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对于网络性能测量的方面,相关项目开展得较多,测量内容包括吞吐量、延迟、丢包率,并作网络可靠性、稳定性、可达性等方面的分析.这一方面是为了对一个特定网络进行维护管理,保障服务质量,;另一方面是为了预报网络性能,如NPACI’s Network Weather Service[5]每隔一定的时间间隔,周期性地监视、动态地预报(各种网络及计算资源)网络性能.收集某一时刻的数据,通过数值模型预测下一时段的TCP/IP 端到端的吞吐量、延迟,主要用于广域网上的大规模计算的调度.以下是读文网小编今天为大家精心准备的:网络性能测量技术的研究相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
网络性能测量技术的研究全文如下:
摘 要:网络性能测量是网络行为分析的基础。本文对网络性能测量的相关内容以及网络性能指标的测量与分析进行了系统的介绍,并对网络性能测量的下一步发展进行了展望。
关键词:网络性能 测量技术 性能指标 分析与研究
随着Internet技术和网络业务的飞速发展,用户对网络资源的需求空前增长,网络也变得越来越复杂。不断增加的网络用户和应用,导致网络负担沉重,网络设备超负荷运转,从而引起网络性能下降。这就需要对网络的性能指标进行提取与分析,对网络性能进行改善和提高。因此网络性能测量便应运而生。发现网络瓶颈,优化网络配置,并进一步发现网络中可能存在的潜在危险,更加有效地进行网络性能管理,提供网络服务质量的验证和控制,对服务提供商的服务质量指标进行量化、比较和验证,是网络性能测量的主要目的。
2.1 网络性能的概念
网络性能可以采用以下方式定义[1]:网络性能是对一系列对于运营商有意义的,并可用于系统设计、配置、操作和维护的参数进行测量所得到的结果。可见,网络性能是与终端性能以及用户的操作无关的,是网络本身特性的体现,可以由一系列的性能参数来测量和描述。
2.2 网络性能参数的概念
对网络性能进行度量和描述的工具就是网络性能参数。IETF和ITU-T都各自定义了一套性能参数,并且还在不断的补充和修订之中。
2.2.1 性能参数的制定原则
网络性能参数的制定必须遵循如下几个原则:
1) 性能参数必须是具体的和有明确定义的;
2) 性能参数的测量方法对于同一参数必须具有可重复性,即在相同条件下多次使用该方法所获得的测量结果应该相同;
3) 性能参数必须具有公平性,即对同种网络的测量结果不应有差异而对不同网络的测量结果则应出现差异;
4) 性能参数必须有助于用户和运营商了解他们所使用或提供的IP网络性能;
5) 性能参数必须排除人为因素;
2.2.2 ITU-T定义的IP网络性能参数
ITU-T对IP网络性能参数的定义[2]包括:
1) IP包传输延迟(Packet Transfer Delay, IPTD)
2) IP包时延变化(IP Packet Delay Variation, IPDV)
3) IP包误差率(IP Packet Error Rate IPER)
4) IP包丢失率(IP Packet Lass Rate, IPLR)
5) 虚假IP包率(Spurious IP Packet Rate)
6) 流量参数(Flow related parameters)
7) 业务可用性(IP Service Availability)
2.2.3 IETF定义的IP网络性能参数
IETF 将性能参数[3]称为“度量(Metric)。由IPPM (IP Performance Metrics)工作组来负责网络性能方面的研究及性能参数的制定。IETF对IP网络性能参数的定义包括:
1) IP连接性
2) IP包传送时延
3) IP包丢失率
4) IP包时延变化
5) 流量参数
2.3 网络性能结构模型
从空间的角度来看,网络整体性能可以分为两种结构:立体结构模型和水平结构模型。
2.3.1 立体结构模型
IP网络就其协议栈来说是一个层次化的网络,因此,对IP网络性能的研究也可以按照一种自上而下的方法进行。可以以IP层的性能为基础,来研究IP层不同性能与上层不同应用性能之间的映射关系。
2.3.2 水平结构模型
对于网络的性能,用户主要关心的是端到端的性能,因此从用户的角度来看,可以利用水平结构模型来对IP网络的端到端性能进行分析。
网络性能测量涉及到许多内容,如采用主动方式还是被动方式进行测量;发送测量包的类型;发送与截取测量包的采样方式;所采用的测量体系结构是集中式还是分布式等等。
3.1 测量包
网络性能测量中,影响测量结果的一个重要因素就是测量数据包的类型。
3.1.1 P类型包
类型P是对IP包类型的一种通用的声明。只要一个性能参数的值取决于对测量中采用的包的类型,那么参数的名称一定要包含一个具体的类型声明。
3.1.2标准形式的测量包
在定义一个网络性能参数时,应默认测量中使用的是标准类型的包。比如可以定义一个IP 连通性度量为:“IP 某字段为0的标准形式的P 类型IP 连通性”。在实际测量中,很多情况下包长会影响绝大多数性能参数的测量结果,包长的变化对于不同目的的测量来说影响也会不一样。
3.2主动测量与被动测量方式
最常见的IP网络性能测量方法有两类:主动测量和被动测量。这两种方法的作用和特点不同,可以相互作为补充。
3.2.1主动测量
主动测量是在选定的测量点上利用测量工具有目的地主动产生测量流量,注入网络,并根据测量数据流的传送情况来分析网络的性能。主动测量的优点是对测量过程的可控性比较高,灵活、机动,易于进行端到端的性能测量;缺点是注入的测量流量会改变网络本身的运行情况,使得测量的结果与实际情况存在一定的偏差,而且测量流量还会增加网络负担。主动测量在性能参数的测量中应用十分广泛,目前大多数测量系统都涉及到主动测量。
要对一个网络进行主动测量,需要一个测量系统,这种主动测量系统一般包括以下四个部分:测量节点(探针)、中心服务器、中心数据库和分析服务器。有中心服务器对测量节点进行控制,由测量节点执行测量任务,测量数据由中心数据库保存,数据分析则由分析服务器完成。
3.2.2 被动测量
被动测量是指在链路或设备(如路由器,交换机等)上利用测量设备对网络进行监测,而不需要产生多余流量的测量方法。被动测量的优点在于理论上它不产生多余流量,不会增加网络负担;其缺点在于被动测量基本上是基于对单个设备的监测,很难对网络端到端的性能进行分析,并且可能实时采集的数据量过大,另外还存在用户数据泄漏等安全性和隐私问题。
被动测量非常适合用来进行流量测量。
3.2.3主动测量与被动测量的结合
主动测量与被动测量各有其优、缺点,而且对于不同的性能参数来说,主动测量和被动测量也都有其各自的用途。因此,将主动测量与被动测量相结合将会给网络性能测量带来新的发展。
3.3 测量中的抽样
3.3.1 抽样概念
抽样,也叫采样,抽样的特性是由抽样过程所服从的分布函数所决定的。研究抽样,主要就是研究其分布函数。对于主动测量,其抽样是指发送测量数据包的过程;对于被动测量来说,抽样则是指从业务流量中采集测量数据的过程。
3.3.2 抽样方法
依据抽样时间间隔所服从的分布,抽样方法可分为很多种,目前比较常用的抽样方法是周期抽样、随机附加抽样和泊松抽样[4]。周期抽样是一种最简单的抽样方式,每隔固定时间产生一次抽样。因为简单,所以应用的很多。但它存在以下一些缺点: 测量容易具有周期性、具有很强的可预测性、会使被测网络陷入一种同步状态。随机附加抽样的抽样间隔的产生是相互独立的,并服从某种分布函数,这种抽样方法的优劣取决于分布函数:当时间间隔以概率1 取某个常数,那么该抽样就退化为周期抽样。随机附加抽样的主要优点在于其抽样间隔是随机产生的,因此可以避免对网络产生同步效应,它的主要缺点是由于抽样不是以固定间隔进行,从而导致频域分析复杂化。
在RFC2330 中,推荐泊松抽样,它的时间间隔符合泊松分布,它的优点是:能够实现对测量结果的无偏估计、测量结果不可预测、不会产生同步现象。但是,由于指数函数是无界的,因此泊松抽样有可能产生很长的抽样间隔,因此,实际应用中可以限定一个最大间隔值,以加速抽样过程的收敛。
4.1 连接性
连接性[5]也称可用性、连通性或者可达性,严格说应该是网络的基本能力或属性,不能称为性能,但ITU-T建议可以用一些方法进行定量的测量。目前还提出了连通率的概念,根据连通率的分布状况建立拟合模型。
4.2 延迟
延迟的定义是[6]:IP 包穿越一个或多个网段所经历的时间。延迟由固定延迟和可变延迟两部分组成[7][8]。固定延迟基本不变,由传播延迟和传输延迟构成;可变延迟由中间路由器处理延迟和排队等待延迟两部分构成。对于单向延迟测量要求时钟严格同步,这在实际的测量中很难做到,许多测量方案都采用往返延迟,以避开时钟同步问题。
往返延迟的测量方法是:入口路由器将测量包打上时戳后,发送到出口路由器。出口路由器一接收到测量包便打上时戳,随后立即使该数据包原路返回。入口路由器接收到返回的数据包之后就可以评估路径的端到端时延。
4.3 丢包率
丢包率的定义是[9]:丢失的IP 包与所有的IP 包的比值。许多因素会导致数据包在网络上传输时被丢弃,例如数据包的大小以及数据发送时链路的拥塞状况等。
为了评估网络的丢包率,一般采用直接发送测量包来进行测量。对丢包率进行准确的评估与预测则需要一定的数学模型。目前评估网络丢包率的模型主要有贝努利模型、马尔可夫模型和隐马尔可夫模型等等[10]。贝努利模型是基于独立同分布的,即假定每个数据包在网络上传输时被丢弃的概率是不相关的,因此它比较简单但预测的准确度以及可靠性都不太理想。但是,由于先进先出的排队方式的采用,使得包丢失之间有很强的相关性,即在传输过程中,包被丢失受上一个包丢失的影响相当大。假定用随机变量Xi 代表包的丢失事件,Xi = 0 表示包丢失,而Xi = 1 表
示包未丢失。则第i 个包丢失的概率为P[Xi|Xi-1, Xi-2,…Xi-n], Xi-1, Xi-2,...Xi-n 取所有的组合情况。当N=2 时,该Markov 链退化为著名的Gilbert 模型。隐马尔可夫模型是对马尔可夫模型的改进。
Maya Yajnik等人所作的172 小时的测量试验[11]结果表明,在不同的数据采样间隔下(20ms,40ms,80ms,160ms)采用三种不同的丢包率分析模型进行分析得到的结果完全不同,在不同的估计精确度的要求下实验结果也各有不同。因此,目前需要能够精确描述丢包率的数学模型。
4.4 带宽
带宽一般分为瓶颈带宽和可用带宽。瓶颈带宽是指当一条路径(通路)中没有其它背景流量时,网络能够提供的最大的吞吐量。对瓶颈带宽的测量一般采用包对(packet pair)技术,但是由于交叉流量的存在会出现“时间压缩”或“时间延伸”现象,从而会引起瓶颈带宽的高估或低估。另外,还有包列等其它测量技术。
可用带宽是指在网络路径(通路)存在背景流量的情况下,能够提供给某个业务的最大吞吐量。因为背景流量的出现与否及其占用的带宽都是随机的,所以可用带宽的测量比较困难。一般采用根据单向延迟变化情况可用带宽进行逼近。其基本思想是:当以大于可用带宽的速率发送测量包时,单向延迟会呈现增大趋势,而以小于可用带宽的速率发送测量包时,单向延迟不会变化。所以,发送端可以根据上一次发送测量包时单向延迟的变化情况动态调整此次发送测量包的速率,直到单向延迟不再发生增大趋势为止,然后用最近两次发送测量包速率的平均值来估计可用带宽
瓶颈带宽反映了路径的静态特征,而可用带宽真正反映了在某一段时间内链路的实际通信能力,所以可用带宽的测量具有更重要的意义。
4.5 流量参数
ITU-T提出两种流量参数作为参考:一种是以一段时间间隔内在测量点上观测到的所有传输成功的IP 包数量除以时间间隔,即包吞吐量;另一种是基于字节吞吐量:用传输成功的IP 包中总字节数除以时间间隔。
Internet 业务量的高突发性以及网络的异构性,使得网络呈现复杂的非线性,建立流量模型越发变得重要。早期的网络流量模型,是经典流量模型,也即借鉴PSTN的流量模型,用poisson模型描述数据网络的流量,以及后来的分组火车模型,Markov模型等等。随着网络流量子相似性的发现,基于自相似模型的流量建模研究也取得了不少进展和得到了广泛的应用,譬如分形布朗运动模型和分形高斯噪声模型以及小波理论分析等等。高速网络技术的发展使得对巨大的网络流量进行直接测量几乎不可能,同时,大量的流量日志也使流量分析变得相当困难。为了解决这一问题,近几年,流量抽样测量研究已成为高速网络流量测量的研究重点。
网络性能测量中还有许多关键技术值得研究。例如:单向测量中的时钟同步问题;主动测量与被动测量的抽样算法研究;多种测量工具之间的协同工作;网络测量体系结构的搭建;性能指标的量化问题;性能指标的模型化分析[12]~[16];对网络未来状况进行趋势预测;对海量测量数据进行数据挖掘或者利用已有的模型(Petri 网、自相似性、排队论)研究其自相似性特征[17]~[19];测量与分析结果的可视化,以及由测量所引起的安全性问题等等都是目前和今后所要研究的重要内容。随着网络性能相关理论、测量方法、分析模型研究的逐渐深入、各种测量工具的不断出现以及大型测量项目的不断开展,人们对网络的认识会越来越深刻,从而不断地推动网络技术向前发展。
本文对目前网络性能测量技术的主要方面进行了介绍和分析并对未来网络性能测量的研究重点进行了展望。
[1] ITU-T 建议1.350
[2] ITU-T,建议Y1540
[3] IETF, RFC2330, "Framework for IP Performance Metrics" Table of Contents 6
[4] IETF, RFC2330, "Framework for IP Performance Metrics" Table of Contents11
[5] IETF, RFC2678, "IPPM Metrics Measuring Connectivity"
[5] IETF, RFC2679, "A One-way Delay Metric for IPPM"
[6] IETF, RFC2681, "A Round-trip Delay Metric for IPPM"
[7] IETF. RFC3393, "IP Packet Delay Variation Metric for IPPM"PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建
[8] IETF, RFC2680, "A One-way Packet Loss Metric for IPPM"
[9] H. Sanneck and G. Carle GMD Fokus, Kaiserin-Augusta-Allee 31, D-10589 Berlin, Germany,"A Framework
Model for Packet Loss Metrics Based on Loss Runlengths "
[10] Maya Yajnik, Sue Moon, Jim Kurose and Don Towsley ,"Measurement and Modelling of the Temporal
Dependence in Packet Loss ", Department of Computer Science University of Massachusetts Amherst, MA 01003USA
[11] Jacobson V, "Pathchar A Tool to Infer Characteristics of InternetPaths. "
[12] LO PRESTI F, DUFFIELD N G, HOROWITZ J, et al. “Multicast-based Inference of Network Internet-Delay Distributions”.University of Massachusetts, Amherst, Computer Science, Technical Report UM-CS-1999-055,1999.
[13] DUFFIELD N G, LO PRESTI F. “Multicast inference of packet delay variance at interior network links”.IEEE INFOCOM 2000[C].Tel Aviv Israel, 2000.
[14] HUANG L, SEZAKI K. “End-to-end Internet Delay Dynamics”. IEICE Technical Report of CQ WG, May2000.
[15] OHSAKI H, MURATA M, MIYAHARA H, “ Modeling end-to-end packet delay dynamics of the Internet”
using systemidentification[A]. International Teletraffic Congress 17[C]. Salvador da Bahia, Brazil, 2001.
[16]Sue B.Moon, "Measurement and Analysis of End-to-End Delay and Loss in The Internet"
[17] J.-C. Bolot. “End-to-end packet delay and loss behavior in the Internet”.In Proceedings of ACM SIGCOMM,San Francisco, August 1993.
[18] V. Paxson, “Measurements and Analysis of End-to-End Internet Dynamics”, Ph.D. dissertation, 1997.
[19]张宏莉,方滨兴,胡铭曾,姜誉,詹春艳,张树峰,“Internet测量与分析综述”,软件学报,2003年1月,Vol.14, No.
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嵌入式 Linux是以Linux为基础的嵌入式作业系统,它被广泛应用在移动电话、个人数字助理(PDA)、媒体播放器、消费性电子产品以及航空航天等领域中。嵌入式linux 是将日益流行的Linux操作系统进行裁剪修改,使之能在嵌入式计算机系统上运行的一种操作系统。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:改善嵌入式Linux实时性能的方法研究相关论文,内容仅供参考,欢迎阅读!
摘要:分析了Linux的实时性,针对其在实时应用中的技术障碍,在参考了与此相关研究基础上,从三方面提出了改善Linux实时性能的改进措施。为提高嵌入式应用响应时间精度,提出两种细化Linux时钟粒度方法;为增强系统内核对实时任务的响应能力,采用插入抢占点和修改内核法增强Linux内核的可抢占性;为保证硬实时任务的时限要求,把原Linux的单运行队列改为双运行队列,硬实时任务单独被放在一个队列中,并采用MLF调度算法代替原内核的FIFO调度算法。
关键词:Linux;实时性;调度策略;抢占
目前,无论是在日常生活,还是在工业控制,航空航天,军事等方面,嵌入式系统都有着非常广泛的应用。嵌入式系统目前主要有:Windows CE、VxWorks、QNX等,它们都具有较好的实时性、系统可靠性、任务处理随机性等优点,但是它们的价格普遍偏高。而嵌入式Linux以其非常低廉的价格,可以大大的降低成本,逐渐成为嵌入式操作系统的首选。但是,作为通用操作系统的Linux,由于其在实时应用领域的技术障碍,要应用在嵌入式领域,还必须对Linux内核作必要的改进。许多嵌入式设备都要求与外部环境有硬实时的交互能力,将最初按照分时系统目标设计的Linux 改造成能支持硬实时性的操作系统显得十分重要。幸运的是, Linux 及其相关项目的开放源码特征为深入研究其内核并加以改造提供了可行性, 可以修改Linux 内核中的各个模块以达到满足嵌入式应用的需求,提高软件方面的开发速度。目前,改善Linux内核的设计与实现,使其适用于实时领域吸引了许多研究和开发人员的注意力[1-4]。常用的实时性改造方法是采用双核方法,这种方法的弊端在于实时任务的开发是直接面向提供精确实时服务的小实时核心的,而不是功能强大的常规Linux核心。基于此,近年来修改核的方法越来越受到科研人员的重视,这种方法是基于已有Linux系统对于软件开发的支持,进行源代码级修改而使Linux变成一个真正的实时操作系统。本文分析了标准Linux在实时应用中的技术障碍,参考了修改核方法的思想,从内核时钟管理、内核的抢占性、内核调度算法三方面论述了改善标准Linux实时性能的方法。
2.1 Linux的实时性分析
Linux作为一个通用操作系统,主要考虑的是调度的公平性和吞吐量等指标。然而,在实时方面它还不能很好地满足实时系统方面的需要,其本身仅仅提供了一些实时处理的支持,这包括支持大部分POSIX标准中的实时功能,支持多任务、多线程,具有丰富的通信机制等;同时也提供了符合POSIX标准的调度策略,包括FIFO调度策略、时间片轮转调度策略和静态优先级抢占式调度策略。Linux区分实时进程和普通进程,并采用不同的调度策略。
为了同时支持实时和非实时两种进程,Linux的调度策略简单讲就是优先级加上时间片。当系统中有实时进程到来时,系统赋予它最高的优先级。体现在实时性上,Linux采用了两种简单的调度策略,即先来先服务调度(SCHED-FIFO)和时间片轮转调度(SCHED-RR)。具体是将所有处于运行状态的任务挂接在一个run-queue 队列中,并将任务分成实时和非实时任务,对不同的任务,在其任务控制块task-struct中用一个policy属性来确定其调度策略。对实时性要求较严的硬实时任务采用SCHED-FIFO调度,使之在一次调度后运行完毕。对普通非实时进程,Linux采用基于优先级的轮转策略。
2.2 Linux在实时应用中的技术障碍
尽管Linux本身提供了一些支持实时性的机制,然而,由于Linux系统是以高的吞吐量和公平性为追求目标,基本上没有考虑实时应用所要满足的时间约束,它只是提供了一些相对简单的任务调度策略。因此,实时性问题是将Linux应用于嵌入式系统开发的一大障碍,无法在硬实时系统中得到应用。Linux在实时应用中的技术障碍具体表现在:
(1)Linux系统时钟精度太过粗糙,时钟中断周期为10ms,使得其时间粒度过大,加大了任务响应延迟。
(2) Linux的内核是不可抢占的, 当一个任务通过系统调用进入内核态运行时,一个具有更高优先级的进程,只有等待处于核心态的系统调用返回后方能执行,这将导致优先级逆转。实时任务执行时间的不确定性,显然不能满足硬实时应用的要求。
(3) Linux采用对临界区操作时屏蔽中断的方式,在中断处理中是不允许进行任务调度的,从而抑制了系统及时响应外部操作的能力。
(4) 缺乏有效的实时任务调度机制和调度算法。
针对这些问题,利用Linux作为底层操作系统,必须增强其内核的实时性能,从而构建出一个具有实时处理能力的嵌入式系统,适应嵌入式领域应用的需要。
2.3 当前增强Linux内核实时性的主流技术
近年来,人们对于Linux内核实时性改造提出了一些方法和设想,它们采用了不同的思路和技术方案。归纳总结,支持Linux的硬实时性一般有两种策略[5]:一种是直接修改Linux内核,重新编写一个由优先级驱动的实时调度器(Real-time Scheduler),替换原有内核中的进程调度器sched.c,KURT是采用这一方案较为成功的实时Linux操作系统;另外一种是在Linux内核之外, 以可加载内核模块(Loadable Kernel Module)的形式添加实时内核,确保其高响应特性,实时内核接管来自硬件的所有中断,并依据是否是实时任务决定是否直接响应。新墨西哥科技大学的RT-Linux,就是基于这种策略而开发的。以上两种策略有其借鉴之处,但如果综合考虑任务响应、内核抢占性、实时调度策略等几个影响操作系统实时性能的重要方面,它们还不能很好的满足实时性问题。为了增强嵌入式Linux实时性能,下文将就内核时钟精度、内核的抢占性以及内核调度算法等相关问题重点研究相应的解决方法。
改善嵌入式Linux实时性能的方法研究论文
针对Linux在实时应用中的技术障碍,将Linux改造成为支持实时任务的嵌入式操作系统, 主要从下面三个方面进行着手。
3.1细化时钟粒度
精确的计时是实时调度器正确操作所必须的,调度器通常要求在一个特定的时刻进行任务切换,计时的错误将导致背离计划的调度,引起任务释放抖动。标准Linux系统时钟精度太过粗糙,时钟中断周期为10ms,不能满足特定嵌入式应用领域中对于响应时间精度的要求。因此,在实时Linux应用中,需要细化其时钟粒度,具体有两种方式可以解决时钟粒度问题:一是通过直接修改内核定时参数HZ的初值来细化时钟粒度,如将标准Linux中内核定时参数HZ改为10000, 则时钟粒度可以达到100us,这种方式虽然会增加一些系统开销,但在强周期性环境下,对定时器的设置只需初始化一次,在一定程度上保证了处理效率;二是通过对可编程中断定时器8254或先进的可编程中断控制器进行编程来改进Linux时钟机制,以提高其时钟的分辨率,使毫秒级的粗粒度定时器变成微秒级的细粒度定时器。
3.2 增强Linux内核的抢占性
标准Linux内核是不可抢占的,导致较大的延迟,增强内核的可抢占性能,可提高系统内核对实时任务的响应能力。目前,有两种方法修改Linux内核以提高实时任务抢占非实时任务的能力:一是在内核中增加抢占点的方法;二是直接将Linux内核改造成可抢占式内核。插入抢占点方法是在Linux内核中插入一些抢占点,当一个系统调用执行到抢占点时,如果有更高优先级的实时进程正在等待运行,那么正在执行系统调用的内核进程将会把CPU的控制权转交给等待运行的实时进程;如果没有更高优先级的实时进程等待,则当前进程将继续执行,此时系统增加的开销仅仅是检测一下调度标志。将Linux内核改造成可抢占式内核方法的基本思想是产生运行调度器的机会,缩短任务发生到调度函数运行的时间间隔。这种方法修改了Linux源代码中的自旋锁宏以避免竞争,并在其中引入一个称作抢占锁计数器(PLC)的新的计数信号允许内核代码抢占,当它为0时,允许抢占;当其为大于0的任何值时,禁止抢占。目前,针对这两种修改Linux内核的方法,已经有两种比较成熟的Linux内核补丁被研制出来:抢占式补丁和低时延补丁。其中,抢占式补丁是Monta Vista开发的,它修改了内核代码中的spinlock宏和中断返回代码,使得当前进程可被安全抢占,当自旋锁释放或者中断线程完成时,调度器就有机会执行调度;低时延补丁是由Ingo Malnor提出,该方法只是在执行时间长的代码块上抢占,不采用强制式抢占,因此,如何找到延时长的代码块是解决问题的关键。
3.3 改善Linux内核实时调度器的调度策略
将进入系统的所有任务按实时性分成三类:硬实时、软实时、非实时任务[6]。硬实时要求系统确保任务执行最坏情况下的执行时间,即必须满足实时事件的响应时间的截止期限,否则,将引发致命的错误;软实时是指统计意义上的实时,一般整体吞吐量大或整体响应速度快,但不能保证特定任务在指定时期内完成。针对不同的实时性任务,分别采用不同的调度方法进行处理。
为了严格保证硬实时任务的时限要求,改善的Linux内核实时调度器采用了优先级调度算法,目前最小松弛时间优先调度算法MLF(Minimum-Laxity-First Scheduling Algorithm)是动态优先级调度最常见的实时调度策略。它在系统中为每一个任务设定松弛时间(任务的松弛时间等于任务的截止期减去任务执行时间、当前时间)即: laxity= deadline―current_time―CPU_time_needed,系统优先执行具有最小松弛时间的任务。根据就绪队列的各任务的松弛时间来分配优先级,松弛时间最小的任务具有最高的优先级。为了提高Linux的实时性,我们设计了MLF调度器,并把它作为可加载模块加入Linux内核中,在实现中需对内核进行相应的修改。为了区分任务的类型,对基本Linux的task_struct属性进行改进,在其中增加SCHED_MLF调度策略,并按task_struct中的policy的取值来进行区分, 分别用SCHED_MLF,SCHED_RR,SCHED_OTHER来标识硬实时、软实时、非实时任务。将处于运行状态的三类任务放入两个队列,硬实时任务放入hard_real_queue队列, 采用MLF调度算法,软实时和非实时任务放入non_real_queue队列(空闲任务也在其中),沿用原内核的RR调度算法。这两个队列可以用一个run_queue[2]的指针数组来指向,如图1 所示。
图1 双对列任务运行
双队列任务运行过程与原内核的单运行队列执行流程的主要区别在:首先,各硬实时任务采用了MLF调度算法代替原内核的FIFO调度,提高了Linux系统的实时性能。其次,在判断是否有软中断需要处理之前需判断硬实时任务队列是否为空,如果不为空,即使存在中断的后半部分需要处理,也要先调度硬实时任务投入运行,在硬实时队列为空的条件下才去处理中断的后半部分(因为中断的后半部分没有硬实时任务紧急)。最后,如果没有硬实时任务存在,则说明只有run_queue [1]队列中有软实时或非实时任务存在,这时的处理方法和原内核对单运行队列的处理方法相同。这样改进后,可以明显提高硬实时任务的调度效率,而在没有硬实时任务时,系统性能没有变化。
嵌入式技术具有广阔的应用前景,渗透于社会生活的诸多领域,把Linux应用于嵌入式系统,把Linux自身固有的优越性融入嵌入式技术,是嵌入式技术发展的一个重要方向。然而,由于Linux在实时应用领域的技术障碍,要将其应用在嵌入式领域还必须修改Linux 内核中的各个模块以达到满足嵌入式实时应用的需求。本文在分析Linux实时性的同时,探讨了其本身提供的一些支持实时性的机制以及在实时应用中的技术障碍。而后,基于增强Linux内核实时性的主流技术,从细化时钟粒度、增强内核抢占性及实时调度策略三方面入手,提出了改善Linux实时性能的优化方法。
[1] 赵慧斌, 李小群, 孙玉芳. 改善Linux核心可抢占性方法的研究与实现. 计算机学报, 2004, 27(2): 244-251
[2] 蒋溢, 李琳皓, 陈龙. Linux系统实时性探讨. 重庆大学学报, 2005, 28(3): 61-64
[3] 董晓峰, 顾新. 关于Linux内核可抢占性的研究. 计算机工程, 2005, 31(1): 82-84
[4] 陈敏, 周兴社. 基于嵌入式Linux的实时优化方案. 计算机应用研究, 2005, 22(3): 235-237
[5] 齐俊生, 崔杜武, 黑新洪. 嵌入式Linux 硬实时性的研究与实现. 计算机应用, 2003, 23(6): 34-36
[6] 李凡, 卢杜阶, 邱鹏. 在嵌入式应用中增强Linux实时性的方法研究. 华中科技大学学报, 2005, 33(2):
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氧化锌是一种著名的白色的颜料,俗名叫锌白。它的优点是遇到H2S气体不变黑,因为ZnS也是白色的。在加热时,ZnO由白、浅黄逐步变为柠檬黄色,当冷却后黄色便退去,利用这一特性,把它掺入油漆或加入温度计中,做成变色油漆或变色温度计。因ZnO有收敛性和一定的杀菌能力,在医药上常调制成软膏使用,ZnO还可用作催化剂。以下是读文网小编为大家精心准备的:浅谈单晶多孔ZnO制备及对室内空气污染物的气敏性能的研究相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
由装修材料带来的室内空气污染物,如甲醛、苯等,对人的身体健康有着非常大的损害,容易引起呼吸道疾病、肺炎和气管炎等疾病,甚至还有致癌的风险。因此对室内空气污染物的检测与实时监测一直被广为关注。目前室内空气污染物的检测传统技术是化学分析法,例如气相色谱和质谱联用法,这种检测方法工作量大、程序复杂、设备昂贵,且不能实现实时检测。基于半导体氧化物的电学气敏传感器,由于具有功耗低、响应快、结构简单、工艺成熟等优点,在室内空气污染物的检测与实时监测方面非常有应用前景。
ZnO 作为一种宽禁带( 3. 37 eV) 半导体,具有电子迁移率高、化学稳定性好等特点,对室内空气污染物均体现出较好的气敏特性。然而传统传感器往往基于块体的ZnO 敏感材料,因此往往灵敏度不高。近些年来,随着纳米科学的兴起,将传统材料纳米化,制备各种形貌与结构的ZnO 纳米材料,增强其性能以拓展应用成为研究热点。Bai 等利用水热法采用不同的表面活性剂制备了针状、铅笔状和花状的一维ZnO 纳米材料,Hsueh 等报道的ZnO 纳米片与纳米线等。有研究表明,单晶气敏材料的稳定性好,但灵敏度不理想,而非晶与多晶结构气敏材料具有较高的灵敏度,但稳定性较差因此。如何制备出高灵敏度、高稳定性的ZnO 气敏材料成为了该领域的一项挑战。
基于此,我们通过煅烧液相法合成前驱体的方法,制备了单晶多孔ZnO 纳米片,这种结构集合了纳米多孔结构以及单晶结构的优点,如多孔纳米结构的比表面积大,活性位点多,以及单晶材料稳定性好的优点,从而对室内气体污染物展现出了高的灵敏度以及较快的响应及恢复时间。这可为实用化的室内污染性气体传感器提供高效的敏感材料。
2. 1 单晶多孔ZnO 纳米片的制备
实验中所用到的所用试剂均为从国药集团购买的化学纯级试剂。首先,把1 g Zn( CH3COO)2和3 g CO( NH2)2溶解于40 mL 去离子水中,形成透明溶液并搅拌30 min。将这透明的溶液转移至一个密封的锥形瓶中,并放置于100 ℃ 的烘箱中,保温6 h。然后使用离心的方法将得到的白色沉淀从溶液中分离出来。用去离子水将其清洗2 ~ 3 次后将其放入真空干燥箱,60 ℃干燥24h。将干燥的前驱体在300 ℃退火2 h 即可得到单晶多孔ZnO 纳米片。
2. 2 单晶多孔ZnO 纳米片的表征
使用X 射线衍射仪( XRD,Philips X’pert PRO) 对样品的结构进行表征; 使用扫描电子显微镜( FE-SEM,FEI Sirion-200) 和高分辨透射电子显微镜( HRTEM,JEM-2010) 对样品的形貌以及微结构进行表征; 使用比表面分析仪( BET,Tristar Ⅱ 3020M) 对样品进行了氮吸/脱附和孔径分布表征。
2. 3 室内污染性气体检测
将单晶多孔ZnO 纳米片超声分散于乙醇中形成悬浊液,再将其涂覆于带有双电极和加热丝的陶瓷管表面,并在空气中干燥。随后,将其通过焊锡焊接至基座,安装于测试系统中进行老化与测试。
气敏测试在一个密封性良好且安装有气体进口与出口管的有机玻璃气室中进行,采用Keithley-6487 皮安表作为电压源并采集实时电流。测试气体为苯和甲醛( 浓度范围5 × 10 - 6 ~ 100 × 10 - 6 ) ,上述气体均属于典型的室内空气污染物。
3. 1 结构及形貌表征
为了确定所得样品的物相结构,首先对样品进行了XRD 表征。图1 即是退火前后样品的XRD 图谱。由图1 可以看出,退火前的前驱体的XRD 衍射谱( 下部黑线) 可以指认为Zn( CO3) ( OH)6·xH2O ( JCPDS卡: 11-2087) 。经过300 ℃退火后,前驱体的衍射峰全部消失,取而代之的衍射峰全部可以指认为纤锌矿结构的ZnO ( 上部红线, JCPDS 卡: 36-1451) ,没有杂峰存在。并且,样品的衍射峰很强,说明所制备的ZnO 具有着优异的结晶性。
为了表征多孔单晶ZnO 纳米片对气体的吸/脱附性能和孔径分布情况,我们对制备的多孔单晶ZnO 纳米片进行了比表面分析。图4 是多孔单晶ZnO 纳米片的氮吸/脱附热力学曲线和孔径分布图,从热力学曲线上面可以看出介孔的存在,孔径分布图进一步证明的介孔的孔径分布情况,30 nm 左右的介孔最多。介孔的存在提供了大量的活性位点,有利于对气体的吸附。
3. 2 敏感性能测试
传感器工作温度是气体传感器的重要参数之一,为了选择最优的测试条件,实验中首先讨论了测试工作温度对传感器灵敏度的影响。随着加热温度的升高,灵敏度逐渐增大,当温度升至220 ℃时达到最大值,再升高温度,灵敏度开始下降,说明传感器的最佳工作温度是220 ℃。因此后面的测试的工作温度都选择在220 ℃。选取典型的室内空气污染物—甲醛和苯,为目标气体进行检测。当打入甲醛或苯气体后,单晶多孔ZnO 纳米片气体传感器在接触到这两种气体中的任何一种时,灵敏度迅速升高,而且随着气体浓度的增加,灵敏度越来越大; 当打开阀门通入空气后,传感器能够迅速的脱离这两种气体,其响应灵敏度迅速降低,且ZnO 片气体传感每次测量后都基本能恢复到初始状态,说明该气体传感器拥有良好的响应-恢复特性、可逆性以及稳定性。
单晶多孔ZnO 纳米片传感器对甲醛和苯的响应灵敏度均随气体浓度的增大而提高,且明显优于商用ZnO 粉,此外其与浓度成较好的线性关系。
根据气敏测试数据结合响应和恢复时间的定义对响应和恢复时间进行了标记和结果汇总可见,商用ZnO 粉对于100 ×10 - 6苯和甲醛的响应和恢复时间153 和46 s 以及158和90 s; 而单晶多孔ZnO 纳米片对100 × 10 - 6苯和甲醛的响应时间为92 和29 s,对其的响应恢复时间分别为113 和58 s。这个比较结果说明单晶多孔ZnO 纳米片对室内污染物的响应不仅灵敏度有了明显提高,同时响应和恢复时间也明显缩短。这体现了单晶多孔ZnO纳米片在室内污染物检测中的优势,为潜在应用于室内污染物的检测提供了可能。
3. 3 敏感机理
ZnO 作为典型的n 型半导体氧化物,在空气环境中,O2会吸附于ZnO 的表面,并从材料中得到电子变成氧负离子,从而造成单晶多孔ZnO 纳米片敏感膜表面的电子空缺。当室内污染性气体如苯,甲醛等富电子气体注射到测试室后,与传感器敏感层接触,将与之前所生成的氧负离子( 氧化性) 发生反应。这一过程中,被氧负离子俘获的电子被释放回ZnO 纳米片,因而降低传感器的电阻( 电流增大) 。而当目标气体被高纯空气排出测试室后,传感器的电阻又逐渐恢复至初始值( 电流减小) 。相对于传统的ZnO 块体材料( 商用ZnO 粉) ,我们使用的ZnO 纳米片具有多孔结构,室内污染性气体分子可以通过孔结构扩散到材料内部,和材料内部的颗粒发生作用,这一定程度上相当于增大了目标气体和膜材料的接触面积。
通过此前表征结果可知,单晶多孔ZnO 纳米片为孔径较大的介孔纳米材料,且孔分布极为致密,这两方面都说明气体在该多孔ZnO 纳米片具有较大的扩散系数,利于目标气体的吸附( 响应阶段) 和脱附( 恢复阶段) ,因而该气体传感器具有高灵敏度以及较短的响应与恢复时间。同时,由于ZnO 纳米片是单晶结构,在材料内部没有晶界并且缺陷较少,因此在表面被释放的电子在向材料内部的运动过程中不易被复合,这不仅有利于ZnO 纳米片灵敏度的提升,还有利于增加传感器的稳定性。此外,ZnO 的片状结构也对传感器的稳定性有所贡献。在单晶多孔ZnO 纳米片气体传感器中,电极与ZnO 纳米片的接触、以及纳米片之间的接触均属于面接触,与纳米球( 点接触) 、纳米线和纳米管( 点或线接触) 相比,其接触电阻更小、稳定性更高。
通过使用对液相法合成的前驱体进行煅烧的方法成功的制备了具有单晶多孔结构的ZnO 纳米片。气敏性能测试结果表明,单晶多孔ZnO 纳米片对室内污染性气体的敏感性能明显优于商用ZnO 材料的气体响应,响应的灵敏度明显提高,响应和恢复时间明显缩短。结合Knudsen 模型对单晶多孔ZnO 纳米片的敏感机理进行了探讨,发现多孔结构使ZnO 纳米片具有较大的气体分子扩散系数,利于气体的吸附和脱附,因此其表现出较高的灵敏度以及较短的响应和恢复时间。并且单晶多孔ZnO 纳米片的单晶结构以及片状形貌也有利于传感器灵敏度以及稳定性的提升。
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近年来,各主机厂保险杠等外饰塑料件的油漆涂层质量问题多以起泡和掉漆为主要缺陷。笔者进行的有关统计结果显示,当年售后反馈的掉漆和起泡缺陷约占质量问题总数的16%,比例较高。
在试验室进行的涂层耐湿性试验过程中,也发现以PP-EPDM-T10、PP-EPDM-T20为基材的保险杠、防擦条和侧裙护板等塑料件涂层发生起泡缺陷的比例较大,起泡的直径和密度各不相同。
综上,涂层耐湿性差、导致涂层起泡、附着力下降的缺陷,已成为亟待解决的问题。
经初步分析,与涂层起泡有关的因素主要有以下几方面。
a.基材前处理工艺;
b.涂层烘干工艺;
c.基材。
3.1 基材前处理工艺的影响
3.1.1 涂装工艺流程
目前,PP 类外饰塑料油漆件通常采用三涂一烘(3C1B)工艺。相比而言,手动涂装线更容易出现基材脱脂不完全的情况。
3.1.2 用溶剂(无水乙醇)擦拭与否的对比试验
选择3 个塑料件注塑厂家,使用同一厂家的PP-EPDM-T20塑料粒子注塑保险杠。然后在各保险杠本体上截取样块,在试验室制成涂漆样板,进行涂膜耐湿性试验,具体步骤如下。
a.将试验样板放置于(60±1)℃、100% RH 的潮湿试验箱中,进行100 h连续冷凝水试验;
b.到达规定时间后取出试验样板并于(23±2)℃、(50±5)% RH的环境下放置24 h,检查涂层起泡情况。
可见,溶剂擦拭非常重要,必须严控该工序质量。
3.1.3 基材表面常见污染物对涂层耐湿性能的影响
选取2 个塑料粒子供货厂家注塑的PP-EP⁃DM-T20 塑料样板,在试验室制取涂漆样板,并于喷漆前对样板表面分别施以打磨灰、手汗和脱模剂3种污染物。
可见,基材表面残留的打磨灰、手汗和脱模剂是导致涂层起泡的主要原因之一。
3.2 涂层烘干工艺的影响
3.2.1 烘干工艺的影响
选择2 个塑料粒子供货厂家注塑的PP-EP⁃DM-T20 塑料样板,在试验室制取涂漆样板,进行烘干工艺的对比试验。表中无温度梯度的正常烘干条件为(85±2)℃、30 min,有温度梯度的正常烘干条件为(40±2)℃、5 min→(55±2)℃ 、5 min→(70±2)℃ 、5 min→(85±2)℃、30 min,非正常烘干条件a为(65±2)℃、30 min,非正常烘干条件b为(85±2)℃、20 min。由试验结果可见,烘干温度低和烘干时间短会加剧涂层起泡的程度。
3.2.2 烘干后老化期的影响
选择3 个塑料粒子供货厂家注塑的PP-EP⁃DM-T20 塑料样板,在试验室制取涂漆样板,并进行涂层烘干后不同老化期(指开展耐湿性试验前,样品在标准环境下的调节时间)的涂层耐湿性对比试验,结果见表5。由表5 可知,涂层烘干后老化期对涂层耐湿性能影响不明显,不是涂层起泡的主要原因。
3.3 基材的影响
3.3.1 基材材质的影响
为检验不同基材对涂层耐湿性能的影响,选择2 个塑料粒子供货厂家(E、F)注塑的塑料(高、低档PP-EPDM-T10,以下简称T10;高、低档PPEPDM-T20,以下简称T20)样板,对基材样板进行(100±2)℃/18 h 加烘烤(以减少涂装时增塑剂析出)和未加烘烤,然后在试验室制取涂漆样板,并进行涂层耐湿性能对比试验。可见,基材材质对涂层耐湿性能有影响,但基材是否加烘烤则影响不大。
3.3.2 基材涂装前表面潮湿程度的影响
塑料件注塑成型后到涂装之前有运输周转过程,期间基材可能会由于潮湿环境或人工湿打磨而导致基材表面有水分残留。选择2个塑料粒子供货厂家注塑的PP-EPDM-T20塑料样板,烘干后在样板上均匀滴上去离子水,然后在试验室制取涂漆样板,进行涂层耐湿性试验,结果见表7,涂层起泡状态见图5。可见,基材潮湿是导致涂层起泡的主要原因之一。
综上,导致外饰塑料油漆件耐湿性差的主要原因如下。
a.基材前处理不彻底,或者工人在施工过程中不戴手套便接触工件;
b.烘烤温度或烘烤时间不符合工艺要求;
c.涂装前基材受潮或前处理后基材上残留水分未吹净;基材质量不稳定或涂料与基材的匹配性差。
d.导致汽车塑料件耐湿性差的原因比较复杂,因此仍需要进一步研究与探讨。
a.基材前处理要彻底,确保边角处和面积较大的塑料件各处都能被擦净;工人在施工过程中应佩戴手套;基材前处理后应立即进行涂装,防止基材被二次污染;
b.严格控制涂装烘干条件,确保形成固化完全的涂层;
c.确保涂装前基材表面的水分被彻底吹干,外观要求很高的塑料油漆件应使用品质较好的基材,进行PP类塑料件低温底漆与指定塑料基材的涂装配套性能验证。
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桥式起重机与门式起重机是使用量最大的起重设备,对其实现轻量化设计,对节能降耗和推动绿色低碳经济具有重要意义。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:关于桥式起重机轻量化设计的关键要素探讨相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
【摘要】:伴随着科学技术的不断发展与进步,我国目前在起重机的设计上正逐步朝着轻量化的方向发展。文章从对计算方法以及设计进行改进、使用轻质的材料、对结构进行改进、对机构进行改进、从合理使用材料以及减轻电气系统等问题出发,对桥式起重机轻量化设计的关键要素进行了探究。
【关键词】:桥式起重机 轻量化设计 关键要素 工业运输 轻量材料 结构改进
随着我国经济的不断发展,起重机在工业安装以及物资的运输中起到了不可忽视的作用。现阶段我国拥有的起重机的设计以及制造水平正向世界水平逐步靠拢,然而由于一部分的历史原因,在起重机的设计方面我国承袭了前苏联的相关设计理念,从而致使起重机能耗高、自重及体积较大且安全系数裕量也较大。伴随着科学技术的不断发展与进步,我国目前在起重机的设计上正逐步朝着轻量化的方向发展,同时也在电气系统、工艺、机构、材料以及结构等方面取得了一定的应用。
第一,要广泛使用极限状态的设计法。在当下经常被使用的设计法是许用应力法,它的缺点是对工作性质不同且用途不同的金属结构使用相同的安全系数,并且经常会出现安全系数过大或是过小的情况。使用极限状态设计法所得到的计算结果相对较精确,能够符合金属结构在工作中的实际情况,所以也能够更加充分地对钢材的性能加以利用,并达到节省材料的目的。
第二,要使用现代的设计方法。这类方法能够正确地考虑到钢材的结构工作特点及性能与载荷的工作性质,例如模块化设计、有限元法、起重机动力学、模糊优化设计、灵敏度分析以及等强度设计等,以最大限度使自重得到减轻,同时对大型设备还可以使用动态模拟以及计算机仿真方法。
第三,要按照定位精度概念来对起重机所具有的刚性要求进行考核。在《起重机设计规范》中,把起重机的静刚度从起重机的工作级别中独立出来,同时还加入了定位精度的相关概念,从而能够按照设计的需要以及在使用中的要求对起重机的静刚性提出要求。同时,对起重机所具有的动态刚性在一般情况下不做出要求。
在其他国家中,已经尝试制造过铝合金结构的轮式起重机、桥式起重机以及龙门起重机的臂架。它的自重要比之前的轻30%~60%。由德国制造出来的铝合金箱型的单主梁桥式起重机的自重要比参数相同的钢制的双梁桥式起重机少70%。如果在制作过程中将H型钢材取代原有的钢板,就能够节约10%~15%的结构钢材,同时也能够使机械的抗弯能力在原有的基础上提高30%或更多。在对起重机的主梁强度进行设计时,可以使用高强度的钢材来取代原有的普通钢材,从而在生产过程中使生产起重机材料的用量减少,并使设备的重量进一步地降低。
第一,使用型钢来代替原有的焊接横梁,在对小车架进行设计的时候,可以在一部分的新产品中使用那些钢板冲压成型的型钢来取代焊接横梁,这样做不仅使焊接工作的工作量减少,也使机械的自重得到一定减轻。
第二,对柔性小车架进行推广,将井字形的四梁结构变成工字形的三梁结构,使移动荷载的重量得到大幅度降低。
第三,将小车的总高度降低,例如可以把定滑轮组放到小车架的滑轮梁内,使用外悬挂套装的方式来设置起升减速器。这样做可以不使用传统的底座结构,不仅可以使高度降低,也可以使机械的重量得到一定减轻。第四,小车的运行机构可以使用四合一或是三合一的传统系统。
第一,对运行机构进行创新。使用硬齿面减速器来代替原有的中硬齿面减速器,同时,尽量缩减零部件的数量,让机械的结构能够更加紧凑。现阶段,由减速器、电动机以及制动器联合构成的三合一的运行机制,在大多数的桥架型起重机中的大小车运行结构内得到了十分普遍的应用,这种运行机构使桥架的自重得到减轻,让机械的结构更加紧凑,同时也减少了维护的工作量以及维护所使用的费用。
第二,对起升结构进行改进。可以将电动葫芦进行推广来代替起升机构。对于中小型的起重机来说,可以使用葫芦来作为起重机的起升结构,这样做既能够使起升机构的重量在一定程度上得到减轻,还可以使起重小车的重量得到减轻,从而达到节能的目的,还可以在作业过程中减小对于建筑物高度的相关要求。另外,对于零部件要尽可能以焊代铸,例如滑轮、减速器壳体以及卷筒等都可以使用焊接结构。
第三,可以研发出内平动卷筒,在作业过程中,可以将内平动齿轮减速器的输出端和卷筒的输入端直接联系在一起。也可以把内平动齿轮的减速器和卷筒合二为一,制作出一种内平动的电动卷筒,另外,内平动齿轮的减速器的内齿轮外表面还能够直接用作制动轮,这样既能够使起升机构的重量得到减轻,还可以让机械的结构更加紧凑,从而使维护费用以及维护量得到减轻。第四,使用高转速的电动机,对于机械的各个机构所使用的电动机都可以并应该向高转速的方向发展,由此来使电机基座号得以减小,同时也使机械的重量减轻,减小机械的外形尺寸,还可以使其配用制动力矩较小的制动器。
5要合理使用材料
在主梁结构中,辅助材料的重量大约是主梁自重的20%~30%,因此,在工程中减少对于辅助材料的使用,对于使主梁的自重得到减轻具有十分重要的意义。因此,可以在之前已经获得了成功的结构设计中减去一部分,而不是增加一部分,对力的传递路线进行分析,在工程中得到使用的每一块材料都应该具有十分明确的使用目的,对于不起作用的材料不予使用。
第一,要使用不锈钢的电阻器,从而减少电阻器的使用数量。在普通的使用场合中,可以使用按钮控制来取代司机室的操作。在比较特殊的带有多粉尘、有毒气体或是高温等较危险的作业场地中,可以使用遥控来取代司机室的操作,这样不但可以使起重机的整体自重得到减轻,还能够使起重机的平衡度得到提高,并减少故障的发生率,提高工作的效率。
第二,对于减速机以及电机等的外壳,可以使用铸铝结构,使机械的重量得到减轻。
我国的起重机的轻量化设计具有十分充足的可行性。与其他国家相比而言,我国的起重机在电气系统、工艺、机构、材料以及结构等方面都存在着一定的改进空间。对于这一设计,政府及制造企业的资金投入以及国家政策对它的扶持等都有待加强,用户原有的观念也应发生一定的转变。另外,对于起重机的节能监管以及能效测试的相关安全技术规范、规章制度以及法律法规也有待制定并得到完善,做好这些工作可以推动这一技术的快速进步,从而早日实现起重机的轻量化设计。
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混凝土是人类最早使用的复合型材料之一,早在远古时期,人类便使用以粘土、石灰、石膏、火山灰等为胶凝材料,以碎石、贝壳等为骨料,以稻草、灌木等为抗拉材料的原始混凝土。1824年,英国利兹城的泥水匠阿斯普丁(J.Aspdin)发明了波特兰水泥,从而宣告了现代混凝土的诞生。用波特兰水泥配制成的混凝土具有工程所需要的强度和耐久性,而且原料易得,造价较低,特别是能耗较低,因此,现代工程广泛使用混凝土作为结构材料。随着混凝土应用的推广,一些混凝土自身性能的不足也逐渐体现出来,如耐久性差、振捣密实困难、生产效率低下、环保性能差等。针对上述问题工程界提出了高流态混凝土(High-Flowing Concrete)的概念。高流态混凝土,顾名思义就是指具有高流动性能的混凝土。高流态混凝土流动性好,混凝土拌合物依靠自重不需要振捣即可充满模型和包裹钢筋,具有良好的施工性能和充填性能,而且骨料不离析,混凝土硬化后具有良好的力学性能和耐久性能。
高流态混凝土的概念诞生于上世纪70年代,但我国的研究和应用较晚。近年来,随着我国国力的增强、国家对基础设施投资的增加、劳动力成本的上升、环保要求提高等原因,高流态混凝土在我国的应用逐渐增多,但应用的领域较窄,使用比例较低。结合国内外的研究与应用现状,高流态混凝土在以下几个领域使用较少,有着较好的应用前景:
2.1水下施工高流态混凝土。目前在大型公路桥梁的基础形式主要采用水下钻孔灌注桩。钻孔灌注桩基础属于隐藏工程,其质量的好坏直接决定了整个工程的质量。水下混凝土施工隐蔽性强,混凝土极易产生松散、离析、缩颈等质量问题,控制水下混凝土施工的质量是整个水下钻孔灌注桩施工质量控制中的节点工程。在水下施工中,水流速度快,施工环境复杂,施工工程难度很大。水下混凝土的整平和密实完全依靠混凝土自重来完成,混凝土如果没有良好的抗离析性和粘聚性将极易被水流冲散而影响成桩质量。此外,根据灌注桩的浇筑特点,首盘混凝土浇筑后将被后续混凝土持续顶升,在此过程中混凝土必须一直保持较高的流动性,否则就容易造成断桩、夹层等质量事故。首盘混凝土在保持长时间流动性的基础上,初凝时间还不能太迟,否则就无法达到设计强度。上述技术性能,普通混凝土很难达到。经过设计的水下施工高流态混凝土具有良好的流动性、粘聚性,塌落度延时损失小,在水下灌注桩等施工项目中有着良好的应用前景。
2.2水工高流态自密实混凝土。近年来国家加大了对基础设施建设的投资,水利工程是投资的重点,一大批各类水利项目上马建设。水利施工中存在着体量大,形状复杂、配筋密集、作业面狭窄、难以振捣等困难。另外,水工混凝土对材料的流动性、粘聚性、抗分离性和钢筋通过能力等性能指标有着特殊的要求,根据现有研究,水工高流态自密实混凝土有着下列特点:①混凝土坍落度大,流动性好,混凝土拌和物不需振捣仅靠重力便能通过自行流动达到均匀密实;②混凝土抗分离性能良好,在穿过钢筋网后至凝结前无分层离析和泌水现象;③硬化后的混凝土干缩小,能够有效填充各结构部位,达到内实外光。水工高流态自密实如能大量应用,将极大的减少施工难度,提高施工效率及工程质量。
2.3补偿收缩高流态混凝土(微膨胀高流态混凝土)。普通的硅酸盐水泥在自然条件下硬化,具有一定的干缩性。混凝土的收缩值随着水泥的品种、熟料的矿物组成、水泥颗粒的细度水灰比的大小、养护条件的不用以及使用环境的差异等的变化而变化。根据理论7~60天内混凝土的收缩率较大,60天后混凝土的收缩率逐渐趋于缓慢、平稳。混凝土内部由于收缩会产生微裂纹,微裂纹会破坏混凝土结构的整体性,影响混凝土的力学性能和耐久性。而经过配合比设计的补偿收缩高流态混凝土在保证强度和流动性的同时还能有效的抵偿混凝土的干缩,甚至微膨胀。补偿收缩高流态混凝土在裂缝修补,新老混凝土交接施工等方面有着良好的应用前景。
2.4结构补强高流态混凝土。近四五十年以来,混凝土结构物因材质劣化造成过早失效以至破坏崩塌的事故在国内外屡次发生,造成了重大的经济损失和不良的社会影响。例如,在日本沿海地区,许多桥梁、港湾建筑等,建成后10年不到的时间里,混凝土表面即出现裂纹、剥落,钢筋锈蚀外露的现象。我国很多早期混凝土构造物使用寿命远低于设计要求便出现了严重的损坏。结构补强高流态混凝土在混凝土构造物的补强修复中可以发挥很大的作用。结构物剥蚀、裂缝的修复中难度最大的就是作业面窄小,混凝土振捣困难,无法密实,这样补强工程就无法达到预期的效果。高流态混凝土因其高流动性、自密实性能,可有效解决上述问题。结构补强高流态自密实混凝土在国外已有应用,国内的研究与应用目前还是空白。
国内外大量研究及工程实例表明,大规模应用高流态混凝土可有效降低污染物排放、提高构筑物耐久性能,降低建筑使用周期内的综合成本,为我国实现节能、高效、可持续性发展的目标提供支撑。
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表面处理是在基体材料表面上人工形成一层与基体的机械、物理和化学性能不同的表层的工艺方法。表面处理的目的是满足产品的耐蚀性、耐磨性、装饰或其他特种功能要求。 对于金属铸件,我们比较常用的表面处理方法是,机械打磨,化学处理,表面热处理,喷涂表面,表面处理就是对工件表面进行清洁、清扫、去毛刺、去油污、去氧化皮等。以下是读文网小编为大家精心准备的:表面处理对碳纤织物增强环氧树脂复合材料界面及性能影响研究相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
金属背衬型聚合物自润滑复合材料因具有减摩、耐磨等优点,在机械设备、船舶等重载摩擦副上得到了广泛应用。碳纤织物增强环氧树脂基自润滑复合材料作为衬层型重载摩擦副用材料,以其优异的力学性能和摩擦学性能、良好的自粘接性以及成型工艺简单等特性已成为当前国内外研究的热点之一。在纤维增强树脂基复合材料中,主要承载组元为纤维,树脂基体将纤维粘接固定并将载荷传递到每根纤维,因此复合材料的界面特性对其力学性能有着重大影响。但是,由于碳纤维表面缺少活性基团呈化学惰性,且其表面光滑,导致碳纤织物与基体浸润性差,不能与基体进行有效结合。因此,要获得力学性能优良的碳纤织物增强复合材料,必须对其进行表面处理,改善其表面浸润性、粗糙程度,产生适合于聚合物粘接的表面形态,从而提高碳纤织物增强复合材料的力学性能。
目前,提高碳纤织物增强复合材料界面性能主要从以下两方面着手: 一是增加纤维表面活性官能团,二是增大纤维表面粗糙度。在对碳纤织物进行表面处理时,以上2 个因素往往同时出现并对碳纤织物增强复合材料的界面性能的改善起协同作用。为了探索提高碳纤织物增强环氧树脂复合材料的力学性能,寻求简单有效的碳纤织物表面处理工艺,在已有研究和前期大量实验基础上,本文研究比较了空气氧化处理、浓硝酸氧化处理、偶联剂涂覆处理、气液双效处理和液相双效处理等表面处理方法对碳纤织物表面及复合材料界面和性能的影响,以此来探索一种工艺简单、环境友好且可显著提高复合材料性能的碳纤织物表面处理工艺。
1. 1 实验材料
碳纤织物( 1K/T300) : 日本东丽; 环氧树脂E51( 环氧值0. 53 ) : 巴陵石化公司; 环氧丙烷丁基醚( 501) : 纯度大于等于99. 5%,广州江盛华工科技有限公司; 邻苯二甲酸二丁酯: 纯度大于99. 0%,天津市富宇精细华工有限公司; 105 缩胺环氧固化剂( 缩胺105) : 苏州光福材料厂; 偶联剂Y-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷( KH-560) : 东莞市信康有机硅材料有限公司。
1. 2 实验过程
碳纤织物在使用前,首先在丙酮溶液中浸泡48 h,再放入恒温真空干燥箱中100 ℃干燥3 h,以除去其表面的预浸胶料、污染物等,记为未处理碳纤织物; 然后分别采用空气氧化( 450 ℃ /45min) 、浓硝酸氧化( 95℃ /90min) 、偶联剂涂覆( 3% KH560 /10min) 、气液双效处理( 空气氧化450 ℃ /45min + 偶联剂涂覆3%KH560 /10min) 、液相双效处理( 浓硝酸95 ℃ /90min +偶联剂涂覆3% KH560 /10min) 对碳纤织物进行表面处理。
检测分析试样采用手糊模压法制备,将配制好的环氧树脂胶体通过手糊法涂覆于碳纤织物表面,然后放置于采用螺栓加压固定的模具中,在真空度为- 100kPa 的真空箱中常温固化24 h,获得表面平整、无气泡、裂纹、分层等缺陷的试样。
1. 3 测试与表征
利用日本日立S-3400N 型扫描电子显微镜进行断口形貌与碳纤织物表面形貌分析; 采用美国安捷伦5100 原子力显微镜对碳纤织物进行表面形貌分析并计算其表面粗糙度; 采用德国Elementar 公司VarioELIII型元素分析仪对碳纤进行元素分析,分析处理前后碳纤织物中C,O,N 元素变化; 采用美国Nicolet6700傅里叶红外光谱仪对处理前后碳纤表面进行分析; 复合材料力学性能测试在WDW3005 电液伺服万能实验机上进行,各测试试样按照国家相关标准制备; 根据GB /T 3855 - 2005《碳纤维增强塑料树脂含量试验方法》,采用称量法进行复合材料含胶量测试,称量精确至0. 1 mg。力学性能与含胶量实验过程中每个实验重复3 个试样,结果取平均值。
2. 1 碳纤表面形貌
未经表面处理和分别经过空气氧化、浓硝酸氧化、偶联剂涂覆、气液双效和液相双效处理后的碳纤表面形貌图。从Fig. 1 中可以看出,对市场上购买的经丙酮清洗并烘干后的碳纤织物,即实验中未处理的碳纤,其表面光滑平整,仅有轻微的纵向沟槽,根据原子力显微镜检测、计算结果,其表面粗糙度平均为12. 8 nm; 采用空气氧化处理后,碳纤被氧化,出现剥落、凸起现象,且表面纵向沟槽加宽加深,同时附着有少量颗粒物,其表面粗糙度平均为52. 5 nm; 浓硝酸氧化处理后,纤维表面呈现明显的沟槽状刻蚀,并伴随有颗粒状附着物,其表面粗糙度平均为39. 5 nm; 采用偶联剂涂覆处理的碳纤,在纤维表面形成一层比较均匀的偶联剂覆盖层,同时纤维本身基本未受到损伤; 而对于采用气液双效和液相双效处理的碳纤,由于碳纤在氧化处理过程中,在表面形成了较深的刻蚀,表面粗糙度增加,从而与偶联剂之间的粘着性增强,所以在又经偶联剂处理后,表面偶联剂粘附明显增加。
这表明,与未处理碳纤相比,氧化处理可增加碳纤维表面粗糙度,能增大碳纤与基体之间的接触面积,从而有效提高纤维与基体之间的粘接性能; 偶联剂处理后,在碳纤表面形成一层偶联剂粘附层,使碳纤表面活性增加,也可以增加碳纤与基体之间的粘着力。但氧化处理会对碳纤产生一定的刻蚀,从而会对碳纤本身力学性能产生不利影响,可能会降低复合材料的性能,因此,在选择碳纤表面处理方法时需综合其对复合材料性能的影响。
同时,由于采用偶联剂处理,在碳纤表面形成的偶联剂涂覆层会影响表面粗糙度的测量,因此,实验中未对偶联剂处理的碳纤进行表面粗糙度测量。
2. 2 复合材料含胶量
在纤维增强复合材料中,胶体含量的多少对材料的性能有着重要影响,也是材料制备工艺控制的目标之一。相同制备工艺条件下,未处理和经不同表面处理后碳纤织物增强环氧树脂基复合材料胶体含量。所制备的碳纤织物增强环氧树脂复合材料含胶量为30% 左右,其中碳纤织物未处理的复合材料含胶量最高,为33. 7%; 而经不同表面处理后的复合材料,含胶量略低,其中液相双效处理含胶量最低为29. 9%,较未处理的降低了11. 3%。这可能是因为,未处理的碳纤织物与胶体之间浸润性较差,胶体易于聚集,在模压成型过程中难以流动,从而导致含胶量较高; 而经表面处理后,胶体与碳纤织物之间的浸润性得到改善,胶体易于均匀填充、分布于碳纤织物之间,从而在加压过程中易于流出,所以胶体含量略低。这同时也说明,实验中所采用的复合材料材料制备工艺在胶体控制方面,具有较好的一致性和可重复性,从而也基本消除了含胶量对不同碳纤织物表面处理方法复合材料力学性能的影响。
2. 3 复合材料力学性能
未经表面处理和分别经过不同表面处理方法处理后的碳纤织物增强环氧树脂复合材料层间剪切强度。对于未经表面处理的碳纤织物,所制备复合材料层间剪切强度平均仅为21. 5 MPa; 经表面处理后,其层间剪切强度均得到显著提高,其中空气氧化处理提高幅度最低,平均为33. 1MPa; 偶联剂涂覆处理平均为43. 2 MPa; 采用气液双效处理的层间剪切强度最高,平均达44. 3 MPa,与未经表面处理的碳纤织物相比,提高1 倍多。这表明,对碳纤织物进行表面处理,无论是采用增加纤维表面活性官能团的偶联剂涂覆和双效处理,还是采用增加纤维表面粗糙度的氧化法,均可有效提高复合材料层间剪切强度。
这是因为对于纤维增强环氧树脂复合材料,层间剪切强度主要取决于基体和界面的性能,其剪切破坏主要是由基体剪切破坏、纤维断裂和复合界面脱粘引起,因此,在基体材料一定的情况下,纤维及纤维与基体之间的结合界面就对复合材料层间剪切强度产生重要影响。虽然实验中对碳纤织物进行表面处理后,纤维本身会受到损伤尤其是氧化法,导致纤维强度降低,但表面处理的复合材料层间剪切强度均得到明显提高,这也表明表面处理对碳纤织物增强环氧树脂复合材料层间剪切强度的重要有利作用。
同时,经表面处理的碳纤织物复合材料层间剪切强度值离散性小于未处理的,这表明表面处理后复合材料性能更加均匀一致,可能是因为表面处理增强了碳纤织物与聚合物之间的浸润性与粘接均匀性,这对提高复合材料性能均匀性和可靠性十分有利。
为了进一步研究不同碳纤织物表面处理方法对复合材料力学性能的影响, 给出了未经表面处理和分别经过上述不同方法表面处理后的碳纤织物增强环氧树脂复合材料的弯曲、拉伸、压缩强度和冲击韧性。从中可以看出,与未处理碳纤织物相比,经不同方法处理后,复合材料的弯曲强度、压缩强度和冲击韧性均有明显提高,尤其是弯曲强度得到大幅度提高,其中采用偶联剂处理的,其弯曲强度为1088. 9MPa,较未处理的533. 6 MPa 提高104. 1%。而拉伸强度,采用偶联剂处理的试样达538. 1 MPa,与未经处理的413. 9 MPa 相比,提高30. 3%; 而经其它方法处理后的试样,则有所降低或提高不大。
由此可知,与采用未经处理的碳纤织物制备的复合材料相比,经表面处理后的碳纤织物复合材料,其性能可得到有效提高; 综合考虑各项性能指标,以偶联剂处理效果最佳。这主要是因为偶联剂作为一种改善纤维表面活性官能团的处理方法,一方面能增大纤维表面活性,提高纤维与树脂基体之间的粘接性,另一方面,偶联剂处理不会对纤维表面产生破坏,从而不降低纤维本身力学性能。经氧化处理后,碳纤维中C 含量由未经处理的90. 9% ( 质量分数) 降低为空气氧化处理的90. 7% 和硝酸氧化处理的86. 0%,而O含量由未经处理的1. 3% 分别增加至1. 5% 和8. 4%,N含量则由7. 8% 分别变化至7. 7% 和5. 6%。这表明经过空气氧化和硝酸氧化处理后,碳纤表面O,N 元素与C 元素比例得到明显提高,即含氧官能团和含氮官能团得到了有效增加。所以双效处理后,偶联剂与碳纤表面含氧官能团和含氮官能团进行化学作用,同时偶联剂的环氧端基扩散到聚合物基体中形成化学键,从而使其一些性能指标得到进一步提高。但是由于氧化处理会不同程度的损伤碳纤,从而影响碳纤织物增强复合材料力学性能,这也是空气氧化、硝酸氧化以及气液双效和液相双效处理后复合材料一些性能指标低于单独偶联剂处理的原因。
为了进一步探索偶联剂涂覆处理对碳纤表面的影响,Fig. 4 给出了未经表面处理和经偶联剂涂覆处理后,碳纤表面傅里叶红外光谱分析结果。从图中可以看出,经偶联剂涂覆处理后,在3440 cm - 1 和1645cm - 1处结合峰显著加宽,同时在2360 cm - 1 处结合峰显著增强,这表明处理后的碳纤表面活性官能团显著增加,从而有利于增强碳纤与环氧树脂基体的粘接性,进而使复合材料的力学性能得到有效改善。
2. 4 断口分析
由以上实验结果可知,实验条件下,碳纤织物采用偶联剂涂覆表面处理,对复合材料性能提高最大。为了进一步分析表面处理对复合材料性能影响的机理,分别对未处理和偶联剂涂覆处理碳纤层间剪切强度测试单丝表面形貌进行了分析。未处理的碳纤表面光滑,层间剪切破坏后,碳纤表面仅有少量聚合物粘附物; 而偶联剂涂覆处理的碳纤表面则粘附有大量的聚合物。这表明表面处理后,碳纤与聚合物之间粘接性大大提高,从而使其层间剪切强度得到有效提高。这是因为,当碳纤织物增强环氧树脂复合材料受到外力作用时,聚合物作为传力组元,若聚合物与碳纤之间不能良好的粘接,则难以使其负荷得到有效传递,从而易于产生应力集中,导致其内部裂纹快速扩展,性能大大降低。
碳纤织物未处理和偶联剂涂覆处理后复合材料压缩断口扫描形貌。从可以看出,碳纤织物未处理的复合材料压缩断口碳纤分布散乱且长短不一,同时聚合物分布不均,存在明显的聚集; 经偶联剂涂覆处理的复合材料压缩断口平整光滑,聚合物分布比较均匀,每根碳纤周围较均匀地被聚合物包覆且结合良好。这表明偶联剂涂覆处理可有效增加碳纤织物与聚合物之间的粘附性,也有利于碳纤织物与聚合物之间良好浸润,使其组织更加均匀,从而其力学性能得到有效提高。
综上所述,碳纤织物表面处理可有效提高复合材料的力学性能。空气氧化法和硝酸氧化法以及由二者与偶联剂涂覆结合的双效处理法,虽然可使复合材料一些性能指标得到提高,但在氧化过程中,会使碳纤受到损伤,从而对复合材料一些性能产生不利影响; 而偶联剂涂覆处理作为一种增加碳纤表面活性官能团的处理方法,既不降低碳纤力学性能又可提高碳纤与聚合物之间的粘接强度,综合考虑其对复合材料各项性能指标的影响,实验条件下,偶联剂涂覆处理是一种比较理想的碳纤织物表面处理方法,同时还具有工艺简单易行的优点。
( 1) 未处理的碳纤表面光滑平整,其表面粗糙度平均为12. 8 nm,经氧化法处理碳纤表面被明显刻蚀,表面粗糙度增加; 偶联剂处理的碳纤在其表面形成一层均匀的偶联剂覆盖层。
( 2) 与未处理的碳纤织物相比,气液双效处理表面处理后碳纤织物增强环氧树脂复合材料层间剪切强度得到明显提高,由未处理的21. 5 MPa 增大到44. 3MPa。
( 3) 经偶联剂涂覆处理的碳纤织物,其复合材料具有较佳的综合力学性能,其弯曲强度为1088. 9MPa,拉伸强度为538. 1 MPa,压缩强度为551. 3 MPa,冲击韧性为72. 2 kJ /m2,而未处理则分别仅为533. 6MPa,413. 9 MPa,417. 8 MPa 和47. 9 kJ /m2。
( 4) 断口形貌分析表明,碳纤未处理的复合材料断口碳纤杂乱,胶体分布不均; 偶联剂涂覆处理的复合材料断口光滑平齐,胶体均匀包覆于碳纤周围。
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实时操作系统是保证在一定时间限制内完成特定功能的操作系统。实时操作系统有硬实时和软实时之分,硬实时要求在规定的时间内必须完成操作,这是在操作系统设计时保证的;软实时则只要按照任务的优先级,尽可能快地完成操作即可。我们通常使用的操作系统在经过一定改变之后就可以变成实时操作系统。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:提高实时操作系统的实时性能和可靠性策略相关论文,内容仅供参考,欢迎阅读!
对很多嵌入式系统来说,一个设计良好的实时操作系统(RTOS)可以让开发工程师掌握系统执行任何任务或响应任何关键事件的时间,满足系统实时性要求。为了理解RTOS如何通过系统调度策略实现实时性要求,本文介绍了抢占式调度、可抢占的内核、优先级继承和中断处理等概念。
在设计工业控制系统或医疗设备时,大部分工程师和系统设计工程师会认为采用RTOS是必需的。然而,网际路由器、车载娱乐系统和多媒体设备等普通应用还需要采用RTOS吗?像Linux或Windows这样的通用操作系统是否就能胜任呢?通常,这些产品需要采用RTOS,但是这个问题常常直到设计阶段的后期才能意识到。
RTOS对于很多嵌入式系统来说不但是有益的,而且也是必要的,认识到这一点很重要。例如,一个播放如MPEG格式电影的设备,如果依靠软件来实现其整个内容传输,可能会出现用户难以接受的高丢帧率。然而,通过使用RTOS,系统设计工程师能够准确地控制软件过程的执行顺序,从而保证按照给定的媒体速率进行播放。上述大部分情况适用于用户希望对输入做出立即响应的系统。通过RTOS,开发人员能够保证由用户的操作总能得到及时的响应,除非一个更重要的操作(如一项有助于保障用户安全的操作)必须首先执行。
总之,一个好的RTOS支持开发人员控制系统执行任何任务或对任何重要事件做出反应的时间,并且能够以一种可以预测并且完全一致的形式满足任务执行的最终期限要求。但是,如果RTOS崩溃,这些最终期限就不能被满足。因此,RTOS必须提供高度的可靠性。特别是它必须提供在不需要重启的情况下,从软件故障中快速并智能恢复的机制。
在像Linux这样的通用操作系统中,在对线程和进程的CPU占用上采用了“公平”调度策略。这样的策略能够提供良好的整体表现,但是不能保证高优先级、对时间要求严格的线程将优先于低优先级的线程执行。事实上,操作系统有时甚至会中断高优先级的线程来为低优先级线程提供CPU时间。其结果可能造成对时间要求严格的线程很容易地错过它们的最终期限,甚至在一个高速的高端处理器上运行时也会出现这种情况。
而在RTOS中,线程按照其优先级顺序执行。如果一个高优先级的线程准备运行时,它将在一个短的、有限时间间隔内从任何可能正在运行的低优先级进程接管CPU。另外,高优先级的线程能够不被中断地运行,直到它已经完成了需要做的事情-当然是在不被更高优先级进程抢占的前提下。这种方法就是抢占式调度,保证了高优先级线程始终满足其最终期限,而不管有多少其它线程正在竞争CPU时间。
通过合理地控制线程优先级,开发者能显著地提高很多对用户非常重要的应用响应速度。然而,控制优先级可能是一把双刃剑,当使用不当时它可能会潜在地导致低优先级的进程不能得到CPU时间。保证高优先级的进程和线程的同时确保不会使其它进程处于“饥饿”状态的关键是要对它们的执行进行限制,通过对执行进行调整或在响应加载的过程中进行控制,开发人员能够限制这些活动消耗的CPU时间比例,并支持低优先级进程获得对CPU的共享。
优先级控制能够使很多应用受益,包括像前面提到的媒体播放器(MP3、WAV、MPEG2等格式)。媒体播放器需要实现正常播放所要求的速率(例如44kHz的音频、30fps的视频)。在这种限制之下,一个读线程和一个显示线程可以被设计成依靠一个可编程的定时器来唤醒,缓冲或显示一帧后进入睡眠状态,直到下一个定时触发。这提供了一种调整机制,支持高于正常用户活动而又低于关键系统功能的优先级设置。换句话说,如果没有更重要的任务准备运行,媒体播放将始终以给定的媒体速率执行。
抢占式调度仅在高优先级的线程在一个短的、有限时间段内抢占低优先级线程的情况下有效。否则,系统将不可能预测要花费多长时间来执行一个给定的操作。因此,任何销售进程模式的RTOS的供应商都必须提供针对下面两种时间间隔提供最坏情形:线程切换时间,即当两个线程处于同一进程的情况下,从执行一个线程的最后一条指令到执行下一个被调度线程的第一条指令所经过的时间;前后关系切换(context switch)时间,其定义同上,但仅针对两个线程处于不同进程的情况。
可以将线程看作是最小的“执行单元”,而将进程看作是一个或多个线程的“容器”,进程定义了线程将要在其中执行的地址空间。显然,最坏情形的前后关系切换时间将比最坏情形的线程切换时间要慢,尽管在一个好的RTOS设计中差别可能是微不足道的。
将所有的线程放在几个大的进程中将是错误的,因为线程提供的切换速度更快。虽然线程能实现并行处理优势因而适合于某些设计,但将一个应用分成多个内存保护的进程使得代码更容易调试,提供了更好的错误隔离和恢复能力,并允许系统进行新功能的动态升级。
在大部分通用操作系统中,操作系统的内核是不可抢占的。其结果是,一个高优先级的进程不可能抢占一个内核调用,而是必须等待整个调用完成,即使这个调用是由系统中的低优先级进程发起的。另外,当经常在内核调用中执行的驱动程序或其它系统服务代表一个客户线程执行的时候,所有的优先级信息常常会丢失,这导致了不可预测的延迟并阻止了关键活动的准时完成。
而在RTOS中,内核操作是可抢占的。尽管仍然会存在一些时间窗口,在这些时间窗口中可能没有抢占,但是这些时间间隔应该是相当短暂的,通常在几百纳秒。另外,必须有一个关于抢占被推迟或中断被禁止的时间上限,这样开发者可以确定最坏情形下的等待时间。
为了实现这个目标,操作系统内核必须尽可能简洁,只有具有较短执行路径的服务才被包含在内核中,任何需要大量工作(如进程加载)的操作必须被安排到外部进程或线程。这种方法有助于通过内核确保最长的不可抢占代码路径具有一个时间上限。
然而,为一个进程设定一个高优先级并不总能保证该进程能够抢占低优先级的进程。有时候,系统会出现一种称为优先级倒置(priority inversion)的状态,在这种状态下,低优先级的进程将在“无意中”阻止较高优先级进程占用CPU。优先级倒置可能会表现为几种形式,为了防止发生这种情况,RTOS必须提供一种称为优先级继承的功能。
假定系统有三个进程:A(低优先级),B(中等优先级),Z(高优先级)。这里Z是一个为A和B提供服务的“服务器”进程。参见图1。
现在假定A已经请求Z来执行一个计算,而在这期间,突然B需要Z的服务。因为B拥有比A更高的优先级,一般会认为Z将立即挂起A的请求并将转向为B服务。但是实际情况并非如此,因为Z比B具有更高的优先级。其结果是,B不能阻止Z完成它当前的工作,即对A做出响应。
从效果上看,低优先级的进程A占用了更高优先级进程B的CPU时间,这是引入优先级继承的原因。通过使用RTOS提供的优先级继承机制,系统可以在A发出请求的情况下,让Z继承A的低优先级。通过这种方式,B能够在任何时候抢占A的请求。
如果一个应用程序分布于几个通过网络连接的处理器,那么RTOS也应该支持分布式优先级继承,这样可以按照优先级的顺序处理来自多个处理器的请求。如果没有优先级继承,一个多处理器系统可能会落入无限的优先级倒置和死锁中。
为了获得对外部事件的及时响应,最小化硬件中断发生到执行该中断的第一条代码的时间很重要。这个时间间隔称为中断延迟,为了保证中断延迟尽可能小,一个好的RTOS应该在几乎所有时间内都支持产生中断。正如在关于内核抢占部分提到的那样,一些重要的代码段的确需要暂时屏蔽中断。这种最大的屏蔽时间通常被定义为最大的中断延迟。
在某些情况下,硬件中断处理器必须调度并运行一个更高优先级的线程(例如在一个驱动程序中)。在这样的情况下,中断处理器将返回并指示一个事件将被处理。这样的处理将引入了第二种形式的延迟-调度延迟,这个延时必须在设计中加以考虑。调度延迟是介于用户的中断处理器的最后一条指令和驱动程序线程第一条指令的执行之间的时间。
在一个嵌入式系统中可能会同时出现多个硬件中断。例如,在一个病人监护系统中,当一个传感器记录了病人心跳的一次变化并且网卡接收到网络传来的数据的同时,护士按了触摸屏。很明显,一些中断(如心率的变化)应该立即得到处理,而其他的则可以延缓。通过提供对嵌套中断的支持,RTOS支持嵌入式系统优先处理更高优先级的中断。
我们已经明白怎样使RTOS具有可以预测性,但是如何实现其可靠性呢?答案在很大程度上取决于RTOS的架构。
例如在实时执行模式架构中,大部分或所有软件组件都在一个单一的内存地址空间中运行,包括操作系统内核、网络协议栈、设备驱动程序、应用程序等。虽然很有效率,但这种架构有两个明显的缺陷:1. 在任何组件中的一个指针错误,不论这个错误多么细微,都可能破坏操作系统内核或任何其它组件,导致不可预测的行为和整个系统的崩溃;2. 很难动态修复或替换任何有故障的组件。在大多数情况下,出现这些问题时系统复位是唯一的选择。
一些RTOS,也像Linux一样,试图通过使用单内核架构来解决这个问题。在这种架构中,用户的应用程序在隔离的、受保护内存地址空间中运行。如果一个应用程序试图访问其地址空间之外的数据,内存管理单元(MMU)将通知操作系统,操作系统可能会采取保护措施,例如终止出错进程。然而,这样的操作系统需要将大多数或所有驱动程序、文件系统和其它系统服务绑定到内核中。因此,任何组件中的一个错误都可能带来灾难性的内核故障。
第三种方法是采用微内核(mricokernel)架构来提供更精确的故障隔离,像QNX Neutrino这样的操作系统都基于微内核架构。微内核有两个明确的特征:
1. 在操作系统内核中只实现了一个包含了基本OS服务的小内核(如信号量、定时器、任务调度等)。包括驱动程序、文件系统、协议栈和用户应用程序在内的所有其它的组件在内核外部分离的、保护内存的进程中运行。有问题的系统服务不再作为孤立的故障点,而是在它破坏其它服务或操作系统内核之前被终止并重启。
2. 所有的组件能够通过消息传递进行通信,一个定义良好的通信机制保障了程序在保持彼此安全隔离的前提下进行数据交换。适当实现的消息传递也可以作为一个虚拟的“软件总线”,允许几乎任何的软件组件,甚至是一个设备驱动程序被动态地加入或替换,对于必须提供连续服务的系统而言这是一项关键要求。
和传统的操作系统架构相比,微内核支持嵌入式设备赢得明显更快的平均修复时间(MTTR)。例如,如果一个设备驱动程序失败将可能出现以下情况:操作系统可以终止该驱动程序,回收其正在使用的资源,并对其进行重新启动,这个过程通常这只需要几个毫秒时间。
尽管和传统的操作系统相比,基于消息传递的微内核RTOS通常提供了更好的容错性和动态升级能力,也有一些观点认为消息传递增加了开销。在实际应用中,如果实现正确,消息传递的性能可以接近底层硬件的内存带宽。例如,一个微内核RTOS可以采用多段式(multipart)消息和线程到线程的消息数据直接拷贝等各种技术,来确保系统性能可以达到传统的进程间通信(IPC)方法的水平。由一些组织如Dedicated Systems等进行的独立测试证实,和传统的RTOS相比,微内核RTOS在一系列的实时指标方面表现良好,在很多情况下甚至有更好的表现。
RTOS有助于使一个复杂的应用程序具有可预测性和可靠性。当然,选择一个合适的RTOS本身就是一项复杂的任务,而RTOS的底层架构是选择的重要依据,此外还有一些其它因素,包括:
1. 调度算法的灵活选择。RTOS应该支持调度算法的选择(先入先出(FIFO)、轮询(round robin)、零星调度等)并支持以线程为单位设定这些算法。这样,工程师就可以不必将一个算法用到系统中的所有线程。
2. 图形用户界面(GUI)。RTOS使用的是原始的图形库还是能支持多层界面、多路显示、3D渲染以及其它高级的图形功能的真正的窗口系统?能很容易定制GUI的外观吗?GUI支持同时显示和输入多种语言(汉语、韩语、日语、英语、俄语等)吗?
3. 远程诊断工具。因为对很多嵌入式系统而言,中断系统运行进行检测和维护是无法接受的。RTOS供应商应该提供诊断工具,这些工具能够在不中断系统服务的前提下分析系统的行为。要寻找能提供代码覆盖、应用测评、跟踪分析和内存分析工具的供应商。
4. 开发平台。RTOS提供商提供的开发环境是基于像Eclipse那样的开放平台,允许工程师嵌入所喜爱的第三方工具来进行建模、版本控制吗?还是开发环境基于专利技术?
5. 互联网功能。RTOS支持预集成最新的IPv4、IPv6、IPsec、SCTP和具有NAT功能的IP过滤等协议栈套件吗?它支持嵌入式网络浏览器吗?浏览器应该具有可扩展的封装模式,并能够在很小的屏幕上绘制网页。它也应该支持像HTML 4.01、XHTML 1.1、SSL 3.0和 WML 1.3这样的标准。
6. 标准API。RTOS将你限定到专有的API之中了吗?还是它对于像POSIX这样的标准API提供了完全的支持,这使得将代码移植到其它操作系统,或者从其它操作系统移植代码变得更容易?另外,所用的RTOS提供完全一致性的API还是仅仅支持被定义接口的一个子集?例如,POSIX.1的最新版本包含了大约1,300个接口。
7. 多处理技术。RTOS能支持对称多处理和分布式多处理技术来提高应用性能和容量吗?如果这样,是必须重新设计你的应用程序呢,还是RTOS能够将应用程序透明的分配到多个处理器上去呢?
8. 源代码工具包。RTOS供应商提供了能使RTOS满足设计需求的具有详细文档的定制工具包吗?供应商提供了方便开发驱动定制硬件的驱动程序开发工具包吗?
9. 对于很多公司而言,选择一款RTOS是一项战略性决策。RTOS供应商在对上述问题提供了清楚的回答后,你将选择出一个在现在和将来都适合你的RTOS。
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论文摘要:灰底白板纸和白卡纸是两种常用包装材料。为比较这两种包装材料的印,剧阶调再现性能的差异,通过对两种纸张8种纸样的表面性能进行测试,然后根据测试结果利用IGT印刷适性仪在一定的印刷条件下进行分组打样,最后结合纸张的表面性能,对比分析两种纸的印刷阶调再现性能及其影响因素。实验结果表明,灰底白板纸和白卡纸的表面性能有较大的差异,并对印刷阶调再现影响较大,白卡纸的阶调再现性要优于灰底白板纸。
论文关键词:灰底白板纸;白卡纸;表面性能;阶调再现性
灰底白板纸和白卡纸是两种常用的包装材料。白板纸是由面浆与各层底浆抄制而成的。其结构主要分为底层、芯层、衬层、面层和涂层等部分。灰底白板纸底面颜色为灰色,由废旧报纸经脱墨而成,所以底层的成分很杂;表面为白色,是一层由高岭土粉、黏合剂等化工原料混合而成的薄涂料面。表层(涂布面)白度较高,油墨吸收性、平滑度和印刷光泽度都很好,纸板本身又具有很好的挺度和耐折度,既能直接用来印刷,又能满足包装的要求。灰底白板纸表面经涂布处理后,表面性能有了很大的提高,既能够满足高质量的彩色印刷要求,又是中高档商品包装盒的优质材料。白卡纸是一种较厚实坚挺的白色卡纸,采用100%漂白硫酸盐木浆为原料,经过游离状打浆,较高程度地施胶(施胶度为1.0~1.5arm),加入滑石粉、硫酸钡等白色填料,在长网造纸机上抄造,并经压光或压纹处理而制成。白卡纸一般为单面涂布,市场上主要分为SBS和FBB两种,前者以漂白化学浆为原料,两层结构,特点是白度较高,但同等定量纸板的挺度和厚度较差;后者以漂白化学浆作为纸板的表层和底层,而以机械浆为原料构成中间层,形成三层结构的纸板,其特点是在同等定量的条件下,厚度高,硬度好,从而带来良好的模切效果和折痕效果。
灰底白板纸和白卡纸在诸如食品、化妆品、礼品及药品包装等方面有着相似的应用领域。然而,两种纸张在表面性能方面的差异到底有多大?并且这些差异对两种纸张印刷阶调再现效果是否有影响,影响有多大?本文对这两种包装纸的表面性能及阶调再现性进行了实验对比研究,比较分析了两者之问的性能差异及其各自的阶调再现性能,为定量分析这两种纸张的性能,更好地使用这两种纸张提供有益的数据参考。
1实验部分
基于这两种包装用纸在表面性能方面存在的差异,首先通过实验测定两种纸张各纸样的基本表面性能;然后依据各纸样的基本表面性能,选用一定的印刷条件,在IGT印刷适性仪上印刷打样,找到各纸样的最佳墨层厚度,并在各自最佳墨层厚度下印刷打样;最后,测试各纸样的网点面积率、实地密度值等数据,对样张进行分析,对比研究这两种包装纸的差异及其对印刷品阶调再现性能的影响。
实验材料:长兴白板纸(250g/m。)、华明白板纸(250g/m。)、华丰白板纸(250g/m。)、鸿泽白板纸(250g/m)、凡南白板纸(250g/m。)、亚太白卡纸(250g/m)、太阳白卡纸(250g/m。)、荷兰白卡纸(250g/m);采用的油墨是天津东洋油墨有限公司的胶印亮光快干型油墨(黄、品、青)。
1.1纸张表面性能的测试
实验仪器:WSB一Ⅱ白度计;UGV一50型VARIABIEGLOSSMETER变角光泽仪;YM一20油墨吸收性测定仪;ModelM590PAKERPRINT—SURF表面粗糙度测试仪。实验环境:温度21℃,相对湿度49~51。通过实验,8种纸样的各项性能数据见表1。
1.2确定最佳印刷墨层厚度及印刷打样
实验仪器、印刷条件、实验环境:IGT印刷适性仪(AIC2—5型),65L/ear网线辊,X—rite528密度计;压力650N,印刷速度0.2m/s;温度2l℃~25℃,相对湿度45~55。通过大量印刷打样及测试,先找出各纸样的最佳墨层厚度(表2所示),
再在AIC2—5型IGT印刷适性仪上,按照每种纸张的最佳墨层厚度,以上述印刷条件,用同样的油墨分别打出8种纸样的黄、品、青3种单色的网线样张,经对各样张不同网点面积率的网线块及实地色块测量,得出8种纸样黄、品、青3个单色的网点增大值曲线、印刷特性曲线及阶调密度反差曲线。
2灰底白板纸和白卡纸阶调再现性的对比分析
2.1网点增大值对比分析以品红墨各纸样的网点增大比较图(图1所示)
为例分析,可以看出,灰底白板纸样条的网点增大情况要比白卡纸的大一些。在影响印刷品网点增大的诸因素中,就纸张而言,纸张的吸收性和粗糙度两个参数对阶调的再现有较大的影响。这两个参数往往与印刷压力密切相关。而在本研究中,采用的印刷压力为一个确定的值,这样,纸张的吸收性和粗糙度的差异就体现出了其对阶调的再现的影响。
而从前面的纸张表面性能的测试数据来看,灰底白板纸与白卡纸这两类纸,在吸收性、粗糙度上,还是存在着较为明显的差异。白卡纸相对于灰底白板纸,它的吸收性较高,粗糙度较低(荷兰白卡纸是进口卡纸,由于制造工艺不同等原因而属例外)。纸张较高的吸收性可能会导致网点更易于增大,而较低的粗糙度会使纸张在印刷压力的作用下表面变形较少,而且所需墨膜较薄,从而比较有利于减少网点的增大。所以,基本上可以认为灰底白板纸在阶调再现性方面相对于白卡纸较差。
2.2印刷特性曲线对比分析以品红墨各纸样的印刷特性曲线图(图2)
例分析,可以看出,白卡纸的印刷特性曲线基本上都处在灰底白板纸的下方,说明白卡纸的阶调密度误差相对较小。可见,白卡纸的阶调再现性能要好于灰底白板纸的阶调再现性能。
2.3阶调密度反差对比分析
另一种评价印刷品阶调再现的方法是评价印刷品的阶调密度反差。当具有较高的印刷相对反差值时,其实地密度又较高,印刷品的阶调再现性较好。同样,以品红墨各纸样的阶调密度反差(如图3所示)为例,
从图中可以看出,除荷兰白卡纸以外,两种白卡纸(亚太白卡纸、太阳白卡纸纸)的相对反差值,及其对应的实地密度值均不同程度地高于其他几种灰底白板纸的相对反差值及其对应的实地密度值(荷兰白卡纸除外)。这说明白卡纸的阶调再现性能比灰底白板纸相对要好。
上述3个不同的角度的研究分析,说明白卡纸比灰底白板纸的阶调再现性能好。但是在从这3个不同角度所做的研究分析中,荷兰白卡纸是一个例外情况,其在相对反差、实地密度、网点增大、阶调再现等方面,甚至要比最差的灰底白板纸还要差。经过查阅相关资料得知,荷兰白卡纸是一种普通白卡纸,它与上述的亚太白卡纸、太阳白卡纸不同,亚太白卡纸和太阳白卡纸都属于俗称为“铜白卡”一类的白卡纸,这种白卡纸是在普通白卡纸的基础上,经过施胶、涂布、压光等工序获得类似于铜版纸的比普通白卡纸高得多的平滑度、光泽度等表面性能。正是因为荷兰白卡纸只具有甚至比普通灰底白板纸还要低的平滑度、光泽度等表面性能,才造成荷兰白卡纸具有相对较差的阶调再现性能。但由于荷兰白卡纸不像其他铜白卡纸那样有着与灰底白板纸相类似的应用领域,所以,作为一种例外,荷兰白卡纸的特殊情况并不会影响到本实验的研究结论。
3结论
灰底白板纸与白卡纸的表面性能有较大的差异,尤其是在白度和表面效率方面,灰底白板纸明显不如相对应质量等级下的白卡纸。灰底白板纸与白卡纸的表面性能对印刷品的阶调再现影响较大,在相对应的质量等级下,白卡纸的阶调再现效果要优于灰底白板纸。
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由于纳米颗粒具有大的比表面积和强的界面相互作用力,较传统的微米颗粒增强铝基复合材料,纳米颗粒增强铝基复合材料的比强度、比模量、耐蚀性、导电及导热性能等均有大幅度的提高,使其在航空航天、汽车工业以及其它领域具有更广阔的应用前景。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:制备工艺对Al基复合材料的结构和性能影响的分析相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
【摘要】:研究了不同烧结温度对Al-20%Si C复合材料显微组织、致密化和摩擦磨损性能的影响。随着烧结温度的提高,烧结体组织晶粒不断粗化,孔隙减少、尺寸降低;烧结体的相对密度提高。随着烧结温度的升高,烧结试样的摩擦系数与磨损量逐渐降低,材料的耐磨性能越来越好。最佳烧结温度为550℃。
【关键词】: Al基复合材料 烧结温度 力学性能
Al 基粉末冶金摩擦材料由于其具有良好的导热、耐磨及摩擦因数高等特性而广泛应用于飞机、汽车、船舶和工程机械等刹车装置及离合器上。由于纯Al 强度不高,故采取在Al 基体中添加Cu、Mg、Fe 合金元素来提高材料的强度和硬度,通过改变它们的百分含量来研究基体的摩擦磨损性能。材料中加入SiC 粉末用以提高摩擦因数,以石墨C 作为润滑组元。本文采用用粉末冶金方法制备Al 基复合材料,研究制备工艺对Al 基复合材料的组织及性能的影响。
实验原料采用粒度< 100μm 铝粉( 纯度≥99. 0%) 和粒度<200μmSiC 粉( 纯度≥99. 0%) 。按照质量百分比Al + 20% SiC 配比称取粉末,以无水乙醇为混料介质,在行星式球磨机中混料。将混合后粉末在100MPa 下单向轴向压制成形,压制后的坯体样品在真空炉中分别在500℃、550℃、600 ℃、650 ℃烧结,保温2h,之后随炉冷却。采用排水法测量合金烧结体的体积密度,采用显洛氏硬度计测试样品的硬度。合金样品经砂纸打磨,机械抛光后,用JSM - 6510LA 扫描电镜分析样品组织形貌。摩擦磨损试验在M - 2000 型摩擦磨损试验机上进行。
2结果与讨论
由图1 可以看出,烧结温度为550°C,样品密度和硬度值最大。在烧结的过程中,分为固相烧结和液相烧结两个过程,固相烧结过程中,坯体的烧结主要依靠不同组分颗粒之间的互扩散与坯体的合金均匀化过程来完成,由于颗粒不能发生相对运动,所以坯体烧结的致密化程度较低,坯体内部存在大量的孔隙。当液相生成后,在不平衡的毛细管力作用下,固体颗粒进行位置的调整与重新分布以达到最紧密的排布,这时烧结体的致密化程度和密度迅速增大。因此当烧结温度达到550°C 以后,随着烧结温度的继续升高,烧结过程中逐渐出现大量的液相,坯体孔隙率明显下降,致密化程度与密度急剧减少。
由粘着磨损和磨粒磨损表达式知道磨损量与硬度成反比所以选择这两组试样做磨损实验,从上图可以看出硬度最大的时候磨损量最小,球磨时间相同时温度越高,磨损量先减少后增加。综上所述,烧结温度为550 °C时磨损量最少,耐磨性最好。
样品表面有适量的陶瓷颗粒,分布比较比较均匀,这些陶瓷颗粒就是增强Al 基材料性能的颗粒。当低温烧结时,由于烧结不充分,材料中含有大量的孔隙,基体中各组元结合不够紧密,增强相颗粒与基体组元间的结合被消弱。当烧结温度为550 °C 时,孔隙度较小,组织结构分布较均匀,故其致密化程度较高,其耐磨性较高。图3 烧结温度为550 °C 样品的SEM 图片
采用粉末冶金法制备出Al 基复合材料,研究了不同烧结温度对材料的组织和力学性能的影响。随着烧结温度的升高,组织结构分布较均匀,烧结体的致密化程度和耐磨性得到提高。最佳烧结温度为550 °C 时,样品具有较高的密度和较好的耐磨性。
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【摘 要】文章以未来信息化战争环境为前提,以传统的指挥与控制网络为基础,对未来一体化联合作战特点进行了分析,构建跨层协同指挥与控制网络模型,并采取网络建模和仿真的方法对网络模型的结构、抗毁能力进行详细探讨。
【关键词】网络中心战 跨层协同 指挥与控制网络 抗毁能力
传统的作战思想以作战平台为中心,编制呈树状结构,各个平台依靠自身的传感器和武器,平台之间缺乏信息共享和协同能力,从而限制了整体作战效能的发挥。
美国国防部提出的网络中心战[1]是一种全新概念的战争模式,它是一种典型的网络体系之间的对抗作战。美军利用强大的信息网络将多种类型的侦察定位系统、指挥机构、武器装备等互联互通,实现情报信息共享,作战指挥与控制一体化[2-3],获取战场信息主导权,快速掌握战争的主动权,实现对敌方关键节点的确定性打击,以最短的时间、最小的代价破击敌方作战体系。
网络中心战将系统中的各个作战平台网络化,极大地增强了平台间的横向联系,呈扁平化结构,以提高信息获取和共享能力,增强了战场态势感知能力,加快决策和指挥速度,实现协同作战,提高作战效能。自上世纪90年代以来,这种信息化战争模式在多次战争的应用效果已充分地展示其强大的打击能力,目前已被世界各国公认为最先进的作战模式,网络中心战必然成为未来战争的主要形式。
通过基础信息网络将整个作战空间的各种传感器和武器装备(包括陆基、海基、空基、天基等)组成一个包括传感器网络、指挥与控制网络、作战武器装备网络的一体化强大网络。传感器网络从各个传感器收集信息,并快速生成战场感知,指挥与控制网络根据战场感知网络提供的态势信息以及武器交战网络反馈的作战效果,动态地调整作战命令,保证各交战单元的同步进行,并动态分配任务,最终通过火力打击网络单元实现对目标的实时精确打击。
作战体系网络是由超大规模的传感、指挥、交战实体或系统经由射频等各种无线或光/电缆等有线连接形成的复杂网络系统[4]。从图论拓扑[5]角度,在该系统中,传感、作战和指挥实体抽象为节点,这些实体间的信息/物质/能量交互可以抽象为链接边。
(1)传感节点:获取战场信息,发现、锁定和跟踪目标,并将目标信息传给其它节点。
(2)指挥与控制节点:是作战体系网络的核心。对战场环境信息和作战双方军事实力进行综合分析,形成指挥决策,再交由其它节点进行执行。它接受上级任务,对下级进行指挥决策,从全局层次上协调、监督、控制各个交战单元,对系统的目标、资源等进行合理安排和调度。
(3)交战节点:由硬杀伤和软杀伤武器组成。交战单元只接受唯一指挥与控制节点指挥控制。交战节点要与其它交战节点进行作战协同,必须通过与其连接的指挥与控制节点间接实现协同。交战网是指由部署在陆、海、空、天的各种武器系统以及干扰设备经由有线或无线通信协议联结而成的受指挥控制网络支配的网络。
在信息化战争条件下,作战一方通过传感器网络侦察探测敌方目标信息,这些感知信息包括反射光、红外信号、无线电频谱能量、通信或音频能量等,然后通过信息网络传输与分发,经过数据融合、分析与处理后,传递到指挥所加以利用,从而形成作战方案、计划和命令,实施火力打击。
作战体系网络内部节点之间的信息流主要特点如下:
(1)体系对抗之初,所有节点都是可控的。传感节点和交战节点必须在指挥与控制单元的控制下,各指挥与控制单元都有上下级关系。
(2)指挥与控制单元同时指挥控制多个传感单元和交战单元。指挥控制依托信息网络系统直接地链接到重要/关键节点[6]。重要节点是连接度大的节点,如前方指挥所;关键节点是连接度不高的节点,但担负重要的任务,如卫星站。
(3)传感单元为多个指挥与控制单元提供传感信息,实现目标信息共享。
(4)传感单元之间共享目标传感信息,减少自身获取信息的时间,提高传感信息质量。
(5)传感单元对己方交战单元的探测、跟踪和定位等信息感知,并将感知信息发送到指挥与控制单元,便于指挥与控制单元及时掌握其任务完成和毁伤等信息。
(6)交战单元只能执行唯一确定的指挥与控制单元发出的指令,避免命令冲突。
主要的网络特征参数如下:
(1)网络节点数。其定义为网络中所包含的全部节点数量,反映了作战双方的参战规模。
(2)网络边数。其定义为网络中所包含边的总数,反映了作战体系中各单元之间关系的复杂程度。但是,指挥与控制系统中的有线或无线通信装备数量、指挥与控制机构和装备的信息处理能力以及信道传输能力都受到限制,因此网络的边数也不宜过多。当网络中边的总数与节点总数的比值超过一定限度时,网络有可能由于过多的向前或向后的反馈环路导致瘫痪。
(3)节点的度。其定义为该节点与其它节点链接的数量。在交战网络中,节点的度在一定程度上反映了它的重要程度,度值越大表明节点越重要,是己方保护的重点,更是敌方打击的重点目标。
(4)节点/网络的聚类系数。在传统层级树状指挥与控制网络中,节点之间不具有区域协同能力,只能通过间接方式进行作战组织协同,在遭到打击时,不能有效地自主网络重建。节点的聚类系数定义为所有与该节点相邻接的节点之间的实际连边数目占它们之间可能的最大连边数目的比例。网络的聚类系数即网络中所有节点的聚类系数的平均值。聚类系数的含义在两个方面得到充分体现:当网络中各个节点之间需要共同完成某一任务时,节点聚类系数大小反映出相互协同能力的强弱;网络聚类系数反映了交战单元之间的区域协同能力以及网络在通信故障或遭到毁伤时的自重建能力。当一些交战单元通信故障或损毁,聚类系数较高的其它交战单元则通过邻近节点与重要节点链接,从而有效地完成网络重建。
(5)平均路径长度。即网络中任意两个节点间距离的平均值。两个节点间距离定义为两个节点之间的最短路径上的边数;网络的平均路径长度表征网络传递信息的能力。一般地,路径长度与信息传递的延迟时间呈线性关系,路径长度短,信息的实时性程度高,情报信息的共享程度高,组织协同时效性高,从而获得更好的作战效能。因此,交战网络的平均路径长度需要设计得尽量短小。#p#副标题#e#
网络中心战的指挥与控制网络取决于军事体制编制、作战规则、指挥机构、作战平台、作战武器装备性能等因素,它是一个特殊的复杂网络系统。一体化联合作战是网络中心战思想的具体体现,它是两个或两个以上军兵种的统一作战行动,在传统的层级树状垂直的指挥体系的基础上增加横向联系,具有作战体系横向链接的特征,以纵向联通为前提,强调横向联通。在战时将所需要的作战力量,快速地拼接成为一个具有整体作战能力的作战系统[7]。目前各国军队都普遍地在横向上扩大指挥跨度的数量,在纵向上压缩指挥层次。如美军指挥跨度由原来的5~6个增加到9个,空军指挥层次由原来的5级减少到4级。在指挥方式上,从集中/委托式指挥向多级跨越、上下互动转变,从单级封闭式集中决策向多级开放式分布决策转变,从计划控制向动态控制转变。因此,未来的指挥与控制网络具备以下主要特点:
(1)指挥机构在纵向上呈现层次关系。指挥机构由上至下具有层次区分,由上至下节点的等级由高到低。指挥层次数是指挥机构上下级所区分的层级,不同层次的指挥与控制节点所需的协同态势信息并不相同。指挥与控制节点随着层次等级的提高,所需要的态势信息更加全面。
(2)交战单元在横向上呈现协同关系。在同一作战集团内部,同一级别交战单元之间协同关系;在不同作战集团之间,它们的同一级别交战单元之间也有协同关系。
(3)跨级指挥。在同一作战集团内部,上级指挥与控制单元可以对其内部的指挥单元进行跨级指挥。跨级指挥主要对重要/关键的节点进行越级指挥。指挥跨度是指挥机构在同级的每一层所指挥和管辖单位的数量。当网络节点总数量固定时,指挥跨度越小,指挥层次越少,意味着横向指挥的单元越多,因此对指挥与控制节点提出了更高的要求,需要节点具有更强的信息处理能力,稳健的信息传输需要得到更强的抗干扰技术支持。此外,一旦某些节点遭受打击,受其影响的节点将会更多,所以需要加强隐藏伪装防护措施。
(4)指挥决策时间开销受到严格限制。由于协同作战过程为一个相互嵌套的“观察→评估→决策→行动→观察”循环,每一个循环都必须在规定的时间窗口内完成。战场环境瞬息万变,指挥决策机构在对所掌握的战场情报信息进行分析研究时,可能情报信息所反映的战场情况已经失去了部分真实性甚至完全失效,而新的战场环境信息不断产生和起效用。指挥决策机构根据敌我双方作战态势适时调整作战行动,快速决策,缩短“目标发现→指挥决策→打击目标”的周期。
作战指挥与控制网络是作战体系对抗的重要部位,也是体系破坏的主要打击对象。信息化条件下的体系攻击作战主要采取精确打击的方式,破坏敌方作战体系网络,实现速胜的目标。
作战指挥可靠性定义为在体系对抗中,当指挥控制机构受到敌方攻击、摧毁、干扰、压制时,能够持续指挥并完成任务的可靠程度。对作战指挥体系结构的指挥可靠性研究,其重点在于分析指挥体系结构节点损毁,以及节点之间信息传输通路遭破坏情况下指挥的稳定性,即在删除网络中部分节点或链接边的情况下,网络整体的连通性能,也就是网络的抗毁能力分析。
从指挥与控制网络拓扑结构的角度分析,指挥与控制网络在遭受攻击后的网络可靠性取决于三个方面因素的综合结果:网络中最大连通分量中节点的数目、网络中连通分量的个数和平均路径长度。其中,连通分量定义为无向图中的极大连通子图。网络中最大连通分量中的节点个数越多,说明网络在遭受打击后的可连通性越好,整体作战效能发挥越充分,初始状态时最大连通分量就是整个网络,所有指挥与控制节点都是连通的;各连通分量的平均路径越小,说明信息流在该连通分量中的传输时效性越高,指挥与控制信息效能发挥越好;各连通分量的节点数越多,说明在节点总数一定的情况下连通分量越少,网络的破碎程度越小,网络可靠性越高。
指挥与控制网络可靠性评估指标定义为:
(1)其中,nmax为网络中最大连通分量的节点个数,m为整个网络中连通分量的个数,nj为第j个连通分量中节点的个数,lj为第j个连通分量的平均路径长度,孤立节点的最短路径长度设定为无穷大。
随着精确制导和远程攻击武器的发展与应用,为了达成预期作战效果,只需要对某些重要或关键目标实施精确打击。一方的侦察探测能力和另一方隐藏伪装的防护能力,是影响精确打击效果的两个决定性因素。如果一方的侦察探测能力占据优势,那么作战就成为确定性打击;如果另一方隐藏伪装的防护能力占据优势,那么作战就成为随机性攻击。
随机和确定性攻击模式的仿真流程如图2所示。
对作战指挥与控制网络结构的抗毁能力分析,即对网络拓扑结构可靠性的分析,本文不涉及节点和链接边的自身可靠性,假设各节点的信息处理和链接边的传输速度相同,各指挥节点之间的指挥可靠性通过网络的连通性和节点之间的路径长度来体现。
多级跨层协同需要较多的有线或无线信息传输通路,但网络的平均路径长度非常小,指挥与控制信息传输的实时性较好。当交战网络节点总数固定时,在指挥与控制节点信息处理能力和信息传输容量等因素许可的条件下,应尽可能增加网络的指挥跨度,减少网络指挥层次,从而提高指挥与控制网络的指挥时效性。相反,指挥跨度越小,指挥层级越多,作战指挥信息交互时效性越差,很可能错失最佳战机。
跨层协同指挥与控制网络抗毁性能仿真参数设置如表1所示。
随机/确定性攻击模式下的5级跨层协同网络可靠性如图3所示。
随机/确定性攻击模式下的8级跨层协同网络可靠性如图4所示。
由上述仿真结果分析,初步得出以下结论:
(1)对于多级跨层协同指挥与控制网络,高效能网络的跨度大、层次少,同一作战集团内部连接较紧密,不同作战集团连接较少。
(2)确定性攻击的效果强于随机攻击效果,这个结论意味着攻击前目标探测和侦察的准确性在信息化战争中起着重要地位。一方面,准确、实时的情报信息是攻击敌方重要/关键节点的关键,从而毁坏敌方作战体系网络;另一方面,需要对己方的重要/关键节点采取隐藏伪装防护措施,重点加强保护。
在未来的信息化战争中,需要提高侦察与反侦察手段,攻击敌方重要/关键节点,同时保护己方重要/关键节点。从武器装备研发角度,需要提高武器装备的攻击性能,同时提高战场环境下武器装备的侦察与反侦察能力,加强目标信息探测和信息处理等新技术、新方法的研究。
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[2] J R Cares. 分布式网络化作战[M]. 于全,译. 北京: 北京邮电大学出版社, 2006.
[3] 郭武君. 联合作战指挥体制研究[M].北京: 国防大学出版社, 2003.
[4] 汪小帆,李翔,陈关荣. 复杂网络理论及其应用[M]. 北京: 清华大学出版社, 2006.
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[6] 谭跃进,吴俊,邓宏钟. 复杂网络中节点重要度评估的节点收缩方法[J]. 系统工程理论与实践, 2006(11): 79-83.
[7] 朱涛,常国岑,张水平,等. 基于复杂网络的指挥控制信息协同模型研究[J]. 系统仿真学报, 2008,20(22): 6058-6060.
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