前言：中文期刊网精心挑选了数字化传播技术范文供你参考和学习，希望我们的参考范文能激发你的文章创作灵感，欢迎阅读。
数字化传播技术范文1
中图分类号：U673 文献标识码：A
1.什么是船舶建造数字化
船舶建造数字化是以数据处理、图形图像、虚拟现实、数据库、网络通信、数字控制等数字化技术为基础，将数字化技术全面应用于船舶的产品开发、设计、制造、管理、经营和决策的全过程，使船舶产品的设计和生产向着自动化、精细化、柔性化、智能化的方向发展。通过数字化技术与现代管理思想和先进工程方法的融合，形成船舶制造业信息化的完整体系，实现对造船业的信息化改造，使得造船企业全面提升产品的研发、生产能力，降低生产成本，缩短设计、生产周期，提高产品质量。
2.船舶建造数字化技术的内涵
船舶建造数字化技术主要体现在如下3个方面：
2.1 CAX（计算机辅助技术）
CAX（计算机辅助技术）是CAD（计算机辅助设计）、CAE（计算机辅助工程）、CAM（计算机辅助制造）和CAPP（计算机辅助工艺计划）的统称。
（1）CAD（计算机辅助设计）指在计算机及可视化设备为基础的专业化计算机系统的支持下，帮助设计人员进行设计工作。可以在CAD系统的辅助下完成从合同设计开始的一系列设计工作，建立产品数字模型，进行工程计算和分析，生成和绘制工程图，生成物料清单等。
（2）CAE（计算机辅助工程）是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。
（3）CAM（计算机辅助制造）是将计算机应用于生产制造的过程或系统，其核心是计算机数值控制（简称数控NC）。有狭义和广义两个概念。CAM的狭义概念指的是数控，包括数控机床、数控加工中心、数控生产流水线、数控火焰或等离子切割、激光束加工、自动绘图仪、焊机、机器人等；广义概念还包括制造活动中与物流有关的所有过程（加工、装配、检验、存贮、输送）的监视、控制和管理。
（4）CAPP（计算机辅助工艺计划）是通过计算机进行产品加工的工艺路线制定、工序设计、加工方法选择、工时定额计算，包括工装、夹具设计、刀具和切削用量选择等，生成必要的工艺卡和工艺文件等。CAPP是连接产品设计CAD信息和加工制造CAM信息之间工艺信息的桥梁，是生成各种加工制造，管理信息的重要环节。
2.2 企业业务技术过程与信息管理
通常包括PDM/PLM/ERP/MES/CIMS等。即产品数据管理PDM、产品生命周期管理PLM、企业资源计划ERP、制造执行系统MES、计算机集成制造系统CIMS等。它们通过信息技术与现代管理理念的融合，使人、资源、技术、管理等要素有机地结合起来，从而实现设计及生产过程管理的精细化和企业资源利用的优化。
2.3 数字化装备
软硬件相结合的数字化装备，如NC（数控设备）、FMS（柔性制造系统）、Robot（机器人）等通过数字控制形成的生产自动化装备。这些设备通过离散的数字信息控制设备或传动装置的运行，实现生产加工的自动化。
3.船舶建造数字化技术的发展历程
3.1 单项技术的企业部门级应用阶段
该阶段主要是单项技术，如数值计算技术、CAD/CAE/CAM技术、数控技术以及各种部门级的管理信息系统，如财务、人事、OA、物资等管理系统在企业部门的局部范围内的应用。部门级数字化技术的应用作为一种技术手段对提高设计和生产效率、提高产品质量发挥着重要作用。
3.2 企业内综合应用集成阶段
这一阶段是由企业内的信息集成、过程集成到应用集成。通过信息集成保证了系统间信息的一致性，通过应用集成使企业内部的各种信息系统组成了一个有机的整体，大幅提高了数字化技术应用的整体效益，使得企业设计、生产、经营、管理的各种业务活动得以协调运行，大大提高了企业的生产能力。
3.3 企业间的应用集成阶段
由于互联网技术的快速发展，促使电子商务、供应链管理、协同设计、敏捷制造等一些基于互联网技术的新型管理思想和管理方法得以实施，使得船舶这种具有大量配套设施的高度复杂产品的制造能够实现跨地域的专业化企业间的协同运作，使产品能够快速地、柔性地应对用户的需求。
自20世纪60年代末将计算机用于船舶线型放样开始，我国船舶行业信息化已历经40多年，国内造船业经过不懈的努力，使得造船数字化技术已逐步渗透到造船业价值链的每一个环节，引进或自主开发了各种各样的信息系统，已广泛应用于船舶设计、建造和管理过程中。国内一些骨干造船企业和研究院所已开始引进虚拟仿真技术，开展船舶和海洋工程的产品虚拟设计和建造过程模拟等研究。
4.船舶建造数字化技术体系
制造业数字化技术是以现代设计制造的工程方法和先进制造理论为依据，以数字化技术为手段，面向产品全生命周期，理论方法与应用技术相结合的一个复杂的技术体系。
4.1 现代制造理论与数字化技术基础
主要有计算机集成制造、并行工程、精益生产、敏捷制造、大批量定制等现代制造理论，以及建模技术、仿真技术、优化技术、集成技术等数字化技术紧密结合，形成了其技术理论基础。
4.2 数字化基础环境
主要包括计算机系统及系统软件、数据库管理系统及相关技术、网络系统及相关技术、信息安全体系、信息标准化体系等。
4.3 数字化产品开发设计技术
主要包括产品需求分析、设计开发、生产制造等各个阶段中，为分析和解决产品设计和制造过程中的各种问题而提供的数字化的技术方法和应用工具，如单项应用技术CAD、CAE、CAM、VR等，过程管理和集成平台PDM、仿真及优化应用等。
4.4 数字化制造技术
主要有数字化生产计划与制造执行控制、数字化工艺过程、数字化装备、数字化制造单元、基于数字化的生产系统综合集成等。
4.5 数字化管理技术
主要包括现代企业管理模式、集成化管理与决策信息系统、企业资源计划与管理系统、企业生产项目管理系统、企业间协作的供应链管理与电子商务技术、企业质量管理的相关技术及企业管理系统的应用实施过程及方法等。
船舶建造数字化技术是制造业数字化技术针对船舶制造的特点和具体要求的实际应用。船舶建造数字化技术体系包括现代制造与数字化技术基础、船舶产品的数字化设计技术、数字化制造技术、数字化管理技术和一体化集成技术，此外，还有数字化基础支撑环境与相关技术等。
（1）船舶产品数字化设计技术以三维建模技术、数值计算技术、CAD、PDM、并行协同技术等数字化技术为基础，按照船舶设计不同阶段及不同专业的规范和技术要求，形成船舶各设计阶段的数字化技术。
（2）船舶产品数字化制造技术以MES、CAPP、NC、过程仿真等数字化技术为基础，根据现代造船模式的要求，形成制造执行层面的船舶数字化制造技术。
（3）船舶产品数字化管理技术则是将制造业先进的管理理念和方法与数字化技术相融合，按照船舶生产管理特点，形成船舶制造数字化管理技术。
（4）一体化集成技术则是进一步在设计、制造、管理等数字化技术应用的基础上，实现信息的集成和应用的集成，达到工程的并行和协同。
上述数字化技术的研究、开发和应用需具备相应的基础环境，需要解决一些相关的关键技术，如信息标准化、编码体系、产品数据库、企业资源数据库、集成平台、信息安全体系等。
5.船舶建造集成系统
船舶建造集成系统涵盖船舶建造企业的设计、制造、管理的主要业务过程：
（1）设计方面主要包含船、机、电、舾装、涂装等专业门类的设计CAD系统、船舶设计虚拟仿真系统，以及结合生产工艺要求的各个专业的生产设计系统。设计系统生成的设计数据通过PDM（船舶产品数据管理系统）存放并管理，以PDM作为平台，为船舶制造系统和管理系统提供有关产品信息的共享。
（2）船舶建造和管理系统通常包含工程计划管理、物资与物流管理、成本管理、财务管理、质量管理、企业资源（设备与人力资源）管理，以及MES（制造执行系统）等。
（3）制造执行系统控制车间级的生产制造执行过程，如造船精度管理、资源日程计划、作业安排与执行实绩反馈等。制造和管理系统根据企业经管计划和产品生产设计的要求制订工程计划、采购计划、生产计划和其他生产准备工作，通过制造执行系统贯彻实施生产作业过程。
结语
随着信息技术的飞速发展，制造业的新思想、新方法、新技术层出不穷、日新月异，船舶建造业应该紧跟现代科技潮流，不断创新，以实现船舶建造技术的跨越式发展。
参考文献
[1]姜波.船舶制造企业项目成本管理问题及优化研究[J].现代商业，2009（26）：178-178.
数字化传播技术范文2
关键词：数字化造船；绿色造船；中小型船厂；效益
1 数字化船舶建造技术简述
数字化船舶建造技术就是利用计算机系统和多媒体对船舶详细设计进行三维建模辅助、完成生产设计图纸并具有可施工性、可修改性的一种造船技术。这种技术是船舶生产设计优化、缩短建造周期、节约能源及材料、沿着“绿色造船”方向发展的重要措施。它是现代数字化造船模式体系―数字化船舶设计、数字化工程管理、数字化船舶建造三大项目中发展得最快、最关键的一项技术。
本文所述的是应用于国内中小型船厂具有船舶建造仿真、综合放样、自动生成零件生产图纸和船用材料信息功能的数字化船舶建造技术。下面就我厂运用此技术建造的船舶项目分析探究其实现价值。
2 传统船舶生产技术概述
过去，国内中小型船厂因设备使用、科技信息管理、生产流程都处于一种习惯性的模式，生产设备也不及大型船厂，使船舶建造周期规划、材料损耗控制、成本核算都处于较为落后的阶段。本文以广州市番禺灵山造船厂有限公司为例叙述其过去十年船舶生产技术的方式和改变。我公司早期的生产设计主要使用手工绘图，以详细设计图纸直接作为生产图纸，型线放样采用1：1实体放样，管路和电缆没有进行整船放样，而是直接在建造中的船体结构上进行具体布置。随着造船业务的拓展，所造海洋船舶不断增加，排水量增大，结构相对复杂，检验标准更严格，采用传统生产技术将面临零件加工速度慢，船台占用周期长，整船管路电缆综合放样难度大等问题。船厂为解决这些问题而更新了硬件设施，如等离子数控切割机、液压曲板辊弯机、大型压力机和起重机等，而施工图纸采用CAD绘图，这些措施相对解决了零件加工和分段建造速度问题，但生产图纸设计方面仍然相对落后，与各硬件设施的软件系统数据连接不佳。下面列举生产设计与生产设备结合方面仍然存在的一些弊端：
（1）复杂曲面放样困难，放样精度也取决于生产工人的技术水平，往往增加施工过程的修改，产生程度不同的返工现象，从而造成生产周期加长等不良后果。
（2）数控切割零件的利用率低。数控机切割的零件图形是在CAD里绘制并进行人工排列，在排列时需要计算零件的尺寸，这种套料方式效率低，板材利用率也低。
（3）分段建造及合拢技术未达到最优化。分段大小受起重能力和船台空间制约，重量重心采用人手计算，工作量大。
（4）船舶下水压力分布计算，重量重心计算主要使用经验公式。
3 应用数字化船舶建造仿真技术
随着造船业务不断发展及商务运作需要，订购商要求建造周期大为缩短，为适应市场需要，我厂在2008年购买了一套加拿大SSI公司的船舶建造设计软件-Shipconstructor2008。该系统在发挥硬件设备最大效益、生产数据的统筹、缩短建造周期以及节约建造成本方面取得较为满意的成效，但软件系统仍然存在一定的局限性，尤其管路设计中零件投影效果不理想、图纸修改比较困难等问题比较突出。
我们在使用该软件系统的两年时间内，把软件系统与船厂生产的各个环节完全结合，下面就在建和已建船舶项目的数字化技术应用上概要介绍，供同业参考。数字化仿真生产设计从退审图开始，其生产设计流程如图1所示。
下面以我厂去年下水的一首56米海洋供应船为例，介绍该技术的实际应用。
3.1 船舶总体型线放样及光顺、有限元模型的生成技术
过去船舶的造型设计只通过平面图纸表达，感染力不强。采用三维技术进行船舶放样，能把设计师的设计思想完整表达出来，增强设计的真实感及制作效果图展示给客户，如图2所示。
我们还针对复杂结构舾装件与船体结构的接合及其工艺安装过程进行三维可视化图形制作，优化复杂船体结构的设计，提高放样精度减少现场返工。某些复杂加强结构需要作局部强度计算，而使用这些已经建好的三维模型则可直接用SAT格式导入所有有限元分析软件中使用，这样可以避免重复绘图（见图3）。型线的光顺和放样源于同一个软件系统，使性能计算及舱容计算与实船误差大大减少，而且同样可以避免重复绘制型线。
图2 56米海供船3D效果图
图3 56米海供船载货区甲板骨架有限元分析云图
3.2 生产设计及施工设计数字化
生产设计使用三维技术及共用数据库，施工图纸采用分段半立体显示及零件加工装配数字化是我厂船舶生产的一大改革，也是SC2008软件系统的核心功能，我们利用该软件系统的功能结合自身生产技术、工艺习惯及设备条件设计出一套完整、具实用价值的生产方法。
下面按过去和现在的船舶生产设计及施工技术对比，介绍数字化仿真技术的应用情况及实现的价值：
（1）型线及外壳板放样
（2）结构零件放样及加工
（3）分段装配图
（4）综合放样
在未使用数字化船舶建造仿真技术之前，船体结构的建造以船台正装、散装为主，就算采用分段建造形式，也仅限边水舱以独立分段建造，分段合拢方案主要依靠施工经验。零件的拼装依靠详细设计平面图纸，因此需要通过文字描述零件的安装位置和安装工艺。零件余量及合拢缝余量未经过严格计算，加放量比较大。由于建造精度未得到严格控制，返工情况比较多。这种施工方式会消耗大量的工时，浪费材料较多，导致增加建造成本。针对以上问题，我们现在使用新技术手段进行优化，具体措施如下：
（1）在结构零件放样时取消全部内部构件余量，而把三维建模做到最仔细，仅限在外板及主甲板分段合拢处增设余量，而且小于50 mm。纵向零件尺寸按比例增设焊接收缩补偿量，曲面结构需要计算弯曲伸张量，按伸张量安排补偿量加放位置，严格控制外板余量的加放，主要为取消一部分外板的纵向接缝余量。胎架按反变形理论设计。
（2）尽可能把所有零件使用数控机切割，这样可使零件尺寸和仿真模型一致。套料过程在计算机里完成，利用人机结合方式优化套料过程，保证材料利用率达到理想目标。
（3）从套料图、零件加工图到分段装配图使用同一套完整的零件编码，零件名称编采用数字化编制，能表达零件的装配位置及工艺。而这些编码是人工设计，计算机自动生成。零件装配编码原则文件里，零件名命名方式为： 项目号-分段号-结构平面号-拼装顺序号-工艺要求号，使工人安装思路清晰，材料分类堆放次序分明，提高堆场面积利用率，从而增加加工装配场地并提高装配效率。
（4）分段划分过程使用电脑模型进行三维可视化划分，根据船台起重能力及空间大小合理设计分段的重量重心，并进行合拢过程模拟，对分段合拢过程分析做到最精确，提高分段建造的安全性。分段装配一改以往平面图形显示形式，采用半立体图形显示，结合数字化编码运用，一般均可满足施工要求，只有在精细结构装配才会再拆分成平面图形。
（5）以分段设计船体结构并制作分段电脑模型另一个重要作用是为舾装、管路、电气综合放样作基础平台，使管路零件走向、电缆走向及其他设备附件综合显现在船体分段模型上，从而很直观显示布置效果，防止以往施工中相互矛盾及位置重叠等现象。
图4为按分段设计的生产图纸。
图4 56米海供船升高甲板分片装配图
以往我厂的舾装、管路及电缆是各专业生产车间根据原理图和布置图在船台直接进行其具体布置设计和零件放样，导致各专业同时放样会出现相互干涉情况较多，返工次数增加。为改善这些不良现象，我厂决定研发综合放样技术，让各专业技术人员使用同一个数字化建造仿真系统，合理制定工作流程和区域划分，在电脑里完整绘制舾装立体图、完整的管路系统、电缆托架图及电缆走向图。在船体结构模型绘制完毕并且部分分段开始建造的时候其他专业可开始进行布置和放样，在设计时期进行多次有必要的个专业零件布置协调会议，确保舱内空间利用率最大化。数字化船舶建造仿真技术能极大减少管子余量、活动管数目、电缆材料浪费、舱室装修的影响及各种施工耗时。另外，使用此技术绘制的起锚机、拖缆机、收缆机等舾装设备的安装示意图均以立体形式显示，能使安装步骤方法更为清晰，从而提高安装速度。
3.3 生产进度及材料成本优化
经过数字化船舶建造仿真技术进行生产设计后，图纸的速度和质量得到一定提高并且通过减少结构余量，提高钢料利用率，减少返工数量及电算化材料配额清单节省成本。响应“数字化造船”和“绿色造船”两大主题。通过56米海供船的母型船（其母型船未使用数字化技术生产）建造进度和材料用量对比总结，56米海供船在劳动力投入、建造工时、能耗及材料用量上共节省成本约15%。
4 数字化造船对安全生产的效应
数字化船舶建造系统由于能得到精确的全船各分段重量、重心位置数据，从而可以根据船厂起重设备布置、起重工艺技术的特点优化分段设计、指导吊装作业，大大降低吊装作业的危险性。
数字化船舶建造仿真技术也为船舶下水计算提供了更有力的理论依据，在船舶下水时，其完工量仅为部分完工，而且各船下水时重量分布情况也有差异，以至于使用母型船换算法也难以得到足够准确的数据，使用手工计算对这种船舶个分段完工量程度不一、重量分布不规则的船舶下水过程重量、重心及压力计算长期困扰着技术力量相对薄弱的中小型船厂。鉴此，使用数字化船舶建造仿真系统进行船舶下水计算是最佳的技术手段，这是由于船舶建造仿真系统本身就能按建造进度拆分船体分段及局部结构，而且计算速度快、准确度高。下水重量、重心及压力分布计算数据也对整个船舶下水安全性分析起关键性作用，从而大大提高船舶下水的安全性。
由于数字化分段综合放样的实现，为分段舾装、管路、电缆混合安装提供基础条件，大大减少船体结构分段成型后多种专业项目的交叉作业量，从而减少生产安全隐患，提高机、电设备安装作业环境的安全性。
5 今后设想
（1）发展工程现场数字化系统，把技术部的三维电脑模型直接作为施工文件直接在工（下转第页）（上接第页）程现场使用，并可在工程现场利用计算机即时查取所需的施工数据，减少工程现场交谈次数，并进一步缩短生产周期及节约能源。
（2）组建工程管理信息集成系统（ERP系统），整合仓库管理、供应采购、成本核算、工程管理的数据信息库，逐步实现船舶生产管理数字化。
（3）继续完善已有的数字化船舶建造仿真技术，软件系统需要根据实际情况进行升级或改用其他功能更好更适合我厂的软件系统。
6 结束语
以上仅为本厂在实施数字化船舶建造仿真技术过程的简介，虽然取得一定的成效，但还未完全达到理想效果，今后仍需按上述的设想进一步深化和完善，使其提升到更高的技术平台。本文仅介绍针对本厂实际情况而编制的流程和措施，但愿能为其他中小型船厂提供参考，从而达到抛砖引玉的目的。
数字化传播技术范文3
关键词：船舶 自动化技术 现状
中图分类号：F426 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）04（c）-0055-01
1 船舶自动化技术的发展进程
根据船舶自动化技术的发展历程，可以具体的分为三个阶段：第一个阶段是船舶单元装置自动化时期；第二个阶段是船舶机舱自动化时期；第三个阶段是船舶全船综合自动化时期。
1.1 船舶单元装置自动化时期
船舶单元装置自动化技术是在船舶自动化技术发展的最初阶段出现的，这一段历史进程的最主要特点就是船舶的一个单独的设备的自动化技术的应用。具体的说，就是通过安装在船舶上面的各种设备仪器、船舶上面具有各式各样功能的仪表设备、船舶上面的各种监控设施来实现船舶的自动化管理。船舶单元装置自动化时期的自动化技术虽然很好的提升了当时的船舶自动化技术，但是作为船舶上的仪器，船舶上的各个自动化设备之间很难做到有效的沟通处理。因此，在船舶单元装置自动化时期，整个船舶的自动化设备之间无法做到有效连接，收集的自动化信息也比较松散，尚且需要船舶上的工作人员进行一定的人工手动操作，是最初级的船舶自动化技术。
1.2 船舶机舱自动化时期
在当代背景下，拥有先进船舶自动化技术的国家率先结合电子信息科学研究出来了船舶集中监控系统，通过对船舶集中监控系统的应用，就可以实现船舶机舱夜间无人值班，船舶自动化技术也随之快速发展。船舶机舱自动化时期主要研究出来的船舶自动化技术有：船舶主机遥控技术、出阿伯电站管理技术、船舶动力装置的监测报警技术、船舶柴油机的工控监测与趋势分析技术、船舶故障预诊断技术等。船舶机舱自动化自动化技术的技术核心是船舶机舱自动化监控技术。在最初的船舶机舱自动化时期，机舱自动化监控技术的核心是集中船舶船舱监控，其主要特点是整个船舶采用一台计算机进行集中控制和管理。一旦这一台计算机出现故障，这种管理模式就难以维持整个船舶机舱自动化的需求。针对这样的问题，20世纪70年代，先进国家研究出了分散监控的新型监控模式，通过船舶上面多台计算机的联合操作实现自动化管理，有效的完成了船舶的自动化运行。
1.3 船舶全船综合自动化时期
进入新世纪以来，随着信息科学技术以及互联网计算机科学技术的出现和发展，船舶自动化技术已经开始初步迈进实现船岸信息共享、船舶网络一体化的船舶全船综合自动化时期。船舶全船综合自动化技术是对船舶的航行、装卸、机舱等各个方面实行全方位的监督和管理。在具体的船舶全船综合自动化技术之中，采用的是分级管理的模式，在进行监督管理的时候，每一个船舶总系统管理下的分系统都拥有自己的独立的计算机来进行自动化运行。与此同时，各个独立的分系统之间也可以通过互联网技术进行信息的共享，进而实现整个船舶的信息共享、整个船舶的集中管理控制。当各个分系统收集到足够资料后，在汇总进入总系统进行统一处理，实现船舶的自动化操作。
2 船舶自动化技术现状
2.1 船舶主机遥控系统
船舶主机遥控技术出现于20世纪的60年代，其实目前实现船舶自动化的重要组成部分之一。目前，PLC系统已经成为了船舶自动化技术最广泛采用的主机遥控技术，其具有可靠性强、通信功能强大等优良的特性。
2.2 船舶机舱监控系统
作为船舶自动化技术的核心技术，船舶机舱监控技术主要包含船舶互联网链接以及船舶现场总线技术这两个部分。目前，采用最广泛的总线技术是CAN总线技术，其具有高效的信息传输能力和比较强的稳定性，CAN总线技术主要是应用在船舶的船舱自动化技术方面。船舶的互联网链接技术采用的最广泛的是无线通信技术，主要指的就是GPS和NET技术，这样船舶就可以实现无线网络的远程监控，与此同时，还可以通过加密软件的使用保证整个船舶的信息安全。
2.3 船舶电站管理系统
目前，世界的大部分船舶都具有体积大、速度快的特点，为了适应船舶的这些变化，就要求船舶自动化技术的船舶电站管理技术可以维持船舶高速运行的电力消耗，要求船舶电站管理系统可以为船舶提供稳定大量的电力输出。针对这样的情况，目前采用最广泛的船舶电站管理技术是仿真电站管理技术，可以为整个船舶提供稳定大量的电力资源。
2.4 船舶自动避碰
目前，如何有效的实现船舶之间的自动躲避已经成为了船舶自动化技术研究的重点项目之一，通过船舶自动躲避碰撞技术的研究，可以有效避免人为因素所造成的船舶碰撞现象。在今后一段时期内，船舶自动躲避技术会成为自动化技术研究的主攻方向。
3 结语
综上所述，船舶自动化技术已经随着现场总线技术以及通信技术的不断发展而日趋完善，与此同时，人工智能技术的发展也极大地促进了船舶自动化技术的发展。随着时间的发展，船舶自动化技术终将成为船舶安全运行的有力保证。
参考文献
[1] 戴利雄，孟宪尧.一种新的船舶柴油机模糊故障诊断方法[J].船舶工程，2009（1）.
[2] 陈雪娟.采用BP神经网络优化避碰模糊系统[J].常德师范学院学报：自然科学版，2003（4）.
[3] 陈佳，王建华，张冰，等.船舶电站故障诊断中的数据融合算法[J].电力自动化设备，2006（3）.
数字化传播技术范文4
关键词:FIR滤波器;优化设计;自适应遗传算法;早熟度
中图分类号:TP274文献标识码:B
文章编号:1004-373X(2010)02-143-04
Optimized FIR Filter Design Based on Self_adaptive Genetic Algorithm
HUANG Meng,TANG Lin,ZHEN Yu,ZHANG Jie
(91635 Army,Beijing,102249,China)
Abstract:The goal of optimized FIR filter design is approaching to the ideal performance of IIR filter.Genetic algorithm is an optimal probability search algorithm,imitating the process of biology evolution,which has proposed an universal method to solve optimized problems of complex system,independent of domain and kind of problems.The proposed algorithm applying self_adaptive genetic algorithm to optimized IIR filter design,and adjusting cross probability and mute probability self_adaptively by evaluating premature convergence degree to improve search efficiency of genetic algorithm.The simulation results demonstrate that the proposed algorithm can achieve satisfying capability of filter.
Keywords:FIR filter;optimized design;self_adaptive genetic algorithm;premature convergence degree
在现代信号处理和电子应用技术领域,FIR数字滤波器因具有稳定性和线性相位两大优点而得到了广泛的应用。FIR数字滤波器的设计方法主要有窗函数法、频率采样法、切比雪夫逼近法,这些方法的最终目的是对理想滤波器理想性能的逼近,而不可能真正做到理想滤波器的幅频响应,正基于此,多年来许多专家学者在数字滤波器的优化设计问题上做了大量的研究工作,在一定优化准则下,提出了一些设计方法,如Caratheodory_Fejer(CF)法[1],神经网络(Neural Network)法[2],最小P误差法[3]以及模型拟合频率响应法[4]等。这些优化算法各长,它们在数字滤波器的设计中都取得了较好的设计效果,也为数字滤波器的设计打开了新的思路。
遗传算法是一种模仿生物进化过程的全局优化概率搜索算法,它提出了一种求解复杂系统优化问题的通用框架,且不依赖于问题的领域和种类,因此在诸多领域得到了广泛的应用。但是标准的遗传算法存在两个重大的缺陷:早熟和收敛速度慢。这里提出了一种自适应调整遗传参数的遗传算法,并用其实现了FIR数字滤波器的优化设计,仿真结果说明了算法的有效性。
1 FIR数字滤波器及优化设计
1.1 FIR数字滤波器的频率特性
有限冲激响应数字滤波器(FIR)的输出仅取决于有限个过去的输入和现在的输入,用x(i),y(i)分别表示其输入和输出,FIR滤波器可以表示为[5]:
y(i)=∑N-1j=0h(j)x(i-j)(1)
式中:h(i)(实数)为FIR的冲激响应,显然:
h(i)=h(i), 0≤i≤N-1
0,N
即FIR的冲激响应只有有限N个,称N为FIR的阶次。
对于N阶线性相位FIR滤波器,其单位冲激响应h(i)为实数,且以对称中心α=(N-1)/2对称的,即有以下约束关系:
h(i)=±h(N-1-i)(3)
1.2 FIR滤波器优化设计准则
设一个FIR数字滤波器的理想频率响应为:
Hd(jω)=Hd(ω)e-jθ(ω), ω∈[-π,π](4)
式中:Hd(ω)≥0,若用一个N阶的FIR频率响应来逼近它,设其冲激响应为h(i),i=0,1,2,…,N-1,那么其频率响应可表示为:
H(jω)=∑N-1i=0h(i)e-jiω, ω∈[-π,π](5)
由上式可得:
Hd(jω)=Hd(ω)cos φ(ω)-jHd(ω)sin φ(ω)(6)
H(jω)=∑N-1i=0h(i)cos(iω)+j∑N-1i=0h(i)sin(iω)(7)
在[-π,π]上取P个频率采样点ωp(p=0,1,2,…,P-1),并且为每一个ωp设置一个权重系数αp≥0(p=0,1,2,…,P-1)。那么描述H(jω)逼近Hd(jω)的加权均方误差可近似写成:
E2=1A∑P-1p=0αp∑N-1i=0h(i)cos(iωp)-Hd(ωp)cos φ(ωp)2 +
∑N-1i=0h(i)sin(iωp)-Hd(ωp)sin φ(ωp)2≥0(8)
式中:
A=∑P-1p=0αp(9)
如果采样点ωp的数量足够多且间隔足够小,那么式(8)精确地表达了H(jω)与Hd(jω)的加权均方误差。显然,如果E2为0,那么所设计的FIR的频率响应应在ωp(p=0,1,2,…,P-1)点上,幅频响应和相频响应两方面严格地等于Hd(ωp)和φ(ωp)。由于N有限,E2不可能为0,任务在于寻找一种有效的算法使E2尽量小。由式(8)可知,αp取值的大小表达了对其对应的ωp点的重视程度,αp取值越大则要求在ωp附近频域内H(jω)越严格地逼近Hd(jω)。
综上所述,一维实数FIR数字滤波器优化设计问题就是寻找一组h(i)使式(8)的值尽可能小。
2 自适应遗传算法
遗传算法自提出以来,因其具有很强的解决问题的能力和广泛的适应性,因而近年来渗透到研究与工程的各个领域,取得了良好的效果。但在实际应用中,基本遗传算法也逐渐暴露出一些缺陷,这些缺陷主要集中在两个方面:早熟和收敛速度慢[6,7]。
所谓早熟是指遗传算法收敛于局部最优值,而非全局最优值的现象。这往往是由于在算法搜索的初期阶段,种群中出现了某些超级个体,这些超级个体的适应值很高,随着进化过程的进行,它们会很快占据整个种群,导致种群缺乏多样性而陷入局部极值。由于遗传算法从本质上而言是一种随机搜索优化算法,所以当待求解问题规模较大或问题较复杂时,搜索空间往往非常庞大,于是导致遗传算法的收敛速度很慢。
选择合适的遗传算子执行概率,是遗传算法能否收敛到最优解的关键之一。遗传算法的参数中交叉概率Pc和变异概率Pm的选择是影响遗传算法行为和性能的关键所在,直接影响算法的收敛性,Pc越大,新个体产生的速度就越快。然而Pc过大时遗传模式被破坏的可能性也越大,使得具有高适应度的个体结构很快就会被破坏;但是如果Pc过小,会使搜索过程缓慢,以致停滞不前。对于变异概率Pm,如果过小,就不易产生新的个体结构;如果过大,那么遗传算法就变成了纯粹的随机搜索算法。针对不同的优化问题,需要反复试验来确定Pc,Pm,这是一件繁琐的工作,而且很难找到适应于每个问题的最佳值。
在传统的遗传算法中,交叉概率Pc、变异概率Pm与种群进化过程无关,从始至终都保持定值。近年来的研究表明,交叉概率和变异概率的选取对系统性能有重要的影响。用不变的Pc和Pm来控制遗传进化,很容易导致“早熟”,降低算法的搜索效率。目前,调整遗传算法控制参数较好的方法是动态自适应技术,其基本思想是使Pc,Pm在进化过程中根据种群的实际情况,随机调整大小,目前这方面已有大量的研究[8,9]。具体做法为:当种群趋于收敛时,减小Pc、增大Pm,即降低交叉的概率,提高变异的概率,以保持种群的多样性,避免“早熟”;当种群个体发散时,增大Pc、减小Pm,即提高交叉的概率,降低变异的概率,使种群趋于收敛,增加算法的收敛速度。
在多数情况下,种群中不同个体的适应度不尽相同,因此可以用适应度分布的离散程度来表征种群的“早熟”程度。种群在进化过程中发生“早熟”的主要表现是:种群内适应度暂时最大的一些个体相互重复或趋同,使得它们有较大的概率参与下一代的选择复制操作,且它们之间交叉后的子代也不会与父代有太大的变化,导致遗传算法寻优过程十分缓慢,降低搜索效率。因此,要正确判断一个种群是否会发生“早熟”主要看这个种群当前适应度最大的那些个体是否重复或相互趋同。“早熟”程度可以使用下面方法评价:
设第t代种群个体的平均适应度为t,t代种群中最优个体适应度为Ftmax,种群中个体适应度大于t的个体的平均适应度为tmax,那么可以用Ftmax与tmax之间的差值来评价种群的“早熟”程度:
D=Ftmax-tmax(10)
式(10)中,指标D用来表征种群的“早熟”程度。可以看出,当D增大时,种群趋于发散;D减小时,种群趋于相同。此方法只计算Ftmax与tmax的差值,不涉及适应度低于平均适应度的个体,从而避免了那些适应度较差个体对D的影响,更能反映种群中那些适应度较好的个体之间的趋同程度。
根据种群“早熟”程度的指标D,使得交叉概率Pc和变异概率Pm在进化过程中随着D的变化而改变,如下式所示:
Pc=1/\(11)
Pm=1-1/\(12)
式中:k1,k2>0。Pc取值范围在[0.5,1]之间,Pm的取值范围在[0,0.5]之间。在进化过程中,Pc,Pm根据D取值的不同而动态地自适应调整:当种群个体趋于离散(即D变大)时,Pc增大、Pm减小,种群开发优良个体能力增强;当种群个体趋于收敛(即D变小)时,Pc减小、Pm增大,种群产生新个体能力增强。
3 基于自适应遗传算法的FIR数字滤波器优化设计
3.1 编码
遗传算法中首先要完成的是对解的编码,由于文中的问题是一个非线性函数的优化问题,故采用实数编码技术。将染色体表示成如下向量:X=\,x(i)∈[0,1],i=0,1,2,…,N-1。其中:x(k)∈[0,1],k=0,1,…,(N-1)/2,可由如下映射关系得到:
x(k)=\/2(13)
式中:h(k)∈[-1,1],k=0,1,…,(N-1)/2,其余的h(i)可由式(3)求得。
3.2 适应度函数
FIR数字滤波器的优化设计目标是使式(8)的值最小,因此使用式(8)的倒数作为适应度函数,即:
f=1/E2(14)
3.3 选择算子
使用锦标赛选择法和精英保留法相结合的选择策略。锦标赛选择法在选择时先随机在群体中选择K个个体进行比较,适应度最好的个体将被选择作为生成下一代的父体,参数K称为竞赛规模。这种选择方式能使种群中适应度好的个体具有较大的“生存”机会。同时,由于它只使用适应度的相对值作为选择的标准,而与适应度的数值大小不成直接比例,从而避免了超级个体的影响,在一定程度上避免了过早收敛和停滞现象的发生。
精英保留法即当前种群中适应度最好的个体不参加遗传操作,直接复制到下一代,替换经交叉和变异操作产生的子种群中适应度最差的个体,其优点是在搜索过程中某一代的最优个体可不被遗传操作所破坏,这样可以保证遗传算法以概率收敛到最优解。经验证明,保留占种群总体2%～5%数量的个体,效果最为理想[10]。
3.4 交叉算子
交叉算子以概率Pc对两个父个体进行随机分割,然后再重新组合从而获得两个新个体。根据分割点的数量,可分为单点交叉或是多点交叉。其原理是每个父个体随机选择m个无重复的交叉点,在交叉点之间的变量间续地相互交换,产生两条新的子个体,完成交叉操作。本文采用两点交叉法,示意如图1 所示。
图1 两点交差法
3.5 变异算子
变异就是根据一定的概率Pm,将个体染色体上某一位置上的基因进行摄动,使其产生突变。设父个体向量x=(x1,x2,…,xk),则分量xi以概率Pm被选择作为变异,设对xi进行变异,则其后代为x′=(x1′,x2′,…,xk′),其中xi′以等概率取(1-r)xi或xi+(1-xi)r,r为[0,1]上的随机数。
3.6 实现步骤
(1) 根据不同的频段要求初始化αp。其中,权重系数αp的大小表达了设计FIR数字滤波器时,对与其对应的ωp附近频域内逼近误差的重视程度。在具体的设计中,αp是可以调整的,不同的αp取值将导致不同的设计结果。通常要求FIR数字滤波器应具有较好的阻带特性,而对过渡带没有严格的要求,因此可令:
αp=αp=1,ωp在通带
αt=0,ωp在过渡带
αs≥1,ωp在阻带
式中,αp为通带权重系数;αt为过渡权重系数;αs为阻带权重系数。
(2) 随机产生初始种群,在区间[-2,2]中产生一组随机数作为初始化种群,每个个体表示为染色体的基因编码。
(3) 计算A=∑P-1p=0αp。
(4) 计算个体的适应度,并判断是否符合优化准则。若符合,输出最佳个体及其代表的最优解,并结束计算;否则保留适应度最好的个体,执行(5)。
(5) 在种群中使用锦标赛选择法选择两条个体。
(6) 计算交叉概率Pc和变异概率Pm。
(7) 对选择个体进行交叉和变异操作,产生新的个体。
(8) 重复(5)~(7),直到新种群数量等于上一代种群数量,并返回(4)。
4 FIR数字滤波器仿真实例
设计一个阶次N为49,ωp=0.4π,ωs=0.5π,φ(ω)=18ω的低通实数FIR数字滤波器,设定αp=1,αt=0,αs=5,初始种群100,最大进化代数为300,最后选择出最优的结果如图2所示。
图2 FIR低通滤波器设计结果
5 结 语
针对遗传算法存在的“早熟”和收敛速度慢的缺陷,设计了评价进化过程中种群的“早熟度”的方法,使交叉和变异概率根据“早熟度”的变化而自适应调整,提高了遗传算法的收敛速度,并将其应用于FIR数字低通滤波器的优化设计,并进行了仿真实验,实验结果表明该算法能够设计出性能较好的数字滤波器。
参考文献
[1]JIN Weidong,Zhang Gexiang,Zhao Duo.Satisfactory Optimization Design of IIR Digital Filters\.Journal of Southwest Jiaotong University,2005,13(1):23-27.
[2]王小华,何怡刚,彭玉楼.神经网络在4型FIR高阶多通带滤波器的自适应优化设计研究[J].湖南大学学报,2004,31(20):66-69.
[3]殷瑞,万国龙.数字信号处理[M].北京:清华大学出版社,2007.
[4]Shaw A K.Optimal Design of Digital IIR Filters by Model_fitting Frequency Response Data\.1993IEEE Int.Symposium on Circuits and Systems\.1993.
[5]程佩青.数字信号处理教程[M].北京:清华大学出版社,1995.
[6]李敏强,寇纪淞.遗传算法的基本理论与应用[M].北京:科学出版社,2002.
[7]王小平,曹立明.遗传算法――理论、应用与软件实现[M].西安:西安交通大学出版社,2002.
[8]王成栋,张优云.基于实数编码的自适应伪并行遗传算法[J].西安交通大学学报,2003,37(7):707-710.
数字化传播技术范文5
（1）新媒体
新媒体是指利用电脑技术将媒体形式展现出来，主要以互联网媒体和数字媒体为主。新媒体是对传统的媒体方式的一种改革，其有着较为先进的传媒、方法、产业等观念，是时展的产物。新媒体技术涵盖了网络、电视、手机、卫星、通信等等，主要传播的是图片、视频、影响等资料信息。新媒体具有以下几个特点：第一，数字化。自新媒体出现以来，其与数字有着不可分割的关系，很多信息的传播都运用了数字形式，其将声音和影像进行了数据细致处理，也相继出现了很多产品，如U盘、影碟等等。第二，互动性。原有的媒体只能表面地向观众传达信息，而新媒体较为人性化，其通过甲将信息传递给乙，而后乙再将这种感受返回给甲，以此形成两者的互动。第三，效率高。新媒体能够将信息和数据快速地传达给观众，在第一时间与观众分享。例如，电视节目的直播，这使得观众观看和节目表演同步，是一种高效率的媒体。
（2）数字化
数字化是指将计算机技术应用到各个领域中。如今，数字化和新媒体技术紧密联系到一起，使得很多数字产品出现，如数字电视、数字广播、数字读物等等，其发展前景非常好，受到人们的欢迎和喜爱。例如，影视作品中的科幻题材，只有依附数字化技术才能将这种特效制造出来，让影视作品更加生动和形象地表达出想表达的意思；同时利用这种数字化技术能够将需要的场景进行模拟，较为逼真，符合人们的审美观点。
二、新媒体背景下数字化技术在影视艺术中的应用
（1）新媒体数字化技术在影视艺术创作中的应用
在创作方面，主要是指在以影视作品制作方面的应用。如今，新媒体技术逐渐展现出与传统的媒体不一样的特点。在进行剧本创作时，可以利用数字化技术进行写作，而不是用传统的手写方式。通过利用WPS这种写作软件提高了写作效率，同时还能够将写作内容进行完整的保存，避免了内容的被破坏等问题的出现。与此同时，利用MMS（剧本写作软件）能够设计以问答的形式进行创作，可以针对剧本的主人公、对话、故事情节等方面提问，并得到答案，以此为剧作者提供一些想法和思路。在财务方面，由于很多大作品其投资金额较高，因此具有较高的风险，利用数字化软件，能够对所有的影视制作成本和资金进行预算，并及时记录所有的花销和支出，将复杂的问题简单化，避免了人工计算和记录的误差，并提高了效率，保证了资金记录和预算质量，降低了风险。例如，WPS中的表格软件，能够对各种数据进行处理和记载，又如Producer其能够将财务信息进行统计和处理，使得影视制造过程中的所有财务数据清晰明了地展现出来。
（2）新媒体数字化技术在影视艺术传播中的应用
在传播方面，这种新媒体数字化技术能够将作品表达得更加具有生命力，让观众更准确和深入地领悟影视艺术的魅力和内涵。在音频和影视方面，数字信号有着更加强大的抗干扰能力，保证了音质和影视传播的质量，让音质和图像显示更加清晰，防止出现信号混乱的问题同时，数字化技术能够传播更多的影视信息，较传统的媒体技术相比，能够利用光纤进行信息的发送，增加了电视频道，将观众的喜好和口味细分，深受人们的喜爱。例如，湖南媒体，其有ETV湖南经视、ETV都市、湖南娱乐等等，每一个频道所传播的内容是不同的，这满足了不同观众群的需求。如今，很多数字化传播载体相继出现，如现在非常流行的DTV（数字电视），其对节目信号的所有接受和处理过程都是通过数字技术完成的，这种电视的分辨率较高，且信息传播效果好，人们可以通过数字电视观看不同的频道，还可以上网，为生活提供了便捷。
（3）新媒体数字化技术在影视艺术产业发展中的应用
影视艺术的创作和营销组成了影视艺术产业，其通过数字化技术得以更好地发展。随着信息时代的发展，新媒体数字技术逐渐应用到了各个领域中，并出现了“三网融合”的现象。其将广播、通信、互联网相互融合，推动了影视艺术产业的发展。这一现象减少了产业开支，丰富了影视形式，防止出现独自生产发展的问题，拓宽了信息传送渠道。据调查显示，如今，媒介广告收入比例较高，已经有一半左右的媒介广告收入比例超过了87%，而三网融合改变了这一现象，带动了新环节的收入成长。同时，很多影视媒体利用这种数字化技术进行营销，将其影视作品通过大荧幕、互联网等载体进行展示，带动了票房的迅速生长。例如，《人在囧途》等疯狂地在互联网上下载播放，提高了知名度，赢得了良好的收入。
四、结论
数字化传播技术范文6
《国家中长期教育改革与发展规划纲要（2010-2020年）》中明确强调，要推动信息技术与教育的深度融合、建立开放灵活的教育资源公共服务平台，重点就是要加强数字化学习资源建设，促进优质教育资源普及共享。随着农民教育培训、农业远程教育信息化不断提升，网络将成为开展农民教育培训的重要手段，数字化教育培训资源建设和传播共享将是非常关键的工作。由于农广校各级办学机构在数字化资源建设和共享方面缺乏统一的技术平台、沟通渠道和运行机制，资源难以整合和共享，特别是优质资源还不能及时畅通地送到基层，导致优质资源得不到有效利用，同时还存在着大量的重复建设。不仅造成经费、资源的浪费，也制约了教育培训质量的提高。因此，拓展数字化媒体资源传播途径，推进优质数字化资源共享，建设农广校数字化农民教育培训资源共享平台，为农民教育培训、农业远程教育提供数字化媒体资源支持，对于农广校的发展、农民教育培训远程公共服务平台的发展都具有重要的意义。
为了推进利用信息技术和网络开展农民教育培训，适应数字化需要，促进优质数字化资源共享普及，中央农广校开展了相应的研究和实践，并取得了一定进展。
1. 建设媒体资源库，推进媒体资源数字化
中央农广校对制作的视频节目全部进行了数字化处理，建设了100Tb存储容量的媒体资源库，实现音视频资源的数字化存储、管理和网络化调用，提升了资源科学存储管理的能力，为广播、电视、网络以及新媒体应用提供了数字化资源保障。
2. 建设“农广在线”网站，提高互联网网络资源服务能力
网站建有音视频点播和在线培训系统，大量中央农广校制作的农业实用技术音视频节目、网络大讲堂培训资源以及多媒体网络课件，供在线点播收听收看。网站数字化信息资源非常丰富，农技服务人员、农广校教师和学员可随时根据需要方便地进行学习、培训。网站已被农业部选定承担为农民办实事的任务，为农民免费提供网上音视频培训资源。
3. 开发移动多媒体资源库，加快向基层共享数字化资源
中央农广校组织开发了专门用于农民教育培训、农业技术推广的移动多媒体资源库，以解决基层教育培训资源不足的问题。移动多媒体资源库集媒体资源播放和存储功能为一体，配载中央农广校制作的文本、音频、视频和多媒体课件资源，可直接连接电视、投影仪等显示设备播放资源开展培训。基层能够自行收集存储培训资源，利用移动多媒体资源库播放；能够通过卫星网接收中央农广校新制作的培训资源，及时扩充、更新资源内容。不仅为基层提供了丰富的数字化教育培训资源，也为开展教育培训、技术推广提供了操作简单、移动方便的数字化工作终端。
通过这几方面的实践探索，利用农广校已建设的网络条件，初步形成以中央农广校数字化媒体资源库为中心，卫星网、互联网作为传输通道，联网计算机、卫星远端接收站、移动多媒体资源库为覆盖终端，实现向全国传播共享中央农广校数字化媒体资源的基础平台。今后卫星远端接收站可作为“信息资源加油站”，及时共享到中央农广校数字化教育培训资源，不断为移动多媒体资源库扩充资源。基层可发挥移动多媒体资源库的优势，更好地服务于农民教育培训、技术推广。
建设数字化农民教育培训资源共享平台，目的是要有效整合优化教育培训资源，利用现代信息技术推进优质数字化资源的共享，促进教育培训质量的提高，为农民教育培训、农业远程教育提供资源支持和服务。从实践和探索过程中看，数字化资源内容建设、资源共建共享机制、资源共享技术、资源整合优化等对平台建设和运行效果有着至关重要的作用和影响。在推进数字化资源共享平台建设过程中，还需要理清思路、统筹规划，在以下几个方面不断适应需求、不断探索完善。
1. 数字化资源建设
要加快建设国家级农民教育培训数字化资源中心，提升数字化媒体资源制作能力，加强网络学习资源的建设，发挥中央农广校的优势，有效整合多个方面、多种媒体的教育培训资源，建设农民教育培训数字化全媒体资源库，融合广播、电视、网络、新媒体移动终端等传播渠道，协调促进资源的共建共享与综合利用，为农业职业教育、农村实用人才培养和农业行业继续教育提供数字化资源支持和服务，为农民教育培训远程公共服务平台建设发展提供支持和服务。
2. 资源共建共享机制
要加快推进互联网资源共享系统、网络直播分中心、数字化资源分中心的建设，提高省校区域性资源建设和传播能力，统一平台实现农广校各级办学机构之间资源交流共享，共同建设、丰富数字化信息资源。加强农广校全体系各级校的沟通和协作，加强体系外资源合作和服务拓展，形成合力共同推进资源建设和共享，逐步建立有效的共建共享机制，形成资源建设和共享的良性循环。
3. 数字化资源建设和共享规范
加强对农民教育培训数字化资源标准化建设的研究，逐步建立数字化资源分类、属性元数据标注的规范，制定资源入库、编目规范以及资源整合、共享的规范等，保证数字化农民教育培训资源科学规范、可持续进行建设和共享。
