優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在光纖光纜課程教學(xué)中的應(yīng)用

劉逢清 康文軍 馬丁

摘要：光纜線(xiàn)路設(shè)計(jì)是光纖光纜課程的重要內(nèi)容。闡述了在光纜線(xiàn)路設(shè)計(jì)課堂教學(xué)中引入優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的可行性，結(jié)合課程內(nèi)容給出光纜最短路由和光纜網(wǎng)絡(luò)物理規(guī)劃的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并以具體操作實(shí)例予以說(shuō)明。把優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用到光纜線(xiàn)路設(shè)計(jì)的課程教學(xué)增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有利于學(xué)生對(duì)光纜線(xiàn)路設(shè)計(jì)及相關(guān)知識(shí)的理解，提高了教學(xué)的質(zhì)量和效率。

關(guān)鍵詞：光纜線(xiàn)路設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP399文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2012)22-5393-03

Application of Network Optimization Methods to the Course of Optical Fiber Cable Line Design

LIU Feng-qing1, KANG Wen-jun1, MA Ding2

(1. College of Optoelectronic engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210046, China; 2. School of Electronics and Information Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

Abstract: Optical fiber cable line design is an important part of the course of optical fiber technology and its application. The feasibility of introducing computer assisted instruction into optical fiber cable line design course is presented. Combining with the course contents, optimization design methods are given for shortest cable path routing and physical topology design of optical fiber cable networks. Two examples are given. The application of optimization design to optical fiber cable line design arouses studentsinterest, and help students understand how optical fiber cable line design is implemented. It also improves the teaching quality and efficiency.

Key words: optical fiber cable Line design; optimization design methods; computer assisted instruction

21世紀(jì)是信息科學(xué)與技術(shù)高速發(fā)展的時(shí)代，而光纖是信息獲取和大容量信息傳輸?shù)闹匾浇?，由于光纖媒質(zhì)所具有的傳輸帶寬大、傳輸損耗低等特點(diǎn)，使光纖通信技術(shù)在信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中始終占據(jù)著主導(dǎo)地位，并承載著信息網(wǎng)絡(luò)中80%以上的信息流量。在光纖對(duì)信息的實(shí)際傳輸過(guò)程中，通常采用光纖成纜的方式進(jìn)行傳輸，以實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖的保護(hù)、便于施工和提高線(xiàn)路的傳輸容量。為了構(gòu)建光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)，需要對(duì)光纜進(jìn)行線(xiàn)路設(shè)計(jì)，光纜的線(xiàn)路設(shè)計(jì)（光纜路由）是光纖在通信網(wǎng)絡(luò)和未來(lái)光纖傳感網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的一個(gè)必不可少和非常重要的內(nèi)容[1]。

在“光電信息工程”、“光信息科學(xué)與技術(shù)”和“電子科學(xué)與技術(shù)”等專(zhuān)業(yè)中，光纖技術(shù)及應(yīng)用課程是很重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)和專(zhuān)業(yè)特色課程。而光纜線(xiàn)路設(shè)計(jì)是光纖技術(shù)與應(yīng)用課程的重要內(nèi)容。在教學(xué)過(guò)程中，我們?cè)诠饫|的線(xiàn)路設(shè)計(jì)中結(jié)合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以實(shí)際案例來(lái)講解光纜的線(xiàn)路設(shè)計(jì)。案例教學(xué)是教學(xué)相長(zhǎng)的有效模式，它能夠激發(fā)教師轉(zhuǎn)變教學(xué)理念，探索教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法的改革與創(chuàng)新，也能夠激發(fā)學(xué)生濃厚的興趣，不斷地汲取營(yíng)養(yǎng)和探索研究[2]。在實(shí)際教學(xué)中，我們也發(fā)現(xiàn)，采用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法為示例網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行光纜自動(dòng)路由，對(duì)光纜網(wǎng)絡(luò)尋找最優(yōu)物理拓?fù)淠軜O大地引起學(xué)生的興趣，使學(xué)生對(duì)光纜線(xiàn)路設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容理解得更加透徹。為此，我們嘗試在課程中引入網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)，采用線(xiàn)性規(guī)劃方法寫(xiě)出尋找光纜最短路由和對(duì)光纜拓?fù)溥M(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)的線(xiàn)性表達(dá)式，并采用線(xiàn)性規(guī)劃軟件Lingo求解。這種方法強(qiáng)調(diào)了尋找實(shí)際問(wèn)題的解決方案，有利于培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力，提高教學(xué)的質(zhì)量和效率。

1光纜線(xiàn)路設(shè)計(jì)課程教學(xué)分析

本課程的教學(xué)對(duì)象是光電信息工程、光信息科學(xué)與技術(shù)和電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的大四學(xué)生，已經(jīng)學(xué)了較多的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，此時(shí)在學(xué)習(xí)態(tài)度上缺乏主動(dòng)性和積極性，對(duì)課程的學(xué)習(xí)上喜歡死記硬背，以通過(guò)考試為目標(biāo)。同時(shí)又面臨著畢業(yè)找工作，迫切需求在工作中能實(shí)際應(yīng)用的知識(shí)和技能，鑒于我校每年都有相當(dāng)一部分畢業(yè)學(xué)生進(jìn)入運(yùn)營(yíng)商和郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院，對(duì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)比較感興趣，因此在光纜線(xiàn)路設(shè)計(jì)的課程教學(xué)中采用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)具體案例的方法來(lái)進(jìn)行輔助教學(xué)。

光纜線(xiàn)路設(shè)計(jì)的教學(xué)基本要求是了解光纜線(xiàn)路工程設(shè)計(jì)的原則和內(nèi)容，理解線(xiàn)路設(shè)計(jì)和傳輸設(shè)計(jì)的方法；難點(diǎn)是光纜的線(xiàn)路設(shè)計(jì)；對(duì)難點(diǎn)的解決辦法是多舉實(shí)例，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)具體實(shí)例的求解加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力。

2利用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行光纜線(xiàn)路設(shè)計(jì)輔助教學(xué)的實(shí)例

這里以光纜最短路由和光纜網(wǎng)絡(luò)的物理規(guī)劃為例，說(shuō)明如何采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對(duì)光纜線(xiàn)路設(shè)計(jì)進(jìn)行輔助教學(xué)。

2.1光纜最短路由

光纜有三種敷設(shè)方式：直埋、管道和架空。光纜線(xiàn)路路由的載體是地井管道架桿等基礎(chǔ)資源，光纜線(xiàn)路設(shè)計(jì)的一項(xiàng)內(nèi)容是為光纜在地井管道架桿上的布放設(shè)計(jì)出一條最優(yōu)化（最短）的路由[3]。為實(shí)現(xiàn)光纜的自動(dòng)路由，首先需要將光纜網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑橄蠡?，建立網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型，然后提出合適的優(yōu)化算法進(jìn)行計(jì)算。為此把管線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)看成一個(gè)無(wú)向圖，地井架桿在圖中視為無(wú)差別節(jié)點(diǎn)，而直埋路段、管段或桿路段視為鏈路，即圖中的邊，邊的權(quán)值為對(duì)應(yīng)設(shè)施的長(zhǎng)度。

常見(jiàn)求最短路徑的方法有Dijkstra和Floyd算法，這些算法求解速度快，但對(duì)實(shí)現(xiàn)者要求較高，要求具有較強(qiáng)的算法設(shè)計(jì)和編程能力，能對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和算法進(jìn)行較好的掌控。這里我們采用線(xiàn)性規(guī)劃算法，提出優(yōu)化目標(biāo)和約束條件后，采用優(yōu)化軟件的模型編程語(yǔ)言進(jìn)行描述，最后由優(yōu)化軟件直接求解，對(duì)設(shè)計(jì)者要求較低，且掌握這一方法后易應(yīng)用于其它優(yōu)化問(wèn)題。

光纜最短路由的線(xiàn)性規(guī)劃公式如下：

3結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)光纜最短路由和光纜網(wǎng)絡(luò)的物理規(guī)劃這兩個(gè)應(yīng)用可知，把優(yōu)化設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到光纜線(xiàn)路設(shè)計(jì)的課程教學(xué)中，能夠直觀形象地講述光纜線(xiàn)路設(shè)計(jì)，激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生更容易領(lǐng)會(huì)教學(xué)內(nèi)容，掌握教學(xué)難點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。這種采用案例，強(qiáng)調(diào)實(shí)際問(wèn)題解決方法的教學(xué)，將提高學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力，從而培養(yǎng)具有綜合素質(zhì)和能力的信息人才，特別是復(fù)合型、具有創(chuàng)新思想和創(chuàng)新能力，能將理論和實(shí)際相結(jié)合的信息人才。

參考文獻(xiàn)

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