DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 3. 冷空气活动特征 据统计，自1951至2010年近60年来，影响我国的冬季冷空气活动过程共474次，平均每年7.9次。最多的年份达12次，出现在1969年，最少的年份仅3次，出现在2007年，最多年份与最少年份出现次数相差4倍。为便于分析，我们把冷空气活动出现 ≥ 10次的年份，定为冷空气活动偏多年；冷空气活动出现 ≤ 6次的年份，定为冷空气活动偏少年。在近60年中，冷空气活动偏多年共11年，分别是1952、1953、1954、1955、1956、1957、1960、1969、1975、1986和1993年。偏少年为12年，分别是1961、1964、1973、1974、1979、1994、1998、1999、2001、2004、2006和2007年。很显然，这些异常年份分布极不均匀(图1)，如1952~1957年连续6年冷空气活动偏多，而1994~2010年的17年中竟没有出现冷空气活动偏多年。另外，冷空气活动年代际变化特征也很明显，但总的趋势是减少。上世纪50年代是冷空气活动明显偏多时期，共出现95次，有7个偏多年，没有偏少年。60、70和80年代为冷空气活动相对平稳时期，出现次数分别为82、81和85次。其中60年代出现1个偏多年，2个偏少年；70年代出现1个偏多年，3个偏少年；80年代出现1个偏多年，没有出现偏少年。90年代冷空气活动转为明显偏少时期，共出现68次，其中1个偏多年，3个偏少年。进入本世纪第一个年代，冷空气活动再度减少，仅出现63次，其中4个偏少年，而没有出现偏多年。目前仍处于冷空气活动明显偏少时期。
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user: 4. 冷空气活动与我国气温的关系 计算分析冬季冷空气活动次数与全国160站冬季气温的相关分布(图略)，发现以负相关分布占绝对优势，高负相关区主要集中在东北和华北地区，此外，新疆北部、西北地区东部、黄淮、江淮、华南地区东部也表现出较好的负相关，相关较差的地区主要为西南、华南西部、新疆南部和西北地区中部。据统计，全国160站中负相关系数通过0.001显著性水平检验的占12%，均出现在东北和华北地区。通过0.01显著性水平检验的占31%，通过0.05显著性水平检验的占57%。相关系数未通过0.05显著性水平检验的，即相关较差的共69站，其中有10站为弱的正相关，均出现在西南和华南西部地区。就是说冬季冷空气活动对我国绝大部分地区冬季气温具有显著影响，冬季冷空气活动次数越多，我国绝大部分地区气温越低，尤其东北和华北地区尤为显著。反之，冷空气活动次数越少，我国绝大部分地区气温越高。
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user: 5. 前期500 hPa高度场影响因子分析 通过对冷空气活动异常年份前期各季北半球500 hPa高度场进行合成对比和差值计算及相关分析，确定对我国冬季冷空气活动具有显著指示意义的北半球500 hPa大气环流因子。比较冷空气活动偏多年和偏少年前期各季北半球500 hPa高度累积距平合成与差值及相关分布，发现以前期夏季北半球500 hPa高度差异最为显著且相关最好，前期秋季次之，春季最差。故重点分析前期夏季的情况。图2、图3分别为11个冷空气活动偏多年和12个冷空气活动偏少年北半球500 hPa高度累积距平合成，对比图2和图3，可以看出，冷空气活动偏多年和偏少年500 hPa高度距平分布差异最显著的地区位于内蒙东部和华北向东经东北南部和朝鲜半岛–日本海–北太平洋中部一带，冷空气活动偏多年表现为较强负距平带，并有两个负距平中心，一个位于北太平洋中部，强度达−19 dagpm，另一个位于东北南部，强度为−13 dagpm。冷空气活动偏少年情况完全相反，表现为较强的正距平带，存在两个正距平中心，一个也位于北太平洋中部，强度达33 dagpm，另一个也位于东北南部，强度为16 dagpm。在相应的11个冷空气活动偏多年和12个冷空气活动偏少年北半球500 hPa高度平均距平差值分布(图4)上，该区域表现为明显的负异常，北太平洋中部和东北南部为两个较强的负异常中心。在所对应的冬季冷空气活动次数与前期夏季北半球500 hPa高度相关分布(图略)上，该区域为较好的负相关区，北太平洋中部和东北南部为两个较好的负相关中心，相关系数分别为−0.54和−0.52。上述分析说明，冬季冷空气活动偏多年，前期夏季内蒙东部和华北向东经东北南部和朝鲜半岛–日本海–北太平洋中部一带500 hPa高度场偏低，尤其是北太平洋中部和东北南部地区高度场显著偏低。相反，冬季冷空气活动偏少年，前期夏季内蒙东部和华北向东经东北南部和朝鲜半岛–日本海–北太平洋中部一带500 hPa高度场偏高，北太平洋中部和东北南部地区高度场显著偏高。事实上夏季北太平洋中部地区高度场的变化所反映的是北太平洋高压的强弱变化。为更 图1. 冬季冷空气活动次数及5年滑动平均变化曲线 图2. 冷空气活动偏多年北半球500 hPa高度累积距平合成 图3. 冷空气活动偏少年北半球500 hPa高度累积距平合成 图4. 冷空气活动偏多年和偏少年北半球500 hPa高度平均距平差值分布 客观的说明问题，采用通常的做法[ 4 ] 选择35˚~45˚N、175˚E~165˚W范围8个格点500 hPa高度距平和作为北太平洋高压强度指数。用40˚~45˚N、115˚~135˚E范围5格点500 hPa高度距平和来反映东北南部地区高度场的变化。计算表明，冬季冷空气活动次数与前期夏季北太平洋高压强度指数和东北南部地区500 hPa高度距平和之间的相关系数分别为−0.48、−0.47，均超过0.001显著性水平检验。就是说前期夏季北太平洋高压强弱变化和东北南部地区高度场变化均对冬季冷空气活动具有较好的预测指示意义。 分析还发现，前期秋季北太平洋高压强弱变化对冬季冷空气活动仍具有一定的指示意义，其间的相关系数为−0.41，通过0.001显著性水平检验。但前期秋季东北南部地区高度场的变化对冬季冷空气活动不再具有任何指示意义。这可能与秋季是大气环流转换季节有关。对前期各月诸大气环流特征指数与冬季冷空气活动相关分析，发现6月太平洋区极涡强度和8月太平洋副高面积指数与冬季冷空气活动次数关系较好，相关系数分别为0.48、−0.44，均通过0.001显著性水平检验。表明前期6月太平洋区极涡越强、8月太平洋副高面积越小，冬季冷空气活动越多。反之，冬季冷空气活动越少。
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user: 6. 前期海平面气压场影响因子分析 采取与500 hPa高度场同样的分析方法，寻找对我国冬季冷空气活动具有显著指示意义的北半球海平面气压场大气环流因子。结果发现，与北半球500 hPa高度场类同，也是以前期夏季北半球海平面气压场差异最为显著且相关最好，前期秋季次之，春季最差。就夏季而言，冷空气活动偏多年和偏少年海平面气压距平分布差异最显著的地区，整个北半球只有北太平洋中部地区。图5给出11个冷空气活动偏多年和12个冷空气活动偏少年前期夏季北半球海平面气压平均距平差值分布，从图5可以看出，在北太平洋中部地区为显著的负异常，负异常中心为−4 hPa。显然是冬季冷空气活动偏多年，夏季北太平洋中部地区海平面气压场偏高，北太平洋高压偏强。冬季冷空气活动偏少年，夏季北太平洋中部地区海平面气压场偏低，北太平洋高压偏弱。选用与500 hPa高度场同样的范围，即35˚N~45˚N、175˚E~165˚W范围8个格点海平面气压距平和作为大气低层北太平洋高压强度指数。计算得到，冬季冷空气活动次数与前期夏季北太平洋高压强度指数之间的相关系数为−0.41，通过0.001显著性水平检验。说明前期夏季大气低层北太平洋高压强弱变化对冬季冷空气活动也具有较好的预测指示意义。同理也对前期秋季北太平洋高压进行定义和计算，发现冬季冷空气活动次数与前期秋季北太平洋高压强度指数之间的关系较差，相关系数仅为−0.32，通过0.01显著性水平检验。
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user: 7. 结论 1) 冬季冷空气活动年际和年代际变化特征明显，上世纪50年代是冷空气活动明显偏多时期，60、70和80年代为冷空气活动相对平稳时期，自90年代至今为冷空气活动明显偏少时期。 图5. 冷空气活动偏多年和偏少年前期夏季北半球海平面气压平均距平差值分布 2) 冬季冷空气活动次数与我国冬季气温存在很好的负相关关系，尤其东北和华北地区相关更为显著。冷空气活动次数越多，我国大部地区气温越低，东北和华北地区尤为明显。反之，冷空气活动次数越少，我国大部地区气温越高。 3) 前期夏季北太平洋高压强度越强、东北南部地区高度场越高，冬季冷空气活动次数越少。反之，冷空气活动次数越多。前期6月太平洋区极涡越弱、8月太平洋副高面积越大，冬季冷空气活动易偏少。反之，冬季冷空气活动易偏多。 4) 前期夏季大气低层北太平洋高压越强，冬季冷空气活动次数越少。反之，大气低层北太平洋高压越弱，冬季冷空气活动次数越多。
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user: 摘 要 本文研究了天基雷达广域监视情况下舰船目标检测技术，通过天基雷达信号建模，分析了舰船目标信号的时域特性和多普勒特性，提出了一种基于时频二维补偿积累的天基雷达广域监视舰船目标检测方法，性能分析和仿真实验验证了方法的有效性。 关键词 :天基雷达，广域监视，舰船目标检测，走动校正，多普勒补偿
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user: 1. 引言 为满足维护我国周边海域主权和海洋权益的需求，需要探测系统能够进行远距离探测和全球海域监视。现有的舰载雷达、机载雷达是目前实现对海远程预警监视的两大支柱，但远远满足不了对海面目标远距离探测感知的需求，更无法做到全球海域监视。电子侦察卫星和光学卫星虽然可实现最低探测威力要求，但定位精度差和无法全天时全天候工作却分别成为了其各自的短板。因此，研究基于雷达卫星的海面目标远距离探测和全球海域监视[ 1 ] [ 2 ] ，具有非常重要的战略意义。 机载预警雷达对海面舰船目标进行检测时，由于舰船目标的速度较慢，在多普勒域无法与主杂波区分开，好在舰船目标RCS较大，回波强度一般比海杂波强度大得多，所以利用脉冲串的相干或非相干积累检测技术[ 3 ] [ 4 ] ，仍然可以从主杂波中检测出舰船目标。而在天基雷达情况下，平台的高速运动使得主杂波的多普勒进一步的展宽，同时，为了满足天基雷达远距离大幅宽的探测要求，通常采用中/低脉冲重复频率，杂波多普勒模糊现象必然存在且通常都较为严重，存在多倍模糊的杂波强度会高于舰船目标的强度；平台的高速运动还使得舰船目标回波存在距离走动现象[ 5 ] ，综上，天基雷达情况下，不论是采用多普勒域检测技术还是常规的时域非相干积累检测技术，都无法对舰船目标进行有效检测。 文中研究了天基雷达广域监视情况下舰船目标的信号模型及回波特性，提出了一种基于二维补偿积累的天基雷达广域监视舰船目标检测方法，并对该方法进行了性能分析，最后通过仿真数据验证了方法的有效性。
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user: 2. 天基雷达广域监视舰船目标回波特性 天基雷达对海检测时，超高速平台的运动导致目标回波存在跨距离徙动和多普勒展宽的现象，下面分别进行分析。 2.1. 跨距离徙动 目标回波存在距离徙动的主要原因有两个，平台高速运动和目标运动，两种情况可以独立量化分析。 1) 平台运动引起的距离走动和距离弯曲 如图1所示为平台引起的距离走动示意图。假设地面存在静止目标 ，卫星平台沿航线以速度 飞行，目标相对于平台的方位角为 ，从 到 时刻的积累时间内，目标到平台的距离变化为： (1) 其中 、 和 分别为积累脉冲个数、 目标到平台的距离和脉冲重复周期。当距离变化量 大于距离分辨率时就存在距离走动，且从上式看出，距离走动随扫描角的增大而增大。 图2所示为平台运动引起的距离弯曲示意图。若 为方位波束宽度，则波束覆盖范围内由平台运动产生的最大距离弯曲量为： 图1. 距离走动示意图 图2. 距离弯曲示意图 (2) 从上式看出，距离弯曲随探测距离和方位波束宽度的增大而增大。 2) 目标运动引起的距离门跨越 假设运动目标的地面速度为 ，则积累时间内由目标运动引起的最大距离走动量为： (3) 其中 为下视角。 2.2. 多普勒特性 卫星平台的高速运动会导致目标的多普勒展宽，同时目标的运动会引起多普勒的偏移和散焦，下面分别分析。 1) 平台引起的多普勒展宽(图3) 相干积累时间内由平台运动产生的目标的多普勒带宽为： (4) 图3. 多普勒展宽示意图 其中 。从上式可以看出，在相干积累时间内，目标的多普勒存在一定宽度的展宽，若在多普 勒域进行分析，则目标回波分布在多个多普勒单元中，而杂波虽然也存在多普勒展宽，但由于主杂波对应的带宽通常大于重复频率，即存在多普勒模糊，同一个多普勒单元中是多个角度的杂波回波的叠加，信杂比降低，需要对目标进行多普勒补偿。 2) 目标运动引起的多普勒偏移和散焦 由于目标径向速度的存在，导致运动目标会出现多普勒偏移： (5) 若目标的多普勒偏移超过PRF，则目标可能与主杂波混叠在一起，影响检测性能。 由于目标方位向速度的存在，导致运动目标在方位向会出现散焦，但散焦的严重程度与目标和平台速度的比值、相干积累时间等有关系。 通过推导，由目标运动产生的调频斜率为： (6) 若用平台运动产生的调频斜率进行匹配滤波处理，则运动目标的信号会存在二次相位误差 ： (7) 若在相干积累时间内，上述二次相位误差只要不超过 ，可以认为不影响聚焦效果。
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user: 3. 基于二维补偿积累的舰船目标检测方法 通过上述分析，天基雷达广域监视舰船目标检测面临着跨距离门、跨多普勒的“双跨”问题，从后面的性能分析一节中可以看出，为了保证宽观测带而采用低重频的情况下，相干积累时间内，舰船目标回波存在几十个距离门的跨越，同时多普勒的展宽也可能多达10个多普勒单元，要想对舰船目标进行有效检测，必须实现目标的“双跨”补偿积累。 对于距离门跨越的补偿，可以采用距离走动校正[ 6 ] [ 7 ] 的方法。距离走动校正可以在距离频域进行，走动校正参考函数为： (8) 其中， 为波束与天线法向夹角， 为慢时间， 为快时间频域。 舰船回波跨多普勒主要由卫星平台超高速运动引起，回波信号表现为LFM信号。在平台速度先验已知情况下，可用时域Dechirp处理实现目标的多普勒域聚焦[ 7 ] ，参考函数如下： (9) 式中 为方位向调频斜率。 经过上述处理，实现目标距离向的包络对齐与多普勒的相参积累，减小“双跨”目标积累损失。图4为舰船目标检测流程图。其中，跨多普勒校正采用上节介绍的时域Dechirp处理方法来实现，相参积累采用常规的方位FFT方法，恒虚警检测(CFAR)是利用目标的对比度信息，在全局或局部背景统计模型已知的条件下，自适应的选取检测阈值的一类检测方法。
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user: 4. 仿真实验及性能分析 4.1. 回波特性仿真分析 下面分别对第2、3节分析的回波特性和提出的舰船目标检测方法进行仿真验证。采用MATLAB仿真程序，对第2节的回波特性分析进行仿真，得到结果如图5~图8所示。其中用到的主要仿真参数如表1。 图4. 舰船目标检测处理流程图 图5. 平台运动引起的距离走动 图6. 平台运动引起的距离弯曲 图7. 目标运动产生的二次相位误差 图8. 平台运动引起的多普勒展宽 Table 1 Simulation parameter 重复频率150 Hz 信号带宽15 MHz 平台速度7.5 km/s 信号时宽200 us 积累脉冲数24个 平台高度400 km 目标速度12 m/s 信杂比6 dB 表1. 仿真参数 从图5中可以看出，当方位角为30度时，由平台引起的距离走动达到600米；图6所示1500 Km作用距离处由平台运动引起的距离弯曲约为16米；图7所示当方位角为30度时，由平台运动引起的多普勒展宽超过70 Hz；以上误差均会影响目标检测性能，需要进行补偿；而图8可见，由目标运动产生的二次相位误差不超过 ，可以忽略不计。 4.2. 舰船目标检测仿真验证 图9和图10给出了二维补偿积累前、后舰船目标的聚焦结果，从图中可以看出，经过图4的舰船目标检测处理流程，舰船目标信杂比得到了很大提高，可以有效检测。
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user: 5. 结论 天基雷达远距离大幅宽对海探测时，由于平台高速运动和杂波多普勒的高度模糊，舰船目标在时、 图9. 二维补偿积累前的结果 图10. 二维补偿积累后的结果 频域均淹没在杂波中而无法检测。文中通过分析天基雷达广域监视情况下舰船目标的信号模型及回波特性，提出了一种基于二维补偿积累的天基雷达广域监视舰船目标检测方法，并对该方法进行了性能分析，最后通过仿真数据验证了方法的有效性。
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user: 摘 要 原子尺寸厚度的二维纳米材料——石墨烯，由于它对于研究其量子运动行为的独特性质，石墨烯也许是构成纳米机械振子的最终纳米材料。本文在红边带条件下，通过用一个强的微波泵浦场和一个弱的信号场驱动石墨烯纳米机械振子–微波腔耦合系统，理论证明了系统中的光机械诱导透明。在蓝边带条件下，通过计算信号场的透射谱，发现信号场可以实现有效地减弱和放大取决于栅极场(泵浦场)的功率强度。这样在蓝边带下石墨烯光机械系统呈现出类似一个光学三极管实现弱微波信号的放大。此外通过控制强泵浦场，石墨烯光机械系统可以实现快光和慢光效应，并且通过调节腔场与泵浦场之间的失谐能实现快光和慢光效应之间的转换。石墨烯光机械系统对于光的存储将会是一个很有希望的方案，同时对于在通讯和量子信息技术上的应用也指出了一个方向。 关键词 :石墨烯光机械，相干光学性质，光学三极管
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user: 1. 引言 石墨烯是原子厚度的二维纳米材料，由单层碳原子构成，近年来受到了研究者的广泛关注。由于石墨烯具有超低质量密度、高频率、高机械品质因子以及本质的小尺寸等独特的性质，它被当做是制造纳米机械振子系统的最终材料[ 1 ] [ 2 ] ，用于研究纳米机械振子运动的量子行为。由于石墨烯这些独特的性质，石墨烯基于的纳米机械系统在弱力探测[ 3 ] 和质量传感[ 4 ] [ 5 ] 上都有着潜在的应用。然而目前所有这些科学应用仍然处于经典物理学领域。尽管目前的光学和高频技术[ 6 ] 使得石墨烯振子的探测和描述成为可能，然而这些方案依然没有指明一种通往量子领域的途径。 最近如何通过纳米机械振子延伸到量子区域吸引了研究者的广泛兴趣[ 7 ] ，并且有三个研究组分别通过压电晶体谐振器[ 8 ] 、超导振子[ 9 ] 和光机械晶体[ 10 ] 证明了机械振子的振动量可以实现小于1。由石墨烯构成的机械振子与光通过光热相互作用也在实验上被证实[ 11 ] ，其中石墨烯覆盖在一个芯片尺度上的沟槽上形成一个光学腔。然而由于石墨烯构成的末端镜使得98%光被透射出去，石墨烯振子的品质因子将远小于1，因此典型的腔光机械系统中的辐射压力[ 7 ] 现象很难在石墨烯末端镜构成的微腔中观测到。研究者设计了一个用石墨烯构成的超导微波腔最近在实验上被证实[ 12 ] [ 13 ] ，其中高品质因子的多层石墨烯振子电容耦合到一个超导微波腔。尽管多层石墨烯的质量远大于单层石墨烯，然而由于其低电阻特性对于与超导腔耦合是一个有益条件，并且原子厚度尺寸的二维石墨烯也是实现较大电容耦合的理想条件。就在最近，基于双层石墨烯构成的机械振子耦合到芯片尺度微波腔的石墨烯光机械系统在实验上被证实，该方案实现了机械运动与光的辐射压力相互作用[ 14 ] 。石墨烯光机械系统在实验上的证实对石墨烯振子的运动接近量子机制下成为了可能。 本文构造了一种由石墨烯纳米机械振子与微波腔耦合的石墨烯光机械系统，同时用一束频率为 的较强泵浦场和一束频率为 较弱的信号光来驱动该系统。在红边带条件下，在信号探测谱中观测到了光机械诱导透明现象。在蓝表带下，信号探测谱呈现放大的趋势，这种行为类似于光学三极管的特性，能有效地控制微波场的传播。此外，通过控制腔场-泵浦场的失谐能有效实现快光与慢光行为之间的转换。与先前典型的光机械系统相比[ 7 ] ，其中光可调谐延迟在纳秒量级，石墨烯-微波腔光机械系统中慢光现象的数量级可以达到毫秒量级。实验结果表明石墨烯光机械有着潜在的应用，并最终实现芯片尺度上的光子器件[ 14 ] 。
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user: 2. 石墨烯光机械系统的理论模型与计算 图1为石墨烯光机械系统的模型图[ 12 ] -[ 14 ] ，它由一个石墨烯机械振子电容耦合到一个高品质因子Q的一个微波腔，其中 是等效电感， 是等效电容。图中耦合电容可以近似表示为 ，其中 是悬浮部分石墨烯的宽度， 是石墨烯下面栅极的宽度， 是狭窄的真空带隙， 是相对于平衡位置石墨烯薄膜的最大偏差位移[ 14 ] 。因此耦合系统总的电容 是常数电容 与一个与 有关的小的电容 之和。微波腔的共振频率的表达式为 。考虑用一束频率为 强的泵浦场和一束频率为 较弱的信号场作用于这个耦合系统。这两束场的拍频使得石墨烯机械振子振动，改变了微波腔的电容，进而影响共振频率。在以泵浦场频率 为旋转参考系下，得到系统的总的哈密顿量为[ 7 ] [ 14 ] (1) 在 中，第一项是微波腔场的能量， 是腔场的产生(湮灭)算符， 是腔场与泵浦场的频率失谐。第二项是石墨烯振子的能量其中 是石墨烯纳米振子的产生(湮灭)算符，振子的频率为 ，有效质量为 。第三项对应于微波腔与石墨烯振子之间的电容耦合，其中 是腔场与机械振子之间的耦合强度， 是机械振子的零点位移。由于石墨烯独有的特性， 的数值几乎是金属薄膜振子数值的两倍[ 15 ] ，这对于研究机械振子的量子行为时非常有益的。 是腔场与两束驱动光场之间的相互作用， 和 分别是泵浦场和信号场的振幅，它们与相应的功率有关系式为 图1. 由等效电感L和等效电阻C构成的微波腔电容耦合到一个石墨烯振子的示意图，微波腔由一束频率为ω p 的泵浦光和一束频率ω s 的信号光驱动。透射信号在室温下可以通过一个频谱分析仪测量 和 ， 是额外损耗率。 根据海森堡运动方程，并且引入相应的噪声和阻尼项，得到如下量子郎之万方程： (2) (3) 其中 是位置算符， 是石墨烯振子的衰减率， 是微波腔模的衰减率。 是 关联的郎之万噪声算符，它的平均值 ，并且有关联函数 。机械振子模式受一个随机力的影响并且布朗随机力的平均值为零，它的关联函数为 (4) 上式中 和 分别是玻尔兹曼常数和这个耦合系统的库温度。 在强耦合条件下，每个算符都可以写成一个稳态值和一个小的涨落之和： 。假定驱动场比较弱并且是经典相干场，这样所有的算符可以用它们的平均值来替换，这样量子噪声和热噪声项便可以省略[ 7 ] 。把这些算符带入方程(2)和(3)中，并且忽略非线性项，得到两个关于稳态平均值的方程和小的涨落的方程。稳态平均值由 和 组成，它们决定了内腔光子数( ) (5) 对于与小的涨落有关的方程，做变换[ 7 ] (6) 解方程得到 (7) 其中 ， 。 通过标准的输入-输出关系[ 7 ] ，得到 (8) 其中 是输出场算符。信号场的透射场可以由输出与输入场的振幅的比值得到 (9) 同时也得到了透射群速的延迟[ 7 ] (10) 其中 是信号脉冲的相位差。
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user: 3. 数值结果与讨论 在 的温度下，石墨烯纳米振子耦合到微波腔系统的参数如下[ 14 ] ： ， ， ， ， ， ， ， ，石墨烯机械振子的品质因子 ， 。由于机械振子频率大于腔线宽，即 ，因此系统处在可分辨边带条件下。 我们首先考虑驱动微波腔在红边带条件下，即 。图2(a)~图2(d)画出了在泵浦场功率分别为 ， ， 和 时信号场的透射 作为信号-腔失谐 的函数。显然在有泵浦场的条件下，在 处信号场的透射表现出一个显著的透明窗口，并且这个透射窗口可以通过泵浦场来调节，一些研究组在腔光机械系统和腔电机械系统中也观测到了类似的现象[ 7 ] 。这个现象很类似于原子系统中的电磁诱导透明现象，我们对产生这个现象的物理机制给出如下的解释。泵浦场和信号场的存在诱导出一个在拍频 共振的辐射压力，进而驱动石墨烯机械振子在其频率附近振动。当拍频 接近石墨烯振子的频率 时，机械模式共振相干，导致斯托克斯光( )和反斯托克斯光( )的散射。由于驱动腔在红边带下，频率为 的斯托克斯光被强烈抑制，只有频率为 的反斯托克斯反射光构建内腔场。反斯托克斯场和信号场的破坏性干涉抑制内腔信号场的建立诱导出了一个较窄的透明窗口。这样的确在这个耦合的石墨烯光机械系统中证实了由辐射压力引起的光机械诱导透明现象，这也使得基于石墨烯光机械系统的慢光效应成为了可能。 调节腔-泵浦失谐 从红边带 到蓝边带 ，并且增强泵浦场的强度，在六个不同的泵浦场功率下我们给出信号透射谱作为信号场失谐的函数，如图3(a)~图3(f) 所示。在蓝边带条件下，微波腔场与石墨烯振子之间的有效相互作用哈密顿量约化为 ，有效耦合强度 ( 为腔光子数)，引起参数的放大。在泵浦场 时，信号场的透射谱表现出一个常规的洛伦兹线形。 图2. 在红边带下Δ p = ω m ，泵浦功率分别为(a) P in = 0，(b) P in = 0.1 nW，(c) P in = 0.5 nW和(d) P in = 1.0 nW时腔的透射谱作为信号–腔失谐Δ s = ω s − ω c 的函数 打开泵浦场，在 时，与没有泵浦场相比，信号透射场表现减弱的趋势。当进一步增加泵浦场功率到 ，系统经历一个从吸收到参数放大过程的转变[ 7 ] ，导致信号的放大。这样石墨烯光机械系统表现出光子晶体管的特性，其中信号场作为源场由作为栅极的泵浦场控制。可以对这个行为给出如下的物理解释。在失谐 时，辐射压力驱动石墨烯振子在其振动频率附近共振。当两束微波场的拍频 接近石墨烯振子的频率 时，机械模式共振相干，导致斯托克斯光和反斯托克斯光的散射。由于驱动腔在蓝边带下，只有斯托克斯散射光与近共振探测场发生干涉，进而修饰信号谱。这样斯托克斯场与信号场的破坏性干涉导致信号场的放大。 进一步考虑在失谐 的附近一个很窄的区域内，研究探测场的放大行为，并且画出了在几个泵浦场功率下信号场的透射作为失谐 的函数，如图4所示。很显然在高泵浦场功率下，在失谐 附近透射场表现出显著增强的效应。图4中的插入图给出在 时信号场的透射与泵浦场的功率之间的曲线图，表明在到达临界值前，信号透射场表现出放大的行为，并且最近实验上也证实了类似的结果[ 7 ] 。因此，在蓝边带条件下，在强泵浦场驱动下，这个耦合系统的信号透射场可以产生减弱或者放大的行为。 如我们所知，当辐射压力驱动石墨烯振子振动时，机械振子的位移 将会改变微波腔的电容，进而改变共振频率。这样在红边带下传播的信号场所感受的有效折射率将会发生改变，并且产生一个相位移动。如图2 所示，当泵浦场功率为 时，在 附近石墨烯光机械中展现一个窄的透明窗口处，存在一个非常陡峭的正相位耗散，导致透射信号场有一个可调节的群速延迟现象产生，这就是所说的慢光效应。图5(a)给出腔透射的相位作为失谐 的函数，图5(b)中给出信号场的群速延迟 作为泵浦场功率的函数。发现最大透射场的延迟可以达到 ，要远大于在纳米尺度光机械晶体系统中的 图3. 在蓝边带下Δ p = −ω m ，(a)到(f)为在六个不同泵浦功率下腔的透射谱作为信号–腔失谐Δ s 的函数 图4. 在不同的功率下透明窗口作为失谐的函数。插图为在蓝边带下探测透射与泵浦功率的关系 图5. 在红边带条件下，(a) 腔透射的相位作为失谐Δ s 的函数和(b)群速度与泵浦功率P in 的关系。在蓝边带条件下，(c) 腔透射的相位作为失谐Δ s 的函数和(d)群速度与泵浦功率P in 的关系 光学延迟[ 7 ] 。 调节失谐 到蓝边带条件下 ，在泵浦功率 时，我们画出信号透射场作为失谐 的函数(如图3所示)，其中图5(c)在 处出现一个陡峭的负相位耗散，进而导致快光效应的产生。图5(d)给出在 时，信号场的群速延迟 作为泵浦场功率的函数。由于群速延迟是负值，表明系统中出现了快光效应。与在红边带条件相比，我们可以提出一个方案通过调节泵浦-腔失谐来有效操控群速延迟与快光效应之间的转变。首先调节泵浦场与腔场共振，即是 ，然后在腔肠近共振频率 附近扫描泵浦场的频率，当失谐 分别等于 和 时，便可以实现群速延迟与快光的转变而不用考虑信号场是吸收还是放大。
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user: 4. 结论 在不同的驱动条件下，证明了石墨烯光机械系统中的光机械诱导透明和微波放大现象。信号场与反斯托克斯场之间的破坏性干涉引起信号透射谱出现一个透明窗口，进而产生一个陡峭的正相位耗散，导致慢光效应。数值结果表明光速延迟可以达到0.4 ms。在蓝表带下，信号场与斯托克斯场之间的破坏性干涉使得较弱的探测场产生放大，表现出光学三极管的行为，负相位耗散导致了快光的产生。基于现行的实验条件[ 14 ] ，期望以上行为将来在实验上得到证实。
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user: 摘 要 用四电极法测量土壤电阻率能减小因土壤组成的不均匀性而产生的影响，一般认为土壤电阻率与杂散电流腐蚀成反比关系。土壤电阻率的影响因素如含水量、含盐量、孔隙率、温度、土壤PH值及盐分类型等会对杂散电流腐蚀程度产生一定的影响。在一定范围内，土壤电阻率随着含水量、饱和度、含盐量、温度、孔隙率的增大而减小，杂散电流腐蚀也会随之加剧。而不同盐分类型对杂散电流腐蚀程度产生的影响将会不尽相同，本文分析了酸性盐、碱性盐以及含Cl − 的盐等对杂散电流腐蚀的影响，并对复杂盐分类型的研究提出了展望。 关键词 :埋地管道，杂散电流腐蚀，土壤电阻率，环境因素
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user: 1. 引言 随着城市轨道交通网络化的出现和运营，城市地铁发展速度迅猛，地铁埋地管道杂散电流腐蚀问题日趋突出。地铁杂散电流经钢轨流入大地，会对地铁隧道的结构钢筋以及地铁周围土壤中埋设的金属构件、管道设施和电缆等造成严重的电化学腐蚀，这不仅会降低地铁钢筋混凝土主体结构的强度和耐久性，也会缩短埋地金属管道的使用寿命，甚至酿成灾难性的后果。土壤电阻率是杂散电流腐蚀性能综合体现的结果，能比较综合地反映出某一地区土壤环境的腐蚀特点，研究土壤电阻率的作用规律对研究杂散电流腐蚀具有一定的积极意义。本文通过对杂散电流腐蚀的腐蚀机理及土壤电阻率进行介绍，并重点评述土壤电阻率对于埋地管道杂散电流腐蚀的相关影响，以及土壤电阻率的影响因素对杂散电流腐蚀影响产生的变化。
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user: 2. 杂散电流腐蚀 杂散电流是指由原定的正常电路漏失而流入它处的电流。在正常情况下，电流自电源的正极通过电力机车的架空线再沿铁轨回流到电源负极。但是当铁轨与土壤间绝缘性能不良时，有一部分电流就会从铁轨漏失到土壤中，这部分电流就是杂散电流[ 1 ] 。杂散电流是由外部复杂多变的情况产生，按产生方式不同可分为交流、直流和地电流杂散电流。同样的电流强度条件下，直流杂散电流的腐蚀破坏作用更剧烈。直流杂散电流的主要来源包括：以铁轨为导体的直流电气化铁路、地下电车轨道、有轨电车、无轨电车的接地装置、直流电源分布系统、直流焊接系统、电解和电镀车间、阴极保护装置等。其产生原因一般可以分为两种情况：电流泄漏和电位梯度。 如果在铁轨附近埋有金属管道等构件，杂散电流便由此良导体通过，然后再经土壤及轨道流回到电源负极。在这种情况下，相当于产生两个串联电解池，即： 路轨(阳极)|土壤|管道(阴极)； 管道(阳极)|土壤|路轨(阴极)。 如图1所示，杂散电流进入金属管道的地方带负电，这一区域称为阴极区，处于阴极区的管道一般不会受到影响，若阴极区的电位值过大时，管道表面会析出氢，造成防腐层的脱落。当杂散电流经金属管道回流至变电所时，金属管道带正电成为阳极区，金属以离子的形式溶于周围介质中造成金属体的电化学腐蚀。因此杂散电流的危害主要是对金属管道、混凝土管道的结构钢筋、电缆等产生电化学腐蚀，其电化学腐蚀过程发生如下反应： 1) 析氢反应 阳极反应： 阴极反应： (无氧酸性环境) (无氧中性、碱性环境) 2) 吸氧反应 阳极反应： 阴极反应： (有氧酸性环境) (有氧中性、碱性环境)
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user: 3. 土壤电阻率 土壤电阻率是表征土壤固有物理特性的重要参数，其大小直接影响着土壤的导电性能。它不仅是接地工程的重要参数，还能比较综合地反映出某一地区土壤环境的腐蚀特点，是杂散电流腐蚀性能综合体现的结果，因此可以把土壤电阻率作为埋地金属管道杂散电流腐蚀评估的重要因素之一[ 2 ] [ 3 ] 。 3.1. 土壤电阻率的测量方法 目前主要采用四电极法对土壤电阻率进行测量，其优点是减小了因土壤组成的不均匀性而对测试结果产生的影响。土壤电阻率的室内测试是通过测量恒定电流下两电极间土体的电压降，然后根据欧姆定律计算出土壤电阻率的大小，即 。公式中L为电极间距，单位m；S为电极截面积，单位m 2 ； 为土体间电压降，单位V；I为电流强度，单位A。如图2所示： 图1. 直流运输系统杂散电流示意图 图2. 四电极法测土壤电阻率原理图 3.2. 土壤电阻率的影响因素 土壤电阻率与土壤组成、湿度、可溶性盐、酸碱度的性质和含量都有比较密切的联系。土壤的固相组成变化不大，不会成为土壤电阻率最敏感的作用因素，而对土壤电阻率影响作用较大的因素当属液相。液相中影响土壤电阻率的因素有很多，如：孔隙率、含水量、盐分组成、温度、盐分浓度、饱和度、土壤矿物类型、土壤PH值等。 房纯纲等[ 4 ] 通过土性参数测试得出土壤电阻率与黏粒含量、含水量、孔隙率呈负相关。聂向辉等[ 5 ] 利用直流四电极法测量了不同含水量情况下大港地区土壤的电阻率。饶平平等[ 6 ] 通过室内试验测出膨胀土与红粘土在不同温度、含水量条件下的电阻率变化情况。缪林昌等[ 7 ] 提出了一种饱和/非饱和土壤电阻率模型的构想，得出膨胀土的电阻率主要与土骨架、孔隙水的电阻率以及膨胀土的含水量、饱和度和孔隙率等有关。郭秀军等[ 8 ] 通过室内模拟试验得出土壤电阻率的变化与含水量、饱和度、粒度成分、密实度等呈反比关系，但是对于不同成分的土壤有不同的规律。 Wyckoff和Botset等[ 9 ] 利用气体扩散法测量岩石的相对渗透率为目的进行了试验，他们首先将砂样用含高压二氧化碳的盐水饱和，后来降低压力，二氧化碳便逐渐从盐水中析出，在孔隙中形成双相混合溶液，通过测量被排除盐水的体积即可算得砂样的含水饱和度，由此得到含水饱和度与电阻率之间的关系，即随着含水饱和度的增加，土壤电阻率呈减小趋势。Kelle、Frischknecht等[ 10 ] 认为土壤电阻率与其基本的物理力学参数密切相关，包括孔隙率、孔隙形状、孔隙结构、孔隙液电阻率、饱和度、固体颗粒成分、颗粒定向性、颗粒形状及胶结状态等。储旭等[ 11 ] 通过对不同土壤的测定分析了含水率和电势梯度对电阻率的影响，并拟合出含水率小于夜限时土壤电阻率的计算公式为： (1) 式(1)中d、e、g、h为常数，w为含水率，即含水率小于液限时，土壤电阻率随含水率的增大而减小。 李玲等[ 12 ] 对影响盐渍土电阻率的因素(含水量、含盐量、干密度)进行了研究，得出土壤电阻率随含水量、饱和度的增加呈减小趋势，在孔隙液未饱和阶段随含盐量增加而下降，在过饱和阶段变化不明显，各因素互相影响，共同作用。 综上所述，目前科研人员对含水量、孔隙率、温度、饱和度、含盐量等因素做了大量的工作，研究结果表明含水量是影响土壤电阻率的最重要因素，其他因素对土壤电阻率也有较大的影响。在一定范围内，土壤电阻率随着含水量、饱和度、含盐量、温度、孔隙率的增大而减小。然而有关盐分类型对土壤电阻率的研究极少。土壤中溶解的溶质类型和数量才是决定土壤电阻率的重要因素，因此对盐分类型的研究有待进一步探讨。
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user: 4. 土壤电阻率与杂散电流腐蚀的关系 土壤电阻率与杂散电流对土壤腐蚀程度成反比关系。通常随着土壤电阻率的减小，土壤中的盐分会随之增加，导电性也会增强，埋地管道金属的腐蚀速率加快。Seon Yeob Li等[ 13 ] 通过数值模拟的方法在距离管道中心5 cm处增加30 A的阳极电流来研究土壤电阻率对杂散电流腐蚀的影响，结果表明，随着土壤电阻率的减小，被保护管道中的电流密度和电势都随之增大。A.Lin Cao等[ 14 ] 利用单一灵敏度分析预测的方法得出增大土壤电阻率能减缓埋地管道的杂散电流腐蚀。A.Metually和A.H.Al-Badi [ 15 ] 将传统的阴极保护体系与脉冲阴极保护体系进行比较来研究土壤电阻率对杂散电流腐蚀阴极保护的影响，结果表明，脉冲电流同样随着土壤电阻率的减小而增大，不过钢管的极化较土壤电阻率的影响较大些。万德立等[ 16 ] 对大庆榆树林油田榆二联至宋一联段输油管道进行现场勘查分析，得出结论：土壤电阻率较高处，杂散电流从管道泡夹层薄弱或破损处流入，电流流入部位是阴极，不受腐蚀；土壤电阻率较低处，电流从泡夹层薄弱或破损处流出管道，致使排出电流的管道部位成为阳极而遭受腐蚀穿孔。李福军等[ 17 ] 对大庆油田进行土壤电阻率测试及现场连续监测发现土壤电阻率与杂散电流腐蚀有直接的关系，土壤电阻率越小，金属的腐蚀速率越大。通过绘制土壤电阻率测试曲线得出低电阻率层(10 Ωm以下)的土壤具有强腐蚀性。总之，土壤电阻率与杂散电流腐蚀之间有着十分密切的联系，土壤电阻率越小，土壤中离子导电性越强，杂散电流腐蚀越严重。 目前的相关研究主要侧重于土壤电阻率与杂散电流腐蚀之间的关系，而土壤电阻率是随土壤环境因素变化的参数，探究不同土壤环境因素下土壤电阻率变化对杂散电流腐蚀的影响是今后研究的趋势。
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user: 5. 土壤环境因素对杂散电流腐蚀的影响 不同土壤环境因素下土壤电阻率会发生改变，而土壤电阻率是表征杂散电流腐蚀程度的重要参数，因此杂散电流腐蚀与影响土壤电阻率的因素存在着十分密切的联系。 含水量是对杂散电流腐蚀程度影响最大的因素，其对土壤电阻率的影响主要包括三方面：含水量影响导电通路截面积的带电离子溶液的黏度；流入土体的水中原有的带电离子种类和数量；土壤融入水中的带电离子种类和数量。 (2) (3) 如式(2)和(3)所示，水既能充当杂散电流腐蚀阴阳极反应的反应物，也可以作为电极反应的反应溶剂，加速离子迁移率。在一定范围内，含水量的增加，为离子移动提供良好的通路，土壤电阻率减小，电流扩散阻力随之减小，因此杂散电流腐蚀程度会加重。然而，含水量过高则会影响土壤通气状况。如果土壤完全被水饱和，因氧的扩散受到抑制而致使腐蚀性减弱[ 18 ] 。 土壤温度是杂散电流腐蚀程度另一重要影响因素。在土壤拓扑结构不发生变化以及水在土壤中呈静止状态的环境下，当土壤温度在0℃以下时，土壤电阻率随着温度下降而增大，土壤中液态水含量降低使得土壤中携带的电荷数减少，因此腐蚀会加剧；当土壤温度在0℃时，土壤电阻率发生突变，随着温度的升高，土壤电阻率呈现先减小后增大的趋势，腐蚀程度先减缓后进一步加剧[ 19 ] [ 20 ] 。 土壤孔隙率对杂散电流腐蚀程度产生的影响比较复杂。一些学者认为孔隙率对土壤电阻率的影响与含水量、含盐量有关，因此对腐蚀影响程度的研究要依环境而定。还有一些学者认为孔隙率越大越会加速腐蚀过程，但同时也更易生成具有保护能力的腐蚀产物层而使土壤电阻率增大，阻碍阳极的溶解，使腐蚀速度减慢。对于孔隙率小的土壤也有可能发生严重的腐蚀，这往往需要考虑更加复杂的因素如：氧浓度差、微生物腐蚀等[ 21 ] 。 土壤PH值对杂散电流腐蚀程度的影响不可忽视。一般来说，在酸性土壤中，随着土壤PH值的减小，土壤电阻率减小，腐蚀性增强。在中性或碱性土壤环境下，土壤PH值的变化会引起埋地管道钝化膜的膜电阻、离子传递电阻和扩散电阻的变化从而对埋地管道腐蚀产生一定的影响[ 22 ] 。 在低土壤PH值下，腐蚀膜的形成机理为： (4) 在高土壤PH值下，腐蚀膜的形成机理为： (5) 很明显，增大土壤PH值，对式(4)和(5)的反应均有促进作用。在低土壤PH值下，埋地管道表面被水化物 覆盖；在高土壤PH值下，金属管道易与土壤中的 结合生成 ，继而被氧化成 。腐蚀膜对埋地管道具有一定的保护作用，而氧化物膜比水化物膜更致密，因此随着土壤PH值的增大，土壤电阻率会增大，金属腐蚀会大大减弱。 含盐量对杂散电流腐蚀程度产生的影响也比较大。土壤化学性质与土壤中离子总量是土壤电阻率最主要的影响因素。可溶性盐可在水中电离，产生自由移动的离子，增加了土壤中可导电粒子数目，土壤导电性增强。随着含盐量的增加导电性会随之增强，电阻率发生较大变化，埋地管道的腐蚀程度将会加剧。但是随着含盐量继续增大到一定程度，电阻率变化速率将会减小，腐蚀将会减缓，这主要是因为含盐量在增加的同时粘度也随之增加，致使离子迁移率减小。 盐分类型对腐蚀影响程度不容小觑。目前的相关研究往往忽视了土壤中存在的复杂盐分类型对杂散电流腐蚀的影响，然而土壤中溶质类型和数量才是决定土壤电阻率的重要因素，对杂散电流腐蚀也有相当大的影响。不同盐分在土壤中溶解度的不同，易与土壤中部分离子形成微溶性物质，与土壤中自由离子结合发生化学反应等情况使得土壤中离子导电性发生变化从而影响土壤电阻率，对电化学腐蚀程度产生一定程度影响。 通常溶液中含有单盐导致盐分溶解度下降，相反，溶液中含有“复盐”时，则加大了盐分离子的溶解度。酸性盐能加速管道金属的溶解反应，而碱性盐会减缓管道金属的溶解反应。 (6) (7) 如式(6)所示，酸性条件加速了氢去极化过程，阳极金属溶解反应也会加速。如式(7)所示，碱溶液中金属易形成难溶性的 ，再逐渐被氧化成氧化物，对金属具有一定的保护作用。其次因为氧电极电位与氢电极电位要比在酸性介质中的电位更负，与金属阳极溶解反应的平衡电位之间的电位差比酸性介质的小，即腐蚀“推动力”要小一些，腐蚀速度也会小一些[ 21 ] 。 含 的盐往往对腐蚀做出的“贡献”较大。如式(8)所示： (8) 由于 半径小，穿透力强，能破坏钝化膜与 结合生成 ，与阴极区的 生成 ，同时释放出 。新的 又向阳极区迁移，使金属溶解出更多 。如此往复，对腐蚀具有催化作用[ 23 ] 。 总之，盐分类型对杂散电流腐蚀程度的影响不尽相同，对更复杂的盐分如强酸弱碱盐、弱酸强碱盐、卤素盐等的研究有待进一步探讨。 综上所述，土壤电阻率在不同土壤环境因素和杂散电流腐蚀之间架起了无形的桥梁，将土壤环境与杂散电流腐蚀紧密地联系起来，弥补了杂散电流腐蚀在不同土壤环境下作用规律的空白。不同土壤因素下杂散电流腐蚀程度会发生变化。
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user: 6. 建议和展望 土壤电阻率影响因素的复杂性和多样性决定了腐蚀研究的艰巨性，尽管科研人员对此提出了多种设想，但也仅仅从宏观层面分析了含水量、含盐量、孔隙率、温度、土壤PH值对杂散电流腐蚀的影响，腐蚀机理尚不明确，规律性也尚不清晰。此外，目前关于盐分类型对土壤电阻率的影响主要考虑了单盐以及简单“复盐”构成对其影响作用，缺乏对土壤中多种复杂盐分综合作用的研究。由于不同地区土壤盐渍化水平不同，土壤中不可能只存在单一盐分或简单“复盐”作用，这为杂散电流腐蚀的研究增加了障碍。因此设计实验近似模拟土壤环境来研究不同土壤环境因素作用下的腐蚀机制显得十分必要。
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user: 7. 结论 1) 杂散电流腐蚀的本质是电化学腐蚀的电解过程。阳极区埋地金属管道会遭受严重的腐蚀。不同环境下电化学反应机理会发生变化。 2) 土壤电阻率直接影响着土壤的导电性，能综合反应某一地区土壤环境的腐蚀效果，可以将它作为评估由杂散电流引起土壤腐蚀的重要指标。 3) 一般认为土壤电阻率越小，杂散电流腐蚀越严重。但是应该指出，土壤电阻率并不是影响杂散电流腐蚀的唯一因素，因此评价杂散电流腐蚀时需要综合考虑各种可能的影响因素。 4) 影响土壤电阻率的因素有很多，不同的土壤因素对杂散电流腐蚀的作用效果会产生不同。土壤电阻率是联结不同土壤环境因素和杂散电流腐蚀的纽带，因此从影响土壤电阻率的环境因素入手来解决杂散电流腐蚀问题将成为今后研究杂散电流腐蚀的一种重要手段。此外，对复杂盐分类型的讨论也有待进一步研究。
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user: 摘 要 云端海量大数据是数据分析的基础，数据本身的安全性和准确性，对数据分析的结果有重要影响。针对云端大数据的特性，融合Hadoop的海量大数据处理以及数字水印相关技术，提出了一种以深度信念网络(DBN)作为智能分类的机制，通过对数据进行多层的训练和调整，对云端海量数据进行计算，得到其分布式表示，进而获取数据的篡改和判断的依据。实验表明，Hadoop和AI的结合，很好的实现了云端海量大数据的安全防护。 关键词 :DBN，数据分析，Hadoop，智能分类
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user: 1. 引言 伴随着云端大数据[ 1 ] 时代的到来，传统的关系型数据处理技术已无力处理海量云端大数据。当前，已有的智能化设备仍然不能像人脑一样进行智能化的学习和干预事务。数据就是命脉，如何以最快的速度响应处理这些数据，如何保障这些海量数据的安全，成为当前研究的一大热点问题。 数据的正确性和完整性是海量数据分析的基础。传统方式下的数据安全保护技术，一般是进行数据隐藏或者信息加密，在数据的处理量上，往往也是以少量数据的处理为主，仅仅采用以往技术，很难解决当下云端海量大数据的安全防护问题。与此同时，在智能化防护性上，例如大数据的智能化分类、被篡改数据的智能化识别、智能化学习以及智能化定位等，传统的数据保护技术很难解决。深度学习(Deep Learning) [ 2 ] 相关技术的发展，提供了一种新的处理云端大数据安全防护问题的思路。最近几年来，国内外许多学者专家对Deep Learning进行了深入的研究和探索[ 3 ] 。与此同时，Hadoop [ 4 ] [ 5 ] 的快速发展为海量数据的安全保护又提供了一个高效的备选方案。但这两种新的技术，并没有进行相互的结合，只是在各自的领域有所发展。 融合Hadoop的大数据处理技术以及人工智能中的深度学习技术，对疑是遭受篡改的数据进行智能化的识别和分类处理，与此同时在进行海量处理过程中，使用分布式的技术方案，实现了快速、准确定位篡改数据，快速恢复被篡改的数据的目标。
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user: 2. 智能分类模型 2.1. 受限玻尔兹曼机 Deep Learning是一个多层的神经网络，是模拟人脑进行分析和学习。深度学习的模型主要是含多隐层的多层感知器，通过将低层的特征，进行抽象组合处理，得到抽象表示的高层数据。这样的逐层抽象和认知的过程，形成分布式表示的数据。 受限玻尔兹曼机[ 6 ] (RBM)如图1所示，是一种马尔可夫随机场。它由可视层v和隐含层h构成，并且可视层和隐含层都是条件独立的，即： (1) 图1. 受限玻尔兹曼机(其中v为可见单元，h为隐单元，W为连接权重) 输入v，通过公式(1)中的 以及 可求得隐藏层h，以及可视层v 1 ，通过参数的修正，以期达到从隐藏层得到的可视层v 1 与原来的可视层v尽可能的保持一致，由此得到的隐藏层是原有可视层的另外一种表达。为了训练完成该神经网络，得到可视层节点和隐节点间的权重W和偏离量b、c，需要引入能量模型。RBM的能量模型定义为： (2) 当系统的总能量最小时，系统越稳定，并且极大似然取得的值最大，这样可以通过极大似然估计来求解系统参数。首先得求得可视节点和隐含节点的条件概率： (3) 其中 ，为参数集合，通过Gibbs采样，可以求得参数w、b和c的值。 2.2. 深度信念网络 通过RBM可以组成深度信念网络(DBN) [ 7 ] ，DBN模型与传统的判别模型相对，是一种概率生成模型，通过对 和 都做评估，而建立一个标签和观察数据之间的联合分布，而判别模型只评估后者，也就是 。DBN的结构[ 7 ] 如图2所示。 深度信念网络其工作过程分为两个阶段，第一阶段为逐层构建单层神经元，这样每次都是训练一个单层网络，第二阶段为使用Wake-Sleep算法进行调优。训练过程如下： 1) 训练第一个受限玻尔兹曼机； 2) 设定第一个RBM的偏移量b 1 ，c 1 的值以及权重w 1 ，将隐含层神经元的状态值，作为临近第二个RBM的输入； 3) 第二个RBM被训练完之后，把第二个RBM相关信息堆叠到第一个RBM之上； 4) 重复之前步骤多次，堆叠多个RBM； 5) 如果训练集中有标签数据，在对顶层进行训练时，把无标签数据和分类标签一起进行训练； 调优过程如下： 1) 除顶层之外，其它层间的权重为双向的，即，同时具有生成权重以及认知权重； 图2. DBN结构图 2) Wake阶段：借用认知权重(向上的权重)和外界的特征来产生每一层的结点状态(抽象表示)，同时使用梯度下降的相关方法来修改层间的生成权重(下行权重)。 3) Sleep阶段：通过向下权重值和顶层表示的状态(醒时学得的概念)，产生底层的状态，层间向上的权重值同时被修改。 2.3. 智能分类策略 对于云端海量大数据的篡改判断以及准确定位，需要考虑判断和定位的准确性和效率问题，而深度信念网络(DBN)在顶层，可以通过带标签数据，使用BP算法对判别性能做调整，同时，被附加到顶层的标签数据，会被推广到联想记忆中，并且，通过多层自下而上的受限玻尔兹曼机的训练，学习到的识别权值将获得一个网络的分类面，结合联合记忆内容，可以准确判断数据的篡改情况，从而进一步定位目标。 具体的智能分类策略如下： 1) 使用数字水印技术为需要保护的数据生成原始标签，供深度学习训练； 2) 使用DBN训练海量数据，获得各层的特征表示、权重矩阵以及偏移量等； 3) 将需要判断篡改的海量数据经Map-Reduce [ 8 ] 预处理，得到DBN的输入神经元； 4) 对输入的神经元数据，逐层进行RBM认知训练，同时做好向下的生成训练；在最后一层，结合第一步获得的标签数据以及之前训练获得的联想记忆，进行分类； 5) 对分类结果作分析处理，得到篡改数据的二维坐标，从而可以准确定位篡改数据的位置。
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user: 3. 海量数据处理技术 3.1. HDFS分布式文件系统 在海量数据的处理方面，使用了Apache的开源框架Hadoop，利用Hadoop的分布式存储和并行计算框架，处理海量级别数据的同时，保证了处理的速度以及高可用。 就需要保护的海量数据而言，在存放时，如果将数据存储在某一单个设备上，一旦设备出故障，丢失数据的可能性非常大，而且单个存储设备内，往往很难容纳这么大的数据量。针对上述问题，Hadoop的HDFS [ 4 ] [ 5 ] [ 9 ] 提供了一种较好的解决方案。HDFS主要由DataNode、NameNode以及Client组成，DataNode是文件存储的基本单位，它将Block数据信息存储在本地文件系统中，以此保存了Block的Meta-data数据信息，与此同时周期性地将所有存在的Block数据信息发送给NameNode。NameNode作为分布式文件系统中的管理者，它的职责是管理存储块的复制、文件系统的命名空间以及集群配置信息等。Client是一种应用程序主要用来获取分布式文件系统的文件。 3.2. Map-Reduce分布式并行计算框架 海量数据被分割，有序存储到各个节点中时，各个节点上的CPU、内存等资源，都可以被充分的使用。与此同时，调用hadoop的并行计算框架，各个节点上的资源由系统统一分配、调度，在各自的节点上完成数据的计算，新的任务到来时，如果该节点计算繁忙，将不会被分配任务，同时任务被分配给那些计算空闲的节点，以此实现负载均衡。 该框架的思想是：将JobTracker的两个主要功能进行分离，分离为单独的组件：任务调度/监控和资源管理。资源管理器具有全局管理所有的应用程序的计算以及资源配置的功能，而每一个Application Master负责相应的协调和调度工作。每一台机器的节点以及Resource Manger管理服务器，以此实现管理用户在那台机器上的进程的工作。 Map过程：按键值对(key/value)将分割的数据进行映射处理，其中，每条记录的主键值通过hash计算求得key的值，需要保护字段的特征值即为value值。 Reduce过程：依据等值的key值，将每个value的结果串结成一条虚拟链，再对形成的虚拟链进一步处理，得到具有新特征值的value。 详细的Map-Reduce过程[ 4 ] [ 5 ] [ 9 ] 如下图3所示。
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user: 4. 仿真模拟 为了验证算法的有效性及相关性能，我们选择了一张含有2000余万条记录、49个列的大表进行模拟实验，以一个双节点的linux集群为实验平台，以Java为开发语言，Hadoop的版本为2.2.0，开发IDE为eclipse，集群配置JDK的版本为1.6。 图3. Map-Reduce结构 实验结果和分析 在使用DBN网络进行模拟实验时，由于RBM的特点，所有节点使用0、1进行表示，1表示节点被激活，0表示节点没被激活，在训练的过程中，可视节点和隐含节点多次被重构，并且如果重构的结果和实际不太一样，将进行调整，以达到尽可能的相同，即数据的另外一种特征表示。 同时，在实验时，使用了RBM和BP两种算法进行了对比实验，从而尽可能的得到两种算法的特点和效率。 下图4使用的是BP算法进行模拟训练，图5使用的是RBM进行训练，其中红色的线表示当前错误率的变化趋势，蓝色的线表示错误率的改善趋势。 表1给出了BP算法和RBM算法的对比分析结果，由表中数据可知，RBM只训练迭代了20次错误率就达到了0.040293%，而BP算法训练迭代了200次，错误率还是高于只迭代了20次的RBM，从而得知RBM的训练效果特别理想。
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user: 5. 结论 本文以云端海量大数据作为处理对象，通过融合Hadoop的大数据处理方案、AI的Deep Learning相关技术以及数字水印的相关技术，实现了云端海量大数据的安全保护。采用Map-Reduce的并行计算框架机制，完成了海量大数据的计算，与此同时，提取云端海量大数据的标签，借用HDFS的分布式存储技术，实现了海量数据的分节点存储。利用DBN作为智能化的分类机制，对海量数据是否存在篡改进行检测判断，得到数据的分布式表示，以此实现了快速定位篡改区域以及对篡改数据的准确判断的目标。 图4. BP算法训练性能曲线 Table 1 The training results of BP and RB 学习算法 训练迭代次数 当前的错误率 错误改善率 BP 200 0.081518% 0.398963% RBM 20 0.040293% 0.440018% 表1. BP和RBM训练结果表 图5. RBM算法训练性能曲线
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user: 摘 要 将不同厂家、不同格式的离线检测装置数据接入诊断系统，可综合多种参数进行变压器故障诊断，从而提高诊断的准确性。本文设计了一种基于XML的变压器故障综合诊断系统数据转换接口，该接口为油色谱、局部放电和振动数据分别设定了XML数据格式，并给出了私有格式数据文件向统一XML文件的转化方法，采用JDOM实现了统一数据接口。选取典型厂家的数据文件采用该接口进行数据格式转化，验证了方法的可行性。该方法可推进离线检测装置数据的共享应用，为变压器综合诊断提供必要的数据条件。 关键词 :XML，数据接口，变压器，综合诊断
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user: 1. 引言 近年来，国内外变压器状态监测与诊断技术的研究主要侧重于以单一参数为参照，研制了不同类型的监测装置，包括色谱、振动、超声与局部放电监测装置等[ 1 ] -[ 3 ] 。状态监测装置种类多、孤立运行、通信规约不统一、功能和接口各不相同，造成难以互操作、数据无法共享，无法对各设备的运行状况进行统筹分析诊断。变电站的IEC 61850建模与模型共享一直是近年来的一个热点研究问题。然而，在变压器状态监测领域，有很多监测装置不符合IEC 61850规范，仅少数色谱监测系统能满足该规范，局放、振动等监测装置有很多未遵循该规范，且存在大量的离线检测装置[ 4 ] [ 5 ] 。现阶段，设计统一的数据格式，实现私有数据格式向统一格式的转化，在不对现有离线检测装置做任何修改的情况下，通过统一数据接口实现数据收集与综合诊断是具有重要意义的。 XML是Extensible Market Language (即可扩展的标记语言)的缩写，是一种常用的标记语言，因为其具有自描述能力且跨平台能力强，XML在数据交换、数据存储等方面已得到广泛应用[ 6 ] -[ 8 ] 。本文拟首先采用XML为各类监测数据分别设计统一的数据格式，其次给出格式转化方法，再次采用JDOM实现数据格式转换程序，最后选取典型实例对所提方法进行实验验证。