工程科學學報

深度神經網絡模型量化方法綜述

楊春, 張睿堯, 黃瀧, 遆書童, 林金輝, 董志偉, 陳松路, 劉艷, 殷緒成 — 2023-10-25

楊春, 張睿堯, 黃瀧, 遆書童, 林金輝, 董志偉, 陳松路, 劉艷, 殷緒成近年來，利用大型預訓練模型來提高深度神經網絡在計算機視覺以及自然語言處理等具體任務下的泛化能力和性能，逐漸成為基于深度學習的人工智能技術與應用的發展趨勢. 雖然這些深度神經網絡模型表現優異，但是由于模型的結構復雜、參數量龐大與計算成本極高，使得它們仍然難以被部署在如家電或智能手機等資源受限的邊緣及端側硬件平臺上，這很大程度上阻礙了人工智能技術的應用. 因此，模型壓縮與加速技術一直都是深度神經網絡模型大規模商業化應用推廣的關鍵問題之一. 當前在多種模型壓縮與加速方案中，模型量化是其中主要的有效方法之一. 模型量化技術可以通過減少深度神經網絡模型參數的位寬和中間過程特征圖的位寬，從而達到壓縮加速深度神經網絡的目的，使量化后的網絡能夠部署在資源有限的邊緣設備上，然而，由于量化會導致信息的大量丟失，如何在保證模型任務精度條件下實現模型量化已經成為熱點問題. 另外，因硬件設備以及應用場景的不同，模型量化技術已經發展成為一個多分支的研究問題. 通過全面地調研不同角度下模型量化相關技術現狀，并且深入地總結歸納不同方法的優缺點，可以發現量化技術目前仍然存在的問題，并為未來可能的發展指明方向. 工程科學學報. 2023 45(10): 1613-1629.

面向撲翼飛行機器人的飛行控制研究進展綜述

汪婷婷, 何修宇, 鄒堯, 付強, 賀威 — 2023-10-25

汪婷婷, 何修宇, 鄒堯, 付強, 賀威近十年來，研究人員從飛行生物的飛行機理著手分析，對撲翼飛行機器人的姿態控制、位置控制設計以及系統穩定性分析展開了深入研究，基于魯棒控制、神經網絡等技術，提出了諸多控制方法實現撲翼飛行機器人的自主飛行，其中，姿態控制通過自適應等控制器并結合線性化方法來實現，位置控制則通過搭建層級架構的控制器等方法來完成，并通過設計擾動觀測器等來處理系統的不確定性，以提高系統穩定性能。通過對相關研究工作進行總結，可以看出目前撲翼飛行機器人的飛行控制研究仍大多處于理論階段，還需要進一步結合工程應用中的實際需求，推進撲翼飛行機器人的應用與推廣。最后，探討了撲翼飛行機器人飛行控制未來的研究方向。工程科學學報. 2023 45(10): 1630-1640.

工業無源光網絡物理層關鍵技術及發展趨勢

霍佳皓, 張曉營, 高凱強, 皇甫偉, 隆克平 — 2023-10-25

霍佳皓, 張曉營, 高凱強, 皇甫偉, 隆克平隨著工業互聯網的不斷發展，工業無源光網絡（Passive optical network，PON）引起了工業界和學術界的共同關注. 為應對工業互聯網多樣化場景應用的不同特點，工業PON需滿足超高速率、超大連接和低成本的需求，物理層調制格式、復用方式、傳輸方案、數字信號處理算法等一直是該領域的研究熱點. 首先介紹了PON的基本概念，回顧了PON的標準化歷程，重點對PON物理層傳輸方案及關鍵技術進行梳理，包含強度調制技術、多維復用技術和數字均衡技術的研究進展. 然后，提出了適用于工業PON傳輸的偏振復用強度調制相干檢測系統方案，在仿真平臺上分別測試了四電平脈沖幅度調制和開關鍵控調制兩種調制格式在背靠背和20 km傳輸距離的單模光纖中的傳輸性能，驗證了該方案的優越性. 最后，對工業PON的物理層發展趨勢進行展望. 工程科學學報. 2023 45(10): 1641-1652.

三維點云語義分割：現狀與挑戰

王藝嫻, 胡雨凡, 孔慶群, 曾慧, 張利欣, 樊彬 — 2023-10-25

王藝嫻, 胡雨凡, 孔慶群, 曾慧, 張利欣, 樊彬隨著獲取點云數據成本下降以及GPU算力的提高，眾多三維視覺場景如自動駕駛、工業控制、MR/XR對三維語義分割的需求日益旺盛，這進一步推動了深度學習模型在三維點云語義分割任務中的發展。近期，深度學習模型在網絡架構上持續創新，如RandLA-Net 和Point Transformer，并突破性地以更低的計算成本提高了分割準確率，但已有的三維點云語義分割綜述介紹的研究工作包含大量早期以及被舍棄的方法，沒有系統地整理這些新型高效的方法，不能很好地體現研究現狀。此外，這部分綜述以輸入網絡的不同數據類型分類各點云語義分割方法，不能有效地體現各方法的演進關系，也不利于對比不同方法的分割性能。針對以上問題，本文面向近3年的研究成果和最新的研究進展，重點歸納了三維點云語義分割中基于不同網絡架構的方法、面臨的挑戰及潛在研究方向，并從3個層面對三維點云語義分割進行了系統地綜述。通過本文，讀者可以較系統地了解三維點云語義分割的數據獲取方式、常見數據集及模型的評價指標，對比基于不同網絡架構的三維點云語義分割方法的發展過程、分割性能和優缺點，并進一步認識三維點云語義分割現存的挑戰和潛在的研究方向。工程科學學報. 2023 45(10): 1653-1665.

5G環境下基于深度學習的云化PLC物料識別與定位系統

付美霞, 王健全, 王曲, 孫雷, 馬彰超, 張超一, 管婉青, 李衛 — 2023-10-25

付美霞, 王健全, 王曲, 孫雷, 馬彰超, 張超一, 管婉青, 李衛為了解決智能制造領域中云化控制與視覺分選應用相結合的問題，提出了基于深度學習的云化可編程邏輯控制器（Programmable logic controller，PLC）物料識別與定位系統，并在端到端5G與時間敏感網絡（Time sensitive networking，TSN）傳輸網絡環境下，實現了對云化PLC架構和控制功能有效性的驗證。首先，將傳統PLC系統控制功能容器虛擬化，實現PLC的本地和云端自由部署；其次，在云端設計人工智能學習平臺，采用基于You only look once v5 （YOLOv5）的目標檢測算法實現物料的定位和分類，獲取目標的像素坐標和類別信息；然后，利用相機標定方法把像素坐標轉換成物理世界坐標，并將目標類別、坐標、時間戳信息傳輸到云化PLC；最后，在5G和TSN融合網絡環境下，實現云化PLC對天車設備的實時控制與復雜計算功能整合。結果表明，該系統能夠有效的對多天車進行協同控制，物料定位均值平均精度（Mean average precision，mAP）達到99.65%，分選準確率達到96.67%，平均消耗時間225.99 s，滿足工業低時延、高精度的視覺分選需求。工程科學學報. 2023 45(10): 1666-1673.

基于OTFS的下一代車聯網新型通信與感知一體化技術

孫春蕾, 李琳佩, 張海君 — 2023-10-25

孫春蕾, 李琳佩, 張海君車聯網借助新一代信息通信技術，實現人、車、路、云等的互聯互通. 未來beyond 5G（B5G）和6G將賦予下一代車聯網更極致的通信與感知性能，有效支撐智能駕駛與智慧交通等創新應用. 然而，車輛高速移動帶來的高多普勒效應，極大地增加了現有正交頻分復用（Orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）系統的載波間干擾和導頻開銷，尤其是B5G/6G時代毫米波、太赫茲等高頻段的廣泛應用將進一步加劇這一問題. 近年來，正交時頻空間（Orthogonal time frequency space, OTFS）技術由于在抗時頻雙域選擇性衰落方面的顯著優勢受到了業界的廣泛關注. 基于OTFS實現通信與感知一體化成為了車聯網領域的研究熱點. 本文旨在研究基于OTFS的車聯網通感一體化的系統原理、關鍵技術、應用模式及技術挑戰. 首先，在現有OTFS通信系統的基礎上，探討OTFS通感一體化的系統架構、實現原理以及通信和感知性能. 然后，介紹OTFS技術的國內外研究現狀，并進一步從物理層幀結構、導頻機制等方面討論OTFS通感一體化的難點與關鍵技術. 最后，結合實際場景，分析OTFS在車聯網通感一體化中的應用及面臨的主要挑戰. 工程科學學報. 2023 45(10): 1674-1683.

基于超像素與稀疏重構顯著性的極化SAR艦船檢測

羅嘉豪, 殷君君, 楊健 — 2023-10-25

羅嘉豪, 殷君君, 楊健極化SAR艦船檢測是極化SAR系統的重要應用之一，現有的極化SAR艦船檢測方法在具有強背景雜波的條件下容易將強雜波誤檢為目標，造成虛警；在多尺度艦船檢測情況下小尺寸的艦船容易淹沒在背景雜波中，造成小尺寸目標的漏檢。針對上述問題，本文提出一種基于超像素與稀疏重構顯著性的極化SAR艦船檢測方法。該方法首先用超像素分割方法將大幅的極化SAR場景圖像分割，在超像素級別上使用稀疏重構顯著性方法保留含有艦船目標的超像素，再在這些保留下來的超像素中逐像素使用稀疏重構顯著性檢測方法，得到最終的艦船檢測結果。本文選取強雜波場景和多尺度艦船檢測場景的兩個場景的ALOS-2衛星極化SAR數據進行對比實驗，實驗結果表明，本文方法在強雜波場景下品質因數達到94.87%，在多尺度艦船檢測場景下品質因數達到94.05%。工程科學學報. 2023 45(10): 1684-1692.

深部泵房吸水井硐室群穩定性控制對策及應用

孫曉明, 朱明群, 張勇, 徐愛國, 崔力, 繆澄宇, 趙成偉, 張尚坤 — 2023-10-25

孫曉明, 朱明群, 張勇, 徐愛國, 崔力, 繆澄宇, 趙成偉, 張尚坤為解決深部泵房硐室群失穩現象突出的問題，以大強煤礦?890水平泵房吸水井硐室群為工程背景，通過理論分析和數值模擬，分析硐室群的破壞原因，對比集約化設計和傳統設計對圍巖穩定性控制的效果. 基于恒阻大變形(NPR)錨索高恒阻、高延伸率和吸能的特性，建立NPR錨索支護下硐室交岔口圍巖能量失穩判據，提出以高預應力NPR錨索+立體桁架為核心的泵房吸水井集約化控制對策，并進行現場應用. 結果表明：相比傳統設計，集約化設計簡化了硐室布局和施工程序，同時能夠減小巷道位移、應力，使塑性區范圍減小并趨于均勻化，消除了空間效應；通過NPR錨索的高恒阻大變形和在桁架與圍巖間預留的間隙釋放圍巖變形能，通過NPR錨索的高預應力和立體桁架的強度限制圍巖變形，能有效保證巷道穩定；現場應用表明，該對策將圍巖變形控制在70 mm以內，應用效果良好，可為類似工程提供參考. 工程科學學報. 2023 45(10): 1693-1703.

基于NSCB方法的凍結紅砂巖動態斷裂特性試驗

方士正, 楊仁樹, 李煒煜, 李永亮, 楊陽 — 2023-10-25

方士正, 楊仁樹, 李煒煜, 李永亮, 楊陽采用紅砂巖制作中心直裂紋半圓盤彎曲試樣（Notched semi-circular bend, NSCB），設置不同的負溫溫度對巖石試樣預處理，隨后利用改進后的分離式霍普金森桿（SHPB）實驗系統開展動態試驗。結果表明：巖石的斷裂韌度存在明顯的加載率效應，斷裂韌度試驗值隨加載率的增加近似呈指數型增大；當加載率一定時，巖石斷裂韌度由常溫進入負溫后先緩慢后快速增加，在–20 ℃時達到最大值，隨著溫度進一步降低，巖石斷裂韌度快速減小。進一步對巖石破裂過程分析發現，不同溫度下巖石的斷裂過程基本一致，且裂紋擴展速度受溫度影響較小。基于巖石斷面的掃描電子顯微鏡結果分析巖石斷裂模式為：負溫下紅砂巖的斷裂以沿晶破裂和膠結物的撕裂為主，伴有少量的穿晶破裂現象，同時當溫度降低至–25 ℃時，巖石內部微裂隙數量明顯增多，說明負溫對巖石具有劣化作用。最后探討了溫度對巖石內部結構的影響機制，對分析巖石斷裂特性的低溫效應具有一定參考意義。工程科學學報. 2023 45(10): 1704-1715.

轉爐吹煉過程噴濺機理及預報模型研究進展

辛同澤, 王敏, 包燕平 — 2023-10-25

辛同澤, 王敏, 包燕平轉爐作為一個高溫高壓、多元多相的反應容器，容易發生噴濺或溢渣事故. 良好的熔池攪拌可以增大渣–金反應面積，提高煉鋼效率；異常的熔池攪拌則會造成金屬損失，毀壞爐體及其附屬設備，甚至威脅到爐前工作人員的人身安全. 本文總結了前人對噴濺機理及影響因素的研究結果，轉爐噴濺按產生的原因可以分為爆發性噴濺、泡沫性噴濺、金屬性噴濺和其他噴濺，其中爆發性噴濺的危害最大，泡沫性噴濺的發生頻率最高. 噴濺事故的產生總體可以歸結為爐內激烈化學反應產生氣泡驅動的高溫熔體噴濺和頂底復吹為熔池提供的流動能量所產生的噴濺，且一次噴濺事故的發生常常是多種因素耦合引發，從單方面分析噴濺事故原因過于片面，研究出一套適用于轉爐噴濺的安全評價模型是當務之急. 并對現有的噴濺預報模型進行了綜述，總結了爐氣分析法、音頻分析法、圖像分析法的預測原理及部分應用結果，指出現有預測模型沒有得到廣泛應用的原因，未來噴濺預測模型會朝著更加智能化、精細化的方向發展. 工程科學學報. 2023 45(10): 1716-1728.

鈮微合金化高強鋼中NbC析出相的生成機理

胡俊杰, 任英, 張立峰 — 2023-10-25

胡俊杰, 任英, 張立峰微合金化與熱處理工藝是提升鋼材性能最主要的兩種方法。本文以DH980高強鋼中NbC析出相為對象，研究了鈮含量分別為210 × 10^–6、430 × 10^–6和690 × 10^–6和熱處理溫度分別為1000、1100、1200和1300 ℃的條件下，高強鋼中NbC析出相的析出行為。使用高溫硅鉬爐熔煉DH980連鑄坯并添加不同Nb含量進行鈮合金化，再將所得水冷樣置于硅鉬爐中完成不同溫度下的熱處理實驗，然后使用夾雜物自動掃描電鏡對實驗樣品進行夾雜物掃描、統計。經分析，鈮微合金化后的高強鋼中主要的夾雜物為Al₂O₃、MnS和NbC，其中，NbC析出相的尺寸范圍為0.7～6.0 μm，而1.0～2.0 μm尺寸的NbC居多。使用Factsage熱力學計算軟件計算NbC析出溫度及析出量，隨著鋼中鈮含量從210 × 10^–6增加至690 × 10^–6，NbC析出相的最高析出溫度逐漸升高，分別為1125、1200和1260 ℃，NbC析出率（NbC質量與所有夾雜物質量的比值）也逐漸從0.023%增加至0.047%、0.076%。MnS的析出溫度為1450 ℃，不隨Nb含量的變化而變化。鋼中NbC析出量隨著鈮含量的增加而增加，也隨著熱處理溫度的升高而增加。當熱處理溫度為1300 ℃時，NbC出現回溶現象，導致析出量減少。NbC尺寸主要與初始Nb含量、熱處理溫度、保溫時間有關，NbC尺寸會隨著Nb含量、熱處理溫度、保溫時間的提高而增加。本研究中建立了高強鋼中NbC析出動力學模型，預測了鋼中鈮含量、熱處理溫度、熱處理時間對NbC析出相尺寸的影響。工程科學學報. 2023 45(10): 1729-1739.

廢鈦基催化劑與釩鈦磁鐵礦制備含鈦球團性能對比

錢立新, 陶家杰, 范春龍, 丁龍, 龍紅明, 楊濤, 余正偉 — 2023-10-25

錢立新, 陶家杰, 范春龍, 丁龍, 龍紅明, 楊濤, 余正偉鋼鐵企業煙氣脫硝廢催化劑（危廢）產生量逐年增加，加強對此類廢催化劑的有效處置與利用已成為行業急需解決的關鍵共性難題。本研究首次提出了將廢催化劑添加到球團原料中制備含鈦球團利用的新路徑。將含廢催化劑球團和市場普通含鈦球團的制備過程及冶金性能進行對比研究。結果表明：球團原料中添加質量分數5.0%的廢催化劑可以顯著提高生球綜合性能指標，且明顯優于以釩鈦磁鐵礦制備的普通含鈦球團。球團焙燒后，含廢催化劑球團平均抗壓強度為3083 N，高于普通含鈦球團的2630 N。含廢催化劑球團固結機理表明，廢催化劑中TiO₂與鐵氧化物反應形成Fe₂TiO₅相粘結，部分未反應TiO₂會降低球團抗壓強度。兩種含鈦球團冶金性能與普通氧化球團基本相同，說明含廢催化劑球團可以用于高爐護爐冶煉使用。本研究有望為鋼鐵企業煙氣脫硝產生的廢催化劑在企業內部資源化利用提供新思路。工程科學學報. 2023 45(10): 1740-1749.

利用變分卷積推斷局部拓撲結構的圖表示方法

侯靜怡, 唐宇鑫, 于欣波, 劉志杰 — 2023-10-25

侯靜怡, 唐宇鑫, 于欣波, 劉志杰深度學習技術的長足發展與數據算力的快速提升，極大地增加了各種結構圖神經網絡優化和實現的可行性，使得圖結構數據的表示研究工作取得極大進展。已有的圖神經網絡方法主要關注圖節點之間全局信息的傳遞，理論上可證明其強大的信息表示能力。然而，面向局部拓撲具有特殊語義的圖結構數據表示時，這些通用方法缺乏靈活的局部結構表示機制，例如化學反應中組成分子的局部結構—官能團，其通常能夠決定化學分子性質并且參與化學反應過程。進一步挖掘這些局部結構的信息對基于圖表示的各類任務都是非常重要的，為此提出一個利用變分卷積推斷局部拓撲結構的圖表示方法，不僅考慮圖節點在全局結構上的關系推理與信息傳遞，還基于變分推斷自適應地學習圖數據的局部拓撲結構，利用卷積操作對局部結構進行編碼，從而進一步提高圖神經網絡的表達能力。本文工作在多個圖結構數據集上進行實驗，實驗結果表明利用局部結構信息可以有效提升圖神經網絡在基于圖的相關任務上的性能。工程科學學報. 2023 45(10): 1750-1758.

空地數據實時傳輸下的飛機著陸風險預警方法

王巖韜, 趙昕頤 — 2023-10-25

王巖韜, 趙昕頤面向未來5G和衛星網構成的空地高通量互聯場景，為實現飛機著陸風險提前預警。首先基于統計與模型，建立了一套以多源運行實時數據為主，融合歷史統計和專家知識的著陸預警體系；然后，針對現有研究計算結果滯后問題，先通過對ARJ21飛機著陸過程快速存取記錄器（QAR）數據的聚類分析，將飛行員著陸操作模式分為4類，進而構建基于決策場理論的飛行員著陸操作模式預測模型，計算并討論不同場景下、不同個性飛行員的著陸模式選擇；在上述基礎上，針對著陸過程的復雜性和不確定性，提出一種分層計算的置信規則庫推理方法，融合定性與定量信息實現著陸動態風險評估和預警。最后，通過對“2020.10.16攀枝花跑道外接地事件”和“2010.8.2伊春空難”著陸過程的風險推理驗證了預警方法的有效性，其中攀枝花事件提前預警時間可達13 s。工程科學學報. 2023 45(10): 1759-1770.

海外油氣效益產量決策模型研究及應用

李婷 — 2023-10-25

李婷效益最大化是國際石油公司生產經營的永恒主題，油氣產量是效益實現的載體，提高效益產量則是海外資產保值增值的必然途徑. 針對目前國內公司對于海外項目開展提質增效的一系列做法，亟待建立一套能夠兼容油價震蕩、適應海外項目，并滿足不同需求的綜合效益產量決策方法，助力海外項目提質增效. 針對海外項目不同于國內項目的特點，分析了礦稅制、產量分成、服務合同等不同油氣項目合同模式下的效益實現特點及策略；并基于國內外調研分析，建立了一套不同效益條件（成本、產量等指標浮動）下的海外項目效益產量評價邏輯框架，以整體邊際效益、現金流、利潤優化目標為決策點，指導效益配產，實現資產增值保值；在兼顧收益性與風險性的基礎上，創建全效益多維度效益產量決策模型并設計求解算法，在滿足石油公司的投資、成本等多種約束條件下，考慮產量、利潤、風險等多個決策目標，給出海外油氣田項目開發的全維度最優決策區間，即帕累托解集. 將創建的模型應用于海外油田具體案例，給出一定決策目標下的帕累托效益最優決策區間，并對解集中的每個解進行深度分析比選，提出按不同決策偏好選取不同的對應解，從而滿足效益經營決策的客觀性及科學性. 最后考慮不確定性因素的影響，分情景對方案產量、油價、成本及投資等的不確定性進行分析，取得較好的應用效果，為制定海外油田效益產量優化方案、資產保值增值提供可靠的決策支持. 工程科學學報. 2023 45(10): 1771-1781.

考慮不同初始狀態的黃河泥沙三軸靜力剪切特性試驗

王鈺軻, 陳宇源, 邵景干, 宋迎賓, 鐘燕輝 — 2023-10-25

王鈺軻, 陳宇源, 邵景干, 宋迎賓, 鐘燕輝開展了一系列靜態三軸剪切試驗，研究了不同初始條件（圍壓、密實度）以及不同試驗條件（剪切速率、排水條件）對黃河泥沙靜力強度以及變形特性的影響，得到了黃河泥沙的應力應變曲線發展規律，以及應力路徑、抗剪強度包線、應力比曲線和不同特征狀態下的內摩擦角分布、初始剪切模量以及極限偏應力等指標。結果表明：黃河泥沙的抗剪強度對圍壓、密實度以及排水條件更為敏感，具體而言，峰值強度、臨界強度均隨著圍壓與密實度的提高而增大，不排水條件下的抗剪強度大于排水條件；不排水條件下孔壓的發展與排水條件下的剪脹特性具有對照關系，但孔壓較剪脹特性發展得更為迅速，并且得到黃河泥沙的特征狀態內摩擦角分布區間介于22.6°到38.1°之間。本研究可以為黃河泥沙在路基工程中的資源化利用提供數據和理論參考。工程科學學報. 2023 45(10): 1782-1794.

基于PCM的太陽能儲能水箱研究進展

赫娜, 馮國會, 王天雨 — 2023-10-25

赫娜, 馮國會, 王天雨在建筑節能領域，太陽能是一種備受青睞的清潔能源。然而，太陽能本身的不穩定性及不連續性極大的影響了其應用效果。相變儲能技術以其巨大的相變潛熱、相變過程溫度恒定等優點受到廣泛關注，是太陽能存儲技術中應用較為廣泛的一種技術。為總結相變儲能技術在太陽能存儲領域的應用效果及研究現狀，本文綜述了國內外基于相變儲能材料（PCM）的太陽能儲能水箱的研究進展。通過對太陽能相變儲能水箱中PCM的性能改進、相變儲能水箱結構優化設計、相變儲能水箱性能提升等問題的現有研究進行總結分析，歸納出目前基于PCM儲能的太陽能儲能水箱在應用中的優勢與不足。最后，提出改善太陽能相變儲能水箱性能的研究思路，分別對PCM的融化率、強化傳熱方法、技術經濟性、儲能水箱應用場景、多能耦合供熱性能匹配等問題進行了展望，旨在為太陽能相變儲能水箱的深入研究與應用提供幫助和借鑒。工程科學學報. 2023 45(10): 1795-1806.