动态性能检测（共9篇）
动态性能检测 篇1
图像的摄制过程决定了人脸图像识别系统必须面对不同的光照条件、视角、距离变化等非常困难的视觉问题, 这些成像因素都会极大影响人脸图像的表观, 从而使得识别性能不够稳定。尤其是在用户不配合、非理想采集条件下的人脸识别问题, 更成为目前的热点问题。
本文所针对的基于动态图像的人脸识别系统的研究设计目的在于通过前端摄像头判断某一视野是否有人, 如果有人则对其身份进行鉴定, 进而作出一些必要的反应。
该基于动态图像的人脸识别系统研究的关键问题及研究思路如图1所示:
1. 图像采集环节
图像采集是指将前端摄像头传过来的信号采集为视频和图片。该环节包括三个研究重点:
(1) 采集摄像头传来的视频信号
(2) 对采集到的视频进行分割与取帧
(3) 对处理后的视频的再现
在具体的实现过程中, 此处我们在Windows操作系统下, 采用VFW方法, 对数字摄像头进行操作, 用VC6.0编程。
2. 人脸检测与分割环节
根据采集的图像, 确定图像中是否有人脸, 如果有则确定人脸的位置, 并转化成标准大小的人脸图像。此处我们采用基于皮肤颜色的人脸检测方法。首先在图像中检测人的皮肤, 确定皮肤的位置, 以此作为人脸的候选区域。再在这些候选区域中检测脸部特征, 进一步确定人脸区域。
2.1 主要研究步骤
第一步:光线补偿
第二步:将RGB图像转化为YCBCR图像
第三步:建立皮肤颜色的高斯分布模型
第四步:用高斯模型检测出图像中的皮肤区域
第五步:求出皮肤区域中皮肤色调的马氏距离图
第六步:用主成份分析法确定皮肤区域是否是人脸
2.2 主要涉及算法及说明
(1) 光线补偿与将RGB图像转化为YCBCR图像的目的是减小外界光照的影响;
(2) 建立皮肤颜色的高斯分布模型;
(1) 实现思路:
利用皮肤颜色服从高斯分布, 计算公式如下:
(2) 辅助工作:
收集皮肤图像样本 (收集一些皮肤图像样本) , 统计计算出皮肤颜色高斯分布的参数。
(3) 用高斯模型检测出图像中的皮肤区域;
(1) 实现思路:
根据上面的高斯模型, 可以直接计算出颜色c是皮肤的可能性的概率, 也可用从颜色向量c到均值向量的Mahalanobis距离来度量, 计算公式如下:
(2) 研究步骤:
第一步:计算图像的马氏距离
第二步:根据马氏距离确定图像中各点像素是否是皮肤像素
第三步:对皮肤像素进行膨胀与腐蚀
第四步:去除假区域
第五步:确定可能的人脸区域并缩放到标准人脸图像大小
第六步:用MATLAB进行编程。
3. 人脸识别环节
人脸识别环具体内容在于根据前面检测的人脸图像, 计算其特征, 根据这些特征判断是不是已知的人脸, 从而确定人的身份。这些特征可以是具体的, 也可是抽象的。为了便于计算, 可以将人脸图像作为高维空间的一个点或一个向量, 将这个高维向量映射到维数较低的向量空间, 并用映射空间的向量表示人脸图像, 来进行人脸识别。
3.1 实现思路
利用特征脸法。在人脸识别中, 用主成份分析方法对人脸图像的原始空间进行转换, 即构造人脸图像数据集的协方差矩阵, 对之进行正交变换, 求出协方差矩阵的特征向量, 再依据特征值的大小对这些特征向量进行排序, 每一个向量表示人脸图像中一个不同数量的变量, 这些特征向量表示特征的一个集合, 它们共同表示一个人脸图像。在人脸识别领域, 人们能常称这些特征向量为特征脸。每一个体人脸图像都可以确切地表示为一组特征脸的线性组合。采用MATLAB进行编程实现, 仿真对象是ORL (Olivette Research Lab) 标准人脸库。
3.2 算法训练过程
(1) 构造训练样本集trainingSet即从人脸图像目录中读取多个人脸图像到trainingSet中;
(2) 计算出所有训练样本的平均脸meanImage和各训练样本相对于平均脸的差值图像differenceImages;
(3) 用特征值分解的方法求差值图像differenceImages的特征值和特征向量Eimage Eval;
(4) 求训练集中的每个差值图像相对于各特征向量上的投影值xuWeight构成的特征脸向量;
(5) 计算每一类的平均投影值xuAveWeight (对于最近邻法不需要这一步)
3.3 算法识别过程
(1) 读取一幅待识别图像recogniseImage
(2) 求取该图像相对于平均脸meanImage差值图像recDiffIm
(3) 求差值图像recDiffIm在各特征向量上的投影weight
(4) 求该投影值weight构成的向量与各类的xuAveWeight构成的向量之间的欧氏距离xuDiffWeigh (基于夹角最小法则:该投影值weight构成的向量与各训练样本的xuWeight构成的向量之间的夹角余弦)
(5) 判断与最小的欧氏距离xuDiffWeight则该图像属于该类 (基于夹角最小法则:判断最小的夹角余弦所对应的训练样本所属类为该图像的类别)
4、人脸特征库管理环节
主要包括对皮肤图像库的管理、对已知人脸图像库的管理, 对各种学习方法的管理和计算出的人脸各种表征值的管理。
本系统因为在设计开发实现过程中使图像采集受各种外界条件影响很小, 实际检验证明可使实际识别性能获得较大提高。
摘要：图像的摄制过程决定了人脸图像识别系统必须面对不同的光照条件、视角、距离变化等视觉问题, 尤其是在用户不配合、非理想采集条件下, 这些成像因素都会极大影响人脸图像的表观, 从而使得识别性能欠稳定。笔者研究设计了一个确实可行的基于动态图像的人脸识别系统, 本文阐述了研究的关键问题及研究思路, 并对其中的人脸检测与分割环节、人脸识别环节的研究步骤和算法进行了深入探讨。
关键词：动态图像,人脸检测与分割,人脸识别,高斯分布模型,特征脸
动态性能检测 篇2
车辆动态性能道路测试系统能完成按照相关国家标准规定的主要汽车整车性能道路试验与数据分析，本系统主要包括以下整车道路试验的测试与数据分析：
(1)动力性试验(满足相关国家标准“汽车最低稳定车速试验方法”GB/T12547-2009、“汽车最高车速试验方法”GB/T12544-2012、“汽车加速性能试验方法”GB/T12543-2009、“汽车速度表、里程表校验校正方法”GB/T12548-1990、“汽车爬陡坡试验方法”GB/T12539-1990、“汽车牵引性能试验方法”GB/T12537-1990、“汽车滑行试验方法”GB/T12536-1990);
(2)燃料经济性试验(满足相关国家标准“汽车燃料消耗量试验方法 第一部分：乘用车燃料消耗量试验方法”GB/T12545.1-2008、“轻型汽车燃料消耗量试验方法”GB/T19233-2003)、“商用车辆燃油消耗量试验方法”GB/T12545.2-2001);
(3)制动性能试验(满足相关国家标准“汽车制动系统结构、性能和试验方法”GB/T12676-1999、“机动车和挂车防抱制动性能和试验方法”GB/T13594-2003);
(4)操纵稳定性试验(满足相关国家标准“汽车操纵稳定性试验方法”GB/T6323-2014);
三、测试系统工作条件
(1) 工作环境：温度 -40°C ～70°C，相对湿度<95%(不结露);
(2) 工作电源：9～36VDC及220V交流电，具有短路和短接保护功能;
(3)测试系统主要用于车辆道路试验和试验室试验，应符合车载使用条件，在试验时保持振动下的可靠性;
(4) 抗振动性能：满足MIL-STD 810F 514.5 procedure I
抗冲击性能：满足MIL-STD 810F 516.5 procedure I;
(5) 防护等级：不低于IP54;
四、系统基本组成
(1)数据信号采集系统(多种类型数据信号接口);
(2)整车姿态传感器(满足操稳性试验要求的陀螺仪);
(3)车速传感器;
(4)油耗传感器;
(5)方向盘力角测试仪;
(6)制动踏板触发及踏板力计;
(7)牵引力传感器;
(8)笔记本电脑;
(9)数据采集与车辆动态性能分析软件;
(10)电源适配器(逆变器)及交、直流电源线;
(11)各传感器满足本项目测试要求的配附及安装件。
五、主要技术参数
(1)数据信号采集系统(多种类型数据信号接口)，建议品牌型号： INDAS- 5000、DEWE43、2HE-PCI-T8。
处理器：400MHz实时处理器;
储存器：支持最高32G工业级SD卡(标配4G)，支持USB固态硬盘扩展外存储器;
采样率：250kS/s;
模拟电压/电流输入接口(至少16通道，支持电压、电流两种信号的接入,电压：±10V输入，电流：4mA-20 mA，精度：<0.1%);
频率(轮速)输入接口(至少8通道，测量范围：0Hz-500kHz;电平范围：±24V，供电：24VDC，精度：<0.1%)
车载专用采集器，高精度测速和触发逻辑全部由硬件完成，具有以下接口：
高速以太网数据通讯接口，兼容IEEE 802.3无线局域网;
GPS车速传感器接口;
油耗仪传感器接口(要求能接入正交TTL双脉冲信号，防反向抖动);
方向盘力角测试仪接口;
发动机转速传感器接口;
踏板力传感器接口;
踏板触发器接口;
CAN总线接口(连接INDAM模块和车辆ECU);
外检同步接口;
(2)整车姿态传感器(满足操稳性试验要求的惯性陀螺仪)，建议品牌型号：XFord 2500及3000系列陀螺仪、MTi-G-700、Ki-Smotion 、xProINS。
测速精度：0.1km/h;
侧倾角/俯仰角精度：0.05度;
航向角精度：0.15度;
跟踪角精度：0.15度;
侧滑角精度：0.25度;
加速度测量范围：10g;稳定性：2μg;非线性度：0.01%;
角速度测量范围：100度/秒;非线性度：0.05%;
(3)车速传感器(高精度20Hz级以上 GPS车速传感器)
卫星原始更新频率20Hz，3～5V有源天线，供电电源9～36VDC;
测速范围：0.1km/h ～ 500km/h;精度：0.1km/h;分辨率：0.001km/h;
测距范围：无限制;精度：< 30 cm/km (6颗卫星以上，匀速行驶);
分辨率：1mm
车速、距离偶数字量和模拟量输出;
具有供驾驶员(三参数显示器)和试验员(触摸彩色显示器)使用的两个显示器接口;
支持脱离电脑使用，可通过USB和以太网接口连接计算机;
具备模拟量输入通道，可再进行制动试验时实时监测最大踏板力;
具有触发输入通道，可连接制动开关;
配合油耗仪可完成燃油经济性试验;
QEI输入(支持1路正交编码器信号输入，可用于连接油耗仪等AB相信号输出型传感器，测量油耗时对回油进行计算)
可以同步采集CAN总线数据，包括从ECU获取转速等;
支持扩展INDAM系列数据采集模块，
(4)油耗传感器(带回油和循环冷却)，建议品牌型号：KISTLER -DFL1X、日本ONOSOKKI 、YT-826。
满足瞬时油耗、累积油耗测量。
适用燃料：汽油、柴油、生物柴油及其他代用燃料;
测量范围： 0.5-150 L/h;
分辨率：0.002L
测量精度：±0.5%;
重复性： ±0.2%;
工作压力：max. 5bar ;
供电电压：DC 10-26V及AC 220V;
内置压力调节器;
相关附件：信号线、电源线、耐高压软管和自封接头、不同的快速接头用于燃油输入和输出(含油滤)等。
(5)方向盘力角测量仪，建议品牌型号：KISTLER-SMW、法国FGP系列、FEL20。
测量参数：转向力矩、转向角和转向角速度
转向力矩：±250Nm/±50Nm
精度：0.1%FSO
转向角：>±1250°
转向速度：≤2000o/秒
精度：0.05°
供电：DC 10-26V及AC 220V
(6)制动踏板触发及踏板力计
量程：100kg(980N)，综合精度(线性+滞后+重复性)：0.5%，灵敏度：1.5mV/V，供桥电压：10VDC，工作温度：-20℃～+65℃，安全过载：150%FS
(7)牵引力传感器
量程：20T ，综合精度(线性+滞后+重复性)：0.5%，灵敏度：1.5mV/V，供桥电压：10VDC，工作温度：-20℃～+65℃，安全过载：150%FS
(8)笔记本电脑
显示屏15英寸，内存64GB，硬盘1T，正版64位Windows系统软件。
(9)数据采集与车辆动态性能分析软件
六、数据采集与车辆动态性能分析软件功能
本软件为中文Windows界面，兼容Windows XP和Windows 7等操作系统。采用模块化设计，简单易用，普通的熟悉电脑的人员只需要经过简单培训即可熟练操作。
(1)通用数据采集与基本分析
通用数据采集与基本分析模块软件需专为汽车测试而优化设计的，具有很强的通用性，能完成数采系统各通道参数设置、数据的采集、存储、分析、回放等功能，满足大多数汽车数据采集的要求。
软件界面及要求如下：(参考)
• 直接显示测量值
每个通道都可以设置传感器转换因子，可以设置增益和偏移值。也可以通过选择相应的测量功能和物理量范围，由软件自动来计算换算关系。这样在软件中显示、存储、分析的数据就直接是实际测量的物理量。
• 曲线示波
测试数据实时的以数值和曲线的.方式输出到界面中，多通道彩色示波器利用不同的颜色区分各个通道的数据曲线。用户可以选用自动坐标范围、或手动指定坐标范围。曲线可以进行平移、放大、鼠标读数、十字光标读数等操作。整个示波器可以复制到Word、Excel等软件中，方便用户进一步分析和制作报告。 • 虚拟通道
如果希望能直接得到通道间的运算值，比如压差、温差等，就可以利用虚拟通道来实现。虚拟通道可以由用户来设定加、减、乘、除、幂、对数、常用三角函数等复杂的计算，而参与这些复杂运算的变量可以为任意的模拟通道。软件会根据公式自动计算最后结果。虚拟通道的值和物理通道的值一起参与显示、绘制曲线、存储和分析。
• 数据存储与分析
用户可以指定数据存储开始的时间，存储总时间。也可以指定存储的存储路径和文件名。存储的数据可以方便的转换为EXCEL格式的文件，也可以事后导入到本软件中进行分析，可以采用回放的方式，播放之前采集的数据，示波器中会动态回放采集的整个过程。 • 通道描述信息
每个通道可以输入描述信息，比如传感器的位置、测量的物理量名称等。在主界面上可以选择显示物理通道名或描述信息，使测量数据的读数显得更加直观。
• 通道报警
每个通道可以设置报警模式、限值和是否启用报警。报警模式包括高低报警、只高报警和只低报警，一旦该通道的测量值超出了报警限值，软件会自动将报警发生的时间、通道、原因等显示在界面上，用户可以将报警信息导出存储到文本文件中。
• 频率测试通道
多个频率测试通道可以用来测量发动机转速、车速等脉冲信号，因为发动机转速一般需要除以齿轮数才能最后得到，软件的通道设置中，具有前置放大器设置项，用户只需要在设置项中填入齿轮数，软件就会自动换算出最终的转速。 • 通道设定功能齐全
用户可以设定采样时间间隔、测试功能、小数点位数、描述信息、线性计算、单位、前置放大器倍数、报警相关等信息。
• CAN2.0 总线参数同步采集
1) 读取、解析CAN总线上周期性报文中的参数，直接显示在软件界面上
2) 以1 Mb/s的速率记录100%总线载荷且不掉帧
3) 可选高速和低速模式
4) 遵循CAN2.0A和CAN2.0B标准
5) 支持SAEJ1939，SAEJ1587等上层协议 • 同步采集GPS、陀螺仪数据
用户可以选择接入的GPS或陀螺仪类型，软件将依据标准协议读取外部设备中的参数，并直接显示在软件界面中。获取到的这些参数可以和其他采集模块测到的数据一起进行同步存储、分析。
具有数据信号采集系统中各个数据通道的传感器参数设置、信号采集参数设置、多种格式的数字信号保存与常规分析(频谱分析、相关、相干分析等)等功能。
(2)汽车基本性能试验测试与分析
针对汽车基本性能试验的各个国家标准设计的软件，分成了5个专用的试验软件，每个软件都可以完成传感器识别、数据采集、数据存储与分析、报告生成等全部工作。其具体特点如下：
1) 软件可自动识别当前连接的采集模块的传感器，方便使用;
2) 全中文界面设计，简单易用;
3) 软件具有完善的存储、分析和数据回放功能;
4) 测试结果以数值和曲线的方式同步输出在软件界面中;
5) 测试曲线可以进行放大、平移、光标读数，可以拷贝到剪贴板或直接打印;
6) 软件可自动生成国家标准要求的格式报告，用户也可以自定义WORD|格式报告模板;
7) 原始数据可以转换成Microsoft Office Excel格式文件;
用户可以自动义软件测试流程，获取更多测试结果
专用软件完成汽车基本性能试验项目要求如下：
1)动力性试验
① 最低稳定车速、最高车速试验数据采集与分析软件
② 起步加速试验、直接档加速试验数据采集与分析
③ 汽车牵引性能试验数据采集与分析(需配接相应的牵引力传感器)
④ 车速里程表校验软件
⑤ 非接触车速传感器白线标定
2)经济性试验
① 滑行试验数据采集与分析
② 等速油耗试验数据采集与分析
③ 综合油耗试验数据采集与分析
3)制动性试验
① 制动性能试验数据采集与分析
4)汽车操纵稳定性试验测试与分析
①稳态回转试验
②转向轻便性试验
③转向回正试验
④转向盘角阶跃输入试验
⑤转向盘角脉冲输入试验
⑥蛇行试验
⑦转向盘中心区试验(2014最新标准)
(3)图文并茂的软件界面
蛇形试验界面
转向轻便性试验数据处理界面
转向轻便性试验结果表格
CMSA喷头动态热性能研究 篇3
在工业仓库内堆满各类易燃材料,发生火灾时火焰具有极高的热释放率和速度超过10 m/s的热气流。为应对这种挑战,在过去的十几年时间里,各国陆续研制生产了ESFR喷头,并广泛应用于各类型的高架仓库。然而在ESFR喷头的应用中也发现,由于ESFR喷头喷洒的水滴遇到类似钢梁等障碍物时,动量会大大降低,造成ESFR喷头灭火效能的下降,因此ESFR喷头在实际应用中对障碍物有严格的限制。但在高架仓库中类似钢梁、管网等障碍物很多,这一要求往往很难得到满足。其次,由于仓库中气流的影响,火灾发生时,热气流流动方向会发生变化,造成设计区域以外的ESFR喷头启动,系统不能正常发挥效用。为解决ESFR喷头所面临的问题,近几年研制完成了CMSA喷头,其洒水范围内不受到障碍物的遮挡影响,响应时间指数属于标准响应喷头范畴。由于有效解决了ESFR喷头应用中存在的问题, CMSA喷头在高架仓库得到了越来越广泛的应用。
目前,我国尚无CMSA喷头的产品标准对其性能做出统一、科学、合理的规定,其响应等级没有明确的规定和划分,因而有必要对CMSA喷头进行热响应试验来划分并规定其响应等级,以更好地指导CMSA喷头产品设计、生产和应用。该项研究为CMSA喷头响应等级的划分提出了一种思路,有利于产品质量的提高、性能的稳定,保证该产品在消防中切实有效地发挥作用。
1 国内外技术现状
1.1 国内研究情况
近几年国内一些机构开展了CMSA喷头的研究,取得了一定成果。公安部天津消防研究所对CMSA喷头的布水性能及灭火性能开展了相应的实验研究,依据这些研究所取得的成果并结合国外的经验,GB 50084《自动喷水灭火系统设计规范》修订组在标准修订过程中增加了仓库设置CMSA喷头的要求,并给出了CMSA喷头的定义、设计应用参数等。
1.2 国外研究情况
国外的研究机构,如FM实验室、UL实验室等,针对CMSA喷头开展了大量的实验研究。根据国外研究机构所做的试验,CMSA喷头能够在较小的火灾规模下动作,并且水滴在下落过程中能够迅速穿透上升的火羽流,直至燃烧物表面。根据国外火灾试验,如果点火位置在喷头正下方,开放1只喷头即能有效控制火势,如果点火位置在2个喷头中间,则开放2只喷头即能控制火势,实施灭火。
FM实验室于2005年制订了CMSA喷头的设计应用标准,规定当仓库自动喷水灭火系统采用CMSA喷头时,屋顶钢结构件不需采用其他保护。在NFPA 13《自动喷水灭火系统安装标准》(2007年版)中也规定了该类喷头的应用参数。
CMSA喷头在布置上类似于ESFR喷头,最重要的是在喷头的洒水范围内不受到障碍物的遮挡。但与ESFR喷头仅可用于湿式系统不同,CMSA喷头可用于湿式、干式及预作用系统中。
FM实验室于2006年制订了CMSA喷头的产品标准,该标准对CMSA喷头的布水性能、实际洒水密度性能、火灾性能等均作出了规定。UL实验室于2009年制订了CMSA喷头的产品标准。
目前,国外的企业生产的CMSA喷头有流量系数K161,K242、K283、K363等几种,安装形式有直立型、下垂型两种,热敏元件有玻璃球以及易熔合金两种,响应等级一般为标准响应等级。图1为CMSA喷头外形图。
2 试验方案
利用公安部天津消防研究所的风洞试验装置对CMSA喷头进行动态热试验,分别测定下垂型和直立型CMSA喷头导热系数C的值,然后在风温197 ℃,风速2.5 m/s的恒定热风作用下选取A向、B向、C向、偏离最不利方位、偏离最不利方位15°等几个方向来测定CMSA喷头的响应时间,通过响应时间来计算响应时间系数(RTI),最后分析整理试验数据得出结论。
3 结果与分析
3.1 等速率升温试验计算导热系数
等速率升温试验在风洞试验装置中进行,CMSA喷头固定端温度为20 ℃。试样在标准方位进行试验。将喷头插入流速为1 m/s 的气流中,试验初始气流的温度为该喷头的公称动作温度。气温以1 ℃/min的速率上升,直至喷头动作。记录气体的流速、喷头固定端的温度和喷头的动作温度,通过GB 5135.1中的C系数计算公式计算得到CMSA喷头的导热系数C的值见表1所示。
由表1可以看出,下垂型和直立型CMSA喷头的C系数都小于0.5,国家标准中规定C系数小于1.0是快速响应喷头或特殊响应喷头,C系数小于2.0是标准响应喷头,仅从C系数无法判断CMSA喷头的响应类型,所以还需进行响应时间指数试验来划分CMSA喷头的响应等级。
3.2 按ESFR喷头RTI计算方法划分CMSA喷头响应等级
CMSA喷头作为一种新型的洒水喷头,其结构形式更接近于ESFR喷头,所以首先采用ESFR喷头的响应时间系数计算方法来计算CMSA喷头的响应时间系数。
在风温197 ℃、风速2.5 m/s的恒定热风作用下,选取A、B、C三个方向来测定CMSA喷头的响应时间,响应时间系数RTI的计算采用GB 5135.9中的响应时间系数的计算公式进行计算。
(1)下垂型CMSA喷头A、B、C三个方向下的RTI值。环境温度为20 ℃,平均液浴动作温度为71.9 ℃,下垂型CMSA喷头,试验数据见表2所示。
从表2中可以看出:下垂型CMSA喷头在A、B两个方向时响应时间系数的平均值分别为149.44和155.36,这两个数值比较接近,在C向时响应时间系数的平均值为214.29,该数值明显大于A、B两个方向上的数值,下垂型CMSA喷头在三个方向上的数值均不符合GB 5135.9的规定。
(2) 直立型CMSA喷头A、B、C三个方向下的RTI值。环境温度为22 ℃,平均液浴动作温度为72.2 ℃,下垂型CMSA喷头,试验数据见表3所示。
从表3可以看出,直立型CMSA喷头在A、B两个方向时响应时间系数的平均值分别为164.64和165.46,这两个数值比较接近,在C向时响应时间系数的平均值为503.29,该数值远远大于A、B两个方向上的数值,且直立型CMSA喷头在三个方向上的数值也均不符合GB 5135.9的规定。
3.3 按普通洒水喷头RTI计算的方法划分CMSA喷头响应等级
在风温197 ℃、风速2.5 m/s的恒定热风作用下,选取标准方位、偏离最不利方位和偏离最不利方位15°等三个方位来测定CMSA喷头的响应时间,响应时间系数RTI的计算采用GB 5135.1中的响应时间系数RTI的计算公式计算。
(1)下垂型CMSA喷头标准方位、偏离最不利方位、偏离最不利方位15°三个方向下的RTI值测试数据见表4所示。环境温度为20 ℃,平均液浴动作温度为71.9 ℃,下垂型CMSA喷头。
从表4中可以看出:下垂型CMSA喷头在标准方位、偏离最不利方位、偏离最不利方位15°三个方向的RTI平均值分别为150.43、139.25和141.86。下垂型CMSA喷头在三个方向上的数值均符合GB 5135.1关于标准响应喷头的规定。
(2)直立型CMSA喷头标准方位、偏离最不利方位、偏离最不利方位15°三个方向下的RTI值见表5所示。环境温度为22 ℃,平均液浴动作温度为72.2 ℃。
直立型CMSA喷头在标准方位、偏离最不利方位、偏离最不利方位15°三个方向的RTI平均值为142.99、133.75和133.87,直立型CMSA喷头在三个方向上的数值均符合GB 5135.1关于标准响应喷头的规定。
4 结 论
通过对下垂型和直立型两种CMSA喷头进行动态热研究,得出了以下结论:
(1)CMSA喷头虽然与ESFR喷头比较接近,但不能采用GB 5135.9中的响应时间指数来判定其响应类别。
(2)采用GB 5135.1中的试验方法对CMSA喷头进行动态热试验,其试验结果中的标准方位、偏离最不利方位和偏离最不利方位15°,三个数值没有明显的区别,不符合GB 5135.1中偏离方位应比标准方位大的特点。
(3)CMSA喷头的C系数为0.30,而其RTI值明显处于普通喷头中标准响应喷头的范围,可以考虑计算方法采用GB 5135.9的计算公式来计算CMSA喷头的C系数和RTI值,分类采用普通洒水喷头的分类,把其归入标准响应喷头的范围。
参考文献
[1]NFPA13(2007年版),自动喷水灭火系统安装标准[S].
[2]Data Sheet 2-7,Installation rules for sprinkler systems using con-trol mode specific application(CMSA)ceiling sprinklers for storageapplications[S].
[3]宋波,金文,刘激扬.ESFR自动洒水喷头喷洒水滴动力性能实验及分析[J].消防科学与技术,2003,22(3):213-216.
铁路动态检测工作总结 篇4
这个月以来是跟着师傅到一些点进行检修学习、只有不断学习新知识、新技术才能更好的是自己投入到工作中。随着科技的发展，铁路车辆检测的新技术、新工艺越来越多，以THDS为例：从2001年至今，十年的时间，THDS设备由原来的一代机发展到现在的四代机，平均每两年半更新换代一次。TFDS、TPDS设备相继上马并更新换代，列检电动脱轨器及列车车辆制动实验监测系统的使用等，仅凭原有的知识结构和技能已经远远不能满足现场工作的需要。只有树立终身学习、终身受教育的理念，干到老学到老，努力提高学习能力，改善知识结构，努力学习、刻苦钻研新知识、新技术，用现代科学知识武装头脑，才能适应铁路跨越式发展的步伐。不然，就要落伍，就要被淘汰。为此，我积极参加局、段、车间以及班组组织一切业务学习，十分珍惜每一次接受新技术学习和培训的机会。学习时，仔细听讲，认真复习，不懂就问，直到弄明白为止，从不敷衍了事。我还充分利用业余时间看了《铁路技术管理规程》、《红外线技术管理规程》铁道部颁发的《TPDS TADS TFDS 设备检修维护管理规程》部颁<<车辆轴温智能探测系统>>(THDS)局发 《车号自动识别系统（AEI）设备管理检修运行实施细则》以及《铁路车辆轴温智能探测系统（THDS）设备维护管理1000题》等理论书籍。掌握了各项规章制度和5T检修质量标准，增强了判断处理故障的能力，从而为提高职业技能打下坚实的基础。我们上道作业，就是和铁
老虎打交道，来不得半点马虎。然后学习基本知识和练习基本技能，再培训其判断处理故障的能力和应急处理故障的能力，从而使其得到较为系统和扎实的培训。我有什么问题（主要是计算机方面），也主动、诚恳、虚心地向师傅们请教。在请教学习的过程中，师傅把所学知识及多年工作实践中积累的经验教训，毫无保留的穷囊相授，同时，我也学到了不少新东西。我们新来的同事也互相学习，共同进步。我热爱本职工作，严格要求自己，摆正自己的工作位置，时刻保持谦虚、谨慎、律己的态度。在师傅和同事们的帮助支持下，顺利完成基本学习任务，履行好岗位职责.新的这个月意味着新的机遇和新的挑战，我将淡化成绩不断争取新的进步和提高。今朝花开胜往昔，料得明日花更红，我坚信在师傅的带领下我们会更快更好的成长起来。我们的明天会更好，作为铁路职工一份子，在今年的工作当中我将一如既往，全心全意、尽心尽力、立足岗位。
动态性能检测 篇5
关键词：webshell检测,PHP扩展,实时动态
0 引言
在web服务器上上传Webshell是网站攻击者常见的用来控制web服务器以进行进一步进行渗透的方法, 对webshell进行检测和防御是进行网站安全防御和降低网站损失的重要方法[1]。现阶段针对PHP webshell的检测技术主要分为两类, 即静态特征检测技术和动态特征检测技术[2]。静态特征检测是指不需要代码运行, 根据文件中是否存在常见的恶意字符串特征结合文件的信息熵等特征进行检测;动态特征检测是指在通过在WAF中对网络流量进行分析来检测和防御webshell。这两类webshell检测方法 都难以有 效检测经 过混淆变 形或经过 加密的webshell。
鉴于现阶段检测PHP webshell的方法的不足, 本文分析了PHP代码运行的流程和各种webshell变形在PHP内核中的特征, 提出了一种基于PHP扩展的webshell检测和防御方法。该方法在PHP扩展中通过对PHP代码的编译和运行进行监控, 结合对外部输入变量的标记追踪和黑白名单机制, 可以实时有效的检测webshell和阻止webshell的运行。该方法不仅可以检测webshell还可以阻止webshell的运行。
1 PHP 原理
1.1 PHP 生命周期
PHP在web容器上的运行方式主要有三种:以模块加载的方式运行;以CGI方式运行;以Fast CGI的方式运行。不管采用哪种方式运行, PHP程序的生命周期都需要经过模块初始化阶段、请求初始化阶段、代码执行阶段、请求结束阶段、模块结束阶段, 如图1。不同运行方式的区别是生命周期中各个阶段执行的频率和次数。
1.2 PHP 代码执行流程
PHP是解释型语言, 代码需要被翻译成中间字节码后由ZEND引擎进行解析执行。PHP代码的执行流程主要包括:词法分析、语法解析、代码编译、opcodes (中间字节码) 执行四个步骤。词法分析是指将PHP代码转换为语言片段, 语法分析是将语言片段转换成简单而有意义的表达式, 代码编译是指将表达式编译成opcodes, opcodes执行是指zend虚拟机执行opcodes并将结果输出。其详细的执行流程如图2。
1.3 PHP 内核 hook 机制
对PHP函数进行hook是指在PHP内核中通过函数重写或修改编译函数来达到改变对PHP函数运行进行监控以获取函数运行时的参数。PHP的函数分为两种, 一种是Zend提供的函数, 如eval;一种是PHP_FUNCTION宏编写的函数, 如shell_exec。其中Zend提供的函数可以通过修改编译函数zend_compile_string的方式来进行HOOK;PHP_FUNCTION宏编写的函数可以通过操纵函数表进行重写来进行hook。除了这两种方法, PHP内核还提供了通用的HOOK方法, 即使用zend_set_user_opcode_handler修改中间字节码对应的处理函数。
2 Webshell 常见变形
Webshell本质上是可以执行恶意功能的PHP代码文件。Webshell为了执行恶意功能, 其代码结构主要由两部分组成:数据传递部分和数据执行部分, 如图3。数据传递部分是指webshell中用于接收外部输入数据的部分, webshell可以根据外部输入数据来动态交互式执行恶意功能。数据执行部分是指webshell中用于执行恶意功能的函数, 如代码执行的eval函数、命令执行的system函数。
在基本的webshell中, 数据传递主要通过$_GET、$_POST、$_COOKIES等变量传递或者直接写入代码中, 数据执行主要通过使用eval或assert进行代码执行或直接调用功能函数进行执行。为了绕过检测机制, 各种webshell都在基本webshell上采取相应的变形, 变形的方法根据其变形的部分主要分为两种:数据传递部分的变形和数据执行部分的变形。
数据传递部分的变形主要有:
将数据放入服务器外部文件中, webshell读取文件获取执行数据。
(1) 将数据放在远程服务器上, 通过curl/file_get_contents等函数获取远程URL中的执行数据。
(2) 将数据放入数据库, 通过读取数据库获取执行数据。数据执行部分的变形方法主要有:
(1) 使用preg_replace函数的/e修饰符进行代码执行。
(2) 使用支持回调机制的函数进行代码回调执行。如:array_map, array_filter, array_reduce等。
(3) 使用变量函数进行函数执行。
(4) 使用匿名函数进行函数执行。
(5) 利用反射函数Reflection Function进行函数执行。
3 PHP webshell 实时动态检测
PHP webshell实时动态检测是一种基于PHP扩展通过对PHP代码的编译和执行进行监控并结合外部输入变量标记追踪、黑白名单机制来进行webshell检测的方法, 主要包含五个模块:变量标记追踪、禁用函数hook检测、危险函数hook检测、编译函数重载检测、数据库黑白名单[4]。
3.1 变量标记追踪
在PHP扩展中可以通过PG (http_globals) 变量获取脚本运行时通过GET、POST、COOKIE方式传递的参数内容。变量标记是指对PG (http_globals) 里保存的字符串变量进行特征标记。变量追踪是指对简单字符串处理函数如strval、explode进行hook, 当函数参数是标记的变量时也对函数结果进行变量标记。
PHP中的字符串变量的值存储在zvalue_value结构体中, 保存有字符串指针和字符串的长度, PHP内核是根据保字符串的长度来读取字符串内容。可以通过将字符串变量的所占内存扩大后, 在字符串的值后添加标记特征的方式来将字符串变量进行标记。由于字符串长度没有修改, 通过这种方式进行变量标记不会修改字符串的值。在进行变量标记检测时, 只要检测字符串指针在长度之后的内容是否是标记特征就可以。
3.2 禁用函数 hook 检测
在PHP的配置文件中, disable_functions参数主要用来设置禁用PHP危险函数。禁用函数hook检测是指在模块初始化阶段, 读取配置文件中disable_functions参数后在函数表中添加针对这些函数的自定义实现。在PHP代码执行阶段, 如果自定义函数被调用, 说明PHP页面中运行有危险函数。如果该PHP脚本不在数据库白名单中, 那么可以判定该PHP脚本就是webshell, 检测过程如图5.
3.3 危险函数 hook 检测
Webshell要执行恶意功能, 如命令执行函数、文件目录操作, 必须要调用相应的功能函数。危险函数hook检测就是指对能执行命令、目录操作等危险功能的函数进行hook后检测函数执行时的参数, 如果危险函数执行的参数是恶意的或者经过变量标记的, 且没有出现在白名单中则认为该文件是webshell文件, 检测过程如图6。需要进行hook的危险函数主要有:
(1) 命令执行类:passthru、system、popen、exec、shell_exec等。
(2) 文件系统函数:fopen、opendir、basename、dirname、file、pathinfo、scandir等
( 3 ) 数据库操 作函数 : mysql_query、mysqli_query、sqlite_query、sqlite_single_query等。
(4) 回调函数类:array_map, array_filter, array_reduce、usort、uksort、array_walk等。
(5) 反射函数:Reflection Function
3.4 编译函数重载检测
编译函数重载检测是指在模块初始化阶段重载编译函数以检测是否有eval或assert代码块的执行, 并对eval/assert代码块的内容进行正则匹配来检测是否有恶意代码。其中eval代码块在编译结果的filename中有eval () 'd code标记, assert代码块则有assert code标记。
检测过程如图7.
3.5 数据库黑白名单
为了减少对webshell的漏报和误报, 采用黑白名单机制。即用户可以添加网站的正常页面进白名单, 在进行webshell检测时如果在白名单中就跳过检测;用户可以添加某些目录进黑名单, 则进行webshell检测时如果检测到执行文件在黑名单中则认为是webshell并报警处理。
4 实验结果
为了验证该PHP webshell实时动态检测模型是否能够有效检测并阻止webshell, 本人收集了较为流行的各种webshell, 包括一句话webshell及变形、普通变形webshell、加密webshell, 与网站安全狗、Avira Antivirus一起对比查杀, 检测结果如图8.
从结果表中可以看到基于PHP扩展的PHP webshell实时动态检测框架可以无视PHP代码是否进行加密, 能够优于网站安全狗、Avira Antivirus来检测并防御大多数的webshell。只要尽可能的覆盖更多检测函数, 可以达到接近100%的查杀率, 缺点是需要消耗较多的系统资源。
5 结束语
本文在分析了PHP代码运行的原理和各种webshell变形后, 提出并实现了一种基于PHP扩展的webshell实时动态检测方法, 该方法能够高效的检测出各种webshell。在网站中利用该方法进行webshell检测与防御可以有效的保证网站的安全运行。
参考文献
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[3]胡建康, 徐震, 马多贺, 等.基于决策树的Webshell检测方法研究[J].网络新媒体技术, 2012, 1 (6) :15-19.
动态性能检测 篇6
同步相量测量单元(Phasor Measurement Unit,PMU)作为广域测量系统(Wide Area Measurement System,WAMS)的原始数据来源，其测量精度对于电网状态估计、电网安全稳定监测等有着重要意义。随着社会经济的发展，电网规模不断增长，结构越来越复杂，电力系统短路、振荡等事件日益增多。电力系统动态监测、广域保护、状态估计等应用对动态条件下的同步相量测量提出了更高的要求。
电力系统发生振荡时是典型的调制过程，调制频率范围在0.1～2.5 Hz。为了实现振荡的精确辨识，要求PMU能够快速准确地跟踪相量的幅值和相角，同时在通带能有良好的幅频特性。发生短路故障时，电压信号的幅值、相角有可能发生阶跃变化。为了如实反映电网故障前后的状态，要求PMU能够跟踪信号跃变，尽快使误差落入精度范围，并控制响应的超调量。在同步相量由子站向主站传输的过程中，传输速率Fs限制了信号带宽，根据采样定理，如果信号中存在超过奈奎斯特频率Fs/2的干扰，则会造成频谱混叠。因此，进行不同速率相量传输时，不能简单的进行重采样，要抑制和滤除带外干扰。IEEE C37.118.1-2011标准对同步相量测量在谐波、带外等干扰下的静态性能和调制、阶跃、频率斜坡等条件下的动态性能做出了规定[1]。
目前PMU通常采用的算法主要包括：基于DFT(Discrete Fourier Transform,DFT)的算法[2,3]，基于泰勒级数的动态同步相量测量算法(Dynamic Phasor and Frequency Estimator,DPFE)，以卡尔曼滤波和最大似然估计为基础的线性或非线性的参数估计方法[4]以及升余弦滤波算法(Raised Cosine Filter,RCF)等。DFT算法在频偏时会有频谱泄漏和栅栏效应，平均化效应会影响动态精度[5,6]。DPFE的测量带宽和阻带宽的数值尚未被量化，抑制带外干扰的性能还需要进一步研究[7]。RCF方法不易受频偏、带外干扰影响，能够准确测量振荡分量，但由于窗函数的局限性，动态响应速度较慢[8]。文献[9]中的基于高斯窗解耦调制函数的复带通滤波算法，具有较短的滤波延迟和很小的超调，但对带外干扰的衰减依然不够。
本文采用IEEE C37.118.1中推荐的PMU计算模型，研究能够有效抑制谐波、间谐波和带外干扰，并提升PMU在调制、阶跃等条件下的测量性能的方法，取得了较好的效果。
1 PMU测量模型
IEEE C37.118对动态条件下的PMU测量给出了推荐模型。同步相量计算需要经过同步采样、DFT计算、前置滤波、相量计算、上送滤波等环节。如图1所示。
模拟量经过抗混叠滤波后避免了A/D转换时奈奎斯特频率以外的分量造成的频谱混叠。在模数转换时引入时标，保证了相量时标的准确性。DFT运算结果的滤波对频谱泄漏分量进行衰减，提高相量的计算精度。相量、频率和频率变化率(Rate of Change of Frequency,ROCOF)计算结果再经过上送滤波，限制了带外干扰的影响，提高了精度。
2 动态条件下的处理方法
2.1 相量的DFT计算
单一频率信号的模型为
式中：y(t)为信号瞬时值；为信号有效值；为信号频率；为信号初相位。
对y(t)做DFT变换并只取基波分量可得
式中，为额定角频率，N为数据窗点数，为采样间隔。式中前一项为复平面上间隔角度的单位向量求和，后一项为复平面上间隔角度的单位向量求和。
同理，采样窗向后移动m个采样点时的DFT结果为
由此可见，DFT结果由两个频率分别为和的振荡分量组成。当与相近时，分量接近对称，值较小，经过前置滤波器衰减后可忽略；分量接近同相，值较大。因此，将DFT结果中分量滤除后可解算相量：
根据两次DFT结果即可求解X、、。需注意n+m时刻的同步相量的相位是按相对于额定频率旋转的相位计算的，即。由于X、、都由同一时刻DFT进行解算，避免了采用其他算法时根据相位求导计算频率导致的延迟和误差。
2.2 数字滤波器设计
PMU计算时采用了前置和后置两个滤波器，前置滤波器对DFT的结果进行滤波，抑制了DFT频谱泄漏和带外干扰，后置滤波器根据相量上传速率分别对带外干扰进一步滤除[7]。由于DFT原始点计算频率较高，因此前置滤波器要采用低阶的滤波器，群延时要尽量小，否则会对阶跃响应性能和上送延时造成较大影响。同时设计多组后置滤波器参数，根据相量数据传输速率的不同自动选取对应的滤波器参数。
本文采用有限长单位冲击响应(Finite Impulse Response,FIR)数字滤波器。FIR数字滤波器可以做成具有严格的线性相位，同时又具有任意的幅度特性，而且一定是稳定的。通常，滤波器的阶数越高，阻带衰减越大，通带误差越小，过渡带越窄，但是阶跃响应会越慢，延时也会越长。相对于整周波DFT相量计算的20 ms延时，滤波器的群延时要大得多，例如，采样率为4 800 Hz，滤波器阶数为200，则群延时20.8 ms，而这时滤波器性能可能仍然满足不了要求。因此，需要设计最优的滤波器，以尽可能低阶实现最佳的滤波性能。
FIR滤波器设计主要有窗函数法、频率抽样法和等纹波法。窗函数法的缺点是：不容易设计预先给定截止频率的滤波器；满足同样设计指标的情况下所设计出的滤波器阶数通常偏大。频率抽样法的缺点在于截止频率的取值受限。而且窗函数法和频率抽样法的近似误差在频带区间上不是均匀分布的，靠近频带边缘误差愈大，远离频带边缘误差愈小。等纹波最佳逼近法是一种最优设计方法，用这种方法设计的滤波器频率响应相对于理想滤波器最大误差最小。本文在Matlab中利用等纹波法设计了频率响应如图2所示的滤波器，通带纹波误差很小，阻带衰减很稳定，过渡带较窄。
2.3 谐波干扰的抑制
含有谐波的信号模型为
式中：y(t)为信号瞬时值；Xk为各次谐波的有效值；为基波频率；为相角。根据2.1节的推导，含有谐波的信号DFT结果中会含有和频谱分量，其中频谱分量的幅值最大。DFT运算本身就是一种滤波计算，通过DFT运算来计算基波可以方便地滤除整数次谐波分量，再配合DFT运算结果的前置数字滤波，可以将谐波的影响降到最低。
2.4 带外干扰的抑制
含有带外干扰的模型与谐波类似，
式中：分别为带外干扰的幅值、频率和相位。DFT结果中会含有分量，通过对DFT计算结果进行滤波可将后三个分量滤除，从而解得正确的相量。
2.5 幅值、相角调制条件下的精确测量
幅值调制和相角调制分别对应电力系统的低频振荡和近故障点发电机的相角变化。调制时信号模型为
式中：Xa为幅值调制深度；Xp为相位调制深度；m为调制频率。
由于m通常较小，只有几赫兹，在一个数据窗内可以近似认为幅值和相位都是固定的，根据2.1节求出的相量是对调制波形的近似，因此调制情况下的相量测量精度与信号的调制深度和调制频率直接相关。根据文献[6]的分析，当幅值或者相角随时间变化时，全周波DFT计算所得的相量幅值或者相角为时间窗内信号的平均值，此为DFT平均化效应。将相量时标打在时间窗中点可以减小DFT平均化带来的误差。当信号为线性变化时，时间窗内相量的平均值与时间窗中点时刻的实际相量相等；当信号为非线性变化时，时间窗内相量的平均值虽然无法与时间窗中点时刻相量真实值一致，但将计算相量的时标选择时间窗中点仍然可以在一定程度上减小误差。电力系统低频振荡的频率通常低于2.5Hz，远小于50 Hz的系统频率，因此大部分变化均可认为是近似线性的。
2.6 系统失步时的频率测量
系统出现失步时常表现为频率的斜坡变化。频率斜坡的信号模型为
式中，为频率变化率。
频率斜坡对应系统失步的过程，虽然发生频率斜坡时系统频率和相位都在连续变化，但其变化过程通常较慢，通常小于1 Hz/s，通过提高频率的计算间隔，测得的斜坡频率依然能以稳态近似。
2.7 阶跃的响应性能
阶跃模型在IEEE C37.118标准中定义为
式中：kx、ka分别为幅值和相位阶跃量；f(t)为阶跃函数。
阶跃响应的性能参数有响应时间、延迟时间和超调量。响应时间是指测量误差从超出精度范围到重新落入精度范围内的时间差，延迟时间是指阶跃时刻与阶跃量测量结果到达阶跃初值与末值中间时刻之差，超调量是末值测量值与理论值最大偏差。延迟时间主要反映的是时标是否得到正确的补偿，响应时间和超调量是测量算法阶跃响应性能的直接反映。
相量的计算先经过DFT，再经过滤波器，所以阶跃响应由DFT和滤波器的特性共同决定。阶跃响应经过DFT后由于平均化虽然近似斜坡，但由于斜坡的时间很短，为20 ms，所以最终的阶跃结果仍近似于滤波器的阶跃响应，如图3所示。滤波器阶跃响应时间主要受阶数和截止频率影响，超调量受阶数、截止频率和增益纹波等影响。设计滤波器时截止频率和增益纹波都已经给定了，因此，要减少阶跃响应时间和超调量只能调节滤波器阶数。随着滤波器阶数增加，超调量和阶跃响应时间都在不断增加，所以要尽可能地减少滤波器阶数。等纹波设计虽然是最优设计，但是在固定阶数的基础上的最优设计，为找到满足性能的最小阶滤波器，通过在Matlab中编写脚本不断进行循环，直到选出最为均衡的滤波器参数为止。
3 测试与验证
为了验证算法的实际效果，搭建了如图4所示的测试系统进行了实测，并与未采用提升性能方法的PMU进行了比较。时钟源给PMU和测试源提供共同的基准，理论值用于生成回放波形，并与模拟主站召唤的离线文件比较进行误差分析。进行误差分析时，截去测试前后各1 s的数据进行逐点比较取最大误差，避免模拟量施加和退出时阶跃过程的影响。
测试项目包含±5 Hz额定频偏测试、10%2～13次谐波、不同传输速率的带外干扰和阶跃响应、5 Hz幅值相角同时调制、1 Hz/s频率斜坡。测试结果见表1和表2。
从测试结果可以看出，采用改进方法后，各种动态条件下相量测量精度均得到了显著提高。同时由于选择了最优的滤波器参数，相量测量的阶跃响应性能未受到太大影响，响应时间及超调量比使用改进方法前有所增加，但能够满足主站应用的实时性要求。
采用改进算法存储空间和程序运行时间上会增加一定消耗。主要的时间和空间增长来源于滤波运算，FIR滤波运算为线性复杂度，随着传输速率增加，滤波阶数增长，时间和空间也线性增长。本文采用10 ms定时中断进行相量计算，算法执行时间和空间消耗的测试结果如图5所示，测得10 ms中断的程序执行时间最大增长21%，程序存储空间最大增长40%，对于目前的PMU装置的硬件水平来说在可接受的范围内。
4 结论
本文分析了典型的电力系统动态条件下的信号模型及其在全周波DFT算法下的特征。DFT算法会因频谱泄漏使相量精度受到影响，相量上传主站过程中，当计算相量中含有振荡频率高于奈奎斯特频率的分量时会发生频谱混叠，采用等纹波法设计的前置和后置滤波器对DFT频谱泄漏和带外干扰进行了抑制，并用快速算法计算相量、频率和频率变化率，提升了相量在动态条件下的测量精度。
然而，滤波器的采用会增加相量测量及上送的延时，可能会影响到数据上送主站的实时性。因此滤波器的参数设计是关键，通过等纹波法进行滤波器的设计，并编写Matlab脚本进行滤波器参数的循环验证，得到了最优的滤波参数，应用该参数对相量数据进行滤波处理，从而实现了PMU动态测量性能的整体提升。
参考文献
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磁流变液动态性能分数阶建模研究 篇7
关键词：磁流变液,黏弹性流体,分数阶导数,系统建模
0 引言
磁流变液(magnetorheological fluid,MRF)是一种在外加磁场作用下流变特性发生急剧变化的智能材料,其流变特性可控,在工程中得到了广泛应用。在力学上,它既具有流体的黏性,又具有弹簧的弹性,因此也称为黏弹性流体。近几年,对黏弹性流体应力-应变关系的研究,主要是引入分数阶导数流变模型代替整数阶模型来描述黏弹性体的本构关系,如分数阶微积分型的Maxwell模型[1]、分数阶Jeffreys模型[2]及分数阶导数的Maxwell体和Kelvin体[3]。分数阶导数流变模型理论克服了经典流变模型理论与实验结果不一致的缺点,更接近客观事物的本质。本文研究的磁流变液是本实验室自制的,为研究其可控的阻尼特性,将分数阶导数引入磁流变液测试系统的建模中。
1 分数阶导数(微积分)
分数阶微积分的概念几乎是和整数阶微积分的概念同时出现的,但由于缺乏分数阶导数的解法,因此很难得到应用而发展缓慢[4,5]。最常用的分数阶微积分有3种,即Riemann-Liouville(R-L)、Caputo和Grünwald-Letnikov(G-L)。这3种定义都可描述实际应用模型的分数阶微分方程的计算方法[6]。相比3种方法而言,R-L定义虽被很多人接纳,但由于其分数导数解的物理意义不是很明确[7,8],因此工程应用较少;Caputo由于其初始值具有明确的物理意义,因此工程应用较多;G-L定义是求解分数阶微积分最直接的方法[9]。G-L定义为
式中,h为计算步长,越小精度越高;x0为计算初值,一般设为0;Γ(·)为伽玛函数;α为微分阶数;t为函数变量;[·]为取整符号,k=0,1,…,(t-x0)/h。
分数阶系统(fractional order system)是用分数阶微分方程描述的系统。分数阶线性定常微分方程的一般形式为
式中,ai为常系数,i=0,1,…,n;βi为导数阶数;u(t)为系统输入函数;y(t)为系统输出响应。
设函数y(t)具有零初始条件,式(2)经Laplace变换得[10]
式中,G(s)为分数阶系统的传递函数。
当βi∈Z时,G(s)为传统整数阶系统的传递函数。显然,分数阶系统是整数阶系统的推广。
2 MRF测试系统的分数阶模型
本文自制的磁流变仪如图1所示,主动盘与固定盘的间隙H可调,实验中设置H=1.4mm。当主动盘以角速度ω旋转时,具有黏弹性的磁流变液在主动盘的拖动下呈现扭转剪切拖拽流动,通过虚拟扭矩仪测量转动轴的转速和扭矩,即可推算出相应的剪切速率和剪切应力。
(b)三维图
为研究磁流变液的剪切流动情况,也即其阻尼效果,实验配置了3种磁流变液:MRF-1、MRF-2和MRF-3(其成分主要有羟基铁粉、异丙醇、硅烷偶联剂、硅油、SiO2等),且其羟基铁粉的质量分数分别为66%、70%和74%;采用的5种转速分别为30r/min、60r/min、90r/min、120r/min和150r/min;设置的工作电流为0.1A。在实验中,利用NI软件LabVIEW构建测试平台,使用NI控制卡、转速扭矩传感器、放大器、磁流变仪等,记录不同工况下转动轴的转速和扭矩信号。
在零磁场(未通电流)转速为n的稳态条件下,由于磁流变液黏性阻力的作用,会产生初始转矩T0;加入磁场后(接通电流),磁流变仪的转矩随磁场的增大而增大,即转矩随电流增大而增大。因此,可将电流I作为系统输入信号i(t),转矩增加量Tt作为系统输出信号,建立如下模型:
式中,a2、aβ1和a0分别为二阶导数项、分数阶导数项和零阶导数项的系数,a2和a1的单位分别为s2和s。
β取值范围与系统黏弹性的关系如下:
(1)当β=0或β=2时,黏弹性项退化为弹性项或惯性项,但系统一般具有黏性阻尼作用。
(2)当β=1时,系统为典型的二阶系统。
(3)当0<β<1时,系统具有黏弹性,β→1时,系统更趋于黏性,β→0时,系统更趋于弹性。
(4)当1<β<2时,有两种可能的情形:①系统的惯性增强,导致惯性与黏性的耦合;②系统弹性增强,导致弹性和黏性的耦合,产生黏弹性效果。
3 分数阶模型的数值解
文献[11]证明了非线性分数导数方程的数值解和解析解几乎相同。由G-L分数导数的定义[12]求解式(4)得到
式中,aj和βj分别为式(4)a0、a1、a2的系数和0、β、2的阶数,j=1,2。
w(βj)k可由下面的递推公式得到
4 实验分析
将采集到的转矩信号Tt进行归一化和滤波等预处理后,采用式(5)和最小二乘法拟合曲线方程。解得的分数阶微分方程(式(4))的各项参数值如表1和表2所示。图2为MRF-1在转速n=60r/min时的实测转矩和拟合转矩的比较图。由图2可以看出,分数阶的拟合更接近实测值,拐点处较明显,且分数阶拟合的残差平方和∑D(e)较小(表1)。实测转矩在达到平稳后仍存在周期波动,是由于磁流变仪扭矩轴稍有偏心导致的。
1.整数阶拟合转矩 2.分数阶拟合转矩 3.实测转矩
图3为MRF-2在不同转速(n=30r/min,60r/min,90r/min,120r/min,150r/min),输入电流为0.1A的工况下,剪切力矩随时间变化的曲线拟合图。由图3可以看出,磁流变液的剪切屈服力矩随转速的提高有增大的趋势,也即说明磁流变的阻尼特性随剪切速率的增大而增强;由图3还可以看出,相应转速下,磁流变液羟基铁粉质量分数的提高也会增大其剪切屈服力矩,如表3所示。另外,初始剪切屈服力矩T0也有相应的增大,如表4所示。总之,随着转速(剪切速率)和羟基铁粉质量分数的提高,其阻尼特性明显增强。
1.n=30r/min 2.n=60r/min 3.n=90r/min 4.n=120r/min 5.n=150r/min
在表1、表2中,出现β>1的情况,这并非巧合,由表中的aβ1/a2和a0/a2系数比值可知,分数阶模型与整数阶模型相比,当分数阶的系数aβ1/a2和a0/a2大于整数阶的系数aβ1/a2和a0/a2时,β>1,但两者之间主要取决于系数a0/a2的大小,即当分数阶的系数a0/a2突然大幅度增大,且大于整数阶的系数a0/a2时,其阶数β必大于1。同理,若分数阶的系数aβ1/a2和a0/a2小于整数阶的系数aβ1/a2和a0/a2时,β<1。仔细观察可知,相同条件下,分数阶的系数值大于或小于整数阶的系数值的程度可由β值的大小体现,如表5所示,假设P为分数阶系数a0/a2与整数阶系数a0/a2的比值。由表5可知,P值和β值的变化趋势一致。这说明β值在一定程度上能反映系统黏弹性的大小,即分数阶模型与整数阶模型相比,若β>1,则说明分数阶模型描述的系统黏弹性更强,反之,则说明分数阶模型描述的系统黏弹性稍弱,整数阶模型无法如此细微地描述系统的黏弹特性。
分析表1和表2可知:
(1)由于测试系统的传动链短,分数阶模型和整数阶模型的残差平方和都较小,但分数阶模型的拟合精度更高些,说明分数阶模型能更准确地描述黏弹性体的动态性能。
(2)系数aβ1/a2、a0/a2的值都很大,说明系统模型的黏性项和弹性项远大于惯性项,因此可以把测试系统看成是β阶系统。
(3)相同转速下,随着羟基铁粉质量分数的提高,系数a0/a2和β都有增大的趋势;同种磁流变液,随着转速的变化,系数a0/a2和β的变化趋势基本一致,说明β在一定程度上可以反映系统黏弹性的大小,同时也说明羟基铁粉质量分数和转速对磁流变液的黏弹特性有较大影响。
5 结论
(1)分数阶模型能更细微、更准确地描述磁流变液的黏弹性和系统的动态性能。
(2)随着转速和羟基铁粉质量分数的提高,MRF的剪切屈服转矩明显增大,即阻尼特性随转速和羟基铁粉质量分数的提高而增强。若将其应用于减振系统,则会大大提高减振能力。
(3)在相应转速下,分数阶模型的阶数β随羟基铁粉质量分数的提高而有增大的趋势,说明羟基铁粉质量分数的大小对磁流变液的黏弹性性能影响较大。
(4)阶数β是否大于1与弹性项和惯性项的系数a0/a2有关,当分数阶模型的系数a0/a2大于整数阶的模型的系数a0/a2时,其阶数β必大于1,说明分数阶模型描述的系统黏弹性更强;反之,当β<1时,则表示分数阶模型描述的系统黏弹性稍弱。
(5)当测试系统所建模型的阶数范围为0<β<2时,表明系统具有黏弹特性,也即说明磁流变液具有黏弹特性。
参考文献
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动态性能检测 篇8
随着使用年限的增加,隧道的运营安全性会存在着不同程度的降低,这种现象主要是由隧道结构的损伤和老化造成的。而对于隧道服役过程中的结构损伤问题,国内外都曾展开大量的研究工作。但是这些研究工作呈现要么集中在山岭公路或铁路隧道[1,2,3],即使是对软土盾构隧道也是研究隧道结构损伤成因、表征形式和应对措施的。而对于隧道结构损伤和因此而引起的结构安全性的降低的过程特征和机理的关注却较少[4,5,6]。因此本文就运营软土盾构隧道服役过程给予关注,通过动态监测的手段来获取结构损伤的演化特征,为深入研究运营软土盾构隧道结构损伤和整体服役安全性随着服役时间增加而逐步降低的内在机理提供了依据;为提高该类型隧道可维护性,以及选择有效的维修加固方法和施工措施,延长既有隧道的使用寿命提供基础。
2 软土盾构隧道病害特征
在软土地质环境条件下,不均匀沉降是盾构法施工隧道的主要病害之一,而且也是引起其他类型隧道病害的始作俑者。由于隧道结构的不均匀沉降,盾构隧道的基本组成构件会出现管片张开和错台等现象。隧道内部车辆的运行产生的振动同样会引起隧道周围土体性态的改变,并由此引起隧道结构形态的变化。地下水将会沿管片张开的接缝进入隧道内部,并进一步引起隧道结构自身耐久性和内部各种构件和材料耐久性的退化。实际上,隧道及其服役环境构成的结构荷载体系有着极为复杂的相互作用和相互影响的关系,这些相互关系随着隧道服役时间的增长其变化相互增益,对隧道结构的长期服役安全性造成极大的危害[5,7]。
工程实践表明,隧道服役过程中,其结构在周围环境和内部环境的影响下会引起结构内部应力、应变、结构形式以及其整体性的变化。这些因素的综合作用反映在隧道结构上会形成隧道管片应变、管片接缝张开、隧道断面收敛和不均匀沉降四种外部表现。这也正是软土盾构隧道长期服役过程中的四种病害特征。
3 监测设备选择
针对隧道管片应变、管片接缝张开以及隧道不均匀沉降,本次现场试验主要采用光纤光栅应变传感器、光纤光栅裂缝计、光纤光栅自动静力水准系统来完成。光纤光栅传感器具有抗电磁场的干扰、电绝缘性好、不受潮湿环境影响、耐久性好、质量轻、单位长度上信号衰减小;灵敏度高,精度高;频带宽,信噪比高等诸多优点,因此已经被广泛的应用在多个行业中[8]。
光纤光栅应变传感器是以光的波长为最小计量单位的,而目前对光纤光栅Bragg波长移动的探测达到了pm量级的高分辨率,因而其具有测量灵敏度高的特点。而且只需要探测到光纤中光栅波长分布图中波峰的准确位置,与光强无关,对光强的波动不敏感。另一方面,在应变测量中,为了克服温度对测量的影响,在测量系统可采用同种温度环境下的光纤光栅温度补偿传感器进行克服。光纤光栅静力水准系统用于精密测定多点的相对沉降变化。采用连通管的原理,同组中多个传感器均采用液、气管互连,容器内安装有非接触的高精度液位计,一旦某待测点发生沉降,即可引起容器内的液位变化,并由液位计测量得到,可以分辨到0.01 mm的垂直变化,如图1所示。
光纤光栅裂缝计包括光纤光栅式感应元件和连接杆相连。传感器完全密封并可在高达250 psi(1.7 MPa,特殊要求可定制)的压力下操作。当连接杆从传感器主体拉出,弹簧被拉长导致张力增大并由光纤光栅感应元件所感知,通过光纤光栅分析仪可精确地得到裂缝的开合度,如图2所示。
4 工程案例及分析
试验现场位于上海市某地铁线路的盾构隧道段,并选择其中的50环作为试验段。
4.1 监测断面确定
根据工程情况和监测技术特点,最终确定在第2环,第14环,第26环,第38环和第50环作为传感器布设断面。隧道结构服役状态监测针对选定管片的应变、管片接缝张开量以及隧道区段的沉降三个参量,根据安装位置和布设方向不同,将传感器在分布图上分为五个类别,即隧道沉降监测(S),环缝张开量监测(Gh),纵缝张开量监测(Gz),纵向应变监测(Sz)和横向应变监测(Sh)。
4.2 数据分析
本次现场试验针对的管片的应变、管片接缝张开量以及隧道区段的沉降三个参量。在试验过程中收集到了大量的有效数据,经过对数据的处理和分析,并与隧道内外环境相比较,总的来看都能够反映该段隧道的结构服役状态。在此限于篇幅原因,仅对隧道沉降数据的分析过程和所得成果作如下阐述。
对于隧道沉降监测来说,监测点S1～S5位于监测区段一侧,如图3所示。在隧道的纵向结构上代表着第2环、第14环、第26环、第38环和第50环的结构断面。光纤光栅自动静力水准测点布置示意图及水测量系统见图4,图5。
由于光纤光栅沉降监测传感系统的特点,在该系统中以S3点作为基准点,因此图6中S3点监测数据表现出隧道结构没有发生变化。但是通过人工测量的方法对该点沉降数据做修正后得到如图7所示的沉降变化曲线。
从监测数据和图7可以得到,该监测区段修正后最大累计沉降发生在第2环(S1监测传感器5月18日监测得到),沉降值为7.070 0 mm;最大累计上浮发生在第50环(S5监测传感器4月29日监测得到),上浮值为8.667 3 mm。
5 结语
1)通过监测的手段能够获取隧道结构服役过程的状态演化的动态信息;2)隧道结构服役状态演化特征有助于揭示隧道老化劣化的内在机理;3)本文研究成果可为软土盾构隧道结构性能状态的评估和维护改造提供基础。
摘要：以上海市某地铁线路的盾构隧道段作为试验段,深入分析了以隧道沉降为代表的关键参数,通过监测揭示了盾构隧道纵向变化的规律和采用该技术手段大规模开展隧道结构服役性能长期监测的可行性。
关键词：盾构隧道,服役性能,动态监测,安全性
参考文献
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[7]刘建航,侯学渊.盾构法隧道[M].北京:中国铁道出版社, 1991.
汽车ABS动态性能试验台的设计 篇9
1 汽车惯量机电模拟原理
1.1 汽车制动系的工作原理分析
汽车制动时,驾驶员踩制动踏板,不旋转的制动蹄就对旋转着的制动鼓作用一个制动力矩,同时地面对车轮产生一个向后的作用力,即制动力。制动力Fb由车轮经车桥和悬架传给车身,迫使整个汽车产生一定的减速度。阻碍汽车运动的制动力Fb不仅取决于制动力矩Tm,还受限于轮胎与路面间的附着条件。制动力愈大,则汽车减速度愈大。
1.2 汽车制动过程分析
1.2.1 汽车制动受力分析
汽车在平整的路面上制动时,汽车所受总的阻力为:
式中:F为汽车受到的总的阻力;
Fb为汽车受到的地面制动力汽车ABS动态性能试验台的设计;
Fw为汽车受到的风阻;
Ff为汽车受到的滚动阻力。
在汽车正常制动行驶时,Ff和Fw在F中占的比例非常小。以Santana 2000GSI为例,其基本参数为:A=1.89m2,CD=0.425,m=1140kg。
若取V=50km/h(本课题中模拟的最高速),则最大的空气阻力:
若取f=0.01,则车轮受到的滚动阻力:
而若取=0.7,则地面对车的最大的制动力:
可见空气阻力和滚动阻力相对于地面制动力小得多,可忽略不计,所以F≈Fd。
1.2.2 汽车制动整车运动分析
紧急制动时断开动力传递,N1为前轴地面法向反力;N2为后轴地面法向反力;Fg为汽车受到的滚动阻力,Ff汽车受到的风阻力,m为整车质量;h为车重心高;L为轴距;L1为重心至前轴距离;L2为重心至后轴距离;F1、F2为各车轮地面制动力,整车力学方程有:
由上面分析得F≈Fb=N1+N2=m
得整车运动时的惯性力为:mα
式中:为车轮路面附着系数
dv/dt为整车减速度;
V0为整车制动时的初速度。
1.2.3 汽车制动时车轮运动分析
取上述汽车的从动车轮为研究对象,设车轮的转动惯量为J轮,根据得:
则车轮的角加速度dω/dt:
其中:J轮为车轮转动惯量;设dω/dt为各轮角减速度;Tm为制动器的制动力矩;Fb为路面对车轮的制动力。
1.3 试验台上制动时车轮的运动分析
本ABS综合性能试验台中用制动鼓运动代表汽车车轮的运动,以台架上制动鼓为研究对象,设台架上制动鼓制动力矩为Tm,皮带传递力矩为T电,制动鼓模拟部分转动惯量为J台,忽略台架阻力矩,则根据
得
Tm=T电+J台×’(8)
即’=(Tm-T电)/J台(9)
1.4 试验台上汽车惯量机电模拟原理
根据模拟要求,令=’则由式(7)和(9)得:
在汽车前后车轮制动未抱死时,汽车前后轮地面制动力按该车前后制动器制动力比例(汽车的β线)变化,设在汽车制动的车轮角减速度时,试验台测试车轮对应实车上车轮产生的制动力占整车制动力的比例为k,则:
由式(12)可知,为保证ABS试验台上车轮运动状况与汽车道路行驶时一致,有两种方案可以采用,一是用试验台飞轮等部件的转动惯量完全模拟汽车运动惯量,即使J台=J轮+kM车r2,其代价是必须配备大惯量的飞轮。另一方案是由试验台飞轮等部件模拟部分汽车运动惯量,其差值由磁粉离合器传递力矩补偿,此即为汽车转动惯量的机电混合模拟技术。
1.5 地面制动力的模拟原理
由(6)式发现路面对车轮的制动力和制动器对轮子的制动力矩有对应的关系。只要正确控制磁粉离合器就可以正确地反映路面对车轮制动作用。又由(6)式可发现除了dω/dt是变化值,其余都是常量。由于dω/dt可以通过采集轮速,进行一定的计算得到,因此磁粉离合器的控制目标就可以得到。
2 试验台设计方案
2.1 设计思路
基于汽车制动时驱动轮和非驱动轮速度不同的考虑,提出四个车轮单独驱动方法,实现汽车在制动时每个车轮速度的模拟。
基于汽车在不同路面状况制动时的附着系数不同和汽车运动时惯量对每个车轮作用效果不同的考虑,提出地面制动力和汽车转动惯量单独模拟方法,实现四个车轮转速的单独测量和四个电机和磁分离合器的单独控制,实现对开、对接路面、不同车速制动时的汽车运动的模拟。
基于设计的实验台与实际汽车制动系统在形式上更相接近、使用者容易接受方面考虑,提出实验台由四个单车轮模块组建的方法。
2.2 设计方案
该方案由四个单车轮模块组成,各单车轮模块在结构组成上是完全相同的,测量与控制上是相互独立的,各模块共用同一个控制系统。单个车轮模块,由公式(12)T电=(J轮+kM车r2J台),可以看出:如果惯量完全由机械方式来模拟,J台就比较大就要使用大转动惯量的飞轮,这样可以选择功率低一点的电动机;如果电动机功率足够高,相当于T电足够大,可以实现对惯量的完全电模拟;另外从本课题设计的要求出发,模拟的车速、轮速要和实际的车速、轮速要一致,但是小功率电动机本身转动惯量很小,踩制动后电动机的转速和轮速变化情况和实际踩制动后车速和轮速的变化达不一致,显然上面两种方法都不可取。
3 程序设计
运用Labview软件设计程序。当速度已调整到所要设定的初速度时“开始制动”图标就会变绿,如果要进入制动模式只要踩制动踏板就开始进行制动试验了进行制动试验时,车速和前、后轴轮速通过界面上的示波器动态显示。
4 试验结果
部分试验结果,从汽车车速和前、后轴轮速的变化曲线来看,本系统基本实现了设计目标,能够比较真实的模拟在不同初速度和不同路况(不同)下制动,ABS起作用时的汽车制动过程。
5 结语
本课题研究了基于机电混合模拟技术的ABS试验台,应用计算机测控技术对磁粉离合器传递力矩的控制实现地面对车轮的制动作用力和汽车运动惯量的模拟;通过电动机调速控制实现汽车行驶速度的模拟。以控制车轮的瞬时角加速度和减速度为主要参数,使用混合模拟技术,大胆取消了滚筒装置,飞轮仅模拟一小部分惯量,体积小;被测车辆的运动惯量、车轮与地面的附着系数等参数可通过电模拟实现在线调整;模拟精确,操作方便,试验精度高。
摘要：本文通过对当前国内ABS性能试验台系统现状的分析;针对目前教学和科研用试验台系统存在的缺陷,在分析了前人在机电混合模拟技术所做工作的基础上,提出了汽车惯量和地面制动力机电模拟的理论。以自行研制的新型ABS动态性能试验台为平台,设计了各种不同车速与不同路况下的汽车ABS试验方案,并进行了大量的实验验证。
关键词：ABS动态性能试验台,LabView,机电模拟技术,PID
参考文献
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