Journal of Zhejiang University

Current Issue: <JZUS-A>

Journal of Zhejiang University-SCIENCE A

ISSNs 1673-565X (Print); 1862-1775 (Online); CN 33-1236/O4; started in 2000, Monthly.

JZUS-A is a peer-reviewed journal on applied physics and engineering, indexed by SCI-E, Ei Compendex, Scopus, CSCD, CNKI, INSPEC, CA, JST, AJ, ZR, CSA, etc. It mainly covers research in Applied Physics, Mechanical and Civil Engineering, Environmental Science and Energy, Materials Science and Chemical Engineering, etc.

Impact factor: 0.408 (2011), 0.527 (2012), 0.608 (2013), 0.882 (2014), 0.941 (2015), 1.214 (2016), 1.215 (2017), 1.369 (2018), 1.490 (2019), 2.263 (2020), 2.485 (2021), 3.2 (2022), 3.4 (2023), 3.9 (2024).

Journal of Zhejiang University-SCIENCE A

ISSN 1673-565X(Print), 1862-1775(Online), Monthly

2026 Vol.27 No.3 P.183-316

Cover:

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Contents:

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CONTENTS

Research Article

Experience-guided optimization of jacket foundations for offshore wind turbines in varying water depths based on finite element analysis and the genetic algorithm

Jiajia HUANG, Tao JIN, Jianwu HUANG, Shasha SONG, Wei DAI, Chaoqun ZUO, Lizhong WANG, Lilin WANG, Zhen GUO

DOI: 10.1631/jzus.A2500232 Downloaded: 2336 Clicked: 1760 Cited: 0 Commented: 0(p.183-199) <Full Text> <PPT > 18

Chinese summary <5> 结合有限元分析和遗传算法的不同水深海上风机导管架基础经验导向优化

作者：黄佳佳^1,2，金涛¹，黄建武¹，宋沙沙^3,4，戴炜¹，左超群¹，王立忠²，王立林⁵，国振¹
机构：¹中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司，中国杭州，310012；²浙江大学，建筑工程学院，中国杭州，310058；³同济大学，土木工程学院，中国上海，200092；⁴绍兴文理学院，土木工程学院，中国绍兴，312000；⁵浙江大学，海洋学院，中国舟山，316021
目的：结构优化是降低导管架基础工程造价、推动其向深远海应用拓展的关键路径，但其优化问题具有高维度与强约束特征。本文针对高维度和强约束问题，提出融入工程经验解的混合种群初始化策略，构建参数化有限元与遗传算法耦合的优化模型，阐明水深对导管架基础的定量影响，明确导管架与漂浮式基础的水深适用阈值。
创新点：1.建立面向多工况和多约束的海上风机导管架基础自主寻优模型；2.通过引入工程经验解，提出导管架优化的混合种群初始化策略，提升早期可行率与收敛效率；3.定量分析水深对导管架基础的影响，明确导管架与漂浮式基础的水深适用阈值。
方法：1.利用Python建立导管架基础的结构分析计算机系统（SACS）参数建模与分析程序，并耦合遗传算法形成自动化优化闭环，构建导管架基础优化模型；2.通过引入工程经验解，并与随机和拉丁超立方采样融合，提出导管架优化的混合种群初始化策略；3.基于多种水深的导管架基础最终优化结果，定量分析水深的影响，进而推导出导管架与漂浮式基础的水深适用阈值。
结论：1.引入工程经验的混合初始化策略能够显著提升早期可行性与搜索效率。2.约束主导性分析表明疲劳寿命与一阶固有频率为各水深导管架基础的主要控制条件。3.水深对导管架重量影响显著；导管架在中浅水深具明显成本优势；导管架基础与漂浮式基础的适用水深阈值约为100 m。4.随着水深增加，下部构件应力升高，且最大疲劳损伤位置上移，因此在设计上需同步强化下部承载强度与上部疲劳抗力。

关键词组：结构优化；导管架基础；遗传算法；海上风电；种群初始化；参数化模型

Intelligent segment typesetting in shield tunneling based on artificial neural networks and transfer learning

Rui LIU, Quanyong ZENG, Haibo XIE, Guoli ZHU

DOI: 10.1631/jzus.A2500016 Downloaded: 2279 Clicked: 1724 Cited: 0 Commented: 0(p.200-214) <Full Text> <PPT > 25

Chinese summary <2> 基于人工神经网络和迁移学习的盾构施工管片智能排版方法

作者：刘瑞¹，曾泉湧¹，谢海波^2,3，朱国力¹
机构：¹华中科技大学，机械科学与工程学院，中国武汉，430074；²浙江大学高端装备研究院，中国杭州，310014；³浙江大学，流体动力基础件与机电系统全国重点实验室，中国杭州，310058
目的：管片排版是隧道施工的关键环节，直接影响成型隧道质量。本文旨在探明工况参数对管片排版的影响规律，建立约束参数和管片最优拼装点位的映射模型，突破多类型管片排版泛化瓶颈，以实现智能化、高准确率排版决策。
创新点：1.建立了多源约束参数与管片最优拼装点位的样本数据集；2.提出了基于人工神经网络（ANN）的16点位管片智能排版方法；3.构建了基于迁移学习的多类型管片排版泛化技术。
方法：1.分析推进油缸行程差、盾尾间隙、错缝拼装原则等约束对管片排版的影响，并基于蒙特卡洛法和人工标记法生成数据集；2.建立ANN网络架构，并采用贝叶斯优化进行超参数调优，构建16点位管片智能排版模型；3.以10点位管片为例，采用迁移学习冻结中间层、替换输入输出层并通过小样本数据微调参数，实现模型跨管片类型的泛化应用。
结论：1.测试集验证表明，与k近邻（KNN）、支持向量机（SVM）和决策树（DT）等常用的机器学习方法及已有的通过工程验证的排版方法相比，ANN模型在16点位管片排版中表现最优；2.基于迁移学习构建的10点位管片排版模型的性能显著优于在小样本数据下训练的ANN、KNN、SVM和DT模型；3.现场应用中，16点位和10点位管片排版模型的准确率分别达到了93.75%和91.43%，较历史数据中人工决策的结果提升了15.62和34.29个百分点。

关键词组：盾构施工；管片排版；拼装点位；人工神经网络（ANN）；贝叶斯优化；迁移学习

Predicting permeability coefficients of earth-rock material using an improved generative adversarial network and explainable ensemble learning under small sample conditions

Chengyu YU, Hongling YU, Xiaofeng QU, Baoxi LIU, Liangsi XU, Xinyu LIU, Xiangyu CHEN

DOI: 10.1631/jzus.A2500127 Downloaded: 2060 Clicked: 1587 Cited: 0 Commented: 0(p.215-230) <Full Text> <PPT > 24

Chinese summary <4> 小样本条件下基于改进生成对抗网络和可解释性集成学习的土石料渗透系数预测

作者：俞承禹，余红玲，瞿晓峰，刘宝熙，徐良嗣，刘新宇，陈翔宇
机构：中国农业大学，水利与土木工程学院，中国北京，100083
目的：本文旨在针对土石料渗透系数预测中存在小样本和可解释性不足的问题，探究基于生成模型的数据增强方法，以提高预测模型在小样本条件下的泛化能力。同时，结合具备可解释性的集成学习算法，增强预测结果的可信度，实现对土石料渗透系数的高精度预测。
创新点：1.提出一种基于改进生成对抗网络的数据增强方法，有效提升小样本条件下渗透系数预测模型的性能；2.构建基于改进轻量级梯度提升机（LightGBM）的渗透系数预测模型，结合优化算法实现渗透系数更高精度的预测；3.使用沙普利可加性解释方法（SHAP）对预测结果进行全局和局部解释，增强模型的可解释性；4.将所提方法应用于实际土方工程案例中，验证所提方法在工程实践中的有效性。
方法：1.将瓦瑟斯坦（Wasserstein）距离作为损失函数引入到条件生成对抗网络中，并基于Wasserstein条件生成对抗网络；2.利用LightGBM算法建立具有Huber损失函数和鱼鹰优化算法的高精度渗透系数预测模型；3.使用SHAP方法探究影响预测结果的关键特征，并分析不同特征在数据集中的具体作用。
结论：1.基于Wasserstein条件生成对抗网络的数据增强方法能够生成高质量的样本，有效解决小样本数据问题；2.基于结合Huber损失和鱼鹰优化的LightGBM算法建立的渗透系数预测模型具有较高的预测性能；3.使用SHAP方法能够对预测结果进行全局和局部分析，提升预测模型的可解释性。

关键词组：渗透系数预测；轻量级梯度提升机（LightGBM）；瓦瑟斯坦（Wasserstein）条件生成对抗网络；沙普利可加性解释方法（SHAP）

Monte Carlo simulation method for estimating the fine rattler fraction in large-ratio binary mixtures

Jing WANG, Changyu SHI, Daosheng LING

DOI: 10.1631/jzus.A2500203 Downloaded: 2198 Clicked: 1999 Cited: 0 Commented: 0(p.231-245) <Full Text> <PPT > 17

Chinese summary <4> 高粒径比二元颗粒堆积体系中悬浮细颗粒分数的蒙特卡洛统计分析

作者：王景^1,2，施昌宇¹，凌道盛^1,2
机构：¹浙江大学，软弱土与环境土工教育部重点实验室，中国杭州，310058；²浙江大学，超重力研究中心，中国杭州，310058
目的：在高粒径比二元颗粒体系中，准确统计悬浮细颗粒分数对理解体系的结构与力学响应至关重要。然而，试验中通常难以直接获得颗粒间接触力信息，同时细颗粒的位置与尺寸识别精度有限。本文提出了一种基于蒙特卡洛模拟（MCS）的统计方法，该方法仅依赖于粗颗粒的尺寸与空间位置信息，通过几何分析实现对悬浮细颗粒分数的有效估算，为相关的统计分析提供一种高效可行的替代途径。
创新点：1.克服离散元模拟需要进行动力学循环迭代所带来的计算量偏大等局限；2.实现以小规模样本的重复随机抽样来近似大样本的统计特性。
方法：1.利用Delaunay三角剖分提取粗颗粒体系的孔隙分布，并建立细颗粒填充的MCS框架（图3）；2.在多次蒙特卡洛采样中，根据孔隙容量判定细颗粒是否为悬浮颗粒，并通过统计得到平均悬浮细颗粒比例（图6~8）；3.将MCS预测结果与试验观测及离散元方法（DEM）模拟进行对比，评估方法的精度与适用性（图15）。
结论：1.所提出的MCS方法能够在无需动力学求解条件下可对悬浮细颗粒分数进行稳健、高效且较为准确的统计；2.研究为颗粒材料的试验分析和理论建模提供了实用框架，并展示了方法向三维复杂体系扩展的潜力。

关键词组：颗粒材料；悬浮颗粒；细颗粒含量；粒径比；离散元方法（DEM）；蒙特卡洛

Three-degree-of-freedom motion posture stabilization control of platform based on DTW-LSTM-MATD3 under high and low frequency disturbances of ships

Qin ZHANG, Jingyi ZHOU, Bangping GU, Xiong HU

DOI: 10.1631/jzus.A2500146 Downloaded: 720 Clicked: 1014 Cited: 0 Commented: 0(p.246-261) <Full Text> <PPT > 20

Chinese summary <5> 基于DTW-LSTM-MATD3的船舶高低频干扰下平台三自由度运动姿态稳定控制

作者：张琴，周静宜，顾邦平，胡雄
机构：上海海事大学，物流工程学院，中国上海，201306
目的：在复杂多变的深海环境中，船舶运动姿态补偿控制系统受到不确定性的严重影响，显著降低补偿控制的精度。本文旨在提升船舶运动补偿控制精度，确保海上风电场设备安装与运输的安全性和效率。
创新点：1.通过动态规整算法（DTW），区分高频噪声和低频跟踪信号；2.将长短期记忆（LSTM）网络嵌入到多智能体双延迟深度确定性策略梯度（MATD3）算法中，更好地使critic网络的训练与真实Q值接近；3.采用组合奖励函数提高智能体的探索能力。
方法：1.针对复杂海况下的船舶三自由度运动，构建船舶补偿系统的强化学习环境；2.运用DTW算法区分噪声信号，采用MATD3算法训练模型，并结合LSTM网络和组合奖励函数，提高传统MATD3的补偿效率；3.通过仿真模拟，补偿系统在六级海况、突变海况及真实含噪声情况下均实现更高的补偿效率，验证所提方法的有效性。
结论：1.DTW算法能确定高低频噪声信号分界点，使补偿系统实现高频抗噪和低频信号的跟踪运动；2. MATD3算法中采用LSTM神经网络和组合奖励函数，能提升智能体的训练效果和决策能力；3.运用所设计方法能够提高船舶三自由度补偿的泛化性和补偿效率。

关键词组：补偿控制；MATD3算法；DTW算法；LSTM网络

Economic analysis and impact assessment of electricity supply and demand-side emission reductions in China under carbon neutrality goals

Xuanxuan MING, Qiang WANG, Kun LUO, Xinhao DU, Jianren FAN

DOI: 10.1631/jzus.A2500160 Downloaded: 2168 Clicked: 1551 Cited: 0 Commented: 0(p.262-274) <Full Text> <PPT > 24

Chinese summary <4> 碳中和目标下中国电力供需侧减排的影响和经济性分析

作者：明轩萱¹，王强^1,2，罗坤^1,2，杜昕昊¹，樊建人^1,2
机构：¹浙江大学，能源高效清净利用全国重点实验室，中国杭州，310027；²浙江大学碳中和研究院，中国杭州，310027
目的：本文基于中国31个省市的电力供需状况，将其划分为四类典型区域，旨在探究碳中和目标背景下，不同电力特征区域通过供需两侧差异化减排措施所产生的减排效果及经济性。
创新点：1.根据中国各省电力行业的供需特征，针对性地分析区域减排路径；2.设定不同碳达峰时间节点，系统评估其对碳中和路径下累计减排成本和边际减排成本的影响。
方法：1.运用集成能源系统模型LEAP-NEMO，模拟中国电力行业在不同供需结构情景下的碳减排路径；2.基于弹性理论、能源强度分析、城镇化率动态及人口矩阵等多维度参数，构建更精准的中国电力需求预测模型；3.通过敏感性分析，量化不同碳排放达峰年份与能源强度下降速率对减碳成本的影响机制（图7）。
结论：1. LH区域的工业发展面临下行压力，需推动新兴产业和产业结构转型；2.风能和太阳能是推动电力结构转型的关键能源形式，在资源受限区域应优先发展核能等具有稳定供电特性的能源方式；3.推迟碳达峰时间将提升短期边际减排成本和累计单位成本。

关键词组：电力系统；LEAP-NEMO；清洁能源转型；能源消耗

Optimization of throttling windows to improve flow control of three-way control combiner valves

Jin-yuan QIAN, Zhe-hui MA, Shi-jie LIN, Chuang LIU, Yu-wei WANG, Fei LING, Liang ZHANG, Man-man CUI, Tian-zuo QU, Zhi-jiang JIN

DOI: 10.1631/jzus.A2500231 Downloaded: 2987 Clicked: 2456 Cited: 0 Commented: 0(p.275-287) <Full Text> <PPT > 23

Chinese summary <3> 基于流量控制性能的合流型三通调节阀节流窗口结构优化研究

作者：钱锦远¹，马哲辉¹，林仕杰¹，刘闯¹，王雨薇¹，凌飞²，张良³，崔满满³，曲天佐⁴，金志江¹
机构：¹浙江大学，特种装备研究所，中国杭州，310027；²浙江三方控制阀股份有限公司，中国杭州，311400；³上海核工程研究设计院有限公司，中国上海，200233；⁴山东核电有限公司，中国烟台，265116
目的：核电站中的合流型三通调节阀在调节硼酸浓度方面存在控制性能不佳和流量阻力过高的问题。现有的三通调节阀设计在控制精度和流量特性方面难以满足核电站运行的严格要求。本文旨在通过优化三通调节阀的内部结构，尤其是节流窗口的形状，来提升其控制性能和降低流量阻力。
创新点：1.提出了节流窗口形状参数化设计方法，并建立了形状参数与性能指标之间的关系；2.引入了有效域与可控域的概念，用于描述入口回流现象和调节死区，为确保控制阀的可靠性和有效性提供了新的视角。
方法：1.采用三次多项式函数定义节流窗口的宽度变化；2.采用自适应非支配排序遗传算法对节流窗口的形状参数进行优化，以提高三通调节阀的可调操作范围和降低最大局部阻力；3.通过搭建实验平台，测量三通调节阀在不同开度下的压力和流量，并验证数值模型的准确性，为优化设计提供依据。
结论：1.三通调节阀的流量分配不均匀；中间节流窗口的流量比例相对稳定，而左右节流窗口的流量比例随阀门开度线性变化。2.入口回流现象是影响三通调节阀控制性能的关键因素；通过分析流动场揭示了回流现象的四个阶段，并提出了有效边界和可控边界的概念。3.采用自适应非支配排序遗传算法对节流窗口形状进行优化后，三通调节阀的可调操作范围提高了31.0%，且最大局部阻力降低了18.3%，显著改善了阀门的综合性能。

关键词组：三通阀，交汇流，节流窗口，多目标优化

Deep-learning-enabled automatic gene abnormality detection via fluorescence in situ hybridization

Lemin SHI, Yuqiang ZHANG, Haoyu QI, Chengyue LU, Menglei HU, Mingye LI, Dianxin SONG, Hao ZHANG, Xin FENG, Ping GONG, Shan JIANG

DOI: 10.1631/jzus.A2500360 Downloaded: 1985 Clicked: 1809 Cited: 0 Commented: 0(p.288-305) <Full Text> <PPT > 25

Chinese summary <3> 基于深度学习的荧光原位杂交自动基因异常检测

作者：石乐民¹，张玉强²，齐浩宇³，陆成越⁴，胡梦雷⁵，李明烨⁶，宋殿鑫¹，张昊¹，冯欣¹，宫平¹，江山³
机构：¹长春理工大学，计算机科学与技术学院，生命科学与技术学院，中国长春,130022；²吉林建筑大学，现代工业学院，中国长春，130119；³西安电子科技大学，杭州研究院，中国杭州,311231；⁴澳门大学，机电工程系，人工智能与机器人研究中心，中国澳门，999078；⁵不列颠哥伦比亚大学，电气与计算机工程系，加拿大温哥华，V6T 1Z4；⁶墨尔本大学，计算机与信息系统学院，澳大利亚帕克维尔，3010
目的：开发一种基于深度学习的基因异常检测自动化系统（FAST），以突破传统荧光原位杂交（FISH）技术在癌症和遗传疾病诊断中的局限性。
创新点：1.多层焦平面成像策略：增强不同焦深的成像，实现精确的细胞分析；2.图像增强与融合：结合多尺度滤波技术，提升信号清晰度；3.深度学习集成：优化ResNet152深度学习框架以进行高效的基因异常分类，细胞分割准确率为98.28%，基因异常检测准确率为97.86%。
方法：1.FISH成像：利用三色FISH探针和电动荧光显微镜进行多层成像；2.图像处理：基于多层荧光信号融合、图像增强以及细胞核和荧光信号的自动分割；3.AI模型：基于ResNet152的卷积神经网络（CNN）型，经过训练用于检测染色体异常（例如慢性淋巴细胞白血病中的13q14缺失）。
结论：1.FAST系统在细胞核分割和基因异常检测方面均取得高精度结果，细胞分割准确率达98.28%，以及基因异常检测准确率达97.86%。2.系统实现了从成像到报告生成的全流程自动化，且可在45分钟内完成检测，提升了诊断效率并降低了对人工经验的依赖，因此具有良好的临床应用潜力。

关键词组：荧光原位杂交（FISH）；图像增强；细胞核分割；荧光特征融合；异常基因分类；癌症诊断

A heterogeneous cyclic Hopfield neural network without self-connections

Yunzhen ZHANG, Chunlong ZHOU, Han BAO, Guangzhe ZHAO, Bocheng BAO

DOI: 10.1631/jzus.A2500350 Downloaded: 2597 Clicked: 4442 Cited: 0 Commented: 0(p.306-316) <Full Text> <PPT > 16

Chinese summary <3> 一种无自连接的异构循环型霍普菲尔德神经网络

作者：张云贞¹，周春龙^1,2，包涵²，赵广哲¹，包伯成²
机构：¹许昌学院，信息工程学院，中国许昌，461000；²常州大学，王诤微电子学院，中国常州，213159
目的：三神经元同构循环型霍普菲尔德神经网络不能展现混沌动力学。本文旨在提出一种无自连接的三神经元异构循环型霍普菲尔德神经网络，展现混沌动力学，并生成多涡卷混沌吸引子。
创新点：1.提出一种无自连接的三神经元异构循环型霍普菲尔德神经网络；2.证明全局一致最终有界性，确定最终边界；3.揭示混沌动力学和多涡卷混沌吸引子；4.设计模拟电路，硬件实验验证结果。
方法：1.采用三种不同激活函数（双曲正切、正弦和余弦函数）替换原有双曲正切激活函数，并提出一种异构循环型霍普菲尔德神经网络；2.由理论推导，证明神经网络的全局一致最终有界性并确定最终边界；3.通过数值仿真，揭示混沌动力学和多涡卷混沌吸引子；4.采用现有商用元器件，设计模拟电路，实现所提出的神经网络。
结论：1.得到了一种可生成混沌的、最简的三神经元霍普菲尔德神经网络；2.通过理论证明和数值模拟，阐述和分析了该网络的有界性、动力学行为以及多涡卷混沌吸引子；3.由模拟电路实现了所提出的神经网络，且硬件实验验证了数值结果的准确性。

关键词组：激活函数；模拟电路；混沌；循环型霍普菲尔德神经网络；多涡卷型混沌吸引子