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关键词： 故障诊断   时频分析   鲁棒性   多线性主成分分析   主成分分析网络  

摘要： 滚动轴承是现代旋转机械设备中最重要的部件之一,及时对滚动轴承进行故障诊断将大大减少旋转机械的故障,避免安全事故和经济损失。因此,研究和开发滚动轴承的故障诊断方法具有十分重要的意义。 传统的故障诊断方法大多基于时频分析,由于时频分析中的时频张量能够捕捉高维的信号数据中潜在的时空相关性,因此常用张量主成分分析方法提取时频张量中的主要时空特征。然而,在实际的工业应用中,工业传感器采集的数据通常存在噪声污染,这要求张量主成分分析方法具有一定的鲁棒性,从而在处理和分析这些高维数据时减少噪声干扰。现有的鲁棒性改进措施缺乏对重构误差的有效约束,导致算法鲁棒性的提升有限。此外,这些方法不能较好地应对故障诊断中故障样本偏少导致的类别不平衡问题。 针对上述问题,本文主要研究内容如下: (1)本文通过将角度2DPCA算法(Angle-2DPCA)的思想扩展到高阶张量层面,构建了基于F范数作为度量方式的鲁棒张量主成分分析算法(RMPCA),提出了能够同时兼顾最大化投影距离和约束重构误差的目标函数。相较于现有的鲁棒主成分分析方法,本文所提方法不仅保留了F范数具有的旋转不变性,也能够在噪声干扰下更有效地捕捉张量数据中的关键特征,具有更好的鲁棒性。 (2)本文通过将所提的RMPCA算法引入到传统的主成分分析网络中,使其能对张量形式的滚动轴承振动数据中的复杂、非线性特征进行有效提取。该RMPCA网络具有结构简洁、参数较少的优点,对训练所需的样本数量要求较低,适用于故障诊断中故障样本偏少的场景。实验结果显示,在包含噪声干扰的应用场景下,RMPCA网络在泛化能力和故障诊断指标上优于传统的卷积神经网络和主成分分析网络。

关键词： 光纤光学   长周期光纤光栅   光栅制备工艺   光纤传感  

摘要： 长周期光纤光栅（Long period fiber grating:LPFG）是一种在光纤中引入周期性折射率变化、周期一般在数十至数百微米的全光器件,可以将正向传导的基模的能量耦合到同向传导的包层模中,实现透射型带阻滤波、光频率选择性耦合、光纤传输中光谱调制和检测外界折射率变化等功能。已被广泛的应用工业检测、农业生产、医疗健康、监控安防以及人工智能等领域。本文针对LPFG加工过程存在的周期一致性性能低、折射率调制效果不佳所导致的光谱谐振峰杂且多、纤芯内能量损耗过大等问题,开展光纤光栅制备改进工艺研究及新工艺探索。主要研究工作如下: （1）LPFG成栅机理分析及制备工艺设计。分析了三种CO2激光制备LPFG的成栅机理。深入分析了LPFG的耦合模理论及其透射谱的求解过程。以物理形变、残余应力释放及光纤折射率变化机理为依据,设计了反向挤压直径增粗式LPFG制备方案和阶梯曝光融锥型LPFG制备方案。 （2）反向挤压增粗式光纤光栅制备工艺研究。利用CO2激光作为加热源制备挤压增粗式光纤光栅。通过工艺改进,解决了制备过程中的增粗单元一致性差、光谱平滑度低以及耦合深度较小等问题。探究了其谐振峰随光栅的周期个数、周期长度、增粗单元直径以及折射率非均匀性变化的规律。成功制备多根长周期光纤光栅,掌握了利用CO2激光制备挤压增粗式LPFG的工艺过程及参数。 （3）基于阶梯能量曝光方式的融锥型LPFG制备工艺研究。发现了利用CO2激光作为加热源对光纤包层进行阶梯能量曝光可以使光纤直径有规律地减小这一现象,通过释放光纤内部应力的方式,成功制备出基于阶梯能量曝光方式的融锥型LPFG。探索出仅控制曝光功率及曝光时间制备融锥型LPFG的技术方案。 基于以上研究工作,本文提出的两种利用CO2激光作为加热源制备LPFG的方法,掌握了两种通过物理形变制备LPFG的工艺过程及参数,成功制备了在1440 nm至1640 nm具有不同谐振峰,谐振深度大于-30 dB的长周期光纤光栅。

关键词： 模块化分析   非负张量分解   丹红注射液   异病同治   动态时空  

摘要： 研究背景 心脑血管疾病作为全世界的高发疾病,一直是医学研究的热点,针对这类疾病的预防和治疗,中医药发挥了重要作用。心脑同治,也称脑心同治,是中医心脑血管疾病治疗的著名学说之一,其理论源于中医的异病同治,通过临床实践得到证实,并开发出了相应的药物,疗效得到证实。丹红注射液是临床长期用于缺血性心脑血管疾病的药物,大量临床试验、系统评价和荟萃分析已经证实了丹红注射液对冠心病和脑梗死的有效作用,也是心脑同治的经典药物。为更好地探寻丹红注射液心脑同治的药理机制,突出中医药特色,亟待寻找新方法,突破旧有模式,打开新的思路,解释中药复方的有效性。中药复方是一个多成分、多作用靶点和多作用途径的复杂系统,随着治疗时间的变化,疾病的进展和痊愈也在发生着动态改变,同时,异病同治状态下,不同的疾病相互作用又带来空间上的复杂结构。既往的静态单一网络分析不适用于全面解析中药复方异病同治状态下疗效关联的动态时空变化机制。因此,对于当下亟需引入一种整体系统的高维数据降维解析方法,全面整合不同疾病状态下,药物随时间变化的异病同治动态时空变化的机制,这也为中医精准医疗创造了基础条件。 研究目的 1.建立模块化张量分解方法,识别丹红注射液心脑同治状态下的动态时空靶点集合,通过对时序效应的分析,解析丹红注射液心脑同治的药理机制,并通过不同疾病维度的分析,进一步揭示心脑同治状态下的疾病差异效应机制。 2.实现新方法在中医药研究中的突破,挖掘模块化张量分解方法在中医药环境下的应用潜能,应用张量分解加模块化分析思路,融合复杂网络计算手段,通过实际的中医药临床测序数据改进张量分解方法,构建适合中医药应用的张量分解模型,以心脑同治为切入点,实现异病同治机制研究方法学的新突破。 材料 本研究的数据来自两项课题组前期完成的适应性、随机、多中心、双盲、安慰剂对照试验:丹红注射液治疗慢性稳定性冠心病Ⅳ临床试验(NCT01681316)以及丹红注射液治疗急性脑梗死Ⅳ临床试验(NCT01677208)。本研究所有患者随机分配接受了14天的丹红注射液或安慰剂(0.9%生理盐水)治疗。整个临床试验随访期为90天。两个临床试验结果,显示14天丹红注射液的治疗可以有效改善冠心病患者心绞痛发作频率;可以改善急性脑梗死患者发病第90天的改良rankin评分。 本研究中使用的测序数据分别来自这两项临床试验中的62例冠心病患者和39例脑梗死患者的临床队列测序数据。此外,还收集了 10例健康人的血清样本进行RNA测序,作为正常对照组。在基线(第0天)、治疗后(第14天)和随访(冠心病第30天/脑梗死第90天)收集患者血清样本进行RNA测序。0天,14天和30/90天时,每个病人的状态评估使用相关疾病评分量表,使用西雅图心绞痛量表(SAQ)评价稳定性冠心病和改良Rankin量表评价脑梗死神经功能。最后纳入3个时间点完整收集的丹红注射液治疗组患者,共56例,选取32例冠心病以及24例脑梗死患者。 研究方法 1.差异基因网络构建 首先使用Limma方法,将两种疾病基线(第0天)的基因表达量分别与正常组比较,获得p值<0.05,fold值>2倍的基因,作为疾病的差异基因,再汇总取并集后得到两个疾病与正常组比较的差异基因,并进行富集分析,解析心脑血管疾病的共性病理机制。然后采用WGCNA的一致性网络构建方法,利用两个疾病的差异表达基因,分别构建三个时间点心脑同治的加权差异基因共表达网络,作为后续进行张量分解的基本网络结构。同时,采用一致性网络共识模块识别方法,识别单一时间点网络心脑同治的共识模块,在两个治疗时刻(第2时刻和第3时刻),通过多个关键模块拓扑学指标综合秩和比指数,选取秩和比最小的模块,作为该时刻的主要模块,富集该模块的生物学功能,分析不同治疗时刻的心脑同治的机制。 2.模块化张量分解及动态差异基因模块识别 比较不同张量分解策略,选用合适方法,构建张量。将不同时刻下的共识差异基因加权共表达网络矩阵,融合成为三阶张量(样本×基因×时间),对张量执行非负Tucker分解,得到核心张量和因子矩阵,再对分解后得到的因子矩阵进行特征提取,对基因维度的特征进行K-means聚类,通过设置K-means聚类个数参数(2-20个),分别得到2-20类基因社团,也即基因模块,通过模块度的值进行模块识别稳定性判断,度值越大,稳定性越好,选取度值最大,作为张量分解的模块识别结果。再采用Group Lasso方法,分别计算模块与相应的稳定性冠心病和急性脑梗死的疗效结局(稳定性冠心病为西雅图心绞痛量表的心绞痛频率值(SAQ-AF);急性脑梗死为改良Rankin量表)的标准coef值,筛选每个疾病在两个治疗时刻coef绝对值均排名前5的模块为心脑同治的动态差异基因模块。 3.基于动态差异基因模块和模块网络分

关键词： 高中数学   期末考试   试卷设计   命题原则   命题方法  

摘要： 高中数学期末考试属于学业水平考试，要按照学业质量标准和内容要求命制试卷.在命制试卷时，要设计合理的试卷结构，制定命题双向多维细目表，根据考查目标命制试题，制定合适的评分标准.在命制试题时，要坚持导向性、科学性、整体性、适度性和创新性的命题原则，具体可以采用知识点整合、教材例题和习题变式、试题类比、构造逆命题、经典试题特殊化和一般化等命题方法.

关键词： 伍德异常   改进严格耦合波法   亚波长光栅   位移传感   灵敏度优化  

摘要： 位移传感在微纳加工、无损检测、惯性测量以及高精度成像等领域具有广泛的应用,人们对位移传感展开了深入的研究,提出了基于电学、光学等不同传感原理的位移测量技术。然而,由于对高灵敏度和小型化位移传感器件的需求与日俱增,光学位移传感技术因其强抗干扰能力与高灵敏度等优点,得到了研究者越来越多的关注。其中,基于伍德异常的亚波长可动光栅能够实现光路简单且灵敏度高的位移传感,具有巨大的发展潜力,本文针对该类型光栅的位移传感技术优化进行了研究。 首先,本文从目前被广泛应用的严格耦合波法(Rigorous Coupled Wave Analysis,RCWA)出发,通过考虑亚波长可动光栅的位移变化引入的贡献,对光栅区域的傅里叶级数展开形式进行了改进,并对光栅区域中的连续层做了等效光栅处理,使其能够准确高效地应用于具有任意层数、任意材料和任意结构的一般可动光栅。将改进后的RCWA与有限元法进行对比,通过多个光栅模型验证了改进RCWA的收敛性、准确性和高效性。结果表明,改进RCWA计算结果与有限元方法的计算结果吻合度高,且其计算时间仅为有限元法的1/10。 再者,本文将改进RCWA与粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO)相结合,对角位移传感光栅和线位移传感光栅进行了优化,分别获得了18.2%/mrad的角位移灵敏度、11.3%/μm的线位移透射灵敏度和8.2%/μm的线位移反射灵敏度。基于优化模型,本文还进一步分析了亚波长可动光栅的电磁场分布,采用波阻抗匹配对上述高灵敏度现象进行了深入探讨,通过研究各区域的等效波阻抗,得出了位移变化引起光栅等效波阻抗变化,从而导致倏逝波的产生,并购最终导致了衍射效率的急剧变化,揭示了亚波长可动光栅产生伍德异常现象的物理机制。 最后,本文通过实验验证了前述优化结果。分别加工了用于角位移传感和线位移传感的亚波长可动光栅,并搭建了相应的光学检测系统。测量的角位移灵敏度为15.8%/mrad,线位移透射和反射灵敏度分别为9.6%/μm和7%/μm。通过对光栅参数进行测量,明确了实验结果与优化结果的差别来源于微机械加工误差。 综上所述,本文完成了对亚波长可动光栅的RCWA的改进,验证了改进RCWA的收敛性、准确性和高效性,结合PSO算法分别对亚波长可动光栅进行了优化,并对产生伍德异常现象的物理机制进行了详细分析,最后加工光栅并通过实验验证了改进RCWA设计的高灵敏度。

关键词： PARAFAC模型   信道估计   CRB   多目标方向感知   MUSIC算法  

摘要： 随着人们对通信质量的要求不断提高,毫米波等相关技术凭借其优势成为新一代无线通信系统的关键技术。在通信系统中,准确的毫米波信道状态信息（Channel State Information,CSI）是保证通信质量的关键因素;同时,未来还将催生出更多基于用户/设备位置信息的应用场景,这要求通信系统还应具有环境感知能力。针对信道估计和环境感知两个问题,本文分别提出了毫米波信道估计算法和多目标感知算法,具体工作总结如下: 首先,本文在双跳毫米波通信系统中,将信号构建成四层嵌套的PARAFAC模型,然后使用四阶段交替最小二乘（Four stages Alternating Least Squares,FS-ALS）算法估计出信道的AOA/AOD、路径增益和多普勒频移等CSI。为解决FS-ALS复杂度高的缺点,本文提供了两方面改进方法:（1）使用Khatri-Rao分解（Khatri-Rao Decomposition,KRD）替代双线性交替最小二乘（Bilinear Alternating Least Squares,BALS）算法,在完全避免迭代的前提下,实现与BALS相同的功能;（2）使用线形搜索（Linear Search,Li Se）算法改进三线性交替最小二乘（Trilinear Alternating Least Squares,TALS）算法,通过引入松弛因子,修正每次迭代结果,加速敛度。仿真结果表明,两算法均能成功获取CSI,性能优于多个常见算法,且改进算法运行时间明显减少,除此之外,本文还进一步分析了搜索步长对估计精度的影响,发现不同信道参数对搜索步长的敏感程度具有很大差异。例如,在信噪比（Signal to Noise Ratio,SNR）为30d B的条件下,当角度的搜索步长从3.6。缩小到0.72。时,信源节点AOD的估计精度从10提高到了10,而中继节点AOA的估计精度几乎没有改善。 其次,本文推导了嵌套PARAFAC模型下,双跳通信系统的信道克拉美罗界（Cramér–Rao Bound,CRB）的闭合表达式。通过对接收信号进行向量化、堆叠等处理,利用Slepian-Bangs公式,推导出了两跳信道的CRB闭合形式表达式,并对计算复杂度进行了分析。仿真结果表明,第二跳信道的CRB低于第一跳信道的CRB,其原因是第二跳信道的Fisher矩阵更大,包含信道的信息量更多,所以其理论估计精度更高。 最后,本文提出了智能反射面辅助的基于密度聚类改进多信号分类（Density based Clustering improves Multiple Signal Classification,DENCLUE-MUSIC）的多目标方向感知算法。DENCLUE-MUSIC能同时准确估计出多个目标的方向角（Direction Of Angle,DOA）,克服了经典MUSIC算法在SNR较低时,基于能量占比的子空间分类准则极易造成DOA多估的问题。通过对接收信号自相关矩阵进行特征值分解,然后使用DENCLUE算法估计出目标个数,得到噪声子空间,最后使用谱峰搜索获取多个目标的DOA。仿真结果表明,能量占比准则在SNR=15d B时的子空间正确分类概率为80%左右;DENCLUE算法在SNR≥-12d B时的准确率稳定高于94%,证明了DENCLUE的有效性。同时,与基于密度的含噪空间聚类改进MUSIC的算法相比,两者性能相同,且DENCLUE-MUSIC的复杂度更低。本文还探究了DENCLUE 2.0的参数对准确率的影响,发现平滑因子是影响准确率的决定性因素,迭代门限因子小于0.1时略微影响准确率。