DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 4. 结论 1) 巴西A矿粉铁含量高，硅、铝、硫、磷含量、烧损值低及粒度细，以赤铁矿、镜铁矿为主，脉石以石英为主，3种澳洲铁矿粉铁品位低，铝、硫、磷及烧损值高及粒度粗，以赤铁矿、针铁矿为主，脉石矿物包含石英和高岭石。 2) 四种铁矿粉制粒料透气性指数由高到低的顺序依次为：D > B > A > C。该顺序与各自的平均粒度及其粘附粉比表面积大小由大到小顺序相一致。 3) 四种铁矿粉均具有良好的烧结性能，其中A的综合烧结性能最好，其次是B和D，而C的烧结性能为四者中最差。 4) 烧结矿转鼓强度与四项高温反应性能指标间不存在明显的相关性；烧结矿产量与粘结相自身强度及液相流动性存在一定的正相关性。 5) 四铁矿粉制备的烧结矿均具有良好的还原性和低温还原粉化性能，烧结矿还原性高，低温还原粉化率高，两者呈现负相关。烧结矿的还原性及低温还原粉化率与四项高温性能之间不存在明显的相关性。 6) 铁矿粉高温性能与其烧结性能间相关性差，铁矿粉高温性能的相关研究方法值得广大研究工作者关注，研究新的铁矿粉高温性能评价方法及烧结料层内铁矿粉成矿条件是重要的研究方向。
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user: 摘 要 针对图像内容的真伪和完整性难以鉴定的问题，本文提出一种基于Slant变换的脆弱水印图像认证的算法。该算法的思想是首先将原始图像进行8 × 8的分块，再对每一个分块进行Slant变换；然后利用Logistic混沌映射产生一个混沌序列，将该混沌序列与水印图像异或，得到水印信息；将水印信息嵌入到经Slant变换后的中频系数中，再进行Slant逆变换得到嵌入水印的图像。利用Slant变换，使得计算更加简单快速，增强了水印的不可见性。仿真结果表明，该算法具有良好的定位篡改能力。 关键词 :图像认证，脆弱水印，Slant变换，混沌映射
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user: 1. 引言 随着计算机网络技术的迅速发展，多媒体信息被窃取、篡改、非法复制和传播等信息安全问题也日益严重。尤其是图像完整性认证的问题，引起了人们的特别关注。脆弱水印是解决这些图像认证问题的有效方法，而且许多脆弱水印的技术已经应用于这些问题中 [ 1 ] - [ 3 ] 。在之前大多数脆弱水印研究中采用的一般是DCT变换或小波变换的脆弱水印术，如文献 [ 4 ] 的算法是将水印嵌入到图像DCT变换后的低频区域，虽然该算法鲁棒性较好，但篡改定位能力较差；文献 [ 5 ] 是将图像的高6位进行小波变换，然后将水印嵌入到图像的次低位，该算法比较复杂，效率比较低。而文献 [ 6 ] [ 7 ] 都运用了Slant变换，但定位篡改能力还是比较差。本文在文献 [ 8 ] [ 9 ] 的基础上，提出一种基于Slant变换的脆弱水印技术。利用混沌映射产生混沌序列，并与水印图像异或得到水印信息，然后将水印信息嵌入到Slant变换的中频系数中。该算法可以达到对图像的认证和定位篡改的效果。
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user: 2. Slant变换 Slant变换对亮度逐渐变换的图像比较适用，而且在非正弦类变换编码的应用中效果非常好。 Slant变换就是根据图像信号的相关性，某行的亮度具有基本不变或线性渐变的特点，可以编造一个变换矩阵，来反映这种递增或递减(线性渐变)特性的行向量。 假设X是原始图像像素矩阵，Y是经斜变换后的矩阵： (1) Slant逆变换： (2) Slant变换主要有以下优点： (1) 计算简单，对于亮度逐渐变化的图像表现效果特别好 [ 10 ] ； (2) 斜变换能够显著地减少带宽，对于一般大小的图像块编码具有更少的均方误差； (3) 基于斜变换的编码方法比基于其他的酉计算方法所得到的图像质量更好； (4) 斜变换在能量压缩方面应用很好，且对于水印信息隐藏在中高频的扩频中非常有利 [ 11 ] ； (5) 斜变换域中大多数的中频系数的正负符号在JPEG压缩和Gaussian加噪前后保持不变 [ 12 ] 。
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user: 3. 脆弱水印技术 脆弱水印技术就是在保证一定视觉质量前提下，将数字水印嵌入到多媒体数据当中去，当多媒体内容受到攻击篡改时，可以提取该水印来鉴别多媒体内容的真伪，并指出篡改位置，甚至攻击类型等。脆弱水印的基本功能就是能可靠的检测篡改。而且理想的情况下能够提供修改或破坏量的多少及位置，甚至能够分析篡改的类型并对篡改的内容进行恢复。从数字信号处理的角度来看，脆弱水印的嵌入是对原始图像的调制过程，脆弱水印要检测出篡改并定位，因此水印应先与图像的特征融合在一起然后嵌入到图像中 [ 13 ] 。
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user: 4. 基于Slant变换的脆弱水印算法 4.1. 水印的产生 首先，利用Logistic混沌映射产生混沌序列S1，Logistic映射的控制参数为a，初始值为x 1 成混沌序列 ，长度为 。 水印图像大小为 ，也就是待嵌入的信息，与上一步产生的混沌序列进行异或运算，生成加密水印WK。 4.2. 水印的嵌入 水印嵌入流程如图1。 将原始图像 分成8 × 8大小的互不重叠的分块，记为 ， ，即： (3) 分块可以降低算法的复杂度，并且中频系数的正负符号在JPEG压缩后保持不变，能够有效降低JPEG压缩。 然后对每一个分块进行Slant变换，得到 ： (4) 这里选取256 × 256的lena.bmp为原始载体图像，通过Slant变换，原始图像 中的高低频被有效的分离出来，使得不同频率的信息在变换后的矩阵中分布位置各不相同。然后将上一步产生的加密水印WK嵌入到经过Slant变换后的每一块的中频系数中，运用加法原则嵌入到中频系数中，对每一块嵌入水印的图像进行逆Slant变换，然后合成包含水印的图像。 (5) 4.3. 水印的提取 水印提取流程如图2。 首先，对含有水印的图像进行8 × 8的分块，再对每一个分块Slant变换。 然后运用Logistic混沌映射生成混沌序列，与上面经过Slant变换的分块做异或运算。 最后，对每块提取的水印图像进行逆Slant变换，得到水印图像。 4.4. 水印的检测 篡改的图像是在加水印的图像的基础上篡改的。首先在被篡改的图像中提取出水印信息；然后将参考水印与刚才在篡改图像中提取的水印进行比较，根据篡改矩阵：A_flag-|W-WK|，如果A_flag(x，y) = 1，那么可以判定图像被篡改；如果A_flag(x，y) = 1，则图像未被篡改，从而实现篡改区域的认证和定位。 4.5. 仿真结果及分析 在MATLAB环境下，对图像进行仿真实验，从而说明算法的有效性。 (1) 不可见性 人类视觉系统的分辨率存在一定的局限性，因此，利用这个特性，可以对原始图像嵌入水印，既可以保证图像的显示效果，又可以将一些隐藏的信息嵌入到图像中。 本文以lena256 × 256的灰度图像作为原始图像(如图3(a)所示)，图3(c)为嵌入水印的图像，计算原始图像与含水印图像的峰值信噪比为44.1644 dB。从图中可以看出，图像在嵌入水印后视觉上基本没有什么差异，实现了水印的不可见性。 (2) 水印提取 对图4(a)含有水印的图像进行8 × 8的分块，再对每一个分块做Slant变换。然后运用Logistic混沌映射生成混沌序列，与上面经过Slant变换的分块做异或运算。 最后，对每块提取的水印图像进行逆Slant变换，得到图4(b)水印图像。 图1. 水印嵌入流程 图2. 水印提取流程 图3. 水印的嵌入对比 图4. 水印的提取 图5. 水印的篡改定位 (3) 篡改定位 为了检测算法对图像的篡改定位能力，对含有水印的原始图像进行局部修改，如图5(a)为篡改图像，图5(b)为定位篡改区域。 根据以上仿真结果可知，该算法能检测出对像素的恶意篡改和对图像的完整性破坏，对图像篡改区域检测定位的精确度较高，能够实现对图像完整性的认证。
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user: 5. 结束语 针对图像易被篡改的问题，本文提出了一种基于Slant变换的脆弱水印算法。利用Slant变换和Logistic混沌映射的相结合，解决了其他算法定位效果不好的问题。Slant变换相比较与DCT变换，计算速度较快；Logistic混沌映射的应用，由于初值和参数的不同，其产生的序列也有所不同，从而提高了算法的安全性。实验结果也表明该算法相比其他之前的算法有较好的定位篡改能力。
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user: 摘 要 基于复合材料力学层合板的并联和串联模型，将双层复合管等效简化为单层管，在此基础上对空管分别进行了理论计算、数值模拟和实验研究，验证了模型的有效性；对于充液复合管的流固耦合系统进行等效简化，然后应用行波法计算其固有频率，并与数值模拟和实验结果进行了对比，证实了行波法简洁且有效；最后采用行波法讨论了双层复合管中材料和尺寸的变化对结构固有频率的影响。研究结果表明，并联简化模型较适用于含有金属材料的管道，而串联模型适用于非金属材料管道；行波法计算方便快捷，宜于编程实现，且计算结果与已有成果吻合良好。 关键词 :双层复合管，流固耦合，固有频率，行波法，复合材料力学
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user: 1. 引言 输液管道的流固耦合振动问题广泛存在于航天航空、核工业和石油化工等领域。众多研究者从不同的方面对这一问题进行了研究。对输流管中流固耦合问题进行研究时，大多研究者采用特征线 [ 1 ] 、有限元 [ 2 ] 等方法，但对于同一模型，这些方法由于存在插值问题，因此带来较大的数值误差，严重影响到预测的精度。近年来应用较多的传递矩阵法 [ 3 ] [ 4 ] ，对具有链式结构的管道系统较为方便，但要应用到复杂形状的管系，则有一定困难。行波法 [ 5 ] [ 6 ] 则是以振动波在输水管路系统中的传播和反射为基础来建立并分析水泵、阀门、水锤防护设备等泵站管路系统元件的数学模拟，具有概念清晰、简洁、形象而且直观的优点，与计算求解步骤繁琐抽象的特征线法相比，易于掌握和应用。目前涉及输流管中的流固耦合问题绝大部分工作都是围绕单层管进行的，对多层管的研究较少。 复合管 [ 7 ] - [ 9 ] 是由两种(或多种)具有各自特性的单体管通过特定的工艺手段把它们结合成一体，从而使它具有综合特性的价廉物美的新型管。复合管既有很高的强度，又有很好的耐腐蚀性能、耐磨性能以及其他特殊性能，工程中可通过选择合适的材料进行匹配来满足各种特殊使用场合，同时，复合管还节约材料，节省投资。因此复合管作为一种新型结构管材，在石油、化工、造船、能源、航天等工业部门得到广泛应用。那么，对复合管的流固耦合问题进行研究，找出其与普通单管管路的区别，形成系统的复合管研究体系，有效的避免双层管路的共振区域，对复合管的普及应用，工程应用具有重要的理论意义和工程实际价值。S. Yoshikawa [ 10 ] 等人从理论和实验两方面研究了两个无限长同心圆柱壳的流固耦合振动问题。陈美霞 [ 11 ] 等人建立了无限流体中的有限长单双层加肋圆柱壳模型，并对单、双层圆柱壳体以及双层圆柱壳体内、外壳的振动响应性能作了一定的比较，壳体的振动用Fhigge壳体方程描述，将加强构件等价为对内外壳体的支持力，最后求解双壳体声–流体–结构耦合方程。张慧玲 [ 12 ] 用二维线弹性平面应变理论，对双层复合筒、多层复合筒、双层碳纳米管和多层碳纳米管中周向导波的传播，进行了理论和数值研究，讨论了固体与固体接触面的界面特性对周向导波的影响。 本文运用复合材料力学层合板的分析方法，将双层复合管等效简化为单层管。分别对空管和充液管进行了理论计算、数值模拟和实验研究，从而验证了简化模型的可行性和行波法的有效性。
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user: 2. 双层复合管的等效简化 2.1. 双层复合管的简化模型 双层管由于两种材料参数不同以及内外管间的界面条件影响，不能直接按单层管理论求解。本文研究的双层复合管，假设两层材料均属宏观均质材料，在使用条件下不发生脱离，故参照复合材料力学的分析方法，在假设应变连续和应力连续基础上，将双层管等效简化为单层管。 图1所示为双层管轴向剖面图。其中，E 1 、E 2 分别为内外层材料的弹性模量，ρ 1 、ρ 2 分别为内外层材料的密度，d 0 、d 1 、d 2 分别为管道内径，内层材料外径，管道外径。 密度拟合根据总体积当量按下式计算： (1) 式中：M——管道总质量，V——管道总体积，r为等效密度。 参照复合材料力学 [ 13 ] 中研究层合板的方法对双层管的弹性模量E进行等效拟合。复合板模型有两种方法如图2所示，并联法和串联法。 对并联模型有： 式中：E'为并联模型拟合弹性模量，v 1 为内层材料体积份额，v 2 为外层材料体积份额。 对串联模型有： 式中： 为串联模型拟合弹性模量。 分别计算两种模型的体积份额，得到并、串联两种模型下的等效弹性模量计算式如下： (2) (3) 2.2. 理论计算 取一段空心管如图3，根据振动理论，按空心等截面悬臂梁计算其固有频率 [ 14 ] ，得到下式： (4) 式中：w i ——管道第i阶固有频率/rad∙s −1 ，l——管长，EJ——管道横截面的抗弯刚度，ρ——管道密度，A——梁的横截面积，前4个b值为： 其中E，r均为等效拟合参数。 2.3. 数值模拟 有限元法建立双层复合管的动力学模型，可以选择实体单元对结构进行离散。管道内外层材料接触面设置为完全固接，模型左端设置为固定端，右端为自由端。图4和图5分别双层管和简化为单层管后的几何模型： 图1. 双层管轴向剖面图 图2. 复合板模型 图3. 空心管模型 图4. 双层管模型 图5. 简化模型 对管道进行网格划分，采用ANSYS软件进行固有频率计算。 2.4. 实验研究 分别取不锈钢–碳钢，塑料(PVC) –碳钢和纳米–塑料(PVC)三种复合管进行实验研究。三种研究对象的尺寸和材料参数分别如下： 图6为内衬不锈钢钢管，长84.5 cm，内径65 mm，外径89.5 mm，内层管道材料为304不锈钢，密度7930 kg/m 3 ，弹性模量192 GPa，厚度3 mm。外层管道材料为普通碳钢，密度7850 kg/m 3 ，弹性模量206 GPa，厚度9.25 mm。 图7为内衬PVC钢管，长1.3 m，内径38 mm，外径48 mm，内层管材为PVC，密度1370 kg/m 3 ，弹性模量3.4 GPa，厚度2 mm，外层管材为碳钢，参数同上，厚度3 mm。 图8为内衬纳米塑料管，长86 cm，内径14 mm，外径20 mm，内层材料为碳纳米材料，密度1300 kg/m 3 ，弹性模量1050 GPa，厚度0.5 mm，外层材料为PVC，参数同上，厚度2.5 mm。 搭建管道实验平台如图9所示(以内衬不锈钢钢管为例，其它图略)，将敲击实验采集到的三种管道的时域信号，通过傅立叶变换转化为频域信号，分别如图10、图11和图12。 2.5. 结果分析 将三种管道的理论计算、数值模拟和实验结果分别列在表1~3中。 内衬为不锈钢钢管的三种结果对比见表1。由于高频无法测出，实验结果只有1，2阶。从表中可以看出，管道内外层材料的弹性模量及密度相差不大，管道一阶固有频率，采用串、并联模型计算的理论结果与实验结果相近；串、并联模型数值模拟结果比实验结果和理论计算值略大；其他高阶频率规律类似。 内衬为PVC钢管的固有频率结果对比见表2。此时管道内外层材料的弹性模量及密度差别较大，两种简化模型的结果有明显的差异，串联模型的理论计算结果和数值模拟结果相比实验结果误差较大，而并联模型无论理论计算还是数值模拟与实验结果吻合较好。 表3为内衬纳米材料的PVC塑料管的固有频率值。从表中可看出，当内外两种材料弹性模量相差很大时，并联简化模型的结果无论数值模拟还是理论计算都与实验结果相差很大，而串联模型的结果与实验结果较为接近。 以上分析表明，内外层材料性能接近时，并、串联模型均能较好地等效模拟双层管；而材料性能相差较大时，需根据具体材料选择不同的简化模型。因实验数据有限，暂时难以给出定量的选择模型的标准，有待进一步的分析。 图6. 内衬不锈钢钢管 图7. 内衬PVC钢管 图8. 内衬纳米塑料管 图9. 不锈钢钢管实验台 图10. 内衬不锈钢钢管频域信号图 图11. 内衬PVC钢管频域信号图 图12. 内衬纳米塑料管频域信号图 Table 1 Natural frequency of stainless steel lined steel pip 固有频率 Hz 实验 理论计算 数值模拟 并联 串联 并联 串联 双层 一阶 103.75 105.97 105.93 108.67 108.32 106.14 二阶 679.9 689.17 683.85 713.76 713.29 711.18 三阶 1929.94 1928.62 2058.6 2058.1 2053.72 四阶 3781.85 3780.3 3859.1 3852.3 3851.43 表1. 内衬不锈钢钢管的固有频率 Table 2 Natural frequency of PVC lined steel pip 固有频率 Hz 实验 理论计算 数值模拟 并联 串联 并联 串联 双层 一阶 23.33 25.12 3.724 26.31 5.627 24.88 二阶 153.68 157.46 23.34 159.27 23.345 158.17 三阶 438.74 440.95 65.366 444.89 67.94 442.75 四阶 864.1 128.09 869.34 129.32 866.76 表2. 内衬PVC钢管的固有频率 Table 3 Natural frequency of lined with nano-material plastic pip 固有频率 Hz 实验 理论计算 数值模拟 并联 串联 并联 串联 双层 一阶 5.21 53.58 5.156 54.86 5.947 5.48 二阶 31.76 354.64 32.31 356.93 36.49 33.25 三阶 87.97 993.09 90.49 995.85 92.76 958.42 四阶 174.52 1946.11 177.32 1949.24 179.55 1875.84 表3. 内衬纳米材料塑料管的固有频率
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user: 3. 充液复合管流固耦合振动的固有频率计算 3.1. 行波法 单层管考虑流固耦合的振动方程已建立 [ 15 ] 。取一段直管单元如图13所示，应用行波法来研究管道系统的流固耦合振动。 流固耦合轴向振动经典四方程为： (5) 式中：u z 、v、p、f z 分别为管道轴向位移、流体流速、流体压力和管道轴向力；ρ、γ分别为材料的拟合密度和泊松比；E为材料的拟合弹性模量；A为截面面积；r、e分别为管内径和壁厚。K为流体体积模量， ，下标p和f分别表示管道与流体。令 ，代入(5)式，可得 (6) 式中： ，为轴向振动的波幅系数，k ai (i = 1， 2， 3， 4)，为管道轴向振动的波幅数。 ， ，k a 1，2 对应于左行波，k a 3，4 对应于右行波。这里的 ， ， 图13. 直管单元 ， 。 ， ， ， ， ， ， ， ， 。 流固耦合横向振动方程为： (7) 式中：f x 为剪力，u x 为横向位移，m y 为弯矩，θ y 为转角，m为管道质量，EI p 为管道抗弯刚度，G为材料剪切模量。 ，I p 与I f 分别为管道与流体所对应圆截面的轴惯性矩，K rf 为弯曲修正因子，对直管道取1。同样对其中的参数r和G进行等效拟合。 令 代入方程(7)，可以得到管道横向位移、弯矩、转角和剪力表达式，即 (8) 式中： ，为横向振动的波幅系数，k b 1，2 对应于左行波，k b 3，4 对应于右行波。 ， ， ， ， 。 ， ， ， 。 定义局部位移和力幅值位移向量： ， 将式(6)和(8)中的方程按先左行波后右行波的方式重组，得到单元管道流固耦 合振动的波导方程： (9) 式中： ， 。Y uL ，Y uR ，Y fL ，Y fR 为联系状态向量与波模式幅值的矩阵，W L ，W R 分别为左右波模式幅值向量。 根据单元波模型中入射波、反射波与单元左、右节点的传递关系，将式(9)代入相应的边界条件，对单元进行组装，即可得到系统自由振动的方程为 (10) 式中： ，G、S为s、g单元组装后的矩阵，z o ，z i 为z 1 ，z 2 组装后的矩阵。 ， 。 其详细推导过程见文献 [ 16 ] 。当且仅当方程(10)有非凡解时，结构才能保持自由振动状态，即 上式为系统特征方程，具有无穷多个解，对应于系统的无穷多个固有频率。 3.2. 数值模拟 ANSYS很早已开始进行流固耦合的研究和应用，文中分别使用双层管模型以及等效简化的单层管模型进行对比。 设置管道长度，内径，外径，内层材料厚度，管道支撑方式，管道材料，液体类型，管道内外层材料接触面设置为完全固接。在Geometry中，建立双层管道模型，如图14所示。 使用Fill功能，使液体充满管道，产生流体模型，如图15所示。 在进行单向流固耦合分析时，对管道结构进行抑制，对流体进行网格划分，如图16所示。 在WORKBENCH下选择FLUENT求解器，利用生成的网格进行求解设置。 设置流动模式，为标准的k-ε模型；选择不可压缩流体介质作为流体材料；入口条件及出口条件设为速度条件和压力条件。 求解后将流体计算结果直接传递给Static Structural，将几何模型也传递给Static Structural的Geometry，选择流体区域使用抑制功能，保留管道实体进行操作。对管道进行网格划分后，将流体数据加载给结构，对管道进行支撑设置，计算求解。 以内衬不锈钢钢管为例，分别用双层管模型和单层管模型计算充液管道流固耦合振动的固有频率，根据1.5中的结论，简化模型采用并联模型，结果见表4。 可以看出，简化模型结果与双层管模型结果吻合很好，说明简化模型对流固耦合问题同样有效，而且可以缩短计算时间，减少计算量。 取管道长度l = 2 m，两端简支，内层材料为不锈钢，厚5 mm，外层材料为碳钢，厚5 mm，管道内径6 cm，外径8 cm，两种材料的参数同1.4中。选取五种工况，分别用行波法求解和Ansys软件数值模拟，计算结果如表5。 由表5可以看出，五种工况下，管道一阶固有频率的最大误差为1.5%，管道五阶固有频率的最大误差为0.27%。说明使用行波法具有一定的准确度，且比ANSYS数值模拟快捷简便。 图14. 双层直管模型 图15. 充液直管模型 图16. 流体单元网格划分 Table 4 Numerical simulation of stainless steel lined steel pip 固有频率/Hz 双层管模型 并联模型 一阶 102.96 101.58 二阶 668.32 665.73 三阶 1895.74 1889.15 四阶 3737.91 3731.47 表4. 内衬不锈钢钢管数值模拟结果 Table 5 Comparison of traveling wave method and numerical simulatio 序号 工况 行波法Hz 数值模拟Hz 一阶 二阶 五阶 一阶 二阶 五阶 1 管道内无液体 48.89 196.92 1219.2 49.32 198.4 1222.47 2 管道内有液体 0 MPa，0 m/s 42.76 188.34 1211.5 43.08 190.12 1213.9 3 管道内有液体 1 MPa，20 m/s 42.13 187.73 1210.4 42.79 188.96 1211.25 4 管道内有液体 2 MPa，20 m/s 41.85 187.17 1210.06 42.41 188.04 1210.64 5 管道内有液体 2 MPa，30 m/s 41.11 186.08 1208.3 41.53 186.98 1210.16 表5. 行波法与数值结果对比 3.3. 实验研究 由于充液管道实验的实验条件的限制，本文只对内衬PVC钢管进行了充水实验，其尺寸和材料参数见1.4。管道充水，压力为大气压，流速为零。实验台如图17所示。 实验测得内衬PVC钢管时域信号为图18。 3.4. 结果分析 针对实验管材，分别进行了行波法和数值模拟计算，结果对比如表6。 由于管道内充有流体，使得管道的固有频率相比无水管道有所降低，行波法计算结果、数值模拟结果与实验结果相比误差均不大。
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user: 4. 双层复合管固有频率影响因素的讨论 采用行波法分别讨论尺寸，材料参数的变化对管道固有频率的影响规律。 4.1. 尺寸变化 算例1：选取三种双层管，分别为不锈钢-碳钢、黄铜-碳钢、陶瓷-碳钢管，黄铜密度8700 kg/m 3 ，弹性模量92 GPa，陶瓷密度3500 kg/m 3 ，弹性模量0.03 GPa，选定内层管厚度为3 mm，外层管厚度为7 mm，长度为3 m，两端简支，管道充水，流速为20 m/s，压强为1 MPa。管道内径分别为5，10，15，20，25，30 cm时，计算对应的管道固有频率，讨论不同管径对管道固有频率的影响。 由表7绘制成图19，无论是内外层材料性能相近，还是材料性能差别较大的双层管，其固有频率均随着管道内径的增大而增大。在管道半径较小的情况下，管道材料性能相近，管道固有频率相差较小，管道半径增大，管道材料性能对管道固有频率的影响增大。 算例2：管道长度l = 3 m，两端简支，管道充水，流速为20 m/s，压强为1 MPa。内层材料选择黄铜，外层材料选择碳钢，参数同1.4.管道内径为15 cm，管道总厚度为15 mm并保持不变。讨论当内层材料厚度分别为0，1，5，7.5 mm时管道固有频率的变化规律。 根据表8绘制成图20，可以看出对于双层管来说，在内层材料厚度较薄的时候，管道固有频率与单层管接近。在内层材料与外层材料厚度相当的情况下，双层复合管的固有频率与单层管相比，有明显的差异，随着固有频率阶数的增大，固有频率值相差增大。 算例3：选取黄铜-碳钢管，内径为15 cm，取内层管道厚度为3 mm，管道内外层厚度之比分别选1:1，1:3，1:5，1:8，1:10，分析内层厚度不变，外层厚度的变化对管道固有频率的影响。 由图21可以看出，在管道内径一定的条件下，随着管道外内层厚度比的增大，管道的固有频率增大。 4.2. 材料参数变化 算例4：管长3 m，内径为10 cm，两端简支，内层材料厚度3 mm，外层材料为碳钢，厚度7 mm，设定管道内层材料密度为7930 kg/m 3 ，管道弹性模量分别取100，130，160，190，220，250 GPa。管道充水，流速为20 m/s，压强为1 MPa，分析管道内层材料弹性模量的变化对管道固有频率的影响见图22。 在管道其它条件不变的情况下，随着内层材料弹性模量的增大，管道的固有频率增大。 算例5：选取双层管，内径5 cm，内层材料厚度2 mm，外层材料厚度8 mm，外层材料为碳钢，管道长3 m，两端简支，管内液体选择水，流速20 m/s，压强1 MPa。内层材料弹性模量取100 GPa，密度取1000，2000，3000，4000，5000，6000，7000，8000，9000 kg/m 3 。计算管道固有频率。 由图23可以看出，管道材料密度增大，管道固有频率降低，对内径大的管道，固有频率变化更加明显。 图17. 内衬PVC钢管充水实验台 图18. 内衬PVC钢管时域信号图 Table 6 Natural frequency of PVC lined steel pip 固有频率/Hz 充水管道实验 行波法 数值模拟 一阶 21.71 22.18 22.57 二阶 147.96 148.33 149.94 三阶 413.05 419.82 423.77 四阶 836.45 841.51 表6. 内衬PVC钢管固有频率 Table 7 The first order natural frequency of pipe with different inner diamete 管道内径 cm 管道一阶固有频率Hz 黄铜-碳钢 不锈钢-碳钢 陶瓷-碳钢 5 17.5 19.02 17.48 10 31.59 34.51 32.21 15 45.75 50.08 46.64 20 59.93 65.67 61.1 25 74.11 81.26 75.65 30 88.3 96.86 90.02 表7. 不同内径管道的一阶固有频率 Table 8 Natural frequency of brass-carbon steel pipes with different inner layer thicknes 阶数 固有频率Hz 黄铜0 mm 黄铜1 mm 黄铜5 mm 黄铜7.5 mm 1 52.34 51.29 46.81 43.74 3 206.36 205.16 185.22 174.96 5 465.06 461.61 423.51 393.66 7 837.44 820.64 746.38 699.84 8 1301.5 1282.25 1168.12 1093.5 10 1887.24 1846.44 1681.5 1574.64 12 2561.66 2513.21 2293.2 2143.26 表8. 不同厚度黄铜碳钢管道的固有频率 图19. 不同内径管道的一阶固有频率 图20. 不同内层厚度黄铜碳钢管固有频率 图21. 不同内外层厚度比管道的一阶固有频率 图22. 不同弹性模量下管道的一阶固有频率 图23. 管道固有频率随材料密度变化
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user: 5. 结论 双层复合管在工业中得到越来越广泛的应用。研究双层复合管的流固耦合振动对实际生产中设备的安全、经济运行具有重大意义。 1) 本文以工程中常用的双层复合管为研究对象，采用复合材料力学层合板的串、并联模型，对材料参数进行等效拟合，将双层管简化为单层管，通过对空管的理论计算、数值模拟和实验研究，得出并联模型的简化方法对金属材料管具有一定的准确性，串联模型简化方法对非金属的塑料管具有一定的准确性，为研究双层复合管流固耦合振动的动力特性提供了理论基础。 2) 对充液双层复合管流固耦合问题，运用行波法建立管道的流固耦合波导方程，代入等效参数进行求解，并与数值模拟结果和实验结果进行了比较得出结论：行波法解题思路清晰，宜于编程实现，且计算结果与已有成果吻合良好，表明该方法具有较高的数值精度，是解决工程复杂管路系统流固耦合问题的有效方法，具有较大的实用价值和广泛的应用前景。
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user: 摘 要 本文采用FLUENT软件对高温空气–熔盐在翅片管式换热器中的换热进行数值模拟，研究高温空气–熔盐之间的换热与流动特性。在翅片管式换热器的管内走熔盐，管外翅片间走高温空气。模拟主要考察对于不同雷诺数及不同翅片间距下，翅片管式换热器中空气侧的换热和阻力特性。计算结果表明：随着空气侧流速的增加，空气侧表面换热系数有显著增加，而平均阻力系数逐渐减少并趋于平缓。增加空气侧流速可以强化空气侧换热，但是增加流速使得风机的能耗大大增加。在低雷诺数下，翅片表面的换热分布不均匀，换热主要集中在迎风侧，从而使管壁四周换热不均匀，导致管内熔盐形成涡流，从而产生X方向的速度。随着翅片间距的增加，空气侧表面换热系数呈现先增加后减小的变化趋势。 关键词 :翅片管式换热器，数值模拟，高温空气，熔盐，翅片间距
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user: 1. 引言 随着经济的快速发展和人们生活水平的提高，人们对环境和节能关注度越来越高。当前各电厂的发电装机容量都是按照最大需求建设，随着电网峰谷差异日趋增大，必然导致非用电高峰时发电机组的停机或低负荷运行及电网容量浪费。储能可大幅度提高火电机组实际运行效率，增强电网的输电能力。此外，在可再生能源利用方面，风能太阳能等可再生能源具有间歇性和波动性特点，对电网的冲击性很大，导致风能和太阳能发电机组未能并网的比例比较高，这部分的电能浪费比较严重 [ 1 ] - [ 3 ] 。储能可以实现可再生能源平滑波动、跟踪调度输出、调峰调频等优点，使可再生能源发电稳定输出，从而满足可再生能源电力的大规模并网的要求。压缩空气储能系统利用低谷电，将空气压缩并储存于储气室中，使电能转化为空气的内能储存起来。在用电高峰期，空气从储气室释放进入燃烧室同燃料一起燃烧，然后驱动透平发电。分级压缩过程中空气的温度会随之升高，这部分热量往往被浪费掉。高温空气–熔盐高效换热系统能把压缩空气产生的热量储存在熔盐中。 在生活中还有许多高温空气浪费的地方，主要是由于空气与一些常规蓄热介质之间的换热效率低，加上常规蓄热材料蓄热效果也不佳。熔融盐作为蓄热材料能够很好的解决蓄热效果不佳等问题。熔融盐作为高温传热蓄热材料，具有工作温度高，使用温度范围广、传热能力强、系统压力小、有较高的显热蓄热能力、经济性较好等优点。熔融盐已经作为传热蓄热工质的首选，但是国内外对于强化熔融盐与高温空气传热的研究较少。其主要原因是由于熔盐具有高温、高熔点和腐蚀性等特点，进行熔盐对流传热实验研究难度很大。美国橡树岭国家实验室的H. W. Hoffman [ 4 ] [ 5 ] 对电加热情况下的NaOH、Flinak (NaF、LiF、KF混合物)、三元熔盐Hitec在圆管内对流换热情况进行了研究，并认为混合熔盐在换热设备中用作传热流体时，可用McAdams，Dittus，和Boelter以及Colburn提出的标准关联式进行设计。在强化熔盐传热方面有在20世纪80年代，Allman [ 6 ] 等采用了异型管用于熔盐换热的蒸汽发生器，在Myrosla等人采用内插管增强熔盐侧的换热，以减少太阳能热发电中的吸收器。西安交通大学核科学与技术系 [ 7 ] 对核反应器内熔融盐的自然对流进行了数值模拟研究。沈向阳 [ 8 ] 等对高温熔盐在螺旋槽管内流动与换热进行了数值模拟，揭示了高温熔盐在螺旋槽管内强化传热的机理，并进一步对阻力性能进行了研究。刘斌 [ 9 ] 等学者对熔融盐管内流动进行研究，得出了熔盐管内湍流和过渡流对流换热系数试验关联式，并与已有传热关联式进行充分对比。熔盐与高温空气换热属于气液换热范畴，常规强化换热所采用的换热器为翅片式换热器。对于管内走水或者冷却剂的翅片式换热器的研究前人已经做了大量工作。何明勋 [ 10 ] 等对水–空气翅片管换热器进行了实验研究和数值模拟分析，结果发现翅片间距和管排密集度对翅片管换热器性能影响很大，减小翅片间距和增大管排密集度均能增强换热器的换热效果，但压力损失也明显增加。韩建荒 [ 11 ] 等对翅片管式换热器传热和流场流动进行了数值模拟，得到其内部流场和温度场的分布规律。但是对于高温空气–熔融盐在翅片换热器中的研究几乎没有。本文对于翅片管式高温空气–熔盐换热器进行数值模拟。 本文以平片形翅片管式换热器为研究对象，应用FLUENT软件对高温空气–熔盐在平片形翅片管式换热器中的换热进行3D的数值模拟。
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user: 2. 物理问题及数学描述 2.1. 换热器的基本结构参数及整体模型简化 由于翅片管式换热器整体模型较大，若进行全尺寸的数值模拟，网格划分数量会很多，在实际进行数值模拟计算过程中受到计算机软硬件及其他方面条件的限制，无法模拟出翅片管式换热器整体模型的计算结果。翅片管式换热器的翅片在几何结构方面存在着对称性及周期性，因此可以对翅片管式换热器的翅片平面进行截取，截取出部分单元进行数值模拟 [ 12 ] 。本文以方形翅片为研究对象，结构如图1所示，计算区域选为换热通道的一个翅片周期，翅片单位结构尺寸如图2所示，管子内直径DN = 8 mm，管子外直径De = 10 mm，翅片间距S = 2.6 mm，翅片厚度δ = 0.2 mm，翅片长度为22 × 25 mm。为保证计算过程中出口截面处没有回流，出口处有一长通道(通常取5~7倍的管外径)，为保证空气入口处流动状态为紊流，入口处亦设有一通道(通常取3~4倍的管外径)。本文取入口为4倍管外径长度，出口为6倍管外径长度。本文所研究的换热器的传热和流动为三维、稳态换热，计算热介质为空气，冷介质为熔盐，物性为常数，采用316L不锈钢管和铝翅片，具体物性参数见表1。 2.2. 模型的网格划分 在翅片厚度层划分1个单元：假设翅片厚度足够薄，翅片壁面温度很快就能达到均匀，翅片内温度沿厚度方向变化很小，可近似认为是一维温度场，计算过程中可以认为在翅片厚度方向上温度相近而不存在温度梯度分布，因此可以不考虑在翅片厚度方向上所产生的变化过程。用Gambit生成计算网格，整个计算区域较难使用单一结构化网格进行划分，需把物理模型划分为三部分：入口段、翅片计算区域、出口段。入口段和出口段釆用以Elements为Tet/Hybrid、Type为TGrid、Intervalsize为1的方式进行划分；翅片计算区域釆用Elements为Tet/Hybrid、Type为TGrid、Intervalsize为0.2的方式进行划分。划分结果如图3所示。 2.3. 边界条件的设定 忽略翅片和钢管的接触热阻；熔盐在管内流动，熔盐进口流速V h = 0.3 m/s，熔盐进口温度T = 505 K； 图1. 翅片管式换热器的实际模型 图2. 单元翅片的尺寸(单位：mm) Table 1 The physical parameters of high temperature air， molten salt and 316L stainless steel tub 材料 密度ρ kg/m 3 定压比热C P J/(kg∙K) 导热系数λ W/(m∙K) 动力粘度η Pa∙s 高温空气 0.67 1040 0.043 2.8145e−5 熔盐 1907 1457 0.455 0.05 316L不锈钢管 7980 502 35 表1. 高温空气、熔盐、316L不锈钢管的物性参数 图3. 几何模型网格划分示意图 翅片与空气、钢管与空气、钢管与熔盐的接触界面采用流固耦合界面；以翅片为中心的计算区域的边界条件如图4所示，四个侧面为对称边界条件，入口边界采用速度入口，出口边界为压力出口。 2.4. 计算精度及迭代方式的选择 动量方程、连续性方程和其他方程的计算误差均控制为1 × 10 −3 ，能量方程的计算误差控制为1 × 10 −6 。计算采用FLUENT6.0来完成，连续性方程采用Standard格式，并用SIMPLIEC格式算法处理压力与速度耦合问题，动量方程和能量方程采用二阶迎风格式。 2.5. 控制方程(y，z方向速度为零) 连续性方程： (1) 动量方程： (2) 能量方程： (3) 式中：ρ——密度，kg/m 3 ； U——速度，m/s； P——静压，Pa； T——温度，K； Α——热扩散率。
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user: 3. 数据整理方法 3.1. 当量直径D e (按最小过流断面计算) (4) 式中：A——过流断面面积，m 2 ； P——湿周，m。 图4. 计算区域的边界条件示意图 3.2. 雷诺数Re (5) 式中：u——平均速度(直接从FLUENT中读取)，m/s； D e ——当量直径，m； ——运动粘度，m 2 /s。 3.3. 公式周期性翅片表面平均阻力系数f m (6) 式中：ρ——密度，kg/m 3 ； U——平均速度，m/s； P——静压，Pa。 3.4. 局部换热系数h (x) 、平均换热系数 (7) (8) 式中：q——热流密度，W/m 2 ； T wall ——壁面温度，K； T ref ——流体参考温度，K； T air ——空气平均温度，K； ——平均温度(下标fin、tube分别表示翅片、基管处的相应参数)，K； A——壁面面积(下标fin、tube分别表示翅片、基管处的相应参数)，m 2 。
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user: 4. 数值模拟结果分析 4.1. 速度场分布 图5显示在Re = 500时流体在通道内速度场分布，从图中可以看出流体在通道内速度几乎呈对称分布，在通道的上部和下部，入口到出口流体的流速逐渐增加；绕过管道的两边出现了红色区域，表示该区域速度最大。从图5中我们发现在熔盐管道内部的流体也出现了沿X方向的速度变化，具体情况见图6。主要由于在管子的迎风侧截面受热不均匀，导致管子的迎风侧内部熔盐加热方式属于非均匀加热，熔盐由于受热不均匀形成涡流，从而产生X方向的速度；而管子的背风侧由于空气流动速度几乎为零，没有速度变化，从而受热较均匀，没有产生X方向速度。 4.2. 温度场分布 图7为流体在Re = 500的通道内的温度场变化，从图中看出，温度变化发生在近壁面区域，在迎风侧变化相对明显；由于翅片和管子的存在，流体发生绕流，在绕过管子和翅片的两侧等温线比较密集，在背风侧等温线比较稀疏。图8为空气Re = 500时，Z = 0 mm翅片表面上温度分布，可以看出等温线在翅片迎风侧相对密集，背风侧相对稀疏，这说明迎风侧换热强。 4.3. 空气流速对空气侧表面换热的影响 在翅片结构尺寸一定的情况下，增加空气流速，空气在流动方向上由层流转化为紊流。当空气在Re = 30，000时，在Z = 0 mm翅片平面上的温度分布见图9。由图8和图9比较可以看出，对于流速对翅片表面温度的影响，紊流对翅片的影响比层流均匀，等温线比较均匀，等温线分布也比层流密集，说明紊流的温度梯度大，换热比较强烈，翅片和流体之间的热传递作用也就更加明显，对翅片的换热影响比层流大。 从图10可以看出，随着迎面风速的增大，空气侧表面换热系数逐渐增大，较大的迎面风速能够强化对流换热的效果、显著提高翅片管换热器的传热性能；随着迎面风速的增大，空气侧表面平均阻力系数逐渐减小并趋于平缓。但是风速的增加也具有一定的缺点，由于翅片管换热器自身没有运行动力，需要风机带动空气流动，当迎面风速增加时，相应的风机压力增加，使得风机的能耗大大增加，因此根据经验翅片管式换热器一般的进口空气流速应限制在3~4 m/s范围内。 4.4. 翅片间距对空气侧表面换热系数的影响 从图11分别显示了当翅片厚度为0.2 mm，空气进口速度v = 2.7 m/s时，翅片间距对翅片换热器空气侧换热系数的影响。从图中可以看出适当减小翅片的间距，有利于增加空气侧表面系数。由于翅片间距的减小增强翅片间流体的扰动，使表面传热系数提高；但是减小翅片间距是有限的，一般翅片间距不应小于热边界层厚度的两倍，翅片间距过小，由于翅片表面上的热边界的影响，空气侧表面换热系数将会降低，翅片间距S = 1.3 mm对应的空气侧表面换热系数最佳。
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user: 5. 结论 1) 在低雷诺数情况下，由于管子迎风侧受热不均匀，致使管内熔盐形成涡流，从而产生X方向的速度； 2) 翅片结构尺寸一定时，随着迎面风速的增大，空气侧表面换热系数逐渐增大，空气侧表面平均阻力系数逐渐减小并趋于平缓； 图5. Re = 500时的流体的速度场分布 图6. Re = 500时，Z = 0 mm平面上管内流体沿X方向速度变化 图7. Re = 500时的流体的温度场分布 图8. Re = 500时，Z = 0 mm翅片表面上温度分布 图9. Re = 30，000时，Z = 0 mm翅片表面上温度分布 图10. 翅片间距S = 2.6 mm时，空气流速变化对空气侧换热和流动的影响。(a) 空气侧换热系数随空气进口流速的变化情况；(b) 平均阻力系数随空气进口流速的变化情况 图11. 翅片间距对空气侧表面换热的影响 3) 随着迎面风速的增大，翅片平面上的等温线越来越均匀，温度梯度越来越大，翅片和流体之间的热传递作用也就更加明显，空气侧换热系数逐渐增大； 4) 当空气流速一定时，随着翅片间距的增加，空气侧表面换热系数呈现先增加后降低的趋势，翅片间距存在一个最佳值。当空气进口流速v = 2.7 m/s时，翅片间距S = 1.3 mm对应的空气侧表面换热系数最佳。
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user: 摘 要 预处理是手写数字识别中重要的一步，处理结果的优劣直接影响到识别结果的正确与否，直接影响到识别算法的性能。本文主要讨论手写体数字图像的预处理过程，在所用的MNIST库上进行实验，效果良好。 关键词 :手写数字识别，预处理，图像识别
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user: 1. 引言 手写数字识别(Handwritten Numeral Recognition) 是光学字符识别(Optical Character Recognition，简称OCR)的一个分支 [ 1 ] ，主要研究利用计算机自动辨认人手写在纸张上或电子设备的10个阿拉伯数字 [ 2 ] 。手写数字识别技术有很强的综合性，涉及到图像处理，模式识别，人工智能，模糊数学，统计决策理论，模糊数学，综合数学，信息论，计算机等学科，并且在数据统计、邮政系统、文献检索、票据处理、办公自动化等方面有着非常广阔的应用前景。 手写数字识别虽然只有0~9十个字符，书写和笔画结构都比较简单，但识别困难在于不同人的书写样式不同，而且数字的书写一般没有上下文的关联。脱机手写字符的识别一般从纸质载体上采集字符，因而图像预处理的结果将直接影响识别系统的识别率，本文主要研究手写数字识别的预处理过程。 字符识别系统一般分为图像预处理、特征提取、字符识别等模块。预处理技术是手写数字字符识别中非常重要的一步，原始的待识别图像在预处理时被转换成计算机所能接受的二进制形式。减少图像冗余信息、滤出图像中的噪声为图像预处理的主要目的，即在图像预处理时，不但与图像无关的信息要去掉，原图像的特征还要尽量保留完全。 图像预处理时得到的图像信息越好越完整，后期进行特征提取和字符识别时得到的结果越理想，如果图像预处理的结果不理想，不仅会降低系统的识别率，而且也会影响判别的速度，从而降低整个系统的性能。对一般手写体数字识别技术，预处理一般包括二值化、平滑去噪、细化等步骤。
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user: 2. 图像的预处理 2.1. 二值化 图像的二值化处理是指将手写体数字图像中所有像素点的像素值处理成仅有黑(像素值 = 0)和白(像素值 = 1)两个灰度值的图像的过程。进行二值化后的图像信息量大大减少，系统的处理速度得到很大的提升，同时进行特征提取和字符识别时也更加方便快捷。现有的图像二值化的方法大致可以分为3大类：整体阈值二值化法、局部阈值二值化法和动态阈值二值化法。 整体阈值二值化法，指图像的阈值是根据已有的经验或灰度图像直方图的分布来确定的。人工设定整体阈值法要根据不同要本图像的实际情况来设定图像的整体阈值，设 为灰度图像中 点的灰度值，θ为二值化算法给定的阈值，则二值化后的图象 为： 这种二值化方法速度最快最简单。在图像数字清晰、轮廓明显、干扰很小的情况下，该方法的效率特别高。人工设定整体阈值法的缺点是：① 不能根据每幅图像的具体情况设定最佳的阈值；② 阈值θ确定后，在外界环境条件改变时，阈值不能随之改变。 由灰度值直方图确定整体阈值法，图像整体的阈值是根据图像和背景的灰度值自动确定的，图像灰度值的整体分布情况由灰度直方图显示出来。设规范化灰度值g的范围为 ， 为最黑， 为最白。M为灰度级数目， 为第k级灰度的概率，n k 是在图像中出现的灰度级为k的次数，n为图像中象数的总数。则有 灰度直方图就是以 为纵坐标，以 为横坐标作图得到的图像。手写数字图像的灰度直方图一般有两个峰值，图像的笔画部分对应一个峰值，背景部分对应另一个峰值。阈值选取两个峰值处的波谷，波谷越深越陡，图像二值化的效果越好。 2.2. 平滑去噪 图像平滑的主要目的是减少图像中的噪声，在图像处理中噪声是不可避免的问题，图像会因为噪声的存在而变的不清晰，特征不明显，特征提取和识别将会受到严重的影响，因此高效的处理噪声问题在图像处理中是至关重要的。噪声的种类十分复杂，对图像的影响也各不相同，所以要根据噪声的性质选取合适的除噪方法，才能达到预期的效果。 平滑处理，就是将—个 的像素窗口，依次在二值化字符图像的每个像素点上移动，利用逻辑表达式来消除孤立像素的—种技术 [ 3 ] 。设定如下图所示的平滑窗口 同样包括将上述这些窗口旋转90˚，180˚和270˚以后得到的新的平滑窗口。 中值滤波是一种基于排序统计理论的非线性信号细化处理技术，中值滤波可以有效地解决噪声所带来的图像质量下降问题 [ 4 ] ，该技术不仅能有效的抑制图像中的噪声，而且还可以有效的保持图像的边缘特性，图像不会产生显著的模糊。中值滤波的基本思想是，将一点邻域中的像素值按灰度等级进行排序，当前点的灰度值用该邻域的灰度的中值代替，使周围点的像素值更接近真实值，从而消除图像中孤立的噪声点。中值滤波步骤为：采用某种结构的二维滑动模板在图像中游走，并且将模板的中心与图像中某像素点重合；将模版中各个像素对应的灰度值读出，并将这些灰度值从小到大或从大到小进行排序；取出该列数据的中 间值，将模板中心位置的像素值用该值代替。中值滤波的输出为 ， 其中， 、 分别为原始图像和中值滤波后的图像，W为二维模板，通常为 ， 区域。因为图像是二维信号，所以其窗口的形状和尺寸对滤波效果的影响特别大，往往根据不同的图像和不同的应用要求选择窗口的形状和大小。 2.3. 细化 细化就是连续移除图像的最外层像素，直到连同的、单位像素的图像骨架产生，图形用该骨架所取代。中轴线是图像细化后最理想的状态，好的细化算法一般要满足：(1) 算法的收敛性；(2) 细化后细线的连通性；(3) 原图像的基本形状保持不变；(4) 减少笔画相交处的畸变；(4) 中轴线为细化后的结果；(5)细化的快速性；(6) 迭代次数少。 根据是否采用迭代运算可以分为非迭代算法和迭代算法。非迭代算法一次就可以产生骨架，如游程长度编码细化、基于距离变换的方法等。迭代算法需要把图像边缘满足一定条件的像素删除掉，使骨架变成单像素带宽。根据其检查像素的方法不同又可把迭代方法再分成串行算法和并行算法。串行算法在是否删除像素在每次迭代的执行中是固定顺序的，它取决于前次迭代的结果和本次迭代中已处理过的像素点。并行算法是像素点删除与否与像素图像中的顺序无关，仅取决于前次迭代的结果。 目前已有不少细化算法，如经典细化算法，Pavlidis异步细化算，Deutseh算法，Zhang快速并行细化算法等。其中Zhang快速并行细化算法是一种实用的细化方法，它具有速度快和保持细化后曲线的连通性等优点。 在1984年Zhang提出了Zhang快速并行细化算法。其最突出的优点是对于直线、T行交叉和拐角，经过算法细化后能够比较精确地和原图像保持一致 [ 5 ] 。设1标记已知的目标点，用0标记背景点。本身标记为1而其8-连通邻域中至少有1个点标记为0的点定义为边界点。算法对边界点进行如下操作： 考虑以边界点为中心的8-邻域，记中心点为p1，其邻域的8个点顺时针绕中心点分别记为 ，其中p2在pl上方。首先标记同时满足下列条件的边界点： 同第(1)步，仅将前面条件(1.3)改为(2.3) ；条件(1.4)改为条件(2.4) 。同样当对所有边界点都检验完毕后，将所有标记了的点除去。 一次迭代算法由以上两步操作构成。直至没有再满足标记条件的点，剩下点即为运行细化算法后得到的图像的骨架。
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user: 3. 结论 图像预处理是手写体数字识别的基础，特征提取和图像识别直接受到预处理结果好坏的影响。由于手写数字图像目标和背景像素在灰度值上有明显的差异，采用基于直方图阈值的双峰法进行图像的二值化，采用Zhang并行细化算法很好的保持了原图像的骨架、减少了像素的存储量。通过以上的预处理操作，图像中与识别无关的信息点被去除，减少了存储的信息量，并且保留了原字符图像的特征，有效的提高了数字识别网络的性能。
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user: 摘 要 室内清扫机器人的应用越来越广泛，其路径规划直接影响到清扫效率和质量，一直是研究的热点。对传感器精度种类和精度的过高要求，可能降低路径规划的适应性，或者导致成本不可接受。在分析室内清扫机器人路径规划需求的基础上，提出了一种基于碰撞检测的纵横弓式路径规划方法，算法简单有效，区域覆盖率高，环境适应性强。 关键词 :清扫机器人，路径规划，碰撞检测，栅格地图，区域覆盖
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user: 1. 引言 随着社会与科技的发展，机器人已经不再是单纯的生产工具，开始逐渐进入到家庭，成为直接服务大众的智能家用电器。室内清扫机器人就是其中典型的代表，它能凭借一定的人工智能，自动在房间内完成地板清理工作。目前，市场上已经出现了各种档次不同品牌的室内清扫机器人，越来越多的家庭购买了这类产品。人们关心的是：扫不扫得干净？扫得快不快？使用复杂不复杂？这三问包含了“用户体验”的主要方面，也是室内清扫机器人研发追求的目标。 与仓库、建筑外墙、室外等其它应用场合的清扫机器人相比，室内清扫机器人在清扫质量、快捷性和操作简易性等方面的要求更高。为了实现更好的用户体验，除了在清洁子系统上改进之外，很重要的就是提升器智能化程度，力求实现更高效的路径规划。清扫机器人的路径规划是指根据自身传感器的对环境感知，找到一条最优路径遍历环境中的每一个点，也就是全覆盖路径规划 [ 1 ] 。 现有的室内清扫机器人产品，按照路径规划的能力可以分为两类：一类是随机碰撞式，也可以视为无路径规划。这类产品操作简单、成本相对较低，市场占有率高。但资料表明，该类产品第四遍才能达到98%的区域覆盖率 [ 2 ] ，清扫效率不高。另一类路径规划式，机器自身行走具有明确的路线，不做无谓的重复清扫。这类产品技术门槛较高，传感器等硬件成本高，多属于高端机型。 清扫机器人路径规划的方法研究一直是研究的热点。本文着眼于适用普通家庭，研究室内清扫机器人的路径规划方法，力求立足现有中低端传感器能力，通过更好的路径规划提升用户体验。
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user: 2. 室内清扫机器人路径规划研究现状 室内清扫机器人的路径规划可以分为两个步骤 [ 1 ] ：一是环境感知，即确定需清扫的区域；二是规划路径，即确定清扫的线路，实现区域覆盖。 环境感知的方法又可以分为两种：一种是外界输入，由人或其它系统负责获取环境信息。比如大型仓库，可以采用地面画标识线的方式直接确定清扫区域和路径，清扫机器人采用最简单的巡边运动模式，按照标志线指示清扫即可。对于室内家居环境，地面画线通常是不适宜的，一种可能的方式是由人提供地图。但由于操作复杂，家具摆放变化就需要更新地图，一般很少采用。另一种是自我感知，由清扫机器人自己获取环境信息并确定清扫区域。这就需要用到各类传感器，主要有：碰撞开关、超声测距、红外测距、激光测距、视频、陀螺仪、罗盘、无线导航定位等。机器人通过自己不同地点、不同角度的测量，自主确定清扫区域。 规划路径的方法很多，实质上是一个寻优策略和算法的问题，出现很多运用模糊控制、人工势场法、A*算法、神经网络、遗传算法、树/图遍历等技术的解决方案 [ 1 ] [ 3 ] - [ 6 ] 。规划路径的主要约束条件是环境感知的结果和清扫机器人的运动控制能力。所谓清扫机器人的运动控制能力是指其定位、转向、直行的反应速度和精度等，主要取决于运动控制子系统和传感器的能力 [ 7 ] 。通常，用步进电机控制转向、直行都没有大的问题。定位能力是清扫机器人的弱项，依靠机器人按照自身运动轨迹进行推算，误差的积累增长很快。利用周边环境信息提高定位精度成为常用的方法。因此，环境感知与规划路径两个步骤并不是截然分开的，在清扫过程中不断细化获取环境信息，修订规划的路径，能够带来更好的适应性。
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user: 3. 室内清扫机器人路径规划需求分析 用户需求是产品设计的根本牵引。将用户需求梳理转化为技术需求是实施技术方法研究的基础。 在清扫效果方面，用户希望不留死角、无残留垃圾。为此，室内清扫机器人的路径规划要实现区域全覆盖，避免清扫盲区，尤其是室内边脚区域，最易积尘。实际使用中发现：只清扫一遍往往效果不佳，最好清扫两遍，同时配合灰尘检测，对垃圾多的地方实施重点清扫(很多中低端产品都已有重点清扫功能)。这也是有时感到随机碰撞式清扫机器人效果更好的原因。用路径规划一遍区域全覆盖的时间与随机碰撞式的总清扫时间相比较实际上是不合理的。 在清扫效率方面，用户希望在保证质量的前提下，越快越好，或者一次充电清扫的面积越大越好。为此，路径规划应减少清扫路线的重复，同时避免机器进入某狭小区域后无法脱困。 在操作便捷方面，用户希望尽量减少人的事先准备和清扫过程中的干预。为此，路径规划要尽量采用全自动的方式，避免复杂的用户操作培训。外界输入的环境感知方式是不适宜的。 作为一种消费类的电子产品，用户对其价格是非常敏感的。好的导航类清扫机器人如果价格过高，很多消费者可能宁愿选择价格便宜的随机碰撞式产品。 按照目前的成本水品，精准度最高的激光雷达等传感器不宜采用。扫地机器人鼻祖，美国的iRobot，也放弃使用激光雷达 [ 8 ] 。有些方案利用视频信号，通过对家具的图像识别进行定位；有些方案采用若干个支持ZigBee协议的无线终端设备作为锚节点 [ 9 ] ，对清扫机器人进行交叉定位，等等。这些方案，要么成本不够低，要么技术不成熟，要么精度不够高。作为定位当前可用传感器的主流是碰撞检测，或者短距离(几十厘米)、粗精度(几厘米)的红外/超声测距等。