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编辑部一行赴《上海交通大学学报》编辑部调研交流
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上海大学学报(自然科学版)第六届编委会第二次工作会议
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专题专刊
2024年 第30卷 第1期 刊出日期:2024-02-28
上一期
基于 EMD-LSTM 人工神经网络的云冈石窟环境参数预测
卢宝明, 徐金明
2024, 30(1): 1-016. doi:
10.12066/j.issn.1007-2861.2409
摘要
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多维度评价
环境参数会直接影响石窟的风化过程, 因此, 预测环境参数是进行云冈石窟有效保护 的重要内容. 以云冈石窟第十窟为例, 将壁温、环境湿度、环境温度的实测时序数据作为环境 参数, 使用经验模态分解 (empirical model decomposition, EMD) 对实测时序数据进行分解, 研究了固有模态函数 (intrinsic mode function, IMF) 分量与实测时序数据的相关性, 建立了 基于 EMD-长短期记忆 (long short-term memory, LSTM) 的人工神经网络 (artificial neural network, ANN) 组合模型. 使用平均绝对误差 (mean absolute error, MAE)、均方根误差 (root mean square error, RMSE)、平均绝对百分比误差 (mean absolute percentage error, MAPE)、决定系数 (
R
2
) 作为评价指标, 对比分析了使用组合模型与使用单一 LSTM 的 ANN 模型进行环境参数预测的效果. 结果表明: IMF 分量的变化速率越大, 与实测时序数据的相 关性就越强; 对于组合模型中的 LSTM 网络模型, 当隐藏层层数和初始学习率分别取 2 和 0.001 时, 组合模型预测效果最优; 与单一 LSTM 的 ANN 模型相比, 使用基于 EMD-LSTM 的 ANN 组合模型, 环境参数的 MAE、RMSE、MAPE 值减小、
R
2
值增大, 模型预测精度提 高; 环境参数预测效果主要受环境参数变化幅度的影响, 变化幅度越小, 组合模型预测效果越 好. 研究成果对于石窟文物保护具有一定的参考价值.
冻融作用下云冈石窟砂岩损伤特性与风化评估
甘志鑫, 黄继忠, 张 悦, 罗清洋, 张若愚, 杜后孟,
2024, 30(1): 17-030. doi:
10.12066/j.issn.1007-2861.2485
摘要
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多维度评价
在冻融条件下云冈石窟砂岩风化现象严重, 为深入了解砂岩在冻融作用下的物理力学 特性损伤与风化程度变化, 针对云冈石窟砂岩开展了室内冻融循环模拟风化试验. 在饱和条件 下通过设置不同冻融循环次数得到不同风化程度的砂岩, 采用实验室内多种原位宏观无损检 测技术对循环前以及每 5 次循环后的砂岩进行测试, 得到砂岩在冻融循环过程中的破坏特征 以及各物理力学特性参数. 结合微观检测技术从细观角度探讨了砂岩内部结构损伤机制及性 能指标变化原因, 并根据波速比值变化判断砂岩风化程度. 试验结果表明, 砂岩风化特征表现 为颗粒脱落, 结构逐渐破坏并产生裂隙, 砂岩风化程度逐渐加深, 经 60 次循环试验后砂岩达到 中等风化程度. 多种检测方法的测试结果均表现出一定的规律性: 砂岩的质量、超声波速、硅、 钙元素含量、抗压强度等均随冻融循环次数的增加而降低; 砂岩孔隙率随冻融循环次数的增加 而增大; 砂岩冻融循环次数、超声波速以及抗压强度之间存在一定的关联性, 建立了三者数值 关系式并可直接应用.
Y
3+
掺杂二氧化硅磨料的合成及其在氧化锆陶瓷中的 化学机械抛光行为
代三威, 雷 红, 付继芳
2024, 30(1): 31-042. doi:
10.12066/j.issn.1007-2861.2390
摘要
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多维度评价
为了提高氧化锆陶瓷的抛光效率, 在二氧化硅表面掺杂 Y
3+
得到改性磨料. X 射线 光电子能谱 (X-ray photoelectron spectroscopy, XPS) 分析表明, Y 元素以 Y(OH)
3
的形式 存在于改性磨料中. 扫描电子显微镜 (scanning electron microscope, SEM) 和粒度分析结果 表明, 复合磨料呈球形, 粒度均匀, 无聚集体和 2 次颗粒出现. 与纯胶体二氧化硅磨料相比, 材料去除率 (material removal rate, MRR) 提高了 33% 左右. MRR 增大的原因是掺杂的 Y(OH)
3
改变了二氧化硅颗粒的 Zeta 电位, 减小了二氧化硅颗粒与氧化锆陶瓷之间的排斥力, 增大了二氧化硅颗粒和氧化锆陶瓷基体之间的接触概率, 导致摩擦系数增大.
Bi
2
O
3
电致变色薄膜的膜厚甄选
吴浩, 赵加栋, 刘春雨, 俞圣雯
2024, 30(1): 43-053. doi:
10.12066/j.issn.1007-2861.2323
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多维度评价
为了得到能够呈现出合理电致变色性能的 Bi
2
O
3
薄膜, 需要筛选其膜厚. 通过磁控溅射法制备得到厚度为 20∼300 nm 的 Bi
2
O
3
薄膜, 并利用 UH4150 紫外可见 (ultraviolet-visible, UV-Vis) 分光光度计和 CHI-660e 电化学工作站测试薄膜的电致变色性能. 采用扫描电子显微镜 (scanning electron microscope, SEM) 和 X 射线衍射仪 (X-ray diffraction, XRD) 分别检测了薄膜的表面形貌和物相结构. 对变色对比度 (∆
T
λ
=550 nm)、电致变色效率 (
η
) 以及性能保留度 (
R
∆
T
、
R
η
) 的表现进行综合甄别, 发现膜厚介于 60∼120 nm 之间的Bi
2
O
3
薄膜的 ∆
T
和
η
分别达到 25% 和 10 cm
2
/C, 并且具有较高的电致变色性能保留度(
R
∆
T
= 20%、
R
η
= 44.6%). 这可能与该厚度区间薄膜的主要物相为具有较高离子导电性的δ 相有关.
金属有机框架衍生的Co
3
O
4
/SnO
2
复合材料制备及其光催化性能
吴函鸿, 刘善鑫, 王大卫, 黄茹婷, 陈志文
2024, 30(1): 54-067. doi:
10.12066/j.issn.1007-2861.2330
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多维度评价
金属有机框架 (metal-organic framework, MOF) 材料 ZIF-67 衍生 Co
3
O
4
十二面体纳米块在室温下与 SnO
2
复合, 制备出立方体 Co
3
O
4
/SnO
2
复合光催化剂. 煅烧后形成的Co
3
O
4
/SnO
2
材料禁带宽度明显降低, 荧光淬灭明显, 说明 Co
3
O
4
的加入拓展了 SnO
2
的光响应范围至可见光甚至红外光区域, 同时促进了光催化反应过程中光生载流子的分离. 以罗丹明 B(Rhodamine B, RhB) 为目标反应物, 在可见光下考察了 MOF 衍生的 Co
3
O
4
/SnO
2
的光催化降解活性, 发现 Co
3
O
4
/SnO
2
在 60 min 内可以降解 89.6% 的 RhB, 分别是纯 SnO
2
和纯 ZIF-67 的 4.5 倍和 3 倍. 同时,
Co
3
O
4
/SnO
2
表现出了良好的光反应能力和稳定性. 基于以上实验结果并结合自由基淬灭实验, 提出了 MOF 衍生的
Co
3
O
4
/SnO
2
复合材料光催化降解有机染料 RhB 的机理.
4-氟苯乙酮双取代紫精的合成及光致变色特性
张皓添, 柏跃玲, 韩香草, 安保礼, 徐甲强
2024, 30(1): 68-076. doi:
10.12066/j.issn.1007-2861.2301
摘要
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多维度评价
紫精材料在外界刺激 (如光、热、电) 下会表现出灵敏的变色行为, 在光学开关和分子传感识别中具有良好的潜在应用前景. 通过一步反应合成了 4-氟苯乙酮双取代紫精衍生 物 (VioF
2
·2Cl). 氟苯乙酮取代基的引入扩大了其共轭体系, 起到稳定自由基的作用, 使着色 更稳定持久. VioF
2
·2Cl 在紫外 (ultraviolet, UV) 灯的照射下可以快速地从白色转变为浅黄 色直至黄绿色, 显示出了灵敏的光致变色行为. 变色后晶体中的
VioF
2
2+
分子间具有更短的 π · · · π∗ 作用距离, 能够促进光致电子转移 (photoinduced electron transfer, PET) 过程的发 生, 并且起到稳定紫精阳离子自由基的作用, 使其能够在氧气环境下持续变色 3 d 而不被氧化 褪色. 这种新型的紫精衍生物表现出了更为灵敏的光致变色性能及自由基着色稳定性, 在光致 变色材料领域具有良好的潜在应用可能.
复合固相碳源材料强化生物绳脱氮效果
李子如, 王菲菲, 潘加郑, 胡玉琳, 何池全, 黄鑫
2024, 30(1): 77-085. doi:
10.12066/j.issn.1007-2861.2337
摘要
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多维度评价
总氮超标的微污染水体中有机碳源较少, 投加外部碳源可促进反硝化脱氮, 固体碳 源因能克服传统碳源缺点而备受关注. 以农业废弃物玉米芯和高分子材料作为碳源, 以聚乙 烯醇和海藻酸钠作为骨架载体, 利用交联法制备 2 种复合固相碳源 PSPC-Ⅰ和 PSPC-Ⅱ, 并 研究释碳特性及强化生物绳脱氮效果. 结果表明, 28 d 内两种固相碳源持续释碳且未达到释 碳平衡, 最高释碳量分别达 6.3 和 8.7 mg/g (以溶解性有机碳计); 三维荧光结果显示释放碳 源以微生物易降解的可溶性微生物代谢产物和芳香蛋白类物质为主; 与不投加碳源的生物绳 (生物量 6 200 ng/g, 以三磷酸腺苷计) 相比, 2 种固相碳源均显著增加了生物绳挂膜生物量 (PSPC-Ⅰ和 PSPC-Ⅱ的生物量分别为 400∼600 和 300∼500 ng/g, 以三磷酸腺苷计); 2 种固 相碳源均显著增强了反硝化作用, 对照组未脱氮, 2 种固相碳源脱氮率达 80.4% 和 75.0%.
Cd污染河道底泥修复植物优选
沈佳怡, 藏学轲, 章长松, 高冰洁, 高铭晶, 李心怡, 张新颖
2024, 30(1): 86-093. doi:
10.12066/j.issn.1007-2861.2336
摘要
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多维度评价
选用 12 种植物对上海市某 Cd 污染黑臭河道底泥进行了修复试验研究, 考察了修复植 物对 Cd 污染底泥的耐受性、富集转运特性和修复效果, 以期为实际开展植物修复 Cd 污染河 道底泥研究提供科学依据. 结果表明: 除移植的灯芯草 (
Juncus effusus L.
) 生长情况较差外, 其余 11 种植物对试验底泥均有良好的耐受性; 龙葵 (
Solanum nigrum L.
)、灯芯草、金盏菊 (Calendula officinalis L.)、八宝景天 (
Hylotelephium erythrostictum
(Miq.) H. Ohba) 以及 大吴风草 (Farfugrium japonicum (L. f.) Kitam.) 地上部分的 Cd 质量比均高于 4.50 mg/kg; 苘麻 (
Abutilon theophrasti Medicus
)、灯芯草、金盏菊、八宝景天、大吴风草以及美洲商陆 (
Phytolacca americana L.
) 对 Cd 的富集系数 (bioaccumulation factor, BCF) 与转运系数 (translocation factor, TF) 均大于 1; 龙葵、金盏菊、美洲商陆以及三叶鬼针草 (
Bidens pilosa L.
) 对 Cd 的提取量均高于 0.30 kg/hm
2
, 具有较好的修复效果, 其中龙葵对试验底泥中 Cd 的提取量为 2.84 kg/hm
2
, 提取效率可达 88.75%, 展现出了较大的修复潜力. 优选试验结果证 明, 龙葵可作为该地区 Cd 污染河道底泥的最佳修复植物.
基于改进 YOLOv5s 的轻量化交通灯检测算法
蔡管鸿, 李国平, 王国中, 滕国伟
2024, 30(1): 94-105. doi:
10.12066/j.issn.1007-2861.2411
摘要
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多维度评价
针对目前交通灯检测算法网络模型参数量过大、实时性差的问题, 提出了一种基于改 进 YOLOv5s 的轻量化交通灯检测算法. 首先, 用轻量化网络 MobileNetv3 替换原主干网络 并引入注意力机制, 在对检测精度影响不大的前提下降低模型参数量; 然后, 使用深度可分离 卷积替换颈部网络中的传统标准卷积, 进一步降低模型参数量; 接着, 针对交通灯尺度小的 特点, 删除检测大目标的检测层; 最后, 改进边框回归损失函数, 提升边框检测精度. 同时, 为 了能实时部署在嵌入式平台, 该算法对网络进行通道剪枝实现模型压缩和加速. 实验结果表 明, 该算法在嵌入式平台 NVIDIA Jetson Xavier NX 上能达到 48.1 帧/s 的检测速度, 相比 原始 YOLOv5s 牺牲了 1.5% 的 mAP, 但是该模型体积压缩了 54.3%, 检测速度提高为原来的 2.6 倍, 可以满足在交通道路中实时对交通灯检测的需要.
ϕ-映射拓扑流理论在Weyl半金属拓扑分类中的应用
黄晓红, 姜颖
2024, 30(1): 106-117. doi:
10.12066/j.issn.1007-2861.2392
摘要
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多维度评价
用
ϕ
-
映射拓扑流理论对厄米及非厄米 Weyl 半金属进行拓扑分类. 对一个给定的哈 密顿, 在动量空间建立一个由自旋组成的
ϕ
场, 再由这个 ⇀
ϕ
场给出拓扑荷密度分布. 发现只 有在
ϕ
场模的零点, 拓扑荷密度的值才不为零, 而这些
ϕ
场模的零点其实就是 Weyl 点或 Weyl 奇异点所在位置. 通过对拓扑荷密度的积分, 得到了可用于对系统进行拓扑分类的整数拓扑数.
钢接头连接的装配式混凝土叠合梁-柱节点 抗震性能试验
张奇帆, 朱杰江
2024, 30(1): 118-127. doi:
10.12066/j.issn.1007-2861.2415
摘要
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多维度评价
在国内外装配式节点研究的基础上, 提出了一种钢接头连接的装配式混凝土叠合梁-柱 节点, 为研究其抗震性能进行了低周往复加载试验. 试验结果表明: 新型节点中预制梁的型钢 接头和纵筋焊接能有效传递二者间的应力; 叠合梁-柱节点具有较好的整体性; 节点的塑性铰 产生在梁的型钢接头和纵筋焊接部位附近, 梁柱节点核心区域破坏较小; 新型节点耗能能力较 好; 装配式节点比现浇节点有更高的承载力, 但是延性更低.
弹性环梁支撑下圆形深基坑支护结构变形解析解
欧阳煜, 高云飞, 任凯凯
2024, 30(1): 128-139. doi:
0.12066/j.issn.1007-2861.2348
摘要
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多维度评价
将环梁和支护结构分别视为弹性圆环和弹性圆柱薄壳, 基于环梁和圆柱壳的变形协调, 得到了具有任意数目弹性环梁支撑圆形深基坑支护结构变形的解析解. 在验证解析解合理性 和可靠性的基础上, 针对某一实际圆形基坑工程, 比较了在刚性和弹性环梁支撑下支护结构变 形和内力的差异, 并分析了支护结构底部边界条件、环梁弹性模量、尺寸和数量以及位置等参 数对支护结构变形和内力分布的影响. 研究结果表明: 相对于刚性环梁支撑, 弹性环梁支撑处 内力变化较小, 环梁弹性模量和尺寸的改变只对基坑挖掘面以上支护结构变形和内力影响显 著, 而对挖掘面以下的支护结构变形和内力几乎没有影响. 该研究成果为圆形基坑支护结构设 计提供了理论依据和指导.
贯通隔板全螺栓节点抗连续倒塌分析
孟永颀, 杨锋, 王逸伦, 王洪伟
2024, 30(1): 140-151. doi:
10.12066/j.issn.1007-2861.2317
摘要
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多维度评价
以钢管混凝土隔板贯通式全螺栓节点为研究对象, 设计了一个三柱两跨式平面框架结 构, 采用静力加载的方式模拟结构倒塌的全过程, 考察节点的受力变形、抗力机制、破坏现象 和应变发展. 建立 ABAQUS 有限元模型对结构失效模式进行受力分析. 试验和有限元结果表 明, 倒塌全过程经历 4 个阶段: 梁机制、混合作用、悬线作用和破坏. 结构的抗倒塌能力取决 于抗弯和抗拉能力, 设计节点可以满足 FEMA-365 的转角要求, 结构中的悬线作用出现在破 坏阶段前. 构件破坏发生在中节点 H 型梁下翼缘处, 孔壁撕裂导致裂缝延伸至腹板使 H 型梁 出现断裂. 由于螺栓孔对翼缘的削弱, 建议对螺栓连接 H 型钢翼缘进行构造加强, 以保证连接 的有效性.
基于分位数回归模型和经验模态分解的全球变暖问题研究
肖洁, 艾敏, 倪中新
2024, 30(1): 152-163. doi:
10.12066/j.issn.1007-2861.2293
摘要
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多维度评价
利用分位数回归模型和经验模态分解 (empirical mode decomposition, EMD) 方法对 气候及其变化进行分析和预测. 首先, 采用全球热力图对气温数据进行描述统计, 并采用经验 模态分解方法降噪获取趋势项来引入全球气温周期概念, 探究全球气候变暖趋势; 然后, 基于 多元线性回归模型及分位数回归模型寻找全球气温的影响因素, 并对气温进行建模及预测. 研 究结果可为全球气候分析提供统计学支撑.
大直径盾构切穿抗滑桩对堤岸的变形影响分析
蒋啸天, 李章林, 何国军, 张孟喜, 赵慧玲
2024, 30(1): 164-173. doi:
0.12066/j.issn.1007-2861.2425
摘要
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多维度评价
为研究大直径盾构切穿护岸抗滑桩对堤岸的扰动影响, 确保盾构隧道穿越过程中大堤 的安全性与稳定性, 采用有限元分析软件建立了隧道-桩基-堤岸三维数值模型, 重点分析了盾 构切穿施工时堤岸及桩体的变形规律, 并对比了不同盾构推力下桩体的变形差异. 研究结果表 明: 盾构切削护岸抗滑桩将导致大堤迎水面边坡产生较大扰动, 坡顶出现最大纵向位移, 被切 桩周围土体出现明显下沉; 在盾构推力以及迎水面滑坡推力的双重影响下, 抗滑桩以挠曲变形 为主, 整体形成一条倾斜的 “S” 形曲线, 盾构刀盘抵近桩体时的抗滑桩挠曲变形最为明显; 盾 构推力由 0.7 倍静止土压力增至 0.9 倍, 桩身水平位移大幅增加, 盾构刀盘抵近桩基时的桩底 位移增幅高达 162%. 综上可知, 盾构切削穿越抗滑桩时应严格控制推进速度、泥水压力等施 工参数, 以减小盾构推力对堤岸及桩体的不利影响.
Caputo 型时间分数阶变系数扩散方程的 局部间断 Galerkin 方法
代巧巧, 李东霞
2024, 30(1): 174-190. doi:
10.12066/j.issn.1007-2861.2426
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多维度评价
提出一种带有 Caputo 导数的时间分数阶变系数扩散方程的数值解法. 方程的解在初 始时刻附近通常具有弱正则性, 采用非一致网格上的 L1 公式离散时间分数阶导数, 并使用局 部间断 Galerkin (local discontinuous Galerkin, LDG) 方法离散空间导数, 给出方程的全离 散格式. 基于离散的分数阶 Gronwall 不等式, 证明了格式的数值稳定性和收敛性, 且所得结 果关于 α 是鲁棒的, 即当 α → 1
−
时不会发生爆破. 最后, 通过数值算例验证理论分析的结果.
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