上海交通大学学报

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机器学习在化学合成及表征中的应用

孙婕, 李子昊, 张书宇

2023,57 (10): 1231-1244.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.078

摘要 ( 655 )

HTML ( 55 )

PDF(4421KB) ( 540 )

自动化化学合成是化学领域长期追求的目标之一.近年来,机器学习的出现使得实现这一目标有了可能.以数据驱动为核心的机器学习借助计算机学习海量化学数据中的信息,寻找信息之间的客观联系和规律,根据已有规律和信息训练生成模型,借助模型预测分析需解决的实际问题.机器学习因其出色的计算预测能力,帮助化学工作者快速高效解决化学合成问题,加快研究进程.机器学习的出现和发展对化学合成及表征领域展示出强大的研究助力作用,但目前并不存在通用性极强的机器学习模型,化学工作者仍需根据实际情况选择不同模型进行训练学习.从监督学习、无监督学习、半监督学习、强化学习等机器学习的角度,向化学工作者展示常见学习方法在化学合成及表征中应用的最佳案例,帮助其利用机器学习知识进一步拓宽研究思路.

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镍催化下乙腈为氰源的芳基三氟甲磺酸酯氰化反应

周堃, 沈增明

2023,57 (10): 1245-1249.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.108

摘要 ( 271 )

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PDF(954KB) ( 194 )

经典的氰化反应中多使用剧毒的金属氰源或合成复杂的有机氰源,这些氰源由于各自存在缺陷,都有一定局限性.将镍催化下低毒、廉价的乙腈作为氰源,以芳基三氟甲磺酸酯作为底物,对催化剂、配体、添加剂、温度等条件进行筛选,以物质的量分数为0.1的 Ni(OTf)₂作为催化剂,物质的量分数为0.1的1, 3-双(二苯基膦)丙烷作为配体,物质的量分数为2的 Zn作为还原剂,物质的量分数为0.2的Zn(OTf)₂作为添加剂,0.7 mL乙腈作为溶剂,氮气保护下,100 ℃反应60 h,成功实现芳基腈的高效合成.在该反应条件下,给电子取代基的底物展现出高效的反应性.该方法第一次实现镍催化下芳基三氟甲磺酸酯的氰化反应,成功使用绿色、经济的乙腈溶剂作为该反应的氰源.

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一种基于路网抗震韧性的路段重要度评价方法

陈轶钦, 黄淑萍

2023,57 (10): 1250-1260.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.359

摘要 ( 229 )

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PDF(1958KB) ( 151 )

路段韧性重要度评价对于提升路网抗震韧性水平至关重要.以韧性的增加值(RAW)为评价指标,提出了一种基于路网抗震韧性的路段重要度评价方法.借助动态贝叶斯网络(DBN)双向推理能力,以初始DBN为基准,不同时刻路段连通状态为证据,更新路网韧性曲线,计算路网韧性的增加值,评价不同时刻路段韧性重要度,并以青岛市市南区局部路网为实例验证路段重要度评价方法.结果表明:同一时刻不同路段的韧性重要度不同;同一路段的韧性重要度与维修速率成正相关;不同路段的韧性重要度对时间的敏感程度不同.提出的重要度评价方法重新定义并量化了不同时刻路段抗震韧性重要度,识别了韧性重要度较高且对时间较敏感的路段,将有限的维修资源向该部分路段倾斜的震后恢复策略与加固韧性重要度较高路段的震前预防策略能够更有效地提高路网抗震韧性水平.

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送箱集卡失约下多箱区箱位分配及场桥调度优化

范厚明, 马晓斌, 彭文豪, 岳丽君, 马梦知

2023,57 (10): 1261-1272.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.501

摘要 ( 231 )

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PDF(2356KB) ( 212 )

船舶进港前,为避免到港船舶无法按班期及时离港,码头需在规定时间内完成集港作业.堆场按送箱集卡预约到港时间制定箱位分配及场桥调度计划,若送箱集卡失约会导致计划失效,进而产生翻箱问题,影响装船效率.针对送箱集卡失约对箱位分配计划、场桥调度计划及集卡等待时间的影响,提出送箱集卡失约下多箱区箱位分配及场桥调度优化问题.考虑集卡预约时段、场桥间安全距离等约束,以集港时间最短为目标,建立混合整数规划模型.设计混合遗传变邻域算法求解模型,在改进遗传算法的基础上增强其局部搜索能力,通过对比不同算法的实验结果可以看出,该算法收敛速度快,求解结果优.结合集卡实际到港时间,衡量失约对不同情景内完工时间和集卡等待时间扰动,提出干扰恢复策略.实验表明,提出的干扰恢复策略能缩短作业完工时间、降低因送箱失约导致的翻箱量,缩短送箱集卡等待时间,提高堆场作业效率.

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基于周向应变分析的重载轮胎垂向力估计算法

刘钇汛, 刘志浩, 高钦和, 黄通, 马栋

2023,57 (10): 1273-1281.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.249

摘要 ( 231 )

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PDF(14550KB) ( 156 )

为实现对轮胎垂向力的量化估计,开展了基于周向胎内应变分析的重载轮胎垂向力估计算法研究.建立16.00R20重载轮胎有限元模型,通过轮胎加载实验和模态振动实验对比发现模型垂向刚度误差和振动频率误差分别在7.79%和5.49%以内,验证了模型的有效性;利用有限元方法研究了垂向力对轮胎接地特性和内衬层周向应变的影响规律,根据周向应变曲线特征分析了周向应变与接地角的关系,提出并验证了轮胎接地角表征指标,3个表征指标误差均小于8%;以接地角和接地长度作为辨识特征,结合灰狼优化算法和支持向量回归机建立垂向力估计模型,通过有限元仿真对比验证估计精度.结果表明:结合应变曲线零阶、一阶、二阶导数特征点间距角的表征指标能较准确估算接地角;基于灰狼支持向量回归机的垂向力估计算法估计效果良好,估计值与有限元仿真值误差在1.8%以内,能够准确地估算轮胎垂向力.

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基于自适应黏菌算法优化的无人机三维路径规划

黄鹤, 高永博, 茹锋, 杨澜, 王会峰

2023,57 (10): 1282-1291.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.191

摘要 ( 255 )

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PDF(4295KB) ( 203 )

针对无人机在三维路径规划时存在搜素范围和寻优性能不足等问题,以及现有黏菌算法(SMA)寻优精度不足, 易陷入局部最优的缺陷,提出了一种基于自适应黏菌算法(GSMA)优化的无人机三维路径规划方法.首先,根据无人机经过的实际环境,建立三维地形、威胁源和无人机自身约束条件;其次,针对搜素范围不足的问题,设计改进的Logistic混沌映射增加种群的多样性并扩大搜索范围,提升了SMA的全局搜索能力;然后,设计一种非线性自适应惯性权重因子,将线性收敛方式改进为非线性收敛,利用权重值更新黏菌位置,提高了收敛速度;最后,在算法后期中设计自适应柯西变异,增大了黏菌的搜索空间,寻优精度也得到了提高.实验结果表明,GSMA相比于灰狼优化(GWO)算法、SMA和海鸥算法(SOA)3种算法,路径更短且更平滑,收敛速度更快,寻优精度更高,同时能耗更低,进一步提升了无人机的路径规划能力.

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基于改进YOLOX-s的机场跑道冰雪状态感知

邢志伟, 阚犇, 刘子硕, 李彪, 罗谦

2023,57 (10): 1292-1304.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.303

摘要 ( 199 )

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PDF(30812KB) ( 213 )

针对机场冰雪跑道安全性和适航性状态感知能力不足及跑道表面状况报告交互的新需求,提出一种面向多尺度特征融合的机场跑道冰雪状态感知模型.以YOLOX-s模型为基础,在主干特征提取网络中引入全局上下文模块,获取更丰富的浅层与深层特征;将颈部结构中路径聚合网络替换为双向特征金字塔,以提升特征融合能力;在加强特征提取网络尾部添加自适应空间特征融合结构,进一步增强特征融合效果;使用α-EIoU优化损失函数,提高模型收敛速度与精度.实验结果表明,改进后的YOLOX-s模型在跑道冰雪实验系统所得的冰雪污染物数据集上平均精度达到了91.53%,比原始的YOLOX-s模型提高了4.68%,能够为机场跑道除冰雪作业提供决策支持.

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面向正向开发的民用飞机飞控系统功能设计方法

程帅, 李宸, 张逸伦, 汤超, 孟祥慧, 谢友柏

2023,57 (10): 1305-1315.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.100

摘要 ( 290 )

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PDF(2570KB) ( 219 )

功能设计是复杂系统设计开发中极其重要的任务,需要依靠正向开发方法来保障功能设计的正确性和完整性.为此,以民用飞机的飞行控制系统(飞控系统)为例,提出面向正向开发的功能设计方法.首先,借助系统建模语言建立飞机级到系统级再到部件级的功能需求关系模型;然后,按照SAE ARP4754A 民用飞机系统开发指南中的安全性评估方法分析安全性需求,并结合功能需求构建飞控系统的功能知识集;最后,采用功能单元方块图和功能集成方块图对飞控系统进行功能建模.该方法对复杂系统的功能设计具有借鉴意义.

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基于泊松融合数据增强的焊缝金相组织缺陷分类研究

白雄飞, 龚水成, 李雪松, 许博, 杨晓力, 王明彦

2023,57 (10): 1316-1328.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.202

摘要 ( 356 )

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PDF(10332KB) ( 326 )

基于焊缝金相组织图像对焊缝内部缺陷进行分类,是工业焊接质量检测的重要一环.为提高小样本(样本数不大于30)焊缝金相组织图像中缺陷的分类效果,采用泊松融合方法对缺陷图像进行数据增强,提出ResNet18_PRO分类网络模型,显著提升缺陷分类精度.数据增强方面,通过数字图像处理的方法提取出原缺陷样本中的缺陷区域,后利用泊松融合方法将缺陷区域与正常样本进行融合从而生成新的缺陷样本,以此扩充缺陷样本数据;网络模型方面,在ResNet18网络模型基础上,对其下采样结构进行改进,以减少原下采样结构带来的信息损失,同时在网络末端增加改进的空间金字塔池化(ISPP)结构,以整合多尺度的特征信息.通过多个分类模型对样本扩充前后的缺陷分类效果进行对比,验证了该数据增强方法对分类效果的提升具有较为显著的作用,同时对ResNet18_PRO网络模型进行消融实验,验证了网络各改进部分及训练策略改进的有效性.ResNet18_PRO模型对增强后的数据平均分类准确度达到98.83%,平均F₁分数达到98.76%,显著提高了金相组织缺陷的分类效果,将该模型运用于其他工业缺陷数据集取得了较好的分类效果.实验结果表明,该模型有良好的鲁棒性,具有较好的实用价值.

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铝合金半球壳拉深-旋压复合成形工艺仿真

余小鹏, 王紫旻, 于忠奇, 罗益民, 郁立

2023,57 (10): 1329-1336.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.165

摘要 ( 207 )

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PDF(4480KB) ( 362 )

针对航天铝合金半球壳传统拉深成形精度差的问题,引入旋压成形,提出铝合金半球壳拉深-旋压复合成形新思路,充分发挥拉深成形和旋压成形的技术优势,实现该构件厚度均匀性好和贴模精度高的成形加工.建立了铝合金半球壳复合成形过程有限元仿真模型,实现了铝合金半球壳复合成形过程仿真,分析了不同旋压占比复合成形件的壁厚分布和贴模度变化规律.结果表明,旋压占比为50%的复合成形铝合金半球壳壁厚均匀性改善明显;强力旋压可改变成形构件应力状态,显著提高复合成形构件尺寸精度.同时,进行了直径1 m级铝合金半球壳复合成形工艺试验验证,实现了构件厚度均匀性和贴模精度的提高.

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铝合金球面薄壁件激光辅助剪切旋压成形实验

冉津宇, 王凤琪, 于忠奇, 杜陈阳, EVSYUKOV S A

2023,57 (10): 1337-1345.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.166

摘要 ( 207 )

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PDF(15100KB) ( 205 )

热能场是提高构件可成形性和尺寸精度的主要途径.针对传统热源温度波动大的问题,将可控性好的激光热源引入薄板剪切旋压成形中,通过局部加热与局部变形匹配提高构件的可旋性和成形精度.基于现有旋压机搭建激光辅助剪切旋压平台,建立激光热源刚性连接下椭球面构件激光照射点漂移模型,分析激光热场加载最优区域.理论分析表明,对于截面圆半径变化较小的构件,刚性连接的激光热源可实现旋压过程精准加热.基于此,开展铝合金椭球面薄壁件激光辅助剪切旋压试验,结果表明与室温旋压相比,激光辅助剪切旋压可以显著提高难变形材料的可旋性,并明显改善铝合金椭球面薄壁件厚度和贴模度的精度.研究结果证明了所开发试验装置和工艺设计方法的可行性.

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基于自步学习的刀具加工过程监测数据异常检测方法

张建, 胡小锋, 张亚辉

2023,57 (10): 1346-1354.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.234

摘要 ( 311 )

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PDF(2945KB) ( 201 )

针对零件加工过程的监控数据异常导致刀具剩余寿命预测准确性下降的问题,提出一种基于自步学习的数据异常检测方法.首先建立多层感知机模型关联刀具加工过程监测数据和所对应的刀具剩余寿命;其次在模型权重更新过程中,先固定模型权重参数,预测损失拟合高斯分布得到异常样本的损失阈值,然后构建基于自步学习方法的损失函数,迭代更新模型参数.在模型训练结束后,根据损失阈值划分出异常样本.最后利用汽轮机转子轮槽的实际加工监测数据进行验证,并与局部异常因子算法、基于密度的聚类算法、 K 均值算法、孤立森林算法、一分类支持向量机等方法进行对比分析,验证本方法的有效性.

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液体冷却并联通道热沉中的流量分配特性

辛鹏飞, 苗建印, 匡以武, 张红星, 王文

2023,57 (10): 1355-1366.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.248

摘要 ( 255 )

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PDF(3680KB) ( 276 )

随着电子器件泵驱冷却要求的不断提高,针对多个分散单元的冷却需求不可避免,从而对作为热沉的并联微通道蒸发器散热均衡性有了更高的需求.但并联热沉由于流动特征曲线中负斜率区域的存在,会产生流量漂移的问题.对氨为工质的双并联热沉系统中的流量分配进行模拟分析,研究了进口过冷度、加热功率、进出口连接管道长度对单个蒸发器流动特征曲线的影响.同时探究了流量漂移对蒸发器整体温度分布的影响,以及加热功率、进口过冷度和进出口连接管道长度对并联热沉流量分配的影响规律.结果表明,一定范围内的蒸发器间流量漂移对冷却系统的换热能力影响有限;加热功率、进口温度、进出口连接管道的布置对并联热沉系统稳定性有着比较大的影响.

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绿色工质HP-1高温热泵系统中膨胀阀开度与流量匹配特性

王约翰, 南晓红, 欧阳洪生, 郭智恺, 胡斌, 王如竹

2023,57 (10): 1367-1377.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.155

摘要 ( 314 )

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PDF(1421KB) ( 450 )

节流过程作为热泵系统中的重要环节,对系统运行有着重要影响.以新型环保工质HP-1准二级压缩高温热泵为对象,考虑电子膨胀阀的阀体开度和制冷剂性质等参数影响,利用MATLAB建立系统循环和电子膨胀阀的数学模型,对系统在变工况下的电子膨胀阀开度与流量匹配特性进行模拟,并利用实验数据通过幂律拟合的方法得到了HP-1的流量系数关联式.研究结果表明:椭圆锥形阀体结构的电子膨胀阀可用于HP-1高温热泵系统,能够适应系统在变工况下的节流特性,蒸发温度在50~90 ℃、冷凝温度在60~120 ℃范围变化时,该种类型阀体用于主节流阀的开度调节范围为49.8%~69.8%,用于补气路节流阀的开度调节范围为41.5%~56.0%,且经过实验验证具有良好适用性;获得的拟合关联式与实际数据的相对偏差在 -7.8%~+7.5%之间,能够准确地预测电子膨胀阀的流量特性.根据制冷剂性质选择与之匹配的电子膨胀阀, 并对其控制系统进行优化改进,这对于实际机组的运行性能至关重要.本研究为高温热泵用电子膨胀阀的选型与控制系统的优化提供了良好的研究基础.

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基于改进多种群候鸟迁徙算法的混合流水车间调度

张素君, 杨文强, 顾幸生

2023,57 (10): 1378-1388.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.242

摘要 ( 225 )

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针对带顺序依赖准备时间的混合流水车间调度(HFS-SDST)问题,以最小化总最大作业完成时间为调度目标,提出一种改进多种群候鸟迁徙优化(IMMBO)算法.算法中个体基于工件加工顺序进行编码,用改进的NEH(MNEH)算法产生初始种群,并按照适应度值分配到各子种群.子种群中领飞鸟和跟飞鸟分别利用串行和并行邻域策略产生邻域个体,如果跟飞鸟优于领飞鸟,二者互换,完成种群内部个体的信息交互;在IMMBO算法中嵌入离散鲸鱼优化策略对各子种群的领飞鸟进行优化,实现子种群之间信息交互;为提高算法的局部搜索(LS)能力,对种群中最优个体执行LS,同时,为了避免算法早熟收敛,针对每个种群的领飞鸟设计了种群多样化控制策略.最后,在实验法调整算法参数的基础上,对IMMBO的4个变体进行了仿真实验,通过测试Ta自适应算例验证IMMBO算法各部分的作用;将IMMBO算法与现有3个算法测试Ta自适应算例,进行实验结果比较,证明了IMMBO算法求解混合车间调度问题的有效性.

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