工程科學學報

無人機遙感在礦業領域應用現狀及發展態勢

2020-09-20

無人機遙感技術是融合無人機、遙感傳感器、差分定位、通信等技術以實現地理環境信息快速采集處理與應用分析的新興技術。本文介紹了無人機遙感平臺構成、技術現狀及工作流程，并通過大量國內外文獻調研系統梳理其在礦業領域應用場景與實際案例，結合當前技術供給短板分析發展態勢。研究表明：（1）無人機遙感技術具備成本低廉、機動性強、數據采集靈活、時效性強、可重復、高分辨率等無可比擬的優勢；（2）當前礦業領域主要應用于露天礦生產管理、尾礦庫安全監測、災害應急救援、礦區環境監測、邊坡災害防治；（3）規范監管、簡化操控方式、提升續航時間、改善成果精度、拓展應用場景是技術應用發展趨勢。無人機遙感技術在礦業領域具備廣闊應用前景，勢必成為智慧礦山建設中不可缺少的重要組成部分。

工程科學學報. 2020 42(9): 1085-1095. Published 2020-09-20

金屬有機骨架（MOFs）/纖維材料用于電阻式氣體傳感器的研究進展

2020-09-20

總結了將MOFs材料與金屬氧化物、紡織品以及碳基導電纖維材料相結合，并在電阻式氣體傳感器領域的研究與應用。其中金屬氧化物結合MOFs過程中，MOFs主要有兩個作用：一是作為分散劑提高金屬氧化物的分散性；二是利用MOFs本身具有較大的比表面積和大量的活性位點，來提高材料對于氣體分子的吸附量和選擇性。當紡織品與MOFs結合的過程中，由于紡織品的導電性相對較差，所以需要結合一些導電性及氣體選擇性較好的MOFs來作為傳感器。碳基導電纖維一般具有較好的機械性能和導電性能，因此將其與MOFs材料復合后用于柔性電阻氣體傳感器具有一定的優勢。

工程科學學報. 2020 42(9): 1096-1105. Published 2020-09-20

人工智能在軍事對抗中的應用進展

2020-09-20

人工智能特別是近幾年深度學習的飛速發展，深刻的影響著軍事領域，并賦予現代戰爭智能性、交叉性和破壞性的新特點。要想在軍事對抗中取勝，不僅需要機器智能，同樣需要人類智慧，能在軍事作戰中達到人機高度協同，是實現人與機器取長補短的重要途徑，也是在愈發復雜的戰爭形勢中取得勝利的關鍵。本文將軍事對抗中人工智能的應用作為切入點，羅列了代表性國家在軍事領域對人工智能的重視程度，從對抗策略和物聯網三層架構兩大角度對發展現狀進行總結，同時指出在目前軍事領域使用人工智能存在的不足，對人機融合智能在軍事對抗中的發展趨勢進行分析，并給出可能實現的技術方案，對未來的研究方向作出展望。如何實現高度的人機融合，從而獲得“1+1>2”的良好效果，是人工智能在軍事對抗中的下一步研究工作。

工程科學學報. 2020 42(9): 1106-1118. Published 2020-09-20

柔性隔離層下多漏斗散體礦巖力鏈演化特征的離散元模擬

2020-09-20

為進一步揭示柔性隔離層下散體介質流動過程的內部作用機理，基于離散元軟件PFC開展了柔性隔離層下散體介質流力鏈演化特征的數值試驗研究。結合接觸力學及統計力學相關知識，對多漏斗放礦過程中散體介質體系內力鏈長度、數量、強度、方向和準直系數等的演化特征進行了量化研究。研究發現：多漏斗放礦過程中，強接觸及力鏈接觸占比均比較穩定，其中強接觸占比穩定在33%左右，力鏈接觸占比穩定在16%左右，上下波動幅度均不超過2%；力鏈總數隨著放礦次數的增加不斷波動減少，并在放礦后期穩定在790條左右；不同放礦次數下力鏈長度的概率分布幾乎一致，均隨著力鏈長度的增加呈指數形式遞減；力鏈強度的概率分布隨著放礦次數的增加先呈指數形式上升再呈指數形式下降，并在0.7<inline-formula<<tex-math id="M1"<\begin{document}$\bar F$\end{document}</tex-math<<alternatives<<graphic xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="191003-0001_M1.jpg"/<<graphic xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="191003-0001_M1.png"/<</alternatives<</inline-formula<（<inline-formula<<tex-math id="M2"<\begin{document}$\bar F$\end{document}</tex-math<<alternatives<<graphic xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="191003-0001_M2.jpg"/<<graphic xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="191003-0001_M2.png"/<</alternatives<</inline-formula<為平均接觸力）處出現一峰值；放礦初始階段，力鏈主要沿鉛垂方向分布，力鏈方向分布形態近似花生狀；此后隨著礦石顆粒的持續放出，散體介質體系內部局部應力集中現象明顯，力鏈分布主方向由1個演變為4個（鉛垂方向、水平方向及與水平方向呈±60°夾角方向）；力鏈準直系數隨著放礦次數的增加呈指數形式增長并逐漸保持穩定。

工程科學學報. 2020 42(9): 1119-1129. Published 2020-09-20

縫槽水壓爆破破巖載荷實驗研究

2020-09-20

針對縫槽爆破中以空氣作為不耦合介質，其沖擊波和準靜態壓力較小、炸藥能量利用率低、破巖能力弱的問題，提出縫槽水壓爆破方法。利用水的微壓縮性，以及傳能效率高等特點，以水作為炮孔不耦合介質，提升縫槽爆破破巖載荷，開展其爆破破巖載荷特征研究。通過自主研發的縫槽爆破載荷測試實驗系統，分別開展縫槽空氣不耦合爆破和縫槽水壓爆破實驗。結果表明：水作為縫槽爆破不耦合介質，其沖擊波壓力峰值約是縫槽空氣不耦合爆破的35倍，沖擊波壓力上升沿更平緩，入射效率更高；其準靜態壓力峰值是縫槽空氣不耦合爆破的37～46倍，水壓爆破的準靜態壓力壓降緩慢，保壓時間更長。研究表明，縫槽水壓爆破的炸藥能量利用率高，爆炸載荷提升明顯。上述研究成果有助于深入認識縫槽水壓爆破破巖載荷特性，同時對該方法的工程應用提供理論和實驗支撐。

工程科學學報. 2020 42(9): 1130-1138. Published 2020-09-20

影響煤自燃氣體產物釋放的主要活性官能團

2020-09-20

為了研究煤自燃發火氣體產物與煤分子官能團之間的內在聯系，進一步揭示煤自燃發火過程的微觀變化特性，利用程序升溫實驗裝置和原位紅外光譜分析實驗系統，得出了氣體產物生成量和活性官能團含量之間的關聯性。結果表明：CO、C<sub<2</sub<H<sub<4</sub<等指標氣體濃度伴隨溫度升高顯示為拋物線模式增長；活性官能團中，隨著溫度的不斷升高，脂肪烴含量先持續增大，之后開始逐漸下降，C=C雙鍵含量不斷下降，含氧官能團含量先趨于穩定后逐漸增加。根據指標氣體濃度變化，獲得了高溫反應過程中的5個特征溫度點，進一步將其分為臨界溫度階段、干裂–活性–增速溫度階段、增速–燃點溫度階段和燃燒階段4個階段，并對三個高溫氧化階段進行關聯性分析發現：在臨界溫度階段，影響CO、CO<sub<2</sub<、CH<sub<4</sub<和C<sub<2</sub<H<sub<6</sub<氣體釋放的主要活性官能團是羰基；在干裂–活性–增速溫度階段烷基鏈和橋鍵發生大量斷裂，影響氣體產物的主要活性官能團是脂肪烴和羰基；在增速–燃點溫度階段氣體濃度與羰基和羧基等官能團呈負相關。得出干裂–活性–增速溫度階段是高溫氧化過程中的危險階段，需在該階段前對氧化反應進行控制，以減少人員和物質損失。

工程科學學報. 2020 42(9): 1139-1148. Published 2020-09-20

基于熔渣結構的多元渣系黏度模型

2020-09-20

黏度是冶金熔渣的基本物理性質，其大小直接影響到反應速率、熔渣分離效果等冶煉過程。通過深入探索熔渣黏度與其結構的關系，在分析熔渣黏度與其(NBO/T)比值（即單個聚合物粒子所擁有的非橋氧數量）相互關系的基礎上，本文提出基于（NBO/T）比值的多元熔渣黏度計算模型。首先建立SiO<sub<2</sub<–∑M<i<<sub<x</sub<</i<O簡單渣系的黏度計算模型，通過擬合純氧化物和SiO<sub<2</sub<–M<i<<sub<x</sub<</i<O二元渣系的黏度數據得到模型參數，擬合平均誤差在9%～18.5%之間；隨后將該模型擴展至SiO<sub<2</sub<–Al<sub<2</sub<O<sub<3</sub<–∑M<i<<sub<x</sub<</i<O多元渣系的黏度計算，針對Al<sub<2</sub<O<sub<3</sub<在熔渣中同時表現出酸性氧化物和堿性氧化物的特點，在計算SiO<sub<2</sub<–Al<sub<2</sub<O<sub<3</sub<–M<i<<sub<x</sub<</i<O三元渣系黏度時，將其中的Al<sub<2</sub<O<sub<3</sub<拆分為酸性物質和堿性物質來計算（NBO/T）比值和黏度活化能。在SiO<sub<2</sub<–M<i<<sub<x</sub<</i<O二元系模型參數的基礎上，通過擬合SiO<sub<2</sub<–Al<sub<2</sub<O<sub<3</sub<–M<i<<sub<x</sub<</i<O三元渣系的黏度數據得到含Al<sub<2</sub<O<sub<3</sub<渣系的模型參數，擬合平均誤差在10%～25%之間。利用該模型計算了SiO<sub<2</sub<–Al<sub<2</sub<O<sub<3</sub<–CaO–MgO–FeO–Na<sub<2</sub<O–K<sub<2</sub<O–Li<sub<2</sub<O–BaO–SrO–MnO多元復雜渣系及其子體系的黏度值，計算平均誤差在25%以內，取得了較好的預報效果。本模型基于熔渣結構理論，并借鑒了經驗模型的數據處理方式，在預報效果和適用范圍上都優于傳統經驗模型，在計算方式上比結構模型要簡單。

工程科學學報. 2020 42(9): 1149-1156. Published 2020-09-20

微波場下的釩渣氯化動力學

2020-09-20

研究了微波加熱條件下（500～800 ℃），AlCl<sub<3</sub<氯化釩渣中有價金屬Fe、Mn、V和Cr變溫動力學。通過X射線衍射和掃描電鏡能譜表征了氯化產物隨時間的物相演變和形貌變化，考察了AlCl<sub<3</sub</釩渣的質量比和熔鹽配比對氯化提取率的影響。結果表明，AlCl<sub<3</sub</釩渣的質量比為1.5、(NaCl-KCl)/AlCl<sub<3</sub<熔鹽質量比為1.66∶1時Fe、Mn、V和Cr的提取率最佳，分別為91.66%、92.96%、82.67%、75.82%和63.14%，微波加熱30 min，5種元素的提取率達到或者超過常規加熱方式6 h的氯化提取效果。通過熱力學和動力學分析，橄欖石相優先于尖晶石相發生氯化反應。而且V和Cr的氯化反應速度小于Fe和Mn。Fe和Mn氯化過程為擴散控制，其非等溫擴散活化能為17.02和17.10 kJ·mol<sup<?1</sup<, V和Cr在氯化過程中的限制性環節為界面化學反應，其表觀活化能分別為40.00和50.92 kJ·mol<sup<?1</sup<；微波與熔鹽耦合強化氯化反應的機理可以描述為擴散作用增強和局部化學反應增強。

工程科學學報. 2020 42(9): 1157-1164. Published 2020-09-20

鈮硅基高溫合金定向凝固鑄造溫度場模擬計算

2020-09-20

以鈮硅基高溫合金定向凝固鑄造過程為對象，通過實驗測試和反求法確定了鈮硅基高溫合金和型殼的熱物性參數，以及凝固過程各界面換熱系數等邊界條件；利用ProCAST軟件對不同抽拉速率下鈮硅基高溫合金凝固過程溫度場進行了模擬。結果表明，隨著抽拉速率由5 mm·min<sup<?1</sup<增加到10 mm·min<sup<?1</sup<，固/液界面離液態金屬錫表面的距離由12.1 mm下降到8.2 mm；平均糊狀區寬度逐漸變窄，由11.5 mm減小到10.4 mm。針對抽拉速率為5 mm·min<sup<?1</sup<的實驗結果表明，數值模擬結果與實際定向凝固實驗獲得的一次枝晶間距差異在6%以內，從一個方面驗證了溫度場模擬結果的正確性，相關結果可為鈮硅基高溫合金葉片定向凝固鑄造參數的確定提供參考。

工程科學學報. 2020 42(9): 1165-1173. Published 2020-09-20

張力退火對Zr–4合金織構和再結晶行為的影響

2020-09-20

以易控的工藝條件為基礎，通過設計簡易實驗裝置來模擬鋯合金在實際生產中的張力退火過程。采用X射線衍射（XRD）和電子背散射（EBSD）技術，對不同溫度和不同張力下退火處理后的Zr–4合金織構和再結晶行為進行研究。結果表明，施加外加應力和提高退火溫度可顯著改變再結晶織構演化過程。隨著外加應力值的增加以及退火溫度的升高，鋯合金的主要織構(<inline-formula<<tex-math id="M1"<\begin{document}$\overline 1 2\overline 1 5$\end{document}</tex-math<<alternatives<<graphic xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="190927-0004_M1.jpg"/<<graphic xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="190927-0004_M1.png"/<</alternatives<</inline-formula<)[<inline-formula<<tex-math id="M2"<\begin{document}$ 10 \overline 1 0$\end{document}</tex-math<<alternatives<<graphic xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="190927-0004_M2.jpg"/<<graphic xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xlink:href="190927-0004_M2.png"/<</alternatives<</inline-formula<]總量減少，極密度減弱，從而導致材料各向異性減小；外加應力和退火溫度對材料再結晶過程中小角度晶界數量以及再結晶比例產生了顯著影響，隨著外加應力的增加以及退火溫度的升高，材料內部發生動態回復和再結晶，位錯和亞結構逐漸消失，材料再結晶過程中的小角度晶界數量明顯減少，材料的再結晶過程加快，材料的再結晶比例顯著提高。外加應力的施加以及退火溫度的升高均有利于材料內部再結晶過程的加速進行。研究結果對Zr–4合金退火處理優化有指導作用，為解決鋯合金在工程應用中所遇到的問題提供了科學基礎。

工程科學學報. 2020 42(9): 1174-1181. Published 2020-09-20

CO<sub<2</sub<分壓對N80油管鋼在CO<sub<2</sub<驅注井環空環境中應力腐蝕行為的影響

2020-09-20

使用恒應變試樣浸泡試驗、表面分析技術和電化學測試技術研究了CO<sub<2</sub<分壓對N80鋼在模擬CO<sub<2</sub<驅注井環空環境中應力腐蝕行為的影響。研究結果表明：CO<sub<2</sub<分壓對腐蝕速率的影響存在一個拐點，環境溫度為25 ℃時拐點約為1 MPa。當CO<sub<2</sub<分壓小于1 MPa時，由于腐蝕產物膜（FeCO<sub<3</sub<）成形較慢，覆蓋率低，隨CO<sub<2</sub<分壓的增高，N80鋼的自腐蝕電流密度快速增大；當CO<sub<2</sub<分壓大于1 MPa時，腐蝕產物膜能以較快的速率成形，覆蓋率高，CO<sub<2</sub<分壓的進一步增高反會使得N80鋼的腐蝕電流密度降低。CO<sub<2</sub<溶于模擬環空溶液中會使溶液pH持續下降，促使N80油管鋼在環空環境下發生應力腐蝕開裂。N80鋼在CO<sub<2</sub<注入井環空環境中的應力腐蝕開裂機制是陽極溶解和氫脆共同作用的混合機制。應力腐蝕裂紋在萌生階段局部陽極溶解作用（點蝕）為主導，該作用下CO<sub<2</sub<分壓為1 MPa時應力腐蝕裂紋最易萌生；在應力腐蝕裂紋生長階段氫脆作用更強，這種作用導致CO<sub<2</sub<分壓更高時應力腐蝕裂紋更容易生長，應力腐蝕敏感性進一步提高。

工程科學學報. 2020 42(9): 1182-1189. Published 2020-09-20

Cu–(Fe–C)合金中Fe–C相的固態轉變對其摩擦磨損行為及機理的影響

2020-09-20

采用光學顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、納米力學探針、力學性能測試以及室溫摩擦磨損實驗研究了Cu–(Fe–C)合金的鑄態組織、形變態組織、Fe–C相形貌、力學性能和摩擦磨損行為。結果表明，Cu–(Fe–C)合金中彌散分布著微米級和納米級的Fe–C相，其中微米級的Fe–C相在淬火和回火過程中發生了固態轉變，這種固態轉變與鋼中的馬氏體轉變和回火轉變類似。合金先在850 ℃淬火，然后在200、400和650 ℃回火，Fe–C相由針狀馬氏體逐漸向顆粒狀回火索氏體轉變，Fe–C相納米硬度分別為9.4、8、4.2和3.8 GPa，實現了對強化相硬度的控制。室溫摩擦磨損實驗結果表明，隨著回火溫度升高，合金的磨損機制逐漸由犁削向黏著磨損和大塑性變形轉變，導致合金的耐磨損性能降低。這一結論可以為通過Fe–C相的固態轉變的方法調控Cu–(Fe–C)合金的摩擦磨損性能提供參考作用。

工程科學學報. 2020 42(9): 1190-1199. Published 2020-09-20

基于融合模型的鋰離子電池荷電狀態在線估計

2020-09-20

針對鋰離子電池荷電狀態（Stage of charge，SOC）在線估計精度不高，等效電路模型法估計精度與模型復雜度相矛盾的問題，本文對擴展卡爾曼濾波算法進行了改進，并以電池工作電壓、電流為輸入，對應等效電路模型法的SOC估計誤差為輸出，采用極限學習機算法，建立基于輸入輸出數據的SOC估計誤差預測模型，采用物理–數據融合方法，基于誤差預測模型，建立了等效電路模型法結合極限學習機的鋰離子電池SOC在線估計模型。仿真結果表明，改進擴展卡爾曼濾波算法提高了算法的估計精度，而物理–數據融合的鋰離子電池SOC在線估計模型減小了由電壓、電流測量所引入的估計誤差，克服了等效電路模型法估計精度與模型復雜度之間相矛盾的問題，進一步提高了SOC的估計精度，滿足估計誤差不超過5%的應用需求。

工程科學學報. 2020 42(9): 1200-1208. Published 2020-09-20

基于近鄰的不均衡數據聚類算法

2020-09-20

針對經典K–means算法對不均衡數據進行聚類時產生的“均勻效應”問題，提出一種基于近鄰的不均衡數據聚類算法（Clustering algorithm for imbalanced data based on nearest neighbor，CABON）。CABON算法首先對數據對象進行初始聚類，通過定義的類別待定集來確定初始聚類結果中類別歸屬有待進一步核定的數據對象集合；并給出一種類別待定集的動態調整機制，利用近鄰思想實現此集合中數據對象所屬類別的重新劃分，按照從集合邊緣到中心的順序將類別待定集中的數據對象依次歸入其最近鄰居所在的類別中，得到最終的聚類結果，以避免“均勻效應”對聚類結果的影響。將該算法與K–means、多中心的非平衡K_均值聚類方法（Imbalanced K–means clustering method with multiple centers，MC_IK）和非均勻數據的變異系數聚類算法（Coefficient of variation clustering for non-uniform data，CVCN）在人工數據集和真實數據集上分別進行實驗對比，結果表明CABON算法能夠有效消減K–means算法對不均衡數據聚類時所產生的“均勻效應”，聚類效果明顯優于K–means、MC_IK和CVCN算法。

工程科學學報. 2020 42(9): 1209-1219. Published 2020-09-20

礦區廢棄地移動機器人全覆蓋路徑規劃

2020-09-20

礦區廢棄地為室外大型非結構化環境，包含多種類型的障礙物且存在諸多不確定性因素，給移動機器人全覆蓋路徑規劃造成了極大的困難。本文使用牛耕式單元分解法結合生物激勵神經網絡算法完成移動機器人對礦區廢棄地的全覆蓋路徑規劃。首先，針對礦區廢棄地已知環境，采用牛耕式單元分解法對復雜環境做出區域分解，將具有綜合復雜性的地圖分解為多個不含障礙物的子區域；然后，根據子區域的鄰接關系構建無向圖，采用深度優先搜索算法確定子區域間的轉移順序；最后，采用生物激勵神經網絡算法確定子區域內部行走方式以及子區域間路徑轉移。仿真結果表明，生物激勵神經網絡算法在解決機器人路徑轉移問題方面比其他路徑規劃算法更高效，所得的方法能夠處理復雜的非結構化環境，完成廢棄礦區移動機器人的覆蓋路徑規劃。

工程科學學報. 2020 42(9): 1220-1228. Published 2020-09-20