最新刊期
      2020 年 第 52 卷 4 期

        泛在电力物联网

      • 肖先勇
        2020, 52(4): 1-2. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000553
          
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        发布时间：2024-01-08
      • 肖先勇,胡文曦,王杨,汪颖,张文海
        2020, 52(4): 25-32. DOI: 10.15961/j.jsuese.201901044
        摘要：随着高端制造业的发展，以电能质量为代表的电力扰动已对敏感用户造成极大的经济损失，为了提升电网安全稳定水平并优化营商环境，针对电压暂降这一典型电力扰动事件，提出电压暂降时空多粒度属性分析与知识发现方法。由于传统电力扰动分析方法依赖机理分析与精确建模，难以处理包含多不确定因素的复杂问题，从复杂问题认知规律的角度出发，提出“数据—特征—指标—信息—知识”所构成的递进认知架构，作为解决复杂问题的一般思路。在此基础上，通过电压暂降时空多粒度属性分析对不同时空尺度下的暂降相关属性进行拓展，克服了传统方法仅从单一粒度分析问题造成暂降信息缺失的问题。由于不同时空粒度下的暂降属性变化反映了其他不确定性因素对电压暂降的影响，通过粒度约简挖掘监测数据背后蕴藏的电压暂降影响程度与电网结构属性之间的关联关系，推导发现电压暂降传播规律。通过仿真和实测数据对本文方法的有效性和可靠性进行了验证，本文方法可适用于包含多不确定因素的复杂问题，有助于突破电力扰动相关的诸多技术瓶颈。  
        关键词：电力扰动;电压暂降;时空多粒度;知识发现;传播规律   
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      • 刘继春,贾琢玉,向月,杨昕然,刘俊勇
        2020, 52(4): 33-41. DOI: 10.15961/j.jsuese.201901118
        摘要：针对现有充电服务难以定量定价的问题，提出了一种基于系统动力学的充电服务费定价模型。首先，分析了充电服务网在泛在电力物联网定位及多主体关系；然后，综合考虑社会发展、人口增长、电动汽车规模、科学水平、充电桩数量、建设成本等多维因素，量化多维因素之间的因果关系，由此建立充电服务费定价的系统动力学模型，得到充电服务费价格未来的变化趋势，并分析不同因素对充电服务费价格的影响。根据设置的参数值和不同场景，对充电服务费价格和变化趋势进行仿真。仿真结果发现：在算例场景设置条件下，电动汽车充电服务费的变化曲线呈现V型，前期阶段充电服务费价格逐渐降低至最低，主要受到政府补贴政策的影响；中间阶段充电服务费缓慢增加，原因是政府补贴的不断衰减、充电服务网络进一步完善，新增充电设施增加了建设成本；后期充电服务费变化逐渐稳定，基础设施的建设成本成为影响充电服务费最主要的因素，充电量的变化在一定程度上也会影响充电服务费的定价。本文为充电服务定价问题提供了一种具有可操作性的宏观动力学定量分析模型，为未来充电服务网运营与规划提供了参考。  
        关键词：泛在电力物联网;充电服务网;电动汽车;充电服务费;系统动力学;定价模型   
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      • 周步祥,黄河,刘治凡,魏金萧,张致强
        2020, 52(4): 42-48. DOI: 10.15961/j.jsuese.201901079
        摘要：针对非侵入式负荷监测的传统方法存在实现复杂、难以实时计算、数据集需要反复训练阈值等弊端，提出了一种基于假设检验的快速事件检测算法，即复合假设检验算法。该算法先将智能电表采集到的总功率信号通过卡方拟合优度检验找出可能存在事件发生的时间点；然后，对前后两个窗口使用Z检验，只针对可疑点进行事件检验，进而由测试结果确定是否存在事件的发生，运算简单迅速。在BLUED数据集上进行了复合假设检验算法与标准卡方拟合优度检验方法的事件检测性能仿真对比实验。由实验结果可知：本文算法对不同基负载的检测结果具有稳定性与鲁棒性；本文算法在精确识别开关事件的同时，还能保证运算速度快速简洁的特点，提高了事件检测的识别精度，具有一定的应用价值和参考意义。  
        关键词：非侵入式事件检测;卡方拟合优度;Z检验;鲁棒性   
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      • 孟超,刘文亮,杨琪,赵英汝,郭熠昀
        2020, 52(4): 49-55. DOI: 10.15961/j.jsuese.201901245
        摘要：随着泛在电力物联网的发展，传统通信技术与计算平台已逐渐无法适应庞大的数据传输与计算规模，5G通信技术与边缘计算将成为支撑泛在电力物联网建设的中坚力量。“多站融合”模式的提出为边缘数据中心的运营提供了新的方向，多站一体化运行方法有待深入研究。针对边缘数据中心的数据迁移方法及“多站融合”模式下各功能站协同优化问题，设计了涵盖数据中心、储能电站等功能站的融合站运行架构，构建了数据中心负荷模型、储能电站数学模型，并基于混合整数非线性规划方法，建立了以最小化年总成本为目标的融合站协同优化与数据迁移调度模型。通过模型的优化求解，确定了最佳数据迁移调度策略与储能电站最优运行方案。利用案例分别对数据迁移策略与储能电站的作用进行仿真分析，通过计算，采用数据迁移策略后，典型日运行成本降低了2.38%，年总成本降低了1.36%；发挥储能电站削峰填谷作用后，典型日运行成本进一步降低了8.34%，年总成本进一步降低了4.67%。结果表明：在满足时延约束情况下，将数据负荷按一定策略进行分配，可以实现各边缘数据中心互补调度，达到降低运行成本的效果；结合分时电价政策，利用储能电站参与日常电力调度，可以进一步将峰时负荷转移至谷时，从而显著降低运行成本。  
        关键词：多站融合;数据中心;数据迁移;储能电站;混合整数非线性规划   
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      • 汪繁荣,向 　堃,刘辉
        2020, 52(4): 56-65. DOI: 10.15961/j.jsuese.201901212
        摘要：泛在电力物联网的提出推动了智慧用电、负荷监测等技术的大力发展，为解决传统非侵入式负荷监测与分解方法耗时长、辨识精度低等问题，提出了一种通过半监督学习聚类数据建立特征集并结合果蝇优化广义回归神经网络模型的负荷分解方法。首先，该方法利用输入的设备有功功率和电流数据采取半监督学习优化相似矩阵，以近邻传播聚类算法为基础挖掘出用电设备的运行状态特性及功率信息，再使用数字编码方式将设备运行状态表示为分类标签；然后，输入总有功功率、无功功率以及电流的时间序列数据和对应序列的分类标签矩阵，利用果蝇优化算法的寻优能力求得广义回归神经网络模型的最优Spread值完成模型优化和训练；随后，输入测试时间序列数据，得到分类矩阵即各设备运行状态，并利用设备运行状态对应的功率信息进行总有功功率重构拟合，完成负荷分解。经仿真对比，该方法对所有用电设备运行状态辨识准确率达到86%左右，对单个用电设备运行状态辨识准确率达到96%左右，且耗时较短，显著提高了对负荷特性信息的挖掘能力和分解辨识能力。  
        关键词：非侵入式负荷分解与监测;半监督近邻传播聚类;果蝇优化算法;广义回归神经网络   
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        泛在电力物联网 特约稿

      • 刘东,樊强,尤宏亮,戴欣,黄玉辉,邵宗卫
        2020, 52(4): 3-12. DOI: 10.15961/j.jsuese.201901218
        摘要：可再生能源的规模化接入与应用是泛在电力物联网的基础性特征之一，其固有的不确定性一方面会给电网的安全稳定运行带来影响，另一方面导致其无法直接加入电力市场运营。虚拟电厂作为一种多能源的聚合模式，可对分布式可再生能源进行协同控制，并以一个集合体的形式参与电力市场，对于实现泛在电力物联网建设内容中提升电网安全经济运行水平以及促进清洁能源消纳具有重要意义。国内外对虚拟电厂的研究由来已久，欧洲FENIX项目虚拟电厂以实现分布式电源可靠并网和电力市场运营为目标，而北美的虚拟电厂主要基于需求响应计划，所以虚拟电厂聚合了大量可控负荷。在中国，国网冀北电力公司虚拟电厂示范工程兼顾考虑“源–网–荷–储”的互动，将泛在可调资源聚合为可与电网柔性互动的互联网电厂。在此基础上，首先分析了虚拟电厂在协调控制、优化调度、参与电力市场交易3个方面的研究现状。虚拟电厂的协调控制对象主要包括各种分布式电源、储能系统、可控负荷以及电动汽车，协调控制方式主要分为集中式控制和分散式控制。在集中式控制下，虚拟电厂的全部决策由中央控制单元制定；在分散式控制下，虚拟电厂的决策由各个代理系统取代。虚拟电厂的优化调度是指在满足各机组出力约束和网络约束的前提下，以收益最大化、运行成本最小、碳排放最小为目标，对自身内部多个电源的容量配置或出力进行优化调度，或者将虚拟电厂作为一个整体参与电网调度。此外，虚拟电厂利用其先进的通信技术在参与电力市场交易时能够快速响应市场电价变化、负荷需求变化，对促进电力市场自由化、增加市场灵活度、引导用户调峰调频等方面起到重要的作用。其次，详细阐述了泛在电力物联网下虚拟电厂的关键技术，包括“边缘–云”计算架构、区块链技术和大数据技术。“边缘–云”计算架构，一方面，通过云主站对虚拟电厂内部参与需求响应的负荷进行选择；另一方面，通过边缘计算感知用户用电行为，使得虚拟电厂在制定投标策略时能够更加精准。区块链技术去中心化和透明化的特点与虚拟电厂在地域上的分散性和调度过程中的协调控制有一定的相似之处，同时区块链技术也可保证虚拟电厂参与电力市场交易时的公平性和信息安全。大数据技术一方面可用于对各分布式电源的出力进行更为精确的预测；另一方面也可用于处理虚拟电厂内部的各种信息，提高各单元数据交换与处理的速度与精度。最后，对泛在电力物联网下虚拟电厂的研究进行了展望。考虑了全成本节点电价下虚拟电厂的模型与优化调度方法以及虚拟电厂的信息物理安全问题与对策。  
        关键词：泛在电力物联网;虚拟电厂;电力市场;协调控制   
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      • 李华强,李旭翔,阚力丰
        2020, 52(4): 13-24. DOI: 10.15961/j.jsuese.201901035
        摘要：近年来，国内外学者在综合能源服务的物理支撑技术和市场运营技术等方面开展了诸多有益的探索，其中，前者的研究成果较为丰富，而后者还相对匮乏，这一现实情况严重制约了中国综合能源服务的市场化、规模化发展。对此，本文关注于能源互联网与综合能源服务的发展协同性，分析了能源互联网在市场组织形式、服务商业模式和数据业务化3个方面对综合能源服务规模化发展的促进作用，进而研究、探讨了综合能源服务的市场运营模式及配套技术。一是，基于市场成熟度和信息透明度的变化趋势，将中国综合能源服务市场的发展划分为无组织的分散竞争阶段、局部平台化的信息汇聚阶段和全域生态化的产业生态阶段，并针对不同市场阶段构建了以能源服务商、信息运营商和综合能源服务平台为参与主体的市场组织形式。二是，从上述3类市场参与主体的价值闭环和运营流程入手，分别构建了以满足用户多元用能需求、积极链接供需双方撮合交易达成、引导各主体市场行为为核心的商业模式，并分析了各市场主体在不同市场阶段下的运营特性及经营核心。三是，探讨了综合能源服务市场运营所涉及4类关键技术的建模原理及技术框架：1）提出基于智慧终端、采集设备等数据来源，依托大数据、云计算、物联网等技术方法，考虑用户用能行为特征、用能需求特征及服务潜力等维度，构建用户多层级画像技术，以实现用户多维度用能需求和用能意愿的数据化、标签化、可视化；2）提出基于模糊综合评价、数据包络分析、综合集成赋权等技术方法，通过建立涵盖企业实力、服务能力和服务产品3方面的评价指标体系，构建能源服务商综合画像技术，以实现对综合能源服务商的客观综合评价；3）提出以分析、预测各类服务产品及服务市场未来供需趋势、影响因素和变化规律为主要目的的市场精准画像技术，并针对各类型市场主体的职能特点，分别探讨了适用于能源服务商和信息运营商的市场短期潜力评估方法、适用于综合能源服务平台的中长期市场趋势分析方法的构建思路；4）针对综合能源服务市场的阶段性发展路径，提出基于简单加权、和谐性分析、逼近理想解排序等多准则决策方法，构建面向市场分散竞争阶段的综合能源服务主动推送策略，以及基于组合服务、关联规则挖掘、协同过滤推荐等理论方法，构建面向市场信息汇聚阶段和产业生态阶段的规模性服务推荐策略。最后，从促进市场集中度和开放度不断提高、重视用户侧能源消费行为的引导与培育、提升用能数据获取能力和分析处理能力3个方面，对未来的研究、实践和政策制定工作提出了若干建议。总体而言，能源互联网的发展不仅将打破传统的能源服务供需模式，还将重塑综合能源服务业态，要充分发挥能源互联网推动综合能源服务规模化发展的促进作用，今后还需要在市场运营模式、技术等层面上开展更为广泛和深入的研究与实践工作。  
        关键词：能源互联网;综合能源服务;市场运营;发展阶段;商业模式;关键技术   
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        水利与土木工程

      • 王威,梁宇建,向照兴,王俊
        2020, 52(4): 66-76. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900606
        摘要：为研究轴压比对波形钢板混凝土组合剪力墙的影响，利用ABAQUS有限元软件对不同轴压比的竖向、水平波形钢板混凝土组合剪力墙进行非线性分析，以考察轴压比对波形钢板混凝土组合剪力墙的滞回性能、变形能力、抗侧承载力、抗侧刚度及耗能能力的影响，并对其分析结果进行了试验验证。有限元分析结果表明：当轴压比在0.15～0.45范围内且逐步增大时，竖向波形钢板混凝土组合剪力墙的承载能力和耗能能力随之增强，其延性和变形能力反之减弱；当轴压比超过0.6时，剪力墙的抗震性能表现较差。当轴压比在0.15～0.30范围内且逐步增大时，水平波形钢板混凝土组合剪力墙的承载能力随之增强，其延性和变形能力反之减弱，但对耗能能力影响不显著；当轴压比超过0.30时，剪力墙的抗震性能表现较差；当轴压比超过0.6时，其极限状态下的位移角低于位移角限值要求。轴压比在0.15～0.30范围内，当竖向、水平波形钢板混凝土组合剪力墙的轴压比相同时，前者表现出更好的抗震性能。为了确保有限元分析结果的可靠性，后续对两个剪力墙试件进行了拟静力试验，结果表明：有限元分析结果与试验结果吻合度较高，因此，有限元分析所得结果可为后续实际工程提供参考。  
        关键词：波形钢板混凝土组合剪力墙;轴压比;有限元分析;抗震性能   
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      • 阿里甫江·夏木西,吐迪买买提·巴克,刘晓蕊
        2020, 52(4): 77-88. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900201
        摘要：通过轴压试验和数值模拟手段，研究了箍筋对配筋钢管混凝土轴压短柱(R–CFST)力学性能的影响机理及承载力计算方法，旨在提出R–CFST设计方法和了解R–CFST施工时能否适当减少箍筋用量以降低成本。试验参数有平行式和螺旋式两种箍筋形式，其中，平行式箍筋有3种间距，共准备4组、8根R–CFST和3根钢管混凝土试件。试件在受力性能、承载力、断裂韧性、延性、套箍效应和破坏模式等方面的分析结果表明：构件在最大荷载前的受力特性和承载力与箍筋间距和形式无关，承载力计算时可不予考虑；平行式箍筋纵向间距的变化不会对构件的力学性能产生明显影响，因而推荐使用较大的箍筋间距以获得较好的经济效益；螺旋式箍筋有助于提高构件最大荷载后的受力性能，尤其是对延性的提高作用更为显著，因而推荐使用螺旋式箍筋以获得构件较好的延性和抗震性能。在试验结果的基础上，进行了数值分析研究，提出了可靠和有效的核心混凝土本构方程和此类构件的数值模拟方法，结合模拟结果进一步验证了试验结论的准确性。最后，研究了R–CFST的承载力计算方法，发现美国规范给出的公式过于保守，提出了与中国规范的设计习惯相匹配的R–CFST承载力计算公式，与试验结果对比分析表明提出的公式可以用于工程设计。  
        关键词：配筋钢管混凝土;箍筋;轴压试验;数值模拟;承载力   
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      • 姜春露,汪根强,郑刘根,徐康,程桦
        2020, 52(4): 89-96. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900752
        摘要：为精细描述充填裂隙溶质运移过程及其特征，设计加工了充填裂隙溶质运移试验模型，开展了不同流速条件下溶质运移试验，研究了充填裂隙溶质运移特征，结合不同测点自然电位（SP）实时动态监测数据，研究充填裂隙内部溶质运移过程。结果表明：1）在试验流速0.0733~0.9630 mm/s范围内，充填裂隙渗透系数为1.85 mm/s，与充填多孔介质渗透系数1.79 mm/s较为接近，水流符合达西定律。2）试验过程中，水流实际平均流速为0.247、0.431、0.661 mm/s时，取样口处溶质峰值浓度分别为5.14、5.50、5.78 g/L，溶质初始到达和峰值到达时间均减少，其中初始到达时间分别为4640、2640、1560 s，峰值到达时间分别为5480、3360、2040 s。3）3种水流实际流速条件下，溶质运移过程中SP响应呈现出相似特征，沿水流方向从1#到6#测量电极处峰值SP绝对值逐渐减小，且峰值前SP响应曲线陡峭程度逐渐降低；此外，溶质弥散前锋与溶质弥散峰值浓度点随水流动均呈匀速运移状态，其中溶质弥散前锋相应的平均流速分别为0.214、0.396、0.685 mm/s，溶质弥散峰值相应的平均流速为0.189、0.347、0.571 mm/s。4）基于峰值SP计算的水流实际平均流速与采用溶质峰值浓度计算结果基本一致，但基于峰值SP计算结果更接近实际平均流速（流量计算结果），准确度提高1.5%；随着流速不断增加，采用峰值SP计算的宏观平均流速误差降低9.9%。5）试验发现，与峰值SP值相比，采用初始SP值计算的充填裂隙水流宏观平均流速更接近由流量数据计算的水流宏观平均流速。  
        关键词：充填裂隙;溶质运移;自然电位;平均流速;示踪试验   
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      • 李龙起,邓小雪,张帅,何川,李昌林
        2020, 52(4): 97-107. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900605
        摘要：近年来，倾斜群桩被广泛应用于码头建设、桥梁基础等工程中抵抗横向荷载。随着研究的深入，其竖向承载特性也正引起学术界关注，如何评价倾斜群桩的竖向承载特性及群桩效应一直是工程中的难题。为此，结合厦门—深圳客运专线韩江特大桥桩基选型项目，就倾角为0°～12°周边倾斜的群桩基础分别建立5种桩间距分析模型，对其承载特性及群桩效应进行模拟试验和有限元分析。结果表明：就不同桩距的群桩基础竖向承载特性而言，群桩的最合理倾角为8°左右；竖直桩基的荷载–沉降曲线呈缓变型，倾斜桩基呈陡降型；沉降量在桩间距达到4d（d为室内模型试验基桩的直径）时骤然减小，且竖直桩基骤减值大于倾斜桩基；倾斜桩基地基土变形场的影响范围大于竖直桩基，随着荷载及桩间距的增大，桩间土竖向变形显著减小，桩间土夹持作用减弱，桩侧上部侧摩阻力在应力作用下逐渐增大；竖直群桩轴力为角桩＞边桩＞中桩，倾斜群桩轴力为中桩＞角桩＞边桩，轴力变化速率随桩间距的增大而增大；各基桩桩顶荷载分担随着群桩倾角及桩间距的增加趋于均匀；倾斜、竖直群桩群桩效应系数在桩间距为4d之前增长较快，在4d之后增长变缓慢；竖直桩基桩间距在5d时群桩效应系数达到稳定，倾斜桩基在6d时达到稳定，不同桩间距下均是倾角为8°时的倾斜桩基群桩效应系数最大。  
        关键词：倾斜群桩;竖向承载;群桩效应;数值模拟;模型试验   
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      • 江洎洧,俞演名,宁顺理,张峻荣
        2020, 52(4): 108-116. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900596
        摘要：以某深厚软土区海堤填筑下穿含匝道高速公路桥的复杂工程为研究案例，通过精细化3维有限差分数值模拟，分析采用工程加固措施后，大面积填筑对既有端承型桥梁桩基的影响程度及机理。研究表明：1）通过CAD+CAE动态设计优化，选定了钻孔灌注桩+框架梁+高压旋喷的加固方案，框架结构具有较好的整体刚度和协同受力特性，高压旋喷在上部软土层形成硬壳，可减小固结变形量。2）附加荷载在框架梁中充分形成压力拱，可显著降低对桥梁横向的挤压，有效控制两侧匝道下桩基的附加水平位移，在沿桥向将大面积堆载转化为灌注桩和框架梁内力，避免桩基产生过大附加弯矩；经计算，工后桩顶水平位移最大值4.38 mm，基桩最大压应力增量小于0.9 MPa，均能较好地满足控制要求。3）钻孔灌注桩+框架梁整体结构的有效性还体现在其可对桥桩产生类似套管的隔离保护，配合分层对称填筑工艺，可降低桥桩–桩周土相对变形，对控制基桩轴力增量作用显著。综上可知：精细化数值模拟可有效克服相关行业规范在评价复杂桩–土相互作用时的局限性，为研究工程方案的适用性及效果评价提供必要的技术支撑。  
        关键词：大面积堆载;下穿既有桥梁;桩基础;深厚软基;加固方案;3维有限差分   
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        发布时间：2024-01-08
      • 刘智,赵兰浩,吴晓彬,胡国平,周清勇
        2020, 52(4): 117-123. DOI: 10.15961/j.jsuese.201901157
        摘要：随着中国二次能源结构逐渐优化，大批高混凝土坝工程在西南地区应运而生，其抗震安全问题日益突出。针对高混凝土坝地震过程中复杂材料非线性问题，建立循环荷载下考虑滞回效应的混凝土损伤模型。模型分别选取符合混凝土实际变形特性的拉伸与压缩骨架线以考虑材料拉压异性，骨架线中含有软化段系数以适应试验结果的离散性。采用不依赖于骨架线形状的滞回效应加卸载特征点表达式，搭建能够反映混凝土循环荷载作用下软化段滞回效应的卸载路径与重新加载路径，并建议设立残余应变临界值解决残余塑性应变与卸载应变比值随应变增长的持续发散问题。模型将复杂多轴问题转化至单轴等效应变空间中求解，计算参数少，数学表达式简单，并通过对比混凝土循环拉伸荷载试验和Koyna重力坝的震害模拟验证了模型在非线性问题求解上的正确性与高效性。研究为高混凝土坝的抗震分析及安全评价提供理论支撑。  
        关键词：损伤模型;循环荷载;滞回效应;抗震分析   
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      • 杨澄宇,蔡雪松,马原驰,袁勇
        2020, 52(4): 124-131. DOI: 10.15961/j.jsuese.201901161
        摘要：混合试验为结构抗震研究领域提供了一种创新性的试验研究手段。在混合试验中，试验时长主要取决于数值子结构计算耗时、数据通讯耗时、作动器加载耗时3大因素。不同种类的积分方法的选择以及数值模型的差异，都会导致试验耗时不同，甚至影响混合试验的加载精度。OpenFresco是当前较为通用的一种实现混合试验的平台，但基于OpenFresco平台的以混合试验时长为重点的研究尚不充分。以单层单跨框架模型为分析对象，取钢柱构件为试验子结构，根据时长试验结果系统研究影响混合试验时长的因素。对试验数据进行分析可知，积分方法、模型复杂程度、加载步长是影响混合试验时长的主要因素。根据不同积分方法、模型复杂程度、加载时长等工况进行试验，得到试验时长与试验精度的关系。结果表明：基于OpenFresco平台的混合试验，宜采取显式积分方法或者固定迭代次数Newmark方法，数值模型应进行适当简化以提高试验精度。  
        关键词：混合试验;试验时长;OpenFresco;积分方法;试验精度   
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      • 何志刚,蔺鹏臻,刘应龙
        2020, 52(4): 132-140. DOI: 10.15961/j.jsuese.201901174
        摘要：为研究正交异性钢桥面板的顶板与U肋焊缝连接处残余应力及与外荷载组合作用下的局部受力特征，以宽体钢箱梁为工程实例，基于热弹塑性有限元法对该焊缝的施焊过程进行数值模拟，分析了焊接过程中温度场和应力场的变化；以初应力的方式实现了焊接残余应力与外荷载作用的组合。结果表明：面板下缘垂直于焊缝方向的残余拉应力峰值接近材料的屈服强度，远离焊缝的区域应力急剧减小，焊趾处的横向残余应力明显大于焊跟处；由面板上缘至下缘，纵向残余应力由压应力变为拉应力，横向残余应力呈“拉应力—压应力—拉应力”的交替变化趋势；以初应力的方式考虑残余应力，稳定应力场的相对误差可控制在5.0%以内；自重与二期恒载对焊缝区局部应力场的分布特征和焊跟及焊趾处的应力极值的影响不大（1.7%以内）；外荷载中，考虑局部对称轮载作用且未考虑焊接残余应力在外荷载作用下的消散情况时，焊跟及焊趾处垂直于焊缝的横向应力极大值最大分别可增大10.7%、17.6%；焊接残余应力及与外荷载组合作用下，焊趾及焊跟位置处沿面板厚度应力的分布符合“直线+抛物线”的规律。  
        关键词：正交异性钢桥面板;焊接残余应力;疲劳;热弹塑性;初应力   
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      • 王梅,杨松松,杜建安,郭勇
        2020, 52(4): 141-148. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900526
        摘要：管幕预筑法顶管工程相比于传统管幕法顶管工程具有顶管间距小、顶管直径大等特点。目前，对于密排大直径顶管的应用较少，对管幕密排顶管施工顺序和顶管施工地表沉降规律理论研究不足，密排顶管施工土体的变形趋势与单一顶管相差较大，传统的Peck公式预测地表沉降难以适用。为了解决密排顶管的施工顺序及顶管施工地表变形规律，采用大型模型试验对3种典型的顶管施工方案进行试验，研究大直径密排顶管之间的相互影响作用和顶管施工过程中的地表变形特征。结果表明：考虑管土拱效应的顶管施工方案管幕中轴线位置处的地表沉降最大值为6.09 mm，小于其他两组方案；密排顶管之间不仅存在相邻顶管相互支挡的现象，且顶管与周围土体共同作用形成的管土拱效应对施工下排顶管形成保护；管幕预筑法密排顶管群最佳的顺序为先施工管幕上排顶管，再施工管幕两侧及下排顶管。通过改进Peck公式预测密排顶管群施工产生的地表沉降，改进的公式不仅将相邻顶管与管土拱效应的支挡效应考虑在内，还修改了Peck公式参数取值的具体办法。改进Peck公式的预测结果与模型试验的横向地表沉降曲线吻合良好。  
        关键词：管幕预筑法;密排顶管;Peck公式;管土拱效应;地表沉降   
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      • 韩健勇,赵文,李天亮,柏谦
        2020, 52(4): 149-156. DOI: 10.15961/j.jsuese.201901052
        摘要：随着近年来高层建筑的大规模建设，基坑开挖深度逐渐增大，由于深基坑通常位于城市的繁华地带，且常常紧邻各种建筑物，如何处理好基坑开挖及支护等施工过程对周边环境的影响，成为基坑工程研究的关键。以近接浅基础建筑物的桩锚支护结构深基坑为工程背景，基于现场实测数据深入分析了桩体变形、桩顶位移和建筑物沉降等变化规律，基于Plaxis有限元软件建立数值模型，经模型计算结果与现场监测数据对比选取合理的土体本构模型，探讨了邻近建筑物基础位置和地基附加应力两个关键参数对桩锚支护结构基坑与邻近建筑物本身的影响规律。研究表明：混凝土支撑和冠梁在控制围护桩顶变形的同时会增大坑角效应的影响范围；对于基坑开挖卸载问题，硬化土模型（HS模型）相对于莫尔库伦模型（MC模型）具有更准确的模拟效果；基坑施工主影响区域约围护结构后方2.5He（基坑开挖深度），建筑物平均沉降最大值和倾斜度最大值位置分别位于距围护结构约0.6He和1.1He处；建筑物平均沉降值δva最大值位置与地表沉降最大值位置吻合，倾斜度最大值位置约位于地表沉降曲线反弯点处；针对本文工程，当建筑物基础埋深为2.5 m，基坑围护桩与建筑物中心距离在7.5～52.5 m范围内变化时，建筑物平均沉降和倾斜度最大值分别约为8.3 mm和0.00025；平均每增高一层建筑物，其沉降值和倾斜度分别增加约0.9 mm和0.7×10–4，基坑围护结构最大侧移量增加1.4～2.0 mm，其增量随层数增高而增加。  
        关键词：桩锚支护结构;变形性状;建筑物;数值模型;深基坑开挖   
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      • 杨坡,许泽星,闫旭峰,王协康
        2020, 52(4): 157-165. DOI: 10.15961/j.jsuese.202000057
        摘要：山区河流受地形地貌及降雨过程影响，洪水具有显著的陡涨、陡落过程，这种短历时陡涨过程极大缩短了沿河居民的有效安全转移时间，给山洪灾害防治带来了极大困难。山洪预警预报是山洪灾害防治非工程措施的重要组成部分，一般分为水位预警和雨量预警。由于山区洪水历时短且监测站不足，水位预警在国内应用较少，传统流量反推法常以雨洪同频计算预警雨量，预警结果多出现漏警，不能满足防御山洪灾害的实际需求。为提高暴雨山洪的预警精度及预警时长，提出了基于洪水上涨率判定法和实时累积雨量法两种计算预警指标的方法。以四川省金沙江支流中都河流域“8·16”山洪灾害为例，依据不同预警方法的预警准确性与预警时长，探讨了这两种方法与传统水位流量反推法的差异。结果表明：传统水位流量反推法的预警精度较低，难以达到预期的预警效果；洪水上涨率判定法的预警精度较高，但该方法的预警时长受洪水涨退特性影响，对延长预警时长有一定影响；采用基于小流域场次洪水与降雨过程变化关系的实时累积雨量法其结果均未出现漏警，且有效延长了预警时长，若以山洪灾害技术要求的预警时长30 min为准，提出的两种方法延长预警时长基本超过30%，满足预警要求。因此，建议在设定累积雨量阈值的基础上，结合洪水上涨率进行灾害预警，以便更为有效地提高山洪灾害的预警准确率。  
        关键词：山洪灾害;成灾水位;洪水陡涨率;实时累积雨量;山洪预警   
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      • 赵鑫曜,陈建功,张海权,杨泽君
        2020, 52(4): 166-175. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900423
        摘要：块石土边坡具有物理力学性质复杂、非线性强等特性，受块石–土体空间分布、块石粒径等几何因素影响较大。为研究空间与颗粒参数对块石土边坡稳定性影响，基于已有的块石形状数据库随机生成方法，采用ABAQUS软件非线性分析方法，考虑含石量、最大粒径、空间分布等多种几何因素，建立大量有限元模型进行计算分析。结果表明：含石量增大，边坡安全系数上升，且含石量在50%～60%区间内上升速率最快；含石量增大，同粒径组边坡安全系数标准差增大，模型安全系数差异变大。最大粒径增大，块石分布对于边坡安全系数的影响增大，边坡稳定性先减小后增强，同粒径组边坡安全系数标准差增大。含石量和最大粒径增大，块石空间分布对于边坡稳定性影响增大。粒径大小、块石空间分布对于块石土边坡稳定性影响方式也不同，大粒径块石存在令滑动面向边坡内部发展，而密集小粒径块石大多是令滑面呈折线形，二者皆可增大边坡稳定性。当块石长轴与坡面夹角为90°、135°时，边坡塑性区呈发散分布，滑面更靠内部，稳定性更好；当块石长轴与坡面夹角为0°、45°，则与上述情况相反。在通常沉积条件下，边坡稳定性随长短轴比增加而降低，滑动面越发平滑，塑性区范围也更加集中。研究结果表明，几何参数不同，边坡稳定性差异较大，且具有一定规律性，在实际工程中有一定的参考价值。  
        关键词：块石土边坡;随机生成;含石量;块石粒径;块石空间分布   
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        发布时间：2024-01-08
      • 孟文康,安瑞冬,李嘉,李芳,游景皓
        2020, 52(4): 176-183. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900814
        摘要：根据雅鲁藏布江中游辫状河流平面形态建立输沙地形，构建了可用于辫状河流输沙模拟的数学模型。采用2维水动力学和非黏性泥沙耦合模型，对辫状河流中泥沙输运规律进行数值模拟研究，模型基于不可压缩雷诺平均N–S方程，包括连续方程、动量方程、河床面变形方程、全沙输沙方程。模型通过全沙输移理论计算悬移质和推移质输沙率。结果表明：当模拟洪峰流量时，辫状河流出口含沙过程和悬移质输沙过程峰值滞后于入流过程，形成相位差，泥沙粒径越小，相位差越小，中值粒径为0.01和0.02 mm泥沙相位差接近0，出口悬移质输沙率产生的相位差小于含沙量；中值粒径为0.30、0.20和0.10 mm泥沙在辫状河流中的淤积量超过50%。在计算泥沙输移的同时，考虑泥沙的启动、沉降淤积作用导致的地形更新，进而求解挟沙水流在辫状河流中运动时对地形变化的影响，为天然辫状河流的研究预测建立一定的数值模拟基础。  
        关键词：辫状河流;泥沙输运;雅鲁藏布江;数值模拟   
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      • 王海军,张珂,任然,汤雷,郁舒阳
        2020, 52(4): 184-193. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900343
        摘要：裂纹间的相互作用是断裂力学的重要研究内容，但针对3维内裂纹的扩展规律及相互作用的研究较少。基于3D-ILC技术，在完整巴西圆盘内部制作平行双内裂纹，开展含60°双内裂纹单轴压缩试验，记录裂纹扩展过程，得到裂纹起裂及破坏荷载，分析双内裂纹相互作用下的应力双折射规律、裂纹扩展形态及断口特征。基于M积分及应变能密度因子理论进行数值模拟，揭示KⅠ、KⅡ、KⅢ的分布规律，实现双内裂纹扩展路径及平行裂纹相互作用模拟，并与试验进行对比。结果表明：1）基于3D-ILC的平行双内裂纹扩展破坏试验规律显著，证明了该技术在多内裂纹相互作用试验研究中的适用性；2）试样裂纹形态主要有上翼裂纹、下翼裂纹、竖直裂纹及贯穿型裂纹，翼裂纹断口光滑区为Ⅰ–Ⅱ型复合裂纹，裂纹侧面为Ⅰ–Ⅱ–Ⅲ型复合裂纹，呈现矛状断口；3）含60°双内裂纹试样破坏荷载为完整试样的17.73%，内裂纹扩展速度与加载力为非线性关系；4）双内裂纹尖端之间存在屏蔽作用，使扩展呈现明显反对称的裂纹形态；5）基于M积分的K分布及基于应变能密度因子理论裂纹扩展路径与试验规律一致。结果为3维内裂纹Ⅰ–Ⅱ–Ⅲ型复合断裂及多裂纹相互作用研究提供了物理试验及数值模拟参考。  
        关键词：类岩石材料;脆性断裂力学;裂纹扩展;双内裂纹;相互作用   
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      • 单浩,洪宝宁,刘鑫,徐奋强
        2020, 52(4): 194-202. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900300
        摘要：桩土复合路基是高速公路软基路段常用的处理方法，但现阶段常出现复合路基满足质量检测要求而工后仍有较大沉降的情况，严重影响行车的安全性和舒适性。为预测和早期评价桩土复合路基工后沉降，在分析157段复合路基路段工后沉降情况的基础上，利用理论分析和现场试验，引入弹性垫层和延时持载的手段改进现行静载试验，获得评价参数残余沉降Sr和沉降速率Vt；然后，由实测数据对比利用概率统计分析方法获得的评价指标，建立一种复合路基工后沉降早期检测评价方法。结果表明：在2倍承载力设计值情况下，延时持载试验延时48 h可使90%以上的复合路基完成垫层的桩土应力比调整，达到稳定的承载形式。延时持载试验的最大残余沉降值小于7.0 mm或大于12.0 mm时，采用对数正态分布拟合更好；大于7.0 mm且小于12.0 mm时，采用逆Γ–分布拟合更好。15年工后沉降要求值为100、200和300 mm时，对应的延时持载试验最大残余沉降Sr max分别为4.50、13.30和35.41 mm，对应的Vt=48 h分别为0.021、0.046和0.055 mm/h，满足的概率分别为47.61%、87.49%、96.93%。现场实例验证表明，提出的评价指标值与实际情况比较吻合，有利于工程质量的早期检测评价，及时制定补救措施。该方法不仅可丰富工后沉降预测的方法，且有利于将现有复合路基质量检测指标体系从单一的强度检测拓展为强度、沉降检测。  
        关键词：复合路基;延时持载试验;工后沉降;早期评价方法;概率统计分析;控制标准   
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        发布时间：2024-01-08
      • 王永洪,张明义,刘俊伟,白晓宇
        2020, 52(4): 203-212. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900692
        摘要：对于静压开口管桩，其沉桩过程中桩身受力复杂，尤其是桩身内侧由于土塞效应产生的土塞阻力，对桩侧阻力有着显著影响。因此，对静压沉桩的力学机制展开全面试验研究，将开口管桩桩侧阻力分离进行研究，对静压桩施工和承载力的确定都具有重要意义。针对均质黏性土地层，通过室内模型试验对静压沉桩贯入力学机制进行研究，讨论了桩端形式对于其贯入力学机制的影响特征。通过研发双壁开口模型管桩，联合使用增敏微型光纤光栅应变传感器和双膜片温度自补偿型光纤光栅土压力传感器，分离沉桩阻力中的土塞阻力，获得开口管桩贯入过程中内管桩身轴力、桩内侧摩阻力的变化规律。结果表明：不同桩端形式不仅关系到桩端阻力的发挥，且对桩侧摩阻力亦产生显著影响；随深度的增加，闭口桩桩身轴力不断减小，开口桩距离桩底远的桩身轴力递减的速率逐渐增大，接近桩顶处轴力基本为0；桩身单位侧摩阻力随深度持续增加，开口桩外管桩身单位侧摩阻力发挥程度小于闭口桩；在同一深度处，随着贯入深度的增加，桩身单位侧摩阻力不断减小，即侧阻退化现象，且随着贯入深度的增加，该位置处桩身单位侧摩阻力减小的越大，这与已有的关于静压沉桩贯入力学特性研究结论一致。研究成果可为黏性土中静压桩施工设计提供一定的借鉴与参考。  
        关键词：静压沉桩;桩身轴力;单位侧摩阻力;力学机制;黏性土;室内试验   
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        发布时间：2024-01-08

        机械工程

      • 黄 　劼,林思建,黄婉舟,李俊国
        2020, 52(4): 213-217. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900340
        摘要：称重系统传感器安装完成后，会由于传感器安装面的形位误差使得传感器受力面不一定水平，对于所承受的重力或出现偏载，灵敏度系数安装前后不再相同，一般需在位标定后方可使用。对于双传感器系统，由于各传感器安装情况不同，灵敏度系数不仅安装前后不同，而且彼此也不相同；另一方面，由于标定时加载重心位置有一定随机性，不能保证两传感器的平均受力，因而加载重量未知。偏载和加载位置随机性相互作用，使得双传感器系统灵敏度系数标定变得困难。目前，常用方法是在处理电路上附加电位器等元件，通过改变原信号放大倍数使各路灵敏度相同，然后再加载标准重量完成标定。该方法需改变原电路，可能带来未知的影响，而且对于集成型的处理电路难以实现。针对上述问题，建立了传感器受力模型，通过受力分析明确偏载和重心位置变化对灵敏度系数的影响机理；推导了灵敏度标定算法，将双传感器系统灵敏度系数分解为耦合系数和转换系数两部分，标定时用同一标准重物在不同位置加载两次，即可完成在位标定，解决了双传感器系统灵敏度系数的标定问题，保证偏载情况下系统的测量精度。经实验验证，该方法不改变原测量电路和机械结构，标定后系统误差小于0.03%。  
        关键词：称重系统;双传感器;受力分析;标定;耦合系数   
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        发布时间：2024-01-08
      • 孙玉华,柯尚娟,王国成,刘志彬
        2020, 52(4): 218-225. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900987
        摘要：目前，微耕机设计基本不考虑振动隔离，导致其作业过程中产生的剧烈振动而使操作者无法忍受。针对该问题，基于磁流变液的数学模型建立磁流变弹性体变刚度和阻尼的数学模型，计算其等效刚度和等效阻尼，并设计一种新型磁流变弹性体隔振器结构，进而建立隔振系统的数学模型，研究刚度和阻尼对系统稳定性的影响。根据磁流变弹性体的性质，建立变刚度和阻尼的控制策略，搭建Simulink仿真模型，采用PID控制、开关控制和未加控制进行仿真分析，通过仿真结果检验控制效果。结果表明：阶跃输入时，PID控制系统的位移和速度响应能够迅速趋于稳定，开关控制的最大位移幅值是PID控制的2倍，最大速度幅值是PID控制的8倍左右；未加控制的位移和速度响应趋于稳定的时间最长，幅值也最大；多频正弦输入时，未加控制的位移幅值是开关控制的5倍多，是PID控制系统的10倍左右，速度幅值是开关控制的7倍左右，而开关控制的速度幅值略大于PID控制的速度幅值；随机输入时，开关控制的位移幅值整体上小于未加控制，PID控制的位移幅值整体小于开关控制，且其位移曲线最平滑，速度曲线PID控制波动最小，开关控制次之，未加控制波动最大；混合输入时，未加控制的位移和速度幅值分别是开关控制的4倍和7倍左右，开关控制的位移和速度幅值是PID控制的2倍左右，PID控制的位移和速度波动最小。综上所述：PID控制策略简单，控制效果最好，为后续工作的控制器开发和实验验证奠定了理论基础。  
        关键词：微耕机;磁流变弹性体;隔振系统;控制策略   
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        发布时间：2024-01-08
      • 曹学鹏,包翔宇,张弓,侯至丞,徐征
        2020, 52(4): 226-234. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900729
        摘要：多机器人协同作业广泛用于多机协同搬运、冲压、焊接等领域，具有更高的精度，更灵活的工况执行能力。协同系统的插补算法与力/位控制性能共同决定了协同作业的轨迹平滑性和稳定性，也直接影响着系统的承载性能与作业质量。作者针对双机器人协同搬运过程中的力/位控制技术展开了研究。首先，分析了双机器人协同搬运工况的夹持特征和受力状态，建立了协同搬运系统的理想数学模型。接着，依据主从机器人2阶阻尼系统的数学模型，采用双机器人主从协同控制模式，分别设计力/位控制策略；提出主机器人采用基于理想位置的优化模糊自整定位置控制，从机器人采用基于主机器人位置偏差的优化细菌觅食算法的阻尼控制，进行控制模块的设计工作。然后，在MATLAB中编译了细菌觅食算法主体及其代价函数，在Simulink中搭建控制系统。最后，对整个控制器模块进行联合仿真，仿真结果如下：主机器人的最大位置误差缩小到1.53 mm，从机器人的最大力误差缩小到0.038 N。从机器人追踪主机器人的位置误差控制在0.18 mm内，且从机器人可在0.2 s内快速修正主从速度偏差。仿真结果表明：相比常规PD控制，本文所述控制方法可减少约40%的最大追踪误差，且有效消除了力追踪过程中的过零振荡现象，提高了系统的实时追踪动态性能。  
        关键词：双机器人;协同搬运;位置控制;阻尼控制;模糊自适应; 细菌觅食算法（BFA）   
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        发布时间：2024-01-08
      • 陶浩浩,范晋伟,邬昌军
        2020, 52(4): 235-242. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900337
        摘要：在机床的初始设计阶段，只有机床关键零部件的公差已知。由于机床导轨几何误差对机床精度设计起到关键的指导作用，只有利用设计经验才能获得几何误差。因此，在新机床设计初期，如何准确预测机床几何误差十分必要。基于机床导轨的各项公差，提出一种预测几何误差的方法。首先，采用截断的傅里叶级数对导轨表面形貌误差进行拟合，建立了机床导轨公差与表面形貌误差之间的映射关系，以及表面形貌误差与几何误差之间的映射关系，因为表面形貌误差在公差和几何误差之间起到桥梁作用，因此建立了基于导轨公差的几何误差预测模型。接着，对该预测模型进行仿真分析，结果表明，预测的几何误差中定位误差、y向直线度误差、z向直线度误差、滚摆误差、颠摆误差和偏摆误差分别为17.12 μm、56.57 μm、70.71 μm、28.28 μrad、141.42 μrad、113.14 μrad。最后，利用双频激光干涉仪对导轨几何误差进行测量，同时利用傅里叶曲线拟合方法对测量结果进行拟合，拟合结果表明测量的几何误差分别为16.96 μm、59.43 μm、68.63 μm、28.65 μrad、135.40 μrad、111.58 μrad。对仿真结果和测量结果进行差值比较，发现残差值最大不超过几何误差值的10%，因此，在机床的设计阶段该方法可以有效地预测几何误差并代替几何误差的实际测量，为机床设计者提供重要的理论依据。该方法的核心思想可以直接应用到其他类型导轨几何误差的预测。  
        关键词：机床导轨;截断的傅里叶级数;几何误差;公差;表面形貌误差   
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        发布时间：2024-01-08

        网络空间安全

      • 赵磊,葛万峰,毛钰竹,韩萌,李文欣,李学
        2020, 52(4): 243-250. DOI: 10.15961/j.jsuese.201900902
        摘要：针对目前大部分研究仅关注Deepfake单幅图像的空间域特征而设计检测模型的问题，以Deepfake视频中人物面部表情变化存在细微的不一致、不连续等现象为出发点，提出一种基于时空特征一致性的检测模型。该模型使用卷积神经网络对待检测图像提取空域特征，利用光流法在待检测图像的连续帧间进行时域特征的捕获，同时利用卷积神经网络对时域特征进行深层次特征提取，在时域特征和空域特征经过多重的特征变换后，使用全连接神经网络对空域特征和时域特征的组合空间进行分类实现检测目标。将本文提出的模型在Faceforensics++开源Deepfake数据集上开展模型的训练，并对模型的检测效果进行实验验证。实验结果表明，本文模型的检测准确率可达98.1%，AUC值可达0.998 1。通过与现有的Deepfake检测模型进行对比，本文模型在检测准确率和AUC取值方面均优于现有模型，验证了本文模型的有效性。  
        关键词：虚假图像;Deepfake检测;时域特征;空域特征   
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        发布时间：2024-01-08
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