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【關鍵詞】分布式水文模型；雨洪排放系統(tǒng)；優(yōu)化設計
1、現(xiàn)有雨洪排放排水系統(tǒng)的缺點
（1）現(xiàn)有雨洪排放系統(tǒng)設計標準偏低。我國城市現(xiàn)有雨水排水管網(wǎng)的設計暴雨標準大多是幾年一遇，最高的也只是20年一遇，明顯偏低。我國城市化進程速度很快，很多城市目前的局部降雨狀況已經(jīng)大大超過了當初的設計值，排水系統(tǒng)已經(jīng)不堪重荷，局部區(qū)域的雨水不能及時得以排放。形成內澇，內澇又破壞排水系統(tǒng)，使得排水能力下降，形成惡性循環(huán)。
（2）現(xiàn)有設計方法本身存在很多不合理性。目前我國大多數(shù)城市排水管網(wǎng)設計依據(jù)的徑流量仍然是直接或者間接通過下面的推理公式得來的[1]。
QS=F.qs.Ψ
式中：QS-管道節(jié)點以上的設計流量；F-節(jié)點以上的匯流面積；qs-管道節(jié)點以上的設計的平均暴雨強度，由歷史同歷時的最大降雨強度統(tǒng)計得來；Ψ-徑流系數(shù)。
應用推理公式的優(yōu)點是簡單迅速，但其本身很粗糙。一方面，設計的平均暴雨強度是通過歷年的短歷時最大降雨強度統(tǒng)計分析總結得出的，用它來計算形成的徑流量有偏大之嫌，造成管網(wǎng)建設的浪費，實踐中也證實了這一點。另一方面.該公式只是簡單地使用一個“刊布”而未經(jīng)實地檢驗的徑流系數(shù)或平均徑流系數(shù)來計算產(chǎn)流量，不能考慮城市化變化的趨勢。 （3）排水系統(tǒng)設計施工中的問題。目前已有的排水系統(tǒng)設計存在很多的不規(guī)范性。如在排水管徑變化時，當下段的管徑計算值比上一段小，簡單的取上一段的管徑作為本段管徑，這反應了設計方法的不合理性。施工中，為了減少工程量。管道埋深不能滿足設計要求，在地質條件很差的時候，管道的坡度更是不能達到設計要求，形成淤積或沖刷[2]。
（4）排水系統(tǒng)管理中的問題。重建設輕管理，城市雨水管網(wǎng)在管理方面很是欠缺。一個好的設計排水工程.要想發(fā)揮其最大地效率。管理、優(yōu)化調度與運行很重要。
2、分布式水文模型用于排水系統(tǒng)設計的優(yōu)勢分析
分布式水文模型應用于城市化排水系統(tǒng)的設計的想法，基于以下幾點優(yōu)勢：
（1）設計暴雨更接近實際。傳統(tǒng)設計方法將統(tǒng)計得來的單次的設計暴雨按照時程逐漸較少、在空間上平均來分配，這明顯不以實際情況為基礎。典型的降雨是一個先增加達到最大強度后逐漸衰減的過程。推理公式無法將這一復雜的過程用于設計，用分布式水文模型則可以。在確定本地區(qū)的“設計雨量”后，用典型降雨的時空分配特征來分配設計降雨，從而為設計提供更為客觀的基礎[3]。
（2）產(chǎn)匯流機理的科學化。使用水文模型可以從機理上解釋徑流的形成，從根本上消除傳統(tǒng)推理公式帶來的一些不合理性。計算正確時一般不會遇到排水系統(tǒng)越來越小的情況。從設計的前提到依據(jù)，都從實際情況和科學的角度出發(fā)，隨著對產(chǎn)匯流物理機理認識的不斷加深，模擬精度將不斷得以提高，設計的依據(jù)越來越可靠。
（3）設計尺度更加合理。分布式水文模型則可以在細化的雨水搜集的區(qū)域內做特別的研究，不同的區(qū)域將會有不同的產(chǎn)匯流參數(shù)來精確反應該區(qū)域的特性。
（4）能夠反應城市化進程中的設計要求的變化趨勢。城市排水系統(tǒng)的設計研究需要更為精細，需要反應隨著城市化進程加快出現(xiàn)的一些趨勢。使用分布式水文模型，則可以將其一些參數(shù)（如下滲率、截留量、蒸發(fā)率等）與變化因素關聯(lián)起來，可以結合對城市發(fā)展規(guī)劃或城市化的趨勢。在設計同時預測變化情況下的數(shù)值，使得設計兼顧未來[4]。
3、基于分布式水文模型的城市雨洪排放系統(tǒng)設計思路
在城市排水系統(tǒng)設計中應用分布式水文模型將大大消除現(xiàn)有雨洪排放排水系統(tǒng)的各種弊端。其設計思路是[5]：
（1）按照分水線和地勢劃分雨水收集面積，初步確定雨水管線，并確定各短管網(wǎng)的收集區(qū)域。雨水收集排放盡量的依照地形坡度.充分利用坡度進行地面匯流，在不影響輸水能力的情況下減少管道工程量。
（2）確定設計暴雨及其時程分配。對設計時段的歷年雨量進行統(tǒng)計分析或利用氣象的資料將設計暴雨作為總雨深和歷時的函數(shù)，確定設計降雨量，依據(jù)典型暴雨時空分布規(guī)律，并按照空間特性分配設計降雨。
（3）將降雨的時空分配值帶入分布式水文模型進行計算，對降雨通過植物截留、地面儲蓄、下滲扣除，求得相應區(qū)域的產(chǎn)流，并進行匯流演進計算，得到流量過程。依據(jù)流量過程進行管道設計。并逐一進行演算。完成初步設計。
（4）進行排水系統(tǒng)設計的優(yōu)化。城市化進程帶來雨洪排放系統(tǒng)很多不確定性，在這種情況下，對設計的雨洪排放系統(tǒng)某些環(huán)節(jié)做一定技術上的改進，可以增強排放系統(tǒng)的耐沖擊性和適應性。
4、雨洪排放系統(tǒng)設計措施
實踐證明，新型的雨洪排放技術應用于排水系統(tǒng)的設計確實大大地提高排水系統(tǒng)的效率。目前。新型的雨洪排放技術化分為兩類：以實現(xiàn)及時排放為目的快速雨洪排放技術和以實現(xiàn)雨水利用為目的的雨洪利用技術。前者設法減少雨水在積水區(qū)的停留時間.而后者則側重于用工程措施儲蓄雨水而實現(xiàn)對其利用。在很多地方，二者區(qū)別并不明顯。有結合的趨勢。
城市雨洪利用技術一般用于缺水地區(qū)[6]。它用工程措施將雨水儲蓄起來。然后常以中水的方式加以利用。如屋頂雨水收集技術利用屋頂水箱儲蓄雨水，稍加處理后用作室內沖洗廁所；用停車場收集的房屋排水管和建筑物周邊的雨水用作的沖洗車輛、噴泉：公園閑置池塘和水溝在下雨期間最大程度的截留雨水，用作澆灌植物和景觀用水。在嚴重缺水的地區(qū)，收集的雨水通過滲渠長時間下滲，補給地下水.緩解過度開采地下水造成的“地下漏斗”、地面沉降和海水入侵等問題。
結 論
在設計中不論是運用人工技術還是利用天然設施，都是為了使得設計的系統(tǒng)發(fā)揮最大的效用。進行優(yōu)化設計的系統(tǒng)如果實現(xiàn)了高效調度。即對雨洪的排放、分流、儲存、下滲、利用等各個環(huán)節(jié)達到有機結合。將大大提高對雨洪的耐沖擊的能力，緩解高強度降雨對排放系統(tǒng)的壓力。有效地防止雨水的淤積。避免大面積內澇。
參考文獻
[1] 段志華.城市排水系統(tǒng)的優(yōu)化設計[ 科技情報開發(fā)與經(jīng)濟]，2009，1 9（22）：225 226.
[2] 張靈峰，張志軍.北方平原城市雨水系統(tǒng)的優(yōu)化設計[J].城市道橋與防洪，2008，（03）：41―43.
[3] 陳銳，張志軍.舊排水泵站的技術改造[J].中國給水排水，2007，23（08）：26.29.
[4] 任立良，江善虎，袁飛，等.水文學方法的演進與詮釋[J].水科學進展，201 1，22（4）：586―592.
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[3]肖雪.國內外老年人數(shù)字閱讀研究述評[J].圖書情報工作， 2014，58（8）：139-146.
[4]Kano N， Seraku N， Takahashi F. Attractive quality and must-be quality [J].The Journal of Japanese Society for Quality Control， 1984， 14（2）：147-156.
[5]涂海麗，唐曉波.微信功能需求的KANO模型分析[J].情報雜志，2015（5）：174-179.
[6]齊向華，符曉陽.基于Kano模型的圖書館電子服務質量要素分類研究[J].情報理論與實踐，2015，38（4）：80-85.
[7]李夢婕.基于Kano模型的移動閱讀服務質量影響因素研究[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2011，21（6）：124-128.
關鍵詞 太陽能小屋；Monte Carlo算法；混合整數(shù)規(guī)劃；計算機模擬
中圖分類號：TM914 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2013）16-0019-04
新能源利用是我國七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，太陽能光伏發(fā)電是新能源利用的重要領域。在設計太陽能小屋時，需在建筑物外表面（屋頂及外墻）鋪設光伏電池，光伏電池組件所產(chǎn)生的直流電需要經(jīng)過逆變器轉換成220 V交流電才能供家庭使用，并將剩余電量輸入電網(wǎng)。不同種類的光伏電池每峰瓦的價格差別很大，且每峰瓦的實際發(fā)電效率或發(fā)電量還受諸多因素的影響，如太陽輻射強度、光線入射角、環(huán)境、建筑物所處的地理緯度、地區(qū)的氣候與氣象條件、安裝部位及方式（貼附或架空）等。因此，在太陽能小屋的設計中，研究光伏電池在小屋外表面的優(yōu)化鋪設是很重要的問題。
本文主要研究戶用并網(wǎng)光伏陣列安裝方案的組合優(yōu)化問題。為滿足年光伏發(fā)電總量盡可能大，單位發(fā)電費用盡可能小的目標，首先根據(jù)地區(qū)地理條件、電池組安裝部位及方式，給出太陽能電池組的選定方案。然后在各電池分組的逆變器選配原則下，考慮各太陽能組件的不同設計參數(shù)及價格，從而確定最佳光伏系統(tǒng)設計方案。
研究在僅考慮貼附安裝方式的情況下，對光伏陣列鋪設方案的優(yōu)化問題。首先，需要根據(jù)題目給出的小屋外觀尺寸，對每個墻面分別建立直角坐標系。然后，主要考慮光伏電池組件面積和房屋的鋪設條件，以各類光伏電池組件數(shù)量和安裝位置為決策變量，建立年發(fā)電總量最大、單位發(fā)電費用最小的雙目標最優(yōu)化模型.并考慮逆變器額定輸入電壓和功率約束，調整太陽能電池組件安裝設計方案，從而得到最優(yōu)光伏電池組件及逆變器的選配方案。
1 模型假設
1）假設太陽能電池方陣的架設是獨立的，不受周圍環(huán)境影響。
2）假設同一分組陣列中的組件在安裝時，具有相同的陣列方位角、傾角。
3）假設各類電池組件的最低輻射量限值分別為：單晶硅和多晶硅電池啟動發(fā)電的表面總輻射量≥80 W/m2、薄膜電池表面總輻射量≥30 W/m2。
4）假設所有光伏組件在0～10年效率按100%，10～25年按照90%折算，25年后按80%折算。
5）假設逆變器設置在房屋外部，不占用建筑外表面。
6）假設當太陽輻射值低于電池表面太陽光輻照閾值時，電池組件不輸出電力。
2 變量與符號說明
：表示墻面的長度；
：表示墻面的寬度；
：表示第i類光伏電池組件的鋪設數(shù)量；
：表示對第i類光伏電池組件中的第j個組件的標記；
：表示第i類的光伏電池組件鋪設數(shù)量；
：表示第i個同類電池板的額定功率；
：表示第j類逆變器的額定輸入功率。
3 模型的建立與求解
主要研究在有瑕疵墻面上光伏陣列布局的數(shù)學模型與算法。由于僅考慮光伏電池組件貼附安裝，故首先需要建立安裝光伏電池組件的類型選擇模型，以及相應鋪設數(shù)量的計算模型。其次，在僅考慮無瑕疵平面情況下，構造太陽能電池組的最優(yōu)布局規(guī)劃模型。再利用各墻面的門窗尺寸和位置數(shù)據(jù)對模型進行修正，得到有瑕疵情況下，各墻面和屋頂?shù)墓夥姵仃嚵凶顑?yōu)布局方案。最后，根據(jù)所得布局方案，給出小屋光伏電池35年壽命期內的發(fā)電總量、經(jīng)濟效益及投資的回收年限的計算模型。
3.1 光伏電池年發(fā)電總量計算模型的建立
為求解光伏電池年發(fā)電總量，首先建立光伏電池第m年發(fā)電量計算模型：
其中，表示第k個太陽時的輻射量，表示第i類型號電池板的面積，表示第類型號電池板在輻射為情況下的轉換效率，表示第i類逆變器的逆變效率。由于逆變器存在80%的阻性負載，故計算光伏電池年發(fā)電總量時，應當加上0.8乘項，修正陣列年總發(fā)電量輸出值。
然后，計算光伏組件在第年的效率，已知發(fā)電效率為：
則光伏電池35年的總發(fā)電量的計算模型為：
其中，8759表示一年太陽時最大值。
3.2 光伏電池年經(jīng)濟效益計算模型的建立
由模型I可得到光伏陣列最優(yōu)布局方案，據(jù)此，結合各墻面年總輻射強度有效值數(shù)據(jù)，建立光伏電池總經(jīng)濟效率的計算模型：
其中，表示光伏陣列35年的毛經(jīng)濟效益總和（即不減去成本的毛收益），其計算模型如下：
式中，表示光伏電池第i年的毛經(jīng)濟效益，光伏電池第m年的發(fā)電量由光伏電池年發(fā)電總量計算結果可知。
3.3 光伏陣列投資回收年限計算模型的建立
通過分析光伏陣列的年發(fā)電總量與年經(jīng)濟效益計算模型間的關系，可得光伏陣列投資回收年限T應滿足如下關系：
其中，表示光伏電池第i年的毛經(jīng)濟效益；C表示逆變器和電池組的總成本；表示使用的第i種型號電池組件的數(shù)量；表示使用的第i種型號逆變器的數(shù)量；表示所使用的第i種型號電池組件的價格；表示所使用的第i種逆變器的價格。
利用上述關系，求解使得上述不等式成立的最小整數(shù)T，即為所求的回收年限。
3.4 光伏陣列最優(yōu)布局規(guī)劃模型的建立與求解
3.4.1 模型的建立
1）電池組件的擺放方向分析。
對于每塊放入的電池組件，均存在兩種不同擺放方向：橫向和縱向。在不考慮光伏發(fā)電系統(tǒng)布線復雜性的情況下，引入變量（，表示橫放；，表示豎放），用來描述各個墻面上第i類第j塊光伏陣列的鋪設方向。其中，橫向擺放表示電池組件的長邊與墻面的長平行擺放，縱向擺放表示電池組件的長邊與墻面的寬平行擺放。
2）電池組的類型選擇分析。
考慮到同一安裝平面內所鋪設組件受到逆變器選配約束，故首先建立各墻面安裝光伏電池組件的類型最優(yōu)排序模型，選擇不超過3種類型的電池組，從而降低安裝組件類型的選擇方案，達到簡化問題的目的。
通過分析各墻面光照輻射年均值，同時考慮各類型光伏發(fā)電組件的發(fā)電輻射閥值，計算各墻面各類型的電池組件接收總輻射有效值：
利用每個墻面除去窗口后的總面積和各類電池組件的面積，可計算得到第i類電池的最大擺放組件個數(shù)。又需要考慮光伏電池組件的單位發(fā)電功率費用指標，。其中，表示逆變器和電池組的總成本，表示第i類光伏電池陣列的年發(fā)電總量。
利用（1）、（2）式條件，同時考慮各類電池組件轉換效率，可得到排序指標R的計算模型如下：
各墻面的最佳組件字典序排序與值相關，越大表示該電池組越優(yōu)，表示電池組件的轉換效率需要受到的影響，據(jù)此，可得電池類型最優(yōu)選擇方案。
由太陽輻射相關知識可以得到。其中為平面的法線和太陽入射方向的夾角。
3）無瑕疵條件下光伏陣列最優(yōu)布局規(guī)劃模型。
按照問題分析中對光伏系統(tǒng)設計的目標分析，確定如下兩個最優(yōu)化目標：
目標I：年光伏發(fā)電總量最大可表示為：
其中，表示第i類的光伏電池組件鋪設數(shù)量，表示第i類光伏電池組件的實際功率，由于電池發(fā)電總量與光伏組件的實際功率僅相差太陽輻射乘項，且根據(jù)對太陽輻射的假設，同一平面上的太陽輻射相等，故原目標與光伏陣列總實際功率最大等價。
目標II：單位發(fā)電量的總費用最小可表示為：
其中，表示第i類的光伏電池組件鋪設數(shù)量，表示第i類光伏電池組件的單位發(fā)電功率費用，與原目標中的單位發(fā)電量費用等價。
為確定光伏電池組件的鋪設位置，針對不同墻面，建立如圖1所示的直角坐標系。
其中，x軸的取值范圍是，表示該面墻體的長度；y軸的取值范圍是，表示該面墻體的寬度，直角坐標系內點的坐標表示光伏電池組件左下角的橫縱坐標數(shù)對。
然后，對問題進行約束條件分析，無瑕疵平面鋪設約束如下：
約束I：鋪設范圍界定約束
基于對墻體邊界條件的分析，鋪設光伏電池組件不應超出安裝平面范圍的約束，即鋪設面積不可超過墻面總面積，則鋪設范圍界定約束可表示為：
其中，表示第i類第j塊的光伏電池組件左下角的直角坐標；表示第i類光伏電池組件的長度；表示第i類光伏電池組件的寬度；表示表示第i類第j塊的光伏電池組件是否鋪設，且第i類光伏電池組件總數(shù)。
約束II：電池組件分離約束
當鋪設多塊光伏組件時，各個太陽能電池板需要保證相互獨立擺放，即板與板之間互不交疊，則電池組件分離約束可表示為：
由（4）～（7）式的分析，建立無瑕疵條件下光伏陣列布局雙目標混合整數(shù)規(guī)劃模型如下：
其中，約束條件1、2表示鋪設范圍界定約束，約束條件3表示電池組件分離安裝約束，約束4表示光伏組件的坐標取值范圍.通過確定各目標優(yōu)先級P1和P2，可將該雙目標規(guī)劃模型轉化為單目標規(guī)劃問題，得到最終混合整數(shù)線性規(guī)劃模型如下：
4）考慮門窗的光伏陣列最優(yōu)布局規(guī)劃模型。
將門窗看作各墻面瑕疵，考慮光伏陣列不能在門窗上方安裝，因此需要對模型約束條件進行調整，引入墻面瑕疵約束如下：
約束III：墻面瑕疵約束
其中，X1、X2分別表示瑕疵的左邊界和右邊界的橫坐標值，Y1、Y2分別表示瑕疵的上邊界和下邊界的縱坐標值.約束限制當組件橫放或縱放情況下，電池的邊界與瑕疵四周不能存在交疊區(qū)域，從而得到帶瑕疵條件下光伏陣列最優(yōu)布局規(guī)劃模型如下：
至此，即得到有瑕疵任意安裝平面的光伏陣列最優(yōu)布局規(guī)劃模型。
3.4.2 模型求解
由于在鋪設每個光伏組件時，有橫向擺放與縱向擺放兩種方案.為求解該NPC組合優(yōu)化問題，我們利用Monte Carlo方法進行計算機模擬，具體程序框圖如圖2所示。
利用Matlab軟件，對每個墻面光伏電池組件選擇方案進行1000次模擬，比較各次模擬結果，保留使得模型I中目標最優(yōu)方案，得到各立面和屋頂最優(yōu)鋪設方案，其中小屋屋頂帶天窗面的最優(yōu)光伏陣列布局方案如表1所示。
根據(jù)該方案，可得到屋頂較大斜面外表面各擺放方法下，電池組件鋪設分組陣列圖形（其余各外表面布局圖形因篇幅原因未給出），如圖3所示。
分析表1中結果，可知屋頂較大斜面最優(yōu)鋪設方案應選擇橫向布局，分別需要6個A3類、8個A4類及16個B1類光伏發(fā)電組件。
在緊貼鋪設的情況下，小屋一年發(fā)電量，且各外表面分布發(fā)電量如表2所示。
分析表，進而計算得到最優(yōu)光伏系統(tǒng)設計方案下，35年總發(fā)電量，經(jīng)濟效益為，投入資金，得到投資回報年限年年。
4 模型評價與改進方向
4.1 模型的評價
1）模型的優(yōu)點。
本文建立了關于太陽能小屋設計的多個優(yōu)化模型，較好的解決了太陽能小屋設計中的一系列問題。
對于太陽能電池板的鋪設問題，利用坐標定位思想，建立了有瑕疵布局問題的優(yōu)化模型。由于坐標的引入，可以很容易地解決不同形狀不同個數(shù)的瑕疵情況，因此該模型具有較普遍的適用性。
對于架空情況下的電池板優(yōu)化設計，通過對電池板的長度進行轉化，可以直接利用在電池板貼附設計情況下建立的優(yōu)化模型，避免了重新建立模型帶來的復雜性，簡化了問題。
對于太陽能小屋的尺寸設計，通過確定一些明顯可以使得結果最優(yōu)的參數(shù)，減少了變量，使得最終的決策變量僅為兩個，簡化了問題分析與求解.通過確定電池板的評價指標，基于不同的接收輻射情況，給出了每個墻面的最優(yōu)電池板型號，從而可以簡化約束條件，避免了房屋尺寸與電池板選取兩方面問題同時考慮的復雜性。
2）模型的缺點。
由于布局規(guī)劃問題屬于NP完全問題，沒有多項式時間算法，基于窮舉思想的算法無法解決此類問題，因此我們采用了蒙特卡洛方法，由于蒙特卡洛方法無法保證得到最優(yōu)解，故我們對求解結果進行人工修正，并多次計算取最優(yōu)解。這樣無法進行自動化計算，這是我們模型的缺點，也是目前學術界的難點。
4.2 模型的改進方向
對于布局問題，目前較好的解決方法是啟發(fā)式搜索法，包括模擬退火算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡，遺傳算法等，我們模型的求解可以利用這些算法進行改進，并比較多個結果取最優(yōu)。
參考文獻
[1]李大軍.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設計與應用實例[J].2009，38：23-44.
[2]李寧峰.屋頂太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計[J].2012，31（3）：43-50.
[3]徐玖平等.運籌學（II類）[M].北京：科學出版社，2004.
摘要： 在灘地種植防浪林,可以減少風浪在堤防的爬高，是有效的生態(tài)護岸措施。為合理設計防浪林優(yōu)化布局、提高防浪林的消波效果，提出了基于模糊熵權法的防浪林布局優(yōu)選模型。在考慮防浪林的排列方式、行株距、樹干半徑、樹冠半徑和林帶寬度多種消波影響因素作用的前提下，以在提高消波效果的同時減少經(jīng)濟成本和減少占地面積為目標進行多目標評價決策。以嫩江干流同盟水文站附近堤段為例，采用模糊熵權法優(yōu)選出防浪林優(yōu)化布局，推薦行株距2.5 m、林帶寬度40 m的等邊三角形排列作為嫩江干流防浪林的優(yōu)化布局。
關鍵詞： 防浪林； 優(yōu)化布局； 模糊熵權法； 嫩江干流
中圖分類號： S 759. 2 , TV 871. 2 文獻標識碼： A
在汛期，很多大型河流的中下游段來水量大，水面寬闊，風速較快，易產(chǎn)生較大的風浪，對堤防以及堤防保護區(qū)內人民的生命財產(chǎn)安全造成嚴重威脅。目前，在灘地種植防浪林，是一項可以有效降低風浪爬高、滯洪導流、延長堤防壽命、減少水毀工程的生態(tài)護岸措施[ 1 ]，并在我國大江大河大湖以及海濱等地段得到廣泛應用[ 2 - 7 ]。防浪林的植被布局是一個復雜的多目標問題， 既需要考慮多因素影響下防浪林的消波效果，又要考慮到植被場的種植面積與種植成本。目前，關于防浪林的研究主要集中于對植被消波機理的研究， 多采用控制變量法研究單一因素對防浪林消波效果的影響[ 8 - 11 ]，而對于防浪林的種植布局缺乏科學的規(guī)劃和定量分析。合理的植被布局可以極大地提高防浪林的消波效果，因此，研究各消波影響因素組合條件下的優(yōu)化布局，對提高防浪林消波效果、加強生態(tài)護坡建設具有非常重要的實際意義。
熵，是熱力學中表征體系混亂程度的參量之一，由Shannon[ 12 ]首次引入信息論中，現(xiàn)已在徑流分析、水資源配置、水文水資源不確定性分析等多個領域得到廣泛應用[ 13 - 16 ]。其主導思想是：在多指標的評價決策體系中，某一指標的變化程度越大，則該指標越重要，其權重也越大。筆者基于模糊熵權思想，提出了多目標防浪林布局優(yōu)選模型，并應用于嫩江干流同盟段的防浪林優(yōu)化布局設計。
1 研究區(qū)域概況
嫩江干流同盟段位于黑龍江省齊齊哈爾市東陽鎮(zhèn)，有良好的水文資料。同盟水文站附近堤段示意圖如圖1所示。堤段全長均分布有雨淋沖蝕溝，堤前分布有遠近不一的汊流河道，部分堤段汊流緊鄰堤腳，易產(chǎn)生近堤急流，直接破壞迎水堤坡，形成堤面洪水沖蝕破壞，局部有滲漏、脫坡現(xiàn)象；除護坡堤段外，其它堤坡坡面植被稀疏。在這些險工堤段種植防浪林，可以起到消減波浪、固土護堤的作用。同盟段現(xiàn)狀防洪標準為平均10年一遇，局部最低5年一遇，預計黑龍江省嫩江干流治理工程治理后的防洪標準可達到50年一遇。研究區(qū)水面寬約5 km，風區(qū)長度為5 300 m，計算風速為11.87 m/s，風向為東南，與法線夾角為5°。按設計來水頻率為50年一遇計算，研究區(qū)設計洪水水深為1.8 m。
2 方案與方法
2. 1 嫩江干流同盟段防浪林布局方案集
目前，已有國內外學者對防浪林消波機理、消波效果進行了研究。綜合已有的研究成果，選擇排列方式、行株距、樹干半徑、樹冠半徑和林帶寬度為防浪林消波影響因素。課題組于2016年7月25日至2016年8月25日對嫩江干流已種植的現(xiàn)有防浪林進行了實地勘察，測得研究區(qū)現(xiàn)有防浪林各影響因素的參數(shù)值，沿岸各地防浪林各現(xiàn)狀布局方式參數(shù)見表1。并根據(jù)章家昌公式[ 7 ]計算出各種現(xiàn)狀布局條件下（共25個方案）防浪林消波系數(shù)（表1）。
2. 2 模糊熵權法
根據(jù)Shannon信息熵的基本思想，一個指標的熵值越大，則各方案在這一指標下的變異程度越大，說明該指標越重要，所對應的權重也就越大。據(jù)此計算多目標評價決策體系中各指標的權重，可以得到加權綜合評價下的最優(yōu)方案。熵權法[17 - 18 ]主要有以下4個步驟：
（1）原始數(shù)據(jù)矩陣進行標準化
由于各指標數(shù)據(jù)的量綱、數(shù)量級有很大差異，各指標對于優(yōu)的定義也相去甚遠，故需對原始數(shù)據(jù)進行標準化處理，使數(shù)據(jù)取值都在0~1之間?？梢岳孟鄬﹄`屬度對每一指標進行標準化。指標的優(yōu)劣程度是一個模糊的概念，在實際決策中，通常用模糊集理論中的隸屬度函數(shù)進行計算，常見的指標對優(yōu)的相對隸屬度計算公式為
優(yōu)屬度向量中，數(shù)值最大的分量對應的方案即為最優(yōu)方案，對所有分量根據(jù)數(shù)值大小進行排列，可以得到所有方案由優(yōu)到劣的排序。
3 考慮多目標的嫩江干流防浪林布局優(yōu)選
防浪林布局問題是一個多目標決策問題，需要綜合考慮多個影響因素對防浪林消波的影響。出于經(jīng)濟和占地面積的考慮，希望可以用較少的植被棵數(shù)和較小的防浪林種植寬度，達到較大的消波效果。這3個目標可以用消波系數(shù)、植被密度和林帶寬度3個指標來表示。定義密度表示單位面積上植被的棵數(shù)，防浪林排列方式和行株距的不同，均會導致防浪林密度的變化，根據(jù)表1中的25個方案，計算每個方案的植被密度（表1最后一列）。采用模糊熵權法對方案進行優(yōu)選排序，優(yōu)選時采用3個目標條件：（1）林帶寬度越小越好；（2）消波系數(shù)越大越好；（3）植被密度越小越好。
采用熵權法對25個方案、3個指標進行矩陣計算，得到每一個方案的優(yōu)屬度，將所有方案按優(yōu)屬度從高到低進行排序。
3. 1 計算相對隸屬度矩陣R
根據(jù)25個方案的種植寬度、消波系數(shù)、植被密度數(shù)據(jù)，得到本問題的相對隸屬度矩陣，繪出各方案的密度和消波系數(shù)散點圖（圖2）。根據(jù)散點分布可以看到，密度多集中在0.2~0.6的區(qū)域中，消波系數(shù)多集中于70%~85%；又由于防浪林寬度超過70 m后，消波效果增長不明顯，因此可以分別定義3個約束條件的隸屬度函數(shù)如下：
3. 2 計算熵值向量H
根據(jù)式（3）計算出的林帶寬度、消波系數(shù)和植被密度的熵值分別為：
3. 3 計算熵權向量W
根據(jù)式（5）計算出的林帶寬度、消波系數(shù)和植被密度的權重分別為：
3. 4 計算優(yōu)屬度向量U
根據(jù)式（8）計算出的所有方案在優(yōu)選目標條件下的優(yōu)屬度為：
U=0.4588 0.3956 0.3900 0.9218 L 0.5986 0.1756 0.5126 0.3289
統(tǒng)計分析所有方案優(yōu)屬度取值的分布（圖3），本研究選取0.9作為優(yōu)選閾值，從中選擇優(yōu)屬度大于0.9的方案作為較優(yōu)方案，并將這4個方案列于表2，做進一步分析。
通過基于模糊熵權法的多目標防浪林布局優(yōu)選模型優(yōu)選出的4個較優(yōu)方案中，防浪林行株距均為2.5 m，排列方式均為等邊三角形，這是由于在行株距為2.5 m、排列方式為等邊三角形時，密度達到最低。優(yōu)選方案的防浪林寬度為40 m或50 m，未見有方案的寬度是30 m，說明雖然在目標中加入了“防浪林寬度越小越好”的約束，但防浪林寬度對防浪林消波具有極大的影響作用，對寬度的變化較敏感。防浪林消波效果對樹干半徑和樹冠半徑的變化不明顯，對樹干半徑的變化尤其不明顯，總體隨樹冠和樹干半徑的增大而增大。可以根據(jù)當?shù)貥浞N供應情況選擇種植，在保證植被正常生長的前提下保持樹冠半徑盡可能大。
4 結 論
4. 1 通過基于模糊熵權法的多目標防浪林布局優(yōu)選模型計算，推薦“防浪林行株距2.5 m，林帶寬度40 m，排列方式等邊三角形”為嫩江干流防浪林優(yōu)化布局方式， 該布局方式可以在較小的防浪林寬度和較少的植被棵數(shù)的前提下， 達到較高的消波效果。
4. 2 嫩江干流同盟段的應用實例證明，本研究提出的基于模糊熵權法的多目標防浪林布局優(yōu)選模型，求解過程受主觀因素影響小，切實可行。該方法可以為其他地區(qū)生態(tài)護岸工程的防浪林優(yōu)化布局設計提供指導和借鑒。
參考文獻
［1］ 張寶森， 王仲梅. 黃河鄭州段種植500 m寬防浪林可行性研究［J］. 華北水利水電大學學報(自然科學版), 2005, 26(3): 71 - 73.
［2］ 張茂章， 宋正明. 不同林相結構防浪林的消波性能計算［J］. 水利水電科技進展, 2013, 33(6): 40 - 43.
［3］ 李錫泉， 吳敏， 湯玉喜. 洞庭湖區(qū)防浪林林分林冠結構的研究［J］. 湖南林業(yè)科技, 2007, 34(1): 5 - 7.
［4］ 張敏， 劉洪林， 張立師. 洪澤湖大堤生物防護模式的實踐［J］. 人民長江, 2008, 39(3): 54 - 56.
［5］ 劉達， 黃本勝， 邱靜， 等. 華南沿海防浪林帶種植寬度對消浪效果影響的試驗研究［J］. 水利水電技術, 2015, 46(9): 109 - 114.
［6］ 劉逸詰， 李國慶， 田曄林， 等. 近30年來山東半島東部沿海防護林動態(tài)變化研究［J］. 林業(yè)科技， 2017， 42（2）：56-59.
［7］ 張茂章. 影響淮河中游防浪林建設的因素分析及樹種選擇［J］. 中國水利, 2015(9): 22 - 24.
［8］ 章家昌. 防波林的消波性能［J］. 水利學報, 1966(2): 49 - 52.
［9］ Moller I, Spencer T. Wave dissipation over macro-tidal
saltmarshes: Effects of marsh edge typology and vegetation change［J］. Journal of Coastal Research, 2002, 36(4): 506 - 521.
［10］ 黃本勝， 吉紅香. 植物護岸對大堤波浪爬高影響試驗初探［J］. 水利技術監(jiān)督, 2005, 13(3): 43 - 46.
【關鍵詞】城市綠地系統(tǒng)；楔形綠地；T型模式；優(yōu)化設計；荊州
中圖分類號:S73 文獻標識碼：A
1、研究背景
傳統(tǒng)綠地系統(tǒng)規(guī)劃只是在總規(guī)階段控性，控規(guī)階段控量，而到了修規(guī)階段卻完全由開發(fā)商自主設計，往往就造成了壓縮綠地指標，提高建筑容積率的現(xiàn)象。由此看來綠地系統(tǒng)規(guī)劃的設計遠沒有達到人性化的要求。本文所要思考的就是在保證城市綠地系統(tǒng)架構的前提下探索對各層面綠地系統(tǒng)進行的優(yōu)化設計方法，以塑造人性化城市為原則，打造城市特色，并實現(xiàn)城市的有機生長。
2、T型綠地的概念與特征
顧名思義，本文所提出的T型綠地就是指形態(tài)上與T相似布局的綠地結構。他總體上由橫向與縱向兩部分具有寬度的綠地所構成，有如下特征：突出結構相似，構成T型綠地的橫縱兩大部分是線型綠地與楔形綠地的組合；突出綠地之間的聯(lián)系，加強了楔與外部綠地的聯(lián)系；突出有機生長的特性，在所需要的用地內均能有效的滲透。
3、理論依據(jù)
（1）有機生長理論。工業(yè)革命以前，城市多表現(xiàn)出自然生長為主，有機生長理論以樸素的自然設計觀為特征。工業(yè)革命以后，主要分為主張技術派、主張?zhí)飯@派、主張歷史角度三個傾向。這些理論的出發(fā)點均是在尋求人、城市、自然三者的和諧共處。到了現(xiàn)代，有機生長逐漸與可持續(xù)發(fā)展理論相結合，多強調組團式布局。如我國的中新天津生態(tài)城規(guī)劃，組團特征特別明顯。
（2）綠楔理論。綠楔思想是生態(tài)意識形態(tài)下的產(chǎn)物。綠楔作為聯(lián)系城鄉(xiāng)的紐帶，對控制大城市攤大餅式的蔓延也起有很好的效果，并逐步演變成為一種規(guī)劃思想。綠楔較早地出現(xiàn)在西方城市規(guī)劃中。如在哥本哈根的指狀規(guī)劃、莫斯科發(fā)展總體規(guī)劃、墨爾本市規(guī)劃、慕尼黑規(guī)劃中均有綠楔存在。我國近年來各大城市城市規(guī)劃中也均出現(xiàn)了綠楔（見表1）。
4、傳統(tǒng)綠地系統(tǒng)規(guī)劃的問題
傳統(tǒng)綠地系統(tǒng)規(guī)劃具有用地規(guī)整化、分級分類明確、體系完整等特征。從以往實施效果來看，主要存在下面的問題。
（1）人工化而不人性化。傳統(tǒng)的綠地系統(tǒng)規(guī)劃對系統(tǒng)的考慮十分全面，但是最關鍵的是弱化了對于使用者切身感受的環(huán)節(jié)，人性化設計往往只停留在理念的階段。
（2）過于圖面化而實操性較差。規(guī)劃設計人員過分追求圖面效果，疏于考慮現(xiàn)狀特征，往往采用一刀切的方式。事實上，基地的微環(huán)境是塑造具有特色的綠地景觀的關鍵要素。
（3）綠地功能單一、缺少聯(lián)系。往往規(guī)定的一塊綠地只有一種功能類型，缺少其他功能的加入。不同功能綠地之間往往被道路、建筑、圍墻等分隔，使得不同綠地之間缺少通道、聯(lián)系不便。
（4）過于強調綠地邊界。在所有的用地中綠地的邊界最模糊，因為他具有最高的滲透度，與所有的用地都高度兼容。過于強調綠地邊界的結果就是反而讓綠地外的用地開發(fā)商思考如何侵入綠地，綠地所有者永遠進行著邊界保衛(wèi)戰(zhàn)。
（5）規(guī)劃落后。綠地分類在以往進行了幾次修訂，如今，城市用地分類標準將廣場被納入綠地類型之一，但規(guī)劃設計人員對變動的意義了解不夠，應用時也僅僅是將S2換成G3。
5、T型綠地布局模式構想
T型綠地布局事實上是在傳統(tǒng)帶型綠地與楔形綠地模式上的改進，是將兩者進行融合并關聯(lián)形成的一個整體，筆者稱為綠T模式。
以基本的T型綠地單元，可以通過四種方式進行組合。其中十字、工字形模式是我們通常所能見到的現(xiàn)代化城市的棋盤狀網(wǎng)格型綠地系統(tǒng)的基本單元。這種模式的特征就是所有綠地的聯(lián)系較直接，多以貫穿式劃分地塊，形成的綠地系統(tǒng)具有明顯的人工痕跡。
表2 綠T模式基本組合形態(tài)
基本單元 基本組合模式
十字形傳統(tǒng)組合 工字形傳統(tǒng)組合 T型組合一 T型組合二 T型組合三
在基本組合的基礎上，將多個單元再次組合，就會形成大綠T模式，可以適用于組團、城市、區(qū)域等不同尺度的城市空間?？梢娺@樣組合形成的城市的綠地系統(tǒng)具有很強的有機形態(tài)，與樹形結構非常相似。
T型綠地相比傳統(tǒng)綠地系統(tǒng)規(guī)劃有如下幾點改進。
（1）更為有機的結構。T型模式結構體現(xiàn)的是一種更加有機的生長方式。只要需求，綠地就存在。這樣的結構亦具有傳統(tǒng)綠地規(guī)劃“點線面”結合的層次。
（2）更靈活的布局方式。一定意義上，T型綠地打破了傳統(tǒng)綠地以貫穿性、包圍性、切蛋糕等較為粗放的麥當勞式的布局方式，提倡建立在需求層次之上的綠地安排，注重基地的微環(huán)境，因此具有更加靈活的布局方式。
（3）更具趣味性的城市空間。T型模式布局，增加了更多異型的不規(guī)則的城市空間，也充分保留了城市的水體、山體等自然景觀，維持城市肌理。城市將更加充滿趣味性，更加有特色。
（4）更具有實效性。由于T型模式遵循城市有機生長原理，盡量不改變城市自然環(huán)境，保留城市河流、山體及局部的微地形等。同時由于保存了城市文化環(huán)境，因此實施中易于為人們接受。
6、荊北新區(qū)概念規(guī)劃設計實踐
項目位于湖北省荊州城市中心區(qū)邊緣，荊州古城北部，具有良好的區(qū)位優(yōu)勢、交通優(yōu)勢、人文及生態(tài)資源優(yōu)勢。項目定位為打造成集商業(yè)、教育醫(yī)療服務、文化娛樂、休閑體育等功能于一體，配套設施一流的綜合性居住社區(qū)。其現(xiàn)狀主要存在的問題之一就是如何利用T型綠地，提高項目品質。
規(guī)劃中利用T型生態(tài)綠地基底，將綠地引入各個地塊內部，并在公共綠地中配套相應的設施，實現(xiàn)景觀、休閑、健身、交流及服務多種功能為一體的活力“綠T”空間。這種模式城市生態(tài)綠地與社區(qū)公共綠地融為一體，實現(xiàn)了城市公共空間與社區(qū)半公共空間的有機過渡。
在這種綠T模式下，我們確定了“T型綠構、帶狀延伸、核心引領、群組輝映”的規(guī)劃結構，從而為方案的完成奠定了基礎。
7、總結
T型綠地模式是對傳統(tǒng)線型綠地空間及楔形空間的改進，加強了兩者的聯(lián)系，更加體現(xiàn)人性化設計與有機生長方式。對于打造景觀特色鮮明的生態(tài)城市具有很大的意義。對解決城市更新改造中的綠地系統(tǒng)的問題有著十分有效的作用。
參考文獻
林仲煜，胡紋，金偉，等.中國可持續(xù)城市形態(tài)構建研究[J].重慶大學學報社會科學版，2006，12(4):18-22.
沈玉麟編.外國城市建設史[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1989.
楊濱章.哥本哈根“手指規(guī)劃”產(chǎn)生的背景與內容[J].城市規(guī)劃，2009，33(8):52-58.
王佐.有機生長理論及思考—從有機生長理論到可持續(xù)發(fā)展理論[J].清華大學學報哲學社會科學版，1997，12(2):75-80.
一、當前高中語文選修課程模塊設計存在的問題
為了適應社會對人才的多樣化需求和學生對語文教育的期待，《普通高中語文課程標準（實驗）》（以下簡稱《課標》）將高中語文課程設置為必修和選修兩部分，其中選修課程設計為五個系列：詩歌與散文、小說與戲劇、新聞與傳記、語言文字運用、文化論著研讀。并指出：“學校應按照各個系列的課程目標根據(jù)本校的課程資源和學生需求，有選擇地設計模塊，開設選修課。對于模塊內容組合以及模塊與模塊之間順序編排，各學校可以根據(jù)實際情況靈活實施。”[1]然而，這種理念上的初衷只是“看上去很美”。現(xiàn)實當中，高中語文選修課程模塊設計可謂問題叢生，具體表現(xiàn)如下。
1.選修模塊多樣有余而科學不足
高中語文選修課程設置了詩歌與散文、小說與戲劇、新聞與傳記、語言文字運用、文化論著研讀等五個系列。圍繞這五個系列，各個學校集思廣益，結合實際開發(fā)出了各種各樣的選修模塊，如“論語選讀”、“中國小說欣賞”、“外國小說欣賞”、“影視名作欣賞”、“中國民俗文化”等等，不一而足。然而總體來看，這些選修模塊在表面的“熱鬧”下卻掩蓋不了存在的缺陷。首先，選修模塊大多限于語文學科領域內的“自娛自樂”，缺乏與其他學科的交叉糅合，少有的一些交叉內容卻也僅限于簡單的移植。顯然，選修模塊的狹窄視野必然帶來學生學習視野的狹窄。其次，選修課程模塊對學生發(fā)展關照不夠。我國普通高中需要完成兩個層次的教育任務，“第一層次的教育任務是，按照國家對高中學生提出的全面發(fā)展、具有個性的要求和學生身心發(fā)展的需要，對全體學生進行基本的全面素質教育，使之達到高中畢業(yè)的標準。第二層次的教育任務，是按照高三學生對于升學和就業(yè)的不同選擇而分別進行升學教育與擇業(yè)就業(yè)教育”[2]。而從現(xiàn)實來看，大多學校語文選修課程模塊只是關照到第一層次教育任務以及第二層次教育任務的升學教育目標，而擇業(yè)就業(yè)教育的目標卻極少體現(xiàn)。這與西方發(fā)達國家選修課程相比，是有很大出入的。再次，高中語文選修課程模塊的地方特色、民族特色以及校本特色凸顯不夠。一些學校選用了某一版本的必修課教材后，接著就選用該版本的選修模塊教材，這樣，校本、地方特色的語文選修模塊開設空間就顯得非常狹小了。最后，高中語文選修課程實施時間保障不足。大多數(shù)學校往往在高二學年集中實施選修課程，以致學校無論如何加快速度，最多只能開設三個或四個選修模塊。而《課標》建議：“從五個系列的選修課程中任意選修四個模塊。對于語文學習興趣濃厚并希望進一步深造的學生，建議在此基礎上，再從這五個系列里任意選修三個模塊?！盵1]顯然，時間的保障不足可能帶來選修模塊的“走馬觀花”以及學生學習的“消化不良”，并且給學校的師資、場地條件帶來巨大的壓力。
2.選修模塊限制有余而自由不足
區(qū)別于必修課程，選修課程是在必修課程基礎上的進一步提高與拓展，其主旨在于關照學生的興趣、愛好和志向，關照學生的個體差異，培養(yǎng)學生全面發(fā)展。自由與選擇是選修課程的最大特征，這也是落實選修課程目標的關鍵所在。然而，囿于傳統(tǒng)認識、教學設施、教學任務、教師水平和時間精力等因素的限制，許多中學在語文選修課程模塊的開設上作了很多限制。這些限制可以概況為三種：一種是完全以高考為“指揮棒”，明確要求只開設與高考內容相關的幾個選修模塊，并且要求全體學生都選這幾個模塊，如此導致選修課程“名存實亡”，湮滅了選修課程的本真含義和價值。一種是由于學校師資、教學設施限制，或沒有更多的教師來開設選修課，或沒有更多的教學場地提供給學生走班、自由選課，因此，學生只能“看菜吃飯”，統(tǒng)一時間、室、師指定選修課程。第三種情況是由于必修課程任務繁重，高三升學壓力較大，許多學校干脆大量擠占和壓縮選修課程的時間，使選修課程僅僅停留在靜態(tài)的課程設計層面。
3.選修模塊功利有余而功效不足
《課標》要求“選修課與必修課的教學存在一定的差距”，“不能把選修課上成必修課的補習課和應考的輔導課，也不能照搬大學里的選修課”[1]。然而，當前大多高中語文選修課的實施狀況卻正應驗了這種擔心。這種情況主要表現(xiàn)在三個方面：一是將選修課上成必修課。教師在選修課教學時，照常按照慣性思維大肆訓練學生的知識與技能、過程與方法，至于新課程要求的培養(yǎng)學生的審美能力、探究能力、增強學生的文化修養(yǎng)和關注歷史與現(xiàn)實的意識等等或無從顧及或視而不見。二是將選修課上成高考專題輔導課。如開設“詩歌與散文”模塊時，許多教師就選擇古代詩歌、文言散文或詩詞散文閱讀專題訓練；開設“小說與戲劇”甚至“文化論著研讀”模塊時，也是把相關的文章作為閱讀專項訓練的寶貴題材。三是簡單照搬大學選修課教學模式，教師單純從自身的知識儲備和教學喜好出發(fā)決定教學內容，從而導致教學漫無計劃，凌亂隨意，效果甚微。
二、高中語文選修課程模塊設計的優(yōu)化思路
高中語文選修課程模塊優(yōu)化是指在高中語文課程標準的指導下，語文選修課程模塊的限制性與靈活性之間的調控以及各選修模塊之間最優(yōu)化的組聯(lián)方式。科學設計語文選修課程模塊是一項系統(tǒng)且復雜的工程，涉及諸多要素。要有機整合各種要素，就要求學校在新課程理念的指導下，圍繞學生的語文基礎、語文興趣、語文能力，在語文必修課的基礎上進一步拓展和提高，凸現(xiàn)課程的選擇性，實現(xiàn)學生全面而有個性的發(fā)展。要有效優(yōu)化高中語文選修課程模塊設計，可以從宏觀、中觀和微觀三個課程結構入手。
1.宏觀結構——探索“雙軌并行+同步穿插”的選修模塊實施模式
基于新課程理念而言，“走班制”應當是選修課程實施的最佳方式。然而，考慮到高中教育需要保障相對穩(wěn)定而有序的教學秩序以及學校的教學設施、師資力量等軟硬條件限制，高中選修課程實施要完全實現(xiàn)從傳統(tǒng)的行政班授課制轉到理想化的“走班制”，在當前多少是不可實現(xiàn)的。因此，實行“雙軌并行”應當是高中選修課程實施的可行路徑。所謂“雙軌并行”是指把選修課程模塊分為兩軌，且兩軌平行進行。其中，限定選修模塊（即每個學生必選的課程模塊）為一軌，任意選修模塊（學生可真正自主選擇的課程模塊）為一軌。限定選修模塊由學校統(tǒng)一組織安排，并在原有行政班基礎上統(tǒng)一實施。而任意選修模塊則由學生根據(jù)興趣自主選擇課程，并打亂E有行政班格局真正實行“走班教學”。學?？梢悦恐艽_定一個固定時間，全部安排任意選修課程。這種開設組織形式一定程度上能夠滿足學生自主選課的需求，也緩解了大規(guī)模走班上課所引發(fā)的教學秩序混亂和教學設備不配套的矛盾。
在選修課程模塊開設時間安排上，許多中學基本上是先上完必修課程后，再集中開設選修課程。這種安排的弊端在于必修課上得太匆忙而沒落到實處，而選修課過于集中導致學生身心疲勞，學習效率低下。因此，選修課程的開設可以實行“同步穿插”的方式進行，即在時間上適當同步，在內容上必修與選修相互搭配，交叉安排，協(xié)調推進。具體而言，學校可以拉長選修模塊的學習時間。在高中12個學段內（將以往的學期制改革為學段制，一學年分為4個學段，每個學段10周，其中9周學習，1周考試），第3～5學段開始設置趣味性的任意選修模塊，第6～8學段集中開設限定選修模塊，第9學段開設偏向文理升學方向和就業(yè)方向的選修模塊。必修與選修同步穿插的課程實施模式，會給學生從學習內容到學習方式上帶來新鮮感，有利于學生科學的學習方式養(yǎng)成，有利于提高學生全面的語文素養(yǎng)。
2.中觀結構——構建“統(tǒng)一集中+自主選擇”的選修模塊組聯(lián)模式
高中階段，“語文選修課程是在必修課程基礎上的拓展和提高”，必修課程是主要和核心，選修課程只能是“錦上添花”，這一性質決定了語文選修課是在約束性下的選擇性修習。因此，在高中12個學段的劃分范疇內，學校在第1～2學段可只開設必修課程，原因有二：一是高中第一學期學生大多來自不同學校和地區(qū)，語文基礎參差不齊，語文習慣各不相同，有必要對語文常規(guī)、語文基礎、學習習慣進行統(tǒng)一的教學；二是以行政班為單位的必修學習有利于班級凝聚力、團隊意識的培養(yǎng)。第3～5學段可以開設趣味性的任意選修模塊，原因有二：一是這一學段學生的語文基礎還不夠扎實，不能開設具有一定難度的、專題性的選修模塊，以防挫傷學生語文學習積極性；二是趣味性的任意選修模塊有益于培養(yǎng)和提高學生語文學習興趣。第6～8學段集中開設限定選修模塊，一是因為這一學段學生經(jīng)過前面的學習，有了一定的語文基礎，在必修的基礎上進一步拓展和提升有了可能；二是必修任務大多已完成，有充裕時間集中選修，為學生的專業(yè)方向的發(fā)展和學生的個性特長發(fā)展奠定基礎。最后，學?？稍诘?學段開設偏向文理升學方向和就業(yè)方向的選修模塊，主要解決高三學生分流，滿足不同學生的需求。以上選修課程模塊組聯(lián)模式，通過興趣選修模塊進入限定選修模塊，再到專業(yè)提升和擇業(yè)就業(yè)準備選修模塊，模塊切換頻度適中，基本符合學生的身心發(fā)展，既注重學生的語文學習基礎、學習興趣，更注意關照學生未來發(fā)展的需要。
3.微觀結構——施行“有機整合+遴選優(yōu)化”的模塊內容選擇模式
“高中階段的教育，仍然是基礎教育，選修課程在整個高中課程結構中不應該占據(jù)主導地位，適當控制選修課所占的比例是非常必要的。”[3]可見，各個學校有必要根據(jù)自身實際情況對語文選修課程的內容進行整合和遴選。
關鍵詞 TerraExplorerPro；SkyLine；三維建模；地理信息
中圖分類號TP39 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2012）72-0207-02
0引言
隨著地理信息向三維化的普及，城市三維景觀模型在三維空間中對城市地形表面以及地表以上各種自然以及人工地物進行三維模擬表現(xiàn)，給人產(chǎn)生與在真實場景中相同的體驗與感知。筆者結合在一個小區(qū)的三維建模試點的實踐經(jīng)驗，討論根據(jù)遙感影像數(shù)據(jù)以及DEM在TerraBuilder模塊中建立地球三維模型后,對城市三維景觀建模的一些技術和經(jīng)驗。
1軟件簡介
TerraExplorer Pro是SkyLine公司出品的能夠基于地表的衛(wèi)星影像、航空影像，創(chuàng)建高分辨率的三維虛擬地球場景，實現(xiàn)實時三維地形可視化功能，同時還能夠在三維場景上創(chuàng)建和編輯二維文本、圖片對象和三維模型對象，從標準GIS文件和空間數(shù)據(jù)庫中讀取各種地形疊加所需要的信息。
2 三維建模流程
為了更好的實現(xiàn)三維模型的真實性，本次建模都選擇在3DsMAX中實現(xiàn)并導出模型后添加到TerraExplorer Pro已經(jīng)建好的三維場景當中，并在TerraExplorer Pro中實現(xiàn)對場景的布置以及優(yōu)化。由于三維建模大多為整個三維模型系統(tǒng)服務，模型數(shù)據(jù)量的大小會影響整個系統(tǒng)的運行速度，繁冗而又過大的模型、過多的面、圖片的數(shù)據(jù)量都會嚴重影響模型加載的速度。所以建模的中心思想即為簡單和突出主題，在不缺失主體的情況下對模型以及場景進行綜合取舍，舍去過多的折角。盡量通過圖片的陰影效果來彌補模型的細節(jié)。
2.1準備工作
高分辨的衛(wèi)星影像；城區(qū)試點區(qū)域內1：500地形圖；外業(yè)實地拍攝照片。
2.2 實地采集圖片方法
整體的處理是先拍遠景和大的場景，然后需在兩個面的交接處角度進行拍攝，這樣做的目的是對在后期內業(yè)建模時對整體的建模思路和規(guī)劃有所幫助，且使拍攝的照片有有序。局部拍攝要求建筑物的每個面都要求盡量正面拍攝，這樣在后期處理照片時變形較小，然后對具有特點的部分進行特別的拍攝，如門窗、建筑物的特殊標志和圖案等。拍攝完建筑物主體時，也需拍攝如花壇、大門、雕塑等需要在三維建模時擬合真實場景的地方，照片拍攝的越詳細，角度越好，越能夠還原真實的場景。最后光線也對拍攝有很重要的影響，拍攝時盡量選擇明朗的天氣，且在一片小區(qū)域內的拍攝時間相同，這樣拍攝的照片不僅色彩較好，且一棟建筑每個面的色差也不大，后期易處理。
拍攝完成后需對圖片處理，提取出模型每個面的貼圖，圖片寬度和高度的象素數(shù)都要設置成2的N次方，；為提高場景運算速度和模型的簡化，例如一棟住宅樓高6層，每層有5個窗戶，那么僅需處理一部分包括窗戶圖片，這樣在后期的模型貼圖中可以將一扇窗戶做6乘5的排列。減少數(shù)據(jù)量，優(yōu)化模型。
2.3 3DsMAX中的建模以及優(yōu)化
為了使加載模型后的場景具有較快的瀏覽和運行速度，建議對每一棟建筑物分別建模，建模前將地形圖導入3DsMAX作為底圖使用，并依據(jù)地形圖中的房屋繪制相應的矩形或者多邊形。對于所建的模型進行優(yōu)化時，在維持模型顯示效果的前提下，使用盡可能少的點、面和多邊形。如創(chuàng)建圓柱使Height Segment 和 Cap Segment的數(shù)值都是1，邊數(shù)一般為10或12，如果是小細柱，則用4邊即可。如果模型中有重復的部分，那么只創(chuàng)建重復部分的一個模型，然后在TerraExplorer Pro中進行復制。在建模過程中盡量不用布爾運算和切割等工具，減少面的數(shù)量和出錯的可能性。使用布爾運算時兩物體法線方向應一致，這樣防止兩物體有壞面。建模完成后確保模型的中心的坐標為（0，0，0）并且確保所有模型的底部在水平面之上。
建模時應該用實際大小建模，即導入場景中使模型的比例值為1。建模時數(shù)據(jù)的小數(shù)點前或后的位數(shù)不應太多，以提高運行速度。然后根據(jù)高度信息進行擠壓建立模型，一般來說建筑物的高度都在3m左右，所以當無法知道建筑物的高度時可根據(jù)建筑物的層數(shù)來估算高度。主體模型完成后根據(jù)拍攝的建筑物照片制作貼圖并依附于建立的三維模型。在建模時對一些不必要的模型可以進行精簡，例如一段樓梯不需用一多個矩形建立，僅需建立一個面，將面貼圖即可；一個廣告牌也僅需建一個多邊形，完成貼圖；由于TerraExplorer Pro支持3DMAX模型中使用TAG格式的貼圖來達到鏤空的效果，一組欄桿也只需建立一個多邊形，用鏤空貼圖完成。這些做法都會使得模型即與真實場景吻合，又減少了模型的數(shù)據(jù)量。
2.4模型貼圖
由于三維城市建模的目的是展現(xiàn)一片區(qū)域的場景，建模的數(shù)量多，但對每一個模型的要求不是特別精細，所以不需對一個模型的紋理需要精細的處理，而紋理文件需要大量的顯卡資源，且當單張貼圖超過1MB時，導入的模型貼圖很有可能出現(xiàn)拉花的現(xiàn)象，所以貼圖大小最好不要超過1024象素，大多為256象素即可。為了便于修改模型，同一模型的貼圖名稱最好按照具體規(guī)定依次進行數(shù)字排列，且每個導出的模型及其圖片都要放在一個單獨的文件夾中。
3 TerraExplorer Pro中場景的制作與美化
TerraExplorer Pro中的MPT文件是根據(jù)遙感影像數(shù)據(jù)以及DEM在TerraBuilder模塊中建立的地球三維模型，且根據(jù)顯示比例的不同，加載的的影像數(shù)據(jù)分辨率逐級增加。我們可以在這個模型中找到我們需要建模的位置（見圖1）。
加載三維模型數(shù)據(jù)的時候注意以下相關的各項參數(shù)信息：Altitude Method為設置是相對高程還是絕對高程，根據(jù)建模時需對高度做估算，一般選擇相對高程；X、Y為3D模型的經(jīng)緯度坐標，Yaw為模型的旋轉角度，導入時選擇0；Scale為導入比例尺，為1.0；Default Viewing Distance為三維模型可見以及可編輯距離，默認設置為500m，也就是說當相對高度在500m外此三維模型在場景中不可見，我們可以根據(jù)這個選項設置不同比例尺中顯示模型的內容，做到分級顯示，分級加載，提高加載速度。
由于僅僅加載三維模型不能做到對三維場景的突出和美化，所以我們需要根據(jù)真實場景來美化建筑物周邊的三維場景，一般有城市綠地、道路、城市附屬設施等的美化。由于TerraExplorer Pro支持二維貼圖、透明貼圖、GIF動畫等，并且有很多種貼圖模式，我們就利用這些功能美化三維場景。樹木是實現(xiàn)城市三維建模生動化的一個必不可少的美化要素，選取帶有樹木的GIF圖片來貼圖，在貼圖前處理好圖片，使樹木以外的地方透明，圖片導入后需注意兩點：1）參數(shù)中Lock Mode的方式一定要選擇Decal保證樹木一定按照Z軸旋轉，這樣無論從哪個方向觀看都是樹木垂直于地面；2）參數(shù)中的比例尺Scale的設置。由于每一棵樹木都是獨一無二的，所以靠近在一起的相同樹木圖片應根據(jù)大小來控制他們的不同；比較好的方法是不同類的數(shù)木可以穿插貼圖，使得看上去更具有真實感。
除了樹木，由于也可以支持GIF格式的動畫貼圖，這樣就可以制作噴泉的水柱、飄動的紅旗等使得三維場景更具有觀賞性，且TerraExplorer Pro本身也附帶動態(tài)模型的加載，也可以將汽車、飛機等模型加載其中，并設定動態(tài)模型的運動軌跡；設定軌跡參數(shù)需注意設定其速度、轉彎速度、路徑是否循環(huán)等，設定完成成之后，我們的動態(tài)模型就可以根據(jù)自己的需要來運行。
4結論
由于實現(xiàn)了對模型的優(yōu)化以及相關設施場景的建設，提高了三維模型的加載和瀏覽速度，使得在三維場景在TerraExplorer Pro中瀏覽更加流暢和美觀，這些都可以應用在城市、大型廠區(qū)、交通設施等規(guī)劃建設的現(xiàn)場演示中，同時也對數(shù)字城市三維瀏覽服務起到重要作用。
參考文獻
[1]文雪中，潘建平，付飛飛.三維建模技術在數(shù)字城市中的應用[J].科技資訊,2010(2).
關鍵詞：ANSYS參數(shù)化語言 APDL 鋼結構 優(yōu)化設計
中圖分類號：TU3 文獻標識碼：A
1.引言
結構優(yōu)化設計理論已有近四十年的發(fā)展歷史,目前在一些重要的結構(如飛機結構)上已經(jīng)得到了應用,這也引起了土木和建筑工程界人士的廣泛關注,尋求建筑結構優(yōu)化設計的理論、方法一直在緊張有序的進行當中。由于傳統(tǒng)的優(yōu)化方法,例如準則法、數(shù)學規(guī)劃法以及兩者的結合(即所謂的混合法)等靜態(tài)優(yōu)化方法都是基于代數(shù)方程模型的;最優(yōu)控制理論中的動態(tài)規(guī)劃優(yōu)化方法是基于微分方程或差分方程模型的。而這些傳統(tǒng)數(shù)學模型的描述能力和求解方法有相當?shù)木窒扌?使得最優(yōu)化理論和方法在實際應用中受到了很大的限制,存在著局部最優(yōu)解、維數(shù)災難、不確定性等問題,這些困難需要尋求新的優(yōu)化設計方法,才能得到最終解決。
隨著有限元理論的迅猛發(fā)展和日趨成熟,特別是計算機技術的廣泛應用,基于ANSYS參數(shù)化設計語言APDL的結構優(yōu)化設計越來越體現(xiàn)出它強大的生命力,這無疑給建筑結構的優(yōu)化設計注入了新的活力。
ANSYS是一種運用廣泛的通用有限元分析軟件,其有限元分析過程主要包括:建立分析模型并施加邊界條件、求解計算和結果分析3個步驟。對于某一有限元模型來說,當分析結果表明需要修改設計時,就必須修改有限元模型的幾何尺寸或改變載荷狀況,建立新的有限元模型,然后再重復以上分析過程。這種/設計)分析)修改設計)再分析)再修改0的過程,在有限元分析中存在著大量的重復性工作,將直接影響設計的效率。而運用ANSYS提供的參數(shù)化設計語言(APDL),通過結構設計參數(shù)的調整,則可以自動完成上述循環(huán)功能,進行優(yōu)化設計,從而大大減少修改模型和重新分析所花的時間。
2.結構優(yōu)化設計的基本理論
2.1結構優(yōu)化設計概念
假定分析搜索最優(yōu)設計一般被歸納為結構優(yōu)化分析過程的流程。而這其中優(yōu)化分析的核心部分為搜索過程。在包括滿足各種給定條件的前提下，是否達到最優(yōu)是結構優(yōu)化設計最先對設計方案進行的判斷。如果沒能達到，但又為了使得預定的最優(yōu)指標能逐步達到，就需要遵循某一設定的規(guī)則進行修改。而以數(shù)學規(guī)劃為基礎，進行數(shù)學模型建立，并對計算方法進行選擇，使得工程結構設計問題轉化為數(shù)學問題，然后在多種可行性設計中運用計算機選擇出相對屬于最優(yōu)設計的方案，這也正是結構優(yōu)化設計的主要任務。
2.2結構優(yōu)化設計的數(shù)學模型
設計變量、目標函數(shù)和約束條件是結構優(yōu)化設計的主要要素：。其數(shù)學模型的一般表達式為
求設計變量
使目標函數(shù)
滿足約束條件
3.基于APDL的鋼結構優(yōu)化設計
3.1APDL語言簡介和使用
APDL是指ANSYS 參數(shù)化設計語言，是使得某些功能或建?？梢宰詣油瓿傻哪_本語言之一。它提供如參數(shù)、宏、標量、向量及矩陣運算、分支、循環(huán)、重復以及訪問ANSYS 有限元數(shù)據(jù)庫等一般程序語言的功能，同時其可以實現(xiàn)參數(shù)交互輸入、消息機制、界面驅動和運行應用程序等，因此它也提供簡單界面定制功能。為了擴展了傳統(tǒng)有限元分析范圍以外的能力，它可以根據(jù)指定的函數(shù)、變量設定程序的輸入，同時選它使用戶對任何設計和分析屬性有控制權，也就是說其為了為用戶提供了自動完成繁瑣循環(huán)的功能而運用了建立智能分析的手段，從而為優(yōu)化設計運行繁瑣的迭代提供了可能和高效率，具體為參數(shù)、函數(shù)、分支與循環(huán)、重復、宏等功能。
3.2優(yōu)化基本原理
優(yōu)化方法采用復形法。復形法優(yōu)化是一個運用較多且較為成熟的非線性數(shù)學規(guī)劃方法，其基本思路來源于無約束優(yōu)化算法的單純形法。而無約束優(yōu)化算法的單純形法就是復合形法的基本思路的來源。
3.3優(yōu)化設計流程
為了將有限元法與優(yōu)化方法結合起來，可以采用基于APDL語言的ANSYS優(yōu)化設計模塊（OPT）來實現(xiàn)。基本流程圖如圖1所示。
圖1ANSYS軟件優(yōu)化設計程序流程圖
3.4APDL優(yōu)化程序關鍵技術
首先建立鋼框架結構參數(shù)化有限模型。參數(shù)是指APDL中的變量與數(shù)組。參數(shù)化模型的建立，便于模型的修改，也便于設置優(yōu)化設計變量。
其次建立鋼框架結構優(yōu)化設計模型。下面是部分優(yōu)化命令：
/POST1！進入后處理器
*GET,V,SSUM,,ITEM,EVOL！提取結構體積，賦予參數(shù)V
……
/OPT！進入優(yōu)化設計器
OPANL,1.LGW!指定分析文件
OPVAR,W1,DV,.1,.4!定義設計變量
OPVAR,TW1,DV,0.005,0.02
OPVAR,TY1,DV,0.005,0.02
……
OPVAR,MS1,SV,0,225750!定義狀態(tài)變量
OPVAR,SS1,SV,0,125000
……
OPVAR,V,OBJ,,,.01!定義目標函數(shù)
OPKEEP,ON!要求保留最優(yōu)設計序列時的數(shù)據(jù)庫和結果文件
OPTYPE,SUBP!使用零階方法
OPFRST,40!最大40次迭代
OPEXE!運行優(yōu)化
4.優(yōu)化設計實例分析
本文以單跨單層鋼框架結構廠房為例，跨度為 12m，層高為4.5m，框架梁、柱均采用焊接H 型鋼截面且翼緣采用焰切邊，材質均為Q235 鋼。為簡便起見，取恒荷載為0.5kN/m2，活荷載為2.0kN/m2。通過APDL 優(yōu)化程序，得出用鋼量約為18.2kg/m2。優(yōu)化前后的結果對比分析見表1。
表1 優(yōu)化前后結果分析
5.結語
本文首先論述了進行鋼框架結構優(yōu)化研究的意義，介紹了優(yōu)化算法（復形法）和ANSYS 中的APDL語言。并通過與實際工程相結合，并分別采用復形法和有限元軟件ANSYS優(yōu)化模塊，同時以最低化用為優(yōu)化的目的，使一平面鋼結構的梁柱截面尺寸得到優(yōu)化并進行相應的分析。通過理論分析與結果的分析比較，證實了該優(yōu)化方法是可行的，不僅能明顯降低工程造價，促進鋼結構的普及和推廣。而由設計實例可知，基于ANSYS 的二次開發(fā)語言APDL 語言建立的鋼結構優(yōu)化設計模塊操作方便，優(yōu)化程序可自定義優(yōu)化過程和控制性變量，適應了不同的結構類型和荷載組合，具有很強的靈活性。本文的優(yōu)化設計思想，可以推廣到其它結構形式，可對其它類型結構優(yōu)化起到借鑒作用。
參考文獻：
[1] 王富強,芮執(zhí)元,魏興春.基于APDL語言的結構優(yōu)化設計[J]. 科學技術與工程. 2006(21)
[2] 趙霞,邰英樓.基于ANSYS的結構設計優(yōu)化[J]. 遼寧工程技術大學學報. 2006(S2)
[3] 陳珂,張茂.基于ANSYS的參數(shù)化設計與分析方法[J]. 機械工程師. 2007(01)
[4] 王學文,楊兆建,段雷.ANSYS優(yōu)化設計若干問題探討[J]. 塑性工程學報. 2007(06)
