基于MonteCarlo随机模拟的煤矿工作面环境评价模式研究

煤矿工作面空间有限且相对封闭,科学合理地评价作业环境,对于保障作业人员身心健康和安全生产具有重要意义。煤矿工作面作业环境评价属于典型的"相对评价问题",即部分评价指标具有区间模糊性,从而难以利用单次指标值给出客观准确的评价结论。借鉴类似研究,提出基于Monte Carlo随机模拟的工作面环境评价模式,即考虑粉尘、噪声、湿度和作业条件等指标的区间变化特征,利用均匀分布或正态分布模型随机取值,采用随机仿真算法多次充分求解,得到最大可能性排序链对应的评价结论。将其应用于某矿15513采煤工作面作业环境评价,结果表明,工作面环境等级为Ⅱ级,与模糊综合评判法得到的结论一致,也符合实际情况,但随机模拟评价模式得到的是包含概率特征的可能性结论,可为管理者提供被评价对象朝优劣方向发展的量化依据,进而可为决策者制定有效的环境治理措施提供参考。

基于Copula函数的多站洪水过程随机模拟研究

洪水过程随机模拟能够生成大量与历史洪水统计参数相似且形状各异的洪水过程,而水库群联合防洪调度需要结合流域内各水文站洪水过程统筹洪水资源的调度,实现洪水资源的科学调度,亟需发展多站洪水过程随机模拟方法。鉴于此,提出一种基于Copula函数的多站洪水过程随机模拟方法,该方法先利用二维Copula函数完成主站洪水过程的模拟,然后利用条件混合法构建三维Copula函数,依次模拟其余站的洪水过程。以长江中上游8处水文站为研究对象的结果表明,各站模拟洪水与历史洪水统计参数的相对误差较小,除了北碚和武隆站的最大值外,各水文站统计参数的相对误差在5%左右,能够反映历史洪水过程的统计特征,能够为水利工程防洪规划设计、水库群联合调度及防洪调度风险分析等工作提供支撑作用。

温度循环和随机振动载荷下堆叠封装焊点可靠性模拟研究

采用有限元模拟研究了堆叠封装(Package on package, PoP)在温度循环和随机振动载荷下的焊点可靠性,包括封装内部的基板堆叠焊点和封装外部的板级互连焊点。通过应力分析定位危险焊点并计算焊点在温度循环下的疲劳寿命。模拟结果表明:在温度循环载荷下,应力主要集中于基板边角处焊点,基板堆叠焊点的疲劳寿命为3 002周次,板级互连焊点的疲劳寿命为1 552周次;在随机振动载荷下,两层焊点的应力值均较低,在50~2 000 Hz的随机振动频率范围内具有较高的可靠性。

基于三维随机集料的钢渣沥青混合料微波加热和冷却过程温度模拟

为研究钢渣透水沥青混合料在微波加热和冷却过程中的温度分布以及不同材料之间的传热机理,采用钢渣集料部分替换玄武岩粗集料(4.75~9.50 mm、9.50~13.20 mm),基于三维随机集料构建沥青混合料试件的细观模型,分别模拟了普通玄武岩集料试件(PAC-B)、普通钢渣粗集料试件(PAC-US)及改性钢渣粗集料试件(PAC-MS)3种沥青混合料在连续微波加热和冷却过程的温度分布,并将数值模拟结果与室内试验相互验证。结果表明:无论是加热过程还是冷却过程,沥青砂浆的表面温度分布区域与集料表面温度分布区域均一致,且集料表面的最高温度要大于沥青砂浆的表面最高温度,说明集料吸波能力强于沥青砂浆。在冷却过程中,集料向沥青砂浆传导热量,二者之间温差不断减小。对于同一种试件,集料(2.36~4.75 mm、4.75~9.50 mm、9.50~13.20 mm)粒径在4.75~9.50 mm范围内的体积平均温度最高。加热和冷却过程中,2种钢渣集料试件PAC-US、PAC-MS温度均高于PAC-B。将非均质数值模拟结果与室内试验结果对比,二者吻合度较好,用非均质模型模拟微波加热与冷却过程温度具有可行性。

区域旱灾风险评估与诊断的动态差异度系数模糊数随机模拟方法

为更准确、稳健地进行旱灾风险动态评估、关键障碍因子的定量识别,构建了差异度系数随评价指标样本值动态变化的三角模糊数与随机模拟耦合方法,并用于宿州市2007—2017年旱灾风险评估与诊断研究中,得到宿州市置信概率为95%的旱灾风险评价值区间,结果表明:旱灾风险评价结果呈“先增加,后减小,最后趋于稳定”的变化趋势,旱灾风险综合评价结果为“轻险”;危险性、暴露性、抗旱能力三个子系统是影响研究区域旱灾风险综合评价结果趋势变化的主因;耕地率、水库调蓄率、农业人口比例评价指标被诊断为中阻碍型因子,是需要重点调控的对象;置信概率区间增加了风险评价结果的可靠性信息,可反映受多种不确定影响因素综合作用下的实际旱灾风险情况,充分体现了联系数所表征的“不确定性”这一信息。

基于随机森林模型的长江流域分区多源融合降水模拟方法研究

基于3种卫星降水产品,提出了一种基于随机森林模型的长江流域分区多源融合降水模拟算法(FCM-RF算法)。采用模糊C均值算法,结合地面观测站点资料对长江流域进行降水区域划分,引入降水比降刻画降水空间性,进一步通过普通克里金插值法优化融合结果,得到一套长江流域空间分辨率为0.25°×0.25°的多源融合降水产品,并对其进行了评估。结果表明:FCM-RF算法在长江流域具有良好的表现,可以有效提高原始卫星降水产品对于降水事件的捕捉能力,在验证站点模拟降水量与实测降水量的相关系数可达到0.76;FCM-RF算法在年际上具有相似变化特征,对于春秋季降水的敏感性较高,在夏季由于强降水影响表现欠佳,冬季由于雨量稀少、存在固态降水,呈现出误差小、相关系数较低的特点;FCM-RF算法在东南地区具有较强的降水捕捉能力,在青藏高原地区的准确性较低。

2023年甘肃积石山M_(S)6.2地震随机有限断层三分向地震动模拟

2023年12月18日23时甘肃省临夏州积石山县发生M_(S)6.2地震,震中附近造成大量人员伤亡。基于不同数据和方法反演得到的震源破裂过程还有争议,为模拟此次地震的地面运动,分别采用SW倾向与NE倾向的震源破裂模型,利用随机有限断层法模拟三分向地震动。选取震中距约100 km内的57个触发强震台站,模拟其三分向加速度时程、速度时程及5%阻尼比拟加速度反应谱(PSA)。结果表明,模拟的峰值地面加速度(PGA)、峰值地面速度(PGV)能够体现地震动峰值的衰减规律,NE倾向的震源破裂模型会导致更大的地震动。模拟与观测记录的幅值接近、谱形相似,其中SW倾模型的PSA残差更小。基于三分向模拟地震动给出积石山M_(S)6.2地震的仪器烈度分布,SW倾向与NE倾向模型极震区烈度均达Ⅷ度,其中SW倾向模型与应急管理部发布的烈度图更加接近。积石山M_(S)6.2地震的模拟说明随机有限断层法可用于计算三分向地震动,并验证模拟输入震源、路径与场地参数的可靠性。

随机模拟半偏减法集对势的区域水资源承载力评价方法

为准确评价区域水资源承载力状态,探讨以联系数和集对势为理论基础构建评价模型,分析普通半偏减法集对势的整体结构及物理意义,为进一步挖掘联系数半偏减法集对势的不确定信息,建立了联系数差异度系数与半偏减法集对势差异度系数的关系,提出了半偏减法集对势差异度系数的三角模糊数随机模拟方法,建立了随机模拟半偏减法集对势差异度系数的区域水资源承载力评价方法。将评价方法应用于安徽省蚌埠市水资源承载力评价中,发现态势变化呈现由偏反势过渡到均势再到偏反势;评价等级值整体处于2~3级之间,说明蚌埠市整体水资源承载状态较差,但有好转趋势。评价模型应用结果与实际情况吻合,为保障区域水资源高质量发展提供了新的评价方法。

考虑氢储的风光氢综合能源系统多时间尺度随机生产模拟

风光发电出力的不确定性和电力存储困难制约着新能源的发展.氢能作为一种优质二次能源,具有绿色无污染和能量密度大的优点.为应对新能源出力的波动性与随机性,提出一种考虑氢储的风光氢综合能源系统多时间尺度随机生产模拟方法.首先,考虑在氢储系统模型中加入热能回收环节,构建包含电热氢多元储能的风光氢综合能源系统模型;其次,对风光氢综合能源系统进行多时间尺度随机生产模拟,通过中长期生产模拟得到系统检修安排与氢储季节分配方案,并将中长期模拟结果作为边界进行短期生产模拟,实现电氢热多元储能相互配合平抑风光随机波动性.最后,利用IEEE-RTS79节点算例验证所提方法能够提高系统运行的可靠性、灵活性、低碳性.

基于空间协模拟的叠前地震随机反演方法

无论是迭代类随机反演还是线性贝叶斯随机反演,一般采用序贯类随机模拟表征油藏的非均质性。序贯类方法大多依赖变差函数或训练图像描述模型参数的空间相关性,需要逐点计算模拟结果,因此并行实现困难、计算效率低。为此,将一种条件化快速傅里叶变换滑动平均(FFT⁃MA)模拟引入线性反演框架,提出基于空间协模拟的叠前地震随机反演方法。首先,在贝叶斯框架下整合地震数据和测井低频信息,获得弹性参数的后验概率分布。然后,根据FFT⁃MA算法生成概率场,以测井数据为条件数据对贝叶斯后验应用概率场协同模拟,从而获得井震数据约束的叠前弹性参数高分辨率随机反演结果。该方法无需迭代更新模型参数,能极大地提高随机反演的计算效率。最后,由模型试算和实际资料应用测试方法的效果。模型试算表明,所提方法在高分辨率储层预测及计算效率方面均优于常规方法,可稳定、准确地描述小尺度储层特征。实际资料应用表明,所提方法得到的高分辨反演结果与测井数据契合良好,提高了随机反演在薄储层定量表征方面的实用性。

基于随机森林的作物模型光温产量潜力模拟优化方法

为有效降低作物模拟所需数据量,提高计算效率,基于机器学习建立冬小麦光温产量潜力估算模型。以中国冬麦区129个农业气象站点1980—2009年光温产量潜力为研究对象,选择影响光温产量潜力模拟较大的温度、日照时数、经纬度等构建特征变量。选择生长季与月份2个时间范围,基于WheatGrow模型输入输出数据建立生长季变量的随机森林模型(RF_GS)与月份变量的随机森林模型(RF_Mon),最后利用均方根误差(RMSE)评价随机森林模型的性能。结果表明,随机森林模型可在保证模拟精度的前提下降低数据需求量,且RF_GS精度优于RF_Mon;变量重要性检验与部分依赖图分析结果表明,纬度、生长季日照时数、5月日照时数、3月最低温度对光温产量潜力模拟影响较大;若模型验证数据的范围超出训练数据的范围,利用随机森林模型无法保证建模精度。

基于随机生产模拟的储能参与方式对比分析

针对可再生能源电力系统计及储能的随机生产模拟方式较少且效率不高的问题,基于发电系统可靠性评估,对比分析现有研究储能参与随机生产模拟方式,提出储能参与随机生产模拟新方式,即通过储能充放电保持需求曲线不变,不断修正系统的技术出力及爬坡速度。通过可靠性测试系统仿真分析储能参与随机生产模拟方式对储能充放电期望以及系统可靠性评估的影响。结果表明,所提储能参与随机生产模拟新方式具有明显的准确性和高效性。故新方式能够灵活应对发电容量变化,为含储能电力系统的稳定运行带来新的解决方案。

随机复合材料结构非线性热-力耦合模拟的统计高阶多尺度方法

对于具有复杂随机细观构造的复合材料结构的非线性热-力耦合问题的随机多尺度建模和计算仍是一个具有挑战性的问题。本文发展了一个新的统计高阶多尺度方法,克服了随机多尺度问题直接模拟时巨大的计算量,实现了具有随机复合材料结构非线性热-力耦合问题的数值模拟。借助统计多尺度渐近分析和泰勒级数方法,本文严格推导了可以精确分析随机复合材料结构宏-细观尺度非线性热-力耦合响应的统计高阶多尺度计算模型。然后,通过局部误差分析证明了统计高阶多尺度计算模型中高阶校正项在保持计算模型局部能量和动量守恒的重要意义。进一步,建立了可以高效模拟随机复合材料结构非线性热-力耦合行为的具有离线和在线两阶段的时空多尺度算法。最后,通过数值实验验证了统计高阶多尺度方法的计算高效率和高精度。

考虑源荷储不确定性的新型电力系统随机生产模拟方法

新型电力系统可再生能源占比不断增加,给电力系统的安全稳定带来新的挑战,对新能源出力不确定性进行随机生产模拟对电力系统的规划和运行具有指导意义。首先,对新能源出力和负荷预测的不确定性进行建模。然后通过主成分聚类分析方法对新能源出力和负荷数据的时序性相关性进行处理,并结合等效变量函数法进行随机生产模拟;最后,通过某省实际电力系统算例进行了验证,证明了所提出的理论方法的正确性,可为新型电力系统随机生产模拟提供新的思路和方法。

基于随机模拟的火山CO_(2)释放通量预测研究:以意大利埃特纳火山为例

火山活动能够将地球深部的碳输送到大气圈,是地质碳排放和深部碳循环的重要形式。火山区所释放的温室气体(尤其是CO_(2)气体),对全球气候有着重要的影响。在全球气候变暖及“碳中和”计划的背景下,估算火山区温室气体释放通量,评估其对全球碳排放的影响,具有至关重要的意义。本文阐述了火山区温室气体释放的主要特征及调查方法,并以意大利埃特纳火山为例,指出可以使用地统计学原理对火山区CO_(2)气体采样数据进行插值模拟。最后,本文分析了加入协变量进行协克里格插值模拟的可行性,并与普通克里格插值法的模拟结果进行比较。结果表明:火山区CO_(2)释放通量与火山区土壤温度之间具有相关性,引入土壤温度进行协克里格插值模拟,可以优化模拟结果的误差指标。本研究将为定量评价火山活动对气候变化的影响以及预警火山灾害提供重要依据。

考虑地形效应的随机有限断层法地震动模拟研究

为在强地震动模拟计算中实现地震动的地形效应,采用地震动随机模拟中的有限断层法,依据山地中的局部场地条件和地形特征,提出在随机模型中构建局部场地放大项和高频衰减联合的场地效应项表征地形效应的方法,并以位处于张家口典型山地地形的崇礼冬奥会场址区为研究区,结合近场地震构造背景,完成场址区可能面临的强地震动场计算分析。结果表明:①计算得到崇礼场址区潜在最大地震动强度可能会达到210 cm/s 2;②山地模型与平层模型的对比研究得到不考虑地形效应的平层模型会低估地震动特性在山地地形的真实性;③在随机有限断层法中采用相应的局部场地放大系数和高频衰减因子组成的场地联合效应实现地形效应的表达途径是可行的,并且本方法在山体地形效应强度估计的准确性和地震动场计算效率方面具有一定优势。

基于ANSYS Workbench的一种几何量轨检仪器检测设备模态分析及随机振动模拟分析

随着轨道检测设备的自动化发展,使检测项目的几何参数计量由静态转变为动态,且提高了对检测仪器的要求。由于动态检测引入了振动源,因此即使有隔振措施,也会导致检测仪器产生微小振动,影响检测结果。本文对一种几何量轨检仪器检测设备进行三维建模,采用ANSYS Workbench软件进行模态分析,并对竖直方向上的微小随机振动功率谱密度对测量精度的影响进行研究。结果表明:当加速度功率谱密度为12350(mm/s^(2))^(2)/Hz时(即振动台隔振效果达93.5%),满足该仪器竖直方向上±1mm检测要求。

基于五元半偏减法集对势模糊数随机模拟方法的旱灾风险评估

为准确客观地评估旱灾风险等级,应用集对分析半偏减法集对势和三角模糊数随机模拟方法确定差异度系数,得到评估样本联系数在显著性水平下的置信区间,由联系数值与评价等级间的关系建立映射函数确定评价样本等级区间,构建了基于五元半偏减法集对势模糊数随机模拟的旱灾风险评估方法,并应用于江淮分水岭地区旱灾风险评估实际问题中。结果表明:在时间变化方面,2008—2017年六安市旱灾风险等级呈先上升后降低的趋势,合肥、淮南和滁州三市都处于波动状态,10年间旱灾风险等级总体呈下降趋势;在空间变化方面,江淮分水岭地区旱灾风险北部高于南部、东部高于西部,淮南市旱灾风险等级最高,六安市最低。基于五元半偏减法集对势模糊数随机模拟的旱灾风险评估方法的计算结果范围包含五元半偏减法集对势方法的计算结果,进一步验证了五元半偏减法集对势法评价结果的可靠性。

考虑外部博弈和内部协同的耦合系统时序随机生产模拟

火电与可再生能源在同一并网点集成为耦合系统能够有效促进可再生能源消纳。传统随机生产模拟方法难以充分考虑外部市场竞争以及内部机组协同对耦合系统运行的影响。为此,提出一种考虑外部博弈和内部协同的耦合系统时序随机生产模拟方法。首先,基于主从博弈,刻画耦合系统与其他发电商及电网之间的电量-电价竞争关系,基于合作博弈,建立了反映耦合系统内火电与可再生能源机组合作竞争关系的内部协同模型;然后,建立考虑外部博弈和内部协同嵌套的耦合系统时序随机生产模拟方法,提出耦合系统的可靠性评估指标以及内部机组经济收益分配方法;最后,采用中国东北某区域电网的实测数据,验证了所提方法的有效性和正确性。仿真结果表明,通过外部博弈和内部协同,耦合系统的经济性和可靠性大幅提升。

随机波动率下障碍期权定价的对偶MonteCarlo模拟

为了克服经典BS模型隐含波动率的"微笑"效应,本文假定标的股票价格服从随机波动率模型,使之与市场价格更加符合,并应用对偶Monte Carlo模拟方差减小技术分别模拟出股价波动率过程和股票价格过程的路径,给出了欧式障碍期权定价的具体算法,求出了下降敲出欧式看涨障碍期权价格的估计量。最后,通过期权价格的二叉树数值解与近似公式解验证对偶Monte Carlo模拟数值解的准确性。