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期刊信息/Journal information
工程科学与技术
四川大学
工程科学与技术

四川大学

谢和平

双月刊

2096-3246

jsu@scu.edu.cn

028-85401005

610065

成都市一环路南一段24号

工程科学与技术/Journal Advanced Engineering SciencesCSCD北大核心CSTPCDEI
查看更多>>本刊为四川大学主办的工程科学领域综合性学术期刊。主要反映四川大学工程科学领域基础理论研究和实验研究方面的科研成果，推动国内外学术交流。主要专业：水利与土木工程、化学与化学工程、机械工程、电气信息工程、材料科学与工程、信息工程。主要读者对象是高等学校和科研单位的科研工作者、教师和研究生。
正式出版
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    无人机网络中基于无证书的群组认证密钥协商协议

    王钺程朱友文张志强
    213-224页
    查看更多>>摘要：随着无人机技术在物流行业等场景下的应用越来越广泛，在一些需要多无人机协同工作的场景下无人机之间需要对收集的数据进行交换，使用对称密钥进行加密和解密操作时，由于网络的通信环境是开放的，极易遭到第三方的窃听，通信前无人机协商的会话密钥也容易遭到泄露。因此，本文面向无人机网络通信中的身份认证及数据隐私需求，提出一种基于无证书密钥体系的群组认证密钥协商协议。本文协议将无人机群组分为一个高算力的中心节点和多个低算力的节点，以降低通信开销及计算开销。协议共分为注册、协商、加入/退出3个阶段。注册阶段会为每个节点生成密钥对;协商阶段进行会话密钥的计算，群组中高算力中心节点是中枢节点，承担大部分的计算与通信任务，所有节点在注册阶段计算好密钥对后，只需进行高算力的中心节点与低算力节点的两轮交互即可完成密钥协商;此外，在有无人机退出或加入群组的情况下，该协议支持无人机单元及群组密钥的动态变更。本文对所提协议进行了安全性分析并在eCK模型下进行了安全证明，分析结果表明，该协议满足不可否认性、前后向保密性以及抗公钥替换攻击。在模拟实验中与同类型协议进行了计算开销和通信开销的对比，实验结果表明，该协议具有较低的计算开销和通信开销。由于该协议不基于双线性配对构造，所以更适合轻量化的无人机通信场景。

    无人机无证书公钥体系身份认证群密钥协商椭圆曲线加密

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    Co3S4/PES催化膜反应器氧化降解水中罗丹明B

    肖泽仪孟佳欣樊森清陈渝...
    225-233页
    查看更多>>摘要：基于过硫酸氢钾(PMS)的非均相高级氧化工艺(AOPs)在实际应用中一直受到PMS活化效率与活性氧物种(ROS)利用率低下的限制。本文以ZIF-67为前驱体、聚醚砜(PES)多孔膜为基底，采用金属有机框架(MOFs)模板配体交换策略，流动合成构建了Co3S4/PES催化膜反应器(CMR)。通过场发射电子显微镜(FESEM)、X射线衍射(XRD)等方法对催化膜进行了表征。结果显示，平均粒径为23 nm的Co3S4纳米颗粒被原位合成固载在PES膜孔中，负载量为15。9%，并沿膜厚度方向均匀分布。以活化PMS降解典型芳香族有机化合物罗丹明B(RhB)为例，研究了该催化膜的催化性能及反应机理。实验结果表明，浓度为20 mg/L的RhB溶液，在初始溶液pH为7、温度为25℃以及膜通量为0。80 mL/(min·cm-2)(对应于停留时间0。68 s)的条件下，Co3S4/PES催化膜具有90%以上的降解率，表观反应速率常数为97。83 min-1，转化频率达到了489。15 L/(min·g-1)，均高出Co3S4粉末传统悬浮间歇处理模式两个数量级，并且Co3S4/PES催化膜能够保持良好的稳定性。膜孔道的分散性有效防止了Co3S4纳米颗粒的聚集，过膜流动反应限域在微纳尺度的膜孔道内，强化了反应物与催化剂之间的质量传递与接触，加快了PMS的活化，从而实现了单线态氧(1O2)的高效生成，并在RhB的快速降解中起主导作用。

    催化膜反应器高级氧化罗丹明B过硫酸氢钾流动反应ZIF-67Co3S4

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    基于沉积物孔隙水电动导排的氮磷污染沉积物修复技术

    黎睿汤显强胡艳平卢士强...
    234-243页
    查看更多>>摘要：孔隙水是沉积物和上覆水之间物质交换的重要媒介，污染物可以通过孔隙水对流、扩散等方式向上覆水中迁移，加剧上覆水体的污染。采用自制电动导排孔隙水装置，设置5组对照实验，模拟了导排沉积物孔隙水对氮磷污染沉积物的修复，分析了泥-水界面氮磷释放通量，探讨了不同实验条件对沉积物内源释放与微生物多样性的影响。结果表明:导排孔隙水可以显著抑制泥-水界面氮磷释放，但是氮磷的响应存在差异。通电导排孔隙水后泥-水界面总氮(TN)释放通量总体呈逐步下降趋势，变化范围为-15。698～79。903 mg/(m2·d)，实验进行14 d即可使TN释放通量降低为最大释放通量的10%以内。与对照组相比，仅导排孔隙水可以使泥-水界面氮释放通量减低76。72%，通电后界面释放通量最终降幅可达95。53%以上。泥-水界面总磷(TP)释放通量在实验进行28 d内呈波动变化，其范围为-3。558～4。279 mg/(m2·d)，当实验时间超过70 d以后，除对照组以外，泥-水界面磷释放通量均为负值，最终沉积物从磷的"源"转为"汇"。实验结束后，沉积物中pH值、有机质含量(LOI)没有发生显著变化。导排孔隙水后沉积物中TP降低约1。06%～5。02%。TN含量减少主要发生在阳极，相对于初始状态减少了2。65%～13。63%。电动导排孔隙水对沉积物中微生物α多样性影响较小，在电场作用下沉积物中微生物的Chao1指数、ACE指数略有降低，但在统计学上无显著差异。沉积物中微生物群落组成相似，在门水平上，均以变形菌门(13。41%～24。40%)、拟杆菌门(12。77%～29。71%)和绿弯菌门(5。01%～18。64%)为主。冗余分析表明，对微生物群落结构影响较大的因素为沉积物pH值、含水率，其次为沉积物LOI和电导率，沉积物中总磷含量的影响最小。研究表明，通过电动导排孔隙水修复氮磷污染沉积物是一种具有应用前景的技术选择。

    孔隙水沉积物电动修复释放通量微生物多样性

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    贵州某酸性矿井涌水的生物氧化治理中试试验

    胡文杰郑博渊胡鹏飞唐韶泽...
    244-252页
    查看更多>>摘要：酸性矿井涌水(AMD)酸性强、重金属含量高，对其进行妥善处理已然成为亟待解决的重大环境问题之一。然而，目前生物法处理AMD在实际应用和资源化利用方向的研究仍在探索阶段。针对这一现状，本文提出了一种细菌氧化—pH分段沉淀—循环沉淀处理AMD的新技术，在贵州污染源地构建中试装置并进行了半工业试验。结果表明:该酸性矿井涌水中的主要污染因子为铁和铝。温度是影响生物反应器效率的关键因素，反应温度25℃相比10℃时氧化效率提高了1倍以上。结合运行成本和处理效率得出最佳反应条件为曝气量16 Nm3·h-1、中和pH=5;中试系统对Fe2+和Al3+的去除率均在99%以上，对Fe2+的氧化速率高达410 g·h-1。经微生物分类测序表明，变形菌门在各个时期的门水平中都保持绝对优势，属水平上的铁氧化细菌是生物反应器内的最终优势菌群。经pH分段沉淀—循环沉淀8次后，沉淀渣中铁品位最高可达41。15%，有望作为肥料、水泥、絮凝剂等原材料。本文证实了以氧化菌群为核心高效处理AMD的可行性，同时对各类中试试验参数进行了有益的探讨，可为将来AMD生物治理的规模化工业应用提供可信的依据和参考。

    酸性矿山废水生物氧化治理资源化利用

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    腐蚀环境下纳米SiO2改良水泥土动弹性模量与阻尼比试验

    庄心善杨本驰寇强
    253-263页
    查看更多>>摘要：近海地区工程建设项目大多受海水腐蚀和动荷载影响，为改善近海地区水泥土基础的力学性能，选取广州某沿海工程黏土制备纳米SiO2改良水泥土试样，利用GDS真(动)三轴仪对改良水泥土进行循环加载试验，探究腐蚀状态下纳米SiO2对水泥土力学性能的影响，分析不同腐蚀天数、不同海盐腐蚀浓度下改良水泥土的动弹性模量及阻尼特性。结果表明:纳米SiO2改良水泥土动弹性模量随海盐腐蚀溶液浓度增大逐渐减小，其增长速率随海盐腐蚀时间增长逐渐减弱;与普通水泥土相比，在水泥土中掺入纳米SiO2可明显增大水泥土动弹性模量，提高土体抗腐蚀能力;利用Konder模型得出水泥土动弹性模量倒数与动应变呈良好的线性关系，且纳米SiO2改良水泥土最大动弹性模量Ed0相比于普通水泥土有明显提高;采用Darendeli模型对水泥土动弹性模进行分析，得到纳米SiO2改良前后水泥土动模量比衰减模型，该模型能较好地描述海盐腐蚀环境下水泥土动弹性模量随动应变的变化规律;在海盐腐蚀时间相同的条件下，纳米SiO2改良水泥土滞回圈面积S、阻尼比λ随海盐腐蚀溶液浓度增加不断增大，且均小于普通水泥土，水泥土经纳米SiO2改良后，阻尼比λ的增长速率及增长量明显减小。在沿海腐蚀环境下，纳米SiO2可有效提高水泥土力学性能，探究如何改良水泥土动力特性可为实际工程建设提供有效参考。

    海盐腐蚀溶液水泥土纳米SiO2动三轴试验动弹性模量阻尼比

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    联络巷防水密闭墙稳定性评价与位置优化研究

    杜明泽孔繁龙费宇
    264-273页
    查看更多>>摘要：联络巷防水密闭墙受两次采动的影响，其稳定性关系到相邻工作面的安全回采。针对联络巷防水密闭墙稳定性难以确定这一关键问题，以察哈素煤矿联络巷防水密闭墙为例，采用理论分析，计算分析了不受采动影响下防水密闭墙承受的最大安全水头高度，阐明了防水密闭墙与煤岩柱易失稳的结构弱面;采用数值模拟，分析了一次、两次采动和不同水头高度(6。0、9。0、12。0和15。0 m)下防水密闭墙的受力状态、位移情况以及接触面滑移状态。基于结构弱面分析，采用自主研发的井下采空区防水密闭墙应力、位移监测系统，对密闭墙测点进行了合理布设和监测，最终确定了采动和水压作用下防水密闭墙的最大安全水头高度。在此基础上，对3-1工作面开采侧向支承压力分布规律进行了实测，并对防水密闭墙的位置进行了优化。结果表明:不考虑采动影响，防水密闭墙的最大安全水头高度为12。4 m，防水密闭墙体顶底角以及与煤柱相嵌的接触面为结构弱面，易发生破坏;采动对防水密闭墙有一定的损伤，水压作用加剧了密闭墙与煤柱接触面间的滑移;采动和水压作用下防水密闭墙所能承受的最大水头高度为9。0 m，警戒水位线的水头高度为7。2 m;工作面侧向压力峰值区约在10。5～12。5 m处，建议防水密闭墙布置在距离采空区侧大于15。0～20。0 m，以避开支承压力峰值。研究结果可为类似矿井防水密闭墙的稳定性评估与位置优化提供理论基础与应用参考。

    矿井水害联络巷防水密闭墙抗水压能力侧向支承压力位置优化

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    冲击方向影响下"天然"破裂砂岩强度特性研究

    石浩张后全宋雷李明...
    274-286页
    查看更多>>摘要：研究冲击方向影响下"天然"破裂砂岩强度特性保障地下工程结构的长效稳定具有重要意义。首先通过双轴压缩模拟试验获取"天然"分布的裂隙，并分析不同围压下裂隙的分布特征;然后，对"天然"分布裂隙进行提取，对其整体旋转0、90°、180°及270°并移植至SHPB(split hopkinson pressure bar)颗粒流数值模型;最后，通过模拟动力加载研究"天然"破裂砂岩的冲击强度与双轴压缩强度、裂隙分布信息、冲击方向等因素之间的对应关系。结果显示:1)当双轴压缩围压较低时，试件滑移面相对清晰;随着围压的增加，滑移面的识别难度加大。2)随着双轴压缩轴压水平及围压的增加，试件冲击强度及其对应的时间基本均呈减小趋势;冲击强度大于20 MPa的试件，其应力-时间曲线在峰前弹性阶段的切线斜率基本一致。3)当冲击方向与双轴压缩最大主应力方向垂直时，裂隙数量对冲击强度的影响更显著;当冲击方向与双轴压缩最大主应力方向平行时，裂隙数量对冲击强度的影响相对较弱。4)为深入分析裂隙数量对试件冲击强度的影响，提出分布裂隙数量反值的概念;在不同冲击方向下，分布裂隙数量反值与冲击强度随试件双轴压缩强度的变化基本同步。5)冲击强度对冲击方向的依赖性与宏观破裂面具有重要关联;宏观破裂面的存在能够有效阻隔应力在试件中的传递，从而在不同冲击方向下改变冲击应力的传播路径及范围。

    冲击方向"天然"分布裂隙强度特性颗粒流数值模拟裂隙提取、旋转及移植

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    基于各向异性混合核函数高斯过程回归的RC柱概率抗剪承载力模型

    李启明张鹏飞喻泽成余波...
    287-295页
    查看更多>>摘要：针对钢筋混凝土(RC)柱抗剪承载力传统预测模型的非线性逼近能力不足且无法合理描述不确定性所存在的缺陷，提出一种基于各向异性混合核函数高斯过程回归的RC柱概率抗剪承载力预测模型。首先，基于核函数相加性和自动相关性，构造出一种新型的各向异性混合核函数;然后，结合高斯过程回归原理和各向异性混合核函数，建立了RC柱的概率抗剪承载力模型;进而采用极大似然估计法，确定了RC柱概率抗剪承载力模型的超参数;最后，基于91组剪切破坏RC柱的试验数据，通过与传统核函数形式和传统模型进行对比分析，验证了该模型的有效性。结果表明:与传统核函数相比，各向异性混合核函数的确定性预测指标均方根误差RMSE和平均绝对误差MAE分别降低约16%和19%，概率性预测值指标负对数预测密度NLPD和平均标准化对数损失MSLL分别降低约15%和23%;与传统机器学习模型相比，本文模型的均方根误差RMSE和平均绝对误差MAE分别降低约38%和39%;根据所提出的概率模型能够建立概率密度函数曲线和置信区间，从而合理描述抗剪承载力的不确定性并校准分析传统模型的预测精度。

    钢筋混凝土柱各向异性混合核函数高斯过程回归概率抗剪承载力模型不确定性

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    基于需求响应的电热综合能源系统优化调度研究综述

    莫静山闫广贤宋娜袁铭洋...
    296-307页
    查看更多>>摘要：随着能源需求和能源结构的变化，综合能源系统在满足用户需求和保障能源供应的同时，面临着灵活性调节能力明显下降的问题。需求响应是需求侧参与电网灵活性互动的重要途径，通过需求侧对耦合互补、形式各异的多能进行协同优化，将有利于提高综合能源系统调度的灵活性，弥补系统灵活性的匮乏。本文针对近年来基于需求响应的电热综合能源系统调度的研究现状、调度模型分类、模型求解方法进行了综述。首先，对国内外需求响应机制的研究现状进行分析。根据当前需求响应机制不同分类标准，需求响应机制可按照引导方式和按照用户对系统贡献的评价方式两类划分。按照引导方式可分为电价型和激励型需求响应;按照用户对系统贡献的评价方式可分为非直接评价的电价型和直接评价中的基线、准线型需求响应。其中:电价型需求响应虽可通过制定相关电价引导用户的用电，实现削峰填谷，但其响应效果依赖于电价的制定，具有一定的不可预测性;激励型需求响应不涉及电价的制定，通过激励补偿可调动大量用户积极性，但由于目前的激励方式较单一，不能充分发挥其巨大的调节潜力;基线型主要适用于用户规模较小的情况，存在一定的局限性;准线型需求响应通过为用户提供自主优化的目标，虽然处于理论研究初步阶段，但其削峰填谷、消纳效果明显优于其他需求响应机制，在大规模多元用户参与需求响应的背景下参与多源协同调度时，可更有效促进源荷双侧的良性互动，但目前尚未考虑到风光出力等不确定性因素对负荷准线的影响，后续仍需进行深入研究。其次，对电热综合能源系统的构成、主要特征进行分析。由分析可知，电热综合能源系统是一种多能耦合紧密的电力系统，并根据应用情景的差异划分为基本模型、系统灵活性模型、系统随机性模型3种电热综合能源系统调度模型，并对3种模型的研究现状进行阐述。再次，针对目前基于需求响应的电热综合能源系统优化调度模型求解方法的适应场景、优缺点等进行对比分析。目前的调度模型求解方法主要可分为解析法和人工智能法两种。其中，按调度方式求解可将解析法分为统一求解法和分层求解法。统一求解法主要适用于需快速计算且对精度要求不高的场合;相较于统一求解法，分层求解法不仅可以保持各子系统的独立性，而且可得到全局的最优解，但因其求解时需反复迭代，导致其求解效率仍有待提高。由于人工智能法较简单直接，便于实现和调整，常被用于求解解析法中难以解决的问题。人工智能算法可分为基于群优化问题的算法和机器学习算法两大类。虽然二者均可实现全局最优，但前者需对所有群体进行逐一检查，以完成每次迭代的优化过程，导致其收敛速度较慢;相较于基于群优化问题的算法，机器学习算法具有较高的求解速率和鲁棒性，是目前较常见的一种求解算法，但由于其离线训练时间较长，仍需进一步优化。最后，总结了目前需求响应机制现存问题，并对需求响应参与电热综合能源系统的优化调度进行展望，旨在为未来基于需求响应的电热综合能源系统优化调度研究提供参考。

    需求响应综合能源系统灵活性优化调度新能源消纳

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    智能轨道列车动态无线供电系统无源控制研究

    刘华东赵万平乐文韬谭平安...
    308-317页
    查看更多>>摘要：互感变化会引起智能轨道列车动态无线供电系统输出功率波动，影响系统的稳定性和可靠性，而传统的线性控制策略动态性能差，不能很好地适应动态无线供电系统。为此，本文基于无源控制理论(PBC)提出了一种适用于智能轨道列车动态无线供电系统的恒功率控制策略。首先，介绍了智能轨道列车DWPT系统结构，建立了系统等效电路模型，分析了传输特性与启动特性，得到了实现系统恒功率输出所需条件。然后，在此基础上，推导出了DC-DC变换器的EL方程，验证了变换器的无源性;基于无源控制理论，通过能量塑造与虚拟阻尼注入设计了无源控制器，并通过控制流入副边DC-DC变换器电流期望值实现系统输出功率恒定。同时，设计了预充回路保护电气设备，利用车载储能设备反向对DC-DC变换器中的储能元件进行预充电，以防止启动瞬间冲击电流过大。在MATLAB/Simulink中搭建相应的仿真模型进行仿真，并搭建300 kW智能轨道列车动态无线供电系统实验平台进行实验。仿真和实验结果表明:相对于传统控制策略，本文提出的PBC策略可使得DWPT系统输出功率不受互感波动的影响，平均功率维持在298。2 kW，且预充回路能抑制启动瞬间的冲击电流，证实了本文所提控制策略的有效性与正确性，具有响应速度快和鲁棒性强等优势。

    智能轨道列车动态无线供电无源控制恒功率输出

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