农业传感器:研究进展、挑战与展望

[目的/意义]农业传感器是数字农业、信息农业、智慧农业等现代农业发展模式的源头技术,也是推动农业科技迭代升级和农业生产方式变革的重要驱动力。农业传感器应用环境(水、气及土壤)和监测对象(动植物)多样复杂、规模大,因此,高环境适应性、高可靠性和低成本的农业传感器是实现智慧农业的基础与核心。[进展]本文对农业传感器进行分类,并对农业传感器前沿研究趋势进行分析,综述农业传感器在不同应用场景下的研究现状,从农业环境传感器(水、大气和土壤等)、动植物生命信息传感器、农产品质量安全传感器和农机传感器四大类进行深入分析,总结现有农业传感器在研发和使用过程中的通用性和局限性。[结论/展望]在农业传感器面临的挑战与展望中,具体分析了现阶段农业传感器大规模应用严重不足的核心瓶颈,包括低成本化、专用化、高稳定性及自适应,归纳出“农业泛在感知”的概念,为农业传感器技术研发提供思路和参考。

人体下肢鞭打动作技术原理的生物力学研究

下肢鞭打应属于打击性鞭打动作,选择踢球这一典型的下肢鞭打动作作为研究对象,利用三维录像拍摄与解析技术、逆向动力学计算方法和无线遥测肌电测试与分析技术对其进行了同步研究,以期能够从运动学、动力学、肌电学3个不同的层面来揭示下肢鞭打动作的特征与机制。研究表明:1)下肢鞭打动作角速度特征为后摆时表现为大腿逐渐减速,小腿加速→最大角速度→减速的特点;前摆时表现为大腿加速→最大角速度→减速,小腿持续加速的特点。2)髋关节的屈肌力矩、膝关节的伸肌力矩、踝关节的背屈力矩在下肢鞭打动作前摆阶段起主导作用;髋关节的内收/外展力矩起定向作用;髋关节旋内/旋外力矩、膝关节旋内/旋外力矩以及踝关节内翻力矩的主要作用是对脚的方位及倾斜程度进行调整。3)股直肌、股内肌、股外肌、胫骨前肌在下肢鞭打动作前摆阶段起主导作用。4)小腿加速前摆的初期伸膝肌群产生的伸膝力矩在起支配作用,后期是伸膝力矩与来自大腿角动量的传递共同在起作用。

智能计算研究进展与发展趋势

智能计算技术是一门涉及物理学、数学、生理学、心理学、神经科学、计算机科学和智能技术等的交叉学科,近年来发展迅猛。本文简要介绍了智能计算的学科背景、原理和特点,评述了国际的发展现状和趋势。

基于神经网络的南方夏季蛋鸡舍环境与产蛋性能关系模型研究

为了解决南方地区夏季高温高湿蛋鸡舍环境质量难以精准评价与调控的问题,试验构建了基于神经网络的南方夏季蛋鸡舍环境与产蛋性能关系模型,将采集的蛋鸡舍多环境因子数据作为输入,将依据产蛋率划分的环境质量等级作为输出,对反向传播(BP)神经网络、径向基(RBF)神经网络和广义回归(GRNN)神经网络三种神经网络进行训练验证,得到蛋鸡舍环境质量初步评价结果,然后将归一化后神经网络组的输出作为改进D-S证据理论基本概率分配的输入,利用改进的D-S证据理论方法,融合计算得到蛋鸡舍环境质量的综合评价结果。结果表明:在神经网络初级融合评价有冲突的情况下,改进的D-S证据理论法对蛋鸡舍环境状态为差的支持率为0.796 4,而传统D-S证据理论方法、Murphy方法和邓勇方法对蛋鸡舍环境状态为差的支持率分别为0.698 7,0.687 8,0.694 0。说明试验构建的综合评价模型对蛋鸡舍环境的融合评价精度和准确率更高,可以有效解决融合决策失误问题,可用于南方夏季高温高湿蛋鸡舍环境的精准调控。

NO_(2)气体传感器的研究现状

二氧化氮(NO_(2))气体是空气中的主要污染物之一,严重危害生态环境和人体健康。因此,开发高气敏性和选择性的NO_(2)气体传感器对空气中NO_(2)体积分数的检测显得尤为重要。综述了近年来NO_(2)气体传感器的研究现状,重点对石墨烯、金属氧化物、碳纳米管和聚合物4种类型的NO_(2)气体传感器敏感材料进行了阐述,讨论了NO_(2)气体传感器的制备方法和敏感材料的气敏性,同时指出了传感器存在的问题。

基于改进YOLOv5s算法的尾气黑度测量方法研究

针对传统尾气黑度测量方法精度低、环境适应性差等问题,文章提出一种基于改进YOLOv5s算法的尾气黑度测量方法。考虑到尾气形状多变、背景复杂,在现有YOLOv5s网络中添加自适应特征融合(adaptively spatial feature fusion,ASFF)和全局注意力机制(global attention mechanism,GAM),提高尾气目标的检测准确度;同时,为减少光照等环境因素对尾气目标检测的影响,基于尾气的高温特性,利用红外图像提高尾气区域检测准确度;并基于标准的林格曼黑度对被检测区域内的尾气黑度进行等级判定。实验结果表明:改进后的YOLOv5s对红外尾气目标的检测准确率高达95.3%,比现有YOLOv5s检测准确度提高了3.4%;同时还降低了光照等环境因素对尾气目标检测结果的影响,改善了算法的鲁棒性;最终尾气黑度判定精度达到0.5级,可有效满足现有移动源尾气黑度高精度检测需求。

基于数据挖掘的国家森林资源清查数据优化方法研究

基于国家森林资源清查体系,我国积累了大量的森林资源清查数据,为国家的战略规划和政策制定提供重要依据。本文首先对基于分类和聚类的数据方法进行了研究,并对国家森林资源清查数据的特征和数据挖掘的方向展开分析,选取了华东监测区的样地和样木数据,筛选了区域、立地因子、测树因子、生长量等参数,进行了聚类和分类的数据挖掘,提出了关于模型组的合理归并与增减以及避免主观因素造成的误分类等方面的优化方法,而数据挖掘的应用也可以提升智能机器人的感知、决策和交互能力。

温度对膜进样质谱溶解气渗透效率影响的研究

水下质谱作为重要的海洋装备,具有一致性好、指向性强、多种物质同时检测等优势,在深海探测领域得到了广泛应用。然而,水下质谱的膜渗透效率极易受环境温度的影响,该影响增加了溶解气浓度反演的难度,同时降低了检测结果的准确性。该文面向深海环境(温度变化范围:4~35℃),开展了温度对膜渗透效率的影响研究。结果表明,35℃条件下的膜渗透效率相对于4℃条件下的膜渗透效率增长了约2倍。同时温度升降实验结果表明,膜渗透效率不仅与当前温度有关,同时还受到历史温度的影响,即温度对膜渗透效率的影响存在滞后效应。该研究量化了温度对膜渗透效率的影响,揭示了膜进样技术存在温度滞后现象,为溶解气浓度的准确反演提供了方法参考。

外调水支持下淮北市岩溶水开采方案研究

文章利用水位自回归与多元回归相耦合模型,建立了与开采量、降水量相关的水位递推方程;在地下水水位不低于设定水位的约束下,设计岩溶水合理开采量,讨论了外调水支持下的岩溶水开采策略,并对开采量与临界水位的动态关系进行了研究。结果表明,利用水位递推方程可以计算临界水位控制条件下的合理开采量,当采用7.5 m作为管理控制的临界水位,开采强度可控制在22.05×10^(4) m^(3)/d左右,可为未来外调水支持下淮北市岩溶水开采方案的制定提供一定的参考依据。

汉民双语智能化农业专家系统开发平台与关键技术研究

本文介绍了汉民双语智能化农业专家系统开发平台的基本结构,研究了其设计与开发的关键技术。通过将统计型机器翻译模块集成到平台中,基于蒙、傣、藏、彝文的基本词典以及汉文译为蒙、傣、藏、彝文的双语基础语料库(包含分词并标注相应的词性),实现四种双语语料库的对齐,在此基础上结合四种民汉双语农业语料库,将相关汉文智能农业应用系统的知识库进行自动翻译,在智能系统中实现汉蒙、汉傣、汉藏、汉彝双语显示窗口,从而提供对蒙文、傣文、藏文、彝文的友好界面支持。

基于本体的领域知识重用方法研究

由于已有知识表示和本体知识表示并不在同一逻辑体系基础上,从知识表示层面提出了一种基于知识等价映射的知识重用方法解决对已有异构知识的重用问题。通过语义等价提取、在本体指导下的一致性处理以及语义映射解决了本体构建过程中对已有知识的自动重用问题。实验表明,该方法易于实现且具有较高的精确性、可行性和有效性。

不同水平赛艇运动员男子单人艇关键技术指标比较及其优化研究

目的:比较分析我国不同水平男子单人艇(M1x)关键技术指标差异,研究优化策略和方法,促进M1x技术发展。方法:运用赛艇实船运动生物力学测试系统,对我国25名不同水平男子M1x运动员进行测试,采集不同桨频下运动学、动力学以及功率和效率三方面关键技术指标数据,对比赛桨频下数据进行统计学比较。结果:1)我国赛艇国际级运动健将在M1x项目中桨力偏小,蹬腿速度(V_(legs))慢,出水打滑(β_(slip))大,一桨功率(P_(oar))和一桨做功(W_(oar))偏低;2)赛艇运动健将在M1x项目中的主要问题是拉桨幅度(φ_(oar))、桨力和最大桨力70%维持幅度(F_(max)70%维持幅度)偏小,入水打滑(α_(slip))和β_(slip)较大,船速波动变化大,P_(oar)和W_(oar)偏低;3)赛艇一级运动员在M1x项目中,运动学、动力学以及功率和效率三方面关键技术指标中存在问题较多。结论:1)我国赛艇国际级运动健将的优化策略应注重提高专项最大力量水平,提升M1x后弧有效幅度,并逐步发展爆发力,提升M1x拉桨速度和功率;2)赛艇运动健将的优化策略应注重提高M1x比赛桨频下的φ_(oar)和有效幅度,减小回桨负作用力,逐步提高专项最大力量、爆发力,以提升M1x桨力;3)赛艇一级运动员的优化策略应注重运动素质和技术的全面发展,优先发展专项最大力量、爆发力,M1x的技术优化应贯穿全年,逐步建立良好的技术规范;4)赛艇M1x划桨的关键技术指标优化方法应遵循身体发育规律、运动技能形成规律及训练发展规律,针对性采用分解、完整、增加负荷、视觉及时反馈、专项力量、核心力量和表象等训练方法进行训练,在有条件的情况下使用声反馈系统等新科技手段和方法优化技术。

基于SnO2-CuO掺杂的CO2气体敏感特性研究

以氧化物半导体SnO2为基体材料加入40%的活性CuO材料,制备出了对CO2具有敏感性的气体敏感材料,其检测浓度范围为0～5%。实验结果表明,在SnO2-CuO敏感材料的基础上掺杂适量CeO2、Ag2O、Bi2O3等氧化物,不仅提高了其对CO2气体的灵敏度,而且可以提高其稳定性,从而改善了其对CO2的敏感特性。在试验结果的基础上,分析并讨论了该系列材料对CO2气体的敏感机制。基于这种敏感材料的CO2气体传感器具有结构简单、容易制备、使用方便和价格低廉等优点。

基于SnO_2-La_2O_3掺杂的敏感材料CO_2气敏特性研究

以半导体氧化物SnO2为基体材料加入40%的活性La2O3材料,制备出了对CO2具有敏感性的气体敏感材料,其检测体积分数范围为(0～5000)×10-6。实验结果表明:在SnO2-La2O3敏感材料的基础上掺杂适量CeO2,Ag2O,SiO2等氧化物,不仅提高了其对CO2气体的灵敏度,而且可以提高其稳定性,从而大大改善了其对CO2的敏感特性。在实验结果的基础上,分析并讨论上该系列材料对CO2气体的敏感机制。基于这种敏感材料的CO2气体传感器具有结构简单、制备简便、使用方便和价格低廉等优点,可用于空气环境监控和农用大棚等场合。

基于红外热效应的电容式气体传感器研究

提出了一种利用气体吸收红外并产生热效应现象检测气体的方法,设计并制造了一种红外电容式气体传感器。该气体传感器采用在密封气室中密封纯净的被测气体,利用被测气体吸收红外的热效应并由此产生压力变化,该压力变化转换为弹性应变膜的应变致使平板电容器的电容变化,由于环境中被测气体与密封气室中被测气体对红外的差分吸收,使得电容的变化量与环境中被测气体的体积分数相关。对甲烷气体的实验结果表明:其检测下限为100×10-6,分辨率为50×10-6。

基于深度学习的合成孔径成像系统共共相误差检测研究综述

光学合成孔径成像系统是利用多个小口径望远镜排列成稀疏孔径阵列来增大系统等效口径,从而实现大口径光学系统的高分辨成像效果。子孔径间的共相误差探测是实现合成孔径系统高分辨率成像的重要前提,该技术一直是该领域研究人员关注的焦点之一。新兴的人工智能及大数据技术为合成孔径成像系统共相误差探测提供了新思路和开辟了新方向。本文在简要回顾合成孔径成像系统共相误差探测方法的基础上,介绍和分析了近年来深度学习技术在合成孔径成像系统共相误差探测方面的研究进展,并对未来发展方向进行了总结和展望。

刀具磨损状态的多步向前智能预测

刀具状态的准确监测对于提高切削加工质量和加工效率至关重要。在当前广泛用于刀具磨损状态监测的间接法中,多以单步或短期预测为主,没有实现多步预测,且累积误差较大。高斯过程是间接法中应用较多的一种机器学习方法,然而传统的高斯过程回归由于模型结构和算法的限制,对刀具磨损预测的精度不高。针对上述不足,提出了改进的自回归递归高斯过程模型对刀具磨损进行多步预测。为了减小预测累积误差,在模型训练中应用了改进的模型更新方式、组合核函数,对样本设置了遗忘因子,在预测中加入了偏差校正方法。研究了各个改进因素对模型的影响并综合所有有利因素,实现了较准确的刀具磨损状态多步预测,在3个测试集上预测误差分别降低了85.68%,20.67%和63.32%。

反渗透隔膜增压泵流量特性与脉动研究

反渗透隔膜增压泵的流量及压力脉动是导致净水设备振动、噪声的主要因素之一。通过研究其结构特点、设计原理,基于三维坐标,采用相对距离法建立反渗透隔膜增压泵的理论流量计算方程,并进行瞬时流量推导、不同类型腔室数目流量脉动的讨论,了解了反渗透隔膜增压泵流量脉动的特点;然后进行反渗透隔膜增压泵压力变化试验测试,通过搭建试验测试平台,测试不同转速条件下反渗透隔膜增压泵压力变化曲线,研究设备在实际运行中其压力变化规律。本文通过理论分析与试验测试相结合的方法研究反渗透隔膜增压泵流量脉动规律,不仅为反渗透隔膜增压泵的理论研究奠定基础,还为反渗透隔膜增压泵的低噪声设计提供参考。

基于可穿戴设备的帕金森病运动迟缓检测评估方法研究进展

帕金森病(Parkinson's Disease,PD)是一种多发于中老年人群,以运动障碍为主要临床症状的神经退行性疾病。运动迟缓(Bradykinesia)是帕金森病典型运动障碍症状,基于可穿戴设备的运动迟缓检测评估是实现个体化诊疗和远程医疗的重要支撑。该文主要针对运动迟缓展开调研,重点阐述了现有的运动迟缓可穿戴设备检测评估技术及数据分析方法,并分析讨论了该领域目前存在的一些问题及未来的研究方向。

单晶多孔ZnO制备及对室内空气污染物的气敏性能的研究

通过使用对液相法合成的前驱体进行煅烧的方法成功的制备了具有单晶多孔结构的Zn O纳米片。通过X射线衍射仪(XRD)、环境扫描电子显微镜(FESEM)、高分辨透射电子显微镜(TEM)对单晶多孔Zn O纳米片进行了结构以及形貌的表征和分析。以其为敏感膜,制作气体传感器,对室内空气污染物,包括苯和甲醛,进行检测。结果显示单晶多孔Zn O纳米片对苯和甲醛都有着良好的响应,且响应和恢复时间都非常迅速。对敏感机理以及材料的结构对响应时间的影响也进行了较深入的探讨。