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中国科学 技术科学(中国科学E辑)
2016年 46卷 3期
发布日期:2016-03-17

我国科学家获得地磁暴侵害铁路信号系统和油气管道的观测数据. 国外早就发现, 地磁暴对铁路信号系统和油气管道安全存在影响, 国内相关报道不多. 华北电力大学刘连光团队, 首次在国内获得了地磁暴侵害铁路轨道电路系统和油气管道的观测数据, 对研究地磁暴影响具有重要意义. 详见刘连光等人文P268.


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  中国科学 技术科学--2016, 46(3)   发布日期: 2016-03-17
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评述

硅氧合金薄膜结构光电特性及其在硅基薄膜太阳电池中的应用

方旭阳, 王维燕, 段娟梅, 李红江, 黄金华, 高琛, 宋伟杰
中国科学 技术科学, 2016, 46(3): 213-224 | doi: 10.1360/N092015-00222
全文 : PDF (4203 KB)  
摘要

硅薄膜合金化可调控硅基薄膜的光学带隙、折射率等特性, 是提高硅基薄膜太阳电池性能的重要途径之一. 硅氧合金薄膜是由富硅相和非晶富氧相组成的双相体系, 具有高电导、宽带隙、低折射率等特性, 可用于硅基薄膜太阳电池的吸收层及辅助层, 提高太阳电池的性能, 是近期硅基合金薄膜的研究热点. 本文将概述硅氧合金薄膜的微观结构、光电特性, 及其在硅基薄膜电池窗口层、吸收层、中间反射层、背反射层等的应用.

论文

光子增强热离子发射太阳能电池混合功率系统参数的优化设计

林健, 杨智敏, 林比宏, 黄志福
中国科学 技术科学, 2016, 46(3): 225-234 | doi: 10.1360/N092015-00299
全文 : PDF (1597 KB)  
摘要

考虑实际系统中存在的多种传热损失, 本文建立一类不可逆光子增强热离子发射太阳能电池与温差热电发电器组合而成的混发电系统模型. 基于太阳能电池与温差热电发电器之间的能量平衡方程, 导出该混合系统输出功率和效率的表达式. 通过数值计算, 详细分析了光增热离子太阳能电池的面积、阴极半导体材料的禁带宽度、电子亲和势以及温差热电发电器的无量纲电流对混合系统优化性能的影响, 确定混合发电系统运行于最大效率下光子增强热离子太阳能电池阴极材料的禁带宽度, 电子亲和势, 电池面积和温差热电发电器的无量纲电流的优化值. 结果表明, 采用混合发电系统, 太阳能转换效率与工作于相同条件下的单一光增热离子太阳能电池的效率相比可提高约10%, 而光增热离子太阳能电池阴极半导体材料禁带宽度在最大效率下的优化值则比单一光增热离子太阳能电池的小. 本文所得结果可为实际光子增强热离子太阳能电池混合发电系统的设计和优化运行提供理论依据.

论文

介电泳技术在生物信号检测和相分离阻变材料中的应用

武灵芝, 董帅
中国科学 技术科学, 2016, 46(3): 235-242 | doi: 10.1360/N092015-00255
全文 : PDF (1540 KB)  
摘要

介电泳是操纵微纳米级粒子的强大工具, 已经在生物细胞和无机微粒的分离、检测、操控方面得到了广泛的应用. 本文突破对介电泳技术的传统定位, 简要介绍介电泳效应的两例新的应用. 首先是和新兴的纳米孔技术结合, 利用介电泳的富集效应, 在微纳环境下对单分子行为进行操控, 解决目前纳米孔基因测序面临的通量低等难题. 其次在某些相分离固体材料中, 介电泳可以通过调节电子相的几何结构引起渗流, 从而实现电致阻变效应. 这些研究不仅扩大了介电泳技术的应用范围, 且具有多学科技术交叉融合的特点, 为生物检测技术的开发创新以及新型功能材料的设计提供了新的思路.

论文

基于PCNN捕获-抑制机制的图像分类器设计

于文勇, 康晓东, 洪睿
中国科学 技术科学, 2016, 46(3): 243-247 | doi: 10.1360/N092015-00301
全文 : PDF (453 KB)  
摘要

针对医学图像识别的重要性, 本文提出了一种结合彩色图像特征场和基于脉冲耦合神经网络捕获-抑制机制的图像分类器设计方法. 首先, 构造符合人类视觉的彩色图像特征场; 然后, 利用脉冲耦合神经网络设计分类器实现对图像的识别. 最后, 应用于JAFFE 人脸表情数据库和中医舌象的分类识别中, 并与ADABOOST 方法和SVM 方法进行比较. 实验结果表明, 本文方法可以获得更好的医学图像识别效果.

论文

基于RBF神经网络的风电机组独立变桨控制

韩兵, 周腊吾, 陈浩, 邓宁峰, 田猛
中国科学 技术科学, 2016, 46(3): 248-255 | doi: 10.1360/N092015-00104
全文 : PDF (1371 KB)  
摘要

由于风速的随机性、风电机组参数的时变性以及复杂的变桨系统引起的时滞性, 随着风力机桨叶长度的不断增加, 叶片受力拍打振动的情况越来越严重, 同时造成输出功率不稳定. 为改善风机变桨系统在运行区域内的动态性能, 本文依据风力机空气动力学原理、风剪切特性和塔影效应, 提出了基于径向基函数(RBF)神经网络自适应独立变桨距控制方法, 采用RBF 神经网络逼近变桨系统未知的非线性函数, 通过Lyapunov 方法导出神经网络自适应率, 在线调整神经网络权值来改善独立变桨系统的动态性能, 最后通过设计风电机组的独立变桨控制模型进行相关实验, 证明基于RBF 神经网络自适应独立变桨控制系统具有良好的动态性能, 可以有效稳定输出功率, 降低桨叶、轮毂、机舱、塔架等风电机组关键部件的疲劳载荷.

论文

一种具有记忆自学习能力的快速动态寻优算法及其无功优化求解

余涛, 张孝顺
中国科学 技术科学, 2016, 46(3): 256-267 | doi: 10.1360/N092015-00213
全文 : PDF (1848 KB)  
摘要

针对传统人工智能在随机复杂环境的适应及交互能力较低问题, 有机地将经典强化学习Q(λ)算法与多主体协同行为进行高度融合, 提出了一种具有记忆自学习能力的快速动态寻优算法. 该算法通过与外部环境反复的交互来进行自学习改进, 并利用值函数矩阵储存状态-动作对记忆, 提出了联系记忆方式, 有效地对传统Q(λ)算法的动作空间进行降维处理, 减小了记忆矩阵的规模; 基于多主体协同合作的概念, 采用多个主体同时对记忆矩阵进行迭代更新, 明显提高了更新速度; 在预学习形成良好的记忆后, 能快速地进行在线动态优化. 最后, 文章利用电力系统经典无功优化模型进行了算法测试, IEEE 118 节点和IEEE 300 节点标准算例仿真表明:本文所提算法在保证较高收敛性的同时, 寻优速度能提高到遗传算法、蚁群算法、粒子群等传统人工智能方法的5~40 倍, 非常适用于大规模复杂电网的在线滚动无功优化.

论文

地磁暴侵害我国高铁和油气管道的观测研究

刘连光, 葛小宁, 王开让, 宗伟, 刘春明
中国科学 技术科学, 2016, 46(3): 268-275 | doi: 10.1360/N092015-00279
全文 : PDF (1454 KB)  
摘要

为研究地磁暴会不会对中低纬地区的铁路和输油气管道的安全造成严重的影响, 通过对我国高铁地磁暴地磁扰动(GMD)侵害的观测实验和油气管道侵害的调研, 获得了GMD 侵害京港客运专线鹤壁东站电气系统的地磁感应电流(GIC)和西气东输管道的管地电位(PSP)的数据. 本文分析了高速铁路和油气管道观测数据与观测点附近地磁台地磁数据的相关性, GMD 侵害铁路和油气管道的物理过程和响应机制与公共电网遭受到GMD侵害的异同, 以及所观测的GMD 侵害事件对高铁电气设备安全和油气管道腐蚀的可能影响. 结果表明, 2015 年3 月18 日和6 月23 日地磁暴在京港客运专线鹤壁东站轨道电路回路产生的GIC最大值分别为1.30 和1.80 A, 中、小地磁暴产生的PSP 会超过油气管道的阴极保护装置的启动限值; 说明纬度的高低只是地面管网地磁暴灾情、灾害的影响因素之一, 高铁电气系统和油气管道的构成及结构的影响是主要原因, 地面管网系统的地磁暴影响是全球性的问题.

论文

双重孔隙-裂隙岩体中地下洞室稳定性的瞬弹-粘弹-粘塑性二维有限元分析

张玉军, 琚晓冬
中国科学 技术科学, 2016, 46(3): 276-285 | doi: 10.1360/N092015-00106
全文 : PDF (1996 KB)  
摘要

用西原模型描述双重孔隙-裂隙介质的流变特性, 但其中的瞬弹、粘弹及粘塑性元件由岩块和节理的成分构成, 建立了该模型的平面有限元求解格式并引入已开发的计算程序中. 针对一个矩形地下洞室围岩中无、有成组正交或斜交裂隙的四种计算方案, 进行数值模拟, 分析、对比了围岩中的位移、应力及塑性区. 其结果显示:多组裂隙的作用一是降低了完整岩体的抗剪强度, 二是改变了围岩中的应力分布及量值; 与单一介质相比, 双重介质围岩中位移的方向有所变化, 其随时间发展的量值明显增大, 并且应力场的分布也有相应的改观; 随裂隙组倾角的改变, 双重介质围岩中的塑性区范围可能比单一介质围岩中的大或小.

论文

预应力混凝土槽型梁日照温度荷载模式研究

薛嵩, 戴公连, 闫斌
中国科学 技术科学, 2016, 46(3): 286-292 | doi: 10.1360/N092014-00418
全文 : PDF (1285 KB)  
摘要

为研究日照作用下槽型梁的温差分布模式, 以沪昆客专上某预应力混凝土槽型截面独塔斜拉桥为例,推导了结构自身遮挡下任意斜面上阴影长度的计算方法, 建立了考虑大气环境参数、桥梁方位和走向, 以及箱室遮挡作用的槽型梁热力学仿真模型, 分析日照作用下槽型梁截面上的温差荷载模式. 研究表明: 槽型梁腹板受太阳直接辐射, 而底板受到箱室遮挡, 导致槽型梁内温度分布较为复杂, 现行规范中的温差荷载模式并不适用于槽型梁; 以应力等效为原则提出槽型梁的温差荷载模式: 槽型梁箱室上缘最大温差20℃, 向下至腹板内符合指数函数分布; 下缘最大温差2.5℃, 在0.2 m 范围内线性变化至0℃.

论文

烧结烟气余热驱动圆筒式两级热电发电装置热力学分析与优化

熊兵, 陈林根, 孟凡凯, 孙丰瑞
中国科学 技术科学, 2016, 46(3): 293-301 | doi: 10.1360/N092015-00210
全文 : PDF (1368 KB)  
摘要

针对钢铁工业中烧结烟气余热资源丰富但回收利用率低的现状, 建立了烧结烟气余热驱动圆筒式两级热电发电装置的有限时间热力学模型. 以最大功率输出为目标函数, 应用Matlab 优化工具箱优化了热电单元尺寸和工作电流, 分析了烟气换热通道几何尺寸和多边形边数对优化变量和最优性能的影响, 并从经济性角度计算了投资回收周期. 结果表明: 对于正方形截面管道, 烧结烟气为350℃时, 优化前功率为5.59 kW, 优化后功率为7.97 kW, 提高42.39%. 热电模块价格为40 元/块时, 设备回收周期为6 年左右.

论文

基于高导热材料非均匀分布的体点导热构形优化

伍文君, 陈林根, 谢志辉, 孙丰瑞
中国科学 技术科学, 2016, 46(3): 302-312 | doi: 10.1360/N092015-00009
全文 : PDF (1703 KB)  
摘要

基于变截面高导热通道矩形单元体, 同时释放上一级构造体最优和高导热材料均匀分布两个约束条件,对矩形区域体点导热问题进行构形优化. 优化结果表明, 单元体内高导热材料面积沿导热通道的最优分布并非均匀的. 导出了高导热材料的最优分布规律, 有效降低了构造体最大热阻. 进一步的分析还表明, 增加单元体个数并不总能降低最大热阻, 而矩形区域的长宽比接近2 时, 矩形区域内的最大热阻最小.

论文

不同运行环境下高速列车外形气动优化

熊骏, 李田, 张继业
中国科学 技术科学, 2016, 46(3): 313-322 | doi: 10.1360/N092015-00153
全文 : PDF (1476 KB)  
摘要

基于多目标遗传算法NSGA-II 和近似模型方法, 以明线列车气动阻力和侧风下头车倾覆力矩为优化目标, 对列车三维外形进行气动优化设计. 建立了基于Hicks-Henne 型函数的列车三维参数化模型, 对比分析了不同近似模型对列车气动力计算近似精度的影响. 研究了列车头部纵向轮廓线、头部水平轮廓线、车身截面形状、鼻尖形状、排障器形状、头部侧翼形状、列车车身高度以及宽度等外形因素对列车在不同运行环境下气动性能的影响, 得到了影响优化目标的关键变量. 优化结果表明: 优化后的列车外形向着头型更尖扁, 横断面积更小,车身侧壁弧度增加的方向变化; 与原始模型相比较, 优化后明线列车气动阻力最大幅值减小了17.5%, 侧风下头车侧滚力矩最大幅值减小了22.9%.

 
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