Abstract:

利用加载絮凝技术强化溢流污水颗粒物去除,是控制雨天排水污染的关键手段。然而,传统优化方法依赖经验与单因素试验,难以系统揭示多参数间的复杂作用,导致工艺设计缺乏理论指导,运行效能不稳定。为此,引入机器学习方法,构建加载絮凝工艺的数据驱动优化与机制解析框架,以实现关键参数识别与澄清性能提升。通过整合580组试验数据,涵盖药剂特性、操作条件和介质特性等14个特征参数,构建随机森林（Random Forest,RF）、极端梯度提升（eXtreme Gradient Boosting,XGBoost）及轻量级梯度提升机（Light Gradient Boosting Machine,LightGBM）等多种机器学习模型预测加载絮凝的澄清性能。结果表明,LightGBM模型的预测准确性和泛化性能最佳（均方根误差E_RMS为7.31%,R²=0.74）。可解释的SHAP分析揭示,运行参数对加载絮凝澄清效果的影响占主导作用（贡献度占38.6%）,显著高于介质参数和药剂参数,其中,沉淀时间与混凝强度为关键驱动因子。同时,结合水处理化学与动力学原理,阐明初始浊度与混凝强度之间的动态耦合效应,并揭示沉淀时间与介质相对密度之间存在显著的协同效应。溢流污水实验验证了经优化的参数组合可实现95%以上的颗粒物去除率,预测值与实测值高度吻合。本研究构建的“数据驱动建模—参数解释与推荐—实验验证”的框架,为加载絮凝工艺的精细化调控与智能决策提供了理论依据与方法支撑。

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为解决传统单一模型在应对复杂水质预测等现实挑战时面临的局限性,提出模型简单平均法与两种Stacking集成策略,即基于最小二乘法（Least Square,LS）的加权集成、以极端随机森林回归（Extra Trees Regressor,ETR）为元学习器的Stacking集成。实地采集了某饮用水处理厂的全流程小时级监测数据,并对原始数据集进行了严格的预处理。在此基础上,在测试集上对所有单一模型和集成模型的预测性能进行综合评估与比较。结果表明,提出的3种集成模型在所有4项水质指标的预测上,其性能均显著优于任何单一模型,预测误差大幅降低。其中,LS加权模型在平均误差上表现最优,平均绝对百分比误差（MAPE）约为1.08%,ETR加权模型在平均误差略高0.02%。此外,探究了两种Stacking模型对基学习器的权重分配,结果表明,ETR加权模型具有较高的适应性。该模型在浊度骤增等高风险事件中,通过非线性的动态权重调整,能快速响应水质的复杂变化。本研究为饮用水处理的智能化管理提供了新视角,所提出的Stacking集成模型可为水厂的平稳运行与效率优化提供可靠的数据支撑,其强大的适应性则为工艺扰动和水质异常提供了关键的风险预警,有利于后续处理的及时调整。

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目前,二次供水泵组运行工况与管网用水需求脱节,泵组长期按最不利工况以恒压变流量模式在低效段运行,导致系统能耗偏高。为改变二次供水的运行模式,提出基于长短期记忆神经网络模型（LSTM）的二次供水系统流量预测方法,实现泵组供水从传统的恒压变流量模式向变压变流量模式的转变。以全国30个小区的流量监测数据为基础,形成二次供水流量特征样本集,提出采用LSTM进行数据挖掘,建立可精准预测二次供水流量的模型,并采用平均绝对误差(E_MA)、平均绝对百分比误差(E_MAP)、均方根误差(E_RMS)预测值与真实值进行评估。评估结果显示,E_MA和E_RMS均为4.32,E_MAP最低仅为0.12%,远低于工程参考的4.94%,具备较高的预测精度与可靠性。从评价指标结果看本研究搭建的LSTM流量预测模型可以应用于二次供水系统流量的预测,为实现二次供水模式从恒压变流量向变压变流量转变提供了创新思路和方法,为推动二次供水节能改造提供可行的实施方案,对推动供水行业的数字化转型具有很好的工程应用价值。

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新污染物具有结构多样性、环境持久性和生物毒性,对生态系统和人类健康构成潜在风险。生命周期评价（Life Cycle Assessment,LCA）是评估其环境影响的重要方法,但存在基础数据缺失、难以准确量化等问题。为此,提出基于主成分分析（Principal Component Analysis,PCA）优化输入特征的人工神经网络（Artificial Neural Network,ANN）模型,通过对大量分子描述符进行PCA降维,提取主要特征以减少数据冗余和维度负担,用于实现新污染物的环境影响预测。构建了4种不同特征保留比例的模型,即NOPCA（全部描述符）、PCA95（保留累计方差贡献率95%的主成分）、PCA85（保留累计方差贡献率85%的主成分）和PCA75（保留累计方差贡献率75%的主成分）,评价并比较预测性能差异。结果表明:适度的特征提取可提升模型泛化能力,在全球变暖潜势（GWP）和人类毒性潜势（HTP）预测任务中,采用PCA85预处理描述符所构建的模型表现最佳,测试集R²分别为0.64和0.73；在化石能源消耗潜势（FDP）和陆地酸化潜势（TAP）预测任务中,模型则在PCA95时达到最佳,测试集R²分别为0.77和0.76。基于PCA特征提取的ANN模型可有效缓解LCA数据不全问题,为新污染物环境影响预测提供了高效、可靠的方法。

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纳滤技术为工业废水中重金属分离与资源化回收提供了解决方案。然而,适配重金属分离的纳滤膜物化特性仍然不明确,难以制备面向重金属分离的高性能纳滤膜。为此,构建融合膜属性、操作参数和溶液特性的机器学习预测模型,10种模型对比中,XGBoost模型对膜通量和重金属截留率的R²分别为0.98和0.92。SHAP分析结果表明,水接触角、截留分子质量和膜表面电位是影响性能的关键特征,通过适当提高亲水性和截留分子质量以及增加膜表面正电荷有利于膜通量的提高,而重金属截留率受到尺寸排阻效应与静电排斥效应的共同影响。基于高精度预测模型构建NGSA-Ⅱ双目标优化算法,结果表明,水接触角为60°~66°、截留分子质量为200~412 u、膜表面电位为47~73 mV时,纳滤膜可实现对10种重金属离子的高效处理,重金属截留率超过99%,膜通量为25~30 L/(m²·h)。本研究构建的纳滤膜优化设计框架为高性能纳滤膜材料的开发与应用提供了理论与技术支持。

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纳米气泡因比表面积大、Zeta电位负值高和稳定性强而在水处理中展现出应用潜力,但其稳定性受气体种类、压力、流速、介质、pH与温度等多因素耦合影响。传统依赖经验试错的方法效率低、可重复性差,缺乏普适性。为此,构建数据驱动的逆向设计框架,结合可解释机器学习与实验验证,揭示纳米气泡稳定性的关键规律并提出可迁移的制备准则。优化后的随机森林模型在测试集上的精确率、召回率和F₁值分别为0.816、0.814和0.810。模型特征分析表明:臭氧、碳酸盐或偏碱性介质、适宜压力和温度条件是提升稳定性的主要因素；依据逆向处方制备的纳米气泡在贮存21 d后仍保持高稳定性,在与过硫酸盐耦合的体系中对亚甲基蓝的去除率达(96.8±2.3)%,显著优于对照组。长期性能测试表明,NBs/PMS体系在模拟废水（NOM）中30 d内实现了约51%的TOC矿化,展现出在复杂基质下的持续氧化能力。能耗评估显示,在去除90%亚甲基蓝时,NBs/PMS体系的单次处理能耗约为常规UV/PMS工艺的35.7%,相当于降低约64.3%,体现出在能效与成本控制方面的优势。本研究不仅提供了稳定性调控的设计准则,还在理论上揭示了多因素协同作用规律,并从长期稳定性与工程能效的角度验证了其应用潜力,对推动纳米气泡技术的规模化应用和绿色水处理产业化具有意义。

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富营养化是目前地表水面临的最具挑战性的环境问题之一,现有研究多聚焦于区域尺度分析。为揭示大范围流域的富营养化格局及其复杂驱动机制,对中国范围内流域的富营养化状况进行了评估与等级划分,并结合机器学习和SHapley加性解释（SHAP）的可解释人工智能方法探究影响富营养状况变化的潜在驱动因素。结果显示:富营养现象在大多数流域中普遍存在,中国东部、东北部和中部地区的富营养化问题较西部地区严重,且呈现出显著的时空聚集特征；总磷和总氮是关键的水质因子,贡献度分别为20.6%和75.4%,二者与流域富营养化存在显著的空间正相关关系；轻量级梯度提升机（LightGBM）模型在所有模型中表现最优,准确率达91%。SHAP分析表明,相比人为因素,自然驱动因素在解释流域整体富营养状况变化中起着更为重要的作用,其中,地形条件控制营养物质的积累和流失,降水则起到调节作用。然而,随着富营养化程度的加剧,人口密度、国内生产总值和污水处理能力等人为因素的影响逐渐凸显。经济发展若能伴随基础设施的提高,能够在一定程度上缓解富营养化。鉴于内部营养负荷和外部流域特征对富营养化的协同作用,建议实施分区分类精准管控以有效应对这一环境挑战。本研究结合人工智能方法深化了对流域尺度富营养化驱动机制的理论理解,也为水环境治理提供了定量化、可解释的科学证据。

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为支撑寒区流域水生态精细化管控,明确冬夏季节水质与抗生素对微生物群落的差异化驱动特征及关键环境因子浓度效应拐点,以某典型寒区流域为研究对象,整合132条有效样本（夏季68条、冬季64条）,构建包含8种水质指标及11种抗生素与微生物群落的关联数据集。采用随机森林（Random Forest,RF）模型分析环境因子与群落多样性的关系,结合SHAP（SHapley Additive exPlanations）可解释性分析识别关键驱动因子及其浓度效应拐点与多变量交互作用,并通过典范对应分析（Canonical Correspondence Analysis,CCA）解析群落功能潜力的季节差异。结果表明:该寒区流域冬夏环境与群落特征呈现显著季节差异,冬季溶解氧（DO,均值10.32 mg/L）显著高于夏季（6.95 mg/L）,夏季诺氟沙星（NOR,均值156.76 ng/L）等抗生素质量浓度波动远高于冬季（1.23 ng/L）,群落多样性和功能潜力季节差异显著；TN在冬夏均为驱动Shannon指数变化的关键因子,PD_whole_tree指数夏季以大环内酯类、四环素类抗生素主导,冬季以DO与喹诺酮类抗生素主导,微生物群落多样性驱动因子呈现季节特异性,SHAP分析进一步识别出DO（夏季7.41 mg/L、冬季10.26 mg/L）、TN（冬季1.01 mg/L）等关键因子可能存在的浓度效应拐点,初步揭示其对微生物群落多样性产生促进或抑制效应的浓度区间；夏季多种抗生素与DO、冬季TN与土霉素（OTC）之间存在协同效应,复杂环境中多因子复合压力对微生物群落有叠加影响；冬季群落信息存储与处理功能受DO、温度主导,夏季细胞过程与代谢功能受多种抗生素调控,形成“冬季水质主导夏季抗生素调控”的季节分异模式。本研究在方法上融合机器学习与可解释性分析,揭示了寒区流域微生物群落对复合环境压力的季节性响应规律,提出的浓度效应拐点为流域分季节生态风险管控提供了科学参考。

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准确估算城市生活垃圾（MSW）产生量并识别其关键关联特征,是实现全球城市环境精细化管控及差异化治理的重要前提。然而,全球特别是发展中国家长时序数据的匮乏,以及传统模型对非线性关联特征解析能力的不足,导致现有研究难以精准还原全球MSW的历史产生规模与演化规律。为此,构建了基于XGBoost和K-Means++算法的全球MSW产生量智能估算与聚类分析框架。结果表明:XGBoost表现出优异的泛化能力,对未知国家MSW产生量的决定系数（R²）达0.91±0.07；交叉验证策略对比证实,模型成功捕捉了社会经济特征对MSW产生量预测的内在关联,而非单纯依赖时间趋势,具备良好的空间泛化可靠性。SHAP解释分析证明,人口规模与经济体量是影响MSW产生量的核心关联因素,并揭示了人均GDP(按购买力平价,PPP)与产生量之间呈现独特的“N型”非线性关联轨迹,突破了传统线性外推模型的局限。测算结果表明,全球MSW产生总量由1991年的（12.9±0.4）亿t攀升至2021年的（21.4±1.6）亿t,年均增长1.7%。聚类分析识别出全球各国的农业生存型、新兴工业型、成熟稳定型及高耗富裕型四类典型演化模式,其中,新兴工业型国家是全球MSW增量的主要来源。构建的预测框架具备良好的普适性,可为全球固废精细化管理、区域差异化政策制定及基础设施规划提供科学依据。

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再生水厂泥线在实际工程中存在参数敏感性高、漂移非线性、时滞性大等问题,给泥线的运行调度带来较大的不确定性,对减污降碳协同能力形成制约。传统机理模型预测需要大量、高质量且标注规范的输入数据,难以对泥线参数进行准确、高效的预测。为增强再生水厂泥线的减污降碳协同,以北京某再生水厂水线、泥线运行数据为基础,采用经验模型基线残差预测的混合建模策略,构建基于多头自注意力机制（Transformer）的预测模型,先通过经验模型线性拟合生成基线,再利用Transformer模型对残差进行精准预测,以水线进出水水质指标和运行参数为输入,同步预测脱水污泥产量和污泥含水率,并与LightGBM、块状循环神经网络BlockRNN(LSTM)、时域卷积网络（TCN）模型进行性能对比。结果表明:依托多头自注意力机制的Transformer模型的全局时序关联捕捉能力,可有效适配泥线运行参数的非线性波动特征,综合性能最优,脱水污泥产量预测 R²达0.778 8,污泥含水率预测R²达0.679,均显著高于各对比模型,同时回测机制可提升模型的运行稳定性,持续优化模型预测精度,可适配实际工程中长时序预测场景。该模型可实现泥线关键参数的高精度预测,为再生水厂泥线工艺实时调控、药剂精准投加及设备智能调度等场景提供可靠技术支撑,助力泥线减污降碳协同治理。

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膜污染严重制约超滤（UF）技术在城市污水处理中的应用,成分复杂的二级出水有机物（EfOM）是其主要诱因,但关键膜污染组分尚缺乏有效的识别方法。为此,基于TabPFN（Tabular Prior-Data Fitted Network）深度学习模型,结合SHAP（SHapley Additive exPlanations）方法,构建关键膜污染因子识别框架。以改性陶瓷超滤膜（MCUM）2 h运行周期内的水质与膜污染数据为基础,选取UV₂₅₄、溶解性有机碳（DOC）、荧光区域积分值及荧光组分强度（F_max）为输入,预测末端比通量、可逆阻力与不可逆阻力。结果显示,TabPFN模型无需超参数调整即可实现高精度预测（末端比通量R²=0.97）,整体性能优于传统机器学习模型。进一步引入后验集成（PHE）策略,预测性能提升至R²=0.98。SHAP分析表明,色氨酸类、富里酸类和腐殖酸类物质分别在膜通量下降、不可逆阻力和可逆阻力的形成中具有主要影响。二维偏依赖图（PDPs）结果进一步揭示了这些组分之间显著的非线性协同作用,特别是富里酸类与芳香性物质在不可逆污染过程中的协同增强效应。本研究揭示了EfOM中主导膜污染的关键组分,为膜污染控制策略优化与污染机制理解提供了理论支撑。

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为解决土壤有机质（SOM）高维非线性光谱反演中模型易陷入局部最优、精度不足的问题,提出一种基于改进鹅群优化算法（IGOOSE）优化支持向量机（SVM）的土壤有机质反演方法。以黑龙江典型农场区域土壤样本为研究对象,采用马氏距离法剔除异常样本,并基于偏最小二乘回归（PLSR）建模结果筛选最优光谱预处理方法；通过构建最优预处理条件下全波段SVM、随机森林（RF）与极限学习机（ELM）模型,确定最优基础反演模型；进一步采用连续投影算法（SPA）、随机青蛙特征重要性筛选（RFROG）和竞争自适应重加权采样（CARS）进行光谱特征降维,选取最优降维方法所得特征作为模型输入。在模型参数优化过程中,通过动态调整种群规模,并融合Lévy飞行策略、随机扰动机制及混合邻域搜索方法,对基础鹅群优化算法（GOOSE）进行三阶段自适应改进,构建IGOOSE算法。经标准测试函数验证其有效性后,将IGOOSE用于SVM参数优化,并与原始GOOSE算法进行对比,以辨识性能更优的土壤有机质反演模型。结果表明:一阶导数（D1）预处理后构建的PLSR模型精度显著优于其他预处理方法；基于全波段D1数据构建的最优基础模型为SVM,其五折交叉验证平均决定系数（R²）达0.762 4；CARS为最优光谱特征降维方法,基于其所选特征构建的CARS-SVM模型五折交叉验证平均R²为0.753 7；IGOOSE-SVM泛化能力与预测稳定性方面均显著优于GOOSE-SVM,训练集与测试集R²分别提升0.106 6与0.041 1,均方根误差（RMSE）分别降低2.541 3 g/kg与0.528 7 g/kg,最终训练集与测试集R²分别达到0.925 2与0.841 6,RMSE分别为4.418 9 g/kg与7.040 7 g/kg。研究表明,所提出的改进策略有效缓解了高维非线性光谱数据导致的建模困难,IGOOSE-SVM模型为实现土壤有机质的高精度反演提供了可靠途径,并为优化算法在光谱建模领域的应用与改进提供了理论依据。

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硫酸盐还原硫自养反硝化硝化（SANI）工艺是一种具有污泥产量低、耐高温、耐盐等优势的新型污水生物脱氮处理技术。然而,该工艺内部的复杂微生物群落对运行参数极为敏感,导致系统性能易波动,亟需可靠的建模工具优化。传统机理模型构建繁琐且通用性有限,而机器学习方法又常受到小样本、数据不均衡及可解释性不足等限制。为此,提出一种融合生成对抗网络（GAN）与分阶段机器学习建模（包括极端梯度提升、人工神经网络和支持向量机算法）的数据驱动新方法,依据工艺生化机理构建厌氧硫酸盐还原和缺氧硫自养反硝化两阶段预测模型,并综合驯化与运行数据以拓展模型适用性。结果表明,该模型对COD与氮去除率的预测均方根误差（RMSE）分别低至6.8%与5.6%,展现出优异预测精度。可解释性分析进一步明确了工艺的关键环境因子及最优调控区间:进水COD 340～500 mg/L、进水硫酸盐（以S计）300～450 mg/L、厌氧出水硫化物（以S计）50～100 mg/L、厌氧工作容积5～6.5 L和水力停留时间6～8 h。本研究为SANI工艺的精准调控提供了可靠工具,更构建了一套可迁移、可扩展的“数据增强—分阶段建模—机理解释”融合范式,为复杂污水生物处理过程的智慧优化提供了全新的方法论基础。

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为提升污水处理厂运行效能,以污水处理厂出水总氮为主要控制指标,比较机理模型与机器学习模型的预测能力,在模型构建的基础上考察参数优化对运行效能的提升（出水总氮、能耗）。采用响应面法耦合活性污泥模型,构建响应面二次多项式优化好氧区溶解氧、污泥内回流比及污泥外回流比3个关键工艺参数,以获得最优的出水总氮。同时,考察并优选随机森林模型、极端梯度提升模型、轻量级梯度提升机模型等6种经典机器学习模型,进一步构建双延迟深度确定性策略梯度算法耦合随机森林模型的多目标优化架构,协同优化出水总氮与能耗。结果表明:响应面法耦合活性污泥模型拟合度高（R²=0.944 5）,在最优条件下出水总氮去除率可达89.14%,最佳出水总氮质量浓度为3.533 mg/L,比实际水厂出水降低45.48%；机器学习模型预测中随机森林表现最佳（R²=0.79,平均相对误差E_MR=7.5%）,采用双延迟深度确定性策略梯度算法强化学习多目标优化控制策略后,平均出水总氮质量浓度为6.20 mg/L,比实际水厂出水降低4.32%,曝气与泵送能耗降低33.12%,运行成本指数降低25.16%；在短期内单一的总氮去除目标上,活性污泥模型的处理效果更好,但双延迟深度确定性策略梯度算法优化的优势在于多目标优化,在保证总氮稳定达标的基础上,在控制能耗、成本和稳定性方面取得了显著提升,其在长期操作中综合处理效果更为优越。综上,双延迟深度确定性策略梯度算法耦合随机森林模型实现多目标优化控制,为污水处理厂智能运行提供理论与方法支撑。

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高质量、安全可靠的饮用水供应是社会经济可持续发展的必要保障。消毒是饮用水处理中必不可少的工艺,消毒过程既要确保病原体被有效灭活,又要严格控制消毒剂残留与副产物生成,实现生物风险与化学风险的协同管控。饮用水消毒效果受环境条件、水质背景、消毒方法、标准要求等多重因素影响,其效能控制尤为困难。由此,消毒工艺呈现出更高的复杂性,对运行的精细化与动态调控提出了更高要求。近年来,人工智能（AI）技术的快速发展为饮用水消毒工艺的优化与衍生风险控制提供了新的思路。本研究系统阐述了AI驱动多源数据融合在提升消毒工艺效能方面的应用,以前体物风险识别、消毒效能评估、副产物预测及水质安全筛查等关键环节为对象,系统梳理了动态学习算法在提升微生物灭活效果、控制消毒副产物生成以及毒理学风险快速筛查中的应用技术方法,提出了AI技术在消毒工艺中应用的策略和发展方向。随着AI技术不断发展和大数据的广泛应用,AI将在消毒工艺优化应用、保障水质生物和化学安全以及应对复杂水质问题上发挥更重要的作用。

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膜技术具有高效分离、操作简便、集成化高等优势,是推动饮用水提质增效的关键技术。然而,膜技术仍受限于膜材料本征性能不足、膜单元动态调控困难、膜系统运维复杂的问题,制约了其实际工程应用的效能。人工智能通过数据与智能分析的高度耦合,可赋能材料的逆向设计、工艺的精准调控与系统的智能调度。推动人工智能与膜技术的深度融合,对实现膜技术的跨越式发展具有重要意义。本研究综述了人工智能在膜材料、膜单元与膜系统3个层面中的耦合特点与发展路径,重点探讨了人工智能在高性能膜材料设计、工艺节能降耗与水质安全保障、全流程系统评估与多目标智慧化管控的应用潜力。目前,人工智能在膜滤净水技术中的应用仍面临关键数据稀疏、模型预测精度与泛化能力不足、集成与部署复杂度高等问题,亟需构建跨场景的标准化数据集、开发数据机制融合的强化模型、建立模块化与轻量化的边缘智能框架,以期为人工智能驱动的膜滤净水技术研究与应用提供理论与技术参考。

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新兴污染物（emerging contaminants,ECs）的水环境风险对传统水处理技术构成严峻挑战。高级氧化技术（advanced oxidation processes,AOPs）依赖活性氧物种（reactive oxygen species,ROS）的强氧化效能,但其种类繁多、反应路径复杂且瞬态存在的特性,使得传统实验方法在系统揭示ROS生成规律、作用机制及高效催化剂构效关系方面存在瓶颈。机器学习（Machine Learning,ML）作为一种强大的数据挖掘与模式识别工具,正从根本上改变AOPs的研究范式,为这一复杂体系的精准解析与定向设计提供了前所未有的解决方案。本研究系统总结了ML在AOPs研究中的三大核心应用,即反应过程与ROS动力学的预测与优化,复杂反应途径与微观机理的深度解析,高性能催化剂的智能筛选与理性设计。内容涵盖羟基自由基（HO·）、硫酸根自由基（SO-₄·）等自由基途径,以及单线态氧（¹O₂）、高价金属物种等非自由基体系。结果表明,ML通过整合多源数据与物理化学模型,不仅实现了对AOPs性能的准确预测与优化,更在揭示隐性构效关系、发现新描述符及预测新型催化剂方面展现出强大能力,推动了该领域从“试错法”向“理性设计”的转变。该领域的突破重点将聚焦于开发可解释性更强、融合物理机制的ML模型,并建立标准化数据库,以最终实现AOPs的智能化、定制化设计与应用。

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为应对环境污染物检测成本高昂、依赖动物实验的问题,结构活性关系（QSAR）模型已广泛用于环境中典型污染物（如持久性有机污染物、内分泌干扰物等）的分子活性与生态毒性预测。然而,传统QSAR方法在识别复杂环境样品中的特征污染物时,常受到“活性悬崖”与小样本数据稀缺的问题,导致模型泛化能力不足。针对这些问题,系统梳理了深度学习在环境分子建模中主流的训练范式,包括迁移学习、预训练微调、自监督学习等策略,探讨其在特征提取、模型稳健性及跨任务泛化方面的理论基础与技术实现。文献分析与方法比较显示,这些训练范式在不同类型的自建环境数据集中,相较于传统机器学习方法,在小样本条件下展现出更强的泛化能力、跨任务适应性以及对未知化合物结构特征的识别优势。进一步提出了适用于环境污染物建模与风险评估的分子建模流程,并总结了模型评估体系的关键要点,为构建高泛化性、可解释的环境深度学习模型提供了系统化路径。该研究可为环境领域的模型开发提供结构化的技术指引与模型对比参考框架,促进对不同深度学习训练策略的系统性评估,为行业建立更加统一、可复现的智能建模标准提供支持,从而推动环境污染物筛查与风险评估向数据驱动、智能化方向发展。

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针对航天器姿态控制过程中同时存在执行器故障、安装偏差与控制受限的多约束问题，提出一种基于积分滑模面的自适应鲁棒姿态容错控制方法，所设计的控制器在满足执行器控制能力的饱和受限约束的条件下确保系统稳定；同时，通过引入控制参数在线自适应学习策略以提高对干扰、安装偏差以及故障变化的鲁棒性，进而减小对这些信息的依赖能力，并基于Lyapunov方法分析了系统稳定性.通过数值仿真结果表明，提出的自适应积分滑模容错控制算法能有效的保证执行器故障时航天器姿态控制系统的稳定性，并具有较强的鲁棒性.

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为了研究近断层脉冲型地震动作用下适用于评价高耸结构抗震性能的地震动强度参数,基于加速度反应谱提出一种同时考虑结构周期延长和高阶振型效应的地震动强度指标。分别以120 m和240 m的钢筋混凝土烟囱结构为研究对象,使用OpenSEES程序,在近断层脉冲型地震动作用下,揭示了高耸混凝土结构的损伤指标（ParkAng损伤指标、最大层间位移角、最大曲率、最大楼层加速度以及最大顶点位移）与37个地震动强度指标的关联性。研究结果表明:提出的地震动强度指标最适合用于预测高耸混凝土结构在近断层脉冲型地震作用下发生的ParkAng损伤；与速度相关的地震动强度指标表现出与高耸结构损伤指标的较高的相关性；随着结构周期的增大,位移型的地震动强度指标与损伤的关联性有增长的趋势；此外,地面峰值加速度在表征高耸结构变形破坏方面存在局限性,但是可以用来分析非结构构件的抗震性能。研究结论可为选择合适的地震动强度指标和损伤指标评价高耸混凝土结构在近断层脉冲型地震动作用下的抗震性能提供参考。

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无人机在军事和民用应用上越来越广泛，为使无人机能够更好地发挥作用，需要采用多无人机编队飞行控制来实现协同侦察、作战、防御及喷洒农药等任务.多无人机协同编队控制技术主要包括信息感知技术、数据融合技术、任务分配技术、航迹规划技术、编队控制技术、通信组网技术和虚拟/实物验证实验平台技术等.首先对国内外多无人机编队相关技术的现状和进展进行综述，然后重点对多无人机编队控制方法进行分析，并对队形设计、队形调整和队形重构等问题进行归纳总结，最后对多无人机协同编队所面临的机遇和挑战进行了展望.结果表明：目前多无人机编队飞行理论方面取得了丰硕成果，但是实物飞行试验仅能实现简单通信环境下的协同编队飞行，任务分配和航迹规划实时性不高，控制方法应对突发情况鲁棒性低，多机多传感器协同感知能力不足，欠缺对实体的仿真实现，未来的研究方向应是突破上述关键技术的不足，开展复杂感知约束和复杂通信环境下的多无人机协同编队飞行研究，提出更加有效的控制方法，并进行多无人机实物编队飞行试验，使无人机能够更好地完成既定任务.

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随着工业4.0概念的发展,数字孪生技术（digital twin）已经成为智能制造和产品全寿命周期管理相关领域的主要数字化解决手段。在工程建设领域,提升土木工程结构数字化防灾能力和管理水平是未来智慧城市建设的重要环节。建立精确可靠的数字孪生模型,一方面,可以帮助实现工程灾害的精准防控和重大灾害事故的风险识别预警；另一方面,数字孪生也为未来城市的数字化建设和管理提供了技术基础。本文首先对数字孪生技术的基本概念和阶段性发展成果进行梳理,总结了在土木工程领域里孪生数据获取和构建数字孪生体的技术手段。最后,从结构运营评估、灾害仿真推演和数字孪生城市建设三个领域来回顾与展望数字孪生技术在土木工程领域的应用进展。

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先进纳米集成电路工艺的发展使得微电子器件翻转的阈值电荷不断降低,导致数字电路中由单粒子效应引起的软错误率增加。为加强集成电路中标准单元的抗辐射特性,本文提出了一种抗单粒子瞬态(single-event transient,SET)加固的与非门结构。在三阱工艺下,通过将下拉网络中每一个NMOS管的衬底和源极各自短接,便有效地提高了与非门抗辐射性能,而且随着输入端数目的增加,本文提出的与非门加固效果更加明显。利用Sentaurus TCAD软件的混合仿真模式进行粒子入射仿真实验,对于与输出节点相连的NMOS管采用经过工艺校准的三维物理模型,其他MOS管采用工艺厂商提供的Spice模型。结果显示:在40 nm工艺下,当入射粒子 线性能量传输(linear energy transfer,LET)值为10 MeV·cm²/mg时,本文提出的2输入与非门能够在3种输入的情况下降低输出电压扰动幅度。其中在N₂管关闭的输入模式下,达到了对单粒子入射免疫的效果；对于3输入与非门,即使在“最坏”输入的情况下,也能使输出电压翻转幅度降低85.4%。因此,本文提出的与非门加固方法起到了显著的抗单粒子瞬态效果。

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基于视觉图像的船舶目标检测中由于图像背景复杂,无关干扰较多,导致船舶目标检测的难度增大。并且多类别船舶检测数据集现有数量较少且存在样本不均衡的问题使得船舶目标检测性能较低。针对复杂背景干扰检测,本文通过引入SimAM注意力机制对YOLOv3模型进行改进,利用该机制加强船舶目标在提取特征中的权重并抑制背景干扰权重,从而提升模型检测性能;同时,采用强实时数据增强以改善样本尺度分布不均衡的问题,结合迁移学习提升在样本数量受限情况下的船舶检测精度。提取特征的可视化结果显示改进模型对无关背景特征干扰进行了抑制,增强了模型对于船舶特征的提取能力。在SeaShips数据集上,提出的改进模型在不引入额外可学习参数的情况下mAP.5、mAP.75分别达到了96.93%、71.49%,检测速度达到了66 frame/s,在检测精度与运行效率方面保持了均衡。与Saliency-aware CNN、eYOLOv3相比更有效地优化了目标特征,使得mAP.5分别提高了9.53%、9.19%。改进模型在新加坡海事数据集上在船舶类型目标检测的mAP.5达到了81.81%,验证了模型具有较好的泛化能力。

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在超密集网络环境中,各个接入点密集部署在热点区域,构成了复杂的异构网络,用户需要选择接入合适的网络以获得最好的性能。如何为用户选择最优的网络,使用户自身或网络性能达到最佳,称为网络接入选择问题。为了解决超密集网络中用户的接入选择问题,综合考虑网络状态、用户偏好以及业务类型,结合负载均衡策略,提出了一种基于改进深度Q网络(deep Q network,DQN)的超密集网络接入选择算法。首先,通过分析网络属性和用户业务的偏好对网络选择的影响,选择合适的网络参数作为接入选择算法的参数；其次,将网络接入选择问题利用马尔可夫决策过程建模,分别对模型中的状态、动作和奖励函数进行设计；最后,利用DQN求解选网模型,得到最优选网策略。此外,为了避免DQN过高估计Q值,对传统DQN的目标函数进行优化,并且在训练神经网络时,引入了优先经验回放机制以提升学习效率。仿真结果表明,所提算法能够解决传统DQN的高估问题,加快神经网络的收敛,有效减少用户的阻塞,并改善网络的吞吐能力。

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随着网络规模的日益增大,实时准确的网络流量预测对流量调度、路由设计等工作至关重要。由于网络流量数据的非线性和不确定性,一些传统方法无法取得较好的预测精度。针对网络流量复杂的时空特征,本文提出一种基于时空特征融合的神经网络（ST-Fusion）进行流量预测。该模型采用编码器-解码器结构。首先,编码器具有时间和空间两个并行的特征通道,联合门限循环网络和自注意力机制提取流量的时序特征,采用图卷积神经网络提取流量的空间特征；然后,将编码器提取的时空特征使用双边门限机制进行特征融合；最后,将融合的结果输入到基于门限循环网络的解码器中依次生成预测结果。本文在3个公开的网络流量数据集(GEANT、ABILENE、CERNET)上进行实验,其评价指标选用MAE、RMSE、ACCURACY、VAR。实验结果表明ST-Fusion方法能够取得更好的预测效果。

Abstract:

为准确分析混合料中集料的形貌特征及其分布属性,更全面、深入和具体地认识集料,采用CT扫描、数字图像处理和三维几何重构技术相关数字化技术对集料颗粒进行实形重构,提出集料的5种形貌特征参数,针对3种集料的形貌特征进行数字化评价与试验分析,验证数字化重构方法的准确性,分析集料颗粒形貌分布特征,基于Pearson相关性方法分析形貌参数的相关性。结果表明:采用CT扫描技术和数字化实形重构技术,可以准确地还原集料颗粒的形貌特征,准确获得形貌参数；同种集料的不同粒径的形貌特征存在显著的分布特征；不同粒径的三维针片状指数和三维纹理指数相差不大；不同粒径范围的集料颗粒的形貌参数值随着粒径的增大离散性降低；三维纹理指数整体服从幂律分布,随粒径的增大,复杂程度逐渐降低；随粒径的增大,三维棱角度逐渐趋于稳定；三维棱角度与实形矩体度、实形球形度存在较强的负相关性；而实形球形度与三维纹理指数存在较强的正相关关系。数字化三维重构能准确、完整地描述和分析集料形貌及其分布特征。

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针对边缘设备计算和存储能力差的问题,本文对传统YOLOv5模型中用于特征提取的主干网络CSPDarkNet53进行轻量化处理,提出了一种轻量化MPE-YOLOv5手势识别算法,以实现模型在低功耗边缘设备上的部署；针对轻量化模型提取特征较少而导致的难以识别大尺度变换目标和微小目标问题,对M-YOLOv5网络设计添加有效通道注意力机制（efficient channel attention,ECA）,以缓解因特征通道减少而导致的高层特征信息丢失的问题；同时增加针对微小目标的检测层,提高对微小目标手势的敏感度；并选用EIoU作为预测锚框的损失函数,以提高模型的定位精度。本文在自制数据集和NUS-Ⅱ公共数据集上验证了MPE-YOLOv5算法有效性,并将MPE-YOLOv5算法与轻量化后的M-YOLOv5算法和原始的YOLOv5算法在自制数据集上进行了对比实验。实验结果表明,改进算法的模型参数量、模型大小和计算复杂度分别是原算法的21.16%、25.33%和27.33%,平均精度可达97.2%；与轻量化模型M-YOLOv5相比,MPE-YOLOv5能够在保持原来效率的同时,使平均精度提升8.72%。因此,所提MPE-YOLOv5算法能够较好地平衡模型的检测精度和实时推理速度,可实现在硬件受限的边缘终端上进行部署。

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为提高钢-UHPC组合结构的延性,本文提出一种采用装配式栓钉连接的 钢-UHPC组合板。设计并完成了不同抗剪连接程度的组合板的抗弯性能试验,分析了组合板试件破坏形态、极限承载力、刚度、裂缝发展规律和板端滑移,并与采用焊接栓钉的钢-UHPC组合板进行了对比分析,讨论了组合板试件的可拆卸性,最后对其极限抗弯承载力和抗弯刚度进行了理论分析并推导了计算公式。结果表明:装配式栓钉连接的钢-UHPC组合板破坏模式为纵向水平剪切黏结破坏；降低栓钉间距能提高组合板的协同变形能力,从而提高组合板结构的极限承载力、弹塑性阶段的刚度和裂缝控制能力；与采用焊接栓钉连接的钢-UHPC组合板对比,其在发生较大变形的情况下钢板和UHPC板仍然可较容易地拆卸分离；推导了装配式栓钉连接的钢-UHPC组合板的极限承载力计算方法和抗弯刚度计算公式,提出了抗弯刚度计算时应对UHPC板高度进行折减,折减系数（β_U）在正常使用阶段建议为0.85,理论计算结果与试验结果吻合良好。本文研究成果可为采用装配式栓钉的钢-UHPC组合板的设计和应用提供理论依据。

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为研究双层圆钢管混凝土长柱在压、扭荷载作用下的力学性能,利用研制的Stewart六自由度加载平台,进行了两个普通圆钢管混凝土长柱和两个双层圆钢管混凝土长柱试件在纯扭、压扭作用下的低周往复试验。对比分析了各试件的承载力、扭转变形、耗能、滞回性能,进行了有限元参数分析。研究表明:普通圆钢管混凝土长柱和双层圆钢管混凝土长柱均具有较好的抗扭能力；与普通圆钢管混凝土长柱相比,双层圆钢管混凝土长柱的初始刚度和承载力略有提升,滞回曲线更饱满,耗能能力和延性大幅提升；参数分析表明含钢率一定时,内层钢管径厚比越大,对抗扭越有利；一定范围内的轴向荷载,可提高钢管混凝土柱的抗扭能力。

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为充分发挥装配式工业化程度高和钢混组合结构优良力学性能的优势,提出一种装配式双拼槽钢混凝土组合楼板,对3组简支组合楼板试件进行了四点加载试验,研究了该组合楼板的竖向静载下力学性能。分析了楼板裂缝、挠度、应变（钢筋、钢梁、混凝土板）随荷载发展规律；基于极限平衡法,提出了考虑受拉薄膜效应和刚度强化系数的承载力计算公式。结果表明:组合楼板的变形呈双向板特征,试件破坏时均出现板顶角部裂缝和弧形裂缝,混凝土板底中心区域为网状裂缝和向角部延伸的斜裂缝,双拼主梁发生塑性弯曲；在楼板的中心挠度达到l₀/40时,试件荷载分别为327.63 kN、436.92 kN和406.12 kN,组合楼板承载力较高；钢筋的应变发展在垂直钢梁方向较大,沿着塑性铰线屈服；考虑受拉薄膜效应和刚度强化系数的计算公式与试验结果吻合良好,准确地预测了楼板荷载-挠度全过程曲线。

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针对强震作用下典型装配式剪力墙结构的破坏机理和薄弱环节,提出一种具有耗能减震功能的新型装配式剪力墙。采用模型试验和数值模拟相结合的方法,设计制作了4片缩尺比1∶1.54、剪跨比1.52的新型装配式剪力墙试件,并对其进行了相应的抗震性能试验,系统分析了螺栓数量、轴压比和边缘构件纵筋配筋率对试件破坏模式、滞回性能、承载能力、变形性能、刚度退化及耗能能力的影响规律。试验结果表明:各试件破坏模式与相同剪跨比的现浇剪力墙基本一致,呈弯剪型破坏；但新型装配式剪力墙具有更为优异的滞回性能和耗能能力,其在破坏点的耗能值显著高于普通现浇墙体；当螺栓数量减少时,新型装配式剪力墙承载能力无明显变化,但滞回性能降低、墙体变形加剧；轴压比或边缘构件纵筋配筋率的降低会导致剪力墙承载能力降低和极限位移增大。最后采用ABAQUS软件建立了相应试件的有限元模型,模拟结果与试验结果吻合较好,表明所建模型的正确性,能够将其应用于新型装配式剪力墙的分析之中。

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为了提高建筑外围护结构施工效率及解决传统外保温系统长期存在的易脱落和易着火问题,提出了一种集保温和建筑模板于一体的岩棉复合保温外模板（RWCIEF）体系。RWCIEF由内到外依次为内侧加强层、岩棉保温芯材、黏结层、保温过渡层以及外侧加强层。以哈尔滨市为例,基于全寿命周期成本（life cycle cost,C_lc）确定了岩棉保温芯材的最佳厚度。采用有限元分析与理论计算相结合的方法探求了RWCIEF在工程中的可行性,分析了RWCIEF的抗弯性能、施工承载力及温度效应下的应力和变形,讨论了开槽形式、开槽宽度、开槽深度以及开槽间距对RWCIEF抗弯性能的影响。结果表明:RWCIEF的抗弯性能理论计算结果与有限元分析结果有较高的一致性；开槽处理可有效提高RWCIEF的抗弯性能,综合抗弯性能、热工特性及加工角度,建议开槽形式选用对应开井字槽或对应开纵槽,开槽深度和宽度均为10 mm,开槽间距 为150 mm;设计的RWCIEF满足施工承载力,可保证外围护结构保温工程施工质量;由温度效应产生的最大拉应力和压应力均未超过RWCIEF的外侧加强层承载力,反映出RWCIEF出现夏季空鼓或冬季开裂现象的可能性极小。提出的RWCIEF体系可为外围护结构保温工程及建筑模板工程未来研究方向提供一种新的思路和方法。

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图像分割是按照一定的规则,将图像中具有特殊意义的区域划分为若干个互不相交的子区域,是从图像处理到图像分析的关键环节,传统分水岭图像分割方法是一种应用较为广泛的技术,具有快速、简单的优点,但该方法易受噪声干扰,分割结果易丢失边缘重要信息,出现过分割现象。为改善传统分水岭图像分割方法存在的过分割问题,提出了一种基于自适应结构元素的改进分水岭图像分割方法。首先,利用图像像素点邻域的局部密度、对称度及边缘特征构造形状可变的自适应结构元素,确保其与图像目标几何结构具有较强的一致性；其次,利用该结构元素获取图像形态学梯度,提高目标边缘的定位精度；将L₀范数梯度最小化和形态学开闭混合重建相结合修正梯度图像,减少梯度图像中的局部无效最小值点,抑制过分割现象的产生；最后对修正后的梯度图像进行分水岭分割,实现图像目标区域的精确分割。实验结果表明,该方法能够有效抑制过分割现象,提高目标边缘定位的准确性,具有较高的分割精度。

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为分析同步磁阻电机(synchronous reluctance motor,SynRM)饱和及耦合特性并实现扰动小且误差低的SynRM电感辨识,提出一种SynRM在线电感解耦辨识算法。首先,描述了电机饱和及耦合特性对SynRM电压方程和磁链方程的影响,分析了SynRM磁场饱和及耦合效应以解释电感的饱和及耦合特性,同时引入耦合角设计SynRM的解耦模型,并从解耦角度分析电机饱和及耦合特性;其次,设计基于虚拟轴系等效阻抗模型的耦合角及电感在线辨识策略;最后,将所提算法应用于3 kW的SynRM实验及测试平台,通过不同工况下辨识及对比实验验证所提算法的有效性。实验结果表明:所提算法可有效实现SynRM在线电感解耦辨识,且耦合角及电感辨识结果误差在允许范围之内；同时,电感随着电流的增大而减小,耦合角随着电流的增大而增大,耦合角及电感辨识结果的变化趋势也验证了电机饱和及耦合特性分析的准确性。相比于其他电感辨识算法,所提算法对芯片算力要求不高,在简化电感运算的同时可实时跟随电机控制并输出准确的电感辨识值。

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基于序列图像的自主导航作为未来深空探测地外天体精确定点着陆任务的关键技术，是目前深空探测技术的重点发展方向之一.针对未来深空探测地外天体精确着陆自主导航的需求，阐述了发展深空探测着陆过程序列图像自主导航的必要性.首先，分别从主动成像和被动成像两个方向介绍了基于序列图像的深空探测着陆过程自主导航研究现状；然后，总结并分析了基于序列图像的深空探测着陆过程自主导航涉及到的关键技术；最后，根据关键技术分析给出了基于序列图像的深空探测着陆过程自主导航研究目前存在的主要问题并对其后续发展进行了展望.

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针对现有去雾算法大都存在复原图像亮度低、天空明显色彩失真等问题,提出了一种融合大气光值-图估计的无人机航拍图像去雾方法。首先,根据颜色衰减先验理论获取景深图像,将景深图像内偏差最小区域均值作为大气光值；其次,设计了一种自适应随机游走聚类方法用来估计大气光图,通过自适应随机游走算法将图像聚类为N个子区域,对子区域前0.1%像素求均值作为区域大气光值,将区域大气光值组合并通过引导滤波对其进行细化,获得大气光图；然后,通过融合大气光值-图估计方法将两种大气光估计融合为新的大气光图,作为更加准确的大气光估计；利用雾霾线先验方法获得透射率,同时提出一种暗补偿方法对其进行优化,提高透射率精度；最后,根据大气散射模型,利用求得的融合大气光图和优化透射率,得到清晰的复原图像。实验结果表明,相对于比较算法,提出的算法的复原图像在信息熵、平均梯度、模糊系数及对比度上分别提升1.1%、6.3%、8.5%、6.4%,主观视觉效果更好,信息更加丰富。

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面向低时延、稳定传输、高用户体验质量(quality of experience,QoE)的网络实时传输需求场景,提出一种低时延智能网络数据传输调度算法。该算法由数据块排队控制策略和拥塞控制策略两部分组成。数据排队控制策略提出了综合数据块的创建时间和有效时限(effective time)的性价比模型,有效地解决了传输时间约束下的信息传输不均衡问题；拥塞控制策略提出了基于使用耿贝尔分布(Gumbel distribution)采样重参数化与混合经验优先级模型改进后的深度确定性策略梯度(deep deterministic policy gradient,DDPG)方法,解决了深度确定性策略梯度不适用于离散网络动作空间拥塞控制的问题,并通过学习自适应调整发送参数显著提升了网络拥塞控制质量。实验结果表明,实时传输场景下使用本文提出的排队算法能够有效提升QoE,采用改进后的DDPG进行拥塞控制能大幅降低传输时延。同样场景下,将提出的智能网络数据传输调度算法与排队策略及拥塞控制策略相结合,与传统的网络数据传输调度算法相比,能够更好地兼顾低时延和稳定传输,提供更高的数据传输质量。

Abstract:

为探究钢-薄层超高性能混凝土（ultra-high performance concrete, UHPC）轻型组合桥面体系在局部轮载下的抗弯性能,设计并开展了4块基于高强螺栓连接的可拆卸式钢-UHPC组合板的四点弯曲试验,研究了钢板类型、抗剪连接件间距对可拆卸式钢-UHPC组合板的破坏模式、荷载-挠度曲线、界面相对滑移、裂缝宽度、截面应变分布等影响规律,研究结果表明:在正弯矩荷载作用下,采用Q355钢板的组合板的破坏模式为高强螺栓被剪断,而采用负泊松比（negative Poisson’s ratio, NPR）钢板的组合板的破坏模式为部分高强螺栓被剪断、部分预埋带垫加长螺母被拔出、UHPC板由于失稳大面积压溃等；在相同的高强螺栓间距下,采用NPR钢板的组合板的板端相对滑移较小,说明NPR钢板有效延缓并限制了钢板与UHPC板的相对滑移,从而提升两者的协同变形能力,继而提高组合板的抗弯刚度及承载力等；由截面应变分析可知,由于NPR钢板的负泊松比效应、高刚度、高屈服强度,整个加载过程NPR钢板与底部UHPC层的拉应变保持着应变协调性,随着荷载的增大截面塑性中和轴的上移幅度可忽略不计。因此,在采用NPR钢板提升钢-UHPC组合板抗弯性能的前提下,应使UHPC厚度与NPR钢板的性能进行匹配,充分发挥两者的材料性能,避免失稳破坏先于UHPC材料强度破坏。

Abstract:

为了改善通用预训练模型不适应医疗领域的命名实体识别任务这一不足,提出了一种融合医疗领域知识图谱的神经网络架构,该架构利用弹性位置和遮盖矩阵使预训练模型计算自注意力时避免语义混淆和语义干扰,在微调时使用多任务学习的思想,利用回忆学习的优化算法使预训练模型均衡通用语义表达和目标任务的学习,最终得到更为高效的向量表示并进行标签预测。实验结果表明:本文提出的命名实体识别架构在医疗领域上取得了优于主流预训练模型的效果,在通用领域也有较为良好的效果。该架构避免了重新训练针对某个领域的预训练模型和引入额外的编码结构从而精简了计算代价和模型大小。此外,通过消融实验对比,医疗领域对于知识图谱的依赖程度较通用领域依赖程度更大,这说明在医疗领域中融合知识图谱方法的有效性。通过参数分析,证明本文使用回忆学习的优化算法可以有效控制模型参数的更新,使模型可以保留更多的通用语义信息并得到更符合语义的向量表达。本文也通过实验分析说明了所提方法在实体数量少的种类上具有更优的表现。

Abstract:

为研究适用性强的钢筋混凝土柱-钢梁(RCS)混合节点抗剪承载力计算方法,对近年来的RCS节点剪切破坏试验数据进行了统计,将试验结果与中国规程方法、Nishiyama方法、Parra方法和ASCE指南方法计算结果进行了对比,并对各方法的参数适用性进行了讨论。对比结果表明:4种方法均具有工程实用价值,其中Parra方法结果离散性最小,中国规程方法计算最为简便。参数分析表明:4种方法对不同配箍率和不同位置节点均有较好适用性,但对小轴压比节点（轴压比0~0.2）与柱贯通节点预测均偏于保守；中国规程方法对于混凝土强度高于60 MPa的节点预测结果偏于危险,同时对有直交梁节点承载力预测偏于保守。建议在公式中引入混凝土强度系数和直交梁约束系数,用以考虑两者对承载力的影响。

Abstract:

为合理选取地震动参数以有效减小结构损伤预测的不确定性,基于弹性网络回归技术对多个地震动参数进行了比选。基于多种地震动参数以及大量单自由度（SDOF）模型的增量动力分析结果建立弹性网络回归模型,定义回归模型中回归系数值以及回归系数值为非零值的个数分别为地震动参数的敏感性系数和频数。基于地震动参数敏感性和频数分析结果对多种地震动参数进行排序,研究结构恢复力模型、地震动集和结构极限状态对地震动参数排序结果的影响。基于一座8层钢框架结构分析结果验证了基于弹性网络回归的地震动参数比选方法的有效性。结果表明:选取代表性的地震动参数加入最小二乘回归模型时,不同结构极限状态下回归分析中残差标准差显著减小。基于大量SDOF体系的地震动参数排序结果比选出了受地震动集、结构恢复力模型和结构极限状态影响较小的地震动参数。结果可为结构抗震能力预测用地震动参数的比选提供理论基础。

Abstract:

为研究张弦式钢竹组合工字形梁的受弯性能,以预应力水平、张弦及加载方式为基本参数,设计制作了12根张弦式钢竹组合工字形梁进行受弯试验,观察分析了加载过程中组合梁的试验现象、破坏特征,探究了各参数对组合梁承载能力、应变分布、变形性能等的影响规律,并推导得出了张弦式组合梁承载力的近似计算公式。结果表明:张弦式组合梁的整体性能优良、组合效应突出,具有良好的变形性能及承载能力；张弦试件的破坏形态主要为翼缘竹材撕裂、局部钢材屈曲等破坏；施加预应力及提高预应力水平能有效增加组合梁的变形性能,以及在相同挠度控制条件下的承载能力,且采用二点张弦布置预应力筋时可获得更好的效果；张弦式组合梁跨中截面应变分布符合平截面假定,且随着预应力水平提高而中性轴下移；最后,基于理论计算得出的承载力与试验值较为接近且相对保守,近似计算公式具有较好的适用性。

Abstract:

在深部等复杂地质环境中,岩石力学特性及损伤特性对高温工程的开展具有决定性影响,为深入探究高温岩石的力学性能及其在受载过程中的损伤机理,以不同温度(25、200、400、600、800 ℃)作用后的黄砂岩为研究对象,基于X射线断层扫描技术(CT)获取黄砂岩内部孔隙数据及三维模型,分析黄砂岩孔隙率随温度变化规律,结合数值模拟探究黄砂岩微裂纹演化规律及损伤机理,从微观层面揭示高温作用下岩石热损伤机理。结果表明:随温度升高,黄砂岩总孔隙率呈二次函数形式增长,面孔隙率均匀度随之降低；黄砂岩产生热损伤的主要因素包括高温脱水、矿物成分热分解、矿物颗粒膨胀；热分解及颗粒膨胀导致的孔隙率增加是造成热损伤的关键因素；25~400 ℃阶段,不同矿物颗粒膨胀挤压,导致局部应力区域出现,黄砂岩内部裂纹以晶间裂纹为主；400~800 ℃阶段,黄砂岩内部矿物成分相变、分解,导致局部应力区域增大,黄砂岩内部裂纹以晶内裂纹为主。以黄砂岩孔隙率定义损伤变量,构建了热作用下黄砂岩损伤演化模型,可为高温岩石力学的损伤机理研究提供理论基础和技术支撑。

Abstract:

随着土体渗流侵蚀研究的逐渐深入,对土颗粒流失和变形破坏机理的研究方法呈现出多尺度的特点。其中,计算流体力学-离散元耦合方法（CFD-DEM）为在细观尺度上研究流-固耦合相互作用对土体宏观力学特性的影响提供了一种行之有效的方法。针对CFD-DEM耦合方法在岩土工程领域应用现状,本文系统总结现有流-固耦合计算方法的优缺点,重点论述CFD-DEM耦合方法的建模策略,包括固相颗粒形状建模与粒间接触模型、流体相控制方程及参数计算方法,以及CFD-DEM耦合计算,并就相关问题进行深入探讨,最后提出了CFD-DEM耦合方法未来的发展方向。

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为考察不同碱性激发剂对钢渣水泥性能的影响,开展碱性激发剂（水玻璃、Na₂CO₃/NaOH、NaOH）对钢渣水泥宏观力学性能影响的试验研究,并采用水化热测试、X射线衍射（XRD）、热重分析（DSC-TG）、扫描电子显微镜（SEM）和压汞试验（MIP）对其微观结构进行研究。结果表明:碱性激发剂提高钢渣水泥早期水化时孔隙液的碱度,加速钢渣玻璃体解聚并生成H₃SiO-₄和H₃AlO^2-₄,增大体系反应速率,加速C-S-H凝胶和沸石类产物的形成,从而宏观上表现为凝结时间降低,诱导期缩短,反应热峰值和累计放热量增加,早期强度提高；激发剂对钢渣水泥性能的影响与其分子结构有关,影响顺序由大到小依次为水玻璃、Na₂CO₃/NaOH和NaOH；水玻璃不仅可增大钢渣水泥早期水化时液相的碱度,同时激发剂中的SiO^2-₃可与Ca(OH)₂反应,生成水化产物C-S-H凝胶。掺入碱性激发剂可促进钢渣水泥水化反应的进行,有助于钢渣水泥力学性能与微观结构致密性的提升。

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为提高内置U型永磁同步电机电磁性能同时降低电机周身振动噪声,提出聚磁式等体积错位分段内置U型永磁同步电机。首先,推导电机气隙磁通密度、空载反电动势及输出转矩等电磁性能表达式和径向电磁力、振动速度、加速度等电磁振动表达式。其次,探究单独增设磁障结构、错位结构和Halbach充磁结构对电机电磁性能影响。最后,对电机结构参数进行分析及寻优,对比5种U型磁极永磁同步电机电磁性能、电磁振动和噪声波动。研究结果表明,所增设4种结构对电机性能影响明显,电磁性能方面,增设磁障、错位结构和辅助槽能提高电机输出转矩降低齿槽转矩,Halbach充磁能改善输出转矩、径向气隙磁通密度分布以及径向电磁力分布,三者结合可使电机输出转矩得到提升,输出转矩更加平滑,齿槽转矩和转矩脉动降低明显；振动噪声方面,增设辅助槽结构大幅抑制径向电磁力8、16次谐波幅值；增设磁障结构能抑制电机低频振动加速度,增设错位结构和Halbach充磁能抑制电机高频振动加速度,4种结构配合可使空间8、16次径向电磁力明显下降,在时间4倍频和6倍频振动加速度得到明显抑制,电机最大声压级及机械强度满足电机运行要求,并加工出永磁电机转子样件。

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为了解和掌握夏季玻璃幕墙热反射对周边环境微气候的影响,并提高对其因肉眼无法识别而鲜少受到关注的问题的重视,采用光学模拟、模型实验和实地测试的方式,确定反射区位置并量化幕墙热反射的影响。首先,应用光学镜面反射原理,揭示幕墙热反射的形成原理、变化规律和潜在危害；其次,以成都市春熙路广场及其周边幕墙建筑群为例,采用光学模拟、模型实验方法确定广场上热反射区的逐时位置,并通过实地热环境测试和对比,量化分析幕墙热反射的影响；最后,提出一系列管控幕墙热反射及其危害的应对策略。实验结果表明:与普通区相比,热反射区的平均辐射温度高出4～13 ℃,气温高出1～2 ℃,湿度低了5%～10%,热气候指数高出2～5 ℃。研究结果证实了夏季幕墙热反射对周边环境微气候及行人热舒适度影响显著,为此,需在城市规划和幕墙设计中纳入热反射管控策略,以降低其负面影响。

Abstract:

为研究超高性能混凝土（UHPC）免拆模板钢筋混凝土（URC）柱的抗震性能,选取UHPC免拆模板拼接方式和表面处理方式为试验设计参数,制作并完成了9个URC柱和1个钢筋混凝土（RC）柱的拟静力加载试验。模板拼接方式为螺栓加角钢连接、螺栓连接和环氧树脂砂浆连接；表面处理方式为光面处理、气泡膜印花处理和设肋处理,通过拟静力试验研究了模板拼接方式及表面处理方式对该类柱抗震性能的影响。此外,基于平截面假定,提出了URC柱的正截面偏压承载力计算式。结果表明:峰值荷载前,UHPC模板与核心混凝土黏结面无明显破坏,URC柱表现出良好的整体性,尤其是采用螺栓加角钢连接的URC柱,即使加载至极限位移时,也没有发生界面黏结失效破坏;与普通RC柱相比,URC柱的承载力提高了6.4%～43.3%,延性提高了11.4%～48.7%,耗能能力提高了27.7%～85.3%；三种连接方式中,采用螺栓加角钢连接的URC柱承载力最高,连接最可靠。最后,基于平截面假定提出的公式计算值与试验值吻合较好,可为工程应用提供参考。

Abstract:

为研究纵筋与箍筋共同锈蚀对钢筋混凝土黏结性能的影响,采用电渗—恒电流—干湿循环的加速锈蚀方法对25个钢筋混凝土（RC）试件进行锈蚀,进而对其进行拉拔试验,研究了纵筋锈蚀、箍筋锈蚀、保护层厚度和箍筋间距等参数对黏结性能的影响规律。分析了锈蚀对混凝土与钢筋界面间黏结力的影响,将黏结性能退化归因于材料性能退化和约束效应退化,基于试验数据,建立并验证了一个考虑设计参数、纵筋及箍筋共同锈蚀的修正黏结滑移本构模型。结合所提本构模型及微元算法建立了锈蚀纵筋应力-滑移模型,基于OpenSees平台,将所建模型应用于零长度截面单元中,通过串联纤维梁柱单元与零长度截面单元建立了考虑黏结滑移变形的锈蚀RC构件数值模型,根据锈蚀RC柱拟静力试验数据对该模型的准确性进行验证,并采用仅考虑锈蚀损伤的纤维模型进行辅助验证。结果表明:混凝土与钢筋界面间黏结力随锈蚀程度的增加呈先上升后下降的趋势,增加保护层厚度可略微增加黏结强度,而箍筋加密对黏结强度提升明显；与纤维模型相比,所建锈蚀RC纤维模型承载力、累计耗能和极限位移误差分别降低12.8%、23.5%和14.2%,表明所建模型可合理计算钢筋滑移的贡献且准确预测锈蚀RC柱地震整体响应。

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为比较套筒灌浆搭接及对接接头间力学性能差异,进行了41个搭接接头和20个对接接头的单拉及高应力反复拉压试验。结果表明:单拉及高应力反复拉压时,两种接头均能实现最大力下总伸长率大于6%、延性系数大于4,强度基本满足规范要求；高应力反复拉压后单拉时,两种接头承载力均有所提高,但接头初始刚度和延性下降；防偏转措施可减少搭接接头残余变形,但其约束刚度有限,搭接接头残余变形略大于对接接头,防偏转搭接接头及对接接头残余变形基本满足规范要求；高应力反复拉压后单拉时,搭接接头套筒中部截面在加载前期纵向受拉、环向受压,加载后期纵向受压、环向受拉,对接接头套筒加载过程中均为纵向受拉、环向受压；高应力反复拉压结束后单拉时,防偏转、不防偏转搭接接头套筒中部截面近钢筋侧最大纵向拉应变分别为对接接头的0.10~0.39倍、0.13~0.18倍,最大环向压应变分别为对接接头的0.09~0.49倍、0.02~0.32倍,搭接接头对套筒材性要求较低；钢筋直径相同时搭接接头材料成本较对接接头降低约35%。

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为研究非静水压条件下煤体动力学性能及动力扰动后卸荷破坏特征,在三维动静加载实验的基础上,研究了卸荷方式对动力扰动后卸荷煤样宏观破坏特性的影响。首先,采用Ф50 mm的分离式霍普金森压杆系统,开展三维动静加载下煤样的动力学实验,研究轴压、应变率对煤样动力学响应规律的影响；其次,基于响应曲面理论,借助中心复合试验法,构建考虑因素交互作用的回归模型,并分析单因素及因素交互作用的显著性；然后,结合因素交互作用、Weibull分布、Drucker-Prager准则,修正煤的强度型统计损伤本构模型,对比理论与实验结果,验证模型可靠性；最后,借助加卸荷电液伺服装置,探究轴压、冲击气压、卸荷方式对煤样破坏特征的影响及作用机制。结果表明,构建的强度型统计损伤模型,相关系数R²≥0.88,可表征煤样动力学响应行为。冲击后同步卸荷的煤样多呈层裂破坏,拉伸界面随轴压增大而后移直至消失,无法形成层裂破坏；非同步卸荷下煤样破坏形式主要包括整体完整、层裂、压剪破坏,而当冲击气压0.4~0.6 MPa,轴压14.5 MPa时,表现为“层裂+压剪”混合破坏。

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为改善粉末活性炭的可分离性，采用化学共沉淀法制备新型磁性活性炭，以亚甲基蓝为目标污染物配制染料废水，对粉末态磁性活性炭对目标污染物的处理效能进行探讨，并与粉末活性炭处理效果进行对比，考察pH、接触时间以及污染物质量浓度对其处理效能的影响.结果表明：合成的粉末态磁性活性炭吸附能力高于粉末活性炭，pH为影响其处理效能的关键因素，偏碱性的pH和适宜的接触时间有利于污染物的去除.当亚甲基蓝初始质量浓度为100 mg/L、磁性活性炭投量为0.4 g/L、pH为9、反应时间为300 min时，亚甲基蓝的去除率达98.9%.亚甲基蓝在磁性活性炭上的吸附过程符合Langmuir吸附等温线和Elovich动力学模型，热力学分析表明，该吸附过程为自发进行的单分子层吸热反应，且以化学吸附为主.该磁性活性炭具有很好的分离性能，在自然重力沉降条件下10 min内沉淀完全，而在外强磁场作用下30 s内可实现快速分离.

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为满足空间任务中对可展薄膜机构的大折展比、高平整度等需求,提出基于Miura弹性折痕的空间薄膜可展机构,并进行建模分析及样机研制。 根据折痕分布规律和几何关系建立Miura-ori几何模型,研究薄膜的折痕参数对折展比和折痕总长的影响规律,并进行计算和折痕参数优化。在ABAQUS/Explicit中建立折痕倾角θ=90°及θ＜90°的四折痕基本单元的数值仿真模型,分析薄膜关键折痕处的力学行为变化,初步证明二维弹性折痕的可行性；进一步研究经过Miura弹性折痕折叠后三角形薄膜的弹塑性,绘制折痕交点处应力随折叠过程的变化曲线,应力峰值均处于材料弹性范围内；研制空间可展开薄膜机构样机,进行了验证分析。结果表明:机构构型设计方案合理,优化后的折痕参数可以得到大折展比和小折痕总长的薄膜Miura折叠方案,展开后薄膜表面具有较高的平整度,证明了可展薄膜Miura弹性折痕的可行性和优越性。

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为了实现对长期服役后的结构在地震、风等动荷载作用下安全性和舒适性的评估,利用监/检测数据建立一个能准确反映实际建筑在地震、风等动荷载作用下动力响应的结构动力学模型至关重要。本文针对非常普遍的框架建筑结构,提出了一种基于少量移动传感器的框架结构等效简化动力学模型构建方法。首先,提出建筑结构等效简化模型构建的层间剪力等效原理,证明了以该原理构建的简化模型具备准确模拟实际建筑结构动力响应的能力。其次,推导了框架结构简化模型形式,并研究了简化模型参数特点。然后,提出了一种框架结构简化模型参数的迭代识别方法,实现了仅使用少量无线移动传感器的简化模型参数识别。最后,通过一个12层3跨钢框架结构数值模拟算例,研究了在不预知结构刚度退化的具体形式和仅使用少量移动加速度传感器的条件下,由本文所提方法构建的等效简化模型对实际框架结构在不同水平动荷载作用下结构动力响应的预测能力。数值试验结果表明,等效简化模型能准确模拟不同荷载工况下框架结构加速度和位移响应。因此,本文提出的框架结构等效简化模型构建方法将在评估既有框架结构在风、地震等动荷载作用下的结构安全性和舒适性方面具有重要的应用前景。

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二氧化碳捕集利用与封存(CCUS)作为能够实现煤化工行业温室气体大规模减排的前沿技术, 已成为当前研究热点.而管道运输是该技术得以实施的关键环节, 高昂运输成本是影响该技术大规模推广的主要因素.因此, 通过开发煤化工二氧化碳(CO₂)捕集压缩、管道运输系统优化模型, 实现CO₂管道运输系统内关键环节的工艺和技术优化配置, 降低捕集压缩、运输及注入整个系统的总成本.将模型初步应用于陕西延长榆林煤化工CCUS项目, 结果表明：当封存区域CO₂封存需求量小, 而且能够在封存现场提供方便的液化压缩设备时, 榆林能化煤化工企业可以采用气相压缩输送方案, 并结合封存地点液化加压注入；对于大规模CO₂封存及运输需求时, 推荐超临界/密相CO₂输送, 能够有效减少封存区再次加压环节的成本, 从而使整个流程更为经济

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为探索拱腹焊接圆钢对钢管混凝土偏压构件弯曲性能的提升机制,在ABAQUS软件中建立了圆钢加固钢管混凝土梁数值模型,并采用试验数据验证了模型的合理性。通过分析圆钢加固钢管混凝土偏压构件的弯矩-挠度曲线、弯矩-纵向应变曲线、环向应变曲线、约束指数和中性轴偏移规律,揭示了焊接圆钢对钢管混凝土偏压构件弯曲性能的提升机制。进一步,分析了圆钢直径以及构件长细比对圆钢加固钢管混凝土偏压构件弯曲性能的影响规律。结果表明:焊接圆钢可以降低截面中性轴的位置,增大受压侧钢管环向应变,从而提高了受压区混凝土面积,增强了受压侧钢管对混凝土的约束作用,进一步提升钢管混凝土偏压构件的抗弯承载力和弯曲刚度,并且圆钢直径越大提升幅度越高；圆钢加固钢管混凝土偏压构件的极限弯矩随着轴压比的增加而减小,减小的幅度随着圆钢直径和构件长细比的增加而增大,焊接圆钢提升大长细比偏压构件弯曲性能的效果更好,且对大长细比构件弯曲性能的提升效果随着轴压比的增加而增大。

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分析总结了基于图优化同步定位和地图构建(SLAM)前端图构建过程的各种方法. 对现有SLAM研究方法进行分类,指出基于Kalman滤波器、粒子滤波器、图优化方法的优缺点；重点介绍SLAM问题的3种图建模方法,即动态贝叶斯网络的图建模方法、基于因子图的建模方法、基于Markov随机场的建模方法；对图优化SLAM方法前端图构建的核心环节——帧间数据关联和环形闭合检测方法进行了分析；讨论了特征提取、特征匹配、运动估计、环形闭合检测等方面的最新研究成果.

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装配式混凝土结构中存在大量新老混凝土连接界面,模板效应导致界面区水泥砂浆孔隙率相对增大,从而引起其力学及耐久性能的弱化。为定量描述界面区水泥砂浆孔隙率分布特征,制作了不同水灰比搭配的新老混凝土竖缝平整界面区试件。利用扫描电镜获取各试件距离界面不同位置处的灰度图像,并采用数字图像处理工具进行图像信息增强处理和二值化处理,从而获得孔隙像素占总像素的比值（即名义孔隙率）,据此分析了新老混凝土竖缝平整界面区名义孔隙率的分布特征；基于名义孔隙率与真实孔隙率之间的稳定关系,建立了新老混凝土竖缝平整界面区孔隙率的分布模型；考虑凿毛区新老混凝土含量连续变化关系,建立了凿毛界面区孔隙率的分布模型。结果表明:名义孔隙率在界面处最大,向混凝土内部逐渐减小,最后趋于稳定,总体变化趋势具有高斯函数特征；随水灰比增大,从界面到内部各部位的名义孔隙率均呈现相对增大趋势,但不同水灰比混凝土各自界面区与内部稳定区的相对名义孔隙率却接近一致。

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从介绍人类皮肤的触觉感知性能出发，全面综述了国际上多学科领域模拟人类皮肤的电子皮肤触觉传感器研究进展与关键技术；分析讨论了电子皮肤触觉传感器的工作原理、新型材料和结构、先进设计制作方法、触觉传感特性和性能指标等方面内容；重点总结了国内外近年来在电子皮肤阵列触觉传感器柔性化、弹性化、空间分辨率、灵敏度、快速响应、透明化、轻量化和多功能化等方面的研究进展. 指出了电子皮肤触觉传感器的研究依然存在着难以兼顾高柔性和高弹性、高灵敏度电子皮肤设计制作工艺复杂，可扩展性差和成本高等技术难题. 电子皮肤触觉传感器可广泛应用于机器人、医疗健康、航空航天、军事、智能制造和汽车安全等领域，正朝着高柔弹性、宽量程的高灵敏度、多功能、自愈合与自清洁、自供电与透明化等方向发展.

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为了使用随机静力位移测量数据对结构有限元模型进行修正,并保证计算效率,提出了一种同伦代理模型与贝叶斯抽样方法结合的随机模型修正方法。首先以结构静力位移构建目标函数,然后采用延缓拒绝自适应抽样算法对修正参数的后验概率密度进行估计。抽样过程中,采用同伦代理模型替代有限元模型对结构静力位移进行计算。数值算例和试验结果表明:进行变截面梁的有限元模型修正时,与二次响应面模型相比,在静力贝叶斯模型方法中利用同伦代理模型,修正参数的后验概率密度能更准确地复现结构随机响应,使修正后的结构随机响应与测量结果概率密度函数更加吻合。即使在随机测量误差的变异系数较大、先验信息与真实修正参数之间差异较大时,所提方法仍能够快速得到修正参数的后验概率密度,使修正参数计算的结构随机位移响应与测量结果的概率密度函数保持一致。同伦代理模型结合贝叶斯抽样算法能在概率框架内快速而准确地对结构进行随机模型修正。

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为理清粗糙度、含石量、法向应力对灰质岩弃渣混合料与混凝土接触面剪切力学特性的影响,采用新型大型直剪仪对4种含石量的灰质岩弃渣混合料和5种粗糙度的混凝土面板分别在不同法向应力条件下进行系列接触面剪切试验,探究粗糙度、含石量、法向应力变化对接触面剪切强度的影响,揭示三者与接触面剪切力学特性的内在关联及接触面抗剪强度机制。结果表明:相同法向应力条件下,随粗糙度的增加,接触面抗剪强度呈现先增加后减小的趋势,且粗糙接触面能显著提高接触面的剪胀程度,但随法向应力的增加,粗糙度对接触面抗剪强度和法向变形的影响均减弱；相同法向应力条件下,随含石量的增加,接触面抗剪强度的变化规律与法向应力的大小密切相关。同时,试验数据分析表明接触面抗剪强度与Mohr-Coulomb强度准则高度吻合,且粗糙度和含石量对接触面表观黏聚力的影响相比对接触面内摩擦角的影响更为显著。合理的粗糙度和含石量能较大程度地提高弃渣混合料与混凝土接触面的抗剪强度。

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为了探究整体式桥台-RC桩-土体系的力学性能,以国内某整体桥为背景,设计并制作了4个不同桩基配筋率和截面形状的整体式桥台-RC桩模型,并开展整体式桥台-RC桩-土相互作用低周往复荷载拟静力试验研究,主要研究RC桩配筋率与截面形状对桥台-RC桩-土体系受力性能的影响,并分析台后土抗力、桩侧土抗力、桩身应变与桩身弯矩的分布规律等。结果表明:在桥台往复位移作用下,距离台背较近处土抗力沿高度方向的分布规律会由“三角形”分布向“抛物线形”分布转变；距离台背较远处的基本呈“三角形”分布；台后土抗力会受到RC桩配筋率和截面形状的影响,提高RC桩的配筋率或采用矩形截面可增大整体式桥台-RC桩-土体系的整体性；桩身累积变形会影响桩侧土抗力的分布规律,使桩后侧土抗力减小、桩前侧土抗力增大；采用配筋率更大或矩形截面RC桩的试件更不易受累积变形的影响,桥台-桩基-土体系整体性更好；整体式桥台-RC桩在向河跨侧挤压前侧土体运动时,桩身应变和弯矩的分布规律与传统桩基一致；向岸坡侧挤压后侧土体运动时,桩身最大应变和弯矩出现在台底与桩顶连接处。提高RC桩配筋率或采用矩形截面RC桩可有效减小桩身应变和弯矩,改善RC桩基的受力性能。

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随着舰船的发展和大量应用,舰船甲板流场的分析与控制的重要性进一步凸显出来。为改善舰船甲板流场,提出了一种新型的基于射流装置的主动流动控制方法,并以直升机桨盘位置为例分析了不同射流装置参数对于直升机桨盘流场优化的效果。首先基于Navier-Stokes方程建立了舰载直升机甲板流场的数值模型,以研究基于射流主动流动控制对舰船甲板流场的影响。然后该方法选取k-ε湍流模型,并通过算例验证了方法的有效性。最后模拟得到添加射流装置的舰船甲板流场流线与速度分布,结合流场信息对旋翼受力的影响对比分析了加装射流装置对舰船甲板流场的流动控制作用。结果表明:上射流的添加可以使得甲板流场中回流区的影响范围减小,从而使得桨盘流场速度梯度减小;桨盘流场速度梯度的减小可以有效降低旋翼气动力变化和响应水平;不同的来流角下添加上射流装置均能通过控制甲板流场从而减小响应,提高直升机的安全性。射流速度对流场控制效果影响显著,应结合射流装置安装位置选取最优射流速度从而达到较好的控制效果。

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为探究输调水工程混凝土表面聚合物水泥防护层在经受高速水流作用下冲蚀损伤机制,利用改进的高压水枪冲蚀试验设备研究防护层的冲蚀特性。通过三维扫描提取冲蚀区域的最大长度、最大宽度、最大深度以及体积4种特征参数,分析不同喷射压力、喷射长度、喷射角度和喷射时间下防护层的冲蚀损伤形态、损伤参数演变规律及损伤机制。以防护层冲蚀最大深度为目标值,建立基于Logistic回归函数的防护层蚀变深度预测模型。结果表明:相同工况下,防护层的4种冲蚀损伤特征参数都随喷射压力和冲蚀时间的增加而增加。喷射长度的增加（从喷射长度为0.5 cm增加到6.6 cm）使防护层的冲蚀形态由“沙漏”向“条形”转变,该过程中水力劈裂对防护层与混凝土界面处的破坏效果降低。构建的防护层蚀变深度预测模型具有很好的准确性,可以通过增大喷射长度和喷射角度显著降低防护层的冲蚀损伤程度,这为实际混凝土工程表面防护设计提供了参考依据。

Abstract:

为研究黏性沙不同级配对高速水流空化空蚀的影响及机制,利用自主研发的小型循环式水洞试验装置,采用两条不同的黏性沙级配曲线进行较系统的试验研究。通过配置黏性沙小于某一粒径不同质量分数的挟沙水流,用压力动态数据采集系统实时量测水洞工作段空化区和空蚀区的压力；制作不同配合比的混凝土试件,使混凝土试件在黏性沙小于某一粒径不同质量分数工况下进行4 h的空蚀试验,以混凝土试件每小时质量损失表征空蚀量。结果表明:水洞工作段空蚀区各测点的时均压力和空化数随黏性沙小于某一粒径质量分数的减小而增大；混凝土试件空蚀量随黏性沙小于某一粒径质量分数的减小而增加；流速相同时,较高强度配合比混凝土试件的抗空蚀能力明显优于较低强度配合比的混凝土试件；较低流速下空蚀区主要位于试件前段,较高流速下则位于试件后段；试验所用黏性沙细颗粒比重越大,空蚀量越大。

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为更准确地描述材料的非线性磁机械耦合效应,以非线性磁致伸缩应变方程、有效场理论和能量平衡方程等为基础提出新的磁弹性耦合模型与变刚度模型,分析了铁磁材料的磁机械效应和变刚度效应,并利用数值分析软件将非线性磁化模型的理论结果与仿真过程进行耦合。结果表明,仿真得到的缺陷泄漏场分布与已有研究结果一致,验证了所提出模型与仿真方法的可行性和准确性。分析了应力、缺陷尺寸和缺陷位置对表面磁场的影响,结果表明:在拉伸载荷作用下,试样表面法向磁场信号呈类S形曲线,切向信号呈类锥形曲线,其极值均随载荷增加先减小后增大；试样存在缺陷时,不同采集路径上获取的信号存在很大差异,缺陷边缘路径上的漏磁场峰值与缺陷长度呈负相关,而峰值距离和跨度却相反,在远离缺陷的采集路线上,漏磁场信号的峰值和跨度均与缺陷长度呈正相关。

Abstract:

刀具磨损情况是影响盾构机掘进效率的重要因素,也是决定开仓换刀时间和频率的关键依据。针对盾构掘进过程中刀具整体磨损状态难以判断的问题,统计换刀点每把刀具磨损量与限定磨损量之间的关系,提出了3个磨损状态等级。在推导3种关键掘进参数（推力、扭矩和掘进速度）与单把滚刀切削分力理论关系的基础上,提出一种对掘进参数信号进行小波包分解以识别刀具整体磨损状态的方法。该方法以分解后的信号节点小波包系数标准差组成的特征向量作为磨损识别指标,通过敏感性分析找出对刀具磨损最敏感的节点特征向量,进而通过拟合分析确定磨损状态与磨损识别指标的函数关系。对深圳地铁14号线大运站至宝荷站区间工程实例的分析结果表明,该方法能准确识别盾构刀具的整体磨损状态,其中使用掘进速度信号进行识别的精度最高,推力次之,扭矩最低。该方法在使用中仅需对盾构机自动采集的掘进参数进行处理分析,不需要布置传感器,具有简便易行、成本低和精度高等优点,为及时开仓换刀提供了可靠依据。

Abstract:

为研究预制混凝土结构的钢筋连接方法,设计制作了81个预制混凝土插入式预留孔灌浆钢筋锚固拉拔试件,考虑钢筋直径、混凝土强度、锚固长度等主要影响参数.连续加荷拉拔试验结果表明:灌浆锚固试件的最终破坏状态都是外部钢筋屈服或被拉断,没有发生异常锚固破坏,而且在基本锚固长度基础上分别减小为0.9、0.8倍时还有较大安全储备.根据试验数据结果给出插入式预留孔灌浆钢筋的基本锚固长度为0.8 l a.

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无人机在军事和民用应用上越来越广泛，为使无人机能够更好地发挥作用，需要采用多无人机编队飞行控制来实现协同侦察、作战、防御及喷洒农药等任务.多无人机协同编队控制技术主要包括信息感知技术、数据融合技术、任务分配技术、航迹规划技术、编队控制技术、通信组网技术和虚拟/实物验证实验平台技术等.首先对国内外多无人机编队相关技术的现状和进展进行综述，然后重点对多无人机编队控制方法进行分析，并对队形设计、队形调整和队形重构等问题进行归纳总结，最后对多无人机协同编队所面临的机遇和挑战进行了展望.结果表明：目前多无人机编队飞行理论方面取得了丰硕成果，但是实物飞行试验仅能实现简单通信环境下的协同编队飞行，任务分配和航迹规划实时性不高，控制方法应对突发情况鲁棒性低，多机多传感器协同感知能力不足，欠缺对实体的仿真实现，未来的研究方向应是突破上述关键技术的不足，开展复杂感知约束和复杂通信环境下的多无人机协同编队飞行研究，提出更加有效的控制方法，并进行多无人机实物编队飞行试验，使无人机能够更好地完成既定任务.

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为综合评价水平拼缝采用竖向钢筋浆锚搭接的装配式混凝土剪力墙抗震性能,采用2个装配式和1个现浇的足尺试件进行低周反复荷载试验．试验结果表明:对于破坏形态,装配式混凝土剪力墙内墙试件与现浇试件基本相同,装配式混凝土剪力墙外墙试件与现浇试件有区别;各试件的滞回曲线均较饱满,骨架曲线走势基本一致,耗能能力接近;各试件极限位移角1/56～1/49,位移延性系数均为4;装配式混凝土剪力墙试件较现浇试件初期刚度有所降低,外墙试件水平拼缝上移后,承载能力有所提高．

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为了对电动并联机器人进行特性分析和性能预测,以永磁同步电机(PMSM)驱动6-SPU型并联机器人为例,提出一种精确整体动力学建模思想.电动并联机器人电机系统除存在随支腿的转动,转子及丝杆还存在绕自身轴线的旋转.针对这两部分运动很难单纯通过多刚体动力学或PMSM动力学来分析的问题,采用多刚体动力学来考虑第一种运动,PMSM动力学来考虑第二种运动,并建立电动并联机器人的精确整体动力学模型.该模型避免了负载折算到电机端时变等效惯量的计算,并将电机系统反电动势、粘性摩擦力考虑在内.以1Hz正弦位姿指令对并联机器人进行仿真分析,验证了模型的正确性.

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将基于遗传学原理的基因修复技术引入用于求解装配序列规划问题的遗传算法,该算法采用基因组描述装配过程中的零部件顺序信息,通过建立先序关系矩阵描述装配过程中零部件的装配优先关系及几何可行性约束.利用基因"修复"操作,将子代个体中违反先序约束的基因"修复"为有效基因,从而保证了整个种群的基因多样性,避免了进化过早地收敛于局部最优解,使得最终结果的评价指标更优.某二级减速器的装配规划实例表明,该方法是一种具有工程实际意义的产品装配序列规划方法.

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为了提高高速高精度晶圆传输机器人的定位精度,建立了精度分析和运动学标定为一体的精度保障体系.针对机器人的特点,建立了误差模型,分析了各结构几何参数误差源的灵敏度,提出了结合几何误差迭代法和基于运动学逆解的非线性参数辨识的分步标定方法,对其进行了标定,并对几何结构参数进行了误差补偿.仿真分析以及实验证明:机器人定位误差达到0.07mm,有效地提高了机器人末端的定位精度.

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提出了一种跳跃腿机构.为减轻质量,降低能耗,采用单电机驱动方式,通过分时控制实现机构的跳跃、空中收腿和能量调节动作.在结构设计中采用五杆机构作为腿部执行机构,并增加了脚掌和跗跖关节以保证跳跃和着陆时的稳定性.结合仿真分析了其跳跃过程及各阶段的关键动作,最后对机器腿进行了跳跃实验,实验证明:其具有很好的跳跃能力及较高的跳跃效率,能实现空中收腿动作以及稳定着陆.

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为了解决多轴联动电火花加工数控系统在开发过程中实时技术的处理问题,将RT-Linux技术应用于数控系统开发之中.将数控系统的体系结构宏观上分为实时部分和非实时部分两大部分,微观上分为用户管理模块、实时控制模块和驱动模块3大模块;构建3个模块中所有涉及到实时任务的部分,包括实时控制模块的构建,驱动模块的构建,用户管理模块和实时控制模块间通信方式的构建,实时控制模块和驱动模块间通信方式的构建;开发了五轴联动电火花加工数控系统,并应用于整体式涡轮盘加工实验,实验表明,整个系统实时性强,稳定、高效.

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针对航天服手臂的特殊软关节结构和多自由度的特点,提出了基于最近邻的快速逆运动学解法,该方法保证在任何测量位置都能得到航天服关节角度的近似解.采用空间分块二步搜索策略,解决了基于最近邻方法求解舱外航天服手臂逆运动学中内存占用量大和效率低的缺点.仿真结果表明,最近邻的快速逆运动学解法在计算精度和实时性上均能满足测试系统的要求.

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为了研究柔性索对空间索杆铰接式伸展臂力学特性及稳定性的影响,对伸展臂自平衡状态的受力情况进行分析,计算出满足伸展臂承载结构的最小索拉力设计值.计算表明,伸展臂展开驱动力矩随索拉力的增加而成比例增大;伸展臂的轴向拉伸刚度、剪切刚度和扭转刚度随着索的抗拉刚度增加而增大;静刚度实验表明索张力对静刚度几乎没有影响.仿真分析表明,增加斜拉索直径可以提高伸展臂的扭转振动频率,而斜拉索直径及张力对伸展臂的弯曲和轴向振动频率影响较小.对不同索张力的伸展臂桁架单元进行了动力学试验,验证了仿真分析的正确性.伸展臂铰接结构受力分析表明,增大索张力有利于提高伸展臂稳定性.

Abstract:

为了分析不同设计参数对IEEE802.16e中卷积Turbo码(CTC)性能的影响以及对比IEEE802.16e支持的CTC和卷积码的编码性能,介绍了IEEE802.16e中的CTC的编码过程,给出了编码过程中的循环状态确定方法的推导过程,分析了CTC的迭代译码结构和译码算法,最后对CTC的性能进行了仿真.仿真结果表明:在相同码率和相同调制方式下CTC的编码增益要比卷积码大,采用CTC比采用卷积码有着明显的性能优势.因此在码率较低、信道状况较好或对系统实时性要求严格的情况下,可考虑使用卷积码,以降低信道编码的复杂度;而在码率较高、信道状况较差或对误码率要求严格时,可考虑选用CTC编码方案,以保证通信的可靠性.

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针对由于路由不稳定导致通信质量变差,建立了一种高效的适用于无线链路中断时路由重构的自愈模型,基于最优搜索方程提出了一种限制下一跳节点搜索区域的自愈的方法,旨在提高移动Ad Hoc网络的抗毁性,在路由损毁时维持数据持续传输的同时减小链路重构所需的开销和时延,以实现网络路由的快速自愈.基于NS-2的仿真结果表明,本文所提出的路由自愈方法对移动Ad Hoc网络的开销有较为明显的改善,有效的避免了网络节点的移动、RF传播条件变化、节点被毁等原因造成网络结构上的损伤,减少频繁路由寻找耗费的能量,从而实现了移动Ad Hoc网络的抗毁性以及路由的可用性.

Abstract:

根据舰船通信系统的多天线阵结构,提出一种适合舰船通信的新的非合作直扩信号检测方法,与传统多信号检测方法不同,新方法在预处理部分引入了核独立分量分析技术,克服了多个信号频段重叠、频谱交叉时信号难以分离的难题,提高了后续部分直扩信号的检测与识别准确率,通过仿真分析,验证了该检测方法的有效性.如对决策参数做适当调整,该检测方法同样适用于其他通信信号的检测.

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根据对盲元特性的分析,提出将三维噪声模型中的固定图形噪声与随机时空噪声作为盲元检测的数据源,在像素等级上构建形成特征向量.建立特征向量的独立二元正态分布统计模型,将盲元看作是游离于正态分布等概率密度椭圆之外的异常点.以特征空间中的统计距离与特征空间角作为异常点检测的统计判据,并分类死元、过热像元与闪烁像元.将该算法应用于实际制冷型红外焦平面的盲元检测,实验结果证明了该算法的有效性.

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利用人造飞行目标相邻波段光谱辐射强度连续性特点,提出了一种多光谱辐射强度和梯度相组合的目标识别快速算法.该算法首先对多光谱图像进行高通滤波实现背景抑制,而后以残余图像符合高斯统计分布为假设前提,建立了强度阈值与光谱梯度阈值的概率密度函数,最后利用3σ准则确定强度阈值以达到噪声中目标和诱饵的检测,确定光谱梯度阈值对二者进行识别,这种依据数据统计特性进行的双阈值确定方法增强了算法的自适应性能.利用此算法进行了强噪声下的目标识别仿真试验,表明了算法的有效性.

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为了了解加工方法和参数对加工表面特性PSD表征结果的影响规律,采用功率谱密度方法(PSD)对超精密磨削加工表面进行了表征与分析.应用Dimension 3100原子力显微镜对超精密加工表面进行测量,得到三维微观形貌和数据,以空间波长为横坐标,功率谱密度为纵坐标输出PSD图像,简单直观地分析了加工表面空间波长分布及不同波长在表面所占的比重,对比分析了加工方法和参数对PSD表征结果特征的影响.实验结果表明,超精密加工表面PSD图像的主导频率、波长分布特点以及各波长的PSD值大小等参数不仅可以同时体现横向尺寸及高度尺寸特性,而且能够得到表面误差的空间频率分布和方向特性信息.

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提出了一种基于多目视觉红外光电探测和圆锥曲面拟合的喷管轴线、摆角等参数估计方法.假定前端装有红外LED发光板和红外滤光片的4台高速相机实现了同步数据采集,且已完成标定.以红外反光标记球贴着喷管表面移动的大量三维坐标采样为基础,采用圆锥曲面拟合的方法求取喷管轴线的向量表示以及喷管圆锥曲面的虚拟顶点.通过喷管摆动的大量瞬时转轴拟合得到最小二乘意义上的摆动轴.将喷管轴线和摆动轴的公垂线与喷管轴线的交点作为摆心.喷管在摆动前后任意两时刻间的摆角可以用喷管上标记点的前后坐标到摆动轴的垂线向量的内积求得.摆角变化量除以时间间隔可得摆动角速度.摆动角速度的变化量除以时间间隔可得摆动角加速度.使用双轴摇摆-直线升降运动校准装置模拟喷管运动,摆心位移、摆角、摆动角速度和角加速度的测量误差分别为0.17mm、0.03°、0.12(°)/s、0.4(°)/s2.实验结果证明了算法的可行性.

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研究了利用拉格朗日键合图建立梁横向振动数学模型的基本方法.由于拉格朗日键合图方法中能量转换矩阵对广义坐标的要求,将梁离散为刚杆-质点-弹簧系统,定义挠度为广义坐标,然后分析了多种边界条件下梁横向振动的数学模型.最后以两端简支梁为例作了仿真计算,其仿真结果与该模型的理论解以及ANSYS的计算结果进行了对比,验证了梁的离散模型的有效性,并说明了拉格朗日键合图对梁横向振动进行模态分析相对于别的方法是简便可行的.

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研究了铁磁构件在应力和地磁场共同作用下的磁记忆检测机理,从磁记忆的原理出发,根据铁磁材料所具有的自发磁化和磁畴的特点以及磁的产生机制,提出一种新的磁记忆检测技术的机理模型.以此模型为基础,得出试件表面所测得的磁场是缺陷处产生的漏磁场、试件本身感应磁场以及环境磁场矢量叠加的结果,并以矩形槽为例用matlab对磁场进行了仿真,很好的解释了磁记忆检测过程中的现象.

Abstract:

为保证卫星成功发射,应用整星隔振方法改善卫星在升空过程中其所处恶劣的动力学环境,降低卫星由于运载火箭激励而引起振动的幅值.通过隔振器传递率特性实验,可以证明添加隔振器后卫星顶端的响应幅值比未隔振前大幅降低.添加隔振器后的随机实验表明,在随机激励下,隔振器的隔振效果可以满足发射要求.此外,通过对隔振器阻尼可靠性问题的讨论,证明在隔振器少量阻尼元件失效条件下,隔振器性能变化不大,可以满足卫星发射对隔振器的冗余性能要求.