基于RZWQM模型的冬小麦—夏玉米水氮管理评价

利用2010和2011年在中国科学院通州农田水循环与现代节水灌溉试验基地获取的冬小麦-夏玉米轮作条件下不同水肥管理时的试验数据,对RZWQM(Root zone water quality model)模型中的土壤水分、氮素和作物模块进行率定和验证,模型验证结果表明各土层土壤含水率的均方根误差(RMSE)和相对误差(MRE)分别在0.015~0.026 cm3/cm3和-6.66%~5.83%之间变化,土壤贮水量模拟值与实测值一致;冬小麦和夏玉米产量、吸氮量的模拟值与实测值的相对误差(RE)小于25%。该结果表明率定和验证后的RZWQM模型能够用来模拟华北地区冬小麦-夏玉米轮作条件下土壤水、氮及作物动态变化。利用率定和验证后的模型分析对比了常规施氮条件下,不同喷灌灌水频率和传统灌溉方式对作物产量和氮素渗漏的影响。结果表明在灌溉总水量相同的条件下,当20 cm蒸发皿累积蒸发量为30~70 mm时开始灌溉,其作物产量高且氮素渗漏量和损失量小。综合考虑作物产量和环境效应,推荐较优的喷灌灌溉频率为累积蒸发量为30~70 mm时开始灌溉。     

梭锥管混浊流体分离装置倾角优化数值模拟研究

为了研究锥圈倾角和下锥管倾角对梭锥管内水沙分离效果的影响,在数值模拟计算结果与PIV测试结果一致基础之上,建立了5个不同锥圈倾角和7个不同下锥管倾角的梭锥管模型,采用层流方程和简化的多相流Mixture模型通过数值模拟计算了浑水含沙浓度为5kg/m3时各个梭锥管内部的泥沙浓度和速度场,详细对比分析了不同倾角下梭锥管内的速度场和浓度分布特性。结果表明,在上锥管结构尺寸、锥圈间距不变的条件下,锥圈倾角β与下锥管倾角γ相等且等于45°时,梭锥管水沙分离效果最好,在该角度下锥圈上表面泥沙滑动至排沙通道所需要的时间最短,梭锥管水沙分离效率最高。     

食源性致病菌单细胞观测与预测的研究进展

微生物在单细胞水平下的生长普遍具有随机性和变异性,同时低菌量污染食品所造成的危害风险亦不可忽视,因此食源性致病菌单细胞的生长观测及预测研究逐渐成为食品预测微生物学及食源性致病菌风险评估的研究热点。在分析现有相关文献的基础上,将目前主要的食源性致病菌单细胞生长观测研究分为间接推断和直接观测两类方法;同时对食源性致病菌单细胞生长预测的模型参数与建模过程进行概述,比较了传统预测微生物的决定模型与微生物单细胞的随机模型二者之间的区别,强调了单细胞生长模型需在随机建模的基础上开展,并通过个体建模方法进一步联系其与所在食品环境之间的关系。最后,分析了食源性致病菌单细胞生长观测与预测的现状,并展望了其未来与食品安全风险评估相结合的发展趋势。     

张正友法的摄像机标定试验

针对机器视觉领域的摄像机标定问题,采用介于自标定与传统标定之间张正友法,对Sunway-130D数字摄像机进行标定。本研究首先阐述张正友法标定原理,即利用针孔模型匹配模板平面与其所成图像中的角点,计算出图像和模板之间的单应性矩阵,利用该单应矩阵线性解出摄像机内部参数,并由单应矩阵求出理想成像模型下的摄像机外部参数。然后考虑非线性畸变因素,求出畸变系数的初始值,最后对所有的标定参数进行迭代修正,通过非线性优化得到所有标定参数的最优解。制作模板并采集模板图像,利用MATLAB提取模板图像角点坐标并进行标定。结果表明:该方法可以有效地对摄像机进行标定;绝大多数偏差在(-1.5,1.5)像素之间,个别偏差超过1.5个像素,达到像素级精度,有较高标定精度。研究结果为进一步研究农业机械机器人奠定基础。     

微咸水灌溉与土壤水盐调控研究进展

随着淡水资源短缺的日益加剧,合理开发利用微咸水已成为缓解水资源供需矛盾的重要途径之一。由于微咸水中含有大量盐分,用其灌溉必然增加土壤盐分,影响作物生长和土地质量。因此,采取有效措施调控土壤水盐状况成为微咸水安全利用的基础。本文较详细地回顾了微咸水灌溉条件下土壤水盐运移特征、微咸水入渗模型和水盐运移模型、微咸水灌溉方法、微咸水灌溉对作物生长的影响、土壤水盐调控方法等方面的研究进展,并结合目前研究中关注的核心问题,提出了微咸水安全利用方面需要重点研究的科学和技术问题,为进一步研究微咸水灌溉对土壤和作物生长的影响和其内在机制,以及构建合理利用微咸水灌溉模式提供参考。     

基于拉格朗日的冗余驱动并联机构刚体动力学建模

针对4-UPS-RPU 4自由度冗余驱动并联机构的刚体动力学建模问题,基于拉格朗日方程建立冗余驱动并联机构动力学模型。首先,推导出4-UPS-RPU冗余驱动并联机构系统的动能表达式、势能表达式和作用于并联机构非保守力的等效广义力;然后,应用拉格朗日法建立4-UPS-RPU冗余驱动并联机构的动力学模型,为并联机构驱动力的求解以及整个机构的动力学分析奠定基础;最后结合算例,采用Matlab编程对动力学模型进行数值计算并绘制了机构驱动杆驱动力变化曲线,将上述分析结果与ADAMS虚拟仿真结果对比验证了所建动力学模型的正确性。研究不仅为4-UPS-RPU 4自由度冗余驱动并联机构动力学优化设计和控制等后续研究提供了理论依据,也为其他冗余驱动并联机构的动力学建模提供了可行的方法。     

面向农田物联网复杂事件处理的时空事件模型

在农田物联网中,控制命令往往由具有多维度信息的复杂事件触发,因此需要根据传感器所监测的大量单一事件检测复杂事件,即复杂事件处理。复杂事件模型描述了原子事件组合成复杂事件的组合模式,是复杂事件处理的基础。现有的复杂事件模型主要考虑原子事件的时间分布特性,而未考虑农田事件具有的空间分布特性。本文研究了面向农田物联网复杂事件处理的时空事件模型并定义了合适的事件模型描述语言,首先建立了描述复杂事件模式的时空事件模型,针对多个复杂事件间的关系,通过有向图建立了复杂事件层次模型;针对一个复杂事件内部关系,通过对农田物联网事件常见时序逻辑关系和空间拓扑关系的分析,定义了9类时间关系算符、8类空间关系算符用于判断子事件与复杂事件间的时空关系,并定义了5类时间耦合算符、7类空间耦合算符用于计算复杂事件的时空属性,为描述事件组合模式提供了基础;在此基础上,考虑可读性和易解析性,设计了基于XML的事件模型描述语言;基于案例,通过与其他常用的复杂事件模型相比较,说明了本文事件模型和描述语言更加适用于描述农田物联网复杂事件。     

基于SHAW模型的冬小麦近地面层气温模拟

利用一维多层水热耦合SHAW（The simultaneous heat and water）模型,在田间实验的基础上,模拟河南省商丘地区2015年冬小麦拔节后近地面层0~40 cm垂直方向上的每小时气温变化特征。结果表明,冬小麦近地面层气温模拟整体效果较好,其中48%模拟的绝对误差低于1℃,75%模拟的绝对误差低于2℃,不同高度上模型效率ME均大于0.94;夜晚气温的模拟效果优于白天的模拟效果,白天11:00—14:00气温被过低估计,并随着近地面层高度的增加,模拟值误差越大;近地面层内3种气温特征值模拟效果的优劣依次为：日平均气温、日最低气温、日最高气温,其中,日平均气温模拟值与实测值基本吻合,日最低气温被略微高估,日最高气温被过低估计。此外,SHAW模型在冬小麦拔节后6个生育期的模拟效果均存在差异,拔节期、灌浆期和乳熟期模拟效果较好,孕穗期和开花期次之,抽穗期模拟效果相对较差。     

农膜残留对砂壤土和砂土水分入渗和蒸发的影响

通过室内试验设置5个不同残膜量(0、50、100、200、400 kg/hm~2)处理,研究不同残膜量对砂壤土和砂土水分入渗湿润锋、入渗速率、累积入渗量、土壤累积蒸发量和蒸发速率的影响,并评价了主要土壤入渗、蒸发模型在农膜残留土壤的适用性。结果表明:随着土壤中残膜量增多,砂壤土和砂土入渗速率变慢,土壤湿润锋运移相同距离所需时间均显著增加,其中运移30 cm时,砂壤土残膜量400 kg/hm~2处理(SL5)比无残膜处理(SL1)运移时间增加了27.56%;相同入渗时间内累积入渗量随残膜量增加均显著减小(P0.05),入渗结束后SL5处理比SL1处理累积入渗量减小了52.01 m L(23.12%);残膜量增加导致蒸发速率、累积蒸发量都显著减小(P0.05),蒸发结束后SL5处理比SL1处理累积蒸发量减小了30.63%,且不同残膜量对砂壤土的影响大于砂土。对4个土壤水分入渗及蒸发模型进行拟合,结果显示Kostiakov和Philip入渗模型均能较好模拟残膜条件下土壤水分入渗,其中Philip入渗模型拟合精度高于Kostiakov入渗模型,且对砂土中农膜残留下的土壤水分入渗模拟效果更好;Black蒸发模型随着残膜量增加拟合精度下降,而Rose蒸发模型受残膜量的影响较小,更适合于农膜残留土壤累积蒸发量估算。     

含间隙超精密压力机柔性多连杆机构动力学建模与仿真

建立柔性多连杆机构动力学模型对分析超精密压力机下死点动态精度具有极其重要的作用。传统的超精密压力机多连杆机构动力学模型一直忽略旋转副和球面副间隙以及曲轴和连杆柔性的影响,从而导致分析精度较低。为更准确地分析其动态响应特性,建立了一种考虑旋转副和球面副间隙及曲轴和连杆柔性影响的改进柔性多连杆机构的动力学模型。仿真结果表明,旋转副和球面副间隙的存在对机构的动态响应特性有很大影响;曲轴中心和球铰球心的运动特征主要表现为2个阶段:自由运动和冲击运动。此外,研究了间隙和曲轴输入转速对多连杆机构动态响应特性的影响,得出了随着间隙尺寸的增加,滑块下死点位置上移,滑块的速度和加速度峰值先减小后增加;随着曲轴转速的增加,滑块下死点位置和最大偏差值也逐渐增大,滑块的速度和加速度显著增加。