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布局優(yōu)化問(wèn)題屬于NPHard問(wèn)題，很難找到具有多項(xiàng)式復(fù)雜性的精確求解算法[1]。本文以衛(wèi)星艙布局問(wèn)題為背景的帶平衡約束的圓形布局問(wèn)題為研究對(duì)象，即在衛(wèi)星艙圓形底面上布置儀器、設(shè)備等物品，其布局必須滿足兩個(gè)約束：一是物品之間不能相互干涉；二是系統(tǒng)的靜不平衡量不能超過(guò)允許值。
對(duì)于帶平衡約束的圓形布局問(wèn)題，目前主要的求解方法包括：?jiǎn)l(fā)式算法、演化算法或兩者混合。文獻(xiàn)[2-3]對(duì)約束布局模型直接用演化算法進(jìn)行優(yōu)化，利用的啟發(fā)信息不多，所以在運(yùn)行時(shí)間上和求解精度上沒(méi)有達(dá)到較好的效果。文獻(xiàn)[4-7]針對(duì)約束布局模型采用啟發(fā)式方法進(jìn)行求解，故取得了相當(dāng)好的效果。
定位定序法是求解布局優(yōu)化問(wèn)題的啟發(fā)式方法。Huang等[8]提出的求穴和占角算法求解無(wú)衡約束的圓形布局問(wèn)題，并取得很好的效果。徐義春等[9-10]提出的平移質(zhì)心的分步?jīng)Q策算法高效地解決帶平衡約束的圓形布局問(wèn)題。季美等[11]提出了分區(qū)域分布布局法有效解決帶平衡約束矩形布局問(wèn)題。黃建江等[12]提出了基于啟發(fā)式底左（HBL）策略的量子行為粒子群（Quantum Particle Swarm Optimization， QPSO）算法有效求解二維不規(guī)則多邊形優(yōu)化排樣問(wèn)題。由于布局位置是直接計(jì)算得到的，其精度和速度都非常好。
關(guān)鍵詞：粒子群優(yōu)化算法；量子行為；慣性權(quán)重；遞減策略；0-1背包問(wèn)題
中圖分類(lèi)號(hào)：TP3016文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1004373X(2008)2015903
Application and Study on Inertia Weight in Particle Swarm Optimization with
Quantum Behavior
HE Wei,QIU Yijiao,TANG Puying
(School of Opto-electronic Information,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu,610054,China)
Abstract：The effect of inertia weight on Particle Swarm Optimization(PSO) is studied,on basis of which adopts four kinds of strategies of inertia weight to regulate the speed of a new Quantum Delta Potential Well based Particle Swarm Optimization(QDPSO).A faster and more stabile algorithm,found by comparing the performances of four equations regulated the inertia weight,solves 0/1 knapsack problem.The result of experiment shows that the modified algorithm improves the precision of optimal solution and has a faster speed and a higher efficiency in convergence.In a word,choosing a parameter of inertia weight suitably can improve the performance of new QDPSO.
Keywords：particle swarm optimization;quantum behavior;inertia weight;decreasing strategy;0/1 knapsack problem
粒子群優(yōu)化(PSO)算法是一種群智能優(yōu)化算法,最早由Kennedy和Eberhart于1995年共同提出,其基本思想是對(duì)鳥(niǎo)群捕食行為的仿生模擬［1］,通過(guò)鳥(niǎo)群之間的集體協(xié)作,快速搜尋并找到最優(yōu)解。其基本的進(jìn)化方程如下：
vt+1=vt+c1?r1(Pt-xt)+c2?r2(Pg-xt)(1)
xt+1=xt+vt+1(2)
其中,r1,r2∈［0,1］為均勻分布的隨機(jī)數(shù)；C1，C2均是正常數(shù)；t表示進(jìn)化代數(shù)；Vt，Xt分別表示每個(gè)粒子的速度和位置；Pg，Pt分別是粒子群的全局最優(yōu)和個(gè)體最優(yōu)。
為了改善基本PSO算法的收斂性能,Y?Shi等人提出了慣性權(quán)重的方法［2］和用模糊控制器來(lái)動(dòng)態(tài)自適應(yīng)地改變慣性權(quán)重的技術(shù)［3］。之后Jun Sun等人提出的具有δ函數(shù)形式的粒子群算法［4］(QDPSO) 使粒子群算法的計(jì)算更加簡(jiǎn)單容易。最近一種新的QDPSO 算法［5］ 考慮了速度對(duì)位置的影響，通過(guò)速度的更新選擇位置的更新方程。在經(jīng)典粒子群算法的可調(diào)整參數(shù)中,慣性權(quán)重是非常重要的參數(shù),較大的權(quán)重有利于提高算法的全局搜索能力,而較小的權(quán)重會(huì)增強(qiáng)算法的局部搜索能力。因此，對(duì)這種新的QDPSO算法的速度項(xiàng)引用慣性權(quán)重ω，通過(guò)研究4種方案，發(fā)現(xiàn)慣性權(quán)重ω的變化對(duì)具有量子行為的粒子群算法的收斂性具有很大改善?？梢哉f(shuō)慣性權(quán)重的適當(dāng)設(shè)置對(duì)新的QDPSO算法性能也起著重要的作用。
1 量子行為的粒子群優(yōu)化算法及其改進(jìn)
1.1 QDPSO算法
文獻(xiàn)［4］的作者認(rèn)為,若是在PSO系統(tǒng)下的個(gè)體粒子具有量子行為,則該粒子將會(huì)以與基本PSO算法中的粒子不同的方式運(yùn)動(dòng)。在量子空間,粒子的速度和位置不能再依據(jù)“不確定原理”被同時(shí)確定，所以提出了QDPSO算法。該算法改變了基本PSO算法的粒子更新策略,只用了粒子的位置向量。QDPSO算法的粒子進(jìn)化方程如下：
P=(a?pid+b?pgd)/(a+b)(3)
L=(1/g)?abs(xid-p)(4)
xid=p+L?(ln(1/u))(5)
其中,a,b,u∈［0,1］為均勻分布的隨機(jī)數(shù)；pid是第i個(gè)粒子在第d維空間找到的局部最優(yōu)解，pgd是群體在第d維空間找到的全局最優(yōu)解；xid表示第i個(gè)粒子在第d維空間找到的當(dāng)前值；而g必須滿足條件：g>ln2,才能保證算法的收斂。
1.2 改進(jìn)的粒子群算法
新的QDPSO算法利用個(gè)體粒子的速度產(chǎn)生一個(gè)介于［0,1］之間的數(shù)來(lái)代替原算法中的由計(jì)算機(jī)隨機(jī)產(chǎn)生的數(shù),用以選擇該粒子的位置更新方程。更新方程和參數(shù)設(shè)定
參考文獻(xiàn)［5］。
本文考慮到慣性權(quán)重隨粒子的迭代次數(shù)變化影響個(gè)體粒子的速度引導(dǎo)該粒子向最優(yōu)解靠攏,所以采用4種方案對(duì)該改進(jìn)算法進(jìn)行研究。通過(guò)使慣性權(quán)重隨粒子的迭代次數(shù)變化,從而影響速度的更新方程：
vt+1=ω?vt+c1?r1(pt-xt)+c2?r2(pg-xt)(6)
其中，采用4種慣性權(quán)重ω方案來(lái)影響速度的更新,然后與QDPSO算法進(jìn)行性能比較：
方案1 ω為從(1,0.875)遞減的函數(shù)ω=1-k?0.125/genmax。采用這種方案的QDPSO算法稱為w1-QDPSO；
方案2 ω為從(0.9,0.4)遞減的函數(shù)ω=0.9-k?0.5/genmax［6］。采用這種方案的QDPSO算法稱為w2-QDPSO；
方案3 ω為一定值0.729 8［7］，采用這種方案的QDPSO算法稱為w3-QDPSO；
方案4 ω為一凹函數(shù)［8］( ωstart-ωend)(t/tmax)2+(ωstart-ωend) (2t/tmax)+ωstart,其中ωstart=0.95,ωend=0.4,tmax為最大的迭代次數(shù)。采用這種方案的QDPSO算法稱為w4-QDPOS。
綜上所述，選擇測(cè)試函數(shù)F1(x)和F2(x)分別為Sphere和Rastrigin(參數(shù)設(shè)置見(jiàn)文獻(xiàn)\)，改進(jìn)后的算法流程如下：
Step 1 初始化種群粒子的速度和位置；
Step 2 通過(guò)對(duì)兩個(gè)測(cè)試函數(shù)進(jìn)行初始化計(jì)算,得到每個(gè)粒子的當(dāng)前位置為粒子最佳位置pbest,初始群體粒子位置的最優(yōu)值為群體最佳位置gbest；
Step 3 重新把粒子的位置代入測(cè)試函數(shù)進(jìn)行計(jì)算,得到每個(gè)粒子新的適應(yīng)值,將其與pbest比較,若較好,則將pbest設(shè)置為新位置；并將其與gbest比較,若較好,則將gbest設(shè)置為新位置；
Step 4 根據(jù)公式(6)更新粒子的速度；
Step 5 用個(gè)體粒子的速度產(chǎn)生用以選擇該粒子位置的更新方程的數(shù)據(jù)：
rand-q=1/(1+|(vmax-vid)/(vid-vmin)|)(7)
Step 6 由Step 5 產(chǎn)生的數(shù)據(jù)選擇更新粒子位置的方程：
if rand-q>0.5
xid=p+L?(ln(1/u))
else xid=p-L?(ln(1/u))
Step 7 若未達(dá)到終止條件(足夠小的適應(yīng)值或預(yù)設(shè)的最大迭代次數(shù)),則返回Step 3。
更新粒子速度時(shí)需要注意：如果粒子的速度超出預(yù)設(shè)的范圍,則采取使粒子反向運(yùn)動(dòng)的策略,從而保證算法有效進(jìn)行。
1.3 算法的結(jié)果及數(shù)據(jù)分析
目標(biāo)函數(shù)為F1(x)和F2(x),基本參數(shù)是：c1=c2=2.05,g=0.968 5,每種算法都在同一臺(tái)計(jì)算機(jī),同一環(huán)境下用Matlab 7.1.0軟件運(yùn)行。結(jié)果如表1所示。
表1 函數(shù)F1(x)和F2(x)的平均最優(yōu)適應(yīng)值(最小值)
FUNCTIONDGmaxω1-QDPSOω2-QDPSOω3-QDPSOω4-QDPSOQDPSO
F1(x)
101 0005.10E-170.001 20.015 23.30E-47.50E-10
201 5002.52E-051.805 763.800 11.372 50.046 5
302 0000.167 952.668 21.99E+332.001 85.15
F2(x)
101 0001.42E-167.11E-177.11E-172.13E-160
201 5007.11E-171.07E-16001.04E-17
302 0007.11E-177.11E-1703.55E-170
表1的數(shù)值是對(duì)每個(gè)函數(shù)在粒子數(shù)為20個(gè)的條件下,測(cè)試50次,然后取平均得到的結(jié)果。從表中可以看出,對(duì)于函數(shù)F1(x),比較結(jié)果可以明顯得知：在隨粒子群維數(shù)增加的情況下,ω1-QDPSO是比QDPSO得到更好的解,其他幾種改進(jìn)方案的解都比較差；函數(shù)F2(x)在隨粒子群維數(shù)增加的情況下,4種改進(jìn)方案和QDPSO都能得出比較好的解。
通過(guò)實(shí)驗(yàn),可以看出：對(duì)于單峰函數(shù)F1(x),ω的遞減不能太小,從方案ω1-QDPSO和ω2-QDPSO的結(jié)果就可以比較出來(lái),而方案ω3-QDPSO和ω4-QDPSO的結(jié)果不好,可能是因?yàn)樗鼈兯阉鞯膮^(qū)域太小,從而陷入局部最優(yōu)解。
對(duì)于多峰函數(shù)F2(x),ω的變化對(duì)測(cè)試函數(shù)的解的精確度沒(méi)有太大影響,說(shuō)明了改進(jìn)方案在此方面沒(méi)有明顯提高。接下來(lái),我們還對(duì)算法的收斂速度進(jìn)行了比較。結(jié)果如表2所示。
表2 各種方案收斂到最優(yōu)解的平均迭代次數(shù)
FunctionDGmaxω1-QDPSOω2-QDPSOω3-QDPSOω4-QDPSOQDPSO
F1(x)
101 000688―――993
201 500873 ― ―――
302 000―――――
F2(x)
101 000386223.5108188112
201 500441266.5128226111.5
302 000620280.5127252135
注：表2中“―”表示函數(shù)測(cè)試50次沒(méi)有收斂。
表2是對(duì)函數(shù)測(cè)試50次后取得平均值的結(jié)果。可見(jiàn)對(duì)于函數(shù)F1(x),ω1-QDPSO和QDPSO都在10維的情況下收斂,而20維時(shí)只有ω1-QDPSO收斂,其他函數(shù)都沒(méi)有收斂,導(dǎo)致這種結(jié)果的原因有2種：
(1) 各種方案隨ω的變化,削弱或失去了調(diào)節(jié)能力,在達(dá)到最大迭代次數(shù)時(shí)也未收斂;
(2) 即使在算法已搜索到最優(yōu)解附近時(shí),由于局部搜索能力太差,跳過(guò)了最優(yōu)解。對(duì)于函數(shù)F2(x),ω3-QDPSO,ω4-QDPSO,QDPSO收斂速度都比較快,ω1-QDPSO和ω2-QDPSO的收斂速度就相對(duì)較慢一些。這是由于對(duì)多峰函數(shù)測(cè)試時(shí),各種方案的初始化范圍附近可能存在最優(yōu)解,所以減少了迭代次數(shù),加快了算法速度。
通過(guò)對(duì)4種方案的研究,這里選取方案1應(yīng)用于0-1背包問(wèn)題,并得到理想的結(jié)果。
2 對(duì)改進(jìn)算法應(yīng)用到0-1背包問(wèn)題
2.1 0-1背包問(wèn)題的數(shù)學(xué)描述
0-1背包問(wèn)題是一種典型的組合優(yōu)化問(wèn)題。0-1背包問(wèn)題的描述如下：假設(shè)有n個(gè)物品,其大小和價(jià)值分別為wi和ci (其中wi>0,ci >0,i=1,2,…,n),背包的容量假設(shè)為V(V>0)。要求在背包的容量限制內(nèi),使所裝物品的總價(jià)值最大。該問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型可表示為：
max f(x1,x2,…,xn)=∑ni=1ni=1 cixi∑ni=1wi?xi≤V,
xi∈［0,1］,(i=1,2,…,n)(8)
其中,當(dāng)將物品i裝入背包時(shí)xi=1;否則xi=0。
2.2 0-1背包問(wèn)題的改進(jìn)粒子群算法
改進(jìn)粒子群算法應(yīng)用到0-1背包問(wèn)題的思想：粒子群中粒子的個(gè)數(shù)與每個(gè)粒子的維數(shù)相等。先定義二進(jìn)制數(shù)x，x只能取0和1。再把粒子的種群數(shù)看作背包的個(gè)數(shù)n,對(duì)于每個(gè)粒子xi(其中i=1,2,…,n表示粒子個(gè)數(shù))有n個(gè)維數(shù),即1個(gè)粒子有n個(gè)位置。然后初始化每個(gè)粒子的速度vij,(其中j=1,2,…,n表示每個(gè)粒子位置的維數(shù)),每個(gè)粒子的每一維都對(duì)應(yīng)一個(gè)初始化了的速度。對(duì)公式(8)進(jìn)行變化：
min f(x1,x2,…,xn)=-∑ni=1cixi(9)
解決背包問(wèn)題的步驟：
(1) 初始化粒子的速度和位置；
(2) 將初始化的位置向量代入式(9),在所得每個(gè)粒子的解中找到最優(yōu)解pbest,并令pbest=gbest；
(3) 通過(guò)式(6)更新粒子的速度,對(duì)所得最優(yōu)解進(jìn)行修正,然后再次代入函數(shù)方程中繼續(xù)尋找新的最優(yōu)解；
(4) 若達(dá)到終止條件,則結(jié)束迭代,輸出到存儲(chǔ)向量,即為所求結(jié)果；否則,k=k+1,轉(zhuǎn)步驟(3)。
2.3 實(shí)驗(yàn)仿真
為了驗(yàn)證ω1-QDPSO求解0/1背包問(wèn)題的可行性及有效性,這里進(jìn)行了2組實(shí)驗(yàn),每組實(shí)驗(yàn)用ω1-QDPSO算法進(jìn)行測(cè)試,每組算法運(yùn)行50次。
實(shí)驗(yàn)一：取參數(shù)popsize＝10,dimsize＝10,c1=c2＝2.05,genmax=1 000,g=0.968 5；N=10,V=269,W＝{95,4,60,32,23,72,80,62,65,46},C={55,10,47,5,4,50,8,61,85,87},得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果是max f=295,收斂平均迭代次數(shù)11。
實(shí)驗(yàn)二：取參數(shù)popsize＝20,dimsize＝20,c1=c2=2.05,genmax=1 000,g=0.968 5；N=20,V=878,W＝{92,4,43,83,84,68,92,82,6,44,32,18,56,83,25,96,70,48,14,58},C={44,46,90,72,91,40,75,35,8,54,78,40,77,15,61,17,75,29,75,63},得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果是max f=1 024,收斂平均迭代次數(shù)23。
ω1-QDPSO算法求解0-1背包問(wèn)題,與文獻(xiàn)［9］中提出的用帶有死亡罰函數(shù)的粒子群優(yōu)化算法求解0-1背包問(wèn)題相比,其運(yùn)行速度明顯提高。
3 結(jié) 語(yǔ)
本文通過(guò)采用4種方案對(duì)具有量子行為的粒子群優(yōu)化算法的慣性權(quán)重研究分析表明,QDPSO改進(jìn)算法中慣性權(quán)重的改變對(duì)性能的影響與經(jīng)典PSO算法相比既具繼承性又具發(fā)展性,在算法精度上ω1-QDPSO的結(jié)果比較優(yōu),而在計(jì)算速度上ω3-QDPSO和ω4-QDPSO的結(jié)果更優(yōu)。選擇其中算法性能相對(duì)較好的ω1-QDPSO算法應(yīng)用于0-1背包問(wèn)題,可以看出改進(jìn)算法性能的改善在應(yīng)用中得到更好的體現(xiàn)。
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一、控制系統(tǒng)的硬件配置
系統(tǒng)由工程師站HIS0164、操作站HIS0163、HIS0162及現(xiàn)場(chǎng)控制站FCS0101、FCS0102組成。HIS0164用于系統(tǒng)組態(tài)和工藝操作監(jiān)視，HIS0163、HIS0162用于工藝操作和監(jiān)視?，F(xiàn)場(chǎng)控制站由具有雙冗余控制結(jié)構(gòu)的控制單元AFG40D和本地節(jié)點(diǎn)組成。工程師站通過(guò)E-net向各操作站下裝組態(tài)數(shù)據(jù)，網(wǎng)內(nèi)各站共享外設(shè)資源；工程師站、操作站和控制站的通信，控制站和控制站的通信及控制站與各節(jié)點(diǎn)的通信，使用雙重化實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)V-net。
二、應(yīng)用軟件組態(tài)
工程師站安裝有WindowsXP操作系統(tǒng)，利用CENTUM-CS3000系統(tǒng)軟件組態(tài)。組態(tài)菜單采用樹(shù)型分支機(jī)構(gòu)，一個(gè)項(xiàng)目由若干個(gè)文件夾或文件組成，在對(duì)應(yīng)的文件里或以根據(jù)系統(tǒng)配置組態(tài)控制站、流程圖、操作組及報(bào)表等。在Control Drawing圖上選取所需的控制功能塊并輸入相應(yīng)的組態(tài)數(shù)據(jù)，再把它們連接到相應(yīng)的輸入輸出通道上，即生成控制方案或直接生成順控表，對(duì)各個(gè)功能塊、模擬量、輸入輸出數(shù)字量、內(nèi)部開(kāi)關(guān)及報(bào)警器等進(jìn)行直接控制。
三、流量計(jì)自動(dòng)計(jì)量組態(tài)說(shuō)明
本公司在用的流量計(jì)主要是橢圓齒輪脈沖流量計(jì)（簡(jiǎn)稱為流量計(jì)），生產(chǎn)過(guò)程如何使計(jì)量自動(dòng)、無(wú)誤地進(jìn)行是保證生產(chǎn)質(zhì)量、減少操作人員工作量的重要部分。在節(jié)點(diǎn)NODE1的第1插槽插上AAP135-S脈沖輸入卡件，組態(tài)時(shí)把第一通道的Label組態(tài)為%%FQC502Y2，以便于識(shí)別?，F(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)信號(hào)（脈沖式）線接到該卡件的第一通道上，流量計(jì)后的氣動(dòng)閥及各罐的計(jì)量氣動(dòng)閥、底閥的數(shù)字輸出信號(hào)，接到卡件ADV559上（在NODE1的第2插槽），在Label分別組態(tài)為NDO001Y2、NDO029等。在功能塊的組態(tài)中，用批量信號(hào)設(shè)定器BSETU-2作為脈沖輸入信號(hào)輸入處理、并進(jìn)行流量給定，控制閥門(mén)啟閉。流量給定值FQC502.BSET=NCT159.PV×XNS221.DT03×FQCY11.DT07，由計(jì)算塊NCL033計(jì)算得出，再把數(shù)據(jù)傳給批量數(shù)據(jù)塊UN209.DT03。NCT159.PV為配方基數(shù)值，各個(gè)罐不同，YT-32為2000；XNS221.DT03為系數(shù)，在Graphic圖上輸入，F(xiàn)QCY11.DT07為固定小數(shù)0.1，如YT-32需計(jì)量150L，則系數(shù)調(diào)出窗口輸入0.75，即FQC502.BSET=150L?，F(xiàn)場(chǎng)的管道及閥門(mén)的分布情況如圖1所示。這是在工程師站組態(tài)的Graphic圖（操作監(jiān)視畫(huà)面），用于操作、監(jiān)視整個(gè)計(jì)量過(guò)程情況。圖中采用CS3000中的變色功能，在閥門(mén)打開(kāi)時(shí)，相應(yīng)的位置閥門(mén)由原來(lái)的綠色變?yōu)榧t色，表示該閥門(mén)狀態(tài)是開(kāi)。功能按鍵及選擇哪個(gè)罐，則相應(yīng)的按鍵的背景色變?yōu)榫G色。其它的狀態(tài)、功能變化由順控表ST01FQC、ST07及ST08控制。計(jì)量過(guò)程如下：
1、計(jì)量判斷。輸入系數(shù)“0.75”，按“制造”、“開(kāi)始”、“YT-32”，計(jì)量由ST07表進(jìn)行判斷，如表中第1列的所有條件成立，則執(zhí)行表ST08的第3步，計(jì)量開(kāi)始。如流量計(jì)正在使用中，則第2列的條件成立，操作站報(bào)警提示“FQC502正在使用中”，不能計(jì)量，必須等到別的罐計(jì)量完了，才能進(jìn)行。
2、計(jì)量執(zhí)行。執(zhí)行ST08的第3步，進(jìn)行配方數(shù)據(jù)設(shè)定，流量計(jì)給定值設(shè)定、流量累積值收集器清零，啟動(dòng)1秒計(jì)時(shí)器，之后執(zhí)行第4步，計(jì)時(shí)時(shí)間到，置初期化標(biāo)志NSW101.PV為0（N），計(jì)量中標(biāo)志NSW102.PV為1（Y），提出計(jì)量要求，執(zhí)行表ST01FQC的第2步，進(jìn)行計(jì)量。
在ST01FQC的第2步，先對(duì)流量計(jì)計(jì)量完標(biāo)志NSW362.PV置為0，流量計(jì)累積值SUM清零，之后執(zhí)行第5步；判斷FQC502.BSET有給定值，不為0，則置流量計(jì)計(jì)量中標(biāo)志NSW361.PV為1，打開(kāi)YT-32計(jì)量閥門(mén)，執(zhí)行第8步，F(xiàn)QC502狀態(tài)變?yōu)锳UT（自動(dòng)），NDO001Y2（流量計(jì)后的氣動(dòng)閥）打開(kāi)，啟動(dòng)10秒計(jì)時(shí)器、脈沖計(jì)數(shù)器，計(jì)量開(kāi)始，此時(shí)監(jiān)視圖上的兩個(gè)閥門(mén)變?yōu)榧t色。直至FQC502報(bào)警BEND（批量計(jì)量結(jié)束），流量計(jì)狀態(tài)恢復(fù)為手動(dòng)狀態(tài)，NDO001Y2關(guān)閉，再啟動(dòng)10秒計(jì)時(shí)器，執(zhí)行第12步，延時(shí)關(guān)閉YT-32計(jì)量閥門(mén)，計(jì)時(shí)時(shí)間完了，關(guān)閉YT-32計(jì)量閥門(mén)，同時(shí)置流量計(jì)計(jì)量完標(biāo)志為1。執(zhí)行第10步，等待表ST08執(zhí)行完第6步，使其條件成立，在打印機(jī)打印輸出YT-32本次計(jì)量的設(shè)定值和實(shí)際計(jì)量值，并在操作監(jiān)視畫(huà)面上顯示。
當(dāng)流量計(jì)計(jì)量完標(biāo)志NSW362.PV為1，則表ST08執(zhí)行第5步，進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，收集到UN209.DT01。執(zhí)行第6步，把FQC502計(jì)量中標(biāo)志NSW361.PV置為0。之后執(zhí)行第7步，置YT-32計(jì)量中標(biāo)志NSW102.PV為0，計(jì)量完標(biāo)志NSW103.PV為1；操作監(jiān)視畫(huà)面中的閥門(mén)狀態(tài)及按鍵狀態(tài)恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，完成整個(gè)計(jì)量過(guò)程。FQC502計(jì)量實(shí)行表是YT-32、YT-33和YT-34共用，YT-33和YT-34的計(jì)量判斷表和計(jì)量執(zhí)行表則跟ST07及ST08類(lèi)同。
四、結(jié)論
該流量自動(dòng)計(jì)量過(guò)程自從使用以來(lái)，操作簡(jiǎn)單可靠，同一系統(tǒng)中各個(gè)罐的計(jì)量按控制過(guò)程有序地進(jìn)行，保證了計(jì)量的準(zhǔn)確無(wú)誤，實(shí)用性強(qiáng)。
參考文獻(xiàn)：
1、CENTUM CS綜合生產(chǎn)控制系統(tǒng)概說(shuō).橫河西儀有限公司（XYC），1994(7).
[關(guān)鍵詞]固態(tài)電子盤(pán) 抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī) 指標(biāo)
中圖分類(lèi)號(hào)：P256 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2015）40-0007-02
1、概述
近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)提出更高要求，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。在研制、開(kāi)發(fā)抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，制約其可靠性的關(guān)鍵部件之一就是外部存儲(chǔ)器。
以往抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)外部存儲(chǔ)器采用的機(jī)械式硬盤(pán)。由于機(jī)械式硬盤(pán)是機(jī)電一體化產(chǎn)品，其工作溫度、機(jī)械震動(dòng)等環(huán)境適應(yīng)性遠(yuǎn)不能滿足抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)的要求。隨著半導(dǎo)體存儲(chǔ)技術(shù)日漸成熟、完善，固態(tài)電子盤(pán)逐步取代機(jī)械式硬盤(pán)成為抗惡劣環(huán)境計(jì)算機(jī)的外部存儲(chǔ)器。但由于儲(chǔ)存容量較小難以滿足大數(shù)據(jù)量存儲(chǔ)，為尋求一種大容量高可靠性的外部存儲(chǔ)設(shè)備，我們著手對(duì)大容量固態(tài)電子盤(pán)的研制開(kāi)發(fā)工作。
2、構(gòu)成
固態(tài)電子盤(pán)由存儲(chǔ)載體、控制器、接口以及電源管理等部分構(gòu)成。
2.1 存儲(chǔ)載體
固態(tài)電子盤(pán)利用超大規(guī)模集成電路flash存儲(chǔ)芯片陣列作為儲(chǔ)存載體，取代硬盤(pán)高速旋轉(zhuǎn)磁盤(pán)載體。其特點(diǎn)是減少尋道延遲時(shí)間，由于沒(méi)有精密機(jī)械設(shè)備提高了使用壽命，降低了功耗。為提高存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)載體選用k9k4g080um存儲(chǔ)芯片。
2.2 控制器
控制器是固態(tài)電子盤(pán)的關(guān)鍵元器件之一，完成存儲(chǔ)數(shù)據(jù)在flash存儲(chǔ)芯片陣列讀寫(xiě)管理。
2.3 接口
固態(tài)電子盤(pán)接口設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)硬盤(pán)接口一致，接口采用2.0mm標(biāo)準(zhǔn)IDE接口。
3、設(shè)計(jì)方案
3.1 Flash盤(pán)控制器
經(jīng)過(guò)查閱大量的資料及分析，F(xiàn)lash盤(pán)控制器采用了SST公司生產(chǎn)具有的IDE接口控制器SST55ld019。該控制器具有電路簡(jiǎn)單、速度快、可靠性高等特點(diǎn)。其中最大特點(diǎn)是控制容量大（最高可達(dá)24G），為今后固態(tài)電子盤(pán)持續(xù)升級(jí)帶來(lái)很大方便。其功能框圖如圖1：
SST55ld019控制器內(nèi)部包含了一個(gè)微控制器和嵌入式Flash文件管理系統(tǒng)。控制器和主機(jī)的接口允許數(shù)據(jù)寫(xiě)入Flash介質(zhì)以及從Flash介質(zhì)讀出。MCU負(fù)責(zé)把IDE命令轉(zhuǎn)換成Flash介質(zhì)操作所需的數(shù)據(jù)和控制信號(hào)。SRAM緩沖極大地優(yōu)化了主機(jī)和Flash介質(zhì)之間的數(shù)據(jù)傳輸。內(nèi)部DMA直接把緩沖數(shù)據(jù)傳輸?shù)紽lash介質(zhì)，越過(guò)MCU，提高數(shù)據(jù)吞吐率。嵌入式Flash文件系統(tǒng)為基于文件的操作系統(tǒng)提供了方便。多任務(wù)接口可以對(duì)多個(gè)Flash介質(zhì)器件進(jìn)行讀/寫(xiě)、編程和擦除操作。SCI接口用于重新進(jìn)行芯片初始化過(guò)程和配置ID號(hào)，為硬件調(diào)試提供方便。
NAND Flash存儲(chǔ)器
NAND Flash存儲(chǔ)器是固態(tài)電子盤(pán)的關(guān)鍵元器件之一，其性能直接影響到設(shè)備性能優(yōu)劣。
該存儲(chǔ)器為采用頁(yè)面管理方式，基本存儲(chǔ)容量為128MΧ8，頁(yè)容量為512字節(jié)。其原理框圖見(jiàn)圖2所示：
NAND型閃存的基本存儲(chǔ)單元是頁(yè)（Page）（可以看到，NAND型閃存的頁(yè)就類(lèi)似硬盤(pán)的扇區(qū)，硬盤(pán)的一個(gè)扇區(qū)也為512字節(jié)）。每一頁(yè)的有效容量是512字節(jié)的倍數(shù)。所謂的有效容量是指用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的部分，實(shí)際上還要加上16字節(jié)的校驗(yàn)信息，因此我們可以在閃存廠商的技術(shù)資料當(dāng)中看到“（512+16）Byte”的表示方式。目前2Gb以下容量的NAND型閃存絕大多數(shù)是（512+16）字節(jié)的頁(yè)面容量，2Gb以上容量的NAND型閃存則將頁(yè)容量擴(kuò)大到（2048+64）字節(jié)。
NAND型閃存以塊為單位進(jìn)行擦除操作。閃存的寫(xiě)入操作必須在空白區(qū)域進(jìn)行，如果目標(biāo)區(qū)域已經(jīng)有數(shù)據(jù)，必須先擦除后寫(xiě)入，因此擦除操作是閃存的基本操作。一般每個(gè)塊包含32個(gè)512字節(jié)的頁(yè)，容量16KB；而大容量閃存采用2KB頁(yè)時(shí)，則每個(gè)塊包含64個(gè)頁(yè)，容量128KB。
尋址時(shí)，NAND型閃存通過(guò)8條I/O接口數(shù)據(jù)線傳輸?shù)刂沸畔堪鼈魉?位地址信息。由于閃存芯片容量比較大，一組8位地址只夠?qū)ぶ?56個(gè)頁(yè)，顯然是不夠的，因此通常一次地址傳送需要分若干組，占用若干個(gè)時(shí)鐘周期。NAND的地址信息包括列地址（頁(yè)面中的起始操作地址）、塊地址和相應(yīng)的頁(yè)面地址，傳送時(shí)分別分組，至少需要三次，占用三個(gè)周期。隨著容量的增大，地址信息會(huì)更多，需要占用更多的時(shí)鐘周期傳輸，因此，NAND型閃存的一個(gè)重要特點(diǎn)就是容量越大，尋址時(shí)間越長(zhǎng)。而且，由于傳送地址周期比其他存儲(chǔ)介質(zhì)長(zhǎng)，因此NAND型閃存與其他存儲(chǔ)介質(zhì)相比不太適合大量的小容量數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)請(qǐng)求。
決定NAND型Flash存儲(chǔ)介質(zhì)的主要因素有：頁(yè)數(shù)量、頁(yè)容量、塊容量、I/O位寬、頻率等等。
目前我們所選用的K9K4G080u Flash存儲(chǔ)介質(zhì)為頁(yè)數(shù)量為512MΧ8，頁(yè)容量為2KB，則它的尋址時(shí)間（即傳送地址時(shí)間）為4個(gè)周期。
NAND型閃存的讀取步驟分為：發(fā)送命令和尋址信息將數(shù)據(jù)傳向頁(yè)面寄存器（隨機(jī)讀穩(wěn)定時(shí)間）數(shù)據(jù)傳出（每周期8bit，需要傳送512+16或2K+64次）。NAND型閃存的寫(xiě)步驟分為：發(fā)送尋址信息將數(shù)據(jù)傳向頁(yè)面寄存器發(fā)送命令信息數(shù)據(jù)從寄存器寫(xiě)入頁(yè)面。K9K4G080 Flash存儲(chǔ)介質(zhì)讀一個(gè)頁(yè)需要：6個(gè)命令、尋址周期×50ns+12μs+（2K+64）×50ns=131.1μs；K9K4G08U0M實(shí)際讀傳輸率：2KB字節(jié)÷131.1μs=15.6MB/s；寫(xiě)一個(gè)頁(yè)需要：6個(gè)命令、尋址周期×50ns+（2K+64）×50ns+300μs=405.9μs。K9K1G080實(shí)際寫(xiě)傳輸率：2112字節(jié)÷405.9μs=5MB/s。
塊是擦除操作的基本單位，由于每個(gè)塊的擦除時(shí)間幾乎相同（擦除操作一般需要2ms，而之前若干周期的命令和地址信息占用的時(shí)間可以忽略不計(jì)），塊的容量將直接決定擦除性能。大容量NAND型閃存的頁(yè)容量提高，而每個(gè)塊的頁(yè)數(shù)量也有所提高，一般4Gb芯片的為2KB字節(jié)×64個(gè)頁(yè)=128KB。
接口設(shè)計(jì)
為提高固態(tài)電子盤(pán)的通用性，接口設(shè)計(jì)為目前硬盤(pán)廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)IDE接口。該接口在物理上實(shí)現(xiàn)了IDE-40芯插座和IDE-44芯插座兼容的方式，可直接連接到PC機(jī)硬盤(pán)連線，也可直接用于連接移動(dòng)式（筆記本連接方式）接口，電信號(hào)與通用標(biāo)準(zhǔn)IDE接口完全兼容。其排列如圖3所示。
電路設(shè)計(jì)
由于NAND Flash存儲(chǔ)器的工作電壓是+3.3V，F(xiàn)lash盤(pán)控制器同時(shí)使用+5V和3.3V。因此在固態(tài)電子盤(pán)上單獨(dú)設(shè)計(jì)了一個(gè)電源轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓電路，通過(guò)這部分電路為固態(tài)電子盤(pán)提供所需要的5V和3.3V工作電壓和斷電保護(hù)。
固態(tài)電子盤(pán)外部時(shí)鐘設(shè)計(jì)為可調(diào)節(jié)模式，通過(guò)RC振蕩來(lái)激發(fā)外部時(shí)鐘，通過(guò)選擇不同的電阻和電容來(lái)調(diào)節(jié)到我們需要的外部時(shí)鐘，這里，我們的外部時(shí)鐘在10～100MHz可選，不同的外部時(shí)鐘可影響到固態(tài)電子盤(pán)的讀寫(xiě)性能。外部時(shí)鐘越高，讀寫(xiě)速度越快。
3.5 固態(tài)電子盤(pán)設(shè)計(jì)
通過(guò)上述分析固態(tài)電子盤(pán)用SST55ld019控制器來(lái)驅(qū)動(dòng)24片K9K4G080 Flash存儲(chǔ)芯片。并將全部元器件放置在一塊PCB板上。高速PCB設(shè)計(jì)為多層印制版，大小為 99×65mm？。外部時(shí)鐘頻率設(shè)計(jì)為23MHz，總?cè)萘繛?2G，最大讀速度：15.6MB/S；最大寫(xiě)速度：5MB/S。接口設(shè)計(jì)為筆記本式標(biāo)準(zhǔn)的2.0mm間距IDE接口，支持主/副盤(pán)選擇。其原理框圖如下圖所示：
由固態(tài)電子盤(pán)的原理框圖可以得到，電子盤(pán)的設(shè)計(jì)邏輯實(shí)現(xiàn)了IDE接口，并將有關(guān)信號(hào)嵌入系統(tǒng)總線中，又在物理上實(shí)現(xiàn)了IDE-40芯插座和IDE-44芯插座兼容的方式，可直接連接到PC機(jī)硬盤(pán)連線，也可直接用于連接移動(dòng)式（筆記本連接方式）接口。
電子盤(pán)的設(shè)計(jì)是通過(guò)將IDE信號(hào)邏輯嵌入到Flash盤(pán)控制器中，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器和總線驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)換，將命令和數(shù)據(jù)地址總線轉(zhuǎn)換成多個(gè)并行的數(shù)據(jù)地址總線和命令，操作時(shí)通由FALE和FCLE來(lái)鎖存信號(hào)區(qū)分，并用譯碼器來(lái)將片選信號(hào)轉(zhuǎn)換成多個(gè)片選信號(hào)，以此實(shí)現(xiàn)一個(gè)控制器與多個(gè)NAND Flash存儲(chǔ)介質(zhì)的連接，從而實(shí)現(xiàn)增大電子盤(pán)容量。
同時(shí)，我們用全固件和工業(yè)級(jí)的芯片和器件設(shè)計(jì)整個(gè)固態(tài)電子盤(pán)，滿足了高低溫和震動(dòng)沖擊的要求，適應(yīng)了惡劣環(huán)境下對(duì)硬盤(pán)要求的需要。
4、固態(tài)電子盤(pán)的提升
通過(guò)設(shè)計(jì)12G固態(tài)電子盤(pán)，我們掌握了一些設(shè)計(jì)固態(tài)電子盤(pán)的關(guān)鍵技術(shù)和資料。目前，我們所設(shè)計(jì)成型的固態(tài)電子盤(pán)容量還不是很大，不能滿足大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和交換。但是，通過(guò)改進(jìn)性設(shè)計(jì)和選用高性能的Flash盤(pán)控制器以及大容量的Flash存儲(chǔ)芯片，我們可以提高固態(tài)電子盤(pán)的存儲(chǔ)容量和讀寫(xiě)速度以及性能。
高性能的Flash盤(pán)控制器可以控制更多的Flash存儲(chǔ)芯片，并提高時(shí)鐘頻率，同時(shí)也增加對(duì)Flash存儲(chǔ)介質(zhì)的讀頻率。選用大容量的Flash存儲(chǔ)介質(zhì)，不僅增大了Flash存儲(chǔ)介質(zhì)本身的頁(yè)容量、頁(yè)數(shù)量和塊容量，同時(shí)也增加了I/O位寬，將數(shù)據(jù)線增大到16條，帶寬增加一倍，再通過(guò)時(shí)鐘頻率的增大，則其讀寫(xiě)性能將大大增加，以一個(gè)K9K4G160u為列，每頁(yè)為2KB，但結(jié)構(gòu)為（1K+32）×16bit。K9K4G16U0u讀一個(gè)頁(yè)需要：6個(gè)命令、尋址周期×50ns+25μs+（1K+32）×50ns=78.1μs。K9K4G160u實(shí)際讀傳輸率：2KB字節(jié)÷78.1μs=26.2MB/s。K9K4G16寫(xiě)一個(gè)頁(yè)需要：6個(gè)命令、尋址周期×50ns+（1K+32）×50ns+300μs=353.1μs。K9K4G160u實(shí)際寫(xiě)傳輸率：2KB字節(jié)÷353.1μs=5.8MB/s。從以上可以看出，它的讀寫(xiě)性能比起K9K4G080u大大增加。
通過(guò)改進(jìn)使固態(tài)電子盤(pán)總?cè)萘靠稍龃蟮?4G以上，更加適用于大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和交換，更能滿足惡劣環(huán)境下對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和交換的需要。并能根據(jù)實(shí)際需要，通過(guò)原理設(shè)計(jì)和重新選用芯片，設(shè)計(jì)出512M～24G或更大容量的電子盤(pán)，滿足用戶需求。
5、結(jié)束語(yǔ)
目前，已設(shè)計(jì)的12G容量固態(tài)電子盤(pán)已投入使用，并能在全加固和惡劣環(huán)境下運(yùn)行正常，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
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關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)定子 安裝 扁擔(dān)梁 應(yīng)用
中圖分類(lèi)號(hào)：TK-9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2013）01（a）-00-02
發(fā)電機(jī)定子是火力發(fā)電廠汽機(jī)房?jī)?nèi)單體起重量最大的設(shè)備之一。由于各個(gè)火電廠廠房、行車(chē)的結(jié)構(gòu)和額定起重量的不同，以及布置方式的不同，定子的吊裝方法也很多，具體用什么方法，是在保證吊裝裝置必須滿足安全強(qiáng)度要求的前提下，從經(jīng)濟(jì)分析的角度認(rèn)真分析確定。
1 情況簡(jiǎn)介
在火電廠中，發(fā)電機(jī)定子的重量一般都超過(guò)汽機(jī)房行車(chē)的額定起重量，因而發(fā)電機(jī)定子的安裝從設(shè)計(jì)、安裝等，都是需要特別重視的問(wèn)題，定子的吊裝同樣涉及汽機(jī)房平臺(tái)、梁的強(qiáng)度要求，定子的吊裝通常在機(jī)房安裝完成之后，因此用專(zhuān)用的吊裝梁是一種經(jīng)濟(jì)可行的方法。下面用武鄉(xiāng)電廠定子的吊裝為例，來(lái)說(shuō)明定子的扁擔(dān)梁吊裝方案。
武鄉(xiāng)電廠發(fā)電機(jī)為哈爾濱電機(jī)廠制造的QFSN-600-2YHG型汽輪發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)靜子重量310T，外形尺寸φ4000×10350 mm，布置在汽機(jī)房13.65 m平臺(tái)，距其中心線2530 mm處，設(shè)計(jì)有可拆卸吊攀。根據(jù)現(xiàn)有機(jī)械，擬采用CKE4000C履帶吊卸車(chē)，將靜子從運(yùn)輸鐵路吊運(yùn)至主廠房擴(kuò)建端。用7250履帶吊和CKE4000C履帶吊雙車(chē)抬吊，將靜子起升至擴(kuò)建端外的臨時(shí)支撐平臺(tái)上，再用液壓推力千斤頂將定子平移至基座位置。最后，用行車(chē)和230T門(mén)型吊車(chē)雙車(chē)抬吊，將臨時(shí)裝置拆除，使定子就位。
2 梁負(fù)荷分配計(jì)算
吊裝梁采用制作的箱型梁，外形尺寸見(jiàn)圖，長(zhǎng)7500 mm，定子前吊點(diǎn)距梁前端500 mm，兩吊點(diǎn)間距5060 mm，400T履帶吊（230T門(mén)型吊車(chē)）吊點(diǎn)距定子前吊點(diǎn)1008 mm，7250履帶吊（汽機(jī)房行車(chē)）吊點(diǎn)距定子后吊點(diǎn)1440 mm。以G1為支點(diǎn)，可得：
F2×6500+F1×1008=G3×3250+G2×5060 G梁=10T G1=155T G2=155T
可知F1=230T F2=90T
3 梁強(qiáng)度計(jì)算
3.1 計(jì)算說(shuō)明
計(jì)算中涉及到的尺寸數(shù)據(jù)和位置如圖2；h：表示梁整體高度1000 mm；h0：表示腹板高度940 mm；b：表示兩腹板間凈距離450 mm；b1：表示翼緣寬度550 mm；b2：表示翼緣外邊伸出腹板長(zhǎng)度30 mm；δ：表示腹板厚度20 mm；t1：表示上翼緣厚度30 mm；t2：表示下翼緣厚度30 mm；l：表示梁計(jì)算長(zhǎng)度7500 mm；a表示梁內(nèi)部橫向加勁板間距500 mm；
3.2 梁強(qiáng)度校核
強(qiáng)度計(jì)算包括：抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、剛度、梁折算應(yīng)力、腹板局部擠壓強(qiáng)度、腹板折算應(yīng)力和翼緣板折算應(yīng)力。
3.2.1 抗彎強(qiáng)度校核
最大彎矩計(jì)算：
對(duì)梁上各受力點(diǎn)進(jìn)行彎矩合成得出各受力點(diǎn)彎矩如下。
MG1=0，MF1=155×104×1008=156240×104N?mm
MG3=230×1042242-155×104×3250=11910×1044N?mm
MG2=90×104×1440=129600×104N?mm
MF2=0，Mmax= MF1=156240×104N?mm
Mmax為最大彎矩；W為凈面積抵抗矩；
梁慣性矩Ix=2×20×9403/12+550×30×4852×2=10.531×109 mm4
則W= 2Ix/ h =2.1×107 mm3
σ=Mmax/W=156240×104/2.1×107=74.4 MPa ≤140 MPa，滿足要求。
3.2.2 抗剪強(qiáng)度校核
τ=Qmax .S/I.δ≤[τ]
Qmax：最大剪力；S：驗(yàn)算處半面積矩（即中和軸以上毛截面對(duì)中和軸的面積矩）；I：驗(yàn)算處的截面慣性矩（因本梁僅承受垂直剪力，I=Ix）；
S=w30×550×485+2×20×470×235=12.42×106
τ=Qmax.S/I.δ=155×104×12.42×（10.531×109×40）=45.7 mpa
滿足要求
3.2.3 梁折算應(yīng)力校核
σzs=（σ2+3τ2）1/2≤1.1f=（74.42+3×45.72）1/2=108.63 mPa≤1.1f=258 mPa
σzs為折算應(yīng)力；σ為截面彎曲應(yīng)力；τ為截面剪切應(yīng)力；
3.3 梁整體穩(wěn)定性驗(yàn)算
計(jì)算長(zhǎng)度L=5500；翼緣寬度b1=550 mm則L/ b1=5500/550=10
整體穩(wěn)定性滿足要求。
3.4 梁局部穩(wěn)定性驗(yàn)算
b/t=275/30=9.2
3.5 梁吊耳計(jì)算
3.5.1 90 t吊耳計(jì)算
90噸吊耳采用30 mm鋼板制作，具體尺寸見(jiàn)上圖，2只吊耳各承受45 t剪力。
關(guān)鍵詞：粒子群算法 收縮因子 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng) PID控制器
0 引言
變風(fēng)量(VAV)空調(diào)系統(tǒng)因其優(yōu)良的節(jié)能性和舒適性，獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。VAV空調(diào)系統(tǒng)的控制機(jī)理并不是很復(fù)雜，末端送風(fēng)裝置是實(shí)現(xiàn)變風(fēng)量功能的關(guān)鍵，而選擇何種控制系統(tǒng)并與末端送風(fēng)裝置進(jìn)行有機(jī)結(jié)合是整個(gè)VAV空調(diào)系統(tǒng)最重要的環(huán)節(jié)之一。
目前，由于傳統(tǒng)的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)中PID控制參數(shù)存在整定困難，所以效果往往不是那么理想，自適能力存在著一定的問(wèn)題，為了解決傳統(tǒng)方法對(duì)于非線性系統(tǒng)控制效果不佳的問(wèn)題，很多傳統(tǒng)學(xué)者將一些智能算法引入到送風(fēng)量控制當(dāng)中，比較有代表性的是PID參數(shù)自整定控制方法，它是基于遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或模糊控制這幾項(xiàng)算法基礎(chǔ)的。與傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法等為代表的自整定算法相比，本文所采用的引入收縮因子的粒子群算法來(lái)進(jìn)行PID參數(shù)自整定控制更具有優(yōu)勢(shì)，首先，它計(jì)算效率高，計(jì)算方法簡(jiǎn)單易行，由于計(jì)算量小，它又具有易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。采用引入收縮因子的粒子群算法的PID控制策略可以使系統(tǒng)具有更好的適應(yīng)性，更適合于VAV 空調(diào)系統(tǒng)的控制，也更加適合空調(diào)行業(yè)未來(lái)的發(fā)展。
1 基于改進(jìn)的粒子群算法
1999年Clerc提出帶收縮因子的粒子群算法更有效的控制了微粒的飛行速度，他認(rèn)為帶收縮因子的粒子群算法具有良好的收斂性，同時(shí)又不用限制最大速度，因此，比慣性權(quán)重的粒子群算法更簡(jiǎn)單，能使算法達(dá)到全局探測(cè)與局部開(kāi)采兩者之間的有效平衡。
算法如下：
式（1）中λ稱為收縮因子，起類(lèi)似于Vmax的作用，用來(lái)控制和約束微粒的飛行速度。同時(shí)，Eberhart和Shi在文獻(xiàn)中也證明了收縮因子λ比慣性權(quán)重ω更能有效的約束微粒飛行的速度，同時(shí)增強(qiáng)了算法的搜索能力。而通過(guò)有關(guān)人員研究發(fā)現(xiàn)，采用收縮因子的粒子群算法，其種群規(guī)模取20~50，C參數(shù)取4.05~4.1時(shí)，可以有較好的收斂速度和精度。
2 建模
2.1 空調(diào)房間模型的建立
為了方便研究，建模時(shí)暫不考慮它的純滯后?？照{(diào)房間基本上可以看做是恒溫室。根據(jù)能量守恒定律，恒溫室中能量蓄存量的變化率，等于單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入恒溫室的能量與單位時(shí)間內(nèi)由恒溫室流出的能量之差。即：
上述關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式是：
式（2）中，C1為恒溫室的容量系數(shù)(包括室內(nèi)空氣的蓄熱和設(shè)備與圍護(hù)結(jié)構(gòu)表層的蓄熱)，kJ/℃；tn、ts為室內(nèi)空氣溫度（或回風(fēng)溫度）和送風(fēng)溫度；w為送風(fēng)量，m3/h；ρ為空氣密度，kg/m3，可取ρ=1.2；c為空氣定壓比熱，KJ/kg?K，可取c=1.01；qn為室內(nèi)散熱量kJ/h；r為恒溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻，K/W；t0為室外空氣溫度，℃。
對(duì)于變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，由于采用一定的送風(fēng)溫度，因此將（4）式進(jìn)行如下處理：
（3）
式（3）右邊可分別看做房間調(diào)節(jié)通道和干擾通道兩部分，經(jīng)化簡(jiǎn)為：
（4）
其中，T為空調(diào)房間的時(shí)間常數(shù)，h；kw為房間調(diào)節(jié)通道的放大系數(shù)，℃/(m3/s)；kq為房間擾動(dòng)通道的放大系數(shù)，℃/(kJ/s)；Δq為室內(nèi)外干擾量的變化換算成室內(nèi)熱量的變化，kJ/h。式（5）就是空調(diào)房間在變風(fēng)量系統(tǒng)下的數(shù)學(xué)模型。由式（5）可得到調(diào)節(jié)通道及擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)，并考慮到實(shí)際傳感器往往存在延遲，故在仿真時(shí)加入純滯后環(huán)節(jié)τ：
（5）
2.2 壓力無(wú)關(guān)型末端裝置建模
目前，我們最常采用的是壓力無(wú)關(guān)型變風(fēng)量末端裝置，它是為了克服系統(tǒng)末端較強(qiáng)的二次干擾而設(shè)計(jì)的，壓力無(wú)關(guān)型是指當(dāng)送風(fēng)管道內(nèi)靜壓發(fā)生變化時(shí)，不會(huì)干擾到正常的室內(nèi)溫度，由于變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)流量的二次干擾非常明顯，我們可以采用串級(jí)調(diào)節(jié)，智能樓宇環(huán)境對(duì)溫度測(cè)控精度較高，因此要格外注意。
系統(tǒng)框圖如圖1所示
2.3 控制算法
為了得到使系統(tǒng)指標(biāo)為最優(yōu)的一組主副控制器PID參數(shù)。我們可以利用粒子群根據(jù)事先確定的指標(biāo)J進(jìn)行自尋優(yōu)控制，它主要是利用系統(tǒng)的誤差e(t)，從而得到主副控制器PID參數(shù)?；谝胧湛s因子的粒子群PID自整定控制系統(tǒng)框圖如圖2所示，算法流程圖如圖3所示。
這里將PID控制器的三個(gè)重要參數(shù)Kp、Ki、Kd作為粒子群算法的粒子群維數(shù)，而粒子群規(guī)模及最大迭代次數(shù)可根據(jù)文獻(xiàn)提出的范圍內(nèi)任意設(shè)置。通過(guò)上述的尋優(yōu)過(guò)程即可獲得較好的控制效果。
3 工程仿真
通過(guò)以上的模型建立過(guò)程，根據(jù)空調(diào)房間的某一工況可得到如下的傳遞函數(shù)：
(6)
然后利用引入收縮因子的粒子群算法對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行自整定控制. 根據(jù)實(shí)際的工程情況，采樣時(shí)間ts設(shè)為20s，粒子群維數(shù)取為3，同時(shí)為了兼顧算法的有效性和執(zhí)行效率，粒子群規(guī)模取為30，最大迭代次數(shù)設(shè)為200次.c1和c2分別取為2.8、1.3，則根據(jù)式(1)可計(jì)算得λ=0.7298。采用常規(guī)方法整定的常規(guī)PID控制、帶收縮因子、加入擾動(dòng)的常規(guī)PID控制、加入擾動(dòng)的帶收縮因子的系統(tǒng)仿真圖及適應(yīng)度函數(shù)下降曲線如圖4～圖8 所示。由圖中看出系統(tǒng)初始波動(dòng)較大，穩(wěn)定時(shí)間也較長(zhǎng)控制效果不盡如人意。
通過(guò)仿真圖對(duì)比可以看出，如果利用加入擾動(dòng)的帶收縮因子粒子群算法，可以使種群算法的多樣性得到有效的保證，采用加入擾動(dòng)的帶收縮因子粒子群算法進(jìn)行PID自整定后，原控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間、上升時(shí)間、超調(diào)量都能得到有效控制，它對(duì)改善系統(tǒng)的性能，增加其控制精度和適應(yīng)性都有良好的效果，同時(shí)它還能消除靜差，增加系統(tǒng)的魯棒性。
4 結(jié)論
通過(guò)仿真研究，我們可以看出，基于引入收縮因子的粒子群PID 參數(shù)的控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力，它基本不依賴于控制器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，是一種自整定控制系統(tǒng)，它可以取得更優(yōu)的動(dòng)態(tài)性能.為VAV空調(diào)系統(tǒng)PID控制器的設(shè)計(jì)提供了一種新的思路.同時(shí)，它又具有很強(qiáng)的魯棒性，應(yīng)用于非線性和不確定性的VAV空調(diào)系統(tǒng)時(shí)可以取得較為良好的效果，能適應(yīng)我國(guó)目前空調(diào)業(yè)界的發(fā)展。
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關(guān)鍵詞：量子算法；Shor算法；Grover算法；量子通信；量子智能計(jì)算
【分類(lèi)號(hào)】：TM743
1.概述
量子計(jì)算是計(jì)算機(jī)科學(xué)與量子力學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，根據(jù)Moore定律可知：當(dāng)計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)單元達(dá)到原子層次時(shí)，顯著地量子效應(yīng)將會(huì)嚴(yán)重影響計(jì)算機(jī)性能，計(jì)算機(jī)科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展需要借助新的原理和方法【1】，量子計(jì)算為這一問(wèn)題的解決提供了一個(gè)可能的途徑。
根據(jù)量子計(jì)算原理設(shè)計(jì)的量子計(jì)算機(jī)是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的最好體現(xiàn)。量子計(jì)算機(jī)是利用微觀粒子狀態(tài)來(lái)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理信息的計(jì)算工具【2】。其基本原理是通過(guò)物理手段制備可操作的量子態(tài)，并利用量子態(tài)的疊加性、糾纏性和相干性等量子力學(xué)的特性進(jìn)行信息的運(yùn)算、保存和處理操作，從本質(zhì)上改變了傳統(tǒng)的計(jì)算理念。
量子通信是量子理論與信息理論的交叉學(xué)科，是指利用量子的糾纏態(tài)實(shí)現(xiàn)信息傳遞的通訊方式。量子的糾纏態(tài)是指：相互糾纏的兩個(gè)粒子無(wú)論被分離多遠(yuǎn)，一個(gè)粒子狀態(tài)的變化都會(huì)立即使得另一個(gè)粒子狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)變化的現(xiàn)象。量子通信主要包括兩類(lèi)：用于量子密鑰的傳輸，和用于量子隱形傳態(tài)和量子糾纏的分發(fā)。與傳統(tǒng)的通信技術(shù)相比，量子通信具有容量大，傳輸距離遠(yuǎn)和保密性強(qiáng)的特點(diǎn)。
2.量子計(jì)算基礎(chǔ)
2.1 量子位
計(jì)算機(jī)要處理數(shù)據(jù)，必須把數(shù)據(jù)表示成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的形式。與經(jīng)典計(jì)算機(jī)不同，量子計(jì)算機(jī)用量子位來(lái)存儲(chǔ)信息，量子位的狀態(tài)既可以是0態(tài)或1態(tài)，也可以是0態(tài)和1態(tài)的任意線性疊加狀態(tài)。一個(gè)n位的量子寄存器可以處于 個(gè)基態(tài)的相干疊加態(tài) 中，即可以同時(shí)存儲(chǔ) 種狀態(tài)。因此，對(duì)量子寄存器的一次操作就相當(dāng)于對(duì)經(jīng)典計(jì)算機(jī)的 次操作，也就是量子的并行性。
2.2.量子邏輯門(mén)
對(duì)量子位的態(tài)進(jìn)行變換，可以實(shí)現(xiàn)某些邏輯功能。變化所起到的作用相當(dāng)于邏輯門(mén)的作用。因此，提出了“量子邏輯門(mén)”【3】的概念，為：在一定時(shí)間間隔內(nèi)，實(shí)現(xiàn)邏輯變換的量子裝置。
量子邏輯門(mén)在量子計(jì)算中是一系列的酉變換，將酉矩陣作為算符的變換被成為酉變換。量子位的態(tài) 是希爾伯特空間（Hilbert空間）的單位向量，實(shí)現(xiàn)酉變換后希爾伯特空間，在希爾伯特空間內(nèi)仍為單位向量?！?】
3.量子算法
量子算法的核心就是利用量子計(jì)算機(jī)的特性加速求解的速度，可以達(dá)到經(jīng)典計(jì)算機(jī)不可比擬的運(yùn)算速度和信息處理功能。目前大致五類(lèi)優(yōu)于已知傳統(tǒng)算法的量子算法：基于傅里葉變換的量子算法，以Grover為代表的量子搜素算法，模擬量子力學(xué)體系性質(zhì)的量子仿真算法，“相對(duì)黑盒”指數(shù)加速的量子算法和相位估計(jì)量子算法。
3.1基于傅里葉變換的量子算法
Shor于1994年提出大數(shù)質(zhì)因子分解量子算法，而大數(shù)質(zhì)因子分解問(wèn)題廣泛應(yīng)用在RSA公開(kāi)密鑰加密算法之中，該問(wèn)題至今仍屬于NP難度問(wèn)題。但是Shor算法可以在量子計(jì)算的條件下，在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)很有效地解決該問(wèn)題。這對(duì)RSA的安全性有著巨大的挑戰(zhàn)。
Shor算法的基本思想是：利用數(shù)論相關(guān)知識(shí)，通過(guò)量子并行特點(diǎn)，獲得所有的函數(shù)值；再隨機(jī)選擇比自變量小且互質(zhì)的自然數(shù)，得到相關(guān)函數(shù)的疊加態(tài)；最后進(jìn)行量子傅里葉變換得最后結(jié)果。構(gòu)造如下函數(shù)：
就目前而言，該算法已經(jīng)相對(duì)成熟，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化的空間不大。目前研究者的改進(jìn)工作主要是：通過(guò)對(duì)同余式函數(shù)中與N互質(zhì)的自然數(shù)選擇的限制，提高算法成功的概率。Shor算法及其實(shí)現(xiàn)，對(duì)量子密碼學(xué)和量子通信的發(fā)展有著極重要的價(jià)值。[7]
3.2以Grover為代表的量子搜素算法
3.2.1 Grover算法
Grover算法屬于基于黑箱的搜索算法，其基本思想為：在考慮含有 個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的搜索問(wèn)題，其中搜索的解恰好有 個(gè)，將數(shù)據(jù)庫(kù)中的每個(gè)元素進(jìn)行量化后，存儲(chǔ)在 個(gè)量子位中， 與 滿足關(guān)系式 ?！?】將搜索問(wèn)題表示成從0到 的整數(shù) ，其中函數(shù) 定義為：如果 是需要搜索的解， ；若不是需要搜索的解，那么 ?！?2】
具體算法如下：
（1）初始化。應(yīng)用Oracle算子 ，檢驗(yàn)搜索元素是否是求解的實(shí)際問(wèn)題中需要搜索的解。
（2）進(jìn)行Grover迭代。將結(jié)果進(jìn)行阿達(dá)馬門(mén)（Hadamard門(mén)）變換。
（3）結(jié)果進(jìn)行 運(yùn)算。
（4）結(jié)果進(jìn)行阿達(dá)馬門(mén)變換?！?2】
4. 量子智能計(jì)算
自Shor算法和Grover算法提出后，越來(lái)越多的研究員投身于量子計(jì)算方法的計(jì)算處理方面，同時(shí)智能計(jì)算向來(lái)是算法研究的熱門(mén)領(lǐng)域，研究表明，二者的結(jié)合可以取得很大的突破，即利用量子并行計(jì)算可以很好的彌補(bǔ)智能算法中的某些不足。
目前已有的量子智能計(jì)算研究主要包括：量子人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，量子進(jìn)化算法，量子退火算法和量子免疫算法等。其中，量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和量子進(jìn)化算法已經(jīng)成為目前學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，并且取得了相當(dāng)不錯(cuò)的成績(jī)，下面將以量子進(jìn)化算法為例。
量子進(jìn)化算法是進(jìn)化算法與量子計(jì)算的理論結(jié)合的產(chǎn)物，該算法利用量子比特的疊加性和相干性，用量子比特標(biāo)記染色體，使得一個(gè)染色體可以攜帶大數(shù)量的信息。同時(shí)通過(guò)量子門(mén)的旋轉(zhuǎn)角度表示染色體的更新操作，提高計(jì)算的全局搜索能力。
目前量子進(jìn)化算法已經(jīng)應(yīng)用于許多領(lǐng)域，例如：工程問(wèn)題、信息系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等。同時(shí)，伴隨著量子算法的理論和應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展，量子進(jìn)化算法等量子智能算法有著更大的發(fā)展前景和空間。
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關(guān)鍵詞：量子保密；通信技術(shù)；應(yīng)用；未來(lái)發(fā)展
引言
隨著信息化時(shí)代的到來(lái)，人們無(wú)時(shí)無(wú)刻都在接發(fā)文字信息、視頻信息、電子信息等，給人們的生活、工作、學(xué)習(xí)和社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)了新的改變。為了保障信息通信的安全，防止信息傳遞過(guò)程中存在的泄露風(fēng)險(xiǎn)，采取量子保密通信技術(shù)，有效避免信息被攻擊破譯，保障了信息傳遞的絕對(duì)安全[1]。量子保密通信改變了傳統(tǒng)加密通信的局限性和不安全性，解決了存在的安全隱患問(wèn)題，根據(jù)量子力學(xué)原理與科學(xué)信息技術(shù)的有效結(jié)合，采用高精度量子測(cè)量技術(shù)和高精準(zhǔn)量子計(jì)算技術(shù)進(jìn)行計(jì)算、編碼和信息傳輸，發(fā)揮了高效安全的通信性能。量子計(jì)算利用量子力學(xué)規(guī)律來(lái)調(diào)控量子信息單元進(jìn)行計(jì)算，能夠進(jìn)行大規(guī)模、多線程地?cái)?shù)據(jù)處理，具有超強(qiáng)的計(jì)算能力和精密的邏輯性[2]。在依靠量子比特工作中，由于量子位存在的并行性、糾纏性和疊加性，量子算法在進(jìn)行問(wèn)題處理時(shí)就能夠做出傳統(tǒng)計(jì)算無(wú)法比擬的超強(qiáng)處理能力，實(shí)現(xiàn)超高精度、超高速度的工作效率[3]。隨著國(guó)內(nèi)外量子信息技術(shù)科技的發(fā)展，針對(duì)現(xiàn)有公鑰體系在單向計(jì)算時(shí)存在的易被攻擊威脅，造成信息發(fā)生泄漏的嚴(yán)重后果，開(kāi)展量子密鑰分發(fā)技術(shù)的保密通信的創(chuàng)新研發(fā)，滿足了當(dāng)前信息化社會(huì)和數(shù)字化經(jīng)濟(jì)時(shí)代的需求。通過(guò)量子保密通信技術(shù)的研究與應(yīng)用，推動(dòng)了量子保密通信標(biāo)準(zhǔn)化工作的進(jìn)行和未來(lái)的無(wú)限發(fā)展。
1量子保密通信技術(shù)應(yīng)用
1.1量子密鑰分發(fā)技術(shù)應(yīng)用
量子密鑰分發(fā)是根據(jù)量子測(cè)不準(zhǔn)原理、量子不可分割和量子態(tài)不可復(fù)制的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)，量子生成的通信密碼校驗(yàn)絕對(duì)的安全性，不會(huì)被任何方式破解。通信雙方建立量子密碼分享協(xié)議，發(fā)送方和接受方以單光子的狀態(tài)作為信息載體來(lái)建立密鑰，保證密鑰分發(fā)的安全性，密鑰分發(fā)采取一次一密的加密體制建立安全通信密碼。密鑰分發(fā)完成后需要進(jìn)行信息協(xié)同和隱私保密增強(qiáng)，糾正密鑰中存在的錯(cuò)誤，使密鑰保持一致性，進(jìn)一步增強(qiáng)信息隱私的保密安全。根據(jù)協(xié)議隨機(jī)選擇調(diào)制每一個(gè)光子的基矢，隨機(jī)的基矢可以對(duì)接收端進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在偏振編碼過(guò)程中采用單光子的水平偏振態(tài)（0°）、垂直偏振態(tài)（90°）、偏振態(tài)（+45°）和偏振態(tài)（-45°）的4個(gè)量子態(tài)，來(lái)進(jìn)行不同自由度的編碼，可以選擇垂直方向，也可以沿水平方向或其它角度作為量子信息的載體。發(fā)送方隨機(jī)使用2組基矢，按照事先約定的單光子水平偏振態(tài)通過(guò)量子信道發(fā)送給協(xié)議用戶，當(dāng)用戶接收到光子后也隨機(jī)地使用2組基矢進(jìn)行偏振態(tài)的測(cè)量，如果制備基矢和檢測(cè)基矢兼容，則表示收發(fā)隨機(jī)數(shù)完全一致，如果存在不同，發(fā)送方和用戶在從新進(jìn)行比對(duì)制備基和測(cè)量基基矢，直到收發(fā)雙方擁有完全一致的隨機(jī)數(shù)序列密鑰。密鑰分發(fā)、生成后不會(huì)被破譯或計(jì)算破解，即使在密鑰生成過(guò)程中被竊聽(tīng)也會(huì)被通信方發(fā)現(xiàn)，仍然不會(huì)泄密，保證了絕對(duì)的安全性[4]。
1.2量子保密通信與后量子安全加密應(yīng)用
近年來(lái)，我國(guó)在量子信息技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展迅速，在量子保密通信的研發(fā)中獲得突破性進(jìn)展，利用量子保密通信技術(shù)克服了傳統(tǒng)通信技術(shù)存在的安全隱患問(wèn)題，保證了通信的安全性和可靠性[5]。量子保密通信具備巨大的信息存儲(chǔ)與攜帶性能，量子計(jì)算機(jī)可以面對(duì)各種復(fù)雜難度的計(jì)算，并能進(jìn)行高時(shí)速、高精準(zhǔn)的并行計(jì)算處理能力。量子保密通信是在原有的公鑰體系進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)，采取量子密鑰分發(fā)和加密的量子保密通信方案，以應(yīng)對(duì)原有量子計(jì)算體系內(nèi)存在的安全威脅，并對(duì)現(xiàn)有加密體制進(jìn)行升級(jí)，應(yīng)用計(jì)算破解能力的后量子加密技術(shù)提高了被破解能力，避免信息泄露。量子保密通信與后量子加密的應(yīng)用，為未來(lái)量子安全信息加密技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展具有重要的意義[6]。
1.2.1量子保密通信方案量子保密通信利用量子態(tài)的疊加性和量子不可克隆原理，采取密鑰分發(fā)的密碼技術(shù)，對(duì)傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行一次一密的加密方法，完善了加密體制，實(shí)現(xiàn)了信息傳輸?shù)陌踩浴?/p>
1.2.2后量子加密后量子加密技術(shù)是一種新的加密方法，通過(guò)運(yùn)用許多先進(jìn)的技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的加密體制算法進(jìn)行升級(jí)改進(jìn)，例如網(wǎng)格編碼算法和橢圓曲線算法等，增加了防御能力，可以完全抵抗黑客的計(jì)算破解，后量子新型信息加密技術(shù)能夠與現(xiàn)有的信息安全系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兼容和平滑升級(jí)演進(jìn)。
1.3量子保密通信應(yīng)用
量子保密通信為未來(lái)信息安全提供了保障，是信息領(lǐng)域的重要技術(shù)手段，在量子保密通信中量子密鑰分發(fā)作為關(guān)鍵技術(shù)，與典型網(wǎng)絡(luò)組織和現(xiàn)有通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相融合，建立了網(wǎng)絡(luò)管控、安全服務(wù)、密鑰生成層、密鑰分發(fā)層、密鑰應(yīng)用層等組織結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了通信網(wǎng)絡(luò)的可用性和安全可靠性，并應(yīng)具備靈活高效、可擴(kuò)展的未來(lái)發(fā)展的建設(shè)需求。系統(tǒng)分為發(fā)送裝置和接受裝置，利用公共信道對(duì)密鑰分發(fā)協(xié)議合法的通信雙方發(fā)送共享的隨機(jī)密鑰。其中，密鑰生成層將生成制備的量子密鑰提供給上層，在密鑰中繼、密鑰轉(zhuǎn)發(fā)、密鑰存儲(chǔ)、密鑰輸出過(guò)程中，密鑰應(yīng)用層為量子密鑰的保密通信服務(wù)提供服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)管控平臺(tái)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)管理，安全服務(wù)平臺(tái)則負(fù)責(zé)密碼服務(wù)和安全管理。量子密鑰分發(fā)是以量子物理與信息學(xué)為基礎(chǔ)，利用量子態(tài)糾纏重疊的力學(xué)特性，在通訊雙方之間產(chǎn)生并分享一個(gè)隨機(jī)的安全的密鑰，運(yùn)用一次一密的加密方法，通過(guò)量子信道完成信息的安全傳送。由于傳統(tǒng)量子信道在傳送數(shù)據(jù)進(jìn)行量子密鑰服務(wù)的加密業(yè)務(wù)時(shí)，量子信道存在傳輸損耗，量子密鑰分發(fā)距離會(huì)被限制距離，需設(shè)置中繼節(jié)點(diǎn)來(lái)完成長(zhǎng)距離的接力傳送，導(dǎo)致安全防護(hù)存在困難，存在安全隱患。因此在現(xiàn)有較大規(guī)模的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)中，都采用可信中繼技術(shù)是異或后的中繼技術(shù)，量子密鑰只會(huì)在節(jié)點(diǎn)處暫存經(jīng)過(guò)異或后，不會(huì)對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)造成影響，具有信息傳輸?shù)陌踩院透咝省?/p>
2量子保密通信目前發(fā)展?fàn)顩r
隨著量子保密通信的發(fā)展，世界各國(guó)試用點(diǎn)呈現(xiàn)逐步成熟趨勢(shì)，但在應(yīng)用推廣方面暴露出一些問(wèn)題。主要包括三個(gè)方面：（1）應(yīng)用場(chǎng)景受到限制當(dāng)前，量子保密通信主要面向金融、政府等長(zhǎng)期安全性較高的特定場(chǎng)景之中，市場(chǎng)規(guī)模較為分散，傳統(tǒng)通信業(yè)界對(duì)于量子保密通信應(yīng)用目前仍然處于熱情度較低的狀態(tài)。此外，由于量子態(tài)信號(hào)與傳統(tǒng)信號(hào)混合傳輸時(shí)，將引入劣化性能，導(dǎo)致量子保密通信組網(wǎng)需要借助額外獨(dú)立光纖鏈路才能獲取所需資源。（2）技術(shù)瓶頸待解決在百公里長(zhǎng)距離傳輸情況下，量子保密通信可用安全碼率大約為15kbit/s量級(jí)，相比于當(dāng)前光傳達(dá)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的量級(jí)信息傳輸差距較大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的一一加密。此外，在量子保密通信組網(wǎng)方面，由于量子態(tài)存儲(chǔ)技術(shù)尚不成熟，因此，有關(guān)量子存儲(chǔ)方面難以實(shí)現(xiàn)，其中涉及的關(guān)鍵技術(shù)仍需進(jìn)一步驗(yàn)證分析。（3）安全性存在一定風(fēng)險(xiǎn)在實(shí)際通信過(guò)程中，信道節(jié)點(diǎn)不理想特性使其難以滿足安全性標(biāo)準(zhǔn)，成為不法分子利用的安全漏洞，所以針對(duì)通信安全性升級(jí)將是運(yùn)營(yíng)維護(hù)所面臨的一個(gè)難題，現(xiàn)階段，由于通信密鑰生成碼率也相對(duì)較低，很難滿足一次一密要求。現(xiàn)階段，我國(guó)量子保密通信技術(shù)在業(yè)務(wù)、市場(chǎng)、商用的應(yīng)用都處于推廣初期階段，在量子密鑰分發(fā)技術(shù)組網(wǎng)理念和技術(shù)研究中，仍然面臨一些問(wèn)題有待研究和探討。
3量子保密通信標(biāo)準(zhǔn)化工作策略與未來(lái)發(fā)展
3.1量子保密通信標(biāo)準(zhǔn)化工作策略
在未來(lái)量子保密通信技術(shù)研發(fā)中，應(yīng)保證量子保密通信設(shè)備系統(tǒng)的功能與性能的一致性和可靠性，增加設(shè)備系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)層面的兼容性、靈活性和安全性，在設(shè)備和系統(tǒng)技術(shù)、安全性能、組網(wǎng)以及加密等各個(gè)方面，逐步完善應(yīng)用體制，在未來(lái)發(fā)展中形成完整的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。首先，在國(guó)家政策支持的基礎(chǔ)上，應(yīng)加強(qiáng)量子密鑰分發(fā)技術(shù)前沿技術(shù)領(lǐng)域的研究工作，創(chuàng)新開(kāi)發(fā)新型協(xié)議技術(shù)、系統(tǒng)器件和架構(gòu)方案，加快提升量子密鑰分發(fā)技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)備成熟度、實(shí)用化水平和性價(jià)比，不斷提高量子密鑰分發(fā)和后量子加密的技術(shù)水平，完善加密體制。然后，應(yīng)加強(qiáng)量子保密通信的商業(yè)化應(yīng)用和市場(chǎng)開(kāi)拓規(guī)劃的工作策略和未來(lái)發(fā)展方向，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)合作，開(kāi)展多樣化的商業(yè)部署模式，制定標(biāo)準(zhǔn)化工作策略，為應(yīng)用發(fā)展做好引導(dǎo)和培育市場(chǎng)需求。最后，應(yīng)加快我國(guó)量子保密通信網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目工程的建設(shè)，升級(jí)設(shè)備完善標(biāo)準(zhǔn)，提高量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的網(wǎng)管和運(yùn)維能力，使量子保密通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)在完善的密鑰管理設(shè)備與加密通信設(shè)備進(jìn)行安全可靠的通信，以商業(yè)化應(yīng)用推廣和市場(chǎng)化發(fā)展為未來(lái)建設(shè)目標(biāo)，增加網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的實(shí)際可用性和安全性等標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)規(guī)模。目前，我國(guó)量子保密通信技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化、產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展水平，在國(guó)家政策的大力支持下在社會(huì)各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著國(guó)家實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，量子信息技術(shù)作為我國(guó)科技創(chuàng)新的重要發(fā)展技術(shù)，應(yīng)加快發(fā)展量子信息產(chǎn)業(yè)，推動(dòng)量子技術(shù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的深度融合，增加產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，為國(guó)家安全、國(guó)防軍事提供強(qiáng)大的技術(shù)支持，新興的量子信息產(chǎn)業(yè)推動(dòng)了我國(guó)戰(zhàn)略性發(fā)展方向。
3.2未來(lái)發(fā)展前景
量子保密通信技術(shù)在未來(lái)發(fā)展進(jìn)程中，量子保密通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展是未來(lái)量子技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵，需要加強(qiáng)技術(shù)成熟度、設(shè)備可靠性和投入產(chǎn)出性價(jià)比等各方面的研究，開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)化工作策略以促進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。近年來(lái)，隨著量子保密通信技術(shù)的不斷創(chuàng)新，世界各國(guó)在量子保密通信技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，我國(guó)雖然處于世界領(lǐng)先地位，應(yīng)需加強(qiáng)對(duì)量子技術(shù)研究機(jī)構(gòu)、系統(tǒng)設(shè)備廠商和建設(shè)運(yùn)營(yíng)單位進(jìn)行大力扶持，在政策支持優(yōu)勢(shì)下強(qiáng)化關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展能力，以增強(qiáng)科技實(shí)力，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。積極推廣大規(guī)模產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，促進(jìn)量子保密通信商業(yè)化推廣、產(chǎn)業(yè)鏈壯大和產(chǎn)業(yè)化得到健康發(fā)展。
3.2.1分發(fā)系統(tǒng)性能指標(biāo)和實(shí)用化水平有提升空間量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)在現(xiàn)有光纖網(wǎng)絡(luò)之中單跨傳輸距離在百公里以內(nèi)，密鑰成碼率有待進(jìn)一步提高。同時(shí)，量子密鑰系統(tǒng)工程化也具有一定提升空間。此外，量子保密通信系統(tǒng)仍需要密鑰管理，將其與信息通信行業(yè)緊密融合，加密通信設(shè)備。
3.2.2抗量子計(jì)算破解的安全加密面向未來(lái)量子計(jì)算對(duì)于現(xiàn)有加密體系存在的破解威脅，需設(shè)計(jì)抗量子計(jì)算破解安全加密方案，快速提升量子密鑰分發(fā)技術(shù)和實(shí)用化水平，這是贏得加密技術(shù)體制的關(guān)鍵。
3.2.3量子保密通信商業(yè)化開(kāi)拓仍需進(jìn)一步探索量子保密通信是對(duì)現(xiàn)有通信技術(shù)的一種有效安全性提升技術(shù)，能夠解決密鑰分發(fā)安全性問(wèn)題，提升通信安全性等級(jí)，具有長(zhǎng)期性和高安全性。尤其在金融專(zhuān)網(wǎng)方面，其產(chǎn)業(yè)規(guī)模相對(duì)有限，因此，在后續(xù)研究進(jìn)程中，逐漸完善量子通信保密技術(shù)，將其推廣到投入產(chǎn)出性行業(yè)之中，從設(shè)備升級(jí)、標(biāo)準(zhǔn)完善、市場(chǎng)探索等方面進(jìn)行逐一推廣與應(yīng)用。因此，在今后發(fā)展過(guò)程中，應(yīng)凝聚各方形成合力，提升工程化實(shí)用水平，引導(dǎo)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，重視標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試，引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。
