導(dǎo)語：如何才能寫好一篇數(shù)學(xué)建模中的常用算法，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公文云整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

全國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽以輝煌的成績(jī)即將迎來她的第17個(gè)年頭，她已是當(dāng)今培養(yǎng)大學(xué)生解決實(shí)際問題能力和創(chuàng)造精神的一種重要方法和途徑，參加大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽已成為大學(xué)校園里的一個(gè)時(shí)尚。正因如此，為了進(jìn)一步擴(kuò)大競(jìng)賽活動(dòng)的受益面，提高數(shù)學(xué)建模的水平，促進(jìn)數(shù)學(xué)建?；顒?dòng)健康有序發(fā)展，筆者在認(rèn)真研究大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽內(nèi)容與形式的基礎(chǔ)上，結(jié)合自己指導(dǎo)建模競(jìng)賽的經(jīng)驗(yàn)及前參賽獲獎(jiǎng)選手的心得體會(huì)，對(duì)建模競(jìng)賽培訓(xùn)過程中的培訓(xùn)內(nèi)容、方式方法等問題作了探索。

一、數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽培訓(xùn)工作

（一）培訓(xùn)內(nèi)容

1.建?；A(chǔ)知識(shí)、常用工具軟件的使用。在培訓(xùn)過程中我們首先要使學(xué)生充分了解數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽的意義及競(jìng)賽規(guī)則，學(xué)生只有在充分了解數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽的意義及規(guī)則的前提下才能明確參加數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽的目的；其次引導(dǎo)學(xué)生通過各種方法掌握建模必備的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)（如初等數(shù)學(xué)、高等數(shù)學(xué)等），向?qū)W生主要傳授數(shù)學(xué)建模中常用的但學(xué)生尚未學(xué)過的方法，如圖論方法、優(yōu)化中若干方法、概率統(tǒng)計(jì)以及運(yùn)籌學(xué)等方法。另外，在講解計(jì)算機(jī)基本知識(shí)的基礎(chǔ)上，針對(duì)建模特點(diǎn)，結(jié)合典型的建模題型，重點(diǎn)講授一些實(shí)用數(shù)學(xué)軟件（如Mathematica、Matlab、Lindo、Lingo、SPSS）的使用及一般性開發(fā)，尤其注意加強(qiáng)講授同一數(shù)學(xué)模型可以用多個(gè)軟件求解的問題。

2.建模的過程、方法。數(shù)學(xué)建模是一項(xiàng)非常具有創(chuàng)造性和挑戰(zhàn)性的活動(dòng)，不可能用一些條條框框規(guī)定出各種模型如何具體建立。但一般來說，建模主要涉及兩個(gè)方面：第一，將實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為理論模型；第二，對(duì)理論模型進(jìn)行計(jì)算和分析。簡(jiǎn)而言之，就是建立數(shù)學(xué)模型來解決各種實(shí)際問題的過程。這個(gè)過程可以用如下圖1來表示。

為了使學(xué)生更快更好地了解建模過程、方法，我們可以借助圖1所示對(duì)學(xué)生熟悉又感興趣的一些模型（例如選取高等教育出版社2006年出版的《數(shù)學(xué)建模案例集》中的案例6：外語單詞妙記法）進(jìn)行剖析，讓學(xué)生從中體驗(yàn)建模的過程、思想和方法。

3.常用算法的設(shè)計(jì)。建模與計(jì)算是數(shù)學(xué)模型的兩大核心，當(dāng)模型建立后，計(jì)算就成為解決問題的關(guān)鍵要素，而算法好壞將直接影響運(yùn)算速度的快慢及答案的優(yōu)劣。根據(jù)競(jìng)賽題型特點(diǎn)及前參賽獲獎(jiǎng)選手的心得體會(huì)，建議大家多用數(shù)學(xué)軟件（Mathematica，Matlab，Maple，Lindo，Lingo，SPSS等）設(shè)計(jì)算法，這里列舉常用的幾種數(shù)學(xué)建模算法。

（1）蒙特卡羅算法（該算法又稱隨機(jī)性模擬算法，是通過計(jì)算機(jī)仿真來解決問題的算法，同時(shí)可以通過模擬可以來檢驗(yàn)自己模型的正確性，是比賽時(shí)必用的方法，通常使用Mathematica、Matlab軟件實(shí)現(xiàn)）。（2）數(shù)據(jù)擬合、參數(shù)估計(jì)、插值等數(shù)據(jù)處理算法（比賽中通常會(huì)遇到大量的數(shù)據(jù)需要處理，而處理數(shù)據(jù)的關(guān)鍵就在于這些算法，通常使用Matlab作為工具）。（3）線性規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃、多元規(guī)劃、二次規(guī)劃等規(guī)劃類問題（建模競(jìng)賽大多數(shù)問題屬于最優(yōu)化問題，很多時(shí)候這些問題可以用數(shù)學(xué)規(guī)劃算法來描述，通常使用Lindo、Lingo軟件實(shí)現(xiàn)）。（4）圖論算法（這類算法可以分為很多種，包括最短路、網(wǎng)絡(luò)流、二分圖等算法，涉及到圖論的問題可以用這些方法解決，需要認(rèn)真準(zhǔn)備，通常使用Mathematica、Maple作為工具）。（5）動(dòng)態(tài)規(guī)劃、回溯搜索、分治算法、分支定界等計(jì)算機(jī)算法（這些算法是算法設(shè)計(jì)中比較常用的方法，很多場(chǎng)合可以用到競(jìng)賽中，通常使用Lingo軟件實(shí)現(xiàn)）。（6）圖象處理算法（賽題中有一類問題與圖形有關(guān)，即使與圖形無關(guān)，論文中也應(yīng)該不乏圖片的，這些圖形如何展示以及如何處理就是需要解決的問題，通常使用Matlab進(jìn)行處理）。

4.論文結(jié)構(gòu)，寫作特點(diǎn)和要求。答卷（論文）是競(jìng)賽活動(dòng)成績(jī)結(jié)晶的書面形式，是評(píng)定競(jìng)賽活動(dòng)的成績(jī)好壞、高低，獲獎(jiǎng)級(jí)別的惟一依據(jù)。因此，寫好數(shù)學(xué)建模論文在競(jìng)賽活動(dòng)中顯得尤其重要，這也是參賽學(xué)生必須掌握的。為了使學(xué)生較好地掌握競(jìng)賽論文的撰寫要領(lǐng)，我們的做法是：（1）要求同學(xué)們認(rèn)真學(xué)習(xí)和掌握全國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽組委會(huì)最新制定的論文格式要求且多閱讀科技文獻(xiàn)。（2）通過對(duì)歷屆建模競(jìng)賽的優(yōu)秀論文（如以中國(guó)人民信息工程學(xué)院李開鋒、趙玉磊、黃玉慧2004年獲全國(guó)一等獎(jiǎng)?wù)撐模簥W運(yùn)場(chǎng)館周邊的MS網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案為范例）進(jìn)行剖析，總結(jié)出建模論文的一般結(jié)構(gòu)及寫作要點(diǎn)，讓學(xué)生去學(xué)習(xí)體會(huì)和摸索。（3）提供幾個(gè)具有一定代表性的實(shí)際建模問題讓學(xué)生進(jìn)行論文撰寫練習(xí)。

（二）培訓(xùn)方式、方法

1.盡可能讓不同專業(yè)、能力、素質(zhì)方面不同的三名學(xué)生組成小組，以利學(xué)科交叉、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、充分磨合，達(dá)成默契，形成集體合力。

2.建模的基本概念和方法以及建模過程中常用的數(shù)學(xué)方法教師以案例教學(xué)為主；合適的數(shù)學(xué)軟件的基本用法以及歷屆賽題的研討以學(xué)生討論、實(shí)踐為主、教師指導(dǎo)為輔。

3.有目的有計(jì)劃地安排學(xué)生走出課堂到現(xiàn)實(shí)生活中實(shí)地考察，豐富實(shí)際問題的背景知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)收集數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)的方法，培養(yǎng)學(xué)生建立數(shù)學(xué)模型解決實(shí)際問題的能力。

4.在培訓(xùn)班上，我們讓學(xué)生以3人一組的形式針對(duì)建模案例就如何進(jìn)行分析處理、如何提出合理假設(shè)、如何建模型及如何求解等進(jìn)行研究與討論，并安排讀書報(bào)告。使同學(xué)們?cè)诮?jīng)過“學(xué)模型”到“應(yīng)用模型”再到“創(chuàng)造模型”的遞進(jìn)階梯式訓(xùn)練后建模能力得到不斷提高。

篇2

【關(guān)鍵詞】 小學(xué)；模式；建模能力；教學(xué)；培養(yǎng)研究

運(yùn)用合理的數(shù)學(xué)方式、數(shù)學(xué)思想以及數(shù)學(xué)知識(shí)依次解決教學(xué)過程中出現(xiàn)的各種問題是目前進(jìn)行數(shù)學(xué)建模的主要表現(xiàn)形式. 因此，需要在小學(xué)教學(xué)中，大力培養(yǎng)小學(xué)生數(shù)學(xué)建模的基本思想，則能夠有效地提高孩子們的數(shù)學(xué)素養(yǎng)，將整個(gè)教學(xué)質(zhì)量水平顯著提高. 隨著我國(guó)教育事業(yè)快速發(fā)展，加上不斷更新的新課程改革理念，培養(yǎng)小學(xué)數(shù)學(xué)建模的思想，能夠大幅度提升學(xué)生的創(chuàng)新性能力. 因此，如何正確培養(yǎng)小學(xué)生的建模思想，本文從多個(gè)方面展開探究.

一、小學(xué)數(shù)學(xué)模型的概念與培養(yǎng)模式的價(jià)值

（一）小學(xué)數(shù)學(xué)模型的概念

在教學(xué)中，小學(xué)數(shù)學(xué)模型主要指依據(jù)數(shù)量相依關(guān)系或者某一種事物的基本特征，積極應(yīng)用形式化的語言，用簡(jiǎn)單或概括地形式將其表述出來. 在構(gòu)建小學(xué)數(shù)學(xué)模型中，一切小學(xué)數(shù)學(xué)基本概念、各種數(shù)學(xué)公式與方程、公式系列構(gòu)成的算法系統(tǒng)以及基本理論體系等都可以作為素材以促使學(xué)生正確理解與處理問題的能力. 簡(jiǎn)單言之，小學(xué)數(shù)學(xué)建模是構(gòu)建模型的過程，小學(xué)數(shù)學(xué)模型思想則是教學(xué)建模過程中的基本思想.

（二）培養(yǎng)并研究小學(xué)數(shù)學(xué)模型價(jià)值

在小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)過程中，其構(gòu)建模型價(jià)值在于①能夠?qū)υ紗栴}進(jìn)行充分的事先假設(shè)-初步分析-抽象思考-不斷加工. 同時(shí)靈活選用相應(yīng)的數(shù)學(xué)工具、選擇合適的方法與模型、從而全面的分析整個(gè)過程；②針對(duì)各種問題，對(duì)小學(xué)數(shù)學(xué)模型需要依次求解-反復(fù)驗(yàn)證-再次分析-不斷修改-提出假設(shè)-驗(yàn)證并求解，能很好的表現(xiàn)學(xué)與用之間的關(guān)系. 因此，嚴(yán)格按照這樣的過程能一定程度上促使孩子們，提升小學(xué)數(shù)學(xué)意識(shí)、數(shù)學(xué)眼光以及綜合素養(yǎng)，最為重要的是提升小學(xué)數(shù)學(xué)的品質(zhì). 因此，無論是大學(xué)、中學(xué)，還是小學(xué)的視野，研究小學(xué)數(shù)學(xué)模型價(jià)值對(duì)今后學(xué)生們的學(xué)習(xí)，無疑能夠顯著提升.

二、綜合培養(yǎng)小學(xué)生數(shù)學(xué)建模的能力與研究

（一）合理應(yīng)用小學(xué)數(shù)學(xué)思想，把握數(shù)學(xué)建模的關(guān)鍵點(diǎn)

如何正確的培養(yǎng)小學(xué)生數(shù)學(xué)建模的思想，是數(shù)學(xué)教學(xué)課程中的重點(diǎn). 其不能片面的應(yīng)用小學(xué)數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，與此同時(shí)，理解小學(xué)數(shù)學(xué)的思想方法以及提升運(yùn)用知識(shí)的能力也是主要的因素. 所以，小學(xué)教師在進(jìn)行教學(xué)工程中需要將運(yùn)用數(shù)學(xué)思想方法與理念作為主要的問題，需要不斷地進(jìn)行研究并綜合實(shí)踐. 此外在數(shù)學(xué)教材中，有許多的問題依然能夠多次編輯及運(yùn)用，逐漸豐富小學(xué)數(shù)學(xué)建模的素材. 繼而數(shù)學(xué)教師要在解決問題中，幫助學(xué)生靈活運(yùn)用多個(gè)角度去思考問題，從而能夠?qū)⑽粗獫u漸轉(zhuǎn)化成為已知，讓低年級(jí)的小學(xué)生通過構(gòu)建模型對(duì)比自身所學(xué)的知識(shí)，從而能夠進(jìn)一步拓展學(xué)生的思維.

（二）早期培養(yǎng)數(shù)學(xué)建模能力與案例分析

針對(duì)低年級(jí)的小學(xué)生，小學(xué)教師需要培養(yǎng)學(xué)生靈活應(yīng)用感性材料，全方面、多個(gè)角度去感知數(shù)量相依關(guān)系，從而幫助學(xué)生進(jìn)行數(shù)學(xué)建模. 主要是幫助學(xué)生靈活利用豐富且有趣味的學(xué)具，使用折疊或者拼湊的方法，鍛煉學(xué)生分析和綜合的能力. 將所觀察的事物，經(jīng)過自身實(shí)踐操作，漸漸用準(zhǔn)確且簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)語言總結(jié)結(jié)果. 將單純的計(jì)數(shù)準(zhǔn)備知識(shí)進(jìn)行升華，發(fā)散小學(xué)生的思維，從而能大幅度提升學(xué)生的建模能力以及解決各種問題的能力. 例如應(yīng)用“湊十法”， 先初步分析算法，再添加輔的學(xué)習(xí)方式配合教學(xué). 先研究8加幾的算法，在學(xué)習(xí)7加幾的算法，從而感知湊十法，以提高小學(xué)生發(fā)散思維能力. 因此，只有早期正確引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的能力與意識(shí)，才能為高年級(jí)教學(xué)提高前提基礎(chǔ).

（三）數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建與靈活比較

如果想培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的能力，則需從現(xiàn)實(shí)生活中由“原型”漸漸過度至“抽象”. 一方面，嘗試構(gòu)建情景模式，讓學(xué)生能夠準(zhǔn)確的把握具體與抽象模型的關(guān)系. 小學(xué)數(shù)學(xué)教師在講解“相交與平行”理論知識(shí)的時(shí)候，一般常用鐵路軌道或者練習(xí)本當(dāng)中的線條等生活中各類的素材，從而使小學(xué)生易于理解，善于透過現(xiàn)象看到事物的本質(zhì)屬性. 同時(shí)，教師也必須正確引導(dǎo)學(xué)生如何思考、測(cè)量等方式，將數(shù)學(xué)概念模型演變成為真正的認(rèn)知. 另一方面，善于利用分類與比較的方式，將抽象思維漸漸過渡到具體思維. 能對(duì)各種問題進(jìn)行合理分類，找到共同點(diǎn)與差異性，進(jìn)行反復(fù)比較，利用辨析的方法，將各個(gè)問題的本質(zhì)逐步認(rèn)清.

（四）學(xué)會(huì)激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性，自主構(gòu)建數(shù)學(xué)模型

善于猜測(cè)，訓(xùn)練小學(xué)生的求知力，能夠很好的激發(fā)他們主動(dòng)思考的能力. 利用觀察事物的能力，將初步的理論進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證，即使結(jié)論不正確，也能促使他們積極探討、不斷挖掘潛在知識(shí)，也是構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的表現(xiàn)形式之一，依次為猜測(cè)-不斷驗(yàn)證-多次修正-得出結(jié)論. 以計(jì)算圓柱體表面積為例，需要不斷的猜測(cè)其面積和什么之間有無必要的聯(lián)系，讓小學(xué)生自主探究、不斷發(fā)散思維，先分析并猜測(cè)其側(cè)面積與上下底面積是獲取圓柱體表面積的前提，接著在進(jìn)行實(shí)際檢驗(yàn). 需要先計(jì)算圓柱體的側(cè)面積，其側(cè)面積是底面圓的周長(zhǎng)與高的乘積，而圓柱體的表面積等于上下底面面積加上側(cè)面積. 教師可準(zhǔn)備相關(guān)材料進(jìn)行示范，逐步得到準(zhǔn)確的結(jié)果. 總之，培養(yǎng)并研究小學(xué)生數(shù)學(xué)建模的能力，需要充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，才能將模型理念賦予真實(shí)性.

篇3

在功能方面，數(shù)學(xué)建模實(shí)驗(yàn)室為《經(jīng)濟(jì)應(yīng)用數(shù)學(xué)》、《概率與數(shù)理統(tǒng)計(jì)》、《數(shù)學(xué)建?！返日n程提供輔助教學(xué)，學(xué)生通過計(jì)算機(jī)及其仿真軟件加深對(duì)理論的理解，并培養(yǎng)實(shí)踐動(dòng)手能力。為數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽、課外科技競(jìng)賽、程序設(shè)計(jì)競(jìng)賽等競(jìng)賽提供競(jìng)賽保障，并培養(yǎng)競(jìng)賽人才。建設(shè)數(shù)學(xué)建模與計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)室的目的就是吸取借鑒其他經(jīng)驗(yàn)，改善相關(guān)課程的教學(xué)環(huán)境，盡量與建模競(jìng)賽接軌，所以建立與之相匹配的實(shí)驗(yàn)室以適應(yīng)新世紀(jì)人才培養(yǎng)需要。人才培養(yǎng)方面，實(shí)驗(yàn)室是學(xué)生實(shí)踐活動(dòng)以及社會(huì)能力培養(yǎng)的重要場(chǎng)所，作為高校來說實(shí)驗(yàn)室建設(shè)規(guī)模和各類管理的能力的高低，往往成為其人才培養(yǎng)水平的重要指標(biāo)。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)自己實(shí)踐可以提高自身的動(dòng)手能力，通過模仿、觀察、反復(fù)實(shí)驗(yàn)等過程漸漸構(gòu)建自己對(duì)于數(shù)學(xué)模型的認(rèn)知。教師能力提高方面，各類學(xué)科都以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，數(shù)學(xué)建模是將數(shù)學(xué)理論應(yīng)用于實(shí)踐的溝通橋梁，很多學(xué)科的教師都可以通過對(duì)數(shù)學(xué)建模能力的培養(yǎng)來提高教學(xué)科研水平。讓數(shù)學(xué)建模實(shí)驗(yàn)室為教師拓展能力服務(wù)，讓他們也提高動(dòng)手能力，把數(shù)學(xué)理論應(yīng)用演化成為科研手段，通過軟硬件的結(jié)合，讓數(shù)學(xué)更好服務(wù)于教學(xué)和科研，也是當(dāng)下教師能力提高的需求。

二、數(shù)學(xué)建模實(shí)驗(yàn)室的要求以及軟硬件建設(shè)

1、數(shù)學(xué)建模實(shí)驗(yàn)室建設(shè)要求

為了滿足日常教學(xué)和建模等競(jìng)賽的需求，數(shù)學(xué)建模實(shí)驗(yàn)室的規(guī)模應(yīng)該較大，有充足的教學(xué)設(shè)備和充足的實(shí)驗(yàn)空間。一般規(guī)模應(yīng)有100臺(tái)以上的計(jì)算機(jī)120平米以上的面積，才能夠滿足實(shí)驗(yàn)課程及培訓(xùn)競(jìng)賽的需求。尤其是針對(duì)建模競(jìng)賽集中培訓(xùn)效果會(huì)更好更優(yōu)，所以實(shí)驗(yàn)室的規(guī)模尤為重要，也是保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的第一要素。

2、數(shù)學(xué)建模實(shí)驗(yàn)室硬件建設(shè)

數(shù)學(xué)建模實(shí)驗(yàn)室最重要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備就是計(jì)算機(jī)，在進(jìn)行數(shù)學(xué)建模時(shí)要進(jìn)行大量的數(shù)學(xué)計(jì)算以及大規(guī)模的計(jì)算仿真，先進(jìn)的計(jì)算機(jī)硬件環(huán)境是必不可少的。最好是選用當(dāng)下性能較高的計(jì)算機(jī)配置，并且能夠做到兩至三年就更換更先進(jìn)的設(shè)備。在承擔(dān)競(jìng)賽時(shí)尤其需要高配置計(jì)算機(jī)，否則會(huì)影響競(jìng)賽成績(jī)。實(shí)驗(yàn)室還需要配備投影儀，有條件的還可以配備實(shí)物投影儀方便數(shù)學(xué)老師手寫授課，各種投影設(shè)備可以方便教師與學(xué)生互動(dòng)，不僅有利于教師授課也讓學(xué)生在課堂上更加主動(dòng)起來。從這些年我們學(xué)院參加數(shù)學(xué)建模的實(shí)際情況來看，高性能的設(shè)備和先進(jìn)的投影儀配套實(shí)物投影儀在緊張的72小時(shí)比賽中起到了很好的作用，為競(jìng)賽取得好成績(jī)提供了有力的保障。如果現(xiàn)有的條件達(dá)不到設(shè)備性能高等要求，還可以在原有實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)上增加一部分高配置計(jì)算機(jī)，也可預(yù)留網(wǎng)絡(luò)接口讓參賽隊(duì)員在競(jìng)賽培訓(xùn)期間和競(jìng)賽期間自帶計(jì)算機(jī)，通過局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)資源共享。這樣性能高的計(jì)算機(jī)來承擔(dān)數(shù)值計(jì)算仿真計(jì)算等大數(shù)據(jù)處理，性能低的計(jì)算機(jī)承擔(dān)數(shù)據(jù)打印和資料查詢等工作。這樣既能解決部分學(xué)校經(jīng)費(fèi)不足，也能在現(xiàn)有資源基礎(chǔ)上快速的搭建好數(shù)學(xué)建模實(shí)驗(yàn)室，不造成資源浪費(fèi)。

3、數(shù)學(xué)建模實(shí)驗(yàn)室軟件建設(shè)

數(shù)學(xué)建模實(shí)驗(yàn)室的硬件條件具備后，就要配置先進(jìn)的軟件系統(tǒng)。除了系統(tǒng)常用軟件辦公軟件的等一些專業(yè)軟件是必不可少的。例如美國(guó)TheMathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件MATLAB（矩陣實(shí)驗(yàn)室），就是一種用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析、數(shù)值計(jì)算的高級(jí)計(jì)算語言，目前的最高版本是MATLAB7.0。還有WarerlooMaple公司開發(fā)的Maple，它系統(tǒng)內(nèi)置高級(jí)技術(shù)解決建模和仿真中的數(shù)學(xué)問題，包括世界上最強(qiáng)大的符號(hào)計(jì)算、無限精度數(shù)值計(jì)算等。Spss公司推出的SPSS軟件是一款統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品與服務(wù)解決方案軟件，目前已升級(jí)至Spss19.0。關(guān)于線性規(guī)劃的軟件有LINGO，用于求解非線性規(guī)劃和線性和非線性方程組的求解等。有了這些專業(yè)的數(shù)學(xué)軟件就可以實(shí)現(xiàn)大量的數(shù)學(xué)計(jì)算以及大規(guī)模的計(jì)算仿真，軟硬件結(jié)合，才能滿足數(shù)學(xué)建模課程和建模競(jìng)賽的需求。當(dāng)然大量的與建模相關(guān)的電子資料也是必不可少的，對(duì)于學(xué)生課外學(xué)習(xí)和拓展知識(shí)面很有幫助。

三、基于數(shù)學(xué)建模實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)改革及實(shí)踐創(chuàng)新活動(dòng)

1、優(yōu)化數(shù)學(xué)課程教學(xué)過程

推進(jìn)實(shí)踐課程體系改革可以在高等數(shù)學(xué)中滲透數(shù)學(xué)建模的方法和中心思想，高校學(xué)生本身具備運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，數(shù)學(xué)建模知識(shí)的滲透可以與現(xiàn)實(shí)生活結(jié)合起來，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，把實(shí)際問題數(shù)學(xué)模型化，可以提高學(xué)生的理論知識(shí)水平和實(shí)踐能力。增加數(shù)學(xué)建模軟件的教學(xué)課程，讓計(jì)算機(jī)計(jì)算與仿真融入課程教學(xué)使之成為學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的有力武器。在一些數(shù)學(xué)專業(yè)課上加入數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽的內(nèi)容，可以讓學(xué)生接觸到競(jìng)賽的試題和一些獲獎(jiǎng)?wù)撐模@樣更有利于學(xué)生對(duì)建模競(jìng)賽產(chǎn)生興趣，便于今后更快的融入競(jìng)賽。

2、構(gòu)建以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

建設(shè)開放型實(shí)驗(yàn)室數(shù)學(xué)建模主要是激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力，所以以學(xué)生為主體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式才是最有效的。通常我們采用“分析問題—利用軟件分析—引入數(shù)學(xué)概念—建立數(shù)學(xué)模型—解決實(shí)際問題”這種模式教學(xué)，從實(shí)際問題到抽象模型，讓學(xué)生主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，主動(dòng)解決問題，從而體會(huì)到數(shù)學(xué)思想的精髓，主動(dòng)地把數(shù)學(xué)思想應(yīng)用的實(shí)際生活中。我們的數(shù)學(xué)建模實(shí)驗(yàn)室應(yīng)課后對(duì)學(xué)生開放，鼓勵(lì)學(xué)生積極主動(dòng)地學(xué)習(xí)，不管是競(jìng)賽時(shí)還是競(jìng)賽后都?xì)g迎學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行學(xué)習(xí)，一些參加過競(jìng)賽的老生還能利用這里與新同學(xué)交流經(jīng)驗(yàn)。開放性的實(shí)驗(yàn)室在不斷地建設(shè)和完善中將更好地為高校教學(xué)、科學(xué)研究服務(wù)，也進(jìn)一步提高資源的利用率。

3、組建完善的建模競(jìng)賽體系

提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力在建設(shè)好數(shù)學(xué)建模實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)上，組織學(xué)生參加每年的全國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽，利用好這個(gè)實(shí)戰(zhàn)檢測(cè)平臺(tái)。還可以成立數(shù)學(xué)建模興趣社團(tuán)，在平時(shí)就可以為競(jìng)賽選拔有興趣有成績(jī)好的學(xué)生參加競(jìng)賽，也便于有相同興趣的學(xué)生交流學(xué)習(xí)。這不僅為學(xué)生之間提供了提高交流的平臺(tái)，同時(shí)也為師生搭建了課后溝通渠道。培養(yǎng)一支優(yōu)秀的教師隊(duì)伍帶領(lǐng)學(xué)生，這只教師隊(duì)伍不僅科研教學(xué)能力要強(qiáng)，還要經(jīng)驗(yàn)豐富，解決實(shí)際問題的能力強(qiáng)。這些教師可以在競(jìng)賽前組織培訓(xùn)，讓一些有基礎(chǔ)的學(xué)生更有針對(duì)性的強(qiáng)化訓(xùn)練，爭(zhēng)取好得成績(jī)。

4、培養(yǎng)社會(huì)型創(chuàng)新實(shí)踐人才

篇4

關(guān)鍵詞：數(shù)學(xué)建模；創(chuàng)新能力；大學(xué)數(shù)學(xué)主干課程

中圖分類號(hào)：G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2012）07-0158-03

大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽不僅能培養(yǎng)出具有創(chuàng)新能力的學(xué)生，也能一定程度上提高教師的教學(xué)和科研水平，而且最重要的是它能直接推動(dòng)大學(xué)數(shù)學(xué)的教學(xué)改革。教育部高教司對(duì)我國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽活動(dòng)的主要指導(dǎo)思想之一就是“擴(kuò)大受益面、推動(dòng)教育改革”。開展數(shù)學(xué)建模教育，可以推動(dòng)大學(xué)數(shù)學(xué)教育改革。開展“在大學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)融入數(shù)學(xué)建模、數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)的思想和方法，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力”課題的研究和實(shí)踐，就是擴(kuò)大數(shù)學(xué)建模受益面的一個(gè)重要探索。本文研究對(duì)在大學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)融入數(shù)學(xué)建模、數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)的思想和方法的必要性，相應(yīng)的融入手段，以及在融入過程中可能遇到的困難和解決辦法等進(jìn)行了論述。

一、數(shù)學(xué)建模思想融入大學(xué)數(shù)學(xué)的教學(xué)中的必要性

1.數(shù)學(xué)建模幾乎是一切應(yīng)用科學(xué)的基礎(chǔ)。數(shù)學(xué)在科學(xué)中的一個(gè)重要作用就是能夠使人們對(duì)事實(shí)上是相當(dāng)混亂的東西進(jìn)行適當(dāng)?shù)睦硐牖?，抽象出概念與模型，從而解決實(shí)際問題。在解決復(fù)雜科學(xué)技術(shù)問題時(shí)，數(shù)學(xué)建模的方法能使人們?cè)O(shè)計(jì)出最佳和可行的新技術(shù)方法、手段，以及預(yù)測(cè)新的現(xiàn)象等。數(shù)學(xué)建模及相應(yīng)的計(jì)算也正在成為工廠里常用的主要工具。Charlies R. Mischke指出：學(xué)生一般都并不確信大學(xué)所開設(shè)的所有課程是否真能培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力。他們對(duì)學(xué)習(xí)漸漸失去興趣，原因之一就是缺乏讓學(xué)生了解大學(xué)教育進(jìn)程安排的合理性。工程專業(yè)課程強(qiáng)調(diào)的基本都是專業(yè)方面的問題。而實(shí)際用來進(jìn)行教學(xué)、組織和應(yīng)用的工具卻是數(shù)學(xué)模型。但不幸的是，專業(yè)教師很少花時(shí)間來講授不涉及專業(yè)方面的建模過程本身。所以將數(shù)學(xué)建模的思想和方法融入大學(xué)主干數(shù)學(xué)課程教學(xué)中是具有現(xiàn)實(shí)的必要性。

2.當(dāng)前數(shù)學(xué)教學(xué)的問題。傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)教學(xué)和考試可以很好地檢查學(xué)生對(duì)所學(xué)數(shù)學(xué)知識(shí)的概念、定理和方法等的掌握情況，但缺乏對(duì)學(xué)生的應(yīng)用數(shù)學(xué)的能力和創(chuàng)新能力進(jìn)行考察。因此，在大學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)和考試中融入數(shù)學(xué)建模思想和方法非常必要。傳統(tǒng)的大學(xué)數(shù)學(xué)教育已不能有效地激發(fā)廣大學(xué)生的求知欲和激情，不能有效地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。在現(xiàn)實(shí)的大學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)活動(dòng)中，學(xué)生常常陷入前所未有的困惑之中，投入大量的精力，做了大量的習(xí)題，卻絲毫感受不到“數(shù)學(xué)”有何作用，老師也拿不出鮮活的例子來使學(xué)生信服數(shù)學(xué)的用處。一大半學(xué)生認(rèn)為大學(xué)數(shù)學(xué)的教學(xué)內(nèi)容是沒意義的，并且認(rèn)為無意義的最大原因是和實(shí)際沒有聯(lián)系，學(xué)生最常問老師的問題就是“高等數(shù)學(xué)有什么用？”“線性代數(shù)有什么用？”等問題。

二、數(shù)學(xué)建模思想融入大學(xué)數(shù)學(xué)的教學(xué)中的具體措施

在大學(xué)數(shù)學(xué)的教學(xué)中融入數(shù)學(xué)建模思想主要是要讓學(xué)生明白大學(xué)教育進(jìn)程安排的合理性，以及數(shù)學(xué)的重要性和廣泛應(yīng)用性。但還是必須明確要以數(shù)學(xué)主干課程為主，建模思想培養(yǎng)為輔的指導(dǎo)思想，最主要的目的還是促進(jìn)學(xué)生更好地學(xué)習(xí)和掌握大學(xué)數(shù)學(xué)主要內(nèi)容、思想和方法。要建立一套恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)建模思想融入大學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)的具體措施。首先必須弄清楚數(shù)學(xué)建模的具體過程以及我們大學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)的內(nèi)容和思想。數(shù)學(xué)建模過程一般分為下面幾步：①對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行觀察、分析，進(jìn)行必要的抽象、簡(jiǎn)化（抓住要點(diǎn)），確定模型建立中的變量和參數(shù)；②根據(jù)已知的各學(xué)科中的定律，甚至是經(jīng)驗(yàn)等建立變量和參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，這實(shí)際上就得到了明確的數(shù)學(xué)問題；③求解該數(shù)學(xué)問題。大部分情況是沒有辦法得到解析解，而只能得到近似解。這往往涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)思想、理論和方法，以及近似方法和算法；④得到的數(shù)學(xué)結(jié)果是否能解釋或預(yù)測(cè)實(shí)際問題中出現(xiàn)的現(xiàn)象，或用歷史數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)等來驗(yàn)證模型是否恰當(dāng)；如果模型是恰當(dāng)?shù)模敲淳涂梢栽囉?；如果是否定的，那就要進(jìn)行仔細(xì)分析，重復(fù)上述建模過程，不斷調(diào)整、最終得到恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型。大學(xué)數(shù)學(xué)的特點(diǎn)是的抽象的思想、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬐评砗蛷V泛的應(yīng)用，也正是由于它的抽象和嚴(yán)謹(jǐn)，使得其成為我們將其他學(xué)科量化的一個(gè)有效的工具。它與許多其他學(xué)科的本質(zhì)區(qū)別在于它抽象地反映了現(xiàn)實(shí)世界里各種對(duì)象及其變化在數(shù)量方面的一般規(guī)律，它能夠把一個(gè)學(xué)科的思想經(jīng)過抽象、推理和提煉得到的結(jié)果用到別的學(xué)科，從而具有廣泛的應(yīng)用性。將數(shù)學(xué)建模思想融入大學(xué)數(shù)學(xué)的教學(xué)的具體方法。

1.具體的切入點(diǎn)。①經(jīng)驗(yàn)建模——在所收集數(shù)據(jù)中提煉事物發(fā)展的趨勢(shì)；②講授一些實(shí)際問題及相關(guān)數(shù)學(xué)模型：人口模型、管理模型、抵押貸款模型、傳染病模型、減肥模型等等。在現(xiàn)有教材中已經(jīng)講解了所涉及的數(shù)學(xué)內(nèi)容，但如果從分析具體問題到建立數(shù)學(xué)建模的過程來學(xué)習(xí)的話，不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，而且還能使其能在學(xué)、做而后知不足，從而誘導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)。

篇5

關(guān)鍵詞：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；自動(dòng)化；采煤技術(shù)；綜放工作面

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)總量的增大，煤炭能源的消耗也是越來與而大，同時(shí)也對(duì)煤礦的開采提出了更高的要求。近年來，國(guó)家對(duì)煤礦安全越來越重視，管理也更加嚴(yán)格，很多不合安全規(guī)范的小型煤礦被關(guān)停。想在現(xiàn)有環(huán)境下提高采煤量，就必須加大科技方面的投入，采用最先進(jìn)的自動(dòng)化設(shè)備技術(shù)，宗放自動(dòng)化采煤是當(dāng)前世界上最為先進(jìn)的采煤技術(shù)，是提高采煤生產(chǎn)效率的關(guān)鍵技術(shù)之一。人工神經(jīng)系統(tǒng)可以較好的輔助綜放工作面的工作，可對(duì)綜放工作面進(jìn)行控制生產(chǎn)，對(duì)提高采煤效率有著極為重要的意義。

一、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)單介紹

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種非線性、交叉的科學(xué)，它通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)生物神經(jīng)信息進(jìn)行模擬來解決實(shí)際工作中的問題，屬于非線性、交叉的科學(xué)。經(jīng)過近些年的發(fā)展，人工神經(jīng)網(wǎng)落技術(shù)在自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用自然也推動(dòng)了人工神經(jīng)網(wǎng)路的研究，現(xiàn)在出現(xiàn)的具有不同功能作用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和算法系統(tǒng)，就是近年來研究的成果，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的理論系統(tǒng)也日趨成熟，適用范圍也越來越廣。

通過模擬人體神經(jīng)系統(tǒng)信號(hào)傳輸原理，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)也與人體內(nèi)的神經(jīng)元相似，能夠通過連接權(quán)值進(jìn)行非常緊密的聯(lián)系。在實(shí)際應(yīng)用中，如果神經(jīng)元的輸出大大超過了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部神經(jīng)元閥值的時(shí)候，這個(gè)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就會(huì)輸出信號(hào)，這個(gè)信號(hào)也就是成為了下個(gè)神經(jīng)元輸入的信號(hào)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模擬人的神經(jīng)系統(tǒng)創(chuàng)建的，自然與人的神經(jīng)系統(tǒng)很相似，要通過不斷的應(yīng)用、訓(xùn)練才可以保持較為良好的狀態(tài)，在實(shí)際操作中，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能是由各個(gè)節(jié)點(diǎn)的激活函數(shù)、網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練方法決定的。較為常用的BP算法就是通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)值的不斷調(diào)整來達(dá)到訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目的。

二、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)建模方法

就現(xiàn)有研究來看，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建模方法主要包括模糊建模和混合建模，這些具體而有效的建模方法給采煤綜放工作面生產(chǎn)過程自動(dòng)化提供了較為科學(xué)的理論指導(dǎo)，是提高采煤效率和降低采煤工人勞動(dòng)強(qiáng)度的有效舉措之一，以下是對(duì)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模的具體介紹。

（一）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊建模方法

在煤礦的實(shí)際工作中，傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模方法有其局限性，不能適應(yīng)較為復(fù)雜的問題，嚴(yán)重影響了煤礦的生產(chǎn)效率。模糊理論正是在這種大背景下出現(xiàn)的，它通過有效的實(shí)驗(yàn)方法，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)匯總，將實(shí)驗(yàn)匯總的數(shù)據(jù)作為模糊規(guī)則，然后依據(jù)相關(guān)模糊理論進(jìn)行實(shí)際的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模。這種建模方法的優(yōu)勢(shì)是能夠較為快速的預(yù)測(cè)出新輸入數(shù)據(jù)接下來會(huì)輸出的結(jié)果。煤礦在應(yīng)用模糊建模方法后，對(duì)于生產(chǎn)過程的預(yù)算也就更為準(zhǔn)確，便于企業(yè)做出相關(guān)決策。整個(gè)模糊建模方法主要由三個(gè)部分組成，既模糊化、推理機(jī)制、解模糊，這是模糊建模的一個(gè)有機(jī)整體，是這種建模方式的核心價(jià)值所在。

（二）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的混合建模方法

除了模糊建模方法之外，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還有一種混合建模方法，這種建模方法是依托智能算法的進(jìn)步而出現(xiàn)的，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)。近年來，為了適應(yīng)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，包括粒子群算法和遺傳算法在內(nèi)的智能算法取得了較大的發(fā)展，這種建模方可以對(duì)實(shí)際工作中比較復(fù)雜的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率。

1.粒子群算法建模

粒子群建模簡(jiǎn)單來說就是利用較為成熟的計(jì)算機(jī)語言的算法對(duì)相關(guān)生物的群體行為進(jìn)行模仿，然后進(jìn)行建模，在具體操作中，粒子群算法建模要避免碰撞而飛離最近的個(gè)體、飛向目標(biāo)、飛向群體中心，這也被稱為粒子群建模方法的三大原則。

2.遺傳算法

遺傳算法就是將計(jì)算機(jī)技術(shù)和進(jìn)化論聯(lián)合運(yùn)用于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模。在實(shí)際工作中，遺傳算法應(yīng)用了當(dāng)前最為先進(jìn)的編碼技術(shù)和遺傳操來做鋪墊。在Holland體系中，GA就是一種較為簡(jiǎn)單的遺傳算法，各種不同形式的二進(jìn)制串就是其具體的操作對(duì)象。但在煤礦工作中，如果是要通過參數(shù)來進(jìn)行問題分析，遺傳算法的研究對(duì)象就可以是一個(gè)參數(shù)組，在這個(gè)參數(shù)組中，遺傳算法具體是通過這個(gè)參數(shù)組的適應(yīng)度來表現(xiàn)其好壞情況。通常情況下，遺傳算法在具體操作中就是通過對(duì)基礎(chǔ)的參數(shù)群進(jìn)行有效分析，其選擇個(gè)體是依據(jù)這個(gè)個(gè)體的適應(yīng)值比例，然后通過交叉和變異進(jìn)的方法誕生下一個(gè)組種群，這個(gè)過程可以持續(xù)下去，直到滿足生產(chǎn)需求的參數(shù)值出現(xiàn)為止。遺傳算法也是一種優(yōu)選的方法，它將遺傳算法的優(yōu)點(diǎn)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合，通過遺傳算法可以進(jìn)行前期模塊的優(yōu)選，建立一個(gè)合乎現(xiàn)實(shí)情況的非線性模型，然后進(jìn)行與模糊建模方法相類似的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集，分析最為有效的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在滿足預(yù)測(cè)的情況下實(shí)現(xiàn)了參數(shù)的優(yōu)選。

三、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在采煤技術(shù)上效果

通過上文介紹，在采煤中利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是為綜放工作面生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化提供相對(duì)應(yīng)的理論依據(jù)，減輕采煤的勞動(dòng)強(qiáng)度并提高采煤效率是其目的所在；人工神經(jīng)網(wǎng)落還能夠?qū)Σ擅汗ぷ髦械南嚓P(guān)生產(chǎn)設(shè)備的性能做有效的檢查，能夠在最快的時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)機(jī)械故障，及時(shí)的排除機(jī)械故障，極大的降低了煤礦安全事故的發(fā)生率；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還能夠?qū)⒉擅荷a(chǎn)設(shè)備工作面的具體信息，快速的反饋到地面，然后通過先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理，實(shí)現(xiàn)信息資源共享，采煤過程中對(duì)人工的依賴也會(huì)降低，為日后的無人操作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

將現(xiàn)代化的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于采煤，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)綜放工作面自動(dòng)化的有效控制，它將整個(gè)采煤的綜放工作面看做是個(gè)有機(jī)的整體，在條件允許的情況下進(jìn)行仿真模擬，通常情況下都是應(yīng)用MATLAB軟件來及進(jìn)行仿真模擬，可以系統(tǒng)化的管理整個(gè)采煤過程，排除采煤過程中的相關(guān)機(jī)械故障，在提高采煤效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)值得在采煤技術(shù)中大力推廣、應(yīng)用。

四、結(jié)束語

可以將綜放工作面看做是整個(gè)采煤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，這也是日后采煤自動(dòng)化發(fā)展的一個(gè)重要方向，這種思維模式有效避免了在沒有考慮綜放工作面控制功能而進(jìn)行自動(dòng)化的情況。多年的實(shí)踐表明，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于煤礦開采中可以有效分析、診斷采煤工作中的一些問題，為日后采煤規(guī)劃提供了強(qiáng)而有力的依據(jù)，其在采煤領(lǐng)域的應(yīng)用空間還非常寬闊，值得進(jìn)一步研究、拓展。

參考文獻(xiàn)：

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篇6

【關(guān)鍵詞】數(shù)值分析教學(xué)改革教學(xué)方法

數(shù)值分析又名計(jì)算方法，它主要研究運(yùn)用計(jì)算機(jī)解決數(shù)學(xué)問題的理論和方法，是一門與計(jì)算機(jī)密切結(jié)合、實(shí)用性很強(qiáng)的數(shù)學(xué)課程。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠熟練掌握各種常用數(shù)值算法的構(gòu)造原理和分析理論，在提高計(jì)算機(jī)操作能力的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，對(duì)學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和今后進(jìn)一步從事科學(xué)研究均具有現(xiàn)實(shí)意義。但在實(shí)際教學(xué)中出現(xiàn)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不夠高，教學(xué)效果不夠理想等現(xiàn)象。因此，如何提高數(shù)值分析課程的教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量是一個(gè)值得研究的課題。本文針對(duì)數(shù)值分析課程的教學(xué)改革進(jìn)行了一些有益的探討。

一、高校數(shù)值分析教學(xué)中普遍存在的問題

1.理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)

當(dāng)前該課程的教學(xué)方式只是較多地注重計(jì)算公式的推導(dǎo)，收斂性、穩(wěn)定性等定理的證明，實(shí)驗(yàn)課上也只是針對(duì)具體算法進(jìn)行程序?qū)崿F(xiàn)，導(dǎo)致很多學(xué)生雖然理論知識(shí)、公式掌握了不少，但卻不知道這些公式應(yīng)該用在什么地方、怎么用。

2.教學(xué)手段相對(duì)滯后

數(shù)值分析是一門與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)密切相關(guān)的學(xué)科，該課程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)繁瑣的算法公式推導(dǎo)、復(fù)雜數(shù)值誤差的計(jì)算以及大量的數(shù)據(jù)處理。憑一支粉筆和一塊黑板的傳統(tǒng)教學(xué)模式顯然已不能適應(yīng)現(xiàn)代的教學(xué)需求，不僅教師講的累，學(xué)生聽的更累，而且很難收到比較好的教學(xué)效果。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)要求采用現(xiàn)代教學(xué)手段。因此，我們必須對(duì)數(shù)值分析的教學(xué)手段進(jìn)行創(chuàng)新，只有這樣才能提高學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)值分析課程的積極性，從而達(dá)到較好的教學(xué)效果。

3.重理論，輕實(shí)驗(yàn)

數(shù)值分析是一門實(shí)踐性和應(yīng)用性很強(qiáng)的課程，它要求學(xué)生在學(xué)習(xí)理論的同時(shí)，要能將學(xué)習(xí)到的理論內(nèi)容加以實(shí)踐，最簡(jiǎn)單的就是將相關(guān)的算法在計(jì)算機(jī)上加以實(shí)踐和應(yīng)用，因此上機(jī)實(shí)驗(yàn)是數(shù)值分析課程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。，雖然這門課實(shí)驗(yàn)比較重要，但在教學(xué)中普遍存在著"重理論輕實(shí)驗(yàn)、重方法輕應(yīng)用"的現(xiàn)象，這就造成了學(xué)生解決實(shí)際問題的能力較弱。因此，在教學(xué)中如何突出數(shù)值分析課程的特點(diǎn)，使理論分析、算法設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)有效結(jié)合，增強(qiáng)教學(xué)效果，也是一個(gè)亟待解決的問題。

二、從以下幾個(gè)方面進(jìn)行數(shù)值分析課程的教學(xué)改革

1.加強(qiáng)理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用的聯(lián)系，將數(shù)學(xué)建模融入到數(shù)值分析的教學(xué)中

為了改變學(xué)生理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)的情況，將數(shù)學(xué)建模融入到數(shù)值分析的教學(xué)中，這樣可以加強(qiáng)學(xué)生理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用的聯(lián)系。將乏味、枯燥的課堂變得生動(dòng)活躍，由此激發(fā)學(xué)生參與教學(xué)，提高教學(xué)效果。數(shù)學(xué)建模是培養(yǎng)大學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的一種有效方法。大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽是一年一度的全國(guó)性競(jìng)賽活動(dòng)，題目都具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，而且解決問題的方法不固定。很多的數(shù)學(xué)模型試題都可以利用數(shù)值分析中的某些理論和算法來解決，而且很多數(shù)學(xué)模型本身就是數(shù)值分析某些算法和理論的應(yīng)用實(shí)例。數(shù)值分析聯(lián)系實(shí)際的橋梁是數(shù)學(xué)建模，，所以在數(shù)值分析的教學(xué)中可以將兩者有機(jī)的結(jié)合起來。在學(xué)習(xí)數(shù)值分析理論過程中加入實(shí)際問題的數(shù)學(xué)模型實(shí)踐，可以提高學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力。

2.創(chuàng)新教學(xué)手段，完成課程平臺(tái)建設(shè)

除了課堂上的理論講授，建設(shè)網(wǎng)絡(luò)課程平臺(tái)，更有助于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，為將來的科學(xué)研究工作打下良好的數(shù)值計(jì)算基礎(chǔ)。將課堂講授、上機(jī)實(shí)驗(yàn)、第二課堂三者有機(jī)結(jié)合，全面提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。開發(fā)在線的CAI教學(xué)系統(tǒng)。不只是傳統(tǒng)的Power-Point課件，而是基于Web的一個(gè)學(xué)生學(xué)習(xí)的平臺(tái)，師生交流的平臺(tái).學(xué)生科技活動(dòng)開展的平臺(tái)。這個(gè)學(xué)習(xí)系統(tǒng)具有幫助學(xué)生預(yù)習(xí)、自學(xué)、練習(xí)的功能，并可以實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過程的記錄，使教師了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。同時(shí)豐富的網(wǎng)絡(luò)資源也能更充分地體現(xiàn)各學(xué)科的專業(yè)特點(diǎn)，使數(shù)值分析的學(xué)習(xí)能夠與學(xué)生自身專業(yè)相結(jié)合。在線CAI系統(tǒng)可大大方便學(xué)生學(xué)習(xí)。使學(xué)生對(duì)數(shù)值分析課程的學(xué)習(xí)活動(dòng)從單獨(dú)的課堂時(shí)間變成隨時(shí)進(jìn)行。利用這個(gè)平臺(tái)，開展第二課堂活動(dòng)。結(jié)合適當(dāng)?shù)膶?shí)際科研項(xiàng)目，訓(xùn)練學(xué)生建模能力，培養(yǎng)其獨(dú)立分析問題和解決問題的能力。

3.加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)應(yīng)用能力

數(shù)值分析是一門把理論和計(jì)算密切結(jié)合的課程，所以為了讓學(xué)生更好地體會(huì)數(shù)值分析在實(shí)際生活中的應(yīng)用，我們?cè)诮虒W(xué)中必須加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)。實(shí)踐環(huán)節(jié)可安排兩方面的內(nèi)容。一方面，讓學(xué)生對(duì)典型的算法進(jìn)行上機(jī)實(shí)習(xí)。在這個(gè)過程中，要求學(xué)生對(duì)每一算法畫出流程圖，編制相應(yīng)程序，然后上機(jī)調(diào)試并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最后寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。由于一個(gè)問題可能有多種計(jì)算方法，而每種算法又各有優(yōu)缺點(diǎn)，因此要求學(xué)生使用不同算法計(jì)算這些問題，并通過對(duì)比分析找出它們的優(yōu)缺點(diǎn)，從而加深對(duì)各種算法的理解。另一方面，在這門課程結(jié)束后，讓學(xué)生分組完成一些綜合性的課題，比如傳染病的傳播問題、病態(tài)方程組的數(shù)值計(jì)算等。學(xué)生通過查閱資料、建立數(shù)學(xué)模型、設(shè)計(jì)算法上機(jī)、分析求解結(jié)果，可以體驗(yàn)初級(jí)科研的整個(gè)過程，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。學(xué)生通過實(shí)踐環(huán)節(jié)既有助于熟悉算法流程，又有助于提高解決實(shí)際問題的科學(xué)計(jì)算能力，還有助于擴(kuò)大知識(shí)面和培養(yǎng)科研創(chuàng)新精神，所以理論教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)是相輔相成的，兩者缺一不可。

4.改革考核方式，建立多元化課程評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

合理的考核方式有助于調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。改變以理論推導(dǎo)為主的考核，結(jié)合工科的特點(diǎn)，以算法設(shè)計(jì)與解決實(shí)際問題為主進(jìn)行成績(jī)考核，從而促使學(xué)生將主要精力放在使用數(shù)學(xué)工具去解決實(shí)際問題上?？己嗽u(píng)價(jià)包括"筆試、實(shí)驗(yàn)、小論文"三部分。筆試考核采用閉卷形式，力求題型豐富。主要考查基礎(chǔ)知識(shí)與解決問題的能力，考核的重點(diǎn)放在解決問題的方法與步驟上。實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)主要是考核學(xué)生利用計(jì)算機(jī)解決數(shù)值計(jì)算問題的基本能力，一般采用半開卷形式，允許學(xué)生查閱基本公式等資料?，F(xiàn)場(chǎng)抽題，編程解決問題并運(yùn)行程序得到結(jié)果。同時(shí)，要求學(xué)生結(jié)合自己的學(xué)科與研究方向，選擇自己研究或?qū)熝芯康目蒲许?xiàng)目中的數(shù)值計(jì)算問題，通過利用課程的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)自學(xué)等方法解決實(shí)際問題，并形成研究報(bào)告，即小論文。這種考核方式對(duì)研究生來說可以促使他們較早進(jìn)入科研角色。真正做到"學(xué)為所用"。

篇7

在現(xiàn)代信息實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，積累經(jīng)驗(yàn)并應(yīng)進(jìn)行改革探索，并針對(duì)應(yīng)用型人才需采用虛擬和實(shí)際相結(jié)合、軟件與硬件相結(jié)合的模式。可以看出，現(xiàn)代仿真技術(shù)在信息學(xué)科教學(xué)，特別是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景。仿真技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，必將加快信息學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深化改革，促進(jìn)了教育觀念的改變是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的新的實(shí)驗(yàn)手段。

信息學(xué)科教學(xué)中仿真技術(shù)的應(yīng)用

目前，國(guó)內(nèi)外眾多高校在信息類課程的教學(xué)過程中，對(duì)計(jì)算機(jī)的仿真技術(shù)做了大量有意義的探索，并取得了相對(duì)豐碩的研究成果。

（1）通信專業(yè)教學(xué)中的仿真技術(shù)。近年來，隨著通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)手段和設(shè)計(jì)方法通常不能夠適應(yīng)目前通信系統(tǒng)急劇增加的復(fù)雜性要求。在通信專業(yè)的實(shí)際教學(xué)過程中，基于相關(guān)常用的仿真軟件，通信系統(tǒng)的仿真技術(shù)也已逐漸成為現(xiàn)代通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及對(duì)其定性進(jìn)行驗(yàn)證的重要手段[5,6]。例如，對(duì)通信系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)并測(cè)試其性能；同時(shí)，在復(fù)雜的環(huán)境中無線電通信以及抗干擾通信系統(tǒng)的抵抗衰落和多徑效應(yīng)能力。但由于現(xiàn)代通信系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)試設(shè)備價(jià)格高昂，而且系統(tǒng)也往往具有不可測(cè)試特性。例如，在日常的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教育單位不太可能對(duì)實(shí)際營(yíng)運(yùn)中的通信網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行測(cè)試。因此，這使得高校相關(guān)信息專業(yè)的教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)面臨挑戰(zhàn)。這樣，基于相關(guān)軟件與算法對(duì)其進(jìn)行仿真就成為一種理想的選擇。通常，通信系統(tǒng)中各個(gè)功能模塊的軟件實(shí)現(xiàn)、通信過程中各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的智能化性能分析等系統(tǒng)及其部分功能的模擬大都基于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來完成。其中，仿真算法可以直接映射為系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的硬件。而基于仿真工具的軟件無線電技術(shù)使得通信信號(hào)處理方法得到廣泛應(yīng)用。此外，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)通信系統(tǒng)不同模塊的性能分析也有著不可替代的作用。例如，在基帶信號(hào)處理過程中可以通過合適的仿真軟件來實(shí)現(xiàn)傳輸信號(hào)的相應(yīng)變換。從而得出預(yù)編碼、自適應(yīng)均衡、信道編解碼、信源編解碼以及信息安全算法等等。此外，在復(fù)雜、時(shí)變的信息傳輸環(huán)境中，現(xiàn)代通信系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)處理相關(guān)算法更將會(huì)趨于復(fù)雜[7,8]。例如，在科研和教學(xué)中涉及到的信道估計(jì)的自適應(yīng)算法、MIMO技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)中的多用戶檢測(cè)算法、信道編解碼算法等技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，必須利用仿真技術(shù)對(duì)算法在實(shí)際通信環(huán)境中的適應(yīng)性進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)估。

（2）基于硬件設(shè)計(jì)教學(xué)中的仿真技術(shù)。實(shí)現(xiàn)微處理器和數(shù)字信號(hào)處理芯片是現(xiàn)代信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件基礎(chǔ)。系統(tǒng)中各個(gè)硬件模塊的實(shí)現(xiàn)通?；谟布抡婕夹g(shù)的理論與先進(jìn)的微型計(jì)算機(jī)的相互結(jié)合進(jìn)行分析。因此，仿真技術(shù)在信息專業(yè)教學(xué)過程中硬件的控制實(shí)現(xiàn)中也就有著重要的應(yīng)用[7]。在實(shí)際硬件仿真教學(xué)中，基于不同仿真平臺(tái)，例如Max+plus、QuartusII等軟件,通過VHDL、VerilogHDL等語言對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的物理器件性能進(jìn)行仿真。在目前很多信息系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)中，這主要表現(xiàn)為從基于硬件的集成電路模式逐步轉(zhuǎn)為一些硬件仿真軟件編程來實(shí)現(xiàn)的映射模式。

（3）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議教學(xué)中的仿真技術(shù)應(yīng)用。在通常信息學(xué)科的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議教學(xué)中，其復(fù)雜性已經(jīng)很難通過傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)分析來完成。而在更高層的協(xié)議設(shè)計(jì)教學(xué)過程中，通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中所涉及的仿真代碼可以將其設(shè)為相應(yīng)通信協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)的核心代碼。因此，在信息學(xué)科教學(xué)中，仿真方法在網(wǎng)絡(luò)及其協(xié)議的復(fù)雜性中也有著重要的應(yīng)用[9，10]。為了準(zhǔn)確、快速地對(duì)信息學(xué)科教學(xué)過程中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議性能完成評(píng)估。同時(shí)，如果采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以避免掉大量的理論性能分析過程中出現(xiàn)的障礙。另外，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)室中網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行建模，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)參數(shù)的選擇和調(diào)整，并能夠快速模擬系統(tǒng)在真實(shí)環(huán)境中的行為表現(xiàn)?；谏鲜龅姆抡婕夹g(shù)，可對(duì)教學(xué)中所應(yīng)用的信號(hào)處理算法、信息傳輸協(xié)議等及其相關(guān)性能做出評(píng)估以便進(jìn)一步改進(jìn)。因此，算法和協(xié)議的仿真成為實(shí)際系統(tǒng)中功能實(shí)現(xiàn)的重要手段。為了考查網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和利用效率，在實(shí)際的現(xiàn)代信息系統(tǒng)中提出了各種復(fù)雜且具有層次結(jié)構(gòu)的協(xié)議，進(jìn)而構(gòu)建結(jié)合無數(shù)節(jié)點(diǎn)的通信網(wǎng)絡(luò)?？梢钥闯?，基于仿真平臺(tái)的仿真技術(shù)對(duì)實(shí)際環(huán)境中網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真分析評(píng)估中有著不可分割的地位。

總之，在信息學(xué)科的教學(xué)實(shí)踐中，基于平臺(tái)的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)有著重要的應(yīng)用。透過仿真技術(shù)，學(xué)生基于已有的理論可以對(duì)比傳統(tǒng)信息理論技術(shù)所研究的對(duì)象深入學(xué)習(xí)和研究。此外，通過仿真技術(shù)可以在仿真過程中實(shí)時(shí)修改系統(tǒng)參數(shù)，同時(shí)能夠評(píng)估參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)整體性能的影響，使其更加接近真實(shí)環(huán)境。

常用仿真軟件

目前，在信息學(xué)科的實(shí)際教學(xué)中，適用于系統(tǒng)中各個(gè)功能模塊的軟件仿真軟件較多，例如Matlab，Labview，SystemView等。其中，Matlab／Simulink是目前廣泛應(yīng)用于科研和教學(xué)中較為常見的仿真與計(jì)算平臺(tái)。均可完成教學(xué)中所遇到的仿真實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算，例如可以通過Matlab實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)仿真中的數(shù)值計(jì)算、算法驗(yàn)證等分析等領(lǐng)域。而Simulink是Matlab中最重要的組件之一，它對(duì)系統(tǒng)能夠提供一個(gè)動(dòng)態(tài)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境，并具有適應(yīng)面廣、效率高和靈活等優(yōu)點(diǎn)。此外，Scilab也是一個(gè)開放源碼的科學(xué)計(jì)算仿真軟件。而常用的硬件仿真軟件早些時(shí)候所常用的Max+plus、QuartusII；英國(guó)Labcenter公司開發(fā)的用來電路分析與實(shí)物仿真軟件ProteusISIS；以及FPGA的仿真軟件Foundation和ISE等。

上述這些常用的軟硬件仿真軟件，在信息科學(xué)專業(yè)教學(xué)中的工程建模、科學(xué)計(jì)算以及性能分析等方面有著重要的應(yīng)用，特別是在信息相關(guān)專業(yè)的課程實(shí)驗(yàn)以及畢業(yè)設(shè)計(jì)中有著廣泛的作用。因此，開設(shè)計(jì)算機(jī)仿真課程能系統(tǒng)地利用科學(xué)計(jì)算和系統(tǒng)仿真工具，深入理解信息學(xué)科中專業(yè)課程的基本思想、原理和實(shí)踐。

篇8

【關(guān)鍵詞】混合建模；支持向量機(jī)；雙酚A催化劑活性；軟測(cè)量

1.引言

隨著工業(yè)過程對(duì)象的日益復(fù)雜，在很多應(yīng)用中，僅僅靠控制常規(guī)的測(cè)量參數(shù)很難達(dá)到讓人滿意的控制效果，而且很多重要的指標(biāo)都很難在線獲得，所以促使軟測(cè)量技術(shù)產(chǎn)生并得以發(fā)展。比如雙酚A催化劑活性，雙酚A的生產(chǎn)工藝主要采用陽(yáng)離子交換樹脂法[1]，以酸性陽(yáng)離子交換樹脂為催化劑，陽(yáng)離子樹脂催化劑隨著時(shí)間的變化，其活性不斷降低，其下降的程度直接影響縮合反應(yīng)的程度，所以它是直接影響生產(chǎn)雙酚A的重要因素，因此，研究雙酚A催化劑活性的變化是既有理論價(jià)值，又有重要的工程意義。看過多篇文獻(xiàn)，知道催化劑活性建模方法可以采用常規(guī)的時(shí)間序列建模方法比如支持向量機(jī)，但是這是完全基于歷史數(shù)據(jù)的黑箱模型，缺乏物理化學(xué)基礎(chǔ)，其模型估計(jì)結(jié)果不具有可解釋性，往往難以反應(yīng)對(duì)象的特性，有可能難以把握催化劑活性的變化趨勢(shì)。本文提出了將機(jī)理與支持向量機(jī)相結(jié)合的一種建模方法，即混合建模[2]，又被稱為“灰箱建?！?，它在反應(yīng)過程的機(jī)理和噪聲影響的同時(shí)，能夠較為實(shí)際地反應(yīng)過程的真實(shí)情況，在現(xiàn)實(shí)中得到了廣泛的應(yīng)用。

2.軟測(cè)量理論

軟測(cè)量的基本思想[3]是把自動(dòng)控制理論與生產(chǎn)工藝過程知識(shí)有機(jī)結(jié)合起來，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)于一些難于測(cè)量或暫時(shí)不能測(cè)量的重要變量(主導(dǎo)變量)，選擇另外一些容易測(cè)量的變量(輔助變量或二次變量)，通過構(gòu)成某種數(shù)學(xué)關(guān)系來推斷和估計(jì)，用軟件來代替硬件功能。

軟測(cè)量技術(shù)主要由4個(gè)相關(guān)要素組成：(1)中間輔助變量的選擇；(2)數(shù)據(jù)處理；(3)軟測(cè)量模型建立；(4)軟測(cè)量模型的在線校正。其中(3)是軟測(cè)量技術(shù)最重要的組成部分。

2.1 中間輔助變量的選擇

它是建立軟測(cè)量模型的第一步，它包括變量類型，變量數(shù)量和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選擇。三者互相關(guān)聯(lián)，互相影響。常用的選擇方法有兩種：一種是通過機(jī)理分析的方法，找到那些對(duì)被測(cè)變量影響大的相關(guān)變量；另一種是采用主元分析，部分最小二乘法等統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)性分析，剔除冗余的變量，降低系統(tǒng)的維數(shù)。需要注意的是，輔助變量的個(gè)數(shù)不能少于被估計(jì)的變量數(shù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

軟測(cè)量是根據(jù)過程測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)值計(jì)算而實(shí)現(xiàn)的，其性能在很大程度上依賴于所獲過程測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性。為了保證這一點(diǎn)，一方面，我們要均勻分配采樣點(diǎn)，減少信息重疊。另一方面，對(duì)采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)會(huì)受到不同程度環(huán)境噪聲的影響而存在誤差。一般數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)預(yù)處理和二次處理。

2.3 數(shù)學(xué)模型的建立

軟測(cè)量模型是軟測(cè)量技術(shù)的核心。它是通過輔助變量來獲得對(duì)主導(dǎo)變量的最佳估計(jì)。本文利用了兩種方法。一種是單一的支持向量機(jī)建模，另一種是混合建模方法。

2.4 數(shù)學(xué)模型修正

由于過程的隨機(jī)噪聲和不確定性，所建數(shù)學(xué)模型與實(shí)際對(duì)象間有誤差，若誤差大于工藝允許的范圍內(nèi)，應(yīng)對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行校正。

3.離子交換樹脂催化劑失活[4]

3.1 離子交換樹脂催化反應(yīng)機(jī)理分析

常用的離子交換樹脂為磺化的苯乙烯一二乙烯基苯交聯(lián)的球粒狀共聚物。它既不溶解，也不熔融，但是它可以溶脹，每個(gè)樹脂顆粒都由交聯(lián)的立體骨架構(gòu)成，磺酸基團(tuán)連結(jié)于樹脂內(nèi)部的空間網(wǎng)狀骨架上，骨架可離解出氫離子，作為活性中心。該催化反應(yīng)屬于正碳離子的反應(yīng)機(jī)理。

3.2 離子交換樹脂催化失活機(jī)理分析

雙酚A合成反應(yīng)使用陽(yáng)離子樹脂催化劑，在使用過程中，隨時(shí)間推移，催化劑會(huì)逐漸失去它的活性。陽(yáng)離子樹脂催化劑失活的主要原因是催化劑的活性基團(tuán)失去活性或有活性的基團(tuán)被轉(zhuǎn)化成沒有活性的基團(tuán)，也會(huì)因?yàn)樽陨硖匦院筒僮鳁l件的變化引起催化劑活性的波動(dòng)。根據(jù)相關(guān)化學(xué)原理，使得陽(yáng)離子交換樹脂失去活性的因素大致有如下幾個(gè)：陽(yáng)離子物質(zhì)；醇；氫原料物質(zhì)；高溫；水[5][6]。

然而上面五個(gè)影響催化劑活性的因素都沒有辦法用傳感器在線測(cè)量，也就不適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)催化劑活性的軟測(cè)量。為了滿足雙酚A生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)催化劑活性進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的需求，本文結(jié)合相關(guān)機(jī)理以及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，通過分析尋找出了影響催化劑活性并可在線測(cè)量的若干因素，將其運(yùn)用到催化劑活性軟測(cè)量建模之中。通過研究大量文獻(xiàn)，可以知道影響催化劑活性并能在線測(cè)量的幾個(gè)因素：催化劑的使用時(shí)間；酚酮比；反應(yīng)溫度；生產(chǎn)負(fù)荷，將這些影響因素運(yùn)用到軟測(cè)量建模中去。

3.3 催化劑活性輔助變量的數(shù)據(jù)處理

我們知道了有4個(gè)變量對(duì)催化劑失活產(chǎn)生影響。從采樣數(shù)據(jù)中我們盡可能排除噪音成分，保留真實(shí)信號(hào)。數(shù)據(jù)預(yù)處理一般包括：首先提出一部分不在原始數(shù)據(jù)變量操作范圍或重復(fù)的數(shù)據(jù)，然后再用原則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的篩選，對(duì)篩選后的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，最后再將數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。本文選取100個(gè)數(shù)據(jù)，75個(gè)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，25個(gè)作為測(cè)試數(shù)據(jù)。

4.離子交換樹脂催化劑活性建模

4.1 基于支持向量機(jī)[7]建立催化劑活性模型

4.1.1 基于回歸支持向量機(jī)的方法

近年來，作為機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域中備受矚目的支持向量機(jī)(SVM)在許多領(lǐng)域取得了成功的應(yīng)用，顯示出巨大的優(yōu)越性：(1)支持向量機(jī)基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論，根據(jù)結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化原則，具有小樣本學(xué)習(xí)能力，即由有限的訓(xùn)練樣本得到小的誤差，對(duì)獨(dú)立的測(cè)試集仍然能保證小的誤差；(2)支持向量機(jī)算法是一個(gè)凸優(yōu)化問題，因此局部最優(yōu)解一定是全局最優(yōu)解，所以本文先利用支持向量機(jī)軟測(cè)量方法對(duì)催化劑活性進(jìn)行建模研究。

4.1.2 支持向量機(jī)建模

(1)輔助變量選取

確定模型輸入輸出變量。輸出為催化劑活性，而影響其的因素大致有四個(gè)：催化劑時(shí)間；酚酮比；反應(yīng)溫度；生產(chǎn)負(fù)荷。

(2)數(shù)據(jù)采集和處理

本文采集了100個(gè)數(shù)據(jù)，每連續(xù)四個(gè)數(shù)據(jù)中取一個(gè)作為測(cè)試集，其余三個(gè)為訓(xùn)練集。這樣就有75個(gè)訓(xùn)練集，25個(gè)測(cè)試集。

(3)催化劑活性建模

將催化劑時(shí)間，酚酮比，反應(yīng)溫度和生產(chǎn)負(fù)荷分別作為該模型的輸入，輸出為催化劑活性。通過matlab仿真，得到如圖3-1、圖3-2。

由圖3-1、3-2可以看出，用單一的支持向量機(jī)建模得出的相對(duì)誤差在[0.8%，-1%]，預(yù)測(cè)效果相對(duì)不是很理想，于是，我們提出了混合建模來進(jìn)行預(yù)測(cè)。

4.2 基于混合建模建立催化劑活性模型

4.2.1 基于混合建模的方法

我們知道，常用的軟測(cè)量方法有機(jī)理建模，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模和混合建模方法。機(jī)理建模方法可解釋性強(qiáng)，外推性好，但是建模過程非常復(fù)雜。而數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模根據(jù)過程的輸入輸出數(shù)據(jù)直接建模，幾乎無需要過程對(duì)象的先驗(yàn)知識(shí)。但是這種建模方法通常學(xué)習(xí)速度慢，且容易造成過擬合現(xiàn)象，此外，用這種方法建立的模型不具有可解釋性。而混合建模方法則是把簡(jiǎn)化機(jī)理建模方法和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模方法結(jié)合起來，互為補(bǔ)充。簡(jiǎn)化機(jī)理模型提供的先驗(yàn)知識(shí)，可以為基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模型節(jié)省訓(xùn)練時(shí)間；同時(shí)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模型又能補(bǔ)償簡(jiǎn)化機(jī)理模型的未建模特性。因此，混合建模方法現(xiàn)已被廣泛地應(yīng)用并且取得了很好的效果。

本文主要對(duì)催化劑活性進(jìn)行部分機(jī)理分析[1]，我們知道催化性活性會(huì)隨使用時(shí)間的累積而下降，這是催化劑時(shí)候過程中容易把握的部分，所以把這個(gè)作為建立機(jī)理模型的基礎(chǔ)。本文利用數(shù)值回歸的方法，建立數(shù)學(xué)表達(dá)式f(t)，來描述時(shí)間和催化劑活性之間的函數(shù)表達(dá)式。將現(xiàn)場(chǎng)中的催化劑活性數(shù)值和催化劑使用時(shí)間作為輸出和輸入，進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸，確定f(t)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。f(t)帶有一定的先驗(yàn)知識(shí)，能夠較為準(zhǔn)確地描述催化劑活性的變化趨勢(shì)，為之后的活性建模提供基礎(chǔ)。在以上說的四個(gè)催化劑活性影響因素中，除了催化劑時(shí)間外，還有生產(chǎn)負(fù)荷(flow)，酚酮比(rate)和反應(yīng)溫度(T)。這三個(gè)因素對(duì)催化劑的影響較難把握。為了反映這些模糊因素對(duì)催化劑活性的影響，本文使用支持向量機(jī)來描述催化劑活性和這三個(gè)因素之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。將上述三個(gè)影響因素作為支持向量機(jī)模型的輸入，真實(shí)催化劑和趨勢(shì)曲線f(t)的差值作為模型的輸出，訓(xùn)練得到支持向量機(jī)模型。模型結(jié)構(gòu)圖如圖3-3。

4.2.2 混合建模

(1)輔助變量選取

與支持向量機(jī)不同，混合建模是在確定催化劑活性與催化劑時(shí)間關(guān)系的先驗(yàn)知識(shí)下，將生產(chǎn)負(fù)荷，酚酮比和催化劑溫度作為輸入，而真實(shí)催化劑數(shù)值和f(t)之間的差值作為輸出。

(2)仿真建模

采取和支持向量機(jī)一樣的數(shù)據(jù)采集和處理，提取相同的100組數(shù)據(jù)，75個(gè)訓(xùn)練集，25個(gè)測(cè)試集。然后進(jìn)行仿真，如圖3-4、3-5。

如圖3-4、3-5所示，我們得出了將機(jī)理和支持向量機(jī)結(jié)合起來的建模效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于用單一的支持向量機(jī)，其相對(duì)誤差在[0.07%，-0.13%]。

5.結(jié)束語

文章將支持向量機(jī)和機(jī)理與支持向量機(jī)相結(jié)合的兩種建模方法都應(yīng)用到了催化劑活性建模中，從仿真結(jié)果可以看出，混合建模明顯優(yōu)于單一支持向量機(jī)方法。所以，在進(jìn)行建模的時(shí)候，盡量的了解過程的機(jī)理，在機(jī)理的基礎(chǔ)上，結(jié)合一些智能方法，能夠得到更加良好的效果。我們還了解到影響催化劑活性的四個(gè)重要因素，并且找到了催化劑活性變化的規(guī)律，建立了操作變量和催化劑活性間的軟測(cè)量模型，用于催化劑活性的在線監(jiān)測(cè)。

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篇9

1.從應(yīng)用數(shù)學(xué)出發(fā)數(shù)學(xué)建模主要是通過運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)解決生活中遇到實(shí)際問題的全過程。要讓數(shù)學(xué)建模思想與大學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)課程進(jìn)行有效的融合，最佳切入點(diǎn)就是課堂上把用數(shù)學(xué)解決生活中的實(shí)際問題與教學(xué)內(nèi)容相融合，以應(yīng)用數(shù)學(xué)為導(dǎo)向，訓(xùn)練學(xué)生綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)去刻畫實(shí)際問題、提煉數(shù)學(xué)模型、處理實(shí)際數(shù)據(jù)、分析解決實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)原理解決生活問題的興趣和愛好。授課過程中，要改變以往單純地進(jìn)行課堂灌輸?shù)男袨?，多引入?yīng)用數(shù)學(xué)的內(nèi)容，通過師生互動(dòng)、課堂討論、小課題研究實(shí)踐等多種形式靈活多樣的教學(xué)方法，培養(yǎng)引導(dǎo)學(xué)生樹立應(yīng)用數(shù)學(xué)建模解決實(shí)際問題的思想。2.從數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)做起要加強(qiáng)獨(dú)立學(xué)院學(xué)生進(jìn)行數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)的行為，筆者認(rèn)為數(shù)學(xué)建模與數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)有著密切的聯(lián)系，兩者都是從解決實(shí)際問題出發(fā)，當(dāng)前的大學(xué)生數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)基本上是應(yīng)用數(shù)學(xué)軟件、數(shù)值計(jì)算、建立模型、過程演算和圖形顯示等一系列過程，因此進(jìn)行數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)的全過程就是數(shù)學(xué)建模思想的啟發(fā)過程。但是我國(guó)的教育資源和教學(xué)方針限制了獨(dú)立學(xué)院學(xué)生的學(xué)習(xí)環(huán)境和學(xué)習(xí)資源，能夠進(jìn)行數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)的條件還是有限的。即使個(gè)別有實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ膶W(xué)校，也未能進(jìn)行充分利用，數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)課的內(nèi)容隨意性較大，有些院校將其降格為軟件學(xué)習(xí)課程或初級(jí)算法課。根據(jù)調(diào)研，目前大部分獨(dú)立學(xué)院未開設(shè)此類課程，這是數(shù)學(xué)建模思想與大學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)課程融合的一大損失，不利于學(xué)生創(chuàng)新思維能力的提高。各校應(yīng)當(dāng)積極創(chuàng)造條件，把數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)課設(shè)為大學(xué)數(shù)學(xué)的必修課，爭(zhēng)取設(shè)立數(shù)學(xué)建模選修課，并積極探索、逐步實(shí)現(xiàn)把數(shù)學(xué)建模的思想和方法融入大學(xué)數(shù)學(xué)的主干課程。3.從計(jì)算機(jī)應(yīng)用切入數(shù)學(xué)是為理、工、經(jīng)、管、農(nóng)、醫(yī)、文等眾多學(xué)科服務(wù)的基礎(chǔ)工具，它在不同的領(lǐng)域因?yàn)閼?yīng)用程度不同而導(dǎo)致被重視的程度不同。但在當(dāng)今的信息化時(shí)代，計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用和計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展，使科學(xué)計(jì)算和數(shù)值模擬已成為絕大多數(shù)學(xué)科的必要工具和常用手段。數(shù)學(xué)在不同學(xué)科領(lǐng)域有了共同的主題，即應(yīng)用數(shù)學(xué)建模，通過計(jì)算機(jī)對(duì)各自領(lǐng)域的科學(xué)研究、生活問題等進(jìn)行模擬分析，這成為數(shù)學(xué)建模思想在跨學(xué)科領(lǐng)域交流和傳播的一個(gè)重要途徑。每個(gè)領(lǐng)域的教學(xué)可以計(jì)算機(jī)應(yīng)用為切入點(diǎn)，讓數(shù)學(xué)建模思想與數(shù)學(xué)授課無縫結(jié)合，在提高學(xué)生掌握知識(shí)能力、挖掘培養(yǎng)創(chuàng)新思維的同時(shí)，增加了大學(xué)數(shù)學(xué)課程內(nèi)容的豐富性、實(shí)用性，促進(jìn)教學(xué)手段變革和創(chuàng)新。因此，大學(xué)應(yīng)以適應(yīng)現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展的形勢(shì)和學(xué)生將來的需求為契機(jī)，加快改進(jìn)大學(xué)數(shù)學(xué)課程教學(xué)方式，把數(shù)學(xué)建模的思想和方法以及現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)和計(jì)算工具盡快融入大學(xué)數(shù)學(xué)的主干課程當(dāng)中。

二、探索適合獨(dú)立學(xué)院學(xué)生的數(shù)學(xué)建模教學(xué)內(nèi)容

大學(xué)數(shù)學(xué)課程是大學(xué)工科各專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中重要的公共基礎(chǔ)理論課，其目的在于培養(yǎng)工程技術(shù)人才所必備的數(shù)學(xué)素質(zhì)，為培養(yǎng)我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)需要的高素質(zhì)人才服務(wù)。數(shù)學(xué)建模課程的必修化，要從能夠擴(kuò)充學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力、抽象概括能力、邏輯推理能力、自學(xué)能力、分析問題和解決問題能力的角度出發(fā)，建立適合獨(dú)立學(xué)院學(xué)生的數(shù)學(xué)建模教學(xué)內(nèi)容。日前獨(dú)立學(xué)院開展數(shù)學(xué)建模活動(dòng)涉及內(nèi)容較淺，缺少相應(yīng)的數(shù)學(xué)建模和數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)方而的教材。筆者近幾年通過承擔(dān)此類課題的研究，認(rèn)為應(yīng)該加強(qiáng)以下內(nèi)容的建設(shè)：1.加強(qiáng)對(duì)計(jì)算機(jī)語言和軟件的學(xué)習(xí)，對(duì)數(shù)學(xué)原理進(jìn)行剖解分析，多分析運(yùn)行數(shù)學(xué)解決的社會(huì)生活問題，多設(shè)定課程設(shè)計(jì)工作。學(xué)生通過對(duì)科學(xué)問題、生活問題的深入研究，結(jié)合自己的課程設(shè)計(jì)，建立數(shù)學(xué)建模，讓數(shù)學(xué)建模思想滲透到整個(gè)學(xué)習(xí)過程中。對(duì)非數(shù)學(xué)領(lǐng)域的問題，引導(dǎo)學(xué)生通過計(jì)算機(jī)軟件的學(xué)習(xí)，建模解決專業(yè)中遇到的實(shí)際問題。比如通用的CAD等基于數(shù)學(xué)理論，解決不同領(lǐng)域的數(shù)學(xué)建模問題，以便將來適應(yīng)社會(huì)的需要。2.開設(shè)選修課拓展知識(shí)領(lǐng)域，讓學(xué)生可以通過選修數(shù)學(xué)建模、運(yùn)籌學(xué)、開設(shè)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)（介紹Matlab、Maple等計(jì)算軟件課程），增加建立和解答數(shù)學(xué)模型的方法和技巧。比如以前用的“文曲星”電子詞典里的貸款計(jì)算，就是一個(gè)典型的運(yùn)用數(shù)學(xué)模型方便百姓自己計(jì)算的應(yīng)用。這個(gè)模型單靠數(shù)學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)單方面的知識(shí)是不夠的，必須把數(shù)學(xué)與經(jīng)濟(jì)學(xué)聯(lián)系在一起，才能有效解決生活中的問題。3.積極組織學(xué)生開展或是參加數(shù)學(xué)建模大賽比賽是各個(gè)選手充分發(fā)揮水平、展示自己智慧的途徑，也是數(shù)學(xué)建模思想傳播的最好手段。比賽可以讓各個(gè)選手發(fā)現(xiàn)自己的不足，尋找自身數(shù)學(xué)建模出發(fā)點(diǎn)的缺陷，通過交流，還可以拓展學(xué)生思維。因此，有必要積極組織學(xué)生參入初等數(shù)學(xué)知識(shí)可以解決的數(shù)學(xué)模型、線性規(guī)劃模型、指派問題模型、存儲(chǔ)問題模型、圖論應(yīng)用題等方面的模擬競(jìng)賽，通過參賽積累大量數(shù)學(xué)建模知識(shí)，促進(jìn)數(shù)學(xué)建模在教學(xué)中扮演更重要的角色。教師應(yīng)該對(duì)歷年的全國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽真題進(jìn)行認(rèn)真的解讀分析，通過對(duì)有意義的題目，如2012年的《葡萄酒的評(píng)價(jià)》、《太陽(yáng)能小屋的設(shè)計(jì)》，2011年的《交巡警服務(wù)平臺(tái)的設(shè)置與調(diào)度車燈線光源的計(jì)算》、2009年的《眼科病床的合理安排》等，與生活相關(guān)的例子進(jìn)行講解分析，提高學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)建模的興趣和對(duì)模型應(yīng)用的直觀的認(rèn)識(shí)，實(shí)現(xiàn)學(xué)校應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。4.加快教育方式的轉(zhuǎn)變高等教育設(shè)立數(shù)學(xué)這門學(xué)科就是為了應(yīng)用服務(wù)，內(nèi)容應(yīng)重點(diǎn)放在基本概念、定理、公式等在生活中的應(yīng)用上。而傳統(tǒng)的高等數(shù)學(xué)，除了推導(dǎo)就是證明，因此，要對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化組合，根據(jù)教學(xué)特點(diǎn)和學(xué)生情況推陳出新，要注重?cái)?shù)學(xué)思想的滲透和數(shù)學(xué)方法的介紹，對(duì)高等數(shù)學(xué)精髓的求導(dǎo)、微分方法、積分方法等的授課要重點(diǎn)放在解決實(shí)際生活的應(yīng)用上。要結(jié)合一些社會(huì)實(shí)踐問題與函數(shù)建立的關(guān)系，分析確定變量、參數(shù)，加強(qiáng)有關(guān)函數(shù)關(guān)系式建立的日常訓(xùn)練。培養(yǎng)學(xué)生對(duì)一些問題的邏輯分析、抽象、簡(jiǎn)化并用數(shù)學(xué)語言表達(dá)的能力，逐步將學(xué)生帶入遇到問題就能自然地去轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)模型進(jìn)行處理的境界，并能將數(shù)學(xué)結(jié)論又能很好反向轉(zhuǎn)化成實(shí)際應(yīng)用。

三、注意的問題

篇10

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)；仿真系統(tǒng)；潮流計(jì)算；故障計(jì)算

作者簡(jiǎn)介：羅興春（1971-），男，布依族，貴州惠水人，貴州電網(wǎng)公司培訓(xùn)與評(píng)價(jià)中心，高級(jí)工程師；王坤（1982-），男，山東單縣人，貴州電網(wǎng)公司培訓(xùn)與評(píng)價(jià)中心，工程師。（貴州 貴陽(yáng) 550002）

中圖分類號(hào)：TM64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2013）17-0233-02

一、研究現(xiàn)狀

近年來，隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，電網(wǎng)的安全運(yùn)行問題越來越突出，對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行的要求也越來越高，但是電網(wǎng)的快速發(fā)展、高度智能化與電網(wǎng)運(yùn)行人員的整體素質(zhì)極其不協(xié)調(diào)，在配電網(wǎng)這一個(gè)層面更加突出。2010年，貴州電網(wǎng)公司培訓(xùn)與評(píng)價(jià)中心建設(shè)了配電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行仿真系統(tǒng)，為電力生產(chǎn)運(yùn)行人數(shù)最多的配電網(wǎng)操作運(yùn)行人員（各級(jí)、各類配網(wǎng)電工）的實(shí)操技能培訓(xùn)提供了一個(gè)培訓(xùn)、比武及競(jìng)賽的操作平臺(tái)。從2011年10月開始，仿真系統(tǒng)對(duì)貴州電網(wǎng)公司9個(gè)地區(qū)供電局配電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行人員進(jìn)行了多期遠(yuǎn)程培訓(xùn)，取得了良好的效果。

目前配網(wǎng)仿真系統(tǒng)的主要功能是以完成配電網(wǎng)基本工作過程仿真為主，包括配電設(shè)備操作、配電網(wǎng)簡(jiǎn)單任務(wù)操作、配電檢修、配電巡視四大類型，沒有涉及配電網(wǎng)復(fù)雜任務(wù)的操作仿真、不能夠進(jìn)行配電網(wǎng)事故的查找處理，仿真系統(tǒng)建立的虛擬環(huán)境為城市配電網(wǎng)，沒有模擬農(nóng)村電網(wǎng)。因此，現(xiàn)有仿真系統(tǒng)只能針對(duì)城區(qū)配網(wǎng)運(yùn)行初、中級(jí)人員的培訓(xùn)，不能完全滿足農(nóng)村配電網(wǎng)運(yùn)行人員以及配電網(wǎng)運(yùn)行班組長(zhǎng)、配電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行等人員的培訓(xùn)需求。

二、目的和意義

電網(wǎng)是由各個(gè)電壓等級(jí)的輸電、配電設(shè)備組成，從超高壓到高壓、再到中低壓，電網(wǎng)的運(yùn)行人員按照電壓等級(jí)的遞減，呈幾何級(jí)數(shù)的增加。農(nóng)電工管理的電網(wǎng)設(shè)備處在電網(wǎng)的末端，在電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行中卻起著不可替代的作用，其人員數(shù)量也是電網(wǎng)企業(yè)最龐大的。由于農(nóng)電工人員分散、總體素質(zhì)偏低、學(xué)習(xí)積極性不高，因此不便于集中培訓(xùn)，針對(duì)農(nóng)電工的培訓(xùn)一直是電網(wǎng)公司管理層非常關(guān)心而又非常頭疼的事。

本文的研究可以擴(kuò)充配電網(wǎng)仿真系統(tǒng)的培訓(xùn)功能，滿足農(nóng)網(wǎng)配電人員技能普及和技能提高培訓(xùn)，能夠達(dá)到配電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行中、高級(jí)人員的培訓(xùn)需求，并且可以利用系統(tǒng)遠(yuǎn)程培訓(xùn)功能進(jìn)行遠(yuǎn)程培訓(xùn)，減少人員離崗時(shí)間、節(jié)省縣級(jí)供電企業(yè)的培訓(xùn)開支，很好地解決現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)一線存在的工學(xué)矛盾問題。

三、配電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行仿真功能擴(kuò)充研究?jī)?nèi)容

1.農(nóng)網(wǎng)配電常規(guī)操作項(xiàng)目及配電網(wǎng)復(fù)雜操作任務(wù)

農(nóng)村配網(wǎng)設(shè)備較城網(wǎng)設(shè)備少，操作相對(duì)單一；配電網(wǎng)復(fù)雜操作任務(wù)考慮采用比較典型、具有代表性的操作項(xiàng)目。經(jīng)過調(diào)研分析，建議增加的農(nóng)網(wǎng)配電常規(guī)操作項(xiàng)目共有14個(gè)大項(xiàng)，57個(gè)小項(xiàng)；建議增加的復(fù)雜操作任務(wù)項(xiàng)目共有6個(gè)大項(xiàng)，15個(gè)小項(xiàng)（見表1、表2）。

2.配電網(wǎng)的建模及與現(xiàn)有城市配電網(wǎng)的模型拼接問題研究

（1）農(nóng)村配電網(wǎng)的建模。農(nóng)村配電網(wǎng)的建模首先要考慮農(nóng)村配網(wǎng)的特點(diǎn)，其特點(diǎn)如下：用戶分散，配電設(shè)備類型少且較分散，配電線路較長(zhǎng)；單線路、多級(jí)分段，線路可以很長(zhǎng)，末端電壓很低；以單線路為主，環(huán)網(wǎng)較少，只有部分重要用戶有聯(lián)絡(luò)開關(guān)；基本沒有智能開關(guān)（VSP5型），以人工手動(dòng)操作為主。

因此，農(nóng)村配電網(wǎng)的建模相比城區(qū)電網(wǎng)來說，設(shè)備反而少了，沒有環(huán)網(wǎng)柜、地埋變、箱變、箱開等設(shè)備，電纜也很少用到。主要是柱上設(shè)備較多，很少有地臺(tái)設(shè)備，沒有地埋設(shè)備。

在設(shè)備建模上，農(nóng)網(wǎng)設(shè)備建模工作量要比城網(wǎng)少很多。但在三維場(chǎng)景的建模上又體現(xiàn)了其復(fù)雜性，架空線路有跨越河流、湖泊、橋梁的情況，有穿越涵洞、橋梁的情況，作為仿真培訓(xùn)系統(tǒng)需要考慮各種特殊環(huán)境下的配電設(shè)備。同時(shí)農(nóng)網(wǎng)線路較長(zhǎng)，必須考慮線路的阻抗（城網(wǎng)基本不考慮架空線路阻抗，只考慮設(shè)備阻抗及電纜阻抗），配網(wǎng)潮流計(jì)算需要計(jì)算架空線路阻抗，因此計(jì)算量將大大增加，對(duì)潮流的收斂問題提出了較高要求。

（2）配電網(wǎng)仿真模型潮流計(jì)算的引入。潮流計(jì)算是電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況的一種基本電氣計(jì)算，電力系統(tǒng)常規(guī)計(jì)算的任務(wù)是根據(jù)給定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行條件，求出整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)。

潮流算法基本要求包括計(jì)算速度、計(jì)算機(jī)內(nèi)存占用量、算法的收斂可靠性、程序設(shè)計(jì)的方便性以及算法移植擴(kuò)充等的通用靈活性。在數(shù)學(xué)上，潮流計(jì)算屬于多元非線性代數(shù)方程組的求解問題，多采用迭代運(yùn)算方法。現(xiàn)有常用的潮流算法有高斯—塞德爾法、牛頓法和快速解偶法。牛頓潮流算法的性能和特點(diǎn)：收斂速度快，若選擇到一個(gè)較好的初值，算法將具有二階收斂特性，一般迭代4～5次便可以收斂到一個(gè)非常精確的解，而且其迭代次數(shù)與所計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模基本無關(guān)。牛頓法所需的內(nèi)存量較多，而且計(jì)算量也很大?？焖俳怦罘ㄅc牛頓法相比，顯著地減少了內(nèi)存需要量和計(jì)算量，程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、計(jì)算速度快。由于引入了一些假設(shè)條件，因此在線路重載時(shí)，存在不收斂問題。

配電網(wǎng)仿真系統(tǒng)所采用的算法：配電網(wǎng)絡(luò)具有輻射狀或弱環(huán)網(wǎng)的特點(diǎn)，再加上其三相負(fù)荷和電氣參數(shù)都存在不平衡現(xiàn)象，因此采用面向支路的前代回推法。這種算法具有節(jié)省內(nèi)存、計(jì)算速度快、編程簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

（3）農(nóng)網(wǎng)模型與城網(wǎng)模型的拼接。作為一個(gè)完整的動(dòng)態(tài)模型，建立的農(nóng)網(wǎng)模型與原有的城網(wǎng)模型需要進(jìn)行模型拼接，要有電氣上的聯(lián)絡(luò)，潮流統(tǒng)一計(jì)算、邏輯一致。在進(jìn)行原有配電網(wǎng)仿真系統(tǒng)建設(shè)時(shí)已經(jīng)考慮了后期的擴(kuò)充，系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)已經(jīng)具備了該項(xiàng)功能。

3.配網(wǎng)仿真數(shù)學(xué)模型中配電網(wǎng)故障計(jì)算的引入研究

在現(xiàn)有仿真系統(tǒng)中，配網(wǎng)模型只進(jìn)行了配網(wǎng)的潮流計(jì)算，能夠正確反映配電網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電氣量（頻率、有功功率、無功功率、電壓、電流），可以完全體現(xiàn)設(shè)備停送電前后的電壓、電流等的變化，給配網(wǎng)人員一個(gè)逼真的仿真環(huán)境。由于沒有引入故障計(jì)算，原有模型無法體現(xiàn)配電網(wǎng)發(fā)生短路故障后所出現(xiàn)的電氣量變化，配電設(shè)備繼電保護(hù)動(dòng)作的真實(shí)再現(xiàn)。

故障計(jì)算是保證電力網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要分析手段。長(zhǎng)期以來，故障分析主要采用對(duì)稱分量法。該方法對(duì)于三相電氣平衡的電力系統(tǒng)效果很好，但是用于本身就不平衡的配電網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)該方法的優(yōu)勢(shì)不明顯。因此，在不平衡的配電系統(tǒng)的潮流分析中，應(yīng)用相分量法效果更好。應(yīng)用相分量法進(jìn)行故障計(jì)算是利用節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納陣和迭代補(bǔ)償法，這種基于導(dǎo)納陣的解法存在明顯的不足之處：潮流計(jì)算和故障分析的算法與迭代過程不一致；對(duì)于線間短路處理起來非常復(fù)雜；沒有考慮到配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，在因子化等方面比較復(fù)雜，計(jì)算量也較大。

經(jīng)過研究討論，建議采用的方法是利用前代回推算法和多端口補(bǔ)償技巧，從而可以考慮回路節(jié)點(diǎn)、故障節(jié)點(diǎn)和PV節(jié)點(diǎn)等，實(shí)現(xiàn)了配電三相不平衡弱環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)的短路分析，具有很好的收斂性和實(shí)時(shí)性。

4.配網(wǎng)復(fù)雜操作任務(wù)的實(shí)現(xiàn)，對(duì)現(xiàn)有數(shù)學(xué)模型、三維模型的改進(jìn)研究

現(xiàn)有仿真系統(tǒng)模型主要對(duì)單一配電設(shè)備的操作仿真，只是簡(jiǎn)單處理了相鄰設(shè)備的狀態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系，沒有將設(shè)備放在一個(gè)配電網(wǎng)里去考慮其操作后對(duì)全網(wǎng)的影響，潮流計(jì)算只是簡(jiǎn)單的處理（只計(jì)相鄰設(shè)備的電壓、電流），沒有形成全網(wǎng)實(shí)時(shí)同步計(jì)算潮流。

要完成配網(wǎng)復(fù)雜操作仿真，數(shù)學(xué)模型中潮流計(jì)算要考慮全網(wǎng)同步潮流計(jì)算，設(shè)備要進(jìn)行全網(wǎng)邏輯關(guān)聯(lián)，才能逼真地反映配電網(wǎng)運(yùn)行工況及各種物理量的變化。并且需要改進(jìn)模型，使其具良好的魯棒性，能實(shí)現(xiàn)培訓(xùn)過程中切換運(yùn)行狀態(tài)、進(jìn)行倒閘操作和可能出現(xiàn)的多次故障處理。在培訓(xùn)“正常運(yùn)行—故障狀態(tài)—故障恢復(fù)”的過程中，能保證系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行，正確描述電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程，即使發(fā)生誤操作也不會(huì)造成系統(tǒng)崩潰。在現(xiàn)有仿真系統(tǒng)繼電保護(hù)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行深入仿真，以達(dá)到完全體現(xiàn)事故象征的真實(shí)再現(xiàn)。

三維模型中的設(shè)備狀態(tài)（開關(guān)分合指示、儀表顯示、保護(hù)顯示）要與數(shù)學(xué)模型關(guān)聯(lián)，完全對(duì)應(yīng)。在農(nóng)網(wǎng)場(chǎng)景建模時(shí)，必須將該環(huán)節(jié)考慮進(jìn)去，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)仿真實(shí)時(shí)再現(xiàn)。

四、結(jié)束語

在現(xiàn)有的配電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)復(fù)雜任務(wù)操作流程，搭建了農(nóng)村配電網(wǎng)生產(chǎn)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了配電設(shè)備的故障查找與處理，可以為貴州電網(wǎng)公司配電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行各級(jí)各類人員提供一個(gè)崗位培訓(xùn)、技術(shù)練兵、技能競(jìng)賽的仿真平臺(tái)。該項(xiàng)研究的開展可以擴(kuò)展電力系統(tǒng)仿真在配電網(wǎng)方面的分析研究，為國(guó)內(nèi)其他電網(wǎng)企業(yè)提供技術(shù)參考。

本文的研究只是一種探索，在國(guó)內(nèi)也屬于創(chuàng)新性研究，沒有類似可參考成形的仿真系統(tǒng)，真正進(jìn)行仿真系統(tǒng)的開發(fā)還有很多環(huán)節(jié)需要仔細(xì)研究。

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