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【關鍵詞】多孔材料；多功能；優化設計
0.引言
隨著工業裝備和航空航天的迅猛發展，對高性能材料的設計提出了更高的要求，如：輕量化、高剛度、高散熱、抗沖擊性和多功能化應用等。多孔金屬材料因其優良的性能和廣泛的應用前景，近年來成為研究的焦點。
多孔金屬材料性能與孔結構直接相關，孔隙率與多功能性能相關。改變孔隙率和孔的結構將影響材料的綜合性能。因此，可根據不同需求對其結構多學科優化設計。本文將結合多孔材料的性能表征，對輕質多孔材料進行多功能化優化設計。
1.多孔材料多功能特性
多孔金屬材料具有獨特的多功能特性，包括：
（1）多孔材料的密度遠遠小于實體材料的密度。不同多孔材料孔結構不同，一般孔隙率都較高。
（2）抗沖擊性 多孔金屬在承受壓應力時產生塑性變形，大量的沖擊量被轉變為塑性能，以熱量形式耗散。
（3）高剛性 蜂窩多孔材料有很好的力學性能，同時其性能有較強方向性。
（4）高散熱性多 孔金屬是優良的傳熱介質，可以作為飛行器和超高速列車的散熱裝置。此外，在高孔隙中流過冷卻劑，可達到冷卻和承載的目的，在航天結構領域有廣泛應用。
（5）吸聲效果 與傳統材料相比， 多孔泡沫結構吸聲效果良好。
綜上所述， 多孔材料具有高剛度、高強度、輕量化和高散熱性等明顯優勢。多孔金屬既是優良的結構材料，也是性能優異的功能材料，在交通、海洋采油、航空航天、醫療等領域中有著重要意義。多孔材料不僅性能優良，也降低能源消耗和減少環境污染。
2.多孔材料的性能表征
2.1 多孔金屬材料靜力學性能
在恒定載荷下，對輕質多孔金屬材料的靜力學性能研究。當這些構件比較復雜時，一般采用數值方法來研究其破壞變形；當宏觀結構較為單一簡單時，本構理論也較簡單，且計算效率高，往往是數值方法中的主要方法。
本章使用ANSYS有限元程序進行有限元分析，由于結構較為復雜，模型使用三維四面體單元。材料楊氏模量為70GPa，屈服應力為150MPa，泊松比為0.3。
建立多孔金屬材料有限元模型，有限元分析表明，該材料彈性模量和壓縮強度均明顯提高，材料彈性模量隨孔徑比的增加而增大，壓縮屈服應力隨孔徑比的增加先增大后減小。對壓縮變形機理進行討論，變形主要為斜桿的彎曲變形，同時，小桿的彎曲變形機制使表現出不同的塑性流動特性。
研究表明，隨著孔徑比的增大，材料表現出不同的流動行為。材料塑性變形主要集中在斜桿上，孔洞的四個頂點處幾乎沒有變形，因此，斜桿的彎曲是泡沫金屬壓縮時的主要變形機制。提高孔徑比，彎曲剛度顯著提高，且塑性應變集中在壓縮方向的小桿上。當小桿截面積逐漸增大時，結構應力也逐漸提高，直至斜桿發生屈服。
2.2 多孔金屬材料動力學性能
在實際應用中，多孔金屬可承受動態荷載而產生大范圍變形，本文通過選擇基體材料、孔隙結構來控制動態變形特征，可使多孔金屬成為理想的吸能材料。多孔金屬在高變形下的動態性能和破壞機理研究對于其的廣泛應用具有重要意義。此外，載荷作用下力學行為的研究也是結構材料的重要前提之一，尤其對抗沖擊材料在軍事和防恐領域中的應用具有重要意義。
多孔材料在沖擊下的變形模型一般采用動量守恒和能量守恒得出動態激勵下的變形。多孔金屬材料的吸能機理研究已成為當前多孔材料研究的熱門方向。金屬多孔材料抗沖擊分析是建立在靜態模型基礎上的，未考慮應變效應的影響，很難準確得出整個材料的動態性能。如何進行沖擊荷載下的強度和破壞研究，建立相關的本構關系及破壞判據，需要進一步深入研究。
2.3 多孔金屬材料熱力學性能
孔隙傳熱是多孔金屬多功能特性中最受廣泛關注的領域。材料的高熱傳導系數和對流換熱使得多孔金屬具有優良的換熱性能。
傳熱性能研究一般集中于常溫導熱和單相對流傳熱。根據多孔金屬結構的流體動力特性，確定了不同雷諾數作用下的動量方程，得出了慣性力表達式；根據空氣冷卻對流換熱特性，測定了對流傳熱隨微結構參數的變化規律，建立單相對流傳熱模型；測定真空狀態下導熱系數隨溫度的變化規律，進而確定了高溫下的熱傳遞規律。隨著相對密度的提高，多孔結構的導熱系數會隨之增大，且導熱系數與相對密度基本成線性關系。
傳統材料的設計通過調整單一材料設計參數使之能夠滿足工程實際需求。在大多數情況下，材料的設計無法達到最優化。由于上述局限，力學工作者雖然以材料為研究對象，但只發揮其輔助作用。隨著以多孔材料和復合材料的發展，材料的可設計性已有了較大提高，可根據工程需求利用優化技術設計出最優越的材料。
多目標優化問題的主要思路是目標加權求解。對多個目標中，評價各目標權重系數 ，將多目標歸一化。從而將多目標優化問題轉化為單目標優化問題。
在航空航天領域，許多結構件需要同時滿足強度、隔熱和輕質的要求。從第3節力學性能研究中我們知道，隨著密度的增大，材料屈服強度提高，多孔金屬板的隔熱性能降低，且孔徑比越大，多金屬板的隔熱性能越好。針對單一目標優化進行的參數選取與其他目標優化的參數選取是相互矛盾的，需要進行多目標優化設計，以選取同時滿足強度、隔熱和輕質要求的材料參數。
金屬板構件參數多目標優化設計中，首先采用最小二乘法對屈服應力和隔熱參數進行多項式擬合， 以此表達式作為構件的目標函數，通過建立包含強度、隔熱和輕質多目標函數的優化設計模型，采用權重法將多目標優化問題轉化為單目標優化問題進行求解。
4.結論與展望
通過建立了多目標優化設計數學模型，求解目標最優的金屬孔徑比、相對密度。結果表明多孔金屬板的綜合性能顯著優于傳統金屬板。
多孔金屬材料應用前景十分廣闊，但目前很多研究還只限于對宏觀性能參數的研究，對細觀結構研究還較少。
【參考文獻】
（1.山東理工大學電氣與電子工程學院，山東 淄博 255022；2.山東理工大學農業工程與食品科學學院，
山東 淄博 255022；3.山東理工大學理學院，山東 淄博 255022）
【摘要】折疊桌因其藝術性的設計以及節約空間、方便搬運的優點在現代家居生活中倍受青睞。同時，折疊桌因其可折疊的特性也承受著其穩定性與承受力大小的考驗。我們采用剛體轉動模型求解其穩定性指標，利用各個加工參數之間的數學關系求解其原料消耗，采用超靜定次數進行定性分析描述其加工方便度，最終利用多目標規劃模型分別賦予不同指標優先因子對折疊桌進行優化設計。
關鍵詞 剛體轉動；多目標規劃；空間坐標系；最優加工參數
1 問題由來
工業設計師Robert van Embricqs 設計一款名為rising side table [1]，桌子外形由直紋曲面構成，桌面呈圓形，桌腿隨著鉸鏈的活動可以平攤成一張平板。桌腿由若干根木條組成，分成兩組，每組各用一根鋼筋將木條連接，鋼筋兩端分別固定在桌腿各組最外側的兩根木條上，并且沿木條有空槽以保證滑動的自由度（如圖1所示）。
2 問題分析
在兩根鋼筋所在平面，以兩根鋼筋對稱軸為x軸，兩根鋼筋中點連線為y軸，垂直地面向上為z軸方向建坐標系 （如圖2），木條與圓形桌面的相連接的點記為P點，從外到里分別用P10，P9，…，P1來表示，最中間的點記為坐標為P1，且P10的坐標為(2.5,25,25)。鋼筋穿過木條的點記為Q點，同理從外到里分別用Q10，Q9，…，Q1，標記順序同P點一致。
Fi：第i根木條的開槽位置i=1，2…，10；fi：第i根木條的開槽長度（i=1，2，…，10）；h2：鋼筋初始位置d：每根木條的寬度；li：木條長度α：最外側木條與地面夾角；c：木板的厚度
3 構造約束條件
鑒于對折疊桌的設計，需要綜合穩固性、經濟性、加工便利性等因素進行優化其設計。
穩固性：
穩固性主要受重心位置的高低、支撐面的大小以及結構的影響[2]。根據桌子穩定性測試（BS4875-5）標準，設計的產品穩固性不達標就不能流通于市場，所以我們把力學性能分析放在首要地位。穩固性主要測試其豎直承受力與一側承受力大小。豎直承受力大小多取決于折疊桌的材料，一側受力多取決于折疊桌結構。將折疊桌視為剛體，其一側受力發生側翻即為剛體轉動問題。[3]根據折疊桌使用的木料、鋼筋求其質量分布，得其密度ρ（x，y，x）（此處密度可視為常數）。折疊桌的質量
經濟性：折疊桌折疊之前為一塊木板，所需材料即為木板的面積。
加工便利性：
由于桌腿由若干根木條組成，沿木條有空槽以保證滑動的自由度，進而木條的數目以及開槽長度影響加工便利性。根據力學原理，每增加一根木條，該結構的超靜定次數便增加一次，因此該結構為多次超靜定結構[4]，采取增加木條的方法來增加超靜定次數，降低受力敏感度，是影響其加工便利性與穩定性的重要因素。
4 多目標規劃模型
j：木條的寬度；e：木板的寬度；b1：最外側木條所留桌面邊沿長度；g：木板長度
5 結論分析
折疊桌以其靈活性、便捷性融入百姓生活。本文在保證折疊桌優良特性的前提下，引入剛體轉動分析，結合多目標規劃模型，優化設計折疊桌，保證了其穩固性、經濟性、加工便利性。
參考文獻
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關鍵詞：主動約束層阻尼（ACLD）；多目標優化設計；快速非支配排序算法（NSGA-II）；FxLMS算法
中圖分類號：TB381文獻標文獻標識碼：A文獻標DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2014.01.07
Abstract：Based on the finite element model of the plate partially treated with active constrained layer damping（ACLD）， a multi-objective optimization model of the ACLD/plate was established. Design variables include the location-numbering of the ACLD patches， and the objective was to maximize the first two modal loss factors. The fast and elitist non-dominated sorting genetic algorithm （NSGA-II） was improved to carry out the optimization. After the optimal locations were obtained， the controller employing the FxLMS algorithm was developed. The vibration control simulations of the ACLD/plate excited by the same disturbance were carried out with different optimal ACLD patches configurations. It is shown that the better result of vibration reduction can be achieved in passive and active control modes when the optimal ACLD patches configuration are employed.
Key words：active constrained layer damping（ACLD）； multi-objective optimization； fast and elitist non-dominated sorting genetic algorithm（NSGA-II）； FxLMS algorithm
主動約束層阻尼（Active Constrained Layer Dam-ping，ACLD）技術已被證明是一種有效的減振降噪技術[1-3]，它結合了傳統的約束層阻尼技術和主動振動控制的優點，在較寬的頻段范圍內都能夠很好地抑制結構的振動噪聲。ACLD采用離散結構時，其布置位置對抑制結構振動具有重要的影響。對ACLD的位置進行優化設計，可以保證在主動控制失效時，仍然有較好的減振降噪效果[4]。目前，采用ACLD技術對結構進行主動振動控制時，對ACLD襯片布置位置的選擇多是基于某一單一的性能指標[5-7]。但在工程應用中，ACLD的配置優化問題多為多目標優化問題，要求能夠同時有效抑制若干階模態的振動，且考慮到實際的條件限制，還要求有備選方案。因此，研究基于ACLD襯片多目標優化問題的結構振動控制，是十分必要的。
本文首先基于局部覆蓋ACLD片體的懸臂板有限元動力學模型，建立了多目標優化設計模型。然后采用改進的NSGA-II算法對4片ACLD襯片的布置位置進行了多目標優化設計研究，確定了基于Pareto最優解理論的ACLD襯片的布置方案。最后選取3組ACLD襯片的布置方案，基于FxLMS算法設計了前饋控制器，研究了在同一外擾激勵下，采用不同的ACLD配置方案時，結構的振動控制效果。
2.1 NSGA-II算法
NSGA-II是一種基于Pareto方法的多目標進化算法。該算法是Deb[10]等人在非支配排序算法（Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm，NSGA）的基礎上改進得到的。由于NSGA-II算法具有算法簡單、收斂速度較快和魯棒性較強的特點，已經成為多目標優化算法的基準算法之一。2.2 對NSGA-II的改進
本文采用全新的能夠處理整形變量的Laplace交叉算子和冪變異算子，對NSGA-II算法進行改進。
2.2.1 Laplace交叉算子
4 數值算例
以部分覆蓋ACLD的懸臂板為研究對象，ACLD板由基層的鋁板、粘彈性層的ZN-1型粘彈材料以及約束層的P-5H壓電陶瓷組成。各層板的材料參數見表1。約束阻尼板一端約束，形成懸臂板，左端為約束端，將其單元劃分4×8個單元，則單元的優化布置區間為[1，32]，單元編號如圖4所示。在下述的優化過程中，選取布置4片ACLD襯片。
以上述的懸臂板的前兩階損耗因子最大化為優化目標，采用改進后的NSGA-II算法對ACLD襯片的位置多目標優化計算。設置合適的遺傳算法參數，達到最大進化代數時結束程序。各個目標的進化歷程可以看出大約進化10代左右，各個目標的最大值已經收斂。得到的Pareto前沿，對應的9組ACLD襯片的優化配置方案，即Pareto最優解集，見表2。由圖6可知，Pareto前沿近似為一條曲線，但比較分散，這是由于設計變量為一離散的整數空間而導致的。從Pareto最優解集中，挑選4組ACLD的配置，進行振動響應分析，可以看出，采用配置1時，第1階響應最小，但第2階的響應最大；采用配置9時，則反之。采用配置3和7時，第1階振動響應相對于配置9分別下降了5.6 dB和1.9 dB，第2階振動響應相對于配置1分別下降了6.2 dB和8.8 dB。與配置1和9相比時，配置3和7則能夠同時對前兩階的振動響應都具有較好的抑制，其中配置3的控制效果更好。
分別選取ACLD襯片的配置1、3和9，基于FxLMS控制算法，建立懸臂板的SISO振動控制系統。f1和f2分別為懸臂板結構的第1、2階模態頻率），懸臂板結構控制前后的響應曲線如圖8所示。懸臂板第1階模態的振動能量較第2階模態的振動能量大，在同樣的激勵下，第1階振動響應就比較大。此外，配置9對第1階的振動抑制較弱，因此，采用優化配置9時，未控制的振動響應大于優化配置1和3。在同樣的控制器參數和控制能量下，配置9的振動響應趨于發散，配置1和配置3都能夠有效抑制結構的振動，振動響應分別由2.05 mm和2.14 mm衰減到0.25 mm和接近于0 mm。圖9是ACLD不同襯片下的振動響應的頻域圖。在未施加控制時，頻響曲線的結果有同樣的趨勢。配置3對第1階和第2階振動響應都能夠很好地抑制，配置1則對第1階振動響應更有效。由此可以看出，采用多目標優化算法，對振動被動控制時的ACLD襯片配置進行優化，并基于此設計振動主動控制器對結構進行主動振動控制時，都能夠有效地衰減懸臂板的前兩階振動響應，保證了ACLD技術用于主被動模式時都具有較好的振動抑制效果。
5 結論
本文基于主動約束層阻尼結構的有限元動力學模型，采用改進的NGSA-II算法對ACLD襯片進行了多目標優化設計，并基于優化設計的結果設計了FxLMS前饋控制器，對結構的振動抑制情況進行了仿真分析和研究。結果表明，當ACLD結構工作于被動模式時，采用多目標優化算法得到的ACLD配置能夠同時對結構的前兩階振動響應進行較好的抑制；工作于主動模式時，基于優化的ACLD配置設計的控制系統，具有更好的振動抑制效果，這就保證了ACLD技術用于主被動模式時都具有較好的振動抑制效果。
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作者介紹
責任作者：張東東（1986-），男，山西晉城人。博士研究生，主要從事結構振動噪聲控制研究。
E-mail：
通訊作者：鄭玲（1963-），女，重慶人。教授，博導，主要從事振動噪聲控制，智能結構與系統，以及汽車系統動力學方面的研究。
關鍵詞：智能桁架；壓電作動器；遺傳算法；優化配置
智能桁架結構采用一體化思想，將控制元件以主動桿的形式取代部分結構桿件，使其能夠傳感外界條件，并且能夠通過一定方法控制信號產生作動功能以響應外界條件變化，實現結構對環境的自適應。
在傳感器與作動器的優化配置問題求解上，前人采取了枚舉法等一般算法，但隨著計算機技術的發展，隨機類算法得到了廣泛的開發和應用。目前國內的相關研究以遺傳算法居多：研究遺傳算法在搜索目標函數方面的應用，以及基于其他智能算法思想對遺傳算法的改進。
許銳等[1]使用粒子群算法，姜冬菊等[3]使用混沌優化算法，研究了結構優化問題。李紅芳等[2]基于混沌理論（Chaos theory）改進遺傳算法，使算法對初值敏感性加強、提高局部搜索速度，提高了遺傳算法的運行效率。
1 力學模型
研究以壓電材料和普通材料組成的智能桁架結構，為簡化。壓電材料以堆疊形式疊加形成作動器，作為主動桿對結構產生的形變或震動進行響應，并產生電壓與應變，通過一定的控制方式（如主動控制、被動控制或混合控制），對外界作用進行響應和調整，使結構能夠更加穩定。
2 遺傳算法設計
針對遺傳算法的收斂過程中的早熟問題，對適應度函數進行調整。有相關文獻提出的自適應函數，使用動態適應度對演化過程進行調節：最大適應度Fitmax，最低適應度Fitmin和平均適應度Fitave。設計閥值a（0.5
對于壓電桁架，通過設計各桿的橫截面以及主動桿位置，使得桁架總質量與節點位移滿足優化目標。以最小重量W為目標，在控制電壓V和桿應力σ不超過上限，節點位移在要求范圍內，對主動桿布置以及各桿的橫截面在取值區間內進行搜索：
其中：ρ1為普通桿密度；ρ2為壓電桿密度；ai=0表示桿為普通桿，ai=1表示桿為壓電桿。
3 計算實例
使用壓電材料優化十桿桁架問題（文獻[5]），在原有桿截面問題上增加壓電作動器優化結構，使得重量最小且節點位移在要求內。尺寸結構，左端節點3、6鉸接固定，右端自由。楊氏模量為，許用應力為25ksi=172.375MPa，各桿橫截面下限為，普通桿密度為，壓電作動器密度，斜桿（桿2、4、6、10）作動因子為8.81，橫桿（桿1、3、7、8、9、10）作動因子為1.25，壓電桿最大電壓為300V，要求位移小于桿長，載荷作用于節點5。
設計自適應遺傳算法，取初始種群數M=60；使用浮點編碼橫截面積；使用長度為10的字符串通過二進制編碼進行桿位的編碼，其中1代表主動桿，0代表普通桿。設定交叉概率為，變異概率為。迭代200代進行搜索，結果如表1所示。
計算結果相比較文獻中，添加了作動器使得結構在設置條件下質量降低9.6%，可以證明使用遺傳算法進行計算是可行的。
4 結束語
結果證明了使用遺傳算法進行作動器位置、桿件截面的多目標優化的可行性，其應用于大型復雜結構多也成為可能。
參考文獻
[1]許銳，王澤興，羅雪.桁架優化的改進粒子群算法[J].佳木斯大學學報（自然科學版），2012，30（1）.
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[3]姜冬菊.結構拓撲和布局優化及工程應用研究[D].河海大學，2008.
關鍵詞：提升運輸；多目標優化；控制器；安全保護
0 引言
隨著工業技術的迅速發展，礦井生產向大型化、規模化的煤炭能源基地方向發展。而礦井提升機是礦山的關鍵設備，是聯系井下與地面的“咽喉”設備，由于單次提升量及提升容器愈來愈大，提升速度愈來愈高，提升設備的安全運行直接影響到整個礦井的生產效率、國家財產和人員生命的安全。一旦發生重大事故，除設備安全、人員生命受到威脅外，可能導致整個礦井癱瘓，將造成重大的損失。所以不斷完善礦井提升機的控制系統和保護裝置，開展相關研究具有重要的意義。
近年來，礦井提升機的控制與安全保護問題受到國內外眾多研究機構和企業的廣泛關注，并開展了很多相關的研究工作，研究的主要內容包括電動機的調速與控制技術、后備安全保護裝置和運行監控系統等。例如，文獻[1]～[4]等對礦井提升機用電動機的控制進行了研究，其目標主要是提高啟動、制動、調速的平穩性和可靠性，降低能耗等，實現的主要技術手段是應用先進的控制理論和數字變頻技術；文獻[5]～[7]等對后備保護裝置和監控系統做了一定的研究，內容包括防過卷、防過速、提升力矩保護、過負荷及欠壓保護等。但是，礦井提升機作為一個復雜的典型的機電一體化設備，其安全保護和運行控制是密切相關，互相制約的，僅就某一個或幾個方面的性能進行改善往往并不能達到預期效果。因此，開展礦井提升機的多目標優化控制的研究十分必要。
本文針對礦井提升機運行過程和安全保護的特點，設計一種面向高效、節能、安全保護等多目標的礦井提升機優化控制系統。
1 控制系統構成
在礦井提升機控制系統設計過程中，將系統的安全保護與運行控制有機地結合起來，在控制裝置中通過微處理器協調控制，統一管理，既能提高電機運行的性能，又能保障系統的安全運行，達到高效、節能、安全和節約制造成本等目的。本系統主要由控制器、加速度傳感器、張力傳感器、旋轉編碼器、過卷過放檢測器、液壓制動器、變頻調速器、欠壓過載保護器和彩色顯示器組成。整個系統將實現如下三個方面的功能。
1）提升機運行狀態監控部分由加速度傳感器、張力傳感器、旋轉編碼器等組成，實現箕斗運行的加速度、速度、鋼絲繩張力的實時采集。當箕斗加速度、速度和張力超標時實現安全保護。
2）提升機的安全保護部分由過卷過放檢測器、欠壓過載保護器等組成，實現提升機運行異常的檢測，當可能發生過放過卷及出現欠壓或過載等情況時，實現安全保護。
3）提升機運行控制部分由變頻調速器和液壓制動器組成，由控制器輸出提升運輸的五段速度，經交-交大功率變頻調速器控制提升主電機，實現提升機的運行；當出現異常狀況時由液壓制動器緊急減速或制動。
2 控制器硬件設計
控制器mcu選擇晶宏科技的stc12c5a60s2單片機，這款單片機功能強大，有8路10位精度ad采樣功能，可實現加速度傳感器和張力傳感器的信號采集；有7路外部中斷i/o，可采樣旋轉編碼器的脈沖信號以實現提升機運行速度的檢測；有2路pwm可實現d/a功能以控制變頻器。另外，過卷過放信號、欠壓過載信號和液壓制動器控制信號等屬于開關量，可由此單片機的普通i/o口采集。
該單片機的ttl電平串口經max232芯片轉換成rs232電平，由9針串口接至彩色顯示器，以實現人機界面功能。
由于提升機運行電磁環境惡劣，控制器的輸入輸出信號全隔離，以提高系統的抗電磁干擾能力。開關量輸出信號采用歐姆龍繼電器驅動，耐20a電流沖擊。
控制器電路由作者設計并進行了pcb布線，委托深圳精敏數字機器公司加工制作而成，如圖2所示。
3 系統軟件及控制策略設計
系統軟件實現箕斗加速度、鋼絲繩張力等模擬量的采集，變頻調速器模擬量的輸出，過卷過放信號、欠壓過載信號和液壓制動器控制信號等開關量的采集，通過i/o口外部中斷編程實現旋轉編碼器脈沖信號的采集。
彩色顯示器人機界面和單片機通訊采用modbus協議，由c語言編寫程序實現，能將提升機運行狀態、安全保護
況以及電機運行頻率等信息顯示在屏幕上，供操作人員查看。
控制策略設計是本控制系統軟件的一個難點，既要實現提升運輸的5段速度圖并保證最快的運行速度，又要在兼顧效益的情況下設計安全保護的裕度。
4 結束語
本文提出了提升運輸多目標優化控制方案，并設計了控制器。經模擬實驗和現場試驗表明，本優化控制系統能提高提升運輸的性能及運行安全性。
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文章編號：1672-9498（2016）04001505
摘要：為促進港口向低碳、高效的目標邁進，并兼顧港口自身發展及其社會責任，從能源消耗、碳排放和成本控制等3個角度出發，建立港口節能減排建設方案多目標優化模型.將模型運用到連云港港口節能減排項目的優化與分析中，利用GAMS軟件進行模型求解，得到綜合效益最優時項目的建設時序和規模.結果表明：建設期結束后，該方法可使連云港港口每年節省標準煤6 526.64 t，減少CO2 排放39 390.22 t，獲得4 922.38萬元的節能減排綜合效益；運營兩年后即可收回建設成本.
關鍵詞：
低碳港口； 節能減排； 多目標優化； GAMS
中圖分類號： U651 文獻標志碼： A
0引言
交通運輸業是能源消耗大戶之一，我國政府十分重視交通運輸業的節能減排工作.港口作為水路運輸的基礎設施，是低碳交通運輸體系的重要組成部分.交通運輸部印發《船舶與港口污染防治專項行動實施方案（2015―2020年）》，提出以減少污染物排放為核心，以完善法規、標準、規范為基礎，以推進排放控制區試點示范為抓手，依法推進船舶與港口污染防治工作，努力實現我國水運綠色、循環、低碳、可持續發展.相關政策制度不夠完善，節能減排技術推廣困難以及節能減排評價體系行業標準缺失，導致我國港口的節能減排任務艱巨、形勢嚴峻.對綠色低碳港口改造的合理規劃有利于港口向低碳、高效的目標邁進，推動交通運輸業可持續發展，其社會意義深遠.
早期港口的粗放式發展靠的是能源資源的高投入、高消耗，對生態環境造成了極大的破壞.后來人們開始了對綠色低碳港口的研究，許多國家把低碳理念運用于港口發展中.GOULIELMOS[1]通過總結歐洲地區港口環境保護政策，提出港口環境保護要從運輸和海洋環境兩方面進行論證，研究港口環境問題及產生原因，并指出港口成本應納入環境成本；TICHAVSKA等[2]從拉斯帕爾馬斯港廢氣排放角度出發，分析港口的外部成本和生態效率指標，研究結果結合港區運行情況可用于評估港口城市的減排量；ODUM等[3]通過對港口生態工程的研究，把生態設計因素加入到港口的規劃設計和建設運營中，使得港口環境與社會經濟協同發展.目前國內港口節能減排相關研究主要集中在節能減排評價體系、主要技術、效率研究等方面.姜海洋[4]、莫琪琪[5]、劉捷等[6]、陳敏慧等[7]從管理體制、工藝技術、新技術開發和節能減排效果等角度構建了港口節能減排綜合評價指標體系；李海波等[8]和劉洪波等[9]歸納總結了綠色低碳港口建設的主要技術，并分析了其應用效果、推廣的制約因素和解決途徑；邵超峰等[10]、劉硯津[11]和耿東耀[12]從優化裝卸工藝流程、采用高精尖節能減排技術、降低設備能耗等層面開展節能減排效率研究；趙雅倩等[13]以經濟效益和環境效益為目標建立01整數規劃模型，并通過Excel軟件求出最優解.綜合來看，國內少有學者從港口節能減排建設方案規劃的角度科學合理地安排港口節能減排項目建設規模和時序以兼顧環境與經濟效益.
鑒于此，本文從能源消耗、碳排放和成本控制等3個角度出發，對港口節能減排項目建設與投資進行多目標規劃，利用GAMS軟件進行優化求解，提出港口節能減排建設優化方案.
3結論與展望
長期以來，港口節能減排建設缺乏科學合理的規劃，往往僅從投資成本角度考慮項目建設規模和時序.本文重點從能源消耗和碳排放這兩個影響環境的重要因素入手，同時兼顧投資成本因素，構建節能減排項目的建設規模與時序的優化模型，并將模型運用到連云港綠色低碳港口的優化與分析中.采用GAMS軟件求解得到建設方案.根據該優化方案可以得到：建設期結束后，連云港港口每年能節約標準煤6 526.64 t，減少CO2排放39 390.22 t，獲得節能減排綜合效益4 922.38萬元，運營兩年后即可收回建設成本.
當然，本文構建的模型尚有不足之處，如不能體現建設項目的規模效應，項目建設時間以年為單位不夠精細化等，與實際建設方案仍存在一定差距.這有待在后續的研究中進一步改進.
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關鍵詞：遺傳算法；永磁屏蔽電機；優化設計
1 引言
石化行業使用的永磁屏蔽電機具有效率高、反應速度快以及低速大轉矩的優勢，大大拓寬了屏蔽泵的應用前景。但由于電機在定子內腔和轉子外表面各用一層非磁性不銹鋼薄套將定子和轉子部分屏蔽起來，而且它所使用的稀土永磁材料在電機成本中占有一定的比例[1]。因此從優化設計角度研究一種既能滿足特殊工況要求，又能減小磁鋼用量的永磁屏蔽電機，具有十分重要的應用價值。
永磁屏蔽電機優化設計的目標函數和約束條件均為設計變量的非線性數值函數和多峰值函數，因此采用傳統的優化方法很難從根本上解決電機優化設計中的全局最優解問題。遺傳算法[2]是模擬生物在自然環境中的遺傳和進化過程而形成的一種自適應全局優化概率搜索算法。該算法能較好地解決了控制參數的動態自適應性及較優值如何重復迭代等在優化設計中影響收斂速度和最終優化結果的問題。
文章將遺傳算法引入到永磁屏蔽電機的優化設計領域，并結合永磁屏蔽電機的設計特點，對一臺5.5kW的永磁屏蔽電機進行優化設計，提高了屏蔽泵的輸出性能。
2 永磁屏蔽電機優化設計模型
2.1 設計變量
然后再將這些新生成的子群體合并成一個完整的群體，在這個群體中進行交叉和變異運算，最終可求出多目標優化問題的Pareto最優解。由于權重系數的隨機性，算法將得到多個不同權重系數下的優良解，因此保證了群體中對應搜索方向的多樣性和最終優化結果的準確性。
3.4 約束條件的處理
永磁屏蔽電機的約束主要是不等式約束，但遺傳算法是無約束優化方法，因此需要將有約束優化問題轉化為無約束優化問題。罰函數法是處理非線性約束優化問題比較廣泛的一種方法，尤其是在對解空間中無對應可行解的個體計算其適應度時，可以降低該個體的適應度，從而使該個體被遺傳到下一代群體中的概率減小。
5 結束語
文章應用遺傳算法對永磁屏蔽電機的永磁體體積和電機效率兩個目標進行了多目標優化設計，得到優化后的具體結構和性能參數。
（1）與傳統算法相比，遺傳算法能同時搜索解空間中的許多點，且搜索過程是通過適應度函數來實現對群體中的個體進行優勝劣汰操作，因而能較大概率地獲取全局最優解。
（2）針對多目標工程優化問題，文章采用統一目標法中的線性加權和法和罰函數法對永磁屏蔽電機的多目標問題進行優化，減少了永磁體用量，并且提高了電機效率。
參考文獻
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【關鍵詞】多目標優化；永磁無刷直流電機；NSGA-Ⅱ；粒子融合
1.前言
電機的優化設計技術是在滿足國家標準、用戶要求以及特定約束的條件下，使電機效率、體積、功率、重量等設計性能指標達到最優的一種設計技術，被描述為一個有約束、多目標、多變量以及多峰值的復雜非線性問題，屬于典型的多目標優化問題。永磁無刷直流電動機的優化設計中，由于電機磁路中導磁材料磁化曲線的非線性及電樞反應的非線性，決定了其目標函數、約束函數多為非線性程度很高的數值函數，使其優化設計的難度更大，因此選擇適合于永磁無刷直流電機的優化設計方法是優化設計能否成功的關鍵[1]。
人們一直致力于探尋非線性的電動機的優化數學模型，以期得到全局最優解及其優化算法，電機優化設計方法經歷了以單純形法、可變容差法、梯度法為代表的傳統方法到以模擬退火算法、遺傳算法、禁忌搜索算法等全局優化算法為代表的新型優化算法[2]。近年來，有研究將全局優化算法與直接搜索法相結合的混合尋優策略應用于某些類型電機的優化設計，如將遺傳算法和模擬退火算法相結合，充分利用了遺傳算法全局搜索能力強而模擬退火算法局部搜索能力強的優點，成功地進行了長定子同步直線電動機的優化設計[3]。有研究將多種優化算法綜合，引入電機優化中，如先應用模糊優化設計算法建立電機的優化設計數學模型，再利用Tabu算法對目標函數進行優化，減少電機體積和設計時間，提高電機的力能指標[4]。
但是，目前流行的各類隨機優化方法和確定性優化方法遠沒有完美地解決避免陷入局部最優解的問題[，并且優化搜索的收斂速度緩慢，不能令人滿意，迫切需要探索新型的優化算法[5][6]。本文提出了基于粒子融合機制的改進NSGA-Ⅱ，并將其應用于永磁無刷直流電機的優化設計，實驗結果表明與以往的電機優化方法相比，這種新型優化算法建立的電機優化模型在全局優化搜索和收斂速度方面有很好的優勢，具有重要的指導意義。
2.算法描述
精英非支配解排序遺傳算法（NSGA-Ⅱ）最早由印度研究人員Srinivas和Deb提出，是近年來最有效、最流行的多目標進化算法[2]，它在解決多目標優化問題上具有獨特的優勢，但采用的交叉算子搜索性能相對較弱，在一定程度上限制了算法的搜索性能，使得NSGA-Ⅱ在收斂速度和多樣性保持方面仍需改進。而粒子群優化算法是一種基于群體智能的演化算法，具有更快的收斂速度，這就為本文設計一種新的基于粒子融合機制的改進NSGA-Ⅱ算法提供了現實的可行性。
2.1 基于粒子融合的NSGA-Ⅱ算法
考慮到在NSGA-Ⅱ中是按二進制隨機競賽選擇方法選擇用于產生后代的個體，而MOPSO中選擇外部檔案中最佳的個體作為leader時具有較快收斂速度，按如下折中方法從父代群體中選擇leader。如果則選擇父代群體中程度最大的個體，否則基于擁擠程度按二進制隨機競賽選擇方法從父代群體中選擇。其中，為選擇父代群體中擁擠距離最大個體的概率，rand為[0，1]間的隨機數。
2.1.2 粒子融合NSGA-Ⅱ的算法流程
本文算法流程描述大致如下[7]：
第一步：產生N個初始父代種群Pt并按比例經交叉變異形成N個子代種群Qt；
第二步：組合父代種群Pt和子代種群Qt為種群Rt，并對Rt中個體進行非支配排序，確定Pareto前沿F1；
第三步：計算F1中單個個體的局部擁擠距離，并刪除F1在目標空間重疊的多余個體；
第四步：先排除F1中極端個體，再將其他個體按擁擠距離從大到小排列；
第五步：按步驟二、三、四的結果依據擁擠距離選取N個個體作為新的父代種群Pt+1；
第六步：對于子代群體Qt的每個個體（粒子），根據差異問題解決策略，選擇父代種群Pt+1中擁擠距離最大個體或者基于擁擠距離按二進制隨機競賽選擇方法從父代群體Pt+1中選擇粒子的leader，同時按式（3）更新個置，對位置更新后的Qt中所有個體各基因座按變異概率Pm進行NSGA-Ⅱ中的多項式變異，得到子代群體Qt+1；
2.2.3 優化結果分析
用本文設計的優化算法對一臺270V，10kW，10000r/min的永磁無刷直流電動機進行優化設計計算。在滿足額定技術要求的前提下，優化目標定為對體積、重量、轉動慣量、效率4項，并與優化前以及一般遺傳算法優化的結果進行對比，運算優化結果如表1所示。通過表1對比可見，在滿足技術要求的條件下，電動機本體的長度、質量、電動機的功率密度、轉子外徑、空載轉速和額定轉速以及轉子轉動慣量等電機因素比優化前和用一般遺傳算法優化都有一定程度的改善。
以永磁無刷直流電機的效率為例，驗證分析本文算法在永磁無刷直流電動機優化上的可行性和優越性。針對永磁無刷直流電動機的特性，設電機系統效率為，且=/，其中，分別為電機軸端輸出功率與電機逆變器的功率，采用簡化方法求出功率器件等效模型粗略估算出逆變器的損耗，最后算出電機系統效率。在仿真實驗中，取最大進化代數為60，=0.85，采取線性動態變化，最小為0.04，最大為0.2，群體規模即融合粒子的個數為100，仿真結果顯示電機效率比單純的使用NSGA-Ⅱ遺傳算法提高了近5%，如圖1所示。永磁無刷直流電機的其它優化問題可以類似地推出相應的目標函數，設計初始種群和遺傳操作算子，最終通過計算機仿真用本文的算法得出優化后的Pareto最優解，這里不再作詳細討論。
3.結束語
本文在多目標遺傳算法NSGA-Ⅱ的基礎上，設計了一種基于粒子融合機制的改進NSGA-Ⅱ，用多目標粒子群優化算法中的粒子位置更新模式替代搜索性能相對較弱的交叉操作，成功的解決了兩種優化算法的差異問題，應用到永磁無刷直流電動機的優化設計中，在較大范圍內搜索解空間，并能以較快的收斂速度提供解空間內分布均勻的Pareto最優解集，解決了電機的非線性優化設計問題，通過優化設計，在滿足技術要求情況下，電機的體積、轉子轉動慣量和機電時間常數均減小，質量減輕，功率重量比提高，提高了電動機的使用效能，為永磁無刷直流電動機設計者提供了決策依據，具有較大的參考價值。
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作者簡介：
關鍵詞：礦上支護設備；多目標優化；多學科設計；研究
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.08.087
礦山支護設備是煤礦行業發展不可缺少的元素，而液壓支架設計過程中顯現出一定的弊端，急需系統解決，在參數上給予更高的要求，從而降低定媒及媒幫難度。文中從礦山支架設備協同遺傳多目標設計層面進行分析，確定完善協同遺傳算法。
1 協同遺傳算法
1.1 算法原理
針對遺傳算法而言，其在計算過程中并不需要諸多數學的必要條件，就能處理不同類型目標函數，并且進行一定的約束。因為算法進化本質，遺傳算法能夠作用于搜索解，而在此過程中無需考慮內部問題。
所謂協同化處理，主要是作用于兩個，或是兩個以上不同物種之間，而其中某個物種進化，勢必會對其它物種產生影響。而針對協同進化算法而言，基本上采用多個種群，而對于不同的物種來說，它們代表著問題解的部分內容，而且在組合形式上具有比較完整的解。
1.2 算法框架
礦山支架設備在礦山開采過程中發揮著非常關鍵的作用，其相應的液壓支架，從本質上分析歸屬于多目標多學科進行設計，由此，需要利用多學科設計原理，按照算法框架進行求解。針對液壓支架來說，涵蓋的結構設計主要有以下力學知識，如靜力學、動力學等，根據上述因素可以對其進行分類，分解成兩個子系統。而對于兩個子系統來說，在協同運行并行的前提下，施以并行算法框架。
這種算法框架在實際應用中顯現出自身的優勢，其與多學科設計優化具有異曲同工之妙，并行施以協同優化處計算，從某種程度來說，兩者都屬于并行處理策略，然而這種算法框架在應用過程中較為便利。
2 優化參數和模型
液壓支架模型設計需要根據相關的參數設計才能得以不斷優化，協同設計過程中，并不涵蓋設備選型設計，主要針對已經存在的設備實施優化處理，在結構上不斷完善。在結構設計中，針對每一次的迭代，都能表現出較為準確的裝配關系，并且根據動、靜力學原理，繼而構建簡化模型，而對于運動相關的副連接，對其進行有效的簡化，主要是對重點與頂梁，還有底座實施應力應變分析。
從結構設計過程需要，液態支架模型具體可以分為以下幾種：即靜力學、動力學仿真，并且根據與此對系統進行劃分，形成兩個子系統。
結構尺寸變量總計是21個：X=（x1，x2，…，x21），上述量屬于支架不同結構尺寸。
靜力學子系統，其局部變量有ld、b、l0；狀態變量和函數是Ky，A0Ld屬于頂梁兩縱之間，鉸接點的距離，m；b屬于頂梁橫向之間，鉸接點的距離，m；l0是頂梁至底座之間的距離，m；Ky屬于靜剛度；A屬于支撐面積，m2。
動力學子系統，其局部變量是b，h；狀態變量是Δlz，Δlf。b、h、Δlz、Δlf：頂梁橫向鉸接點距離，支撐高度、頂梁前端軌跡變化、頂梁中部軌跡變化情況。
約束條件：立柱支撐，其俯仰角度是以下范圍之內，即50°≤a≤70°。
3 結果分析
根據上述研究可知，優化設計取得了相對較好的效果，這主要體現在以下幾個層面：如目標函數，其頂梁運動軌跡曲線變化情況、四連桿機構，對其受力大小的分析、底座質量、底座應力應變等，相較于傳統計算模式而言，具有非常顯著的變化。從優化設計前后的結果反饋可知，優化設計之后的效果顯著，這主要體現在受力情況分析上，底座最大應力發生了變化，而且應力應變情況也發生了變化，但是底座質量優化設計之后并沒有表現出一定的優越性。
礦山支護設備在應用過程中顯現出的弊端是急需解決的問題，重點解決方向是液壓支架問題，表現顯著的是前后部輸送機問題，需要改善其防滑錨固問題。
4 結語
綜上所述，液壓支護設備在礦上開采過程中具有廣泛的應用性，對支架設計部分進行優化處理必然能夠達到良好的效果，根據運動力學，施以性能優化設計，從而改善支架性能，優化其受力情況，并在此基礎上進行多學科構建，最終促使礦山支護設備能夠獲得最佳的設計效能。
參考文獻：
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