挑战杯 自然科学类 全国特等奖作品
2020-03-04 08:20:00 来源：范文大全收藏下载本文
` 环形交叉口通行能力的微观仿真研究
来源： 第十二届“挑战杯”作品 小类： 机械与控制
大类： 自然科学类学术论文 简介：
本文提出了一种研究环形交叉口通行能力的微观仿真方法。利用VISSIM仿真平台分析5个影响因素对通行能力的敏感性；选取敏感性高的因素来建立修正系数模型，并获得实际通行能力的改进计算公式；将其进行验证，并和现有的模型比较，结果表明其具有最小的相对误差，从而为环形交叉口规划、设计、管理提供科学依据。
详细介绍：
针对目前我国环形交叉口通行能力的研究相对滞后，不能客观评价城市交通系统的情况，本文选取北京市方庄环形交叉口作为研究对象，对其进行实地调研和调研数据处理、分析，并以此为基础，重点进行环形交叉口通行能力计算模型的修正。目前，项目进展顺利，已完成以下工作： 1.完成交通量调查辅助手机软件（android平台）的开发。 2.现状调查利用Google earth查找北京市区内的环形交叉口，并通过实地观察和综合比较，本研究小组选取了方庄环形交叉口，并于2010年8月24日——8月26日（周二至周四）对其几何数据、交通量（机动车、非机动车和行人）、车辆行程时间和地点车速进行调查，了解方庄环形交叉口的交通特性，为VISSIM仿真平台的搭建和验证、通行能力模型的建立以及后续的研究内容提供依据。 3.VISSIM仿真平台的搭建与校准首先利用部分实测数据搭建仿真平台，后利用剩余数据，以仿真画面、平均相对误差及最大相对误差为评价指标，通过调整四个驾驶行为参数来校准仿真平台。其中，正交试验法的运用，在保证实验准确性的同时，提高了效率。 4.通行能力影响因素的敏感性分析影响环形交叉口通行能力的因素主要有环岛半径等几何方面的因素和交通量等方面的交通因素。选择大车比例、左转比例、右转比例、主支路流量比例和环岛半径作为此次影响因素分析的对象。针对以上影响因素，利用“每次改变单一因素，仿真计算该条件下的通行能力”的方法，通过非线性曲线拟合分析各个因素对通行能力变化的敏感性。实验结果显示：东、西进口大车比例、左转比例和右转比例以及主支路流量比例对通行能力变化敏感性较高。之后，对拟合曲线之间相关性较高的因素进行合并，简化后续实验。 5.修正通行能力理论模型开发在比较各种环形交叉口理论通行能力模型的基础上，选取王炜的双环行车道时通行能力理论模型作为
1 基本通行能力模型。接着，通过改变上述敏感性较高的4个影响因素，进行了5184次VISSIM仿真实验，利用多元回归法得出通行能力修正系数，并提出修正后的通行能力模型。最后，对修正后的通行能力模型进行验证。 6.根据本文的研究思路开发环形交叉口通行能力辅助计算软件。 7.着手进行模型的实际运用，其中包括：环形交叉口运行评估和改造建议。
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撰写目的和基本思路：：
通行能力是进行道路交通理论研究的基础参数之一。本项目根据我国环形交叉口环内多车道、机非混行的特点，利用VISSIM仿真平台和统计模型分析五个影响因素对通行能力的敏感性。选取敏感性高的因素利用多元回归方法来建立实际通行能力的改进计算公式。验证结果表明建立的改进模型精度得以较大的提高。在此基础上开发环形交叉口通行能力分析软件，为环形交叉口规划、设计、管理以及进一步的路网交通诱导提供科学依据。
科学性、先进性及独特之处：：
1.考虑了国内典型的环内多车道情况。 2.充分利用计算机模拟可重复性、可延续性、弥补观测数据不足的优势，对不同交通条件下车辆进出环进行细致的模拟分析。 3.仿真平台参数标定中正交试验的运用，提高了效率，保证了结果的准确性。 4.利用经济学中常用的弹性系数对影响因素进行敏感性分析，有效跟踪通行能力在不同条件下的变化规律。 5.根据研究思路开发用户界面友好的环形交叉口通行能力计算辅助软件。
2 应用价值和现实意义：：
本作品针对环形交叉口的实际通行能力进行了研究，分析了大车比例、左转比例、右转比例、主支路流量比例等影响因素，建立了实际通行能力的改进模型。本研究有助于准确地估算环形交叉口通行能力，从而客观地评价城市道路交叉口。此外，本研究对于分析大车禁行、交通诱导等交通管制措施以及分离式专用车道等工程的效果具有重要的参考价值。 学术论文摘要：：
随着交通量的迅猛增长，环形交叉口已经成为城市路网的“瓶颈”，因此对其进行在一定服务水平条件下通行能力的研究刻不容缓。鉴于计算机模拟可重复性、可延续性的优势，本文针对国内常见的环内多车道环形交叉口，提出了一种研究其通行能力的微观仿真方法。利用实测数据进行VISSIM仿真平台的搭建和校准；对各进口分别利用“每次改变单一因素，仿真计算该条件下通行能力”并进行曲线拟合、计算弹性系数的方法，分析环道宽度、大车比例、左转比例、右转比例、和主支路流量比例和环道宽度五个影响因素对通行能力的敏感性；选取敏感性高的因素进行参数回归，建立修正系数模型，并获得实际通行能力的改进计算公式；将其进行验证，并和现有的模型比较，结果表明其具有最小的相对误差。根据模型开发了环形交叉口通行能力计算辅助软件，有助于便捷准确地估算环形交叉口通行能力。此外，对于评价大车禁行、交通诱导等交通管制措施以及分离式专用车道等工程的效果也具有重要的参考价值，从而为环形交叉口规划、设计、管理提供科学依据。 获奖情况：：
1.第九届“金士宣”杯创新能力竞赛一等奖（校级第一名） 2.2011年度“挑战杯”课外学术科技作品大赛自然科学类论文一等奖（校级第一名） 3.2011年度首都“挑战杯”课外学术科技作品大赛自然科学类论文特等奖 4.英文论文已投至(IEEE ITSC 2011)14th International IEEE Annual Conference on Intelligent Transportation Systems 鉴定结果：：
以上内容属实 参考文献：：
检索目录：中文关键词：环形交叉口 通行能力 仿真英文关键词：Roundabout Capacity Simulation 同类课题研究水平概述：：
环形交叉口通行能力的研究主要基于四类理论基础：交织理论模型；穿插及间隙——接受理论模型，如Tanner公式；反映环内车流量与入口通行能力关系的回归模型；最后一类是线性规划模型。 1.交织理论模型：交织理论认为车辆运行是通过交织行为来完成的，环形交叉口通行能力为通过交织段的最大通行流量。这种方法的原理为：计算交叉口通行能力时，各交织段交通量将以同比例增加，当某一交织段交通量增加到其通行能
3 力，认为该交织段已成为环形交叉口的瓶颈，此时的环形交叉口通行能力即为各入口道的交通量之和。 2.穿插间隙——接受理论模型：穿插及间隙——接受理论模型以进口车道能进入环形交叉口的最大流量反映环形交叉口的通行能力。其基本原理为：假定环形交叉口上仅有一条车道，当引道上的车流进入环形交叉口时，它需要与环道上车流进行穿插，只有当环道上的车辆之间的车头时距超过临界间隙时方能进入交叉口；否则，必须等待。 3.线性规划模型：考虑到环形交叉口疏导的结果是流出交通量，所以线性规划模型将求解整个环形交叉口通行能力的问题转换为多个约束条件下的求极值问题，即求各个出口流量之和的最大值。 4.回归模型：反映环形车流量与入口通行能力关系的回归模型是基于大量观测数据进行的回归分析模型。 5.综述 交织理论模型算法简单，参数及数据都相对容易测量，可以解决多岔路环形交叉口通过能力的计算。但是该方法只适用于引道上无因故停留的车辆，几何布局必须满足Wardrop公式使用条件，并且环道内的车辆不享有优先通行权的情况；穿插间隙——接受理论模型建立在严格的理论基础上，考虑了交通特征，有很强的适应性，适于车辆间隙较小、以穿插为主要通过方式的城市环形交叉口；线性规划模型虽然容易操作，但是只考虑了三个约束条件，而实际的交通环境却很复杂，而且约束条件的选取在一定程度上取决于研究者的主观判断，这样就失去了严谨性和准确性；线性规划模型利用整个环形交叉口的左、右转比例来计算通行能力，忽略了进口的左、右转比例不同对环形交叉口的通行能力的影响，得出不准确的结果；反映环形车流量与入口通行能力关系的回归模型不需要从理论上进行道路条件以及交通特性条件分析，适应性比较差。不同类型的交叉口回归模型很难统一，如果要使模型具有宽泛的适应性，就必须结合多条道路及多种交通条件进行大量的数据采集，目前我国还不具备这样的试验条件。
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异步电动机转子故障在线检测方法及装置
来源：第十二届“挑战杯”作品 小类：机械与控制
大类：自然科学类学术论文 简介：
项目首次将旋转不变技术（ESPRIT）与模拟退火算法（SAA）相结合应用于异步电动机转子断条故障在线检测。新方法仅需针对短时信号（1.1s），即可达到高频率分辨力，对故障分量的频率、幅值、初相角进行准确估计。适用于负荷波动、噪声等干扰严重情况下的异步电动机转子故障在线检测。克服了传统检测方法因需长时间采样数据而易受负荷波动等因素影响的缺点。并根据新方法制作了异步电动机转子故障检测装置。
详细介绍：
一、论文简介： 本文提出了一种基于旋转不变技术（ESPRIT）与模拟退火算法（SAA）的异步电动机转子故障检测新方法。首先通过仿真信号验证，指出ESPRIT算法对于短时信号具备高频率分辨力，可以准确计算转子故障特征分量以及其它分量之频率；但对诸频率分量幅值、初相角的计算欠缺准确性、稳定性。随后，引入SAA确定诸频率分量幅值、初相角，效果理想。进而，对一台Y100L-2型3kW异步电动机完成了转子故障检测实验。实验结果表明：基于ESPRIT与SAA的异步电动机转子故障检测方法是切实可行的，并且因仅需处理短时（1.1s）信号即可对故障进行准确、快速检测，而适用于负荷波动、噪声等干扰严重情况。
二、制作装置： 基于新方法制作出了异步电动机转子故障检测装置，已受理实用新型专利。检测装置由电流测试钳、信号采集卡和计算机组成。能够快速、灵敏、准确地对异步电动机转子故障进行在线检测。既体现了新方法在严重干扰情况下良好的故障检测性能，适用于负荷波动、噪声等干扰严重情况，又展示了装置本身优异的检测性能和推广应用前景。
三、创新点：项目首次将现代频谱估计领域中的旋转不变技术（ESPRIT）与优化算法中的模拟退火算法（SAA）相结合应用于异步电动机转子故障在线检测，这具有显著优势：
1、针对短时信号，亦可达到高频率分辨力；
2、在低信噪比等恶劣情况下，提供无偏谱估计；
3、对故障分量的频率、幅值、初相角进行准确估计。 基于以上的特点，本方法可以广泛应用于工程当中，适用于负荷波动、噪声等干扰严重情况下的异步电动机转子故障在线检测，具有广阔的市场前景。
四、支撑材料：
1、论文录用证明两份，其中一篇为中文核心期刊
2、推荐材料
5 五份：杨奇逊（中国工程院院士、北京四方继保自动化有限公司董事长）黄其励（中国工程院院士、国家电力公司东北公司总工程师）陈欣（河北省电机工程学会副理事长、河北省机械行业协会会长）裴建杰（高级工程师、河北省机械产品质量监督检验总站站长）石新春（华北电力大学教授、博士生导师）
3、实用新型专利受理书一份
4、应用证明一份
5、教育部科技工作站查新证明一份.
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作品专业信息
撰写目的和基本思路：
目的：寻求一种仅需短时信号，即可在负荷波动、噪声等干扰严重情况下对运行中的异步电动机转子故障进行灵敏、可靠检测的新方法，并制作相应装置。基本思路：提出基于旋转不变技术（ESPRIT）与模拟退火算法（SAA）的异步电动机转子故障检测新方法。对于短时信号即可准确计算转子故障特征分量之频率、幅值。对一台Y100L-2型3kW异步电动机进行转子故障检测实验，结果表明新方法切实可行，适用于干扰严重情况。 科学性、先进性及独特之处：
本文首次将ESPRIT与SAA相结合应用于异步电机转子故障检测，具有良好的频率分辨力和抗噪性能。相较于传统方法，新方法仅需针对短时信号（1.1s），即可达到高频率分辨力，对故障分量的频率、幅值进行准确估计，适用于干扰严重情况下的故障检测。 应用价值和现实意义：
已经根据论文中的新方法制作出异步电动机转子故障检测装置，该转置仅需处理短时信号（1.1s），即可快速、灵敏、准确地进行故障检测；该装置结构简单、操作方便且只需提取单相定子电流，能够快速、灵敏、准确地进行电机故障检测，既体现了新方法仅需针对短时信号即可达到高频率分辨力的特点，又展示了装置本身优异的检测性能和推广应用前景。 学术论文摘要：
6 本文提出了一种基于旋转不变技术（ESPRIT，Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Technique）与模拟退火算法（SAA，Simulated Annealing Algorithm）的异步电动机转子故障检测新方法。首先以转子故障仿真信号检验ESPRIT性能，结果表明：ESPRIT对于短时信号具备高频率分辨力，可以准确计算转子故障特征分量以及其它分量之频率；但对诸频率分量幅值、初相角的计算欠缺准确性、稳定性。为此，引入SAA确定诸频率分量幅值、初相角，效果理想。进而，对一台Y100L-2型3kW异步电动机完成了转子故障检测实验。实验结果表明：基于ESPRIT与SAA的异步电动机转子故障检测方法是切实可行的，并且因仅需处理短时信号而适用于负荷波动、噪声等干扰严重情况。 获奖情况：
1、论文《旋转不变技术及应用》被中文核心期刊（华北电力大学学报）录用
2、论文《基于改进ESPRIT算法的异步电动机故障在线检测》被《河北农机》录用
3、基于新方法设计制作的异步电动机转子故障检测装置已受理实用新型专利（201120199735.3）
4、2011年6月，在第十二届“挑战杯”省大学生课外学术科技作品荣获“特等奖” 鉴定结果：
教育部科技查新工作站（G03）鉴定为作品的创新点在国内公开发表的中文文献未见报道 参考文献：
[1]许伯强，李和明，孙丽玲，等．笼型异步电动机转子断条故障检测新方法[J]．中国电机工程学报，2004，24(5)：115-119． Xu Boqiang，Li Heming，Sun Liling，et al．A novel detection method for broken rotor bars in induction motors [J]．Proceedings of the CSEE，2004，24(5)：115-119 (in Chinese)． [2]张贤达.现代信号处理 [M].清华大学出版社, 2002.Zhang Xianda.Modern signal proceing [M].Tsinghua University Pre, 2002(in Chinese).[3]方芳, 杨士元, 侯新国.基于改进多信号分类法的异步电机转子故障特征分量的提取[J]．中国电机工程学报，2007，27(30)：72-76． Fang Fang, Yang Shiyuan, Hou Xinguo.Rotor fault feature extraction of motor faults of induction motor based on a modified MUSIC method [J]．Proceedings of the CSEE，2007，27(30)：72-76 (in Chinese)． [4]章勇高，将有缘，方华松，等．基于模拟退火算法的共模电磁干扰抑制技术[J]．电工技术学报，2008，23(6)：1-6． Zhang Yonggao，Jiang Youyuan，Fang Huasong，et al．Common mode EMI suppreion based on simulate annealing algorithm [J]．Transactions of China Electrotechnical Society，2008，23(6)：1-6 (in Chinese)． [5]许伯强，孙丽玲，李和明．笼型异步电动机转子断条数目诊断新判据[J]．中国电机工程学报，2009，29(6)：105-110． 同类课题研究水平概述：
7 目前，针对笼型异步电动机转子故障在线检测方法中，最常见的方法为定子电流信号检测。当笼型异步电动机发生转子时，其定子电流（瞬时输出功率）中均会出现相应的故障特征频率分量。因此，为了检测故障特征频率分量进而判断电机故障与否，发展出了一系列基于傅立叶频谱分析技术的转子故障检测方法。下面针对其中两种典型的方法进行介绍： ⑴ 自适应滤波法 自适应滤波法将信号滤波技术与傅立叶频谱分析技术结合，在采集定子电流信号后，首先利用自适应抵消处理方法抵消定子电流中幅值最大的工频分量，再对滤波后的信号进行傅立叶频谱分析，通过对故障特征频率分量的幅值估计实现在线检测电动机转子故障。 优点：从一定程度上解决了工频分量频谱泄漏对故障特征频率检测的影响。 缺点：仍需要较长数据采样时间以保证足够的频率分辨力，若电机拖动波动负荷时，在采样时段内定子电流波动以及噪声等因素会对故障检测造成影响；需采集定子电压信号，硬件电路复杂，检测装置的安装较为繁琐。 ⑵ 瞬时输出功率法 瞬时输出功率法是通过对电动机瞬时输出功率（定义为异步电动机定子相电压与相电流瞬时值的乘积）进行傅立叶频谱分析，对其中包含的故障特征频率进行估计后实现异步电动机转子故障在线检测。 优点：避开了定子电流中边频分量的检测，可以更好地突出故障；故障特征信息多、对采样分辨率要求较低。 缺点： 需要同时采集定子电流、电压信号，增大硬、软件开销和复杂程度。 综上所述，基于傅立叶频谱分析技术的异步电机转子故障检测方法由于受限于频率分辨力（采样频率/采样点数），需连续采集足够时长的电机信号方能保证频率分辨力足够高以切实分辨转子故障特征并判断转子故障与否。而在工程实际中，负荷波动、噪声等干扰是不可避免的，信号采集时间过长往往意味着引入这些干扰而影响傅里叶频谱分析结果，甚至恶化转子故障检测之性能。这是当前亟待解决的关键问题，本文即致力于此，这具有学术意义与实际应用价值。
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地铁列车在站停靠时间的建模及模型应用的研究
来源：第十一届“挑战杯”国赛作品 小类：机械与控制
大类：自然科学类学术论文 简介：
本文通过对地铁列车在站停靠时间相关影响因素的观测和分析，建立停靠时间模型，并利用所建模型，提出一套预测地铁在站停靠时间的方法，以及探究缩短停靠时间的措施，并通过仿真，证明措施的有效性。
详细介绍：
本文在理论分析和实地考察的基础上，对地铁在站停靠时间的影响因素进行分析，抓住主要因素，忽略次要因素，最终确定影响停靠时间的因素为：上车人数、下车人数、车厢内拥挤程度、上下乘客的相互干扰影响程度、车门数量、乘车时间段。接着采用类比公交车的方法，对各影响因素的相关性进行分析，得到停靠时间的理论模型。然后利用地铁站实地调查得到的平峰时段和高峰时段数据，对理论模型进行修正，采用线性回归的方法，建立地铁在站停靠时间的最终模型。而后，再次利用实地观察数据，对模型误差进行分析，计算结果显示，平峰时期模型误差为2%，高峰时段误差为5%。接着项目对模型的应用进行研究。首先，利用地铁在站停靠时间模型，提出一套预测停靠时间的方法，而预测所得时间可为地铁运营时刻表的编制提供基础数据；其次，对模型中一些参数的取值进行调整，并提出与其相对应的管理措施，缩短地铁在站停靠时间，在此基础上，利用仿真软件VISSIM对运用改进措施后的地铁停靠情况进行仿真，证明改进措施的有效性及其效果。
作品专业信息
撰写目的和基本思路：
作品以介绍地铁在站停靠时间模型及其运用为目的，首先对作品的研究背景、现状及意义进行阐述，接着分析地铁在站停靠的影响因素并结合实地调查，建立最终停靠时间模型。最后利用所建模型对其应用进行研究。 科学性、先进性及独特之处：
地铁在站停靠时间模型是在理论分析与实地调查两大基础上建立的，它具有科学性。除此之外，在国内外，对地铁的停靠时间研究较少，本项目就利用与公交车相类比的方法进行研究，从而体现了作品的先进性与独特性。
9 应用价值和现实意义：
作品有两大应用价值：首先，它可以预测地铁的在站停靠时间，从而为列车运营时刻表的编制提供基础数据；其次，通过对模型参数的分析，可提出缩短地铁在站停靠时间的措施。 学术论文摘要：
本文通过对地铁列车在站停靠时间影响因素的分析，并结合列车在站停靠情况的实地调查，运用线性回归方法，建立地铁列车在站停靠时间的模型。并利用该模型计算列车在站停靠时间以及探究缩短列车在站停靠时间的措施，同时利用仿真软件VISSIM对运用改进措施后的地铁列车停靠情况进行仿真，证明改进措施的有效性。 获奖情况：
本作品于2009年4月8日被《都市快轨交通》录用，并在近期发表； 2009年4月 本校第七届“金士宣”杯一等奖； 2009年5月 第四届全国交通科技大赛二等奖； 2009年6月 北京市第五届“挑战杯”比赛一等奖。 鉴定结果：
作品内容属实，且具有实际运用意义，符合课外学术作品要求。 参考文献：
[1] 韩宇，韩宝明，李得伟．地铁站乘客上下车效率因素影响分析．城市轨道交通研究[J]．2007 ,10（7）：43—46． [2] 彭庆艳，杨东援．公共汽车停靠时间研究．城市公交规划与管理[J]．2002 ,1（3）：27—29． [3] 吴叶，徐大刚．公交停靠站停靠时间特征分析．交通与运输[J]．2007 ,23（12）：78—80． [4] 郭四玲，韦艳芳，时伟等．公交车停靠时间的统计分析．广西师范大学学报[J].2006 ,24（2）：5—9． [5] Martinez I, Vitoriano B, Fernandez A, et al.Statistical dwell time model for metro lines.Urban Transport XIII: Urban Transport and the Environment in the 21st Century[C].Southampton, United Kingdom: WITPre,2007,223-232.同类课题研究水平概述：
从总体上看，国内外在“地铁在站在站停靠时间”方面的研究并不多见，但与之相关的内容有所涉及。 在国内，对地铁在站停靠时的影响因素有所分析，如韩宇等人撰写的《地铁站乘客上下车效率因素影响分析》，它从自然因素、社会因素、设备因素、个人因素对乘客的上、下车情况进行分析，但是未对各因素的主次关系以及相互之间的关系进行深入探究。除此之外，国内对地铁站的研究主要集中在地铁站的疏散水平评价与乘客进出站的仿真模拟分析，很少涉及到地铁在站停靠时间这一关键点。相反，与地铁有着很多相似性的另一种公共交通工具——公交车，对它的在站停靠时间的研究较为多见。 国外的情况与国内较为相似，对“地铁在站停靠时间”的研究也不多，在对地铁站的研究中，主要针对地铁的运营管理
10 组织以及对地铁站的运营仿真，如提出一些提高地铁整体运营效率的方法，加强地铁行车的安全的措施。而对公交车的在站停靠时间研究也有涉及。
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磁性铜离子印迹聚合物的合成与性能研究
来源：第十二届“挑战杯”作品 小类：能源化工
大类：自然科学类学术论文 简介：
随着废水污染日益严重和资源日益短缺，目前治理废水不仅要求“尽量去除各种污染物”逐渐转变为“尽量从废水中回收各种有用之物”。针对上述技术需求，采用表面离子印迹技术、溶胶凝胶与磁性分离技术耦合，合成了核壳结构磁性铜离子印迹聚合物。并通过IR、XRD等方式对其结构进行表征，采用静态吸附法研究了吸附容量、选择性因子等吸附性能。研究结果发表在二区期刊Ind.Eng.Chem.Res.杂志上。
详细介绍：
针对目前处理重金属废水主要是尽量去除各种重金属污染物，而不是尽量回收各种重金属的缺陷，本研究拟设计一种具有选择性去除和回收功能的新型材料，为废水中重金属处理提供一种新手段。为了实现上述目的，我们通过溶胶凝胶和表面印迹技术把离子印迹材料的高选择性和Fe3O4的磁分离性能有机结合，成功合成了新型磁性铜离子印迹聚合物（Cu (II)-MIIP）。红外、热重分析和XRD数据表明离子印迹聚合物成功地接枝到Fe3O4表面。激光粒度仪分析结果表明Cu (II)-MIIP尺寸主要分布在1.0 µm到10.0 µm。Cu (II)-MIIP饱和磁强度值为55.00 emu/g，该饱和磁强度值已经足够用于磁性聚合物的磁性分离。通过静态吸附实验得出吸附容量为58.20 mg/g，并且符合Langmuir吸附模型；Cu (II)-MIIP对于Zn (II)和Ni (II)的选择性系数分别是49.44和50.38，表现了高的选择性和印迹效果。重复五次后仍然保持较高的吸附容量，表明该磁性离子印迹聚合物具有较好的再生能力和稳定性。该磁性离子印迹聚合物与电解技术耦联，有望为重金属废水选择性去除和资源化提供了新途径。上述研究成果发表在中科院SCI期刊工程技术二区期刊的Industrial and Engineering Chemistry Research杂志上，并且申请中国发明专利1项，现已通过实审。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路：
针对目前处理重金属废水主要是尽量去除各种重金属污染物，而不是尽量回收各种重金属的缺陷，本研究拟设计一种具有选择性去除和回收功能的新型材料，为废水中重金属处理提供一种新手段。为了实现上述目的，我们通过溶胶凝胶和表面印迹技术把离子印迹材料的高选择性和Fe3O4的磁分离性能完美结合，成功合成了新型磁性铜离子印迹聚合物，并初步设计基于磁性铜离子印迹聚合物的废水处理新工艺。 科学性、先进性及独特之处：
1、采用的表面离子印迹技术，解决了本体印迹技术离子包埋深、传质阻力大、模板离子洗脱不完全的问题。
2、赋予离子印迹聚合物磁学性能，能够让这种吸附剂在溶液中迅速分离，克服了传统吸附剂离心和过滤繁琐的操作过程。
3、在处理重金属废水的同时能够选择性回收重金属，并将其与电解技术耦联，为重金属废水资源化提供了新途径。 据知，至今还没有关于在Fe3O4表面合成金属离子印迹聚合物的报道。 应用价值和现实意义：
将磁性铜离子印迹聚合物与电解技术耦合，能够使铜离子转化为铜单质，实现废水中贵重金属离子的资源化。磁性印迹技术不但提供了一种处理废水中重金属的新方法，而且还具有一定的广义性，不仅能运用于铜离子，也能运用于其他重金属，如Pb2+、Cd2+、Fe3+、Co2+等的分离。既能实现环境生态效益，又具有非常好的应用前景和一定的经济意义。 学术论文摘要：
A novel Cu (II) magnetic ion imprinted polymer (MIIP) was prepared via sol-gel method.The maximum sorptions calculated from the
13 Langmuir isotherm are 58.20 and 23.10 mg/g for Cu (II)-MIIP and magnetic non-imprinted polymer (MNIP), respectively.The kinetics studies showed that the adsorption proce obeyed pseudo-second-order kinetic model.The selectivity coefficients of the Cu (II)-MIIP for Cu (II) in the presence of Zn (II) and Ni (II) are 49.44 and 50.38, respectively.获奖情况：:
1、论文《Selective separation of Cu (II) from aqueous solution with a novel Cu (II) surface magnetic ion-imprinted polymer》已发表在美国化学会《Industrial and Engineering Chemistry Research 》（Ind.Eng.Chem.Res.2011, 50, 6355–6361）.
2、《磁性金属离子表面印迹聚合物的制备方法和应用》，申请中国发明专利,已通过实审，公开号,201010252060.4。
3、于2011年5月第十二届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛某省赛区获“一等奖”。 鉴定结果：无 参考文献：
[1] Andac M, Ozyapı E, Senel S, et al.Ind.Eng.Chem.Res, 2006,45(5):1780-1786.[2] Otero Romaní J, Moreda Piñeiro A, Bermejo-Barrera P, et al.Anal.Chim.Acta, 2008,630(1):1-9.[3] Hoai N T, Yoo D K, Kim D.J.Hazard.Mater, 2010,173(1-3):462-467.[4] Bi X Y, Lau R J, Yang K L.Langmuir, 2007,23(15):8079-8086.[5] Gao B J, An F Q, Zhu Y.Polymer, 2007,48(8):2288-2297.[6] Fang G Z, Tan J, Yan X P.Anal.Chem, 2005,77(6):1734-1739.[7] Wang X B, Ding X B, Zheng Z H.Macromol.Rapid.Comm, 2006,27(14):1180-1184.[8] Birlik E, Ersoz A, Acıkkalp E, et al.J.Hazard.Mater.2007,140(1-2):110-116.同类课题研究水平概述：
重金属是水和土地中最重要的污染之一，主要是通过一些工业废水排放到水环境中。目前，去除废水中重金属离子的吸附剂主要有壳聚糖、天然无机矿物、功能化的聚合物和碳纳米管等。这些吸附剂具有一些共同的缺点例如选择性差、重复使用性低。因此，急需发展一种具有较高选择性和重复使用能力的新型吸附剂。 分子印迹聚合物是一种对目标分子具有特殊识别能力的高分子材料，已经广泛应用于许多领域如固相萃取、色谱分离、薄膜分离、传感器等。离子印迹聚合物与分子印迹聚合物具有相似的原理，它的选择作用是基于配位基的特异性，如离子的配位结构、配位数、价态等。近年来，离子印迹聚合物已经被广泛报道。Andac等用羟乙基甲基丙烯酸酯-N-甲基丙烯酰氯-L-谷氨基酸作为配位单体成功地制备了铝离子印迹聚合物。Otero-Romaní等用2-(二乙基氨基)甲基丙烯酸乙酯作为功能单体制备了镍离子印迹聚合物，并且成功地应用于固相萃取技术检测海水中的镍离子。Hoai等用甲基丙烯酸和乙烯基吡啶为功能单体制备了多孔型铜离子印迹聚合物微粒。离子印迹聚合物的传统合成方法是
14 通过本体聚合、沉淀聚合和悬浮聚合来实现的，虽然具有较好的选择性，但由于离子被深深包埋在聚合物内部，存在吸附容量低，传质阻力大等缺点。 为了克服这些缺点，表面离子印迹技术是一种比较好的选择。近来，表面离子印迹技术引起了人们的广泛关注，由于其模板离子能够比较彻底的去除并具有较快的吸附速率。Bi等成功合成了铜离子表面印迹聚合物，用甘氨酸，甘氨酰替基氨酸和三甘氨酸作为配位基使之功能化，在不同pH值下该铜离子表面印迹聚合物对铜离子表现了高的吸附容量和选择能力。Gao等在硅胶球微粒上制备的离子印迹材料，对模板离子表现了突出的吸附和选择能力。Fang等利用表面印迹技术偶联溶胶-凝胶的方法制备了一种具有离子印迹功能的硅胶吸附剂，这种印迹吸附剂对铅离子的吸附表现出了优良的特性，如较强的耐酸性，以及较高的选择性，在铅离子痕量检测中获得满意的效果。 然而，大部分表面离子印迹聚合物都是在二氧化硅球体粒子的表面合成。如果以Fe3O4为载体将离子印迹聚合物修饰在其表面，这种材料不仅具有高的吸附能力，低的传质阻力和磁性分离的特点，而且将以一种既方便又经济的应用方式取代离心和过滤的过程。而据我们所知，至今还没有关于在Fe3O4表面合成金属离子印迹聚合物的报道。
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神经激肽受体拮抗剂对三种白血病细胞生长的抑制
作用及其机制研究
来源：第十二届“挑战杯”作品 小类：生命科学
大类：自然科学类学术论文 简介：
神经激肽受体是G蛋白偶联受体家族成员，其内源性配体在体内参与调节多种生理活动。本项目拟选用人慢性粒性白血病细胞K562，人急性粒性白血病细胞HL-60和小鼠红白血病细胞MEL来研究神经激肽受体拮抗剂SR4896
8、SR140333的抗肿瘤作用及作用机制探讨。该类拮抗剂作为抗肿瘤药物研究未见报道，由于神经激肽受体在某些肿瘤中高表达，而拮抗剂在体内有明确的结合靶点，有可能发展为一类新的抗癌药物。
详细介绍：
速激肽是一种在体内具有多种生理活性的神经肽，通过与体内的神经激肽受体结合而发挥一系列生理或病理调节作用。神经激肽受体是G蛋白偶联受体家族的成员,目前国际上药物研究常规靶点。近半个世纪的研究，神经激肽受体的拮抗剂已经从第一代、第二代具有较大副作用且易降解的肽类拮抗剂发展到了第三代具有高亲和性和高选择性的非肽类的化合物。其中的代表是由法国Sanofi-Synthelabo公司合成的SR140333（神经激肽受体1的拮抗剂），SR48968（神经激肽受体2的拮抗剂），该拮抗剂已经进入临床二期的治疗哮喘的研究。目前研究发现神经激肽受体在一些肿瘤组织（如乳腺癌和结肠癌）中的表达发生了明显的上调，而拮抗剂在体内有明确的结合靶点，因此我们设想拮抗剂是否具有抗肿瘤的作用？经文献检索发现目前仅有几篇报道SR140333在乳腺癌和结肠癌细胞的作用，还未发现文献报道SR140333对白血病生长的作用。也未发现关于SR48968对各种肿瘤，包括白血病生长的作用。而白血病又是一类严重危害人类健康的疾病，在儿童及35岁以下青年人中的死亡率中占第1位。因此本项目拟重点研究神经激肽受体的第三代拮抗剂SR140333和SR48968对三种白血病细胞的作用，并对其作用的机制进行初步的探讨。本文选用人慢性粒性白血病细胞K562，人急性粒性白血病细胞HL-60和小鼠红白血病细胞MEL为研究对象，研究SR140333和SR48968对三种白血病细胞生长的作用。通过MTT实验和光学显微镜观察发现SR48968和SR140333对三种白血病细胞均具有剂量
16 和时间依赖的抑制作用。SR140333对三种白血病的抑制作用强弱有选择性，其抑制效果明显没有SR48968对三种白血病的抑制效果强。通过Hoechst 33342荧光染色实验发现SR48968抑制白血病细胞的生长有可能是通过诱导细胞发生凋亡进行的。进一步通过流式细胞术分别检测细胞周期和细胞凋亡发现，SR48968主要是通过将白血病细胞阻滞在细胞周期的G0/G1期，同时诱导白血病细胞发生凋亡来达到抑制细胞增殖的效果。通过蛋白组学研究技术发现SR48968在抑制白血病细胞增殖和诱导其凋亡的过程中引起了部分蛋白出现了表达水平的上调或下调。本项目的研究结果将有助于进一步深入系统研究神经激肽受体与肿瘤发生、发展的关系，后续深入系统的研究将对临床肿瘤的诊治工作提供新的研究思路和研发新的抗癌药物。
作品专业信息
撰写目的和基本思路：
神经激肽受体的拮抗剂是目前国际上进行药物研究的常规靶点，而在一些肿瘤组织中神经激肽受体的表达明显升高，那么神经激肽受体的拮抗剂能否作为新型抗肿瘤药物？前期工作发现拮抗剂对白血病细胞生长有抑制作用，本项目以3种白血病细胞为模型，选用第三代神经激肽受体的拮抗剂SR48968 和SR140333，利用细胞生物学、分子生物学和蛋白质组学技术对神经激肽受体拮抗剂的抗癌作用及其作用机制进行初步探讨。 科学性、先进性及独特之处：
本项目是原始创新研究，未有文献报道相关抗肿瘤作用。神经激肽受体第三代拮抗剂SR48968对3种白血病细胞具有显著的抗肿瘤作用，作用机制可能是诱导细胞凋亡。 基础研究方面，可了解神经激肽受体与肿瘤发生发展的关系，在实际应用方面可开发为新一代的抗肿瘤新药。 蛋白组学研究找到的差异蛋白有可能成为临床肿瘤诊断和治疗中新的、潜在的靶点。 结果已申报国家专利2项，见附件。 应用价值和现实意义：
目前绝大多数常用化疗药物如：顺铂、5-氟尿嘧啶、博来霉素、长春新碱等，虽然有较好疗效却缺乏选择性抗肿瘤作用，因此化疗的毒副作用较大，不能使病人的治疗达到预期的效果。由于本项目研究重点SR48968为神经激肽受体的第三代选择性拮抗剂，分子量小，有明确的作用靶点，可提高治疗的灵敏度，减轻毒副作用。本实验如果成功，可能为临床肿瘤的治疗提供新的药物，减轻病人的痛苦，更好地达到治疗的目的。 学术论文摘要：
本文选用人慢性粒性白血病细胞K562，人急性粒性白血病细胞HL-60和小鼠红白血病细胞MEL为研究对象，研究SR140333和SR48968对三种白血病细胞生长的影响。通过MTT实验和光学显微镜观察发现SR48968和SR140333对三种白血病细胞均有抑制作用，且与剂量和时间呈正相关。SR140333对三种白血病的抑制作用强弱有选择性，且抑制效果明显没有SR48968对三种白血病的抑制效果强。通过Hoechst 33342荧光染色实验
17 发现SR48968抑制白血病细胞的生长有可能是通过诱导细胞发生凋亡进行的，进一步通过流式细胞术分别检测细胞周期和细胞凋亡发现，SR48968主要是通过将白血病细胞阻滞在细胞周期的G0/G1期，同时诱导白血病细胞发生凋亡来达到抑制细胞增殖的效果，通过蛋白组学研究技术发现SR48968在抑制白血病细胞增殖和诱导其凋亡的过程中引起了部分蛋白出现了表达水平的上调或下调。本文的研究结果将有助于进一步深入系统研究神经激肽受体与肿瘤发生发展的关系，后续深入系统的研究将对临床肿瘤的诊治工作提供新的思路和潜在的药物。 获奖情况：
1.获2011年省“大学生科技创新项目”支持。 2.2011年省“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛一等奖。 3.申报国家发明专利两项。 4.发表学术论文一篇。 鉴定结果：
拮抗剂SR48968显著抑制三种白血病细胞增殖，且效果强于SR140333。其抑制细胞增殖作用机制，可能是诱导细胞凋亡。蛋白组学分析药物处理前后有一百多个差异蛋白点，需要进行鉴定和功能研究。 参考文献：
[1] 郝希山.肿瘤学，2010，北京：人民卫生出版社.[2] Singh D, shi DD, Hameed M et al.Increased expreion of preprotachykinin-I and neurokinin receptors in human breast cancer cells: implications for bone marrow metastasis.Proc Natl Acad Sci U S A, 2000, 97:388-393.[3] Pennefather JN, Lecci A, Candenas ML, et al.Tachykinins and tachykinin receptors: a growing family.Life Sciences, 2004, 74: 1445-1463.[4] Fukuhara S, Mukai H, Kako K, et al.Further identification of neurokinin receptor types and mechanisms of calcium signaling evoked by neurokinins in the murine neuroblastoma C1300 cell line.J Neurochem, 1996, 67:1282-1292.[5] Pagán B, Isidro AA, Coppola D, et al.Effect of a neurokinin-1 receptor antagonist in a rat model of colitis-aociated colon cancer.Anticancer Res, 2010 , 30:3345-3353.[6] Huang WQ, Wang JG, Chen L et al.SR140333 counteracts NK-1 mediated cell proliferation in human breast cancer cell line T47D.J Exp Clin Cancer Res, 2010, 29:55.同类课题研究水平概述：
本项目选用人慢性粒性白血病细胞K562，人急性粒性白血病细胞HL-60和小鼠红白血病细胞MEL 三种白血病细胞为研究对象，研究神经激肽受体的拮抗剂（SR4896
8、SR140333）对白血病细胞生长的影响及作用机制的探讨。 神经激肽受体是G蛋白偶联受体家族的成员,有三种亚型，分别为神经激肽受体
1、
2、3,这些受体在体内分布不同。神经激肽受体的内源性配体为速激肽，目前已鉴定出40多种。 由于神经激肽受体的序列已
18 经明确，加之神经激肽受体的内源性配体速激肽在体内参与了多种生理活性的调节，因此神经激肽受体的拮抗剂目前已成为许多制药公司的研究热点。神经激肽受体拮抗剂的研究始于1965年，第一代拮抗剂从改变速激肽氨基酸入手，以右旋氨基酸取代的多肽，但其作用弱，选择性低，且有神经毒性和释放组胺的作用。第二代拮抗剂是在缩短肽链和化学修饰的基础上得到高亲和性、高选择性的短肽和环肽拮抗剂，但其口服的生物利用度低，代谢较快。 本项目选择的是第三代的神经激肽受体拮抗剂，是由法国Sanofi-Synthelabo公司研制的SR140333（NK1R的拮抗剂）和SR48968（NK2R的拮抗剂）。 SR48968是法国Sanofi-Synthelabo公司正在进行Ⅱ期临床研究的抗哮喘药物，同时也可能成为一个很好的抗抑郁药，但没有文献报道其具有抗肿瘤作用。 另外，通过在教育部科技查新工作站（Z09）：浙江大学图书馆进行科技查新后得出如下结论（附科技查新报告一份）： 1.中文文献中，已见SR48968等神经激肽受体拮抗剂在哮喘治疗中、在气道高反应性作用机制中、对炎症调节、对心血管功能影响等研究的文献报道。此外，有关于SR140333 通过阻断NK-1在体外培养的乳腺癌细胞系中发挥生长抑制作用的文献报道。 2.外文文献中，已见神经激肽受体2的拮抗剂SR48968在小鼠的成神经细胞瘤C1300细胞中对钙离子浓度的调节作用、对炎症调节、对结肠平滑肌反应中作用等研究的文献报道。此外，还见SR140333等其它神经激肽受体的拮抗剂在结肠癌、乳腺癌等肿瘤调节作用的文献报道。 3.未见神经激肽受体2的拮抗剂SR48968和神经激肽受体1的拮抗剂SR140333对白血病细胞作用的中外文文献报道。
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超材料电磁器件的设计
来源：第十二届“挑战杯”作品 小类：信息技术
大类：自然科学类学术论文 简介：
基于坐标变换方法，根据对电磁透明体性能的要求，建立了原空间和变换空间的坐标变换关系，使用解析方法导出了透明体介电常数和磁导率的表达式，仿真了其性能；基于逆数值方法，在不需要知道坐标变换的前提下，设计了任意形状的外斗篷、聚焦器、旋转器等器件，丰富了超材料电磁器件的设计方法；建立了二维超材料平面电磁透镜的LC网络模型，编写了相关核心程序，并通过仿真进行了证实，为设计复杂形状器件奠定了坚实的基础。
详细介绍：
超材料（Metamaterials）是最近出现的一个新的学术词汇，它是一种介电常数、磁导率可为正、零、负、无穷小或者无穷大的人工材料，它包括左手材料、零电材料、零磁材料以及其它极端电磁参数材料。它具有许多奇异的电磁特性，例如，负折射、完美透镜、逆多普勒效应等。超材料是国内外电磁学、材料科学、物理学研究的一个重要方向和热点，如左手材料的发现被《Science》杂志评为十大科学进展(2003年)，基于左手材料思想设计的梯度超介质实现电磁波隐形被《Science》杂志评为年度十大科技突破之一(2006年)，著名的杂志《Materials Today》将超材料与半导体一起列为过去50年材料科学研究的十大进展(2008年)，《Science》杂志将超材料列为过去十年的十大科技突破之一(2010年)。超材料是电磁学理论发展史上的重要事件，为经典电磁学理论开辟了崭新的研究空间，其重大的科学意义及巨大的应用前景对未来通信、雷达、国防、微电子、医学成像等科技和社会发展将产生极为重要的影响。 在超材料理论和实验研究中，设计超材料电磁器件是一个重要的研究方向，目前设计方法主要有三类： (1) 解析方法 解析方法最早是由Pendry和Smith等人提出的，他们首次用这种方法设计了电磁斗篷，自此之后，关于电磁斗篷的研究成果如雨后春笋般地出现，各种不同形状的电磁斗篷纷纷问世。同时，除电磁斗篷外，基于坐标变换的其它新型电磁器件相继被提出，例如，透明体、聚焦器、超散射体、超吸收体和外斗篷等。最近，我们设计了任意形状的电磁透明体，详细研究了其电磁性能，并探讨了其在天线保护中的应用。 用解析法设计电磁器件，必须根据原空间和变换空间的坐标转换关系求出雅克比矩阵，
20 并根据Maxwell方程组的形式不变性原理导出材料介电常数和磁导率的表达式。实践证明，这种方法具有很大的局限性，只有在已知原空间和变换空间坐标转换关系的前提条件下才能进行求解，并且对于模型边界不能用一个连续函数来表示的复杂电磁器件，则难以获得其材料参数的解析表达式。因此，探讨新的电磁器件设计方法具有重要的意义。 (2) 逆数值方法 2009年，胡进等人提出了通过求解拉普拉斯方程来设计电磁器件的逆数值方法，并基于此方法设计了电磁斗篷。最近，我们扩展了该方法，用逆数值方法设计了任意形状的外斗篷、聚焦器、旋转器等多种电磁器件，详细研究了它们的电磁性能，同时探讨了它们的应用前景。 与解析方法比较，采用逆数值变换法，不需要提前知道原空间和变换空间坐标转换关系，即可借助于偏微分方程的求解获得超材料电磁器件的介电常数和磁导率分布，极大简化了设计过程。 (3) 传输线法 2002年，Eleftheriades等人采用传输线实现了左手材料，此后，传输线法被大量使用，例如，Iyer等基于传输线结构研究了电磁聚焦现象，Itoh等提出另一类传输线实现左手材料的方法。最近，我们建立了二维超材料平面电磁透镜的LC网络模型，编写了相关核心程序，与现有基于ADS软件的设计方法比较，该计算方法具有速度快、扩展性强等优点。 作品的主要工作如下： (1) 基于变换光学的方法，导出了任意形状电磁透明体原空间和变换空间的介电常数和磁导率的表达式，并利用COMSOL软件作了全波仿真，证实了所设计电磁器件的性能。 (2) 基于拉普拉斯方程采用逆数值方法设计了任意形状的外斗篷、聚焦器、旋转器、移相器、超散射、超吸收等电磁器件，证实了该设计方法的有效性和通用性。 (3) 基于传输线理论，建立了二维超材料平面电磁透镜的LC网络模型，编写了程序，进行了仿真，实验工作正在进行。 我们相信本论文有助于超材料电磁器件的设计，并促进超材料理论和技术的推广应用。
作品图片
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作品专业信息
撰写目的和基本思路：
探究超材料电磁器件的设计方法，促进其理论、技术发展，并推广超材料电磁器件的应用是本作品撰写的目的。基本思路是对目前已有的三种超材料电磁器件设计方法进行改进和完善：将解析方法改进用以设计任意形状透明体；将设计电磁斗篷的逆数值方法扩展到多种电磁器件设计中；提出基于传输线的LC网络模型，编写计算程序。发表相关论文，并进行实验验证，掌握核心技术，为超材料电磁器件的设计和产业化发展奠定基础。 科学性、先进性及独特之处：
本作品分别采用解析方法、逆数值方法和传输线法设计超材料电磁器件，并在相关国际杂志和会议上发表了三篇论文，设计方法具有科学性。其先进性和独特之处在于提出的透明体设计方法适合于任意横截面形状；采用的逆数值方法适用于外斗篷、聚焦器等各种电磁器件；与现有基于ADS软件的设计方法比较，编写的二维超材料LC网络计算程序具有速度快、扩展性强等优点，更适用于计算大型复杂LC网络，具有实际应用价值和现实意义：。 应用价值和现实意义：
超材料电磁器件具有许多奇异电磁特性，其设计方法是近年研究的热点，本作品改进了电磁透明体的解析设计方法，使之适用于任意横截面形状；扩展了逆数值方法，设计了外斗篷、聚焦器等电磁器件，完善了电磁器件设计方法；建立了二维超材料LC网络模型，编写了程序，与现有基于ADS软件的设计方法比较，该计算方法具有速度快、扩展性强等优点。本作品具有极大的实际应用价值，进一步完善仿真方法和实验验证后，将有重要的现实意义。 学术论文摘要：
超材料是一种介电常数、磁导率可为正、零、负、无穷小或者无穷大的人工材料，它具有许多奇异的电磁特性，例如，负折射、完美透镜、逆多普勒效应等，利用超材料设计电磁器件是目前国内外研究的热点。本文分为三部分：第一，基于变换光学的方法，导出了任意形状电磁透明体原空间和变换空间的介电常数和磁导率的表达式，并利用COMSOL软件作了全波仿真，验证了所建立的电磁器件的性能；第二，基于拉普拉斯方程的数值解，采用逆数值方法设计了任意形状的外斗篷、聚焦器、旋转器等，并通过仿真证实了该设计方法的有效性；第三，基于传输线理论，建立了二维超材料平面电磁透镜的LC网络模型，并通过仿真进行了证实，实验工作正在进行。我们相信本论文有助于超材料电磁器件的设计,并促进超材料理论和技术的推广应用。 获奖情况：
本作品在2011年**大学学生课外学术科技作品竞赛中获得特等奖。本作品的部分研究内容已整理成英文论文，共3篇论文，发表情况如下：
1、
22 在国际会议3rd International Conference on Computer and Network Technology—ICSDDP（EI刊源会议论文）上发表，项目成员为第一作者。
2、被2011海峡两岸四地无线电技术研讨会（EI刊源会议论文）收录，项目成员为第一作者。
3、在Applied Physics A（SCI刊源期刊论文）上发表，项目成员为第四作者。 鉴定结果：
2011年6月，我们分别请昆明物理研究所苏君红院士和昆明通用智能科技有限公司高级工程师杨杰对本作品的意义、技术水平、适用范围及推广前景进行评价（详见推荐人信息）。专家认为，本作品具有创新性和推广价值。 参考文献：
[1] V.G.Veselago, The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of and [J].Sov.Phys.Usp, 1968(10):509-514.[2]J.B.Pendry, D.Schurig, and D.R.Smith.Controlling electromagnetic fields [J].Science, Jun.2006(312): 1780-1782.[3]D.Schurig, J.J.Mock, B.J.Justice, S.A.Cummer, J.B.Pendry, and A.F.Starr et al.Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies [J].Science, 2006(314):977-980.[4] Jonathan Wood,The top ten advances in materials science[J].materials today, 2008(11):40-45.[5] Huanyang Chen,C.T,Chan and Ping Sheng,Transformation optics and metamaterials[J],nature materials,2010(9):387-396.[6] Nikolay l.Zheludev, The Road Ahead for Metamaterials [J].Science,2010( 328):582-583.[7] Dubinov A.E., Mytareva L.A., Invisible cloaking of material bodies using the wave flow method [J].Physics – Uspekhi, 2010(53 ): 45551.[3]TRAN D A, HUA K A, DO T T.Zigzag: An Efficient Peer-to-peer Scheme for Media Streaming [C].Proceedings of IEEE INFOCOM 2003.San Francisco: IEEE Pre, 2003: 12832111.[5]刘亚杰，王晖，郭波.P2P流媒体数据调度研究综述[J].计算机应用，2008,28(4):829-831.[6]Qi Jiayin, Zhang Hongli, Ji Zhenzhou, et al.Analyzing Bittorrent Traffic Acro Large Network[C].Cyberworlds, International Conf erence, 2008 :7592764.同类课题研究水平概述：
P2P流媒体作为一种新型的流媒体服务架构，在近几年内引起了学术界和工业界的广泛重视，其技术也是最近几年热门的网络应用技术，有大量的研究机构和研究学者进行研究。其中，数据调度是P2P流媒体技术的核心问题之一，对其进行研究，具有一定的意义和价值。目前，在基于Goip协议的P2P流媒体模型中，已有一些对P2P数据调度策略的相关研究，主要有如下几种：（1）Random-Select调度策略是一个相对简单的P2P 数据调度策略，Chiansaw系统便采用此调度策略。这个策略可以在基于DONet的系统中使用，但是其性能不稳定，尤其是在异构的网络环境中。（2）Round-Robin调度策略被用在分层流媒体系统中。根据这种策略，按照比例分配所有请求的数据块到一个邻居节点。如果仅有一个邻居该算法适合用在静态的、同构的环境中。（3）Rarest-First调度策略是一种快速时间响应的启发式算法，它在CoolStreaming/DONet中被提出。该策略与Bit Torrent的下载策略相似。该策略有利于加快数据块在P2P网络中的扩散，促进负载均衡，提高系统的整体吞吐量；但由于没有考虑数据块的紧迫度因素，因此会产生较大启动延迟。此外，相关研究人员也针对具体的网络环境及其特征对上述调度策略进行了一些改进和优化，具有一定的效果，但也具有一定的局限性。
27
针织羊毛衫花纹设计三维建模及仿真
来源：第十二届“挑战杯”作品 小类：信息技术
大类：自然科学类学术论文 简介：
当前纬编针织物三维仿真的研究大多局限在单个的成圈组织、集圈组织、浮线和移圈组织。本文通过对成圈、浮线、集圈和移圈线圈三维模型的综合分析，采用粒子模型及弹簧质点理论和逻辑位理论方法，实现了这几种不同线圈之间的联动效应。并结合VC++和OPENGL混合编程技术，得到了所需要的针织羊毛衫花纹的三维仿真模型。使各种羊毛衫花纹效果的提前预览成为可能，对计算机仿真设计取代小样生产具有重大的现实意义。
详细介绍：
本项目从2010年8月份开始至今，我们组六名成员在指导老师的带领下，针对现阶段国内对纬编针织三维线圈模型的研究普遍存在的结构单
一、变化性不强等问题，在与企业合作的基础上，经过一年的科研攻关，运用逻辑位理论和参数化设计方法，提出了对成圈、集圈、浮线和移圈这几种基本线圈多因素综合分析的新思路，实现了各种线圈之间的混合联动。研究并开发出了适用于针织羊毛衫花纹设计的三维仿真系统。具体介绍如下：
1、羊毛衫小样的观测和分析。 在羊毛衫小样上机试织前，需要先确定羊毛衫线圈的圈距、圈高，各种基本线圈之间的组合情况和纱线颜色、粗细。羊毛衫小样试织完成后，通过对小样实物进行观测，在草纸上绘出小样各种线圈轨迹的三视图。
2、羊毛衫三维线圈模型的建立。 对根据小样在草纸上绘出的线圈轨迹进行数学分析，建立各种线圈在不同情况下的数学模型。并通过建立的各种线圈模型，分析这几种线圈之间组合时的内部关系和力学性能引起的变形，进而得到线圈之间联动的一般规律，建立组合线圈的联动模型。
3、研制一套具有较强实用性的针织羊毛衫三维仿真系统。 根据建立的各种线圈的联动模型，在OPENGL三维仿真平台上用程序语言实现这几种线圈的联动效果，完成针织羊毛衫三维仿真系统。并综合考虑针织厂对羊毛衫设计时的可操作性，通过改变圈距和圈高、线条颜色和粗细等相关参数提高三维仿真的逼真度，使设计人员在设计时具有较灵活的选择，适用于各种不同花型的羊毛衫设计。
4、根据在针织羊毛衫三维仿真系统中设计的花纹上机试织，对比实物和仿真效果图。 在羊毛衫三维仿真系统里对羊毛衫花纹设计进行实际模拟，生成羊毛衫仿真图。并根据设置的
28 参数在羊毛衫横机上试织，对比分析羊毛衫实物效果和仿真图，通过反复调试各种参数使仿真的羊毛衫效果图与实物具有相同的效果。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路：
1、目的：研制一套具有较强实用性的针织羊毛衫三维仿真系统，适用于羊毛衫花纹的设计，替代工厂羊毛衫小样的试织，缩短羊毛衫的生产周期，提高产品的市场竞争力。
2、基本思路：通过对成圈、浮线、集圈和移圈三维线圈模型的分析，结合逻辑位理论和参数化设计方法，来实现这几种不同线圈之间的联动效应。并结合VC++和OPENGL混合编程技术和粒子模型及弹簧质点理论，得到所需要的针织羊毛衫花纹的三维仿真模型。 科学性、先进性及独特之处：
1、科学性：将计算机图形学、力学和针织工艺学理论知识有机结合来建立线圈及力学变形三维复合模型。通过理论研究和实验对比验证是可行的。
2、先进性：采用粒子模型及弹簧质点理论，结合参数化设计方法，实现各种羊毛衫线圈混合联动,提高了织物仿真度。经相关专家认定，在线圈组合三维仿真效果上处于国内同行先进水平。
3、独特之处：采用粒子模型及弹簧质点与针织工艺相结合的新构思，建立各种羊毛衫线圈联动模型。
应用价值和现实意义：
鉴于针织羊毛衫大批生产之前需要上机试织的现状， 通过多次对各种针织羊毛衫小样的实验观测和三维仿真效果进行对比分析，研制出一套具有较强实用性的针织羊毛衫三维仿真系统，适用于羊毛衫花纹多样性的设计，可替代工厂羊毛衫小样的试织，缩短羊毛衫的生产周期，提高产品的市场竞争力。该系统的建模思路同样适用于其它纬编针织物和经编织物的三维仿真，具有较强的推广意义。
29 学术论文摘要：
针对当前纬编针织物三维仿真的研究大多只考虑单一的成圈组织、集圈组织、浮线和移圈组织。通过对成圈、浮线、集圈和移圈线圈三维模型的综合分析，采用逻辑位理论方法，实现了这几种不同线圈之间的混合联动。并结合VC++和OPENGL混合编程技术，得到了所需要的针织羊毛衫花纹的三维仿真模型。为双面纬编复合组织的三维仿真研究奠定了基础，使各种羊毛衫花纹效果的提前预览成为可能，对计算机仿真设计取代小样生产具有重大的现实意义。 获奖情况：
作品获2011年第八届湖北省“挑战杯”大学生课外科技学术作品竞赛二等奖。《针织羊毛衫花纹设计三维建模及仿真》2011年8-9月，在国家级中文核心期刊《针织工业》公开发表；《three-dimensional Dynamic Simulation of weft knitted Fabric》2011年4月21日-22日，在第三届三维织物及其应用国际学术会议上发表。 鉴定结果：
该作品通过综合分析羊毛衫基本线圈的三维模型，实现了各种线圈之间的混合联动，成功地研制出了一套羊毛衫三维仿真系统。可以取代工厂小样的试织，在线圈组合三维仿真效果上处于国内同行先进水平。 参考文献：
[1] 王元瑾.计算机辅助羊毛衫设计[D].上海:东华大学, 2001.[2] 刘夙，龙海如.纬平针织物的计算机三维模拟[J].纺织学报，2007.[3] 史晓丽，耿兆丰.针织三维效果仿真的研究及实现[J].东华大学学报:自然科学版, 2003, 29(3):47-50.[4] 汪育桑，冯勋伟.基于几何模型的纬编提花织物结构计算机辅助设计[J].中国纺织大学报, 2000.[5] 张丽哲，蒋高明.经编组织仿真中的线圈偏移[N].纺织学报，2010.[6] K.F.Choi, T.Y.Lo.An Energy Model of Plain Knitted Fabric[J].Textile Research Journal, 2003.[7] Kurbak, A., Plain Knitted Fabric Dimensions (Part I), Textile.Asia, March, 33, 36, 41–44 (1998).[8] Savvas G.Vailiadis.Mechanical simulation of the plain weft knitted fabrics[J].International of Clothing Science and Technology, 2007.[9] Arif Kurbak, Ozgur Ekmen.A Geometrical Model for Widthwise Curlings of Plain Knitted fabrics[J].Textile Research Journal, 2008.[10] 蒙冉菊, 方园.NURBS样条曲线纬编针织物线圈结构的建模分析[J].浙江理工大学学报，2007,24(3).同类课题研究水平概述：
目前，随着数字计算机的高速发展，无论在科学研究还是技术开发和工业设计中，计算机仿真技术都显示出强大的威力，已成为人们研究复杂系统时不可缺少的一种手段，其成效十分显著。 在计算机上实现针织物的仿真关键在于针织物模型的建立。在国外，英国的Chamberlain在1926年首次提出了由圆弧和直线组成的二维线圈模型，pierce在1947年基于
30 纱线中心轴是直线和圆弧的假设，建立了空心的空间圆柱和圆弧柱的三维线圈模型，此外还有Leaf和Glaskin、Munden、kawabata等的线圈模型。然而，无论是什么样的仿真模型，都是以系统数学建模为基础，在一定假设条件下进行的信息处理过程，进而在仿真基础上进行实验研究。 在国内，2000年，史晓丽等人在Pierce 模型的基础上,圈柱用圆柱代替,圈弧用圆弧代替,建立了三维的线圈模型,并通过光照、消隐等方法实现了针织线圈的模拟。汪育桑和冯勋伟通过对构成纬编提花针织物的基本线圈单元进行几何结构分析, 建立几何模型, 开发了一套纬编提花针织物计算机辅助设计系统。张克和等人运用有限元法对针织物建模进行系统分析,模拟出了平针、罗纹、双反面组织的三维效果。2007年，蒙冉菊等人运用NURBS 样条曲线进行纬编针织物线圈单元模型的数学建模, 通过实验验证了NURBS 样条曲线线圈单元模型具有更好的适用性, 使纬编针织物建模结果更为准确合理。龙海如等人在Pierce 线圈模型的基础上,根据针织物空间几何结构的特点,建立了由几段用参数方程表示的空间圆弧和曲线连接组成三维几何线圈模型。并在OPENGL平台上成功模拟出了纬平针织物的正反面效果。 由于羊毛衫花纹的设计不仅仅局限在单个的成圈、集圈、提花和移圈组织，而是这几种线圈之间的相互配合。所以羊毛衫花纹的设计需要建立成圈、集圈、浮线和移圈组织之间的联动模型。在计算机仿真环境中将三维线圈模型参数图像化，将会极大地方便针织羊毛衫的设计与生产，并可替代原有的小样生产，大大提高企业对市场的快捷反应能力，为企业带来巨大的经济效益。
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虚拟载波侦听机制对EDCA性能的影响
来源：第十一届“挑战杯”国赛作品 小类：信息技术
大类：自然科学类学术论文 简介：
本文基于NAV设置研究虚拟载波侦听机制对EDCA机制性能的影响。研究NAV设置中采用与不采用NAV清除机制时EDCA机制的吞吐性能，讨论NAV设置影响EDCA性能的关键参数，并得出该参数在采用与不采用NAV清除机制以及没有考虑NAV设置影响情形的取值。
详细介绍：
本文分析了虚拟载波侦听机制中NAV设置对EDCA机制性能的影响。由于现有的EDCA机制性能分析模型中并没有考虑虚拟载波侦听机制的负面影响，因此EDCA的理论研究中存在着明显的不足。本文研究虚拟载波侦听机制中NAV设置在采用与不采用NAV清除机制时EDCA机制的吞吐性能，同时在不同AC下与没有考虑NAV设置影响情形的吞吐率进行比较。仿真结果显示NAV设置对EDCA机制的吞吐性能产生很大影响，尤其是在不采用清除机制的情形。采用清除机制的NAV设置能够减小虚拟载波侦听机制对EDCA性能的负面影响。
作品专业信息
撰写目的和基本思路：
现有的EDCA机制性能分析模型仅考虑了EDCA机制本身的性能，并没有考虑到虚拟载波侦听机制的负面影响。本文基于NAV设置研究虚拟载波侦听机制对EDCA机制性能的影响。研究NAV设置中采用与不采用NAV清除机制时EDCA机制吞吐性能，讨论NAV设置影响EDCA性能的关键参数，得出该参数在采用与不采用NAV清除机制及没有考虑NAV设置影响情形的取值；最后在不同访问类别下仿真显示EDCA机制的吞吐性能。 科学性、先进性及独特之处：
本文的贡献是分析了虚拟载波侦听机制中NAV设置对EDCA机制性能的影响。由于现有的EDCA机制性能分析模型中并没有考虑虚拟载波侦听机制的负面影响，因此EDCA的理论研究与实际应用中存在着差距。本文研究虚拟载波侦听机制中NAV设置在选择与不选择NAV清除机制时EDCA机 32 制的吞吐性能，同时在不同AC下与没有考虑NAV设置影响情形的吞吐率进行比较。 应用价值和现实意义：
仿真结果显示NAV设置对EDCA机制的吞吐性能产生很大影响，尤其是在不采用清除机制的情况下，这验证了802.11s mesh网络标准把可选的NAV清除机制改为必选的合理性。因此本文对研究EDCA实际应用有较大参考价值。 学术论文摘要：
研究虚拟载波侦听机制对EDCA机制性能的负面影响。首先指出在RTS/CTS四次握手不能够完成时，虚拟载波侦听机制中网络分配矢量（NAV）会浪费信道资源；然后讨论NAV设置影响EDCA性能的关键参数，并得出该参数在采用与不采用NAV清除机制以及没有考虑NAV设置影响情形的取值；最后在不同访问类别（AC）下仿真显示EDCA机制的吞吐性能。很明显，虚拟载波侦听机制的NAV设置对EDCA吞吐性能产生很大的影响，采有NAV清除机制的性能优于不采用NAV清除机制的性能。 获奖情况：
本文已经投稿《计算机应用》，已录用,本文获第十一届挑战杯全国大学生课外学术科技作品竞赛（自然科学学术论文）贵州赛区一等奖 参考文献：
[1] IEEE Std 802.11e-2005: Wirele LAN Medium Acce Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications-Amendment 8: Medium Acce Control (MAC) Quality of Service Enhancements[S].Nov.11, 2005.同类课题研究水平概述：
IEEE 802.11e标准定义的EDCA机制（Draft 5.0之前称为EDCF）是在IEEE 802.11标准的DCF机制基础上增加QoS支持。EDCA主要采用了优先级分类策略，指定语音、视频、尽力而为和后台等4种服务类型来对应不同优先级的访问类别(AC)。在一个QSTA内可以同时有4个传送队列（对应4种AC业务和4个随机退避状态机EDCAF[AC]）。同时，EDCA还提出了内部虚拟冲突解决方案。 EDCA机制的性能研究主要以DCF机制的相关研究为基础。Hui 把Bianchi提出的一种用来计算饱和条件下DCF吞吐率的二维Markov链模型与Cali提出的一种p坚持的Markov链模型和Tay的平均值数学模型（DCF机制的3种主流研究模型）统一起来，提出一种统一的模型对EDCA的吞吐率和时延进行分析，该模型的缺点是每个QSTA内仅考虑了一个AC队列。Xiao在Bianchi和Ziouva模型基础上，通过区分竞争窗口（CW）提出DCF和EDCF基于退避的优先级策略，缺点是没有考虑不同AIFS和内部虚拟冲突。HWANG提出考虑虚拟冲突的EDCA性能分析，不足之处是把AC仅分为高和低两类优先级。Yan在Bianchi的二维Markov链模型基础上，通过构造EDCAF[AC]和简单EDCA模型，从而构造出综合内部虚拟冲突和外部冲突的复杂EDCA模型。经过近5年的研究积累，EDCA
33 机制的研究步入成熟。但是理论研究与实际应用仍然存在着差距，绝大多数文献并没有考虑虚拟载波侦听（V-CS）机制对EDCA性能的影响。
34
自旋轨道耦合作用下的波色爱因斯坦凝聚
来源：第十二届“挑战杯”作品 小类：数理
大类：自然科学类学术论文 简介：
该项目主要考虑在某种规范场下(自旋轨道耦合作用)玻色－爱因斯坦凝聚态的行为(波函数)。玻色－爱因斯坦凝聚态是一种新的物质状态，在这种状态下，宏观数目的粒子具有一致的行为。这种物质的态在日常生活中是见不到的。该项目主要应用数值模拟的方法，避免繁难的数学，模拟计算凝聚态波函数。得到了波函数之后，再通过分析的方法，提出简单的模型来理解其行为。
详细介绍：
在冷原子系统中，一种等效的自旋轨道耦合作用可以通过控制原子-激光之间的相互作用产生出来。这里我们研究了自旋1/2和自旋1的带有Rashba自旋轨道相互作用的波色-爱因斯坦凝聚，发现凝聚波函数有不平凡的结构。首先，我们用Bogoliubov变换的方法证明在自旋轨道耦合作用下，传统的凝聚在 态的波函数不稳定。之后用数值模拟的方法，我们发现了基态的两个相。在一个相中，系统基态是平面波，而且系统经常分裂为不同的畴，畴壁是一排涡旋；这个相中，时间反演对称性破缺。在另一个相中，凝聚态波函数是驻波，且有自旋带结构。两个相之间的相变由波色子之间的相互作用强度决定。我们还提供了对这些结果的理论分析，得到相变点。
作品图片
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作品专业信息
撰写目的和基本思路：
该论文主要讨论自旋轨道耦合作用对波色系统凝聚态波函数的影响与调制。一个量子系统的哈密顿量决定了这个量子系统的行为，所以基本思路是，写出自旋轨道耦合项，加入哈密顿量中，得到新的哈密顿量。用数值模拟中的虚时演化方法，计算出对应该哈密顿量的波函数。其中为了使计算简单，应用了平均场近似。得到数值模拟之后，再试图建立简单的模型，用分析的方法理解数值模拟的结果。 科学性、先进性及独特之处：
冷原子物理实验技术的提高使人们能够设计出可以让中性原子感受到的“磁场”。人们一般只知道磁场对费米系统的作用，而这种实验技术使人们能够探索磁场对波色系统的作用。磁场是最简单的阿贝尔场，而自旋轨道耦合是最简单的非阿贝尔场。非阿贝尔场对波色、费米系统的作用都少有研究。目前人们有望通过实验技术在波色系统中实现非阿贝尔场。该论文旨在探讨这一类问题，从理论上给出预言。 应用价值和现实意义：
该论文给出了自旋轨道耦合下波色系统的平均场基态波函数。目前，对于非阿贝尔规范场中物质的行为的研究还处于起步阶段，有很多未知的性质等待人们去发掘。这项工作从最简单的情况入手，抓住非阿贝尔场的本质，弱化其他非相关因素，所以其结果在一定程度上能够揭示非阿贝尔场对物质场的影响。对以后的相关研究有一定的借鉴作用。 学术论文摘要：
在冷原子系统中，一种等效的自旋轨道耦合作用可以通过控制原子-激光之间的相互作用产生出来。这里我们研究了自旋1/2和自旋1的带有Rashba自旋轨道相互作用的波色-爱因斯坦凝聚，发现凝聚波函数有不平凡的结构。用数值模拟的方法，我们发现了基态的两个相。在一个相中，系统基态是平面波，而且系统经常分裂为不同的畴，畴壁是一排涡旋；这个相中，时间反演对称性破缺。在另一个相中，凝聚态波函数是驻波，且有自旋带结构。两个相之间的相变由波色子之间的相互作用强度决定。我们还提供了对这些结果的理论分析，得到相变点。 获奖情况：
1.2010年10月15日在Physical Review Letters 发表，该杂志被公认为物理学一级学科国际最权威的学术期刊，已被国际科学文献索引（SCI）权威检索收录，影响因子为 7.180 2.2011年省级“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛特等奖 鉴定结果：
36 单位：中国科学院文献情报中心国内外查新结果：本查新项目委托的“自旋轨道耦合作用下的波色爱因斯坦凝聚”，在国内外公开文献中未见有与之相同的研究报道。 参考文献：
1、双组分玻色-爱因斯坦凝聚体中亚稳态存在条件及其寿命，山西大学理论物理研究所,赵华,梁九卿
2、双阱中弱耦合玻色-爱因斯坦凝聚体的有效势及其亚稳态，山西大学，史慧贤
3、Synthetic magnetic fields for ultracold neutral atoms;Lin, YJ (Lin, Y.-J.); Compton, RL (Compton, R.L.); Jimenez-Garcia, K (Jimenez-Garcia, K.); Porto, JV (Porto, J.V.); Spielman, IB (Spielman, I.B.)
4、Spin-orbit coupled Bose-Einstein condensates;Stanescu, TD (Stanescu, Tudor D.); Anderson, B (Anderson, Brandon); Galitski, V (Galitski, Victor)
5、Spin-orbit-coupled Bose-Einstein condensates;Lin, YJ (Lin, Y.-J.); Jimenez-Garcia, K (Jimenez-Garcia, K.); Spielman, IB (Spielman, I.B.)
6、Spin-orbit-coupled Bose-Einstein condensate in a tilted optical lattice;Larson, J (Larson, Jonas); Martikainen, JP (Martikainen, Jani-Petri); Collin, A (Collin, Ani); Sjoqvist, E (Sjoqvist, Erik)
7、Chiral Confinement in Quasirelativistic Bose-Einstein Condensates;Merkl, M (Merkl, M.); Jacob, A (Jacob, A.); Zimmer, FE (Zimmer, F.E.); Ohberg, P (Oehberg, P.); Santos, L (Santos, L.) 同类课题研究水平概述：
冷原子实验技术是自从1995年波色－爱因斯坦凝聚态的实现以来，迅速发展的一项实验技术。通过一系列技术手段，人们可以调节凝聚体的多个参数，包括凝聚体所处的场的形状和强度，凝聚体中粒子之间的相互作用等。该实验技术提供了一个重要平台，实验家们在这个平台上作出了各种具有开创性的工作。为了配合实验家以及理解实验结果、探索多粒子物理和凝聚态物理，冷原子理论家也积极探索，一方面对实验工作有指导意义，另一方面也促进了对凝聚态物理的理解。国内的相关实验技术起步较晚，近三年间有了较大突破，能够制成质量比较好的凝聚体。中国科学院上海光机所、武汉物理与数学研究所分别在实验、理论上探索。目前，本校高等研究院的冷原子物理理论研究组十分活跃，接近国际顶尖水平。国外的相关研究比国内发达、活跃。实验方面，法国的Dalibard实验组、美国MIT、NIST(国家标准局)等研究组是冷原子实验最好的地方。理论方面，MIT和U Maryland等作出了很多贡献。与该项目直接相关的研究有U Maryland, TL Ho的理论研究和NIST，Spielman的实验研究。2010年高等研究中心举办了International Workshop on Quantum Gases in Synthetic Gauge Fields，期间TL Ho和Spielman与作者们对本项目做了深入交流。本项目的导师在高等研究院做冷原子物理理论的研究，该项工作引起了国内外同行的广泛兴趣，是非阿贝尔规范场下量子气体性质研究的重要结果，为今后的理论、实验工作提供了极大的参考价值。
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全球地震对气候的影响及作用机理
来源：第十二届“挑战杯”作品 小类：数理
大类：自然科学类学术论文 简介：
本文运用HHT(Hilbert Huang Transform，希尔伯特黄变换)原理与算法，对1900-2009年全球大量气候和地震数据进行分析发现：全球地震与气温在时间和空间尺度上均存在明显的负相关性。并且提出地震影响全球气候的三种可能机制。本文的创新点为：提出全球地震与全球年均气温的负相关性；发现全球年均气温各IMF分量的驱动因子；提出地震影响全球气候变化的三种作用机理。
详细介绍：
通过对1900-2009年全球地震波总辐射能与同期全球平均气温的分析表明：地震不活跃时期全球平均气温呈上升趋势，而地震活跃时期全球气温呈下降趋势。气候变暖主要集中于地震分布极少的南北极地区，而降温地区多位于地震带。特别地，对地震、气候等高度非线性数据进行了HHT(Hilbert Huang Transform，希尔伯特黄变换)分析，也证明了地震与气温存在负相关。地震影响全球气温的可能机制是：地震耗散地球内部能量，地震引起地轴倾角变化，地震使临界条件下的气候系统发生变化。因此，全球气候变化模拟应考虑地震对气候的影响。本文的创新点为：首次提出全球地震波辐射能与全球年均气温在时间和空间尺度的负相关性；运用HHT对大量气候和地震数据进行处理，发现全球年均气温各IMF分量的驱动因子；提出了地震影响全球气候变化的三种作用机理。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路：
为探索全球气候变化新的驱动因素，我们首先收集了近110年来全球气温距平、地震及CO
2、温室气体辐射强迫、太阳辐射、火山活动数据、大气平流层气溶胶、厄尔尼诺等数据（均为全球尺度），然后对这些数据进行相关分析，又对各数据进行HHT分析和EMD分解，计算相关性矩阵，找出气温各IFM分量的驱动因素，最后，通过机理分析探讨地震对气候的影响。
科学性、先进性及独特之处：
1、提出全球地震波辐射能与全球年均气温在时间和空间尺度的负相关性。
2、运用HHT对大量气候和地震数据进行处理，并发现全球年均气温各IMF分量的驱动因子。
3、提出了地震影响气候变化的三种作用机理。 应用价值和现实意义：
全球气候变化不仅影响到自然生态系统，而且直接关系到人类的生活乃至社会经济的发展。因此，全球气候变化成为近年人类共同面临的重大课题和挑战。由于地球系统的高度非线性和复杂性，地震是否会引起气候变化，目前尚无定论。本研究试图寻找近110年来全球温度变化与地震活动的关系，并探讨地震活动影响气候变化的可能机制。希望对人类面临的气候变化及其相关的科学、环境，能源、和经济等问题提供参考。 学术论文摘要：
通过对1900-2009年全球地震波总辐射能与同期全球平均气温的分析表明：地震不活跃时期全球平均气温呈上升趋势，而地震活跃时期全球气温呈下降趋势。气候变暖主要集中于地震分布极少的南北极地区，而降温地区多位于地震带。特别地，对地震、气候等高度非线性非平稳数据进行了HHT(Hilbert Huang Transform，希尔伯特黄变换)分析，也证明了地震与气温存在负相关。地震影响全球气温的可能机制是：地震耗散地球内部能量，地震引起地轴倾角变化，地震使临界条件下的气候系统发生变化。因此，全球气候变化模拟应考虑地震对气候的影响。本文的创新点为：首次提出全球地震波辐射能与全球年均气温在时间和空间尺度的负相关性；运用HHT对大量气候和地震数据进行处理，发现全球年均气温各IMF分量的驱动因子；提出了地震影响全球气候变化的三种作用机理。 获奖情况：
39 “挑战杯”2011大学生课外学术科技作品竞赛 省级特等奖 申报成果已投稿至《International Journal of Climatology》，申报学生作为第一作者，投稿稿件见附件1。 申报学生相关研究成果如下：（见附件 2-5）
1、通讯作者，Chen J., 申报学生**, Li Z., Ding Z., and Xu Q., Correlations between the Earthquake (Mw = 9.0, Sendai Port, Honshu, Japan) and Solid Tides: Bulletin of the Seismological Society of America.Revised
2、第一作者， 申报学生**, Chen J., Li Z., Jiang C., Zhang J., Xu Q., Liu J., Sun P., and Yang X., Relationship between Earth Tides and Earthquakes Worldwide: International Journal of Geophysics.In Publishing
3、通讯作者，Chen J., 申报学生**, Li Z., Jiang C., Zhang J., Xu Q., Guo W., Zhao S., Wang X., Li S., and Ma S., Influence of Tide-Generating Force on Plates with Membrane Stre: Earth, Moon, and Planets.Received
4、第四作者，Pang R., Xu Q., Ding W., and 申报学生**, 2011, Pollen Aemblages of Cultivated Vegetation in Central and Southern Hebei Province: Journal of Geographical Sciences, v.21, p.549-560.鉴定结果：
暂无科技管理部门正式鉴定结果： 参考文献：
[1] Shindell D, Rind D, Balachandran N, et al.Solar cycle variability, ozone, and climate [J].Science, 1999, 284(5412): 305-308.[2] Qian W H, Lu B.Periodic oscillations in millennial global-mean temperature and their causes.[J].Chinese Sci Bull, 2010, 55(35): 4052-4057.[3] Hays J D, Imbrie J, Shackleton N J.Variations in the Earth's Orbit: Pacemaker of the Ice Ages [J].Science, 1976, 194(4270): 1121-1132.[4] Huang N E, Wu M-L C, Long S R, et al.A confidence limit for the empirical mode decomposition and Hilbert spectral analysis [J].Proceedings of the Royal Society of London Series A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 2003, 459(2037): 2317-2345.[5] Gutenberg B, Richter C F.Magnitude and energy of earthquakes [J].Nature, 1955, 176(4486): 795-795.[6] Huang N E, Wu Z.A review on Hilbert-Huang transform: Method and its applications to geophysical studies [J].Rev Geophys, 2008, 46(2): RG2006.同类课题研究水平概述：
20世纪以来，人类活动对全球气候变化的影响不断加剧，全球温度波动性升高。但是全球变暖存在明显的突变和振荡，不同地区差异也十分明显。气候变化趋势如何？变化机制是什么？是科学家面临和需要解决的重要问题。 气候变化的机制可分为自然因素与人类活动影响两大类。自然驱动气候变化方面，地球轨道变化、太阳辐射、火山喷发、厄尔尼诺和拉尼娜等是影响不同时间尺度气候变化的重要因素。地球轨道驱动的气候变
40 化周期长，为万年尺度，短时期内影响较小。太阳活动对气候变化的影响主要是太阳黑子11年周期性的变化，但太阳黑子的周期性变化较难解释近100年来不规则、持续的气候变暖。厄尔尼诺和拉尼娜虽可以较好地解释气候突变事件，但厄尔尼诺和南方涛动持续的时间太短，解释气候变化的周期不理想。火山活动常被认为是全球降温的重要因子，但火山活动无法解释20世纪多次火山活动而没有降温和有降温而没有火山活动的情况。在人类活动影响方面，IPCC第四次评估报告指出，近50年来的全球气候变暖主要是由人类活动引起的，大量温室气体排放可能是导致温度变化的主要原因。然而中世纪暖期的高温，以及地质历史上冰期低温，CO2浓度变化并未起主要作用。葛全胜等通过比较1900-2009年大气温室气体浓度与气温变化曲线，发现大气温室气体浓度与气温变化趋势并不完全一致，甚至一些时段呈现显著不一致，同时20世纪大气CO2浓度并没有像全球气温那样出现多次年代际的振荡，都对温室效应引起全球变暖提出了质疑。 总之，气候系统充实着作用、反馈、间接效益、非线性等因素，人们对各种物理、化学和生物过程参数的认识还存在较多不确定性。此外，低温、干旱、厄尔尼诺与强震存在耦合关系。地震导致地壳裂隙增多，大量土壤气溶胶进入大气，造成低温与降雨。另有研究者认为，地震海啸引起冷海水上升吸收更多CO2，引起全球降温。由于地球系统的高度非线性和复杂性，地震是否会引起气候变化，目前尚无定论。
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定积分在精细化工领域中的应用
来源：第十一届“挑战杯”国赛作品 小类：数理
大类：自然科学类学术论文 简介：
问题驱动的应用数学研究具有十分重要的理论意义与应用价值。化工等领域中容器内液体取液及存留液体的精确计量问题是化工生产实践管理中重要的研究课题之一。本文运用定积分的基础理论与基本方法研究了化工领域中一些典型容器在不同放置状态下存留液体体积的精确求解方法。主要包括以下四部分内容： 第一部分在现有文献的基础上给出了带碟形、锥体等封头的圆筒形筒体容器及椭圆形筒体容器在立式状态下存留液体体积的计算方法。 第二部分给出了带碟形、锥体等封头的圆筒形筒体容器和椭圆形筒体容器在卧式状态下存留液体体积的计算方法。 第三部分研究了带球形封头的圆筒形筒体容器以及带锥体封头的圆筒形筒体容器在倾斜状态下存留液体体积的计算方法。 第四部分利用MATLAB软件对卧式状态下带无折边球形封头的圆筒形筒体容器的存留液体体积、卧式状态下带锥体封头的椭圆形筒体容器的存留液体体积、倾斜状态下带球形封头的圆筒形筒体容器以及倾斜状态下带锥体封头的圆筒形筒体容器内存留液体的体积计算公式进行了数值实验。实验结果表明本作品给出的计算方法正确，与实际情况相符合。
详细介绍：
在现代工业生产中，储存石油化工等原料产品的各种不规则典型容器贮罐是不可缺少的。化工领域中常见的典型容器贮罐主要有带球形封头的圆筒形筒体容器、带锥体封头的圆筒形筒体容器、带碟形封头的椭圆形筒体容器、带水平椭圆台封头的椭圆形筒体容器等。由于生产实践的实际需要，这些不规则典型容器贮罐可以是任意放置状态。在容器的实际使用过程中，经常需要准确地知道容器在特定放置状态下某一液位高度下容器内存留液体体积、容器内外放液体体积。同时还需要提高各种不规则典型容器内存留液体体积的计量精度。 但是，目前在石油化工企业生产中，尤其是在一些中、小型化工企业中，不规则典型容器内存留液体体积及外放液体体积等问题基本上都是采用估算的方法进行处理。这不仅无法达到一些化工生产与管理对精度的要求，同时也加大了生产成本，降低了企业的生产效益。由这些问题驱动的应用数学相关问题的研究具有十分重要的理论意义和应用价值。近年来，许多研究人员对化工领域中不规则容器内存留液体体积及外放液体体积这些问
42 题进行了大量的研究，取得了一些研究成果 。主要包括：对立式状态下凸形封头容器及立式金属罐罐底等容器存留液体体积的研究、对卧式状态下椭圆形封头容器液体体积的研究、对卧式状态下球冠形封头容器液体体积的研究、对卧式状态下水平椭圆台 顶卧罐容积等大量卧式状态下带各种封头的容器内液体体积的研究以及圆筒形筒体容器在倾斜状态下容器内存留液体体积的研究 。 总结大量现有文献中的研究成果，我们可以看到，目前对带各类封头的圆筒形筒体容器和带各类封头的椭圆形筒体容器内存留液体体积的研究还存在一些不足：大量研究集中在对立式和卧式状态下常见封头的容器内存留液体体积计算；对倾斜状态下带常见封头的圆筒形筒体容器和椭圆形筒体容器内存留液体体积的计算很少涉及；所得到的对容器内存留液体体积的各类计算公式，很少进行数值实验，这将对研究结果的可靠性及在化工等实际领域中的应用产生较大影响；现有研究成果的精度与实际应用中的要求还有一定的距离，这影响了化工领域中的大量生产管理和物流配送。 定积分是数学中十分重要而基础的内容，它利用微元的思想研究大量实际中的精细化问题，包括变力做功、不规则图形的面积、不规则几何体的体积等。尤其是在计算空间中不规则几何体的体积方面功能化作用明显。利用定积分的基础理论与基本方法 也可以解决工业生产管理中的大量实际问题。结合现代计算机科学技术，定积分理论在实际生产管理中的应用变得更加广泛。 受现有文献的研究成果及化工等领域中精确取液等实际问题的启发，本文考虑到了带各种封头的圆筒形筒体容器和椭圆形筒体容器分别在立式、卧式状态下容器内存留液体体积的计算问题，给出了立式、卧式状态下各种容器内液体体积随液面高度变化的数学模型以及各种具体情况下液体在任意高度下容器内液体体积的计算公式。包括立式状态下带球形封头、锥体封头、无折边球形封头、碟形封头的圆筒形筒体容器，立式状态下带椭球封头、锥体封头、水平椭圆台封头的椭圆形筒体容器；卧式状态下带锥体封头、无折边球形封头、抛物面封头、碟形封头的圆筒形筒体容器，卧式状态下带椭球封头、锥体封头、水平椭圆台封头的椭圆形筒体容器。更重要的是本文研究了一般倾斜状态下带球形封头的圆筒形筒体容器与带锥体封头的圆筒形筒体容器内存留液体体积的计算方法。 最后，本文借助MATLAB软件对卧式状态下带无折边球形封头的圆筒形筒体容器的存留液体体积的计算公式、卧式状态下带锥体封头的椭圆形筒体容器的存留液体体积的计算公式、倾斜状态下带球形封头的圆筒形筒体容器内存留液体体积的计算公式以及倾斜状态下带锥体封头的圆筒形筒体容器内存留液体体积的计算公式进行了数值实验。
作品专业信息
撰写目的和基本思路：
目的：本作品的研究不仅有利于进一步深化对定积分理论的认识与理解，更重要的是能为化工领域中的精确取液等问题提供技术支撑。思路：利用定积分对立式、卧式和倾斜状态三种情况下化工领域中常见容器内存留液体体积随高度变化的关系进行研究与分析，重点研究倾斜状态下带球形封头和带锥体封头的圆筒形筒体容器内存留液体体积的计算方法，建立典型
43 容器各个参数之间的数量关系，利用MATLAB软件对部分研究结果进行数值实验。
科学性、先进性及独特之处：
本作品在对已有研究成果进行深入分析的基础上，结合定积分的基本理论，解决了不同放置状态下容器内存留液体体积精确计算问题，重点解决了倾斜状态下带球形封头和锥体封头的圆筒形筒体容器内存留液体体积精确计算问题。研究成果不仅是对现有研究成果的深入与完善，也克服了已有研究成果放置状态特殊，精度不高等缺点。同时，本作品内容具体，针对性强，对已有技术与方法进行了改进与创新。 应用价值和现实意义：
本作品的研究成果为化工等领域中的精确取液等问题提供技术支撑，使得精确取液等生产实践活动具有简易性、可操作性、安全性等优势特点，具有良好的应用价值及推广价值。 由于在诸多行业中均存在对一些不规则容器内存留液体体积的控制与掌握问题，如火箭发射的液态燃料存储器等。因此，本作品的研究技术在除化工领域以外的其他很多领域中也有着较为广泛的应用前景。 学术论文摘要：
问题驱动的应用数学研究具有十分重要的理论意义与应用价值。化工等领域中容器内液体取液及存留液体的精确计量问题是化工生产实践管理中重要的研究课题之一。本文运用定积分的基础理论与基本方法研究了化工领域中一些典型容器在不同放置状态下存留液体体积的精确求解方法。主要包括以下四部分内容： 第一部分在现有文献的基础上给出了带碟形、锥体等封头的圆筒形筒体容器及椭圆形筒体容器在立式状态下存留液体体积的计算方法。 第二部分给出了带碟形、锥体等封头的圆筒形筒体容器和椭圆形筒体容器在卧式状态下存留液体体积的计算方法。 第三部分研究了带球形封头的圆筒形筒体容器以及带锥体封头的圆筒形筒体容器在倾斜状态下存留液体体积的计算方法。 第四部分利用MATLAB软件对卧式状态下带无折边球形封头的圆筒形筒体容器的存留液体体积、卧式状态下带锥体封头的椭圆形筒体容器的存留液体体积、倾斜状态下带球形封头的圆筒形筒体容器以及倾斜状态下带锥体封头的圆筒形筒体容器内存留液体的体积计算公式进行了数值实验。实验结果表明本作品给出的计算方法正确，与实际情况相符合。 获奖情况：
2009年5月获第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛重庆师范大学预赛一等奖； 2009年6月获第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛重庆赛区特等奖。 鉴定结果：
该作品创新性强，其中对带球形封头圆筒形筒体容器的研究结果已在我公司进行了技术实验，普适性高。 四川省阆中化工有限责任公司
44 参考文献：
[1]李小红,庞军峰,孟荣章.段塞捕集器内液体体积的计算[J].油气储运,1999，18（11）：16～19.[2]高玲等.常见贮罐位变化的计量电算[J].硫磷设计与粉体工程,2000,6:42～45.[3]刘龙利.卧式圆筒形容器内液体体积的计算公式推导过程[J].国外金属矿选矿,2006,8:39～40.[4]战景林,王春平.水平椭圆台顶卧罐容积的计算[J].测量与设备,2006,5:30～32.[5] 姜英明.立置凸形封头液位与体积关系[J].石油化工设备，2001,30:57～59.[6] 黄艳.液化气体贮罐充装量与液位高度关系的公式及推导[J].应用技术研究,2001,2:6～8.[7] 李彩英等.容器内存留液体体积与液位高度函数关系[J].石油化工设备,2001,6(30):25～27.同类课题研究水平概述：
在现代精细化工生产中，尤其是在一些中、小型企业中，不规则容器取液等精确值问题基本上都是采用估算的方法进行处理。近年来，许多工程技术研究人员对这些问题进行了广泛而深入地研究，取得了一系列重要的研究成果。 在《硫磷设计与粉体工程》2000年第6期上，由高玲等人撰写的《常见贮罐位变化的计量电算》中，作者对六种常用贮罐的计量进行了计算式推导，并设计了计量计算程序，可达到工艺要求的计量精度，取得了良好的效果。 在《化工设备与管道》2002年第5期上，蒋心亚等人在《各种形状封头的圆筒形卧式容器在不同液面高度时液体体积计算的统一表达式》一文中，利用变面积圆缺的线积分来描述各种形状封头的圆筒形卧式容器不同液面高度时的液体体积。推导出了计算液体体积的统一表达式,并给出了5种常用封头卧式圆筒形容器不同液面高度时液体体积计算实例。 在《石油化工设备》2003年第1期上，由李彩英等人撰写的《变形截面容器内液体体积与液位高度关系》中，作者介绍了10种变形截面容器以及各容器内存留液体体积与液位高度的函数关系，利用各种公式可较快速准确地计算出内存留液体体积。 在《国外金属矿选矿》2006年第8期上，刘龙利在《卧式圆筒形容器内液体体积的计算公式推导过程》一文中，对装有液体的卧式圆筒形容器进行了研究，此类容器由中间圆筒部分和两端封头曲面部分组成，作者分别建立了这两部分液体体积随液面高度变化的函数关系的数学模型，从而得出整个容器内液体体积的计算公式。 本作品在已有文献的基础上，利用定积分的基础理论与基本方法给出了化工等领域中一些典型容器在不同状态下存留液体体积的精确求解方法。本作品对现有的技术方法与理论进行了改进与创新。
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