上海交通大学学报

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风电-光伏-电制氢-抽蓄零碳电力系统短期生产模拟模型

顾慧杰, 彭超逸, 孙书豪, 刘明涛, 谢俊, 施雄华, 鲍永

2023,57 (5): 505-512.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.054

摘要 ( 522 )

HTML ( 210 )

PDF(1646KB) ( 419 )

为实现碳达峰碳中和目标,构建以新能源为主体、以能源供给清洁化和能源消费电气化为特征的新型电力系统迫在眉睫.考虑风力发电、光伏发电的间歇性和随机性,以及抽蓄电站、电制氢的储能特性和灵活性特点,基于随机规划理论提出一种风电-光伏-电制氢-抽蓄零碳电力系统短期生产模拟模型.在满足柔性氢负荷总量需求的基础上,以绿电上网电量最大为目标,对风电-光伏-电制氢-抽蓄零碳电力系统进行短期生产模拟,包括日前发电-制氢计划、备用容量、抽水蓄能-放水发电功率、弃风光等.以我国张北风电-光伏-电制氢-抽蓄零碳电力系统示范工程为例,设置多个运行情景对所提模型进行模拟仿真.仿真结果表明:该模型能够有效模拟系统在任意风光出力场景集下的绿电上网计划情况,柔性氢负荷、抽蓄电站能有效促进风光消纳,增加系统综合效益.

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含电能路由器的配电网转供灵活性量化分析

张蓬, 吕恭祥, 刘志杰, 朱守真, 邵智勇

2023,57 (5): 513-520.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.541

摘要 ( 271 )

HTML ( 176 )

PDF(1327KB) ( 324 )

随着分布式电源(DG)渗透率提高,配电网灵活性不足的问题日益凸显.围绕电能路由器(EER)展开研究,分析其对配电网灵活性的影响.首先,提出配电网转供灵活性指标用以表征配电网灵活性的一个方面;其次,分析EER的线性模型及相关约束条件,构建含有EER模型的主动配电网转供灵活性优化模型;最后,基于94节点交流配电网,设计不同场景,分析对比不同DG运行控制方式和EER参数对配电网转供灵活性的影响,验证EER提高配电网转供灵活性的有效性.

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三电平双有源混合全桥DC-DC变换器最小回流功率控制

陶海军, 张金生, 肖群星, 郑征

2023,57 (5): 521-532.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.493

摘要 ( 335 )

HTML ( 180 )

PDF(5890KB) ( 228 )

三电平双有源混合全桥(H-TLFB)DC-DC变换器通过引入三电平桥臂提高输入电压范围.针对该变换器在传统双重移相控制下具有较大的功率回流、较高的电流应力等问题,提出一种最小回流功率控制策略.首先分析H-TLFB DC-DC变换器功率传输特性,比较变换器在两种不同工作模式下回流功率值的大小,并根据回流功率与电压比、移相比、传输功率的数学关系,计算出回流功率达到最小时对应的最优移相比,并设计相应优化控制策略.与传统双重移相控制策略相比,最小回流功率控制策略下的回流功率可以在全功率传输范围内达到最小值,并且在一定的电压比范围内,回流功率、电流应力可以同时得到优化.最后,通过实验验证设计控制策略的正确性和可行性.

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连续康复训练动作分割与评估

胡铭轩, 乔钧, 张执南

2023,57 (5): 533-544.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.458

摘要 ( 374 )

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PDF(17320KB) ( 302 )

为提高对康复训练动作反馈的准确性和客观性以及康复患者在康复训练中的积极性和自律性,建立一种能够处理人体连续康复训练动作数据的动作评估方法.首先,提出一种基于高斯混合模型的动作分割方法,从同一动作的连续重复运动序列中提取单次动作数据.其次,根据相关先验知识,提出结合显著运动特征动态时间规整距离评估与高斯混合模型似然评估的多特征融合动作评估方法,从康复训练动作的整体动作与局部关节信息两方面进行动作评估.结果表明:动作分割方法能够很好地分割连续重复动作的运动数据,在数据集上分割动作的正确率达到95%以上;多特征融合动作评估方法有效地提高健康样本与康复患者样本之间动作评估的区分度,使得健康样本动作分数在0~1的评分范围内主要分布在0.93~0.94的得分区间,患者样本则主要分布在0.81~0.89的得分区间.

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肠道机器人无线供能的混合式三维发射线圈特性研究

庄浩宇, 颜国正, 费倩, 汪炜, 赵凯

2023,57 (5): 545-551.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.356

摘要 ( 279 )

HTML ( 15 )

PDF(6114KB) ( 258 )

在不同位置和姿态下,为满足肠道机器人通过无线方式稳定获取能量的需要,同时尽可能减小肠道机器人的体积,需要发射线圈具有产生空间多维磁场的能力.提出一种混合式的发射线圈结构,采用亥姆霍兹线圈对与鞍形线圈对组合的方式,其结构紧凑并可利用自身的对称性,能够通过旋转产生无死区的三维空间磁场.对两种线圈形式的特性以及组合后的特性分别进行分析.仿真和实验结果表明,在2 A电流激励下,在线圈中心处具有最低3.44%的传输效率和 1204 mW 的接收功率,位置均匀性最低为88.1%,能够实现能量的空间三维覆盖.

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高灰度级高分辨率激光散斑血流实时成像研究

张泽龙, 张颖超, 伍波, 董威, 樊友本

2023,57 (5): 552-559.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.466

摘要 ( 360 )

HTML ( 16 )

PDF(27048KB) ( 337 )

激光散斑对比成像是一种大测量范围、实时、高分辨率的光学成像方法.现有研究表明,低灰度级(8位)低分辨率(752像素×480像素)照相机可以有效监测血液等散射介质流动,但散粒噪声大、有效成像区域小等缺点难以通过软件弥补,严重影响成像质量.使用高灰度级(16位)高分辨率(2 048像素×2 048像素)照相机监测血液流动会减慢单帧成像速度,并行计算能使图像处理时间减少1/3.研究借助动物血液流动实验,以成像速度与成像质量为评价标准,对比分析高灰度级高分辨率空间激光散斑对比成像与空间近似激光散斑对比成像(sLSCIa)、时间激光散斑对比成像(tLSCI)的结果.结果表明,高灰度级高分辨率空间激光散斑对比成像并行计算兼顾成像质量与成像速度,可以达到临床实时监测血液流动要求.

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定制式增材制造膝关节矫形器间室减荷效果的有限元分析

许苑晶, 高海峰, 吴云成, 柳毅浩, 张子砚, 黄承兰, 王赞博, 刘同有, 王彩萍, 缪伟强, 王金武

2023,57 (5): 560-569.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.194

摘要 ( 471 )

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PDF(7360KB) ( 201 )

通过构建膝关节与定制式增材制造膝关节矫形器有限元模型,模拟膝骨关节炎(KOA)患者佩戴矫形器前后的膝关节生物力学变化,验证矫形器的间室减荷效果,针对矫形器治疗效果开展定量化研究,可用于膝关节矫形器的临床疗效评价.实验经过上海交通大学医学院附属第九人民医院伦理委员会审批通过,招募一名膝骨关节炎的女性,对其膝关节进行光学体表及CT扫描,根据单侧减荷原理设计定制式增材制造膝关节矫形器,通过网格划分、材料赋值、边界设置等步骤,利用ANSYS等软件构建包括膝关节与定制式增材制造膝关节矫形器有限元模型,沿下肢负重轴方向对膝关节施加 1 100 N的压缩载荷,进行仿真及应力分析,研究定制式增材制造膝关节矫形器对膝关节间室的减荷效果.针对KOA特性进行有限元分析,验证软骨、韧带及下肢皮肤对膝关节承载能力的影响.相较于未佩戴任何矫形器情况,佩戴定制式膝关节矫形器后,膝关节内翻角度减少、内侧压力向外侧转移且内侧间室压力明显降低.定制式增材制造膝关节矫形器可降低早中期内侧间室型膝骨关节炎患者在步行过程中膝关节内侧间室所产生的压力,减荷效果显著.

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UConvTrans:全局和局部信息交互的双分支心脏图像分割

李擎, 皇甫玉彬, 李江昀, 杨志方, 陈鹏, 王子涵

2023,57 (5): 570-581.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.088

摘要 ( 828 )

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PDF(9362KB) ( 768 )

心脏核磁共振成像(MRI)具有噪声多、背景和目标区域相似度高、右心室形状不固定、呈月牙形或扁圆形等特点,虽然基于卷积神经网络的U型结构在医学图像分割中表现出色,但由于卷积本身的局部运算特性,提取全局信息特征能力有限,所以很难提升在心脏MRI上的分割精度.针对上述问题,提出一种全局和局部信息交互的双分支网络模型(UConvTrans).首先,利用卷积分支和Transformer分支提取局部特征和建模全局上下文信息,能够保留细节信息并抑制心脏MRI中噪声和背景区域的干扰.其次,设计了融合卷积网络和Transformer结构的模块,该模块将二者提取的特征交互融合,增强了模型表达能力,改善了右心室的分割精度,而且避免了Transformer结构在大规模数据集上预训练,可以灵活调节网络结构.此外,UConvTrans能有效地平衡精度和效率,在MICCAI 2017 ACDC 数据集上进行验证,该模型在模型参数量、计算量仅为U-Net的10%、8%的情况下,平均 Dice系数比U-Net提高了1.13%.最终,在其官方测试集上实现了右心室92.42%、心肌91.64%、左心室95.06%的Dice系数,在心肌及左心室区域取得了到目前为止最好的结果.

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基于SIDWT和迭代自一致性的快速并行成像重建方法

段继忠, 钱青青

2023,57 (5): 582-592.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.236

摘要 ( 263 )

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PDF(7918KB) ( 289 )

为提高并行磁共振成像的重建速度,基于平移不变离散小波变换(SIDWT)和迭代自一致性并行成像重建(SPIRiT)模型,提出一种高效的重建方法fSIDWT-SPIRiT.该方法针对含有数据一致项、校正一致项和L1范数正则项的复杂优化问题,首先将数据一致项和校正一致项进行合并处理,之后利用快速投影迭代软阈值算法进行求解以实现快速并行磁共振成像重建.最后,在不同人体器官的数据集上进行测试.仿真实验结果表明:与其他方法相比,该方法能够在保证图像重建质量的同时,具有更快的收敛速度.

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非对称柔性支撑龙门双驱平台的解耦与同步控制

位广宇, 谷朝臣, 杨舒盛, 关新平

2023,57 (5): 593-600.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.456

摘要 ( 555 )

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PDF(5432KB) ( 540 )

针对采用非对称柔性支撑结构的龙门双驱运动平台,提出基于模型补偿扩张状态观测器的解耦与同步控制策略.考虑柔性支撑结构特点和负载加速度对龙门平动、转动模态的影响,采用拉格朗日方程建立了龙门动力学模型.依据该模型设计平动和转动控制回路并采用带有已知耦合项补偿的扩张状态观测器,估计并抑制由建模误差和未知耦合项等因素组成的总扰动.试验结果表明,该控制框架与解耦策略能有效解除双驱动轴间的动态耦合并抑制扰动,显著提升龙门试验台的动态响应和同步精度,且具有部署简单、所需测量模型参数少等优点.

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仿人柔性关节耦合建模及变负载振动抑制

宋传明, 杜钦君, 李存贺, 罗永刚

2023,57 (5): 601-612.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.342

摘要 ( 257 )

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PDF(5177KB) ( 407 )

针对仿人柔性关节负载突变引起的关节振动问题,提出一种基于状态观测器的转矩补偿控制方法.通过控制电动机输出与扰动力矩等值的转矩增量,使关节力矩快速平衡变化后的负载力矩,缩短弹性元件被动适应负载变化的振荡过程.设计了估计负载扰动转矩和电动机转速的状态观测器,并利用Lyapunov函数证明其收敛性;建立基于比例积分-积分比例(PI-IP)转速调节器的驱动系统控制结构,并将观测器的输出前馈输入到转速调节器中,提高系统抗干扰能力.仿真结果表明,与比例积分微分(PID)控制和关节力反馈比例微分(PD)控制相比,所提方法能够在负载变化后的0.6 s内使电动机转速恢复稳定,并在1 s内实现关节振动抑制,关节转速调节时间分别缩短了约1.8 s和0.9 s,有效提升系统动态调节能力.最后,通过在一体化柔性关节测试平台上的实验,验证了所提方法的有效性.

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基于窗口自注意力网络的单图像去雨算法

高涛, 文渊博, 陈婷, 张静

2023,57 (5): 613-623.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.032

摘要 ( 525 )

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PDF(26863KB) ( 452 )

单图像去雨研究旨在利用退化的雨图恢复出无雨图像,而现有的基于深度学习的去雨算法未能有效地利用雨图的全局性信息,导致去雨后的图像损失部分细节和结构信息.针对此问题,提出一种基于窗口自注意力网络 (Swin Transformer) 的单图像去雨算法.该算法网络主要包括浅层特征提取模块和深度特征提取网络两部分.前者利用上下文信息聚合输入来适应雨痕分布的多样性,进而提取雨图的浅层特征.后者利用Swin Transformer捕获全局性信息和像素点间的长距离依赖关系,并结合残差卷积和密集连接强化特征学习,最后通过全局残差卷积输出去雨图像.此外,提出一种同时约束图像边缘和区域相似性的综合损失函数来进一步提高去雨图像的质量.实验表明,与目前单图像去雨表现优秀的算法MSPFN、 MPRNet相比,该算法使去雨图像的峰值信噪比提高0.19 dB和2.17 dB,结构相似性提高3.433%和1.412%,同时网络模型参数量下降84.59%和34.53%,前向传播平均耗时减少21.25%和26.67%.

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周期DoS攻击下变周期切换正系统的安全控制

刘教, 孔祥娜, 张甜甜

2023,57 (5): 624-630.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.445

摘要 ( 372 )

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周期拒绝服务(DoS)攻击阻止了切换正系统的测量通道与控制通道通过网络进行信息交换.此外,系统切换行为、DoS攻击引起的混杂行为以及正性约束增加了安全控制研究的困难.针对遭受周期DoS攻击的网络化切换正系统,提出一种基于切换行为的建模方法并研究其安全控制问题.在变周期切换条件下,通过限定切换周期与DoS攻击周期的关系,构造多线性余正Lyapunov函数,并得到闭环系统为正系统以及渐近稳定条件,进而基于正系统理论设计安全状态反馈控制器.在此基础上,讨论周期DoS攻击下系统进行恒定周期切换的情形.最后,通过仿真示例验证结果的有效性.

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