最新刊期
      2024 年 第 56 卷 1 期

        智能交叉科学与工程

      • 赵彬,吴成东,孙若怀,姜杨,吴兴茂
        2024, 56(1): 1-10. DOI: 10.15961/j.jsuese.202201117
        摘要：在3C（计算机、通信和消费电子）行业中，对协作机器人的安全、交互、精度、柔顺等方面有严格要求。为了解决协作机器人柔顺交互控制问题，对机器人的零力控制和碰撞检测方法进行了深入研究。首先，建立了一种分析冗余协作机器人牛顿−穆尔彭罗斯（Newton−MP）通用的逆运动学算法，将逆运动学问题转化为Newton−MP法的迭代求解问题。其次，针对协作机器人的零力控制问题，通过同时考虑摩擦力形成完整动力学方程。同时，建立基于加速度3次摩擦力模型的完全动力学方程，采用遗传算法对摩擦力模型进行多参数辨识。再次，提出基于One-class卷积神经网络的碰撞检测方法，构建无碰撞数据集。One-class卷积神经网络在特征空间中引入伪负高斯数据，并使用2元交叉熵损失对网络进行了训练。One-class卷积神经网络碰撞检测方法成功地补偿了模型不确定的动态影响，解决了传统碰撞检测方法建模不准确的问题。最后，通过实验证明，提出的Newton−MP优化方法具有良好的性能，绝对误差达到0.000 13 mm。与理想摩擦力模型进行对比，采用基于速度的3次摩擦力模型拟合出的摩擦力能够更好适用于零力控制。将外力矩观测器与One-class卷积神经网络碰撞检测进行优缺点分析，可以证明，One-class卷积神经网络可以在不依靠模型的情况下，准确地检测机器人的异常碰撞。  
        关键词：动力学;协作机器人;One-class卷积神经网络;摩擦参数辨识   
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        发布时间：2024-03-14
      • 张琴,张蒸忠,洪逸帆,顾邦平,胡雄
        2024, 56(1): 11-21. DOI: 10.15961/j.jsuese.202201337
        摘要：海上起重船受风、浪、涌影响会产生剧烈的船舶姿态变化，造成起重机和货物的位姿变化，对货物和人员存在安全隐患，波浪补偿平台的稳定性控制能有效减少复杂海况下船舶运动对海上作业安全性、稳定性和精准性的影响，对浮式起重船海上设备精准装载作业极其重要。针对补偿平台的迟滞非线性导致的建模困难和控制不精确问题，本文提出基于PI（Prandtle–Ishlinskii）建模和反步滑模控制的主动波浪补偿策略。首先，通过实验得到补偿系统的迟滞效应曲线，分析系统迟滞环建立PI迟滞模型，并采用递推最小二乘法辨识模型的各个参数，从而求得系统模型。然后，基于李雅普诺夫（Lyapunov）稳定性设计反步控制补偿方法，并结合滑模控制规律加快初始控制速度。最后，将反步滑模法应用于补偿系统，采用MATLAB软件仿真在规则波和不规则波下的响应来验证算法和模型的正确性，并在工控机中用C#编写控制程序，驱动运动控制卡控制伺服电机带动电缸进行补偿运动，同时通过传感器采集系统运动的实时数据，并反馈给工控机形成闭环，以期验证补偿平台在补偿规则波和不规则波下的补偿效果。实验结果表明，所建立的斯图尔特（Stewart）浮式平台中，PI迟滞模型具有良好的精度，反步终端滑模控制算法在Stewart平台的实际控制中能够很好地补偿波浪运动，相比比例–积分–微分控制（PID）、反步法、强化学习等控制方法，反步终端滑模方法能快速较好跟踪期望位移，补偿精度达到0.972 9。  
        关键词：主动波浪补偿;PI迟滞模型;反步终端滑模控制;斯图尔特浮式平台   
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        发布时间：2024-03-14
      • 张琴,蔡慧茹,兰明东,浦克,胡雄
        2024, 56(1): 22-34. DOI: 10.15961/j.jsuese.202300513
        摘要：随着海上风电“十四五”规划的不断推动，在深远海域对兆瓦级大功率海上风机的需求量随之增加，其规模也在不断扩大。但是，在吊运、安装等海上工作过程中，复杂海浪对船舶产生的持续影响导致风机安装的精度和效率大幅下降，甚至会对人员安全以及财产造成重大损失。在深远海域复杂海况下对工程船舶进行有效的波浪补偿，可提供稳定的作业环境以保证精准高效地完成各项工作，因此，本文提出了一种基于改进麻雀优化PID的波浪补偿控制方法并将其应用于Stewart补偿平台。首先，建立波浪补偿平台动力学以及运动学反解模型，并设计正解模型迭代求解算法。随后，使用PID进行波浪补偿控制，并通过麻雀搜索算法优化参数。接着，采用Circle混沌映射对其进行初始化分布，以解决初始化不均匀的问题；并采用动态自适应加权、柯西突变以及反向学习以提升算法全局寻优能力。最后，生成4～6级海况下的某工程船运动数据作为系统输入，利用MATLAB和Simulink软件平台搭建模型进行补偿控制验证，并在Stewart硬件平台上做补偿试验。结果表明，改进麻雀搜索算法具有较快的收敛速度、较高的精度和更好的寻优能力，优化后的PID控制方法更适合用于复杂海况下波浪补偿平台的控制优化，可为大功率海上风机安装的补偿平台控制系统设计提供参考。  
        关键词：波浪补偿平台;3自由度补偿;比例积分微分控制器;改进麻雀搜索算法   
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        发布时间：2024-03-14
      • 刘振亮,李素超,赵存宝
        2024, 56(1): 35-43. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200665
        摘要：基于试验或数值模拟的单一墩柱力学性能分析方法难以兼顾计算精度和效率，纯数据驱动的分析方法存在可解释性差和对数据依赖性强等问题。为此，本文通过研究钢筋混凝土（RC）墩柱力学性能试验数据、经验知识和机器学习的融合机制，提出了经验知识监督的RC墩柱力学性能神经网络（knowledge-guided neural network， KGNN）分析方法。首先，建立了包含761组RC墩柱拟静力试验样本的数据库；随后，基于经验知识分析了RC墩柱主要特征对其力学性能的影响规律，构建了相应的数学表征方法；最后，将RC墩柱试验数据及经验知识融入人工神经网络架构和训练过程，建立了高精度、可解释、可通用且不依赖大量训练数据的RC墩柱力学性能KGNN分析模型。本文提出的KGNN分析方法与纯数据驱动神经网络（BPNN）的结果对比表明：BPNN在测试集上表现更好，在分析墩柱承载力时均方根误差（E）和拟合系数（R2）分别为0.070和0.978，KGNN模型的E和R2分别为0.108和0.942；但由于BPNN所预测的墩柱特征对承载力的影响规律与经验知识并不吻合，即未能准确反映墩柱特征与其力学性能间的关系，BPNN模型发生了过拟合；而KGNN方法不仅可以快速准确获得RC墩柱力学性能，且预测规律与经验知识吻合较好，具有更高的可靠性和实用性。因此，融合试验数据与经验知识的神经网络有望成为一种新的RC结构力学性能分析方法。  
        关键词：钢筋混凝土墩柱;数物融合的神经网络;经验知识;力学性能;试验数据库   
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        发布时间：2024-03-14
      • 鄢凡力,胥小波,赵容梅,孙思雨,琚生根
        2024, 56(1): 44-53. DOI: 10.15961/j.jsuese.202300431
        摘要：知识感知推荐（KGR）领域普遍存在监督信号稀疏问题。为了解决这个问题，对比学习方法被越来越广泛地应用于KGR。但是，过去基于对比学习的KGR模型仍存在一些问题：首先，使用图卷积对所有邻居节点直接聚合，无法排除知识图谱中不必要邻居节点信息的干扰；此外，只关注全局视图的信息，忽略了局部特征，这会导致过平滑问题。为了解决以上问题，提出一种基于跨视图对比学习的知识感知推荐系统（knowledge-aware recommender system with cross-views contrastive learning，KRSCCL）。KRSCCL使用关系图注意力网络构建包含用户、物品和实体节点的全局视图；使用轻量级图卷积网络构建包含用户和物品节点的局部视图，强调局部特征，有效地缓解过平滑问题；最后，在构建的两个视图的图内和图间节点对之间进行对比学习，以充分提取知识图谱信号，优化用户和物品表示。为了验证模型的有效性，在3个不同领域的公开数据集上进行了实验，实验结果表明：关系图注意力网络可以有效排除复杂网络聚合时的噪声问题；引入局部视图可以优化节点表示生成，缓解过平滑问题；KRSCCL模型在这3个数据集上都表现良好，在电影领域数据集Movielens–1M上，推荐的评估指标F1分数较最强基线提升2.0%；在音乐领域数据集Last.FM上，F1分数较最强基线提升0.3%；在书籍领域数据集Book–Crossing上，F1分数较最强基线提升5.1%。证明了本文模型的有效性。  
        关键词：知识感知推荐;对比学习;关系图注意力;推荐系统   
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        发布时间：2024-03-14

        人工智能

      • 佃松宜,厉潇滢,杨丹,芮胜阳,郭斌
        2024, 56(1): 54-64. DOI: 10.15961/j.jsuese.202300315
        摘要：地下水水位是旱天污水管网地下水入渗量的重要影响因素，快速精准地预测地下水水位能有效提升旱天污水管网地下水入渗量估算准确度，辅助优化管网病害治理与维护策略。针对目前城市复杂水文预测存在的准确度低、灵敏度低、泛化能力弱等问题，本文提出了一种新的鲁棒自适应水位预测算法。首先，对水文数据进行预处理，解决了数据时间跨度大、噪声多、缺失及异常、非平稳等问题。其次，针对不同输入特征对预测指标的影响，在模型训练阶段提出一种新的空间变量注意机制，可快速识别与水位关联的关键变量，并对输入特征赋予不同的影响权重。然后，针对不同序列长度对预测效果的影响，还设计了自适应时间注意力机制，帮助网络自适应地找出与不同时间序列长度预测指标相关的编码器隐藏状态，以更好地捕捉时间上的依赖关系。在此基础上，以上下文向量作为输入，提出一种融合注意力机制的长短时记忆网络水文预测算法。最后，通过意大利Petrignano水文数据验证了所提算法的有效性，并与GRU、Elman、LSTM、VA–LSTM和S–LSTM等方法进行预测性能比较。结果表明，基于融合注意力机制的LSTM网络在面临大规模、噪点多的复杂数据时有优于其它几种算法的预测效果，表明该算法具有强自适应性和鲁棒性。本文研究结果可以为市政排水策略合理调整、及时控制提供参考。  
        关键词：地下水位预测;时间与空间注意力机制;LSTM网络;自适应预测;鲁棒预测   
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      • 陈宝国,陈磊,邓明,陈金林
        2024, 56(1): 65-81. DOI: 10.15961/j.jsuese.202201214
        摘要：由于大数据环境下数据呈现出动态更新的特征，因此，增量式属性约简已成为粗糙集理论的重点研究方向。不完备混合型有序信息系统是一种常见的信息系统类型，然而，目前少有增量式属性约简方面的相关研究，针对这一问题，本文在不完备混合型有序信息系统下提出一种对象更新情形的增量式属性约简算法。首先，针对不完备混合型有序信息系统提出了邻域容差优势关系，基于该二元关系建立了一种新的邻域优势粗糙集模型。其次，在其基础上定义了邻域优势条件熵，并利用邻域优势条件熵作为启发式函数设计出一种不完备混合型有序信息系统的非增量式属性约简算法。然后，利用矩阵的形式重构了邻域容差优势关系和邻域优势条件熵，针对不完备混合型有序信息系统对象的动态变化，基于矩阵的计算策略分别研究了邻域优势条件熵随信息系统对象增加和对象减少时的增量式更新。最后，利用邻域优势条件熵的更新机制分别提出了不完备混合型有序信息系统对象增加和对象减少时属性约简的增量式更新算法。实验结果表明：1）与非增量式算法相比，所提出的增量式算法约简属性数量平均降低了3.6%，分类精度平均提升了2.4%，属性约简的效率平均提升了约10倍；2）与同类型增量式算法相比，所提出的增量式算法约简属性数量平均降低了9.0%，分类精度平均提升了2.1%，属性约简的平均效率提升了94%。因此，本文所提出增量式算法无论在属性约简结果和属性约简效率上都有着更高的性能。  
        关键词：有序信息系统;不完备混合;优势粗糙集;属性约简;增量式;条件熵   
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        发布时间：2024-03-14
      • 刘浏,蒋国权,环志刚,刘姗姗,刘茗,丁鲲
        2024, 56(1): 82-88. DOI: 10.15961/j.jsuese.202201096
        摘要：事件共指消解任务主要是判断不同事件提及是否指向同一件事件。事件共指消解不仅能有效缓解事件抽取任务中存在的信息冗余问题，而且为事件内容补全提供了有效途径。尽管许多学者利用深度学习方法对事件共指消解进行了大量研究。但是大部分事件共指消解模型中仍然存在显式信息表示不足、论元噪声引入以及共指事件分布稀疏等问题。针对上述问题，提出了一种利用显式论元信息和重构事件链的端到端事件共指消解方法。首先，使用名为OneIE事件抽取模型提取事件的触发词和论元以获取事件的结构化信息；随后，使用Transformer编码器对事件提及上下文进行表示，并将置信分数引入论元信息编码以缓解其可能带来的误差传递；同时，采用门控机制对论元在触发词的水平和垂直方向上的信息进行分解，并根据论元和触发词的相关系数融合两个方向的信息，过滤论元中的噪声；然后，使用前馈网络计算事件提及对共指得分；最后，通过重构事件链验证事件提及的合法性以纠正由共指事件稀疏性带来的模型训练结果偏差。为了验证方法的有效性，本文基于数据集ACE2005进行实验。结果表明，本文模型在端到端事件共指消解任务上具有一定的先进性，其中CoNLL和AVG指标平均高出基线模型5.67%和6.24%。  
        关键词：事件共指消解;自然语言处理;预训练语言模型   
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        发布时间：2024-03-14

        物联网

      • 鲁蔚锋,印文徐,王菁,费汉明,徐佳
        2024, 56(1): 89-98. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200955
        摘要：随着物联网技术和人工智能技术的飞速发展，车辆边缘计算越来越引起学者的关注。车辆如何有效地利用其周边的各种通信、计算和缓存资源，结合边缘计算系统模型将计算任务迁移到离车辆更近的路边单元，已经成为目前车联网研究的热点。由于车辆应用设备计算资源的有限性，车辆用户的任务计算需求无法满足，需要提升车辆周边计算资源的利用率来完成计算任务。本文研究了车辆边缘计算中任务的合作卸载机制，以最小化车辆任务的计算时延。首先，考虑周边停泊车辆以及路边单元的计算资源，设计了由云服务器层、停泊车辆合作集群层和路边单元合作集群层组成的任务合作卸载3层系统架构，通过路边单元合作集群和停泊车辆合作集群的合作卸载，充分利用系统的空闲计算资源，进一步提高了系统的资源利用率。然后，基于k-聚类算法的思想提出了路边单元合作集群划分算法对路边单元进行合作集群的划分，并采用块连续上界最小化的分布式迭代优化方法设计了任务合作卸载算法，对终端车辆用户的任务进行卸载计算。最后，通过将本文算法和其他算法方案进行实验仿真对比，仿真结果表明，本文算法在系统时延和系统吞吐量方面具有更好的性能表现，可以降低23%的系统时延，并且能提升28%的系统吞吐量。  
        关键词：边缘计算;车辆边缘计算;合作卸载;k-聚类;计算卸载   
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        发布时间：2024-03-14
      • 何涵,刘鹏,赵亮,王青山
        2024, 56(1): 99-109. DOI: 10.15961/j.jsuese.202201108
        摘要：在野外恶劣环境应用中，可以使用具有灵活性和便捷性的无人机（UAV），通过无线数据传输辅助携带用户任务到边缘服务器。然而，UAV飞行平台难以提供长时间的任务卸载服务，大大限制了其应用前景。本文研究了在移动边缘计算环境中，如何有效整合UAV的任务卸载和充电调度。首先，构建了一个新的应用模型，该模型协同处理UAV的任务卸载调度和自身充电需求，并在UAV辅助任务卸载应用场景中加入了若干个无线充电平台。其次，考虑了用户任务的价值和UAV的充电需求，以在时延敏感和能量约束的条件下优化UAV辅助用户设备进行任务卸载的收益。最后，采用深度强化学习算法，对深度Q网络（DQN）进行调优后形成Fixed DQN算法，以有效处理模型中的大规模状态动作搜索空间问题。本文以UAV仅作为任务载体并考虑其自主充电需求为前提，通过在一个半径为3000 m、含有11个节点的区域验证Fixed DQN算法的可行性；并在不同用户节点数量、充电节点数量及服务时间条件下，通过与蚁群算法、遗传算法和DQN算法的对比实验评估其性能。实验结果表明：本文提出的Fixed DQN算法在所有测试条件下均显著优于蚁群算法、遗传算法和DQN算法，特别是在节点数量增加和服务时间延长的情景中；此外，Fixed DQN算法相对于DQN算法的性能提升突显了深度强化学习在参数调优方面的有效性。研究结果证实了Fixed DQN算法在解决UAV任务卸载和充电调度问题中的高效性和调参策略的重要性。  
        关键词：边缘计算;无人机;任务卸载;强化学习;充电调度   
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        发布时间：2024-03-14
      • 严维轩,朱立才,季衍辉,李永,杨浩
        2024, 56(1): 110-116. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200912
        摘要：随着无线网络的广泛应用，面向接受信号强度（RSS）指纹定位的接入点（AP）日益增多，导致一些AP的作用是冗余的，甚至对定位产生不利影响，同时也增加了定位计算的开销。通过对AP进行适当筛选可以一定程度上去除冗余AP，但定位效果会随着AP数量发生较大变化，甚至会增大误差。本文提出一种基于信息区分度的AP有效集构建方法（EID），充分利用指纹信号在不同空间的差异，实现了准确的位置估计。首先，用信息区分度评估AP的定位能力，有效反映出每个AP在不同采样点的区别，展示AP对空间位置的分辨程度。然后，基于AP信息区分度设计更加符合现实环境的增量聚类算法，能根据AP的定位能力得到不同类别的集合并具有较好的鲁棒性。最后，利用点集距离最大原则提出AP有效集选择策略，根据聚类结果和选择要求，选择出合适的AP集合。本文在真实场景下进行实验验证，并与现有的AP选择方法，即基于组判别（GDB）算法、基于软件定义网络（SDN）算法和基于非均匀量化RSS熵（NQRE）算法对比，在减少不低于40%AP数量的情形下，EID将定位精度分别提升了18.7%、11.2%和14.6%。与此同时，本文方法具有更好的稳定性，在95%的情形下定位误差低于1.2 m。  
        关键词：AP选择;信息区分度;有效集;室内定位   
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        发布时间：2024-03-14

        滑坡堰塞湖灾害机理与防控

      • 邓建辉,韦晓,戴仕贵,邓辉
        2024, 56(1): 117-126. DOI: 10.15961/j.jsuese.202201236
        摘要：2022年9月5日，四川省泸定县海螺沟景区发生6.8级地震，震中烈度Ⅸ度。相较于2008年汶川8级地震和2013年芦山7级地震，此次地震震级要小，但是地震区为山区，地质灾害发育，造成交通中断、118人死亡或失踪。为探究泸定地震损失情况，作者对泸定县和石棉县的主要地震影响区进行了为期5 d的考察。基于考察成果和区域地质资料，对地质灾害孕育、建筑结构震损和人员伤亡情况进行了分析，以期为灾后重建提供参考。主要结论如下：1）地质灾害的上盘效应不突出，灾害主要分布于烈度Ⅶ度及其以上地区，规模小，以崩塌或落石和浅层滑坡为主，偶见基岩平面滑动和土体圆弧形滑动。2）地质灾害形式受地质条件控制。泸定县得妥镇以上为干热河谷，山坡卸荷较强，风化程度低，主要灾害形式为落石；得妥镇以下降雨量相对较大，山坡卸荷、风化严重，主要灾害形式为浅层滑坡。3）地质灾害主要出现在山脊、陡缓坡交接部位、侵蚀沟槽两壁，以及公路沿线。工程扰动是地质灾害密集分布和人员伤亡的促发因素。4）建筑结构震损主要出现在Ⅸ度烈度区，以磨西镇的震损最为严重。农村自建房屋和老旧建筑施工质量是影响结构抗震能力的主要问题，灾后重建房屋选址需要考虑场地效应影响。5）在高山峡谷地区，公路边坡加固和建筑结构避开落石影响区是降低地震伤亡率的有效措施。  
        关键词：泸定地震;地质灾害;结构震损;地质条件;场地效应;防控措施   
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        发布时间：2024-03-14
      • 彭铭,马福军,沈丹祎,蔡一坚,石振明,周家文,刘西军
        2024, 56(1): 127-137. DOI: 10.15961/j.jsuese.202300320
        摘要：溃坝洪水会给下游人民群众造成巨大的生命损失，开展溃坝洪水造成的生命损失风险定量评估对应急抢险救灾具有重要的现实意义。本文在已有生命损失贝叶斯网络HURAM1.0模型基础上，引入了人体稳定性物理模型，考虑人体与水流相互作用关系，对处于洪水中的人先进行稳定性判定，并进行溺水判定，运用蒙特卡洛模拟方法，综合了水深和水流速对生命损失的影响，建立HURAM2.0模型；并将该模型应用于唐家山堰塞坝溃坝洪水生命损失分析。结果表明：HURAM2.0模型建立了水流流速对生命损失影响的定量关系，更精确地刻画了人体在水流中的稳定性和求生能力，相比HURAM1.0模型对较强洪水强度条件下的生命损失预测结果更准确。同时，在本文建立的模型中，除水深度、洪水严重程度变化不大，其余变量的敏感性均有所上升，其中居民区住宅层数、在建筑物中庇护情况和溃坝时长等变量对模型计算结果的最大影响程度分别增加142%、95%和93%，加强了模型在低、中、高3类洪水强度下的解释性，与HURAM1.0相比在贝叶斯反演分析中更占优势。在唐家山堰塞坝溃坝风险分析中，HURAM2.0能区分出不同水流速条件下的生命损失，更符合实际情况，即开挖泄流槽前风险大、死亡率高，在现场勘测和开挖泄流槽后风险及死亡人数大大降低，建议结合预警疏散以降低生命损失风险。  
        关键词：溃坝;人体稳定性;生命损失风险;贝叶斯网络;堰塞坝溃决洪水   
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        发布时间：2024-03-14
      • 侯小强,王新飞,贾洪璐,安玉科,周重任,侯云龙
        2024, 56(1): 138-147. DOI: 10.15961/j.jsuese.202300380
        摘要：依据渐进式滑坡蠕变特点，现有锚索抗滑桩计算模型针对渐进式滑坡桩–锚–土三者相互作用过程考虑较少。针对这一问题，将渐进式滑坡缓慢失稳的变形特征和预应力锚索抗滑桩从空载到满载动态工作过程相结合，利用Winkler弹性地基梁理论，优化了锚索抗滑桩桩–锚变形协调条件，考虑桩后土压力渐进变化过程，构建不同工况桩–锚–土协同工作的计算模型，推导了预应力锚索抗滑桩施工阶段初张拉值的计算方法。结合工程算例和有限元软件数值模拟结果，为获取较高精度的计算数值，采用MATLAB软件编译程序进行计算分析。结果表明：1）渐进式滑坡“稳定–蠕动–失稳”阶段性变形特点决定了预应力锚索抗滑桩“空载–加载–满载”三阶段桩–锚动态内力变形过程，明确了各阶段桩后可能存在的土压力模型，单纯进行满载阶段锚索拉力设计不符合渐进式滑坡实际作用机理，进一步证明施工阶段锚索预应力张拉值设计的重要性；2）渐进式滑坡推力由尚未产生的初始空载阶段至完全作用的满载阶段，两阶段并非互相独立存在，二者通过桩–锚变形协调条件相互作用，表明了施工阶段抗滑桩预应力张拉力值大小受满载阶段桩锚内力及变形大小的影响；3）依据渐进式滑坡锚索抗滑桩动态内力变形过程，保证抗滑桩受荷段和锚固段内力大小均衡相等，优化了满载阶段全桩弯矩平衡设计原则，确立了以静止土压力作为施工阶段预应力张拉值设计标准，对比表明，此计算方法优于其余4种现有算法，同时有限元数值模拟结果与本文算法贴合度较高，进一步验证了此计算方法的合理性和可靠性。研究成果可为渐进式滑坡中预应力锚索抗滑桩的设计计算和施工提供技术指导。  
        关键词：渐进式滑坡;锚索预应力;桩锚协调变形;土压力状态;锚索设计拉力   
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        发布时间：2024-03-14
      • 黄发明,张崟琅,郭子正,范宣梅,周创兵
        2024, 56(1): 148-159. DOI: 10.15961/j.jsuese.202300059
        摘要：易发性分区是开展区域地质灾害风险评价的基础步骤，选取合理的分级方法对有效绘制区域滑坡易发性图意义显著，但鲜有研究对比了各易发性分级方法的优缺点，尤其是未能将历史滑坡与预测出的易发性指数相联接。针对该问题，以陕西省延长县为例采用3种机器学习模型计算滑坡易发性指数，即分类和回归树、随机森林和径向基函数；设计了5种易发性分级方法，划分不同的滑坡易发性等级，包括4种常规的基于地理信息系统的分级方法（自然断点、等间隔、分位数和几何间隔），同时考虑了滑坡与易发性指数间的非线性关联性的频率比阈值法。结果表明：3种模型的受试者工作特征（ROC）曲线下面积均大于0.75，但划分的易发性分级图分布模式却存在较大差异，使用几何间隔和分位数法的易发性图能在极高易发区中识别出更多滑坡，但这两种方法划分的极高和高易发区的总面积过大；使用等间隔法和频率比阈值法在极高和高易发区中的滑坡比率更大，说明识别出的滑坡更为集中。本文提出的频率比阈值法用于滑坡易发性分级，能为易发性的准确分区提供思路，为边坡稳定性较差区域的工程选址以及土地利用规划提供科学参考，提高地质安全评估及应急管理能力。  
        关键词：滑坡易发性;易发性分级;频率比阈值法;机器学习   
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        发布时间：2024-03-14
      • 江洎洧,王汉武,黄玲,张静波
        2024, 56(1): 160-168. DOI: 10.15961/j.jsuese.202300354
        摘要：松散土石体在泥水作用下易引发地质灾害，其中细粒组分在高含水率下的抗剪性能骤然劣化是触发相变失稳的重要因素之一。基于环剪试验，对三峡库区某滑坡松散土石体试样设计试验方案，研究细组构由软塑～流塑发展的固–液相变全过程抗剪特性演化规律。结果表明：松散土石体试样为粗细组分二元特征较强的级配不良土体介质，其中，细粒组分在原状干密度条件下的饱和含水率为23.6%，液塑限分别为27.2和18.1，据此选定含水率23.6%～29.0%范围中的5个取值制定试验方案，可完整覆盖细粒组分的软塑～流塑相变；含水率为25.0%、26.0%和27.0%时，试样处软塑状态，在低法向压力下均可顺利开展环剪试验；其中，含水率25.0%试样恰进入软塑态，较含水率23.6%试样的峰值和残余内摩擦角分别降低23.5%和18.6%，峰值和残余黏聚力均降低超过80%。含水率为28.0%和29.0%时，试样已处于流塑状态，仅在无法向压力时可顺利开展环剪试验，且抗剪强度极低，其物理意义贴近于高黏稠泥浆的黏滞性；根据试样的黏聚力c在进入软塑状态时基本丧失，而内摩擦角$\varphi $表现为在软塑区间随含水率增加而逐步降低，进而触及液限骤然丧失的特性分析，c和$\varphi $劣化过程异步；经单元体受力模式和概化分析认为，相变前软塑状态试样静止侧压力系数K0的激增缓解了$\varphi $值的大幅骤降。  
        关键词：松散土石体;细粒组分;固–液相变;环剪试验;抗剪特性   
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        发布时间：2024-03-14
      • 黄发明,曾诗怡,姚池,熊浩文,范宣梅,黄劲松
        2024, 56(1): 169-182. DOI: 10.15961/j.jsuese.202201271
        摘要：滑坡易发性预测建模中如何选择非滑坡是影响建模结果的重要不确定因素。为研究不同非滑坡选择方式的影响规律，拟用5种方式，即全区随机、坡度低于5°区域、滑坡缓冲300 m外区域、信息量（IV）法、半监督法来选择出与滑坡等比例的非滑坡样本；进一步将各选择方式与随机森林（RF）耦合构建随机RF、低坡度RF、缓冲区RF、IV–RF及半监督RF等模型。以江西南康区为例，获取高程、岩性、公路密度等19种环境因子和233个滑坡编录，将滑坡编录划分为2 598个滑坡栅格单元构建上述耦合模型的输入–输出数据集。再采用预测精度和易发性指数分布等指标分析其建模不确定性。进一步针对耦合模型预测的滑坡易发性指数分布不合理等问题，在半监督RF建模时采用滑坡与非滑坡比例为1∶2的样本集开展建模并与1∶1等比例样本集工况作对比。结果表明：1）低坡度RF、缓冲区RF、IV–RF和半监督RF等模型的预测精度均大幅优于随机RF模型，可见准确选择非滑坡样本对易发性建模至关重要；2）半监督RF模型选择非滑坡样本的建模性能最优，且半监督RF在滑坡∶非滑坡=1∶2比其在1∶1时预测的易发性指数分布规律更准确可信。后续研究中有必要更深入探索滑坡与非滑坡样本的比例问题。  
        关键词：滑坡易发性预测;非滑坡样本选择;半监督机器学习;信息量;随机森林   
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        发布时间：2024-03-14

        碳中和与绿色能源

      • 楚英豪,李京,王鹏,李杉,屈加豹,方宁杰
        2024, 56(1): 183-194. DOI: 10.15961/j.jsuese.202201250
        摘要：在中国面对实现碳达峰、碳中和与环境根本好转目标的背景下，重庆市作为西部大开发的重要战略支点，有责任有义务率先实现减污降碳，助力国家生态文明建设。CO2和大气污染物的排放过程复杂，涉及要素众多，因而有必要明确影响CO2和大气污染物排放的关键因素，为重庆市实现减污降碳协同控制提供科学参考。本文以对数均值除法指数模型（LMDI）为基础，构建扩展的LMDI–CO2模型和LMDI–AP模型，并以2011—2020年重庆市CO2排放和工业SO2排放为对象进行实证分析，定量评估各因素对重庆市CO2排放和工业SO2排放变化的影响效果。同时，根据重庆市经济社会、能源环境历史发展情况挖掘各因素的影响机制，归纳协同减排的关键因子，探究重庆市减污降碳协同控制机制。结果显示，2011—2020年，经济发展效应是推动重庆市CO2排放增加的首要因素，贡献率达245.59%；能源强度效应对CO2减排的贡献最大，贡献率为210.51%；此外，产业结构优化为CO2减排也做出了贡献。工业经济发展是推动重庆工业SO2排放的主导因素，贡献率为64.47%；其他因素均为SO2减排做出贡献，其中，能源强度和结构效应贡献率分别为42.65%和6.31%。可见，随着经济的发展、人口规模的扩大和生活水平的提高，重庆市CO2和污染物减排的压力将会增大，“高碳化”能源结构制约着两者减排，提高能源效率和优化产业结构对实现“双减”起着关键作用。因此，降低能源强度、升级产业结构、优化能源结构是未来重庆市实现减污降碳协同控制的重要途径。  
        关键词：CO2排放;大气污染;驱动因素;协同控制;LMDI模型   
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        发布时间：2024-03-14
      • 甘满光,雷宏武,张力为,李小春,李琦
        2024, 56(1): 195-205. DOI: 10.15961/j.jsuese.202201228
        摘要：为评估CO2地质封存场地的CO2沿井筒泄漏风险，介绍了自主研发的可对CO2井筒泄漏风险进行定量化评价的数值模拟WellRisk软件，将软件应用于实际CO2地质封存场地——神华鄂尔多斯CO2咸水层封存示范工程，定量评估该场地CO2沿注入井和监测井的泄漏量，并将软件模拟结果与美国能源部开发的NRAP–IAM–CS（The national risk assessment partnership–integrated assessment model–carbon storage）软件模拟结果进行对比，实现了CO2沿井筒泄漏风险的定量化评价。定义了井筒泄漏系数，即井筒发生泄漏的有效截面积和井筒总截面积的比值，并将井筒泄漏系数作为量化表征井筒固井质量的重要参数。当泄漏系数取值为10–6时，神华CO2地质封存场地在1 000 a内的总泄漏量为720 tCO2，占总注入量的0.24%，小于IPCC的风险阈值1%。因此，泄漏系数为10–6或更低的井筒是低风险泄漏井，具有良好的固井质量，对应于NRAP–IAM–CS软件中井筒渗透率低于10–12 m2的情况。泄漏系数为10–5或更高的井筒是高风险泄漏井，具有较差的固井质量。WellRisk和NRAP–IAM–CS的计算结果均表明，当注入井和监测井的固井质量良好时，神华CO2地质封存场地基本不存在CO2泄漏风险。  
        关键词：CO2地质封存;CO2泄漏;井筒;风险评估;固井   
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        发布时间：2024-03-14
      • 朱广岩,张小妹,严晓辉,高丹,呼和涛力,程婉静,田亚峻,谢克昌
        2024, 56(1): 206-217. DOI: 10.15961/j.jsuese.202300331
        摘要：能源是国家经济社会发展的基石，构建现代能源体系对保障国家能源安全，如期实现“双碳”目标，推动经济社会高质量发展具有重要意义。本文基于清洁、低碳、安全、高效4个维度构建了现代能源指标体系，运用序关系分析法定量评价中国现代能源体系的历史进程，并进行国内外横向对比。结果表明：过去11年（2010—2020年），中国推动能源革命进程成效显著，2020年达到了世界平均水平，在全球76个主要经济体中排名第38位，落后于欧盟、美国、日本等发达经济体，领先于俄罗斯、印度等发展中经济体。中国高效指数排名明显落后于发达经济体，表明中国能效提升方面空间巨大，也说明更要重视科技投入；中国的安全指数排名比较靠前，证明了中国煤炭在能源安全中的“压舱石”地位，但是同样的原因导致中国的低碳指数相对落后；过去10年，中国能源清洁利用成效显著，但是排名整体靠后，说明中国能源的清洁开发利用依然任重道远。其中，中国能源结构指标、碳排放系列指标、能源强度指标是影响中国综合指数水平的关键性指标，尤其是能源强度指标。因此，首先，未来要加快构建以可再生能源为主、以化石能源为辅的现代能源体系；其次，新能源与低碳技术达到体量尚需时日，长期以来，煤炭支撑中国经济和社会较快发展，是中国能源安全保障的压舱石和稳定器，煤炭清洁高效利用仍需加强，而实现了清洁高效利用的煤炭就是能源清洁；最后，能源转型的关键是优化能源结构，要多能互补，集成热、电、气、冷，提升火电机组灵活性，而在终端消费方面提高能源效率，降低能源强度，实施电能替代，形成以电为中心的能源消费格局。  
        关键词：现代能源体系指数;清洁;低碳;安全;高效   
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        发布时间：2024-03-14

        水利工程

      • 李乃稳,黄滟淳,陈小攀,李龙国,刘超
        2024, 56(1): 218-227. DOI: 10.15961/j.jsuese.202201219
        摘要：明渠流量计量是高效灌溉、合理分配水资源和进行用水有效管理的重要手段。跌水是常见的明渠水流上下游衔接的水利设施。当跌落水流不受跌坎下游水流影响时形成自由跌流，可用于明渠流量的精确计量。受自由跌流影响，跌坎断面水流由缓流向急流转变，压力分布显著偏离静水压力分布规律。而获得跌坎压力分布及其准确描述方程则正是明渠自由跌流流量公式推求的关键，其准确与否决定了利用跌流进行流量计量的精度。本文首先通过模型试验和数值计算对矩形明渠自由跌流的断面压力分布特征进行研究，而后利用理论推导建立了明渠跌流的水深−流量关系公式。研究发现，明渠跌水跌坎断面压力呈典型自相似分布规律，其无量纲压力值分布倾向于一条曲线，压力最大值为0.238he (he为跌坎水深），出现在竖向距跌坎0.209he水深处，并且压力自相似分布规律与明渠流量、渠道底坡和边壁糙率无关。在此基础上，结合幂函数和尾迹函数提出了描述跌坎断面压力分布的函数方程，并给出了最大压力和最大压力位置的计算公式，然后根据动量方程和流量连续方程推求了明渠自由跌流的流量计算公式。最后，对本文和其他研究者提出的流量计算公式采用试验数据进行了对比分析，结果表明：本文提出的流量公式在明渠流量为 5～100 L/s，底坡为–0.0112～0.0534、糙率为0.093 0～0.019 3的研究范围内，具有更高的精度和适用性，计算误差在±5%之内，可适用于该流量、底坡和边壁糙率范围内矩形明渠自由跌流的流量精确计算。本文研究结果对于利用自由跌流进行明渠流量计量提供了理论与技术支撑，具有重要的工程应用价值。  
        关键词：明渠;自由跌水;压力分布;水深−流量关系;流量计量   
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        发布时间：2024-03-14
      • 张晓雷,刘书瑜,董柏良,赵建坤,张立涛
        2024, 56(1): 228-236. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200705
        摘要：溃堤洪水在有压雨水管网街区的演进过程十分复杂，城市街区建筑物及雨水管网改变了洪水的演进规律，影响了街区排涝的水力特性。本文基于典型城市街区建立了包括房屋、人行道及雨水管网在内的概化水槽模型，测量了不同溃堤洪水在典型城市街区演进过程中的街区水深、雨水管网流量及压强，探究了不同蓄水高度、前池进口流量对街区水位波动变化及有压雨水管网下泄流量的影响。溃堤洪水在水槽侧壁、房屋的作用下形成了大面积的水跃，并且在房屋建筑物附近出现了薄层状水片，水跃区域伴随着洪水演进过程先是在人行道处发生横向的迁移合并，再是在街区道路的纵向方向上逐渐耗散直至消失，街区水位在100 s后基本稳定，从上游至下游呈“先增大、再减小”的变化趋势。溃堤洪水在街区演进过程中，不同蓄水高度对有压雨水管网的泄流量影响相较于不同前池进口流量更加显著，街区上游雨水口的峰值流量在最大蓄水高度条件约为最大前池进口流量的1.5倍。研究结合街区水位及有压雨水管网压强采用欧拉数对短管淹没出流公式的泄流系数进行了率定，修正后的理论计算值的误差由32%降低至2%，能够较好地反映出街区雨水口的泄流能力。研究成果不仅能为数学模型提供翔实的验证资料，还可为城市洪涝治理提供理论指导。  
        关键词：溃堤洪水;有压雨水管网;雨水口;概化水槽模型   
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        发布时间：2024-03-14
      • 聂一品,兰玲,王协康
        2024, 56(1): 237-244. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200524
        摘要：山洪泥石流是高山峡谷区一种常见的自然现象，其运动过程通常伴随剧烈的沟道侵蚀，并在沟口形成显著的泥沙堆积体。由于高山峡谷地区山高谷深，难以通过实地调查及模型实验等传统的研究手段追踪沟床泥沙受山洪泥石流冲刷的运动过程，无法揭示山洪泥石流挟带泥沙的堆积形态及堆积体中泥沙粒径分布特征，易产生对灾害影响范围估计不足导致的区域人员伤亡和财产损失。为探究山洪沟口泥沙堆积形态和粒度特征，以概化的高山峡谷区山洪沟为研究对象，采用耦合的计算流体力学（CFD）与离散单元法（DEM）数学模型，模拟了受到不同流变特性山洪泥石流冲刷的泥沙颗粒在沟口的堆积过程，重点分析了山洪泥石流体积浓度对堆积区中不同粒径泥沙颗粒堆积发展过程的影响。结果表明：泥沙堆积体的发展速度随着山洪泥石流体积浓度增加呈现先增加后减小的趋势，过高的体积浓度促使堆积体形态发生改变。泥沙平均堆积距离随时间变化可以分为高速增加、初次减速、增速恢复和稳定发展4个阶段。随着粒径的增大，泥沙与堆积体中心的平均距离也增大但堆积分散程度减小。泥沙颗粒的分散程度随时间变化过程与泥沙粒径和体积浓度密切相关，可以使用具有3个参数的幂函数对这个过程进行预测。泥沙颗粒粒径的增大加快其在堆积体中的分散速度而山洪泥石流体积浓度的增大使泥沙颗粒的分散速度先增加后减小。研究可为进一步理解山洪泥石流堆积致灾机理提供科学依据。  
        关键词：高山峡谷区;山洪沟;泥沙堆积;堆积形态;CFD–DEM   
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        发布时间：2024-03-14

        机械工程

      • 雷震,宁亮,陈浩祥,赵武林,项斌斌,李东伟
        2024, 56(1): 245-255. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200674
        摘要：射电望远镜广泛应用于射电天文、测控导航等领域，随着其工作频率的升高、口径的增大，日照引起的结构热变形对其性能的影响愈发严重；本文针对待建的新疆110 m口径射电望远镜，建立了其日照热力耦合模型，分析了天线在不同时刻、风速及姿态下的温度、变形情况，总结了结构日照温度场、变形场的时空分布特征，最后采用最佳吻合抛物面方法对反射面精度进行了评价，并通过副反射面位置补偿量的变化趋势揭示了天线热变形的共性规律及机理。结果表明：对于日照引起的天线热变形误差，风速越大，结构温度分布越均匀，其越接近等温膨胀变形，反射面形状精度越高；温差引起的结构不均匀变形是反射面精度下降的主要原因，温差越大结构的不均匀变形越大，反射面的形状精度越低；同一姿态不同风速下反射面热误差空间分布具有相似性，该分布与太阳直射点位置直接相关，且会跟随直射点位置发生变化，但由于日照强度、风速等因素的不同，其变形幅度不同。各种姿态下反射面精度变化规律相似，与风速的相关性均为反射面精度随风速上升而提高；采用副反射面位置补偿技术可明显缓解日照热误差影响。本文的分析方法与结论对大口径全可动射电望远镜的设计建造及其热误差控制具有一定参考价值。  
        关键词：射电望远镜;日照热误差;热变形;反射面精度;热误差补偿   
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        发布时间：2024-03-14
      • 刘峰良,李锋,汤宝平,汪永超,田大庆
        2024, 56(1): 256-266. DOI: 10.15961/j.jsuese.202300291
        摘要：针对变工况条件下因样本数据分布差异大、可训练用样本较少以及不同寿命阶段样本数量不均等造成的空间滚动轴承寿命阶段识别准确率较低的问题，提出一种无监督迁移学习方法——类对比簇分配异构迁移学习（CAHTL）。在CAHTL中，通过异构迁移学习将历史工况下少量有类标签样本和当前工况的无类标签样本（即待测样本）迁移到公共特征空间内，使得不同工况样本之间的分布差异最小化；利用源域聚类簇点构建目标域样本特征的正负样本实现两域样本的数量再分配，再对两域正负样本进行对比学习以使待测样本分类性更好；通过计算待测样本与聚类簇点的相似度完成待测样本分类，且该分类过程无需参数学习，因此可避免样本不均等情况下对于不同寿命阶段样本识别准确率差距过大和在少有类标签训练样本情况下网络出现过拟合的问题；利用随机梯度下降和动量更新对CAHTL参数进行不同步更新，以保持样本特征的一致性并提高CAHTL的收敛速度。CAHTL可利用空间滚动轴承历史工况下的少量、非均等的已知寿命阶段的训练样本对当前工况的待测样本进行较高精度的寿命阶段识别。空间滚动轴承寿命阶段识别实例验证了该方法的有效性。  
        关键词：迁移学习;对比学习;动量更新;空间滚动轴承;寿命阶段识别   
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        发布时间：2024-03-14

      • 审稿致谢 AI导读

        2024, 56(1): 267-268.
          
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        发布时间：2024-03-14
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