基于机器学习的寒区渠道冰情的遥感监测方法

寒区渠道冬季运行时常出现冰情,控制平封的封冻过程会大幅降低渠道输水能力,调控不当甚至可能产生冰塞、冰坝等灾害。国内外开展了大量渠道冰情研究,以期提升渠道冰期输水能力,但受限于观测资料的时空密度,数值模拟结果难以验证,调度决策缺少依据。遥感技术因其具有监测范围大、时效性高的特性,在渠道冰情监测中具有较大的应用潜力。为探索适用于寒区渠道冰情遥感监测的方法,该研究以南水北调中线京石段明渠段为研究区,基于Sentinel-2影像的11个波段反射率构建了完全特征、优选特征和组合特征3类特征空间数据集,作为支持向量机(support vector machine,SVM)、最大似然估计(maximum likelihood estimation,MLE)、随机森林(random forest,RF)分类算法输入,训练得到了9个地物分类器,用于渠道结冰范围识别,并采用北拒马闸前影像渠道结冰范围提取试验,对比不同分类算法和输入特征组合下的分类性能。结果表明:在渠道结冰范围识别中,近红外、可见光和短波红外是关键波段。在样本数量有限的条件下,SVM算法结冰范围识别精度最高,不同特征输入下制图精度(producer’s accuracy,PA)可达85.10%~87.91%,错分误差(commission error,CE)为10.84%~16.08%;RF算法在完全特征和优选特征输入下分类精度与SVM接近,PA为84.67%~86.61%,CE为13.76%~14.41%,但其在组合特征下分类结果严重偏离实际;MLE算法在3类特征下的分类精度均较低,不适宜作为渠道结冰范围识别算法。综合来看,SVM算法对特征空间敏感性较低,在不同的特征输入下均能实现渠道结冰范围的高精度提取;RF算法对特征空间敏感性较高,当输入特征发生变化时,结冰范围识别精度不稳定。最后以完全特征下的SVM算法为例,进行了分类器的时空泛化性验证,结果表明模型在不同时间、不同渠段下,制图精度不低于82.09%,错分误差不高于13.82%,分类模型精度均较好,能有效识别渠道结冰范围。该研究方法可为寒区输水工程冰情监测提供新思路,亦可为类似工作提供参考。

陆军直升机飞行人员寒区飞行错觉发生现状调查及影响因素分析

目的了解陆军直升机飞行人员在寒区飞行错觉的发生情况并探讨其影响因素与应对措施。方法运用“飞行错觉综合量表(Comprehensive flight illusion scales)”调查74名寒区陆军直升机飞行人员在2022年12月至2023年2月飞行错觉的发生情况、相关影响因素及应对飞行错觉的措施。通过SPSS 22.0软件统计分析各变量之间的差异和飞行错觉发生的影响因素。结果本次调查共发出问卷74份,收回74份,有效回收率100%。其中飞行错觉的发生率为32.43%。飞行时间与飞行错觉的发生差异具有统计学意义(P<0.05)。在寒区发生率较高的3种飞行错觉分别为距离错觉(20.27%)、倾斜错觉(18.92%)和相对位置错觉(16.22%);发生率较低的3种飞行错觉分别为:脱离现象(4.05%)、旋转错觉(4.05%)和倒飞错觉(2.70%)。飞行错觉发生后66.67%的人员出现紧张、感觉杆“搬不动”、头痛、头昏以及飞行后失眠等多种反应。陆军直升机飞行人员几乎都知晓并认同积极应对飞行错觉的处理方式,却有50%的人员认为可采用消极等待的方式。通过对影响飞行错觉发生的相关因素统计分析提示:除了飞行科目以外,与飞行员身心状态、外界环境和飞行活动相关的多种因素均影响飞行错觉的发生,且具有统计学差异(P<0.05)。结论在寒区作业的陆军直升机飞行人员在冬季短时期内飞行错觉发生后会出现明显的心理和生理反应,他们的疲劳焦虑状态、气候、地形环境以及驾驶机型的座舱界面飞行参数与飞行错觉的发生相关。

甘肃临夏高寒区饲用藜麦产草性能和营养价值

为解决高寒区饲草短缺难题,本研究分析了15个藜麦(Chenopodium quinoa)品种(系)生产性能及营养价值,计算相对饲喂价值,评价了各品种(系)综合指标。结果表明,干草产量最高的是‘GSQ6’,达20.78 t·hm^(−2);‘台湾红藜’鲜草产量最高,达112.46 t·hm^(−2);‘蒙藜1号’干鲜比最高,达到0.39;‘台湾红藜’茎叶比最高,达到2.75。‘白藜05’粗蛋白含量最高,达到14.84%;‘GSQ-7’粗脂肪含量最高,达到3.79%。‘陇藜4号’相对饲用价值最高。综合评价草产量、营养品质及饲用品质指标,临夏高寒地区适宜推广种植的饲用藜麦品种(系)为‘GSQ-6’‘陇藜4号’及‘台湾红藜’,其中‘GSQ-6’具有高产、纤维含量低及优良的适口性等特点,是一种优质的饲用藜麦品种。本研究结果为进一步提升藜麦饲草综合开发利用价值、促进草地畜牧业绿色健康发展提供了参考依据。

风流对寒区特长隧道洞内纵向温度场的影响

为揭示自然风流对寒区隧道洞内温度场的影响,以川西高海拔公路隧道为工程依托,基于现场调研、实地测试和数值模拟,分析洞内风流对未贯通隧道和已贯通运营隧道温度场的影响。研究表明:1)施工过程中,机械通风对施工期隧道洞内温度场的影响较大,加大了洞外冷空气对洞内温度场的影响,使得洞内负温段有所延长;2)单向风流作用下,贯通隧道洞内温度场具有进风口端温度低、出风口端温度偏高的特征,纵向温度场具有非对称性特征;3)对于寒区特长运营隧道,在洞内无风或有微弱风流的情况下,外界冷空气很难影响到洞内温度场;4)洞内存在双向交替风流时,贯通隧道洞内温度一般呈现出洞口低、中间区域高的特征,纵向温度场呈现抛物线形的特征。

基于云物元的寒区公路绿色施工评价体系研究

脆弱性冻土生态环境与寒区公路建设存在复杂的博弈关系,二者相互制约、相互影响,为践行绿色低碳公路的战略目标,科学构建一套寒区公路绿色施工评价体系,是十分迫切且重要的。鉴于此,文章基于文献调查法和德尔菲法进行寒区公路绿色施工评价指标体系的构建,运用改进的三标度层次分析法对评价指标权重进行确定,将云模型引入到物元可拓评价模型,建立各评价指标正态云评价语言云参数,实现模糊性指标评价语言从定性到定量的转换,通过MATLAB多次仿真计算评价指标与各评价等级间隶属度,运用最大隶属度原则判断寒区公路绿色施工评价等级。对黑龙江省多年冻土区呼玛至十八站段公路项目进行绿色施工评价,得到“Ⅳ”级评价结果,绿色施工发展态势较好。对比模型计算结果与项目实际绿色施工情况得,绿色施工模型评价结果与项目绿色施工实际开展状况相吻合,证实了建立的指标体系与评价模型的科学合理性,可为同类寒区公路项目开展绿色施工评价提供一定的借鉴。

特高海拔寒区隧道温度场演化规律——以黑恰隧道工程为例

为研究特高海拔寒区隧道温度场的时空分布特征及其变化规律,以青藏高原西北部喀喇昆仑高山区的黑恰隧道为依托工程,首先,在现场建立包括气象要素在内的寒区隧道远程自动监测系统,对特高海拔寒区隧道温度场演化规律进行分析研究;其次,提出考虑湍流对流传热和热传导作用下的隧道三维数值模型,利用现场监测数据验证该模型的准确性;最后,讨论铺设保温层前后隧道温度场的变化特性。研究结果表明:1)在距进口0~270 m隧道受到冻融作用影响,洞内气温与衬砌温度呈线性正相关关系;2)隧道洞内气温对隧道径向温度场的影响主要体现在衬砌和浅层围岩;3)在最冷月平均气温方面,不同类型寒区隧道温度大小关系为特高海拔<高纬度<高海拔,在最大冻结深度方面,不同类型寒区隧道最大冻结深度大小关系为特高海拔>高纬度>高海拔;4)铺设保温隔热层后,保温层对衬砌与围岩起到良好的保温作用。

高寒区隧道洞口段覆雪波纹钢棚洞减载方法研究

高寒区隧道洞口段易受上方覆雪及落石影响,采用现有大跨径波纹钢棚洞会产生较大变形和失稳,影响边疆公路运行安全。为此,依托某线路隧道洞口段波纹钢防雪棚洞项目,从拱效应及加筋桥减载原理出发,运用有限元软件构建了EPS板、EPS板+加筋雪、EPS板+加筋冰等10种减载方案的三维波纹钢棚洞模型,研究不同减载方案对棚洞应力、棚洞变形和覆雪压力的影响,对比分析棚洞受力变形特征及减载效果,筛选出最优减载方案。结果表明:施加减载材料后,棚洞上方覆雪压力均不同程度分散到棚洞两侧,减小了棚洞结构的受力;随着覆雪高度增加,减载效果更显著,其中30 cmEPS板+加筋冰组合式方案的减载效果最佳,棚顶应力减少32.72%,棚顶位移减小22.63%;针对波纹钢棚洞的减载问题,建议隧道洞口30 m范围内采用30 cmEPS板+加筋雪方案,距隧道口30 m以外范围可采用30 cmEPS板+加筋冰方案。

寒区低温环境下泡沫沥青冷再生混合料性能研究

我国西藏、青海等省区全年气候寒冷,平均气温低,昼夜温差和年温差大,冻融循环频繁,公路建设普遍面临着生态环境脆弱、建筑材料数量匮乏且质量较差等问题。针对上述寒区气候特点,采用5℃、10℃、22℃、40℃、60℃和110℃分别模拟低温、室温、中温和高温养生条件下泡沫沥青冷再生混合料现场养生条件,基于室内试验分析了寒区低温环境温度对泡沫沥青冷再生混合料力学性能、路用性能、耐久性能的劣化影响;进而基于数字图像处理技术和工业CT无损检测技术,探讨了养生温度对泡沫沥青冷再生混合料内部泡沫沥青分散性状及微细观空隙结构的影响规律。结果表明:随着养生温度升高,泡沫沥青冷再生混合料的单轴贯入强度、无侧限抗压强度、动态回弹模量等力学指标均呈指数函数关系增大;相较于标准养生条件,在低温条件下拌和、养生的泡沫沥青冷再生混合料,其高温稳定性、抗反射裂缝性能及抗疲劳性能下降明显,并且环境温度越低,泡沫沥青冷再生混合料的综合路用性能降低幅值越大。升高养生温度后,泡沫沥青在破坏试件界面的分散面积增大,微细观空隙直径减小,并且微细观空隙结构中体积小于0.05 mm3的空隙占比增大。养生温度对泡沫沥青冷再生混合料的作用机理主要在于提高养生温度对泡沫沥青分散性状的促增作用和微细观空隙结构的细化作用。建议在泡沫沥青冷再生路面施工期间加强施工和养生期间的温度控制,并且结合寒区施工季节温度调整室内配合比设计养生温度。本研究成果可为泡沫沥青冷再生技术在寒区的推广应用提供借鉴。

寒区电动公交充电站选址及定容规划研究

寒区低温环境导致电动公交动力电池容量衰减,充电设施服务范围及规划数量受到影响,给电动公交充电站选址及定容规划带来挑战。为提高电动公交充电站的低温适应性,提出针对寒区电动公交充电站的选址算法及定容模型。首先,在选址规划中,构建充电站渐进覆盖服务半径,利用改进近邻传播聚类算法确定充电站选址点,基于算法聚类中心构建充电站Voronoi图划分充电集群。其次,在定容规划中,构建动力电池低温容量衰减模型,确定寒区电动公交的充电需求;基于容量有限的截尾排队论模型建立充电站有效服务强度、拒绝服务率及充电满意度等约束;引入成本权衡系数,以规划年限内全社会成本最小为优化目标,建立寒区充电站定容规划模型,并设计遗传算法进行求解。最后,以哈尔滨市市区电动公交充电站选址定容规划为例进行分析,算例结果得到9个充电站选址点及其充电集群,以及各充电站的充电机配置数量和各项成本。针对环境温度和成本权衡系数进行灵敏度分析,结果表明:寒区低温环境对充电站的充电机配置数量和各项成本有显著影响,合理权衡充电站和电动公交两者利益有助于提高充电服务满意度,降低全社会成本。

寒区相变蓄热墙体多因素热特性研究

在墙体中应用相变材料可以显著改善墙体的保温蓄热能力,但相变材料厚度和墙体构造的选择尚需科学论证。基于寒区气象特点,选择适用于寒区建筑外墙的相变储能材料,从墙体的传热特性角度出发,通过建立不同相变材料层厚度和多种构造的相变墙体模型,研究多种情况相变墙体的热特性。结果表明,相变墙体在冬季的保温蓄热能力受相变材料层位置和厚度影响,夏季效果主要受相变材料厚度影响;相变材料厚度为40 mm的中间型相变墙体和相变材料厚度为60 mm的内侧型相变墙体比较适合寒区建筑应用。研究所得结论可为寒区相变墙体的结构设计优化提供参考。

水凝胶包裹的透水材料在寒区河道工程中应用及性能分析

随着人们生活水平的提高,对河道工程的完善提出了更高要求,提升寒区透水混凝土铺装使用时间的重要举措就是在防冻胀设计上做到有效性。将实际工程作为对象,利用现场试验方法,分别设定3种找平层材料和基层材料,分析不同方案下寒区河道工程的抗冻胀性能。试验结果显示,河道工程基层与找平层材料可使用透水水稳与中粗砂材料。建议使用相应的工程技术机制,对滞留基层的径流进行及时排空,最大限度弱化冻胀的破坏问题。

黑河市寒区试车产业发展调研分析

寒区试车产业在冰雪经济中占有一席之地。随着汽车工业的不断发展,汽车环境性能试验越来越重要,而且是国家支持发展的“新动能”产业。高寒环境试验作为汽车环境试验的重要组成部分,可以为黑龙江冰雪经济发展提供新的动力。本调研报告简要介绍了寒区试车行业概况,分析了黑河市发展寒区试车产业具有的优势及近年来取得的成效,总结了发展经验,剖析了面临的问题,提出了破解对策,以期对相关研究和决策提供参考。

寒区再生砖骨料混凝土路用性能多目标优化

以5~10 mm、10~20 mm再生砖骨料和水灰比为自变量因子,将抗压强度、耐磨性能和抗冻性能等路用性能作为目标,采用中心复合试验设计,确定混凝土中不同因素的影响程度。对试验结果进行回归拟合,提出因子与混凝土路用性能之间的拟合模型,并利用方差分析验证模型的可靠性和稳定性。利用响应面3D图对模型深入分析,确定因子对再生砖骨料混凝土三项寒区路用性能影响程度,从高到低依次是:水灰比、10~20 mm砖骨料和5~10 mm砖骨料。结合渴求函数优化寒区再生砖骨料混凝土的路用性能,以满足3种寒区路况的要求:最大限度强化抗压强度和抗冻性;最大限度提高耐磨性,同时保持优异的抗压强度和抗冻性;根据权重强化抗冻性。研究结果表明:提出的拟合模型可根据工程目标反向求出最佳配比,优化再生砖骨料混凝土的制备工艺,为实际工程应用提供参考。

寒区桥隧智慧检测技术的理论基础与关键技术探究

本文通过对寒区桥隧结构特点和巡检需求的透彻理解和探讨,以及强有力的结构健康监测理论作为依傍,一份全新的桥隧检验理论已经顺利构建。要实现此项理论,就需深入探讨全天候无人化巡检、智能诊断与决策、以及实时数据传输和存储等关键技术的应用。通过实验仿真和现场试验,验证了该智慧型桥隧检测技术在寒区桥隧工程的适用性和可行性,其不仅能有效提高巡检效率,准确定位故障,还能大大减少人工巡检的成本和风险。以上成果的实现可为寒区基础设施的维护及管理提供一种新的技术支撑,有着广阔的应用前景。

基于深度学习和信号分解的北方寒区河流开河日期预报

中国北方寒区河流春季开河时易产生冰凌现象,威胁涉河水工建筑物的安全。准确地预测寒区河流开河日期可为防凌指挥、调度决策提供重要参考依据。本文基于中国北方典型寒区-黑龙江省的5个代表水文站近60年的历史开河日期序列,采用完全自适应集合经验模态分解(CEEMDAN)技术和深度学习长短期记忆模型(LSTM)方法构建河流开河日期预报的耦合模型,以期提高河流开河日期预报的精度。结果表明:本研究构建的开河日期预报耦合模型(CEEMDAN-LSTM)预测精度明显优于单一深度学习方法(LSTM)计算结果;与LSTM相比,CEEMDAN-LSTM可将开河日期预报的平均绝对误差从2.51 d降低至1.20 d,合格率从91.59%提高至100%。验证期平均绝对误差从3.85 d降低至1.65 d,合格率从88%提高至96%。因此,所构建的开河日期预报耦合模型具有较高的预报精度,可为我国北方寒区春季防凌指挥和调度提供技术支持。

寒区隧道内气温分布特征及影响因素

受严寒气候影响,寒冷地区的隧道工程普遍面临不同程度的衬砌挂冰、冻融损伤甚至开裂、路面结冰、排水系统冻结失效等一系列冻害问题,给隧道工程的建设和运营带来了极大的挑战。负温环境是隧道冻害产生的必要条件,掌握隧道内气温沿进深方向的分布是寒区隧道冻害研究和工程防治措施采取的基础和前提。然而,不同寒区隧道工程的隧址区环境气象、工程结构和交通情况等因素各不相同,导致不同隧道内气温的分布特征存在显著差异。因此,准确地预测和获取寒区隧道内气温纵向分布仍是亟待解决的问题。为得到寒区隧道内气温分布特征及其影响因素,本文采用文献调研和数据统计与分析的方法,收集整理了我国52座寒区隧道内气温的现场监测数据以及相关影响因素数据。依据寒区隧道内气温分布特征,将其划分为对称型、非对称型和贯通型三类,并对各类型寒区隧道的长度和埋深情况进行了统计分析。在此基础上,探讨了隧址区气温和隧道围岩地热以及洞内通风对隧道内气温分布的影响机制,之后针对引起隧道内空气流动的自然风、工程建设、机械通风和交通情况四类因素进行了分析,并指出各类因素的主次影响顺序。研究表明,当隧道两端洞口自然环境要素基本相同且两端洞口高差不大时,隧道内气温往往呈对称型分布;当隧道内存在较大纵坡坡度或受洞外盛行风向影响时,隧道内气温多呈非对称型分布;而当隧道长度较短、埋深小且盛行单向风时,隧道内气温分布常为贯通型。隧址区(隧道进出口)环境气温对隧道内气温分布起决定性作用,隧道埋深状况决定了地热作用从而对洞内气温产生重要影响。通风是影响隧道内气温的关键因素,其中自然风、工程中纵坡设计因素分别为进出口高差较小、长度较短的隧道和进出口高差较大、长度较长的隧道内气温分布的主导因素,工程附属结构、机械通风、交通情况为相对次要因素。本研究工作可为寒区隧道冻害问题研究和保温设防设计以及运营维护提供参考。

卸载状态下非均质圆形寒区隧道围岩弹塑性统一解

以统一强度理论作为卸载状态下寒区隧道冻结围岩屈服准则,综合考虑围岩非均质特性和中间主应力效应对冻结围岩强度影响,建立寒区隧道应力位移弹塑性力学模型,联合各区域边界条件,计算获得冻结围岩均质与非均质状态下,弹性解、塑性统一解以及塑性区半径的隐式方程,分别对其应力位移场讨论分析。研究表明:考虑冻结围岩的非均质特性,塑性区环向应力峰值增大40%,塑性区范围相对减少40.4%,内壁位移减少9.3%,弹性极限承载力提高41%,塑性极限承载力提高14%,影响显著。中间主应力效应能充分发挥非均质冻结围岩承载潜能,计算得到的承载力明显增大,塑性半径明显减小。所得结果可为寒区隧道开挖支护设计以及数值模拟,提供理论指导。

寒区铁路隧道防寒抗冻关键技术研究与展望

寒区铁路隧道冻害问题不仅威胁到隧道结构的稳定,同时给铁路安全运营带来巨大的安全隐患,其一直是寒区隧道工程的难点和研究热点,工程界迫切需要可靠、高效的防寒抗冻工程技术措施。首先,调研了我国寒区铁路隧道的建设及运营情况,总结分析了常见的隧道冻害现象,包括衬砌开裂掉块、拱顶挂冰、道床积冰、排水系统冻结等。然后,针对当前寒区隧道缺乏隧道温度场时空分布预测方法、隧道冻害机制和演化规律不清晰、防寒抗冻设计方法与治理技术不成熟这3个技术难点,对已取得的研究成果进行总结和讨论,相关成果如下:1)研发了寒区隧道室内试验系统,结合大量的温度场相关实测数据,探明了温度场时空分布规律,建立了温度场预测方法;2)研发了渗流试验设备,揭示了冻害产生的链发式机制,查明了排水系统冻结规律与冻融响应机制;3)建立了寒区铁路隧道抗冻防寒设计标准,形成了隧道冻害综合防控体系。最后,展望了我国寒区铁路隧道防寒抗冻研究在防寒保温材料、主动保温系统、温度场规律预测等方面进一步深化研究的方向。

机械通风及地温对寒区隧道防冻长度的影响

为揭示通风参数及地温对寒区隧道冻害的影响,基于传热学理论推导了隧道围岩-衬砌-风流三维非稳态数值传热控制方程,分析了不同节点的数值传热差分方程,建立了高地温寒区隧道三维温度场数值计算模型;基于数值分析研究了机械通风速度、机械通风时间和地温对高地温寒区隧道防冻长度的影响.结果表明:1)不考虑机械通风,孜拉山隧道的防冻长度超过1200 m;地温每升高5℃隧道防冻长度将减小约100 m.2)考虑机械通风影响,当地温为10~30℃时,每天以2.5 m/s的速度通风2.0 h可减少防冻长度215 m;不同地温下机械通风速度每增大0.5 m/s,防冻长度减小约20 m,地温对防冻长度衰减速率影响很小;当机械通风时间小于2.0 h时,不同地温条件下增大机械通风速度对防冻长度的影响不大.

寒区特长隧道斜井对隧道内温度影响实测研究

研究目的:寒区隧道内温度分布是保温设计和冻害防治的关键和前提,其影响因素可归纳为三类,即环境气象、工程结构以及交通因素。相较于环境气象和交通因素,目前针对工程因素,尤其特长隧道通风设施对隧道内温度分布影响的研究不足。结合青藏高原东南缘某高速公路特长隧道,系统开展了隧址区环境气象与不同建设阶段隧道内气温的空间分布与季节变化的连续观测,重点论述了通风斜井对隧道内温度环境的影响。研究结论:(1)隧道贯通前,洞内通风差,环境气温对隧道内温度的影响进深为300~400 m,隧道洞口段气温年平均值和振幅随进深增加呈指数形式增加和减小;(2)隧道开挖至斜井并与其连通后,在烟囱效应作用下,冷季时自进口至斜井形成稳定的单向风,洞内气温基本呈线性分布,梯度约为0.5℃/100 m;(3)隧道贯通后,冷季时斜井烟囱效应引发隧道内形成稳定的自进口、出口至斜井的双向通风,洞内温度呈现基本以斜井为中心的对称分布,全隧道范围内出现显著负温;(4)通风斜井对隧道内温度分布规律及负温段长度均有显著的影响,在寒区隧道保温设防和冻害防治中应予以考虑。