面向联邦学习的无人机轨迹与资源联合优化

无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)因其机动、灵活的特点被广泛地应用于搜索、跟踪等任务。在任务执行过程中会产生的大量数据,通过机器学习(machine learning,ML)算法加以利用,可以显著提高无人机集群的智能。联邦学习(federated learning,FL)作为一种分布式机器学习架构,因训练过程中只需要进行模型参数传输,更加适用于带宽和能量预算有限的无人机网络。为充分发挥无人机网络中联邦学习的优势,从影响训练能耗的带宽、计算频率、联邦学习精度和训练延迟等因素进行建模,通过联合优化训练参数设置、无人机轨迹、无人机网络中通信以及计算资源分配来最小化联邦学习整体的训练能耗。提出的联合优化算法将所建模的混合整数非线性规划问题(mixed integer nonlinear integer programming problem,MINLP)分解为三个子问题,并对非凸的子问题进行转化,通过逐次凸逼近(successive convex approximation,SCA)和块坐标下降等方式求得问题的次优解。仿真结果表明,在满足训练精度、无人机运动和联邦学习延迟等约束的基础上,提出的算法与现有的联合训练与资源优化的方案相比,降低无人机的整体训练能耗15%以上。

ART算法快速图像重建研究

讨论了影响ART(Algebraic Reconstruction Technique)算法重建速度和重建质量的主要因素,包括投影数据访问方式、松弛因子和投影系数等。针对投影系数的计算占绝大部分重建时间,成为制约ART算法的瓶颈,提出了一种快速、实时的投影系数计算方法。该方法通过一个距离参数来确定与射线相交的网格编号并计算出相交长度,距离参数采用增量计算,极大地节省了时间。实验结果表明该文提出的方法非常有效,与Siddon算法相比,在保证图像质量不受损失的前提下取得了6倍以上的重建加速比。

复合式土压平衡盾构机刀盘开口模式设计

复合式土压平衡盾构机在掘进过程中,刀盘开口模式直接影响碴土流动性,碴土流动性能够保证施工开挖面压力平衡,因此合理的刀盘开口模式是保证盾构系统内部压力稳定和掘进安全的关键。本文针对加入改性材料后具有一定流动特性的碴土,运用计算流体力学的方法,研究了不同刀盘开口方式对碴土流动性的影响。分别对比了相同和不同开口率下,对于同一性质的流体,盾构系统的压力传递情况,得到了系统轴向的压力分布规律。针对不同开口率得到了开口率大小与压力传递的关系,针对相同开口率得到了不同开口位置与压力传递的关系,为刀盘开口模式的结构设计提供依据。

文化粒子群优化算法

为了提高粒子群优化(PSO)算法的计算精度和计算效率,避免"早熟",给出了文化粒子群优化算法.该算法模型将PSO纳入文化算法框架,组成基于PSO的主群体空间和知识空间,两空间具有各自群体并独立并行演化.下层主群体空间定期贡献精英个体给上层知识空间,上层知识空间经演化后,定期贡献精英个体给下层主群体空间,于是形成"双演化双促进"机制,从而实现增加PSO的群体多样性.在以卫星舱和印刷电路板布局设计为背景的算例中进行了数值验证,结果表明对于该算例,该方法的计算精度和计算效率比遗传算法、PSO算法高.

锥束ART算法快速图像重建

针对锥束ART算法重建速度慢的问题,提出了一种基于投影的三维射线与体素的快速遍历和求交算法。该算法将三维射线投影到两个互相垂直的平面上,通过计算投影线与投影平面的相交情况来确定三维射线穿过体素的索引及长度。利用该算法在图像重建过程中实时计算权因子,不仅节省了大量的内存空间,而且提高了投影和反投影运算的速度。基于该算法的特点,在重建过程中采用了一种按列优先的策略,减少了不必要的计算,大大提高了重建速度。仿真实验表明,该算法非常有效,与传统的Siddon算法相比取得了17倍以上的重建加速比。

TBM的滚刀布置优化设计研究

滚刀在刀盘上的布置问题是全断面岩石掘进机(TBM)设计的核心内容.基于刀盘的受力需满足空间力系平衡的原则,建立了非线性多目标滚刀布置模型.提出了利用协同进化算法优化滚刀布置的方法.以引洮隧道掘进机滚刀布置实例对所建立的模型和所采用的优化算法进行了验证.在多种岩石边界条件下,与原TBM滚刀布置方案进行了对比分析.结果表明,采用本文方法获取的滚刀布置方案具有更小的倾覆力矩和不平衡力,证明了该模型及所用的优化算法是可行的、有效的.

一种基于PC的快速三维图像重建方法

主要从传统FDK算法的改进和数据并行计算两方面来研究快速三维图像重建算法,提出了一种Z线优先重建法,能够有效地组织和划分重建数据,从而使得对重建数据的内存访问非常连续,便于采用单指令多数据(Single Instruction Multiple Data, SIMD)技术进行数据并行处理。最后基于Intel Pentium 4 CPU的PC平台,利用SSE/SSE2技术开发了三维图像快速重建引擎。实验结果表明本文提出的方法非常有效,与原始重建算法相比,在保证图像质量不受损失的前提下取得了20倍以上的重建加速比。

求解超高压筒形容器爆破压力的神经网络方法

将BP和RBF神经网络的理论和算法应用于预测超高压容器爆破压力的研究中。选用MATLAB神经网络工具箱建立预测爆破压力的神经网络模型,研究模型中影响爆破压力的主要参数,内外径比值和材料的强度极限,屈服极限,屈服强度与强度极限的比值;选用Faupel、Crossland和Bones等文献中的爆破实验数据对神经网络模型进行训练,用训练好的神经网络模型对爆破压力进行预测。预测结果表明,用BP和RBF神经网络方法建立的模型能够对超高压筒形容器的爆破压力进行较为准确的预测。

基于GPU并行算法的水动力数学模型建立及其效率分析

应用非结构化网格建立水动力模型目前已经得到了广泛的应用.针对在网格数过多,且无集群机情况下难以快速获得计算结果这一问题,基于GPU的高性能计算技术,在CUDA开发平台下设计并行算法,建立非结构化网格的二维水动力模型.与利用GTX460显卡和集群机的计算效率对比表明,在保持计算精度的前提下,速度提升了一个量级,且随着网格数的持续递增,可以保持较高的加速比增幅,比较适合应用于大范围海域的水动力模型的数值计算.

不完全投影数据图像重建的ART算法研究

ART算法是一种经典的图像重建方法,适合于不完全投影数据重建。为了提高重建速度,通常对权因子进行简化,其结果是在重建图像中普遍存在椒盐噪声。提出了一种改善重建质量的方法,在每次迭代后对重建图像进行有选择的平滑,将平滑结果作为下一次迭代的初值,其特点是将图像处理和图像重建相结合。仿真实验表明该方法非常有效,不但提高了重建质量,而且克服了利用Box模板进行平滑所造成的图像模糊现象。

肿瘤热疗用交变磁场发生器的研制

装置的磁路部分设计成环回形 ,磁路中的气隙用于产生高频磁场 .在励磁线圈中加入铁氧体磁芯显著增强了装置输出的磁场强度 ;电路部分采用桥式拓扑结构 ,因而功率变换效率很高 .装置的指标为 :频率 2 5～ 1 2 0kHz,磁场强度 6～ 1 6kA/m .对磁场强度的测量表明磁场分布均一 .使用该装置加热纳米磁性材料 ,可使其在室温下升温达 2 8℃ .这些工作为磁流体肿瘤热疗的临床应用提供了参考 .

样本数量对切削力的神经网络预测精度的影响

为用尽量少的训练样本达到预测目的,通过不同数量训练样本训练网络的对比试验,分析了训练样本数量对基于列文伯格-马夸尔特算法的切削力的神经网络预测精度的影响.用统计学平均幅值和均方差作为误差的评价指标,探讨了训练样本数量与预测精度的关系.研究结果表明:用40～50组样本训练网络,就可以实现特定切削用量范围内切削力的准确预测.

新的点云数据精简存储方法

海量点云数据的精简存储是逆向建模的一个关键环节,针对单站地面固定式三维激光扫描点云扇形等特点,提出了一种新的点云精简存储方法——扇形网格法。对点云数据遍历一次,即完成对点云的精简、降噪与存储,并用VC++6.0编写实现。多站扫描点云的配准、拼接,如果在单站点云经过扇形网格法处理后进行,会更快速高效。在与传统点云压缩算法分析对比的基础上,对其特点进行了分析,对在战场地形数字化中的适用性进行了验证。

ART算法高质量重建研究

提高重建质量一直是图像重建重要的研究课题。传统ART算法在重建图像中普遍存在椒盐噪声,通过加入松弛因子,不但加快了算法的收敛速度,而且克服了椒盐噪声。利用计算机仿真实验对松弛因子在不同投影数和不同噪声水平下的重建质量进行了对比分析,结果表明,选择适当的松弛因子,并加入一些先验知识,能够极大地改善重建图像质量。

应急物流车辆调配问题的研究

对于应急物流配送车辆调度优化问题的研究可以在满足应急物流时间要求的前提下,更合理地安排车辆的调度运行,可以最大程度地节省物流成本。通过分析应急物流车辆调度问题的特点,结合实际情况,确立了一般性非满载应急物流车辆调度优化的数学模型,并采用人工免疫算法对该问题进行求解。仿真结果表明,该算法是可行和有效的。

全断面岩石掘进机边缘滚刀优化布置研究

为研究全断面岩石掘进机(TBM)边缘滚刀布置规律,文章根据刀盘实际破岩情况和刀盘设计技术要求,提出了边缘滚刀布置的基本原则,确定了边缘滚刀布置的优化目标和约束条件,建立了TBM边缘滚刀多目标优化布置数学模型,分析其目标函数及约束条件函数,并利用遗传算法进行求解。文章以伊朗NASOUND隧道某施工标段所用刀盘边缘滚刀布置为例,对所建立的模型和所采用的优化算法进行验证,并与原TBM边缘滚刀布置方案进行了对比分析。结果表明:优化后的刀盘径向不平衡力下降19.4%,倾覆力矩下降20.6%;刀盘布置优化后强度和刚度有所改良,刀盘最大应力减小了36.6%,最大变形量减小了30.3%。工程实例验证了优化布置数学模型的正确性和可行性,研究内容与方法可为TBM刀盘设计和改进提供理论基础。

代数重建法中的一种快速投影系数计算方法

提出了一种快速投影系数计算方法。该方法只需通过简单的增量运算,即可确定射线穿过的网格编号并计算相交长度。实验结果表明该方法非常有效,与Siddon算法相比,重建速度提高了六倍多。

某大型超静定框架的动态应力测试与有限元分析

对于在多载荷场下工作的大型、复杂钢结构设备,由于其自重及多种载荷的影响,边界条件比较复杂,采用单一的试验测试技术手段或仿真计算手段都很难精确地获得其真实应力状态。采用应变电测方法和有限元仿真计算方法相结合,对某厂大型的超静定平移框架的本体钢结构应力分布及载荷分布进行了综合的分析,利用测试数据结果对有限元建模的边界条件进行了优化,利用有限元计算结果对测试结果进行了修正。测试及计算分析结果表明,采取实验测试和仿真计算相结合的技术手段,能够弥补单纯试验测试技术和计算技术的不足,充分发挥了实验测试技术和仿真计算技术的优点,提高了分析的精度。是全面掌握大型超静定框架类结构应力状态的有效的方法。

刀具柱面Data Matrix码几何畸变的仿真分析

分析了刀具柱面Data Matrix(DM)码几何畸变的原理与过程,利用透视投影的方法建立了柱面DM码的几何畸变模型并对其进行仿真.结果表明,该模型较好地模拟了DM码在刀具柱面的几何畸变状况.通过仿真分析,获得了在一定曲率柱面上标刻DM码的合适尺寸以及采集过程中相机的合适几何参数.

基于蚁群算法的航空弹药需求测算

智能化是现代航空弹药需求与指挥控制系统的发展趋势,如何进行合理快速地调拨航空弹药是系统设计过程中的关键任务之一。为此,提出了依据目标对航空弹药进行选择的策略,利用蚁群算法对战斗目标进行聚类分析,对各类目标进行模糊综合评判,从而确定装备出动方案,依据弹药与装备的关系,对满足既定保障度的弹药需求量建立模型,并计算出满足既定保障度的弹药供应量,为战前对战场态势预估,实现弹药战时及时准确调拨,为作战弹药准备提供依据。