被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜(FAST)是国家“十一五”重大科技基础设施，是具有我国自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电天文望远镜。2020年1月11日，FAST通过国家验收并投入使用。截至2022年1月的短短两年时间，FAST已经在脉冲星搜索、快速射电暴、中性氢巡天、星际分子搜索等热点天文研究领域取得了一批重大成果和发现，连续多次成为国内外科技进展热点报道话题。FAST正在吸引国内外的一流科技人才和前沿科研课题，并成为国际天文学术交流中心。

在技术方面，FAST独特的工程概念和创新技术开创了以低成本建造巨型射电望远镜的新模式。独一无二的洼地台址、光机电一体化的柔性轻型馈源支撑和主动变形的反射面是FAST的三大创新，使得FAST的工作原理完全不同于传统的射电望远镜。FAST从提出概念到通过国家验收走过了26年的历史，也是南仁东及项目团队的筚路蓝缕和艰苦卓绝创业史。团队人员主要依靠自身和国内的技术力量，克服了诸如洼地选址开挖、超高应力幅耐疲劳钢索、大跨度柔性索牵引并联机器人、远距离高精度测量与控制、动光缆、大跨度设备安装、多波束馈源接收机、望远镜调试等技术难题，涉及多个专业学科与交叉，有力地提升了国内相关领域的科研水平和设备研发能力。独一无二的创新技术同时也意味着FAST运维工作没有成熟经验可供借鉴，同样需要披荆斩棘走出具有自己特色的道路，可能与建设时期一样充满了艰辛和探索。

本期专刊经过同行严格评议，精选了13篇论文，有代表性地展示了FAST团队和合作单位在FAST运维方面的探索和最新重要研究进展。包括对FAST的维护现状进行了综述，介绍了三大创新中主要部件的关键维护技术，分析了索网在大天顶角下的变位策略，并建立了索网实时评估系统，实时监控和确保索网运行的安全性；分析了反射面单元连接机构的力学模型和改进方法以及单元重量估算方法，从而更好地促进反射面单元的安全性和可维护性；也对实现反射面变形的驱动件的大集群作业的故障预测和运行管理进行了探讨。对于馈源支撑，对两级并联机器人的动力学进行了更加精确的建模，对安全性要求极高的索驱动并联机器人中的第一轮退役钢索和索具进行了试验研究，这些试验数据将为望远镜的寿命预测提供重要数据支撑。为了能够保障FAST在低干扰下进行运行，保证观测数据质量，研发了基于陶瓷电容的高压电源电磁干扰滤波器。针对望远镜的核心器件馈源，对FAST多波束单元布局及正交模耦合器进行了探讨。FAST团队也在不断尝试先进化的维护方式，为FAST的安全稳定运行保驾护航

详细内容请阅读《清华大学学报（自然科学版）》2022年第11期“FAST运行维护中的关键技术专刊”，识别下文二维码或点击http://jst.tsinghuajournals.com/CN/volumn/volumn_4321.shtml即可浏览全文。

 

论文01

FAST望远镜设备的维护与保养

http://jst.tsinghuajournals.com/CN/Y2022/V62/I11/1741

吴若飞，雷政，杨磊，王勇，黄琳，唐佳佳，沈明，郭安平，甘仁波，施小安，李辉，姚蕊

500 m口径球面射电望远镜（five-hundred-meter aperture spherical radio telescope，FAST）是“十一五”国家重大科技基础设施，是中国自主设计建造的世界最大的、灵敏度最高的单口径射电望远镜，对中国天文学实现重大原创突破具有重要意义。保障望远镜的稳定高效运行，对望远镜提高观测效率和数据质量具有重要作用。该文在重点分析FAST设备结构与工作原理、维保体系与维保内容的基础上，以实际FAST工程维保案例作为研究对象，深入分析了工程维保基本情况与维保流程；根据工程案例维保现状总结了当前FAST设备维保存在的问题；提出了有效的维保策略，并对未来的维保工作进行展望，以期提高FAST观测时长与使用寿命。

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论文02

基于优势竞争网络的转运机器人路径规划

http://jst.tsinghuajournals.com/CN/Y2022/V62/I11/1751

何启嘉，王启明，李佳璇，王正佳，王通

该文提出了一种基于深度强化学习的优势竞争网络(advantage dueling double deep Q-network，AD3QN)算法作为500 m口径球面射电望远镜(five-hundred-meter aperture spherical radio telescope，FAST)促动器自动化维护车间转运机器人的路径规划方法。通过预先学习竞争网络中的状态价值层，使状态价值参数根据环境状态进行初始化，减少了首次接触目标点所需要的步数；通过改进竞争网络中的贪婪搜索算法，使环境探索与利用的转变更为合理；通过改进动作选择策略，使机器人路径规划不易陷入局部极小值，进一步加快了算法收敛的速度。AD3QN算法具有动态规划能力强、实时性好、柔性高、鲁棒性强和准确率高等优点。对促动器自动化维护车间进行建模并测试网络改进前后的路径规划能力，仿真结果表明：采用AD3QN算法在首次找到目标点用时方面比一般竞争网络快176%。该研究有望提高FAST促动器的维护效率，进而减少对FAST观测时间的挤占。

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论文03

FAST馈源支撑钢索及舱索连接锚具役后剩余承载力研究

http://jst.tsinghuajournals.com/CN/Y2022/V62/I11/1758

李庆伟，李辉，姜鹏，姚蕊，潘高峰

500 m口径球面射电望远镜（five-hundred-meter aperture spherical radio telescope，FAST）的馈源支撑系统是一个跨度巨大的柔索牵引并联机构，馈源舱由6根并联的钢索悬挂于空中，并随着6根钢索的同步收放在反射面上方大范围内缓慢运动。为研究到达服役年限后FAST馈源支撑钢索及舱索连接锚具的剩余承载力，该文对达到5年设计使用年限后的FAST馈源支撑钢索及舱索连接锚具进行了破断拉伸强度、拉伸疲劳试验。结果表明：在运行5年后，馈源支撑钢索及舱索连接锚具仍有足够的剩余承载力继续服役。该研究为今后馈源支撑钢索在适当的监测手段辅助下增加服役时间提供了试验依据。

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论文04

FAST索驱动并联机器人与Stewart平台结合的动力学建模方法

http://jst.tsinghuajournals.com/CN/Y2022/V62/I11/1764

殷家宁，姜鹏，陈明，姚蕊

500 m口径球面射电望远镜（FAST）采用索驱动并联机器人与Stewart平台组合实现馈源在百米工作空间内的毫米高定位精度。该文提出了该类刚柔结合机构的动力学建模方法，分别对绳索和Stewart平台进行精确建模，通过两级机构模型的联立对中间结构的Newton-Euler方程迭代来求解系统的振动，探讨系统耦合振动的本质，从原理上说明了Stewart平台补偿误差对系统造成的具体影响并以数值形式表达。研究结果为FAST提高观测精度提供了必要条件，也为这类刚柔结合机构的控制算法提供了重要理论基础。

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论文05

FAST索牵引并联机器人的动力学建模与仿真

http://jst.tsinghuajournals.com/CN/Y2022/V62/I11/1772

赵雅聪，王启明

500 m口径球面射电望远镜（five-hundred-meter aperture spherical radio telescope，FAST）中馈源支撑系统是一个巨型的索牵引并联机器人，钢索牵引动平台在数百米空间内运动，包含变长度柔性索的运动和动平台的刚体运动。该文以索牵引并联机器人为研究对象，首先，采用绝对节点坐标法建立变长度钢索单元模型，并以此为基础利用虚功原理建立变长度索单元的动力学方程组；其次，对刚性动平台进行动力学分析，利用钢索与动平台间的约束得到六索牵引并联机器人整体的动力学方程组，其中包含柔性索和动平台的自由度；最后，使用MATLAB对建立的动力学模型进行了数值计算及仿真，将所得的仿真数据与对应的FAST实际运行数据进行对比，验证了该模型的可行性。

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论文06

FAST无线电干扰智能监测技术

http://jst.tsinghuajournals.com/CN/Y2022/V62/I11/1780

张海燕，胡宏亮，王钰，姜化京，甘恒谦，胡浩，黄仕杰

针对500 m口径球面射电望远镜(five-hundred-meter aperture spherical radio telescope，FAST)电磁环境保护的需求，开展无线电干扰(radio frequency interference，RFI)智能监测技术研究，包括干扰信号的探测识别和干扰源的高精度定位技术。在干扰信号的探测与识别方面，针对FAST台址特性，采用多站点协同频谱感知技术来检测信号，并结合深度神经网络识别信号；在干扰源定位方面，采用基于到达时间差（time difference of arrival，TDOA）的定位技术，通过广义互相关法估计信号到达不同接收机的时间差，实现在低信噪比下的高精度定位。智能监测技术的研究为建立FAST无线电干扰智能监测系统打下基础，并将为FAST周边频谱管理和电磁环境保护工作提供支撑。

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论文07

基于陶瓷电容的高压电源电磁干扰滤波器

http://jst.tsinghuajournals.com/CN/Y2022/V62/I11/1789

甘恒谦，孙京海，姜鹏，斯可克

射电天文观测对电磁干扰(electromagnetic inference，EMI)的影响极为敏感，望远镜自身电气设备的电磁干扰更需严格屏蔽。500 m口径球面射电望远镜（five-hundred-meter aperture spherical radio telescope，FAST）供配电系统包含6座10 kV变电站，其屏蔽效能需要达到90 dB以上。为满足FAST变电站外壳的电磁屏蔽需求，基于高压玻璃陶瓷电容研制出一种可用于10 kV高压线，电流为100 A以上，插入损耗大于90 dB的电源滤波器。高压滤波器的主要部件为穿心陶瓷电容及有多组磁环构成的电感，外壳由直径约为12 cm的不锈钢管制成，具有性能稳定、结构简单、安全可靠以及重量小等优点。经严格测试后，将高压滤波器安装到FAST变电站外壳上，整体屏蔽效能可达100 dB，满足FAST电磁环境保护标准要求。

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论文08

FAST促动器故障预测与健康管理系统

http://jst.tsinghuajournals.com/CN/Y2022/V62/I11/1796

雷政，姜鹏，王启明

针对促动器故障修复周期长影响FAST望远镜观测的问题，提出促动器故障预测与健康管理(prognostics health management，PHM)系统解决方案。PHM系统首先以实时状态数据为输入对促动器健康状态进行评估，然后根据评估结果对其进行故障诊断或剩余寿命预测，最后结合实时维护条件生成维护决策。通过故障诊断提高维护效率，并利用剩余寿命预测模型对连续型零部件的剩余寿命进行预测，将促动器维护模式从被动式事后维护转变为主动式视情维护，从而降低促动器的平均故障修复时间，提高促动器可靠性。促动器PHM系统为FAST促动器维护提供了一种高效的维护方案，也为其他类似的系统维护研究提供参考。

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论文09

FAST多波束单元布局及正交模耦合器改进设计

http://jst.tsinghuajournals.com/CN/Y2022/V62/I11/1803

于京龙，刘鸿飞，甘恒谦，曹洋

500 m口径球面射电望远镜（five-hundred-meter aperture spherical radio telescope，FAST）作为一个多学科基础研究平台，涵盖丰富的天文学内容。在L波段配置的19波束接收机主要用于大天区巡天和脉冲星搜寻，该接收机在发现新脉冲星和快速射电暴研究方面发挥了重要作用。该文在回顾多波束馈源前端的设计和研制历程的基础上，对多波束馈源系统单元布局及正交模耦合器进行了改进设计，给出了相应的实现方式和测试结果，可为大口径天线馈源系统设计和升级改造提供设计和技术参考。

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论文10

FAST索网大天顶角工况下结构响应分析

http://jst.tsinghuajournals.com/CN/Y2022/V62/I11/1809

张宁远，罗斌，沈宇洲，姜鹏，李辉，李庆伟

500 m口径球面射电望远镜（five-hundred-meter aperture spherical radio telescope，FAST）反射面支承于索网结构上，通过促动器控制下拉索实现反射面的主动变位。在大天顶角工况和换源过程中，索网强度和疲劳尚待进一步研究。该文根据监测数据修正索网分析模型，利用修正后的模型对大天顶角主动变位工况的结构响应进行分析；提出修正焦比和安全变位策略，以改善大天顶角工况下的结构超限情况；研究了大小天顶角转换的换源过程中结构响应变化规律。结果表明：大天顶角工况下总过渡区始终为最外圈150根下拉索，该范围不受温度影响；调整后的新焦比可明显减少面索超限工况数；安全变位策略可在保证面型精度的前提下，确保面索索力和应力幅不超限；大天顶角至大天顶角的换源工况为换源最不利工况。

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论文11

FAST索网运行准实时评估系统研究与开发

http://jst.tsinghuajournals.com/CN/Y2022/V62/I11/1816

张宁远，罗斌，沈宇洲，姜鹏，李辉，李庆伟

500 m口径球面射电望远镜（five-hundred-meter aperture spherical radio telescope，FAST）反射面支承于索网结构上，反射面主动变位依靠促动器调节下拉索长度实现。促动器的协同联动控制是一个多自由度复杂耦合的系统。该文开发了FAST索网运行准实时评估系统，系统根据FAST的工作特点，基于力学仿真技术，采用MATLAB和ANSYS联合开发；包含模型处理模块、预运行分析模块和准实时跟踪分析模块，可对索网运行过程中的面索应力、面索应力幅、下拉索索力和节点径向位移偏差等进行计算分析及监测预警。通过在FAST实际运行工况中的应用，验证了系统的有效性，结果表明：该系统可简化操作分析流程，提高分析效率，降低促动器发生故障时结构的安全风险，确保FAST索网的安全运行。

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论文12

FAST三角形反射面单元滑动故障与结构损伤的力学分析和改进方法

http://jst.tsinghuajournals.com/CN/Y2022/V62/I11/1823

李辉，宋立强，杨清阁，李庆伟

该文介绍了500 m口径球面射电望远镜（five-hundred-meter aperture spherical radio telescope，FAST）反射面单元的组成和工作原理。对三角形单元的滑动故障和结构损伤原因进行了力学建模与分析，提出了免于故障和损伤的改进建议，包括3种自适应连接机构的新型布局、反射面单元故障判断方法和自适应连接机构设计改进等。该文力学模型可以帮助望远镜维护人员分析三角形反射面单元故障和损伤的主要原因，预测故障发生模式和可能发生故障的危险单元分布位置，从而有针对性地进行改进。该文有助于望远镜维护人员在日常巡检中通过目测手段，及时发现反射面单元的异常现象，防止问题继续恶化，有利于未来设备维护和更换。

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论文13

FAST反射面单元质量评估算法及维护关键技术

http://jst.tsinghuajournals.com/CN/Y2022/V62/I11/1833

宋立强，李辉，杨磊，杨清阁

500 m口径球面射电望远镜（five-hundred-meter aperture spherical radio telescope，FAST）反射面单元具有类型多、精度高、构件量大、结构复杂和维护难等特点。为解决反射面单元质量评估及高效维护技术难题，该文引入单元构件参数因子，创建了单元空间数学模型，开发了单元质量评估算法，得到所有反射面单元质量。结果表明：三角形单元共187种、4 300块，质量分布区间为427.34~480.69 kg，质量之和为1 952.67 t；四边形单元共15种、150块，质量分布区间为379.74~974.58 kg，质量之和为99.32 t。该文开发的创新性的、全覆盖反射面的500 m全跨径缆索维护系统，突破了复杂边界及高效维护反射面的关键技术难题，完成了多块单元受损后替换、靶标更新及节点盘除锈补涂等高效维护工作。该成果对于评估FAST反射面单元总质量，突破反射面维护技术方法及保证正常运行具有重要意义。

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