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基于机器学习构建碳钢缓蚀剂效率预测模型与应用研究

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基于机器学习构建碳钢缓蚀剂效率预测模型与应用研究

作者：马士权广州大学

学位级别：硕士

缓蚀剂是防护金属减缓腐蚀侵害的重要手段。然而,传统的缓蚀剂筛选过程既繁琐又耗时。为了加速这一流程,本研究利用神经网络构建了一个预测模型,旨在迅速筛选并评估缓蚀剂的有效性。该BP神经网络模型专门用于预测缓蚀剂在3.5 wt%Na Cl... 详细信息

缓蚀剂是防护金属减缓腐蚀侵害的重要手段。然而,传统的缓蚀剂筛选过程既繁琐又耗时。为了加速这一流程,本研究利用神经网络构建了一个预测模型,旨在迅速筛选并评估缓蚀剂的有效性。该BP神经网络模型专门用于预测缓蚀剂在3.5 wt%Na Cl溶液中对Q235碳钢的防护效果。本文基于极化测试、量子化学计算以及分子动力学模拟构建数据库并建立预测模型。基于所建立的模型发现,草酰二阱在3.5 wt%Na Cl溶液中对Q235碳钢具有高效的缓蚀性能,其缓蚀效率高达86.84%。进一步拓宽建立模型在酸性环境中的应用,本文开发了一种以火麻仁蛋白提取物（FP）为基础的植物型绿色缓蚀剂,这种缓蚀剂在1 mol/L盐酸环境下对Q235碳钢的缓蚀效果表现优异,最佳缓蚀效率可达98%。论文的主要研究内容如下:（1）利用极化测试、量子化学计算以及分子动力学计算,系统收集了20种缓蚀剂的核心数据,包含EHOMO、ELUMO、偶极矩、能带隙、电负性、硬度、电子转移分数和单个分子在碳钢表面的吸附能等特征值及实验室条件下测得的缓蚀效率。数据分析过程采用了直方图与正态分布曲线结合（处理极值）、热力图方法（处理缓蚀剂效率的主要影响因素）、主成分分析法（数据降维找离群点）、堆叠条形图方法（处理主成分的影响大小）进行数据清洗和数据分析。本文成功构建了缓蚀剂在3.5 wt%Na Cl溶液中对Q235碳钢缓蚀效率的预测模型,相较试验测得结果其预测误差控制在8%以内。相比于前人的研究结果来看,本研究的数据处理方法更加细致、模型更加精良、误差更小。研究发现,影响缓蚀剂效果的关键化学因素包括分子的EHOMO、ELUMO、硬度及单个分子在碳钢表面的吸附能。经过评估,对比三种训练算法,当采用拟牛顿法（BFGS）训练算法且模型结构为10-5-1时,模型性能达到最优。通过与实验及文献数据的对比验证,本文进一步确认了模型的准确性。（2）利用已建立的神经网络模型成功预测了草酰二肼在3.5 wt%Na Cl溶液中对Q235碳钢的高效缓蚀作用（82.45%）,这与其他中性体系下对Q235碳钢的缓蚀剂的缓蚀效果相比更好。为了验证模型预测的准确性、缓蚀剂的实际应用效果以及厘清缓蚀剂的缓蚀机理,研究进行失重实验、电化学阻抗谱测试和极化曲线测试,其最高缓蚀效率可达88.70%。利用表面分析分析技术研究了加入草酰二阱前后的碳钢表面形貌与组分,发现腐蚀表面生成含有Fe-N-C的物质,同时,碳钢表面疏水性增强,该结果证实草酰二阱吸附于碳钢表面形成吸附膜。通过计算吸附等温线和腐蚀动力学参数发现,缓蚀剂通过物理化学吸附的方式吸附在碳钢表面。并且加入缓蚀剂增加了能垒,从而降低了腐蚀速率。此外,通过对加入草酰二阱分子的溶液进行分子动力学模拟并计算扩散系数发现,草酰二阱的浓度与其缓蚀能力之间呈正相关关系。（3）基于文献调研发现,酸性环境下缓蚀剂的应用更加广泛。为了扩展模型在酸性环境下的应用,通过对（1）中数个加入不同氨基酸的不同环境的溶液进行动力学模拟并计算扩散系数发现,精氨酸和谷氨酸在酸性条件的扩散系数明显提高。利用化学成分分析的方法以及文献调研,发现火麻仁蛋白的提取物主要成分为球蛋白和白蛋白上,富含精氨酸和谷氨酸,分析并开发该类提取物的潜在缓蚀能力。利用X射线光电子能谱技术发现FP含有多种官能团,如N–H、C–O、C–N、C=O等。通过水接触角和原子力显微镜测试发现FP在碳钢表面的吸附使其具有更高的疏水性和附着力。采用电化学测试方法研究了FP在盐酸溶液中对碳钢的缓蚀性能,其最高缓蚀效率可达97.94%,远超文献报道中其他同类缓蚀剂的缓蚀效率。此外,还研究了FP的缓蚀稳定性以及温度和氯离子对其缓蚀性能的影响。以上结果表明,FP在1 mol/L HCl溶液中浸泡240 h后仍具有优异的缓蚀效率,并具有一定的长期稳定性,缓蚀效率高于90%。高温导致FP从碳钢表面解吸,而高浓度的氯离子促进FP的吸附。通过计算腐蚀动力学参数发现,缓蚀剂的加入增加了腐蚀反应的能垒,从而降低腐蚀反应速率。研究发现FP缓蚀剂取代了原先吸附的水分子,双电层电容有所减少,导致了碳钢表面双电层厚度的增加,吸附膜更加稳定从而使得缓蚀效果显著。

关键词：腐蚀缓蚀剂腐蚀防护理论计算神经网络

DS轧制纯铜板材力学参数理论模型及翘曲机理研究

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DS轧制纯铜板材力学参数理论模型及翘曲机理研究

作者：权士召燕山大学

学位级别：硕士

基于CiteSpace分析的湿地恢复技术研究热点与前沿

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应用与环境生物学报 2024年第1期30卷 186-196页

作者：何燕敏蔡小虎郑欢聂士瑞杜忠西华师范大学地理科学学院南充637002 四川省林业科学研究院成都610081 东北师范大学地理科学学院长白山地理过程与生态安全教育部重点实验室长春130024

在气候变化和人类活动的影响下,湿地出现了面积减少、生态退化的严峻局面,湿地恢复技术研究引起广泛关注,但关于其发展趋势和研究热点演变特征尚缺乏足够的认识.以WOS和CNKI数据库检索到的1013篇相关文献为数据源,利用CiteSpace对发文... 详细信息

在气候变化和人类活动的影响下,湿地出现了面积减少、生态退化的严峻局面,湿地恢复技术研究引起广泛关注,但关于其发展趋势和研究热点演变特征尚缺乏足够的认识.以WOS和CNKI数据库检索到的1013篇相关文献为数据源,利用CiteSpace对发文量、作者、关键词和文献共被引等进行可视化分析.国际上湿地恢复技术研究自1994年起步,2011年起呈高速递增趋势;国内该项研究自2005年步入正轨,已迅速发展为全球领军者.国际上Mitsch WJ‒Stefanik KC、Day JW‒Shaffer GP、Tong SZ‒Wang XH等核心团队发文较多;国内形成了吕宪国‒佟守正‒王雪宏、崔丽娟‒李伟‒张曼胤‒赵欣胜‒王义飞、段亮‒宋永会等核心团队,山东、黑龙江、江苏等地仍为核心研究区,同时高寒、高纬地区的研究会逐渐加强.总体上,国际国内湿地恢复技术研究目前均处于快速发展阶段.国际研究围绕水文与水环境修复、植被修复与演替、人工湿地对环境污染的调节与控制、生物多样性恢复等主题,聚焦人工湿地恢复技术、土壤种子库技术、植被恢复技术与养分循环及降解技术等;未来沿海湿地生态系统建设与整合技术和生态工程运行及其效应可能成为新的研究热点.国内研究主题与国际基本保持一致,并形成了特有的技术体系;未来人工湿地恢复技术、海湾综合治理技术、废水污水净化技术以及一些协同联合修复技术可能为研究热点;亟待开展全国尺度上湿地恢复技术联网研究,构建适合中国区域特色的湿地恢复技术标准和理论体系,以便对湿地恢复和保护进行长期的及时的生态监测与评估.

关键词： CiteSpace 湿地退化文献计量趋势分析知识图谱

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城市群客运网络疏散路径优化

系统仿真学报 2024年

作者：贺博威李成兵聂士达王佳琳内蒙古大学交通学院

研究城市群综合客运网络疏散路径优化有利于保证城市群在面对突发事件时的疏散能力。针对城市群内部交通网络结构复杂，备选线路多的特点，提出一种改进蚁群算法，用于求解城市群客运网络疏散路径问题。首先，构建城市群综合客运网络模... 详细信息

研究城市群综合客运网络疏散路径优化有利于保证城市群在面对突发事件时的疏散能力。针对城市群内部交通网络结构复杂，备选线路多的特点，提出一种改进蚁群算法，用于求解城市群客运网络疏散路径问题。首先，构建城市群综合客运网络模型，并在模型构建中考虑城市范围内虚拟换乘边问题，考虑出行时间成本与换乘时间成本构建权重函数；其次针对蚁群算法进行优化，构建一种自适应调整的状态转移规则和基于路径长度优化提高算法运算效率的信息素更新规则；最后，以呼包鄂乌城市群为例，使用Python编码进行仿真。结果表明，提出的改进蚁群算法可以有效的提高算法收敛效率，能够达到降低疏散路径节点数、降低疏散总费用的目的，并且证明了算法具有较强的鲁棒性。

关键词：城市群网络模型应急疏散蚁群算法路径优化

考虑城市内部服务网络的城市群综合客运网络抗毁性研究

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系统仿真学报 2024年

作者：聂士达李成兵贺博威李鑫涛内蒙古大学交通学院

研究城市群综合客运网络抗毁性有利于保障城市群客运服务系统运营效率。采用复杂网络理论中Space L建模方法，构建考虑城市内部服务网络的城市群综合客运网络模型，提出基于时间加权的城市群网络抗毁性评价指标，研究城市群综合客运网... 详细信息

研究城市群综合客运网络抗毁性有利于保障城市群客运服务系统运营效率。采用复杂网络理论中Space L建模方法，构建考虑城市内部服务网络的城市群综合客运网络模型，提出基于时间加权的城市群网络抗毁性评价指标，研究城市群综合客运网络的抗毁性。首先，构建由城际网络和城市内部服务网络复合构成的城市群综合客运网络，并考虑时间标定网络边权。然后，提出考虑时间加权的网络时间效率模型评估网络抗毁性。最后，以呼包鄂榆城市群为实例进行仿真研究。结果表明：随机性攻击策略下网络相对时间效率波动较小，城市群网络表现出较强的抗毁性；节点度攻击策略下，随着被攻击站点节点度的降低，前期网络效率呈断崖式下降，对整个网络造成毁灭性损害；逐一攻击策略下网络抗毁性会随攻击迭代的过程呈现波动性变化，能够识别关键站点。

关键词：城市群复杂网络理论服务网络 MATSim 抗毁性

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基于逆模型预测控制的拟人驾驶控制

汽车工程 2024年第4期46卷 596-604页

作者：刘辉张发旺聂士达段京良郭丛帅郭凌雄北京理工大学机械与车辆学院北京100081 北京科技大学机械工程学院北京100083

本文提出一种基于逆模型预测控制的拟人驾驶控制方法,利用模型预测控制产生的实轴轨迹与真实轨迹的损失函数更新控制模块代价函数的权重系数实现拟人化驾驶控制。将拟人驾驶控制构建成一个双层优化问题,在下层利用模型预测控制求解一个... 详细信息

本文提出一种基于逆模型预测控制的拟人驾驶控制方法,利用模型预测控制产生的实轴轨迹与真实轨迹的损失函数更新控制模块代价函数的权重系数实现拟人化驾驶控制。将拟人驾驶控制构建成一个双层优化问题,在下层利用模型预测控制求解一个典型的最优控制问题产生实轴驾驶轨迹,在上层最小化所产生的实轴轨迹和真实驾驶轨迹的误差更新下层代价函数的权重系数,基于极大值微分原理构造辅助系统求解实轴轨迹关于代价函数权重系数的梯度。实车采集真实驾驶轨迹并进行模仿测试与泛化验证,结果表明:本文所提出的方法相比于两类基于虚轴轨迹的逆最优控制方法,在3个工况下与真实驾驶轨迹最大误差分别平均降低了73.52%和65.03%,驾驶行为更加拟人化,且具备泛化性能。

关键词：自动驾驶拟人化驾驶逆最优控制

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用于多通道单分子定位的高精度图像配准方法

物理学报 2024年第6期73卷 374-385页

作者：林丹樱龚振权黄黎琳聂梦娇于斌屈军乐深圳大学物理与光电工程学院光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室深圳518060

单分子定位技术可以绕过光学系统的衍射限制,在生物样品的单粒子追踪和超分辨显微成像中得到了广泛应用.多通道单分子定位采用多个成像通道,可以实现对不同目标的同时追踪或多色超分辨成像,也可以提升单粒子追踪的轴向深度或实现更高的... 详细信息

单分子定位技术可以绕过光学系统的衍射限制,在生物样品的单粒子追踪和超分辨显微成像中得到了广泛应用.多通道单分子定位采用多个成像通道,可以实现对不同目标的同时追踪或多色超分辨成像,也可以提升单粒子追踪的轴向深度或实现更高的定位精度和密度.但各通道图像间的差异会影响协同定位或定量分析,因此图像配准是其图像数据预处理的关键环节;且由于单分子定位精度高,其对多通道图像配准精度的要求也很高.现有技术一般采用基于控制点的配准方法,且多采用复杂而精密的方式来获取基准物网格图像用于定位得到控制点对,以实现高精度图像配准,对样品或实验设备要求高,难以直接推广.为此,本文基于局部非线性变换和误匹配点剔除,发展了一种可以直接采用随机分布荧光珠样品作为基准物的高精度图像配准方法,通过在特征匹配和变换模型参数估计的过程中对控制点进行监测和迭代筛选,以剔除因单分子定位不准确或精度差而导致未精确匹配的控制点对,从而消除以随机分布荧光珠样品作为基准物时对于控制点准确获取和精确匹配所带来的不良影响,同时采用基于局部加权平均的二阶多项式拟合进行变换模型参数估计,以更好地适用于不同通道间存在局部非线性形变的情形.结果表明,采用该方法只需要3次迭代,就可以将未准确定位和精确匹配的控制点对找到并剔除,从而实现更准确的变换模型参数估计,将配准精度提高一个数量级,在图像局部非线性形变情况严重的正交像散双通道单分子定位成像系统中实现了约6 nm的配准精度.

关键词：单分子定位多通道成像图像配准误匹配点剔除

基于模型预测路径积分和输出调节的层级运动控制

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汽车工程 2024年第10期46卷 1790-1803页

作者：万航聂士达刘辉张发旺项昌乐韩立金北京理工大学机械与车辆学院北京100081

由于车载平台计算能力的限制,长控制/预测时域和短控制步长之间存在难以调和的矛盾。本文基于时标分离思想推导了车辆平移运动与平面姿态运动解耦的必要条件,使得车辆的平移运动控制器可以获得更长的控制/预测时域,以便于生成类人跟踪... 详细信息

由于车载平台计算能力的限制,长控制/预测时域和短控制步长之间存在难以调和的矛盾。本文基于时标分离思想推导了车辆平移运动与平面姿态运动解耦的必要条件,使得车辆的平移运动控制器可以获得更长的控制/预测时域,以便于生成类人跟踪轨迹。车辆的平面姿态调整则基于更为精确的动力学模型和更短的控制周期来调节。此外,利用基于并行采样及优化的模型预测路径积分策略来减轻非线性运动规划的计算负担。最后,提出了一种模型预测输出调节器来解决车辆横向动力学中的欠驱动控制问题,并抑制偏航角的稳态误差。理论分析和试验结果表明,所提出方法能够极大地提升计算效率、参数适应性和转向平顺性,在所有验证工况中将横向冲击度平均降低了50%。

关键词：自动驾驶路径积分欠驱动输出调节

考虑复杂地形的越野环境无人车辆路径规划研究

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机械工程学报 2024年第10期60卷 261-272页

作者：聂士达刘辉廖志昊谢雨佳项昌乐韩立金林思豪北京理工大学机械与车辆学院北京100081

无人驾驶车辆在越野环境中行驶时,往往面临着复杂的地形和多变的路面。为进行可靠且高效的路径规划,保证车辆安全机动行驶,提出一种考虑复杂地形的越野环境无人车辆路径规划方法。该方法包括全局路径规划与轨迹规划,针对全局路径规划,... 详细信息

无人驾驶车辆在越野环境中行驶时,往往面临着复杂的地形和多变的路面。为进行可靠且高效的路径规划,保证车辆安全机动行驶,提出一种考虑复杂地形的越野环境无人车辆路径规划方法。该方法包括全局路径规划与轨迹规划,针对全局路径规划,提出一种基于崎岖地形人工势场的改进Theta^(*)算法,该算法综合考虑坡度、地面类型、地面高程等因素,使车辆尽量远离崎岖地形,通过减少途经路径的坡度和起伏地形,来提高车辆在越野环境中的通行效率、稳定性及安全性。针对局部轨迹规划,提出面向多变行驶场景的自适应概率路线图算法(Adaptive probabilistic roadmap method,APRM),通过设计不同的采样策略来适应车辆在越野环境中行驶场景以及障碍物的变化,从而提高复杂越野环境局部轨迹规划算法构建路径网络图的效率。通过试验验证,改进Theta^(*)算法输出的全局路径平均坡度减少35.63%,地表起伏程度降低33.56%,APRM算法在非结构化道路与开阔场景下进行局部轨迹规划所用时间分别减少79.68%和54.74%。

关键词：轮式车辆越野环境自动驾驶全局路径规划局部轨迹规划