基于最优分布拟合的拖拉机三点悬挂牵引力载荷谱编制与台架试验

拖拉机三点悬挂装置作业载荷特性与分布研究对于预测零件寿命、产品可靠性分析等具有重要意义。针对传统参数外推编制方法对于多峰及概率分布不明确的作业载荷存在验证不通过或拟合效果差等问题,该研究提出基于最优分布拟合的载荷谱编制方法,建立了均值服从混合高斯、幅值服从混合威布尔的混合分布模型,采用AIC准则（Akaike Information Criterion）与BIC准则（Bayesian Information Criterion）相结合确定混合分布最优基函数个数,并利用EM（Expectation-Maximization）算法进行混合分布最优参数估计。以拖拉机三点悬挂牵引力实测载荷为对象进行最优分布拟合求解,与单分布相比,混合高斯分布与混合威布尔决定系数分别提高3.45%和6.02%,相关系数分别提高1.73%和4.87%,均方根误差分别降低31.38%和40%,残差平方和分别降低52.92%和64.01%。利用最优分布拟合进行极值和频次外推,并对外推一倍载荷谱与原始载荷进行统计特性与雨流计数对比分析,结果表明：外推载荷极值范围得到扩充,载荷分布规律一致,能够在保留原始载荷特性的前提下实现均幅值的双向外推。将外推牵引力载荷谱应用于拖拉机三点悬挂牵引力室内台架加载系统,并基于PID控制实现悬挂牵引力的反馈调节。加载试验结果表明：系统最大超调量为5.19%,最大稳定时间为0.2 s,最大延时为0.4 s,系统响应特性较好,室内台架系统能够满足拖拉机三点悬挂牵引力的加载与复现,并对外推牵引力载荷谱与反馈牵引力载荷谱进行雨流计数分析,均值、幅值频次保持一致,两者疲劳损伤等效,研究结果可为基于载荷谱的拖拉机室内台架试验提供理论依据和参考。     

土壤颗粒分布参数模型对黄土性土壤的适应性研究

土壤颗粒组成是土壤最基本的物理性质之一,其分布曲线可用来估算土壤的水力学性质,然而对于土壤颗粒分布曲线的完整表达需要借助于参数模型,对于不同类型的土壤,参数模型的拟合效果不尽相同.为了选择能够较好描述黄土性土壤颗粒分布状况的参数模型,该文采用了3个指标--相关系数(R),均方根误差(RMSE)和Akaike信息准则(AIC)值,对3类共10个参数模型(单参数模型2个,二参数模型6个,三参数模型2个)在黄土性土壤上的适应性进行了评价(共828个土壤颗粒分析资料).结果表明:简化的三参数Fredlund模型对黄土性土壤颗粒分布的拟合效果最好,且受质地影响较小,二参数Weibull模型次之,单参数的Jaky模型效果最差.三参数Fredlund模型是估算黄土性土壤颗粒组成的最适宜的模型.     

基于线性混合模型的滨海盐碱土盐分空间变异性研究

准确的土壤盐分空间变异信息是防治土壤盐碱化和制定科学种植规划的重要依据。本文根据电磁型近地传感器EM38测定的土壤表征电导率(EC_a),研究有限最大似然法(REML)在地统计建模趋势去除中的应用,基于线性混合模型将趋势与残差分离,然后利用泛克立格开展海涂围垦区水稻田土壤盐分的空间变异性研究。结果表明,本研究区土壤盐分存在强烈的空间变异性且呈一定的空间分布趋势;REML方法拟合的二次多项式模型可较好的表征土壤盐分的空间分布趋势,在去除趋势的同时,选用指数模型对残差的半方差函数进行拟合;基于泛克立格插值的交叉检验结果可见,该方法可得到较小的预测误差,且标准离差比平均值参数接近理想值,REML方法大大提高了模型的精度;就地统计空间插值结果可看出,土壤盐分呈出从西北角向东北角、从周边向中心渐变的空间分布特征,且与土壤排水条件表现出较好的耦合性。     

工程车辆传动系载荷谱编制方法

为研究工程车辆传动系疲劳载荷谱的编制方法,采集了装载机5种典型工况的传动件载荷信号,采用作业循环分成6段处理的方式,对原始信号进行预处理和特性分析,得到反映载荷变化规律的真实信号。对变速箱后传动法兰,利用雨流计数法对其载荷时间历程进行了统计处理,结果表明：后传动法兰铲掘段均值分布服从均值为1910 N·m、标准差为537.8 N·m的正态分布,其幅值服从三参数威布尔分布,并且均值和幅值相互独立。根据各个工况的作业时间比例,进行频次外推和合成,利用二维概率分布函数,建立了各作业段的8×8级二维载荷谱。应用Goodman方法,将二维载荷谱转化为8级一维载荷谱,编制成反映装载机传动系受载情况的程序载荷谱。该方法可为工程车辆传动系寿命预测以及疲劳寿命试验提供参考。     

基于混合分布的轮式装载机半轴载荷谱编制

为进一步得到反映非道路车辆实际作业工况的载荷谱,该文针对传统编制方法中单分布难以实现载荷多峰分布的拟合问题,提出了基于混合分布的载荷谱编制方法。采集轮式装载机载荷数据,按"V"型作业模式分成6作业段,雨流计数后得到均、幅值载荷数据,以混合分布函数和单分布函数作为函数拟合模型并进行参数估计。结果表明:空载前进、铲掘、满载后退、卸料以及空载倒退段的均、幅值混合分布估计效果优于对应的单分布,且均值混合分布函数的决定系数比对应单分布函数的决定系数分别大32%、2.3%、25.1%、40.1%和160.8%,幅值混合分布函数的决定系数比对应单分布函数的决定系数分别大8.3%、6.7%、1.4%、6.2%和1.2%;满载前进段均值混合分布的拟合效果优于对应单分布的拟合效果。利用拟合效果较优的分布进行频次外推和合成得到二维载荷谱,有助于编制出反映装载机半轴实际受载工况的一维载荷谱,为半轴疲劳分析提供数据参考。     

用MatLab确定土壤水分特征曲线参数

土壤水分特征曲线是定量研究土壤水运动的重要参数。目前,土壤物理学家普遍采用vanGenuchten模型(简称VG模型)来描述土壤水分特征曲线(h-θ曲线),本文讨论了如何确定模型参数的方法。根据中国科学院栾城试验站大田土壤剖面所采土样实测土壤负压h和土壤含水率θ数据,VG模型中的参数利用MatLab非线性拟合函数来确定,通过用四参数模型计算,计算的θ值与实测的θ值拟合较好,误差相对较小。通过长江河口地区土样检验表明,用MatLab方法确定VG模型参数,计算值与实测值拟合也较好,且计算值与实测值的残差平方和范数<0.001。     

微喷带喷孔水量分布模型构建

喷孔水量分布是影响微喷带喷洒均匀性的重要的喷洒特性。该研究旨在考虑水分分布构建一种有效的水量分布模型。研究选取一种常用微喷带,开展喷孔水量分布试验,考虑其单峰和双峰分布特征,建立了二维正态分布模型,明确了模型参数的物理意义,分析了压力、喷射角度、喷孔面积对模型参数的影响。结果表明,该模型能较好地拟合试验中微喷带喷孔的单峰和双峰水量分布,拟合峰值与试验峰值相对误差小于15%,决定系数高于0.80。研究还发现,压力对单峰峰值的影响较小,主要改变了双峰分布中垂直微喷带方向的峰值位置和喷洒水量分布范围。随着喷射角度增大,喷孔的喷洒区域向喷孔方向靠近,在压力为69.0 kPa时,单峰峰值在喷射角度约57.5°时开始递增,垂直微喷带方向的喷洒水量分布范围越来越集中。喷孔的喷洒区域和喷洒水量分布范围随着喷孔面积的增大逐渐增大,较小的喷射角度和较大的喷孔面积使喷孔的水量分布更复杂。研究提出的喷孔水量分布的单双峰二维分布模型,可为微喷带的研制和喷孔的优化加工提供理论参考。     

解析法-Nelder Mead单纯形算法确定太阳电池参数

光伏发电系统的设计计算、性能评估及优化控制要求快速、准确的确定太阳电池模型参数。针对太阳电池单、双二极管模型参数辨识问题,该文提出一种基于解析法和Nelder Mead单纯形法重启策略的A-bcNM混合算法。先用实测I-V曲线上的部分关键点计算合成参数,再以单二极管模型近似解析式快速定位搜索始点,最后在边界范围内利用Nelder Mead单纯形算法的重启策略最小化实测数据与模拟结果之间的均方根误差,以提高拟合精度及参数解的质量。MATLAB环境下,利用2种典型太阳电池的实测数据对A-bcNM算法的有效性进行了测试和验证。与已有的其他算法相比,A-bcNM算法收敛速度快,计算量小,辨识精度高,可快速、准确的确定单、双二极管模型参数,为识别太阳电池的工作特性提供了一种有效方法。     

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。     

基于气候信息的喀斯特地区植被EVI模拟

该研究以喀斯特地区植被为研究对象,分析各种气候因子与植被指数的相关性及作用机制,在此基础上建立基于气候因子的植被EVI拟合模型,为定量分析气候条件对植被的综合影响奠定基础。结果表明:气候因子对喀斯特地区植被EVI影响显著,植被EVI与水汽压、平均气温、露点温度、最低气温、最高气温的相关性均大于0.8且空间一致性好。除日照时数和风速外,该地区植被EVI对其他气候因子的响应均存在显著滞后性,滞后期约16 d。对植被EVI起直接作用的主要是温度类气候因子,水分类气候因子对植被EVI的直接作用不明显,但通过其他气象因子起了较强的间接作用。根据该地区植被与气候因子的关系建立了2个EVI拟合模型,其中基于同期气候因子的同期模型中入选的气候因子为水汽压(0期)、日照时数(0期)、露点温度(0期),基于同期、前期气候因子的混合模型入选气候因子为水汽压(-1期)、最高气温(-1期)、降水量(-1期)、露点温度(-1期)、日照时数(0期)。分别利用2001-2010年建模数据和2011年非建模数据对2个模型进行了单站点和片区两种尺度的精度验证。验证结果表明,2个模型对整个片区植被EVI的拟合精度高于单站点,且混合模型的拟合精度高于同期模型。2001-2010年同期模型和混合模型的片区拟合R2分别为0.843、0.892,站点拟合R2分别为0.765±0.033、0.801±0.021。2011年2个模型的片区拟合R2分别为0.797、0.873,站点拟合R2分别为0.716±0.073、0.746±0.064。对大多数站点而言,混合模型的拟合精度较高,但是由于2个模型的建模气候因子不同及各个站点植被的EVI与气候因子的综合响应也存在较大差异,同期模型对部分站点植被EVI拟合精度高于混合模型。     

基于非线性参数优化的水稻花前生育期参数估计

水稻生育期模型为复杂的非线性模型,其参数的合理标定是模型应用的重要环节。本文采用两种不同温度响应函数的花前生育期模型（MBETA和MBILN）,利用基于GML（Gauss-Marquardt-Levenberg）算法的模型独立参数优化程序PEST（model-independent parameter estimation）对模型参数进行优化,并在优化中引入参数先验信息和参数初始值扰动方法,以提高参数优化结果的可靠性。结果显示,参数先验信息有效降低了待优化参数的不确定性。最优参数值的95%置信区间较初始值域显著缩小。在优化得到的参数相关系数矩阵中也未显现出高度相关的参数。从目标函数值（?）序列看,MBETA和MBILN的?值最终收敛至相当接近的最小值,分别为11.71和11.82。但该最小值下两个模型的温度、光周期效应等参数值存在一定差异。这种差异平衡了不同温度响应方程与模型其它方程对水稻生育期模拟误差的贡献。在最优参数值组合下,两个模型验证结果表现一致。其中,抽穗开花期模拟值与实测值的相关性均通过了0.01水平的显著性检验。模拟误差主要来自幼穗分化期,与缺少对水稻光周期敏感始期的观测有关。本文优化方法降低了待优化参数收敛于局部小值的几率,对稳定参数优化和提高优化结果的可靠性具有重要作用。     

基于自适应差分进化算法的水稻物候期预测模型参数自动校正

进化算法在作物模型参数校准领域已有广泛应用。由于作物模型的结构包括多组常微分方程,具有非线性、不连续、多峰值特点,因此针对作物模型特点选择合适的进化算法尤为重要。同时,进化算法自身参数对算法性能有较大影响,这些参数选择往往靠经验得出,增加了优化算法在模型参数校准过程中的不确定性。该文针对进化算法应用到作物物候期模型参数校准过程中存在着算法选择和算法参数不确定性问题,以水稻RiceGrow物候期模型为应用对象,分析比较了3类进化算法应用的精度、收敛速度以及稳定鲁棒性。比较的进化算法包括差分进化系列算法（标准差分进化算法和自适应控制参数改进差分进化算法）,协同进化遗传算法系列（个体优势遗传算法、M-精英协同进化算法）以及粒子群算法系列（标准粒子群算法、基于自主学习和精英群的多子群粒子群算法）。研究利用武育粳、雪花粘等5个品种在江苏宜兴、兴化和广东高要等不同生态点的多年田间试验资料展开量化分析。结果表明：1）利用自适应控制参数改进差分进化算法校准水稻物候期模型的品种参数准确性较高,算法自身参数易于确定。物候期模型校准以后在拔节期、抽穗期、成熟期的RMSE为1.7～4.6 d、NRMSE为1.8%～5.8%、MAD 为 1.4～3.3 d、R2为 0.977～0.997,比GA系列平均分别小0.634 d、0.608%、0.453 d、0.09%,比PSO系列平均小1.399 d、1.35%、1.039 d、0.23%。 2）自适应控制参数改进差分进化算法在水稻物候期模型参数校准问题上表现出良好的收敛速度及稳定鲁棒性。重复校准试验100次的目标函数标准偏差趋近于0,每次校准得到的品种参数值标准偏差较其他算法最小。在达到同样精准度的情况下,比标准差分算法收敛速度平均快117代,适用于实际应用实践。     

基于改进空间引力模型的农作区遥感影像亚像元定位

针对空间引力模型在遥感影像亚像元定位中存在的不足,该文提出了一种基于改进空间引力模型的农作区遥感影像亚像元定位方法。研究首先分析了原始空间引力模型运行速度慢、定位精度低的原因。然后,分别改进了空间引力模型的初始化算法和优化算法,改进后的初始化算法使亚像元更具空间相关性;改进后的优化算法在初始化的基础上显著提高了模型的运行速度和定位精度。最后,以吉林省镇赉县农作区SPOT-5影像为例,在原图像空间分辨率退化4倍的尺度下进行遥感影像亚像元定位试验。结果表明,改进模型与原始模型相比亚像元定位精度提高了6.67个百分点,运行速度提高了10.69倍。因此,改进空间引力模型在地物类别相对复杂的农作区遥感影像亚像元定位中,可以更好的突破空间分辨率的限制,为确保农作物种植面积提取、区域产量遥感估测提供有力支撑。     

根系水质模型中土壤与作物参数优化及其不确定性评价

农业系统模型参数优化存在很高的不确定性,是模型应用研究的重点和难点。该研究利用自动优化程序PEST(parameter estimation software)对根系水质模型(root zone water quality model,RZWQM)中土壤参数(土壤水力学参数和根系生长参数)和作物遗传参数进行了优化,结果表明PEST优化模拟结果明显优于传统试错法的校正结果,且具有较高的参数优化效率。模型参数优化不确定性评价表明校正数据和参数初始值的选择、土壤水力学参数估算方法、不同类型参数间的相互作用以及优化目标方程(误差来源计算)都明显影响模型模拟结果。以上过程中土壤水力学参数优化值差异较小,但其土壤水分特征曲线却明显不同。通过以上评价分析提高了RZWQM相关参数优化结果的可靠性及其模拟功能,降低了模型参数优化的不确定性,为PEST优化其他模型参数提供了重要支持。     

WEPP模型中细沟可蚀性参数估计方法误差的理论分析

细沟土壤侵蚀在坡面土壤侵蚀占有重要地位。土壤可蚀性参数是WEPP模型中计算预报/计算细沟土壤侵蚀中极其重要的参数。WEPP模型现在采用的可蚀性参数是用长的细沟/径流小区试验以细沟侵蚀产沙估计得到的最大可能剥蚀率为基础获得的。该文分析了细沟侵蚀产沙随沟长的变化关系,分析了可蚀性参数估计误差的来源。从理论上推导出了计算现有WEPP可蚀性参数估计误差的计算方法。理论分析表明,对于限定性细沟,可蚀性参数的估计误差主要来源于细沟最大可能剥蚀率的估计值。最大可能剥蚀率的理想估计值是水流载沙量与细沟长度的函数关系在细沟     

基于实测水位和流量数据的渠道控制模型参数辨识与验证

针对传统渠道控制模型推导求解复杂,难以在实际工程中应用的问题,该研究以渠道积分延迟模型（Integrator Delay model,ID）和积分延迟零模型（Integrator Delay Zero model,IDZ）为研究对象,利用递推最小二乘法对2种渠道控制模型进行了参数辨识和分析。结果表明：参数辨识方法可以简单、有效地获取渠道系统的控制模型;在模型试验中,辨识误差基本分布在（-1,1）cm之间,在南水北调原型工程中,辨识误差基本分布在（-2,2）cm之间;2种辨识模型的均方误差达到了10-5级别,且针对水流变化复杂的大型渠道工程,IDZ模型的辨识精度和稳定性整体高于ID模型。文章的主要结论对于渠道控制建模理论及控制器设计方法具有一定的参考价值,可应用于灌区或调水工程的输配水渠道系统建模。     

基于改进灰度共生矩阵和粒子群算法的稻飞虱分类

针对稻飞虱远程实时识别采集图像质量不高而无法使用颜色特征的问题,应用灰度共生矩阵提取的纹理特征值对稻飞虱分类进行了研究。采用自行设计的拍摄装置采集稻飞虱图像,经过一系列预处理后得到去掉背景的稻飞虱灰度图像;对灰度图像采用改进的灰度共生矩阵提取纹理特征值,再用反向传播BP(back propagation)神经网络和参数改进粒子群算法优化BP神经网络分别进行训练和测试,以此检验纹理特征值的识别效果和粒子群算法的优化效果。试验用Matlab验证算法,对白背飞虱、灰飞虱和褐飞虱共300个样本进行了训练和测试,结果表明基于参数选择改进粒子群算法优化BP神经网络的识别率总体达到了95%,比直接用BP神经网络的识别率高,而且经过Matlab测试,训练时间只用了0.5683s,说明粒子群算法更满足实时性要求。     

基于Downhill-Simplex算法的观测数据与作物生长模型同化方法研究

以夏玉米叶面积指数（LAI）、贮存器官干重（WSO）、地上总干重（TAGP）以及土壤水分含量（SM）为结合点,建立了基于Downhill—Simplex算法的作物生长模型WOFOST同化多种地面观测数据的一般方法或流程：开展观测数据与作物生长模型同化方法的正确性验证→利用Downhill—Simplex算法进行WOFOST模型的敏感性分析一选择敏感参数组合→通过优化效果确定待优化参数→利用新的观测数据对待优化参数进行优化,从而实现了观测数据与作物生长模型的同化,提升了模型的模拟能力。同化过程中遴选出的WOFOST模型的待优化参数主要包括比叶面积、最大CO2同化速率、初始地上部总干物重、根深最大日增量和初始土壤有效水等。