最新刊期
      2022 年 第 54 卷 6 期

        聚焦国家重点研发计划

      • 苗强,张恒,严幸友
        2022, 54(6): 1-11. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200862
        摘要：大规模制造产业是新一轮产业变革中涉及数字化、网络化、智能化等新技术最全面的平台与载体，其产业链关联度高、竞争性强且集群式发展特征显著，是先进制造技术和信息技术的代表性产业，所涉及的产业链、供应链、销售链、能源链不断交叉融合，逐渐形成了网状结构多价值链构成的复杂数字生态系统。其中，各个企业形成互生、共生、合作、竞争的重要生态关系，保障数字生态系统具有良好的演进态势是推动大规模制造业健康可持续发展的重要途径，但因数据交互壁垒、信息不对称、价值链孤岛、恶性竞争、价值虚构等原因导致其极具挑战。因此，针对中国大规模制造业网状价值链协同瓶颈问题，本研究通过对网状结构多价值链拓扑组织结构进行分析，解决链内或跨链企业互信协同、多源信息集成、业务流程优化、资源调度整合等问题，开发具备生成/汇聚/存储/管理/分析/使用等功能的数字融合引擎和具备需求分析、业务建模、流程优化、执行管理的协同处理引擎；融合供需流、业务流、技术流、关系流、工作流等数字流量，研究数字生态价值链在价值流动、种群状态、系统进化等方面的演化机理，进一步研究网状结构价值链数字生态理论体系，建立基于生态理论的价值链数字生态模型，克服网状结构下跨链交互中可信保障难、价值管控难、跨链追溯难等关键难题，保障价值链的健壮性与韧性；在此基础上，面向数据的智能服务与网状结构生态价值链应用场景，研究基于区块链的价值链运行技术、基于数据驱动的价值链优化技术，以及基于人工智能的新型服务技术，研发具备数字生态多价值链的大数据处理、分析、挖掘服务平台，实现资源优化、供需优化、协同优化、价值优化、生态优化，进而实现网状结构生态价值链的可信运行、数据优化、纵横协同、智能服务等功能，有效提升生态价值链的产出效能及服务水平与能力。本研究围绕大规模制造产业数字生态模型构建、网状结构价值链协同等国家科技重大需求，开展相关研发与工程示范，旨在为中国大规模制造业健康可持续发展提供可靠的理论与技术支撑，并展望了网状价值链数字生态理论的进一步研究方向。  
        关键词：大规模制造产业;网状价值链;数字生态系统;人工智能;区块链   
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        发布时间：2024-04-07

        暴雨山洪水沙灾害预报预警

      • 刘海知,徐辉,包红军,鲁恒,宋巧云,狄靖月,王蒙,曹爽
        2022, 54(6): 12-20. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200733
        摘要：滑坡作为山洪水沙耦合运动的物源和动力基础，其易发区的识别是山洪水沙灾害预报预警和风险评估的重要前提。以往的山洪水沙灾害防治研究主要关注洪水的影响，而忽视了固体物源的作用。为完善山区中小流域山洪水沙灾害防控体系，提出基于集成学习的山区中小流域滑坡易发区早期识别方法，并对数据样本构建和影响因子选取过程进行优化试验。将滑坡单元下垫面环境因子频率比作为无监督学习算法数据样本进行聚类分析；根据聚类算法易发性分区结果选取非滑坡单元，并结合滑坡单元构建集成学习分类算法数据样本集，比较单体算法和融合算法的易发性分区结果准确率和覆盖度。选取研究区域高分卫星遥感影像建立松散堆积物直接解译标志，基于目视解译识别松散堆积物面积，通过回归分析构建松散堆积物面积–体积幂律关系，形成研究区域松散堆积物空间分布图。将固体物源作为下垫面环境因子，比较引入物源因子前后的滑坡易发性分区结果准确率和覆盖度。结果表明：K-Means–RF、K-Means–AdaBoost融合算法输出的高易发区覆盖率相对于K-Means单体算法分别提高9.3%、12.1%。两类融合算法的易发性分区准确率和泛化能力比较接近，K-Means–AdaBoost融合算法对于滑坡点的预测效果更优。考虑物源因子后的K-Means–RF和K-Means–AdaBoos融合算法易发性分区中的高易发区覆盖率分别提高14.2%和17.7%，召回率均提高12.1%。  
        关键词：滑坡;易发性;影响因子;集成学习   
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        发布时间：2024-04-07
      • 李恒,朱坚
        2022, 54(6): 21-31. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200745
        摘要：为评估中国国家气候中心（Beijing Climate Center，BCC）季节–次季节（sub-seasonal to seasonal，S2S）预报模式预测系统（简称为BCC_S2S模式）在长江上中游流域对日降水和夏季极端降水事件的预报性能，基于BCC_S2S模式在2005—2020年每周两次滚动预报未来60 d降水回报的格点数据，把格点预报降水双线性插值到站点，将其与站点观测降水进行对比分析。通过相关系数（correlation，CC）、均方根误差（root mean square error，RMSE）和平均误差（mean error，ME）3个指标，评估模式预报日降水的性能；对于极端降水事件，依照百分位法定义极端降水，基于Heidke 技巧评分（Heidke’s skill score，HSS）指标评估单站极端降水，并利用层次聚类方法划分区域性极端降水类型，进一步评估预报性能。结果表明：BCC_S2S模式在各季节日降水的预报性能随预见期的增加而下降；在预见期大于5～10 d后，进入低预报技巧阶段。将长江上中游划分为6个子区域进一步分析，各区域平均的相关系数仍然是在预见期较短时较高；平均误差表明预报模式在流域中东部区域整体呈现出正偏差，金沙江流域则是负偏差；均方根误差同样在流域中东部偏大。通过分析3个指标的箱型分布图，表明在长江上中游的大多数区域，模式预报6月份的降水精度最佳，误差范围相对较小。对极端降水事件，单站极端降水事件的HSS评分随预见期增加而下降；对大多数区域，模式的预报技巧在月降水总量偏多、极端降水频发的月份较高。针对4类区域性极端降水，模式超前0～10 d预报的多雨带空间分布与观测较为一致，降水量值偏小；超前10 d以上预报时，效果较差。总体上，模式对长江上中游地区的日降水和极端降水事件的预报性能随预见期的增加而下降，6月预报精度相对较好，这可能与6月主要受大范围水汽输送或锋面这样较容易预报的天气系统有关。  
        关键词：长江上中游;季节次季节;极端降水;预见期;预报精度   
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        发布时间：2024-01-10
      • 袁新玥,刘超,鲁恒,聂锐华,陈辰,刘铁刚,王栋,唐敏,杨正丽
        2022, 54(6): 32-42. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200732
        摘要：崩滑堆积体是洪沙灾害的主要物源之一，研究其时空分布与演化特征对洪沙灾害易灾区早期识别、风险区的研判有重要作用。为探究汶川震区洪沙灾害崩滑物源时空演化特征，选择汶川典型流域寿溪河流域为研究区域，对寿溪河流域2007、2009、2012、2015、2018年5期高分遥感数据进行崩滑物源解译，建立了研究区震前—震后崩滑物源的长时间序列数据集，并利用确定性系数（certainty factor，CF），结合高程、坡度、坡向、距沟道距离、距断层距离、年均降水量等关键控制因子，定量分析崩滑物源在各个因子上的活跃程度及演变特征，计算植被覆盖度（vegetation fraction coverage，VFC）与植被恢复速率（vegetation coverage recovery rate，VCRR），探讨植被恢复对崩滑物源活动的影响。结果表明：5期解译的崩滑物源面积分别为15.68×104、442.45×104、252.86×104、146.07×104 、98.97×104 m2，且以指数函数的模式衰减，预测物源面积恢复到震前水平的时间约为21 a。研究区震后崩滑物源活动性最强的区域的高程为1200～2400 m，坡度为大于60°，坡向为SE，距沟道距离为小于800 m，距断层距离为小于1500 m，年均降水量为830～850 mm。演化趋势为崩滑物源在高程大于2000 m、坡度小于40°、距沟道距离大于200 m、距断层距离大于1500 m、年均降水量大于840 mm的区域的活动性增强，在坡向为E、SE、S侧活动性减弱。震后VFC随着时间的推移以线性形式增长，预测震后至少14 a植被覆盖度恢复到震前水平；2012、2015、2018年植被恢复中等及以上的区域分别占37.32%、64.24%、70.69%；在植被恢复程度高的地方，崩滑体的活动性低且随着时间的推移而降低，植被的恢复能有效减弱崩滑物源的活动。以上研究对于丰富崩滑物源演化理论与洪沙灾害风险预测具有重要意义。  
        关键词：崩滑物源;时空演化;植被恢复;洪沙灾害;寿溪河流域   
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        发布时间：2024-01-10
      • 闫旭峰,姚致东,徐辉,旦增平措
        2022, 54(6): 43-50. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200771
        摘要：输水能力变化直接影响河段行洪安全，当输水能力不足时，洪水风险陡增。影响河道输水能力的因素众多，如：床沙粒径引起河床粗糙度变化，植被等障碍物产生拖曳阻力等，但目前对边界变化影响河段输水能力机理和规律研究较少。受到地形地貌影响，山区河段河宽变化较为常见，本文采用平面2维水流数值模拟试验，研究了窄段–宽段河宽比（窄宽比）和下游水位变化条件下山区宽窄相间河段水流运动变化规律。结果表明：宽窄相间河段整体表现为宽段壅水、窄段跌水；当缩窄段弗劳德数Fr>1，河段由急流转变为缓流，在窄段下游附近形成淹没式水跃。下游出口为低水位时，随窄宽比减小，跌水–壅水–水跃分区效应越显著，展宽段水头损失急剧增大，由此降低了宽窄相间河段的输水能力；随出口水位增加，跌水–壅水效应减弱、水跃消失，展宽段水头损失变小，河宽变化影响降低，显著提高宽窄相间河段输水效应。出口水位变化对展宽与缩窄水头损失比峰值随着河道窄宽比的降低而增大，最大值为6；窄宽比变化条件下，出口水位变化对展宽与缩窄水头损失比的影响较大，表现为先增加后减小，且水头损失比峰值相对应的水位随着窄宽比增大而降低。研究从机制上厘清了宽窄相间河段水位及流速沿程分布和水头损失特征，可为山区河流水沙灾害防治提供科学依据。  
        关键词：宽窄相间河道;窄宽比;出口水位;输水能力;数值模拟   
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        发布时间：2024-04-07

        物联网

      • 刘琳岚,肖庭忠,舒坚,牛明晓
        2022, 54(6): 51-58. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100951
        摘要：无线传感器网络中，节点传输数据时容易受到环境中噪声的干扰，使传输链路质量变差，导致数据包丢失、消息重发，从而加速节点能量的消耗，缩短网络寿命。链路质量预测可以为上层路由协议选择高质量的无线链路进行通信提供依据，通过链路质量预测选取高质量的链路传输数据，可以提高数据传输效率，减少重传次数。本文提出基于门控循环单元（gate recurrent unit，GRU）的链路质量预测方法。首先，采用Gap Statistic算法优化的K-means++算法，依据包接收率的分布自适应划分链路质量等级，获得链路质量样本标签；其次，选择接收信号强度均值、链路质量指示均值及信噪比均值作为输入，借助CatBoost在分类问题上的优势，构建链路质量评估模型，并采用网格搜索法对参数寻优；最后，使用滑动时间窗口构建链路质量等级时序样本集，使用GRU提取链路质量等级时间序列的时序信息，为进一步提高预测的准确率，采用支持向量回归机构建链路质量预测模型，预测下一时刻链路质量等级。本文采用真实场景中的数据进行实验，根据主要干扰源不同，选择实验室、走廊和停车场3个场景收集数据，使用均方误差评价链路质量预测模型的有效性。实验结果表明，与小波神经网络、循环神经网络和随机向量函数链等方法相比，所提方法具有更小的预测误差，可以准确预测链路质量等级。  
        关键词：无线传感器网络;链路质量预测;门控循环单元;Gap Statistic算法;链路质量等级   
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        发布时间：2024-04-07
      • 方维维,陈爱方,孟娜,程虎威,王清立
        2022, 54(6): 59-66. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100925
        摘要：随着万物互联时代的到来，具备目标检测能力的物联网设备数量呈爆炸式增长。基于此，网络边缘产生了海量的实时数据，具有低时延、低带宽成本和高安全性特点的边缘计算随之成为一种新兴的计算模式。传统的深度学习方法通常假定在模型训练前所有数据已完全具备，然而实际的边缘计算场景中大量的新数据及类别往往随时间逐渐产生和获得。为了在训练数据成批积累和更新的条件下在资源有限的边缘设备上高效率地完成目标检测任务，本文提出了基于多中间层知识蒸馏的增量学习方法（incremental learning method based on knowledge distillation of multiple intermediate layers，ILMIL）。首先，为了能够适当地保留原有数据中的知识，提出了包含多个网络中间层知识的蒸馏指标（multi-layer feature map RPN and RCN knowledge，MFRRK）。ILMIL将教师模型和学生模型的中间层特征的差异加入模型训练，相比于现有的基于知识蒸馏方法的增量学习，采用ILMIL方法训练的学生模型可以从教师模型的中间层学习到更多的旧类信息来缓解遗忘。其次，ILMIL利用MFRRK蒸馏知识完成现有模型的增量训练，避免训练使用多个独立模型带来的资源开销；为进一步降低模型复杂度以高效地在边缘设备上部署推理，可在知识蒸馏前进行剪枝操作来压缩现有模型。在不同场景和条件下的实验对比表明，本文方法可在有效降低模型计算和存储开销的前提下，缓解已有知识的灾难性遗忘现象，并维持可接受的推理精度。  
        关键词：目标检测;边缘计算;增量学习;知识蒸馏;模型压缩   
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        发布时间：2024-01-10
      • 李国瑞,武雅君,王颖,彭三城,王聪
        2022, 54(6): 67-74. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100863
        摘要：设备剩余使用寿命预测作为工业物联网实现工业智能的重要功能之一，可基于设备的健康监测数据对其未来退化状态进行预测，以获得设备丧失运行能力前的剩余使用时间，从而制定相应的预测性维修策略，提升工业物联网设备的可靠性、可用性和安全性。提出一种基于注意力机制的设备剩余使用寿命预测方法（attention-based remaining useful lifetime prediction，ARULP）。首先，在模型训练阶段设计了一种局部注意力计算算法，构建数据驱动的局部注意力计算模型，采用训练数据计算局部注意力度量，从而获取预测模型关注的大量数据中关键信息的能力；然后，设计了一种基于局部注意力的相关向量机，通过在其隐变量学习过程中引入局部注意力机制，动态更新注意力权重，从而自适应地调整设备的状态预测模型，提升设备的剩余使用寿命预测精度；最后，在模型预测阶段，利用所构建的预测模型进行设备工作状态预测，并计算设备的剩余使用寿命。基于西安交通大学滚动轴承加速寿命试验数据集，与RVM、AR、ARIMA和LSTM 4个基准方法进行性能比较。结果表明，ARULP方法在不同工况下针对轴承外圈故障、内圈故障和保持架故障进行预测时均与轴承实际退化数据最为接近，能够较好地反映故障轴承的退化状态，最终实现对工业物联网设备剩余使用寿命进行高精度的预测。  
        关键词：工业物联网;剩余使用寿命;相关向量机;注意力   
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        发布时间：2024-01-10

        水利与土木工程

      • 邓建辉,李化,戴福初,陈剑,赵思远,刘敬民,叶成林,高云建
        2022, 54(6): 75-84. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100989
        摘要：大型历史堵江滑坡研究不仅是认识区域构造背景和河流演变规律的重要工作，而且对山区河流工程安全亦有十分重要的意义。金沙江上游巴曲河口至麦曲河口段发育于金沙江缝合带，高山峡谷地貌，构造活动强烈，是历史堵江滑坡的集中发育区，其中，王大龙古滑坡具有坝高最高、堰塞湖规模最大且堰塞历史悠久等特点。以王大龙古滑坡为研究对象，基于详细的野外调查与资料分析，对其成因与演变过程进行了分析。主要结论如下：1）王大龙滑坡位于金沙江缝合带，源区基岩主要为三叠系中心绒群下段板岩 （T1–2zh1），其次为二叠系嘎金雪山群下段石英砂岩（Pgj1），滑坡总体上为王大龙断裂与中心绒群板理面切割形成的楔形体，前缘受雄松—苏洼龙活动断裂切割，方量约4.0×108 m3；2）诱发滑坡的内动力为地震，外动力为河流凹岸侵蚀，滑坡时间应为晚更新世大理冰期；3）堰塞坝长约1 700 m，宽约3 000 m，高度超过450 m，形态右高左低，右岸高程约2 770 m，左岸垭口高程约2 735 m；4）堰塞湖规模约26.6×109 m3，干流库尾到达叶巴滩水电站坝址的降曲河口，长度约176 km；5）堰塞坝发生过3次溃决，溃口底面高程分别为2 460、2 400和2 358 m（现河面高程）；6）第1次溃决极有可能由雄松—苏洼龙断裂错动导致，时间早于1 900 a BP，估算溃口流量为21.0×104～39.8×104 m3/s，远远大于长江历史洪水记录。  
        关键词：金沙江上游;滑坡坝;古堰塞湖;地质测年;溃决洪水   
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        发布时间：2024-04-07
      • 李奥,张顶立,黄俊,董飞,侯艳娟,孙振宇
        2022, 54(6): 85-96. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100980
        摘要：隧道拱顶塌方事故是近年来隧道施工中造成重大人员伤亡的主要事故类型，危害极大。掌握隧道拱顶塌方的发生机理和演化规律是塌方事故控制的关键。基于上限变分法，建立深埋隧道拱顶塌方模型，推导出隧道拱顶塌方范围预测曲线，进一步结合软弱破碎围岩深埋隧道拱顶渐进性塌方特性，推导出隧道拱顶渐进性塌方范围全过程曲线，并与模型试验结果进行对比。据此提出拱顶塌方事故的安全性控制措施，揭示了预控制、过程控制两类措施下拱顶塌方控制机理和承载特性，并给出支护措施的围岩荷载确定方法。结果表明：隧道塌方宽度L随着初始黏聚力c0和单轴抗拉强度σt的增大而增大，随着重度γ和非线性系数m的增大而减小；隧道塌方高度h1随着抗拉强度σt和非线性系数m的增大而增大，随着初始黏聚力c0和围岩重度γ的增大而减小；考虑围岩黏聚力和抗拉强度的多次衰减，隧道拱顶渐进性塌方的预测曲线与模型试验的规律较为符合；根据控制机理和目标，可将拱顶塌方控制措施分为预控制和过程控制措施；形变荷载与塌方荷载的比值κ随着初期刚度系数k0、原岩应力p0的增大而增大，随着塌方高度h1、弹性模量E的增大而减小，且κ与隧道半径R和泊松比ν关系不大；围岩的形变荷载和总荷载均随着塌方荷载的增大而增大。  
        关键词：隧道拱顶塌方;上限变分法;塌方范围;渐进性塌方;安全控制;围岩荷载   
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        发布时间：2024-01-10
      • 苏凯,王博士,朱洪泽,陶军,徐振东
        2022, 54(6): 97-104. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100875
        摘要：压力钢管是水利水电工程中常见的衬砌类型，其外压稳定性至关重要。为构建加劲式压力钢管临界外压有限元准确计算方法，提出多环建模、分段约束的数值求解模型，将计算结果与Mises理论公式、规范公式展开对比讨论；考虑复杂外部约束环境，全面探究加劲环位置不同约束方案对钢管抗外压能力的影响，并基于数值求解方案研究加劲环对钢管管壁临界外压的增强作用及其有效约束长度，结合光面管的屈曲临界外压公式进一步提炼一种加劲式压力钢管管壁临界外压快速计算方法。结果表明：有限元软件ABAQUS中的特征值屈曲计算具有较高的准确度，与Mises公式计算结果保持较好的一致性，而规范采用的简化式计算结果会随着钢管屈曲波数的变化与Mises公式存在不同程度的差异；针对不同径厚比的加劲式压力钢管，其管壁临界外压随着加劲环位置约束作用的提高而增大，随着加劲环间距、钢管半径与钢管厚度比值的增大而逐渐减小，且当加劲环间距大于20 m后不再发生明显的波动现象，逐渐失去约束作用；本文提出的加劲式压力钢管管壁临界外压快速计算方法可同时应用于光面管和加劲环管，与相关Mises理论公式、规范公式相比，具有准确性高、计算简单、方便使用的特点，可为实际工程中钢管管壁临界外压计算提供一种新的选择。  
        关键词：有限元;特征值屈曲;临界外压;Mises理论   
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        发布时间：2024-04-07
      • 刘鸿涛,屈忠义,李怡阳,陈泽
        2022, 54(6): 105-115. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100941
        摘要：翼形量水槽的工作原理决定其工作必然会产生一定的水头损失，为保证量水槽自由出流的渠道比降随水头损失增大而增大，本文通过仿生优化减小翼形量水槽工作水头损失，扩大其在平原灌区渠道的适用范围。探索性地利用鸟类翅膀飞行减阻特性选取3种鸟翼作为仿生原型，截取仿生翼形曲线10条，按10个攻角水平应用处理得到78条仿生翼形量水槽外轮廓线；选取3个收缩比开展3种流量工况的仿真试验，采用极差分析法评价仿生翼形量水槽外轮廓线两因素的显著性水平和优水平；运用贝叶斯网络图模型推理分析方法解决仿生翼形曲线和攻角优组合的不确定性问题，并通过模型试验验证应用可行性。结果表明：翼形曲线是影响优化的主要因素，赛鸽鸽身与鸽翼交界截面曲线为优曲线、–10°为优攻角；攻角–5°与优曲线联合作用效果最佳，将优曲线按攻角–5°应用处理的仿赛鸽翼截面曲线作为优选仿生翼形量水槽外轮廓线；仿赛鸽翼截面曲线型量水槽各工况临界淹没出流状态为测流精度很高（测流平均误差约1.28%），壅水高度平均降低7.46%，水头损失平均降低5.81%，最大临界淹没度可达0.933，上游佛汝德数均小于0.4（可形成平稳缓流），最小工作比降可达1∶4 960。综上，利用仿生技术优化翼形量水槽可行，新型仿赛鸽翼截面曲线型量水槽综合量水性能很好，可用于灌区小比降渠道精细量水。  
        关键词：数值仿真;仿生;贝叶斯网络;极差分析;翼形量水槽   
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        发布时间：2024-01-10
      • 南军虎,高欢,汪超群,马康宁,罗涵,刘一安,李伟
        2022, 54(6): 116-123. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100780
        摘要：引水时泥沙含量过高会导致一系列工程问题，为解决多泥沙河流引水时的水沙分离问题，常在渠首处设置排沙设施。旋流排沙渠道作为一种渠道排沙新技术，其综合性能和排沙效果是其推广应用的关键所在。本文采用试验研究和数值模拟相结合的方法，对旋流排沙渠道内水流的水力特性和排沙特性进行了分析。首先，采用物理模型进行试验，获得相应的水力参数和截沙率；其次，通过试验所得参数验证数值模拟的准确性，其中流速、水面线等参数数值模拟结果与试验值一致，数值模拟能够反映旋流排沙渠道内水流的运动状态；最后，结合模型试验和数值模拟对旋流排沙渠道的水力特性和排沙特性进行综合分析。结果表明：起旋室流态随渠道来流量的增加呈自由流、临界流及淹没流的流态演变序列；在淹没流流态下，排沙洞内能形成有利于泥沙悬浮卷扬的旋转水流，且对引水渠道内的流态影响很小；随着上游渠道水深增加，排沙洞的分流比呈非线性规律减小，在上游渠道内相对水深为0.97时，排沙洞的分流比仅为6.07%；上游渠道内相对水深为0.21时，排沙洞内最大流速较渠道平均流速增大了175%，对粒径为0.075～3.000 mm泥沙的截沙率达93.7%。综上所述，旋流排沙渠道是一种高排沙率、低耗水量的渠道排沙技术，成果有利于丰富引水工程中的水沙分离技术，为解决渠道泥沙淤积问题提供了新思路。  
        关键词：旋流排沙渠道;流态;分流比;截沙率   
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      • 李龙起,赵皓璆
        2022, 54(6): 124-134. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100782
        摘要：为研究竖向与横向荷载组合作用下倾斜桩基的横向承载特性，结合珠海市横琴桥桩基选型工程，开展了室内模型试验和数值模拟，在此基础上分析不同桩身倾角、桩顶间距、竖向荷载及层厚比条件下倾斜桩基在组合荷载下的受力及变形特性。结果表明：增大桩身倾角、桩顶间距、承台顶竖向荷载、层厚比有利于提高倾斜桩基横向承载力；其中：桩顶间距对桩基横向承载力的影响最大。桩身倾角、承台顶竖向荷载、层厚比对桩基横向承载力影响依次逐渐减小。倾斜桩基中的2#角桩桩顶弯矩最大，1#角桩桩顶弯矩次之，3#中桩桩顶弯矩最小；各基桩桩顶弯矩随桩身倾角、桩顶间距的增大而减小，随竖向荷载的增大先减小后增大；各基桩桩顶横向荷载分担随桩身倾角、桩顶间距及承台顶竖向荷载的增大趋于均匀。倾斜桩基右侧地基土横向变形随横向荷载的增大而增大，桩基左侧地基土横向变形随横向荷载的增大几乎不变，但其桩–土脱离程度逐渐增大；增大桩身倾角可减小桩–土脱离的程度；靠近承台底的地基土位移等值线呈波浪形，远离承台底的地基土位移等值线呈椭圆形。研究成果可指导相似工程的设计和施工。  
        关键词：倾斜桩基;组合荷载;横向承载;数值模拟;模型试验   
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      • 唐亮,吴桐,杜鹏,刘年,周志祥,戚小磊
        2022, 54(6): 135-145. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100936
        摘要：针对计算机视觉的结构位移测量方法存在对靶点要求高及光照依赖性强的问题，提出一种通过竖直投射激光条带于桥梁结构表面，追踪光带中心以分析桥梁振动的新方法。通过大功率线激光器投射激光线至梁底面或顶面，倾斜拍摄激光线连续影像，利用改进灰度重心法亚像素追踪图像上激光条带中心线位置的改变，几何换算得到桥梁振动位移时程曲线，进而分析获得桥梁结构的动力参数。对简支梁模型桥进行锤击强迫振动室内试验，利用SONY 4K摄像机进行影像采集，利用LVDT位移传感器和加速度传感器进行同步数据采集。分析结果表明：激光条带横截面光强近似服从高斯分布，通过改进灰度重心法可得到激光条带中心亚像素坐标，追踪连续影像条带中心位置改变，进而得到其振动位移时程曲线；以LVDT采集数据为参考，SONY摄像机所得动位移测量结果相对误差极值为3.17%；以加速度传感器为基准对模态分析结果进行比较，摄像机对前两阶频率识别的相对误差极值为1.81%，表明动位移测量与低阶模态参数识别都取得了理想的效果；不同于加速度传感器所得模态振型空间精度受限于传感器数量，本文方法所得模态振型空间精度可达像素级，且几乎无环境光照改变干扰试验结果。该方法为非接触测量识别桥梁自振特性提供了一条经济高效的思路。  
        关键词：结构健康监测;非接触测量;激光条带;动力响应;灰度重心法   
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        发布时间：2024-01-10
      • 陈康明,罗健平,吴庆雄,陈宝春,蔡芬芳
        2022, 54(6): 146-156. DOI: 10.15961/j.jsuese.202101130
        摘要：为研究钢腹杆预应力混凝土（PC）组合梁桥的抗弯性能，开展了钢腹杆PC组合梁桥模型试验，研究了钢腹杆PC组合梁桥混凝土顶底板应变与主梁变形等随荷载的变化规律，揭示了组合梁桥弯曲应变沿截面高度的分布规律，得到了组合梁桥的破坏模式；进行了钢腹杆PC组合梁桥有限元参数分析，探讨了主梁高跨比和偏载效应对钢腹杆组合梁桥抗弯性能的影响；提出钢腹杆PC组合梁桥截面开裂弯矩、钢筋屈服弯矩和极限弯矩计算方法。结果表明：钢腹杆PC组合梁桥的破坏过程包括弹性阶段、开裂弹性阶段、弹塑性阶段和失效阶段。在弹性阶段和开裂弹性阶段，钢腹杆PC组合梁桥截面顶底板变形满足“平截面假定”。钢腹杆PC组合梁桥加载过程未出现节点破坏和钢腹杆局部屈曲破坏现象，最终因变形过大而失效，整体受力性能良好。当高跨比在1/16.25～1/9.00之间时，钢腹杆PC组合梁桥跨中截面的变形与应力随高跨比的增大而减小；且当高跨比大于1/11.50时，跨中截面变形与应力减小的趋势变缓。对于自重较小的钢腹杆组合梁桥，偏载钢腹杆PC组合梁桥变形与应力的影响较大，变形与应力增大系数随高跨比的增大而增大；在考虑主梁恒载效应时，变形与应力增大系数分别介于1.083～1.231和1.074～1.178。与有限元和试验结果相比，本文提出的钢腹杆PC组合梁桥开裂弯矩、钢筋屈服弯矩和极限弯矩计算方法的误差小于11.2%，具有较高精度。  
        关键词：组合梁桥;钢腹杆;抗弯性能;模型试验;有限元分析   
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      • 王延廷,王磊,李方政,刘志强
        2022, 54(6): 157-165. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200211
        摘要：近年来，中国城市轨道交通大规模建设，新建地铁隧道采用人工冻结法下穿地面建筑等工程数量逐年增加。冻结过程中，人工冻土冻胀容易引发上覆地表和相邻建筑物出现不均匀变形，造成上覆结构损坏。为保证双线隧道冻结施工中上覆结构安全，需要研究冻结下穿过程中的冻胀规律以选取最优施工方案。基于上海地铁18号线双线隧道冻结下穿地铁10号线国权路运营车站工程，开展冻结隧道下穿上覆车站相似模拟试验，并采用传感器对上部10号线国权路车站底板变形进行自动化监测，研究了上覆车站底板在全长冻结和分段冻结2种模式下的冻胀抬升规律，得出了工程施工过程中上覆车站底板变形规律。结果表明：分段冻结模式对上覆结构产生的最大抬升量为20.5 mm，出现在下行线隧道冻结期间，小于全长冻结模式产生的最大抬升量30 mm。车站底板在分段冻结模式下出现整体抬升，下行线隧道在积极冻结期间的抬升速度为0.12 mm/d，大于上行线隧道冻结时的抬升速度0.08 mm/d。采用分段冻结、分段开挖方案时，冻胀抬升和开挖沉降交替产生，车站底板抬升位移曲线呈锯齿状。实际工程中采用分段冻结、取土卸压等方法降低冻胀量，实测车站底板最大抬升量为25.41 mm。试验得出车站底板抬升规律与施工数据呈现较好的一致性，有效地指导了工程施工。  
        关键词：人工冻结法;下穿车站;软土地层;冻胀;底板抬升;开挖   
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      • 王国威,张鹏,卢文胜
        2022, 54(6): 166-175. DOI: 10.15961/j.jsuese.202101004
        摘要：索网幕墙采光顶通常支承于两相邻结构之间，但主体结构的相对位移振动将作为支座激励导致悬索构件发生过度张拉或松弛现象。为研究悬索在端部支座简谐及随机激励下的动力响应，首先，以综合考虑垂跨比、索力及轴向刚度对悬索振动影响的无量纲变形特征参数$ \alpha {b^2} $为设计变量，对3组悬索试件开展支座简谐激励下的动力响应试验，通过改变激励幅值和激励频率设置两组加载工况，分析在不同的$ \alpha {b^2} $下，悬索位移和索力响应的变化规律；其次，采用ANSYS软件进行数值模拟，计算结果与试验结果吻合较好，验证了数值模拟方法的正确性；最后，以理想高斯白噪声模拟悬索支座随机环境激励，基于已验证的有限元模型计算悬索动力响应，并讨论$ \alpha {b^2} $、阻尼比及激励强度对位移、索力响应谱及均方差的影响。结果表明：1）在支座简谐及随机激励下，悬索位移和索力响应均随$ \alpha {b^2} $、阻尼比的增加而降低，随激励强度的增加而增大；且对于$ \alpha {b^2} $较大的悬索，其位移和索力响应对支座的随机激励更敏感。2）当阻尼比小于0.1时，随着阻尼比的增加，悬索在随机激励下的位移和索力响应分别降低60.9%和67.5%，此阶段下悬索的动力响应对阻尼比变化的敏感性较高，且增加阻尼带来的抑制效果显著。3）当支座简谐激励和索力相同时，垂跨比的变化对悬索的动位移影响较低，但对索力的影响较大，其中垂跨比较小的悬索索力变化更剧烈。  
        关键词：小垂度悬索;支座;简谐激励;随机激励;动力响应;数值模拟   
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        发布时间：2024-01-10
      • 张凯迪,贾俊峰,郭彤,程寿山,樊平
        2022, 54(6): 176-184. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100905
        摘要：预应力连接预制节段桥墩已在美国低震地区广泛应用，但在中国的工程应用甚少。由于预制节段墩的抗震机理尚不明确，震害资料缺乏，使其在强震地区的应用受到制约。本文基于预应力连接预制节段桥墩缩尺模型的拟静力试验，采用有限元分析软件ABAQUS，建立其精细化数值模型，在压弯荷载作用下进行墩柱的非线性力学行为仿真，并与试验结果进行对比验证；在此基础上，探讨耗能钢筋配筋率、预应力筋面积及其初始张拉力3个关键设计参数对预制节段桥墩抗震性能的影响规律。结果表明：本文建立的预制节段桥墩数值模型可较好地再现拟静力试验结果；随耗能钢筋配筋率的增加，桥墩承载能力、等效黏滞阻尼比和残余位移都明显增加；随预应力筋面积增加，桥墩屈服后刚度明显增加，抗侧承载力增加，残余位移略有增加，等效黏滞阻尼比降低；随预应力筋初始张拉力的增加，桥墩承载能力增加，但墩底混凝土破碎严重；对于预制节段拼装预应力桥墩，建议当目标偏移率不超过4%时，为了避免严重的混凝土损伤，预应力筋初始张拉力应小于其极限抗拉强度的50%；为了实现桥墩震后的快速修复，耗能钢筋配筋率应小于1%。研究结果可为预制节段拼装预应力桥墩的抗震设计提供参考，促进其在强震地区的使用。  
        关键词：预制节段预应力桥墩;抗震性能;耗能钢筋配筋率;预应力筋面积;预应力筋初始张拉力   
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        发布时间：2024-01-10
      • 邹晓光,杨维国,冯锦扬,李昊,刘佩,王萌
        2022, 54(6): 185-193. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100793
        摘要：每一次地震都会对馆藏文物造成巨大的威胁。为避免地震对博物馆文物造成不可估量的损害，研制了一种滑动式文物隔震支座。利用水平振动台对多条地震波激励下的滑动式文物隔震支座进行隔震性能试验，并检验隔震支座隔震效果。然后，建立滑动式文物隔震支座–展柜体系的有限元模型进行地震响应分析，并与试验结果对比，验证有限元模型的有效性；利用有限元模型探究隔震支座滑轨摩擦系数和隔震支座上覆展柜质量对隔震支座隔震性能的影响。最后，提出一种滑动式文物隔震支座的设计方法，并以实际展柜为例，对所提设计方法的有效性进行验证。结果表明：本滑动式文物隔震支座具有良好的隔震性能，隔震支座的隔震率随着输入的地震波峰值加速度的增加而增加；在相同峰值加速度条件下，隔震支座的隔震率随着地震波卓越频率的增加而增加；改变滑动式文物隔震支座的滑轨摩擦系数或上覆展柜质量并不会影响滑动式文物隔震支座最佳周期，较低的滑轨摩擦系数更有利于提高隔震系统的隔震性能；上覆展柜质量的变化对展台面加速度及滑动式文物隔震支座位移响应的影响较小。滑动式文物隔震支座能有效减小文物的地震响应，保护博物馆内展陈文物的安全，所提出的设计方法可为实际馆藏文物防震需求提供指导。  
        关键词：滑动式隔震支座;水平隔震;博物馆展柜;振动台试验;有限元分析   
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      • 王飞,高明忠,邱冠豪,汪亦显,周昌台,王之禾
        2022, 54(6): 194-203. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100380
        摘要：中国西部寒区岩体内普遍存在裂隙等初始损伤，而载荷和冻融作用会极大地削弱裂隙岩体的强度，进而引发工程灾害。为了准确评估载荷和冻融对寒区不同损伤岩体孔隙结构及力学性质的影响，采用核磁共振技术依次测试红砂岩在初始损伤、循环载荷、冻融循环3个阶段后的孔隙度、T2谱分布等微观孔隙参数；随后，对损伤后试样进行声发射监测下单轴加载测试。结果表明：载荷或冻融作用对不同初始损伤红砂岩孔隙结构和力学性质有相似的影响规律。具体来说，随着力学循环加载，红砂岩的孔隙度增大，以原有孔隙扩展为主；随着冻融循环作用，红砂岩的孔隙度继续增大，以新增小孔隙和原有孔隙扩展为主。载荷、冻融都将导致试样强度、弹性模量的损伤，单一冻融作用下，红砂岩试样强度损伤为5%～10%；但在载荷、冻融先后作用下，试样强度损伤达到20%～30%。不同裂隙损伤的红砂岩初始强度越小，其遭受载荷和冻融作用后相对初始强度的损伤越大。另外，遭受载荷和冻融损伤试样的孔隙度增幅与其强度降幅呈正相关。上述研究成果可为中国寒区工程的稳定性设计和安全施工提供依据。  
        关键词：冻融循环;循环力学加载;单裂隙试样;孔隙度;峰值强度   
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      • 马颖,李梦蝶,孙治国,吴泽斌
        2022, 54(6): 204-211. DOI: 10.15961/j.jsuese.202101009
        摘要：针对地震作用下水工钢筋混凝土（reinforced concrete，RC）柱塑性铰区发生弯剪破坏的问题，研究水工RC柱塑形铰区抗剪承载力计算问题。借助美国PEER结构抗震性能试验数据库，整理了19根矩形截面和19根圆形截面弯剪破坏RC柱拟静力试验数据，通过统计分析，评价了中国水利行业《水工混凝土结构设计规范》（SL 191—2008）（简称水利“08规范”）与电力行业《水工混凝土结构设计规范》（DL/T 5057—2009）（简称电力“09规范”）中抗剪承载力计算公式的可靠性；考虑RC柱塑性铰区纵筋屈服后抗剪承载力随变形能力的增加而降低，引入以柱顶极限位移角为参数的修正系数对抗剪承载力公式进行修正，并验证了修正后公式的可靠性。计算结果表明： 满足中国现行水工混凝土结构设计规范抗剪承载力要求的RC柱仍有很大可能发生塑性铰区的弯剪破坏，宜引起足够重视。对于弯剪破坏RC柱，水利“08规范”和电力“09规范”的抗剪承载力计算公式的保证率均不足60%；与水利“08规范”相比，电力“09规范”的抗剪承载力计算公式的偏差较小，但偏差的离散程度较大；相比矩形截面，两个水工规范中RC柱抗剪承载力计算结果对于圆形截面RC柱偏差都较小。考虑抗剪承载力随着柱顶位移角增加而降低的影响，修正后的计算公式对弯剪破坏RC柱的抗剪承载力具有85%保证率，从而为水工RC柱塑性铰区抗剪承载力计算提供参考。  
        关键词：水工RC柱;弯剪破坏;抗剪承载力;极限位移角;设计规范   
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      • 韦锋,张思帆,张伟,苏成
        2022, 54(6): 212-221. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100778
        摘要：为了研究配置不同高强钢筋的混凝土框架结构的抗震性能，在3个抗震设防烈度区根据现行规范分别设计按等强代换原则配置3种不同高强钢筋的空间框架结构，利用OpenSEES软件对该结构进行了多组双向水平地震动输入下的非弹性地震反应分析；以HRB400钢筋为基础，按等面积代换原则，将8、9度区结构的柱纵筋分别替换为HRB500及HRB600钢筋，完成相应非弹性地震反应分析，考察此做法对结构屈服机制的控制效果。结果表明：在同一防烈度区，随配筋强度的增大，结构的整体和局部位移响应呈小幅增大，而杆端出铰率及转角延性需求都有所下降，结构抗震性能有所提高。8、9度区采用HRB400及HRB500钢筋的结构，在罕遇地震作用下，形成以柱铰为主或柱铰偏多的梁柱铰混合耗能机制，其地震反应相对不利；采用HRB600钢筋之后，柱铰数量明显减少，抗震性能明显改善，但其柱端最大转角及其最大延性需求仍大于梁端，未能充分发挥梁端的良好耗能作用；将柱纵筋按等面积代换原则，由HRB400钢筋替换为更高强度钢筋后，柱承载力得到实质性加强，柱铰数量显著减少，梁铰数量增加，结构形成了以梁铰为主或梁铰较多的混合耗能机构，其整体抗震性能明显提高。  
        关键词：高强钢筋;混凝土框架结构;双向地震输入;非弹性地震反应分析;抗震性能   
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        发布时间：2024-01-10
      • 崔贞,傅宗甫,陈月君
        2022, 54(6): 222-229. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100906
        摘要：浮体式结构作为一种适合于沿海地区及内河水利枢纽工程建设的新型生态构筑物，当在平原水利防洪工程中运行时，由于浮体的阻挡，导致水流发生分流产生水头损失，进而影响过流能力。因此，研究浮体式结构阻力系数的变化规律及因素影响机理具有现实意义。 本文采用物理模型试验，基于水动力学理论分析，利用量纲分析得到影响浮体式结构阻力系数的影响因素有水位变化系数、浮体结构长度与浮体结构位置比值（长位比）、相对阻水面积及雷诺数。对影响因素与阻力系数进行相关性研究及敏感性分析，结果表明：1）水位变化系数的增加，导致结构背水面的位置出现回流区，水流质点的紊动强度增加，阻力系数增大；2）浮体式结构沿水流长度方向及位置的变化，一定程度上并不会引起水流能量的损失，对浮体结构的阻力系数的影响较小；3）相对阻水面积系数的增大会导致水体过水面积减小，水体质点相互摩擦和碰撞消耗水流能量，引起浮体式结构的阻力系数增大；4）在试验的雷诺数范围内（3.5<lg Re<5.0），雷诺数增大时，形成紊乱不规则的流场，惯性力对流场的影响大于黏滞作用力，阻力系数减小；5）各因素对阻力系数敏感性从大到小排列为水位变化系数>相对阻水面积>雷诺数>长位比。通过基于最小二乘法的多元线性拟合，比较得到描述浮体式结构阻力系数的计算公式，并采用数理统计对公式进行检验和误差分析，该公式在可靠性及精确度方面能够满足工程需要且形式简单、通用性强，可为相关工程提供理论依据。  
        关键词：浮体式结构;阻力系数;雷诺数;敏感性;数理统计   
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        发布时间：2024-01-10
      • 杨世玉,赵人达,郭秋雨,曾宪帅
        2022, 54(6): 230-237. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100691
        摘要：为研究不同性质的纤维对粉煤灰基地聚物混凝土（GPC）断裂性能的影响，通过切口梁的3点弯曲试验，探讨不同体积率的玄武岩纤维（BF）、聚乙烯基聚丙烯纤维（SPPF）及端勾钢纤维（SF）对GPC断裂性能的影响。结果表明：1） BF增强GPC（BFGPC）、SPPF增强GPC（SPPFGPC）和SF增强GPC（SFGPC）较GPC（对照组）的抗压强度和劈裂抗拉强度均有显著提高，最大抗压强度分别在体积率为0.2%、0.8%和1.0%获得，劈裂抗拉强度对应的最佳体积率分别为0.2%、0.4%和1.0%。2） BFGPC的各断裂性能指标均随BF体积率的增加先增大后减小；体积率为0.2%时，BFGPC的起裂韧度$K_{ {\text{Ⅰ}} {\rm{C}}}^{\text{ini}}$、失稳韧度$K_{ {\text{Ⅰ}} {\rm{C}}}^{{\text{un}}}$、等效裂缝长度ae和断裂能GF的增益比最大；BFGPC是以BF拉断为主要特征的脆性破坏。3） 在低掺量范围内，SPPFGPC的各断裂性能指标随纤维体积率增加而增大；在高掺量范围内，SPPFGPC的各断裂性能指标先增大后减小，并在SPPF的体积率为1.5%时有最大增益比；SPPFGPC以SPPF脱黏和拔出的形式失效。4） 随着SF体积率的增加，SFGPC的各断裂力学参数和断裂能逐渐增大，SFGPC具有显著的延性破坏特征；建议采用的体积率为0.5%～1.5%。5） 在GPC体系中，SF的增强、增韧效果最好，BF的增强效果胜于SPPF，但SPPF的增韧效果可能优于BF。  
        关键词：纤维;地聚物混凝土;力学性能;断裂韧度   
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        发布时间：2024-01-10

        信息工程

      • 石乐义,侯会文,徐兴华,许翰林,陈鸿龙
        2022, 54(6): 238-247. DOI: 10.15961/j.jsuese.202100984
        摘要：针对工业控制系统流量数据存在特征冗余及深度学习模型对较小规模数据集检测能力较差的问题，提出了一种基于特征选择和时间卷积网络的工业控制系统入侵检测模型。首先，对源域数据集的异常特征和样本不平衡数据进行处理，提高源域数据集质量。其次，针对流量数据的特征冗余，利用信息增益率和主成分分析法构建IGR–PCA特征选择算法，筛选出最优特征子集实现数据降维。然后，根据工业控制系统流量数据的时间序列特性，在较大规模的源域数据集上，利用时间卷积网络（temporal convolution network，TCN）对时间序列数据优异的处理能力，构建源域时间卷积网络预训练模型。最后，在较小规模的目标域数据集上，结合迁移学习（transfer learning，TL）微调策略，获取源域样本数据的流量特征，构建目标域TCN–TL模型。利用公开的工业控制系统数据集进行实验测试，实验结果表明：流量数据经本文特征算法处理后，相较于其他方法，在降低数据维度减少计算量的同时仍具有良好的检测效果；在较大规模的源域数据集和较小规模的目标域数据集上，本文模型均取得了良好的检测效果；在目标域中利用迁移学习微调策略能够学习到源域中的知识，模型检测准确率为99.06%；在训练时间对比中，本文模型训练时间消耗更少，具有更好的泛化能力，能够更好地保护工业控制系统安全。  
        关键词：工业控制系统;入侵检测;特征选择;时间卷积网络;迁移学习   
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        发布时间：2024-01-10

        电气工程

      • 皇金锋,李慧慧,谢锋
        2022, 54(6): 248-257. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200025
        摘要：针对传统PI控制的Buck变换器暂态性能差的缺点，本文提出一种基于状态反馈精确线性化的微分平坦控制方法。首先，根据状态空间平均法，建立了电感电流连续导电模式Buck变换器的仿射非线性模型，在此基础上，应用状态反馈精确线性化的方法，推导出状态反馈控制率，实现了系统的能控线性化。其次，针对此状态反馈精确线性化模型，设计了系统前馈控制器；并且将扰动观测器嵌入前馈控制器中，实现对输出电流的补偿；同时，为了消除实际系统由于未建模部分及外部干扰而导致系统实际输出与期望输出之间存在的偏差，设计了误差反馈补偿器。结合前馈控制器与反馈补偿器可得到本文提出的基于状态反馈精确线性化的微分平坦控制，其中，前馈控制器中的微分项保证了变换器系统的快速性，反馈补偿器中的误差项保证了变换器系统的准确性。基于闭环系统的雅可比矩阵，采用特征值灵敏度理论，研究了变换器电路参数变化时对系统特征值的影响程度及趋势，指出减小电感量、增大电容值有利于提高系统的稳定性。最后，搭建了Buck变换器实验样机。实验结果表明，与传统PI控制方法相比较，本文提出的基于状态反馈精确线性化的微分平坦控制方法能更好地抑制输入电压和输出电流的扰动，具有更小的调节时间和超调电压，表现出更优越的暂态性能，该控制策略具有一定的工程应用价值。  
        关键词：Buck变换器;状态反馈精确线性化;扰动观测器;微分平坦控制;灵敏度   
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        发布时间：2024-01-10
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