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2020年  42卷  第9期

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无人机遥感在矿业领域应用现状及发展态势
王昆, 杨鹏, 吕文生, 诸利一, 于广明
2020, 42(9): 1085-1095. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.18.003
摘要:
无人机遥感技术是融合无人机、遥感传感器、差分定位、通信等技术以实现地理环境信息快速采集处理与应用分析的新兴技术。本文介绍了无人机遥感平台构成、技术现状及工作流程,并通过大量国内外文献调研系统梳理其在矿业领域应用场景与实际案例,结合当前技术供给短板分析发展态势。研究表明:(1)无人机遥感技术具备成本低廉、机动性强、数据采集灵活、时效性强、可重复、高分辨率等无可比拟的优势;(2)当前矿业领域主要应用于露天矿生产管理、尾矿库安全监测、灾害应急救援、矿区环境监测、边坡灾害防治;(3)规范监管、简化操控方式、提升续航时间、改善成果精度、拓展应用场景是技术应用发展趋势。无人机遥感技术在矿业领域具备广阔应用前景,势必成为智慧矿山建设中不可缺少的重要组成部分。
金属有机骨架(MOFs)/纤维材料用于电阻式气体传感器的研究进展
翟振宇, 张秀玲, 李从举
2020, 42(9): 1096-1105. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.16.006
摘要:
总结了将MOFs材料与金属氧化物、纺织品以及碳基导电纤维材料相结合,并在电阻式气体传感器领域的研究与应用。其中金属氧化物结合MOFs过程中,MOFs主要有两个作用:一是作为分散剂提高金属氧化物的分散性;二是利用MOFs本身具有较大的比表面积和大量的活性位点,来提高材料对于气体分子的吸附量和选择性。当纺织品与MOFs结合的过程中,由于纺织品的导电性相对较差,所以需要结合一些导电性及气体选择性较好的MOFs来作为传感器。碳基导电纤维一般具有较好的机械性能和导电性能,因此将其与MOFs材料复合后用于柔性电阻气体传感器具有一定的优势。
人工智能在军事对抗中的应用进展
张智敏, 石飞飞, 万月亮, 徐阳, 张帆, 宁焕生
2020, 42(9): 1106-1118. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.11.19.001
摘要:
人工智能特别是近几年深度学习的飞速发展,深刻的影响着军事领域,并赋予现代战争智能性、交叉性和破坏性的新特点。要想在军事对抗中取胜,不仅需要机器智能,同样需要人类智慧,能在军事作战中达到人机高度协同,是实现人与机器取长补短的重要途径,也是在愈发复杂的战争形势中取得胜利的关键。本文将军事对抗中人工智能的应用作为切入点,罗列了代表性国家在军事领域对人工智能的重视程度,从对抗策略和物联网三层架构两大角度对发展现状进行总结,同时指出在目前军事领域使用人工智能存在的不足,对人机融合智能在军事对抗中的发展趋势进行分析,并给出可能实现的技术方案,对未来的研究方向作出展望。如何实现高度的人机融合,从而获得“1+1>2”的良好效果,是人工智能在军事对抗中的下一步研究工作。
柔性隔离层下多漏斗散体矿岩力链演化特征的离散元模拟
陈庆发, 王少平, 秦世康
2020, 42(9): 1119-1129. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.03.001
摘要:
为进一步揭示柔性隔离层下散体介质流动过程的内部作用机理,基于离散元软件PFC开展了柔性隔离层下散体介质流力链演化特征的数值试验研究。结合接触力学及统计力学相关知识,对多漏斗放矿过程中散体介质体系内力链长度、数量、强度、方向和准直系数等的演化特征进行了量化研究。研究发现:多漏斗放矿过程中,强接触及力链接触占比均比较稳定,其中强接触占比稳定在33%左右,力链接触占比稳定在16%左右,上下波动幅度均不超过2%;力链总数随着放矿次数的增加不断波动减少,并在放矿后期稳定在790条左右;不同放矿次数下力链长度的概率分布几乎一致,均随着力链长度的增加呈指数形式递减;力链强度的概率分布随着放矿次数的增加先呈指数形式上升再呈指数形式下降,并在0.7\begin{document}$\bar F$\end{document}\begin{document}$\bar F$\end{document}为平均接触力)处出现一峰值;放矿初始阶段,力链主要沿铅垂方向分布,力链方向分布形态近似花生状;此后随着矿石颗粒的持续放出,散体介质体系内部局部应力集中现象明显,力链分布主方向由1个演变为4个(铅垂方向、水平方向及与水平方向呈±60°夹角方向);力链准直系数随着放矿次数的增加呈指数形式增长并逐渐保持稳定。
缝槽水压爆破破岩载荷实验研究
夏彬伟, 高玉刚, 刘承伟, 欧昌楠, 彭子烨, 刘浪
2020, 42(9): 1130-1138. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.06.002
摘要:
针对缝槽爆破中以空气作为不耦合介质,其冲击波和准静态压力较小、炸药能量利用率低、破岩能力弱的问题,提出缝槽水压爆破方法。利用水的微压缩性,以及传能效率高等特点,以水作为炮孔不耦合介质,提升缝槽爆破破岩载荷,开展其爆破破岩载荷特征研究。通过自主研发的缝槽爆破载荷测试实验系统,分别开展缝槽空气不耦合爆破和缝槽水压爆破实验。结果表明:水作为缝槽爆破不耦合介质,其冲击波压力峰值约是缝槽空气不耦合爆破的35倍,冲击波压力上升沿更平缓,入射效率更高;其准静态压力峰值是缝槽空气不耦合爆破的37~46倍,水压爆破的准静态压力压降缓慢,保压时间更长。研究表明,缝槽水压爆破的炸药能量利用率高,爆炸载荷提升明显。上述研究成果有助于深入认识缝槽水压爆破破岩载荷特性,同时对该方法的工程应用提供理论和实验支撑。
影响煤自燃气体产物释放的主要活性官能团
赵婧昱, 张永利, 邓军, 宋佳佳, 王涛, 张嬿妮, 张宇轩
2020, 42(9): 1139-1148. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.02.17.001
摘要:
为了研究煤自燃发火气体产物与煤分子官能团之间的内在联系,进一步揭示煤自燃发火过程的微观变化特性,利用程序升温实验装置和原位红外光谱分析实验系统,得出了气体产物生成量和活性官能团含量之间的关联性。结果表明:CO、C2H4等指标气体浓度伴随温度升高显示为抛物线模式增长;活性官能团中,随着温度的不断升高,脂肪烃含量先持续增大,之后开始逐渐下降,C=C双键含量不断下降,含氧官能团含量先趋于稳定后逐渐增加。根据指标气体浓度变化,获得了高温反应过程中的5个特征温度点,进一步将其分为临界温度阶段、干裂–活性–增速温度阶段、增速–燃点温度阶段和燃烧阶段4个阶段,并对三个高温氧化阶段进行关联性分析发现:在临界温度阶段,影响CO、CO2、CH4和C2H6气体释放的主要活性官能团是羰基;在干裂–活性–增速温度阶段烷基链和桥键发生大量断裂,影响气体产物的主要活性官能团是脂肪烃和羰基;在增速–燃点温度阶段气体浓度与羰基和羧基等官能团呈负相关。得出干裂–活性–增速温度阶段是高温氧化过程中的危险阶段,需在该阶段前对氧化反应进行控制,以减少人员和物质损失。
基于熔渣结构的多元渣系黏度模型
唐续龙, 张梅, 郭敏, 王习东
2020, 42(9): 1149-1156. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.27.001
摘要:
黏度是冶金熔渣的基本物理性质,其大小直接影响到反应速率、熔渣分离效果等冶炼过程。通过深入探索熔渣黏度与其结构的关系,在分析熔渣黏度与其(NBO/T)比值(即单个聚合物粒子所拥有的非桥氧数量)相互关系的基础上,本文提出基于(NBO/T)比值的多元熔渣黏度计算模型。首先建立SiO2–∑MxO简单渣系的黏度计算模型,通过拟合纯氧化物和SiO2–MxO二元渣系的黏度数据得到模型参数,拟合平均误差在9%~18.5%之间;随后将该模型扩展至SiO2–Al2O3–∑MxO多元渣系的黏度计算,针对Al2O3在熔渣中同时表现出酸性氧化物和碱性氧化物的特点,在计算SiO2–Al2O3–MxO三元渣系黏度时,将其中的Al2O3拆分为酸性物质和碱性物质来计算(NBO/T)比值和黏度活化能。在SiO2–MxO二元系模型参数的基础上,通过拟合SiO2–Al2O3–MxO三元渣系的黏度数据得到含Al2O3渣系的模型参数,拟合平均误差在10%~25%之间。利用该模型计算了SiO2–Al2O3–CaO–MgO–FeO–Na2O–K2O–Li2O–BaO–SrO–MnO多元复杂渣系及其子体系的黏度值,计算平均误差在25%以内,取得了较好的预报效果。本模型基于熔渣结构理论,并借鉴了经验模型的数据处理方式,在预报效果和适用范围上都优于传统经验模型,在计算方式上比结构模型要简单。
微波场下的钒渣氯化动力学
谭博, 王丽君, 闫柏军, 周国治
2020, 42(9): 1157-1164. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.20.003
摘要:
研究了微波加热条件下(500~800 ℃),AlCl3氯化钒渣中有价金属Fe、Mn、V和Cr变温动力学。通过X射线衍射和扫描电镜能谱表征了氯化产物随时间的物相演变和形貌变化,考察了AlCl3/钒渣的质量比和熔盐配比对氯化提取率的影响。结果表明,AlCl3/钒渣的质量比为1.5、(NaCl-KCl)/AlCl3熔盐质量比为1.66∶1时Fe、Mn、V和Cr的提取率最佳,分别为91.66%、92.96%、82.67%、75.82%和63.14%,微波加热30 min,5种元素的提取率达到或者超过常规加热方式6 h的氯化提取效果。通过热力学和动力学分析,橄榄石相优先于尖晶石相发生氯化反应。而且V和Cr的氯化反应速度小于Fe和Mn。Fe和Mn氯化过程为扩散控制,其非等温扩散活化能为17.02和17.10 kJ·mol−1, V和Cr在氯化过程中的限制性环节为界面化学反应,其表观活化能分别为40.00和50.92 kJ·mol−1;微波与熔盐耦合强化氯化反应的机理可以描述为扩散作用增强和局部化学反应增强。
铌硅基高温合金定向凝固铸造温度场模拟计算
秦蓉, 付华栋, 康永旺, 周晓舟, 张志豪, 谢建新
2020, 42(9): 1165-1173. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.02.001
摘要:
以铌硅基高温合金定向凝固铸造过程为对象,通过实验测试和反求法确定了铌硅基高温合金和型壳的热物性参数,以及凝固过程各界面换热系数等边界条件;利用ProCAST软件对不同抽拉速率下铌硅基高温合金凝固过程温度场进行了模拟。结果表明,随着抽拉速率由5 mm·min−1增加到10 mm·min−1,固/液界面离液态金属锡表面的距离由12.1 mm下降到8.2 mm;平均糊状区宽度逐渐变窄,由11.5 mm减小到10.4 mm。针对抽拉速率为5 mm·min−1的实验结果表明,数值模拟结果与实际定向凝固实验获得的一次枝晶间距差异在6%以内,从一个方面验证了温度场模拟结果的正确性,相关结果可为铌硅基高温合金叶片定向凝固铸造参数的确定提供参考。
张力退火对Zr–4合金织构和再结晶行为的影响
朱广伟, 赵乙丞, 赵帆, 齐鹏, 张志豪
2020, 42(9): 1174-1181. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.27.004
摘要:
以易控的工艺条件为基础,通过设计简易实验装置来模拟锆合金在实际生产中的张力退火过程。采用X射线衍射(XRD)和电子背散射(EBSD)技术,对不同温度和不同张力下退火处理后的Zr–4合金织构和再结晶行为进行研究。结果表明,施加外加应力和提高退火温度可显著改变再结晶织构演化过程。随着外加应力值的增加以及退火温度的升高,锆合金的主要织构(\begin{document}$\overline 1 2\overline 1 5$\end{document})[\begin{document}$ 10 \overline 1 0$\end{document}]总量减少,极密度减弱,从而导致材料各向异性减小;外加应力和退火温度对材料再结晶过程中小角度晶界数量以及再结晶比例产生了显著影响,随着外加应力的增加以及退火温度的升高,材料内部发生动态回复和再结晶,位错和亚结构逐渐消失,材料再结晶过程中的小角度晶界数量明显减少,材料的再结晶过程加快,材料的再结晶比例显著提高。外加应力的施加以及退火温度的升高均有利于材料内部再结晶过程的加速进行。研究结果对Zr–4合金退火处理优化有指导作用,为解决锆合金在工程应用中所遇到的问题提供了科学基础。
CO2分压对N80油管钢在CO2驱注井环空环境中应力腐蚀行为的影响
崔怀云, 梅鹏程, 刘智勇, 卢琳
2020, 42(9): 1182-1189. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.13.004
摘要:
使用恒应变试样浸泡试验、表面分析技术和电化学测试技术研究了CO2分压对N80钢在模拟CO2驱注井环空环境中应力腐蚀行为的影响。研究结果表明:CO2分压对腐蚀速率的影响存在一个拐点,环境温度为25 ℃时拐点约为1 MPa。当CO2分压小于1 MPa时,由于腐蚀产物膜(FeCO3)成形较慢,覆盖率低,随CO2分压的增高,N80钢的自腐蚀电流密度快速增大;当CO2分压大于1 MPa时,腐蚀产物膜能以较快的速率成形,覆盖率高,CO2分压的进一步增高反会使得N80钢的腐蚀电流密度降低。CO2溶于模拟环空溶液中会使溶液pH持续下降,促使N80油管钢在环空环境下发生应力腐蚀开裂。N80钢在CO2注入井环空环境中的应力腐蚀开裂机制是阳极溶解和氢脆共同作用的混合机制。应力腐蚀裂纹在萌生阶段局部阳极溶解作用(点蚀)为主导,该作用下CO2分压为1 MPa时应力腐蚀裂纹最易萌生;在应力腐蚀裂纹生长阶段氢脆作用更强,这种作用导致CO2分压更高时应力腐蚀裂纹更容易生长,应力腐蚀敏感性进一步提高。
Cu–(Fe–C)合金中Fe–C相的固态转变对其摩擦磨损行为及机理的影响
任浩岩, 解国良, 刘新华
2020, 42(9): 1190-1199. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.18.006
摘要:
采用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、纳米力学探针、力学性能测试以及室温摩擦磨损实验研究了Cu–(Fe–C)合金的铸态组织、形变态组织、Fe–C相形貌、力学性能和摩擦磨损行为。结果表明,Cu–(Fe–C)合金中弥散分布着微米级和纳米级的Fe–C相,其中微米级的Fe–C相在淬火和回火过程中发生了固态转变,这种固态转变与钢中的马氏体转变和回火转变类似。合金先在850 ℃淬火,然后在200、400和650 ℃回火,Fe–C相由针状马氏体逐渐向颗粒状回火索氏体转变,Fe–C相纳米硬度分别为9.4、8、4.2和3.8 GPa,实现了对强化相硬度的控制。室温摩擦磨损实验结果表明,随着回火温度升高,合金的磨损机制逐渐由犁削向黏着磨损和大塑性变形转变,导致合金的耐磨损性能降低。这一结论可以为通过Fe–C相的固态转变的方法调控Cu–(Fe–C)合金的摩擦磨损性能提供参考作用。
基于融合模型的锂离子电池荷电状态在线估计
王晓兰, 靳皓晴, 刘祥远
2020, 42(9): 1200-1208. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.20.001
摘要:
针对锂离子电池荷电状态(Stage of charge,SOC)在线估计精度不高,等效电路模型法估计精度与模型复杂度相矛盾的问题,本文对扩展卡尔曼滤波算法进行了改进,并以电池工作电压、电流为输入,对应等效电路模型法的SOC估计误差为输出,采用极限学习机算法,建立基于输入输出数据的SOC估计误差预测模型,采用物理–数据融合方法,基于误差预测模型,建立了等效电路模型法结合极限学习机的锂离子电池SOC在线估计模型。仿真结果表明,改进扩展卡尔曼滤波算法提高了算法的估计精度,而物理–数据融合的锂离子电池SOC在线估计模型减小了由电压、电流测量所引入的估计误差,克服了等效电路模型法估计精度与模型复杂度之间相矛盾的问题,进一步提高了SOC的估计精度,满足估计误差不超过5%的应用需求。
基于近邻的不均衡数据聚类算法
武森, 汪玉枝, 高晓楠
2020, 42(9): 1209-1219. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.09.003
摘要:
针对经典K–means算法对不均衡数据进行聚类时产生的“均匀效应”问题,提出一种基于近邻的不均衡数据聚类算法(Clustering algorithm for imbalanced data based on nearest neighbor,CABON)。CABON算法首先对数据对象进行初始聚类,通过定义的类别待定集来确定初始聚类结果中类别归属有待进一步核定的数据对象集合;并给出一种类别待定集的动态调整机制,利用近邻思想实现此集合中数据对象所属类别的重新划分,按照从集合边缘到中心的顺序将类别待定集中的数据对象依次归入其最近邻居所在的类别中,得到最终的聚类结果,以避免“均匀效应”对聚类结果的影响。将该算法与K–means、多中心的非平衡K_均值聚类方法(Imbalanced K–means clustering method with multiple centers,MC_IK)和非均匀数据的变异系数聚类算法(Coefficient of variation clustering for non-uniform data,CVCN)在人工数据集和真实数据集上分别进行实验对比,结果表明CABON算法能够有效消减K–means算法对不均衡数据聚类时所产生的“均匀效应”,聚类效果明显优于K–means、MC_IK和CVCN算法。
矿区废弃地移动机器人全覆盖路径规划
周林娜, 汪芸, 张鑫, 杨春雨
2020, 42(9): 1220-1228. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.09.004
摘要:
矿区废弃地为室外大型非结构化环境,包含多种类型的障碍物且存在诸多不确定性因素,给移动机器人全覆盖路径规划造成了极大的困难。本文使用牛耕式单元分解法结合生物激励神经网络算法完成移动机器人对矿区废弃地的全覆盖路径规划。首先,针对矿区废弃地已知环境,采用牛耕式单元分解法对复杂环境做出区域分解,将具有综合复杂性的地图分解为多个不含障碍物的子区域;然后,根据子区域的邻接关系构建无向图,采用深度优先搜索算法确定子区域间的转移顺序;最后,采用生物激励神经网络算法确定子区域内部行走方式以及子区域间路径转移。仿真结果表明,生物激励神经网络算法在解决机器人路径转移问题方面比其他路径规划算法更高效,所得的方法能够处理复杂的非结构化环境,完成废弃矿区移动机器人的覆盖路径规划。