沈阳工业大学学报

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    永磁同步直线电机次级磁场检测技术综述
    赵吉文, 尹乐, 宋俊材, 盘真保, 于子翔, 王立俊
    2025, 47(1): 1-13. https://doi.org/10.7688/j.issn.1000-1646.2025.01.01
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    【目的】由于永磁同步直线电机省去了中间传动装置,其结构简单,能够实现直驱式往复运动,具有推力密度大、效率高、能够满足高速大行程运动和微纳米级动态精度要求等优点,在激光切割机、数控机床、3D打印机等高精密加工领域具有广泛应用前景。永磁体作为永磁同步直线电机的重要组成部分,可为电机气隙空间提供恒定的磁场环境。磁场分布的一致性与电机性能息息相关,因此需要及时检测并更换故障永磁体以保证电机推力密度和功率密度的稳定性。【方法】主要对永磁同步直线电机次级磁场检测内容进行综述性研究:对电机的拓扑结构、工作原理和磁场的解析公式进行了梳理;对磁场的变化机理和磁场故障发生的常见原因进行了总结;对目前研究的永磁体局部退磁、均匀退磁、缺损和裂纹故障及不同故障磁场的建模方法,如解析法、有限元法和Matlab建模法等进行了介绍;对永磁同步直线电机次级磁场检测所选择的故障信号,如电流信号、磁密信号、电动势信号、振动信号和磁场信号等进行了讨论,指出其用于永磁同步直线电机时的优缺点。【结果】在对各类方法进行梳理和归纳后,对相应的研究内容与关键技术进行总结并发现,目前永磁同步直线电机磁场检测多借助于磁场信号和特征提取方法实现磁场故障的离线诊断。【结论】为实现实时化故障诊断和提高电机可靠性的目标,在未来磁场故障诊断发展趋势中,可以加强对电动势、电流、磁密等实时采集信号的研究,以期实现退磁故障的在线检测。同时需要开展具有高容错适应性的容错控制策略研究,保证电机在发生退磁故障时,仍可以维持电机的输出性能,进而保证其可靠运行。
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    输电线路外破隐患空间距离三维点云测量方法
    廖如超, 刘高, 汪皓, 成国雄, 朱凌
    2025, 47(1): 14-20. https://doi.org/10.7688/j.issn.1000-1646.2025.01.02
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    【目的】输电线路容易受到外力破坏,如建筑施工和车辆碰撞等。通过准确测量外破隐患空间距离,可以预警并及时采取措施避免故障发生,进而保障输电线路的安全稳定运行。但在输电线路较长的情况下,区域点云密度不均匀性会明显增加,给计算外破隐患空间距离带来困难,同时在噪声点的干扰下,测量误差和转换参数不准确等问题导致故障点与端点之间产生坐标转换误差。为了及时智能化测量输电线路外破故障点与端点之间的距离、快速消除外破故障,提出了一种输电线路外破隐患空间距离三维点云测量方法。【方法】基于点云密度的高程滤波区间,利用kdtree空间结构遍历整幅图像,获取点云数据。对三维点云提取到的输电线路目标图像进行色彩调整、旋转、分辨率调整以及翻转等一系列预处理;当输电线路外破引起不对称短路故障时,结合输电线路的正序电感、电容以及容抗信息,解算目标像素点后的输电线路外破隐患空间距离,分析输电线路两端的正序分量和负序分量,对目标像素点进行解算,消除故障点处不同步相角的影响,构建空间距离测量函数,根据子空间网格点云的最小值和均值之和确定搜索半径,解算目标图像中的像素点,实现对输电线路外破隐患空间距离的精准测量。【结果】所提方法在不同步相角和不同过渡电阻下,测距绝对误差较小,最大值未超过2 m,不存在伪根情况,所测量的空间距离与故障距离最为接近,可实现对输电线路外破隐患精准测距。在恶劣天气或复杂地形条件下,若人员难以到达现场巡检,可通过远程监控点云数据来分析外破隐患空间距离,如果发现某一物体(如正在靠近输电线路的施工机械)与输电线路之间的空间距离逐渐缩小,当达到设定的危险阈值时,系统需要发出预警并及时采取措施避免外破事故的发生。【结论】采用三维点云测量技术对输电线路外破隐患空间距离进行测量,可以实时监测输电线路周围环境,全面准确地掌握输电线路的健康状况。根据实际情况优化巡检策略,重点巡检外破隐患风险较高的区域,减少不必要的巡检工作量,提高运维效率。
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    基于标准模型的SCD文件虚回路校核方法
    曹海欧, 沈蛟骁, 张玥, 陈鹏
    2025, 47(1): 21-28. https://doi.org/10.7688/j.issn.1000-1646.2025.01.03
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    【目的】随着智能变电站的快速发展,其在电力系统中的地位日益重要。智能变电站具有网络化信息共享等特性,SCD文件作为运行关键数据来源,直接关系到站内继电保护动作的准确性,然而当前SCD虚回路校核面临诸多困境。人工校核在面对大量虚回路信息时,工作量大、效率低下且容易出现漏查等情况,故对人员专业水平要求颇高。基于固定规则的校核技术,因智能站虚回路受电压等级、主接线形式、间隔类型、装置类型、保护功能需求等众多复杂因素影响,致使校核规则极为繁杂,其可靠性与可维护性难以保证。在此背景下,本研究致力于提升智能变电站虚回路自动校核技术的适应性和准确性,涉及智能变电站二次系统整体架构及运行保障等相关范围,对确保变电站安全稳定运行具有重要意义。【方法】采用基于标准模型方法深入剖析影响SCD虚回路校核的因素,通过构建标准模型来适配差异。专业人员依据电压等级、接线方式及装置类型等构建并维护ICD标准虚端子模型库,其标识具备唯一性。同时,建立ICD厂家虚端子与标准虚端子的映射模型,明确映射文件表达方式及数据结构,记录两者精确对应关系。综合考虑多种影响因素构建标准虚回路模型,并由专业人员负责维护发布,为校核提供准确依据。在具体校核过程中,通过解析SCD文件生成装置间互操作关系对象标识,运用数学模型集合的逻辑运算差集,将解析的虚回路数据与标准虚回路模型进行对比,精准计算正确、多余与缺失回路的情况。【结果】所提方法通过标准模型及配套流程可有效解决SCD虚回路校核难题,在一定程度上提高了校核准确性,可有效应对多种差异。【结论】与传统方法相比,提出的基于标准模型的校核模式优势明显,可为智能变电站运维管理政策制定提供有力技术支撑,助力规范行业建设与运维标准制定。在学术交流价值方面,可为智能变电站二次系统研究开拓新路径,为后续虚回路校核研究在模型构建、数据处理等方面提供借鉴。
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    数据缺失情况下配电网时间序列数据分类算法
    萧展辉, 张世良, 邓丽娟, 徐菡
    2025, 47(1): 29-36. https://doi.org/10.7688/j.issn.1000-1646.2025.01.04
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    【目的】在智能电网快速发展的背景下,配电网作为电力传输与分配的关键环节,其数据的有效管理和分析对于保障电网稳定运行、提升供电质量至关重要。然而,配电网数据种类繁多且复杂,涵盖了用户用电行为、天气情况、设备基础信息及营销数据等多个维度。不同类型的数据在采集和传输过程中,会因磁场信号、噪声信号、冗余数据等干扰出现缺失,不仅增加了配电网运行监控的难度,还为故障分析、状态评估及优化决策等工作带来极大挑战。【方法】为提高数据处理的准确性和效率,提出一种数据缺失情况下的配电网时间序列数据分类算法。根据时间序列数据在配电网中的分布状态,利用平滑算法去除数据噪声,从而显著提升数据的准确性和可靠性,优化因冗余数据干扰而产生的问题。对缺失数据进行增量填补,依据时间序列数据的内在规律和相邻数据点的相关性,对缺失数据进行合理推测和填补,保持了数据的完整性,同时确保了时间序列的连续性和一致性。计算不同时间序列的数据缺失情况,将高维和低维数据状态空间与单元、多元时间序列相结合,凭借维度映射得到数据维度因子,实现簇内分类。【结果】设计方法填补后数据均在原始数据附近,无冗余问题,且分类耗时点均匀分布,呈现出线性趋势,充分展示了其高效稳定的数据处理能力。设计方法分类配电网时间序列数据后,同种类配电网数据聚集且互不干扰,噪声数据大幅减少,相对差异值(RDV)始终保持在0.05以下,特异度在数据缺失率5％~35％的范围内均维持在95.0％以上,显著高于对比方法的91.5％和92.0％。【结论】设计方法通过平滑去噪、增量填补和维度映射等技术手段,有效应对数据缺失带来的挑战,提高了数据处理的准确性和效率。同时,验证了设计方法在保持高分类精度和快速收敛速度方面的优势,表明其能够有效应对数据缺失情况,显著提升配电网数据的分类效果和运行稳定性。该算法研究不仅丰富了配电网数据分析的理论体系,还为智能电网的运维管理提供了实用的技术支持,具有重要的理论价值和现实意义。
  • 电气工程
    基于心理账户理论的车-站-网协同优化策略
    王楚迪, 王琪玮, 马少华, 颜宁, 董雁楠, 李相俊, 李洋
    2025, 47(1): 37-44. https://doi.org/10.7688/j.issn.1000-1646.2025.01.05
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    【目的】随着电动汽车数量大幅度增长,交通运输正逐步向电气化转型。电动汽车负荷兼具有交通和电力双重属性,导致充电负荷具有更为复杂的时空随机性,使得充电负荷的变化规律更难以挖掘。而电动汽车负荷大规模无序接入电网,无疑会导致电压波动过大,影响电力系统的稳定性,给配电网调度带来隐患。挖掘电动汽车用户的出行规律,并制定有效的充电引导策略势在必行。【方法】针对区域负荷分布失衡问题,提出了一种基于心理账户理论的车-站-网协同优化策略,充分考虑了用户的有限理性心理,从用户侧调控电动汽车用户的充电行为。研究立足于行为经济学,综合分析影响电动汽车用户充电决策行为的各种因素,构建单属性价值函数。在此基础上根据心理账户理论整合多维属性对属性赋权,从而构建考虑用户有限理性心理的充电决策模型。【结果】考虑电压波动指标和用户充电成本的非合作博弈电价机制,通过价格引导用户有序充电,从而在优化电网电能质量的同时降低用户充电成本,并保障充电站运营商的基本利益。仿真结果验证了所提出协同策略的有效性和优越性。【结论】提出了一种车-站-网耦合作用下有限理性充电引导策略,通过构建电网和充电用户之间的非合作博弈模型制定各充电站的实时充电价格,引导用户的充电决策行为,从而改变快充负荷的时空分布,对提高充电站运营商的效率、减少用户的等待时间、提高配电网的电能质量具有显著作用,对于平抑负荷波动、维护电网稳定和经济运行具有重要意义。本文创新点在于构建了基于心理账户的多属性有限理性充电决策模型,模拟用户有限理性心理及学习过程,将行为决策理论与电力系统、交通学深度融合,可以更高效地引导电动汽车用户有序充电,助力电网安全、稳定运行。
    • 材料科学与工程
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    基于准原位AZ31镁合金双轴动态压缩变形行为
    周乐, 何振宇, 闫瑞华, 王志, 毛萍莉
    2025, 47(1): 45-52. https://doi.org/10.7688/j.issn.1000-1646.2025.01.06
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    【目的】镁合金具有质量轻、比强度和比刚度高且易回收的优点。汽车、飞行器前端及汽车侧面、尾部的镁合金零部件由于受到较高应变速率的冲击载荷作用,导致其在极短时间内失效,对设备的安全性能造成威胁,产生不可预料的后果。因此,对基于准原位镁合金在高应变速率动态压缩下的变形行为及其变形机理进行研究具有重要意义。【方法】为了分析AZ31镁合金受到动态冲击载荷作用时的动态力学性能,以挤压态AZ31镁合金为研究对象,基于准原位方法,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置研究了挤压剪切态AZ31镁合金在双轴动态压缩条件下的变形行为,利用电子背散射衍射技术(EBSD)及透射电子显微镜(TEM)对试样变形前后的微观组织进行表征。【结果】双轴动态压缩实验结果表明:AZ31镁合金在塑性变形过程中,沿着挤压径向压缩,大量拉伸孪晶被激活;当反向加载后,发生了退孪生现象并伴随少量拉伸孪晶被激活。深入分析不同的退孪生行为,发现SF值较高是发生退孪生行为的主要原因。采用滑移迹线法确定被激活的滑移系统并与退孪生行为相结合,用于判断滑移对退孪生的促进作用。当垂直于晶体c轴方向压缩时,拉伸孪晶容易被激活且孪晶与母晶粒夹角为86.3°,孪晶c轴接近平行于压缩方向;当改变压缩方向时,压缩方向垂直于孪晶c轴方向,即改变加载方向后,孪晶会发生退孪生行为。随着累积应变的积累,LAGBs峰值会持续升高。整个变形过程伴随滑移存在,说明LAGBs的产生是由滑移造成的,且滑移对塑性变形起到至关重要的作用。AZ31镁合金在塑性变形过程中,先被激活的孪晶随着压缩方向的改变发生退孪生现象;改变加载方向,变形过程均有滑移被激活,孪生与退孪生过程均伴随滑移的发生;AZ31镁合金在不同方向的动态压缩变形行为主要由滑移及孪生的共同作用导致。【结论】本文对AZ31镁合金微观组织的变形行为进行研究,为其广泛应用提供理论基础。
  • 材料科学与工程
    强流脉冲电子束改性石墨/硬质合金自润滑涂层性能
    张悦, 郑钰, 何星池, 陈飞, 董福宇
    2025, 47(1): 53-60. https://doi.org/10.7688/j.issn.1000-1646.2025.01.07
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    【目的】硬质合金是一种以微米级难熔金属化合物(WC、TaC、TiC、NbC)粉末为硬质相,以过渡族金属(Co、Fe、Ni)粉末为烧结黏结相,经高温烧结制备而成的合金。硬质合金因具有高硬度、高强度、耐磨耐腐蚀性和良好高温性能,被广泛应用于刀具材料等工业领域,被称为“工业牙齿”。随着我国战略性新兴产业的发展,航空航天、海洋工程、数控机床、轨道交通、核工程、新能源、先进医疗装备、环保节能装备等高端制造产业对高性能高稳定性刀具材料的需求越来越大。采用涂层镀膜等表面处理方法将固体润滑剂涂覆在刀具表面,或将固体润滑剂作为添加剂加入刀具材料基体,利用固体润滑剂高温稳定的优点,在服役刀具表面形成连续的固态润滑层,有利于刀具性能的进一步提升。【方法】以WC-Co硬质合金粉末(粒径15~45 μm)为耐磨组元,以石墨粉末(粒径80~200 μm)为固体润滑剂,通过球磨法制备球形复合粉末,采用等离子喷涂工艺将复合粉末沉积为石墨/WC-Co涂层,采用强流脉冲电子束(能量密度27 keV、脉冲间隔15 s)进行辐照处理,辐照次数为1、10、20和30。对处理后涂层的显微组织和力学性能进行观察。【结果】采用强流脉冲电子束处理后,重熔涂层表面致密平整,改性层厚度可达294 μm,表面硬度最高可达800 HV,平均摩擦系数最低可降至0.10。显微结构分析表明,强流脉冲电子束辐照后涂层表面生成纳米尺寸的WC相、Co3W9C4相和类金刚石结构,使涂层表面显微硬度大幅提高;电子束使涂层表面大块石墨溶解后重新析出,生成椭球状石墨,同时石墨在电子束作用下分离成石墨烯片层,均匀覆盖在涂层表面,有效降低了涂层表面的摩擦系数;部分石墨转变为金刚石结构,有效提升了涂层的表面硬度。【结论】采用热喷涂沉积和强流脉冲电子束改性的两步技术,制备了表面均匀、致密细小的WC-Co合金,诱导了球状石墨、石墨烯和金刚石共同组成复合碳结构,有效提高了涂层的硬度并降低表面的摩擦系数。所制备的纳米复合自润滑涂层为高端装备制造刀具行业提供了一种新材料。
    • 机械工程
  • 机械工程
    基于粒子群算法的零齿差内啮合机构优化
    王世杰, 杨喆
    2025, 47(1): 61-66. https://doi.org/10.7688/j.issn.1000-1646.2025.01.08
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    【目的】针对潜油螺杆泵采油系统中联轴装置零齿差内啮合机构重合度低、内外齿轮齿厚系数不稳定以及齿厚偏薄易导致轮齿折断等问题,提出了一种优化机构内变位系数、提高重合度值的方法,并设计了相应的优化模型。【方法】分析了传统设计方法中零齿差机构变位系数的设计缺陷,明确了目标函数和约束条件,定义了设计变量。采用粒子群优化(PSO)算法中的惯性权重线性递减策略提升粒子的局部与全局寻优能力,引入收缩因子并通过改进的速度更新迭代公式缩短收敛时间。以重合度和齿厚系数为优化目标函数,同时结合零齿差内啮合机构的齿轮约束条件建立了优化模型。【结果】为验证算法的稳定性,以用户输入的初始参数(内外齿轮模数为6,齿数为12,分度圆压力角为20°,外齿轮齿宽为30 mm,内齿轮齿宽为28 mm,偏心量范围为2.5~5 mm)进行优化分析。结果表明,通过改进PSO算法得到了径向变位系数和切向变位系数的最优解,即改进PSO算法显著提升了变位系数的优化效果。对比原始数据和优化结果,改进PSO算法的重合度提升了最高达26.2％,特别是在不同偏心量下,优化后的重合度均显著提高。【结论】通过对比改进前后的PSO算法,改进后的算法兼具全局收敛性与精确搜索能力,所得变位系数更加合理有效;优化后的齿厚系数更加平稳,显著降低了轮齿折断风险。最终优化后的变位系数不仅满足各项约束条件,且便于后续加工,提高了计算效率,显现出良好的设计效果。
  • 机械工程
    球形颗粒附近空化泡的动力学分析
    杨涵硕, 王德喜, 陈功, 杨亚丽, 姜久闯, 于红蕾
    2025, 47(1): 67-72. https://doi.org/10.7688/j.issn.1000-1646.2025.01.09
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    【目的】空化是一种自然界存在的物理现象,空化的产生出现在多个领域,包括材料学、地质学和生物学等。早期空化研究是为了避免其带来的不利影响,比如细胞功能下降、岩石破裂、水力机械的材料空蚀损坏和动力性能恶化等。然而人们逐渐发现空化在多个领域中具有积极应用,比如强化材料、促进化学反应合成、去除难降解有机污染物等。研究空化泡在近壁面附近的溃灭过程,可以更好地了解空化泡溃灭对壁面的作用机制,从而在多领域应用中更好地利用空化效应。壁面包括凹面、凸面、锥面、不规则面等,球形颗粒表面属于凸面的一种。采用空化技术处理含油污泥,可以显著提高回油率,实现油泥资源化处理。空化破解油泥的机理是空化泡在油泥颗粒表面溃灭时,产生高温高压及高速射流,有利于油与固体颗粒的分离,实现油的回收再利用。【方法】研究球形颗粒附近空化泡溃灭的动力学行为,探究空化泡溃灭的演化过程,进而分析颗粒与空化泡之间的距离和颗粒尺寸对颗粒-空化泡相互作用的影响机制。利用质量、动量和能量守恒原理描述空化泡动力学行为,采用流体体积法对泡壁拓扑结构的变化进行精确界面捕捉,利用ANSYS软件数值模拟了空化泡在球形颗粒附近的溃灭过程。【结果】空化泡在球形颗粒附近随着时间变化逐渐发生溃灭,其溃灭形态受到距离参数和尺寸参数的影响。空化泡坍塌瞬间会形成指向颗粒的微射流与高温高压极端环境。【结论】当球形颗粒距离空化泡距离较近时,空化泡呈现梨形坍塌;当距离较远时,空化泡呈现球形坍塌。当距离参数减小或颗粒尺寸增大时,球形颗粒边壁受到的最大压力增大;当距离参数减小或尺寸参数减小时,空化泡形成的最大射流速度增大,颗粒边壁处最大温度增大。较大尺寸颗粒附近空化泡溃灭时间更长,且受距离参数影响较大。空化泡距离越远,溃灭时间越长。
  • 机械工程
    弱铁磁性奥氏体不锈钢管内氧化皮检测技术
    刘峰, 张帅, 张双楠, 蔡桂喜, 李建奎
    2025, 47(1): 73-82. https://doi.org/10.7688/j.issn.1000-1646.2025.01.10
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    【目的】为提高机组发电效率和加快发展绿色低碳经济,超(超)临界机组已经逐渐成为国内火力发电的主力机组。作为超(超)临界机组的关键部件,锅炉管大多采用奥氏体不锈钢管制作。锅炉管长期在高温高压和蒸汽的环境下服役,管道内壁因发生氧化而产生氧化皮。机组的启停导致内壁的氧化皮易发生脱落并堆积在管内,当氧化皮的堆积量达到一定程度时会导致管道局部堵塞,从而引发爆管事故。然而,现场氧化皮的定量检测一般采用磁性无损检测方法,但冷加工和长期老化等原因使得锅炉管具有弱铁磁性,导致现有的氧化皮磁性定量检测方法的测量结果不准确。【方法】针对弱铁磁性奥氏体不锈钢管内氧化皮堵塞量检测的问题,通过扩大磁路的方式提出了一种新型磁性检测方法。采用有限元模拟将现有磁性检测方法与新型磁性检测方法的仿真结果作对比,分析了现有磁性检测方法无法应用于弱铁磁性锅炉管内氧化皮检测的原因。【结果】对于现有磁性检测方法,当锅炉管有弱铁磁性时,氧化皮堵塞面积比的绝对误差值范围为138％~474％;对于新型磁性检测方法,当锅炉管有弱铁磁性时,氧化皮堵塞面积比的绝对误差值范围为3.4％~6.7％,新型磁性检测方法绝对误差值远小于现有磁性检测方法,新型磁性检测方法受管磁性影响较小,可适用于弱铁磁性锅炉管内氧化皮的定量检测。利用新型磁性检测方法,通过不同壁厚标准试样内不同堵塞面积比氧化皮的检测实验,建立了检测信号值与不同壁厚标准试样内的不同氧化皮堵塞面积比之间的对应关系,验证了上述仿真结果的正确性;通过对装有不同堵塞面积比氧化皮的现场管进行实验,验证了标定公式的正确性,并计算了新型磁性检测方法的检测误差值。试样标定实验测得弱铁磁性试样内氧化皮堵塞面积比的最大绝对误差值范围为1.2％~5.6％,最大绝对误差值小于5.6％,现场管实验测得弱铁磁性试样内氧化皮堵塞面积比的最大绝对误差值范围为1.5％~6.4％,最大绝对误差值小于6.4％。【结论】新型磁性检测方法受管壁磁性影响较小,误差值满足实际工程需要,该技术可实现对弱铁磁性奥氏体不锈钢管内氧化皮堵塞量的无损检测与评定。
    • 信息科学与工程
  • 信息科学与工程
    二叉Trie树下电力监控分布式数据库安全访问混沌加密控制
    巩宇, 胡文兴, 于亚雄, 崔钰, 刘轩
    2025, 47(1): 83-91. https://doi.org/10.7688/j.issn.1000-1646.2025.01.11
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    【目的】电力监控系统承载着大量敏感信息,包括电力设备的运行数据、电力负荷情况及用户用电信息等。这些数据对保障电力系统的安全和稳定至关重要,因此保证这些数据的安全性是电力监控系统的关键。分布式数据库作为电力监控系统的核心组成部分,具有处理速度快、数据存储量大等优势,但也面临着数据泄露、非法访问等安全隐患。【方法】为了增强电力监控系统的安全性,提出了一种基于二叉Trie树的电力监控分布式数据库安全访问混沌加密控制方法。采用SRP-6协议进行身份认证,确保只有经过授权的用户能够访问电力监控系统。SRP-6协议通过对身份信息的加密处理,有效防止了恶意攻击者伪造身份访问。在分布式数据库的环境中,密钥的管理是极具挑战性的任务。由于分布式系统涉及多个节点,且不同用户的权限和密钥各不相同,因此需要建立一个高效且安全的密钥管理机制。本文采用了二叉Trie树作为密钥管理结构,二叉Trie树是一种能够快速检索和存储密钥的高效数据结构,通过二叉Trie树的层次化结构,实现密钥的快速定位和分配。每个节点代表密钥管理中的一个步骤,叶节点则存储具体的加密密钥。通过这种树形结构,系统可以轻松管理大量的密钥,减少了密钥存储的冗余,同时提高了密钥分发的效率。二叉Trie树的使用也降低了密钥泄露的风险,增强了系统的整体安全性。在密钥管理的基础上,引入混沌加密技术,结合Tent映射和Logistic映射两种混沌模型,用于生成加密数据所需的随机数和轮密钥。Tent映射通过折叠和扩展操作将输入值映射到[0,1)区间,而Logistic映射则通过迭代生成伪随机序列,两者共同构成了混沌加密的基础。通过这种方式,电力监控分布式数据库中的数据被加密为不可预测的密文,极大程度上提高了攻击者通过分析密文推导明文的难度。【结果】所提方法在增强加密强度和提高系统安全性的同时,还具备较好的性能。通过控制密文分布的频率,保证加密数据的均匀性,密文的分布频次能够保持在2 800次以上。雪崩效应值超过0.524,证明了所提方法在数据加密方面的有效性。【结论】与传统方法相比,本文方法在保证数据安全性的同时,减少了计算和存储资源的消耗,适合大规模分布式数据库的应用。
  • 信息科学与工程
    基于时间局部性的网络拓扑结构发现算法
    黎燕, 刘成江, 张千千, 殷攀程
    2025, 47(1): 92-97. https://doi.org/10.7688/j.issn.1000-1646.2025.01.12
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    【目的】随着社交网络技术的快速发展,大规模复杂网络的拓扑结构获取成为电子、网络、生物和医学等多个学科领域亟待解决的问题。大规模复杂网络由参与节点和虚拟连接组成,其中节点代表个体、家庭与社会等角色,而连接则刻画了这些角色间的复杂关系。一般而言,复杂网络中存在严重的同源性现象,即存在大量的重复或相似组成架构,这极大地增加网络动态结构发现的难度。【方法】在时间局部性原理基础上,提出一种启发式网络社区发现算法,旨在进一步优化拓扑结构发现的精确度和运行耗时。通过修改相邻时间范围内节点的计算规则,利用余弦相似性判定准则与拓扑结构发现算法深入描述网络中多个参与节点之间复杂关系的可预测性。算法结合经典Louvain算法,通过计算增量模块度和余弦相似性优化社区检测的精确度和耗时。此外,算法使用模块度概念,对网络拓扑结构进行准确衡量,同时引入增量模块度指标计算表达式,以实时掌握拓扑结构发现算法指标的变化情况。【结果】为验证所提算法的有效性,利用智能电网实际通信数据集进行仿真,数据集包含115个用电单位的616条通信连接数据。仿真结果表明,与经典Louvain算法相比,所提算法在检测效率和运行耗时上均有显著优势。归一化互信息量指标的对比分析显示,所提算法在参与节点数量较多时,具有更高的归一化互信息量和更低的平均运行耗时。算法在大规模网络中具有优势,尽管在小规模网络中表现稍逊。通过实际数据集仿真可知,基于时间局部性的拓扑结构发现算法在大规模智能配电网络的精准发现方面具有明显优势,性能表现突出,为智能电网领域提供优化网络拓扑结构发现的策略。【结论】综上所述,基于时间局部性拓扑结构发现算法的创新性在于将时间局部性原理应用于网络社区发现,为复杂网络社区发现算法的研究提供了新的视角和方法,对相关领域的研究具有参考意义。未来将考虑该算法在小规模网络中的应用问题,并进一步分析算法的鲁棒性。
  • 信息科学与工程
    面向工业网络流量的实时入侵检测方法
    连莲, 王文诚, 宗学军, 何戡
    2025, 47(1): 98-105. https://doi.org/10.7688/j.issn.1000-1646.2025.01.13
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    【目的】工业互联网是国家关键基础设施的重要组成部分,其安全性直接关系到国家安全、经济稳定和社会秩序。随着工业互联网的广泛应用,工业控制系统的网络攻击频发,造成了严重的经济损失和社会影响,因此,开发高效的实时入侵检测系统显得尤为重要。传统的入侵检测系统在处理高维度网络流量数据时,往往难以有效区分正常流量和异常流量,尤其是在缺乏异常流量样本的情况下。【方法】为了解决该问题,本研究通过分析某油气集输管线工业控制系统真实网络流量特性,提出了一种结合Suricata的滑动窗口密度聚类工业网络实时异常检测方法。该方法针对工业网络流量特性,利用Suricata的开源性、可扩展性以及滑动窗密度聚类算法的动态检测能力,建立从流量采集解析到实时入侵检测的全过程入侵检测模型。本研究通过分析真实工业控制系统环境中的网络流量特性发现工业网络流量存在一定的周期性,利用基尼系数选取能体现工业网络流量特性混杂程度的特征,实现对工业网络流量降维处理,对降维后的数据使用滑动窗口分组构建工业网络正常流量特征阈值。利用改写Suricata实现实时流量采集与解析,并将实时解析结果输入到所构建的滑动窗口密度聚类入侵检测算法中,通过与工业网络正常流量特征阈值进行对比,快速筛选绝对正常流量组和绝对异常流量组。针对正常流量与异常流量掺杂的组别,通过密度聚类算法将异常流量分离,完成异常流量检测。【结果】将入侵检测方法在油气集输全流程工业场景攻防靶场中应用并开展大量实验,该方法能够有效识别异常流量,检测率达到96％以上,误报率低于3％。所提出的方法可以满足工业网络中异常流量检测高效性、可靠性和实时性需求。【结论】本研究的创新之处在于提供了一种新的工业网络异常流量检测方法,结合Suricata和滑动窗口密度聚类算法,建立了从流量采集解析到实时入侵检测的全过程入侵检测模型,对工业互联网安全防护具有重要的实践价值,为工业网络实时入侵检测提供一种新的研究思路。
    • 建筑工程
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    市政道路结构地下管线探测与力学特性数值模拟分析
    芮勇勤, 袁健玮, 金生吉, 许立
    2025, 47(1): 106-113. https://doi.org/10.7688/j.issn.1000-1646.2025.01.14
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    【目的】随着人口增长和城市化进程的加快,城区规模不断扩大,城市地下工程建设不可避免地与既有运行管线产生交互。地下管线具备给水、雨污水处理、化石能源运输、有线电视信号传输、电能输送等功能,担负着水、电、信息和能量的供给与传输,被称为城市的“神经”和“血管”,更是稳定城市运行的“生命线”。管线的渗漏、破裂甚至引发路面塌陷,不仅严重影响交通,还为城市排水系统埋下重大安全隐患。每年各地需投入大量人力物力用于地下管线的探测与维护。【方法】针对市政道路中地下管线分布、损伤及渗漏的普遍问题,基于探地雷达技术,提出了一种地下管线探测方案。通过探测不同种类管线的数据,结合原理分析、试验和数值模拟验证,研究管线渗漏引发路面沉陷的机理。【结果】该方案基于探地雷达的探测原理,通过图谱特征识别方法获取地下管线的分布、埋深、管径、材质、管线内部介质以及空洞等参数。结合伪彩色电平图、灰色电平图及波形堆积图等信号数据,建立有限元模型,并对管线渗漏特性进行综合分析,从而研究揭示了渗漏发展的趋势及其对道路结构的损伤机理。【结论】研究表明,道路损伤受多因素影响,包括路面车辆荷载、管道内部压力、管道埋深和直径等。通过探地雷达反射图像的逆向分析,结合路面的病害动力固结数值模拟,可评估管线运行状况及受力特征,从而优化管线布置点位和材质,强化管线上部结构设计,加强路基的防沉陷保护,避免工后路面沉降开裂。研究建议通过调整受力点位置、扩大受力面积和避免应力集中,预防路基结构与管线的破损。本文基于探测数据与数值模拟,对比不同种类管线的变形特性,总结管线渗漏的作用规律,为后续地下工程的定向开挖和城市道路灾害的排查提供指导。
  • 建筑工程
    地铁车站小直径管幕-横梁支护参数优化分析
    杨旭辉, 柏谦, 贾鹏蛟
    2025, 47(1): 114-123. https://doi.org/10.7688/j.issn.1000-1646.2025.01.15
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    【目的】管幕工法可以显著减少开挖引起的地层扰动,目前被广泛应用于地下空间建设中。但当前管幕工法存在管间连接复杂、施工周期长等问题,因此提出了一种新型管幕支护体系。【方法】通过有限差分软件FLAC3D建立了小直径管幕-横梁暗挖法施工车站的精细化模型,研究了管幕间距、管幕刚度、横梁数量、横梁刚度等支护参数对地表沉降和管幕变形的影响,并对关键参数进行了优化分析。通过现场监测数据对数值模型进行了验证,并与采用其他工法的类似车站进行了对比。【结果】横梁数量对地表沉降和管幕变形的影响十分显著,随着横梁数量的增加,地表沉降和管幕变形最大值总体上呈现二次函数减小的趋势。管幕间距的增加不会对地表沉降及管幕变形最大值产生明显影响。管幕刚度对地表沉降和管幕变形最大值具有较大的影响,管幕刚度为2K时管幕的承载能力得到充分利用,抗弯刚度不再是控制变形的关键因素。横梁刚度在0.5D~3D范围时,地表沉降和管幕变形最大值均与横梁刚度呈二次函数关系。当横梁刚度由2D增加至3D时,地表沉降和管幕变形最大值的变化幅度并不明显,减小幅度在3％以内,这说明横梁刚度为2D时,横梁的抗弯性能已经得到充分利用,继续增大抗弯刚度不会对变形值产生明显影响,反而会造成工程材料的浪费。【结论】在既定的控制标准条件下,施工时可根据实际需求和现场条件来选择小直径管幕与横梁的参数组合,本文给出了地表沉降控制标准为30 mm时的小直径管幕和横梁参数的合理匹配关系。与相似的地铁车站对比,小直径管幕-横梁暗挖法在满足地表沉降控制标准的条件下极大地缩短了施工周期,值得进一步推广和应用。本文提出了一种修建地铁车站的新型管幕支护体系,并对该支护体系的关键参数进行了优化分析,可以为当前地下空间建设提供借鉴和参考。
    • 人工智能
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    基于MPC的仿生尺蠖机器人运动控制
    杜巧玲, 薛成泽, 郑伟
    2025, 47(1): 124-129. https://doi.org/10.7688/j.issn.1000-1646.2025.01.16
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    【目的】随着科技的日新月异,人们的生活环境也在发生着巨大的变化。工业化的聚集以及人口密度的增加促使建筑不断向上增高或向下延伸,出现了很多人们不方便到达或是无法到达的地方,但这些地方机器人却可以到达。目前机器人最热门的研究方向之一是非常规结构机器人,通过精简自身的冗余结构以及体积,增加对应的功能结构,使机器人可以在不适宜人们工作的地方代替人们进行相应的工作。【方法】研制了一款适合攀爬的仿尺蠖机器人。针对优化尺蠖机器人在运动过程中的步态问题,提出了基于模型预测控制(MPC)的仿生吸盘式尺蠖机器人运动控制方法。根据章鱼的吸盘结构设计了仿章鱼负压式吸盘以及吸盘控制模型,利用气压传感器反馈的数据实现闭环控制;基于MPC仿生吸盘控制器提出了基于模型预测仿生吸盘控制的仿尺蠖机器人运动步态。【结果】机器人仿真实验和测试结果表明,基于MPC仿生吸盘控制器(MPC-BSC)在吸盘气压优化上相较PID控制有明显优势,MPC-BSC仿尺蠖机器人可以在水平和竖直的瓷砖平面完成“Ω”型运动步态。本文的主要研究结果如下:设计了仿章鱼负压式吸盘,并提出了吸盘控制模型。在负压控制下,可以调整吸盘的吸附压力以满足躯干结构运动对吸附力的需求。提出了基于MPC的仿生吸盘控制算法,该算法通过调节真空泵流速进而实现对吸盘吸附力的调节。设计了仿生吸盘式尺蠖机器人,其躯干结构安装了4个纵向伺服电机和2个横向伺服电机,可以实现“Ω”型运动步态和转向步态。提出了MPC-BSC的运动步态规划,实现“Ω”型运动步态和转向步态。实验测试了仿生吸盘的性能,验证边缘结构对仿生吸盘吸附力的作用。【结论】通过仿真实验测试了基于MPC的仿生吸盘控制算法的可行性,实验验证了仿尺蠖机器人可以在不同倾角、不同材质的平面上实现“Ω”型步态和转向步态。本文研制的仿生吸盘结构为机器人的吸附功能拓展了应用场景,降低了吸附功能的复杂性;提出的“Ω”型运动步态对异形机器人的运动具有很好的参考价值,使其能够在复杂地形下进行简单高效的运动。
  • 人工智能
    大数据背景下基于改进RNN的低压配电网线损智能分析方法
    李学军, 张世元
    2025, 47(1): 130-136. https://doi.org/10.7688/j.issn.1000-1646.2025.01.17
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    【目的】在电力系统中,线损率是衡量电网系统设计、运维和管理水平的重要经济技术指标,对于保障电网的稳定经济运行、提高供电效率具有重要意义。然而,在用户数量激增、用能特征多样化的大数据背景下,线损率的计算评价工作面临较大挑战。传统线损计算方法依赖于电网参数,精细化程度偏低,计算准确率不佳。【方法】针对该问题,提出了一种基于改进循环神经网络(RNN)的低压配电网线损智能分析方法,旨在通过智能化手段提高线损计算的准确性和效率。方法利用K-means算法对智能配电网的海量用户数据进行分类预处理,以降低数据冗余度。采用层次分析法(AHP)从分类数据中提取线损指标,这些指标随后被输入到深度学习模型中,其中,核心深度学习模型是由卷积神经网络(CNN)和改进长短时记忆网络(LSTM)模型融合而成,该模型能够挖掘配电网数据特征,实现线损的智能分析。通过IEEE33节点的仿真模型进行实验验证,充分展示所提方法的有效性。【结果】实验结果表明,所提方法的均方误差(MSE)和相对误差百分数(RE)分别为3.15 MW和2.43％,计算精度较高。与现有方法相比,所提方法在大数据背景下的配电网线损智能分析中具有明显优势,能够全面考虑各种配电网的影响因素,获得更精准的线损计算结果。此外,通过与两种经典文献方法进行对比实验,进一步验证所提方法的性能优势。【结论】基于改进RNN模型的低压配电网线损智能分析方法通过K-means算法和AHP预处理提取线损指标,再利用CNN-LSTM模型进行深入分析,有效提高了线损计算的准确性和效率。该方法主要针对低压配电网线路侧的线损进行分析,对于更高等级电压的线损分析尚未深入研究,但其在低压配电网线损智能分析中显示出优异的结果,具有实际应用价值。未来的研究将扩展到更广泛的校验分析,以提高方法的全面性和可靠性。此外,该方法的提出也为智能配电网的进一步研究和应用提供了新的思路和工具,有助于推动智能电网技术的发展和应用。通过这种方法,不仅可以提高线损计算的准确性,还能为电网的优化管理提供科学依据,对于提升电网运行效率、降低能源损耗具有重要的实际意义。随着技术的不断进步和数据量的日益增加,智能化的线损分析方法将成为电力系统运维中不可或缺的一部分。