郑州大学学报(工学版)

2022年03期目录

2022年04月10 00:00

一种基于空间划分树裁剪外包框的空间索引方法

熊伟,李瑞清,陈荦,曹竞之,资文杰 — 2022年04月10 00:00

空间数据库中,基于 R 树的时空索引使用最小外包框对时空数据进行近似以提高查询效率,通过裁剪外包框的冗余空间可以进一步提高索引的效率。针对这一问题,提出了一种基于 CBB 的改进的时空索引方法。首先,将优化方法从平面二维拓展到了时空维度中,计算可能的裁剪点,在空间索引中记录外包框中的冗余空间范围,对索引节点外包框的裁剪空间进行优化,减少查询过程中不必要的子节点的计算然后,分析时空维度中查询框与索引节点外包框的相交情况,对查询中后续判断的算法进行研究,避免裁剪过程中冗余的裁剪点比较,优化了基于时空索引进行范围查询的计算过程。实验结果表明:所提空间索引方法裁剪索引节点外包框大小是 CBB 方法的 3 倍,且减少了 40%的节点计算量,查询耗时降低了 20%,进一步提升了基于空间划分树的时空索引的查询性能。

考虑杆臂误差的组合导航分离协方差交叉算法

2022年04月10 00:00

针对传统北斗/ 惯导组合导航系统进行信息融合时未考虑估计源之间的相关性而不能保证融

合一致性的问题,提出一种分离协方差交叉滤波( split CIF) 组合导航信息融合算法。将误差协方差矩阵

分离为相关部分和独立部分分别进行处理,实时更新最优滤波增益并通过量测信息获得一致性融合估

计,改善了融合相关数据时造成滤波过度收敛的问题。此外,在高精度组合导航中,杆臂误差是一个重

要误差源, 组合导航时会造成导航定位精度严重下降,通过静态杆臂测量并对惯导更新信息进行杆臂

误差补偿的方法降低杆臂效应影响,进一步提升导航定位精度。仿真结果表明:东向速度误差最大为

0. 041 m/ s,纬度误差最大为0. 495 m与补偿后的卡尔曼滤波相比,精度分别提高了45. 8%和34. 0%与

扩展卡尔曼滤波相比,精度分别提高了55. 1%和10. 0%。考虑杆臂误差补偿的split CIF 算法对杆臂估

计具有较好的准确性且具有较高的导航精度。

基于波形边缘检测的Wi-Fi室内定位信号TOA估计

马栋榉,李敏,张端金 — 2022年04月10 00:00

摘要: 为了实现室内目标的精准定位,研究基于 Wi-Fi 设备的信号到达时间( TOA) 参数具有重要意义。常用 TOA 估计方法主要存在估计偏差、算法复杂以及不具有普适性等问题。针对现有方法的缺陷,提出了一种新的 TOA 估计方法。该方法对 Wi-Fi 信号波形进行采样,采用空-频-时三维搜索算法,计算某一子载波间隔一个采样周期的相邻区间分别对应的信道状态信息的相位差,通过相位差判断计算信道状态信息值的信号处理区间是否进入波形边缘,得到 TOA 的估计值。数值仿真结果表明:在信噪比 SNR 超过 25 dB 时,本文方法获得亚米级精度的概率超过 58%随着 Wi-Fi 信号带宽的扩展,本文方法能够显著提升室内定位性能。本文方法克服了传统方法的缺陷,为信号到达时间估计提供了一条新的思路。

新型群体智能优化算法综述

高岳林,杨钦文,王晓峰,李嘉航,宋彦杰 — 2022年04月10 00:00

智能优化算法主要分为4类:仿自然优化算法、进化算法、仿植物生长算法和群体智能优化算法,其中群体智能优化算法是最为重要的一类算法。智能优化算法与图像处理,故障检测、路径规划、粒子滤波,特征选择、生产调度、入侵检测、支持向量机、无线传感器、神经网络等技术领域交叉融合,应用更加广泛。以蝙蝠算法、果蝇优化算法、鲸鱼优化算法、樽海鞘群体算法和哈里斯鹰优化算法为基础,对群体智能优化算法的模型,特征、改进策略及应用领域等进行了综述,从理论研究、改进策略和应用研究3个方面分析了其面临的发展机遇和未来趋势,给出了算法应用的指导意见。研究表明:群体智能优化算法在众多经典问题上的表现较好,而在多目标优化、多约束优化,动态优化和混合变量优化等领域仍有待扩展不同群体智能优化算法在面对各类具体问题时有效的参数控制仍是未来的研究重点种群协同进化、探索更高效的混合算法和搜索策略是可行的解决途径。

基于小波变换共空间模式的脑电信号解码

曲思霖,王从庆,李建亮,展文豪,张民 — 2022年04月10 00:00

针对运动想象脑电信号实现任务少、识别准确率低等问题,提出了一种基于小波包分解的共空间模式脑电信号特征提取方法。该方法通过长短期记忆网络进行脑电信号解码,采用独立成分分析的方法将运动想象信号进行盲源分离,采用小波包分解方法将每个通道脑电信号按频率分为8组。计算每组信号的功率值,采用递归特性消除方法去除对分类不重要的10个节点特征,将被选择的节点信号采用1对1共空间模式提取空域特征,将特征矩阵输入长短期记忆网络进行脑电信号解码,得到4类运动想象信号分类结果。采用本文方法对公开的脑机接口竞赛数据集(包括左手想象信号、右手想象信号、舌头想象信号、双脚想象信号)前3位受试者数据进行验证,结果表明:本文方法的识别准确率分别为90.28%,94.25%、96.55% ,平均识别准确率达到93.69%。与其他方法对比,本文方法识别准确率较高。用识别的脑电信号作为解码控制信号,控制虚拟太空环境中的空间机械臂顺时针或逆时针运动,达到抓取空间中目标物体的目的。

基于CNN与BiGRU融合神经网络的入侵检测模型

张安琳,张启坤,黄道颖,刘江豪,李建春,陈孝文 — 2022年04月10 00:00

针对深度学习入侵检测中出现的数据类不平衡及特征学习不全面等问题,提出了一种基于卷积神经网络(CNN)与双向门控循环单元( BiCRU)融合的神经网络入侵检测模型。通过SMOTE-Tomek算法完成对数据集的平衡处理,使用基于平均不纯度减少的特征重要性算法实现特征选择,将CNN和BiGRU模型进行特征融合并引入注意力机制进行特征提取,从而提高模型的总体检测性能。使用入侵检测数据集CSE-CIC-IDS2018进行多分类实验,并与经典单一深度学习模型进行对比。实验结果表明:在数据集平衡方面,经SMOTE-Tomek 算法处理, DoS attacks-Slow HTTP Test 识别准确率从0提升至34.66% ,sQL Injection识别准确率从0提升至100% , DDoS attack-LOIC-UDP 、Brute Force-Web和BruteForce-XSS分别提升了5.22百分点,6.55百分点和35.71百分点,证明了平衡后的数据集较未经过处理的数据集在少数类的识别精度上提升明显。在模型的总体检测性能方面,在多分类实验对比中,所提模型总的分类精确率、召回率以及F1值均高于其他几种单一神经网络模型。其中各攻击流量类别的总评精确率比LSTM模型提升了2.10百分点总评召回率比LSTM模型提升了1.50百分点总评F1值比GRU模型提升了1.97百分点,从而证明了该模型具有更好的检测效果。

基于DBSCAN_GAN_XGBoost的网络入侵检测方法

汪祖民,王冬昊,梁霞,邹启杰,秦静,高兵 — 2022年04月10 00:00

:由于网络异常流量检测中异常流量数据占比不平衡,导致模型不能对稀有攻击类别流量进行充分学习,从而影响模型训练和检测精度。针对这一问题,提出一种基于DBSCAN_GAN_XCBoost 的网络入侵检测模型,该模型在对稀有攻击类样本进行扩充时,着重扩充更容易让机器学习产生混淆的噪声样本。首先,利用DBSCAN算法对提取出的稀有攻击类别数据进行聚类处理,生成一个或多个子簇,并提取出簇内样本和游离在簇外的噪声样本然后,使用生成对抗网络模型对提取出的簇内样本和噪声样本分别进行样本扩充,改变数据集中原有的样本比例最后,使用重新构建后的数据集对以决策树作为基分类器的XGBoost算法进行训练,并完成网络异常流量数据的检测。采用UNSW-NB15数据集进行对比实验,实验结果表明:DBSCAN_GAN_XCBoost模型的准确率和精确率分别为98.76%和96.5% ,比样本扩充前分别提高了15.63百分点和19.60百分点,有效地提高了稀有攻击类别的检测精度。

糠醛抽出油再生沥青的流变和感温性能研究

吴文亮,代生林,斯李 — 2022年04月10 00:00

为了解糠醛抽出油作为沥青再生剂对不同老化程度沥青的再生效果,对糠醛抽出油再生沥青的流变性能和感温性能进行研究。通过将糠醛抽出油添加到轻度、中度和重度3种不同老化程度的沥青中,采用动态剪切流变试验和弯曲蠕变试验,研究糠醛抽出油对老化沥青的流变性能及感温性能的影响规律,并以不同指标对再生沥青的流变性能和感温性能进行评价。研究结果表明:随着糠醛抽出油掺量的增加,老化沥青的中温抗疲劳性能和低温抗开裂性能均得到提升,高温抗变形性能则降低不同老化程度的沥青在合适的糠醛抽出油掺量下性能能够恢复至基质沥青水平多重应力蠕变试验对沥青高温抗变形性能的评价比车辙因子更适用疲劳因子与线性扫描振幅试验对沥青中温抗疲劳性能的评价结果一致再生沥青的感温性能在不同的温度区间具有不同的表现,在46~76℃时,随着糠醛抽出油掺量的增加,3种再生沥青的感温性能均增强在-18~-6℃时,蠕变速率指数对感温性能的评价结果比蠕变劲度指数好,重度老化再生沥青的感温性能随着糠醛抽出油掺量的增加而增强,轻度和中度老化再生沥青的感温性能则相对减弱。以各项指标基本恢复到基质沥青水平为标准确定的最佳掺量为轻度老化4%,中度老化7% ,重度老化 8% 。

水泥土搅拌桩加固黄土路基稳定性研究

邓友生,孟丽青,蔡梦真,孙雅妮,李龙,郑云方 — 2022年04月10 00:00

针对黄土地区降雨入渗条件下路基稳定性问题,采用水泥土搅拌桩作为地基加固处理方法加固黄土路基。以黄土的基础土工试验和不同掺入量的粉煤灰,煤矸石改性水泥土的无侧限抗压强度测试结果作为依据,根据摩尔库伦理论和降雨入渗条件下路基的荷载-沉降原理,采用有限元分析软件ABAQUS构建降雨入渗条件下水泥土搅拌桩处理的路基模型,结合数值模拟结果,分析了水泥土搅拌桩加固黄土路基在不同的降雨时长、降雨强度和桩体弹性模量下黄土路基的荷载-沉降变化规律,讨论了黄土路基的承载特性,探索了降雨入渗对黄土路基稳定性的影响。研究结果表明:水泥土搅拌桩在降雨入渗条件下对黄土路基竖向有着明显的加强作用,路基坡脚的位移会随着降雨强度的增大及降雨时长的增长而增大在降雨强度为2 mm/h,降雨时长为18h的条件下,路面沉降随着桩体弹性模量的增大而减小桩体的弹性模量为300 MPa时,水泥土搅拌桩对黄土路基的加固效果最佳。

榫卯-灌浆套筒混合连接装配式方墩轴压承载力

林上顺,何乐,夏樟华,张乐彤,叶世集,陈治雄 — 2022年04月10 00:00

采用ABAQUS 软件,通过合理地挑选材料本构、单元类型,划分网格,建立边界条件,提出一种榫卯-灌浆套筒混合连接装配式方墩的有限元计算模型。该模型模拟了方墩在轴压荷载作用下的受力过程,与试验所得混凝土破坏形态,轴压极限承载力进行对比,分析了内部钢筋、钢管与灌浆套筒的受力状态,验证了所提模型的精度。在此基础上,以钢管混凝土(CFST)突榫中钢管的长度、厚度、直径为变量进行试验,结果表明:所提模型可以较好地模拟榫卯-灌浆套筒混合连接装配式方墩轴压过程,有限元计算得出的极限承载力与试验结果的比值的均值与方差分别为1.036和0.023增大CFST突榫中钢管的长度、直径可以明显提高榫卯-灌浆套筒连接装配式桥墩的极限承载力,改变CFST突榫中钢管厚度使榫卯-灌浆套筒连接装配式桥墩的极限承载力呈先增大后减小的趋势,但相对于改变钢管的长度、直径来说影响甚微提出地榫卯-灌浆套筒连接装配式方墩的轴压承载力简化计算公式,其计算结果均略低于试验和有限元参数分析的结果,与试验结果的相对误差均值为9.01% ,与有限元计算结果的误差均值为4.05%,误差较小，可用于该类型方墩的轴压承载力计算。

矿渣硅酸盐水泥除磷性能与机理研究

李强,段浩宇,高镜清,褚军辉,周昊昕,朱桐豆,金银珠 — 2022年04月10 00:00

为了解决高浓度含磷污水深度净化问题,探究矿渣硅酸盐水泥的除磷潜能,利用矿渣硅酸盐水泥对初始磷质量浓度为150 mg/L 的含磷废水进行吸附性能研究。结合扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等方法,对矿渣硅酸盐水泥磷吸附前后的表面形貌和晶体结构等进行表征和分析。吸附动力学实验结果表明:矿渣硅酸盐水泥可有效处理高浓度含磷废水,去除率可达90.3% ,吸附量可达27 mg/g,准二级动力学模型和颗粒内扩散模型能较好地解释其吸附动力学过程,除磷速率主要受化学反应速率限制,相比于表面吸附,颗粒内扩散是吸附过程中的决定性步骤。此外,吸附等温线研究结果表明:吸附过程可以用Freundlich和 Langmuir方程描述,相关系数均在0.97以上,说明矿渣硅酸盐水泥既发生了单分子层吸附,又发生了多分子层吸附,且其表面不均匀活性位点略强于均匀活性位点，Langmuir模型预估其最大吸附量可达47 mg/g。通过正交试验得出最佳反应条件:pH值为7,初始磷质量浓度为150 mg/L,投加量为5 g/L,吸附时间为18 h。在溶液不同初始pH值的条件下,矿渣硅酸盐水泥磷饱和吸附后出水表明其可以有效中和过量的酸或碱，具有良好的缓冲特性,化学吸附中的配位体交换是其主要的除磷机理。矿渣硅酸盐水泥适用于高浓度含磷废水,也适用于pH值不稳定的含磷废水。

NaHCO3 与典型气体协同灭火效果研究

梁天水,张俊格,毛思远,张华杰 — 2022年04月10 00:00

为了探究不同粒径 NaHCO3 粉体的灭火效果,对比其与不同典型气体灭火剂之间的协同灭火效果,获得协同效果最佳的气固比例,为气固协同灭火相关研究提供数据支持。以 4、10、48 μm 3 种不同粒径的 NaHCO3 粉体为研究对象,采用电子扫描电镜观察不同粒径的 NaHCO3 粉体,确定粉体颗粒均匀分布的状态,基于杯式燃烧器装置开展熄灭甲烷火焰实验,根据实验结果分析粒径大小对粉体灭火作用的影响,选择出灭火效果最好的 4 μm NaHCO3 粉体与典型气体灭火剂 CO2 、N2 、He、Ar 进行气固协同实验,获取 NaHCO3 粉体在不同典型气体灭火剂浓度下的临界灭火浓度,从而计算协同因子定量评价气固的协同灭火效果,选择协同效果最佳的气固比例及典型气体灭火剂。实验结果表明:粉体平均粒径越小,灭火效果越好, 灭火效能排序为 4 μm Na HCO 3 >10 μm NaHCO3 >48 μm NaHCO3 ,4 μm NaHCO3 粉体的灭火效能约是 10 μm NaHCO3 的 2. 2 倍4 μm NaHCO3 粉体与气体灭火剂均有一定的正协同效果,随着气体灭火剂体积分数的增加,NaHCO3 粉体的临界灭火浓度均有下降,且在不同气体灭火剂氛围下,临界灭火浓度下降趋势有一定的相似性。当 CO2 、N2 、He、Ar 体积分数为 7. 1%、6. 4%、8. 5%、10. 1%时,与 4 μm NaHCO3 粉体的协同效果达到峰值,对应协同因子为 0. 58、0. 62、0. 69、0. 764 种典型气体中, CO2 的协同效果最好。

PEI改性沙柳对水中酸性铬兰K的吸附作用研究

2022年04月10 00:00

以环氧氯丙烷为交联剂制备聚乙烯亚胺/沙柳(PEI-SP)吸附剂,研究其对水中阴离子染料酸性铬兰K(ACBK)的吸附行为,采用吸附动力学模型和吸附等温线模型对实验数据进行拟合分析。动力学模型拟合结果表明:PEI-SP对ACBK的吸附过程符合Elovich模型,该吸附过程为非均相化学吸附过程且膜扩散为吸附过程的主要速率控制步骤。等温线模型拟合结果表明:Koble-Corrigan模型能很好描述PEI-SP对ACBK的吸附过程,说明PEIl-SP对 ACBK的吸附主要以单分子层吸附为主,同时也存在多分子层吸附。在298 K时,根据Langmuir模型计算PEI-SP对ACBK的最大单分子层吸附量为0.428 mmol/g。通过pH值对吸附量的影响可以看出,随着pH值的增加PEI-SP对ACBK的吸附量逐渐降低。当 pH<6.78时,ACBK分子主要通过静电吸引作用吸附在PEI-SP表面。通过对吸附前后PEI-SP的红外光谱以及pH值对吸附性能的影响进行分析可知,PEI-SP对ACBK 的吸附机理为静电吸引作用、氢键以及示—w堆叠作用。解吸再生实验结果表明:吸附剂经过3次吸附/解吸附循环仍可维持吸附性能,显示出良好的再生性能,该吸附剂在处理阴离子染料废水方面具有良好的应用前景。

水下脉冲放电等离子体系统及其放电特性研究

李海华,王魁英,杨小丽,王志琛,张梦梦 — 2022年04月10 00:00

采用 Ar / O2 混合气体作为放电气体,脉冲电源作为驱动电源以提高放电效率,采用微孔陶瓷电极以提高放电生成的活性物质的传质效果。通过最低激发电压分析和光谱诊断·OH、H2 O2 、O3 等活性物质生成情况,分析不同放电条件下的靛蓝染料降解特性,系统研究了该水下放电系统的放电特性。实验结果表明:该装置最低可实现 2. 1 kV 的低电压驱动水下大面积均匀放电,氧气占比对放电激发电压的影响最大光谱分析结果未能诊断到·OH 的特征光谱,但是显示有激发态的 H、O 等活性物质生成增加频率和电压有利于·OH、H2 O2 、O3 等活性物质的生成及染料脱色效率的增加增加气体流量有利于H2 O2 、O3 的生成,但是不利于·OH 的生成,整体上对染料脱色效率的影响不大随着氧气占比增加,O3生成量增加,但是·OH、H2 O2 及最终的染料脱色效率先增加后降低。综合考虑各因素及成本问题, 系统最佳放电条件:气体流量 Ar 为 160 mL / min、O2 为 40 mL / min、输出频率为 2 kHz、脉冲电源电压为 5 kV、脉宽为 1 μs,此条件下放电 1 0 min 后对靛蓝二磺酸钠的平均脱色率达到 97. 8%。

RV减速器摆线针轮传动脂润滑弹流分析

陈江义,史文华,秦东晨,王迎佳 — 2022年04月10 00:00

根据RV减速器摆线针轮的几何学和运动学理论，分析了不同啮合位置的当量曲率半径、卷吸速度和载荷的变化规律；基于线接触脂润滑弹流模型对摆线针轮在不同啮合位置进行润滑数值分析，获得不同负载、卷吸速度以及流变指数下的脂膜形状和压力分布，并分析了针齿从摆线轮齿根到齿顶啮合过程中的瞬时润滑特性，找到了摆线轮的润滑不良区域。结果表明，摆线针轮啮合过程中，由于当量曲率半径、卷吸速度和单位长度载荷的变化使得不同啮合点的润滑状态随之变化；针齿从摆线轮齿根到齿顶润滑性能由好变差，摆线轮齿顶部位为润滑不良区域。进行脂润滑数值分析,获得了啮合离散点的脂膜形状和压力分布,进而通过计算膜厚比得出针齿从摆线轮齿根到齿顶啮合过程中的瞬时润滑状态,确定了摆线轮的润滑不良区域。结果表明:脂润滑的膜厚、压力分布特征及其随载荷和卷吸速度的变化规律与油润滑的特征规律相似,但从定量角度看,相同条件下油润滑的膜厚要高于脂润滑膜厚;在 RV 减速器摆线针轮传动中,随着针齿从齿根到齿顶的啮合,当量曲率半径快速降低后变化缓慢,卷吸速度先降低后缓慢增大,单位长度载荷快速增大后缓慢降低;当量曲率半径、卷吸速度和单位长度载荷的变化也使得不同啮合点的润滑性能随之变化,针齿在摆线轮齿根部位啮合时脂膜厚较大,从摆线轮齿根到齿顶润滑性能逐渐由好变差,摆线轮齿顶部位为润滑不良区域;润滑脂膜厚随着流变指数的增大而增大,通过增大润滑脂的流变指数,可以有效改善摆线针轮传动的润滑状态,提高摆线轮的寿命。

基于轨迹加权预测的主动避撞安全距离模型及算法

张三川,马啸 — 2022年04月10 00:00

为有效解决现有主动避撞系统相邻前车变道切入工况下的车-车避撞问题,提高智能汽车的主动安全性,通过随预测时间变化的权重系数函数将 CTRA 恒角速度恒加速度运动模型和五次多项式变道轨迹模型进行加权融合,构建一种同时满足短时、长时的前车变道切入轨迹预测模型,在此基础上,建立了相邻前车变道切入工况下的主动安全距离模型,并设计了相适应的主动避撞算法。通过 PreScan 搭建主动避撞场景并与 Simulink 进行联合仿真,结果表明:相邻前车变道切入轨迹加权融合模型较 2 种单一预测模型的预测精度显著提高,在所建立的仿真变道工况下,短时、长时模型预测绝对偏差分别为0. 09、 0. 18 m所设计的安全距离模型,当两车间隔距离小于或等于最小变道安全距离、两车间隔距离大于或等于最大变道安全距离的区域内均无碰撞危险,当两车间隔距离在最小变道安全距离和最大变道安全距离之间时,相邻前车变道切入,自车与变道切入车辆有追尾侧碰危险,主动避撞算法启动并及时介入车辆速度控制,使车辆分级减速实现避撞,并保持 5 m 的安全跟车距离,验证了加权融合变道轨迹预测下的安全距离模型及其主动避撞算法的正确性,对智能车辆主动安全设计具有重要理论意义。