长沙理工大学学报(自然科学版)
  • 2023年第20卷第2期文章目次
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    • >先进制造
    • 基于田口可靠性试验的截尾数据处理方法

      2023, 20(2):1-9. DOI: 10.19951/j.cnki.1672-9331.20221019002

      摘要 (89) HTML (0) PDF 1.87 M (443) 评论 (0) 收藏

      摘要:【目的】当田口方法用于产品可靠性改进时,作为响应变量的寿命的观测数据通常是截尾的。对于截尾数据,田口数据分析方法不再适用,需寻求新的数据处理方法解此问题。【方法】提出威布尔分位函数近似法估计右截尾时间的中位剩余寿命,并用截尾时间和中位剩余寿命之和代替右截尾寿命,从而将不完全数据变换为完全数据,进而完成田口数据分析。【结果】通过两个仿真数例,说明了采用所提出方法得到的中位剩余寿命估计是相对精确的、稳健的;通过一个实例,说明了该方法的有用性。【结论】本文为可靠性改进试验数据分析提供了一个简单有效的数据处理方法。

    • 复杂装备故障预测方法研究综述

      2023, 20(2):10-26. DOI: 10.19951/j.cnki.1672-9331.20221214001

      摘要 (118) HTML (0) PDF 1.40 M (854) 评论 (0) 收藏

      摘要:【目的】阐明复杂装备故障预测内涵,指导装备主动性维修。【方法】对复杂装备故障预测研究内容、国内外研究现状以及方法体系进行调研、归纳和分析,划分并评述现有方法的适用条件和优缺点。【结果】基于知识的故障预测方法可充分利用来自相关领域专家的经验知识,但知识的获取是瓶颈问题;基于模型的故障预测方法可深入理解对象系统本质,但实际复杂装备的精确模型很难构建;数据驱动的故障预测方法依赖于大量数据,而实际应用中一些复杂装备的典型数据的获取代价很大;混合方法能克服单个预测方法的局限性,但有效的模型设计是一个难点。【结论】混合方法能更好地提高预测系统的智能性和预测性能,是复杂装备故障预测的重要发展趋势。

    • 基于多智能体强化学习的多部件系统维修优化

      2023, 20(2):27-34. DOI: 10.19951/j.cnki.1672-9331.20221011001

      摘要 (130) HTML (0) PDF 1.72 M (570) 评论 (0) 收藏

      摘要:【目的】研究多智能体强化学习算法用于多部件生产系统维修优化的有效性,及维修优化领域知识用于强化学习的可行性。【方法】将生产系统的维修决策建模为马尔可夫决策过程(Markov decision process, MDP),并采用一种基于奖励塑造的分布式Q学习(shaped reward distributed Q-learning,SR-DQL)算法对其进行求解。通过对智能体的设计和奖励塑造,把维修优化的领域知识应用于强化学习中。【结果】使用包含5个生产单元和4个缓冲库存的生产系统对本文所提出的SR-DQL算法进行验证。相较于Q学习算法,SR-DQL算法能够提升6%的平均收益。此外,由该算法计算得到的平均收益也比由分布式Q学习算法和深度强化学习算法计算得到的大。【结论】多智能体强化学习能有效处理大规模生产系统的维修优化问题,添加奖励塑造可以提升算法性能,并得到更优的维修策略。

    • 自动驾驶汽车的碰撞安全性研究综述

      2023, 20(2):35-44. DOI: 10.19951/j.cnki.1672-9331.20230115001

      摘要 (258) HTML (0) PDF 1.86 M (844) 评论 (0) 收藏

      摘要:【目的】探讨自动驾驶汽车的安全性。【方法】首先,通过分析国内外自动驾驶汽车安全研究的现状,并对其进行梳理和总结;然后,归纳自动驾驶无法避免碰撞的原因以及分析错综复杂的车内外环境,对自动驾驶汽车碰撞安全问题的应对策略进行讨论;最后,就自动驾驶汽车碰撞安全技术的提升做出展望。【结果】就目前而言,智能化技术仍然存在许多不成熟的地方,尤其是自动驾驶汽车的安全方面依旧有许多领域需要更多的研究与试验,比如自动驾驶的障碍物识别、路径规划、控制策略以及自动驾驶汽车的内部空间布局等。【结论】自动驾驶技术在汽车上的使用让人们拥有了更安全、更舒适的乘坐体验,研究人员应当牢牢围绕“以人为本”这个理念,关注人的需求,保护人的安全,并围绕该理念设计与发展智能化技术。

    • 基于时间序列聚类的交通事故黑点识别与分析

      2023, 20(2):45-54. DOI: 10.19951/j.cnki.1672-9331. 20230101002

      摘要 (112) HTML (0) PDF 2.77 M (656) 评论 (0) 收藏

      摘要:【目的】鉴别道路交通事故黑点以及探究事故高发区域的致因。【方法】结合地理信息软件与可解释性机器学习算法,提出一种考虑交通事故时空属性的事故黑点识别及致因分析的方法。【结果】事故高发区域主要聚集在大型商业圈、客运车站与工业区附近,其事故密度为事故低发区域的6.61倍。在事故高发区域,起决定性影响的因素是碰撞形态、天气、能见度、车道类型及两轮车类型。而在事故低发区域,碰撞形态、道路等级、能见度、路面材料以及两轮车类型为主要影响因素。此外,路口路段类型、车道类型、两轮车类型以及肇事逃逸等因素在不同事故区域的影响不同。【结论】交通事故在城市内存在事故黑点,且部分道路环境因素在不同事故区域的影响不一致。研究成果可为交管部门针对事故黑点区域制定防范措施提供指导。

    • >洞庭湖
    • 洞庭湖水沙阶段性演变特征及驱动因素分析

      2023, 20(2):55-69. DOI: 10.19951/j.cnki.1672-9331.20220517001

      摘要 (115) HTML (0) PDF 8.22 M (436) 评论 (0) 收藏

      摘要:【目的】通过分析洞庭湖三口年断流天数及同流量水位变化情况,研究其与径流量及输沙量之间的相互关系;结合水利工程建设情况,探究人类活动对洞庭湖水沙变化的影响。【方法】基于洞庭湖出入湖主要控制站1961—2017年实测水沙数据,采用Mann-Kendall检验法及Pettitt突变检验法分时段分析洞庭湖出入湖水沙演变特征。【结果】1) 三口年均径流量持续减少,三口年径流量及汛期径流量在1985年左右发生显著突变。三口五站同流量水位抬高明显,三口输沙量随分流量的减少而减少,藕池口的输沙量下降幅度最大,三口总入湖输沙量在1990年发生显著突变;2) 四水径流量未发生明显变化,但年输沙量和汛期输沙量均在1985年以后呈显著减少趋势;3) 洞庭湖出入湖总径流量呈减少趋势,出入湖年输沙量呈显著减少趋势,出湖年输沙量的减少速度相对较慢,尤其是在2008年以后,出湖输沙量比入湖的多。【结论】下荆江裁弯、葛洲坝枢纽、三峡工程以及四水控制性工程的建设是造成洞庭湖水沙过程发生变化的主要原因。其中,三峡水库的运行使得三口分沙及太平口、藕池口非汛期分流量减少幅度达90.0%以上。四水水沙变化受湖南省大中型水库建设的影响较大。

    • 资水流域柘桃区间设计暴雨时空分布分析

      2023, 20(2):70-81. DOI: 10.19951/j.cnki.1672-9331.20220425006

      摘要 (73) HTML (0) PDF 8.76 M (384) 评论 (0) 收藏

      摘要:【目的】通过研究资水流域暴雨中心柘桃区间设计暴雨的时空分布规律,为柘桃区间流域梯级水库洪水预报和防洪调度优化提供科学依据。【方法】以柘桃区间17个雨量站近30 a不同历时的年最大暴雨为研究数据,进行站点和面暴雨频率分析计算;采用不同历时降雨强度-历时-频率曲线和设计暴雨空间分布变化特征,分析雨量站网的设计暴雨时空分布规律。【结果】柘桃区间雨量站网设计暴雨的时空分布极不均匀,短历时内设计暴雨强度增幅较大;在空间分布上,随着重现期的增长,设计暴雨中心位置从资水流域中游扩大到下游;随着设计暴雨历时的增长,暴雨中心范围逐渐变小。【结论】柘桃区间雨量站点设计暴雨具有短历时内暴雨强度增速快、中游设计暴雨较大的特点,研究结果可为资水柘溪以下流域重要城市的防洪安全提供理论依据。

    • 铁山水库流域非点源污染负荷研究

      2023, 20(2):82-91. DOI: 10.19951/j.cnki.1672-9331.20220117001

      摘要 (73) HTML (0) PDF 2.37 M (294) 评论 (0) 收藏

      摘要:【目的】研究铁山水库流域非点源污染负荷的空间分布规律及影响因素,为铁山水库流域水质保护与非点源污染控制提供参考。【方法】建立了铁山水库流域的水土评价模型(soil and water assessment tool, SWAT),并运用该模型研究了流域总氮和总磷非点源污染排放强度与贡献率的空间分布特征及3种不同土地利用情景下非点源污染的变化情况。【结果】SWAT模型在模拟铁山水库流域水流和污染物运移过程方面精度良好。铁山水库流域非点源氮素主要来源于库区农田耕作过程中施加的化肥,而流域非点源磷素则主要来源于库区分散农村人口排放的生活污水及库区农田耕作过程中施加的化肥。流域非点源总氮和总磷污染负荷量在1995—2015年间分别下降了49.26%和86.66%。【结论】在流域内进行退耕还林及人口集中与外迁安置对流域非点源污染控制具有积极作用。

    • 基于SPR模型湖南省水资源承载力评估研究

      2023, 20(2):92-103. DOI: 10.19951/j.cnki.1672-9331.20220921001

      摘要 (85) HTML (0) PDF 3.64 M (323) 评论 (0) 收藏

      摘要:【目的】水资源承载力是区域可持续发展的基础,也是核心竞争力的重要指标,对其进行量化评估与比较是厘清区域发展能力的关键环节。【方法】该文基于湖南省水资源承载力评估目标,选取状态、压力、响应共3个因子层、12项关键指标,以湖南省各市州为单元,采用熵权法,构建湖南省水资源承载力评估指标体系。该文采用湖南省2012—2021年的统计数据均值为原始值,对湖南省14个市州的水资源承载力进行综合评价和比较,为制定湖南省水资源相关政策和合理调度水资源提供数据支持。【结果】湖南省水资源整体上并不匮乏。在评价因子层中,压力的权重最低,约占20%,状态和响应各占约40%;郴州和怀化市在水资源调蓄和涵养能力上具备的优势最大,长株潭地区用水压力最大,但其具备产业结构和水资源开发利用率方面的优势。【结论】湖南省整体上水资源的使用压力和状态尚在可承受范围内。总体而言,该省的水资源承载力最高和最低的地区均主要由其自然条件主导,而水资源承载力居中的地区主要由其产业结构和水资源开发利用率主导。提升水资源开发利用率、兴修水利工程对水资源进行合理配置能有效提高湖南省水资源承载力。

    • >管理科学与工程
    • 建成环境对网约车出行需求影响机制研究

      2023, 20(2):104-114. DOI: 10.19951/j.cnki.1672-9331.20220405001

      摘要 (101) HTML (0) PDF 2.47 M (668) 评论 (0) 收藏

      摘要:【目的】研究建成环境对网约车出行需求的影响。【方法】以成都为例,采用不同尺度规则网格与交通分区两种方法,将研究范围划分为8种空间单元,针对每一种空间单元,利用多尺度地理加权回归(MGWR)模型进行回归分析,确定最优空间分析单元,根据最优带宽将建成环境影响因素划分为局部、区域和全局变量,分析各建成环境变量影响程度的空间异质性和尺度差异,探讨建成环境与网约车需求量之间的关系。【结果】1 100 m网格为最佳的空间单元划分尺度,在该划分尺度下,早晚高峰网约车需求回归模型决定系数R2分别为94.5%和96.7%;不同建成环境影响因素的空间尺度差异较大,且局部系数具有空间异质性,在早晚高峰不同时段变化较大。【结论】最佳空间分析单元可为预测网约车交通需求的交通分区提供参考,在针对不同区位进行客流需求调整时,空间异质性结果为制定更加合理的建成环境及更新策略提供决策依据。

    • >路面工程
    • 多聚磷酸改性不同种类生物沥青性能研究

      2023, 20(2):115-124. DOI: 10.19951/j.cnki.1672-9331.20220919001

      摘要 (68) HTML (0) PDF 3.29 M (345) 评论 (0) 收藏

      摘要:【目的】为改善新型路用环保材料——生物沥青的高温性能及提高生物油的适用性,研究多聚磷酸(PPA)和不同来源的生物油复合改性沥青的性能及性能差异。【方法】采用玉米秸秆油(CSO)、厨房废油(KWO)和植物类生物油(VBO)三种常见的生物油,制备PPA改性生物沥青,并对其开展常规性能、流变性能和微观形貌试验,研究其高、低温性能和表面形态。【结果】PPA对沥青的高温性能有较大提升,三种PPA改性生物沥青的低温抗裂性能均较好;生物油的种类会影响PPA改性生物沥青的温度敏感性、高温性能和低温性能,其中PPA/CSO改性沥青的温度敏感性最高,三种PPA改性生物沥青按其高温性能由高到低排序依次为:PPA/KWO改性沥青、PPA/CSO改性沥青、PPA/VBO改性沥青;按其低温流变性能由高到低排序依次为:PPA/VBO改性沥青、PPA/CSO改性沥青、PPA/KWO改性沥青。【结论】PPA和生物油共同作用可以明显改善沥青的高、低温性能,本研究可为生物油的应用和推广提供参考,使道路工程建设更加绿色和环保。

    • >土木与水利工程
    • 循环荷载对单裂隙岩体疲劳损伤的影响

      2023, 20(2):125-136. DOI: 10.19951/j.cnki.1672-9331.20221116003

      摘要 (92) HTML (0) PDF 5.51 M (408) 评论 (0) 收藏

      摘要:【目的】揭示单裂隙岩体在循环荷载作用下的疲劳损伤演化规律,研究更便于实际工程应用的损伤变量计算方法。【方法】通过开展基于声波测试的模型岩体疲劳试验研究,分析了不同循环次数比、不同单裂隙角度下试样的波速降低率、初始损伤及损伤变量的变化规律;提出不同角度单裂隙岩体的非线性疲劳累积损伤模型。【结果】随着裂隙角度的增加,模型试样的初始波速降低率及初始损伤呈非线性“S”形增大趋势;在循环荷载作用下单裂隙岩体波速降低率具有明显的三阶段衰减特征,初始衰减阶段、稳定衰减阶段及加速衰减阶段的疲劳寿命比例约为2∶7∶1;在循环次数比相同的情况下,岩体的疲劳累积损伤演化随裂隙角度的增大呈加速趋势,但在加速衰减阶段却呈减速趋势;单裂隙岩体疲劳寿命与裂隙角度的关系曲线呈“V”字形,在循环荷载作用下45°单裂隙岩体损伤变量增长最快,且在加速衰减阶段疲劳寿命占比最小,最易发生拉伸-压剪裂纹混合的“X”形裂纹破坏。【结论】在裂隙角度为30°~90°时,若在岩体疲劳破坏前用名义损伤替代实际总损伤,名义损伤偏大;若在疲劳破坏阶段用名义损伤替代实际总损伤,名义损伤偏小;当失稳比例因子一定时,失稳因子及收敛因子均随裂隙角度的增加呈单调递增趋势。

    • 基于多尺度模型大悬挑钢结构力学性能分析

      2023, 20(2):137-145. DOI: 10.19951/j.cnki.1672-9331.20220501001

      摘要 (85) HTML (0) PDF 3.10 M (654) 评论 (0) 收藏

      摘要:【目的】考察单尺度与多尺度模型对结构受力性能的影响。【方法】以太原南站屋盖大悬挑钢结构为研究对象,针对其关键节点(68#相贯节点)进行静力足尺试验及理论分析,提出“混凝土+横隔板”的细部构造措施,并与原节点构造措施进行对比分析,同时基于midas Gen软件建立结构整体单尺度模型及含关键节点的多尺度模型,重点探讨结构的稳定性、动力响应等力学性能。【结果】相对于原节点构造措施,“C40混凝土+5道横隔板”细部构造措施的承载力满足要求且具有一定的经济性;与单尺度模型相比,多尺度模型结构的整体应力降低了9.70%;多尺度模型结构中关键节点的受力与单独节点的受力之间差异明显,其变形及应力分别降低了6.53%和25.73%。【结论】多尺度模型可以更真实地模拟结构的受力特性,其结果更精确。

    • 厝角头索塔下塔柱施工及温度应力分析

      2023, 20(2):146-156. DOI: 10.19951/j.cnki.1672-9331.20221117001

      摘要 (74) HTML (0) PDF 3.22 M (398) 评论 (0) 收藏

      摘要:【目的】分析厝角头造型索塔的施工及温度应力,为该类索塔构造的设计施工积累经验。【方法】以主跨468.00 m的牛田洋大桥主桥为背景,建立三维局部有限元模型,采用静力分析和稳态热分析方法研究塔柱间板墩在不同施工方式及温度条件下的应力情况。【结果】板墩区域的受力主要取决于其浇筑成形后继续承受的荷载;移动荷载在下塔柱中主要产生纵桥向弯矩、轴力及扭矩,且纵桥向弯矩方向与恒载产生的弯矩方向相反,这对板墩结构受力有利;后浇带横向预应力可对板墩区域施加横桥向压力,在施工分界位置存在应力集聚情况;在下塔柱整体升降温条件下,板墩肋板与底座相接处、板墩与下塔柱相接处存在拉应力。【结论】在下塔柱板墩区域设置后浇带时,结构是安全的;当下塔柱板墩区域一侧在日照下升温5~30 ℃时,下塔柱拉应力均低于混凝土强度标准值2.74 MPa,因此不会引起下塔柱混凝土开裂。

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