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2010年11月6日报告

1 Bio-inspired sensing and actuation technology for next generation civil and mechanical systems

主讲人:Shi Chi Liu

1.1 动机和挑战

1) 大量的基础设施进入维修和检测时期,比如美国有六十万座桥梁需要检测。

2) 自然和人为灾难频发。

3) 随着生物学、分子生物学的知识积累,为将它运用于传感和驱动的可能性提高。

4) 生物学传感和驱动的优势有两个方面:①高进化度、多尺度、结构精细;②生物智能在实时联络、决策和行动上的卓越表现。

1.2 讨论会

2009年5月美台科学家举行研讨会,认为将生物技术引入防灾减灾领域,有如下重要议题:

1) 如何学习生物的多层次感应机制建立结构健康监测系统。

2) 学习生物处理海量数据的能力。

3) 适用于分布系统激励与感知的多功能材料和设备。

基于本次讨论会,2009年度美国自然科学基金会批准了一批研究项目。具体情况可以参见:

http://www.nsf.gov/eng/efri/fy09awards_BSBA.jsp

1.3 教学

美台自然科学基金会召集两国大学生于2010年7月举行了生物驱动和传感夏令营。具体情况可以参见:

http://bsbasi-2010.mechse.illinois.edu/

 

2 Smart Sensing Technology: A New Paradigm for SHM

主讲人:B. F. Spencer

2.1 全尺度健康监测

无线传感器已经出现十年,然而桥梁全尺度健康监测运用不广。虽然有成功的范例比如青马大桥,但是更多的是如金门大桥那样,监测一个星期的示范项目。其中数据传输困难,比如传输1分钟信号耗时12小时是困难的主要原因。

B. F. Spencer教授带领他的团队,基于Crossbow开发的IMote-2单片机,制作了加速度、湿度、风速等一系列模块。既实现了传感器-操作系统(Tiny OS)-单片机的无线测站系统,而且解决了不同传感器时间同步问题。从而实现了数据的就地采集和处理。

2009年6月美日韩第二次济州大桥无线传感器安装开始。本次实验在113个节点上布置600个传感器。成功实现索力识别。2010年9月台风过境、模态识别成功,系统运作良好。[i]

2.2 电鱼带来的启示

Spencer教授和Mark E.Nelson教授合作研究电鱼如何通过感受电场波动,发现如下事实:1.电鱼拥有数量巨大、精度差的传感器;2.电鱼通过分析数据,大量低精度数据用于测量食物位置,少量高精度的“虚拟传感器”测量食物出现时机,通过对每秒48Mb的数据处理,得到食物位置[ii]。Spencer教授认为这表示高密度、低成本、低精度、多尺度、任务激发的健康监测系统研究是发展方向。

 

3 Advancement of Societal Responses to Mega-disasters afflicting mega-cities

3.1 目标——寻找地震工程前沿

卡特里娜飓风、汶川地震和Morokat台风表明现有城市面临如下问题:

1) 城市巨型化导致城市愈发脆弱。

2) 各种灾害带来的损失越来越巨大。

3) 政府防灾不力。

4) 发展中国家大型城市问题愈发严重。

3.2 研讨会

2010年5月6日~8日召开The US-Taiwan Workshop on the Advancement of Societal Responses to Mega-Disasters Afflicting Mega-Cities研讨会。

会议分为预测与估计、大城市生命线工程、前沿技术发展方向、救灾的实惠与经济方面作用四个小组讨论。[iii]


[i] http://blog.memsic.com/2009/10/structural-health-monitoring-part-1-hardware.html

http://blog.memsic.com/2009/11/structural-health-monitoring-part-2-software.html

Cho,Soojin et al, Structural health monitoring system of a cable-stayed bridge using a dense array of scalable smart sensor network, Sensors and Smart Structures Technologies for Civil, Mechanical, and Aerospace Systems 2010

[ii] Maciver,Malcolm A.et al, Towards a biorobotic electrosensory system, Autonomous Robots,

Vol.11,Issue 3,263-266,2001

[iii] 论文集下载http://conf.ncree.org.tw/ProceedingsEng.aspx?n=I09905060



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从伽利略到哈勃——望远镜发展四百年

6月5日下午2:00,在土木工程学院报告厅,陈建生院士简要介绍了天文望远镜的发展,报告围绕天文望远镜在最近三十年来的八项技术革新,分别简要介绍。

1. 光学望远镜尺寸的突破

衡量光学望远镜分辨率的指标为可分辨角大小θ,它的计算方法为:

公式1

其中θ-可分辨角大小;λ为工作波长;D-为望远镜口径大小。

以可见光中心波长 λ为5000艾;要是可分辨角达到0.1角秒,需要直径为1m。

传统大口径光学望远镜制作有如下的困难:

(1)变形和镜面变形、机械弯沉无法控制。

(2)厚度需要达到口径的1/10,难以保证质量。

由于Jerry Nelson先生在拼接镜面技术、Raymond Wilson先生在主动光学技术和James Angel先生在薄镜面技术上的卓越贡献[i],人们突破了Paloma天文台Hale望远镜5.5m口径的限制,制作了口径达到三十米的光学望远镜。

2. 射电望远镜

射电望远镜由于波长长,对于制作精度的要求不高,大口径的射电望远镜容易制造,根据制造误差为工作波长1/20的原则,射电望远镜与光学的对比如表格 1:

类型

工作波长

容差

射电

5cm

2.5mm

光学

5000艾

250艾

                                                      表格 1 制造容差对比

可见制作难度上射电望远镜并不高,但是要想达到相同的角分辨率,需要的口径大得多,如表格 2所示:

对比项

光学

射电

λ

5×10-7m

5×10-2m

D

1m

100公里

θ

0.1

0.1

                                                          表格 2 口径对比

科学家Martin Ryle经过研究,提出了干涉式天文测量法(interferometric astronomical measurements)[ii],研究形成了阵列式天文望远镜。例如VLA(Very Large Array)[iii],由27盏25米天线组成的射电望远镜群列和VLBI(Very Long Baseline Interferometry )[iv]

3. 从地面到天空

为了能够克服大气吸收、抖动和天光背景的影响,科学家采取了如下措施:

1. 寻找好台址,诸如夏威夷群岛和智利北部。

2. 使用自适应光学方法。使用Deformable Mirror对于光进行相位补偿,然后再观察,如图 1所示:

Adaptive Optics Scheme

1 自适应光学系统示意图[v]

3. 从地面到天空,包括哈勃望远镜、微波望远镜[vi]

4. 提高观测质量

使用CCD(charged-couple device)取代照相底片,并且研究大尺寸的CCD感光阵列,提高分析精确度

5. 分析器的进步

例如LAMOST(大天区面积多目标光纤光谱望远镜),使用4000根光纤可以同时监测四千个天体。

6. 从可见光到全电磁波段

例如Riccardo Giacconi先生研制的X射线望远镜UhuruChandra X-ray Observatory。

7. 超越电磁波

例如小柴昌俊先生研究的中微子观测器;空间的激光干涉天线(Laser Interferometer Space Antenna)[vii],在地面研究引力波的LIGOLaser Interferometer Gravitational-Wave Observatory[viii]和天体物理学的实验设备LHC(Large Hadron Collider)[ix]

8. 望远镜与计算机

一个类似NEES计划的网络观测平台NVO(National Virtual Observatory)[x]和观测联盟International Virtual Observatory Alliance[xi]

[i]三位荣获2010年度Kavli天体物理学奖,Kavli奖颁奖通告

[ii] 与Hewish先生分获1974年诺贝尔物理学奖,维基百科对Martin Ryle先生的介绍

[iii] 归属于美国国家射电天文台,VLA的主页

[iv] http://en.wikipedia.org/wiki/Very_Long_Baseline_Interferometry

[v] http://cfao.ucolick.org/ao/how.php

[vi] 三位研究者荣获邵逸夫天文学奖,获奖通告

[vii] http://lisa.nasa.gov/

[viii] http://www.ligo.caltech.edu/

[ix] http://public.web.cern.ch/public/en/lhc/lhc-en.html

[x] http://www.us-vo.org/

[xi] http://www.ivoa.net/



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安意如书友见面会

1.1 简介

2010年5月30日晚六点半至八点,安意如先生于哈工大二校区主楼106教室进行书友见面会。本见面会由201工作室主办。安先生就书友关心的问题进行回答。问题包括:读书选择、创作、旅游、感情、成长经历、网络文学。下面将小蒋关心的一些问题,进行记载。

1.2 读书

安先生对于读书的选择观点与林语堂先生相近。讲究兴致所致、如遭雷击。安先生认为年龄的增长会使读书的兴趣自然发生转移和变化。安先生向我们介绍了古龙先生的著名作品《欢乐英雄》。现在是九零后的时代了,古龙都过时得需要人推荐了。估计以后古龙先生作品再版,腰封得写“安意如倾情推荐了。

安先生指出“腹有诗书气自华”。读书不是为了装饰,不是为了转文,是为了自己处事态度的提高。安先生推崇大气。认为李煜较李清照更有气度。(您让苏轼情何以堪)。

1.3 创作

安先生指出写作是一种谋生手段。她介绍了自己的几部作品的创作情况:《人生若只如初见》、《要定你、言承旭》、《惜春纪》。她尤为看重《惜春纪》、希望能够在小说领域在风格上有所突破,开辟相较于随笔的另一种风格。对于自己的成名技、古典诗词赏析,安先生认为这是让广大青年读者欣赏原著的手段。之所以对于杂剧采用讲故事的手法,正是让故事框架先让人了解。用朱光潜先生的话说、先把葡萄架架起来,再着繁錦。

安先生介绍自己的创作经验。诸如要有生活积累、情绪调整、积累素材。

1.4 旅游

安先生热爱自助游。足迹遍布全国各地、正在去往河西走廊和丝绸之路的路上。尤为喜爱西南秀美的山川。谈了许多背包客的体会心得。如何有经济头脑的节约、如何计划旅程、如何融入当地生活、欣赏人情之美。三毛的态度已经融入文艺女青年的灵魂。

1.5 感情

安先生谈了一些诸如恋爱的事情。诸如好聚好散之类。

1.6 成长

安先生对于自己的残疾是抱着积极乐观的态度的。她认为自己内心强大、人情洞悉、这种内在完整已远远重要与外在的缺陷了。安先生对于通过写作实现自立,既能够立足于社会、又能够自由自在的生活,摆脱自己既不喜爱又不擅长的财会工作,自豪有加。

我很惭愧,由于我与她同龄,可是人生的境界差远了。



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捐出您的头发

   墨西哥湾石油泄漏愈演愈烈。BP(British petroleum)公司的石油钻井平台爆炸后,以每天2000m3的速度泄漏。BP公司使用了穹顶罩、高分子膜容器、含清洁剂、高孔隙率的人工石块等等手段吸油,但是效果不佳。美国的劳动妇女们开始了他们的低技术——用头发做成拖把,吸油:

编织的毛发拖把

图 1 自制的吸油毛发棒

   她们依托非政府组织Matter of trust (www.matteroftrust.org)发起了Hair For Oil Spill项目(http://www.matteroftrust.org/programs/hairmat.html),有详细的行动指南。您可以注册为他们的成员,把您要换成夏天发型的剪下长发按她们的指示寄到离您所在位置最近的仓库,他们会组织人手编织。如果不放心,她们在youtube上公布他们编织拖把、用渔船把拖把浸入海中取出的视频。如果有疑问,她们在facebook上有帐号,您可以加她们为好友,时时询问。您看,这么多人寄来了:

组织者和美国各地寄来的头发

图 2 组织者和美国各地寄来的毛发

   她一中年妇女剃板寸了。据她说他丈夫剃了板寸,她两个儿子剃了光头,她们家狗都剃光了。

   不怨天尤人,痛骂石油寡头。挽起袖子,想办法解决问题。自由者的国度,勇敢者的故乡。



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参加LabView 学生活动日报告

      4月20日,在哈尔滨友谊宫宾馆,美国国家仪器公司(NI.com)举办2010年学生活动日。由NI北方部应用工程师刘宇先生介绍NI主力产品——Labview。参加活动的有哈市各高校的学生。

    许多人有很多的Labview使用经验,是“内行听门道”来的,而我由于平时不努力,这是第一次接触。装了盗版的Labview 7.0 Express之后,觉得图形化界面很漂亮,模块多。但是和Simulink比起来,似乎没有了Matlab这样的函数库后盾,不知能力有多强。

   刘宇先生通过四个PPT彻底让我叹服,相对于Simulink,好像Labview并不逊色。加上Labview自己有数据采集设备,和各种模块。低层编程的问题估计比Simulink少。

  四个PPT分别为:

  1. 图形化系统设计与Labview编程体验

       首先介绍了测量、测试与监控、控制,举例为乐高机器人,欧洲原子能中心的测试。然后介绍了它的数据处理与分析模块,其中能够做代码输入(使用Mathscript)、而且与各种文件格式兼容性良好。如HTML、EXCEL、Word等。

    2.各种行业运用

      如系统测试、电能质量测试,其中使用Labview做得结构健康监测系统,让我充分感到它确实就在我身边。举例一个高速电锯制动系统,使用电容改变、判断人的手指是否伸到电锯旁,利用FPGA进行控制,成功制动。图像处理也十分厉害。使用Labview控制6个单自由度机械臂,实现了魔方的自动拆解。

   3.不同专业的学习平台

   讲述了Labview如何运用于信号处理与控制教学中,此外介绍了NI的ELVIS(电子学教学平台)和Multism(电路仿真)产品,以及如何与Labview结合。

   本院的《结构振动控制》所使用的模型是小型振动台上的两层钢框架结构,控制器是滑轮小车,系统为Simulink,我们组没有做成功。不知换成Labview,能不能成功。推出竞赛活动,基于Labview的编程比赛,和实际论文竞赛(天下会),以及Labview操作能力认证考试CLAD

  4.Labview的发展

   与其他系统的协作:ActiveX、.NET,SilverLight,DLLs,Web Service。

   前瞻性:多核技术、FPGA,无线技术、虚拟化技术、云计算

  举了使用Windows和FPGA,多系统在一台计算机上 Windows负责用户界面、数据记录,而FPGA负责数据采集和实时控制。

   会后,许多同学与刘先生展开了讨论,我听不懂。



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4月18日

       面向对象

       ABAQUS是一个内容丰富的有限元软件。它的命令流格式自成一套。格式要求紧凑,不允许空格,必须有*Heading,*Step等完整步骤,没有实体建模格式。想要进行扩展,提供子过程模块(比如定义自定义分布荷载),使用的是Fortran语言。想要命令流建模,参数分析,要求使用Python语言,面向对象格式,一条命令五六十个字符常事。遗憾的是Script(Python格式)和Input (Keyword格式)不能粘接在一起,做参数分析就得用Python建一次模。想要提高性能、并行运算、工具栏、二次开发?C++欢迎您。实在是太丰富了。就不能像ANSYS一样用一套统一的APDL啊?不过,Python的面向对象的方法、类、对象、属性、键之类的概念得弄明白。

      MATLAB也面向对象了。打开Matlab7.9工具箱 (滤波器设计、信号处理、曲线拟合),出现的命令都是 对象名.方法名格式。输出的结果变量,都不知道怎么读值。幸好(filter, fir1, fir2, psd)这些命令都还能使用。不过要充分地把7.9用起来,面向对象少不了。

      幸运地接到National Instrument的Labview介绍会通知。虽然教研室买不起NI的信号调理设备和高频采集卡,但是对这种运用广泛的测试技术有所了解总是有好处的。Labview - Simulink——图形化的面向对象。

      谱单元法挺有前途的。普林斯顿大学和斯坦福大学都有研究者。要跟上成功者的脚步。

       题外话:

      谷歌阅读器是好软件。希望能够一直使用下去。在热门条目中有些挺好的技术文章。这周阅读到如下几篇:

  •        一位软件工程师介绍函数式编程之后的高级语言发展。他首先用Turbo编译器(320kB)编译的一段Pascal,然后指出,现在个人PC的内存与处理器都不是几大主要高级语言出现时代可比的了,怎样充分发挥这些性能呢?

       Vim工具介绍。看上去和Ultra Edit差不多,可是能编程、上网、当FTP、写博客、处理文档。联想到基于Python的NumPy,SciPy,Pythonxy。和以前接触的SCILAB。我应该多接触。随着版权保护的力量加大。盗版的WINDOWS,OFFICE, ABAQUS, Total Commander都会被取缔的。不要在正版的世界就不会用计算机了。

       Python 子过程介绍。ABAQUS提供Python编译器(Shell)和开发环境(PDE).能不能从信号的产生、模型的建立、信号的输出、参数分析,图形输出,都用Python在PDE里编完?我的工作计算机在网格画密时已经内存不够了。使用高性能计算机的机会少,不可能在Matab, Python, ABAQUS、Origin之间反复倒腾。不过我估计自己没这个能力。

     4月14日,玉树地震,学校又倒了一批。一所中学震害情况如下:

楼宇名称

建设年份

震害情况

教学楼

1989

结构完好

男生宿舍

1995

部分倒塌

女生宿舍

2002

完全倒塌

                                       

表格 1 玉树一中学震害

    弹塑性极限分析、动力时程分析、损伤识别、随机子空间、小波变换、希尔伯特-黄变换、基于分形的损伤指标、既有建筑在地震作用下的滞回性能、基于随机过程的全寿命设计、耗能减震措施、新型结构体系、大跨度桥梁结构风致动力响应、大跨结构风场分布……的确,有苏通大桥、杭州湾大桥、青马大桥、国家体育场、国家游泳馆、精细钢结构……可是为什么就不能放一张小书桌呢?

   玉树地震震害新闻和上海世博会场馆新闻对照,实在是越看越伤心。我也知道常规结构提不出科学问题,不能带动技术创新、申请不到项目、没有经费。但是起码有人命啊!据说最优秀的工程师是要解决最急迫的问题的,难道农村中小学建筑鉴定、加固、改造不是最急迫的问题吗?



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4月8日

    ABAQUS 子过程、Python代码、动力学隐式分析



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4月7日

   摘要:ABAQUS inp文件书写的教训

...



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