基于ZigBee无线传输的果园机车防撞防倾翻预警系统

为了准确对果园机车碰撞倾翻进行预警,确保果园机车的安全行驶,该文设计了一套基于ZigBee无线传输方式的防撞防倾翻预报警系统。该系统以CC2530单片机为核心搭建ZigBee网络,终端节点连接超声波传感器模块和轮辐式压力传感器,通过网络将数据发给协调器,协调器通过RS232串口将数据传送至电脑,得到的数据与临界值进行比较后判断是否报警。无线数据传输准确性试验表明,当横向载荷转移率(lateral load transfer ratio,LTR)达到0.9时,报警装置实现报警,有效防止机车倾翻;超声波传感器能检测到2 m以内的障碍物,且测量值与真实值之间的误差不大于0.01 m,满足对避障的要求;压力传感器检测数据为0.03%F·S,符合压力传感器精度范围(±0.05%F·S),精度满足对果园机车车轮压力检测的要求。果园机车防撞防倾翻预警系统的实现,对于果园安全生产有着重大的意义。     

基于HSIC的日光温室温度传感器优化配置策略

在经济成本和管理便捷性约束下,为有效监测日光温室内非均匀分布的温度信息,需要对数量有限的传感器进行优化配置,从而降低配置冗余,并增强温度信息丰度。该研究以山东地区冬季日光温室为研究对象,开展了基于希尔伯特-施密特独立性准则（Hilbert-Schmidt Independence Criterion,HSIC）的传感器配置策略设计及验证工作。首先,在温室内均匀布置了22个温度传感器,采集了冬季寒冷时期28 d共7 880×22组数据,明确了温室温度场空间分布的不均匀性及多传感器配置的基本原则和方法。然后,利用HSIC准则分析了传感器之间的相对独立性,依据信息最大化原则提出了传感器配置优先级排序算法,并根据信息增益率及配置冗余度约束提出了传感器数量选择依据,从而建立了日光温室传感器优化配置策略。最后,策略验证结果表明：相比于22个传感器的温度数据,南北垂直方向上选择S6、S9、S3传感器时,平均温度的RMSE、MAPE和信息增益率分别为0.24 ℃、1.21%、6.70%;东西水平方向上选择H6、H5、H2传感器时,平均温度的RMSE、MAPE和信息增益率分别为0.33 ℃、0.70%、9.47%。上述2组传感器能够有效兼顾准确获取温度整体趋势信息和增强温度信息丰度的双重目标,试验结果证实了配置策略的有效性和可行性。所提的传感器优化配置策略可以为日光温室环境监测与调控提供理论参考和数据支持。     

不同工况下大型箱涵式泵装置压力脉动特性及振动特性

为了研究箱涵式泵装置无汽蚀、开敞出流和汽蚀条件下压力脉动特性和振动特性,在进水喇叭管和叶轮室进口壁面布置了4只压力脉动传感器和箱体顶部布置了2只振动传感器,对多个工况点压力脉动特性和振动特性进行了动态测量,揭示了轴流泵进水部分不同条件下的压力脉动规律和振动特性。试验结果表明,叶轮室进口压力脉动峰峰值较大,叶轮室监测点主频值均为叶片转频,进水喇叭管除低频脉动外主频主要分布在叶频和转频位置;各工况点叶轮室进口两测点压力脉动有较好的对称性,进水喇叭管南北两侧压力脉动不对称;叶轮室进口压力脉动峰峰值基本都是随着流量的增加而减小;汽蚀条件下和开敞式出流条件下与没有发生汽蚀时相比,频谱图对应性较好,频率分布大体规律基本能够吻合,主要频率对应的幅值比不发生汽蚀时略大,汽蚀条件下频谱分布更广;水平振动位移均在10μm以内,竖直振动位移较大,说明泵装置运行时竖直振动更为明显。振动位移的大小随着流量的增大而减小。汽蚀条件下振动位移较非汽蚀时增大2.4~8.6μm,其中流量越小竖直振动位移增加越大,因此,实际工程中应尽量避免在小流量工况汽蚀条件下运行。该文关于箱涵式泵装置进水部分压力脉动试验研究可为同类泵站优化设计提供参考。     

基于最大控制面积和最低费用的微灌小区管网优化

传统微灌田间管网优化设计需讨论系统允许水头差在毛管、支管间的分配和不同地形坡度下管道压力最大、最小值的位置,且对灌水小区最大控制面积缺乏准确地定量描述。为扩大灌水小区面积、简化管网系统并进一步降低管网建设和运行成本,该文为毛管单向和双向布置的微灌灌水小区建立基于最大控制面积和单位面积管网最低投资费用的目标函数,应用遗传算法进行优化求解,得到满足灌水均匀度压力约束条件的各目标函数的管道组合方式。该优化方法将灌水小区作为一个整体,依据系统内压差影响因素坡度(地形高差)和水力坡度(沿程、局部水头损失)直接获得各出水口的相对压力值,方法简便且能使结果趋于最优。经算例计算表明,若以控制面积最大为目标,毛管双向布置的单位面积费用可比毛管单向布置少23%~36%,同时前者控制面积扩大23%~24%;若以单位面积费用最低为目标,与毛管单向布置相比,毛管双向布置的单位面积费用节省7%~10%、控制面积扩大105%~200%。可见,2种布置模式中,毛管双向布置在单位面积经济性和控制面积最大化方面比单向布置优势更大。该研究对于微灌管网优化设计具有重要的理论价值和实践意义。     

基于底面压强的粮仓储量估测方法

准确快速地获得粮仓储粮的数量是保障国家仓储安全的关键问题。该文构建了基于压力传感器的粮仓数量在线检测的理论模型,揭示了粮仓储量与粮仓底面和侧面压强的理论关系;同时针对粮仓底面压强分布的不均匀性和随机性,提出了基于内外圈两圈布置的压力传感器布置模型和基于多项式展开的粮仓数量在线检测模型,并给出了具体的建模算法。实仓检测结果表明:所提出的粮仓储量在线检测模型检测误差低于2.5%,且检测系统成本低,可满足国家粮仓储量在线实时监测的实际需要。     

大型自然通风奶牛舍空气颗粒物浓度监测方法中测点数和位置优化

对奶牛舍颗粒物浓度和分布进行实时连续监测,是评估其环境风险和制定科学减排措施的前提。随着大型奶牛舍的快速发展,对尽可能少且科学地布置测点数量和位置并能够对舍内颗粒物浓度进行精准监测,提出了新的挑战。为探究测点优化布置方案,该研究基于物联网技术在大型自然通风奶牛舍内3个相邻饲养区域布置17个采样点,对总悬浮颗粒物（total suspended particle, TSP）和细颗粒物（PM_2.5）浓度进行了连续6个月监测,得到舍内浓度平均值（视为“真值”）;利用系统聚类和误差分析方法得到优化的测点方案,并将其颗粒物浓度结果与6种传统测点方案进行对比,以确定最优的测点数量和位置方案。结果表明,舍内3个饲养区域内颗粒物浓度分布均匀,PM_2.5浓度在不同采样高度上无统计差异（P>0.05）,而TSP浓度在屋顶通风口下方（9.0 m）明显低于1.5和2.5 m高度（P<0.05）。与真值相比,优化测点方案的TSP和PM_2.5浓度监测误差绝对值之和分别为6.4%～22.6%和4.7%～14.2%,均低于传统测点方案。综合考虑优化方案的科学性和传统方案的易操作性,确定最优测点方案为：在奶牛舍中央屋顶通风口下方1.0～2.0 m处布置1个测点,在奶牛卧床上方2.5 m高度布置2个测点,上述3个测点按奶牛舍斜对角线进行布置;另外,分别在挤奶通道、饲喂通道、清粪通道上方2.5 m高度处各布置1个测点;共计6个测点。该优化测点方案可满足监测准确性和易操作性要求。     

隔板起始位置对大型双蜗壳双吸泵径向力和压力脉动的影响

为研究双蜗壳泵内压力脉动情况,该研究以某大型双蜗壳双吸泵为研究对象,通过三维非定常计算对不同隔板起始位置对水力性能、叶轮径向力、蜗壳内各点压力脉动的影响进行研究。研究结果表明,采用双蜗壳结构后,设计点效率下降4%～5%;径向力大小在叶轮旋转过程中呈周期性变化,径向力大小受隔板起始位置影响较大,因此需要合理布置隔板起始位置;隔舌附近各点压力分布均呈现明显的周期性波动变化,隔舌后测点压力峰值、平均值及脉动值要远小于隔舌前测点,仅为隔舌前测点相应值的25%～50%,而且随着隔板起始位置后移,隔舌附近各点压力波动逐渐减弱;综合考虑水力性能及压力脉动影响,隔板起始点应布置于自隔舌点以叶轮中心为圆心向蜗壳出口方向旋转200°位置,该结构下水力效率最高,径向力最小,研究结果可以为大型双蜗壳双吸泵水力性能改进及结构优化提供一定的理论支持。     

果园管道喷雾系统药液压力的自整定模糊PID控制

果园管道喷药系统具有非线性、大时滞特性,且管道中药液的压力随喷嘴数目变化而波动。为此,对管道中药液压力采用了带变速积分、微分先行优化算子的自整定模糊PID控制。根据管道中压力的实际值与设定值间的误差及误差变化趋势,在线调整模糊PID的参数,经带有变速积分、微分先行优化算子的增量式PID算法计算,获得控制量以控制管道中药液的压力。试验结果表明：采用这种控制方法,与不使用自整定模糊PID参数的变速积分、微分先行PID控制相比,管道中压力响应的上升时间缩短18.42%,调整时间缩短12.56%,最大超调量减小4.43%,误差减小50%。该控制方法能满足果园管道喷雾系统中对压力控制的要求。     

便携式农作物茎秆剪切力测试仪的设计与试验

为了能方便准确地测定农作物茎秆的剪切力学特性,设计了一种手动与电动两用便携式农作物茎秆剪切仪。该仪器以交流电动机或发条驱动装置作驱动机构,以STM32单片机为核心组成嵌入式控制平台,由拉/压力传感器采集压力信号,压力曲线等试验结果可以实时显示和SD卡存储,同时还能完成做功、最大压力等参数的计算。试验结果表明,该剪切力测试仪精度达到0.84%,工作稳定可靠。该仪器可满足作物茎秆剪切力检测的要求,为进一步研究农作物茎秆的力学性能提供了方便。     

传感器节点自主供电的环境混合能量收集系统设计

农田复杂环境及大面积监测需求对农业物联网传感器节点的供电提出了极大挑战,而环境能量收集技术则使低功耗农业物联网传感器节点的自供电及免维护成为可能。针对传统能量收集装置中收集的环境能量单一有限、装置体积大、可靠性差的问题,该文提出了一种新型混合环境能量一体化收集系统。该系统定位于环境中普遍而丰富的射频电磁波能量和振动能量,通过射频收集天线和压电陶瓷的有效结合,同时收集2种环境能量,并经整流转换成直流电能。能量收集天线使用普通FR4印刷电路板实现,工作在手机通信频段1.9 GHz(3G频段),测试的回波损耗为-20.5 d B,对电磁波能量收集的最高输出功率可达到38 mW,测得收集到的振动能量最大输出功率可达到25 mW,满足低功耗传感器节点的功率需求。该装置不仅可以有效提高系统供电的可靠性和对环境的适应能力,还大大降低了传统混合系统的尺寸,可为农业物联网快速发展中的传感器节点可靠供电问题提供参考。     

基于PSO-SVM算法的梯级泵站管道振动响应预测

泵站管道振动响应信号实测比较困难,为实现利用较少机组数据预测管道振动状况,提出基于粒子群(particle swarm optimization,PSO)的支持向量机(support vector machine,SVM)预测方法。利用粒子群全局跟踪搜索算法优化SVM核函数和惩罚因子,弱化SVM参数优化不足导致预测精度低的问题。以景电梯级二期3泵站2号管道为研究对象,基于机组和管道的振动实测数据,首先利用频谱分析和数理统计方法确定管道振动的振源贡献率,并计算机组和管道振动相关系数,确定机组和管道之间的强耦合关系。然后建立泵站管道振动的PSO-SVM预测模型,选取机组不同时段振动实测数据作为输入因子,相应时段管道振动数据作为输出因子进行训练和振动预测,并将管道振动预测结果与BP神经网络预测结果进行对比。与BP网络神经预测结果相比,该方法预测结果与实测值吻合度高,其平均相对误差最大为6.8%,根均方误差最大为0.261,预测精度更高。能够有效实现管道的振动响应预测,从而达到管道实时在线安全运行监测的目的。     

4100QB柴油机机体的形状优化及灵敏度分析

为了提高柴油机机体裙部刚度,该文以4100QB柴油机机体为研究对象,使用HyperWorks/Optistruct软件,采用形状优化的方法,进行了设计变量对响应变量的灵敏度分析,完成以提高机体裙部刚度为目标的优化设计。形状优化求解时选取了最大爆发压力工况、活塞侧向力最大工况、主轴承水平分力最大工况3种计算工况,设计变量为机体上与曲轴箱相关的12个结构尺寸,约束函数为机体的应变能、节点的水平位移、机体的质量,目标函数为使得机体裙部相关振型模态频率加权和最大。模拟计算结果显示机体的应变能和固有频率有不同程度的改善。该文的研究方法对于机体类零部件优化设计具有借鉴作用。     

水体-结构-地基耦联的泵站出水塔地震响应分析

泵站出水塔是一种连接泵站压力管道和下游输水渡槽的塔式结构,为保证结构安全运行,有必要对其进行地震响应分析。该文以景泰川二期六泵站出水塔为研究对象,考虑流固耦合效应,依据弹性波理论,建立出水塔结构无质量地基模型和粘弹性边界模型,进行出水塔体系有无水体2种工况下的研究,根据泵站出水塔现场实测数据,提取结构的固有工作频率,并与流固耦合模型干湿模态结果进行对比分析,验证所建流固耦合模型的合理性及流体对出水塔体系的影响。分别对无质量地基模型与粘弹性边界模型进行地震波输入,对比分析相应的动力响应,探讨水体-结构-地基耦联系统相互作用的影响规律。研究表明:出水塔结构工作基频为3.3 Hz;结构内水体降低出水塔的固有频率,增加出水塔的地震响应,在进行地震计算分析时,不应忽略;粘弹性边界模型在地震计算中能够考虑辐射阻尼效应,与无质量地基模型计算结果相比,出水塔特征点的位移响应最大值降低38.5%,应力幅值降低37.8%,因此地基建议选用粘弹性边界。研究成果可为后续出水塔结构模态辨识及地震分析提供理论指导。     

基于原型观测的梯级泵站管道振源特性分析

以景电二期3泵站2号输水管道为对象,结合原型试验观测数据,研究该类型泵站结构的振源组成及其对管道的影响。首先,对连接2号管道的4号、5号机组正常运行和开关机过程中引起的管道结构振动频率进行识别统计,确定其动荷载来源;然后,分析统计不同工况下管道结构主要部位达到峰值时各分频所占比例,计算不同工况下各频带能量对总能量的贡献率。计算结果表明:机组稳定运行时,叶频和转频倍频引起的振动比例达73.4%,是管道振动的主振源低频所占比例为12%左右;机组开机过程中,低频水流脉动所占比例增加到33.7%,叶频所占比例保持40%左右,叶频和低频是主要振源;机组关机过程中,低频水流脉动引起的振动比例达73.3%,水体-管道耦合引起的高频振动达21.7%左右,低频水流和高频是主要振源,且低频对管道顺水流方向振动影响较大。研究结果有助于从量级上评价管道振动的原因及引起振动的各分频贡献率,以期为管道结构主动控制和安全运行提供依据。     

大型泵站系统运行优化模型与节能效果比较

为了解大型泵站系统运行优化节能效果,分析了大型泵站优化运行方案的研究优化范围。以泵装置效率最高为优化目标,建立了单台机组变角运行优化模型和变速运行优化模型;在抽水流量和装置扬程一定的情况下,以运行费用最低为优化目标,建立了单座泵站、并联泵站运行优化模型;在抽水体积一定的情况下,考虑扬程变化和分时电价,以运行费用最低为优化目标,建立了单座泵站、并联泵站、并联泵站系统和梯级泵站系统的运行优化模型。3个应用实例考虑的优化范围与影响因素不同,优化计算结果表明,单台机组最优叶片角度下泵装置效率较设计角度最高可提高4.21个百分点;实行分时电价、变角调节的单座泵站系统运行优化方案和梯级泵站系统运行优化方案分别较设计方案节约电费5.64%和6.83%。提出了大型泵站系统运行优化建模时应综合考虑输变电、泵站和河道输水三方面能量损失。优化范围与考虑的因素越全面,节能与节约电费效果越显著。     

基于改进HHT的泵站管道工作模态辨识

为提高管道工作模态辨识精度,在希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang Transform,HHT)辨识基础上,发展奇异值分解(singular value decomposition,SVD)和经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)联合滤波技术与HHT时频域辨识结合的模态辨识方法。SVD-EMD联合滤除结构振动信号中的强噪声,凸显结构振动特性,有效避免了后期HHT参数辨识过程中虚假模态干扰,提高辨识精度和准确性。将该方法应用于景泰二期工程3泵站2管道的模态参数辨识问题中,建立该管道有限元模型并计算其结构动力特性。对比该文方法辨识结果、随机子空间辨识结果与有限元计算结果,该文方法辨识结果稍小于随机子空间辨识结果,与有限元计算结果更接近,其最大辨识误差为3.6%。研究表明,该方法能准确辨识管道频率,且有效降低管道结构背景强噪声。该研究可为管道安全运行和在线健康监测提供参考。     

基于时空分解的梯级泵站输水系统运行效率计算方法与应用

针对大型串并联梯级泵站输水系统存在组成复杂性和运行动态性,难以对实时运行状态进行评价和优化的问题,提出了一种基于时空分解的串并联梯级泵站输水系统运行效率计算方法。在空间上将系统划分为并联系统、串联系统、泵站和输水子系统。在时间上将动态调度过程划分为若干个平衡状态,定量计算水力、水量损失等影响因素。基于能量传输、转化原理,将各变量进行归一化处理,依次建立泵站、输水子系统和串、并联系统运行效率表达式,可对各子系统及整体实时运行效率进行计算,并为后期系统运行效率优化提供了参考。结合2016年典型并联梯级泵站输水系统调度运行数据,对该方法进行了实践。结果表明,与传统运行效率计算方法相比,该方法在效率计算的实时性和全面性上有明显提升。不仅能够直观反映各级泵站实时运行情况,还可定量评估各输水渠道以及系统整体运行情况,有助于发现影响系统运行效率的薄弱环节,为实时调度提供参考。     

基于混合狼群算法参数优选的泵站群运行优化

对于求解复杂的并联泵站群优化运行模型,狼群算法(wolf pack algorithm,WPA)存在收敛性和鲁棒性差等问题。为改善这些问题,该文以某典型并联泵站群为例,以泵站系统主机组运行能耗最低为优化目标,考虑流量、叶片角度、开机台数等约束条件,建立了并联泵站群优化运行模型。将模拟退火算法引入WPA算法中,提出混合狼群算法(hybrid wolf pack algorithm,HWPA)用于求解建立的优化模型。选择最小值、平均值和标准差作为算法性能的评价指标。相较于粒子群算法(particle swarm optimization,PSO)和WPA算法,HWPA算法求解典型并联泵站群优化运行模型得出的运行能耗最小值平均降低了15.60、10.23 kW,平均值平均降低了36.94、14.30 kW,标准差平均降低了84.82%、72.90%。在HWPA算法的基础上,对算法中的游走步长、奔袭步长、围攻步长的最小值和最大值4个参数进行单因素分析和拉丁超立方抽样设计计算,确定出4个参数的最优组合为0.33、1.53、0.672和4.8×10^5,进而提出改进混合狼群算法(improved hybrid wolf pack algorithm,IHWPA)。相较于HWPA算法,IHWPA算法求解典型并联泵站群优化运行模型得出的运行能耗最小值和平均值平均降低了4.66和13.26 kW,标准差平均降低了94.02%。应用IHWPA算法确定典型并联泵站群6个不同运行工况优化方案,结果表明,采用引入模拟退火算法、优选WPA算法参数的方法提高了算法的全局收敛性与计算鲁棒性,泵站运行最优决策方案较实际方案的运行能耗平均降低9.80%,可为泵站工程提供合理有效的运行方案,降低运行能耗。     

穿堤管道主被动混合振动控制与分析

针对泵站机组运行引起的供排水穿堤管道振动问题，该研究提出一种磁流变阻尼器(magnetorheological damper，MRD)-谐调质量阻尼器(tune mass damper，TMD)有机融合(magnetorheological-tune mass damper，MRTMD)的主被动混合控制体系。利用基于线性二次型(linear quadratic regulator，LQR)最优控制算法，以结构响应加速度取最小为目标函数，优化得到主被动混合振动控制体系相关参数，以提高减振效率和稳定性。通过模拟泵站运行荷载与冲击荷载激励下的结构动力响应控制效果分析，探讨混合控制装置输出阻尼力的鲁棒性和减振效果。将MRTMD应用于穿堤管道工程，从时频域角度分析了所提出的主被动混合控制体系减振效率与有效减振频带范围，结果表明：MRTMD对结构振动耗能能力强，减振频带范围广，效果优于单一的TMD和MRD控制；针对穿堤管道结构振动响应的控制效果良好，加速度响应减振效率达到37.56%～38.07 %，位移响应减振效率达到40.23%～41.38 %；对机组主轴转动引起的转频、倍频等机械振动均可有效减弱，特别是对水流冲击、叶轮内形成的轴向漩涡造成的中低振动频率减振效果显著。该方法可为穿堤管道结构减振控制提供参考，保障穿堤管道结构安全运行。     

城镇圩区排涝泵站群日常运行方案优化

为降低城镇圩区排涝泵站群日常运行能耗,提出排涝站群总能耗最小的多方案试验选优、圩外河道水位控制去劣的优化运行调度方法。将圩区泵站群分组作为试验因素、每组泵站的开机方案为试验水平,以泵站群总能耗为试验结果开展正交试验,对试验结果应用正交分析得到泵站群若干种优化运行方案序列,选择总能耗最小且满足圩外河道的水位控制要求的方案为最优运行调度方案。以上海市城区某区域为实例,应用优化方法编制了2种潮水过程、4种降水条件下的优化调度预案;在不能利用潮水自排的最不利水文工况下,应用优化调度方案与现行调度方案相比,总电功耗最大可节省12%。通过开展优化调度方案与现行方案的节能效益比较,验证了现行方案的合理性并对现行方案提出了优化建议。一方面可为城镇圩区水行政主管部门优化日常调水预案提供参考,另一方面也为丰富和完善排泵站群优化调度方法的理论研究作了有益尝试。