空间操作任务的分布式仿真系统

针对非合作目标抓捕、在轨维护、空间装配等复杂空间操作任务的地面验证需求,构建一套分布式仿真系统,主要由后台仿真模型、前端视景演示系统和前端主控制器组成。为实现不同建模工具或编程语言之间的多学科模型耦合与交互,引入FMI(functional mock-up interface)标准进行系统集成,提高了系统的模块化程度、通用性与可移植性。为充分利用计算资源、提高仿真效率,分布式部署仿真子系统与模块,利用DDS(data distribution service)通信机制实现高效、可靠的数据交互。双臂空间机器人抓捕非合作目标的演示案例表明,该仿真系统能够高保真模拟从远距离导引到近距离操作的全过程,满足实时仿真的要求。

基于铁路需求侧温度响应的供热系统节能运行策略研究

目的为了解决铁路站区供热系统供热量与各功能建筑需求热量不平衡而导致的能源严重浪费问题,方法提出铁路站区供热系统热源侧与建筑物联动调节的时空差异化运行策略,以响应站区内各建筑室内温度变化需求。首先,分析常规热源侧和建筑物侧运行调节策略,在此基础上研究时空差异化运行策略;其次,以大同某铁路站区供热系统为例,利用Simulink建立供热系统仿真模型;最后,在验证模型有较高准确性的基础上,对比分析3种不同运行策略下系统室内温度动态响应和能耗。结果与热源气候补偿质调节和建筑量调节运行策略相比,热源侧与建筑物联动调节的时空差异化运行策略不仅实现了不同建筑分时分温供热的需求,还有效减小了正常供热时间段和低温供热时间段室内温度波动幅度,提高了室内热舒适性。同时与系统无运行调节相比,热源质调节运行策略节能率为20.7%,建筑物量调节运行策略节能率仅为17.5%,时空差异化运行策略节能率达38.5%。结论本文提出的热源侧与建筑物联动调节的时空差异化运行策略能够满足铁路站区内不同功能建筑的室内变温需求,减小室内温度波动幅度,具有良好的节能效果。

东安湖体育公园景观照明系统低碳营造

以东安湖体育公园火炬塔为核心,通过三维光域环境建模、计算及优化分析,实现光影在文化、空间、时间维度上的设计融合;基于光影的自然表达及光源的低碳高效利用需求,通过外装饰材料的优选及高精度安装技术,达到外装饰面的光影被动保障要求;研发主动式节能造景照明系列设备及安装技术,通过主被动有机协同、多维场景智慧融合感知,降低景观照明耗电量,实现低碳光影效果。

动态溢出奖惩机制下有限空间作业人员不安全行为博弈研究

为有效约束有限空间作业人员不安全行为,从有限理性角度出发,构建有限空间作业人员和管理人员的演化博弈模型,探究不同奖惩机制下的主体策略演化过程,在此基础上通过数值仿真分析不同参数变化对系统演化轨迹的影响。研究发现,管理人员采取溢出效应奖惩机制时,不存在稳定策略组合,采用动态奖惩机制可以实现演化稳定状态,动态溢出奖惩机制的管理效果优于动态奖惩机制;管理人员和作业人员的安全行为与安全投入成本呈负相关关系,与奖惩上限值和政府惩罚值呈正相关关系。研究结果从降低安全管理投入成本、完善安全管理奖惩机制、加强第三方监管3个方面为有限空间作业安全管理提出了建议与措施。

变分数阶粘弹波动方程最小二乘快速解法

由于分数阶粘弹波动方程存在变分数阶拉普拉斯算子,其数值求解需要对不同品质因子的空间任意点均进行全域的正反傅里叶变换,因而计算量巨大,难以满足实际生产需求。通过引入最小二乘理论,构建变分数阶空间波数混合域算子与波数域算子间的逼近关系,将空间波数混合域变分数阶算子分解为波数域常分数阶算子与空间域算子的形式,有效避免直接求取空间波数混合域算子时计算量大的问题,从而构建变分数阶粘弹波动方程的常分数阶求解形式,实现变分数阶粘弹波动方程快速求解。数值模拟计算结果表明,在品质因子非均值的情况下,该方法的计算精度优于平均品质因子模拟方法,计算量小于分块模拟方法,且提速比随着地下品质因子复杂度的提高而更加明显,在保证精度的前提下可大幅提高粘弹波场模拟效率,有利于后续相应高效粘弹成像算法的开发。

空间目标多光谱成像仿真

空间目标成像仿真在空间操作、空间探测等领域具有重要意义,利用开源软件进行光学成像仿真可以有效的缩短开发周期。法利用基于物理的渲染系统PBRT,在引入材质光谱特性和光学相机光谱响应特性的基础上,通过修改从光谱到输出的转换方式和辐亮度值的存储方式,实现多光谱成像仿真并提升仿真效率。构建了以近地卫星为观测目标的成像场景,分别采用CIE标准色度系统和高分二号相机参数,开展了成像仿真,获得了彩色和多光谱仿真图像,以及全色仿真图像序列,能够为面向空间操作的各类图像处理算法研究提供模拟图像源。

基于仿真建模的单跑道机场五边间距优化研究

单跑道机场五边间距优化可利用数学建模、软件模拟仿真和模拟机验证的方法,对航空器飞行参数、气象条件、管制指挥等影响机场运行效果的因素进行模拟仿真建模分析,在保证管制员工作负荷保持不变或降低的情况下,得出符合航空器安全高效运行的最优间隔,以达到提升机场运行效率和管制指挥效率的目的。

基于虚拟现实的太空操作仿真技术研究

为了降低现有地面设备在训练航天员操作效果方面与实际太空操作的较大差异性,提出一种新的训练手段-基于虚拟现实的太空操作仿真,分析其意义、研究内容,讨论实现方法,给出虚拟现实实现系统原理和仿真流程图并作简单分析,构建太空操作仿真的原型系统和试验基础平台。最后通过实例验证该系统及其仿真方法的有效性和实用性。

基于要素参量化的作战仿真想定空间生成方法

作战仿真想定空间主要为仿真系统的运行提供初始数据,仿真想定空间对军事问题的描述是否客观、可信和全面,将影响最终的仿真结果。主要探讨了通过作战环境、作战任务、兵力编组、引导方式及武器装备性能的参量化,以快速生成应用于解析性仿真系统的想定空间。

垂直地埋管夏季非连续运行传热相干性数值模拟与研究

通过分析地埋管换热器的传热特性,建立了地源热泵地埋管换热器数学物理模型,利用FLUENT软件对换热器的传热相干性进行了数值模拟,在此基础上,通过对地埋管换热器传热性能实测与夏季非连续运行工况的模拟结果比较,得到不同埋管间距周围的土壤温度沿径向的变化规律及地埋管传热相干性的影响规律。

带缆遥控潜水器空间运动仿真

本文建立了带缆遥控潜水器（TROV）的空间非线性数学模型，耦合求解了在脐带非线性缆力作用下的潜器运动方程，改变了传统的准静态附加缆力计算方法。动态缆力的模拟结果与实验吻合良好。还进行了多种典型运动的模拟计算，讨论了作业宽度、系缆点位置和水面激励等因素对系统性能的影响。

VTI介质频率-空间域准P波正演模拟

本文从VTI介质弹性波波动方程出发,借助VTI介质弹性参数和Thomsen参数,结合Kelvin-Christoffel方程,推导了VTI介质中准P波波动方程,并对VTI介质准P波进行了正演模拟。在正演模拟中,为了克服常规差分算子的数值频散,采用了25点优化差分算子;再依据最优化理论求取的优化系数建立了频率-空间域中准P波波动方程的差分格式;为了消除人为边界反射,根据特征分析方法并利用Kelvin-Christoffel方程,构建了VTI介质中准P波方程在不同边界和角点处的边界条件;再由准P波波动方程和边界条件,通过频率-空间域有限差分法,对准P波在均匀VTI介质、层状VTI介质和凹陷模型中的传播过程进行了数值正演模拟。通过正演模拟,得到了单频波波场、时间切片和共炮点记录,为研究地震成像及反演等提供了依据。

直流输电线路绕击耐雷性能及防护措施试验分析

为论证直流输电线路工作电压对其绕击耐雷性能的影响,并评估在避雷线上安装水平侧针和减小保护角两种防护措施的防护性能,针对±500kV直流输电线路G4—40型杆塔开展了1:40的雷电绕击模拟试验研究。试验结果表明:在极导线施加正极性直流工作电压后,模拟输电线路的绕击空间明显增大,直流工作电压增强了迎面流注的起始能力是造成该绕击空间增大的主要原因;于避雷线上安装水平侧针可降低绕击导线的概率,但其单针沿档距方向保护范围有限;减小线路保护角可于全档距内降低绕击概率,其效果优于水平侧针。

空间机器人一体化仿真系统的研究与实现

为对空间机器人关键算法进行验证和评估,开发了一套一体化仿真系统。该系统基于模块化设计思想,由遥测遥控接口、轨迹规划与控制、系统动力学模型、系统3D几何模型、相机成像模型、图像处理与位姿测量、碰撞检测与安全预警等模块组成。其中,3D实体模型及仿真场景由OSG(Open Scene Graph)建立,各关键模块的算法采用C语言编程实现,可对空间机器人执行在轨任务的关键算法进行闭环验证。最后对两种典型工况进行了仿真实验,结果表明了该系统的有效性。

内窥镜操作机器人结构设计及运动学仿真

机器人应用于腹腔、胸腔等外科手术中,可以提高手术质量,降低医生劳动强度,减少病人痛苦。设计了一种辅助微创外科手术机器人,在机械结构上采用模块化设计方法降低机器人结构的复杂度和缩短设计周期;采用了被动式手腕关节结构使机器人更加符合实际需求。运用几何与解析法相结合的方式求得了机器人运动学逆解,通过灵活工作空间分析表明,该机器人具有足够大的灵活空间以满足实际工作需求。最后通过ADAMS运动学仿真,证实该机器人可以很好地完成所规定的任务。

水下七功能电动机械手设计研究

以适用于水下自主作业的电动机械手为研究对象,通过设计一个具有六自由度和夹钳剪切功能机构,组建了一个水下自主作业七功能电动机械手。机械手主要包括三个基本运动模块和一个夹钳剪切模块,具有质轻,作业范围大,回收状态良好等特点;机械手实现了内部走线,深海密封作业,关节绝对位置的检测和高精度控制。介绍了水下七功能电动机械手的整体结构,典型运动模块结构和工作原理,并对机械手进行运动学分析及作业空间分析,对其关键关节进行静力学分析,动力学仿真和有限元分析,验证机械手结构设计的可行性。

基于组件的空间任务仿真系统体系结构优化问题研究

为了优化系统的体系结构，使空间任务仿真系统（space operation simulation system，SOSS）适应军事需求和仿真环境的变化，提出了基于组件的SOSS体系结构概念模型，并采用可达矩阵定量描述。通过定义组件贡献度和组件依赖度的概念，定量选择需优化的结构，采用矩阵变换方法，实现SOSS构建中增加、删除和合并等组件操作的优化。

特征线算子分裂有限元的圆柱绕流大涡模拟

为研究圆柱绕流流场特性,将大涡模拟与特征线算子分裂有限元相结合,建立了大涡模拟特征线算子分裂有限元模型,对单圆柱和串列双圆柱绕流问题进行了数值模拟,所得结果与现有研究结果吻合较好。模拟结果表明:对单圆柱绕流,随着雷诺数的增大,圆柱近尾流区上下交替的涡旋逐渐靠近通过圆柱几何中心的水平线,且涡脱落位置逐渐靠近圆柱。对Re=1 000的串列双圆柱绕流,临界间距在圆柱直径的2.25~2.5倍之间;当两圆柱间距小于临界间距时,上游圆柱后方无明显涡旋脱落,间隙处压力较稳定;大于临界间距时,有涡旋脱落,上游圆柱尾流区上下表面交替出现强负压区。

复杂系统基于Agent的建模与仿真设计模式及软件框架

提出了一种基于Agent的建模与仿真设计模式———ABMS设计模式,阐述了ABMS设计模式的主要内容。该模式的提出有利于在建模与仿真领域以及软件开发界之间建立关于ABMS的对话联系与交流。然后设计了一种包含仿真服务模型ServerAgent和仿真模型结构SimAgent的ABMS分布仿真框架,该框架将最大限度实现仿真重用,并将支持大规模的基于A gent的复杂系统的仿真,包括军事对抗以及天战系统的仿真。该框架部分借鉴了HLA的思想,其中的ServerAgent提供底层的通用仿真服务。

办公建筑空调随机使用行为模拟方法及案例应用

根据循证设计的理论,对案例建筑中不同行为主体的空调使用行为进行实测调研并分析,总结出不同运行阶段的典型空调运行模式,利用蒙特卡洛方法对全年空调运行序列进行模拟,并以年平均空调开启时长作为校核参数,对比不同类型房间在供冷和供热工况下的实测结果与模拟结果,模拟结果误差水平不高于5.5%,验证了全年空调运行序列生成方法的合理性和实用性.将模拟所得空调全年运行序列用于建筑能耗模拟的过程中,有助于建立基于实际建筑运行特征的建筑节能和室内热环境优化方法.