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《山东大学学报(工学版)》
Journal of Shandong University (Engineering Science)
主管单位:中华人民共和国教育部
主办单位:山东大学
主编:李术才
编辑出版:山东大学自然科学学报编辑部
ISSN:1672-3961 CN:37-1391/T
邮发代号:24-221
2022年 第52卷 第3期 刊出日期:2022-06-20
  
    机器学习与数据挖掘
    基于多元函数主成分表示的识别学习
    孟银凤,李庆方
    2022, 52(3):  1–8.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2021.314
    摘要 ( 29 )   PDF(6545KB) ( 16 )   收藏
    针对识别学习中的多维信息融合问题,提出一种基于多元函数主成分表示识别方法。给出多元函数主成分的数值计算方法,利用联合协方差算子计算特征值与特征向量,提取关键区分特征。基于这些综合特征应用随机森林方法对多元函数型数据进行识别学习。在模拟数据和真实数据上比较多元函数主成分表示方法与其他几种表示方法的识别性能。试验结果表明,在模拟数据集、英文手写体数据集和中文手写体数据集中,准确率为1,在运动数据集中,准确率为0.954 4。相较于其他方法,多元函数主成分分析这一特征抽取方法的识别效果更好,有效地提高了识别准确率。
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    基于穿线法的轮胎X光图像畸变检测
    郝晋一,李鹏程,黄艺美,李金屏
    2022, 52(3):  9–17.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2021.319
    摘要 ( 18 )   PDF(10407KB) ( 4 )   收藏
    针对X光机成像问题导致的轮胎顶部拉伸畸变图像,设计一种基于穿线预定位以及众数平滑提取特征的改进穿线法。分割胎侧区域,通过极值滤波消除水平帘线,利用垂直投影确定胎侧区域的粗边界;在胎侧区域进行预穿线确定最终穿线位置,并在选定位置利用众数平滑的方法提取线宽、线距等特征;根据提取的特征值计算线宽比、线距比以及均值、方差设计阈值进行畸变判断。在包含1000张正常图像与600张畸变图像的测试样本中进行试验,漏报率为2.3%,误报率为0%,相对于模板匹配等方法,检测结果更加准确检测、检测速率更快。
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    面向类不平衡数据的K近邻偏标记学习算法
    王丽,于明仟,刘文鹏,周瑜,郑蕊蕊,贺建军
    2022, 52(3):  18–24.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2021.318
    摘要 ( 18 )   PDF(1108KB) ( 3 )   收藏
    针对于类不平衡的偏标记学习问题,在PL-KNN算法的基础上,提出一种可以较有效处理类不平衡问题的偏标记K近邻学习算法(K-nearest neighbor algorithm for class imbalanced partial label learning,IM-PLKNN),利用Parzen窗估计法在样本的不同类别的近邻上设置不同的权重,使多数类样本权重降低,让属于少数类样本的近邻具有更高的权重,降低将少数类样本误测为多数类样本的概率,提高对少数类样本的识别精度。试验结果表明,IM-PLKNN算法较PL-KNN算法在不同评价指标上均有显著提高,特别是对少数类样本的识别精度有大幅度提高。IM-PLKNN算法可以有效提高类不平衡的偏标记K近邻学习算法对数据集整体的预测性能。
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    基于改进双路径网络的上肢肌肉骨骼异常检测
    黄彩云,陈德武,何吉福,胡艺,王楠,陈沛
    2022, 52(3):  25–33.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2022.024
    摘要 ( 15 )   PDF(4976KB) ( 12 )   收藏
    针对传统的基于专家知识经验医学图像病变检测算法存在稳定性较差、计算复杂度较高、无法适应新出现病例等问题,提出一种基于改进双路径网络(dual path networks with skip connections, SkipConn_DPN)的上肢肌肉骨骼X射线照片异常检测方法。借助深度学习卷积神经网络在图像处理领域的优异性能,整合改进的深度残差网络在图像特征重用和密集连接卷积网络可以不断挖掘新图像特征的优点,并引入可以实现不同尺度图像特征融合的多条跳跃连接。在不增加计算资源消耗的前提下,该方法训练的8个SkipConn_DPN-92网络模型对MURA验证集中不同上肢研究类型的准确率均高于相同参数设置下训练的DPN-92、ResNet-101、ResNeXt-101(32×4d)和DenseNet-169网络模型,分别高约1.64%、2.21%、1.87%和3.22%,并且在临床上可以实现上肢肌肉骨骼异常的实时检测。提出的方法易于实现软件模块,可以作为放射科医生初步诊断的可视化辅助工具,具有良好的应用前景。
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    基于层次化双重注意力网络的乳腺多模态图像分类
    杨霄,袭肖明,李维翠,杨璐
    2022, 52(3):  34–41.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2021.603
    摘要 ( 16 )   PDF(2886KB) ( 6 )   收藏
    为解决现有多模态图像融合方法忽略临床先验知识的利用,且多模态之间的信息交互不充分等问题,提出基于层次化双重注意力网络的乳腺多模态图像分类方法,引入新的先验学习模块,有效挖掘和利用临床先验,提升单模态特征的区分性。设计层次化的双重注意力模块,利用注意力机制同时增强全局模态间通道特征和局部模态内特征的区分性信息,增强模态间的信息交互,进一步提升多模态融合的分类性能。试验结果表明,与其他方法对比,提出的模型能够取得更好的性能,在受试者工作特征曲线下面积、准确性、特异性和灵敏度分别达到为82.5%、83.3%、80.0%和85.0%。结果证明建立层次化双重注意力网络预测乳腺肿瘤良恶性可行。
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    土木工程
    含裂隙无腹筋梁的抗剪承载能力
    刘文杰,杨学英,张波,范志鑫,李成新,杨惠茗,李景龙
    2022, 52(3):  42–50.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2021.004
    摘要 ( 19 )   PDF(10008KB) ( 5 )   收藏
    分析混凝土梁内部既有裂隙的位置及角度对无腹筋梁抗剪承载力的影响,制作多组含既有裂隙的试验梁,进行梁的三点弯曲试验,研究位于梁跨中和梁侧基本拱体范围内既有裂隙对无腹筋梁抗剪承载力的影响及裂缝扩展规律。结果表明:梁上的既有裂隙对梁的抗剪承载力有削弱作用;在其他条件相同的情况下,梁跨中既有裂隙的裂尖距离梁底中部越近,对无腹筋梁抗剪承载力的削弱作用越大;梁侧既有裂隙的角度与基本拱体重合度越高,对无腹筋梁抗剪承载力的削弱作用越大;梁侧既有裂隙的角度与基本拱体重合度越高,梁底裂缝越容易扩展通过既有裂隙的两个裂尖,反之,梁底裂缝可扩展至既有裂隙中部。
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    低雷诺数下近自由液面圆柱流致振动数值模拟与机理
    戚翔,冯翔健,熊骋望,孙子正,张一鸣
    2022, 52(3):  51–60.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2021.128
    摘要 ( 16 )   PDF(15668KB) ( 0 )   收藏
    采用嵌入格子-玻尔兹曼方法和自由液面模型的XFlow软件对低雷诺数Re=100下近自由液面圆柱垂向流致振动问题开展数值模拟与机理研究。根据圆柱涡脱落特性和圆柱周围液面形态将浸没比h*∈[0,5和弗劳德数Fr∈[0.3,2]的参数空间划分为6种不同的流态,研究不同流态下圆柱振动特性和振动-涡脱落-自由液面耦合作用。结果表明,圆柱振幅和振动频率都随自由液面的靠近而降低,而当自由液面非常靠近圆柱时,尾迹状态从绝对不稳定性转为对流不稳定性,圆柱与自由液面之间形成的射流状流动附着在圆柱表面上,抑制了涡脱落过程,导致圆柱不再振动。
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    新旧沥青界面融合实测与耗散粒子动力学模拟
    陈龙,支鹏飞,李晋,陈宏斌,何兆益,崔新壮
    2022, 52(3):  61–69.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2020.407
    摘要 ( 18 )   PDF(4643KB) ( 8 )   收藏
    为扩充新旧沥青界面再生融合特征的研究手段,多尺度量化剖析新旧沥青界面再生融合速率、融合程度等行为参数,通过动态剪切流变试验,基于细观尺度实测研究新旧沥青界面再生融合规律;通过耗散粒子动力学,基于介观尺度模拟研究新旧沥青界面再生融合机理行为并验证动态剪切流变试验实测结果。分析表明:加热温度、加热时间均与新旧沥青界面再生融合程度呈正相关关系,加热温度与新旧沥青界面再生融合速率呈线性正相关关系,加热时间与新旧沥青界面再生融合速率呈指数负相关关系;加热时间从10~120 min,沥青界面扩散激活能增长了3~5倍;采用新添沥青单一调和的方式再生效果不佳,各试验条件下沥青界面再生融合程度均不足50%,但采用新添沥青与再生剂复合的方式,新旧沥青界面再生融合程度提升2倍左右,并同比降低沥青界面扩散激活能10%~30%;剪切速率可较大幅度影响新旧沥青界面再生融合作用,并且相比于较高加热温度(358~418 K),在低温加热条件下(298~358 K)适当增加剪切速率对改善新旧沥青界面再生融合特征效果更明显;采用的沥青四组分分子结构模型、构建的耗散粒子动力学粗粒化结构模型和选取的模拟计算参数为跨尺度拓展量化表征新旧沥青界面再生融合行为特征与规律提供重要支撑。
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    坡顶荷载作用下废旧轮胎条带加筋边坡承载特性
    章清涛,刘晓威,高健,孙玉海,闫庆亮,刘源,王昊
    2022, 52(3):  70–79.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2021.152
    摘要 ( 14 )   PDF(13710KB) ( 0 )   收藏
    为揭示废旧轮胎条带加筋边坡的承载特性,确定关键影响因素,开展坡顶竖向荷载作用下废旧轮胎条带加筋边坡承载特性模型试验与数值模拟分析,研究加筋层数、条带长度、间距等因素对边坡承载力、沉降与侧向变形的影响规律。结果表明:相比较自然填土边坡,废旧轮胎条带加筋边坡可有效改善边坡内部应力,增强加筋边坡的侧向约束效应,进而提高边坡的竖向受荷承载能力及边坡稳定性,提高幅度随加筋层数的增多而近似线性增大。随着条带长度的增加,加筋边坡的竖向承载能力得以提高,但当长宽比L/B≥4时,承载能力趋于稳定。废旧轮胎横向及竖向间距对加筋边坡极限承载力具有一定的影响,但提高幅度不显著,设计时可在合理控制范围内取较大间距。研究结果可为废旧轮胎条带在加筋土边坡中的工程应用与设计提供良好的借鉴意义。
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    机械与能动工程
    利用图像处理技术测量丝杠螺距的机器视觉系统
    韩天雨,路长厚,李建美,尹昂,侯秋林
    2022, 52(3):  80–85.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2020.509
    摘要 ( 16 )   PDF(6707KB) ( 0 )   收藏
    为解决接触式测量方式损伤工件以及测量设备造价昂贵的问题,设计一种基于机器视觉的低成本、高精度的丝杠螺距测量系统。该系统依靠MATLAB平台搭建,由图像采集系统、机械系统、步进控制系统、图像和数据处理4个子系统构成。利用亚像素图像拼接算法拼接丝杠子图像从而获得完整的丝杠图像,通过图像增强、降噪等预处理方法改善图像质量,采用形态学边缘提取和亚像素边缘定位的组合算法精确提取丝杠边缘,并由数据处理程序自动测量螺距误差。试验结果表明,机器视觉系统和标准仪器(JCS-040A)对3种型号滚珠丝杠螺距测量结果的相对误差分别不超过0.04%、0.06%、0.09%,该方法应用于丝杠工业测量中的可行性得以验证。
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    基于EDEM-Fluent耦合的挖藕机喷水系统仿真优化
    张自健,赵军,唐贤康,孙超,李峰
    2022, 52(3):  86–93.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2021.331
    摘要 ( 14 )   PDF(16179KB) ( 1 )   收藏
    为分析挖藕机喷水系统各种关键参数对土壤冲击效果的影响,提出一种基于EDEM-Fluent的水射流冲击土壤仿真方法。在Fluent中模拟不同间距、不同喷射速度下多股水射流冲击水层时的速度衰减、方向变化情况;得出冲击水层后的速度后利用EDEM-Fluent耦合模拟射流以该速度冲击土壤1 s的效果。试验结果表明:随着出水管间距的增大,最大冲击深度减小,土壤颗粒速度减小;随着射流喷射速度的增大,最大冲击深度增大,土壤颗粒速度增大。在出水管间距8 mm、射流喷射速度30 m/s时对土壤的冲击效果最好。
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    卧式螺旋管内R134a流动沸腾迟滞现象
    逯国强,韩彦龙,韩吉田,陈立海,赵晓强,贺晓
    2022, 52(3):  94–99.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2021.364
    摘要 ( 14 )   PDF(1180KB) ( 8 )   收藏
    为得到R134a在卧式螺旋管内的流动沸腾迟滞特性,进行增-减热流密度试验。试验时逐渐改变加热的热流密度,记录壁温变化情况,绘制增大和减小热流密度的沸腾曲线,通过曲线分析浮升力、离心力对成核滞后的影响,以及压强对成核滞后和湮灭滞后的影响。结果表明,不同位置截面处浮升力和离心力对汽泡的脱离行为影响不同,导致成核滞后的明显差异;压强越高,成核滞后、湮灭滞后现象均越明显,压强主要通过影响R134a润湿性影响成核滞后,通过影响泡核的形成影响湮灭滞后。研究结果揭示的流动沸腾迟滞特性对于提高换热器的运行可靠性具有指导意义。
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    用于燃煤电厂的低温省煤器前烟道流动及磨损特性
    刘舫辰,石岩,李元鲁,王湛,杜文静,季万祥
    2022, 52(3):  100–108.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2021.560
    摘要 ( 19 )   PDF(12961KB) ( 2 )   收藏
    以低温省煤器及其管道为研究对象,采用数值模拟方法,对低温省煤器及其管道流动及磨损特性进行分析,采用添加导流板的方式对流场进行优化以降低磨损量。低温省煤器前方圆节的布置导致流场紊乱,低温省煤器入口截面速度分布均匀性较差,管束磨损区域与高速区相对应,冲蚀磨损主要集中在中心区域,第一排管束迎风区磨损量最大,后排管束磨损量依次降低;对方圆节内置导流板进行优化后,低温省煤器前流场速度标准偏差由34.9降低至15.2,均匀性提高,管束的最大冲蚀磨损量降低两个数量级,磨损程度大幅度降低,保障了低温省煤器的安全经济运行,为低温省煤器及其管道的优化设计及运行提供了理论参考与数据支持。
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    化学与环境
    工程纳米颗粒物气溶胶的制备方法及系统
    韩毅,徐震,关甜,崔洋,胡卉,马骊溟
    2022, 52(3):  109–116.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2022.004
    摘要 ( 20 )   PDF(7467KB) ( 2 )   收藏
    基于纳米材料悬浮液的雾化法,设计一种流量和质量浓度可调节的碳纳米颗粒气溶胶制备系统。该系统将洁净的空气与碳纳米管材料分散液喷雾混合在不锈钢雾化室中,得到不稳定的气溶胶,配合嵌入式温控系统、流量控制系统和质量浓度控制系统,使不稳定的气溶胶在加热膨胀室中恒温加热,膨胀并达到均匀,通过控制可调开度的阀体得到较为稳定均匀的纳米颗粒物气溶胶流。试验表明,在温控系统表现理想的情况下,设计流量与设定流量的最大误差为9.312 mL/min,设计质量浓度与设定质量浓度的最大误差为0.206 mg/m3,基本可以产生流量和质量浓度相对稳定的纳米颗粒气溶胶。
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    基于NaHSO3活化KMnO4原位生成三价锰的有机污染物降解
    郑玉珍,孙波
    2022, 52(3):  117–126.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2022.049
    摘要 ( 15 )   PDF(9350KB) ( 0 )   收藏
    为研究NaHSO3活化KMnO4过程中短时间内生成的非络合态三价锰对不同污染物的反应活性,结合停留光谱仪和动力学模型,分析三价锰氧化苯酚的表观二级速率常数,并通过相对速率法计算出三价锰氧化其余23种新兴污染物的表观二级速率常数,结果显示大部分常数介于1.14×106~4.38×106L/(mol·s)。通过定量构效关系分析新兴污染物与三价锰的反应机理,并对NaHSO3活化KMnO4过程中降解不同结构新兴污染物的效能进行预测,结果显示酚类化合物氧化速率与其官能团氧原子电荷呈负相关关系,与Hammett常数呈负相关关系,与最高占据分子轨道呈正相关关系,表明三价锰是一种亲电氧化剂,倾向于氧化具有富电子官能团的有机污染物。本研究结果有助于推动NaHSO3活化KMnO4工艺在水处理领域中的应用。
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    脂质成分对γ-Fe2O3纳米颗粒与模型细胞膜相互作用的影响
    张博雯,宋健,章涵穹,姜威
    2022, 52(3):  127–133.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2021.601
    摘要 ( 16 )   PDF(7734KB) ( 0 )   收藏
    为探究细胞膜中不同脂质成分对γ-Fe2O3纳米颗粒物(nanoparticles,NPs)与膜相互作用的影响,参考真实细胞膜的脂质类型合成13种脂质成分不同的模型细胞膜,并测定γ-Fe2O3 NPs诱导的模型细胞膜完整性及膜流动性变化。结果表明,γ-Fe2O3 NPs能够吸附在膜上(甚至造成膜破碎)并诱导膜流动的增加。NPs与不同的模型细胞膜相互作用的强度不同,特别是鞘磷脂和胆固醇在膜中的共存(模拟脂筏的存在)会减弱NPs与膜的相互作用,而膜中正电位点的存在增强了NPs与膜的相互作用。脂质成分的不同会造成模型细胞膜表面电荷、活性基团和脂质分子堆积强度等膜性质的差异,进而影响NPs与膜相互作用的强度。本研究为探索γ-Fe2O3 NPs与细胞膜的相互作用提供了新的思路。
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    基于SWAT的泗河流域非点源污染物时空分布特征
    张晓瑾,王月敏,李贺,孙秀玲,刘钊胜
    2022, 52(3):  134–140.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2021.473
    摘要 ( 11 )   PDF(1605KB) ( 6 )   收藏
    利用水土评价工具(soil and water assessment tool, SWAT)构建分布式水文模型,模拟流域内主要非点源污染物输出量(总氮输出质量mTN、总磷输出质量mTP),结合Arcgis分析了mTNmTP时空分布特征,并识别了关键源区。结果表明,2014—2018年流域的年均mTNmTP为1 973.08、134.41 t,年内变化具有明显季节性特征,汛期平均总氮、总磷输出负荷分别占全年的73.5%、78%,年均mTN、mTP集中在流域坡耕地较多的东北部、东南部,以及流域内种植水稻、玉米较多并在汛期施肥的中部。研究结果可为有效制定泗河流域非点源污染物的消减措施提供技术支撑。
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