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[博士论文] 黄凯峰
安全技术工程 安徽理工大学 2017(学位年度)
摘要:在现代化煤矿生产中,瓦斯传感器是安全监测监控系统中最重要的传感器,可以对井下瓦斯涌出状况进行实时的检测,其信号的准确性对煤矿安全生产起到了十分关键的作用。然而井下高温、高湿、高粉尘、强干扰的恶劣环境导致的瓦斯传感器误报、漏报事故时有发生。因此,研究如何时的检出瓦斯浓度异常信号,并辨识其异常类型,从而排除误报和分析误报原因,具有十分重要的研究意义。
  本文针对恒偏差型、瞬时型、周期性脉冲型3种瓦斯浓度异常信号的检出与特征提取分类这两个问题,提出了煤矿安全监测监控系统瓦斯浓度异常信号辨识算法。所取得的主要研究成果如下:
  (1)通过瓦斯浓度异常信号辨识特征分析,采用数据挖掘和信号分析理论,提出了安全监测监控系统中瓦斯浓度异常信号辨识方法,建立了安全监测监控系统瓦斯浓度异常信号模型。此模型可以准确的对瓦斯浓度异常信号进行检出,同时进一步对异常信号进行正确特征提取和分类。
  (2)通过研究,发现了对3种异常信号具有较高区分度的时域参数峭度。对现行的煤矿安全监测监控系统中出现的瓦斯浓度异常信号的分析得到,浓度异常信号可以分为偏差型、瞬时型、周期性脉冲型3种模式。计算3种异常信号的样本期望、方差、均方根值、峰值指标、峰值比、峭度、偏度等统计指标,比较得到峭度参数K区分度最高。峭度参数K可以用于异常信号检出决策和特征提取分类。
  (3)在瓦斯浓度异常信号的检出方法研究中,针对人工神经网络逼近存在的训练样本较大,以传统单一阈值的决策方法容易产生误报等问题,提出了基于遗传算法优化支持向量回归机(GA-SVR)结合可调算子解析模糊决策指标的异常信号检出方法。首先,将多个相关传感器信号利用遗传算法优化的支持向量回归机方法进行数据融合对被诊断传感器浓度信号进行逼近;然后,将被诊断传感器实测浓度与逼近值相比得到残差;最后,通过可调算子解析模糊故障决策指标对残差特征进行决策,最终得到诊断结果。通过煤矿现场监控数据的离线实验,较之于人工神经网络,支持向量回归机算法可以很好地解决瓦斯传感器故障这一小样本学习训练的问题,对瓦斯浓度的非线性的变化有很强的逼近能力。遗传算法可以对SVR的参数选取自适应寻优,从而提高支持向量回归的精度,避免人为选择参数的盲目性。基于可调算子解析模糊决策的检出决策指标,可以避免用一个简单的阈值判定异常的不足,综合考虑疑似异常信号的强度和峭度来进行决策,提高了异常信号检出的正确率。
  (4)在瓦斯浓度异常信号的特征提取与分类方法研究中,搭建了瓦斯监控异常信号辨识实验平台,通过大量实验得到了丰富的异常信号样本。实验对比了小波降噪结合DFT谱分析方法、小波包结合能量特征矢量和Hilbert-Huang变换方法的特征提取性能,验证了二叉树支持向量机分类器的分类性能。结果表明:小波包结合能量特征矢量方法分析结果受样本点选择、发生异常信号的时间点程度影响巨大,对于恒偏差型异常信号和瞬时型异常信号的区分度并不高,容易造成误判、错分。Hilbert-Huang变换的方法对于短时突变型的异常数据有较好的辨识效果,同时可以求出信号的瞬时频率,对发生异常的时间点有指示作用,但是Hilbert-Huang变换方法无法分解恒偏差型异常信号,此种方法不能对恒偏差型特征进行提取。基于小波降噪结合DFT变换谱的方法可以对异常信号进行很好的特征提取,DFT变换幅值谱分布区分性明显,改变信号采样的起始时间对辨识结果的影响不大。小波降噪结合DFT谱分析的方法对煤矿安全监测监控系统瓦斯浓度异常信号的特征提取是有效的,GA算法和主元分析(PCA)优化的二叉树支持向量分类器分类正确率达到96%以上。
  本课题针对煤矿监控系统瓦斯传感器误报问题,从恒偏差型、瞬时型、周期性脉冲型3种瓦斯浓度异常信号异常信号辨识角度入手,运用信号处理和人工智能算法重点研究了瓦斯浓度异常信号进行检出方法和对异常信号的特征提取和分类方法,提升了对煤矿监控系统瓦斯传感器误报的快速检测和实时预报能力,辅助现场技术人员完成复杂的故障排除和现场处理,防止误报造成进一步的不必要损失,提高了煤矿安全监测监控系统安全维护水平。
[硕士论文] 戴彪
安全技术工程 中北大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,随着高等教育的不断扩招,高校中的人数越来越多,人群密集场所也日渐增多。相比于其他人群密集的场所而言,宿舍占据着学生日常生活中很大一部分的时间,与此同时,随着当代建筑业的发展,宿舍规模的扩大,当发生突发事件时,如何安全、合理、高效的将建筑物中的人员疏散到安全区域,已成为众多学者关注的课题。
  由于人员的疏散是一个复杂的系统,应急疏散演练受时间、环境以个人心理因素的影响,往往与真实疏散存在一定的差别,并不能得到预期的疏散效果。同时还会耗费大量的人力和物力。所以,采用先进的计算机仿真技术对人员疏散进行研究,是当前该领域的一个重大课题。
  首先,本文通过对国内外的研究现状进行了分析,总结了相关的理论知识和研究趋势。在理论研究的基础上,针对现如今高校人群密集场所的结构特征,分析并总结其突发事件的类型,并对疏散流线,设备通道通行能力和影响疏散的因素进行了分析。其次,人员疏散过程中的心理行为对疏散的效率有直接的影响,本文通过对疏散人员的心理疏散过程中的结伴行为、携带物品行为、出口瓶颈的竞争行为分别进行了理论模拟研究,得出了各行为对疏散效率的影响,为后文的实例研究做了铺垫。另外,通过对多种疏散软件的对比,选择了能够有效的基于智能体进行建模,并且可以很好的构建交互式的连续和离散动态仿真的Anylogic作为本课题的仿真软件。最后,通过对高校较为典型的单一型和复合型两类宿舍楼疏散环境的研究,并对其进行建模和仿真实验,通过对所收集数据的分析,发现疏散过程中存在的问题,针对模型中存在的问题,对疏散模型参数进行了有针对性的优化,从而大大降低了疏散人员暴露于危险环境中的时间,同时对疏散过程进行了评价并提出了一些意见建议,为今后高校人员在突发事件下的紧急疏散提供了参考的依据。
[博士论文] 崔才喜
安全技术工程 重庆大学 2017(学位年度)
摘要:工业的迅猛发展带来的环境安全问题引起了世界各国政府和学术界的密切关注。实际上,在研究环境安全问题时,对水体环境安全的研究已经提升至国家战略高度,染料工业排废对水体的污染直接影响着人类的生活。光催化技术能充分利用来自太阳光中的可见光来处理被污染水体中有机污染物,有利于解决水体安全问题。目前二氧化钛作为具有代表性的半导体光催化材料之一,却得不到广泛的实际应用,主要原因是二氧化钛或者具有类似结构的部分半导体光催化材料的带隙宽度较大,光生电子和光生空穴容易融合。为了能够更有效利用太阳光,开发具有可见光响应的高效光催化材料已是必然趋势。同时,处理废水光化学反应结束后,光催化剂不能被完全回收,将可能产生二次污染。因此,开发可利用可见光的磁性光催化材料才更加符合绿色化学的发展趋势。本研究的目的在于通过对锶铁氧体进行掺杂和改性,制备复合磁性光催化剂,研究金属离子对锶铁氧体体系中铁离子的取代机制和对磁性能的改变机制以用于光催化反应的反应机理,探讨半导体对锶铁氧体的改性制备p-n-type磁性异质结SrTiO3-SrFe12O19和BiOCl-SrFe12O19、n-n-type磁性异质结BiVO4-SrFe12O19和ZnFe2O4-SrFe12O19的工艺条件,并对其结构和催化性能进行表征。
  以硬磁性材料SrFe12O19为基体,采用一步化学共沉淀法掺杂Sm3+制备得到SrFe12-xSmxO19(x=0.1~0.5)。当x=0.1、0.3和0.5时,Sm3+离子取代晶格点12k(↑)上的Fe3+离子;当x=0.2时,Sm3+离子取代晶格点4f2(↓)和2a(↑)上的Fe3+离子;当x=0.4时,Sm3+离子取代晶格点4f2(↓)上的Fe3+离子。SrFe12-0.4Sm0.4O19的饱和磁化强度最大(46.2emu/g),SrFe12-0.2Sm0.2O19的矫顽力最大(5194.3G)。SrFe12-0.4Sm0.4O19对亚甲基蓝(以下简称MB)的光催化降解率为96%,且磁回收再利用4次时对MB的光催化降解效率仍超过80%,表明其具有较高的光催化活性和稳定性。掺杂的Sm3+离子可能作为导带上电子的捕获中心,抑制了光生电子-空穴的融合,进而提高了SrFe12O19的光催化活性。为了对比研究,采用相同的制备方法,掺杂Sm3+和Co2+制得了SrFe12-xSmxCoxO19(x=0.1~0.5)。结果表明,掺入Sm3+和Co2+离子没有改变M-type锶铁氧体的内在晶体结构;当x=0.1时饱和磁化强度、剩余磁化强度和矫顽力均最大(分别为28.05emu/g、16.10emu/g和3064G),其对MB的光催化降解效率为99%,重复光催化实验4次时的光催化降解效率仍超过80%。
  以SrFe12O19为基体采用化学合成方法成功构筑了p-n-type磁性异质结SrTiO3-SrFe12O19。测试分析表明,SrTiO3-SrFe12O19包含SrTiO3和磁性组分SrFe12O19;SrTiO3-SrFe12O19的光催化活性远超过SrTiO3和SrFe12O19,其原因为:①构成p-n型异质结,②SrTiO3-SrFe12O19自身产生了磁场效应;③SrFe12O19本身作为一种可见光敏化剂能够帮助SrTiO3-SrFe12O19吸收更多的光子。这三方面的因素产生的协同效应共同增强了其光催化活性。
  以SrFe12O19为磁性基体采用水解和低温焙烧法,制备了磁性异质结光催化剂BiOCl-SrFe12O19。在BiOCl-SrFe12O19体系中BiOCl倾向于[110]方向生长,[001]晶面暴露在光催化剂的表面,而[001]晶面具有较高的光催化活性。BiOCl-SrFe12O19的饱和磁化强度为15.13emu/g,剩余磁化强度为9.01emu/g,矫顽力为5043.20G。BiOCl-SrFe12O19拥有优异的磁性质,有利于提高光催化活性和重复使用性能。在BiOCl-SrFe12O19体系中,SrFe12O19作为敏化剂可吸收光辐射;SrFe12O19自身的磁场有利于产生更多的光电子,并抑制光生电子和空穴的融合。
  采用酒石酸络合法,在制备BiVO4的过程中掺入磁性基体SrFe12O19,制得BiVO4-SrFe12O19异质结光催化剂。XRD检测表明BiVO4-SrFe12O19为单斜晶系,SEM图像显示BiVO4均匀地分布在具有六方晶型的锶铁氧体的表面。BiVO4-SrFe12O19光催化活性远超过BiVO4和SrFe12O19,新鲜态的BiVO4-SrFe12O19和使用五次后样品的磁化强度分别为16.5emu/g和20.0emu/g,新鲜样品和使用5次后样本的剩余磁强度分别为10.1emu/g和12.4emu/g,矫顽磁场为3900.0G和3758.0G。SrFe12O19的掺入量为15wt%的BiVO4-SrFe12O19磁性异质结光催化剂对MB的降解率达93.3%。BiVO4-SrFe12O19磁性光催化剂具有良好的磁性能,容易被分离回收,回收重复使用5次后的回收率可达到92.3%,重复使用5次后的样品对MB的降解率达62.0%。
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