最新刊期
      2023 年 第 55 卷 3 期

        特约稿

      • 陈永灿,王皓冉,李永龙,刘知贵,涂扬举,李理,陈刚,马芳平,谢辉
        2023, 55(3): 1-13. DOI: 10.15961/j.jsuese.202201320
        摘要：高坝枢纽是支撑水能高效开发和水资源综合利用的重要战略基础设施，持续并稳定地为经济社会发展提供能源供给、防洪保障，产生了巨大的社会效益和经济效益。西南地区高坝枢纽众多，拥有白鹤滩、溪洛渡、锦屏一级、大岗山等一批大型、特大型高坝枢纽，大机组发电、大流量泄洪、高速水流消能成为常态。泄洪消能建筑物破坏成为高坝枢纽工程中常见的威胁大坝安全的关键问题，定期对运行期的水电枢纽开展泄洪消能结构过流面损伤巡检已成为掌握其工作性态、评价结构安全状况的重要手段。随着装备技术、信息技术的创新与发展，依托水下机器人开展高坝枢纽水工建筑物损伤智能检测成为趋势。然而，受制于西南河流含沙水体、水下附着淤积等复杂苛刻检测条件，目前对高速水流与过流面损伤的耦合机制认识尚不清，损伤检测、评价的理论方法和技术手段还较为缺乏，巡检范围大、巡检效率低、环境适应性差之间的矛盾也需要破解，损伤感知方法与损伤识别效率仍需改进，高效精准巡检和科学全面评价依然存在诸多困难。针对高坝枢纽泄洪消能建筑物运行期面临的结构安全重大需求，需要重点解决3方面关键科学问题：1）高速水流与过流面耦合作用下的损伤形成机理与演化规律；2）适用于复杂环境的自适应巡检理论与方法；3）机理分析与数据驱动融合的结构安全风险分析和评价理论。提出高坝枢纽泄洪消能建筑物智能巡检与安全评价理论方法需要关注的4个重要研究方面如下：1）高速水流作用下过流面耦合损伤演变机理；2）复杂环境多信息认知机理与自适应巡检方法；3）泄洪消能结构损伤特征智能辨识与量化方法；4）多元信息融合的结构安全分析与评价体系。通过对智能巡检与安全评价理论方法的深入研究，揭示西南高山峡谷地区泄洪消能建筑物过流面损伤形成机理与演化规律，研发复杂环境强适应性泄洪孔口及水垫塘结构自主智能巡检方法，突破多维感知信息的损伤智能分类与量化关键技术，构建“巡检—监测—模拟”多元数据融合的结构安全分析与评价模型，并以大渡河大岗山水电站为典型案例，对智能巡检方法和评价模型进行应用验证，支撑大渡河流域大岗山水电站关键泄洪消能建筑物的安全运维与智能管控，以期为高坝运行安全和损伤防控提供切实的理论和技术方法。研究成果对保障梯级水电站群发电安全，提高水电运维的精细化管理水平具有重大科学价值和指导意义。  
        关键词：高坝枢纽;泄洪消能;水力模拟;工程安全;智能巡检   
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        发布时间：2024-01-10

        面向双碳目标的环保型电力设备

      • 黄小龙,赵双伟,王勇,苏海博,贾申利
        2023, 55(3): 14-29. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200941
        摘要：六氟化硫（SF6）是一种强温室效应气体，其全球变暖潜能指数（GWP）为二氧化碳的23 900倍，且大气寿命为3 200 a，被广泛应用于高压开关设备。SF6的大量使用给温室效应问题带来了巨大的潜在威胁，限制其在电力开关设备中的使用是促进绿色电力工业发展的有效途径。近年来，国内外对基于去SF6技术的环保型开关设备开展了大量研究，本文对近年来国内外环保型开关设备的发展现状、趋势、关键技术进行了综述。环保型开关设备开关的发展是基于去SF6技术–环保替代气体绝缘开断和真空开断+环保气体绝缘的发展。总结对比了SF6替代气体C4F7N、C5F10O、全氟化碳类气体（c-C4F8、C3F8、CF4）、CF3I、HFO类气体的绝缘性能、开断性能及分解特性，介绍了现有环保气体绝缘开关设备产品现状及发展趋势。结果表明：环保气体中CF3I和c-C4F8多次放电后产生固体微粒影响其绝缘性能，全氟化碳类气体的弱介电强度制约了其研究进展；对比分析认为，C4F7N、C5F10O是一种前景广阔的气体替代方案，两者混合气体绝缘和开断性能基本满足设备需求，但其绝缘性能对设备内部电场的均匀程度较敏感，且分解过程不可逆产物复杂。目前，高压气体环保绝缘开关设备已发展至170 kV/50 kA，所用的环保混合气体共3类：C5F10O/O2/CO2、C4F7N/O2/CO2、C4F7N/CO2。对真空开断+洁净空气的关键技术进行了阐述，总结了大电流真空电弧磁场控制技术、真空灭弧室内外绝缘技术、真空断路器X射线泄漏及温升特性研究现状，并在此基础上总结了真空开断型环保电力开关设备现状及其未来发展趋势。结果表明：纵磁控制是一种有效的电弧调控手段，但对纵磁下的真空电弧研究主要集中于小间隙；分析认为纵磁控制将是真空开关向更高电压等级发展的一大难点，通过优化真空断路器的分闸曲线可以有效提高纵磁调控效益；真空开关向更高电压等级发展，真空灭弧室内、外绝缘面临巨大挑战，增大触头间隙和采用多断口是目前提高灭弧室内绝缘能力的主要途径，但存在真空绝缘“饱和”和均压困难的问题，环保气体加压和绝缘涂层能有效提高真空灭弧室外绝缘能力，这对开关设备的气密性、真空波纹管提出更高的要求；真空开关向更高电压等级发展，额定电流提升，对真空灭弧室散热和X射线屏蔽提出更高的要求，以往研究表明马蹄铁型纵磁触头具有较好的热通流能力。商用单断口真空灭弧室已经发展到了145 kV/40 kA，本文在现有产品的基础上总结了真空开断型环保电力开关设备的发展趋势；并基于目前的研究现状，总结了环保型高压电力开关设备向更高电压等级发展的进一步研究重点：不同故障条件下的环保气体分解特性及其分解产物与绝缘灭弧性能的作用关系，大直径、大开距真空电弧的磁控技术，真空开断型环保电力开关设备绝缘配合优化设计，大电流下真空灭弧室温升控制等亟待研究的内容，旨在为未来环保型电力高压开关设备的开发提供参考。  
        关键词：SF6替代气体;真空开断;环保型电力高压开关设备   
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        发布时间：2024-01-10
      • 万宝全,查俊伟
        2023, 55(3): 30-39. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200905
        摘要：聚酰亚胺（PI）电介质兼具优异的电气和机械性能以及高热、化学稳定性，被广泛应用于电力、电子设备的生产制造，是绝缘材料的重要组成部分。近年来，随着绿色能源和可持续发展的需求，社会发展更加需要材料在损伤后能够修复、回收等，以实现再利用。然而，由于PI自身分子结构具有超强的稳定性，分子链在低温条件下难运动，难以实现损伤后的主动修复、回收。因此，必须从本征分子结构角度出发，设计开发适用于PI的新型可逆分子结构来实现材料的动态特性。基于此，本文综述了以PI为基体的回收、修复等动态问题的研究，重点介绍目前动态PI的制备方法、发生动态反应的条件及评估多种损伤形式之间的关系；总结了自修复PI电介质材料，包括共混、共聚及设计制备新型结构单体等工艺手段实现材料的修复特性，以及自修复PI当前的发展现状及面临的困难与挑战；概述了可降解、可回收PI材料的设计制备，通过动态共价键和动态交联网络择优实现PI电介质的回收，对于目前动态PI体系中存在的问题及未来研究方向进行了总结和展望：可以使用新型动态交联剂结合微量有机或无机物料的复合实现PI材料的动态特性和综合性能的协同提升；通过改善工艺或选择动态交联剂实现PI单体和交联剂粉末级别回收，有效避免降解催化剂的影响；需要进一步设计新型功能性单体，从分子结构水平实现可逆以解决PI修复、降解、回收难的问题。  
        关键词：聚酰亚胺;电/机械损伤;动态反应;可持续发展   
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      • 刘晓明,史红菲,陈海,姜文涛,周永捷,邹积岩,田俊
        2023, 55(3): 40-47. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200954
        摘要：直流真空断路器采用人工过零的方式实现故障开断，是当前直流系统兼具经济性与可靠性的控保方式之一，其弧后介质恢复特性是判定故障开断成功与否的关键条件。为探究直流真空断路器电磁与机电参数耦合作用下介质恢复特性的影响因素，本文基于连续过渡模型、能量守恒定律和电荷守恒定律，建立了零区带电粒子数密度计算模型，研究了触头型面参数和零前电流下降率影响下的零区带电粒子数密度分布；通过搭建12 kV直流真空断路器配永磁斥力机构运动特性测试平台，实验测得机构位移–时间特性曲线，研究了短路开断电流、零前电流下降率和换流投入时刻影响下的零区极间距分布。在此基础上，基于漂移扩散方程、Maxwell–Stefan方程和泊松方程，建立了弧后鞘层发展模型，以求得电磁与机电参数影响下的电场强度最大值；并与零区金属蒸气压和短路开断电流影响下的临界击穿电场强度对比分析，进而评估不同换流投入时刻、零前电流下降率、暂态电压上升率、触头直径下的弧后介质恢复强度。此外，求得了直流真空断路器可靠开断时零前电流下降率和换流投入时刻的极限安全域，以及电磁与机电参数耦合作用下的最小安全间隙与开断电流极限，为设计满足可靠开断要求的直流真空断路器灭弧系统结构参数与换流参数群组提供解决方案。  
        关键词：直流真空断路器;换流回路;电流下降率;介质恢复   
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      • 丁璨,胡兴,冯璐,袁发庭,袁召
        2023, 55(3): 48-57. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200919
        摘要：由于SF6气体的温室效应，以C4F7N、C5F10O、C6F12O和HFO-1234ze(E)等气体为代表的新型环保替代气体得到了广泛的关注，但对于这些气体分子在局部过热或放电状态下导致设备内部温度升高时的分解机理还缺乏研究。为了进一步探究新型环保气体替代SF6气体的可行性，本文以HFO-1234ze(E)分子为例，基于ReaxFF反应分子动力学方法和密度泛函理论，从微观层面模拟研究了HFO-1234ze(E)分子和不同温度下20%HFO-1234ze(E)/80%CO2混合气体的分解现象。结果发现：HFO-1234ze(E)分子存在着7种不同的分解路径，且CO2中的C=O会最先分解；而HFO-1234ze(E)中的C—F键和C=C双键焓值较高，断裂较为困难，随着温度的升高，发生分解的时间也越早。当温度低于2000 K时，HFO-1234ze(E)/CO2混合气体几乎都不会发生分解；当温度为2000 K时，HFO-1234ze(E)分子不会发生分解，CO2分子会迅速发生分解；当温度为2600 K以上时，温度每上升2000 K，HFO-1234ze(E)分子就会多分解5个左右，CO2分子就会多分解35个左右，直到最后基本完全分解。混合气体主要分解产生CO、O2、C2O2、HF、CF4、C2F6、C3F6和C3H3F3等各类自由基，其中：CO为有毒气体、HF为强腐蚀性气体，应采取措施对其含量进行监测；其他分解产物的化学性质均较为稳定且对环境无害，并仍然具有一定的绝缘能力。以上表明20%HFO-1234ze(E)和80%CO2混合气体在一定程度上可以完全替代SF6气体，这也为进一步研究其他新型环保混合气体提供了理论依据和工程指导。  
        关键词：环保型混合气体;密度泛函理论;HFO-1234ze(E)/CO2混合气体;分解机理   
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        发布时间：2024-01-10

        水利与土木工程

      • 邓扬,李雨航,李爱群
        2023, 55(3): 58-68. DOI: 10.15961/j.jsuese.202101267
        摘要：高耸古木塔是世界建筑文化遗产的重要组成部分，也是中国古代木建筑的典范。外部风荷载作用是影响古木塔结构安全的重要因素，人工植林可改变古木塔的风场环境，实现削减风荷载作用并缓解风致结构损伤的目的。本文开展了古木塔的风洞试验研究，验证了人工植林技术削减古木塔风荷载作用的可行性；以中国山西应县木塔为原型设计并制作了1∶50的大比例刚性木塔模型，开展了在树木遮挡下木塔的风洞试验，考察了木塔的表面风压分布特征；同时，计算了不同树木高度、树木距木塔距离和树木布置宽度等条件下木塔的层间力与层倾覆弯矩，并分析了基底剪力与弯矩的减小率。结果表明：在遮挡高度范围内，人工植林可有效减小木塔表面风压；同时，在高于遮挡范围的侧风面与背风面，树木也会一定程度地降低木塔表面风压。人工植林树木高度是影响木塔风荷载削减效果的关键条件，树木越高，风荷载减小效果越好。分析表明，人工植林应选择高大乔木，并布置在距木塔较近的区域，且树木布置间距应尽量宽。本文通过风洞试验验证了利用人工植林削弱高耸古木塔的风压与风荷载的可行性，提供了缓解高耸古木塔风荷载作用及风致损伤的新思路，可为高耸古木塔的结构保护提供技术选择。  
        关键词：木结构;人工植林;风效应;风洞试验;风压   
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      • 陈骏,张祥,赵康朴,易辉,杨仁树
        2023, 55(3): 69-76. DOI: 10.15961/j.jsuese.202101189
        摘要：随着中国能源资源开采逐步向深部转移，采用浅部参数研究深部问题、采用静态参数研究动态问题会造成工程设计时的科学依据不足。由于黏土的初始应力状态对其动力学性质有显著影响，本文采用长时、分级、高压固结方式模拟黏土的原始应力赋存环境；采用分离式霍普金森杆（SHPB）试验装置对侧限条件下的高压固结黏土进行峰值应变率范围为200～800 s–1的冲击压缩试验，分析了黏土应力记忆效应、应变率效应和动态压缩过程。结果表明：黏土的应力历史影响了其动态压缩过程，试样依次经历压实段、线弹性加载段、线性卸载段；在动载下，黏土压实段与线弹性加载段应力拐点的均值为3.8 MPa，与先期固结应力4.2 MPa具有相关性，且压实段应变均值约为试样破坏应变的33%。采用200和300 mm的短子弹进行冲击加载时，黏土试样未发生稳定的塑性变形；分析应力–应变率曲线发现，黏土的压实过程吸收了一部分动载能量，使其无法持续进行动态压缩行为，但进入动态压缩阶段后黏土受子弹长度影响较小；黏土试样动态加卸载段模量随应变率同步增加，但加卸载模量的比值稳定在0.45左右，表明更高的冲击速度没有造成试样进一步损伤，这与冲击后的宏观破坏现象及塑性变形分析相互印证。针对软弱、松散颗粒体材料，高压固结方式为研究其动力学性质提供了一种思路。  
        关键词：土动力学;SHPB;动态力学性能;侧限条件;深部地应力;初始应力状态   
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      • 汪知文,李碧雄,张治博,刘星
        2023, 55(3): 77-86. DOI: 10.15961/j.jsuese.202101200
        摘要：为了降低高延性水泥基复合材料的生产成本，提高废弃稻壳的建材资源化利用，利用国产涂油PVA纤维和天然河砂分别替代进口PVA和石英砂，探究本地化高延性水泥基复合材料的配制工艺；在此基础上，试验研究稻壳灰作为辅助胶凝材料替代部分水泥对高延性水泥基复合材料流动度、抗压强度、拉伸性能和弯曲性能的影响。结果表明：采用国产涂油PVA纤维和天然河砂可成功配制强度等级可达C30，且14 d的极限拉伸应变可达到1.44%的国产化高延性水泥基复合材料；水胶比和PVA纤维掺量分别是影响高延性水泥基复合材料抗压强度和拉伸强度的主要因素。相比对照组，随着稻壳灰替代率的增加，浆体流动度由于稻壳灰的吸水性逐渐下降，最大可降低10%；基体14 d抗压强度略有提高后大幅降低；试件抗拉强度呈略微下降趋势，而极限拉伸应变则显著提高，可高达2.94%；基体弯曲强度呈先增加后逐渐降低的趋势，且纯弯段裂纹数量明显增多，裂纹宽度均低于100 μm。因此，稻壳灰替代10%的水泥有利于高延性水泥基复合材料抗压强度、极限拉应变和弯曲强度的提高，同时对浆体流动度影响较小。微观分析可知，具有良好火山灰活性的稻壳灰可与水泥水化产物反应，提高胶凝产物总量，同时降低Ca（OH）2数量，进而增强了高延性水泥基复合材料的强度。  
        关键词：高延性水泥基复合材料;稻壳灰;力学性能;废物利用   
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      • 罗其奇,张升,李强,叶新宇,张兴胜,余虔
        2023, 55(3): 87-99. DOI: 10.15961/j.jsuese.202101249
        摘要：中国西北、华北地区因地制宜，选取粉土作为道基填料，在机场的服役过程中，“锅盖效应”或降雨入渗等易引发局部积水而使粉土道基湿化。在飞机荷载作用下，粉土湿化对不同跑道结构参数的道基应力响应影响显著。本文通过自研的湿化粉土道基加载模型试验系统，研究了粉土不同湿化程度的土体应力响应特征，并且建立数值仿真模型，分析了道面板相互作用机制，面层和基层厚度、刚度等不同跑道结构参数下湿化对道基敏感区域应力响应特征的影响规律。结果表明：道面板间接缝传荷能力对道基应力响应的影响较小。粉土湿化促进了道基中的应力叠加效应，也增加了道基应力响应对跑道结构参数变化的敏感性，但降低了应力响应深度对跑道结构参数变化的敏感性。在受荷较大的道面板中心点下，粉土湿化下水泥道面板刚度对道基应力响应的影响较小，基层弹性模量是道基应力响应的主要影响因素；面层厚度和基层厚度是受荷道面板外侧角点下道基应力响应的主要影响因素，合理的基层参数能有效地降低湿化对道基受力状态的影响。研究成果能为机场工程跑道结构设计、优化及道基病害处理等提供技术依据。  
        关键词：跑道结构参数;粉土道基;湿化;应力响应;影响区域   
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      • 冯国辉,徐长节,郑茗旺,楼佳悦,侯世磊,葛尚奇,仇雅诗,程康
        2023, 55(3): 100-109. DOI: 10.15961/j.jsuese.202101185
        摘要：对近邻上覆既有管线进行盾构开挖会引起管线产生附加变形，从而影响既有管线的安全。已有的理论研究将既有管线简化成Euler–Bernoulli梁搁置在Winkler和Pasternak地基模型上，未考虑管线的剪切效应及三参数Kerr地基模型对管–土相互作用的影响。基于此，本文提出一种可预测管线纵向变形的解析方法。采用Loganathan公式获得隧道开挖引起的周围土体自由竖向位移，把土体自由竖向位移附加在既有管线轴线上方，将既有管线简化成可考虑剪切变形的Timoshenko梁，采用Kerr地基模型模拟管–土相互作用；提出剪切层弯矩的计算假设，结合管线两端的边界条件获得管线在盾构隧道下穿作用下的受力变形响应。工程案例研究结果表明：与已有文献理论分析方法比较，该方法计算得出的理论解析结果更加贴近实测数据；与Euler–Bernoulli梁计算结果比较， Timoshenko梁给出的计算结果更具有优越性。参数研究表明：随着既有管线剪切刚度的增大，管线抵抗变形的能力逐渐增强，从而导致隧道下穿引起的管线变形逐步减小，但会引起管线内力反向增大；随着地层损失率增大，既有管线受到的外力逐步增大，使得管线变形及其内力也逐渐增大；随着管线直径的逐渐增大，管线在隧道下穿作用下引起的管–土相互作用力逐渐增大，最终导致既有管线所受到的应力应变增大。  
        关键词：盾构隧道;既有管线;Timoshenko梁;Kerr地基模型;解析解   
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      • 宋高锐,李浩,钟科,吕显州,王渭明
        2023, 55(3): 110-120. DOI: 10.15961/j.jsuese.202101173
        摘要：针对异质软硬复合地层地铁车站穿越断层施工变形控制的难题，对断层影响下地铁车站开挖过程中的围岩力学响应进行研究，探讨不同加固方案下车站围岩变形演化规律，为复杂条件下地铁车站穿越断层施工提供理论指导。以某地铁车站穿越富水断层破碎带为背景，通过室内试验确定特殊地层围岩物理力学性质及破坏特征，结合BQ围岩分级方法确定围岩等级；在此基础上，采用有限差分数值模拟软件，对比研究有、无地下水影响下地铁车站开挖后的围岩应力及沉降变形分布特征，采用控制变量方法研究临时支撑与注浆加固对车站围岩整体稳定性的影响，进而确定合理的施工控制方案。结果表明：有、无地下水对于异质软硬交叉地层的围岩物理力学特性影响明显，而对侵入的辉绿岩尤甚，极易产生沿节理面的剪切滑移破坏；地下水影响下车站拱顶最大沉降值为6.5 mm，较之无地下水条件下增大30%；辉绿岩部分（车站右部）最大拉应力为1.62 MPa，远大于其极限抗拉强度1.25 MPa，故无注浆加固条件下辉绿岩侧可能产生大范围破坏；全断面注浆降低了地下水对围岩变形的影响效果，以65°断层为界，断层倾角越小，全断面注浆宽度应越大；基于分析结果，提出全断面注浆+临时支撑+小进尺的过断层车站安全施工方案，监测结果表明应用效果良好。  
        关键词：大跨车站;异质软硬交叉地层;断层;辉绿岩侵入;控制技术   
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      • 王棋,罗强,张文生,蒋良潍
        2023, 55(3): 121-129. DOI: 10.15961/j.jsuese.202101145
        摘要：路基边坡稳定可靠性分析过程复杂，建立可靠指标β的快速估算方法有助于概率分析技术在工程中推广。采用Fellenius极限平衡法与Monte Carlo模拟，开展常用坡率下简单土质边坡稳定可靠度计算，研究β随坡高h和强度参数变异系数δc、$\delta_\varphi $的变化规律；运用无量纲化和多元非线性回归技术，构建基于稳定安全系数Fs与强度参数均值$\overline c $、$\overline \varphi $的β估算方程，分析回归系数随h和δc、$\delta_\varphi $变化趋势，讨论β估算偏差受Fs及$\overline c $、$\overline \varphi $影响规律。研究表明：β与Fs总体呈负幂函数增大趋势，其界限值满足$\; \beta _{\text{d}}^{\text{u}}$=$ a_{\text{d}}^{\text{u}} $(1–$F_{\text{s}}^{{{ - }}b_{\text{d}}^{\text{u}}}$)关系式，拟合参数$ a_{\text{d}}^{\text{u}} $、$ b_{\text{d}}^{\text{u}} $主要受强度参数变异水平影响，呈负指数幂函数、负线性函数变化规律；对内摩擦角和黏聚力进行无量纲化处理，采用幂函数与对数组合获得的β估算模型能较好地描述坡高、强度变异性及稳定安全系数的综合影响；估算偏差Δβ受强度参数变异水平的影响大于坡高，在$\overline \varphi $≤18.52+1.5$\overline c $-0.17${\overline c ^2}$条件下的Δβ≥0.5，为估算风险区域，相应的Fs ≤1.377。提出的显式估算方法对路基边坡稳定可靠性的快速、准确评估具有重要参考价值。  
        关键词：路基边坡;可靠指标;安全系数;变异系数;估算偏差   
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        发布时间：2024-01-10
      • 韩华烨,严鹏,罗笙,卢文波,夏开宗,张立新
        2023, 55(3): 130-138. DOI: 10.15961/j.jsuese.202101261
        摘要：随着资源开发步入深部开采阶段，深埋矿山开采过程中的动力灾害问题日益突出，传统静力稳定分析方法在应对这些问题时表现出一定的局限性，研究适用于深部矿山的矿柱尺寸设计方法意义重大。本文基于面积承载理论和金属矿山矿柱强度估算方法，以一种动态的视角，从功能转换角度探讨了瞬间回采方式下的矿柱应变能积聚和转化特征，对地下矿体阶段性分层回采这一过程进行简化，提出一种基于可释放能理论的适应不同分层钻爆开挖方式下的矿柱尺寸参数设计方法；依托某工程实例，应用能量法，并与传统强度理论方法进行比较分析，据此建议5组矿柱尺寸参数方案；利用有限差分软件（FLAC3D）对此5种参数方案优化，最终确定了合理的矿柱尺寸设计值。结果表明：矿柱体受动态开挖作用将产生动力响应，诱发产生的动应力和动态变形可达静力分析时的两倍，同时伴随大量能量的积聚；与传统强度计算理论相比，应用能量法可有效地避免快速回采情况下矿柱动力失稳的可能，设计得到的矿柱尺寸参数更偏保守，随着开挖分层数的增多，能量法逐渐趋于和强度静力法等价。经数值模拟优化比选，最终建议该工程矿体分3层回采，矿柱合理宽度为22 m，高度为70 m，基本上可以满足回采过程中安全稳定和经济效益的需求，与工程实际契合较好。  
        关键词：地下矿山;采场稳定;矿柱尺寸;动态响应;能量法   
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        发布时间：2024-01-10
      • 翟俨伟,李健薄
        2023, 55(3): 139-148. DOI: 10.15961/j.jsuese.202101123
        摘要：在水利工程的泄水建筑物中，弹性材料作为抗空蚀材料具有极为广阔的应用前景，研究空化泡与不同边界材料的相互作用，探索弹性材料抗空蚀的机理，具有明确的现实意义和理论价值。本文通过开展不同弹性材料超声空蚀试验，从宏观和微观角度观察分析不同弹性材料的空蚀特征，研究材料抗空蚀性能的影响因素。其中，弹性材料主要包括216–1硅胶、216–2硅胶、218–1硅胶、218–2硅胶、聚氨酯、软质聚氯乙烯、硬质聚氯乙烯、酚醛层压板、低密聚乙烯、高密聚乙烯、聚酰胺等材料，对应的拉伸弹性模量范围为1～4 660 MPa。研究发现：1）弹性模量为1～11 MPa的弹性材料在超声空化作用下没有出现空蚀质量损失；材料的表面仅有些细小的纹理变化，没有出现破裂或孔洞，表明在这一弹性模量范围的弹性材料具有较好的抗空蚀特性。2）随着弹性模量增加，不同弹性材料的空蚀破坏特征有较明显的差别，说明此时材料抗空蚀特性与弹性模量的关联性下降，与材料密度、结构等特征有关：高密度、结构致密的材料空蚀质量损失和表面粗糙度变化很少；密度较低、结构稀疏的材料有明显空蚀质量损失且表面粗糙度增加。另外，材料表面缺陷处更容易发生空蚀破坏。研究结论可为弹性抗空蚀材料的研发和应用提供理论支撑。  
        关键词：弹性材料;超声空化;空化泡;空蚀特性   
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        发布时间：2024-01-10
      • 郝由之,假冬冬,张幸农,陈长英,吴磊,杨俊
        2023, 55(3): 149-157. DOI: 10.15961/j.jsuese.202101266
        摘要：广泛分布于天然河道岸坡的植被能够改变河道水流特性，进而影响坡脚淘刷、河岸稳定及河道形态演变趋势。为精细揭示岸坡植被对复式河道水动力特性的影响，将植被作为固壁边界，利用雷诺应力模型封闭紊流控制方程构建了复式河道3维水动力数学模型，并对复式河道水流特性进行了模型验证，模拟结果与实测结果吻合较好。将该模型应用于岸坡有植被的复式河道开展水流特性研究，对比种植非淹没刚性植被、种植淹没刚性植被、淹没与非淹没刚性植被交替种植和无植被情况下流速、流量、河床剪应力、雷诺应力及紊动能分布的差异。结果表明：岸坡植被加剧了滩槽间横向动量交换，引起二次流涡旋数量、强度和范围的增加，同时使得横断面流速、流量分配、河床剪应力、雷诺应力及紊动能在滩槽交界区显著减小，紊动交换在临近植被的周边区域明显增加。其中，岸坡种植非淹没刚性植被时对水流特性影响最为显著，相比无植被情况，种植非淹没刚性植被后，二次流结果显示增加了一对涡旋；岸坡植被区流速、流量分配、河床剪应力、雷诺应力及紊动能大幅减小，甚至趋近于0；而临近植被的周围区域紊动交换剧烈，无量纲化的紊动能值可达到20。此外，随着河岸坡比减小，无植被河道滩槽间动量交换逐渐衰减，而坡面种植非淹没刚性植被后，则会减弱动量交换的衰减程度。  
        关键词：岸坡植被;水流特性;复式河道;雷诺应力模型;数值模拟   
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      • 谌芸,曾智琳,王协康,李晟祺,徐辉,李青,李辉
        2023, 55(3): 158-164. DOI: 10.15961/j.jsuese.202101212
        摘要：降水强度及持续时间是引发山洪灾害的重要气象因素，短时间内高强度的降水极易诱发山洪灾害，研究降水因子时空变化是防范及预警山洪灾害的关键环节。为了探索不同时间尺度的降水与局地山洪灾害之间的潜在联系，本文利用2010—2018年稠密的气象自动站逐小时降水观测数据，统计分析了以马贵河小流域为中心的华南丘陵区多尺度降水特征，重点从短时强降水（降水量≥20 mm/h）的角度揭示了诱发该流域山洪灾害的可能降水成因，并分类建立了该区域典型短时强降水事件的天气学概念模型。研究表明：马贵河小流域并非华南丘陵区的年降水、年暴雨高频中心，但短时强降水发生频次较高，强度较大；山洪灾害频发与时间尺度更短的短时强降水关系更为密切，而非普遍关注的暴雨天气过程；该流域的短时强降水具有双峰型分布特征，华南前汛期（4—6月）短时强降水频次与强度略高于后汛期（7—9月），但后汛期午后的峰值频次更为集中；典型短时强降水过程可分为冷式切变型、低空低涡型、偏南急流型和热带气旋型等4种基本类型，不同环流类型的系统配置与环境条件具有明显差异。该成果一方面加深了对华南丘陵区短时强降水与山洪灾害内在联系的科学认识；另一方面，可为当地短时强降水及山洪灾害预报预警提供技术支持。  
        关键词：暴雨山洪;多尺度降水;概念模型;华南丘陵   
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      • 陈任飞,彭勇,吴剑,欧阳文宇,李昱,岳廷秀
        2023, 55(3): 165-174. DOI: 10.15961/j.jsuese.202101158
        摘要：漂浮物作为河道表观污染的重要源头，加强漂浮物检测是改善水环境生态质量的重要途径，也是积极落实“河长制”政策的技术手段。由于水面漂浮物具有场景复杂度高、形状不规则及多尺度形态变化等特点，采用传统的图像识别方法快速有效地检测目标具有较大的挑战性。因此，本文提出了一种基于深度学习的实时且稳健的水面漂浮物智能检测方法。首先，基于稀疏分解思想对低质量漂浮物图像进行降噪和增强处理，初步降低复杂水面环境对漂浮物图像质量的影响。其次，以轻量化MobileNetV2网络取代（single shot multibox detector，SSD）算法中的VGG16网络作为骨干网络，在预测层中将深度可分离卷积取代标准卷积，并采用动态特征金字塔网络提高多尺度漂浮物的检测精度，弥补SSD网络中强制不同层学习相同特征的不足。然后，将统一量化卷积神经网络（Quantized-CNN）框架应用于量化SSD检测器的检测误差，进一步加速卷积层计算和压缩全连接层的参数，降低SSD算法的计算复杂度和内存成本。本文在构建的水面漂浮物数据集上进行的实验结果表明：与现有的图像识别算法相比，改进后的SSD检测算法的平均精度（AP）和综合评价指数（F1）分别达到95.86%和94.74%，在硬件GPU下的检测速度达到64.23 FPS，检测算法的参数计算量减少到0.75×109，模型内存成本压缩到6.27 MB。改进SSD算法实现了水面漂浮物检测的高精度和高效率。  
        关键词：漂浮物智能检测;深度学习;SSD算法;动态特征金字塔;模型量化   
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        发布时间：2024-01-10
      • 张博,刘健,吴震宇,陈建康,尹川
        2023, 55(3): 175-185. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200135
        摘要：大坝变形监控模型的优劣主要体现在模型泛化能力的高低。模型泛化能力指模型对训练集以外样本的预测能力，而欠拟合和过度拟合是导致模型泛化能力不高的主要原因。AIC和BIC准则是目前常用的模型识别方法，但是不能定量比较和评价模型的过度拟合程度。本文通过定义过度拟合系数OC量化模型过度拟合程度，同时采用复相关系数R定量评判模型是否欠拟合，建立了R–OC模型识别准则。首先，将大坝变形监测序列划分为拟合时段数据和验证时段数据，采用全回归方法对拟合时段数据进行拟合，构建多种位移监控模型。再根据监控模型的估计值和估计误差的概率分布确定异常监测数据的预警界限，计算各监控模型的误警率FAR。最后，根据不同监控模型对拟合时段和验证时段的拟合和预测误差评价指标（均方根误差RMSE、平均绝对误差MAE、平均绝对百分比误差MAPE），确定过度拟合系数OC；结合复相关系数R，绘制2维散点图，并对各监控模型的泛化能力进行评价。结果表明：过度拟合系数OC同模型的误警率呈良好的相关关系，当过度拟合系数OC小于1时，监控模型没有过度拟合，模型误警率FAR为0，不会发出错误预警；当OC大于1时，模型误警率FAR与OC呈正相关关系。一方面，R–OC模型识别准则通过复相关系数R刻画模型的拟合精度；另一方面，通过过度拟合系数OC定量评判模型的过度拟合程度。对于不同数量的待选模型，R–OC准则均能识别出拟合和预测精度都较高的模型。  
        关键词：大坝;变形监控;模型识别;过度拟合   
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        发布时间：2024-01-10

        化学工程与材料工程

      • 黄卫星,王松年,潘大伟,丁安焱,郝仁杰,谯敏,范沐易
        2023, 55(3): 186-193. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200056
        摘要：脉冲流是堆叠筛板填料中的一种特殊流型，因其具有较高的传质传热效率而受到关注。为了强化气液相互作用，增强脉冲流的气液操作范围，提升脉冲流的强度，本文设计了3种尺寸的波纹堆叠筛板填料，通过实验研究了其两相流压降特性和脉冲流行为；对比波纹堆叠筛板填料与普通堆叠筛板填料的脉冲流操作范围；综合实验数据，提出波纹筛板填料的压降和脉冲流操作区域的上下限气、液相雷诺数关联式。结果表明：波纹板填料中两相流压降的变化受操作参数、孔径及开孔率等结构参数的影响规律类似于普通筛板填料，但由于流动不规则性增强，相同条件下波纹板单板压降高于普通筛板。与普通筛板填料相比，波纹板填料中脉冲流的操作范围显著扩展，脉冲流强度也同时增强；筛板孔径相对较大时，波纹板填料中出现脉冲流的起始液量相较普通筛板显著降低，不同孔径波纹筛板脉冲流操作区域的上限气量均显著提高。波纹筛板填料的两相流压降预测关联式和脉冲流操作区域上、下限的预测关联式的预测值与实验测试值相对偏差均在15%以内，可供波纹板堆叠填料的应用设计参考。  
        关键词：堆叠筛板填料;波纹筛板填料;气液并流;脉冲流   
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      • 何克杰,苏仕军,丁桑岚,孙维义
        2023, 55(3): 194-199. DOI: 10.15961/j.jsuese.202101028
        摘要：副产物连二硫酸锰（MnS2O6）的生成是限制软锰矿烟气脱硫技术广泛工业化应用的关键科学问题。迄今，MnS2O6的生成机制尚未阐明，难以为控制MnS2O6的生成提供有效的理论依据。本文采用理论分析与实验验证相结合的方法研究了SO2浸出软锰矿体系MnS2O6的生成机制，阐明了MnS2O6生成速率的控制步骤和动力学过程。首先，通过文献研究对反应体系进行了理论分析，并基于SO2氧化的HSO3自由基机理及表面吸附和电化学模型提出的SO2还原浸出二氧化锰（MnO2）的动力学模型，提出MnS2O6的生成机制可用HSO3自由基生成机理进行解释，MnS2O6生成速率微观上取决于HSO3生成速率，宏观上主要取决于体系H+和$\text{HS}{\text{O}}_{\text{3}}^{{-}} $浓度，理论推导的生成速率方程为${{R}}_{\text{Mn}{\text{S}}_{{2}}{\text{O}}_{{6}}}{=}{k}\cdot [{\text{H}}^{{+}}]\cdot [{\text{HSO}}_{{3}}^{{-}}]$，H+和$\text{HS}{\text{O}}_{\text{3}}^{{-}}$的理论反应级数均为1.0。然后，通过动力学实验研究考察了体系SO2浓度、pH和温度对MnS2O6生成的影响和动力学过程，结果表明：MnS2O6生成速率随体系SO2浓度的增大而增加，随体系酸度和温度的升高呈现先快速减小后下降趋缓的趋势，H+和SO2浓度对MnS2O6生成速率的反应级数分别为–0.059和1.014，反应活化能为7 068.98 J/mol。最后，结合动力学实验研究结果和SO2溶解平衡分析，推导出体系H+浓度和$\text{HS}{\text{O}}_{\text{3}}^{{-}} $浓度的反应级数分别为0.955和1.014，与理论推导出的反应级数非常接近。研究结果验证了理论分析所得动力学方程的准确性，表明MnS2O6生成机制可用HSO3自由基生成机理进行解释，可为MnS2O6生成特性及抑制方法研究提供理论依据和有效途径。  
        关键词：二氧化硫;软锰矿;连二硫酸锰;生成机制;动力学   
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        发布时间：2024-01-10
      • 蔡宁,董现春,李学涛,其其格,崔桂彬,张大伟
        2023, 55(3): 200-208. DOI: 10.15961/j.jsuese.202101167
        摘要：疲劳开裂是导致车轮钢失效的主要原因，但是其疲劳开裂与微观组织、织构、焊接过程、变形程度之间的关系尚不明确。本文结合车轮钢复杂的成形、焊接制备过程，利用激光共聚焦显微镜原位拉伸装置及实时观测系统分别研究了590 MPa强度车轮钢热轧态、冷变形态、焊接态疲劳裂纹萌生及扩展的过程，并利用背散射电子衍射（EBSD）技术分析了疲劳裂纹萌生及扩展过程与组织类型、晶体取向、织构强度之间的关系，用于揭示疲劳失效的微观机制。研究发现：冷变形10%板的裂纹萌生最早，热轧板介于中间，焊接接头起裂最晚。冷变形态的样品裂纹扩展速度最高，焊接态样品裂纹扩展速度居中，而热轧态最低。热轧态的疲劳裂纹扩展速度呈现由低到高逐渐变化的过程，即：开始阶段扩展速率较低，然后进入缓慢增长区；随着裂纹长度的增加，应力强度因子也随之增大，裂纹扩展速度迅速提高。通过背散射电子衍射分析发现，疲劳裂纹的萌生与位错滑移过程密不可分。铁素体组织中裂纹萌生与{001}<110>织构强度直接相关。通过上述研究可知，减少车轮钢成形过程中冷变形组织或降低变形量，降低热轧板{001}<110>织构强度可提高车轮钢疲劳裂纹萌生寿命。  
        关键词：疲劳裂纹;车轮钢;原位分析;热轧;焊接   
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      • 牟晓锋,袁晟毅,鲍泽威,黄卫星
        2023, 55(3): 209-216. DOI: 10.15961/j.jsuese.202101136
        摘要：针对金属氢化物反应器传热性能较差的问题，提出了更紧凑高效的单进–出口的双螺旋结构换热管。建立了内置螺旋管的金属氢化物反应器的3维数学模型，并采用 COMSOL Multiphysics 5.2a 软件进行求解。首先，通过热阻分析发现，在不同换热流体入口平均流速（0.5～3.0 m/s）下，导程为15 mm的单螺旋换热管管内对流传热热阻占总热阻的百分比为8.5%～45.2%，这表明管内对流传热热阻对反应器的传热性能有很大影响。然后，研究了换热流体入口平均流速对反应器传热性能的影响，确定了模拟中换热流体入口平均流速的范围，对比分析了单、双螺旋结构对反应器性能的影响。结果表明：当换热流体入口平均流速大于0.5 m/s时，能达到较好的换热效果，换热流体的平均真实温升趋于稳定。减小螺旋导程可以明显提高换热流体的平均真实温升及反应器的传热和输出性能。对于导程为60 mm的单、双螺旋结构管，床层平均温度降至300 K所用时间分别为7 000 s和3 000 s。导程为30 mm的双螺旋结构管的单位重量输出㶲功率比导程为15 mm的单螺旋结构管更高，可见双螺旋结构管反应器的传热和输出性能均优于单螺旋结构管反应器。双螺旋结构管具有更大的换热面积，在反应器床层内的位置分布更加均匀，从而提升了反应器的传热和输出性能。  
        关键词：金属氢化物;反应器;螺旋管;双螺旋结构;传热性能   
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      • 王姝羡,徐存英,陈晓,向琴琴,李艳
        2023, 55(3): 217-224. DOI: 10.15961/j.jsuese.202101172
        摘要：类离子液体是一种新型溶剂，不仅具有离子液体独特的物理化学性能，还具有合成简单、价格低廉等优点，在电沉积铝技术方面具有广阔的应用前景。但目前相关的作用机制还未明确，从而影响类离子液体电解生产铝和电解精炼铝新工艺的开发应用。因此，本文以三氯化铝/尿素（AlCl3/urea）类离子液体为电解质，利用电导率仪、黏度计、线性扫描伏安法、场发射电子扫描显微镜（FE–SEM）和X射线衍射仪（XRD）等测试手段研究了AlCl3/urea类离子液体的物理化学性质、铝在电解质中的电化学行为及铝沉积产物的形貌和物相结构；系统分析AlCl3/urea摩尔比和温度对体系电导率和黏度的影响，研究温度对铝离子析出电位、铝离子还原反应过程动力学、沉积铝形貌和结构的影响规律。结果表明：相同条件下，摩尔比为1.3∶1.0的AlCl3/urea电解质电导率最大，黏度最小，物理化学性质较为优良，且其电导活化能为19.82 kJ·mol–1。升温促进了电荷迁移反应，使得金属铝的析出电位正移，交换电流密度增大，说明较高的温度有利于加快Al（Ⅲ）离子在铜基体上的还原；温度的变化对铝沉积产物的表观形貌影响不大，均由不规则的微米块体组成，但对粒径和致密性有一定影响；晶粒的生长方式也受到了温度的影响，但都具有（111）晶面优先取向。  
        关键词：铝;AlCl3/urea;电导率;黏度;电化学;电沉积;类离子液体   
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        发布时间：2024-01-10

        信息工程

      • 赵波,李洪平,金汝宁,唐万松,刘相宜
        2023, 55(3): 225-234. DOI: 10.15961/j.jsuese.202101218
        摘要：夜间图像去雾对于夜间场景下无人驾驶、交通安防等有重要的工程应用价值。针对暗通道先验算法在夜间雾天场景下失效的问题，提出一种基于自适应大气光和加权引导滤波的夜间图像去雾算法。该算法首先基于图像亮度和饱和度联合求取信道图，并将信道图作为引导图对原图像进行引导滤波得到大气光分布图；为解决暗通道先验在图像亮区域的失效问题，引入亮通道先验矫正亮区域的透射率；为优化亮、暗通道透射率的融合，建立一种基于分段伽马矫正的融合权值计算方法，用于亮区域透射率的权值计算，并利用该透射权值加权得到图像的初始透射率。然后，利用加权聚合引导滤波代替引导滤波细化初始透射率，解决引导滤波弱化细小纹理而引起的边缘模糊问题。最后，将复原图像转换到HSV（Hue–Saturation–Value）色彩空间，对亮度分量V（Value）进行均衡化调整，并对均衡化前后的图像进行线性加权获得最终复原结果。实验结果表明：所提算法大气光分布图估值合理，可有效反映夜间多光源场景下的大气光分布情况；图像亮、暗区域透射率计算准确，复原图像去雾彻底、纹理清晰；与经典算法对比显示，复原结果的峰值信噪比、信息熵、平均梯度和方差的最大提升幅度分别为49.4%、18.3%、172.3%、115.0%，综合指标优于所对比的其他算法。  
        关键词：夜间去雾;大气光;加权聚合;亮通道   
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        发布时间：2024-01-10
      • 郑明辉,乔译萱,朱小强,陈珩
        2023, 55(3): 235-242. DOI: 10.15961/j.jsuese.202101150
        摘要：目前，密码分析者已经可以在较短的时间内有效找到MD5、SHA1等国际密码杂凑算法的碰撞，通过熵增来增强杂凑值的随机性是提高密码杂凑算法抗碰撞性的有效途径，因此提出一种将纠错码和SM3算法迭代结构融合的改进方案。首先，基于纠错码的线性性质和最小汉明距离最大化原则，选择拟阵理论所构建的二进制线性分组码，计算出其系统形式的生成矩阵，并通过循环移位来消除比特之间的规律，计算最终产生的有效码字；其次，在线性分组码中遵循周期性原则选取最优码字来构建初始常量值，并将其赋值于初始寄存器中，同时在迭代结构中引入初始寄存器构成算法的压缩函数，完成杂凑算法迭代结构的二次构建；最后，考虑杂凑值信息熵对算法混乱度的评估能力，将提出的方案与现有公开的国际密码杂凑算法进行对比实验，同时进行雪崩效应、算法效率、内存损耗测试，并进行综合评价。实验结果表明，本文方案在不改变运算效率的前提下具有稳定的雪崩效应，运行过程中的内存损耗比SM3算法降低0.01～0.07 MB，同时杂凑值的信息熵值高于其他对比算法。提出的基于纠错码的改进方案能够通过熵增证明杂凑值比特之间的随机性更高，更好实现隐藏明文和杂凑值之间统计信息的目的，提高了密码杂凑算法的安全性。  
        关键词：杂凑算法;信息熵;纠错码;雪崩效应   
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        发布时间：2024-01-10
      • 管荑,谢小川,胡琳,尚鹏,黎明
        2023, 55(3): 243-254. DOI: 10.15961/j.jsuese.202101248
        摘要：智能电网是电网的智能化系统，是以输电网、各级电网协调发展为基础的通信信息支撑平台，是包括输变电、配电与电力调度的各电压等级的信息化、自动化和互动化等为特征的高度一体化系统。智能电网在电网监控的数据传输协议、计算与处理效率、各种信息与网络攻击和数据异常检测等方面仍存在不足。因此，本文利用物联网和数据标签技术，提出一种基于数据标签的智能电网监控架构和异常数据检测算法。首先，针对智能电网数据标签监控与异常检测的框架，设计了智能电网的监控数据标签与异常检测框架、数据标签化方法和监控大数据任务划分方法；然后，对异常检测流程、稀疏化与精简算法和检测算法进行设计，提出一种基于数据标签的数据精简和异常检测算法；最后，对实验和仿真进行设置，对时序数据维度数、异常数据量的算法准确率和召回率与参比算法进行了仿真与对比实验，并对不同测试数据量的本文算法与参比算法运行时间进行了对比实验。结果表明：本文设计的数据标签智能电网监控与异常数据检测算法与参比算法相比，当时序数据维度数递增时，其异常数据检测的准确率大于80%，召回率高于82%；当异常数据量增加时，本文算法的异常数据检测准确率和召回率较优越；比较不同测试数据量的运行时间发现，本文算法比参比算法的运行时间少2.0～3.0 s。  
        关键词：异常检测;监控;智能电网;数据标签   
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