DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 摘 要 目的：研究糖尿病模型大鼠造模后不同时间段骨髓间充质干细胞(Bone Marrow Mesenchymal Stem Cells， BMSCs)的成骨及成脂分化能力的改变，探讨糖尿病模型骨质疏松形成与BMSCs成骨及成脂分化能力的相关性。方法：利用链脲佐菌素(Streptozotocin， STZ)加高糖高脂饲料诱导制作大鼠糖尿病模型，正常大鼠作为对照组。分别于注射STZ液4、8、12周后，利用全骨髓贴壁法来扩增和纯化BMSCs，取生长良好的第3代细胞作为本实验的研究对象。用成骨诱导液诱导细胞分化，培养7 d后，检测碱性磷酸酶(Alkaline Phosphatase， ALP)活力，14 d后，进行茜素红染色及检测ALP和骨钙素(Osteocalcin， OC) mRNA含量。用成脂诱导液诱导细胞分化，诱导14 d后，进行油红O染色，计算脂肪细胞转化率；进行油红O染色定量分析；检测脂蛋白脂酶(Lipoprotein Lipase， LPL)和过氧化物酶增殖活化受体(Peroxisome Proliferator Activated Receptor， PPARγ2) mRNA含量。结果：注射STZ液8、12周后，糖尿病组ALP活力明显下降，与对照组比较，P < 0.01。对照组钙化结节数量明显多于糖尿病组。ALP基因相对OD值，糖尿病组(0.26 ± 0.05)低于对照组(0.42 ± 0.09)，P < 0.01。OC基因相对OD值，糖尿病组(0.31 ± 0.09)低于对照组(0.41 ± 0.06)，P < 0.05。注射STZ液4、8、12周后，油红O染色，对照组、糖尿病组镜下观察可见有红色脂滴，对照组脂肪细胞转化率(25.16 ± 5.03)明显低于糖尿病组(66.85 ± 10.01)，P < 0.01。油红O染色定量分析结果(OD值)，对照组(0.016 ± 0.015)油红含量明显低于糖尿病组(0.058 ± 0.016)，P < 0.01。LPL基因相对OD值，糖尿病组(0.89 ± 0.05)高于对照组(0.22 ± 0.05)，P < 0.01。PPARγ2基因相对OD值，糖尿病组(0.38 ± 0.03)高于对照组(0.18 ± 0.01)，P < 0.01。结论：注射STZ液4周以后，糖尿病大鼠BMSCs成脂分化能力增强；8周以后，成骨分化能力明显下降，可能与骨质疏松的形成有一定的关系。 关键词 :糖尿病，骨髓间充质干细胞，成骨分化，成脂分化，骨质疏松，大鼠 Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 许多研究表明糖尿病患者发生骨质疏松的风险明显高于非糖尿病患者，流行病学调查资料显示糖尿病患者骨质疏松的发病率为40%~60% [ 1 ] ，其发病机制尚未完全阐明，且存在许多争议。 骨髓间充质干细胞(Bone Marrow Mesenchymal Stem Cells，BMSCs)是目前研究较多的成体干细胞之一，在适宜的诱导下具有向骨、软骨、脂肪、神经等多向分化潜能 [ 2 ] [ 3 ] 。BMSCs是成骨细胞和脂肪细胞的前体干细胞，其分化去向在骨平衡中扮演了重要角色，其中成骨与成脂分化的调控是当前研究的热点 [ 4 ] 。研究发现BMSCs向成骨分化减少、成脂分化增多是骨质疏松症发病的重要机制 [ 5 ] [ 6 ] 。抑制BMSCs 成脂分化、促进成骨分化从而纠正骨代谢失衡是治疗骨质疏松症的方向之一 [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] 。 本实验通过采用高糖高脂饮食加小剂量链脲佐菌素的方法建立2型糖尿病模型，观察不同时间段糖尿病模型大鼠BMSCs成骨和成脂分化情况，旨在研究糖尿病模型大鼠骨质疏松的形成与BMSCs成骨及成脂分化能力的相关性。
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user: 2. 材料与方法 2.1. 实验材料 2.1.1. 实验动物 SPF级健康雄性SD大鼠，体质量(180~220) g，20只。由广东省医学实验动物中心提供，许可证号：SCXK(粤)2013-0002。实验过程中对动物的处置符合动物伦理学标准。 2.1.2. 主要药品与试剂 DMEM培养基(GIBCO)、胎牛血清(GIBCO)、成骨诱导液、成脂诱导液、油红O (MBCHEM)、碱性磷酸酶(ALP)测定试剂盒(南京建成生物工程研究所)、茜素红S (MBCHEM)、cDNA试剂盒(Fermentas公司)、Trizol Reagent (Invitrogen公司)、TaqDNA聚合酶(上海申能博彩生物科技有限公司)、引物(上海生工生物工程技术服务有限公司)，等。 2.1.3. 仪器 核酸蛋白测定仪(Eppendorf)、多功能PCR扩增仪(Thermo Hybaid， PXII)、电泳系统(BIO-RAD， Mini-Sub Cell)、凝胶成像及分析系统(BIO-RAD， GelDoc)、UV-7504型单光束紫外可见分光光度计(上海欣茂仪器有限公司)。 2.2. 实验方法 2.2.1. 糖尿病大鼠模型的制备 高糖高脂饲料喂养大鼠四周，35 mg/kg腹腔注射链 STZ，3 d后剪尾静脉测血糖，以>16.67 mmol/L视为糖尿病模型成功，腹腔注射后3周复测1次尾静脉血糖和体重，以确保血糖浓度>16.67 mmol/L。 2.2.2. BMSCs分离培养 分别于注射STZ液 4、8、12周后，取糖尿病组大鼠及对照组大鼠，10%水合氯醛0.3 mL/l00g体质量腹腔注射麻醉，摘除双侧后肢，浸泡在75%乙醇中5 min，再用无菌生理盐水冲洗至无乙醇，置于无菌培养皿上，剥除股骨、胫骨表面附着的肌肉等组织，无菌PBS反复冲洗。剪断胫、股骨的骨骺端，5 mL一次性注射器吸取DMEM完全培养液(含10%胎牛血清、青霉素100 U/mL及链霉素100 µg/mL)充分冲洗骨髓腔，至骨髓腔变白为止。原代BMSCs培养24 h后进行首次换液，PBS清洗3次，以去除未贴壁的细胞。以后每3 d换液1次。当细胞接近80%铺满瓶底后，以2.0 × 10 5 个/mL细胞的密度接种于培养瓶中进行扩增培养。 2.2.3. BMSCs的成骨分化 取对数生长期的P3-P6细胞以2 × 10 5 个/mL接种于6孔板内，每孔接种1 mL，72 h后，用成骨细胞诱导液(含10 −7 mol/L地塞米松、10 mmol/L β-甘油磷酸钠、0.05 mmol/L左旋抗坏血酸)添加5%空白血清培养。每周换液2次，培养7 d后，检测ALP活力。14 d后，进行茜素红染色及RT-PCR法检测ALP和OC mRNA含量。 2.2.4. ALP活力检测 [ 10 ] 培养7 d后，用PBS将细胞洗涤3遍，加入细胞裂解液4℃放置，细胞超声破碎仪处理1 min后转至1.5 mL离心管中，于10，000 rpm离心5 min (4℃)。收集上清液，取5 μL加于测定管内，按照ALP试剂盒说明，标准管加入5 μL酚标准应用液，空白管加入双蒸水5 μL，各管加入缓冲液50 μL和基质液50 μL，充分混匀，37℃水浴15 min，加入显色剂150 μL，立即混匀，选择520 nm波长，空白管调零，以紫外分光光度计比色，测各管吸光度值(OD值)。根据下列公式计算ALP活力，计算公式： ALP活力 = (OD测定管 ÷ OD标准管) × 0.003mg ÷ 取样量中蛋白克数 单位定义：每克组织蛋白在37℃与基质作用15 min产生1 mg酚为1单位(U)；0.003 mg为标准管含酚的量。根据分光光度计检测得到样品的OD值(检测波长为520 nm)，利用上述公式计算得出待检样品中ALP的活力(U/gprot)。 2.2.5. 茜素红染色 吸弃培养液，PBS洗3遍。95%酒精固定5 min。加2%茜素红溶液染色5 min，PBS冲洗3遍。倒置相差显微镜下观察，拍照。 2.2.6. RT-PCR 法检测ALP和OC mRNA含量 引物序列和反应条件见表1。PCR产物10 μL，在1.5%琼脂糖凝胶上电泳1 h，电压80 V，BIO-RAD凝胶成像及分析系统观察并拍照。分别以β-actin为参考基因，行半定量分析。引物设计用primer 6.0软件设计，由上海生工生物工程技术服务有限公司合成。 实验重复3次。 2.2.7. BMSCs的成脂分化 取对数生长期的P3-P6细胞以2 × 10 5 个/mL接种于6孔板内，每孔接种1 mL，72 h后，用成脂细胞诱导液(含1 μmol/L地塞米松、0.01 mg/mL胰岛素、200 μmol/L吲哚美辛、0.5 mmol/L异丁基甲基黄嘌呤)添加5%空白血清培养。每周换液2次。14 d后，进行油红O染色及RT-PCR法检测LPL和PPARγ2 mRNA含量。 2.2.8. 油红O染色 称取0.5 g油红，加异丙醇至100 mL，作为储存液。吸弃诱导液，PBS洗3遍。95%酒精固定5 min。稀释油红储存液，按油红液/去离子水以3:2稀释，针孔滤器过滤，室温放置10 min。每孔加入l mL染液，染色10 min。用PBS洗3遍，去除残留的染色液和残渣。 1) 脂肪细胞转化率 Table 1 Primer sequences of β-actin， ALP and O 基因 引物序列 长度 退火温度℃ 循环 β-actin 5’GTAAAGACCTCTATGCCAACA3’ 5’GGACTCATCGTACTCCTGCT3’ 227 bp 54 30 ALP 5’GACGGTGAACGGGAGAAC3’ 5’CTCAGAACAGGGTGCGTAG3’ 441 bp 56 30 OC 5’TAAGGTGGTGAATAGACTCCG3’ 5’GTGCCGTCCATACTTTCG3’ 150 bp 49 30 表1. β-actin， ALP， OC引物序列 倒置相差显微镜下随机取8个非重叠视野，高倍镜下计数阳性细胞和总细胞数，计算每个视野中脂肪细胞阳性率数值即脂肪细胞转化率。 2) 油红O染色定量分析 彻底移去油红O，用清水洗4次。去除剩余的水，风干。用100%异丙醇冲洗油红O，作用10 min。用移液枪吹打几次，使油红O充分溶解于异丙醇中。将其移到1.5 mL EP管中，用100%异丙醇作为空白对照。根据分光光度计检测得到样品的OD值(检测波长为450 nm)，采用5 mm的比色杯，以空白管调零。 2.2.9. RT-PCR 检测LPL和PPARγ2 mRNA含量 引物序列和反应条件见表2。PCR 产物10 μL，在1.5%琼脂糖凝胶上电泳1 h，电压80 V，BIO-RAD凝胶成像及分析系统观察并拍照。分别以β-actin为参考基因，行半定量分析。 实验重复3次。 2.3. 数据处理 实验数据以均数±标准差( x ¯ ± s)表示，用SPSS 19.0统计软件进行处理。比较使用单因素方差分析，组间两两比较采用LSD法。P < 0.05为差异有统计学意义。
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user: 3. 结果 3.1. 成骨诱导细胞形态的变化 对照组细胞随着诱导时间的增加，细胞聚集成多个散在的细胞结节，逐渐形成多层结构，并产生大量分泌颗粒，将结节包埋，结节中心部逐渐变浓，直至形成不透光致密团状结构，糖尿病组细胞形态变化与对照组相似，但细胞结节明显少。 图1(a)：对照组细胞经诱导后聚集生长，并逐渐形成多个散在的细胞结节，排列紧密，逐渐形成多层结构。 图1(b)：糖尿病组细胞经诱导后，形态变化与对照组相似，但结节明显少于对照组。 3.2. ALP活力检测 成骨诱导后，ALP活力明显增加，对照组ALP活力明显高于糖尿病组，差异有统计学意义(P < 0.01)。见表3。 3.3. 茜素红染色 成骨诱导第14 d，茜素红染色结果表明，对照组钙化结节数量明显高于糖尿病组，见图2(a)、图2(b)。 图2(a)：对照组成骨诱导液培养14 d后，茜素红染色可见多个散在的红色致密结节。 图2(b)：糖尿病组，茜素红染色阳性，钙化结节数明显少于对照组。 Table 2 Primer sequences of LPL， PPARγ2 and β-acti 基因 引物序列 长度 退火温度℃ 循环 β-actin 5’GTAAAGACCTCTATGCCAACA3’ 5’GGACTCATCGTACTCCTGCT3’ 227 bp 54 30 LPL 5’ CGCTCCATCCATCTCTTC3’ 5’TTGCTTGTCATTCTCAGTTC3’ 264 bp 52 30 PPARγ2 5’ TTGAATGACCAAGTGACTCT3’ 5’ CGTGCTCTGTGACAATCT3’ 418 bp 54 30 表2. LPL， PPARγ2， β-actin引物序列 图1. (a) 对照组细胞(×100)；(b) 糖尿病组细胞(×100) Table 3 ALP activity detection (unit: U/gprot， n = 3， x ¯ ± s 组别 ALP活力(U/gprot) 对照组 235.76 ± 20.04 糖尿病组 163.48 ± 18.05 ** 表3. 各组ALP活力检测(单位：U/gprot， n = 3， x ¯ ± s) 与对照组比较， ** P < 0.01。 图2. (a) 对照组(×40)；(b) 糖尿病组(×40) 3.4. RT-PCR法检测ALP和OC mRNA含量 对照组、糖尿病组均有表达ALP、OC基因。β-actin的表达则较为一致。以β-actin为内参，进行OD值的比较半定量分析，对照组ALP、OC基因的表达明显增强，与糖尿病组比较，差异有统计学意义(P < 0.01， P < 0.05)。见图3。 图3. 成骨分化标志物ALP、OC基因的表达 3.5. 成脂诱导细胞形态的变化 成脂诱导2 d后，即有小脂滴出现，脂滴主要集中于细胞核周围，随诱导时间的延长，小脂滴逐渐聚集成大的脂泡，细胞逐渐增大，由原来的梭形变为圆形、椭圆形或多角形，细胞增殖不明显。糖尿病组含脂滴的细胞明显多于对照组，见图4(a)、图4(b)。 图4(a)：诱导7d后，对照出现大量的脂肪细胞。 图4(b)：糖尿病组脂肪细胞明显多于对照组。 3.6. 脂肪细胞转化率 培养第14 d后，进行油红O染色，对照组、糖尿病组镜下观察可见脂滴为红色，脂肪细胞中含大小不等的脂肪滴，细胞核被脂滴挤于细胞一侧(见图5(a)、图5(b))。随机取8个非重叠视野计算细胞总数及脂肪细胞数，脂肪细胞数占细胞总数的百分比即脂肪细胞转化率。对照组脂肪细胞转化率明显低于糖尿病组，差异有统计学意义(P < 0.05)，见表4。 图5(a)：对照组成脂诱导14 d后油红O染色，可见大量的红色脂滴。 图5(b)：糖尿病组14 d后油红O染色，可见有红色脂滴形成，数量明显多于对照组。 3.7. 油红O染色定量分析 油红O染色定量分析结果见表5，对照组与糖尿病组比较，差异有统计学意义(P < 0.01)。 3.8. RT-PCR 检测LPL和PPARγ2 mRNA含量 对照组、糖尿病组均有表达LPL、PPARγ2基因。β-actin的表达则较为一致。以β-actin为内参，进行OD值的比较半定量分析，糖尿病组LPL、PPARγ2基因的表达明显增强，与对照组比较，差异有统计学意义(P < 0.01， P < 0.01)。见图6。
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user: 4. 讨论 虽然骨质疏松症和糖尿病通常被认为是2个独立的疾病，但目前有许多研究表明糖尿病患者发生骨质疏松的风险明显高于非糖尿病患者 [ 11 ] ，糖尿病合并骨质疏松症的发病机制尚不清楚，这给临床治疗带来了极大难题 [ 12 ] 。本实验通过建立糖尿病骨质疏松大鼠模型 [ 13 ] [ 14 ] ，观察不同时间段糖尿病模型大鼠 图4. (a) 对照组(×100)；(b) 糖尿病组(×100) 图5. (a) 对照组(×100)；(b) 糖尿病组(×100) Table 4 Conversion rate of adipocytes (%， n = 8， x ¯ ± s 组别 脂肪细胞转化率 对照组 25.16 ± 5.03 糖尿病组 66.85 ± 10.01 ** 表4. 脂肪细胞转化率(%， n = 8， x ¯ ± s) 与对照组比较，**P < 0.01。 Table 5 Quantitative analysis of oil red O staining (OD value， n = 8， x ¯ ± s 组别 OD值 对照组 0.016 ± 0.015 糖尿病组 0.058 ± 0.016 ** 表5. 油红O染色定量分析(OD值， n = 8， x ¯ ± s) 与对照组比较，**P < 0.01。 图6. 成脂分化标志物LPL、PPARγ2基因的表达 BMSCs成骨和成脂分化情况，旨在研究糖尿病模型大鼠骨质疏松的形成与BMSCs成骨及成脂分化能力的相关性，为糖尿病骨质疏松发病机制提供依据。 实验结果显示，注射STZ液4周以后，糖尿病组大鼠BMSCs成脂分化能力增强，体现为脂肪细胞转化率、油红O染色定量明显高于对照组。成脂分化标志物LPL、PPARγ2基因相对OD值明显高于对照组。8周以后，糖尿病大鼠BMSCs的成骨分化能力明显下降，体现为糖尿病组大鼠BMSCs ALP活力明显下降，钙化结节数量明显少于对照组。成骨分化标志物ALP、OC基因明显相对低于对照组。 在骨质疏松症患者中，骨髓间充质干细胞向脂肪方向分化增多，向成骨方向分化减少，其分化命运受多条信号通路调控，并涉及转录调控、转录后调控和表观遗传等多种调控机制，是目前研究的热点与焦点。糖尿病性骨质疏松的发生源于糖尿病状态下骨代谢的改变。间充质干细胞作为成骨细胞、脂肪细胞等的来源细胞，其数量、功能活性以及成骨成脂之间的平衡是成骨质量的关键。近年来多项研究表明，糖尿病相关的细胞因子、生长因子、信号通路在间充质干细胞的分化过程中发挥着重要的调控作用，共同导致糖尿病性骨质疏松的发生。多种糖尿病相关因素通过调控间充质干细胞的成骨成脂分化，从而对糖尿病的骨代谢过程产生影响 [ 15 ] 。 然而，目前对糖尿病患者骨髓间充质干细胞的变化及其在骨质疏松发生中的作用研究较少，其具体分子机制尚不清楚，需进一步的研究与探讨。本实验结果显示糖尿病大鼠BMSCs成脂分化能力增强，成骨分化能力明显下降，可能与糖尿病骨质疏松的形成有一定的关系 [ 16 ] 。
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user: 摘 要 3D打印技术作为一种新兴的快速制造技术，在很多生产制造领域都有广泛应用。机务维修是民用航空领域保障飞行安全的重要措施，随着我国民航快速发展，机务维修领域受到民航业的高度关注。如何将3D打印技术应用于机务维修领域，利用3D打印技术解决机务维修领域存在的部分问题，是本文讨论的核心内容。 关键词 :3D打印，机务维修，技术应用 Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 概述 3D打印技术(Three Dimensions Printing Technology)是快速成型技术的一种，它利用计算机三维建模软件来设计3D模型，所用材料一般为离散型的塑料、陶瓷或者金属粉末等 [ 1 ]。制造物体的方式与传统的整体加工的方式不同，是通过按照层数堆叠打印的方式来进行制造。3D打印技术由于这个特性，也被称作“增材制造”技术。这样的制造方式在加工过程中几乎不产生任何废料，对于原材料有着很高的利用率。在贵重金属材料的加工上有着突出优势。该项技术涵盖了三维建模、电子控制、复合材料科学、电子激光等多种技术。目前可以应用的3D打印加工工艺主要有光固化打印(SLA)、熔融沉积打印(FDM)、选择性激光烧结打印(SLS)以及聚合物喷射技术(Poly Jet)。其中金属材料的3D打印技术是3D打印技术中最重要的分支，也是最具有工业价值的领域。现阶段，金属材料的3D打印技术比较成熟的加工工艺主要有：激光工程净成形技术(LENS)、激光选区熔化技术(SLM)和电子束选区熔化技术(EBSM) [ 2 ] [ 3 ]。 从20世纪70年代开始，3D打印技术经过了几十年的发展已经越来越受到各个国家和市场的重视。可以查知的3D打印行业的2012年度行业报告(美国技术咨询服务协会Wohlers Associates发布)中提到，全球3D打印行业各个公司企业在2011年到2012年年底的营业额为17亿美元左右。截止到2012年年底，3D打印技术市场的年增长率为30%，3D打印行业市场情景巨大，是一个产值百亿美元的朝阳产业。 在现阶段3D打印技术在各个行业的分布仍然不太合理，这也是受3D打印技术自身特点所限制，消费电子领域仍然占主导地位，约20.3%；其他主要应用在汽车、医疗/牙科、工业/商业机器和航空航天领域。在民航领域，3D打印技术仍然有很大的发展空间。
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user: 2. 3D打印技术在民航机务维修领域研究现状 欧美发达国家很早就将目光锁定在3D打印技术行业。美、英、德等国的3D打印技术已经可以被应用方面到实际的生产制造领域。上述几个发达国家也是首先将3D打印技术应用于高精尖制造领域。在民航领域，3D打印技术已经得到了国外航空公司的广泛关注。波音、空客、通用电气等全球领先的航空制造企业都将3D打印技术列入企业的战略性发展计划 [ 4 ]。 在金属零部件制造方面，3D打印技术已经可以完整的制造各种金属零部件。西门子公司已于2014年成为全球制造业第一个可以利用3D打印技术进行金属零部件生产的制造公司。由此开始，民用航空领域也开始逐步应用3D打印技术。专业的3D打印技术研发公司——莫里斯技术(Morris Technologies)于2012年被美国通用电气(GE)收购，通用电气计划将该公司的3D打印技术应用于生产航空发动机的燃油喷嘴，并用于新一代民用航空发动机——Leap上；罗·罗公司也于2013年开始利用3D打印技术试制喷气发动机的金属零部件；美国的霍尼韦尔公司利用3D打印技术开始试制航空发动机的热交换器和金属支架；德国MTU公司也从2018年起开始研制使用3D打印技术制造形状复杂的高压导向器叶片组件 [ 5 ]。 我国的3D打印技术起步较晚，但是也在航空领域取得了辉煌的成果 [ 6 ]。成飞与沈飞在歼击机的研制过程中融入了3D打印技术，利用该项技术制造的钛合金复合零部件大幅度的减轻了飞机结构重量。在民航领域，中商飞设计制造的国产大飞机C919在设计过程中也大量采用了3D打印技术制造的钛合金技术部件。东航技术的3D打印技术以飞机部件的3D数学模型结合材料科学、飞机结构、快速成型等技术，通过电脑设计完成飞机部件数字切片，并将信息传递到3D打印机上，再经分层加工与叠加成型技术生成飞机部件实体，所制部件一次成型，实现了对所需部件的精确复制(见图1)。东航技术充分利用3D打印技术灵活生产、易于装配、快速更换等优势，有效提升供应链效率，降低部件采购成本，并建立起完整的部件设计与制造流程，在客舱定制化改造、公务机改造等领域表现出强大的工程能力，真正实现向航空部件制造领域的拓展 [ 7 ] [ 8 ]。
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user: 4. 结语 尽管，有关3D打印行业在机务维修领域可应用的行业标准不明确，我国的相关适航审定法律法规也对这方面的规定不全面，这导致了3D打印技术在机务维修领域得不到大范围的应用。同时，因为3D打印技术还没有完全实现产业化，3D打印的成本、性价比问题也一直困扰着各个公司。这些问题无疑在很大程度上阻碍了3D打印在机务维修领域的发展。相信随着3D打印技术和机务维修领域的不断发展，我国的适航审定方面的法规将会更加完善，利用3D打印技术制造的各种零部件以及维修技术也会完全应用到机务维修领域，带动机务维修领域更加快速的发展。
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user: 摘 要 关于区间直觉模糊集多属性群决策方法的研究已然成为当前决策领域的一个热点，并且，被广泛应用于各类决策问题中。因此，为了能够更好地了解区间直觉模糊集在群决策问题中的排序方法、更好地将其应用到决策问题的各个领域，本文介绍了区间直觉模糊集在多属性决策与多属性群决策问题中的研究现状，分析了在多属性群决策问题中确定专家权重的方法及其不足，在区间直觉模糊集上提出了一种基于TOPSIS的确定专家权重的新方法，进一步给出了一种基于新权重方法的区间直觉模糊集多属性群决策方法，最后对其今后可能的发展方向进行了预测。 关键词 :多属性群决策方法，区间直觉模糊集，权重，TOPSIS Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 多属性群决策 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] 是指多个专家针对具有多个属性的有限个方案进行排序和选择的一类决策问题。目前，关于多属性群决策的问题在社会生活的各个领域都有所应用，如：工程，经济，管理等领域。自从Zadeh [ 5 ] 于1965年提出模糊集理论以来，模糊集理论就被应用到了当代生活的各个邻域，并且已经有越来越多的学者关注模糊集的理论及其研究，并且取得了丰富的研究成效。在1986年Atanassov提出了直觉模糊集的概念 [ 6 ] [ 7 ] ，Gau和Buehrer定义了Vague集的概念 [ 8 ]。Bustince和Burilb指出Vague集的实质就是直觉模糊集 [ 9 ]。直觉模糊集同时考虑了隶属度，非隶属度和犹豫度三方面的信息，因而相比模糊集而言，更能灵活地处理客观事物的不确定性和模糊性。但是由于客观事物的复杂性和可变性，以及人们认知水平和思维能力的局限性，决策者通常不能以一个确定的数来表示隶属度和非隶属度。因而Atanassov和Gargov对直觉模糊集进行了推广，提出了区间直觉模糊集的概念，在区间直觉模糊集中，隶属度和非隶属度不再是一个确定的数，而是一个区间数 [ 10 ]。相比直觉模糊数，区间直觉模糊数在处理不确定性和模糊性等方面更有优势，在模糊多属性决策(MADM)和多属性群决策(MAGDM)范畴中有着更为广泛的应用。本文在阅读国内外相关文献资料的基础上，对区间直觉模糊集多属性群决策方法的研究现状进行了分析，并且在对比研究各个方法优缺点的基础上，在区间直觉模糊集上提出了一种基于TOPSIS的确定专家权重的新方法，最后对其以后的研究方向进行了一预测。
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user: 2. 区间直觉模糊集多属性决策方法研究现状 自从1989年Atanassov提出了区间直觉模糊集的概念以来，有关区间直觉模糊集在多属性决策(MADM)领域的研究就吸引了越来越多人的重视。截至目前，针对区间直觉模糊集模糊多属性决策方法的研究主要集中在：区间直觉模糊数的有关算子 [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] ，经典多属性决策方法的扩展 [ 14 ] [ 15 ] 和相似性测度 [ 16 ] [ 17 ] 等几个方面。 在区间直觉模糊数有关算子方面，徐泽水提出了区间直觉模糊数的加权平均算子，算术平均算子，加权平均算子和加权几何算子。定义了各算子的有界性、幂等性、置换不变性等性质，并基于各集结算子给出了区间直觉模糊集多属性决策方法 [ 11 ]。文献 [ 12 ] 通过定义区间直觉模糊集的点算子和得分函数，给出了区间直觉模糊集的多属性决策方法。文献 [ 13 ] 定义了区间直觉模糊数的一些运算法则、得分函数和精确函数，对于属性权重信息不完全的多属性群决策方法，基于最大偏差的目标规划模型以及加权算术平均算子，选出了最优方案。 在经典多属性决策方法的扩展方面，文献 [ 14 ] 定义了两个区间直觉模糊数之间的距离公式以及区间直觉模糊正、负理想点，给出了一种基于TOPSIS的区间直觉模糊多属性决策方法。文献 [ 15 ] 提出了一种基于不完全信息下的区间直觉模糊多准则决策方法。 在相似性测度方面，文献 [ 16 ] 提出了用相似性度量的方法来解决区间直觉模糊数的多属性决策问题，不仅考虑了区间直觉模糊集之间的直线距离，而且还考虑了比较值与其它值相比是否更相似或更不相似。文献 [ 17 ] 定义了两个区间直觉模糊数之间的相似性度量、海明距离、规范海明距离、欧几里得距离，规范欧几里得距离、加权海明距离和加权欧几里得距离，并将相似度度量应用到了具有区间值直觉模糊信息的模式识别中。 由此可见，基于区间直觉模糊集的多属性决策方法已经取得了丰富的研究成果。但是，还存在一些尚未解决的问题：由于区间直觉模糊数的几何集结算子涉及到了乘方运算。因此，当方案集和属性集较多时，通常会给决策过程带来不便；而且两个区间直觉模糊集之间的距离公式在运算过程中计算量很大，这样就很容易造成不准确的决策结果。
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user: 3. 区间直觉模糊集多属性群决策方法研究现状 从第二部分我们可以分析，有关将区间直觉模糊集应用到多属性决策方面的研究已经成了众多学者研究的主题，并且已经取得了丰富的进展，但是将区间直觉模糊集应用于模糊多属性群决策的研究并不多见，目前有关区间直觉模糊集的群决策方法的研究主要体现在以下几个方面：算子集结、Choquet积分、矩阵、相关系数、相似性测度、TOPSIS方法和多维度偏好分析(LINMAP)。 在算子集结方面：Xu研究了区间直觉模糊信息的集结算子，主要包括：区间直觉模糊加权平均(IIFWA)算子及区间直觉模糊混合几何(IIFG)算子等，然后给出了每个算子的集结运算结果，并且讨论了各个算子的一些重要性质：有界性、幂等性、置换不变性等，进一步给出了基于各算子的区间直觉模糊集群决策方法 [ 11 ] [ 18 ] [ 19 ]。梁昌勇等提出了诱导性区间直觉模糊混合平均(I-IIFHA)算子和诱导性区间直觉模糊混合几何(I-IIFHG)算子，这两种算子的诱导变量为区间直觉模糊熵值，进一步给出了一种基于区间直觉模糊集的群决策方法。在这种方法中，既考虑了区间直觉模糊信息本身又考虑了决策信息所在位置的重要性 [ 20 ]。 Wei定义了区间直觉模糊数的得分函数和精确函数和诱导区间直觉模糊有序加权几何(I-IIFOWG)算子，同时给出了该算子的一些重要性质：单调性、幂等性和交换性，进一步提出了直觉模糊多属性决策方法，并且将结果扩展到了区间直觉模糊集群决策方法中 [ 21 ]。Wei and Wang定义了一些几何集结算子：区间直觉模糊有序加权几何(IIFOWG)算子和区间直觉模糊混合几何(IIFHG)算子，提出了一种属性权重完全已知的区间直觉模糊集多属性群决策方法 [ 22 ]。Liu提出了区间直觉模糊Hamacher混合加权平均(IVIFHHWA)算子、区间直觉模糊Hamacher几何加权平均(IVIFGWA)算子等，并进一步给出了基于各算子的区间直觉模糊集群决策方法 [ 23 ]。 在Choquet积分方面：Meng and Tang定义了一个新的算子：算术区间直觉模糊Choquet集结(AIVIFCA)算子，考虑到元素之间的相互作用存在其它结合，进一步定义了一些新的算子：GSAIVIFCA算子和2AGSAIVIFCA算子，在属性权重和专家权重部分已知的情况下，给出了一种基于交叉熵度量和Choquet积分的区间直觉模糊集群决策方法，并且该方法能够反应全部组和之间的交互作用，克服了原先基于Choquet积分的区间直觉模糊集结算子只考虑了相邻组合交互作用的阻碍 [ 24 ]。Qin and Liu通过定义区间直觉模糊测度的一些基本概念，基于模糊测度和对策论，根据区间直觉模糊数的模糊熵和加权信息矩阵，提出了两个确定模糊测度的模型，进一步提出了一种用Choquet积分求解区间直觉模糊多属性群决策的方法 [ 25 ]。 在矩阵方面：Xu通过定义一些典型的矩阵，包括：区间值直觉模糊矩阵、区间值直觉模糊相似矩阵和区间值直觉模糊等价矩阵，并且研究了这些矩阵的性质，进一步提出了一种基于距离测度的区间直觉模糊矩阵群决策方法 [ 26 ]。 在相关系数方面：Park等通过定义区间直觉模糊混合几何(IIFHG)算子，将不同决策者给出的区间直觉模糊决策矩阵集结为同一个，然后用得分函数计算每个属性值的得分和集结区间直觉模糊决策矩阵的得分矩阵，进一步通过区间直觉模糊数的相关系数对方案集进行排序，提出了属性权重信息不完全的区间直觉模糊集多属性群决策方法 [ 27 ]。 在相似性测度方面：Xu通过一种直觉模糊集的相似性测度，研究了群决策的一致性，并且将结果扩展到了区间直觉模糊集的情形 [ 16 ]。 在TOPSIS方法方面：Ye结合TOPSIS方法的基本思路，在属性权重和专家权重都给定的情况下，提出了一种区间直觉模糊数群决策方法 [ 28 ]。 在多维度偏好分析(LINMAP)方面：Wang and Liu在决策者偏好信息是由区间直觉模糊决策矩阵给出且方案集偏好信息完全未知的情况下，提出了一种用多维度偏好分析(LINMAP)的线性规划技术求解区间直觉模糊集多属性群决策的方法 [ 29 ]。
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user: 4. 多属性群决策问题中确定专家权重方法的研究 在多属性群决策问题中，关于确定专家权重的方法，最简单的情况就是在群决策方法中，专家权重被预先给出 [ 30 ] - [ 39 ] 或者是给出相同的专家权重 [ 39 ] - [ 45 ]。这种情况的缺点是显而易见的。因为对于复杂的决策问题，决策者通常来源于各个领域，因为每个专家有他自己的专业知识和能力，所以他很可能对于一些属性熟悉而对另一些则不熟悉，对于这些不熟悉的属性，决策者可能会给出过高或过低的评价值。如果每个专家对于所有的属性都用相同的权重，那么就会导致不合理的决策结果。因此，如何确定合理的专家权重就成为了一个重要且有意义的研究主题，并且吸引了越来越多人的重视 [ 39 ] [ 46 ] - [ 53 ] ：Olcer and Odabasi在2015年通过均匀化的方法将专家的意见转化为同一个，在这种情况下，不同的方案被分配到不同的专家权重。但是如果专家的数量很大，这个方法需要大量的计算结果，并且可能会导致不准确的结果。Keeney和Keeney于1975年，提出了使用人际比较来获得加权加法社会选择函数的比例常数的值。Brock于1980年提出了基于纳什谈判的一种确定群体成员权重的方法。在这种情况下，每个专家的实用信息与别的专家进行比较，然后将其集结为一个。Kim et al.于1999年提出了一种基于不完全权重信息的解决多属性群决策方法的互动过程，如果属性集和方案集比较大，就必须要考虑很多互动过程。Wei于2010年提出了语义权重向量的重要性。Ramanathan and Ganesh于1994年通过使用他们自己的主观意见提出了用特征向量方法确定专家权重的方法。Yue于2011年提出了一种用TOPSIS方法确定专家权重的新方法，在这种情况下，专家权重是通过评价值与正，负理想解和正负理想解之间的距离计算的。Yue于2012年提出了通过用正理想决策和负理想决策确定专家权重的方法。尽管研究提出了许多基于直觉模糊集的多属性群决策方法，但是，还存在一定的问题：不是对于所有的属性，不同的专家有相同的权重，就是不同的属性被分配到不同的权重。在后一种情况下，应该检查专家的特征，但是这样的计算量很大，并且精确性不高，特别是对于方案集和属性集过大的情况。
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user: 5. 基于TOPSIS的确定专家权重的新方法 Hwang和Yoon于1981年提出了TOPSIS方法 [ 54 ] ，并且被广泛地研究与应用，在TOPSIS方法中，一个理想方案的选择应该在接近正理想方案的同时远离负理想方案。不少文献已对基于TOPSIS的区间直觉模糊集群决策方法进行了研究 [ 55 ] [ 56 ] ，如：Park et al.于2011年在区间直觉模糊信息的条件下，用TOPSIS方法解决了属性权重部分已知情形下的多属性群决策方法问题。Tan于2011年通过用基于海明距离的Choquet积分提出了一种基于TOPSIS的区间直觉模糊集群决策方法。Wei Yang，Zhiping Chen，Fang Zhang提出了一种用TOPSIS [ 43 ] [ 57 ] 确定专家权重的新方法，不过其中决策者给出的评价值是以直觉模糊数的形式给出的，这样对于处理决策过程中的模糊性和不确定性有一定的弊端。基于此，我们对上述方法进行了改进，在决策者的评价值是以区间直觉模糊数给出的情况下，给出了一种用TOPSIS确定专家权重的一种新方法。该方法更有利于考虑到决策过程中的模糊性和不确定性，而且适用于方案集和属性集非常大的情况。为了将不同的决策者给出的评价值集结为一个，首先定义了区间直觉模糊正，负理想矩阵，然后计算每个评价值到区间直觉模糊正，负理想矩阵之间的距离，接着通过计算得到了每个评价值的贴近度，进一步求得了专家权重。通过该方法确定的权重有两个优势：第一如果评价值接近正理想点并且同时远离负理想点就会被赋予一个较高的权重；否则，评价值就会被赋予一个小的权重；第二，降低了过高或过低的评价值对排序结果的影响。并且考虑了不同属性权重信息的情况：属性权重完全已知，部分已知和完全未知。如果属性权重完全已知，在将不同的决策者给出的评价值集结为一个之后，用TOPSIS方法对决策结果进行排序；如果属性权重部分已知，通过求解一个线性规划模型来求得属性权重；如果属性权重完全未知，我同样用TOPSIS方法得到属性权重。并且提出了一种与之相一致的算法。
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user: 7. 结论与展望 关于区间直觉模糊集多属性群决策方法的研究已经成了决策理论的一个重要分支，并且被广泛应用于各类决策问题中。目前，它仍是决策理论的一个研究热点。因此，未来的研究工作可从以下几个方面展开： 1) 在区间直觉模糊集多属性群决策方法中，关于属性权重的确定，虽然不同的学者都提出了较为客观的方法，但是，这些方法不能体现决策者的主观偏好。在一些决策问题中，由于决策者对于方案集的选择存在一定的主观偏好值，这些偏好信息往往会改变决策结果。因此，对于决策者对方案集有偏好的区间直觉模糊集多属性群决策方法的研究是一个值得努力的方向。 2) 由于区间直觉梯形模糊数、区间三角模糊数和三角模糊数更能刻画客观世界的模糊性和不确定性。因此，对于其多属性群决策的方法值得进一步研究。可以把基于TOPSIS的多属性群决策方法拓展到区间梯形模糊集、区间三角模糊集和三角模糊集多属性群决策问题中，这将会是一个不错的研究方向。
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user: 摘 要 本文在详细分析艉锚绞车作业工况特点的基础上，参考汽车自动变速齿轮箱原理，通过采用系统分析、引用借鉴、统筹规划的方法提出了自动变速艉锚绞车实现方案，并对双速齿轮箱设计、自动控制系统研发等实现难点进行了详细研究，实现了自动变速艉锚绞车国内首创。 关键词 :艉锚绞车，自动，研究 Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 艉锚绞车是为特种船舶配套的重要甲板设备，除具有一般的锚泊功能之外，在特定工况下，还须与螺旋桨协调配合，实现船舶牵引后退功能，现大量使用在挖泥船、拖网渔船、登陆艇等船型上。
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user: 2. 艉锚绞车工况特点分析 以登陆艇退滩作业为例，需主机倒车与艉锚绞车起锚协调配合，为船舶提供一定的反向作业力方可实现退滩。为了保证船舶能够安全准确后退，艉锚绞车一般设置低、中、高三档速度，低速工况收锚时要求艉锚机具有相当吨位的拉力，随着船舶后退速度的加快，为了防止锚缆与螺旋桨、艉轴、舵叶、人字架绞绕在一起 [ 1 ] ，又要求艉锚绞车能够以较高的绳速快速收锚，即：需同时满足拉力和绳速要求。
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user: 3. 研究方案 3.1. 艉锚机技术现状分析 目前，小型船舶上艉锚绞车多为液压驱动和电力驱动 [ 2 ] 。电动锚机多为交流电电制，并配有减速传动装置，以实现若干档速度，具有体积小、重量轻、传动效率高、维护保养简便的特点，但结构相对复杂、扭矩小。液压锚机主要依靠装置来执行和控制动作，其液压能源来自电动机驱动的油泵装置，具有扭矩大、调速性能好的特点，但占有空间大、对管路要求高，维护难度大且能源消耗较高，能源转换由电动机驱动油泵，再由液压油驱动液压马达，经两次能源转换有效利用率低于80% [ 3 ] 。 3.2. 总体思路 为解决艉锚绞车使用易“缠摆”现象，结合船舶功能实现需要，笔者通过研究分析电动锚机和液压锚机各自优缺点，论证选用电力驱动方式开展自动艉锚绞车研制。借鉴汽车自动变速齿轮箱基本原理，开展自动调速研究，以发挥电动锚机体积小、重量轻、维护保养简便、能源消耗低的优势。 主要思路如下：在满足高中低三个工况拉力与速度指标的同时，将每一工况速度细分为2档，以形成6个速度区间。利用力矩传感器测量艉缆受力情况，继而通过程序控制使艉锚机按照预先编好的程序自动选择速度区间，实现艉缆收放的自动控制。动力传递顺序为：三速电动机→联轴器→双速齿轮箱→卷筒、较缆筒→起抛锚、收放缆绳。选用船用三速电机和双速齿轮箱配合使用，齿轮输入轴上设置两个不同齿数的小齿轮和双向离合器，由双速离合器带动小齿轮与大齿轮啮合，以实现6速输出。
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user: 4. 关键技术 4.1. 减速比的优化选取 由于艉锚绞车研制结合实船需要开展，主要技术指标已定(如表1所示)，其计算设计从分析技术指标 Table 1 List of main technical indexes of stern anchor winc 负载(KN) 速度(m/min) 钢丝绳直径(mm) 卷筒容绳量(m) 160 3 26 220 100 7.5 10 80 表1. 艉锚绞车主要技术指标一览表 入手，重点对电动机造型、齿轮箱减速比先取、卷筒设计3方面进行综合考虑 [ 4 ] ，权衡利弊。 由于卷筒设计参照标准规范并符合艉锚机总体布置需要即可 [ 5 ] ，因此电动机选型与齿轮箱减速比的匹配是实现指标的关键。收放绳速度由3 m/min到80 m/min有近26倍的速度梯增，标准船用三速 4/8/16 极电机速度梯增仅有4倍，单独使用达不到指标要求，需设计2个传动比的齿轮箱，使其速度梯增保持在6倍左右。 按照常规齿轮传动转速转速逐级递减的设计思路，电机需选用2/8/16非标准电极电机(功率：16/11/11 KW，转速：2850/669/307 r/min)与齿轮箱减速比i1 = 172.9、i2 = 63.35进行匹配以实现指标要求，但高速工况转速高、工作电流偏大、齿轮噪音明显，性能不稳定。为达到项目预期，经多角度权衡利弊，将原逐级减速的减速比设计方向调整为先增速后减速的设计思路，电机转速由原2850/669/307 r/min下调为1420/715/320 r/min，电机级数由2/8/16变更为4/8/16，齿轮箱减速比变更为i1 = 172.89、i2 = 32.09。经一系列试验验证，艉锚绞车各功能正常，设备运行平稳，电动机的通用性、稳定性以及与齿轮箱的匹配性较好，实现了艉锚机收放绳速度由3 m/min到80 m/min近26倍的速度梯增。 4.2. 双速齿轮箱研发 双速齿轮箱既要考虑到布局合理和结构紧凑，又要实现2个减速比的自动转换。因此，创新性地将齿轮箱和液压离合器泵站油箱合二为一，将减速箱的输入轴与液压离合器合二为一，以满足功能和总布置所需。将液压离合器嵌入到输入轴内，通过液压离合器选择啮合齿轮，以获得两个传动比。根据齿轮箱布置实际，将狭长的液压离合器液压泵站油箱设置在齿轮箱输出轴右侧，既保证了液压油循环，又带动了减速箱内的散热，有利用齿轮使用寿命和齿轮箱内的轴承使用效果 [ 6 ] 。 齿轮箱设计为三级传动，输入轴上设置两个齿轮，传动轴上设置三个齿轮，输出轴设置一个大齿轮，其中：传动轴上两个齿轮与输入轴上两齿轮啮合，另一个齿轮仅与输出轴上大齿轮啮合。充分发挥滑动轴承承载能力大、滚动轴承承传效果好的特点，在高速输入轴上设置滚珠球轴承，在传动轴上设置圆柱滚子轴承，在低速输出轴上设置滑动轴承。 为了实现自动变速功能，参照汽车自动变速箱原理研发了新型多片液压磨擦式离合器，如图1所示。 摩擦片相互挤压带动齿轮组工作，以实现动态离合，结构小巧、布置紧凑、可大扭矩传递，具体如下：液压摩擦式离合器主要由主轴、摩擦片、活塞组成，换向由三位四通电磁阀完成。摩擦片分为2组，每组为6对，每对摩擦片由动摩擦片和静摩擦片组成。动摩擦片套装在主轴上，通过花键与主轴链接并与其共转，与齿轮不直接接触。静摩擦片直接套装在齿轮上并与其保持共转。借鉴双面柱塞式油缸工作原理，输入轴为活塞，轴向不可移动，缸套可左右移动 [ 7 ] ，动摩擦片与静摩擦片间通过缸套的轴向移动来完成压紧和脱开动作。输入端的前端镶入液压“端盘”轴承内，后端镶入液压“尾盘”轴承内。压力的传递及切换通过液压“尾盘”上的液压工作口“A”“B”来完成。当A口进油，油腔轴向上移动，挤压摩擦片从而带动齿轮1运转，实现一种传动比。当需转换传动时，A口泄油，B口进油，油腔轴向向 图1. 离合器结构图 下移动，挤压摩擦片从而带动齿轮2运转，实现另一种传动比。由于力矩传动由油腔内液压油充、泄以 带动动摩擦片挤压静摩擦片来完成，有效解决了齿轮直接接触导致的换档冲击问题，为自动变速奠定了 基础。同时，液压油进入油腔后，其压力逐步增大到额定值，实现了离合器的稳定啮合。 4.3. 自动控制系统研发 双速齿轮箱的设计实现了机械上的自动变速，但如何将机械的自动变速与实际工况紧密相连，还需配置自动控制系统。控制系统研发采用现有成熟的信号采集、PLC微电脑控制、电液一体化三大核心技术来完成。如图2所示，信号采集系统通过安装在导缆轮上的压力传感器将缆绳的力矩信号转变成标准的工业模拟量信号，传递给PLC。PLC将更具预先编好的程序，进行逻辑判断，输出控制信号。电液一体化控制将PLC发出的电信号通过电磁阀控制油路切换，进而控制液压离合器动作，实现动态离合。同时，PLC直接将电信号传递给控制回路，控制电机极数切换，进而改变电机速度，并通过与双速齿轮箱匹配，实现6个速度的自动切换 [ 8 ] ，从而达到自动控制。艉锚绞车具体运行流程如图3所示。 为保证控制系统稳定，一方面要考虑电机运行时的惯性，在电机运转速度转换时设置延时过渡，避免了电机在换速瞬间失电现象的发生。另一方面要充分考虑档位转换的工作特性，即力矩信号往返波动，为传感器在各段速临界点附近预留充分的叠加空间，使艉锚绞车在叠加空间范围内不进行档位转换，避免在临界状态频繁换档，对设备造成危害。
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user: 5. 结论 自动变速艉锚绞车是将汽车行业摩擦式离合器原理应用于船舶甲板机械设备的一种新尝试，该装备构思新颖、技术成熟、自动化程度高，具有体积小、重量轻、维护保养简便的特点，可大量应用于挖泥船、拖网渔船、登陆艇等特种船型上。同时，定速电机与双减速比齿轮箱匹配设计方案拓展了设备速度 图2. 艉锚绞车电气系统图 图3. 艉锚绞车运行流程图 调节范围，扩大了定速电机应用领域，可为船舶行业相关甲板设备研制生产提供参考和借鉴。
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user: 摘 要 针对目前井下语音通信的现状，提出了基于无线传感器网络兼有应急语音通信功能的实时环境监控系统，该系统以Stargate和Imote2开发板为核心设计传感器节点，并对系统体系结构、软硬件设计以及具有优先级语音和井下环境监测调度算法进行了研究。实验表明，该系统简单、可靠、经济，同时并兼顾井下语音通信和环境监控的实时性、公平性。 关键词 :无线传感器网络，矿井安全监控系统，应急语音通信 Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 目前，井下语音通信系统主要方式有：1) 井下小灵通；2) 依靠调度电话；3) 依赖于传感器网络技术的语音通信系统 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] 。很显然，前两种在矿井正常生产时能够很好地发挥作用，一旦发生紧急情况(如电力中断、矿难等)，其缺点就暴露无遗：依靠井下小灵通会失去信号，有线网络的调度电话也被阻断，整个语音通信网络处于瘫痪状态，但依赖于多跳自组织的无线语音传感器网络仍可工作，即使发生矿难，救援人员可通过钻孔，放置信标节点，利用传感器网络自愈性能，即可与井下节点建立通信，从而和井下被困矿工语音通信，保障营救工作快速有序的展开 [ 4 ] 。 本文在文献 [ 5 ] [ 6 ] 的基础上，对基于WSN井下安全监控系统实时语音通信进行研究，从系统体系结构、软硬件设计以及具有优先级的语音和环境监控调度算法等方面进行详细设计。系统在语音通信和环境监控方面，采用具有优先级任务调度算法来保证语音通信和环境监控的实时性、公平性和可靠性。
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user: 2. 兼有应急语音通信实时环境安全监控系统的体系结构 图1给出了矿井安全监控系统的整体框架图，包括井上PC监控子系统和井下WSN监测子系统。井上子系统主要由监控终端、综合环境监控平台(瓦斯浓度、CO浓度、温度、湿度、灰尘、烟雾、风机以及气压等信息收集与实时分析)、语音监控平台(接收井下设备或者矿工呼叫以及向设备和矿工发布工作指令等)、数据库服务器(记录和保存各种监测相关数据也包括语音信息)构成；井下子系统主要由各种各样的传感器节点构成。根据是否经常移动，分为相对固定节点(功能较强的Sink节点)和移动节点(普通的Sensor节点)两类，相对固定节点主要安排在巷道的拐弯处或直巷道的固定位置，用于采集巷道相关信息(如瓦斯浓度、CO浓度、应急语音呼叫等)，转发其它节点的通信数据，保持无线链路畅通；移动节点主要用于每个矿工或机器所处位置的监测，可安装在矿工的矿灯上，也可安装在挖掘机等设备上，还可随机安装在瓦斯等信息涌出变化较快的关键位置。 从图1中还可看出，井上PC监控子系统各部分通过有线(如RJ45)彼此连接，而井下WSN监测子系统主要由功能较强的分站(Sink)节点和普通Sensor节点通过无线相连。环境安全监测数据仅从井下传送到井上，而语音通信可双向传输。
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user: 3. 系统硬件设计 就系统硬件设计而言，井上PC监控子系统可由各种通用的计算机或服务器构成，较易实现；相反井下兼有语音通信的无线传感器节点在功能上需满足对监测区域内的各种环境信息以及语音信息采集、网络自组织、数据汇报、自身电量监控等。因此一个功能相对完整的井下传感器节点结构应由微处理控制器、各种环境信息采集模块、语音采集模块、电源模块、射频模块以及本地监控电路等组成。为此选择CrossBow公司 [ 7 ] 的Imote2作为各种环境信息和语音采集传感器开发节点，Stargate作为系统的Sink开发节点，如图2所示。 下面对兼有语音通信的无线环境安全监测节点的几个关键组件详细描述如下： 图1. 矿井环境监控系统体系结构 图2. 具有语音通信的传感器硬件结构 3.1. 传感器节点微处理器 井下兼有语音通信的传感器节点的设计应以环境监控精度、可靠性好、功耗低和较好的便携性为目标。因为微控制器是节点的计算和控制核心，所有的设备控制、模块任务调度、功能协调等都在微控制器控制下完成的。因此，井下传感器节点微控制器采用Intel公司8位高性能、低功耗微控制器PXA271 CPU，该处理器可工作于低电压(0.85 V)低频率(13 MHz)模式，使用动态电压调节技术可进行低功耗操作，频率范围可从13 MHz达到416 MHz，也支持几种不同的低功耗模式，如睡眠和深度睡眠模式。另外，PXA271是多芯片模块，即在一个CPU封装内集成3个芯片：256KB SRAM，32MB FLASH以及32MB SDRAM。这些能够灵活地支持不同种类的传感器、A/D、射频器的集成等。 3.2. 节点语音采集与处理模块 现有Imote2硬件本身不提供麦克风和扬声器，为实现节点语音的实时采集与处理，需另增加语音采集与处理硬件模块(如语音DSP)，同时该模块对采集语音模拟信号在发送给微处理器的AC97和I2S接口之前必须进行数字化处理。 3.3. 无线通信模块 针对节点无线通信模块，以Imote2平台为核心的传感器采用德州仪器公司的CC2530 IEEEE 802.15.4射频发射器。该芯片支持2.4 GHz带宽16通道250 kb/s数据传输率，而且性能稳定，环境监测数据精度高，功耗较低，并且该芯片传输速率最高可达2 Mbps，发送20~30字节的数据包也在微秒级，除了能够准确地传输环境监测数据外，这也保证了语音传输的实时性。 3.4. 电源管理模块 在Imote2为核心的传感器节点的电源管理模块中有四种供电方式，但考虑到井下作业特殊环境，节点采用一次性电池或内置锂电充电器。另外，若剩余电量低于预定阈值，电源管理模块还应具有自动预警功能。