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农田耕整载荷六维力传感器结构优化与解耦研究

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农业机械学报 2024年第2期55卷 28-35,89页

作者：陈伟张晓袁栋朱继平陈小兵曹光乔农业农村部南京农业机械化研究所南京210014

针对农田耕整载荷大、测量精度低等问题,在经典十字梁结构基础上,设计了一种辐梁式六维力传感器,可同时测量力和力矩,通过仿真方法对传感器结构进行了优化,确定了应变梁长、宽、高分别为9、10、6 mm;分析了传感器结构在载荷下的应变能力... 详细信息

针对农田耕整载荷大、测量精度低等问题,在经典十字梁结构基础上,设计了一种辐梁式六维力传感器,可同时测量力和力矩,通过仿真方法对传感器结构进行了优化,确定了应变梁长、宽、高分别为9、10、6 mm;分析了传感器结构在载荷下的应变能力,确定了应变片贴片位置。对传感器开展了静态标定试验,基于标定数据采用改进型XGBoost(Extreme gradient boosting)机器学习网络对力信号进行解耦,并与常规网络进行比对。试验结果表明,改进型XGBoost模型在X、Y、Z方向力和力矩6种加载方式的测试集决定系数R^(2)_(P)分别达到0.9804、0.9418、0.9434、0.9868、0.9969、0.9822,预测效果较好,避免了陷入局部最优解。改进型XGBoost模型在六维加载力、力矩的R^(2)_(P)、测试集平均绝对误差(MAEP)均明显优于随机森林模型、传统多元线性回归,相较于传统多元线性回归方式,六维加载力、力矩的R^(2)_(P)分别提升22.57%、20.99%、23.32%、26.27%、26.05%、18.72%。基于机器学习的解耦算法可明显减少耦合误差的影响,提高传感器的测量精度,为农机优化提供了技术支撑。

关键词：农田耕整载荷辐梁式传感器结构优化解耦算法机器学习

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交错勾齿式小麦精量排种器设计与试验

农业机械学报 2024年第7期55卷 142-153,167页

作者：王云霞黄苏同张文毅祁兵周荀泽丁友强农业农村部南京农业机械化研究所南京210014

针对小麦精量播种需求以及现有排种器脉动性高、均匀性差的问题,设计了一种4排交错勾齿式小麦精量排种器,利用勾齿式型孔单粒囊种,并通过勾齿交错布置使下落的种子流形成交错有序的种子面,减少种子间的碰撞重叠,提高种子的有序性。通过... 详细信息

针对小麦精量播种需求以及现有排种器脉动性高、均匀性差的问题,设计了一种4排交错勾齿式小麦精量排种器,利用勾齿式型孔单粒囊种,并通过勾齿交错布置使下落的种子流形成交错有序的种子面,减少种子间的碰撞重叠,提高种子的有序性。通过对充种过程中小麦种子姿态分析,确定了型孔的关键结构参数和曲线轮廓。运用离散元法EDEM,分析了排种轮转速和充种区域夹角对充种性能的影响规律。仿真结果表明,排种轮转速对充种时处于有利姿态的种子数量有显著影响,充种区夹角的增大有利于提高充种率,但充种区夹角过大会造成成功充入种子掉落出型孔,降低充种性能。在此基础上,以排种合格率、单粒率、空穴率为指标进行了正交旋转组合试验,获得了最优工作参数组合。在排种轮转速、充种区高度以及毛刷/排种轮转速比分别为18 r/min、73 mm、2.5条件下,与现有凸齿式小麦排种器进行对比试验,交错勾齿式小麦排种器的排量变异系数比凸齿式排种器降低0.66个百分点,落种过程中排出的种子交错有序下落,具有更好的排种均匀性。

关键词：小麦精量排种器交错勾齿式精量播种 EDEM

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频域分割的复合超声热应变成像

声学学报 2024年第1期49卷 155-162页

作者：马鸿飞尹楚豪屠娟郭霞生章东南京大学声学研究所近代声学教育部重点实验室南京210093

在超声热应变成像(TSI)中,二维TSI图像中加热区域即感兴趣区域(ROI)的后方(远离声源方向)由于热声棱镜效应、互相关函数峰值误判等可能出现较强的噪声,影响对热区的识别。为对TSI图像降噪并优化ROI的选取,提出一种频域分割的复合超声热... 详细信息

在超声热应变成像(TSI)中,二维TSI图像中加热区域即感兴趣区域(ROI)的后方(远离声源方向)由于热声棱镜效应、互相关函数峰值误判等可能出现较强的噪声,影响对热区的识别。为对TSI图像降噪并优化ROI的选取,提出一种频域分割的复合超声热应变成像方法。首先,对加热过程中超声成像得到的射频数据进行频段划分,将划分后每个频段的数据视作一次独立成像的结果。其次,利用不同频段数据分别进行TSI计算,所得ROI的形态及其中的热应变分布有很好的一致性,而噪声分布差异较大。基于此对ROI与噪声区域进行区分,通过多频段TSI的复合实现降噪。最后,对降噪后的TSI图像,借助径向梯度指标实现ROI的识别。基于数值仿真和离体猪脂肪加热实验,对所建立的方法进行了验证,仿真中ROI热应变成像的对比度提升了1.7 dB,实验中提升了13.6 dB。

关键词：超声测温热应变成像图像降噪热区识别

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新时期我国生物多样性法制建设思考

生物多样性 2024年第5期32卷 1-11页

作者：赵富伟李颖硕陈慧生态环境部南京环境科学研究所南京210042

中国是生物多样性最丰富的国家之一,近年在生物多样性保护上取得了重要进展,在国际上引领达成《昆明-蒙特利尔全球生物多样性框架》,但国内生物多样性法制建设却略显滞后。国家从生物多样性的资源属性和经济价值出发,以保护为主要目的,... 详细信息

中国是生物多样性最丰富的国家之一,近年在生物多样性保护上取得了重要进展,在国际上引领达成《昆明-蒙特利尔全球生物多样性框架》,但国内生物多样性法制建设却略显滞后。国家从生物多样性的资源属性和经济价值出发,以保护为主要目的,兼顾资源合理利用,发布实施《森林法》《野生动物保护法》《种子法》等基本涵盖生态系统、物种和遗传多样性的法律法规,初步建立生物多样性法制体系。但现行生物多样性相关法律法规的立法理念滞后,立法系统性不强,关键制度组成不健全,与人与自然和谐共生的现代化建设需求极不相称。当前,国家已经启动生态环境法典立法工作,应当以此为契机,采用人与自然和谐共生的地球生命共同体理念,制订全面、完整覆盖生态系统、物种和遗传多样性三个层次并且能够保障实现生物多样性保护、持续利用和惠益分享三个目标的新时期生物多样性制度体系,建立健全立法结构科学合理、制度组成完整、系统的生物多样性法制体系,保障我国持续引领生物多样性国际治理。

关键词：生物多样性法制生态环境法典人与自然和谐共生生物遗传资源惠益分享

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中国市域自然保护区时空格局演变特征

生态学报 2024年第10期44卷 4021-4037页

作者：吕莹莹钱者东王晔于换喜徐网谷王智生态环境部南京环境科学研究所南京210042

市域是自然保护地整合优化的具体实施单元,揭示市域自然保护区的时空格局演变特征和发展趋势对于全面建设中国特色自然保护地体系具有重要的现实意义。基于1975—2020年间隔5 a的10期中国自然保护区名录,通过标准差椭圆、探索性空间数... 详细信息

市域是自然保护地整合优化的具体实施单元,揭示市域自然保护区的时空格局演变特征和发展趋势对于全面建设中国特色自然保护地体系具有重要的现实意义。基于1975—2020年间隔5 a的10期中国自然保护区名录,通过标准差椭圆、探索性空间数据分析、空间Markov链等方法首次从市域尺度探讨了中国自然保护区的时空动态演变特征和发展趋势,并引入地学信息图谱构建其变化模式。结果表明:(1)中国市域自然保护区比例呈现先快速增长后逐步稳定的趋势,但整体仍以低值区为主。市域间自然保护区比例差异明显,逐步形成了“西高东低”的空间格局。重心整体表现为“东南-西北-东北”的迁移过程,重心移动距离和速度逐渐缩小。1990年以后,中国市域自然保护区比例始终呈现“东北-西南”向的空间分布格局。(2)市域自然保护区比例存在显著的空间相关性且相关性总体呈上升之势,但空间集聚水平的变化逐年缩小。局部空间异质性较强,高高和低低集聚区均呈扩张态势。(3)从变化模式图谱来看,中国市域自然保护区比例等级以“前期变化-低频-逐步提升”(ESC-LQ-T1)的方式进行,主要图谱类型为“空缺区转为低值区”。市域自然保护区比例等级类型转移具有稳定性和显著的时空异质性,后期出现了“俱乐部收敛”现象,且邻域背景在其动态变化过程中发挥着重要作用。未来要加强对空缺区和低值区市域单元的自然资源进行摸底评估,将其最有价值的区域纳入自然保护区,同时推广区域联合保护机制,促进自然保护地体系高质量建设。

关键词：自然保护区市域尺度时空演变地学信息图谱空间Markov链

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阳澄湖入湖河道分类、污染特征分析及治理策略

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湖泊科学 2024年第3期36卷 741-755页

作者：刘帅谢茂嵘吕文宋娜杨惠杨文晶姜宇白瑞泉沈逸史书杨金艳江苏省水文水资源勘测局苏州分局苏州215011 中国科学院南京地理与湖泊研究所南京210008

为进一步揭示阳澄湖入湖河道的污染物来源,提出相应的治理对策,以2017—2021年阳澄湖入湖河道水质监测数据为基础进行分析讨论。依据入湖水量选取10条主要入湖河道进行分析,其中位于阳澄湖东岸的白曲港在七浦塘拓浚工程建成之前主导流... 详细信息

为进一步揭示阳澄湖入湖河道的污染物来源,提出相应的治理对策,以2017—2021年阳澄湖入湖河道水质监测数据为基础进行分析讨论。依据入湖水量选取10条主要入湖河道进行分析,其中位于阳澄湖东岸的白曲港在七浦塘拓浚工程建成之前主导流向为出湖,工程建成后,通过Pearson相关分析证实了其流向与七浦塘引水时的水力关系,因此白曲港被选为主要入湖河道。采用距平系数法、系统聚类法和物元分析法将阳澄湖主要入湖河道分为3个类别:第1类别包括白荡、蠡塘河、北河泾、永昌泾4条河道,第2类别包括渭泾塘、界泾和施家斗港3条河道,第3类别包括南消泾、七浦塘和白曲港3条河道。使用因子分析法进行因子分析,第1类别河道的因子为高锰酸盐指数(COD_(Mn))、氨氮(NH_(3)-N)、溶解氧(DO)和总磷(TP),第2类别河道的污染因子为NH_(3)-N、总氮(TN)、pH、TP和DO,第3类别河道的污染因子为pH、TP、TN和DO。通过对上游河道水质情况分析、文件研究以及实地调查等方式得出第1类别河道区域的污染源主要为工业污染源和生活污染源,第2类别河道区域污染源主要为工业污染源与种植业污染源,第3类别河道污染源主要为陆地水产养殖污染源与种植业污染源。针对总体污染源情况,建议通过控制点源污染、削减面源污染、增强上游河道治理、开展生态治理修复以及加强巡查监管等方式对各类别河道区域进行针对性治理,以提高入湖河道水质,为阳澄湖的系统性和整体性治理打好基础。

关键词：阳澄湖入湖河道系统聚类物元分析因子分析污染源河道治理

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设施园艺移动平台分布式驱动自适应防滑控制

农业工程学报 2024年第10期40卷 85-96页

作者：陈凤丁俊杰罗志涛郑恩来鲁应涛汪小旵沈成鲁植雄南京农业大学工学院南京210031 农业农村部南京农业机械化研究所南京210014

针对设施园艺特殊作业场景对电驱移动平台灵活作业与高操纵稳定性需求,该研究设计了一种四轮轮毂电机独立驱动的分布式设施园艺电驱移动平台,并提出了一种可提高转向灵活性与稳定性的自适应防滑控制策略。在该控制策略中,首先构建电驱... 详细信息

针对设施园艺特殊作业场景对电驱移动平台灵活作业与高操纵稳定性需求,该研究设计了一种四轮轮毂电机独立驱动的分布式设施园艺电驱移动平台,并提出了一种可提高转向灵活性与稳定性的自适应防滑控制策略。在该控制策略中,首先构建电驱移动平台动力学模型与Ackermann差速转向模型,结合速度瞬心原理及轮胎侧偏角确定各车轮转向目标转速;其次,为提高电驱移动平台对时变附着系数的适应能力,采用改进的强跟踪自适应无迹卡尔曼滤波算法设计复杂路面识别器,实现对路面附着系数准确估计;最后,设计基于自适应滑模算法的防滑控制器,根据路面附着系数估计值确定车轮相对最佳滑转率并实时控制滑转率。为验证所提控制策略的有效性,开展了Carsim-MATLAB/Simulink联合仿真与分布式设施园艺电驱移动平台实车试验。试验结果表明,所提控制策略可准确估计复杂道路下路面附着系数,降低车轮滑转率误差;在不变路面、对接路面与对开路面3种工况下,左侧车轮滑转率误差分别为0.031、0.015和0.038,右侧车轮滑转率误差分别为0.026、0.005和0.028;在不变路面与随机路面实测路况下,电驱移动平台路面附着系分别数约为0.44和0.47,最大滑转率分别约为0.69和0.68,有效抑制了轮胎转向时的过度滑转,提高了电驱移动平台的行驶稳定性。研究可为设施园艺车辆驱动防滑控制提供具体理论依据和实施方案。

关键词：农业机械试验设施园艺轮毂电机电驱移动平台差速转向防滑控制

典型风力条件及水力调度下太湖藻华高频时空动态监测

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湖泊科学 2024年第3期36卷 685-694页

作者：胡明涛陈诚李港刘洋姚斯洋何梦男陈求稳南京水利科学研究院生态环境研究所南京210029 河海大学水利水电学院南京210098 江西省水利科学院南昌330029 武汉大学水利水电学院武汉430000

湖泊藻华问题已成为全球水生态环境领域面临的长期挑战,风力条件变化和引调水工程的水力调度能改变湖体水动力结构,对藻类的生长和聚集过程产生影响,进行该过程的精细化监测和机制分析对于湖泊藻华预报预警和应急处置具有重要意义。本... 详细信息

湖泊藻华问题已成为全球水生态环境领域面临的长期挑战,风力条件变化和引调水工程的水力调度能改变湖体水动力结构,对藻类的生长和聚集过程产生影响,进行该过程的精细化监测和机制分析对于湖泊藻华预报预警和应急处置具有重要意义。本研究基于Hiamwari-8/AHI卫星遥感高频监测数据,对比分析了归一化差异植被指数(NDVI)、增强植被指数(EVI)和浮游藻类指数(FAI)3种不同指数对太湖藻华的反演效果,开展了典型风力条件下和水力调度下太湖藻华生消过程的持续监测分析。结果表明,FAI对藻华区域和非藻华区域的区分更加明显,其阈值提取的藻华面积与基于MODIS图像解译的藻华面积的相对误差最低,为-2.27%。当营养盐充足且水温持续保持在蓝藻大量生长增殖的阈值以上时,风力条件是导致太湖藻类迁移聚集的关键因子,风向主要影响藻类的水平迁移,使其进行方向性迁移并逐渐形成大面积藻华区域。风速主要影响藻类的垂向迁移并存在临界阈值,当风速低于约2.5 m/s的临界风速时,藻华面积随风速增加而增加;当风速高于临界风速时,藻华面积随风速增加而降低。水力调度对距离较近的贡湖湾区域具有显著影响,主要通过水动力扰动来影响藻类的垂向迁移,使藻类沿水深方向强烈掺混,导致区域藻华面积下降。此外,持续且更大流量的调水将不断增强水动力扰动,减小区域藻华面积。本研究揭示了典型风力条件及水力调度下太湖藻华分布特征和迁移机理,可为湖泊藻华的精确动态监测预警和科学管控提供重要技术支撑。

关键词：太湖蓝藻水华高频监测 Hiamwari-8/AHI 水力调度

冻结作用下土石坝护坡土石混合体水分迁移试验研究

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岩土工程学报 2024年第5期46卷 959-967页

作者：李卓姜鑫张继勋赵昱王虞清鲁洋南京水利科学研究院大坝安全与管理研究所江苏南京210029 水利部大坝安全管理中心江苏南京210029 河海大学水利水电学院江苏南京210024

土石坝护坡冻胀破坏主要由护坡砂砾料垫层、坝体填土自身冻胀和水分迁移共同作用引起。针对寒区土石坝护坡普遍存在的隆起、错位、坍塌等冻胀破坏问题,以寒区某土石坝护坡工程砂砾料垫层、坝体填土为研究对象,采用自研的土石混合体水分... 详细信息

土石坝护坡冻胀破坏主要由护坡砂砾料垫层、坝体填土自身冻胀和水分迁移共同作用引起。针对寒区土石坝护坡普遍存在的隆起、错位、坍塌等冻胀破坏问题,以寒区某土石坝护坡工程砂砾料垫层、坝体填土为研究对象,采用自研的土石混合体水分迁移冻结模型试验装置系统,开展了补水条件下单向冻结模型试验研究,研究了温度、含石量、水分迁移对土石坝护坡土石混合体冻胀特性的影响。研究结果表明:温度、含石量对土石混合体的冻胀特性影响显著;水分迁移受土石含量、温度和含水率影响,护坡砂砾料垫层和坝体填土含水率越大,冻结过程中水分迁移量越大,水分相变成冰的条件越充分;土、石分层对黏土温度变化影响较大,黏土和砾石分层可有效减小水分迁移量和冻胀量,对土石坝护坡防冻胀是有利的;土石混合体内部孔隙水相变成冰并在试样内部形成分凝冰是冻胀量增加的主要原因,土石混合体原位冻胀以及冻结过程中分凝冰的生长使冻胀量不断增加,且补水量越大,试样冻胀量就越大;不同温度、含石量下试样的冻胀量均随补水量的增加而基本呈线性增大,且含石量对冻胀量增加速率影响较小,温度对冻胀量增加速率影响较显著。研究成果可为寒区土石坝护坡设计和运行管理提供科学依据和技术支撑,补充了碾压式土石坝设计规范中的护坡设计。

关键词：土石坝土石混合体水分迁移冻胀破坏冻结作用