为量化森林草原火灾蔓延过程中, 周边重要保护目标(如输电线路、危化品储罐、核设施等)所受到的动态威胁, 该文提出一种融合数据驱动火蔓延预测与动态Bayes网络(dynamic Bayesian network, DBN)的火场风险评估方法, 重点解决火灾蔓延的各类影响因素随时空环境持续变化带来的风险预测误差累积问题。首先将火场及其周边重要保护目标离散为节点, 构建包含时序自相关与空间蔓延依赖的DBN结构, 并将火蔓延速率和火强度预测结果输出映射为节点间条件概率与载体失效概率模型参数, 随后动态修正网络中的条件概率, 实现受灾失效概率的时变推演。针对仅存在单一承灾载体的风险场景, 使用所提方法预测出：在多种燃料可燃性和风速的组合工况下, 输电线路、危化品储罐和核设施的24 h失效概率的最大增幅分别为22%、68%和20%;针对存在多个保护目标的风险场景, 使用所提方法预测出：在野火蔓延条件下, 不同重要保护目标结构差异性和与火线距离远近导致输电线路、危化品储罐和核设施的24 h失效概率分别达到0.24、0.14和0.53。在此基础上, 引入隔离带开设策略, 随着对蔓延速率的抑制效能增大, 输电线路节点受灾失效概率可降至0, 核设施可降至0.12, 而危化品储罐由于分布情况和自身结构存在差异, 受灾失效概率并未显著下降。结果表明, 所提方法能够在火情与环境持续变化条件下动态更新不确定性传播过程, 为干预策略评估提供定量依据。
为揭示制粉系统中沉积煤粉自燃引发爆炸临界条件和动力学特征, 该文建立了煤粉燃烧爆炸实验系统, 结合数值模拟对热环境下的沉积煤粉自燃、喷射和爆炸过程及行为特征进行研究。首先, 研究了煤粉在不同温度热板上的温度演化特征和自燃临界条件; 然后, 对不同自燃程度的煤粉层进行卷扬, 分析了煤粉云的形成、点火、爆炸过程; 最后, 基于Fluent软件的离散项(DPM)、气固燃烧及P-1辐射等模型仿真了煤粉卷扬引发爆炸的过程, 分析了颗粒轨迹、速度和爆炸温度等特征, 确定了诱发爆炸的氧气和煤粉云质量浓度的临界值。实验结果表明：沉积煤粉层厚度越大, 可引发自燃热板温度越低, 厚度为10 mm时, 热板温度最低为225℃; 当煤粉层内部温度处于275~395℃时, 卷扬后可诱发煤粉云爆炸; 当环境温度从120℃升高至200℃时, 煤粉燃爆的临界煤粉云质量浓度从380 g/m3降低至95 g/m3, 氧气体积分数从21%降低至13%。煤粉云爆炸主要发生在减速扩散和自由扩散阶段, 自燃阶段积累的CO等可燃气体被高温颗粒点燃, 气相燃烧点燃煤粉颗粒及其固相燃烧是自燃引发爆炸的重要过程。
野火作用下流场非平稳性显著, 但传统的Reynolds平均和分解方法(Reynolds averaging and decomposition, RAAD)因平稳假设难以有效分离趋势项, 常导致湍流参数高估。因此, 为了揭示顺风野火过境时火场上空湍流的垂直分布与异质特性, 该文提出了一种基于非平稳模型的湍流分量重构方法, 围绕一次大尺度计划烧除过程中火场内气象塔不同高度处的三方向风速、温度观测数据, 选用基于经验模态分解的非平稳模型, 分离时变平均风、次中尺度脉动与湍流脉动, 并进行湍流数据重构。然后分析了湍流特性参数随高度的变化规律, 并与平稳模型获得的结果进行对比。结果表明：与RAAD方法相比, 该研究所提方法显著降低了湍流参数的高估; 顺风野火过境时, 湍流动能与湍流动量通量在3 m和10 m高度处量级较为接近, 而在20 m高度处显著高于低层; 湍流感热通量的峰值则随高度增加呈递减趋势。该研究突破传统平稳性假设的局限性, 提供了更符合物理本质的火场湍流统计特征, 为校准耦合火-大气数值模型中的亚格子湍流参数化方案提供了关键实测依据, 同时对提高近场烟雾扩散的预测精度具有重要的指导意义。
为了探究凹型结构下火羽流行为特性的演变规律, 该文依靠1∶10缩尺寸实验平台, 设计不同尺寸、不同热释放速率的凹型竖向结构火灾试验, 进行平均火焰高度和竖向温度等特征参数分析, 揭示凹型竖向结构下火羽流行为的演变机制。结果表明：平均火焰高度随着热释放速率的增加而升高, 最高可达0.68 m, 竖向温度随高度增加有所下降, 且受结构尺寸影响。明确了结构尺寸和火源位置两者耦合作用下所产生的氧气供应和热反馈效应对火羽流特征参数的影响, 通过引入无量纲结构因子(d/D)a(w/D)b, 建立凹型结构下火羽流平均火焰高度以及竖向温度的无量纲表征模型。该文为火灾动态演变模型构建以及火灾扑救提供了理论依据, 具有现实指导意义。
为了评估高落差电缆隧道的火灾风险, 明晰导致火灾发生的危险事件, 该文建立了基于风险矩阵的风险评估方法, 从火灾发生概率和后果严重性两方面评估高落差电缆隧道的火灾风险。一方面, 识别火灾发生路径, 构建事故树, 分析不同坡度下顶上事件发生概率, 计算各基本事件的重要性, 确定需要重点防控的基本事件。另一方面, 根据隧道内设施的承灾能力建立后果严重性等级划分标准, 通过CFD软件模拟不同坡度下火灾的后果严重性, 根据风险矩阵得到高落差电缆隧道的火灾风险等级。最后, 根据评估结果, 提出具有针对性的防控对策建议。评估结果表明, 高落差电缆隧道的火灾风险等级处于低风险等级, 风险较为可控。该评估方法能识别高落差电缆隧道的火灾风险及其关键致因, 为决策者提供科学依据。
当居民厨房、餐饮场所及化工厂车间等复杂环境中发生火灾时, 火灾烟雾常与可燃气体泄漏风险伴生, 增加了监测难度。现有火灾探测器虽然种类丰富, 但大多针对单一风险; 多传感器组合虽可实现多目标监测, 但存在成本高和集成度低等问题。为实现在复杂环境中针对火灾烟雾与甲烷气体泄漏风险的复合监测和预警, 该文提出一种基于1 653nm散射-消光复合信号的复合探测方法, 并研制了新型单激光光源烟雾-甲烷复合探测器。该探测器采用多反射镜与十字交叉光路设计, 相较于对射式设计在相同体积下实现了6倍吸收光程和4倍散射信号增强; 实验结果表明, 该探测器可测出0.008%的甲烷体积分数、0.05 dB·m-1的烟雾消光强度, 具备高精度的烟雾与甲烷复合探测能力。
飞机机体叠层结构装配常采用多功能末端执行器和钻铰锪一刀自动制孔工艺, 并利用末端执行器的压脚监测和补偿工件变形对锪窝精度的影响。当压脚无法随着工件面形进行自适应调整时, 会带来系统性补偿误差。为了揭示叠层结构自动制孔时的锪窝误差和补偿误差规律, 该文设计了一种反映飞机结构装配制孔变形特点的框架式叠层结构模拟试件, 通过有限元仿真和自动制孔试验来定量研究飞机典型结构特征参数和孔位参数对叠层结构变形、锪窝误差和补偿误差的影响。研究结果表明：框架式叠层结构下层通过其支撑作用改变上层工件的变形行为, 肋板可以增强框架刚度从而减小上层工件的局部变形。叠层结构参数对锪窝法矢和顶角误差影响较小, 对深度误差和补偿误差影响显著, 但补偿误差在一定叠层结构参数范围内保持稳定。该补偿误差规律有助于通过前馈方式消除系统性补偿误差从而有效提高框架式叠层结构件的锪窝精度。
人形机器人的运行工况日趋复杂, 加剧了其谐波减速器的碰撞风险, 该文提出一种新型接触冲击力计算方法以表征谐波减速器的抗冲击性能。该方法基于Hertz接触理论模型, 精准计算带载荷的谐波齿轮传动的多个啮合冲击点, 确定齿侧间隙下的初始相对速度, 并结合Hunt-Crossley含阻尼系数的滞后模型, 计算出谐波传动碰撞过程中的接触力。运用瞬态动力学对理论冲击力模型进行验证。系统探讨柔轮凸圆弧半径、凸齿圆心偏移量、凸齿圆心移距量、齿根壁厚等齿廓参数对冲击力的影响机制。结果表明, 凸圆弧半径对啮合冲击力的影响最大, 齿根壁厚对啮合冲击力的影响最小。该研究成果为谐波减速器抗冲击性能提升提供理论支撑。
针对高精度晶圆键合中, 由晶圆弹性变形、夹持约束条件和键合波传播动态耦合导致的键合残差问题, 该文提出一种综合考虑晶圆各向异性、夹持边界效应和键合波传播行为等多物理场耦合分析模型。首先, 通过构建基于各向异性薄板弹性力学-气膜动力学-接触力学-键合工艺过程的耦合仿真模型, 实现了300 mm晶圆键合过程的亚微米级精度有限元模拟, 并结合图案化晶圆几何形状测量试验验证了该模型的有效性; 随后, 基于上述模型系统研究了键合头材料与面形和晶圆初始间隙对键合残差的影响, 并验证了工艺策略调整对残差的抑制效果。结果表明：采用平面键合头和低刚度材料(聚乙烯)可使键合残差降低约40%;随着初始间隙的增加, 残差二范数和3σ值均增加。该文研究结果可为晶圆键合工艺参数的协同优化提供参考。
变体飞行器伸缩机构的滑动导轨间隙大且刚度低, 导致其动力学特性复杂。该文针对伸缩机构中滑动导轨动力学建模方法和动力学特性开展研究, 考虑导轨变形, 采用有限元梁单元建立导轨模型; 考虑导轨与滑块之间的间隙, 提出一种判断导轨和滑块接触状态的检测方法。为避免导轨与滑块线接触和面接触的接触力模型计算的接触力差距较大问题, 该文修正了变刚度接触力模型的阻尼系数; 综合考虑导轨变形和导轨与滑块之间间隙, 基于Lagrange乘子法和Baumgarte违约修正建立了滑动导轨动力学模型, 并提出动力学模型的稳定数值求解方法, 揭示了导轨弹性、间隙尺寸和导轨形式对滑动导轨动力学特性的影响规律。结果表明：考虑导轨弹性时, 滑块侧向位移增大, 接触力峰值降低; 间隙尺寸增大会引起更剧烈的碰撞, 使导轨变形增大; 相较于单导轨, 双级双导轨形式下滑块侧向位移显著增大, 且发生卡滞现象的可能性更大。该文研究结果可为伸缩机构滑动导轨的设计和控制提供参考。
在机器人控制的强化学习场景中, 阐明状态、动作与奖励之间的因果联系, 对提升策略的可解释性和保障决策的安全性至关重要。当前, 大多数深度强化学习算法仍依赖“黑箱”式策略, 难以揭示潜在的因果结构; 而在高维且不断演化的状态—动作空间中, 传统的注意力机制也无法有效捕捉跨越多个时间步的因果依赖关系。基于此, 该文提出了一种基于图神经网络-神经元因果模型(graph neural network-neural causal model, GNN-NCM)的机器人运动技能策略解释算法, 利用GNN代替传统注意力机制进行精准建模, 从而推断状态和动作对未来回报的因果影响。首先, 利用条件独立性检验发现因果关系的结构; 随后, 训练GNN, 并对节点和边进行联合表征和量化, 最终实现对状态—动作—奖励因果影响的精确推断。通过对LunarLander和Hopper-V4这2个代表性环境的实证研究, 结合状态拆解、动作分离和热力图可视化分析, 该文不仅从各个状态维度揭示了状态—动作—奖励的因果强度, 还提升了因果解释模型的精度。结果表明：该文所提方法在解释精度、因果可视化和长期回报预测方面均优于现有因果解释模型; 在Hopper-V4环境中, 相较于传统注意力方法, GNN推理网络的因果预测均方误差平均降低了62%, 充分验证了该文所提方法在高维连续控制任务中的因果建模和解释能力。该文研究结果可为高风险连续控制场景下强化学习算法的可解释性设计和工程化落地提供参考。
针对山区震后道路损毁, 电力和通信中断等复杂极端应急救援场景, 直升机和无人机是应急救援的关键装备。传统救援方式通常将二者作为独立装备分别调度。为此, 该文突破“阶段化”的优化局限, 搭建了异构航空器“并联”救援范式和基于性能差异的混合任务分配模型, 在全局层面优化了异构平台的协同效率。首先, 综合考虑救援收益和时效性, 以救援满意度为核心优化目标, 并结合受灾点动态优先级和航空器性能约束等关键因素, 搭建了异构航空器联合任务分配模型; 其次, 针对传统非支配排序遗传算法-Ⅱ (non-dominated sorting genetic algorithm Ⅱ, NSGA-Ⅱ), 提出了一种改进的变异操作策略; 最后, 以2008年汶川地震为背景, 在不同规模救援场景下验证了所提模型和算法的有效性。结果表明：直升机-无人机协同救援模式能够优先响应重伤人员救援需求, 有效应对复杂灾情; 融合贪心策略的改进NSGA-Ⅱ算法在求解质量方面优于传统算法, 所得任务分配方案在资源利用率和救援时效性方面效果较好。该文研究结果可为制定山区应急救灾的航空器协同救援策略提供理论参考。
随着无人技术的发展, 以无人监测船为代表的新型无人平台在渔业活动和非法捕捞行为监测等场景中得到广泛应用。当前, 围绕水中无人平台的智能性的测试和评估工作还处于起步阶段, 同领域可参考的案例样本较少, 急需探索新的方法。该文对无人驾驶汽车智能性等级评定方法进行对比分析, 搭建了适用于合作状态的UP-RAGAs评估框架, 提出了功能映射分级和本体能力评估方法; 在此基础上, 引入天气状况、目标状态等影响因素, 构建了非合作状态下的OODA+E评估方法, 提出了基于Bayes定理的多因素联动评估方法, 以满足不同场景和层级的评估需求。最后通过实例分析验证了相关方法的先进性和可行性。该研究成果拓展了评估结果的维度, 为无人监测船的智能性评估提供了更为科学、系统的解决方案。
无人机集群执行任务时的环境条件和任务需求会不断变化, 加大了多机协同控制的难度。为了优化无人机集群协同控制效果, 该文提出一种融合目标分配优化策略的多旋翼无人机集群智能协同控制方法。以路径代价和平均时间成本最小为优化目标, 构建无人机集群目标分配函数, 利用匈牙利遗传算法对模型求解, 确定最佳分配方案。在完成无人机集群目标分配的基础上, 将无人机编队和传统弹性系统相结合, 构建多旋翼无人机的弹性系统模型, 分别依据弹性系统模型和改进指数趋近律进行无人机编队控制器和期望位置控制器的设计, 通过2个控制器的协同工作, 最终实现多机智能协同控制。实验结果表明, 所提方法应用于无人机集群控制后, 可以适应环境条件和任务需求的动态变化以完成高质量的目标分配; 在多机智能协同控制性能方面, 所提方法相较于传统方法的控制精度提升了20.35%, 任务完成时间缩短了15.42%, 多机智能协同控制性能得到了显著提升。
驾驶疲劳可导致驾驶人生理机能衰退和心理认知资源耗竭, 是引发交通事故的重要原因, 且具有普遍性、隐蔽性和高危害性等特征。深入研究驾驶疲劳的演化机理, 研发精准的监测、预警和干预技术, 是保障交通安全的重要途径。然而, 现有驾驶疲劳研究对驾驶疲劳机理, 以及监测、预警和干预技术的探讨不足。基于此, 该文首先系统梳理了驾驶疲劳的致因因子, 以及生理物质代谢失衡和心理资源耗竭模型等机理假说; 其次, 综述了驾驶疲劳的监测、预警和干预技术发展现状; 最后, 提出了驾驶疲劳防控策略。结果表明：当前研究通过生理状态、视觉图像和驾驶行为等多源信息融合技术进行驾驶疲劳状态监测, 相较于单一指标监测, 显著提升了监测方法的鲁棒性和准确性; 驾驶疲劳预警干预技术正从被动的监测预警向结合时序分析和场景感知的主动预测干预转变, 预警策略涵盖车端对驾驶人视觉、听觉和触觉的刺激, 自动驾驶车辆接管技术和路端设计优化。该文研究结果有利于相关部门完善管控策略和优化预警干预方法, 进而降低疲劳驾驶引发的交通安全风险。
近年来, 自动紧急制动(automatic emergency braking, AEB)系统在降低交通事故严重性方面的有效性已得到验证, 但其在雨天、高速、交叉路口及复合情形交通场景中的性能仍存在明显不足。针对这一问题, 该文提出了一种基于高精度地理数据融合的增强型AEB系统, 旨在提升系统在特定交通环境下的适应能力。首先基于系统理论过程分析(system-theoretic process analysis, STPA)对系统关键控制行为及潜在风险原因进行结构化识别, 并结合层次分析法(analytic hierarchy process, AHP)对影响AEB性能的多维风险成因进行量化, 构建系统化的风险权重体系。在此基础上, 融合高精度地图先验信息提出增强型碰撞时间指标T1, 实现对不同道路结构和环境条件的风险感知与响应优化。试验结果表明, 相比于传统AEB系统, 该文所提方法显著优化了碰撞威胁识别精度和制动触发时机, 并大幅提高了最终制动效果, 使其在多类道路条件下具备更高的安全性与可靠性。
为提高隧道衬砌裂缝、渗漏水、起皮、掉块等表观病害智能检测效率及准确度, 该文采用YOLO框架, 结合主干信息共享与特征自适应加权融合机制提出一种衬砌表观病害检测网络(lining apparent defect detection network, LADDNet)。首先, 采用轻量化ShuffleNet、GhostNet辅助CSPNet构建三分支特征协同提取网络, 以实现不同主干间信息的传递共享; 其次, 设计并提出一种注意力集成多感受野特征自适应融合(attention-integrated multi-receptive field adaptive fusion, AMFAF)模块, 通过并行多感受野卷积及注意力加权实现对主干输出特征的自适应融合; 最后, 引入基于注意力的尺度内特征交互(attention-based intra-scale feature interaction, AIFI)模块和自适应特征融合检测头(adaptively spatial feature fusion head, ASFF-Head)以提高算法对多尺度特征的表征能力, 并完成整体框架的端到端检测。实验结果表明：LADDNet在验证集推理中获得的F1分数为0.831, mAP@0.5为0.848, mAP@0.5:0.95为0.595, 精度指标高于对比模型检测结果; LADDNet的推理时间、参数量和浮点运算数分别为：9.2 ms、14.07×106和21.4×109, 相较RT-DETR能够展现出更优的检测速率。
现有的直流融冰装置存在体积大、重量重、运输困难的问题, 整流变压器是直流融冰装置的核心部件, 优化其结构有利于减轻装置重量, 提升运输便捷性。该文基于变压器基本理论, 提出一种应用于整流变压器的三相立体对称铁芯结构及其叠片方式, 推导电磁场方程和主、互磁通相量关系。随后建立有限元数值计算模型, 分析磁场时变规律及损耗密度分布特性, 提出现有数值计算方法在磁畴微观作用处理上的局限及竖直对称面附加损耗。试制一台容量为4 MV·A的样机并进行热循环空载试验, 结果表明, 样机铁芯损耗是计算值的2.18倍, 各相铁芯竖直对称面附近出现明显温升, 验证了提出的附加损耗。基于此, 给出一种适用于三相立体对称铁芯损耗的校正算法; 最后通过不同容量的4台样机进行试验, 获得算法待定系数。该研究可为三相立体对称铁芯的工程应用提供理论参考。
在政府大力推进智能化改造和数字化转型过程中, 政务数据的共享交换发挥着关键作用。现有政务数据共享交换体系呈级联式结构, 存在数据路由实时性差和数据质量低等问题, 难以满足海量数据的大规模使用需求。此外, 现有政务数据共享交换体系在数据质量检查和供需双方底层路由快速建立等方面存在不足。为此, 该文首先基于分布式、高可靠性和灵活配置等设计原则, 提出一种基于分布式架构的政务数据共享交换体系, 并明确了该体系结构的功能构成和工作机制; 其次, 提出一种基于智能体的数据质检算法, 以确保数据的高质量供给; 随后, 提出一种地理感知路由算法, 减少了路由跳数; 最后, 基于分布式政务数据共享交换体系, 测试了实时交易、非结构化交易和批量交易3类典型业务场景, 并在黑龙江省进行了实例验证。结果表明：与Kademlia方法相比, 地理感知路由算法将平均跳数减少了76.82%;基于智能体的数据质检算法的平均识别率为93.06%, 平均召回率为93.50%, 平均评分为0.72。实时交易类业务测评的平均响应时间为722 ms, 中位数为594 ms; 非结构化交易类业务测评的大文件上传速率为220.0~235.0 MB/s; 批量交易类业务测评的平均流量达1.5 MB/s, 平均写入速度为1 961条/s, 相较于级联式政务数据共享交换体系的理论性能峰值, 分别提高了50%和91%。分布式政务数据共享交换体系提高了政务数据共享交换的实时性和数据质量。该文研究结果可为政府业务系统的智能化改造和数字化转型提供参考。
审稿意见