機械電子工程中組合學的應用研究

張賽雄

【摘 要】科學技術領域中常用到組合學，尤其運用在機械電子工程領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的組合優化編碼、布設傳感器網絡節點兩大類，重點介紹了傳感器網絡中節點布設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計做出了系統的分析，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

隨著計算機技術的迅速發展，在傳統機械電子嵌入連接的基礎上，發展與滲透人工智能技術，加強了機械電子工程系統逐步向智能的方向驅動發展。傳統的機械工程是制造毛坯、機械加工和裝配動力發動機的生產過程。機械工程與電子技術的結合是分離的“塊與塊”關系，也是功能結構上的相互替代。組合學源于數學娛樂游戲，組合學是分析研究離散對象結構的計數和優化等問題的科學。絕大多數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展的“人工智能”。

二、機械電子工程的核心技術支柱

（一）組合學是離散結構算法科學

首先，組合數學是研究離散對象處理計算機科學的核心算法，其研究的內容是組合科學設計排列與組合二項式系數容斥原理及應用、生成函數、特殊計數序列、遞推關系、二分圖中的匹配算法，計算離散的、有限的數學結構算法；其次，組合學問題是算法的設計和分析。其中算法設計總結出了動態規劃、回溯法、貪婪法、分治法等方法技術，廣泛應用于各行各業領域，如：會計學問題、整數規劃問題等。

（二）機械電子形成全新的產品和系統技術

機械電子技術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，鏈接機械設備、電子設備以及軟件系統等方面的要素進行有機融合，這種技術被稱作為“機電一體化”。早期的機械工業以手工加工耐用性為主，但生產效率低；三十年代集中流水線大量生產標準件，但缺乏靈活準確性；現代生產機械加工周期短、靈活性強、產量高、精準性強，主要以數控系統達到生產的高標準要求。現代機械工業設計電子工程具有鮮明的特點：就設計過程中的綜合思想實踐，根據系統結構配置的目標，將機械電子工程的核心部分整合到其它領域的技術生產中，如將產品技術、管理和生產加工線等有機地結合在一起，自動運行生產信息指令的模塊化設計；針對成型的機械電子產品嵌入元件和芯片，使產品系統結構人工智能化，常用輕巧的電子系統元件取代“粗大”的機械系統設備，縮小了產品體積，便于攜帶和安置，美觀了外型人性化設計，提高了技術芯片的高效性能，由于功能增強了，但系統運行的復雜性卻呈現不穩定狀態，有的電子產品還需隨時升級更新系統功能，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）優化電子技術CMG機構編碼

首先，在機械電子系統或產品電子技術投入生產中，依托電子學理論選擇適應系統要求的電子技術，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技術控制策略下，發揮設計和制造的尖端科技作用，最終實現人們給予特定的需求功能，在電路或電子系統上的達到設計研發的技術要求。CMG機構是引信保險與解除保險控制的密碼鑒別機構，“CMG機構編碼”問題是根據密碼鑒別的功能設計CMG機構中要求指定的“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，基于工程優化考慮編碼復合齒輪A，B的齒輪層數N最小，以此解決CMG機構的優化編碼問題。解決CMG機構的優化編碼問題就要想到數學建模的方法。在類型劃分的基礎上，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，依據窮舉法的時間復雜度高達O（mn）（m表示染色數，n表示頂點數）證明，任意CMG機構齒輪層數密碼至少為3。優化編碼問題轉化為無環、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機構優化編碼。但其本質上仍然是窮舉法的計算結果，顯示計算的時間復雜度仍為O（mn）。優化到時間復雜度與設計目標的計算，另外又采用了貪婪法進行求解CMG機構編碼頂點的著色問題，優化編碼結果選擇這種方法易獲得時間復雜度低、易于編程的優點。基于貪婪法實現CMG機構編碼校驗程序，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）布設傳感器網絡節點的覆蓋與連通

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

四、結束語

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

【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.