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基于云边协同计算的智能装配生产线MES系统研究

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基于云边协同计算的智能装配生产线MES系统研究

作者：许华杰天津职业技术师范大学

学位级别：硕士

随着工业4.0、“互联网+”制造等理念逐渐进入大众视野,智能制造成为各企业研究的热点,传统制造业智能化、数字化改革迫在眉睫。在这种大环境下,装配生产线智能化程度提高,通过各类智能设备,实现生产线的数字化、自动化和高效化。但是,... 详细信息

随着工业4.0、“互联网+”制造等理念逐渐进入大众视野,智能制造成为各企业研究的热点,传统制造业智能化、数字化改革迫在眉睫。在这种大环境下,装配生产线智能化程度提高,通过各类智能设备,实现生产线的数字化、自动化和高效化。但是,海量异构的智能设备在生产过程中会出现多个计算密集型和时延敏感型任务,而终端设备或单一服务器计算资源与计算能力有限,难以满足任务执行需求,同时海量多样的数据导致数据采集、存储与处理难度大,单服务器部署的MES系统难以处理,形成“数据孤岛”,无法实现对生产过程的有效监控。本文针对当前问题,将边缘计算与云计算相结合,对生产线数据采集与处理方式进行规范与改进,使用云边协同的方式提出了计算卸载与资源优化策略,最后设计出高适配性智能装配生产线MES系统,研究内容如下:(1)针对智能生产线应用场景,对智能装配生产线系统业务流程、功能性需求和非功能性需求进行分析,根据高计算性能、低网络延迟、多设备通信、实时性等方面的需求构建终端设备、边缘计算服务器和云服务器的三层云边协同架构。(2)分析生产现场数据采集需求,根据不同设备数据通信协议支持情况,建立基于现场总线和OPC UA架构的数据采集与通信方式,针对海量数据导致冗余情况,提出一种基于改进旋转门算法的自适应采集频率方式,根据数据点数据的变化情况实时调整采集频率,保证实时性数据的真实性,避免数据冗余或者关键数据缺失的情况,并将采集到的数据使用改进孤立森林算法进行预处理,删除异常数据;最后对云边通信机制进行制定,并通过双混沌映射的方式建立数据加密机制,保证云边数据交互的安全性。(3)建立设备能耗与通信模型以及云边各层计算模型定义,提出一种基于改进博弈论算法的计算卸载方法,将终端设备作为博弈游戏的参与者,任务所需时间与产生能耗作为代价,根据需求设置不同的代价权重,以求达到纳什均衡状态,动态更新卸载策略,找到所有任务最佳卸载位置;然后对第一次卸载失败的任务或卸载过程中发现某些任务的计算量过大,超出了原先预计范围,导致任务执行时间较长的情况,提出一种基于深度强化学习的二次卸载策略,通过深度强化学习算法挖掘任务卸载场景特征并训练智能体,利用挖掘出的特征对需要卸载的任务做出最佳卸载策略,满足时延敏感型任务需求。(4)设计并开发了智能装配生产线MES系统,系统包括物料管理、订单管理、生产管理、数据管理和生产监控等模块,使用My SQL和Redis数据库进行数据应用与管理,并通过微服务的方式部署到云端和边缘端。通过与计算卸载模块和数据采集与处理模块的协同,加强了MES系统对生产过程的有效控制与实时监控,为生产提供数据支持和保障。

关键词：云边协同计算卸载数据采集 MES系统

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基于自适应卡尔曼滤波的视觉多目标跟踪

计算机工程与应用 2024年

作者：许华杰郑力文广西大学计算机与电子信息学院广西大学广西多媒体通信与网络技术重点实验室广西水利电力职业技术学院信息工程学院

多目标跟踪MOT(Multi-Object Tracking)旨在对视频序列中的多个目标进行识别与跟踪，并保持各目标的ID(Identity)，对运动不规律的多目标进行跟踪是该领域的难点，跟踪准确度难以保证且易出现目标ID频繁切换的问题。为提高跟踪准确度，... 详细信息

多目标跟踪MOT(Multi-Object Tracking)旨在对视频序列中的多个目标进行识别与跟踪，并保持各目标的ID(Identity)，对运动不规律的多目标进行跟踪是该领域的难点，跟踪准确度难以保证且易出现目标ID频繁切换的问题。为提高跟踪准确度，提出自适应卡尔曼滤波AKF(Adaptive Kalman Filter)，充分利用目标检测器提供的信息对运动模型加以修正，提高对运动不规律目标跟踪准确度；为解决目标ID频繁切换的问题，设计一种BIoUG贪婪算法，通过放大匹配框并采取择优匹配的方式，提高匹配机会并降低误匹配概率。在此基础上，提出一种针对运动不规律目标的多目标跟踪方法。实验结果表明，所提方法在DanceTrack数据集上的MOTA、HOTA、IDF1分别达到了92.2%、57.7%和58.7%；在MOT17数据集上，MOTA、HOTA、IDF1分别达到了80.3%、63.3%和77.3%。与目前主流的同类目标跟踪方法相比，所提方法对运动不规律和规律的目标均有较好的跟踪效果，体现出较好的综合性能，为运动不规律多目标的跟踪提供了新的解决思路。

关键词：多目标跟踪卡尔曼滤波数据关联轨迹匹配

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采用动态相关度权重的特征选择算法

计算机工程与应用 2024年第4期60卷 89-98页

作者：许华杰刘冠霆张品秦远卓广西大学计算机与电子信息学院南宁530004 广西大学广西多媒体通信与网络技术重点实验室南宁530004 北部湾港防城港码头有限公司广西防城港538001 广西大学土木建筑工程学院南宁530004

基于互信息的特征选择算法在考虑候选特征提供的新分类信息时,通常忽略了候选特征的加入会使得已选特征和类标签的相关性发生变化而带来额外的新增信息量,以及在计算冗余信息时采用累加求和的形式可能导致低估候选特征的冗余程度。针对... 详细信息

基于互信息的特征选择算法在考虑候选特征提供的新分类信息时,通常忽略了候选特征的加入会使得已选特征和类标签的相关性发生变化而带来额外的新增信息量,以及在计算冗余信息时采用累加求和的形式可能导致低估候选特征的冗余程度。针对以上问题,提出动态相关度权重的定义,以更全面地考虑候选特征带来的新信息量成分;提出改进冗余项的定义,采用取最大值和归一化策略,以解决传统算法存在的低估冗余问题;在此基础上提出一种采用动态相关度权重的特征选择算法(feature selection using dynamic relevance weight,FSDRW)。选取五种当前主流的基于互信息的过滤式特征选择算法进行对比实验,在来自加州大学尔湾分校UCI和亚利桑那州立大学ASU的机器学习测试数据集上的实验表明,所提出的算法在分类准确率及综合性能方面具有较好的表现。最后将所提出算法应用于广西某水库工程的微震、爆破信号识别中,算法选取出的特征用于微震信号识别可达到98.86%的分类准确率,验证了算法在实际应用中的有效性。

关键词：特征选择互信息信息熵动态相关度权重

基于多维注意力模块的轻量化混凝土裂缝检测方法

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计算机工程 2024年

作者：许华杰郑力文张品秦远卓广西大学计算机与电子信息学院广西大学广西多媒体通信与网络技术重点实验室北部湾港防城港码头有限公司广西大学土木建筑工程学院

为解决当前混凝土裂缝检测模型庞大难以部署到移动端设备且裂缝检测不准、漏检问题，提出一种基于多维注意力模块的轻量化混凝土裂缝检测方法。方法中，针对当前主流的裂缝检测模型庞大的问题，采用深度可分离卷积对YOLOv5s中的CBS特征... 详细信息

为解决当前混凝土裂缝检测模型庞大难以部署到移动端设备且裂缝检测不准、漏检问题，提出一种基于多维注意力模块的轻量化混凝土裂缝检测方法。方法中，针对当前主流的裂缝检测模型庞大的问题，采用深度可分离卷积对YOLOv5s中的CBS特征提取模块进行重构得到轻量化CBS特征提取模块(Lightweight CBS，LCBS)，以减少网络的参数量及计算量；针对裂缝检测不准问题，提出一种多尺度特征提取模块(Multi-Scale Feature， MSF)用于替换YOLOv5s第一层的卷积层，以增强网络对不同尺寸裂缝特征的提取能力；针对裂缝漏检问题，提出融合空间及通道信息的多维注意力模块(Multi-Dimensional Attention， MDA)，以增强裂缝特征提取能力和减少裂缝漏检。实验表明，所提方法比YOLOv5s参数量减少35.2%，计算量减少50.9%，模型规模减少了32.8%，且平均精度均值(mAP@0.5)提高4.2%，与目前主流的同类目标检测方法相比也具有较低的参数量和较高的检测精度。

关键词：裂缝检测注意力模块轻量化 YOLOv5s 目标检测

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基于多尺度特征融合的遥感图像语义分割方法

计算机应用 2024年第3期44卷 737-744页

作者：吴宁罗杨洋许华杰广西大学计算机与电子信息学院南宁530004 广西海洋工程装备与技术重点实验室(北部湾大学) 广西钦州535011 广西多媒体通信与网络技术重点实验室(广西大学) 南宁530004

为提高遥感图像语义分割精度,解决深度卷积神经网络(DCNN)特征提取过程中小尺寸目标信息丢失的问题,提出一种基于多尺度特征融合的语义分割方法FuseSwin。首先,在Swin Transformer中引入注意力增强模块(AEM),以突出目标所在区域并抑制... 详细信息

为提高遥感图像语义分割精度,解决深度卷积神经网络(DCNN)特征提取过程中小尺寸目标信息丢失的问题,提出一种基于多尺度特征融合的语义分割方法FuseSwin。首先,在Swin Transformer中引入注意力增强模块(AEM),以突出目标所在区域并抑制背景噪声的干扰;其次,利用特征金字塔网络(FPN)融合多尺度特征的细节信息和高级语义信息,以补充目标的特征;最后,通过空洞空间金字塔池化(ASPP)模块从融合特征图中进一步捕获目标的上下文信息,提升模型分割精度。实验结果表明,所提方法在Potsdam遥感数据集上的平均像素准确率(mPA)和平均交并比(mIoU),与DeepLabV3方法相比,分别提高了2.34、3.23个百分点;与SegFormer方法相比,分别提高了1.28、1.75个百分点,优于目前主流的分割方法。此外,将所提方法实际应用于广西钦州茅尾海的高分辨率遥感图像中的蚝排识别与分割,分别取得96.21%、91.70%的像素准确率(PA)和交并比(IoU)。

关键词：遥感图像语义分割多尺度特征融合 Swin Transformer

基于雷视融合轨迹匹配的高速公路车辆轨迹跟踪方法

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电子测量技术 2024年第9期47卷 105-111页

作者：黎云飞许华杰韦泽贤广西大学计算机与电子信息学院南宁530004 广西交科集团有限公司数智信息事业部南宁530004 广西大学广西多媒体通信与网络技术重点实验室南宁530004 广西大学机械工程学院南宁530004

针对高速公路车辆跟踪过程中,在进行雷达与视频数据融合时两类传感器之间探测目标匹配的难点问题,提出一种基于目标轨迹相似度匹配的高速公路车辆跟踪方法。首先,采用投影变换将雷达数据转化到视频数据所在的维度;其次,通过提出的曲线... 详细信息

针对高速公路车辆跟踪过程中,在进行雷达与视频数据融合时两类传感器之间探测目标匹配的难点问题,提出一种基于目标轨迹相似度匹配的高速公路车辆跟踪方法。首先,采用投影变换将雷达数据转化到视频数据所在的维度;其次,通过提出的曲线拟合算法将离散的轨迹点插值成连续的轨迹曲线;最后,将雷达探测目标投影到图像上的轨迹曲线与视频检测目标轨迹曲线进行相似度计算得到相似度矩阵,并通过对相似度矩阵进行筛选得到雷达探测目标和视频检测目标的匹配关系。采用高速公路真实场景下采集的车辆数据开展对比实验,结果表明在高速公路场景下的平均目标匹配成功率为94.71%,相比其他同类方法的平均匹配成功率提高3.01%和3.69%。所提出的方法能有效过滤伪目标,更适合在高速公路场景下的车辆跟踪中使用。

关键词：雷视融合车辆轨迹跟踪轨迹匹配曲线拟合相似度矩阵

分子间相互作用调控丝素蛋白/聚丙烯酰胺水凝胶的网络形貌和β片结晶,赋予水凝胶优异的黏附、应变和传感性能

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Science China Materials 2024年第5期67卷 1533-1542页

作者：杨德桢孙传强韩哲袁宝刚潘栋陈金传许华杰刘春太申长雨 State Key Laboratory of Structural Analysis Optimization and CAE Software for Industrial EquipmentNational Engineering Research Center for Advanced Polymer Processing Technologythe Key Laboratory of Advanced Materials Processing&Mold of Ministry of EducationZhengzhou UniversityZhengzhou450002China

丝素蛋白(SF)作为一种特殊的天然聚合物,具有优异的生物相容性、生物降解性和双亲性,是制备柔性传感器的良好候选者.然而,丝素蛋白的高结晶度和结晶不可控性使获得这种出色的仿生水凝胶传感器具有挑战性.纯SF水凝胶是脆性的,没有黏性.在... 详细信息

丝素蛋白(SF)作为一种特殊的天然聚合物,具有优异的生物相容性、生物降解性和双亲性,是制备柔性传感器的良好候选者.然而,丝素蛋白的高结晶度和结晶不可控性使获得这种出色的仿生水凝胶传感器具有挑战性.纯SF水凝胶是脆性的,没有黏性.在此,我们通过引入聚丙烯酰胺(PAM)到SF水凝胶中来解决这一问题.由于SF/PAM水凝胶具有较强的分子间相互作用,其网络形貌由欧几里得孔改变为非欧几里得孔.同时,其β片结晶很容易被抑制到纳米尺度.这些演变不仅使SF/PAM水凝胶具有优异的机械性能,而且具有出色的黏附性能.与纯PAM水凝胶相比,SF8/PAM水凝胶的拉伸强度、拉伸破坏应变、抗压强度(80%应变下)和黏附性能(在猪皮上)分别提高了133.1%、120.9%、610.8%和104.8%.此外,SF的双亲性可以使碳纳米管(CNTs)在水凝胶中分散良好.制备的CNT0.3/SF8/PAM水凝胶继承并进一步改善了上述性能.除此之外,它还表现出优异的自黏附传感性能,最大灵敏度因子高达10.13,工作应变范围超过1000%,大应变下稳定循环拉伸达500次以上.同时,六种人类活动的精确检测也得到了验证.本工作为实现高性能SF基水凝胶提供了新策略,并证实SF/PAM水凝胶在柔性可穿戴应变传感器中具有广阔的应用前景.

关键词： silk fibroin intermolecular interaction network morphology β-crystallization adhesion hydrogel strain sensor

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芍药PlSPL1基因克隆与表达特性分析

华北农学报 2024年第2期39卷 55-61页

作者：许华杰卢莉莉汤寓涵赵大球孟家松陶俊扬州大学园艺园林学院江苏扬州225009 扬州大学教育部农业与农产品安全国际联合实验室江苏扬州225009

为研究芍药PlSPL1(SPL)基因的性质和功能,进一步阐明PlSPL1基因在不同物种中的共性与特征差异,探明PlSPL1在芍药茎秆挺直程度中的作用。以芍药红峰茎秆为材料,采用RACE技术获得了芍药PlSPL1基因全长序列,利用生物信息学软件分析预测PlS... 详细信息

为研究芍药PlSPL1(SPL)基因的性质和功能,进一步阐明PlSPL1基因在不同物种中的共性与特征差异,探明PlSPL1在芍药茎秆挺直程度中的作用。以芍药红峰茎秆为材料,采用RACE技术获得了芍药PlSPL1基因全长序列,利用生物信息学软件分析预测PlSPL1的结构、理化性质和亲缘关系,随后利用qRT-PCR技术分析PlSPL1在芍药茎秆不同发育时期的表达量,并通过激光共聚焦扫描显微技术进行了蛋白质亚细胞定位分析。结果表明:PlSPL1基因开放阅读框为3000 bp,编码999个氨基酸。蛋白分子式为C_(4869)H_(7682)N_(1406)O_(1497)S_(43),分子量为111.25 ku,理论等电点为6.26,编码亲水性不稳定酸性蛋白,磷酸化修饰以丝氨酸为主,无信号肽,有跨膜结构,二级结构主要由无规则卷曲组成。系统进化树分析发现,PlSPL1蛋白与牡丹的亲缘关系最近,其次和葡萄有较近的亲缘关系;蛋白序列比对分析发现,PlSPL1蛋白具有SPL转录因子家族特有的SBP保守结构域。相对表达量分析发现,PlSPL1随着茎秆发育逐渐呈现下降趋势,表明PlSPL1负向调控芍药茎秆发育,推测其可能在茎秆挺直程度方面起重要作用;亚细胞定位显示,PlSPL1蛋白定位在细胞核中。上述结果表明,PlSPL1参与芍药茎秆发育过程。

关键词：芍药 SPL 基因克隆表达模式亚细胞定位

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基于CNN-LSTM的工业机器人轴承故障诊断研究

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机器人技术与应用 2024年第3期 30-33页

作者：马传庆邓三鹏白永雷祁宇明许华杰丁昊然天津博诺智创机器人技术有限公司天津300350 天津市智能机器人技术及应用企业重点实验室天津300350 天津职业技术师范大学机器人及智能装备研究院天津300222

针对工业机器人轴承自适应故障特征提取困难的问题,同时考虑到工业机器人轴承故障诊断对稳定性和准确性高要求的特点,本文提出一种基于卷积-长短期记忆网络(CNN-LSTM)的工业机器人轴承故障诊断方法。首先利用卷积神经网络(CNN)对故障数... 详细信息

针对工业机器人轴承自适应故障特征提取困难的问题,同时考虑到工业机器人轴承故障诊断对稳定性和准确性高要求的特点,本文提出一种基于卷积-长短期记忆网络(CNN-LSTM)的工业机器人轴承故障诊断方法。首先利用卷积神经网络(CNN)对故障数据进行自动特征提取,在CNN的每层激活函数之后引入批归一化,将卷积神经网络的输出作为长短期记忆(LSTM)神经网络的输入,通过LSTM捕捉数据在时间维度上的特征,最后通过Softmax分类器进行工业机器人轴承故障类型的输出。充分利用CNN特征提取和LSTM时序性数据建模的优势,训练工业机器人轴承故障诊断模型,并与传统的CNN、LSTM模型的故障诊断结果进行数据对比,结果表明,本文提出的模型的准确率更高,且稳定性更好。

关键词：工业机器人轴承故障诊断长短期记忆神经网络卷积神经网络特征提取