基于Quanser实验平台的带有输出约束单连杆柔性机械臂的神经网络控制

机械臂在航空航天、服务等领域的应用越来越广泛,其研究也越来越深入.相比于刚性机械臂,柔性机械臂质量轻、能耗小,具有更好的性能.但是,由于柔性机械臂本身的结构与材料具有特殊性,其在运动过程中会产生弹性形变与振动,这就给机械臂的定位、轨迹跟踪带来了困难,因此对其振动抑制的研究具有重要意义.本文利用假设模态法对单连杆柔性机械臂系统进行建模,通过李雅普诺夫直接法实现了闭环系统的稳定性.由于一些实际问题对控制系统的状态量有特殊要求,因此采用正切函数形式的障碍李雅普诺夫策略来处理输出约束问题,之后利用神经网络控制方法来逼近系统的不确定性,通过李雅普诺夫法对闭环系统的稳定性进行了分析,并基于Matlab平台设计仿真、基于Quanser实验平台进行实验,对控制器的控制性能进行了验证.     

基于环境因素约束的农户土地利用效率及影响因素分析 ——以河南省粮食生产核心区为例

在农户土地利用引起的环境问题日益严重的背景下,如果农户土地利用效率的测度只考虑“好”产出,而忽略“非意欲”的环境产出,可能造成测度结果不准确。因此,将“非意欲”产出引入农户土地利用效率评价模型,利用河南省粮食生产核心区农户抽样调查数据测度环境因素约束下的农户土地利用效率,并探讨其效率状况及影响因素。主要的结论如下：① 调查区域环境因素约束下的农户土地利用效率平均值仅为0.612,效率值总体不高,有较大的提升空间。不同规模农户的土地利用效率差异较大,二者呈现“U型”变化趋势。② 环境因素约束下的农户土地利用效率的影响因素来自多个方面。其中,农户生计方式兼业化在一定程度上降低了环境约束下的农户土地利用效率;种植结构调整虽然能够增加农户农业收入,但不利于环境因素约束下的农户土地利用效率的提升;农地经营规模扩大对环境约束下的农户土地利用效率产生正面影响,但现实中普遍存在的小规模化经营和土地细碎化消减了正面影响。土地产权的稳定性能够提升环境约束下的农户土地利用效率,但无论是集体土地产权还是承包经营权以及农户间非正式的土地流转产权关系稳定性较差,不利于环境约束下的农户土地利用效率的提高。     

基于不等式约束的三维电阻率探测混合反演方法

三维电阻率探测的线性反演和非线性反演中均存在着多解性的固有难题.电阻率线性反演方法的效率较高,但反演结果对初始模型的依赖性较强,易陷入局部极小;而非线性反演方法不依赖初始模型,但搜索效率极低,尚未见到关于三维电阻率非线性反演的文献.针对上述问题,融合线性与非线性反演方法的互补优势,提出了最小二乘法(线性方法)与改进遗传算法(非线性方法)相结合的混合反演方法的概念和思想.首先,提出了将介质电阻率变化范围作为不等式约束引入反演方程的思路,以实现压制多解性、提高可靠性的目标.提出了宽松不等式约束和基于钻孔推断的局部严格不等式约束的获取及定义方法.在此基础上,分别提出了基于不等式约束的最小二乘线性反演方法和遗传算法非线性反演方法.其次,对于遗传算法在变异搜索方向控制、初始群体产生等方面进行了改进,优化了其搜索方向和初始群体多样性.然后,提出了混合反演方法及其实现方案,利用改进遗传算法进行第一阶段反演,发挥其对初始模型的依赖程度低的优势,搜索到最优解附近的空间,输出当前最优个体;利用最小二乘法进行第二阶段反演,将遗传算法得到的当前最优个体作为初始模型,在最优解附近空间执行高效率的局部线性搜索,最终实现地电结构的三维成像.最后,开展了合成数据与实际工程算例验证,与传统最小二乘方法进行了对比,发现混合反演方法在压制多解性、摆脱初始模型依赖和提高反演效果方面有较好效果.     

基于GRACE的空间约束方法监测华北平原地下水储量变化

华北平原作为我国重要的工农业基地和政治经济中心,面临着严重的水资源危机.因此,开展对华北平原地下水储量变化的监测工作具有重要现实意义与科学价值.本文基于GRACE重力卫星的空间约束方法,研究了华北平原地下水储量变化的时空分布规律,并与地面水井实测与地下水模型结果进行了综合比较和分析.结果表明:2002-2014年,华北平原地下水存在明显的长期亏损,GRACE估计的亏损速率为-7.4±0.9 km~3·a~(-1),而地面水井资料估计的浅层地下水亏损速率为-1.2 km~3·a~1,对比两者之间的差异可以发现,华北平原的地下水亏损以深层地下水为主.2002-2008年,GRACE估计的华北平原地下水亏损速率为-5.3±2.2 km~3·a~(-1),这与华北平原两个地下水模型得到的平均亏损速率-5.4 km~3·a~(-1)十分吻合.通过华北平原区域地下水模型的独立验证,说明GRACE可以有效评估华北平原的地下水储量变化趋势.除了长期亏损的趋势项之外,华北平原地下水还存在明显的年际变化特征,并与该地区年降雨量变化特征一致.在降雨偏少的2002年、2005-2009年和2014年,华北平原地下水储量显著减少.在空间分布上,GRACE结果表明,华北平原的地下水储量减少主要发生在山前平原和中部平原区,这也与水井实测资料和区域地下水模型结果较为吻合.与GRACE和区域地下水模型相比,目前的全球水文模型仍无法准确估计华北平原地下水变化的空间分布和亏损速率.上述研究表明,GRACE提供了评估华北平原地下水储量变化的重要监测手段.     

强造斜致绳索取心钻具折断分析

在定向钻探固体矿产领域,通常在造斜段使用螺杆钻具,大部分的工作量采用取心回转钻进。造斜段使用螺杆钻具,钻杆不回转,受力较简单;如遇强造斜转换绳索取心钻具稳斜钻进,下部钻具组合容易出现回转困难、下不到底的技术难题,甚至出现丝扣折断事故。为避免强造斜对绳索取心钻具的影响,本文通过建立强造斜段对绳索取心钻具的几何约束变形模型,量化分析强造斜段岩心外管长度与造斜强度、环空间隙之间的约束关系,提供了可快速预判下部钻具参数能否满足强造斜安全钻进的方法。该方法在山东某铁矿定向孔的强造斜致下部钻具折断的事故处理中,通过对绳索取心钻具安全计算模型校核和调整钻具参数,实现了绳索取心钻具通过造斜率0.62°/m的强造斜段安全钻进至靶点,证明对强造斜绳索取心工具安全钻进预测和事故处理计算具有指导意义。     

Incorporating known petrophysical model in the seismic full-waveform inversion using the Gramian constraint

In this paper, we develop a general approach to integrating petrophysical models in three-dimensional seismic full-waveform inversion based on the Gramian constraints. In the framework of this approach, we present an example of the frequency-domain P-wave velocity inversion guided by an electrical conductivity model. In order to introduce a coupling between the two models, we minimize the corresponding Gramian functional, which is included in the Tikhonov parametric functional. We demonstrate that in the case of a single-physics inversion guided by a model of different physical type, the general expressions of the Gramian functional and its gradients become simple and easy to program. We also prove that the Gramian functional has a non-negative quadratic form, so it can be easily incorporated in a standard gradient-based minimization scheme. The developed new approach of seismic inversion guided by the known petrophysical model has been validated by three-dimensional inversion of synthetic seismic data generated for a realistic three-dimensional model of the subsurface.     

结点虚流量法理论基础阐释及改进算法

含自由面的无压渗流问题本质上是一类非线性自由边值问题,固定网格的结点虚流量法在全域范围内不断扣除虚域流量贡献,从而使该问题得到求解。它具有网格依赖性小、出逸点收敛快等优点,但其内在理论基础尚未被完全揭示。通过引入互补型约束条件建立了结点虚流量法和Signorini型变分不等式提法的等价性桥梁,在此基础上引入过渡区放大系数 对自由面判别准则进行优化,并以砂槽模型试验为例进行验证。对比结果表明,优化后算法数值稳定性更好,计算结果与试验数据吻合度更高。研究成果为超大规模网格的渗控结构优化设计提供了有效分析手段。     

考虑时空间限制的电动汽车充电站布局模型

基于能源需求空间分布的既有新型燃料供应站布局模型解决了需求点与供应站之间的总距离最小、供应站服务客流最大、以及基于此两类目标的多目标优化问题。然而电动汽车充电时间较长的特性对充电站的空间布局问题提出了时间因素的限制。本文提出了充电站空间布局优化应该考虑充电的行为决策问题,即:何时需要充电,去何地充电,以及当因供电站的同时服务容量受到限制而产生排队时作何选择等。在研究充电行为和充电需求的基础上,建立了满足等待时间最短和服务最便利的时空间同时优化布局的动态模型,应用微观仿真方法进行了算例分析,并比较了该模型与传统截流选址模型在算例路网上的应用结果。结果证明时间限制下的行为决策对充电站布局存在较大影响,该动态模型对时间约束的考虑提高了优化结果的有效性。     

基于距离和姿态观测量的GNSS基线网平差方法

针对目前单历元算法需要连续观测较长时间才能够得到较为精确的解算结果的问题,利用载具同时架设3台GNSS接收机,获得基线观测量,同时事先精确测定接收机之间的距离,并利用陀螺仪获得载具的姿态角,通过增加距离和姿态观测量,与基线观测量共同进行平差处理,可以得到单历元较为稳定而精确的坐标解算结果。试验表明,平面精度在10 mm以内,高程精度在3 cm以内,相较于不添加距离和姿态观测量的结果精度提高了15%以上。     

GIS and remote sensing integration for environmental applications

Abstract

The combined use of remotely-sensed images and vector GIS data has received considerable interest in recent years. This review article discusses the historical move towards closer integration of remote sensing and GIS technologies and the requirements of integrated software systems to enable remotely-sensed data to be combined with vector datasets for maximum effect. The benefits of integration to users of both GIS and remote sensing for environmental applications are reviewed and some thoughts are given on terminology and future directions in this field.