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高频考点2__地球的宇宙环境和圈层结构一、选择题[2022·广东模拟]2020 年“嫦娥五号”成功登月并采集“月壤”返回。
有研究表明，月壤中含有太阳风暴带来的氦 3 以及其他物质。
据此完成1～3题。
1．月壤可能含有大量()A．液态水B．微生物C．矿物质D．有机质2．地球土壤中氦3 含量极少，可能因为()A．雨水冲刷强B．大气层阻挡C．地球引力弱D．日地距离远3．“嫦娥五号”在月球指定地点着陆后()A．成为地球的独立卫星B．成为宇宙中的独立天体C．成为月球天体的组成部分D．脱离了最低一级天体系统[2022·河北月考]2021年2月10日19：52，我国“天问一号”探测器实施近火捕获制动，轨控发动机点火工作约15分钟，探测器顺利进入近火点高度约400千米，倾角约10°的大椭圆环火轨道，成为我国第一颗人造火星卫星，实现“绕、着、巡”第一步“绕”的目标，这一步也是整个火星探测任务中技术风险最高、技术难度最大的环节之一。
“天问一号”探测器发射后，采取了四次轨道中途修正和一次深空机动，轨道负责专家说：“与中途修正相比，深空机动是控制量更大的轨控动作，使探测器通过一次大转弯、或者说大漂移，从地球的公转面进入到火星的公转面上。
”深空机动完成后，探测器经过约4个月的无动力飞行，于2月10日成功进入火星轨道。
下图示意火星探测器飞行轨迹图。
据此完成4～6题。
4．“天问一号”探测器多次进行轨控动作，主要因为火星与地球()A．绕日的公转方向相反B．行星的质量大小不同C．绕日的公转速度差异D．轨道不在同一平面上5．火星探测器进行深空机动的位置最可能是()A．①B．②C．③D．④6．在无动力飞行阶段，火星探测器受到的天体引力主要来自()A．太阳B．地球C．火星D．月球[2022·山东联考]在天亮的时候，东方的地平线上有时会出现一颗特别明亮的“晨星”，人们把它叫做“启明星”；而在傍晚的时候，太阳的余晖中有时会出现一颗非常明亮的“昏星”，人们把它叫做“长庚星”。
第 54 卷第 8 期2023 年 8 月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.54 No.8Aug. 2023不同重力场下月基承载特性离散元数值分析奚邦禄1, 2, 3，蒋明镜4, 5，莫品强2，张振华3，郭杨1(1. 安徽省建筑科学研究设计院 绿色建筑与装配式建造安徽省重点实验室，安徽 合肥，230031；2. 中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州，221008；3. 合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥，230009；4. 苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州，215009；5. 同济大学 地下建筑与工程系，上海，200092)摘要：采用离散单元法(DEM)模拟不同重力场下的承载特性试验，分析高、低重力场对月基承载特性和月基破坏模式的影响。
研究结果表明：当重力场小于1g 时，随重力场增大，月基中受扰动范围和应力增大；当重力场大于1g 时，随重力场增大，月基中初始应力增大，但受扰动范围减小，表现出承载力和地基弹性模量随重力场增加呈现非线性增长趋势，即归一化承载力系数(q ng u /q 1g u )和月基弹性模量系数(E ng 0/E 1g0)与重力场系数n g 关系可采用以1g 为界的“二折线”进行拟合；承载质量归一化系数则随重力场系数增大而减小，即低重力环境下月基承载质量更大；采用离心机模拟高重力环境来预测低重力环境下月基承载力特性不能正确反映低重力场时月基内受扰动范围的演化规律，将使月基的承载特性偏大。
关键词：月壤；离散单元法；承载特性；微重力场；超重力场中图分类号：TU443 文献标志码：A 文章编号：1672-7207（2023）08-3226-11DEM analyses on bearing behavior of lunar soil ground withdifferent gravity fieldsXI Banglu 1, 2, 3, JIANG Mingjing 4, 5, MO Pinqiang 2, ZHANG Zhenhua 3, GUO Yang 1(1. Anhui Province Key Laboratory of Green Building and Assembly Construction, Anhui Institute of BuildingResearch & Design, Hefei 230031, China;收稿日期： 2022 −11 −27； 修回日期： 2022 −12 −26基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51639008)；深部岩土力学与地下工程国家重点实验室开放基金资助项目(SKLGDUEK2106)；安徽省自然科学基金资助项目(2208085QE177)；绿色建筑与装配式建造安徽省重点实验室(安徽省建筑科学研究设计院)资助项目(2021-JKYL-002) (Project(51639008) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(SKLGDUEK2106) supported by the State Key Laboratory for GeoMechanics and Deep Underground Engineering; Project(2208085QE177) supported by the Natural Science Foundation of Anhui Province; Project (2021-JKYL-002) supported by the Anhui Province Key Laboratory of Green Building and Assembly Construction)通信作者：蒋明镜，教授，博士生导师，从事天然结构性黏土、砂土、非饱和土、太空土和深海能源土宏观微观试验、本构模型和数值分析研究；E-mail ：***********************.cn ；*************************.cnDOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2023.08.025引用格式： 奚邦禄, 蒋明镜, 莫品强, 等. 不同重力场下月基承载特性离散元数值分析[J].中南大学学报(自然科学版), 2023, 54(8): 3226−3236.Citation: XI Banglu, JIANG Mingjing, MO Pinqiang, et al. DEM analyses on bearing behavior of lunar soil ground with different gravity fields[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2023, 54(8): 3226−3236.第 8 期奚邦禄，等：不同重力场下月基承载特性离散元数值分析2. State Key Laboratory for GeoMechanics and Deep Underground Engineering, China University of Mining &Technology, Xuzhou 221008, China;3. School of Civil Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China;4. School of Civil Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China;5. Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)Abstract:The discrete element method(DEM) was employed to simulate the plate loading tests at different gravity fields, aiming to analyze the effect of micro-gravity and mega-gravity fields on the bearing behavior and failure mode. The results show that when the gravity is smaller than 1g, as the gravity field increases, both the affected area and ground stress become larger. When the gravity is larger than 1g, as the gravity field increases, the ground stress increases but the affected area becomes smaller. As a result, the bearing capacity and elastic modulus show a nonlinear growth with the increase of gravity field. The relationship between the normalized bearingcapacity coefficient(q ngu /q1gu), the elastic modulus coefficient(E ng/E1g) and the gravity field coefficient ngcan befitted by a "two fold line" bounded by 1g. The normalized bearing mass coefficient decreases as the gravity filed increases, which means that the lunar soil can bear heavier mass with lower gravity field on the moon. In addition, the high gravity effects on the bearing behavior of lunar soil ground from centrifuge test cannot capture the evolution rules of the affected zone with low gravity fields, which will overestimate the bearing capacity of lunar soil ground.Key words: lunar soil; discrete element method; bearing capacity; bearing behavior; mega-gravity随着嫦娥五号于2020年11月24日的成功发射及其于12月17日携带月壤样品成功着陆，我国探月工程“绕、落、回”三步走战略顺利完成。
第42卷第6期地震地质Vol.42,No.6 2°20年12月SEISMOLOGY AND GEOLOGY Dec-2020地震地质2020年第42卷总目次第1期研究论文新疆巴里坤1842年和1914年2次M7%历史地震地表破裂的几何展布及特征...............................................................................徐良鑫冉勇康梁明剑等（1）青海都兰热水-桃斯托河断裂的新发现及构造意义...........................李智敏任治坤刘金瑞等（4）喜马拉雅东构造结主要断裂的地震矩亏损与危险性评估.....................田镇杨志强王师迪（33）合肥盆地中郯庐断裂带西支乌云山-合肥断裂最新活动特征...............郑颖平杨晓平疏鹏等（50）宜昌砾石层石英Ti-Li心ESR年龄及其对三峡贯通时限的指示............魏传义刘春茹李长安等（65）基于ALOS PALSAR影像的莫勒切河洪积扇地貌面定量分期...............苏强任俊杰梁欧博等（79）基于GPS观测的张家口-渤海断裂带活动性......................................陈阜超郭良迁郑智江（95）地表破裂的几何结构与同震位移的相关性......................................郝海健何宏林魏占玉（149）2008年汶川地震诱发滑坡灾害在映秀地区的演化特征...........................兰剑陈晓利（125）重庆地区地壳各向异性及其构造启示........................................高见杨宜海黄世源等（147）利用地貌形态估算西秦岭-松潘构造结及邻区的下地壳黏滞系数.............魏聪敏葛伟鹏张波（43）东昆仑断裂带东端和2012年九寨沟7O级地震区深部电性结构探测……孙翔宇詹艳赵凌强等（122）花岗质岩石在脆塑性转化域的变形机制...................................................党嘉祥周永胜（48）含石量和坡度变化对土石混合堆积体的动力响应及失稳的影响..........韩培锋樊晓一田述军等（212）基于海域地震资料的多次波及其鬼波的时距解释...........................支明郝重涛姚陈等（226）第2期序言...........................................................................................................张培震（I）活动地块假说理论框架的提出、发展及未来需关注的科学问题.............郑文俊王庆良袁道阳等（245）中国大陆活动地块边界带的地震活动特征研究综述........................邵志刚冯蔚王秡等（271）GNSS空间大地测量技术在中国大陆活动地块划分中的应用和研究进展...............郝明王庆良（283）青藏地块区大地震迁移规律与未来主体活动区探讨........................袁道阳冯建刚郑文俊等（297）基于GPS观测的鄂尔多斯地块及其周缘现今的运动学特征...............李长军柴旭超甘卫军等（316）利用Envisat ASAR数据探讨渭河盆地断层现今的滑动速率..................陈健龙张冬丽周宇（333）基于地震活动特征的鄂尔多斯西缘现今构造变形模式的限定.............詹慧丽张冬丽何骁慧等（346）基于高精度LiDAR数据的断裂活动习性精细定量——以香山-天景山断裂景泰小红山段为例.............................唐清郑文俊石霖等（366）华山山前正断层的分段活动特征一一来自河流地貌参数的约束..........王一舟郑德文张会平等（382）阳高-天镇断裂晚第四纪活动特征及滑动速率................................罗全星李传友任光雪等（399）京津地区顺义一塘沽高分辨地震折射剖面的走时成像结果及其揭示的上地壳断裂构造特征...............................................田晓峰熊伟王夫运等（414）阿尔金断裂中段南月牙山古地震地表破裂带及其构造意义...............邵延秀袁道阳刘静等（435）甘肃北山南缘俄博庙断裂的新活动特征及活动速率........................张波何文贵刘炳旭等（455）青藏高原东北部龙首山晚新生代剥露历史：来自磷灰石（U-Th）/He的证据...............................................................................李佳昱郑文俊王伟涛等（472）2017年8月8日四川九寨沟M7.0地震及其余震序列的震源参数..........吴微微魏娅玲龙锋等（492）1526地震地质42卷鲜水河断裂带雅拉河段晚第四纪活动性......................................梁明剑陈立春冉勇康等（513）川滇地区主要断裂带上的库仑应力变化及其对地震危险性的指示.......李玉江石富强张辉等（526）第3期2019年四川长宁6.0级地震主震及中强余震（M戸4.0）的震源机制及其应力场...............................................................................梁姗姗徐志国盛书中等（547）利用小震分布和区域应力场确定龙滩库区地震断层面参数..................阎春恒周斌李莎等（562）深地震反射剖面揭示的华北地块南缘地壳的精细结构........................酆少英刘保金李倩等（551）新疆天山中段的震源机制解与构造应力场特征分析.............................张志斌赵晓成任林（595）由km尺度的跨断层基线测量断层近场运动与变形——川滇块体东边界2个场地的初步实验................................曹建玲张晶闻学泽等（612）利用刃VSR方法研究广州地区的场地效应及估算地震灾害特征...............宗健业孙新蕾张鹏（628）琼东北马鞍岭-雷虎岭火山区深部岩浆系统大地电磁三维探测.............孙翔宇詹艳赵国泽等（640）高阶交错网格和PML吸收边界在横向各向同性介质地震波场模拟中的应用..........陈洁朱守彪（654）活动褶皱地区横向河演化与风口形成的研究进展和案例分析...............曹喜林耿豪鹏潘保田等（670）夏垫断裂荣家堡探槽揭示的断裂活动特征及未来地震危险性概率评价……余中元潘华沈军等（68）青海达日断裂中段晚第四纪活动性与947年M7%地震地表破裂带再研究...............................................................................梁明剑杨耀杜方等（703）岩石加载变形过程中超声尾波与声发射变化的实验...........................杨海明陈顺云刘培洵等（015）2种基于Matlab平台的断层位移测量软件对比分析—以阿尔金断裂东段为例.................................................康文君徐锡伟于贵华等（732）—基于模板匹配的地震应急制图方法..............................................徐敬海周海军聂高众等（748）防震减灾公共服务现状与需求全国公众调查结果分析.....................董丽娜连尉平陈为涛等（762）第4期研究论文北天山博罗可努-阿齐克库都克断裂精河段的古地震事件..................胡宗凯杨晓平杨海波等（773）北天山前陆盆地前缘西湖背斜带第四纪褶皱作用...........................王浩然陈杰李涛等（791）河套盆地第四纪晚期不整合面的时代厘定及其构造意义讨论.............白鸾羲徐锡伟罗浩等（）6）郯庐断裂带新沂段地壳浅部结构和断裂活动性探测........................顾勤平许汉刚晏云翔等（825）利用面波频散和接收函数联合反演中国境内天山及邻区的地壳上地幔速度结构...............................................................................孔祥艳吴建平房立华等（844）用浅层人工地震方法探测唐山一河间一磁县地震构造带内的活动断裂……王继高战武刘芳晓等（26）云南通海2018年8月地震序列重定位及震源机制.............................李通郭志高星（41）利用浅层地震反射剖面探测研究大兴断裂北段新近纪一第四纪的构造特征...............................................................................何付兵徐锡伟何振军等（893）郯庐断裂带南段对近地表大地电流的分异性..............................................章鑫杜学彬（909）呼图壁M4.2地震前后重力变化特征分析--------------------------------------隗寿春祝意青赵云峰等（923）重庆小南海滑坡原始地形恢复及滑坡体体积计算---------------------------周鑫周庆高帅坡等（936）p m级形貌测量系统--------种新型的断层面微观形貌测量技术.............郝海健魏占玉何宏林等（955）利用居民地建筑物数据和高分遥感影像评估地震烈度的方法初探.......郭建兴张宇翔姬建中等（968）阿尔金断裂带中段现代沉积物样品钾长石红外激发后红外释光的残留信号——对年轻古地震事件测年的指示意义...................................覃金堂陈杰李涛（981）中国海域及邻区统一地震目录及其完整性分析.............................谢卓娟李山有吕悦军等（993）6期地震地质2020年第42卷总目次1527第5期研究论文鲜水河断裂带折多塘断裂西北段全新世活动的地质地貌依据.............马骏周本刚王明明等（1025）秋里塔格褶皱带东段探槽的古地震事件......................................张玲杨晓平李胜强等（1039）东天山唐巴勒-塔斯墩断裂带晚第四纪活动特征...........................黄帅堂胡伟华杨攀新等（1058）金沙江中游永胜昔格达层软沉积变形构造...................................王莅斌尹功明袁仁茂等（1072）2015年5月5日西藏米林M6.9地震对后续地震的静态库伦应力的影响……李振月万永革靳志同等（1091）长江断裂带安徽段上地壳速度结构及基底特征.............................邓晓果田晓峰杨卓欣等（109）郯庐断裂带中南段及邻区Rayleigh波相速度与方位各向异性.............顾勤平康清清张鹏等（129）广东阳江地区的地壳速度结构与地震活动性................................王小娜邓志辉叶秀薇等（153）横向不均匀性对视电阻率各向异性变化的影响和地震前电阻率的变化深度..........解滔卢军（1H2）山东庙岛群岛地区P波三维速度结构反演与2017年震群的发震构造分析...............................................................................李霞陈时军张正帅等（1H8）岷县漳县强震前的跨断层短临异常及亚失稳状态特征.....................张希贾鹏刘峡等（1205）地震动的空间相关性一一以纳帕地震为例...................................陈鲲俞言祥高孟潭等（1218）蒙脱石的弹性性质实验.......................................................................张明洋杨晓松（1229）新技术应用近景摄影测量在探槽地质信息获取中的应用——以泾阳南塬庙店4#滑坡为例........................................魏勇许强董秀军等（1240）利用分布式光纤声波传感器监测大容量气枪震源信号.....................李孝宾宋政宏杨军等（255）第6期研究论文普通角闪石的速率依赖性及其对俯冲带慢滑移机制的启示基于三维大地电磁AR-QN反演的长白山天池火山区电性结构2013年芦山地震同震地磁变化分析刘洋何昌荣（1267）阮帅汤吉董泽义等（1282）宋成科张海洋（101）利用孔壁竖向裂缝方位数据分析沂沭断裂带的地应力场特征.............王璞王成虎用微动台阵记录联合反演场地浅层速度结构一一以唐山响卩堂台3#场地为例...............................................................................王继鑫荣棉水青藏高原东北缘老虎山断裂的断层面参数拟合及其几何意义.............刘白云尹志文珠江三角洲西缘西江断裂鹤山一磨刀门段的活动性........................卢帮华王萍柴达木盆地北缘断裂（锡铁山段）的构造地貌特征与晚第四纪活动速率…姚生海盖海龙基于Sentinel-1A的新疆阿克陶MQ.7地震同震形变与滑动分布特征……温少妍单新建2019年1月1日印尼马鲁古海7O级地震的震源机制及海啸数值模拟......徐志国王君成长岛地区小地震断层面参数拟合及应力场特征.............................崔华伟郑建常王洪等（11）符力耘等（135）袁道阳等（154）王慧颖等（170）殷翔等（185）张迎峰等（101）王宗辰等（11）张正帅等（132）参与式渭南地震情景构建：中国地震风险对策的行动研究示范苏桂武Janise Rodgers田青等（146）新技术应用四川长宁Ms6.0地震震源干涉成像定位赵博高原刘杰等（174）地貌参数方法在小尺度地貌研究中的应用一-一以北天山独山子背斜为例…周朝何宏林魏占玉等（192）基于偏度的地震热红外异常提取刘文宝孟庆岩张继超等（109）地震地质2020年第42卷总目次(125)1528地震地质42卷SEISMOLOGY AND GEOLOGY,VOL.40,2220CONTENTSResearch paper No.1Geemetric distri-utioo and characteristics of the surface rupture of two historicat eerthquakes i-the Barkol Basis, Xinjiann..............................................................XU Liann-xic,RAN Yonn-kann,LISNG Ming-jian,et al.(1) New discoverf of ResUui-Taostuo Rivet Fnuli in Dulan,Qinghai Province and itr iDplicetioos..............................................................................................................LS Zhi-min,REN Zhi-Tuu,LIS JinTui,et al.(18) Moment deficits cm the major faultr and earthquane hazark assessment in the eesteru Himalnyan syntnxis ...............................................................................................................TIAN Zhee,YANG Zhi-xiang,WANG ShiTi(33) Study oo the latest activith of Wuyunshan-Hefei Fault in Hefei Basin,the westeru branch of the Tantu fault zooe ...........................................................................................ZHENG YD ct D c,YANG Xiao-pinn,SHU Peeg ,et al.(50) Chronolovn of Yichann gravel layer basee oo quartz Ti-LiESR dating and its impUcaWons for the incision timing of the Three Gorges vallen..........................WES Chuan-pi,LIS Chuu-ru,LS Chann-An,et al.(65/ Quuntitative mappinn of the MoUqie River alluviat fan morpholooie uuitr in China based oo ALOS PALSAR data ..............................................................................................................SU Qiang,REN Juu-jic,LISNG OuTo,et al.(79) Reseerch oo activith of ZhangjianouTohai fault zone baser oo GPS onservations................................................................................................CHEN FuThav,GUO Liang-pian,ZHENG Zhi-Dng(95) The cerrelatiou between geometric feature of ce-reismie rupture and ce-seismie displacement.......................................................................................................................HAO Hai-jian,HE HongTin,WES ZhtTuClOg) Evelutiou characteristics of landslinee triggeren by2008M s8.()Wenchuan earthquaUe in Yingxin area N Jian,CHEN XiaoTi(145) Crustat80501x(^and its WcWuie iDpUcaWous in the Chougqing reaiou.....................................................................................................GAO Jiao,YANG Yi-Pai,HUANG Shi-pnan,et a.(147) Eshmatinn the lowec crustat viscosity of the westeru Qinling-Pougpan tectonic nohe and its anjacent are o s by u-sinn landform morpholovn.........................................................WES Coug-min,GE Wei-peen,ZHANG Bo(163) Electricat structure of the2017M$7.0JiuzOai-ou earthquaUe reoiou and the eesteru terminus of the east Kuulun Fnua…………………………………………SUN Xnnngpnu ZHAN Ynn ZHAO Lnngpqnnng e a.((182 Deforma0ou mechanism of grauUie rochs in brittle-plastie Wausi0ou zouo..................................................................................................................................DANG Jia-xiaug,ZHOU Youg-shenn(118) Study oo dynamih respouse and instaUilitu of soil-roch mixture deposit with differet stouo couWeW and slope graUientr........................................................................HAN Pei-fenn,FAN Xiao-ni,TIAN Shu-jue,et al.(212) Research ou tiDo-Xistance inWrpreta0ou of multiples and ghostr basea ou marine seismit data..........................................................................................................ZHS Minn,HAO Choun-tav,YAO Chea,et al.(226)No.2The coucepZ,review at new insightr of the active-toctouie bloch hypothesis............................................................................ZHENG Weapuu,WANG Qing-liann,YUAN Dao-ppun,et a.(245) A studp review oo characteristics of seismit activitu of active-toctouie bloch boundaries in mainland China.....................................................................................................SHAO Zhi-pann,FENG Wei,WANG Pean,et a.(271)6期地震地质2022年第42卷总目次1529Progress in application of GNSS to division of active tectonic blocks in continental China............................................................................................................................................HAO Ming,WANG Qina-liaaa(283) Mioration of lares earthquakes in TiOetaa block ares ant dissccssion on major active recion in the future .................................................................................YUAN Dao-yapa，FENG Jiaa-gaa-，ZHENG Wen-jua,et al.(227) Present-day Sinematicc of the O t O os bock and its scrroundin-areas from GPS onservetions................................................................................................LI Zhaasdun,CHAI Xs-ckao,GAN Wei-jun,et al.(316) Estimatinn preseni slip rate of the faults in the Weihe sraaen using Envisat ASAR data..............................................................................................................CHEN Jiaa-lonn，ZHANG Don-di,ZHOU Yu(333) Limitation of current tectonic deformation moUes in the westera margin of OrOos based on seismic activity characi teristicc.......................................................................ZHAN Huidi,ZHANG Donndi,HE Xiao-hui,et al.(346) Qusatitative study of fault acUvPh baseS on hish-precision airOoroe LiSAR data：A case of Xiaohonashap Fault in Xiapesaap-Tiapjinesaap faiUt zons............................TANG Qinn，ZHENG Wen-jun，SHI Lin，et a.(366) Activity characteristics of the Huashaa pienmont normat fault：Insishts from Uuviat seomorphia parametere .................................................................................WANG Yi-zOou，ZHENG De-pen，ZHANG Hui-pinn，et a.(342) The Late Quuteroaro activita features aad slip rate of the Yauesao-Tiauzhen F cu U...........................................................................................LUO Quuu-xins，LI Chuaupou，REN Guaunpue，et a.(399) Uppev crustat velocith structure and ccnstrainine fault interpretation from Shunoi-Tauesu refraction experimen-data.................................................................................TIAN XiaoPene，XIONG Wei,WANG Fupon，et a/.(414) The paleoseismic suPace rupture at south of centrat Altyo Tagh Fault aud its tectonic impUcation ......................................................................................SHAO Yau-pin，YUAN Dao-poue，LIO-dENG Jinn，et a.(435) New activita characteristics aud slip rate of the Ebomiao Fault in the southera margin of Beishau，Gause卩^-...........................................................................................ZHANG Bo，HE Wen-pu-,LIO Binn-du，et a.(455) The northwarp growth of the northeastero TiSetau Plateau in Late Cenozoic：ImpUcaPons from apatite(U-Th)/He res of Loneshou Shau...............................................LI Jis-yo,ZHENG Wen-jun,WANG Wei-tao,et al.(472) Study on source parametere of the8August2017M40Jiuzhaisou earthquaUe aud its aftershocks,northere SS ckuvu......................................................................................WU Wei-pe-,WEI Ya-lino,LONG Fen-,et a.(492) Late-Quateroarp activita of the Yalahe Fault of the Xiaushuihe fault zone,easteru margin of the TiSet Plateau ......................................................................................LIANG Mina-jiau,CHEN Li-ckua,RAN Yonh-Paua,et a.(513) Coulomb stress chauae on active faults in Sickuau-Yunaau region aud its impUcations for seismit hazarp ..........................................................................................................LI Yu-jiaua,SHI Fu-piauh,ZHANG Hui,et al.(526)No.3Focat mechauism solutions aud stress fielO of the2019Chauanma,Sichuau maiashock and its monerate-strona afteohocSs(MS工厶.。
[收稿日期]20221102[基金项目]国家自然科学基金项目 大位移井钻进过程中动态岩屑运移与钻柱受力耦合机理研究 (51874045);湖北省自然科学基金杰出青年基金项目 页岩气大位移井动态井眼清洁机理及智能监测算法研究 (2019C F A 093)㊂ [第一作者]张菲菲(1988),男,博士,教授,博士生导师,现主要从事油气钻井中岩屑运移及钻井流体力学等方面的研究工作,f e i f e i -z h a n g @y a n g t z e u .e d u .c n ㊂ *为共同第一作者张菲菲,崔亚辉,于琛,等.基于机器学习的钻井工况识别技术现状及发展[J ].长江大学学报(自然科学版),2023,20(4):53-65. Z H A N GFF ,C U IY H ,Y UC ,e t a l .R e c e n t d e v e l o p m e n t s a n d f u t u r e t r e n d s o f d r i l l i n g s t a t u s r e c o g n i t i o n t e c h n o l o g y ba s e d o nm a c h i n e l e a r n i n g [J ].J o u r n a l o fY a n g t z eU n i v e r s i t y (Na t u r a l S c i e n c eE d i t i o n ),2023,20(4):53-65.基于机器学习的钻井工况识别技术现状及发展张菲菲1,2,崔亚辉1,2*,于琛3,张同颖4,陈俊5,颜寒51.长江大学石油工程学院,湖北武汉4301002.油气钻采工程湖北省重点实验室(长江大学),湖北武汉4301003.中国石油渤海钻探工程技术研究院,天津3002804.中国石油渤海钻探工程公司,天津3002805.中国石油渤海钻探第一钻井工程分公司,天津300280[摘要]配备传感器的现代钻井设备带来了持续不断的实时钻井数据,通过监测这些钻井数据可以对钻井工况进行及时有效的判断,进而提高钻井效率,降低钻井成本和钻井事故率㊂由于钻井的复杂性和不可预知的作业条件,现有的通过数据采集系统执行的钻井工况识别系统容易出现较高的误报率㊂为了解决高误报率问题,实现从高维钻井数据中得到高精度㊁高效率的钻井工况识别结果,基于机器学习算法的识别模型被开发,并在应用中表现出了显著的有效性和稳定性㊂文章简述了机器学习的发展历程和项目流程,介绍了钻井系统参数,描述了支持向量机㊁B P 神经网络㊁随机森林和深度学习等机器学习分类算法在钻井工况识别技术中的应用现状,对比研究了七个机器学习工况识别模型的框架㊁超参数㊁特征参数以及识别性能,并探讨了基于机器学习算法的钻井工况识别技术发展趋势,为实现钻井设备的自动化和钻井工程的智能化提供一些新的思路㊂[关键词]钻井工况;机器学习;工况识别;分类算法[中图分类号]T E 24[文献标志码]A [文章编号]16731409(2023)04005313R e c e n t d e v e l o p m e n t s a n d f u t u r e t r e n d s o f d r i l l i n g s t a t u s r e c o g n i t i o n t e c h n o l o g y b a s e do nm a c h i n e l e a r n i n gZ HA N GF e i f e i 1,2,C U IY a h u i 1,2*,Y U C h e n 3,Z HA N G T o n g y i n g 4,C H E NJ u n 5,Y A N H a n 51.S c h o o l o f P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g,W u h a n430100,H u b e i 2.K e y L a b o r a t o r y o fD r i l l i n g a n dP r o d u c t i o nE n g i n e e r i n g f o rO i l a n dG a s ,H u b e i P r o v i n c e (Y a n g t z eU n i v e r s i t y),W u h a n430100,H u b e i3.R e s e a r c h I n s t i t u t e o fE n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y ,B o h a i D r i l l i n g E n g i n e e r i n g C o m p a n y L i m i t e d ,C N P C ,T i a n j i n3002804.B o h a i D r i l l i n g E n g i n e e r i n g C o m p a n y L i m i t e d ,C N P C ,T i a n ji n3002805.N o .1D r i l l i n g E n g i n e e r i n g B r a n c h ,B o h a iD r i l l i n g E n g i n e e r i n g C o m p a n y L i m i t e d ,C N P C ,T i a n ji n300280A b s t r a c t :M o d e r nd r i l l i n g e q u i p m e n t e q u i p p e dw i t hs e n s o r sb r i n g sc o n t i n u o u s r e a l -t i m ed r i l l i n g d a t a .B y m o n i t o r i n g t h e s e d r i l l i n g d a t a ,d r i l l i n g s t a t u s c a nb e j u d g e d t i m e l y a n d e f f e c t i v e l y ,t h e r e b y i m p r o v i n g d r i l l i n g e f f i c i e n c y ,r e d u c i n gd r i l l i n g c o s t s a n dd r i l l i n g a c c i de n t r a t e s .D u e t o t h e c o m p l e x i t y o fd r i l l i n g a n du n p r e d i c t a b l eo p e r a t i n g s t a t u s ,t h ee x i s t i n gd r i l l i n g s t a t u s re c o g n i t i o n s y s t e mt h r o u g hd a t a a c q u i s i t i o n s y s t e mi s p r o n e t oh i g hf a l s e a l a r mr a t e s .I no r d e r t o s o l v e t h e p r o b l e mo f h igh f a l s e a l a r mr a t e s a n da c hi e v eh i g h -p r e c i s i o na n dh i g h -e f f i c i e n c y d r i l l i n g s t a t u s r e c o gn i t i o nr e s u l t s f r o mh i g h -d i m e n s i o n a l d r i l l i n g d a t a ,r e c o g n i t i o n m o d e l sb a s e do n m a c h i n e l e a r n i n g a l g o r i t h m sh a v eb e e nd e v e l o pe d a n dh a v e s h o w nr e m a r k a b l eef f e c t i v e n e s sa n ds t a b i l i t y i na p p l i c a t i o n .I nt h i s p a p e r ,t h ed e v e l o p m e n t p r o c e s sa n d p r o je c t p r o c e s s o fm a c h i n e l e a r n i n g w a sb r i ef l y d e s c r i b e d ,t h e p a r a m e t e r so f t h ed r i l l i ng s ys t e m w e r e i n t r o d u c e d ,a n dt h e a p p l i c a t i o n s t a t u s o fm a c h i n e l e a r n i n g c l a s s i f i c a t i o n a l g o r i t h m s s u c h a s S u p po r tV e c t o rM a c h i n e ,B PN e u r a lN e t w o r k ,R a n d o m F o r e s t a n dD e e p L e a r n i n g i n d r i l l i n g s t a t u s r e c o g n i t i o n t e c h n o l o g y w a s d e s c r i b e d .T h e f r a m e w o r k ,h y p e r pa r a m e t e r s ,c h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r sa n dr e c o g n i t i o n p e r f o r m a n c eo fs e v e n m a c h i n el e a r n i n g s t a t u sr e c o gn i t i o n m o d e l s w e r e c o m p a r e d a n d s t u d i e d ,a n d t h e d e v e l o p m e n t t r e n do f d r i l l i n g s t a t u s r e c o g n i t i o n t e c h n o l o g y b a s e do nm a c h i n e l e a r n i n ga l g o r i t h m w a s d i s c u s s e d ,w h i c h c a n p r o v i d e s o m e n e w i d e a s f o r r e a l i z i n g t h e a u t o m a t i o n o f d r i l l i n g e q u i pm e n t a n d t h e i n t e l l i g e n c e o f d r i l l i n g e n g i n e e r i n g.K e yw o r d s :d r i l l i n g s t a t u s ;m a c h i n e l e a r n i n g ;s t a t u s r e c o g n i t i o n ;c l a s s i f i c a t i o na l g o r i t h m ㊃35㊃长江大学学报(自然科学版) 2023年第20卷第4期J o u r n a l o fY a n g t z eU n i v e r s i t y (N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n ) 2023,V o l .20N o .4Copyright ©博看网. All Rights Reserved.㊃45㊃长江大学学报(自然科学版)2023年7月现代钻井设备和监测基础设施的使用促进了钻井大数据技术的迅速发展㊂钻机仪器可容纳不同工作单元的各种传感器,如录井传感器和随钻测井工具,实时返回的各种钻井数据让现场工作人员可以更好地了解正在进行的井下钻井过程㊂但井下情况复杂,如极端钻井条件㊁传感器数据传输延时等,会出现噪音大㊁准确性差的钻井数据,难以判断真实的钻井工况㊂为了从高维㊁时序钻井数据中实时且准确地识别钻井工况,近些年国内外开展了大量研究,并开发了多个基于机器学习算法的工况识别模型㊂钻井工况识别属于高维数据分类问题,而分类分析作为有监督的机器学习中的主要任务之一,使得机器学习算法在钻井工况识别应用中表现出了显著的有效性和稳定性㊂鉴于此,笔者总结了机器学习分类算法在钻井工况识别技术中的应用现状及应用效果,探讨了基于机器学习算法的钻井工况识别技术发展趋势㊂1机器学习简述1.1机器学习发展历程大数据时代带来了数据洪流,相比于简单的收集㊁传输与计算数据,更重要的是解剖数据㊁理解数据并从数据中提取有价值的信息㊂机器学习应运而生,通过深度理解㊁多重分析将数据转化为信息继而学习信息中的规律,通过算法而非特定指令对新数据做出预测或分类㊂其中有监督的机器学习将数据进行分类㊁回归来进行预测,通过更新参数来减少错误并提高算法㊂而无监督的机器学习将数据进行集群㊁密度估计㊁特征降维㊂机器学习的发展历程可以分为四个时期:1)由感知机[1]开启的 推理期 (1960年之前)㊂感知机是一台能够识别罗森布拉特字母的机器,使用阈值元素将模拟信号转换为离散信号,是现代人工神经网络的原型㊂在该时期里,推理出了机械人迷宫揭秘鼠标[2]㊁强化概率神经模拟计算器[3],讨论出了自组织系统的仿真方法[4],利用相似的动物条件反射原理开发出了条件概率机[5]㊂2)由决策树[6]和B P神经网络[7]推动的 学习期 (1960 1990年)㊂其中1960 1970年,提出了学习识别系统的设计和测试方法㊁模式识别问题的一般性陈述㊁机器学习问题的概率陈述,开发了基于有限集的近似函数简化方法㊁构造分离超平面的梯度型算法㊁平均风险最小化方法㊁极大极小优化算法㊁非光滑优化算法㊁递归目标不等式方法㊁在空间中寻找有限相交点的递归算法㊁自适应控制方法等㊂其中具有推动意义的里程碑机器学习系统有自适应线性神经网络[8]㊁最小均方算法[9]㊁随机网络[10]㊁决策树㊁表格最优值决策程序(B O X E S)[11]㊂在1970 1980年,随着朴素贝叶斯法[12]㊁自适应阈值系统[13]㊁自组织多层神经网络[14]㊁离散时间随机环境的自适应控制器[15]等机器学习系统的提出,推动了多层神经网络的结构和学习能力得到进一步的研究㊂最终F U K U S H I MA等[16]在1980年提出了一种分层多层卷积神经网络㊂在1980 1990年,误差反向传播算法[17]的提出代替了标准梯度下降法,大大加快了神经网络算法的迭代速度㊂在这十年间具有推动意义的里程碑机器学习系统有自组织神经网络模型(N e o c o g n i t r o n)㊁自组织特征映射网络(K o h o n e nn e t w o r k)[18]㊁单层全连接循环神经网络(H o p f i e l dn e t w o r k)[19]㊁误差反向传播算法㊁多层前馈网络[20]㊁时间延迟神经网络[21]㊁延迟奖励学习(Q-l e a r n i n g)[22]㊁反向传播卷积神经网络[23]㊂3)由支持向量机[24]发起的 统计期 (1990 2004年)㊂C O R T E S和V A P N I K[24]提出了适用于一般不可分离情况的S VM算法,利用简单的递归算法使数据快速收敛于最优支持超平面㊂在该时期具有推动意义的里程碑机器学习系统还有循环网络[25]㊁统计梯度跟随算法[26]㊁时间差异学习[27]㊁模糊神经网络[28]㊁支持向量机㊁无监督学习[29]㊁长短期记忆网络[30]㊁双向循环神经网络[31]㊁随机决策森林[32]㊁强化学习[33]㊁最大边际马尔可夫网络[34],通过统计的优化和控制思想来提高算法的收敛速度㊂4)由深度神经网络复兴的 深度学习期 (2004年至今)㊂随着大数据趋势和并行计算内存的成本降低趋势,计算性能翻倍的深度学习算法也得以协同发展㊂深度残差学习[35]提出了利用残差连接来大幅加深神经网络层数,之后的深度残差网络[36]㊁宽残差网络[37]㊁聚合残差变换深度神经网络(R e s N e X t)[38]也都依次突破了神经网络深度下限㊂在这十年间具有推动意义的里程碑机器学习系统还包括了监督学习的深度监督网络[39];半监督学习的半监督深度学习[40]㊁半监督递归自动编码器[41];无监督学习的深度信念网Copyright©博看网. All Rights Reserved.络[42]㊁多任务深度神经网络[43]㊁可扩展无监督学习卷积深度信念网络[44]㊁深度前馈神经网络[45]㊁自我监督学习(A L B E R T -x x l a r ge )[46]㊁大型自监督模型(S i m C L R v 2)[47]㊁并行计算的大规模自回归模型(P a n G u -α)[48];卷积网络的反卷积网络[49]㊁深度卷积神经网络[50]㊁区域卷积神经网络[51]㊁轻量卷积神经网络(S qu e e z e N e t )[52]㊁多尺度深度卷积神经网络[53]㊁移动卷积神经网络(M o b i l e N e t )[54];递归网络的矩阵向量递归神经网络[55]㊁神经张量网络[56]㊁深度递归神经网络[57];强化学习的深度强化学习[58]㊁可扩展分布式深度强化学习(I M P A L A )[59];还有在线学习[60]㊁神经图灵机[61]㊁大规模生成对抗网络(B i g G A N )[62]㊁终端轻量级神经网络(M n a s N e t )[63]㊁大规模迁移学习(B i T -L )[64]㊁循环理性网络(R a t i o n a l D Q N A v e r a g e )[65]㊁自动高效共享分离范式(M 6-10T )[66]㊁扩展转换模型(D e e pN e t )[67]㊂图1展示了推理期㊁学习期㊁统计期中33个里程碑机器学习系统的时间轴,图2展示了深度学习期 中33个里程碑机器学习系统的时间轴,可以看出里程碑系统出现的频率越来越快㊂图1 推理期㊁学习期㊁统计期里程碑机器学习系统时间轴F i g .1 T h e t i m e l i n e o f r e a s o n i n gp e r i o d ,l e a r n i n gp e r i o da n d s t a t i s t i c a l p e r i o dm i l e s t o n e s o fm a c h i n e l e a r n i n g s ys t em 图2 深度学习期里程碑机器学习系统时间轴F i g .2 T h e t i m e l i n e o f d e e p l e a r n i n gp e r i o dm i l e s t o n e o fm a c h i n e l e a r n i n g s ys t e m ㊃55㊃第20卷第4期张菲菲等:基于机器学习的钻井工况识别技术现状及发展Copyright ©博看网. All Rights Reserved.1.2 机器学习模型项目流程图3 机器学习项目流程F i g .3 T h e p r o j e c t f l o wf o rm a c h i n e l e a r n i n g机器学习在工程中作为一种快速分类工具,能够处理更复杂和不确定性更强的数据,从而大幅降低对误差㊁噪声和干扰的敏感度,最大程度地实现数据驱动,减少人为干预,促进大数据化与智能化㊂按照图3中的机器学习项目流程,确定建立钻井工况识别机器学习模型的一般流程:①确定工况识别是多分类问题;②收集不同工况的钻井㊁录井数据,分析其时序㊁统计特征,进而设计模型的样本筛选㊁数据划分㊁模型选择以及模型评价标准;③提取有工况标注的㊁数据质量较好的样本数据,进行数据清洗;④利用专家经验和机器学习算法进行特征选择和处理;⑤选择较合适的一种或多种模型对提取的样本进行训练,反复调节模型的超参数,通过分类结果反向获取最佳性能参数;⑥利用验证集进行模型分类评价,选出分类效果最佳模型进行部署开启实际应用;⑦监控实际应用中表现出的模型分类效果,若不满足要求则进行模型重构和重训㊂2 钻井数据处理2.1 钻井参数分类表1 钻井工程主要钻井参数T a b l e1 T h em a i nd r i l l i n g p a r a m e t e r s i nd r i l l i n g e n g i n e e r i n g 系统传感器钻井参数旋转系统转速传感器转速扭矩传感器旋转扭矩循环系统流入传感器泥浆泵的入口流量流出传感器泥浆泵的出口流量泵压传感器立管压力 -钻井液入口密度 -钻井液出口密度 -钻井液电导率 -钻井液温度 -钻井液总池体积提升系统钩载传感器大钩载荷滑车位置传感器大钩位置计算系统-钻压 -钻速 -井总深度 -钻头深度钻井工程的监测通过钻机的4个传感器系统(旋转系统㊁循环系统㊁提升系统和计算系统)协作完成,通过传感器采集到的数据包含有大量的钻井信息,是判别钻井工况的重要依据㊂表1列举了4个系统的7大传感器㊁16个主要钻井参数㊂1)旋转系统包括顶驱电机和转盘,转动钻柱提供旋转动力㊂与该系统相关的传感器有:转速传感器和扭矩传感器,测量每分钟的转数和表面的旋转扭矩[68]㊂2)循环系统包括地面管道㊁立管㊁钻杆㊁钻铤㊁钻头喷嘴㊁裸眼和出油管㊁泥浆清洗设备㊁泥浆罐㊁离心预充泵㊁容积式主钻井泵[69],通过在井壁上建立压力平衡来保持井筒中裸眼段的稳定,清除岩屑并清洁井筒㊂与该系统相关的传感器有:流入/流出传感器和泵压传感器,测量泥浆泵的入口/出口流量㊁密度㊁电导率等和立管处的压力[68]㊂3)提升系统包括绞车㊁起重滑车㊁吊钩和吊卡㊁死绳固定器㊁钢丝绳和井架,将钻柱或其他必要设备从钻孔中取出[69]㊂与该系统相关的传感器测量有:钩载传感器和滑车位置传感器㊂钩载传感器读㊃65㊃长江大学学报(自然科学版)2023年7月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.取大钩的重量和负载,滑车位置传感器测量移动滑车和钻机地面之间的距离[68]㊂4)系统的参数由传感器读数计算得到:钻压计算为大钩载荷值中减去管柱重量;钻速计算为钻井作业期间钻柱移动的速度;井总深度计算为钻柱长度和地面标高与钻柱达到的最大值之间的距离;钻头深度是指当钻柱挂在吊钩上且未卡在钻台上时的钻柱长度㊂2.2 数据清洗传感器通常处于恶劣的工作环境中,采集的原始数据包含了大量的噪声㊁异常点,在测试曲线上表现为与钻井参数无关的统计起伏或毛刺干扰㊂针对这些问题,在钻井参数被分析前有必要清洗掉缺失值㊁噪声数据㊁离群点等,解决数据的不一致性问题,以便提供高质量㊁更有效的钻井数据信息,更好地建立工况识别模型㊂对于缺失率较低的数据可以根据已有数据分布进行填补,或使用无监督机器学习的K -最近距离邻法[70],将所有样本进行聚类划分,再通过划分种类的均值对各自类中的缺失值进行填补㊂而缺失率较高的数据直接剔除㊂对于噪声数据,应用最广泛的是小波降噪算法[71],通过多次对正常数据进行不同层次的噪声分解,再重构留下的正常数据,以得到除去了高频噪声且同时保留原始数据趋势特征的钻井数据㊂对于离群点,利用简单统计分析(箱线图㊁四分位点)㊁基于绝对离差中位数(MA D )㊁基于距离㊁基于密度㊁基于聚类等多种方法联合检测离群点避免错漏,发现后直接剔除㊂2.3 特征选择单一工况并非跟所有的钻井参数都相关,选择与当前研究工况相关的特征参数作为工况判定依据,首先通过统计特征分析㊁时序特征分析对钻井参数进行初步过滤㊂统计特征分析是通过计算不同工况所有录井数据的均值和标准差㊁最大值㊁最小值㊁数量㊁分位数等统计描述进行特征选择;而时序特征分析是通过探究不同工况下钻井数据随时间变化趋势差异进行特征选择㊂统计特征分析㊁时序特征分析可以衍生出新的集成特征参数:特征加和㊁特征之差㊁特征乘积㊁特征除商,如钻头深度时序之差和大钩位置时序之差可展示出钻头的移动方向;井总深度与钻头深度之差可表征出钻头在井下的位置㊂初步过滤后可利用过滤法㊁包装法㊁嵌入法对钻井数据进行特征二次选择㊂过滤法按照特征相关性指标进行特征评分排名;包装法根据目标函数选择特征;嵌入法通过机器学习训练来确定特征的优劣㊂过滤法㊁包装法㊁嵌入法之间的特点㊁时间复杂度㊁过拟合程度差异以及算法示例如表2所示㊂过滤法计算量最小,运行时间最短,但包装法和嵌入法更精确,比较适合具体到算法去调整㊂当数据量很大的时候,优先使用过滤法;使用逻辑回归时,优先使用嵌入法;使用支持向量机时,优先使用包装法㊂表2 过滤法㊁包装法㊁嵌入法之间的差异T a b l e 2 T h e d i f f e r e n c e s a m o n g F i l t e r ,W r a p pe r a n dE m b e d d e d 方法特点时间复杂度过拟合示例过滤法不包含特定机器学习算法,是一种通用方法集计算时间比包装法快得多不容易过拟合相关性㊁卡方检验㊁方差分析㊁信息增益等包装法评估一个特定的机器学习算法,以找到最佳特征有许多特征的数据集的计算时间会很长过拟合的可能性高前向选择㊁向后消除㊁逐步选择等嵌入法在模型构建过程中嵌入功能,特征选择是通过观察模型训练阶段的每个迭代来完成的介于过滤法和包装法之间介于过滤法和包装法之间L A s s o 回归㊁弹性网络㊁岭回归等3 工况识别技术中机器学习的应用基于机器学习算法的钻井工况识别技术通过对钻井过程参数进行监测,保证钻井效率,减少各类损失,为实现钻井设备的自动化和钻井工程的智能化提供一些新的思路㊂本节将依次介绍在钻井工况识别㊃75㊃第20卷第4期张菲菲等:基于机器学习的钻井工况识别技术现状及发展Copyright ©博看网. All Rights Reserved.㊃85㊃长江大学学报(自然科学版)2023年7月中应用较广的四种分类器,分析基于B P神经网络㊁支持向量机㊁随机森林和深度学习的机器学习模型的原理㊁应用参数以及模型性能㊂3.1基于B P神经网络的钻井工况识别B P神经网络由R UM E L H A R T[7]在1986年提出,是目前训练神经网络最有效的算法之一,也是整个神经网络的核心之一㊂B P神经网络的特点在于设定期望误差,利用后向传递梯度搜索优化传播参数,将误差降到目标期望误差以下才停止迭代[72]㊂廖明燕[73]先使用三层B P神经网络进行工况分类再利用D-S证据理论进行融合决策,利用泥浆流量㊁大钩高度㊁立管压力㊁扭矩等15种特征参数来实现9种异常工况识别和正常工况识别;之后对比优化了算法的超参数㊁分析了异常工况的实际参数特征与专家经验的不同之处㊂但是识别模型只评估了训练数据的分类性能,没有进行交叉验证评估测试数据;异常工况实例数据也较少,只测试了其中5种工况㊂姜萌磊[74]将阈值法和B P神经网络算法融合得到工况识别模型,利用5个特征参数,实现了11个工况的实时识别,与钻井日报对比得到了94.7%的正确率㊂但是识别模型没有进行算法参数优化,特征值较少,训练数据也没有进行交叉验证㊂表3对比了基于B P神经网络钻井工况识别的不同模型特点㊁超参数㊁样本数量㊁特征参数㊁识别工况类型以及识别效果,主要区别在于算法超参数中的隐藏层节点个数和学习率㊂姜萌磊[74]模型识别的是机理并不复杂的常见钻井工况,样本数量也不大,且输入参数只有5个却要识别出10个工况,这种情况学习率就需要降低以得到更精细的输入参数分类阈值㊁容纳更大的分类阈值变化幅度[75];而隐藏层节点个数可以适当减小,防止出现过拟合问题㊂廖明燕[73]的模型输入层有15个参数且输出层是10个复杂的事故工况,隐藏层节点个数应适当提高,否则无法拟合参数与事故工况间的复杂关系;学习率应适当提高来加快模型的训练时间,以抵消输入层㊁输出层㊁隐藏层节点个数较大对训练时间的影响,但也不能过大会忽略很多分类阈值变化㊁降低识别效果[75]㊂学习率取值在0.01~0.9之间,最低的学习率得到的模型识别性能不一定最好,适当降低不应直接选择0.01;而适当增加但不能过大也不应自选为0.5,应当融合自适应优化学习率算法来得到更有效的工况识别性能㊂3.2基于支持向量机的钻井工况识别支持向量机(S VM)由C O R T E S等[24]在1995年提出㊂S VM最初是作为二元分类器开发的,但它扩展到使用 一对多 [76]或 一对一 [77]方法对于多分类问题时,只能通过构建多个决策边界来解决㊂其中 一对多 是指每种分类对其他所有分类进行决策边界构建[76];而 一对一 则是对任意两个分类之间构建决策超平面,若要分出n类则需要构建个决策超平面,这种方法准确率最高并且训练时间最短[77]㊂当支持向量机解决非线性分类问题时,先使用核函数将数据进行高维映射,再利用线性分类组合出边距最大化的最佳超平面[76]㊂S VM算法使用凹函数作为代价函数来实现局部最优解的排除从而得到全局最优解,对于稀疏样本数据算出的损失函数值也比较小,这些特点使得S VM算法建立的模型非常稳定且拥有高效的分类功能[78]㊂S E R A P I A O等[79]使用 一对一 多类S VM算法,选择了测井数据中的5个特征参数,学习了3784个真实测井数据,识别出了6种工况㊂由于钻井工况中的旋转钻进和滑动钻进㊁旋转划眼和倒划眼存在多个特征参数相似,使用 一对多 不能保证一个类与其他类之间实现良好的区分,所以使用了 一对一 分类方法㊂但是存在模型筛选出的特征值较少;识别模型的惩罚因子和核函数也没有进行调参来优化参数;起下钻和循环得到的测井数据较少,数据不平衡㊁分布不均匀;模型没有很好地分离旋转钻进和旋转划眼㊁滑动钻进和倒划眼或工具调整等问题,因此应该增加更多钻井特征参数来将其区分㊂E S MA E L等[80]将平均泥浆流量㊁平均大钩载荷㊁钻头测深㊁井眼测深㊁大钩位置㊁平均泵压㊁平均钻速㊁平均转速㊁平均扭矩㊁平均钻压㊁钻头测深和井眼测深的差值这12个钻井参数进行统计特征分析,计算了每个特征参数的22个统计特征参数,组合成242个特征集㊂特征数量优化结果显示使用特征排序中的前38个特征时有最佳精度㊂之后,E S MA E L等[81]对支持向量机模型进行了调参优化,并对比了人工神经网络㊁规则归纳㊁决策树和朴素贝叶斯算法㊂实例结果显示支持向量机和规则归纳的Copyright©博看网. All Rights Reserved.精度较高,而朴素贝叶斯的分类效果最差㊂但是只给出了前15个的特征参数,也没有解释这些钻井参数统计特征值的意义,也没有总结分析每种工况对应的特征参数区别;在实例中证明了38个特征训练出的识别模型比242个特征的精度提高了10%,但是没有给出具体识别的工况类别㊂表3 基于B P 神经网络的不同模型特点及超参数对比T a b l e 3 T h e c o m p a r i s o no f c h a r a c t e r i s t i c s a n dh y p e r pa r a m e t e r s o f d i f f e r e n tm o d e l sb a s e do nB PN e u r a lN e t w o rk孙挺等[82]与上述三个模型相比,多筛选出了钻速㊁大钩高度㊁扭矩㊁出口排量这4个特征参数,多分类出了接力柱㊁下钻㊁下油管和钻塞工况,并通过对比线性㊁多项式㊁径向基和两层感知器这四种核函数识别结果优选了核函数为径向基核函数,利用交叉验证筛选了最优化参数,最终得到的识别模型测试集准确率为95%㊂但是特征值较少;训练及优选对比数据集也比较小,每种工况只有100条数据;并且实例应用只是进行了时效统计,没有对比钻井日报作业描述进行实例应用效果评价㊂表4对比了基于支持向量机的钻井工况识别钻井工况识别的不同模型特点㊁超参数㊁样本数量㊁特征参数㊁识别工况类型以及识别效果,主要区别在于算法超参数中的惩罚因子和特征参数个数㊂惩罚因子C 越大,模型对数据越包容㊂但包容越大可以使模型学习到越多的该工况的钻井数据,同时也会造成两种甚至于多种工况之前的边界重合㊁分类界限模糊,所以惩罚因子一定要根据识别正确率来进行调参优化㊂而特征参数个数也同样不是越多越好,过多的特征参数不止会增加模型训练和优化的时间,造成计算资源的浪费;同时也会混淆机器学习的视线,造成过拟合的结果㊂3.3 基于随机森林的钻井工况识别随机森林由B R E I MA N [83]在2001年提出,通过建立不同的自举数据集,在树的每个节点用随机的特征样本来构造多个决策树,避免了决策树[84]算法高误差㊁高方差和过拟合的问题㊂随机森林算法也可以通过计算决策树中给定输入变量的拆分引起的熵损失,反映出特征重要性进而优化模型的特征筛选㊂㊃95㊃第20卷第4期张菲菲等:基于机器学习的钻井工况识别技术现状及发展Copyright ©博看网. 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绪论单元测试1.勘查地球化学的测量主要以（）为主。
（）A:元素的同位素性质B:元素所在的矿物C:元素所在的晶格D:元素的含量答案:D2.Geochemical landscape是指（）A:地球化学景观B:地球化学背景C:地球化学事件D:地球化学异常答案:A3.下列可能被用于勘查地球化学采样的地表介质是：（）A:植物或气体B:岩石C:冰积物D:铁帽答案:ABCD4.勘查地球化学除了用于找矿，还可以用在（）等方面。
（）A:畜牧业B:农业问题C:解决环境污染问题D:地方病答案:ABCD5.地球化学勘查也包括：（）A:陆地地球化学勘查B:深部地球物理勘查C:海洋地球化学勘查D:航空地球化学勘查答案:ACD6.下列哪些属于水系沉积物样品的前处理过程？（）A:混合与缩分B:干燥C:粉碎与过筛D:加碱答案:ABC7.勘查地球化学也叫地球化学勘查，地球化学勘探，地球化学找矿，地球化学测量，地球化学调查，也简称化探。
（）A:对B:错答案:A第一章测试1.地球化学元素分布具有非均一性体现在：（）A:不均一性主要是岩浆演化的不均一造成的。
B:元素的时间尺度上的分布具有非均一性C:元素的内禀地球化学特征决定了元素的分布非均一D:元素在空间尺度上的分布具有非均一性答案:BCD2.如何全面深入地进行异常评价,更快更准确的发现有利成矿靶区，需考虑：（）A:地球化学异常本身的特征B:成矿地球化学环境C:成矿地质条件D:成矿物质来源答案:ABCD3.地球化学异常的形成主要是由于元素的集中与分散的结果，究其原因有以下各点：（）A:成矿作用B:非矿化的其他地质作用C:其他地球化学研究中造成的（如采样、样品加工及分析等）D:非地质作用，如人为的干扰与污染等答案:ABCD4.下列说法正确的是：（）A:根据地球化学异常在数值上是高于或低于背景分为：大异常和小异常B:根据地球化学异常在数值上是高于或低于背景分为：正异常和负异常C:岩石地球化学异常、土壤地球化学异常、水文地球化学异常都属于不同赋存在不同介质中的地球化学异常D:根据异常与其赋存介质形成的相对时间关系可以分为同生异常和后生异常。
颗粒流数值模拟在月壤岩土问题研究中的应用概况林呈祥;凌道盛;钟世英【摘要】总结颗粒流数值模拟在月壤岩土问题研究中的应用,取得的主要成果:考虑粒间作用力及低重力的影响对月壤颗粒接触力学模型进行修正;确定模型的细观参数及其对宏观力学性质的影响;利用"Clump"命令生成颗粒簇对月壤/模拟月壤的颗粒形状进行模拟;进行月壤基本力学性质的模拟研究及其与地面土壤的对比研究;分析月面低重力场对月壤-车轮相互作用机理及牵引性能的影响;进行月壤基本岩土工程问题的模拟仿真及数值耦合分析.随着计算机技术的发展,选择合适的颗粒接触模型,考虑月壤颗粒的实际形状和低重力场等的影响,耦合其他数值模拟方法实现多尺度模拟分析是今后对月壤岩土问题进行颗粒流数值模拟研究的主要方向,也是技术难点所在.【期刊名称】《浙江大学学报（工学版）》【年(卷),期】2015(049)009【总页数】13页(P1679-1691)【关键词】月壤;颗粒形状;月壤岩土问题;离散元法;颗粒流数值模拟;接触模型;月面车辆力学【作者】林呈祥;凌道盛;钟世英【作者单位】浙江大学软弱土与环境土工教育部重点实验室,岩土工程研究所,浙江杭州310058;浙江大学软弱土与环境土工教育部重点实验室,岩土工程研究所,浙江杭州310058;浙江大学软弱土与环境土工教育部重点实验室,岩土工程研究所,浙江杭州310058【正文语种】中文【中图分类】TU443月球作为距离地球最近的天然空间站，是深空探测的重要中转站.月球探测是人类走向深空的第一步，也是世界各航天大国的优先开展课题.月球上没有液态水，也没有生物作用的迹象，昼夜平均温差为260℃.月球大气层极其稀薄，属于超高真空状态；月球表面的重力加速度约为1.62 m／s2，仅为地球表面的l／6.月壤是覆盖月球表面的一层结构松散、颗粒细小、厚度达数米的风化层物质，是月球探测的主要研究对象和载体，自1969年人类实现首次登月以来，共带回月壤样品382 kg［1］.鉴于月面环境和地面环境存在显著差别以及真实月壤的稀缺性，使得在地球上针对月壤物理力学特性的实验研究存在诸多局限，数值模拟是一个研究月壤岩土问题的有效可行的办法.Cundall［2］在20世纪70年代初基于分子动力学原理提出的离散元法（discrete element method，DEM）是研究月壤这类本质为非连续体颗粒材料力学性质的重要数值模拟手段，其基本思想是把非连续体视为离散单元的集合，通过时步迭代求解出各单元的运动方程，继而得到非连续体的整体运动形态［3］.离散元法具有计算速度快、存储空间小、重复性强等特点，近年来已被逐渐应用到土体渗透破坏、液化变形以及剪切带形成等非连续变形的问题研究.DEM中应用较广的为颗粒流（particle flow code，PFC）数值模拟，在计算过程中能对颗粒的排列状态、接触力链、位移场等实时记录并提取，并能形象直观地反映出速度场、位移场以及力场等力学参量的变化情况，在求解大变形、非线性等复杂问题中具有独特的优势［4］.采用离散元法研究月壤的基本物理力学特性以及对月球探测器与月壤间相互作用的数值模拟正成为月壤岩土工程领域中一个新兴的研究方向［5］.随着探月工程的不断开展，深入研究月壤力学特性、改善探测设备性能以及优化探测方案等是几大亟须解决的重要课题，颗粒流数值模拟也正不断地被应用到这些课题的研究中.本文针对颗粒流数值模拟在月壤岩土问题研究中的应用，总结国内外学者的主要研究成果与结论，并对现有研究存在的问题、下阶段的发展方向及其应用前沿与技术难点等问题进行评述.月壤是一层覆盖在月球表面厚度达数米的松软风化物，颗粒细小且结构松散.阿波罗探月计划地面接收部门在对月球样品进行分类时把直径小于1 cm的颗粒定义为狭义上的月壤［1］.月壤的形成过程主要受到3个因素影响：陨石和微陨石的撞击、宇宙射线和太阳风粒子的持续轰击以及大幅度昼夜温差导致岩石热胀冷缩从而破碎.月壤在不断熟化的过程中主要受陨石和微陨石的撞击影响，机械破碎起着主导作用［6-8］.月壤颗粒包括矿物碎屑、原始结晶岩碎屑、角砾岩碎片以及各种玻璃体和胶结物，颗粒属多棱角、多气孔结构，颗粒表面凹凸不平且较为粗糙；颗粒形态各异，差别很大，从球形到尖锐棱角状都有分布变化，主要形状有棱角状、次棱角状和长条状等［9-11］.真实月壤极其珍贵稀少，而与探月工程相关的模型实验需要大量的基床材料，因此，与真实月壤具有相似矿物组成成分和物理力学特性的模拟月壤便取代成为地面实验研究的主要载体［12］.目前，模拟月壤主要有美国的MLS-1、JSC-1、MLS-1A和JSC-1A［13-15］，日本的FJS-1、MKS-1、FJK-1［16］，我国的CAS-1［17］、TJ-1［18］以及吉林大学模拟月壤［19］等.随着探月工程的发展，新的模拟月壤也正在不断地被研制出来，如NAO-1［20］、NU-LHT-2M［21］、GRC-3［22］和BP-1［23］.作为探月工程的基础研究内容，月壤及模拟月壤的基本物理力学性质一直以来都是国内外学者的研究重点.近年来，不少学者开始针对“原位月壤”的力学特性进行假设研究.从颗粒的粒径分布来看，月壤类似于地球上的干粉砂［24］，但与砂土颗粒几乎没有黏聚力这一力学性质明显不同.研究表明：月壤的内摩擦角约为25°～50°，黏聚力大小在0.26～1.80 k Pa左右［1］；稳定的颗粒孔隙、土壤的结块现象、人类登月留下的足印以及垂直沟壁的存在等情况都表明月壤具有黏聚力，且其值偏大［25］.对模拟月壤的实验研究也表明：在高温、真空环境下，其内摩擦角和黏聚力的值比在常规地球环境下大13°和1.1 kPa左右［26-27］.Chang等［28］认为在低重力、低气压等月面环境的表面力（主要为分子间的范德华力）是月壤黏聚力的主要来源.Perko等［29］认为土体颗粒间的表面力受到其表面吸附的气体分子的影响，并提出了颗粒表面清洁度（surface cleanliness）的概念.颗粒表面清洁度的大小受到温度、气压等环境因素的影响，与吸附气体分子的厚度成倒数关系.与地球环境下的砂土明显不同，在月球超高真空环境下，月壤颗粒表面几乎没有吸附气体分子，颗粒表面清洁度很高，颗粒间存在较大的表面力作用，从而导致月壤具有一定大小的黏聚力.这些月壤（模拟月壤）的物理力学数据为颗粒流数值模拟的参数选择提供了参考，也为模拟结果的准确性评判提供了依据.2.1 颗粒流数值模拟计算原理在颗粒流数值模拟中，在颗粒单元上应用牛顿第二运动定律，在颗粒接触上应用力-位移法则，实现循环计算［30-31］.如图1所示，颗粒间的接触力F可分解为法向接触力和切向接触力：式中：F n为法向接触力，方向沿两颗粒圆心的连线；F s为切向接触力，方向与两圆心的连线相垂直.法向接触力一般只承受压力不承受拉力，大小随颗粒间重叠量的增大而线性增大，计算公式为式中：K n为法向接触刚度，U n为颗粒间的重叠量，n为接触单位法向量.若Un≤0，则颗粒间不存在接触力，切向接触力则以增量的形式计算：式中：为某一时步开始时的切向接触力，ΔF s为一个计算时步中切向接触力的增量，由下式计算：式中：K s为切向接触刚度，ΔU s为计算时步内接触位移的切向增量，v s为接触速度的切向分量，Δt为计算时步.颗粒的运动情况由颗粒上某一点的线速度与角速度来描述，分别由作用于其上的合力和合力矩来决定，如下式所示：式中：F为作用在颗粒上的合力，m为颗粒质量，x为颗粒的位移矢量，为颗粒加速度，g为重力加速度，M为作用在颗粒上的合力矩，为角动量.颗粒间的法向／切向接触刚度可以根据颗粒的自身刚度以及接触力学模型来确定.在对月壤岩土问题的颗粒流数值模拟研究中，一般直接采用软件自带的线性接触力学模型，颗粒间的法向接触刚度K n和切向接触刚度K s分别由下式计算得到：式中：、分别为两接触颗粒A、B的法向刚度，分别为两接触颗粒A、B的切向刚度.2.2 对接触力学模型的修正对月壤岩土问题进行数值模拟研究，可以对颗粒的接触力学模型进行简化.如图2所示，将颗粒的线性接触力学模型简化为弹簧-阻尼系统，并引入非张力连接模块和库仑摩擦模块，K n、K t分别为颗粒i和颗粒j间的法向、切向弹性系数，C n、C t分别为两颗粒间的法向、切向阻尼系数，μ为颗粒间的摩擦系数.月壤在特殊环境（低重力场、高真空度以及强辐射等）下具有和地球土壤不同的力学特性，对颗粒接触力学模型的修正是对月壤岩土问题进行颗粒流数值模拟研究的一项重点内容. Change等［28］指出：在月球环境下，范德华力是月壤颗粒间的主要作用力，在研究月壤抗剪强度时须考虑范德华力的影响.模拟研究结果表明：颗粒间的范德华力能使试样的抗剪强度提高12%～15%.如图3所示，用2个半径分别为R A、RB的圆球表示月壤颗粒，圆球的接触面为一个半径为a的圆面，单个颗粒表面吸附了厚度为t的气体分子，两颗粒的间距D＝2t.颗粒间的范德华力F v一部分来自于颗粒接触平面f 1，另一部分来自于颗粒剩余部分的相互作用f 2，作用方向为两接触颗粒球心的连线方向，其大小为式中：A为Hamaker系数，对于月壤，A≈4.3× 10－20 J［29］.郑敏等［32］在月壤颗粒的接触力学模型中加入范德华力来模拟研究月面环境的影响.对双轴压缩实验的模拟结果表明：颗粒间范德华力对试样的应力-应变关系曲线有显著的影响，能明显提高试样的峰值强度；在加载剪切过程中，试样的体变、颗粒平均配位数均受到颗粒间范德华力的影响.Jiang等［33-35］为模拟研究“原位月壤”的力学性质，提出一种简单、高效的月壤颗粒接触力学模型，不仅加入了颗粒间范德华力（WF）的作用，也加入了颗粒间的抗转动作用，考虑了颗粒形状特性及相互咬合作用的影响.如图4所示，将月壤颗粒简化为2个圆盘，其间的接触力由3个部分组成：法向接触力、切向接触力以及转向接触力，并都包含范德华力的作用［35］.加入范德华力后，切向接触力仍然以增量的形式表示（见式（3）），法向接触力的表达式为颗粒间抗转动力矩的简化表达式为式中：θ为两颗粒的相对转角，θ0为临界相对转角，β为颗粒的形状系数，r 0为两颗粒的平均半径.Li等［36］在模拟研究月壤与车轮相互作用特性时在颗粒的接触力学模型中加入了静电力作用，并考虑了月面的低重力环境影响.对于一个半径为R p的球体颗粒来说，其受到的静电力大小为式中：Q p为颗粒的电荷量，E为颗粒周围的电场强度，Eγ为太阳光谱能量，e为元电荷，W p为颗粒的功函数，ε0为真空电容率.在月面低重力场的作用下，颗粒所受到的重力大小为式中：g m为月球重力加速度大小，m和ρ分别为颗粒的质量和密度.考虑静电力和低重力作用后，月壤颗粒的牛顿第二运动定律方程为式中：、M ij分别为颗粒j作用在颗粒i上的力和力矩，、分别为颗粒i受到的重力和静电力，mi、v i、w i、Ii分别为颗粒i的质量、速度、角速度和转动惯量.3.1 模型细观参数的确定在颗粒流数值模拟中，模型的主要参数大致可以归纳为2类：1）表征试样几何大小及实验条件的物理参数；2）表征颗粒及其接触力学模型等的细观参数.物理参数的值一般可根据实验的实际情况来直接确定，而细观参数则不能.颗粒接触力学模型中的主要细观参数包括颗粒间的摩擦系数、颗粒刚度、初始孔隙率、粒径分布以及阻尼比等.选用适当的模型细观参数值是进行颗粒流数值模拟的先决条件，对模型细观参数与宏观力学性质间的关联性进行定量研究正成为颗粒流数值模拟的一大热点.对三轴实验（3D时）／双轴实验（2D时）的模拟是确定模型细观参数的基本方法［37］.在对双轴实验进行模拟时，利用上、下2个刚性墙面来模拟试样的加载板，并通过伺服系统控制侧墙的移动速度来保持围压的恒定［30］.在模拟三轴实验时，侧墙则是一个圆柱体墙面，同样通过伺服系统来保持围压的恒定［31］.如图5所示为三轴实验的模拟示意图及颗粒试样在加载前、后的对比图［38］，其中，d为试样直径，h为试样高度，v p为加载速率.通过反复调整模型细观参数的输入，使模拟结果和实验结果尽可能地相吻合，从而确定模型各细观参数的值，进一步开展其他数值模拟研究.在调整模型的细观参数时，可得到各细观参数对宏观力学性质的影响概况.邹猛等［38］对三轴实验进行颗粒流数值模拟时得出各细观参数对月壤静力学特性的影响，模拟结果表明：随着摩擦系数的增大，峰值应力明显增大；随着颗粒接触刚度的增大，峰值应力略有增大；随着孔隙率的增大，峰值应力反而减小.3.2 对颗粒形状的模拟在颗粒流数值模拟中，软件自带的颗粒单元（在PFC 3D中为球体，在PFC 2D中为圆形）和月壤颗粒的实际形状差别很大，用自带颗粒单元计算出的试样内摩擦角普遍较低.为了让模拟结果能最大程度地接近实际情况，有时需要把颗粒间的摩擦系数调到一个不甚合理的值.为了提高颗粒流数值模拟的精度，并揭示颗粒形状特性对宏观力学性质的影响规律，越来越多的学者开始对月壤／模拟月壤颗粒的实际形状进行模拟.在颗粒流数值模拟中，可以用椭球形（体）、多变形（体）等对颗粒形状进行简化模拟；随着计算机计算能力的提高，模拟颗粒实际形状是必然趋势.Li等［36］根据模拟月壤的颗粒形态，结合图像分析法和分形几何理论得出模拟月壤颗粒的分形维数为1.098，并且不同粒径大小的颗粒存在自相似行为.根据模拟月壤试样的粒径生成一个中心单元圆，在保持圆心位置不变的情况下使中心单元的半径缩小，根据异形颗粒的实际形状特征指数值，采用单元重叠法构建几何模型，即在中心单元周围用“Clump”命令叠加上不同数量的小半径棱角单元来表示颗粒的棱角，最后生成典型形状的月壤颗粒模型［36］，如图6所示.R 0、R 1、R 2、R 3分别为中心单元O和棱角单元B 1、B 2、B 3的半径，（x 0，y 0）、（x 1，y 1）、（x 2，y 2）、（x 3，y 3）分别是对应的圆心坐标.Matsushima等［39］提出一种动态优化的算法程序来模拟实际月壤颗粒的复杂形状，以2D模拟为例，其基本思路如下.1）在被模拟颗粒的平面区间内随机生成一定大小的基本单元（在PFC 2D中为一个圆），一般情况下基本单元的大小比被模拟颗粒的小，并且其数量预先设定. 2）在颗粒区间表面均匀布置一组离散点，并假设离散点对基本单元有一种吸引力的作用，称为“虚力”.如图7所示，“虚力”的作用方向在基本单元圆心和离散点的连线上并指向离散点，其大小与离散点和基本单元间的距离成正比.当有多个基本单元时，每个离散点只对距离其最近的基本单元产生吸引力，如图7（c）所示.3）在离散点的“虚力”作用下，基本单元产生平移、膨胀（或收缩）等运动，并在阻尼作用下趋于平衡稳定.基本单元的最后构造就是对颗粒形状的模拟结果.当只有一个基本单元时，不管起始位置和大小，颗粒形状的模拟结果只有一个；而当有多个基本单元时，模拟结果并不唯一，会受基本单元初始位置和大小的影响.Matsushima等［39］提出一种“误差指数”来评判颗粒形状模拟结果的精确程度：式中：N为颗粒表面的离散点个数，R eq为被模拟颗粒同面积圆的半径，d l为第l个离散点与最近基本单元圆心的距离，rl为与第l个离散点最近的基本单元的半径.误差指数最小的模拟结果即为最优模拟结果.Matsushima等［40-42］把这种对颗粒形状的数值模拟方法扩展到3D中，对模拟月壤颗粒进行形状模拟，并对颗粒的流动实验进行颗粒流数值模拟，研究了颗粒间接触刚度、弹性系数、摩擦系数等细观参数对休止角形成过程的影响.如图8所示为不同形状颗粒流动实验的模拟结果对比图，可以看出，颗粒形状对休止角的大小有着显著影响［40］.承压特性和剪切特性是月壤的2个基本力学特性，可分别由压板实验和履带板实验测得，如图9所示为2种实验的示意图［38］.其中，Q为作用在压板顶端的集中荷载，p为压板下的平均法向压强，z为压板沉降量；q为作用在履带板上的均布荷载，F为水平拉力，τmax为最大抗剪强度.月壤承压模型的公式可表示为式中：E 0为压缩变形模量，l为变形指数.松软颗粒物体表面的剪切特性曲线被认为不存在峰值，月壤剪切模型的公式为式中：τ表示剪切应力，e＝2.718 28，r s为相对剪切位移，E s为剪切变形模量. 邹猛等［38］以月壤的承压特性和剪切特性为研究对象，分别对压板实验和履带板实验进行了3D颗粒流数值模拟研究，结果表明：模拟实验值和模型预测趋势一致.随着承载面积的增加，月壤所能承受的载荷相应增大；而随着孔隙率的变大，承压能力则相对减弱；根据模型公式计算得到：E 0＝1 635 k N／m l＋2，l＝1.22，E s＝1.35 cm.月壤颗粒中含有各种形状的多孔性胶结物，对胶结物的研究是月壤基本力学性质研究的重要内容.Somrit等［43］将撞击能量分配方程拟合到PFC 2D软件中，模拟了微陨石撞击月球表面时月壤颗粒在高热量撞击区内融合形成胶结物的过程.Tryana等［44］在颗粒间引入平行黏聚力作用，对月壤中的胶结物进行了颗粒流数值模拟（如图10所示），并建立单轴压缩实验的数值模型，研究结果表明：胶结物含量的不同对月壤的压缩特性会产生较大影响.Hasan等［45］对模拟月壤JSC-1A的三轴压缩实验进行了3D颗粒流数值模拟（如图11所示），研究了实验围压、试样密度以及环境重力等因素对模拟月壤抗剪强度的影响，并对原位月壤的力学性质进行了预测与讨论.蒋明镜等［46］对柔性边界条件下的双轴压缩实验进行颗粒流数值模拟，研究了地面环境（不含范德华力）与月面环境（含范德华力）对试样剪切带形成过程的影响.研究表明：在压缩过程中，含范德华力试样的峰值强度与残余强度都相对较高.2种试样的体变规律都是先剪缩后剪胀，到达峰值后都有一定的剪缩，但含范德华力试样的最终体变较小.剪切带的形成是试样内部应变局部化的结果，伴随着试样内部颗粒相对转动的局部化，月面环境对试样的破坏形式与性状（剪切带的倾角及厚度）有着显著的影响.5.1 月壤与车轮相互作用的模拟在月球探测中，探测器包括着陆器和月球车，分别实现月面着陆和巡视勘察，其中，月球车在探月工程中扮演着重要角色，是各种探测仪器的载体，其基本功能是实现在月球表面的行走.月球重力加速度、月壤的含水率为零等物理力学特性以及月壤结构的颗粒特性都会使月面的可通过性较差，容易造成车轮滑转从而降低月球车的行驶性能.月壤与车轮间的相互作用研究是月球车机构设计、分析和控制的关键，对研制出高行驶性能的车辆行走机构、保证月球车在月面正常行驶具有重要且不可替代的意义［47-49］.鉴于月壤的稀缺性，难以系统地在地面环境中直接进行力学实验研究，故能够模拟颗粒材料与结构相互作用的颗粒流数值模拟是研究月壤与车轮相互作用机理的常用手段.如图12所示为月球车车轮与月壤颗粒相互作用的示意图［50］，图中的圆形小颗粒表示月壤，车轮受到的作用包括扭矩（T）、重力（G）、牵引杆拉力（F DP）、竖向荷载（W）、竖向反力（F y）、总牵引力（F T）和牵引阻力（F R）等.其中，车轮的重力G可根据车轮单元的质量和重力加速度直接计算得到；车轮和月壤间的水平接触力总牵引力和牵引阻力分别由下式计算得到：式中：f x为单个月壤颗粒对车轮的水平向作用力，当作用力方向和车轮运动方向一致时，其方向为正，起牵引作用，用表示；反之，则为阻力作用，用表示.在平衡状态下，牵引杆拉力F DP等于净拉力，其大小为当F DP为正时，车轮处于驱动状态；当F DP＝0时，车轮处于自行推进状态；当F DP为负时，车轮处于制动状态.车轮的行驶性能（牵引滑移性能）可由滑转率（slip ratio）来描述：式中：v x为车轮的平均水平速度，r为车轮的外圈半径，ω为车轮的转动角速度.滑转率值的范围为0～1.0，数值越小，表示车轮的行驶性能越好.Jiang等［50-51］在月壤与车轮相互作用的模型中考虑了颗粒间抗转动作用和范德华力，模拟结果如下：1）相对于地面环境，在月面的低重力环境下土体更为松散，车轮在月壤中的下沉量更大，在行驶过程中更容易发生打滑，行驶性能相对较差，而减小车轮荷载对提高行驶性能作用不大；2）颗粒间的范德华力能明显提高月壤的剪切强度，这对车轮在月面上的行驶性能来说是有利影响，但其影响远不及在低重力环境下月壤土体围压大大降低对车轮行驶性能所产生的不利影响；3）当牵引杆拉力相同时，车轮在月面环境里行驶比在地球环境里具有更高的效率，牵引效率随着牵引杆拉力的不同先急剧增加后减小，当滑转率为22%时，牵引效率达到最大值（0.42）.高峰等［52-55］构建了一种可径向伸缩车轮，并在颗粒接触力学模型中加入静电力作用，对车轮与月壤颗粒的相互作用进行颗粒流数值模拟，研究了当月球车在月球表面行驶时月壤颗粒的细观力学及动态特性，研究结果如下：1）轮齿数的增加会减小土体阻力、增大牵引杆拉力，但所需的驱动力矩也随之变大，车轮的整体牵引效率反而降低；2）相比在地面上，月面环境下车轮底下颗粒的接触力网分布相对更加稀疏，但同一质量车轮的下沉量却相对偏小；3）土壤推力随滑转率的提高而增大，当车轮以高滑转率行驶时，土壤推力相对行驶时间的瞬态值高于稳态值；4）在同一滑转率下，模拟过程中车轮受到水平力比实际模型实验中或者地面环境下受到的水平力要小，车轮需要更小的牵引扭矩；5）轮齿截面的几何形状会影响车轮的牵引性能，在相同的行驶环境下，直角梯形轮齿车轮具有最佳牵引性能. 李建桥等［56-57］采用PFC 2D建立月壤-车轮土槽系统模型，就微重力条件下月壤颗粒间摩擦系数、孔隙率、重力加速度以及轮齿对月球车车轮牵引性能的影响进行了颗粒流数值模拟研究，主要模拟结论如下：1）挂钩牵引力随月壤颗粒的摩擦系数的增大而增大，当摩擦因数约为1.0时，牵引力增加趋于平缓；2）牵引力随孔隙率的增加而线性降低，随重力加速度的增大而增大，随粒径分布的增加先增加后降低；3）在月面环境下，当滑转率为20%时，驱动轮的挂钩牵引力约为地面上的77.3%；4）轮齿对刚性轮的牵引性能影响较大，在没有牵引阻力的情况下，有轮齿轮滑转率为0，光滑轮滑转率为1.8%.Kanamori等［58-61］以模拟月壤MKS-1的粒径分布及物理性质为参考，通过PFC 2D生成月壤颗粒试样及虚拟土槽.在不考虑颗粒间黏聚力作用的条件下，就低重力环境对车轮行驶中的切削阻力、车轮大小的优化配置以及车轮在斜坡上的行驶性能等问题的影响进行了模拟研究，主要研究结果如下：1）当竖向荷载相等时，。
吉林省长春市普通高中2024届高三质量监测（一）全真演练物理试题（基础必刷）一、单项选择题（本题包含8小题，每小题4分，共32分。
在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的）(共8题)第(1)题如图，地球赤道上的山丘e，近地资源卫星p和同步通信卫星q均在赤道平面上绕地心做匀速圆周运动。
设e、p、q的圆周运动速率分别为v1、v2、v3，向心加速度分别为a1、a2、a3，则（ ）A．v1＞v2＞v3B．v1＜v2＜v3C．a1＞a2＞a3D．a1＜a3＜a2第(2)题如图为交流发电机的示意图，线圈在转动时可以通过滑环和电刷保持与外电路的连接。
两磁极之间的磁场视为匀强磁场且磁感应强度大小为，单匝线圈的面积为电阻为，定值电阻的阻值为，其余电阻不计，交流电压表为理想电表。
线圈以角速度绕轴逆时针匀速转动，如果以图示位置为计时起点，则（ ）A．图示时刻电压表示数为B．通过电阻的电流瞬时值表达式为C．线圈从图示位置转过的过程中，通过电阻的电流平均值为D．线圈从图示位置转过的过程中，电阻产生的焦耳热为第(3)题近年来，我国遥感卫星领域进入快速发展期，2023年上半年，我国成功发射100余颗遥感卫星。
其中某颗地球遥感卫星发射过程如图所示，轨道为近地圆轨道、半径为（认为近地圆轨道半径等于地球半径），轨道为椭圆轨道，轨道为预定圆轨道、半径为，M、N两点为轨道间的相切点。
已知该卫星在轨道上运行的周期为T，引力常量为G，根据题干条件可知，下列说法正确的是（ ）A．地球的平均密度为B．地球表面的重力加速度大小为C．卫星通过轨道上N点的速率等于D．卫星在轨道上运行的周期大于T第(4)题地震引起的海啸会给人们带来巨大的损失。
某中学的部分学生组成了一个课题小组，对海啸的威力进行了模拟研究，他们设计了如下的模型：如图甲所示，在水平地面上放置一个质量为m=4kg的物体，让其在随位移均匀减小的水平推力（模拟海啸）作用下运动，推力F随位移x变化的图象如图乙所示，已知物体与地面之间的动摩擦因数为μ=0.5，重力加速度g取10m/s2，则（ ）A．运动过程中物体的最大加速度为15m/s2B．在距出发点3.0m位置时物体的速度达到最大C．整个过程中推力对物体做功180JD．物体在水平地面上运动的最大位移是10m第(5)题从“玉兔”登月到“祝融”探火，我国星际探测事业实现了由地月系到行星际的跨越。
