当期目录

2019年 第49卷 第4期 刊出日期：2019-08-20

  

机器学习与数据挖掘

一种自动读取指针式仪表读数的方法

周杨浩,刘一帆,李瑮

2019, 49(4):  1-7.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2018.275

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为解决变电站中自动化监控仪表读数的问题，提出基于机器学习和图像处理算法的指针式仪表自动读数方法，由仪表检测和指针识别两个阶段组成。使用全卷积网络(fully convolutional networks，FCN)对输入图像进行语义分割，以检测仪表的位置并提取仪表部分的图像。利用直方图均衡化、中值滤波和双边滤波减小光照和阴影对指针识别的干扰，并利用仿射变换矫正拍摄时的倾斜，再结合改进的霍夫变换识别仪表中指针的位置，从而计算指针角度获取读数。结果表明，对于自然场景中变电站中的指针式仪表，本研究能很好地检测出仪表并识别出指针的读数，对于光照和阴影等干扰具有良好的鲁棒性，可以显著减少变电站巡检人员的工作量，提高工作效率。

一种针对不平衡数据分类的集成学习算法

张宗堂,王森,孙世林

2019, 49(4):  8-13.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2019.050

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针对水声目标识别中常被忽略的数据不平衡问题,提出一种随机子空间AdaBoost算法(RSBoost)。通过随机子空间法在不同水声特征空间上提取子训练样本集,在各个子训练样本集上训练基分类器,将其中少类间隔均值最大的基分类器作为本轮选定的分类器,迭代形成最终集成分类器。在实测数据上进行试验,利用F-measure和G-mean两个准则对RSBoost算法和AdaBoost算法在不同特征集上的性能进行评价。试验结果表明:相对于AdaBoost算法, RSBoost算法在F-measure准则下的平均值由0.07提升到0.22,在G-mean准则下的平均值由0.18提升到0.25,说明在处理水声数据不平衡分类问题上, RSBoost算法优于AdaBoost算法。

深度残差特征与熵能量优化运动目标跟踪算法

黄劲潮

2019, 49(4):  14-23.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2018.461

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针对模型更新的运动目标跟踪算法准确率、实时性和鲁棒性较低的问题,提出一种基于深度残差特征与熵能量优化的运动目标跟踪算法。通过深度残差网络从视频序列中提取深度残差特征,计算深度残差特征的熵能量,并通过二维核变换计算深度频率。由微分方程从深度频率中计算出深度平衡,通过极大似然估计出目标位置和速度等状态信息,完成对运动目标的跟踪。为了验证算法的可行性与有效性,在目标跟踪基准数据集(object tracking basis, OTB)上进行算法对比试验,验证各个算法在运动目标跟踪上的准确性和鲁棒性。试验结果表明,该研究提出的算法比当前最佳算法在运动目标跟踪的速度和位置准确性上都有显著的提升,通过深度残差特征的熵能量优化,使运动目标跟踪算法具有更好的灵活性和鲁棒性。

基于全数字移相锁相法的微弱信号检测器

王璐,王红,陈国平

2019, 49(4):  24-28.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2018.526

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为改善现有相关锁相检测的相位差不可控性,克服模拟移相电路易受干扰、功耗大等缺点,提出一种基于全数字移相锁相的微弱信号检测方法,将一路模拟相关信号改进为具有频率遍历和同频移相的全数字参考信号,结合锁相相关检测对低信噪比(signal noise ratio, SNR)的微弱信号进行提取。利用直接内存存取(direct memory access, DMA)技术传输参考信号和待测微弱信号,并通过模数转换器(analog to digital converter, ADC)和数模转换器(digital to analog converter, DAC)实现高速率、低功耗的同频数据转换。测试表明,在90 dB的强噪声环境下,该方法可检测有效稳定的最低SNR为-46 dB的微弱信号,可对高噪声环境的工业厂房的无源扬声器进行高精度质量检测。

基于时间序列数据的交互式主题河流可视化

陈馨菂,李天瑞,杨欢欢

2019, 49(4):  29-35, 43.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2017.400

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主题河流是一种常用的展示时间序列数据的可视化形式,能够有效展示多个主题的整体趋势,但由于下层河流的波动会干扰上层河流,因此用户在观察单个河流时容易产生歧义。而现有的可视化技术无法有效解决这个问题。针对上述传统主题河流存在的问题,提出如下改进方法:采用离散系数评价河流波动程度,将波动小的河流布局在下层,减少对上层河流的影响;提出歧义点概念,为用户提供波动强度和贡献度作为筛选参数,用户根据需求在交互接口中设置筛选参数,系统筛选出可能造成歧义的点在图中动态地进行标识;设计歧义点标识,标识内容包括:使用正三角或倒三角表示该点的峰谷信息;三角的颜色表示贡献度最高的主题信息;交互式主题河流重排序(用户根据歧义点信息,可通过拖拽对河流进行重新排序)。试验数据采用知乎网站的20个主题在2015年全年的活跃度信息,试验结果表明交互式主题河流能有效消除传统主题河流在展示河流趋势时产生的歧义,为用户提供更灵活、个性化的可视化展示。

土木工程

含裂隙水预制平面裂隙的启裂理论与试验验证

谢雅娟,虞松,李邦祥,徐翔,朱维申

2019, 49(4):  36-43.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2018.140

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为研究含裂隙水预制平面裂隙的启裂特性,分别对裂隙张开和闭合两种情况进行理论分析和试验验证。详细阐述裂隙尖端应力强度因子和张开型裂隙启裂角度和启裂强度的理论计算方法,并给出压缩条件下闭合裂隙的起裂强度公式。制作了预制有张开型贯穿裂隙的水泥砂浆试件,进行双轴压缩试验。通过试验对比分析探讨裂隙尖端应力强度因子与裂隙启裂角度随裂隙倾角、水压力和裂隙尖端曲率半径的变化规律,以及裂隙启裂强度与水压力和侧压的关系。结果表明:含水压张开型裂隙Ι型应力强度因子随裂隙倾角的增加而增加,在裂隙倾角为75°时最容易发生Ι型(扩展型)裂纹,随水压力和裂隙尖端曲率半径的增加而减小。剪切型裂隙ΙΙ型应力强度因子随裂隙倾角呈对称分布,在裂隙倾角为45°处取得最大值,与水压力和裂隙尖端曲率半径无关。张开型裂隙的启裂角度随着裂隙倾角、水压力和裂隙尖端曲率半径的增加而减小;启裂强度与水压力成反比,与侧压成正比。本研究结果可为岩土工程中渗透水压作用下裂隙的启裂扩展研究提供参考。

轨道交通U形梁底板横向抗裂及预应力布置研究

董旭,郭剑,周海灿,邓振全,李树忱

2019, 49(4):  44-50.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2017.550

摘要 ( 1205 )   HTML ( 4 )   PDF (3093KB) ( 616 )   收藏

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针对目前轨道交通U形梁底板横向仅布置普通钢筋的构造特点,为了提高轨道交通U形梁底板横向抗裂性能和安全性能,以青岛地区某无砟轨道交通U形梁为研究对象,采用有限元仿真分析方法,研究U形梁底板横向抗裂和应力分布,并提出一种横向预应力布置方式。研究结果表明:跨中底板的横向拉应力主要由自重和设计荷载引起,而梁端底板的横向拉应力则受纵向预应力、自重等多因素影响。设计荷载作用下,结构最大横向拉应力为1.71 MPa;在1.3倍超载作用下,最大横向拉应力达到2.04 MPa,超过规范要求,结构安全储备较低,横向抗裂性能较弱。布置横向预应力后, U形梁跨中底板底面横向拉应力明显减小,达到-0.117 MPa,且拉应力的分布趋于均匀,结构安全性显著提高。研究结果可为U形梁底板抗裂及横向配筋设计提供借鉴。

TBM隧道综合超前地质预报及其在阳灵隧道的应用

刘俊,韩立军,孟庆彬

2019, 49(4):  51-60.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2018.093

摘要 ( 1569 )   HTML ( 6 )   PDF (5462KB) ( 581 )   收藏

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超前地质预报对于实现隧道施工的信息数据化,灾害防治的有效化,施工支护的经济化等方面具有不可代替的作用。对比分析钻爆法中的超前地质预报方法在隧道掘进机(tunnel boring machine, TBM)特定的施工环境下使用的有效程度,提出综合“长短距离、物探钻探、声波电磁、重点平时”的TBM隧道施工下的超前地质预报体系的构想,并基于水平声波剖面法(horizontal sonic profiling, HSP)声波反射法、钻孔过程监测系统(drilling process monitoring, DPM)超前钻探、瞬变电磁仪等方法,利用三维正演计算的理论研究,进而压制了单一超前地质预报方法的多解性和误差叠加性,从而提高预报的精确度和可靠性。基于本研究的电磁响应规律以及去除电磁干扰研究,指导宜兴阳灵隧道瞬变电磁法的实际工程应用,并对预报结果进行总结对比,从而为今后工程提供借鉴参考。

预应力对拉式挡土墙受力特征模型试验研究

江健宏,杨振宇,陈奇,孟庆宇,张宏博

2019, 49(4):  61-69.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2018.165

摘要 ( 1215 )   HTML ( 4 )   PDF (3546KB) ( 10074 )   收藏

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为研究不同结构参数下预应力对拉式挡土墙的力学行为,设计制作室内模型试验装置,通过研究其力学机理,开展不同预应力水平、不同锚杆布设位置的模型试验。研究结果表明,由于锚杆(索)对墙体的侧向约束作用,在侧向预应力作用下,墙身向填料方向移动,并随着锚杆预应力的增加,墙体由T模式逐渐演化为T+RB模式,墙背土压力逐渐增大,且呈抛物线型分布特征,峰值位于锚杆处。依据试验结果,推荐了最优锚固位置,提出锚杆预应力施加范围及最佳预应力。研究成果可用于指导预应力对拉式挡土墙的设计计算。

岩石粗糙裂隙大范围雷诺数条件下渗流特性

刘杰,王者超,张宇鹏,孙华阳

2019, 49(4):  70-77, 85.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2018.533

摘要 ( 1468 )   HTML ( 23 )   PDF (6754KB) ( 685 )   收藏

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通过试验和理论分析,研究不同几何参数的岩石粗糙裂隙渗流的非达西系数β、临界雷诺数Re_c、非达西效应因子E等变化特性。研制裂隙渗流试验仪器,制作9个不同开度和裂隙粗糙度(joint roughness coefficient, JRC)的单裂隙模型,开展大范围雷诺数Re条件下粗糙裂隙渗流试验。根据渗流试验结果,得到了不同粗糙度(JRC=2~20)单裂隙的渗流特性,显示出粗糙度对裂隙的非线性渗流特性产生显著的影响。结合Forchheimer方程,从理论参数方面,对粗糙度的影响进行量化。研究显示:裂隙粗糙度越大,则越容易引起裂隙渗流的非线性,临界雷诺数越小,非线性作用越强。

机械与能动工程

大断面小净距公路隧道施工影响分析

刘明才

2019, 49(4):  78-85.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2018.055

摘要 ( 1466 )   HTML ( 4 )   PDF (3052KB) ( 556 )   收藏

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以佛羊岭隧道工程为研究背景,采用上下台阶法进行施工,以FLAC3D有限元软件为计算平台,建立大断面小净距公路隧道有限元模型,对隧道模型进行数值模拟分析。研究地表沉降、围岩与衬砌结构应力,并提出相应的监控和加固对策。数值分析结果表明:先行隧洞上部地表沉降比后行隧洞大,后行隧洞的施工会增大先行隧洞竖向位移,使先行洞的最大主应力和最小主应力出现不同幅度的增加,隧道衬砌结构应力集中于拱腰至拱脚范围区域,先行洞支护结构对于后行洞开挖起到稳定岩体的作用,后行隧道的开挖会使中夹岩柱出现应力集中,在施工时应注意对隧道围岩采取加固措施。分析结果能够为大断面小净距公路隧道的设计和施工提供科学依据。

磁悬浮旋翼驱动磁场对支承磁场的影响

王晓光,何壮,李显富,潘奥

2019, 49(4):  86-92.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2018.498

摘要 ( 1258 )   HTML ( 11 )   PDF (5966KB) ( 257 )   收藏

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通过理论分析以及有限元仿真分析，研究磁悬浮旋翼盘式电机的驱动磁场、磁悬浮系统的支承磁场以及二者之间的相互影响，得到影响的主要因素L₀。提出当关键临界尺寸L₀=11.87 mm时，驱动磁场对支承磁场的影响处于临界状态使其不失稳。通过等效试验对临界尺寸进行了试验验证。根据临界尺寸L₀提出磁悬浮旋翼的设计准则，和一套可行的磁悬浮旋翼设计方案。

偏心轴搅拌槽内的层流流场特性

李美婷,李威,李晓光,杨锋苓

2019, 49(4):  93-98, 107.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2018.530

摘要 ( 1627 )   HTML ( 9 )   PDF (2868KB) ( 1017 )   收藏

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针对搅拌槽内处理层流状态下高黏度流体时混合效率偏低的现象,提出一种偏心轴(轴结构为曲轴)搅拌方式。首先以纯度为99%的甘油为介质,传统的二叶平桨为研究对象,对直径0.3 m的搅拌槽内的层流流场进行数值研究。中心搅拌时速度模拟结果与试验结果对比,验证了所建模型及模拟方法的可靠性。研究发现,与中心搅拌相比,偏心搅拌和偏心轴搅拌所产生的流场结构是非对称的;相同转速下,偏心轴搅拌相比中心搅拌时流体的槽内整体的体积加权平均速度增大了约68%,功率准数比中心搅拌增加了约15.3%;偏心轴搅拌对槽内速度的提升,扩大了流体扰动范围,对提高槽内流体混合效率具有一定的优势。

矩形蓄热单元内石蜡的相变传热特性

周慧琳,邱燕

2019, 49(4):  99-107.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2019.018

摘要 ( 1682 )   HTML ( 15 )   PDF (3235KB) ( 1048 )   收藏

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为掌握蓄热单元内相变材料(phase change material, PCM)的传热特性,提高相变换热器的传热效率,采用焓-孔隙率模型,利用FLUENT软件对石蜡在矩形蓄热单元内的传热过程进行数值模拟,引入单元液相分数β及无量纲Fo、Ste和Ra分析圆管外不同位置处石蜡的蓄/放热规律及换热流体入口温度不同对石蜡蓄/放热过程的影响规律。结果表明:圆管外石蜡的总体熔化快慢按照上部、左/右部、下部的顺序进行,且上部比其它部分完成熔化所需时间缩短20%以上;放热过程中,圆管外石蜡的总体凝固快慢按照下部、左/右部、上部的顺序进行。矩形壳体内PCM蓄热过程的传热机制由导热逐渐过渡为自然对流。增加换热流体与石蜡之间的温差能显著提高蓄放热效率。通过多项式拟合得到关于β的准则关系式。

纳米结构中浸入特性的非平衡分子动力学模拟

胡浩威,刘爽,方廷勇

2019, 49(4):  108-114, 122.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2018.476

摘要 ( 1233 )   HTML ( 6 )   PDF (5705KB) ( 472 )   收藏

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为明晰复杂纳米通道内流体流动规律,采用分子动力学方法研究压力驱动作用下不同润湿性纳米通道的液态水浸入特性。建立液态水/不同润湿性纳米通道的非平衡态分子动力学模型,研究驱动压大小、壁面润湿性及纳米粗糙元结构对液态水浸入特性的影响规律。模拟结果表明:相同驱动压条件下,液态水易于浸入亲水性纳米结构通道内,相比于光滑纳米通道,纳米粗糙元结构凸显液态水的表面张力作用,提高液态水持续浸入纳米通道的驱动压;纳米粗糙元结构对液态水浸入速度以及密度分布均有影响,纳米粗糙元距离入口处越近,浸入过程的阻力越大,即液态水浸入纳米通道内的体积通量越小,研究结果为明晰复杂纳米通道内液态水输运的微观机理提供理论基础。

电气工程

大规模光伏接入受端电网方案综合决策

刘晓明,丛旖旎,李文博,刘玉田

2019, 49(4):  115-122.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2019.029

摘要 ( 1205 )   HTML ( 9 )   PDF (1413KB) ( 330 )   收藏

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提出一种基于模糊层次分析和逼近理想解排序的方案评估比选方法,用于大规模光伏接入受端电网方案的综合决策。以系统安全稳定性、光伏出力间歇性、经济性和可扩展性为准则,建立大规模光伏电站接入受端电网方案评估体系,对候选方案各指标进行量化评估;考虑决策者主观偏好的模糊性质,采用模糊层次分析法确定评估体系中各指标的权重,并利用逼近理想解排序法进行多属性决策得到推荐接入方案。山东电网算例展示所提综合决策方法的全过程,结果表明利用该方法可直观地反映各候选方案的优劣,并给出合理的决策结果。

基于层次分析法的梯次利用电池储能系统运行性能量化评估

李先栋,王飞,曹永吉,王李龑,王琳,卢奕,刘子菡

2019, 49(4):  123-129.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2018.554

摘要 ( 1243 )   HTML ( 2 )   PDF (1950KB) ( 375 )   收藏

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针对主动配电网中梯次利用电池储能系统运行性能评估问题,考虑梯次利用电池储能系统运行效益和电气量特征,提出一种基于层次分析的评估方法。构建储能系统运行性能量化评估框架,以主配网功率交换量和波动性改善程度为指标衡量储能系统运行效益,以并网点电压波动、三相不平衡度和电流谐波含量为指标衡量储能系统运行电气量特征。利用层次分析法确定各同层量化指标间的相对权重,由底层量化指标逐层向上线性加权计算得到储能系统运行性能综合评估指标值。研制基于动态重构策略的15 kW/30 (kW·h)梯次利用电池储能系统样机,在某典型高可再生能源渗透率主动配网中进行为期10 d的现场挂网试验,以试验数据为算例对提出方法的有效性进行验证。算例分析表明:梯次利用电池储能系统运行电气量特征良好,能够减少主配网功率交换量,平抑功率波动,提高可再生能源消纳。

基于无迹卡尔曼滤波的双选信道估计方法

卢娜,高丽,沈轩帆

2019, 49(4):  130-136.  doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2018.175

摘要 ( 1070 )   HTML ( 9 )   PDF (1399KB) ( 354 )   收藏

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针对高速移动场景中由于信道存在时频域选择性衰落(双选衰落)导致正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing, OFDM)通信系统受到子载波间干扰而使通信质量下降的问题,采用基扩展信道模型,在消除子载波间干扰(inter carrier interference, ICI)影响的同时节约信道估计算法的空间复杂度。针对基扩展模型(basis expansion model, BEM)下的非线性信道状态空间模型,采用无迹卡尔曼滤波(unscented Kalman filter, UKF)方法进一步跟踪信道响应提升信道估计精度。仿真分析表明,本研究所提方法能够有效提升信道估计的精度,相对于传统算法具有更好的误码率性能和鲁棒性。