2024年, 第57卷, 第03期　
刊出日期：2024-03-15

  

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  循环分层解耦卷积和最大滤波的三维脑肿瘤图像分割

  李锵, 李瑞璇, 刘恒忻, 关欣, Mohammed Jajere Adamu

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(03): 223-233.

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  由于脑肿瘤的大小和形状呈不规则状态，从三维磁共振图像中自动分割脑肿瘤是一项具有挑战性的任务．而目前的方法存在两个问题：基于3D建模的方法参数量较大难以训练而且全局或远距离上、下文信息的关联性不足；模型忽略局部区域细节特征使得分割结果边界模糊．为解决上述问题，本文提出了循环分层解耦卷积和最大滤波(recurrent hierarchical-decoupled convolution and maximum filtering,RHMF)的轻量网络实现三维脑肿瘤图像分割．该网络在特征提取阶段提出循环分层解耦卷积取代标准卷积，减少参数利用多时域的反馈信息建立全局上、下文信息关联．引入改进的多尺度策略对不同尺度下的多层次特征进行提取融合，提高网络的目标识别能力．在定位阶段做局部域细节处理，提出了最大滤波模块激活目标区域像素实现特征图的像素级定位，增强目标区域像素与其他区域像素的区别，进一步细化分割，解决边界模糊问题．在BraTS2020数据集上的实验结果表明，RHMF-Net在增强肿瘤区、整体肿瘤区和核心肿瘤区的平均Dice系数值分别为77.23%、90.01%和83.10%，参数量为0.42×10~6.
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  基于双重注意力和分层感知表征的IQA方法

  史再峰, 佟博文, 孔凡宁, 康泰, 罗韬

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(03): 234-243.

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  图像质量评价在图像处理领域有着广泛的应用．基于深度学习的方法以多通道特征的形式获取图像信息，但在特征下采样过程中会丢失局部空间细节，导致对于图像信息的表征能力不足．针对以上问题，本文基于人类视觉系统的分层感知机制，提出了一种全参考图像质量评价方法，采用Siamese结构的卷积神经网络实现非线性映射，从不同尺度和视觉复杂度表征图像信息，并通过双重注意力模拟人类在评价图像质量时对视觉注意力的调控过程．此方法在特征提取阶段引入空间注意力机制，对特征图的二维空间位置赋以权重，计算人在感知图像失真信息时对空间区域的注意力差别．在特征融合阶段利用分组通道注意力模块显式建模通道间的依赖关系，对感知差异特征进行自适应的校准，使网络关注对于图像质量评价影响大的通道特征．实验结果表明，该方法在LIVE、TID2013和CSIQ3个公开数据集上的斯皮尔曼相关系数分别达到0.975、0.938和0.963，在应对复杂失真类型图像时的性能提升显著，与人类主观评价的一致性良好．
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  基于阻塞流的配电网安全边界快速算法

  屈玉清, 肖峻, 焦衡, 孙纲

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(03): 244-253.

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  安全边界描述了配电网的安全运行范围，在配电网规划和运行中具有重要价值，能帮助获得配电网的安全裕度和提高安全性，但现有算法求解配电网安全边界点效率不高．针对这一问题，文中引入网络流理论，提出了一种基于阻塞流的配电网安全边界新算法，简化了计算过程，显著提高了求解效率．首先，从概念和模型角度对比了配电网安全边界理论和网络流理论的相关概念，分析发现正常运行安全约束下的配电网严格安全边界与网络阻塞流存在对应关系．其次，提出了基于阻塞流的安全边界计算方法，主要步骤包括：将配电网等效为流量网络；列写等效网络阻塞流解析式，得到对应的配电网安全边界解析式；利用降维采样算法求解等效网络阻塞流，得到对应的配电网安全边界点．最后，通过扩展的IEEE RBTS BUS4柔性配电网算例验证了所提方法．与现有算法对比验证了所提方法的正确性和快速性，所提方法高效的原因是根据网络流理论求解阻塞流，避免了现有算法中耗时的线性规划．文中将网络流理论引入配电网安全边界计算，对简化安全分析方法、提高计算速度提供了新途径．
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  木屑颗粒堆积参数对液体渗流特性的影响规律

  刘丽艳, 李金秋, 吕东

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(03): 254-264.

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  为了探究木屑颗粒堆积参数对液体渗流特性的影响规律，参照达西渗流实验，设计开发了渗流实验系统，选取颗粒床层湿度、渗流速度、床层储水量及透水率作为评价颗粒床层内液体渗流特性的指标，在对各因素进行初步筛选的基础上，实验研究木屑颗粒堆积床层的粒径分布、压缩高度比以及渗透压力(注水量)对液体渗流特性的影响.实验结果表明，相同粒径分布，注水量为1 500 m L时，压缩高度比从0.80降到0.50，木屑颗粒床层湿度变化幅值为3.32%；相同粒径分布，压缩高度比为0.50，注水量从1 500 m L增加到3 000 m L时，木屑颗粒床层湿度变化幅值为2.30%；相同压缩高度比和注水量，全粒径分布、不同级配粒径分布及小粒径分布时木屑颗粒床层最大湿度分别为54.4%、54.0%及53.7%，变化幅值为0.7%.在本文研究范围内，压缩高度比对颗粒床层湿度影响最大，初始注水量次之，颗粒级配影响最小.相同粒径分布，注水量为2 000 m L时，压缩高度比从0.80降到0.50，木屑颗粒床层渗流速度变化幅值为18.92×10~(-4)m/s；相同粒径分布，压缩高度比为0.50，注水量从1 500 m L增加到3 000 m L时，木屑颗粒床层渗流速度变化幅值为1.08×10~(-4)m/s；相同压缩高度比和注水量，全粒径分布、不同级配粒径分布及小粒径分布时木屑颗粒床层最大渗流速度分别为20.7×10~(-4)m/s、15.4×10~(-4)m/s及18.2×10~(-4)m/s，变化幅值为5.3×10~(-4)m/s.在本文研究范围内，压缩高度比对颗粒床层渗流速度影响最大，颗粒级配次之，初始注水量影响最小.综合各类因素考虑，不同粒径级配的木屑颗粒床层，压缩高度比为0.70、注水量为2 000 m L时木屑颗粒床层中的液体渗流特性较好，此时，床层湿度为52.5%，平均渗流速度为9.86×10~(-4)m/s，床层储水量为1 149 m L，床层透水率为42.56%.相关结果可为后续可压缩性颗粒堆积物的存放以及水基灭火剂开发需要关注的参数提供指导.
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  城市污水有机磷在以臭氧为主体的高级氧化中的迁移转化特性

  张钰婷, 尚巍, 邱顺添, 郑兴灿, 孙永利, 李鹏峰

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(03): 265-275.

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  针对目前对城市污水处理厂中有机磷(OP)组成结构、迁移转化规律认识欠缺，且出水OP占总磷比例较高等问题，开展了以臭氧为主体的高级氧化技术中磷迁移转化特性研究，对比分析了单独臭氧氧化体系及O_3/H_2O_2体系中OP的降解效能，采用~(31)P NMR和FT-IR协同分析方法，全面解析不同磷组分转化机制，明确单独臭氧氧化体系中残留难降解OP组分．结果表明，在单独臭氧氧化体系中，随着臭氧投加量的增加，UV_(254)去除的反应速率常数(k_(obs))提升速率为COD的11.2倍，为OP的21.0倍，表明臭氧对含有不饱和键的有机物氧化作用较强，对于难降解的OP氧化能力仍较弱．残留OP组分为难降解磷酸单酯和膦酸酯．磷酸二酯在臭氧氧化中易被分解为磷酸单酯、其他中间产物及磷酸盐(PO_4~(3-)).O_3/H_2O_2体系能够实现OP的高效降解，O_3投加量为2.20 mg(O_3)/mg(COD)时，H_2O_2最佳浓度为2.45 mmol/L,OP去除率大于80%,OP逐渐向PO_4~(3-)转化．然而当H_2O_2投加量小于0.33 mmol/L时，与单独臭氧氧化体系相比，对OP去除无增强作用，是由于氯离子及碳酸盐等对产生的·OH具有较强捕获作用所致．本文研究成果能够为城市污水深度除磷或再生水安全利用技术领域提供新思路和新方法．此外，全面揭示以臭氧为主体的高级氧化技术中磷迁移转化特性，对深度除磷工艺的选取有重要的指导意义．
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  3DP工艺中阶梯误差与渗透误差相互作用研究

  杨伟东, 马千朝, 刘志越, 王媛媛, 朱东彬

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(03): 276-282.

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  3DP工艺中影响零件成型精度的原理性误差主要来源于阶梯误差和黏结剂渗透误差，并且在误差测量结果中难以区分．本文基于黏结剂在砂床中的流动状态，建立了黏结剂从喷射到渗透过程的数值仿真模型，分析了在二维平面不同角度三角面片打印时理想模型边界和实际黏结砂粒边界之间的位置误差，研究了阶梯误差和渗透误差之间的相互作用．在此基础上，针对不同角度三角面片打印过程中阶梯误差与黏结剂渗透误差相互作用关系也不相同的问题，提出了基于三角面片法向量方向与成型方向夹角的三角面片偏移误差公式用于表达这两种误差对成型质量的综合影响．结果表明：在向上三角面片中，渗透误差与阶梯误差相互补偿，三角面片偏移误差随着斜面与水平面夹角角度的减小而减小；在向下三角面片中，阶梯误差与渗透误差相互叠加，三角面片偏移误差随着斜面与水平面夹角角度的减小而增大．将三角面片偏移误差的公式计算值与其实际测量值进行对比，公式计算误差最大为0.060 mm，最小为0.002 mm，表明三角面片偏移误差公式用于表达阶梯误差与黏结剂渗透误差综合作用的有效性.
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  基于改进CSM模型的硬岩掘进机刀盘危险点应力分析方法

  刘建琴, 吴迪, 徐攀, 乔金丽, 郭伟

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(03): 283-290.

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  TBM刀盘受载后的危险点应力获取缺少直接的测量方法，工况复杂的情况下也难以测量，这就制约了刀盘载荷分析在刀盘寿命分析及其再制造方向上的应用问题，为此本文提出了一种基于改进CSM模型的TBM刀盘危险点应力分析方法．在CSM模型基本压力假设的基础上，提出了滚刀刀刃侧面基本压力的概念，推导计算了滚刀刀刃侧面受到的压力和摩擦力，并将二者逐个引入CSM模型中的三向力的计算，建立了改进的CSM模型；通过与公开的滚刀载荷实验数据对比，计算得到的三向力误差均在5%以内，弥补了CSM模型不能预测侧向力的不足．基于改进的CSM模型，通过分析滚刀载荷三向力的差值关系，建立了滚刀载荷差值与滚刀刀间距离的指数关系，得到了计算刀盘滚刀载荷的理论模型，使用ABAQUS的实体耦合功能，加载上各滚刀的载荷，分析整个刀盘的载荷分布，进一步获得刀盘危险点的位置．由此建立了一套刀盘滚刀群载荷获取及危险点应力分布计算的方法．通过与辽宁大伙房水库引水隧道工程中公开的实验数据及危险点统计数据对比，验证了基于改进CSM模型的TBM刀盘危险点应力计算方式的有效性．该研究对经典的CSM模型进行了改进，所提出的刀盘危险点的应力分析方法可为刀盘再制造寿命预测提供可靠的载荷分析依据，并指导刀盘服役阶段的操控参数设置．
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  基于三维关键点投票的物体位姿估计方法

  王太勇, 于恩霖

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(03): 291-300.

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  针对单帧RGB-D图像进行物体六自由度位姿估计时，在物体遮挡、光线情况不良、低纹理情况下性能不佳的问题，本文设计了一种基于多网络特征融合(颜色特征提取网络和点云特征提取网络)的深度学习网络．首先，使用颜色特征提取网络提取RGB图像中的纹理特征，使用点云特征提取网络计算深度图中的点云特征，进行几何特征与纹理特征计算后，回归计算点云的关键点投票及实例语义信息．然后，通过投票聚类方式计算每个实例的所属类别和关键点位置．将RGB-D图像中的颜色信息与几何信息分别计算，由于后续操作需要充分考虑像素及点云的局部信息与全局信息，分别使用改进后的残差神经网络和RIPoint(residuals inverted point)网络提取数据特征．采用神经网络中的特征融合方法将颜色信息与几何信息充分提取，为后续模块提供更有效的点云特征．使用深度霍夫投票算法与均值偏移聚类算法计算实例的三维关键点坐标．最后，利用最小二乘拟合方法计算预测三维关键点的物体位姿参数．在LineMOD数据集和YCB-Video数据集上进行测试，实验结果表明：与六自由度物体位姿估计方法相比，本文模型预测的物体位姿准确率高于其他方法，平均准确率分别达到99.5%和96.9%．网络同时基本满足实时性要求，完成一帧RGB-D图像的多实例物体位姿估计时间需0.06 s.
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  混杂网格增强超高性能混凝土双向板的弯曲性能

  邓宗才, 李倩

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(03): 301-310.

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  网格增强超高性能混凝土(ultra-highperformanceconcrete,UHPC)具有轻质、高强、耐久性好等特性，已应用于薄壁结构和工程加固领域，但单一网格很难实现高效的增强增韧效应．为研究混杂网格增强UHPC双向板的抗弯性能，对3个钢丝网格与玻璃纤维网格混杂增强UHPC板、3个钢丝网格与玄武岩纤维网格混杂增强UHPC板、6个单一网格增强UHPC板和1个无网格UHPC对照板进行弯曲试验，研究网格种类、总层数及铺层方式对其破坏形态、承载能力和弯曲韧性的影响．结果表明：与单一钢丝网格板和单一玻璃纤维网格板相比，钢-玻璃纤维网格混杂板开裂后表现更显著的硬化现象，在连续网格与混杂短纤维协同效应下，板呈现多裂缝破坏模式，延性较理想．铺设2层网格时，钢-玻璃纤维网格混杂板的承载能力较单一钢丝网格板提升23.7%，且其在20 mm挠度处的残余承载力较单一玻璃纤维网格板提升28.2%；钢-玄武岩纤维网格混杂板峰前阶段的能量吸收值和20 mm挠度处的残余承载力均优于单一玄武岩纤维网格板．网格总层数为3层时，与单一玄武岩纤维网格板相比，2层钢丝网格与1层玄武岩纤维网格混杂增强板在峰前挠度为2 mm时的能量吸收值提高了21.6%,20 mm挠度处的残余承载力提高了42.6%．钢-玻璃纤维网格混杂板的网格强度利用率最理想，其承载能力、能量吸收值及弯曲韧性指标均高于钢-玄武岩纤维网格混杂板．最后，考虑网格强度有效利用率建立了混杂网格增强UHPC双向板抗弯承载力理论公式，适用性良好．
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  灌浆插筋式模块钢结构连接节点力学性能试验研究

  陈志华, 孟凡贵, 刘红波, 尚静媛, 崔萌, 闫翔宇

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(03): 311-320.

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  针对模块钢结构建筑间的连接问题，提出了一种新型的由钢筋与CGM灌浆料组成的灌浆插筋式模块钢结构连接节点形式，并采用试验和理论分析的方法，对节点柱的轴压性能、轴拉性能和抗弯性能进行了深入研究，提出了相应的承载力计算方法．研究结果表明：(1)在轴向压力作用下，此节点上下两侧空钢管发生屈曲破坏，轴压承载力约为钢管截面屈服承载力的97%，表明此节点具有较好的抗压承载能力；不同钢筋直径试件的荷载-位移曲线基本一致，表明节点的抗压承载力与钢筋直径无关；(2)在轴向拉力作用下，试件在节点的连接缝隙处发生分离，灌浆料表面呈现了斜向裂缝；在钢筋直径为14～18 mm的范围内，构件的极限抗拉承载力为钢管极限承载力的28%～32%，并且随着钢筋直径的增大，试件的极限抗拉承载力增大、延性减小；(3)在弯矩作用下，试件一侧受拉、另一侧受压，在节点的连接缝隙处钢管发生分离，受拉区灌浆料形成斜向裂缝；在钢筋直径为14～18 mm的范围内，构件的抗弯承载力为钢管承载力的37%～47%，并且随着钢筋直径的增大，试件的极限抗拉承载力增大、延性减小，试件的屈服位移和极限位移均增大．
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  考虑蠕变三阶段的哈氏合金X蠕变-疲劳裂纹扩展模拟

  张俊红, 李哲华, 林杰威, 于洋洋, 戴胡伟

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(03): 321-333.

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  结合应变硬化定律和连续损伤力学，提出了一种考虑蠕变3阶段的本构模型，对650℃下的哈氏合金X的CT试样进行了裂纹扩展有限元模拟分析．对比分析了不同蠕变阶段对纯蠕变裂纹扩展的影响，使用考虑蠕变3个阶段的本构模型进行了蠕变-疲劳裂纹扩展模拟，讨论了载荷幅值、载荷比和保载时间对裂纹扩展速率的影响，并分析了每种载荷条件对裂纹扩展期间损伤积累的贡献．结果表明：纯蠕变裂纹扩展模拟结果中，考虑所有蠕变阶段的本构模型计算结果与实验结果一致性最高．载荷从5 k N增加到7 k N，考虑蠕变第Ⅰ、Ⅱ阶段的裂纹扩展速率平均预测差异由0.57增至0.61，考虑蠕变第Ⅱ阶段和考虑蠕变第Ⅱ、Ⅲ阶段分别由0.67减至0.64、由0.16减至0.07．蠕变-疲劳裂纹扩展模拟结果显示，随着载荷幅值从5 k N增大至7 k N，载荷比从0.01增至0.50，裂纹扩展速率前者增大、后者减小，da/dt-C_(t,avg)曲线斜率基本不变，同时蠕变损伤占比增大，疲劳和交互损伤占比减小，各加载情况结果的蠕变损伤均占主导，其次为交互损伤，疲劳损伤占比最小．随保载时间从1 s增加到1 800 s，循环相关的裂纹扩展速率增大，时间相关的扩展速率减小，da/dt-C_(t,avg)曲线斜率增大，蠕变损伤增大，疲劳损伤减小，交互损伤先增后减，保载时间为10 s时各损伤占比近似相等，保载时间为1 s时疲劳损伤为83%，保载时间为600 s时蠕变损伤为96%.