DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 3. 保水剂研究现状和进展 保水剂种类繁多，可按原料来源、亲水基团的种类、交联方法、制品形态等进行分类。目前国内外的保水剂共分为两大类，一类是丙烯酰胺–丙烯酸盐共聚交联物(聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、聚丙烯酸钾、聚丙烯酸铵等)；另一类是淀粉接枝丙烯酸盐共聚交联物(淀粉接枝丙烯酸盐) [ 33 ]。 聚丙烯酰胺–聚丙烯酰胺呈白色颗粒晶体状，主要成分为：丙烯酰胺65%~66% + 丙烯酸钾23%~24% + 水8%~10% + 交联剂0.5%~1.0%。在国际上，法国、德国、日本、美国和比利时等国所生产的保水剂大多属于这类成分的产品。该产品的特点是：使用周期和寿命较长，在土壤中的蓄水保墒能力可维持4年左右，但其吸水能力会逐年降低。据黄土区造林试验观察，使用该类保水剂造林后的当年，其吸水倍率维持在100~120倍，第二年吸水倍率降低20%~30%，第三年降低约40%~50%，第四年降低更多。 聚丙烯酸钠–聚丙烯酸钠为白色或浅灰色颗粒状晶体，主要成分有：聚丙烯酸钠88% (其中含钠24.5%) + 水8%~10% + 交联剂0.5%~1.0%。国内生产的保水剂大多是这种成分的产品。其主要特点是：吸水倍率高，吸水速度快，但保水性能只能保持2年有效。据造林试验观测，这类产品的吸水能力和吸水速率明显高于聚丙烯酰胺产品，在土壤中如遇充分给水，0.5~1.0小时后便迅速吸收自重的130~140倍的水分；但第二年的吸水倍率要降低约60%左右。由于聚丙烯酸钠会造成土壤中钠离子含量的递增，林业和农业用保水剂的生产厂家大多改为生产聚丙烯酸钾或聚丙烯酸铵。 淀粉接枝丙烯酸盐–淀粉接枝丙烯酸盐为白色或淡黄色颗粒状晶体，主要成分为：淀粉18%~27% +丙烯酸盐62%~71% + 水10% + 交联剂0.5%~1.0%。这种产品在用于造林地蓄水保墒时，使用寿命一般只能维持1年多的时间，但吸水倍率和吸水速度等性状极佳。据实验室对黄土浸提液的吸水对比试验，该类保水剂在遇水后的15~20分钟内即可吸收自重150~160倍的水分 [ 34 ]。 超强吸水性树脂的出现是1961年美国农业部北方研究所C. R. Russell等从淀粉接枝丙烯腈开始研究，其后G. F. Fanta等接着研究。60年代末至70年代，美国、日本等相继成功地开发了高吸水性树脂。此后，世界各国对超强吸水剂品种、创造方法、性能和应用领域等方面进行了大量的研究工作，取得了成果。其中成效最大的是美国和日本。上世纪80年代以来，我国保水剂的研究和开发有了较快的发展，全国有50多个单位进行过保水剂的研制和开发。但是，我国保水剂研究滞后于日、美等发达国家 [ 35 ] [ 36 ]。 超强吸水剂合成研究的发展推动了其应用研究的开展。1973年美国UCC公司开始应用于农业方面，如土壤保水，随后应用于农林园艺中的土壤保水，苗木培育及移栽运输、种子包衣等方面。日本、法国等也在开展吸水剂的应用研究，如法国已制造了一种“水合土” [ 37 ]，吸水能力达200倍，用于沙漠。我国也在保水剂的农业应用方面进行了许多推广示范 [ 38 ]。目前，保水剂材料主要消费在卫生巾，婴儿一次性尿布及石油开采方面。但是，由于保水剂有改善土壤物理、化学性质，提高种子出苗发芽和出苗，增加作物小苗存活率，降低灌溉需求次数及提高养分利用率的作用 [ 39 ]，因此，保水剂在农业领域应用具有很大的市场潜力。近年来，人们发现保水剂对肥料养分具有缓释作用 [ 40 ]，因此，保水剂和肥料结合为保水剂的应用开辟了新的领域，也为缓/控释肥料提出了新的控释机制。
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user: 4. 保水剂和肥料复合技术研究现状 由于常规肥料水溶性高，养分释放快，释放期短，一次施肥法的肥料养分释放期及强度通常与作物养分吸收期及强度不相吻合，释放的养分不能及时吸收利用，肥料养分损失很大，肥料养分利用率低。分次施肥虽可避免一次施肥法的问题，改善作物不同生育期肥料养分的供应，但对于现代化农业来说，分次施肥繁琐而成木高。近年来研究开发的缓/控释肥料采用各种机制对常规肥料水溶性进行控制，有效地延缓或控制肥料养分释放，使肥料养分释放期及强度与作物养分吸收规律基本吻合，极大地降低肥料养分损失，提高了肥料养分利用率 [ 8 ] [ 41 ]。然而，肥料肥效的发挥还取决于上壤水分含量及有效性。研究表明：水、肥之间存在着交互效应，“以水促肥，以肥调水”，是农业重要的水、肥调控技术 [ 42 ]。农业上“以肥调水”中的“肥”可以通过培肥上壤，也可以通过施肥来实现对上壤水分的调控利用。然而，日前的常规肥料和缓/控释肥料不具有吸水保水功能。为了进一步促进肥、水一体化，提高水肥生产效率，将保水剂保水功能、控制释放技术通过工艺技术物化于肥料中，也就是说把肥料作为水肥一体化的技术载体。研究开发保水缓/控释肥料对于节水农业意义重大。 保水剂除了能吸水保水外，在一定条件下还能够吸附或活化肥料养分。因此，将保水剂与肥料结合，用来研制新型缓/控释肥料是肥料创新和发展的新方向。保水剂与肥料混用及互作研究开展的较早，国外在上世纪70年代就保水剂对肥料效应的影响进行过研究 [ 43 ]。 目前，保水剂和肥料养分的一体化使用方式为1) 简单的物理性混合，例如使聚合物在肥料溶液中成为水合物，即制备成富营养保水剂溶胶肥 [ 18 ]；2) 用聚合物包覆可溶性肥料，即利用保水剂材料包裹常规肥料，制成保水剂包膜肥料 [ 44 ]；3) 采用化学合成的方法，使肥料养分成为聚合物分子本身的一个组成部分，即制成既具有保水功能，又具有肥料作用的双重功能缓/控释肥料 [ 39 ]。用保水剂包覆可溶性肥料颗粒制成保水型缓/控释肥料及化学合成保水型缓/控释肥料已显示出良好的发展前景。 有关肥料与保水剂一体化结合工艺的研究较多研究侧重于将肥料溶液和保水剂混合，使保水剂在肥料溶液中形成水合物，这种肥料保水剂混合体系为黏稠状态。Mikkelsen等 [ 18 ] 将保水剂加在硝酸铵-尿素溶液中使用。卢其明 [ 45 ] 研究了利用保水剂和无机矿物复合后作用于尿素等肥料，取得了较好的控释效果。 使肥料养分成为保水剂材料分子本身的一个组成分的研究报道很少，这种工艺是通过化学合成的方法将养分元素引入到保水剂分子中。从保水剂本身分子构成来看，有的保水剂不含矿质养分，如聚乙烯醇、淀粉接枝聚乙烯醇、聚甲基纤维素等。有的即使含有养分元素，但并不能认为其是有营养效应的养分，如聚丙烯酰胺、淀粉接枝丙烯腈中的氮，即使有效，由于其施用量低，所带入氮素的肥效作用也可能不大。 用保水剂作为肥料的包膜材料，制备保水型缓/控释肥料是一个有研发前景的技术。Abraham和Pillai [ 19 ] 研究了用交联聚丙烯酰胺包裹尿素，醋酸乙烯乙酯做密封剂的包膜肥料养分控释性能，试验结果表明交联聚丙烯酰胺包膜 + 醋酸乙烯乙酯密封膜的包膜肥料具有良好的养分缓释性。已有杜建军 [ 44 ] 用尿素颗粒为内核，保水剂材料做外膜，通过物理涂覆制备保水剂包膜尿素具有保水及养分缓释作用。 目前为止，保水控释肥无论包膜与非包膜，均为缓释方向，均为对速溶养分的释放的控制。对于迟效养分如磷矿粉中的Ca-P的促进释放，是否可以通过保水剂得以实现？则是很有意义而尚待探索的新途径。
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user: 5. 复合保水剂产业化发展前景和方向 从保水剂的保肥功能入手，围绕肥料的控释这一中心，把保水剂作为一种控释材料应用，既能保水，又能保肥，既可缓释，又可促释，使之成为水肥一体化调控的载体，为控释技术开拓新方向，又为保水剂开拓新的应用方式和应用领域。 保水剂具有较强的蓄水保肥特性，但由于保水剂成本较高，耐盐性差的特点，使其不能大规模的推广。因此，降低保水剂的生产成本，同时提高保水剂的耐盐性能，在保水的同时，还能够对氮肥(尿素)起到缓释，对磷肥(PR)起到促释的双向调控，从而达到水肥一体化调控的目的。
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user: 6. 结语 在农业生产中，由于施肥不当和肥料利用率不高等原因，造成一定的经济损失和对环境的污染。同时由于我国水资源缺乏，研制具有集保水、缓释和促释功能的肥料已经被人们所接受，正成为目前市场接受度较高的产品。通过缓释能够有效控制养分释放速度，延长肥效期，满足作物整个生育期对养分的需要；通过促释可以快速释放低品位磷矿中的有效磷含量，最大限度提高肥料利用率，同时可以发挥保水剂的蓄水、保水和节水功能，提高施肥的经济效益、社会效益和环境效益。鉴于农业生产和环境保护的需要及国内外研究现状，从降低成本、易于加工和提高肥效等方面考虑，结合保水剂的功能特性，筛选保水材料，进行肥效释放工艺研究，开发缓释促释双向调控的专用肥料将是今后的研究趋势。
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user: 摘 要 农村集体产权制度改革对完善农村治理、保障农民权益，探索形成农村集体经济新的实现形式和运行机制，具有十分重要的意义。但是，由于农村信息化建设滞后、信息资源整合程度低，制约了农村集体产权制度改革的规范化推进。针对这一问题，本文系统梳理了农村集体产权制度改革与信息化管理的结合点，并从成员身份管理、集体资产管理、股权流转与交易、后期监管以及系统对接与升级五个方面对完善信息管理系统设计提出了建议。 关键词 :农村集体产权制度改革，信息化，信息管理系统 Copyright © 2019 by author(s) 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. 研究背景及意义 深化农村集体产权制度改革，开展清产核资，明晰农村集体产权归属，赋予农民更加充分的财产权利，这是党中央推出的一项重要改革，对推动农村改革发展，完善农村治理、保障农民权益，探索形成农村集体经济新的实现形式和运行机制，都具有十分重要的意义 [ 1 ] 。 但是，在推进农村集体产权改革过程中，由于农村信息资源整合难、共享程度低，制约了成员身份管理、清产核资、资产监管等方面的规范化运作。同时，涉农信息系统还存在缺乏统一的资源共享与管理机制的问题 [ 2 ] 。信息资源开发缺乏牵头单位和统一规划及彼此间的协调合作。因而常造成重复建设和资源浪费，以及在信息资源建设和开发利用中各自为政的“信息孤岛”现象。这主要体现在不同涉农信息系统在建设过程中，缺乏统一的建设标准和建设思路。造成了不同地区涉农信息系统差异化较大、不同部门涉农信息系统对接困难。这造成了农业和农村的资产统计由于口径不同而出现矛盾的情况，甚至引发利益主体之间的冲突和纠纷。 因此，如何在推进农村产权制度改革过程中加强信息化管理，实现改革流程的规范化和新型农村集体经济组织运行的专业化，是当前改革过程中的短板。本研究梳理了农村集体产权制度改革过程中的信息化建设的关键结合点，并提出了信息系统开发的思路和建议，这不仅有利于农村集体产权制度改革的顺利推进，而且对于实现整个农村的信息化管理都有一定的启示和借鉴。
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user: 2. 信息化管理对推进农村集体产权制度改革的作用 2.1. 信息化建设快速提升农村集体资产管理主体的管理能力 目前，农村集体资产普遍由村委会进行管理，即使已经完成了集体产权改革的农村很多也使用村委会和集体经济组织交叉任职的模式 [ 3 ] ，从而对集体资产进行管理。但是，村委会选举产生的村干部更替频繁，且文化素质、管理能力参差不齐；同时集体经济组织成员身份认定以及股权流转具有封闭性特征，集体经济组织管理者大多只能由本村户籍的人员担任，造成管理人才难以进入，集体经济管理水平普遍较低 [ 4 ] 。在目前集体经济管理经营体制不变的情况下，只能通过信息技术手段提升管理能力。例如，信息化管理可以使集体经济组织运营更加规范化，通过统一信息编码和档案录入，避免低级失误、提高工作效率 [ 5 ] 。简单便捷的操作界面也能够方便管理人员迅速上手使用。通过将整个管理工作整合到一个系统中，建立起高效规范的管理流程。 2.2. 信息化建设有效提高政府的决策服务能力 目前全国共有50多万个乡村，中央和地方为了掌握农村实际情况往往需要付出大量的成本进行调研统计。在基层乡镇和街道一级政府公务更加繁忙，往往一个工作人员要负责服务和监督数十个村社，工作量很大。通过信息化管理，上级政府部门能够有效对村集体信息进行监督管理。通过信息化平台，能够有效提升行政效率。通过信息平台网络化管理，能够建立多级农村信息统计平台，方便上级行政部门统计和调取村级数据，也节省了基层公务员和村干部繁杂的数据收集和上报工作。同时，也能够在此基础上建立农村集体资产和股权的交易监督平台，规范农村产权、生产资料交易信息的发布，对交易行为进行有效监管。也能够实现对村集体资金、资产、资源的动态监管，及时发现村集体经济组织运行风险，为集体资产保值增值和合理化配置提供有效服务。 2.3. 信息化建设积极推动农村基层党风廉政 对于农村村务、财务的有效监管一直是我国农村基层治理的难题。由于我国农村数量众多，管理难度大，同时，农村公共服务主要由村委会提供，造成了村集体资金、资产、资源也由少数人管理，极易发生贪污腐败等问题 [ 6 ] 。信息化建设能够有效实现村集体村务、财务的全面公开，重大财务事项逐项逐笔公开，资金使用的时间、地点、对象、原因、使用情况五要素在系统中都有清晰明了的描述，有效杜绝暗箱操作。同时，开发遍及所有村集体成员的终端信息平台能够让村民随时随地查阅本村三资情况，实现全民监督，切实保障了农民群众的知情权，提升了农民对村务的参与度，从而有效打击了贪污腐败等不正之风，能够有效推动基层党风廉政建设。
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user: 3. 集体产权制度改革与信息化管理的结合点 农村集体资产管理的信息化建设是农村电子政务的重要组成部分，其建设路径，既要遵循电子政务建设的一般规律，也要考虑到其特殊性。农村电子政务是指基层政府部门主要借助于网络平台综合运用信息技术， 有目标、有计划和有针对性地向农民提供高效便捷和规范的信息服务，与普通电子政务发展相比，农村集体资产管理信息系统的结合点体现在： 3.1. 集体产权制度改革环节 在集体产权制度改革的环节中，成员资格确定、清产核资、股权设置与管理、资产量化、建章立制等环节均需要与信息系统进行对接。1) 在成员资格确定环节，需要在系统中录入每个农户和每个成员的身份信息。这是集体产权制度改革信息系统中的基础信息。2) 在清产核资环节，需要在信息系统平台上对经营类资产、资源类资产和公益类资产分别进行资产核实的登记。3) 在股权设置中，需要在系统中录入每个类别股份的分配情况。在个人股份中，要在系统中登记每个农户和个人所占的集体资产股份，其中，包括人口股、农(劳)龄股、土地股、资金股等类别的股份；另外也需要录入集体股份以及激励股等特殊股份。 3.2. 集体资产运营环节 在集体资产运营环节，包括股权分配后的集体资产的经营管理、收益分配、股权管理，都需要在通过信息化手段进行规范管理。1) 在集体资产的经营管理过程中，需要探索通过网络和信息化手段实现集体经济组织的现代化经营管理。需要整合库存物资的信息化精准管理、项目生命周期管理、用工人员管理、电子台账等信息系统。2) 对于集体经济组织的收益，需要在电子台账的基础上，核算成本收益，计提公积金、公益金、福利费之后，其余的资产运营收益按照股份分配给个人和集体组织。3) 对于股权管理，主要体现在股权的交易流转的信息化管理。这就需要在建立一套股权交易流转信息系统，其中包括股权交易信息发布、招标竞价、交易协议、交易结算及相关的后续服务。 3.3. 集体资产监督管理环节 在集体资产的监督管理环节，需要在档案管理、信息公开、制度红线等方面做好信息系统的开发。1) 在档案管理方面，需要将成员身份、会议表决结果、资产明细、股权交易、收益分配等方面的信息建立可追溯查询的历史档案。2) 除涉及到集体经济组织商业机密和个人隐私的信息需要保密之外，对于集体经济组织的空地、厂房、商铺、附属设施等资产均纳入平台实施管理，记录相关资产的基本信息、实物图片、合同信息、交易状态等各类信息，防止集体资产的流失。将集体经济组织土地使用权、建设工程招投标、集体物业出租、货物和服务采购等纳入平台实施阳光交易，有效解决集体资产经营不增值、资产交易不透明的问题。3) 在设置制度红线方面，对于不符合集体经济组织成员资格认定的个人通过系统自动识别，对于导致农村集体资产不明原因流失、挪用、破坏、无偿调拨等行为，能够及时提出警示。 3.4. 与其他信息系统的对接 集体产权制度改革信息系统需要扩大横向和纵向的开放程度。所谓横向开放即要实现本系统与各层级政府之间数据和信息的对接与互联互通，从而能够满足集体经济组织与上级管理部门之间在相关行政手续审批、统计数据上报等方面的工作的需要。所谓纵向开放即要与之前开发的农村“三资”管理系统、行政管理系统的有效对接与升级。同时，系统也需要在手机、电脑等多种类型的网络终端实现合并运行，便于及时采集数据。这也是提供信息化管理服务的企业未来整合农村经济发展大数据的必要途径。
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user: 摘 要 文章提出了一种基于计算流体动力学(CFD)和非负矩阵因子分解(NMF)的新型过程层析成像(PT)方法，用于重构流场。通过CFD模拟建立CFD样本数据库，并利用NMF从样本数据库提取样本基矩阵。然后，利用基矩阵可通过少量传感器测量数据逆解得到样本矩阵，从而减少重构所需的采样点，实现流场的快速降维重构。由重构结果可知，该方法可以精确地重构流场，尤其是不存在较大数量级差异的过程参数；与其他重构方法相比，本方法避免了多相流检测过程中复杂敏感场的计算，而且相较于纯CFD模拟方法和插值方法，重构所需的时间大幅缩减。 关键词 :过程层析成像，流场重构，CFD数据库，非负矩阵分解，数据降维 Copyright © 2019 by author(s) 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 多相流一直是困扰研究人员和工业过程的难题。非均匀速度，时空不稳定性和混合相的不同复杂特性是多相流的主要特征。在流体检测中可能导致流动不稳定、混合不均匀、时间和空间不稳定的相界，复杂的流动模式以及一相吸收到另一相的问题 [ 1 ]。 以前，相分离和手动测试用于多相流测量。在分离法中，气液两相流体通过分离设备分离成单相流体，然后用单相流量计测量。虽然简单、可靠且对流型变化不敏感，但系统的尺寸，成本和非自动化是其最大的缺点。并且由于采样和手动测试方法不准，难以反映原分相流量。此外，人们在测量多相流方面做了大量工作，并且已经使用了许多方法。然而，除了快关阀之外，几乎没有通用的方法，快速截止阀技术不能用于实际生产过程中的分相含率检测，因为它需要切断正常的流动采样 [ 2 ]。这需要在理论和测量方面进行转换，以解决两相流中分相含率的持续测量问题。 过程层析成像(PT)——发明于20世纪80年代，侧重于将多相流作为主要目标，作为过程参数在二维和三维分布中的检测技术。在中国，天津大学和清华大学是最先开始研究，后来浙江大学，东北大学和浙江工业大学开发了几种PT技术原型系统 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]。在全球范围内，英国曼彻斯特理工大学和英国利兹大学，美国摩根敦能源技术中心，挪威卑尔根大学为PT的研究做出了贡献，包括电磁，电，磁，超声等断层成像方法 [ 6 ]。 计算机断层扫描和光学层析成像技术是两种电磁辐射方法。基于光和物体之间的不同接触模式存在不同的光学层析成像技术，包括吸收模式，衍射模式，反射/折射模式，辐射和干涉模式等 [ 7 ]。例如，Uchiyama [ 8 ] 和Hertz [ 9 ] 分别使用红外辐射和干涉来研究火焰温度分布。电磁辐射具有非侵入性，响应速度快，分辨率高，介质中光传播可定量描述，抗干扰能力强，光能低时安全性好等优点 [ 10 ]。然而，它的缺点是存在吸收，散射，多次反射和折射，如像工业管道等一些不透明的测量介质和像核反应堆等一些复杂的机械结构，且由于辐射特性，它对人类有一定危害。 电学层析成像(ET)系统广泛用于工业和医学检测。它的优点是：非侵入性，甚至非接触式，成本低，结构简单，无辐射；它可以在更高的激发频率(兆赫级别)下运行，以实现更快的图像采集速率。基于物理学理论：不同的介质具有不同的电学性质 [ 11 ]。ET技术根据其测量的电气特性分为电阻抗层析成像(EIT)和电荷层析成像。 电阻抗层析成像(EIT)，基于物体的电导率和介电常数的测量，然后重构物体电阻或电抗的分布 [ 12 ]，可分为电阻层析成像(ERT)和电容层析成像(ECT) [ 13 ] [ 14 ]。ERT和ECT的缺点是对三维模型的研究较少，电极板数量有限，重构算法有待优化，抗干扰和实时性能有待提高，工业化困难。电荷层析成像通过测量与管道摩擦产生的带电粒子的横截面分布来获得两相介质中的固相分布。该方法响应速度快，安全性好，成本低，但由于影响因素很多，仅适用于被测液体带电的场合 [ 2 ]。 磁共振成像(MRI)是一种诊断技术，它利用人体组织中的核磁共振(NMR)现象通过计算机处理射频信号并重构一定部位的人体图像，它也称为核磁共振成像。MRI属于非侵入性，非射击线检查，避免了X射线或放射性核素对成像的影响，对人体无害。MRI成像的参数很多，包括大量信息，空间分辨率高，但一般的核磁共振设备比较昂贵，在一定程度上限制了它的推广应用 [ 15 ]。 超声计算机层析成像(UCT)根据多相流内的介质的声学反射特性来检测介质的位置和大小。其原理是被测介质通过反射，透射，衍射和多普勒效应影响声波的传播，通过接收器检测被测介质的变化，并通过一些图像重构来计算被测介质的分布。UCT的优点是应用范围广，成本低，安全性高，缺点是传播速度慢，实时性差，不适用于多相流不同相位之间声阻抗差异较大的情况，影像效果不理想 [ 2 ]。 基于上述过程的层析成像方法，本文提供了一种新颖的方法，选择可以避免局部机械结构的二维横截面——检测区域，通过少量传感器测量检测区域中相应的过程参数，并且结合CFD数据库利用数学方法可以重构整个检测区域的过程参数分布，可用于流体检测等。这种方法最大的优点在于不再需要计算复杂的敏感场，且可以更快速，更准确地测量流场 [ 16 ]。
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user: 2. 数学模型 2.1. 重构方法数学描述 通过少量传感器(也称为采样点)导出整个流场的过程参数的基本数学模型可以用以下公式表示： V = A Y (1) Y ——实际过程参数矩阵(如：流速，体积分数等)，维度为 m × 1 ； A ——已知变换矩阵，维度为 x × m ； V ——测量所得的过程参数矩阵，维度为 x × 1 。 过程参数矩阵Y代表不同条件下的原始流场，其可通过流场CFD模拟(使用 k − ε 湍流模型)确定。矩阵A表示事先已知的变换矩阵(测量术语中的测量矩阵)。重构算法的目标是通过最少的V确定Y (因此需要测量最小数量的过程参数)。公式(1)是一个逆解问题，需要通过减小Y的维数来解决。重构的过程参数矩阵 Y R 可以用下列公式表达为降维形式： Y R = W α (2) Y R = ∑ i = 1 k α i W i (3) Y R ——重构过程参数矩阵，维度为 m × 1 ； W ——基矩阵，维度为 m × k ； α ——重构系数矩阵，维度为 k × 1 ( k ≪ m )； α i ——第 i t h 节点基矩阵线性组合系数。 在感兴趣的区域获得样本矩阵Z (代表真实过程参数)，并进行如下分解： Z m × n = W m × k H k × n + D m × n (4) Z ——流场过程参数样本矩阵(包含n种不同工况)，维度为 m × n ； W ——基矩阵，维度为 m × k ； H ——分解权重矩阵，维度为 k × n ； D ——分解误差矩阵，维度为 m × n 。 将 Z 表示为低秩矩阵 W 和 H 的乘积加上 D ，这种数学变换有助于减小问题的维数并获得主要的信息。 将重构过程参数矩阵 Y R 带入方程(1)，可表示为： V ≈ A W α (5) 由于存在分解误差，则Y和 Y R 是不相等的，得到公式(5)之后就可求解 α ，进而由公式(2)获得 Y R 。 α 可以通过最小二乘法拟合最小化函数f来求解： (6) 重构相对误差 e R 可以通过实际过程参数矩阵Y和重构过程参数矩阵 Y R 求得： e R = ‖ Y - Y R ‖ 1 ‖ Y R ‖ 1 (7) 为了实现整个重构过程，在MATLAB中编写了基于非负矩阵分解的MATLAB重构算法(Matlab algorithm based on NMF for reconstructing， MNR)，如图1是整个算法流程图。 图1. MNR算法流程 2.2. 非负矩阵分解(NMF) 非负矩阵分解是由Lee和Seung于1999年在Nature于1999年发表 [ 17 ]，并且在2001年提出了非负矩阵分解算法 [ 18 ]，具体过程如下： Z m × n = W m × k H k × n + D m × n (8) Z m × n ≈ W m × k H k × n = Z ^ m × n (9) where W m × k ≥ 0 ， H k × n ≥ 0 ； 对任意两个具有相同维度的矩阵B和C，定义如下两种的损失函数： 平方距离法： ‖ B − C ‖ 2 = ∑ i ， j ( B i ， j − C i ， j ) 2 (10) Kullback-Leibler散度法： F ( B ‖ C ) = ∑ i ， j ( B i ， j log B i ， j C i ， j − B i ， j + C i ， j ) ≥ 0 ，(当且仅当 B = C ； F = 0 ) (12) 对应不同的损失函数 F ，需要求解以下最小化问题，从而得到最佳的分解结果： min ‖ Z − W H ‖ 2 ，   s . t . W ≥ 0 ， H ≥ 0 (11) min F ( Z ‖ W H ) ，   s . t . W ≥ 0 ， H ≥ 0 (12) 文章利用MATLAB已有的非负矩阵算法对流场过程参数样本矩阵Z进行分解，获得基矩阵W。
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user: 3. CFD模型 为了验证该方法是否可靠，即利用CFD获得的重构基矩阵能否很好地重构流场，或者重构的流场能否真实地反映原CFD流场，需要进行两者之间的比较。对于这个比较，测量所得的过程参数矩阵(V，在方程(1)和(5)中)取值于CFD样本数据库。因此，首先要建立流场CFD模型。 几何模型如图2(a)所示，冷却水从下部A进入，并在向上流动期间从加热棒吸收热量，然后从B流出。如果发生加热棒泄漏，例如在D和G点，则泄漏材料C和 F将由流体携带到冷却水的顶部E和H区域，最终从B排出。 在CFD模拟中，为了简化几何模型，选择图2(a)中红色虚线之间的区域作为构建几何模型的参考，图2(c)和图2(d)列出了模型尺寸。距离冷却水出口(M-M) 0.2 m的平面是检测区域，即传感器布置区域。该模型包含25个均有可能发生泄露的加热棒，并在图2(b)中对其命名。为了比较不同加热棒和泄漏速度对泄漏物质分布的影响，采用可变控制方法将所有泄漏排列在同一高度，保持泄漏方向一致。在ANASYS16.0 ICEM中，建立了如图2(e)所示的模型。 根据压水堆计算出相应的边界条件，冷却水入口设置为速度入口，流速为0.2 m/s，出口设置为压力出口，压力为15.5 MPa；加热棒温度为650 k；而泄漏物质设置为速度入口，速度分为两个阶段，第一阶段为0.01 m/s、0.02 m/s、……、0.06 m/s，第二阶段为0.1 m/s、0.15 m/s、……、0.6 m/s，目的是为了更全面的反应泄露情况并且得到一个更加详实的样本数据库。 该模型由ANASYS16.0 FLUENT求解。网格独立性检查已完成，模型的总网格节点数为379670。工作冷却介质为水，泄漏材料为甲烷。三维定常不可压缩模型以及雷诺时均N-S方程用于描述计算域中的内部流场。选择SIMPLE算法作为压力和速度的耦合方法。分析类型为“稳态”，计算残差收敛标准设置为1e−5。采用标准湍流模型，一阶迎风差分格式，选择标准壁面函数的默认值和模型常数。工作压力为15.5 MPa，冷却剂入口温度为560 K。梯度设置为“最小二乘单元格”，迭代步数为1500。 图2. 模型尺寸及边界类型。(a) 多管束空间流动模型；(b) 加热棒命名；(c) 几何模型俯视图；(d) 几何模型主视图；(e) ICEM中的模型
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user: 4. 重构结果 样本数据库 Z m × n 来自于检测域，当每根加热棒以不同的泄露速度泄漏时，在检测域上就可以得到一个实际过程参数矩阵 Y m × 1 ，现共有两阶段不同泄露速度17种，不同加热棒25根，可得到共425个实际过程参数矩阵 Y m × 1 组成样本数据库 Z m × n ，即n = 425；为了反映实际的流场和给采样提供样本点，在检测域上划分样本点，由于检测域是圆形，为了采样更充分，采用类似极坐标的方法划分检测域，采样结果形成测量所得的过程参数矩阵 V x × 1 ，x代表采样数量，也是传感器数量；同时为了对照，共有两种样本点数量不同的两种结果，一种是沿半径方向100等分，沿圆周方向180等分，共17821个样本点；另一种是沿半径方向50等分，沿圆周方向90等分，共4411个样本点。形成两个样本数据库 Z m × n ，一个为 Z 17821 × 425 ，另一个为 Z 4411 × 425 。 重构时需要先采样，采样点数量( V x × 1 中的x)分为100、150、……、700、750共14组，每组包含10种随机生成的相应数量的采样点，即相同采样点数量，但不同位置，表示为位置1、位置2、……、位置10。分别选择体积分数和速度这两个流场中的过程参数进行重构，重构结果如下。 4.1. 体积分数重构结果 下文由图片进行比较的重构结果和实际结果所选取的采样点数为500，样本点数为17821，采样率为2.8%，采样位置为位置1，重构基矩阵 W m × k 包含75个基矢量(k = 75)。同时，先对包含在样本数据库中的泄漏速度(例如0.6 m/s)所形成的流场的重构结果进行比较，再对未包含在样本数据库中的泄露速度(例如0.7 m/s)所形成的流场的重构结果进行比较。 当泄漏速度为0.6 m/s时，泄漏物质的质量流量为0.0112 kg/s，相对重构误差为4.11%。如图3(a)和图3(b)所示，可以确认泄露位置为第一根加热棒；并由图4(a)和图4(b)可知，二者轮廓是基本一致的，重现了泄漏物质分布，重构结果是匹配的。 图3. 泄露速度为0.6 m/s时的体积分数重构结果。(a) 实际结果；(b) 重构结果 图4. 泄露速度为0.6 m/s时的体积分数重构结果局部放大图。(a) 实际结果；(b) 重构结果 图5. 泄露速度为0.7 m/s时的体积分数重构结果 图6. 泄露速度为0.7 m/s时的体积分数重构结果局部放大图 当泄漏速度为0.7 m/s时，泄露所形成的工况本身不包含在样本数据库中，结果如图5(a)和图5(b)相对重构误差为4.5%。如图6(a)和图6(b)所示，二者轮廓也是基本一致的，实现了利用有限的样本数据库提取基矩阵来实现任意工况下的流场重构，这也是可以利用CFD模拟流场结合少量传感器就可以实现实际流场重构的原因，前提条件是CFD模型要尽可能的还原实际流场，使得重构误差满足工程实际要求；同样，也可在满足工程误差要求的情况下，尽量简化CFD模型。 4.2. 速度重构结果 多次尝试不同的泄露速度并在其他条件与上述条件保持一致的情况下对速度场进行重构，对比多个不同的重构结果可知泄露速度对整个流场流速基本没有影响，流场模式主要取决于冷却水入口流速，结果如图7(a)和图7(b)所示，相对重构误差约为0.17%。由此可见，本文所述的重构方法对于没有较大数量级差异的过程参数的重构效果更佳，由于体积分数存在很大的数量级差异，所以重构效果并没有速度场重构效果好。 图7. 流速重构结果
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user: 5. 讨论 对于不存在数量级差异的过程参数的重构，如本文的速度，由于冷却水入口流速为均匀流速而造成的检测域上速度场没有大的数量级差异，所以重构误差一直较小，在0.2%左右波动；对于存在较大数量级差异的过程参数的重构，如本文的体积分数，误差将受不同因素的影响发生较大的变化，下面将从基矩阵、采样点、泄露等不同因素分析对体积分数重构结果的影响。 5.1. 基矩阵 在分析基向量数的影响时，选择的泄漏位置为加热棒1，泄漏速度为0.6 m/s，采样点数为500，采样位置为位置1。对样本数据库分解10次获得10个包含相等基向量数量的基矩阵，将这10个基矩阵代入MNR算法，并对10组相对重构误差求平均，得到相应的y坐标值。分别对样本维度为17821和4411的样本进行了计算，结果如图8所示，随着基向量个数增加，相对重构误差先减小后基本保持不变，这符合非负矩阵分解提取样本数据库特征的特点，基矩阵中的前40个基向量基本占据整个样本数据库的能量，所以当再增加基向量个数时，相对重构误差基本保持不变。同时，由于非负矩阵分解结果的随机性同一基向量数量的基矩阵重构效果不同，尤其当采样率相对较低时，基矩阵的优劣对重构结果有较大的的影响，如图中样本维度为17821样本时，基向量数量从20到40，误差出现了波动，但对样本维度为4411的样本则不会情况出现。所以，在选取基矩阵时，在条件允许的情况下尽可能地进行多次分解寻找一个较优的基矩阵。 图8. 不同基矩阵的相对重构误差 5.2. 采样率 在分析采样率的影响时选择的泄漏位置为加热棒1，泄漏速度为0.6 m/s，最佳基向量数为75，采样点数从100个到750个。同样数目的采样点进行10次随机采样得的10组相对重构误差，其平均值为y坐标值。分别对样本维度为17821和4411的样本进行了计算，结果如图9所示，随着采样率的上升误差先减小然后保持基本不变，这是比较显而易见。而重要的是无论样本维度为4411还是17821，采样点都应至少为150个，由此可见对于样本维度越大的样本，重构算法的降维效果越明显，完成重构所需的采样率越小，能够实现利用少量的传感器重构流场这一目的。 图9. 不同采样率对应的相对重构误差 5.3. 泄露 在分析泄露的影响时，最佳基向量数为75，采样点数为500个，同样数目的采样点进行10次随机采样得的10组相对重构误差，其平均值作为某一速度下的相对重构误差，同一加热棒不同速度的相对重构误差的平均值作为y坐标值，如图10所示。泄露位置从加热棒1到加热棒25的平均误差变化趋势，平均误差1是两个阶段速度0.01 m/s、0.02 m/s、……、0.06 m/s和0.1 m/s、0.15 m/s、……、0.6 m/s的平均误差，为10.79%；平均误差2是第二阶段速度0.1 m/s、0.15 m/s、……、0.6 m/s的平均误差，为6.82%。由此可见，第一阶段速度0.01 m/s、0.02 m/s、……、0.06 m/s重构造成的相对误差是比较大的，约占整体误差的40%，当泄露速度越大整体相对重构误差越小，这也从侧面映证了过程参数的数量级差异是造成误差的主要因素。 图10. 25根加热棒的平均相对重构误差
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user: 6. 结论 本文开发了一种快速重构流场的方法。在该方法中，首先用CFD来提供一系列的流场样本，然后利用非负矩阵分解算法来获得流场样本矩阵基矩阵实现数据降维，最后基于多个测量数据利用逆解算法重构流场。分析表明： 1. 基于有限的过程参数测量数据，所提出的方法可用于重构复杂机械结构周围的流场。不同泄露情况下，都可以较为准确地重构流场，尤其是对于类似流场速度这类不存在较大数量级差异的过程参数，可以精确地重构流场。 2. 相对重构误差主要受基矩阵、采样率以及过程参数数量级的影响。在选取合适的基矩阵的前提下，采样率越低重构误差越大并且过程参数数量级的差异是误差的主要来源。 3. 在实际情况中，所提出的重构方法避免了多相流检测过程中复杂敏感场的计算，而且相较于CFD模拟方法和插值方法，重构所需的时间大幅缩减。
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user: 摘 要 针对抗乳腺癌药物重定位问题，首先在TCGA数据库中获取乳腺癌基因表达数据，然后通过互信息算法提取特征基因，最后通过connectivity map分析结果，将比对出的药物按照负相关的分值降序排列，得到gliquidone (格列喹酮)，Imatinib (格列卫)等可能对乳腺癌有治疗效果的药物。与传统药物相比，通过提取特征基因，找出对癌症基因有治疗效果的靶向治疗更具有针对性，通过重定位的方法筛选出抗乳腺癌药物不仅大大减少了新药开发的周期，还降低了经济成本。基于互信息算法提取特征基因为药物重定位提供了新的途径。 关键词 :药物重定位，乳腺癌，互信息，Connectivity Map Copyright © 2019 by author(s) 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 乳腺癌是发生在乳腺腺上皮组织的恶性肿瘤，已经成为威胁女性身心健康的常见肿瘤。全球乳腺癌的发病率目前一直呈上升趋势。中国虽不是乳腺癌的高发国家，但近年我国的乳腺癌发病率的增长速度却高出高发国家1~2个百分点，情况仍不容乐观。随着对乳腺癌生物学行为认识的不断深入，以及治疗理念的转变与更新，乳腺癌的治疗进入了综合治疗时代，形成了乳腺癌局部治疗与全身治疗并重的治疗模式。乳腺癌的外科手术包括乳腺和腋窝淋巴结两部分。乳腺手术有保留乳房手术(保乳手术)和全乳房切除术。保乳手术有严格的手术适应症，目前还做不到所有的乳腺癌患者都能进行保乳手术。对不适合保乳手术的乳腺癌患者还需要切除乳房。 鉴于国内现有的医疗水平，医生会根据肿瘤的分期和患者的身体状况，酌情采用手术、放疗、化疗、内分泌治疗、生物靶向治疗及中医药辅助治疗等多种手段。目前，分子靶向治疗已成为肿瘤治疗的研究热点，为乳腺癌的治疗也提供了新的思路和方向。利用基因表达谱等组学技术发现抗乳腺癌的药物靶标可作为一个重要手段。但新药开发是一个耗时费力的高风险过程，充分发掘已有药物的新用途，对药物进行重定位，备受生物医药产业和学者们的青睐 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]。 药物重定位又称老药新用，指对曾经用于临床的药物新适应症的发现、确认和应用。包括对处于临床研究阶段或已批准上市的药物进行重定位、重定用途、重评价和重新定位治疗方向等 [ 4 ]。推动一个新药物上市通常需要13~15年，其成本平均需要20~30亿美元，且处于上升趋势。如果对已有药物进行研究，一旦它们拥有不同的医疗用途，这将是一个巨大的未开发资源。“药物重定位”可以跳过临床I期，相比于新药物大大地缩减研究成本和投入时间。到目前为止，从已知的药物中发现新的适应症，成功重定位的药物已经有100多种。如何从已知药物中发现对于乳腺癌有治疗效果的药物是本文探讨的问题。 Connectivity map是利用小分子药物、基因表达与疾病相互关联的生物应用数据库。通过基因表达谱建立基因、疾病和药物三者的关联性，并快速利用基因表达谱的数据比对出与疾病高关联性的药物。近年来的研究趋势表明：将cmap基因表达谱数据库应用于疾病治疗与药物开发领域，可提供越来越精确的方向。在药物开发方面，利用基因表达谱的数据在cmap数据库中快速比对出与疾病高关联性的药物。目前已经有学者成功地利用cmap验证了抗溃疡药可以用于治疗肺癌，抗癫痫药物可以用来治疗炎症性肠道疾病，抗哮喘药物可以用来预防白内障等。如何将这种方法应用在抗乳腺癌药物的领域里是本文研究的问题。 本文首先从TCGA数据库中获取乳腺癌与癌旁的基因表达数据，利用R软件将数据进行预处理；然后利用互信息算法将与乳腺肿瘤密切相关的特征基因筛选出来；最后通过connectivity map数据库分析，检索出具有与肿瘤基因相反的基因标签的药物。Gliquidone (格列喹酮)作为一种降血糖药，用于非胰岛素依赖型糖尿病的治疗，经分析比对得到的负相关分值最高，表明对于乳腺癌可能具有较好的治疗效果。Imatinib (格列卫)、levomepromazine (左米丙嗪)、erastin等化合物也具有较高的负相关分值，表明极可能对乳腺癌有治疗效果。
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user: 2. 数据和方法 2.1. 基因表达数据 TCGA是美国国家癌症研究所(National Cancer Institute)和美国人类基因组研究所(National Human Genome Research Institute)共同监督的一个项目，旨在应用高通量的基因组分析技术，以帮助人们对癌症有个更好的认知，从而提高对于癌症的预防、诊断和治疗能力。作为目前最大的癌症基因信息数据库，TCGA数据库主要收录各种人类癌症(包括亚型在内的肿瘤)的临床数据、基因组变异和mRNA表达等数据，是癌症研究者十分重要的数据来源 [ 5 ]。本文的乳腺癌基因表达数据来自TCGA数据库，共获得乳腺癌与癌旁的基因表达数据，其中包括534个患病样本和63个健康样本，包括17815条基因(https://cancergenome.nih.gov/)。 2.2. 特征基因提取 对于复杂的基因关系，熵和互信息的方法能有效抓住基因与基因之间的关联性，能有效的提取出复杂疾病的致病基因 [ 6 ]。熵是对不确定性的度量，在信息论中，熵是用来衡量一个随机变量出现的期望值。设基因变量 X = [ x 1 ， x 2 ， ⋯ ， x n ] 是一个基因表达模式 [ 7 ]，基因变量X的熵表示该模式所包含的信息量公式为： H ( X ) = − ∑ x ∈ X p ( x ) log 2 p (x) 互信息是信息论中的一种有用的信息度量。可以看成是一个随机变量中包含的关于另一个随机变量的信息量。对于两个随机变量X和Y，其互信息公式为： I ( X ， Y ) = ∑ x ∈ X ∑ y ∈ Y p ( x ， y ) log 2 p ( x ， y ) p ( x ) p (y) 传统的特征基因提取方法通常只注重单个基因的表达，而忽略了基因之间的关联性。针对这种情况可以采取基于互信息算法的特征基因提取，如果互信息值比较大，说明这两个基因之间的关联性比较大，即在生物学上的联系比较紧密。计算出每条基因的信息熵，信息熵越大，证明该条基因在样本中拥有较大的信息量，对样本的影响也就越大。所以基于信息熵的角度，将每条基因的信息熵降序排列，取前5000个基因，计算其在患病样本和健康样本中的互信息值，得到两个互信息矩阵矩阵，即 I c 和 I n 。 在健康样本中和其他基因关联较小即互信息值较小，在患病样本中该基因又与其他基因具有较大的关联性即互信息值较大的基因为从失联到关联状态下的基因，则可认为此类基因为特征基因。提取特征基因的关键在于找出合适的阈值 T c 和 T n 使得特征基因数目不会过多，也不会太少，经过计算从失联到关联状态的特征基因的理想阈值为 T c = 0.66 和 T n = 0.62 ，从而得到实对称矩阵，对其按行求和并将和值降序排列，和值越大证明该基因在样本中与越多的基因相关联，和值为0则代表该基因并不与其他基因有关联 [ 8 ]。根据上述步骤获得从失联到关联状态下的特征基因656条。 2.3. cmap分析 Connectivity map是一个基因表达谱数据库，其利用小分子药物，基因表现与疾病相互关联的生物应用数据库。每一种药物分子会以不同浓度处理在不同的细胞株并处理不同的时间点。基因表达谱数据区分成正向调控基因群和负向调控基因群进行分析，以运算基因图谱的相似程度为主，最后给予分数。分数越接近1代表两者的药物分子为正相关，反之，与负向调控基因群的基因图谱相近之药物分子，分数呈为负值，代表两者的药物分子为负相关。以基因表达谱为所建立之基因，疾病与药物的关联性。可以快速利用基因表达谱的数据比对出与疾病高关联性的药物。近年来的研究趋势也显示出利用cmap基因表达谱数据库应用在疾病治疗与药物开发的领域上，可提供越来越精确的方向。目前cmap第二版已经发展成收录了1309种药物表达谱的成熟体系，理论上讲，与疾病和药物相关的任何基因表达数据都可以在cmap数据库中进行高效率的查询比对，从数据库揭示药物、基因和疾病三者之间潜在的联系 [ 9 ]。 通过R软件将筛选出的特征基因分为上调基因294个和下调基因362个。将上调基因和下调基因作为检索标签，存为.grp文件，检索cmap数据库 [ 10 ]。将乳腺基因表达标签与药物处理基因标签进行统计比较。依据表达谱的相似性给每个乳腺癌-药物配对计算一个分值，如果分值为负数，则表明这种药物与癌症基因有相反的基因标签，即可能对乳腺癌具有较好的治疗效果。所以在检索的过程中，删除试验次数较少的药物(n < 4)，关注药物得分Mean分值为负值的药物。
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user: 3. 结果分析 通过connectivity map的分析结果如表1所示可以看出负相关分值最高的是gliquidone (格列喹酮)，分值为−0.618，它是一种降血糖药，用于非胰岛素依赖型糖尿病的治疗，表明对于乳腺癌可能具有较好的治疗效果；表中还可以看出排在后面的Imatinib (格列卫)、levomepromazine (左米丙嗪)、erastin等化合物也具有较高的负相关分值，表明极可能对乳腺癌有治疗效果。其中表中的tamoxifen (他莫昔芬)，用于治疗晚期乳腺癌和卵巢癌。排在它上面的药物最后的药物检索分值的负相关性均高于它，所以这几种药物很可能与治疗乳腺癌有关。 Table 1 Candidate anti-breast cancer drugs screened by the connectivity map databas cmap name Mean n Enrichment gliquidone −0.703 5 −0.711 Imatinib −0.69 4 −0.624 levomepromazine −0.572 4 −0.536 erastin −0.448 3 −0.509 tamoxifen −0.07 7 −0.229 表1. Connectivity map数据库筛选出的候选抗乳腺癌药物 注：Mean表示药物检索得分值，n为药物在cmap数据库中重复试验的次数，enrichment为乳腺癌症基因标签与药物基因标签相似的聚合度。
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user: 4. 结论 本文通过互信息算法提取乳腺癌中的特征基因，利用connectivity map数据库将基因与药物进行比对打分，最后得到与治疗乳腺癌有关的药物。与传统药物相比，利用互信息算法提取出含有较多信息的致病基因，通过cmap数据库筛选出针对这些特征基因有疗效的靶向治疗，不仅能节约新药开发的时间和经济成本，还拥有比传统治疗更好的治疗效果。但具体药效有待临床进一步验证。基于R语言中的互信息算法提取到癌症特征基因为抗癌药物重定位提供了新的途径。
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user: 摘 要 本文介绍了进行工业互联网建设的必要性，针对高速列车生产线研究了基于西门子数控系统的设备接口，阐述了生产线和上层信息管理系统的集成解决方案，提出了设备自动数据采集和系统集成方法。通过在青岛四方的实践证明，本文的研究对于在轨道交通装备制造行业中推广应用工业互联网技术具有一定的借鉴意义。 关键词 :工业互联网，设备接口，系统集成 Copyright © 2019 by author(s) 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 为推进中国制造2025 [ 1 ] ，工信部2016年组织实施了“智能制造综合标准化与新模式应用”系列项目，高铁作为国家名片，中车青岛四方公司承担了“高速动车组关键零部件智能制造新模式应用项目”的实施。智能制造是中国制造2025的主攻方向，主要目的是实现制造业的数字化、网络化、智能化，建设工业互联网成为发达国家重塑制造业竞争优势的关键举措 [ 2 ] 。 生产线和业务系统之间存在信息交互的鸿沟，这就对制造过程信息采集和集成提出更高的要求。信息的采集和集成是现代企业实施信息化战略的迫切需求，只有将制造过程中各种信息准确采集和有效集成，才能及时准确掌握制造过程中的动态信息，从而为提高生产效率和资源利用率提供支持。建设和推广工业互联网平台是促进我国制造业提质增效和转型升级的重要抓手 [ 3 ] 。
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user: 2. 工业互联网建设需求 在车间层进行工业互联网建设的核心内容在于对现场的不同品牌、型号以及控制系统的设备进行联网，以采集其设备状态参数、工作进度信息等基础数据。随着设备智能化水平的不断提升，车间设备数据采集技术在通讯方式上从串口通信向以太网通信方式转变，数据传输距离更远，带宽更大，速率更高，数据采集内容也变得更为丰富、细致。不同型号和控制系统的设备对于通讯接口的支持也更为全面，从之前的专有系统接口的方式，纳入了对于OPC/OPC-UA等公共体系标准的支持，大大降低了设备数据采集的门槛。 为了追求产品高质量、制造过程稳定性、少人化，企业配置一套由桁架机器人、加工中心、上下料输送系统、条码自动识别系统等组成的自动化生产线，生产线内部采用PROFIBUS或PROFINET总线实现桁架机器人和加工中心动作控制、安全连锁，同时桁架机器人配置控制中心，实现物料加工过程的流程定制，桁架机器人的动作设置等，具备一定过程数据收集能力，产线基本组成情况如图1所示。 图1. 车轴自动加工生产线 同时全面实施的制造执行系统MES，面向生产现场管理，将在制品、原材料、设备状态、质量等信息进行实时收集和汇总，在MES系统中，考虑人力资源配置，往往需要做人员能力分析和过程追溯，对生产计划可以进行有效分解。 车轴的生产采用先进自动化生产线，生产线具有自动上下料、自动调度、自动输送等功能，提升质量、效率明显，但生产线PLC系统无法实时获取到生产计划 [ 4 ] ，生产线本身可以实时获取工件、加工时间、开工、完工数据也无法向MES系统反馈，生产线已记录人员在岗情况。因上游系统和生产线、物料、人员等相互独立，导致生产线和MES系统无法互联互通，无法发挥智能制造优势。开展生产过程的物联网建设，助力企业转型升级，成为技术人员急需攻关对象。
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user: 3. 设备接口系统集成分析 通过对车轴生产线加工设备研究，设备采用西门子840D、840D SL数控系统，可提供以太网接口通讯，基于windows XP系统，网卡采用VIA Rhine III，通过数控系统的COMPANY NETWORK接口，利用TCP/IP协议，可实现机床联网。 OPC UA是一个高度集成、开放和共享的数据服务平台，可以实现工厂内的控制系统和信息系统的互联互通，以及物料、产品、设备与人的无缝集成 [ 5 ] 。西门子同时提供DDE和OPC UA接口，用于上层系统和数控系统的通讯。通过在数控系统配置DDE监测程序，将用户输入的数据或者需要读取的内容通过DDE方式传送给作为服务器的西门子840D数控系统，再由数控系统将返回的数据通过DDE发送给用户端 [ 6 ] 。西门子提供了专门用于二次开发的OPC 技术的自动化接口，使用户通过OPC接口存取NCK中的各个变量和数据 [ 7 ] 。 在840D数控系统上安装DDE GATEWAY网关，可实现设备状态和刀具参数自动采集。针对840D SL数控系统，网络直接连接PCU的X130端口，在PCU的HMI中安装DDE GATEWAY网关，实现数据采集目的。针对不支持DDE GATEWAY网关的数控设备，通过在服务器搭建OPC服务，配置840D SL数控系统的OPC UA，实现数控设备状态和刀具参数的实时采集。通过SIEMENS系统机床自带的网卡采集实时信息，如机床开机关机时间、空闲时间、空转时间、加工时间、报警时间等机床的工作状态信息 [ 8 ] ，网络系统架构见图2。 图2. 数据采集网络架构 车轴生产线的桁架控制系统采用S7-300 PLC，系统没有PCU和人机交互界面HMI，需对桁架机器人的PLC内DB数据块存储数据逐项分析，确定DB块含义、DB地址与工位对应关系。分析工件二维码、工件状态、工序步骤、桁架机器人位置、状态所在DB数据块地址。 Webservice是微软提出的基于互联网的开发模型，它通过Web通讯协议和信息格式的开放标准(Http，Xml，Soap)来为其他应用程序提供服务 [ 9 ] 。基于既有的制造执行系统MES，利用标准接口，采用WebService方式，获得车轴生产线工单，根据实时采集的制造过程数据，利用接口上传在岗人员、物料、过程、质量数据。
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user: 4. 系统集成应用 首先实施机床联网，设置生产线中840D数控系统网络的IP地址，将所有设备统一到一个网络。利用西门子高级权限进入windows系统，通过设置工厂网络的网卡IP地址，安装基于DDE相应监测程序，获得机床数据。840D的PCU在前面板，将网线连接PCU网络至工业交换机。针对车轴加工生产线桁架控制系统，采用WINSCP管理平台，利用X120端口进入西门子管理NCU界面，将X120、X130端口打开，通过设置X130端口IP地址，通过设置OPC服务，实现对X120端口访问。将所有设备连接至工业交换机，在设备层面形成物联网。 建立数据采集平台，通过在服务器搭建数据采集系统，实时采集数控设备和桁架机器人中的数据。通过服务器和设备数控系统监测程序建立连接，实时获得加工设备数据，包括机床当前工作状态、程序版本、主轴负载、转速、进给、倍率、坐标等信息，采集设备数据见图3，通过平台展示见图4。 图3. 设备采集实时数据 图4. 设备数据实时采集展示 通过Siemens S7协议实时读取桁架PLC DB块数据，采集车轴线桁架机器人PLC内数据，获得桁架位置信息、加工设备状态、工件编号、上料系统、下料系统、缓冲区物料状态，获得每个车轴的加工时序、加工时间，存储至数据库中。采集桁架机器人数据见图5。 图5. 桁架机器人实时采集数据 数据采集平台通过接收MES系统生产计划，结合实时采集到的桁架机器人、数控设备数据、在岗人员，实现生产计划和人员、物料、设备建立关联，实现计划自动开报工，打通从计划到设备数据链。在服务器端搭建B/S站点，提供网页访问服务，在客户端通过浏览器可以实时查看生产线运行情况，让管理者更加有效的掌握车间信息，详见图6。实时展示的数据统计，如利用率分析、报警信息统计、年度信息汇总和数图展现，为管理者提供决策支持，形成一套完整的生产过程决策支持系统 [ 10 ] 。 图6. 实时数据分析
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user: 5. 结束语 随着边缘计算 [ 11 ] 、5G [ 12 ] 等新技术在智能制造领域中的应用，车间设备数据采集在实现路径上可能会有全新的应用模式出现。对于跨平台、跨控制系统的不同品牌设备，可以通过将类似于OPC服务的中间件部署于边缘端，同时对所采集数据进行边缘端的优化处理，降低网络传输压力，提升控制指令传输实时响应速度。5G则是对数据传输通道的一次根本性变革，传统的有线传输方式有可能在工业5G无线网络的覆盖下被彻底取消。 本文基于企业实际需求，结合中国制造2025国家战略，研究了生产线和上层制造执行系统MES的系统集成软硬件接口，通过建设数据采集平台，将设备、物料、人员和生产计划有效集成形成工业互联网。实践证明，通过对设备自动采集，结合生产计划控制，有效发挥数字化制造效能，助力企业工艺改进、合理决策提升核心竞争力。
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user: 摘 要 推荐系统作为一种有效的信息过滤工具，由于互联网的不断普及、个性化趋势和计算机用户习惯的改变，将变得更加流行。尽管现有的推荐系统也能成功地进行推荐，但它们仍然面临着冷启动、数据稀疏性和用户兴趣漂移等问题的挑战。本文概述了推荐系统的研究现状，对推荐算法进行了分类，介绍了几种经典的推荐算法，主要包括：基于内容的推荐算法、协同过滤推荐算法和混合推荐算法，并对推荐系统未来的研究趋势进行了展望。 关键词 :推荐系统，冷启动，数据稀疏，协同过滤 Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/