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  • 2022年, 43卷, 第3期
    刊出日期：2022-05-10
      
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    驾驶员预瞄时间与公路弯道半径的耦合特征
    王宪彬， 韩红， 施树明
    2022, 43(3): 249-255. https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-7775.2022.03.001
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    为了研究驾驶员预瞄时间与公路弯道半径耦合特征对汽车操纵稳定性的影响，建立了人-车-路系统动力学模型，通过基于实际道路数据的仿真试验，分析了驾驶员预瞄时间和弯道半径对汽车动力学特征和路径跟踪情况的影响，验证了模型的正确性.利用相轨迹变化、轮胎侧向力、汽车行驶轨迹偏差、车身姿态变化、汽车状态变量（纵向速度、侧向速度、横摆角速度）参数，分析了驾驶员预瞄时间和公路弯道半径的耦合特征对汽车操纵稳定性的影响.结果表明：驾驶员预瞄时间与公路弯道半径存在显著的耦合特征，当汽车的纵向速度、道路横坡度相同时，随着驾驶员的预瞄时间缩短，汽车安全运行所需的弯道最小半径增大.
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    基于RMPC的商用车车道保持跟踪控制
    唐斌， 尹玥， 江浩斌， 林子晏， 花逸峰， 谢军
    2022, 43(3): 256-262. https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-7775.2022.03.002
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    车道保持系统（lane keeping system，LKS）有助于提高商用车的行驶安全性，为保证控制系统的鲁棒性，减小由于简化模型过程引起的模型不确定性，采用基于线性矩阵不等式（linear matrix inequality，LMI）的鲁棒模型预测控制算法进行商用车车道保持跟踪控制.建立了三自由度车辆动力学模型，并进行线性化和离散化处理.基于车辆离散动力学模型以路径偏差和控制增量为目标函数设计了模型预测控制器.利用LMI将模型预测控制问题转化为minmax优化问题，通过在线动态优化，快速消除路径偏差，使车辆跟踪车道中心线.通过Trucksim/Simulink联合仿真验证了该算法的有效性.结果表明，基于鲁棒模型预测控制（robust model predictive control，RMPC）算法的车道保持控制系统可提高商用车的车道跟踪精度及行驶稳定性.
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    液压缸非线性刚度约束下的换能器振动特性及控制
    郭炎， 何仁， 陶伟
    2022, 43(3): 263-269. https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-7775.2022.03.003
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    根据静液式减速带振动能量回收装置的能量收集需求，提出了一种基于液压缸的换能器.对换能器液压缸的非线性刚度特性进行了分析，并得到换能器液压缸等效刚度与活塞位置之间的变化曲线.针对动态特性影响下的换能器的振动问题，建立了一种液压缸非线性刚度约束下的换能器振动模型，并采用平均法求得系统的幅频响应，分析了换能器液压缸非线性刚度、液压缸无杆腔活塞初始位移、换能器系统所受到的外激励幅值对换能器液压缸系统幅频特性的影响.同时，基于李雅普诺夫判别法对换能器系统进行反馈控制研究，分析了控制前后振动速度与位移的关系.结果表明：该反馈控制器是有效的，反馈控制的加入可以减少剧烈振动现象的发生，提高了系统的稳定性.
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    基于车载排放测试驾驶行为对轻型汽油车排放的影响
    于谦， 肖雄， 杨鸣鹏， 刘海海
    2022, 43(3): 270-276. https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-7775.2022.03.004
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    为了量化驾驶行为多维度特性及对应路段排放特征，基于车载排放测试系统，采集了实时排放数据及对应微观驾驶行为数据，分析了驾驶行为及轻型汽油车排放之间的关联关系.将驾驶片段划分为生态驾驶和非生态驾驶2种类别，在此基础上分别建立基于逻辑回归、朴素贝叶斯、神经网络、支持向量机和决策树的5种生态驾驶行为辨别模型.研究结果表明：当道路交通趋于饱和状态或者强制状态时，驾驶员驾驶行为及车辆运行状态会发生显著变化，车辆运行状态的改变导致排放因子在饱和流和强制流时有显著增加；除了驾驶操作强度外，驾驶模式转移频度及驾驶状态持续长度都会对污染物排放产生不同程度的影响；基于决策树建立的模型准确率较高，可以达到94.00%.
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    变风量空调末端单元中均速管流量计的布设方法及优化
    王迎慧, 宋春光, 陈顺龙, 王勇
    2022, 43(3): 277-281. https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-7775.2022.03.005
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    为提升变风量空调末端单元风量调控的有效性，针对末端单元的气流入口至后部风道的空气流场进行数值模拟，结合风道不同截面上的速度分布，提出基于均速管流量计的测量值与理论值平均相对误差最小的判据.比较100~300 m3·h-1的风量下（不同风阀开度），风道截面上速度分布曲线与理论值的交点数目及位置，得出流量计的安装位置与测孔尺寸.结果表明：均速管流量计位于风道的X=306 mm（沿程方向）、Y=210 mm（高度方向）处截面上，测孔坐标依次为Z=116、188、264、330 mm的布设方案，其风速测量值与理论值的一致性较好，最小相对误差仅为225%（50%的风阀开度），最大相对误差为9.04%（30%的风阀开度）.
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    玉米收获机脱粒装置虚拟样机设计与试验
    李妍颖， 刘孟楠， 徐立友， 周晓亮
    2022, 43(3): 282-288. https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-7775.2022.03.006
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     针对传统玉米收获机脱粒装置设计中试验复杂、研发周期长等问题，以及更好地评价其动力学特性，提出一种基于虚拟样机技术的玉米收获机脱粒装置设计方法.对脱粒装置进行方案设计，确定脱粒滚筒、传动元件等关键部件的相关参数；基于SolidWorks和ADAMS平台创建脱粒装置的虚拟样机模型，根据实际工况添加驱动和负载函数进行仿真分析，结果表明，负载力和力矩的冲击对输入端带轮转速影响小，输出端脱粒滚筒转速响应较快，系统稳定性好，传动效率高，动平衡满足标准要求；通过试验验证了虚拟样机的正确性，可为玉米收获机脱粒装置数字化设计与优化提供参考.
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    基于分段垂直投影的水田秧苗列中心线提取
    陈俞松， 耿长兴， 王永， 朱国锋
    2022, 43(3): 289-295. https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-7775.2022.03.007
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    为提取水田秧苗列中心线，提出了基于分段垂直投影的中心线提取方法.将彩色图像进行预处理后得到的二值图像在纵向方向分为上、中、下3段，从下段图像开始采用垂直投影法确定该段中各作物列左右边缘；在图像下段的每对左右边缘之间提取特征点并拟合临时直线，用每条直线和本段图像顶部的交点位置来确定中段中属于同一秧苗列的左右边缘点，再根据左右边缘点提取中段图像的特征点，在上段图像中以此类推，将所有特征点按不同秧苗列归入不同的点集；最后分别将每个点集中的特征点使用最小二乘法进行直线拟合.试验结果表明，该方法在分辨率为1 280×1 024像素的图像中提取离横向中心最近的3列秧苗中心线的准确率为9450%，平均每幅耗时208 ms.
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    基于作物行特征的小型农业AGV导航基准线提取方法
    刘浩， 宫金良， 张彦斐
    2022, 43(3): 296-301. https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-7775.2022.03.008
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     针对基于视觉导航的农业机器人在导航基准线提取过程中易受杂草、缺苗干扰的问题，提出一种在玉米3~5叶期大田环境下快速、准确提取玉米行中心线作为小型农业AGV导航基准线的方法.采用超绿色灰度法以及Otsu法实现作物信息的实时获取；利用条形框模拟作物行长度、像素、走向特点，实现作物行位置初步定位，通过梯形模拟作物行在图像中呈现的上窄下宽的形状特征，实现作物行位置的最终定位；利用Hough变换统计特性实现作物行直线检测，并将当前帧导航基准线与上一帧导航基准线做夹角偏差对比（第一帧图像不做对比），偏差超出一定范围则继承上一帧导航基准线.试验数据表明，处理一帧640×480像素的图像平均耗时78 ms，导航基准线的提取准确率在94%左右.
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    一种基于多区域信息融合约束的改进帧间差分目标检测与跟踪算法
    宫金良， 陈涛， 张彦斐， 兰玉彬
    2022, 43(3): 302-309. https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-7775.2022.03.009
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    针对帧间差分法在目标细节识别上较为粗糙的缺点，提出一种优化改进的目标检测与跟踪算法，构建两次区域限定与Kalman滤波算法融合的检测方法.首先通过提出的网格划分算法来获得动态感兴趣区域，仅在此道路的显著性范围内进行车道线区域的识别；然后依据车道线区域信息与建立的道路区域掩模作为帧间差分的评价指标，提高算法的处理精度，并使用扩展的Otsu算法，使用自适应动态阈值解决了帧间差分目标提取性能的有效性问题；最后基于检测的目标形心坐标作为观测量，通过Kalman滤波跟踪预测目标的行驶轨迹.采用Halcon视觉软件平台，对所提出算法性能进行试验验证.结果表明，所提出算法平均处理时间为32.132 ms，能够满足实时性需求，且车道线检测的平均准确率达95%以上.此算法能够迅速、准确地提取车道线区域，且对目标位置具有较高的可预测性.
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    基于图嵌入和区域注意力的多标签文本分类
    王进， 徐巍， 丁一， 孙开伟， 王利蕾
    2022, 43(3): 310-318. https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-7775.2022.03.010
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     针对传统多标签文本分类模型未考虑标签之间以及标签与文本各个部分之间的相关性、低频标签预测效果不佳的问题，使用图嵌入和区域注意力技术来挖掘标签之间以及标签和文本之间的关系，提出了编码器图嵌入和区域注意力机制解码器模型来处理多标签分类任务.采用BiLSTM作为编码器，使用图嵌入技术生成标签嵌入矩阵；利用区域注意力机制结合单词级别与区域级别的信息，使得模型在预测每个标签时考虑文本不同部分的信息，挖掘了文本与标签之间的潜在关联；使用循环神经网络和多层感知机作为解码器结合随机策略梯度算法，减少训练损失，改善多标签分类效果.在AAPD和RCV1V2多标签文本分类数据集上进行试验，根据数据集特征设置相关参数，以microF1和Hamming Loss作为评价指标，对比所提出模型与LP、卷积神经网络等9个经典模型.结果表明，所提出模型能够根据高频标签预测出低频标签，在2个数据集上的microF1和Hamming Loss均优于经典模型.
     
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    考虑需求价格弹性的CS-SVM短期负荷预测方法
    苏娟, 方舒， 邢广进, 杜松怀, 单葆国
    2022, 43(3): 319-324. https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-7775.2022.03.011
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     针对电力市场中电力需求受多元扰动因素影响、需求价格弹性变化增大的问题，为获取更准确、更综合的电力负荷预测值，提出一种考虑需求价格弹性的CSSVM短期负荷预测方法.采用Pearson相关系数法分析负荷自相关性以及负荷与历史温度、湿度、电价、负荷差和电价差之间的相关性.基于需求价格弹性定义，建立了需求价格弹性模型，来反映电力市场交易对负荷的影响.利用布谷鸟搜索算法优化支持向量机的参数，建立了考虑需求价格弹性的CS-SVM短期负荷预测模型.以美国PJM电力市场哈特福德州的实际数据为例进行预测，并与对比模型进行预测结果误差对比分析.结果表明，所提出模型的平均相对百分比误差为13.43%，且相比于不引入需求价格弹性时的模型预测精度提高了5.31%.
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    混合微电网的功率分配策略及PI参数整定
    任鹏， 李春兰， 王长云， 王晓暄， 王静
    2022, 43(3): 325-331. https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-7775.2022.03.012
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     针对混合微电网中功率分配策略复杂及PI控制器参数整定困难的问题，提出一种基于混合储能荷电状态的功率协调分配策略及PI参数整定方法.该策略以超级电容荷电状态和蓄电池参考功率为控制目标，进行网内波动功率协调分配，根据分配功率获得相应的电流参考值；依据工业控制理想相角裕度利用Siso反馈技术自动寻优设计PI控制器，调节实际值与参考值的偏差.基于混合微电网拓扑结构，确定了基于超级电容荷电状态的功率协调分配策略；在此基础上构建相关的混合微电网功率分配及充放电控制框图，采用Siso反馈技术整定PI控制器参数.在MATLAB/Simulink仿真平台搭建风光储混合微电网模型进行仿真，分析了系统各模块动态响应，对比了功率分配策略.结果表明：所提出的控制策略可对波动功率有效分配、平滑蓄电池瞬时输出、减少充放电切换次数，在保证直流母线电压波动值≤5%的同时缩短了动态恢复时间.
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    螺杆泵转子表面HVOF喷涂WC涂层的耐磨抗蚀性能
    郭华锋， 朱聪聪， 赵恩兰， 于萍， 刘磊， 李龙海， 杨海峰
    2022, 43(3): 332-340. https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-7775.2022.03.013
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     采用超音速火焰喷涂（HVOF）技术，在螺杆泵转子基材45钢表面分别制备WC12Co和WC10Co4Cr涂层，并利用SEM、EDS、XRD及显微硬度计等手段，表征了涂层的微观形貌、孔隙率、相结构和维氏硬度.在摩擦磨损试验和电化学试验基础上，探讨了涂层磨损和腐蚀机理.研究结果表明：WC12Co涂层和WC10Co4Cr涂层组织结构致密，孔隙率分别为058%和048%，平均维氏硬度分别为1 38587 HV03和1 26862 HV03，磨损量分别为基体的195%和218%，WC12Co涂层耐磨性最优；两种涂层磨损机制均为轻微的磨粒磨损，而基体以磨粒磨损为主，黏着磨损为辅；WC12Co和WC10Co4Cr涂层的腐蚀电流密度分别为基体的211%和128%；WC10Co4Cr涂层电荷转移电阻最大，可见Cr氧化物所形成的钝化膜使WC10Co4Cr涂层的抗腐蚀性最佳；两种涂层均在WC与金属黏结相之间发生微电偶腐蚀，导致黏结相溶解和部分WC颗粒脱落，腐蚀产物起到保护涂层作用.
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    热注入法制备Ni3S4纳米棒及其电化学性能
    马骏， 吉内德， 苏冬云， 褚岩， 孟祥康
    2022, 43(3): 341-345. https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-7775.2022.03.014
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    针对采用涂敷法制备电极材料时，运行一段时间后会出现电极的比容量性能下降较快的问题，利用热注入的方法，合成电化学性能优异、尺寸约为100 nm的Ni3S4纳米棒.研究表明：制备小尺寸的纳米材料作为超级电容器的电极材料，有利于反应过程中电解液的快速渗透，能够进一步提高其电化学性能；制备的Ni3S4纳米棒正极材料可以在0~055 V的电压区间内稳定工作；在电流密度为1 A·g-1时，其比容量可达1 097 F·g-1，在电流密度为20 A·g-1时比容量仍可保持在740 F·g-1左右；在电流密度为10 A·g-1时，对Ni3S4纳米棒正极材料进行10 000次循环测试，正极材料的保持率可达到91%.
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    温度对RAP填料压缩及渗透特性的影响
    朱德胜， 刘凯旋， 殷杰， 张静玉， 汤勇
    2022, 43(3): 346-350. https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-7775.2022.03.015
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     针对废旧沥青路面通过再生形成再生沥青路面（recycled asphalt pavement，RAP）材料可作为路堤填料使用，且所含有的沥青成分使其具有温度敏感性和黏滞性的特点，开展不同温度下RAP材料的压缩试验和渗透试验，研究试验温度变化对其压缩和渗透特性的影响规律及作用机制.试验结果表明：在相同击实度下，试验温度高的试样压缩曲线位于温度低的下方，表明在较高温度下试样易于被压实；RAP试样的压缩模量随温度的增加逐渐减小，其压缩性逐渐升高；相同试验温度下，RAP试样在高击实度下的压缩性变化较小，对应的压缩模量变化也较小；RAP试样的渗透系数随试验温度的升高而逐渐增大，其渗透特性可类比于砾石填料.考虑到随着试验温度的升高，RAP材料的压缩性和渗透性相应升高，因此建议在夏季进行RAP填料的路堤施工，以获得较好的压缩特性和渗透特性.
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    橡胶砂剪切特性的细观数值模拟
    周恩全， 张蒋浩， 陆建飞
    2022, 43(3): 351-358. https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-7775.2022.03.016
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    为了研究橡胶砂剪切特性的细观机制，利用PFC3D离散元程序对橡胶砂的直剪试验进行数值模拟，分析了竖向正应力和橡胶掺量对橡胶砂剪切特性宏、细观力学行为的影响.结果表明，宏观层面上，区别于纯砂的应变软化特征，橡胶砂的应力与应变关系曲线表现出应变硬化特征，橡胶颗粒的加入显著改善了纯砂剪切强度特性，剪切强度随竖向正应力的增大而提高.细观层面上，橡胶颗粒的掺入提高了橡胶砂的配位数、强力链数和总力链数，形成了更加稳定的力链体系；竖向正应力为200 kPa时，相比于纯砂，掺入15%橡胶颗粒的橡胶砂配位数、强力链数和总力链数分别提高361%、253%和277%；相比纯砂，橡胶颗粒的掺入抑制了颗粒旋转，但对颗粒间法向接触力和切向接触力的分布和大小无显著影响.
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    基于压电波动法的混凝土梁裂缝深度与位置监测
    熊飞， 苏波， 王岗
    2022, 43(3): 359-365. https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-7775.2022.03.017
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    为了研究混凝土梁裂缝深度和裂缝位置对压电陶瓷驱动接收效果的影响, 首先采用ABAQUS软件，对不同激励源下健康混凝土梁模型的输出信号进行了模拟分析，以确定激励源最优频率，对压电片参数的形状、尺寸和厚度进行优化.然后对健康混凝土梁模型和存在不同深度、位置裂缝的有损伤混凝土梁模型的输出信号特征进行了模拟分析.最后开展了压电波动试验，对健康混凝土梁和有损伤混凝土梁进行了监测分析.研究结果表明：压电陶瓷输出信号强度和小波包能量随着裂缝深度的增加而逐渐减小；贯穿裂缝与发射端传感器距离越近，接收端传感器显示的信号愈强烈，而距离越远，信号衰减程度增大.
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    渗流条件下细粒土尾矿库稳定性与加固措施
    罗昌泰， 李栋伟， 吴霞
    2022, 43(3): 366-372. https://doi.org/10.3969/j.issn.1671-7775.2022.03.018
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    针对细粒土尾矿库在渗流条件下易发生溃坝，以新干县冷坑冲尾矿库为依托，利用BMP90位移反分析程序，获取尾矿库坝体边坡的等效弹性模量和侧压力系数.采用Midas GTS NX数值模拟软件，计算了坝体边坡的稳定性和洪水条件下浸润线对坝体稳定性的影响.通过现场监控量测，对各种排渗和加固效果进行了对比分析.研究结果表明：在现有地质条件下，坝体边坡的最小安全系数为1125 0，小于规范取值范围（13~15），需做加固处理；在渗流状态下，洪水期安全系数由正常水头下的1012 5降低至0938 2，表明浸润线的升高导致了坝体失稳；辐射井适用于细粒土尾矿库的排渗和加固，加固后有效降低了浸润线，安全系数提高至1323 4，符合安全要求.