氦气是一种极其重要却又十分稀缺的资源。在中国,氦气的主要来源是从天然气中提取。天然气中氦气的含量较低,因此提取的难度较大,天然气膜分离提氦技术是近年来比较热门的技术,但该项技术目前尚不成熟,实际实验的难度较大,通过分子动力学(molecular dynamics,MD)模拟就可以很好地解决相关的问题。综述了近年来用于MD模拟天然气膜分离提氦热门的膜材料,采用MD模拟时膜模型的构建方法,模拟力场的选择以及对膜材料分离性能的评价方法。二维类石墨烯薄膜和混合膜材料是目前比较热门的膜材料,COMPASS和UFF力场的应用比较广泛,氦透过大多数膜材料的能量势垒较低,多数膜材料对氦气和甲烷的选择性和渗透率都较高,研究结果对膜分离天然气提氦实际投产具有很好的指导意义。

水热管理技术的运用有利于解决质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)散热需求大、低温冷启动慢、寿命短等问题。对大功率燃料电池进行动态响应试验,利用皮尔森相关性系数验证了温湿度与有效输出电压的相关性,并通过文献分析水管理和热管理对燃料电池的影响,总结了现阶段的水热管理方法与建模方式。水管理方法主要有反应气体加湿、内部结构设计和排水控制,但无法实现较为准确的水含量在线检测,闭环控制较为困难。而热管理技术较为成熟,利用传统热机的水冷却方法并结合所制定的温度控制策略对热管理子系统中的水泵和风扇进行控制,使电堆温度和进出口冷却水温差稳定在合理的范围。温度与电堆内部水分布具有强耦合性,往往单一的温度变量、水变量研究并不能真实反映温度和水含量对燃料电池性能的影响。未来使用高效的水热耦合技术,综合考虑温度与水含量对PEMFC的影响才是提高其性能、有效改善附件寄生功率、延长使用寿命的关键。

通过钻孔、电法、地震勘探等手段有时难以反映溶洞分布的全部信息,即使通过优化设计也难以避免将桩基置于溶洞上方进行施工并穿越溶洞。从理论计算、数值模拟、室内试验、现场试验、溶洞充填材料等几个方面对穿越溶洞型桩基承载特性研究现状进行了分析,得到了如下结论:穿越溶洞型桩基承载力计算时应充分考虑溶洞的三维几何尺寸对桩基承载特性的影响,应提高参数选取的准确性、深入理解荷载传递机制、发展综合考虑多因素影响的理论模型;现场试验应注重数据采集的准确性和全面性,应形成统一的标准和规范,增加试验结果的代表性、通用性和普适性,为同类问题提供参考;室内模型研究了溶洞形态对桩基承载特性的影响规律,分析了桩基与溶洞顶板之间的相互作用机理,揭示了桩基在穿越溶洞时的受力特性和破坏模式,但模拟溶洞的形状比较规整且单一,较少考虑地下水、温度以及溶洞充填后对桩基承载机理的影响;数值模拟方法能够模拟不同溶洞形态、不同桩型及不同施工条件下桩基在复杂的受力状态下的承载特性,但其参数选择的准确性及模拟结果的准确性有待提高,真实溶洞几何模型的建立是未来重点的发展方向;溶洞充填材料的研发及优化比较理想化,在复杂地质条件下的应用难度比较大,通常表现出不符合预期的性能;溶洞充填材料的研发应充分考虑特殊地质地质条件、温度变化、溶洞水环境的化学腐蚀作用等对充填材料的性能产生的不利影响。

高光谱遥感广泛采用无人机作为飞行平台进行数据采集,具有灵活高效的优点。受无人机性能以及环境天气的影响,采集过程中传感器难以保持固定的拍摄姿态,导致数据产生一定的错位扭曲和变形,虽然无人机载定位系统和惯性测量装置为高光谱相机提供了实时位置和姿态,但受定位测姿精度的限制往往需要采集大量地面控制点进行辅助几何校正,耗费大量时间和人力。为了高效省时消除高光谱数据在采集过程中产生的畸变,基于共线方程原理,设计了一种无人机载推扫式高光谱相机数据采集系统,集成高精度惯性测量系统,并同步采集测区激光雷达(light detection and ranging, LiDAR)点云数据,利用激光点云中蕴含的高精度地形信息进行高光谱数据几何校正,并研究不同密度点云数据对于几何校正结果的影响。实验表明,使用LiDAR点云相对于使用平均高程几何校正结果精度提升了67%,利用激光雷达和高光谱相机同步采集对于提高高光谱数据精度有着显著效果。

为了更好地研究泸定地震同震滑坡的空间分布,获取了Sentinel-2在2022年泸定地震震前7月8日和震后10月1日的卫星影像,经过裁剪得到145.6 km²的研究区域。对两幅影像分别使用最小距离法、最大似然法、神经网络法进行监督分类,通过计算总体精度、Kappa系数对分类结果进行验证。最终选择两幅影像的神经网络法监督分类结果进行对比得到变化检测结果,研究区域内共识别到同震滑坡2 247处,占地面积22.61 km²,占总研究区域的15.53%。在对坡向的统计中发现,同震滑坡坡向以发震断层的垂直方向向两侧辐射的形势,说明同震滑坡受到发震断层的影响。高程分布分析指出,滑坡主要集中在1 000~2 000 m的高程范围内,占比超过90%。与其他因素的分析表明,滑坡事件主要集中在河流、道路附近及山坡上。主成分分析结果表明,对同震滑坡发生率最主要的影响因素是地形沉积物的分布。

传统云分类方法具有主观性强、分类效率和精度较低等缺点。针对上述问题,提出一种基于轻量级梯度提升机(light gradient boosting machine,LightGBM)的云分类预测模型。首先将毫米波雷达获取到的云顶高度、云底高度、云层厚度、平均反射率因子、液态水含量、持续时间作为特征变量,结合分类标签制作为满足模型需求的数据集。之后使用此数据集构建分类模型,将云分为St、Sc、Cu、As、Ac、Cs、Cc其7类云型。结果表明,模型准确率、精确率、召回率和F₁高达94.70%、94.68%、94.97%、94.65%,较其他模型有更好的分类效果。因此,LightGBM模型对云体分类识别效果显著,具有较强适用性,对云类识别业务自动化工作有广阔的应用前景。

泥页岩的成岩作用研究是成岩体系、孔隙结构以及地层超压成因分析的重要内容。综合运用X衍射、测井曲线、实测孔隙度等资料,定量分析了准噶尔盆地腹部地区黏土矿物转化量,结合温度、测井曲线、孔隙度等厘定了泥页岩成岩演化阶段,并探讨了超压发育机制。研究表明,准噶尔盆地腹部地区泥页岩的成岩演化主要可以分为3个阶段。在0~2 400 m,机械压实主导阶段,该阶段黏土矿物含量主要受沉积物源影响,含量及转化量变化不大,声波测井计算孔隙度略大于密度测井计算孔隙度,声波时差(AC)、密度(DEN)、补偿中子(CNL)曲线均减小,电阻率(RT)曲线增大。在2 400~4 200 m,化学压实与机械压实过渡阶段,伊蒙混层开始向伊利石、绿泥石转化,密度测井计算孔隙度与声波测井计算孔隙度相当,AC、DEN、CNL曲线减小幅度变缓,RT曲线小幅反转。在4 200 m以下,化学压实主导阶段,黏土矿物开始大量转化,长石开始大量溶蚀。随着深度增加,温度压力逐渐升高,温度达到120 ℃左右时,高岭石向伊利石转化,钾长石含量几乎降为0%,密度测井计算孔隙度小幅偏离正常演化趋势,声波测井计算孔隙度大幅偏离正常演化趋势,AC、DEN、CNL、RT曲线均发生反转。超压成因为复合成因,化学压实是研究区超压的主要成因之一。

三峡水库的运行产生高变幅的消落区,围绕消落区的保护和修复成为蓄水后的重大科学问题。消落区岸坡分类是开展消落区保护和修复的基础。以三峡水库4个典型饮用水水源地为研究对象,首先,基于覆盖研究区域的GF-2遥感影像,在辐射定标、正射校正、大气校正等预处理的基础上,结合无人机拍摄和目视解译获取消落区不同岸坡类型样本,构建基于面向对象的消落区岸坡类型识别方法;其次,结合随机森林、支持向量机和神经网络等方法,对典型水源地的岸坡类型进行了分类,并比较了不同机器学习方法的分类效果,以实现典型水源地消落区岸坡类型的精准识别;最后,分析了面向像元与面向对象策略对消落区岸坡分类精度的影响。结果表明,基于多分辨率分割-面向对象的消落区岸坡分类操作方便、成本较低且精度较高,能用于三峡库区大范围消落区岸坡分类。该方法能解决高分辨率遥感影像对象内部光谱异质性和对象之间同质性增加问题,有效提高三峡水库消落区岸坡分类精度。研究对促进三峡水库消落区生态保护、修复和治理,维护长江上游重要生态安全屏障具有重要意义。

为了预防职业驾驶员肌肉骨骼疾病,促进职业健康,通过功能性动作筛查(functional movement screen,FMS)评估职业驾驶员功能性运动能力现状,进一步探讨运动干预效果。采用分层便利抽样法,选取145名职业驾驶员作为研究对象,通过FMS测试其功能性运动能力。随后,对其中20名女性驾驶员实施运动干预,全程监控其运动负荷,并在干预结束后进行FMS后测。通过SPSS 29.0软件分析FMS测试结果、性别间差异及运动干预效果。结果表明:职业驾驶员FMS总分普遍低于14分;单项测试中,主动直腿上抬动作得分最高,直线弓步蹲动作得分最低;深蹲、跨栏步、主动直腿上抬以及躯干稳定俯卧撑动作得分存在性别差异(P<0.05);干预后,女性驾驶员的基本功能动作、下肢柔韧性以及躯干稳定性动作模式明显改善,差异均有统计学意义(P<0.05);运动干预负荷整体属于中等强度有氧运动。可见,职业驾驶员的功能性运动能力普遍不足,中等强度的运动干预是改善女性驾驶员功能性运动能力、预防肌肉骨骼疾病的有效手段。

为了研究综放工作面采动过程顶煤区域的变形与支护问题,以东峡煤矿项目综放工作面为工程背景,根据该项目综放工作面具体煤层特性,分析综放工作面支架的架型、支护强度等参数,同时结合现场监测资料,验证液压支架的额定工作阻力是否满足工作面现场要求。采用离散元软件模拟分析方法对东峡煤矿项目综放工作面采动过程顶煤变形和支护进行了数值模拟研究,对其应用效果进行验证。随着工作面继续向前推进,上覆基本顶发生周期性垮落,平均周期来压步距在20 m左右。此外,液压支护对于综放工作面的支护效果并未随着推进长度的增加而发生较大变化。根据现场监测数据和计算结果可知,选用的液压支架能满足项目综放工作面支护要求。

为改善某整流器试样结构焊接工艺,对高温真空镍基合金钎焊过程展开了数值模拟研究,建立了高温钎焊真空炉中镍基合金钎料融化-润湿填充焊缝的流动模型。数值计算基于流体体积(volume of fluid,VOF)方法,综合考虑表面张力、重力、相变潜热等因素,采用层流模型求解得到了钎料随时间变化的流动行为。得到了固、液态钎料体积分布和温度场分布。虽然母材表面出现少部分钎料流失行为,并且在局部观察到有焊瘤的形成,但焊缝内钎料的整体填充效果良好,验证了钎焊工艺的钎料布置和温度控制的合理性。给出了关于时间和温度的钎料填充焊缝体积比的经验公式,为实际钎焊过程提供参考。

鄂尔多斯盆地西南部延长组储层是国内典型的致密砂岩储层之一,盆地中部延长组致密砂岩储层分类评价目前已引起了石油企业的重视。为了合理高效地开发鄂尔多斯盆地中部长8₁致密砂岩油藏,亟须开展储层分类,精准评价储层。以吴起地区长8₁致密砂岩储层为例,通过核磁共振实验数据计算目的层的分形维数值,并结合铸体薄片、扫描电镜等实验资料,对长8₁致密储层的微观孔隙结构进行定量研究;同时分析储层分形维数和储层物性的关系,运用基于核磁共振实验的分形理论对致密砂岩储层进行分类评价。结果表明:吴起地区长8₁致密砂岩储层岩石类型主要为岩屑长石砂岩,孔隙结构以粒间溶孔、长石溶孔为主;依据T₂谱曲线和分形维数法均将储层分为3类,各类储层对应相关的分形维数,分形维数与物性参数具有较好的相关性,以此表征了储层孔隙结构的复杂程度。将核磁共振实验与分形维数法结合定量地表征致密砂岩储层的微观特征,可提高储层分类的准确性。

测井数据是油气田开发和评价的基础,然而实际开采过程中因井壁稳定性不佳、设备故障等因素导致测井数据的失真或缺失,针对现有预测模型结果不稳定、精度不高等问题,提出一种基于变分模态分解(variational mode decomposition, VMD)改进的由卷积神经网络(convolutional neural networks, CNN)、双向长短期记忆网络(bidirectional long short-term memory, Bi-LSTM)与注意力机制Attention组合的预测模型对测井曲线缺失段进行预测。以测井序列数据作为输入,利用VMD算法将测井序列分解成一系列调幅调频信号子序列;通过CNN网络提取测井序列的特征并利用Bi-LSTM网络进行训练,训练过程使用Attention机制来动态地学习每个时间步的重要性权重;最后输出测井曲线预测值。将该方法应用于河南泌阳区块测井曲线预测,并与其他常用机器学习预测模型进行对比分析,结果显示,基于VMD改进的CNN-BiLSTM-Att模型的测井曲线预测方法应用效果显著,误差仅10^-3数量级,预测精度可达92.02%,研究成果为测井曲线的准确预测提供了新思路。

水平井段内多簇压裂是非常规油气效益开发的关键手段。以玛湖砾岩金龙2井区为例,由于储层非均质性、孔眼非均匀冲蚀及簇间流体竞争的影响,段内多个射孔簇难以同步起裂及均衡扩展。泵注球形或绳结式暂堵剂封堵过度进液孔眼,动态调整砂液分流,是促进段内均匀改造、充分挖掘储层产能的有效方法。准确、实时判别暂堵效果对及时调整暂堵方案、完善压裂工艺至关重要。综合考虑孔眼封堵、裂缝起裂和裂缝扩展3个过程,集成暂堵剂到位增压、同排量升压和曲线叠加3种方法,形成了段内多簇压裂暂堵效果综合判别方法,编制了配套软件,通过数据实时传输,实现了暂堵效果在线监测与判别。所建立的方法与管外光纤及鹰眼监测的结果吻合度大于85%,为暂堵工艺升级与推广提供了方法与理论支撑。

随着油气行业不断向深层拓展及深层地热资源的开发,钻遇储层岩石硬度变大、破岩难度增加、开发成本提高。针对深层花岗岩难破岩的问题,研究了电磁辐射辅助破岩机理。该方法利用电磁波与储层岩石的相互作用诱导产生热应力损伤或致裂岩石,进而降低岩石强度,提高破岩效率。首先,基于深层花岗岩的矿物组分建立矿物随机分布非均质岩心模型;其次,建立电磁辐射花岗岩损伤的电-热-固-损耦合的数值模型;最后,采用顺序耦合的方式计算电磁辐射下花岗岩的电磁场、温度场、应力及损伤分布。电磁辐射作用下花岗岩成岩矿物结果差异显著:由于电磁波的选择加热性,黑云母的电磁功率损耗密度高于石英与长石2~3个数量级,导致电磁加热程度不同,在黑云母附近形成局部热点;基于不同矿物温度与热膨胀系数的差异,形成非均匀的应力分布,石英和黑云母受拉,而长石受压;3 kW电磁辐射5 min后花岗岩损伤体积占比为42%,以石英的张性损伤为主。电磁辐射下花岗岩损伤显著,岩石强度降低,促进深层花岗岩的破岩。

随着中国油气管道的服役年限增加,管道受到外在因素影响不可避免地会产生的腐蚀、凹陷等缺陷,分析管道凹陷与腐蚀缺陷等对管道极限承载能力的影响势在必行。针对一段含凹陷及腐蚀缺陷的X80管道的安全性进行了模拟,通过改变凹陷长度、宽度、深度、材料类型等因素,分析了球型、椭球型等压头作用下的单凹陷区域对管道极限承载能力的影响。同时,研究了凹陷及腐蚀等复合缺陷同时存在时,凹陷及凹坑尺寸及间距等多种因素对管道安全性的影响,结果表明:凹陷长度及腐蚀长度和腐蚀深度是影响复合缺陷的极限承载能力的重要因素,凹陷作用在腐蚀中心点邻近区域时对管道的危害更大。

为了研究含能颗粒在固液混合燃料燃爆反应中的影响机制,使用20 L球形云雾燃爆特性试验系统,对不同质量分数含能物质的固液燃料-空气分散体系的燃爆特性进行研究。在低浓度条件下,试验测量得到爆炸压力、最大压力上升速率、反应时间及不同燃料爆炸下限,根据固液分散微粒结合方式,分析含能颗粒对固液混合燃料燃爆特性的影响。结果表明:在环三亚甲基三硝胺(1,3,5-trinitroperhy-dro-1,3,5-triazine,RDX)/铝粉混合燃料体系中,爆炸压力和最大压力上升速率随RDX质量分数的增加先增大后减小,最大值分别为1 516.17 kPa和1 16.17 kPa/ms;针对RDX/铝粉/硝基甲烷混合燃料体系,RDX的加入导致爆炸压力不断减小,降幅达到427.99 kPa,当RDX质量分数低时,RDX对混合燃料燃烧爆炸起抑制作用。同时发现混合燃料反应时间变化规律与最大压力上升速率变化规律完全相反。

为了探究光伏组件表面灰尘沉积特性,针对地面光伏的积灰问题,利用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟方法,从倾斜角度和风速两个因素研究了不同粒径的灰尘颗粒的沉积特性。结果表明:随着光伏组件倾斜角度的增大,光伏组件表面灰尘的沉积率逐渐减小,除此之外,发现当光伏组件迎风时,灰尘沉积率随着风速的增加而增加,最大灰尘沉积粒径均会随着风速的增加而变大。同时随着粒径的增大,光伏组件表面灰尘的沉积率先增大后减小。研究结果对探究光伏积灰特性及解决光伏电站的积灰问题有着重要的意义。

近海环境复杂多变,风和波浪的综合载荷会对浮式风力涡轮机平台和塔顶产生较大振动,严重威胁风力涡轮机系统的结构安全。为了应对这一挑战,在驳船浮式风力涡轮机的机舱内安装了一个调谐质量阻尼器(tuned mass damper,TMD),并通过采用H∞控制算法利用主动驱动力形成混合质量阻尼器(hybrid mass damper,HMD)。通过仿真比较了无控制、被动控制和H∞控制的效果,结果表明H∞控制能有效减小平台纵向角度和塔顶纵向位移,抑振效果明显。

为平抑风力发电系统的出力波动,通过调整混合储能系统(hybrid energy storage system, HESS)的控制策略,满足并网波动限制,构建了一种基于风电功率预测的混合储能双层模糊控制策略。首先,利用改进的完全自适应噪声集合经验模态(improved complete ensemble empirical mode decomposition with adaptive noise, ICEEMDAN)对原始风电数据进行分解;其次,将改进的Adam算法与Transformer模型结合对各分量预测,预测结果叠加作为最终预测结果;最后,基于预测的风电功率波动状态和混合储能荷电状态(state of charge, SOC),对混合储能系统采用双层模糊控制策略进行调节,确保在风电平稳并网前提下,减少混合储能系统的过充、过放情况。结果表明:所提控制策略平抑风电出力达到更低的波动指标,保证可靠并网;并且控制混合储能系统的SOC在合理范围内,使系统整体性能得到提升。

随着直流配电网的发展和分布式储能、光伏大规模接入配电网,配电网结构发生革命性变化,直流配网发生短路故障后短路电压急剧下降,短路电流迅速上升,电力系统运行稳定性遭到破坏。针对此问题,提出直流系统极间和单极短路故障模型,首先通过直流线路两端电压采样数据,列写电压方程并消除过渡电阻;然后构造适应度函数,采用收敛速度更快、定位精度更高的改进红狐优化算法计算故障点到保护安装处的距离,用于直流配电网故障定位。在红狐算法基础上结合孤立森林算法剔除异常数据,通过改进可调节反馈因子、引入遗传交叉算子提高算法性能和精度,在采样频率偏低时通过自适应插值提高故障定位准确率。在Simulink中进行仿真验证,结果表明该方法抗过渡电阻能力强,定位误差小,不受系统参数影响,能够有效降低采样频率偏低对故障定位的影响,且具有良好的鲁棒性。

为全面深入分析省级层面建设新型电力负荷管理系统的综合效益,开展了对新型电力负荷管理系统综合评价体系的研究。首先,构建了考虑技术、社会、环境、经济效益的评价指标体系;其次,通过改进层次分析法对综合效益的主观权重进行确定,考虑到指标体系既有定性指标也有定量指标,基于直觉模糊数概念确定客观权重,通过合作博弈理论确定综合权重;最后,引入垂面距离的概念对传统逼近理想解排序(technique for order preference by similarity to an ideal solution,TOPSIS)方法进行改进,增强了评价结果的精准度。通过应用所提评价体系对不同省份的新型电力负荷管理系统的建设情况进行评价,结果表明:所研究的体系在对新型电力负荷管理系统建设的综合效益及多维度效益评价的过程中,表现出较强的系统性、科学性、精准性及可行性。

雷电是造成有源配电线路故障的主要原因,研究有源配电网的雷害风险评估具有重要意义。以南京地区含分布式光伏系统的配电线路为研究对象,建立了含分布式光伏系统配电线路雷击过电压计算模型,分析了雷击时光伏侧和配电线路侧之间的相互影响,构建了两侧的电气几何模型,计算了光伏侧和线路侧跳闸率,并根据计算结果进行风险评估。结果表明:雷击距光伏侧最近的杆塔时,光伏侧的雷击跳闸率由27.52次/(100 km·a)上升至29.63次/(100 km·a),雷击风险较高;当光伏侧遭受雷击时,其相邻的3基杆塔受雷电侵入波影响跳闸率增加一倍,风险等级也较高。

针对热力站二次回水温度预测模型特征多计算量大、模型准确性难以提升的问题,提出一种极限梯度提升-人工神经网络(xtreme gradient boosting-artifical neural network,XGBoost-ANN)二次回水温度预测模型,模型由特征筛选层和预测层组成。特征筛选层利用XGBoost算法计算原始数据特征的重要性分数,确定影响二次回水温度的主要特征,从而降低模型复杂度,并提高计算效率;采用贝叶斯正则化算法训练三层前馈ANN作为二次回水温度预测层,并通过灰狼优化(grey wolf optimizer,GWO)算法对ANN模型的初始权值和阈值进行优化,用灰狼的位置向量表示ANN模型的权值和阈值,引入适应度函数来评估每组权值和阈值的性能,帮助模型在训练初期避免陷入局部最优,以提升模型的性能与泛化能力。实验结果表明,所构建的XGBoost-GWO-ANN二次回水温度预测模型,相比特征筛选前的模型,均方根误差(root mean squared error,RMSE)性能提升26.8%,R²提升11.3%,模型推理时间降低了46.1%;使用GWO算法对ANN初始权值和阈值进行寻优,相比于未经优化的ANN模型,RMSE性能提升20.0%,R²提升3.4%,预测模型的精度以及泛化能力得到有效提升。

针对移动机器人在水下完成核反应堆堆内构件检修时的无人自主定位任务,提出了一种结合惯性测量单元(inertial measurement unit,IMU)与单目视觉测距的机器人水下几何定位方法。结合实际环境需求,简述了单目相机测距原理;针对水下核辐射环境对传感器使用的限制,提出了基于单目视觉校正惯性测量单元位姿估计积分误差和几何定位方法,模拟实验验证表明该定位方法能够有效地校正机器人利用惯性测量单元定位过程中产生的累积误差,提高了机器人的水下运动定位精度。

使用连续体机器人的经自然腔道介入面临介入路径曲折狭窄和腔道软组织挤压受力等挑战。针对介入递送过程中,现有规划方法难以兼顾多个控制目标,导致难以到达较深位置的问题,提出一种基于残差强化学习的自主规划方案。该方法能够实现柔性连续体机器人经自然腔道的自主递送。通过建立连续体机器人递送姿态与自然腔道空间状态间的反馈偏差模型来控制递送过程中的姿态目标。同时建立连续体机器人的整体运动过程的马尔可夫模型,用于强化学习算法的训练过程。利用姿态反馈控制与强化学习控制相结合产生的残差策略来输出连续体机器人递送过程的最优动作。在仿真支气管腔道中的实验表明,所提出的方法比现有方法的收敛速度快60%以上,能够以平滑、无碰撞的轨迹规划连续体机器人的经腔道介入过程,在多个指标方面优于现有方法。

在无人装备领域,异构跨域协同作为一种解决现有瓶颈问题的有效策略,通过整合不同平台的功能冗余性和能力互补性,实现了各要素单元的高效一体化运用,推动了无人系统应用新模态的发展。然而,传统的绳钩回收系统因其高刚度特性,在回收过程中飞机钩上阻拦索时会产生较大的瞬时冲击力,导致无人机降落姿态不理想,无法保证平稳落到期望位置。此外,该系统缺乏灵活性,在实现高度跟随时响应不如机械臂迅速。为此,引入了导纳方法实现机械臂的柔顺控制,旨在提高无人机回收的平稳性,并防止因关节所受横向力过大导致的结构损坏,确保机械臂结构的稳定性。同时,结合短时傅里叶变换-快速傅里叶变换(short-time Fourier transform-fast Fourier transform, STFT-FFT)预测算法与自抗扰控制方法,优化了横滚补偿过程,实现了更加平滑稳定的补偿响应。通过仿真测试平台的验证,证实了绳钩回收系统的导纳控制策略及补偿响应优化算法的有效性。

针对鱼眼相机的传统标定过程烦琐并且不适用于日常场景图像的问题,提出了一种新的基于卷积神经网络的方法,可同时标定鱼眼镜头的内参并进行图像畸变校正。该方法通过预测不同畸变参数下像素点的位移量,从而提高鱼眼相机标定和图像畸变校正的精度;为了进一步提高模型精度和泛化性,在编码部分引入坐标注意力模块,增强对图像位置信息的关注度;最后为了增强图像的细节特征,在跨越连接部分设计了跨尺度融合模块。针对数据集稀缺的问题,还生成了一个新的大规模数据集,标有相应的畸变参数和畸变校正后的图像。实验结果表明:与其他鱼眼相机标定方法相比,重投影误差为0.312 pixel,标定的精度较高;与图像畸变处理方法相比,峰值信噪比(peak signal to noise ratio,PSNR)为38.055 dB,结构相似度(structural similarity,SSIM)为0.874,图像畸变校正的质量较好。

机场航站楼作为大型交通枢纽,结构复杂,一旦发生突发事件,疏散效率极为重要。为提高航站楼疏散效率,结合航站楼内人员实际分布情况,提出一种改进A*算法的航站楼疏散最优路径选择方法。通过对航站楼内人员流动进行模拟,获取航站楼人员分布数据,并在路径选择的代价计算中考虑各区域人员分布的时变性,从遍历方式、网络权值等方面进行A*算法改进,并对拥堵路径进行重规划,实现对拥堵路径的规避。结果表明考虑航站楼旅客分布的疏散路径会对各节点疏散路径进行改进,相较于传统A*算法疏散时间更短,并能实现对拥堵路径的规避。研究结果可为突发事件下航站楼旅客快速疏散提供理论及方法支持。

当前,步态识别的主流方法常依赖堆叠卷积层来逐步扩大感受野,以融合局部特征,这种方法大多采用浅层网络,在提取步态图像的全局特征时存在一定的局限性,并缺乏对时序周期特征信息的关注。因此提出一种融合Transformer和3D卷积的深层神经网络算法(3D convolutional gait recognition network based on adaptFormer and spect-conv,3D-ASgaitNet)。首先,初始残差卷积层将二进制轮廓数据转换为浮点编码特征图,以提供密集的低级结构特征;在此基础上,光谱层通过频域和时域的联合处理增强特征提取能力,并使用伪3D残差卷积模块进一步提取高级时空特征;最后融合AdaptFormer模块,通过轻量级的下采样-上采样网络结构,以适应不同的数据分布和任务需求,提供灵活的特征变换能力。3D-ASgaitNet分别在4个公开的室内数据集(CASIA-B、OU-MVLP)、室外数据集(GREW、Gait3D)上进行,分别取得99.84%、87.83%、45.32%、72.12%的识别准确率。实验结果表明,所提出方法在CASIA-B、Gait3D数据集中的识别准确率接近SOTA性能。

探讨一种基于骨架匹配的建筑点云融合方法,旨在解决建筑实景三维模型中模型缺失的挑战。该方法首先通过建筑实景三维逆向建模,利用所得的逆向点云数据结合原有建筑设计数据生成正向点云模型。随后,运用基于旋转对称轴(rotational symmetry axis,ROSA)的方法分别从建筑逆向点云模型和正向点云模型中提取模型骨架线。最终,通过正逆向骨架线匹配,实现建筑正向和逆向点云模型的融合,进而重构出完整性较高的三维模型。实验验证显示,该方法显著减少了模型缺失区域,为建筑实景三维建模和逆向工程领域提供了新的思路和方法。

为改善社区内部单向线性的资源代谢模式,优化城市资源循环代谢系统,借助无人机低空摄影测量技术,选用Agisoft PhotoScan、Cloud Compare、Yaahp软件,提出一种基于图像三维重建和多准则决策的城市社区绿色生产性更新方法;通过构建社区建成环境三维点云模型和社区空间生产潜力评价模型,量化分析社区不同空间生产适宜性,并进行更新设计。结果表明:利用所提出方法更新后的社区能够满足自身43.8%的蔬菜供给需求;处理社区87.28%的有机废弃物;补充灌溉用水23.46%;并有效减少食物里程碳排放和建筑能耗。可见社区绿色生产性更新能够明显降低社区的资源外部依赖性,进而转变社区的资源代谢模式。

为解决地震引起的桥梁碰撞问题,基于OpenSees有限元软件的非线性时程分析,开发并比较了有无碰撞两种情况下常规和不规则箱梁公路桥梁的整体系统及各个组件的地震脆弱性曲线。研究设定了4种损伤条件,从常规到严重。通过脆弱性函数,阐明了不规则性和桥面板与桥台之间的碰撞对多跨箱梁公路桥梁地震脆弱性的交互作用。同时引入了转换系数r_p,明确了冲击碰撞对桥梁组件及整体系统脆弱性的影响,应用了传统分析方法(静态与简化分析)和技术地震模型,调整了碰撞和不规则性的脆弱性值。研究结果表明:碰撞对所有结构组件都有不利影响。随着损伤等级的增加,桥柱延性和防落梁的r_p离散性增加。地震编号2中,轻微(DC₁)损伤条件下的r_p为0.95,而中等(DC₂)为1.02。在脉冲型地震动下,碰撞显著增加了工程需求参数(engineering demand parameter,EDP)的损害程度,编号3中,有碰撞时基础平移的平均r_p为0.71,而无碰撞为0.57,表明了碰撞对基础平移的破坏作用显著。通过对所有类别的中值比较,发现地震编号3和编号1A的中值小于地震编号2和编号1B的中值,表明了在较低的地震动强度下,碰撞导致的损伤更为严重。研究结论为桥梁抗震设计提供了重要的参考依据,有助于改进设计规范,增强桥梁结构的抗震性能,具有重要的工程意义和实际应用价值。

竖向接缝钢锚环灌浆连接(简称竖缝密拼连接)装配式剪力墙体系,竖向接缝采用钢锚环连接,再进行二次灌浆连接,具有安装方便和减少了现场湿作业的优点。依托企业实际项目,通过试验研究、抗震性能分析与设计施工实践,验证了竖缝密拼连接的可行性。

抗拔桩依据结构特性有效承担了结构上拔荷载,成为解决抗浮问题的有效措施。精确获取抗拔桩内力是了解其承载特性的关键,但混凝土抗拉性能较差,当荷载达到一定量级后,导致其弹性模量降低,传统轴力计算方法不再适用。基于光频域反射技术(optical frequency domain reflectometry,OFDR)应变测量技术,通过抗拔桩室内模型试验,分析拉拔过程中钢筋和混凝土的应变分布和演化规律,获取受拉-破坏全过程混凝土弹性模量变化情况,提出利用混凝土应变与弹性模量关系曲线优化轴力计算方法,精准获取桩身轴力,并应用于实际工程。试验结果表明:在小荷载情况下,OFDR技术可以根据桩身应变曲线定位混凝土裂缝产生位置;大荷载桩身破坏情况下,可以利用应变与弹模关系曲线修正混凝土弹模,对混凝土轴力进行修正,相对传统计算方式可将全过程轴力相对误差控制在5%以内,实际工程验证了该方法的可行性,优化后的轴力计算具有更高的精确度。

复合土工膜的动应力应变关系预测是土石坝防渗工程长期运营涉及的关键问题之一。为研究循环荷载作用对复合土工膜应力应变的影响,开展了10%、20%、30%共3个不同应力水平下循环加载-卸载试验,并进行10%~80%应力水平下复合土工膜的蠕变试验,对比分析其蠕变和蠕变恢复特性,提出了循环加载累积条件下应变的表达式,构建了循环加载条件下复合土工膜边界面的本构模型。研究结果表明:复合土工膜在加载和卸载的瞬间,变形量会瞬时增加,之后会随着时间的增长而逐渐变缓;完全卸载后,当应力水平低于30%时,复合土工膜变形几乎能恢复;当应力水平大于等于40%时,随着应力水平的增加,残余变形逐渐增大。循环加载次数对土工膜蠕变变形的影响并不是呈简单的线性关系;此外,建立了改进的三参数黏弹模型,并验证了该模型能够较好地复现复合土工膜在不同荷载水平下的蠕变恢复过程。研究成果可为复合土工膜在土石坝中的长期变形分析提供参考依据。

工程水泥基材料(engineered cementitious composite,ECC)具有良好的裂缝宽度控制能力和自愈合潜力,可有效提高混凝土结构的使用性能和耐久性,已应用于多种不同环境条件。ECC在不同环境条件下的愈合能力不同,而目前针对ECC在不同环境下的愈合行为研究相对较少。为了研究不同环境条件对ECC自修复行为的影响,选取3种不同愈合环境,分别为0.5 mol/L的NaCl溶液、饱和Ca(OH)₂溶液、自然环境,将预裂纹ECC试件分别置于3种环境下,通过裂缝闭合试验、强度恢复试验、电镜扫描以及能谱分析来探究不同环境下ECC的愈合行为及机理。试验结果显示:不同愈合环境下ECC的裂缝均具有不同程度的缩小,且随着愈合周期的逐渐增长,裂缝的愈合程度也逐渐提高,NaCl溶液和饱和Ca(OH)₂溶液对裂缝愈合具有积极作用。不同环境下ECC的愈合能力排序为:饱和Ca(OH)₂溶液>NaCl溶液>自然环境。在自然环境下的愈合物质主要有水化硅酸钙(calcium-silicate-hydrate,C-S-H)凝胶、Ca(OH)₂;在NaCl溶液中裂缝处愈合物质主要以钙矾石、Ca(OH)₂形式填充裂缝;在饱和Ca(OH)₂溶液环境中,裂缝处会产生大量愈合物质,主要以CaCO₃的形式填充裂缝。

为解决超大直径盾构隧道智能建造中的地质复杂、空间密集、构件生产要求高及掘进参数控制难等问题,基于已建及在建项目经验和数字化需求,通过对盾构施工全产业链关键环节进行系统研究。采用建筑信息模型(building information modeling,BIM)、大数据、物联网和人工智能等技术,构建数字化架构并建立全生命周期编码体系,搭建数据中台,推进设计资料数字化、管片智能生产、隧道智能掘进及全生命周期管理的研发。研究表明,参数化驱动大幅提升了数字化设计效率,优化了管片生产和掘进精度,同时增强了全生命周期管控能力。可见,数字化手段有效解决了施工中的技术难题,提升了施工管控能力,为大直径盾构隧道施工提供了可行的数字化解决方案。

双半挂汽车列车具备较强的运输能力和相对较低的运输成本等优势。然而,与半挂车相比,双半挂汽车列车拥有更多的车辆单元,导致驾驶难度更高且高速横向稳定性更差。针对此问题,提出了模型预测控制(model predictive control,MPC)与差动制动相互结合的控制策略。根据MPC原理,设计了MPC双半挂汽车列车横向稳定性控制器。通过MPC控制3个车辆单元的横摆力矩,结合差动制动技术从而实现各个车轮制动力的分配。在Trucksim搭建了双半挂汽车列车模型且MATLAB/Simulink中建立车辆简化模型。通过Trucksim与MATLAB/Simulink联合仿真,在不同车速、负载、附着系数情况下验证了所设计系统的有效性。研究结果表明:所设计的控制器有效地降低了各车辆单元的质心侧偏角、侧向加速度和横摆角速度等,提高了双半挂汽车列车高速变道时的稳定性。

高精度车辆轨迹数据对于实现智慧交通具有重要意义,然而现有的车辆轨迹感知技术受到采集范围的限制,难以获得全时段全区域的车辆轨迹数据,无法满足实际应用中对车辆轨迹跟踪精度以及实时性的要求。考虑到跨雷达场景下的车辆轨迹数据特征,提出一种基于雷达数据的跨设备车辆轨迹跟踪方法。首先,根据数据特点应用置信区间下限筛选轨迹数据,并通过卡尔曼滤波对车辆轨迹的位置和速度分别进行平滑和降噪处理。其次,将雷达探测区域的车辆轨迹时间戳、位置坐标、行驶速度、行驶方向以及车道编号作为模型输入,非重叠区域的位置信息作为输出,构建了基于长短期记忆(long short term memory, LSTM)的非重叠区域轨迹预测模型。然后,提出基于轨迹条件约束和搜索区域限制的快速动态时间规整算法(dynamic time warping, DTW)用以计算轨迹相似度,从而实现跨雷达设备车辆轨迹跟踪。最后,以高速公路上跨雷达检测的重叠场景和非重叠场景数据为例进行验证,实验结果表明,重叠场景下车辆轨迹跟踪准确度达到92.2%,非重叠区域车辆轨迹匹配正确率达到90.3%。

集装箱码头堆场作为海陆两侧作业区的枢纽,箱位分配方案将直接影响码头整体的运行效率。为了合理分配U型自动化码头堆场空间资源以提高集装箱装船效率,将共用一条智能导引运输车(intelligent guided vehicle, IGV)车道的两个箱区组成一组箱区组。从降低车道拥挤的角度,考虑箱区组内相邻作业区域高低工作量等约束,以最小化总装船作业时间和平衡箱区组集装箱数量为目标,构建第一阶段出口箱堆存区域分配模型,并且引入免疫补偿机制和Metropolis准则,设计了一种改进的自适应遗传算法。基于第一阶段分配结果,建立贝位间优先级降序均衡堆存策略以保障场桥连续性作业,构建第二阶段箱位分配模型,并设计启发式算法以求解。通过设计大规模案例实验表明,算法能够给予有效的出口箱堆存区域划分和箱位分配方案,同时经过不同规模的对比实验验证了算法的性能,表明算法具有更快的收敛速度,对目标值优化达到10%,进而提高了U型自动化码头整体作业效率。

对多旋翼电动垂直起降(electric vertical takeoff and landing,eVTOL)航空器推进系统进行了可靠性分析与分配。首先,针对多旋翼eVTOL航空器可靠性历史数据积累不足的问题,使用模糊贝叶斯网络(fuzzy Bayesian network, FBN)建立可靠性分析模型,对其可靠性先验数据进行了补充,并进行可靠性后验推理,辅助定位推进系统关键环节。其次,基于FBN可靠性分析模型,提出一种改进电子设备可靠性咨询组(advisory group on reliability of electronic equipment,AGREE)可靠性分配方法,对不同构型多旋翼eVTOL推进系统进行可靠性分配。结果表明,FBN可靠性分析模型补充了推进系统可靠性数据,可有效识别系统薄弱环节。改进AGREE分配法的可靠性分配结果符合SC-VTOL-01中对eVTOL航空器的可靠性要求,同时该方法得到的可靠性分配结果更为合理,体现了不同构型、子系统、部件间的差异。

随着航空货运量的增加,货运计划频繁因货物需求扰动的影响而中断,因此重新安排航班计划是航空货运恢复的核心问题。在需求临时增加的扰动下,以航空公司的利润最大化为目标,提出了一个基于时空网络方法建立的航空货运恢复模型,重新安排飞机路线、货物路线及航班,并通过增加惩罚因子的方式尽可能地保留初始航班计划。为验证模型有效性,利用CPLEX求解器对模型进行求解,将所提出的基于时空网络的航空货运恢复模型与文献中的模型进行对比,结果表明:所提出的模型在计算效率与寻找最优值方面均有较大优势,且随着算例规模的增大,优势愈加明显。分析了模型的求解结果对时间窗宽度与飞机承载力的敏感性,结果发现:时间窗越窄,求解速度越慢,而随着时间窗宽度的增大,求解速度加快并趋于稳定;随着飞机承载力逐渐增大,模型的求解速度更快并趋于稳定。

研究机场交通流量的波动范围特征是进行高效流量管理及控制的基础,理解并掌握机场交通流量波动范围特征对维持整个机场交通运行的稳定性和有效性起着重要作用。通过考虑时间的不可逆性及在一定时段内机场流量大于设施容量所产生的拥堵量会累加影响在后续时间点上,提出自适应跨越网络的构建方法。从复杂网络拓扑特性角度出发,对网络的整体特征以及节点中心性进行分析,并应用独立性权系数法分别计算节点的综合中心度,识别网络中的强波动核心枢纽时间节点。结果表明:根据北京大兴机场流量数据映射得到的自适应跨越网络呈现复杂有序的特点,具有无标度特征,网络是同配的且有明显的社团结构;21:20—22:25(节点257~269)中在各中心度的排名均靠前,波动影响范围较大,属于网络中的核心枢纽节点;综合中心度归纳了网络的各种拓扑中心性特征,并对其进行定量分析后有效刻画了网络中的强波动节点。该方法为机场交通流量的优化管理和异常波动研究提供了理论依据和实践参考,为提升机场运行效率和安全性提供了新的视角。

空中交通管制运行安全正面临多元风险致因导致潜在危害的问题。为解决多元风险引发的管制不安全运行问题,基于对管制不安全运行事件报告的全面分析,对管制运行安全风险信息和潜在规则进行挖掘;通过对隐含狄利克雷分布(latent Dirichlet allocation,LDA)风险主题发现模型挖掘的风险主题和关键词进行分析,明确管制运行风险主题及不同风险主题间相互演化规律;针对风险主题关键词,构建了民航管制运行领域的基于BERT(bidirectional encoder representation from Transformers)模型的语义网络,分析风险主题相互关联的风险特征,得出风险主题间潜在关系,可为关键词间关联度的量化提供一定理论依据;促进民航管制运行安全风险的数字化呈现的发展,挖掘管制不安全信息,为准确感知管制运行风险奠定基础。

好氧黑暗地下水环境中Sb(III)也能实现快速氧化,前人推断Fe(Ⅱ)和Sb(Ⅲ)共氧化可能是最重要的驱动机制,然而该机制缺乏环境同位素分馏的野外验证。为此,野外采集湖南锡矿山锑矿区北矿$\mathbf{D}{\mathrm{x}}_{3}^{4}$水高低Sb地下水样品20组,通过对比高低Sb地下水环境同位素(δ⁵⁶Fe、δ¹³C和δ³⁴S)的差异,探究高Sb地下水形成过程中环境同位素的分馏过程,揭示好氧黑暗地下水环境中Sb(Ⅲ)快速氧化的新机制。结果表明:湖南锡矿山锑矿区北矿$\mathbf{D}{\mathrm{x}}_{3}^{4}$水中总锑(^TSb)浓度范围为5.30~20 700 μg/L,平均值为3 660.61 μg/L,Sb(Ⅴ)是最主要的Sb价态。偏中性-弱碱性和富含氧气的$\mathbf{D}{\mathrm{x}}_{3}^{4}$水环境为FeS₂和Sb₂S₃共氧化提供了便利,也引发了沉积物和地下水间δ¹⁸${\mathrm{O}}_{\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{4}}$、δ³⁴${\mathrm{S}}_{\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{4}}$和δ⁵⁶Fe的分馏,导致高Sb地下水$\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{4}^{2-}$、总铁(^TFe)和Sb(Ⅴ)含量的升高。与此同时,微生物活动导致的有机碳氧化分解进一步促进了Fe(Ⅱ)和Sb(Ⅲ)共氧化速率的提升。该结论揭示了好氧黑暗地下水环境中Sb(III)氧化新机制,并为进一步提升Sb地球化学循环过程的认知和防止高Sb地下水污染提供科学依据。

为深入探究塌陷过程中管土相互作用及埋地管道破坏机理,采用单元生死技术和施加位移荷载技术模拟土体塌陷过程,分别构建考虑管-土非线性效应的耦合模型,分析塌陷下埋地管道的破坏规律。结果表明:管顶管底为控制点,轴向应力为控制应力,非沉陷区和沉陷区交界处与塌陷区中央是危险截面。施加位移荷载技术到单元生死技术,最危险截面出现位置从非沉陷区和沉陷区交界处过渡到塌陷区中央,Von-Mises应力峰值从4.3 MPa增加到6.09 MPa。施加位移荷载技术使得管道下部和土体始终接触,管道在非沉陷区和沉陷区交界处附近受到强剪切作用,而单元生死技术随土体流失,管土状态逐渐由接触到分离是弱剪切作用,Von-Mises应力峰值更大而径向应力更小,更能反映实际情况。根据应力和沉降量值拟合出最大Von-Mises 应力预测公式,误差在7%以内。研究结果可为管道安全运行和选择塌陷模拟方式提供参考。

动车组牵引系统故障导致的停车延迟或事故问题始终存在,针对中国2022年某型号动车组牵引系统故障数据,分析主要故障设备与故障频次分布,统计各类故障问题造成的影响时长,作为该型动车组牵引系统故障的时空特征;选择分布模型对比各设备故障影响时长的分布特征,并通过Kolmogorov-Smirnov检验对各分布拟合进行检验。结果表明:受电弓、牵引变流器与车顶高压电缆的故障影响时长最适于用逻辑斯蒂分布模型拟合,而对数正态分布最适于拟合牵引变压器,主断路器与牵引电机的故障影响时长。动车组牵引系统故障发生时判断影响时长,指明系统设备维修优化的重点方向,对提高动车组运行安全性具有重大意义。