2024年, 第64卷, 第12期　
刊出日期：2024-12-15

  

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专题：大数据
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  基于攻击引导扩散的中文对抗样本生成方法

  吴厚月, 李现伟, 张顺香, 朱洪浩, 王婷

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(12): 1997-2006. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.21.027

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  中文对抗样本生成作为自然语言处理领域的重要研究内容,一直受到众多学者的广泛关注。先前的中文对抗样本生成方法主要有替换字词、改变词序等,生成的对抗样本攻击效果差且容易被检测模型识别。该文提出基于攻击引导扩散的中文对抗样本生成方法DiffuAdv。将扩散模型引入中文对抗样本生成中,通过模拟文本对抗样本攻击时的数据分布来增强其扩散机制,利用对抗样本与原始样本之间的变化梯度作为引导条件,在预训练阶段指导模型的逆扩散过程,进而生成更自然且攻击成功率更高的对抗样本。在多个数据集上对自然语言处理领域的不同任务与多种方法进行了对比实验验证。结果表明,本文方法所生成的对抗样本具有高攻击成功率。此外,消融实验也验证了攻击梯度引导在提高对抗样本生成质量的有效性。经过困惑度(PPL)度量实验,本文方法所生成的对抗样本平均PPL仅为0.518,验证了其具有强鲁棒性。DiffuAdv的提出丰富了文本对抗样本生成的研究视角,也拓宽了文本情感分类、因果关系抽取及情感原因对抽取等任务的研究思路。
  
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  结合提示学习和Qwen大语言模型的裁判文书摘要方法

  李佳沂, 黄瑞章, 陈艳平, 林川, 秦永彬

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(12): 2007-2018. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.21.028

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  尽管大语言模型在新闻、艺术等领域的文本摘要任务上取得了良好的效果,但由于大语言模型缺乏对司法领域知识的学习,同时难以理解裁判文书的结构特征和逻辑关系,导致生成的裁判文书摘要质量不佳。该文提出结合提示学习和Qwen大语言模型的裁判文书摘要方法,将裁判文书数据作为SFT (supervised fine-tuning)技术对大语言模型微调的输入,增强其法律领域适用性;同时设计融入结构信息与角色指令的提示模板,以优化摘要生成,使其更精准地反映文书结构特征与逻辑关系。实验结果表明,该方法在ROUGE-1、ROUGE-2和ROUGE-L的F1值上比基线模型分别提升了21.44%、28.50%和28.97%,说明大语言模型经裁判文书数据微调并引入结构信息后,在裁判文书摘要任务中展现了卓越的性能与巨大的应用潜力。
专题：核废水与废气
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  气态放射性核素扩散模拟研究——分裂烟团模型的验证与应用

  杨力, 张钰杰, 方晟, 宋嘉悦, 李新鹏, 陈义学

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(12): 2019-2030. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.27.029

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  放射性核素的局地尺度大气扩散研究对于开展核应急响应工作非常重要。Lagrange烟团扩散模型是一种在该尺度上快速准确地建立放射性辐射场的有力工具。该文开发了适用于局地尺度的Lagrange分裂烟团(SPUFF)扩散模型,其可适配加州气象(CALMET)模型。以CALMET模型驱动SPUFF扩散模型,开展局地尺度扩散模拟,假设以三门核电站作为扩散场景,基于风洞实验数据对SPUFF扩散模型进行性能验证,再基于福岛第一核电站附近的双葉町监测站已公布的监测数据进行模型的实用性评估。此外,针对烟团水平分裂阈值在上述场景开展了较全面的敏感性分析,以确定分裂开启条件。性能验证结果显示,SPUFF扩散模型性能优异,全部4个关键统计指标(模拟值在测量值2倍以内的比例、比例偏差、标准化均方误差和标准化绝对差)满足可接受模型标准。实用性评估结果显示,较Lagrange粒子模型LAPMOD,SPUFF扩散模型的模拟值可匹配更多的监测值;同时成功再现了反应堆事件引发的放射性核素释放导致的监测峰值效应。敏感性分析结果表明,单一气象条件(例如恒定风场)的复杂地形场景可采用不分裂模式;气象多变的复杂地形场景则有必要开启分裂模式。建议核电站局地尺度扩散的烟团水平分裂阈值为700~1 100 m。
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  基于联合电解催化交换的轻水除氚研究进展

  王学彬, 吴栋, 尹玉国, 刘亚明, 阮皓

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(12): 2031-2044. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.27.019

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  核反应堆、乏燃料后处理厂运行过程中会产生各种含氚轻水,其中的氚若直接排放到环境中将会造成环境污染,影响人类健康。联合电解催化交换(combined electrolysis and catalytic exchange,CECE)技术能有效去除含氚轻水中的氚,减少环境中的氚排放。该技术主要由液相催化交换技术、水电解制氢技术和氢氧合成技术3大核心技术组成,具有除氚因子大、操作条件温和等优点,在国际上一直是研究热点。该文介绍了CECE 3个核心技术的研究现状和发展方向,同时针对含氚轻水除氚技术的工程应用难点提出了未来的研究方向。
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  斑马鱼对放射性核素¹³⁷Cs的浓集与排出动力学研究

  冯青靓, 龙泽宇, 曹少飞, 贡文静, 宋沁楠

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(12): 2045-2052. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.27.030

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  核能发电实现经济效益增长的同时,也存在使得放射性物质进入核电站附近水域的风险,对生态环境产生了一定的影响。斑马鱼作为实验室常用的水生模式生物,对外界环境变化十分敏感,可起到理想的环境监测指示作用。该文探究了斑马鱼对核电站液态流出物中主要放射性核素之一的¹³⁷Cs的浓集与排出动力学过程。通过对养殖方法和装置进行设计,实现了斑马鱼在放射性水体条件下的养殖,并以活体检测的方式对斑马鱼体内的¹³⁷Cs活度进行定期测量。结果显示：在放射性活度浓度约1 000 Bq/L的养殖条件下,浓集实验初期斑马鱼对¹³⁷Cs的吸收较快,其体内¹³⁷Cs比活度呈直线上升趋势,直至第50 d左右基本保持不变,对应的生物浓集系数为(5.81±0.23) L/kg;排出实验初期斑马鱼体内¹³⁷Cs比活度下降较快,但从第60 d左右下降趋势开始变得不明显,最终趋于平缓。整体表现出斑马鱼对¹³⁷Cs富集水平相对较低,但不易排出的特点。该实验可为核电发展对水生生物的影响评估以及水环境评价工作提供一定的参考。
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  污染场地放射性气溶胶颗粒再悬浮释放的CFD模拟研究

  陈佳辰, 陈海龙, 廉冰, 王彦

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(12): 2053-2058. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.27.033

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  难以通过食物链转移的核素(如铀等),很可能通过再悬浮的气溶胶颗粒的形式被人体吸入,造成内照射。因此,研究放射性气溶胶颗粒的再悬浮行为对于控制其对人体的危害以及保障人类健康意义重大。该文使用CFD软件模拟了进风引起的放射性气溶胶颗粒的再悬浮运动过程和运动轨迹,分析了进、排风口设置对再悬浮箱体内气流场分布特征的影响。模拟结果表明：进风口风速设置为10 m/s时会引起地面上放射性气溶胶颗粒的再悬浮,且空间内气流分布均匀,颗粒再悬浮量较多;近地面处中心区域的模拟风速处于该地区地表面风速范围内,能很好地表征该地区地表风速对颗粒再悬浮的影响。该模拟研究可为放射性气溶胶颗粒的沉降和再悬浮实验设计提供依据,也可为放射性污染区域工作或者活动人员的辐射防护行动提供指导。
机械工程
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  基于冗余磁场信息的三自由度电机位姿测量方法

  鄢博, 胡金春, 朱煜, 文庭瑞, 徐登峰

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(12): 2059-2067. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.21.025

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  精密位姿测量是多自由度电机实现精密运动控制的前提,现有的多自由度电机位姿测量方案多采用编码器、惯性测量单元等外部传感器,存在结构复杂、可靠性低等不足。该文提出一种基于冗余磁场信息的三自由度位姿测量方法,通过布置冗余磁传感器阵列检测电机自身转子永磁体所产生的磁场,并设计由所测磁感应强度信息快速解算电机多自由度位姿的测量算法和永磁体磁场模型参数的标定算法,实现电机位姿的实时精密测量。该方法基于电机自身磁场进行位姿测量,不易受外部环境如振动噪声、灰尘污染等影响,具备高精密性、高可靠性等特点,且永磁体磁场既为电机动力来源又为位姿测量基准,因此能够有效提高电机系统集成度与结构紧凑性。仿真和实验结果表明,该方法能够快速准确测量三自由度旋转电机位姿,三旋转轴位姿测量的均方根误差分别为0.031、0.025和0.056 rad。
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  旋转摩擦焊热力耦合行为及数值模拟研究进展

  谢佳琪, 张晗, 朱志明

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(12): 2068-2083. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.22.043

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  旋转摩擦焊作为一种固相焊接方法,能够实现同种或异种材料的高质量连接,国内外均开展了广泛研究和应用。旋转摩擦焊接头性能主要取决于焊接过程中的热、力过程,其热力耦合行为是探明旋转摩擦焊机理、开展新工艺研究和参数优化的重要依据,但目前仍未形成统一理论。该文总结了旋转摩擦焊热力耦合行为的研究进展,包括摩擦机制和产热理论、材料黏塑性模型以及焊接过程热力耦合的解析求解方法;介绍了相关数值模拟方法的应用情况,在热传导数值模型的基础上,以有限元方法为主,发展出了多尺度多物理场仿真技术和应用神经网络的焊接工艺预测方法。目前旋转摩擦焊模拟仿真面临的挑战在于提高数值模拟技术的建模效率和模型准确性,同时降低计算成本。进一步深入探索焊接机理或引入多种计算手段是未来旋转摩擦焊模拟仿真的发展方向。
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  脉冲磁场对Cr4Mo4V轴承钢残余奥氏体的稳定化作用

  李郑, 郑世刚, 党晓勇, 季文, 刘瞿, 蔡志鹏

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(12): 2084-2091. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.22.030

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  为研究脉冲磁场辅助深冷处理对Cr4Mo4V轴承钢中残余奥氏体组织的影响,采用X射线衍射、振动样品磁强计、电子背散射衍射等进行实验,结果表明：纯深冷(DC)处理工艺使Cr4Mo4V轴承钢中残余奥氏体体积分数从(23.8±0.6)%下降到(21.5±0.9)%,而在深冷处理过程中加入辅助脉冲磁场(MDC)仅使残余奥氏体体积分数从(23.3±0.3)%下降到(22.5±0.5)%。振动样品磁强计和电子背散射衍射的实验结果也验证了辅助脉冲磁场可以抑制部分残余奥氏体相变。将处理后的轴承钢样品进行一次高温回火后发现,MDC处理使残余奥氏体具有更好的高温稳定性。对材料中几何必要位错密度的对比分析发现,DC处理使位错密度增加了9.8%,而MDC处理下位错密度仅增加了6.5%,这表明脉冲磁场的加入抑制了DC处理时位错密度的增加,进而有效减少了马氏体的形核部位,使得残余奥氏体的转变得到抑制。脉冲磁场通过提高位错移动性降低材料中的位错密度,是Cr4Mo4V轴承钢中残余奥氏体稳定化的主要原因。
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  滑动轴承磨损智能诊断与寿命预测方法研究

  代菁洲, 田凌, 韩天霖

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(12): 2092-2104. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.27.025

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  滑动轴承是现代机械设备的核心部件之一,在润滑不充分的情况下,轴承接触面易出现磨损退化,为设备运行带来极大安全隐患。为实现对滑动轴承磨损智能诊断与寿命预测,该文设计并建立了滑动轴承磨损试验台,开展了滑动轴承磨损退化试验和振动测量试验,得到不同磨损深度下的轴承振动信号,并构建了时域、频域、非线性结合的多域特征,可有效表征轴承磨损退化信息;提出了基于稀疏相关向量迭代指数退化的预测方法,对新输入的振动信号进行定量的磨损深度诊断,并基于历史数据的稀疏相关向量加权拟合退化模型,进行磨损趋势预测。试验证实了所提方法能够有效支持滑动轴承磨损状态的智能诊断与寿命预测。
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  水下滑翔机翼面沟槽参数的多目标设计优化

  郝宇星, 吴宏宇, 张玉玲, 吴青建, 谭莉杰, 阎绍泽

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(12): 2105-2114. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.27.026

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  优化水下航行器表面微观形貌已成为提升其水动力性能的重要手段之一,该文开展了水下滑翔机翼面沟槽参数的多目标设计优化,以提升水下滑翔机综合性能。首先基于计算流体力学(CFD)方法与多项式拟合,建立了含翼面沟槽参数的水下滑翔机水动力方程。接着将水动力方程代入整机动力学模型,实现了水下滑翔机航速、静稳定性和能耗的定量评估。然后基于动力学仿真结果与多项式拟合,建立了水下滑翔机性能评估模型的代理模型,并结合第二代非劣排序遗传算法(NSGA-II)实现了翼面沟槽参数的高效多目标优化计算,数值算例表明,优化结果显著提升了水下滑翔机的综合性能。最后采用3D打印技术试制了机翼样机,证明了设计方法的工程可行性。
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  基于三段四次载荷控制的离心泵叶轮设计方法及试验研究

  鲁阳平, 谭磊

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(12): 2115-2121. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.27.032

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  针对离心泵叶片载荷控制精度低、高效运行区间窄的难题,该文基于三段四次函数控制叶片载荷分布,提出了一种离心泵叶轮设计方法。该方法将叶片载荷沿叶轮进口到出口分为进口段、中间段和出口段,每段给定四次函数型载荷分布规律,构建基于三段四次载荷控制的叶轮设计方法。基于本文提出的设计方法,设计了一台比转速为102的离心泵,并对其能量特性和流场特性开展了数值模拟。结果表明,相比基准叶轮,优化叶轮在多工况点下的平均效率提高了5.35%,且具有宽广的高效运行区间。优化叶轮内部压力分布更加均匀,流线分布更加合理。最后,本研究加工了离心泵叶轮和泵体,搭建了流体机械综合性能试验台,试验测量结果表明离心泵最高效率为78.20%,满足设计要求。
水利水电工程
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  基于ICESat-2数据的山区细小河流断面提取

  李丹, 覃超, 薛源, 徐梦珍, 刘英杰

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(12): 2122-2131. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.21.021

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  河流以一定的边界形态承载着水流及物质的输移,受现场量测困难、水文观测站点有限及数字高程模型(digital elevation model,DEM)精度限制,导致分布在江河源区、山区和偏远地区的细小河流断面信息积累极为匮乏,阻碍了河流水文、水动力过程等方面的研究。国际水文协会(IAHS)自本世纪初力倡解决无测站流域水文预测难题,使得高精度提取无测站流域河流水文信息变得越来越重要。ICESat-2(ice,cloud and land elevation satellite-2)卫星测高任务具有在缺资料地区采集高密度地表点云的能力。该文以黄河中游一级支流皇甫川流域缺资料地区河宽小于10 m的细小河流为研究对象,提出了一种利用ICESat-2 ATL03数据提取山区细小河流断面形态的方法。通过光子点云中、高置信度选择、平滑滤波去噪处理和DEM构建,提取了3个不同点位细小河流断面形态并与无人机原位测量结果进行对比分析。结合中、高置信度点云选择和滤波去噪可以有效地去除光子点云噪声,去噪率在63%以上;基于ATL03数据提取的地面点完整度和丰富度优于利用ATL08产品对ATL03分类得到的地面点;基于ATL03数据提取的河流断面形态结果与无人机原位测量结果基本一致(R²>0.96,RMSE=0.69 m)。研究结果初步证明了ICESat-2测高数据用于缺资料地区细小河流断面提取的可行性,可为全流域三维河网构建、水文水动力过程模拟等提供技术支持。
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  基于动态网格和局部时间步长技术的城市洪涝模型加速方法

  杨芳, 胡豫英, 宋利祥, 赵建世

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(12): 2132-2143. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.22.032

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  二维水动力模型能够模拟洪涝在地表的淹没及演进过程,是城市洪涝防御的关键工具,已得到越来越多的研究与应用。在精细化洪涝过程模拟中,细小的网格单元会显著增加网格数量、减小时间步长,大大降低模型计算效率。使用动态网格控制策略可减少实际参与计算的网格单元数量,使用局部时间步长技术可提高模型计算的平均计算步长。融合动态网格控制策略和局部时间步长技术,在有效单元上采用分级时间步长,可进一步结合两种策略的优势,减少模型计算量,提升二维水动力模型的计算效率。理想溃坝算例测试结果表明：动态网格控制策略在干网格数量多时效果明显,局部时间步长技术在网格尺度差异较大时效果显著。在南岗河流域洪涝模拟算例中,两种算法融合使用,最大可节省计算耗时约60%,能有效应对城市洪涝模拟过程中无效网格单元多、无效计算量大的问题。
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  基于标贯击数估计海上钢圆筒最大可沉入直径

  张晖, 沈晓鹏, 申辰, 莫伟彬, 呼延彬, 王睿

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(12): 2144-2154. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.22.035

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  插入式钢圆筒通常采用振动式沉桩方法安装,安装前需对钢圆筒振沉能力进行评估,现有的评估方法需要开展大量土工试验以确定土层的强度参数,经济成本和时间成本较高。该文提出了一种基于场地标贯击数快速评估钢圆筒振沉能力的方法,通过经验公式将土层的标贯击数和强度参数关联,计算不同直径钢圆筒振入过程中的阻力。经检验,该方法计算得到的阻力与规范方法的结果基本一致,与现场施工记录到的最大激振力相符。该文分析了土层性质及土层的分层情况对振沉能力的影响,当标贯击数较小时,相同标贯击数的黏土比砂土对钢圆筒振入的阻碍作用更大,标贯击数较大时则反之;当土层含有夹层时,存在一个临界标贯击数,当夹层土的标贯击数大于该临界值时,振沉能力随夹层土标贯击数的增大迅速减小。该文提出的方法与分析得到的结论可为插入式钢圆筒快速、合理地设计和施工提供参考。
土木工程
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  振动载荷对青砂岩冲击裂纹扩展及能量利用效率的影响

  赵环帅, 潘永泰, 余超, 乔鑫, 曹行健, 牛学超

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(12): 2155-2165. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.22.029

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  在岩石破碎过程中,外部加载方式是影响岩石力学特性与破裂行为的重要因素。振动、冲击是最常用的两种加载方式,但目前研究主要集中于单一加载方式,关于振动载荷对岩石在冲击过程中破裂特征的影响研究较少。该文结合室内试验与细观参数标定,建立青砂岩宏-细观力学响应关系,对比分析了冲击、振动冲击复合加载下的裂纹扩展及能量利用效率。研究结果表明：在相同冲击速度作用下,增加振动频率或振幅,青砂岩裂纹数量与能量利用效率的增幅总体上均呈现出增大趋势。两种加载方式下,随着冲击速度的增大,青砂岩裂纹最大数量均呈接近直线形增长,拉伸裂纹的数量居多,裂纹的分布均呈X状共轭斜面特征,但振动冲击复合加载下裂纹增长速度相对较大;建立了振动载荷下裂纹增加的数量与冲击速度的定量关系。振动载荷对最大能量利用效率的增幅呈现出先快速增加后减小的趋势,最大增幅为0.725%。该研究初步探索了振动载荷对青砂岩冲击裂纹扩展及能量利用效率的影响,可为岩石破碎工艺参数的合理选择提供参考。
  
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  深部煤层非连续区地应力场反演方法

  周家兴, 王金安, 李飞

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(12): 2166-2176. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.21.018

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  随着煤矿开采深度的增加,断层等非连续构造活化会对煤层安全高效开采带来巨大隐患,掌握精确的地应力场分布对于开采工程设计与施工、防灾减灾具有重要的指导意义。针对深部地应力场的非线性及非连续性特征,推导了正断层、逆断层和走滑断层区域地应力侧压力系数的稳定性判别式,并基于长短时记忆神经网络算法,提出了深部煤层非连续区的地应力场反演方法。该方法将不同时期的地应力资料作为时间序列进行优化学习,有效解决了深部实测地应力数据的非线性、离散性、多噪声等问题,确保了优良地应力数据信息长期记忆,不良地应力数据信息及时遗忘。以上海庙矿区鹰骏二号井田主副井区域为例,考虑了不同尺度断层的地应力场分布特征,反演得到详尽的地应力场分布。反演与实测地应力场的相关系数为0.945,平均误差为12.897%,地应力差值的标准差为2.000。因此,该方法可为深部煤层非连续区地应力场反演提供新的思路。
公共安全
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  老化时间对聚乙烯导线火蔓延及滴落行为的影响研究

  张英, 吴凌立, 张波

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(12): 2177-2184. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.27.020

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  为研究老化聚乙烯导线火灾特性的影响规律,该文开展了不同老化时间下聚乙烯导线火蔓延特性实验研究,探讨不同老化时间对聚乙烯导线火蔓延行为的影响规律,包括火蔓延行为和滴落行为。实验结果表明,火焰高度、宽度和火蔓延速度随着老化时间的增加而降低,聚乙烯导线熔融滴落物的滴落频率和滴落质量随着老化时间的增加而降低,单液滴的质量随着老化时间的增加而增加。结合实验结果和理论分析得到了老化对聚乙烯导线火蔓延行为特性的影响规律。