基于变分模态分解-BA-LSSVM算法的配电网短期负荷预测

配电台区日负荷序列呈现为既包含变化趋势、又含有波动细节的不规则曲线,该文借助变分模态分解(variational mode decomposition,VMD)将包含这些信息的原始日负荷序列分解为不同频率尺度的子序列,并结合一系列复杂的环境因素,分别利用不同的最小二乘支持向量机(least squares support vector machine,LSSVM)模型进行负荷预测,最后将基于不同频率分量的预测结果相加得到最终的日负荷预测结果。为了提高LSSVM预测能力,采用蝙蝠算法(bat algorithm,BA)对各LSSVM的参数进行寻优,同时,该文分析了影响负荷变化的环境因素,设计了一套因素归一化方法,预测过程考虑了环境因素的影响。仿真结果表明,该文提出的考虑复杂环境因素的预测思想及对历史日负荷进行VMD分解、BA优化、LSSVM预测的组合预测方法能有效提高短期日负荷预测的准确性。     

变分模态分解结合深度迁移学习诊断机械故障

针对机械故障振动信号在变工况条件下的特征提取与智能诊断问题,该研究提出了一种将变分模态分解(Variational Mode Decomposition,VMD)的优化算法与深度迁移学习(Deep Transfer Learning,DTL)模型相结合的故障诊断方法。首先,通过多种群差分进化(Multiple Population Differential Evolution,MPDE)算法和包络熵适应度函数来优化VMD,以解决VMD中本征模态函数分解个数k和惩罚因子α难以自适应确定的问题,再将VMD分解后的本征模态函数根据平均峭度准则进行重构,重构信号经过连续小波变换后获取信号时频特征。然后在深度残差网络(Deep Residual Network,ResNet)的基础上,将ResNet网络与迁移学习(Transfer Learning,TL)模型进行结合,采用边缘分布自适应方法缩小机械故障信号源域数据集与目标域数据集之间的差异,构建出适合于变工况条件下的机械故障诊断深度迁移学习模型。最后,在4个不同工况条件下的滚动轴承试验数据集中,将所提出的MPDE-VMD+DTL的故障诊断方法与传统BP神经网络、ResNet卷积神经网络和迁移成分分析进行对比。结果表明,该研究的MPDE-VMD+DTL方法诊断精度达到84.36%,BP、ResNet和迁移成分分析方法的诊断精度分别为23.60%、71.63%和19.68%,均低于该研究方法。MPDE-VMD+DTL方法实现了在不同工况下的端到端机械故障智能诊断,同时具有较好的泛化能力和鲁棒性。     

排列熵优化改进变模态分解算法诊断齿轮箱故障

为了准确提取齿轮箱中复合故障特征,该文选用变模态分解(variational mode decomposition,VMD)对振动信号进行处理,它能够将信号分解为多个固有模态函数(intrinsic mode function,IMF),但需预设分解层数k和惩罚因子;因此,为了能够自适应地确定分解层数k,该文提出了排列熵优化算法(permutation entroy optimization,PEO),该算法可以根据待分解信号的特点自适应的确定分解层数k;同时,为了解决VMD算法对噪声的敏感性,该文根据噪声辅助数据分析的思想,提出了改进VMD算法(modified variable modal decomposition,MVMD),该算法首先添加成对符号相反的高斯白噪声到原始信号,再利用VMD算法对其进行分解,经过多次循环,原始信号中的噪声相互抵消,而后将每次循环得到的每层IMF分别进行集成平均。利用该算法分别对含有多故障特征的齿轮箱仿真信号及实测信号进行处理,均提取出了故障特征。该文所提方法对封闭式功率流试验台进行复合故障提取,160和360 Hz的故障频率分别被提取出。该方法为齿轮箱复合故障诊断提供新思路。     

基于信号分解和深度学习的农产品价格预测

农产品价格的稳定对社会经济与农业发展有重要意义,但农产品价格的波动具有非平稳、非线性、波动性大的特性,较难精确预测。该研究基于信号分解和深度学习,提出一种分解-重构-提取-关联-输出的农产品价格预测模型(CT-BiSeq2seq),并且加入平均气温、养殖成本(大猪配合饲料与尿素价格)、群众关注度等多维度数据来提高模型的预测精度。首先,采用互补集合经验模态分解(Complementary Ensemble Empirical Mode Decomposition,CEEMD)方法把复杂的原始价格序列分解为简单序列。其次,分析皮尔逊相关系数及分解后的子序列,把原始价格序列重构为高频项、低频项、残差项。再经过时间卷积网络(Temporal Convolutional Network,TCN)提取重构序列的数据特征。随后,构建Biseq2seq模型,解码器引入双向长短期记忆网络(Bi-directionalLongShort-TermMemory,Bi-LSTM)加强序列数据间的全局关联。最后,通过解码器的LSTM网络输出预测值。以北京丰台区批发市场的白条猪肉价格进行实证分析,该研究提出的CT...     

基于模态组合的短期负荷预测方法

随着电力市场化改革的深入推进,电力系统运行呈现出更强的灵活性和不确定性,对短期负荷精准预测提出了更高的要求。为有效协调发电、输电、配电、用电的关系,增强电力系统日运行调度的安全稳定性,该研究提出了一种基于模态组合的短期负荷预测方法。从时域和频域2个维度提出了负荷序列和影响因素序列分解评价方法,得到改进的变分模态分解法(Variational Mode Decomposition,VMD),对原始日负荷序列及影响因素序列进行分解,并采用粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO)对VMD的参数寻优。根据原始序列分解情况,对比各影响因素模态序列与负荷序列的频域特征,筛选出与负荷序列特征相近的模态并将其进行线性叠加组合,得到多个整合后的组合模态序列,以确定预测模型的输入量;分别利用粒子群优化的最小二乘支持向量机(Least Squares Support Vector Machine,LSSVM)模型进行负荷预测。算例结果表明,相比于直接采用PSO-LSSVM方法,本文提出的基于模态组合的短期负荷预测方法的最大相对误差降低了3.36个百分点,平均相对误差降低了1.71个百分点,最大绝对误差降低了95 MW,平均绝对误差降低了55.72 MW,短期负荷预测的精度得到明显提升。     

基于能量的坡面侵蚀性径流及其水沙传递关系

为有效辨识径流侵蚀能量对水沙关系的影响,构建水流功率ω和水流能量因子SE等指标,采用经验频率统计法,初步拟定了基于能量的坡面侵蚀性径流标准,并考察了不同侵蚀事件的水沙关系。结果表明：1）坡面侵蚀性径流的一般参考标准为：水流功率大于10.5 W/m或水流能量大于0.059 W,输沙模数一般大于0.6 kg/m2。2）事件时间尺度下输沙模数主要受水流能量因子控制,平均含沙量与水流功率关系最优;过程时间尺度下瞬时输沙率与瞬时水流功率、输沙模数增量与水流能量因子增量皆成正线性相关。3）侵蚀性径流的输沙能力是非侵蚀性径流的2.5倍,而非侵蚀性径流单位水流能量增量的增沙能力是侵蚀性径流的4.8倍;调节单位水流功率（10 W/m）的减沙效益可达50%,调节单位水流能量因子（0.1 W）的减沙效益可达71%。分析结果表明侵蚀性径流事件的整体水沙关系更稳定,径流能量更强,输沙能力更大,基于能量拟定侵蚀性径流标准具有可行性。研究结果可以为黄土高原坡面典型径流事件筛选和径流侵蚀能量调控提供参考。     

基于Copula的京津冀平原作物水分利用效率驱动因子分析

农业是京津冀地区最主要的用水部门,提高农业用水效率有助于缓解京津冀水资源压力,实现可持续发展。基于VIP模型模拟的1980-2013年京津冀平原作物水分利用效率（WUE）、作物净初级生产力（NPP）、作物实际蒸散发（ETa）,结合同期年平均气温（Tmean）、年降水量（Pre）和年日照时数（Sun）,应用Copula函数理论分别建立WUE与NPP、ETa、Tmean、Pre、Sun的5组联合概率分布函数,计算各驱动因子在低、中、高取值条件下WUE大于任一特定取值的可能性（定义为WUE条件概率）,探索WUE的驱动关系。结果表明：1）驱动因子NPP、ETa、Sun取值越大,WUE大于任一特定取值的可能性越大;而驱动因子Tmean和Pre取值越小,WUE大于任一特定取值的可能性越大。2）若以各驱动因子分别在高、低取值条件下的WUE条件概率的差值来反映WUE对各驱动因子大小的敏感程度,WUE对NPP的大小最为敏感,而后依次是Sun、ETa、Pre、Tmean。3）对比不同驱动因子相同取值条件下的WUE条件概率,较低的NPP会明显抑制WUE的大小,提高NPP对WUE的提升有明显的保障作用。综上所述,作物WUE同时受光合作用和蒸腾作用两个生理过程控制,较难确定光合和蒸腾对WUE的驱动关系;WUE与驱动因子的联合概率分布和条件概率分析指出,在京津冀平原可以采用在控制耗水的条件下提高NPP的策略,该策略可能比在控制产量的条件下减少耗水的策略更有效。     

基于实测道路谱的路面等效重构

为汽车试验与动力学仿真提供更准确的路面激励,提出了一种对实测路面谱进行二维等效重构的方法。结合某三级公路实测路面数据特征,系统研究了经验模态分解法去除趋势项、经验模态分解小波阈值法滤波去噪、实测路面二维自回归模型(auto regressive,AR)重构等方法,并利用相关系数方法进行了重构精度分析。结果表明,基于固定门限准则的经验模态分解小波硬阈值去噪后的功率谱方差最小,利用AR模型重构道路谱与实测道路谱重合度高,为道路谱的进一步应用提供参考。     

齿轮箱振动与输入能量信号的频域相干分析与关系识别

为了提高旋转设备诊断效率、发展基于设备输入能量信号分析的故障诊断技术,该文提出并论述了输入能量信号分析方法在设备故障诊断技术研究中的有效性。首先从齿轮箱振动机理角度分析了传动能量与振动信号之间的关系,指出轴系扭矩及输入功率是齿轮静态传递误差的激励,进而导致振动信号的产生;其次通过建立齿轮传动能量与振动关系模型,利用相干函数以概率统计的形式揭示了输入能量与振动信号响应之间的关系;最后通过正常与断齿齿轮的对比试验,验证了功率信号的频谱特征与传统的齿轮故障振动频谱相一致,亦具有表征齿轮箱工况的明显作用,同时分析了振动和功率信号的自功率谱和互功率谱,利用相干分析方法,从经典控制理论角度验证了二者所呈现出的强相关性。该文为以能量信号分析为核心的旋转设备故障诊断技术的研究提供参考。     

基于SWAT模型的延河流域径流侵蚀能量空间分布

降雨侵蚀力是通用土壤流失方程(universal soil loss equation,USLE)等流域土壤侵蚀模型中应用最广泛的侵蚀动力因子,但仍具有一定的局限性,相比之下,径流侵蚀功率可以更充分地反映地表水力侵蚀动力的综合作用。分析径流侵蚀功率的空间分布,以期从能量的角度阐明流域侵蚀的分布情况,研究流域空间侵蚀的特征。该研究运用SWAT模型在延河流域的模拟结果,将次暴雨径流侵蚀功率推广到年尺度,提出年径流侵蚀功率的概念,并研究年径流侵蚀功率的空间分布规律及尺度效应。研究结果表明:在延河流域年径流侵蚀功率的空间分布具有"支流大、干流小;上游大、下游小"的特点;将子流域出口断面控制面积作为空间尺度因子,与径流侵蚀功率拟合,呈幂函数关系,空间尺度效应阈值在155 km2;将子流域出口断面以上河长作为空间尺度因子,与径流侵蚀功率拟合,呈指数函数关系,且干、支流的空间尺度效应不同。研究结果从能量角度阐明了延河流域水力侵蚀动力的空间分布,为在延河流域不同地区进行针对性的水土资源管理、水土保持工程建设提供理论支持。     

油电混合机械液压式拖拉机动力系统节能性

针对大马力拖拉机在道路运输与田间作业过程中由于工况复杂、作业环境恶劣导致油耗高、节能效果差的问题,该研究采用油电混合动力匹配液压机械无级变速器（Hydro-Mechanical Continuously Variable Transmission, HMCVT）的方式,设计了一种油电混合-机液复合拖拉机动力系统,探讨了该系统的驱动模式与传动方式的实现原理并得到液压机械无级变速器的调速曲线;建立了动力系统的数学模型。为实现动力系统最佳性能,制定了整车控制架构,在此基础上提出HMCVT经济性速比控制策略、基于规则的工作模式划分策略和基于自适应等效因子的燃油消耗最小功率分配策略。为验证所提控制策略的可行性,在SimulationX仿真软件中建立系统动力学仿真模型,并基于测功机搭建试验台架进行测试,分别对拖拉机在犁耕、收获和运输3个典型工况下进行仿真与试验。结果表明,所设计的控制策略能够兼顾混合动力源的最佳扭矩分配与电池电量平衡,且动力系统能保持较高的系统效率（40%以上）,犁耕、收获和运输3个工况下油耗仿真值（2.59、6.56和1.69 L）与试验值（2.72、6.80和1.77 L）的误差均不超过5%,模型可靠。与德国农业协会公布的相近功率动力换挡拖拉机和无级变速拖拉机油耗数据相对比,本文所提的控制策略在3种工况下节油9%～20%。研究结果可为多工况作业条件下降低拖拉机能耗提供解决方案。     

面向耦合分流动力构型的拖拉机犁耕工况控制策略

当前中国农田集群和能源短缺现状极大地促进了混合动力拖拉机的推广与使用,然而混动拖拉机动态变载荷工况加大了整机功率的耦合与分流难度。为此,该研究以发动机和双电机为动力源,利用图论原理设计出满足全功率范围作业需求的两种动力系统耦合分流构型。此外,为实现整机的高能效目的,提出了基于马尔科夫决策的能量管理策略：首先根据拖拉机的载荷谱对整机作业环境进行辨识,采集犁耕作业环境下的拖拉机工作参数将需求功率抽象为马尔科夫决策中的状态转移过程;然后将整机能耗作为最优控制的成本函数,通过价值迭代函数求解最优控制律下电机2的工作区间。最后,采用硬件在环试验对提出的能量管理策略进行了有效性和可行性验证。试验结果表明,相比于传统基于规则的能量管理,提出的能量管理试验策略降低了7.2%的油耗。所设计的耦合分流构型拓展了拖拉机动力系统能量流的路径,直接耦合分流构型拟替代传统动力换挡的技术难点。能量管理策略在能效特性方面有一定优势,所提出的耦合分流动力构型为突破大马力拖拉机动力换挡的卡脖子技术提供了参考。     

南方双季稻区水稻机械化生产燃油消耗影响因素分析

研究影响南方双季稻区水稻机械化生产燃油消耗的因素,有利于减少农业机械化生产环节的燃油消耗量,降低农业生产成本、提高农民收入和保护生态环境。以南方双季稻区120份有效入户调查资料为样本,采用实证研究和对比分析的方法进行研究。结果表明:南方双季稻区水稻机械化生产的燃油消耗量平均为95.08L/hm2,单位面积的燃油消耗量比北方稻区(黑龙江)高11.80%,比稻麦轮作区(江苏)高9.12%,比日本高59.21%;燃油消耗的影响因素按影响程度从大到小排序为:机具作业环境、机具配置合理度、机具性能、机械化技术和机手受教育年限。研究对于降低该区域的燃油消耗量,降低水稻生产成本有重要的意义。     

深松作业下多机协同任务分配优化方法

任务分配方式对农业机械作业油耗影响显著。在多机协同多任务分配过程中,与将完整田块作业任务分配给单台农业机械相比,拆分各任务田块作业量并采用多农机协同作业能进一步降低作业油耗。为实现农业机群高效节能协同作业,该研究以深松作业为例,首先系统地分析机群协同作业过程油耗;然后建立以农机作业量为优化变量、以最低机群油耗和最短整体耗时为优化目标的多目标优化模型,并采用INSGA-Ⅱ算法对模型进行优化求解;最后基于实际深松作业案例,分析了所提模型的有效性和实用性。案例分析结果表明:与传统NSGA-Ⅱ算法相比,INSGA-Ⅱ算法可降低4.35%机群油耗及4.51%整体耗时;与传统作业方式相比,根据本文模型进行多机协同任务分配可降低5.51%机群油耗及42.65%整体耗时。研究结果可为无人农场多任务多农机作业分配提供科学依据。     

小四轮拖拉机附加驱动叶轮的研究

附加驱动叶轮是为提高8.8～11 kW小四轮拖拉机旱地犁耕作业时附着性能而研制的。对驱动叶轮的几个主要参数的确定进行了探讨，并在休闲地中进行了牵引性能对比试验。结果表明，附加驱动叶轮后拖拉机的牵引功率提高了19.3%，牵引效率提高了19.4%，滑转率在20%以下时，挂钩牵引力达4 000 N，完全满足土壤比阻在56 kPa以下的旱地深耕需要，为小型轮式拖拉机广泛用于农田作业提供了一条新的途径。     

Simulated Farm Fieldwork, Energy Consumption and Related Greenhouse Gas Emissions in Canada

The amount of greenhouse gas (GHG) emissions that can be attributed to agricultural machinery management was analysed using computer simulation of farm power requirements, machine hours and fuel consumption. The ‘Farm Fieldwork and Fossil Fuel Energy and Emissions’ (F4E2) model optimised tractor and harvester power P. To minimise P for a single tractor for spring tillage and sowing, the model budgets available spring work time in half-day increments and adjusts implement widths to match. Other field operations in the model are powered by a tractor derived for spring. Emissions of GHG were estimated for ploughing, discing and sowing operations in springs, along with autumn harvesting, cultivation for weeds, spreading manure and sprying for pests. A grain trailer and a swather were considered as part of harvesting. Farm site estimates were extrapolated to regional and national scales with appropriate and available Canadian Census and farm survey data. Fuel consumption and GHG emission factors for petrol and diesel fuels were also analysed. Fuel efficiency and proper matching of equipment to tractors were important factors. Canada's 1996 Farm Energy Use Survey (FEUS) provided useful validation to the F4E2 energy consumption estimates. The model estimate of 71·6 PJ of diesel energy for 1996 was within 1% of the 72·0 PJ of diesel fuel energy that FEUS attributes to farm machinery for Canada. The 1990 Kyoto baseline estimate of GHG emissions was 6·5 Tg of CO₂ equivalent from both diesel and petrol for farm field operations in Canada.     

串联型液压混合动力车辆节能控制策略

为了解决采用串联型液压混合动力系统车辆节能控制问题,该文在对串联型液压混合动力系统工作原理进行分析的基础上,考虑到系统的动态特性和液压储能器气体温度与热传递对储能器工作状态的影响,建立了系统数学模型。根据车辆行驶理论,考虑到车辆制动能的回收与再利用和串联型液压混合动力系统与发动机的匹配问题,设计了一种串联型液压混合动力系统综合控制策略,该控制策略通过主控制单元、液压泵控制单元、二次元件控制单元和发动机控制单元相互配合实现。运用Matlab/Simulink进行了控制系统仿真分析,仿真结果表明所设计的控制策略能准确实现驾驶员行驶车速要求,液压储能器能有效回收车辆制动能,在减速结束时能及时释放储能器能量以节约发动机所消耗的燃油,并能够使储能器能量耗尽时发动机及时介入保证车辆正常行驶。研究结果可为静液压传动车辆节能减排设计提供参考。     

同种农机机群动态作业任务分配方法

为解决农机作业过程中因突发状况引起的作业时间增加、某些作业任务无法完成等问题,该研究提出一种基于改进合同网算法的同种农机机群动态作业任务分配方法。基于农机性能参数和任务参数综合考虑用时最长农机的作业时间、农机机群油耗和路上的路程建立机群代价函数,建立单个田块和地头相邻田块的路径规划方法,参考合同网算法中的招-投标过程,建立农机对任务进行投标的代价函数,基于降低服务器计算量、减少通信次数、任务均衡分配和减小非作业路程等原则,通过选择招标者、设定招标阈值、中标者任务再分配和农机间任务交换等方式改进合同网算法。在不同时间进行基于传统合同网算法和改进合同网算法的农机机群动态作业任务分配仿真试验和农场实际播种作业试验。仿真结果表明,基于改进合同网算法的动态任务分配仿真结果比基于传统合同网算法的动态任务分配仿真结果机群时间代价降低0.83%～12.89%,与服务器通信次数降低77.4%～85%。农场实际试验结果表明:在不同的任务分配时间,基于改进合同网算法的动态任务分配的机群时间代价比实际理论机群时间代价降低30.20%～34.09%。本文提出的动态作业任务分配法能够满足农业生产中同种农机机群动态作业任务分配需求。     

秸秆类生物质气炭联产全生命周期评价

为探究秸秆类生物质热解转化生物炭及热解气过程的能源转化过程的效率、经济性及温室气体排放,该文依据全生命周期评价分析原理,建立秸秆类生物质气炭联产全生命周期3E(economic,energy and environment)模型,对以玉米秸秆为原料的生物质气炭联产过程进行全生命周期分析,评价范围从作物种植到生物气炭产物的利用,系统分为玉米作物种植阶段、秸秆从田间到转化工厂的收储运阶段、生物质气炭转化阶段、生物质气炭应用阶段等4个阶段,并对比分析了横流移动床生物质气炭联产和竖流移动床生物质气炭联产2种工艺技术优劣。结果表明,横流移动床生物质气炭联产的净能量6 542.2 MJ/t,能量产出投入比为4.5,其中,居能源消费的前三位的是种植氮肥、种植农机油耗、热解电耗,分别占总能耗的30.8%、20.4%、17.2%;气炭联产转化的总成本319.4元/t,其中热解气炭转化阶段成本最高,约占总成本34.0%,产品收入567.6元/t,纯利润248.2元/t;能源消耗过程的温室气体CO_2当量排放量18.05 g/MJ,经生物炭还田固碳,CO_2当量减排量约为40 g/MJ。竖流移动床生物质气炭联产技术能源效益较横流略低,但经济效益较高,2种生物质热解气炭联产技术各具优势,可根据产品应用特点选择最适宜的转化工艺方案。2种气炭联产技术具有一定的经济效益,而且均有较大的节能、减少温室气体排放的效益,具有一定的推广应用价值。     

串联式混合动力拖拉机驱动系设计

针对传统拖拉机存在变速器结构复杂、传动效率低、高油耗、高排放等问题,提出一种基于犁耕工况下串联式混合动力拖拉机驱动系设计方法,包括确定传动方案、匹配牵引电动机和主能源功率参数及设计变速器挡位和辅助能源参数等。基于提出的设计方法,以东方红1804拖拉机为研究对象,对其串联混合动力驱动系主要参数进行了设计计算,分析了其牵引性能,结果表明:混合动力拖拉机特性曲线在有效牵引力范围内完全覆盖原拖拉机的工作特性场,且牵引效率较高;发动机同机械传动装置解耦,等效燃油消耗率平均降低了2.64%;变速器结构得到较大简化,传动效率较高;变速器速比设置合理,可满足拖拉机不同作业工况下对负载的需求,同时实现了无级变速。该研究为混合动力拖拉机能量管理策略、换挡规律及控制系统的设计提供了理论依据。