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2024年, 第64卷, 第11期 
刊出日期:2024-11-15
  

  • 全选
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    专题:公共安全科学与技术
  • 邓李政, 袁宏永, 陈建国, 苏国锋, 张鸣之, 陈杨, 潘睿
    清华大学学报(自然科学版). 2024, 64(11): 1849-1859. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.26.015
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    滑坡变形破坏过程会持续产生声发射信号, 而声发射技术可用于监测斜坡稳定性。有源波导声发射技术是监测土质滑坡深部变形的有效方法, 能灵敏感知微小变形并持续监测较大变形, 可实现滑坡灾害早期预警。基于一系列滑坡物理模型实验和原位监测研究, 声发射监测数据分析方法由定性化向定量化发展。首先, 该文综述了利用声发射数据量化滑坡深部变形行为的传统方法, 通过经验公式计算反演滑坡位移、 速度和加速度, 提取滑坡运动信息并分析演化规律, 指出传统量化方法面临的挑战; 其次, 阐述了运用机器学习方法自动量化声发射监测数据, 建立滑坡运动状态自动分类模型和滑坡位移预测模型的方法, 用以准确量化滑坡速度、 加速度和位移等关键变形特征; 再次, 在声发射监测和机器学习方法的基础上, 提出了滑坡早期风险分级预警方法, 考虑了数据缺失等不利状况的应对方案; 最后, 讨论了不同应用场景下声发射数据量化方法的选择倾向, 指出了各方法的应用局限和发展趋势。
  • 吴鹏, 李得伟
    清华大学学报(自然科学版). 2024, 64(11): 1860-1869. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2025.26.003
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    交通运输网络抵抗韧性是交通安全领域的研究热点, 为有效评估城市群铁路客运网络的抵抗韧性, 并识别关键路段, 该文首先基于复杂网络Space L建模方法, 建立了以实际铁路客运站为网络节点的时空加权城市群铁路客运网络模型; 其次, 采用单路段删除和多路段连续删除的攻击模式模拟路段中断情景, 提出将基于性能响应函数和旅客时空可达性的网络性能保留率作为客运网络动态抵抗韧性评估指标, 利用抵抗韧性评估模型和仿真评估流程评估路段可替代能力和网络抵抗韧性; 最后, 进行了成渝城市群铁路客运网络实例研究。结果表明: 靠近铁路枢纽城市的部分关键路段中断, 最高可使铁路客运网络性能损失12.23%, 从灾前仿真角度识别关键路段具有重要意义; 无权、 空间加权和时间加权铁路网络抵抗韧性仿真识别出的关键路段存在明显差异, Spearman相关系数验证了无权与加权铁路网络路段可替代能力的排序相关性较差; 3种铁路网络的抵抗韧性指数表明单路段中断对旅客出行时间的影响较大; 关键路段连续中断对网络性能的影响较大, 对时间加权铁路网络性能的影响大于无权和空间加权铁路网络, 仅从网络拓扑结构和空间距离角度进行灾前仿真, 容易低估风险因素的干扰后果。该文所提方法可为交通网络规划和韧性研究提供参考。
  • 李悦明, 黄国忠, 王波, 高学鸿, 孙占辉, 潘睿
    清华大学学报(自然科学版). 2024, 64(11): 1870-1879. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.26.013
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    2010—2022年, 古建筑火灾事故频繁发生, 对珍贵历史文物的保护提出了巨大挑战。为应对这一挑战, 该研究提出一种基于图像超分辨率技术的消防危险品检测模型, 用于识别易燃物品和可燃物品。在实际应用中, 应准确归类危险品, 并精确定位危险品的位置, 由于普通摄像头图像的分辨率均较低, 因而采用图像超分辨率生成对抗网络(super-resolution generative adversarial network, SRGAN)算法重建图像; 此外, 引入坐标注意力机制提高检测精度, 并使用完整交并比(complete intersection over union, CIoU)损失函数加速模型训练。这一综合方法可有效检测古建筑区域内的消防危险品。使用测试数据集对该模型进行了一系列实验, 结果表明: 改进后的模型具有0.830的平均精度均值(mean average precision, mAP)和0.940的精确率; 在服务器上, 该模型的推理速度高达92 fps。该文提出模型有效且高效, 为古建筑火灾防控工作提供了强大的技术支持。
  • 吕伟, 江惠华, 汪京辉, 杨晓婷
    清华大学学报(自然科学版). 2024, 64(11): 1880-1892. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.26.014
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    为提高城市大尺度转移效率, 基于城市兴趣点(points of interest, POI)功能区分布情况, 考虑城市人口在昼夜时段的分布热点及灾害对路网的破坏作用, 对洪涝灾害影响边界内城市灾民进行科学分区分配, 建立双层规划优化模型。上层模型利用遗传算法求解系统总成本最小问题, 下层模型应用用户均衡方式求解疏散人员分配问题, 形成一整套综合考虑人口热点分布和洪涝灾害风险对路网影响的疏散分区和路网规划方法, 并以武汉市武昌区为研究对象, 验证疏散分区规划方法的可行性。结果表明: 该文所提出的疏散分区规划方法可行, 考虑城市人口在昼夜时段的分布热点和灾害风险对路网影响的疏散方法更合理。研究结果可为组织管理部门应急疏散规划工作提供参考。
  • 栗婧, 朱经政, 申彤
    清华大学学报(自然科学版). 2024, 64(11): 1893-1901. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.26.021
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    多年来中国地震事故发生不断, 带来了严重的事故伤亡和损失。由于公众对地震环境陌生和恐惧, 易产生严重的应激反应, 使地震自救知识难以发挥作用。该文通过地震场景模拟, 采用呼吸和肌电测量的数据定量计算地震应激水平, 通过与文献整理得出的应激水平影响因素进行关联分析、 回归分析, 得到各影响因素的重要度排序, 并依据显著因素对改善地震应激反应给出建议。实验结果表明: 在生理测量的17项指标中共有12项有效指标, 其中包含呼吸动作幅度的最小值、 平均值、 标准差、 方差和平均频率, 以及肌电的最大值、 最小值、 平均值、 标准差、 方差、 平均绝对值和均方根值。在影响因素中, 应急技能(67.9%)、 地震培训(58.4%)、 情绪稳定性(44.8%)、 视觉反应力(39.8%)、 听觉反应力(39.0%)和记忆力(30.5%)为影响公众地震应激水平的6项显著因素。该结果为研究人员提供了地震应激水平评估的实验设计与计算方法, 也为公众筛选了能够有效改善地震应激反应的因素并提出了相关建议。通过有效改善应激反应, 公众在地震时可以冷静应对, 积极自救。
  • 专题:人机语音通讯
  • 周静, 鲍长春, 段海威
    清华大学学报(自然科学版). 2024, 64(11): 1902-1910. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.26.043
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    为改善在噪声、 混响及声源移动情况下传统到达方向(direction of arrival, DOA)估计方法的性能, 该文提出一种基于Kalman滤波与频率聚焦的单声源DOA实时估计与跟踪方法。该方法由去噪、 去混响和DOA估计3个步骤构成。其中: 去噪与去混响步骤的目标函数分别由最小化去噪信号误差和多通道线性预测系数误差建立, 并分别通过Kalman滤波求解; DOA估计步骤通过基于频率聚焦的导向响应功率实现。该文所提方法建立在传播矩阵集成去混响与去噪步骤的基础上, 通过波束形成获得的期望信号的先验估计, DOA估计步骤被进一步集成, 从而促进3个步骤间的因果有序迭代。实验结果表明: 与参考方法相比, 该文所提方法的DOA估计与跟踪性能更优。
  • 刘晓旺, 郝韵, 张劲松
    清华大学学报(自然科学版). 2024, 64(11): 1911-1918. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.26.025
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    语音信息论主要研究语言信息冗余和声学特征之间的关系。目前的研究结论主要来自印欧语系的语言, 而在汉语普通话方面的研究较少, 尤其是在语言冗余与韵律结构(边界和重音)的对应关系问题上, 还缺乏研究。该文运用信息理论中的惊异度(surprisal)概念表示语言冗余程度, 通过计算汉语朗读语篇语料库(ASCCD)中汉字层级的一元惊异度(unigram surprisal)和二元惊异度(bigram surprisal), 考察普通话中语言冗余、 韵律结构和音节时长三者之间的关系。结果表明: 给定前字的二元惊异度与重音程度有关, 给定后字的二元惊异度与边界层级存在对应关系; 在控制韵律结构因素后, 语言冗余能够独立解释音节时长的变化, 从而支持弱化版的平稳信号冗余假设。
  • 张宏玉, 张晶晶, 董兴广, 吕钊, 陶建华, 周健, 吴小培, 范存航
    清华大学学报(自然科学版). 2024, 64(11): 1919-1926. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.26.024
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    在基于脑电信号的听觉注意检测任务中, 运用较成熟的公开数据集仅包含脑电信号和音频数据, 均缺少对视觉信息的关注。为了模拟真实世界的感知环境, 该文引入一个创新性的脑电数据集, 其中包含同时提供音视频刺激及仅有音频作为刺激的情境, 并通过现有方法验证了该数据集的有效性。研究结果表明: 不同频段的脑电信号对听觉注意的选择产生了差异影响, 特别是Alpha和Gamma频段, 在大脑处理听觉注意时发挥重要作用。与现有的公开听觉注意检测数据集相比, 该文提出的音视频数据集引入了视频信息, 更真实地模拟了日常场景。这种数据集设计为脑机接口的研究和应用提供了更丰富的模态信息, 具有重要的研究和应用意义。
  • 黄子峻, 张晓雷
    清华大学学报(自然科学版). 2024, 64(11): 1927-1935. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2025.26.004
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    关键词检测旨在从语音中检测出待识别的关键词, 深度神经网络为小型关键词检测任务提供了有效的解决方案。大多数现有关键词检测方法采用Softmax最小化交叉熵损失函数, 假设测试和训练样本来自相同分布, 侧重于在训练集上最大化分类精度, 而未考虑训练集外的未知语音。若训练数据有限, 关键词检测系统在遇到未知语音时, 实现鲁棒性和高准确率仍比较困难。该文研究了开放集学习方法, 结合深度特征编码器和基于卷积原型学习、 互斥点学习的分类器, 用于开放集关键词检测任务。该文提出的关键词检测方法不仅提高了关键词的分类精度, 而且具有较好的非关键词检测性能。在Google Speech Commands数据集V0.01和V0.02, 以及由LibriSpeech衍生的LibriWords数据集上的试验结果表明: 该文提出的关键词检测方法在大多数评估指标上优于基线方法。
  • 李宜爽, 陈智聪, 缪诗宇, 苏祺, 李琳, 洪青阳
    清华大学学报(自然科学版). 2024, 64(11): 1936-1943. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.26.048
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    近年来, 预训练模型(pre-trained models, PTMs)被广泛应用于说话人验证(speaker verification, SV)系统, 通过在预训练模型下游接入说话人分类网络, 并进行微调, 可大幅提升系统性能。然而, 目前基于预训练模型的SV研究大多在有标签的数据集上进行微调, 需要大量目标域带标注数据。该文提出一种基于预训练模型的半监督说话人验证系统, 首先, 利用少量带标注数据训练一个种子模型; 其次, 利用该种子模型结合无监督聚类算法为无标注数据生成伪标签; 再次, 联合真实标注数据和伪标注数据进行模型重训练; 最后, 通过多轮迭代提升模型性能。在仅有100 h带标签说话人数据的条件下, 该文提出的半监督系统在VoxCeleb1-O测试集的等错误率为1.02%, 比基线系统降低了86.8%, 表明该文所提出的半监督说话人验证系统的有效性。
  • 专题:水工岩土力学
  • 韦成耀, 庄文宇, 王涛, 高辰锋, 刘耀儒, 杨强
    清华大学学报(自然科学版). 2024, 64(11): 1944-1954. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.26.044
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    近坝边坡的稳定性对大坝和水电站运行安全至关重要, 锦屏一级水电站投入运行近10年, 左岸近坝边坡部分区域变形仍未收敛, 其变形机理尚未完全明确。锦屏左岸的深部裂缝对水电站设计期拱坝轴线选择影响较大, 而研究深部裂缝成因及对边坡变形的影响对边坡和拱坝安全具有重要意义。该文通过数值模拟分析锦屏河谷演化过程中地应力的变化特征, 研究深部裂缝形成的影响因素和力学机制。研究结果表明: 深部裂缝的形成与河谷下切、 左岸边坡复杂地质条件、 构造应力密切相关。受上述因素影响, 高高程岩体向深部卸荷, 在河谷下切后期发生应变能快速释放现象, 造成深部岩体发生卸荷破坏形成深部裂缝; 低高程岩体虽仅在表层发生卸荷破坏, 但随深度增加, 主压应力σ1与主拉应力σ3比值减小, 且主压应力σ1保持较高量值, 使深部岩体发生压剪破坏形成深部裂缝。该文通过分析边坡变形监测资料和河谷演化蠕变计算, 研究了深部裂缝与边坡运行期持续变形之间的关系。分析监测资料表明: 煌斑岩脉和断层等软弱带是产生边坡运行期变形的主要因素, 深部裂缝和构造应力对边坡变形的影响较小。
  • 刘倩, 王华宁
    清华大学学报(自然科学版). 2024, 64(11): 1955-1963. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.26.023
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    对于流变岩体中衬砌支护深埋圆形隧道, 该文用黏弹塑性模型模拟岩石流变特性并考虑实际应力路径及非稳态渗流场的影响, 推导并获得支护压力及围岩、 衬砌应力及位移的精确解析解, 可以更快速精准地预测与时间相关的支护结构的受力变化和围岩稳定状态。通过开挖释放荷载下的加载计算获得开挖阶段的流变位移与应力。在支护阶段, 通过分离变量法获得全域全时段的非稳态孔压分布; 正确考虑支护阶段的加卸载应力路径, 得到渗流影响下衬砌支护力以及围岩、 衬砌力场和位移场的时效解析解。对比考虑加卸载应力路径和仅按加载路径计算的结果, 发现仅按加载路径而未考虑实际应力路径时围岩变形预测值偏小, 支护结构按此设计将偏于危险。该文为黏弹塑性岩体中深埋圆形隧道与时间相关的支护压力预测和围岩、 衬砌流变力场分析提供了快速预测的方法。
  • 电子工程
  • 梁志峰, 康重庆, 隋凌峰, 于若英, 贾亦雄, 杜云龙, 陈文进
    清华大学学报(自然科学版). 2024, 64(11): 1964-1978. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.27.011
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    大规模分布式光伏的接入给主配网运行带来较大风险, 为了确保系统的安全性和可靠性、 优化主配网资源, 该文研究了大规模分布式光伏接入的主配网运行风险评估方法和防控策略。首先, 在主配网的安全、 平衡和消纳方面, 提出了主配网风险评估指标体系; 其次, 针对主配网是否处于紧急场景, 分别提出了主配网风险辅助决策和分层分区紧急切负荷策略; 最后, 研发了基于调控云的高比例分布式光伏并网风险智能分析与防控决策系统, 并在地区电网开展了示范应用。算例分析和示范应用效果均证明了所提的方法和策略能够对电网可能发生的安全、 平衡和消纳等方面的风险进行在线评估和防控, 有效提升了分布式新能源并网运行的风险防控能力, 为电网运营商和决策者提供了有价值的参考, 进一步推动清洁能源的可持续发展。
  • 杨心语, 曾祥远, 杜华军, 刘天赐, 杨皓安, 李杰
    清华大学学报(自然科学版). 2024, 64(11): 1979-1986. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.26.049
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    该文针对在轨卫星量测信息源的远距离定位问题, 提出一种利用星座空间构型特性的n点透视(perspective-n-point, PnP)问题改进定位方法: 从选取定位数据源出发, 分析卫星几何构型对定位误差的影响, 提取影响构型的主要参数, 建立几何构型评价函数, 评价星座构型的可用度。该文提出的PnP方法利用视场内构型筛选的星座卫星角度量测信息进行定位解算, 筛选出受图像噪声影响较小的构型, 提高定位解算精度, 并通过仿真试验验证了筛选方法的有效性。该文研究结果可为远距离光学导航定位问题提供参考。
  • 水利水电工程
  • 周游, 陈根发, 陈明洪, 陈鑫, 何茜
    清华大学学报(自然科学版). 2024, 64(11): 1987-1996. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.21.014
    摘要 ( ) PDF全文 ( ) HTML    
    为克服传统计算流体动力学-离散元法(CFD-DEM)中流体网格需为颗粒尺寸数倍的限制, 该文综合考虑相间作用力和颗粒-湍流相互作用, 建立了基于扩散平均算法的全耦合CFD-DEM密集颗粒水力输送模型。经实验验证, 全耦合模型能很好地预测管内两相流动特性。研究了管道倾角对2 mm粗颗粒水力输送特性包括颗粒空间分布、 两相轴向速度、 流体湍动能和压降等的影响。结果表明: 随着倾角增加, 颗粒由偏向管道底部堆积的分布逐渐向近乎均匀的分布转变, 流体轴向速度和湍动能分布先逐渐不对称后恢复对称, 在60°时不对称程度最大; 颗粒-颗粒和颗粒-壁面间碰撞次数均随倾角增加先略微增加后迅速减小; 两相流压降随倾角增加先增加后减小, 在60°时最大。为降低能耗, 输送颗粒应避免使用60°倾斜管, 尽量使用小角度或大角度倾斜管。