发酵过程葡萄糖在线检测系统的研制

发酵工艺中的高温蒸气灭菌过程使得传统"酶膜"方式葡萄糖生物传感器不能在线使用,导致不能实时控制葡萄糖的补加量,进而影响发酵的质量和产率。为了解决这一问题,本研究构建了一套用于发酵过程的葡萄糖在线检测系统。利用研制的耐高温的"酶液"方式葡萄糖生物传感器解决了"酶膜"方式传感器高温后无法正常工作的问题;利用研制的耐高温的透析取样系统解决了在线取样难题。实验表明:本传感器对葡萄糖的灵敏度达到0.259 nA/(mg/L);检出限为0.7 mg/L。对于500 mg/L葡萄糖浓度测量结果的相对标准偏差为2.02%;在0～1000 mg/L范围内,系统响应信号与葡萄糖浓度呈线性关系;本系统与商品化SBA-40E生物传感分析仪离线测量结果相比,呈现显著的线性相关关系。且线性相关方程的斜率k≈1。利用此检测系统对大肠杆菌发酵过程中的葡萄糖浓度进行了在线测量,并与SBA-40E生物传感分析仪离线测量结果进行了对比,变化趋势基本一致。

酶注射式葡萄糖生物传感器的研制

葡萄糖是发酵过程中菌体生长和产物合成的主要碳源。为了稳定产物产量与质量,必须控制葡萄糖在发酵液中的浓度。为了解决现有"固定化酶式"葡萄糖生物传感器难以用于发酵过程葡萄糖在线测量的问题,提出了"酶液式"葡萄糖生物传感器,研制了适用于发酵过程的、在线使用的酶注射式葡萄糖生物传感器。实验结果表明:传感器线性范围为0～100mg/dL,且线性相关系数R2为0.9990,传感器灵敏度为2.59nA/(mg/dL),传感器检测限为0.07mg/dL;传感器重复性较好,对50mg/dL葡萄糖浓度,变异系数(CV)为2.02%。所研制传感器基本满足了发酵过程葡萄糖在线测量的要求。

基于MICA-PCA的间歇过程故障监测

针对具有数据非高斯分布或混合分布的间歇过程,研究一种新的改进MICA-PCA监控方法.首先利用MICA方法提取非高斯分布过程信息,通过设定负熵阈值实现独立成分个数的自动选择,以此克服传统ICA方法中需提前确定独立成分个数的缺点,再使用核密度估计方法确定相应统计量的置信限,然后对服从多元高斯分布的残差过程信息,进一步进行PCA分析和处理.将该方法应用于北京某生化制药厂重组大肠杆菌制备白介素-2发酵过程监控.结果表明:该法在过程变量不服从高斯分布的情况下能有效降低传统方法的漏报和误报率,准确地对过程进行监控.

慕课授课中的学生听课行为自动分析系统

为了解决在线课程(Massive open online course, MOOC)授课过程中,缺乏对于学生学习情况的跟踪与教学效果评估问题,本文依据视频信息对学生行为进行建模,提出了一种评判学生听课专心程度的行为自动分析算法.该算法能够有效跟踪学生的学习状态,提取学生的行为特征参数,并对这些参数进行D-S融合判决,以获得学生的听课专注度.经过多次实验的结果表明,本文采用的方法能够有效评判学生在授课期间的专心程度,在数据融合上,与贝叶斯推理方法相比,采用D-S融合方法能有效提高实验结果的准确性和可靠性.

基于几何可靠性机器模型的装配系统实时性能分析

装配系统是生产系统的基本结构之一,广泛应用于汽车、电器、电子产品等实际生产环境中.与传统的串行生产线取得的研究成果相比,装配系统的研究,特别是对系统暂态过程的实时性能分析的研究仍然未得到深入探讨.本文针对具有三台几何可靠性机器模型和有限缓冲区容量框架下的装配系统,首先建立了用于此类系统暂态性能分析的数学模型,通过马尔科夫方法导出了系统性能分析的解析公式.然后,提出了一种基于分解的性能评估算法来近似系统的实时性能.具体来说,本文推导出了用于计算具有三台几何可靠性机器模型的装配系统的实时生产率、消耗率、在制品数量,以及完成一个生产批次所需时间的解析表达式.最后,通过数值实验对所提出算法的准确性进行验证.

新局势下的新工科国际化人才培养探究

新局势下,新工科国际化人才培养面临新的挑战和机遇。部分西方国家对中国的遏制战略给我国科技和学术的正常国际交流带来了很大阻力,但国际上优秀华裔高等教育教学和科研人员归国意愿明显提升,为国内高校国际化人才培养模式改革提供了契机。新时代,国内高校引入大型开放式在线课程——慕课,进行全英文专业建设,改革人才培养模式,构建新的人才评价机制、国际化课程体系、国际化产学研创新平台,力求培养更多的新工科国际化人才。

基于改进MCKF的UWB/IMU室内组合定位算法

针对最大相关熵卡尔曼滤波(MCKF)难以处理室内组合定位系统中非高斯噪声的问题,提出了一种基于改进最大相关熵卡尔曼滤波(I-MCKF)融合方法的UWB/IMU室内组合定位算法。首先,利用新息对观测噪声协方差矩阵进行动态修正,以解决MCKF在被多种噪声干扰时难以准确估计观测噪声协方差矩阵的问题。然后,将修正后的观测噪声协方差矩阵引入MCKF中,以改善MCKF处理非高斯噪声的性能。最后,构建了基于I-MCKF的UWB/IMU室内组合定位算法,以实现室内高精度实时定位。室内动态定位实验的结果表明:基于I-MCKF的组合定位算法可有效抑制室内复杂环境与误差累积对定位结果的影响,相较于MCKF组合定位算法具有更高的定位精度。

有限小批量定制生产伯努利三机器装配系统实时性能分析

通常适用于大批量制造生产系统的稳态分析在过去几十年得到了广泛研究.然而,当生产量较小(例如,定制化有限小批量生产运行)时,暂态在生产过程中可能起到主要作用,稳态分析将变得不再适用.近年来,对有限小批量生产条件下的串行生产线的研究已经有了一些初步成果.与此同时,装配系统,其最终产品往往需要两个或者多个组件,也广泛用于实践生产中.本文中,在有限小批量生产运行的三机装配系统框架下,假设系统具有有限缓冲区容量,并且使用伯努利机器可靠性模型,研究了此类系统的性能评价问题.具体来说,首先推导出评价系统性能的数学模型和解析公式.然后,提出一种基于分解的方法来近似系统实时性能.最后,所提出的算法的准确性通过仿真数值实验进行了验证并通过一个数值实例进行了展示.

基于退化机器模型的分布式柔性生产系统:性能分析、任务调度及预测性维护

在近些年的制造环境中,由于市场对多品种、小批量定制产品需求的增加,生产制造更加深入地向着柔性方向发展.如何利用现有资源,提高生产效率,实时地对系统性能进行评估与预测,并对基于小批量生产的实时调度进行优化改进,在分布式柔性生产系统中具有重要的研究意义.因此,基于退化机器模型的多批次串行生产线的性能进行分析,并对分布式生产系统进行任务调度及预测性维护.具体地说,对于具有退化机器模型及有限容量缓冲区的生产系统,首先采用马尔科夫分析方法建立数学模型;随后,提出精确方法来计算此生产系统模型实时的性能指标,并针对该模型下的调度问题,设计最优完成时间指标优化算法;此外,提出基于退化机器模型的预测性维护策略以减少完成时间;最后,通过数值实验验证该算法的可行性和有效性.

小批量多返工生产系统瞬态性能分析和优化

随着智能制造和绿色制造战略的提出,实际生产对小批量定制化加工的需求日益增加,同时为了进一步提高生产制造的加工效率和产品质量,返工生产线在企业中的应用也日益频繁.基于小批量生产背景,针对应用随机故障机器和有限缓冲区的多返工生产系统,进行瞬态性能分析,并对多返工系统进行生产调度.为定量分析该生产系统的瞬态性能,通过马尔科夫分析方法建立系统的数学模型,提出一种动态的分解和聚合算法来预测系统的生产率、消耗率、在制品库存等瞬态性能指标,并基于仿真对比实验验证所提出算法的精确性和有效性.此外,针对返工生产系统在劳动力有限的情景下,采用优化算法对各机器效率进行合理分配来优化系统的生产性能.最后,根据劳动力分配实验结果总结分配策略,为该系统的生产运行提供决策支持.