关键词： 电弧增材再制造   分层切片   路径规划   碰撞检测   焊枪姿态调整  

摘要： 热锻模具电弧增材再制造是由数字模型驱动对失效模具进行尺寸恢复与性能提升的先进制造技术,该技术采用的软件以及其包含的模型数据处理算法对模具再制造的成形质量和精度有着重要的影响,是实现再制造过程自动化的基础。目前,对于热锻模具电弧增材再制造模型数据处理算法的研究仍无法支持实现稳定且连续的修复再制造自动化过程。本文针对热锻模具电弧增材再制造模型数据处理所涉及的分层切片、路径规划、焊枪姿态调整以及机器人末端姿态优化等过程开展了研究,设计开发了相应的模型数据处理软件,为该技术的推广应用提供支撑。 为实现对STL模型进行快速稳定地切片,基于哈希查找方法和利用字典数据结构对读取的模型数据进行了拓扑重构。基于建立的拓扑关系设计了单层快速切片算法,提出了有界平面的概念确定内外轮廓线之间的位置关系,并对截面轮廓进行了优化。通过与开源软件Cura的切片过程进行对比,验证了本文提出的切片算法具有较高的切片效率。此外,设计了基于层片面积变化的自适应分层算法,降低了侧壁未熔合缺陷发生的概率。 基于复合路径扫描填充策略设计了相应的路径生成算法,实现了再制造路径的自动生成。该算法能够自适应调整扫描线的位置,可避免局部未填充现象的发生。通过量化轮廓线的形状特征以及分析偏置轮廓线内所有顶点的非极值角度范围,对截面填充路径的方向进行了优化,分别实现了改善成形质量和减少子区域数量的目标。 设计了基于碰撞检测的焊枪姿态自适应调整算法,避免模具再制造过程中焊枪与模具基体发生碰撞。碰撞检测过程通过初步碰撞检测和精确碰撞检测两个阶段实现:初步碰撞检测阶段采用了包围盒技术和空间分割方法,快速排除非碰撞区域;精确碰撞检测阶段采用线-体相交检测来代替常规的三角面片之间的相交检测,有效提升了检测效率。以路径目标点的位置信息来表征模具型腔形状,并基于提出的碰撞检测算法,分别设计了轮廓路径和内部直线填充路径的焊枪姿态自适应调整算法。通过四组焊枪姿态调整对比实验,验证了本文提出的碰撞检测算法在检测效率上的优越性以及焊枪姿态自适应调整方法的可行性。 以避免关节超出极限为目的,基于自由度冗余设计了优化机器人末端姿态的算法。通过对机器人运动学和机械臂在模具再制造作业空间的几何构型进行分析,提出了机器人逆运动学解析解唯一解的求解准则。通过采样分析机器人各关节角度值的方法,提出了优化机器人末端初始姿态相关算法,避免机器人运动过程中出现关节超过角度极限情况。通过三组对比实验,验证了本文提出的机器人末端姿态优化算法在避免关节超出极限方面的可行性。 设计开发了热锻模具电弧增材再制造模型数据处理软件。基于wx Python和可视化工具包VTK实现了界面的开发以及三维模型可视化的搭建。模型数据处理模块实现了模型导入、分层切片、路径规划和焊枪姿态调整等功能。基于Py Bullet搭建了机器人离线仿真环境,并开发了可输出不同品牌机器人程序的离线编程模块。 通过对单道焊缝成形进行试验分析,确定了保证单道焊缝成形质量良好的合理工艺参数范围;同时,基于BP神经元网络建立了焊道尺寸与工艺参数之间的预测模型,为自适应分层切片和填充路径规划提供数据支持。基于以上工艺研究结果以及所开发的软件对失效的前桥模具、叶片模具和涡轮盘模具进行了电弧增材再制造。在再制造过程中机器人运动平稳连续,且再制造后的模具表面质量良好、尺寸均匀,进一步验证了本文提出的模型数据处理算法以及所开发的模型处理软件的可行性和稳定性。 论文的研究工作为电弧增材再制造技术在热锻模具修复领域的应用提供了算法和软件支撑,具有重要的工程应用价值。

关键词： MQTT   质量预测   InfluxDB   注塑成型  

摘要： 近年来注塑行业由于广阔的发展前景和庞大的市场需求,在我国得到了飞速发展,占据了我国轻工业的重要地位,成为国民经济的支柱产业之一。但我国的注塑行业与发达国家相比仍然具有很大的差距,存在着低附加值、低技术含量等问题。随着大数据、物联网以及人工智能等信息技术的不断发展,我国提出了智慧工厂和数字化车间的概念,将物联网技术应用于注塑行业中。当前注塑信息化主要是通过新型传感器采集大量的工业数据,由于注塑成型过程产生的时序数据存在着产生频率快、数据量庞大和具有时间顺序的特点,此类系统难以对注塑数据进行高效处理、存储和应用。在注塑智能化方面,如何利用人工智能技术提高注塑生产的效益越来越重要。对于复杂的注塑过程,各种参数调整和扰动的发生都可能造成注塑制品质量缺陷的产生,故快速、有效对注塑制品进行质量缺陷预测,有助于提高产品的质检效率,减少生产故障造成的经济损失。基于以上问题,本文结合注塑成型过程的具体特点以及物联网、大数据等技术,设计并实现了面向注塑成型过程的时序数据处理与质量预测系统,有效地促进了注塑行业的数据共享与交换,在降低注塑成品的次品率,推动注塑行业朝着信息化和智能化发展上具有一定意义。本文研究内容具体如下:(1)研究消息队列遥测传输协议(MQTT)的基本概念及工作原理,基于MQTT协议设计注塑时序数据的传输模块,实现注塑场景下的消息传输的低开销、低宽带占用。同时使用Influx DB时序数据库对MQTT协议传输的时序数据进行高效地存储。(2)针对注塑成型过程产生的庞大工业数据,本文提出使用ECharts搭建时序数据的可视化架构,实现对海量注塑数据的可视化读取、修改和在线监控。(3)结合注塑过程的具体特点,对历史时序数据进行预处理和特征提取,提出基于SMOTE过采样的XGBoost制品质量预测算法实现对注塑成品的质量预测。(4)设计实现基于分布式架构的注塑成型时序数据处理与质量预测平台系统,以Spring Boot框架为基础,结合Nginx、Dubbo和Zookeeper等技术对各模块进行解耦,提高系统的拓展性和稳定性。最后对本文系统进行性能测试,表明了本文设计的面向注塑过程的时序数据处理与质量预测系统具有可实现性与高可靠性,存在一定的实用价值。

关键词： 全站仪   检定   数据处理   C#  

摘要： 对全站仪进行测距计量检定时，后期需要处理的数据量较大，运算公式也比较复杂，急需开发一款数据处理软件，来解决数据处理繁琐的问题。文章结合工作实践，使用C#语言在Visual Studio 2010环境下开发一款数据处理软件，大大提升了计量检定效率。

关键词： 中子衍射   数据处理   考古材料  

摘要： 考古材料研究中的常见分析方法——化学分析、原子吸收、电镜能谱、光学金相、XRD、XRF等,需要取样或烦琐的样品前处理,具有一定的破坏性,只能获得样品表面二维空间的信息,所得数据缺乏统计意义,且有的方法不能完全量化。中子衍射是不同于上述方法的一种完全无损且量化的分析技术。相对于光子、质子和电子,中子具有极强的穿透能力且不易被物质吸收的特性,可深入材料内部进行物相组成和微观结构的研究。本文介绍飞行时间法中子衍射技术(TOF-ND)的原理、数据处理与这种方法在科技考古研究中的应用。作为一种文物材料研究的方法,基于散裂脉冲中子源的TOF-ND技术利用中子极强的穿透能力,收集所测样品三维空间的全部衍射信号,无须任何样品前处理即可获得所测物质:(1)各种物相的组成及成分;(2)每种相的晶体与磁结构;(3)宏观及微观的残留应力分布;(4)晶粒空间取向分布与结构信息。这种真正无损且完全量化的分析技术能对石质材料、陶器中矿物的组成及成分,金属合金成分及物相组成、制作工艺(定量的“中子金相”)、锈蚀产物组成与成分进行全面分析,可在文化遗产研究与保护方面发挥作用。

关键词： 磁暴   Python   MySQL   视电阻率  

摘要： 太阳活动引起的地磁暴将在大地等导电煤质中产生磁暴感应地电场,在高压,超高压,特高压的电力系统中,由于变压器中性点直接接地,磁暴感应地电场将会在由长距离输电线路,中性点接地的变压器及大地构成的回路中产生地磁感应电流。使变压器铁芯饱和,从而使绕组发热,产生噪音,加速绝缘材料的老化从而缩短变压器的寿命。容易造成继电保护装置错误动作,电容器组和静止无功补偿装置负荷过大,系统电压出现波动,甚至将导致系统崩溃,从而引发大面积停电事故。近年来,随着我国各地方电网的互联以及特高压输电线路的投入运行,电网规模进一步扩大,地磁暴对我国电网的侵害将更为严重。在防治地磁暴灾害中,准确、快速地计算并分析感应地电场特性对保证电网的安全稳定运行有着十分重要的意义。防治地磁暴灾害的重点在于快速,准确求解并分析磁暴感应地电场分布特性,传统计算磁暴感应地电场的方法是根据大地的各层电导率建立出反映大地电性结构的模型,然后再利用有限元方法进行计算。这就要求有充分的电磁测深数据,同时建模复杂,计算成本过高。地磁测深得到的视电阻率综合反映了大地的电性结构,文中提出基于视电阻数据及地磁台实测数据直接计算地磁感应地电场的方法。该方法通过感应地电场相对值的计算可以快速筛选出包含磁暴感应地电场极大值的短时脉冲,再进行正反傅里叶变换后得到磁暴感应地电场的幅值。利用地磁台实测秒级数据与视电阻率数据在频域计算得到频域电场值,再利用傅里叶反变换得到时域电场值。本文使用这种方法对2004年1 1月7日地磁暴发生时刻阿尔山地区,阿拉善盟,大别山地区,广东东莞谢岗及增城朱村等测点地磁感应地电场进行了计算。计算结果表明,相比于传统地电场计算方法,该方法节省了建模成本,大大加快了计算速度,在地磁暴灾害防治中有着重要意义。基于地磁感应地电场时频变换快速计算方法,本文根据磁暴感应地电场计算的实际需求,结合Python语言与MySQL数据库技术,采用Flask与Vue框架构建磁暴感应地电场数据库系统。该数据库可以实现地磁数据与视电阻率数据的采集,查询以及磁暴感应地电场的快速计算。针对地磁测深数据资源分散,覆盖面广的特点,依据就近原则,调取可用地点的数据以满足计算的实际需求。解决了计算广域地磁感应地电场的问题,大大提高了工程计算的经济型,为地磁暴研究和应用提供了有利平台。

关键词： 太赫兹频谱数据处理   边缘计算平台   并行计算   快速傅里叶变换  

摘要： 高分辨、大带宽实时太赫兹频谱分析仪对数据采集和处理性能有了更高的要求,设计高速数据处理算法模型是实现实时高分辨率太赫兹光谱仪的主要任务之一。本文基于边缘计算平台对太赫兹光谱仪所需的算法进行了设计、部署以及加速优化,主要研究内容如下: 依据太赫兹频谱分析仪中太赫兹光学频域频谱分析技术原理,设计了数据处理算法模型。该模型可以对输入的待处理数据进行切割标定、频谱分析、频谱图像渲染。针对边缘计算平台的硬件特征,对算法模型进行并行化重构提升算法整体并行性,同时优化内部线程的资源分配提升算法的运行效率。优化后的算法部署在边缘计算平台上,可以进行多帧频谱数据的并行处理。 依照数字带宽交织技术原理,在边缘计算平台上设计了频域带宽交织拼接算法,并对其进行了优化。本文从快速傅里叶变换的数学原理出发,采用并行算法模型,分别对不同运算点数的快速傅里叶变换进行了针对频域带宽交织拼接算法的优化并在边缘计算平台上完成了部署。 实验表明,部署后的频谱数据处理算法模型相比优化前模型效率提升了8.47倍,平均每帧频谱数据的处理时间仅为97.95μs。对于频域带宽交织拼接算法测试了8000点的拼接结果,运算平均时间仅为1.1305 ms。以上测试证明了本文设计、优化部署后的算法模型可以高效完成太赫兹频谱分析仪的数据处理任务。

关键词： 车联网   区块链   秘密共享   同态计算   隐私保护  

摘要： 车联网（Internet of Vehicles,Io V）数据的共享能够让车辆更全面地感知路况,使驾驶变得更加容易、更安全。然而,在车联网数据传输和处理的过程中,用户的隐私数据难以得到有效保护。一方面,用户的隐私数据在传输共享的过程中容易被恶意攻击者窃听、截断、篡改和伪造,这不仅可能导致用户的个人信息被非法分子利用,还可能造成严重的交通事故。另一方面,中心节点的存在不仅会导致数据过载,服务效率降低,还会使得集中式车联网平台面临单点攻击的风险。因此,本文基于秘密共享对车联网公链中的隐私数据进行了安全存储及处理方法的研究,具体内容包括:（1）基于秘密共享的车联网公链结构设计利用Shamir（t,n）门限秘密共享的拆分原理,构造出一种从逻辑到物理的车联网公链结构性映射。通过将用户的敏感数据划分为不同的秘密份额,并存储于不同的路侧单元或服务器设备当中,可在物理层面保证一定数量的恶意节点无法通过串通获取任何有用的隐私数据。在逻辑上,拉格朗日插值法则能够保证这些机密信息在抽象层面达到一致性共识。这种结构性映射不仅保留了区块链的分布式优势,也无条件满足了车联网隐私数据保护的需求。（2）基于秘密共享的车联网公链隐私数据计算方法在逻辑-物理车联网公链结构性映射的基础上,为实现无交互的隐私数据处理,首先构造出一种无须秘密份额交换的同态乘法方案。将其作为底层模块,设计出面向区块链验证及一致性保护需求的安全数据比较和Raft共识协议,同时也实现了车联网中隐私数据处理所需要的其他安全运算模块。这些基础性的算法和协议能确保在不泄露任何隐私数据的条件下,使数据得到合法、安全且正确的计算。尤其是通过对其中的秘密共享乘法进行无交互式设计,可以大大降低因异步传输所带来的通信延迟,从而提高整个公链系统的运作效率。（3）基于秘密共享的车联网公链隐私数据处理应用研究基于车联网公链隐私数据处理方法,实现了一套车联网交易及位置拓扑隐私保护方案。针对交易隐私安全问题,结合安全数据比较和Raft共识协议,实现了公链交易的合法性验证,能够在不违背隐私保护的原则下完成高效共识。就位置拓扑隐私保护而言,构造出一种基于秘密共享的车联网公链安全广播方案,该方案在基于博弈的安全定义下具有良好的不可区分性。本文的创新点如下:（1）基于Shamir（t,n）门限秘密共享方案设计出一种蕴含逻辑-物理映射关系的车联网公链结构,并对该结构下数据的表达和存储方式进行了详细刻画。这种映射结构可以保证在被入侵的节点数不超过t个的情况下,系统达到无条件安全。（2）对Shamir（t,n）门限方案中的同态乘法进行了优化,实现了无须交互的计算协议。与已有的方案相比,秘密份额上的乘法计算能够以离线的方式进行,因此无须保证系统中至少有2t-1个节点参加。经证明,该协议仍然是无条件安全的。（3）在基本秘密共享加法及乘法方案的基础上,设计出一套包含联合随机数共享、联合随机比特共享、前缀或计算、按位比较、区间比较等在内的安全同态计算模块。将这些模块作为跳板,最终实现了面向区块链验证及一致性保护需求的安全数据比较和Raft共识协议,并完成了相应的安全性证明。（4）针对车联网公链交易的隐私保护问题,利用上述同态处理方法,实现了一种面向实际应用的区块链交易框架,可证明该框架具有较为理想的数据处理性能和合理的出块速度。（5）考虑到车联网拓扑动态变化的特征以及通信-位置之间的严格依赖关系,针对公链信息广泛共识的需求,设计了一种面向拓扑隐私保护的数据广播协议。出于兼容性的需要,该协议仍基于Shamir（t,n）门限方案予以实现,具有博弈安全定义下的无条件不可区分性。

关键词： FMCW探冰雷达   信号处理   数据处理   雷达图像   冰盖内部等时层  

摘要： 南极冰盖作为地球上最大的冰盖,其内部记录着能够反应地球过去环境的信息,在地球气候环境中起着关键作用,其冰盖内部结构的形成也反映了古积累率的演变情况,是研究地球古气候和预测未来气候变化重要的科学根据,因此探测南极冰盖和分析冰盖内部结构具有重大的研究意义。通过使用超高分辨率调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW)雷达对冰盖浅层结构进行探测,获取不同的雷达回波信号可以得到冰盖内部反射层的变化,从而提取出冰盖浅层降雪形成的内部等时层信息,对获取冰盖浅层内部年代-深度信息、反演冰盖相应深度-密度以及预测南极冰盖未来演化都具有重要的研究意义。论文主要对FMCW探冰雷达的信号处理和雷达数据分析两部分内容进行研究。信号处理主要为了提高FMCW探冰雷达的测距精度,完成浅层探冰雷达系统设计方案,仿真实现雷达信号处理系统,验证改进后信号处理算法的有效性。雷达数据分析依据我国第32次南极科学考察队获取的浅层探冰雷达数据,进一步完善了雷达数据处理流程,提出了一种基于多尺度稀疏增强的雷达图像去噪算法,并引入深度学习卷积神经网络对雷达图像进行冰盖内部等时层的提取。主要研究内容包括:(1)针对南极冰盖现场考察环境,确定了FMCW浅层探冰雷达系统的整体设计方案以及系统的设计参数和技术指标;分析了雷达工作原理和电磁波在冰盖内部的传播特性;为确保系统的有效性,分析了冰盖内部波速与深度的关系,得出了适用于南极现场考察环境的平均波速。(2)为提高探冰雷达测距精度,根据FMCW雷达的探测原理,针对FFT算法对差频信号进行时频域变换时的缺点,对FFT算法进行优化,研究了一种改进的频谱估计算法,将FFT与Chirp-Z算法相结合,通过对仿真的雷达系统差频信号进行频谱估计,有效提高了雷达的探测精度,验证了算法的有效性和合理性。(3)针对FMCW浅层探冰雷达特性,依托中国第32次南极科学考察队获得的浅层雷达数据,将数据处理流程分为数据的预处理、常规处理、深度处理以及冰盖内部等时层提取四个步骤。在雷达图像深度处理过程中,提出了一种基于多尺度稀疏增强的雷达图像去噪算法,进一步去除噪声干扰,同时保留了雷达图像的边缘特征,为下一步冰内等时层的提取奠定基础。(4)针对雷达图像中纹理与噪声特征,基于计算机视觉方法提出了一种新的冰雷达图像与训练标签合成方法,基于该方法对U-Net全卷积神经网络进行训练。在训练结束后,使用神经网络模型对雷达图像进行冰内等时层自动提取,并且具有一定的降噪效果,有效提高了雷达图像峰值信噪比,获取了冰盖内部层位信息,为分析冰盖内部年代-深度、反演冰盖相应深度-密度及冰盖物质平衡提供了有效参考数据。

关键词： 飞行器测控   综控软件   计算中间件   数据处理   高性能计算  

摘要： 综控结构化通用平台采用软件化飞行器测控的思想,解决现有飞行器测试中组件难复用、测试周期长和硬件耦合深的缺点。从功能角度来看,综控结构化通用平台涉及的各个功能模块采用低耦合高聚合的集成和支持策略,单个模块独立自主,各模块之间耦合度低,在保证功能完善性和可用性的前提下,同时又整合在一个平台之下使其具有规模性和效率性;从控制角度来讲,综控结构化通用平台对测控涉及到的各个流程进行规范化处理,整体流程具有一定的范式无二义性,使得一个规范化的设置集合能够唯一得到一个确定的操作集合。从兼容性角度来看,综控结构化通用平台抽象化处理并且集成涉及到的多种类软硬件设备、串口、总线和协议,底层支持对上层屏蔽,使得整个系统具备在通用计算机和通用系统平台上运行的能力。其中综控结构化通用平台计算中间件保证了平台涉及到的数据处理的运行完成,是平台架构和功能方面重要的一部分。 本文开始介绍和分析了综控结构化平台中计算中间件研究现状和综控结构化通用平台出现的背景和意义,指出研究设计计算中间件的必要性。同时对弹载代码自动生成和综控主机做了简要介绍,说明了弹载代码自动生成的架构、包含的子模块信息和相互关系、自动生成的基本操作和基本流程。并且对于综控主机的功能、操作使用和串口模式进行了介绍。清楚论述了本文工作的基础。 在此基础上详细分析了综控结构化通用平台计算中间件的功能性需求和性能性需求,并根据需求进行计算中间的整体设计和架构设计。提出基于操作集的状态转移模型,给出模型的定义、基本规范和形式化表示,将数据集、输入数据和数据处理函数统一在该模型中。在此范式上使用状态转移来表示数据处理,状态转移链作为具体实现的数据结构。实现计算中间件的数据处理的功能需求和可扩展的性能需求。并且按照性能需求对计算中间件的功能模块分别提出了多线程同步-数据转换、SIMD-字段线性计算和Open MP-比特位逻辑计算三个详细的性能优化方案。最后进行计算中间件功能正确性验证实验和优化前后性能对比实验,其中多线程同步-数据转换功能以速率优化比衡量,优化效果在63%左右;SIMD-字段线性计算功能以速率优化比衡量,优化效果在55%左右;Open MP-比特位逻辑计算功能以速率优化比衡量,优化效果在46%左右。通过实验结果证明,计算中间件的实验满足功能需求,同时证明优化方案在速率提升上是可行的。对综控结构化平台中的数据处理和计算进行计算模型设计、提出通用的接入规范和标准以及优化方案满足高性能和高扩展的需求,以平台计算中间件的形式给出。

关键词： 地震勘探   数据处理   静校正   五维插值   OVT   方位各向异性  

摘要： 我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国,煤炭资源在我国能源结构中占重要地位。随着煤炭资源的勘探开发,现有可采煤炭资源大部分位于中深部或构造复杂区,煤层赋存地质条件复杂,煤炭开采过程中的相关地质灾害频发。其中,阳泉矿区是我国煤与瓦斯突出频率最高、瓦斯涌出量最大、自然灾害最严重的矿区之一,且矿区内断层、挠曲和陷落柱等地质构造发育,煤炭开采难度大。为了实现有效地质保障,获得高品质的煤层反射波,以阳泉矿区地震地质条件有所区别的两个相近采区为例,进行宽方位三维地震资料处理研究。论文以新景矿和新元矿为实例工区进行对比研究,探讨适用于基岩出露区和黄土覆盖区的常规处理流程及参数。首先,针对两区数据特征,在成因分析的基础上,确定相应处理重点、难点及思路。之后,聚焦基岩出露区和黄土覆盖区的静校正问题以及有效波和干扰波的差异,优化常规处理流程的关键步骤,优选主要处理模块的关键参数,获得了适用于阳泉矿区的宽方位三维地震资料常规处理技术方法。将相关处理技术应用到实例采区,获得的处理剖面质量明显优于以往处理剖面。由于地下介质方位各向异性的影响,即使进行了精确的动校正和静校正处理,剖面同相轴仍不可避免存在抖动现象。因此,针对复杂地表造成的地震数据非规则化问题和介质各向异性影响,将OVT域地震资料处理技术和地震各向异性处理技术相结合,提出了适用于阳泉矿区的OVT域处理和各向异性处理流程和关键参数。将相关处理技术方法应用到实例采区,发现不论是基岩出露地表还是黄土覆盖地表,进行OVT域处理都能明显提高地震资料的品质。相对于常规处理来说,进行OVT域处理有利于后续地震资料的解释。总之,论文结合阳泉矿区两个实例采区,通过优化常规处理与OVT域处理流程、优选关键处理步骤及参数,提出了一套适合阳泉矿区的地震资料处理方法和流程。对比分析结果显示,论文所提出的处理方法在地震地质条件不同的两个采区都取得了显著的应用效果,获得了高质量地震资料处理剖面,为相关采区的构造、岩性和各向异性解释打下了坚实基础。