光纤传感技术论文范文

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篇1

关键词：光纤传感；军队人才培养；课程建设与改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）09-0065-04

一、引言

光纤传感技术是一门基础理论与工程应用紧密结合、理论与实践能力并重的系统学科，既要求学员有扎实的光学、电学基础，又要求学员能够摆脱课本的束缚、根据实际工程应用灵活运用已学到的知识。为适应这一形势，2006年以来，我们针对技术类本科生、军事指挥类本科生、硕士研究生和博士研究生的不同特点和未来适应部队工作的不同要求，建立了光纤传感技术系列课程。

作为一门应用学科，“学以致用”是光纤传感技术系列课程的特色之一。为此，课程建设非常注重学员对课程知识的实践应用能力培养，在教学实践中，结合课程特点和授课对象的学习特点，大力推进教学方法与手段的研究改革，在多层次一体化课程体系建设、教学方法与手段改革、创新人才培养、教师队伍建设等方面取得了较大成绩，下面分别进行介绍。

二、光纤传感技术多层次一体化课程建设

我校早在上世纪90年代就开设了《光纤传感技术》课程，并作为光纤传感专业研究生的必修专业基础课，为培养光纤传感技术人才起到了不可替代的作用。然而随着光纤传感技术在现代化信息战争中的应用越来越广泛，部队对光纤传感专业的人才数量和质量要求越来越高。我校原有的只针对研究生展开的《光纤传感技术》课程已经远远不能适应培养部队所需人才的紧迫要求。从2004年开始我院开始酝酿对光纤传感技术课程进行深入改革，将授课对象拓展到全校本科生和本院研究生，并从2006年开始实行。经过6年多的系统建设，最终建立起了完备的多层次光纤传感系列课程。

由于本科生和研究生、本专业和非本专业学员、技术类和军事指挥类学员的知识基础和应用方向差异太大，如何科学划分课程层次、清晰明确课程内容、准确定位课程目标是光纤传感系列课程建设的重点和难点。

在广泛调研军队需求、不同类别学员的知识积累和兴趣及国内外学校同专业的课程设置基础上，我们建立起了分别面向本科生和研究生、技术类和军事指挥类、本院专业和全校学员的光纤传感系列课程。新增了技术类《光纤传感技术》、军事指挥类《光纤传感技术》，面向全校本科生专题研讨课《基于虚拟仪器的光纤传感技术》三门课程，原有针对研究生的《光纤传感技术》则改为《光纤传感系统》[1，2]。

（一）建立起针对本院技术类本科生的《光纤传感技术》课程内容体系，以“扎实广泛的技术基础为核心，典型的系统应用为亮点”

考虑到授课学员在学习本课程之前已经在《光纤通信》、《光电检测技术》等课程中对光纤和光纤器件等有初步了解，在本课程中首先介绍光纤传感技术的概念和内涵，然后针对光纤传感系统的特点，介绍光纤、光纤器件、光纤传感原理和光纤传感信号解调原理。这四部分内容涵盖了强度型、偏振型、波长型、相位型和分布式光纤传感的系统构成、传感原理和关键技术，为光纤传感基础知识，具有信息量大、知识点多、覆盖范围广泛的特点；最后以2-3种典型的光纤传感系统为例，向学员示范在系统中如何对基础知识进行灵活应用，启发学员根据学到的基础知识来分析理解新型光纤传感系统。

（二）研究生的《光纤传感系统》课程以“系统应用技术为核心，系统设计为亮点”

与原有的研究生《光纤传感技术》相比，新的课程内容和标准进行了大幅度的改革，突出“系统应用”，大幅度削减了光纤传感基础知识，而是以四大类典型光纤传感系统为授课重点。课程中的四大类典型光纤传感系统选取了目前应用最为广泛或技术难度较高的光纤水听器系统、光纤陀螺系统、分布式光纤传感系统和光纤光栅传感系统，针对每一类对其应用背景、系统组成、系统指标和关键技术进行详细分析，构建课本知识到实际工程应用的技术桥梁。在讲解完每一类典型光纤传感系统后，特别设计了光纤传感系统设计环节，要求学员以分组的形式，根据特定应用背景设计出光纤传感系统，阐明系统特色和关键技术。

课程调整所面临的最大难题在于：学习本课程的研究生既包括本校本专业的学员，也包括来自于外院和外校的本科非光信息专业的学员。对于前者，通过本科生阶段的《光纤传感技术》学习已经具备了良好的基础，在新课程学习中应尽量避免内容重复；对于后者，直接学习典型光纤传感系统中的关键技术存在一定难度，需要对光纤传感基础知识进行介绍。为此，在研究生的《光纤传感系统》课程中，首先设定了3个课时对光纤传感基础知识进行回顾和总结，并点明各部分基础知识所涉及的参考书。同时由于使用了与本科生《光纤传感技术》课程同一系列的教材，为解决学员基础参差不齐的难题提供了有效的解决办法，而面向全校的《基于虚拟仪器的光纤传感技术》则为毕业于本校其他专业的研究生学员提供了学习本课程的基础。

（三）军事指挥类本科生的《光纤传感技术》课程以“完善学员知识结构为重点，突出军事应用特色为亮点”，为学员提供装备相关知识基础

课程针对军事指挥类本科学员培训的主要目标，将军事指挥类本科生《光纤传感技术》课程的主要任务确定为拓展军事指挥类学员的知识面，完善知识结构，了解最新军用传感器技术，一方面可以充分发挥我军现有装备的作战效能，另一方面可以掌握外军作战手段，有效克敌制胜。课程简化了基础知识部分内容，扩充了典型光纤传感部分，特别是注重光纤水听器、光纤陀螺和分布式光纤传感器在军事中的应用，并拓展光纤水听器在声纳系统应用中的相关知识，让学员在进行工作岗位后可以更快的掌握相关装备的使用和维护。

（四）面向研究生的《虚拟光纤传感技术》以“引导学员自主学习为核心，激发学员独立思考为亮点”

课程以光纤传感技术中相干检测技术为背景，以虚拟仪器技术为手段，通过一个具体实例为研讨对象，让学员一边学习新知识，一边动手做实验，一边学会自主学习。课程首先在学员高中已经具备的光学知识基础上讲解干涉型光纤传感的基本内容，然后引导学员自习LabVIEW虚拟仪器语言，通过研讨学习心得让学员掌握LabVIEW基本知识，最后要求学员利用所学知识和工具完成光纤传感中一个典型信号处理问题。整个课程以学员自己动手动脑为主，精选了一门易学好用的虚拟仪器语言LabVIEW，使学员可以在四到五次课的时间内学会，并结合光纤传感技术系列课程的建设成果，让学员可以在课程上针对典型的干涉型光纤传感系统进行信号处理实验，一方面提升了学员的学习的积极性，另一方面加强了学员的自信心，并为学员以后的创新实践奠定了基础。

三、教学方法与手段改革

在教学过程中，在教学方法和教学手段上也进行了一系列的改革，使用了大量的新技术、新手段、和新的教学方式。主要体现在以下几个方面：

（一）充分运用科研成果和虚拟仪器技术的特点，增加了大量的课堂演示实验环节

在光纤传感技术系列课程中引入堂演示实验，对于加深学员对知识的理解效果最为明显。在课程建设中，充分利用所在实验室在光纤传感技术研究上的优势，在每门课程讲授中都加入了1～2个课堂演示实验。

与专门的实验课不同，课堂演示实验的侧重点在实验效果上，通常都是完整的光纤系统，包括光源、光传输链路、光接收模块、显示模块等等，并注重演示效果。以往的光纤系统虽然功能性明显，但结构复杂。近年来，课题组所在的实验室在光纤传感系统的工程可靠性研究上投入了大量精力，一些便携式高可靠性的光纤传感集成模块在科研项目中得到广泛应用；这些科研成果的突破使得在课堂上演示一些复杂的光纤传感系统实验成为可能[5]。另一方面，由于虚拟仪器技术在光纤传感技术中的广泛应用，复杂的信号解调可以通过电脑直观的显示在课堂多媒体系统中，“所见即所得”的方式使得课堂演示实验的效果非常直观和可信。以研究生的《光纤传感系统》课程为例，我们选取了光纤光栅应变系统作为课堂演示实验内容。在硬件上，这套系统的光收发模块为集成化的便携式光纤光栅解调仪，采用法兰盘对接可串接起多个光纤传感阵列；而复杂的信号解调系统则全部通过虚拟仪器技术在电脑上软件实现，解调结果直接显示在电脑程序界面中。通过这套系统，我们完整地演示了光纤传感器设计、光纤传输链路构成、复用光纤传感网络、和光纤传感信号解调等多项知识内容，学员普遍反映通过这一演示实验对光纤传感系统有了清晰深刻的了解。

（二）借鉴国外大学相关专业的教学模式，在考核中引入小型综合设计环节，充分考察学员的综合素质

课题组的两位教员具有国外留学的经历，在课程建设中充分参考国外大学在光纤传感技术课程的教学方法，在作业环节引入小型光纤传感综合设计内容，并将其作为课程考核评价标准的一部分，实现对学员综合素质的培养和考核评价。

光纤传感综合设计参考了香港理工大学和英国南安普顿大学的教学经验，以对知识的综合运用为主要考察目标。本科生光纤传感技术采用适当的综合设计题目难度，重视对知识融会贯通和综合应用能力的考察，一般在授课过程中只进行1次；研究生除了要求基础知识综合应用能力，更注重对实际工程应用系统的完整性和前沿问题的拓展性考察[6]，一般则开设2～3次。综合设计作业由学员分组完成，小组内成员根据资料调研、方案设计、报告撰写等工作内容的不同进行明确分工，并推选一位组员参加课堂专门设置答辩环节。

（三）针对授课内容的层次划分和授课对象的学习特点，科学合理设置研讨专题

研讨式教学我校近年来大力推广的教学方式之一。由于光纤传感技术具有经典与前沿相结合、理论与工程应用相结合的特点，在系列课程建设中，课题组在原有研究生《光纤传感技术》的研讨式专题内容基础上，进行了深入的思考和大胆的拓展，将课程中的研讨专题划分为三大类：经典理论知识的研讨、前沿研究的研讨和学位论文研究方法的研讨。

经典理论知识的研讨要求学员在授课之前对相关内容进行预习，并在课堂上对全体学员讲解自己对该问题的理解。如在进行“光纤干涉仪传感系统”的授课时，要求学员预习时弄明白两个问题：什么是随机相位衰落？什么是偏振诱导信号衰落？进行研讨时不要求学员对这两个问题进行深入剖析，但要求学员用精炼的语言阐明问题的物理含义。学员普遍认为这种研讨专题不是特别复杂，通过预习教材即可，但大部分学员会准备PPT课件，且自愿上讲台讲述的学员一般在以往的学习过程中接触过与该专题相关的研究工作，因此在其课件上还会加入自己以往的工作、自己对该问题的扩展认知及自己尚未弄明白的问题等。这种教学效果是在深入了解学员的知识积累基础上，通过巧妙设置研讨专题取得的。

前沿研究的研讨要求学员进行大量的资料查阅，特别是光纤传感前沿研究课题的查阅。对于某一个问题，由于课堂讲授的时间受限或者教材中没有系统的描述，对该问题的课堂讲授可能不够全面，在这种情况下，教师会提供相关信息，要求学员查阅该文献并进行精读，然后在课堂上进行研讨。这种研讨专题分为两种：一种是教师提供明确的检索信息，由学员查阅到该文献后精度文献，分析文献的精华及不足；另一种则是教师提供所要解决的问题，由学员对该问题进行解读，提炼关键检索信息，进行检索后，对检索文献进行初步分析，总结该问题的研究现状。学员反映这种研讨专题的难度稍大于第一种，但一般稍花时间都能解决。

学位论文研究方法的研讨目的在于：无论是本科生还是研究生，在学习完相应的光纤传感技术课程后马上就要投入到学位论文工作中。通过对这类问题的研讨，学员逐渐掌握了在未来从事学位论文研究中必须具备的研究方法，这类的研讨主要培养学员的仿真计算能力和光纤传感系统的设计能力。例如在讲授完光纤光栅的基本理论之后，学员反映耦合模理论的公式很繁琐，难以一眼看出其中的物理特性，为此，我们安排了相关理论的仿真计算研讨，要求学员根据课堂讲授的公式进行理论仿真，计算光纤光栅反射光谱，并绘制带宽、反射率等关键参数随着光栅参数的变化曲线。学员在课堂研讨时要讲述自己的关键参数设置和仿真结果。通过这种研讨方式，学员对光纤光栅的反射谱特性建立了深入的了解，效果远远好于课堂直接讲授相关结论。

根据光纤传感课程层次划分，不同的光纤传感技术课程对三种研讨专题的应用程度也不相同，本科生的光纤传感技术课程以经典理论知识的研讨为主，并设置1～2次前沿研究的研讨；研究生的光纤传感技术课程则以前沿研究的研讨专题和学位论文研究方法的研讨专题为主，对特别重要的概念设置少量经典理论知识的研讨专题。

四、以光纤传感技术课程为支撑的创新型人才培养

光纤传感技术的应用范围极广，一套实用的光纤传感系统可以很庞大很复杂，也可以很小巧灵活。针对这一特点，课题组教师在学院本科生和研究生的各项教学活动中，积极开展与光纤传感技术相关的各项活动。

针对本科生的光纤传感技术系列课程，在授课结束后，在光电设计大赛、毕业设计等教学活动中开设了大量关于光纤传感技术应用的课题，引起学员浓厚的兴趣和广泛的参与热情。一方面，参与光纤传感技术相关的本科毕业设计学员数量大幅度提高。以技术类本科毕业设计为例，2013、2014年参与光纤传感技术相关课题的学生均达到光信息专业学员总数的50%以上。另一方面，学员完成课题的质量也得到大幅度提升，近年来有8名本科生获得学校创新资助，从侧面反映出光纤传感技术课程教学效果的日渐提高。这些竞赛成果也作为评价授课效果的标准之一，并将学员在课外延拓活动中的效果和意见及时反馈到教学过程中[3，4]。

针对研究生的光纤传感技术系列课程，一方面鼓励学员在课程学习的基础上努力拓展研究深度，在光纤传感研究领域不断创新。在课题组所在实验室所培养的研究生中，有3名研究生获得学校创新资助，1名研究生获得湖南省创新资助，其课题都是光纤传感领域的研究重点和难点。此外还有5项研究生参与申请的光纤传感技术相关专利；另一方面，鼓励学员积极参与到与光纤传感技术相关的科研项目中，在实际工程环境中对课程知识进行融会贯通。目前在光纤信息专业的毕业研究生中，参加过光纤传感相关的湖上或海上试验的学员达到95%以上，为其真正走向工作岗位后充分适应部队对光纤传感技术人才的需要积累了宝贵的经验。

五、高素质教师队伍建设

作为教育的重要媒介，教师是活动中的主要因素。教员整体素质的高低，直接影响着教学质量的高低。因此，建立一支教学水平高、结构合理的高素质师资队伍显得尤为重要。

（一）从教学和科研两个方面锤炼教师队伍，使教师的教学水平和科研能力相互促进共同提高

科学研究是教师工作的重要组成部分，是提高教学水平的重要手段，也是提高自身素质的重要途径。对于光纤传感技术系列课程而言，学即能致用是其重要特点之一，教学和科研的相互促进作用尤为明显。课题组全部教员均参加了多个重大科研项目。通过重大科研项目的历练，教员的学术水平得到很大的提高，一方面教员接触了学术前沿，开拓了学术视野，经历了科研实践，在课堂教学中自然会将科研最新成果、专业发展动向带进课堂，另一方面，教员在参与重大科研项目时对光纤传感的技术内容有了更加深刻的认知，对于在课堂上清楚明白的讲好各个知识点至关重要。同时，通过教学活动中对课程内容的反复推敲及与学员之间展开的研讨交流，可以加深教员对技术环节的领悟，甚至激发教员的灵感。通过在科研和教学两个方面同时锤炼，促进教师知识更新和自身进步，提高教师的创新能力和教学质量，将真正做到科研教学一体化。

（二）鼓励教员进行对外交流，充分借鉴国内外同类专业课程的教学经验

课题组有两名教员具有国（境）外留学经历，其他教员也多次参加国内外的学术活动和教学活动交流，在课程建设过程中充分利用了这一优势。在教员已经带回的国外大学教学经验的基础上，鼓励教员在回到学校后仍然定期与留学单位交流，及时获取留学单位最新的课程设置和教学安排信息，并通过交流，不断补充自身的不足，更新课程内容，丰富教学手段，提高自身教学水平。在对外学术活动交流中，有意识的了解其他院校同类专业课程的教学情况，对于感兴趣的单位积极主动与对方联系进行实际考察。活跃的对外交流活动极大地激发了教师的教学热情，并不断提高其教学水平。

（三）加强青年教师的教学技能培训

目前，课题组教员是一支相对年轻化的队伍，很多才刚刚博士毕业，青年教师充满热情，思想活跃，比较了解学员的思想，与学员进行交流方面具有优势。但是，他们大多没有经过系统的教学技能训练，普遍缺乏教学经验。为了使青年教师尽快掌握教学技能，提高业务能力与水平，课题组指定认真负责、教学经验丰富的老教师担当青年教师的导师，对青年教师实行“一对一”的“传、帮、带”指导，指导青年教师备课、编写教案；采取措施督促教员投入足够的精力。教员上岗前，必须经过教研室、系所、学院三级试讲，每次授课必须重新编写教案、编写课件、编制教学日历；在教学过程中，教学指导委员会、督导组、院系领导经常性听查课，督促教学水平的提高。

通过从科研和教学两方面锤炼教学队伍，课题组教员自身水平得到了大大提高，多次在全军和全校获得教学优秀奖，其中获军队院校育才奖1人次，优秀研究生导师奖3次，校本科“研究型”教学比赛三等奖1人次，校研究生教学优秀三等奖1人次，教员在国内教学期刊上发表高水平教学论文10篇，课题组已经成为了一支能独立承担授课任务的高水平教师队伍。

参考文献：

[1]孟洲，胡永明，姚琼，宋章启.《光纤传感技术》研究生课程改革探讨[J].中北大学学报（社会科学版），2007，23（2）：98-100.

[2]孟洲，姚琼，曹春燕，梁迅，张学亮.光纤信息技术本硕博系列课程体系研究与实践探索[J].高等教育研究学报，2012，35（1）：50-53.

[3]周建华，邱琪，周晓军，光纤通信实验教学改革探讨[J].电子科技大学学报社科版，2003，5（2）：89-91.

[4]胡昌奎，杨应平，黎敏，刘辛，易迎彦，光电信息类专业光纤系列课程教学内容与课程体系的改革[J].高等理科教育，2008，（2）：16-18.

篇2

【关键词】 布里渊 分布式 光纤传感

随着社会发展，安防已经变得越来越重要，及时发现入侵对我国安防建设有种重要的意义，别的安防系统监测距离短且容易受到电磁的扰动，而本文中叙述的安防系统不仅监测距离长而且不容易受到电磁的干扰，对安防领域具有重要意义。光纤传感入侵定位监测系统可以通过监测光纤应变或震动等确定事件发生的位置，已有传感定位系统多采用Sagnac干涉环结构或者马赫-增得干涉结构实现定位，但无法同时满足高精度和长距离探测。这样的话就必须采用BOTDR原理，利用自制的光纤纵模分布反馈激光器，结合边缘滤波调解技术，建立一套分布式光纤传感入侵定位系统监测，实现了对入侵事件的实施快速定位监测，空间分辨率也相应高了起来。

一、布里渊散射传感原理

布里渊散射原理是基于光纤中光波与声波在传播过程的相互作用，这两者的相互作用会使光产生频移，该频移的产生相当于入射波被一个声光栅散射产生了反射光子，我们利用这个频移，通过测得其频移方向和大小，来实现传感物理量的转换。光纤所处温度、所受应变皆可通过布里渊频移间接计算得出。在实际工程使用中，由于入侵事件都是不确定的，所以需要一套具有实时监控能力且无盲点的监测系统才能完全监测到入侵、避免出现遗漏，而光纤作为传感原件是沿线路连续分布的，这就避免了线路中产生盲点。通过对光纤中布里渊散射频移量大小的监控，可以分析得出被入侵点的准确位置，以及被入侵程度，这就是目前布里渊散射在光纤传感入侵定位监测系统中最有效的应用方式，达到了兼备高精度、无盲点、长距离、实时性等诸多优异性能。

二、实验与分析

由于本项研究处于早期阶段，所以此次试验都是采用自制的激光器、自制传感光缆以及其他自制光信号解调器。并参考了各类中外文献，以及前辈所写的论文，保证本次试验和分析能够得出更为准确的结论，更好的为国家安防事业做出贡献。我们将激光输出进行一定的比例分束，然后小比例的一束作为本振光，另外一个大比例的经偏振控制器调整偏振态，通过电光调制器进行脉冲的调制，经过掺铒光纤放大器1放大之后，波分复用器滤过自发辐射噪声通过扰偏器和环形器，输入到单模传感光纤里面去。散射回的信号此时变得非常非常弱，必须得通过掺铒放大器2来放大，然后再经过一个环形器，通过自己制造的窄带可调谐光纤光栅滤波器之后的布里渊反射光和本振光相干，通过高速光电探测器的监测，然后得到了实验的最终结果---后向布里渊散射信号。

在实验中，波分复用器滤波的通道为1550nm，带宽30nm，隔离度大于20dB，损耗小于0.15dB，和本振光相比，相对有一定的偏移量，能满足实验的要求并且监测到相干信号。放大之后的布里渊信号只有um量级，采用高速光电探测器前置放大滤波电路对信号再次放大滤波，然后通过边缘滤波，将布里渊信号的平移变化转换成强度变化，并通过累加平均处理，平均2的12次方次后，得到最K监测结果。其中前置放大滤波电路实现对微弱电信号的放大并抑制信号频带以外的噪声，其滤波中心频率为11GHz，3dB快带为1Hz，插入损耗小于0.1dB。实验系统采用50ns脉宽的光脉冲，重复频率为10KHz，传感光纤长度为10km。因此，完成2的12次方次累计平均处理所需时间小于1s，即系统的监测周期小于1s，可满足快速监测入侵事件的要求。

经过实验分析表明。实验系统在室温25度环境下且光纤不受外力时，布里渊信号的中心频率在10.9GHz左右。因此当应变和温度引起的频移总和超过初始中心频率100MHz时，信号将越过带通滤波器的单边上升沿的边界，导致信号幅值减小，从而引起错误判断，限制了系统的监测范围。采用更大带宽的带通滤波器并合理的选择其中心频率，可以扩大系统监测的动态范围。

至于如何消除缓变温度的影响，适应野外环境下的应用，以及进一步提高系统的应变分辨率，将在后续的工作中研究。

结论：在BOTDER原理中用单纵模光纤光栅到带通滤波器理论结合实际的实验中表明，系统可以在1s对10km范围的传感器进行测量，并达到5m的空间分辨率和200uε的应变分辨率。这项实验表明本系统在监测入侵领域的能力，即便现在所处阶段并不成熟，也能对国家安防领域起到很重要的积极意义，而且经分析判断和实验结论，基于布里渊散射的分布式光纤传感入侵定位监测系统在长距离入侵定位方面有着良好的前景。

参 考 文 献

篇3

[关键词]分布式光纤振动传感器；马赫-曾德（M-Z）干涉仪；相位

中图分类号：TN818 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）15-0122-02

0 引言

厂区安全，逐渐变成人们关注的焦点。为了保证一个厂区的周边安全，往往需要安排大量的安防人员进行定时定期的巡检，此种方法不但复杂而且消耗大量的人力物力，无法实时监测厂区安全状态和及时发现厂区的入侵破坏行为。而随着科技的发展，人们开始将光纤传感技术应用于厂区周界的安全防护上，由此一些公司开始研发周界安防产品，与其它周界防护方法来说该系统有着无法比拟的优势。

振动光缆周界防护系统是新一代信息化安全预警系统，采用光缆作为传感器件，无论是通过对光纤的直接接触，还是通过承载物间接接触，都将引起光缆的扰动。当光缆产生振动后，系统从光缆中采集扰动数据，进行分析处理，处理后交给后端服务程序进行智能识别（智能识别可以判断出不同的外部干扰类型，报警程序可根据智能识别结果实现系统预警或实时告警功能，从而达到对设防区域进行入侵监测的目的。该系统以光纤作为传感单元，可实现高灵敏、长距离，大范围的周界防护，非常适合于厂区周边的入侵防范应用。

本文采用M-Z干涉技术，结合实际应用条件，实现了一种振动光缆周界防护系统。系统结合厂区周界防护环境和综合信息平台，实现对厂区的实时监控，实现厂区安全的监测预警，避免恶意入侵行为的发生。

1 系统原理

系统采用在监测区域铺设光缆作为振动光缆的探测设备，对监测区域环境的振动信息进行连续的分布式的监测，并根据振动信息的异常点处激光信息正反向传输达到振动设备主机的时间差值，进行振动异常点定位。

振动光缆周界防护系统是基于M-Z干涉技术为基础进行设计。由激光器发出连续激光，经过耦合器1分为两束，分别进行顺时针方向传输和逆时针方向传输。顺时针方向直接进入到耦合器2和耦合器4搭建的M-Z干涉仪中感受外界振动信息，经耦合器3输出被探测器2探测到；逆时针方向经过耦合器3，进入到耦合器4和耦合器2搭建的M-Z干涉仪中感受外界振动信息，耦合器2直接输出被探测器1探测到。

M-Z干涉仪分为信号臂和参考臂，信号臂主要用于感受外界振动信息，参考臂提供相位参考值作为相位变换对比。由干涉原理可知同频率同振动方向的两束光波发生干涉时，该点干涉的光强为：

式中，、分别为发生干涉的两束光的初始光强，为两束光之间的初始相位差。光通过耦合器进入干涉仪两臂传输后再发生干涉。此时发生干涉的两束光的相位差可以看作是由于两条光纤臂本身光程不对称等原因造成的初始相位差，压力作用造成的相位差，以及应变导致光纤长度变化产生的相位差三者的迭加。即：

由于通过光电探测器可以探测到光强，而初始相位差是一个定值，因此光强的变化只与后面两项所表示的相位差和的变化有关，所以在测得光强的变化后可以得出两束光的相位差的变化。通过对相位差的分析，就能得到作用在干涉臂上的振动压力的情况。

系统的定位算法，是通过检测两路携带相同振动信息的干涉信号分别被两个探测器探测的时延差而进行定位的，其计算公式如下：

其中X为振动信号到达监测主机的光缆长度；L为3芯传感光缆的长度；ν为光在光纤中传输的速度；Δt为两个探测器探测到信号的时延差。

时延的计算可通过正反两个光路的光信号的互相关函数求取。假设两端信号为：

其中，分别为两个探测器检测到的信号，为管道的振动信号，为噪声，为比例系数，为两个信号之间的时延。

通常是互不相关的平稳随即过程，则两探测器信号的互相关函数为：

互相关函数中，时，会出现峰值。确定获得最大值所对应的值，可确定两个测试信号之间的时间差。

2 系统架构和功能

振动光缆周界防护系统根据设备安装和使用环境分为中央控制室和工业园区两部分。整个系统架构如图2所示。

中央控制室主要包含主机、报警器、中心数据库和监控显示端；工业园区主要包括传感光缆和光模块。

系统主要通过传感光缆感受到外部振动信息，并将信息传送给主机进行分析判断，主机针对探测信息进行相位信息变化判断。当有非法入侵产生时，相位信息会产生特殊变化，结合智能识别算法进行相位信息变化判断，排除环境干扰信号影响因素，确定出非法入侵的特性并确定出准确位置。

系统探测到非法入侵的报警信息，通过局域网传输给综合信息平台进行报警界面显示和报警器、摄像头等设备联动；同时也将报警信息存储到中心数据库，用于报警信息查询、分析和处理。

振动光缆周界防护系统根据组网可包含如下软件平台，分别为监控平台、控制平台和数据处理平台，三个平台相互连接形成三级管理体系。

信号处理平台主要实现对探测区域的振动信号进行实时检测，并实现光信号到微弱电流信号、微弱电流信号到电压信号的转换，完成信号的提取，并对转换后的信号进行预处理；对采集的不同振动信号滤除环境干扰信号，进行特征向量提取，根据信号持续的时间长度、振动强度、光学相位变化趋势和信号的频谱等特征进行分类学习；对非法入侵事件根据时延差进行定位计算。

控制平台起到连接信号处理平台和监控平台的桥梁，将信号处理平台的报警信息数据上传给监控平台；同时能够对数据处理参数和区域进行调整，保证报警信息真实有效。

监控平台根据现场情况自主定制图形化操作界面，便于用户操作和报警查看，以生动的图像形式向用户展现报警信息；支持报警历史记录管理、记录、查询，提供短信、邮件报警通知，提供胁迫密码报警功能；可提供联动视频、声光报警器等外部报警器等功能。

3 应用研究

在某工业园进行应用，工业园总长度约为7050米，为保证人为入侵能够准确被测量到，采用振幅为1米的正弦波光缆铺设方式，该方式铺设，光缆使用长度约为工业园总长度的2倍，同时为了维修方便，在部分位置留有预留光缆，铺设光缆总长度为20000米。采用光缆为4芯直埋光缆，留有1芯作为备用芯。

振动光缆铺设一共分为4层，自底层往上依次为底层土工布、格栅（光缆固定于格栅上）、上层土工布、草坪。其铺设示意图如图3所示。

图3 铺设示意图

底层土工布为可渗水土工布，位于最底层，深度约为5厘米，土工布上摆放格栅，选用尼龙扎带将光缆绑扎在格栅上，每30厘米作为一共绑扎点，正弦铺设宽度约为1米，放置好格栅和光缆后，铺设上层可渗水土工布，并覆盖上约为3厘米土壤，最后将绿化草坪铺设于上部，进行隐蔽布置。

在该种铺设条件下，进行不同体重的人为走动、翻墙跳跃等不同方式的模拟入侵，系统能够及时探测到，并联动声光报警器进行报警提示，同时监控端构图界面对应位置颜色发生变化，且显示报警信息；经过几百次模拟入侵，系统能够准确报警定位，定位平均误差小于15米；系统误报率极低，完全可以满足需求，可有效实现周界安全的防护和监控。

4 结论

振动光缆周界防护系统可以有效的监测厂区周围的各种入侵行为，并且可以联动视频对现场的情况进行拍照取证。警务人员接到报警后立即出警，避免的复杂的巡检工作，节省了人力物力。

目前该系统已经应用于安全防护项目中，根据现场使用情况来看，该系统具有较高的灵敏度和定位精度，系统通过与人防的紧密结合，实现了人防联动，防护厂区安全等方面发挥了举足轻重的作用，有效地保护了厂区的安全，保证了生产工作的顺利进行，为厂区的发展做出了贡献。

参考文献

[1] 张治国；张民；叶培大 基于线型腔拉曼光纤激光器的长距离光纤布拉格光栅传感[期刊论文]-中国激光2006（08）

[2] Jianzhong Gao；Zhuangde Jiang；Yulong Zhao Full distributed fiber optical sensor for intrusion detection in application to buried pipelines[外文期刊] 2005（11）

[3] 潘岳.王健 双马赫―曾德尔型干涉仪定位技术研究[期刊论文]-光学仪器2012（3）

篇4

关键词：交通，智能交通，ITS，GIS，GPS

中图分类号：C913文献标识码： A

交通工程学科是研究交通发生、发展、分布运行与停驻规律，探讨交通调查、规划、设计、监控、营运、管理、安全的理论方法以及有关设施、装备、法律和法规，协调道路交通中人、车、路与环境之间的相互关系，使道路交通更加安全、高效、快捷、舒适、方便、经济的一门工程技术学科。

交通学科中的道路运输系统是有人、车、路、环境等几个要素组成的一个系统的、动态的、复杂的系统。

一、交通工程学科面临的问题

城市交通的拥堵问题是目前以及今后相当长的一段时间内交通工程学科必须应对的问题。探讨城市的交通拥堵问题，至少需要涉及的学科有系统工程、城市规划、土地利用规划、经济学、行为心理学、社会学、公共政策学、管理学等。跨学科的研究方法有移植、渗透与融合等，关键是如何将其应用于城市交通问题。

随着计算机技术、信息传感技术的飞速发展，智能交通系统应运而生。智能交通系统于90年代至21世纪初被引入交通工程领域，重点研究交通系统的智能化，并逐渐成为解决交通工程关键问题的主要方法。

二、智能交通系统的定义和组成

智能交通系统（Intelligent Transportation System， ITS）定义为：在比较完善的基础设施之上，将先进的信息技术、通信技术、控制技术、传感技术和系统综合技术有效的集成，并应用于地面运输系统，从而建立起大范围内发挥作用的、实时、准确、高效的地面运输系统。

智能交通系统按照组成部分来划分，主要包括如下几方面：

（1）交通检测技术：通过感应圈、红外、微波、闭路电视摄像、卫星定位技术，对交通车辆、道路进行检测，收集交通数据和图像信息；

（2）交通控制技术：包括先进的交通信号系统，匝道信号控制、信号灯控制等技术；

（3）通讯技术：包括高密度波分复用技术，光纤传输及接入技术，无线传输技术等；

（4）数据处理：车流数据、收费数据、监控信息数据等数据的处理；

（5）信息提供：提供出行信息，如交通状况、最佳行车路线等；

三、智能交通系统体系的主要功能

（1）信息采集：综合交通信息平台提供与各应用系统之间的通信联接和数据接口，从各应用系统中提取各类相关信息，用于后续的信息处理和信息服务。所提取的信息通常不是各应用系统的原始信息，而是经过各系统处理后的二次信息。这样一方面能减少平台信息处理的工作量，另外也能节省信息存储空间。

目前在交通工程领域采集数据主要利用传感技术，具体如下：

利用红外线，超声波，微波雷达，感应圈等传感器，对通过道路某一点的车辆，其数量、大小、重量、速度等进行统计分析。

利用浮动车系统，可以通过安装有GPS（全球定位系统）的公交车或计程车了解到该车辆通过某路段的时间速度，从而在一定程度上间接地推测出当前路面的交通状况。但是由于所获取的交通数据，其采样精度及密度均受制于有限的GPS设备，且无法获得浮动车以外其他车辆、行人等的交通数据，该技术对于微观交通行为的分析、管理优化，存在一定的局限性。

利用可见光摄像机，红外线摄像机等视频传感器，不仅能够对路段上车辆的通行状况，比如通过数量、大小、速度、颜色、车牌号等进行定量地统计，同时能够对某些特定行为，比如闯红灯、倒车、转弯， 交通事故等在一定程度上进行自动检测。特别是利用视频数据可以对这些特定行为的前因后果进行分析。

激光扫描仪是一种新兴的传感器。与视频等技术相比，激光测距扫描仪及其应用技术还大多处于研发阶段。

（2）信息处理：采用分类、统计、关联、序列分析等方法，将从各应用系统提取的信息进行处理和标准化，生成满足应用系统需要的特定格式的信息。

（3）信息存储：对各类交通信息按照一定的规则和组织方式进行保存，便于数据的查询、更新和维护。信息存储的形式可采用传统的关系型数据库方式，也可以采用数据仓库方式。另外，由于交通信息大多与地理属性有关，因此，利用GIS技术对部分数据进行组织、存储和显示，可以提高数据管理的效率。

（4）信息服务：综合交通信息平台的最终目的是为各应用系统提供其所需要的信息。由于不同的用户和应用系统可以获取或访问的信息各不相同，因此，需要建立完善的数据分层管理和权限管理，对无权获取特定信息的用户进行信息屏蔽，使不同用户既能获得各自所需要的数据，同时确保各应用系统数据交换和共享过程的安全性。

四、智能交通系统的主要构成

1．智能化交通管理系统

智能化交通信号控制系统和智能化交通监控系统，集成起来就构成了先进的交通管理系统的主要部分。

智能化的信号控制系统可以通过设在路上的传感器，检测路段和路口的交通状态，根据路口各个方向以及周围相邻路口的交通状态，改变路口各方向红绿灯信号的持续时间，使得路口的使用效率得以提高。智能化交通监控系统就是为此开发。它包括安装在主要交通干线上的摄像机和传感器(如电磁感应检测器、微波检测器、红外检测器、激光检测器等)、通信和传输系统、交通监控中心(包括数据存储、信息处理与显示、指挥控制等子系统)、信息系统和执行系统等。其功能主要包括：（1）对道路上的交通信息以及与交通相关信息的采集应该是尽量完整和实时的；（2）交通参与者(包括驾驶员、乘客、行人等)、交通管理者、交通工具、道路管理设施之间的信息交换可以做到实时和高效；（3）控制中心对执行系统的控制是强制和高效的（4）交通监控中心计算机系统(包括城市、高速公路的监控中心、运输管理中心等)配备有功能强大的软件和数据库，具备自学习、自适应的能力。

2．电子不停车收费技术

电子不停车收费系统(简称ETC)是智能交通系统中最先投入应用的系统之一，主要应用技术是自动车辆识别技术(英文简称AVI)。使用该种收费方式的用户必须在事前购买专用的电子标签并安装在前挡风玻璃上，当车辆驶入收费区域时，该系统安装在门架上或路侧的微波天线查询车载电子标签中存储的识别信息，如电子标签ID号码、车型、车主等信息，以辨别车辆是否可以通过不停车收费车道。在采用封闭式收费制式的高速公路上，在进入高速公路时，车道天线要向电子标签写入入口车站信息，在离开高速公路时，再读出入口信息以便系统计算通行费。

自动车型分类系统利用装在车道内和车道周围的各种传感器装置来测定通过车辆的类型，并与车载电子标签存储的车型数据进行核对，防止故意换卡违章使用，保障电脑系统按照正确的车型实现收费。

3．基于GPS和GIS的车辆定位与导航技术

GPS(Global positioning System)技术，即全球卫星定位系统技术，是利用分布在高空的多颗人造卫星对地面上的目标进行测定并进行定位和导航，它用于对船舶和飞机及其它飞行物的导航、对地面目标的精确定时和定位、地面和空中的交通管制以及空间和地面的灾害监测等。

GPS可以用于车辆导航，实现的主要功能有：车辆跟踪、航线设计、按计划航线进行导航、查询功能等。车辆导航系统主要由GPS接收机、微处理器、显示器、车辆导航软件和地理信息系统组成。GPS用于车辆运营管理，实现的主要功能有，查询功能、多屏幕，多车辆跟踪功能、指挥与车辆跟踪相结合、报警与意外处理等。

GIS(Geography Transportation System)技术，即地理信息系统，综合了数据库、计算机图形学、地理学、几何学等技术，以地理空间数据为基础，采用地理模型和分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，从而为存放和管理定位导航信息提供信息服务。GIS用于车辆导航与监控，实现的功能包括，电子地图显示功能、标注当前车位、地物信息分类索引、最佳路径选择、行车路线导航等。

GIS用于道路实网数据和属性数据以分路段的方式和地理坐标联系起来，可以对路面质量、路况和路面维护进行管理，另外也可以对桥梁、隧道及其他各种道路管理设施如信号装置、可变情报板等进行测量和管理，从而保证各项设施正常运转，交通管理和控制措施得以顺利实施。

在基于GPS+GIS的车辆定位与导航技术及应用方面，比较有市场前景的有两个方面。一是终端设备提供；二是增值运营服务。这两者相辅相成，终端设备市场的规模形成，离不开增值运营网络的建成与内容服务的增加，而增值运营服务的提供，最终又需要通过终端设备传递给用户。

目前，在国内增值运营服务这个市场正在逐渐为产业界所关注，但是，从发展的角度来说，目前缺少的是内容提供，而内容提供的瓶颈在于数据收集的手段有限。

五、结论

智能交通系统是随着人类科学技术的进步而不断发展的。同时实践也证明，智能交通系统是缓解现代交通问题的有效手段。随着人类社会进入信息时代，智能交通系统将是现代化交通运输体系的发展方向。

可以预见，智能交通系统的服务功能将更加完善，信息服务将呈现出多元化、个性化和细化发展；技术水平也将越来越高，系统处理、处置水平智能化程度将更高；系统的运营方式也将日趋多样化，系统运营将更加高效经济。

总之，随着智能交通系统的整合速度逐渐加快，多出行方式相关的ITS整合速度也将加快；智能化交通设施将得到逐步的发展；交通信息提供将更倾向于智能化发展水平。

参考文献：

[1]赵晓春. 现代科学跨学科研究的模式探析[J ].中国科技论坛，2008（11）.

[2]鲁兴启，王琴. 跨学科研究方法的形成机制研究[J ].系统辩证学学报，2004（4）.

[3]文洪朝. 跨学科研究―当今科学发展的显著特征[J ].西北工业大学学报(社会科学版)，2007（6）.

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［关键词］网络拓扑;路由交换;光纤通信;汇聚层

0引言

因为“互联网+”时代的发展，人们基于互联网提出了许多新型应用，比如“互联网+医疗”、“互联网+制造”、“互联网+旅游”、“互联网+金融”等，扩大了互联网的应用领域，并且产生了车联网、物联网等新型网络模式，互联网的拓扑架构也在不断的发展和改进，从传统的星型网络、总线网络、树型网络发展到了有线、无线混合模式的网络［1］．智能终端的使用，使得接入的设备开始向移动终端发展，比如智能手机、传感器、平板电脑、无线AP等，因此构建一个强大的互联网拓扑结构，确保网络管理简单、运行维护方便，具有重要的作用［2］．

1网络通信需求

随着互联网的广泛使用，人们对网络通信的要求也会比较多，比如用户已经对IPTV、WLAN业务、视频通信等高带宽业务的需要渐渐增加，用户对带宽要求已经越来越明显;工业生产对网络通信有很高的实时性与专用性，需要保证互联网的通道是安全的、独占的［3］．具体需求描述如下:(1)高速的宽带上网业务需求．现在ADSL方式接入的下行最高可以达到512Kbps速率已经不能满足宽带用户高速上网业务的需要，必须使用更高的速率才能够满足高清晰数字电视、交互性网络游戏等需求，比如需要采用4M的带宽满足4K画质的电影，甚至玩大型的网络游戏需要10M的带宽资源，并且个性化点对点的通信业务也迅速增加，对于宽带的通信要求大幅度提升．(2)面向IPTV的高清晰数字化视频业务．随着中国通信的三大运营商推出IPTV，该业务已经深入到人们的家庭娱乐生活中．许多用户选择IPTV业务作为电视业务进行观看，是因为该业务不仅能够实现数字电视的许多相关功能，同时可以实现回访、点播等一系列的强大的视频交互功能，各类型业务需求的主要是直播与点播功能，使用的是下行流量，可以采用不同的格式的编码设置不同的码流，需要达到2M－4Mbps．(3)WLAN上网业务需求．目前，许多家庭、饭店、酒店、企业在部署了光纤网络之后，为了提高设备接入的便捷性，利用无线路由器构建了多个WLAN，可以接入多个智能手机、Ipad、笔记本等无线终端，可以通过智能手机看电视、看视频、玩游戏、看新闻等等，同时需要消耗大量的数据流量，普通的带宽资源不能够满足，带宽需要达到2M－4Mbps．(4)VoIP视频电话业务．视频电话业务与IPTV业务有许多的相似之处，用户端都需要用到互联网网关，利用网关的以太网端口根据不同的业务种类进行VLAN划分，这样OLT就可以VLAN业务进行有效的透传，目前视频电话业务发送的多为多媒体语音资源，为了保证通话质量和流畅性，需要采用光纤改造提高带宽资源，传输语音信息．(5)物联网业务．物联网是一种新型网络，物联网是信息技术发展的一个新的阶段，其可以使用多种通信传感技术，实现人与物、物与物之间的信息交换，帮助人们构建新型的工业生产控制、军民通信传输等网络．物联网包含的节点类型很多，这些节点集成在一块需要利用先进的路由传送技术，从而可以完成数据采集、数据传输及数据处理．因为物联网接入数量大，为了更便于管理，希望通过动态方式获取IP地址，但是对于传统的服务器，比如Web、DNS、认证计费服务器等等，为了用户能更好的访问需要设为固定的IP．

2网络拓扑组建模式设计

2．1网络拓扑组建设计原则

网络拓扑组建需要遵循以下几条原则:

(1)可扩展性．网络拓扑结构需要保留较多的接口，以便未来根据通信需求增加终端设备和服务器，增加之后不影响原先网络的配置就能实现通信．

(2)安全性．网络拓扑结构组建最为关键的目的就是实现数据通信和传输，数据传输会由于组网介质、接入设备的不同产生冲突，也可能收到外来黑客、病毒或木马的攻击，因此网络拓扑组件需要保证网络的安全性［4］．

(3)数据传输速度高．新型网络为了满足高清晰度、数字化多媒体通信需求，需要保证很高的带宽，采用光纤网络、三层交换机或阵列路由器提高数据传输速度，满足大容量数据通信需求．

2．2网络拓扑组建模式

网络拓扑组建模式采用三层架构模式，分别是核心层、汇聚层和接入层［5］．核心层可以完成较高速度的数据转发，可用构造的光纤资源建一个快速的通道，还可以不负责任何的设备的管理，只完成数据转发，也不需要为网络管理分配负载．汇聚层可以完成数据信息的路由聚合、流量收敛功能，其可以使用当前最为先进的光纤路由器或三层交换机，采集网络拓扑结构的物理设备信息，构建一个完整的路由转发表，并且利用先进的路由聚合协议、流量收敛规则等网络管理模式构建一个冗余的、快速的管理系统，实现网络路由更新和维护．接入层面对用户终端，其可以有效的完成网络访问控制功能，并且限制VLAN工作网站和终端的接入功能，这种设计模式可以有效的避免网络产生拥塞，并且可以更好的保证快速定位、解决网络故障．网络拓扑架构是组件模式的物理实现，拓扑架构设计的目的就是确定每一层物理设备的类型和种类．为了能够更加突出的展现网络拓扑设计情况，本文针对产业园区网络进行设计．具体的，产业园区需要架设的服务器包括Web服务器、DNS域名服务器、FTP服务器、计费认证服务器;产业园区网络关键业务为高清晰视频业务、在线网络游戏业务，因此需要满足公网用户对产业园区网站服务器访问的速率保证，实现服务器数据库高速率并发访问．由于访问产业园区网络的PC数量非常多，为了更便于管理，通过动态方式获取IP地址，对于Web、DNS、FTPsystem、认证计费服务器为了方便用户访问需要设定为固定的IP．不能由于产业园区用户P2P下载流量而影响其他用户的正常使用;实现基于用户的计费和认证;网络运行不能由于产业园区内的某条线路故障而影响整个园区的网络稳定．园区网络拓扑结构设计最为关键的工作就是确定每一层的物理设备硬件，这些设备硬件可以使用核心交换机进行相关的流量冲击测试，并且能够汇聚每一个单元和楼层的设备．三层是系统的核心层，为了便于提高系统数据转发的能力，采用相关的SW00N交换机，该交换机是一个三层交换机，同时具备转发和路由功能．

产业园区网络的主干网络组建时，其可以采用千兆以太网，这样就可以支持更高的数据传输带宽，连接多种物理传输介质，并且可以提供服务质量保证．主干网使用的数据帧格式为IEEE802．3帧，同时可以满足用户全双工、半双工模式的通信服务，并且能够在共享模式下使用CDMA/CD协议，便于网络的向后扩展和兼容功能，传输速度比传统的以太网高出数百倍．产业园区网络覆盖的范围较大，比如一栋写字楼包含多个政企单位，一个政企单位又可以划分为多个部门，因此为了能够保证互联网的正常运行，产业园区网络路由交换部分设计是需要保持高带宽、高吞吐、高稳定的特征，同时可以提高各个园区网络之间的路由交换能力．另外，产业园区为了为了提高各个政企单位灵活部署、便于管理的需求，可以使用VLAN划分为多个子网络，比如按照Mac地址、IP地址、政企单位或内部部门等进行划分，确保产业园区网络的访问控制规则发挥作用．VLAN划分之后，路由交换协议可以采用VLAN链路聚集协议和VLAN间路由协议［6］．VLAN链路聚集协议是指将汇聚交换机设置为一个强大的VTP服务器模式，就可以将其配置入交换机内部，实现一个VTP客户端模式，因此配置汇聚交换机时需要详细的配置整个网络的VLAN路由协议，并且将所有的交换机都接入到这个VANL中．园区的许多写字楼都需要按照企业部门的划分，归属于不同的VLAN，但是VLAN能够将相关的流量隔离到一个相关的广播域或子网中，如果各个VALN部门之间需要进行相关的数据传输和通信，为了能够实现相关的VLAN通信顺畅，论文针对产业园区三个层次的汇聚交换机实现路由通信传输功能，并且可以将VLAN的网关指向相关的汇聚交换机，同时可以终止本地VLAN通信的传输内容，保障网络隔离情况，防止广播风暴扩散到局域网．

3结束语

随着光纤通信、移动通信的发展，互联网组网时需要融入更多的智能设备，比如智能手机、传感器等，这些设备通常采用无线接入模式，因此网络拓扑结构设计时还需要充分的考虑这些设备的移动性、无线性，采用更加先进的网络拓扑结构和聚合协议，这样就可以在提供高速度、高安全数据传输的同时，更好的满足设备的灵活接入，以提升网络吞吐率和并发处理性能，进一步改进网络拓扑结构能力．

参考文献

［1］雷霆，余镇危．基于复杂网络理论的计算机网络拓扑研究［J］．计算机工程与应用，2007，43(6):132－135．

［2］李婧．面向流数据处理的数据中心网络拓扑研究［J］．计算机应用与软件，2014(9):142－146．

［3］汤新鸿．高校计算机校园网络拓扑结构模式研究［J］．贵阳学院学报，2010，5(1):90－92．

［4］李丹程．马东琳．韩春燕，等．面向Trunk技术的网络拓扑发现算法研究［J］．小型微型计算机系统，2012，33(11):2435－2441．

［5］杨明英．雷斐．董德尊，等．一种新型混合互连网络拓扑结构的分析与优化［J］．计算机工程与科学，2014，36(12):2400－2409．

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论文摘要:体育教育是高校教育的重要组成部分，是实施素质教育的重要手段，体育教育信息化对体育教育教学训练、高校体育管理机制改革和教师素质的提高都将产生强大的推动作用，也是构建现代社会终身体育教育体系的基础

1引言

信息化是当今世界经济和社会发展的大趋势。自进入02世纪90年代以来，随着多煤体枝术和因特网的口益普及，信息技术正在改变人类社会的生产方式、工作方式、生活方式和学习方式，同时对教育思想、教学方祛和教学乎段也产生了深远的影响。

信息枝术是指信息的收集.传递，处理等技术。现代信息技术以微电子技术为基础包括通信技术、自动化枝术、微电子技术、光电子枝术，光导技术计算机技术和人工智能机技术等。其中，最主要、最典型的是计算机技术、通信技术和传感技术。信息技术最重要的特征，就是将计算机枝术、通信技米、传感技术结合成具有信息化、智能化和综合化的信息网和各种智能信息系统，不仪包括传统的电话通信，还包括光纤通信、数据通信、卫星通信和其它无线通信等现代通信，也包括广播电视等信息传播教育信息化〔卜Education)是当代全球教育发展的一个热点教育信息化是将信息作为教育系统的种基本构成要素，并在教育的各个领域广泛地利用信息技术，促进教育现代化的过程.同时，它是素质教育的玉要组成部分，是在实现素质教育的过程中所体现的新的教学内容和教学形态。

体育教育是学校教育的重要组成部分，是实施薄;质教育的重要手段，教育信息化对体育教育和教学必将产生深远的影响。前国氛奥委会主席萨马兰奇在为《中华体育网》题词时说:一互联网在信息传递和进行教育中有着特殊的作用’他充分强调r信息枝术在末来体育教育中的作用。《全国普通高等学校体育课程教学指导纲要》在课程结构、课程内容与教学方法、课程建设与课程资源的开发等方面也都提到要充分利用信息技术这-现代化辅助手段，以便于更好地实现高校体育课程的目标。《纲要》在“因时因地制宜开发各种课程资源的途径”中，指出“充分利用各种媒体(广播、电视、网络等)获取信息，不断充实、更新课程内容’。

2信息技术在体育教学中的运用

2 1体育教学法与多媒体技术的整合

以多媒体技术为代表的信息技术使教学手段、法的形象化、具体化，有利于学生理解比较复杂的、抽象的技术动作。可以把难以理解的技术内容生动形象地展现出来，帮助学生掌握技术的难点和重点。例如在跳高课的教学过程中，传统的教学方法是教师采用“讲解示范”的形式进行授课，由下示范动作瞬间完成，学生难以看清其过程;在山羊分腿越的教学中，学生初学时，教师的讲解示范学生不一定能完全听懂、看清地，对劝作的了解多数依赖于观察，但是此项动作迅速连惯，不一定让学生看清楚，分解教学又容易使学生产生错误认识，形成分解做动作的习惯忽视了迅速连惯的特点.如果我们利用多媒体设备，将紧密衔接的阶段用多媒体演示出来，对十重点与难点进行反复慢放，并用特定的声音、图象显示，突出重点与难点，让学生直观、主动、立体、全面的掌握动作，化动为静.化抽象为形象，增强学生的感性认识，能获得较好的教学效果

2 .2体育教学与互联网技术的整合信启技术打破了学习时空的局限，使学生都可随时、随机地通过计算机网络进行学习，并及时掌握教学内容，完成教学仟务而且通过先进的通讯设备，还可通过现场直播的方式授课，学生能与教师面对面的交流实现讲授提问和答疑。同时实验、疑难解答、作业，讨论、参考资料等都可作为教学资源在网上供学生自由选用，从而大大提高学生学习的卞动性和灵活性，达到根据需要自主学习的目的对休育教学而言，学习者可在仟何时问地点从网络上学习各种运动技能、达动科学，而无需受场地‘时间或气候等的影响。

2 . 3体育教学与虚拟技术的整合

在上海科技馆的虚拟实验室中，有一个虚拟足球场景。话动参与者可以对照着人屏幕，把真实的足球踢向屏幕上的‘球门”，而屏幕十的“门将”会根据你踢出球的方向和速度做出判断，进行，紧张、激烈地对抗这就是虚拟化的体育教学方式。虚拟技术也是现代信息技术发展的一个重要方向体育教学情景是体育教学活动得以进行的场景‘它直接影响着体育教学过程中学生认知的数徽与质篡。体育教学情景虚拟化怠味着教学话动可以在很大程度上摆脱物理空间和时间上的限制，通过计算机仿真技术和多媒体技术可以使体育技术教学内容中涉及到的技术动作模拟在学生面前，使得学生学习如身临其境，使其对所学的内容易于理解，还可以使学生对学习活动本身产生兴趣。

3信息技术在体育训练中的运用

3 .1让运动技术分析更加准确

体育运动是一门人体运动科学对人体运动的研究需要科学的方法和大最的数据分析为浓据。以计算机技术为基础的信息技术r为体育训练提洪r超越人体运动极限的科学基础。运动技术分析基T计算机多媒体技术基础之上。利用计算机具有快速和高效率的反馈这一特点，可以大大提高训练效果.由于计算机具有储存信息的功能，可把各种训练和机能指标的数份储存起来以便日后进行分析对比。所以，依靠计算机的帮助教练员可以根据运动员在一次课中完成的情况根据机能评定的某此指标来判断运动员的训练水平。井利用计算机来了解对手的技、战术的信息、及时反馈给自己的教练员和运动员，以便采取有针对性的训练，从而提高运动成绩。 3 . 2促进体能监测的科学化

运动训练过程中一个重要的环节是对运动员进行体能监测.通过计算机处理反馈出运动训练负荷并加以合理调整，从而达到科学的训练效果。体能监测是一个长期的过程借助丁电子信息技术可以使体能监l$J准确化，对运动训练的科学分析，为科学分析提供了新方法和新平段，并可以保存大最的厉史数据，有助干休育统计与分析研究。目前信良技术在体能监测中应用主要有使用红外光点测定人体空间位置，运用_维人体重心板连机，测试射击运动员的德定性和运动技术特征数据快速反馈系统的建立;运用高速摄影、摄像连机，定量解析技术运动采用电r遥测技术研制的心率仪、遥侧心电仪、遥测肌电仪，对运动员在运动中的心率、心电、肌电进行测定从而对运功员的机能状况进行科学诊断。为运动负荷监控和制定技1.伐术提供理论依抛。

3 . 3使运动训练计划更加合理化

运动训练的全过程包括初始诊断、建立训练目标、制定训练计划、组织训练实施、进行检查评定和实现训练目标。这些训练过程，如配合使用计算机与网络技术将更加科学有效。我们可以建立一个库，将每名运动员或运动队的各个阶段的训练计划、比赛成绩、素质指标、技术指标、心理状况等大量数据存入其中。在组织训练时，调出有关数据，经过各种因素的综合计算和处理，再通过网络获取该项目目前国内外的发展现状和优秀运动员的各种技术指标，并加以对比和分析，从而制定一个科学的训练目标，得出一份合理的训练计划，为提高运动成绩莫定基础。

4信息技术与高校体育管理的整合

科学化的信息处理是高校体育管理科学发展的重要前提条件。体育教学管理涉及的内容和方面十分广泛，信息化管理可以加快工作进度，提高工作效率。计算机储量大、获取资料速度快等特点、可以使它对体育管理‘包括体育教学、体育竞赛、课余体育活动、体育合格标准、资料文档等的管理，实现管理上的智能化和人性化。尤其是体育中的一些具体工作，繁琐括燥，单调重复。如田径运动会，从报名准备，编排程序册，到成绩记录、统计总分;随着现代信息技术的发展，基干体育教学实际需要，对体育教学管理等软件系统进一步的开发与运用，体育教学管理的自动化会得到更大的发展。

5信息时代对当代高校体育教师素质提出更高的要求

信息时代的突出特点是开放性和跨时空性。信息时代教学对所有地区、所有学校和每一个人来说都是全新的挑战，体育教师只有不断努力学习，充实自己，才能站在时展的前沿，把握时代脉搏迎接新时代的挑战，真正成为实现现代化教育跨越式发展的生力军。学生锻炼兴趣的培养，关键干体育教师，体育教师教育学观念的改变不仅是时展的象征，而且对体育教育的发展起着至关重要的作用。教师通过正确、合理，高效的利用互联网的资源，不仅可以培养自我获取知识与更新知识的能力，而且可以通过计算机与网络的强大功能探索新的教育体制与教学模式，培养出适应信.急时代需求的新型人才从而确保有较高的教学质量与教学效率，以便干“知识爆炸”和知识迅速更新的发展趋势相适应。使“以人为本”的作用能充分发挥出来，从而最大限度的发挥网络资源的潜能，构建学习的良性循环，培养终身体育锻炼的习惯，达到全面育人的目的。

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关键词：农村信息化，信息技术，理论模型

 

我国农村人口占全国人口的绝大多数。2001年城镇居民人均可支配收入与农民人均收入之比为2.90：1，超过了1978-2000年间的最高水平，2002年进一步扩大到3.11：1。据世界银行1997年对36个国家的分析，城乡居民的收入比率一般低于1.5：1，极少超过2：1。如果考虑到各种补贴，劳保福利和社会保障等各种因素，据有关专家估计，目前我国的城乡居民收入差别大约为4：1。[1]而且这种差距还在不断扩大。

造成这种现象的主要原因之一就是农村信息化建设严重滞后于城市信息化建设。俗话说“要致富，先修路”，农村信息化的作用主要体现在三个方面：扩展了农村居民的视野；促进了农业的发展，将农作物的生产和市场的需求有效地联系起来：使得农业乃至于整个国家经济结构都发生重大的变化。那么，农村信息化都包含哪些内容呢？

1.信息化内涵及其内容

1.1信息化内涵

最初的信息化概念是从社会产业结构演进的角度所提出的，按照当时日本专家学者的理解，所谓信息化，指的是从物质生产占主导地位的社会向信息产业占主导地位的社会发展的过程。。

随着信息化实践的发展，信息化对社会进步的意义已得到广泛的认同，人们对信息化概念的认识也在逐步深化和丰富。。到90年代，国内外关于信息化的定义已呈现出百家争鸣，百花齐放的局面。比较有代表性的是1993年11月，中国社会科学院与“21世纪电讯、信息与经济合作组织(TIDE2000)”在北京召开的一次大规模、高层次的“信息化与经济发展国际研讨会”。与会的国内外代表就信息化的含义进行了热烈的讨论，最后该次大会归纳出信息化的五种观点。[2]

1.1.1信息化是指通讯现代化、计算机化和行为合理化的总称。行为合理化是指人类活动按公认的合理准则和规范进行；通讯现代化是指社会活动中的信息交流基于现代通信技术基础上进行的过程；计算机化是社会组织和组织间信息的产生、存储、处理(或控制)、传递等广泛采用先进计算机技术和设备管理的过程。

1.1.2信息化不仅要求计算机化，而且要求通信现代化和网络技术的现代化，即涉及三个“C”(Computer, Communication, Control)，所以，信息化的概念不能仅仅局限于计算机化，如果没有通信技术和网络服务的现代化，就无法实现信息化，从而现代化也无法实现。

1.1.3电子信息技术在通信、网络管理和计算机运用中出现了“汇流”(Convergence)的趋势。信息技术的汇流，即交换与传输的数字化、计算机通信和网络管理技术的发展、网络智能的分散化以及以计算机为基础的具有高附加值的电信和信息服务，是当今信息化社会的主要内容和进入信息现代化的主要标志之一。

1.1.4信息化从内涵的角度考察，包括多个层次，一方面指信息技术的利用非常广泛，信息概念深入人心，另一方面指信息技术产业的高度反战，信息咨询服务业的高度发达和完善；从外延的角度考察，它是指一个国家或地区的信息环境，只有建立在行进的信息技术产业、发达的信息服务业和完善的信息咨询服务体系基础上的信息环境，才能称之为信息化环境。

1.1.5信息社会是信息产业高度发达且在产业结构中占据优势的社会，而信息化是向信息社会前进的动态过程，它反映了从可触摸的有形物质产品起主导作用向难以触摸的信息产品起主导作用的根本性转变。

目前，对于“信息化”这一概念较为普遍的观点是：“信息化”是指普遍采用信息技术和电子信息装备，建设先进的信息基础设施、发展信息技术及产业，更有效地开发和利用信息资源，使信息产品及服务在经济发展中的地位逐步提高，直到占据主导地位，从而加快经济发展和社会进步，把现阶段工业社会或农业社会状态推进到崭新的信息社会发展状态的过程。简言之，“信息化”就是把现阶段社会推进到信息社会的过程。

1.2信息化的内容

1.2.1装备信息化。即各级组织、机构、团体、单位越来越多地把计算机设备、通信设备、网络设备等应用于作业系统，辅助作业顺利、高效地完成。

1.2.2信息技术应用化。即主动采用信息技术，如信息获取技术—传感技术、遥测技术；信息传输技术—光纤技术、红外技术、激光技术；信息处理技术—控制技术、自动化技术等，以改进作业流程，将作业的完成质量推向更高的层次。

1.2.3信息内容数字化。即将各类信息的开发提到一个前所未有的高度。一方面将设计信息、生产信息、经营信息、管理信息等各类作业系统信息生成和整理出来，另一方面将上述各类信息规范化、数据库化，以利于查询和管理。

1.2.4信息服务完善化。无论是系统内部还是外部都建立起信息服务体系。比如联机服务、咨询服务、系统集成等，通过信息服务将信息设备、信息技术、信息内容组成一个整体，使其发挥“整体大于各部分之和”的功效。

1.2.5信息人才递增化。。即各级组织、机构将日益加强对信息人才的培养和重视，使信息人才的比例不断增加、结构不断合理。

1.2.6信息投资倾斜化。即每年的财政预算或投资计划中，对信息化实施投资倾斜政策，重点支持信息人才的培养、信息设备的装备、信息技术的应用、信息内容的开发和信息服务体系的完善，有目的有计划地推进信息化建设。

1.2.7信息政策健全化。即政府各级组织制定各项规章、制度、条例，并使这些政策逐步完善、配套、不留漏洞，为各项信息工作提供指导和规范。

2.农村信息化体系理论模型

农村信息化是指在农村生产与生活中，充分利用现代信息处理手段和网络通信技术，将农村中的各种信息资源加以整合并充分利用，从而提高农村运行效率，提高农村人民生活水平，促进农村经济、社会经济全面发展。

结合中国农村信息化实践的实际和特点，在参考汪向东(1998)[3]提出的信息化模型的基础上，本文提出农村信息化体系及理论模型。

图2-1农村信息化体系理论模型

此模型分为三个层次：信息化基础设施层、信息服务支持层、信息应用层。信息化基础设施层包括信息网络的建设、数据库以及网站等的建设；信息服务支持层包括信息化所需要的信息资源的支持、信息技术、信息化所需要的各种政策环境以及人才队伍等；信息应用层表示的是应用实效，它包括根据信息确定市场需求、选择产品生产与供应等各个方面，这是农村信息化效果的具体体现。

其中，信息化基础设施建设好比农村信息化中的“硬件”，信息服务支持体系就好比农村信息化中的“软件”。“硬件”建设和“软件”建设相互制约、相互影响，只有协调处理好，才能有利于农村信息化的建设。农村信息化建设是对农村的一次革命，是对农村旧思想、生活方式、文化习俗等的一次大变革。忽视了“硬件”建设，“软件”建设就是一句空话；片面地追求“硬件”建设，忽视“软件”建设，这样的农村信息化只能是形式主义、徒有其表，违背了农村信息化建设的真正目的。因此，农村信息化建设中必须“软”“硬”兼施，决不能单纯把农村信息化理解为只是信息基础设施建设，从而把精力和重点只放在搞农村信息高速路、架设网络等硬件建设上。“软”“硬”结合、双管齐下才能保证农村信息化建设的成效。

[1]宋洪远，庞丽华，赵长保：《统筹城乡，加快农村经济社会发展——当前的农村问题和未来的政策选择》 (第二版)，中国财政经济出版社，2004年版，第12－17页。

[2]汪向东：信息化——中国21世纪的选择[M]，社会科学文献出版社，1998年，第4-6页。

[3] 汪向东：信息化——中国21世纪的选择[M]，社会科学文献出版社，1998年，第16-19页。