地下水资源管理模型的信号与系统分析技术

地下水资源管理模型的信号与系统分析技术（共8篇）

1.地下水资源管理模型的信号与系统分析技术 篇一

地下水资源监测分析管理技术

作为水资源的重要组成部分,地下水资源在人类生产、生活及国民经济发展中起着重要作用.随着水资源短缺的日益加剧,采取有效措施防止地下水污染和过度开采、保护地下水资源成为一种共识.我国水利部门逐步建立了地下水监测站网,组织完成了地下水监测规划,实施了地下水监测规范,同时,一些先进仪器和技术也开始应用于地下水监测工作中.

作 者：田景宏 许立燕 作者单位：田景宏(北京科技大学)

许立燕(北京新敏兴业环境科技发展有限公司)

刊 名：中国水利 PKU英文刊名：CHINA WATER RESOURCES年，卷(期)：2007“”(22)分类号：关键词：

2.地下水资源管理模型的信号与系统分析技术 篇二

城市地下综合管网是城市的生命线,是城市基础地理信息系统的重要数据内容,对城市建设和管理起着至关重要的作用,其信息的现势性、可靠性、完整性和实用性决定了它的使用价值和应用范围。随着社会进步和经济发展,城市不断发展扩大,地下管线的数量、种类以及埋设方式越来越多,管线信息变化日趋频繁,城市规划、建设和管理对地下管网信息的现势性、准确性的要求越来越高,这就需要使用现代的计算机、网络、测绘和地理信息系统技术建立城市地下管网动态管理系统,并采取先进的数据更新技术和方法对管线数据及时更新,确保数据的实时性、准确性。

受长沙市城乡规划管理局的委托,长沙市规划勘测设计研究院(简称“长沙院”)自1989年以来一直承担着长沙市地下管线测量工作,在1989年和1998年进行了两次长沙市地下管线数据的全面普查探测,获取了大量的地下管线数据资料,于2000年建立了长沙市地下管网信息系统,并于2007年将系统升级为长沙市地下管网动态管理信息系统(简称“系统”),采取有效的更新机制和先进的数据采集更新技术,实现了对地下管网数据的实时、准确、动态的管理。

1 系统介绍

长沙市地下管网动态管理信息系统建立在长沙院局域网内,采用C/S体系结构,选用主流的地理信息软件ArcGIS为管理平台,Oracle为数据库软件,在VB.NET的编程环境下进行二次开发而成。系统由服务器、客户端、网络及其相关软件组成,实现了基于图属一体化的地下管网信息的动态更新管理。

为了统一长沙市管线数据标准,长沙院组织编制了《长沙市地下管线要素编码表》,将管线数据分为上水、下水、电力、弱电、燃气、石油、工业、热力、综合共9大类34个小类。目前,系统已有15000多公里管线数据,覆盖长沙市城市主要干道、支线、小巷、企事业单位和居民小区。为了方便快捷地浏览和定位管线数据,系统的综合数据库不仅包含了地下管线数据库,还包含了与之相关的,能反映空间位置关系的1∶500、1∶1000、1∶2000比例尺地形数据库、正射影像数据库、现状道路和行政区划数据库。

系统功能可概括为数据获取、数据管理和数据分析评价三大部分,实现了系统管理、系统维护、数据入库、数据显示、查询定位、数据统计、应用分析、数据输出八个功能。系统的建立,构筑了长沙市统一的地下管网数据管理、交换平台,实现了管网数据的动态、高效、高质管理。具有数据采集规范、精准度高,数据内容丰富、实用性强,数据更新及时、现势性强,系统功能齐全、使用方便等特点。

2 管线数据动态更新

2.1 动态更新机制

近年来,长沙市城市发展突飞猛进,建设规模不断加大,旧城改造步伐加快,各类管线数量快速增长,管线种类及埋设方式越来越多,如果不将变化了的管线信息进行及时采集和更新入库,会导致管线数据与实际情况不一致,使系统数据失去使用价值,更为严重的会影响城市规划、建设与管理。由于管线建设单位和管理单位众多,建设项目分散,只有在政府的协调管理以及政府相关职能部门和各类管线专业管理单位的大力配合下,才能建立长期、稳定、有效的数据更新机制。

在长沙市政府的统一协调管理下,长沙市城乡规划管理局2003年下发了《关于进一步加强我市市政工程建设规划管理的通知》,强调所有市政工程必须进行竣工测量,2004年下发了《关于实施建设工程竣工测量的通知》强调所有建设工程必须进行竣工测量。

2004年长沙市人大常委会和湖南省人大常委会分别通过了全国首部关于管线工程档案管理的地方性法规———《长沙市城市地下管线工程档案管理条例》,规定在地下管线工程覆土前,应当由具有相应测量资质等级的单位,按照国家、省、市有关技术标准、技术规程对地下管线进行竣工测量。

在规划局的组织和部署下,长沙院成立了一支专业的管线动态更新测量队伍,实行24h服务制的管线竣工测量服务模式,地下管线施工单位在覆土前及时通知长沙院到现场进行测量。多年来,在各类管线权属单位和建设单位的积极配合下,逐步建立了以管线竣工测量为主要方式的地下管线数据的动态更新机制,如图1所示,使系统管线数据得到了及时更新。

2.2 数据更新采集方法及流程

地下管线数据由空间数据、属性数据和拓扑数据三部分组成。拓扑数据通过数据库软件系统建立,而空间数据和属性数据要通过外业调查和探测获取。

管线数据更新采集流程如图2所示,在接到管线测量任务后,先从系统中导出此范围内已有的管线数据作为参考资料,根据测量项目情况收集测区控制资料、工程设计资料、红线图等施测资料,进行外业控制测量;外业进行管线信息的调查与测量;内业整理管线信息和成果资料,通过3级综合检查,必要时进行外业核对检查;最后将成果资料提交给建设方并归档,同时将成果更新入库到系统数据库。

管线的外业测量分为竣工测量和零星调查测量。零星调查测量是针对在地下管线现状全面普查测量后埋设的,未经竣工测量的地下管线而进行的,主要采用探测方式。管线竣工测量分为覆土前的管线跟踪测量和覆土后的管线探测测量。对于给水和燃气等以直埋方式为主的管线,需要进行覆土前的跟踪测量和覆土后的探测测量,其它种类管线可在道路路面及管线地面设施施工完毕后进行覆土后的探测测量。

管线覆土前的跟踪测量时间紧、周期长、施工现场复杂,测量控制点难以保存。为此,利用长沙院2007年建立的长株潭GPS连续运行参考站系统(CZTCORS),采用网络GPS-RTK测量技术快速施测控制点和管点三维坐标。

管线数据采集实现了无损探测,一般采用全站仪、GPS(RTK)、管线探测仪(如RD400PDL2、RD312、EASYLOKTOR系列仪器)进行测量。必要时需要管线权属单位或施工单位派专人到探测现场进行管线埋设位置及埋设方向的指认。

管线测量时既要测定管线特征点的平面位置和高程,又要采集管顶(底)高程、埋深、管径、材质、压力、流向、权属单位等相关数据,形成标准模板的文本格式管线数据,并绘制管线草图,在图上准确体现其连结关系。利用数据处理软件进行成果整理,单个管线项目整理后的成果为图属一体化的edb格式数据,类似于Access的mdb数据库,其数据库结构与系统的Oracle数据库结构一致,经过监理程序检查修改无误后可直接入库。

2.3 基于数据提取的更新技术

系统开发了基于数据提取的更新入库管理模块,建有现势数据库和历史数据库,保证在进行管线数据更新入库时,一方面能将最新的管线数据完整地入库到现势库,正确反映地下管线数据的现状;另一方面又能从现势库中按更新范围提取管线数据,将其按索引条件(工程编号、项目名称、道路名称、坐标范围等)保存到历史数据,避免冗余数据的存储,在需要时能方便、快捷地实现历史数据的回溯,重现某一区域过去任意时段的管线数据情况。

现势库存储整个长沙市现有地下管线数据,它是一个管点编号不重复,管线连接关系完整的数据库。

历史库存储的是从单个区域提取的数据。历史库的管线数据除了有现势库的数据结构外,还关联着工程编号、项目名称、道路名称、坐标范围等索引信息。

数据管理员在接到外业部门调取数据的请求后,先从现势库中导出测量范围内已有的管线资料,提交外业人员进行管线的修、补测量;在收到外业部门提交的管线数据进行入库时,入库软件自动判断现势库是否已有此范围内的管线数据,先将现势库中的数据提取保存到历史数据库,然后再将新的数据导入现势库。任何时候可以根据工程编号、项目名称、道路名称或范围线等条件查询显示管线的历史数据,进行管线数据的现状与历史的对比分析,对于无存在意义的历史数据可直接删除。图3是系统数据更新的技术方案。

2.4 数据更新实施情况

长沙院为长沙市地下管线的数据建库、信息管理、管线测量的专业单位,分别在1989年和1998年对长沙市地下管线进行了两次全面普查探测,于2000年建立长沙市地下管网信息系统,系统建成时只有2000km管线数据。从2000年开始进行长沙市的管线现状探测测量,并于2005年初正式依据《长沙市城市地下管线工程档案管理条例》的规定,按照《城市地下管线探测技术规程》(CJJ61-2003)和《城市测量规范》(CJJ/T 8-2011)等规范对地下管线进行竣工测量,拥有一支由40多名技术人员组成的专业管线动态更新测量队伍,实行24h值班制的服务模式,随时为管线建设单位和施工单位提供测量服务,并跟踪管线的施工进度,赶在覆土前完成各项测量作业,不耽误管线建设工期。

长沙院的管线测量精度既能满足规划、管理,又能满足工程建设的要求,控制测量是在现有C等级GPS控制网的基础上进行的,管线特征点的测量利用长株潭GPS连续运行参考站系统的网络GPS-RTK进行,结合2012年完成的长沙市精化大地水准面成果,管线点的平面坐标中误差小于±5cm,高程测量中误差小于士3cm。

目前履行了报建审批的新建、扩建、改建的地下管线工程都进行了竣工测量,每年管线施测更新数量约2500km,系统数据库每年新增管线数据约800km。

3 管线数据共享

建立管网信息系统,实现地下管线数据的适时更新和动态管理的最终目的是使广大管线用户及时得到最新的管线数据,让管线数据在城市规划、建设和管理中发挥重要作用。为此,管网信息系统的建设单位需要与管线权属单位建立长期合作关系,实现数据的共享和交换。

自系统建立以来,长沙院与自来水公司、新奥燃气公司、电信局、电力局、交警支队、城市建设档案馆等专业管线权属单位及相关单位建立了长期友好的合作关系,为这些单位提供适时的管线数据和基础地形、影像图等数据,协助它们建立了本单位和本行业的专业信息管理系统。

以《长沙市地下管线要素编码表》为标准,通过从系统数据库导出文本文件和ArcGIS的shp文件格式数据,定期为专业管线权属单位及相关单位提供现势的管线数据,并提供最新的基础地形和影像数据,使他们的专业信息管理系统的基础数据得到及时更新。

对与长沙院相隔较近的城建档案馆,架设了专用光缆,将系统服务器直接与档案馆的长沙市档案管理信息系统的服务器相连,通过数据库增量更新技术进行数据的同步更新,使档案馆的信息管理系统的数据得到及时更新。

4 结束语

在长沙市政府部门的支持和协调指挥下,长沙院组建了专业的管线更新队伍,采取竣工测量的方式,采用数据提取的更新模式,实现了长沙市地下管线数据的动态管理,为长沙市的城市规划、建设和发展提供了适时、准确的管线数据。目前,系统只是建立在二维的管线数据上,我们正在利用三维模型和虚拟现实技术,建立城市地下管线的三维模型数据库,并与城市的数字高程模型、正射影像图和地面建筑物三维模型、三维地层数据叠加构筑城市三维空间信息管理系统,将为城市规划、建设和管理提供直观的基础空间数据。

参考文献

[1]李学军,郑志宏.城市地下管线信息化技术应用展望[J].城市勘测,2007,(6):19～22.

[2]陶为翔,刘黎明,罗小兵,张德彪.基于数据提取的地下管线更新模式[J].城市勘测,2009,(5):49～50.

[3]陈国祥.城市地下管线动态管理过程中有关问题的探讨[J].地下管线管理,2009,(6):42～43.

3.地下水资源管理模型的信号与系统分析技术 篇三

杨槐

厦门精图信息技术有限公司福建厦门36100

5Email:yh@kingtopinfo.com

摘要： 本文通过对地下管线信息管理系统设计与建设中存在的特殊性进行归纳，提出了从系统设计前期决策、系统设计和建设的组织管理、以及技术框架的有效构建等方面，提出了相关的解决思路，并对地下管线信息管理系统设计与建设存在的常见误区给予了说明，将“技术”和“非技术”的有效结合融入地下管线信息管理系统的设计与建设中。

关键字：系统设计和建设 前期决策系组织管理 技术框架构建

地下管线信息管理系统大致可分为“综合”地下管线信息管理系统和“专业”地下管线信息管理系统，二者的技术复杂性有着较大区别：第一，与专业管线相比，综合管线涉及多个权属单位，技术路线较复杂，技术优势必须与非技术资源有效结合；第二，专业管线更多地从自身专业角度出发，侧重于拓扑关系的分析和管理；第三，从数据的全要素、精确度、实时性以及经济性四个方面而言，二者技术要求差异很大。

与一般信息管理系统相比，城市地下管线信息管理系统（尤其是综合地下管线）有几个显著的特点：第一，作为城市级信息管理系统，城市地下管线信息管理系统一般是大型GIS信息系统工程；第二，系统工程涉及到空间数据、业务数据和支撑数据等海量数据；第三，和各部门条块分割的体制相关联，权属单位众多；第四，各个城市对于功能的需求有较明显的差异性。一般而言，城市地下管线信息管理系统是一个为城市规划、建设、管理、决策服务的、以计算机网络为载体，GIS软件为支持平台的应用型技术系统。

一、技术发展阶段概述

城市综合地下管线信息化建设大致可分为三个阶段：第一阶段主要在上世纪九十年代初，地下管线信息化主要以CAD制图为主；第二阶段大约在上世纪九十年代后期，主要以Mapinfo等平台为基础，开发基于桌面型管理的城市“综合”地下管线系统，实现了查询、统计等方面的功能，但分析及访问功能较弱；第三阶段主要是利用GIS技术，侧重于解决第二阶段可分析可访问的问题，但未能有效实现数据动态更新，而数据动态更新是城市地下综合管线信息管理系统的核心问题之一；第四阶段的需求则刚刚启动，以一体化设计为理念，整合所有资源和功能，注重WebGIS功能的扩展，较好地解决数据动态更新的问题。其典型案例为厦门城市地下综合管线信息系统，目前该系统已成为业内示范工程，自2005年系统建成以来至2007年6月底，已接受全国96个城市城建档案相关部门参观学习和技术交流。

二、系统设计的前期决策

1、技术路线和层次的选择

从信息系统要解决的三个基本问题（是什么？在哪里？怎么变）来看，技术路线选择有时会存在一定误区。一种技术选择是以MIS系统为主，侧重于地下管线工程档案管理，这种系统难以解决“在哪里？”以及与此相关的“怎么变？”的问题，属于“非空间技术系列”，其优点在于投资较少；另一种技术选择是以“空间技术系列”为基础，其技术水平大致可分为四个层次，分为对应于上述所讲的四个技术发展阶段。因此，在进行系统设计考虑时，业主方须结合自己的实际情况，判断和选择好相关的技术路线和技术层次，但对于中大型城市，我们建议选择第四代管线技术手段。

2、GIS平台的选择

近年来，国内中大型城市地下管线信息管理系统GIS平台的以ArcGIS为主流，与其他平台相比，ArcGIS具有如下特点：

（1）能够全面提供GIS应用的各种功能，并适应多样性需求，具有很强的影像处理、网络分析、地形分析及其它较强的地图空间分析功能，比较适合中大型GIS，尤其是城市级的信息管理系统，相比之下，桌面型GIS平台难以满足中大型城市的用户需求。

（2）ArcGIS平台具有较好的建立拓扑关系的能力，空间分析效率较高，在进行某些高级功能比如最佳路径分析时，不需要用户编程。

（3）ArcGISS平台产品，其数据存储方式不是以文件型方式存储，安全性较高，外部用户如不通过系统程序，难以对数据进行访问。

（4）ArcGIS平台除了具有强大稳定性外，还具备国际上最为先进的数据兼容接口，可以与任意已知数据格式进行转换、共享。作为中大型城市，需要考虑与其它部门或相关单位的数据共享，保证将来的可扩展性。

（5）ArcGIS平台还有一些个性化功能，如版本管理、三维显示以及长事务处理等。

（6）有些平台产品市场急剧衰减，考虑到升级和后续支持，需要选择市场份额稳定的平台供应商。

当然，对于中小城市或更小的行政区域，从经济角度出发，也可以选择国内外其他GIS平台。

三、系统设计的组织和管理方面考虑：

1、上下游技术链的角色制约

地下管线信息化是一个包含从物探、测量、数据处理、监理、数据入库、软件开发及系统集成的技术链，而软件开发所建设的系统，是所有技术成果的主要体现方式，由于软件开发商处于技术链的末端，没有太多后退的余地，为清晰潜在问题所属，就有挖掘上游技术链隐藏问题的较强动机，因此自然就承担了对地下管线信息化所有成果的总检查和制约的角色。如果管线信息化技术链的上下游工作均由一家开发商主导，这样的组织模式虽然有其优点，如与业主的工作磨合和协调较为熟悉等，但也会暴露出一些问题：一是可能隐藏数据存在的问题，使得系统运行存在不确定性因素；二是技术链缺乏制约，容易使一家为主导的开发模式隐藏管线长度或工作量的利己问题存在可能。由于地下管线信息化90%以上的投资在于技术链前端，而软件开发通常只占总投资5-8%，因此业主成本的控制应侧重于技术链前端，结合自己的情况，设计出上下游技术链的角色相互制约，实施对技术链的有效管理。

2、降低不同系统开发组织模式的制约因素

不同系统开发组织模式，对开发商和业主的要求是不同的，根据“数据探测”和“系统开发”的组织方式，可分为三种开发组织模式：

（1）厦门模式（先数据探测，后系统开发）：需要建立相关的制度，以保证在数据探测完

成后进入系统开发阶段，所有的探测数据能够顺利入库。

（2）沈阳模式（数据探测和系统开发同时进行）：需要注意三个保障条件：一是要有足够的行政资源；二是需要较强的协调能力；三是有较有力的经费做支持。

（3）太原模式（先系统开发，后数据探测）：需要注意所选择的开发商一是要在系统设计

中前瞻性考虑可能存在的问题，并在设计中考虑可能的扩展；二是要求开发单位具有制订相关标准的经验

3、建立清晰的地下管线管理目标

管线项目建设旨在提高城市建设整体管理水平，切实发挥地下管线档案资料在城市规划、建设、管理和防灾减灾中的作用，为“数字城市”建设的重要组成部分。因此，需要从城市实际情况出发，本着高起点、高标准的原则，遵循具有一定前瞻性的地下管线信息化管理目标进行系统设计和建设，一般而言，需要达到如下目标：

建立综合地下管线信息管理系统、各专业管线信息管理系统；

建成分级、分布式的地下管线及地形信息数据库；

建立地下管线数据管理服务中心，建立公共数据交换服务平台；

建立具有空间化、数字化、网络化、智能化和可视化的技术系统；

建立切实可行的信息更新机制，实现地下管线信息的动态管理。

以上信息化目标包括：

（1）完成地下管线数据采集建库，实现地下管线资料信息化管理。

（2）建立严格的信息更新和档案归档制度，实现地下管线动态管理。

（3）实现地下管线信息多元化的应用。

四、系统技术框架的设计与建设

系统技术框架的设计与建设，必须考虑实用性、安全性、开放性、规范性、先进性及动态更新性。

1、系统设计与建设需要考虑“实用性”

（1）系统软、硬件平台、数据库引擎、开发工具等选择与集成的实用性

系统采购不能盲目效仿其他城市，必须考虑实际需求、未来发展、应用先进性、网络安全、经济成本这个五个目标，但这五个目标常常是相互冲突的：如果考虑未来的发展，那么成本就会增高；如果想降低成本，则安全性就会大折扣。建议充分利用咨询资源，这些资源包括：从事管线系统开发的IT公司、业内专家、已有管线系统的用户、以及业主内部人员，在综合评估后做出符合本地实际情况的方案。

（2）政策、组织、管理与技术有效结合机制

以厦门城市地下综合管线信息系统的成功案例为例，该案例较好地体现在实用性方面“技术”和“非技术”的有效结合：

（1）通过《厦门市地下管线探测及信息化建设》项目列入厦门市“十五”规划重点信息化建设项目后，在规划方面有了保障依据；

（2）厦门市计委2002年9月立项，市财政投资，开展厦门市地下管线探测和信息化工作，给予该项目经济上的保障；

（3）在组织方面，厦门市建设与管理局为项目主管单位，厦门市信息产业局为项目协管单位，厦门市城市建设档案馆负责项目的具体实施；

（4）2004年以市府令的形式发布《厦门市地下管线工程档案管理办法》，给予该项目法律法规方面的支持；

（5）通过公开招标，信息系统开发承接单位为具有较强开发实力的厦门精图信息技术有限公司；项目启动后，厦门市城市建设档案馆与精图公司组建项目组，共设六个小组，包括：软件开发、数据处理、质量控制、测试、技术培训、硬件协调，使过程管理和结果管理并重；

（6）根据政府令，建立完善的地下管线信息动态管理机制，涵盖从立项告知、竣工测量到数据入库全过程的管理流程，保证实时性和现势性；

（7）通过运作机制的创新，以城建档案馆为依托，建立管线数据集中管理和数据共享的公共平台，实现数据分类、整理、标准化、更新入库以及管理和分发

2、系统设计与建设需要考虑“安全性”

作为一个城市级系统，其安全性需要分三个层面来考虑：第一个层面包括网络安全、操作系统安全、数据库管理安全、通用环境安全和管理制度安全，这是从领导层面的角度来考虑“技术”和“非技术”的结合；第二层面以其中数据库管理系统安全，同样需要体现“技术”和“非技术”一体化考虑，这是从项目经理层面来考虑“技术”和“非技术”一体化的结合，包括：数据库选择、根据业务规则定义各种详细角色，实现与权限管理、用户登陆系统安全策略、日志审计管理、数据丢失泄露、数据增量备份等；第三个层面以数据丢失泄露为例，包括硬策略和软策略，如实现三层架购、三层交换，实现对高端层访问的屏蔽；双机热备以及磁带机备份等。体现“技术”和“非技术”一体化第三层面的考虑，这是从项目组成员的层面来考虑“技术”和“非技术”一体化的结合3、系统设计与建设需要考虑“开放性”

（1）充分复用现有资源：考虑因素包括业主硬件、数据、已有系统、人力资源、组织资源等复用；局域网、政务网以及因特网等网络资源的复用；以及城市将来可能建设的“软基础设施建设”（空间库、法人库、市民库以及宏观经济等四大电子政务基础库）。

（2）数据可移植性：要保证交换后数据可用、完整性；另一方面，还需要制订共享标准、接口标准。

（3）平台的可扩展性的两种情况：一是应对平台升级时：组件须设计成动态配置的模块；另一种极端的情况就是平台变更。设计必须考虑一旦平台变更时，我们只需要在原有的结构基础上，对部分的接口和方法进行部分修改即可。

4、系统设计与建设需要考虑“规范性”

规范性方法论的含义也包括两方面：第一方面是相关专业标准和规范。在立法工作完成后，需要针对性加强制度建设、规范管理和技术支持三个环节的基础性建设和创新工作；在此基础上，系统的“工作流”和“数据流”的有效流转，就有了各方面的保障。通过生产、科研和技术开发相结合，遵循已有的标准和规范实施系统工程，如：GB/T7929-1995 《1:500、1:1000、1:2000地形图图式》、CJJ61-2003 《城市地下管线探测技术规程》、CH1002-95 《测绘产品检查验收规定》、CH1003-95 《测绘产品质量评定标准》、GB/T18316-2001 《数字测绘产品检查验收规定和质量评定》、GB/T 18578-200

1《城市地理信息系统设计规范》等。

在缺乏标准和规范的情形下，需要针对实际情况，新订相关标准和规范，如：地形图数据建库规范、综合地下管线数据建库规范、综合地下管线数据动态更新规范、综合管线信息共享交换标准、元数据规范、地下管线数据库的命名规则、数据分层、分类编码等标准、数据采集与更新规范等。

规范性方法论含义的第二方面，是过程管理和结果管理并重的问题，其中很重要的方面就是对过程性成果和结果成果的管理，主要包括三类成果：第一类是各种标准规范；第二类是各种系统、接口、源程序等；第三类是各类文档，比如《用户需求调研报告》、《系统需求分析报告》、《软件需求规格说明书》、《概要设计说明书》、《详细设计说明书》、《数据库设计说明书》、《用户界面设计说明书》、《测试报告》、《验收报告》、《项目联系记录单》等

5、系统设计与建设需要考虑“先进性”

系统设计与建设的先进性应包含三方面内容：

第一方面是一体化的技术方案，在设计中需要考虑两个层面，第一个层面是“不同作业技术、不同作业阶段、内外业作业的一体化”的思路，统一数据格式和代码；第二个层面要求系统开发商需要具备“数据处理、入库、软件开发、系统集成”一体化的能力。只有基于一体化的工程方法论，大型系统软件工程，才能从更高层面将物探、测绘、软硬件技术、通讯技术和网络技术有机结合起来。

第二方面是关于数据建库的问题。国内地下管线数据建库一般做法：将管线数据分层，把地形图作为平面图层建库，需要在方法论上创新性构建完整的空间数据存储管理框架，将管线数据和地形图数据同时分层建库，为高级GIS应用功能提供数据支持、为用户提供更广泛的使用内容和应用范围、并大幅度提高访问速度。

第三方面是对关键技术的创新和对传统技术的深度挖掘。

6、系统设计与建设需要考虑“动态更新性”

管线信息系统建立后，数据及管理的动态更新是核心问题和难题之一。如不能有效进行动态更新，将造成前期大量投入无法发挥应有作用。因此，系统应提供有效的数据动态更新机制，在对入库数据进行维护的同时，也要对重新铺设的管线数据进行更新，以实现系统数据库的实时更新，提高空间数据库的现势性，为用户提供更为准确、真实的数据参考。

4.地下水资源管理模型的信号与系统分析技术 篇四

08电子信息工程（3）班

E08610308 陈建能

一、实验目的

1.进一步掌握 Simulink 软件使用的基本方法； 2.熟悉信号的压缩扩张； 3.熟悉信号的量化； 4.熟悉PCM编码与解码。

二、实验内容

1.设计一个13折线近似的PCM编码器模型，能够对取值在[-1;1] 内的归一化信号样值进行编码；

2.设计一个对应于以上编码器的PCM解码器；

3.在以上两项实验的基础上，建立PCM串行传输模型，并在传输信道中加入指定错误概率的随机误码。

三、实验原理

1.信号的压缩和扩张

非均匀量化等价为对输入信号进行动态范围压缩后再进行均匀量化。中国和欧洲的PCM数字电话系统采用A律压扩方式，美国和日本则采用μ律方式。设归一化的话音输入信号为x[1,1]，则A律压缩器的输出信号y 是：

Ax1lnAysgnx(1lnAx)1lnAx1A1x1A

其中，sgn(x)为符号函数。A律PCM数字电话系统国际标准中，参数A=87.6。Simulink通信库中提供了“A-Law Compressor”、“A-Law Expander”以及“Mu-Law Compressor”和“Mu-Law Expander”来实现A律和Ö 律压缩扩张计算。

压缩系数为87.6的A律压缩扩张曲线可以用折线来近似。16段折线点坐标是

11111111111111x1,,,,,,,,0，，，，1***64321684276543211234567y1,,,,,,,,0，，，，188888888888888

其中靠近原点的4段折线的斜率相等，可视为一段，因此总折线数为13段，故称13段折线近似。用Simulink中的“Look-Up Table”查表模块可以实现对13段折线近似的压缩扩张计算的建模，其中，压缩模块的输入值向量设置为

[-1,-1/2,-1/4,-1/8,-1/16,-1/32,-1/64,-1/128,0,1/128,1/64,1/32,1/16,1/8,1/4,1/2,1] 输出值向量设置为

[-1:1/8:1] 扩张模块的设置与压缩模块相反。2.PCM编码与解码

PCM是脉冲编码调制的简称，是现代数字电话系统的标准语音编码方式。A律PCM数字电话系统中规定：传输话音信号频段为300Hz到3400Hz，采样率为8000次/秒，对样值进行13折线压缩后编码为8bit二进制数字序列。因此，PCM编码输出的数码速率为64Kbps。

PCM编码输出的二进制序列中，每个样值用8位二进制码表示，其中最高比特位表示样值的正负极性，规定负值用“0”表示，正值用“1”表示。接下来3位比特表示样值的绝对值所在的8段折线的段落号，最后4位是样值处于段落内16个均匀间隔上的间隔序号。在数学上，PCM编码的低7位相当于对样值的绝对值进行13折线近似压缩后的7bit均匀量化编码输出。

四、实验程序、注释、运行结果及运行结果说明 系统总图：

子系统1：

子系统2：

参数：

传输话音信号频段为1000H z，采样率为8000次/秒，对样值进行13折线压缩后编码为8bit二进制数字序列。PCM编码输出的数码速率为64Kbps。

运行后：

五、心得体会

5.地下水资源管理模型的信号与系统分析技术 篇五

关键词：胶带机,火灾,信号分析,信号合成,多通道自回归模型

0引言

资料表明, 胶带机火灾占整个煤矿火灾的20%以上。在胶带机火灾探测过程中, 信号的处理算法起着至关重要的作用。良好的算法能降低系统的误报率, 提高系统的敏感度, 提前报警时间, 有效降低损失。因此, 准确地评价算法的好坏具有十分重要的意义。

胶带机火灾发生具有突发性, 而进行系统的、大量的实际胶带机火灾试验耗费往往很大[1], 有时甚至是不可能的。目前对胶带机火灾和干扰信号产生机理的研究还很不充分, 因此, 应寻求一种通过有限的胶带机火灾或试验数据来合成一些火灾或非火灾信号的方法[2,3,4]。本文采用多通道自回归 (AR) 模型法实现对胶带机火灾和非火灾信号的分析与合成, 并结合维纳证明及辅助托布里兹方程的特点, 递推出一种比较简单的算法来求得模型参数, 从而降低了计算量。

1多通道胶带机火灾与非火灾信号的分析

1.1 设计多通道AR模型的一些基本假设

多通道胶带机火灾和非火灾信号的分析是采用多通道AR模型实现的, 这主要是基于维纳的证明:在一定的条件下, 平稳时间序列的时间平均等于相平均 (即总体平均) , 这样就可以根据时间序列的过去数据预测未来。在数学上这种估算得到的仅是统计参数的平均值, 与客观实际仍存在一定差异, 为判断差异的大小, 这里采用最小均方误差的准则。

该算法的根本在于寻求多通道AR模型的系数矩阵序列: (f0, f1, f2, …, fn) , 其中fi为矩阵, 其维数决定于通道的维数, 本文的多通道AR模型的设计基于以下的一些基本假设:

(1) 信号是平稳过程, 即在统计性质上不随时间变化, 因而根据过去观测资料所求得的模型系数矩阵序列, 可用于对以后资料的处理。

(2) 模型的设计准则取均方误差最小, 即要求模型的实际输出Y和理想输出Z之间的均方误差E{ (Zt-Yt) τ (Zt-Yt) }最小, 据此来确定模型的系数矩阵序列 (f0, f1, f2, …, fn) , 因为I=Tr{ (Zt-Yt) (Zt-Yt) τ}=E{ (Zt-Yt) τ (Zt-Yt) }, Tr为矩阵的迹, 故可将设计准则变为求均方差矩阵的迹为最小;E为期望值的符号, 表示对总体求平均, 本文采用时间平均来代替总体平均。

1.2 多通道信号分析方法的设计

平稳的多通道时间序列的二阶统计特性可由其均值和协方差矩阵完全确定, 去均值后的协方差等于自相关矩阵。设胶带机火灾信号为M个通道, 观测时间长度为N, 则可将各通道信号组成M×N阶矩阵:X={x[1], x[2], …, x[N]}, 其中x[i]=x (1, i) , x (2, i) , …, x (M, i) ]T, i=1, 2, …, N, 表示在时刻i的多通道信号组成的向量。X的自相关矩阵:

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式中:rij[k]=E{x* (i, n) x (j, n+k) }, *表示共轭, E{}表示数学期望是有偏估计。

利用AR模型可从信号X的过去q个取样值预测估计值:

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式中:F[i]为预测系数, i=1, 2, …, q, q为预测阶数。设et=[e1 (t) , e2 (t) , …, eM (t) ]T, 这里以预测误差最小为优化准则, 定义预测的方差矩阵为E{et, eTt};

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E{et, eTt}的迹为对角线元素之和:I≡TrE{eteTt}=E{e21 (t) }+E{e22 (t) }+…+E{e2M (t) }, 确定模型参数系数矩阵序列F[i]的准则:I=min, 因为undefined, 有:

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undefined

求方差的期望值:

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利用矩阵的求导公式:undefined, 其中B为与X无关的常数矩阵, X为矩阵, 取I对F[i]的偏导数, 并令其为零来求得模型的系数矩阵序列F[i], 此时只有第二项和第四项有贡献:

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FT[i], 故有方程:undefined, 对其取转置, 有undefined。

同理求I对FT[i]的导数, 有:

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由于平稳的过程有ϕ (-i) =ϕT (i) , ϕT (j-i) =ϕ (i-j) , 故式 (6) 可记为undefined, 展开此式, 则有:

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式 (7) 是采用多通道AR算法对胶带机火灾信号进行分析的重要公式, 其中ϕ (i) 是对胶带机火灾信号采样值的相关函数, 为已知值, F[i]为未知数。因为是以矩阵为系数的方程, 如采用常规解法需要巨大的计算量, 通过观察发现, 系数矩阵属于托布里兹矩阵, 因此, 笔者根据参考文献[5]中提到的辅助托布里兹方程的解法给出了一种新的递推算法, 可大大减少计算量。

1.3 多通道信号分析中系数矩阵序列的递推算法

误差滤波器有预测和后验之分, 设预测误差系数矩阵序列和后验误差系数矩阵分别为[a0 (n) , aq (n) , …, an (n) ]n+1和[b0 (n) , bn-1 (n) , …, b0 (n) ]n+1, 其中as (n) 和bs (n) 都为M×M阶矩阵, 且满足方程:

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。这里:

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、vb (n) 为M×M阶矩阵, a0 (n) =b0 (n) =I为单位矩阵。将系数矩阵序列[a0 (n) , a1 (n) , …, an (n) ]n+1和[bn (n) , bn-1 (n) , …, b0 (n) ]n+1都扩大到n+2维:[a0 (n) , a1 (n) , …, an (n) , 0]n+2, [0, bn (n) , bn-1 (n) , …, b0 (n) ]n+2, 并令其满足方程:

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则有:ua (n) =a0 (n) rn+1+a1 (n) rn+…+rn (n) r1, ub (n) =bn (n) r-1+…+b1 (n) r-n+b0 (n) r-n-1。

方便推导, 将其写成:An (z) =a0 (n) +a1 (n) z+…+an (n) zn, Bn (z) =bn (n) zn+bn-1 (n) zn-1+…+b0 (n) , 延长该辅助系列长度, 构造线性组合:

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由此得新系数序列:[a0 (n) , a1 (n) -ca (n+1) bn (n) , …, an (n) -ca (n+1) b1 (n) , -ca (n+1) ·b0 (n) ], [-cb (n+1) a0 (n) , bn (n) -cb (n+1) a1 (n) , …, b1 (n) -cb (n+1) an (n) , b0 (n) ], 根据式 (8) , 此新序列满足方程:

[a0 (n) , a1 (n) -ca (n+1) bn (n) , …, an (n) -

ca (n+1) b1 (n) , -ca (n+1) b0 (n) ]Rn+1=[va (n) -ca (n+1) ub (n) , 0, …, 0, ua (n) -ca (n+1) vb (n) ] (10)

[-cb (n+1) a0 (n) , bn (n) -cb (n+1) a1 (n) , …, b1 (n) -cb (n+1) an (n) , b0 (n) ]Rn+1=[ub (n) -cb (n+1) va (n) , 0, …, 0, vb (n) -cb (n+1) ua (n) ] (11)

为使式 (9) 得到的新序列的误差最小, 需使式 (10) 、 (11) 中的新增项消失:

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则有:

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式中:ca (n+1) 、cb (n+1) 、ua (n) 、ub (n) 、va (n) 和vb (n) 为M×M阶矩阵, 由式 (9) 、 (13) 得到新的预测误差滤波器和后验误差滤波器系数矩阵序列分别为[a0 (n) , a1 (n) -ca (n+1) bn (n) , …, an (n) -ca (n+1) b1 (n) , -ca (n+1) b0 (n) ][-cb (n+1) a0 (n) , bn (n) -cb (n+1) a1 (n) , …, b1 (n) -cb (n+1) an (n) , b0 (n) ], 分别满足方程:[a0 (n) , a1 (n) -ca (n+1) bn (n) , …, an (n) -ca (n+1) b1 (n) , -ca (n+1) b0 (n) ]Rn+1=[va (n+1) , 0, …, 0, 0][-cb (n+1) a0 (n) , bn (n) -cb (n+1) a1 (n) , …, b1 (n) -cb (n+1) an (n) , b0 (n) ]Rn+1=[ub (n+1) , 0, …, 0, 0]。

式中:va (n+1) 和vb (n+1) 分别为

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根据托布里兹方程的递推解法, 利用后验滤波器的系数矩阵序列求式 (7) 的解可大大减少计算量。为推导方便起见, 令[F[1], F[2], …, F[q]]=[f0 (n) , f1 (n) , …, fn (n) ] (n=q-1) , 设已求得n阶多通道AR模型的系数矩阵[f0 (n) , f1 (n) , …, fn (n) ]来推导 (n+1) 阶AR模型的系数矩阵, 组成矩阵多项式:F (z) =f0 (n) +f1 (n) z+…+fn (n) zn, 为书写方便, 设:[g0, g1, …, gn]=[ϕ (1) , ϕ (2) , …, ϕ (q) ], 将序列[f0 (n) , f1 (n) , …, fn (n) ]的长度延长为n+1:[f0 (n) , f1 (n) , …, fn (n) , 0], 它满足:[f0 (n) , f1 (n) , …, fn (n) , 0] (n+1) R (n+1) =[g0, g1, …, gn, v (n+1) ], 其中v (n+1) 为M×M阶矩阵, v (n+1) =f0 (n) rn+1+f1 (n) rn+…+fn (n) r1, 构成线性组合:Fn (z) -cf (n+1) zn+1Bn+1 (z-1) , 给出的系数序列为[f0 (n) -cf (n+1) bn+1 (n+1) , …, fn (n) -cf (n+1) b1 (n+1) , -cf (n+1) b0 (n+1) ], 它满足方程:

[f0 (n) -cf (n+1) bn+1 (n+1) , …, fn (n) -

cf (n+1) b1 (n+1) , -cf (n+1) b0 (n+1) ]Rn+1=[g0, g1, …, gn, v (n+1) -cf (n+1) vb (n+1) ] (14)

其最后一项应满足条件:gn+1=v (n+1) -cf (n+1) vb (n+1) , 故有cf (n+1) =[v (n+1) -gn+1]v-1b (n+1) , 因而延长后的系数矩阵序列为[f0 (n+1) , f1 (n+1) , …, fn (n+1) , fn+1 (n+1) ]=[f0 (n) -cf (n+1) bn+1 (n+1) ][f1 (n) -cf (n+1) bn (n+1) , …, fn (n) -cf (n+1) b1 (n+1) , -cf (n+1) b0 (n+1) ], 用矩阵多项式来表示为Fn+1 (z) =Fn (z) -cf (n+1) zn+1Bn+1 (z-1) 。

这样就可求得高一阶AR模型的系数矩阵序列。通过对原有信号的分析, 可以描述它的时变统计行为, 这是进行信号合成的基础, 下面以上述理论为基础进行胶带机火灾和非火灾信号的分析与合成试验, 具体采用Matlab语言进行仿真。

1.4 多通道胶带机火灾信号分析方法的设计

原始信号序列由模拟传感器从试验现场采集, 并以一定的频率采样、量化转换成数字信号。多通道胶带机火灾信号的分析模型必须考虑到胶带机火灾信号的局部平稳性[6], 因此, 将信号进行加窗分成多段处理, 可更准确地跟踪信号的整体特征。本文以二通道为例对信号进行分析与合成。设观测时间长度为Ltot, 原始信号为X=[x[1], x[2], …, x[Ltot]], 式中:x[n]=[x[1, n], x[2, n]]T, n=1, 2, …, Ltot, 表示n时刻的采样值。首先对信号进行预处理, 由于胶带机火灾信号的局部平稳性, 因此, 先用长为L的矩形窗加窗, 得到第p帧信号xp[n] (p=1, 2, …, ptot;ptot=2Ltot/L) , 各帧之间重叠50%以适应信号的变化, 并对幅度进行标准化, 除去原始信号中的直流分量及各变量量纲的影响, 并分别采用高通滤波器和低通滤波器滤除噪声。预处理后的信号序列X提取二阶统计特性, 由于在预处理中已经采取了去均值的措施, 因此, 其自相关矩阵和协方差矩阵相同, 这样采用自相关矩阵和均值向量可完全确定多通道时间序列的二阶统计特性。采用前面介绍的多通道信号的分析方法可获得第p帧AR模型的系数矩阵f (s) =[fp[1], fp[2], …, fp[q]], 它代表了第p帧信号的二阶统计特征, 按照同样方式依次对各帧信号进行信号分析得出所有的ptot个特征矩阵, 排成矩阵序列F=[f (1) , f (2) , …, f (ptot) ], 它描述了原始胶带机火灾和非火灾信号X的统计行为, 信号的合成以此为基础进行。

1.5 多通道胶带机火灾信号合成方法的设计

信号合成是信号分析过程的逆过程。具体方法:先生成2个具有零均值和单位方差的具有高斯分布的多通道白噪声序列, 以其为激励信号, 令其通过前面设计的AR模型, 即按式 (2) 进行合成, 得到1帧信号的采样值, 按同样方法合成出所有的ptot帧信号, 再对信号进行逆标准化处理, 并对所有各帧的合成信号进行合并, 重叠部分取对应平均值, 得合成信号:undefined, 式中:undefined。

2多通道胶带机火灾信号合成的试验结果分析

2.1 非火灾信号的分析与合成试验

本文采集了厨房环境下的烟雾浓度和湿度2个信号 (主要是考虑厨房中水蒸气的影响, 有时与阴燃火的特性有一定相似之处) , 采用Matlab软件进行仿真试验, 仿真结果如图1所示。由图1可知, 采用多通道AR模型进行2种信号的合成可得到大体与真实信号相同的模拟信号。软件程序设计采用Matlab语言编程。

2.2 火灾信号分析与合成试验

本文选用了2种火灾条件下的信号进行分析与合成, 一种为邢台煤矿的胶带机燃烧时, 一氧化碳 (CO) 和二氧化碳 (CO2) 信号释放与时间关系图, 另一种为聚胺脂塑料燃烧时烟雾浓度和温度信号与时间关系图, 仿真结果分别如图2、3所示。

从图2、3中可知, 合成信号虽然在细节上有些误差, 但从整体趋势上看与真实信号大体相同, 且与真实信号具有相同的统计特性, 可用来验证前面的火灾信号处理算法的可靠性。

3结语

本文采用多通道AR模型对胶带机火灾信号与非火灾信号进行了分析与合成, 并结合维纳证明及辅助拖布里兹方程的特点, 推导出了一种比较简单的递推算法来求得模型参数。采用Matlab软件对多胶带机火灾信号进行仿真实验, 仿真结果表明:合成信号与原始信号在细节上虽有一定误差, 但两者在整体趋势上相同, 且具有相同的统计特性和功率谱相匹配的特点。该种算法也适于其它的较难直接从实际试验或环境测试中获得信号的情况, 例如地震信号等, 具有较大的推广应用价值。

参考文献

[1]程远平, 陈亮, 张孟君.火灾过程中火源热释放速率及其实验测试方法[J].火灾科学, 2002, 11 (2) :69~74.

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[3]CLAUDIA R, THOMAS K, GERHARD M.AGeneral Approach for Si mulating Signals of ScatteringLight Detectors[C]//AUBE’01, 12th InternationalConference on Automatic Fire Detection, NationalInstitute of Standards and Technology Gaithersburg, 2001, Maryland:517~528.

[4]王殊.火灾探测的信号处理方法的研究[D].武汉:华中理工大学, 1998.

[5]郑治真.数字信号处理基础[M].北京:地震出版社, 1988:291~307.

6.地下水资源管理模型的信号与系统分析技术 篇六

1 城市轨道交通信号系统

1.1 城市轨道交通信号系统在生活中的作用

城市轨道交通在实际运行中具有舒适性、不间断性、准点性等特点, 基于城市轨道交通的这些特点, 在城市轨道交通系统中采用轨道交通信号系统能够将信号设备的作用充分发挥, 达到事半功倍的效果。从世界上先进的轨道交通运营中发现, 只有高水平的信号系统, 才能够在交通中实现提高列车运行的效率, 并且安全性能比较高[1]。

1.2 城市轨道交通信号系统特征

第一, 城市轨道交通中所承担的客流量比较多, 基于安全角度考虑, 对于行车之间的最小行车间距要求比较高, 进而对列车的速度监控提出了较高的要求, 其主要的目的就是为了实现列车运行中的安全保障。第二, 对城市轨道交通运输速度进行分析, 城市轨道交通运行中的实际速度与铁路干线相比, 数值上相差很多, 所以, 在实际的城市轨道交通信号系统中, 不需要数据传输较快的信号系统, 只需要传输速度较低的系统就可以实现信号传输功能;第三, 由于在城市中, 列车的运行间隔比较小, 运行中所展现的规律性比较强[2]。

2 城市轨道交通信号系统设计情况

由于我国在城市轨道交通信号系统研发中起步比较晚, 与国际水平间存在一定的距离。在城市轨道交通信号系统建设阶段, 由于在各项技术上, 外商对信号系统设计的核心技术掌握着主动权, 因此, 在国内市场中, 不得不对信号系统进行比较长时间的调试;在信号系统的运营阶段, 进口设备在实际运行与维护上存在很多障碍, 一些比较轻微的故障就需要外援, 并且设备在实际运行中的风险比较大;在建设阶段, 对于网络化比较复杂的城市, 存在多种形式的信号系统, 因此, 在实际的信号系统投入使用中, 要想实现多元化网络系统的实际使用, 需要在多种线路中进行线路互联, 但是该种方式在某种程度上严重影响了资源的共享[3]。

3 基于LTE技术的城市轨道交通信号系统技术分析

3.1 LTE技术概述

LTE技术是当今比较适用的交通信号技术, 该项技术在实际城市轨道交通信号系统中能够实现高传输速率, 低时延, 并支持信号系统中的多种功能, 支持广播组的播出业务, 具有无线接入架构。LTE技术的主体性能为:在20MHz频谱带宽条件下, 技术系统能够提供上行、下行分别为100Mb/s和50Mb/s的峰值速率。实现的城市轨道交通覆盖率达到了100Km 。为了实现更加优化的功能, LTE系统中采取一种网格化结构, 集成了适用于宽带移动传输的众多先进技术。LTE技术优势有很多, 能够实现传输效率高、频谱使用灵活等功能[4]。

3.2 LTE技术与WLAN技术性能对比

第一, 在项目干扰方面, LTE技术能够申请比较专业的频段, 有效避免外部设备的信号干扰, 并且由ICIC来解决系统内部干扰。但是WLAN技术在该方面采用的是开放性的频段, 信号很容易受到外部的干扰。从技术的可维护性上进行分析, LTE技术在网元上的数量比较少, 实现无线覆盖距离比较远, 城市轨道交通轨旁设备之间的距离比较大。在WLAN技术下, 其信号覆盖距离比较短, 每200 米就需要设置无线设备, 后者在维护比较困难;从移动性上进行分析, LTE自动频率校正技术性能比较高, 能够保证信号平稳。而WLAN只适合于低速环境;从技术的服务质量上进行分析, LTE技术支持优先级的设置, 能够保证信号系统的无线传输, 但是WLAN技术却不能实现信号系统的优先级。

3.3 LTE信号系统在城市轨道交通中应用

随着科技不断发展, LTE技术在城市轨道交通中的应用越来越广泛, LTE技术在诸多个城市轨道交通中应用。信号系统主要涉及的问题就是安全, 无线信息系统要想实现稳定性以及可靠性, 对于信息系统的要求比较高。信号系统在进行通讯传输时实时性要求比较高, 而在PIS系统中, 无线通信传输要求比较低, 但是在宽带方面的需求比较大。两者在技术需求上的方向不同, 因此, 不能单一的将PIS系统中的LTE技术灵活应用到城市轨道交通信号系统中来[5]。2014 年, 在北京地铁指挥中心的支持下, 多家信号厂商对LTE技术在信号系统中的实际应用进行现场测试, 希望能够通过专业的技能检测, 促进城市轨道交通信号技术发展。在现场测试中, 具有代表性的厂商有华为、中兴、普天等, 通过这些厂商对LTE技术的实际测试, 得出结论, 并提出LTE技术在信号系统中应用的测试结果:第一, 从延时方面, 其传输时延的测试结果为10~25m s, 其中最长的延时为106.5m s;第二, 从信号方面, 信号丢包率上下行均为0.005% 以下;切换延时为34~46m s左右, 其中最长时间为135m s;15MHz频宽的平均吞吐量为, 上行11Mb/s, 下行19Mb/s。在实际的测量下, LTE技术能够完全满足信号系统在无线传输中的要求。在频率信息选择上, 工信部发布了与无线接入系统频率使用的相关事宜, 对城市中轨道交通的申请使用提供支持以及肯定, 换言之, 城市轨道交通单位可以使用该频段, 并获取得该频段的使用权。民用手持设备中, 对于信号的频段占位将不会影响频段的使用。与WLAN的开放频段相比, 专用频段能够有效缓解外部信息的干扰。LTE技术逐渐成为移动通信发展中的关键技术, 在城市轨道交通信号系统中发挥着重要的作用。

4 结论

本文中所介绍的城市轨道交通信号系统, 在轨道交通行业发展中作用突出, 是城市轨道交通的主力军。在科技不断发展的进程中, 城市轨道交通信号系统与科技相结合, 逐步实现智能化与科技化。本文立足于城市轨道交通信号系统的作用、特点, 针对目前我国城市轨道交通信号系统的发展近况, 对相关问题进行分析, 为信号系统中的关键技术的发展研究提供了一定的帮助。

参考文献

[1]刘晓娟.城市轨道交通CBTC系统关键技术研究[D].兰州交通大学, 2009.

[2]王飞杰.城轨CBTC智能调度指挥系统关键技术的研究[D].北京邮电大学, 2011.

[3]阚庭明.城市轨道交通乘客信息系统关键技术研究[D].中国铁道科学研究院, 2013.

[4]王东.轨道交通信号系统仿真测试与验证技术研究与应用[D].浙江大学, 2014.

7.地下水资源管理模型的信号与系统分析技术 篇七

关键词：感应耦合电能传输,能量调制,软开关

1 引言

感应耦合电能传输(CPT)技术是一种基于电磁感应耦合原理的非接触式电能传输技术。通过一次侧、二次侧线圈间的耦合磁场实现电能从静止电源系统向一个或多个可移动用电设备的非电气直接接触电能传输方式[1]。然而在随钻井下通信、医用体内植入系统等设备应用时需要实时检测系统的工作状态或传递控制指令,因此系统需要在非接触传输电能的同时实现信号的同步传输。研究发现由于感应电能传输系统中磁能转换机构及高频电能逆变器的存在,如果电能与信号分别用两个通道传输,电能对信号的传输有很强电磁干扰问题。因此需要研究适应于感应电能传输系统中基于能量传输通道的信号有效传输方法,实现电能与信号的同步传输。感应式电能与信号混合传输技术就是在非接触电能传输的同时传输数字信号,电能与信号共用一个电磁耦合机构和感应线圈。

目前,CPT系统中信号传输有以下三种方法,方法一:在能量传输电磁耦合机构中增设一对信号传输线圈[2]。该方法信号解调部分需要做滤波等处理,增加了系统设计的复杂度,同时电能干扰问题严重。方法二:通过对极谐振逆变器的控制,使得发射线圈电流幅值持续过零.在过零时段进行信号的传输[2]。该方法中发射线圈电流断续,对次级电能拾取电路要求复杂,并且对电路参数要求高,电路的鲁棒性差。方法三:在主电路上增设开关器件,通过改变逆变器电能流的幅值传输数据[3]。该方法中的逆变器只能工作在小功率的情况下。文中根据CPT系统谐振变换器存在多软开关工作点的特性,提出一种基于切换谐振逆变器开关管软开关周期的信号调制方法。该方法解决了CPT系统中传输数字信号需要增设一组线圈的问题,同时传输数字信号时电能电流不断续。

2 系统结构及信号传输原理

2.1 系统结构

图1所示为本文提出的一种带信号传输的CPT系统原理结构图,该结构图在原来CPT系统基础上增加了初级回路的信号调制部分和次级回路的信号提取与复原部分。在功率传输电路中通过调制器改变谐振变换器的开关控制周期,可以将传输数据调制于功率信号上,另外在不改变原有非接触电能传输拓扑的基础上完成传输数字信号的任务。由于电能本身携带数字信号,所以使用这种传输方法信号与能量传输之间不存在相互干扰。由于信号传输过程中载波频率不发生变化,所以不存在相频失真和幅频失真。其工作原理如图1(a)(b)所示。

2.2 信号调制原理分析

图1(a)所示的电能高频逆变器是一种串联谐振型逆变器,主要由电流检测单元,软开关切换控制器和四个开关管S1-S4以及一个谐振网络组成。为了提高功率传输效率,要求其全桥逆变器工作于软开关状态,对初级谐振电流周期函数i*p(t)=0求解计算得知原边谐振电流周期函数存在一系列过零点,如图2所示。这些过零点对应的时间都是系统ZCS周期[4],如图1所示系统通过调制器控制开关管的触发脉冲周期在T1(A点对应的时间)与T3(C点对应的时间)之间切换,把需要传输的数字信号加载到初级线圈的谐振电流上,形成综合能量信息流传递到次级回路。

当数字信号为1时,调制器产生周期为T1的控制脉冲触发开关管的通断,初级电路在电感上形成高频交流电流。电容CP、电感LP和电阻构成谐振网络,图3依次为初级发射线圈的电流、开关管S2/S3触发脉冲,开关管S1/S4触发脉冲的Matlab仿真波形。从图中可以看出触发脉冲在谐振电流每个半波切换一次,都发生在电流过零时刻。工作点A是系统的通常的基波谐振频率点,系统工作在基波谐振状态。

当数字信号为0时,调制器产生周期为T3的控制脉冲触发开关管的通断。因为谐振电路阻尼系数的存在,当控制脉冲周期增大时初级电感储能减少,因此初级发射线圈电流减小,图4所示依次为初级发射线圈的电流波形,开关管S2/S3触发脉冲,开关管S1/S4触发脉冲。可以看出当开关的切换频率降低为T1的1/3,触发脉冲在谐振电流每3个半波切换一次,电流的幅值也约为其1/3。但电流的频率与基波谐振频率一致,因此如果系统在这两点之间切换,将不会导致电流波形突变。

图1(b)示为次级回路,拾取线圈(电感LS)将感应到的电流转换成电压,再经过信号提取与复原电路得到被传输信号。由于初级线圈电流幅值发生变化,因此不能直接与负载相连,为了减小信号传输带给能量传输的影响,必须在能量的拾取端进行功率调节。功率调节方法有很多,通常是在副边拾取端整流滤波后加DC/DC变换器调节输出电压,或是副边短路解耦控制,在拾取线圈上并联一个短路开关,以一定的频率及占空比控制拾取端解耦就可以调节拾取到的功率。

3 能量与信号混合传输特性分析

能量与信号混合传输是通过改变逆变器的控制频率使数字信号调制到能量电流波形上,由于谐振网络作为综合能量信息流的传输通道,因此谐振网络的阻抗特性将影响功率传输特性与信号传输特性。

3.1 功率传输特性分析

由于感应电能与信号传输过程是通过近场耦合完成的,假设没有向外辐射能量。初级谐振网络的等效电路由图5所示,R′11为次级回路折射到初级的反射电阻,X′11为次级回路折射到初级的反射电抗。初级回路发送功率为:

式中P1—消耗在发送电路上的功率

P2—次级电路接收的功率

当感应电能传输时,电路工作在谐振状态。这时X11+X′11=0次级电路接收到的功率:

设

得

式中k—功率耦合因子

由(4)式可以看出当λ=1时,次级电路接收到来自初级电路的功率最大。因此设计系统时应调整参数使得R11=R′11次级电路接收到的功率最大,此时。

3.2 信号传输效率分析

在感应式能量与信号混合传输中,信号载波即为电能,次级线圈接收到的可知感应信号传输效率:

由(3)式可知(5)可表示为。从式(5)中可知信号传输效率η随λ的增大而增大,在感应式电能与信号混合传输过程中,要保证能量的传输效率最大。此时λ=1,信号传输效率η=50%。

3.3 信号提取与复原

电感Lsense将接收线圈电感LS中的电流转换成电压Vin,信号提取与复原是通过检测副边电压的幅值变化来实现的。图6是一种实现电路,该电路包含两路不同参数设计的包络检波器和一个比较器。

包络检波器1由D1,C1和R1组成。RS,CS构成的低通滤波器用于滤去高频电能。当2π/ω≪R1C1≪τ(τ为避免惰性失真的最大截止时间)时,电压Vout1反映输入电压Vin的包络变化。包络检波器2基本结构与包络检波1一致,只是电路设计的参数不同,当R2C2≫τ,输出电压Vout2基本不变,可认为是直流,再经过电阻R5,R6分压,将分压后的电压Vout3作为判决电压,比较器输出信号,实现了信号的提取与复原。

4 实验分析

为了验证本方法的可行性,搭建了电路参数如表1所示基于CPT系统的能量与信号混合传输实验电路,实验测试波形如图7至图9所示。

图7中为待传输的数字信号和初级电感电压波形。由图可以看出,在不同的数字信号时,初级电感电压幅值发生变化。

图8中为拾取电感LS电压波形与负载电压波形,调幅调制后的电能经过功率调节器和稳压环节。输出了平稳的直流电压供给负载。

图9中为包络检波器1的Vout1输出波形,包络检波器2的输出经过分压Vout3的波形以及复原的被传输信号。

5 结论

在CPT系统中,提出基于能量通道实现数字信号传输的方法。该方法通过切换开关管控制脉冲频率的方式,在原副边耦合线圈间形成综合能量信息流,电能接收端在接受电能的同时,提取被调制信号的特征并进行信号复原。搭建了实验平台,验证了本方法的可行性,为CPT系统中信号传输提供了新的思路。

参考文献

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8.地下水资源管理模型的信号与系统分析技术 篇八

病历材料是以文字、图像、数据等内容来证明某种医疗行为事实的依据, 属于书证的一种。病历材料的内容不仅能证明该医疗行为事实, 而且能够直接证明该医疗行为的主要事实, 具有很强的针对性。其内容是在医院诊疗过程中形成的文字, 检查结果, 医生所下的医嘱, 包括文字、影像资料, 各种图表, 医嘱, 病人对病情的陈述, 是病人在诊疗过程中病情发展的客观记录, 具有很高的学术价值, 对于病人的今后治疗、健康有很强的参考意义。同时它又是一种法律文书, 在医疗纠纷诉讼中, 病历资料既可证明医患之间诊疗关系的客观存在, 又可证明整个医疗行为的客观过程。由于医疗活动是按照时间顺序发生, 并且依照2010 年1 月22 日实施的《病历书写基本规范》要求, 医务人员在医疗活动过程中形成的文字、符号、图表、影像、切片等资料的总和, 包括门 (急) 诊病历和住院病历都要保存下来形成病案。而且其对以后该病患的治疗方案及治疗效果有十分重要的指导作用。为了更好的保存这些病历材料, 必须有一套完整系统来管理它。

各医院都非常重视各类档案的保管和利用, 在档案术语、档案分类、科学保管、档案利用、价值分析、风险控制及合法合规管理等各个方面, 都建立了相关的制度, 形成了健全的档案管理体系。设立了专门的档案管理部门, 配备档案管理的专业人员, 负责制定档案管理制度、监督制度执行情况等工作。

本文主要以纸质病案系统的管理为例, 设计了一个计算机系统以加强纸质档案的系统管理, 使用标准的浏览器包括WIFI无线手持终端接入IE、Google Chrome等主流浏览器就可以自助完成所有的档案存储、提取、密码修改动作, 涵盖了对纸质病案的查询、保管、借阅等实际工作需要的功能。本系统对提高病历检索效率、完善病历保管功能、满足医生对病人治疗方案的查询、提高医疗水平、全面掌握患者的健康情况具有积极的意义。

1 自动信号技术简介

自动信号指示病历管理系统 (简称信号系统) 涉及的技术主要分为服务器端与单片机端。服务器端使用较为流行的B/S模式, 后台数据库采用微软的SQLserver2000 (是一款较老的关系型数据库) 。单片机端使用台湾宏晶科技的STC89C58RD+CPU, 这款单片机使用高速COMS技术工作主频40mhz, 兼容80C51 的指令集, 具有功耗低速度高等特点, 是一款较为成熟的单片机。链路层使用RTL8019AS以太网控制器。它是由台湾Realtek瑞昱公司出的一款高集成度的以太网控制芯片, 具有8/16 位总线模式, 集成了IEEE802.3 协议标准的介质访问控制子层 (MAC) 和物理层的性能, 内置的双DMA通道和FIFO完成简单有效的包管理 (数据帧的接收和发送) 功能, 本地DMA通道的传输速率高达10Mbit/s, 与NE2000 相兼容, 支持以太网全双工通信方式, 支持UTP, AUI和BNC自动检测, 支持16 条I/O基本地址选项和额外I/O地址输入输出完全解码方式, 支持存储器瞬时读写, 收发可同时达到10Mbps的速率, 内置16KB的SRAM, 可以方便的与微处理器进行连接。

2 自动信号指示档案管理系统的设计

2.1网络设计

系统网络设计如图1 所示。局域网和广域网用户直接访问WEB服务器, 通过用户认证进入咨询系统。系统需要配置1 台WEB服务器和1 台数据库服务器。最优配置是把数据库服务器再分为数据库服务器和报表服务器, 或把报表服务器部署在WEB服务器上。为节省成本我们在数据量不大的情况下可以合并数据库服务和WEB服务。使用星型网络拓扑结构。如不连接Internet可以使用交换机担任中心节点。如连接外网可使用路由器。

2.2 软件系统目标设计

系统采用B/S架构设计, 利用Visual Studio 2005 作为开发平台, 使用ASP.NET进行WEB页面开发, 利用C# 作为后台程序开发语言, 利用SQL Server 2005 作为数据库管理平台。系统主要功能模块如下:

(1) 用户登录模块:对用户进行身份验证, 根据输入的口令调用存储过程。存储过程调用散列函数散列口令文本, 比较用户表中的口令散列值, 相同则认证成功不同则增加用户表中阀值的值。在阀值大于3 后该用户冻结。将无法登陆系统。用户登录模块相当于系统的大门。网络的大部分攻击是针对于他的。这部分的设计难点在于如何保证客户端与服务器端是点对点的没用中间层。如何防止内部人员盗取用户表数据发现合法用户口令。

(2) 浏览信息模块与更改口令模块:浏览模块主要用于向用户呈现查询结果操作过程和结果。其难点主要是如何使用UDP协议与单片机端进行通信。更改口令模块主要是为客户提供能自助更改口令的功能。

(3) 数据存储部分:主要负责记录档案保存在哪个档案柜的哪个存储单元中, 和哪个档案柜的哪个存储单元是空闲的可以被分配存储新的档案。其会使用现在流行微软公司的的关系型数据库SQLSERVER实现其功能。

2.3 系统主要数据结构设计

系统包括存取日志, 单元, 档案, 工作站, 角色, 用户这几类数据结构。需要描述的主要是单元工作站的概念。首先是单元概念。单元是指一个基本的存储空间。其代表能存储一份档案的能力。一个工作站是指一个单片机端。对实体档案的保存是已工作站为组的。一个工作站能管理255 个单元。也就是说每个工作站具有255 份档案的存储能力。其抽象模型如下图2。

2.4 功能设计

本系统使用软件数据库服务器与嵌入开发并重的方式来设计。服务器部分主要提供与用户交流的界面和数据存储功能。用户界面采用B/S模式, 使用标准的浏览器包括WIFI无线手持终端接入IE、Google Chrome等主流浏览器就可以自助完成所有的档案存储提取密码修改动作。硬件部分使用单片机嵌入设计。其主要功能模块基本涵盖了互动查询、病历检索、病历位置指示、后台系统和数据管理与维护的需求, 同时考虑到未来系统升级等问题。本系统具有以下特点:

(1) 系统实现了加强纸质档案的管理, 特别是对实物的管理。该系统实现了对纸质病历等实物的查询、保管、借阅等功能, 采用SQL Server数据库管理系统设计病历的数据库, 为纸质档案的管理提供了查询、存储、提取及不同用户权限查阅不同病历等安全、方便的电子化方法, 同时实现了人机交互。

(2) 采用B/S架构设计档案管理系统。B/S架构为浏览器/ 服务器模式, 具有提取数据方便、可实施查阅数据等优点, 且通过Wifi等无线网络也可使用。

(3) 采用嵌入式开发技术, 实现了单片机控制。系统设计虽主要涉及软件工程, 但本研究也在工业电器自动化、机械工程等领域进行了探索, 是各领域设计技术的综合体现。

3自动信号指示档案管理系统的实现

3.1 硬件系统的实现

推荐配置: Intel (R) Core 2CPU 4300 1.80GHz处理器、2G内存、500GB可用硬盘空间。

开发环境:两台PC机, 一台作Web服务器和开发用机, 一台作为数据服务器。

3.2 软件系统的实现

Web服务器, 安装Windows 2000 Server ( 安装IIS5.0) 、Visual Studio 2003 中文版。SQL Server 2000。开发用机安装Visual Studio 2005, winxp。所有机器统一安装.NET Framework虚拟机。软件流程图如图3 所示。

用户进入登陆界面, 通过输入用户名、密码后, 进入查询用户信息界面, 计算机通过比对用户信息与存储在数据库中的信息, 进行核准用户信息操作。若信息相符, 则进入打开首页界面, 否则返回到打开登录界面。进入界面后, 根据用户输入的条件进行查询, 并将结果返回;系统根据用户选择指示档案位置, 用户根据指示查找到档案并确认;系统根据用户确定复位指示信号更新有关记录的字段值等。

3.3系统开发语言

系统页面采用ASP.net编辑, 后台程序采用C#语言编写。C# 是比较类似于Jave有带有C++ 血统面向对象的语言。当然其实Jave也带有C++ 血统。

4 结束语

本文主要介绍了自行设计的计算机系统加强纸质档案的管理系统, 该系统包括对纸质病案的查询、保管、借阅等实际工作需要的功能。方案设计包括系统的体系总体设计、查询功能模块设计、存储功能模块设计、提取功能模块设计、用户密码变更功能模块设计、数据库表结构设计、表的主外键约束设计、数据库存储过程设计、单片机电路设计、单片机C程序设计。本系统对提高病历检索效率、完善病历保管功能、满足医生对病人治疗方案的查询、提高医疗水平、全面掌握患者的健康情况具有积极的意义。

参考文献

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