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数字孪生智采工作面技术架构研究

煤炭学报 2020年第6期45卷 1925-1936页

作者：葛世荣张帆王世博王忠宾中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院北京100083 中国矿业大学(北京)智慧矿山与机器人研究院北京100083 中国矿业大学机电工程学院江苏徐州221116

为了进一步提高煤矿井下智能化采煤工作面系统自主运行和人机交互能力,达到真正的无人化开采境界,提出数字孪生智采工作面系统(Digital Twin Smart Mining Workface)的概念、架构及构建方法,融合应用5G通信技术、物联网技术和仿生智能技... 详细信息

为了进一步提高煤矿井下智能化采煤工作面系统自主运行和人机交互能力,达到真正的无人化开采境界,提出数字孪生智采工作面系统(Digital Twin Smart Mining Workface)的概念、架构及构建方法,融合应用5G通信技术、物联网技术和仿生智能技术,从而搭建一个智采工作面的数字孪生远程操作平台。首次定义数字孪生智采工作面是一个数据可视化、人机强交互、工艺自优化的高逼真采煤工作面三维镜像场景,它由物理工作面、数字工作面和数据信息3个部分组成。介绍了DTSMW系统涉及的物理工作面、虚拟工作面、孪生数据、信息交互、模型驱动、边缘计算、沉浸式体验、云端服务、信息物理系统、智能终端等10项关键技术。新的DTSMW系统具有开采过程仿真、优化和监控功能,可以实现开采工艺数字孪生、开采过程数字孪生、设备性能数字孪生、生产管理数字孪生和生产安控数字孪生。研究了智采工作面的仿生智能特性,阐述了物理模块(躯干)、信息模块(大脑)、通信模块(神经)、控制模块(脑肌)、孪生模块(映像)的基本功能特征,特别描述了采煤机、液压支架和刮板输送机的仿生智能要素。针对DTSMW系统数据的高度依赖性,首次将智采工作面复杂信息归纳为3条信息流,用于描述采煤过程的环境、控制和能量状态。环境信息流和控制信息流来自煤岩体对采煤机、液压支架、煤流运输机组的输入信息及其调控信息,能量信息流来自开采装备对煤层、岩层变量调控所产生的能量交换状态信息。针对智采工作面的巨大信息流量,提出了管理DTSMW信息流的数据主线(Digital Thread)方法,将信息流的数据分为周期性数据、随机性数据和突发性数据进行建模处理,以确保数字孪生智采工作面的数据驱动及稳定运行。通过对比分析,DTSMW系统比现有远程集控中心的智能性提高了一个层次,可为中级智采工作面实现无人化运行提供新的监控系统架构。

关键词：智采工作面数字孪生人机交互数字主线智能采矿系统

单箱八室变截面波纹钢腹板PC箱梁桥试验及相关问题研究

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单箱八室变截面波纹钢腹板PC箱梁桥试验及相关问题研究

作者：王世博郑州大学

学位级别：硕士

波纹钢腹板PC组合箱梁桥经过数十年的发展,其形式逐渐从等截面到变截面,从单箱单室到单箱多室,但国内外针对单箱多室变截面波形钢腹板PC组合箱梁桥在预应力及荷载作用下的真实受力情况研究还相对较少,本文依托郑州市南三环东延线-107辅... 详细信息

波纹钢腹板PC组合箱梁桥经过数十年的发展,其形式逐渐从等截面到变截面,从单箱单室到单箱多室,但国内外针对单箱多室变截面波形钢腹板PC组合箱梁桥在预应力及荷载作用下的真实受力情况研究还相对较少,本文依托郑州市南三环东延线-107辅道工程,对单箱八室变截面波纹钢腹板PC组合箱梁桥进行实桥试验,并建立有限元模型,分析讨论其受力性能,并重点研究了其预应力施加效率以及波纹钢腹板剪力分配规律问题,以下为主要研究及结论:1.建立精细化的Midas/FEA有限元模型,计算得到预应力及荷载作用下的结构基本力学性能,将实测值、有限元结果及理论计算结果对比分析,得出在各工况作用下实测值与有限元值较为吻合,与理论结果也较为接近。2.对比同一截面两个不同阶段底板正应力值表明,施加体内预应力阶段所产生应力均比体外预应力阶段高。在体内预应力阶段,跨中截面底板施加的有效预应力较高;在体外预应力阶段,跨中截面与1/4截面底板施加的有效预应力较高。通过实测与计算得到在体内预应力作用下,各截面预应力施加效率为0.81.96;在体外预应力作用下,各截面预应力施加效率为0.80.92。3.在体内及体外预应力作用下,4个截面中跨中截面各腹板剪应力分布差异最大,端部截面、1/4截面次之,3/4截面最小。在对称荷载作用下,加载截面的加载区域腹板承担剪力较大且较平均,中侧7道腹板承剪平均在12%3%左右,边侧腹板承剪在4%%之间,最大剪力分配系数C平均在1.21左右;在偏心荷载工况作用下,加载截面的加载区域腹板承担总腹板剪力90%以上,最大剪力分配系数C均在为3.0以上。在对称及偏载作用下,腹板剪力都具有从加载截面向非加载截面逐渐均衡的趋势。整体来看,对称荷载作用下,加载截面梁段和非加载截面梁段的不同波纹钢腹板剪应力分布存在差异,但差异较小;偏载作用下,加载截面梁段和非加载截面梁段的不同波纹钢腹板剪应力分布存在差异较大的情况。通过以上实测与研究的结论可为类似工程的设计提供相应的参考。

关键词：单箱八室波纹钢腹板预应力施加效率剪力分配规律

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以竞技体育为视角探析兴奋剂问题的刑法研究

以竞技体育为视角探析兴奋剂问题的刑法研究

作者：王世博贵州大学

学位级别：硕士

《反兴奋剂条例》于2004年3月1日在中国生效,这是第一次对兴奋剂问题进行规制,承担相关的法律责任,但到目前为止,中国的刑法还没有针对兴奋剂相关犯罪的明确规定。与此同时许多国家的刑法条文中都反映了对兴奋剂相关犯罪的进行规制的态... 详细信息

《反兴奋剂条例》于2004年3月1日在中国生效,这是第一次对兴奋剂问题进行规制,承担相关的法律责任,但到目前为止,中国的刑法还没有针对兴奋剂相关犯罪的明确规定。与此同时许多国家的刑法条文中都反映了对兴奋剂相关犯罪的进行规制的态度。由此本文仅从刑法角度对我国竞技体育中有关兴奋剂问题进行分析研究。随着国际奥林匹克委员会在反兴奋剂工作中的不断突破,使得反兴奋剂制度逐渐全面,对兴奋剂的定义、滥用兴奋剂的特定类型行为等问题得以逐步明晰,为兴奋剂相关犯罪进入刑法罪行圈提供了基础支持。随着世界体育的飞速发展,反兴奋剂已成为世界上所有国家都必须面对的问题。在国际奥林匹克委员会和相关反兴奋剂组织机构的影响下,诸国在对兴奋剂行为刑法规制上进行的了很多尝试。作为《国际反兴奋剂条约》的缔约国,中国应在现有刑法条文中的基础上进行扩充,来对兴奋剂相关犯罪进行规制,保护相关法律利益,来健全现有法律体系。本文的内容主要是,运用刑法学对竞技体育中由兴奋剂引发的问题进行研究,再通过探究出罪入刑的标准,对竞技体育中关于兴奋剂问题的刑法规制必要性和可行性进行分析,最后参考借鉴其他国家在刑事方面有关兴奋剂问题的先进立法实践,并结合我国实际情况,给予兴奋剂相关犯罪入罪入刑的建议。

关键词：兴奋剂犯罪合理性限度社会危害刑法研究

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基于磁偶极子的直流静磁定位模型及实验验证

基于磁偶极子的直流静磁定位模型及实验验证

作者：王世博兰州大学

学位级别：硕士

磁定位技术具有精度高、快速、无视线遮挡、多维度、操作简单、对人体无辐射伤害等优点,不仅可以得到物体的位置信息,还可以得到物体的姿态信息,因此被广泛应用于室内机器人、介入手术导航、小范围移动目标跟踪等对定位速度和精度要求... 详细信息

磁定位技术具有精度高、快速、无视线遮挡、多维度、操作简单、对人体无辐射伤害等优点,不仅可以得到物体的位置信息,还可以得到物体的姿态信息,因此被广泛应用于室内机器人、介入手术导航、小范围移动目标跟踪等对定位速度和精度要求较高的领域。目前常用的磁定位技术有两种:静磁定位和电磁定位,两者均是通过计算磁场强度来获得定位目标的六维位姿信息。传统的基于磁偶极子的电磁定位系统通常采用发射端三轴正交线圈分时受激,接收端三轴正交线圈同时接收的系统模型,接收端需要接收9个数据值,且因发射端分时发射降低了系统运行效率。传统的永磁体静磁定位系统受限于永磁体磁场强度分布规律和定位解算复杂度,应用领域较小。本文通过研究磁偶极子理论,首先分析了磁定位模型及定位算法,通过将电磁定位模型中发射端励磁信号由交流改为直流,研究了一种基于磁偶极子的直流静磁场定位解析算法,避免了传统的永磁体静磁场定位过程求解非线性高次方程的问题,降低了运算复杂度。在此基础上提出了以三轴正交线圈作为发射端同时受直流信号激励,以三轴正交静磁传感器作为接收端同时接收的静磁定位模型,相比于传统电磁定位系统,接收端数据减少为3个,简化了定位系统,发射端同时受激的方式也提高了系统效率。此外,本文通过仿真对平面电磁定位模型和本文所提出的静磁定位模型及算法进行了分析,讨论了噪声信号对两种模型定位精度的影响,并进行实验验证了静磁定位模型和算法,详细分析了定位误差及误差校正思路。研究结果表明,本文提出的静磁定位模型能够对一定范围内的目标进行准确定位,可用于科研及工程实际当中,有望在工程应用中得到推广,并实现实时运动跟踪。

关键词：磁定位磁偶极子静磁定位三轴正交线圈磁传感器

嵌入式Linux操作系统实时性的改进研究与实现

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嵌入式Linux操作系统实时性的改进研究与实现

作者：王世博东北大学

学位级别：硕士

随着计算机软硬件技术的迅速发展,嵌入式设备的使用日益广泛。大到航天飞机小到个人移动电话,到处都有嵌入式产品的影子。在层出不穷的嵌入式产品中,其优劣性与其嵌入式操作系统的性能是分不开的。因此,嵌入式操作系统的研发已经成为当... 详细信息

随着计算机软硬件技术的迅速发展,嵌入式设备的使用日益广泛。大到航天飞机小到个人移动电话,到处都有嵌入式产品的影子。在层出不穷的嵌入式产品中,其优劣性与其嵌入式操作系统的性能是分不开的。因此,嵌入式操作系统的研发已经成为当今计算机应用领域的一个热点。而在嵌入式系统的蓬勃发展过程中,人们越来越多的强调系统的强实时性,这使得强实时性系统研究显现得尤为突出。在众多的实时性嵌入式操作系统中,基于Linux的嵌入式操作系统,由于其源代码开放、系统稳定等特性,使其日益受到人们的欢迎。但是Linux作为一种通用的分时系统,它并不能直接拿来作为实时操作系统来使用,需要对其进行实时化的提升。因此,把Linux改造成强实时性的嵌入式操作系统,具有非常高的现实意义。本文针对通用Linux系统在实时性能上存在的诸多问题,分析了不能实现Linux系统硬实时性的技术障碍。充分利用目前Linux系统实时性改进的诸多方案;重点从Linux内核不可抢占性、中断处理及时钟定时器细粒度、调度算法这三个方面进行改造。针对内核不可抢占性问题,本文按照双内核模型的改造思想,充分利用RTAI技术对现有的Linux内核进行了实时性改造;针对粗粒度问题,利用先进的APIC时钟技术从硬件的角度来实现高精度的时钟系统;针对低效率的实时进程调度策略,通过实现新的调度系统,有效地提高任务的实时调度性能。在论文的结尾部分,本文将标准Linux系统和改造后的系统从上述的三个方面分别进行了相应的对比测试。实验结果表明改造后的Linux系统,在实时性能方面有了很大的改进,研究成果令人满意。新的Linux系统能够满足实时性的要求,真正成为了一种强实时性系统。

关键词： Linux 实时性抢占内核调度算法时钟定时器

几类线性互补对偶码及对应的纠缠辅助量子码的构造

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几类线性互补对偶码及对应的纠缠辅助量子码的构造

作者：王世博辽宁大学

学位级别：硕士

计算机和通信技术的发展对代数编码理论提出了新的要求.有限域作为代数编码理论中强有力的工具,在有限域上构造性能良好的码字成为了研究的热点,因此在本篇论文中,首先构造了几类线性互补对偶码,这些线性互补对偶码有良好的参数,例如q=... 详细信息

计算机和通信技术的发展对代数编码理论提出了新的要求.有限域作为代数编码理论中强有力的工具,在有限域上构造性能良好的码字成为了研究的热点,因此在本篇论文中,首先构造了几类线性互补对偶码,这些线性互补对偶码有良好的参数,例如q=3(m≥2)等.其次用这几类线性互补对偶码构造了纠缠辅助量子码,并且所构造的量子码达到了纠缠辅助的量子Singleton界和极大纠缠辅助量,主要结果如下:(1)q≡1(mod 4)时,线性互补对偶码的参数为:[(q-1)/4,n-δ-1,δ+2],纠缠辅助量子码的参数为:[[n,n-δ-1,δ+2;δ+1]],(2)q≡3(mod 4),(q≠3)时,线性互补对偶码的参数为:[(q-1)/r,n-δ-1,δ+2],纠缠辅助量子码的参数为:[[n,n-δ-1,δ+2;δ+1]],(3)q=3(m≥2)时,线性互补对偶码的参数为:[q+1,n-2δ-1,2δ+2],纠缠辅助量子码的参数为:[[n,n-2δ-1,2δ+2;2δ+1]].

关键词：线性互补对偶码极大距离可分码纠缠辅助量子码分圆陪集循环码

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二维压电薄壁结构及断裂问题的边界元法研究

二维压电薄壁结构及断裂问题的边界元法研究

作者：王世博郑州大学

学位级别：硕士

智能材料是汽车电子电控的关键组成部件,其机械性能和电学性能是智能材料研究的两类重要问题。本论文通过边界元法,基于Mathematica计算软件,分别对二维压电薄壁结构和二维介电/压电断裂模型进行分析,主要工作如下:(1)利用常规边界元法... 详细信息

智能材料是汽车电子电控的关键组成部件,其机械性能和电学性能是智能材料研究的两类重要问题。本论文通过边界元法,基于Mathematica计算软件,分别对二维压电薄壁结构和二维介电/压电断裂模型进行分析,主要工作如下:(1)利用常规边界元法分析二维压电薄壁结构:本文根据源点场点的位置关系分别得到二维压电介质边界积分方程中核函数积分的解析式,基于Mathematica计算软件,编辑边界元程序,对三种典型的压电薄壁结构模型进行数值模拟;(2)利用多区域边界元法分析二维介电介质断裂问题:将裂纹区域作为一个新的单独的狭长薄壁区域,利用精确的裂纹表面电边界条件,模拟了裂纹张开大小和裂纹腔内电场分布情况,得到裂纹尖端应力强度因子和电位移强度因子,数值模拟给出了介电常数、载荷及种常用的简化的电边界条件(不可穿透、可穿透、半可穿透)对断裂行为的影响;(3)利用多区域边界元法分析二维压电介质断裂问题:由于压电介质力电耦合的非线性,提出了一种边界元非线性迭代方法,模拟了裂纹表面精确的电边界条件,分析了裂纹尖端的应力强度因子和电位移强度因子,讨论了介电常数、压电常数、载荷的变化对断裂行为的影响,与常用的三种简化的电边界条件下的裂纹数值解对比,并进一步给出了不同形式载荷对压电材料断裂行为的影响。

关键词：二维边界元法介电材料压电材料薄壁结构裂纹电边界条件

线形布置三圆柱气动力及风压分布特性的试验研究

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线形布置三圆柱气动力及风压分布特性的试验研究

作者：王世博石家庄铁道大学

学位级别：硕士

圆柱群气动力及风压分布特性的研究一直是流体力学研究中最为典型的课题,同时也有基于大量工程背景的实际意义。目前圆柱群气动力及风压分布特性的研究主要针对双圆柱展开,针对三圆柱的研究相对较少。三圆柱的气动力及风压分布特性与单... 详细信息

圆柱群气动力及风压分布特性的研究一直是流体力学研究中最为典型的课题,同时也有基于大量工程背景的实际意义。目前圆柱群气动力及风压分布特性的研究主要针对双圆柱展开,针对三圆柱的研究相对较少。三圆柱的气动力及风压分布特性与单圆柱和双圆柱相比有很大不同,准确掌握三圆柱的气动力及风压分布特性对实际工程的抗风设计具有重要的意义。本文首先系统总结了圆柱群气动力及风压分布特性的研究现状,在此基础上,采用刚性模型测压风洞试验的方法,在雷诺数Re=6.4×10条件下,对线形布置三圆柱的气动力及风压分布特性进行了研究。本文的主要工作如下:(1)设计制作了三个圆柱模型和易于调节风向角α和间距比L/D(L为两圆柱中心之间的距离,D为圆柱的直径)的装置。通过试验得到了不同工况下线形布置三圆柱的气动力系数和风压系数。风向角范围为0°≤α≤90°,间距比范围为1.2≤L/D≤4.0。对单圆柱和串列三圆柱进行了试验,并将其试验结果与已有研究结果进行了对比,验证了试验装置和结果的可靠性。(2)对线形布置三圆柱的气动力特性进行了研究。结果表明:线形布置三圆柱的气动力特性可按间距大致划分为三种类型:小间距(1.2≤L/D≤2.0)、中等间距(2.5≤L/D≤3.0)和大间距(3.5≤L/D≤4.0)。根据气动力系数云图和曲线图,系统总结了线形布置三圆柱在三种类型间距下的气动干扰规律,并与单圆柱的结果进行了对比分析。(3)对线形布置三圆柱的风压分布特性进行了研究。结果表明:线形布置三圆柱的风压分布特性可按风向角大致划分为三种类型:小风向角(0°≤α≤25°)、中等风向角(30°≤α≤60°)和大风向角(65°≤α≤90°)。根据风压系数云图和曲线图,系统总结了线形布置三圆柱在三种类型风向角下的风压分布规律,并与单圆柱的结果进行了对比分析。

关键词：线形布置三圆柱风洞试验气动力风压分布间距比风向角

铝合金TIG-MIG复合焊电弧行为及熔滴过渡研究

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铝合金TIG-MIG复合焊电弧行为及熔滴过渡研究

作者：王世博哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

钨极氩弧焊(TIG)焊接过程稳定但效率较低,熔化极惰性气体保护焊(MIG)焊接效率较高,但在铝合金焊接过程中存在飞溅、焊缝质量差以及电弧不稳定等问题,为此提出一种铝合金TIG-MIG复合焊方法,通过引入TIG电弧来改善MIG焊接过程。本文研究了... 详细信息

钨极氩弧焊(TIG)焊接过程稳定但效率较低,熔化极惰性气体保护焊(MIG)焊接效率较高,但在铝合金焊接过程中存在飞溅、焊缝质量差以及电弧不稳定等问题,为此提出一种铝合金TIG-MIG复合焊方法,通过引入TIG电弧来改善MIG焊接过程。本文研究了TIG-MIG复合焊电弧行为、熔滴过渡以及焊缝成形特点。建立了TIG-MIG复合电弧焊接实验系统,该系统以三菱FX-3U PLC为核心,由触摸屏人机界面提供控制信号。设计了电流切换电路,该电路作为开关来控制两焊接回路的通断,还可实现TIG与MIG交替工作。利用电参数采集系统记录复合电弧U-I数据,高速摄像采集系统记录电弧形态和熔滴过渡过程。研究了TIG-MIG复合电弧TIG电流、TIG电压、MIG电流、MIG电压等电参数的变化规律。比较了各焊接参数下U-I曲线和U-I分布,结果表明,在不同熔滴过渡方式下TIG电弧对MIG电参数稳定性影响规律不同。当MIG为短路过渡或滴状过渡时,加入TIG电弧能够显著降低电参数波动;当MIG处于射滴过渡焊接参数区间时,TIG电弧难以促使MIG电弧稳定性进一步提高。比较了复合焊与单MIG焊起弧过程的电参数和熔滴过渡过程,复合焊起弧时无短路发生因而稳定性更好。TIG电弧的引入能够改变熔滴过渡方式、过渡频率、熔滴大小以及熔滴运动方向。TIG电弧可以使短路过渡逐渐向亚射流过渡和滴状过渡转变。TIG直流反接时,随着TIG电流增大,熔滴尺寸增加,过渡频率降低,熔滴偏向钨极侧运动。TIG直流正接时,随着TIG电流增大,熔滴尺寸和过渡频率无明显变化,熔滴偏离钨极侧运动。完成了5A06铝合金TIG-MIG复合堆焊实验,研究了丝极位置关系、TIG电流、MIG电压以及极性匹配等因素对焊缝成形的影响。TIG反接时,在合适的工艺参数下,TIG-MIG复合焊焊缝与单MIG相比阴极清理区域明显增加,焊缝铺展性好,表面更加致密光滑,在5-15mm丝极间距下均可获得较好的焊缝成形,前提是丝极间距需要与保护气流量和钨极高度相匹配。TIG正接时,焊缝成形差,表面氧化严重,由于TIG分流作用,焊缝余高大,宽度较小。

关键词：铝合金 TIG-MIG复合焊电弧行为熔滴过渡焊缝成形