当期目录

2019年 第49卷 第3期 刊出日期：2019-06-20

  

机器学习与数据挖掘

基于FPGA的四翼超混沌系统同步及其保密视频通信

薛薇,谭东程,张妹,刘世龙

2019, 49(3):  1-7.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2017.601

摘要 ( 1405 )   HTML ( 213 )   PDF (4746KB) ( 365 )   收藏

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对广义增广Lü四翼超混沌系统进行分析,采用非线性控制同步方法实现该超混沌系统的自同步，理论分析所设计的非线性同步控制器的正确性和有效性。对该超混沌系统及其非线性控制同步进行FPGA硬件电路设计与实现,硬件试验结果和数值仿真结果及理论分析结果一致。提出一种基于该超混沌系统非线性同步的混沌掩盖保密视频通信方案,并对该保密通讯方案进行field programmable gate array硬件试验,试验结果表明:该保密通信方案有效、可行,并具有良好的保密性。

基于核相似性删减策略的支持向量回归算法

李英达,谢宗霞

2019, 49(3):  8-14.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2017.417

摘要 ( 1240 )   HTML ( 10 )   PDF (1343KB) ( 384 )   收藏

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在核相似性基础上结合随机梯度下降算法提出支持向量删减策略(SVs_reduced strategy, SRS);引入核相似性删减冗余的支持向量来提高大型非线性支持向量回归的效率。在每次随机梯度下降的迭代中,如果新的样本被认为是一个支持向量,那么就会计算它和其它支持向量间的相似性。如果相似性大于一个设定的阈值,那么就会删减这个支持向量。基于UCI数据集, LIBSVM数据集和风速数据集的试验结果表明,与其它流行算法相比,这个策略可以十分高效地解决大型支持向量回归问题。

基于生命周期模型的海洋元数据研究及应用

王艳,沈晓晶

2019, 49(3):  15-21.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2018.179

摘要 ( 1271 )   HTML ( 6 )   PDF (2229KB) ( 352 )   收藏

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分析在海洋领域元数据应用情况和标准化现状,提出基于生命周期的海洋元数据标准的设计框架;并在框架内针对海洋数据过程特点提出基于生命周期的海洋元数据管理模型;在海洋数据综合管理平台中基于生命周期的海洋元数据进行设计。

一种新的双策略进化果蝇优化算法

方波,陈红梅

2019, 49(3):  22-31.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2017.418

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标准果蝇优化算法(fruit fly optimization algorithm, FOA)在迭代寻优的过程中,整个果蝇群体只向最优个体靠近,这导致算法极易陷入局部最优,从而引起早熟收敛的问题。针对该问题,提出一种新的双策略进化果蝇优化算法(a novel double strategies evolutionary fruit fly optimization algorithm, DSEFOA)。提出的一种新的群体分割策略,将果蝇群体动态地划分为精英子群和普通子群;对于精英子群,引入混沌变量引导果蝇个体在其附近搜索食物,优化其局部搜索能力;对于普通子群,引入权重因子改进标准FOA的随机搜索方式,执行全局搜索,加快收敛速度。DSEFOA算法针对不同进化水平的果蝇个体采用不同的策略更新进化,充分地提升了整个群体的寻优搜索能力。8个测试函数的仿真试验结果表明, DSEFOA算法有比标准FOA算法更好的优化性能。

一种复杂环境下多传感器数据融合方法

田明明,叶继华,王仕民,万叶晶

2019, 49(3):  32-38.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2017.426

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针对现有方法没有利用证据数据采集源头的可靠性信息这一问题,结合温度数据采集,提出一种复杂环境下多传感器数据融合算法。从多传感器采集的原始数据出发,通过原始数据分析当前传感器节点的信任度,对当前传感器证据进行相应的修正,从证据源层面修正冲突证据。在证据融合阶段引入支持度修正证据迭代融合思想,比较融合证据与原证据的差异冲突等属性来评估原证据的支持度并修正原证据,将修正后的证据再次融合,多次迭代至最终融合结果收敛。试验仿真与现存的多种融合方法进行比较,仿真结果验证了本研究方法在解决证据冲突问题上的有效性。

控制科学与工程

基于LSTM网络预测的水轮机机组运行状态检测

陈畅,李晓磊,崔维玉

2019, 49(3):  39-46.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2018.240

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利用长短期记忆(long short-term memory, LSTM)网络对水轮机机组的运行状态进行预测。对水轮机机组的流式监测数据进行标准化处理,并利用滑动窗口技术将数据转换为LSTM网络训练所需的训练数据集与测试数据集;给出LSTM预测模型结构,并通过调节网络层数、隐层神经元数目等参数对模型进行优化,建立水轮机机组的时间序列数据预测模型。经试验分析验证,与其它模型相比,基于多测点的多元长短期记忆网络预测模型具备更高的预测精度,并基于改进的雷达图分析法计算健康偏离度,成功地检测出某水电厂5号水轮机机组5月末的数据出现异常,验证了模型的有效性。

考虑未知死区非线性的自适应模糊神经UUV航迹跟踪控制

马川,刘彦呈,刘厶源,张勤进

2019, 49(3):  47-56.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2018.385

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针对无人水下航行器(unmanned underwater vehicles, UUV)在航迹跟踪控制中存在未知死区非线性和工作环境不确定性的问题,提出一种鲁棒自适应自组织模糊神经控制策略,采用滑模趋近律控制框架和自组织模糊神经网络逼近器在线估计系统未知状态和进行参数的自适应,并采用有限增益鲁棒控制器补偿重构误差。根据李雅普诺夫稳定性理论分析证明所有参数和跟踪状态均有界,并且当时间趋向于无穷大时,跟踪误差及其导数都趋向于零且闭环系统的信号有界。通过与已有控制策略对比仿真表明,该控制策略具有先进性和有效性,对无人水下航行器设计具有指导意义。

土木工程

ATB柔性基层与半刚性基层的层间抗剪规律

赵之仲,柳泓哲,刘桂强,杨振宇

2019, 49(3):  57-62.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2017.436

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以ATB-25沥青混合料与水泥稳定碎石成型复合试件,控制复合试件层间沥青和碎石用量,采用自主研发的剪切仪进行抗剪强度试验,分析影响层间抗剪强度的因素及变化规律。通过设置试验温度、碎石和沥青用量等参数,制定不同的试验方案进行试验。试验结果表明:对层间抗剪强度影响最大的因素是温度,从5 ℃上升到35 ℃时最大剪应力从1.36 MPa下降到0.16 MPa,其次是沥青用量；碎石用量影响最小,而且不同温度下沥青和碎石的最佳用量也不同。在实际工程中,在考虑沥青和碎石的用量时,应考虑工程所在的地区,高温地区沥青的用量应比低温地区稍低一些,同时严格控制碎石用量,提高层间联结质量,明确层间抗剪强度与层间联接各因素的规律。

复合地基与临近基坑支护结构之间距离影响规律

李连祥,白璐,陈天宇,季相凯

2019, 49(3):  63-72, 79.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2018.345

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基于复合地基与支护结构紧邻情况的离心试验,使用PLAXIS软件,建立复合地基与支护结构之间有一定距离的基坑工程数值模型,研究土条宽度对复合地基与支护结构内力位移的影响规律。结果表明:距离规律可分三个区间:当土条宽度从0增加至6 m, CFG桩轴力与桩土应力比增大,遮拦效应明显,宜建立考虑侧向刚度和遮拦效应的侧压力计算方法主动控制位移;当土条宽度从6 m增加至至18 m, CFG桩轴力、桩土应力比稳定减少,可沿用现有设计算法;土条宽度增加至18 m及以上,新建基坑对既有复合地基不再产生影响。研究结果明确了不同土条宽度下基坑设计方向,以及同类基坑工程中安全防护重点,为进一步建立此类基坑的设计理论奠定了基础。

路面层间应变信号的预处理方法

李萌,纪少波,王豪,廖宝梁,韩文扬,韦金城,廉静,葛智

2019, 49(3):  73-79.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2018.487

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为获得路面层间应变情况、实时监测道路状态,开发一套无人值守路面层间应变信号自动采集系统。选用四轴货车进行现场试验,对采集的应变信号进行特点分析,通过去除趋势项消除实测信号的零点漂移问题;采用S变换方法研究路面层间应变信号在时域和频域上的分布规律;为提高实测道路应变信号的信噪比,分别采用低通滤波和小波滤波方法对信号进行预处理。研究结果表明:所开发系统可以实现道路应变信号的自动采集;采集的路面层间应变信号的噪声成分频率不固定,而道路应变信号的有效成分主要为50 Hz以下的低频信号;低通滤波方法在处理应变信号时有局限性;小波滤波方法对不同类型的噪声信号都能取得良好的滤波效果,适合路面层间应变信号的预处理。

路基与半刚性基层间过渡层结构设计

王聪,张璐,弋晓明

2019, 49(3):  80-85.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2019.099

摘要 ( 1344 )   HTML ( 15 )   PDF (1848KB) ( 591 )   收藏

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路基与半刚性基层间的过渡层缺乏针对性的设计方法,在分析过渡层设置机理的基础上,通过对不同模量和不同厚度情况下过渡层的补强作用进行分析,提出补强递增系数以及最佳补强理论,并结合我国典型半刚性基层路面结构提出过渡层设计的经济模量及厚度。结果表明,过渡层的模量和厚度越大,补强作用越明显,但其补强效率越低;当过渡层模量为200~500 MPa,且厚度不小于20 cm时,过渡层的补强效率较高。

基坑的双排桩支护设计及变形规律

高阳,孙浩凯,刘日成

2019, 49(3):  86-94.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2019.019

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以济南市槐荫区某基坑工程进行双排桩支护设计为例,分别采用有限差分数值软件中弹塑性实体单元和线性桩单元模拟开挖-支护-施工全过程,且考虑桩土相互作用并进行三维动态分析。对基坑坡面水平位移、桩身弯矩、桩身剪力等变化规律进行研究,分析双排桩支护体系的受力机理。通过土体力学参数、桩径、桩长、桩距、连梁等设计参数对基坑变形影响的敏感性进行对比,并就“实体”和“结构”单元桩的计算结果进行比较。研究表明,模拟过程能较好展示双排支护桩施工过程的受力机理,且计算精度较高;不可控参数中土体的黏聚力、摩擦角以及可控因素中的桩身长度、排桩距离等对支护效果影响较大,计算结果可为双排支护桩设计参数选取提供参考。

三维动静组合加载下花岗岩能量耗散试验研究

马少森,陈卫忠,赵武胜

2019, 49(3):  95-102.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2017.577

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利用改造的三维霍普金森试验系统(split Hopkinson pressure bar, SHPB),选取4个轴压水平(25, 50, 75和100 MPa)和4个围压水平(0, 5, 10和15 MPa),对应开展4种应变率(约70, 90, 110和130 s^-1)下花岗岩三维动静组合加载试验研究,分析静载轴压、静载围压和应变率对花岗岩受冲击过程中能量耗散的影响规律,并讨论其破坏模式。试验结果表明:轴压增大时,花岗岩破坏时单位体积吸收能逐渐降低;围压或应变率增大时,单位体积吸收能逐渐升高。岩石储能极限在能量耗散过程中发挥关键作用,且不同情况下具体表现不同:储能极限与初始储能的差值影响岩石受冲击时的吸能值;当岩石在静载下进入损伤阶段初期时,储能极限与初始储能的比值决定岩石受冲击时的释能值;当岩石在静载下进入损伤阶段后期甚至发生屈服时,储能极限值正比于岩石释能值。此外,岩石破坏模式与单位体积耗散能关系密切:应变率相似静载组合变化时,破碎程度与单位体积吸收能变化呈负相关;静载组合确定应变率梯度变化时,破碎程度与单位体积吸收能变化呈正相关。

机械工程

金刚石圆锯片基体辊压预应力处理工艺参数试验研究

陈晓涛,张进生,黄波,鞠军伟,张百年,赵佳琦

2019, 49(3):  103-107.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2018.100

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对典型Φ1650 mm金刚石圆锯片进行预应力处理,采集预应力处理前后锯片基体的轴向变形量,研究预应力施加位置与载荷对适张状态的影响。试验结果表明:预应力施加位置离圆心越远,切向拉应力的效果越明显,锯片的轴向刚性与稳定性增强,锯切过程中锯片基体抑制轴向受载变形的能力提高216%~232%;预应力施加载荷使圆锯片抑制变形的能力提高,若预应力施加载荷过大,预应力处理后锯片整体刚性与稳定性变弱,基体抑制轴向受载变形能力仅提高155%~187%。

改进PSO-BP神经网络对尾矿坝地下水位的预测方法

郑店坤,许同乐,尹召杰,孟庆民

2019, 49(3):  108-113.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2017.449

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为解决传统算法收敛速度慢、精度低的问题,提出一种改进粒子群算法(improved particle swarm optimization, IPSO),通过在寻优过程中动态调整惯性因子ω和加速因子c₁和c₂,提高算法的寻优效率;利用改进算法优化BP(back propagation)网络的权值和阈值,建立尾矿坝地下水位预测模型,结合实例数据对预测模型进行验证。研究结果表明,改进算法的收敛速度得到改善,预测模型对坝体地下水位的预测精度得到提高。

化学与环境

基于生命周期评价的造纸废水的水足迹

杨冬璐,马逍天,洪静兰

2019, 49(3):  114-119, 128.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2018.529

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造纸工业正面临着环境污染严重、资源消耗高等难题,同时缺少量化潜在环境影响的有效方法。水足迹分析法被应用于多种污水处理方案,开展清单和环境影响层面的量化分析。结果显示,污水未处置方案的水足迹影响最大,达到36.4 m³。污水处理技术改进前后,水足迹影响变化明显。技改前的水足迹影响为4.82 m³,技改后减少到1.52 m³。其中,技改后的污水处置与污泥热解气化方案的水足迹值最低(0.87 m³)。在技改后方案中,直接水足迹流程对水生富营养化和水稀缺影响贡献显著。下水污泥处置环节是致癌性影响非致癌性影响和淡水生态毒性影响的关键流程。此外,化学药品、电、盐酸的消耗等流程水足迹产生一定影响。优化淡水资源的利用、提高化学药品的使用效率有助于减少造纸行业水足迹。

改性超细炭黑诱发氧化应激的毒性效应与机理

贾晨号,刘汝涛

2019, 49(3):  120-128.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2018.443

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为研究改性超细炭黑(modified ultrafine carbon black, MCB)诱发氧化应激的毒性效应与机理,将小鼠肝细胞和过氧化氢酶(catalase, CAT)暴露于不同质量浓度的MCB溶液中。采用CCK-8、丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量和CAT活力检测等方法评价MCB的细胞毒性;利用荧光光谱,紫外-可见吸收光谱,圆二色谱等方法探究MCB对CAT构象的影响。结果表明:细胞活力随MCB质量浓度的升高而降低,低质量浓度的MCB(< 30 mg/L)刺激细胞提高CAT的活力来保护自身免受氧化损伤,高质量浓度的MCB(>30 mg/L)使MDA在细胞内累积并造成氧化还原失衡,造成肝脏的氧化损伤;光谱学研究发现, MCB会改变CAT的二、三级结构和氨基酸微环境,使肽链紧缩极性增强,骨架结构的变化降低了CAT的活性。阐明MCB造成氧化应激效应的毒性机理,同时为纳米材料的毒理研究提供了参考。