网格结构范文（精选10篇）
网格结构 第1篇
目前,实践证明空间网格结构杆件可以用钢材、铝材、木材、钢筋混凝土和塑料、玻璃钢等制成,极易做到规格化、标准化,实现建筑构件的工业化大批量生产,从而把力学的合理性与生产的经济性结合起来。然而,在这种所谓最为安全的结构大量应用时,也发生了不同性质、不同破坏程度、不同数量的事故,使国家财产和人民生命受到了不少损失。从国内的一些事故调查资料来看,由于施工技术选用不当,违反施工操作规程,施工管理措施松懈所造成的事故比例最大。因此,为保证空间网格结构的工程质量,降低施工危险系数,加强空间网格结构施工技术管理具有至关重要的现实意义。
1 空间网格结构施工中技术管理的作用
施工技术管理工作是项目完成施工生产任务,提供优质产品,实现质量管理目标管理体系的重要组成部分,也就是确保具体工程项目的施工方法、工艺标准、机具设备、材料及相应的人力资源等的正确应用,有效结合的过程。
由于网格结构一般跨度较大,而且多为公用建筑、重要建筑,下面人员较多,设备贵重,网架挂在头顶上,人命关天。对空间网格结构施工技术的把握不仅关系到业主的利益,也涉及到网架安装企业的信誉。
通过具体施工发现,计划和有序地对空间网格结构施工进行技术管理,可以保证施工过程遵循技术规律,尊重科学,有利于结合空间网格工程特点和实际施工条件,选用先进合理适用的技术工种和施工方法,从根本上保证空间网格工程施工质量;有利于用新技术、新工艺方法对技术管理和作业人员进行教育培养,不断提高技术管理素质和技术能力;有利于空间网格结构的施工方案优化和施工资源的合理配置,提高施工效率,最终提高项目的经济效益。
总之,施工技术管理是施工企业技术管理活动在现场的延伸和具体化,对于施工特点突出的空间网格结构而言,恰当的技术管理对建立正常的技术工作秩序,严格技术工作程序和责任制,对于保证空间网格工程的施工质量和安全,提高施工效率,降低工程成本,增加经济效益都具有举足轻重的作用。
2 空间网格结构的施工技术管理措施
首先,了解空间网格结构的施工特点和技术特点是合理确定技术管理方案的前提条件。就施工特点而言,网格结构和混凝土结构有很大不同,在总结各种资料和实践经验的基础上,其主要区别如下:
1)空间网格结构对测量定位放线要求更严格,这已经成为空间网格结构施工安装中一个重要问题。
2)空间网格结构的施工安装过程中对天气、温度等条件更敏感。
3)空间网架(壳)安装对机械设备要求较高,因此,在运输、堆放、起吊、就位及安装过程中,要按事先模拟设计的条件进行。
4)空间网格结构的防腐防火要求更高。所以空间网格结构要加强防腐、防火,并定期维护,因而提高了维护费用。
此外,空间网格结构构配件数量大、规格多,现场必须设置临时堆放场地及相应的中转场地,杆件堆放要防止出现变形,堆放时要适当分类,以便施工安装。
因此,应根据网架(壳)受力和构造特点(如结构造型、网架刚度、外形特征、支承形式、支座构造等),在满足质量、安全、进度和经济效果要求下,结合当地的施工技术条件和机械设备资源等因素,因地制宜综合确定。常用的施工安装方法如表1所示。
在空间网格结构项目施工中,一方面要建立健全施工技术管理组织体系,选择合适的技术管理人员;另一方面要通过各种方式充分调动技术管理人员的积极性,使他们在工作中积极降低成本,运用空间网格的优势,为提高项目的经济效益开拓新途径。
具体而言,针对空间网格结构的施工特殊性,在进行合理的空间网格结构技术标准和技术规程的制定和选择的基础上,应建立健全空间网格工程的施工技术原始记录和技术档案管理,在实际操作中,应力求没有计量失误。同时,应重视空间网格结构技术发展的最新动态,推广使用科学技术的先进成果。
此外,对空间网格结构的技术要素和技术活动过程进行计划、组织、监督、控制等全过程、全方位的管理施工现场技术管理制度也十分必要。现在许多施工企业都采取以下几种管理制度,以保障空间网格结构的施工特殊性,并取得了很好的实际效果。
1)图纸学习审查和管理制度。
图纸审查必须提前完成,包括学习、初审、会审及综合会审四个阶段,做到施工前完成外审,留有施工准备工作时间。做到文件合法,符合规程和标准要求:构造合理方便施工;与土建专业无矛盾;材料、设备、工艺要求、质量标准明确;坐标无差错,由内审负责人完成会审记录,由技术负责人完成三方签证工作,并使每一位有关人员持有效文件并记录,各专业的记录互相会签备案。
2)工程洽商,设计变更管理制度。
在工程施工之前或施工中,由于设计的原因或业主的需要及现场条件的变化等,都将导致施工图的变更设计,这不仅关系到施工依据的变化,而且涉及到工程量增减的变化,因此必须按规定程序处理变更问题。对于空间网格结构的特殊性,应做到工程洽商,设计变更涉及到的内容,变更所在图纸编号,节点号清楚、内容详尽、图文结合;尺寸、计量单位、技术要求明确,符合规程、规范要求。
3)计量、测量工作管理制度。
测量工作是网格结构施工中一项关键的技术工作。管理制度要明确职责范围,仪表、器具使用、运输、保管有明确要求,建立台账定期检测,确保所有仪器精度、检测周期和使用状态符合要求。记录和成果符合规定,确保成果、记录、台账、设备安全、有效、完整。
4)工艺管理和技术交底制度。
技术交底制度必须健全,目的是让所有参加空间网格结构的施工人员在正式施工之前(或某一重要环节)对空间网格结构的设计情况、建筑特点、技术要求、操作注意事项有较详细的了解,以便科学施工。交底应有文字记录,交底人和接受交底人均应签字确认,做到技术要求符合图纸、设计要求;总体安排符合施工项目实施规划,工艺要求符合规范、规程、工艺标准,不发生指导性错误,过程有控制,工艺有改进,资料完整有可追溯性。
5)隐预检工作管理制度。
隐预检实行统一领导,分专业管理。各专业应明确责任人,管理制度要明确隐预检的项目和工作程序,参加的人员按施工项目实施规划所划分的施工段进行检查,对遗留问题的处理要有专人负责。
3 结语
要控制好空间网格结构的施工质量,降低施工事故的发生率,必须从施工技术管理抓起。因此,应从我国空间网格结构施工的实际情况出发,建立相应的施工技术管理制度,提高空间网格结构的施工质量,最终推进空间网格结构更好、更广的应用。
摘要：简单介绍了加强空间网格结构施工技术管理的必要性,阐述了空间网格结构施工中技术管理的作用,并提出了空间网格结构的施工技术管理措施,以提高空间网格结构的施工质量。
关键词：空间网格结构,施工技术管理,管理制度
参考文献
[1]尹善维.空间网格结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.
[2]严慧.空间网架结构[M].贵阳:贵州人民出版社,2006.
[3]赵红花.网架质量事故实例及原因分析[J].建筑结构学报,2004(9):21-22.
空间网格结构的施工技术管理论文 第2篇
一、引言
随着社会发展与人民生活水平的提高，人们从事社会活动和生产，需要建造大跨度的会堂、展览厅、体育馆、飞机库等大空间建筑，而解决大跨度建筑结构最具有竞争性的结构即是空间结构。空间结构可分为以下几种类型：薄壳结构、网格结构、悬索结构、折板结构、膜结构以及由上述某二种或几种组成的组合结构。其中网格结构是半世纪以来，国内外发展最快、应用最广的一种形式。空间网格结构①是由于标准化而出现建筑构件工厂和工业化生产体系后发展起来的大型结构，它是采用离散的线状构件，通过特定的节点，按照某种有规律的几何图形，组成的三维连续体结构体系。
目前，实践证明空间网格结构杆件可以用钢材、铝材、木材、钢筋混凝土和塑料、玻璃钢等制成，极易做到规格化、标准化，实现建筑构件的工业化大批量生产，从而把力学的合理性与生产的经济性结合起来。然而，在这种所谓最为安全的结构大量应用时，也发生了不同性质，不同破坏程度，不同数量的事故，使国家财产和人民生命受到了不少损失。从国内的一些事故调查资料来看，由于施工技术选用不当，违反施工操作规程，施工管理措施松懈所造成的事故比例最高。因此，为保证空间网格结构的工程质量，降低施工危险系数，加强空间网格结构施工技术管理具有至关重要的现实意义。
二、空间网格结构施工中技术管理的作用
施工技术管理工作②是项目完成施工生产任务，提供优质产品，实现质量管理目标管理体系的重要组成部分，也就是确保具体工程项目的施工方法、工艺标准、机具设备、材料及相应的人力资源等的正确应用，有效结合的过程。
由于网格结构一般跨度较大，而且多为公用建筑、重要建筑，下面人员较多，设备贵重，网架挂在头顶上，人命关天。对空间网格结构施工技术的把握不仅关系到业主的利益，也涉及到网架安装企业的信誉。
通过具体施工中发现，计划和有序地对空间网格结构施工进行技术管理，可以保证施工过程遵循技术规律，尊重科学，有利于结合空间网格工程特点和实际施工条件，选用先进合理适用的技术工种和施工方法，从根本上保证空间网格工程施工质量；有利于用新技术、新工艺方法对技术管理和作业人员进行教育培养，不断提高技术管理素质和技术能力；有利于空间网格结构的施工方案优化和施工资源的合理配置，提高施工效率，最终提高项目的经济效益。
总之，施工技术管理是施工企业技术管理活动在现场的延伸和具体化，对于施工特点突出的空间网格结构而言，恰当地技术管理对建立正常的技术工作秩序，严格技术工作程序和责任制，对于保证空间网格工程的施工质量和安全，提高施工效率，降低工程成本，增加经济效益都具有举足轻重的作用。
三、空间网格结构的施工技术管理措施
首先，了解空间网格结构的施工特点和技术特点是合理确定技术管理方案的前提条件。就施工特点而言，网格结构和混凝土结构有很大不同，作者在总结各种资料和实践经验的基础上，其主要区别如下：
1、空间网格结构对测量定位放线要求更严格，这已经成为空间网格结构施工安装中一个重要问题。
2、空间网格结构的施工安装过程中对天气、温度等条件更敏感。
3、空间网架(壳)安装对机械设备要求较高，因此，在运输、堆放、起吊、就位及安装过程中，要按事先模拟设计的条件进行。
4)空间网格结构的防腐防火要求更高。所以空间网格结构要加强防腐、防火，并定期维护，因而提高了维护费用。
此外，空间网格结构构配件数量、规格多，现场必须设置临时堆放场地及相应的中转场地，杆件堆放要防止出现变形，堆放时要适当分类，以便施工安装。
因此，应根据网架(壳)受力和构造特点(如结构造型，网架刚度，外形特征，支承形式，支座构造等)，在满足质量、安全、进度和经济效果要求下，结合当地的施工技术条件和机械设备资源等因素，因地制宜综合确定。其次，在空间网格结构项目施工中，一方面要建立健全施工技术管理组织体系，选择合适的技术管理人员，另一方面要通过各种方式充分调动技术管理人员的积极性，使他们在工作中积极降低成本，运用空间网格的优势，为提高项目的经济效益开拓新途径。
具体而言，针对空间网格结构的施工特殊性，在进行合理的空间网格结构技术标准和技术规程的制定和选择的基础上，应建立健全空间网格工程的施工技术原始纪录和技术档案管理，在实际操作中，应力求没有计量失误。同时，应重视空间网格结构技术发展的最新动态，推广使用科学技术的先进成果。
此外，对空间网格结构的技术要素和技术活动过程进行计划、组织、监督、控制等全过程、全方位的管理的施工现场技术管理制度，也十分必要。现在许多施工企业都采取以下几种管理制度，以保障空间网格结构的施工特殊性，并取得了很好的实际效果：
1、图纸学习审查和管理制度。图纸审查必须提前完成，包括学习初审，会审及综合会审四个阶段，做到施工前完成外审，留有施工准备工作时间。做到文件合法，符合规程和标准要求：构造合理方便施工；与土建专业无矛盾；材料、设备、工艺要求，质量标准明确；坐标无差错，由内审负责人完成会审记录，由技术负责人完成三方签证工作，并使每一位有关人员持有效文件并记录，各专业的记录互相会签备案。
2、工程洽商，设计变更管理制度。在工程施工之前或施工中，由于设计的原因或业主的需要及现场条件的变化等，都将导致施工图的变更设计，这不仅关系到施工依据的变化，而且涉及到工程量增减的变化，因此必按规定程序处理变更问题。对于空间网格结构的特殊性，应做到工程洽商，设计变更涉及到的内容，变更所在图纸编号，节点号清楚、内容详尽、图文结合；尺寸、计量单位、技术要求明确，符合规程、规范精神。
3、计量、测量工作管理制度。测量工作是网格结构施工中一项关键的技术工作。管理制度要明确职责范围，仪表、器具使用、运输、保管有明确要求，建立台帐定期检测，确保所有仪器精度，检测周期和使用状态符合要求。记录和成果符合规定，确保成果，记录、台帐、设备安全、有效、完整。
4、工艺管理和技术交底制度。技术交底制度必须健全，目的是让所有参加空间网格结构的施工人员在正式施工之前(或某一重要环节)对空间网格结构从设计情况，建筑特点，技术要求，操作注意事项有较详细的了解，以便科学施工。交底应有文字记录，交底人和接受交底人均应签字确认，做到技术要求符合图纸、设计要求；总体安排符合施工项目实施规划，工艺要求符合规范、规程、工艺标准，不发生指导性错误，过程有控制，工艺有改进，资料完整有可追溯性。
5、隐预检工作管理制度。隐预检实行统一领导，分专业管理。各专业应明确责任人，管理制度要明确隐预检的项目和工作程序，参加的人员按施工项目实施规划所划分的施工段进行检查，对遗留问题的处理要有专人负责。
显然，要控制好空间网格结构的施工质量，降低施工事故的发生率，必须从施工技术管理抓起。因此，应从我国空间网格结构施工的实际情况出发，建立相应的施工技术管理制度，提高空间网格结构的施工质量，最终推进空间网格结构更好、更广的应用。
参考文献：
[1]尹善维，《空间网格结构设计》[M]，中国建筑工业出版社，2005年。
[2]严慧，《空间网架结构》[M]，贵州人民出版社，2006年。
[3]赵红花，《网架质量事故实例及原因分析》[J]，建筑结构学报，2004年9月。
[4]中国建筑科学研究院、浙江大学主编，《网架结构设计与施工规程》(JGJ7-91)，中国建筑工业出版社，1991年。
[5] S, Makowski，Analysis, Design and Construction of Double Layer Grids，Applied Science Publishers Ltd，London，2005。
① Escrig F，Two Way Deployable Spherical Grids，International Journal of Space structures，2006，p257-274。
② 王谦，《施工技术管理》[J]，建筑科学，2005年3月，第37页。
网格结构 第3篇
关键词：交通工程;网格技术;分布式系统;Web服务
0 引言
我国高速公路的现代化管理水平近年来逐步提高，但还有待于进一步完善。目前，高速公路管理与控制的主要任务就是要科学建立管理流程，细化管理对象，建立主动发现问题的网络机制，并依托现代数字化、信息化技术手段，结合最先进的计算机技术、软件工程、互联网通讯技术、中间技术等的发展，逐渐发展为高度网络化、自主化、自动化与集成化的分布型复合软硬件程序。从集中到分散、加速管控中心信息与通讯技术的发展，提升程序运行的成效。中国对ICT技术的开发和运用，对ICT技术的实行与培训已经和全球接轨。可是从本质层面而言，目前以中间件技术为核心的主流分布型管控中心机制无法完全满足规范、自由的广域信息平台技术的需求。
要真正实现高速公路的管理和实时调度控制，一定要迅速找到高速公路的管控方式、即时调整管控措施。可是此过程具有下述困难，导致现实情况下高速公路无法真正意义上实现智能管理和实时调度，而只能在小范围、小规模化地进行静态或“准”动态控制。困难重点表现在：①自动化高速公路系统包含诸多子系统，每个子系统构成体现出分布式特点，运行体现出动态性特点;②智能高速公路控制问题属于核算密度问题，难以即时求解;③智能高速公路的运行信息和管控信息都体现出数量多的特点;④智能高速公路的管控手段和举措的运用方面和服务对象体现出差异性。因此，建立一个可以全方位互享资源、具有优良的核算水平的工作平台，且以此为基础达成通道管控举措与战略的迅速求解是十分有必要的。
网格（Grid）能够达成在诸多虚拟组织间实施众多动态信息的分布型储存与优化、信息资源的迅速传输与互操作和高水平的核算等性能。因此，基于网格技术构建高速公路控制中心，可为分布性程序异构资源的互享、高水平核算提供一个很好的平台，进而实现快速求解协同控制问题，真正实现高速公路的有效管理与控制。基于网格技术建立的平台具有的优势表现在4个层面：①分层结构的分布型运用服务，实现异构资源共享;②软件工程提供多种方便并可扩展的应用软件;③网格计算与标准化Web服务体系实现信息和通信技术;④网格所提供的分布式数据采集和处理方法，使信息计算和处理速度大幅提高。
1 网格技术在高速公路控制中心应用的适应性
1.1 面向服务的构架（SOA）
面向服务的构架其实质是一个组件模型，其把应用软件的各个功能板块利用此些服务之间定义优良的接口与协议关联在一起。接口运用单独于达成服务的硬件平台、程序编写语言、操作系统的中立方式进行定义，实现了构建于不同系统中的服务可以使用统一和通用的方式进行交互。服务提供方是一个能够利用互联网找到其地址的不同实体，利用把接口提供给注册中心实现服务。注册中心根据查询要求将相应的服务提供者信息通知使用者。此种带有中立的接口定义的特点叫做服务间的松耦合，其优势体现在两个方面：其一是较强的灵活性;其二是当构成应用软件的特殊服务的内部架构出现变化的时候，接口可以继续存在。
面向服务构架的概念并非什么新东西，很多标准分布式系统已大量采用了SOA技术。不同于现有的分布式技术之处在于SOA能够在最新的和现有的应用之上创建应用。SOA有更多的标准，为使用者的现有资产或投资带来了更好的重用性，能够使客户或服务消费者免于服务实现的改变所带来的影响。企业通过SOA经互联网服务器直接发布信息，突破了公司内部网络的制约，让其和合作单位直接构建全新的通道，节省了构建新伙伴的费用;SOA提供了更好的灵活性来构建应用程序和业务流程，它与平台无关，减少了实现业务应用的限制，将企业的业务整合到大数据系统中几乎没有什么技术限制。
1.2 网格计算与网格服务
网格技术一直是计算领域的“乌托邦”，在科技应用上虽有巨大前景，但海量计算问题这一最大的缺陷限制了其商业推广。将来高速公路的管控中心，网络动态剖析与管控所需要的核算数量远远高出目前的真正配置，需要更自动化的分布型运用的核算。因而可知，未来高速公路的控制中心首先要解决的就是海量计算问题。
基于分布式高水平计算叫做超级计算，由诸多按照一定规律分布的处理器组成。可是其成本较多，仅有有特别应用的极少数组织才可以配置。分布型应用中海油一种是集群计算，以大类型、性能优良电脑为基础的并行应用，成本较低，在多种场合应用于复杂计算。
网格计算也是一种分布式计算方法，但与上文提及的集群计算有所差异。其表示一种灵活并且能够延展的机制结构，利用此架构目的是把诸多结构不同的、分散的互联网中的各类资源构成一个大规模分布型虚拟电脑，运用这台虚拟计算机完成一些需要非常巨大的计算能力才能解决的问题，由于该台虚拟微机信息、内部资源与应用利用规范的接口无缝连接，对客户是公开的。此种结构经过在个体、单位与资源间达成安全、协同的资源互享，来建立虚拟化的组织。
网格运算是分布型计算的一种表现方式，包含组织及软硬件，以提供没有限度的性能，让接入互联网的所有顾客均能够进行协作与浏览信息，云计算便是互联网计算技术的一次飞跃。这种网格计算技术融入了SOA中服务的内容，可是其进一步把软件服务一般化为资源，所以互联网环境中的全部资源均以服务的方式体现。网格运算利用多种资源、应用动态构成形式提供服务。本文所说的服务便是网格服务，该种服务中最主要的任务就是完成网格计算。
1.3 网格服务与Web服务的有效结合
Web服务首先使我们拥有了一种通用的在不同机器之间交换信息的工具。Web服务构建在XML标准上，所以不存在多台电脑间实施信息交换时存在的诸多问题：譬如较易研发且能够延展到多种不一样的环境中;无需担忧处理器字节中的顺序，也无需把传输的数据更改为中性格式，这是由于Web 服务的标准已做好了这一切。
网格服务与Web服务的主要区别是，Web是对HTML文件的一种访问方法，而网格是对计算机重要资源的一种柔性的、高性能的访问。但二者都需要发送处置请求、分发工作和搜集结果。所以将网格服务和Web服务相融合是最佳状态，能够发挥他们各自具有的优点。Web 服务程序的显著优势是其依托于HTTP 协议，较易把Web 服务集成到已经有的防火墙、HTTP 平台和别的程序中。由于大部分电脑已运行了HTTP 服务，所以能够用现有的技术与安全软件来支持网格程序，而无需对网格加以改变，不会给网格程序中的设施带来阻碍。可融合并非简单的叠加，需要在网格和Web的基本原理之上，采用新的技术来支持网格使用与开发环境。
网格服务与Web服务的有效结合，给企业提供了进行网格计算的强大工具。Sun发布了针对网格服务与Web服务的有效结合的软件平台，即技术计算门户。Planet Portal、Grid Engine和Sun ONE构成了技术计算门户的解决方案。这一解决方案为用户提供了在网格环境下的密集计算方法，在Sun ONE环境下进行数据存储，以及通过Web的图形用户界面来访问这些数据的能力。
2 未来高速公路控制中心概念模型设计
2.1 概念模型
高速公司包含的业务类别多、站点不集中、对即时性有很高要求、能够快速扩展，为真正实现交通管控和即时协同管控，一定要快速处理交通数据与迅速求解管控模型，并建立易于扩展的系统运行模块和进行商务应用。本文基于开放式网格服务体系架构（OGSA）建立高速公路管理与控制网格，实现交通信息的分布式处置与管控模型的分布型求解。在此网格中，各种运算资源、终端设施、互联网资源、软件资源等均以服务的方式利用信息交互达成互享与协同，最后实现一个分等级、面对服务对象的高速公路管理与控制网格体系。图1表达了这种体系结构。
图1 高速公路管理与控制网格体系结构
图1中所示面向服务对象的高速公路管理与控制网格体系可以分成5个部分：
①应用服务层。直接面向用户服务的各类交通服务;
②领域服务层。提供面向交通部门的共性服务，如交通流量检测与控制、事故解决、繁杂问题求解等;
③基础服务层。提供建立网格的相关软件、硬件服务;
④资源服务层。提供网格系统所需的各种数据源，控制对象接口等;
⑤交通服务信息综合服务。实现网格系统中各个级别的服务与资源配备所需要的浏览协议和管理。
2.2 网格结构与应用
未来高速公路控制中心的网格机制架构应当是内部分布着电脑与各种嵌入型智能系统（譬如不停车费用收取系统、收费系统、监控系统、测速系统、称重系统等），它们通过采用标准接口的通信网络联接为一体。各类有关交通信息、交通管理和运用与交通信息处置过程分散在程序的多个部分，运用部分的亦或整体的程序协同工作。此是代表性的分布型程序，程序中的设施或者信息的真正位置对客户是公开的。
将来高速公路管控中心的网格体系结构的网格服务有2种典型架构：一种是请求结构，一种是分发结构。在分发与代理的一端重点运用Web服务，客户机从网格代理那里请求工作，也就是说，点单元被分布到网格中的客户机上，这是请求架构的典型应用实例。请求架构是Web服务的最简系统，这种系统也便是传统的分布式网络服务：客户机从网络服务器请求工作，并将完成的工作结果回送到网络服务器。客户机只要求具有Web服务与Web服务器性能，能够单机装设实现，也能够装设在代理服务器上达成此性能。请求结构的典型请求过程如图2所示。
分发结构和网格服务模型完全不同，顾客机的工作从服务器向顾客机配置。此种结构虽然与传统的架构不同，但在某些状况下，由于特殊的工作需要配置到特殊的实施单元，且需要对实施过程和实施结果加以验证与监测，那么此种分发结构便是非常实用的方式。分发结构下，由服务器负责管控与配置网格中的一些具有特殊功能的特定单元，以便以完成特殊的任务。此外，分发结构对于部署一些有较高即时性要求的工作也是一种不错的方式，这是由于服务器能够依据掌控的资源信息将这些工作安排给网络内机器的负载较轻且实时性较强的机器上。分发结构的达成问题具有很大困难，此种模型中由服务器当做Web服务的用户机，而客户机则需要运行Web服务系统，正好与请求架构的运行方向相反。这时，“用户机”作为网格提供者必需支持Web服务的服务器接口，而“服务器”变为网格提供者的Web服务用户机。图3便是此种模型的运行状况。
将来高速公路控制中心的网格体系结构应具有可扩展的信息搜集与运用、Web服务与网格运算等特点。在该服务环境中，每一个服务板块均表现为服务。第一，将来高速公路管控中心具有达成整个程序全部需要的信息搜集服务性能，信息搜集服务实现带时间标志的信息搜集、验证与规范化，并向全系统共享这些数据信息。第二，控制中心需要对采集到的数据进行预处理和分类，按标准数据库格式保存数据或直接提供给高等级的即时应用。此性能体现为应用服务，体现在实际的运用实例为收费管理或监控控制系统被细分为多个基本模块，包括基本收费管理、事故报警、电话、车流量检测与控制、情报发布等。依据控制方略和控制目标的差异性，应用服务还能够依照差异的“粒度”加以分解。网格运用Intranet/Internet结构，各个级别的管控单位组成其子网，各个级别的管控单位运用相对弱连接，网格中电脑与通讯资源利用规范的资源服务加以配置与管控。
当将来的高速公路控制中心的网格体系结构建立完成后，每一个使用者和对管理业务实施设计的技术者只需要将精力放到应用服务与信息管控方面，而不用关注业务达成的详细过程和细节，因为这些对使用者及技术人员来说均是透明的。网格环境下，网格平台建设和网格应用服务是软件提供商要完成的工作，包括软件编写、维护及安全运行一系列工作;网络通信交由ICT专家来完成;服务消费者仅仅是服务集成者，只需要高效的提供信息、基础数据和控制方法。明确的职责划分有利于新技术的提升和运用。
总而言之，以网格服务为依托的将来高速公路控制中心体现出下述特点：以面向服务为核心的结构（SOA）;便捷的、容易扩展的应用服务;迅速、有效的分布型信息搜集与处置服务;计算结果实现动态共享;标准的网格服务架构;ICT资源应用和管理。
3 系统实施
大规模网络技术的建立与实施除了需考虑系统建设的成本外，如何充分利用现有的资源，并在建设与实施的过程中不影响现有的网络运行，也是一个值得探讨和研究的课题。根据现有网络的发展经验，基于网格技术的网络建设与实施应符合以下几个方面的要求：
①根据未来高速公路控制中心的网格体系结构的具体要求，确定系统需求信息，例如网格规模等;
②根据需求信息确定硬件设施的建设。通过成本比较选择新建网格硬件或在已有的网络（如SPDnet）基础上进行硬件扩展;软件应选择相对成熟的商业用网格平台;
③打造一批有高速公路运行管理与控制和网格专业背景的开发团队作为技术支撑;
④首先建造基础的测试系统，然后逐步进行完善;
⑤由于网格系统的分布性，相应的多站点的信任管理及安全管理机制应同步建设;
⑥建立完善的用户培训体系;
⑦网格系统的运行维护及扩展更新技术应充足。
4 结论
网格是未来分布式网络交互、协作和计算平台的美好前景。很多行业都已经引入网格技术来解决实际问题，并取得了良好的效果。未来高速公路关系着我国经济发展和人民生活的大局，其控制中心的建设也应紧跟时代的发展，勇于开拓创新，为实现一个分散、集成、灵活和开放的分布式控制中心积累经验。
未来高速公路控制中心以实时数据为基础， 旨在保证与高速公路有关的各种分散系统运行的经济安全运行和市场运营效率。致力于高速公路发展的技术人员们正在不断的引入新的ICT技术用于建设新的高速公路控制中心。而本文所提出的基于网格技术的未来高速公路控制中心的概念设计，就是说明网格服务体系将是未来高速公路控制中心的发展方向，也应该是高速公路发展的技术人员研究的方向。
当然，任何技术的发展都一定会有相应的挑战。一方面，网格可以快速确定并应用加入到网格中任何一台计算机资源。但另外一方面，网格应该不会因为一个低速或者落伍的系统而降低整体速度，也就是说在对资源进行应用时应避开“最短板”问题。然而，资源的分散及信息的分布式处理，我们有理由担心这些数据该如何分享、分割、过滤、移动，从而提高数据的安全性能和管理效率。而那些有意将自己系统并入网格的人是最想知道是谁在调用资源，何时调用资源的。
从技术的发展来看，本文所提出的未来高速公路控制中心的架构有利于适应我国大规模、互联全国的高速公路系统。应用网格技术以及其他ICT来提高高速公路控制与管理的安全经济运行水平具有重要的现实价值。
参考文献：
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OGSA开放网格服务体系结构研究 第4篇
关键词：OGSA,网格体系结构,Web服务,网格服务
0 引言
“网格”是一个新出现的概念,代表了一种先进的技术和基础设施,是继Internet之后又一次重大的科技进步。它将高速互联网、高性能计算机、大型数据库、传感器、远程设备等融为一体,为人们提供更多的资源、功能和交互性。对于网格的定义目前还没有一个普遍接受的定义。运用比较广泛的一个网格的定义是2002 年7 月,Ian Foster 在《Grid Today》— Global Grid周报上发表的《什么是网格?判断是否为网格的三个标准》一文中从3个方面更清晰地定义了网格,他认为网格是一个满足如下3个条件的系统:
(1) 在非集中控制的环境中协同使用资源。
(2) 使用标准的、开放的、通用的协议和接口。
(3) 提供非凡的服务质量。
1 网格的体系结构
网格体系结构是网格的骨架和灵魂,是网格最核心的技术, 它包括对网格基本组成部分及各部分功能的定义和描述,还包括网格各部分相互关系与集成方法的规定等等。只有建立合理的网格体系结构,才能够设计和建造好网格,才能够使网格有效地发挥作用。到目前为止,比较重要的网格体系结构有二个。一个是Forster等在早些时候提出的“五层沙漏结构”;另一个是在以IBM为代表的工业界的影响下,在考虑到web技术的发展与影响后,Foster等结合web services提出的开放网格体系结构OGSA (Open Grid Services Architecture)。
“五层沙漏结构”是以“协议”为中心的,而OGSA最突出的思想则是以“服务”为中心。在OGSA框架中,一切都抽象为服务,包括计算机、程序、数据、仪器设备等,这样便有利于通过统一的标准接口来管理和使用网格中的资源。
2 OGSA架构
如图1所示,OGSA架构由四个主要的层构成,从下到上依次为:
(1) 资源层——物理资源和逻辑资源。
(2) Web服务层——Web服务,以及定义网格服务的OGSI扩展。
(3) 基于OGSA架构的服务层。
(4) 网格应用程序层。
2.1 资源层
资源层是OGSA以及网格计算的中心部分,也是整个网格体系结构的最底层。在这层中又可细分为两个部分:下层——物理资源,包括了构成网格能力的服务器、存储器和网络这几大部分。上层——逻辑资源,它是在物理资源之上构建起来的,通过虚拟化来聚合物理层的资源从而提供额外的功能。通过通用的中间件,比如安全管理、数据库管理、目录和工作流管理、文件系统等,在物理网格之上提供这些抽象服务。
2.2 Web服务层
在OGSA中,所有网格资源都被建模为服务。在这一层中,OGSA在原来Web Service服务技术的基础上,利用诸如XML与Web服务描述语言这样的Web服务机制,进一步扩展了Web服务并规范定义建立了网格服务。
在OGSA中为了将Web服务和网格服务层有机的结合起来,在Web服务层中对核心Web Service进行了扩展,形成了OGSI开放网格服务基础设施。OGSI中引入了网格服务的交互模型,提供了发现、生命周期、状态管理、服务组、事件通知等接口和约定,从而在网格中实现了瞬间服务与状态管理。网格服务引入的主要接口如表1所示,其中只有GridService接口是必需的,而其它的接口都是可选的。
2.3 基于OGSA架构的网格服务层
网格服务层建立在Web服务层及OGSI扩展的基础设施之上,主要包括网格核心服务、网格程序执行服务、网格数据服务。
2.3.1 网格核心服务及其功能
网格核心服务由四种主要的服务类型组成:
(1) 服务管理。提供相关功能来管理分布式网格中部署的服务,包括服务的注册、发现、绑定分离等。
(2) 服务通信。包括了支持不同网格服务间通信基本方法的功能,它们支持多种通信模型,这些模型能够允许进行有效的服务间通信。
(3) 策略服务。提供一个用于创建、执行和管理系统操作策略和协议的一般框架。
(4) 安全服务。运用一种使得不同操作系统能够安全地互操作的方式来支持、集成和统一流行的安全模型、机制、协议和技术。
2.3.2 其它的网格服务
(1) 网格程序执行服务。虽然OGSI和网格核心服务一般适用于任何分布式计算系统,但是网格程序执行类别是支持高性能计算、并行计算和分布式协作的分布式任务执行网格模型所特有的。被实现为这类服务的一部分的作业调度和工作负载管理原则,是网格计算和虚拟化处理资源的能力的中心。
(2) 网格数据服务。它是对程序执行服务所规定的计算虚拟化约定的补充。支持数据虚拟化的概念,并提供与多种类型的信息的分布式访问相关的机制。用于联合多个相异的分布式数据源的方法可能还提供存储在不同模式下的数据的集成。
2.4 网格应用程序层
网格应用程序层是开放网格体系结构的最高层,它在下层为其提供的基本网格服务的基础上,引入新的应用服务扩充到网格系统中,形成一个或多个基于网格架构的服务的新网格应用程序,使得网格应用范围不断的扩大。
3 OGSA与Web服务之间的关系
OGSA是一个面向服务的网格体系结构,是一种特殊的Web服务,它把网格计算和Web服务相结合。所以OGSA和Web服务即有相同之处又有不同之处。
相同点:它们都是面向服务的体系结构,所以都符合SOA的构架模型。另外,OGSA和Web服务同样使用简单对象访问协议SOAP在服务提供者与服务使用者之间进行协议及消息的传递;通过WSDL协议定义服务的接口;使用UDDI协议进行注册和查找。
不同点:OGSA是一种特殊的Web服务,虽然其大部分标准还是建立在现有的Web服务标准之上,但是它提供了更完善的接口定义,既具备了原有的Web服务的所有有利因素,又对其进行了扩充,使得Web服务更安全、更可靠、可扩展而且性能更高。
(1) OGSA与Web服务最大的不同之处就在于网格服务支持临时服务,即OGSA具有动态特性。在Web服务中主要是固定的服务,服务建立起来后就一直存在,直到服务中止。但在网格环境中,由于存在诸多的不确定性,所以要求对临时服务提供较好的支持。为了解决这一问题,OGSA引入了软状态这一概念,网格服务通过维护一个内部状态来进行服务生命周期的管理,同时网格内部可能出现一个服务拥有多个实例,从而可以通过这个状态来标识同一服务的不同实例。
(2) OGSA的适用范围比Web服务更为广泛。网格把物理上分散,通过网络连接在一起的服务器、存储设备等软硬件组成虚拟的组织,解决资源共享和协同问题,把更多的资源有机的结合在了一起形成了一个与硬件环境无关的虚拟计算机,而Web服务只是构架在虚拟计算机平台上的,与平台/语言无关的应用交互集成平台。
4 小结
网格计算是信息技术的第三次革命,OGSA是在5层沙漏结构的基础上结合Web Services提出的以服务为中心的新一代网格体系结构。网格服务建立在Web Service基础之上,同时它还对Web Service进行了扩展。OGSA是一种比Web Service更为完善的面向服务的体系结构,它具有动态特性,可以动态的创建和删除服务实例。OGSA平台能够更好的和现有的各种技术结合,充分利用现有的各种技术和软、硬件资源,更好地实现网格的思想。随着对OGSA研究和应用的进一步深入,它将越来越完善,并将最终成为分布式资源共享和服务的最主要的体系结构之一。
参考文献
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[5]赵念强,鞠时光.网格计算及网格体系结构研究综述[J].计算机工程与设计,2006(3).
网格结构 第5篇
网格体系结构是网格计算的`关键技术之一.针对军事应用需求,提出了一种面向军事应用的网格体系结构,讨论了各层次组成及功能,并研究了网格体系结构的Petri Net描述方法.与经典网格体系结构相比,提出的体系结构有助于提高网格系统的好用性、透明性、自治性、模块性、一致性等.
作 者：曹耀钦 李光明 宋建社 GAO Yao-qin LI Guang-ming SONG Jian-she 作者单位：曹耀钦,宋建社,GAO Yao-qin,SONG Jian-she(第二炮兵工程学院计算机系,西安,710025)
李光明,LI Guang-ming(陕西科技大学计算机学院,陕西,咸阳,712081)
刊 名：电光与控制 ISTIC PKU英文刊名：ELECTRONICS OPTICS & CONTROL 年，卷(期)： 14(2) 分类号：V271.4 TP393.102 关键词：军用网格 网格体系结构 Petri网模型
网格结构 第6篇
1.1 研究背景和目的
最近斜交网格结构作为侧力抵抗结构被全世界范围内运用在超高层建筑中。超高层建筑在风荷载和地震荷载作用下比竖直荷载有着更大的侧向位移, 斜交网格结构在最外部设置斜向支撑来传导轴力, 使建筑物的剪切变形和剪力滞后现象的影响减小, 所以采用斜交网格结构的建筑物可以减小对内部刚性较大的核心筒的设置必要, 内部使用面积增大的同时, 建筑物的空间美感也随之上升。
这样的非静定结构超高层结构的形态对建筑物的结构性能会产生巨大的影响, 所以在结构设计的过程中需要对此进行更多的考量。在本研究中, 就对近代结构的3T (Twisted, Tilted, Tapered) 特征中的Tilted (倾斜) 以及对采用倾斜效果的超高层建筑物的水平位移进行研究。
即使倾斜形式被应用在结构中, 也不能忽视结构上有缺陷的事实。在文献[1]中提出, 超高层建筑中, 风荷载和地震荷载可以引起比较大的横向位移, 对本文的模型的倾斜部分来说, 由于自重的关系, 即使在没有风荷载和地震荷载的情况下, 楼层整体也会发生一定的横向位移, 所以若发生标准值以下的横向位移, 在刚性设计和刚度设计上要进行更优化的设计。
与传统意义上的横梁竖柱不同, 通过设置对角支撑从而摆脱了架构对竖向柱的依赖, 从而形成一个三角形也是筒体结构体系的一种形态。斜柱部分可以将竖向和横向荷载转化成柱内轴向拉力和压力并传到地下, 且斜柱的轴向变形刚度要超过剪力变形刚度, 所以斜柱传递力的能力更为突出。
1.2 研究方法
本研究中使用的斜交网格结构以8层为一个模块单元, 共7.5个模块单元总60层的一般倾斜框筒结构和倾斜斜交网格有限元模型, 并对模型进行分析。在框筒结构中, 底层的剪力滞后系数对建筑物整体的剪力滞后起着至关重要的影响, 所以本文中通过对模型底部柱的应力来对剪力滞后系数进行计算和分析, 并进行比较说明。
本研究中的建筑物模型建立及分析采用有限元分析软件MIDAS GEN 8.00。
2 剪力滞后现象
在框架筒体的结构中, 水平荷载的作用下, 结构中的构件截面不再遵循一般梁理论, 由于结构中翼缘和腹板部分各自承担着大部分的弯矩和剪力, 所以在受到梁的剪切变形和梁、柱的弯曲变形滞后, 角柱的正应力增加, 在中部逐渐减小, 形成了不同于传统受弯构件的直线分布的曲线分布, 这种现象被称为剪力滞后效应。同时在结构的顶部, 角柱的正应力反而会小于翼缘框架中柱内的正应力, 这一现象称为负剪力滞后效应。剪力滞后如图1所示。
角柱内的轴力增大, 远离角柱的柱则仅具有较小的应力, 从而导致了框架结构中的角柱应力过于集中, 剪切不能有效地传递, 使得腹板和翼缘框架被迫吸收, 出现了剪力滞后, 并且凸缘框架发生破坏。
根据剪力滞后现象, 水平荷载使得角柱轴力随着角柱刚度的增大而迅速增大, 所产生的位移会大幅度增加, 因此在结构设计时要适当增大角柱的截面尺寸。框筒结构虽然是一种很有效的结构体系, 但是由于剪力滞后, 并不能发挥刚度和刚性应有的作用。
为了更好地说明剪力滞后效应中内柱和角柱应力的分布关系, 本文使用在文献[2]中提到的使用剪力滞后系数来进行数值分析, 公式如下:
剪力滞后系数在一定高度的筒体结构下的所有柱的的剪力滞后系数为1, 超过这个高度后系数会超过1。根据初等梁理论的平截面假定, 如果框架的剪切指数为1, 梁柱的抗剪刚度要无限大, 所以框架结构底部层的剪力滞后系数要向1靠近。但是在实际框筒架构中, 这点是很难实现的, 一般认为都是在0.7左右的时候, 结构能有效地支撑水平荷载。当剪力滞后系数在0.5以下时, 边缘柱要承担中央柱150%的应力, 就一般框筒结构的柱子尺寸要用统一的大小来设计这一点来说会造成相当数量的钢筋用量浪费的现象。
3 模型概况
如图2所示, 本文中使用的基本模型是倾斜框筒结构和倾斜斜交网格结构, 两者都是以相同的36m×36m的正方形为平面, 外部柱之间的间隔是3m, 以4m为层高, 总60层240m, 细长比为6.7的有限元模型。
在文献[3]中指出一般斜交网格结构体系的斜交角度在60°~70°之间是最具有效率性的。在本文中, 模型斜交支撑角度设为69.3°, 对角支撑和柱的材料截面为箱型, 梁截面为H型。对角支撑以8层为一个单位进行设置, 层数为60层, 为了方便说明分析结果, 这里把倾斜斜交网格结构模型简称为TD, 倾斜框筒结构模型简称为TT。同时, 也建立了相同截面, 不同倾斜角度的倾斜斜交网格结构模型, 以便于相互之间的比较分析。通过文献[4]中提到的角度计算, 结构整体倾斜到部分倾斜总共分为5个形态, 其角度分别是4°、7°、9°、13°、20°。由于模型中设置了核心筒, 为了保持核心筒竖直位置不变, 本文采用了倾斜部分楼层不断减少的方式建立模型, 并把5种模型命名为TD-1、TD-2、TD-3、TD-4、TD-5, 有限元模型如图3所示。
在这里, 需要说明的是, 倾斜角度指的是模型整体倾斜的角度, 而对角支撑的斜交角度指的是构件的倾斜角度。
4 结果分析
4.1 基本模型的受力分析
4.1.1 剪力滞后效应分析
首先, 对基本倾斜框筒结构系统和倾斜斜交网格的剪力滞后现象进行分析。剪力滞后效应分析在模型分析后以基层竖直构件的应力为基础对剪力滞后系数进行计算。
TT模型底层竖直构件轴力结果如图4所示, 可以看出, 倾斜框筒结构的剪力滞后系数为0.37, 在边缘位置的竖直构件相较于中央部分构件的应力要大3倍左右。
TD模型的底层竖直构件轴力结果如图5所示, 倾斜斜交网格结构模型的剪力滞后系数为0.68, 倾斜斜交网格结构的中央部构件和外部构件的应力比值相比于框筒结构减小了54%左右, 所以相比于一般的倾斜框筒结构来说, 倾斜斜交网格结构拥有更好的应力分配效果。
4.1.2 水平变位分析
通过对剪力滞后现象抑制有显著效果的倾斜斜交网格结构施加风荷载来进行侧向位移分析。KBC2009 (韩国建筑结构规范) 中指出, 风荷载所产生的侧向位移应该在H/400~H/500以下。
本文中使用的模型总高为240m, 其最上层侧向位移限制值为600mm。TD和TT模型的侧向位移结果如图6所示, 可以看出, 框筒结构模型的最上层侧向位移为783mm, 超过限制值600mm, 因此有对侧向位移进行控制的必要。TD模型最上层位移为746mm, 虽然比TT模型的最上层侧向位移小, 但是超过了侧向位移限制值600mm, 所以依然需要对侧向位移进行控制。
TD和TT模型的层间位移角比较, 结果如图7所示。TT模型和TD模型从基层到32层左右层间位移角都呈增加趋势, 但是TD模型的层间位移角一直小于TT模型, 从32~45层左右2种结构模型的层间位移角均达到最大, 并且TD模型超过了TT模型, 而且两者之间的差值越来越大。在45层以后两者均呈急剧减小的趋势, 但是两者差值依然不断变大。这是因为从底层到最上层的过程中, 构件的截面不断减小, 抗侧能力也不断的减小。
4.2 5种形态倾斜角度的TD模型受力分析
4.2.1 剪力滞后效应分析
随着模型整体倾斜角度的变化, 倾斜斜交网格结构模型TD-1、TD-2、TD-3、TD-4、TD-5的底层竖直荷载应力分布如图8所示。由图中数据计算得出剪力滞后系数, 如表1所示。
由表1中的数据可以得知, 从模型TD-1到模型TD-3, 剪力滞后系数增加, 到达最高, 之后到模型TD-5逐渐减小, 以TD-3模型为基准, 可以得知, 模型TD-1、TD-2、TD-4、TD-5相对于模型TD-3的剪力滞后系数分别降低了37%、9%、3%、18%, 由此可知, 随着模型角度的不断变化, 重力荷载分布也在不停地变化, 边缘部分的轴应力减小, 中间部分的轴应力增大, 所以剪力滞后系数不断增大。在相同的对角支撑间隔的情况下, TD-3模型的剪力滞后系数最接近于1, 所以TD-3模型的抗剪强度在5种不同倾斜角度的模型中最大。
从图8中的底层内力分布来看, 随着倾斜角的增大, 在重力荷载作用下, 结构应该外侧柱轴力不断减小直至出现拉力, 内侧柱轴力层不断增大直至出现压力;外侧柱及内侧柱的柱脚弯矩、中柱以及内侧柱的上端弯矩都应该随之倾斜角度增大而增大, 可是在本文中使用的模型TD, 整体倾斜角度增大的同时, 所占楼层的比重却不断减小, 使得TD-3模型中到达了最佳的抗剪强度。
综上所述, 有着5种不同的整体倾斜角度的情况下, 受到风荷载等水平荷载的作用时, 整体倾斜角度为9°的TD-3模型的剪力滞后抑制效果最为优秀。
4.2.2 水平变位分析
60层模型分为12层、24层、36层、48层、60层5个部分, 并对5种形态的倾斜斜交网格模型在风荷载作用下的最大水平位移适用范围进行比较分析, 结果如图9所示。从12~48层除去TD-4模型之外, 其余的模型都没有超过最大侧移适用范围。以此推论, 即使各构件不对截面进行刚度设计也可以满足最大适用位移值 (H/400) 。相反, 60层以上, 建筑物向着超高层靠拢的同时, 也要考虑结构体系的抗侧能力。
对相同的斜交角度69.3°, 不同的模型倾斜角度的5种模型比较水平位移。以TD-3模型为基准, 从TD-1、TD-2、TD-4、TD-5水平变位的抵抗效果分别减小了3.2%、6.5%、2.6%、1.4%。由于核心筒部分在模型的底部和上部都是和外部结构体系链接在一起的, 形成了一体化的变化, 从总体上看, TD-1到TD-2水平位移呈增大趋势, 而在TD-3中, 达到5种模型中的水平位移最小值, 所以在倾斜斜交网格结构体系的模型中TD-3对水平变位的抵抗能力最好, 更有效地抑制了水平变位。
4.2.3 地震荷载的侧向位移分析
关于建筑物地震荷载的分析一般都是指建筑物对水平地震荷载的抵抗能力。分析地震荷载的方法一般有2种, 静力分析和动力分析。韩国现抗震基准中指出以一般建筑物为对象, 静力和动力都要进行相对应的分析。动力分析中以反应谱和时程分析最为常用。但是超高层结构中一般高阶振型的影响比较显著, 若采用反应谱法的话, 得不到准确的峰值结构, 所以本文采用时程法进行分析。
为了动力时程分析, 选用适合韩国建筑结构基准 (KBC2009) 的3个地震记录。对Northrige、Hyougoken、El Centro等地震波依据抗震设计基准进行调调整使用, 3种地震波如图10所示, 假设5%地震阻尼比, 并实施动力时程分析。
通过软件分析, 5种模型的最上层侧位移结果如图11所示, 5种不同倾斜角度的模型中, 基于最上层侧位移中最小的TD-3模型来说, TD-1、TD-2、TD-4、TD-5模型的最上层侧位移分别增加了15.3%、7.6%、6.2%、4.5%。从整体来看, 从模型TD-1~TD-3, 侧位移呈增加趋势, 在模型TD-3达到峰值, 模型TD-4的侧位移虽然有小幅度的增加, 但是在模型TD-5再次降低, 但是模型TD-3处的侧位移最低。
通过观察图12中5种倾斜模型的层间位移比结果可知, 五种倾斜模型都没有就超过抗震规定中层间位移比的限定值0.015, 且模型整体倾斜角度不断增加的同时, 最大层间位移比也在3.5%~5.3%不同程度地增加。综上所述, 模型TD-3在5种倾斜模型中具有较为优秀的抗震能力。
5 结论
1) 在基本模型倾斜框筒结构和倾斜斜交网格结构中, 相同的整体倾斜角度的情况下, 后者较之前者在力沿斜向支撑的分布更趋于均匀, 从而提升结构在受力状态下的变形控制, 有着更好的应力分配效果, 在风荷载下的水平位移方面, 虽然都超过了限制值600mm, 但是倾斜斜交网格结构的最上层位移更小, 具有良好的抗侧能力。
2) 不同倾斜角度的5种同类模型中, 随着倾斜角度的增加, 所占楼层的减少, 倾斜角度为9°的TD-3模型能更好抑制剪力滞后, 同时剪力滞后系数也和1最为接近, 结构具有更好的受力性能。
3) 在地震作用的情况下, 5种倾斜角度的模型虽然都没有超过抗震规定的层间位移比0.015, 但是其中模型TD-3的最上层侧位移最小, 较之其他结构模型对侧向荷载的抵抗能力更优秀, 所以整体倾斜角度为9°的倾斜斜交网格结构是一种较为优秀的结构形式。
参考文献
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网格结构 第7篇
由于重度的作用, 密度不同的两种流体常常产生明显的分界面, 如:河口盐淡水混合形成的盐度分层流、电厂热排放形成的温度分层流等。由于各组分对环境流体密度的贡献以及自身的扩散特性的差异使得分层流动更加复杂。正确模拟分层界面的运动特性, 对于揭示两流体的流动规律有重要意义。1988年Level Set 方法由Osher和Sethian[1]提出后, 已应用到界面追踪、网格生成、图象处理等诸多领域[2,3,4,5,6]。国内学者已将此方法应用于两相流的计算以及自由面问题的研究[7,8,9,10]。但目前Level Set方法的研究成果主要是基于结构化网格的, 高阶WENO格式在非结构网格下的构造还有很大困难, 还有待进一步研究。已有的研究成果应用于非结构网格上需要建立两套网格系统, 增加了问题的复杂性。Level Set还存在一个问题, 在整个计算区域上应用Level Set方程是不恰当的, Level Set方程仅在界面附近成立。本文从Level Set的各种方法的研究中提出了非结构网格下的具体实施方法。
1Level Set 方法
Level Set方法的核心思想是把运动的界面看作某个标量函数Φ (x, t) 的零等值面, Φ (x, t) 定义为空间点到界面Γ (0) 的符号距离函数。
其中d (x, Γ (0) ) 表示x到Γ (0) 的距离, Ω=Ω1∪Γ∪Ω2。
在任意时刻t, 对于活动界面Γ (t) 上的任意点x, Φ (x, t) =0, 从而有:
方程 (1) 为Level Set方程。Level Set函数的单位外法向以及运动界面的曲率分别为:
Level Set方程时间项的离散可采用三阶TVD-Runge-Kutta格式, 空间项的离散非结构网格下可采用中心差分格式、QUICK格式。根据式 (1) 求得的Φ ( x, t) 并不满足符号距离函数性质, 为了保持Φ ( x, t) 的符号距离性质, 在每个计算步后需要重新初始化, 通过求解初值问题的稳定解来实现。
式中:τ为虚时间。
为了方便求解, 将符号函数sign (Φ) 光滑化为:
2非结构网格重初始化方法
重初始化方程 (2) 的求解常用一阶、单调的Godunov格式。
结构网格下的一阶、单调Godunov格式为:
其中:a= (Φi, j-Φi-1, j) /h, b= (Φi+1, j-Φi, j) /h, c= (Φi, j, Φi, j-1) /h, d= (Φi, j+1-Φi, j) /h, z+=max (z, 0) , z-=min (z, 0)
为应用于非结构网格, 本文作了一定的改造。
a对应的有限体积法单元边界均值插值形式:
b对应的有限体积法单元边界均值插值形式:
c, d根据ny选择插值形式, 类似a, b的处理。
3非结构网格Level Set计算方法
Level Set方法的实质有两个方面的内容:一个是运动界面附近符号距离函数的计算;一个是由运动界面附近符号距离函数推求整个域上的符号距离函数。本文把快速行进法[11]和源点扫描法[12]的思想结合起来运用到非结构网格下的Level Set的方法的实现。
定义:
(1) 源点:源点是界面曲线Γ上距离待考察网格点最近的点, 设网格节点P (xp, yp) 基于Γ的源点为PS (xs, ys) , 则P点到Ps点的距离就是P点的距离函数值。节点P (xp, yp) 的源点PS (xs, ys) 的坐标可通过下式计算:
(2) 种子点:选择界面Γ附近的网格点为种子点, 这部分点的信息对确定界面的形状的影响最大。
(3) 窄带点:推进算法中波面附近区域的点, 这部分的点集随着算法的推进不断更新。
(4) 远离点:除了种子点和窄带点以外, 所有其他的网格点为远离点, d=∞。
符号距离函数墒的信息总是从距离小的地方向大的地方传递, Level Set实现方法可先根据方程式 (1) 精确求出界面Γ附近网格单元及种子点的Φ (x, t) , 再根据快速行进法和源点扫描法的思想向界面两侧逐步推进, 求出整个个域上的Φ分布。计算方法如下:
(1) 初始化:根据Φ (x, 0) 生成网格点的距离符号表 (正值为1, 负值为-1) , 选择界面Γ附近的网格节点为种子点, 根据方程 (1) 计算种子点的Φseed (x, t) , 则种子点到Γ准确距离值d=|Φseed|, 再根据 (3) 计算种子点相应的源点PS (xs, ys) , 并将种子点的距离值d和源点Ps保存, 将种子点标记为 visited , 其他点标记为unvisited。并将种子点集设为初始窄带点集。
(2) 循环:
①开始循环:设点P是窄带中具有最小距离d的点。
②标识点P为visited, 并从窄带中删除。
③标识点P的邻单元网格点E:如果网格点E为visited, 则不改变距离;如果网格点E为窄带点, 则更新E点的距离d及其源点;如果网格点E为远离点, 则标识E为窄带点, 同时更新节E点的距离d及其源点;更新网格点E的距离函数值及其源点的方法如下:
(a) 计算E点与每个邻单元网格点Pt 的源点Pts的距离dt=|E-Pts|;
(b) 如果min{dt}<d (E) , 则设d (E) =min{dt}, 网格点Pt的源点为E的源点。如果min{dt}>d (E) , 并且E点为visited, 则标记E点为Unvisited。
④如果窄带点集为空或已到边界, 则结束循环, 否则, 跳到①。
(3) 重新初始化:所有网格点的距离乘以距离符号即得各网格点的符号距离函数, 求得后可按方程式 (2) 重新初始化。
4算例
本文计算了剪切流场中界面运动的轨迹, 剪切流场是检验算法性能的很好的算例。
速度场的分布为:
取x0=0.5, y0=0.5, 计算区域为[0, 1]×[0, 1], 初始界面为圆心在 (0.5, 0.3) , 半径为0.2的圆周, 如图3所示。空间步长为0.01, 时间步长为0.001 s, 计算时间为1 s。对于t=1 s时界面的理论结果既可以通过积分求得, 也可以通过单纯拉格朗日粒子法求得:在初始界面上布置大量的粒子, 追踪这些粒子的位置, 这些密集的粒子显示的图象就是界面的位置, 单纯拉哥朗日粒子法计算的结果如图4所示。本文选取了规则网
格和不规则网格对文中的算法进行了验证。规则网格如图5所示:网格单元数10 000, 网格结点数10 201;不规则网格如图6所示:网格单元数22 474, 网格结点数11 438。
Level Set 方程时间项的离散采用三阶TVD-Runge-Kutta格式, 空间项的离散采用中心差分格式, 计算成果如下。
5结语
本文把快速行进法和源点扫描法的思想结合起来运用到非结构网格下的Level Set的求解, 通过对非结构网格下Godunov格式的改造, 提出了非结构网格Level Set的实现方法, 算法快速有效。
图7、图8和图4的结果非常接近, 选取的算例表明本文的算法是合理, 虽然在角点处有些圆角化现象, 但这种缺憾可通过Particel Level-Set[13]方法加以修正。本文的方法对于存在分层界面的两流体的计算有重要的实用价值[14]。
摘要：Level Set方法是近几年研究比较多的一种界面追踪技术。由于非结构网格下高阶WENO格式构造上的困难, 至今的研究成果主要是基于结构化网格。把快速步进法和源点扫描法的思想结合起来, 用于Level Set的计算, 并提出了在非结构网格下的实现方法。最后用剪切流场对算法进行了检验, 证明了算法的有效性。对于存在分层界面的两流体的计算有重要的实用价值。
网格结构 第8篇
关键词：刚性网格索穹顶,预应力,成型方法,安装方法
随着社会的不断发展, 其工程项目也在不断的增多。在一些特殊的工程项目建设施工的过程中, 人们为了使得工程施工的质量得到进一步的保障, 就将许多新型的结构设计理念应用到其中, 从而满足现代化工程项目建设施工的相关要求。其中刚性网格索穹顶结构的运用, 主要是为了提高人们整个工程结构的稳定性和安全性。不过, 从当前我国刚性网格索穹顶结构建设施工的实际情况来看, 由于起步得到比较晚, 而且对其相关的应用技术使用得还不够成熟, 这就十分容易导致人们在对其进行建设施工的过程中, 出现质量问题。为此我们就需要对其成型方法进行研究分析, 从而采用相应的技术手段来对其进行创新改造。
1 刚性网格索穹顶结构的概述
所谓的刚性网格索穹顶也就是由索穹顶和刚性网格结构这两部分组成的。这种结构形式和传统的张力结构相比, 不仅可以使得整个工程施工结构的稳定性和可靠性得到有效的保障, 还很好的满足了工程施工的相关要求。而且在实际应用的过程中, 人们也可以通过刚性网格索穹顶结构之间的协同作用, 来抵御其他外力的影响。不过, 我们在对其进行成型安装的过程中, 就必须要对节点结构连接施工的相关内容进行严格的要求。
目前在人类社会发展的过程中, 这种索穹顶结构已经得到了人们的广泛应用, 这就使得整个工程结构的稳定性和可靠性得到有效的保障。在我国虽然人们也对其进行相应的理念研究, 但是其应用技术存在着一定的局限性, 因此在工程建设施工当中, 刚性网格索穹顶并没有得到人们的广泛应用。为此, 我们就要对其刚性网格索穹顶施工成型方法进行相应的研究分析, 进而对其进行相应的创新处理。
2 索穹顶结构施工成形方法的概述
我们在对某体育馆建设施工的过程中, 人们为了使其结构的稳定性和可靠性得到很好的保障, 满足工程施工的相关要求, 人们就采用刚性网格索穹顶施工技术来对其进行相应的施工处理, 大致的施工流程主要有以下几点:
2.1 我们在该工程项目施工时, 为了满足工程施工的相关要求, 就采用普通钢绞线束, 来对索穹顶结构的脊索进行地面组装。而且保障压杆节点施工的相关要求, 施工人员也必须要对其施工质量进行有效的控制管理。
2.2 施工人员在对脊索和中心拉力环进行安装施工的过程中, 首先要对其连接位置进行确定, 再根据工程施工的相关要求, 来对其进行现浇的连接施工处理。
2.3 我们在对其撑杆进行规定的过程中, 施工人员也必须要对其连接构件的质量进行严格的要求, 再采用相应的调节方法来对其进行施工处理, 以确保整个索穹顶结构的稳定性。
2.4 在撑杆和脊索连接的过程中, 施工人员也要将环索结构吊在半空中。而因为环索结构有着一定的自重, 这就使得撑杆在使用的过程中, 出现内倾斜的情况。
2.5 斜索牵引至相应内环撑杆下方, 撑杆下方设置临时吊篮, 操作人员在吊篮里进行斜索的辅助就位和安装。
2.6 环斜索安装后, 同步张拉外环所有斜索至设计索力, 随着斜索的张拉, 撑杆逐渐由倾斜恢复直立状态, 并被大幅度抬起。
2.7 直至所有斜索均张拉至设计索力.同时应满足结构形状设计要求。
3 索穹结构施工成型方法的改进与创新
国外在索穹顶结构施工方面做了大量实践, 积累了一定的实际工程经验, 而且形成了自己的技术专利并加以保护, 但应指出的是这些技术专利仍然存在一些问题和不足。
3.1 索穹顶结构施工安装成型过程中, 均需对脊索进行较长距离的牵引, 或将中心拉力环搁置一定高度并用较大牵引力才能使得脊索悬挂安装于外环梁上, 这对牵引设备的能力和同步牵引技术要求较高, 同时脊索在被牵引过程中的牵引力过大且受力也较为复杂, 最终导致施工难度加大, 施工的安全风险增加, 且工期较长。
3.2 由于索穹顶结构施工安装成型中, 中心搁置拉力环的塔架高度或吊机抬吊的高度固定不变, 不能方便地随意调节高度, 若中心塔架或抬吊高度设计不合理, 部分拉索的安装可能需更大的外力进行强迫牵引就位, 这对拉索、桅杆和节点的受力均不利, 施工难度较大, 安装施工作业的安全性不足。
3.3 索穹顶结构在张拉成型过程中, 会出现被动张拉索的内力明显大于设计索力的情况。近年来, 国内在对索穹顶结构施工方法进行总结和借鉴的基础上, 提出了一些新的方法。浙江大学空间结构研究所针对索穹顶结构的施工方法进行了较为深入的研究, 提出了7种施工成型方法:逐圈斜索张拉法, 仅外圈斜索张拉法, 逐圈竖杆顶压法, 仅外圈竖杆顶压法, 逐圈环索张拉法, 仅外圈环索张拉法, 逐圈斜索原长安装法。提出了采用支座移动法进行张拉的施工方法, 并通过模型试验验证了其可行性, 但该方法对周边环梁支座的构造以及张拉设备要求较高。
4 索穹顶塔架提升索杆累计安装张拉成型法
为克服现有索穹顶结构施工中索杆安装成型存在的脊索和斜索牵引难度和牵引力加大, 而中心拉力环支撑高度固定不变, 从而导致逐环索杆安装高空作业量加大和施工安全风险加大等不利因素, 本文提出了一种索穹顶塔架提升索杆累积安装方法, 该方法根据索穹顶的设计标高和中心拉力环的对应位置。设置略高于索穹顶结构顶点安装高度的提升塔架, 在塔架顶部设置多点同步提升设备, 将脊索网内环索系与中心拉力环相连, 外环索系用辅助牵引索与外环梁相连, 塔架顶部的提升设备对中心拉力环进行均匀提升, 边提升边进行位于不同安装高度的各环环索、桅杆和斜索的扩展累积安装, 待所有拉索和桅杆安装完毕后, 对最外环斜索进行分阶段张拉成型。该方法实施步骤如下。
a.将索穹顶的中心拉力环构件安装于预定位置;b.搭设提升塔架, 安装提升设备并经提升吊索与中心拉力环相连;c.脊索索网的各构件组拼, 并将内环脊索与中心拉力环相连, 外环脊索经脊索牵引索与外环梁相连;d.提升塔架顶部的提升设备带动提升吊索对中心承力构件进行提升, 提升过程中, 不断调整脊索网垂度, 同时经脊索牵引索牵引外环脊索。
结束语
总而言之, 在现代化城市规划建设的过程中, 人们为了满足工程建设施工的相关要求, 刚性网格索穹顶结构施工技术已经得到了人们的广泛应用, 从而使得工程施工的质量得到了进一步的提高。而且随着社会的不断发展, 为了使得刚性网格索穹顶施工技术的应用效果得到增强, 人们也在其基础上对其相应的创新改进, 推动我国城市规划建设。
参考文献
[1]董石麟, 袁行飞.索穹顶结构体系若干问题研究新进展[J].浙江大学学报 (工学版) , 2011 (1) .
非结构网格自适应细化的实现与应用 第9篇
在工程数值模拟领域,针对复杂结构的有限元计算应用十分广泛。在机械零件制造中如何高效得到结构关键点的应力,以及在流场中如何快速准确地捕捉激波等问题,若单纯依靠不断全局细化的网格增加计算量,是不经济的。网格自适应技术兼顾了计算精确性和计算效率,能够使用较少的网格计算代价获得较为准确的计算结果[1]。
自适应网格技术在国外发展十分迅速,在成熟的商业软件中都有功能体现,如LS-Dyna的重划分网格的自适应实现等;在美国Sandia实验室开发的多物理耦合计算框架SIERRA[2]中,也实现了H自适应的策略。在国内,北京应用物理与计算数学研究所开发的JASMIN[3]结构化网格自适应框架已经在多个应用程序中得到实际应用。中科院科学与工程计算国家重点实验室开发的PHG[4]能够对四面体网格进行自适应细化。然而涵盖二维和三维非结构化网格自适应的软件模块还相对缺乏,本文采取基于拼片修复的误差估计方法,尝试在自主研发的有限元计算框架中实现二维三角形网格和三维四面体网格的自适应细化,在多层细化中考虑网格质量,并用算例验证该方法的有效性。
1后验误差估计
后验误差估计是通过对有限元计算结果进行再处理以提高计算精度的后验方法,这种过程称为修复。修复解更接近精确解,以此作为标准衡量有限元解的误差的方法称为后验误差估计。误差定义为精确解和近似解的差,对于位移u,定义为:
undefined。 (1)
考察常见的线性微分方程:
Lu+p=0 。 (2)
其中:L为线性微分算子,p为已知函数。
定义能量范数为:
undefined。 (3)
对于弹性问题,这个能量范数可写为:
‖e‖=[∫Ω(Se)TDSedΩ]1/2 。 (4)
其中:D为弹性矩阵;S为应变关于位移的算子。由算子S定义的应变和应力分别为:
undefined。 (5)
undefined。 (6)
将式(1)代入式(4),联立式(5)、式(6),能量范数也可以写为:
undefined。 (7)
对于应力分析问题,定义相对能量范数误差为:
undefined。 (8)
其中:‖u‖为解的能量范数,定义为:
‖u‖=(∫ΩεTDεdΩ)1/2 。 (9)
实际应用中可以这样来近似:
undefined。 (10)
误差能量范数中的真实应力是未知的,采用超收敛的拼片修复(Superconvergent Patch Recovery)[5,6]方法获得较准确的应力或应变,来对有限元近似解进行衡量。
2三角形网格细化策略及实现
为了保持网格质量,二维三角形网格的自适应细化采取互连三个边中点将单元一分为四的正则细化方案。在细化单元和非细化单元之间会产生过渡单元,这些单元的一条边或者两条边被细化。一个单元在细化过程中可能被标识细化边的情形如图1所示。
图1(a)为正则细化情形,将三条边的中点互连即可将原单元一分为四;图1(c)的单元只有一条边被细化,直接将细化边中点与相对的顶点连接,可将单元一分为二;图1(b)的单元有两条边被细化,此类单元细化要考虑质量问题,细化方式有如图2所示的两种选择。经过简单计算,就可以选择较好的细分方式。
三角形网格经过多次细化后,一个单元可能会产生多次非正则细化情形,从而导致较差的网格质量,为了保证多层细化之后,网格质量不至于太差,需要对细化过程进行一定的约束控制。为此设定一个规则:若将被细化单元本身不是正则细化而得到的,则返回到该单元的父单元,进行正则细化后,再细化该单元(可能是正则或非正则细化)。该准则控制网格质量在实际中取得较好效果,如图3所示。
3四面体网格细化策略及实现
三维四面体网格由于对复杂几何模型更容易逼近,在工程实际的建模中应用广泛。然而四面体网格的细化由于维度的增加,比三角形的细化算法更加复杂。首先,若选择每条边细化的完全细化方式,可以将单元一分为八(见图4),四个顶点处形成4个四面体外,内部还可剖分形成4个四面体,然而内部的小四面体并不能保证质量,由于网格协调性的约束,导致过渡网格的剖分情形复杂而且质量更差。为此,本文采取二分法作为四面体的细分方案。 二分法实现简单,一次细化只需添加一个新节点,也不至于产生过多的单元, 见图5。
为了在程序中实现二分细化,根据网格几何协调性总结出了三种细化方法,分别是边细化法、逐单元细化法和细化边列表法。边细化法是被标细化单元全部细化最长边,若某单元有多个边被细化的,则按照边的长度进行顺序二分。该方法的缺点是一次细化将导致某单元多次细化,网格质量很差。逐单元细化法是被标识细化单元即时细化最长边,但若由于邻居细化已经细化了,则此次就不再继续细化它的子树,该方法导致短边细化的情形较多且质量不好。细化边列表法是将所有被标识待细化单元的最长边存入一优先队列,按照长度递减排序,遍历该细化边列表,对每个细化边,即时细化该边所在的单元,为了不至于产生过多的细化,将引起该边被细化的单元记为该细化边的主单元,若遍历细化边列表时,该边的主单元(可能有多个)都已经被细化,则跳过该细化边。经改进后的细化边列表法能在实际算例中表现出网格质量的极大改善。
4自适应网格实例分析
4.1 L形结构板的应力分析
经典的L形结构的物理模型如图6(a)所示,顶部和右侧为滑移边界,左侧受均布拉力,材料为弹性。该结构在L的拐角处容易产生应力集中,自适应细化的网格很好地展示了该问题,用较少的网格量达到了较为精确的解,相对能量范数误差从初始网格的24%下降到最终自适应网格的4%,初始网格和自适应网格分别见图6(b)和图6(c)。
4.2 带孔板的拉伸分析
无限大的平面板受单向拉伸的物理模型如图7(a)所示,利用对称性和圣维南原理,模拟计算其四分之一的原始网格见图7(b),经过两次自适应细化之后的网格见图7(c),相对能量范数误差从原始的10%降到4%。
4.3 三维悬臂短梁的应力分析
悬臂短梁受顶端均布压力的物理模型如图8(a)所示,原始四面体网格见图8(b),采用质量控制后的自适应网格见图8(c),相对能量范数误差从45%下降到7%。
5结论
在大尺度复杂结构的有限元模拟中,非结构网格自适应是一种关键技术,它能够在保证精度的前提下,大大缩减计算代价。本文算例中的自适应网格细化能仅在增加局部细化工作量的情况下,获得较好的模拟效果,表明了非结构网格自适应算法的正确性和有效性。
摘要：基于非结构网格的有限元法在CAE中有着广泛的应用。网格自适应细化方法利用后验误差估计自动决定局部细化,用较低的计算代价获得较好的计算精度。非结构网格的自适应细化实现相对复杂,同时还要保证网格的质量。基于Z-Z后验误差估计对三角形和四面体网格进行网格自适应细化,给出了具体的实现算法,开发了自适应计算模块,达到了提高计算效率的目的,通过算例表明自适应实现的正确性和可靠性。
关键词：自适应网格细化,非结构网格,有限元法
参考文献
[1] Zienkiewicz O C, Taylor R L, Zhu J Z. The finite element method: Its basis and fundamentals [M]. 6th ed. England: Elsevier Ltd,2005:456-524.
[2] Stewart J R, Edwards H C. A framework approach for developing parallel adaptive multiphysics applications[J]. Finite Elements in Analysis and Design, 2004,40:1599-1617.
[3] Mo Zeyao, Zhang Aiqing, Cao Xiaolin, et al. JASMIN: a parallel software infrastructure for scientific computing [J]. Front Comput Sci China, 2010, 4(4): 480-488.
[4] Zhang Linbo. PHG: A toolbox for developing parallel adaptive finite element programs [J]. Bulletin of the Chinese Academy of Sciences, 2011, 25(4) : 298-300.
[5] Zienkiewicz O C, Zhu J Z. Superconvergent patch recovery and a posteriori error estimation in the finite element method, Part 1: A general superconvergent recovery technique [J]. Internat J Num Meth Eng, 1992,33:1331-1364.
网格结构 第10篇
基于网格构件的软件体系结构是以网格构件的结构来解决问题的一种开放网格服务架构模型,与传统软件体系结构的不同主要在于它的分布式构件架构,以及网格系统中各个计算单元功能调用的组织方式。基于网格构件的软件体系结构已成为软件领域研究的热点。
目前流行的两种分布式软件体系结构:①AT-EJB体系结构:它从系统事务方面来优化系统的性能,主要通过共享对象,委托对象,事务处理属性来优化构件事务之间的共享数据接口函数。②HA-EJB体系结构:它采用复制组的概念,将远程构件的状态从主服务器备份到副本服务器上,并且通过消息机制实现高可靠性的网格构件的复制,例如主服务器A崩溃时由备份服务器B升级成为主服务器来提供网格构件服务。
参考AT-EJB和HA-EJB模式,我们从形式化方法提出了网格构件、构件代理、连接器、构件Cache和网格构件式的软件体系结构,吸取AT-EJB和HA-EJB模式的优点,既采用服务器端优化,同时提出客户端的网格构件调用算法以及构件Cache,实现高性能、高可靠性的网格构件的软件系统。
1.1 网格构件
构件的定义在不同的讨论域中有不同的理解,本文将构件作为数据功能的结点,由接口和功能函数组成。构件的接口是构件与外界交互的唯一通道。根据构件是否为一个网格构件,将构件分为本地构件和网格构件。本地构件是系统中的一组静态功能结点,可以直接通过它的接口调用它进行计算。网格构件是一组虚拟的构件集合,是分布在网格系统资源中的计算结点。调用网格构件必须先使用系统逻辑单元建立本地的构件代理,再通过构件代理映射到系统中调用网格构件的接口进行计算。网格构件是一个功能的独立单元,不存在网格构件对本地构件的依赖性,只有网格构件之间才有依赖关系。
1.2 构件代理
构件代理是一个网格构件的映射机制,不仅通过建立远程构件映象将服务器上的网格构件映射到本地系统,而且当一个构件服务器崩溃时,它能够搜索服务器队列,将本地虚拟构件映射到另外一个服务器的构件上。常见的构件代理比如Java中的Factory对象,可以建立类Stub和类Skeleton来建立与EJB对象的连接。
构件代理的非形式化功能可以描述如下:当系统发出一个网格构件调用时,若该构件的本地映象不存在,则从服务器队列中取出排在队头的服务器,试图建立本地的虚拟构件与服务器上的构件相映射;若不能完成映射,则将其插入队尾,并且试图取出下个队头进行映射,直到映射成功为止;若映射成功,则将该服务器仍然列在队头。
1.3 基于XML标准的构件库
构件库是支持基于构件的软件开发(CBSD)的基础设施,在构件复用的过程中作为一个实用有效的工具来支持构件的管理、存储和检索。目前网格构件以服务的方式已经逐渐代替传统本地构件,分布式的软件体系结构也成为主流的软件构架方式,因此可以制定出基于XML表达规范的网络化的构件库存储库结构。该构件库与传统构件库相比,有以下两个特点:①在构件类型的定义上增加了网络构件的概念,支持网络化的构件调用方式在构件库中的表达;②对网络构件的生产、考查、分类、选择、评估和适配进行了特定的支持,从service,performance,component_alias,server_adr,server_driver 等刻面来描述网络构件的特点。
采用XML结构化的语义模式,可以支持一切符合该结构标准的构件的导入、导出以及构件形式化表达的规范性。
1.4 连接器
从传统系统的角度理解,连接器的定义仅限于构件在系统内部的交互规则模型;而网格构件系统的连接器是广义上的概念:连接器是一切能够为构件交互来传递语义的抽象载体,它通过定制构件之间的交互规则来实现构件耦合。一般可以根据连接对象类别的不同,将连接器分为三种:LtL Conn(本地构件之间),RtRConn(网格构件之间),L tRConn(本地构件和网格构件之间)。目前常见的连接器有函数调用(LtL Conn),Weblogic的EJB构件之间的T3通信协议(RtRConn),远程接口访问协议RMI(L tRConn)。
1.5 构件CACHE
使用构件代理将服务器上的构件映射到本地后调用,如果调用后在一段时间内不使用,就将其关闭以释放它占用的内存。当系统进行频繁的网格构件交替访问或者网格构件在系统中调用比较频繁,尤其是出现循环调用,系统的效率就会非常低,而且频繁的网络映射往往造成较大的系统开销。系统采用构件Cache后,构件代理就在从服务器映射构件之前,首先从构件Cache中找相应的网格构件,调用其映象;没有找到相应的网格构件,再从服务器上映射。作为系统缓存结构逻辑,构件Cache减少了构件映射,大幅度地提高系统的性能。
Cache中的网格构件的映射队列按照一定的算法进行排序,系统通过当前构件的调用情况来动态调整构件Cache中的网格构件映射集合,以便提高调用的命中预测率。一种构件最近最少使用的队列算法描述如下:系统初始化时,将构件Cache清空,每当调用完一个网格构件后,若Cache未满并且该构件在Cache中没有副本,则将该构件直接放入Cache中,并将Cache中的构件访问位置1;若Cache已经满并且该构件在Cache中没有副本,则将Cache队列中队尾的构件替换成新访问的构件,并将Cache中的构件访问位置1;若构件在Cache中已经有副本,则将其访问位加1,并且按照访问位的大小重排构件的序列(从大到小)。系统周期性(设周期为N)地将所有访问位减1。
2 网格构件的优化平台
在上述基于网格构件的软件体系结构模型的基础上,我们以J2EE平台为标准开发了一个基于网格构件的优化平台的应用系统。该系统针对传统分布式软件体系结构的低效问题,提出了一个基于网格构件的软件体系结构解决方案,即在传统的软件体系结构上添加了三个层次结构:网格构件软件体系结构、优化算法结构和动态发布配置策略。如图1所示。
该系统从软件开发技术层面解决了大规模的系统构件化开发中的工作协同和协同开发环境下网络构件在构件库中的发布、注册和发现的问题;从网格软件系统技术层面解决了网络环境中大规模分布式网格构件的调用优化效率问题。
2.1 网格构件动态缓冲调用的实现
系统的设计中,采用Hash表作为内存缓冲来保存EJB构件的连接实体,分别调用Hashtable类的put和remove方法来实现内存实体的替换。用户进行一个EJB调用时,首先用到EEJBM(Efficiency EJB Model)中的invokeEJB函数,把原本复杂的EJB调用过程简化成一个函数。接着,程序先去Hash表中查找,如果有相同的EJB Home实例就直接使用,无需再次连接远程服务器。如果没有发现相同的实例,就建立新的连接。建立新连接后,如果Hash表的容量还有空余,就直接将此实例插入Hash表中备用。如果Hash表已满,就根据当前的调度策略把最不合适的实例替换掉。同时,程序还有一个计时器,对于长期在表中没有被再次调用的实例,进行垃圾收集,使得Hash表保持较高的命中率。
EEJBM是一种两层结构的EJB系统模型,包括构件管理、动态调度、策略管理三个部分,应用Register-Provide、EJBPOOL、Invoke-Forecast算法来保证系统中的每个应用能够高速的调用远程服务器的EJB构件。EEJBM由EEJBM Server、EEJBM Client、EEJBM Manager组成,它的远程构件服务概念和经典的Request-Response模式、JINI的Lookup-Service模式和Plug-and-Play模式都不同,是以RP(Register-Provide)方式来运行的。在RP模式下,EEJBM的每个客户应用在初始化时都必须在EEJBM的服务器上进行构件服务的注册,注册的信息包括客户应用的唯一标识、客户所需要服务的类型、提供服务的服务器地址;一旦该客户进行注册后,EEJBM服务器就能根据它的注册信息,搜索最佳的EJB服务器,从该服务器上将它所需的构件信息集合返回给客户应用;而EEJBM Manager作为构件调度预测系统,动态地预测系统将调用的EJB构件,提前初始化EJB连接。
在系统中,通过配置文件调整网格构件和实时调度策略。配置文件是一个名为config.xml的XML文件,包括EJB服务器和调度策略信息,保存在当前工程目录下,使得启动时可以自动获得其信息。用户可以通过监控界面上的“配置文件”按钮选择不同的配置文件。
2.2 自恢复进化的实现
自恢复系统就是软件系统根据运行场景环境的变化,自动地调整系统结构和算法以适应当前情况,并且系统构件能够采用进化的方式来平衡环境变化和系统运行的矛盾。EJB的体系模型就是一种自恢复理论的初期模型结构:EJB构件是由EJB-Container所包容,内部对象运行环境的变化所产生的事件,如异常处理、网络连接会话全部由Container处理。
在本设计中,通过java.nio.channels建立JAVA应用的内存共享空间,实时读写内存数据来跟踪网格构件的运行状态。其监控传感器采用JVMPI_Interface来实现,即通过DLL建立接口来跟踪JAVA虚拟机的实时数据,如占用CPU周期、使用内存数、线程数量等信息。自恢复进化内核算法模块通过分析网格构件的运行信息以及构件进化序列的XML表,来决定构件进化的方式,即找出最优的后代构件。
3 结束语
基于网格构件的软件体系结构是计算机软件体系结构模型的新领域,我们提出的模型在某些方面还不全面和系统化,比如网格安全接口的调用效率和安全性没有更多涉及。下一步的工作可以将安全协议结合网格服务建模,比如SSH、SSL协议化服务做深入探析。
参考文献
[1]Li Yang,Wu Zhaohu.Research on formal semanties of component inte-gration[J].Journal of Zhejiang University Engineer Science,2004,38(2):135-140.
[2] David G,Bradley S.Model-based Adaptation for Self-Healing Systems.Proceedings of the first workshop on Self-Healing Systems,2002:27-32