专业计算机应用论文范文十篇

本文是一篇计算机论文，计算工具的演化经历了由简单到复杂、从低级到高级的不同阶段，例如从“结绳记事”中的绳结到算筹、算盘计算尺、机械计算机等。它们在不同的历史时期发挥了各自的历史作用，同时也启发了现代电子计算机的研制思想。（以上内容来自百度百科）今天为大家推荐一篇计算机论文，供大家参考。

 

 

第一章 绪论

 

1.1 计算机图形学的产生与发展

20 世纪 60 年代，世界范围内的图形学迈入了全新的发展时代，计算机图形学也随之问世，这无论是对于艺术领域的工作者，还是对于计算机领域的工作者来说都是一个崭新的机遇。计算机图形学的问世，为运用计算机进行图形的创作注入了新的动力和源泉，广大的图形学领域的研究者把准确地仿真真实世界确定为新的探索方向。计算机图形学取得了一定的进展，例如：在经典的真实感绘制方面，几乎达到了以假乱真的程度，这着实令人感到欣慰。无论是从早期的三维技术所拍摄的电影《泰坦尼克号》，还是后来的一些有视觉冲击效果的电影，人们无不真切的感受到了计算机艺术给人们生活带来的巨大影响。同时，这些计算机技术也向人们显示了计算机图形学的相关领域已经在图像的真实感方面取得了巨大的成功。但与此同时，也产生了一些新的问题，例如：由于真实感绘制对现实进行的反映过于精确，所以难免造成艺术绘画作品缺乏应有的艺术感觉这一现象的产生，并且难以准确地表达画家所要向观众传达的思维方式和意境。计算机图形学的这些缺陷也是人们对于真实感绘制技术所普遍反映的问题，这在一定程度上也说明了有了四十多年发展历史的真实感绘制技术，在许多方面尚存在一些局限性。首先，真实感绘制技术过于精确无误，这使得人们对于艺术作品会产生不真实感；其次，真实感绘制技术所处理的信息过于纷繁冗杂，会让人们在众多的信息中觉得难以取舍；再次，真实感绘制技术给人的感觉不够柔和，很多情况下让人感觉到比较生硬；最后，在真实感的绘制中，艺术绘画作品处理方面有很多重要的细节信息很难得到适度的强调。于是，一个新兴的，更加引起人们兴趣的研究方向便随之出现了。非真实感绘制这个研究领域旨在将人的手工绘制的艺术作品，用计算机加以模拟。运用这种研究所得到的数字油画图像较真实的图形学而言，更加生动有趣，并且更加富有个性化特点。该研究主要涉及了如何创作更加具有美感、更加实用的图像的问题。当然，在这种情况下，人们的研究已经不仅仅局限于向物理学的相关领域求助。相反，对传统领域研究的重视程度与日俱增。这种新兴的研究领域被称之为非真实感绘制。非真实感绘制的研究内容主要是对绘画效果各异的动画，以及绘画效果运用计算机的手段来加以模拟。非真实感的绘制一经兴起，便受到了诸多相关领域专家的重视。很多艺术领域以及计算机领域的专家学者对其进行了探索，并公开发表了自己的一些观点和言论。例如：艺术家和计算机领域的专家一方面研究具有非真实感意象的绘制方法和技术；另一方面也研究极富有艺术表现力的非真实感绘制的方法和技术；同时还研究自动的非真实感绘制方法和技术等。非真实感的绘制领域并不是最近才兴起的。早在十九世纪七十年代，印象派的画家就已经举办了与非真实感绘制有关的画展，将一种具有全新的艺术风格的绘画艺术展示给了全世界范围的人们，象征着印象派艺术绘画作品朝着现代派的风格迈出了重要的一步。自此之后，美术界又掀起了诸多运动，其中包括立体主义的艺术作品绘制流派，抽象主义的艺术作品绘制流派，还有表现主义的艺术作品绘制流派等。这些领域的专家主要通过对艺术家的创作理念和内心情感的主观表达进行强调，对艺术家的精神交流予以抽象的传递，向世人表现自己的艺术观念和主张。在这些流派的主导者看来，绘画作品并不是单纯的把场景以叙述式的图像向观众反映，更多的是要强调和体现艺术家们的真实情感和内心的思想，这就是传统意义中的非真实感绘制。

非真实感的绘制并没有把重点放在与其所要表达的思想意境无关的部分，而是让艺术家拥有更大的自主选择权，让他们更为自由地把握自己想要表达和传递的信息。与之前的真实感绘制相比较，非真实感绘制具有更好的表现力和表达效果。例如：照相机对现实的反映，以过于精确的方式向人们呈现画面，反而给人们以不真实的感觉。而非真实感绘制，不仅仅可以产生令人震撼的艺术效果，更可以将艺术家所要呈递的意境加以全面清晰地表现和表达。与传统的真实感绘制相比较，非真实感绘制的技术无论是在快捷方便地让创作者绘制富有表现力、想象力和艺术韵味的艺术作品图像方面，还是在创作具有表征作用的水彩画、国画和油画等方面，都有着更为强大的功能。因此，非真实感绘制的应用极为广泛，几乎普及到了油画以及计算机等领域的方方面面，并且将技术更好地传递给了油画绘制者，并为之接受。同时，非真实感绘制在媒体行业也有着很好的运用价值，能够把一个更加方便、更加便捷的创作平台提供给工作者，从而使其作品更能够表达创作者的创作意境，更能表现当时的创作心情，使他们创作的作品更具有表现力和穿透力，能够更好地与观众的情感产生共鸣，例如带给观众喜悦、悲伤和失落等。非真实感绘制在应用中具有如此广泛的作用和价值，并且为更多的艺术家所接受，为观众所认可。作为其重要组成部分的数字艺术作品，也继承了非真实感绘制的理念和宗旨，立足于当前的研究现状，努力以所绘制的油画画面，给观众带来更好的视觉效果，更好的传递绘画信息，更好的表现自我[1]。

 

第二章 非真实感图形学基础

 

2.1 非真实感图形学简介

计算机图形学诞生于 20 世纪 60 年代，其一经产生便以对客观世界的模拟与仿真为追求目标。传统意义上的真实感图形学主要立足于模仿油画的视频和油画图像，以达到对真实的外在世界准确无误的模拟和仿真的程度，让观众根本没有办法辨别虚拟的油画图像与真实的油画图像的区别。从经典的真实感图形学的产生，到现在诸多相关领域的研究的进展，真实感图形学一直倾向于运用建立物理模型的手段和方法，使得油画的绘制生成往往是以物理模型为出发点，通过对于外界事物的颜色的模拟以及通过对物体的属性的模拟，以达到让观众以假乱真的效果。计算机图形学的此类模拟过程，与实际生活中摄影家拍摄照片或者人们用心观察外界世界的过程是基本吻合的。在真实感图形学中，图形学领域的专家往往运用计算辐射度和跟踪光线的方法。人们所接触和感受的外在世界一般比较真实，外在的事物种类繁多，有美感的景象丰富多样，让许多图形学领域的专家觉得不可估摸，难以预料和预测。所以，如何更好的对真实世界进行模拟以达到更好的真实感绘制，研究者所面对的则成为比较棘手的问题，成为摆在许多专家学者面前的突出难题，成为在之后所研究中的复杂工作。传统意义上，图形学领域的研究者，在对外在世界的场景进行定义的过程中，主要通过选择场景所需要的光照和物体的材质种类，来生成可以让人们感受特别真实的图像[17]。传统的计算机图形学在计算中，往往会遇到特别复杂的问题，由此加重了计算的难度。针对这个问题，研究者一般习惯于模拟一些特定的物体，例如：对化学过程的模拟以及对微观的世界进行模拟等。然而，即便如此，人们也没有办法为客观的外在世界提供一个多功能实用性强的模型，不能满足图形学计算的各个方面的需要。需要强调的是，人们研究真实世界，并非是为了单纯的模拟客观世界，更多的是要关注于模拟所产生的图像。比较有说服力的是，在很多行业的职业者的从业过程中，这些人所需求的并不仅仅是模拟对象所得到的结果，更多的是在日常经验总结的过程中所获得的结果。对这些技术人员来说，运用计算机所得到的图形，无论真实与否，是没有太多的价值和意义而言的。

 

第三章 油画绘制的数学模型和绘制过程....17

3.1 视觉对艺术的感知.... 17

3.2 油画绘制的数学模型...... 18

3.2.1 方向场模型....... 18

3.2.2 颜色转换模型......... 19

3.2.3 刷子模型...... 21

3.2.4 色彩模型...... 22

3.3 数字油画的绘制过程...... 25

3.4 本章小结......... 33

第四章 系统的结构设计与意义........34

4.1 优越性能........ 34

4.2 结构设计........ 34

4.3 研发环境........ 35

4.3.1 硬件环境..... 35

4.3.2 开发工具..... 35

4.4 现实意义........ 36

4.5 本章小结........ 36

第五章 实验与分析....37

5.1 油画实验效果...... 37

5.2 实验结果分析...... 39

5.3 本章小结........ 39

 

结论

 

当前，关于计算机视觉的研究和计算机图形学的探索，主要朝着非真实绘制的趋势和方向进行发展。该论文通过探讨和研究图形的简单交互作用，如何形成具有鲜明的特色和个性特点的油画进行创作。本论文在深入研究和探讨的基础上，通过总结发现：对于数字油画进行计算机合成，与现实当中形成油画的过程和路径是相似的。

本文主要进行了如下工作：首先，本论文介绍了有关于非真实绘制的基本概念、基本理论，基本现状和发展趋势，通过分析探讨了生成油画的优缺点；其次，本论文在对绘画者长期的绘画实践的总结的基础上，科学而系统的分析了人类对于艺术的视觉以及感知，从而抽象出了一整套数学模型；再次，本论文以所抽象出的数学模型作为参照和指导，利用颜色变换等方面的相关知识对传统的描绘油画的技巧进行了进一步改进；最后，编码了数学模型的计算模型，并且在一个软件界面中把它们组织为一个整体，构成了一个系统。本论文全方位的探索和研究了画家对油画的绘制全过程，在此基础上，提出了自己的观点，即建立抽象的数学模型，同时对此模型初步的得以实现。作者认为需要改进和完善的研究工作主要有以下两点：（1）应该捕捉和开拓更多更好的关于艺术和现实场景的相似面，验证数学模型在应用和操作中的假设，从而使得数学模型向着更为健康的方向发展，产生更为逼真的视觉和艺术效果。（2）目前所绘制的油画大都为静态图像，很少或很难达到动态的效果，如何将静态图像延伸拓宽为动态的图像，并将之有机融合，则有待进一步的探索和研究。

 

参考文献

[1] 宓晓峰，陈雪颂，唐敏，董金祥.基于多重绘制模拟的艺术绘制 [J]．浙江大学学报(工学版)，2003(06)：6-7．

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[3] 于金辉,徐晓刚,彭群生.一个三维计算机水粉笔刷模型 [J].计算机辅助设计与图形学学报，2000(09)：3-30．

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[5] 屠晓明,刘雄伟．直线 Bresenha 生成算法的三维推广[J].计算机辅助设计与图形学学报，2001(09)：10-13．

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[7] 程锦,陆国栋,谭建荣. 基于直线特性的直线生成集成算法[J].中国图象图形学报，2001(04)：110-113．

[8] 吴兵,尹伟强,凌海滨.具有拓扑关系的任意多边形裁剪算法[J].小型微型计算机系统，2000(11)：59-63．

[9] 刘虎生,暴建岗.平行四边形与菱形窗口的裁剪算法研究[J].华北工学院学报，2000(03)：12-15．

[10] 董洪伟,周来水,周儒荣.一种曲面裁剪的快速新算法[J].工程图学学报，2000(02)：10-12．

 

第 1 章 前言

 

1.1 地震波波场正演计算机数值模拟概述

在地震过程中，地底和地表和地标以上的空间都会存在地震产生的声波。但是这不是我们用声波研究地震的原因。我们用声波研究地震的主要目的，是为了用声波近似的表示和研究弹性波[3]。因为在地球物理学中，我们通常把复杂地质结构介质看作是弹性介质。所以我们认为地震波是弹性波。真实的地震波非常复杂，同时存在纵波和横波，甚至还有 sh 波等复杂波。而且，在不同介质的分界面上，弹性地震波还会发生反射、折射和透射等现象。会同时产生透射波和反射波，同时存在纵波、横波和附和波等复杂地震波。例如瑞雷面波是一种比较复杂的弹性地震波[1]。而声波是完全的纵波，其在运动学和动力学方面满足纵波的性质和特点。声波在弹性介质中的运动、透射和反射，都满足纵波的特点。所以我们在物理的角度可以认为声波是弹性波的一种近似，当这种研究方法能够满足我们的需要的时候。单纯从数学上看，声波波动方程，也是弹性波波动方程的一种数学近似，也可以在一定范围内满足我们研究的需要。所以，在地球物理学中，我们常用声波近似代替弹性波来研究问题[1]。波场、地震波场，指有地震波传播的空间。在这个空间的每一点上，一定时刻都有一定的波前通过，波的能量也按—定的规律传播。当我们按照顺时间轴方向研究波场的状态问题的时候，如果研究的就是波场的正演问题，进行的计算机数值模拟，就是正演模拟[4]。计算机数值模拟也叫计算机模拟。它是以电子计算机为手段，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题或物理问题，乃至自然界各类问题研究的目的的一种实验方式[5]。在电子计算机上进行数值模拟实验就像进行一次物理实验一样，但是这一切都是发生在虚拟的数字世界中。这种实验，结果精确，可靠性高，而且，可控性好。我们甚至可以利用可控性好的特点，设计现实中不存在的实验，例如理想实验，或者超前的难以观测结果的实验,例如用计算机数值模拟核爆。地震波正演模拟，实际上，是在给出地球模型，包括整个地球或者地球局部地质结构。在假定地球为复杂弹性介质的前提下，用相应的地球物理学的某种场方程，去求解地表或地下相应的某种场的响应函数，就地震波场而言，就是震源。

 

数值模拟实际上应该理解为用计算机来做物理实验。例如地震波反演试验，通过计算机数值模拟，计算出结果，并且还可以生成图像显示。可以看到地震波波场场的各种细节：如震源起振时刻、状态、直达波、反射波的的有无和状态【7】。通过上述方法，人们可以清楚地看到波的运动、反射波生成与传播。总之数值模拟可以形象地再现波动情景，与做真实验几乎相同[7]。数值模拟主要包含以下几个步骤：首先要建立正确反映问题的数学模型。在地震波正反演模拟中，就是从实际地质构造问题中抽象出正确的微分方程定解问题，或者微分积分方程的不适定问题。这是数值模拟实验的出发点。没有正确适当的数学模型，数值模拟实验就无从谈起。建立数学模型之后，就是寻找正确的算法，而且进一步还要追求算法的精确性和高效性。现在已经有许多成功的数值计算方法。例如把问题抽象为数学模型之后得到微分方程定解问题。然后用有限差分法或者有限元法求解。有了数学解法之后，就是设计算法。例如，我们用有限差分法得到代数方程组（一般是原微分方程对应的差分方程）。在计算工作结束之后，会产生模拟数据，这些数据是真正的模拟结果。模拟结果可以直接用数据表达出来，并且保存。数据可以在软件中直接显示为图片，或者用其他的绘图软件（excel 也可以制作粗糙的结果图）绘制。有了数据或者图像之后，就是结果的分析和解释了工作了。针对地震勘探中的数值模拟而言，就是地震资料或者模拟资料的解释、分析和预测工作。地震波波场数值模拟，是研究地震波的最重要和最常用的方法。随着现代电子计算机的出现，地震波波场数值模拟和现代电子计算机结合，发展出了地震波波场计算机数值模拟这个现代研究方向。借助电子计算机的巨大高速运算性能，我们可以通过对波动方程波场的数值模拟，得到波场的状态。再结合各种复杂的地质构造，我们可以进行复杂地质构造的地震波波场计算机数值模拟实验。进一步分析复杂地质结构本身的性质、特点和波的性质特点。这对于地震勘探、油藏探看和地震的预测和研究具有重要的意义。

 

第 2 章 波动方程及其有限差分法

 

2.1 微分方程有限差分法原理概述

有限差分法是一种数学计算概念，以差分方程的形式来代替微分方程，从而使整个计算过程变成差分方程的代数方程组的计算，以此实现微分积分方程的数值求解。如果一个微分方程中的未知函数只有一个自变量，这个方程就叫做常微分方程，简称微分方程；常微分方程是椭圆双曲线方程。如果一个微分方程中含有多元函数的偏导数，或者说未知函数和是多变量函数，并且，方程中出现未知函数对几个变量的导数，这种微分方程就是偏微分方程。我们把计算的对象是偏微分方程的有限差分法叫做偏微分方程有限差分法。双曲型微分方程，是一种典型的偏微分方程。波动方程是典型的双曲型偏微分方程。数学物理方程中的声波方程，是波动方程，是双曲型偏微分方程，是纵波形的数学表达。有限差分法的基本思想，是把连续的微分方程定值解的求解区域，用有限个节点来离散的表示。每个节点的参数，都是原方程的参数或者相关参数。其求解过程，就是在整个求解区域上，进行网格剖分后的递推求解。把连续的求解区域用网格剖分剖分成有限个节点之后，原来的连续函数再由泰勒展式展开，就可以得到原微分方程的差分方程。把求解区域离散化，得到原微分方程的近似解，再用插值等方法近似的得到原连续方程的解。这是一种近似化的求解方法。在采用数值计算方法求解偏微分方程时，若将每一处导数由有限差分近似公式替代，从而把求解偏微分方程的问题转换成求解代数方程的问题，即所谓的有限差分法。

 

第 3 章 声波波动方程波场正演........ 22

3.1 声波方程正演的计算机数值模拟概述......22

3.2 计算机系统........23

3.2.1 选择计算机系统概述.....23

3.2.2 硬件系统.......23

3.2.3 软件系统.......23

3.2.4 一种高性价比的 PC 数值计算平台方案....24

3.3 正演参数......25

3.4 声波方程离散化......26

3.5 初始条件及其差分离散化........27

3.6 震源........27

3.7 数值频散现象....29

3.8 算法设计及其实现........30

3.9 结果分析......31

3.10 人工边界的产生....31

第 4 章 边界条件及其处理.......32

4.1 人工边界概述....32

4.2 二维透明边界条件........33

4.3 二维透明人工边界条件的有限差分格式：....36

4.4 吸收边界条件....38

4.5 Clayton 吸收边界条件.........39

4.6 PML 人工吸收边界条件......40

第 5 章 复杂地质结构模型的地震波波场........ 42

5.1 计算机模拟方法概述....42

5.2 模型求解的方法......42

5.3 复杂地震波波动方程数值模拟方法....44

5.4 算法流程......46

 

结论

 

本文列举的几个模型，无论是简单介质模型还是复杂介质模型，都是基本的介质模型。我们可以在以上几个基本介质模型的基础之上，组合、发展出自己需要的介质模型，而且算法完全一致，但是可以对算法和仿真系统进行改进，以便得到更好的效果。所以，本文所述理论，具有可扩展性。该技术在理论上具有推演和验证作用，在实践中具有工程应用作用。例如组建计算机仿真系统；进行工程设计仿真；隧道的超前预测、桥路道路施工设计和地震勘探等领域。分布式系统（distributed system）是建立在网络之上的软件系统。正是因为软件的特性，所以分布式系统具有高度的内聚性和透明性。因此，网络和分布式系统之间的区别更多的在于高层软件（特别是操作系统），而不是硬件。目前在基于服务器的分布式计算的平台上，有成功的地震波数值模拟的应用。但是分布式计算存在服务器数量少，运算资源静态不可调整的缺点，所以，逐渐被云计算技术取代[41]。单机服务器和分布式服务器，都可以采用 B\S 构架实现，这样用户在 Browser（浏览器）端访问远程服务器（不一定是单机）的时候，就可以得到更好的事实。例如，在 2013 年 4 月分的地震期间，成都高新减灾研究所研制的地震预警系统，就是典型的 B\S 模式的地震预警系统。该系统的、充分发挥了分布式计算对三维地震波运算的高性能。

 

参考文献

[1] 李录明，李正文. 地震勘探原理、方法和解释[M]. 北京:地质出版社，2007.

[2] 李太宝. 计算声学:声场的方程和计算方法[M]. 北京:科学出版社 2005.

[3] 赵明月,李桐林,刘希芳,林君. 地震波正演模拟有限元法在微机上的实现[J]. 长春科技大学学报. 28(4):448-452.

[4] 吴春玲. 三维弹性波有限元模拟的吸收边界[J]. 石油物探,1997,36(2):25-31.

[5] 邓玉琼,张之立. 弹性波的三维有限元模拟.地球物理学报[J],1990,33(1):41～53.

[6] Wu, R. S. and Huang, L. J. Scattered field www.51lunwen.org/computerapplication/ calculation in heterogenous media using aphase-screen propagator:Expanded Abstracts of the Technical Program[C].SEG.62nd AnnualMeeting,1992:1289-1292.

[7] 崔力科. 地震波波动方程有限元法数值解[J].

[8] 孙卫涛. 弹性波动方程的有限差分数值方法[M]. 北京:清华大学出版社 2009.

[9] 邢丽. 地震声波数值模拟中的透射边界条件. 科学技术与工程,2009,9(13):3607-3611.

[10] 奚先,姚姚. 二维弹性随机介质中的波场特征[J].地球物理学进展[J], 2005, 20(1):147-154.

 

 

第一章绪论

 

1.1 选题的目的与意义

计算机流体模拟仿真技术具有很强的理论性和应用性,随着计算机水平的不断进步，使得计算机流体模拟仿真技术得以实现，并且广泛应用于各种工程和技术领域。流体问题的控制方程一般是非线性的，模拟仿真区域的几何形状和边界条件也非常复杂，使得理论分析变得很困难，而实验研究又存在研究周期长、费用高和无法得到精确的实验结果等不足，所以计算机流体模拟仿真技术是更好的选择。根据计算机流体模拟仿真得到的精确仿真结果，对流体的速度、温度、压力等进行分析，进而对流体设备的性能进行预测，从而应用于工程实际中，为解决流体应用方面的问题，促进设备结构的改进和研发技术创新以及生产效率的提高提供一定的参考。计算机流体模拟仿真过程是理论分析和实验研究相互结合，得出与实际应用过程逼近的模拟效果。借助于计算机水平的提高，计算机流体模拟仿真优于在假设和近似基础上进行理论构造的方法，而相对于不能通过直接观察或者其他方法获来得比较具体而且完整的信息，计算机流体模拟仿真比传统的实验方法更加实用。本文研究的离心泵和燃烧过程，在国民经济各部门中都有着广泛的应用。在工程应用中泵消耗的能源量一直都非常大，泵中应用最广泛的是离心泵，然而其工作效率一直比较低，如何提高离心泵的效率等问题是研究的焦点。同样我国绝大多数的电都是通过燃烧煤粉的火力发电来获得的，而现阶段存在着燃烧率低、污染物排放严重等问题。提高离心泵多工况点的效率是设计中应追寻的目标；而煤粉燃烧效率的提高对节约能源、减少污染物的排放也将有很大帮助。利用计算机流体模拟仿真技术，提高离心泵的工作效率和煤粉的燃烧效率是一项具有重要应用价值和现实意义的课题，对节约能源、减少污染和提高生产效率具有一定的参考价值。

 

1.2 国内外研究现状及趋势

在国外一些技术比较先进的国家和地区，自二十世纪六十年代以来计算机流体模拟仿真技术已经有了很快的发展速度。工业需求的加大和航天事业的不断进步为计算机流体模拟仿真技术的发展提供了保障和推动力。目前在国外，在航空、航天、汽车等诸多工业领域，利用计算机流体模拟仿真进行的反复设计、分析、优化已成为标准的必经步骤和手段。在国内计算机流体模拟仿真技术的起步比较晚，但还是取得了相当广泛的应用。计算机流体模拟仿真技术已在汽车的工业设计、核能发电及太空探索等领域有了成功的应用。在航空航天方面，首架喷气涡扇式飞机的成功研制，体现出来的就是计算流体模拟仿真技术在我国应用的典范；汽车方面，随着全球汽车制造向中国的转移，汽车研发能力开始提上日程，出于综合成本的考虑，这些企业最终都将依赖计算流体模拟仿真技术。计算机流体模拟仿真可以成为理论分析和实验研究之间联系的一个纽带，相信随着科技的进步和计算机水平的提高，计算机流体模拟仿真技术会更好地应用于工程领域复杂问题的解决中，并且在科学研究中发挥着越来越重要的作用。

 

1.3 本文主要研究内容

本文根据计算机流体模拟仿真得到的结果，对离心泵的性能进行预测，将模拟仿真和预测的结果应用于工程实际中，从而改善离心泵在偏工况下的运行性能，提高离心泵在全性能范围内的运行效率，达到节约能源的目的；并且对EBU模型内的煤粉燃烧过程进行深入分析，根据模拟仿真的结果，指导煤粉燃烧器的设计，从而达到提高燃烧效率和减少污染的目的。本文的研究内容主要包括以下几个方面：1）在查阅相关资料后上，介绍了选题的目的和意义，以及计算机流体模拟仿真的国内外研究现状和发展趋势。2）重点论述了 Navier-Stokes 方程的数学模型，分析研究了流体模拟仿真的Euler 法和 Lagrange 法，提出了改进的 Runge-Kutta 法的数值模拟方法；对流体的控制方程和湍流模型进行了描述，并说明了近壁区域的处理。3）概括了计算机流体模拟仿真的作用和求解方法，并且介绍了网格的划分和模拟仿真软件的知识。4）本研究工作以离心泵及基于 EBU 模型的燃烧过程作为实验对象进行计算机流体模拟仿真：建立离心泵及 EBU 模型的几何模型，然后选定包含所要研究的物体的流体区域；对模拟仿真区域进行网格划分，并给出计算机流体模拟仿真所需的边界条件、初始条件和流动条件；进行计算机流体模拟仿真，得到所关心的模拟仿真结果；将模拟仿真结果做进一步的分析和处理，对提高离心泵的工作效率和煤粉的燃烧效率，达到节约能源、减少污染和提高生产效率具有一定的参考价值。

 

第二章流体模拟仿真的相关理论

 

2.1 流体的控制方程

离心泵和EBU模型内部的流动遵循质量守、动量守恒和能量守恒定律，满足流体的控制方程。流体的控制方程包括质量方程、动量方程和能量方程[2][8]。然而，首先我们将需要发展一种能够讨论流体内部的力的描述方式。流体力学进入到了一个叫做连续力学的更普通的范围里：对材料的研究是由物质的连续区域组成的。由于正在研究流体，我们将把这个区域叫做流体体积；它有维数  x ， y ，  z 。为了理解流体的行动，我们必须首先解释在我们的流体体积上起作用的力。在连续力学的语言中，这些力被叫做压力和张力。重点论述了 Navier-Stokes 方程的数学模型，分析研究了流体模拟仿真的Euler 法和 Lagrange 法，提出了改进的 Runge-Kutta 法的数值模拟方法；对流体的控制方程和湍流模型进行了描述，并说明了近壁区域的处理。

 

第三章计算机流体模拟仿真.........22

3.1 计算机流体模拟仿真的作用.......22

3.2 Navier-Stokes 方程的数值模型 .........23

3.2.1 离散方程的边界值......23

3.2.2 流量函数....24

3.3 模型的网格划分方法.......27

3.3.1 网格划分....27

3.3.2 网格生成过程........27

3.4 模拟仿真软件.......28

3.5 本章小结.........29

第四章计算机流体模拟仿真在工程领域.......30

4.1 流体机械简介.......30

4.2 流体机械离心泵的相似理论.......32

4.2.1 相似条件....32

4.2.2 相似定律....33

4.3 离心泵模拟仿真.........34 

4.4 离心泵的物理模型.....36

4.5 模拟仿真结果.......36

4.6 结果分析及离心泵性能预测.......37

4.7 本章小结.........40

第五章基于 EBU 模型的燃烧过程模拟.........41

5.1 计算机流体模拟仿真在煤粉燃烧.........41

5.2 EBU 模型空气动力学特性....42

5.3 煤粉燃烧的数学模型.......45

5.4 C 语言编程与 FLUENT 混合仿真.......45

5.5 模拟仿真对象及燃料特性.....49

5.6 仿真结果及分析........50

5.7 本章小结.........53

 

结论

 

计算机流体模拟仿真及其工程应用涉及多门学科，包括计算机技术、计算机图形学、控制理论与工程、计算流体力学等，本文主要研究工作，理论研究部分和工程应用实践部分可总结为以下几个方面：

(1)根据不可压缩粘性流体动力学的基本理论和方法，建立了离心泵和EBU燃烧模型内流体流动的控制方程组，并且重点论述了相应的Navier-Stokes方程以及流体模拟仿真的方法。

(2)运用计算机流体模拟仿真分析泵的内部流动，预测其性能，模拟仿真结果与实验结果的对比，表明计算机流体模拟仿真方法可以做为离心泵结构的优化设计提供参考。

(3)运用计算机流体模拟仿真方法对EBU模型内的煤粉燃烧过程进行模拟仿真，根据模拟仿真的结果以及对结果的分析和后处理，为深入理解煤粉的燃烧过程、提高煤粉的燃烧效率，降低污染物的排放和为实际煤粉进入系统的改进设计提供了参考。

 

参考文献

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[2] 刘顺隆，郑群.计算流体力学[M].黑龙江：哈尔滨工业大学出版社，1998.

[3] A.Amsden.The smac method: A numerical technique for calculating incompressible fluidflows[J],1970.

[4] G. K. Batchelor. An introduction to fluid dynamics[J]. Cambridge Mathematical Library.Cambridge University Press, Cambridge,paperback edition, 1999.

[5]王秀勇，王灿星.于数值模拟的离心泵性能预测[J].流体机械，2007，35（10）：9-13.

[6] James W. Daily and Donald R.F. Harleman. Fluid Dynamics[M].Addison Wesley Publishing,Reading, MA, USA, 1966.

[7] Onate E ， Idelsohn5.Amesh-free finite point method for transport and fluid flowproblems[J].Comut Meeh,1998,21:283-292

[8] 任安禄.不可压缩粘性流场计算方法[M].北京：国防工业出版社，2003

[9] Ubhayakar SK,Stickler DB,Rosenberg CW,Gannon RE.Rapid devolatilization ifpulverized coal in hot combustion gases,Sixteenth Symposium(International)onCombustion,Pittsburg[J]:The Combustion Institute;1977.p.427-436.

[10] 陈乃祥,吴玉林.离心泵[M].北京:机械工业出版社,2003．

 

 

第一章绪论

 

1.1 选题的目的与意义

计算机流体模拟仿真技术具有很强的理论性和应用性,随着计算机水平的不断进步，使得计算机流体模拟仿真技术得以实现，并且广泛应用于各种工程和技术领域。流体问题的控制方程一般是非线性的，模拟仿真区域的几何形状和边界条件也非常复杂，使得理论分析变得很困难，而实验研究又存在研究周期长、费用高和无法得到精确的实验结果等不足，所以计算机流体模拟仿真技术是更好的选择。根据计算机流体模拟仿真得到的精确仿真结果，对流体的速度、温度、压力等进行分析，进而对流体设备的性能进行预测，从而应用于工程实际中，为解决流体应用方面的问题，促进设备结构的改进和研发技术创新以及生产效率的提高提供一定的参考。计算机流体模拟仿真过程是理论分析和实验研究相互结合，得出与实际应用过程逼近的模拟效果。借助于计算机水平的提高，计算机流体模拟仿真优于在假设和近似基础上进行理论构造的方法，而相对于不能通过直接观察或者其他方法获来得比较具体而且完整的信息，计算机流体模拟仿真比传统的实验方法更加实用。本文研究的离心泵和燃烧过程，在国民经济各部门中都有着广泛的应用。在工程应用中泵消耗的能源量一直都非常大，泵中应用最广泛的是离心泵，然而其工作效率一直比较低，如何提高离心泵的效率等问题是研究的焦点。同样我国绝大多数的电都是通过燃烧煤粉的火力发电来获得的，而现阶段存在着燃烧率低、污染物排放严重等问题。提高离心泵多工况点的效率是设计中应追寻的目标；而煤粉燃烧效率的提高对节约能源、减少污染物的排放也将有很大帮助。利用计算机流体模拟仿真技术，提高离心泵的工作效率和煤粉的燃烧效率是一项具有重要应用价值和现实意义的课题，对节约能源、减少污染和提高生产效率具有一定的参考价值。

 

1.2 国内外研究现状及趋势

在国外一些技术比较先进的国家和地区，自二十世纪六十年代以来计算机流体模拟仿真技术已经有了很快的发展速度。工业需求的加大和航天事业的不断进步为计算机流体模拟仿真技术的发展提供了保障和推动力。目前在国外，在航空、航天、汽车等诸多工业领域，利用计算机流体模拟仿真进行的反复设计、分析、优化已成为标准的必经步骤和手段。在国内计算机流体模拟仿真技术的起步比较晚，但还是取得了相当广泛的应用。计算机流体模拟仿真技术已在汽车的工业设计、核能发电及太空探索等领域有了成功的应用。在航空航天方面，首架喷气涡扇式飞机的成功研制，体现出来的就是计算流体模拟仿真技术在我国应用的典范；汽车方面，随着全球汽车制造向中国的转移，汽车研发能力开始提上日程，出于综合成本的考虑，这些企业最终都将依赖计算流体模拟仿真技术。计算机流体模拟仿真可以成为理论分析和实验研究之间联系的一个纽带，相信随着科技的进步和计算机水平的提高，计算机流体模拟仿真技术会更好地应用于工程领域复杂问题的解决中，并且在科学研究中发挥着越来越重要的作用。

 

1.3 本文主要研究内容

本文根据计算机流体模拟仿真得到的结果，对离心泵的性能进行预测，将模拟仿真和预测的结果应用于工程实际中，从而改善离心泵在偏工况下的运行性能，提高离心泵在全性能范围内的运行效率，达到节约能源的目的；并且对EBU模型内的煤粉燃烧过程进行深入分析，根据模拟仿真的结果，指导煤粉燃烧器的设计，从而达到提高燃烧效率和减少污染的目的。本文的研究内容主要包括以下几个方面：1）在查阅相关资料后上，介绍了选题的目的和意义，以及计算机流体模拟仿真的国内外研究现状和发展趋势。2）重点论述了 Navier-Stokes 方程的数学模型，分析研究了流体模拟仿真的Euler 法和 Lagrange 法，提出了改进的 Runge-Kutta 法的数值模拟方法；对流体的控制方程和湍流模型进行了描述，并说明了近壁区域的处理。3）概括了计算机流体模拟仿真的作用和求解方法，并且介绍了网格的划分和模拟仿真软件的知识。4）本研究工作以离心泵及基于 EBU 模型的燃烧过程作为实验对象进行计算机流体模拟仿真：建立离心泵及 EBU 模型的几何模型，然后选定包含所要研究的物体的流体区域；对模拟仿真区域进行网格划分，并给出计算机流体模拟仿真所需的边界条件、初始条件和流动条件；进行计算机流体模拟仿真，得到所关心的模拟仿真结果；将模拟仿真结果做进一步的分析和处理，对提高离心泵的工作效率和煤粉的燃烧效率，达到节约能源、减少污染和提高生产效率具有一定的参考价值。

 

第二章流体模拟仿真的相关理论

 

2.1 流体的控制方程

离心泵和EBU模型内部的流动遵循质量守、动量守恒和能量守恒定律，满足流体的控制方程。流体的控制方程包括质量方程、动量方程和能量方程[2][8]。然而，首先我们将需要发展一种能够讨论流体内部的力的描述方式。流体力学进入到了一个叫做连续力学的更普通的范围里：对材料的研究是由物质的连续区域组成的。由于正在研究流体，我们将把这个区域叫做流体体积；它有维数  x ， y ，  z 。为了理解流体的行动，我们必须首先解释在我们的流体体积上起作用的力。在连续力学的语言中，这些力被叫做压力和张力。重点论述了 Navier-Stokes 方程的数学模型，分析研究了流体模拟仿真的Euler 法和 Lagrange 法，提出了改进的 Runge-Kutta 法的数值模拟方法；对流体的控制方程和湍流模型进行了描述，并说明了近壁区域的处理。

 

第三章计算机流体模拟仿真.........22

3.1 计算机流体模拟仿真的作用.......22

3.2 Navier-Stokes 方程的数值模型 .........23

3.2.1 离散方程的边界值......23

3.2.2 流量函数....24

3.3 模型的网格划分方法.......27

3.3.1 网格划分....27

3.3.2 网格生成过程........27

3.4 模拟仿真软件.......28

3.5 本章小结.........29

第四章计算机流体模拟仿真在工程领域.......30

4.1 流体机械简介.......30

4.2 流体机械离心泵的相似理论.......32

4.2.1 相似条件....32

4.2.2 相似定律....33

4.3 离心泵模拟仿真.........34 

4.4 离心泵的物理模型.....36

4.5 模拟仿真结果.......36

4.6 结果分析及离心泵性能预测.......37

4.7 本章小结.........40

第五章基于 EBU 模型的燃烧过程模拟.........41

5.1 计算机流体模拟仿真在煤粉燃烧.........41

5.2 EBU 模型空气动力学特性....42

5.3 煤粉燃烧的数学模型.......45

5.4 C 语言编程与 FLUENT 混合仿真.......45

5.5 模拟仿真对象及燃料特性.....49

5.6 仿真结果及分析........50

5.7 本章小结.........53

 

结论

 

计算机流体模拟仿真及其工程应用涉及多门学科，包括计算机技术、计算机图形学、控制理论与工程、计算流体力学等，本文主要研究工作，理论研究部分和工程应用实践部分可总结为以下几个方面：

(1)根据不可压缩粘性流体动力学的基本理论和方法，建立了离心泵和EBU燃烧模型内流体流动的控制方程组，并且重点论述了相应的Navier-Stokes方程以及流体模拟仿真的方法。

(2)运用计算机流体模拟仿真分析泵的内部流动，预测其性能，模拟仿真结果与实验结果的对比，表明计算机流体模拟仿真方法可以做为离心泵结构的优化设计提供参考。

(3)运用计算机流体模拟仿真方法对EBU模型内的煤粉燃烧过程进行模拟仿真，根据模拟仿真的结果以及对结果的分析和后处理，为深入理解煤粉的燃烧过程、提高煤粉的燃烧效率，降低污染物的排放和为实际煤粉进入系统的改进设计提供了参考。

 

参考文献

[1]Cameron Chrisman, A Comparison www.51lunwen.org/computerapplication/ of Grid-Based Techniques for Navier-Stokes FluidSimulation in Computer Graphics[D], UNIVERSITY OF CALIFORNIA, SAN DIEGO forthe degree Master.2008.

[2] 刘顺隆，郑群.计算流体力学[M].黑龙江：哈尔滨工业大学出版社，1998.

[3] A.Amsden.The smac method: A numerical technique for calculating incompressible fluidflows[J],1970.

[4] G. K. Batchelor. An introduction to fluid dynamics[J]. Cambridge Mathematical Library.Cambridge University Press, Cambridge,paperback edition, 1999.

[5]王秀勇，王灿星.于数值模拟的离心泵性能预测[J].流体机械，2007，35（10）：9-13.

[6] James W. Daily and Donald R.F. Harleman. Fluid Dynamics[M].Addison Wesley Publishing,Reading, MA, USA, 1966.

[7] Onate E ， Idelsohn5.Amesh-free finite point method for transport and fluid flowproblems[J].Comut Meeh,1998,21:283-292

[8] 任安禄.不可压缩粘性流场计算方法[M].北京：国防工业出版社，2003

[9] Ubhayakar SK,Stickler DB,Rosenberg CW,Gannon RE.Rapid devolatilization ifpulverized coal in hot combustion gases,Sixteenth Symposium(International)onCombustion,Pittsburg[J]:The Combustion Institute;1977.p.427-436.

[10] 陈乃祥,吴玉林.离心泵[M].北京:机械工业出版社,2003．

 

第一章 绪论

 

1.1 课题背景和研究意义

1.1.1 空间辐射环境与辐射危害

空间辐射对电子设备中的集成电路的影响主要有总剂量效应（Total IonizingDose，TID）和单粒子效应（Single Event Effects，SEE），前者由辐射长期累积所引起，后者由高能粒子入射所引起，具体可分为单粒子翻转、单粒子闩锁、单粒子瞬态效应、单粒子功能中断、单粒子烧毁等[3]。空间辐射对卫星和航天器的可靠性造成了极大的威胁，国外 1971 至 1986 年发射的 39 颗同步卫星因各种原因造成的故障共 1589 次，与空间辐射有关的故障占故障总数的 71%，其中与单粒子有关的故障占辐射故障的 55%[4]。在 NASA 在1996 年的统计中，单粒子效应所导致的卫星故障占据空间辐射效应故障总数的80%[5]；美国 MSTI 和 IRON9906 卫星分别于 1993 年和 1997 年发生严重单粒子效应而提前结束寿命[6]；我国发射的“风云一号 B”气象卫星的自控计算机受到高能粒子作用，致使卫星姿态失控、卫星失效[7]。半导体器件的特征尺寸越来越小，集成度越来越高，使得单粒子效应也越来越严重[8-10]。

 

1.1.2 太空任务与星载计算机

自 1957 年 10 月 4 日前苏联发射第一颗卫星，到 2012 年 8 月 6 日美国的好奇号火星车登录火星开展考察，人类对外太空的探索已经走过了半个多世纪的历程。我国的航天事业在近年来发展迅速，特别是进入二十一世纪以来，嫦娥揽月、天宫神舟对接，我国在航天领域取得了巨大的成就。随着电子技术的进步，太空及深太空应用的发展，空间任务呈现出多样性和复杂性的特点。20 世纪 90 年代中期以后，随着对空间中航天器任务的要求不断提高，性能和功能日益提高，特别是空间信息分析、太空图像处理、飞行器自主控制导航等对于星载计算机的处理性能、实时性提出了更高的要求。星载计算机系统的体系结构也从重视控制向重视数据进行转变，高性能并行处理单元成为了星载计算机的重要核心。太空任务的复杂性越来越高，对航天器的功能和性能也提出了越来越高的要求。作为航天器系统的控制及管理中心，星载计算机承担着航天器姿态与轨道控制、星上任务管理、有效载荷数据处理等任务，其性能与可靠性直接关系到航天器的工作状况。目前在航天器上用的最多的还是一些核加固的、抗辐射、低带宽、低 MIPS的处理器，高集成密度、高性能的宇航级处理器昂贵并且稀少。传统的中低性能单处理器星载计算机已经无法满足日益增长的星载高性能、高实时、高可靠性处理任务的需求，必须提高星载计算机系统的整体性能，加快数据处理及数据 I/O的速度，以满足多个星上任务同时快速完成的实时性要求。并且受限于空间恶劣环境和处理器主频提升的难度，星载计算机从体系结构的角度采用多个高性能处理器协同工作来提高系统的性能成为当前星载计算机的主要研制方向。

 

1.1.3 论文的研究意义

论文研究支持和促进了星载计算机的可靠性和并行性设计，不仅具有显著的工程意义，而且还对未来星载计算机的设计具有深远意义。本文重点所研究的是高可靠并行星载计算机系统，采用 FPGA与多DSP 结构，本文通过在 FPGA中设计比较容错模块和故障恢复模块对 DSP 的关键数据实现检错纠错功能，在 FPGA 和 DSP 内部对关键变量进行多模冗余设计等加固的方法，可以提高星载计算机的可靠性和工作寿命。同时本文进行了多 DSP 并行设计，由FPGA 进行控制管理和数据分配，提高了星载计算机的处理性能和可扩展性。同时，如果军品以下级别的FPGA、DSP等VLSI在空间设备中能够广泛应用，可以减轻我国对进口高等级芯片器件的依赖程度，提高我国星载设备的处理能力，同时大幅度降低成本开支。因此本文重点研究一种通用的星载计算机体系结构，这种 FPGA 与多 DSP 的可靠性结构结合高效的多运行模式、系统级的多模冗余设计、多核并行设计和 FPGA、DSP 内部抗辐加固等方法，可以提高系统的整体的可靠性和处理性能。

 

第二章 高可靠并行星载计算机体系结构

 

本课题所设计的高可靠并行星载计算机系统采用 FPGA 与多 DSP 的结构，能运行在高可靠冗余模式和高性能并行模式。这样的设计方案解决了传统星载计算机系统结构固定，性能落后的问题，能很好的满足现代星载计算机日益增长的高性能和可靠性的需求。本章将主要讨论高可靠并行星载计算机的体系结构设计，对系统的硬件结构和软件流程将进行详细的研究和论述。

 

2.1 高可靠并行星载计算机系统结构

通过第一章的研究分析可以看出，当前大部分的星载计算机采用的是固定的二模冗余结构和三模冗余结构。双模冗余系统造价较低，但在检错只能靠再次运行来纠正错误，同时如果其中一个模块发生了损坏则系统的可靠性将无法保证，因此系统性能和可靠性较低。三模冗余系统在性能和可靠性方面都由于双模冗余系统，可以在检错的同时通过多模比较来准确定位出错误，并可以隔离错误模块降模运行。但随着空间任务复杂性的提高，固定结构的三模冗余系统也无法满足星载计算机的需求，因此本文提出了高可靠并行星载计算机的设计方案。高可靠并行星载计算机由高可靠性的 FPGA 和多个高性能 DSP 构成。其系统结构针对于应用和环境进行了专门的设计，这种结构特点有利于适应太空中复杂的环境和多变的任务，在保证系统满足任务可靠性要求的前提下，充分利用系统的运算能力实现高性能，弥补传统系统因结构固定造成的性能损失。高可靠并行星载计算机的系统结构如图 2-1 所示。

 

第三章 高可靠并行星载计算机软件容错设计.........23

3.1 单 DSP 容错设计 .........23

3.2 比较容错机制设计 .........28

3.2.1 “比较点”机制的结构和设计 .........29

3.2.2 “比较队列”机制的结构和设计 .........31

3.3 故障恢复机制设计 .........33

3.4 本章小结 .........35

第四章 高可靠并行星载计算机软件并行方案 .........36

4.1 多 DSP 并行系统结构 .........36

4.2 多 DSP 并行执行方式 .........39

4.2.1 多类任务同时执行 .........39

4.2.2 一类任务多次执行 .........40

4.2.3 一个任务分割执行 .........41

4.3 本章小结 .........42

第五章 高可靠并行星载计算机容错技术.........43

5.1 测试环境 .........43

5.1.1 星载计算机系统的硬件构成 .........43

5.1.2 星载计算机系统的测试 Benchmark.........44

5.1.3 星载计算机系统的故障注入.........45

5.2 高可靠并行星载计算机容错性能测试.........46

5.2.1 系统容错机制对性能的影响 .........46

5.2.2 系统的容错能力与故障恢复的性能 .........49

5.3 本章小结 ...........52

 

结论

 

本文以 FPGA和多DSP 构成的高可靠并行星载计算机系统在太空中的应用为背景，重点从空间辐射与星载计算机关系、星载计算机系统结构、星载计算机软件容错设计、星载计算机软件并行设计等四个方面研究了高可靠并行星载计算机系统的容错设计问题；研究了星载计算机测试系统，对高可靠并行星载计算机系统的故障检测、加固设计和并行设计的有效性和性能进行了测试与分析。主要的结论研究如下：

（1）调研了空间辐射特点和太空任务的需求，对单粒子效应辐射机理、抗辐射技术、星载计算机加固方案等方面的研究现状进行了总结，确立了提高星载计算机可靠性与性能的研究目标。

（2）对高可靠并行星载计算机进行了系统结构设计。提出了星载计算机高可靠 FPGA 与高性能多 DSP 体系结构，以高可靠 FPGA 为控制单元，多个高性能DSP 为处理单元；研究了星载计算机系统内状态、控制、数据的结构设计；设计了整套星载计算机的运行模式与相应的软件流程；针对星载计算机多任务应用，进行了操作系统 DSP/BIOS 的设计。

（3）对高可靠并行星载计算机进行了软件容错设计。对单 DSP 进行了信息、监测和冗余的抗辐加固设计；从系统多 DSP 的角度提出了比较容错机制，对“比较点”和“比较队列”机制都进行了详细的设计；对于 DSP 的故障处理设计了“处理进度备份”机制和“快速恢复站”机制。

（4）对高可靠并行星载计算机进行了软件并行设计。研究了多 DSP 并行的系统结构和软件流程；对多 DSP 的并行设计了多类任务同时执行、一类任务多次执行、一个任务分割执行等执行方式；对不同的系统并行执行方式进行了测试和分析。

 

参 考 文 献

[1] Benton, E. R., and E. V. Benton. Space radiation dosimetry in low-Earth orbit andbeyond[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: BeamInteractions with Materials and Atoms. 2001, 184.1: 255-294.

[2] 蔡震波. 航天器空间环境工程设计论文范文[C]. 中国空间技术研究院学术会议. 2008.

[3] Johnston, A. H. Radiation effects in advanced microelectronics technologies[J].IEEE Transactions On Nuclear Science. 1998, 45(3): 13391354.

[4] 王长河. 单粒子效应对卫星空间运行可靠性的影响[J]. 半导体情报. 1988,Vol35, No1.

[5] Bedingfield, K. L., Richard D. Leach, and Margaret B. Alexander. Spacecraftsystem failures and anomalies attributed to the natural space environment[J].NASA Reference Publication. 1996, 1390: 20.

[6] Koons, H. C., et al. The impact of the space environment on space systems[C]. 6thSpacecraft Charging Technology. Vol. 1. 1998.04.

[7] 张国强. 星载并行处理计算机系统容错技术研究[D]. 长沙: 国防科学技术大学. 2006.

[8] Dodd, P. E., F. W. Sexton, G. L. Hash, M. R. Shaneyfelt, B. L. Draper, A. J. Farino,and R. S. Flores. Impact of technology trends on SEU in CMOS SRAMs[J].Nuclear Science, IEEE Transactions on. 1996, 43(6): 2797-2804.

[9] Amusan, Oluwole A., Arthur F. Witulski, Lloyd W. Massengill, Bharat L. Bhuva,Patrick R. Fleming, Michael L. Alles, Andrew L. Sternberg, Jeffrey D. Black, andRonald D. Schrimpf. Charge collection and charge sharing in a 130 nm CMOStechnology[J]. Nuclear Science, IEEE Transactions on. 2006, 53(6): 3253-3258.

[10] Heidel, David F., Kenneth P. Rodbell, Phil Oldiges, Michael S. Gordon, Henry HKTang, Ethan H. Cannon, and Cristina Plettner. Single-event-upset critical chargemeasurements and modeling of 65 nm silicon-on-insulator latches and memorycells[J]. Nuclear Science, IEEE Transactions on. 2006, 53(6): 3512-3517.

 

1 前言

 

解剖学是外科学的基础，优秀的外科医生必须具备精确的解剖学知识。在局部解剖复杂的肝胆胰外科中，这一点显得尤为重要。事实上，肝胆外科的每一次重要进展之前，都有相应的解剖学研究作为基础。另一方面，肝胆外科新的手术方式的出现，必然促进了解剖学研究的进行。1957 年，Couinaud 采用肝脏灌注标本研究的方法，对肝内脉管结构及其分段进行了系统性描述[1]。因其描述最为完整，系统且实用，从此被外科医生广泛采用。1982 年，法国外科学家 Henri Bismuth 对 Couinaud 的分段进行了进一步研究和完善[2]。基于 Couinaud 和 Bismuth 的工作，解剖性肝叶/段切除术得以广泛开展，并且逐步在肝脏肿瘤和复杂胆道疾病的治疗中发挥重要作用。解剖性肝叶/段切除术的广泛开展，为活体肝移植术的开展创造了条件。1989年，澳大利亚医生 Strong 成功实施了世界首例成人-儿童活体肝移植；1996 年，日本学者和香港大学玛丽医院学者均完成了成人间活体右半肝移植[3]。因活体肝移植对供体的手术安全和受体的手术成功都有极高的要求，从而促进了对肝内脉管解剖结构的进一步研究[4]。从肝移植、活体肝移植临床应用和研究中取得的解剖学和手术知识，进一步促进了复杂肝切除的发展。进入 21 世纪以来，随着外科、影像和计算机技术的快速进展，肝脏外科也进入了“精准肝外科”（Precise Liver Surgery）时代[5]。精准肝脏外科，讲求“精确的术前评估”，亦即需要对患者进行个体化的、精确的术前评估。而术前评估的重点之一，是手术区域脉管结构的评估。其中，围肝门部区域（Perihilar Region）的解剖结构和病变情况的评估是一个关键问题。围肝门部区域，特指第一肝门附近的区域，重点是其中包含的脉管结构。目前对该区域并无明确的定义出现，但其重要性毋庸置疑。围肝门部区域是肝脏和胆道手术关键的解剖位置，是历来解剖学研究的重点。虽然肝脏临床解剖学研究已取得长足进展，但既往研究均为大多为单个脉管系统的研究，缺乏对相互之间解剖关系的描述，实际应用中仍感不足，需进行更深入的研究。此外，解剖性肝段/亚段切除术已广泛应用于肝脏外科中，并被证明对肝癌的治疗效果优于非解剖性肝切除[6, 7]。并且，解剖性肝段/亚段切除术亦有利于保证术后足够的功能性肝体积，是精准肝脏外科重要的手术方式之一。但在肝段水平，肝内脉管结构变异多，解剖复杂，而目前对于肝段水平的脉管结构均为散在的文献研究，缺乏系统性研究，所取得的解剖学知识距离精准肝脏外科的要求还有差距。另一方面，2D 影像上肝脏解剖结构的评估缺乏立体感，不利于判断解剖空间结构和脉管间的位置关系，而目前的部分研究是基于 2D 影像的解剖研究，所得出的结果并不完全令人信服。目前 3D 技术的进展，可实现基于 2D 断层影像的肝内脉管结构的 3D 重建，多个脉管系统间可以任意组合显示，十分有利于观察脉管结构间的位置关系，且于工作站上可进行 2D 与 3D 图像的实时对照研究。因此，目前具备进行基于计算机 3D 重建模型下围肝门部和肝段水平脉管解剖学研究的临床需要和技术条件，应当对这个问题进行研究。

 

2 背景资料

 

2.1 肝脏解剖和分段法

肝脏作为腹腔内最大的实体器官，有着各种分叶/分段的方法。在经典的解剖学教科书中，是根据肝脏表面的解剖学标志（第一肝门处的 H 型横沟），将肝脏分为右、左、方、尾四叶。但这种分叶方法较为粗略，对肝脏外科的指导意义有限，在肝胆外科临床中应用受到限制。国际上存在两组通用的肝脏解剖分段法。一组是以 Healey 的解剖为基础，用胆管和肝动脉为肝内区段的分界线；另一组是以 Couinaud 的解剖为基础，用门静脉为分界线[8]。前者在美国通用，后者在欧洲较为通用。而 Couinaud 分段法因其在外科临床中的实用性，已被我国肝胆外科医生广泛接受并运用。Healey 和 Couinaud 的分段法，在右肝是完全一致的，但在左肝有所不同。在Healey 分段法的描述中，左区界面是由脐静脉窝通到镰状韧带，将左半肝分为左内区（Left Medial Section）和左外区（Left Lateral Section）。而在 Couinaud 分段法的描述中，左区界面是肝左静脉（LHV）所在的平面，分为左内扇区（Left MedialSector）和左外扇区（Left Lateral Sector）。为了简化翻译，2000 年在武汉举行的“第六届全国肝脏外科学术会议”期间，中华外科学分会肝脏外科学组部分专家对我国肝脏解剖和肝脏手术名称进行了讨论并统一，统一采取 Healey 的命名方法，以hemiliver, section 和 segment 为主要名称，但这并不表示中国专家对 Healey 的解剖和肝内分区段的方法，比 Couinaud 的方法更加认同。以此次会议的共识作为规定，左内区为Couinaud 4段，左外区为Couinaud 2，3段。区的切除，翻译为Sectionectomy而非 Sectorectomy。此外，对于 Couinaud 肝段的写法，统一以阿拉伯数字表示而不用罗马数字表示。比如：Couinaud 2 段，而不写为 Couinaud Ⅱ段[8]。

 

2.1.1 Couinaud分段法

Couinaud 分段法的基本思路，是基于三个肝静脉裂和肝横裂（transversescissura）为解剖学标志进行分段。三条肝静脉裂将肝脏分为四个区。其中左外区及肝脏的 2 段，左内区又以门静脉矢状部作为分界线，分为外侧的 3 段和内侧的 4段。右前区和右后区以肝横裂为分界，分为右前叶上段（8 段）、右前叶下段（5段）、右后叶上段（7 段）和右后叶下段（6 段）,尾状叶作为独立的第 1 段（图 1）。但按照武汉会议的共识，在手术学描述时，左内区切除指切除 4 段，左外区切除指切除 2,3 段。在术前影像检查（CT/MRI）或术中影像上（IOUS）对肝脏进行分段，是肝胆外科医生的基本功，也是进行肝脏外科手术设计的重要技能。CT影像上的分段法，是以 Couinaud 肝段的定义来进行划分。但是在横轴位（axial）影像上，肝横裂几乎与影像切面平行，因此确定肝横裂的位置存在一定困难[10]。一般以 LPV 和 RPV主干定义的平面作为肝横裂的标志。在肝脏的顶部，三条肝静脉的主干一般可较为容易地确定，此时较易确定肝静脉裂所在位置。而与肝脏的下部，则需要追踪肝静脉血管所在的位置而确定肝静脉裂的位置。在二维影像上各肝段的位置如图 2 示[11]。

 

3 研究方法 ..... 24

3.1 病例的选取......... 24

3.2 CT 检查的方法......... 25

3.3 3D 模型的构建......... 25 

3.4 数据的分析和结果输出....... 28

3.5 统计学分析......... 29

4 结果 ....... 29

4.1 研究对象的一般情况..... 29

4.2 门静脉的解剖学研究结果......... 30 

4.3 胆管的解剖学研究结果....... 39 

5 讨论 ....... 50

5.1 研究门静脉解剖变异的临床意义......... 50 

5.2 胆管解剖学变异的临床意义..... 55

5.3 Couinaud 分段的困惑与进展 .... 61

5.4 计算机 3D 评估和虚拟手术的应用意义和不足.... 63

5.5 术前 3D 评估和虚拟手术的临床应用举例...... 65

 

结论

 

肝胆系统存在一组血管异常性疾病，包括门静脉海绵样变、血管先天发育异常等。因血流动力学和侧枝血管形成的复杂性，该类疾病治疗很困难，主要难点在于对其解剖和病理生理的认识。而 3D 技术可对血管的解剖学评价提供重要信息，并对病理生理机制的分析和手术设计提供帮助。术前使用患者 CTA 图像进行 3D 重建，提示肝内门静脉变异，为右侧矢状部门静脉（LPV 单独分支 P2 和 P3，P4 和 P8 形成共干），门静脉主干海绵样变并形成曲张血管球对胆道造成压迫。LPV 狭窄，侧枝血管于肝内形成曲张交通支后与P3 相连；RPV 主干狭窄，侧枝血管形成与 RPPV 交通。患者脾脏显著增大，胃脾区血管曲张，提示门静脉高压症存在。结合以上征象分析，考虑患者可能为门静脉海绵样变后血流不畅，形成肝前性门静脉高压并致曲张侧枝形成，侧枝血管压迫胆道导致黄疸，为血管源性胆病。

 

参考文献

[1] 黄志强. 围肝门外科与手术并发症. 肝胆外科杂志. 2001. (06): 401-402

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第一章绪论

 

1.1选题背景

一种新药的研发从临床前研究、临床试验到获准进入市场是一个漫长的过程，要经过严格的药物临床试验，包括临床前及临床I、II、III期试验。药物临床试验指在人体（健康志愿者或病人）进行药物的系统性研究，以确定试验药物的疗效与安全性[1]。在美国二十世纪九十年代以前整个新药研发过程耗时约12年，其中临床前研究约3.5年，临床试验I、II、m期分别需要1、2、3年，FDA审评近2.5年[2]。尽管临床前和评审阶段的时间有了显著降低，临床研究仍然占了整个药物研发过程的一半时间。1997年美国新药研发的成本超过了 3.59亿美元[3],其中大部分用来进行临床试验。到2010年，新药进入市场的全部成本仍然高达1.7亿美元[4]。一种新药要获得FDA的批准约三分之一的成本和超过一半的时间用于临床研究[5]。药物研发耗时如此之长、成本如此之高主要原因在于，药物临床试验存在许多问题使得临床试验需要大量重复[6]，如所测试新药的安全性和有效性信息旳缺乏导致试验设计和执行时的缺陷，试验方案设计中对安全性和有效性的评价标准不规范，临床试验中对药物不良反应缺少比较全面的预测等[7]。药物临床研究的方案设计多依赖于研究者的经验和知识背景，缺乏统计学等方面的客观评价[8]，随着新药研发成本的日益激增，计算机模拟技术引起了世界各国政府和制药企业的广泛关注[8，9]。计算机模拟即通过建立计算机模拟平台，模仿真实情况下的复杂条件、环境，以明确客观实际情况，用以指导实际操作[1]。计算机模拟技术是考察复杂系统的常用方法之一，该技术在汽车和航空工业的应用己20年有余，在降低幵发成本的同时提高了新产品的安全性和耐用性。

CTS技术得到了美国食品和药品管理局(Food and Drug Administration, FDA)的高度重视。1999年FDA发布了一篇关于群体药动学的指南[15],详细论述了计算机模拟技术;2004年发表的关于新产品开发中的关键路径的白皮书[16]，将CTS技术的重要性提到了新的高度。CTS技术在药物研发过程中的成功运用，大大的降低了新药开发费用、缩短了研发时间，具有广泛的应用前景。

 

1.2国内外研究进展

在药物研发领域，CTS技术正处在发展的初期阶段[17]。N. H. G. Holford等人最早于1999年（Good Practices)对CTS技术做了详细介绍，制定了CTS技术的标准操作规范草案，后来又分别于2000年[9]和2010年[18]对CTS的应用做了概述性介绍。[9]中总结了 20世纪80年代至90年代间的13个已有文献报道的仿真项目，包括对统计特性和数据分析方法的评估，其中[19]通过仿真验证了非线性混合效应模型(NONMEM)在估计群体药代动力学参数中的有效性，[20]通过对药代动力学实验仿真，对参数进行了更精确的估计；对试验设计的评估，其中[21]优化了抽样时间，[22]评估了随机浓度控制实验(RCCT)和剂量控制实验(RDCT)设计，[23,24]对剂量范围设计进行评估，[25,26]对疾病进程设计进行评估，[27]应用蒙特卡罗仿真评估生物等效性；以及对具体药物的临床试验的评估，其中[28，29]对霉酹酸醋(mycopheriolate mofetil)进行评估，[30,31]对思瑞康(seroquel)进行评估；同时也对CDDS未公开仿真结果的8个项目进行了简单介绍。[18]中通过对文献资料蹄选，对2000年至2010年间17篇有关仿真项目的文献进行介绍。Holford使用“临床”，“试验”和“模拟”作为关键词在2000年1月1日至2010年1月31日期间的PubMed数据库中进行搜索，得到3477篇文章。但若限定检索结果包含关键词“试验模拟”，仅得到61篇；进一步对检索结果进行蹄选，查找标题和正文中包含"临床试验模拟”的文献，只剩48篇；除去2000年以前发表的以及未找到全文的论文，最终余下39篇，其中有17篇是关于具体药物的研发，其余的文章主要是关于CTS的发展、CTS在药物研发中的应用、PK/PD建模方法的研究、试验设计和分析问题以及药物评价。在国内，焦正等人对2000年至2005年之间CTS技术的应用进行了介绍，郑丹[1]和黄继汉[32]等人也分别于2007年和2010年对CTS技术做了概述性介绍，但尚未有文献报道应用CTS技术辅助特定药物的临床试验研究。通过比较可以发现，近十年来CTS技术的应用数目比2000年前稳步增加，受知识产权原因的限制，现实中CTS实际的应用很有可能比报道的更为广泛。

 

第二章药物临床试验的计算机模拟及基础理论介绍

 

2.1 CTS概述

2.1.1 CTS 历史

药物临床试验的计算机模拟(Clinical Trial Simulation, CTS)最初来自一个名为“即刻体验” [53]的教学游戏，为了制定游戏规则游戏的组织者幵发了一套计算机程序用来模拟病人信息。随着科技的进步，20世纪80年代CTS进入了一个更加信息化的阶段。1986年，Tiefenbrunn等人对组织型纤溶酶原激活物(tissue-typeplasminogen activator, t-PA)浓度的生物化学反应进行了基于生理的计算机模拟，预测其药效动力学，通过建模和模拟过程中的发现对t-PA的给药方案进行预测评估[54] 0 20世纪90年代RIDO(RIght DOse first time)软件首次实现了完整的临床试验模拟[9]。到了 20世纪90年代中后期，随着非线性混合效应模型(nonlinearmixedeffect model, NONMEM)在PK/PD上的广泛认可和应用，欧洲、美国、澳大利亚、新西兰等西方发达国家纷纷成立了CTS的研究机构和学术团体[17]。1998年，罗氏公司运用CTS技术成功地证明了霉酌酸酯.的开发中所用的临床试验方案的可行性，使其顺利通过了美国FDA的新药审评[55]。这是新药研发历史上的重大突破，大大鼓舞和推动了CTS的发展。1999年，美国Georgetown大学的药物研发中心(center for drug development science, CDDS)创立了CTS的标准操作规范草案，该草案的颁布标志了该学科从确立正走向成熟[17]。

 

第三章 二房室模型中参数对血药浓度.......... 20

3.1 参数与中央室血药浓度关系.......... 20

3.2 参数与药效关系的研究.......... 37

3.2.1 血药浓度与药效的关系.......... 39

3.2.2 剂量和希尔系数与药效的关系.......... 42

3.2.3 各速率常数与药效的关系 ..........49

3.3 本章小结 ..........63

第四章药物代谢动力学二房室模型的改进.......... 65

4.1 药物代谢动力学三房室模型.......... 65

4.2 模型的简化 ..........67

4.3 本章小结.......... 71

第五章基于模糊理论的模型参数.......... 72

5.1 模糊参数对血药浓度的影响.......... 72

5.1.1 模糊参数对血药浓度预测的影响.......... 74

5.1.2 隶厲函数不同对血药浓度的影响.......... 77

5.2 两变量模糊调节器在调整模型参数.......... 80

5.2.1 模糊调节器的设计.......... 81

5.2.2 参数调整后的血药浓度.......... 82

5.3 本章小结.......... 86

 

结论

 

在考察药效随血药浓度的变化规律时，分别考察了中央室浓度，效应室浓度以及药效随时间的变化情况、药效随时间和效应室浓度的变化情况以及药效随血药浓度和希尔常数的变化情况。仿真结果表明，效应室浓度和药效均滞后于中央室血药浓度；效应室浓度在大约2到4ng.ml/i时，药效增加最明显；对于不同个体，药效随效应室浓度的变化规律不同；在不同的效应室浓度下，药效随iV的变化规律不同。在考察药效随剂量和希尔常数iV的变化规律时，分别考察了希尔常数取两个不同值时，药效随时间和剂量的变化情况、任一时刻药效随剂量和希尔常数的变化情况以及最大药效随希尔常数iV和剂量的变化情况。仿真结果表明，A/K).5时，在不同时刻，随着剂量的增加药效增加的程度不同；对于不同剂量，药效达到最大值以后，随着时间的推移药效下降的程度不同。时，在不同时刻，随着剂量的增加，药效增加的程度不同；不同剂量时，药效达到最大值以后，随着时间的推移药效下降的程度不同。在不同时刻，药效随剂量和希尔系数的变化规律相同：希尔系数iV越大的个体药效随剂量变化的差别越明显。

 

参考文献

[1]郑丹，朱玲，施心陵，等.药物临床试验计算机仿真简介[J].中国临床药理学与治疗学，2007，12(6):705-709.

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第一章 绪论

 

随着时代的进步，信息在人们的日常生活、工作当中起到越来越重要的作用。然而伴随着技术的革新，信息系统的种类也是层出不穷。信息系统主要是以计算机及其相关设备为基础，进行信息的收集、加工、处理的系统，它给人们带来了很大的便利性的同时，也带来了计算机信息的安全性问题[1]，日渐成为他人攻击和破坏的主要对象。因此计算机的安全性也成为人们密切关注的课题。如今，计算机的安全性并不仅仅泛指计算机病毒，它还包括通信安全、网络安全、电磁信息的辐射安全等。众所周知，计算机及其相关电子设备工作的时候都会产生电磁辐射，这种电磁辐射一方面会对周围的电子设备产生电磁干扰，影响其它设备的正常工作，另一方面其辐射出去的电磁信号会造成有用信息的泄漏，对信息安全和保密构成威胁[2]。上世纪 50 年代，美国军方发现电子设备杂散的电磁辐射含有一些重要的信息，因此西方的一些国家相继的对这一系列问题进行了分析研究，这些计划和研究统称为 TEMPEST 计划。TEMPEST技术[3]主要研究的是电子设备对外的电磁辐射引起的电磁信息泄漏问题，它主要是从电磁信息的截获和防御两方面进行展开的。

 

1.1 研究目的与意义

目前，人类社会越来越依赖信息，信息给人类的生存发展带来便利性的同时，也带来了信息的泄漏问题。长期以来，人们对计算机设备的电磁辐射和干扰相对熟悉，计算机设备工作时候的电磁辐射能够对人们的身体健康造成危害、能够影响其它设备的正常工作，人们已经有一个比较清晰的认识，然而信息设备电磁辐射同时导致的信息泄漏问题，人们却很少了解。直到上世纪 50 年代，由于计算机电子信息技术的飞速发展，人们开始注意到电子设备的电磁信息泄漏问题。由于涉及多国家的安全，很多国家和组织都秘密的对其进行研究，研究成果和实验细节都不允许对外公布。作为信息对抗的主要领域，电子设备的信息泄漏的侦收与防护技术已经受到各个国家的重视。同时由于这项研究的敏感性决定了各国对其的研究都是独立自主的进行。随着信息的社会化程度的加剧，信息的安全已经威胁到国家的安危、社会的稳定。在国际、国内竞争日益激烈的今天，信息对抗有着其特殊的意义。电磁信息泄漏的防护与侦收技术作为信息对抗的主要手段，已日渐成为各个国家争夺的技术领域，因此对其进行系统、深入地研究与实验具有很重要的现实意义。一、便于人们全面、深刻、清晰的认识计算机显示系统电磁信息泄漏。自从泄漏发射提出以后，对于泄漏发射的研究课题缺乏统一的认识，人们对于信息设备的电磁泄漏情况有待于进一步扩展和深化。二、可以促进相关学科技术的发展与进步。信息设备的电磁泄漏研究是一个交叉学科，它涉及到电磁理论、信号理论、通信、计算机相关原理等，它的深入研究必然能带动相关学科的深入发展。三、为计算机显示系统的信息泄漏防护奠定基础。通过对计算机显示系统的电磁信息泄漏的检测，找出重点的辐射频段以及辐射信号的特征，为后期计算机显示系统的加固提供依据。四、有利于建立和健全更为可靠的信息安全体系。在目前的国际环境下，总有一些敌对势力企图阻碍我们的社会发展、扰乱我们的正常生活状态。由于我们国家研究起步较晚，电磁信息泄漏的核心技术主要在一些欧美发达国家手中，我们应该独立自主的建设自己的信息设备的安全体系，这样在信息战、对抗战中才能有自己的立足之地，占据信息战争的主动权，维护和保障国家的信息安全。

 

1.2 国内外研究现状

美国是计算机防信息泄漏发展较早的国家之一，从防护技术到项目管理制定了一系列的标准。继美国之后，俄罗斯、法国等欧洲国家也在积极的研究和发展 TEMPEST 技术。20 实际 90 年代，美国的 TEMPEST 设备的销售额达到了 5 亿美元[6]，2001 年上升至 30 亿美元。20 实际 50 年代末期，美国政府建立了保密的 TEMPEST 计划。20 实际 70 年代，美国生产出了以屏蔽、滤波、接地等原理为基础，以限制电磁能量发射为目的的屏蔽计算机，这是第一代的 TEMPEST 计算机。1982 年前后，生产出了红黑隔离的电子计算机，这是第二代的 TEMPEST 计算机。1997 年英国科学家完成了以Soft-TEMPEST[8]技术为基础的计算机，使用软件控制红信号的发射，这属于第三代的TEMPEST 计算机。目前美国针对 TEMPEST 技术已经建立了 TEMPEST 对抗工作组，专门制定了一套严密的体系来负责 TEMPEST 技术的保密与管理工作。1983年，瑞典科学家发表了著作《泄密的计算机》，报道了由计算机的电磁辐射信号引发的信息泄漏现象。1985年，在计算机通信安全防护大会上，荷兰学者Van Eck W.向全世界介绍了显示器电磁辐射造成信息泄漏的实验及其结果，并同时分析了视频信息电磁泄漏的机理。此后，人们对数据线、硬盘、及中央处理器工作时候的电磁辐射情况进行试验，实验证明这些电磁辐射可以导致信息泄漏的问题。

 

第二章 计算机显示系统工作原理

 

计算机显示系统是计算机电磁辐射的主要辐射源，而计算机显示系统主要由显示器、显示器视频传输线以及显卡构成。计算机显示器种类很多，有 CRT 显示器、等离子显示器、液晶显示器等，由于液晶显示器（LCD）在节能、辐射、画面质量等方面的优点，其逐渐取代了传统的 CRT 显示器成为显示器的主流设备，因此本文主要对常用LCD 显示器进行研究。

 

2.1 计算机显示系统的结构

计算机显示系统由三部分组成：一个是帧缓冲器，它是一个数字式的存储器，又成为显示存储器 VRAM，用于存储要显示的图形、图像的亮度值矩阵；另一个是监视器，也就是显示器；第三部分是显示控制器，用于控制图形、图像的显示，把帧缓冲器的内容通过视频接口发送给显示器显示。为了在显示器上保持稳定的画面，必须以大于每秒30 次的频率把图形、图像数据发送给显示器。显示系统的组成如图 2.1 所示，它由主机接口、帧缓冲器、视频接口、显示控制器和显示器组成。计算机把处理好的图像、图形数据通过接口传送到帧缓冲器存储。图形显示时，在显示控制电路的控制下，按顺序读取每一个像素信息，然后通过视频接口传输到 LCD 显示器上[14]。

 

第三章 计算机显示系统泄漏机理研究........11

3.1 计算机电磁信息泄漏的基础理论和泄漏途径....11

3.2 计算机电磁信息泄漏的辐射特性.........13

3.2.1 辐射发射......13

3.2.2 传导发射.....15

3.2.3 时钟脉冲信号 .......16

3.3 计算机显示系统的泄漏特性分析........17

3.3.1 LCD 显示器的辐射特性......18

3.3.2 显卡的辐射特性.........19

3.3.3 视频线缆的辐射特性......19

3.4 影响计算机显示系统泄漏的因素........20

3.5 互相关的检测方法.....20

3.6 本章小结.....21

第四章 电磁辐射信号的测试与分析......23

4.1 测试环境及试验平台的搭建.....23 

4.2 显示系统辐射频谱的测试与分析........25

4.2.1 LCD 显示器的测试.....25

4.2.2 显卡的测试.......28

4.2.3 视频线缆的测试....32

4.3 本章小结......38

第五章 计算机电磁信息的安全评估与防护研究........39

5.1 计算机显示系统电磁信息的安全性评估.......39

5.2 计算机安全防护研究.......40

5.3 本章小结......42

 

结论

 

本文主要做了以下几方面工作：

1.从总体上对计算机显示系统的工作原理进行分析，找出显示系统中可能辐射的重要部件，然后对系统中的主要部件显卡、LCD 显示器、视频线缆分别独自进行分析，找出视频信号的产生以及工作流向，进一步对其辐射模型就行分析和确认。

2.在上述分析的基础上，选择实验设备，搭建实验平台，对计算机显示系统中主要部件的电磁辐射信号进行了全面的测试，找出了其对外辐射的重点频段，为后期计算机显示系统重点部件的加固奠定基础。

3. 对于显卡和 LCD 显示器通过时域和频域测试分别得出其对外辐射的信号的频谱宽度和辐射强度的均值。对视视频线缆利用相关检测方法测试器是否是泄漏发射的红信号，并对其进行了验证。

4.通过理论研究和对显示系统的实际测试分析，对降低计算机显示系统电磁泄漏的方法进行了分析，同时对显示系统的主要部件进行了安全性评估研究。

本文主要是针对计算机显示系统的辐射信号的检测与分析，而检测主要是针对安全性方面的考虑，防止有用信息的电磁泄漏。而对辐射信号的复现研究的较少，以后可以针对辐射信号的数据信息、同步信息进行复现方面的分析研究。

 

参考文献

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[10] 中国航天科工集团第二研究院七〇八所，低辐射键盘，中国，实用新型，2828908，2006.10.18.

 

1绪论

 

1.1引言

近年来轨道交通高速发展，轨道交通具有运量大、速度快、安全、准点、保护环境、节约能源和用地等特点。但我国过往对城市轨道交通的重要性认识不足，导致我国的城市轨道交通发展缓慢。目前仅有北京、上海、广州等少数大城市有成熟的地铁运输系统，而仅有大连、长春等有成熟的轻轨运输系统。所以在目前的国情之下发展轨道交通是未来城市发展的方向。轨道交通设备的安全性直接关系到普通乘客的人身安全，因此轨道交通领域对系统的安全性要求比较高，要求系统具有高安全性，高可靠性。可靠性是指一个系统的输出是正确的概率,给定一个系统在0时刻是正常运行的，那么该系统在t时刻的可靠性指的是该系统在t时刻仍然正常运行的概率。安全性指一个系统的输出是正确的或者是被导向安全侧的概率，该指标衡量的是一个系统在出现故障时仍能保证安全运行的能力。从系统的可靠性的角度看，一个存在未知错误的软件会使系统处于一个错误的状态，而这个错误的状态可能会导致整个系统崩清。虽然现在有许多的测试手段来保证软件的可靠性，但是这些措施还是无法保证万无一失。由于软件中的错误无法避免，对于一个系统，它要应对可能出现的三类问题，第一类是能被系统检测到，并能及时处理的问题；第二类是系统能检测到，但无法处理的问题；第三类是系统无法检测到的问题。当后两类问题出现的时候，系统能否保证输出的安全性将是衡量该系统安全性的关键。釆用容错系统可以提高系统的可靠性和安全性。容错系统是指在系统的一个或多个组件出现错误时仍然能保证系统整体运行的安全性的技术如今容错系统在飞机控制系统、工业控制器等关键应用越来越多地被釆用目前已经有一些方法来保证系统的容错能力，多系冗余就是其中的一种，其中三取二安全计算机和二乘二取二安全计算机是当前被普遍釆用的两种容错系统。

目前轨道交通领域也主要釆用安全计算机来保证轨道交通设备的高安全性和高可靠性，安全计算机通过多系之间的同步和数据表决来保证输入、输出数据导向安全侧_。1EC61508推荐了 5种安全系统的结构，并计算了各种结构的可靠性，三取二是其中可靠性最高的一种本文介绍的系统采用了三取二安全计算机来保证系统的安全性和可靠性。三取二安全计算机由独立运行的三个计算机系统组成，三个计算机系统之间通过同步使它们的周期一致，每系每周期输出数据，三系数据经过三取二的表决后成为最终输出结果，若三系中有一系数据错误，这系数据将被表决丢弃，输出正确的那两系的结果；若三系数据都不相同，表决输出导向安全侧。若三系其中一系故障，此系将被抛弃，正常运行的两系转入二取二模式，在二取二模式下只有当两系数据一致时才表决通过，否则表决导向安全侧输出。三取二安全计算机模型如图1.1所示。釆用安全计算机系统的轨道设备的运行要基于轨道数据库，轨道数据库记录了轨道系统的基本信息，轨道数据库是在外部生成后传入轨道设备的。对于安全计算机普通的内部数据包，因为数据包小以及数据产生频率低，可直接对数据本身进行表决；但是对于轨道数据库（Data Base以下简称DB )这种大规模数据，直接对数据进行表决就行不通了。目前安全计算机对于轨道数据库或其它的大规模数据是无法进行直接表决的，一般对大规模数据都只是单系进行单独更新，通过校验手段来保证数据的安全性。但这种各系之间独立更新的方法无法保证安全计算机各系更新的同步性；如果出现数据出错而校验算法无法校验出来（如CRC校验就存在这种概率）或者数据版本是旧的情况该种方法也无法检查出来；若是单系更新时发生其它未知错误导致此系更新失败，其它两系也是无法发现的。本文将要介绍一种解决保证轨道数据库在线更新这种大规模的数据短时间大范围传输的安全性的问题的方法。

 

2三取二安全计算机数据库更新方案

 

2. 1三取二安全计算机硬件架构

三取二安全计算机包含 ATP ( Automatic Train Protection )单元、ATO(Automatic Train Operation )单元以及 COMM ( Communication Board )单元。其中ATP单元负责列车的自动保护，是三取二安全计算机中对安全性的要求最高的一个单元，ATO单元负责列车的自动运行，COMM单元是通信单元，负责安全计算机的对外通信。三取二安全计算机由三系构成，其中每一系都有一个ATP单元，三系之间的三个ATP单元通过点对点以太网连接。三系之中第一系和第二系每系都有一个ATO单元，第三系没有ATO单元。三取二安全计算机系统一共有三个COMM单元，每个COMM单元和所有三系点对点相连。这个安全计算机硬件平台使用MPC8349作为处理器。在该硬件体系中，ATP单元负责保护列车的安全，ATO单元负责列车的自动运行。三系三个ATP单元是互为冗佘的，对三个ATP单元所有的输入与输出都会被表决，三系ATP单元的输入通过三取二表决后输入导向安全性，三系ATP单元的输出通过三取二表决后输出导向安全性。安全计算机系统两个ATO单元互为冗余，ATO单元的所有输入输出都会在两个ATO单元之间进行表决，表决若通过则釆用，不通过则舍弃。安全计算机中两个COMM单元负责安全计算机的对外通讯，但是两个COMM单元是热备的关系，同一时间只会有一个COMM单元被使用，另一个COMM单元此时是出于热备状态，只有当系统检测到正在使用的这个COMM单元出现问题后，系统会抛弃这个COMM板报错，并切换至备用的COMM板。在同一系的ATP单元与ATO单元是通过PCI总线在共享内存上进行数据交换的。

 

3数据库更新通讯协议......... 25

3. 1 TFTP 协议........ 25

3. 2 SRTP以太网安全实时数据........ 30

3.2. 1协议介绍........30

3.2.2安全机制........ 31

3.2.3协议报文集........ 31

3.2.4面向连接的安全报文传输........ 32

3.2.5报文格式........ 37

3. 3双口 RAM通信协议........ 40

3.4共享内存面包店算法........ 41

3.5本章小结........ 44

4数据库更新表决方法........ 45

4. 1数据厍更新机制分析........ 45

4.2单系更新........ 45

4. 3数据库状态........ 48

4. 4本章小结........ 49

5表决算法与安全性........ 50

5. 1表决算法........ 50

5.1.1三取二更新........ 50

5.1.2 二取二更新........ 51

5.2算法安全性分析........ 52

5. 3系统安全性计算........ 57

5. 4本章小结........ 57

 

结论

 

本文对安全计算机数据库在线更新系统的安全计算机硬件架构、关键技术以及安全性与可靠性的理论计算进行了全面、系统和深入的研究。最后通过故障注入测试进行测试验证了该种更新机制的安全性与可靠性达到了要求，与理论计算得出的结果一致。在安全计算机数据库在线更新系统的研发过程中，主要的研究内容和结论如下：在三取二安全计算机硬件架构的基础上分析了安全计算机CPU单元、ATO单元以及COMM单元的对数据库在线更新模块的需求，根据每个单元硬件架构的特点设计了每个单元的需求分析，并在此基础上设计了每个单元的数据库更新模块的概要设计和详细设计，定了整个数据库更新系统的设计方案。在各单元实现了数据库更新系统的模块设计后，安全计算机进行数据库更新时会涉及到对外更新的协议和内部各单元之间传输数据时的协议，这些协议有些是从一些标准的协议改编而来，有些是完全自主设计研发的，本文对这些协议的设计进行了介绍。三取二安全计算机进行数据库更新时最核心的是要保证更新过程的安全性，而要保证安全性关键的是要计算安全计算机数据库状态表决的算法安全性，本文在设计完各个软件子模块后给出了三取二安全计算机的数据库状态的表决算法，并在该算法的基础上建立了马尔科夫模型进行分析计算，计算结果表明该算法完全符合安全计算机的安全性要求，表明基于该算法的三取二安全计算机数据更新系统的软件设计是完全正确的。对于安全计算机的数据库更新，传统的做法是多系各自单独更新，互相之间在更新的过程中完全独立，这样的更新无法保障多系之间数据库的统一性。运用本文提出的三取二安全计算机数据库状态表决机制可以有效提高数据库更新的安全性。

 

参考文献

[1] yunki Kim，Hyeunate Lee, Keyseo Lee. The design and analysis of AVTMR(all voting triple modular redundancy) and dual-duplexsystem [J]. ReliabilityEngineering and System Safety(S0951-8320)，2005，88(3): 291-300.

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[10] T. Anderson and P.A. Lee, Fault Tolerance, Principles and Practice[M].加利福尼亚，Springer-Verlag, 1990.

 

—、计算机软件专利保拍的必要性

 

(一)计算机软件的概念和特征

1.计算机软件的概念

随着计算机科学技术的发展，各国都用各种法律方式保护计算机软件。关于计算机软件的概念，目前尚无统一的定义。世界上多数国家和国际组织原则上采用了世界知识产权组织（WPIO)的意见，并结合实际加以修改。⑴我们从中选一些世界上有影响的国家和地区对计算机软件的定义。WIPO发表的《保护计算机软件示范法条例》指出，计算机软件包括了程序、程序说明和程序使用指导三方面的内容。其中，程序指的是以文字或代码等其它的表达形式与计算机的可读介质结合后，可以使计算机产生某种信息处理能力，来标志具有某种功能并完成某项任务或产生某种结果的指令集合。程序说明指的是用文字或图形等其它的表示形式对计算机程序中所包含的程序指令做出的详细且完整的解释。程序使用指导指的是除程序、程序说明之外，用来理解或实施程序的其它辅助材料。该条例对程序的描述还不完整，即没有把用高级计算机语言汇编的源程序归入计算机软件的定义中。于是美国修改了著作权法第101条，原则性地将计算机程序界定为：一组旨在直接或间接用于计算机以取得一定结果的语句或指令。[2]此后，又通过联邦法院的判例，把源程序、目标程序、储存在只读存储器中的程序、系统程序和应用程序都归为计算机程序。[3]欧盟在计算机程序保护指令中指出：计算机软件包括先前准备的程序设计资料（preparatory design material)和计算机程序。[4]日本在著作权法修改草案中指出：计算机程序指的是能使计算机完成某种功能的一组指令，并明确规定，计算机程序不包括为完成程序作品而使用的程序语言、规则和方法。其中，程序语言是一组在书写计算机程序过程中用的文字或者符号。显然，日本对计算机软件的定义中没有包含文档。我国《计算机软件保护条例》规定：计算机软件是指计算机程序及其有关文档。其中，计算机程序是指为了得到某种结果而可以由计算机等具有信息处理能力的装置执行的代码化指令序列，或者可以被自动转换成代码化指令序列的符号化指令序列或者符号化语句序列。显然，我国对计算机软件的定义与WIPO对计算机软件的定义在原则上是保持一致的，而且结合了我国的实际情况稍作修改后使其更准确些，全面反应了计算机软件的定义内容。可见，除我们国家以外，世界上其他国家对计算机软件进行定义时没有把文档算作计算机软件的一部分，而我国将文档算作计算机软件的一部分。然而，文档在编写过程中用的是自然语言或者形式语言，而计算机程序在编写过程中用的是机器语言，两者还是有不相同之处。需要说明的是，本文在研究计算机软件专利保护问题时，主要讨论的是与计算机程序相关发明方面问题的专利保护。

 

2.计算机软件的特征

计算机软件的快速发展已进入人们生产和生活的各个方面，不管应用于哪个领域，都有一些共同的特点：第一，计算机软件是无形的。计算机软件通过人的思想过程表达出来，所体现的内容是无形的，我们只能体会其内在逻辑。第二，计算机软件有作品性和功能性双重属性。计算机程序由源程序和目标程序组成。源程序用诸如C、Java、Basic、Fortran等计算机高级语言编写的程序，由一系列数字、符号和文字组成符号化指令或语句序列,与文字作品无明显不同。软件可以作为一种作品受我国著作权法保护，具有作品性。同时，计算机软件也是一种技术方案，具有技术性质，能达到某种目的，实现某种功能，具有功能性。计算机软件既是作品又是工具的双重性，是作品性和工具性相结合而成的智力成果，具有文字作品的属性和技术方案的功能性。计算机程序的功能必须通过程序的运行和使用时才充分体现出来。随着科学技术的快速发展，大部分计算机软件的作品性特点被弱化，而其功能性特征日益被强化。第三，计算机软件尤其是一些大型软件研发过程复杂、投入大、生命周期短，很快被更新和替代。第四，易被复制。计算机自身特性决定了其技术门滥低，容易在低成本和短时间内被大量复制和广泛传播。第五，计算机软件的价值在于其蕴含的算法原理和设计思想而不是外在表现形式。同样的算法原理和设计思想变换成不同的表现形式，好比同一道数学应用题，解出答案可以用不同的运算方法。-项有价值的设计思想需要研发人员深入研究，而表现形式的技术含量却不高，很容易得出，所以，前者的价值高于后者。第六，计算机软件的实际功能和表达形式之间没有一一对应关系。计算机软件不同的程序可以实现相同的功能，但相同的功能未必来自同一种程序。第七，计算机软件的生命周期较短。为满足信息市场需求，计算机软件必须更新升级换代，软件的生命周期不长。

 

二、主要国家和地区计算机软件专利保护

 

(一）美国专利保拍的历史沿革及保护现状

1.历史沿革

美国在计算机领域先于世界其他国家，抢占了很多先机。后来者想让自己的科技水平超过美国很难，必须考虑能否与美国技术相兼容。为此美国希望通过法律来保护本国利益。美国1970年制定了第一部《专利法》，建立了专利保护制度。二百年来，美国用专利法实现了保护本国科技技术和商业利益的目的，并形成了自己的专利战略。由于计算机软件自身作品性和工具性双重属性的特点，美国无法确定对其以版权法保护还是专利法保护。因此，1995年以前美国没有制定对计算机软件进行专利保护的相关法律。直到最近几年，美国才开始考虑以专利权法保护计算机软件，使本来以版权法保护为主要保护方式偏向以专利法保护为主要保护方式，加快了计算机软件专利权保护的步伐。美国专利局公开宣称：美国专利法保护“阳光下所有人造事物”。[I3]这表明美国将用专利制度保护其技术及一切领域。从整体上和重视保护程度上划分，美国计算机软件专利保护的发展可分为以下几个阶段：第一阶段，从1960年到1980年，美国拒绝保护软件专利。当时美国专利局认为计算机软件含有类似智力规则的数学算法，所以不属于美国专利法保护的客体范围。第二阶段，从1980年到1990年，弱保护时期。这一时期，美国稍有认可以专利法保护保护计算机软件。不再笼统把计算机软件排除在专利法保护范围之外，而是通过“两步测试法”来判断一项涉及计算机软件的发明是否专利法保护的客体。可见，比起1980年以前，这一时期美国从完全拒绝到有条件地选择接受对计算机软件进行专利保护。第三个阶段，从1981年到1990年，反复不定期。计算机软件技术的发展促使以专利法保护计算机软件的呼声加强。第四个阶段，从1990至今，扩大保护期。美国对计算机软件给予专利保护的范围开始扩大，保护政策日趋成熟，软件专利申请量大幅增加。

 

三、我国计算机软件的可专利性分析............ 14

(一）计算机软件专利保护客体范围......... 14

1.计算机软件是否属于专利法所规定.........14

2.计算机软件是否属于专利法所规定的“技术方案”......... 16

3.计算机软件是否属于专利法保护的客体......... 17

(二）计算机软件专利的审查标准......... 18

1.新颖性......... 18

2.创造性......... 19

四、完善我国计算机软件专利保护制度......... 21

(一)计算机软件专利保护现状......... 21 

1.我国专利保护现状......... 21

2.存在的问题 .........22

(二）建议修改计算机软件专利保护......... 22

1.专利法及实施细则的修改建议......... 22

2.《审查指南》的修改建议......... 23

3.建立商业方法软件专利保护制度......... 23

4.制定更加明确的审查标准和审查程序......... 24

5.缩短审查周期和保护期限......... 24

(三）对我国专利职能部门的建议......... 25

1.加强培养审查人员的综合能力.........25

2.设立专门的审查部门......... 25

 

结论

 

目前世界上大多数国家对计算机软件的法律保护主要采用版权法为主的保护模式，随着计算机软件的迅猛发展，任何一种单独的保护方法已显得力不从心。从计算机软件自身的特点来看，以版权法为主的保护模式已不能充分有效地保护计算机软件，软件的作品性FI益减弱，功能性逐渐加强，以专利法保护计算机软件将发挥越来越重要的作用。本文先对计算机软件的概念和特征进行描述，分析了目前计算机软件的几种法律保护途径并对其进行优势比较，得出专利保护的必要性。接着分析了世界上主要国家和地区计算机专利保护现状，为我国制定符合本国国情的计算机软件专利审查标准提供参考依据，以完善我国计算机软件专利保护制度。然后对我国计算机软件可专利性进行研究，总结归纳了我国计算机软件专利保护现状及存在的问题。最后针对这些问题提出完善建议，我国的法律法规还不够完善，专利审查实践存在欠缺，应该尽快修改相关法律法规，并制定出更加详细的专利审查实践标准。督促相关专利审查职能部门加强培养审查人员的综合能力。逐渐缩小我国计算机软件专利保护制度与西方发达国家的差距，促进我国软件产业的快速发展。

 

参考文献

[1]郑成思著：《知识产权论》，法律出版社2007年版。

[2]刘春田著：《知识产权法》，高等教育出版社2008年版。

[3]吴汉东主编：《知识产权法学》，中国政法大学出版社2004年版。

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[10]谭筱清著：《数字时代知识产权保护的理论与判解研究》，苏州大学出版社2005年版。