数字化传播技术范文

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中图分类号：J69文献标识码：A文章编号：1005-5312（2012）09-0125-01、一、数字化技术对音乐传播产生的影响

在数字化信息产业的蓬勃发展下，以互联网、计算机为代表的数字化新技术使得音乐传播的广度和深度发生了变化。

（一）数字化技术的发展为音乐传播提供了新的平台

在数字媒体环境中，音乐的传播途径呈现数字化的新形式，这种传播方式使得大众能够便捷、廉价地接触到音乐，同时网络这个平台使得一般大众参与到传播中，因此，大众也成为音乐的演唱者，甚至成为音乐明星。大众还可以通过一些排行榜快速地获取时下正在为受众所接受的音乐，而且大众通过网络交流形成对音乐的“口碑营销”，使得音乐广泛传播。所以，数字化技术环境下的音乐传播为音乐的广泛传播搭建了新型的传播平台。

（二）数字化技术促使音乐文化传向更深更广

在数字化技术营造的环境下，文化传播的深度和广度不同于广播、电视等大众媒体，作为大众文化的音乐在新媒体技术条件下，在传播的深度和广度上亦有所革新，因此，音乐的文化吸引力在广度和深度上得以加强。从音乐自身的表现内容上讲，一般都是以生活内容为主要的创作题材，对个体心理情感世界的观照为主，强调自我，易于沟通交流，引起共鸣。另外，音乐的演唱一般说来都是音区适当，接近人声自然音域，旋律易记易唱，构简单精致，聆听歌曲时所产生的情感体验极富自我，对每一份音乐作品，大众都可以根据自己的理解进行阐释，从而获得一种创造性的满足感。但是，这些只是构成音乐具有很强参与性的因素。作为一种亚文化，最初产生就有自己文化背景，同时它的出现也反映了一部分人的生存状态、价值理念、人生追求、性格爱好。

（三）新媒体技术条件处于消费社会之中，消费社会制造了对音乐的消费冲动

音乐作为大众文化，难逃消费社会之影响。商家们为了让更多的社会群体都能接受他们推出的歌曲，就必须通过制作、录制唱片、广告宣传、演唱会等一系列的活动来实现他们的商业目的，这需要一种工业化的生产方式，需要通过多种社会行业的协作“生产”过程才能完成，这就是工业化时代文化产品的生产方式。虽然新媒体环境下制造了非常多的网络歌星，但是，这个范围还是有一定的局限性，大多数的音乐还是通过商业化手段推广的。

二、数字环境下音乐传播问题的弊端

数字化技术所营造的环境给音乐带来以上的传播动力，促使流行音乐有了更为深入地发展，一定程度上丰富了人们的文化生活，给人们带来愉悦的工具，也给大众带来参与文化的空间，虽然仅仅是大众文化，可这种变革是值得肯定的。但是，音乐在数字化技术环境下传播的问题依然是存在。

首先，音乐的内容单一，甚至趋同。虽然数字化技术为音乐的传播创造了新的平台，比如网络歌曲、手机彩玲彩信等多种形式的传播方式；而且以网络为代表的新媒体为普通大众提供了更多的平台，亦成就了很多音乐歌星。但是当代传播媒介越来越趋向形象传播，由现代传播媒介操纵控制或影响的精神文化活动也因此日益形象化：文学变成了电影中的一连串画面，音乐变成了风景画面或某种环境氛围的背景乃至成为歌星形象的陪衬，关于世界的知识变成了赏心悦目的景观，对生存意义、价值的思索与追求变成了显现个人形象的生活方式。

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中图分类号：U673 文献标识码：A

1.什么是船舶建造数字化

船舶建造数字化是以数据处理、图形图像、虚拟现实、数据库、网络通信、数字控制等数字化技术为基础，将数字化技术全面应用于船舶的产品开发、设计、制造、管理、经营和决策的全过程，使船舶产品的设计和生产向着自动化、精细化、柔性化、智能化的方向发展。通过数字化技术与现代管理思想和先进工程方法的融合，形成船舶制造业信息化的完整体系，实现对造船业的信息化改造，使得造船企业全面提升产品的研发、生产能力，降低生产成本，缩短设计、生产周期，提高产品质量。

2.船舶建造数字化技术的内涵

船舶建造数字化技术主要体现在如下3个方面：

2.1 CAX（计算机辅助技术）

CAX（计算机辅助技术）是CAD（计算机辅助设计）、CAE（计算机辅助工程）、CAM（计算机辅助制造）和CAPP（计算机辅助工艺计划）的统称。

（1）CAD（计算机辅助设计）指在计算机及可视化设备为基础的专业化计算机系统的支持下，帮助设计人员进行设计工作。可以在CAD系统的辅助下完成从合同设计开始的一系列设计工作，建立产品数字模型，进行工程计算和分析，生成和绘制工程图，生成物料清单等。

（2）CAE（计算机辅助工程）是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。

（3）CAM（计算机辅助制造）是将计算机应用于生产制造的过程或系统，其核心是计算机数值控制（简称数控NC）。有狭义和广义两个概念。CAM的狭义概念指的是数控，包括数控机床、数控加工中心、数控生产流水线、数控火焰或等离子切割、激光束加工、自动绘图仪、焊机、机器人等；广义概念还包括制造活动中与物流有关的所有过程（加工、装配、检验、存贮、输送）的监视、控制和管理。

（4）CAPP（计算机辅助工艺计划）是通过计算机进行产品加工的工艺路线制定、工序设计、加工方法选择、工时定额计算，包括工装、夹具设计、刀具和切削用量选择等，生成必要的工艺卡和工艺文件等。CAPP是连接产品设计CAD信息和加工制造CAM信息之间工艺信息的桥梁，是生成各种加工制造，管理信息的重要环节。

2.2 企业业务技术过程与信息管理

通常包括PDM/PLM/ERP/MES/CIMS等。即产品数据管理PDM、产品生命周期管理PLM、企业资源计划ERP、制造执行系统MES、计算机集成制造系统CIMS等。它们通过信息技术与现代管理理念的融合，使人、资源、技术、管理等要素有机地结合起来，从而实现设计及生产过程管理的精细化和企业资源利用的优化。

2.3 数字化装备

软硬件相结合的数字化装备，如NC（数控设备）、FMS（柔性制造系统）、Robot（机器人）等通过数字控制形成的生产自动化装备。这些设备通过离散的数字信息控制设备或传动装置的运行，实现生产加工的自动化。

3.船舶建造数字化技术的发展历程

3.1 单项技术的企业部门级应用阶段

该阶段主要是单项技术，如数值计算技术、CAD/CAE/CAM技术、数控技术以及各种部门级的管理信息系统，如财务、人事、OA、物资等管理系统在企业部门的局部范围内的应用。部门级数字化技术的应用作为一种技术手段对提高设计和生产效率、提高产品质量发挥着重要作用。

3.2 企业内综合应用集成阶段

这一阶段是由企业内的信息集成、过程集成到应用集成。通过信息集成保证了系统间信息的一致性，通过应用集成使企业内部的各种信息系统组成了一个有机的整体，大幅提高了数字化技术应用的整体效益，使得企业设计、生产、经营、管理的各种业务活动得以协调运行，大大提高了企业的生产能力。

3.3 企业间的应用集成阶段

由于互联网技术的快速发展，促使电子商务、供应链管理、协同设计、敏捷制造等一些基于互联网技术的新型管理思想和管理方法得以实施，使得船舶这种具有大量配套设施的高度复杂产品的制造能够实现跨地域的专业化企业间的协同运作，使产品能够快速地、柔性地应对用户的需求。

自20世纪60年代末将计算机用于船舶线型放样开始，我国船舶行业信息化已历经40多年，国内造船业经过不懈的努力，使得造船数字化技术已逐步渗透到造船业价值链的每一个环节，引进或自主开发了各种各样的信息系统，已广泛应用于船舶设计、建造和管理过程中。国内一些骨干造船企业和研究院所已开始引进虚拟仿真技术，开展船舶和海洋工程的产品虚拟设计和建造过程模拟等研究。

4.船舶建造数字化技术体系

制造业数字化技术是以现代设计制造的工程方法和先进制造理论为依据，以数字化技术为手段，面向产品全生命周期，理论方法与应用技术相结合的一个复杂的技术体系。

4.1 现代制造理论与数字化技术基础

主要有计算机集成制造、并行工程、精益生产、敏捷制造、大批量定制等现代制造理论，以及建模技术、仿真技术、优化技术、集成技术等数字化技术紧密结合，形成了其技术理论基础。

4.2 数字化基础环境

主要包括计算机系统及系统软件、数据库管理系统及相关技术、网络系统及相关技术、信息安全体系、信息标准化体系等。

4.3 数字化产品开发设计技术

主要包括产品需求分析、设计开发、生产制造等各个阶段中，为分析和解决产品设计和制造过程中的各种问题而提供的数字化的技术方法和应用工具，如单项应用技术CAD、CAE、CAM、VR等，过程管理和集成平台PDM、仿真及优化应用等。

4.4 数字化制造技术

主要有数字化生产计划与制造执行控制、数字化工艺过程、数字化装备、数字化制造单元、基于数字化的生产系统综合集成等。

4.5 数字化管理技术

主要包括现代企业管理模式、集成化管理与决策信息系统、企业资源计划与管理系统、企业生产项目管理系统、企业间协作的供应链管理与电子商务技术、企业质量管理的相关技术及企业管理系统的应用实施过程及方法等。

船舶建造数字化技术是制造业数字化技术针对船舶制造的特点和具体要求的实际应用。船舶建造数字化技术体系包括现代制造与数字化技术基础、船舶产品的数字化设计技术、数字化制造技术、数字化管理技术和一体化集成技术，此外，还有数字化基础支撑环境与相关技术等。

（1）船舶产品数字化设计技术以三维建模技术、数值计算技术、CAD、PDM、并行协同技术等数字化技术为基础，按照船舶设计不同阶段及不同专业的规范和技术要求，形成船舶各设计阶段的数字化技术。

（2）船舶产品数字化制造技术以MES、CAPP、NC、过程仿真等数字化技术为基础，根据现代造船模式的要求，形成制造执行层面的船舶数字化制造技术。

（3）船舶产品数字化管理技术则是将制造业先进的管理理念和方法与数字化技术相融合，按照船舶生产管理特点，形成船舶制造数字化管理技术。

（4）一体化集成技术则是进一步在设计、制造、管理等数字化技术应用的基础上，实现信息的集成和应用的集成，达到工程的并行和协同。

上述数字化技术的研究、开发和应用需具备相应的基础环境，需要解决一些相关的关键技术，如信息标准化、编码体系、产品数据库、企业资源数据库、集成平台、信息安全体系等。

5.船舶建造集成系统

船舶建造集成系统涵盖船舶建造企业的设计、制造、管理的主要业务过程：

（1）设计方面主要包含船、机、电、舾装、涂装等专业门类的设计CAD系统、船舶设计虚拟仿真系统，以及结合生产工艺要求的各个专业的生产设计系统。设计系统生成的设计数据通过PDM（船舶产品数据管理系统）存放并管理，以PDM作为平台，为船舶制造系统和管理系统提供有关产品信息的共享。

（2）船舶建造和管理系统通常包含工程计划管理、物资与物流管理、成本管理、财务管理、质量管理、企业资源（设备与人力资源）管理，以及MES（制造执行系统）等。

（3）制造执行系统控制车间级的生产制造执行过程，如造船精度管理、资源日程计划、作业安排与执行实绩反馈等。制造和管理系统根据企业经管计划和产品生产设计的要求制订工程计划、采购计划、生产计划和其他生产准备工作，通过制造执行系统贯彻实施生产作业过程。

结语

随着信息技术的飞速发展，制造业的新思想、新方法、新技术层出不穷、日新月异，船舶建造业应该紧跟现代科技潮流，不断创新，以实现船舶建造技术的跨越式发展。

参考文献

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中图分类号：G206　文献标识码：A

传播观念是人们对传输活动的总认识和态度，也是一种对已有的传输形式和方式的固有概念。它来自于客观现实的实践，是一种相对稳定的概念存在，与现实实践相比往往具有一定的滞后性。数字出版系统不等于电子书出版，也不仅仅只是指网络出版。数字出版环境下，传播观念在现实的传播活动发生较大变化时也相应地发生了变革。

一、数字出版环境下的传播观念

(一)全球出版观

传统出版走向数字出版是大势所趋，而融入全球化出版又是数字出版发展的必然要求。“一个国家的出版业，是一个国家集体表达的重要形态和存在方式。一个国家出版业的成熟程度，是一个国家集体表达的成熟程度的重要标志，也是其在世界范围内获得话语权程度的标志。”随着中国在全球范围内的影响日益提升，数字出版需要成为全球性企业，在世界话语舞台上传播中国的声音。虽说传统出版环境下全球化也是大势所趋，但是无论从传播的手段或者方式，传统出版都难与数字出版相较，其面临的国际化压力和竞争也难与数字出版相比。

同时，随着我国融入世界的深度不断加剧，出版业正面临着国际资本和国际出版业的“融入”与挑战。国际出版巨头具有的雄厚资本和技术优势，丰富的市场营销和管理经验，不管他们采取直接或间接的方式进入中国出版领域，都将对我国的出版业带来巨大的压力和挑战。如果说传统的出版环境下，我们还可以依仗特殊体制的存在自足一隅，那么数字化时代全球出版就是元法回避的必然趋势。

(二)立体传播观

数字出版的立体传播主要体现在传播符号、报道手段和出版网络的综合运用。传统出版依靠受众自身的知识经验，靠沉思默想的方式对信息进行解读、重组获得客观事物的形象；而数字出版以文字、音频、视频和数字特技，根据受众需要进行立体形象的客观再现而无需动脑费神，它能穷尽你能想象的一切事物或信息，它可以真实再现人物或事件的原貌形象，可以让你目睹他的长相、衣着、动作手势以及在整个事件中的一举一动。同时，数字新闻出版还是集所有报道方式为一体的立体报道网络，消息、通讯、评论等只是这个立体报道系统的组成部分。在数字传播中，网络也不再只是某一类型网站的传播，而是集合多种数字传播渠道的立体网络传播平台，通过纵横交错的立体通讯网络实现“点对点”传播，将新闻报道推向“个性化”的发展，呈现立体化报道形态。

(三)双向传播观

双向互动是数字传播的主要特点。数字传播利用高度发达的网络技术，将现实的信息转换成以二进制数字式存储机制在各种介质之间进行自由转换，彼此流通；高度发达的网络技术使得传授两端的信息能够以极快的速度进行交流互动，融合媒体的网络平台最终会给受众以更多的自由表达机会。在这个过程中，每一个人既可以是信息的接受者，同时也可以成为信息的者。

(四)融合传播观

数字出版的融合主要体现在全时、全方位、全媒体的传播过程中。传统出版业受时限制约无法做到全时传播。全时传播也不仅仅只指全天候传播，它还包括全历史、全过程传播。全历史传播，要求数字出版必须有完整的历史向度，满足受众知晓事件背景和明确事件“前景”的欲望；全过程传播，则要求对特定事件的后续进程保持恒久的兴趣，全程跟踪某些重点事件，做到对后续消息无所遗漏、即时。数字出版利用网络平台和数字技术，融合多种传播渠道、传播手段和方式，实现对信息的深入报道，广泛加工，精准整合，多角度解析，实现信息的多形态、多手段、多方式的立体报道状态，最终达到对事件的全方位解析。

二、传播观念的改变对受众接受行为和习惯的影响

(一)接受方式和接受习惯的变化

数字出版条件下，所有信息传输都以机械的二进制技术为核心进行不同媒体形式间的自由转换，传播不再以实物的方式呈现，而是以抽象的数字形式存在于各网络中间。这种全新的传播方式在接受手段上呈现出多样性、便捷性和直接性特征，包括手机、互联网、数字图书馆、手持阅读器等多种工具。数字出版时代的人们可以在任何时间、任何地点，通过任何方式获取所需内容。由此可见，二进制的数字技术改变了过去的文本传播，带来受众阅读方式的改变。这些变化，又直接影响到受众的阅读体验、阅读习惯、阅读速度、阅读质量和阅读效果。

(二)信息消费的随意性、自由度增强

随着数字技术的不断发展，各种新型阅读终端推陈出新，使得数字传播的接受更加随意和自由，受众无论在静止状态或者在运动过程中都可以实现阅读活动。数字出版阅读设备打破了传统出版物集中、连续的阅读习惯，实现随时、间断的阅读活动。随意性和自由性是数字出版环境下受众信息消费的基本特征。

(三)阅读的浅表化、实用化趋势

传统出版物的阅读强调通过对文字的推理联想进行信息的获取，这种阅读利于人们抽象思维的发展。随着传播技术的发展，快餐文化迅速发展，人们的阅读越来越倾向于浅表化、实用化。

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中图分类号：G124 文献标识码：A

Research on Network Digital Game with the

Classic Cultural Transmission Mechanism

XU Jinli

（School of Media & Communications， Anhui Normal University， Wuhu， Anhui 241000）

Abstract Impact of network digital games on people becomes increasingly apparent， as a product of popular culture， both the property itself and dissemination of cultural heritage. This article from the network digital game in the dissemination of culture should adhere to the authenticity of the epidemic， entertainment and other principles， the classical cultural heritage in order to better play the role of educational enlightenment games， online digital games should select the game from the cultural background visual design elements， language composition， the game is set trigger settings and virtual identities five aspects， in order to complete the subtle spread of classical culture.

Key words network digital game； game； culture transmission

网络数字游戏因其炫丽的画面、华丽的技能、精彩的剧情及独特的虚拟体验使越来越多的玩家欲罢不能。无论是激烈的对战游戏、还是环环相扣的闯关游戏、亦或是自我实现的角色扮演游戏，其代表的不仅仅是一种娱乐，它表明了“人们对另一种生活的希望”。①网络数字游戏大到背景选择、小到任务触发，都能发现文化的影子。正如庹祖海所说：“网络游戏不管是以软件的形式出现，还是以某种数字化的形式、在线的形式或者其他任何形式出现，载体及传播方式都只具一种技术的属性，改变不了它所承载的文化内容的本质”。②因此，网络数字游戏虽然是虚拟游戏，但却来自现实生活，来自人们对文化的期望。随着网络数字游戏参与者年轻化趋势的加强，发挥网络数字游戏的积极教育教化作用，促进人们更好地学习与传承优秀文化，则成为网络数字游戏制作与推广者应当注重的问题。

1 网络数字游戏的文化采用原则

网络数字游戏是指基于网络平台的“以数字技术为手段设计开发，并以数字化设备为平台实施的各种游戏”。③网络数字游戏包括电脑游戏、网络游戏、手机游戏等基于网络平台的游戏。作为一种全新的交流方式，越来越受到广大玩家，尤其是广大青少年的欢迎。在网络数字游戏中玩家自主的观察、尝试和把握知识的过程，是其实现自我价值的过程，玩家这一主动接受文化知识的行为，为我国优秀文化的传承与传播提供了可能。同时，文化又是网络数字游戏发展的内生动力，离开文化，网络数字游戏则沦为纯娱乐性的事物，不具有发展的持久性。因此网络数字游戏在使用文化元素时应当注重文化选择的真实性、文化设计的流行性、文化体验的娱乐性等三原则。

1.1 游戏文化选择的真实性

对于游戏正如荷兰现代文学史学家胡伊青加所言：“文明是在游戏中并作为游戏而产生和发展起来的”。④网络数字游戏中的文化主要包含整个游戏的世界观、价值观、故事背景、游戏氛围等，其主要目的是让玩家在游戏体验的过程中，感悟文化，进而主动接受文化。如对战游戏《真三国无双》，其模仿《dota》的对战模式，把西式英雄改编成三国英雄，对英雄的选择也按照三国时期英雄原形，并对其按照英雄性格进行武技创作。在游戏的设计中，无论是原创游戏还是改编游戏，其主要是对文化的选择。而在文化选择过程中，应当遵循着文化真实性的原则，整体文化背景应按照历史原型，不能掺杂过多的游戏设计者的个人兴趣，例如不能把三国文化放入封神时期，不能把热兵器放到冷兵器时期。当前我国对传统文化的游戏选择多为武侠文化、游仙文化。对真实的历史文化也多选择社会比较动乱的年代，例如春秋战国时期、三国时期、半封建半殖民时期。为了让玩家能够更好地了解优秀文化，对文化的选择应当真实，并且通过游戏来感悟文化，做到培养玩家正确价值观的目的，按照尊重原著、尊重历史的原则，用优秀的文化来武装游戏，减少其对社会的危害和对青少年的思想腐蚀。

1.2 游戏文化设计的流行性

以网络内容产品和个人虚拟身份为生存方式的网络数字游戏，其设计的首要目的即是流行，是让更多的玩家参与游戏当中，体验超真实的游戏感受。网络数字游戏需要结合玩家的需求设计出独特的文化表现形式。在遵循文化整体背景的真实性的情况下，对文化的具体要素进行变形、创新。设计出符合当代玩家心理的应用要素。其具体可以从场景设计、人物造型、副本安排、音效音响选择等角度进行。让游更加生动和形象，更能吸引玩家的注意。如腾讯推出的对战类游戏《英雄联盟》，在绚丽的技能，华美的服饰满足了青少年的视觉诉求，而简单化的操作降低了游戏的门槛，超的战争节奏又使玩家从中获得一种满足，其流行程度不言而喻。

1.3 游戏文化体验的娱乐性

亚里斯多德认为“游戏是劳作后的休息和消遣”，⑤以直接获得为目的。在网络数字游戏文化的创新中，应当注重游戏的本质特征，应当把传统文化内含于游戏之中，把娱乐性外露出来。同时增加受众的直接体验，让玩家真正融合到游戏之中，形成游戏中的互动，使个体“人”的自然性和社会性得到了最彻底的体现和很好的融合。从生理到心理为玩家的娱乐、放松（更多的是放纵）提供了绝对的安全保障，最大限度地满足了人们安全的需求。

2 网络数字游戏文化的传播介质

在具体的文化实施过程中，应当本着潜移默化的原则，让玩家在不知不觉中接受文化并且传承文化。网络数字游戏文化的传播要素主要包含游戏背景设置、游戏视觉要素、语言文字构成、游戏触发RPG、身份设置等。可以说游戏中任何一个要素都可以成为优秀文化传播的载体。具体而言，主要有：

2.1 游戏文化背景

网络数字游戏的背景或者说是故事主线是每一款游戏的基础。对已有传奇、文化作品和历史节点的改编成为网络数字游戏背景选择的重要方式之一。通过这种方式，可以把传统文化以一种全新的演绎和阅读方式展现在玩家面前，让玩家在做任务、打装备、做活动、完成交易的过程中学习传统文化。例如《梦幻西游》以《西游记》为背景蓝图展开，以唐僧师徒西天取经来普度众生的故事为主线，让玩家参与西游当中，感受与妖魔斗争的乐趣，其中剧情的安排都与《西游记》的角色关系相一致，让玩家在娱乐的同时熟悉经典小说的经典片段。

2.2 游戏视觉要素

游戏视觉要素设置的是否合理直接影响到游戏被玩家的认可程度。精彩的游戏画面不仅可以吸引玩家，更能让玩家以此为荣。而游戏视觉要素的设计也是传承优秀文化的重要手段。中国古典式的建筑风格可以体会不同时期建筑的特点，游戏服饰的设计则能发现历史时代的文化的影子。水墨画、粉彩画为背景的写实，则突出了我国“平远”“深远”“中庸”的文化精髓。例如《封神榜》中游戏中三种职业中道士和异人两种职业属于游仙类，那飘逸的服饰及身边环绕的彩霞无不彰显着传统文化中游仙的形象。仙气萦绕的瑶池、玉虚宫等道教游仙文化中的名地，在游戏中也做了恢弘的展现，三昧真火、雷风甲、摧身咒、补心咒、破甲咒、疾风咒等道术，也忠实地尊重了原著，让玩家在体验畅意恩仇的同时，接受并传承着经典仙侠文化。

2.3 游戏语言与文字构成

传承经典文化最有效的方式是语言和文字，这也是每位玩家都必须研究并且能够耐心学习的要素，游戏中的场景介绍、副本介绍、武器装备性能及合成技巧、任务说明等都需要详细的文字进行说明，而这些介绍则可以和传统文化相结合。例如在一个局部场景中对其主要历史事件的必要说明，则能够让玩家记忆更为明确。武器装备的介绍更可以让玩家了解武器装备的来历及其所蕴含的意义等。但当前值得注意的是，我国的网络数字游戏的有声语言和文字还处于单声道阶段，并没有完全做到字幕与配音很好地统和，这在一定程度上影响了游戏的发展。

2.4 游戏触发机制

游戏的触发机制是游戏得以推进的必要条件，而游戏的触发机制可以是完成一个小任务、一个规定的RPG、一个小小的道具等，这些因素都或多或少的某种意义。因此在这些因素中把我国优秀的传统文化融入进来，可以使玩家更好地了解所融入文化的意义，并且为了更好地进行游戏，也能促使玩家进行扩展阅读，进一步完善知识系统。例如在游戏中的可以设置“御玺”为触发因素，只有玩家找到御玺并且回答问题后，则可进行下一个环节。再或者，可以把“生肖头”设置成触发机制，在集齐12生肖铜头的过程中，介绍八国联军的历史，让玩家更好地且主动地获取这段历史知识等。

2.5 游戏身份设置

游戏身份是玩家得以进行游戏的前提，也是玩家实现虚拟自我的载体。在不同的游戏中设置有不同的角色类型，但这些类型都应当与文化故事背景相统一。例如《剑侠情缘II》在游戏中设置了与北宋时期有关的江湖门派，主要有武当、唐门、峨眉、丐帮、少林等五大门派，每一种门派都有两三种不同类型的角色。这些门派和角色都有符合仙侠文化的武功心法，这对了解北宋时期的仙侠文化有着有益作用。在游戏中，玩家对角色选择一方面按照自己的乐趣，另一方面则是按照自己对既定角色的了解程序，把游戏自我的实现与游戏的主线背景交织在一起，共同构成游戏故事。因此身份是玩家进入游戏并且深入游戏的必要手段，也是文化传承的虚拟实体。

3 总结

自越来越多的青少年进入网络数字游戏以来，网络数字游戏广受争论，把其比喻成“网络”的论断也越来越多。但是作为大众文化的产物，其存在与发展也有其必然性，网络数字游戏不仅仅是娱乐和休闲品，也是一种文化用品，一种承载文化的介质。其承载文化、教化玩家的作用也越来越大，网络数字游戏对玩家的影响是持久性的，我国优秀的文化也可利用游戏进行潜移默化的传承。把网络数字游戏与经典文化传播相结合，不是一蹴而就的事业，需要更多的人参与进来，进行不懈的探索。

注释

① Hugo Rahner：Man at play[M].New York：Herder and Herder.1972：65.

② 庹祖海.关于网络游戏文化责任的思考[N].光明日报，2009-04-05（006）.

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1 数字化船舶建造技术简述

数字化船舶建造技术就是利用计算机系统和多媒体对船舶详细设计进行三维建模辅助、完成生产设计图纸并具有可施工性、可修改性的一种造船技术。这种技术是船舶生产设计优化、缩短建造周期、节约能源及材料、沿着“绿色造船”方向发展的重要措施。它是现代数字化造船模式体系―数字化船舶设计、数字化工程管理、数字化船舶建造三大项目中发展得最快、最关键的一项技术。

本文所述的是应用于国内中小型船厂具有船舶建造仿真、综合放样、自动生成零件生产图纸和船用材料信息功能的数字化船舶建造技术。下面就我厂运用此技术建造的船舶项目分析探究其实现价值。

2 传统船舶生产技术概述

过去，国内中小型船厂因设备使用、科技信息管理、生产流程都处于一种习惯性的模式，生产设备也不及大型船厂，使船舶建造周期规划、材料损耗控制、成本核算都处于较为落后的阶段。本文以广州市番禺灵山造船厂有限公司为例叙述其过去十年船舶生产技术的方式和改变。我公司早期的生产设计主要使用手工绘图，以详细设计图纸直接作为生产图纸，型线放样采用1：1实体放样，管路和电缆没有进行整船放样，而是直接在建造中的船体结构上进行具体布置。随着造船业务的拓展，所造海洋船舶不断增加，排水量增大，结构相对复杂，检验标准更严格，采用传统生产技术将面临零件加工速度慢，船台占用周期长，整船管路电缆综合放样难度大等问题。船厂为解决这些问题而更新了硬件设施，如等离子数控切割机、液压曲板辊弯机、大型压力机和起重机等，而施工图纸采用CAD绘图，这些措施相对解决了零件加工和分段建造速度问题，但生产图纸设计方面仍然相对落后，与各硬件设施的软件系统数据连接不佳。下面列举生产设计与生产设备结合方面仍然存在的一些弊端：

（1）复杂曲面放样困难，放样精度也取决于生产工人的技术水平，往往增加施工过程的修改，产生程度不同的返工现象，从而造成生产周期加长等不良后果。

（2）数控切割零件的利用率低。数控机切割的零件图形是在CAD里绘制并进行人工排列，在排列时需要计算零件的尺寸，这种套料方式效率低，板材利用率也低。

（3）分段建造及合拢技术未达到最优化。分段大小受起重能力和船台空间制约，重量重心采用人手计算，工作量大。

（4）船舶下水压力分布计算，重量重心计算主要使用经验公式。

3 应用数字化船舶建造仿真技术

随着造船业务不断发展及商务运作需要，订购商要求建造周期大为缩短，为适应市场需要，我厂在2008年购买了一套加拿大SSI公司的船舶建造设计软件-Shipconstructor2008。该系统在发挥硬件设备最大效益、生产数据的统筹、缩短建造周期以及节约建造成本方面取得较为满意的成效，但软件系统仍然存在一定的局限性，尤其管路设计中零件投影效果不理想、图纸修改比较困难等问题比较突出。

我们在使用该软件系统的两年时间内，把软件系统与船厂生产的各个环节完全结合，下面就在建和已建船舶项目的数字化技术应用上概要介绍，供同业参考。数字化仿真生产设计从退审图开始，其生产设计流程如图1所示。

下面以我厂去年下水的一首56米海洋供应船为例，介绍该技术的实际应用。

3.1 船舶总体型线放样及光顺、有限元模型的生成技术

过去船舶的造型设计只通过平面图纸表达，感染力不强。采用三维技术进行船舶放样，能把设计师的设计思想完整表达出来，增强设计的真实感及制作效果图展示给客户，如图2所示。

我们还针对复杂结构舾装件与船体结构的接合及其工艺安装过程进行三维可视化图形制作，优化复杂船体结构的设计，提高放样精度减少现场返工。某些复杂加强结构需要作局部强度计算，而使用这些已经建好的三维模型则可直接用SAT格式导入所有有限元分析软件中使用，这样可以避免重复绘图（见图3）。型线的光顺和放样源于同一个软件系统，使性能计算及舱容计算与实船误差大大减少，而且同样可以避免重复绘制型线。

图2 56米海供船3D效果图

图3 56米海供船载货区甲板骨架有限元分析云图

3.2　生产设计及施工设计数字化

生产设计使用三维技术及共用数据库，施工图纸采用分段半立体显示及零件加工装配数字化是我厂船舶生产的一大改革，也是SC2008软件系统的核心功能，我们利用该软件系统的功能结合自身生产技术、工艺习惯及设备条件设计出一套完整、具实用价值的生产方法。

下面按过去和现在的船舶生产设计及施工技术对比，介绍数字化仿真技术的应用情况及实现的价值：

（1）型线及外壳板放样

（2）结构零件放样及加工

（3）分段装配图

（4）综合放样

在未使用数字化船舶建造仿真技术之前，船体结构的建造以船台正装、散装为主，就算采用分段建造形式，也仅限边水舱以独立分段建造，分段合拢方案主要依靠施工经验。零件的拼装依靠详细设计平面图纸，因此需要通过文字描述零件的安装位置和安装工艺。零件余量及合拢缝余量未经过严格计算，加放量比较大。由于建造精度未得到严格控制，返工情况比较多。这种施工方式会消耗大量的工时，浪费材料较多，导致增加建造成本。针对以上问题，我们现在使用新技术手段进行优化，具体措施如下：

（1）在结构零件放样时取消全部内部构件余量，而把三维建模做到最仔细，仅限在外板及主甲板分段合拢处增设余量，而且小于50　mm。纵向零件尺寸按比例增设焊接收缩补偿量，曲面结构需要计算弯曲伸张量，按伸张量安排补偿量加放位置，严格控制外板余量的加放，主要为取消一部分外板的纵向接缝余量。胎架按反变形理论设计。

（2）尽可能把所有零件使用数控机切割，这样可使零件尺寸和仿真模型一致。套料过程在计算机里完成，利用人机结合方式优化套料过程，保证材料利用率达到理想目标。

（3）从套料图、零件加工图到分段装配图使用同一套完整的零件编码，零件名称编采用数字化编制，能表达零件的装配位置及工艺。而这些编码是人工设计，计算机自动生成。零件装配编码原则文件里，零件名命名方式为：　项目号-分段号-结构平面号-拼装顺序号-工艺要求号，使工人安装思路清晰，材料分类堆放次序分明，提高堆场面积利用率，从而增加加工装配场地并提高装配效率。

（4）分段划分过程使用电脑模型进行三维可视化划分，根据船台起重能力及空间大小合理设计分段的重量重心，并进行合拢过程模拟，对分段合拢过程分析做到最精确，提高分段建造的安全性。分段装配一改以往平面图形显示形式，采用半立体图形显示，结合数字化编码运用，一般均可满足施工要求，只有在精细结构装配才会再拆分成平面图形。

（5）以分段设计船体结构并制作分段电脑模型另一个重要作用是为舾装、管路、电气综合放样作基础平台，使管路零件走向、电缆走向及其他设备附件综合显现在船体分段模型上，从而很直观显示布置效果，防止以往施工中相互矛盾及位置重叠等现象。

图4为按分段设计的生产图纸。

图4 56米海供船升高甲板分片装配图

以往我厂的舾装、管路及电缆是各专业生产车间根据原理图和布置图在船台直接进行其具体布置设计和零件放样，导致各专业同时放样会出现相互干涉情况较多，返工次数增加。为改善这些不良现象，我厂决定研发综合放样技术，让各专业技术人员使用同一个数字化建造仿真系统，合理制定工作流程和区域划分，在电脑里完整绘制舾装立体图、完整的管路系统、电缆托架图及电缆走向图。在船体结构模型绘制完毕并且部分分段开始建造的时候其他专业可开始进行布置和放样，在设计时期进行多次有必要的个专业零件布置协调会议，确保舱内空间利用率最大化。数字化船舶建造仿真技术能极大减少管子余量、活动管数目、电缆材料浪费、舱室装修的影响及各种施工耗时。另外，使用此技术绘制的起锚机、拖缆机、收缆机等舾装设备的安装示意图均以立体形式显示，能使安装步骤方法更为清晰，从而提高安装速度。

3.3 生产进度及材料成本优化

经过数字化船舶建造仿真技术进行生产设计后，图纸的速度和质量得到一定提高并且通过减少结构余量，提高钢料利用率，减少返工数量及电算化材料配额清单节省成本。响应“数字化造船”和“绿色造船”两大主题。通过56米海供船的母型船（其母型船未使用数字化技术生产）建造进度和材料用量对比总结，56米海供船在劳动力投入、建造工时、能耗及材料用量上共节省成本约15%。

4 数字化造船对安全生产的效应

数字化船舶建造系统由于能得到精确的全船各分段重量、重心位置数据，从而可以根据船厂起重设备布置、起重工艺技术的特点优化分段设计、指导吊装作业，大大降低吊装作业的危险性。

数字化船舶建造仿真技术也为船舶下水计算提供了更有力的理论依据，在船舶下水时，其完工量仅为部分完工，而且各船下水时重量分布情况也有差异，以至于使用母型船换算法也难以得到足够准确的数据，使用手工计算对这种船舶个分段完工量程度不一、重量分布不规则的船舶下水过程重量、重心及压力计算长期困扰着技术力量相对薄弱的中小型船厂。鉴此，使用数字化船舶建造仿真系统进行船舶下水计算是最佳的技术手段，这是由于船舶建造仿真系统本身就能按建造进度拆分船体分段及局部结构，而且计算速度快、准确度高。下水重量、重心及压力分布计算数据也对整个船舶下水安全性分析起关键性作用，从而大大提高船舶下水的安全性。

由于数字化分段综合放样的实现，为分段舾装、管路、电缆混合安装提供基础条件，大大减少船体结构分段成型后多种专业项目的交叉作业量，从而减少生产安全隐患，提高机、电设备安装作业环境的安全性。

5 今后设想

（1）发展工程现场数字化系统，把技术部的三维电脑模型直接作为施工文件直接在工（下转第页）（上接第页）程现场使用，并可在工程现场利用计算机即时查取所需的施工数据，减少工程现场交谈次数，并进一步缩短生产周期及节约能源。

（2）组建工程管理信息集成系统（ERP系统），整合仓库管理、供应采购、成本核算、工程管理的数据信息库，逐步实现船舶生产管理数字化。

（3）继续完善已有的数字化船舶建造仿真技术，软件系统需要根据实际情况进行升级或改用其他功能更好更适合我厂的软件系统。

6 结束语

篇6

目前，各国对于船舶电气自动化的研究主要集中于电力电子技术、自动监测报警技术、可靠性保障技术等方面，这些领域的任何技术进步和发展都将对船舶事业的发展起到巨大的推动作用。

1 船舶电气自动化技术的特点

1.1 综合化

现阶段，船舶人机界面的交互功能越来越强大，很多操作能够借助电子屏幕来完成，这为船舶电气自动化技术的综合化发展奠定了重要基础。同时，电子信息技术以及电气模块化的快速发展，使得船舶电气自动化系统能够更加灵活地进行组态，进而使船舶越来越呈现出综合化的发展趋势。

1.2 网络化

数字技术与总线技术的大力普及，促进了船舶电气自动化系统的网络化发展，特别是总线技术的进步与应用，使得船舶的不同部件与模块之间可以很方便地进行信号传送与交流，这是电气自动化系统网络化的重要基础和前提。船舶电气自动化系统的网络化，使得传统的人工操作模式被各种自动化技术所取代，大大提高了电气系统工作的效率及稳定性。

2 船舶电气自动化关键技术

2.1 电力电子技术

（1）轴带发电。轴带发电技术是利用发电机主轴进行驱动，依据主机的工作状态来调整和控制轴带发电机的一种技术。如今主流的轴带发电系统均使用晶闸管逆变方式。为更好地发挥节能降耗效果，研究人员开发了T/G与S/G相组合的SSG系统，其中S/G借助静止变频器和电网连接在一起。若船舶电力消耗过高，T/G无法满足要求，则S/G充当发电机，对船舶电网进行补充供电。若电力消耗较少，功率闲置较多，则S/G充当电动机，利用电网能源来协助主机推进。需注意的是，在S/G系统中，发电机的任何输出活动都要经过变频器的控制与调节，故必须采用大功率的电力电子器件。而现阶段的变频器存在造价高、体型庞大、功率因数低等问题，为解决这些问题，异步轴带发电机技术通过双馈异步电机转子频率补偿来稳定频率和电压，节能效果十分显著。

（2）电力推进。以往电力推进技术仅用于小型船舶之中，但随着技术的不断发展，如今电力推进在大型船舶中也有所应用。船舶电力推进系统的类型比较多样：按照动力来源的不同，可分为柴油机式和燃气轮机式；按电机布置形式，可分为机舱式与吊舱式；按传动方式的不同，可分为交流传动推进和直流传动推进两种，其中交流传动推进是近几年发展的主要方向，原因在于交流传动更能保证系统的稳定性。

2.2 自动监测报警技术

机舱自动监测报警技术能够实时地对电气设备的运行状态进行监测、记录及警报，可以有效降低轮机员工作强度，同时大大提高船舶电气自动化系统的稳定性。当前自动监测报警技术发展方向有：一是引入自动化综合系统，以更加准确及时地发现并排除故障，提高系统稳定性。二是研发DCS自动监测系统，对监测采集的数据信息进行集中管理，这样既能在微机控制系统中进行报警显示，又可以控制各电气设备的稳定运行。DCS自动监测系统由三层微机网络组成，其中主站位于控制室，具有界面显示、打印等功能，而通讯站、信息转发站及各类分站等设置在机舱中，各分站分别具有独立的监测功能，所监测到的数据信息经信息转发站发送至主站，从而实现了计算机、控制、通信三者的有机结合。

2.3 可靠性保障技术

（1）电磁干扰技术。电磁干扰是影响船舶航运的重要因素，尤其是一些导航仪器与强电设备在启停瞬间对电磁干扰十分敏感。电磁干扰的产生需要具备三个条件，一是干扰源，二是将电磁干扰导向电力系统的传输介质，三是对电磁敏感的接收元件，只要破坏上述条件中的任意一个，就可以有效屏蔽电磁干扰，具体的方法包括消除干扰信号、隔离干扰源、切断电磁传播路径等。例如，采用独立的供电设备，并设置相应的滤波装置，对高频干扰信号进行过滤，可以有效解决交流电源所带来的电磁干扰问题。再比如，通常电气自动化系统的信号输入部分设置在船舶驾驶室，而信号接收部分则设置在机舱中，两者之间的信号线路较长，容易受到电磁干扰，对此，建议采用电磁屏蔽性能较好的传输介质，也可以将遥控系统的输入、输出信号分开，均对解决电磁干扰有较好的效果。

（2）储备冗余处理。储备冗余技术通过增设并联单元的方式来提高船舶电气自动化系统的可靠性与稳定性。在船舶电气自动化系统中，通常需要开设三台机组储备，且各机组储备的设计功能基本一致，以确保各机组既能够独立运作，又能够相互备用。正常情况下，船舶电气自动化系统中的工作与储备单元是彼此分开的，各单元既能够独立运作，也能够相互合作，若其中任一单元在运作期间发生故障，则储备单元可立即进入工作状态，从而大大提高了船舶电气自动化系统的安全性与稳定性。

（3）容错技术。容错技术是指提高系统的故障容忍能力的一种技术，具体涉及两方面：一是故障检测。当船舶电气自动化系统发生运行故障时，利用容错技术能够第一时间定位故障性质、位置，并予以自动化隔离，从而将故障影响控制在一定范围之内，确保系统整体的安全性。二是故障控制。当容错技术检测到系统故障后，能够自动得出故障诊断结果，并根据诊断结果采取相应的处理措施，以确保电气自动化系统的安全可靠运作。故障处理具体流程如下：故障检测分析故障性质及位置确定故障单元将故障检测信号转换为低电平信号将故障交给决策单元处理。而根据故障类型的不同，又有以下几种不同的处理策略： I类故障，启用储备机组，降低故障机组负荷量；II类故障，启用储备机组，同时将故障机组延时关闭，以便进行故障处理；III类故障，关闭故障机组，并启用储备机组。需注意的是，当出现II、III类故障时，机组在停机的同时会生成一个阻塞信号，在该信号消除之前，机组无法接受新的启动指令。因此，必须在排除故障之后，通过相应指令来擦除阻塞信号，方能使机组恢复正常，这样能够有效避免故障扩大，提升系统整体的安全稳定性。

4 结束语

船舶电气自动化是一套十分复杂的技术体系，涉及电力电子、自动监测报警、可靠性保障等多个方面。今后应继续加强对船舶电气自动化技术的研究，在进一步提高船舶自动化水平的同时，提高系统的可靠性、稳定性，促进船舶电气自动化事业的稳定进步与发展。

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【关键词】

GMDSS通信技术；船舶报告系统；自动化

近年来，频发的海上航行安全事故成为社会焦点，航海人员的人身财产安全受到巨大的威胁，国际国内航海形势呈现稳中有忧的态势，航海安全受到社会各界的广泛关注。将GMDSS通信技术应用于船舶报告系统，有利于实现船舶报告系统的自动化，实时监控船舶运行状态，当出现航海安全事故后能及时接受信息并采取营救措施。

1GMDSS通信系统概述

当前，海上GMDSS通信系统主要由INMARSAT系统、NAVTEX系统、COSPAS-SARSAT系统和地面通信系统四部分构成,见图1(GMDSS系统构成及工作流程图)。其中，INMARSAT系统主要是指国际海事通信卫星系统，该系统能够对70N到70S区域之间实现通信信号全覆盖，并且具备全天通信、自动播发信息、自动确定优先等级等功能；但是单独应用建立传播报告系统则不能将大量的没有配备卫星船站的船舶包括进来，而且卫星通信的费用较高。并且由于该系统是静止轨道卫星覆盖，在南北极存在盲区，在高纬度地区该系统没有信号，无法使用。NAVTEX系统是指海上安全信息播发系统，该系统借助518kHz的频率对离海岸线400海里之内的所有船舶进行英语单频广播，广播内容通常包含气象信息、电子航行更新等海上安全信息。对发射机和发射天线有较高要求，维护难度大，而且中频发射天线庞大，容易遭受雷击，个别海岸电台技术力量和设备难以应付这一突发事件。COSPAS-SARSAT系统主要是指寻位定位系统，该系统以近极轨道卫星为基础，可实现对全球频段在121.5/243MHz和406MH上的信号进行检测，进而对遇险船舶进行定位和营救；该系统主要用于全球遇险报警和搜救中的报警、定位和识别，但是目前该系统还不能提供通信业务服务。地面通信系统则主要利用地面通信技术实现电话、传真、报警等功能，是一种常见的通信技术，常用地面通信设备主要包括VHF、DSC及NBDP等[1]。

2船舶报告系统的功能

船舶报告系统是指利用无线电报对船舶动态信息进行收集和交换的系统，用于搜救的船舶报告系统是第二次世界大战后，随着国际海难搜救工作的开展而发展起来的。船舶报告系统的功能主要体现在以下几个方面：第一，在未收到船舶遇险信号时，能够有效缩短发现船舶失去联系并开始营救的时间；第二，有利于迅速确定遇险船舶周围能够提供援助的船只；第三，在无法确定船舶失事位置时，可以缩小搜救范围，提高营救的成功几率；第四，能够为遇险船员和乘客提供快速的医疗援助服务。此外，当前船舶报告系统还被广泛用于提供天气预报信息、寻找肇事逃逸船只及预防船舶污染等方面，是一种行之有效的船舶管理方法和技术[2]。

3现有船舶报告系统存在的缺陷

(1)岸台收发信机设备落后

通常情况下，岸台收发信机在接收到航海船舶发出的信息之后，应当立即对其报告信息进行准确的识别，并判断出其位置和遇险类型、遇险等级等基本信息，再将信号转换为数字信号存入电脑数据库。当前，我国现有的离岸收发机设备大多相对落后，缺少连接PC处理终端的接口，严重影响了对船舶数据信息处理的时间，进而影响了对航海船舶实时监控的效率。

(2)报告系统数据库不健全

数据库是支撑船舶报告系统的重要组成部分，因此必须重视船舶数据库的建设工作，做好船舶数据信息的收集与接收工作。当前，我国在船舶数据库建设上还存在很多问题，诸如传播报告信息不准确、报告中心掌握信息不全面等，必须要借助现代NBDP、VHF、SES等GMDSS通信技术对现有数据库进行完善，建立健全船舶报告系统[3]。

(3)无法自动采集报告信息

当前，我国现在主要利用PC终端对船舶报告系统信息进行采集、发送与接收，而PC终端的信息主要来于人工录入数据及相关航海仪器的数据，主要包括船舶位置、航行速度、航行方向、船舶大小、船舶人员、船舶承重等基本信息。目前我国现有的船舶报告系统无法实现数据信息的自动采集，更不能与船舶上的其它应用数据实现良好的互换，增加了船舶报告系统收集信息的难度和工作量。

(4)岸台船舶报告大型数据库不完善

由于当前岸台船舶报告系统没有对收集信息进行储存，也没有实行全国联网，严重影响了岸台船舶大型数据的建设工作，涉海政府部门无法借助数据库迅速掌握航海船舶的行踪动态，不利益营救和监控工作的开展。

4GMDSS通信技术在实现船舶报告系统自动化中的具体应用

(1)及时救援遇险船舶

支撑GMDSS通信系统运行的COSPAS-SARSAT系统，能够借助近极轨道卫星检测到遇险船舶发出的频段在121．5/243MHz和406MHz的信号，迅速定位船舶遇险位置。将GMDSS通信技术应用于船舶报告系统后，船舶一旦遇险，其报告系统就会自动处于特殊保护状态，向海上搜救中心发出相关信号，确保海上搜救中心及时了解船舶位置及状态，并迅速开展营救工作，确保航海人员的安全。

(2)依据系统数据制定搜救方案

将GMDSS技术应用于船舶报告系统之后，船舶一旦遇险，工作人员就可以利用DSC系统向岸台发送遇险信号，并进行遇险呼叫，海上搜救中心及海上航行船只在接收到信号之后就能立即对遇险船只进行施救，以保障遇险船舶上的人身财产安全；此外，GMDSS通信技术中的INMARSAT系统可以通过分析船舶计划航海路线确定船舶失踪的位置，并结合海上风向、洋流、风速等因素自动生成船舶跟踪动态报告，便于搜救人员及时制定有效的搜救方案。

(3)实时监控船舶航行状态

由于INMARSAT国际海事通信卫星系统系统能够对70N到70S区域之间的通信信号实现全覆盖，并且具备全天通信、自动播发信息、自动确定优先等级等功能，因此将GMDSS技术应用于船舶报告系统当中，可以实现对航海船舶的全天候实时监控，并且依据船舶航行的速度、方向等基本信息确定船舶航行的状态。当船舶报告系统接受传船舶信息出现异常时，船舶报告系统可以借助GDMSS通信技术实现对航行船舶的自动警示，提高航信船舶的警惕性，确保航行安全。

(4)及时处理不明状态船舶信息

当航信船舶出现异常无法正常向船舶报告系统发送船舶数据信息时，船舶报告系统就可以利用GMDSS通信技术实现对航海船舶的自动警示，并对船舶的位置、呼号、名称等相关信息进行标示，进而实现对航海船舶的定位。其中，NAVTEX海上安全信息播发系统借助518kHz频率对离海岸线400海里之内的所有船舶进行英语海上气象、海上预警、初始遇险信号等信息的单频广播。船舶报告系统通过船舶的基本状况与船东经营人取得联系，从而证实船舶是否安全。应用GMDSS通信技术，船舶报告系统可以在数据库中调出船舶的侧面图，然后询问附近区域的船舶以判断船舶的具体航向和状态。

5结语

面对当前频发的航海安全事故，国际航海组织致力于推广GDMSS通信技术在船舶报告系统上的应用，该技术的应用不仅可以实时掌握航海船舶运行状态、及时救援遇险船只并制定救援方案，同时还可以对不明状态船舶进行定位，该技术更是涉海政府部门进行海域宏观调控的重要手段，在确保船舶航海安全、实现船舶动态监控等方面具有不可取代的重要作用。

作者：莫劲柏 单位：广西海警第一支队

参考文献

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中图分类号：F426 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）04（c）-0055-01

1 船舶自动化技术的发展进程

根据船舶自动化技术的发展历程，可以具体的分为三个阶段：第一个阶段是船舶单元装置自动化时期；第二个阶段是船舶机舱自动化时期；第三个阶段是船舶全船综合自动化时期。

1.1 船舶单元装置自动化时期

船舶单元装置自动化技术是在船舶自动化技术发展的最初阶段出现的，这一段历史进程的最主要特点就是船舶的一个单独的设备的自动化技术的应用。具体的说，就是通过安装在船舶上面的各种设备仪器、船舶上面具有各式各样功能的仪表设备、船舶上面的各种监控设施来实现船舶的自动化管理。船舶单元装置自动化时期的自动化技术虽然很好的提升了当时的船舶自动化技术，但是作为船舶上的仪器，船舶上的各个自动化设备之间很难做到有效的沟通处理。因此，在船舶单元装置自动化时期，整个船舶的自动化设备之间无法做到有效连接，收集的自动化信息也比较松散，尚且需要船舶上的工作人员进行一定的人工手动操作，是最初级的船舶自动化技术。

1.2 船舶机舱自动化时期

在当代背景下，拥有先进船舶自动化技术的国家率先结合电子信息科学研究出来了船舶集中监控系统，通过对船舶集中监控系统的应用，就可以实现船舶机舱夜间无人值班，船舶自动化技术也随之快速发展。船舶机舱自动化时期主要研究出来的船舶自动化技术有：船舶主机遥控技术、出阿伯电站管理技术、船舶动力装置的监测报警技术、船舶柴油机的工控监测与趋势分析技术、船舶故障预诊断技术等。船舶机舱自动化自动化技术的技术核心是船舶机舱自动化监控技术。在最初的船舶机舱自动化时期，机舱自动化监控技术的核心是集中船舶船舱监控，其主要特点是整个船舶采用一台计算机进行集中控制和管理。一旦这一台计算机出现故障，这种管理模式就难以维持整个船舶机舱自动化的需求。针对这样的问题，20世纪70年代，先进国家研究出了分散监控的新型监控模式，通过船舶上面多台计算机的联合操作实现自动化管理，有效的完成了船舶的自动化运行。

1.3 船舶全船综合自动化时期

进入新世纪以来，随着信息科学技术以及互联网计算机科学技术的出现和发展，船舶自动化技术已经开始初步迈进实现船岸信息共享、船舶网络一体化的船舶全船综合自动化时期。船舶全船综合自动化技术是对船舶的航行、装卸、机舱等各个方面实行全方位的监督和管理。在具体的船舶全船综合自动化技术之中，采用的是分级管理的模式，在进行监督管理的时候，每一个船舶总系统管理下的分系统都拥有自己的独立的计算机来进行自动化运行。与此同时，各个独立的分系统之间也可以通过互联网技术进行信息的共享，进而实现整个船舶的信息共享、整个船舶的集中管理控制。当各个分系统收集到足够资料后，在汇总进入总系统进行统一处理，实现船舶的自动化操作。

2 船舶自动化技术现状

2.1 船舶主机遥控系统

船舶主机遥控技术出现于20世纪的60年代，其实目前实现船舶自动化的重要组成部分之一。目前，PLC系统已经成为了船舶自动化技术最广泛采用的主机遥控技术，其具有可靠性强、通信功能强大等优良的特性。

2.2 船舶机舱监控系统

作为船舶自动化技术的核心技术，船舶机舱监控技术主要包含船舶互联网链接以及船舶现场总线技术这两个部分。目前，采用最广泛的总线技术是CAN总线技术，其具有高效的信息传输能力和比较强的稳定性，CAN总线技术主要是应用在船舶的船舱自动化技术方面。船舶的互联网链接技术采用的最广泛的是无线通信技术，主要指的就是GPS和NET技术，这样船舶就可以实现无线网络的远程监控，与此同时，还可以通过加密软件的使用保证整个船舶的信息安全。

2.3 船舶电站管理系统

目前，世界的大部分船舶都具有体积大、速度快的特点，为了适应船舶的这些变化，就要求船舶自动化技术的船舶电站管理技术可以维持船舶高速运行的电力消耗，要求船舶电站管理系统可以为船舶提供稳定大量的电力输出。针对这样的情况，目前采用最广泛的船舶电站管理技术是仿真电站管理技术，可以为整个船舶提供稳定大量的电力资源。

2.4 船舶自动避碰

目前，如何有效的实现船舶之间的自动躲避已经成为了船舶自动化技术研究的重点项目之一，通过船舶自动躲避碰撞技术的研究，可以有效避免人为因素所造成的船舶碰撞现象。在今后一段时期内，船舶自动躲避技术会成为自动化技术研究的主攻方向。

3 结语

综上所述，船舶自动化技术已经随着现场总线技术以及通信技术的不断发展而日趋完善，与此同时，人工智能技术的发展也极大地促进了船舶自动化技术的发展。随着时间的发展，船舶自动化技术终将成为船舶安全运行的有力保证。

参考文献

[1] 戴利雄，孟宪尧.一种新的船舶柴油机模糊故障诊断方法[J].船舶工程，2009（1）.

[2] 陈雪娟.采用BP神经网络优化避碰模糊系统[J].常德师范学院学报：自然科学版，2003（4）.

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关键词：船舶自动化；电气自动化系统；可靠性；保障技术

中图分类号：U665 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）30-0029-02

1 船舶电气自动化系统的技术现状分析

随着计算机辅助设计与通讯技术的快速发展，电子计算机在船舶行驶、装货、机舱管理等方面得到了全盘应用，逐步实现了船舶电气自动化控制。船舶电气自动化是集航行自动化、机械自动化、机舱自动化、机械自动化等多功能于一体的综合系统，在该系统中，一般由两个工作母站以及若干个工作分站和控制系统构成。两个工作母站分别设置在机舱控制室和驾驶室，是两个完全独立的控制系统，既可以单独操作，也可以同时操作、互为备用。若船舶类型和自动化程度不同，则其电气自动化的分控制系统也略有不同，但总体上来讲主要包括电站管理、主机遥控、泵浦控制、机舱监测报警、液位遥控和压载控制、自动导航、冷藏集装箱监控等系统。运用高速传输技术将工作母站与分控制系统组成综合网络系统，并根据实际需要在网络上连接若干工作分站，从而通过工作分站达到对船舶重要部位设备的操纵、控制和检测。此外，工作分站可视为独立窗口，在接入船舶对外通信设备网络的基础上，利用电子邮件、数据传输等方式，实现船与船、船与岸之间的对话，进行信息交流、故障诊断、备件查询、设备维护、船舶管理、资料查阅等业务。由此可以看出，船舶电气自动化系统技术不仅能够强化船舶设备管理、控制，还能够确保船舶航行始终处于安全、可靠的状态。

当前，一些国际著名的船电产品制造商已经拥有较为成熟的船舶电气自动化技术和相应配套产品，能够将电气自动化程序控制划分为小型智能单位，实现就地操纵，使系统拥有更为强大、全面的功能。如，船舶电气自动化系统可用于无人机舱管理的监测和控制，能够对动力系统、压舱系统、燃油系统等的泵、阀以及关闭装置进行控制，并且还具备舱内液面监测、燃油消耗记录、水量计算、货物监测、保养维护、安全控制等功能，实现船舶电气设备的智能化管理，提高船舶电气设备操作的可靠性和安

全性。

2 保障船舶电气自动化系统可靠性的主要技术

2.1 电力推进技术

近年来，由于电力推进系统被应用到了军事舰艇上，从而使得电力推进技术获得深入的研究，该技术现已被广泛应用于各种类型的船舶当中，并在确保船舶电气自动系统的可靠性方面起着非常重要的作用。从电力传动的角度可将电力推进技术分为两大类：一类是交流传动电力推进技术，另一类是直流传动电力推进技术。在这两类技术中，交流传动技术的发展速度要相对快一些，并且在交流调速技术不断完善的推动下，使交流电力系统逐步渠道了直流传动技术，大量的实践应用表明，交流传动技术在保障船舶电气自动化系统稳定运行方面具有非常显著的效果。目前，交流传动技术在船舶电气自动化系统中的应用大体上分为以下两种推进系统：一种是直流无换向器电动机（LCI），另一种是交流无换向器电动机（CCV）。其中LCI推进系统是借助变频器调速来完成交-直-交转换的同步调速，在推进系统完成调速的过程当中，船舶的运行与调距是依靠螺旋桨的相互配合来实现的，若是船舶在相对比较狭窄的水道当中进行机动航行，可将交流推动机调整到低速运转状态，如果是在海域比较宽广的公海中进行航行，则可将推动机调整至同步或是超同步转换状态。CCV系统是借助变频器的同步调速来完成交流到交流的转换过程，虽然交流到交流的转换过程会受到输出频率的影响，但在这一过程中，电动机会始终处在低速运行的状态下，为此，CCV在确保船舶电气自动化系统可靠性上实用性

更强。

2.2 抗干扰屏蔽技术

船舶中大量的电气设备都安装在一个空间内，由于空间比较有限，加之工作环境恶劣，使得这些设备常常会受到电磁干扰的影响，尤其是导航仪器和一些强电设备，它们在开、关的过程中最容易受到干扰。若是电气自动化系统在正常运行的过程中受到电磁波干扰，则会导致船舶正常航行受到影响，这是非常严重的问题。为了确保船舶电气自动化系统的可靠性，并使其免受电磁干扰，可采取以下保障技术：

2.2.1 隔离技术。在船舶中，交流电源是电气自动化系统最大的干扰源，想要有效解决这一问题，就需要对电气设备隔离变压器，实现独立供电。还有另外一种方法就是将供电设备与强电设备分开设置，借此来隔离干扰。

2.2.2 改变传输介质。由于船舶电气自动化系统是以船舶本身的遥控系统为主导，这就造成信号从输入到接收的距离较长，并且整个过程还需要很长时间。通常情况下，信号输入部分都安装在船舶的驾驶室内，而接收部分则安装在机舱当中，如此之长的传输线路势必会受到电磁干扰。为此，可对传输介质进行改变，以此来消除信号扰的可能，同时，也可将输入与输出电路分开，这样也能够有效避免电磁干扰。

2.3 储备冗余处理

储备冗余处理技术是船舶电气自动化系统可靠性保障技术中十分重要的技术，该技术采取在电气自动化系统中设置并联单元的方式，以达到提高自动化系统可靠性、稳定性和安全性的目的。为了保障船舶电气自动化系统的正常运行，一般情况下需要配备三台机组储备，并且要保证每台机组储备的基本功能符合设计要求，使各个机组既可以独立工作，也可以互为备用，从而确保电气自动化系统的技术性和经济性。在船舶电气自动化储备系统中，储备单元与工作单元是相互分开的，两者在独立工作的同时，也可以实现协调合作。所以，就可靠性保障技术层面而言，可以将船舶电气自动化系统视为储备系统，一旦其中某一单元出现运行故障，那么另一个处于储备状态的单元就会进入工作状态，以此确保电气自动化系统不受单元运行故障的影响。

2.4 容错技术

容错技术是指对船舶电气自动化系统运行故障的容忍能力，即对电气自动化系统运行故障进行检测、定位、判断、处理的技术。容错技术主要包括以下两个方面：一是检测系统故障，若电气自动化系统出现运行故障，那么容错技术会在最短的时间内准确识别故障性质，并快速确定故障位置，执行自动化隔离策略，从而有效规避故障对电气自动化系统的安全运行造成的不利影响；二是控制系统故障，容错技术在检测系统故障、定位系统故障性质和位置的基础上，将故障检测信号转为低电平信号，而后传达至决策单元，由决策单元采取有效措施对故障进行处理，进而实现对系统故障的全面控制。容错技术一般在开启备用机组、关闭故障机组的状态下对故障进行排除，以防止故障事态扩大化，对系统稳定运行造成影响。在确保故障完全排除后，再恢复机组的正常工作。

3 结语

总而言之，为了确保船舶在航行过程中的安全性，就必须保障电气自动化系统的可靠运行，本文简要介绍了几种船舶电气自动化系统可靠性的保障技术，这些技术的应用能够在一定程度上提高系统运行的可靠性，这对于船舶安全航行具有非常重要的意义。

参考文献

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哈尔滨工程大学，2008.

[2] 高力.KONGSBERG船舶自动化系统DATACHIEFC-20

实例简介[J].科技博览，2011，（6）.

[3] 黄志东.试析船舶电气系统的构成与故障诊断策略

[J].中国水运（下半月），2013，（4）.

篇10

1 船舶电气自动化系统可靠性的保障技术

（1）电磁兼容保障技术。船舶电气系统运行的周围环境条件比较差，为了保证电气设备的正常运行，就要运用电磁兼容保障技术，进而提高船舶电气的抗干扰性能。形成船舶电磁干扰的几个条件是：具备干扰源，存在一定的传输媒介，具备灵敏的接受模块。电磁兼容技术的任务主要是把这几个条件中的一个进行损坏，进而保证电气设备不受电磁干扰[2]。

电磁兼容技术的关键是选取适宜的元器件，以降低对电磁干扰信号的敏感程度。选取的元器件要有以下条件：一是电气干扰源的信号电平要超过船舶电气规定的范围；二是电气设备可以响应干扰源的主要信号频率。所以，为了保证船舶电气设备具备充足的抗干扰能力，要尽可能地选取电源电压很高的数字集成电路。

（2）容错保障技术。容错保障技术指的就是电气设备对发生的安全故障的容忍保障技术。主要有：电气设备故障的检验测试和诊断；对船舶电气设备系统发生的故障做出控制和应对措施； 容错保障技术对船舶电气自动化系统的故障做出三种分类：一是把备用机组进行启动，从而降低运行电气机组的负荷；二是把备用机组进行启动，延长一定时间，然后停止运行的故障机组；三是再次停止和启动备用电气机组。所以，如果船舶电气系统出现前面两种故障，在停止设备时，此电气机组就会产生一种阻塞信号，并且一直维持功能的发挥，直到设备的故障最后消除。按完阻塞按钮之后，生成的阻塞信号才会解除，新发出的启动设备指令才会生效，如果不这样，该机组将不会被重新启动，这样一来，就可以防止电气系统设备的故障更加扩大，因而可以保证船舶电气系统的可靠性。

（3）储备保障技术。为保证船舶电气自动化系统运行的可靠性，可以把其电气自动控制系统看成冷储被系统。通常情况下，电气自动化的储备系统主要是指把储备单元和电气运行单元分离，只保持电气运行单元单独工作，其余的电气储备单元处于等待状态。这时，只有在电气运行单元不工作的状态前提下，其余电气系统储备单元才可以接替工作。船舶电气自动化储备系统根据其储备单元的状况不一样，可以分成暖储备和冷储被两种。其中，暖储备系统的自动化系统储备单元始终保持在运行状态，它失效以后，失效率不是零，而冷储备系统的自动化系统储备单元一直在没有运行的状态，它在失效以后，失效率是零。这种冷储被系统经过储备设计，能够达到船舶电气自动化系统的可靠性要求。

2 船舶电气自动化系统保障技术的可靠性分析和评估

（1）船舶自动控制可靠性分析和评估。为了使分析和评估更加方便、准确，这里做出假设：第一，如果电气自动化系统不能有效运行，船舶上面没有维修的条件，也就是把此电气系统看成是不能够维修和恢复的系统。第二，此自动控制系统的每个构成单元的失效几率是正常数值。该自动控制系统可靠性分析的框图和模型如下图1所示：

船舶自动控制的系统可以看成是冷储被单元系统。在上图中， 1、 2、 3分别代表该系统每个分项系统的失效率，因而就可以计算出船舶自动控制系统的可靠性以及平均没有故障时间。

主要运用计数法对各个失效率 1、 2、 3进行预估，使用这种计数方法的基本依据是要把构成该系统的全部元器件的失效率做出预测。需要的数据基础有：一是不同设备元器件的类别和总量；二是电气设备元器件的质量等级；三是电气设备的运行环境。运用这个方法计算系统失效率的公式是：

设备=Ni（ G ）（i=1、2、3......n）

在这个式子中， 设备表示的是船舶总电气设备的失效率（失效数/106小时）， G表示的是第i种电气元器件的通用失效率， 表示的是第i种电气元器件的质量系数，Ni表示的是第i种电气元器件的总数。

以《电子设备可靠性预计手册》里面对电气元器件的失效率和数学模型为预测的主要依据。在具体进行预测时，首先假设导线和焊接点的失效率是零，在这里不考虑多种电路包括的元器件，因为它对模型和数据分析的可靠性不会造成影响，所得出的预测结果如下表1所示：

最后可以计算： 1=0.6128461×10-4（1/h）

2=0.4628733×10-4（1/h）

3=0.3175635×10-4（1/h）

船舶自动控制系统的可靠度和平均无障碍时间是：

R自动控制=37.0.exp（-1.15×10-4t）-36.0.exp（2-1.06×10-4t）+640.exp（-1.13×10-4t）

MTBF自动控制=28935.5（h）

（2）船舶电气自动化系统的可靠性分析和评估。电气自动化系统也是一个冷储备系统，其不同元器件的失效率是 4=28.446×10-6（1/h）， 5=2.825×10-6（1/h）， 3=9.122×10-6（1/h）。

得到的可靠性和平均无障碍时间分别是：

R电器系统= exp（-1.45×10-4t）+46.7.[exp（-1.46×10-4t）-exp（-1.43×10-4t）]+1223.exp（-1.55×10-4t）

MTBF电器系统=20369（h）=2.4（年）

（3）确定船舶电气自动化系统可靠性的薄弱环节。对船舶电气自动化控制系统的全部构成元器件做出预测，一个一个地预估出它们的的失效率，如果结果出来说明电压监视元器件的失效率是最高的，并且对整个船舶电气自动化系统失效的贡献最多，同时在整个的电气设备元器件的设计上，又没有进行储备保障，就可以很准确地确定它就是整个电气系统最薄弱的部分。因此，就应该在日常的使用和工作中，加大检查和维修船舶电压监视元器件力度，同时保证足够的元器件的备件数量。

3 结束语

船舶电气自动化系统的可靠性保障技术对传播的安全稳定工作起着非常大的作用。所以，在具体使用所有这些保障技术之前，必须要重视有关的检验和测试工作，把其中的薄弱部分查找出来，再具体分析和研究，提出更好地解决措施，由此，就能够保证船舶电气自动化系统的可靠性。

参考文献：

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中图分类号:TP274文献标识码:B

文章编号:1004-373X(2010)02-143-04

Optimized FIR Filter Design Based on Self_adaptive Genetic Algorithm

HUANG Meng,TANG Lin,ZHEN Yu,ZHANG Jie

(91635 Army,Beijing,102249,China)

Abstract:The goal of optimized FIR filter design is approaching to the ideal performance of IIR filter.Genetic algorithm is an optimal probability search algorithm,imitating the process of biology evolution,which has proposed an universal method to solve optimized problems of complex system,independent of domain and kind of problems.The proposed algorithm applying self_adaptive genetic algorithm to optimized IIR filter design,and adjusting cross probability and mute probability self_adaptively by evaluating premature convergence degree to improve search efficiency of genetic algorithm.The simulation results demonstrate that the proposed algorithm can achieve satisfying capability of filter.

Keywords:FIR filter;optimized design;self_adaptive genetic algorithm;premature convergence degree

在现代信号处理和电子应用技术领域,FIR数字滤波器因具有稳定性和线性相位两大优点而得到了广泛的应用。FIR数字滤波器的设计方法主要有窗函数法、频率采样法、切比雪夫逼近法,这些方法的最终目的是对理想滤波器理想性能的逼近,而不可能真正做到理想滤波器的幅频响应,正基于此,多年来许多专家学者在数字滤波器的优化设计问题上做了大量的研究工作,在一定优化准则下,提出了一些设计方法,如Caratheodory_Fejer(CF)法[1],神经网络(Neural Network)法[2],最小P误差法[3]以及模型拟合频率响应法[4]等。这些优化算法各长,它们在数字滤波器的设计中都取得了较好的设计效果,也为数字滤波器的设计打开了新的思路。

遗传算法是一种模仿生物进化过程的全局优化概率搜索算法,它提出了一种求解复杂系统优化问题的通用框架,且不依赖于问题的领域和种类,因此在诸多领域得到了广泛的应用。但是标准的遗传算法存在两个重大的缺陷:早熟和收敛速度慢。这里提出了一种自适应调整遗传参数的遗传算法,并用其实现了FIR数字滤波器的优化设计,仿真结果说明了算法的有效性。

1 FIR数字滤波器及优化设计

1.1 FIR数字滤波器的频率特性

有限冲激响应数字滤波器(FIR)的输出仅取决于有限个过去的输入和现在的输入,用x(i),y(i)分别表示其输入和输出,FIR滤波器可以表示为[5]:

y(i)=∑N-1j=0h(j)x(i-j)(1)

式中:h(i)(实数)为FIR的冲激响应,显然:

h(i)=h(i), 0≤i≤N-1

0,N

即FIR的冲激响应只有有限N个,称N为FIR的阶次。

对于N阶线性相位FIR滤波器,其单位冲激响应h(i)为实数,且以对称中心α=(N-1)/2对称的,即有以下约束关系:

h(i)=±h(N-1-i)(3)

1.2 FIR滤波器优化设计准则

设一个FIR数字滤波器的理想频率响应为:

Hd(jω)=Hd(ω)e-jθ(ω), ω∈[-π,π](4)

式中:Hd(ω)≥0,若用一个N阶的FIR频率响应来逼近它,设其冲激响应为h(i),i=0,1,2,…,N-1,那么其频率响应可表示为:

H(jω)=∑N-1i=0h(i)e-jiω, ω∈[-π,π](5)

由上式可得:

Hd(jω)=Hd(ω)cos φ(ω)-jHd(ω)sin φ(ω)(6)

H(jω)=∑N-1i=0h(i)cos(iω)+j∑N-1i=0h(i)sin(iω)(7)

在[-π,π]上取P个频率采样点ωp(p=0,1,2,…,P-1),并且为每一个ωp设置一个权重系数αp≥0(p=0,1,2,…,P-1)。那么描述H(jω)逼近Hd(jω)的加权均方误差可近似写成:

E2=1A∑P-1p=0αp∑N-1i=0h(i)cos(iωp)-Hd(ωp)cos φ(ωp)2 +

∑N-1i=0h(i)sin(iωp)-Hd(ωp)sin φ(ωp)2≥0(8)

式中:

A=∑P-1p=0αp(9)

如果采样点ωp的数量足够多且间隔足够小,那么式(8)精确地表达了H(jω)与Hd(jω)的加权均方误差。显然,如果E2为0,那么所设计的FIR的频率响应应在ωp(p=0,1,2,…,P-1)点上,幅频响应和相频响应两方面严格地等于Hd(ωp)和φ(ωp)。由于N有限,E2不可能为0,任务在于寻找一种有效的算法使E2尽量小。由式(8)可知,αp取值的大小表达了对其对应的ωp点的重视程度,αp取值越大则要求在ωp附近频域内H(jω)越严格地逼近Hd(jω)。

综上所述,一维实数FIR数字滤波器优化设计问题就是寻找一组h(i)使式(8)的值尽可能小。

2 自适应遗传算法

遗传算法自提出以来,因其具有很强的解决问题的能力和广泛的适应性,因而近年来渗透到研究与工程的各个领域,取得了良好的效果。但在实际应用中,基本遗传算法也逐渐暴露出一些缺陷,这些缺陷主要集中在两个方面:早熟和收敛速度慢[6,7]。

所谓早熟是指遗传算法收敛于局部最优值,而非全局最优值的现象。这往往是由于在算法搜索的初期阶段,种群中出现了某些超级个体,这些超级个体的适应值很高,随着进化过程的进行,它们会很快占据整个种群,导致种群缺乏多样性而陷入局部极值。由于遗传算法从本质上而言是一种随机搜索优化算法,所以当待求解问题规模较大或问题较复杂时,搜索空间往往非常庞大,于是导致遗传算法的收敛速度很慢。

选择合适的遗传算子执行概率,是遗传算法能否收敛到最优解的关键之一。遗传算法的参数中交叉概率Pc和变异概率Pm的选择是影响遗传算法行为和性能的关键所在,直接影响算法的收敛性,Pc越大,新个体产生的速度就越快。然而Pc过大时遗传模式被破坏的可能性也越大,使得具有高适应度的个体结构很快就会被破坏;但是如果Pc过小,会使搜索过程缓慢,以致停滞不前。对于变异概率Pm,如果过小,就不易产生新的个体结构;如果过大,那么遗传算法就变成了纯粹的随机搜索算法。针对不同的优化问题,需要反复试验来确定Pc,Pm,这是一件繁琐的工作,而且很难找到适应于每个问题的最佳值。

在传统的遗传算法中,交叉概率Pc、变异概率Pm与种群进化过程无关,从始至终都保持定值。近年来的研究表明,交叉概率和变异概率的选取对系统性能有重要的影响。用不变的Pc和Pm来控制遗传进化,很容易导致“早熟”,降低算法的搜索效率。目前,调整遗传算法控制参数较好的方法是动态自适应技术,其基本思想是使Pc,Pm在进化过程中根据种群的实际情况,随机调整大小,目前这方面已有大量的研究[8,9]。具体做法为:当种群趋于收敛时,减小Pc、增大Pm,即降低交叉的概率,提高变异的概率,以保持种群的多样性,避免“早熟”;当种群个体发散时,增大Pc、减小Pm,即提高交叉的概率,降低变异的概率,使种群趋于收敛,增加算法的收敛速度。

在多数情况下,种群中不同个体的适应度不尽相同,因此可以用适应度分布的离散程度来表征种群的“早熟”程度。种群在进化过程中发生“早熟”的主要表现是:种群内适应度暂时最大的一些个体相互重复或趋同,使得它们有较大的概率参与下一代的选择复制操作,且它们之间交叉后的子代也不会与父代有太大的变化,导致遗传算法寻优过程十分缓慢,降低搜索效率。因此,要正确判断一个种群是否会发生“早熟”主要看这个种群当前适应度最大的那些个体是否重复或相互趋同。“早熟”程度可以使用下面方法评价:

设第t代种群个体的平均适应度为t,t代种群中最优个体适应度为Ftmax,种群中个体适应度大于t的个体的平均适应度为tmax,那么可以用Ftmax与tmax之间的差值来评价种群的“早熟”程度:

D=Ftmax-tmax(10)

式(10)中,指标D用来表征种群的“早熟”程度。可以看出,当D增大时,种群趋于发散;D减小时,种群趋于相同。此方法只计算Ftmax与tmax的差值,不涉及适应度低于平均适应度的个体,从而避免了那些适应度较差个体对D的影响,更能反映种群中那些适应度较好的个体之间的趋同程度。

根据种群“早熟”程度的指标D,使得交叉概率Pc和变异概率Pm在进化过程中随着D的变化而改变,如下式所示:

Pc=1/\(11)

Pm=1-1/\(12)

式中:k1,k2>0。Pc取值范围在[0.5,1]之间,Pm的取值范围在[0,0.5]之间。在进化过程中,Pc,Pm根据D取值的不同而动态地自适应调整:当种群个体趋于离散(即D变大)时,Pc增大、Pm减小,种群开发优良个体能力增强;当种群个体趋于收敛(即D变小)时,Pc减小、Pm增大,种群产生新个体能力增强。

3 基于自适应遗传算法的FIR数字滤波器优化设计

3.1 编码

遗传算法中首先要完成的是对解的编码,由于文中的问题是一个非线性函数的优化问题,故采用实数编码技术。将染色体表示成如下向量:X=\,x(i)∈[0,1],i=0,1,2,…,N-1。其中:x(k)∈[0,1],k=0,1,…,(N-1)/2,可由如下映射关系得到:

x(k)=\/2(13)

式中:h(k)∈[-1,1],k=0,1,…,(N-1)/2,其余的h(i)可由式(3)求得。

3.2 适应度函数

FIR数字滤波器的优化设计目标是使式(8)的值最小,因此使用式(8)的倒数作为适应度函数,即:

f=1/E2(14)

3.3 选择算子

使用锦标赛选择法和精英保留法相结合的选择策略。锦标赛选择法在选择时先随机在群体中选择K个个体进行比较,适应度最好的个体将被选择作为生成下一代的父体,参数K称为竞赛规模。这种选择方式能使种群中适应度好的个体具有较大的“生存”机会。同时,由于它只使用适应度的相对值作为选择的标准,而与适应度的数值大小不成直接比例,从而避免了超级个体的影响,在一定程度上避免了过早收敛和停滞现象的发生。

精英保留法即当前种群中适应度最好的个体不参加遗传操作,直接复制到下一代,替换经交叉和变异操作产生的子种群中适应度最差的个体,其优点是在搜索过程中某一代的最优个体可不被遗传操作所破坏,这样可以保证遗传算法以概率收敛到最优解。经验证明,保留占种群总体2%～5%数量的个体,效果最为理想[10]。

3.4 交叉算子

交叉算子以概率Pc对两个父个体进行随机分割,然后再重新组合从而获得两个新个体。根据分割点的数量,可分为单点交叉或是多点交叉。其原理是每个父个体随机选择m个无重复的交叉点,在交叉点之间的变量间续地相互交换,产生两条新的子个体,完成交叉操作。本文采用两点交叉法,示意如图1 所示。

图1 两点交差法

3.5 变异算子

变异就是根据一定的概率Pm,将个体染色体上某一位置上的基因进行摄动,使其产生突变。设父个体向量x=(x1,x2,…,xk),则分量xi以概率Pm被选择作为变异,设对xi进行变异,则其后代为x′=(x1′,x2′,…,xk′),其中xi′以等概率取(1-r)xi或xi+(1-xi)r,r为[0,1]上的随机数。

3.6 实现步骤

(1) 根据不同的频段要求初始化αp。其中,权重系数αp的大小表达了设计FIR数字滤波器时,对与其对应的ωp附近频域内逼近误差的重视程度。在具体的设计中,αp是可以调整的,不同的αp取值将导致不同的设计结果。通常要求FIR数字滤波器应具有较好的阻带特性,而对过渡带没有严格的要求,因此可令:

αp=αp=1,ωp在通带

αt=0,ωp在过渡带

αs≥1,ωp在阻带

式中,αp为通带权重系数;αt为过渡权重系数;αs为阻带权重系数。

(2) 随机产生初始种群,在区间[-2,2]中产生一组随机数作为初始化种群,每个个体表示为染色体的基因编码。

(3) 计算A=∑P-1p=0αp。

(4) 计算个体的适应度,并判断是否符合优化准则。若符合,输出最佳个体及其代表的最优解,并结束计算;否则保留适应度最好的个体,执行(5)。

(5) 在种群中使用锦标赛选择法选择两条个体。

(6) 计算交叉概率Pc和变异概率Pm。

(7) 对选择个体进行交叉和变异操作,产生新的个体。

(8) 重复(5)~(7),直到新种群数量等于上一代种群数量,并返回(4)。

4 FIR数字滤波器仿真实例

设计一个阶次N为49,ωp=0.4π,ωs=0.5π,φ(ω)=18ω的低通实数FIR数字滤波器,设定αp=1,αt=0,αs=5,初始种群100,最大进化代数为300,最后选择出最优的结果如图2所示。

图2 FIR低通滤波器设计结果

5 结 语

针对遗传算法存在的“早熟”和收敛速度慢的缺陷,设计了评价进化过程中种群的“早熟度”的方法,使交叉和变异概率根据“早熟度”的变化而自适应调整,提高了遗传算法的收敛速度,并将其应用于FIR数字低通滤波器的优化设计,并进行了仿真实验,实验结果表明该算法能够设计出性能较好的数字滤波器。

参考文献

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[7]王小平,曹立明.遗传算法――理论、应用与软件实现[M].西安:西安交通大学出版社,2002.

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学校信息化特色经验

学校通过行政推动、学习促动、任务驱动、社团拉动、信息联动、奖励带动六轮驱动机制，激发教师的工作热情，夯实过程，全面推动科技教育的开展与落实。

1.行政推动――建立少年科学院

学校专门成立科技实践创新工作机构，建立少年科学院，采取自愿申报原则组建各类社团，制定完善了凤鸣小学少年科学院管理制度，凤鸣小学科技训练、NOC比赛等社团管理评价制度，定期召开科技发展工作专题会议，将科技特色品牌纳入学校五年发展规划，确保各项工作落到实处。

2.学习促动――三步走

为了促进学校科技项目的科学管理和竞技水平，学校通过“三步走”实现了学习的常态化。第一步，每学期举行两次科技管理研讨会；第二步，采用“走出去、请进来、做起来”三结合方式，定期组织科技辅导员外出学习参观；第三步，组织每月科技论坛，互相交流心得体会。

3.社团拉动――科技社团

学校先后开设了机器人、应用数学、数码摄影、物联网等十几个科技社团，为学生提供了自主选择空间，张扬学生个性，促进学生全面发展，逐步形成了“全员有实践，竞技有平台，拔尖更出色”的人才发现、培养、提高的新模式。

4.信息联动――随机联动和定期互动

学校采用随机联动和定期互动相结合的方式，实施动态化的家校“联动宣传机制”，让家长、社会参与到学校科技项目创建中来。

5.奖励带动――建设星海苑