机械工程学报

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机械工程学报. 2023, 59(12): 0-0.

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制造大数据分析综述：内涵、方法、应用和趋势

汪俊亮, 高鹏捷, 张洁, 王力翚

机械工程学报. 2023, 59(12): 1-16. https://doi.org/10.3901/JME.2023.12.001

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随着5G、物联网(Internet of things, IoT)和云计算等技术的发展，制造系统中数据的体量持续增长，并涌现出了全新的大数据特性与内涵，逐渐成为支撑制造系统运行优化的关键要素。为了进一步释放制造大数据的要素红利，对制造大数据分析方法展开综述，理清制造大数据的内涵，梳理大数据分析方法的发展历程，归纳制造大数据分析的应用，总结挑战与发展趋势。首先，从制造大数据的特点、数据密集型科学的内涵、大数据驱动的智能制造系统新模式三方面论述了制造大数据的新内涵；接着，从支撑技术与方法特点，对制造领域的大数据分析方法的发展历程进行回顾。然后，从产品设计、生产调度、产品装配、质量优化、设备运维和制造服务六个关键应用领域，对大数据分析方法在智能制造中的应用进行综述。最后，讨论制造大数据分析方法面临的挑战，展望未来大数据分析方法的发展方向，以期激发制造大数据分析方法的新思维、新理论，并推进制造大数据技术进一步发展。

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一种数据隐私保护下多方无损线性模型学习方法

华丰, 王亚森, 金骏阳, 袁烨

机械工程学报. 2023, 59(12): 17-27. https://doi.org/10.3901/JME.2023.12.017

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随着工业大数据技术的发展，制造企业通过收集和分析生产数据，获取在预测、诊断等方面的优化方法。然而制造企业受限于建模和算力等技术瓶颈，难以高效地实现数据分析，在联合其他参与方共同协作时即需要承担信息泄露的风险，又难以保证模型的性能无损。针对这些场景问题，提出基于数据隐私保护的多方无损线性模型学习方法。首先搭建多方协作计算框架，设计了数据单向加密算法来保护数据出场的隐私安全，各协作方分别基于加密数据进行线性模型的训练。随后，研究分析线性模型与数据集的关联特性，提出线性模型无损聚合算法。最后，在典型工业场景数据集上进行方法验证，试验结果表明提出的框架可以获得性能无损的全局模型，并实现数据持有方的隐私安全保护。

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面向盾构机不完整数据的模糊聚类与非线性回归填补

王一棠, 庞勇, 张立勇, 史彦军, 孙伟, 宋学官

机械工程学报. 2023, 59(12): 28-37. https://doi.org/10.3901/JME.2023.12.028

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实测数据的完整性和可靠性是工业大数据时代推动各行业发展的必要前提和关键因素。盾构机作为隧道掘进施工的关键设备，具有系统结构复杂，部分属性关联度高等特点，是“一带一路”等国家战略中城市地下建设的国之重器。然而，在盾构机作业过程中，由于环境干扰、采集中断、设备故障等诸多原因，数据缺失已成为盾构机实测数据采集中不可避免的问题，严重降低数据的质量与可信度，影响工程进度。针对盾构机实测数据的特点，提出一种基于模糊聚类和非线性回归的高精度缺失值填补算法。该方法首先通过模糊聚类的方法，将不同工况运行实测数据进行有效划分，获取多个线性子集。然后，为每个子集建立线性回归模型，采用交替迭代策略来求解模型参数，有效挖掘属性间的关联关系。试验结果表明，所提方法无论是在对不完整数据聚类，还是对缺失数据填补，都具有良好的表现。提出的数据填补算法可有效解决数据划分和恢复问题，为盾构机实测大数据挖掘提供可靠的基础。

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5G技术赋能的智能离散制造车间主动调度模式

高艺平, 李新宇, 单杭冠, 范晓晖, 高亮, 刘齐浩

机械工程学报. 2023, 59(12): 38-46. https://doi.org/10.3901/JME.2023.12.038

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分析了当前离散制造车间调度模式的不足和面临的挑战，在此基础上，提出一种5G技术赋能的智能离散制造车间主动调度模式，将生产过程的传统被动调度模式转化为“互联-预测-调控”的主动调度模式。针对实际生产中交货期变化、机器故障等异常工况，通过5G技术构建云-边-端协同的车间多源异构数据互联互通体系，打通各层级之间的通信壁垒，实现全生产要素的数据实时感知与互联以及生产指令的上传下达；基于感知数据，采用深度学习等人工智能技术实现车间运行状态与异常事件的精准预测；根据预测结果主动调控生产计划，优化资源配置，构建了云-边-端协同的主动调度机制，实现调度“规则+算法”的混合联动，降低异常事件对生产过程的影响，实现复杂动态制造环境下的车间性能优化。

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数据驱动的智慧车间实时调度方法研究

顾文斌, 李育鑫, 刘斯麒, 苑明海, 裴凤雀

机械工程学报. 2023, 59(12): 47-61. https://doi.org/10.3901/JME.2023.12.047

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智能制造系统采用了物联网等大量先进信息技术，使得车间积累了大量的实时生产数据。同时，复杂制造系统在运行过程中容易出现一系列干扰事件，这对车间实时响应能力提出了更高的要求。因此，在工业大数据支撑的制造环境下，针对考虑序列相关设置时间和阻塞的混合流水车间调度问题(Hybrid flow shop scheduling problem with sequence-dependent setup times and blocking, HFSP-SDST-B)，提出一种基于深度强化学习的实时调度方法，从而实现制造资源的合理分配和完工时间最小化。作为一个序列决策问题，HFSP-SDST-B可以被建模为一个马尔科夫决策过程。在每个调度点，智能体根据当前的生产状态选择相应的调度规则，从而进行合理的工件排序和机器分配。为了实现生产数据驱动的实时调度方法，依次设计考虑阻塞因素的调度点、通用生产状态特征、基于遗传规划的启发式规则和奖励函数。然后提出一种基于近端策略优化算法的训练方法，从而让智能体构建状态与规则之间的有效映射。最后试验结果表明，与现有的动态调度方法相比，该方法具有优越性和通用性，并且通过学习能够有效处理随机扰动时间和新订单插入的未知情况。

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大数据驱动的车间数字孪生模型构建方法

闫纪红, 姬思阳

机械工程学报. 2023, 59(12): 62-77. https://doi.org/10.3901/JME.2023.12.062

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数字孪生技术为车间生产全生命周期的监控和自主决策预测提供理论结构框架，推进车间数字化、智能化转型。从数字孪生架构体系的物理实体融合、数据交互、虚拟实体搭建、模型自主更新以及决策预测五个方面，针对实际车间普遍存在的数据交互延迟和物理空间动态扰动问题，搭建大数据环境下基于状态转移的数字孪生车间模型体系架构，提出基于状态的孪生模型自适应更新策略方法和考虑工件优先级、返修和插单的自决策调度算法。结合加工过程产生的阶段数据和历史大数据，更新数字孪生模型的数据结构和运行规则，同步实际生产状态，提供合理的再调度策略，获得可信的生产预测结果。以某航空非标产品机加为例，搭建所提出的数字孪生模型，利用状态间隔产生的数据更新模型，生成和验证返修件再调度方案，证明了数字孪生模型的有效性。

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基于深度强化学习的工序交互式智能体Job shop调度方法

陈睿奇, 黎雯馨, 王传洋, 杨宏兵

机械工程学报. 2023, 59(12): 78-88. https://doi.org/10.3901/JME.2023.12.078

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针对作业车间调度问题(Job shop scheduling problem, JSSP)因NP-难属性难以快速获得优质解，以及生产场景随机扰动所导致的频繁重调度等求解难题，基于深度强化学习提出一种新颖的交互式工序智能体(Interactive operation agent, IOA)调度模型框架。在分析工序间工艺路线和加工设备约束关系的基础上，将Job shop的加工工序构建为工序智能体，设计工序智能体间的交互机制，智能体依据彼此关系进行特征交互并更新自身的特征向量，并基于工序特征和最早加工时间设计拟合动作值函数的深度神经网络，调度模型根据系统状态和工序智能体特征即可生成调度策略。采用Double DQN算法训练IOA调度模型，引入经验回放机制消除序列训练样本间的相关性，训练好的模型可以快速生成高质量的调度方案，并在机器发生故障时能够有效执行重调度策略。试验结果表明所提出的IOA调度方法优于贪婪算法和启发式调度规则，且具有良好鲁棒性和泛化能力。

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基于改进人工蜂群算法的预防性维修与柔性作业车间成组调度集成优化

刘琼, 刘嘉豪, 刘佳良

机械工程学报. 2023, 59(12): 89-96. https://doi.org/10.3901/JME.2023.12.089

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传统车间调度问题大多假设机器一直可用，忽视了机器需要维修的情况，而维修计划与生产调度存在着复杂的耦合关系，为最大限度降低维修成本、提高生产效率，有必要将预防性维修和生产调度集成优化。考虑到预防性维修更关注每个机器有效工作时间，提出以每个机器上最后一道工序的完工时间之和最小化以及总成本最小化为优化目标，建立预防性维修与柔性作业车间成组调度集成优化模型。为了提高算法的局部搜索能力，提出一种基于自适应变邻域搜索机制的改进人工蜂群算法(ABC-AN算法)。采用测试算例和三种规模的实际算例验证了提出算法的有效性，通过与分开优化的结果比较，验证了集成优化方法的有效性。

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数据与模型混合驱动的箱体零件加工能耗预测

张华, 李曙光, 鄢威, 江志刚, 朱硕, 马峰

机械工程学报. 2023, 59(12): 97-108. https://doi.org/10.3901/JME.2023.12.097

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箱体零件是机械产品与部件的载体和安装基础件，其制造过程耗费大量的资源和能源。加工能耗预测作为能效评估与优化的前置技术，具有积极的意义。然而，由于箱体零件往往具有复杂的加工特征，且特征间耦合关系复杂，导致现有基于加工特征的方法难以准确预测其加工能耗。基于此，提出一种数据与模型混合驱动的箱体零件加工能耗预测方法。首先，基于箱体零件结构组成，对其加工特征及其间耦合关系、以及加工能耗特性进行分析；其次，针对箱体零件加工特征的相交与非相交关系，分别构建数据驱动的非相交特征加工能耗预测模型与模型驱动的相交特征加工能耗预测模型，进而实现箱体零件加工能耗的准确预测；最后，以某箱体零件加工为例对所提方法的有效性进行验证，并通过与纯数据驱动和纯模型驱动能耗预测方法的横向对比，说明所提方法的优越性。

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面向“互联网+”定制产品的智能适应性设计研究

胡炳涛, 冯毅雄, 刘继红, 郭伟, 谭建荣

机械工程学报. 2023, 59(12): 109-125. https://doi.org/10.3901/JME.2023.12.109

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在“互联网+”环境下，用户可以深度参与产品的设计、制造和运维等全生命周期过程，对定制产品的个性化需求程度不断提高。随着定制生产的方式在制造业中占比逐渐增加，如何适应互联网上来源广泛、形式各异的客户需求，提高产品定制设计的智能化水平，推动产品生产模式由均质化向定制化转变，成为“互联网+”定制产品设计需要解决的关键问题。为此，总结“互联网+”环境下定制产品适应性设计的基本原理，提出面向“互联网+”定制产品的智能适应性设计架构，阐述该架构涉及到的三项关键技术，包括全生命周期多模态数据统一表征、需求数据驱动的产品功能-行为-结构映射和变更数据驱动的设计更改路径演化与决策。最后以某型号液压机为例，根据互联网定制客户需求对其油箱进行智能适应性设计，证明所提方法的有效性，为“互联网+”定制产品的设计理论发展提供了参考。

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典型零件磨削加工工艺智能决策系统

邓朝晖, 李重阳, 葛吉民, 刘涛

机械工程学报. 2023, 59(12): 126-138. https://doi.org/10.3901/JME.2023.12.126

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磨削作为大多数典型零件终加工方法，开展典型零件磨削加工工艺智能决策是满足其高精、高效的重要手段，因此提出基于6R模型的典型零件磨削加工智能工艺决策系统框架。首先，结合实例推理与置信度计算各实例的综合置信因子开展实例优选。然后，建立异质集成学习与粒子群算法优化的预测模型获得最优工艺方案输出。最后，基于Qt 4.8.7和SQLite 3开发典型零件磨削加工工艺决策系统。以磨床砂轮主轴磨削为例，根据企业应用报告，使用工艺智能决策系统的方案加工后，零件表面质量提高73.25%，工艺方案决策时间从近20 h缩短到2～4 h，零件加工处理时间从10 min缩短到5 min，单个产品的加工效率提高25%以上，最高达47%，工艺决策准确率达到98.2%，实现了典型零件的高效、高精度磨削加工。

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基于Kriging模型的在役高速列车悬挂参数近似贝叶斯估计

何庆, 利璐, 李晨钟, 王平, 谢斯

机械工程学报. 2023, 59(12): 139-148. https://doi.org/10.3901/JME.2023.12.139

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高速列车在长期服役情况下，车辆悬挂部件参数与其初始设计值之间会产生较大差异。车辆物理参数识别方法操作复杂、费用较高，参数估计只需要利用少量的传感器获取车辆振动状态信息，就能估算出车辆关键部件实际参数值。结合实测轨检数据和多体动力学仿真模型，提出一种基于Kriging模型的近似贝叶斯计算(ABC)方法对在役高速列车的悬挂参数进行估计。首先，利用Kriging模型代替多体动力学模型作为近似贝叶斯计算中的数值模型；然后，以单目标优化代替多目标处理以简化ABC中参数估计，得到不同加权因子组合下悬挂参数的后验分布，后验分布中最大相对概率所对应的参数值即为悬挂参数的估计值；最后，将得到的悬挂参数的估计值输入多体动力学模型中进行车体加速度的预测，并与实测车体加速度进行对比。结果表明，相比于依据车辆初始参数进行仿真计算的结果，以车体垂向加速度作为优化目标时，预测垂向加速度值与实际值功率谱密度曲线的皮尔逊相关系数增加了0.919；以车体横向加速度作为优化目标时，预测横向加速度与实际值的相关系数增加了0.427；同时以车体垂向、横向加速度作为优化目标时，预测垂向、横向加速度与实际值的相关系数分别增加了0.861、0.366，能对在役高速列车的悬挂参数进行有效估计，从而为进行进一步车辆参数优化提供技术支持。

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基于联邦学习框架的制造服务个性化推荐方法研究

王磊, 金校, 唐红涛, 李西兴, 李益兵, 郭顺生, 官思佳

机械工程学报. 2023, 59(12): 149-161. https://doi.org/10.3901/JME.2023.12.149

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针对工业云平台中海量的制造服务使得用户难以进行服务选择，以及推荐算法的使用使得平台存在泄露用户数据风险的问题，提出一种基于联邦学习框架的制造服务个性化推荐方法。采用基于模型的协同过滤推荐算法，在矩阵分解中考虑用户和服务的评分偏置项以提高推荐准确度。推荐算法所用的数据被分类存储于用户端与服务器端，其中包含用户隐私的数据留存至用户本地。本地数据经加密算法进行脱敏后，与服务器端的数据结合以共同训练模型。最终，用户对制造服务的不同属性的评分被预测得出。根据制造服务质量的特点，在多属性预测评分的基础上进一步量化用户个性化倾向。通过个性化倾向因子对预测评分的干预得到服务的Pareto非支配解集，生成制造服务的推荐列表。实例验证表明，该推荐方法能够在保护用户隐私的前提下获得良好的预测准确度，在考虑用户个性化偏好的情况下保证推荐服务的预测评分均值较高，从而帮助用户进行制造服务选择。

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基于多源参量感知的航空工装定位器在线监测方法与系统研究

刘巍, 陈启航, 梁冰, 张洋

机械工程学报. 2023, 59(12): 162-172. https://doi.org/10.3901/JME.2023.12.162

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航空工装定位器作为飞机部件装配的定位基准，其全局力位状态直接影响装配精度。因此，赋予工装力位状态自检能力对保障装配精度与效率具有重要意义。提出一种基于多源参量感知的航空工装定位器在线监测方法，可实现严重遮挡、受限测量空间下工装定位器全局位移与应变状态的在线监测。提出可见区域视觉测量-近封闭空间涡流传感的局部位移在线采集方法，拓展工装复杂结构的位移在线监测能力；研究定位器受载状态下应变敏感区域，综合系统敏感性与测量空间可达性，建立光纤内嵌传感的工装应变高性能监测方法；同时，构建定位器在不同工况下力位数据集，并以此数据为基础，提出工装定位器“离散在线监测-全局实时感知”的力位信息全局预测方法，最终形成了基于多源参量感知的航空工装定位器在线监测系统。仿真试验及现场应用验证结果表明，所提方法与系统可赋予航空工装多源状态在线监测能力，实现工装在线自检，推进智能工装的发展。

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基于联合对抗训练的深度学习表面缺陷检测方法

吴强威, 文龙

机械工程学报. 2023, 59(12): 173-182. https://doi.org/10.3901/JME.2023.12.173

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表面缺陷检测是确保产品质量的重要途径。深度学习在表面缺陷检测中已经得到了大量应用，并为实现自动化的表面缺陷检测提供有效的技术途径。然而，深度学习模型容易受到对抗攻击的威胁，进而严重影响其准确性，甚至造成模型失效。为提升深度学习模型对对抗攻击算法的防御能力，基于对抗训练提出新的基于联合对抗训练的深度学习模型。对抗攻击算法包括单步攻击算法和迭代攻击算法，为提升所提联合对抗深度学习模型的防御能力，在对深度学习模型训练时即同时添加不同对抗攻击算法生成的对抗样本，同时增强模型对单步对抗攻击算法和迭代对抗攻击算法的防御能力。为验证所提算法的有效性，所提算法以CIFAR 10和磁瓦表面缺陷数据集为基础进行验证。试验结果表明，所提的联合对抗训练深度学习模型能显著提升对单步对抗攻击与迭代对抗攻击的鲁棒性，并优于传统方法。

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图结构联合时序数据驱动的装备剩余使用寿命预测方法

沈天浩, 丁康, 黎杰, 黄如意, 李巍华

机械工程学报. 2023, 59(12): 183-194. https://doi.org/10.3901/JME.2023.12.183

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随着制造业向数字化、智能化方向转型升级，基于数据驱动的装备智能运维成为了学术界和工业界研究的潮流。然而，当前剩余寿命预测方法存在时序信息提取能力弱、难以建立监测数据与装备真实退化趋势的准确映射关系等局限性。为解决上述问题，提出一种图结构联合时序数据驱动的装备剩余使用寿命预测方法。首先，融合图卷积网络的图时序信息表征能力与长短时记忆网络的长时序特征刻画能力，构建包含图卷积、长短时记忆和逻辑回归模块的剩余寿命预测模型；其次，利用特征相关性构造的具有时序特性的图结构数据、利用原始数据构造具有固定时间步长的时序数据，分别作为图卷积模块和长短时记忆模块的输入，以最小化预测损失为目标，训练并优化寿命预测模型；最后，利用轴承全寿命加速退化试验数据，验证所提方法的有效性，所提方法在单工况下RMSE为0.107，综合工况下RMSE为0.099。与领域内先进方法对比的试验结果表明，所提方法取得了最优的预测性能，可为装备的预测与健康管理提供决策依据，具有较强的工程应用价值。

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基于路图注意力网络的轴承剩余寿命预测方法

杨超颖, 刘颉, 周凯波

机械工程学报. 2023, 59(12): 195-201. https://doi.org/10.3901/JME.2023.12.195

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图数据构建质量直接关系图数据驱动的轴承剩余寿命预测性能。目前传统方法通常利用不同时刻的多传感数据来构建时空图，来表征监测对象性能状态，但如何在单传感监测应用场景下构建表征轴承性能退化状态的图数据并保证其质量仍是一个开放问题。面向单传感监测应用场景，提出一种基于路图注意力网络的轴承剩余寿命预测方法。首先，计算轴承全生命周期时序振动信号的时域统计特征并构造路图，其中，路图中的边用于连接相邻时刻振动信号；在此基础上，设计一种图注意力长短时记忆网络，用于挖掘路图的图特征(节点、边连接)中隐含的时序振动信号特征和时间依赖关系，从而深层次地反映轴承全寿命退化过程。在轴承全寿命公开数据集上开展验证对比试验，结果表明，该路图构造方式明确了边连接的物理意义，并提高了图数据表征性能；所提出的预测方法能有效捕获表征轴承退化状态的图特征以及时间依赖关系，为解决单传感监测应用场景下的轴承性能退化预测问题提供借鉴。

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基于改进深度残差收缩网络的风电机组滚动轴承故障诊断方法

卞文彬, 邓艾东, 刘东川, 赵敏, 刘洋, 李晶

机械工程学报. 2023, 59(12): 202-214. https://doi.org/10.3901/JME.2023.12.202

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滚动轴承是风电机组关键部件，其运行工况复杂，故障类型难以准确识别。针对传统深度神经网络在强噪声环境下特征学习能力不足的问题，提出一种基于稠密连接模块的改进深度残差收缩网络(Deep residual shrinkage network based on dense block，DB-DRSN)，实现强噪声、不同负载工况下滚动轴承故障的高效诊断。首先，将添加不同等级噪声的振动信号间隔采样并矩阵化，构建二维灰度图作为输入样本。然后，基于Dense block构造稠密连接残差收缩模块层(Residual shrinkage block unit based on dense block，DB-RSBU)，利用Bottleneck层替代残差收缩模块中的卷积隐层，并加入Concat连接，达到对浅层和深层特征的充分利用。在每次稠密连接后通过1×1卷积进行降维，利用注意力模块和软阈值对逐通道特征赋不同阈值并降噪。最后，输入样本经过卷积池化层和DB-RSBU层堆叠的网络得到分类结果。试验表明，DB-DRSN模型在CWRU与PU滚动轴承数据集上不同噪声等级下的平均诊断准确率分别达到99.80%和96.44%，相比其他模型有更高的准确率、更快的收敛速度和更强的抗干扰能力。引入稠密连接核心思想对网络结构的改进可为基于数据驱动的风电机组滚动轴承故障诊断方法提供新思路。

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时变转速下基于双阈值注意力生成对抗网络和小样本的转子-轴承系统故障诊断

邵海东, 李伟, 刘翊, 杨斌

机械工程学报. 2023, 59(12): 215-224. https://doi.org/10.3901/JME.2023.12.215

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可用故障数据的匮乏给时变转速下转子-轴承系统的端到端故障诊断带来严重挑战，生成对抗网络为解决小样本故障诊断问题提供新思路，但其仍存在梯度消失、全局关联特征学习能力较弱和训练效率较低等缺点。因此，提出一种双阈值注意力生成对抗网络，用于生成高质量的红外热成像图片，以解决时变转速下转子-轴承系统的小样本故障诊断难题。首先，结合Wasserstein距离和梯度惩罚设计新型对抗损失函数，避免训练过程中的梯度消失。其次，构建注意力嵌入的生成对抗网络以指导学习红外热成像图片的全局热力关联特征。最后，开发双阈值训练机制进一步提高生成样本质量和训练效率。将所提方法用于分析转子-轴承系统的实测红外热成像图片，结果表明，所提方法能辅助准确诊断时变转速及小样本下的不同故障模式，性能优于目前常用的生成对抗网络方法。

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金刚石粒度及添加量对大气环境感应钎涂层耐磨性的影响

龙伟民, 刘大双, 吴爱萍, 钟素娟, 王德成

机械工程学报. 2023, 59(12): 225-235. https://doi.org/10.3901/JME.2023.12.225

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金刚石是自然界中最坚硬的物质，因其具有良好的耐磨性能，广泛应用于切削、磨削等行业。利用钎涂技术制备金刚石工具，具有独特优势。钎涂层中的金刚石粒度及添加量是影响涂层耐磨性的关键因素，为此，试验研究金刚石添加量及粒度对大气环境感应钎涂层界面组织及耐磨性的影响规律，探讨金刚石钎涂层的耐磨机制。结果表明，Cr元素在金刚石微粒/Ni基钎料合金界面处形成了宽度约2 μm的富集带。当金刚石添加量达到15%时，可原位生成一定比例的碳化物，且碳化物类型为Cr₇C₃。同质量分数添加金刚石微粒(210～280 μm)的钎涂层耐磨性要优于添加颗粒(700～840 μm)的钎涂层。对于添加不同含量金刚石微粒的钎涂层而言，金刚石添加量为20%时涂层耐磨性最优，当金刚石添加量超过20%，耐磨性不增反降。钎涂层中金刚石在磨损过程中，呈现完整、钝化、裂纹、破碎、脱落等形式。

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精密仪表用铝合金瓷质阳极氧化表面粘接性能研究

郭磊, 刘检华, 夏焕雄, 敖晓辉

机械工程学报. 2023, 59(12): 236-244. https://doi.org/10.3901/JME.2023.12.236

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铝合金瓷质阳极氧化工艺是精密仪表制造中的一种特殊且关键的技术应用，但该氧化表面的胶粘连接常常出现脱粘、泄漏等失效问题。为此，通过探究瓷质阳极氧化表面的微纳形貌与润湿性特征以及高低温下的胶接强度与失效模式，并与自然氧化表面及磷酸阳极氧化表面进行对比分析，阐明瓷质阳极氧化表面胶接失效的影响机理。结果表明，磷酸阳极氧化虽未在微米尺度上显著改变表面粗糙度，但其纳米级多孔氧化膜结构，可显著提高表面润湿性与界面粘接作用力；而瓷质阳极氧化膜在50 000×的SEM形貌下较为致密、平滑，显示出不利于胶粘剂润湿与吸附的物理特征；在-30～80 ℃下，温度与氧化方法均对胶接强度影响显著，胶接强度随着温度的升高而降低；磷酸阳极氧化表面的强度最高(36.75～20.54 MPa)，其次为自然氧化，最差为瓷质阳极氧化(24.79～17.10 MPa)。热红外与能谱分析表明，瓷质阳极氧化表面的粘附强度低于胶粘剂的内聚强度，失效模式为粘附失效，而磷酸阳极氧化表面的失效模式为胶粘剂的内聚失效。因此，瓷质阳极氧化表面由于氧化膜的致密性，缺少类似磷酸阳极氧化膜的纳米级多孔结构，不利于表面润湿吸附，降低了胶粘剂与基底表面的机械嵌合作用，从而易产生粘接失效。

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双频调制脉冲TIG打底焊电弧-熔池行为分析

张刚, 徐梓龙, 石玗, 朱明, 樊丁

机械工程学报. 2023, 59(12): 245-252. https://doi.org/10.3901/JME.2023.12.245

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为提高中厚板核容器焊接制造效率、质量稳定性及满足无衬板打底单面焊双面成形的工艺新要求，设计小角度、大钝边Y型坡口平板对接焊接结构，建立双频调制脉冲TIG焊接试验控制系统，开展多组低频脉冲和双频调制脉冲焊接工艺对比试验，获得坡口角度60°、钝边5 mm的试板对接可靠打底单面焊双面成形焊缝。进一步研究分析双频调制脉冲电弧、熔池动态行为变化及熔池表面温度场的演化规律，探究讨论双频调制脉冲电流作用下焊缝熔深增加的原因。结果表明，双频调制脉冲电弧因高频脉冲电磁压缩作用具有更高的能量密度和更强的电弧穿透力，使熔池底部极易形成液态金属薄膜并穿透形成熔孔；同时，双频调制脉冲电弧减弱了熔池顶底部液态金属能量波动，增强熔池热惯性，有效降低熔池凝固速率，增加了焊缝熔深，为熔池单面焊双面成形提供良好的热力动态平衡条件。

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定量分析贝氏体钢轨钢中的偏析对疲劳磨损性能的影响

张瑞杰, 郑春雷, 张佩君, 刘长波, 吕博, 杨永强, 韩青阳, 张福成

机械工程学报. 2023, 59(12): 253-263. https://doi.org/10.3901/JME.2023.12.253

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利用摩擦磨损试验机研究了新型贝氏体钢轨钢在不同接触应力下的疲劳磨损失效机制，以及定量分析偏析程度对疲劳磨损性能的影响，为新型贝氏体钢轨的失效分析和维护提供理论基础。研究结果表明在800 MPa、1 100 MPa接触应力条件下，钢轨钢的失效机制以磨损为主，随着接触应力增加到1 340 MPa，钢轨钢的失效机制逐渐由磨损向疲劳机制转变。通过对偏析条带的定量分析发现偏析在一定程度上可以提高磨损性能，但是严重降低疲劳性能。成分偏析区域较细的显微组织以及较多的马氏体组织提高了钢轨钢的局部硬度，从而使严重偏析试样的磨损性能有所提高。严重偏析试样的失重量比轻微偏析试样的失重量少14%左右。疲劳裂纹沿偏析条带萌生和扩展，严重偏析试样产生的裂纹比轻微偏析试样的裂纹长200 %左右。因此，试样的偏析程度越高，滚动接触疲劳性能越差。

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多向加载旋转挤压成形技术及装备

张治民, 李国俊, 王强, 于建民, 薛勇, 陈喆

机械工程学报. 2023, 59(12): 264-271. https://doi.org/10.3901/JME.2023.12.264

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大型薄壁高筋构件是实现产品极限轻量化的典型结构件，其整体成形存诸多难题。针对高性能大型薄壁内环高筋类轻质构件精确塑性成形的需求，首次提出了将直线运动与旋转运动相匹配，主动增加强剪切变形的多向加载旋转挤压成形新技术，并开发出了具有自主知识产权的12.5 MN-0.4 MN·m-10 r/min多向加载旋转挤压机。该装备通过主动控制模具的轴向、径向以及旋转运动多级组合，利用微区累积应变颠覆了毛坯与工件形状决定变形程度的传统。利用该技术能控制金属的有序合理流动，实现材料的均匀强韧化和薄壁内环高筋构件(筋高0～70 mm)的整体精确成形，从而提高了产品的力学性能和材料利用率。该技术与装备填补了国内外大型薄壁内环高筋类轻质构件形性一体化控制成形的空白，拓展了塑性成形新领域。

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全位置焊接熔池的深度学习检测方法

马晓锋, 夏攀, 刘海生, 史铁林, 王中任

机械工程学报. 2023, 59(12): 272-283. https://doi.org/10.3901/JME.2023.12.272

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在熔化极活性气体保护焊(Metal active gas arc welding，MAG)焊接过程中，传统机器视觉熔池检测方法难以适应剧烈变化的强弧光和飞溅等噪声的干扰。为此，提出一种结合GAN与改进PSPNet的熔池深度学习检测方法，实现对熔池的动态跟踪与精准检测。首先，通过生成对抗网络(Generative adversarial networks，GAN)中的解码器、编码器及小步数的反卷积模块，对焊接熔池图像进行增强，解决因强弧光和飞溅等噪声导致的图像模糊。然后，对不同位置的熔池形态进行力学现象分析，得出不同位置的熔池形成规律。最后，结合GAN网络与全位置熔池变化规律，对PSPNet网络进行改进，利用多层金字塔池化模块进行信息提取、空洞卷积大视野的获取全局信息、以及引入的Swish激活函数，对熔池进行动态分割。试验结果表明，该方法平均像素准确率和平均交并比等指标提高至88.03%和85.45%，网络模型训练时间比改进前提升19.05%，能够实现熔池动态跟踪，对机器人智能焊接有重要意义。

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牵引/制动载荷和复杂黏着条件对地铁轮轨动态相互作用影响研究

杨云帆, 凌亮, 张涛, 王开云, 翟婉明

机械工程学报. 2023, 59(12): 284-296. https://doi.org/10.3901/JME.2023.12.284

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牵引/制动载荷和轮轨黏着条件对轮轨系统动态相互作用影响显著，尤其是轮轨切向作用。基于车辆-轨道耦合动力学理论，建立地铁车辆-板式轨道空间耦合动力学模型；由于轮轨接触斑形状以及接触应力分布实际上呈明显的非赫兹特性，因此建立考虑轮对摇头角的轮轨非赫兹法向接触模型以及相应的轮轨非赫兹蠕滑模型，并用于耦合动力学的轮轨动态相互作用计算中。基于所建立的动力学仿真模型，系统分析牵引/制动载荷以及复杂的轮轨界面黏着条件对轮轨系统动态相互作用的影响。结果表明，牵引/制动载荷和轮轨黏着条件对轮轨切向接触应力及黏-滑区域分布影响显著，在干燥接触条件下，随着牵引/制动载荷的增大轮轨切向应力幅值增大，黏着区域减小，而当牵引/制动载荷较高且轮轨黏着水平较低时，接触斑内表现为全滑动状态。研究结果可为车轮/钢轨异常磨损和型面优化设计进一步研究提供理论基础。

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AA5182铝合金板电磁冲孔质量研究

段丽明, 洪志波, 崔俊佳李光耀, 蒋, 浩

机械工程学报. 2023, 59(12): 297-305. https://doi.org/10.3901/JME.2023.12.297

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为了研究放电能量对AA5182铝合金板电磁冲孔质量的影响，在不同放电能量(3 kJ、4 kJ、5 kJ、6 kJ)下对2.0 mm厚的AA5182铝合金冷轧薄板进行了电磁冲孔试验，并就尺寸精度、表面光洁度、微观形貌及显微硬度等方面开展质量评估。结果表明，放电能量对电磁冲孔质量有显著影响。随着放电能量的增加，电磁冲孔的尺寸精度、表面光洁度、微观形貌和显微硬度都得到一定程度上的提升。相较于3 kJ来说，放电能量为6 kJ时，电磁冲孔的尺寸偏差降低74.36%～91.32%，表面粗糙度值降低33.33%～45.92%，微观形貌质量(光亮带高度)提升47.56%～63.39%，显微硬度值提升6.74%～6.98%。因此，可以得出结论，随着放电能量的增加，AA5182铝合金板电磁冲孔质量得到明显提升。此外，通过本研究可以为电磁冲孔技术在汽车工业领域的应用提供一定的参考依据。

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基于H_∞状态反馈的商用车准零刚度空气悬架系统半主动控制

徐兴, 陈雷, 江昕炜, 梁聪, 王峰

机械工程学报. 2023, 59(12): 306-317. https://doi.org/10.3901/JME.2023.12.306

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为进一步提升复杂行驶工况下配备空气悬架商用车的综合隔振性能，提出一种基于准零刚度空气悬架新构型的阻尼控制方法。首先，结合气体热力学、悬架动力学理论建立准零刚度空气悬架系统非线性模型，将悬架非线性恢复力表达式通过Taylor级数展开，把1/4车辆准零刚度空气悬架半主动控制模型归纳为考虑刚度参数不确定的线性系统。其次，引入Lyapunov稳定性理论，构建考虑悬架簧载质量加速度、动行程及轮胎动载荷的多目标性能输出指标并考虑受限约束，采用线性分式变换设计H_∞状态反馈控制策略，同时设计基于车身高度传感器为输入的Luenberger状态观测器，并将控制律设计问题转化为线性矩阵不等式的凸优化问题。最后，仿真和硬件在环实验结果表明，所提出的准零刚度空气悬架结构及半主动控制方法行之有效，能在不牺牲悬架动行程和少牺牲轮胎动载荷的前提下大幅降低簧载质量加速度，提升商用车悬架多目标综合性能。

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高速列车制动界面摩擦自激振动抑制及能量收集

项载毓, 莫继良, 朱松, 陈伟, 杜利清

机械工程学报. 2023, 59(12): 318-331. https://doi.org/10.3901/JME.2023.12.318

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针对高速列车制动系统普遍存在摩擦振动噪声问题，尝试安装压电悬臂梁以实现摩擦自激振动的抑制和振动能量的收集。为此，在自行研制的高速列车制动性能模拟试验装置开展试验，并基于该试验装置开展有限元仿真分析，以及建立数值仿真分析模型，讨论压电悬臂梁对制动系统摩擦自激振动及输出电压特性的影响。结果表明，安装合适的压电悬臂梁能够有效减小制动系统复特征值实部，实现制动系统摩擦自激振动的抑制，并将制动系统的高频摩擦自激振动能量转换为电能输出；安装压电悬臂梁有利于减少制动系统频率成份，从而优化其频率特性，但未显著改变制动系统的不稳定振动的频率和振型；合适的压电陶瓷参数对制动系统模态耦合特性以及不稳定振动强度未存在显著影响；输出电压大小与外部激励幅值呈正相关关系，由于高速列车制动系统能够产生高强度的摩擦自激振动，使得压电悬臂梁产生较大的电压输出。

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密集交通场景下无人驾驶重卡换道决策规划方法

胡文, 邓泽健, 张邦基, 曹东璞, 杨彦鼎, 曹恺, 李深

机械工程学报. 2023, 59(12): 332-342. https://doi.org/10.3901/JME.2023.12.332

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准确估计周围车辆的驾驶员合作程度能提高无人驾驶车辆在密集交通场景下的换道安全性与效率，特别是对于自身灵活性和稳定性较差、对周围车辆安全威胁较大的重型卡车。因此，提出一种基于周围车辆驾驶员合作程度预测以及非对称风险评估的无人驾驶重型卡车换道决策规划方法。该方法基于高斯混合模型对周围车辆进行运动轨迹预测，结合当前驾驶环境估计目标车道后车的驾驶员合作程度，并用于构建非对称风险模型；基于轨迹预测结果，采用效用理论建模无人驾驶重型卡车当前和未来的车道选择概率，综合当前和未来的风险评估，输出最终的驾驶行为决策；设计多目标代价函数用于从多项式候选轨迹中选取最优轨迹。基于自然驾驶数据集的仿真试验表明，提出的方法可以准确地预测目标车道后车的驾驶员合作程度以及对周围车辆的风险等级，使无人驾驶重型卡车在密集交通流下也能安全高效地执行换道决策和轨迹规划。

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高速列车转向架区域积雪结冰数值仿真研究

娄振, 蔡路, 李田, 张继业

机械工程学报. 2023, 59(12): 343-353. https://doi.org/10.3901/JME.2023.12.343

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高速列车在低温雨雪环境下运行时很容易在转向架区域形成积冰并严重劣化转向架动力学性能、威胁列车的运行安全。为了研究转向架区域的积冰过程，采用准瞬态的方法将积冰过程分成多个计算循环，每个计算循环由网格生成、流场计算、水滴和雪粒计算、转向架积冰和网格变形等组成，积冰过程采用基于壁面水膜流动的明冰模型。本研究中共进行三次计算循环，研究转向架各部件上水滴和雪粒的分布和收集系数，分析转向架各部件的积冰质量以及转向架积冰速率与时间的关系。研究结果表明，转向架区域的积冰主要分布在底部迎风面(构架底部、前后制动装置底部)、两侧垂向减振器和抗蛇行减振器、后制动装置、枕梁上表面以及前后轴箱等部件；构架、枕梁和前后制动装置上的积冰约占转向架总积冰质量的60%；三次计算循环中转向架区域总的积冰速率不断增大。

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基于多模型耦合的电动汽车三电系统安全性估计方法

李达, 张普琛, 林倪, 张照生, 王震坡, 邓钧君

机械工程学报. 2023, 59(12): 354-363. https://doi.org/10.3901/JME.2023.12.354

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电动汽车动力电池、驱动电机和电控系统的安全性对于车辆的正常运行和乘员的生命财产安全至关重要。提出一种多模型耦合的电动汽车三电系统安全性估计方法。该方法仅需要实车传感器采集的稀疏数据作为输入，识别同车型中故障车辆。首先，构建三电系统安全性估计体系，该体系采用“自顶向下”的多层结构。之后，提出一种多模型耦合的方法，该方法由高斯混合、熵权计算和安全分数计算三部分组成，高斯混合得到安全性估计体系中各指标分布规律并输出概率密度，避免熵权重主观划分区间导致的误差；所提出的熵权计算基于概率密度确定各指标的权重，并根据安全性体系计算各车辆/系统的安全总指标，避免主观确定各指标的重要性；基于统计学与数据归一化，得到各车辆/系统的安全分数。最后，采用10辆电动汽车的实车数据对方法进行验证，包括整车安全性估计、三电系统安全性估计和不同季节鲁棒性。结果表明，所提出的方法识别故障车辆/系统与正常车辆/系统的准确率比层次分析法高40%/26.7%，且在不同季节不会对正常汽车产生误判。

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考虑迟滞特性的轮胎纵向动力学模型

段顺昌, 许男, 石琴, 白先旭

机械工程学报. 2023, 59(12): 364-372. https://doi.org/10.3901/JME.2023.12.364

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轮胎是汽车唯一接地部件，提供汽车运动需要的所有驱动、转向和制动力。轮胎模型是汽车动力学的基础，汽车动力学及其控制技术的进一步发展有赖于精确的轮胎模型技术。为此提出一种考虑轮胎变形迟滞特性的轮胎简化物理模型，结合电容-电阻(Resistor-Capacitor，RC)迟滞算子，分析轮胎胎体压缩回弹和制动力加载卸载两个层面的迟滞特性，并分别建立纵滑工况下的轮胎稳态模型HysTire和动态模型Dyn-HysTire。为了验证HysTire模型和Dyn-HysTire模型的准确性，对某型号Pirelli轮胎纵滑工况下的试验数据进行建模。结果显示，稳态模型HysTire提供了与魔术公式相似的拟合精度，而引入滑移率变化率的动态Dyn-HysTire模型的拟合结果的均方差(Mean square error，MSE)值相比于魔术公式降低了约30%，显著提高了轮胎的仿真精度。另外Dyn-HysTire模型同样提供了堪比LuGre模型和PAC2002模型对轮胎动态特性的表达能力。最后在1/4车辆ABS仿真中进一步验证，相比于魔术公式，考虑迟滞特性的Dyn-HysTire模型更能反映出轮胎的真实力学特性，提高了车辆动力学的仿真精度。

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刊出日期：2023-06-20

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