郑州大学学报(工学版)

2022年05期目录

2022年08月22 00:00

基于改进差分进化的3-RPS 机器人逆运动学参数标定

彭金柱,张建新,曾庆山 — 2022年08月22 00:00

并联机器人结构较为复杂,由设计参数求解出的关节驱动不能使其达到理想位姿,然而并联机器人的位姿精度会直接影响到工作质量。为提高并联机器人逆运动学模型的精度,对所设计的 3-RPS并联机器人建立逆运动学误差模型,并提出一种基于竞争的多变异策略差分进化算法对模型中的参数进行标定。在该算法中设计两个分别侧重局部开发和全局探索的种群,每个种群包含 3 种变异策略,并在每个种群中制定一种竞争制度用来挑选出标定过程中表现最好的策略,确保标定得到的参数最优。使用标定后的运动学参数对逆运动学模型进行修正,并通过 Adams 验证修正后模型的准确性。结果表明:所提算法收敛速度较差分进化算法提升了 50%,且最终收敛值更小;与粒子群算法和差分进化算法相比,所提算法收敛结果不受进化过程中随机性带来的干扰;经该算法标定后,3-RPS 并联机器人 3 个自由度精度较标定前分别提升了73. 5%、 88. 7%、95. 2%,精度得到显著提高。

CCFAI:基于深度学习的遥感图像超分辨率重建技术综述

荣兰,成科扬,蒋森林,詹永照 — 2022年08月22 00:00

遥感图像超分辨率重建技术是计算机视觉中的重要技术。近年来，得益于深度学习的成功，基于深度学习的遥感图像超分辨率技术正在蓬勃发展，在许多领域被广泛应用。本文首先回顾传统遥感图像超分重建算法并引出基于深度学习的遥感图像超分重建方法；然后总结了单幅遥感图像、多幅遥感图像和多/高光谱遥感图像超分重建方法中具有代表性的基于深度学习的方法，我们从模型类型、网络结构和重建效果等方面对各种方法进行分析和评价，并对比了它们的优缺点；最后对遥感图像超分重建技术存在的问题进行分析和未来的发展做出展望。

具有机器可利用性的双目标置换流水车间调度

轩华, 李海云, 李冰 — 2022年08月22 00:00

研究了具有机器可利用性的置换流水车间调度问题,引入 CDS 启发式算法和局域搜索构造出改进遗传算法,用于同时最小化总加权完成时间和总加权拖期。应用 CDS 启发式算法产生 40%初始工件加工序列群,其余 60%的初始工件加工序列群则通过随机程序产生,以此来提高初始工件加工序列群的质量。针对交叉和变异之后的工件加工序列,设计基于两两交换、单工件插入和多工件插入 3 种邻域解生成机制的局域搜索,以提高解的搜索空间。将所提出的改进遗传算法与基于遗传算法的 3 种启发式算法进行仿真实验,结果表明:所提算法在平均 77. 65 s 内相对于其他算法的目标改进率分别为 5. 05%、3. 09%、7. 33%,这也说明了所提算法在较短的时间内能得到更好的目标值;随着问题规模的增大,改进效果更佳。

基于LightGBM算法的漏洞利用预测研究

尹毅峰1 , 杨显哲1 , 甘勇2 , 毛保磊3 — 2022年08月22 00:00

为解决企业在面对日益庞大的漏洞修复体量时找不到重点、无从下手等问题,提出了一种基于决策树算法的提升框架 LightGBM ( light gradient boosting machine)的漏洞利用预测模型。该模型能在海量安全漏洞或者新公开漏洞中预测漏洞是否存在漏洞利用,从而使企业可以优先关注此类漏洞。首先,通过整理国内外漏洞利用相关的研究成果,发现可被利用的漏洞符合巴莱多定律,并且可以通过机器学习算法实现对公开漏洞的可利用情报预测;其次,收集了近 5 a 的 CVE 漏洞信息以及从 Sebbug、Exploit-DB 等主流漏洞情报平台获取的漏洞利用数据,提取相关特征,构建了一套新的数据集;再次,将漏洞利用预测工作整合为二分类问题,并充分考虑了算法模型在实际工作的场景以及海量数据处理的能力,选取了包括LightGBM、SVM 等在网络安全领域应用较多的算法模型,并进行了建模学习;最后,经过多次仿真实验以及参数优化,发现该模型在准确率、召回率等方面均优于其他模型,分别达到了 83%和 76%,说明该模型具备较好的预测效果和应用价值。同时研究成果也能为企业信息安全工作提供一定的建设思路与数据参考。

YOLOv5s 的金属制品表面缺陷的轻量化算法研究

贾云飞, 郑红木, 刘闪亮 — 2022年08月22 00:00

为解决企业降低智能化成本的要求,运用低成本、低算力的硬件设备,通过深度学习中目标检测算法模型对产品进行缺陷检测。基于深度学习目标检测中的YOLOv5s网络,采用结构裁剪思想,并基于网络中的BN层对网络进行稀疏训练,将稀疏训练后的模型对应权重值较小的层进行裁剪,从而降低模型的计算参数数量以及模型文件大小,达到轻量化的效果。使用NVIDIA的加速推理框架TensorRT对训练好的裁剪模型进行层级融合,实现推理加速效果。实验结果表明:所提目标检测模型相对于原始YOLOv55模型权重文件大小降低约70% ,同时在公开数据集NEU-DET上检测精度达到了74.2%。在搭建的高性能实验台中单图推理速度相比原模型提升了11.3%6 ,且网络没有精度损失;在低性能实验台中,所提模型相比原网络模型推理速度提升了165%,相比高性能实验台中的结果有了更显著的提升,说明所提模型在低算力硬件设备中表现优秀。再针对所提模型采用公开的潜水泵叶轮的俯视图数据集进行普适性测试,最后对所提模型采用推理加速框架TensorRT进行加速后,在高性能实验台上可以达到单图5.8 ms的推理时间。所提目标检测模型在低算力硬件设备上推理速度提升较大,可以帮助企业降低预算.

基于氧合器内部流场特性分析与溶血评估

刘德平1 , 郑凯1 , 李冬梅2 — 2022年08月22 00:00

氧合器内部流体运动特性对其性能有着重要影响,实际中却难以通过实验直接观察其内部血液流动特性。为了解氧合器内部流体运动特性以预测其性能,针对一款典型氧合器,采用压降实验与CFD 数值模拟相结合的方法,详细分析了该氧合器内部整体血液速度、压力和壁面剪切应力等特性分布规律,利用溶血预估模型评估了氧合器溶血性能。研究结果表明:在低流量范围内,各向同性多孔介质模型能够很好地模拟血液在氧合器纤维束内的流动,数值模拟计算值与实验值相差较小,但随着流量增加,两者偏差逐渐增大;氧合器内部速度呈梯度分布形式,内部纤维束域的压力呈同心均匀分布并且压力值与流量大小呈正相关,纤维束域是压力损失的主要区域;血液损伤高发位置分布于血液的进、出口流域,在实验流量范围内,标准溶血指数 NIH 最大值为 0. 049 2 g / 100 L,符合氧合器的一般设计要求。研究结果有利于开发者了解氧合器内部流体运动特性对其性能的影响,为氧合器后续的性能改善提供参考。

ORC 向心透平的 CFD 计算与性能分析

马新灵, 张景迪, 孟祥睿, 王聪, 潘佳浩, 邱宇恒 — 2022年08月22 00:00

为了预测设计的向心透平在设计工况和非设计工况下的性能,采用 ANSYS CFX 对向心透平进行了三维计算流体动力学( CFD)数值模拟,分析了透平进口温度、转速及压力比对其性能的影响,并通过实验数据对 CFD 模拟结果进行验证。结果表明:在设计工况下,CFD 计算结果与一维设计参数非常吻合,两者等熵效率与输出功率的相对误差分别为 0. 36%和 4. 85%;在设计转速下,当进口温度为 368 K时透平等熵效率达到最大,为 77. 6%;透平输出功率随进口温度的升高而增大,在 0. 9 ~ 1. 1 的转速比下运行时,透平等熵效率变化较小且具有较高的输出功率;压力比对透平等熵效率的影响较大,同时,透平在设计转速和进口温度下运行时能较好地处理压力比的变化;以压力比、等熵效率和温降为评价指标,将实验测量数据与CFD 计算结果进行对比,其最大相对误差均小于 10%,由此验证了 CFD 数值模拟对透平性能预测的可靠性。

隧道工况下高速列车动态气密性数值分析方法

尹小春, 卢耀辉, 赵宏星, 史潇博, 唐波 — 2022年08月22 00:00

高速列车通过隧道或者在隧道交会时,产生复杂的压缩波和膨胀波,由于车体不能完全密封,导致车内压力发生跟随性变化,引起乘客舒适度降低的问题。通过建立高速列车车体内外流场的数值分析模型,在计算车体外表面压力波的基础上,以等效泄漏孔作为车体内外压力传递的接口研究车内压力的变化规律,提出了高速列车动态气密性指数计算方法。首先,对比等效泄漏孔建模中长细比及位置对车内压力的影响,确定了包含等效泄漏孔的车体内外流场准确的数值模型;然后,建立了高速列车-隧道 CFD( computational fluid dynamics)模型,计算了高速列车隧道交会流场,获得了列车在隧道交会工况下车体外表面压力波;最后,将车体外表面压力波作为车体内外流场模型的激励,计算了车内压力变化,拟合数据后分析了车内压力变化率和动态气密指数,并与已有文献的实测数据进行了对比验证。结果表明:等效泄漏孔的建模应采用长细比大于 1 ∶4的计算结果更合理;单节车气密性数值模型中泄漏孔的位置对车内压力影响不大;列车隧道会车工况下车体外流场大多处于负压状态,只有头车测点出现正压。所提的车体动态气密性分析模型能较好地模拟车内压力波动, 在 7. 05 cm2 等效泄漏面积和1 000 m 长隧道工况下列车交会时的动态气密性指数仿真计算结果为 66. 3,与已有文献结果接近。

硬态车削工艺对18CrNiMo7-6 钢表层硬度及微观组织的影响

2022年08月22 00:00

为了探究 18CrNiMo7-6 钢硬态车削工艺参数对加工硬化及金相组织的影响,采用 PCBN 刀具对18CrNiMo7-6 钢漏斗形疲劳试样硬态车削圆弧段时的主轴转速 n、背吃刀量 ap 和进给速度 vf 进行了单因素实验研究。运用显微硬度计和超景深三维显微系统表征了试样在不同工艺条件下的表层硬度、加工硬化影响深度及微观组织。研究结果表明:硬态车削为漏斗形疲劳试样的圆弧段造成了一定的加工硬化,硬化影响层深度为 120 ~ 200 μm,加工硬化程度为 4. 31% ~ 8. 27%。在试验条件下,随着 n 的增大,试样的硬化程度先增大后减小,硬化影响层深变化不大;随着 ap 增大,试样的硬化影响层深和硬化程度都逐渐增大;vf 对试样的加工硬化程度先增大后减小,对硬化影响层深没有明显规律;随着径向深度的增加,试样金相组织发生变化,且硬度值逐渐下降,车削工艺参数对试样表层金相组织的影响很小;当n、ap 及 vf 分别为 1 200 r / min、0. 15 mm、 50 mm / min 时,试样表层出现软化现象,高碳马氏体转化为硬度较低的回火屈氏体。该研究为 18C rNiMo7-6 淬硬钢的硬态车削工艺制定提供了参考依据。

小型多级空气压缩机单向阀特性分析及优化设计

2022年08月22 00:00

针对小型空气压缩机多级化带来的各级阀门的差异问题,使用单向阀进行配流,研究单向阀参数对斜盘式空气压缩机排气量和压力脉动的影响规律,并对阀门参数和压缩机转速进行优化设计。首先建立单向阀和斜盘式空气压缩机单个气缸的数学模型,再通过更改转速,进、排气阀弹簧刚度和预紧量,得到了转速、阀门参数对压缩机排气量和压力脉动的影响规律。同时以降低压力脉动和提升排气量为目标,采用粒子群优化算法对多级空压机进行优化,得到每级气缸应匹配的最优转速和阀门参数,再确定整体转速,优化得到转速一致时每级气缸阀门的最优参数。结果表明:进气阀参数对压缩机排气量和压力脉动的影响较排气阀来说更大,增加进气阀弹簧刚度和预紧量会降低压力脉动和排气量,增加排气阀刚度和预紧量会增加压力脉动;此外,优化使得各级气缸的压力脉动分别降低了 26. 5%、36. 1%,排气量分别提升了66. 9%、48 . 9%。

半透水边界下饱和黏土地基的一维黏弹性固结分析

刘忠玉, 朱少培, 崔鹏陆, 张家超 — 2022年08月22 00:00

为了深入探讨饱和黏土的流变特性,引入 Koeller 弹壶元件修正的分数阶 Merchant 模型描述土的黏弹性变形特性,并采用非牛顿指数描述的非 Darcy 渗流方程来描述土体固结过程中孔隙水的流动,重新推导了半透水边界下的饱和黏土一维流变固结方程。采用隐式有限差分法求出了固结方程的数值解。通过与有关文献中退化模型结果对比,验证了数值解法的有效性。在此基础上,分析了半透水边界参数、非 Darcy 渗流模型参数以及分数阶 Merchant 流变模型参数对流变固结过程的影响。结果表明:增大半透水边界参数能加快地基内孔压的整体消散速率以及地基沉降速率;分数阶 Merchant 模型参数中分数阶数和黏滞系数对地基沉降速率的影响更为显著,且对地基沉降速率的影响主要集中在固结进程的中后期;Kelvin 体与独立弹簧的模量之比对固结进程的影响也主要在中后期,且随着模量比的增大,地基的固结进程逐渐加快;非 Darcy 渗流延缓了土层的固结速率,且随着非牛顿指数的增大,地基的固结逐渐变慢。

预应力系梁基础斜柱钢结构施工全过程受力分析

2022年08月22 00:00

为研究施工过程中预应力系梁基础斜柱钢结构受力变化,基于某大型遗址保护建筑,采用 Midas Gen 建立施工全过程精细化有限元模型。模型位移计算结果与实测数据相近,证明了模型的正确性,进而通过对结构各阶段内力和基础水平位移变化进行实时跟踪计算,分析基础系梁数量、截面尺寸、施加预应力对上部结构应力及桩顶水平位移的影响,为基础位移控制提供合理方案。结果表明:基础系梁数量、系梁截面尺寸对上部结构应力影响较小;桩顶位移随基础系梁数量增加而减小,最大减小量约为设计限值( 2 mm)的 60%,但随着系梁数量进一步增加,位移减小幅度逐渐降低;基础系梁截面直径变化对桩顶位移影响较小,增加系梁截面厚度能有效减小桩顶位移,但位移控制效果随厚度增大而减小; 预应力对结构应力及基础位移影响较大,斜柱关键截面应力最大降低 20%,且基础位移向多承台中心发展,基础位移与预应力张拉前相比最大变化 140%,采用预应力方案可显著降低桩体剪切破坏风险,更有利于位移控制及保障结构安全。

预应力系梁基础斜柱钢结构施工全过程受力分析

2022年08月22 00:00

地下车库排烟口朝向对排烟效果的影响

2022年08月22 00:00

为了比较开口朝向不同的 3 种排烟系统的排烟效果,以地下车库的一个防烟分区为例,建立 FDS 物理模型,对 3 种排烟系统进行数值模拟。通过对比 3 种排烟系统的流场和温度分布以及排热量和排烟效率,分析 3 种排烟系统的特点及排烟效果的差别。结果表明:从流场和温度分布来看,3 种排烟系统的流场分布存在较大差异,温度分布却很相似;从排烟效率和排热量来看,排烟口向上的机械排烟系统相对于开口向下的系统,排烟效率要高 4%左右,排热量要高 10%左右;从排烟口高度不同时的排热量变化情况来看,开口向下的排烟系统,排热量随着排烟口高度的升高明显增加,而开口向上的排烟系统,排热量随着排烟口高度的升高变化不明显。对于向上开口的排烟系统,排烟口高度在 4. 5 m 以下时,随着排烟口向上高度的增加,排烟效率在逐渐增加,但是在排烟口高度超过 4. 5 m 后,由于排烟口太接近顶棚,排烟受到顶棚的干扰,排烟效率反而降低。

基于CEEMDAN和MPE的导墙振动信号降噪方法及应用

刘昉1 , 张鲁丰1 , 庞博慧2 , 梁超1 , 姚烨1 — 2022年08月22 00:00

针对泄流导墙实测振动位移信号中存在随机噪声的问题,将多尺度排列熵引入到泄流导墙振动信号的降噪处理中,使用一种应用于泄流结构的基于自适应噪声的完备总体经验模态分解 ( CEEM-DAN)和多尺度排列熵( MPE)联合去噪的方法。首先,通过 CEEMDAN 方法对导墙振动信号进行处理,得到一系列固有模态函数( IMF) ;其次,通过多尺度排列熵分析各 IMF 的随机性,并以多尺度排列熵值作为评价指标,将各 IMF 分量筛选为含噪声的 IMF 分量和纯净的 IMF 分量;最后,利用小波阈值降噪方法对含噪声的 IMF 分量进行降噪处理,将降噪处理后的数据与剩余纯净的 IMF 分量重构,获得降噪后的泄流导墙振动信号。仿真信号和工程实例结果表明:使用该方法提高了信号的降噪效果,能精确去除泄流导墙振动信号中的噪声,且有效保留了振动信号中的特征信息,具有一定的可行性。该方法的降噪结果可以作为实现对泄流导墙安全监测的可靠依据,可以应用到与之类似的导墙振动信号降噪处理中,为实现泄流导墙结构的健康运行打下基础。

微秒脉冲可逆电穿孔联合EPA对肺癌A-549细胞活性的影响

张建华1 , 杨延钧1 , 吕彦鹏1 , 金雯雯1 , 陈传亮2 — 2022年08月22 00:00

针对当前电化学疗法中使用的传统化疗药物对人体正常组织毒副作用较大,中药成分对人体毒副作用小但作用效果弱等问题,选用中药单体成分二十碳五烯酸( EPA)作为抗癌药物,探究微秒脉冲电场对 EPA 细胞毒性效果的促进作用,以及两者联合作用对肺癌 A-549 细胞的毒性效果。首先,研究不同场强的脉冲电场作用下细胞膜通透性变化情况,以及不同的药物浓度( 50 ~ 1 000 μmol / L) 、电场强度( 750 ~ 2 000 V / cm)对 A-549 细胞活性的影响,采用 PI 染色法检测细胞膜通透性、CCK-8 法检测细胞活性;其次,根据检测结果筛选用于后续实验的电场强度区间为 1 000 ~ 1 500 V / cm,EPA 浓度为 100 ~ 400 μmol / L;最后,设置电场联合药物组为实验组,空白对照组、纯药物组、纯电组为对照组,进行了脉冲电场联合 EPA 对 A-549 细胞毒性效果的实验研究,并且对脉冲电场联合 EPA 共同作用后培养 24 h(48 h)时A-549 细胞活性的变化情况进行了对比分析。研究表明:微秒脉冲电场能够显著增强 EPA 对 A-549 细胞的毒性效果,并且 EPA 浓度为 300 μmol / L 时,脉冲电场和 EPA 的联合作用效果最佳。微秒脉冲电场对EPA 细胞毒性的增强效果可达 40%以上, 为后续中药成分干预癌症的治疗提供了重要的促进手段。

智慧换流站云边协同数据交互方法

刘昊1 , 张景超2 , 毛万登1 , 马士棋3 , 姜欣3 , 金阳3 — 2022年08月22 00:00

智慧换流站作为泛在电力物联网建设中的关键一环,在建设过程中面临数据共享不充分、未能充分发掘数据价值等问题,为此,面向智慧换流站建设提出了一种基于云边协同的数据交互方法。首先,以边缘计算与容器化技术为基础,以时延最短为目标,结合基于权值算法的本地通用服务器计算资源分配策略,提出一种边缘物联代理模型。在此基础上,以时延最短为目标,提出基于任务规模大小的边缘计算任务卸载至云端的任务卸载策略,确定云边协同策略。最后以河南省内某换流站监测系统为例,油色谱数据经站内边缘物联代理预处理后,上传至远程云平台,通过本地数据预处理与远程数据分析与挖掘,最终开发出掌上油色谱微应用,数据传输的完整率与准确率均为 100%,数据传输时延控制在 150 ms左右,并且上下浮动在 15 ms 以内,达到实际工程应用的要求,验证了所提方案的准确性,使得专业人员能够及时准确地把握站内变压器运行情况,提高了换流站运行的稳定性与安全性,提升了数据价值。