煤矿智能快速掘进关键技术研究现状及展望

针对煤矿巷道掘进智能化建设情况,探讨了现阶段分别以连采机、掘锚一体机、全断面掘进系统、掘锚机为核心的四大类智能快速掘进成套装备发展现状,分析了四大类智能快掘装备与地质条件适用性,提出了实现煤矿智能化掘进需要解决的关键技术的问题,探讨了以信息传输与智能分析技术、智能感知技术、精确定位导航技术,自主定型定向截割技术、掘进机远程自主截割控制技术以及多级多工序智能协同控制技术为基础的智能化掘进实现途径;基于复杂地质条件下煤矿巷道掘进亟待解决的关键问题,提出了以掘进作业功能需求、掘进工艺要求为依据的系统化分析、模块化设计、功能优化组合的设计方法;研究了以虚控实、虚实结合的多级数字孪生构架,基于掘进巷道设备、环境、地质构造多维信息再现实现掘进机远程控制;提出了单机智能化、系统协同化、井下智控与地面远程监控相协同的控制方法。开发了新型的无重复碾压柔性超前支护技术、截割部多级伸缩截割技术、智能锚固机组多钻机并行作业等技术,研制了具有掘、支、锚、运、探多工序并行作业的新型快速掘进作业联合机组,提出了掘进机器人、超前支护机器人、锚固机器人、辅助运输机器人组柔性并行作业技术;提出了基于数据驱动的多机多工序协同控制行为规划决策方法。提出构建完整的煤矿井下跨系统全时空信息数字感知体系,构建集井下现场生产状态、掘进巷道空间信息、掘进装备状态、风险信息等多参量、多尺度、全时空特性的数据感知智能化监控平台,实现虚拟系统与实际掘进系统实时通信,通过数据驱动规划分析实现智能化、少人化掘进。

面向流程制造的数字孪生车间可视化监控系统研究

为了解决流程制造过程监控实时性差、准确性不足的问题,在数字孪生技术迅速发展且与制造业结合愈发紧密的背景下,提出基于生产要素数据、生产工艺流程与多工序设备实体对象的数字孪生车间可视化监控系统架构。从要素、状态、运行逻辑等多个维度对多工序耦合生产线实体对象进行孪生建模,基于OPC UA统一架构的数据采集传输,虚拟车间的实时驱动等关键技术,实现了流程制造设备状态、生产要素工艺全流程三维可视化监控。基于某流程制造企业制丝生产试验线开展了应用验证,为提升流程制造过程中全生产要素的预见性、联动性、自治性提供了方法和实现途径。

射频异构集成微系统多层级协同仿真建模与PDK技术综述

作为后摩尔技术的可选路径之一,基于异构集成工艺实现的集成微系统具有高集成度、低成本、高性能等优点,引起学术界和工业界的广泛关注。异构集成微系统设计是以系统为中心的多层级协同设计,对传统以晶体管为中心的设计方法和设计流程带来新的挑战,同时对设计环境的开发带来新的要求。本文对射频集成微系统设计中所需的基础器件/结构建模方法、多工艺混合工艺设计套件(Process Design Kit,PDK)技术、以及电路-模块-系统多层级协同仿真等技术最新进展进行综述。

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%。

土壤有机氯污染风险与调控:基于多过程耦合的视角

传统和新兴有机氯污染物(Organochlorine pollutants,OCPs)在环境中易形成持久性污染源,可对人类健康和生态环境造成巨大影响。已有大量研究证实,厌氧条件下由土壤微生物胞外呼吸电子传递介导的生源要素循环对OCPs的生物地球化学过程具有重要影响,将进一步调控土壤健康演变方向。从多过程耦合角度厘清残留OCPs的潜在土壤健康风险,在全球“一体化健康”的需求下显得尤为必要。有鉴于此,本文先简明扼要梳理近42年关于土壤中残留OCPs的研究进展与现况,明确热点领域与学术前沿;再从微生物介导的土壤氧化还原多过程耦合角度,梳理OCPs还原脱氯与土壤中关键元素生物化学循环过程之间的潜在关系,深入认识OCPs残留土壤的地下生态环境与健康风险;最后对我国土壤OCPs污染调控的未来研究方向提出建议和展望,为实现OCPs残留土壤的污染治理提供研究思路,以支撑完善土壤健康理论。

精细化管理在手术室骨科外来器械与植入物中的应用

目的探讨精细化管理在骨科外来器械与植入物管理中的应用效果。方法将2022年1月-3月进行的1275例骨科植入物手术设为对照组,将2022年4月-6月进行的骨科植入物手术1023例设为干预组,对照组采用常规的骨科手术配合管理模式,干预组采用精细化管理模式。结果干预组外来器械与植入物管理质量均明显高于对照组(均P<0.05),术中清点意外事件发生率显著低于对照组(P<0.05)。结论精细化管理能有效实施骨科外来器械与植入物的环节控制,显著提升外来器械与植入物管理质量,同时降低术中清点意外事件发生率。

基于多种群遗传算法的航天复杂系统测试任务调度

针对航天复杂系统型号较多,传统测试流程与调度设计只能人工定制化排布,效率较低且未有效优化,同时,考虑到航天复杂系统快速测试的迫切需求,提出一种基于多目标遗传算法的航天测试流程自动生成方法。该方法在测试项集合明确的前提下,将测试项抽象为离散事件,以测试总时间和测试资源均衡度为优化目标,充分考虑航天器测试的诸多约束,将其作为遗传算法执行过程中交叉或变异的禁忌项。在初始种群确定后,对测试流程和调度方案进行自动生成和优化。对算例的仿真结果表明,该方法相对于同实验条件下的传统半串行测试方法和单目标优化方法,测试总时间或资源均衡度得到了较大提升。在进一步扩展优化目标和约束项后,该方法可有效提高航天复杂系统测试过程的快速响应能力和可靠性。

一种面向多工序复杂制造过程的质量软测量方法

复杂制造过程关键质量变量的精准感知,是实现系统优化控制和保障系统安全稳定运行的必要前提。考虑复杂制造过程具有生产工序众多、回路互联耦合、工序质量遗传、数据时空分布等复杂特性,使得对过程质量的精准感知面临诸多困难。在此背景下,本文提出一种考虑过程时延的基于mRMR–GA–ResNet的多工序复杂制造过程质量软测量建模方法。首先,构建了一种考虑过程变量与质量变量间时延的基于最小冗余最大相关(mRMR)和遗传算法(GA)的多传感器过程变量筛选方法,以确定最优特征子集;其次,基于各工序的最优特征子集,设计了一种3维(特征–时间–工序)样本空间表征方法,工序内部以2维(特征–时间)形式表征,将工序作为通道构建3维(特征–时间–工序)样本,通过残差网络进行时间–空间特征提取,进而通过局部–全局特征融合得到最终的质量预测值;最后,通过一个实际制造过程——浮法玻璃生产过程,进行了实验验证。结果表明:在选择特征数相同的前提下,相较于其他4种基于相关性的特征选择方法(PCC、SCC、MI、MIC),本文所提多传感器过程变量筛选方法对于模型有更好的预测性能。以残差网络作为预测模型,本文所提3维样本构造方法,相较于传统的2维样本构造方法,对于模型的预测精度有了一定的提升,均方根误差ERMS、平均绝对误差EMA、对称平均绝对百分比误差E_(SMAP)分别提升9.2%、10.8%、9.8%,验证了所提方法的有效性。

3D打印连续纤维复合材料工艺、结构优化研究进展

连续纤维增强复合材料由于优异的比强度、比刚度、可设计性和轻量化特质,日益受到航空航天等高端装备制造领域的青睐.3D打印技术的发展改变了连续纤维复合材料结构的生产制造流程,使复杂结构的自由成型成为可能,为先进结构材料提供了巨大的设计空间.为充分发挥先进材料性能优势和3D打印成型灵活性,研究人员分别从材料性能和结构设计出发,探索与3D打印连续纤维复合材料相适应的设计制造一体化解决方案,实现产品创新设计和性能提升.本文系统性地回顾了面向连续纤维复合材料性能分析、工艺改进和结构优化的研究工作,结合研究实践对连续纤维复合材料的结构多尺度优化方法进行总结分析,并对未来先进材料结构设计实时化、功能化、智能化的发展趋势进行探讨和展望.

原油直接催化裂解UPC工艺过程模拟与反应参数多目标优化

原油直接催化裂解技术可以实现从原油到三烯(乙烯、丙烯、丁烯)、三苯(苯、甲苯、二甲苯)的一步跨越,对我国炼化行业的转型升级具有重要意义。以全馏分石蜡基中原原油(159~780℃)为原料,采用混合馏分结构与分子组成集总建模策略,对原油直接催化裂解制烯烃(UPC)反应过程进行建模与工艺参数校准,并基于工业试验数据验证了其准确性。以多产烯烃、控制焦炭生成为目的,利用NSGA-Ⅲ多目标优化算法对模型进行了优化,得到优化后的操作参数。采用优化后的操作参数,即在第一段预热闪蒸温度为194.32℃、第二段预热闪蒸温度为228.16℃、第一段提升管反应器出口温度为615.73℃、第二段提升管反应器出口温度为622.59℃的条件下,UPC工艺得到的乙烯和丙烯收率之和为53.367%,焦炭收率为8.311%。此外,由于现行税费体系燃料型工艺路线税收贡献明显高于化工型工艺路线,UPC工艺参数优化后,烯烃收率大幅度提升,燃料油收率大幅度下降,原油生产总值降低44.30元t。

“多材料”+“多工艺”协同天府特色的设计课程实践与探索

为适应新的经济结构带来新的人才需求,解决产品设计专业重艺轻技的现象。课程在教学中融入四川传统工艺实践,以“多材料”“多工艺”、在实践中学习、知识迁徙等途径,培养学生立足实践、融会贯通的设计思维。在多元化的项目实践中,学生较好地掌握了综合材料的成型方法、装饰技法和工艺技巧,并在反复实践、再实践中体悟工艺的“程式”法则和匠心文化。本次教学改革为寻找地方传统工艺与现代设计教育的衔接方式,彰显设计教育的地域特征提供了一些教学设想和研究案例。

品质导向的粮油食品精准加工分子基础与调控

粮油是国家最重要的战略物资,粮油食品产业在国民经济中起着基础作用,深度关系着国计民生和国民健康。粮食和油料中营养组分丰富及其多尺度结构复杂,且加工方式多变,进而影响粮油食品的感官、安全特性和消化吸收、营养健康效应。本文通过系统梳理粮油食品发展现状及产业战略意义,品质导向的粮油食品加工与制造发展现状及面临的挑战,提出从粮油食品的加工过程控制,营养组分多尺度结构变化与结构重构,多维度品质特性调控3个角度,系统解析基于品质导向的粮油食品精准加工的结构基础与调控机制,重点探讨粮油食品中主要营养组分的加工适应性、互作机制,粮油食品加工对感官品质、健康品质和安全品质等品质特性的影响,多维品质与加工过程构效关系与关联调控机制等制约粮油食品未来发展的研究方向,以期建立品质导向的粮油食品精准加工的理论基础、技术方法和新型绿色加工策略,为创制感官、安全和健康品质协同提升的营养健康粮油食品提供理论支撑,推动我国粮油食品加工产业的高质量发展。

融合设备状态和产品要求的电解铜箔制造工艺参数优化

针对当前电解铜箔制造工艺参数的优化仅考虑产品要求的问题,提出了一种融合设备状态和产品要求的电解铜箔制造工艺参数优化方法。首先,为辨识铜箔制造中工艺、设备与产品参数之间的非线性关系,建立了基于神经网络的“工艺-设备”与产品参数的映射模型,并通过构建当前生产模式与历史生产模式的相似性度量方法,确定当前工艺参数的优化初始点;然后,基于所建立的映射模型、设备状态和产品要求构建多目标约束函数,并利用遗传算法优化工艺参数,获得同时满足设备状态和产品要求的最佳工艺参数。企业的生产验证表明:相较于仅考虑产品要求的工艺优化方法,所提方法优化后的工艺参数能在相同的设备状态下获得质量更好的产品,在常温/高温抗拉强度、常温/高温延伸率和树脂剥离强度这5项关键指标上,分别提升了6.1 MPa、6.1 MPa、1.9%、0.7%和0.22 N/mm,生箔制备和表面处理的生产效率也提高了2.65%和7.5%,能够有效保证并提高铜箔的质量和生产效益。

苹果酵素混菌发酵工艺优化

该研究以费比恩塞伯林德纳氏酵母(Cyberlindnera fabianii)、酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)、戊糖乳植物杆菌(Lactiplantibacillus pentosus)、肠膜明串珠菌(Leuconostoc mesenteroides)为发酵菌种制备苹果酵素,研究不同菌种组合发酵对苹果酵素可溶性固形物、pH、总酸、还原力、超氧化歧化酶(SOD)活性和感官评分的影响,并采用单因素和响应面试验对苹果酵素酵母菌发酵阶段和乳酸菌发酵阶段的工艺进行优化。结果表明,多菌种发酵苹果酵素酵母菌发酵阶段最佳工艺条件为费比恩塞伯林德纳氏酵母∶酿酒酵母1∶0.2,接种量3.3%,发酵温度23℃,初始pH4.7,乳酸菌发酵阶段最佳工艺条件为戊糖乳植物杆菌∶肠膜明串珠菌1∶1,接种量5.2%,发酵温度33℃,初始pH 5.1,在此优化条件下,多菌种发酵苹果酵素的感官评分为9.82,SOD活性为55.83 U/m L、总酸含量为4.96 g/L、还原力为6.83、可溶性固形物含量3.14°Bx、p H为2.96。该研究为苹果酵素产品工业化产生提供了理论依据。

多功能一趟管联作高效修井技术研究与应用

为缩短作业占时,提高修井效率,控减劳务费用,实现降本增效,提出“一趟管修井”优化设计方法,研发“不动管联作”系列技术,建立“多工序集成”作业提速新模式。通过优化整合一趟管联作管柱设计,创新研发多功能组合工具串,形成了射孔下泵联作、冲洗下泵联作、压裂下泵联作、丢手下泵联作、修井一趟管联作等五大类共十项联作技术。实现了只利用一趟管柱即可完成传统技术上需要起下三趟管柱作业工序的工作量,在达到同样作业目的前提下,还解决了带压起下管过程井口冒喷污染、井控风险高等技术问题。联作技术已在江汉油区累计推广152井次,累计减少起下换管74.4×10^(4) m,单井平均缩短作业占时26 h,降低修井费用￥3.5万元,提高修井效率约30%。

数模联动的多特征工件加工能耗预测方法研究

在实际切削加工过程中材料去除率是不断变化的,现有将其视为恒量的能耗建模方法难以实现能耗准确预测。为了提高切削过程能耗预测精度,提出了一种基于材料去除率的数模联动加工能耗预测方法。首先,基于切削过程刀具与工件的接触关系分析了切入、完全切入和切出阶段材料去除率变化规律,并对相应的加工能耗特性进行了分析;其次,提出了数据驱动的刀具切入,切出阶段加工能耗预测方法,以及模型驱动的完全切入阶段加工能耗预测方法,实现加工过程能耗准确预测;最后,利用实验案例验证了所提模型及方法的有效性,为今后研究能耗预测精度奠定了基础。

基于藤蔓树降维剪枝的多部件系统剩余寿命预测

随着多部件系统日益复杂化和智能化,系统中多个部件间协同工作,其退化的相互影响往往不可忽略。因此,在考虑多部件系统部件间相互影响的基础上,提出了一种构造藤蔓树降维剪枝二元Copula函数来对高维变量间相关结构进行建模的剩余寿命预测方法。首先通过Lévy过程来建模多部件系统的退化模型,利用Akaike信息准则进行Copula函数的最优遴选。其次通过Copula函数来表征高维多变量下两两部件间的双向随机相关性,采用藤蔓树降维剪枝的方法来对高维变量间相关结构进行降维,并进行多部件系统部件的实时剩余寿命预测建模;接着考虑单个部件异质性的影响下,利用贝叶斯参数估计和极大似然估计结合的方法来实现对随机模型以及随机超参数的动态更新。最后通过商用模块化航空推进系统仿真涡轮发动机模型来验证所提出模型的合理性和有效性。

农田环境下无人机图像并行拼接识别算法

为改善在农田环境下无人机图像计算速度和效率,该研究提出了一种农田环境下无人机图像并行拼接识别算法。利用倒二叉树并行拼接识别算法,通过提取图像拼接中的变换矩阵,实现拼接识别同时进行。根据边缘设备的CPU核心数和图像数量自动将图像拼接识别任务划分为多个子进程,并分配到不同核心上执行,以提高在农田环境下的计算效率。试验结果表明:相同试验环境和数据集条件下,倒二叉树并行拼接算法的拼接耗时相较于其他算法平均减少了60%~90%左右;在农田环境下,倒二叉树并行拼接识别相较于串行拼接识别的耗时减少了70%,图像识别的平均像素交并比提升了10.17个百分点,说明在农田环境下采用多线程倒二叉树并行算法可以更好地利用农田环境下边缘设备的计算资源,大幅提升无人机图像的拼接和识别的速度,为无人机的快速实时监测提供技术支撑。

基于AMP架构的青霉素结晶与发酵检测系统设计

目前,在青霉素工业生产中,人工检测是青霉素结晶状态以及发酵液高度检测的主要方式,这种方式成本高、自动化水平低且易造成误判,对青霉素产量和品质有很大影响。针对此种情况,文中设计了一种基于AMP架构的青霉素结晶状态与发酵液高度检测系统。该系统以ZYNQ-7000作为可重构嵌入式平台。在PL部分,利用Vivado HLS工具实现结晶状态、发酵液高度检测的图像预处理算法IP核设计,并搭建出视觉传感系统的硬件平台。在PS部分,系统采用双核AMP(非对称多处理)运行模式,完成结晶状态检测、发酵液高度检测算法处理与以太网视频传输、图像存储功能的并行处理。实验结果表明:该系统支持2种检测模式的切换,可实现对工业生产中青霉素结晶状态与发酵液高度的精确检测与视频数据的实时传输。

多楔带轮旋压工艺参数优化研究

针对多楔带轮旋压过程中成形质量较差和旋轮寿命较低的问题,以东安513型发动机多楔带轮为研究对象,基于Deform平台对冷轧钢板08Al多楔带轮成形过程进行数值仿真,通过筛选旋压工艺参数,确定设计变量,并分析主轴转速、旋轮进给速度和旋轮半径对毛坯等效应力、旋轮成形载荷的影响;基于Design-Expert软件对旋压过程的各设计变量以多目标遗传优化算法进行优化设计,并通过试验验证了有限元仿真的可靠性。经过优化后,成形后的带轮等效应力减少了39 MPa,旋轮所受成形载荷减小了10.64%。