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仿生鮣鱼水下机器人设计与三维解耦运动控制研究

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中国舰船研究 2025年

作者：谭桐于林郭凯王旭阳乔磊上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院

[目的]受鮣鱼吸附机制的启发，设计具有吸附功能的仿生机器鱼，通过吸附于宿主实现低能耗、远距离、大范围的航行，弥补传统仿生机器鱼续航时间短的缺点。[方法]以鮣鱼为仿生对象，设计一种三维运动解耦、机动性能高、垂向运动响应速度... 详细信息

[目的]受鮣鱼吸附机制的启发，设计具有吸附功能的仿生机器鱼，通过吸附于宿主实现低能耗、远距离、大范围的航行，弥补传统仿生机器鱼续航时间短的缺点。[方法]以鮣鱼为仿生对象，设计一种三维运动解耦、机动性能高、垂向运动响应速度快的仿生鮣鱼。采用线驱动鱼尾结构实现推进效率高的水平面运动，基于胸鳍拍动实现解耦、垂向运动响应速度快的升潜运动。同时，采用中枢神经控制器实现高仿生度的游动姿态以及平滑的运动模式切换控制。设计自抗扰航向控制器，实现仿生鮣鱼在模型不确定性和环境扰动下的鲁棒、快速以及精确的航向控制。最后，在水池中开展仿生鮣鱼的游动、升潜以及航向控制试验。[结果]结果显示，所设计的仿生鮣鱼具有机动性能高、响应速度快的三维解耦运动能力，最大游动速度为0.17 m/s，最大升潜速度分别为0.095和0.099 5 m/s，并且所设计的自抗扰航向控制器能够在10 s内完成对期望航向的快速高精度跟踪，性能优于PID控制器。[结论]所提的三维运动解耦仿生鮣鱼机器人设计方案完成了解耦运动性能测试和航向自主控制试验验证，可为后续仿生鮣鱼完成自主吸附等更多的功能奠定基础。

关键词：自主水下航行器水下机器人仿生鮣鱼三维解耦运动航向控制运动性能

基于博弈论的农村污水治理项目运维评价指标设计

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生态与农村环境学报 2025年

作者：冯善成田元福海南大学土木建筑工程学院

国家对农村环境治理高度重视，要求构建美丽宜居乡村，助力乡村振兴战略实施。如何加强对农村污水治理的监管是其中聚焦的关键问题。当前我国许多农村的污水治理存在“重建设，轻管理”的情况，缺少长效化的运维管理机制。为提高农村污... 详细信息

国家对农村环境治理高度重视，要求构建美丽宜居乡村，助力乡村振兴战略实施。如何加强对农村污水治理的监管是其中聚焦的关键问题。当前我国许多农村的污水治理存在“重建设，轻管理”的情况，缺少长效化的运维管理机制。为提高农村污水的治理效果，本研究运用博弈论分析了农村污水治理运维利益博弈三方关系及博弈演化，根据博弈结果和现实情况，从运维的成效、成本、管理三个方面，设计农村污水治理运维评价指标体系，同时运用层次分析法确定各指标权重，提出了一套科学全面且符合实际的农村污水运维情况评价方法，以海南省儋州市农村污水项目的实测数据进行了实证评价分析，证明了该评价指标体系符合农村污水治理评估的实际状况，并根据评价结果提出了管理对策和建议，可以作为政府相关部门考核和评价农村污水运维公司运维情况的绩效评价依据。

关键词：农村污水治理运维评价三方演化博弈层次分析法

基于BP-ANN雨水中总磷在人工渗滤系统去除过程优化

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中国环境科学 2025年

作者：刘元坤曹塬琪于艾鑫李星郭晓天北京工业大学建筑工程学院

人工快速渗滤系统（CRI）因其工艺简单、成本低、能耗低的特点，在水处理领域应用广泛，但由于试验时间和成本较大，很难获得所有试验条件下的去除率。本文提出利用BBD响应面法（BBD-RSM）和反向传播人工神经网络（BP-ANN）算法对活性... 详细信息

人工快速渗滤系统（CRI）因其工艺简单、成本低、能耗低的特点，在水处理领域应用广泛，但由于试验时间和成本较大，很难获得所有试验条件下的去除率。本文提出利用BBD响应面法（BBD-RSM）和反向传播人工神经网络（BP-ANN）算法对活性炭吸附总磷（TP）的过程参数（接触时间、初始浓度、温度、pH值）进行了建模和预测，并结合遗传算法（GA）对BP-ANN模型中的反应条件进行优化。在BBD-RSM模型中，p值小于0.0001，模型可较好的对TP的去除过程进行预测，接触时间为TP去除率最显著的参数，TP吸附过程中各因素的相对影响顺序为：接触时间>pH值>温度>初始浓度。采用BP-ANN模型进行优化，最佳网络结构为4-8-1。通过敏感性分析表明，影响TP去除率的因素依次为接触时间（34.05%）>pH值（28.67%）>温度（19.56%）>初始浓度（17.72%）。基于BP-ANN模型，采用GA优化人工渗滤系统运行条件，对TP去除过程的优化结果为：接触时间为720.53 min、初始浓度为2.75 mg/L、温度为30.62 ℃、pH值为5，达到最佳去除率（99.63%）。通过试验验证分析，BP-ANN-GA较BBD-RSM的预测值与实验值相比拥有较高的R2（0.9939）和较低的RSME（1.2851），说明该模型具有更好的预测能力，可更好的描述人工快速渗滤系统对TP的去除过程。

关键词： BBD响应面法反向传播人工神经网络遗传算法总磷人工快速渗滤系统

基于天牛须遗传杂交算法的张拉整体结构吸能优化研究

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哈尔滨工程大学学报 2025年

作者：冯晓东沈军郑亦汶赵文雁刘贺平绍兴文理学院土木工程学院浙江大学建筑工程学院哈尔滨工业大学(深圳)土木与环境工程学院哈尔滨工程大学机电工程学院

为探究影响多自应力模态张拉整体结构吸能性能的因素，制定此类结构合理的吸能优化策略，采用天牛须遗传杂交算法分阶段对其开展优化研究。第一阶段中根据张拉整体结构的找形分析理论并匹配构件的单边属性，找寻可使结构成形的初始自应... 详细信息

为探究影响多自应力模态张拉整体结构吸能性能的因素，制定此类结构合理的吸能优化策略，采用天牛须遗传杂交算法分阶段对其开展优化研究。第一阶段中根据张拉整体结构的找形分析理论并匹配构件的单边属性，找寻可使结构成形的初始自应力。第二阶段中以竖向荷载下结构可吸收的最大能量为目标函数，结合拉索松弛及塑性破坏、压杆屈曲和构件碰撞等约束条件，建立约束优化模型。结果表明，对于独立的空间18杆36索张拉整体结构与拼接的复杂张拉整体结构，当联合优化体系的预应力水平和分布时，吸能效果可分别提升约156.88%和50.75%，验证了算法的有效性。

关键词：张拉整体结构找形分析预应力分布预应力优化天牛须搜索算法共旋坐标法应变能吸能性能

基于MICP法的巴氏生孢八叠球菌固化镉污染土的试验研究

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工程科学学报 2025年第1期47卷 158-169页

作者：王艳张李奕岚唐晓武朱鹏陈冠年阮方毅宁波大学土木工程与地理环境学院宁波315211 浙江大学建筑工程学院杭州310058

以重金属污染土的治理为背景,通过毒性浸出、无侧限抗压强度、土柱淋滤试验并结合镉形态分析等其他微观测试方法,探讨了Ca^(2+)的添加、Cd^(2+)浓度、养护时间等因素对驯化巴氏生孢八叠球菌固化镉污染土特性的影响.结果表明:Ca^(2+)对... 详细信息

以重金属污染土的治理为背景,通过毒性浸出、无侧限抗压强度、土柱淋滤试验并结合镉形态分析等其他微观测试方法,探讨了Ca^(2+)的添加、Cd^(2+)浓度、养护时间等因素对驯化巴氏生孢八叠球菌固化镉污染土特性的影响.结果表明:Ca^(2+)对固化土中Cd^(2+)浸出特性影响显著,不添加Ca^(2+)时,当尿素浓度为0.5 mol·L^(-1),固化土的Cd^(2+)浸出质量浓度(0.42~5.64 mg·L^(-1))最低;添加Ca^(2+)后,Cd^(2+)浸出浓度略有增大,胶结液中尿素和Ca^(2+)浓度均为0.5 mol·L^(-1)时,Cd^(2+)的固化效果较好.延长养护时间,固化后土体的抗压强度增加,Cd^(2+)浸出浓度降低且固化效果提高;增大Cd^(2+)浓度,固化后土体的抗压强度降低,Cd^(2+)浸出浓度提高;添加Ca^(2+)有助于增强镉污染土的固化效果,在养护时间为28 d时,当Cd^(2+)浓度为100 mg·kg^(-1)时,添加Ca^(2+)的试样强度达到312 kPa,相较于未添加Ca^(2+)试样强度(234 kPa)提升了33.3%;当Cd^(2+)浓度增大至1600 mg·kg^(-1)时,添加Ca^(2+)的试样强度达到269 kPa,相较于未添加Ca^(2+)试样强度提升了57.3%,试样的浸出浓度降低了15.4%;经淋滤后,添加Ca^(2+)的试样滤出液中Cd^(2+)浓度始终低于未添加Ca^(2+)试样.固化后土中弱酸可提取态镉向可还原态镉和残渣态镉转变,添加Ca^(2+)进一步降低弱酸可提取态镉所占比例,减小了Cd^(2+)的迁移能力.

关键词：微生物诱导碳酸盐沉淀镉污染土巴氏生孢八叠球菌固化

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有机污染对天然海水驱动PRO工艺效能的影响研究

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中国环境科学 2025年

作者：王一涵鞠欣雨郑成龙朱宇洁黄志超王涛路孝振王琳李照陈飞勇山东建筑大学市政与环境工程学院湖南大学土木工程学院山东建筑大学资源与环境创新研究院

在压力延迟渗透工艺(pressure retarded osmosis， PRO)中天然海水经常被用来作为汲取液以获取盐差能，但是有机污染的存在严重阻碍了PRO工艺对于盐差能的转换效率，因此探究PRO膜两侧的有机污染行为对于提高该工艺的商业化应用具有重... 详细信息

在压力延迟渗透工艺(pressure retarded osmosis， PRO)中天然海水经常被用来作为汲取液以获取盐差能，但是有机污染的存在严重阻碍了PRO工艺对于盐差能的转换效率，因此探究PRO膜两侧的有机污染行为对于提高该工艺的商业化应用具有重要意义.本研究以天然海水作为汲取液，系统考察了海藻酸钠(SA)和牛血清蛋白(BSA)两种模型污染物对PRO工艺效能及膜两侧的有机污染影响.研究表明，当原料液含有污染物时，支撑层内部的污染是造成通量下降的主要原因，其中SA和BSA的通量分别下降了42.54%和30.99%.相比于过滤SA的情况下，过滤粒径更小的BSA会堵塞支撑层内部孔隙进而造成更为严重的膜污染.而汲取液中含有模型污染物时，过滤结束时SA的通量比BSA的通量低10.08%，且污染主要集中于膜表面.这主要是因为活性层侧施加的压力和海水中二价金属阳离子的存在导致粘度较高的SA更容易在膜表面聚集并发生交联，从而形成比小分子BSA更为紧密的污染层进而加重了膜污染.通过XDLVO理论发现，SA添加在汲取液一侧的界面能垒比在原料液一侧更小，因此其与膜活性层侧的排斥作用更小，膜污染更加严重.而BSA则与之相反，与膜支撑层一侧排斥力更小，表明BSA在原料液一侧时具有更严重的膜污染行为，从而造成更严重的通量损失.

关键词：压力延迟渗透有机污染海水界面能垒

基于轻量化卷积神经网络的桥梁斜拉索PE护套损伤识别方法

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土木与环境工程学报（中英文） 2025年第1期47卷 167-178页

作者：刘啸宇黄永徐峰李惠上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院上海200240 哈尔滨工业大学土木工程学院哈尔滨150090

深度神经网络和计算机视觉技术近年来在结构健康监测中发挥了越来越重要的作用。利用无人机航拍采集的桥梁斜拉索损伤图像数据,研究基于深度学习技术的斜拉索PE护套损伤识别方法。为实现在较低运算能力设备上对大跨度桥梁斜拉索表面局... 详细信息

深度神经网络和计算机视觉技术近年来在结构健康监测中发挥了越来越重要的作用。利用无人机航拍采集的桥梁斜拉索损伤图像数据,研究基于深度学习技术的斜拉索PE护套损伤识别方法。为实现在较低运算能力设备上对大跨度桥梁斜拉索表面局部损伤的智能快速识别,解决传统深度卷积神经网络的运算效率相对较低、模型参数规模较大的问题,提出轻量化处理的区域推荐型卷积神经网络模型。介绍区域推荐网络与其轻量化改进方法的理论基础,分析轻量化模型处理的必要性,其能在保证识别精度的前提下降低模型训练与预测的设备性能需求,达到节约计算资源与时间的目的;通过数据增广等多手段解决损伤样本数据量不足的问题,设置对比试验,统计分析结果,验证了轻量化神经网络模型的优越性。结果表明,轻量化网络在牺牲少量识别准确度的前提下,能够在较大程度上实现对模型复杂度与计算量的改进,在工程应用中能有效拓展神经网络的实用性。

关键词：桥梁斜拉索智能损伤识别轻量化神经网络计算机视觉深度学习

二阶非线性和双光子吸收环境共同作用下的非传统光子阻塞

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激光与光电子学进展 2025年

作者：张志强郑州商学院建筑工程学院大学物理教研室

通过解析和数值计算，研究了双光子吸收环境下，二阶非线性系统中的非传统光子阻塞。首先，通过解析方法，得到了实现非传统光子阻塞的解析的最佳条件。然后，利用数值方法，给出了等时二阶关联函数的数值结果。研究表明，双光子吸收环... 详细信息

通过解析和数值计算，研究了双光子吸收环境下，二阶非线性系统中的非传统光子阻塞。首先，通过解析方法，得到了实现非传统光子阻塞的解析的最佳条件。然后，利用数值方法，给出了等时二阶关联函数的数值结果。研究表明，双光子吸收环境下的二阶非线性系统中存在非传统光子阻塞，且解析的最佳条件与数值结果符合的非常好。最后，给出了等时二阶关联函数的解析表达式，并与数值结果做了对比。结果表明，等时二阶关联函数理论结果与数值结果也几乎一致，存在不一致的区域理论值比数值结果更小。这个不一致产生的原因是在解析计算过程中，系统的希尔伯特空间被截断到双光子激发。进一步研究表明，光子阻塞的窗口宽度随着外界驱动力的增加而增加，随着二阶非线性相互作用强度增加而减小。这些发现为该系统中光子阻塞的实验观测和实际应用提供了一定的理论指导。

关键词：量子光学非传统光子阻塞二阶非线性等时二阶关联函数

螺栓与孔壁承压接触对摩擦阻尼器力学性能的影响

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东南大学学报(自然科学版) 2025年

作者：刘洪良赵兵项平田海贾良玖同济大学土木工程学院上海宝申建筑工程技术咨询有限公司

螺栓与孔壁承压接触是摩擦阻尼器在工程应用中的常见问题。通过滞回试验，研究了螺栓与孔壁承压和未承压接触对摩擦阻尼器力学性能的影响，揭示了不同的滑移机理。基于有限元分析，进一步研究了螺栓预紧力与保证荷载比值对其力学性能的... 详细信息

螺栓与孔壁承压接触是摩擦阻尼器在工程应用中的常见问题。通过滞回试验，研究了螺栓与孔壁承压和未承压接触对摩擦阻尼器力学性能的影响，揭示了不同的滑移机理。基于有限元分析，进一步研究了螺栓预紧力与保证荷载比值对其力学性能的影响。结果表明：当螺栓与孔壁承压接触时，摩擦阻尼器的滞回性能及超低周疲劳性能较差，稳定滑动摩擦力退化率的平均值为41.8%；采取措施限制摩擦阻尼器盖板与摩擦板之间的滑移，可避免螺栓与孔壁承压接触，大幅提升滞回性能和超低周疲劳性能，稳定滑动摩擦力退化率的平均值降低至18.6%。为提高摩擦阻尼器的力学性能，应采取构造措施避免螺栓与孔壁承压接触；若无法完全避免，建议将螺栓预紧力控制在其保证荷载的60%以下。

关键词：摩擦阻尼器滞回试验螺栓承压接触滞回性能超低周疲劳性能