DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 2. 激光显示技术的发展 显示技术的发展经历了黑白显示、彩色显示、数字显示这几个阶段，如图1所示，不同的显示时代解决了不同问题，每一个时代都解决了一定的技术障碍。激光显示不仅可以在民用市场占据一定份额，在军用领域也可以发挥独到的用处，各指挥中心的视讯屏幕可以利用激光投影技术的方便快捷快速搭建，实现即时通信 [ 5 ]。 图1. 显示技术的更迭 激光显示系统组成结构大体可分为激光器、调制器、光偏转器和屏幕几个部分，其基本运行原理如图2所示。系统将获取的视频信号中的三色图像信号和帧同步信号分离出来。再利用分离出的信号来调控三色光源发出相应的光强，帧同步信号调控相应结构，可以实现光束扫描，在接收屏上形成图像。三基色激光器的光束质量及其他指标比传统光源更好，也克服了传统光源引起的成像缺陷 [ 6 ]。 图2. 激光显示系统工作原理 目前应用广泛的显示技术主要有CRT、LCD、以液晶技术为基础的3D显示技术(图3)、激光显示技术、OLED、电泳显示器、以及目前刚刚开始发展的microLE显示技术等，不同的显示技术有其特有的优势，在不同环境中能发挥出最佳性能 [ 7 ]。 2.1. 国内激光显示技术的进展 早在20世纪70年代，我国科学家许彦祖院士就已经带领团队开始了激光显示技术的攻关工作 [ 8 ]。我国的激光显示得到了国家的相关政策的大力支持，列入了一系列长期发展规划重点技术。国内的一些单位也取得了显著的成果，如迪威视讯研发的大屏影院投影机和工程投影机已经面向市场，海信、康佳推出的大尺寸激光电视，都显示标志着我国激光显示取得了一定的进步。 图3. 液晶显示基本结构 1) 迪威视讯——全球激光显示创新引领者 在三基色纯激光投影显示方面，在全球范围内，迪威视讯率先研制出激光投影工程机并面市。其与国际上的投影巨头处于同等发展水平，为数不多的通过了DCI认证测试的企业。最近迪威视讯又推出了RGB纯激光工程一体机，光通量可达到1200流明。在屏幕研制上，又推出了305 cm全景多触点控屏。迪威视讯在显示行业一直推陈出新，引领着产业的创新。 2) 光峰光电——激光荧光技术拥有者 光峰光电在显示行业内拥有很大比重的专利技术，在历次展会上都推出全新的显示产品。其ALPD激光荧光显示技术在显示行业内大放光彩，也是我国企业首次在显示技术行业内拥有核心知识产权。 3) 视美乐——激光显示普及推动者 视美乐利用445 nm蓝光激光器作为光源研发的SLPLS技术，在成本、环保、健康、节能等方面相比其他显示技术性价比更高。 2016年12月21日，长虹在北京“超剧场”发布拥有全球首创超高效远心激光光机和柔性菲涅尔光学屏幕的CHiQ激光影院。长虹激光显示科技公司相关负责人总结到，激光显示技术越来成熟，各方面综合比较，有着低功耗、环保健康、快捷方便等优势。大型场合需要的大屏幕显示可以利用激光显示快速布置，效率更高。激光特有的优点可以实现全息三维空间成像。由于激光显示原理是属于是反射式，其反射光具有自然柔和的特点，也是目前最健康的一种显示方式。长虹推出的全新的激光影院，结合了显示技术的诸多优点，将会加速推进家庭影更节能、更绿色环保 [ 9 ]。 2006年，中国科学院光电研究院联合民营资本创建了北京中视光电技术有限公司。并由相关研究单位的多名技术专家担任战略顾问。该公司主张自主创新的道路，在国内率先开发出小型、高效、高稳定性和长寿命的激光器产品，凭借技术优势研发出了激光显示产品并提供全套的解决方案 [ 10 ]。 2008年7月17日，全球第一家激光影院在北京向观众开放，一度首次启用了激光光源数字电影放映设备，合成的白色激光输出功率达到101.7 W，亮度输出12000流明，其色域覆盖率相比传统显示增加了近10%，在色饱和度和对比度上也凸显出激光显示的优越性，使用寿命相比传统放映设备提高了10倍，长达10000 h [ 11 ]。 2016年长春光学精密机械研究所张岳、郝丽等人利用固态激光器为光源制造了大屏幕激光彩色电视。实验中，利用的光源是三基色(波长分别是671 nm、532 nm和473 nm)全固态激光器，在满足白光平衡条件下，激光器输出功率分别是2.5 W、0.6 W、5.6 W。该团队首创性提出了瞬间小视场变波前消干涉方法，在不保证光束质量的条件下，抑制散斑效果显著。通过控制扫描转镜的速度，会改善散斑效应 [ 12 ]。 2.2. 国外激光显示技术的进展 1964年，美国德克萨斯仪器公司，首先报导了研究成功第一台激光显示系统。该系统采用50 mw的He-Ne激光器的6328 Å为光源，光通过KDP光调制器，受到普通电视信号的调制。然后进入频率为15750 Hz的圆形扫描反射镜，反射光借助于纤维光学扫描变换器，变换成水平方式扫描，再进入频率为60 Hz的电流计驱动的反射镜，进行垂直方向的帧扫描，最后经过投影透镜投映到屏幕上显像 [ 13 ]。 2007年元月，在CES上，索尼公司和Novalux公司都创新性的展示出了各自最新激光显示产品。包括利用投影式激光显示技术的数台激光显示试验样机，也包括了139.7 cm (55)激光背投电视和小型、袖珍式前投影机以及激光数码影院等 [ 14 ]。 国际上大力着手研究激光显示技术的厂家主要集中在美国、德国、日本以及韩国，美国的Novalux和德国的欧司朗公司主要研究高质素的半导体和其他材料的激光光源，主要为DLP、LCoS等背投式平板电视以及投影机提供光源。而在激光电视的设计和制造方面主要有LDT公司(德国)、MITSUBISHI (日本)、SONY (日本)、SAMSUNG (韩国)等等。日本的MITSUBISHI (三菱)已准备在今年的第三季度推出“LaserVue”系列的激光电视，能够表现广色域的颜色、支持X.V.YCC色域空间，预示着激光电视开始走进消费市场 [ 15 ]。 当下全球范围内激光电视正处于产业大变革的发展黄金时期，攻克产业化技术障碍已是各研发单位的首要任务。日本、美国、韩国相关企业的企业在液晶显示和等离子显示领域现在已经率先取得技术和市场地位，未来发展方向定位于“激光显示技术” [ 16 ]。 韩国的家电巨头三星电子也宣称将会在未来3~5年内将激光显示全面推向市场。三星正在研发的Spatial Optical Modulator技术通过电动控制光束的开和关来产生图像。利用SOD中微小的带子上下弯曲来反射光线实现光阀的开关作用。线阵分布的SOD器件形成图像一维灰度，通过扫描镜进行快速面扫描，形成二维图像，然后通过镜头将图像投射到屏幕上产生图像。
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user: 3. 激光显示相关技术 激光显示是使用三基色单色激光器进行显示成像，光路图如图4所示。当扫描速度符合人眼“视觉残留”的要求即大于所成像的临界闪烁频率(50 Hz)，人眼就可以清晰的观察。再现技术性能上，激光显示远远超过液晶和等离子体，可以达到92%。目前，三基色纯激光、荧光粉+蓝光、LED + 激光是当前显示行业发展的比较好的激光显示技术，都有着独特的优势，综合来看的话，三基色纯激光的优势相对更显著些。 3.1. 全息技术 全息技术是利用光的干涉记录物体光波信息和衍射原理再现物体全息图的技术 [ 17 ]，其原理如图5所示。第一步是拍摄过程，利用光的干涉，通过干涉条纹的反差和间隔来反映出物体的全部信息。底片上的干涉条纹又经过相关技术处理后，便得到一张全息图。第二步是成像过程，利用光的衍射将干涉记录的物体光波再现。全息图立体感强，视觉效果比普通的要好的多。全息图最重要的一个特点是它每部分都可以再现物体的全部图像，同一张底片可以不限制单次记录不同的图像。 激光全息立体显示技术是在激光显示的基础上再现人眼在自然界中接收的光波信息，给人一种立体视觉效应，产生一种现实世界的显示环境，在显示行业内被认为是最具开发潜力的显示技术 [ 18 ]。 图4. 三基色纯激光显示成像光路示意图 图5. 全息技术原理图 3.2. 动态激光全息显示技术 动态激光全息显示技术主要分为三步，第一步由物体的立体信息计算出全息图，如图6所示；第二部则是将全息图光学再现过程，如图7所示；第三步是将全息图制成视频实现动态显示。在整个过程中，计算全息图是最复杂的一步。 图6. 全息图计算过程 图7. 光学再现过程
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user: 4. 显示用激光器 激光显示的光源历经气体激光器和固态激光器后，又迎来了半导体激光器时代。进入21世纪后，半导体激光器的全面发展，各性能提高后，作为激光显示的光源则更具竞争力。中科院许祖彦院士总结了半导体激光器作为显示光源的优势。半导体激光器可直接由电流激励，比固态激光器的效率更高；工作物质衰减较慢，使用寿命更长；适合高度集成，光源系统的体积更小。激光显示所需的功率计算是由屏幕亮度与激光光源的光视效能比值得到的，其中屏幕亮度是由环境亮度与屏幕面积的乘积再与屏幕的对比度的比值得到。简单来说，A4纸大小的屏幕，为保证正常的投影需要，若光源是红光半导体激光器，则需要的输出功率约为50 mW；大小为40英寸的屏幕，所需的输出功率则至少要达到500 mW；而对于大规格屏幕，光通量在1000流明以上的，对输出功率要求更高，功率需要达到25 W以上 [ 19 ]。 半导体激光器在光束调制和体积上具有很大优势。三基色半导体激光器发展并不平衡，红光和蓝光发展的相当成熟，但绿光在功率、寿命、效率指标上提升很慢 [ 20 ]，红光和蓝光的波长调制也受到限制。现在掺镨氟化物光纤激光器的特有性能越来越被众多相关科研单位关注，它拥有宽带可调谐特性，可以提高色域范围，从而增强激光显示系统的色彩表现力 [ 21 ]。 激光显示系统选择波长一般根据两个依据：一方面，依据人眼对波长的响应度来选择人眼敏感的波长，进而获得较高的光视效能；另一方面，所选波长能够扩大色域的覆盖范围，获得更好的色彩体验。实验发现，当选取的光源是620 nm的红光时，光视效能为0.33 lm/W，此时的色域可达161%；当选取的光源是650 nm的红光时，色域高达211%，但光视效能则降为0.141 lm/W [ 22 ]。 激光显示对于光源光束质量的要求主要取决于所使用的激光显示技术。在当前应用最多的激光线扫描、激光点扫描和激光投影中，激光线扫描体积和效率介于激光投影和点扫描之间，该技术主要应用在微投影领域 [ 23 ]；激光点扫描效率较高、体积小，整个系统的成本较低，但是对光源的光束质量和调制系统的要求较高，亮度低，只能适合于小尺寸(小于A4纸)的显示应用 [ 24 ]。激光投影技术相对其他显示技术对光源的光束质量要求不高，在保证人眼安全范围内的前提下能够允许的光通量较大，可以适合于大部分显示领域。 为了获得较大的功率，红光半导体激光器普遍采用宽条形结构，同时增大条形区域的宽度(一般为几十到几百微米)，通常把这类激光器称为宽条形激光器。根据光场的限制模式，可以把宽条型激光器分为增益导引结构和折射率导引结构，如图8所示 [ 25 ]。 在增益导引结构中，通过质子轰击的方式对电流注入区以外的地方进行绝缘处理，只有电流注入区内可以产生光学增益，但是该结构对光场的限制较差；折射率导引结构的宽条型激光器不仅对注入电流和载流子的侧向扩散有限制作用，还能够限制光场的侧向渗透 [ 26 ]。所以折射率导引机制能够有效降低器件的阈值电流，同时有源区产生的热量能够向周围的无源区散失，保持器件的热稳定性。大部分激光器都是采用折射率导引的结构。 图8. (a) 增益导引结构的激光器，(b) 折射率导引结构的激光器 2018年，山东华光公司报道了640 nm红光半导体激光器 [ 24 ]，有源区使用张应变GaInP/AlGaInP量子阱，其最大输出功率2.3 W，激射波长640 nm。这也是目前我国自主研发的用于激光显示的红光半导体激光器的最好水平。通常把有源区的温升和热功率的比值称为热阻 [ 27 ]，它是衡量器件性能的重要参数。降低器件的热阻，减小阈值电流，提高器件的温度特性已经成为整个激光器领域的重要研究课题。 大功率红光半导体激光器的发散角也会影响其在显示中的应用。因此，在保证高功率输出的前提下，还需要对其快轴和慢轴的发散角进行优化。2002年，美国SDL公司研究人员采用脊型波导结构制备了低发散角的高性能激光器 [ 28 ]。器件激射波长635 nm，单模输出功率120 mW，垂直发散角20˚。2004年，北京工业大学崔碧峰等人将多个有源区通过隧道级联的方式联结成一个大光腔结构，使垂直发散角降低到20˚。2009年，日本三菱公司报道了应用在小型激光显示光源的红光半导体激光器。器件采用窄脊型和非吸收窗口结构，器件在室温下连续输出功率达100 mW，激射波长636 nm，发散角分别为8˚和16˚。2013年，台湾交通大学的研究人员通过增加钝化层的厚度，将AlGaInP激光器的垂直发散角可以降至13.9˚ [ 29 ]。激光显示系统的光源所占体积应越小越好，根据不同的环境来设计不同的规格。应用于移动电子设备的投影系统，它的体积小于10 cm 3 [ 30 ]，对于稍大的便携式式的，它的投影系统的体积应小于100 cm 3 。
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user: 5. 展望 传统显示技术发展比较成熟，价格也比较低廉，占据一定的优势。激光显示虽然发展前景广阔，但是还需要攻克一些技术难关，并且成本比较高，在市场普及上会受阻，亮度也是其受限因素。所以目前市场上OLED和液晶显示占主导地位。但激光显示的大色域、高饱和度、低能耗等优点却是传统显示无法替代的。激光显示光源有很大发展空间，在显示用红光半导体激光器一方面可以通过缩短波长来更好的满足人眼的视觉体验。另一方面可以优化工艺、改善器件性能提高激光器输出功率来满足大屏幕亮度需求。
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user: 摘要 首先通过长脉冲激光与短脉冲之间比较引出皮秒激光技术，其次对皮秒激光技术的发展历程进行阐述，再次介绍了国内和国外的皮秒激光技术发展现状，从次叙述了基于SESAM被动锁模技术的皮秒激光脉冲形成的物理过程，包括非线性放大阶段、非线性吸收阶段和线性放大阶段，另外，介绍了皮秒激光加工技术的优点和应用，其中皮秒激光加工技术应用包括金属钻孔、划线、切割、表面结构化、表面清洗等等几个方面以及具体实例。最后通过比较纳秒、皮秒和飞秒三种激光技术的优劣势来表达对皮秒激光技术的未来展望。
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user: 1. 引言 自1960年5月西奥多·哈罗德·梅曼(Theodore H. Maiman)点亮了第一束激光之后，激光技术在几十年间以惊人的速度迅速发展，被广泛应用于生产实践中，例如制造业、军事、医疗、通讯等方面。作为一项通用的、强有力的、最现代化的万能工具，激光在制造业领域占有重要地位，随着制造业的生产要求在不断提高，许多传统的加工技术已经无法满足加工需求，而激光的出现刚好解决了这一问题。在很久以前，人们就想到用激光对各种材料进行微加工 [ 1 ] [ 2 ]，但所使用的激光脉宽长，且亮度低，所以导致的结果就是被加工的材料熔化并且持续蒸发。即使激光束的光斑小，但是对于被加工材料的热破坏较大，加工精度也随之受到影响，如图1所示。从图1中可以看出在长脉冲激光加工过程中，会产生喷射的熔融材料、表面残屑、重铸层以冲击波造成的表面波纹对相邻结构的破坏等。因此要想提高加工的质量，就必须得减少激光工作时所产生的热量，而超短脉冲就是最合适、最理想的工具，如图2表示的是长脉冲、短脉冲和超短脉冲激光加工效果对比图。从图2中可以分析出使用皮秒激光加工的效果最好，对材料产生的影响最小。当激光的脉冲宽度达到皮秒量级的时候——也就是皮秒激光，极高的功率密度与极短的相互作用时间使得激光束在工作时，不会给被加工材料带来热效应，所以也被称之为冷加工技术。
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user: 2. 皮秒激光技术的发展 现阶段，为了达到皮秒量级及以上的超短激光脉冲宽度，人们普遍利用锁模技术去实现 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]。在几十年间，锁模技术经历了主动锁模、被动锁模、主被动锁模、自锁模等发展阶段，其中人们最广泛采用的是被动锁模，其最核心、最重要的器件就是半导体可饱和吸收体(Semiconductor saturable absorption mirrors)，简称为SESAM [ 7 ]，如图3所示为一个SESAM器件。由于产生超短脉冲“最简单可靠”，受到人们的广泛关注，并加以研究和应用。表1是自1992年SESAM被发明以后，基于SESAM的被动锁模技术发展历程。SESAM器件的发展与皮秒激光技术发展息息相关，由于SESAM器件的损伤阈值低的原因，基于SESAM的被动锁模激光器输出的脉冲能量并不高，要知道，在进行一般的微加工与实验研究时，通常会用到百微焦以上的脉冲能量，而在工业上，脉冲能量的要求则会更高。所以，这就需要将皮秒激光器所输出的脉冲采用再生放大或者行波放大的方法对它进行能量的放大。 图1. 长脉冲激光加工示意图 图2. 长脉冲激光加工、短脉冲激光加工和超短脉冲激光加工效果对比图 图3. SESAM器件 Table 1 Development of picosecond laser technolog 时间 人物 增益介质 脉宽 重复频率 平均输出功率 单脉冲能量 1997 B.Ruffing Nd:YVO4 7 ps 84 MHz 4.5 W 0.05 µJ 1999 GJ.Spuhler Nd:YAG 16 ps 88 MHz 10 W 0.11 µJ 2005 蔡志强等人 Nd: YVO4 7 ps 83 MHz 4.5 W 0.39 µJ 2015 葛维暘等人 Nd: YVO4 30 ps 102.3 MHz 47.5 W 0.46 µJ 表1. 皮秒激光技术的发展历程 目前，世界上仅有几个国外的企业掌握着核心技术，他们主要来自于发达国家，包括德国的通快公司、美国的Coherent公司等，主导着全球皮秒激光市场的发展方向。以德国和美国的公司为例，德国的通快公司利用薄片激光放大技术实现了200 W的皮秒激光能量输出，而且光束质量非常好，受到广大企业和科研工作者的青睐，占据了激光加工的大部分市场。而美国的Coherent公司则利用基于主振荡功率放大系统的多级行波放大的方法，也将皮秒激光器的输出能量提高到了50 W [ 8 ]。 国内关于皮秒激光技术的研究与应用尽管起步较晚，但是在众多科研人员的努力下和国家政策的支持下，我们一直在进步发展，特别是中国科学院半导体研究所研究员马骁宇团队自主研制的国产高破坏阈值高性能SESAM器件的成功，很大程度上缓解了该器件对国外产品的依赖程度，而且国产的高损坏阈值高性能SESAM器件在某些方面甚至比国外的产品更加优秀，为我国激光加工技术的发展注入了一剂强心剂。
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user: 3. 基于SESAM的皮秒激光脉冲的形成过程 在SESAM被动锁模激光器中，产生皮秒激光脉冲的过程实质上就是将一系列不规则的脉冲整形成锁模脉冲 [ 9 ]。形成过程大致可分成以下3个阶段： 1) 线性放大 在初始产生的激光脉冲中具有荧光带宽的光谱含量，而且纵模之间出现干涉现象，导致激光脉冲的光强度不够稳定。而且这个阶段腔内能量比较低，当光照射到SESAM器件的时候，SESAM就会产生调制现象，对光脉冲的吸收是呈非线性的，也就是说SESAM偏向于吸收弱脉冲，而强脉冲则吸收得少。又因为SESAM器件的结构特性的原因，光脉冲经过SESAM射出，再经过某种激光介质之后，激光就会得到线性放大，就是偏向于放大强脉冲，而弱脉冲则放大得少，最终大部分弱脉冲消失掉 [ 10 ]。同时，在放大的过程当中，发生了选模作用，而光脉冲的频谱宽度变窄，被放大的信号则变得更加平滑。 2) 非线性吸收 当选模作用发生后，当照射在SESAM上的光达到一定程度时，腔内能量进一步增加，就会发生漂白效应。SESAM中的吸收体呈非线性吸收，强脉冲快速增强，而大多数弱脉冲会被吸收和抑制，所以发射的脉宽变窄 [ 11 ]。 3) 线性放大 当光脉冲经过非线性吸收这个阶段后，会对光的振幅和相位实现调制。而调制过后所产生的强脉冲，再通过增益介质时，脉冲的前面部分和中间部分会消耗大部分反转粒子，然后进行放大，而脉冲的后部分的增益就会变少，所以放大就少，小脉冲会不断地被抑制，就能得到高亮度、短脉宽的一系列激光脉冲 [ 12 ]。
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user: 4. 皮秒激光技术的应用 因为皮秒激光加工的诸多优点 [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]，被广泛应用在各个行业，包括工业生产、医疗、军事等等 [ 17 ]。下面是几个具体应用实例。 4.1. 金属钻孔 [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] 在工业上，一般使用纳秒激光来加工金属微孔，但是加工的效果不是很理想，微孔表面会残留熔渣等问题，必须经过二次处理才行。当纳秒激光换成皮秒激光加工，加工的效果就非常好，不会出现上述问题，如图4和图5所示。 另外就是电路板钻孔，在电路板上，为了能将众多的电子元件给连接起来，通常会在板上打几十万个纳米级别的小孔。所以在打孔的过程当中，激光工作时所带来的热效应会影响电路板基底的稳定性，所以必须得解决这个问题。皮秒激光加工会是一个更好的选择 [ 21 ]。此外，塑料薄膜、半导体、金属膜和蓝宝石等等材料也可以利用皮秒激光进行高精度、高质量的钻孔 [ 22 ]。 图4. 纳秒激光打孔表面形貌 图5. 皮秒激光打孔表面形貌 4.2. 划线 激光脉冲可以采用扫描的方式叠加，从而形成线，如图6所示。大量的扫描可以深入到陶瓷的内部，当划线的深度达到材料厚度的1/6时，在陶瓷基底上，就可以沿着这些刻线分离单个模块 [ 23 ]。 图6. 皮秒激光和纳秒激光在聚碳酸酯材料上进行划线加工的不同效果 4.3. 切割 利用激光对材料进行烧蚀，去除材料直到切透为止，所以也称为消融切割 [ 24 ]。2003年，德国的一家公司利用自主研发的首款商业化皮秒激光器开展了一项实验，那就是切割厚度为50 um的硅片，同时也使用纳秒激光器和飞秒激光器进行切割，以便进行对比，如图7所示。结果发现与飞秒激光切割的效果与精度相比，皮秒激光毫不逊色，而与纳秒激光切割相比，加工效果则优异得多，表面不会出现残留熔渣等问题，更不需要进行二次处理 [ 25 ] [ 26 ]。 图7. 飞秒激光、皮秒激光和纳秒激光加工对比图(a)飞秒激光加工(b)皮秒激光加工(c)纳秒激光加工 此外，英国的曼彻斯特大学将皮秒激光进行三倍频之后得到激光束对医疗领域的心血管支架进行高精度、高质量的切割，如图8所示。相比于传统激光加工使用Nd:YAG激光进行切割，有效避免了需要二次处理的棘手问题 [ 27 ] [ 28 ]。 4.4. 表面结构化 采用结构化的方法可以改变材料表面的物理特性 [ 29 ]。这一应用源自于仿生学，生物体的许多神秘的特性值得我们去研究。比如荷叶，下雨时荷叶上不会粘上水滴，是因为荷叶表面的疏水性结构。所以我们可以采用皮秒激光加工的方式，在材料的表面雕刻出这个亚微米结构，实现这个物理特性 [ 30 ] [ 31 ]。 图8. 皮秒激光加工各种心血管支架(a) 钴–铬合金；(b) 银；(c) 钛；(d) 高分子材料 4.5. 表面清洗 一些零部件以及机器在使用或者维护时，需要对其进行清洗。例如焊钉，在焊接之前必须清除掉表面的氧化层，使用传统的清洗方法——机械清除和化学法，则会对焊钉本身产生损伤。如果采用皮秒激光加工的方式去清除氧化层，则会非常有效，而且不会出现损耗问题，还增加了焊钉表面的粗糙程度，有利于接下来的焊接工作，如图9所示。 图9. 焊钉
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user: 5. 展望 经过几十年的发展，皮秒激光技术已经取得了很多显著的成就，相比于纳秒激光技术，皮秒激光技术的优势展现了无与伦比的优势；相对于飞秒激光技术来说，虽然飞秒激光技术的加工质量与精度更好，但是，目前该技术还处于研究阶段，所以皮秒激光技术无论是在价格上、稳定性以及普及度上，都是飞秒激光技术无法比拟的。就未来而言，皮秒激光技术仍然有巨大的潜力可以挖掘，特别是在皮秒激光器的价格下降之后，普及度会迅速上升，极大地促进激光技术的发展。
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user: 摘要 电子元器件是电路的基本组成部分，有着广泛的应用。传统的人工检测存在很多不足，机器视觉尺寸测量技术由此应运而生，机器视觉由于自身具备高灵敏度、高精度及高耐用性的特性，对于提高工业自动化水平和工业生产效率有极大助力。根据课题要求，以单片机芯片为研究对象，以检测单片机芯片二维平面上的长度与宽度为研究目标，设计了基于机器视觉的单片机芯片检测系统的硬件方案，硬件组成包括光源与照明方式的选择，以及相机与镜头的选择。完成硬件平台搭建后，同时制作了应用于相机标定的标定板并在调试完成的硬件平台上拍摄了三十张左右的标定图片。利用MATLABR2016A作为系统的软件处理平台，一方面应用MATLAB标定箱对标定图做相机标定，另一方面编写用于单片机芯片尺寸测量的图像处理代码及测量代码。其中，在图像处理环节主要包括图像滤波、二值化处理和边缘提取等步骤。单片机芯片的尺寸测量实验完成后将实验结果与真实尺寸的对比，可以看出构建的基于机器视觉的电子元器件外形尺寸测量系统满足了课题设定目标。
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user: 1. 引言 随着我们科技迅速发展，生产工艺水平不断提高，产品质量把控也愈加严格。产品的尺寸测量工作是把控产品质量的一个重要环节，因此对测量提出了高精度与快速化的要求 [ 1 ]。过去，产品尺寸检测主要依赖人工的人眼观察以及简单的测量工具如卡尺、量规、轮廓仪来判断，这一方法已经无法适应目前大批量生产以及电子元器件外形越来越复杂的状况，且人工长时间的机械重复容易产生疲劳既不能保证检测效率又影响测量精确性 [ 2 ]。在这样的背景下，机器视觉测量技术应运而生，成为了现代化工业最受欢迎的检测技术，并且该技术已经成为目前工业界的研究热点。机器视觉测量系统具有高精度和高效率的独特优势，广泛应用于复杂元器件及小型元器件的尺寸测量。本课题应用机器视觉技术，设计了一个电子元器件尺寸检测系统，测量对象是单片机芯片的长度与宽度。课题研究内容主要包括相机标定、图像采集、图像预处理与边缘提取和芯片长宽尺寸测量等，其重点在于图像处理与尺寸测量两个部分。 本文对图像预处理与图像边缘提取方法研究作重点阐述，主要包括图像滤波、图像二值化阈值分割等预处理方法，边缘检测及连通域处理等边缘提取方法，并作对比分析。再次介绍单片机芯片尺寸测量实验，主要包括相机标定、尺寸测量与误差分析。最后总结课题完成过程并且检讨自己的不足并对将来研究机器视觉检测技术做出展望 [ 3 ] [ 4 ]。
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user: 2. 系统总体设计 本系统中的硬件设计所需要的设备有光源、相机、镜头和计算机，软件设计所需要的平台是MATLAB R2016A，电子元件选用的是单片机芯片。系统硬件应用顺序如图1所示。 图1. 硬件应用顺序图 系统总体方案的实施步骤是：首先选取适合电子元件尺寸测量的光源类型以及其对应的光照方式，在完成照明方案设计后选择合适的工业相机和镜头，将照明光源和相机、镜头固定在支架后，通过调节相机与被测物体的距离、相机镜头的放大倍数和光圈大小，确保待测单片机芯片可以完整清晰地呈现在计算机成像画面中，至此系统硬件平台的搭建工作完成。随后在成像画面中获取对比度高的单片机芯片灰度图作为尺寸测量系统软件部分的待处理图片 [ 5 ]。待处理的单片机芯片灰度图在MATLAB软件平台上经过图像增强、图像滤波、二值化、边缘检测等一系列图像处理方法后通过像素点计算获取芯片长宽尺寸。
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user: 3. 硬件系统设计 照明方案设计对于视觉系统尤其重要，一方面可以提高采集到的图像的清晰度，另一方面减少环境光对测量系统的干扰。通过查阅资料和对比本课题实际测量的元器件尺寸，LED灯的综合性能最为优越；同时，经过在实验室环境下对各种光照方式实际对比，综合考虑到照明效果与可操作性，本文最终在前向照明、背向照明和环形照明这种光照方式；与CMOS相机相比，CCD相机有着更高的分辨率和灵敏度，本系统最终采用大恒图像MER-132-30GM面阵CCD相机，它支持水平镜像和垂直镜像，可直接连接HALCON、MERLIC、LabVIEW等第三方软件；镜头采用COMPUTAR公司生产的M0824-MPW2型号镜头 [ 6 ]。现在主流的视觉处理软件有：OpenCV、LabVIEW、HALCON、eVision、HexSight、RVB以及MATLAB。本课题选择了MATLAB的R2016a版本作为系统软件设计平台，MATLAB相比于其他图像处理软件学习成本低同时集成了许多图像处理函数，适合本科生选用作为毕业设计课题的开发软件。选择好硬件后，将硬件凑齐简单搭建平台即可开始软硬件调试以及后续工作。
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user: 4. 图像处理总体方案 本章将重点介绍图像预处理和边缘提取的流程，流程图如图2所示，包括图像滤波、图像二值化和边缘检测以及边缘检测的替代处理方法，同时在这几道流程中对比不同的算法带来的效果差别，并挑选出最适合单片机芯片尺寸测量的方法。 对比中值滤波、均值滤波和高斯滤波可以比较得出，高斯滤波的对于邻域内各点的权重分配类似于正态分布，所以高斯滤波对于服从正态分布的噪声的抑制效果非常好。由于采集的单片机芯片图像质量较好，故三种滤波效果均非太明显，最终采用高斯滤波。滤波效果如图3所示，并将其灰度反转为图像二值化作准备，灰度反转效果如图4所示。本课题对于单片机芯片的二值化处理，在使用最大类间方差法、平均值法和直方图阈值法后均未得出较理想的二值图像结果，由于待测图像样本量比较少，根据人工经验选择法的准则最终确定了阈值 [ 7 ] [ 8 ]。确定阈值为200，效果如图5所示。 在完成了上述一系列连通域处理步骤后，可以运用MATLAB软件中最小外接矩形函数计算待测单片机芯片的外接矩形，获取单片机四个角点坐标为最终尺寸测量作铺垫。单片机芯片最小外接矩形如图6绿线标注所示。 图2. 图像处理总体顺序 图3. 高斯滤波效果对比。(a) 原图；(b) 滤波后图 图4. 灰度反转效果 图5. 阈值为200效果 图6. 单片机芯片最小外接矩形
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user: 5. 电子元件尺寸测量实验及分析 用棋盘格标定法将单片机芯片图像中的尺寸转变为现实的尺寸。棋盘格标定法的操作介于相机自标定法和传统相机标定法之间，没有传统相机标定繁琐的步骤。 本系统采用MATLAB标定工具箱对相机进行标定，相机标定流程如图7所示。 图7. 相机标定流程 利用相机内外参数将像素坐标转换为物理坐标，分别对单片机芯片两条长宽进行尺寸测算求平均值。本实验测量了四个不同型号单片机芯片的长度与宽度，并分别对四组长宽测量结果做误差计算 [ 9 ] [ 10 ]。利用尺寸计算的双边求平均值的做法降低误差，但通过对单片机芯片实际测量值与系统测量值的对比发现仍然存在细微的误差。对于单片机长度及宽度的终值计算仅依赖简单的双边求平均方法，仅能有限的降低误差无法做到彻底消除误差。
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user: 6. 结论 尺寸检测在工业中应用极其广泛，而电子元器件是工业待检测物体中占比重很大的门类。应用机器视觉技术的尺寸检测系统取代了以往的人工测量，节省了大量的人力与物力，为工业检测技术的发展增添了动力。基于机器视觉的电子元器件尺寸测量系统的测量对象是单片机芯片，系统主要包括相机标定、图像采集、图像预处理与边缘提取和芯片长宽尺寸测量等步骤，其重点在于图像处理与尺寸测量两个部分。选型之后重点工作在对图像处理方法的对比研究，包括图像滤波、图像二值化以及边缘提取等步骤。其中图像滤波进行了对高斯滤波、均值滤波及中值滤波的对比分析，图像二值化进行了对直方图阈值法、最大类间方差法及平均值法的对比分析并最终结合三种方法使用了人工经验选择法确定了图像分割的阈值。采用连通域处理的方法对图像进行孔洞填充、边界平滑以及面积过滤最终确定了单片机芯片的最小外接矩形。最后完成对单片机芯片的尺寸测量并进行了误差计算与分析。
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user: 摘要 为了能够准确而有效的计算铺管船在波浪中的运动情况，本文基于船舶时域运动学方程，以Jonswap谱作为不规则波浪输入，并应用PID控制器和Kalman滤波器相结合的动力定位系统，对铺管船在波浪中的时域定位控制进行仿真模拟。通过对不同有义波高和不同谱峰周期下的铺管船时域运动的仿真结果进行分析发现，本文仿真模型能够对铺管船运动进行有效控制，但当谱峰周期过大时会影响铺管船纵荡运动的平衡位置，因此在实际作业中需着重注意。
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user: 1. 引言 随着世界油气资源的日渐枯竭，深水领域已成为油气资源主要采集区 [ 1 ]。作为油气田运输生命线的海底管道，其铺设安装技术是亟待解决的难题。其中能否使船与管线触地点间的有效距离能够得到合理控制是铺管作业成功与否的关键。因此，对动力定位条件下船舶在波浪中的时域运动进行仿真分析是有必要的。 船舶在波浪中的运动作为船舶与海洋工程领域的经典问题，国内外很多学者都对其进行了深入研究。国外学者Cummins [ 2 ] 最早提出时域理论，把船舶运动在各时刻的响应看做相互叠加的脉冲相应作用，并由Ogilvie [ 3 ] 对时域理论进行了推广并将其应用于有航速船舶的计算中。此后，国内外大量学者将时域理论与仿真分析相结合进行研究，如国外的Debabrata等 [ 4 ] 三维有航速船舶大幅运动进行了时域仿真研究并对以往线性计算进行了优化。国内的陈京普 [ 5 ] 等也采用了计及非线性项影响的时域数值仿真方法对船舶的运动进行了仿真分析。同时大量学者对基于动力定位的海洋结构物运动进行了深入研究，如国外的Holvik和Morgan [ 6 ] 等研究了动力定位系统在深海半潜式平台的应用。国内的林峰 [ 7 ] 等采用了简易的PID动力定位系统，对S型铺管船的铺管工况进行了耦合运动分析。 本文基于船舶时域运动方程，采用应用最为广泛的PID及Kalman滤波相结合的动力定位系统，对铺管船在波浪中的运动与控制进行分析与研究。
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user: 2. 铺管船时域运动方程 基于最经典的Cummins时域理论 [ 2 ]，即把船舶的六自由度运动看成连续的脉冲响应相互叠加的结果，时域方程的计算过程就是在频域下计算得到船舶的附加质量和阻尼系数，然后通过傅里叶变换将其转换为船舶时域运动方程的基本参数，建立船舶的时域运动响应分析方程。本文以海洋石油201船为研究对象，根据卡明斯理论在考虑波浪载荷的情况下，建立海洋石油201船的时域运动方程： ( M + A ∞ ) ξ ¨ ( t ) + C ξ ˙ ( t ) + ∫ − ∞ t k ( t − τ ) ξ ˙ ( τ ) d τ + C ξ ˙ ( t ) = F ( t ) (1) 上式中M为船舶质量矩阵， A ∞ 表示频率为无穷大时的附加质量，t为船舶运动时间， k ( t − τ ) 为时延函数， ξ ( t ) 为船舶运动位移矩阵，B为粘性阻尼系数矩阵， τ 和t为时刻之间的任意运动时间，C为恢复力系数矩阵；F(t)为外环境载荷矩阵。
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user: 3. 铺管船波浪力计算 波浪力包括一阶波浪力和二阶漂移力。一阶波浪力是由入射波引起的，包括由未受干扰的波浪场引起的傅汝德–克雷洛夫力和由与船体结构有关的修正波场引起的绕射力。二阶波浪力由于其频率易与船体低频响应运动发生共振，因此会对船体运动产生很大影响。船体在波浪中运动受到的波浪载荷的水平分量即为二阶漂移力，在二阶漂移力的作用下，无约束的漂浮船体会随波浪作低频漂移运动。本文中将利用衍射分析和已定义的波谱密度函数求得频率传递函数，进而计算一阶和二阶总波浪力及力矩。 为验证不规则波对铺管船运动的影响，本文采用“北海联合海浪计划”中提出的Jonswap谱作为不规则波浪输入 [ 8 ]。由系数A、系数B、谱峰周期T p 和有义波高H s 定义的Jonswap波谱密度可以表示为： S ( ω ) = A g 2 / ω 2 exp [ − 1.25 ( ω p / ω ) 4 ] B q (2) 式中指数q的计算公式为： q = exp [ − ( ω − ω p ) 2 / ( 2 σ 2 ω p 2 ) ] (3) 式(2)中S(ω)为谱密度函数，A为广义菲利普斯常数，ω为波浪分量的圆频率，ω p 为谱峰处的圆频率。 菲利普斯常数A可以表示为： A = 5 16 H S 2 ω p 4 g 2 [ 1 − 0.287 ln ( B ) ] (4) 参数σ可以表示为： { σ = 0.07 ω < ω p σ = 0.09 ω > ω p (5) 峰值参数B可以定义为： B = { 5 T p H S < 3.6 exp [ 5.75 − 1.15 T p H S ] 3 .6 ≤ T p H S ≤ 5 1 T p H S > 5 (6) 本文选取了包括不同有义波高和谱峰周期在内的四种海况，这四种海况与Jonswap谱的对应关系如图1所示。 图1. 四种海况对应的Jonswap谱 不规则海况可以通过叠加原理来建立(叠加原理是一个问题可以分解成有各自解的不同子问题，且整个问题的解是各个子问题的解的总和)，即不规则波可以通过将多个频率 ω i 和波幅 ζ a i 的波分量叠加得到。当波浪的整体运动具有n个波分量时，波浪的速度势可以表示为： Φ ( x ， y ， z ， t ) = ∑ i = 1 n ζ a i ω i cosh k i ( z + h ) cosh k i h cos ( ω i t − k i x cos β i − k i y sin β i + ε i ) (7) 式中h为水深，k i 代表波数，β i 代表主波浪的传播方向，ɛ i 代表波浪的相位角。 通过谱密度函数S(ω)和波浪的传播函数D(β i )能够求得波浪的波幅： ζ a i = 2 S ( ω i ) D ( β i ) d ω d β (8) 则一阶波浪力在时域内的表达式为： f w a v e 1 ( t ) = 1 4 π 2 ∫ − ∞ ∞ ∫ − ∞ ∞ H ( 1 ) ( ω ) e − i ω t d ω ζ ( t − τ ) d τ (9) 式中 H ( 1 ) ( ω ) 为波高和激振力之间的一阶传递函数，在本文中使用WAMIT软件进行计算 [ 9 ]。 二阶传递函数(QTF)用于计算线性波浪漂移力，其表达式为： f w a v e 2 ( t ) = ∫ 0 ∞ 2 H ( 2 ) ( ω ) S ( ω ) d ω (10) 上式中的 H ( 2 ) ( ω ) 即为二阶传递函数(QTF)，同样由WAMIT软件求得。
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user: 4. 铺管船控制模型 PID (比例–积分–微分)控制器在工程中广泛应于模拟铺管船的位置。在动力定位的过程中，PID控制器读取位置信号，将其与目标值作比较，通过运算，得到抵消位置偏差和外界干扰力所需要的推力，然后对推力器发出指令，以产生能够使船尽可能靠近预期位置的推力。PID控制器的非线性水平位置反馈控制器为： f d p = K D ε ˙ ( t ) + K P ε ( t ) + K I ∫ 0 t ε ( τ ) d τ + f ω ε ( t ) = x 0 ( t ) − x ( t ) ε ˙ ( t ) = x ˙ 0 ( t ) − x ˙ ( t ) (11) 式中 f d p 代表推进器所需推力， 表示位置误差， K P 为位置反馈增益， K I 为所需积分反馈增益， K D 为速度反馈增益， f w 为前馈风力， x 0 ( t ) 为目标位置， x ( t ) 为所需滤波位置。 当船舶在波浪中运动时，其运动成分中含有低频分量(LF)和高频分量(HF)，推进器控制的是其中的低频分量部分。在实际中由于高频成分会经过放大并传到推进器，因此DP系统对速度和位置信号中的高频分量很敏感。为解决这一问题，使用卡尔曼滤波器对位置和速度进行修改。首先基于位置参考系对船舶运动进行定位并与目标位置进行比较，然后使用卡尔曼增益矩阵对先前预测的位置进行修改。其中卡尔曼增益矩阵与截止频率有关，截止频率是由运动的自然持续时间和波频运动决定的 [ 10 ]。
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user: 5. 铺管船控制模型 5.1. 模型参数 本文的研究对象是海洋石油201船主要参数如表1所示。 Table 1 The parameters of the HYSY20 名称 值 船体总长/m 204.7 垂线间长/m 185.0 型宽/m 39.2 型深/m 14.0 作业吃水/m 8.0 排水量/t 47，886.7 表1. 海洋石油201船主要参数 5.2. 不同有义波高下铺管船时域运动仿真分析 为了仅探讨不同有义波高对船体运动的影响，本文忽略海流对船体运动的影响并采用Jonswap谱模拟随机波浪载荷，本节中所用的波浪与船舶横剖面夹角为45˚，谱峰周期5 s。考虑到可以进行作业的浪级，有义波高分别取1 m，1.5 m，2 m和2.5 m。本节四种工况下铺管船运动与推力曲线如图2所示。 图2. 海洋石油201船运动与推力曲线 计算结果表明，在动力定位条件下，铺管船在到达目标位置过程中的运动和推进器输出的推力会瞬间增大，在经过一段时间运动后趋于动态的稳定状态，并且在较小的范围内运动，可以看出船舶在稳定后能够保持较好的定位；船舶的运动趋于动态的稳定时，动力定位系统对船舶的推力(矩)也趋于稳定。达到动态稳定后，当有义波高分别为1.0 m，1.5 m，2.0 m和2.5 m时，纵荡运动最大值分别为123.52 m，123.7 m，124.01 m和123.98 m；横荡运动绝对值最大值分别为0.3437 m，0.5796 m，1.32 m和2.147 m；首摇运动绝对值最大值分别为0.0584 deg，0.1433 deg，0.2633 deg和0.4199 deg。达到稳定状态后，纵向推力绝对值分别为6.94 × 104 N，2.28 × 105 N，5.65 × 105 N和6.64 × 105 N；横向推力绝对值分别为1.82 × 105 N，5.02 × 105 N，1.05 × 106 N和1.72 × 106 N。结合图像能够看出达到动态稳定状态后，有义波高的改变对铺管船运动的动态平衡位置没有影响，但会影响铺管船在平衡位置附近的振动幅度且随着有义波高的增大运动会更为剧烈。推进器输出推力会随着有义波高的增大而增大，且在同一工况下推进器输出推力的变化趋势与船舶运动响应变化趋势大体相符。 5.3. 不同谱峰周期下铺管船时域运动仿真分析 本节中采用的波浪与船舶横剖面夹角为45˚，有义波高2 m。考虑到可以进行作业的浪级，分别选取谱峰周期为5 s，6 s，7 s和8 s。本节四种工况下铺管船运动与推力曲线如图3所示。 图3. 海洋石油201船运动与推力曲线 从图中能够看出，不同周期下铺管船的运动在到达目标位置后，均有趋于动态稳定的趋势。达到动态稳定后，当谱峰周期分别为5 s，6 s，7 s和8 s时，纵荡运动最大值分别为123.52 m，123.55 m，123.711 m和154.6 m；横荡运动绝对值最大值分别为0.23 m，0.3087 m，0.344 m和0.352 m；首摇运动绝对值最大值分别为0.0341 deg，0.0409 deg，0.0744 deg和0.1505 deg。达到稳定状态后，纵向推力绝对值分别为3.2 × 104 N，5.33 × 104 N，9.31 × 104 N和1.08 × 105 N；横向推力绝对值分别为1.82 × 105 N，2.15 × 105 N，2.22 × 106 N和2.33 × 106 N。可见在本节四种工况下随着谱峰周期的增大，铺管船在平衡位置附近的振荡幅度和推进器输出的推力均会变大。需要注意的是铺管船的纵荡运动，在波浪方向为45˚的情况下，从图中能够看出当周期增大到一定程度时，铺管船的纵荡运动会稍微偏离正常轨迹，推进器输出的推力也会大幅增加，因此在实际作业中应尽量规避在谱峰周期过大的海况下作业。
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user: 6. 结论 针对铺管船在波浪中的时域运动，建立了由状态空间模型来近似代替卷积分项的铺管船时域运动方程，并采用PID及Kalman滤波相结合的动力定位系统，对铺管船在波浪中的时域动力定位进行仿真模拟。分别对不同有义波高和不同谱峰周期下的铺管船运动响应及推力分配进行了计算分析，得到结论：1) 在本文工况下，动力定位系统对船舶的运动能起到很好的控制作用，铺管船在稳定位置附近振动幅度很小，有较好的作业工况适应性；2) 在动力定位条件下，一定范围内有义波高的改变不会影响铺管船的平衡位置，但铺管船在平衡位置的振荡幅度和推进器输出的推力会随有义波高的增大而增大；3) 谱峰周期对铺管船运动的影响与有义波高相似，但当谱峰周期增大到一定程度时，会对船舶纵荡运动的平衡位置产生一定影响。
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user: 摘要 本文以小区开放问题为实际研究背景，建立基于微观交通流元胞自动机模型的车辆通行能力模型。利用NaSch模型进行小区开放问题的数值模拟，分析了不同预设参数下小区开放对交通平均速度和流量的影响。选取河南省郑州市的紫云小区和响水湾小区作为分析实例，对模型进行分析验证。分析表明：小区开放对周边局部交通拥堵的缓解作用不是绝对的，需要通过对小区和周边环境具体交通参数做综合分析才能得到结论。
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user: 1. 引言 交通问题已成为制约经济社会发展的重要因素，而道路建设的发展却远远跟不上交通需求的快速增长，因此越来越受到人们的关注。科学的交通管理措施能够有效地提高交通运行效率，缓解交通拥堵。因此如何利用交通理论模型分析研究交通拥堵规律，寻求缓解交通拥挤的有效策略，进而科学地运用交通管理措施，提高现有道路的使用效率，具有一定的科学意义和应用价值。 在过去的几十年间，国内外许多学者从不同角度提出了各种各样的交通流模型。从20世纪五六十年代的运动学模型和车辆跟驰模型 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]，到七十年代和八十年代流体力学模型的蓬勃发展 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]，以及过去30年中元胞自动机模型 [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] 的异军突起，这些模型解释、再现和预测了交通中复杂的物理现象，揭示了交通流的内在机理 [ 1 ] - [ 10 ]。其中微观元胞自动机(CA)模型作为一种网格动力学模型 [ 8 ]，能够有效地研究并描述交通流系统的演化及发展 [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]。贾斌、高自友等 [ 8 ] 系统总结了元胞自动机模型在交通系统建模与模拟中的具体应用。 小区开放是近年来共享概念引领下的政策导向，小区开放问题也是近年来学者们讨论的热点问题。小区是否应该开放、如何开放、开放后效果如何，是小区开放进程中亟需解决的关键问题。李向朋 [ 13 ] 通过研究封闭式小区交通开放来缓解城市交通拥堵。徐美林进行了封闭街区道路开放适宜性评价研究 [ 14 ]。小区开放问题下的讨论车辆通行能力影响的模型也层出不穷，有采用模糊综合评判法、模糊聚类分析、主成分分析方法等 [ 15 ] [ 16 ]。文献 [ 17 ] 采用CA模型研究了最大车速和车流量对小区周边道路状况的影响，进而讨论其对小区的影响，但其对最大速度的设置不够合理，且对小区开放带来的影响缺乏实际案例支撑。本文基于交通流元胞自动机NaSch模型，建立考虑道路周边环境的车辆通行能力模型，并进行数值仿真，通过对流量密度图的分析和实际案例分析来讨论小区开放的效果。
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user: 2. 模型 本部分在小区开放问题背景下考虑影响小区周边主路通行能力的影响因素，建立基于交通流元胞自动机NaSch模型的车辆通行能力模型，用来模拟分析预设参数下小区开放对周边主路交通流的影响情况。 2.1. NaSch模型 NaSch模型是1992年由学者Nagel和Schreckenberg [ 7 ] 提出的最经典的一维CA交通流模型。其假设第n辆车的速度和位置分别是 v n 和 x n ，其中，速度 v n 可以在 0 ， 1 ， 2 ， ⋯ ， v max 内取值，而第n辆车和第 n + 1 辆车之间的距离 d n = x n + 1 − x n − l ，其中 x n 表示第n辆车的位置，l为车长，则所有车辆的状态按以下演化规则并行更新： 加速：若 v n ( t ) ≤ d n ( t ) ，则车辆加速， v n ( t + 1 ) = min { v n ( t ) + 1 ， d n ( t ) ， v max } ； 减速：若 v n ( t ) > d n ( t ) ，则车辆减速， v n ( t + 1 ) = min { v n ( t + 1 ) ， d n ( t ) } ； 以概率p随机慢化： v n ( t + 1 ) = max { v n ( t + 1 ) − 1 ， 0 } ； 位置更新： x n ( t + 1 ) = x n ( t ) + v n ( t ) 。 2.2. 基于NaSch模型的小区开放问题分析 在小区开放问题中，我们基于NaSch模型分析小区开放前后周边主路交通流的变化情况，包括交通速度和交通流量随密度的改变，讨论小区开放对道路车辆通行能力的影响。在实际情况中，我们还考虑了道路通行能力的修正系数，包括路旁干扰系数、道路宽度修正系数以及侧向净宽修正系数所带来的影响。从而分析不同内部结构、不同周边道路结构、不同车流量的小区开放对车辆通行能力的影响程度 [ 18 ]。 2.2.1. 路旁干扰系数 α 对于一般的城市道路，路段上的车辆会受到行人和非机动车的干扰，这些因素对机动车道的综合影响程度，即路旁干扰系数 [ 19 ]。一般认为，路边干扰越大，路段上的车速下降得越快，从而导致道路通行能力越小。因此，使用车速下降率作为路旁干扰系数，即路旁干扰系数 α = v a / v b ，其中 v a 为受干扰后的车速， v b 为未受干扰的车速。一般把受干扰道路的情况划分为以下四类 [ 19 ]：不受非机动车干扰，不受行人干扰的车道：即四块板道路及有行人隔离的两块板机动车专用道；不受非机动车干扰，受行人干扰的车道：即无行人隔离的两块板机动车专用道 [ 18 ]；受非机动车干扰，不受行人干扰的车道：即两块板有行人隔离的机非混行车道 [ 20 ]；受非机动车干扰，受行人干扰的车道：两块板机非混行车道 [ 19 ]。由此路旁干扰系数是基于一系列车辆速度观测和各种道路的车速下降率得到的，具体如下： (1) α 1 = 1 ; (2) α 2 = 1 − 0.00054 p ; (3) α 3 = 1 − 0.0027 x ; (4) α 4 = ( 1 − 0.00201 x ) ( 1 − 0.00054 p ) . 其中，p：行人流量/3分钟；x：自行车流量/10分钟。 2.2.2. 路宽及侧向净宽修正系数 车道宽度决定于通行车辆的类型和计算车速。一般的新建道路都要按照规范要求的路宽及侧向净宽去进行设计，当在研究小区开放这种路宽与侧向净宽不定的时候，需要路宽及侧向净宽修正，在这里我们参考日本的数字要求 [ 18 ]，具体如表1所示： Table 1 The correction coefficient ω of the lane widt 车道宽度(m) 修正系数 ω >3.50 1.00 3.25 0.94 3.00 0.85 2.75 0.77 表1. 车道宽度修正系数 ω 侧向净宽是指车道边缘至路侧设施带、障碍物的净距离。日本标准规定对小于1.75 m的侧向净宽予以修正，美国通行能力手册 [ 21 ] 规定1.82 m为临界值。根据我国城市道路设计规范 [ 22 ] 规定，建议侧向净宽标准值为1.50 m，不足1.50 m时予以修正。修正系数如表2所示： Table 2 The correction coefficient γ of the lateral widt 侧向净宽(m) 修正系数 γ 单侧不足 两侧不足 >0.75 1.00 1.00 0.50 0.98 0.95 0.25 0.95 0.91 0.00 0.93 0.86 表2. 侧向净宽修正系数 γ 为使设计的道路在建设初期有一个宽适的交通条件，并为后期交通需求增长留有余地，在设计通行能力时，运用服务水平的概念还是必要的。即设计通行能力应使道路达到某种服务水平 [ 22 ] 前提下的通行能力。在小区开放问题中，我们也引入交通服务水平的概念，如表3所示： Table 3 Service level and corresponding traffic statu 服务水平 饱和度v/c 交通状态 I 0.25 城市道路自由流 II ≤0.50 道路稳定流 III ≤0.70 交叉口溢流周期低于3% IV ≤0.85 稳定溢流 V ≤0.95 交通堵塞 表3. 服务水平及相应的交通状态 则设计通行能力 C d 为： C d = C a p × ( v / c ) × α × ω × γ (5) 其中， C a p ：相应于某种设计车速下的饱和度； v / c ：相应于某一服务水平下的饱和度； α ：路旁干扰修正系数； ω ：车道宽度修正系数； γ ：侧向净宽修正系数。基于上述分析，我们考虑到可以将路段通行能力与交叉口通行能力以适当的权重作和，即公式为： y = ρ 1 × C d + ρ 2 × N (6) 其中， ρ 1 为路段通行能力的权重； ρ 2 为交叉路口处通行能力的权重，当交叉口数量增加时，权重相应减少 [ 23 ]。N为一个小时内所有交叉路口的车辆通行能力，表达式为： N = 3600 ⋅ s ⋅ λ / T e (7) 其中，s为交叉路口数量。 λ 为在一个交叉路口内车辆“穿越空档”的平均车头总时距， T e 为红绿灯周期时长，单位均为秒。 小区开放与否会影响道路分布，进而对车辆通行情况产生一定的影响。本文建立的车辆通行能力模型，先进行数据的初始化，产生初始的位置和速度，定义车头间距，再根据元胞自动机NaSch模型的模型规则和随机慢化概率，进行速度的演化和位置的更新，进而求取一定时间步长内车辆的平均速度，同时利用交通流三参数之间的关系，求取日交通流量。根据建立的模型，在数值仿真过程中，关键问题是需要代入实际小区的影响因素参数，模拟出小区开放前后周边主路的交通流量和平均速度随交通密度变化的关系图，以此来分析小区开放对周边道路通行能力的影响，从而分析该小区开放的利弊。而实际小区的影响因素参数，在数值模拟过程中，通过预设的方法进行取值，旨在比较小区开放前后的道路通行能力变化情况。在实际案例中，还需要结合影响车辆通行能力的实际道路因素进行分析。而实际小区的影响因素参数取值则根据实际小区内部结构情况和外部环境因素进行分析得到。通过代入实际参数到模型中来实现对实际小区的开放效果分析。
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user: 4. 结论 本文在小区开放问题背景下，考虑影响小区周边主路车辆通行能力的因素，建立了基于元胞自动机NaSch模型的车辆通行能力模型，以此讨论小区开放的利弊。利用所建模型进行数值仿真，模拟分析了预设参数下小区开放前后周边主路交通流量、平均速度的变化情况和小区开放的效果。选取了河南郑州市的紫云小区和响水湾小区进行实例分析，并考虑了道路通行能力修正系数，得到了并非所有小区都适合开放的结论，实际小区是否适合开放，开放能否提高周边主路道路通行能力和缓解交通拥堵与小区内部结构和周边道路环境密切相关。而在未来的研究中，进行相关地区的交通实测，获取实测数据，来验证模型的有效性，将是更有意义的问题
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user: 摘要 本研究利用GPS技术对楚雄市共享单车存取点空间分布进行调查，并分析其空间分布特征。结果表明存在部分共享单车占用了公共空间，个别共享单车存取点布置偏僻，人流量小，无人进行存取，并且存在停放点之间距离近，服务范围重合等问题。针对上述问题，本研究对楚雄市城区共享单车存取点的布局提出了相应的优化建议。