关键词： 嫦娥五号   月壤结构探测仪   数据处理   背向投影算法   月壤内摩擦角  

摘要： 月球一直都是深空探测的热点之一,从上个世纪60年代起,世界上的主要国家陆续开展了各自的探月计划,例如,前苏联的Luna探月工程、美国的阿波罗计划和中国的嫦娥探月工程等,并取得了月球多方面的宝贵数据。2020年12月1日23时11分,中国嫦娥五号顺利软着陆于月球风暴洋北部,实施着陆点区域月壤结构探测仪数据采集以及钻孔取样等多项科学任务,并于12月17日凌晨携带1731 g月球样品返回地球,为月球研究提供了最新的探测数据和月壤样品,具有重大的科学意义2。月壤结构探测仪是嫦娥五号着陆器上搭载的多发多收探地雷达系统,其作用是准确刻画着陆点的地下结构及石块分布,在钻取任务的顺利执行过程中发挥了重要作用。此外,由于月壤样品宝贵,其质量不足以开展月壤内摩擦角测量等需要大量样品的相关实验。基于此,本文围绕着月壤结构探测仪数据进行了以下研究工作:(1)本文研究并提出了一套适用于嫦娥五号月壤结构探测仪数据的预处理流程,用于提高月壤结构探测仪数据成像质量,抑制来自着陆器金属和周围环境的杂波干扰。数据预处理结果表明:本文提出的数据预处理方法能提高雷达数据的信噪比,为后续的雷达图像重构和月壤内摩擦角原位计算奠定基础。(2)本文使用考虑折射的速度谱估算了风化层相对介电常数(2.39),并提出了基于背向投影的互相关成像算法实现地下结构的高精度重构。室内模型试验的结果表明所提出的成像算法能够对地下目标精准成像。钻前现场实测雷达数据的图像重构结果表明:着陆区域地下情况复杂,在钻头正下方0.75米、0.88米和1米深度处存在强反射信号,判定为月岩,转化的地下结构分布示意图能更直观得到了解地下目标分布情况,完成月壤结构探测仪雷达数据进一步解译。此外,钻取前后重构图像的对比结果表明钻取过程中碾碎了其中一块月岩。(3)本文创新性地利用嫦娥五号的着陆冲击过程计算着陆点的月壤内摩擦角。首先,利用背向投影算法从月壤结构探测仪数据提取天线离地高度,并与室内模型试验结果对比,得到着陆冲击导致的着陆器足盘侵彻深度为3.3厘米。之后依据侵彻深度与月壤内摩擦角的联系,运用修正颗粒冲击力定律确定月壤的内摩擦角范围为29.96°-37.48°。该结果与阿波罗系列任务测得的月壤内摩擦角低值范围一致,是由于大约20亿年以来不断的微陨石和部分远距离的中小型陨石撞击产生的溅射物造成的。嫦娥五号着陆地区内摩擦角值相对于地球一般土壤较大,建造月球基地时应该避免深埋的掩体。

关键词： IGBT   特征模型   多物理场耦合   键合线疲劳失效机理   数据处理   寿命预测  

摘要： 绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)因其驱动功率小、通流容量大和易于并联等优点,逐渐成为主流功率器件并广泛应用于新能源、智能电网、电机驱动和工业变流等领域。IGBT作为电力电子装置的核心部件,其可靠性是提升整个电力电子装置性能的基础,因此,针对IGBT可靠性研究中晚期失效的两大难点展开研究:IGBT疲劳失效机理和IGBT寿命预测。 针对目前IGBT多物理场耦合分析采用静态功率损耗导致有限元仿真精度低、边界条件理想化导致未能结合实际工况以及现有键合线疲劳失效研究不完整一未考虑二极管芯片键合线等问题,以BPJ5-630/1140矿用变频器中逆变器部分IGBT为研究对象,提出了一种考虑其应用工况,结合IGBT特征模型来完整分析其多物理场耦合下键合线疲劳失效机理的方法。首先,建立FZ800R33KF2C型IGBT三维模型,再通过仿真与实验方法验证ANSYS Simplorer搭建的IGBT特征模型动态特性,得到矿用逆变器额定工况下IGBT芯片和二极管芯片瞬时功率损耗,并根据矿用逆变器温升实验确定隔爆腔内环境温度参数。最后,在ANSYS Workbench平台下进行热-电-力多物理场耦合有限元仿真,完整分析了不同芯片下键合线脱落对IGBT的影响。分析表明:在大功率IGBT键合线多物理场耦合分析中不能忽略二极管芯片及其键合线,IGBT芯片键合线脱落占总数62.5%及以上或二极管芯片键合线脱落数占总数33%及以上时,IGBT结温超过最大工作温度,且温升和等效应力迅速增大。在二者共同脱落的情况下,二极管芯片键合线脱落对IGBT影响更大。 针对传统寿命预测模型预测精度不足、数据特征挖掘不充分等问题,提出了结合互补集合经验模态分解(Complementary Ensemble Empirical Mode Decomposition,CEEMD)和相空间重构(Phase Space Reconstruction,PSR)的Tent混沌映射改进鹈鹕算法(Tent Pelican Optimization Algorithm,TentPOA)优化长短期记忆网络(Long Short-term Memory,LSTM)的寿命预测模型。首先,分析IGBT寿命表征参数及老化数据样本,考虑训练数据的完整性和真实性,确定选用NASA PCoE实验室公开IGBT老化数据中集-射极关断峰值电压VCE-P为IGBT寿命表征参数并作为原始数据集。再通过CEEMD分解和PSR挖掘数据潜在信息和扩充数据样本,并引入过零率优化数据处理流程,实现高效构建高质量训练数据集。最后,在Tent混沌映射改进POA算法优化LSTM预测模型下进行IGBT寿命预测,并与其他预测模型进行对比分析。分析表明:以LSTM模型预测结果为基准,所构建的TentPOA-LSTM寿命预测模型,其预测结果对比POA-LSTM预测模型评价指标MAE相对下降18.21%、RMSE相对下降10.71%、MAPE相对下降18.22%、R2相对提升178.8%,验证所提出模型的优越性。 所提出的疲劳失效分析方法完善了 IGBT键合线失效机理分析,为进一步研究与实际工况相结合的IGBT多物理场耦合有限元仿真提供参考。所构建的IGBT寿命预测模型表现出良好的预测精度和稳定性,具有一定的工程应用价值。

关键词： 旅游业   旅行行为   社交媒体平台   用户生成内容   数据处理  

摘要： 旅行通常分为前、中和后三个阶段，游客的旅行行为也被定义为规划与决策、游览与体验、评价与分享三个层次。分析游客在旅游各个阶段的行为特征及各阶段旅行行为间的关系，可以帮助目的地管理部门更好地了解游客的旅游需求，为旅游目的地管理提供宝贵的建议，进而促进旅游业的发展。然而，现有的旅行行为研究多基于单一旅行阶段（旅行中）或两个连续的阶段，少有学者将游客在旅行三个阶段的行为特征综合起来，实现对游客旅行行为的全面分析。　　科学技术和信息通讯的不断起势，催生了社交媒体平台的开发与普及，基于社区的信息共享模式，记录了游客在不同旅行阶段的行为特征，为细粒度刻画游客的旅行行为特征提供了丰富的数据源。近年来，越来越多的游客选择在社交媒体平台上记录和分享他们的旅行体验。游客在社交媒体平台上编辑的内容（如文本、照片、视频等）被称为用户生成内容，为旅游研究提供了丰富的信息和低成本的获取方式。　　鉴于此，本研究基于社交媒体平台公开发布的用户生成内容数据，以丽江古城（最受网民喜爱的十大古村镇之一）作为案例研究区，探索游客在旅行前、中和后的行为特征及各阶段旅行行为间的相关关系。首先，获取去哪儿网旅游社交媒体平台2010-2019年的丽江古城在线提问数据、游记数据和评论数据，基于数据表征内容，构建用于描述旅行不同阶段游客行为特征的数据集;其次，采用融合Synonyms中文同义词工具的TF-IDF算法处理提问文本，识别和提取丽江古城游客在旅行前的关注内容，分析游客在旅行前的决策行为;再次，采用复杂网络理论和场景识别模型处理游客共享轨迹与照片,分析游客在旅行中的移动行为与场景偏好;然后，采用LDA主题模型和情感得分算法识别游记文本的主题分布与评论文本的情感表达，分析游客在旅行后的认知主题与满意程度;最后，基于统计学分析方法探测游客各旅行阶段行为的时间特征及相关关系，为目的地管理与营销提供理论支持。　　研究结果表明，丽江古城游客在旅行前规划行程、费用和时间，在旅行中游览景区的标志性建筑并拍摄自然风光，在旅行后讨论旅游体验和目的地服务等相关话题。总体而言，丽江古城景区的提问热度在一定程度上预示了游览热度。但游客在旅行前制定计划，在旅行中相应地实施计划，并在旅行后评估体验的流程过于理想化，即丽江古城游客对旅游服务、旅游产品与旅游活动的关注度、参与度、满意度存在明显的异质性。　　研究为探索游客在不同旅行阶段的时空行为特征提供了一个新的视角，有助于从多角度深层次地了解游客的旅行行为。同时，分阶段的旅游行为研究为目的地提供了一些潜在的发展路径，例如构建景区间的可持续连接，规划文化遗产类和现代商业类景点的合理配置，制定周期性的折扣、导游与营销策略等。

关键词： 半航空瞬变电磁   数据处理   运动噪声   软件开发  

摘要： 半航空瞬变电磁法以其快速高效的工作特性、探测深度大的优点被广泛用于地下水探查、矿产资源勘查和地质调查等领域。然而,半航空瞬变电磁实际勘探时,由于半航空接收单元位于空中,除了环境噪声和系统噪声外,还引入了飞行平台特有的运动噪声,严重影响数据质量,这为后期的数据反演以及解释工作带来困难。因此研究半航空瞬变电磁运动噪声抑制方法,设计并开发一套成熟稳定、功能完备的一体化半航空瞬变电磁数据处理软件,对于推动半航空瞬变电磁探测方法和技术的发展,具有重要意义和实用价值。在数据处理方面,通过分析半航空瞬变电磁运动噪声产生机制与时频特征,将运动噪声与有效信号频段分离,结合半航空瞬变电磁信号的非平稳非线性特征,使用时频分析方法进行去噪处理。本文从EMD分解与小波变换的原理出发,分析了这两种常用时频方法的特点,并结合这两种方法的优势,提出了基于EMD分解的小波阈值算法。经过仿真数据与实测噪声的测试,证明了该算法能够有效去除运动噪声,提高数据信噪比。为了将软件工程与数据处理相结合,本文对半航空瞬变电磁软件开发的需求展开深入分析,研究并设计了基于三层架构和插件框架的整体系统架构。结合半航空瞬变电磁数据特点和并行技术设计了软件的数据库系统,在此基础上,结合模块化设计理念进行了基本功能模块的设计与开发,实现了项目管理、数据存储、数据可视化等功能,针对半航空瞬变电磁数据特点,开发了 一套数据预处理流程,能够实现数据导入、参数预调、数据组编辑和批处理的完整过程。最后,基于本文开发的半航空瞬变电磁数据处理软件进行野外探测试验,通过该软件完成了项目管理、数据存储和数据处理等工作,结果表明该软件在试验任务中取得了良好的应用效果,验证了该系统的稳定性和可靠性。综上所述,本文所开发的半航空瞬变电磁数据处理软件能够有效提高工作效率并改善数据质量,为进一步发展和推广半航空瞬变电磁探测技术和实际应用奠定基础。

关键词： 分布式大数据平台   数据仓库   元数据管理   数据血缘关系  

摘要： 在大数据时代的背景下,数据急速增长,通过大数据平台以及数据仓库对数据进行组织和管理成为发展的必然趋势。传统大数据平台建设方案中,往往以业务数据为核心,而不重视元数据的管理,随着数据的增长出现数据开发、维护困难,数据质量降低等问题。针对这一现象,本文提出了以血缘关系元数据为核心的数据平台建设方案,通过血缘关系降低数据维护难度,保障数据质量,并设计了功能较为全面的开源数据平台;在此数据平台的基础上对离线数据仓库模型进行了研究,针对其在处理一体化数据文件时存在的不足,提出了离线数仓的优化模型。 此外海南自贸港的建设对于岛内航运业务各方面也提出更高要求,如何对其海量业务数据进行有效的管理和利用成为极具研究价值的问题。本文基于所提出的数据平台建设方案以及数据仓库模型,实现了面向港航轮渡数据的数据处理平台,通过大数据平台以及离线数据仓库对轮渡大数据形成有效的组织和管理,利用元数据保障数据质量。并依托大数据平台及其数据支撑,进行统计计算和数据分析,挖掘数据价值,使数据成为辅助决策者制订计划和调度资源的有效依据,用大数据技术为传统轮渡业务赋能,同时验证了所提出模型的可行性。论文主要解决了以下问题: (1)分析了传统数据平台存在的数据管理问题,提出了以血缘关系元数据为核心的数据平台建设方案,并完成了具体的方案选型以及资源规划设计。 (2)针对传统离线数仓模型在处理特殊离线数据时存在数据处理效率较低的问题,提出了解决方案并设计了优化模型。基于该数仓模型设计了数仓建模方案以及数据处理和数据分析算法。 基于以上研究成果,设计了轮渡业务数据处理平台,实现了包括基础平台搭建、数仓建模、数据处理分析、全流程任务调度、元数据管理等功能。对所提出的数据平台建设方案和数仓模型进行了实验验证。 通过以上工作本文探索出一套以元数据为核心的开源数据平台建设方案以及离线数据仓库模型。并设计了适用于港航轮渡业务的数据处理平台和数据仓库,为大数据技术在传统港航轮渡行业的应用提供了模型基础和实施经验。在未来的研究中将进一步拓展对实时数据的处理能力,以应对更全面的应用场景。

关键词： 砂型3D打印   方案设计   数据处理   误差建模   误差分析  

摘要： 3D打印技术为传统砂型铸造工艺带来了新的机遇与变革,通过粘结剂喷射工艺能够直接数字化制造所需砂型,从而实现无模化快速铸造。相比于传统的使用模具制造砂型的工艺方法,砂型3D打印技术不仅摆脱了传统铸造工艺束缚,能够成形具有任意复杂形状的砂型,而且成形砂型具有更高的型腔形状以及尺寸精度,因此砂型3D打印技术在新产品开发以及复杂铸件单件小批量生产中的应用极其广泛。然而,我国针对砂型3D打印技术的研究起步较晚,相较国际先进水平仍有不小差距,高端砂型3D打印设备也被国外厂商全面垄断。在铸造行业转型升级的背景下,砂型3D打印设备的研制迫在眉睫。本文具体的研究内容与结论如下:(1)针对砂型3D打印设备的设计需求提出了设备总体设计方案,基于离散-堆积原理确定了砂型3D打印设备工艺流程。根据各类微滴喷射技术的特点以及适用场合选择SG1024喷墨打印头,基于SG1024喷头的驱动原理提出了一种将二值位图图像转换为时序控制信号的方法。给出了砂型3D打印设备的整体结构设计方案以及控制砂型3D打印设备进行打印的具体控制逻辑。(2)基于设计开发的分层图像生成工具,提出了一套完整的可供砂型3D打印设备上位系统使用的数据处理流程,能够高效将砂型CAD文件转换为可供下位系统打印的层截面位图文件,并通过某汽车零部件铸造厂的具体打印实例验证了整套数据处理流程的可行性。(3)基于多体系统理论将砂型3D打印设备抽象为串联铰接的多体系统,并分析了影响砂型3D打印设备打印精度的几何误差源。利用齐次变换矩阵,分别求出了理想情况下以及存在几何误差的实际情况下相邻体之间的综合特征矩阵。结合砂型3D打印设备拓扑结构建立砂型3D打印设备的几何误差模型,并推导出了几何误差与墨滴落点之间的数学表达式。(4)在砂型3D打印设备几何误差模型的基础上,基于全域最大影响度的误差源敏感性评价指标建立了砂型3D打印设备的误差分析模型。通过该指标准确辨识出了砂型3D打印设备的敏感性误差,从而能够合理且经济地分配砂型3D打印设备的打印精度,为后续精度设计优化提供了理论指导。

关键词： 驾驶员行为   深度学习   数据处理   空间金字塔池化  

摘要： 近年来，由于驾驶员危险驾驶行为所导致的交通事故频发，同时该现象在缺乏管制的煤矿场景下尤为严重。目前驾驶员行为分析方法主要分为三个研究方向:基于车辆行驶状态的分析法、基于生理信息的分析法以及基于行为特征的分析法。其中前两类分析法依赖传感器所收集的数据精度，且很难找到各类行为的统一规律，故在大范围场景并不适用。而随着深度学习的发展，基于行为特征的分析法成为主流，主要包括图像分类、目标检测、姿态估计以及视频分类这四大类算法。其中基于目标检测的行为分析法在工业应用中最为广泛，但其受数据集质量、数据增强策略以及模型结构影响较大且普遍存在小尺度目标难检测的问题。目前市场上缺乏针对煤矿场景的行为分析模型，故矿区企业急需一套检测准确的驾驶员行为分析系统。　　关于上述问题，本文基于目标检测的行为分析法在数据处理、模型选择、模型改进以及系统实现四个方面展开工作，具体内容如下:　　(1)针对煤矿场景下驾驶员行为数据集缺失的问题，本文自建了CoalMineDriversBehaviorDetection数据集v1和v2两个版本，并通过分析目前主流行为标注方式存在的问题，提出了更优的标注方式。在数据增强方面，本文提出了一种融合色调变化、随机旋转以及混合拼接的数据增强策略。　　(2)鉴于目前单阶段目标检测算法的多样性，本文对主流的目标检测器进行选型，分析了YOLOX-S模型在驾驶员行为分析任务上的可行性与优越性，同时就YOLOX-S模型在精度和工业部署方面的优势以及本文提出的标注方式和数据增强策略的有效性进行了相关实验验证与分析。　　(3)针对YOLOX-S模型存在小目标行为漏检与误检的现象，本文提出了一个新模型YOLOX-Better。通过分析原模型中SPP结构和上采样结构存在的问题，分别提出了序列化空洞空间金字塔池化结构(S-ASPP)和基于转置卷积的特征重组模块(TC-CARAFE)。实验验证了改进结构可以在整体行为上，特别是小目标行为上取得更高的检测精度。　　(4)为了验证模型的有效性，通过深入调研矿区企业的管理需求，本文基于YOLOX-Better模型开发了一套智能安全驾驶预警系统。该系统由车载设备、智能通信服务、后台管理系统以及驾驶员行为分析服务组成，主要实现了语音预警、用户管理、设备管理以及驾驶员行为分析结果管理和展示等功能。　　实验结果表明，本文提出的YOLOX-Better模型在验证集上的mAP@0.5∶0.95达到64.2％,相较YOLOX-S模型提升了0.8％,能够准确地完成矿区驾驶员行为分析任务;针对闭眼行为的检测，该模型的AP@0.5∶0.95为53.38％,相较原模型提升了4.21％,有效减少了小目标行为的误检与漏检现象。

关键词： 卫星   原位测量修整   轨迹规划   干涉检测   数据处理  

摘要： 我国是卫星发射大国,为满足大批量高精度的生产要求,需要全自动化智能化的整星生产线与之配套。但卫星零件众多,本文仅针对卫星结构件开发一套卫星结构精度智能化修整工艺系统(Accuracy Inspection and Enhancement Intelligent System for Satellite),简称AIEISS系统。卫星结构件主要用于其他零件和传感器的定位,需要较高的加工精度,相应的工艺系统需具备原位测量修整的功能。为摆脱工业软件受制于人的局面,在安全可控的基础上实现整个工艺系统从硬件到软件的全部国产化。主要完成的工作包括:***系统整体方案的研究。对系统的硬件和软件部分进行研究分析,并根据卫星结构精度智能化修整工艺系统开发的项目要求,进行软件的需求分析,明确软件需要实现卫星结构件原位测量修整的功能。将软件划分为测量子系统和修整子系统两大模块,确定以Windows为开发平台,基于OCC(Open Cascade)开源三维引擎进行相关技术的开发。***系统测量轨迹规划和干涉检测技术的研究。研究根据零件模型提取出待检测面上均匀分布的采样点的方法,分析了接触式测头的测量特点,将测量轨迹规划的问题转换为TSP(Traveling Salesman Problem)问题,使用混合遗传算法与自适应大邻域搜索算法的方法规划出空行程最短的测量轨迹。针对干涉检测技术提出基于OCC实现扫描实体法的方法,避免测量轨迹出现干涉的问题。3.基于OCC卫星检测修整几何信息Twin实现的技术研究。基于OCC使用位置变换算法实现模型位置变换,采用离散的位置变换操作实现运动动画仿真功能。结合开发的HNC(华中数控)通讯软件获取机床运行信息实现AIEISS系统几何信息的数字孪生。并使用KAFKA建立与管控系统的通讯,按照相应的接口协议与格式完成管控系统通讯软件的开发。***系统卫星结构件误差分析及修整的研究。开发形位精度特征库存储卫星结构件的形位精度要求,对不同的精度分别进行误差分析,对不合格的形位精度计算出精确的修整余量,设计相应的修整流程,使用坐标对齐的方式对加工进行补偿,满足原位高精度测量修整的要求。***系统原位测量修整实验。实验前完成对测头触发半径的标定和系统测量精度的确定,整体样件的加工实验按照生产线自动化的完整流程进行操作,所修整的零件平面度和垂直度满足精度要求。

关键词： 分布式计算   负载均衡   聚类算法   Flink   Spark  

摘要： 大数据技术从诞生发展至今,其计算框架在不断的迭代更新中逐渐成熟,并越来越多地应用于包括航运在内的各个领域。与此同时,诸如广播式自动相关监视系统ADS-B和二次雷达等技术的发展,使得我们可以更容易地获得海量机动目标的点位数据。在分析机动目标的轨迹数据并预测其未来状态时,对海量历史数据和实时流数据组成的异构源数据进行处理分析,有利于提高后续计算的准确性,更深入地挖掘机动目标的相关信息。 现有处理海量轨迹数据的平台大多基于Map Reduce和Spark进行内存计算,基于Storm处理流数据,以上框架在处理流式数据时本质上均采用批处理的模式,在实时处理的场景下效率较低。另外,在针对海量轨迹数据的聚类挖掘方面,存在聚类特征不全面的问题;应用单一聚类算法的传统单节点串行处理方法,会导致算法时间复杂度过高、计算能力不足、聚类效果不稳定。为此,本文部署大数据平台,用于处理包含经纬度字段的机动目标空间点位数据,引入Flink框架进行数据筛选预处理,并对Flink集群资源调度算法和基于Spark的点位数据聚类算法进行优化,以提升点位数据处理分析系统的整体性能。本文的主要研究工作包括以下方面: (1)深入研究常用大数据框架的调度原理,基于Flink异构集群进行负载均衡优化,对点位数据进行筛选计算。通过对集群节点进行监测并对任务进行分类,将任务优先按照类型分配给相应资源充足的节点进行计算,一定程度上提高了Flink集群的运行效率和吞吐量。 (2)对不同聚类算法的不足和点位数据的特征进行算法改进。针对DBSCAN算法开销过大、运行效率过低的问题,结合点位数据的空间特征,引入Geo Hash算法进行分区以提高聚类准确度;针对K-Means算法k值选择的问题,提出与Canopy算法预聚类相结合并引入DPC算法进行中心点选择优化的策略,利用Spark框架设计实现了两种聚类算法的并行化,应用于多节点集群。实验结果表明,在基于YARN资源调度的Spark集群中,两类算法对于点位数据的聚类分析结果具有有效性,且并行化后均可有效适应集群进行聚类分析,分析效率有所提高,算法具有可扩展性。 (3)结合实际场景,抽象出基于少量点位数据和置信椭圆预测机动目标定位的模型,通过数学计算协方差矩阵完成目标位置的预估及其置信椭圆的绘制。