊后，由于網(wǎng)絡中節(jié)點度高的點被智能地去除，所有網(wǎng)絡的連接度被破壞，網(wǎng)絡的抗毀性下降的比較明顯。
4 計算通信網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的可靠性
4.1 計算步驟
對于一個給定的網(wǎng)絡，其網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)包含三部分：節(jié)點N，連接節(jié)點之間的弧E和網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)T，網(wǎng)絡的抗毀性R與節(jié)點、弧及網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)有關(guān)。
若通信網(wǎng)共有n個節(jié)點，通信網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)抗毀性R的計算步驟如下：
（1）確定每條弧的可靠性，經(jīng)過分析，我們簡化設定每條弧的可靠性為rk=0.9；
（2）計算路徑的可靠性，節(jié)點對i，j之間的第m條路徑上弧的數(shù)目為p，則該路徑的可靠性為：
（3）計算節(jié)點對之間的可靠性，節(jié)點對i，j之間共有m條路徑，則節(jié)點對i，j之間的可靠性：
（4）確定整個通信網(wǎng)絡的可靠性
4.2 數(shù)據(jù)仿真
對于ET90B通信網(wǎng)，首先根據(jù)第二步公式計算路徑的可靠性，假設我們計算節(jié)點1到節(jié)點13的路徑可靠性為0.81，則對應的節(jié)點1和節(jié)點13之間的可靠性為0.81，從而通過編程計算可以算出整個某型指揮信息系統(tǒng)通信網(wǎng)絡的可靠性。這里算出的可靠性，可以為該裝備通信網(wǎng)風險評估提供基礎數(shù)據(jù)。
5 結(jié)語
利用復雜網(wǎng)絡理論對某型指揮信息系統(tǒng)通信網(wǎng)絡進行分析，可以簡化網(wǎng)絡模型，將通信網(wǎng)絡抽象為只有節(jié)點與連接線的圖，對網(wǎng)絡進行隨機點攻擊和智能點攻擊，來評價網(wǎng)絡受到這兩種攻擊下抗毀性的變化，針對規(guī)程給出的拓撲可靠性計算步驟，對某型指揮信息系統(tǒng)通信網(wǎng)絡拓撲的可靠性進行仿真計算，可以看出，該裝備通信網(wǎng)絡密集程度不高，拓撲結(jié)構(gòu)較為可靠，但抗毀性不強，為該裝備通信網(wǎng)風險評估相關(guān)研究開辟了蹊徑、提供網(wǎng)絡拓撲可靠性的基礎數(shù)據(jù)。
參考文獻
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第7篇：拓撲結(jié)構(gòu)范文
關(guān)鍵詞： 防誤閉鎖系統(tǒng)； 網(wǎng)絡型； 拓撲結(jié)構(gòu)； 電網(wǎng)
中圖分類號： TN711?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）09?0156?04
Abstract： The problems existing in traditional three anti?misoperation locking systems of mechanical type， electrical type and microcomputer type are analyzed. For the above problems， the advanced network technology used to design the networked anti?misoperation locking system scheme for the substation based on topology structure is proposed. The identification method and locking mode of the network topology structure for the substation are determined. And then the hardware and software of this new anti?misoperation locking system are respectively introduced in detail. The networked anti?misoperation locking system for the substation based on topology structure can solve the problems existing in traditional anti?misoperation locking systems， and is easy to realize automation. The system has a practical guiding significance.
Keywords： anti?misoperation locking system； network mode； topology structure； power grid
如今，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)的規(guī)模也越來越大，但是，電氣誤操作造成損傷的案例卻時有發(fā)生。隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的增大，電氣誤操作產(chǎn)生的危害也越來越大，它可以在一瞬間讓電網(wǎng)大面積的停電，讓生活和生產(chǎn)受到極大影響，它可以讓一些價格昂貴的電力設備在瞬間毀壞，更有甚者造成人員傷亡。避免類似事件發(fā)生的系統(tǒng)，統(tǒng)稱為防誤閉鎖系統(tǒng)。防誤閉鎖系統(tǒng)，就是利用自身既定的程序閉鎖功能，裝設在高壓電氣設備上以防止誤操作的裝置系統(tǒng)。雖然這一系統(tǒng)可以有效地降低誤操作導致不良后果的概率，但是目前該系統(tǒng)依然存在不少問題：首先，防誤閉鎖系統(tǒng)的自動化程度太低，在系統(tǒng)的倒閘操作中增設了許多人為的操作解鎖或閉鎖的動作，導致過程耗時很長，不僅效率低而且耗費操作者大量的體力，增加了勞動強度。另一方面，電力系統(tǒng)發(fā)展出現(xiàn)了新的趨勢，如無人值班變電所、電動操作設備的增多以及監(jiān)控中心的建立，這些要求傳統(tǒng)的防誤閉鎖系統(tǒng)必須進行相應的改進，以適應電力系統(tǒng)的新發(fā)展。因此，在網(wǎng)絡技術(shù)發(fā)達的今天，要充分發(fā)揮現(xiàn)代網(wǎng)絡技術(shù)的優(yōu)勢，將現(xiàn)代網(wǎng)絡技術(shù)融入到變電站的防誤閉鎖系統(tǒng)中，使其在設計理念和科學技術(shù)上實現(xiàn)創(chuàng)新和突破。
1 傳統(tǒng)防誤閉鎖系統(tǒng)分析
以往在發(fā)電廠或變電所等的電氣生產(chǎn)作業(yè)過程中，為了達到規(guī)定的“五防”要求，發(fā)展形成了一些防誤閉鎖系統(tǒng)，本文首先對這些傳統(tǒng)的防誤閉鎖系統(tǒng)（裝置）作簡要介紹，并分析存在的問題，針對這些問題，提出基于拓撲結(jié)構(gòu)的變電站網(wǎng)絡型防誤閉鎖系統(tǒng)設計方案。
1.1 傳統(tǒng)防誤閉鎖系統(tǒng)類型
傳統(tǒng)防誤閉鎖系統(tǒng)按照閉鎖方式的不同，大體可以分為三種類型：
（1） 機械式防誤閉鎖系統(tǒng)。在機械鎖防誤閉鎖系統(tǒng)中，有機械程序鎖和機械聯(lián)鎖之分，但無論何種，這種防誤閉鎖系統(tǒng)，都是純機械系統(tǒng)，利用特定的機械結(jié)構(gòu)對電氣系統(tǒng)的開關(guān)、刀閘等電氣設備的操作實行機械目標定位來實現(xiàn)閉鎖功能。程序鎖是置換或充分利用鑰匙隨操作源程序傳遞而達到開鎖先后操作的基本功能要求；聯(lián)鎖是指在開關(guān)柜的操作部位之間，充分利用聯(lián)動與互相制約的機械構(gòu)件實現(xiàn)先后運動的基本閉鎖功能。
（2） 電氣式防誤閉鎖系統(tǒng)。電氣鎖是在機械鎖的基礎上引入電磁控制。電和磁的相互轉(zhuǎn)化使得電氣的控制更加方便，有效的利用電磁鎖的基本構(gòu)件鎖栓對網(wǎng)門、刀閘等電氣設備的操作把手來實現(xiàn)機械的基本定位控制，并利用控制電路的通電和斷電實現(xiàn)被控制開關(guān)或閘刀的開與合。
（3） 微機式防誤閉鎖系統(tǒng)。微機鎖則是在電氣鎖的基礎上進一步改進，把多點處的電氣鎖進行串聯(lián)，利用計算機技術(shù)對多個電氣鎖進行控制，就形成了微機鎖防誤閉鎖系統(tǒng)。該防誤閉鎖系統(tǒng)實現(xiàn)防誤閉鎖的基本數(shù)字化功能，而且還可以實現(xiàn)很多更具有挑戰(zhàn)性的防誤閉鎖功能。
1.2 傳統(tǒng)防誤閉鎖系統(tǒng)存在的主要問題
傳統(tǒng)的三種防誤閉鎖系統(tǒng)，依然存在不少問題，主要有以下幾方面：
（1） 走空程。所謂的“走空程”，就是指開鎖后不經(jīng)操作即跳入下一步。在傳統(tǒng)防誤閉鎖系統(tǒng)中，這是最突出的問題，而且一直沒能找到很好的技術(shù)措施，大多是依靠操作人員的責任心，人為因素導致事故的風險依然很大。在微機防誤閉鎖系統(tǒng)中，為解決這一問題，設置了檢位鎖，這樣又引起了新的問題，一方面使得設備的維護量大大增加，另一方面使得操作異常繁瑣，總給人一種得不償失的感覺。
（2） 無實時對位。在機械式或電氣式防誤閉鎖系統(tǒng)中，在倒閘操作中，對保護的投、退以及開關(guān)操作電源的拉、合等一些危險點很難實現(xiàn)強制閉鎖，達不到保護的效果。而微機防誤閉鎖系統(tǒng)中的電腦鑰匙又無法得到相關(guān)設備的變位信息，這又是一個隱患。
（3） 無法自動化。電力系統(tǒng)的擴大與系統(tǒng)運行的復雜化急需對變電站實現(xiàn)自動化控制。但傳統(tǒng)的三種防誤閉鎖系統(tǒng)基本采用了“Key+Lock”的模式，這一模式根本無法實現(xiàn)自動化，因此與變電站控制發(fā)展的大趨勢背道而馳。
2 基于拓撲結(jié)構(gòu)的變電站網(wǎng)絡型防誤閉鎖系統(tǒng)
設計
基于傳統(tǒng)防誤閉鎖系統(tǒng)存在的問題，充分利用現(xiàn)達的網(wǎng)絡技術(shù)，實現(xiàn)防誤閉鎖系統(tǒng)在理念和技術(shù)上的創(chuàng)新和突破，達到實時在線、根據(jù)設備的實時狀態(tài)實現(xiàn)防誤閉鎖系統(tǒng)的響應功能，下面就基于拓撲結(jié)構(gòu)的變電站網(wǎng)絡型防誤閉鎖系統(tǒng)設計方案加以描述。
2.1 電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)表示
如今電網(wǎng)規(guī)模越來越大，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)也越來越復雜，這樣的結(jié)果就是電網(wǎng)的節(jié)點越來越多，如果仍然采用傳統(tǒng)的鄰接矩陣法，以窮舉遍歷的形式描述兩個保護對象是否存在電氣連接效率會大大降低。其實，盡管電網(wǎng)規(guī)模龐大，但是電網(wǎng)保護對象關(guān)聯(lián)的支路是不變的，通常情況下，母線關(guān)聯(lián)一般有二十幾個支路，其中變壓器為三個支路，一般線路要關(guān)聯(lián)兩個支路。在實際操作中，可利用雙層的鏈表體系表示出某斷路器的相鄰節(jié)點狀態(tài)，如圖1所示，斷路器指向某斷路器的狀態(tài)信息，鏈接[n]指向與本斷路器近鄰的斷路器信息狀態(tài)，因斷路器均有正負極性端，因此雙層鏈表的一層指正極性端直接相鄰的接點信息，另一層指負極性端直接相鄰的接點信息。
在實際情況中，電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)會因運行方式的不同而有所不同，需要根據(jù)實時的狀態(tài)信息進行判別，看相鄰斷路器是否具有電氣連接的條件，以便保護裝置。圖2是對一個電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行上述拓撲的例子。
2.2 閉鎖方式確定
對于變電站而言，需要設置防誤閉鎖的對象只有遙控操作和手動操作兩類，前者像斷路器，后者如地刀。遙控操作設備不需要人員到場，除非緊急情況遙控失靈，而手動操作設備，需要人員到場才能操作。因此，防誤閉鎖系統(tǒng)只要針對這兩類設備設置防誤閉鎖就可以解決問題。
根據(jù)以上分析，確定基于拓撲結(jié)構(gòu)的變電站網(wǎng)絡型防誤閉鎖系統(tǒng)中采用的閉鎖方式為：第一種方式是在刀閘的支路中串接一個接點，然后用現(xiàn)成控制器控制該點，這種方式主要用于遙控操作，其原理如圖3所示；第二種方式是在電磁鎖的支路中串聯(lián)一個接點，這種方式主要用于手動操作的設備，這種電磁鎖是另外配置的，如圖4所示。
2.3 硬件系統(tǒng)
基于拓撲結(jié)構(gòu)的變電站網(wǎng)絡型防誤閉鎖系統(tǒng)的硬件設備包括以下幾個部分：
（1） 閉鎖接點：主要用于監(jiān)控某些設備的閉鎖和位置狀態(tài)，閉鎖接點的通斷，由直流固態(tài)繼電器控制。閉鎖點可以探測出被控制設備的實時狀況，并將這種狀態(tài)傳送到監(jiān)控的主機，這樣就可以很好的防止發(fā)生“走空程”。在某些情況下執(zhí)行倒閘的基本操作時，控制器要將接到的主機傳出的狀態(tài)命令解讀，然后將解鎖的發(fā)出信號再發(fā)送給閉鎖接點，閉鎖接點接到該狀態(tài)信號后，在其內(nèi)部電路將實現(xiàn)通電，這樣就可以實現(xiàn)解鎖功能。當系統(tǒng)操作人員操作任務完成以后，閉鎖接點的內(nèi)部電路會檢測到設備操作完成后的狀態(tài)信息，會自動中斷電源通路，這時的閉鎖接點進入閉鎖狀態(tài)。
（2） 現(xiàn)場控制器：它的主要作用是依據(jù)本地設備的狀態(tài)信息，控制間隔內(nèi)設備閉鎖接點的通斷，自主的完成間隔內(nèi)設備的邏輯閉鎖操作。如果操作員在本地操作或防誤主機發(fā)生故障，并觸發(fā)間隔級防誤功能時，現(xiàn)場控制器會呈現(xiàn)聲光報警單元發(fā)出報警指令，同時會檢驗間隔帶電單元實施自動閉鎖，實時系統(tǒng)時鐘會記錄下故障或誤操作的發(fā)生情況。
（3） 總線接口：本系統(tǒng)設計中采用串口轉(zhuǎn)CAN總線接口的技術(shù)方案，其接口卡主要由三大組件構(gòu)成，包括串口接口電路、微控制器與CAN總線接口電路，使其達到主機與CAN總線連接的功能。
（4） 通信網(wǎng)絡：對于設備和控制器間的通信設計，要使用CAN總線網(wǎng)絡將串口轉(zhuǎn)CAN總線接口卡、防誤主機，然后用施工現(xiàn)場控制器組成現(xiàn)場總線網(wǎng)絡，實現(xiàn)現(xiàn)場間隔級設備與防誤主機的通信功能。
2.4 控制器軟件
現(xiàn)場控制器是一個間隔內(nèi)的核心設備，控制器負責管理間隔內(nèi)的所有閉鎖接點。
現(xiàn)場控制器中斷服務程序與引導程序Program0的流程如圖5所示，現(xiàn)場控制器的應用程序在通電和復位后都要從Program0的入口執(zhí)行基本操作，其流程中首先需要判斷此次復位是否是由于接收到編程命令后操作的，即標志位ISP是否等于I，如果不是，要將程序指令引導到Program1；如果是，要等待接收編程數(shù)據(jù)?？偩€和Program0的通信要采用中斷方式。當有報文接收時，要執(zhí)行中斷服務操作程序，對報文進行保存操作，并返回中斷口；當CAN總線中斷返回以后，Program0會對Program1重新進行編程，直到收到結(jié)束報文。這時，置VIS=1，ISP=0，使Program1可見并調(diào)用其中的程序運行。
現(xiàn)場控制器的終端用戶主程序Program1的主要功能是負責管理間隔內(nèi)的所有閉鎖接點，并定期對閉鎖接點的狀態(tài)進行檢測，保存到內(nèi)部E2PROM中，并隨時提供給設備主機查詢。當檢測到強行解鎖功能操作時，則對設備狀態(tài)的變化進行基本的邏輯判斷，若不符合正常狀態(tài)則給出警報信息并進行記錄，供設備主機查詢。當現(xiàn)場控制器接收到防誤主機發(fā)出的命令時則根據(jù)命令內(nèi)容執(zhí)行相應的功能操作。終端用戶主體程序Program1流程如圖6所示。
3 結(jié) 語
在分析了傳統(tǒng)的機械式、電氣式和微機式三種防誤閉鎖系統(tǒng)存在的問題的基礎上，提出了利用發(fā)達的網(wǎng)絡技術(shù)設計基于拓撲結(jié)構(gòu)的變電站網(wǎng)絡型防誤閉鎖系統(tǒng)方案，首先確定了變電站網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的識別方法和閉鎖方式，然后分別對該新型防誤閉鎖系統(tǒng)的硬件和軟件加以詳細介紹，基于拓撲結(jié)構(gòu)的變電站網(wǎng)絡型防誤閉鎖系統(tǒng)不僅解決了傳統(tǒng)防誤閉鎖系統(tǒng)存在的問題，而且易于實現(xiàn)自動化，具有實際的指導意義。
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第8篇：拓撲結(jié)構(gòu)范文
中圖分類號：O327文獻標識碼： A文章編號： 10044523（2013）02016909
引言
隨著科學技術(shù)的發(fā)展和工程實際問題的需求不斷提高，為了提高受控結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的總體性能，引入了結(jié)構(gòu)控制一體化優(yōu)化設計策略。智能桁架結(jié)構(gòu)一體化拓撲優(yōu)化能夠除去桁架中不必要的節(jié)點和桿件，同時考慮了振動控制中所需作動器的數(shù)目，配置的位置和控制器參數(shù)，從而達到預期結(jié)構(gòu)控制同時優(yōu)化的目的。目前在這方面國內(nèi)外已經(jīng)取得了一些研究成果：趙國忠等建立了具有壓電智能桁架的結(jié)構(gòu)和振動控制的聯(lián)合優(yōu)化設計模型[1]，采用了基于靈敏度的優(yōu)化求解算法；Hiramoto等以懸臂輸液管道的外半徑和傳感器與作動器位置為設計變量[2]，以閉環(huán)系統(tǒng)關(guān)鍵流速最大為優(yōu)化目標進行結(jié)構(gòu)控制的一體化優(yōu)化；在2004年至2007年的研究表明[3～5]，將結(jié)構(gòu)尺寸拓撲參數(shù)、控制器設計參數(shù)和作動器配置參數(shù)（位置和數(shù)目）均處理為獨立設計變量，能夠極大地優(yōu)化受控系統(tǒng)性能。但是在實際工程問題中，由于制造和各種環(huán)境因素的影響，使結(jié)構(gòu)參數(shù)不可避免地呈現(xiàn)不確定性。以往的結(jié)構(gòu)控制一體化優(yōu)化設計研究都沒有考慮這些不確定因素的影響，如果硬將這些不確定性因素作為確定性信息來處理，有時會得出矛盾或很不合理的結(jié)果[6]。
因而，針對區(qū)間參數(shù)壓電智能結(jié)構(gòu)控制一體化多目標拓撲優(yōu)化，本文提出了一種區(qū)間參數(shù)結(jié)構(gòu)控制多目標拓撲優(yōu)化方法：對于目標函數(shù)處理引入決策風險因子和偏差懲罰項，對于不確定性約束函數(shù)轉(zhuǎn)為非概率可靠性約束，將不確定性優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為風險因子意義下的確定性優(yōu)化目標問題；優(yōu)化求解策略采用基于個體排序的求解有約束多目標優(yōu)化問題的Pareto遺傳算法（CMOPGA）。將此方法應用于桁架結(jié)構(gòu)，算例結(jié)果表明所提方法是有效的。
2性能靈敏度分析
針對小區(qū)間參數(shù)壓電智能桁架的性能分析，本文采用一階泰勒展開法，并且在小區(qū)間范圍內(nèi)，此法可以保證精度要求。
21開環(huán)系統(tǒng)
第9篇：拓撲結(jié)構(gòu)范文
關(guān)鍵詞：拓撲優(yōu)化技術(shù)；汽車設計；應用
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.06.236
0 前言
作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的一門新技術(shù)，拓撲優(yōu)化技術(shù)在汽車、機床、電子機械等領(lǐng)域中已經(jīng)得到了廣泛地應用。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計具有一定的盲目性，完全依賴于工程師的經(jīng)驗，并且需要做大量的實驗，周期較長且成本較高。現(xiàn)階段，通過在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的初始階段引入拓撲優(yōu)化技術(shù)，大大提高了結(jié)構(gòu)設計的合理性，改變了傳統(tǒng)的僅憑經(jīng)驗來設計的理念。
拓撲優(yōu)化技術(shù)是指在指定的設計空間內(nèi)，重新規(guī)劃材料分布，使得部件的某種性能滿足設計者的要求。拓撲優(yōu)化技術(shù)主要探討結(jié)構(gòu)材料的分布形式和構(gòu)件的聯(lián)結(jié)方式，運用去除材料、增加孔洞數(shù)量等拓撲優(yōu)化形式，旨在使結(jié)構(gòu)在滿足應力、位移等約束條件下，其強度或固有特性等指標達到最優(yōu)。
1 拓撲優(yōu)化技術(shù)概述
結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設計的主要思想是將結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為材料優(yōu)化問題，并在給定的設計區(qū)域內(nèi)進行優(yōu)化計算。拓撲優(yōu)化設計的思路首先需給定材料類型和設計方法，在此基礎上得到既滿足約束條件又能使目標函數(shù)最優(yōu)的結(jié)構(gòu)布置形式。由于拓撲優(yōu)化設計初始約束條件較少，工程師僅需給定設計域而不必清楚具體的結(jié)構(gòu)拓撲形式。
拓撲優(yōu)化設計是在指定的設計區(qū)域內(nèi)，通過迭代過程計算求解材料最優(yōu)分布的一種優(yōu)化手段。以某種材料為例進行說明，首先需定義材料分布形式，再以靈敏度計算、結(jié)構(gòu)分析、修改材料分布等方式進行迭代計算。經(jīng)過多輪迭代優(yōu)化后，材料分布逐漸趨于穩(wěn)定，優(yōu)化過程結(jié)束。對于連續(xù)體優(yōu)化問題，通過計算通?？傻玫阶顑?yōu)的材料分布形式，使設計結(jié)構(gòu)達到最優(yōu)。
在進行優(yōu)化設計之前需明確設計區(qū)域、目標約束及分析類型模型等因素，用戶可直接監(jiān)視優(yōu)化過程，在優(yōu)化結(jié)束后需對結(jié)果進行后處理。因拓撲優(yōu)化后盡管結(jié)構(gòu)最優(yōu)，但局部區(qū)域仍不太完善，常需進行局部優(yōu)化，如形狀優(yōu)化等。局部完善后需根據(jù)結(jié)果對結(jié)構(gòu)進行三維建模從而完成結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化設計。由于需要修改參數(shù)等原因，常需對某一步或整個過程進行反復迭代。
2 拓撲優(yōu)化設計的研究方法
目前拓撲優(yōu)化方法主要有以下三種，分別為變密度法、均勻化方法以及漸進結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法[2]。
（1）變密度法就是將材料密度與特性之間建立某種聯(lián)系，假設材料的密度是可變的，其屈服極限、抗拉強度等物理參數(shù)與密度之間的聯(lián)系也是人為假定的。在進行拓撲優(yōu)化時，以材料密度為設計變量，這樣結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化問題即轉(zhuǎn)換為材料的最優(yōu)分布問題。
（2）均勻化方法是建立在均勻化理論基礎之上的，通過在拓撲結(jié)構(gòu)材料中引入帶有孔洞的單胞結(jié)構(gòu)，并將設計區(qū)域離散成多個微結(jié)構(gòu)單胞集合體，經(jīng)計算可實現(xiàn)對連續(xù)體的拓撲優(yōu)化。通過均勻化方法計算，可確定結(jié)構(gòu)材料密度呈 0～1 分布，最終得出最優(yōu)的拓撲結(jié)構(gòu)。目前廣泛應用于三維連續(xù)體、振動、熱彈性、屈曲及復合材料的拓撲優(yōu)化分析。
（3）漸進結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法（Evolutionary Structure Optimization，ESO）的基本原理是將結(jié)構(gòu)中多余或低效的材料逐漸去除，從而使剩余的結(jié)構(gòu)趨于合理。該方法物理概念簡單、明確、通用性好，易于被工程技術(shù)人員接受和理解，因此應用范圍較廣。ESO方法自提出以來，廣泛應用于各類結(jié)構(gòu)的尺寸、形狀和拓撲優(yōu)化，如應力、剛度、位移、振動頻率、響應等穩(wěn)定性約束的連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設計問題。
3 拓撲優(yōu)化技術(shù)的應用
隨著計算機技術(shù)和數(shù)學優(yōu)化算法的發(fā)展，拓撲優(yōu)化技術(shù)取得了重大的成就，目前廣泛應用于汽車工業(yè)、航空航天、機械制造、機車和復合材料等設計領(lǐng)域。拓撲優(yōu)化技術(shù)在汽車工業(yè)上的運用，國外起步較早且應用較廣泛，國內(nèi)則相對較晚。汽車拓撲優(yōu)化技術(shù)對象主要為車身本體構(gòu)件、底盤和動力總成支架等；優(yōu)化目標一般包括質(zhì)量最小、能量吸收最優(yōu)、柔順度最好等；約束通常涵蓋固有頻率、應力和最大位移等[3]。
在對某車身整體結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化時，以質(zhì)量最小化為目標，首先獲取整車的初始設計空間，以車身在實際工作過程中所承受的載荷為約束，并根據(jù)各種約束的重要程度分配不同的權(quán)重因子，在此基礎上對該車身結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果表明：車身結(jié)構(gòu)在質(zhì)量、設計成本、乘員艙空間及能耗指標均得到了很大程度的優(yōu)化。
汽車底盤系統(tǒng)的許多零部件均是實心結(jié)構(gòu)，如控制臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、副車架等。因經(jīng)驗設計往往存在多余，從而造成整個結(jié)構(gòu)重量加大。因此，在對該類零部件進行設計優(yōu)化時，常以質(zhì)量最小為優(yōu)化目標?？刂票垡再|(zhì)量最小化作為目標，以結(jié)構(gòu)的最大應力作為約束，通過對該結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化減重效果明顯，比例達到 14%，結(jié)構(gòu)應力控制在材料的屈服極限內(nèi)。同樣，在對轉(zhuǎn)向節(jié)進行拓撲優(yōu)化時，其目標設置為質(zhì)量最小，約束為結(jié)構(gòu)的應力和連接點位移。經(jīng)過優(yōu)化，轉(zhuǎn)向節(jié)強度大幅度提高。但在局部位置出現(xiàn)高應力集中現(xiàn)象，可通過后續(xù)設計，降低這些部位的應力水平，增強連接點的剛度。
對于支架結(jié)構(gòu)，頻率和剛度是其關(guān)鍵指標。對某支架進行拓撲優(yōu)化時，目標通常為質(zhì)量最小，并將支架的一階頻率和載荷施加點位移控制在一定范圍內(nèi)。經(jīng)過優(yōu)化，質(zhì)量減少了 42%，應力也控制在材料屈服極限內(nèi)。
4 結(jié)論
隨著環(huán)境問題和能源問題的日益凸顯，如何快速地研發(fā)出產(chǎn)品，對各汽車制造商都尤為重要。拓撲優(yōu)化技術(shù)可在前期設計階段大幅度縮短項目的開發(fā)周期，并在滿足性能目標的前提下使得結(jié)構(gòu)設計最優(yōu)。通過該技術(shù)，可以為工程師在設計企劃階段提供大量的優(yōu)化方案，對后期整車輕量化具有重要的意義。
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