機械電子工程中組合學的應用研究

張賽雄

【摘 要】科學技術(shù)領(lǐng)域中常用到組合學，尤其運用在機械電子工程領(lǐng)域中有著重要的應用價值。組合學主要應用在抗干涉齒輪集機構(gòu)的組合優(yōu)化編碼、布設(shè)傳感器網(wǎng)絡節(jié)點兩大類，重點介紹了傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點布設(shè)應用覆蓋的物理意義。通過對齒輪抗干涉和傳感器兩方面的設(shè)計做出了系統(tǒng)的分析，希望能夠為組合學在機械電子工程中的應用給予一定的幫助和借鑒。

【關(guān)鍵詞】機械電子工程；組合學；應用研究

一、組合學與機械電子工程的基本理論

隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，在傳統(tǒng)機械電子嵌入連接的基礎(chǔ)上，發(fā)展與滲透人工智能技術(shù)，加強了機械電子工程系統(tǒng)逐步向智能的方向驅(qū)動發(fā)展。傳統(tǒng)的機械工程是制造毛坯、機械加工和裝配動力發(fā)動機的生產(chǎn)過程。機械工程與電子技術(shù)的結(jié)合是分離的“塊與塊”關(guān)系，也是功能結(jié)構(gòu)上的相互替代。組合學源于數(shù)學娛樂游戲，組合學是分析研究離散對象結(jié)構(gòu)的計數(shù)和優(yōu)化等問題的科學。絕大多數(shù)程序算法是針對離散對象的組合學問題解決，才誕生到今天飛速發(fā)展的“人工智能”。

二、機械電子工程的核心技術(shù)支柱

（一）組合學是離散結(jié)構(gòu)算法科學

首先，組合數(shù)學是研究離散對象處理計算機科學的核心算法，其研究的內(nèi)容是組合科學設(shè)計排列與組合二項式系數(shù)容斥原理及應用、生成函數(shù)、特殊計數(shù)序列、遞推關(guān)系、二分圖中的匹配算法，計算離散的、有限的數(shù)學結(jié)構(gòu)算法；其次，組合學問題是算法的設(shè)計和分析。其中算法設(shè)計總結(jié)出了動態(tài)規(guī)劃、回溯法、貪婪法、分治法等方法技術(shù)，廣泛應用于各行各業(yè)領(lǐng)域，如：會計學問題、整數(shù)規(guī)劃問題等。

（二）機械電子形成全新的產(chǎn)品和系統(tǒng)技術(shù)

機械電子技術(shù)融入到機械的自動化控制功能、信息計算和處理功能等方面，鏈接機械設(shè)備、電子設(shè)備以及軟件系統(tǒng)等方面的要素進行有機融合，這種技術(shù)被稱作為“機電一體化”。早期的機械工業(yè)以手工加工耐用性為主，但生產(chǎn)效率低；三十年代集中流水線大量生產(chǎn)標準件，但缺乏靈活準確性；現(xiàn)代生產(chǎn)機械加工周期短、靈活性強、產(chǎn)量高、精準性強，主要以數(shù)控系統(tǒng)達到生產(chǎn)的高標準要求。現(xiàn)代機械工業(yè)設(shè)計電子工程具有鮮明的特點：就設(shè)計過程中的綜合思想實踐，根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置的目標，將機械電子工程的核心部分整合到其它領(lǐng)域的技術(shù)生產(chǎn)中，如將產(chǎn)品技術(shù)、管理和生產(chǎn)加工線等有機地結(jié)合在一起，自動運行生產(chǎn)信息指令的模塊化設(shè)計；針對成型的機械電子產(chǎn)品嵌入元件和芯片，使產(chǎn)品系統(tǒng)結(jié)構(gòu)人工智能化，常用輕巧的電子系統(tǒng)元件取代“粗大”的機械系統(tǒng)設(shè)備，縮小了產(chǎn)品體積，便于攜帶和安置，美觀了外型人性化設(shè)計，提高了技術(shù)芯片的高效性能，由于功能增強了，但系統(tǒng)運行的復雜性卻呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，有的電子產(chǎn)品還需隨時升級更新系統(tǒng)功能，以免運行太慢給使用者帶來不便。

三、組合學在機械電子工程中的具體應用

（一）優(yōu)化電子技術(shù)CMG機構(gòu)編碼

首先，在機械電子系統(tǒng)或產(chǎn)品電子技術(shù)投入生產(chǎn)中，依托電子學理論選擇適應系統(tǒng)要求的電子技術(shù)，運行在電子器件與機械元件等物理器件上，運用嵌入式軟件開發(fā)技術(shù)控制策略下，發(fā)揮設(shè)計和制造的尖端科技作用，最終實現(xiàn)人們給予特定的需求功能，在電路或電子系統(tǒng)上的達到設(shè)計研發(fā)的技術(shù)要求。CMG機構(gòu)是引信保險與解除保險控制的密碼鑒別機構(gòu)，“CMG機構(gòu)編碼”問題是根據(jù)密碼鑒別的功能設(shè)計CMG機構(gòu)中要求指定的“解鎖符號序列A，B上復合齒輪的鑒別齒的二值裝定編碼。

其次，基于工程優(yōu)化考慮編碼復合齒輪A，B的齒輪層數(shù)N最小，以此解決CMG機構(gòu)的優(yōu)化編碼問題。解決CMG機構(gòu)的優(yōu)化編碼問題就要想到數(shù)學建模的方法。在類型劃分的基礎(chǔ)上，基于迷宮映射圖中“路格點、阱格點等解決k-頂點著色問題，需參照組合學中NP完全問題進行證明，依據(jù)窮舉法的時間復雜度高達O（mn）（m表示染色數(shù)，n表示頂點數(shù)）證明，任意CMG機構(gòu)齒輪層數(shù)密碼至少為3。優(yōu)化編碼問題轉(zhuǎn)化為無環(huán)、無重邊的無向簡單圖G（V，E）的k-頂點著色問題。

再次，利用窮舉法計算求解的時間復雜度仍為O（mn）。運用另一種聚類算法對于任意長度的“解鎖符號序列”進行求解，得出的CMG機構(gòu)優(yōu)化編碼。但其本質(zhì)上仍然是窮舉法的計算結(jié)果，顯示計算的時間復雜度仍為O（mn）。優(yōu)化到時間復雜度與設(shè)計目標的計算，另外又采用了貪婪法進行求解CMG機構(gòu)編碼頂點的著色問題，優(yōu)化編碼結(jié)果選擇這種方法易獲得時間復雜度低、易于編程的優(yōu)點。基于貪婪法實現(xiàn)CMG機構(gòu)編碼校驗程序，采用VisualBasic編寫校驗編碼，輸入“解鎖符號序列”，即可輸出結(jié)果顯示繪制的二維迷宮映射圖，同時求解并繪制密碼齒輪編碼示意圖，以TXT文件形式編程保存并執(zhí)行，以其鑒別齒編碼與“解鎖符號序列”是否“鎖-鑰匹配”的驗證功能。

（二）布設(shè)傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的覆蓋與連通

隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡技術(shù)不斷創(chuàng)新，傳感器網(wǎng)絡憑借微電子機械系統(tǒng)將物理信息與傳輸網(wǎng)絡整合在一起，拓展了人們獲取信息技術(shù)的能力。目前，這一尖端科技一般應用在軍事國防、遠程控制、環(huán)境監(jiān)測、城市管理等諸多領(lǐng)域，是當前IT技術(shù)研究的熱度技術(shù)研究。傳感器網(wǎng)絡應用技術(shù)是覆蓋與連通每個傳感器節(jié)點，采集信息存儲和處理傳感器節(jié)點的覆蓋問題，以此監(jiān)控或追蹤傳感器的優(yōu)良程度。檢測其跟蹤程度主要是提高傳感器網(wǎng)絡的容錯性，需要兼顧考慮敏感區(qū)域的k-等圓覆蓋問題。傳感器網(wǎng)絡中采用的多樣的異構(gòu)傳感器節(jié)點，針對不同的傳感器敏感距離可以設(shè)置不同的傳感器網(wǎng)絡節(jié)點，在三維空間中布設(shè)節(jié)能和規(guī)劃優(yōu)良性的傳感器目標點配置。

四、結(jié)束語

在諸多的科學領(lǐng)域中廣泛應用，機械電子工程的支柱型學科是機械制造技術(shù)，其技術(shù)的關(guān)鍵性體現(xiàn)著機械核心的重心要素，也是機械載體核心的重要存在。運用組合學算法設(shè)計CMG機構(gòu)優(yōu)化編碼，以鑒別校驗編碼轉(zhuǎn)化的著色問題。綜上所述，機械電子工程憑借多種技術(shù)融合與滲透在機械工程設(shè)計和產(chǎn)品制造技術(shù)上，突出機電核心系統(tǒng)的設(shè)計思維理念、設(shè)計方法等思維模式，為機械電子功能性目標實現(xiàn)設(shè)計提供堅實的保障作用和優(yōu)勢。

【參考文獻】

[1]張鵬.組合學在機械電子工程中的應用[J].黑龍江科技信息，2012（06）：67.

[2]鄭博聞.組合學在機械電子工程中的應用研究[J].中國機械，2015（6）：81-82.