最新刊期
      2018 年 第 50 卷 4 期

        聚焦国家重点研发计划

      • 李涛,杨进
        2018, 50(4): 1-9. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800663
        摘要：网络空间数字虚拟资产已成为重要的社会财富。然而，国内外对于数字虚拟资产保护方面的研究均尚处于探索阶段，系统性的基础理论研究亟待解决，特别是基础数学模型、安全管理和交易、安全威胁管控机制等方面的系统性研究，成为国内外网络空间数字虚拟资产保护研究的趋势和热点。为有效应对数字虚拟资产保护方面的严峻挑战，本研究针对虚拟货币、数字版权、网络游戏等网络空间数字虚拟资产的安全问题，研究数字虚拟资产保护基础理论体系，包括数字虚拟资产的数学模型、安全管理、威胁感知和风险控制等，以此奠定网络空间数字虚拟资产保护的基础理论和方法。本研究围绕网络空间数字虚拟资产保护3个关键科学问题：数字虚拟资产数学表征问题、数字虚拟资产应用安全可控问题，以及数字虚拟资产威胁管控问题，分别开展1个基础数学模型、3项关键技术，以及1套原型系统的研究，简述为“1－3－1”方案。通过数字虚拟资产基础数学模型、数字虚拟资产安全管理和交易技术、数字虚拟资产安全威胁感知方法、数字虚拟资产动态风险控制机制等研究，奠定数字虚拟资产保护的基础理论和方法；最后，通过构造一个数字虚拟资产安全管理与交易原型系统，对本研究的成果进行实验验证，确保其成果的正确性和可靠性。通过上述“1－3－1”研究方案实现以下5个方面创新：一是，基于代数理论、统计分析、不可区分混淆、信息隐藏、全同态加密、格理论签名等的数字虚拟资产基础数学模型；二是，基于新型区块链、工作量证明和群体智能的数字虚拟资产安全管理和交易方法；三是，基于免疫的数字虚拟资产安全威胁自适应发现方法；四是，基于人体体温风险预警机制的数字虚拟资产安全威胁变化实时定量计算方法；五是，基于网络环境威胁变化的数字虚拟资产动态风险控制方法。最终，构建了网络空间数字虚拟资产保护理论研究体系，解决了数字虚拟资产的数学表征、数字虚拟资产应用安全可控、数字虚拟资产威胁管控等技术难题。本研究对网络空间数字虚拟资产保护等具有重要的理论意义和广阔的应用前景。研究成果对于保卫国家网络空间安全，发展自主知识产权和自控权的网络空间数字虚拟资产保护技术，打破国外对中国的技术封锁和垄断等方面具有十分重大的意义。  
        关键词：网络空间安全;数字虚拟资产;虚拟资产保护;电子货币;加密货币;人工免疫   
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        发布时间：2024-04-08

        科学前沿

      • 杨红雨,杨波,武喜萍,余静
        2018, 50(4): 12-21. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800688
        摘要：航空运输业在世界经济和社会发展中发挥着重要的推动作用。国际民用航空组织统计显示全球空中交通量大约每15年增加一倍，因此，现有空中交通航行系统的运行能力已经接近饱和。现有的空管自动化系统能自动获取和处理空管信息，经过监视数据融合、飞行数据处理、气象及航行情报处理、告警处理等形成空管综合态势，以供管制员指挥使用，但其仅具备有限的决策支持能力，空管智能化程度较低，不能较好地适应未来空管发展的需要。为了适应未来航空业的快速发展，解决空中交通安全、空域拥挤、航班延误等问题，各国致力于开展解决未来空中交通问题的新技术研究。欧盟在2004年提出“单一欧洲天空空中交通管理研究”，拟重新规划欧洲空域以满足空中交通需求，提高空管系统效能，该研究的关键技术涵盖空中交通管理的4个关键领域：高效的机场运行、高级空中交通服务、优化的空中交通网络服务和可靠的空管基础设施。美国在2005年提出了“下一代航空运输系统”，其核心技术包括广播式自动相关监视、数据通信、航路自动化系统现代化、终端自动化系统现代化更新、NAS语音系统和系统广域信息管理。 2012年，ICAO推出了航空系统组块升级（ASBU）计划，以运行改进为核心，以现有空管技术和新技术应用为手段，提出了机场运行、全球互用的系统和数据、最佳容量和灵活飞行、高效的飞行轨迹4个性能提升领域，每个领域由多条提升路径组成，并根据实现阶段分布在4个组块中，构成52个模块。中国民航也正在实施或规划大量ASBU中的内容以应对中国航空的快速发展。但是，现有空管系统及其未来规划重点在基础设施建设，未涉及太多智能化应用。近年来，在深度学习、高性能计算和大数据的支撑下，人工智能技术在各行业得到快速应用，计算机视觉、语音识别、自然语言处理等技术取得突破性进展并迅速产业化。人工智能技术可以促进空管一些关键技术的发展，提升安全水平，提高管制工作效率，降低管制员工作负荷。以深度学习为代表的人工智能强调在大量先验知识的基础上做出判断和决策，与空中交通管理运行决策过程相契合，人工智能的快速发展产生的巨大效益使智能化空管成为一种必然。因此，在空管技术及人工智能技术基础上，作者提出智能化空管的概念，设计了智能化空管系统总体框架。智能化空管系统总体框架包括感知层、网络层、平台层、应用层和可视化层。感知层的各类通信、导航、监视、气象、无线、图像采集、射频识别等设施设备为空管运行提供基础设施保障。网络层采用专线网络、卫星通信网、新兴的互联网、移动网络等传输信息。智能化空管平台层采用广域信息管理，云计算、智能化大数据挖掘等技术实现信息存储、共享、挖掘等。应用层研究人工智能化技术在管制指挥、空域管理、空中交通流量管理、飞行服务、通航、无人机空管保障中的应用。可视化层通过空管门户、虚拟化可视、空管智能化UI、移动空管应用等方式提供高效快捷的智能化交互。围绕智能化空管概念和总体框架，需要重点研究智能化空管数据处理、智能化辅助决策、空管语音识别和空管指挥机器人等关键技术。智能化空管数据处理研究各类空管数据的获取、处理、传输、交互、智能化挖掘等技术；智能化辅助决策研究智能化冲突管理、智能化空中交通流量管理、智能化规划管理、智能化进离场排序、智能化机场运行等智能化空管应用；针对地空通话在空中交通管制中的重要作用，研究空管语音识别在自动应答机长、空管指挥安全监控中的应用；利用人工智能技术使机器具备空管的感知、规划、推理、行动等能力进行空中交通管理。智能化空管系统总体框架和关键技术为智能化空管系统开发提供理论基础与技术支撑。  
        关键词：空中交通管理;人工智能;深度学习;强化学习;空管机器人   
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        发布时间：2024-04-08

        深部岩体力学与开采理论

      • 吴世勇,周济芳,杜成波
        2018, 50(4): 22-29. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800116
        摘要：深埋隧洞强岩爆灾害是制约工程开挖施工安全和高效实施的难题，科学爆破开挖设计已成为有效控制强岩爆灾害的重要技术手段。针对锦屏二级引水隧洞工程随隧洞埋深增加、地应力增大所频现的强岩爆灾害的防控问题，对爆破卸压方法的强岩爆防治效果开展了数值仿真设计与现场试验研究。围岩内双排倾斜辐射孔和掌子面垂直超前孔两种爆破卸压方法的数值论证结果表明：前者可在左侧边墙爆破孔及拱顶中部附近、右侧拱腰下部和拱肩爆破孔附近形成了应力松弛区，应力集中部位从轮廓线附近转移到距轮廓线约5.0 m的围岩深部，后者通过爆破卸压作用在掌子面前方产生一定延伸范围的松弛区，可有效释放掌子面处的集中应力。进一步基于拉森斯岩爆判别法对比两方案的岩爆防治效果表明原来可能发生强烈岩爆的部位，采用爆破卸压释放应力后岩爆烈度等级均降低为弱岩爆，掌子面发生岩爆的可能性也显著降低。现场试验验证研究进一步论证了基于爆破卸压理论的快速应力释放方法来防治岩爆的可行性和有效性，并深入分析了两种爆破卸压方案对强岩爆防治的优势。综合研究成果并结合现场实际应用情况，提出了锦屏二级引水隧洞工程岩爆防治的综合措施，为强岩爆环境下爆破开挖设计和施工提供方法与理论支撑。  
        关键词：爆破卸压;深埋隧洞;快速应力释放;强岩爆防治;数值仿真;现场试验   
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      • 任利,吴世勇,周济芳,艾婷,刘洋,张茹,张朝鹏
        2018, 50(4): 41-47. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800179
        摘要：岩石复合断裂机理一直是岩石力学领域的研究热点。首先，利用新提出的单边切槽深梁（NDB）试样开展从纯Ⅰ型到纯Ⅱ型全复合度加载下的砂岩复合断裂试验，获得了系列载荷复合度下的砂岩复合断裂强度及砂岩断面。其次，研究砂岩复合断裂强度与随载荷复合度的变化行为，讨论了岩石复合断裂强度特征，并使用最常用的最大切应力（MTS）准则、最小应变能密度因子（MSED）准则、最大能量释放率（MERR）准则和改进的R（IR）准则预测了砂岩复合断裂强度。最后，使用激光扫描仪获得砂岩复合断面并进行断面重构，利用分形理论定量刻画岩石复合断裂面的粗糙度，研究岩石在复合载荷作用下的内在破裂机制。结果表明：砂岩等效断裂韧度随载荷复合度的增加逐步减小，IR准则与MERR准则可很好地预测砂岩复合断裂强度，MTS和MSED准则严重高估了Ⅱ型为主的砂岩复合断裂强度；砂岩断面不同复合载荷作用下的砂岩断面分统计特征具有统计意义上的相似性，一定程度上预示着不同复合载荷作用下的砂岩试件具有相似的内在破裂机制；考虑到脆性材料的强度特点，结合复合载荷作用下裂缝扩展行为，可确定拉剪复合载荷加载下岩石内在断裂机制的确为拉破坏。  
        关键词：复合断裂;断裂强度;断裂韧度;粗糙面;分形维数   
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        发布时间：2024-01-10
      • 陈菲,陈滔,邓建辉,余建
        2018, 50(4): 48-54. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800113
        摘要：钻爆法是大型地下工程的主要开挖施工方法。对洞室围岩而言，除受地应力作用外（静载），还经常受到爆破等扰动荷载的作用。地应力与爆破扰动的耦合作用在深部高地应力条件下表现更为显著。因此，研究动静组合荷载作用下岩石的力学行为，特别是断裂特征，可为预测和控制深部岩石工程特有的问题提供理论基础。作者采用人字形切槽巴西圆盘（cracked chevron notched brazilian disc，CCNBD）试样，在MTS815 Flex Test GT 岩石力学试验机上进行组合加载试验，研究花岗岩在预静载和周期扰动荷载组合作用下的断裂韧度与破坏特征。在获得静态断裂韧度的基础上，分别设定预静载为静态强度的50%、85%和90%，再分别施加50%、15%和10%的扰动荷载，获得组合加载条件下断裂韧度和声发射信号，分析Falicity比和声发射b值。结果表明：1）组合荷载作用下试样的裂纹张开位移（crack open displacement，COD）比静态加载时大，但随着预静载的增大而减小。2）花岗岩CCNBD试样的塑性变形比、修正断裂韧度均随预静载的增大而增大。3）预静载较低时，对试样承受扰动荷载能力的影响较小；预静载比达到90%后，试样对扰动荷载很敏感，且随着扰动荷载的施加，试样发生渐进破坏。  
        关键词：组合荷载;花岗岩;断裂韧度;Felicity比;声发射b值   
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      • 李祥春,张良,赵艺良
        2018, 50(4): 55-62. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800099
        摘要：在瓦斯抽采、煤层气开采及煤与瓦斯突出过程中，煤岩蠕变引起岩体变形会对瓦斯渗流产生影响。为研究含瓦斯煤蠕变–渗流的演化规律，得到蠕变–渗流的耦合关系，作者进行了不同瓦斯压力下分级加载轴压时煤体常规三轴蠕变–渗流试验。试验结果发现：轴向应变呈梯度增大，直至煤样破坏；期间，煤体内部瓦斯渗透率呈先减小后增大的趋势。这表明煤样蠕变过程中煤体内部孔隙或微裂隙发生了两次变化：前期蠕变过程中，孔隙或微裂隙压密，瓦斯流通受阻渗透率减小；当应变超过一定阈值时，煤体骨架发生变化，孔隙或微裂隙出现增生或扩展，瓦斯通道贯通渗透率增大。此外，由试验结果可知，煤岩发生失稳破坏时，必须具备应力超过长期强度、应变超过应变阈值两个条件。这一结论为煤岩失稳破坏提供了一条新的思路。进而，为进一步研究蠕变变形和渗透率的关系，基于Kozeny-Carman公式进行合理地假设及推导，得到应变与渗透率的数学关系式。最后，利用蠕变–渗流试验数据验证时，发现应变–渗透率公式能很好地反映蠕变–渗流过程中的耦合规律。结论能为应力场–裂隙场–渗流场耦合研究提供一定的参考价值。  
        关键词：含瓦斯煤;蠕变–渗流耦合;应变阈值;应变–渗透率公式   
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        发布时间：2024-01-10

        深部岩体力学与开发理论

      • 薛东杰,周宏伟,邓淋升,周杰
        2018, 50(4): 30-40. DOI: 10.15961/j.jsuese.201800104
        摘要：煤岩等多孔介质中毛细管气液两相流规律是解决渗透率理论表达的认识基础，也是揭示低渗机制必经路径。基于微纳米尺度上的毛细管分形结构，具体为纵向上建立分形迂曲度模型与横向上建立分形截面模型，定量解析低渗煤岩孔隙结构。分析了基于Hagen–Poiseuille方程与毛管压力公式的迂曲度定义差异，后者结合压汞实验更适用于微米尺度以下孔道渗流描述。基于分形标度关系，分析了长径比、迂曲度分维对分形影响系数的影响。开展了煤岩压汞试验，计算得到平均迂曲度与分维，并定义二者乘积为迂曲度系数。基于Carman–Kozeny方程推导了毛细管截面分形结构方程，包括周长分维与面积分维理论表达式。建立了气液两相驱替模型，基于Washburn运动方程，推导了界面位置与速度的分形运动方程。基于Nano–CT重构了低渗煤岩纳米-微米孔隙结构，获得了孔径与孔隙体积分布，结合分形模型计算了面积分维与周长分维。最后基于NMR实验开展了两相N2–H2O驱替实验，获得了实验驱替下界面运动距离与速度分布。结果表明：毛细管分形结构可作为解释低渗机制的几何桥梁。迂曲度系数可全面反映迂曲度与迂曲分维的影响，近似与渗透率呈线性关系。验证了分形截面模型的可靠性，指出煤岩低渗机制尚应考虑分形截面粗糙度系数的影响。通过驱水信号分布证实了分形运动方程的有效性。  
        关键词：低渗;分形结构;分形迂曲度模型;分形截面模型;分形运动方程   
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        发布时间：2024-01-10

        水利与土木工程

      • 苟思,刘超,贺宇欣,刘挺,李丹利,庄文化,刘铁刚
        2018, 50(4): 63-70. DOI: 10.15961/j.jsuese.201700957
        摘要：植物水分来源会随季节变化。在旱季表层土壤水分不充裕时，植物会逐步使用深层土壤水或地下水，而当雨季表层土壤水分充足时，植物主要使用表层土壤水。然而当前的水文模型、陆面模式和气象模型很少考虑这一现象。本文对分布式陆面-水文模型ParFlow.CLM进行改进，引入以能量差为驱动的根系吸水计算方法，分析植物水分来源季节性变化对区域蒸散发模拟的影响。改进后的模型能够较好地模拟区域蒸散量和土壤水动态，并能较好地再现植物对地下水的使用情况。改进模型结果显示，植物使用地下水的时间主要集中在旱季，植物对地下水的使用是植物应对干旱的重要策略之一。对比美国加利福利亚州Tonzi实验站干旱年2008和平水年2009的结果，2008年植物使用地下水时间比2009年长53 d，用量高36%。改进模型和原模型结果对比显示：当蒸散发主要受到能量限制时，两个模型的模拟结果较为一致；但当蒸散发主要受到水量限制时，两个模型在蒸散发和深层土壤水的模拟结果上有显著差异。改进模型考虑了植物水分来源季节性变化对区域蒸散发模拟的影响，并能模拟地下水位降低对植物用水的影响。结果表明：改进模型中植物腾发量比原模型结果高71 mm/a，占全年总腾发量的43%。若忽略植物水分来源的季节性变化，会对区域蒸散量和深层土壤水的模拟产生巨大影响，且这种影响在旱季或干旱半干旱地区更为明显。  
        关键词：蒸散发;植物水分来源;根系吸水;分布式陆面-水文模型   
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      • 张晓雷,夏军强,果鹏,陈倩
        2018, 50(4): 71-81. DOI: 10.15961/j.jsuese.201700844
        摘要：黄河下游滩区既是当地群众赖以生存的场所，同时也兼具蓄洪、滞洪及沉沙的功能。滩区居民为保障农业生产和村庄安全，在主槽两侧修建生产堤来抵御中小洪水。然而当遭遇大洪水致使生产堤溃决时，溃堤洪水仍将给滩区群众生命和财产安全造成巨大威胁。作者基于在大型水槽中所进行的溃堤洪水概化模型试验，首先分析了溃堤后滩槽内的水位变化特性及滩区内洪水波的传播过程；然后建立了相应的2维数学模型，并对数学模型进行了验证，结果表明数值模拟与模型试验结果吻合较好；最后利用验证后的模型进一步模拟了滩区不同糙率取值条件下溃堤洪水的演进过程，探讨了滩区不同糙率取值对溃堤洪水的水位、流速等水力要素及波前在滩区内传播时间的影响。成果分析表明：1）生产堤溃决后主槽内水位具有先下降，后稳定，再升高，再稳定的变化特征；滩区内水位呈持续升高，最终趋向稳定的趋势；滩区各测点流速则先增大后减小；进滩流量先减小，后稳定，再减小，最后趋向为零；2）滩区不同糙率取值对进滩流量及洪水演进流路无明显影响，但对溃堤洪水波前到达时间影响较大，波前到达时间随着滩区糙率取值的增大而逐渐增大，随着洪水量级的增大而逐渐减小；滩区各特征测点最大流速随着糙率的增大而减小。研究成果不仅可以深化对溃堤洪水演进规律的认识，还可为后续的溃堤洪水模型试验研究提供借鉴和参考。  
        关键词：溃堤洪水;模型试验;数值模拟;洪水演进;滩区糙率   
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      • 李登松,杨庆,范鹏源,昌子多,戴光清
        2018, 50(4): 82-88. DOI: 10.15961/j.jsuese.201700586
        摘要：针对在高弗劳德Fr、大流速的来流下，曲线型光滑溢洪道的凹岸水位严重超高，凸岸出现底板露底，进入消力池的水流流态恶劣等不良水力现象，提出一种曲线型局部超高阶梯溢洪道。该溢洪道内布置多级阶梯，每级阶梯的凹岸和凸岸底部高程不同，且凹岸高于凸岸。利用水工模型试验和3维数值模拟方法详细研究水力特性。试验依托于某水库的岸边溢洪道工程，数值模型基于RNG “$k - \varepsilon $”紊流模型和VOF法。与试验测量的阶梯溢洪道沿程流速、水面线分布等数据比较表明，数值模型的可靠性和准确度满足工程计算要求。通过试验分析光滑和阶梯溢洪道内的水流流态，验证了该溢洪道在工程中应用的可行性。从3个特征横断面水面线、流速分布，以及第Ⅱ特征断面所处的阶梯平台、凹凸岸边墙和中轴线沿程流速矢量、压力分布结果可以看出，横断面的流速、水深分布趋于均匀，凸岸底板的露底现象消失，岸边的折冲水流被极大削减；负压区出现在凹岸边墙、竖立面和阶梯平台形成的3维区域内，范围较小；阶梯平台上存在横向水流，与主流共同形成3维消能区，明显加强沿程水流能量耗散，入池流速得到减缓，平稳下泄进入消力池。在曲线型溢洪道内布置局部超高阶梯能成功解决大流速、高弗劳德数急流条件下出现的恶劣流态，增加能量损失，但需要结合前置掺气坎解决空蚀空化问题。  
        关键词：高弗劳德数Fr;大流速;曲线型溢洪道;局部超高阶梯;水力特性   
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      • 路信,黄尔,王森,赵新益,官夏菲
        2018, 50(4): 89-95. DOI: 10.15961/j.jsuese.201700750
        摘要：基于物理模型试验，探讨典型河段变动回水区推移质的运动特性，分析在库水位消落及来流增大过程中，淤积体平面形态及淤积体推进轨迹变化等特性。试验结果表明，由于河段比降较大，水库回水尖灭点上下游呈现不同的流态，从急流变为缓流的过程中，输沙能力会陡然下降。在库水位消落过程中，保持上游来流不变，泥沙淤积体输移的距离大致与水库回水尖灭点前行的距离相当，且下游水位降至875 m时，淤积体在河道湾顶附近被水流切割分成上下两部分,两级淤积体间泥沙颗粒级配差异较为明显，反映出水流的分选作用。在来流增大过程中，当推移质来沙量不变时，保持下游库水位不变，增大上游来流量,推移质淤积体向下游推进的幅度相对较小,表明研究河段变动回水区内的推移质运动受下游回水作用影响较大。对于陡坡性变动回水区，在给定上游来沙总量的前提下，泥沙淤积体前沿的推进幅度主要受到库水位降低的影响，而受上游流量的影响相对较小。  
        关键词：变动回水区;推移质;概化模型   
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      • 李福建,黄胜,谢玉姝,刘超,刘兴年
        2018, 50(4): 96-103. DOI: 10.15961/j.jsuese.201700963
        摘要：由于山区地势原因，山区卵石航槽几何形态时常由窄深突然转变为宽浅，引起水沙运动特性的改变。本文开展了概化模型试验，研究了单一航槽（窄深段）到复式展宽航槽（宽浅段）水沙运动沿程变化规律并开展了机理分析。在不同上游来流条件下，测量了主航槽中心线沿程水位以及滩槽流速，用于探究水流特性的沿程变化规律。同时，开展了床面切应力测量和推移质试验用于判断推移质在粗化层不发生破坏的山区河道中的运动状态。试验结果表明，航槽几何形态变化明显影响水沙运动，水深在窄深航槽段与宽浅航槽段交界处附近变化最为明显；上游窄深航槽段与下游宽浅航槽段稳定水深的差值随着来流量的增大而增大；主航槽断面平均流速从窄深段逐渐增加，在窄深和宽浅断面交界处附近达到最大值（约为上游窄深段断面平均流速的1.5倍），而后逐渐降低直至稳定（约为上游窄深段断面平均流速的0.8倍）；推移质淤积试验结果表明，可通过比较床面摩阻流速与推移质临界起动摩阻流速来判断推移质的运动状态，当满足淤积条件时，绝大部分推移质会停止运动并淤积在下游宽浅航槽段。在山区卵石航槽中，当河床粗化层不发生破坏，可通过直接比较局部航槽段床面摩阻流速与推移质临界起动摩阻流速来预测推移质运动或淤积情况。  
        关键词：展宽航槽;水深;流速分布;摩阻流速;泥沙淤积;判别方法   
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        发布时间：2024-01-10

        智能化空管

      • 林毅,张建伟,武喜萍,刘宇
        2018, 50(4): 104-109. DOI: 10.15961/j.jsuese.201700541
        摘要：航班轨迹预测是空中交通管理与仿真技术的基础。针对现有预测方法预测精度和稳定性不足的问题，提出了一种基于历史雷达数据和机器学习方法的轨迹预测算法。算法首先基于概率统计模型（高斯混合模型）对航班运行过程中的相邻时刻的相对位置偏移量进行建模；随后，以该航班的历史飞行轨迹为训练数据采用期望最大化的机器学习算法优化模型参数。概率统计模型学习真实运行环境下同一航班的飞机运动模式，能更准确地描述航班在飞行过程的随机性。在已学习到概率统计模型的基础上，采用序贯蒙特卡洛思想采样航班各时刻的相对位置偏移向量序列。针对特定的航班轨迹预测，使用起飞机场的跑道位置和标高信息与预测的航班位置偏移量预测航班在各个更新时刻的位置信息并形成最终的航班轨迹。算法中预设模型参数更新机制，包含预测误差超过阈值、定时和手动更新。将提出的算法运用在某大型空中交通流量管理系统中，大量真实历史数据实验表明：与传统的运动学方法和回归模型相比，本文算法能得到更加准确和平稳的航班轨迹预测结果。  
        关键词：轨迹预测;历史雷达数据;高斯混合模型;相对位置偏移;机器学习   
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      • 陈正茂,林毅,杨波
        2018, 50(4): 110-115. DOI: 10.15961/j.jsuese.201700538
        摘要：改航是航班运行过程中应对恶劣天气、军事活动、流量管控等突发情况的重要策略。作者提出一种挖掘历史雷达数据特征的改航算法。算法首先综合考虑改航路径的经济性、安全性、航路特征和容量影响等因素建立改航约束条件，对航班可能的改航区间的航路通路进行分析初选，确定最优的改航区间及其满足改航约束条件的一系列关键点序列。随后基于航班在历史雷达数据中的位置信息分析关键点序列航段执行情况，结合该航段计划航班数据，提出了适用于改航关键点选择的航段利用率计算方式，并在此基础上确定改航路径的最优关键点序列。以航班飞行过程中的速度矢量为建模对象，通过机器学习算法挖掘经过关键点序列航段的航班飞行运动模式。采用混合高斯模型对航班速度矢量建模和参数学习；利用马尔科夫蒙特卡洛采样算法预测航班改航过程中的速度矢量序列。最后利用匀加速运动学方程预测出完整的改航路径。通过某大型流量管理系统的应用实践证明，在考虑了改航约束条件和航段历史运行情况（利用率）等因素下的改航策略符合航班的实际运行情况。同时算法还能以高精度预测航班的改航轨迹，为改航路径相关区域的流量管理提供数据支撑。本文的改航算法能很好的解决航班在飞行过程中的改航问题。  
        关键词：改航;约束条件;历史雷达数据;关键点序列;机器学习   
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      • 严宏,杨波,刘洪,杨红雨
        2018, 50(4): 116-122. DOI: 10.15961/j.jsuese.201700566
        摘要：针对导航误差和监视误差等干扰因素以及飞行转弯固有的不确定性和可变性，比如转弯开始点和转弯半径的差异，造成飞行转弯区内难以判定航空器是否与飞行计划或管制指令一致的问题，提出了一种比较航空器系统状态预期值和实际测量值的一致性监视方法，该方法基于高斯过程对转弯区的一致性飞行建模，通过模型求解出预期的状态值范围，其中引入附加的偏离项使模型有效地描述了飞行转弯区各个时段内系统状态值的合理变化趋势。系统状态预期值的计算通过高斯过程的贝叶斯推理框架完成，并且使用随机采样的方法解决引入偏离项后的后验概率无法求取解析解的问题。构建的飞行模型使用历史飞行数据进行训练，避免了直接依据飞行计划或管制指令计算系统状态预期值的方式下容易出现的问题，主要是无法充分考虑实际情况下各种因素对于系统状态值的影响。使用实际飞行场景中的监视系统数据进行测试，结果表明该方法计算得出的系统状态预期值区间反映了系统状态值的合理变化范围，能够有效判定一致性飞行。此外，相比于基于轨迹偏差阈值的判定方法，该方法能够取得更优的误报率和检测时间，避免了人为设置阈值不合理造成的影响，同时体现了该方法易于扩展，便于利用监视系统中位置信息之外的测量值提高一致性监视的性能。  
        关键词：飞行轨迹;高斯分布;采样;协方差矩阵   
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        发布时间：2024-01-10

        可信计算与信息安全

      • 陈兴蜀,陈敬涵,曾雪梅,韩珍辉,朱毅,邵国林
        2018, 50(4): 123-129. DOI: 10.15961/j.jsuese.201700632
        摘要：针对现有DNS流量分析方法受大规模网络中大数据量限制的问题，及可视分析方法还未应用到DNS流量分析中的现状，提出了一种TDRI（trend to domain and request information）DNS流量分析模型，并采用DNS流量分析模型和网络安全及大数据可视分析方法相结合的方式，设计并实现了基于TDRI DNS流量分析模型的多视图关联DNS流量可视分析系统。首先，对复杂大规模真实网络中长期、大量DNS流量数据进行观测和描述性分析。然后，从DNS服务中域名请求者、域名及域名访问3个基本要素的角度抽象并提出一种包含DNS流量特征值时序变化趋势、请求域名及域名访问情况的DNS流量分析模型。最后，以提出的DNS流量分析模型为指导，设计了包括数据选择和关联交互视图的DNS流量可视分析系统，支撑问题分析为驱动的DNS流量数据分析过程。将基于TDRI的多视图关联DNS流量可视分析系统应用于校园网真实环境，帮助分析者从DNS流量中发现了网络中的恶意访问行为以及针对DNS的恶意行为。实验结果表明，本文提出的分析方法可提高大规模网络环境下DNS流量分析效率，分析出DNS流量中表现出的恶意行为，为DNS安全稳定运行提供了保障。  
        关键词：DNS;可视分析;DNS流量分析模型;大数据   
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      • 郑明辉,段洋洋,吕含笑
        2018, 50(4): 130-134. DOI: 10.15961/j.jsuese.201700619
        摘要：针对车联网中的车辆单元的隐私信息泄露而被非法分子跟踪攻击的问题，通过分析车联网的拓扑结构及其通信特征，提出了一个基于轻量级群签名的车辆身份认证协议，以对车辆身份进行快速且高效的匿名认证。协议的内容共分为5个阶段：在初始化阶段，由车联网系统产生群的公/私钥对和系统参数，并利用路旁辅助设施将群公钥和系统参数分发给车载单元，群私钥由群管理者保管；在车辆单元入网阶段，车辆单元将自己的身份信息通过盲签名技术提交给群管理者，认证通过后由群管理者为车辆单元颁发群证书；在协同通信阶段，拥有群证书的车辆成员利用它的有效证书和群公钥对其状态信息进行签名，并利用车载传感器发送给附近的车辆单元，实现与周边车辆的协同驾驶；在消息验证阶段，只有合法的车辆成员才能利用群公钥打开它所接收到的状态信息，但无法得知该消息发送者的真实身份，以此实现车辆间的匿名通信；在签名验证阶段，当某个车辆成员为了独享道路资源发布虚假消息导致交通事故时，群管理者利用其预留的群私钥将该消息的签名打开，即可遍历出对应的车辆成员进行问责。作者采用改进后的轻量级群签名技术，能够做到群公钥和群签名的长度不依赖群成员的个数；以零知识证明作为成员身份验证的手段，可以提高群中成员之间的认证速度。先对协议的安全性从数学的角度作了分析和证明，再搭建了由100台PC机组成的局域网仿真平台模拟车联网中的车辆单元之间的协同通信。实验结果表明本协议在100个车辆用户的局域网中完成身份认证的时间约为7 ms，且在认证时间开销上优于所对比的方案，较大程度地降低了车载单元在身份认证过程中的存储和计算负担。  
        关键词：车联网;隐私保护;群签名;身份认证   
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      • 佘维,刘琦,杨晓宇,胡跃,刘炜
        2018, 50(4): 135-143. DOI: 10.15961/j.jsuese.201700638
        摘要：在目前的区块数据生成方式下，小额交易场景容易遭遇效率瓶颈。针对区块链应用中的小额交易等待时间过长的问题，提出一种区块链小额实时交易策略（real-time micro trading strategy with blockchain, RMTSB）。首先，构造一种时延控制Petri网（delay control Petri nets, DCPN）模型用于描述、分析和控制带有时延信息的系统；其次，为了记录和评估交易过程，给出了一种含个人信用指标的交易数据区块结构和面向小额交易的个人信用度评价方法；然后，在信用度分析的基础上，采用DCPN建模设计了RMTSB策略；最后，从全节点和轻节点两个角度分别建立了区块链的小额实时交易过程。为了验证策略的有效性，对常规区块链交易过程、RMTSB策略下的交易过程及含有网络时延变量的RMTSB策略下的交易过程进行了仿真，并通过多轮交易的时延累积消除单次实验的偶然性。仿真结果表明，与区块链常规交易过程相比，RMTSB策略以支付方信用度为参考，有效提高了交易验证的效率，其交易时延与常规交易过程相比可降低50%～75%。因此，该策略可在一定程度上简化认证过程，从而提高区块链环境下小额交易的支付速度，使区块链真正成为小额交易应用场景中的支撑技术。  
        关键词：区块链;小额交易;时延控制Petri网;信用   
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        发布时间：2024-01-10
      • 程玉柱,王伟平,王建新
        2018, 50(4): 144-152. DOI: 10.15961/j.jsuese.201700608
        摘要：针对现有包分类算法存在分类时间长和需要较大存储空间的问题，提出一种基于单元空间划分的快速防火墙包分类方法（Uscuts）。方法主要包括规则预处理、规则空间划分以及决策树构建阶段。首先，基于多维矩阵设计模型，将原始规则按逆序依次映射到多维矩阵，得到与原始规则语义相同但规则空间相互独立的目标规则。随后，对目标规则对应空间进行划分并构建分类决策树，决策树的每条树支与各独立多维规则子空间一一对应，即决策树的每个叶子节点恰好只关联1条规则。因此，在Uscuts包分类方法中，当数据包匹配到叶子节点时，可以直接判定数据包的分类决策为“accept”，不同于传统包分类方法需要在叶子节点关联的规则分组内继续执行顺序匹配，该性质显著地提高了包分类速度。此外，在划分规则空间时，Uscuts方法采用基于单元空间边界的划分方式，比传统分类算法的平均划分方式，有效减少了规则子空间数目，节省了存储空间。为验证方法的包分类效果，设计了不同规模大小的规则和数据集测试方法的有效性。由测试结果可以看出，Uscuts分类方法的时间复杂度在一般情况下能达到$O$(0.75$k$·lb($n$))，即便在最坏情况下也不超过$O$（$k$·lb($n$))，其中，$n$和$k$分别为规则条数和维数。理论分析表明，与现有基于决策树的分类方法相比，Uscuts方法具有更高的分类效率，且所需存储空间更小。  
        关键词：包分类;防火墙;单元空间;决策树算法   
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        发布时间：2024-01-10

        信息工程

      • 王云峰,吴炜,余小亮,王安然
        2018, 50(4): 153-160. DOI: 10.15961/j.jsuese.201700550
        摘要：针对AD-Census变换采用固定权重将AD变换代价与Census变换代价合成的双目立体匹配代价无法体现像素点区域特征的问题，提出一种基于自适应权重AD-Census变换的双目立体匹配算法。算法首先通过增加相邻像素点的灰度差阈值条件改善十字支撑自适应窗口；然后以每个像素点的十字支撑自适应窗口的最短臂长为自变量，利用指数形式的函数，进行AD变换代价与Census变换代价合成权重的自适应设置。由于像素点十字支撑自适应窗口的最短臂长能够反映像素点的区域特性，因此自适应设置的权重大小与像素点的区域特性直接相关，计算图像边缘区域像素点的匹配代价时，AD变换的权重大；计算平滑区域像素点的匹配代价时，Census变换的权重大。Middlebury第3代双目立体匹配评估平台的结果显示，基于自适应权重AD-Census变换的双目立体匹配性能与基于AD-Census变换的双目立体匹配性能相比，所有图像集的全部像素点的视差平均误差减小了25%，非遮挡像素点的视差平均误差减小了20%，性能得到了提升；平台上包括Adir在内的多个图像集的匹配结果表明基于自适应权重AD-Census变换的双目立体匹配更适合含纹理丰富、存在重复区域的图像。  
        关键词：立体匹配;自适应权重;AD-Census;十字支撑;匹配代价   
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      • 刘苗苗,郭景峰,陈晶
        2018, 50(4): 161-169. DOI: 10.15961/j.jsuese.201700154
        摘要：针对传统社会网络中基于相似性的链接预测算法在预测准确率和计算复杂度上难以均衡，且无法直接应用于符号网络的问题，为了实现符号网络中的链接预测与符号预测双重目标，提出一种基于相似性与结构平衡理论的符号网络边值预测方法（PSNBS）。首先，结合符号网络拓扑特征和最优步长的选择，有效融合属性相似性和路径结构相似性，定义了两节点基于结构平衡理论的2-step相似度和3-step相似度。其次，考虑到不同步长的路径对于两节点相似性的不同贡献程度，引入可调步长影响因子，并在此基础上定义了两节点基于平衡论的边值预测得分。得分的绝对值度量了两节点的相似程度，即未来链接建立的概率；得分的正负即为未来链接的符号预测结果。再次，针对边值预测得分为0的特殊情况，引入节点负密度的概念，采用节点的度特征进行符号预测。最后，依据边值预测得分和节点负密度完成链接预测和符号预测。以$AUC$、$AUC_{\rm{BS}}$和$Precision_{\rm{BS}}$为评价标准，在多个数据集上进行了实验。结果显示了所提算法的有效性和强健性，对于未来链接预测以及已有边的符号预测均能达到较高的预测准确率。此外，与经典的符号预测CN和ICN算法的实验对比分析显示，PSNBS算法符号预测准确率更高。  
        关键词：相似性;链接预测;符号网络;结构平衡理论   
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      • 姚睿,曾泽清,杜君杰
        2018, 50(4): 170-178. DOI: 10.15961/j.jsuese.201700304
        摘要：为了解决复杂背景噪声环境中语音活动检测（voice activity detection, VAD）命中率较低的问题，提出具有环境意识的VAD算法。针对常用算法中采用单阈值抗噪性差的不足，对语音帧和噪声帧相互转换过程采用不同阈值，并对两个阈值进行自适应更新；为克服单一特征无法应对复杂环境的缺陷，提出将统计模型似然比、能量熵特征和平均谐波数量值特征等进行特征联合的方法；引入环境噪声分类的思想，利用支持向量机对噪声环境进行分类，并根据噪声类型选择最优特征组合，进一步提升算法性能。使用NOIZEUS语音库，以babble、pink、white、f16、volvo这5类噪声作为背景噪声，通过仿真实验评估了所提出算法的性能，比较了各类特征组合的命中率。实验结果证明，所提方法的识别效果优于现有算法，针对各种噪声可取得约80%的总体命中率，且能更好地平衡语音命中率和虚警率。  
        关键词：语音活动检测;双自适应阈值;噪声分类;特征联合   
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        发布时间：2024-01-10
      • 梁源,达新宇,徐瑞阳,倪磊,张 　喆
        2018, 50(4): 179-185. DOI: 10.15961/j.jsuese.201700660
        摘要：为进一步探究多参加权分数阶傅里叶变换（multiple parameters weighted-type fractional Fourier transform，MP-WFRFT）对高阶基带星座的影响，对MP-WFRFT变换中的8PSK基带星座裂变规律进行了定性与定量研究。通过定义星座裂变函数，并搭建相应几何模型，采用向量合成的基本方法，推导得出基于MP-WFRFT变换的8PSK星座裂变规律。进一步通过研究合成向量与星座点重合的关系，探索得出裂变星座点数与MP-WFRFT的时域项权系数模值比具有一一对应关系。搭建了基于MP-WFRFT的星座裂变系统，将星座裂变点数、模糊量作为约束条件以合理设计MP-WFRFT多个参数，相应构建了基于MP-WFRFT多参数混合整数优化模型，并采用遗传算法对模型进行优化求解。仿真测试得出的星座裂变基本样式、裂变点数、模糊发散规律与所提出基于MP-WFRFT变换的8PSK星座裂变理论相一致；此外，通过误码率对比测试，表明经过MP-WFRFT变换后系统在确保自身通信质量的前提下，可有效降低非授权方的通信性能。MP-WFRFT变换可使得原始星座表现出较好的抗能量检测、抗星座识别特性，进而提升系统的抗截获性能，能够运用于保密通信之中。  
        关键词：多参加权分数阶傅里叶变换;8PSK;星座裂变;混合整数优化;抗截获   
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      • 王军,王东振
        2018, 50(4): 186-190. DOI: 10.15961/j.jsuese.201700293
        摘要：为了统一表征毫米波频段下纳米MOSFET从强反型区到弱反型区的偏置依赖性，对高频MOSFET等效电路建模及其参数提取技术进行了研究，给出了一种简单、精确的小信号模型参数获取方法。基于45 nm MOSFET的器件物理结构，通过综合考虑该器件的本征物理特性、管脚电磁特性以及测试焊盘与测试互连线的寄生特性，描述了一种适用于参数提取的MOSFET毫米波等效电路模型。通过对所给出的45 nm MOSFET毫米波小信号等效电路进行双端口网络参数分析，推导了其准静态近似的毫米波等效电路的导纳（$Y$）参数的一阶简化数学模型。所建$Y$参数模型被应用于等效电路的元件值提取，以保证不同偏置条件下参数提取结果的连续性和平滑度。利用栅指数${N_{\rm{f}}}$=10、栅宽$W$=2 μm、栅长$L$=45 nm的射频多指NMOSFET，实验验证了1～50 GHz频段内所建$Y$参数模型在不同偏置点下的模拟精度，并表征了45 nm器件的偏置依赖性。使用ADS2013仿真设计工具的模拟结果与测量数据进行一致性对比，验证了本文所建模型的实用性以及由其派生的参数提取算法的准确性。因此，所建$Y$参数模型易于高精度移植到自动化仿真设计工具中。等效电路本征元件参数单调特性的不同表征，对于指导毫米波电路从强反型区到弱反型区的优化设计具有重要的意义。  
        关键词：纳米MOSFET;导纳参数;小信号等效电路;毫米波   
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        电气工程

      • 张江林,庄慧敏,刘俊勇,刘友波,向月,高红均,张里
        2018, 50(4): 193-200. DOI: 10.15961/j.jsuese.201700392
        摘要：为了充分发挥储能系统在智能配电网中的积极调节作用，提出了一种统一为成本量纲的电池储能系统多目标优化运行模型。该模型以一个完整调度周期的配电网购电成本、网络损耗费用及电压调节费用均最小为目标函数，以电池储能系统的充/放电功率为控制变量，并确保储能系统在整个调度周期的能量守恒及容量约束。再应用层次分析法计算各子目标权重，化多目标函数为单一综合目标函数。针对所提出的电池储能系统优化运行模型，提出一种改进的混合粒子群优化算法—纵横交叉粒子群优化（CS-PSO）算法。将纵横交叉算子引入粒子群算法，并采用交叉搜索的方法以维护种群多样性，再以电池荷电状态为粒子位置矢量元素，实现完整调度周期内储能系统优化运行策略的求解。最后，对含高渗透率分布式发电单元和电池储能的IEEE34节点算例进行仿真，对比分析了3个单一单目标与本文多目标的优化结果以及3种智能优化算法的计算性能，还分析了储能系统优化运行对系统电压质量的影响。仿真分析结果表明：多目标优化能够充分利用储能系统为配电网提供多种服务，使配电网获得最大综合效益；CS-PSO算法在求解非线性规划问题时具有很好的收敛特性及较高的计算效率，从而验证了所提模型及算法的有效性。  
        关键词：电池储能;多目标优化运行;层次分析法;纵横交叉粒子群优化算法   
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        发布时间：2024-01-10

        化学工程与材料工程

      • 罗航,蔡绪福
        2018, 50(4): 201-207. DOI: 10.15961/j.jsuese.201700802
        摘要：以三苯基膦（PPh3）为原料，制备了一种含硝基的阻燃剂3（3-硝基苯基）膦（NPPh3）。并通过红外光谱（FTIR）、核磁共振（1HNMR）、热重分析（TG）和红外热失重联用（TG-FTIR）对其结构、热稳定性、热降解行为、成炭能力和热降解产物进行研究。结果表明：NPPh3的初始分解温度为291.2 ℃，800 ℃下残炭量达28.16%（N2条件下），相比于原料，硝化后阻燃剂的热稳定性和成炭性能明显提高，热降解主要产物为H2O、CO2、CO和芳环。为了在阻燃剂添加量少的情况下，达到良好的阻燃效果，以4,4,–二胺基二苯甲烷（DDM）为固化剂，将NPPh3和9,10–二氢–9–氧杂–10–磷杂菲–10–氧化物（DOPO）复合应用于环氧树脂中，研究其协同阻燃环氧树脂的性能。通过极限氧指数（LOI）和垂直燃烧（UL–94）测试结果可知，阻燃剂总添加量（质量分数）为4.7%，当NPPh3和DOPO的质量比为1∶2时，阻燃环氧树脂的极限氧指数为33.8%，材料通过垂直燃烧测试的V-0级，表现出良好的阻燃性。TG的测试结果表明，燃烧过程中，NPPh3和DOPO之间存在反应，并使环氧树脂的初始分解温度略有降低，热分解速率下降，延缓了树脂在高温下的热降解，提高了高温下材料的成炭量。通过FTIR和扫描电镜（SEM）研究炭层的组成和形貌，结果表明，NPPh3/DOPO/EP通过形成含有–P，–NO2基团的均匀致密炭层结构，在聚合物表面产生有效覆盖，保护基体材料，发挥凝聚相阻燃作用，提高体系的阻燃性能。  
        关键词：硝化;磷系阻燃剂;环氧树脂;协同作用   
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        发布时间：2024-01-10
      • 马明星,朱达川,王志新,梁存,周家臣,张德良
        2018, 50(4): 208-213. DOI: 10.15961/j.jsuese.201701019
        摘要：高熵合金突破传统合金设计思想，依靠近等摩尔比、不低于5种组元混合形成具有远低于平衡相所预测的相数和简单的固溶体结构，从而有可能冲破传统金属材料的性能极限。为了研究多主元合金元素的物相形成机理与显微组织结构对宏观摩擦磨损性能的影响，采用非自耗电弧熔炼技术制备了等摩尔比的AlCoCrCuFe多主元高熵合金。用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱分析仪、显微硬度计和摩擦磨损试验机测试了AlCoCrCuFe合金的物相结构、显微组织与摩擦磨损性能。研究发现：AlCoCrCuFe高熵合金的显微组织为典型的树枝晶，由简单的BCC相和FCC相构成，且BCC相和FCC相的各衍射峰均普遍较宽。在干摩擦条件下，AlCoCrCuFe/GCr15摩擦副的摩擦系数随摩擦时间增大呈先升高后降低再稳定的过程，其磨损机制由剥层磨损向氧化磨损转变，其平均摩擦系数为0.55，质量损失率为1.44%。结果表明：晶间为Cu元素富集区域；枝晶区域为调幅分解的网格层状结构；枝晶边界附近有纳米颗粒析出。Cu元素晶间富集主要是由于Cu与其他元素的混合焓、结合能力、互溶性、熔点等差异较大引起的；枝晶区域的调幅分解层状结构则主要是因为原子尺寸因素产生的共格应力与弹性交互作用抑制了组织长大；枝晶边界附近的纳米颗粒析出则由迟滞扩散效应、金属遗传性与工艺过程所决定。BCC相和FCC相衍射峰变宽是由于各组元原子半径差较大、各元素等摩尔比存在且混合焓不同、合金内部有较大残余应力以及晶粒尺寸小范围广所致。  
        关键词：高熵合金;AlCoCrCuFe;组织结构;摩擦磨损   
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      • 刘杨,张永丽,郭洪光,程鑫,周鹏,王敬荃
        2018, 50(4): 214-220. DOI: 10.15961/j.jsuese.201701016
        摘要：随着能源与环境问题的日益突出，进行重金属的回收再利用具有重要意义。为实现重金属回收后资源化利用，作者提出利用强酸性阳离子树脂将水中重金属离子回收后，经过600 ℃高温无氧炭化固定，制备含不同重金属的碳基复合材料（C–X，X=Co、Fe、Mn、Ni）。作者构建了C–X复合材料催化过一硫酸盐（PMS）降解水中有机污染物体系，研究了不同催化剂、不同氧化剂、催化剂投加量等因素对反应的影响，并验证了反应体系中存在的主要自由基种类，最后采用SEM、TEM、EDS及XPS表征手段对C–Co样品微观形貌等进行了分析。研究发现不同C–X复合材料催化激活PMS性能不同。其中，C–Co复合材料催化效率最高，且目标物降解过程符合拟一级动力学模型；C–Co复合材料对PMS、PS、H2O2均具有一定的催化作用，由高到低依次为：C–Co/PMS>C–Co/PS>C–Co/H2O2；随着催化剂投加量增加，目标物降解速率由于催化活性位点的增加而加快；3次重复利用后，C–Co复合材料催化活性仍保持在85%以上。自由基淬灭实验证明了C–Co/PMS体系中主要存在的活性物质为•OH和•SO4–。SEM和TEM表征结果显示C–Co复合材料由片状结构和针状结构拼接组装而成，Co离散分布在材料内部和表面；EDS分析表明C–Co样品中主要元素组成为C、O、S、Co、Na；XPS表征结果发现，C–Co复合材料中Co呈现价态为正2价，且Co2+是催化激活PMS的关键因素。  
        关键词：重金属;离子树脂;炭化;过一硫酸盐;有机污染物;降解   
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      • 李晔,吴志生,李砚峰,朱彦军
        2018, 50(4): 221-227. DOI: 10.15961/j.jsuese.201700868
        摘要：焊接缺陷的分类属于不平衡样本多分类问题，在不平衡样本中重要的特征子集通常也不相同，需要通过特征选择获得更具差异性的特征，提高稀有类样本的识别率。使用支持向量机作为分类器评价特征子集，人工免疫系统算法寻找可靠的特征，并且利用人工免疫算法优化支持向量机的参数，目的是同时完成参数优化和特征子集的选择。将此算法应用于低碳钢对接焊、低碳钢角接焊、低碳钢T型焊、低碳钢搭接焊、不锈钢对接焊、不锈钢角接焊、不锈钢T型焊、不锈钢搭接焊8类焊接缺陷数据集上进行常见焊接缺陷的气孔、夹渣、裂纹、未熔合、未焊透和伪缺陷的分类识别，并与未进行特征选择直接进行分类的结果进行比较及不同特征选择和分类算法下进行比较。结果表明，采用本文算法，焊接缺陷的气孔、夹渣、裂纹、未熔合、未焊透和伪缺陷的的平均分类准确率达到了（96.21±0.67）%，平均敏感度值达到了（85.43±1.65）%，比传统的基于相关性的特征选择算法（CFS）、最小冗余最大相关性算法（mRMR）、粗糙集条件互信息算法（RCMI）特征选择法和贝叶斯（Bayes）、分类回归树（CART）分类方法的组合具有明显的提高。因此，本文算法优于传统分类方法，利用较少属性的同时提高焊接接头缺陷分类准确率，保证稀有类的识别率，并能够提供不同缺陷的最优特征参数。  
        关键词：焊接接头缺陷;支持向量机;人工免疫算法;特征选择;分类   
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      • 郝志勇,岳立新
        2018, 50(4): 228-236. DOI: 10.15961/j.jsuese.201700943
        摘要：针对中国绝大多数高瓦斯煤层渗透性低以及低渗透煤层强化抽采瓦斯效果不理想的现状，结合超临界CO2强扩散和溶解增透孔隙介质等独特优点，依据超临界CO2作用后煤微观孔裂隙的演化特征，得到煤微观孔隙率和渗透率演化方程，根据孔隙率的变化确定损伤变量，考虑体积应力、温度、孔隙压力及超临界CO2溶解增透作用的影响，建立超临界CO2作用后煤的热流固耦合力学模型，利用ABAQUS软件提供的场变量子程序，结合PYTHON脚本和子程序二次开发功能，实现低渗透煤层注超临界CO2增透规律数值模拟。结果显示：超临界CO2注入后，注气孔周围煤体内体积应力、温度及孔隙压力变化明显，随着距注气孔距离的增加，影响程度逐渐减弱，并趋于稳定；经超临界CO2作用后，注气孔周围煤体内不断萌生新的孔裂隙，并与原有的孔裂隙相互贯通，随注气时间的延长各级孔裂隙不断向煤体纵深演化发展，煤微观孔隙率较注气前提高了2个数量级；超临界CO2的致裂增透作用引起煤体不同程度的损伤，距注气孔越近，损伤程度越大，损伤增加越快，注气时间越长，损伤增加的幅度越大；煤微观孔裂隙的有效发育为煤层气的扩散渗流提供了更多的运移通道，使煤体渗透系数较注气前提高了3个数量级。  
        关键词：超临界CO2;渗透系数;孔隙率;增透作用   
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        发布时间：2024-01-10

        机械工程

      • 葛亮,李丹,廖俊必,胡泽,韦国辉
        2018, 50(4): 237-245. DOI: 10.15961/j.jsuese.201700657
        摘要：随着石油资源的不断钻采，尤其是在窄安全密度窗口地区钻井时，由于对井下流量信息的缺失，导致溢流和井喷问题。采用井下微流量控制钻井技术可以有效解决窄安全密度窗口钻井中出现的溢流和井喷问题，而使用井下环空流量测量技术实时获取井下的环空流量信息是实现井下微流量控制钻井技术的最核心部分及保证。近年来快速发展的电磁流量计研究为井下环空流量测量提供了机遇，作者基于数字优化技术对井下环空流量测量系统进行了优化研究。首先，提出钻井过程中单对电极的井下环空流量电磁测量基础理论模型和优化原理，并基于Bevir的矢量权重函数理论实现环空流道电磁流量测量系统虚电流电势和虚电流密度求解。权函数值与磁感应强度和虚电流密度有关，当电极的尺寸和结构固定时，即虚电流密度为定值，通过优化励磁结构来使权函数值接近常数。其次，为了实现井下环空电磁流量系统的最优设计，作者基于多耦合场软件COMSOL仿真模型对建立的环空电磁流量测量系统的关键结构尺寸因素进行了仿真，通过对单对线圈励磁结构COMSOL仿真数据进行分析，结合矢量权重函数的评价指标进行综合权衡，得出最优励磁结构参数。再根据不同的边界条件实现环空流道电磁流量测量系统虚电流电势和虚电流密度求解，掌握了虚电流密度分布规律。经过建立理论模型、仿真优化、分析评价指标，最终得出单对电极的井下环空电磁测量系统的最优励磁结构参数，该参数有利于提高系统的测量精度。  
        关键词：环空流量;优化设计;仿真优化;权重函数;COMSOL;电磁测量   
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      • 甘芳吉,余敏,徐涛,廖俊必
        2018, 50(4): 246-250. DOI: 10.15961/j.jsuese.201700697
        摘要：在油气管道腐蚀检测领域，场指纹法（field signature method，FSM）管道腐蚀在线监测技术是一种运用较为普遍的技术。然而传统的场指纹技术还存在诸多不足，例如极易受到系统漂移的干扰而导致监测结果出现较大偏差；需要数十安培的激励电流，电源模块易损坏，只能测量相对壁厚减薄，参考板与被测管道之间的温度差会引入很大的测量误差等。作者在有限元仿真的基础上，提出了一种多频交流场指纹技术（multi-frequency alternative current field signature method，MACFSM）。在仿真计算中，依次向被测金属管道注入频率从高到低的交流激励电流，根据趋肤效应，趋肤深度随着频率的降低而增大，使得测量电极间的电压逐渐减小，当趋肤深度增大到管壁壁厚之后，随着频率的进一步降低，测量电极间的电压将保持稳定。将测量得到的电压序列进行求导，得到了导数极值，利用导数极值即可求解出缺陷的深度。最后利用实验对仿真进行了验证，向缺陷深度为3.5 mm的被测金属管道注入了0.1 A的多频激励电流，准确地利用导数极值求解出了缺陷深度。仿真和实验表明，MACFSM将不再需要参考电压，也不需要原始电压，更不需要对原始壁厚进行精确测量，而且可以有效克服系统漂移的影响，降低激励电流幅值，提高了作为长期在线监测技术的可靠性。  
        关键词：多频交流;场指纹法;电位降;趋肤效应;漂移   
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      • 牛子孺,辛振波,李刚炎,涂鸣,赵新学,李扬,汪力衡,王建福
        2018, 50(4): 251-259. DOI: 10.15961/j.jsuese.201700914
        摘要：循环球变比转向器中具有变化传动比齿廓的螺母是实现变比转向的关键部件，螺母变比齿廓为与之啮合的齿轮渐开线齿廓按照变比传动关系包络运动后形成的包络面，因包络过程较为特殊，导致了其建模困难，由此阻碍了变比齿廓数控加工的实现。作者研究一种面向数控加工的变比齿廓数值建模方法，实现变比齿廓的数控端铣加工。该方法将转向器变比齿扇螺母副中的渐开线齿扇，看作无数无限接近且垂直于其轴线的平面与其截交后截交线的集合，与螺母齿条变比齿廓相交且平行于螺母齿条长度方向的计算直线，随螺母变比传动，与对应截交线渐开线齿廓的交点中，长度值取得极值的点为变比齿廓点。建立了变比齿廓求解数学模型，开发了求解算法，通过设置计算直线间距，生成了直接用于数控端铣等残留高度刀具路径规划的变比齿廓点云，规划了刀具路径；并且采用生成的齿廓点云，实现了刀头半径选择以及刀位点刀杆矢量的计算，实现了变比齿廓的数控端铣加工。从变比齿廓的关键设计参数“变比曲线”和“变速传动特性”入手，提出了变比齿廓设计的验证方法，通过试制样件的测试，验证了方法的正确性。该方法克服了采用啮合原理设计变比齿廓时，建立的啮合方程的解不唯一；无法获得变比齿廓齿顶、齿根边界点的精确值；有些出于解析需要选择的参数不直接对应数控加工，数据转换时会引入原理性误差等弊端，实现了循环球变比转向器变比齿廓的数字建模和数控端铣加工。  
        关键词：循环球变比转向器;变比齿廓;数值建模;端铣加工;传动稳定性   
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      • 黄智,李凯,李超,王洪艳,宋瑞
        2018, 50(4): 260-265. DOI: 10.15961/j.jsuese.201700730
        摘要：航发叶片是航空发动机的重要零件，其加工精度将直接影响航空发动机的使用性能与寿命。对叶片加工精度的评价通常采用3D轮廓测量方式实现。由于作为典型自由曲面代表的叶片结构复杂，存在较大的空间扭曲度，不仅导致其加工困难，也加剧了测量的难度。三坐标测量机是目前叶片轮廓测量精度最高的检测方式，受制于叶片型面复杂度和目前触点式三坐标测量技术限制，需要采集大量的表面数据点才能全面地表征叶片表面特征，使得测量效率极低。从曲面3D模型采样的角度出发，提出了基于改进萤火虫算法的采样点提取方法，首先提取叶片各截面曲线，其次对提取曲线分段并以等弧长方法均匀采点，按顺序提取的初始点位置数据模拟建立小型萤火虫群落，计算群落内点曲率关系并确定目标位置点的移动方向以及步长，实现已知分布点的点位自动更新，最终得到叶片表面所有关键特征采样点。本文算法可实现测量点数自由配置，通过该方式达到调整测量效率的目的，再代入算法实现了采样点还原精度的提升，通过对比等弧长采样算法以及等参数采样算法采样结果，拟合曲线与原始曲线的轮廓偏差、最大位置偏差、平均位置偏差，确定本文采样算法结果明显优于前两种算法。  
        关键词：叶片;轮廓测量;三坐标测量机;截面曲线;采样;改进萤火虫算法   
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