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2022年  第48卷  第5期

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2022年, 第48卷, 第5期
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论文
基于正负极动力学特性的锂离子电池优化充电方法
张彩萍, 李峰, 张琳静, 王宇斌, 贾新羽, 张维戈
2022, 48(5): 725-735. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0660
摘要:

针对电动汽车快速充电存在的问题,分别对锂离子电池正、负极充放电特性进行研究,提出了优化充电方案。以负极析锂抑制为边界条件,获得正、负极在不同状态(SOC)下的最大允许充放电电流,建立了充电过程能耗和充电时间目标函数,以最大允许充电电流为约束条件,利用粒子群算法得到最优多阶段恒流充电电流序列。结果表明:与1 C恒流充电相比,电池充入相同容量时,优化充电时间减少约26.5%,34 min即可充电至80%SOC;与优化充电电流序列的平均电流恒流充电相比,优化充电能耗降低约1.5%。

一种分布式异构多AUV任务分配鲁棒拍卖算法
李鑫滨, 郭力争, 韩松
2022, 48(5): 736-746. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0655
摘要:

为了解决异构多自主式水下航行器(AUV)的任务分配问题,提出了一种分布式鲁棒拍卖算法。建立了异构多AUV任务分配分布式拍卖模型,包括任务分配系统(拍卖商)的优化模型及AUV的优化模型。针对现有拍卖算法忽略拍卖商的利益,不符合市场规律的问题,引入任务奖励反馈机制,任务分配系统通过多轮试探拍卖市场,自适应地调整任务奖励,达到保证AUV效用的同时,有效降低任务分配系统成本的目的,促进了任务分配系统参与拍卖。针对水下洋流对任务分配模型产生的不确定性因素,提出了一种鲁棒优化算法对抗不确定性因素,提高了多AUV任务分配系统应对复杂水下环境的能力。仿真结果证明了所提算法的鲁棒性和有效性。

基于混合遗传算法的多箱型集装箱装载问题分析
张长勇, 刘佳瑜
2022, 48(5): 747-755. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0665
摘要:

航空多箱型集装箱装载是实现快速、高效、安全航空货物运输的重要环节。针对现实约束条件下多种货物和箱型的集装箱多箱装载优化问题,搭建数学优化模型,提出一种求解货物装载布局方案的混合遗传算法,以达到充分利用集装箱装载空间的目的。采用三段式编码确定货物装载顺序、货物放置状态及集装箱编号,随机产生初始种群;在常规选择操作中加入最佳个体保护策略,并将重心、不重叠、承重约束考虑到适应度函数中,以此来评价解的优劣;加入模拟退火算子,用其突跳性避免遗传陷入局部最优的情况,进一步提高优化效果。通过算例对比表明,所提算法在满足多种约束条件下仍能保持较高的体积利用率,能够很好地解决强弱异构货物的装载;采用具体货物数据进一步验证算法的可行性与适用性,4种航空集装箱的平均体积利用率高于82%,表明所提算法能够有效解决规则和不规则多箱型集装箱的货物装载问题,具有较好的工程应用价值。

时变方差自回归模型的联合估计函数方法推断
韩玉, 田宝成, 王书鹏
2022, 48(5): 756-761. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0657
摘要:

针对参数估计问题,利用联合估计函数方法对带有时变方差的自回归模型参数进行统计研究。介绍了带有时变方差自回归模型和联合估计函数理论的研究现状,利用联合估计函数理论,给出带有时变方差自回归模型的参数估计量,证明该参数联合估计量渐近收敛于正态分布。对提出的参数统计量进行数值模拟对比分析,模拟结果表明,与伪极大似然估计量、最小二乘估计量进行对比,提出的参数联合估计量略优于伪极大似然估计量,同时该统计量受误差项分布函数影响较小。

基于副气囊的平流层浮空器高度控制
林康, 马云鹏, 郑泽伟, 武哲
2022, 48(5): 762-770. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0679
摘要:

浮空器悬停或飞行控制设计时,通常将风作为干扰项或阻力,螺旋桨需要消耗大量的能源克服风的阻力,而浮空器携带的能源有限,因此浮空器设计时存在欠能源问题。根据平流层风场的特点,采用副气囊控制浮空器的高度,实现平流层不同高度的风场利用,可以减小浮空器的能源消耗。建立浮空器高度控制模型,采用反步法设计浮空器高度控制器,利用状态观测器对浮空器的模型误差和输入误差进行估计,并进行了仿真分析,证明所设计的控制器能有效控制浮空器的高度。建立浮空器高度控制时其囊体内外压差变化模型,仿真分析表明, 浮空器高度变化后,其囊体最终内外压差与初始压差相同。

基于CE-PF算法的舰载机离场调度优化问题
万兵, 韩维, 苏析超, 刘洁
2022, 48(5): 771-785. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0674
摘要:

甲板作业调度研究是提升航母战斗力的关键技术,而其具有时间、空间与资源受限的复杂约束调度问题已被证实为NP-hard。根据舰载机出动离场调度优化问题的特点,将其抽象为零缓存区混合流水车间调度模型,建立包含飞机避碰等约束的混合整数规划模型。提出一种交叉熵与作业剖面匹配(CE-PF)算法用于问题求解,并给出了算法流程架构。交叉熵算法通过高斯采样完成启发式规则下的工件分组,作业剖面匹配算法完成分组工件的任务排序、作业编排及约束检查等调度设计,Gap逼近算法进行目标值评估、精英种群选择、抽样参数更新及收敛判定。通过算例仿真,验证了CE-PF算法求解离场调度优化问题的有效性;灵敏度分析表明起飞模式和空间约束对出动效能影响较大。

面向可靠性预计的软件运行时行为模型构造方法
李秋英, 陆民燕, 古廷阳
2022, 48(5): 786-794. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0680
摘要:

运行时行为模型构造是面向可靠性预计的软件运行时模型构造的组成部分,为软件可靠性预计提供运行时组件与组件之间的动态交互关系和状态之间的转移概率信息。基于Java开发平台提出了一种基于非侵入式监控的软件运行时行为模型的构造方法,包括获得当前时刻的运行时体系结构模型;根据运行时体系结构模型确定监控对象;声明监控方法中的代理Bean;声明监控方法中的监控Bean,实现对组件动态调用信息的提取;声明代理Bean和监控Bean的接口;基于模型构造算法实现对运行时行为模型的构造等步骤。基于Rainbow-znn软件进行了实例应用,验证了所提方法的可行性。

Android恶意APP多视角家族分类方法
郝靖伟, 罗森林, 张寒青, 杨鹏, 潘丽敏
2022, 48(5): 795-804. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0658
摘要:

针对现有Android恶意软件家族分类方法特征构建完备性不足、构建视角单质化等问题,提出了一种多视角特征规整的卷积神经网络(CNN)恶意APP家族分类方法。该方法结合MinHash算法。将软件中Android框架系统API、操作码序列、AndroidManifest.xml文件中的权限和Intent组合3个视角的原始特征在保留APP间相似度情况下进行规整,并利用多路卷积神经网络完成对各视图的特征提取和信息融合,构建一套恶意APP家族分类模型。基于公开数据集Drebin、Genome、AMD的实验结果表明:恶意APP家族分类准确率超过0.96,证明了所提方法能够充分挖掘各视角的行为特征信息,能有效利用多视角特征间的异构特性,具有较强的实用价值。

基于贪心策略的直角坐标机器人动态分拣规划
陈林, 毕树生, 李大寨, 林闯, 欧阳铜
2022, 48(5): 805-815. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0668
摘要:

针对直角坐标机器人在动态分拣过程中顺序规划算法效率低下的问题,提出了一种适用于机器人连续分拣作业的改进贪心策略规划算法。建立直角坐标机器人的运动学模型,确保物体被准确拾取。设计时间窗口,对传送带上的连续运动物体进行区域划分,并应用贪心策略对同一时间窗口内的物体规划分拣顺序。考虑物体存在分拣遗漏的风险,设计评价函数对贪心策略进行改进,增强了所提算法的实用性。设计模拟程序对所提算法进行仿真,并利用搭建的机器人平台开展分拣实验,验证了算法的可行性和有效性。实验表明:所提算法可在机器人实际分拣作业中规划出有效的分拣路径,平均分拣距离和分拣时间均小于顺序规划算法,提高了机器人对平面随机分布的连续运动物体的分拣效率,实时性好,实用性强,对机器人动态分拣场景下的分拣路径优化研究具有一定的指导意义。

基于熵理论的复杂装备费用测算模型
魏东涛, 刘晓东, 丁刚, 陈玉金
2022, 48(5): 816-823. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0678
摘要:

为了提高航空器、飞机等大型复杂装备的费用预测精度,根据相似信息优先原理和熵理论,将相似装备的选取看作是一个信息融合的过程,引入距离熵和灰关联熵,构建综合相似度指标来度量装备样本与待预测装备之间的相似程度,对不同样本进行赋权,建立加权最小二乘法对装备费用进行预测。针对装备样本数量小于参数数量的情形,通过构建装备参数对费用的驱动效应矩阵及计算相应熵权,选择熵权较大的参数作为测算模型的自变量。通过实例对比分析,表明基于熵理论的加权回归测算模型具有较高的预测精度和稳定性。

一种修正的马氏距离判别法
王珂瑶, 王惠文, 赵青, 王珊珊
2022, 48(5): 824-830. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0652
摘要:

马氏距离判别法是一种基于马氏距离的多元统计分析方法,其引入了协方差矩阵的逆矩阵,以排除属性变量的量纲及变量之间的相关性对距离度量的干扰。然而,在属性变量存在严重的多重共线性时,样本协方差矩阵的奇异性会影响其逆矩阵估计的稳定性,从而降低马氏距离判别法的有效性。为此,提出了一种修正的马氏距离判别法,采用了一般交叉验证(GCV)方法,在属性变量间存在高度相关性的情况下,选择预测效果最好的变量维度,同时可以对协方差矩阵的逆矩阵进行稳定的估计。修正的马氏距离判别法可以得到可靠的协方差矩阵的估计,提高模型的判别准确率;也可以抵抗样本外的扰动,提高模型的泛化能力。仿真实验结果验证了在属性变量存在严重的多重共线性情形下,修正的马氏距离判别法的判别效果较经典的马氏距离判别法有明显的提升。

腹板开口对复合材料梁腹板剪切承载性能的影响
周睿, 高维成, 刘伟
2022, 48(5): 831-840. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0659
摘要:

针对平面编织复合材料梁腹板结构剪切载荷作用下的面内剪切屈曲失稳和后屈承载能力问题,采用实验与有限元方法进行了研究。结合实验所得应变分布规律与有限元分析所得失稳模态分析了梁腹板结构剪切失稳特点。后屈曲承载分析中引入了平面织物复合材料Hashin失效准则,获得的结构主要失效模式包括纬向纤维压溃和经向纤维拉断,与实验结果符合良好。基于经实验结果验证的有限元模型进行了参数化研究,分析了腹板开口尺寸和开口形式对平面织物复合材料梁腹板剪切稳定性、承载能力和破坏模式的影响。研究结果可为复合材料结构设计和强度评估提供参考。

基于LMI的过渡态主控回路闭环控制律优化设计
缪柯强, 王曦, 朱美印
2022, 48(5): 841-854. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0661
摘要:

针对涡扇发动机过渡态多变量控制设计难的问题,提出了一种基于抽功法在过渡态加减速线上的准稳态工作点处提取线性模型的方法,并在此基础上提出了一种过渡态主控回路闭环控制律的优化设计方法。通过功率输入和功率提取解决过渡态动态特征提取难题,基于增益调度可作为非线性动态控制策略的基本原理,将稳态多变量控制规律的线性矩阵不等式(LMI)设计方法推广到涡扇发动机过渡态主控回路闭环控制的设计中,并通过最小化矩阵迹优化闭环极点配置。针对2种不同过渡态主控回路闭环控制策略,分别设计了最小化矩阵迹寻优的过渡态主控回路的多变量闭环控制律,并进行从慢车到中间状态的基于涡扇发动机非线性动态模型的双通道过渡态性能仿真验证,结果表明:方案1过渡态控制双通道N1N2的调节时间不大于5.0 s,超调量不大于0.8%;方案2过渡态控制双通道πTN2的调节时间不大于5.6 s,超调量不大于0.8%。

融合低秩和稀疏先验的结构性缺失图像修复
胡循勇, 杨晓梅, 李昊怡, 梅宇博, 郑秀娟, 刘凯
2022, 48(5): 855-862. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0663
摘要:

针对基于低秩先验的图像矩阵补全算法无法有效处理结构性缺失图像修复的问题,建立了在观测矩阵上使用双重先验的矩阵补全模型,在低秩先验的基础上引入稀疏先验,以便更好地利用观测矩阵的先验特征。该模型根据行列间的相关性,使用低秩先验对矩阵正则化;根据行列内的相关性,使用稀疏先验对矩阵正则化;为了更加精确地逼近秩函数,使用截断Schatten-p范数替代核范数作为低秩先验,从而提出了融合低秩和稀疏先验的矩阵补全模型,并使用交替方向乘子法有效处理所提模型。实验结果表明:算法修复的图像细节清晰,与截断核范数模型算法相比,峰值信噪比和结构相似度提升范围分别为2%~44%和0.7%~8%。

基于合作博弈的多机冲突解脱算法
张宏宏, 甘旭升, 辛建霖, 刘一群, 陈旭祎
2022, 48(5): 863-871. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0670
摘要:

为解决低空无人机冲突解脱过程中个体支付成本不公平问题,提出了基于合作博弈“核仁解”概念的多机冲突解脱算法。针对低空多机冲突场景的特点,基于“核仁解”概念,建立无人机冲突解脱支付矩阵。结合人工势场法与蚁群算法的优点,提出基于人工势场法-蚁群算法(APF-ACO)的冲突解脱混合求解策略。仿真结果表明:综合计算时间、可行性与系统效率3个评价指标,APF-ACO混合求解策略效能最优;基于合作博弈“核仁解”的求解策略在一定程度上可提升个体公平性;同时能够在牺牲少量整体利益的前提下,拥有优先级无人机的快速规划达到目标。

基于深度学习的无人机视觉目标检测与跟踪
蒲良, 张学军
2022, 48(5): 872-880. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0664
摘要:

针对目标检测中小目标物体漏检率及误检率高等问题,提出了一种基于Yolov3-Tiny算法的改进模型。改进k-means聚类方法,增加3×3和1×1的卷积池化层,将第9层卷积输出上采样,并与第8层卷积得到的特征图进行连接,得到新的输出:52×52卷积层,形成新的特征金字塔。基于卡尔曼滤波算法实现目标跟踪,提出融合跟踪算法的检测网络,使用匈牙利匹配算法对检测边缘框与跟踪边缘框进行最优匹配,利用跟踪结果修正检测结果,提高了检测速度,同时提升了检测能力。在ROS、Gazebo和自动驾驶仪软件PX4的综合仿真环境下对所提算法进行了对比试验。试验结果表明:改进算法平均检测速度降低了15.6%,mAP提高了6.5%。融合跟踪算法后的网络平均检测速度提高了34.2%,mAP提高了8.6%。融合跟踪算法后的网络能够满足系统实时性和准确性的要求。

基于通道注意力机制的行人重识别方法
孙义博, 张文靖, 王蓉, 李冲, 张琪
2022, 48(5): 881-889. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0684
摘要:

针对行人特征表达不充分的问题,提出了一种基于通道注意力机制的行人重识别方法。将通道注意力机制SE模块嵌入到骨干网络ResNet50中,对关键特征信息进行加权强化;采用动态激活函数,根据输入特征动态调整ReLU的参数,增强网络模型的非线性表达能力;将梯度中心化算法引入Adam优化器,提升网络模型的训练速度和泛化能力。在Market1501、DukeMTMC-ReID和CUHK03主流数据集上对改进后的模型进行测试评价,Rank-1分别提升2.17%、2.38%和3.50%,mAP分别提升3.07%、3.39%和4.14%。结果表明:改进后的模型能够提取更强鲁棒性的行人表达特征,达到更高的识别精度。

基于神经网络的车辆强制换道预测模型
崔洁茗, 余贵珍, 周彬, 李存金, 马继伟, 徐国艳
2022, 48(5): 890-897. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0662
摘要:

针对高速公路上车辆行驶速度快,换道行为危险程度高的问题,聚焦于不可避免、发生频繁、一旦发生事故后果严重的强制换道行为,改进基于门控循环单元(GRU)的换道模型,对强制换道行为进行分析与预测。为保证模型的有效性,选取下一代仿真技术(NGSIM)数据作为模型的训练集与检测集,使用侧向加速度将车辆侧向摆动数据有效删除并得到强制换道的最迟换道点,进而实现车辆位置与换道决策的预测。实验结果证明,所提模型能够以96.01%的准确率判定车辆在最迟换道点的强制换道行为,相较于LSTM模型准确率提升了3.67%,同时相较于朴素贝叶斯网络准确率提高了7.31%。

多飞行器突防打击一体化微分对策制导律设计
程涛, 周浩, 董晓飞, 陈万春
2022, 48(5): 898-909. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0673
摘要:

针对多进攻弹突防弹群拦截再打击目标的交战场景,提出了一种可应用于对手信息不完全情况下的微分对策制导方法。建立多飞行器交战的线性化模型,并依据不同对抗组进行模型降阶。引入时间算子统一所有分组的终端时间,基于二人零和微分理论给出制导律。利用扩展卡尔曼滤波(EKF)实现对拦截弹和目标的状态估计,并将估计应用于所提制导律。在对手状态信息已知时,仿真突防脱靶量大于5 m,拦截脱靶量小于0.1 m。而在只给定粗糙有噪声观测的不完全信息下,滤波器对拦截弹与目标的状态估计误差可接受,仿真结果依然保持相近的脱靶精度。仿真结果表明,所提制导律能有效导引进攻弹规避拦截,并准确打击目标。

基于DDPG算法的变体飞行器自主变形决策
桑晨, 郭杰, 唐胜景, 王肖, 王子瑶
2022, 48(5): 910-919. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0686
摘要:

针对变体飞行器的自主变形决策问题,提出了一种基于深度确定性策略梯度(DDPG)算法的智能二维变形决策方法。以可同时变展长及后掠角的飞行器为研究对象,利用DATCOM计算气动数据,并通过分析获得变形量与气动特性之间关系;基于给定的展长和后掠角变形动力学方程,设计DDPG算法学习步骤;针对对称和不对称变形条件下的变形策略进行学习训练。仿真结果表明:所提算法可以快速收敛,变形误差保持在3%以内,训练好的神经网络提高了变体飞行器对不同飞行任务的适应性,可以在不同的飞行环境中获得最佳的飞行性能。

导弹增量式自适应容错控制系统设计
方艺忠, 陆宇婷, 韩拓, 胡庆雷
2022, 48(5): 920-928. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0454
摘要:

导弹在实际飞行中存在气动参数不确定、执行机构故障等问题,从而对导弹飞行控制系统稳定性与操控能力造成严重影响。为此,设计一种增量式自适应容错控制方法,在实现导弹安全控制的同时,兼顾姿态控制算法时效性与可靠性。建立面向控制的三通道耦合姿态动力学模型;考虑系统不确定性和执行机构故障,基于增量式动态逆方法设计导弹被动容错控制律;基于自适应滑模控制与增量式动态逆方法,设计增量式动态逆自适应容错控制律,并对系统残差进行分析比较;通过某典型全弹道姿态跟踪任务,验证舵面故障下的姿态跟踪特性。仿真结果表明:所提方法在故障未知的情况下,能够保证飞行控制系统的鲁棒性与容错能力,实现导弹的安全可靠控制。

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