發(fā)布時(shí)間：2023-03-20 16:16:04
序言：寫作是分享個(gè)人見(jiàn)解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的電氣和自動(dòng)化論文樣本，期待這些樣本能夠?yàn)槟峁┴S富的參考和啟發(fā)，請(qǐng)盡情閱讀。
論文摘要 隨著液壓伺服控制技術(shù)的飛速發(fā)展，液壓伺服系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，隨之液壓伺服控制也出現(xiàn)了一些新的特點(diǎn)，基于此對(duì)于液壓伺服系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行研究，并進(jìn)一步探討液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)和改造方向，以期能夠?qū)τ谙嚓P(guān)工作人員提供參考。
一、引言
液壓控制技術(shù)是以流體力學(xué)、液壓傳動(dòng)和液力傳動(dòng)為基礎(chǔ)，應(yīng)用現(xiàn)代控制理論、模糊控制理論，將計(jì)算機(jī)技術(shù)、集成傳感器技術(shù)應(yīng)用到液壓技術(shù)和電子技術(shù)中，為實(shí)現(xiàn)機(jī)械工程自動(dòng)化或生產(chǎn)現(xiàn)代化而發(fā)展起來(lái)的一門技術(shù)，它廣泛的應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)，在農(nóng)業(yè)、化工、輕紡、交通運(yùn)輸、機(jī)械制造中都有廣泛的應(yīng)用，尤其在高、新、尖裝備中更為突出。隨著機(jī)電一體化的進(jìn)程不斷加快，技術(shù)裝各的工作精度、響應(yīng)速度和自動(dòng)化程度的要求不斷提高，對(duì)液壓控制技術(shù)的要求也越來(lái)越高，文章基于此，首先分析了液壓伺服控制系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，并進(jìn)一步探討了液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)和改造方向。
二、液壓伺服控制系統(tǒng)原理
目前以高壓液體作為驅(qū)動(dòng)源的伺服系統(tǒng)在各行各業(yè)應(yīng)用十分的廣泛，液壓伺服控制具有以下優(yōu)點(diǎn)：易于實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)的速度位移及力控制，驅(qū)動(dòng)力、力矩和功率大，尺寸小重量輕，加速性能好，響應(yīng)速度快，控制精度高，穩(wěn)定性容易保證等。
液壓伺服控制系統(tǒng)的工作特點(diǎn)： (1)在系統(tǒng)的輸出和輸入之間存在反饋連接，從而組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。反饋介質(zhì)可以是機(jī)械的，電氣的、氣動(dòng)的、液壓的或它們的組合形式。(2)系統(tǒng)的主反饋是負(fù)反饋，即反饋信號(hào)與輸入信號(hào)相反，兩者相比較得偏差信號(hào)控制液壓能源，輸入到液壓元件的能量，使其向減小偏差的方向移動(dòng)，既以偏差來(lái)減小偏差?！?3)系統(tǒng)的輸入信號(hào)的功率很小，而系統(tǒng)的輸出功率可以達(dá)到很大。因此它是一個(gè)功率放大裝置，功率放大所需的能量由液壓能源供給，供給能量的控制是根據(jù)伺服系統(tǒng)偏差大小自動(dòng)進(jìn)行的。
綜上所述，液壓伺服控制系統(tǒng)的工作原理就是流體動(dòng)力的反饋控制。即利用反饋連接得到偏差信號(hào)，再利用偏差信號(hào)去控制液壓能源輸入到系統(tǒng)的能量，使系統(tǒng)向著減小偏差的方向變化，從而使系統(tǒng)的實(shí)際輸出與希望值相符。
在液壓伺服控制系統(tǒng)中，控制信號(hào)的形式有機(jī)液伺服系統(tǒng)、電液伺服系統(tǒng)和氣液伺服系統(tǒng)。機(jī)液伺服系統(tǒng)中系統(tǒng)的給定、反饋和比較環(huán)節(jié)采用機(jī)械構(gòu)件，常用機(jī)舵面操縱系統(tǒng)、汽車轉(zhuǎn)向裝置和液壓仿形機(jī)床及工程機(jī)械。但反饋機(jī)構(gòu)中的摩擦、間隙和慣性會(huì)對(duì)系統(tǒng)精度產(chǎn)生不利影響。電液伺服系統(tǒng)中誤差信號(hào)的檢測(cè)、校正和初始放大采用電氣和電子元件或計(jì)算機(jī)，形成模擬伺服系統(tǒng)、數(shù)字伺服系統(tǒng)或數(shù)字模擬混合伺服系統(tǒng)。電液伺服系統(tǒng)具有控制精度高、響應(yīng)速度高、信號(hào)處理靈活和應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)，可以組成位置、速度和力等方面的伺服系統(tǒng)。
三、液壓傳動(dòng)帕優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)液壓傳動(dòng)之所以能得到廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)樗c機(jī)械傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)相比，具有以下主要優(yōu)點(diǎn)：
1 液壓傳動(dòng)是由油路連接，借助油管的連接可以方便靈活的布置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，這是比機(jī)械傳動(dòng)優(yōu)越的地方。例如，在井下抽取石油的泵可采用液壓傳動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)，以克服長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)軸效率低的缺點(diǎn)。由于液壓缸的推力很大，且容易布置。在挖掘機(jī)等重型工程機(jī)械上已基本取代了老式的機(jī)械傳動(dòng)，不僅操作方便，而且外形美觀大方。
2 液壓傳動(dòng)裝置的重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、慣性小。例如相同功率液壓馬達(dá)的體積為電動(dòng)機(jī)的12％～13％。液壓泵和液壓馬達(dá)單位功率的體積目前是發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的1／10，可在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。借助閥或變量泵、變量馬達(dá)可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍可達(dá)1：2000，并可在液壓裝置運(yùn)行的過(guò)程中進(jìn)行調(diào)速。
3 傳遞運(yùn)動(dòng)均勻平穩(wěn)，負(fù)載變化時(shí)速度較穩(wěn)定。因此，金屬切削機(jī)床中磨床的傳動(dòng)現(xiàn)在幾乎都采用液壓傳動(dòng)。液壓裝置易于實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，使用安全、可靠，不會(huì)因過(guò)載而造成主件損壞：各液壓元件能同時(shí)自行，因此使用壽命長(zhǎng)。液壓傳動(dòng)容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。借助于各種控制閥，特別是采用液壓控制和電氣控制結(jié)合使用時(shí)，能很容易的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的自動(dòng)工作循環(huán)，而且可以實(shí)現(xiàn)遙控。液壓元件己實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、和通用化，便于設(shè)計(jì)、制造和推廣使用。
液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)：1液壓系統(tǒng)的漏油等因素，影響運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和正確性，使液壓傳動(dòng)不能保證嚴(yán)格的傳動(dòng)比：2液壓傳動(dòng)對(duì)油溫的變化比較敏感，溫度變化時(shí)，液體勃性變化引起運(yùn)動(dòng)特性變化，使工作穩(wěn)定性受到影響，所以不宜在溫度變化很大的環(huán)境條件下工作：3為了減少泄漏以及滿足某些性能上的要求，液壓元件制造和裝配精度要求比較高，加工工藝比較復(fù)雜。液壓傳動(dòng)要求有單獨(dú)的能源，不像電源那樣使用方便。液壓系統(tǒng)發(fā)生的故障不易檢查和排除。
總之，液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是主要的，隨著設(shè)計(jì)制造和使用水平的不斷提高，有些缺點(diǎn)正在逐步加以克服。
四、機(jī)床數(shù)控改造方向
(一)加工精度。精度是機(jī)床必須保證的一項(xiàng)性能指標(biāo)。位置伺服控制系統(tǒng)的位置精度在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的加工精度。因此位置精度是一個(gè)極為重要的指標(biāo)。為了保證有足夠的位置精度，一方面是正確選擇系統(tǒng)中開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)的大小，另一方面是對(duì)位置檢測(cè)元件提出精度的要求。因?yàn)樵陂]環(huán)控制系統(tǒng)中，對(duì)于檢測(cè)元件本身的誤差和被檢測(cè)量的偏差是很難區(qū)分出來(lái)的，反饋檢測(cè)元件的精度對(duì)系統(tǒng)的精度常常起著決定性的作用。在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床、尤其是高精度或太中型數(shù)控機(jī)床時(shí)，必須精心選用檢測(cè)元件。所選擇的測(cè)量系統(tǒng)的分辨率或脈沖當(dāng)量，一般要求比加工精度高一個(gè)數(shù)量級(jí)?？傊呔鹊目刂葡到y(tǒng)必須有高精度的檢測(cè)元件作為保證。
(二)先局部后整體。確定改造步驟時(shí)，應(yīng)把整個(gè)電氣設(shè)備部分改造先分成若干個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行，如數(shù)控系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、主軸、進(jìn)給系統(tǒng)、面板控制與強(qiáng)電部分等，待各系統(tǒng)基本成型后再互聯(lián)完成全系統(tǒng)工作。這樣可使改造工作減少遺漏和差錯(cuò)。在每個(gè)子系統(tǒng)工作中，應(yīng)先做技術(shù)性較低的、工作量較大的工作，然后做技術(shù)性高的、要求精細(xì)的工作，做到先易后難、先局部后整體，有條不紊、循序漸進(jìn)。
(三)提高可靠性。數(shù)控機(jī)床是一種高精度、高效率的自動(dòng)化設(shè)備，如果發(fā)生故障其損失就更大，所以提高數(shù)控機(jī)床的可靠性就顯得尤為重要?？煽慷仁窃u(píng)價(jià)可靠性的主要定量指標(biāo)之一，其定義為：產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。對(duì)數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)，它的規(guī)定條件是指其環(huán)境條件、工作條件及工作方式等，例如溫度、濕度、振動(dòng)、電源、干擾強(qiáng)度和操作規(guī)程等。這里的功能主要指數(shù)控機(jī)床的使用功能，例如數(shù)控機(jī)床的各種機(jī)能，伺服性能等。
目前以高壓液體作為驅(qū)動(dòng)源的伺服系統(tǒng)在各行各業(yè)應(yīng)用十分的廣泛，液壓伺服控制具有以下優(yōu)點(diǎn)：易于實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)的速度位移及力控制，驅(qū)動(dòng)力、力矩和功率大，尺寸小重量輕，加速性能好，響應(yīng)速度快，控制精度高，穩(wěn)定性容易保證等。
液壓伺服控制系統(tǒng)的工作特點(diǎn)：(1)在系統(tǒng)的輸出和輸入之間存在反饋連接，從而組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。反饋介質(zhì)可以是機(jī)械的，電氣的、氣動(dòng)的、液壓的或它們的組合形式。(2)系統(tǒng)的主反饋是負(fù)反饋，即反饋信號(hào)與輸入信號(hào)相反，兩者相比較得偏差信號(hào)控制液壓能源，輸入到液壓元件的能量，使其向減小偏差的方向移動(dòng)，既以偏差來(lái)減小偏差。(3)系統(tǒng)的輸入信號(hào)的功率很小，而系統(tǒng)的輸出功率可以達(dá)到很大。因此它是一個(gè)功率放大裝置，功率放大所需的能量由液壓能源供給，供給能量的控制是根據(jù)伺服系統(tǒng)偏差大小自動(dòng)進(jìn)行的。
綜上所述，液壓伺服控制系統(tǒng)的工作原理就是流體動(dòng)力的反饋控制。即利用反饋連接得到偏差信號(hào)，再利用偏差信號(hào)去控制液壓能源輸入到系統(tǒng)的能量，使系統(tǒng)向著減小偏差的方向變化，從而使系統(tǒng)的實(shí)際輸出與希望值相符。
在液壓伺服控制系統(tǒng)中，控制信號(hào)的形式有機(jī)液伺服系統(tǒng)、電液伺服系統(tǒng)和氣液伺服系統(tǒng)。機(jī)液伺服系統(tǒng)中系統(tǒng)的給定、反饋和比較環(huán)節(jié)采用機(jī)械構(gòu)件，常用機(jī)舵面操縱系統(tǒng)、汽車轉(zhuǎn)向裝置和液壓仿形機(jī)床及工程機(jī)械。但反饋機(jī)構(gòu)中的摩擦、間隙和慣性會(huì)對(duì)系統(tǒng)精度產(chǎn)生不利影響。電液伺服系統(tǒng)中誤差信號(hào)的檢測(cè)、校正和初始放大采用電氣和電子元件或計(jì)算機(jī)，形成模擬伺服系統(tǒng)、數(shù)字伺服系統(tǒng)或數(shù)字模擬混合伺服系統(tǒng)。電液伺服系統(tǒng)具有控制精度高、響應(yīng)速度高、信號(hào)處理靈活和應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)，可以組成位置、速度和力等方面的伺服系統(tǒng)。
2、液壓傳動(dòng)帕優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)液壓傳動(dòng)之所以能得到廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)樗c機(jī)械傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)相比，具有以下主要優(yōu)點(diǎn)：
1液壓傳動(dòng)是由油路連接，借助油管的連接可以方便靈活的布置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，這是比機(jī)械傳動(dòng)優(yōu)越的地方。例如，在井下抽取石油的泵可采用液壓傳動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)，以克服長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)軸效率低的缺點(diǎn)。由于液壓缸的推力很大，且容易布置。在挖掘機(jī)等重型工程機(jī)械上已基本取代了老式的機(jī)械傳動(dòng)，不僅操作方便，而且外形美觀大方。
2液壓傳動(dòng)裝置的重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、慣性小。例如相同功率液壓馬達(dá)的體積為電動(dòng)機(jī)的12％～13％。液壓泵和液壓馬達(dá)單位功率的體積目前是發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的1／10，可在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。借助閥或變量泵、變量馬達(dá)可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍可達(dá)1：2000，并可在液壓裝置運(yùn)行的過(guò)程中進(jìn)行調(diào)速。
3傳遞運(yùn)動(dòng)均勻平穩(wěn)，負(fù)載變化時(shí)速度較穩(wěn)定。因此，金屬切削機(jī)床中磨床的傳動(dòng)現(xiàn)在幾乎都采用液壓傳動(dòng)。液壓裝置易于實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，使用安全、可靠，不會(huì)因過(guò)載而造成主件損壞：各液壓元件能同時(shí)自行，因此使用壽命長(zhǎng)。液壓傳動(dòng)容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。借助于各種控制閥，特別是采用液壓控制和電氣控制結(jié)合使用時(shí)，能很容易的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的自動(dòng)工作循環(huán)，而且可以實(shí)現(xiàn)遙控。液壓元件己實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、和通用化，便于設(shè)計(jì)、制造和推廣使用。
液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)：1液壓系統(tǒng)的漏油等因素，影響運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和正確性，使液壓傳動(dòng)不能保證嚴(yán)格的傳動(dòng)比：2液壓傳動(dòng)對(duì)油溫的變化比較敏感，溫度變化時(shí)，液體勃性變化引起運(yùn)動(dòng)特性變化，使工作穩(wěn)定性受到影響，所以不宜在溫度變化很大的環(huán)境條件下工作：3為了減少泄漏以及滿足某些性能上的要求，液壓元件制造和裝配精度要求比較高，加工工藝比較復(fù)雜。液壓傳動(dòng)要求有單獨(dú)的能源，不像電源那樣使用方便。液壓系統(tǒng)發(fā)生的故障不易檢查和排除。
總之，液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是主要的，隨著設(shè)計(jì)制造和使用水平的不斷提高，有些缺點(diǎn)正在逐步加以克服。
3、機(jī)床數(shù)控改造方向
(一)加工精度。精度是機(jī)床必須保證的一項(xiàng)性能指標(biāo)。位置伺服控制系統(tǒng)的位置精度在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的加工精度。因此位置精度是一個(gè)極為重要的指標(biāo)。為了保證有足夠的位置精度，一方面是正確選擇系統(tǒng)中開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)的大小，另一方面是對(duì)位置檢測(cè)元件提出精度的要求。因?yàn)樵陂]環(huán)控制系統(tǒng)中，對(duì)于檢測(cè)元件本身的誤差和被檢測(cè)量的偏差是很難區(qū)分出來(lái)的，反饋檢測(cè)元件的精度對(duì)系統(tǒng)的精度常常起著決定性的作用。在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床、尤其是高精度或太中型數(shù)控機(jī)床時(shí)，必須精心選用檢測(cè)元件。所選擇的測(cè)量系統(tǒng)的分辨率或脈沖當(dāng)量，一般要求比加工精度高一個(gè)數(shù)量級(jí)?？傊呔鹊目刂葡到y(tǒng)必須有高精度的檢測(cè)元件作為保證。
(二)先局部后整體。確定改造步驟時(shí)，應(yīng)把整個(gè)電氣設(shè)備部分改造先分成若干個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行，如數(shù)控系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、主軸、進(jìn)給系統(tǒng)、面板控制與強(qiáng)電部分等，待各系統(tǒng)基本成型后再互聯(lián)完成全系統(tǒng)工作。這樣可使改造工作減少遺漏和差錯(cuò)。在每個(gè)子系統(tǒng)工作中，應(yīng)先做技術(shù)性較低的、工作量較大的工作，然后做技術(shù)性高的、要求精細(xì)的工作，做到先易后難、先局部后整體，有條不紊、循序漸進(jìn)。
(三)提高可靠性。數(shù)控機(jī)床是一種高精度、高效率的自動(dòng)化設(shè)備，如果發(fā)生故障其損失就更大，所以提高數(shù)控機(jī)床的可靠性就顯得尤為重要?？煽慷仁窃u(píng)價(jià)可靠性的主要定量指標(biāo)之一，其定義為：產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。對(duì)數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)，它的規(guī)定條件是指其環(huán)境條件、工作條件及工作方式等，例如溫度、濕度、振動(dòng)、電源、干擾強(qiáng)度和操作規(guī)程等。這里的功能主要指數(shù)控機(jī)床的使用功能，例如數(shù)控機(jī)床的各種機(jī)能，伺服性能等。
4、結(jié)語(yǔ)
[關(guān)鍵詞]污水處理 監(jiān)控系統(tǒng) 人機(jī)界面
中圖分類號(hào)：U664.9+2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2014）21-0378-01
1 國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r
國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家，如英美日等國(guó)，這些國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，在研究水處理新理論和工藝的同時(shí)，也重視污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究。先后投資研究高效型、智能型、集約型污水處理設(shè)備和自動(dòng)化控制儀表，一些發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)過(guò)多年的努力，污水處理率已經(jīng)達(dá)到80%～90%，成功地解決了來(lái)自城市和工業(yè)的點(diǎn)源污染問(wèn)題。
發(fā)達(dá)國(guó)家在二級(jí)處理基本普及以后，投人大量資金和科研力量加強(qiáng)污水處理設(shè)施的監(jiān)測(cè)運(yùn)行管理。實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制、報(bào)警、計(jì)算和瞬時(shí)記錄。美國(guó)在70年代中期開(kāi)始實(shí)現(xiàn)污水處理廠的自動(dòng)控制。目前主要污水處理廠已實(shí)現(xiàn)了污水處理工藝流程中主要參數(shù)的自動(dòng)測(cè)試和控制。80年代以來(lái)在美國(guó)召開(kāi)了兩次水處理儀器化和自動(dòng)化的國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議，會(huì)上發(fā)表的數(shù)百篇論文反應(yīng)了水處理自動(dòng)化已發(fā)展到實(shí)用水平。
由于控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的飛速發(fā)展，國(guó)外的污水廠很早便實(shí)現(xiàn)了污水廠的網(wǎng)絡(luò)控制。國(guó)外同時(shí)注重水處理中的PLC的開(kāi)發(fā)，相繼研制出了一些功能穩(wěn)定、小巧的控制單元，如AB公司的SLC系列、Siemens的S7系列；同時(shí)國(guó)外也很重視在線儀表的研制，如德國(guó)E+H公司，美國(guó)的哈希公司相繼研制了溶解氧DO（Dissolved Oxygen）、化學(xué)需氧量COD（Chemical Oxygen Demand）分析儀。
2 國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r
解放初期由于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)剛剛起步，當(dāng)初的污水污染程度很低，并且提倡利用污水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉，特別是北方缺水地區(qū)將污水灌溉利用作為實(shí)驗(yàn)進(jìn)行推廣，所以全國(guó)僅有幾個(gè)城市建設(shè)了近十座污水處理廠，在線工藝有的還是一級(jí)處理，處理的規(guī)模也很小，每天有幾千立方米，最大的只有每天5萬(wàn)立方米左右，致使污水處理技術(shù)和管理水平處于落后的狀態(tài)。
我國(guó)第一座大型城市污水處理廠――天津市紀(jì)莊子污水處理廠于1982年破土動(dòng)工，1984年竣工投產(chǎn)運(yùn)行，處理規(guī)模為26萬(wàn)立方米/天。紀(jì)莊子污水處理廠投產(chǎn)運(yùn)行后多年來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，使黑臭的污水變?yōu)榍迦?，它的誕生填補(bǔ)了我國(guó)大型污水處理廠建設(shè)的空白。在此成功經(jīng)驗(yàn)的帶動(dòng)下，北京、上海等省市根據(jù)各自的具體情況分別建設(shè)了不同規(guī)模的污水處理廠。
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外均有學(xué)者對(duì)污水處理自動(dòng)控制工藝進(jìn)行研究，尋求更精確、更可靠的方法實(shí)施自動(dòng)控制。Zipper等研發(fā)了適用于小型污水處理廠的自動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用基于氧化還原電位（ORP）的控制器。這個(gè)控制器自動(dòng)工作，并可以在硝化和反硝化之間進(jìn)行優(yōu)化，從而減少能耗。在驗(yàn)試中，他們發(fā)現(xiàn)，污水處理廠的實(shí)際負(fù)荷與ORP曲線變化具有很強(qiáng)的相關(guān)性。采用兩點(diǎn)ORP控制保證了在增加負(fù)荷時(shí)硝化時(shí)間占運(yùn)行時(shí)間的比率也隨著增加。這些都為開(kāi)發(fā)小型污水處理廠控制規(guī)則奠定了基礎(chǔ)。隨著改革開(kāi)放，我國(guó)在開(kāi)展經(jīng)濟(jì)建設(shè)的同時(shí)，也開(kāi)始重視加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)，修建了許多城市污水處理廠和工業(yè)廢水處理廠，進(jìn)入90年代以后，修建的污水處理廠開(kāi)始引入自動(dòng)控制系統(tǒng)，但很多污水處理廠是直接引進(jìn)國(guó)外成套自控設(shè)備，國(guó)產(chǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)在污水處理廠應(yīng)用很少，如山東濟(jì)寧市污水處理廠全套引進(jìn)德國(guó)的機(jī)電、自控工藝和設(shè)備。因此，研究開(kāi)發(fā)適合我國(guó)國(guó)情的污水處理自動(dòng)化設(shè)備是擺在我國(guó)水處理專家的一項(xiàng)重要課題，同時(shí)也是以后發(fā)展的必然趨勢(shì)。
與國(guó)外相比，我國(guó)污水處理自動(dòng)控制起步較晚，七十年代開(kāi)始采用熱工儀表，實(shí)行集體巡檢；八十年代應(yīng)用分析儀表和DCS系統(tǒng)；至九十年代，隨著一大批利用國(guó)際貸款的大型污水處理廠的建成投產(chǎn)，我國(guó)污水處理控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平有了很大提高。從國(guó)外引進(jìn)污水廠的自動(dòng)控制系統(tǒng)已廣泛采用集散式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)用了自動(dòng)化程度較高的檢測(cè)儀表，各種新工藝、新設(shè)備大量出現(xiàn)并得到應(yīng)用。可以說(shuō)我國(guó)污水處理自動(dòng)化的現(xiàn)狀是：手動(dòng)和自動(dòng)皆備，自制和引用并舉。可以看出我國(guó)的污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)存在以下問(wèn)題：
（1）傳統(tǒng)污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)要求建立精確的數(shù)學(xué)模型。并且提出必須遵循一些比較苛刻的線性化假設(shè)，然而實(shí)際污水處理系統(tǒng)由于存在復(fù)雜性、非線性、不確定性和不完全性等，一般無(wú)法獲得精確的數(shù)學(xué)模型和與實(shí)際相符合的假設(shè)。因此，采用傳統(tǒng)控制理論建立的污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)在實(shí)際工程應(yīng)用上存在出水水質(zhì)波動(dòng)較大等問(wèn)題。
（2）污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)中所采用的一些自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備、儀表的功能目前還很不完善，在實(shí)際檢測(cè)中達(dá)不到預(yù)期效果，誤差很大。因此.依靠這些檢測(cè)設(shè)備判斷污水處理情況，并實(shí)施自動(dòng)控制。往往很難達(dá)到處理水質(zhì)達(dá)標(biāo)排放和節(jié)約能源的目的。
（3）國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者為提高污水處理廠的處理效率和降低能耗。開(kāi)展了許多實(shí)時(shí)控制研究，如采用氧化還原電位（ORP）、溶解氧（DO）和PH值作為控制參數(shù)來(lái)控制出水水質(zhì)和減小曝氣量。但這些方法也存在一些問(wèn)題，例如，控制污水處理廠硝化-反硝化過(guò)程所使用的ORP就很難判定，因此，絕大多數(shù)基于ORP控制的污水處理廠也執(zhí)行時(shí)間控制，作為當(dāng)控制器無(wú)法找到ORP特征點(diǎn)時(shí)的應(yīng)急控制，這樣就導(dǎo)致許多污水處理系統(tǒng)實(shí)際上仍然采用的是按時(shí)間控制整個(gè)處理過(guò)程。
（4）污水處理自動(dòng)控制有別于其它控制系統(tǒng)，它需要對(duì)大量閥門、泵、鼓風(fēng)機(jī)和吸、刮泥機(jī)、曝氣池和污泥消化池內(nèi)的攪拌器等機(jī)械設(shè)備及沉淀池和清化池進(jìn)、排泥量進(jìn)行控制，因此，污水處理廠需要自動(dòng)控制的開(kāi)關(guān)量多。它們常常要根據(jù)一定時(shí)間或邏輯順序定時(shí)開(kāi)關(guān)。但是，目前我國(guó)生產(chǎn)的開(kāi)關(guān)質(zhì)量存在一些問(wèn)題，使用壽命較短。如果購(gòu)買國(guó)外進(jìn)口的，價(jià)格又很昂貴，一般污水處理廠又很難承受。因此，筆者認(rèn)為制約我國(guó)污水處理自動(dòng)控制發(fā)展的主要原因不是生產(chǎn)工藝問(wèn)題，而是設(shè)備問(wèn)題。
不難看出，整體上和國(guó)外相比，我國(guó)污水的自動(dòng)控制系統(tǒng)仍然存在很大的差距，但是我國(guó)的應(yīng)用前景卻非常廣泛、潛力很大。
3 結(jié)論
本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外污水處理技術(shù)的回顧和研究，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)與國(guó)外技術(shù)存在的差距，不僅僅是硬件和軟件控制系統(tǒng)的不足，還有工藝技術(shù)和控制方案的差距，希望研制控制系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)污水廠水處理中各種設(shè)備的控制，還能完成對(duì)重要的工藝參數(shù)的監(jiān)視，從而使整個(gè)水處理工藝流程工作在最佳狀態(tài)。
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【關(guān)鍵詞】油氣儲(chǔ)運(yùn)管道問(wèn)題防腐問(wèn)題研究分析
中圖分類號(hào)： P641.4+62 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
一．引言
近年來(lái)國(guó)內(nèi)外在管道防腐層材料和技術(shù)應(yīng)用方面都取得了快速發(fā)展，防腐蝕新材料、新工藝和新設(shè)備不斷出現(xiàn)并得到廣泛應(yīng)用。防腐層技術(shù)是新建鋼質(zhì)管道和在役管道安全運(yùn)行的保障技術(shù)，防腐層的生產(chǎn)制造質(zhì)量決定著鋼質(zhì)管道的使用壽命，了解國(guó)內(nèi)外解鋼質(zhì)管道防腐層技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，抓住鋼質(zhì)管道建設(shè)快速增長(zhǎng)的發(fā)展機(jī)遇，進(jìn)一步提高防腐蝕技術(shù)應(yīng)用水平是非常必要的。
二．對(duì)腐蝕的理解。
腐蝕金屬在周圍介質(zhì)的化學(xué)、電化學(xué)作用下所引起的一種破壞現(xiàn)象。按管道被腐蝕部位，可分為內(nèi)壁腐蝕和外壁腐蝕；按管道腐蝕形態(tài)，可分為全面腐蝕和局部腐蝕；按管道腐蝕機(jī)理，可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕等。
管道腐蝕一般是指避免管道遭受土壤、空氣和輸送介質(zhì)（石油、天然氣等）腐蝕的防護(hù)技術(shù)。
三．管道腐蝕的原因。
管道內(nèi)壁腐蝕金屬管道內(nèi)壁因輸送介質(zhì)的作用而產(chǎn)生的腐蝕。主要有水腐蝕和介質(zhì)腐蝕。水腐蝕指輸送介質(zhì)中的游離水，在管壁上生成親水膜，由此形成原電池條件而產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕。介質(zhì)腐蝕指游離水以外的其他有害雜質(zhì)（如二氧化碳、硫化氫等）直接與管道金屬作用產(chǎn)生的化學(xué)腐蝕。
長(zhǎng)輸管道內(nèi)壁一般同時(shí)存在著上述兩種腐蝕過(guò)程。特別是在管道彎頭、低洼積水處和氣液交界面，由于電化學(xué)腐蝕異常強(qiáng)烈，管壁大面積減薄或形成一系列腐蝕深坑。這些深坑是管道易于內(nèi)腐蝕穿孔的地方。
管道外壁腐蝕視管道所處環(huán)境而異。架空管道易受大氣腐蝕；土壤或水環(huán)境中的管道，則易受土壤腐蝕、細(xì)菌腐蝕和雜散電流腐蝕。
（1）. 大氣腐蝕。大氣中含有水蒸氣會(huì)在金屬表面冷凝形成水膜，這種水膜由于溶解了空氣中的氣體及其他雜質(zhì)，可起到電解液的作用，使金屬表面發(fā)生電化學(xué)腐蝕。影響大氣腐蝕的自然因素除污染物外，還有氣候條件。在非潮濕環(huán)境中，很多污染物幾乎沒(méi)有腐蝕效應(yīng)。如果相對(duì)濕度超過(guò)80％，腐蝕速度會(huì)迅速上升。因此，敷設(shè)在地溝中的管道或潮濕環(huán)境的架空管道表面極易銹蝕。
（2）. 土壤腐蝕。土壤顆粒間充滿空氣、水和各種鹽類，使它具有電解質(zhì)的特征。管道金屬在土壤電解質(zhì)溶液中構(gòu)成多種腐蝕電池。
（3）. 細(xì)菌腐蝕。也稱微生物腐蝕。參與管道土壤腐蝕過(guò)程的細(xì)菌通常有硫酸鹽還原菌、氧化菌、鐵細(xì)菌、硝酸鹽還原菌等。
（4）. 雜散電流腐蝕。流散于大地中的電流對(duì)管道產(chǎn)生的腐蝕，又名干擾腐蝕，是一種外界因素引起的電化學(xué)腐蝕。管道腐蝕部位由外部電流的極性和大小決定，其作用類似電解。雜散電流從管道防腐層破損處流入，在另一破損處流出，在流出處形成陽(yáng)極區(qū)而產(chǎn)生腐蝕。雜散電流源有電氣化鐵路、陰極保護(hù)設(shè)施、高壓輸電系統(tǒng)等。
四．管道的主要防腐方法。
我國(guó)鋼質(zhì)管道外防腐層材料和制造應(yīng)用技術(shù)主要經(jīng)歷了石油瀝青、煤焦油瀝青、煤焦油瓷漆、膠帶、夾克、液體環(huán)氧涂料、擠壓聚乙烯（2PE）、熔結(jié)環(huán)氧粉末(FBE)、三層聚乙烯(3PE)等發(fā)展過(guò)程。目前，我國(guó)管道防腐層材料生產(chǎn)制造基本實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，并不斷有新品出現(xiàn)，近年來(lái)新建的埋地油氣輸送管道的外防腐層結(jié)構(gòu)根據(jù)輸送介質(zhì)溫度和施工條件的不同，主要采用熔結(jié)環(huán)氧粉末(FBE)、（3PP）、(DPS)和三層聚乙烯(3PE)防腐技術(shù)，并使用陰極保護(hù)技術(shù)。
3PE的底層為熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐蝕層，中間層為聚乙烯共聚物熱熔膠粘劑，面層為聚乙烯專用料保護(hù)層。上述三種材料構(gòu)成的鋼管防腐蝕結(jié)構(gòu)層稱為3PE防腐，壓力管道元件行業(yè)稱之為“聚烯烴防腐蝕（3PE）管道”。
3PE防腐是目前世界范圍內(nèi)廣泛采用的鋼質(zhì)管道涂層體系，是我國(guó)輸油、輸氣、輸水大型管道工程和市政工程的首選防腐蝕結(jié)構(gòu)，西氣東輸、西南成品油等重大工程全部使用了3PE防腐。
涂層防腐用涂料均勻致密地涂敷在經(jīng)除銹的金屬管道表面上，使其與各種腐蝕性介質(zhì)隔絕，是管道防腐最基本的方法之一。70年代以來(lái)，在極地、海洋等嚴(yán)酷環(huán)境中敷設(shè)管道，以及油品加熱輸送而使管道溫度升高等，對(duì)涂層性能提出了更多的要求。因此，管道防腐涂層越來(lái)越多地采用復(fù)合材料或復(fù)合結(jié)構(gòu)。這些材料和結(jié)構(gòu)要具有良好的介電性能、物理性能、穩(wěn)定的化學(xué)性能和較寬的溫度適應(yīng)范圍等。
內(nèi)壁防腐涂層：為了防止管內(nèi)腐蝕、降低摩擦阻力、提高輸量而涂于管子內(nèi)壁的薄膜。常用的涂料有胺固化環(huán)氧樹脂和聚酰胺環(huán)氧樹脂，涂層厚度為 0.038～0.2毫米。為保證涂層與管壁粘結(jié)牢固,必須對(duì)管內(nèi)壁進(jìn)行表面處理。70年代以來(lái)趨向于管內(nèi)、外壁涂層選用相同的材料，以便管內(nèi)、外壁的涂敷同時(shí)進(jìn)行。
防腐保溫涂層：在中、小口徑的熱輸原油或燃料油的管道上，為了減少管道向土壤散熱，在管道外部加上保溫和防腐的復(fù)合層。常用的保溫材料是硬質(zhì)聚氨脂泡沫塑料,適用溫度為－185～95℃。這種材料質(zhì)地松軟，為提高其強(qiáng)度，在隔熱層外面加敷一層高密度聚乙烯層，形成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，以防止地下水滲入保溫層內(nèi)。
外加電流法是利用直流電源，負(fù)極接于被保護(hù)管道上，正極接于陽(yáng)極地床。電路連通后，管道被陰極極化。當(dāng)管道對(duì)地電位達(dá)到最小保護(hù)電位時(shí)，即獲得完全的陰極保護(hù)。
陰極保護(hù)：將被保護(hù)金屬極化成陰極來(lái)防止金屬腐蝕的方法。這種方法用于船舶防腐已有 150多年的歷史;1928年第一次用于管道,是將金屬腐蝕電池中陰極不受腐蝕而陽(yáng)極受腐蝕的原理應(yīng)用于金屬防腐技術(shù)上。利用外施電流迫使電解液中被保護(hù)金屬表面全部陰極極化，則腐蝕就不會(huì)發(fā)生。判斷管道是否達(dá)到陰極保護(hù)的指標(biāo)有兩項(xiàng)。一是最小保護(hù)電位，它是金屬在電解液中陰極極化到腐蝕過(guò)程停止時(shí)的電位；其值與環(huán)境等因素有關(guān)，常用的數(shù)值為- 850毫伏（相對(duì)于銅-硫酸銅參比電極測(cè)定，下同）。二是最大保護(hù)電位，即被保護(hù)金屬表面容許達(dá)到的最高電位值。當(dāng)陰極極化過(guò)強(qiáng)，管道表面與涂層間會(huì)析出氫氣，而使涂層產(chǎn)生陰極剝離，所以必須控制匯流點(diǎn)電位在容許范圍內(nèi)，以使涂層免遭破壞。此值與涂層性質(zhì)有關(guān),一般?。?.20至－2.0伏間。實(shí)現(xiàn)地下管道陰極保護(hù)有外加電流法和犧牲陽(yáng)極法兩種。
五．結(jié)束語(yǔ)
當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，石油和天然氣作為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展命脈及現(xiàn)代工業(yè)的主要能源得到了廣泛運(yùn)用，防腐蝕行業(yè)已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)中一個(gè)不可或缺的新興產(chǎn)業(yè)，防腐涂層技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)于鋼質(zhì)管道建設(shè)工程的安全運(yùn)行起到了很好的保障作用，在幾十年的實(shí)踐中，防腐涂層技術(shù)不斷的提高和發(fā)展，材料方面朝著環(huán)保、高性能、適合流水作業(yè)施工的方向發(fā)展，施工方面朝著自動(dòng)化生產(chǎn)線發(fā)展，正是上述技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步使得管道的高效建設(shè)及投產(chǎn)得到支持。因此，我們應(yīng)該大力研發(fā)防腐技術(shù)并且進(jìn)行推廣，從而促進(jìn)我國(guó)油氣儲(chǔ)運(yùn)的發(fā)展。
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談到自己的科研方向，陳皓勇略顯興奮，聲音也變得洪亮起來(lái)。長(zhǎng)期以來(lái)，他以復(fù)雜系統(tǒng)（大規(guī)模、隨機(jī)性、分布式、網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)）建模、優(yōu)化與控制理論方法及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究為核心學(xué)術(shù)思想，致力于電力系統(tǒng)規(guī)劃、運(yùn)行與控制，新能源并網(wǎng)與智能電網(wǎng)技術(shù)，電力技術(shù)經(jīng)濟(jì)與管理等方向的基礎(chǔ)前沿研究和教學(xué)工作。
偶遇機(jī)緣，踏入電力之門
1990年9月，陳皓勇考入西安交通大學(xué)少年班，成為當(dāng)時(shí)西安交通大學(xué)通過(guò)自主命題、獨(dú)立招生在全國(guó)范圍內(nèi)選拔的29名學(xué)生之一，當(dāng)時(shí)的他僅僅15歲。也就是從那時(shí)起，他開(kāi)始深深地喜歡上這個(gè)學(xué)校，在此學(xué)習(xí)、工作長(zhǎng)達(dá)十幾年。1992年9月，兩年的少年班學(xué)習(xí)完成后，陳皓勇以優(yōu)異成績(jī)自主選擇了本校電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，從此也正式踏入了電力之門，更找到了開(kāi)啟人生理想的鑰匙。
對(duì)于陳皓勇來(lái)說(shuō)，1994年看起來(lái)和往年一樣平凡，卻是改變他人生的一年。因?yàn)檎窃谶@一年，通過(guò)班主任老師的介紹，他結(jié)識(shí)了剛從日本歸國(guó)的著名電力系統(tǒng)學(xué)者、IEEE Fellow、中國(guó)科學(xué)院院士王錫凡，從此跟隨王錫凡院士學(xué)習(xí)、工作長(zhǎng)達(dá)12年。他時(shí)常被王院士那嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)、低調(diào)為人的精神所深深感染著，王錫凡院士不僅是他的學(xué)術(shù)導(dǎo)師，更是他的人生導(dǎo)師，正是在王錫凡院士的引領(lǐng)之下，才跨入了電力科學(xué)的大門。1995年，陳皓勇以優(yōu)異成績(jī)保送為王錫凡院士的研究生，并碩博連讀，從事電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度、優(yōu)化規(guī)劃和電力市場(chǎng)等領(lǐng)域的研究，最終高質(zhì)量地完成了博士學(xué)位論文，也奠定了日后科研工作的基礎(chǔ)。在2000年6月博士畢業(yè)后，由于陳皓勇在學(xué)生時(shí)代的優(yōu)秀表現(xiàn)和王錫凡院士的鼓勵(lì)，他順利留校任教，開(kāi)始了教學(xué)科研的生涯。在西安交通大學(xué)從教期間，他除了擔(dān)任專業(yè)主干課《電力系統(tǒng)分析》等的教學(xué)工作外，還作為主要研究人員參加了王錫凡院士所主持的國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）等一系列國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目，并且自己也主持了國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目、國(guó)家社會(huì)科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目等國(guó)家級(jí)項(xiàng)目，參編了《電力市場(chǎng)基礎(chǔ)》新教材，取得了豐碩的成果。
2006年12月，陳皓勇帶著出去闖一闖的想法，作為“百人計(jì)劃”杰出青年教師受聘到華南理工大學(xué)。也正是在這里，他得到了又一次地騰飛。在這里，他除了繼續(xù)前沿理論研究外，更找到了科研成果的良好應(yīng)用平臺(tái)；在這里，他開(kāi)始完全獨(dú)立工作并形成了自己的學(xué)術(shù)特色；在這里，他能夠與港澳的大學(xué)密切合作并進(jìn)一步放眼海外。不僅這些，陳皓勇還承擔(dān)了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等一系列國(guó)家和省部級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目，獲得了教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才”稱號(hào)，承擔(dān)了南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司、廣東電網(wǎng)公司等重點(diǎn)企業(yè)的多個(gè)合作項(xiàng)目，促進(jìn)了科研成果的實(shí)際應(yīng)用。近期，國(guó)家自然科學(xué)基金委公布了2013年度國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目名單，陳皓勇又成為華南理工大學(xué)新增的4位國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金獲得者之一。
眾所周知，廣東省既是能源消費(fèi)大省，也是能源技術(shù)產(chǎn)業(yè)大省，其能源產(chǎn)業(yè)在我國(guó)能源產(chǎn)業(yè)中占有舉足輕重的地位。廣東省的能源消耗量位居全國(guó)前列，但能源資源貧乏，對(duì)外依存度高，面臨經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力，能源安全與有效利用已成為制約廣東經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。立足于這種現(xiàn)實(shí)，陳皓勇拓展學(xué)科領(lǐng)域，融合華南理工大學(xué)電力和能源相關(guān)學(xué)科的優(yōu)勢(shì)，先后參與了“能源研究院”、“新能源與環(huán)境協(xié)同創(chuàng)新中心”等的籌建。
身處改革開(kāi)放的前沿，陳皓勇卻從來(lái)沒(méi)有忘記過(guò)母校，他和西安交通大學(xué)電力工程系保持著長(zhǎng)期和緊密的科研合作關(guān)系。近年來(lái)，兩校聯(lián)合申請(qǐng)了國(guó)家重大項(xiàng)目，并和王錫凡院士等因“電力系統(tǒng)運(yùn)行與規(guī)劃的最優(yōu)決策模型及方法研究”共同獲得2008年教育部高等學(xué)?？茖W(xué)研究自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，還即將進(jìn)一步拓展海上風(fēng)電等領(lǐng)域的科研合作。
千錘百煉，終顯學(xué)術(shù)鋒芒
在為電力領(lǐng)域教學(xué)和科研事業(yè)奮斗的將近20年里，陳皓勇始終刻苦鉆研，默默奉獻(xiàn)。在課堂上，他是一個(gè)優(yōu)秀的老師，傳道授業(yè)解惑，激情澎湃；在實(shí)驗(yàn)室，他是一個(gè)勤奮的科研工作者，編程序，做仿真，認(rèn)真耐心。人們看得見(jiàn)的是他的榮譽(yù)和成果，但看不見(jiàn)的是他背后付出的辛勤和汗水。他忘記了，有多少個(gè)周末在實(shí)驗(yàn)室里度過(guò)，有多少個(gè)節(jié)假日沒(méi)有和自己的親人在一起，有多少次科研走入困境時(shí)焦慮不堪地冥思苦想。但天道酬勤，他的付出也得到了應(yīng)有的回報(bào)。
除完成一系列國(guó)家和省部級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目外，陳皓勇近年來(lái)發(fā)表SCI、EI論文近100篇，所被國(guó)內(nèi)外電力系統(tǒng)、人工智能、經(jīng)濟(jì)管理和量子物理等不同領(lǐng)域的科研人員引用1500余次。他的英文專著Power System Optimization：Microeconomics-inspired Approaches近期將由國(guó)際權(quán)威出版社John wiley&Sons-IEEE Press出版。他的研究成果在我國(guó)電力行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。除了學(xué)校的工作，他還兼任了很多社會(huì)職務(wù)。他是國(guó)際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)高級(jí)會(huì)員（IEEE Senior Member）、教育部學(xué)科評(píng)估專家、國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)評(píng)審專家、國(guó)家自然科學(xué)基金和中英聯(lián)合基金評(píng)審專家、中國(guó)博士后科學(xué)基金評(píng)審專家、廣東省職稱評(píng)審專家、浙江省自然科學(xué)基金評(píng)審專家，還擔(dān)任著在香港召開(kāi)的IEEE亞太電力與能源工程國(guó)際會(huì)議（IEEEAPPEEC）技術(shù)委員會(huì)主席。
在國(guó)際上，陳皓勇首次提出電力系統(tǒng)機(jī)組組合的協(xié)同進(jìn)化算法等人工智能算法，并將其推廣于電力系統(tǒng)規(guī)劃、運(yùn)行和電力市場(chǎng)決策等多個(gè)領(lǐng)域。協(xié)同進(jìn)化算法借鑒自然界中的協(xié)同進(jìn)化機(jī)制，引入生態(tài)系統(tǒng)的概念，生態(tài)系統(tǒng)中多個(gè)物種相互作用，共同進(jìn)化，從而使整個(gè)系統(tǒng)不斷演進(jìn)。將工程應(yīng)用領(lǐng)域待求解的問(wèn)題映射為生態(tài)系統(tǒng)，以生態(tài)系統(tǒng)的進(jìn)化來(lái)達(dá)到優(yōu)化問(wèn)題求解的目的。協(xié)同進(jìn)化算法為電力系統(tǒng)優(yōu)化提供了新途徑，也為解決一般復(fù)雜工程系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題提供了一種基礎(chǔ)算法。他將“協(xié)同進(jìn)化算法”拓展應(yīng)用于電力系統(tǒng)的無(wú)功優(yōu)化問(wèn)題，已獲國(guó)家發(fā)明專利。將協(xié)同進(jìn)化算法應(yīng)用于寡頭壟斷電力市場(chǎng)的模擬和分析，開(kāi)辟了基于協(xié)同進(jìn)化計(jì)算的電力市場(chǎng)建模的新方向，在國(guó)際權(quán)威期刊上發(fā)表了系列論文。陳皓勇的研究成果得到國(guó)際上電力系統(tǒng)、人工智能、經(jīng)濟(jì)管理等不同領(lǐng)域科研人員的廣泛引用，直接跟進(jìn)研究的包括：美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，美國(guó)伊利諾理工大學(xué)、美國(guó)北卡羅萊納州立大學(xué)、約旦科技大學(xué)、雅典國(guó)家技術(shù)大學(xué)、澳大利亞悉尼大學(xué)、伊朗德黑蘭大學(xué)，香港理工大學(xué)和國(guó)內(nèi)華中科技大學(xué)等重點(diǎn)大學(xué)。
陳皓勇十分重視交叉學(xué)科研究，他系統(tǒng)地研究了博弈論方法在電力市場(chǎng)和電力系統(tǒng)中的應(yīng)用問(wèn)題，電力系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的工程一經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，從經(jīng)濟(jì)的角度，陳皓勇在基于博弈理論的電力市場(chǎng)建模、分析與仿真方面取得一系列研究成果；從工程的角度，國(guó)際上首次將微分博弈理論應(yīng)用于電力系統(tǒng)頻率/電壓協(xié)調(diào)控制領(lǐng)域，開(kāi)拓了基于博弈論的電力系統(tǒng)協(xié)同控制新方向。在現(xiàn)階段不斷開(kāi)放的市場(chǎng)環(huán)境下，電力系統(tǒng)中存在不同的利益主體，在規(guī)劃和運(yùn)行決策中通常以自身利益最大化為目標(biāo)，傳統(tǒng)的統(tǒng)一優(yōu)化模型難以適用。作為一類先進(jìn)的數(shù)學(xué)工具，博弈論通過(guò)建立電力系統(tǒng)中多方優(yōu)化決策模型并求解均衡策略，使得各方均能獲得最佳收益。在這個(gè)背景下，陳皓勇長(zhǎng)期從事基于博弈理論的電力市場(chǎng)建模、分析與仿真研究：提出了運(yùn)用多項(xiàng)式方程系統(tǒng)求解電力市場(chǎng)均衡的方法，首次形成了基于實(shí)驗(yàn)經(jīng)濟(jì)學(xué)的電力市場(chǎng)博弈分析系統(tǒng)理論和方法，首次結(jié)合基于協(xié)同進(jìn)化計(jì)算的智能模擬和實(shí)驗(yàn)經(jīng)濟(jì)學(xué)方法研究了電力市場(chǎng)主體的交易策略和市場(chǎng)均衡問(wèn)題。這些研究工作得到國(guó)際同行的一致認(rèn)可，被意大利都靈理工大學(xué)、西班牙卡斯蒂利亞?拉曼查大學(xué)和美國(guó)惠普實(shí)驗(yàn)室的多個(gè)權(quán)威學(xué)者所引用。另一方面，從工程角度來(lái)看，電力系統(tǒng)包含大量分布式控制器，在智能電網(wǎng)的發(fā)展過(guò)程中，更多的新型控制器將被引入。這些控制器作用于不同層面，控制目標(biāo)相互獨(dú)立，甚至存在沖突。制定控制策略時(shí)若不進(jìn)行協(xié)調(diào)，則可能導(dǎo)致各方相互牽制、抵消，背離控制目標(biāo)?；谶@種考慮，陳皓勇首次提出基于博弈理論的電力系統(tǒng)協(xié)同控制思想。在國(guó)際上首次將微分博弈理論應(yīng)用于電力系統(tǒng)頻率/電壓協(xié)調(diào)控制，以解決多個(gè)控制器動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)的難題，基于微分博弈理論的電力系統(tǒng)最優(yōu)協(xié)調(diào)電壓控制研究已獲國(guó)家自然科學(xué)基金資助。
除此之外，陳皓勇還系統(tǒng)地研究了基于大系統(tǒng)隨機(jī)與離散優(yōu)化理論的電力系統(tǒng)規(guī)劃、運(yùn)行的模型及算法并在電力行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。電力系統(tǒng)作為典型的分布式大系統(tǒng)，其規(guī)劃和運(yùn)行中的很多優(yōu)化問(wèn)題都是大規(guī)模、離散、非線性和隨機(jī)的，用常規(guī)的方法很難求解，需要尋求新的解決途徑。在電力系統(tǒng)規(guī)劃方面，他提出了基于改進(jìn)Lagrangian松弛法和隨機(jī)生產(chǎn)模擬的電源規(guī)劃模型和算法，發(fā)展了基于多目標(biāo)（協(xié)同）進(jìn)化算法的輸/配電網(wǎng)規(guī)劃；在電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方面，除提出機(jī)組組合問(wèn)題的協(xié)同進(jìn)化算法外，在國(guó)際上較早地開(kāi)展了基于魯棒優(yōu)化思想的含風(fēng)電的電力系統(tǒng)安全約束機(jī)組組合問(wèn)題，研究了基于退火選擇遺傳算法和內(nèi)點(diǎn)法的含整數(shù)變量最優(yōu)潮流，建立了基于協(xié)同進(jìn)化計(jì)算的配電網(wǎng)重構(gòu)算法；在電力系統(tǒng)無(wú)功優(yōu)化方面，提出了基于退火選擇遺傳算法的大電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化，研究了基于退火選擇遺傳算法的配電網(wǎng)多時(shí)段無(wú)功/電壓控制等問(wèn)題。特別他在國(guó)內(nèi)率先研究了多風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)條件下的電力系統(tǒng)安全約束機(jī)組組合問(wèn)題，提出了描述間歇性能源功率不確定性的極限場(chǎng)景法，在保證預(yù)測(cè)場(chǎng)景最優(yōu)的情況下，也能保證誤差場(chǎng)景下調(diào)度方案的可行，奠定了魯棒調(diào)度的基礎(chǔ)。作為國(guó)際上魯棒調(diào)度思想的首先提出者之一，陳皓勇在2012年IEEEPower&Energy Society年會(huì)上宣讀了相關(guān)論文，引起與會(huì)者的熱烈討論。
長(zhǎng)期以來(lái)，這些研究相繼獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金（重點(diǎn)）項(xiàng)目、國(guó)家社會(huì)科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）、國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展（863）計(jì)劃重大項(xiàng)目、教育部科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目、新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃和國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金等的支持。
大膽創(chuàng)新，探路未來(lái)發(fā)展
創(chuàng)新是科研的生命力所在，沒(méi)有大膽創(chuàng)新，就不可能有新的突破。陳皓勇深切地明白這一點(diǎn)，因此在做研究時(shí)，他始終不怕困難，敢于超越，力求走在電力領(lǐng)域發(fā)展的前端。
進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，建設(shè)生態(tài)文明、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，已成為人類社會(huì)的普遍共識(shí)，因此可再生能源開(kāi)潮席卷全球。我國(guó)已經(jīng)制定和實(shí)施了《中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化國(guó)家方案》，要求到2020年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年降低40-45%，非化石能源占一次能源消費(fèi)比重達(dá)到15%左右。風(fēng)力、太陽(yáng)能等間歇性可再生能源并網(wǎng)給電力系統(tǒng)運(yùn)行帶來(lái)很大的沖擊，引起系統(tǒng)電壓、頻率的大幅波動(dòng)，惡化了電能質(zhì)量，降低了電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的水平，使得傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)理論方法和技術(shù)體系受到挑戰(zhàn)。而另一方面，電力系統(tǒng)科研也因此面臨著難得的機(jī)遇。
當(dāng)前世界各國(guó)電力系統(tǒng)都在朝智能電網(wǎng)（smart Grids）的方向發(fā)展。作為支撐可再生能源發(fā)展的重要平臺(tái)，智能電網(wǎng)已成為全球各國(guó)政府、企業(yè)和學(xué)術(shù)界所共同關(guān)注的熱點(diǎn)，被認(rèn)為是電力系統(tǒng)、可再生能源與信息通信技術(shù)的融合。陳皓勇認(rèn)為，能源問(wèn)題的解決需要多學(xué)科協(xié)同攻關(guān)。在華南理工大學(xué)，他聯(lián)合電力系統(tǒng)，電力電子、信息通信和經(jīng)濟(jì)管理等多學(xué)科的研究力量，形成了智能電網(wǎng)與可再生能源領(lǐng)域的一支強(qiáng)大的研究團(tuán)隊(duì)，目前已有基礎(chǔ)包括風(fēng)電控制與并網(wǎng)技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室、廣東省綠色能源技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和廣東省風(fēng)電控制與并網(wǎng)工程實(shí)驗(yàn)室3個(gè)國(guó)家和省部級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，囊括10余名教授、副教授與近100名博士、碩士研究生。同時(shí)，陳皓勇的團(tuán)隊(duì)積極與清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、華北電力大學(xué)、南方電網(wǎng)科學(xué)研究院和海南電網(wǎng)公司等單位緊密合作，努力攻克多類型新能源發(fā)電綜合消納的關(guān)鍵技術(shù)，即將于2014年在海南建成全國(guó)第一個(gè)間歇性能源滲透率不小于15%的省級(jí)示范電網(wǎng)，并努力將海南電網(wǎng)打造成為世界一流的智能電網(wǎng)技術(shù)集成應(yīng)用和示范展示平臺(tái)。
關(guān)鍵詞：計(jì)算；計(jì)算學(xué)科；計(jì)算機(jī)科學(xué)思維；計(jì)算思維；計(jì)算機(jī)思維
隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算領(lǐng)域已成為一個(gè)極其活躍的領(lǐng)域，計(jì)算學(xué)科也成為一門范圍極為寬廣的學(xué)科[1]。在此發(fā)展過(guò)程中產(chǎn)生的種種現(xiàn)象，在很大程度上改變了人們對(duì)世界的認(rèn)識(shí)，有力地刺激了人文科學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)認(rèn)知科學(xué)的研究就是“以電子計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生發(fā)展為物質(zhì)、技術(shù)基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)與人腦相類比為前提的[2]”。我國(guó)著名科學(xué)家錢學(xué)森院士從近三十年電子計(jì)算機(jī)發(fā)展引起的新技術(shù)革命，兩千多年邏輯學(xué)發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，作為符號(hào)處理系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)在智能方面存在的嚴(yán)重缺陷，尤其是人們?cè)诟呒?jí)抽象思維領(lǐng)域，如辯證思維、形象思維、創(chuàng)造性思維尚缺乏研究等方面，對(duì)認(rèn)知科學(xué)的發(fā)展進(jìn)行了科學(xué)的分析。同時(shí)結(jié)合我國(guó)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀和特點(diǎn)，提出了“思維學(xué)”的理念，給出了“思維科學(xué)”的研究框架、研究方向與基本道路，并在隨后的一系列工作中進(jìn)一步充實(shí)和完善了思維科學(xué)的理論與思想體系[3]。他指出：“現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的實(shí)踐，正預(yù)示著更重大的變革――思維科學(xué)的出現(xiàn)?！薄耙鲞@項(xiàng)變革的是電子計(jì)算機(jī)”。而“推動(dòng)思維科學(xué)研究的是計(jì)算機(jī)技術(shù)革命的需要[4]”。在錢學(xué)森的倡導(dǎo)下，自上世紀(jì)80年代起，面向新技術(shù)革命的思維科學(xué)研究愈來(lái)愈受到國(guó)內(nèi)有關(guān)專家學(xué)者的關(guān)注與重視。
在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域，隨著美國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)(簡(jiǎn)稱ACM)和美國(guó)電氣和電子工程師學(xué)會(huì)計(jì)算機(jī)分會(huì)(簡(jiǎn)稱IEEE-CS)組成的聯(lián)合攻關(guān)組于1988年底提交了“作為學(xué)科的計(jì)算科學(xué)”的報(bào)告[5]，計(jì)算學(xué)科的“存在性”得以證明。隨后，CC1991報(bào)告和CC2001報(bào)告等相繼出臺(tái)，從學(xué)科的角度詮釋了計(jì)算科學(xué)的內(nèi)涵與外延，為計(jì)算學(xué)科建立了現(xiàn)代課程體系。在計(jì)算學(xué)科課程體系的本土化進(jìn)程中，我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者們付出了艱辛努力，并取得實(shí)質(zhì)性成果，于2002年提出了“中國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科教程2002”(China Computing Curricula 2002，簡(jiǎn)稱CCC2002)[6]。在CC2002教程的引導(dǎo)下，針對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科教育方面的諸多問(wèn)題，國(guó)內(nèi)從事計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科教育的廣大工作者進(jìn)行了廣泛而有益的探討[7-10]，大大豐富了計(jì)算學(xué)科課程體系建設(shè)的內(nèi)容。在計(jì)算學(xué)科課程教育改革的進(jìn)程中，如何培養(yǎng)既能熟練掌握計(jì)算機(jī)科學(xué)的知識(shí)與技能，又具有計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)科意識(shí)和素養(yǎng)的人才問(wèn)題，逐步成為人們關(guān)注的主要方面。
基金項(xiàng)目：本文受江蘇省教育廳指導(dǎo)性計(jì)劃項(xiàng)目“計(jì)算機(jī)思想史研究”(03KJD520028)及江蘇科技大學(xué)高教項(xiàng)目“計(jì)算思維與創(chuàng)新教育”(GJKTY2009025)資助。
作者簡(jiǎn)介：張曉如(1963-)，女，教授，學(xué)士，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用教育、數(shù)據(jù)庫(kù)；張?jiān)佘S(1961-)，男，教授，博士，研究方向?yàn)榭捎?jì)算性理論與知識(shí)工程。
一個(gè)人的實(shí)踐與創(chuàng)新能力與思維方式密切相關(guān)，與其他學(xué)科領(lǐng)域的科學(xué)家和工程技術(shù)人員等相比，計(jì)算機(jī)學(xué)科的專家學(xué)者們?cè)谒伎紗?wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題方面也應(yīng)有其獨(dú)特的地方。正如計(jì)算大師Dijkstra所言：“我們所使用的工具影響著我們的思維方式和思維習(xí)慣，從而也將深刻地影響我們的思維能力[11]?！币虼?，當(dāng)計(jì)算機(jī)與人們的生活聯(lián)系越來(lái)越趨密切的形勢(shì)下，研究與之相關(guān)的人類思維活動(dòng)與思維方式便成為現(xiàn)代思維學(xué)科領(lǐng)域中一個(gè)十分重要的課題。我們不妨稱此種思維為面向計(jì)算學(xué)科的思維。顯然，面向計(jì)算學(xué)科的思維除了具有一般思維的特點(diǎn)外，還具有其自身的特性，而后者則是從事計(jì)算機(jī)科學(xué)研究的人員和計(jì)算機(jī)教育工作者們更為關(guān)心的。究竟什么是面向計(jì)算科學(xué)的思維？它的特點(diǎn)是什么？對(duì)面向計(jì)算學(xué)科的思維研究對(duì)計(jì)算學(xué)科的發(fā)展會(huì)產(chǎn)生哪些積極作用？這種思維能力是可以培養(yǎng)的嗎？又如何培養(yǎng)呢？我們現(xiàn)行的計(jì)算機(jī)課程教學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)會(huì)因此而有所改變嗎？
1面向計(jì)算學(xué)科的思維
國(guó)內(nèi)最早面向計(jì)算學(xué)科思維的研究文章是收集在2000年全國(guó)高等師范院校計(jì)算機(jī)教育研究會(huì)年會(huì)論文集上筆者的《談?wù)動(dòng)?jì)算機(jī)思維》[12]一文。當(dāng)時(shí)的“計(jì)算機(jī)思維”意為“計(jì)算機(jī)科學(xué)思維”(Computer Science Thinking)，在隨后關(guān)于面向計(jì)算科學(xué)的思維研究中，相繼出現(xiàn)了“計(jì)算思維”(Computational Thinking)[13-14]與廣義“計(jì)算機(jī)思維”(Computing Thinking)[21]等概念。這些概念雖然與“計(jì)算機(jī)”有關(guān)，但它們有一個(gè)共同特點(diǎn)，即它們都是關(guān)于人的思維。
1.1計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)思維
“計(jì)算思維”的思考和研究在國(guó)內(nèi)受到更多專家學(xué)者的關(guān)注與重視，要?dú)w功于全國(guó)高等學(xué)校計(jì)算機(jī)教育研究會(huì)于2008年10月31日至11月2日在桂林召開(kāi)的一次專題學(xué)術(shù)研討會(huì)，會(huì)議的主題是“探討在教學(xué)過(guò)程中，如何以課程為載體講授面向?qū)W科的思維方法，共同促進(jìn)國(guó)家科學(xué)與教育事業(yè)的進(jìn)步”。會(huì)議從8各方面征集論文，無(wú)不涉及“計(jì)算思維”。在會(huì)議提供的資料中，美國(guó)卡內(nèi)基?梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任周以真(Jeannette M.Wing)教授2006年3月發(fā)表在美國(guó)計(jì)算機(jī)權(quán)威雜志ACM會(huì)刊上的文章《計(jì)算思維》(Computational Thinking)[13-14]和王飛躍2007年3月發(fā)表在中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)通訊的文章《從計(jì)算思維到計(jì)算文化》[11]位居榜首。其中，王飛躍教授從計(jì)算機(jī)文化發(fā)展的高度對(duì)“計(jì)算思維”概念的提出和“計(jì)算思維”的研究與發(fā)展對(duì)計(jì)算科學(xué)的進(jìn)步產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響給出了充分肯定。王飛躍教授在提及國(guó)內(nèi)對(duì)“計(jì)算思維”研究和計(jì)算文化與計(jì)算思維聯(lián)系方面的狀況時(shí)指出，“在中文里，計(jì)算思維不是一個(gè)新名詞，常被朦朦朧朧地使用，卻一直沒(méi)有被提到周教授所描述的高度廣度，那樣的新穎、明確、系統(tǒng)”。這一陳述雖然有一定的道理，但不完全正確。“計(jì)算思維”從命名的角度可以如是說(shuō)，但就其作為面向計(jì)算機(jī)科學(xué)思維的概念與特征而言，無(wú)論從高度講，還是從廣度說(shuō)，周以真教授的描述確有“新穎”之處，但在“明確”和“系統(tǒng)”方面，同本文作者在上世紀(jì)90年代末就提出的“計(jì)算機(jī)思維”的概念在主要方面是基本一致的，并可形成互補(bǔ)。特別指出的是，《談?wù)動(dòng)?jì)算機(jī)思維》在談到計(jì)算機(jī)文化與計(jì)算機(jī)思維相互之間的聯(lián)系時(shí)指出，“隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，‘計(jì)算機(jī)’已不再是一個(gè)單純的計(jì)算工具的代名詞，而是信息時(shí)代高新技術(shù)的象征?？梢赃@樣說(shuō)，‘計(jì)算機(jī)’作為一種文化，已滲透到社會(huì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域，而使得生活在這一時(shí)期的人們的思維活動(dòng)中或多或少地與‘計(jì)算機(jī)’這一概念相聯(lián)系，研究與之相關(guān)的思維活動(dòng)與思維方式，便成為現(xiàn)代思維科學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)十分重要的課題[12]”。在此，我們可以把有關(guān)“計(jì)算思維”特征的陳述同有關(guān)“計(jì)算機(jī)思維”的陳述作一比較。
周以真教授在對(duì)計(jì)算思維的描述中首先指出，“計(jì)算思維是每個(gè)人的基本技能，不僅僅屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)家”，這一觀點(diǎn)與《談?wù)動(dòng)?jì)算機(jī)思維》一文中提出的“計(jì)算機(jī)思維具有廣泛性。計(jì)算機(jī)思維已不僅僅是計(jì)算機(jī)科學(xué)家所應(yīng)具有的思維，而應(yīng)是全民族所必須的”的觀點(diǎn)是完全一致的。并且文中還強(qiáng)調(diào)，“只有這樣，計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展才能具有廣泛的社會(huì)基礎(chǔ)，才能使計(jì)算機(jī)科學(xué)真正服務(wù)于社會(huì)”。在總結(jié)計(jì)算思維的特征時(shí)，周以真教授從6個(gè)方面，以“是”與“不是”的對(duì)立統(tǒng)一作了闡述。
為了更好地挖掘計(jì)算機(jī)思維的內(nèi)涵，更加清楚地了解與把握計(jì)算機(jī)思維與其他學(xué)科思維方式的聯(lián)系與區(qū)別，我們對(duì)計(jì)算科學(xué)發(fā)展的過(guò)程進(jìn)行了初步考察，提出了“計(jì)算科學(xué)思想史”研究的基本思想，并對(duì)計(jì)算科學(xué)思想史研究的特點(diǎn)、研究?jī)?nèi)容、研究方法進(jìn)行了分析探討[16]。同時(shí)結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)課程教育，提出了基于知識(shí)背景的計(jì)算機(jī)課程教學(xué)改革的基本構(gòu)想[19]。我們深信，無(wú)論是對(duì)計(jì)算機(jī)思維的研究，還是對(duì)計(jì)算科學(xué)思想史的研究，都會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)教育的實(shí)踐與發(fā)展產(chǎn)生重要影響。
2 “計(jì)算思維”研究現(xiàn)狀
無(wú)論叫計(jì)算思維，還是稱計(jì)算機(jī)思維，關(guān)鍵是要解決問(wèn)題，即“如何讓人們學(xué)會(huì)像計(jì)算機(jī)科學(xué)家一樣去思考”。從總體看，計(jì)算思維的研究應(yīng)包含計(jì)算思維研究的內(nèi)涵和計(jì)算思維推廣與應(yīng)用的外延兩個(gè)方面。周以真在給出“計(jì)算思維”概念后，進(jìn)一步探討了計(jì)算思維的本質(zhì)，并指出計(jì)算思維將在各種行為方面影響每個(gè)人，這一點(diǎn)對(duì)我們的社會(huì)教育提出挑戰(zhàn)，特別是少兒教育。在關(guān)于計(jì)算的思考中，我們需要理解不同類型的3個(gè)方面：科學(xué)、技術(shù)與社會(huì)。飛速發(fā)展的技術(shù)進(jìn)步和巨大的社會(huì)需求迫使我們重新思考計(jì)算科學(xué)最基本的問(wèn)題[20]。從周以真教授多次關(guān)于計(jì)算思維的論述中可以看出，其“計(jì)算思維”的概念是面向社會(huì)、面向教育和面向大眾的。這也許是一種策略，為了能讓更多的人關(guān)注并思考“計(jì)算思維”的問(wèn)題，并將思考的結(jié)果應(yīng)用于計(jì)算科學(xué)實(shí)踐，以此促進(jìn)計(jì)算科學(xué)的普及和發(fā)展。在對(duì)“計(jì)算思維”的深入研究過(guò)程中，郭喜鳳教授等從工程化的角度對(duì)“計(jì)算思維”的內(nèi)涵進(jìn)行剖析[20]，以周以真面向大眾的計(jì)算思維為基礎(chǔ)，根據(jù)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)中的理論、技術(shù)、工程、工具、服務(wù)和應(yīng)用等幾個(gè)不同層面的思維特點(diǎn)，闡述了計(jì)算思維的工程化思想，將計(jì)算思維的概念加以推廣并提出了計(jì)算機(jī)思維(Computing Thinking)工程化的層次結(jié)構(gòu)，豐富了計(jì)算思維的研究?jī)?nèi)涵。董榮勝和古天龍教授從計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)方法論的角度對(duì)計(jì)算思維研究的外延進(jìn)行分析?！坝?jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)方法論是對(duì)計(jì)算領(lǐng)域認(rèn)識(shí)和實(shí)踐過(guò)程中一般方法及其性質(zhì)、特點(diǎn)、內(nèi)在聯(lián)系和變化發(fā)展進(jìn)行系統(tǒng)研究的學(xué)問(wèn)。計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)方法論是認(rèn)知計(jì)算學(xué)科的方法和工具，也是計(jì)算學(xué)科認(rèn)知領(lǐng)域的理論體系[21]”。在關(guān)于計(jì)算思維和計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)方法論之間關(guān)系的論述中，董榮勝和古天龍教授在周以真教授工作的基礎(chǔ)上，對(duì)計(jì)算思維的特征進(jìn)一步加以闡述，從抽象與自動(dòng)化兩個(gè)方面，以具體的實(shí)例刻畫了計(jì)算思維的本質(zhì)，并介紹了國(guó)外關(guān)于計(jì)算思維研究的進(jìn)展情況。在談到計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)方法論關(guān)系時(shí)，他們指出，“盡管計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)方法論有著各自的研究?jī)?nèi)容與特色，但是，顯而易見(jiàn)，它們的互補(bǔ)性很強(qiáng)，可以相互促進(jìn)”?！坝?jì)算機(jī)方法論可以對(duì)計(jì)算思維研究方面取得的成果進(jìn)行再研究和吸收，最終豐富計(jì)算機(jī)方法論的內(nèi)容；反過(guò)來(lái)，計(jì)算思維能力的培養(yǎng)也可以通過(guò)計(jì)算機(jī)方法論的學(xué)習(xí)得到更大的提高[22]”。這不是一個(gè)一般概念的問(wèn)題，我們認(rèn)為是計(jì)算思維研究的一個(gè)技術(shù)路線問(wèn)題，只有把計(jì)算思維的研究同計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)方法論有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，計(jì)算思維才具有實(shí)際的意義和價(jià)值，計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的方法才能夠獲得進(jìn)步。
3 “計(jì)算思維”研究?jī)?nèi)容
不管是周教授的計(jì)算思維(Computational Thinking)，或是郭教授的計(jì)算機(jī)思維(Computing Thinking)，還是計(jì)算機(jī)科學(xué)思維(Computer Science Thinking)，它們都有一個(gè)共同面向，即都是面向計(jì)算學(xué)科的思維；都有一個(gè)共同的出發(fā)點(diǎn)，即研究和探索面向計(jì)算學(xué)科的思維規(guī)律；都有一個(gè)共同的目標(biāo)，即引導(dǎo)人們?cè)诮鉀Q有關(guān)計(jì)算學(xué)科及其應(yīng)用領(lǐng)域問(wèn)題時(shí)，能夠運(yùn)用正確的思維方法。計(jì)算學(xué)科是關(guān)于“計(jì)算”的學(xué)問(wèn)，因此，計(jì)算思維的研究勢(shì)必圍繞解決所謂“計(jì)算問(wèn)題”而展開(kāi)。
3.1計(jì)算思維研究的基本問(wèn)題
何謂計(jì)算思維？《談?wù)動(dòng)?jì)算機(jī)思維》一文對(duì)計(jì)算機(jī)思維的內(nèi)容進(jìn)行了概括，即人們有意識(shí)地將計(jì)算機(jī)用于生產(chǎn)、生活等各個(gè)領(lǐng)域的認(rèn)識(shí)活動(dòng)以及人們解決計(jì)算機(jī)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)過(guò)程。一方面，它是指一種形式，這種形式表現(xiàn)為人們認(rèn)識(shí)具體的計(jì)算機(jī)科學(xué)，或是應(yīng)用計(jì)算機(jī)科學(xué)于其他科學(xué)、技術(shù)的過(guò)程中的辯證思維；另一方面，它是由計(jì)算機(jī)科學(xué)本身的特點(diǎn)及計(jì)算機(jī)作為認(rèn)識(shí)世界的工具所決定的，它同樣受到一般思維方式的限制[12]。周教授則將計(jì)算思維歸納為運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)[13]。董教授等則從方法論的角度將計(jì)算思維定義為運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的思想與方法進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)[22]。
