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碱渣改性充填体早期力学特性及能量演化特征

材料导报 2024年第9期38卷 136-142页

作者：孙海宽甘德清薛振林刘志义张雅洁华北理工大学矿业工程学院河北唐山063200 华北理工大学河北省矿业开发与安全技术重点实验室河北唐山063200

为探究碱渣改性充填体的早期力学特性及能量演化特征,利用WHY-600压力机开展了单轴压缩试验,分析了其抗压强度、弹性模量、破裂模式及能量变化,结合响应曲面法,对质量浓度、尾砂级配及碱渣添加量进行寻优分析。结果表明:随碱渣添加量增... 详细信息

为探究碱渣改性充填体的早期力学特性及能量演化特征,利用WHY-600压力机开展了单轴压缩试验,分析了其抗压强度、弹性模量、破裂模式及能量变化,结合响应曲面法,对质量浓度、尾砂级配及碱渣添加量进行寻优分析。结果表明:随碱渣添加量增加,充填体失稳破坏位移量、单轴抗压强度、弹性模量先增大后减小,当碱渣添加量为5%时,充填体抗压强度大,抵抗变形能力强;随碱渣添加量增加,充填体耗散能、弹性变形能、峰值强度下单位体积应变能及总能量均先增加后减小;单轴压缩条件下,碱渣改性充填体破坏模式为半贯穿或贯穿的斜剪切、平行双裂隙以及倒Y型裂隙,破坏程度随碱渣添加量增加而增大;建议采用质量浓度77%、细粗尾砂级配3:7、碱渣添加量5.35%的配比来制备碱渣改性充填体,经计算其抗压强度为5.3458 MPa,能满足矿山早期生产需求。研究结果为碱渣改性材料的可行性提供了一定的理论依据。

关键词：碱渣改性充填体单轴抗压强度能量演化特征破裂模式配比参数寻优

基于改进EMD-小波包的爆破振动信号降噪方法研究

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振动与冲击 2024年第11期43卷 264-271,287页

作者：闫鹏张云鹏侯善营张为为杨曦华北理工大学矿业工程学院河北唐山063210 华北理工大学河北省矿业开发与安全技术重点实验室河北唐山063210 华北理工大学建筑工程学院河北唐山063210

针对经验模态分解(empirical mode decomposition, EMD)存在模态混叠和降噪效果不佳的问题,依据分解—正交—聚类—降噪—重构的思想,提出了改进EMD-小波包的爆破振动信号降噪方法。该方法融合了核主成分分析的正交性、K-means算法的聚... 详细信息

针对经验模态分解(empirical mode decomposition, EMD)存在模态混叠和降噪效果不佳的问题,依据分解—正交—聚类—降噪—重构的思想,提出了改进EMD-小波包的爆破振动信号降噪方法。该方法融合了核主成分分析的正交性、K-means算法的聚类特性以及小波包的降噪优势,不仅可以消除EMD的模态混叠,也具有良好的降噪效果。研究结果表明:与自适应噪声完备集合经验模态分解(complete ensemble empirical mode decomposition with adaptive noise analysis, CEEMDAN)和EMD方法相比,在模拟信号降噪试验中,改进EMD-小波包方法的信噪比(7.9 dB)最大,均方根误差(2.96)最小。在实测爆破振动信号降噪中,改进EMD-小波包方法降噪后的信号与原始信号相关系数最大为0.91。改进EMD-小波包和CEEMDAN方法的降噪效果相对理想,且改进EMD-小波包方法对10~60 Hz低频信号能量保存效果较好,对60 Hz以上中高频噪声的滤除效果最好。

关键词：爆破振动信号经验模态分解(EMD) 核主成分分析(KPCA) K-means算法小波包降噪

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过渡金属离子促进煤自燃机理的量子化学计算

煤炭学报 2024年第5期49卷 2347-2359页

作者：王福生孙玮张渝张朝阳高东卓建坤华北理工大学矿业工程学院河北唐山063210 华北理工大学河北省矿业开发与安全技术重点实验室河北唐山063210 清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084

为研究低温氧化条件下典型过渡金属离子对煤自燃的影响,对褐煤(HM)、气煤(QM)、肥煤(FM)进行过渡金属离子的测定,选取过渡金属离子中含量较多且氧化性较强的Fe(Ⅲ)、Mn(Ⅲ)和Cu(Ⅱ)为研究对象。采用量子化学计算方法,分析了电荷分布、... 详细信息

为研究低温氧化条件下典型过渡金属离子对煤自燃的影响,对褐煤(HM)、气煤(QM)、肥煤(FM)进行过渡金属离子的测定,选取过渡金属离子中含量较多且氧化性较强的Fe(Ⅲ)、Mn(Ⅲ)和Cu(Ⅱ)为研究对象。采用量子化学计算方法,分析了电荷分布、前线轨道和拉普拉斯键级,证明了活性位点的存在。探究了有无过渡金属离子情况下,Ar—CH_(2)—CH_(3)到Ar—CO—CH_(3)的2种反应历程进行模型优化、过渡态计算和IRC验证,得到热力学相关参数。计算结果表明,无过渡金属离子参与的反应决速步的活化能垒为164.18 kJ/mol,有过渡金属离子反应决速步活化能垒为158.72 kJ/mol,过渡金属离子对总反应速度影响效果不显著。Fe(Ⅲ)、Mn(Ⅲ)和Cu(Ⅱ)参与下,反应的总放热量分别为1535.52、1834.97、365.93 kJ/mol,其数值均大于氧气分子氧化脂肪烃所放出的热量(319.93 kJ/mol),氧化脂肪烃中C—H的自由能垒分别为42.79、4.30、117.29 kJ/mol,其值都小于氧气分子氧化C—H反应的活化能值(146.38 kJ/mol),过渡金属离子对C—H氧化能力从高到低的顺序为Mn(Ⅲ)、Fe(Ⅲ)和Cu(Ⅱ),反应过程中伴随着·OH和H_(+)的生成,在后续反应中,会进一步与煤结构发生反应,加快煤自燃过程;为验证模拟结果的准确性,采用程序升温气相色谱联用仪对4种不同煤样的CO气体产物出现的时间和体积分数进行测定,发现4种煤样出现CO气体产物的温度点相近,添加锰离子的煤样在90℃时产生了CO,其余3种煤样在100℃出现CO气体产物,CO气体产物体积分数从大到小的顺序为Mn(Ⅲ)、Fe(Ⅲ)、Cu(Ⅱ)和原煤样,这与计算得到的结果相一致,随着温度的升高,Mn(Ⅲ)对于提高CO生成速率效果逐渐减弱,铁离子和铜离子催化煤自燃效果逐渐显著,实验结果与模拟结果具有一定的相关性,相比于氧气分子,煤中过渡金属离子更容易与C—H发生氧化反应,不仅使自由基链式反应更早发生,还增加了反应的放热量和·OH和H_(+)的生成量,从而促进煤自燃。

关键词：过渡金属离子煤自燃量子化学活化能自由能

混合光谱曲线的Fast ICA盲源解混及影响因子研究

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光谱学与光谱分析 2024年第5期44卷 1312-1320页

作者：戴佳乐汪金花李孟倩韩秀丽缪若梵华北理工大学矿业工程学院河北唐山063210

混合物高光谱分析是矿物无损检测的关键技术。文中将混合物350~2500 nm区间光谱反射率变化看作时域变化的一维序列信号,将混合物光谱分离转变为时域信号的盲源分离问题。为了分析混合光谱解混速度和准确度的影响因子,采用Fast ICA数学... 详细信息

混合物高光谱分析是矿物无损检测的关键技术。文中将混合物350~2500 nm区间光谱反射率变化看作时域变化的一维序列信号,将混合物光谱分离转变为时域信号的盲源分离问题。为了分析混合光谱解混速度和准确度的影响因子,采用Fast ICA数学模型对混合物实测高光谱反射曲线进行了盲源解混试验,从解混过程的白化方式、初始权阵,源光谱高斯性3个方面分析了光谱解混的结果,为混合物光谱检测的后期分析提供了研究基础。选取化学纯氧化铜和氧化亚铜混合物、碱式碳酸铜和氢氧化铜混合物为试验对象,采用解混性能指数PI、光谱均方根误差和光谱角距离作为评价指标,开展了源光谱高斯性与g函数、ZCA和PCA白化方式、及单位权、随机权、指定权3种初始权对解混光谱结果影响的对比实验。实验结果表明:Fast ICA算法在未知混合矿物高光谱先验信息的基础上,能够有效分离出混合物组分源光谱,样本分离精度PI值均小于0.18,光谱盲源解混的效果显著。解混后光谱曲线与源光谱曲线在特征趋势上保持一致,具有相同的吸收位置和特征峰,但是存在一定尺度的差异。另外,源光谱的高斯性与解混g函数的选取会直接影响解混结果,亚高斯区间曲线分离精度优于超高斯部分。依据高斯性进行分段解混结果的吸收特征会更加突出,与源光谱反射率数值差异也随之增大;光谱预处理的白化方式会对解混结果精度产生微小影响,经过ZCA白化后解混结果的分离精度、光谱的准确度均略高于PCA白化;在Fast ICA模型3种初始权解混结果对比发现,以初次迭代结果计算的指定权进行迭代解混时,其分离精度、解混准确度及解混时间均为最佳,解混过程更易收敛。结果表明,根据全波段高斯性来选取g函数解混效果最优,分离指数PI小于0.14,光谱角距离在0.1左右,ZCA白化比PCA白化对解混光谱的影响更小,ZCA白化后的两组混合物解混的分离指数在0.1左右,而PCA白化的分离指数PI均高于0.13,当指定权作初始权时有助于提高牛顿迭代中收敛速度,使解混光谱更接近组分已知光谱,指定权的解混时间低于0.2 s,其他两种定权方式均在0.3 s以上。

关键词：混合光谱解混 Fast ICA盲源解混高斯性白化初始权

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面向多源数据的个性化联邦学习框架

计算机工程与应用 2024年第19期60卷 278-287页

作者：裴浪涛陈学斌任志强翟冉华北理工大学理学院河北唐山063210 河北省数据科学与应用重点实验室(华北理工大学) 河北唐山063210 唐山市数据科学重点实验室(华北理工大学) 河北唐山063210

在联邦学习中,中心服务器聚合来自不同的客户端经过差分隐私扰动后的模型,其中差分隐私噪声添加的大小和隐私预算的分配直接影响到模型的可用性,现有的研究大多基于平衡的数据和固定的隐私预算,在处理多源不平衡数据时难以权衡精度与隐... 详细信息

在联邦学习中,中心服务器聚合来自不同的客户端经过差分隐私扰动后的模型,其中差分隐私噪声添加的大小和隐私预算的分配直接影响到模型的可用性,现有的研究大多基于平衡的数据和固定的隐私预算,在处理多源不平衡数据时难以权衡精度与隐私保护水平,针对该问题提出了一种具有自适应差分隐私噪声添加的联邦学习框架,采取基于沙普利值的贡献度证明算法计算不同数据来源的客户端的贡献度,并依据贡献度为不同客户端在梯度更新的过程中添加差异化的差分隐私噪声,继而实现个性化的隐私保护。理论和实验分析表明该框架面对多源不平衡数据时不仅可以为不同参与方提供更加细化的隐私保护水平,同时在模型性能方面也比传统的FL-DP算法高出1.3个百分点。

关键词：联邦学习差分隐私沙普利值不平衡数据

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基于半监督联邦学习的恶意流量检测模型

计算机应用 2024年

作者：张帅华张淑芬周明川徐超陈学斌唐山市数据科学重点实验室(华北理工大学) 华北理工大学理学院唐山市大数据安全与智能计算重点实验室(华北理工大学) 河北省数据科学与应用重点实验室(华北理工大学)

恶意流量检测是解决网络安全挑战的关键技术之一。针对采用联邦学习进行恶意流量检测时，本地标记数据不足，非独立同分布(non-IID)导致协同训练模型性能下降的问题，构建一种基于半监督联邦学习的恶意流量检测模型。所提模型借助伪标... 详细信息

恶意流量检测是解决网络安全挑战的关键技术之一。针对采用联邦学习进行恶意流量检测时，本地标记数据不足，非独立同分布(non-IID)导致协同训练模型性能下降的问题，构建一种基于半监督联邦学习的恶意流量检测模型。所提模型借助伪标记和一致性正则化项的半监督学习技术，有效地从未标记数据中提取信息进行训练；同时，设计一种非线性函数，用于动态调整客户端本地有监督和无监督损失聚合时的权重，以充分利用未标记数据，提高模型的准确性。为降低non-IID问题对全局模型性能的影响，提出一种联邦聚合算法FedLD(Federated-Loss-Data)，通过结合训练损失和数据量的权重计算方法，自适应地调整全局模型聚合过程中各客户端模型的权重。实验结果表明，在NSL-KDD数据集上，所提模型在标记数据有限的情况下能够实现较高的检测精度，与基线模型FedSem(FederatedSemi-supervised)相比，检测准确率提升了4.11个百分点，在Normal、DoS和Probe等类别上的召回率也提升了1.65～7.66个百分点，更适合应用于恶意流量检测领域。

关键词：联邦学习半监督学习恶意流量检测一致性正则化动态聚合权重

面向个性化与公平性的联邦学习算法fedPF

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计算机应用 2024年

作者：张宏扬张淑芬谷铮华北理工大学理学院河北省数据科学与应用重点实验室(华北理工大学) 唐山市数据科学重点实验室(华北理工大学) 唐山市大数据安全与智能计算重点实验室(华北理工大学)

作为一种分布式优化范式，联邦学习允许大量资源有限的客户端节点能够在不共享数据的情况下协同训练模型。然而，传统联邦学习(fedavg)通常未充分考虑公平性的问题。在实际场景中，数据分布通常具备高度异构性，常规的聚合操作可能会使... 详细信息

作为一种分布式优化范式，联邦学习允许大量资源有限的客户端节点能够在不共享数据的情况下协同训练模型。然而，传统联邦学习(fedavg)通常未充分考虑公平性的问题。在实际场景中，数据分布通常具备高度异构性，常规的聚合操作可能会使模型对某些客户端产生偏见，导致全局模型在客户端本地的性能分布出现巨大差异。针对这一问题，提出了一种面向个性化与公平性的算法fedPF。fedPF旨在有效减少联邦学习中低效的聚合行为，并通过寻找全局模型与本地模型的相关性，在客户端之间分配个性化模型，在保证全局模型性能的同时，使客户端本地性能分布更均衡。fedPF在Synthetic、MNIST以及CIFAR10数据集上进行实验和性能分析，并与fedprox、qfedavg和fedavg三种联邦学习算法进行对比。实验结果表明，fedPF在有效性和公平性上均得到显著提升。

关键词：联邦学习公平个性化异构数据客户端选择

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联邦学习的公平性研究综述

计算机应用 2024年

作者：张淑芬张宏扬任志强陈学斌唐山市数据科学重点实验室(华北理工大学) 河北省数据科学与应用重点实验室(华北理工大学) 华北理工大学理学院唐山市大数据安全与智能计算重点实验室(华北理工大学)

联邦学习自诞生以来，凭借其分布式结构和隐私安全的优势，取得了快速发展。然而，大规模联邦学习所引发的公平性问题对联邦学习系统的可持续性造成了影响。针对联邦学习的公平性问题，对近年来联邦学习公平性的研究工作进行了系统梳理... 详细信息

联邦学习自诞生以来，凭借其分布式结构和隐私安全的优势，取得了快速发展。然而，大规模联邦学习所引发的公平性问题对联邦学习系统的可持续性造成了影响。针对联邦学习的公平性问题，对近年来联邦学习公平性的研究工作进行了系统梳理和深度分析。首先对联邦学习的工作流程和定义进行了解释，并总结了联邦学习中的偏见和公平性概念。其次详细归纳了联邦学习公平性研究中常用的数据集，并探讨了公平性研究所面临的挑战。最后从数据源选择、模型优化、贡献评估和激励机制四个方面归纳梳理了相关研究工作的优缺点、适用场景以及实验设置等，并展望了联邦学习公平性未来的研究方向和趋势。

关键词：联邦学习公平性数据选择模型优化贡献评估激励机制

多功能阻燃增韧剂对聚碳酸酯阻燃和力学性能的影响

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复合材料学报 2024年第5期41卷 2395-2403页

作者：高纳川高雪雨闫莉桑晓明华北理工大学材料科学与工程学院唐山063210 河北省无机非金属材料重点实验室唐山市功能高分子材料重点实验室唐山063210

为了平衡聚碳酸酯(PC)的阻燃改性和力学改性效果,本文采用由种子乳液聚合自制的有机硅-含磷丙烯酸酯核壳结构的阻燃增韧剂(ACR)共混改性PC材料。当在PC中添加质量分数为4wt%的ACR时,4%ACR/PC的极限氧指数(LOI)可达31.7%,垂直燃烧测试达... 详细信息

为了平衡聚碳酸酯(PC)的阻燃改性和力学改性效果,本文采用由种子乳液聚合自制的有机硅-含磷丙烯酸酯核壳结构的阻燃增韧剂(ACR)共混改性PC材料。当在PC中添加质量分数为4wt%的ACR时,4%ACR/PC的极限氧指数(LOI)可达31.7%,垂直燃烧测试达到UL-94 V-0级,锥形量热测试表明燃烧释热和烟释放总量分别降低了43.2%和20.5%;同时,4%ACR/PC保持了与纯PC相近的拉伸强度,且冲击强度提高了9.4%。热重-红外联用、拉曼光谱和燃烧后残余物扫描电镜分析表明,阻燃作用主要来自于磷-硅协同效应及磷元素对PC的催化成炭作用。冲击断面SEM图像显示,增韧作用体现在ACR核层有机硅橡胶可以吸收冲击能量,抑制或终止裂纹的产生。

关键词：阻燃增韧力学性能 ACR 聚碳酸酯磷-硅协同