基于生成式AI的智能制造专业型应用框架研究与应用

智能制造是全面实现现代化的重要保障。随着人工智能技术的不断发展,如何利用生成式AI进一步促进智能制造质量与效率的提升是十分重要的研究课题。本文按照智能制造生命周期维度划分,结合生成式AI的基本思想和原理,提出了基于生成式AI的智能制造专业型应用框架(SMPF-GAI),并通过案例分析了生成式AI在智能制造中的应用潜力。该框架系统地整合了智能制造的关键阶段与生成式AI的核心原则,描绘了生成式AI在智能制造中的运行机理和应用路线。本研究为智能制造领域的研究人员、从业者和决策者提供了新的见解,为有效开展智能制造工作、提高智能制造建设水平提供理论支撑及方法指导。

基于多模型自适应方法的智能汽车路径跟踪控制

路径跟踪控制是智能汽车的一项核心技术,跟踪效果的精确性和在各种路面附着条件下的鲁棒性是该技术的两大关键要素。但汽车动力学模型的不确定性,尤其是轮胎侧偏刚度的摄动使这两者难以同时得到满足。针对这一问题,将多模型自适应理论引入到智能汽车运动控制中处理不确定性系统的控制。首先,推导了多模型自适应控制律,提出了凸包构架下各个顶点的子模型对真实模型的自适应逼近律,并通过李雅普诺夫函数证明了所提出自适应律的收敛能力。在此基础上建立了汽车动力学模型和车辆-路径联合模型,并由多个顶点子模型构建可覆盖汽车轮胎侧偏刚度摄动范围的凸多面体,利用汽车动力学模型求解自适应率,通过车辆-路径联合模型,基于线性二次型方法(linear quadratic regulator,LQR)求解各个顶点的子模型处的反馈控制律,并通过所得出的自适应权重进行加权。基于Carsim/Simulink的联合仿真结果表明,所提出的多模型自适应路径跟踪控制器在保证鲁棒性的同时克服了传统鲁棒控制方法的保守性问题,与基于名义模型的LQR控制器和鲁棒保性能控制器相比,在高附着路面和低附着路面上都可以取得更好的控制效果,很好地解决了路径跟踪控制中精确性与鲁棒性之间的两难问题。最后,通过快速原型测试平台对算法进行了进一步的实验验证。结果表明,所提出的多模型自适应算法实时性良好,具有较好的工程应用潜力。

三江源地区土壤和牧草中的有机氯污染物:分布、来源和生态风险

三江源地区是“亚洲水塔”的重要组成部分。该地区复杂的大气环流可能为持久性有机污染物(POPs)的输入提供动力。在采集三江源地区土壤和牧草的基础上,获得该地区有机氯类污染物(OCPs,POPs的一类)的污染水平并进行来源解析,以期对POPs的潜在生态风险进行评估。结果表明,1)三江源地区土壤和牧草中滴滴涕(DDTs)的含量分别为低于检出限(BDL)-2.32×10^(4)pg·g^(-1)(平均3003 pg·g^(-1))和BDL-2.44×10^(4)pg·g^(-1)(平均3539 pg·g^(-1)),高于全球其他高海拔草地地区;而土壤和牧草中六氯苯(HCB)、六六六(HCHs)和多氯联苯(PCBs)的含量则与全球背景水平相当。2)三江源地区的OCPs整体呈现东高西低的空间分布特征。反向气团轨迹显示高含量的OCPs主要来自于三江源以东的地区。此外,人口密集的城镇地区具有相对高的OCPs含量,表明当地的零星地区可能存在OCPs使用/排放史。3)三江源地区土壤和牧草中的OCPs含量与年降水量显著正相关(P值分别小于0.05和0.1),而土壤DDTs与热力学温度的倒数(1/T)线性关系的斜率可达-9×10^(7)。降水冲刷和地气交换很可能是大气中OCPs向三江源地区地表介质输入的关键过程。4)三江源地区有机氯污染物在土壤-牧草间的平均生物浓缩系数为11,表明有机氯污染物在牧草中发生了富集。基于定性评价的效应区间低/中值法和危害商法的生态风险评估显示,三江源地区OCPs对生态系统的总体风险较小,但后续研究中仍需关注该地区东部城镇的DDTs生态风险。研究结果可为青藏高原生态环境保护和三江源国家公园建设提供数据支撑。

全通道有效磁流变减振器的自适应分段准静态建模

全通道有效磁流变减振器(magnetorheological damper,MRD)阻尼通道中磁流变液的剪切屈服应力会随位置的变化而变化,在MRD结构设计阶段,常采用准静态模型来表示MRD结构尺寸与阻尼力的关系,并预测减振器的输出阻尼力。传统准静态模型通常假设磁流变液在阻尼通道内的剪切屈服应力处处相等,模型精度低且不符合全通道有效MRD磁路特点。基于上述问题,提出了一种新型自适应分段准静态建模方法,考虑了磁流变液剪切屈服应力随阻尼通道位置的变化关系,对阻尼通道的磁场强度先采用整体低阶拟合,根据设置的误差阈值对低阶拟合结果进行0/1状态划分,再完成分段拟合。以两款不同结构的全通道有效MRD为研究对象,通过电磁有限元仿真分析了全通道有效MRD的磁路特点并建立新型准静态模型,最后通过阻尼特性测试试验,验证了该新型准静态模型的合理性与精度。

考虑前车运动不确定性的多目标自适应巡航控制

考虑前车运动状态不可控所带来的性能下降,提出一种基于高斯过程的随机模型预测多目标自适应巡航控制方法。基于车间运动关系对跟驰系统进行集成建模,综合考虑车辆安全、经济、舒适等多维诉求,确定跟驰系统目标函数与性能约束;引入径向基核描述样本间的关系,通过极大似然法获取预测模型超参数,根据历史交通数据,对前车运动轨迹进行短期预测;考虑预测结果存在的偏差,引入概率约束,建立不确定环境下的随机预测模型以保障系统在随机扰动下的整体性能最优;通过切入、加速跟驰、减速避撞等典型场景对算法的有效性与优越性进行验证。研究结果表明:所提出的方法具有良好的工况适应性,可快速消除跟踪误差与前车运动保持一致,使车辆对交通环境的反应更加敏捷。

黄金梨树氮素营养状况对不同水氮用量的响应

【目的】探究黄金梨树氮吸收对水氮耦合的响应规律。【方法】设定灌水下限和施氮量2个因素,每个因素设定3个水平,即灌水下限:高水(HW:75%Fc)、中水(MW:65%Fc)和低水(LW:55%Fc)(Fc:田间持水率(体积含水率));施氮量:高氮(HF:486 kg/hm^(2))、中氮(MF:324 kg/hm^(2))、低氮(LF:162 kg/hm^(2)),正交设定9个试验处理,对照处理为园区常规管理(CK)。测定了果实膨大期和成熟期梨树春梢、叶片和果实全氮量。【结果】果实膨大期,中水中肥(MWMF)处理梨树春梢和叶片全氮量最高,较CK分别提高了26.20%和8.66%;灌水下限对春梢全氮量影响差异不显著,施氮量和耦合作用对春梢全氮量提高差异显著;灌水下限、施氮量及耦合作用对叶片全氮量提升差异不显著。成熟期时,中水中肥(MWMF)处理梨树春梢全氮量最高为0.74g/kg,高水中肥(HWMF)处理春梢全氮量最低,为0.54 g/kg;高水中肥(HWMF)处理梨树叶片全氮量最高为1.83 g/kg,高水低肥(HWLF)处理全氮量最低为1.70 g/kg;水氮耦合方案下果实全氮量较CK显著提高,其中,低水高肥(LWHF)处理果实全氮量最高,为0.82 g/kg,较CK提高了52.70%;灌水下限和水氮耦合作用对春梢全氮量的影响差异不显著,施氮量对春梢全氮量影响差异显著;灌水下限、施氮量和耦合作用对叶片全氮量差异不显著;灌水下限、施氮量和耦合作用对果实全氮量影响差异显著。2个时期梨树春梢和叶片全氮量均有:叶片>春梢。梨树春梢、叶片和果实等3个器官全氮量相关性不显著,春梢全氮量与果实全氮量呈弱正相关,叶片全氮量与春梢和果实全氮量呈弱负相关。【结论】不同时期3个器官对水氮耦合处理响应规律不一,适宜的水氮耦合处理能促进各器官对氮的吸收,各器官全氮量相关性不显著。考虑梨树生长与生产和采收后生长分化,推荐灌水下限为65%Fc,施氮量为300~350 kg/hm^(2)。

带梯形截面导磁环的全通道有效车用磁流变减振器设计

车用磁流变减振器(MRD)往往结构尺寸较小,且传统的车用MRD阻尼通道有效工作长度较短,输出阻尼力小,导致其工程应用受到限制。针对这一问题,提出一种带梯形截面导磁环的新型全通道有效MRD以增大阻尼通道有效工作长度,减缓磁饱和,并基于磁流变液流变特性和流体动力学理论给出了具体的结构与磁路设计计算方法,将5种不同结构的MRD进行有限元仿真对比。通过阻尼特性测试试验,分析其阻尼特性并与普通MRD、带弯曲磁路全通道有效MRD进行对比,应用线性二次高斯(LQG)控制器进行减振性能分析。研究结果表明:新型全通道有效MRD能够显著提高阻尼通道有效工作长度,达到阻尼通道全长的99%以上;新型全通道有效MRD能改善小尺寸MRD易发生磁饱和的问题;在相同电流激励与尺寸约束下阻尼通道的磁场强度分布更均匀,平均磁场强度更大,具有更大的输出阻尼力;新型全通道有效MRD在结构尺寸小的同时具有更大的输出阻尼力;新型全通道有效MRD相对于普通MRD具有更好的减振性能,能够进一步降低车辆的簧上质量加速度与轮胎动变形21.51%和1.43%。该研究能有效扩宽小尺寸MRD的实际应用范围,具有一定的工程应用价值。

基于多源遥感数据的河套灌区玉米植株氮素浓度诊断及污染风险评估

【目的】利用多源遥感数据对河套灌区玉米生育期氮素浓度进行诊断并进行氮素污染风险评估,为施肥决策及农业面源污染溯源提供参考。【方法】基于无人机多光谱遥感数据和实测玉米植株氮素浓度数据,利用多种植被指数量化玉米植株氮素浓度,建立玉米生育期氮素浓度诊断模型。对玉米不同生育阶段的植被指数诊断模型进行评价,得到临界氮素浓度,并对玉米各生育阶段的氮素污染风险进行评估。【结果】2020年河套灌区玉米种植面积最大,为27.5万hm^(2),在玉米各生育阶段中,拔节期、小喇叭口期、大喇叭口期和花粒期分别以GBNDVI、RVI、NRI、NDVI建立的氮素浓度诊断模型为最优模型;基于氮素浓度诊断模型的遥感监测发现,小喇叭口期、花粒期植株氮素浓度较低,拔节期、大喇叭口期植株氮素浓度较高;玉米氮素污染风险主要发生在拔节期、大喇叭口期,小喇叭口期存在少量的Ⅳ级污染风险,花粒期不存在氮素污染风险。【结论】根据玉米植株氮素浓度诊断模型得到的氮素浓度值,获得以灌溉单元为基础的氮素污染风险等级分布,可为施肥决策和农业面源污染溯源提供合理参考。

基于动力学解耦的紧急工况循迹跟踪控制研究

针对紧急工况下车辆纵横向动力学耦合导致传统轨迹跟踪方法精度下降的问题,提出解耦循迹跟踪算法,该算法在利用动力学解耦消减耦合负效应的基础上,通过跟踪车辆目标运动状态实现运动轨迹的间接跟踪。首先,基于理论推导与仿真,探究了车辆纵横向动力学耦合成因及其对循迹跟踪精度的影响;然后,通过修正传统3自由度车辆动力学逆系统构型确定其接口,利用随机数据集训练反馈前向神经网络(BPNN)模型以获取车辆平面运动逆系统;最后,设计基于目标运动轨迹的目标运动状态逆解算模型与基于纯跟踪思想的目标轨迹修正模型,将逆系统解耦方法应用于长航程循迹跟踪任务中。仿真与实验结果说明解耦循迹跟踪作为一种全新的跟踪方法,不仅可以完成跟踪任务,且通过与传统循迹跟踪方法对比,在耦合工况下所提出的方法具备更高的跟踪精度。

计及信息畸变的有源配电网故障区段定位

随着配电网自动化设备的普及以及分布式电源技术的发展,自动化设备采集的故障信息对配电网故障区段的准确定位具有重要意义。为此,对计及故障信息畸变的有源配电网故障区段定位问题进行了研究。首先,通过分析配电网拓扑结构建立网络描述矩阵,利用故障电流总是流向故障区段的原理进行了初步故障定位。其次,根据馈线终端装置(FTU)故障信息畸变的稀疏性、不合理性,建立了信息畸变识别判据;然后,利用FTU的遥测信息对信息畸变进行校正,得出真实的故障区段;最后,在发生单、多重故障且存在信息畸变场景下对改进IEEE 33节点系统进行仿真测试。仿真结果充分验证了所提方法的有效性。

气候变化对农业水管理的影响及应对策略研究

气候变化导致全球年平均气温上升、降水模式变化、河流特性改变、极端气候事件频发等,显现出其对农业水资源和农业生产造成的影响,使全球尤其是干旱和半干旱地区可持续农业发展和现代农业水管理面临重大挑战。该文介绍气候变化下的极端气候事件发生,评价气候变化通过气温和降水的改变以及极端气候事件频度和程度加剧等各种方式对农业用水可利用量和水质以及作物需水造成的影响,阐述气候变化通过水要素对灌溉用水、可用耕地、作物产量带来的影响,综述气候变化对农业水管理的影响及应对策略,提出在气候变化对农业水管理的影响及应对策略研究上,应认真考虑气候变化对农业水管理影响的尺度效应和不确定性,从而有助于因地制宜地制定和合理选用农业水管理应对策略;应积极构建基于多模型集成模式的气候变化对农业水管理影响的综合评估方法,从而有利于改善综合预测评估结果的准确性和可靠性;应深入进行农业水管理应对策略的适应-减缓利弊权衡研究和协同效用分析,从而有效改进和提高应对策略的效用。建议国内应该加强对综合评估方法和效用分析的研究力度。

面向可持续灌溉农业发展的涝渍盐碱管理

发展可持续灌溉农业是实现全球粮食安全、维持民众生计的必要保障条件之一,但因灌溉诱发的农田涝渍盐碱协同危害却对作物生长及产量产生直接和间接影响,严重制约灌溉农业生产力水平,带来农田生态环境负效应.文中在对灌溉诱发的涝渍盐碱共存形成机制、作物生长和土壤特性对涝渍盐碱的响应、涝渍盐碱对作物产量的影响进行综述基础上,从排水、用水、灌溉、土壤、作物、社会经济等各种涝渍盐碱管理途径入手,阐述相关的治理措施与技术应用效果,围绕"节灌、减排、控盐、增效"的面向可持续灌溉农业发展的涝渍盐碱管理目标,从涝渍盐碱共存机制研究、涝渍盐碱共存状况监测评价、涝渍盐碱治理技术组合及集成模式研发、涝渍盐碱危害风险分析与评估等层面上,提出相应的主要研究内容与重点.

现代灌溉水肥精量调控原理与应用

过去15年间,中国水利水电科学研究院水利研究所瞄准现代灌溉农业集约化和精量化发展目标,重点围绕不同生态区域、不同尺度农田的水肥施用与多过程综合调控中存在的问题,系统开展了现代灌溉水肥精量调控研究,取得了系列化的成果:考虑土壤空间变异和层状质地对水肥分布的影响,改进了微灌系统的设计方法;在干旱区和半湿润区等不同气候区,选取小麦、玉米、棉花和蔬菜等典型作物,全面考虑水力学参数、土壤水肥动态和淋失、环境参数以及作物产量和品质等因素对微灌均匀系数的响应机制进行研究,提出了微灌均匀系数分区标准;在国内率先开展了变量灌溉理论和控制技术的研究,发展了适用于缺水地区的非充分变量灌溉理论;从系统安全、环境安全和水肥高效利用出发,揭示了再生水滴灌对系统性能和环境的影响机制,定量评价了再生水中养分的有效性;研发了低压高均匀灌水器、多功能系列喷头和智能灌溉施肥机等装置,实现了灌水施肥性能的提升;形成了区域化的喷、微灌水肥高效利用模式。上述成果为进一步提高农田水肥利用率、推动喷、微灌理论和技术进步提供了支撑。

基于SISM模型和畦灌技术的冬小麦最小灌水定额研究

为确定满足畦灌技术约束下的冬小麦最小灌水定额,采用地面灌溉水流运动模拟模型SISM,结合华北地区畦灌现状,考虑畦田长度、坡度、田面标准差、微地形空间分布差异及入畦单宽流量等要素,设计53088种畦灌技术要素组合,以地面灌溉水流覆盖整个田块和最小灌水深度Zmin>0为控制条件,对不同技术要素组合下的灌水过程进行模拟,分析畦灌技术要素和灌水性能指标值的对应关系,结合畦灌数值模拟试验结果,提出3种代表性畦田长度(50、100、150 m)下田面标准差、坡度、入畦单宽流量等畦灌要素的建议范围。在不考虑畦田布置优化方案的条件下,3种代表性畦长畦灌最小灌水定额不宜低于84、117、148 mm;在地面灌溉技术及畦田布置方案优化的条件下,3种代表性畦长畦灌最小灌水定额不宜低于71、75、79 mm。

轮毂电机驱动电动汽车横摆稳定性控制

为了提高轮毂电机驱动电动汽车行驶稳定性,设计了基于直接横摆力矩控制的车辆稳定性控制系统;针对滑模控制存在固有抖振的问题,建立基于模糊滑模控制理论的稳定性控制器;针对车辆质心侧偏角难以测量,建立了结构简单、计算快速的非线性滑模观测器;考虑到转矩分配的实际约束条件和分配器的响应速度,建立了等比例转矩分配器,分配各车轮上的驱动/制动扭矩。最后基于MATLAB/Simulink与Carsim联合仿真平台进行了仿真分析,结果表明该控制器能很好改善车辆的操纵稳定性,并且控制输出更加平顺。

太阳能光伏暗管排水系统能力提升

针对现有太阳能光伏暗管排水系统排水能力不足的问题,该研究以宁夏银北灌区平罗县六中乡太阳能光伏暗管排水系统为例,通过该系统控制区域排水量、集水井和排水沟水位、地下水位埋深等的试验监测,分析了现状系统排水能力和虹吸辅助排水的可行性,计算了虹吸辅助排水能力,探讨了该系统排水能力提高方法。结果表明,现有太阳能光伏暗管排水系统排水能力受限,排水率小于等于0.49 mm/d,远小于银北灌区控制盐渍化要求的排水率1.5 mm/d;夜间集水井水位恢复到接近地下水位,并且高于邻近排水沟水位,井沟之间呈现正向水位差达0.3m以上,对于已建太阳能光伏暗管排水系统,为节省投入成本,提出夜间采用虹吸管辅助排水提高现有系统的排水效率,虹吸管直径在0.09 m左右,夜间排水量即可与白天太阳能光伏水泵的抽水量相当;对于新建太阳能光伏暗管排水系统,增设集水井与邻近排水沟之间的水平连通管,实现夜间自流排水。该研究成果可为太阳能光伏暗管排水系统的推广应用提供技术支撑。

融合视觉与雷达数据的改进粒子滤波车辆目标跟踪

针对视觉跟踪中由于尺寸变化累积误差导致目标丢失的问题,提出一种融合视觉与毫米波雷达数据的改进粒子滤波车辆跟踪算法。首先,引入遗传算法改善标准粒子滤波中的粒子退化与粒子衰退问题,根据退化程度计算动态自适应的遗传交叉概率,并利用高斯分布替代平均分布计算种群适应度。然后,将图像HSV直方图特征与改进粒子滤波算法结合,实现车辆多目标跟踪。最后,通过雷达目标投影点与视觉跟踪框的位置关系实现关联匹配,利用深度信息修正跟踪框的位置与尺寸。实验结果表明,相对于标准粒子滤波,改进的粒子滤波算法可以使平均跟踪准确率与精度分别提高22.1%与21.1%。相对于仅采用视觉跟踪,融合雷达数据的跟踪算法能够使车辆目标跟踪精度再次提高9.2%。

车用轴流风机离散噪声与叶片分布特性研究

针对轴流风机离散噪声偏大影响汽车总声压级及声品质问题,采用谐波法相关理论,建立了离散噪声与叶片分布特性关系的理论及仿真模型,结合数值计算、仿真分析分别得到了叶片数量和非等间距的分布特性与噪声、流量、效率的关系。研究表明:7叶片风机在噪声、流量、效率方面的综合性能最佳;利用非等间距理论得出的最大调整角为2.406 rad的方案对于不同数量等间距叶片均可达到最优降噪的效果,并且对流量及效率无明显影响,仿真模拟与实验结果验证了这一结论。基于以上研究提出了一种在满足风机流量及效率前提下有效降低离散噪声的新方法,为叶片分布特性的研究提供了参考。

水系连通及水美乡村建设的主要做法和经验借鉴

2020年水利部、财政部启动首批水系连通及水美乡村建设试点,经过两年实践,取得一系列成果和经验。结合首批试点县终期评估相关工作,梳理典型地区水系连通及水美乡村建设优秀案例,总结试点县建设工作的主要经验及做法、存在问题,为下一阶段水美乡村建设试点县建管体系完善提供参考借鉴,助力乡村振兴。

基于传递路径试验分析的车用风机噪声优化

针对某国产车型怠速开空调时轴流风机工作引起车内噪声偏大的问题,建立了传递路径分析模型,研究了风机振动传递率试验及分析方法。为保证传递函数的精度,采用矩阵求逆法获取车身端连接点的耦合激励力。结果表明,上横梁风机总成左安装点y向对车内噪声的贡献量最大。风机总成模态频率与激励力频率重合产生共振,通过优化风机总成隔振垫动刚度的方法,将激励力频率与风机总成的模态频率避开,较好地解决了该车内噪声问题。该传递路径研究为车用风机噪声控制提供了思路和依据。