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关键词： 大直径盾构   深度神经网络   掘进参数预测   目标优化  

摘要： 随着我国基础设施建设的不断深化,大直径深长隧道的规划与建设正迎来持续增长的新阶段。盾构法施工凭借其高效与稳定的显著优势,已成为国内外大直径深长隧道施工的首选。然而,大直径盾构在施工过程中面临着极为复杂的地质环境,不同地层特性对盾构机掘进参数的选择产生显著影响。盾构掘进参数的调整与控制直接关系到盾构机的掘进效率、工程质量和施工安全。传统的参数调整方法依赖盾构驾驶员主观判断与经验,这种方法不仅耗费人力与成本,而且具有一定的决策风险。为应对这一挑战,科学合理地预测和优化掘进参数尤为重要。通过掘进参数的精准预测与优化,减少对驾驶员经验的依赖,确保大直径盾构安全稳定掘进。因此,本文开展基于深度学习的大直径盾构掘进参数预测与智能优化研究,主要研究内容与成果如下: (1)依托汕头湾海底隧道工程,对现场掘进数据进行数据预处理,包括循环段有效数据提取与分割、异常值识别与修正和数据平滑。引入地层表征参数进行地质判别,并对不同地质下关键掘进参数进行分析,为后续的掘进参数预测模型建立和掘进控制参数优化奠定了坚实的数据基础。 (2)通过对掘进段数据的挖掘与分析,选取合适的输入特征,建立基于多元变权组合神经网络的掘进参数预测模型,实现对稳定段掘进被动响应参数的精准预测。将该模型在不同的地质环境中进行了预测应用,并且与其它单一模型进行了性能对比。通过多维度评估,实验结果验证了该模型在预测盾构掘进参数方面的高效性,并为后续优化调整盾构机的控制参数提供了重要的参考依据。 (3)从盾构施工安全、效率、成本角度出发,将选择和调整盾构掘进控制参数的过程转化为一个涉及多个目标的优化问题。首先确定控制参数优化的可行域,保证安全施工,并以缩短工程工期和降低工程成本为优化目标,提出一种新的智能目标优化决策方法,通过算法得出掘进控制参数的最优组合。最后对工程现场数据实验,验证了本文优化决策方法的可行性。 本文从工程盾构获取的参数数据出发,按照“数据挖掘—参数预测—优化决策”的研究路径,对盾构掘进参数进行深度挖掘与分析,在不同地层条件下刀盘扭矩与总推力的平均预测精度分别达92.6%、89.1%。对盾构施工进行多目标优化,使掘进速度提升29.92%,掘进比能下降5.68%。本文研究结果为盾构机驾驶员调整施工参数提供了有力的辅助工具,推动盾构施工向智能化发展。

关键词： 淮河流域   植被覆盖度   地理探测器   驱动因素   CA-Markov  

摘要： 厘清淮河流域生态环境质量在时间和空间上的演变特点,并深入探讨自然环境和人为因素对植被覆盖度变化的影响,对于淮河流域生态环境政策的制定与实施具有重要的意义。本文利用谷歌地球引擎（Google Earth Engine）工具,建立了遥感植被覆盖度数据,并结合趋势分析和变异系数,对淮河流域2000-2021年间植被覆盖度的时空变化进行评价。此外,通过运用地理探测器模型,深入剖析了影响淮河流域植被覆盖度变化的主要驱动因子。同时,结合CA-Markov与MCE-CA-Markov模型,分别对2030年淮河流域植被覆盖度的分布特征进行预测模拟,以下是主要的研究结果: （1）植被覆盖度的时空分布特征:在2000-2021年的22年间,淮河流域的植被覆盖度值在0.665-0.721之间波动。从2000年到2010年,植被覆盖度表现出显著的增长趋势。而自2011年至2021年,植被覆盖度的增长则相对缓慢。基于2021年数据,淮河流域植被覆盖度分布以中高、高覆盖度为主,这两种植被覆盖度的面积合计占比达75%。整体而言,植被覆盖度呈现出西南高、东北低的趋势。其中,河南省西部、安徽南部、湖北省的植被覆盖状况最优越,而江苏和山东省北部的低植被覆盖区分布最广。 （2）植被覆盖度时空演化特征:在研究期间,淮河流域植被变化呈现改善趋势。改善区域的面积达到233195 km2,而退化区域面积则为157669 km2。改善的区域主要集中在研究区的西部和南部,而退化区域主要集中在研究区东部、中部及北部。整体来看,淮河流域的植被覆盖度稳定性较高,高稳定性和较高稳定性的区域占比达到66.93%,表明植被覆盖度的波动幅度不大。对植被覆盖度变化稳定性的分析结果显示,水系湖泊区域和海拔较高的山区植被覆盖度的整体稳定性较高,而水系湖泊边界周围区域的植被覆盖度的整体稳定性较低。 （3）植被覆盖度变化的驱动因素分析:通过地理探测器模型的探测,发现夜间灯光和降水量是影响植被覆盖度变化的主要驱动因子。双因子交互作用的解译力均高于单因子,夜间灯光与其他因子的交互作用对植被覆盖度的变化尤为显著。综上表明人类活动与气象因素是影响植被生长的关键因素。 （4）植被覆盖度的时空预测特征:CA-Markov和MCE-CA-Markov在预测2030年淮河流域植被覆盖分布时均展现出了较高的精度,两者的预测结果高度一致。通过MCE-CA-Markov模拟预测,高植被覆盖度与中高植被覆盖度的面积相较于2020年将持续增加,而中、中低和低植被覆盖度区域的面积呈现出相对减少的趋势。 图[19]表[17]参[121]

关键词： 球形机器人   变直径机构   双重摆   动力学模型  

摘要： 球形机器人是一种新型移动机器人,具有欠驱动、灵活性好、能耗低等特点,使其能够广泛应用于环境勘探,安全巡逻与星际探索等领域,近年来受到国内外科研人员的广泛关注。目前,球形机器人的研究多局限于固定直径的刚体球壳机器人,使其适用范围与功能受到了一定的限制。本文所研究的变直径球形机器人具有一种变直径机构,使其能够改变自身直径,并能够吸收冲击。在驱动方式方面,借鉴重摆驱动与动量轮驱动方式,设计了一种双重摆系统,使其能够通过简单的切换,呈现出五种不同的工作模式。以球形机器人的前进运动为主要研究场景,对目标速度跟随能力与机器人内部机构姿态控制能力进行分析与实验。具体研究工作如下: (1)变直径球形机器人的机械结构设计。设计了一种由六边形单元、五边形单元和连接件组成的变直径球壳机构,介绍了单元大小与球壳直径的关系,连接件的角度计算方式。为变直径球壳设计了一种差动式对中机构,该机构能够保持机器人的控制器、驱动器和电源等始终保持在机器人的中心位置,并能够为球壳的变径动作提供大部分的动力,还能够通过侧向偏移质心控制机器人转向。设计了一种质心旋转平面相重合的双重摆系统,该系统能够呈现出五种工作模式,分别是:锁止模式、重摆模式、倒立摆模式、等价重摆模式和动量轮模式。 (2)球形机器人的动力学模型。使用拉格朗日动力学方程分别对球形机器人在固定和改变直径的工况下进行动力学分析,发现机器人直径快速变化时动力学方程过于复杂,故限制机器人的变径速度,或与前进、转向等动作相分离。接着在不改变直径的直线行驶工况下,建立了双重摆系统五种工作模式下的动力学模型并分析各自的特点。最后使用牛顿-欧拉方程分析了球形机器人在转向时的动力学特性。 (3)球形机器人的样机制作与控制方法。使用3D打印制作了机器人样机,为其搭建了电气控制系统。结合机器人的机械结构特征与动力学模型,为实现机器人直线行驶、变径功能、转向功能、对中机构的仰角抑制功能等设计了带有前馈的闭环PID控制系统。 (4)变直径球形机器人各项功能的实验验证。设计并进行了机器人的直径缩放实验、球壳坠落缓冲实验、基于高斯函数的直线行进目标速度跟随实验、直线行进时双重摆系统的仰角抑制实验与跳跃实验、匀速圆周运动实验。实验初步验证了机器人动力学模型的正确性与控制系统的可靠性,验证了机器人样机具有的功能与达到的性能指标,包括吸收冲击、速度跟随、姿态控制、全向运动等。

关键词： 放射治疗   睑板腺功能障碍   干眼症   数字化分析   临床诊断  

摘要： 研究背景: 鼻咽癌是全球范围内较为常见的头颈部恶性肿瘤,特别是在东南亚地区,其发病率较高。放射治疗因其在鼻咽癌治疗中的确切疗效而成为常规治疗手段。然而,放射治疗疗不仅作用于肿瘤本身,也可能对周围的正常组织及器官造成伤害,导致各种潜在的并发症。在这些潜在的并发症中,眼部的并发症较为值得关注,因为它们可能严重影响患者的视觉功能和生活质量。具体来说,睑板腺的损伤及干眼症是放射治疗后常见的并发症之一,但目前对其病理变化的认识有限,这限制了有效干预措施的实施。因此,系统地研究放疗对睑板腺的影响及其机制,对于改善鼻咽癌患者的眼部健康和整体生活质量具有重要意义。 研究目的: 本研究旨在采用数字化分析技术,探讨正常人群与接受放疗的鼻咽癌患者在上、下睑板腺形态上的差异,干眼症状分析以及放疗对睑板腺造成的影响。 研究对象及方法: 本研究选取我院眼科门诊就诊的年龄为20～89岁的患者,均取右眼为受检眼。受检者接受检查前均了解检查目的并获得受检者的知情同意。按照年龄分为对照组:20～29岁,30～39,40～49,50～59,60～69,70～79,80～89的就诊者各10例。鼻咽癌组收集我院耳鼻喉科接受放射治疗的鼻咽癌患者12例,使用OCULUS keratograph眼表综合分析仪并收集了他们的眼表数据及睑板腺影像数据。使用高清摄像技术和数字化图像分析软件,比较不同年龄段正常人睑板腺形态及同年龄段正常人群和鼻咽癌患者的睑板腺形态。使用统计软件SPSS 26.0进行数据分析。分别对正常人组和鼻咽癌放疗组的各项指标进行描述性统计分析,包括计算平均值、中位数、标准差和变异系数等。然后,采用t检验或Mann-Whitney U检验比较两组间的数值差异。 研究结果: 在本次研究中发现鼻咽癌放疗组的NITBUTf(5.10±1.95s)及NITBUTTavg(6.66±2.59s)较正常人NITBUTf(7.42±4.68s)及NITBUT-Tavg(10.04±6.20s)显著降低,p<0.001差异具有统计学意义,根据干眼诊断标准,本次研究中观察到75%(8例)的鼻咽癌放疗患者存在DED。在本次研究中鼻咽癌放疗组的OSDI评分(23.83±6.51)较正常人组(16.48±7.89)明显增高,p<0.001,差异具有统计学意义,这表明了鼻咽癌放疗组在DED上的主观感受较正常人要更加明显,鼻咽癌放疗后的病人在日常生活中更容易出现眼干的感受。右眼下睑板腺缺失率,正常组人的中位数为6.88%,而鼻咽癌放疗组的中位数为22.4%,Mann-Whitney U检验统计量Z值为-2.955,p值<0.05,表明鼻咽癌放疗患者的下睑板腺缺失率统计学上显著地高于正常人群。在本次研究中我们发现鼻咽癌放疗患者的上下睑板腺较正常人组均出现了较高频率的“缺如、未至睑缘”等异常睑板腺形态特征,鼻咽癌放疗患者右眼上睑对比于正常人出现了较高频率的“变细、白色节段、交叉”等异常睑板腺形态,在鼻咽癌放疗患者的下睑中我们发现了“缩短、增宽、模糊、异常间隙”等睑板腺形态较正常人组出现频率增高的现象。 结论: 本研究证实了放射治疗对鼻咽癌患者的睑板腺形态有可能造成显著损害,进而影响其功能,导致干眼症状加剧。我们的研究提供了对鼻咽癌患者在接受放疗后出现睑板腺功能障碍的深入认知,并对其早期诊断与治疗具有指导意义。

关键词： 3-PRR   3自由度并联平台   柔性铰链   大行程   运动学模型   有限元分析  

摘要： 基于柔性机构设计的并联运动平台,由于其具有定位精度高、无间隙、无摩擦、无磨损、较少的装配等优点,被广泛应用于晶圆对准、微纳米操作、纳米压印以及光学对准等领域。然而柔性并联运动平台的运动范围受柔性铰链屈服强度的客观限制,导致基于柔性铰链设计的运动平台仅能提供百微米量级的运动范围。本文针对上述领域对毫米级行程、微纳米级定位精度的需要,在大行程平面三自由度并联运动平台的设计、建模以及微动平台的末端位姿测量等方面展开相关研究。本文从柔性机构的分析以及柔性并联运动平台的整体方案设计的角度出发,在柔性并联平台的自由度和运动输出特性、柔性铰链的刚度计算、整体机构的柔度分析以及样机的实验研究等方面对大行程平面三自由度并联运动平台进行深入研究,其具体内容如下: 第一章:分析了设计多自由度并联平台的研究意义,并概述了多自由度柔性并联运动平台当前国内外研究概况。进一步探讨了现阶段制约多自由度柔性并联运动平台实现大行程的主要原因,并对本项研究进行系统的阐述。 第二章:本章通过受自然界藤蔓螺旋的启发,设计了一种可实现±90°转动范围的仿生柔性铰链,通过对柔性铰链不同刚度建模方法的研究,建立了柔性铰链的刚度模型,通过对两种柔性铰链进行有限元仿真对比分析,验证了所设计柔性铰链的稳定性与可靠性,为进一步的研究打下基础。 第三章:基于前面所设计的柔性铰链和晶圆预对准平台的需求,比较3种设计构型的优缺点,设计了在X/Y方向行程达30mm,绕Z轴实现35°旋转的3-PRR并联平台。基于伪刚体模型法,对所设计的三自由度并联运动进行运动学正反解模型推导,在得到输入位移与输出位移关系的基础上,得到了整体的雅克比矩阵,使用有限元仿真验证了模型对并联运动平台的精确描述。 第四章:本章主要研究了三自由度并联柔性运动平台整体的柔度矩阵和输入耦合问题。针对不同的结构参数对机构雅克比矩阵以及输入耦合的影响,对运动平台的关键部件尺寸结构参数进行优化,以提高多自由度运动平台的运动精度。 第五章:搭建了采用微型直线伺服驱动器驱动,基于视觉检测的3-PRR并联运动平台系统,对3-PRR并联运动平台的性能指标进行了实验分析,验证了理论建模、有限元仿真的准确性,证明了所设计运动平台的可靠性,为接下来的研究提供思路。