气相爆轰法是一种利用气体爆炸短时间内获取纳米材料的方法,已成功应用于碳纳米材料和氧化物的制备。相较于其他纳米材料的制备方法,该方法具备高效、便捷、产率高、绿色环保等优点。围绕气相爆轰法制备纳米材料所需的仪器设备及操作流程进行阐述,介绍了气相爆轰法制备含碳类纳米材料与金属氧化物纳米材料的形貌结构、性能特征。同时对纳米材料的生长机理研究现状进行了分析与总结,归纳了气相爆轰制备纳米材料在光催化、电磁吸波、耐摩擦等方面的研究进展。最后对气相爆轰法及其所制备的纳米材料的应用潜力与技术前景进行了展望,为气相爆轰法工业化大规模合成纳米材料提供有益参考。

数字D类功放因其高效率和便于与数字音源接口的特点,近年来在音频电子领域引起了广泛关注。Sigma-Delta调制器作为数字D类功放中关键的数字信号处理模块之一,其噪声整形特性能够在降低功放系统实现代价的同时,保持甚至提高系统的输出信噪比,并可抑制部分信号传输路径引入的噪声,在数字音频信号处理过程中具有重要作用。首先总结了数字D类功放的工作原理和主流架构,然后结合Sigma-Delta调制器的基本原理,探讨了近年来用于数字D类功放的Sigma-Delta调制器的设计方案,其中着重对Sigma-Delta调制器的架构设计与噪声传递函数的设计进行综述,最后对数字D类功放的Sigma-Delta调制器研究发展进行总结。

带有集中黏滞阻尼的张紧弦系统在力学模型上属于混杂动力学系统,为满足工程应用一般采用近似方法求解其本征问题。为进一步明确该系统振动特性,以两项集中阻尼对称布置于四等分跨的阻尼弦系统作为基础研究对象,并对其复本征值进行解析求解。推导系统的复频率方程和本征函数表达式,将超越函数形式的复频率方程换元处理为代数形式,利用代数方程给出系统复本征值的显式解。分析系统复本征值的结构和性质,讨论振动特性随阻尼系数的变化规律。结果表明:系统本征解可归为3个解支,在同一解支内本征值实部(相反数即为衰减率)不随系统运动阶次而改变,本征值虚部(即频率)则随运动阶次以4π为周期依次递增;各解支所对应的衰减率曲线均随阻尼系数呈先递增、后递减的趋势,且在衰减率曲线连续变化的阻尼区间内,系统各阶运动的频率相等。

针对单一影像建模技术构建区域古建筑实景三维模型无法满足文物保护精度要求的难题,提出一种激光与影像融合优化区域古建筑实景三维模型的建模方法。首先以无人机环绕交叉航摄与近景摄影结合获取目标区域影像建模数据,通过三维激光扫描仪获取无人机航摄盲区激光扫描数据;其次将激光扫描数据与影像数据融合配准得到目标区域完整点云模型,进而以此重建得到区域精细化实景三维模型;最后通过异源数据融合误差分析,并与单一影像建模成果进行精度和纹理完整度对比分析验证所提方法的优越性。结果表明:异源数据拟合精度高,该方法所构建的区域古建筑实景三维模型精度高、纹理完整性好,为实现目标范围内古建筑群精细化建模提供了技术参考,在完善古筑三维数字模型储存档案库方面具有广泛的应用前景。

科学提取城市建成区信息并探究其扩张的时空特征,对于城市规划和建设有重要的参考意义。在优化局地最佳阈值法的基础上,采用1990年、2000年、2010年、2020年4期PANNDA夜间灯光数据和Landsat系列数据定量提取了白洋淀流域城市建成区信息,其后运用城市扩张指数和景观指数分析了白洋淀流域30年间城市建成区扩张的时空特征。结果表明:运用优化后的局地最佳阈值法成功提取了流域内城市各期建成区的数据,经验证该方法较优化前具有更优的适用性。研究期间白洋淀流域城市建成区扩张显著,增长率达154.48%;流域内35个城市的建成区呈现出较大的规模异质性。时序特征上,建成区扩张总体呈现加速趋势,流域内各城市的建成区扩张速度差距趋于增大;空间特征上,“正定—涿州”线左侧建成区扩张态势低于右侧区域;以莲池区、竞秀区、高碑店市等为代表的市辖区或县级市扩张态势较强。基于景观指数结果,建成区扩张过程呈现“分散-融合”的空间特征,建成区边界呈现“规整-复杂-规整”的演变特征。

黄土高原作为中国西部地区的自然生态屏障,为国家可持续发展做出了积极贡献。黄土高原(甘肃区)生态环境的治理与修复对中国生态文明建设战略的实施具有关键作用,为监测2008—2018年黄土高原(甘肃区)森林资源变化情况,基于云平台,联合Landsat、PALSAR及地形数据,探究光谱指数、后向散射、纹理及地形特征在森林资源信息获取方面的优势,运用随机森林特征优选算法获取研究区10年间森林覆盖时空分布并基于地理探测器进行因子探测。结果表明:随机森林特征优选算法可以有效筛选特征重要信息,总体精度可达91.88%,Kappa系数为0.91。联合Landsat、PALSAR及地形数据的实验方案精度明显高于使用单一数据源的森林分类结果,四期分类结果总体精度分别为86.65%、88.23%、90.15%、89.86%。10年间研究区森林面积净增加0.60×10⁴ km²;森林增加的区域主要分布于庆阳市中东部、平凉市东部、天水市中部和临夏回族自治州西部地区,而森林退化主要出现在定西市西南部和临夏回族自治州中东部地区。单因子探测中土地利用类型是森林覆盖变化的主导因子,适宜性的土壤类型的空间分布和降雨量的辅助作用,为植树造林成活率和森林健康生长提供了良好的自然条件。

河南省地热资源丰富,豫北、豫中地区地热资源勘探程度较高,目前已实现大规模开发利用,但豫南地区地热资源勘探程度较低,钻探资料有限,针对其构造特征、地层分布、地热地质特征和资源潜力研究程度相对薄弱,尚难满足产业化、规模化开发需要。基于区域地质特征,结合二维地震解释成果,在前人研究基础上,开展了驻马店地区地热地质特征研究、资源评价和有利区预测。研究表明,驻马店构造位于周口坳陷西南部的舞阳凹陷、驻马店—淮滨凹陷、平舆凸起和长山隆起区、南襄盆地东部的泌阳凹陷5个二级构造单元;驻马店地区除正阳、确山位于长山隆起区地热地质条件较差外,其余地区均具有较好的地热资源开发条件;该区发育有新近系、古近系砂岩热储和寒武-奥陶系碳酸盐岩3套层状热储,总静态资源量约为115×10¹⁵ kJ。预测泌阳县城区、新蔡县城区和驿城区西部热储埋深适中、涌水量大、温度较高,为最具地热资源开发有利区。

目前的抗震韧性评估主要是针对单一地震对单体建筑的影响,难以考虑对同一地区不同建筑群的抗震韧性评估。将研究区域按500 m×500 m进行网格划分,分析地震危险性。以建筑群设防所需费用、不同程度受损面积、房屋直接经济损失、修复时间、修复费用和伤亡人数6个指标作为抗震韧性评价指标,运用层次分析法确定各指标权重,建立基于网格化和雷达图的建筑群抗震韧性评估模型,并将该模型运用到成都市。研究结果表明:未提升设防时,成都市抗震韧性一般;在提升1度设防后,设防所需费用增加45.95%,不同程度受损面积、房屋直接经济损失、修复时间、修复费用、伤亡人数分别减少26.25%、37.75%、45.1%、44.24%、48.18%。通过对比分析该模型数据发现,提升1度设防后,成都市建筑群抗震韧性综合效益提升40.8%,灾害损失大量减少,提升效果明显。

依次采用单因素试验和Box-Behnken设计结合响应面法,以释放度为评价指标,优化了阿司匹林包合物微孔渗透泵片的最佳制备工艺。首先制备β-环糊精阿司匹林包合物,再以醋酸纤维素为包衣材料、聚乙二醇4000为致孔剂制备阿司匹林包合物微孔渗透泵片。体外释放度试验表明,该工艺制备的阿司匹林包合物微孔渗透泵片与市售阿司匹林肠溶片在人工胃液中0~2 h内累积释放率分别为1.5%和1.6%;将释放介质调至pH 6.8后,两种剂型在10 h时的累积释药量无显著差异。此外,该包合物微孔渗透泵片在12 h内呈现零级释放且释放较完全(累积释放率>90%),提示有可能减轻药物对胃黏膜的损伤。

为探究弱矿化水及秸秆隔层处理对土壤水盐运移的影响,通过室内土柱入渗蒸发试验,研究在淡水和不同矿化度弱矿化水(1、2、3 g/L)灌溉情况下秸秆隔层埋深0、10、20 cm时供试土壤的水盐分布情况。结果表明:入渗阶段湿润锋与入渗时间呈幂函数关系,水分入渗速率随着矿化度的增大而增大,累计入渗量随矿化度增加而减小;累计入渗量与入渗时间分别采用Kostiakov模型和Philip入渗模型进行拟合,拟合效果良好;蒸发阶段,秸秆隔层对埋深以下的土体具有显著的保水效果,土壤盐分垂直分布呈现明显的低脱效应,且在秸秆隔层处积盐;灌溉水矿化度为2 g/L及秸秆隔层深度为10 cm时有利于土壤底部脱盐,且有较好的促进土壤水分入渗及保水效果。该研究可为弱矿化水灌溉及秸秆资源的开发利用提供依据和参考。

为了研究海水拌合碱激发材料性能,探讨了基于多元复合胶凝材料的海水拌合碱激发材料水化反应过程、力学与抗侵蚀等性能发展规律。结果表明:海水拌合对碱激发矿渣的水化反应过程具有一定的抑制作用,宏观上不同龄期的抗压强度也在一定程度上呈现降低趋势,不利于强度发展;粉煤灰和硅灰会降低海水拌合碱激发材料的水化反应速率、早期强度和韧性,但其后期强度及韧性增长潜力显著,其中硅灰-粉煤灰-矿渣三元体系7~28 d的强度与韧性增长率分别达到50.9%和86.7%。与碱激发矿渣相比,粉煤灰和硅灰的掺入会在一定程度上提高海水碱激发材料的电通量渗透性和氯离子迁移系数,这与其微观结构表现一致,但三者仍同属于一个氯离子渗透性等级,即中等渗透性等级(电通量法)。

为研究煤炭开采过程诱发的煤岩动力灾害防控问题,开展了原煤试样巴西劈裂试验,研究了受拉破坏过程中煤体的能量演化规律,对煤体失稳破坏的前兆信息进行了判识。结果表明:煤体受拉破坏过程具有显著的非线性演化特征,能够判识煤体破坏的临界点、失稳点、破坏点;受拉损伤破坏各阶段,煤体的能量演化特征差异显著,在弹性变形阶段,输入能主要转化为弹性能,耗散能保持稳定,而在失稳破坏阶段,耗弹比呈跳跃式增长;能量释放速率与能量耗散速率在煤体受拉过程的临界点、失稳点、破坏点处均具有异常响应特征,且特征点的出现均有显著的前兆信息。煤岩失稳破坏的本质是能量积聚与耗散的结果,煤体能量指标能够揭示试样损伤破坏过程中能量演化的异常特征,进而判识煤体发生灾变的前兆信息,有利于超前预警,保障煤炭资源安全高效开采。

为实现风化基岩含水层富水性的准确预测,以张家峁井田内的28组风化基岩抽水试验钻孔数据作为训练及验证样本,选取风化基岩的岩性组合指数、风化指数、厚度、岩芯采取率、埋深作为评价指标,提出基于鲸鱼优化算法-支持向量机(whale optimization algorithm-support vector machines,WOA-SVM)的风化基岩含水层富水性判别模型。该模型可对无抽水试验资料区域的风化基岩的富水性级别进行预测,综合利用井田内249组勘探钻孔的地质信息,实现井田的风化基岩富水性分区。研究表明,张家峁井田风化基岩整体富水性较弱,且空间分布不均;井田中部和乌兰不拉沟沿线的局部地区存在强富水性区域,但其分布范围较小,中西部和东南部有部分中等富水性区域,东北部及西南部区域几乎全为弱和极弱富水性。该方法预测的结果与实际较为吻合,研究成果可为矿井安全生产提供参考,也为风化基岩富水性预测提供了一种新思路。

深层致密砂岩储层的孔隙结构复杂、非均质性强,孔隙微观参数对气水相渗特征的影响因素难以确定。以分形几何理论为基础,结合岩心压汞法、核磁共振T₂谱测试及微米CT扫描结果获取了储层微观孔喉参数及各尺度分形维数,通过可动气体孔隙度和最大气相相对渗透率,讨论了分形维数、微观孔喉结构参数对气水相渗特征的控制机理。结果表明,压汞和核磁共振分形曲线具有明显的“三段式”特征,且储层总分形维数描述气水共存时渗流及可动流体分布状况更精细;最大进汞饱和度、平均孔喉半径、储层总分形维数及排驱压力对气体渗流时的可动气体孔隙度影响较为显著;平均孔喉半径对气体渗流时的最大有效气相相对渗透率影响较为显著。在明确微观孔喉结构对气水相渗的控制机理后,可以为产水气藏高效开发提供有力指导。

低渗油藏注水开发效果一般较差,采用CO₂驱油能有效提高原油采出程度。为分析影响CO₂辅助重力驱油效果的各种因素,从注气辅助重力驱油研究机理出发,建立一注一采的机理模型,分析地质因素与开发因素的影响规律,并采用正交试验设计方法和Shapley值方法进行多因素分析。研究结果表明:正韵律储层更适合CO₂辅助重力驱油;储层倾角、平均渗透率、注气速度与开发效果呈正相关;垂向渗透率与水平渗透率比值、渗透率级差与开发效果呈负相关;中上部位置注气及无因次水平井段长度比值设置为0.8可以有效提高CO₂辅助重力驱油效果;垂向渗透率与水平渗透率比值对CO₂辅助重力驱油影响程度最高。该项研究成果为提高低渗油藏CO₂辅助重力驱油的开发效果提供了技术指导和理论支持。

为明确不同酸液体系的储层适用性,了解储层酸岩刻蚀形态对裂缝导流能力的影响,给出不同层位的最佳段塞组合方式。通过在川渝碳酸盐岩储层开展酸蚀裂缝导流能力实验,结果显示,不同酸液体系之间段塞组合对茅口组白云岩酸蚀后的导流能力比灰岩高;不同单一酸液体系酸蚀裂缝后形态不同,其中转向酸刻蚀后有极深的沟槽,自生酸沟槽最浅;对于茅口组,胶凝酸与压裂液和胶凝酸与自生酸的交替级数为三级交替时,其导流能力最高,且胶凝酸与自生酸三级交替后60 MPa下导流能力可达4.53 μm²·cm;栖霞组和灯影组选择压裂液与胶凝酸的二级交替时其导流能力最高,60 MPa下导流能力分别为6.72 μm²·cm和7.47 μm²·cm。在川渝探区,通过对酸液的酸蚀裂缝导流能力进行了现场应用和深入的考察验证,结果表明酸液入井后酸蚀效果良好,改造后现场产气量可达208×10⁴m³/d,增产效果达到预期,为川渝碳酸盐岩储层的酸压工艺提供了理论和试验指导。

为了在分子原子尺度研究在高温环境中聚丙烯酰胺溶液性能,通过实验方法与分子动力学模拟相结合,建立部分水解聚丙烯酰胺(partially hydrolyzed polyacrylamide, HPAM)和丙烯酰胺-丙烯酸钠-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠(AM/AANa/AMPSNa)共聚物[acrylamide/sodium acrylate/2-acrylamide-2-methylpropanesulfonate sodium copolymer, P(AM/AANa/AMPSNa)]分子模型。从聚合物分子链刚柔性、氢键、水化层、相互作用能以及盐阳离子影响等方面,系统研究了两种聚合物在高温下的溶液性质,并阐释P(AM/AANa/AMPSNa)耐温作用微观机理。研究结果表明,在P(AM/AANa/AMPSNa)分子链上引入含甲基和磺化基团的侧链后,分子链刚性增加,同时磺酸基团与水形成更多的氢键且寿命更长;同时,强极性的磺酸基团使其水化层更加致密,阻碍了高温下阳离子对P(AM/AANa/AMPSNa)的静电屏蔽作用;不同温度条件下P(AM/AANa/AMPSNa)分子间非键相互作用更强,微观上分子链具有更强保水作用,宏观上具有更高黏度。

随着中国山区输气管道规模的不断增加,天然气泄漏导致的环境破坏和人员伤亡等事故日益频繁。为了研究高压埋地天然气管道泄漏后在山区环境中的扩散行为及垂向危害距离,基于计算流体力学建立了管道-土体-空气的三维模型,分别研究了不同泄漏方向、泄漏孔形状、土壤类型、土壤埋深、障碍物类型对天然气管道泄漏扩散及危害距离的影响。结果表明:随着泄漏方向与浮力方向夹角的变大,气体泄漏后扩散到地面的速率及垂向危害距离相应变小;三角形和正方形的泄漏孔扩散和危害范围均大于圆形;泄漏气体在土壤中的扩散速度随着土壤颗粒度和孔隙度的增加而不断增加;不同的土壤埋深将影响泄漏气体到达地面的时间,同一时间的垂向危害距离随土壤埋深的增大而缩小;障碍物将改变泄漏气体的扩散路径并加快垂向危害距离的增长,而暗沟将使天然气在沟内积聚形成高浓度区。

针对复杂环境下的滚动轴承故障信息有效提取与辨识问题,提出一种基于特征模态分解(feature mode decomposition, FMD)及多尺度模糊散布熵(multiscale fuzzy dispersion entropy, MFDE)和斑马优化算法(zebra optimization algorithm, ZOA)优化支持向量机的滚动轴承故障诊断方法。为了解决FMD中关键参数不具有自适应性这一问题,以最小包络熵作为目标函数,采用白鲸优化算法(beluga whale optimization, BWO)优化FMD寻找最优参数组合,实现对故障信号的最优分解;引入多尺度模糊散布熵构建分解后不同模态下的特征向量;最后,将特征向量输入支持向量机中进行训练和识别,通过公开数据集和自制实验平台数据集验证了提出方法的有效性。

钻井过程中实时测量钻具振动对于钻井工艺及井下安全至关重要,然而传统的井下振动传感器供电方式增加了钻井成本并降低了钻井效率,而具有自发电功能的传感器无疑将更加适宜实际工况。基于摩擦纳米发电机原理,提出了一种井下阵列式可变形自供电振动传感器。试验表明该传感器可同步测量振幅和频率,其中振动频率的测量范围为0~11 Hz,测量误差小于±4%;可实现3个离散振幅值(10、25、40 mm)的测量,测量误差为±3 mm,且传感器的工作温度范围为0~85 ℃。此外传感器还具有发电功能,试验表明传感器的最大输出功率可达8.3×10^-7 W,而将多个传感器并联使用后其发电功率将大幅度提升。研究成果可为井下传感器及井下发电机的研制提供新的思路。

漏磁检测技术在铁磁性材料缺陷检测领域中得到了广泛应用,其中磁偶极子法是目前应用最广泛的从结构缺陷中预测漏磁的数学方法。磁偶极子法多用于规则缺陷的漏磁信号预测,对于复杂缺陷,已有的单元磁偶极带叠加模型可以预测其漏磁信号,但是由于模型计算所需的复杂缺陷磁荷密度未知,且其分布不均匀,计算复杂。因此,提出了离散化磁荷密度场的计算方法,该方法可以快速计算三维不规则缺陷的磁荷密度,结合单元磁偶极带叠加模型直接进行漏磁信号预测,以降低计算复杂度,迅速而准确地获取三维不规则缺陷的漏磁信号。将该方法用于单元磁偶极带叠加模型得到的预测信号与COMSOL软件仿真信号比较,表明该方法是可行的。验证实验结果表明,使用该方法的单元磁偶极带叠加模型相比于原模型预测性能明显提升,预测误差最大减少90.08%,计算时间减少97.43%,为三维不规则缺陷的磁荷分布计算提供了快速有效的解决办法。

地磁暴是一种周期性的自然灾害,变化的地磁场会诱发感应地电场,通过接地变压器中性点在输电线路与大地导体中形成地磁感应电流(geomagnetically induced current,GIC)回路,对超高压和特高压交流输电系统的安全稳定运行带来严重威胁。中国地形种类较多,结构比较复杂,地质地貌对感应地电场的影响非常大。针对GIC建模难、计算难的问题,提出了一种基于三维大地电导率模型的GIC有限元计算方法。首先,建立了考虑地质结构各向差异的三维大地电导率模型,并给出了多层地质条件下的电磁场透入深度计算模型。其次,建立了基于时变电磁场数学模型,结合电网拓扑结构,推导了电网GIC等效计算模型。最后,以新疆莎车—吐鲁番750 kV输电线路作为算例,在COMSOL Multiphysics有限元仿真软件中搭建了相应的物理模型,通过几何建模、边界条件设定、网格划分和迭代求解得到了电网感应地电场的三维分布,进而得到了流过750 kV变压器中性点的GIC。研究结果表明,三维模型得到的GIC整体水平高于二维模型,且三维模型考虑了输电线路与不同地形的几何夹角,能够给出更加详细的感应地电场分布,从而验证了所提方法的有效性,为科学规划超高压和特高压输走廊路提供了参考依据。

为解决风能间歇性和波动性对系统经济性、可靠性的影响,提出了一种含有储能电池的孤岛风电制氢系统日前及实时能量管理策略。在日前能量管理阶段,采用碱性电解槽功率分级能量管理策略,并以系统日收益最大为目标函数,建立孤岛风电制氢系统经济性能量管理模型,提出一种改进灰狼优化算法对系统能量管理模型进行求解,优化系统能量流动,提高系统经济性。在实时能量管理阶段,为保证系统在非计划功率波动时可以维持稳定运行,设计了一种基于工况识别的孤岛风电制氢系统实时能量管理策略,根据系统实时运行工况及时调整系统运行状态。实验结果表明:基于改进灰狼优化算法的日前阶段能量管理有效增加系统日收益,提高了系统的经济性。基于工况识别的实时阶段能量管理在日前计划下风功率波动时可以维持系统功率平衡,实现电解槽全天稳定制氢。

随着传统集中式电源向分布式能源系统的转型,高比例新能源的渗透使大量谐波注入电网,产生附加损耗。配电网损耗占系统总损耗的一半以上,是网络降损的重点。提出了一种基于改进二进制粒子群优化算法的网络重构方法降低配网损耗。首先针对谐波对网损的影响,结合线路在高频电流下的谐波效应修正线路阻抗。其次,用修正后的阻抗计算网络总损耗,创造性地提出适合二进制算法的概率反向学习思想,融合佳点集理论获得均匀多样的初始粒子。最后,以修改的33节点电力系统作为算例,以总损耗最小为优化目标进行计算,获得配电网最优拓扑结构。实验结果表明,考虑谐波因素的配电网重构起到了很好的降损效果。

针对无迹卡尔曼滤波(unscented Kalman filter, UKF)中无迹变换(unscented transform,UT)在状态估计时采样点分布状态控制参数异常对滤波性能的影响问题,提出了一种利用多策略改进麻雀搜索算法(improved sparrow search algorithm, ISSA)对UT中采样点分布状态控制参数进行寻优调整的方法,从而优化Sigma点分布以提高非线性近似效果,改善滤波估计性能。同时针对传统麻雀搜索算法面临的易陷入局部最优和收敛速度慢等问题,首先利用Cubic混沌映射改善初始种群的多样性;其次在发现者阶段引入非线性自适应收敛因子,提高平衡算法在全局探索和局部开发方面的能力;同时在追随者阶段利用小波变异策略,以避免追随者盲目追随而导致算法陷入局部最优;最后利用自适应t分布的扰动能力增强算法的全局搜索能力。通过测试函数对ISSA算法进行仿真实验,结果表明ISSA算法具有更好的收敛性和求解精度,同时验证ISSA优化UKF算法后的仿真结果,表明了ISSA-UKF算法相比于UKF算法的位置均方根误差降低了52.2%,速度均方根误差降低了21.9%,证明了改进方法的有效性和可行性。

针对城市场景下载人电动垂直起降飞行器(electric vertical takeoff and landing, eVTOL)路径规划问题进行了研究。首先,使用危险度栅格法进行三维城市空间建模,对选定型号的eVTOL飞行器,以航程、运行风险和高度变化为目标函数,结合飞行器自身特性及环境限制,构建了多约束条件的载人eVTOL路径规划模型。然后,设计了一种改进人工电场算法(improved artificial electric field algorithm, IAEFA),在传统人工电场算法(artificial electric field algorithm, AEFA)的基础上增加了自适应库伦参数,并在库伦常数的计算中引入递减系数,以此进行仿真求解。实验结果显示,所构建的模型可以达到预期效果。使用改进算法进行路径规划的求解效果更优,相较传统粒子群算法和人工电场法,航程更短,高度变化更小且运行更为安全。最后,根据对照实验确定递减系数的取值,当递减系数取值为1.5时,改进算法的求解效果最优。

连续体机器人在经人体自然腔道介入治疗中有着非常广泛的应用,但当前介入柔性连续体机器人远端定位精度差,缺乏精准导航手段。因此提出基于电磁定位信息的多段连续体机器人形状重建方法。通过形状重建实现末端精准导航和定位。提出了一种基于三阶贝塞尔曲线的高效的两段主动结构形状重建方法。将贝塞尔曲线求解优化为非线性最小二乘问题,通过线性递减权重的粒子群算法快速准确求解。所提出的方法可以较为精确地拟合双段连续体形状,并具有较好的实时性。结果表明,在弯曲角度过程中,形状重建的平均均方根误差为0.48 mm,为连续体弯曲段长度的0.8%。通过详细的建模和验证结果证明了所提出的用于腔内介入的微型连续机器人形状重建方法的准确性和可靠性。

多元时间序列分类是众多领域的关键问题,但是当前多元时序分类研究面临着原始数据高维、精度不足、可解释性缺乏等问题,这使得模型性能提升受限,准确率难以满足实际需求。针对上述问题,提出基于Shapelets的多元时间序列分类方法。首先,利用自适应邻居的无监督Shapelet学习将Shapelet变换与自适应权重结合,用于自动学习显著多元Shapelets;然后,将该方法与Shapelet相似性和类标约束项结合,增强模型可解释性和分类准确性;最后,提出模型的优化策略,用以获取最优的Shapelets,进一步提高模型的分类精度。与3种不同类型11个算法在11个公开数据集上进行比较,实验结果表明提出算法具有较高的分类精度。

为了提升高空螺母的识别准确率,减少螺栓螺母的误检、漏检率,提出了一种基于改进YOLOv5的高空螺母识别模型。首先,在骨干网络端添加了高效多尺度注意力机制(efficient multi-scale attention,EMA),以此融合更多的信息。其次,将颈部网络的PANet更换为BiFPN(bidirectional feature pyramid network),以加强网络的特征提取能力。最后,将原损失函数CIoU(complete intersection-over-union)更换为SIoU(structured intersection over union),以加快模型的收敛速度并提高模型的分类准确率。结果表明,相比于YOLOv5原模型,改进后的模型拥有更好的性能,其中准确率提升了0.92%,召回率提升了0.16%,平均精度1(mAP_0.5)提升了0.53%,平均精度2(mAP_0.5:0.95)提升了2.26%。再用改进前后的模型进行实际识别对比实验,结果表明,改进后的模型识别效果更好,漏检、误检率下降,实际的识别率更高。改进后的模型能够很好地满足高空螺母的识别和图像数据采集,也为后续的螺母维护提供了数据基础。

以鄂尔多斯盆地某区块的砂泥夹层岩心为研究对象,使用基于小波变换的去噪神经网络(denoising neural network based on wavelet transformation,DWTNet)对于岩心的图像进行去噪研究。该方法的评断结果采用峰值信噪比(peak signal to noise ratio,PSNR)和去噪后的图像结果进行了对比。研究表明,利用DWTNet在测试集YX1、YX2测试所提出的算法,并与EGDNet等去噪算法进行对比,PSNR在噪声为25、50、75 dB时,高于EGDNet算法0.527、0.418、1.1 dB。所提的算法在峰值信噪比等指标均高于其他算法;并在视觉效果上其处理得到的图像也更加清晰。方法的提出对于孔隙度、平均体积比表面积、平均曲率计算等都有着非常重要的意义。

目前, 用于地下电缆射频识别(radio frequency identification,RFID)探测定位的传统紧密型线圈天线的性能不足严重制约了其探测定位距离的提高。提出了一种新型高场强分散型RFID线圈天线结构,在推导天线相关电气参数的基础上,以天线的磁场强度为目标函数,以其品质因数固定为约束条件,采用粒子群算法对天线的匝数和相邻两匝之间的匝间距进行了优化。最后,搭建了实验测试平台,测试结果表明,与传统紧密型RFID线圈天线相比,所设计的分散型RFID线圈天线将读取距离提高了33.3%,同时明显增强了相同距离下的标签返回信号强度(received signal strength indication,RSSI),有助于提高基于RSSI的地下RFID定位方法的精度,这为地下电缆RFID探测定位的应用提供重要参考。

作物茎秆在生长期易发生弯曲变形,给计算机可视化仿真带来挑战。采用微分分析方法,探究茎秆物理应力应变关系,提出柔性茎秆可视化仿真方法。首先建立拉伸、弯曲、剪切和扭转载荷下的茎秆力学模型;其次构建基于半边结构和曲面造型的几何模型;最后采用C++和OpenGL实现可视化仿真。实验分析不同品种茎秆弯曲应力应变,结果表明该方法可较准确模拟茎秆形变过程,基于物理力学的模型可确保弯曲仿真精度,为选育抗倒伏品种提供新型信息化分析工具。

为了研究玄武岩纤维在盐类侵蚀环境下改善再生混凝土的孔隙性能,通过电镜扫描技术分析混凝土内部变化规律,并建立混凝土孔隙率与干湿循环次数、渗透高度、抗压强度以及劈裂抗拉强度之间的线性回归关系模型。对不同浸泡龄期和纤维掺量下的渗透高度建立全连接神经网络(fully connected neural network,FCNN)模型,用于预测玄武岩纤维再生混凝土在盐类侵蚀环境下的抗侵蚀寿命。结果表明:孔隙率随着侵蚀龄期的增加逐渐增加,适量掺入玄武岩纤维能显著降低混凝土孔隙率,其中纤维掺量为1.0%时改善效果最为显著;随着纤维掺量的增加,再生混凝土抗盐渗透能力增加,即渗透高度降低;当纤维掺量为1.0%时,可获得最佳的抗压和劈裂抗拉强度;FCNN模型结果表现良好,为玄武岩纤维再生混凝土的寿命预测提供了可靠的参考。

为了研究负泊松比(negative Poisson’s ratio, NPR)锚索在静力拉伸和落锤冲击荷载作用下的力学特性,采用自主研发的NPR锚索拉力实验系统和NPR锚索落锤冲击实验系统对NPR锚索进行静力拉伸试验以及动力冲击实验。从锚索的支护力、锚索伸长量以及膨胀量等方面验证了其抵抗和吸收围岩缓慢变形、瞬时冲击能量的性能。其次,建立了NPR锚索三维数值模型,并根据室内试验结果标定了相关数值参数。开展了NPR锚索静力拉伸数值试验以及落锤冲击数值试验,数值试验结果与室内试验结果一致性较好,验证了数值模型的可靠性。该NPR锚索三维数值模型可作为NPR锚索的改进和升级换代的辅助分析工具。

1g振动台试验(g为重力加速度)是指在常规重力条件下开展的振动台试验,是目前开展振动台试验的主流类型。在区分严格相似模型、应变失真模型的基础上,以控制方程法为主、量纲分析法为辅,从理论上推导了岩质边坡1g振动台试验中不同变形演化阶段这两种相似模型与原型间的相似关系,并确立了模型与原型达到相似所需的关键参数。通过开展数值试验,从岩质边坡固有振动特性和动力响应特征两个方面验证并评价前述建立起来的不同变形演化阶段、不同相似模型的相似关系。结果表明:利用严格相似模型以及应变失真模型均能推算出原型边坡的自振特性以及地震荷载下弹性变形阶段的动力响应特性;而在涉及大变形问题时,应使应变相似比接近或等于1。研究成果可为岩质边坡1g振动台试验相似关系设计、相似模型的选取提供参考。

为了探讨承力盘数量对扩盘桩的承载力及桩周土体的影响,通过自行研制的小型半面桩模型试验设备,采用数字图像相关(digital image correlation, DIC)技术设备实时记录桩周土体变形情况,并以此分析桩周土体位移与破坏特征。试验研究表明,加载时承力盘下土体受压形成压缩区且该区域的影响范围随着荷载增大逐渐变大,同时向两侧土体挤压;承力盘上方裂隙持续发展至最后形成临空区,且该区域随荷载增加而扩大。三盘桩较单盘桩和二盘桩的承载力提升较大,但其荷载-沉降曲线形状较为相似。施加荷载过程中,靠近承力盘和承力盘下方的桩周土体位移变化最明显。因此,研究结果对于承力盘数量对桩周土体影响等相关方向研究做了补充。

基于蒙特卡洛法,利用Python与Abaqus接口进行二次开发,生成区分天然粗骨料,新、旧界面过渡区(interfacial transition zone,ITZ)和新、旧砂浆的再生混凝土(recycled aggregate concrete,RAC)二维细观五相模型。提出改进的干湿循环下水分-氯离子耦合模型,并将该模型的计算结果与物理试验进行对比验证,结果吻合较好。将该模型应用于分析干湿循环周期、ITZ渗透率、水胶比和天然骨料体积分数对氯离子传输性能的影响规律。结果表明,在干湿循环次数增加的情况下,RAC中氯离子的扩散深度和浓度也会随之增加。当ITZ扩散系数与新砂浆扩散系数的比值增大时,氯离子的扩散区域中氯离子浓度增加明显,尤其是在扩散区的前端位置氯离子浓度增加最为显著。此外,不同水灰比的RAC材料与氯离子的传输能力之间存在正相关关系,高水灰比范围内氯离子传输性能变化较小。最后,再生骨料体积分数对RAC的抗氯离子渗透性能产生显著影响,这说明ITZ和新旧砂浆对氯离子的传输具有重要影响。

工程岩体存在原生裂纹和新生裂纹最终形成宏观裂缝,空心圆柱离散元模拟试验可以实现复杂应力路径的模拟。对于空心圆柱离散元模拟试验中存在的问题,如细观参数标定的影响因素众多和耗时过长等,提出了一种基于机器学习算法的空心圆柱砂岩离散元细观参数标定方法。通过改变离散元模型中不同输入变量得到210组模拟数据,建立基于随机森林算法和极端梯度提升(extreme gradient boosting,XGBoost)算法的细观参数标定模型,对比了模型预测精度,分析了参数敏感性,量化了输入参数对岩石整体力学特性的贡献,据此给出了微观参数修正的建议取值。结合空心圆柱室内三轴试验,标定结果表明:XGBoost算法具有计算速度优势,可快速定位离散元细观参数范围,为空心圆柱的离散元细观参数标定提供了新思路,具有工程应用价值。

研究城市综合交通换乘便捷性的影响因素可以为城市交通规划提供科学依据和指导。基于综合交通理论和换乘便捷性理论,对综合交通换乘体系逻辑进行了梳理,并绘制了综合交通换乘体系图,然后从综合交通枢纽站和单个异站换乘起讫点(origin-destination,OD)对两个视角,采用Pearson相关性分析、地理探测器模型、多元线性回归模型等方法研究综合交通换乘便捷性的影响因素。研究表明:单个枢纽站异站换乘便捷度主要与枢纽站地理位置有关;地理距离、出行方式、出行站数为最短换乘时间的主要因素,其中出行站数为最主要因素;地理距离、最短公路里程数、出行方式、出行站数为最少换乘费用的主要因素,其中出行方式和出行站数为最主要因素。

为高效准确预测重大突发事件下货运代理对于中欧间集装箱运输方式选择偏好,并揭示影响货运代理选择的相关因素,采用陈述性偏好方法对货运代理进行调查,同时考虑了运输属性和货物属性的影响,构建决策树、逻辑回归和随机森林预测模型,对货运代理的选择行为进行预测。通过准确率、精确率、召回率和F₁这4个评价指标,将3个机器学习模型与离散选择模型的预测结果进行了综合对比;并利用随机森林算法对疫情不同阶段下影响货运代理运输方式选择的属性重要性进行排序。研究结果表明:3个机器学习模型的预测精度均比离散选择模型高,其中随机森林模型相较于决策树模型和逻辑回归模型在中欧集装箱运输方式选择问题具有更高预测准确度,更加适用于该问题;影响因素方面:在平稳期,货物属性是最重要的影响因素,当重大突发事件发生时货运代理更加看重阈值延迟时间。此外,货物目的地和货物价值对中欧集装箱运输方式选择有着重要影响。该研究可为全球重大突发事件影响下更准确地分析货运代理的运输方式选择行为的决策机制,以及帮助航运公司和中欧班列经营人更好地理解货运代理偏好和决策因素,为应对类似的突发事件提供了有力依据。

为提升航空运输效率,减少运输成本和碳排放量等问题,采用演化博弈方法探讨政府和航司间货运联盟的影响因素,利用系统动力学模型(systematic dynamics,SD)对博弈演化过程进行仿真实验。结果表明,航司间的策略选择受投资成本、联盟收益的影响,政府的策略选择受航司交纳的碳排放惩罚系数、碳税补贴额度、社会收益及监管成本等因素的影响。从长远来看,政府应该建立动态的补贴机制和增加补贴的多样性,提高航司的创新性和核心竞争力。

为研究紫外老化作用下沥青分子质量和分子结构组成变化及其对宏观性能作用机理,对4种常用沥青分别进行了凝胶渗透色谱和核磁共振试验,研究了分子质量、分子相对质量分布等分子质量组成变化和氢谱图、碳谱图、氢原子含量、分子结构参数等分子结构组成变化,并在宏观流变试验基础上,采用关联分析法对沥青流变性能进行了分子组成表征,分析了紫外老化宏观性能的分子作用机理。结果表明:紫外老化使沥青内部分子发生团聚现象,小分子不断减少并聚集成大分子,分子质量分布边界逐渐变窄。由氢原子和分子结构参数变化可知紫外老化后沥青中芳香环上烷基取代基增加,导致芳香环体积增大、稳定性增加,分子主链刚度增大,宏观层面则表现为沥青的弹性性能增加。通过宏观流变试验得出沥青紫外老化前后的相位角、车辙因子、不可恢复柔量和恢复率等流变性能指标,在采用关联法分析后发现缩合度参数、周边氢的取代率、平均分子质量和烷基链支化度对流变性能影响最大。

桥梁的位移响应是桥梁结构健康监测和安全状态评估的重要基础条件。为了充分利用机器视觉测量结构位移的优点,并提高其适用性,可以满足拍摄设备带有姿态角的情况下的结构位移拍摄的精度,提出了一种基于相机针孔模型的结构位移监测方法。利用稀疏光流对结构特征点进行追踪,得到亚像素级的图像位移,通过相机成像的光学几何关系,建立了现实世界位移和图像位移之间的解析解,将图像位移代入代数关系,进而得到结构真实位移。在室内开展简支模型桥动载位移识别试验中,与线性可变差动变压器位移计测量结果相比,当俯仰角在30°、偏航角在35°以内时,本文方法位移监测最大误差在6%以内,满足桥梁结构位移变形监测的应用需求。

共享单车是城市交通的重要组成部分。共享单车用户需求的随机性导致其时空需求不均衡,甚至出现“借车难”现象,无法满足高峰时段的用户需求。因此出现高频用户高频出行时段到临近站点借车的现象,这意味着存在隐性需求。对于隐性需求,首先应用租借数和归还数刻画站点状态变化,通过挖掘临近站点用户出行情况判断参考站点的临界状态,建立基于站点状态变化图和需求判定模型确定站点的隐性需求。进而依据站点真实需求,建立长短期记忆(long short-term memory,LSTM)网络预测模型,并建立基于真实需求的共享单车区域调度模型。该模型以成本最小为目标,通过遗传算法求解得到调度成本最小的路径,为基于真实需求开展平衡调度提供了参考。结果显示,在相近的运输成本下,真实需求下的调度方式能在一定程度上缓解用户借车难的问题,从而减少高频用户的流失。

针对当前水陆两栖飞机在波浪中运动时历有效预报时长较短的问题,提出对水陆两栖飞机在一段时间内的运动统计值进行预报,并基于长短期记忆神经(long short-term memory,LSTM)神经网络构建了水陆两栖飞机运动统计特性预报模型。以NACA TN 2929水陆两栖飞机为例,基于其数值仿真数据分别对三、四、五级海况下水陆两栖飞机的垂荡、横摇和纵摇三自由度运动统计值进行预报并对其预报效果进行详细分析。结果表明:基于LSTM神经网络的水陆两栖飞机运动统计特性预报模型具有较好的预报精度,在实际工程应用中可以通过该模型对水陆两栖飞机未来一段时间内的运动统计值实现精确预报,为海上作业提供辅助决策信息。

随着环境气候问题日益严峻,绿色低碳已成为航空运输业可持续发展的重要原则。以单跑道运输机场为研究对象,以绿色低碳、旅客步行距离为优化目标,构建多情景下绿色低碳停机位分配模型,并设计遗传-禁忌搜索组合优化算法求解,最后以中国东北部的运输机场为实例进行仿真实验。实验结果表明,与实际运行分配方案相比,若仅考虑绿色低碳,最优分配方案可减少3.1%的燃油消耗,减少3.1%的航空器滑行距离,减少4.2%HC、3.6%CO、3.1%NO_X、3.1%CO₂排放,但会提高5.3%的旅客步行距离;若同时兼顾绿色低碳和旅客利益,最优分配方案可减少2.1%的燃油消耗,减少2.2%的航空器滑行距离,减少3.8%HC、2.7%CO、2.0%NO_X、2.1%的CO₂排放,减少2.1%的旅客步行距离。可见绿色低碳发展的同时,仍可兼顾旅客利益。

陆地生态环境状况的量化监测和评估有助于理解生态系统的变化及其驱动因素,对政府指导区域生态环境管理,实现生态保护和社会经济协同发展具有重要意义。基于长时序多源卫星遥感数据,利用协方差主成分分析法耦合绿度、热度、湿度、干度和空气污染度5个指标,构建了陆地生态环境状况指数评价模型(land eco-environment status index,LESI),采用augmented Dickey-Fuller(ADF)检验、Biplot双标图、相关分析和交叉验证等4种策略证明了该模型具有良好的平稳性、合理性、综合代表性和区域适应性;在此基础上评估了2001—2021年太湖流域生态环境状况(land eco-environment status, LES)时空特征和演变规律,探讨了LES变化的驱动因素,量化了气候变化和人类活动的贡献,结果表明:太湖流域生态环境质量呈先下降后平稳的态势,年均LESI从2001年的0.639显著下降至2009年的0.523(-18.2%),随后趋于稳定;太湖流域LESI时空变化差异明显,生态环境质量保持稳定或改善的区域(68.8%)明显大于下降的区域(31.2%),其中杭州和湖州生态环境质量最好,且保持稳定,上海和苏州相对偏差,且波动较大;气温、降水和夜间灯光对LESI的贡献度分别为0.03、0.19和0.78,表明近20年太湖流域的生态环境变化主要受人类活动主导,而只有部分森林山区和湿地区域受气候变化影响。所建立的LESI模型可以有效地监测和定量评估生态环境状况的变化,为政府制定生态环境保护政策、促进高质量发展提供科学支撑。

随着煤炭资源的大力整合与煤炭企业的兼并重组,整合后遗留的废弃矿山所产生的矿井水污染问题日趋严峻。准确掌握废弃煤矿矿井水水质演化成因机制,是目前矿井水保护和利用、地下水污染有效防控的重要前提,基于神东矿区项目工程实践,通过室内长期水煤浸泡试验,探究了Fe³⁺和Mn²⁺的浸溶行为及相关水质指标变化规律。研究结果表明:Fe³⁺的浓度呈“类波浪状”变化,两种煤样浸泡后均在第80天浓度达到最低值,而Mn²⁺的浓度经快速反应(第1天)后并保持相对稳定;通过离子比例系数法及Pearson相关系数法进一步分析其浓度变异成因,发现采空区矿井水可能因采矿活动影响,矿井水水质受硅酸盐岩和石膏的溶解作用强烈;采空区矿井水中主要发生的水岩相互作用有硅酸盐岩和蒸发盐岩的溶解及阳离子交替吸附作用。研究采空区矿井水中特征污染离子变化规律对中国废弃矿井水合理开发与利用具有重要的意义。