最新刊期
      2017 年 第 49 卷 5 期

        水利与土木工程

      • 刘全,胡志根,齐志坚,闵瑞
        2017, 49(5): 35-41. DOI: 10.15961/j.jsuese.201700079
        摘要：中文摘要: 随着中国后水电开发时代的到来，大坝重建工程逐渐增多。大坝重建工程导流系统一般由原工程建筑物和新建导流建筑物联合组成，导流系统的组成和功能的丰富化使导流系统约束和导流风险因素更加复杂，导流风险呈现显著的特异性。本文旨在探索大坝重建工程施工导流风险计算方法及其变化规律。在大坝重建工程导流系统分析的基础上，归纳主要致险因素和致险模式，研究建立上游水位、下泄流量、下游水位等致险模式的数学表达，综合建立大坝重建工程导流多维风险判别式。针对系统中的洪水不确定性，利用Gumbel-Hougaard Copula函数描述洪水峰量联合分布，同时考虑原工程控泄规则和导流泄水建筑物的运用规则，利用Monte-Carlo方法模拟导流度汛过程并计算水力要素，结合风险判别式建立大坝重建工程施工导流多维风险计算模型。定性风险分析说明，建筑物的功能和设计标准差异决定了大坝重建工程导流系统的多种致险模式并不完全相关，导流系统风险呈显著多维分布特征。由于风险特性与导流系统配置有关，针对将原大坝作为上游围堰，占用原工程泄流建筑物出口的典型重建工程导流系统，进行了导流风险计算。定量风险特性分析说明：导流风险存在从下游漫顶致险模式向原坝泄水致险模式的转移点，主导致险模式转移的驱动因素是导流系统的泄流量，转移点对应下游围堰可防范的风险上限。研究成果为大坝重建工程导流风险评价和方案优化提供了重要支撑。  
        关键词：大坝重建;施工导流;风险特性;多维风险   
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      • 2017, 49(5): 13-21. DOI: 10.15961/j.jsuese.201700083
        摘要：中文摘要: 劲性支撑穹顶结构是一种新型的索结构，断索（杆）分析对结构破坏机理和倒塌性能研究有十分重要的意义。运用瞬态动力学的Newmark时间积分法对单根索（杆）断裂后结构的力学性能进行分析，提出了响应变化率和动力响应系数，运用其评价各类索（杆）破断对结构的影响程度。根据局部断索（杆）是否引起其他索杆的强度破坏和过大位移将杆件分为全局敏感性构件、局部敏感性构件和不敏感性构件。提出了一种杆件重要性系数，表征杆件的重要性并对其重要性排序。研究表明：内外环杆、外斜杆和外撑杆破断结构发生连续倒塌，其为全局敏感性构件；外脊索、中脊索、内脊索、中斜杆、内斜杆和内撑杆破断对其附近的构件影响较大，为局部敏感性构件；外环杆的杆件重要性排在首位，内脊索排在末位。  
        关键词：劲性支撑穹顶结构;断索（杆）分析;敏感性;杆件重要性   
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      • 谌文武,杨光,张迎敏,刘建,任晓峰,龚书亚
        2017, 49(5): 22-27. DOI: 10.15961/j.jsuese.201600985
        摘要：中文摘要: 片状剥离是土遗址表面普遍发育的病害，对遗址的长期保存构成了极大的威胁。近年来，大量学者尝试多种手段对片状剥离病害进行整治，但在实际的保护加固工程中效果仍不太理想。目前，利用苔藓加固边坡、保持水土的研究和应用日益丰富。本文从土遗址保护的目的出发，采用在遗址表层培育苔藓的方法，利用生物结皮改善遗址表面片状剥离状态。以青海地区为例，在野外研究中利用微型贯入仪测量苔藓生长前后墙体的表面贯入阻力，并对比分析表面龟裂的变化。室内试验中将土遗址墙面自外向内分成5个土层，利用X衍射仪对各土层进行矿物成分分析；用激光粒度仪对各土层进行颗粒分析，并用离子色谱仪分析各土层的盐分含量。野外试验发现，有苔藓时墙体的表面贯入阻力比无苔藓时明显提高，且原来片状剥离的龟裂也在苔藓生长过程中得以修复。室内试验表明：苔藓生长前后各土层矿物成分及含量均没有发生明显变化；土壤颗粒粒径会趋于减小，粉粒和黏粒含量增多；有苔藓时粉化层中盐分含量明显下降，其他土层盐分含量较无苔藓时有较大提升。苔藓生长后原墙体表面片状剥离的强度和颗粒结构均明显提升，且盐分富集现象得到了较好的改善，土体整体工程性能相对提升。因此，苔藓加固片状剥离有非常广阔的研究前景。  
        关键词：苔藓;片状剥离;强度;矿物成分;粒度分析;盐分含量   
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      • 程香菊,谢宇宁,朱丹彤,李然,谢骏
        2017, 49(5): 28-34. DOI: 10.15961/j.jsuese.201700129
        摘要：中文摘要: 在污水处理厂、湖泊、水库、河口和养殖池塘等需要曝气增氧的水体中，通过增氧机来维持水体溶解氧的动态平衡是非常重要的。而生活污水、城市废水等水体中常常会存在有表面活性剂，当这些废水进入以上需要曝气增氧的水体时，势必影响微孔曝气系统的增氧性能和传质效果。因此，为了探究表面活性剂对微孔曝气系统增氧性能的影响，在长2 m、宽0.8 m、高0.8 m的试验水池中，以固定于水池中央的微孔曝气盘为增氧机，根据美国土木工程协会（ASCE）标准增氧试验方法，以阴离子表面活性剂，即十二烷基苯磺酸钠为影响因子，在5种曝气流量和阴离子表面活性剂浓度下进行了一系列的水体底部微孔曝气增氧试验。基于氧体积传质理论和气泡理论，计算分析了水体氧体积传质系数、气泡的Sauter平均直径和波形因子等参数，结果表明：在一定的曝气流量下，1 mg/L的阴离子表面活性剂提高了水体的氧体积传质系数，促进了氧传质；在阴离子表面活性剂浓度为1～5 mg/L时，随着浓度的增加，氧体积传质系数降低；而且阴离子表面活性剂使气泡的Sauter平均直径降低，降低率达到22.76 %；在水体无表面活性剂的试验中，气泡的波形因子变化幅度较大，气泡的形状趋于扁平，而表面活性剂的存在阻碍了气泡发生变形，使气泡的波形因子变化幅度降低，气泡保持在近乎球体状态。  
        关键词：微孔曝气系统;阴离子表面活性剂;氧体积传质系数;Sauter平均直径;波形因子   
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      • 屈新,苏立君,张崇磊,余方威
        2017, 49(5): 42-49. DOI: 10.15961/j.jsuese.201601405
        摘要：中文摘要: 在进行反倾向层状边坡的弯曲倾倒分析时，需要对边坡破坏基准面的位置和形状作一种简单假定；目前常见的假定形式为直线型破坏面，并垂直于岩层层面。从野外观测来看，这种假定的破坏面与实际工程边坡破坏面并不吻合，为提高反倾向层状边坡弯曲倾倒计算的可靠性，提出一种搜索破坏基准面的算法。基于潘家铮最大最小原理，认为边坡破坏基准面（由各个岩层折断面组成）为使边坡发生整体破坏所需外力最小的破坏面。在破坏基准面的搜索过程中，根据岩层的受力分析确定其破坏模式（剪切破坏和弯曲拉裂破坏）；然后，依据最后一块岩层发生倾倒破坏的条件确定岩层可能发生破坏的范围，并将可能发生破坏的岩层划分为多个组合，利用极限平衡方法，结合岩层的破坏模式，求出各组岩层发生整体破坏所需的最小外力F；最后，不断变化搜索角，得到一系列F，其中的最小值为边坡发生整体破坏所需的最小外力，对应的破坏面为边坡潜在破坏基准面，相对应的岩层组合为最危险的岩层组合。选用安徽皖南地区的某反倾向板岩边坡作为工程实例进行验证分析，结果表明本文算法所得到的破坏基准面能较好地与实际工程边坡破坏面、文献模拟结果相吻合，进一步说明了本文算法的有效性。  
        关键词：反倾向层状边坡;弯曲倾倒;破坏基准面;潘家铮原理;极限平衡方法   
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      • 徐敏,陈立,李东锋,何俊
        2017, 49(5): 50-55. DOI: 10.15961/j.jsuese.201700185
        摘要：中文摘要: 不同几何比尺对模型水流结构及泥沙运动特性的比尺效应不同，模型沙波相似性也存在差异。首先基于对泥沙沉速的理论分析，计算了当原型沙粒径、λ(γs-γ)/γ和η等参数一定时，满足起动相似所选模型沙沉降速度偏离程度随不同几何比尺的变化规律。计算结果显示：λl<1时，模型沙沉降速度偏离程度随着几何比尺的进一步减小而迅速增大；当λl≥1时，模型沙沉降速度偏离程度随着几何比尺的增大表现为先增大后减小，且在几何比尺为2的附近达到极大值。为研究沉降速度偏离幅度较大时模型沙波的相似性及几何比尺改变时沙波波高、波长与原型的偏离特性，设计进行了λl=0.84、1.59和2.06的正态水槽试验，发现3组模型中的沙波波高、波长偏差幅度均不大于6 %，其中λl=0.84的模型沙波偏小，而λl=1.59和2.06的沙波偏大。结合理论分析结果和水槽试验数据，得到以下结论：1）对于几何正态模型，当λl<1、原型沙与模型沙重率相同时，满足起动相似的模型沙沉降速度偏小，相同水流条件下泥沙落淤速度慢，模型中的沙波波高、波长均较原型偏小；当λl≥1时，满足起动相似的模型沙沉降速度偏大，泥沙落淤较快，相应模型中沙波波高波长都较原型偏大。2）若λl≥1，模型沙波波高、波长偏差幅度均不大于6 %，即模型沙波波高、波长的相似性较好。  
        关键词：几何比尺;波高;波长;相似性;沉降速度   
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      • 王海周,张晨玲,郑媛予,王协康
        2017, 49(5): 56-62. DOI: 10.15961/j.jsuese.201700142
        摘要：中文摘要: 山区流域暴雨山洪、滑坡、泥石流等灾害频发，大量泥沙以不同方式进入河道，河床形态在极短时间内迅速调整。在宽窄相间河段水流输沙能力差异较大，展宽段常因挟沙能力的降低而淤高河床，致使水位陡增，引发洪水灾害。为探讨山区河流宽窄相间河段与泥沙补给变化下的水位变化致灾机理，以室内物理模型系列试验结果为依据，分析不同流量定床清水时河床形态参数与各水力参数的变化关系，以及泥沙补给变化对河床形态及水流参数的影响。试验表明：上游泥沙补给量及河床形态是影响水流流态、水位变化的重要因素；定床清水条件下，河宽与比降的局部急剧调整影响水流参数变化，水流对河床变化的响应具有滞后性；当上游有泥沙补给时，水深变化较清水来流明显；随着来沙量的增大，大量泥沙淤堵河道且呈现溯源淤积的趋势，并淤高河床；在淤积段顶端，水流发生水跃现象，水位陡增，甚至出现漫滩致灾。由此可见，上游来沙及水流挟沙能力的降低将引起河床不同程度的落淤，造成河床形态改变，特别是在宽窄相间河段泥沙易落淤，水位增幅较大，为洪灾泛滥区，应作为水沙灾害的重点防治区域。  
        关键词：河床形态;泥沙补给;河床响应;水位变化;水沙灾害   
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      • 金松丽,赵卫全,张爱军,邢义川,郭敏霞
        2017, 49(5): 63-70. DOI: 10.15961/j.jsuese.201601112
        摘要：中文摘要: 目前得到的湿陷性黄土静止土压力系数K0，无法反映应力和含水两个因素的影响。本文开展了原状黄土增湿过程中K0变化规律的试验研究，得到了力水耦合作用下K0的计算方法。首先引入“增湿水平”这一概念描述土体的含水状态；开展竖向压力作用下的侧限分级浸水试验，分别研究增湿水平、基质吸力、竖向应变与K0的相关关系；开展黄土湿陷的离心模型试验，验证室内试验结论的有效性。试验结果表明：“增湿水平”物理意义明确，能够反映土体的含水率初始情况和增湿过程；原状黄土K0随着增湿水平的增大而线性增加，增加速率取决于竖向压力的大小，竖向压力越大增加速率越慢；增湿过程中K0随着吸力的减小而线性增加，竖向压力越大K0增加的速率越慢，与增湿水平对K0的影响规律相似；不同竖向压力下增湿过程中的竖向应变ε与静止土压力系数K0试验点分布在一个较窄的范围内，可以采用同一双曲线描述，且不同压力作用与浸水作用的先后次序对ε-K0曲线影响较小。基于上述新疆伊犁黄土试验规律，建立以增湿水平和竖向压力为自变量的K0的表达式，以及以竖向应变为自变量的K0的表达式。  
        关键词：湿陷性黄土;静止土压力系数;增湿水平;竖向压力;基质吸力;竖向应变   
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      • 董晓,王淑英,叶晨,王协康
        2017, 49(5): 71-77. DOI: 10.15961/j.jsuese.201600627
        摘要：中文摘要: 西南山区河道普遍分布着大量的卵砾石、漂石等大粒径床沙，漂石颗粒急剧调整局部水流结构与泥沙输移，从而制约着河床响应过程。以漂石河床水流结构为研究对象，结合野外典型河段调查和概化试验，利用3维多普勒流速仪（ADV）详细测量漂石区域的3维流速，探讨浅水条件下漂石颗粒对局部水流运动的影响。分析表明：漂石对水流结构的影响集中在其下游中心区域，尤其是远部尾流区内，其纵向范围主要集中在约–1<Δx/D<2区域，其中漂石附近的近底流速变化明显，远部尾流区边界高度也从受漂石影响较小的上游0.3～0.4倍水深发展到受漂石影响较大的下游0.5～0.7倍水深处；中心纵剖面紊动能和雷诺应力数值显著大于左右两侧，且其数值在漂石下游激增至1～10倍和1～16倍，两者出现峰值的位置都集中在漂石远部尾流区末端。研究还发现，漂石相对淹没度（H/D，平均水深与漂石有效直径之比）对漂石附近的水流结构有较大影响，随着相对淹没深度（H/D）的增加，其对流速、紊动能和雷诺应力的影响逐渐增强，在处于临界淹没度H/D = 1.2时最为强烈，之后强度递减。不同相对淹没度（H/D）下，流速、紊动能和雷诺应力恢复区长度相近，且与远部尾流区尺度变化基本一致。总体而言，漂石通过改变局部沿程流速、紊动参数和远部尾流区分布，从而显著影响浅水河床局部水流结构，其具体影响因子和响应规律有待进一步深入研究。  
        关键词：山区河流;漂石;相对淹没度;水流结构   
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      • 袁书成,董江峰,王清远
        2017, 49(5): 78-84. DOI: 10.15961/j.jsuese.201700112
        摘要：中文摘要: 波纹钢腹板组合箱梁结构以波纹钢腹板代替传统的混凝土腹板，实现了主梁的轻型化。针对波纹钢腹板组合箱梁的破坏机理，研究了2根波纹钢腹板组合箱梁的静力和疲劳性能。记录了试验中裂纹萌生、扩展的全过程，分析了试件破坏模式、承载力、荷载-挠度曲线、荷载-应变曲线，并通过材料力学公式对100 kN时梁挠度进行计算。结果表明：箱梁破坏时纵向裂纹萌生于混凝土底板，纵向贯通拉裂后，波纹钢腹板与底板之间产生纵向滑移，混凝土销剪切错动破坏。实际工程中应对混凝土底板进行FRP加固或设置预应力筋减缓裂纹萌生以及扩展；箱梁具有很好的疲劳耐久性，疲劳试验中裂纹扩展缓慢，当Pmax为静力试验承载力的50 %时，疲劳寿命超过6×106周次；箱梁受力符合拟平截面假定，混凝土顶底板主要承受弯矩，波纹钢腹板主要承受剪力。挠度计算结果略小于试验值，属于偏安全计算，误差原因主要是未考虑波纹钢腹板剪切变形对梁挠度影响。  
        关键词：波纹钢腹板组合箱梁;破坏模式;裂纹萌生;裂纹扩展   
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        科学前沿

      • 陈兴蜀,杨露,罗永刚
        2017, 49(5): 1-12. DOI: 10.15961/j.jsuese.201700726
        摘要：中文摘要: 大数据技术的发展和应用对国家的治理模式、企业的决策架构、商业的业务策略以及个人的生活方式都产生了深远影响。但是，大量数据的汇集不仅加大了用户隐私泄露的风险，而且大数据中包含的巨大信息和潜在价值吸引了更多的潜在攻击者。此外，大数据的应用是跨学科领域集成的应用，引入了很多新的技术，可能面临更多更高的风险。作者回顾了大数据的定义和特征，提出大数据架构和大数据安全体系，在此基础上分析大数据安全在法律法规、标准、数据生命周期保护和大数据平台4个方面的研究进展。梳理美国、欧盟、中国等在大数据安全方面的法律法规现状和国际标准化组织、美国、中国等大数据安全标准化研究现状。大数据在生命周期过程中需要大数据平台为其提供支撑，以实现大数据的收集、传输、存储和分析等功能。从大数据生命周期和大数据平台两个维度分析大数据面临的安全问题和关键技术研究现状。生命周期包括收集、存储、使用、分发和删除5个阶段。收集阶段的数据质量决定了数据价值，提升数据质量的技术手段主要有数据与模型不一致性的检测、数据清洗两类。大数据分发将处理后的大数据传递给外部实体，隐私保护或敏感信息保护至关重要，相关的关键技术有数据匿名化、支持隐私保护的数据检索和分析等。大数据的管理主要包含元数据管理、数据血缘管理等方面，可以为有效使用大数据和确保大数据安全提供支持。大数据平台安全主要解决大数据组件之间的身份认证、数据隔离、数据加密存储、大数据平台边界保护和审计，主要的关键技术有身份认证、访问控制、数据加密和审计等。目前，在国际上仍缺乏完善的大数据安全标准体系，在隐私保护、数据共享和数据跨境传输等方面缺乏标准的规范和指导。大数据分析技术仍处于快速发展阶段，很难预测今后的大数据关联分析对隐私保护和敏感信息保护带来的问题，因此，现有的数据脱敏技术和隐私保护技术有待进一步研究。数据同态加密实现了分析数据时不暴露数据隐私和敏感信息，现有的同态加密算法还远未成熟。现有的大数据平台的身份认证、数据加密、访问控制仍采用的传统技术，不能适应大数据面临的数据规模大、处理逻辑复杂、用户量大等新环境。一些大数据安全关键技术在性能和可用性方面还值得深入研究，以期可早日投入实际应用。另外，使用大数据处理技术研发安全态势感知、网络安全入侵检测、威胁情报分析等安全应用，利用大数据技术抵御针对大数据的攻击威胁也已成为大数据安全领域新的研究热趋势。大数据安全的发展需要法律法规、标准和关键技术的共同支撑和推动。  
        关键词：大数据;安全;身份认证;访问控制;隐私保护   
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        发布时间：2023-11-14

        信息工程

      • 吴启武,文闻
        2017, 49(5): 85-92. DOI: 10.15961/j.jsuese.201600615
        摘要：中文摘要: 针对分层PCE架构下多域光网络的特点及其密钥管理需求，提出一种新型的基于密钥超图和身份密码的密钥管理方案（简称为KMS-KI）。与基于逻辑密钥树的经典分散式密钥管理方案不同，该方案首先将多域光网络的密钥关系建模成两层密钥超图，即用点表示顶点，用超边描述各层级密钥关系，使网络的密钥层次关系能够更好地反映在密钥超图模型中；然后使用基于分层的身份密码系统和改进的私钥生成策略分别完成主密钥、公私钥、会话密钥、层组密钥、域间密钥的生成和动态管理，较好地解决了私钥的安全保护和私钥生成中心存在的单点失效问题。同时，通过融合成员特征值思想，当群组成员加入或离开时，剩余群组成员利用pPCE或者cPCE传递的密钥特征值自行计算和更新组密钥，大大降低了新的组密钥被敌手破获的风险。通过分析表明，KMS-KI方案具备前向安全性、后向安全性、私钥保密性和抗共谋攻击能力，与典型的基于逻辑密钥树的分散式方案相比，不但支持分层身份密码系统，且在密钥存储量、cPCE通信量和加解密次数等方面取得了综合较优的性能。  
        关键词：多域光网络;密钥管理;密钥超图;身份密码   
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      • 路永乐,余跃,龚爽,王艳,张欣,丁其星,刘宇
        2017, 49(5): 93-100. DOI: 10.15961/j.jsuese.201600965
        摘要：中文摘要: 针对基于惯性传感器的人体运动捕获系统存在陀螺漂移和噪声干扰等问题，提出一种多元传感器信息融合的自适应混合滤波融合算法。算法首先利用快速高斯牛顿法对加速度计和磁力计数据进行姿态信息迭代估算，用四元数将参考坐标系中的加速度和磁场强度分量转换到载体坐标中，将转换后的值与当前时刻测量值的差值代入高斯牛顿迭代算法中用于四元数的实时值估计，通过确定搜索步长的最优值来缩短迭代次数，提高算法收敛速度。设计自适应的互补滤波器将高斯牛顿法解算的姿态信息作为观测矢量对陀螺漂移进行补偿，分别使用高通滤波器和低通滤波器处理陀螺仪数据和高斯牛顿算法优化过后的加速度计、磁力计数据。在互补滤波器中引入重力矢量及地磁参考矢量自适应调节滤波器参数用于实时调整不同算法的权重大小，融合后输出最终的姿态信息，实现最优估计。进行实验对比分析本算法和其他算法融合效果，结果表明，本算法有效降低陀螺累积误差、线性加速度及磁场对解算精度的干扰，磁干扰状态下误差为0.94 °，自由运动状态下误差为1 °。对比扩展卡尔曼滤波融合算法，本文算法执行时间缩短25 %，有效提升了运动捕获系统的性能。  
        关键词：传感器;信息融合;高斯牛顿算法;互补滤波;人体运动捕获   
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      • 刘晨,池涛,李丙春,张宗虎
        2017, 49(5): 101-108. DOI: 10.15961/j.jsuese.201600500
        摘要：中文摘要: 局部二值拟合模型利用图像的局部邻域信息拟合能量函数，局部二值拟合模型相当于对活动轮廓内外进行局部均值滤波，因此该模型对高斯噪声有一定的抗噪性，但是该模型对椒盐噪声污染的图像不能取得令人满意的分割结果。为了提高活动轮廓模型对椒盐噪声的鲁棒性，结合局部二值拟合模型中的局部拟合项，提出一种能消除椒盐噪声影响的新的局部拟合项。提出的拟合项的能量函数极小值是局部区域的中值，新的拟合项相当于对活动轮廓内外进行局部中值滤波，中值滤波对椒盐噪声不敏感。原模型中边缘停止函数是基于图像梯度信息，难以区分图像不同区域间模糊的弱边缘和灰度渐进图像目标，并且容易受到各类噪声的影响，抗噪声能力弱。提出一种新的边缘检测算子，重新定义边缘停止函数，进一步提高模型的抗噪性，降低高斯噪声和椒盐噪声对分割结果的影响。为了保持活动轮廓在演化过程中的稳定性，在曲线演化迭代过程中必须周期地初始化以使水平集函数重新变成带符号的距离函数，但重新初始化的计算量大。引入一个惩罚能量，解决水平集函数在演化过程中的重新初始化难题。对不同噪声污染的图像进行试验的结果表明，提出的模型可以取得较好的图像分割结果，比CV模型、LBF模型和LIF模型更具有优势。  
        关键词：图像噪声;拟合项;边缘检测算子;重新初始化   
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        发布时间：2023-11-14
      • 刘凯,夏苗,杨晓梅
        2017, 49(5): 109-116. DOI: 10.15961/j.jsuese.201601149
        摘要：中文摘要: 凸包问题是计算几何的基本问题之一。为实时计算平面点集的凸包，近年来许多学者提出很多优秀的算法，但依然不能满足实际中的实时性需求。为此，本文提出一种简单但高效快速的凸包算法。由于凸包点必然位于平面点集边缘，本文算法能够快速地筛选出极少量的凸包点候选点集，这是本算法的核心优势。然后，使用本文另外提出的一种简单易于实现的改进的Graham扫描算法，或其他任何已有的凸包检测方法，即可快速而准确地计算出点集的凸包。经典的Graham扫描算法使用一个基点计算凸包，本文的改进算法则是根据凸包候选点的分布情况，将点集分成4个子块，也即使用4个基点分别在每块中进行凸包检测，最后将每个子块中的检测结果进行合并，得到最终的完整凸包。实验中，采用一组公开的动物骨骼点云数据作为一次测试集。在凸包计算完全正确的情况下，当点数约为3×105左右时，本算法的计算时间比其他算法减少2.22倍；当点数约为3×106时，本算法的计算时间比其他方法减少5.42倍。点数越多，所提出算法就表现出越明显的优势。  
        关键词：凸包;预处理算法;改进的Graham扫描算法;平面点集   
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      • 郭勇,何锫,张国锋,郭顺超,司永洁
        2017, 49(5): 117-126. DOI: 10.15961/j.jsuese.201601393
        摘要：中文摘要: 基因表达式编程（gene expression programming，GEP）解空间模型理论对算法性能的改进有现实指导意义。公开文献对GEP解空间模型的研究较少，鲜见针对GEP表现型的理论研究。基于此，提出一种基于表现型的GEP解空间模型。首先，通过定义GEP染色体表现型高度，给出单基因染色体和多基因染色体表现型高度确定上界的定理及证明，利用GEP算法自身函数发现的能力，探索出操作符集最小目数为1或2的GEP染色体表现型高度上界计算的通项公式，以保证GEP表现型解空间模型的确定有界性与可计算性。其次，以GEP表现型高度的确定上界定理为基础，构建基于表现型的GEP解空间模型，总结GEP表现型解空间模型的性质和定理。通过进一步定义GEP表现型的完全解空间概念，对最优解在GEP表现型解空间和完全解空间中的分布特征进行探索研究，获知在完全解空间中最优解随子空间序号的增长呈大比例增加的分布特征。基于表现型空间模型知识，提出限制GEP种群搜索空间的基本思想与控制策略，利用模型知识合理地解释公开文献中多种GEP改进算法的有效性。  
        关键词：基因表达式编程;表现型;符号回归;空间模型   
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      • 王友卫,朱建明,凤丽洲
        2017, 49(5): 127-134. DOI: 10.15961/j.jsuese.201600671
        摘要：中文摘要: 针对传统果蝇算法面临的收敛稳定性差、难以协调全局搜索及局部搜索能力等缺点，提出一种基于群密度的改进果蝇优化算法。首先，借鉴现有算法的优势，将果蝇种群分为搜索果蝇和跟随果蝇，并分别使用两类果蝇进行全局化搜索与局部精细化搜索。然后，为提高算法全局搜索的稳定性，在每次迭代过程中使用基于最优区间回避的分区采样策略更新搜索果蝇的位置；该策略在每次迭代过程中获得表现最优的若干只果蝇以构造最优果蝇组，根据最优果蝇组中果蝇个体在每个维度上的取值范围确定最优区间，并通过对最优区间外的其他区间分区采样以确定搜索果蝇的新位置。最后，为协调算法的全局搜索能力与局部搜索能力，引入群密度的概念，通过计算果蝇群密度并结合相关阈值实现不同种群规模的动态调整。针对典型测试函数的实验结果表明，基于最优区间回避的分区采样策略相对于传统随机函数具有更强的全局优化性能。与传统优化算法相比，本文算法在保证收敛速度的同时获得了较高的寻优精度及稳定性，在综合性能上得到明显提升。在KDDcup99数据集上的异常检测仿真实验结果表明，本文基于分区采样及群密度的果蝇优化算法能有效避免局部最优，在获取异常检测分类器的重要参数最佳取值方面起到一定作用。  
        关键词：果蝇算法;收敛稳定性;全局搜索;局部搜索;异常检测   
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      • 2017, 49(5): 135-142. DOI: 10.15961/j.jsuese.201700066
        摘要：中文摘要: 磁盘阵列存储可采用阵列码技术提高系统的容错能力。随着对阵列存储系统的深入认识，阵列码的更新效率也逐步成为一项重要的性能指标。针对当前可容3错横式阵列码更新效率低的问题，提出了一种具有低密度特性的横式阵列码构造方法，称为逆码。不同于传统阵列码是利用特殊几何方法确定编码过程，逆码是从生成矩阵角度出发，通过构造编码分布矩阵确定编码过程。首先，基于域GF(2w)给出了一种具有超正规性质但只有3行元素的矩阵结构，称为逆结构矩阵；然后，利用w×w大小的比特方阵表示域GF(2w)中元素；最后，通过提出的优化算法得到具有低密度性质的编码分布矩阵，进而确定逆码的编码过程。理论分析表明：逆码满足最大距离可分性质，可取得最优的存储效率；与STAR码、RTP码等容3错的阵列码相比，逆码的参数取值范围将不受素数的限制，参数设置更加连续。实验分析表明：相比于同样从生成矩阵确定编码过程的CRS码，逆码的稀疏度、更新效率以及编译码效率均有明显优势；相比于STAR码、RTP码，逆码的更新效率平均可提高20 %；为了提高逆码的译码效率，文中也尝试了不同的异或序列技术。  
        关键词：磁盘阵列;横式阵列码;容3错;低密度;更新效率   
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      • 肖振华,梁意文,谭成予,刘维炜,周雯
        2017, 49(5): 143-148. DOI: 10.15961/j.jsuese.201601213
        摘要：中文摘要: 针对现有水下接驳盒故障检测中存在仅通过特定的观测指标来判断系统故障，且观测指标的选取以及故障阈值的设定主要依赖人工经验的问题，本文借鉴机体免疫防御机制，提出了一种基于危险感知的水下接驳盒故障检测方法。借鉴机体免疫中的危险理论，在原DCA算法（dendritic cell algorithm）的基础之上，保留DCA算法的信号转换机制，对它的输入信号定义和异常评价方法进行改进以适合水下接驳盒工作环境，实现故障的在线检测。首先，依据变化是系统危险发生的征兆和外在表现的思想，提出了一种基于系统特征变化的危险信号提取方法，以提高DCA输入信号分类的自适应性。其次，针对原DCA算法只对数据项进行异常评价，无法检测系统级故障，提出采用成熟DC的浓度作为系统故障的评价指标。最后，采用水下接驳盒的真实数据进行模拟实验，并与PCA主元分析方法进行性能对比。实验结果显示本文方法不仅能有效检测出渐变故障，且比PCA方法具有更高的准确率，并能更早的发现故障。因此，本文提出的方法在水下接驳盒的故障检测中具有可行性。  
        关键词：人工免疫系统;树突状细胞;危险理论;接驳盒;故障检测   
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      • 肖沈阳,金志刚,苏毅珊,张子洋
        2017, 49(5): 149-155. DOI: 10.15961/j.jsuese.201601000
        摘要：中文摘要: 无线多径信道多呈现稀疏特性，即信道时延扩展大，但是路径的个数少，利用信道先验稀疏信息的稀疏信道估计方法可以提高稀疏信道的估计准确性。针对贪婪算法选择字典原子在残余误差最小意义下的非最优性，及广义正交匹配追踪算法gOMP利用含噪信号估计稀疏信道过程中过多的选择字典原子导致gOMP算法重建性能下降的问题，提出优化的广义正交匹配追踪算法（optimized generalized orthogonal matching pursuit，OgOMP）。在OgOMP算法原子选择阶段，采用使残余误差最小化的原子选择标准代替残差与字典内积绝对值最大化的原子选择标准以选择原子。为删除多余的误选原子，添加原子精炼步骤对每一步迭代后选择的字典原子进行二次选择，选择对应最大信道衰落系数的原子，选择的原子数与信道稀疏度相同，删除错选原子以保证重建信号与原始信号的稀疏性一致。本文仿真对比了gOMP和OgOMP算法的信道估计均方误差、误码率、残差收敛速度以及不同导频数、不同原子选择数对算法的影响。仿真结果表明：相同的误码率下，OgOMP算法比gOMP算法在估计稀疏信道时最大可以节省4 dB的信噪比，信噪比为20 dB时均方误差最大可以减小5 dB；两种算法的残差收敛速度均优于MP算法；导频数的增加可以减小两种算法的信道估计均方误差，相同信道估计性能下OgOMP算法具有更小的导频开销；每步迭代选择的原子数目不同时，相比于gOMP算法，OgOMP算法性能基本不变，具有更好的稳定性，仿真结果验证了改进算法的有效性。  
        关键词：信道估计;压缩感知;广义正交匹配追踪;OFDM   
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        发布时间：2023-11-14
      • 吴晨曦,张旻,王可人
        2017, 49(5): 156-163. DOI: 10.15961/j.jsuese.201601176
        摘要：中文摘要: 为了解决现有基于互质阵列的DOA估计方法舍弃差联合阵列中非均匀虚拟阵元而导致最大可估计信号数损失的问题，提出了一种基于矩阵填充的DOA估计方法。首先，根据差联合阵列与波程差一一对应的特性，构造一个部分元素缺失的Toeplitz化的阵列协方差矩阵，建立了基于矩阵填充的DOA估计模型，并验证了该模型满足零空间性质；然后，根据低秩矩阵填充理论，将DOA估计问题转化为矩阵核范数最小化问题进行求解，通过不定点延续算法将该协方差矩阵中的零元素进行填充恢复为完整协方差矩阵；最后，对协方差矩阵进行奇异值分解，转化为多项式求根，得到DOA的估计。仿真实验结果验证了本文方法的有效性和优越性。实验结果表明，本文方法能够对差联合阵列中的空洞部分进行有效填充，增加了可利用的阵列自由度，提高了可估计信号数，同时能够有效避免传统稀疏重构算法中由于角度域离散化导致的基不匹配问题对估计性能的影响，提高了估计精度和分辨力。  
        关键词：阵列信号处理;欠定DOA估计;互质阵列;矩阵填充;核范数   
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        发布时间：2023-11-14

        电气工程

      • 佃松宜,李银锋,蒲明,陈琳,何泉林
        2017, 49(5): 164-170. DOI: 10.15961/j.jsuese.201601152
        摘要：中文摘要: 针对以熔化极气体保护焊（gas metal arc welding，GMAW）为代表的一类非匹配不确定纯反馈非线性系统的输出问题，提出一种基于变幂次趋近律的滑模控制方法。首先，采用滑模微分器得到含系统非匹配不确定性干扰的输出一阶导数。得益于终端滑模有限时间稳定的性能，该方法具有估计精度高、估计误差收敛速度快的优点。然后，提出一种新型的变幂次趋近律，并证明在相同增益下，其趋近速度均快于现有各种趋近律，且具有自适应调节趋近速度的能力，既保证了在全局范围内系统轨迹有限时间趋近滑模面，又避免了在滑模面附近出现抖振。最后，采用变幂次趋近律滑模变结构控制方法和传统趋近律滑模变结构控制方法分别对带有非匹配干扰的GMAW中的弧长进行控制仿真，并对比弧长跟踪效果，分析稳态误差。结果表明，变幂次趋近律滑模变结构方法能够有效的提高系统收敛的快速性，滑模控制方法对于非匹配不确定非线性系具有强鲁棒性。  
        关键词：非匹配;不确定;纯反馈;滑模   
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        发布时间：2023-11-14

        化学工程与材料工程

      • 鲍静静,许家菱,唐继国,谢果,刘洪涛,孙立成,杨宏旻
        2017, 49(5): 171-177. DOI: 10.15961/j.jsuese.201700305
        摘要：中文摘要: 针对燃煤烟气中细颗粒物粒径过小不易被传统除尘设备捕集的问题，提出利用水汽相变技术以提高湿法烟气脱硫（WFGD）系统中细颗粒物的脱除效率。首先对燃煤飞灰及无机盐气溶胶颗粒物在过饱和水汽环境下异质核化凝结长大特性进行了数值预测，计算结果显示，烟气温度约为323 K条件下，水蒸汽在细颗粒物表面异相凝结可使其粒径在极短时间内增大几十到几百倍，并且较高的水汽过饱和度和较大的细颗粒物初始粒径有利于细颗粒物异质核化凝结长大。为验证数值计算结果并考察水汽相变促进细颗粒物凝结长大并脱除的实际效果，基于湿法烟气脱硫系统利用PDA和ELPI两种测试仪器，对燃煤细颗粒物及无机盐气溶胶颗粒在过饱和水汽环境下核化凝结长大特性及脱除性能进行实验研究，脱硫后净烟气温度约为40～50 ℃。结果表明，燃煤飞灰和无机盐气溶胶颗粒粒径均可在极短时间内增大3～5倍，由亚微米级颗粒长大成微米级的含尘液滴，其中亲水性的无机盐气溶胶颗粒更易潮解逐渐形成溶液滴，在饱和度接近1时就能凝结长大；长大后的含尘液滴可被丝网除雾器有效捕集，因此水汽相变结合丝网除雾器可有效促进细颗粒物凝结长大并脱除，使细颗粒物数量浓度由9.5×106/cm3显著降至5×106/cm3左右，质量浓度也可由80 mg/m3明显降至20 mg/m3左右，相应的脱除效率分别高达50 %和75 %。  
        关键词：燃煤飞灰;无机盐;细颗粒物;核化;凝结长大;水汽相变   
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        发布时间：2023-11-14

        机械工程

      • 闻德生,商旭东,吕世君,石滋洲,潘为圆,王雷
        2017, 49(5): 178-184. DOI: 10.15961/j.jsuese.201700267
        摘要：中文摘要: 随着液压技术的不断发展，液压传动在各行业得到了广泛应用，同时也对液压马达输出转矩脉动特性提出了更高的要求。目前广泛使用的液压马达均是一个转子对应一个定子，无法实现液压马达的差动连接来满足复杂工况的需求。双定子液压马达因其特殊的结构形式，可在一个壳体内形成内外两组液压马达，可实现液压马达的差动连接。作者基于双定子液压马达结构形式及其差动连接原理，分析得到双定子液压马达差动连接时内、外马达之间的具体关系，即双定子液压马达差动连接时内马达由外马达驱动旋转，实现了泵的工作原理，并将其排出的油液输入到外马达中。在此基础上，深入分析了内、外马达的理论流量和理论转矩，并通过分析内、外马达的瞬时流量，得出马达瞬时转矩的变化情况，进而利用波动系数分析出在内马达输出脉动油液影响的前提下，双定子液压马达输出转矩波动性的一般规律，利用Matlab软件仿真得出不同滞后角φ0所对应的双定子液压马达差动连接时输出转矩曲线。并搭建了双定子液压马达差动连接试验平台进行试验。结果表明：滞后角对双定子液压马达差动连接时输出的转矩脉动具有很大影响，可以通过合理调整滞后角使双定子液压马达差动连接时输出的转矩更平稳。研究结果可为双定子液压马达差动连接的设计与应用提供参考。  
        关键词：双定子液压马达;差动连接;转矩脉动;流量脉动;滞后角   
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      • 李冲,邢继春,许立忠
        2017, 49(5): 185-190. DOI: 10.15961/j.jsuese.201700225
        摘要：中文摘要: 随着科技的迅速发展，传统机械传动已无法满足工程实际需求，机电集成压电活齿传动是一种集压电驱动、活齿传动和谐波传动于一体的新型复合传动，该传动具有大传动比、低速、大转矩等优点，在航空航天、微型机器人、精密定位等高端技术领域具有及其重要的应用前景。在分析压电活齿传动系统工作原理的基础上，由压电材料的非线性输出特性和活齿传动静力学关系，推导出压电活齿传动系统各构件的受力方程。根据力和转矩的关系，得出传动系统输出转矩方程。运用机械优化设计理论和方法，分别确定输出转矩优化系统的设计变量、目标函数和设计约束，并建立压电活齿传动系统的输出转矩优化数学模型。通过数值算法给出传动系统输出转矩随激励电压和活齿架转角的变化规律，利用Matlab软件求解输出转矩优化结果，并对比优化前后参数的变化及转矩随参数的变化的规律。结果表明：传动系统输出转矩随激励电压成正比例变化，随活齿架转角以π/435为周期发生周期性变化；优化后传动系统的最大输出转矩为0.91 Nm，比初始设计转矩提高了111.63 %；设计变量中波发生器偏移量在优化前后的改变量最大。可见，输出转矩优化使得压电活齿传动系统的承载能力得以提升。研究结果为压电活齿传动系统结构的改进和性能提升奠定理论基础。  
        关键词：压电驱动;活齿传动;输出转矩;优化;参数影响   
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        发布时间：2023-11-14
      • 王伟,张敏,梅雄,崔海龙
        2017, 49(5): 191-198. DOI: 10.15961/j.jsuese.201700242
        摘要：中文摘要: 为了有效解决多孔质空气静压主轴回转误差在理论上无法定量精确求解的难题，提出了一种基于计算流体力学和动态网格技术的回转精度预测方法。首先根据实验测量数据分析规律采用频率和幅值相结合的方式对主轴转子的圆度误差进行几何建模，建立了不同波形、不同幅值下的几何模型。然后在FLUENT平台下利用动态网格技术，并采用瞬态分析方法同时求解N-S方程和牛顿运动定律，研究了不同波形、不同幅值下转子的X/Y向受力、速度分布、压力分布、位移轨迹的变化规律，实现圆度误差对回转误差的影响规律研究。仿真结果表明：圆度误差是影响多孔质空气静压主轴回转误差的主要因素，回转误差随着误差幅值的增加而显著恶化，偶波造成的回转误差明显低于奇波误差，随波数的增加，回转误差降低。最后搭建高精度回转误差测量实验平台，对自行研制的多孔质空气静压主轴回转误差进行测量，测得回转误差为50 nm（其中包含垂直度、圆柱度、圆度等引起的回转误差），计算求得的圆度误差为23 nm占回转误差的46 %，得出圆度误差是影响主轴回转精度的主要因素，也验证了所采用的回转误差分析方法的有效性和准确性。  
        关键词：多孔质;空气静压轴承;圆度误差;回转精度   
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        发布时间：2023-11-14
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