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关键词： 潮流   高频地波雷达   北部湾   表层流   近惯性流  

摘要： 海南岛位于南海北部最大的半封闭深水海盆,是我国最大的经济特区。环海南岛海域连通了广西壮族自治区、广东省、海南省等多个省市,是对接东盟国家的前沿阵地。该海域不仅拥有丰富的海洋资源,同时还是国家建设海洋强国的关键区域,具有重要的战略意义和经济价值。但受到季风、热带气旋等多种因素影响,环海南岛海域动力过程复杂,同时目前针对该海域实测数据较少,对表层动力过程的研究还存在很多的问题。 基于以上问题,本文选取了动力过程中的表层流过程进行了研究。利用高频地波雷达获取的大范围、长时间序列的海洋表层实测数据,对环海南岛海区潮流、平均流等的特征进行了分析,同时对北部湾海域表层流对台风“小熊”的响应过程进行了研究。 环海南岛潮流特征计算结果表明,环海南岛海域存在不规则半日潮、不规则全日潮和规则全日潮等多种潮流性质,不同海域潮流性质差异明显,但绝大多数都受到浅水分潮影响显著。海南岛西侧北部湾海域潮流过程存在较明显的南北部差异,该差异不仅体现在潮流性质、运动态势等方面,在随季节的变化方面也存在很大的不同,同时海南岛东部陆架海区潮流过程较弱。雷州半岛东部海域近岸潮流多垂直于岸线,潮流运动不存在明显的季节差异;琼州海峡潮流方向变化较大,潮流过程夏季强于冬季。最大可能潮流流速在北部湾海域的最大值约1.88 m/s,雷州半岛速度最大约0.95 m/s,琼州海峡最大速度超过2.5 m/s。 环海南岛的表层流特征计算结果表明,海南岛东部流场冬、夏两季表层流方向均与风场方向一致,雷州半岛东部海域冬季的表层平均流流向与风向一致,但夏季变化较大。海南岛西南侧北部湾海域冬夏两季表层流均呈现潮流的运动形式。对北部湾海域表层流对台风“小熊”的响应过程研究发现,北部湾表层海流过程受潮流影响显著,受到近惯性动能的影响,在台风强迫时表层海流及潮流过程强度均产生了减小的现象,同时流速减弱的现象在全日潮的表现强于半日潮,在离岸处强于近岸处。

关键词： 工业信息物理系统   多智能体   博弈论方法   弹性控制   DoS攻击  

摘要： 工业信息物理系统（Industrial Cyber-Physical Systems,ICPS）是一种将物理系统与信息和通信技术（ICT）相融合的系统。它通过传感器、执行器、控制器、网络和计算设备等技术实现对工业生产过程的实时监控、数据采集与分析、智能决策和自主控制。然而,ICPS开放的网络环境使得系统极易遭受网络攻击的破坏。一方面,随着工业发展,ICPS规模越来越大,现实工业环境中往往存在多个工业设备,多个被控对象组成的ICPS在攻击下的控制问题成为关键。另一方面,ICPS具有特殊层级结构,需要面对来自物理世界和网络世界的安全威胁,这使得系统容易遭受拒绝服务（Denial of Service,DoS）攻击的破坏,轻则影响生产设备的平稳运行,重则造成系统崩溃,引发重大安全事故。因此,针对多个被控对象构成的ICPS,构建多智能体ICPS模型,并基于博弈论方法和弹性控制策略,研究多智能体ICPS在遭受拒绝服务攻击时的防御策略,从而保证ICPS在攻击下的稳定性。主要研究内容如下: （1）研究多智能体ICPS的执行器端通道在遭受DoS攻击时,基于博弈论方法的弹性控制策略。考虑到单通道拒绝服务攻击对系统控制变量的影响,将攻击者和防御者描述为两人零和博弈模型中的参与者,分别建立了攻防博弈双方的代价函数和各自的优化问题。通过分析攻防双方的交互过程,并利用极小值原理,分别求解攻击者的最优攻击策略和防御者的最优控制策略,在动态迭代的过程中给出系统稳定的最优防御策略,实现弹性防御策略,保证系统稳定。 （2）研究多智能体ICPS的执行器端通道和传感器端通道在同时遭受DoS攻击和不确定扰动时,基于状态观测器和博弈论方法的弹性控制策略。考虑到双通道拒绝服务攻击对控制变量和测量输出的影响,采用状态观测器重构攻击后受损的状态信息,并结合智能体间的信息交互设计控制协议,基于博弈论方法对干扰抑制水平采取约束,并利用李雅普诺夫分析策略,给出系统满足稳定性和H∞性能约束的充分条件,通过求解线性矩阵不等式,设计最优弹性控制策略,保证系统稳定且具有H∞性能。 （3）研究多智能体ICPS遭受分布式DoS攻击时,基于双层博弈框架的弹性控制策略。考虑分布式DoS攻击发生在传感器端通道、执行器端通道和无线传感网络,构建传感器和攻击者基于功率控制的Stackelberg博弈模型,将无线传感器网络中的DoS攻击视为恶意干扰,并构建控制器和外部干扰的零和博弈模型,在零和博弈代价函数中引入攻击节点的能量消耗,考虑传感器网络中攻击对系统参数的影响,结合李雅普诺夫理论,求解分布式DoS攻击下多智能体ICPS的最优H∞弹性策略。 采用Matlab进行仿真,以四个不间断电源的控制问题作为仿真对象,验证本文设计的基于博弈论方法的弹性控制策略在应对拒绝服务攻击时的有效性和实用性,仿真结果表明:对于典型单双通道的拒绝服务攻击和分布式拒绝服务攻击,本文设计的弹性控制策略均有较好的防御效果。

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关键词： 碳化硅   级联碰撞   位错环   力学性能   势函数   分子动力学模拟  

摘要： SiC作为一种碳化物陶瓷,具有热导率高、高温力学性能好和热膨胀系数低的优点,被广泛应用于核能、半导体、天文等领域。当其用作高温气冷堆中燃料颗粒的包覆材料时,将长时间处于高辐照的恶劣环境下,材料内部不断产生空位、间隙、位错环等缺陷,从而引起机械性能下降,并可能导致安全性问题。本文使用分子动力学方法,对SiC进行级联碰撞以模拟其受辐照过程,研究了SiC的辐照缺陷演化及力学响应,重点探究了级联碰撞与位错环的相互作用。 本文首先对多个主流势函数关于四种结构SiC的力学、热学和缺陷性质的描述能力进行了计算比较。结果表明,Tersoff类型的势函数能较好描述SiC的力学性质,Vashishta、EDIP和MEAM势能有效地描述SiC的声子色散关系,T94势在描述形成能较低的点缺陷方面有优势。 基于选定的Tersoff＿ZBL势,对3C-SiC进行了级联碰撞的辐照模拟,并探讨了温度和初级离位原子PKA(Primary Knock-on Atom)能量的影响。相较于完美基底,含位错环的基底在离位峰停留时间上有所增加,说明复杂的位错环的环境影响了缺陷的复合速率和复合概率。从缺陷迁移势垒角度解释了位错环对辐照缺陷的聚集和阻挡作用:位错环附近存在势阱,使缺陷易于被捕获,不同种类的缺陷在位错环附近产生和吸收具有偏向性;同时位错环内部的高势垒阻碍了缺陷沿原路径的运动,导致动能较大的辐照缺陷分布于位错环的两侧外。以上两种机制对含位错环基底的Frenkel对的复合率有不同影响,整体Frenkel对的复合率较完美基底低5%左右,同时以上现象也可为实验上观察到的位错环粗化提供参考。完美和含位错环基底中团簇数量随温度和PKA能量的变化规律大致相同,且空位团簇分数比间隙团簇分数高。位错环的存在可使间隙团簇分数增加而使空位团簇分数减小。 3C-SiC的辐照力学响应表明,对于完美基底,级联碰撞区域形成的缺陷在拉伸应力加载下可发展为空腔,从而成为裂纹发展的中心。可采用空位综合损伤程度这一参数描述空位分布的范围和数量,材料拉伸强度与空位综合损伤程度呈近似线性关系。在剪切应变的加载下,完美基底在辐照后产生的缺陷会触发位错形核,导致临界应力的降低。聚集在位错环附近的级联碰撞缺陷对位错环有钉扎作用,阻碍位错线的扩展,因此在一定范围内表现出辐照硬化。在较高温度下,硬化减弱,级联碰撞对剪切强度的影响减小。相关结果可为SiC在核能材料中的应用提供参考。

关键词： 圆角矩形柱   脉动风压系数   脉动升力系数   斯托罗哈数   雷诺数效应   风洞试验  

摘要： 圆角矩形柱因其良好的气动性能,广泛应用于高层建筑、桥塔及高耸结构。既有研究显示,矩形柱进行圆角处理后,其气动特性受雷诺数影响显著。当前圆角矩形柱的风洞试验多在较低雷诺数条件下进行,无法明确实际工程结构与试验间的雷诺数差异对结果的影响。因此,为减小抗风设计中因雷诺数效应导致的误差,深入探究圆角矩形柱气动特性的雷诺数效应显得至关重要。 本文对国内外关于圆角矩形柱气动特性的雷诺数效应研究进行了系统的梳理与总结,发现通过现有研究结果尚无法清晰认识圆角率和风向角这两个关键变量对圆角矩形柱气动特性雷诺数效应的影响规律。鉴于此,采用风洞试验方法,针对具有不同圆角率的矩形柱模型,在不同风向角和雷诺数条件下进行了表面风压测试。深入研究了圆角矩形柱的脉动风压系数、脉动升力系数以及斯托罗哈数的雷诺数效应。本文主要工作如下: (1)设计并制作了圆角率分别为0、0.1、0.2、0.3、0.4和0.5的矩形柱刚性测压模型。通过改变风洞的试验风速来变化雷诺数,旋转模型变化风向角,获得了各模型在不同风向角(0°～25°)和雷诺数(0.8×10～5～3.6×10～5)下的表面风压时程。分析了不同模型脉动风压系数在不同风向角时随雷诺数的变化规律,明确了圆角矩形柱脉动风压系数的雷诺数效应。 (2)通过积分表面测点的风压时程数据,得出了模型的升力系数时程。进一步分析了各模型在不同风向角下脉动升力系数随雷诺数的变化特点,揭示了圆角矩形柱脉动升力系数的雷诺数效应。 (3)基于已获取的升力系数时程数据,通过傅里叶变换,获得了各模型升力系数幅值谱在试验雷诺数范围内的变化情况。通过对不同圆角率矩形柱的斯托罗哈数进行分析,探讨了其在不同风向角下随雷诺数的变化特征,揭示了圆角矩形柱斯托罗哈数的雷诺数效应。

关键词： 汇聚Richtmyer-Meshkov不稳定性   激波管实验   Bell-Plesset效应   模态耦合   大振幅  

摘要： Richtmyer-Meshkov不稳定性(RMI)—般指具有初始扰动的流体分界面受到激波加速后,其上的扰动启动增长,并伴随着小尺度结构的生成和不同模态之间的耦合,最终在一定条件下进入湍流混合的流动现象。在惯性约束核聚变的点火过程中,汇聚激波诱导的RMI往往作为后续不稳定性演化的种子,造成靶丸表面初始存在的微小扰动持续放大。虽然近两年已实现净能量增益的聚变点火,但由于增益数值较小,距离商业应用仍相差甚远,其中影响能量增益提高的一个关键因素就是汇聚激波冲击引起的界面不稳定性演化。因此,研究汇聚RMI具有重要意义。已有RMI研究多关注平面几何,且聚焦初始振幅和模态耦合等因素开展了丰富研究,获得了较清晰的规律。然而,汇聚条件下独具的Bell-Plesset(BP)效应和Rayleigh-Taylor(RT)效应等均会影响界面演化,它们和前述因素共同作用下的界面演化规律尚不清晰。目前,针对该类问题的研究相对较少,尤其囿于汇聚激波在实验室环境下实现的困难,实验研究更为罕见。为此,本文在激波管中开展了汇聚激波诱导的单、双、多模界面不稳定性演化研究,以期探索汇聚几何下初始振幅和模态耦合等因素的影响规律。实验采用肥皂膜技术生成界面,借助高速纹影法记录流场。本文的主要内容如下: 1.实验研究了汇聚激波诱导的具有不同初始振幅的单模界面演化规律。发现相比于小振幅情况,大振幅界面附近波系十分复杂,界面上还出现了独特的凹坑结构。相较于平面情况,汇聚几何下的BP效应促进了凹坑的出现。汇聚大振幅界面的振幅线性增长时间相较于平面情况得到了延长,这是BP效应促进振幅增长导致的结果。发现了汇聚几何下振幅线性增长率随初始无量纲振幅变化的非单调关系,且其较大地偏离了 Dell模型预测结果。基于前人理论,提出了一个可以较好评估汇聚几何下非线性效应的经验模型。 2.实验研究了汇聚激波诱导的具有不同初始扰动频谱的双模界面演化规律。揭示了双模界面流动特征对初始扰动频谱的强依赖性。通过解耦BP效应与其他汇聚效应,发现BP效应促进了模态耦合的发生。相比于平面几何,汇聚几何下高阶谐频对基础模态的反馈作用更早出现。通过比较汇聚几何下单、双模界面演化结果,发现模态耦合效应一般会抑制高模数模态的振幅增长和双模界面的混合宽度增长。通过验证前人模型对新生谐频符号的预测能力,解释了双模界面演化中的模态耦合结果。 3.实验研究了汇聚激波诱导的具有不同初始扰动频谱的多模界面演化规律。验证了符号预测规律在多模演化中的适用性。通过对比汇聚几何下双、多模界面演化结果,发现模态耦合效应在多模情况下更早出现,第三模态对原有模态振幅增长的影响不仅与第三模态的模数相关,还和其与原有模态的相对相位有关。低(高)模数模态振幅增长对基础模态初始相位(振幅)的依赖程度高于高(低)模数模态。综合考虑启动时间、模态饱和等因素,提出了适用于预测汇聚多模RMI中模态振幅增长的理论模型。

关键词： 水下无线光通信   自动编码器   自适应传输   深度学习   信道估计  

摘要： 水下无线光通信(Underwater Wireless Optical Communication,UWOC)系统的有效性和可靠性易受海洋环境中吸收、散射和湍流等多种因素的影响,从而导致通信性能降低。将深度学习技术应用于UWOC系统,利用深度自动编码器实现端到端通信为提高UWOC系统性能提供了可行方案。在基于自动编码器的UWOC系统中,为了动态调整传输参数以优化系统传输性能,确保在不同信道条件下实现高速可靠的通信,就需要利用自适应传输技术。因此,开展自适应传输方案的设计并应用于UWOC系统具有重要的意义。本文针对自动编码器的数据速率和可靠性受限问题,分别提出了具有均方误差(Mean Squared Error,MSE)约束的自适应传输方案,以及基于水下信道估计的自动编码器组自适应传输方案,针对这两种方案在不同海洋信道条件下进行了系统性能的仿真评估与研究。本文主要研究内容如下: 1.考虑水下链路损耗和Gamma-Gamma湍流影响的水下联合信道模型,利用具有深度神经网络(Deep Neural Network,DNN)的自动编码器建立了 UWOC系统。首先,针对自动编码器采用独热矢量传输数据速率受限问题,提出了一种根据最小均方误差准则选择最优独热矢量实现的自适应传输方案,分别采用信噪比和湍流强度训练集合进行网络训练以提高自动编码器的泛化性能。然后,对比分析了基于自动编码器的UWOC系统与传统MPSK通信系统的性能,并在不同水下信道环境中,针对单一训练条件和集合训练条件对比分析了非自适应与自适应自动编码器的传输性能。仿真结果表明,自动编码器与传统通信系统相比不仅简化了通信系统模型,而且在相同信道条件下具有更优的误码率性能。不同训练条件下的自适应传输方案均可获得比非自适应方案更低的误码率和更高的数据速率。 2.针对基于自动编码器的UWOC系统可靠性受实际水下信道随机变化的影响问题,减少自动编码器在实际信道下进行复杂在线训练的需求,最大化通信系统端到端的传输性能,本文提出了一种基于水下信道估计的自动编码器组自适应传输方案。该方案根据在线传输阶段的信道瞬时状态估计信息,在发送端自适应选择最优编解码器进行信号传输。为了在接收端准确获得信道增益并反馈给发送端,提出了一种基于深度神经网络的信道估计方法,利用大量模拟生成的UWOC联合信道数据离线训练学习信道特性。对比分析了水下信道DNN估计、传统LS和MMSE估计方法的MSE估计性能,并基于编解码器数量讨论了基于信道估计的自动编码器组自适应传输性能,探究了自动编码器组部署成本与系统性能之间的内在权衡。仿真结果表明,DNN信道估计相较于传统信道估计具有更优的MSE性能,在不同水下信道环境下基于DNN信道估计的自适应传输可以获得比非自适应传输更低的系统误码率,最优编解码器数量的选择在保证自适应传输系统可靠性的同时也降低了系统复杂度。

关键词： 海底一体化探测声纳系统   嵌入式   SOC   FPGA   ARM  

摘要： 本文围绕目前水下探测装备无人化以及多功能化的发展趋势,针对一种可搭载于水下无人平台的,集多波束声纳、浅地层剖面声纳和单波束测深声纳三种功能与一身的,一体化探测声纳嵌入式控制软件设计与实现进行研究。具体研究并实现一套海底一体化探测声纳系统的FPGA系统逻辑控制、数字化采集、数据高速传输以及ARM嵌入式软件开发。主要工作内容如下: 首先,介绍海底一体化探测声纳系统数字平台的基础上,对系统资源占用量进行了分析,并据此确定了选用SOC作为信号处理芯片,并以Linux系统设计嵌入式软件的实现方案,以支撑一体化探测声纳系统功能及性能要求。 其次,结合系统设计指标,完成了FPGA端控制逻辑和数据传输逻辑的设计,实现了对2片FPGA和1片DSP的同步控制,实现了数据的高速采集、管控和传输功能。 最后,完成了ARM软件的开发,包括Linux系统的移植、中断及固态硬盘驱动的实现以及应用层软件的开发。该应用程序能够辅助FPGA进行命令解算传递,并将采集到的数据进行本地化存储并上传至显控软件显示。 论文研究完成了海底一体化探测声纳嵌入式控制软件的设计与调试,通过实验室系统联调与测试验证了各项功能工作正常,系统工作稳定,达到了预期研究目标。