DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 3. 奇异值分解与深度学习在轴承故障诊断中的应用 3.1. 数据预处理 机械设备中轴承原始数据为模拟信号，需要对信号进行离散采样，实验验证所使用的轴承故障数据由凯斯西储大学提供。这些数据来自于一个测试驱动系统，实验仪器主要部件是一个马达、一个力矩传感器和一个测力计。马达由6205-2RS JEM SKF轴承支撑。轴承被研究的位置为内圈、滚珠、外圈3点位置(这里简称外圈故障位置1)、外圈6点位置(这里简称外圈故障位置2)、外圈12点位置(这里简称外圈故障位置3)，故障是通过电火花加工由人工给定的单点故障，采样频率为12k赫兹。图3数据的类别从上到下依次是健康、滚珠故障、内圈故障、外圈位置1故障、外圈位置2故障、外圈位置3故障。 轴承的转速为1797 r/min，根据旋转频率轴承旋转一周大约采集400个点，所以每400个采样点作为一次采样结果。为了能够更加全面的反映数据，在第一次采样基础上向后推移10个采样点，作为第二批采样数据，以此类推，直到推移轴承旋转一周时，采样点数为400个为止。 3.2. 奇异值分解进行特征提取 在对数据进行处理后，接下来进行奇异值分解，离散序列为 x i ( i = 1 ， 2 ， ⋯ ， 400 ) 表示第i个采样点。根据Hankel矩阵构造规则，构造y为矩阵 A ( 50 × 350 ) 如下式： A = ( x 1 ⋯ x 350 ⋮ ⋱ ⋮ x 50 ⋯ x 400 ) (5) 由于不同信号之间存在差异，所以得到的奇异值也存在差异，图4为不同故障所得到的奇异值，从图中可以看出奇异值前25维有明显的区别，这里选择前25维作为特征向量。 图3. 轴承振动信号 图4. 奇异值分布曲线 3.3. 模型训练 经过奇异值分解后的特征向量经过归一化处理后才能输入BDN模型。DBN是一个概率模型，不能够直接用作故障诊断模型，需要进行相应的设计。为了能够进行多分类，需要在模型的顶层添加分类器y，这里选用softmax分类器。DBN模型如图5所示，模型在进行数据识别时，先将从数据中得到的特征向量输入input层，然后经过一层一层的隐藏层后到达softmax层进行识别，最后得到数据的分类结果。 大量研究证明，理论上网络结构越深，网络结构越复杂，表达数据的能力也越强。但是网络结构越深，意味着训练的困难程度越大、稳定性越差、速度越慢，难以进行合适的训练，结果反而更不理想。在设计DBN时我们需要考虑网络的深度、各个隐层神经元数目以及训练过程中要考虑怎样初始化权值和偏置。 3.3.1. DBN网络深度 实验选择的隐藏层的层数及每层神经元的个数为下面a，b，c，d四种情况，结构图如图6所示。 通过这四种不同深度的DBN模型，对给定的输入数据进行分类识别。由仿真结果知，在同一样本情况下，采用不同深度模型其分类结果不同。这四种不同深度的DBN分类器对测试集的识别精度比较结果如表1所示。 从上表可以看出，DBN分类器精度随着隐层数目的增多先上升后下降，不难发现当隐层数目为3层时精度达到最高，因此这里选择隐藏层的层数为3。 3.3.2. 隐藏层单元个数 Hinton在2012年的研究 [ 10 ] 中指出，模型的训练过程中，用来表征样本的类别需要的比特数，通常等于一个训练样本施加在参数上的约束项的数量，可以用如下表达式计算： 图5. DBN分类器结构 图6. DBN四种不同深度的分类器 Table 1 Recognition accuracy of BDN at different depth 分类器 识别精度(%) a 92.8 b 96.5 c 99.7 d 97.6 表1. 不同深度BDN的识别精度 bits = − log 2 x (6) 公式中，x是样本的类型数。确定比特数后，用其乘上训练集的容量，在这个结果基础上选择比其低一个数量级的值作为隐元个数 [ 8 ] 。对于高度冗余的训练集，可用更少的隐层神经元。可以用如下表达式计算： N p = N s × bits / 10 (7) 其中 N p 代表隐元数目， N s 代表训练集容量，根据以上公式(6)、(7)设置3个隐层神经元数目分别为100，100，200。 3.3.3. 权重初始化、批量选择和全局优化算法选择 在进行DBN模型的参数训练时，模型被训练的步骤主要包括以下两步： 第一步，贪心逐层训练。首先初始化每一个参数(包括每一层的权值和偏置)，一般情况下，将每一层之间的权值W按照正态分布N(0，0.01)生成的值进行赋值 [ 10 ] ，而对于所有偏置设置为0。学习率应该在0到1之间，根据样本训练经验，在实验过程中学习率选为0.1比较合适，所以这里选择学习率为0.1。 更新DBN全部参数时，综合考虑计算量和训练时间应该选择小批量训练数据，即每次从全体训练集中选取一个容量小一点的数据集。再进行小批量训练时，批量容量大小的选择至关重要，如果批量选得太小则训练不够充分；如果选择批量容量太大则容易错过最优点。Geoffrey Hinton [ 10 ] 给的建议是，若数据集中数据类别是等概率的，则批量的理想尺寸应该与样本类别的总数量相等，并且尽可能批量中包含每个类别的样本。反之，凭经验选择10~100视为小批量容量。本实验数据集是等概率类别，我们选择的批次大小为6，选取每6个为一个小批量将训练集分批训练。在使用小批量数据后，在更新参数过程中也需要做相应的修改 [ 11 ] ，通常使用平均梯度，表达式如下式： θ ( t + 1 ) = θ ( t ) + ε ( 1 B ∑ t l = B × t + 1 B ( t + 1 ) ∂ log P ( v t l / θ ) ∂ θ ) (8) B为小批量的容量。 第二步，使用监督算法进行整体微调并进行识别。对整个网络用普通神经网络训练方法进行参数调整，在方法选择上分别采用随机梯度下降法(SGD)、动量项学习率法(Mom) [ 10 ] 、Adagrad变学习率法 [ 12 ] 。训练结果如图7所示。 图中横坐标为迭代次数，纵坐标为精度。由仿真可以得出，当应用Adagrad变学习率进行全局训练时精度最高，因此选择Adagrad变学习率进行识别。 3.4. 实验结果分析 本实验采取交叉验证方法。每一种类型数据的训练样本和测试样本的比例都设定为9:1，每次都是随机抽取训练样本，剩余为测试样本。进行10次实验，10次实验的结果如图8所示。 图7. 全局训练精度 经过十次实验，奇异值DBN方法对轴承故障数据的分类识别精度分别是：0.997、0.982、0.979、0.991、0.975、0.982、0.985、0.99、0.98、0.984。求这10次精度的均值为98.4%， 方差是0.42。说明本文给出的奇异值DBN方法是可行有效的。 3.5. 奇异值DBN方法与现有识别方法的比较 为了验证采用本文方法进行故障诊断的优越性，本文还同时与小波变换、支持向量机、小波神经网络等方法进行了对比，结果如表2所示。由仿真结果知，本文给出的奇异值DBN方法对轴承故障的识别效果比现有这几种识别方法要好，因为本奇异值DBN方法不但具有较高的识别精度，而且稳定性好、鲁棒性强。 通过对比以上四种方法可以看出，采用本文奇异值DBN方法得到的精确度最高，其中本文方法的准确率为：98.4%，采用小波变换平均精确度为92.6%，采用支持向量机平均精确度为94.7%，采用小波神经网络精确度为95.3%。
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user: 4. 结论 实验使用的初始信号为轴承振动信号，由于各种原因，信号中难免会混入噪声，所以选择如本文图1所示流程进行轴承多故障诊断实验，最后的模型为深度信念网络。实验结果表明，采用本文给出的奇异值DBN方法是一种有效轴承故障方法，其对轴承的故障识别的正确率为98.4%。该方法优缺点总结如下： 图8. 10次实验结果 Table 2 Comparing result 方法 精确度(%) 小波变换 92.6 支持向量机 94.7 小波神经网络 95.3 本文方法 98.4 表2. 比较结果 1) 首先对数据集进行了特征提取，可以滤除掉一部分的噪声，同时结合使用能够更好拟合数据的深度学习方法，所以能够取得更好的精度。 2) 本文应用的深度学习方法需要充足的数据作为支撑，实验数据以及应用数据需要充足，如果没有充足的数据作为支持，效果可能会很不理想。 3) 迁移学习可以进一步解决(2)中涉及的缺点，因此在数据不够充足的情况下可以借助与迁移学习、深度学习结合方法来进行一定的补偿。
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user: 摘 要 随着中国城市现代化建设的飞速发展，城市配电网的不断更新改造，箱式变电站已广泛应用于住宅小区、商业中心、机场、企业、医院或学校等场所，与人们的日常生活息息相关。为了明确箱式变电站周围电磁环境的分布特征，本文选取了某小区10 kV/0.4 kV箱式变电站进行有限元仿真分析，并与实测数据对比，研究箱式变电站产生的工频电磁场分布特征，为合理评估箱式变电站的电磁环境水平提供理论和实验依据。结果表明：电磁环境仿真分析与实际监测数据具有很高的一致性。在箱式变电站实际运行状态下，距离箱体20 cm处最大工频电场强度超过1.0 V/m，最大磁感应强度值为10 μT，主要集中在进出线、缝隙和窗体附近，且随着距离增大均急剧下降，因此箱式变电站工频电磁环境水平远远低于中国环境标准中推荐的居民区的场强限值，即电场强度4 kV/m，磁感应强度100 μT，该参数对周围环境、居民生活和身心健康不会造成不良影响。 关键词 :箱式变电站，工频，电磁环境，有限元仿真 Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 箱式变电站将传统的变压器集中设计在箱式壳体中，是集保护、监视、控制和通信等功能于一体的智能化配电设备，可直接向用户提供电源。箱式变电站是电网运行中的关键设备之一，其能投安全、可靠、经济运行将对整个电网和社会环境产生至关重要的影响。 自其问世以来，发展极为迅速，在欧洲发达国家已占配电变压器的70%，美国已占90%。中国自20世纪70年代后期，先后从法国、德国、美国引进了箱式变电站。随着中国城市现代化建设的飞速发展，城市配电网的不断更新改造，目前已广泛应用于住宅小区、商业中心、机场、企业、医院或学校等居民集中的场所 [ 1 ] [ 2 ] 。电磁环境问题日益凸显，引起公众对电力建设项目的质疑甚至阻挠，成为社会所关注的公共卫生问题 [ 3 ] - [ 8 ] 。 鉴于公众人群与职业人群的不同特点，需要制定不同的暴露限值。国际非电离辐射委员会(ICNIRP)导则推荐的公众24 h居住环境允许暴露限值(电场强度5 kV/m、磁感应强度100 μT)以及受控环境中的曝露限值(10 kV/m， 500 μT) [ 9 ] 。我国在《电场、磁场、电磁场防护规定》(征求意见稿)中规定50 Hz频率下电场强度限值为4 kV/m，磁感应强度限值为0.022 mT。世界卫生组织(WTO)早在1997年就启动了“国际电磁场计划”项目，目的在于通过电磁健康风险评估、电磁限值标准建立和公众电磁健康知识传播，提高公众对环境电磁场健康影响的正确认识。据文献报告，2005年某院内630 kV/10 kV箱式变电站产生的电磁环境污染研究影响了周围人群的身心健康，测试结果显示距离箱式变电站1 m处的电场强度大于1 kV/m，超过了国家GBZ1-2002排放标准 [ 10 ] [ 11 ] ，该项目通过后期整改已经符合国家标准。根据大量的现场实测数据表明，箱式变电站较大的工频电场强度集中在进出线附近，其他方位均在2 kV/m以下 [ 12 ] 。但是由于人们对居住环境质量的要求越来越高，同时对电磁知识缺乏全面的认识，部分居民因惧怕输变电设备产生电磁辐射，阻挠电网建设，导致一些地方的变电站、输电线路路径选址工作受阻，在一定程度上影响经济社会发展和百姓安居乐业，因此有必要对生活环境中的电磁环境水平进行探讨和分析 [ 13 ] - [ 18 ] 。 为了明确箱式变电站电磁场的空间分布特征，本文选取了某小区的10 kV/0.4 kV箱式变电站进行建模仿真与实测对比分析，研究箱式变电站工频电磁场的分布特征，为合理评估箱式变电站的电磁环境水平提供理论和试验依据。
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user: 2. 工频电磁场物理基础 任何电磁场问题都满足麦克斯韦方程组，揭示了电磁的本质及它们之间的相互转化关系，如下式所示： ∇ × H = J + ∂ D ∂ t (1) ∇ × E = − ∂ B ∂ t (2) ∇ ⋅ B = 0 (3) ∇ ⋅ D = ρ (4) 对于工频电磁场而言，求解电场时，可忽略 ∂ B ∂ t ，认为电场主要由源电荷 ρ 产生；求解磁场时，可忽略 ∂ D ∂ t ，认为磁场主要由传导电流 J 产生。
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user: 3. 有限元仿真模型的建立 3.1. 工程电磁场的有限元方法 有限元法是将场域划分为有限个单位，同时用一个简单的函数作为场变量模型(插值函数)，构成每个单元中场的试探解。有限元法将单元中任一点的待求量，用该单元便捷和其他单元便捷的交点上的场量值计算，即将无穷维自由度问题转化为有限个自由度的问题。 3.2. 10 kV/0.4 kV变压器模型参数 箱式变电站是由变压器和高、低压电压控制设备两者进行有机结合形成的整套的配电设备。本文选用了已投入使用的10 kV/0.4 kV ZBW1-10箱式变电站。主要部分包括电源侧高压室、变压器室、低压室，从低压母排上引出线路对用户供电。高压进线为地埋铠装屏蔽电缆，对外的产生电场和磁场可忽略不计。高压母排贯穿于高压室和变压器室，其上载有高电压，是电场的主要来源；低压母排贯穿于变压器和低压室，其上载有大电流，是磁场的主要来源。除此之外，箱式变电站内部还有计量、电容补偿等功能模块电路，但相比高电压、大电流的母排而言，产生工频电场和磁场环境可忽略不计。 3.3. 箱式变电站仿真模型 箱式变电站除了门和窗的缝隙之外，所有墙壁都夹层了金属屏蔽材料，这个对于电场具有明显的屏蔽作用。IEC/TR62271-208:2009中也提到，在电场计算中，金属构架可以等效为表面具有单一电压(如果接地就是零)的模型，而不是赋予它们的预期材料特性，完全被金属外壳包围的设备模型的外部电场可能接近零，如果连接到设备的电缆没有屏蔽和接地，则它们就是电场的唯一场源。所以，仿真中需将箱变内、外墙体当作金属模型处理。考虑到强电设备大电流，高电压对箱体外部的电磁场分布起决定性。所建三维仿真模型包括变压器、高低压母线排等激励源、屏蔽以及孔缝等影响电磁场分布的主要因素。箱式变电站几何模型如图1所示。 3.4. 电气仿真设置 该箱式变电站是额定电压10 kV，总容量为800 KVA的中低压设备，其高、低压的具体额定参数如下：1) 高压侧额定电压：10 KV；2) 高压侧额定电流：80 A；3) 低压侧额定电压：0.4 KV；4) 低压侧额定电流：1250 A。但在实际工作中，通常负荷不饱满，高压和低压电流值均无法达到额定值。因此本文仿真模型根据实际运行情况，设置高压线圈电压为10 kV，低压线圈电压为0.4 kV，铁心、屏蔽等组件电压为0.0 V；高压母排上的电流为4.0 A，低压母排上的电流为100.0 A。 3.5. 有限元网格剖分 建立箱式变电站计算模型并设置频率范围，通过利用CST Studio Suite 2016软件中正四面体有限元网格对模型进行剖分，实现模型离散化。该模型总共被剖分为346，335个网格，如图2所示。
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user: 4. 仿真分析 4.1. 电场场仿真结果 图3为电场仿真云图。从图3中可以看出，箱式变电站周围的电场泄漏较高区域主要集中在门、窗等缝隙位置。最强电场强度在变压器室的窗体位置，这主要是因为变压器室内敷设的裸露高压进线较长，是最主要电场源。变压器室的窗户位置如图3中位置4、位置6所示，在垂直距离窗面中心20 cm处，最大电场强度已超过1 V/m，而随着该距离逐渐增大，电场强度将急剧衰减，当该距离达增大到5倍后，电场衰减至0.037 V/m，降低了27倍，该数据呈现出电场随距离平方成反比，与近区场理论一致。尽管箱式变电站内部敷设了高、低压母线等裸露铜排，但由于金属夹层箱体对电场的有效屏蔽，使其在正常运行时周围的电场环境水平完全达到国家标准范围 [ 5 ] 。 4.2. 磁场仿真结果 图4为磁感应强度云图。图4中可以看到，箱式变电站周围的磁感应强度较高强区域同样集中在门、 图1. 仿真模型图 图2. 模型网格剖分 图3. 电场强度云图。(a) XOZ面y = 1600 mm；(b) 整体 图4. 磁感应强度云图。(a) XOZ面y = 1600 mm；(b) 整体 窗等缝隙位置。其中，图3中位置3、位置4磁感应强度尤为突出，主要是因为载有大电流的低压母排回路靠近该侧敷设，是主要的磁场源。从图4中位置3可以看出，在距离箱体20 cm处，磁感应强度B的最大值达到10 μT；而随着距离增大，磁感应强度会急剧减小，距离箱体面板1 m距离下磁感应强度衰减至0.435 μT，减小了23倍，呈现出磁场随距离平方成反比的规律，完全符合近区场理论。 上述仿真结果是按照所选箱式变电站实际运行负荷设定的参数，即在低压侧输出电流100 A情况下的计算结果。客观评估时需要考虑其最恶劣状态，也即满负荷状态，可参考上述仿真值，根据满负荷条件下低压侧电流值进行外推计算，得到距离箱体20 cm处最大磁感应强度为125 μT，1 m处最大磁感应强度为5.438 μT。对照ICNIRP导则中对50 Hz的公众磁场辐射限制100 μT要求，只要与箱式变电站保持30 cm以上距离，所承受的暴露磁场均在标准限值以下。
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user: 5. 测量验证及讨论分析 遵循我国现行《交流输变电工程电磁环境监测方法》(HJ681-2013) [ 19 ] 中的具体要求展开对10 kV/0.4 kV箱式变电站周围电磁环境的监测工作。根据箱式变电站平面布置、工频电场、工频磁场在距箱体20 cm处的门窗缝隙处布设7个监测点。 采用工频电磁辐射监测仪(Narda EHP-50F，德国)监测箱式变电站的电磁场空间分布，频率范围5 Hz~500 Hz。该仪器使用前均通过计量部门检定或校准。通过Narda EHP-50F控制软件分别测量电场和磁场分量。 选择Electric 1 kV/m档位进行电场测试，典型测试曲线如图5所示，第一个峰值点是50.05 Hz，幅度为1.3874 V/m。选择Magnetic100 μT档位进行磁场测试，典型测试曲线如图6所示，第一个峰值点是50.05 Hz，幅度为0.6283 μT。从图5和图6中也可观察到存在高次谐波，其中3次(150 Hz)、5次(250 Hz)以及7次(350 Hz)等均较为明显，所测箱变为工频中低压设备，其内部母排上的电压、电流均为50 Hz交流信号，根据傅里叶级数，频谱主要为50 Hz及其奇次倍频。因此，箱变对外辐射电场、磁场在50 Hz及其奇次谐波频率上存在明显峰值。 图7和图8分别为箱式变电站电场强度、磁感应强度的计算值与测试值之间的对比曲线。从图中可以看出，同一位置的测量值略大于计算值，不同位置的变化趋势两者一致性很好。图4和图5中位置5的电场强度和磁感应强度值最低，即周围环境中产生的电磁场最弱。10 Kv/0.4 Kv箱式变电站周围的电磁环境主要由于电力变压器的初级和次级绕组之间所产生的磁场涡流形成，辐射范围大小与强度取决于其容量与工作电流。 图5. 电场强度测试曲线 图6. 磁场测试曲线 图7. 电场强度仿真与测试对比
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user: 6. 结论 箱式变电站采用全户内布置的型式，同时所有电气设备均布置在一栋建筑物内，经过建筑物的屏蔽后，极大地降低了其辐射水平。本文通过理论仿真分析和实际环境监测对比分析，结果表明箱式变电站工频电磁辐射水平远远低于国家标准，对周围环境、居民生活和身心健康不会造成不良影响。究其原因主要有：1) 箱式变电站电压等级较低，工频电磁辐射的影响范围十分有限，周边工频电场强度均控制在较小范围内；2) 箱体起到了很好的屏蔽作用，较大的工频电场强度集中在进出线附近，其它方位的工频电磁场强度远低于《电磁环境控制限值GB8702-2014》公众暴露限值电场强度4 kV/m和磁感应强度100 μT；3) 高低压进出线均采用电缆，减少了输电线路的电磁辐射；4) 距居民住宅远大于安全距离。 近几十年来国际大电网(CIGRE)发表的大量科学证据表明，在20 KV/m以下的工频电磁环境对人体 图8. 磁感应强度仿真与测试对比 健康没有不良影响 [ 20 ] ，因此对于居住在箱式变电站或输电线路上述距离以外的居民而言，完全没有必要担心箱式变电站或输电线路产生的电磁环境对人体的伤害，同时为以后城区变电站的设计、电力设备的选型以及改善人们居住环境提供理论和实验依据。 所以，需要针对人们对健康需求的不断变化及健康风险问题的不断出现，努力加强政府部门、公共卫生单位、电磁学与生物学专业机构科研人员的交流与沟通，确保各项环保措施的有效落实，降低、减少变电站建设对环境带来的负面效应，努力做到经济、社会、生态和环境效益的科学发展与协调统一。
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user: 摘 要 为了改善我国樱桃分选仍然主要由人工作业的现状，实现樱桃缺陷果自动筛选，提高樱桃生产效率。本实验结合现有的图像处理方法，设计了一套基于视觉处理软件NI Vision Assistant的樱桃缺陷检测装置。实验中首先利用图像采集系统获取樱桃图像，然后利用算法提取樱桃缺陷部分，最后将缺陷果位置信息发送给筛选机构，从而完成樱桃的缺陷检测与筛选。最后的实验结果表明，此筛选方法速度快，实验器械和方法较为简单，综合检测正确率也比较高，基本满足实际生产中缺陷樱桃的检测要求。 关键词 :机器视觉，图像处理，缺陷检测，樱桃 Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 根据中商产业研究院发布的《2016/17年度全球樱桃行业研究报告》数据显示，2015年全球樱桃总产量为303万吨，其中我国樱桃产量为24.2万吨，约占全球总产量的8%。我国樱桃进口量占世界进口总量的24.3%，已经取代俄罗斯成为世界第一大樱桃进口国，然而出口量却不足全球总出口量的不足3%。究其原因不难发现造成我国樱桃出口量低的主要原因便是在樱桃采摘后的产后处理环节不足及产后处理技术偏低。当前樱桃出口大国如智利，美国等，其樱桃产后商品化处理比例已达80%~90%，而我国还不到总产量的5%。按照国际标准，只有经过筛选筛选的高档樱桃才能参与国际竞争，而我国很多优质樱桃由于没有经过严格品质检测与筛选，良莠不齐，只能以低等级樱桃出售。因此如何充分利用先进技术手段和方法将樱桃进行筛选筛选是提高我国樱桃国际竞争力的关键。随着无损检测技术和图像处理技术的飞速发展，已有许多国内外学者在水果缺陷检测上做过研究，国外如Tao Y (1995) [ 1 ] 等做了基于机器视觉的苹果和土豆的颜色检测，实验结果表明该方法对苹果和土豆的分级效果显著，但是对运动图像处理效果较差。国内如早期的应义斌等(1999) [ 2 ] 做过基于傅立叶变换结合神经网络算法来实现黄花梨的果形识别的研究，能识别水果外形但是无法识别缺陷，近年来有刘佳男(2012) [ 3 ] 研究了基于BP神经网络来对水果缺陷种类进行分类，该方法对各种缺陷的识别效果较好；王福杰(2016) [ 4 ] 则设计了一种新的运动状态下多相机水果检测系统，该方法有较好的背景分割效果但是识别准确率较低，且速度较慢无法满足工业需求。 但是针对樱桃的精准检测方法与设备暂时还未出现。因此本文参照已有的水果检测方法，设计了一种全新的基于NI Vision Assistant的樱桃缺陷自动检测及筛选系统。利用机器视觉原理去检测缺陷，不仅可以提高筛选精度与准确性，而大大节约了人工成本，提高了生产效率。
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user: 2. 缺陷检测视觉系统方案概述 2.1. 实验材料 实验材料为市面所售红灯樱桃，此品种属中大型果，果皮色泽鲜红成熟时深紫，果肉肥厚多汁，成熟期较早，但肉质较软，果皮较薄，不耐贮运且容易腐烂，采收前如遇雨天还会出现轻微裂果。并且会出现自然腐果、鸟啄以及疤痕等情况，还会出现异型果体征。由于条件所限，实验所用樱桃包含正常果与部分缺陷果。 2.2. 视觉系统示意图 视觉系统示意图如图1，主要包括光照箱，光源，摄像机，遮光板，镜头及计算机等，然后在传送带后部加装气吸筛选装置。其中光照箱与光源组成光照系统，其在机器视觉中光照系统影响着所得图像的品质并为视觉系统提供图像采集环境。摄像机主要作用是将光强信号转化为电信号。遮光板的作用是使得摄像头视野内光照为漫反射，防止发生镜面反射影响实验结果。镜头的作用是保证摄像机获取的图像清晰大小合适。计算机主要作用是将视觉系统获得的图像进行处理并整合其他的硬件设施使整个系统能够正常工作。 2.3. 视觉系统硬件选择 饶秀勤、应义斌等人经过实验得出在视觉系统中，增大相机到被测物体之间的距离可以减小图像畸变 [ 5 ] 。因而为了保证相机到水果的距离足够，满足光源安装条件，方便调节光源和相机位置，将光照箱设计为450 mm × 450 mm × 300 mm的长方体纸板箱，光照箱内表面贴漫反射层防止产生镜面反射干扰摄像机。由于樱桃体积较小且颜色较为鲜亮，因此选用像素较高的控汇eip300 CMOS彩色工业相机，该相机像素达到300 w，满足拍摄要求。镜头靶面尺寸应与摄像机相同，根据摄像机到樱桃的距离选取焦距为16 mm的ComputarM1614-MP2镜头。机器视觉常用光源主要有荧光灯及LED灯，此处选择性价比较高的LED白色光源，由于樱桃表面很光滑，易发生镜面反射影响测试结果，还需在光源前加装遮光板。 2.4. 系统工作过程 本系统主要分为两个部分，第一部分为图像识别及处理部分，在视觉系统接收到樱桃图像后经过计算机处理将缺陷樱桃检测出来，第二部分为接受缺陷樱桃位置信息并将其吸出的筛选机构。工作流程如图2所示，当放置在传送带上的樱桃经过图像采集区域时，摄像机采集樱桃图像，之后将所得图像传递给计算机，令计算机对该图像进行处理和检测，判断樱桃是否有缺陷，若有缺陷则将樱桃在系统中的位置信息传递给下机位的气吸筛选装置，最后由气吸装置经由输送管道将缺陷果送至指定位置，实现樱桃的缺陷果筛选。 图1. 视觉系统示意图 图2. 系统工作流程图
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user: 4. 实验数据 将所有樱桃共计100个均进行同样的处理，统计样品的检测正确率得到数据如表1所示。 由实验数据可知本次试验综合正确率为86.8%，分析可知，造成正确率低于预期的主要原因有以下几种： · 樱桃在进入光照箱前，若不进行清洗，则有可能存在泥土鸟粪等污垢，而在检测时依然会将它们识别为缺陷，但是如果进行水洗又会降低樱桃的贮藏期限。 · 有些樱桃在采摘过程中果梗会脱落从而露出一个圆形的“缺口”，如果该“缺口”恰好在正上方时，也会被错误的认定为缺陷。 · 虽然设置了自定义阈值，但是由于樱桃缺陷种类众多，且不同种缺陷的表现形式如颜色、亮度、对比度等会有较大差别，因此不存在能将所有缺陷一次性检测出来的方法。
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user: 5. 总结 本次实验主要是利用机器视觉技术及图像处理软件NI VISION对樱桃表面缺陷进行检测，获得的实验数据及研究成果为后续的缺陷樱桃自动分拣流水线的构建奠定了基础。本次实验主要有以下两点创新:一是由于国内有关樱桃缺陷检测方面的论文及实验方案还较少，本实验根据已有的水果缺陷检测方法自行设计了一种全新的缺陷检测算法及筛选机构，这种机构处理速度快，能实时处理并筛选缺陷果，极大的提高了生产效率，改进了以往人工筛选速度慢、效率低、主观影响严重等缺点。二是在实际工业生产中，图像处理不仅要满足准确率要求，也需要控制算法复杂程度，降低单个樱桃检测耗时，从而提高检测效率。本次实验选用了计算量少，响应速度快的算法，加快了图像处理速度，从而保证在生产线上经过一个樱桃的时间内能够完成这个樱桃的检测。 但是本方案仍然存在一些问题，例如本方案仅检测了樱桃缺陷的有无，对具体的缺陷类型并未做详细的探讨研究。因为在樱桃的等级划分中，缺陷虽然是一项重要指标，但只需要将有无缺陷的樱桃分开即可，对缺陷的大小及类型不做要求。而且分类缺陷检测对算法的需求过于复杂，会大大降低检测速度，因此此方案不探讨具体缺陷类型。而且在樱桃随传送带进入图像采集区域时，樱桃本身并不动，这就使得在获得图像时总有很小一部分与传送带接触从而无法检测。关于这些问题，还有待进一步研究和讨论。
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user: 摘 要 本文提出了一种“节能型蒸气压缩式制冷机最佳冷凝温度测试装置”，它可以确保除冷凝温度以外的其它运行工况参数恒定在不同的预定值，能够方便准确地调节冷凝温度，及时有效地记录计算蒸气压缩式制冷机最佳冷凝温度所需的参数值。另外，该测试装置能够回收冷凝热，是一种节能型产品。 关键词 :最佳冷凝温度测试装置，单级蒸气压缩式制冷机 Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 2016年12月《仪器与设备》期刊上发表了《蒸气压缩式制冷循环的最佳冷凝温度》论文，该文章针对冷凝温度变化对蒸气压缩式制冷机性能影响规律进行了理论研究，发现：在其它条件不变时，随着冷凝温度降低，制冷机制冷系数、相应理想制冷机制冷系数都在提高，但制冷机热力完善度先升高后下降，存在最大热力完善度，并首次提出了蒸气压缩式制冷机“最佳冷凝温度”的概念。所谓“最佳冷凝温度”就是在其它条件不变时，制冷机热力完善度达到最大值时的冷凝温度，不同冷用户(蒸发温度不同、或用冷量不同)有着各自的“最佳冷凝温度” [ 1 ] 。热工原理指出，热力完善度是考量制冷机性能接近相同冷热源间理想制冷机性能程度的指标，是衡量制冷机性能好坏的最终指标；若制冷机工作在热力完善度最大时，则该制冷机最节能 [ 2 ] 。 制冷机运行工况变化直接影响到其性能的好坏，冷凝温度是制冷机的一个重要运行参数，常受气候环境变化而变化，制冷机实际运行工况往往偏离设计运行工况，对制冷机性能影响很大。在其它条件不变时，冷凝温度升高，制冷机性能系数减小；冷凝温度降低，制冷机性能系数增大 [ 3 ] 。实际操作时，大多是通过调节冷却介质参数来控制冷凝温度，但没有统一的量化标准，不知道将冷凝温度调整何值最好。现在有了“最佳冷凝温度”概念，一切就迎刃而解了。 制冷机在中国应用已十分普及，其耗能也十分可观，目前节能减排已成为中国发展的国策。要想使生活、生产中的制冷机都工作在“最佳冷凝温度”状态，运行经济性大幅提高，加快实现国家节能战略，就必须进行大量的测试工作，找出蒸气压缩式制冷机各种实际运行工况的“最佳冷凝温度”。本文提出了一种“节能型蒸气压缩式制冷机最佳冷凝温度测试装置”，愿与大家进行探讨。
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user: 2. “最佳冷凝温度”的测试条件 “最佳冷凝温度”就是在其它条件不变时，制冷机热力完善度达到最大值时的冷凝温度。图1为蒸气压缩式制冷机循环图，1-2线为定熵线，2-3线为定压线，3-4线铅垂线，4-1线为定压线，决定该循环图的充要条件是点1、点2、点3、点4，这四点的位置取决于蒸发温度、冷凝温度、吸气温度、过冷温度等四个运行工况参数，只要这四个温度参数恒定，就说明该制冷机处于稳定运行状态。这就是说，“最佳冷凝温度”概念中所提及的“其它条件”就是蒸发温度、吸气温度、过冷温度等。 图1. 蒸气压缩式制冷机循环图 制冷机的四个运行工况参数中，蒸发温度的大小由用户用冷温度和设计传热温差决定，冷凝温度大小由制冷机冷却环境决定，吸气温度主要取决于蒸发温度和吸气过热度，过冷温度主要取决于冷凝温度和过冷度，过热度、过冷度在制冷机设计阶段已基本确定。所以，制冷机的变化参数主要是蒸发温度和冷凝温度。 以上所述告诉我们，“最佳冷凝温度”的测试条件是： 1) 蒸发温度、吸气温度、冷凝温度、过冷温度具有恒定措施； 2) 蒸发温度、冷凝温度可以自由调整。
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user: 3. “节能型蒸气压缩式制冷机最佳冷凝温度测试装置”的组成 如图2所示，该测试装置包括单级蒸气压缩制冷系统、冷却水系统、冷热耦合装置、辅助制冷系统及电控测试装置等部分。其中： 单级压缩制冷系统部分，由变频式涡旋制冷压缩机、油分离器、壳管式水冷冷凝器、贮液器、电子膨胀阀、蛇管蒸发器、气液分离器及制冷剂管道与阀门等组成。 冷却水系统部分，由冷却水箱、冷却水泵、冷却水管道与阀门等组成。 冷热耦合装置 [ 4 ] ，由绝热乙二醇水溶液(体积分数为56%)箱、加热盘管等组成。 辅助制冷系统，由变频式涡旋制冷压缩机、油分离器、风冷式冷凝器、贮液器、电子膨胀阀、蛇管蒸发器、气液分离器及制冷剂管道与阀门等组成。 本文以R22制冷剂为例，计算出各主要设备的设计容量，如表1所示。
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user: 4. “节能型蒸气压缩式制冷机最佳冷凝温度测试装置”的工作原理 制冷系统的工作原理：压缩机在电力驱动下将制冷剂从低压、低温的气体压缩成为高压、高温的气体；氟油分离器将混入制冷剂气体中的冷冻油分离出来，返回到压缩机；冷凝器将来自氟油分离器的高压、高温制冷剂气体冷却、液化成为高压液体，同时向冷却水放出热量；贮液器储存来自冷凝器的制冷剂液体，用以调节向低温部分的供液量；电子膨胀阀使高压制冷剂液体节流降压成为低压、低温的气液混合状态；蒸发器使气液混合状态的制冷剂中的液体蒸发吸热成为低压、低温的气体，同时制取出冷量，被乙二醇水溶液吸收；低压、低温的制冷剂气体再次进入压缩机，周而复始地循环，实现稳定的连续制冷。 冷却水系统工作原理：变速冷却水泵(其目的是保证冷凝压力在设定值)将水送入冷凝器，吸收制冷剂放出的热量，温度升高。来自冷凝器的热水，通过直动式温度控制型比例调节阀控制(其目的是保证乙二 图2. 节能型蒸气压缩式制冷机最佳冷凝温度测试装置流程图 Table 1 The summary table of the main equipment capacity of the testing device for the optimal condensing temperature of R22 energy-saving vapor-compression refrigerating machin 序号 设备名称 容量 备注 1 压缩机 空调工况制冷量1.5 kW 自带油分器、液分器。 2 冷凝器 空调工况散热量3 kW 3 贮液器 容积5 L 4 电子节流阀 通孔直径1 mm 5 冷热耦合器 换热量2 kW 铜蛇形盘管。 6 冷却水泵 流量160 L/h；扬程15 m水柱 7 冷却水池 80 L 进行绝热处理。 8 冷却水流量计 160 L/h 转子流量计。 9 辅助制冷机 空调工况制冷量2 kW 风冷制冷机。 表1. R22节能型蒸气压缩式制冷机最佳冷凝温度测试装置主要设备设计容量汇总表 醇溶液温度在设定值)，一部分进入加热器，将热量传入乙二醇溶液，用以中和制冷系统制取的冷量，放热后流入冷却水箱；另一部分直接流入冷却水箱。冷却水箱可以储存测试装置的全部冷却水量，冷却水从冷凝器获得热量中的剩余部分，通过辅助制冷机排出，以保证冷却水温度恢复到吸热前的状态；恢复初温的冷却水再次被冷却水泵吸入，周而复始的循环。 冷热耦合装置工作原理：即利用所储存的乙二醇水溶液获取制冷系统制取的冷量，同时吸收加热器传入的热量，储存的乙二醇水溶液箱体绝热性能良好，以保证制冷系统制取的冷量等于加热器的加热量，误差不大于5%。 辅助制冷系统工作原理：其工作原理与上述单级压缩制冷系统的工作原理基本相同，所不同的是，它制取的冷量是被冷却水吸收，用以调整冷却水温度，创造出本基金项目所需要的环境条件。
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user: 5. “节能型蒸气压缩式制冷机最佳冷凝温度测试装置”的操作 1) 测试内容 压缩机吸、排气温度、压力，冷凝温度，过冷温度，蒸发温度，压缩机输入功率；冷却剂进、出冷凝器温度，冷却水箱中冷却水温度，冷却剂通过冷凝器的流量；被冷却剂进、出冷热耦合器的温度，冷热耦合器中乙二醇溶液温度，被冷却剂通过冷热耦合器的流量。 2) 测试方法 每隔10 min测试一组数据，每组测试数据均在同一时刻获取。 关闭测试制冷机的蒸发器热媒水阀门，开启测试制冷机，降低其蒸发温度；通过辅助制冷机保持测试制冷机的冷凝温度不变，测试冷凝器冷却水流量及进出温度、压缩机电机输入电压及电流。 当测试制冷机的蒸发温度降至预定值时，打开蒸发器热媒水阀门，通过比例调节阀控制热媒水流量，保持测试制冷机的蒸发温度不变；通过辅助制冷机降低测试制冷机的冷凝温度；测试蒸发器热媒水流量及进出温度、冷凝器冷却水流量及进出温度、压缩机电机输入电压及电流。
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user: 6. “节能型蒸气压缩式制冷机最佳冷凝温度测试装置”的可行性 “最佳冷凝温度”的测试条件是：蒸发温度、吸气温度、冷凝温度、过冷温度必须具有恒定措施；蒸发温度、冷凝温度可以自由调节。“节能型蒸气压缩式制冷机最佳冷凝温度测试装置”是可以提供这一测试条件的，以下是理论上的可行性分析结果。 1) 蒸发温度的恒定与调节 “节能型蒸气压缩式制冷机最佳冷凝温度测试装置”中设置了冷热耦合器，通过向冷热耦合器分流冷却水来实现将冷凝器中部分冷凝热返还给蒸发器，作为制冷机的冷负荷。 根据热力学第一定律得知，制冷机中冷凝器的冷凝热等于制冷量与耗功量之和，同一台制冷机的冷凝热必然大于制冷量。所以，以冷凝热向制冷机提供冷负荷是完全可行的，只要有适量稳定的冷负荷，恒定蒸发温度是没有问题的。 另外，通过改变向冷热耦合器分流冷却水流量，就可以改变制冷机冷负荷，调节蒸发温度。 2) 吸气温度的恒定 吸气温度稳定与否取决于蒸发温度的稳定性和吸气管路的绝热性能，“节能型蒸气压缩式制冷机最佳冷凝温度测试装置”的吸气管路进行充分的绝热处理，只要能恒定蒸发温度，就能恒定吸气温度。 3) 冷凝温度的恒定与调节 “节能型蒸气压缩式制冷机最佳冷凝温度测试装置”的冷凝器进行了充分的绝热处理，冷凝热只传递给冷却水，周围环境对其影响极小，只要能恒定冷却水温度、流量，就能恒定冷凝温度。 另外，改变冷却水流量就能改变制冷机散热量，调节冷凝温度。 4) 过冷温度的恒定 过冷温度稳定与否取决于冷凝温度的稳定性和冷凝器至节流阀管路的传热性能，“节能型蒸气压缩式制冷机最佳冷凝温度测试装置”不仅冷凝器进行了充分的绝热处理，而且冷凝器至节流阀管路也进行了充分的绝热处理，过冷温度受周围环境影响极小，因此，只要能恒定冷凝温度，就能恒定过冷温度。
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user: 7. 结论 本文提出了一种“节能型蒸气压缩式制冷机最佳冷凝温度测试装置”，明确了其组成、原理、操作，并从理论上证实了其可行性。该装置不仅能测出空调制冷机在不同蒸发温度下运行时的“最佳冷凝温度”，还能据此原理进行改装用以测试冷库制冷机在不同蒸发温度下运行时的“最佳冷凝温度”；另外，该装置还能回收冷凝热，具有节能功效。目前，“节能型蒸气压缩式制冷机最佳冷凝温度测试装置”还停留在理论研究上，不久就会完成实物制作，尽快服务社会。
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user: 摘 要 通过对哥伦比亚ABARCO油田蒸汽吞吐开发效果的评价，论证ABARCO油田的开发潜力所在，为MECL公司合同到期是否进行延期提供了依据。研究过程利用了MECL公司现有的数模体，并对模型进行了修正，对该油田开发的历史数据进行了拟合，对前期蒸汽吞吐的效果进行模拟和评价，开展了油田开发潜力的挖潜深入研究，提出了油田下一步进行后续开发的潜力和效果。目前油田通过蒸汽吞吐开发效果较好，同时通过蒸汽吞吐和蒸汽驱开发方式进行深入研究对比。应用数值模拟方法选取典型区块进行蒸汽驱效果分析并与蒸汽吞吐进行比较。通过对比分析表明该油田以蒸汽吞吐开发的效果相对较好，建议下步采用的主要开发方式仍以蒸汽吞吐为主而不急于转为蒸汽驱开发方式，蒸汽驱只是作为下一步可能替代的开发方式，为油田下一步的开发提供了方向，为油田是否进行延期提供了一定的客观依据。 关键词 :蒸汽吞吐，储量，降粘，蒸汽驱，转驱，井网，注气，采注比 Copyright © 2017 by author and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 蒸汽驱开采技术是稠油油藏经过蒸汽吞吐开采以后，进一步提高原油采收率的主要稠油热采手段 [ 1 ] [ 2 ] 。只进行蒸汽吞吐开采时，只能采出各个油井井点附近油层中的原油，井间留有大量的剩余油，稠油蒸汽吞吐采收率一般在20%左右，采用蒸汽驱开采技术时，由注入井连续注入高干度蒸汽，注入油层中的大量热能加热油层，从而大大降低了原油粘度，而且注入的热流体将原油驱动至周围的生产井中采出，将采出更多的原油，使原油采收率增加20%~30%，甚至更多。本文通过对ABARCO油田进行蒸汽驱模拟计算，确定该油田后续的开发方式，由于蒸汽驱的经济效益问题，暂时不考虑大面积进行蒸汽驱开采 [ 3 ] [ 4 ] 。
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user: 4. 结论及建议 综上分析，Abarco油田仅靠现井网蒸汽吞吐开采，采收率很低，必须完善井网；优先考虑见效快、风险小的蒸汽吞吐，改善开发效果，提高最终采收率。 对于蒸汽驱，仅进行典型模型研究，进行蒸汽驱技术可行性分析、研究。针对目前生产情况，建议结合蒸汽驱筛选条件，选取吞吐5~6周期的井组，进行蒸汽驱部分先导试验，研究蒸汽驱生产特征及主要技术经济指标，确定蒸汽驱技术经济可行性，为吞吐后期提高采收率进行技术储备，而不作为目前的主要开发技术手段。
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user: 摘 要 岩溶区覆盖了超过20%的地壳面积，岩溶水作为供水水源发挥的作用举足轻重。然而，岩溶介质的非均质性十分突出，是有不同水力性质的双重介质系统，使得岩溶地下水系统入渗过程亦具有二元性。岩溶区降水、地表水和地下水间的关系十分密切、转化规律呈复杂的非线性关系。这使得岩溶地下水系统的水文过程、流速和排泄范围易受外界影响而多变。岩溶泉流量变化具有明显的尺度效应和多重分形特征，流量构成复杂多变。同时，受多变的岩溶水文过程和生物地球化学作用的影响，岩溶地下水系统的水化学变化对环境十分敏感。因此，传统方法不能直接应用于岩溶地区的水文研究，水文研究常见的困难在岩溶区被成倍放大。目前，岩溶水文研究相对滞后。我国岩溶类型多样，在国际上有范例性。在岩溶水文过程和岩溶地下水CO 2 -H 2 O-CaCO 3 系统的研究中取得进展。岩溶地下水系统水文过程对全球变化的响应和反馈，岩溶地下水资源和水环境，以及岩溶水文系统模拟等方面将是未来的研究热点。 关键词 :岩溶地下水，岩溶水文，地表水与地下水相互作用，水循环 Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 岩溶包括与可溶岩石溶解相关的全部地貌、地质和水文特征 [ 1 ] 。岩溶区覆盖了超过20%的地壳面积 [ 2 ] 。数亿人口生活在岩溶地区，以岩溶含水层为水源。据估计，世界上大约25%的饮用水来自岩溶含水层 [ 2 ] 。开展岩溶水文研究是可持续开发和保护岩溶水资源的基础，具有重要的社会意义。 然而，岩溶水文研究面临特殊的困难。首先，岩溶区地表和地下的岩石溶解大大超过了机械风化的效果，因而形成了独特的地貌、地质特征，使水文循环具有特殊性。岩溶地区最明显的水文地质特征是高度不均匀性。地下水流溶解可溶岩石导致含水层快速演化，水流系统有强烈的个体性、各向异性，补给来源和入渗的二元性等 [ 3 ] 。岩溶区地表水和地下水通常是密切联系、高度相关，组成一个单独的流动系统 [ 4 ] 。这种特征多由石灰岩和白云岩构成的基岩发生溶解而形成落水洞、断头河、溶洞和岩溶泉等造成 [ 5 ] 。岩溶过程最终可形成巨大的、延伸距离十分远的、十分复杂的三维地下管道系统 [ 6 ] 。一方面强烈的非均质性使岩溶地下水难以开采到，另一方面岩溶水文过程易受外界影响被污染。因此，Bakalowicz建议如果可能的话不要使用岩溶含水层作为水源 [ 7 ] 。其次，水文研究常见的困难在岩溶区被成倍放大。比如，对地下水流动系统的水文过程缺乏详细的观测数据，对地下水含水系统的水文地质条件掌握不充分，以及观测和估算方法本身具有的不确定性等都由于岩溶含水系统复杂的水文地质条件而被成倍放大 [ 3 ] 。最后，传统方法不能直接应用于岩溶地区的水文研究。比如，调查地下水流动的区域等水位线法、抽水实验等在岩溶区多数情况下不能直接使用 [ 4 ] 。目前，岩溶水文研究的程度相对滞后。 岩溶水作为供水水源发挥的作用举足轻重，在环境急速变化的当代开展全面和详细的岩溶水文研究是区域水资源可持续开发和保护的基础，也是社会经济发展的迫切需求。同时，开展岩溶水文研究有助于深入了解岩溶区水文循环的规律和机理，解决面临的诸多问题和挑战。
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user: 2. 岩溶地下水系统的特点 近十几年来，岩溶水文研究逐渐增多，不断加深了对岩溶地下水系统的认识。 岩溶地区降水、地表水和地下水间的关系十分密切、转化规律十分复杂。降水和岩溶含水层补给之间呈复杂的非线性关系，一般性的降水减少可导致补给显著地减少 [ 8 ] 。岩溶泉水和补给区降水之间的联系可通过δ 18 O和δD组成反映出来 [ 9 ] 。落水洞是岩溶区特有的地表水快速转化为地下水的通道。Schulz等 [ 10 ] 用相机延时拍摄方法研究了沙特阿拉伯一处岩溶落水洞的补给，得到降水入渗补给率介于0~0.27。Mance等 [ 11 ] 发现冬季降水是岩溶泉水主要补给来源。类似的，Jeelani等 [ 12 ] 发现喜马拉雅山Kashmir山谷内岩溶泉水春季贫化重水同位素而秋季则相对富集，显示出冰雪融水的主要影响。潜流带(hyporheic zone)低水力传导度和弱的水力梯度以及大的岩溶溶隙和裂隙造成地表水向地下水转化过程呈现复杂的非均质性，河底水生植物对河段尺度的水力条件发挥了重要影响 [ 13 ] 。Meyerhoff等 [ 14 ] 研究了地表水在岩溶管道内的混合，发现汛期时地下水小于50%，仅有基流时地下水占75%。表层岩溶和非承压岩溶地下水均可向河水贡献水量 [ 15 ] 。在沿海地区，岩溶大泉可向海水排泄大量淡水和陆源营养盐 [ 16 ] 。此外，地表水补给对岩溶地下水热模式存在影响，可分为四类热模式 [ 17 ] 。 岩溶地下水系统入渗过程具有二元性。岩溶发育较好的含水层常由导水性好的岩溶管道和渗透性相对较低的岩石裂隙和孔隙组成，是有不同水力性质的双重介质系统。岩溶管道流和孔隙渗流混合可缓冲泉流量变化。混合后岩溶地下水中离子和同位素组成可揭示不同入渗过程的贡献。这源于孔隙渗流和岩溶管道流的水化学特征可能存在显著的不同，且两种入渗过程中蒸发浓缩程度的差异明显 [ 18 ] 。表层岩溶内的混合作用显著 [ 19 ] ，且表层岩溶地下水与空气接触良好，发生O 2 溶解和CO 2 去气使得DO和pH值较高；岩溶管道地下水DO和pH值较低，而CaCO 3 饱和度、悬浮固体和大肠杆菌浓度较高，δ 18 O和δD偏高 [ 20 ] 。Toran和Reisch [ 21 ] 发现岩溶水中Ca 2+ 含量较高而降水中Mg 2+ 含量较高，用Mg/Ca比可解释岩溶孔隙水和岩溶管道水的混合关系。Mitrofan等 [ 22 ] 观测到岩溶孔隙水中Cl − 浓度高于岩溶管道水，当岩溶泉处于高流量时岩溶管道流和孔隙渗流混合引起泉流量缓慢震荡变动，伴随着Cl − 通量由低增高波动。需要注意，地下水流动过程中“新水”与储存的“老水”混合可能使示踪剂浓度在季节尺度和补给事件尺度没有明显变化，只有在相对高的采样频率下才能有效地描述水文过程 [ 23 ] 。 岩溶地下水系统的水文过程易受外界影响而多变。第一，地下水流速变化范围大。Matić等 [ 24 ] 用荧光素钠示踪得到亚得里亚海岸Biokovo岩溶地下水表观流速介于0.21~0.51 cm/s间。Jukić和Denić-Jukić [ 25 ] 分析降水量和其他气象参数与岩溶泉流量日时间序列，发现快速流历时14天，中间流历时80天。第二，排泄范围随地下水位变化。Ravbar等 [ 26 ] 证明了斯洛文尼亚Podstenjšek岩溶泉域降水使其汇水范围动态扩大。Hartmann等 [ 27 ] 估算西班牙南部岩溶含水层补给区面积可从28 km 2 扩大到53 km 2 。Konec等 [ 28 ] 用DNA技术证明岩溶含水层汇水区范围以及补给来源和结构动态变化。 岩溶泉流量的变化规律十分复杂。岩溶泉流量时间序列具有明显的尺度效应和多重分形特征 [ 29 ] [ 30 ] 。岩溶泉流量的主要影响因素来自多个方面 [ 31 ] ，气温和相对湿度对岩溶泉流量亦有影响明显 [ 32 ] 。常用的估算岩溶地下水平均停留时间的方法：1) 直接测定环境示踪剂，如， 3 H， 14 C，CFCs，SF 6 等，应用数学物理方程求解；2) 求地下水系统输入和输出部分的环境示踪剂数据的卷积或者加权函数来间接估算 [ 33 ] 。需要注意，岩溶地下水平均停留时间的估值不稳定。这是由岩溶泉流量构成和变化的复杂性决定的。 岩溶地下水系统的水化学变化对环境十分敏感。首先，易变的水文过程引起化学组成变化。Menning等 [ 34 ] 发现陆地地下水和海水水位控制了岩溶泉向海湾排泄的水化学变化。Lambán等 [ 35 ] 指出补给区和排泄区的高程差对岩溶地下水水化学和同位素组成有控制作用。其次，生物和岩溶地下水通过生物地球化学过程相互影响。Mahler和Bourgeais [ 36 ] 发现岩溶泉流量下降或温度升高时DO浓度下降，导致土著生物Eurycea sorosum死亡率升高。Jin等 [ 37 ] 指出生物地球化学过程对岩溶地下水DOC、DIC和δ 13 C DIC 有重要影响。van Geldern等 [ 38 ] 证明土壤中CO 2 贡献了河流中65%到72%的DIC，下游CO 2 逸出导致δ 13 C DIC 约2‰的正偏移。
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user: 3. 我国的岩溶水文研究 中国岩溶总面积达3.44 × 10 6 km 2 ，约占国土面积的1/3。中国大陆碳酸盐岩古老坚硬、新生代以来大幅抬升、未受末次冰期大陆冰盖刨蚀破坏 [ 39 ] 。同时，中国岩溶发育类型多样，有南方亚热带潮湿型岩溶，西南高山和高原型岩溶和北方干旱半干旱型岩溶三大类型。上述特点使中国岩溶在国际上有范例性 [ 39 ] 。近几十年来，中国的岩溶研究紧紧地抓住岩石圈、大气圈、水圈和生物圈界面上的物质能量运动规律，先后发起和组织了多个国际对比计划研究岩溶动力学、碳循环和古气候环境变化，取得了一系列有国际影响的成果 [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ] 。相对而言，在岩溶水文研究方面较为单薄，然而仍有一定的成果 [ 42 ] - [ 52 ] 。近年来，我国学者对岩溶水文的研究主要集中在如下方面。 第一，岩溶泉流量变化。Hao等 [ 53 ] 指出响应时间包括表层岩溶带的入渗时间和地下水压力传导的时间，有无黄土覆盖导致岩溶泉流量响应时间由7年变化为1年。Fu等 [ 54 ] 用相关函数研究年尺度和降水事件尺度岩溶含水层的响应特性。Wu等 [ 55 ] 用时间序列模型研究了开采前后辛安泉流量波动，表明人类活动使泉流量序列出现异方差性。在人类活动和气候变化共同影响下，岩溶泉出现断流的风险加大。Fan等 [ 56 ] 用一个极端值统计模型得到娘子关泉流量在2021~2023年间出现断流的概率为1%，概率随着时间增大。类似地，Liu等 [ 57 ] 的研究结果表明娘子关泉2025年断流的概率为1/80，到2030年则迅速增大到1/10。 第二，岩溶水文过程。Zhang等 [ 58 ] 建立了分布式水文–土壤–植被模型研究岩溶流域的主要水文过程。Chang等 [ 59 ] 基于MODFLOW-CFP模块发现岩溶管道湍流对受到点补给的早期水文过程有强烈影响，而岩溶管道层流对整个水文过程有影响，岩溶管道储水量的变化对泉水水文过程线也有明显的影响。表层岩溶内的混合作用使其具有潜在的水量调节能力 [ 60 ] 。西南灰岩盆地表层岩溶的研究表明约70%的降水进入表层岩溶，其储水能力直接影响了地表径流产生 [ 61 ] 。 第三，岩溶地下水CO 2 -H 2 O-CaCO 3 系统。与人类活动有关的硝酸和硫酸加速了灰岩溶解，在西南岩溶区硝酸和硫酸平均贡献了地下水DIC的38% [ 62 ] 。白天水生生物的光合作用使得DO和δ 13 C DIC 增加，而DIC减少，无机碳转化为有机碳；夜间呼吸作用使得水中的方解石矿饱和，δ 13 C DIC 降低 [ 63 ] 。类似地，Liu等 [ 64 ] 对比观测了岩溶泉和受其补给的池塘，发现泉水各项参数没有明显变化，而池塘中水生生物的光合作用和呼吸作用控制了参数变化。温度、pH、DO、Sic、δ 13 C DIC 在日间明显升高而夜间则显著降低，水中减少的DIC同化为有机碳。Zeng等 [ 65 ] 基于连续6年的观测提出流量对碳汇通量(CSFs)发挥了主要影响， HCO 3 − 变化的影响次之，土壤层、植被和基岩岩性对CSFs有间接影响，三个岩溶区CSFs均值介于29 ± 3到39 ± 8 t-CO 2 km −2 ∙a −1 ，约为相同水文条件下硅酸盐岩风化的15倍。
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user: 4. 岩溶水文研究的热点 未来岩溶水文研究需要在以下方面加强，并有望形成研究热点。 第一，岩溶地下水系统水文过程对全球变化的响应和反馈。工业化以来全球大气CO 2 浓度持续升高，尤其是近五、六十年来增速明显增高，与此伴随着明显的全球升温 [ 66 ] 、极端降水增多和干旱区面积扩大，干旱程度加剧 [ 67 ] [ 68 ] [ 69 ] 。全球变化已经对水文循环、碳循环和生态水文过程产生明显影响 [ 70 ] [ 71 ] [ 72 ] 。全球增温、干旱化和极端降水增多可能对岩溶地下水系统的补给和排泄过程，以及水化学特征产生明显的影响。岩溶发育地区干旱问题值得关注。同时，全球升温和大气CO 2 含量增加将引起CO 2 -H 2 O-CaCO 3 体系再平衡，岩溶地下水系统水循环和碳循环问题应引起重视。 第二，岩溶地下水资源和水环境问题。主要包括：1) 储量变化方面 [ 73 ] [ 74 ] ，2) 脆弱性方面 [ 75 ] [ 76 ] [ 77 ] ，3) 污水示踪 [ 78 ] [ 79 ] [ 80 ] [ 81 ] ，4) 有机污染方面 [ 82 ] [ 83 ] [ 84 ] [ 85 ] [ 86 ] 。 第三，岩溶水文系统模拟方面的研究。例如，部分填充的管道内的非稳定流和非均匀流和用非线性梯度函数描述紊流过程 [ 87 ] ，岩溶管道中受到压缩的地下水流动的描述，以及耦合模拟岩溶管道流、灰岩连续体内渗流以及地表水流，耦合溶质的溶解和沉淀过程 [ 88 ] [ 89 ] [ 90 ] [ 91 ] 。然而，支撑岩溶地下水系统水文过程模型研究的观测数据不足仍是亟需解决的问题 [ 92 ] 。