劉逢清 康文軍 馬丁

摘要：光纜線路設(shè)計是光纖光纜課程的重要內(nèi)容。闡述了在光纜線路設(shè)計課堂教學(xué)中引入優(yōu)化設(shè)計方法進(jìn)行計算機(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)計方法，并以具體操作實例予以說明。把優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用到光纜線路設(shè)計的課程教學(xué)增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有利于學(xué)生對光纜線路設(shè)計及相關(guān)知識的理解，提高了教學(xué)的質(zhì)量和效率。

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

中圖分類號：TP399文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：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。在光纖對信息的實際傳輸過程中，通常采用光纖成纜的方式進(jìn)行傳輸，以實現(xiàn)對光纖的保護(hù)、便于施工和提高線路的傳輸容量。為了構(gòu)建光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)，需要對光纜進(jìn)行線路設(shè)計，光纜的線路設(shè)計（光纜路由）是光纖在通信網(wǎng)絡(luò)和未來光纖傳感網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的一個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)”等專業(yè)中，光纖技術(shù)及應(yīng)用課程是很重要的專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)特色課程。而光纜線路設(shè)計是光纖技術(shù)與應(yīng)用課程的重要內(nèi)容。在教學(xué)過程中，我們在光纜的線路設(shè)計中結(jié)合優(yōu)化設(shè)計方法，以實際案例來講解光纜的線路設(shè)計。案例教學(xué)是教學(xué)相長的有效模式，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，不斷地汲取營養(yǎng)和探索研究[2]。在實際教學(xué)中，我們也發(fā)現(xiàn)，采用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計的方法為示例網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行光纜自動路由，對光纜網(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)生對光纜線路設(shè)計的相關(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)計方法進(jìn)行計算機(jī)輔助教學(xué)，采用線性規(guī)劃方法寫出尋找光纜最短路由和對光纜拓?fù)溥M(jìn)行規(guī)劃設(shè)計的線性表達(dá)式，并采用線性規(guī)劃軟件Lingo求解。這種方法強(qiáng)調(diào)了尋找實際問題的解決方案，有利于培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力，提高教學(xué)的質(zhì)量和效率。

1光纜線路設(shè)計課程教學(xué)分析

本課程的教學(xué)對象是光電信息工程、光信息科學(xué)與技術(shù)和電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的大四學(xué)生，已經(jīng)學(xué)了較多的專業(yè)基礎(chǔ)課，此時在學(xué)習(xí)態(tài)度上缺乏主動性和積極性，對課程的學(xué)習(xí)上喜歡死記硬背，以通過考試為目標(biāo)。同時又面臨著畢業(yè)找工作，迫切需求在工作中能實際應(yīng)用的知識和技能，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)營商和郵電規(guī)劃設(shè)計院，對網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化設(shè)計技術(shù)比較感興趣，因此在光纜線路設(shè)計的課程教學(xué)中采用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計具體案例的方法來進(jìn)行輔助教學(xué)。

光纜線路設(shè)計的教學(xué)基本要求是了解光纜線路工程設(shè)計的原則和內(nèi)容，理解線路設(shè)計和傳輸設(shè)計的方法；難點(diǎn)是光纜的線路設(shè)計；對難點(diǎn)的解決辦法是多舉實例，通過網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計方法對具體實例的求解加深學(xué)生對知識點(diǎn)的理解，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力。

2利用優(yōu)化設(shè)計方法進(jìn)行光纜線路設(shè)計輔助教學(xué)的實例

這里以光纜最短路由和光纜網(wǎng)絡(luò)的物理規(guī)劃為例，說明如何采用優(yōu)化設(shè)計方法，對光纜線路設(shè)計進(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。光纜線路路由的載體是地井管道架桿等基礎(chǔ)資源，光纜線路設(shè)計的一項內(nèi)容是為光纜在地井管道架桿上的布放設(shè)計出一條最優(yōu)化（最短）的路由[3]。為實現(xiàn)光纜的自動路由，首先需要將光纜網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑橄蠡⒕W(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型，然后提出合適的優(yōu)化算法進(jìn)行計算。為此把管線網(wǎng)絡(luò)看成一個無向圖，地井架桿在圖中視為無差別節(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)值為對應(yīng)設(shè)施的長度。

常見求最短路徑的方法有Dijkstra和Floyd算法，這些算法求解速度快，但對實現(xiàn)者要求較高，要求具有較強(qiáng)的算法設(shè)計和編程能力，能對數(shù)據(jù)存儲和算法進(jìn)行較好的掌控。這里我們采用線性規(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言進(jìn)行描述，最后由優(yōu)化軟件直接求解，對設(shè)計者要求較低，且掌握這一方法后易應(yīng)用于其它優(yōu)化問題。

光纜最短路由的線性規(guī)劃公式如下：

3結(jié)束語

通過光纜最短路由和光纜網(wǎng)絡(luò)的物理規(guī)劃這兩個應(yīng)用可知，把優(yōu)化設(shè)計方法應(yīng)用到光纜線路設(shè)計的課程教學(xué)中，能夠直觀形象地講述光纜線路設(shè)計，激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生更容易領(lǐng)會教學(xué)內(nèi)容，掌握教學(xué)難點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計的方法。這種采用案例，強(qiáng)調(diào)實際問題解決方法的教學(xué)，將提高學(xué)生分析和解決問題的能力，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，能將理論和實際相結(jié)合的信息人才。

參考文獻(xiàn)

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[2]陳明.案例教學(xué)是教學(xué)相長的有效模式[J].教育藝術(shù),2007(6):21-22.

[3]李楠.網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)在光纜路由自動設(shè)計中的應(yīng)用[D].北京:北京郵電大學(xué)碩士論文,2011.11-12.

[4]熊錦華,楊旭,梁熊健.傳輸網(wǎng)絡(luò)光纜物理路由的規(guī)劃[J].現(xiàn)代傳輸,2005(1):70-73.