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扫频微波含水率快速检测技术在茶叶和茶叶籽加工中的应用研究

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扫频微波含水率快速检测技术在茶叶和茶叶籽加工中的应用研究

作者：吴晨媛浙江大学

学位级别：硕士

我国是世界第一茶叶种植和生产大国,茶树的叶片、果实和种子等器官都具备较高的利用价值,可被加工为不同的茶产品。在各类茶产品的加工过程中,都需要对物料的含水率进行快速、精确的检测。例如,在茶叶萎凋工序中,叶片含水率与成茶风味... 详细信息

我国是世界第一茶叶种植和生产大国,茶树的叶片、果实和种子等器官都具备较高的利用价值,可被加工为不同的茶产品。在各类茶产品的加工过程中,都需要对物料的含水率进行快速、精确的检测。例如,在茶叶萎凋工序中,叶片含水率与成茶风味有极大的关联,可以通过实时监测叶片含水率来精准把控萎凋进程;而在茶叶籽油的生产中,茶叶整籽的含水率过高会导致脱壳困难,籽仁含水率过低又会影响出油率,也需要在加工中快速测定其含水率。因此,本文以萎凋叶片、茶叶籽仁和茶叶整籽3种茶产品为研究对象,利用自研的基于扫频微波技术的农业物料含水率检测系统分别采集不同含水率下萎凋叶片、茶叶籽仁和茶叶整籽的微波特征频谱,探明了微波频率特征（衰减AA和相移△φ）对物料含水率的响应规律;提出了一种基于混合蚁群优化的二段式频率特征优化方法,优选出适用于物料含水率检测的微波频率特征;设计了一种基于Stacking集成策略的双层融合预测结构,建立了具有较高泛化能力的含水率预测模型;集成扫频微波含水率检测系统、频率特征优化方法和Stacking双层融合模型,实现了对带壳物料内部含水率的无损检测。主要研究内容和结论如下:（1）基于混合蚁群算法优化微波频率特征的萎凋叶片含水率（16.25%-77.65%）检测研究。提出了一种基于混合蚁群优化（HACO）的二段式频率特征优化方法,利用非参数检验方法来评估基于过滤-嵌入式特征选择的特征空间精简对HACO的性能提升效果;采用结合交叉验证和多数投票规则的特征评价方法计算出所有特征累积选择概率P（Fj）,基于阈值法生成最佳微波频率特征子集;分别利用随机森林（RF）、支持向量机（SV R）、极限梯度提升机（XGBoost）和多层感知机（MLP）算法建立萎凋叶片含水率的预测模型,以评估优选的微波频率特征的含水率预测能力。非参数检验的结果表明,使用基于最大信息系数和岭回归-递归特征消除（MIC-Ridge RFE,MR）的特征空间精简能够显著地提升HACO的优化效果,MR-HACO是最理想的特征优化流程;在特征评价步骤中,设定阈值P0为0.4,保留了P（Fj）≥P0的9个频率特征;基于优选的9个频率特征建立的4个含水率预测模型都取得了较好的回归指标（MAEp=1.294%,RMSEp=2.212%,Rp2=0.988）,说明提出的基于混合蚁群优化的二段式频率特征优化方法有效地筛选出了包含萎凋叶片含水率的关键预测信息的微波频率特征。（2）基于Stacking集成策略建立双层融合预测模型的茶叶籽仁含水率（7.74%-26.73%）检测研究。先根据二段式特征优化方法优选了 13个微波频率特征,再分别利用决策树（DT）、RF、SVR、XGBoost、轻量梯度提升机（LGBM）和MLP算法建立了茶叶籽仁的单层含水率预测模型;设计了一种基于Stacking集成策略的双层融合预测结构,并构建了一项混合评价指标IN3来优选适用于搭建双层模型的底层回归算法;重复运行10次搭建的双层模型和6个单层模型,分别采用非参数检验和气泡图对所有模型的运行得分进行客观评估和可视化,以检验Stacking集成策略对模型泛化性能的提升效果。比较6个单层模型发现,不同回归算法对微波频率特征的学习能力存在差异（SVR模型的Rp2可达0.989,而DT模型的Rp2仅为0.950）;基于IN3指标计算各个单层模型的运行得分,选取排在前3位的RF、SVR和XGBoost模型组成双层模型的底层结构,建立了结构为[RFVRGBoost]T的Stacking模型;非参数检验的结果表明,Stacking模型的平均精度（MAEp=0.089%,RMSEp=0.404%,Rp2=0.995）显著高于6个单层模型,气泡图显示,改变模型的输入数据时,Stacking模型仍能输出相似误差水平下的预测结果,说明Stacking集成策略有效地提升了茶叶籽仁含水率预测模型的泛化能力。（3）基于扫频微波技术的茶叶整籽的籽仁含水率（6.94%-26.88%）检测研究。在分析不同微波频率特征对茶叶整籽的籽仁含水率的响应差异的基础上,采用二段式特征优化方法优选了代表性的微波频率特征;利用DT、RF、SVR、XGB oost、LGBM和MLP算法建立了 6个单层含水率预测模型,基于Stacking策略建立了结构为[RFVRGB oo st]T的双层含水率预测模型,并通过非参数检验来评估双层模型与6个单层模型之间的性能差距;将Stacking双层模型部署于扫频微波检测系统,在不同厚度（1-5 cm）的55组茶叶整籽样品上开展试验,以检验其用于籽仁含水率检测的可行性。分析微波特征频谱发现,相移特征对籽仁含水率变化的感知能力比衰减特征更强,执行特征优化流程后,13个频率特征被保留;非参数检验的结果表明,与6个单层模型相比,双层模型的

关键词：茶叶茶叶籽含水率多频微波无损检测

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基于双向谐波电压变动的光伏并网孤岛检测

电力自动化设备 2019年第3期39卷 194-199页

作者：吕干云吴启宇吴晨媛程浩忠时翔南京工程学院电力工程学院江苏南京211167 上海交通大学电力传输与功率变换控制教育部重点实验室上海200240 国网青岛供电公司山东青岛266002

针对传统的被动式光伏并网孤岛检测存在的检测死区问题,提出一种基于双向谐波电压变化量的光伏并网孤岛检测方法。通过分析孤岛前后谐波电压的变动及传统谐波电压检测法的失效机理,提出基于双向谐波电压的孤岛检测策略。利用加窗傅里叶... 详细信息

针对传统的被动式光伏并网孤岛检测存在的检测死区问题,提出一种基于双向谐波电压变化量的光伏并网孤岛检测方法。通过分析孤岛前后谐波电压的变动及传统谐波电压检测法的失效机理,提出基于双向谐波电压的孤岛检测策略。利用加窗傅里叶变换同步计算光伏集中并网发电系统送出线路电流及所接母线电压的谐波,从而获得各次谐波功率;由并网运行时谐波功率的正负极性判断各次谐波源方向,并根据正、负最大谐波功率值选择系统侧、光伏侧谐波的特征频次;利用滑动加窗傅里叶变换分析这2个频次的母线谐波电压变化量,建立孤岛检测判据,若系统侧谐波电压减小量和光伏侧谐波电压增加量均满足判据,则发生孤岛。仿真结果验证了所提方法的有效性。该方法不影响并网逆变器输出的电能质量,且能在较严重背景谐波下有效检测孤岛,检测死区较小。

关键词：光伏并网系统孤岛检测双向谐波谐波电压变动

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基于多重判据的闪变源智能定位

电力系统及其自动化学报 2019年第12期31卷 95-100页

作者：吴启宇吕干云吴晨媛吴洁俞明魏鹏南京工程学院电力工程学院南京211167 国网江苏省电力有限公司南京市溧水区供电分公司南京211200 国网陕西省电力公司西安710048

闪变源定位是解决闪变引起的供用电双方矛盾的关键。本文提出一种基于多重判据的闪变源智能定位法。首先分析了4种典型的闪变源定位方法并提取相应的闪变特征量。然后采用线性支持向量机算法对数据样本进行智能学习,有效利用定性特征量... 详细信息

闪变源定位是解决闪变引起的供用电双方矛盾的关键。本文提出一种基于多重判据的闪变源智能定位法。首先分析了4种典型的闪变源定位方法并提取相应的闪变特征量。然后采用线性支持向量机算法对数据样本进行智能学习,有效利用定性特征量与定量特征量形成互补,在多维特征空间中构建上下游最优分类面,进而判断闪变源的位置。该方法通过智能学习代替了人工经验,将电力系统网络架构信息存储在线性支持向量机的权值中,可适用于多种情况下闪变源定位。最后采用33节点网络仿真对该模型进行验证。结果显示,与传统单一定位方法相比,该法具有更高的定位正确率,且能在附加一定白噪声条件下准确定位闪变源。

关键词：闪变源定位智能定位多重判据线性支持向量机

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庐山土壤有机质与速效钾的关系

现代农业科技 2018年第11期 186-187页

作者：吴晨媛南京农业大学资源与环境科学学院江苏南京210095

为了研究不同海拔下庐山土壤中有机质含量与速效钾含量的关系,根据庐山海拔(包括气候、母质、植被等成土因素)采用随机分层抽样的方法进行土壤样点分析。结果表明,土壤有机质含量与海拔和速效钾含量有关,土壤中有机质含量与海拔成正相关... 详细信息

为了研究不同海拔下庐山土壤中有机质含量与速效钾含量的关系,根据庐山海拔(包括气候、母质、植被等成土因素)采用随机分层抽样的方法进行土壤样点分析。结果表明,土壤有机质含量与海拔和速效钾含量有关,土壤中有机质含量与海拔成正相关,随着海拔的升高,有机质含量逐渐增加,有机质含量由小到大分别为山地红壤、山地黄棕壤、山地棕壤;土壤中有机质含量与速效钾含量成正相关。深入探究有机质含量与速效钾含量之间的关系,有助于掌握庐山土壤的养分状况,为庐山农业生产施肥方案提供科学依据。

关键词：有机质速效钾海拔庐山

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电压波动与闪变源定位方法综述

电力系统及其自动化学报 2019年第6期31卷 7-14页

作者：吕干云吴启宇吴晨媛汤国晟程浩忠南京工程学院电力工程学院南京211167 电力传输与功率变换控制教育部重点实验室(上海交通大学) 上海200240

电压波动与闪变是电力系统中一种常见的电能质量问题。正确识别供电系统中的闪变源,有利于闪变责任划分,调节供、用电双方矛盾。为此,本文以电压波动与闪变形成原因为切入点,重点对基于波动潮流方向的定位法、基于电压电流间内在联系的... 详细信息

电压波动与闪变是电力系统中一种常见的电能质量问题。正确识别供电系统中的闪变源,有利于闪变责任划分,调节供、用电双方矛盾。为此,本文以电压波动与闪变形成原因为切入点,重点对基于波动潮流方向的定位法、基于电压电流间内在联系的定位法、基于波动强度的定位法和其他定位法进行深入讨论,并详细分析各种方法的原理和优缺点,提出了闪变源定位的关键问题。最后对闪变源定位方法做出总结,并对今后的研究方向提出建议。

关键词：电能质量电压波动与闪变源定位责任划分

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一种基于S变换的闪变检测和源定位方法

电力电容器与无功补偿 2018年第5期39卷 87-93页

作者：吕干云武阳时翔蒋小伟吴启宇吴晨媛南京工程学院电力学院南京211167 国网青岛供电公司山东青岛266002

近年来,电压波动和闪变受到了电力系统和用户的广泛关注。闪变干扰源的准确定位是改善和治理闪变及协调相关供用电纠纷的基本前提。本文基于S变换进行非平稳电压闪变的动态信号处理,实现PCC处电压闪变调制幅值和频率的检测,并分析计算... 详细信息

近年来,电压波动和闪变受到了电力系统和用户的广泛关注。闪变干扰源的准确定位是改善和治理闪变及协调相关供用电纠纷的基本前提。本文基于S变换进行非平稳电压闪变的动态信号处理,实现PCC处电压闪变调制幅值和频率的检测,并分析计算电压和电流动态相量,在此基础上给出闪变源定位的等效模型及其动态参数估计,最后通过上游系统参数、下游负荷电流变化与电压变化量的关系分析,定量地给出电压闪变源定位结果。算例证明,该法能在复杂配电网中完成电压闪变源的正确定位,可应用于电能质量监测系统。

关键词：电压闪变 S变换检测源定位动态参数估计