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    2021年第42卷第5期
      国家青年/地区科学基金项目专栏
    • 张 亮,王启迪,李 欣,王 苑

      2021,42(5):431-441, DOI: 10.7535/hbkd.2021yx05001

      Abstract:

      涡轮叶片在高速旋转时会因振动产生疲劳断裂失效,造成旋转机械的损坏。叶尖定时测量技术是目前最有前途的非接触式叶片振动实时监测方法,叶尖间隙变化与叶片的振动状态密切相关。因此,实时监测叶片的振动状态和叶尖间隙是保证旋转机械安全、稳定、可靠运行的关键。系统综述了叶尖定时及叶尖间隙测量技术的原理和国内外研究成果,认为目前研究仍处于仿真模拟和实验测量的不完全成熟阶段,今后可在以下方面展开研究:1)将叶尖定时和叶尖间隙测量技术相结合,实现叶片的振动测量;2)进行无键相法的叶片异步振动测量,并投入到工程应用中;3)制定有效的动态标定方案,测量叶片在旋转状态时输出电压与叶尖间隙之间的关系;4)研制能够在恶劣环境下进行高精度、长周期测量的传感器。

    • 戴 俊,任一平,杨 凡

      2021,42(5):442-453, DOI: 10.7535/hbkd.2021yx05002

      Abstract:

      为进一步分析微波破岩机理,对微波照射下硬岩损伤演化规律及其本构行为进行了研究。首先,对岩石进行弹性微元假设,结合微元强度准则和三参数Weibull分布,推导出微波作用后硬岩损伤演化方程和本构模型以及各参数确定公式,然后,采用不同微波功率照射后的花岗岩超声波检测和单轴压缩试验结果对模型进行验证。结果表明,建立的模型理论曲线与试验曲线具有较高的吻合度,能反映出花岗岩破裂的应力应变过程,且模型各参数的物理意义及对模型的影响规律明确,虽然峰后拟合存在一定偏差,但仍可以基本反映岩石经微波照射后的弱化规律。对经微波照射后的岩石本构方程进行深入研究,可为微波照射岩石的相关计算和数值模拟提供一定的参考,有助于促进微波辅助破岩技术的发展。

    • 沈富鑫,邴其春,张伟健,胡嫣然,高 鹏

      2021,42(5):454-461, DOI: 10.7535/hbkd.2021yx05003

      Abstract:

      为了提高短时交通流预测精度,提出了基于互补集成经验模态分解(complementary ensemble empirical mode decomposition,CEEMD)和门控循环单元(Gated Recurrent Unit,GRU)组合模型的快速路短时交通流预测方法。首先,运用互补集成经验模态分解算法,将非稳定的原始交通流时间序列数据分解为相对平稳的多个模态分量;然后,将分解后的模态分量分别建立GRU模型进行单步预测;最后,叠加每个分量的预测值,获取最终预测结果,并采用上海市南北高架快速路实测交通流数据进行实例验证。结果表明:CEEMD-GRU组合模型的预测效果明显优于GRU神经网络模型、EMD-GRU组合模型以及EEMD-GRU组合模型,平均预测精度分别提升了33.4%,25.6%和18.3%。CEEMD-GRU组合模型能够有效提取交通流数据特征分量,提高预测精度,为交通管控提供科学决策依据。

    • 机械、电子与信息科学
    • 安国庆,梁宇飞,蒋子尧,李 争,安 琪,陈 贺,李 峥,王 强,白嘉诚

      2021,42(5):462-469, DOI: 10.7535/hbkd.2021yx05004

      Abstract:

      针对目前非侵入式负荷辨识存在模型训练时间过长以及负荷特征相近的电器辨识精度不高的问题,提出了一种基于CF-MF-SE联合特征的非侵入式负荷辨识方法。以稳态电流信号为基础,通过提取峰值因数表征波形的畸变程度,采用裕度因子表征信号的平稳程度,谱熵表征频谱结构复杂程度,并结合PSO-SVM实现负荷辨识。结果表明,新方法可解决电器电流波形相近不易识别的难题,减少训练时间,有效提高识别准确率和效率。所提方法将振动信号特征作为负荷特征引入负荷辨识领域,为非侵入式负荷辨识技术的特征选取提供了新思路,其中谱熵作为对负荷敏感的关键特征,与其他特征组合可明显提高辨识率,为实际应用中负荷特征的灵活选择提供了参考。

    • 张付祥,郭 旺,黄永建,王春梅,黄风山

      2021,42(5):470-480, DOI: 10.7535/hbkd.2021yx05005

      Abstract:

      为实现特钢棒材生产信息的全流程可追溯,分析特钢棒材生产环境及形状特点,采用基于双标志点的标记方案进行标记并利用机器视觉技术实现成捆特钢端面字符的识别。首先,采用Hough变换将成捆特钢棒材端面图像分割成单根;其次,采用基于小波变换的图像增强算法完成单根特钢棒材端面图像的增强;再次,将MSER算法和边缘检测算法相结合完成单根特钢棒材字符区域的检测,并基于投影法完成字符的分割;最后,通过创建和训练SVM分类器完成每一根特钢棒材端面字符识别,并将成捆特钢棒材端面字符识别结果输出保存。结果表明,新算法可以满足成捆特钢棒材生产过程中字符识别要求,字符识别准确率可达到97.35%。新算法将Hough变换、基于小波变换的图像增强算法、MSER算法、边缘检测算法、投影法及SVM分类器等算法融合到特钢棒材端面字符识别过程中,为特钢棒材生产过程中的信息获取、信息传递及信息追溯的技术实现提供了参考。

    • 郭金玉,赵文君,李 元

      2021,42(5):481-490, DOI: 10.7535/hbkd.2021yx05006

      Abstract:

      针对核熵成分分析算法(kernel entropy component analysis,KECA)为不同的故障选择相同的核参数影响检测效果的问题,提出了一种基于集成核熵成分分析(ensemble kernel entropy component analysis,EKECA)算法的工业过程故障检测方法。首先,选取一系列具有不同宽度参数的核函数将非线性数据投影到核特征空间,选取Rényi熵值贡献较大的特征值和特征向量,得到转换后的得分矩阵,建立多个KECA子模型;然后,将测试数据投影到各KECA子模型上,计算各KECA子模型的统计量,得到检测结果;最后,将各KECA子模型的检测结果利用Bayesian决策进行概率换算,利用集成学习法计算检测结果统一的统计量,判断其是否超出控制限,并将该算法应用于数值例子和TE过程。仿真结果表明,与传统的EKPCA,KECA等算法相比,所提方法有效提高了故障检测率,降低了误报率。新方法解决了传统KECA算法中不同故障核参数的选择问题,为提高KECA算法在非线性工业过程故障检测中的性能提供了参考。

    • 田 斌,文仕强,胡 桐,梁 冰,洪汉玉

      2021,42(5):491-498, DOI: 10.7535/hbkd.2021yx05007

      Abstract:

      为了解决水下目标磁场近程化探测中磁信号衰减快、干扰强及扰动特征不明确、无法有效探测信号等问题,提出了一种基于混合神经网络与注意力机制(Att-CNN-GRU)的工频磁场水下目标时间序列扰动信号检测方法。将CNN,GRU神经网络与Attention机制相结合拟合信号,构建分类神经网络,对目标信号进行分类识别,同时与未引入注意力机制的CNN-LSTM模型及单一CNN和LSTM网络模型的预测及检测性能进行比较。结果表明,相较于传统方法,信号拟合效果将误差分别减小了36.24%,14.44%和4.878%,目标检测准确率达到83.3%。因此,加入Attention机制的CNN-GRU模型检测性能比CNN,LSTM和CNN-GRU模型更优异,作为辅助手段,能有效解决工频磁场探测中扰动信号微弱、扰动规律不明确、背景噪声多等问题,实现对水下目标造成的工频磁场扰动信号的拟合与检测。

    • 纪铭涵,齐 林,张 杨,董士程,李朝帅

      2021,42(5):499-507, DOI: 10.7535/hbkd.2021yx05008

      Abstract:

      为了解决并行处理中同步阻塞会浪费系统资源和影响程序性能的问题,提出了一种基于CompletableFuture异步机制的自动重构方法。首先,使用WALA静态程序分析工具进行访问者模式分析、逃逸分析、别名分析以及数据流分析等静态程序分析技术,确定共享变量数据的操作方式;然后,基于CompletableFuture机制设置4种异步重构模式;最后,根据不同模式实现异步机制的自动重构。基于此方法,在Eclipse平台下开发了自动重构工具AsynRef,并对HSQLDB,Jenkins,JGroups和SPECjbb2005等4个大型实际应用程序进行自动重构,从重构个数、改变的代码行数、准确性和重构后程序性能等方面对AsynRef进行评估,对4个程序所包含的919个同步方法共完成387个异步机制转换。结果显示,使用AsynRef进行异步机制重构后,程序执行性能有8%到39%的不同程度的提升。AsynRef可以有效完成代码异步化自动重构,与传统手动重构相比,有效提升了异步化的重构效率。

    • 材料科学
    • 赵慧慧,高 旭,王贯盈,刘 英,梁志敏

      2021,42(5):508-515, DOI: 10.7535/hbkd.2021yx05009

      Abstract:

      为探究金属粉芯型药芯焊丝电弧增材加工的可行性,采用30CrMnSiA高强钢粉芯型药芯焊丝,结合高速摄像与电信号同步采集系统,分析焊丝在脉冲熔化极气体保护焊工艺下的熔滴过渡特点和电弧稳定性,在确定的工艺参数下,探讨脉冲工艺WAAM对高强钢药芯焊丝沉积件成形性、组织和力学性能的影响。结果表明,高强钢药芯焊丝熔滴过渡类型为多脉一滴的非轴向小滴短路过渡;沉积件横向和纵向力学性能存在差异,横向强度和韧性均优于纵向;沉积件横向和纵向断口存在大量韧窝,均呈现微孔聚集型韧性断裂,且纵向断口韧窝尺寸明显大于横向。因此,将金属粉芯型药芯焊丝应用于增材加工领域,其性能满足使用要求,可获得组织和力学性能优异的沉积件。研究结果可为提高金属粉芯型药芯焊丝的增材加工效率、改善增材加工性能提供借鉴和参考。

    • 刘治文,贾书君,杨 浩,梁小凯,张 亮,樊祎宁,韩鹏彪

      2021,42(5):516-522, DOI: 10.7535/hbkd.2021yx05010

      Abstract:

      为解决深海X70管线钢在实际焊接中粗晶区(CGHAZ)的脆化问题,在不同热循环工艺下对X70管线钢进行了热模拟研究。采用Gleeble-3800热模拟机模拟X70管线钢CGHAZ,研究CGHAZ在10~60 kJ/cm不同热输入(HI)条件下组织和韧性的变化规律,并通过光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和夏比冲击试验等手段表征CGHAZ的组织和韧性。结果表明,不同热输入下试验钢的组织主要由粒状贝氏体(GB)、贝氏体铁素体(BF)和马-奥组元(M-A组元)组成;当HI不断增大时,BF比例减少,GB比例增加,M-A组元粗化,冲击吸收能先升高再降低;当HI为20 kJ/cm时,BF和GB可获得优异组合,断口为韧性断裂,冲击吸收能达到173.8 J;当HI大于20 kJ/cm时,断口解离断裂,冲击吸收能下降明显,最低为18.8 J。因此,较低的热输入可提高CGHAZ的韧性,使X70管线钢具有高强度、高韧性和良好的焊接性。研究结果可为优化焊接工艺提供理论依据。

    • 交通物流
    • 郭 超,陈香玲,郭 鹏,王 强

      2021,42(5):523-534, DOI: 10.7535/hbkd.2021yx05011

      Abstract:

      为了解决物流仓储分拣中心多台AGV处理大量包裹调度优化困难的问题,在考虑分拣作业时间窗和充电需求的基础上,研究了大规模AGV调度问题。以最小化分拣作业周期为目标,提出了一种通用变邻域搜索(general variable neighborhood search,GVNS)算法,为各台AGV指定转运任务和作业排序,采用遍历插入启发式策略生成满足时间窗约束的初始解,设计了10种邻域算子对初始解迭代寻优,并对比不同规模算例的算法性能,分析AGV充电速率和数量配置对分拣效率的影响。结果表明,GVNS算法具有计算时间和求解性能方面的优势,能在较短时间内求得近似最优解,平均计算时间仅为532.78 s,明显优于混合整数规划模型和约束规划模型;当包裹数为100时,最合适的AGV配置为14辆。因此,GVNS可以有效解决分拣中心考虑充电需求和硬时间窗的大规模多AGV调度问题,提高物流分拣效率,帮助企业找到科学、合理的AGV配置方案。

    • 土木建筑工程
    • 马 康,叶锡豪,赵 洋,于海丰,李建成

      2021,42(5):535-542, DOI: 10.7535/hbkd.2021yx05012

      Abstract:

      为了解决装配式钢框架中节点区域构造复杂和传力机制不明的问题,提出一种考虑组合楼板作用的端板螺栓连接节点。设计并制作了2组端板连接的装配式梁柱节点,进行了低周往复循环荷载试验,建立了节点试件的数值模型,分析组合楼板对节点的破坏模式、滞回性能、承载能力、半刚性性能、受力特征的影响作用。结果表明,端板连接节点主要破坏模式为端板的弯曲变形,组合楼板的加入会使滞回曲线产生一定的捏拢现象,同时会产生组合楼板开裂破坏现象;增加组合楼板后,端板连接节点的初始转动刚度、极限承载力、耗能能力分别增加了约22%,13%,22%;组合楼板和钢梁上翼缘共同作用时,荷载通过组合楼板传递至柱腹板;与闭口型压型钢板-混凝土组合楼板的节点相比,采用开口型压型钢板-混凝土组合楼板的节点初始转动刚度和极限承载力分别提高13%和9%。组合楼板能有效提高端板连接节点的抗震性能,扩大节点核心区的传力范围,增强梁柱传力机制,可为进一步提高装配式节点性能提供参考。

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    • 樊祎宁1,鲁素玲1, 2,韩鹏彪1, 2,王恭亮3,华祺年3,刘治文1

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      Abstract:

      为了充分利用电弧炉烟气余热预热废钢,以计算流体力学软件Fluent为平台,建立废钢预热过程三维非稳态随机分布局部模型,采用数值模拟方法探究了不同种类废钢预热温度分布规律。模拟结果表明:废钢预热温度随预热时间的增加明显升高,且废钢厚度显著影响预热温度,相同预热条件下轻薄型废钢的平均温度在1 600 K左右,中型废钢在1 000 K左右,重型废钢在700 K左右;增大比表面积能够在一定程度上提高各类型废钢的预热温度,考虑到废钢在预热过程熔化对出钢质量的影响,底层废钢比表面积控制在1.5 m2/m3以下,重型废钢比表面积控制在0.25 m2/m3以上;高温烟气会优先通过空隙率大、通畅性好的区域,密集堆积的板状废钢会阻碍烟气流动,导致该区域预热温度降低。因此,在生产中可相对减少重型废钢的配料比例,多采用中型废钢,研究结果可为使用废钢预热技术的厂家提供预热分析数据,改进电弧炉炼钢预热工艺,对工业废钢的高效冶炼具有一定的理论参考价值。

    • 谢英花,张冬梅,韩 钰,李谦晗,刘晓斌,杨倩倩,李志伟

      DOI:

      Abstract:

      为提高阿苯达唑的溶出性能,解决该药普通片可能造成患者吞咽困难等问题,基于增溶作用,研究探索制备阿苯达唑分散片的处方及工艺。考察加入表面活性剂、用亲水性包合材料制成包合物对片剂溶出度的影响,筛选增加药物溶解度的方法;采用单因素试验,以可压性、硬度、崩解时限、溶出度为考察指标,对黏合剂、崩解剂、增溶剂、润滑剂等进行筛选,通过正交试验优化处方及工艺;按最优处方及工艺制备3批阿苯达唑分散片,进行质量评价,采用紫外分光光度法测定其含量和溶出度。结果表明,联合使用十二烷基硫酸钠和聚山梨酯80可增加阿苯达唑在水中的溶解度;阿苯达唑分散片的优选处方为十二烷基硫酸钠用量为3%(质量分数,下同),PVPP用量为16%(内外加比例为1:1),聚山梨酯80用量为3%,羟丙基甲基纤维素溶液用量为3%,硬脂酸镁用量为1%,采用湿法制粒压片;制备的不同批次阿苯达唑分散片在122 s内完全崩解,药物在45 min时累积溶出度均大于80%,符合2020年版《中华人民共和国药典》要求。所研制的阿苯达唑分散片处方合理,制备工艺可行,体外质量良好,为改善生物药剂学Ⅱ类药物口服制剂的生物利用度提供了科学思路和理论依据。

    • 王天琦1,张昌锁1*,谢东武2

      DOI:

      Abstract:

      隧道开挖后,围岩应力重新分布,产生蠕变变形现象,常会引起大变形、塌方、冲击地压等灾害。为解决此问题,进行了0~120 d的围岩位移、温度现场监测试验,预测和评价板岩隧道围岩的长期稳定性。基于监测位移和温度变化规律,建立改进Harris温度-时间关系表达式,将其嵌入Heard幂律型蠕变模型,得到一个新的考虑温度效应的改进Heard蠕变本构模型,模拟围岩0~120 d监测位移,验证所建模型的可行性,并预测围岩在500 d后的蠕变变形规律。研究表明:1)隧道开挖后围岩应力释放,围岩处于受拉状态蠕变累积;2)围岩位移大致表现为幂律型累积规律,0~60 d之间累积速率较快,60 d后累积速率逐渐变缓,120 d时位移时程曲线趋于收敛,最大位移达-9.93 mm,最小位移为-0.05 mm;3)围岩监测温度与时间呈反比例衰减关系,随着时间的增长温度逐渐降低。改进后的Harris模型考虑了温度效应,能较准确地反映围岩温度与蠕变时间之间的关系,为隧道后期正常营运提供一定的参考。

    • 王刘旺1,郑礼洋2,叶晓桐2,郭雪强2

      DOI:

      Abstract:

      在建筑、通信、电力等工程行业中,作业人员需要频繁执行室外作业。由于室外环境复杂,许多运维工作存在来自高压、高空、深坑等因素的高风险。安全事故一旦发生,将造成巨大的人员和财产损失。因此,需要在作业过程中对作业人员进行身份核验,以方便监督。然而,在传统的监督方式里,作业现场的人员管理和行为管控完全依靠人工核查,监控视频也依赖人工看守,无法做到人员身份实时核验与有效的非作业人员入场预警。针对室外作业场景中的作业人员身份识别,目前的研究方法大多基于人脸识别方法。人脸识别方法能够在作业人员脸部信息清晰且完整时准确识别出其身份信息。然而,当存在遮挡、检测距离以及检测角度等因素影响时,会造成脸部信息不完全或者模糊,导致采用人脸识别方法难以准确识别出作业人员的身份。 步态特征是一种描述行走方式的复杂行为特征,表现于脚的触地时间、离地时间和人体高度、双手摆动幅值等。相比人脸识别,步态特征识别有以下优点:第一,步态识别适用的检测距离更远,而人脸特征随着检测距离的增加识别难度明显上升。第二,步态特征识别是非主动识别,现场作业人员几乎随时随地处于行走状态,而人脸识别需要识别对象正对检测装置。第三,步态特征具有较强的特异性,不似人脸特征较易被模仿、修改。不过,单独采用步态特征进行识别,虽然在作业人员运动时可以捕捉体态信息进而较为准确地对其进行身份核验,但是无法对静态的作业人员进行身份核验。 针对此问题,提出了一种多特征融合的身份核验方法。该方法结合步态与人脸等多特征进行识别,不受衣着、环境等外在因素的干扰,可以有效提高身份核验的准确率。提出的融合人脸特征和步态特征的多特征身份核验方法包括身份注册阶段、训练阶段与测试验证阶段。身份注册阶段,人工标注人脸与步态信息,并录入人员信息库;训练阶段,首先利用相关网络提取视频中图像序列的步态轮廓图与人脸区域,然后利用深度学习网络模型提取相关特征,构建融合的特征向量与身份ID间的关系;测试阶段,首先判断图像中有无清晰人脸,如果有则使用多特征融合识别方法,否则仅通过步态特征进行特征匹配进而完成身份核验。结果表明,多特征融合方法在中科院自动化所的CASIA-A数据集上的分类准确率达到99.17%,在该数据集中包含的3个视角下的分类准确率分别为98.75%,100%和98.75%。因此,所提出的方法可以有效提高单人场景中的身份识别准确率,从而为室外作业场景中的身份核验提供有效方案。

    • 刘 滨1, 2,刘增杰1, 2,刘 宇3,李子文4,陈 莉5,孙中贤1, 2, 王 莹1, 2,张一辉1, 2,赵佳盛1, 2,张红斌6,刘 青2, 3

      DOI:

      Abstract:

      数据可视化对于从海量数据中发现规律、增强数据表现、提升交互效率具有重要作用。目前,数据可视化的概念及相关研究领域不断扩展,就数据类型而言,可视化研究逐渐聚焦于多维数据、时序数据、网络数据和层次化数据等领域。通过对中国知网(CNKI)中外文文献进行分析可知:2014年、2015年是数据可视化领域研究热度升级、理论成果大量产出的“里程碑”式年份;中国大数据领域研究热潮形成后,数据可视化是迅速发展的一个重要支撑领域;国内外数据可视化领域的研究,在时间上基本做到了同步,而武汉大学、浙江大学、北京邮电大学、国防科技大学、电子科技大学等都是在该领域研究活跃度较高的国内高校。 要获得良好的视觉效果,帮助用户降低理解难度,高效分析数据和洞悉价值,通常还需要注意色彩与语义、突出核心数据、防止数据过载、防止思维过度发散等技术要点。现有的数据可视化技术主要分为基于几何技术、基于图标技术、基于降维技术、面向像素技术、基于时间序列技术、基于网络数据技术、层次可视化技术和分布技术等。基于几何技术的可视化方法,包括平行坐标、散点图矩阵、Andrews曲线等。基于坐标的可视化方法,可以清晰展示变量间的关系,但受限于屏幕尺寸,当数据维度超过3个时,难以直观显示全部维度,需要结合人机交互技术进行展示,适用于不同维度之间的相关关系,比如学生学习行为之间的关联关系等。基于图标的可视化方法,主要包括星绘法和Chernoff面法,以几何图形作为图标刻画多维数据,直观反映出图标各个维度所表示的意义,适用于工作完成情况、激励工作进度概览等。基于降维技术的可视化方法,根据维度属性确定点的坐标,在保持数据关系不变的前提下映射到低维可视空间中,主要涉及主成分分析、自组织映射、等距映射等。基于时间序列的可视化方法,是一种显示数据间相互关系和影响程度的可视化方法,主要包含线形图、堆积图、地平线图等,随着时间发展采集相应数据,并利用上述3类可视化方法进行呈现,适用于表示信息数据流动和变化的状态,如不同时间段成绩流向趋势分布、主题概念的变迁等。基于网络数据的可视化方法,核心是自动布局算法,通过自动布局与计算绘制成网状结构图形,主要有力导向布局、圆形布局、网格布局等,常用来表示大规模社交网络结构,适用于活跃度分析、引文关系展现等。层次可视化技术,主要包括节点连接、空间填充、混合方法等,通过绘制不同形状的节点和包围框来表示层次结构的数据,适用于表示群组成员间交互关系的发现和挖掘,如在线协作员工之间的交互。 通过对数据可视化基于CNKI研究情况的分析,提出数据可视化过程中的注意点,指出数据可视化需要重点考虑色彩的匹配,在色彩与数据内容的重要度之间建立关联;可视化方案应在满足业务需求的基础上以业务逻辑为依据,合理组合与应用相关可视化技术;统一的可视化风格有助于提升人们理解数据的连贯性、一致性和效率,还要兼顾用户的审美要求,在风格与色彩之间建立合理的匹配关系;数据可视化应以实用、合理、高效地表现关键过程、关键目标、关键结果为主要面向。还对可视化应用实例Echarts展开综述,包括Echarts 交互组件(markPoint和markLine标注点组件、dataZoom区域组件、图例交互组件)在可视化中的应用,以及动态数据绘制等。最后,对可视化存在的挑战以及未来研究方向进行了分析和展望,指出虚拟现实、可视化系统和数据分析是可视化未来的研究方向,其应用热点领域还包括统计可视化、新闻可视化、思维可视化、社交网络可视化和搜索日志可视化等。

    全选
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      约稿:数据分析与计算专栏
    • 张春会, 王来贵, 赵全胜, 李伟龙

      2015,36(1):90-99, DOI: 10.7535/hbkd.2015yx01016

      Abstract:

      如何定量评估液氮冷却后煤储层的渗透率演化是液氮冷却增透煤储层技术的关键。为分析液氮注入煤后的变形、破坏和渗透率演化过程,将煤视作弹脆塑材料,其变形过程包括弹性变形、脆性跌落和残余塑性流动3个阶段,结合单元强度退化指数、扩容指数和Mohr-Column准则,建立了考虑围压对煤单元峰后力学行为影响的本构模型。根据煤岩单元变形过程,将煤岩单元渗透率演化分成2个阶段,即弹性压缩煤岩单元渗透率减小阶段及煤岩单元破坏后的渗透率增加阶段。分析了单元弹性变形、剪切破坏和拉破坏与渗透率之间的关系。煤岩单元弹性压缩和拉伸引起单元内孔隙空间的变化,进而影响单元渗透率;煤岩单元剪切破坏在单元内形成共轭剪切带,在剪切带内的流体流动服从平行板定律,给出了基于单元体应变的剪切带宽度和渗透率计算公式;煤岩单元拉破坏在单元体内形成“十”字型裂隙,在裂隙内的流动也服从平行板定律,给出了基于单元体应变的裂隙宽度和渗透率计算公式。结合热传导理论建立了液氮冷却煤层的温度-变形-破坏-渗透率演化模型,并在FLAC下利用Fish函数方法予以实现。数值算例研究了液氯注入辽宁王营子矿某煤层气抽放井后煤层的变形、破坏和渗透率演化过程。结果表明:1)煤受液氮冷却作用后发生体积收缩,越靠近钻孔温度梯度越大,收缩变形越大,温度拉应力越大,越容易破坏,形成拉破坏区。液氮注入冷却10 d后的拉破坏区约0.65 m宽。2)在拉破坏区,单元内形成了贯通的裂隙,单元体渗透率显著增长,液氮冷却10 d的单元渗透率最大增长幅度可达1.97×105倍。3)远离钻孔区域,拉应力也使得煤的渗透率有所增加,增加幅度为1%~14%,远小于破坏区。4)随着冷却时间增加,破坏区域扩大,但增长速率逐渐减缓,这表明在工程实践中冷却时间过长,不一定能取得更好的冷裂效果。5)液氮冷裂的主要影响区域在1.0 m左右,但实际工程中钻孔内压力、煤岩体内水的相变等对煤岩的实际变形和破坏也有很大影响,从而使得液氮冷裂的影响区域更大。6)模型能较好地反映液氮冷却煤体变形-破坏-渗透率演化过程,从而为评估液氮冷却煤岩增透效果提供一种简便、可行的方法。

    • 材料科学
    • 马 静,王瑞阳,温 宁

      2021,42(1):75-81, DOI: 10.7535/hbkd.2021yx01010

      Abstract:

      为提高304不锈钢的抗高温氧化性能,以正硅酸乙酯(TEOS)为原料,采用溶胶-凝胶法,在不锈钢表面制备了SiO2薄膜,通过氧化动力学,XRD,SEM和EDS分析,研究了涂覆层数对不锈钢900 ℃抗高温氧化性能的影响。结果表明,SiO2薄膜与不锈钢基体的附着性良好,促进了不锈钢表面发生选择性氧化,生成保护作用的Cr2O3和NiCr2O4氧化层,不锈钢的抗高温氧化性能显著提高,其中涂覆3层SiO2薄膜试样的抗高温氧化性能最佳,经900 ℃循环氧化100 h后氧化增重与氧化剥落仅为未涂覆试样的58.1%和41.4%。SiO2薄膜涂覆有效提高了不锈钢的抗高温氧化性能,是表面处理方法应用于高温环境的又一尝试,为溶胶-凝胶法制备其他薄膜提供了借鉴和参考。

    • 机械、电子与信息科学
    • 王建霞,刘梦琳,许云峰,张 妍

      2021,42(1):48-59, DOI: 10.7535/hbkd.2021yx01007

      Abstract:

      现实生活中存在的网络大多是包含多种类型节点和边的异构网络,比同构网络融合了更多信息且包含更丰富的语义信息。异构网络表示学习拥有强大的建模能力,可以有效解决异构网络的异质性,并将异构网络中丰富的结构和语义信息嵌入到低维节点表示中,以便于下游任务应用。通过对当前国内外异构网络表示学习方法进行归纳分析,综述了异构网络表示学习方法的研究现状,对比了各类别模型之间的特点,介绍了异构网络表示学习的相关应用,并对异构网络表示学习方法的发展趋势进行了总结与展望,提出今后可在以下方面进行深入探讨:1)避免预先定义元路径,应充分释放模型的自动学习能力;2)设计适用于动态和大规模网络的异构网络表示学习方法。

    • 陈 琦,张仁辉,何忠义,熊丽萍

      2021,42(1):1-7, DOI: 10.7535/hbkd.2021yx01001

      Abstract:

      为了探究醇类物质在高载高速工况下的润滑性能,尤其是碳链、羟基与润滑性能的关系,开展了碳链长度、羟基数目对醇类物质润滑性能影响的研究。利用四球摩擦机调查一系列醇类物质的摩擦学性能,结合黏度仪、透射电镜和拉曼等检测手段,探索碳链长度、羟基数目对润滑性能的影响。实验结果表明,随着碳链的增长磨合期变短、摩擦系数达到稳态的时间变短、磨损率降低;随着羟基数目的增多磨损率降低、无明显磨合期和摩擦系数持续波动(乙二醇)或持续降低(甘油)。摩擦诱导形成的石墨烯较无定形碳更能有效地促使摩擦体系达到稳定的摩擦系数,缩短磨合期,研究结果可为醇类物质在机械设备领域的应用提供参考。

    • 睢丙东,张 湃,王晓君

      2021,42(1):22-29, DOI: 10.7535/hbkd.2021yx01004

      Abstract:

      为了解决YOLOv3算法在手势识别中存在识别精度低及易受光照条件影响的问题,提出了一种改进的YOLOv3手势识别算法。首先,在原来3个检测尺度上新增加1个更小的检测尺度,提高对小目标的检测能力;其次,以DIoU代替原来的均方差损失函数作为坐标误差损失函数,用改进后的Focal损失函数作为边界框置信度损失函数,目标分类损失函数以交叉熵作为损失函数。结果表明,将改进的YOLOv3手势识别算法用于手势检测中,mAP指标达到90.38%,较改进前提升了6.62%,FPS也提升了近2倍。采用改进的YOLOv3方法训练得到的新模型,识别手势精度更高,检测速度更快,整体识别效率大幅提升,平衡了简单样本和困难样本的损失权重,有效提高了模型的训练质量和泛化能力。

    • 食品与生物科学
    • 贾艳丽,仇 燕

      2021,42(1):67-74, DOI: 10.7535/hbkd.2021yx01009

      Abstract:

      随着抗生素副作用的日益凸显,以及其被批准数量的逐年下降,研发功能相似且不易产生耐药性的其他活性物质迫在眉睫。抗菌肽具有广谱抗菌性、热稳定性,作用机理独特,既能起到体内抗病菌感染、促进癌细胞凋亡的作用,还可作为抗病毒化疗剂和医疗器械的抗菌材料。系统综述了抗菌肽的抗菌机制,及其在医药领域抑制抗耐药菌的产生、抗癌以及抗病毒感染的作用,阐明了抗菌肽存在的稳定性、溶血性及毒性等问题,并对其发展前景进行了展望。指出今后可在以下方面对抗菌肽展开深入研究:1)结合体内抑菌机制进行研究,推动抗菌肽的开发应用;2)通过替换、修饰氨基酸残基,合成杂合肽,优化抗菌肽结构,提高其活性,降低毒副作用并预防耐药性的产生;3)利用抗菌肽传递系统或抗菌肽与绿色天然提取物联合作用,提高抗菌活性和生物利用度。

    • 机械、电子与信息科学
    • 王 卿,蔚保国

      2021,42(1):8-14, DOI: 10.7535/hbkd.2021yx01002

      Abstract:

      为提高非合作室内环境下超宽带组网定位能力,采用无中心定位算法理论对超宽带测距输出距离信息进行解算分析,得到相对定位结果,并将定位结果与光电标定系统结果进行实测对比,对精度进行评估。结果表明,相比传统超宽带定位模式,利用超宽带测距和无中心定位算法相结合的形式,能够实现无中心定位以及各节点之间的相对位置解算,最终确定各节点之间的相对位置。超宽带测距和无中心定位算法相结合,在相对定位方面具有良好的稳定性和精确度,可以广泛应用于室内室外多种场景。

    • 王晓君,薛琳博,王彦朋

      2021,42(1):15-21, DOI: 10.7535/hbkd.2021yx01003

      Abstract:

      为了解决航空无线电导航服务频段附近的脉冲干扰影响接收机工作的问题,并进一步提高GNSS系统的抗干扰能力,提出了基于STFRFT(short time fractional Fourier transform)的脉冲干扰抑制方法。首先确定接收信号的最佳旋转阶次,再对信号进行STFRFT,通过坐标旋转得到时频面的二维分布,在最佳阶次下采用自适应时变滤波器实现对干扰和信号的分离,进而抑制干扰。仿真结果表明,和几种传统方法相比,基于STFRFT的自适应滤波算法剔除干扰效果最好,在抑制脉冲干扰的同时保留了更多有用信号。结合STFRFT技术和自适应时变滤波技术提高了抑制脉冲干扰的能力,可为航空无线电导航服务的脉冲抗干扰技术提供参考依据。

    • 尹雅楠,甄 然,武晓晶,张春悦,吴学礼

      2021,42(1):38-47, DOI: 10.7535/hbkd.2021yx01006

      Abstract:

      为了解决蚁群算法在无人机实现路径规划中容易陷入局部最优的问题,提出改进的蚁群算法。对信息素的挥发因子以及信息素进行上、下限设置,防止由于较短路径上的信息素过高以及较长路径上的信息素过低,使蚂蚁陷入局部最优,同时在多启发因素的影响下,将路径的整体长度作为决定状态转移概率的一个自适应启发函数因子,当路径长度很大时,自适应启发函数因子较小,使得蚁群选择该路径的概率减小。实验结果表明,改进的算法在路径长度上减少了6.4%,最优路径长度方差降低了85.78%,增加了对环境整体性的考虑,缩短了路径长度,降低了迭代次数,跳出局部最优。在环境复杂度加大的情况下,引入自适应启发函数因子之后的算法可以有效地选择较好的路径,为无人机路径规划提供了理论依据。

    • 化学与化工
    • 谢英花,刘朝霞,张梅梅,张冬梅

      2021,42(1):60-66, DOI: 10.7535/hbkd.2021yx01008

      Abstract:

      为减轻盐酸二甲双胍对胃的刺激,实现其在肠道内的释放,以盐酸二甲双胍为主药,壳聚糖、海藻酸钠为复合载体,筛选盐酸二甲双胍pH敏感性水凝胶微球的最佳处方及制备工艺,并对其pH敏感性及体外释药特性进行了考察。通过单因素试验及正交试验优化处方工艺,利用扫描电镜进行结构表征,紫外分光光度法测定载药量及包封率,转篮法研究释放度。结果表明,盐酸二甲双胍pH敏感性水凝胶微球的优选处方如下:壳聚糖与海藻酸钠的总浓度为2%(质量体积比),海藻酸钠与壳聚糖的质量比为1∶1,药物与海藻酸钠的质量比为2∶5,氯化钙的交联浓度为3.5%(质量体积比);盐酸二甲双胍pH敏感性水凝胶微球在人工胃液中6 h累积释放度小于4%,在人工肠液中6 h累积释放度最大可达96.4%。所制备的盐酸二甲双胍pH敏感性水凝胶微球处方工艺稳定可靠,水凝胶微球机械强度高,生物降解性和稳定性好,是一种新型结构的盐酸二甲双胍给药系统。

    • 机械、电子与信息科学
    • 李春华,秦云凡,刘玉坤

      2021,42(1):30-37, DOI: 10.7535/hbkd.2021yx01005

      Abstract:

      针对传统贝叶斯模型算法对图像显著区域检测精度需要进一步提高的问题,提出一种改进凸包的贝叶斯模型显著性检测算法。首先,利用流行排序算法对图像进行前景提取,提取的前景区域作为贝叶斯模型的先验概率;其次,利用颜色增强的Harris角点检测算法检测图像在RGB,HSV,CIELab 3个颜色空间中的特征点,分别构造RGB,HSV,CIELab空间的凸包,求取3个颜色空间下的凸包的交集;再次,通过贝叶斯模型根据先验概率、凸包与颜色直方图结合得到的观测似然概率计算获得显著性区域图;最后,将新算法在两大公开数据集MSRA和ECSSD中进行测试。结果表明,新算法能够有效抑制背景噪声,完整检出显著区域,F-measure值在MSRA和ECSSD数据库中的测试结果分别为0.87和0.71,准确率-召回率曲线在复杂图像数据库高于传统经典算法。新算法改进了传统经典算法的检测效果,进一步提高了显著图检测的准确性。

    • 材料科学
    • 孟致安,鲁素玲,闫华军,韩鹏彪,胡希磊,王同会,王 浩

      2021,42(1):82-90, DOI: 10.7535/hbkd.2021yx01011

      Abstract:

      为了解决传统U型钢拉杆存在的生产工艺落后、加工周期长、材料利用率低等问题,提出一体式钢拉杆成形工艺。以35型钢拉杆U型头预制坯的成形为研究对象,设计了3道次加热镦粗方法,采用DEFORM-3D有限元软件分析了不同工艺条件下镦粗后温度场、应力场的模拟结果,探讨了成形效果较佳的热成形工艺参数,并通过实验验证成形的可行性。结果表明,各道次较佳的热成形工艺参数如下:第1道次始锻温度为1 150 ℃、冲头速度为20 mm/s,第2道次始锻温度为1 150 ℃、冲头速度为30 mm/s,第3道次始锻温度为1 100 ℃、冲头速度为20 mm/s;在该热成形工艺参数下,各道次的成形力分别为1 520,2 090,5 290 kN,各道次的胀模力分别为5 870,6 710,8 830 kN;镦粗后金属流线分布合理,没有出现交叉、折叠等现象,成形效果较好。采用3道次热镦粗方法制备预制坯,制件内部的等效应力分布都比较均匀,可以形成质量良好的制件,研究结果可为35型钢拉杆U型头预制坯的镦粗聚料工艺设计以及设备选择提供参考。

    • 约稿:数据分析与计算专栏
    • 刘 青, 刘 滨, 王 冠, 张 宸, 梁知行, 张 鹏

      2019,40(1):68-78, DOI: 10.7535/hbkd.2019yx01011

      Abstract:

      近年来,关于数字孪生的研究方兴未艾。数字孪生作为一个新的范式或者方法体现出了巨大的潜力,但是,这一概念的内涵和范围尚不确定,尤其是对数字孪生模型概念的界定很不清晰。根据模式类别可以将其分为通用模型和专用模型,其中专用模型仍是当前的研究热点,研究内容主要体现为对具体项目使用数字孪生方法进行建模,也包括对专用模型进行开发。这些具体项目除了传统制造业所涉及的零件测量和质量控制,增材制造,设计和工作过程,以及系统管理外,还包括在生物医药、石油工程领域的应用等。开发专用模型的工具和技术呈现多元化,有通用工业软件、专用工业软件、仿真平台和自研二次开发工具等等。数字孪生通用模型的研究对象不针对某一具体项目,而是研究如何将模型受控元素表示为一组通用的对象以及这些对象之间的关系,从而在不同的环境之间为受控元素的管理和通信提供一种一致的方法。数字孪生通用模型的研究主要分为概念研究和通用模型的实现方法,两者的研究热度相当。其中概念研究从宏观角度的产品生命周期管理,到描述系统行为,如一般系统行为和系统重新配置,再到具体工作流,如设计方法、产品构型管理、制造系统、制造过程等,研究内容较为发散,尚没有出现特别突出的热点。关于数字孪生通用模型实现方面,主要研究了建模语言的构建、模型开发方法的探索、具体工具的使用、元模型理念的植入和模型算法的探索。数字孪生模型是数字孪生研究的核心领域之一,其未来的研究重点是如何将不断涌现的各不相同的数字孪生体的外部特征和内在属性归纳为可集成、可交互、可扩展的模型,便于更高效地实现信息在物理世界和数字世界之间流动,从而实现数字孪生的普遍应用,继而支持CPS(网络物理空间)和CPPS(网络物理生产系统)的建设。因此,数字孪生模型研究下一步需要解决的问题是如何对接标准参考架构,如德国提出的工业4.0参考架构模型RAMI4.0和中国的智能制造系统架构IMSA等;关于数字孪生模型需要建立统一的描述方法并确立一致的结论,以规范各自独立发展建立起来的模型,从而改善模型的互操作性和可扩展性,否则,随着系统规模的扩大模型效能会显著下降;中国数字孪生模型的研究急需国产专业工业软件和建模软件的支持,以便中国学者深入开展更加符合国情的深入研究。

    • 翟建华

      2005,26(2):160-165, DOI: 10.7535/hbkd.2005yx02021

      Abstract:

      对化学工程领域中的通用CFD(ComputationalFluidDynamics)模拟软件Phoenics,Fluent,CFX等的具体特点和应用情况进行了综述,指出了他们各自的结构特点、特有模块、包含的数学模型和成功应用领域;给出了选用CFD软件平台的7项准则,对今后CFD技术的发展进行了预测,指出,今后CFD研究的主要方向将集中在数学模型开发、工程改造和新设备开发及与工艺软件的匹配连用等方面。

    • 国家青年/地区科学基金项目专栏
    • 文 娟, 李 芾, 丁军君, 李 刚

      2015,36(1):1-8, DOI: 10.7535/hbkd.2015yx01001

      Abstract:

      城市轨道交通作为一种快捷、舒适、节能、环保、安全的交通工具已越来越受到人们的青睐,但由于车辆运行时产生的噪声及振动也使城市轨道交通车辆面临严峻的挑战。目前,针对弹性车轮的研究也在不断发展深入,通过对弹性车轮的发展背景与结构分类的论述,介绍了弹性车轮在轻轨车辆上的主要优点,并详细论述了弹性车轮在降噪减振、有限元强度分析、车辆动力学以及轮轨磨耗方面的研究现状。以国内外低地板轻轨车辆为例,介绍了弹性车轮在城市轨道交通中的发展及运用,并论述了弹性车轮在中国轻轨车辆上的运用前景以及弹性车轮今后的研究方向。

    • 李立冬, 刘教民

      2005,26(1):47-50, DOI: 10.7535/hbkd.2005yx01012

      Abstract:

      描述了在透视投影和相机针孔模型下从单幅二维投影图像进行目标空间方位测定的方法,即利用现实场景中一个三维标定块来进行相机标定,采用线匹配法求出单应矩阵,即可测量平面上目标距离以及物体高度等。

    • 机械、电子与计算机
    • 崔海亭, 张 改, 蒋静智

      2012,33(5):453-458, DOI: 10.7535/hbkd.2012yx05016

      Abstract:

      利用计算流体力学软件FLUENT的凝固/熔化模型,对双层壁圆筒内填充的铝硅合金相变材料的熔化/凝固过程进行了数值模拟,得到了在第3类边界条件下圆筒内相变材料在凝固/熔化过程中的动态温度场分布、相界面移动规律及凝固/熔化时间等,对蓄热装置的设计及实验研究提供了重要的参考价值。

    • 周广芬, 李鹏, 杨久义

      2005,26(4):309-311,321, DOI: 10.7535/hbkd.2005yx04015

      Abstract:

      针对研究的利用MATLAB图像处理工具箱处理实验输出图形、获取图线坐标值、使图形数字化的过程,通过对一构件振动位移测试结果图形的处理,证明此方法取点密集、返回坐标值精确度高,且整个过程可以通过MATLAB语言自动完成,比人工取点的处理方法省时、省力,数据误差小。

    • 机械、电子与计算机
    • 秦思良, 王庆国, 曲兆明, 雷忆三

      2012,33(4):309-312, DOI: 10.7535/hbkd.2012yx04007

      Abstract:

      采用M-G方程、Bruggeman方程和广义M-G方程计算了复合材料内碳纤维的介电常数。结果表明:当纤维长径比较大时,3个方程均可以计算出碳纤维的介电常数,并且数量级和趋势保持一致;广义M-G和M-G方程的计算结果较为一致,而Bruggeman方程则小于其余两者的计算结果;当碳纤维浓度上升至渗流浓度附近时,3个方程计算结果均出现一定程度的偏离,表明3个方程均适用于低浓度情况。

    • 〖CM5-3〗机械与计算机技术
    • 张付祥, 王树国

      2008,29(4):299-304, DOI: 10.7535/hbkd.2008yx04010

      Abstract:

      针对研制的创伤手指功能康复机械手,研究了以ARM芯片S3C2410为核心的嵌入式系统平台、基于SPI总线的电机控制和数据采集模块,以及控制软件和图形用户界面的设计,还结合机械系统设计了传感系统,实现了康复运动产生、康复数据采集等系统功能,为该系统用于临床康复试验奠定了基础。

    主编:朱立光

    创刊:1980

    国际标准刊号:ISSN 1008-1542

    国内统一刊号:CN 13-1225/TS

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