星火基金-项目阐述 任洁
高度集成的μLED 显示技术研究进展
第41卷㊀第10期2020年10月发㊀光㊀学㊀报CHINESEJOURNALOFLUMINESCENCEVol 41No 10Oct.ꎬ2020㊀㊀收稿日期:2020 ̄07 ̄03ꎻ修订日期:2020 ̄08 ̄04㊀㊀基金项目:国家自然科学基金面上项目(11674016)ꎻ国家重点研发计划(2017YFB0403102)资助项目SupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(11674016)ꎻNationalKeyR&DProgramofChina(2017YFB0403102)文章编号:1000 ̄7032(2020)10 ̄1309 ̄09高度集成的μLED显示技术研究进展严子雯1ꎬ2ꎬ严㊀群1ꎬ2ꎬ李典伦1ꎬ2ꎬ张永爱1ꎬ2ꎬ周雄图1ꎬ2ꎬ叶㊀芸1ꎬ2ꎬ郭太良1ꎬ2ꎬ孙㊀捷1ꎬ2∗(1.福州大学物理与信息工程学院ꎬ福建福州㊀350108ꎻ2.中国福建光电信息科学与技术创新实验室ꎬ福建福州㊀350117)摘要:微型发光二极管(μLED)是当今国际最前沿的显示技术之一ꎬ它一般指单个尺寸小于50μm的LED阵列ꎮμLED相对于液晶显示(LCD)㊁有机发光二极管(OLED)显示等技术有其独特的优势:寿命长㊁响应时间短㊁亮度高ꎮ最重要的是ꎬ它可以实现高度集成显示ꎬ既包括像素密度远远高于常规显示技术的高PPI显示器件ꎬ也包括我们首次提出的集成了某些非显示元件的超大规模集成半导体信息显示器件(HISID)ꎮ在许多显示技术的指标上ꎬμLED的性能都很优异ꎮ但是ꎬ由于μLED将常规LED器件的尺寸大大缩小ꎬ且往往密度提高ꎬ因此产生了许多新的技术和物理上的挑战ꎬ例如巨量转移技术㊁全彩化显示等ꎬ所以μLED尚未实现真正意义上的产业化ꎮ本文对高度集成μLED显示技术的研究和发展情况进行了较系统的论述ꎬ首先对μLED的基本原理和结构进行了介绍ꎬ然后对其重点核心技术进行了分类研究和点评ꎬ最后对μLED显示技术的发展方向及其应用前景做出了分析ꎮ关㊀键㊀词:微型发光二极管(μLED)ꎻ驱动ꎻ巨量转移ꎻ全彩化ꎻ高度集成中图分类号:TN312.8㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀DOI:10.37188/CJL.20200191ResearchProgressofHighIntegrationDensityμLEDDisplayTechnologyYANZi ̄wen1ꎬ2ꎬYANQun1ꎬ2ꎬLIDian ̄lun1ꎬ2ꎬZHANGYong ̄ai1ꎬ2ꎬZHOUXiong ̄tu1ꎬ2ꎬYEYun1ꎬ2ꎬGUOTai ̄liang1ꎬ2ꎬSUNJie1ꎬ2∗(1.CollegeofPhysicsandInformationEngineeringꎬFuzhouUniversityꎬFuzhou350108ꎬChinaꎻ2.FujianScience&TechnologyInnovationLaboratoryforOptoelectronicInformationofChinaꎬFuzhou350117ꎬChina)∗CorrespondingAuthorꎬE ̄mail:jie.sun@fzu.edu.cnAbstract:Microlight ̄emittingdiode(μLED)isoneofthemostcutting ̄edgedisplaytechnologiesintheworld.ItgenerallyreferstotheLEDarraywithasinglemesasizelessthan50microns.Com ̄paredwithliquidcrystaldisplay(LCD)andorganiclightemittingdiode(OLED)displayꎬμLEDdisplaytechnologyhasitsuniqueadvantages:longlifetimeꎬshortresponsetimeꎬandhighbright ̄ness.Mostimportantlyꎬitenablestherealizationofhighlyintegrateddisplaysꎬwhichincludesbothhigh ̄PPIdisplayswithmuchhigherpixeldensitiesthanconventionaldisplaytechnologiesꎬandhigh ̄lyintegratedsemiconductorinformationdisplays(HISID)thathavebeenproposedfirstbyusandcontaincertainnon ̄displaycomponents.InmanyfiguresofmeritofdisplaytechnologyꎬμLEDsper ̄formexcellently.HoweverꎬasμLEDsgreatlyreducethesizeofconventionalLEDdevicesandtypi ̄callyhaveanincreaseddevicedensityꎬmanynewtechnicalandphysicalchallengeshavearisenꎬsuchasmasstransfertechnologyꎬfull ̄colordisplayꎬetc.ThereforeꎬμLEDshavenotyetachieved1310㊀发㊀㊀光㊀㊀学㊀㊀报第41卷anyrealindustrialization.InthispaperꎬthehighlyintegratedμLEDdisplaytechnologyresearchandprogressaredescribedsystematically.FirstofallꎬthebasicprincipleandstructureofμLEDsarein ̄troducedꎬfollowedbytheclassificationandreviewofthekeytechnologies.FinallyꎬthedevelopmenttrendsandapplicationprospectsoftheμLEDdisplaytechnologyareanalyzed.Keywords:microlight ̄emittingdiode(μLED)ꎻdriverꎻmasstransfertechnologyꎻcolorizationꎻhighintegrationdensity1㊀引㊀㊀言20世纪以来ꎬ随着信息时代的发展ꎬ显示技术逐渐进入人们的生活中ꎬ其应用领域覆盖从医疗㊁教育㊁娱乐到工业㊁军事㊁航空航天的方方面面ꎮ显示技术也从最初的阴极射线管(CRT)逐渐发展到如今的平板显示ꎮ液晶显示(LCD)和等离子显示(PDP)两种新的平板显示技术推出后ꎬ它们凭借节能㊁体积较小等优点ꎬ逐渐取代了占据显示市场数十年的CRTꎮ由于LCD不断降低成本和提高性能ꎬPDP在不久后失去了竞争力ꎬ但是LCD需要使用背光通过液晶矩阵发光产生图像ꎬ所以存在响应时间慢㊁转换效率低㊁均匀性差㊁色彩饱和度低等缺点ꎮ近年来ꎬ新型显示技术逐渐发展起来ꎬ例如有机发光二极管(OLED)显示㊁发光二极管(LED)显示等ꎮ与LCD相比ꎬOLED显示是自发光显示ꎬ无需背光㊁视角宽㊁对比度高㊁省电㊁响应速度快㊁每个像素都可以独立控制ꎮ而且ꎬOLED的组成为固态结构ꎬ没有液态物质ꎬ抗机械振动性能更好ꎮ然而ꎬOLED显示屏寿命相对较短ꎬ加上色彩纯度不够以及成本略高等因素ꎬOLED的市场占有率并未超过LCDꎮLED显示则较多用于大型户外显示屏ꎬ具有寿命长㊁功耗低㊁亮度高㊁色彩饱和度高等优点ꎮ目前ꎬLED显示技术中ꎬ像素日趋微型化ꎮ越来越多的科研人员开始了关于微型LED(μLED)的研究[1 ̄13]ꎬ并将其视为下一代显示技术ꎮ相比于LCD和OLEDꎬμLED具有很多优势ꎬ如效率高㊁耐候性好㊁寿命长㊁分辨率可以很高等ꎬ更重要的是ꎬ它可以实现所谓 高度集成显示 ꎮ本文中ꎬ这一概念有两重含义ꎮ其一ꎬ由于μLED单个像素面积极小ꎬ因此可实现超高分辨率显示ꎻ其二ꎬ也可适当降低像素密度ꎬ而在其间隙处集成微传感器等非显示元素ꎬ与用户互动ꎮ这些都是传统技术很难实现的ꎮ但目前μLED尚未产业化ꎬ主要是因为μLED将LED器件尺寸缩小ꎬ且往往密度很高ꎬ所以许多新的技术挑战随之产生ꎬ如巨量转移技术和全彩化显示等ꎮ一方面ꎬ由于难以将驱动电路直接制备在μLED衬底上ꎬ因此需要将μLED器件从其衬底上转移并键合到互补金属氧化物半导体(CMOS)或薄膜晶体管(TFT)驱动电路衬底上ꎮ然而ꎬ转移的μLED尺寸小㊁数量多㊁需要精确对位且良率至少大于99.9999%ꎬ所以这种巨量转移是μLED公认的一个关键性技术ꎮ另一方面ꎬ由于在GaN上制备的红光μLED的效率比较低ꎬ所以实现全彩化显示也是μLED的一个重要技术难点ꎮ本文主要介绍高度集成的μLED显示技术的研究现状ꎬ将结合我们的科研实践ꎬ分别从μLED显示技术的基本原理㊁结构与性能㊁驱动方式㊁重点技术等方面进行分析说明ꎬ最后介绍其最新市场应用ꎬ提出在显示领域有革命性意义的超大规模集成半导体信息显示器件(HISID)的理念ꎬ并加以评述ꎮ2㊀μLED基本原理、结构与性能LED[14]是一种将电能转化为光能的电致发光器件ꎬ其核心结构是由半导体材料形成的PN结ꎮ当对LED施加正向电压时ꎬ通过电极从N区和P区分别向空间电荷区注入电子和空穴ꎬ并在结区复合发光ꎮμLED技术就是将LED微缩化和矩阵化ꎬ其发光单元尺寸在50μm以下ꎬ且较高密度地集成在芯片上ꎮμLED可以通过巨量转移的方式批量地转移到驱动电路基板上ꎬ该基板可以为硬性或柔性㊁透明或不透明ꎮ然后ꎬ再利用物理气相沉积等方法在其上制备保护层和外接电极ꎬ并进行封装ꎮ制备μLED的材料一般是GaN基半导体ꎮμLED主要由以下几部分组成:衬底㊁缓冲层㊁N型半导体㊁MQWs(多量子阱)㊁P型半导体以及电极ꎬ有些还有P ̄AlGaN电子阻挡层ꎮ为进一步提高性能ꎬ还可加入光栅㊁光子晶体㊁分布式布拉格㊀第10期严子雯ꎬ等:高度集成的μLED显示技术研究进展1311㊀反射镜(DBR)等附加结构ꎮμLED芯片的结构主要分为正装结构㊁倒装结构㊁垂直结构等ꎮ如图1(a)所示ꎬ正装结构较为简单且易于加工ꎬ但是由于顶部需要制备电极因而使得出光面积减少ꎬ且散热性能较差ꎻ倒装结构如图1(b)所示ꎬ相比较于正装结构ꎬ光提取效率更高ꎬ器件的散热性能㊁可靠性和寿命也都得到了提高ꎮP 鄄G a N M Q W s N 鄄G a NU 鄄G a N蓝宝石电极凸点(a )(b )I T O P 鄄GaN MQWs电极U 鄄G a N 图1㊀(a)μLED正装结构ꎻ(b)μLED倒装结构ꎮFig.1㊀(a)Structureofface ̄uppackagedμLED.(b)Struc ̄tureofflip ̄chippackagedμLED.3㊀μLED显示的驱动μLED的驱动方式主要有两种模式:无源寻址驱动和有源寻址驱动ꎮ3.1㊀无源寻址驱动(PM)无源寻址驱动[15]是指在μLED阵列中使用金属连线分别将每列像素阳极相连ꎬ每行像素阴极相连ꎬ由外加行列控制器对行列电极进行动态Data current sourceScan driver图2㊀无源寻址驱动Fig.2㊀Passiveaddressingdriver扫描ꎮ图2是无源寻址驱动的典型电路结构ꎬ当第x行和第y列选通时ꎬ其交点(xꎬy)处像素被点亮ꎮ使用无源寻址驱动方式对屏幕高速地逐点扫描ꎬ就可以实现全屏画面显示ꎮ无源寻址驱动方式结构简单且易实现ꎬ在设计和制备方面具有成本优势ꎮ图3是典型的无源寻址驱动阵列的剖面和三维结构示意图ꎮP m et a l N metalA c t i v e r eg i o n Insulating layerITOP m e t a lI n s u l a t i n g l a y e r N 鄄G a NS a p ph i r e滋LEDN metal图3㊀无源寻址驱动阵列ꎮ(a)剖面图ꎻ(b)3D结构图ꎮFig.3㊀Passiveaddressingdriverarray.(a)Cross ̄sectionalstructure.(b)3Dviewofthepassiveaddressingdriver.3.2㊀有源寻址驱动(AM)典型的有源寻址驱动[16 ̄18]方式一般是指采用金属键合工艺将μLED芯片倒装在驱动基板上(如CMOS)ꎬ每个像素的阴极通过共用N型GaN连接ꎬ阳极则与CMOS驱动基板金属键合ꎮ使用这种方式ꎬ每个像素都有独立的驱动电路ꎬ可以方便地单独寻址控制ꎮ有源寻址驱动方式中ꎬ经常使用两个晶体管一个电容(2T1C)驱动电路ꎬ如图4所示ꎮ每个μLED的电流控制通过寻址晶体管T1㊁驱动晶体管T2和一个存储电容C实现ꎮ信号存储在电容中ꎬ使得像素器件处于保持状态ꎬ直至下一帧信号刷新ꎬ从而在整个周期产生所需的连续电流[12]ꎮ此处介绍2T1C结构是因为它是有源驱动的一种基本电路ꎬ简单且易实现ꎬ但其本质是电压控制电流源ꎬ而μLED是电流型器件ꎬ所以该电路较难控制显示灰度ꎮ更精细的设计ꎬ例如4T2C电路ꎬ是一种电流控制电流源的电流比例型1312㊀发㊀㊀光㊀㊀学㊀㊀报第41卷驱动电路ꎬ对实现μLED的灰阶更有利ꎬ此处不详述ꎮLEDT2V DDCT1V scanV data图4㊀2T1C有源寻址驱动电路图Fig.4㊀Schematicofa2T1CAMdrivingcircuit目前主要有整片转移和晶粒转移两种方式来组装有源寻址驱动μLEDꎮ整片转移方式是将外延片制成μLED阵列后ꎬ整体倒装在驱动基板上ꎬ但由于目前很难在同一基板上有选择地生长不同颜色的μLEDꎬ所以很难实现全彩化ꎮ晶粒转移方式是将μLED衬底切割成单晶粒ꎬ通过巨量转移方式转移到驱动基板上ꎮ但是当前巨量转移技术还不成熟ꎬ所以组装成本较高ꎮ3.3㊀两种驱动方式对比与无源寻址驱动方式相比ꎬ有源寻址驱动方式更适合应用在μLED器件中ꎬ它有着显著的优势ꎮ虽然无源寻址驱动方式结构简单且易实现ꎬ但是也存在许多不足:它采用共行共列的电极ꎬ会产生较大的寄生电阻和电容ꎬ导致功耗大ꎻ驱动电压较高时ꎬ驱动电流从选定像素通过ꎬ但其周围像素也会受到电流影响ꎬ产生像素串扰ꎬ影响显示质量ꎻ由于外部集成电路的驱动能力有限ꎬ每个像素的亮度受这一行或列中已经亮起像素的数量影响ꎬ当行或列亮起的像素个数不同时ꎬ施加到每个像素上的驱动电流不同ꎬ亮度产生差异ꎬ对于大面积的显示应用而言ꎬ会极大地影响屏幕亮度的均匀性及对比度ꎻ对于彩色μLED阵列ꎬ单个像素中包含3种不同的μLEDꎬ每种μLED需要的驱动电压不同ꎬ需要更复杂的驱动电路ꎬ使得驱动的难度增大ꎮ图3为无源寻址驱动阵列剖面图和3D结构图ꎮ因为需要深刻蚀到衬底以确保每个μLED之间都是电学隔离的ꎬ所以电极经过深隔离槽时有可能会出现断裂ꎬ器件可靠性降低ꎬ并且这种结构使得发光单元的间距增大ꎬ像素密度受到影响ꎮ所以无源寻址驱动方式不是非常适合于大尺寸和超高分辨率的显示ꎮ与此相反ꎬ对于有源寻址驱动方式ꎬ其驱动能力更强ꎬ驱动速度更快ꎬ所以更加适合大面积和高分辨率的μLED显示ꎻ有源寻址驱动方式无行列扫描损耗ꎬ功耗更小ꎬ效率更高ꎻ有源寻址驱动方式的亮度均匀性和对比度也较好ꎻ每个像素都有独立的驱动电路ꎬ被点亮像素不影响周围的像素ꎬ可以较好地解决串扰问题ꎮ4㊀μLED巨量转移技术μLED巨量转移技术主要是指将生长在外延衬底上的μLED阵列快速精准地转移到驱动电路基板上ꎬ并与驱动电路之间形成良好的电气连接和机械固定的技术ꎬ也是当前限制μLED产业化的一个瓶颈技术ꎬ能否大量㊁快速㊁准确地转移μLED芯片到目标基板上决定着μLED是否能够真正实现量产ꎮ巨量转移技术在μLED显示中之所以十分必要ꎬ主要是由于以下几点:由于GaNμLED表1㊀主要巨量转移技术Tab.1㊀Majormasstransfertechnologies方法主要机理具体细节流体自组装重力和毛细管力利用重力和毛细管力驱动悬浮在液体中的μLED到达指定位置ꎬ并与基板表面合金产生电气连接ꎮ范德华力利用弹性印章和μLED之间的范德华力作用ꎬ将μLED转移到目标基板上ꎮ印章抓取磁力通过电磁力控制μLED芯片的吸取和放置ꎮ静电力印章头被介电层分开ꎬ形成一对分别带有正电和负电的硅电极ꎬ通过控制电极正负来抓取和放置芯片ꎮ选择性释放激光剥离利用激光将μLED与原衬底之间的界面层分离ꎬ通过局部产生的机械力将μLED芯片推向目标衬底ꎮ滚轴转印滚轴式印章通过滚轮将TFT与μLED转移到目标衬底上ꎮ㊀第10期严子雯ꎬ等:高度集成的μLED显示技术研究进展1313㊀外延片与GaN晶体管外延片结构差异很大ꎬ在GaNμLED外延片上直接制备基于GaN晶体管的驱动电路需要二次外延生长ꎬ工艺复杂且可靠性较差ꎬ因此需要巨量转移μLED到另外的驱动衬底上ꎻ为了实现可穿戴设备ꎬ需要将μLED转移到柔性或可拉伸衬底上ꎻ有时需要通过巨量转移技术来有选择地转移部分μLEDꎬ以匹配不同分辨率显示设备的像素间距ꎻ巨量转移技术可以用于实现μLED全彩化显示ꎬ亦即通过巨量转移技术分别将红绿蓝(RGB)三色μLED晶粒转移到驱动电路基板上ꎬ以实现全彩化ꎻHISID器件中ꎬ也需要采用巨量转移技术加入非显示元件等ꎮ目前μLED巨量转移技术主要有流体自组装技术㊁印章抓取技术㊁选择性释放技术㊁滚轴转印技术等ꎮ4.1㊀流体自组装技术(FSA)流体自组装技术[19 ̄20]是通过重力和毛细管力驱动并捕获μLED至驱动电路基板的一种转移方式ꎮ自组装一般是在液体中进行ꎬμLED在液体中悬浮并在目标基板表面流动ꎬ到达被捕获的位置ꎬ与目标基板表面合金接触并与目标基板形成电气连接ꎮCho等[21]采用流体自组装方式ꎬ将圆形芯片㊁表面具有低熔点合金涂层的基板和组装溶液放入玻璃小瓶ꎬ加热并振荡ꎬ芯片在流动时被低熔点合金捕获并与基板形成电气连接ꎬ在1min内将19000多块直径为45μm的蓝色μLED组装在基板上ꎬ成功率达99.9%ꎮ4.2㊀印章抓取技术印章抓取技术是指通过范德华力㊁磁力或者静电力将μLED芯片黏附在转移用的印章上ꎬ然后放置在目标基板上[22]ꎮX ̄Celeprint[23]在2015年提出一种弹性印章技术ꎬ如图5所示ꎬ弹性印章一般由聚二甲基硅氧烷(PDMS)为载体ꎮ为了使μLED芯片更好地被印章抓取并脱离原基板ꎬ在制备μLED过程中加入一层牺牲层ꎬ去除牺牲层后ꎬμLED器件与原基板中间有一部分镂空ꎮ印章和器件之间通过范德华力结合ꎬ提起印章将使器件与原基板镂空处的连接断裂ꎬ并按原有阵列排布的格局转移到印章上ꎬ良率大于99.9%ꎮITRI提出将μLED中混入铁钴镍等材料ꎬ通过电磁力控制芯片抓取ꎮLuxVue[24]提出采用静电力抓取芯片ꎬ通过对印章施加正负电压来控制μLED的抓取和放置ꎮNative substrate with滋LED devicesElastomer stamp(PDMS)Devices are transferred onto stampDevices are printed onto target substrate图5㊀印章抓取技术示意图Fig.5㊀Illustrationofthestamp ̄basedpick&placetech ̄nique4.3㊀选择性释放技术选择性释放技术[25]是使用激光束将μLED从衬底上剥离ꎬ然后再转移到目标基板上ꎮ如图6所示ꎬ在激光照射下ꎬ原始衬底与μLED的界面处发生反应ꎬ分解界面层ꎬμLED脱离衬底ꎬ同时有局部的机械力将μLED推向目标基板ꎮ目前有报道使用大规模并行激光转移技术ꎬ实现了每小时1亿次以上的转移效率ꎮThin filmLaser sourceBeam shapingDonorsubstrateReceiversubstrate图6㊀选择性释放技术示意图Fig.6㊀Illustrationofthelaser ̄inducedforwardtransfer4.4㊀滚轴转印技术滚轴转印技术[26]是由韩国KIMM提出的一种μLED转移方式ꎬ可以用于转移厚度小于10μm㊁尺寸小于100μm的μLED芯片ꎮ这个方法可以用于柔性㊁可拉伸和轻量级的显示设备ꎬ转移速率高达每秒10000个ꎮ如图7所示ꎬ首先利用涂覆一次性转移膜的滚轮将TFT阵列拾取并放置在临时基板上ꎻ然后将μLED用同样的方法拾取放置在有TFT的临时基板上ꎬ与TFT焊接ꎻ最后ꎬ将μLED和TFT互联阵列滚动转移到目标衬底上ꎮ1314㊀发㊀㊀光㊀㊀学㊀㊀报第41卷图7㊀滚轴转印技术示意图Fig.7㊀Illustrationoftheroll ̄to ̄rolltransfer目前ꎬ与流体自组装技术㊁选择性释放技术㊁滚轴转印技术相比ꎬ有关印章抓取技术的研究更加广泛ꎮ我们认为ꎬ这种技术是更有可能使μLED实现产业化的巨量转移技术ꎮ流体自组装技术虽然转移方式简单㊁成本低㊁可以并行组装ꎬ但是这种方式组装成品率低ꎬ对芯片形状有要求ꎬ并且需要解决如何将芯片准确定位于结合点这个问题ꎻ滚轴转印技术虽然工艺步骤比之前减少ꎬ生产速度有所提高ꎬ但是技术难度较大ꎬ很难保证生产良率ꎮ相比之下ꎬ印章抓取技术则可以有效地实现大批量有选择性的转移ꎮ该方法可控性强㊁转移效率高㊁成品率高㊁印章易于加工且灵活性大ꎬ因此我们认为相比较于其他几种转移方式ꎬ印章抓取技术更有可能成为日后进行巨量转移的主要转移方法ꎮ下一阶段应主要追求进一步提高准确性和降低技术成本ꎮ5㊀μLED彩色化技术对于大多数显示器而言ꎬ其显示的图像都需要全色(红㊁绿㊁蓝三原色组成)ꎬ因此μLED显示的彩色化也是一个重要的研究方向ꎮ目前主流的彩色化方式有3种:三色RGB法㊁短波长μLED+发光介质法以及将图像色彩化的透镜合成法ꎮ5.1㊀三色RGB法三色RGB法是指分别在不同的衬底上外延并制作红色㊁绿色㊁蓝色的μLED芯片ꎬ然后将其切割ꎬ转移到目标基板上ꎮPeng等[27]利用垂直结构的红光μLED器件和正装结构的蓝㊁绿光μLED器件ꎬ通过板上芯片(COB)技术在石英衬底上制备了全彩μLED显示器ꎮ如图8所示ꎬ这种全彩技术中ꎬ每个像素中都包含RGB3个μLED器件ꎬ通过不同电流来控制亮度ꎬ使得三原色混合实现全彩化ꎮ但是ꎬ这种方式也存在一些问题待解决:RGB3种μLED所使用的材料不同ꎬ所以寿命㊁温度等方面的性能也不相同ꎻ需要复杂的驱动电路来维持工作ꎻ需要将3种不同的μLED转移到目标基板上ꎬ对巨量转移要求很高ꎮ例如ꎬ制造一个4k分辨率的显示器ꎬ需要将2500万个μLED精确地(误差在1μm以下)组装和连接在基板上ꎬ转移如此大量的3个不同的μLED是非常困难的ꎮ滋LED array图8㊀三色RGB法阵列Fig.8㊀RGBμLEDfull ̄colordisplayarray5.2㊀短波长μLED+发光介质法短波长μLED+发光介质法是指利用沉积在短波长μLED上的发光介质(目前常用荧光粉或者量子点)作为颜色转换层来实现全彩化显示ꎮ2020年ꎬKim等[28]使用光固化丙烯酸材料与纳米有机复合材料的混合物ꎬ通过光刻技术在蓝光μLED上沉积红色㊁绿色颜色转换层ꎮ该转换层在底部蓝光照射下光致发光ꎬ产生红光和绿光ꎬ与无转换层的蓝光混合形成白光ꎬ实现全彩显示ꎮ为避免像素间颜色串扰ꎬ还在μLED之间沉积了黑色胶ꎮLi等[29]在蓝宝石上制备蓝/绿双波长μLED器件ꎬ使用红色量子点作为颜色转换层实现了全彩显示ꎬ与其他报道的结果相比ꎬ提高了量子点的转换效率ꎮZhuang等[30]在紫光/蓝光μLED上制备纳米孔阵列并填充量子点ꎬ形成白光光源ꎮ这些有序的纳米孔阵列作为光子晶体ꎬ与无纳米孔阵列的平面结构相比ꎬ光的提取效率显著增强ꎮ本课题组先通过在蓝光μLED台面上用纳米压印和干法刻蚀的方法制备纳米孔阵列ꎬ再填入对高温有较强耐受性的红光量子点ꎬ成功地实现了将蓝光高效地转换成红光ꎬ如图9所示ꎮ短波长μLED+发光介质法可以回避目前很难将μLED芯片巨量转移到目标基板的问题ꎬ它㊀第10期严子雯ꎬ等:高度集成的μLED显示技术研究进展1315㊀5滋m1滋m(a )(b )图9㊀使用纳米孔结构的蓝光μLED的色彩转换ꎮ(a)填入量子点后纳米孔SEM图ꎻ(b)填入红色量子点后μLED发光图ꎮFig.9㊀ColorconversionofblueμLEDusingnanoholestruc ̄ture.(a)SEMimageofthenanoholeafterfillinginthequantumdots.(b)μLEDluminescencefigureaf ̄terfillingintheredquantumdots.也无需复杂的驱动电路ꎮ但这个方法需要将颜色转换层精确地放置在尺寸很小的像素上ꎬ并且由于颜色转换层会吸收部分能量ꎬ所以整体的亮度和色彩转换效率都较低ꎮ目前常用的荧光粉材料的颗粒尺寸大ꎬ对于小尺寸的像素容易造成沉积不均匀ꎬ量子点材料尺寸小ꎬ但是材料存在稳定性较差且寿命短等缺点ꎮ5.3㊀透镜合成法透镜合成法是指通过透镜将红光㊁绿光和蓝光进行合成ꎬ从而实现彩色化的方法ꎬ但是这种方法中像素仍为单色ꎬ它只是一种将图像彩色化的方式ꎮ2013年ꎬLiu等[31]使用三色棱镜和投影透镜来制备全彩微显示器ꎮ如图10所示ꎬ分别制备红色㊁绿色和蓝色的微显示器ꎬ使用三色棱镜将从3个单独控制的微显示器产生的图案组合成彩色的图像ꎬ再通过在三色棱镜前增加投影透镜ꎬ可以调整图像颜色并将图像投影到屏幕ꎮ投影出来的颜色可以通过改变3个单色微显示器的强度来调整ꎮ这种方法在技术上较易实现ꎬ但仅限于在投影技术方面的应用ꎮProjection lensTrichroic prismRed 滋LEDBlue 滋LEDGreen 滋LED图10㊀透镜合成法示意图Fig.10㊀Schematicdiagramoflenssynthesis6㊀μLED产业发展现状目前ꎬμLED的潜在市场主要是平板显示ꎮ随着消费者对于节能㊁亮度㊁分辨率等方面需求的提高ꎬ以及μLED技术不断地发展ꎬμLED市场将不断地增长ꎮ根据国际市场研究机构ResearchandMarkets的预测ꎬ全球潜在μLED显示市场2025年将达到205亿美元ꎮ手机㊁智能手表㊁电视㊁笔记本电脑㊁增强现实/虚拟现实(AR/VR)等设备的需求ꎬ是市场增长的主要原因ꎮ随着μLED显示的优势日益凸显ꎬ国内外大批企业都开始着手μLED显示的研发ꎮ2012年ꎬ索尼公司首先将μLED显示技术在消费电子领域试用ꎬ在国际消费电子展(InternationalConsumerElectron ̄icsShow)上展出了尺寸为55寸的 CrystalLEDDisplay 电视ꎬ其上像素约600万个ꎬ亮度约400cd/m2ꎮ2014年ꎬ苹果公司收购了拥有多项μLED显示技术专利的LuxVue公司ꎬ将μLED技术用于AppleWatch及AR/VR方面ꎮ2019年ꎬ三星推出75英寸μLED电视ꎬ芯片尺寸为之前的1/15ꎬPPI较之前增加了4倍左右ꎮ在国内ꎬ重庆惠科与MikroMe ̄sa于2017年初创立μLED面板实验室ꎮ2019年ꎬ京东方公司与美国Rohinni成立μLED合资公司ꎬ主要针对μLED显示器和MiniLED背光方面进行研发ꎮ7㊀μLED应用前景如前所述ꎬμLED的效率㊁速度㊁寿命㊁亮度及分辨率都很高ꎬ同时具备轻薄㊁省电和全天候使用的优势ꎬ使得它在显示方面的应用尤为突出ꎮ初期应用包括柔性㊁透明显示屏ꎬAR/VR的微显示㊁1316㊀发㊀㊀光㊀㊀学㊀㊀报第41卷中小尺寸车载/机载显示和大尺寸显示屏等ꎮ本实验室率先提出HISID的概念ꎬ得到了国际信息显示学会(SID)的认可ꎮ由于μLED器件尺寸在微米级ꎬ远小于正常显示像素(通常在几百微米或更大)ꎬ发光的μLED芯片面积往往只占像素全部面积的千分之一ꎬ所以有足够的空间来通过巨量转移技术集成微型集成电路(IC)和各类微米级传感器等非显示元件ꎬ并使之成为交互式富媒体信息显示终端ꎬ即HISIDꎮ其产品形态已经不是传统的显示屏ꎬ而很有可能有机地融入在室内和户外装潢之中ꎮ它将拥有许多非显示功能ꎬ甚至可以与用户进行一定程度的互动ꎬ实现浸入式 效果ꎬ特别是在游戏㊁影视领域潜力巨大ꎮ若能实现基于μLED的照明㊁空间三维显示㊁空间定位及信息通信高度集成的系统ꎬ并将μLED引入人工智能技术完成高度智能型高速信息交互空间网络ꎬ这将成为继互联网㊁移动通信之后的第三代信息高速网络ꎬ在民生和军事上具有重大战略性意义ꎬ同时也可以促成可交互的富媒体崭新产业ꎮ目前ꎬ本实验室联合外延㊁显示㊁封装龙头企业及科研院所ꎬ正在积极推进HISID研究ꎬ力争使我国在新一轮国际竞争中先发制人ꎮ8㊀结㊀㊀论本文介绍了μLED显示技术的研究和进展情况ꎬ对μLED的基本原理和结构㊁重点技术以及研究发展现状都做出了分析ꎮμLED相比OLED㊁LCD等显示技术有着显著的优势ꎬ但是目前还面临许多问题亟待解决ꎬ如巨量转移技术㊁全彩化方案㊁驱动电路的设计和实现以及后续的检测和修复技术都尚不成熟ꎬ这些问题直接影响μLED显示的量产和商业发展ꎮ这些问题多为工程技术问题而非本征性科学问题ꎬ产学两界现在正在对其进行广泛的研究ꎮ结合μLED在可穿戴㊁AR/VR等高端显示方面的巨大潜力ꎬ我们有理由期待未来的研究在这些领域中取得突破ꎬ实现μLED显示技术光明的前景ꎮ在μLED走向产业化的过程中ꎬ各国处在同一起跑线上ꎬ只要我们抓住机遇ꎬ就能掌握核心技术和自主知识产权ꎬ避免在未来显示中被 卡脖子 ꎮ参㊀考㊀文㊀献:[1]BIXPꎬXIETꎬFANBꎬetal..Aflexibleꎬmicro ̄lens ̄coupledLEDstimulatorforopticalneuromodulation[J].IEEETrans.Biomed.CircuitsSyst.ꎬ2016ꎬ10(5):972 ̄978.[2]SANDAꎬRAKKOLAINENI.Mixedrealitywithmultimodalhead ̄mountedpicoprojector[C].ProceedingsofVirtualRe ̄alityInternationalConference:LavalVirtualꎬLavalꎬFranceꎬ2013:1 ̄2.[3]LEEVWꎬTWUNꎬKYMISSISI.Micro ̄LEDtechnologiesandapplications[J].Inf.Disp.ꎬ2016ꎬ32(6):16 ̄23. 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中国城市高架桥下空间设计探索
求不断增加,如何将未被充分利用的高架桥下空间改造成安全舒适、具有城市特色的公共空间成为重要议题[1]。
国内关于高架桥下空间的研究起步相对较晚,随着高架桥的大量建设,针对高架桥下空间利用的研究逐渐增多。
20世纪80年代初至90年代初期间,随着城市化进程的加快和交通运输需求的增加,我国开始大量修建高架桥,但由于对高架桥下空间的利用缺乏认识,高架桥下空间大多被荒废或用作临时停车场。
20世纪90年代初期,我国高架桥建设进入快速发展阶段,同时也是高架桥下空间利用研究的起步阶段。
有学者对立交桥下空间的绿化设计方式及其对城市形成的景观效应做了探讨,为高架桥下空间利用研究提供了思路和方向[2]。
20世纪90年代中期到21世纪初期是我国高架桥建设和研究的快速发展阶段。
随着我国立体交通体系的快速发展,桥下空间的问题逐渐暴露在城市生活中,对于桥下空间利用的研究迅速增加。
许多学者开始从不同角度研究桥下空间的利用和设计,从城市层面探讨利用立交桥下空间的可能性[3],并探索桥下空间的利用原则[4]。
21世纪初期至今,随着城市交通建设和城市规划的不断发展,高架桥下空间的利用受到越来越多研究人员的重视,一些高架桥下空间被成功地改造成为公园、商业区、文化活动场所等公共场所,我国高架桥下空间利用研究步入繁荣发展期。
有学者从规划角度提出了高架桥下空间的规划控制导则与整治策略[5];有学者从综合视角切入,对桥下空间进行整理分类和对比分析,并对不同类型的桥下空间提出开发利用的侧重点和创新点[6];还有学者立足高架桥下的各种有效利用方式对典型城市开展一手调研,为我国大量中心城区高架桥下公共空间利用方式及景观营造提供有效的借鉴与改善意见[7]。
总体看来,国内对于高架桥下空间的研究起步较晚,但近年发展快速,研究情况与我国立体交通的建设发展情况相符。
在存量时代的背景下,研究高架桥下空间利用的设计原则与策略对我国高架桥下消极空间改造具有重要意义。
一步溶剂热工艺高效合成不同色彩的CeO2
第38卷第8期学报No 8Vol 382023年8月JournalofLeshanNormalUniversityAug ꎬ2023DOI:10.16069/j.cnki.51-1610/g4.2023.08.006一步溶剂热工艺高效合成不同色彩的CeO2俞红光1aꎬ赵海秀1aꎬ罗文1aꎬ蔡力敏1aꎬ徐要辉1aꎬ1bꎬ2җ(1.乐山师范学院a.新能源材料与化学学院ꎻb.功能材料实验室ꎻ2.乐山西部硅材料光伏新能源光伏产业技术研究院ꎬ四川乐山614000)摘㊀要:以Ce(NO3)3 6H2O为铈源ꎬ无水乙醇为溶剂ꎬ通过一步溶剂热工艺ꎬ制备得到纯净单一㊁产率较高且色彩各异的CeO2粉末ꎮ采用X射线衍射分析的方式对产品粉末进行结构表征ꎮ通过考察工艺条件对产品物相结构和产率的影响ꎬ实现了对CeO2产品颜色的可控合成ꎬ并绘制出一张工艺参数与产率的汇总图ꎬ得到制备CeO2的最佳工艺条件ꎮ一步溶剂热工艺是一种绿色环保㊁低耗高效合成CeO2的方法ꎬ极大提高了稀土资源的利用率ꎬ可广泛运用在实际生产当中ꎮ关键词:CeO2ꎻ溶剂热法ꎻ乙醇ꎻ合成中图分类号:O77+5㊀㊀文献标志码:A㊀㊀文章编号:1009-8666(2023)08-0027-05收稿日期:2022-11-07基金项目:国家级大学生创新创业训练计划项目 一锅法制备单相稀土氧化物微纳米颗粒的工艺研究 (202210649061)ꎻ国家级大学生创新创业训练计划项目 一种可处理染料废水的磁性竹基复合材料 (202210649041)作者简介:俞红光(2000 )ꎬ男ꎬ浙江淳安人ꎬ乐山师范学院新能源材料与化学学院本科生ꎬ研究方向:材料科学与工程ꎻ赵海秀(2001 )ꎬ女ꎬ重庆南岸人ꎬ乐山师范学院新能源材料与化学学院本科生ꎬ研究方向:材料科学与工程ꎮҗ通信作者:徐要辉(1986 )ꎬ男ꎬ河南周口人ꎬ副教授ꎬ博士ꎬ研究方向:功能材料ꎮE-mail:xuyaohui1986@163.comꎮ0㊀引言我国稀土资源丰富㊁种类齐全ꎬ但由于以往工艺技术问题及长期的廉价输出导致大量的稀土资源被浪费[1]ꎮ所以ꎬ早在2011年5月ꎬ国务院就颁布«关于促进稀土行业持续健康发展的若干意见»ꎬ开始对稀土行业监管进行全面规划ꎮ目前ꎬ如何实施化学研究面向能源利用最大化的发展目标ꎬ是摆在广大科研工作者面前的重要课题ꎮ铈(Ce)位于元素周期表中的第Ш族镧系ꎬ归属于稀土元素种类[2]ꎮCe的常规价态有+3和+4价ꎮ当一种元素表现出多种价态时ꎬ通常价态之间会发生氧化/还原转变ꎮ经研究发现ꎬCe3+与O2反应能得到Ce4+ꎬ而含Ce4+的氧化物(二氧化铈ꎬCeO2)又可以在一定条件下释放氧被还原成Ce3+ꎬ所以CeO2有着独特的储氧-释氧能力ꎬ属于典型的储氧材料[3]ꎮCeO2为面心立方萤石型结构[4]ꎬ空间点群为Fm3m(a=b=c=0.5411nm)ꎮ在CeO2晶体结构中ꎬ每个Ce离子周围有八个等价的第一近邻氧离子与之配位ꎬ每个O2-周围有四个阳离子(Ce4+)与之配位ꎬ形成四面体ꎬ因此ꎬ铈的配位数为8ꎬ氧的配位数为4ꎮCeO2作为铈元素的稳定氧化物ꎬ具有较好的稳定性ꎮ大量的研究表明ꎬ即使对CeO2进行掺杂ꎬ晶体产生大量的氧空位缺陷形成非化学计量比化合物CexMyO2-σꎬ其仍旧能够保持立方萤石晶体结构ꎮ目前ꎬ制备CeO2的方法很多ꎬ如微波法[5]㊁化学沉淀法[6]和硬脂酸凝胶法[7]等ꎮ例如ꎬ陈欢欢[8]等采用硝酸铈为铈源㊁尿素为沉淀剂㊁添加表面活性剂PEGꎬ利用微波法制备CeO2合成了菱面体形的CeO2ꎬ然而需要在马弗炉中500ħ煅烧2h72才可实现ꎮ罗尧尧[9]等以硝酸铈和碳酸氢铵为原料ꎬ在微反应器中采用液-液沉淀法首先制备出了Ce2O(CO3)2 H2O)前驱体ꎬ之后将前驱体样品600ħ热处理2h获得CeO2产品ꎮ王春秀[10]等采用硬脂酸凝胶法联合焙烧工艺在450~800ħ热处理2h得到了不同粒径的CeO2纳米晶ꎮ这些方法虽然可以合成CeO2产品ꎬ但是大多需要联合高温焙烧热处理工艺(400ħ以上)通过热分解反应实现三价铈化合物向四价CeO2的物相转变ꎬ不但操作复杂㊁能耗高ꎬ还易造成环境的二次污染ꎮ因此ꎬ如何简化操作工序ꎬ降低能耗ꎬ减少环境污染以及避免环境二次污染ꎬ成为了我们所关注和努力的方向ꎮ溶剂热法是在水热法[11]的基础上发展起来的一种工艺技术ꎬ不同的是溶剂热工艺采用有机溶剂(如甲醇㊁乙醇等)替代水热工艺中的无机溶剂(即水)ꎬ实验操作中需要使用一种特殊设计的装置(即水热反应釜)ꎬ在密闭的条件下ꎬ利用加热(一般200ħ以下)滋生出的高压环境ꎬ增大溶剂的解离常数ꎬ降低溶剂的粘度ꎬ提高溶剂粒子的活性ꎬ进而促进目标前驱体或产物的结晶与生长ꎮ溶剂热工艺具有操作简单ꎬ易于控制ꎬ并且在密闭体系中可以有效地防止有毒物质的挥发等优点ꎮ此外ꎬ经调研ꎬ一般市售的CeO2为淡黄色粉末ꎬ少有不同色彩的CeO2产品ꎮ为了赋予CeO2不同的色彩ꎬ我们提出了两种方案:第一ꎬ引入外来添加剂ꎬ通过掺杂的方式将Pr或Fe等元素引入CeO2的晶格[12-14]ꎬ改变其色度ꎻ第二ꎬ不使用任何添加剂ꎬ通过改变实验工艺调控CeO2的色彩ꎮ鉴于以往CeO2在制备工艺方面面临的能耗高㊁操作复杂以及市场上产品色彩单调等问题[15]ꎬ同时考虑到溶剂热法的优点ꎬ本实验拟以Ce(NO3)3 6H2O和无水乙醇两种药品为原料ꎬ不使用高温焙烧工艺ꎬ在不添加任何其他沉淀剂㊁表面活性剂或氧化剂的条件下ꎬ利用水热反应釜中被封存的氧气作为天然氧化剂ꎬ通过一步溶剂热工艺得到纯净单一的CeO2产品ꎬ同时通过调节工艺参数得到一系列色彩不同的CeO2粉末ꎮ1㊀实验1.1㊀实验试剂与仪器DZF-6092型真空干燥箱(成都盛德先华科贸有限公司)㊁YTG-9050A型恒温鼓风干燥箱(上海姚氏仪器设备厂)㊁精密电子天平(奥豪斯仪器有限公司)㊁TGL-16型离心机(金坛市城东新瑞仪器厂)㊁DX-2700型X射线衍射仪(丹东浩元仪器有限公司)㊁水热反应釜(50mL聚四氟乙烯内衬ꎬ河南予华仪器有限公司)ꎮ六水合硝酸铈(Ce(NO3)3 6H2Oꎬ纯度99 95%ꎬ上海阿拉丁生化科技有限公司)ꎻ无水乙醇(纯度99.7%ꎬ成都市科隆化学品有限公司)ꎮ此外ꎬ本实验全程使用蒸馏水作为溶剂和洗涤等用途ꎮ1.2㊀实验方法CeO2的制备采用一步溶剂热工艺ꎬ以Ce(NO3)3 6H2O为铈源ꎬ以无水乙醇为溶剂ꎬ将4mmolCe(NO3)3 6H2O和20mL无水乙醇置于水热反应釜中ꎬ设置好反应温度(100~200ħ)和反应时间(1~12h)ꎬ利用电热恒温鼓风干燥箱对体系进行加热ꎬ并控制反应时间ꎮ反应结束后ꎬ待反应釜降至室温ꎬ取出反应釜ꎬ离心收集固体粉末ꎬ并测试上清液pHꎮ最后将离心后的固体粉末放入真空干燥箱中ꎬ60ħ干燥至粉末状态ꎬ即得CeO2粉末ꎮ2㊀结果与讨论2.1㊀水热法与溶剂热的对比为探索水作溶剂和无水乙醇作溶剂的区别ꎬ设计了一个对比实验ꎬ在保证Ce(NO3)3 6H2O(4mmol)ꎬ溶剂体积(20mL)反应温度和时间(180ħ3h)一致的情况下ꎬ改变反应所用溶剂的类型ꎮ图1为两个对比实验得到的实验现象ꎬ可以发现ꎬ以水作为反应溶剂的体系并无任何沉淀生成ꎬ而以无水乙醇为溶剂的体系却得到了浅黄色的固体ꎮ可见ꎬ以水作为溶剂ꎬ在此条件下无法促进固体产物的析出ꎮ㊀图1㊀在相同实验条件下以(左)水和(右)无水乙醇作为溶剂所得实验现象对比822.2㊀溶剂热反应温度和时间对物相成分和产率的影响在保证Ce(NO3)3 6H2O(4mmol)ꎬ无水乙醇体积(20mL)不变的条件下ꎬ通过控制反应温度(100~200ħ)和时间(1㊁3㊁6㊁12h)其中一个变量ꎬ做相应的梯度实验ꎮ图2为4mmolCe(NO3)3 6H2O与20mL无水乙醇在不同反应温度(100~200ħ)和时间(1㊁3㊁6和12h)下得到样品的XRD衍射图谱ꎮ从图中可以看出ꎬ所有样品的XRD衍射图谱分别在2θ=28.55㊁33.08㊁47.48㊁56.34㊁59.09㊁69.42㊁76.71和79.08°处出现了七个明显的衍射峰ꎬ与检索得到JCPDSPDFNo:43-1002吻合ꎬ对应立方晶系CeO2的(111)㊁(200)㊁(220)㊁(311)㊁(222)㊁(400)和(331)七个晶面ꎮ重要的是ꎬ未发现其他物质的杂峰ꎬ表明得到了纯净单一的CeO2物相ꎮ图2㊀溶剂热不同温度和时间下所得样品的XRD图谱根据实验结果与XRD分析ꎬ我们统计出了溶剂热产品的产物和产率ꎬ将其汇总于图3ꎮ从图3中可以发现ꎬ溶剂热100ħ所得粉末样品的产率随时间增加而增加ꎬ但粉末样品的产量较少ꎻ溶剂热120ħ所得粉末样品的产率随时间增加而增加ꎬ6h前粉末样品的产量较低ꎻ溶剂热140ħ所得粉末样品的产率随时间增加而增加ꎬ在6h后样品粉末产率较高且趋于稳定ꎻ溶剂热160~180ħꎬ在3h后样品粉末产率高且随时间变化不大ꎻ溶剂热200ħ的起始产率高且随时间变化不大ꎮ可见ꎬ溶剂热反应温度100~200ħ所得样品的产率ꎬ随着温度的升高ꎬ1㊁3㊁6和12h时样品产率均随时间的增加而增加ꎬ在200ħ前样品粉末产率较低ꎬ在120~160ħ温度区间样品产率高且趋于稳定ꎮ从图3中可以看出在样品粉末产量足够时测试结果均为CeO2粉末ꎮ图3㊀不同温度时间下的产物及产率2.3㊀铈源使用量对物相成分和产率的影响在保证溶剂体积(20mL)㊁反应温度和时间(180ħ6h)不变的条件下ꎬ改变Ce(NO3)3 6H2O的用量(4㊁8㊁12和16mmol)进行下一步实验探究ꎮ图4给出了180ħ6h下Ce(NO3)3 6H2O不同添加量(4㊁8㊁12㊁16mmol)所得样品的XRD图谱ꎮ所有样品的衍射峰与CeO2(JCPDSPDFNo:43-1002)吻合ꎬ且未发现其他物质的衍射峰ꎬ表明所得样品的物相成分为单一纯净的立方晶系CeO2ꎮ峰形尖锐㊁完整ꎬ表明所得CeO2产品的结晶性良好ꎮ此外ꎬ我们也统计了这些溶剂热体系所得CeO2样品的产量和产率ꎬ如表1所示ꎬ可以发现在温度时间条件优异的情况下ꎬ改变Ce(NO3)3 6H2O用量对样品产率无太大的影响ꎬ产率均可达到97%以上ꎮ图4㊀180ħ6h下Ce(NO3)3 6H2O不同添加量(4㊁8㊁12㊁16mmol)所得样品的XRD图谱92表1㊀Ce(NO3)3 6H2O不同使用量对产品产量的影响AmountofCe(NO3)3 6H2OAnhydrousethanol(mL)Production(g)Yield(%)481216200.690997.311.377997.022.145199.812.810198.202.4㊀工艺条件对CeO2产品色彩的影响一般情况下ꎬCeO2为白色㊁淡黄色或黄褐色的粉末ꎬ但是在总结整理实验结果及现象时ꎬ意外发现工艺条件不同时CeO2的颜色并不局限于以上三种ꎮ为此ꎬ我们设计了如下四组实验来探究工艺条件对产品颜色的影响ꎬ并汇总于表2中ꎬ可以从中看出:当铈源Ce(NO3)3 6H2O用量恒为4mmol而反应时间为12h时ꎬ不同反应温度120~200ħ所得CeO2粉末ꎬ随着溶剂热反应温度的升高ꎬ颜色由浅黄色变为深褐色后变为褐色ꎮ保持铈源用量不变ꎬ将反应时间分别缩短到6h和3hꎮ从表中可知ꎬ6h时ꎬ不同反应温度140~200ħ所得CeO2粉末ꎬ随着溶剂热反应温度的升高ꎬ颜色由黄褐色变为黄色后变为黄褐色ꎻ3h时ꎬ不同反应温度160㊁180ħ所得CeO2粉末ꎬ随着溶剂热反应温度的升高ꎬ颜色由淡黄色变为黄色ꎮ同时为了探究铈源用量对得到CeO2颜色的影响ꎬ固定反应温度(180ħ)和反应时间(6h)不变改变铈源的添加量Ce(NO3)3 6H2O(4㊁8㊁12和16mmol)ꎬ所得溶剂热CeO2产品ꎬ随着Ce(NO3)3 6H2O用量的增多ꎬCeO2目标产物的颜色先由黄褐色变为深褐色ꎬ随后颜色基本一致ꎮ表2㊀溶剂热反应不同温度和时间下所得CeO2粉末样品的颜色TheexperimentdesignCeriumoxidetargetproductcolorThefirstgroup120㊁140㊁160㊁180㊁200ħ12hDosageofceriumsource:4mmolThesecondgroup140㊁160㊁180㊁200ħ6hDosageofceriumsource:4mmolThethirdgroup160㊁180ħ3hDosageofceriumsource:4mmolThefourthgroup180ħ6hDosageofceriumsource:4㊁8㊁12㊁16mmol注:表中下划线为实验参数的梯度设置ꎬ分别对应第二列中从左至右的图片ꎮ3㊀结论本文仅采用Ce(NO3)3 6H2O(铈源)和无水乙醇(溶剂)两种试剂作为原料ꎬ在不添加外来沉淀剂㊁表面活性剂和氧化剂等的条件下ꎬ运用溶剂热法一步工艺制备得到CeO2ꎬ利用X射线衍射法表征其物相结构ꎬ并通过调整实验工艺参数ꎬ得到一系列纯净单一且具有不同颜色的CeO2粉末ꎬ同时统计出工艺条件对物相结构和产率的影响ꎬ并且实现了CeO2产品颜色的可控合成ꎮ为实际生产提供了理论指导和数据参考ꎬ生产者可根据能耗与实验周期等因素ꎬ选择合适的工艺参数制备CeO2ꎮ参考文献:[1]㊀谢东岳ꎬ伏彩萍ꎬ唐忠阳ꎬ等.我国稀土资源现状与冶炼技术进展[J].矿产保护与利用ꎬ2021ꎬ41(1):152-153. 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基于深度学习的油页岩CT图像有机质识别分割方法研究
第54卷 第4期2023年7月太原理工大学学报J O U R N A L O F T A I Y U A N U N I V E R S I T Y O F T E C HN O L O G YV o l .54N o .4 J u l .2023引文格式:王欣,杨栋,黄旭东.基于深度学习的油页岩C T 图像有机质识别分割方法研究[J ].太原理工大学学报,2023,54(4):663-672.WA N G X i n ,Y A N G D o n g ,HU A N G X u d o n g .D e e p l e a r n i n g -b a s e d s e g m e n t a t i o n m e t h o d f o r o r ga n i c m a t t e r i d e n -t i f i c a t i o n i n o i l s h a l e C T i m a g e s [J ].J o u r n a l o f T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,2023,54(4):663-672.收稿日期:2023-02-11;修回日期:2023-04-10基金项目:国家重点研发计划项目(2019Y F A 0705501) 第一作者:王欣(1996-),硕士生,(E -m a i l )184********@163.c o m通信作者:杨栋(1970-),博士,教授,主要从事原位改性流体化采矿相关理论与技术研究,(E -m a i l )y a n g d o n g @t yu t .e d u .c n 基于深度学习的油页岩C T 图像有机质识别分割方法研究王 欣,杨 栋,黄旭东(太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室,太原030024)摘 要:ʌ目的ɔ油页岩中有机质的密度远低于其他岩石基质,因此,在C T 图像中有机质的灰度值往往接近于孔隙裂隙的灰度值,从而在图像中表现为灰度值差异不明显,有机质和岩石的边界模糊等问题㊂ʌ方法ɔ为了精准识别分割出油页岩C T 图像中的有机质,对深度学习领域的图像分割方法进行研究,并自主搭建了描述有机质分割的OM -U n e t 语义分割网络架构㊂通过在传统U n e t 模型中引入混合空洞卷积模块㊁由粗到精的部署策略和轻量化自适应特征融合模块,利用卷积神经网络识别分割油页岩C T 图像中的有机质,并结合M I o U 等评价指标对其分割效果进行评估㊂ʌ结果ɔOM -U n e t 模型的M I o U 为80.66%,相较于三相分割方法㊁U n e t ㊁C B AM -U n e t ㊁D e e p-L a b V 3㊁H D C -U n e t 和L A F F -U n e t 模型分别增加了8.01%㊁17.68%㊁9.5%㊁2.54%㊁2.83%和9.13%.OM -U n e t 模型的M P A 为89.16%,相较于三相分割方法㊁U n e t ㊁C B AM -U n e t ㊁D e e p -L a b V 3㊁H D C -U n e t 和L A F F -U n e t 模型分别增加了12.85%㊁20.62%㊁15.82%㊁8.81%㊁9.55%和15.34%.ʌ结论ɔ该结果证明OM -U n e t 模型可有效提高油页岩有机质分割的准确性,更加精确地确定有机质体积百分比㊁有机质团数量随温度或者热解条件的变化规律,为油页岩原位开发提供基础理论数据㊂关键词:深度学习;油页岩;有机质;混合空洞卷积;语义分割中图分类号:T D 83 文献标识码:AD O I :10.16355/j .c n k i .i s s n 1007-9432t yu t .2023.04.010 文章编号:1007-9432(2023)04-0663-10D e e p L e a r n i n g -b a s e d S e g m e n t a t i o n M e t h o d f o r O r g a n i c M a t t e r I d e n t i f i c a t i o n i n O i l S h a l e C T I m a ge s W A N G X i n ,Y A N G D o n g ,H U A N G X u d o n g(K e y L a b o r a t o r y o f I n -s i t u P r o p e r t y I m p r o v i n g M i n i n g o f M i n i s t r y o f E d u c a t i o n ,T a i yu a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ,T a i yu a n 030024,C h i n a )A b s t r a c t :ʌP u r p o s e s ɔT h e d e n s i t y o f o r g a n i c m a t t e r i n o i l s h a l e i s m u c h l o w e r t h a n t h a t o f o t h e r r o c k m a t r i x ,s o t h e g r a y v a l u e o f o r g a n i c m a t t e r i n C T i m a ge s i s of t e n c l o s e t h a t o f p o r e f r a c t u r e s ,w h i c h r e s u l t s i n p r o b l e m s s u c h a s i n c o n s p i c u o u s d i f f e r e n c e i ng r a y va l u e a n db l u r r e d b o u n d a r y b e t w e e n o r g a n ic m a t t e r a nd r o c k i n t he i m a g e s .I n o r d e r t o a c c u r a t e l y i d e n t if y th e o r -g a n i c m a t t e r i n t h e s e g m e n t e d o i l s h a l e C T i m a g e s ,t h e i m a g e s e gm e n t a t i o n m e t h o d s i n t h e f i e l d Copyright ©博看网. All Rights Reserved.o f d e e p l e a r n i n g a r e s t u d i e d,a n d t h e OM-U n e t s e m a n t i c s e g m e n t a t i o n n e t w o r k a r c h i t e c t u r e s d e-s c r i b i n g t h e o r g a n i c m a t t e r s e g m e n t a t i o n i s b u i l t i n d e p e n d e n t l y.ʌM e t h o d sɔB y i n t r o d u c i n g a h y-b r i d n u l l c o n v o l u t i o n m o d u l e,a c o a r s e-t o-f i n e d e p l o y m e n t s t r a t e g y,a n d a l i g h t w e i g h t a d a p t i v e f e a t u r e f u s i o n m o d u l e i n t o t h e t r a d i t i o n a l U n e t m o d e l,t h e c o n v o l u t i o n a l n e u r a l n e t w o r k i s u s e d t o i d e n t i f y a n d s e g m e n t o r g a n i c m a t t e r i n o i l s h a l e C T i m a g e s,a n d i t s s e g m e n t a t i o n e f f e c t i s e v a l-u a t e d b y c o m b i n i n g M I o U a n d o t h e r e v a l u a t i o n i n d e x e s.ʌF i n d i n g sɔT h e M I o U o f t h e OM-U n e t m o d e l i s80.66%,w h i c h i s h i g h e r t h a n t h a t o f t h e t h r e e-p h a s e s e g m e n t a t i o n m e t h o d s,U n e t,C B AM-U n e t,D e e p L a b V3,H D C-U n e t,a n d L A F F-U n e t m o d e l s b y8.01%,17.68%,9.5%,2.54%,2.83%,a n d9.13%,r e s p e c t i v e l y.T h e M P A o f OM-U n e t m o d e l i s89.16%,w h i c h i sh i g h e r t h a n t h a t o f t h e t h r e e-p h a s e s e g m e n t a t i o n m e t h o d,U n e t,C B AM-U n e t,D e e p L a b V3,H D C-U n e t,a n d L A F F-U n e t m o d e l s b y12.85%,20.62%,15.82%,8.81%,9.55%,a n d15.34%,r e s p e c t i v e l y.ʌC o n c l u s i o n sɔT h e r e s u l t s d e m o n s t r a t e t h a t t h e OM-U n e t m o d e l c a n e f f e c-t i v e l y i m p r o v e t h e a c c u r a c y o f o i l s h a l e o r g a n i c m a t t e r p a r t i t i o n i n g,m o r e a c c u r a t e l y d e t e r m i n e t h e v a r i a t i o n p a t t e r n s o f o r g a n i c m a t t e r v o l u m e p e r c e n t a g e a n d o r g a n i c m a t t e r c l u s t e r n u m b e r w i t h t e m p e r a t u r e o r p y r o l y s i s c o n d i t i o n s,a n d p r o v i d e b a s i c t h e o r e t i c a l d a t a f o r i n s i t u o i l s h a l e d e v e l o p m e n t.K e y w o r d s:d e e p l e a r n i n g;o i l s h a l e;o r g a n i c m a t t e r;h y b r i d h o l e c o n v o l u t i o n;s e m a n t i c s e g-m e n t a t i o n油页岩是一种含有固态干酪根的细粒沉积岩[1-2]㊂在隔绝氧气的环境下加热油页岩可以使油页岩中的固态干酪根发生热解反应生成页岩油和气[3]㊂油页岩在受热时会发生热破裂,油页岩内部的有机质会发生热解并形成孔隙㊂油页岩内部的孔隙和裂隙是油气运移的通道,因此,对油页岩有机质和孔裂隙分布和演化特征的研究具有十分重要的意义[4]㊂大部分研究者基于C T数字岩芯利用传统的二值化分割方法研究油页岩孔裂隙的演化特征[5]㊂赵静等[6]利用C T扫描研究分析了不同温度下油页岩样内部孔裂隙的演化特征,R A B B A N I e t a l[7]通过C T扫描研究了油页岩的孔隙变化特征㊂但很少有人针对油页岩有机质的分布和随温度的演化特征进行研究㊂HU A N G e t a l[8]结合热重分析研究了不同蒸汽温度热解后油页岩内部的有机质残留量和分布情况以及热解产物孔隙裂隙分布情况㊂该研究在一定程度上分割了有机质与孔裂隙,但通过灰度差异进行图像分割,总体上存在如下缺点:1)分割过程繁琐复杂,耗时较长,效率较低,在整张C T图片上盲目遍历和密集推理会浪费计算资源和时间;2)有机质和孔裂隙灰度值的高度相似性,容易导致有机质与孔裂隙灰度值重合部分被误分割为有机质区域,存在边界值分割模糊问题㊂在高精度的显微C T扫描图像中,油页岩内部能够观察到较大的有机质空间分布㊂但较小的孔隙裂隙的灰度值会随不同温度的热解条件而变化,由于有机质和孔裂隙灰度值相近,在一定温度下会和有机质的灰度值接近或重合㊂如果只通过C T灰度图的灰度值大小获得有机质的分布情况和体积百分数会出现较大的误差,因此,在不同热解温度下,精准识别分割有机质和孔裂隙边界值是一个亟待解决的问题㊂王云艳等[9]提出一种改进型D e e p L a b V3图像语义分割算法,解决了下采样特征细节信息丢失导致图像边缘分割有偏差的问题㊂刘帅等[10]基于C T 实验提出了一种改进的U N e t++模型算法用于图像分割㊂这些方法提高了图像分割的准确性,并在一定程度上解决了边界值模糊不清的问题,这为油页岩C T图像有机质的分割提供了新的思路㊂本文基于深度学习的油页岩C T图像有机质识别分割方法,建立了基于U n e t的用于识别油页岩C T数字岩芯中有机质的OM-U n e t方法,对油页岩样品在8个温度高温热解下的油页岩C T图像有机质进行语义分割图像处理,再运用蒙版阈值分割方法进一步去除有机质中已经热解为孔裂隙的区域,从而实现有机质和孔隙的语义分割,便于后续观察同一样品在不同温度下油页岩有机质的迁移情况㊂1油页岩C T图像有机质语义分割流程油页岩C T图像有机质分割流程如图1所示㊂466太原理工大学学报第54卷Copyright©博看网. All Rights Reserved.其油页岩C T 图像有机质分割包括以下步骤:①数据采集,在不同温度下热解油页岩岩芯样品并进行C T 扫描,之后选取部分扫描图像作为数据集;②数据集预处理,包括对样品C T 图像进行图像增强㊁格式转换㊁等大小裁剪等操作,之后通过l a b e l m e 工具标记有机质生成J s o n 文件并转换为掩膜图像;③将数据集划分为训练集㊁验证集和测试集;④搭建OM -U n e t 模型并将训练集输入模型训练模型;⑤将验证集输入模型进行验证,若达到较高精度,则选择模型中分割效果最优权重,保存最终模型并预测分割结果,反之则继续训练模型;⑥将测试集输入验证过的模型中,获得分割结果并评估分割效果的精准度;⑦通过蒙版阈值分割方法进一步去除有机质中已经热解为孔裂隙的区域㊂数据集预处理及数据集标注图像增强格式转换等大小裁剪labelme 工具标记油页岩CT 图像数据采集划分数据集搭建OM-Unet 模型验证模型并评估模型训练模型达到较高精度不成立保存模型权重、获得最终模型成立测试模型预测油页岩有机质分割结果图1 油页岩C T 图像有机质分割流程F i g .1 O r g a n i c m a t t e r s e g m e n t a t i o n p r o c e s s o f o i l s h a l e C T i m a ge 2 构建油页岩C T 图像数据集2.1 数据集构建取采自新疆巴里坤的圆柱形油页岩样品3个,2个用于热解实验,1个用于对比参照进行验证,如图2所示㊂利用油页岩高温蒸汽热解实验系统将试件加热到设定温度并保持一定时间,即选取8个温度点(25ħ㊁200ħ㊁300ħ㊁350ħ㊁400ħ㊁450ħ㊁500ħ㊁550ħ)对同一试件依次加热,之后采用N a n o V o x e l -3000高分辨X 射线三维C T 检测系统对不同蒸汽温度热解后的油页岩样品进行C T 扫描,获得油页岩C T 图像㊂由于本文的油页岩有机质C T 图像像素分辨率高,能够真实清晰反映油页岩内部有机质聚集团的分布情况,从而保证了最终的预测模型具有准确性以及良好的鲁棒性㊂每个温度点均获得1500张C T 图像,共获得45000张C T图像㊂从2个用于热解实验的油页岩样品的C T 图像的不同加热蒸汽温度下各选取100张,共2000张C T 图像全部作为油页岩CT 图像的初始数据集用于训练模型,以避免模型的过拟合现象,减少噪声的影响㊂图2 圆柱形油页岩样品F i g .2 C y l i n d r i c a l o i l s h a l e s a m pl e 2.2 数据集预处理及数据集标注由于油页岩C T 图像灰度图过暗,无法直接使用l a b e l m e 工具对其进行手工标注,因此,首先使用对数调整函数和强度调整函数对数据集进行图像增强操作并将其t i f 格式批量转换成j p g 格式,之后进行等大小裁剪操作㊂为了便于手工标记,将1500ˑ1500大小的C T 图像等大小裁剪成4块,即每块C T 图像大小为750ˑ750,最后再使用l a b e l m e 工具进行标记,生成J s o n 文件并转换为掩膜图像,其过程如图3所示㊂其中,油页岩有机质聚集团区域的像素的标签颜色标记为红色,背景区域以及孔裂隙区域皆标记为黑色㊂图像增强原图标注图掩膜图图3 对加热300ħ下的油页岩有机质C T 图像进行预处理及标注F i g .3 C T i m a g e p r e p r o c e s s i n g a n d l a b e l i n g of o i l s h a l e o r ga n i c m a t t e r h e a t e d a t 300ħ2.3 划分数据集将经过预处理的数据集进行l a b e l m e 标注并按照不同温度分组,最后将其按照8ʒ1ʒ1划分为训练集㊁验证集和测试集,将训练集输入OM -U n e t 模型,增强边界信息的特征提取㊂测试集用于评价训练模型的泛化能力,验证集用于评估训练模型的效果,便于后续对模型调参,选择出效果最好的模型㊂3 构建OM -U n e t 模型3.1 U n e t 神经网络U n e t 神经网络是一个有影响力的最初用于微观的生物医学领域的图像分割网络[11]㊂由于U n e t网络可以从较少数据集㊁小物体和多目标中学习相关特征,而油页岩C T 图像细观分析中仅需考虑有机质㊁孔裂隙以及固体基质的分布特征,因此本文基566 第4期 王 欣,等:基于深度学习的油页岩C T 图像有机质识别分割方法研究Copyright ©博看网. All Rights Reserved.于U n e t[12]网络并对其改进,分割油页岩有机质和孔裂隙㊂U N e t 模型采用端到端对称结构,使网络能够检索浅层信息,左侧为收缩路径(编码器模块),右侧为扩展路径(解码器模块),编码器通常是一个预训练的分类网络,解码器的任务是将编码器学习到的较低分辨率从语义上投影到较高分辨率像素空间,以获得密集分类㊂U N e t 简单地将编码器的特征图拼接至每个阶段解码器的上采样特征图,从而形成一个梯形结构㊂如图4所示在收缩路径中,卷积块由3ˑ3卷积组成卷积层,R e L U 函数,以及批次标准化(B N )执行4次,信道数分别为64㊁128㊁256和512.此外,对特征图进行了2ˑ2最大池化运算,使图像的大小变为原始图像的1/256.相应地,在扩展路径中,上采样采用转置卷积,由2ˑ2上采样操作和2ˑ2卷积组成的2ˑ2上卷积操作重复4次㊂在每一层实现扩展路径和收缩路径之间的跳跃连接,复制收缩路径生成的特征,并帮助网络检索因池化操作而丢失的空间信息㊂通过跳跃连接的架构,在每个阶段都允许解码器学习在编码器池化中丢失的相关特征㊂此外,还进行了两次3ˑ3卷积运算,通过网络的最后一层全连接层1ˑ1卷积和激活函数得出分割结果㊂图4是一个典型的U N e t 框架[13]㊂conv 3×3,ReLU copy and crop max pool 2×2up -conv 2×2conv 1×12830325122561001021045121 024******* 024*********512136138140256256280282284200198196256128128128568×568570×570572×572392×392390×390388×388386×386输出图像1286464264641输入图像图4 典型的U N e t 框架F i g .4 T y pi c a l U N e t f r a m e w o r k U n e t 的编解码器架构中的池化操作和带步长的卷积容易产生相当大的细粒度信息丢失,缺乏全局多尺度特征交互,容易造成空间信息的丢失㊂对于有机质与孔裂隙的分割,应用U n e t 编解码器架构很容易导致有机质边缘特征的缺失,以及对有机质与孔裂隙混淆区域的错误检测㊂因此,为了解决以上问题,需要花费成本在编码器上避免分辨率下降,或者在解码器中使用不同的机制,恢复在编码器中降低分辨率时丢失的信息㊂3.2 空洞卷积模块空洞卷积(d i l a t e d c o n v o l u t i o n ,D C )也可称之为扩张卷积,其具体操作为在卷积核中插入空洞,扩大感受野[14]㊂假设空洞卷积扩张率为a ,原始卷积核大小为k ,由于空洞卷积在常规卷积核中填充0,则空洞卷积核的大小K 的计算如下:K =k +(k -1)(a -1).(1)其中,a =1的常规卷积与a =2的空洞卷积的具体示意图如图5所示㊂a =1a =2图5 常规卷积与空洞卷积的具体示意图F i g .5 S p e c i f i c s c h e m a t i c d i a gr a m o f c o n v e n t i o n a l c o n v o l u t i o n a n d d i l a t e d c o n v o l u t i o n针对油页岩有机质的特点,本文在U n e t 神经网络的编码器中加入了混合空洞卷积[15],设置3ˑ3的卷积核,扩张率为1㊁2㊁4,则感受野分别为3ˑ3㊁7ˑ7㊁15ˑ15,扩大感受野的同时避免了分辨率下降,填充0不增加额外的参数降低了计算量,叠加多个不同扩张率的空洞卷积获取了多尺度上下文信息,提高了膨胀率,且保持了像素的相对空间位置不变㊂3.3 轻量化自适应特征融合模块L A F F为了提升模型性能并减少计算复杂度,在模型解码器上采样的位置,使用了轻量化自适应特征融合模块(l i g h t w e i gh t a t t e n t i o n a l f e a t u r e f u s i o n ,L A F F ).HU e t a l [16]在混合域注意机制的基础上[17]提出了一种轻量级的自适应特征融合模块L A F F ,可将其应用于编码器结构网络㊂当解码器从编码器学习到新一级的分辨率特征图时,采用L A F F 来过滤基于特征图的空间域和通道域的基本特征㊂L A F F 使用简化的结构和大的卷积膨胀率在图像中执行轻量级和远程语义建模,依次进行通道轴特征重构和空间轴特征重构,促进网络关注关键特征,抑制不必要特征㊂首先,进行通道轴特征重构㊂输入特征映射FɪRH ˑW ˑC沿通道轴重建以进行特征表示,如图6(a)中所示,其过程如下:F C =σ(c o n v (k c ,d c )☉G A P (F ) F ).(2)式中:c o n v (k c ,d c )指内核大小和膨胀率的卷积;☉表示卷积核对特征映射的滤波器响应; 是哈达马666太原理工大学学报 第54卷Copyright ©博看网. All Rights Reserved.积;σ是非线性激活函数S i gm o i d 函数;F C ɪRH ˑW ˑC是重建的通道轴特征㊂其次,将重建的通道轴特征F C 进行空间轴特征重构㊂在上采样之前,将F C 再次沿空间轴重建,从而进行空间特征重建F s ɪR H ˑW ˑC ,如图6(b )所示,其过程如下式:F S =σ(c o n v (k S ,d S )☉[G A P (F C ),GM P (F C )]) F .(3)经过通道轴特征重构和空间轴特征重构,L A F F 的注意力权重可选择较少的特征,但检索性能大部分保持不变㊂因此,L A F F 可以在加强特征提取网络的上采样前自适应地对融合后的特征图进行特征映射质量的重新标定㊂Sigmoidconv 1D GAP HWC输入特征FH WC F CSigmoidconv 2DGMPGAPHW C输入特征FH WCF C(a )通道轴特征重构,GAP 为全局平均池。
基于MCMC和ES-MDA方法的地下水数值模型非均质参数场及开采量的反演研究
2023年10月水 利 学 报SHUILI XUEBAO第54卷 第10期文章编号:0559-9350(2023)10-1236-12收稿日期:2023-04-08;网络首发日期:2023-10-19网络首发地址:https:??kns.cnki.net?kcms?detail?11.1882.TV.20231018.1051.001.html基金项目:国家自然科学基金重点项目(U21A2004)作者简介:刘墉达(1998-),硕士生,主要从事地下水数值模拟研究。
E-mail:liuyongda@tju.edu.cn通信作者:陈喜(1964-),博士,教授,主要从事地下水数值模拟研究。
E-mail:xi_chen@tju.edu.cn基于MCMC和ES-MDA方法的地下水数值模型非均质参数场及开采量的反演研究刘墉达,陈 喜,高 满,孟详博,刘维翰,黄日超(天津大学地球系统科学学院表层地球系统科学研究院,天津300072)摘要:马尔科夫链蒙特卡罗方法(MCMC)和多重数据同化集合平滑器方法(ES-MDA)近年来在地下水参数反演得到广泛应用,但对三维多层非均质含水层参数反演精度和计算效率还缺乏对比分析。
本文构建了含有基于Karhunen-Loève展开的非均质参数场的潜水和多层承压水含水层案例,并建立了地下水数值模型和基于Kriging方法的替代模型,模拟含水层分层水头变化,探讨了基于替代模型的MCMC、替代模型和数值模型相结合的两阶段MCMC以及ES-MDA方法反演的含水层渗透系数以及开采量。
结果表明,针对本文算例,在非均质参数和开采量的反演中,相比而言,两阶段MCMC反演参数精度更高,ES-MDA方法计算效率更高。
本研究为地下水数值模型参数反演方法选择提供参考依据。
关键词:MCMC算法;ES-MDA算法;替代模型;地下水参数;地下水数值模拟 中图分类号:TV123文献标识码:Adoi:10.13243?j.cnki.slxb.202301971 研究背景对于复杂的多层含水层,根据有限的地下水水位等观测数据,反演水文地质参数、开采量等通常存在不唯一性、不确定性问题,且在调用地下水数值模型进行参数反演时,随着调用次数和参数维度增加,反演计算成本变高。
民族认同感越强烈的旅游者越愿意重游吗——以侵华日军南京大屠杀遇难同胞纪念馆为例
[摘要]寻求民族认同和接受爱国主义教育是旅游者前往特定黑色旅游目的地的重要动机之一,但在黑色旅游研究中对民族认同与重游意愿关系的关注还相对较少。
民族认同是否能够增强旅游者的重游意愿?促进和限制民族认同产生的因素又有哪些?针对此,文章以侵华日军南京大屠杀遇难同胞纪念馆为例,基于“认知—情感—意动”理论模型,构建了包括本真性、个体限制、民族认同和重游意愿的结构方程模型,通过对428份问卷进行PLS -SEM 分析,对民族认同的不同维度与重游意愿之间的路径关系,以及影响民族认同塑造的因素进行了分析。
研究结果表明:(1)民族认同对重游意愿的影响具有内部差异性,民族认同承诺对重游意愿有显著积极影响,而民族认同探求对重游意愿的影响却是消极的,虽然这种影响效应并不显著;(2)本真性感知对民族认同的各个维度和重游意愿有显著积极影响;(3)个体限制对旅游者的民族认同承诺和重游意愿有显著消极影响,对民族认同探求的消极影响则不显著。
该研究结论将为如何在黑色旅游地塑造积极的民族认同、提升旅游者重游意愿、增强黑色旅游的教育功能提供理论参考。
[关键词]黑色旅游;民族认同;本真性;个体限制;重游意愿[中图分类号]F59[文献标识码]A[文章编号]1002-5006(2021)04-0083-13Doi:10.19765/ki.1002-5006.2021.04.010引言中华民族认同是动员各族人民在困难和挑战中奋力抗争、肩负历史使命的重要政治资源[1-2]。
2018年通过的《中华人民共和国宪法修正案》首次将中华民族写入宪法,自此,中华民族认同有了法律依据和法理基础①。
在岁月的长河中,中华民族认同通过对历史的记忆和诠释不断被构建和发展[1]。
每一次重大事件如海外撤侨、建国70周年国庆阅兵、抗击新冠肺炎疫情都在激发民族的自尊心和自信心中强化了民族认同。
增强中华民族认同是实现中华民族伟大复兴中国梦的必然要求[3]。
在新时期和全球化背景下,我国政府也一直有意识地采取多种措施培育全社会对中华民族的认同,如发挥教育的功能,发掘和发展中华民族文化,借助新闻媒体的传播作用等。
江汉大学光电材料与技术学院教授解明 科技创新铸初心 致力实业报国梦
江汉大学光电材料与技术学院教授解明科技创新铸初心致力
实业报国梦
余梅尧
【期刊名称】《中国高新科技》
【年(卷),期】2024()6
【摘要】世界局势风云变幻,全球经济发展速度日趋放缓。
变速之下,科技日渐成为推动经济发展的重要“引擎”。
各国纷纷尝试通过科技创新实现经济“突围”,国家间科技竞争愈发激烈。
通过科技突破实现差异化竞争成为各行各业升级发展的关键。
【总页数】4页(P5-8)
【作者】余梅尧
【作者单位】不详
【正文语种】中文
【中图分类】F42
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梦——记西安电子科技大学物理与光电工程学院教授郭立新5.江汉大学光电材料与技术学院
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有开孔加强结构耐压球壳稳健性优化
第37卷第12期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀哈㊀尔㊀滨㊀工㊀程㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Vol.37ɴ.122016年12月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀JournalofHarbinEngineeringUniversity㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Dec.2016有开孔加强结构耐压球壳稳健性优化刘峰,韩端锋,姚军(哈尔滨工程大学船舶工程学院,黑龙江哈尔滨150001)摘㊀要:为提高有开孔加强结构耐压球壳的稳健性,本文采用最优拉丁超立方方法进行了样本点的选取,进行了设计变量灵敏度分析㊂在降低了设计变量维数的基础上,重新选择样本点进行了计算,采用响应面模型进行了样本点的拟合,得到了满足工程要求的近似模型㊂研究了稳健性和蒙特卡洛抽样,考虑了设计过程中的不确定性,建立了有开孔加强结构耐压球壳多响应多目标稳健性优化模型,采用第二代非支配排序遗传算法(NSGA-II)进行了优化求解㊂相比初始方案,3σ和6σ的方案减重效果分别为141.8171㊁81.004kg,但6σ方案的稳健性要明显优于3σ方案㊂关键词:开孔加强;耐压球壳;灵敏度;稳健性;蒙特卡洛;近似模型;优化模型DOI:10.11990/jheu.201512074网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160928.0936.008.html中图分类号:U662㊀文献标志码:A㊀文章编号:1006⁃7043(2016)12⁃1613⁃07RobustoptimizationofapressuresphericalshellwithastrengthenedopeningLIUFeng,HANDuanfeng,YAOJun(CollegeofShipbuildingEngineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)Abstract:Toimprovetherobustnessofapressuresphericalshelllwithastrengthenedopening,samplepointswereselectedbasedontheoptimalLatinhypercubemethod,andsensitivityanalysisofdesignvariableswascarriedout.Basedonreducingthedesignvariablesᶄdimensions,samplepointswerereselectedandcalculated,andaresponsesurfacemodelwasusedtofitthesamplepoints,therebyproducinganapproximatemodelthatmettheengineeringrequirements.RobustnessandMonteCarlosamplingwereinvestigated,andtheuncertaintiesinthedesignprocesswereconsidered.Amulti⁃responseandmulti⁃objectiverobustnessoptimizationmodelwasthusestablished.Asecondgenerationnondominatedsortinggeneticalgorithm(NSGA⁃II)wasusedtosolvetheoptimizationmodel.Comparedwiththeinitialprogram,theweightlossof3σand6σwere141.8171and81.004kg,respectively,buttherobust⁃nessof6σwasbetter.Keywords:openingreinforcement;pressuresphericalshell;sensitivityanalysis;robustness;MonteCarlo;approxi⁃matemodel;optimizationmodel收稿日期:2015-12-21.网络出版日期:2016-09-28.基金项目:教育部科学技术研究重大项目基金项目(311034);国家科技重大专项基金项目(2011ZX05027-005).作者简介:刘峰(1982-),男,讲师,博士;韩端锋(1966-),男,教授,博士生导师.通信作者:韩端锋,E⁃mail:handuanfeng@hrbeu.edu.cn.㊀㊀耐压球壳是载人潜器的关键部件,在载人潜器的设计中占有重要地位㊂然而,耐压球壳的设计存在众多不确定性,如模型的假设和简化分析等,这些均可能导致设计误差的产生㊂相比而言,有开孔加强结构耐压球壳的不确定性更多,这些不确定性因素的任何微小变化都可能对设计结果产生很大的影响,进一步对载人潜器的安全性,乃至总体性能造成严重的影响㊂因此,在有开孔加强结构耐压球壳的设计过程中,必须考虑不确定性因素的影响㊂对于耐压结构设计所存在的众多不确定性,已经引起了众多学者的关注㊂张伟等[1]建立了潜艇耐压圆柱壳壳板失效的失效函数,总结了设计参数对于潜艇耐压圆柱壳结构失效的影响程度,为潜艇的设计㊁制造和使用提供了参考㊂白旭[2]分析了球柱组合壳结构的不确定因素,建立了基于失效模式的可靠性模型,采用多岛遗传算法进行了模型的求解,优化结果明显㊂操安喜等[3]基于非概率可靠性分析理论,研究了影响球壳结构可靠性的不确定参数的描述方法,对于结构的可靠性指标的获取方法进行了研究,采用区间运算方法获得了定量的结构非概率可靠性指标,并进行了实例验证㊂稳健性由Taguchi[4]提出,其在产品设计阶段通过优化设计方案,尽量减少质量波动,从而获得低成本㊁高性能㊁高可靠性的产品[5]㊂李锋等[6]考虑了设计变量和其他随机变量的变异性对结构疲劳寿命的影响,将结构疲劳寿命稳健性优化问题构造成包含结构疲劳寿命均值和标准差的双目标优化问题㊂程妍雪等[7]在考虑了不确定性对结构性能的影响的基础上,将6σ设计引入到耐压壳优化设计㊂周定智等[8]提出了一种基于多目标优化和C稳健性设计的车顶结构轻量化设计方法,并将该方法应用到汽车的轻量化设计中㊂本文以有开孔加强结构耐压球壳为研究对象,对于开孔加强的样本点进行了有限元分析,为降低分析难度,进行了设计变量的灵敏度分析,完成了设计变量的筛选,得到了有开孔加强结构耐压球壳的近似模型,建立了有开孔加强结构耐压球壳多响应多目标稳健性优化模型,进行了模型的稳健性优化求解,得到了更加稳健的设计方案㊂1㊀有限元分析模型的建立1.1㊀开孔加强结构形式载人潜器耐压球壳开孔众多,如人员出入舱口㊁观察窗㊁电缆贯穿㊁管子贯穿等㊂其中,出入舱口和观察窗开孔较大,是耐压球壳设计中的重要内容㊂将观察窗座固定,只针对出入舱口加强展开研究㊂耐压球壳出入舱口的加强形式及相关参数见图1,耐压球壳所采用的高强度钢材料参数见表1㊂图1㊀开孔加强结构形式Fig.1㊀Openingreinforcementstructure表1㊀高强度钢材料参数Table1㊀Highstrengthsteelmaterialparameters弹性模量E/MPa泊松比ν屈服强度σs/MPa抗拉强度σb/MPa2ˑ1050.37858201.2㊀极限强度的求解采用ABAQUS软件进行耐压球壳极限强度Pcr的求解㊂初始缺陷采用初挠度代替,取为0.07mm,初始增量步为0.01,最小增量步10-5,最大增量步0.1,总增量步数100㊂材料的真实应力应变曲线由工程应力应变曲线转换得到㊂高强度钢的工程应力应变曲线拟合表达式为[9]σ=EεA0+A1ε+A2ε2+A3ε3B0+B1ε+B2ε2ìîíïïïï(0ɤσ<588MPa)(588MPaɤσ<785MPa)(785MPaɤσ<820MPa)(1)式中:σ为工程应力,ε为工程应变,E为弹性模量,Ai和Bj为拟合参数,其中,A0=-885.7,A1=8.83055ˑ105,A2=-1.6059097ˑ108,A3=9.9892966ˑ109,B0=724.74,B1=1.10712ˑ104,B2=-1.407835ˑ105[9]㊂计算时要求消除结构刚体位移,取3个点约束球壳6个方向自由度,其中网格模型在Z轴的节点1,T1=T2=0;在X轴上的节点2和3,T2=T3=0㊂通常通过安全系数K对于耐压球壳的强度储备进行表达,hg为工作深度,hjx为极限深度,hj为计算深度㊂K㊁hg㊁hjx㊁hj之间存在以下关系:hg=(0.85 0.9)hjx(2)hj=Khjx(3)式中:K取1.5[10],hg=0.90hjx㊂球壳壳板应力应满足:σ=PjR/2tɤ0.85σs(4)㊀㊀规范[10]对承受外压的耐压球壳开孔区域的应力计算要求为:围壁板与球壳体连接处板边缘的中面周向应力不得超过材料屈服强度σs的1.15倍㊂目标载人潜器的工作深度为1500m,则耐压球壳载荷可通过式(5)求得Pj=0.0098hj=24.5MPa(5)㊀㊀则耐压球壳需要施加24.5MPa的水压,经过换算在开孔加强处施加等效载荷136.278MPa㊂2㊀设计变量的选取与灵敏度分析2.1㊀样本点的选取拉丁超立方设计具有空间填充能力有效㊁可拟合非线性响应㊁可人为控制试验次数等优点,但存在不可重复性㊁试验点分布不均可能导致设计空间区域的丢失等缺点㊂最优拉丁超立方(Opt⁃LHD)使随机拉丁超立方设计的均匀性得到了改进,使因素和响应的拟合更加精确真实,Opt⁃LHD使所有的试验点尽量均匀的分布在设计空间,具有非常好的空间填充性和均衡性㊂图2给出了2因子㊁9水平的Opt⁃LHD样本点的分布情况㊂2.2㊀设计变量灵敏度分析图1中,R为固定值,因此,将其余5个设计变量采用Opt⁃LHD选取32个样本进行计算,得到设计变量对于响应值极限载荷Pcr的设计灵敏度排列图见图3㊂通过图3可以看出,五个设计变量对于Pcr的灵敏度按照x1㊁x4㊁x3㊁x2㊁x5的顺序降低,虽然㊃4161㊃哈㊀尔㊀滨㊀工㊀程㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第37卷x5的大小影响着人员出入口的等效载荷的大小,但这种载荷的变化范围不是很大,综合考虑选取x1㊁x2㊁x3㊁x4四个设计变量作为研究目标的设计变量㊂图2㊀最优拉丁超立方样本点的分布Fig.2㊀DistributionofOpt⁃LHDsamplepoints图3㊀设计变量灵敏度排列图Fig.3㊀Paretodiagramofdesignvariablessensitivity3㊀有开孔加强结构耐压球壳近似模型响应面模型(responsesurfacemethod,RSM)的实质是将响应值与变量之间的未知映射关系通过简单的函数关系进行表达㊂其本质是进行多项式求解,具有透明性高㊁简单㊁高效的特点㊂RSM按照阶数可分为一阶㊁二阶㊁三阶和四阶㊂其中,二阶RSM的表达形式为[11]y^(x)=a0+ðni=1bixi+ðni=1ciix2i+ðn1ɤiʂjɤndijxixj(6)式中:y^(x)为响应面近似值,xi为设计变量,n为设计变量个数,a0㊁bi㊁cii㊁dij为待定系数㊂RSM的拟合精度采用复相关系数R2进行预测,R2的取值范围为[0,1],R2的取值与1的接近程度反映了近似模型拟合精度,其取值越接近1则拟合精度越高㊂R2表达式为R2=1-ðni=1(yi-y^i)2ðni=1(yi-y-i)2(7)式中:yi为第i个样本对应的状态变量的响应值㊁y^i为第i个样本对应的状态变量的近似值㊁y-i为第i个样本对应的状态变量的响应均值,N为样本数量㊂针对x1㊁x2㊁x3㊁x4四个设计变量,采用Opt-LHD选取16个样本点,进行耐压球壳重量M㊁极限载荷Pcr㊁球壳体壳板应力为σ1㊁围壁板与球壳体连接处板边缘的中面周向应力为σ2四个响应值的计算和二阶响应面拟合㊂得到模型系数及R2见表2㊂表2㊀响应面模型系数表Table2㊀Responsesurfacemodelcoefficienttable系数重量/kg极限载荷/MPa壳板应力/MPa壳板应力/MPa常数项-2124.58-88.778712340.48-16768.1x185.001775.844628-673.399962.8663x214.384171.259951-24.734629.00104x321.073332.106532-30.826641.59866x4112.4098-8.55622-108.486141.2574x1x12.637787-0.3369413.07096-18.3364x2x20.100449-0.003980.170055-0.20638x3x3-0.03164-0.019850.20457-0.26119x4x4-0.04079-0.003231.337403-2.74618x1x2-1.542720.00982-0.714050.592458x1x3-0.837420.0399140.711368-0.85249x1x40.0715090.345780.992274-1.37122x2x30.027598-0.011160.041469-0.10702x2x4-0.00594-0.006080.583404-0.25824x3x4-0.052270.028352-0.591980.797744R20.99970.96130.95120.9685㊀㊀表2中,R2均在0.95以上,说明近似模型的拟合精度较高,满足工程的需要㊂将表2的系数代入式(6)便可得到相应的近似模型㊂4㊀稳健性和蒙特卡洛抽样4.1㊀稳健性优化稳健性优化也称为鲁棒性设计,其通过对于产品设计㊁制造㊁材料等偏差和环境变化等带来的风险进行分析,力求提高产品质量㊂比如说产品性能与某个因素有关,因素状态变化时,产品的性能也随之变化,如果某因素状态的变化对产品的性能影响不大,即产品性能的变化相对于该因素状态的变化很小的,就可以说产品性能对该因素的变化是不敏感的,又称是稳健的,或者说产品性能对该因素的变化是具有稳健性的㊂图4给出了确定性优化与稳健性优化的比较㊂图4中,目标函数f(x)的确定性优化最小值在A点处,但若设计变量x在最小点A处产生ʃΔx的波动,就会造成目标函数f(x)性能损失过大,甚至会超出可行域范围内㊂对此则有必要对产品实行稳健性优化㊂相对于稳健性设计优化点B而言,虽然㊃5161㊃第12期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀刘峰,等:有开孔加强结构耐压球壳稳健性优化B点相对于A点f(x)的性能有所损失,但B点明显比A点的稳健性更高,也就更具有工程实践意义㊂图4㊀确定性优化与稳健性优化比较Fig.4㊀Deterministicoptimizationcomparedwithrobustoptimization㊀㊀㊀㊀㊀㊀4.2㊀稳健性优化设计的评价准则6σ的稳健性设计是一种常用的稳健性设计优化的方法,σ指的是标准差,它是用来度量分散程度的一个指标㊂基于6σ的稳健性设计的概念源于商业,设计目的是为了让设计变量在均值μ的ʃ6σ范围内波动的时候,仍能够使得性能参数在可接受的范围之内,这种离差水平,称为σ水平n㊂4.3㊀蒙特卡洛抽样蒙特卡洛方法以概率统计理论为基础,当所求问题的解是某个事件的概率,或者是某个随机变量的期望值时,通过某种 实验 的方法,得出该事件发生的频率,或者该随机变量若干个具体观察值的算术平均值,通过它得到问题的解[12]㊂蒙特卡洛抽样分为简单随机抽样和描述性抽样,简单随机抽样是最基本的一种抽样技术,它通过产生均匀分布的随机数序列然后将随机数序列转化为项对应的随机变量值㊂蒙特卡洛方法是基于重复实验创建双响应面模型,分别对质量特性的均值和方差建立响应面模型,通过蒙特卡洛方法求得样本的均值和方差的直接表达式为μY=1NðNi=1g(xi)σ2Y=1N-1[ðNi=1g(xi)-μY]2ìîíïïïï(8)5㊀耐压球壳的稳健性优化5.1㊀多响应多目标稳健性优化一般而言,多目标优化问题可以表述为min{f1(x),f2(x), ,fk(x)}s.t.㊀gj(x)ɤ0j=1,2, ,JxLɤxɤxUìîíïïïï(9)式中:f1(x),f2(x), ,fk(x),是k个目标函数;gj(x)是第j个约束条件;J为约束个数;xL㊁xU分别是设计变量x的上下约束边界㊂在这个数学模型之中并没有考虑由于设计参数的不确定性波动而导致的目标函数的摄动㊂则问题的多目标稳健性优化模型可以表示为min{f1(Yμ1(X),Yσ1(X)),f2(Yμ2(X),Yσ2(X)), ,㊀㊀㊀fk(YμK(X),YσK(X))}s.t.㊀gμj(x)+ηgσj(x)ɤ0xL+ηxσɤxμɤxU-ηxσìîíïïïïï(10)式中:Yμ1(X),Yμ2(X), ,Yμk(X)㊁Yσ1(X),Yσ2(X) ,Yσk(X)分别表示第K个目标函数的均值和方差,gμj(x)㊁gσj(x)为第j个约束的均值和方差,向量xμ㊁xσ为x的均值和方差㊂在考虑物理不确定性时,将制造误差引入作为设计变量的随机变量,且这些设计变量均服从正态分布[11],给方差变异系数赋0.01的典型的制造误差㊂表3为随机设计变量概率表㊂表3㊀随机设计变量概率表Table3㊀Probabilitytableofrandomdesignvariables设计变量设计空间/均值变异系数x1[20,27]0.01x2[65,85]0.01x3[65,85]0.01x4[22,25]0.035.2㊀耐压球壳多响应多目标稳健性设计以质量和极限载荷作为目标函数,中面应力和壳板应力作为约束,则有开孔加强结构耐压球壳的确定性优化模型为min{M;Pcr}s.t.㊀{σ1ɤ0.85σs;σ2ɤ1.15σsDV:x1;x2,x3,x4,ìîíïïïï(11)则多响应多目标稳健性优化模型为min{ω-Mμ+(1-ω-)Mσ2;ω-Pμ+(1-ω-)Pσ2}s.t.㊀{μσ1+nσσ1ɤ0.85σs;μσ2+nσσ2ɤ1.15σs;24.5ɤμσ2-nσσ2}DV:x1;x2,x3,x4,ìîíïïïïï(12)式中:n=3或6,ω-=0.9㊂采用蒙特卡洛描述性抽样得到100组设计变量,将其代入响应面模型,计算出目标函数响应的均值和方差㊂第二代非支配排序遗传算法(NSGA-II)基于基本遗传算法,根据个体间的支配关系在选择算子执行前进行分层,之后再进行选择操作㊂使较好个体有更大的机会遗传到下一代,进而得到更为满意的多目标优化结果㊂㊃6161㊃哈㊀尔㊀滨㊀工㊀程㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第37卷采用NSGA⁃II进行确定性优化㊁多响应多目标稳健性优化的求解,NSGA⁃II的具体原理见文献[13]㊂NSGA⁃II设置为:种群大小60,最大遗传进化代数100,交叉概率0.75,变异分布指数100,求解得到的Pareto前沿见图5㊂图5㊀稳健性优化Pareto前沿Fig.5㊀RobustoptimizationParetosolutionset图5中,包含3σ和6σ水平的稳健性前沿,可以看出,两者虽然在最优性上较确定性优化稍差,但稳健性更高,采用最小距离法(TMDSM)[14]确定图5中三个解集的设计方案㊂其中,确定性优化方案称为初始方案㊁3σ优化确定的方案称为方案1,6σ优化确定的方案称为方案2,将三个方案的参数列于表4㊂表4㊀设计方案对比Table4㊀Comparisonofdesignschemes参数初始方案方案1方案2x1/(ʎ)2524.80824.442x2/(ʎ)7776.72278.341x3/(ʎ)7572.13670.561x4/mm2322.44423.179σ1/MPa610.2604.226585.46σ2/MPa-637.6-634.172-617.6Pcr/MPa33.433.41233.997M/kg2964.992823.1732883.986㊀㊀表4中,相比初始方案,方案1和方案2在重量方面优化结果明显,分别减重141.817和81.004kg,其余目标函数差距不大㊂对于方案1的设计变量,采用描述性蒙特卡洛进行100次抽样,进行方案1的稳健性评估,统计出不同均值处的次数,通过统计分析计算出方案1在既定设计变量值处的均值和方差,见图6㊂(a)M点数统计㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀(b)Pcr点数统计(c)σ1点数统计㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀(d)σ2点数统计图6㊀蒙特卡洛模拟下响应值频次图Fig.6㊀FrequencyresponsevalueofMonteCarlosimulation㊀㊀通过蒙特卡洛模拟统计得出总应力和中面周向应力的质量水平,对于中面周向应力,由于约束上界限值较高,在此不列出中面周向应力的σ水平图,总应力的质量水平见图7,均值为605.865MPa,标准差为15.721MPa㊂使用同样的方法对方案2进行质量评估,进一步将初始方案㊁方案1和方案2的总应力的概率图绘于同一图中,见图8㊂图8中,曲线1代表初始设计方案,曲线2为方案1,曲线3为方案2㊂从图8可以看出,随着σ水㊃7161㊃第12期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀刘峰,等:有开孔加强结构耐压球壳稳健性优化平的提高,总应力的均值越偏离约束边界,且应力的概率分布图变得越来越修长,即应力以较大的概率分布在均值附近㊂说明方案1㊁方案2与初始方案相比在极限载荷这个目标上没有较大的变化㊂图7㊀3σ稳健性优化总应力概率分布图Fig.7㊀Totalstressprobabilitydistributionof3σrobustoptimization㊀㊀㊀㊀㊀㊀图8㊀稳健性优化总应力概率分布对比Fig.8㊀Totalstressprobabilitydistributionofrobustoptimize㊀㊀㊀㊀㊀㊀6㊀结论通过对有开孔加强结构耐压球壳的稳健性优化的研究,得到结论如下:1)基于灵敏度分析方案完成设计变量维数的降低,有利于模型的简化,可显著降低设计与计算分析难度;采用响应面模型替代真实模型进行优化问题的求解,在满足模型精度要求的同时,能大幅度降低计算花费,可提高耐压球壳的设计效率;2)相比确定性多目标优化,基于稳健性优化的多响应多目标优化的Pareto解的分布范围有所缩小,说明基于稳健性的设计方案的解更加稳定㊁可靠;3)相比初始设计方案,优化方案在减重方面优化结果明显,但6σ减重的幅度要小于3σ,但应力值的波动较小,说明随着稳健性水平的提高,要求增加耐压球壳的厚度,才能在约束条件方面有更高的稳健性水平,从而导致耐压球壳的质量增加㊂参考文献:[1]张伟,毛秀兰,崔维成.影响潜艇结构壳板失稳的各因素灵敏性分析[J].船舶力学,2001,5(4):47⁃53.ZHANGWei,MAOXiulan,CUIWeicheng.Sensitivitya⁃nalysisofshellbucklingofmarinestructurecylindershell[J].Journalofshipmechanics,2001,5(4):47⁃53.[2]白旭.基于风险的球柱组合壳结构性能分析[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2013:91⁃106.BAIXu.Risk⁃basedanalysisofstructuralperformanceforsphere⁃cylindercombinedshell[D].Harbin:HarbinEngi⁃neeringUniversity,2013:91⁃106.[3]操安喜,崔维成.基于区间的耐压球壳非概率可靠性分析[J].中国造船,2014,55(1):38⁃45.CAOAnxi,CUIWeicheng.Non⁃probabilisticreliabilitya⁃nalysisofsphericalpressurehullsbasedonintervalnumbertheory[J].ShipbuildingofChina,2014,55(1):38⁃45.[4]TSUIKL.AnoverviewofTaguchimethodandnewlydevel⁃opedstatisticalmethodsforrobustdesign[J].IIEtransac⁃tions,1992,24(5):44⁃57.[5]景立新.基于操纵稳定性的汽车悬架稳健性设计研究[D].长春:吉林大学,2011:5⁃7.JINGLixin.StudiesontheRobustofvehiclesuspensionbasedonhandingandstability[D].Changchun:JilinUni⁃versity,2011:5⁃7.[6]李锋,孟广伟,周振平,等.结构疲劳寿命稳健性优化设计[J].机械工程学报,2010,46(2):155⁃158.LIFeng,MENGGuangwei,ZHOUZhenping,etal.Robustdesignofstructuralfatiguelife[J].Journalofmechanicalengineering,2010,46(2):155⁃158.[7]周定智,王霄,刘会霞,等.基于稳健性和多目标优化的车顶结构轻量化设计研究[J].机电工程,2015,32(9):1170⁃1175.ZHOUDingzhi,WANGXiao,LIUHuixia,etal.Roofstructurelightweightdesignbasedonrobustnessandmulti⁃objectiveoptimization[J].Journalofmechanical&electricalengineering,2015,32(9):1170⁃1175.[8]程妍雪,庞永杰,杨卓懿,等.基于径向基神经网络模型的耐压壳6σ设计[J].上海交通大学学报,2014,48(4):493⁃497.CHENGYanxue,PANGYongjie,YANGZhuoyi,etal.6σde⁃signforpressurizedcylindricalshellsbasedonRBF[J].JournalofShanghaiJiaotongUniversity,2014,48(4):493⁃497.[9]曲文新.载人潜水器耐压壳结构设计与分析[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2013:12,36.QUWenxin.Structuredesignandanalysisofpressurehullinmannedsubmersible[D].Harbin:HarbinEngineeringUni⁃versity,2013:12,36.[10]中国船级社.潜水系统与潜水器入级与建造规范[S].北京:中国船级社,2014:42,83.ChinaClassificationSociety.Rulesfortheconstructionandclassificationofdivingsystemsandsubmersibles[S].Bei⁃jing:ChinaClassificationSociety,2014:42,83.[11]杨卓懿,庞永杰.响应面模型在耐压壳优化设计中的应用研究[J].哈尔滨工程大学学报,2010,31(6):689⁃692.(下转第1637页)㊃8161㊃哈㊀尔㊀滨㊀工㊀程㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第37卷全国水动力学研讨会并周培源诞辰110周年纪念大会文集.无锡,中国,2012:1074⁃1081.LIUDengcheng,HUANGGuofu.Numericalanalysisonhy⁃drodynamicperformanceofhignefficiencytwistedrudderofship[C]//EleventhSymposiumonHydrodynamicsofchi⁃na,Wuxi,China,2012:1074⁃1081.[8]SHENYT,JIANGCW,REMMERSKD.Atwistedrudderforreducedcavitation[J].Journalofshipresearch,1997,41(4):260⁃272.[9]SHENYT,REMMERSKD,JIANGCW.EffectsofshiphullandPropelleronruddercavitation[J].Journalofshipresearch,1997,4l(3):172⁃180.[10]KOOPAH,HOEIJMAKERSHW,SCHNERRGH,etal.Designoftwistedcavitatinghydrofoilusingabarotropicflowmethod[C]//ProceedingsoftheSixthInternationalSymposiumonCavitation.Wag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ENSO对冬季北太平洋水汽输送及大气河的影响
第41卷㊀第1期气象科学Vol.41,No.1㊀2021年2月JournaloftheMeteorologicalSciencesFeb.,2021㊀游振宇,刘世淦,王轩同,等.ENSO对冬季北太平洋水汽输送及大气河的影响.气象科学,2021,41(1):70⁃77.YOUZhenyu,LIUShigan,WANGXuantong,etal.TheimpactofENSOonvaportransportationandatmosphericriversoverNorthPacificduringwinters.JournaloftheMeteorologicalSciences,2021,41(1):70⁃77.ENSO对冬季北太平洋水汽输送及大气河的影响游振宇㊀刘世淦㊀王轩同㊀任雪娟(南京大学大气科学学院,南京210023)摘要㊀利用1979 2016年ERA⁃Interim再分析资料,分析了ENSO对冬季北太平洋地区水汽输送特征的影响,包括整层水汽含量㊁整层水汽输送及其散度和大气河频率㊂结果表明,在ElNiño年冬季,东北太平洋地区的气旋式环流异常增强了自副热带太平洋向北美西海岸的水汽输送,导致区域性的水汽辐合与辐散异常;LaNiña年冬季的水汽输送特征与厄尔尼诺年大致相反㊂根据尺度分解的方法,对水汽输送及其散度的异常成因进行分析,得到结论如下:除ElNiño年黑潮及其续流区外,ENSO年冬季北太平洋的水汽输送异常主要由环流异常导致;水汽输送散度异常则主要由环流异常的散度㊁气候态比湿的经向梯度和异常比湿的纬向梯度三部分决定㊂此外,ElNiño年冬季北太平洋大气河频率分布的向极弯曲增强,分布更加集中;而LaNiña年冬季大气河频率分布更加分散,纬向跨度减小,经向跨度增加㊂关键词㊀ENSO;水汽输送;大气河;尺度分解㊀㊀分类号:P434㊀㊀㊀doi:10.12306/2019jms.0044㊀㊀㊀文献标识码:A收稿日期(Received):2019⁃06⁃04;修改稿日期(Revised):2019⁃10⁃29㊀㊀基金项目:国家重点研发计划资助项目(2018YFC1505903);国家自然科学基金资助项目(41675067)通信作者(Correspondingauthor):任雪娟(RENXuejuan).renxuej@nju.edu.cn.TheimpactofENSOonvaportransportationandatmosphericriversoverNorthPacificduringwintersYOUZhenyu㊀LIUShigan㊀WANGXuantong㊀RENXuejuan(SchoolofAtmosphericSciences,NanjingUniversity,Nanjing210023,China)㊀㊀Abstract㊀TheimpactofENSOonthevaportransportationcharacteristicsovertheNorthPacificinborealwintersduring1979to2016wasinvestigatedwithERA⁃Interimreanalysisdata,includingtheIntegratedWaterVapor(IWV),IntegratedVaporTransport(IVT)anditsdivergence,aswellastheAtmosphericRiver(AR)frequency.DuringElNiñoborealwinters,thevaportransportationfromthesubtropicalPacifictothewestcoastofNorthAmericaisintensifiedwithcycloniccirculationanomaliesovertheNortheastPacific,causingcorrespondingregionalconvergentanddivergentanomalies.DuringLaNiñaborealwinters,thecharacteristicsofvaportransportationareroughlyoppositetothoseofElNiñocases.AnalysisofcontributingfactorsonIVTanditsdivergenceisperformedbasedonthescaledecompositionmethod,andtheconclusionsareasfollows:IVTanomaliesinENSOwintersovertheNorthPacificareprimarilydecidedbythecirculationanomaliesexceptfortheKuroshio⁃OyashioExtension(KOE)regioninElNiñowinters.IVTdivergenceanomaliesaremainlycontributedbythedivergentcirculationanomalies,themeridionalgradientofclimatologicalspecifichumidity,andthezonalgradientofanomalousspecifichumidity.Furthermore,theARdistributionismorecentralizedandanomalouslyshiftedpolewardinElNiñowinters,whilemoredecentralizedwithawidemeridionalandlimitedzonalrangeinLaNiñawintersovertheNorthPacific.Keywords㊀ENSO;vaportransportation;AR;scaledecomposition㊀引㊀言由于水汽输送过程需要综合考虑大气环流和对流层中低层的水汽条件,其时空特征及不同尺度上的变率广受学者关注[1⁃3]㊂大气环流可通过大尺度的水汽输送带来区域性的水汽辐合,为该区域的降水提供有利条件㊂在北太平洋地区的冬季,受中纬度西风带的影响,整层水汽自西太平洋副热带地区(水汽的主要源地)向北美西海岸输送(水汽汇),其中水汽输送的向极分量主要受到风暴轴活动的影响[3]㊂Newell,etal[4]在分析全球水汽输送通量时指出,在南北半球中纬度的大洋上,水汽输送经常集中在对流层中低层的一些狭长的河流带中,沿河流带方向的水汽通量可达1 6ˑ108kg㊃s-1,与亚马逊河的流量相当,ZHU,etal[5]将其命名为 大气河 (AtmosphericRiver,AR)㊂与东亚上空常与夏季风伴随的宽水汽输送带不同,大气河常出现在冬季温带气旋冷锋前的暖输送带中,分布狭长,具有很强的瞬变性[6]㊂北太平洋地区的大气河是冬季北美洲重要的水汽来源,当大气河受地形强迫抬升时,往往会造成强烈的降水[7]㊂有研究表明,在过去60a,西欧沿岸的冬季强降水多与大气河登陆有关[8]㊂由于大气河对北美洲乃至全球水循环有重要影响,近年来受到越来越多的关注[3⁃10]㊂目前,诸多学者关注了天气尺度和年代际尺度上水汽输送和大气河频率的变化[1,3,10],但有关年际尺度上水汽输送以及大气河和气候事件的联系[2],探讨不多㊂ENSO是赤道太平洋地区最为显著的年际尺度海气相互作用模态,对全球气候有显著影响[11⁃14]㊂大量研究指出ENSO对中国东部地区的降水有重要影响[15⁃16]㊂Kim,etal[2]指出,在ENSO冷暖位相之间,北太平洋地区和北美降水量亦存在显著差异㊂就冬季北太平洋地区而言,ENSO与北半球PNA模态(太平洋 北美遥相关型)存在显著相关[17⁃18]㊂在ElNiño年赤道东太平洋海温的热强迫下,中纬度北太平洋地区500hPa位势高度场会出现气旋式的环流异常[19]㊂在ElNiño年冬季,东亚副热带急流增强东扩,而LaNiña年冬季急流减弱西缩[20⁃22]㊂吴正贤等[23]通过对1982/1983年冬季ElNiño期间大气环流异常的诊断分析,指出ElNiño事件使北半球中纬度西风显著加强,大气湿度明显增加,并增强了自副热带向中高纬度水汽输送的强度㊂综上,由于ENSO可以调制大尺度环流和降水量,所以有必要进一步研究ENSO变率究竟如何影响泛北太平洋地区的水汽输送,以及北太平洋大气河的频率㊂本文采用尺度分解的方法[24⁃25],将水汽输送及其散度分解为时间平均㊁年际尺度的扰动以及非年际尺度的扰动3个部分,分析ENSO对水汽输送和水汽输送散度的影响㊂基于不同的物理过程中多尺度风场㊁比湿之间的相互作用,分析各物理过程对总异常的贡献㊂1㊀资料和方法1 1㊀资料和ENSO事件的选取所用资料主要为欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的ERA⁃Interim再分析资料,选取的大气物理参量包括水平风场(u,v)㊁比湿(q)㊁位势高度场(水平分辨率为0 75ʎˑ0 75ʎ,垂直方向为8层)和海平面气压场(水平分辨率为0 75ʎˑ0 75ʎ)㊂资料选取的时间范围是1979 2016年冬季(12 次年2月)㊂ENSO事件的选取是依据美国气候预测中心(CPC)提供的1979 2018年Niño3 4区(5ʎS 5ʎN,170ʎ 120ʎW)平均海温数据(http:ʊwww.cpc.ncep.noaa.gov),通过定义海温距平的3个月滑动平均的峰值强度为Niño3 4指标(N⁃34)而确定[26]㊂为了提取中等偏强的ENSO事件进行分析,选取1979 2018年间N⁃34指标正异常的前5位作为参与合成分析的ElNiño事件(1982/1983㊁1991/1992㊁1997/1998㊁2009/2010和2015/2016年),负异常的前5位作为合成分析的LaNiña事件(1988/1989㊁1998/1999㊁1999/2000㊁2007/2008和2010/2011年)㊂1 2㊀分析和计算方法1 2 1㊀整层水汽含量、整层水汽输送及其散度的计算㊀㊀使用以下公式计算整层水汽含量(IntegratedWaterVapor,IWV)和整层水汽输送(IntegratedVaporTransport,IVT):IWV=1gʏpsptqdp㊀;(1)IVT=1gʏpsptqVdp㊀,(2)(1)和(2)式中:g为重力加速度;ps为海平面气压;q为相对湿度;V为水平风场;Pt为积分上界的气压(300hPa)㊂当▽㊃IVT<0时(整层水汽通量散度为负),该区域为水汽的汇;当▽㊃IVT>0(整层水汽通量散度为正),该区域为水汽的源㊂171期㊀㊀㊀㊀㊀游振宇,等:ENSO对冬季北太平洋水汽输送及大气河的影响1 2 2㊀IVT及其散度的异常和分解将IVT中的比湿和风场分解为时间平均㊁年际尺度及非年际尺度的扰动,IVT的年际异常可以表示为:IVTᶄ=1gʏpspt(qV)ᶄdp=1gʏpspt q(V)ᶄdpüþýïïïïa+1gʏpsptqᶄ Vdpüþýïïïb+1gʏpsptqᶄVᶄdpüþýïïïïc+residue㊀,(3)其中:IVTᶄ㊁qᶄ㊁Vᶄ分别表示整层水汽输送㊁比湿和风场的年际异常㊂公式(3)中的a项表示由风场年际异常贡献的水汽输送异常(动力场贡献);b项表示比湿场年际异常贡献的水汽输送异常(水汽场贡献);c项表示比湿㊁风场的年际异常共同贡献的部分;余项(residue)较小,可忽略㊂按上述方法,IVT散度的异常可以分解为[24⁃25]:▽㊃1gʏpspt(qV)ᶄdp=▽㊃1gʏpspt qVᶄdpüþýïïïïïA+▽㊃1gʏpsptqᶄ VdpüþýïïïïïïB+▽㊃1gʏpsptqᶄVᶄdpüþýïïïïïïC+residueᶄ,(4)其中:IVT散度的异常可分解为A,B,C三项及余项(较小,可忽略)㊂该式中各项含义与IVT异常分解的各项含义类似㊂其中,A项可分解为以下各项:▽㊃1gʏpspt qVᶄdpüþýïïïïïïA=1gʏpspt q∂uᶄ∂x+∂vᶄ∂yæèçöø÷dpüþýïïïïïïïA1+1gʏpsptuᶄ∂ q∂xdpüþýïïïïA2+1gʏpsptvᶄ∂ q∂ydpüþýïïïïA3+residueA,(5)其中:A1,A2,A3分别表征3种贡献散度异常的过程:(1)异常大气环流的散度;(2)异常纬向风场和背景比湿场的纬向非均匀性;(3)异常经向风场和背景比湿场的经向非均匀性㊂同理,B项亦可分解为以下各项:▽㊃1gʏpsptqᶄ VdpüþýïïïïïïB=1gʏpsptqᶄ∂ u∂x+∂ v∂yæèçöø÷dpüþýïïïïïïïB1+1gʏpspt u∂qᶄ∂xdpüþýïïïïB2+1gʏpspt v∂qᶄ∂ydpüþýïïïïB3+residueB,(6)其中:B1,B2,B3的解释与(5)式类似㊂根据分析,A项主要由A1,A3贡献,B项主要由B2贡献㊂第2部分将会具体阐述㊂1 2 3㊀大气河事件及其频率异常的计算大气河事件采取的判据是ZHU,etal[5]提出的:QrȡQmean+0 3(Qmax-Qmean),㊀(7)其中:Q=|IVT|=(1gʏpsptqudp)2+(1gʏpsptqvdp)2,(8)其中:Q表示IVT的矢量模;Qr表示给定水平空间格点的水汽通量;Qmean是某给定纬度上水汽输送通量Q的大小的纬向平均值;Qmax是该纬度上水汽输送通量Q的最大值㊂对于任意给定格点,当Qr满足公式(8)时,称该格点为AR格点㊂当一个格点成为AR格点时,对应的那一天对于这个格点来说是AR日,否则,为非AR日㊂本文利用判据公式(7)㊁(8)和1 1节中的资料计算得到1979 2016年的逐日AR事件库㊂本文采用合成分析计算ENSO年北太平洋水汽输送及其散度的异常,以及大气河频率的异常㊂按照1.2.2节的方法,对ENSO年水汽输送及其散度的异常进行分解,分析造成异常的具体物理过程㊂2㊀ENSO对北太平洋冬季水汽输送的影响2 1㊀北太平洋冬季整层水汽含量及水汽输送的气候态特征㊀㊀在分析ENSO对北太平洋地区水汽输送特征的影响之前,首先给出北太平洋冬季与水汽输送相关物理场的气候态分布特征㊂图1为北太平洋冬季IWV及其经向梯度的分布特征㊂气候态IWV呈现自低纬向高纬递减的分布特征,其经向梯度在黑潮及其续流区(KOE)及北美西海岸(自加利福尼亚至阿拉斯加湾地区)较大㊂气候态冬季的整层水汽是从西太平洋地区向北美西海岸输送(图2)㊂水汽输送在西太平洋KOE地区有较强的辐散(水汽源);在中国东南部有微弱的辐合,在北美沿岸落基山脉27气㊀㊀象㊀㊀科㊀㊀学㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀41卷图1㊀北太平洋1979 2016年冬季IWV(等值线;间隔为4kg㊃m-2)及其经向梯度(填色;单位:10-5kg㊃m-3)气候态Fig.1㊀ClimatologyofIWV(contour;theintervalis4kg㊃m-2)anditsmeridionalgradient(colored;unit:10-5kg㊃m-3)overtheNorthPacificduringborealwintersfrom1979to2016图2㊀北太平洋1979 2016年冬季IVT(矢量;单位:kg㊃m-1㊃s-1;图中只画出值超过20的部分)及其散度(填色;单位:10-5kg㊃m-2㊃s-1)气候态Fig.2㊀ClimatologyofIVT(vector;unit:kg㊃m-1㊃s-1;onlyvaluesexceeding20areshown)anditsdivergence(colored;unit:10-5kg㊃m-2㊃s-1)overNorthPacificduringborealwintersfrom1979to2016西部有强辐合(水汽汇),促进冬季北美西海岸的降水㊂2 2㊀ENSO年冬季北太平洋地区水汽输送及其散度的异常㊀㊀图3给出了ElNiño年和LaNiña年IWV的异常及其纬向梯度㊂在ElNiño年冬季,北太平洋地区IWV异常自西向东呈 正 负 正 分布特征;在整层水汽异常正负交替区域有较强纬向梯度㊂LaNiña年的IWV异常及其纬向梯度的分布特征与ElNiño年大致相反㊂图4给出了ElNiño年和LaNiña年IVT异常及其散度异常的空间分布㊂在ElNiño年,东北太平洋地区的IVT呈气旋式异常㊂由于ENSO与PNA遥相关型有明显的相关性,在ElNiño年,东北太平洋地区对流层出现气旋式环流异常[17⁃19],伴随着阿留申低压的加深和副热带急流的增强东扩[20⁃22],因此东北太平洋地区的水汽输送异常分布特征与环流异常的分布特征较为一致,而气旋式水汽输送异常会增强自副热带地区向中高纬度地区(如北美西海岸)的水汽输送㊂在LaNiña年,东北太平洋地区呈反气旋式的水汽输送异常,使得该地区自副热带向中高纬地区的水汽输送减弱,而中太平洋海盆地图3㊀ElNiño年(a)和LaNiña年(b)冬季IWV异常(等值线;间隔为0 8kg㊃m-2;图中只显示置信度超过α=0 1的区域)及其纬向梯度(填色;单位:10-5kg㊃m-3;图中只显示绝对值大于0 08的区域)Fig.3㊀IWVanomaly(contour;theintervalis0 8kg㊃m-2;onlyvaluesabovethe90%significancelevelareshown)anditszonalgradient(colored;unit:10-5kg㊃m-3;onlyareaswithabsolutevalueslargerthan0 08areshown)during(a)ElNiñoand(b)LaNiñaborealwinters图4㊀ElNiño年(a)和LaNiña年(b)冬季IVT(矢量;单位:kg㊃m-1㊃s-1;图中只显示置信度超过α=0 1的值)及其散度的异常(填色;单位:10-5kg㊃m-2㊃s-1;图中阴影为置信度超过α=0 1的区域)Fig.4㊀IVTanomaly(vectorunit;unit:kg㊃m-1㊃s-1;onlyvaluesabovethe90%significancelevelareshown)anditsdivergenceanomalies(colored;unit:10-5kg㊃m-2㊃s-1;areasexceedingthe90%significancelevelareshaded)during(a)ElNiñoand(b)LaNiñaborealwinters区上空整层水汽的向极输送分量有所增强㊂这些结论与前人的研究成果一致[2,23]㊂由图4可知,ElNiño年西太平洋副热带地区和北美沿岸有水汽输送异常的辐合,而中太平洋海盆上空存在水汽输送异常的辐散㊂水汽输送异常的辐合辐散与ElNiño年IWV的空间分布(图3)较为一致,因此可以推断,除海表面温度的异常带来蒸发量的增加(减少)外,水汽的辐合(辐散)对区域性的水汽含量有重要影响,进而促进(抑制)区域性的降水过程㊂LaNiña年水汽输送异常的辐合辐散特征与ElNiño年大致相反㊂371期㊀㊀㊀㊀㊀游振宇,等:ENSO对冬季北太平洋水汽输送及大气河的影响2 3㊀IVT异常及其散度的分解上节虽揭示了ENSO对水汽输送及其散度的影响,但产生异常的具体物理过程尚不清晰㊂因此,根据1 2 2节的分解方法将IVT异常及其散度异常进行分解㊂首先,根据公式(3)㊁(4)将IVT异常分解为a㊁b㊁c三项,IVT散度异常分解为A㊁B㊁C三项(图5)㊂图5㊀ENSO年冬季IVT异常(矢量;单位:kg㊃m-1㊃s-1;图中只显示置信度α=0 1的值)及其散度(填色;单位:10-5kg㊃m-2㊃s-1;阴影为置信度超过α=0 1的值)分解:(a)ElNiño年A和a项;(b)LaNiña年A和a项;(c)ElNiño年B和b项;(d)LaNiña年B和b项;(e)ElNiño年C和c项;(f)LaNiña年C和c项Fig.5㊀DecompositionofIVTanomaly(vector;unit:kg㊃m-1㊃s-1;onlyvaluesabovethe90%significancelevelareshown)anditsdivergence(colored;unit:10-5kg㊃m-2㊃s-1;areasexceedingthe90%significancelevelareshaded)inENSOwinters:(a)TermAandaduringElNiño;(b)TermAandaduringLaNiña;(c)TermBandbduringElNiño;(d)TermBandbduringLaNiña;(e)TermCandcduringElNiño;(f)TermCandcduringLaNiña对比分析图4㊁5可见,在北太平洋大部分地区(特别是东北太平洋地区),ElNiño年和LaNiña年的IVT异常都主要由公式(3)中的a项贡献(动力场异常)㊂在西太平洋副热带地区(尤其是KOE区),ElNiño年的纬向水汽输送异常主要由b项贡献(水汽场异常),这是由该区域ElNiño年IWV的显著正异常(图2)和较强的冬季平均西风急流所致;该区域的经向水汽输送则主要由a项贡献,这与ElNiño年西北太平洋上空异常反气旋环流有关[27],该过程可为我国东南部地区带来丰沛的水汽㊂另外,ElNiño年和LaNiña年的IVT散度的异常均主要由A项贡献(动力场异常),且在各个区域A项的大小超过了IVT散度的总异常;B项对IVT散度异常的贡献小于A项,其异常区域主要位于A项的正负异常大值区之间,且符号与A项大致相反㊂c项(C项)与a项(A项)㊁b项(B项)相比,对IVT异常(及IVT散度异常)的贡献很小㊂其次,按照公式(5)㊁(6)进一步将IVT异常散度的A项和B项进行分解,对A1,A3,B2三项进行计算(图6)㊂通过与图5中A项和B项的对比可以发现,A1,A3均对A项有重要贡献㊂对于A1项,风场异常uᶄ,vᶄ的辐合(辐散)可以聚集(疏散)冬季气候态中的水汽,导致IVT异常的辐合(辐散),因此A1项的贡献在气候态水汽含量较大的区域(低纬度地区)尤其明显;对于A3项,由于在北太平洋地区(特别是KOE区),冬季气候态下的水汽经向梯度为负(图1),因此经向风的正异常(负异常)会导致水汽通量异常的辐合(辐散)㊂B项则主要来自B2项的贡献㊂由于在北半球冬季,北太平洋地区上空被强盛的西风带控制,B2和B项的异常分布特征均与图3中IWV异常的纬向梯度的分布特征十分一致㊂3㊀ENSO对冬季北太平洋大气河的影响㊀㊀图7给出了冬季气候平均的AR频率分布㊂图7用30%频率代表北太平洋冬季气候平均AR带的基本形状和位置㊂由此可见,AR主要位于北太平洋(25ʎ 40ʎN)范围的纬向带状区域内,自西太平洋向东伸展,到中太平洋海盆约170ʎW处时发生向极的弯曲,一直延伸至北美西海岸的阿拉斯加湾一带㊂按照1 2 3节中的方法,合成ElNiño年与La47气㊀㊀象㊀㊀科㊀㊀学㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀41卷图6㊀ENSO年冬季IVT散度异常(填色;单位:10-5kg㊃m-2㊃s-1)A,B项的分解:(a)ElNiño年A1项;(b)LaNiña年A1项;(c)ElNiño年A3项;(d)LaNiña年A3项;(e)ElNiño年B2项;(f)LaNiña年B2项(图中只画出绝对值超过0 8的部分)Fig.6㊀DecompositionofA,Bterm(colored;unit:10-5kg㊃m-2㊃s-1)duringENSOborealwinters:(a)TermA1duringElNiño;(b)TermA1duringLaNiña;(c)TermA3duringElNiño;(d)TermA3duringLaNiña;(e)TermB2duringElNiño;(f)TermB2duringLaNiña(Onlyareaswithabsolutevaluesexceeding0 8areshown)图7㊀北太平洋冬季AR频率(填色;单位:%)分布(其中30%频率用黑色实线勾勒)Fig.7㊀ARfrequency(colored;unit:%)overtheNorthPacificduringborealwinters(Frequencyof30%ishighlightedinblacksolidlines)Niña年AR频率,将ENSO年AR合成频率与气候态相减,分别得到ElNiño和LaNiña年AR频率异常的分布(图8)㊂与气候态相比,ElNiño年北太平洋东部至阿拉斯加湾一带和KOE区的AR频率增加,而气候态30%频率AR带南北两侧的频率减小,这说明ElNiño年AR的分布更加狭长集中,北美沿岸和KOE区的水汽输送增强;LaNiña年气候态30%频率AR带南北两侧的频率增加,北太平洋东部和阿拉斯加湾一带的频率减弱,这说明LaNiña年AR分布的东西跨度减小,南北跨度增加,狭长的特点有所减弱㊂总体而言,LaNiña年与ElNiño年的变化大致相反㊂4 结论ENSO是赤道太平洋地区最显著的年际异常信号,对北太平洋地区的水汽输送特征有重要影响㊂图8㊀ElNiño年(a)和LaNiña年(b)冬季AR频率异常(填色;%)分布(气候态AR发生频率30%处用黑色实线勾勒,图中阴影为置信度超过α=0 1的区域)Fig.8㊀ARfrequencyanomaly(colored;%)duringElNiño(a)andLaNiña(b)borealwinters(Frequencyof30%inclimatologicalwintersishighlightedbyblacksolidlines.Areasexceedingthe90%significancelevelareshaded)本文利用ERA⁃Interim再分析资料,分析了北太平洋地区冬季的水汽含量㊁水汽输送及其散度的分布特征,并用合成分析的方法,根据选择的ENSO事件探讨了ENSO的两种不同位相 ElNiño和LaNiña对水汽输送各物理量的影响㊂基于尺度分解的方法,分析各物理过程对水汽输送异常及其散度异常的贡献㊂此外还分析了ENSO对北太平洋水汽输送的重要形式 大气河的影响㊂主要结论如下:(1)北太平洋冬季水汽输送的平均特征为自西太平洋副热带地区向北美中高纬地区输送㊂在571期㊀㊀㊀㊀㊀游振宇,等:ENSO对冬季北太平洋水汽输送及大气河的影响ElNiño年,由于东北太平洋地区的气旋式环流异常,该地区的水汽输送亦呈气旋式异常㊂西太平洋副热带地区和北美西海岸为水汽输送异常辐合区,而中太平洋海盆上空为水汽输送异常辐散区㊂在LaNiña年,东北太平洋地区呈反气旋式的水汽输送异常,中太平洋海盆上空整层水汽的向极输送分量有所增强,水汽输送的辐合辐散异常特征与ElNiño年大致相反㊂(2)通过对水汽输送异常及其散度的进一步分解,可以得出结论:1.在北太平洋大部分地区,ENSO年份的水汽输送异常及其散度都主要来自风场异常(uᶄ,vᶄ)的贡献㊂在黑潮及其续流区,ElNiño年的纬向水汽输送异常主要由比湿异常(qᶄ)贡献㊂2.在由风场异常(uᶄ,vᶄ)决定的水汽输送散度的异常中,有两项贡献较大㊂一项由风场异常(uᶄ,vᶄ)的散度造成;另一项由经向风异常(vᶄ)和气候态比湿的经向梯度造成㊂3.在比湿异常(qᶄ)决定的水汽输送散度的异常中,气候态纬向风( u)和异常比湿的经向梯度的贡献占主导地位㊂(3)在ElNiño年,大气河频率分布的向极弯曲增强,分布更加集中,向中国东南部及北美西海岸延伸;而LaNiña年北太平洋中北部大气河频率增加,东西跨度减小,南北跨度增加,狭长的特点有所减弱㊂水汽输送和大气河频率的增强与北太平洋地区(北美西海岸㊁中国东部)的降水有密切的联系㊂在ElNiño年,环流异常导致向中国东南部和北美西海岸的水汽输送显著增强,导致异常的水汽输送辐合,并伴随区域性AR频率的增加,这进一步突出了ENSO在年际尺度上对区域气候预测的重要意义㊂值得注意的是,近30a,一种新型的ElNiño事件频繁发生㊂不同于传统的ElNiño事件,这类ElNiño事件的海温异常不再起于赤道东太平洋,而是向西移至中太平洋区域,即中太平洋ElNiño[28⁃29]㊂有少量研究指出,中太平洋ElNiño对冬季北太平洋的水汽输送及大气河的影响与传统的ElNiño不同[2]㊂本文按照Larkin,etal[30]对1979年后中太平洋ElNiño事件的分析结果,选取前5次强中太平洋ElNiño事件进行合成分析(1979/1980㊁1986/1987㊁1994/1995㊁2002/2003和2004/2005年)㊂结果表明(图略),与传统的ElNiño事件相比,在中太平洋ElNiño的冬季,北太平洋气旋式水汽输送异常南移,其强度偏弱;大气河路径偏南,向美国加州沿岸的水汽输送增强㊂有关中太平洋ElNiño对北太平洋水汽输送的影响及其动力学过程,仍有待我们进一步的探索㊂参㊀考㊀文㊀献[1]㊀NewmanM,KiladisGN,WeickmannKM,etal.Relativecontributionsofsynopticandlow⁃frequencyeddiestotime⁃meanatmosphericmoisturetransport,includingtheroleofatmosphericrivers.J.Climate,2012,25(21):7341⁃7361.[2]㊀KimHM,AlexanderMA.ENSO 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面向6G的高速太赫兹无线通信系统与关键技术验证
doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2024.01.004引用格式:董博宇,冯叶青,李国强,等.面向6G的高速太赫兹无线通信系统与关键技术验证[J].无线电通信技术,2024,50(1):34-40.[DONGBoyu,FENGYeqing,LIGuoqiang,etal.HighSpeedTerahertzWirelessCommunicationSystemandKeyTech nologyVerificationfor6G[J].RadioCommunicationsTechnology,2024,50(1):34-40.]面向6G的高速太赫兹无线通信系统与关键技术验证董博宇1,冯叶青2,李国强1,贾俊连1,张俊文1 ,付杰尉2,迟 楠1,朱伏生2(1.复旦大学电磁波信息科学教育部重点实验室,上海200433;2.广东省新一代通信与网络创新研究院,广东广州510663)摘 要:太赫兹通信以其可提供更高速、更大容量和更安全的数据传输的独特优势,在未来6G中成为重要的关键技术之一。
基于固态电子的太赫兹通信系统存在带宽受限、频谱响应不平坦等问题,需要先进的信号形式结合灵活高效的处理方法来提升系统性能。
搭建了基于固态电子的G波段太赫兹无线通信系统,通过采用比特-功率加载的离散多音(BitandPowerLoading DiscreteMultitone,BPL DM)调制技术,实现了对系统频谱资源的有效利用;通过对通信速率的灵活调整、自适应削波和基于三阶多项式的后均衡技术,解决了峰值功率约束带来的挑战,提升了整体传输性能,实现了在195GHz中心频率下,单通道130Gbit/s的通信线路速率。
基于以上技术,为进一步提升系统容量,搭建了4×4的多输入多输出(Multiple InputMultiple Output,MIMO)太赫兹通信系统,总线路速率超过399Gbit/s。
煤矿千米深井智能开采关键技术研究与应用
㊀第49卷第4期煤炭科学技术Vol 49㊀No 4㊀㊀2021年4月CoalScienceandTechnology㊀Apr.2021㊀移动扫码阅读任怀伟,巩师鑫,刘新华,等.煤矿千米深井智能开采关键技术研究与应用[J].煤炭科学技术,2021,49(4):149-158 doi:10 13199/j cnki cst 2021 04 018RENHuaiwei,GONGShixin,LIUXinhua,etal.Researchandapplicationonkeytechniquesofintelligentminingforkilo-meterdeepcoalmine[J].CoalScienceandTechnology,2021,49(4):149-158 doi:10 13199/j cnki cst 2021 04 018煤矿千米深井智能开采关键技术研究与应用任怀伟1,2,巩师鑫1,2,刘新华1,2,吕㊀益3,文治国1,2,刘万财3,张㊀帅1,2(1.中煤科工开采研究院有限公司科创中心,北京㊀100013;2.煤炭科学研究总院开采研究分院,北京㊀100013;3.中煤新集能源股份有限公司口孜东煤矿,安徽淮南㊀232170)摘㊀要:千米深井复杂条件煤层智能化开采是当前煤矿技术发展迫切需要解决的难题㊂以中煤新集口孜东煤矿140502工作面地质条件为基础,针对该工作面俯采倾角变化大㊁矿压显现剧烈㊁顶板煤壁破碎所致的采场围岩稳定控制难㊁液压支护系统适应性降低等问题,研究了千米深井复杂条件工作面智能化开采关键技术,为复杂难采煤层开采提供了技术与装备支撑㊂研发了基于LORA的工作面液压支架(围岩)状态监测系统,同时获取立柱压力和支架姿态数据㊂提出了基于大数据分析的矿压分析预测方法,采用FLPEM和ARMA两种算法组合预测提升精度和效率,采用数据分布域适应迁移算法解决了支护过程中时变工况导致预测模型失准的问题,模型预测精度达到92%以上㊂研发了基于Unity3D的工作面三维仿真与运行态势分析决策系统,支撑复杂条件下的围岩控制和煤层跟随截割控制的智能决策㊂现场试验表明:工作面在试验期开采高度达到6.5m,在14ʎ 17ʎ俯采㊁顶板相对破碎㊁煤层硬度1.6的条件下,月产达到31.5万t㊂设备可靠性和适应性较之前该矿使用设备明显提升,工作面安全性大幅改善,实现了千米深井三软煤层的安全高效开采㊂关键词:千米深井;智能开采;位姿状态监测;大数据分析;分析决策中图分类号:TD67㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:0253-2336(2021)04-0149-10Researchandapplicationonkeytechniquesofintelligentminingforkilo-meterdeepcoalmineRENHuaiwei1,2,GONGShixin1,2,LIUXinhua1,2,LYUYi3,WENZhiguo1,2,LIUWancai3,ZHANGShuai1,2(1.TechnologyInnovationCenter,CCTEGCoalMiningResearchInstituteCo.,Ltd.,Beijing㊀100013,China;2.CoalMiningandDesigningBranch,ChinaCoalResearchInstitute,Beijing㊀100013,China;3.KouzidongMineCoal,XinjiEnergyCo.,Ltd.,ChinaNationalCoalGroupCorp.,Huainan㊀232170,China)收稿日期:2021-02-28;责任编辑:曾康生基金项目:国家重点研发计划资助项目(2017YFC0603005);国家自然科学基金重点资助项目(51834006);国家自然科学基金面上资助项目(518741774);中国煤炭科工集团科技专项重点资助项目(2019-TD-ZD001)作者简介:任怀伟(1980 ),男,河北廊坊人,研究员,硕士生导师,博士,中国煤炭科工集团三级首席科学家㊂Tel:010-84263142,E-mail:rhuaiwei@tdkcsj.comAbstract:Theintelligentminingofcoalseamsinthecomplexconditionsofkilo-meterdeepcoalmineisaproblemthatthedevelopmentofcoalminetechnologyurgentlyneedstobesolved.BasedonthegeologicalconditionsofNo.140502fullymechanizedminingfaceinKouzi⁃dongMineCoal,aimingattheproblemsofdifficultyincontrollingthestabilityofthesurroundingrockandadaptabilityofthehydraulicsupportsystemcausedbylargechangesintheunder-mininginclinationangleoftheminingface,severeminingpressure,thebrokenroofandcoalwall,keytechnologiesforintelligentminingofcomplexworkingfaceinkilo-meterdeepcoalminearestudied,providingtechnicalandequipmentsupportfortheminingofcomplexanddifficult-to-minecoalseams.Firstly,aLORA-basedstatemonitoringsystemforworkingfacehydraulicsupports(surroundingrock)wasdeveloped,whichcanacquireposturedataofhydraulicsupportwhileacquiringcolumnpressuredata.Secondly,aminingpressureanalysisandpredictionmethodwasproposed,wherethecombinationofFLPEMandARMAalgorithmswasusedtoimprovethepredictionaccuracy,anddatadistributiondomainadaptivemigrationalgorithmwasusedtosolvetheproblemofinaccuratepredictionmodelscausedbytime-varyingconditionsinthesupportprocesssothatthemodelpredictionaccuracyreached92%.Finally,athree-dimensionalsimulationandoperatinganalysisdecision-makingsystembasedonUnity3Dwasdevelopedto9412021年第4期煤炭科学技术第49卷supportintelligentdecision-makingforsurroundingrockcontrolandcoalseamfollowingcuttingcontrolundercomplexconditions.Fieldtri⁃alsshowedthattheminingheightoftheworkingfacereached6.5mduringthetestperiod,themonthlyproductionreached315000tonsundertheconditionsof14ʎ 17ʎofslopingminingangle,relativelybrokenroof,and1.6ofcoalseamhardness.Comparedtoprevioususedfacilities,thereliabilityandadaptabilityofthenewfacilitiesweresignificantlyimproved,andthesafetyoftheworkingsurfacewasgreatlyimproved,whichachievedthesafeandhigh-efficienctmingofthethree-softcoalseamin1000mdeepcoalmine.Keywords:deepkilo-metermine;intelligentmining;positionmonitoring;largedataanalysis;analysisdecision0㊀引㊀㊀言开采自动化㊁智能化技术研究是当前煤炭领域研究的热点[1]㊂针对不同地质条件,国内外学者在采场状态感知与建模㊁自动控制技术以及开采装备创新方面开展了大量研究㊂澳大利亚联邦科学与工业研究组织研发出LASC技术,采用军用高精度光纤陀螺仪和定制的定位导航算法获知采煤机的三维坐标,实现工作面自动找直等智能化控制[2-3]㊂液压支架自动跟机㊁采煤机斜切进刀自动控制及基于位置感知的三机协同推进控制等在地质条件相对较好的陕北㊁神东等矿区已经得到推广应用,基本实现了 工作面无人操作,工作面巷道有人值守 的常态化开采[4-6]㊂对于地质条件相对复杂的薄煤层及中厚煤层,研发了基于动态修正地质模型的智能采掘技术,采用定向钻孔㊁随采探测等动态修正工作面地质模型,通过构建工作面绝对坐标数字模型实行自主智能割煤[7-9]㊂然而,对于我国东部山东㊁淮南等矿区埋深1000m左右的深部复杂条件煤层,已有的自动化㊁智能化技术难以达到预期效果㊂深部采场一般存在着高地温㊁高地压㊁大变形的特点,矿压显现强烈,顶板㊁煤壁破碎,工作面倾角变化幅度剧烈,巷道变形大[10]㊂目前,工作面自动化㊁智能化开采还无法预知所有的地质条件变化情况,开采装备也无法适应大范围的地质参数变化,因而实现自动化㊁智能化难度非常大㊂但从另外的角度,这些深部开采工作面用人多,安全性差,生产环境恶劣,恰恰最需要实现自动化㊁智能化㊂实现煤矿深部智能开采,最重要的是实现采场围岩稳定性控制以及 移架-割煤-运煤 过程与围岩空间动态变化的适应性控制㊂采场围岩稳定性控制需考虑采场上覆围岩结构及参数㊁运移特征㊁支护参数等,提出能够自适应控制围岩的策略和方法[11-12];工作面装备运行与围岩空间变化的适应性控制则涉及装备运行特征㊁围岩动态变化规律㊁空间位姿测量及表征等,给出运行趋势的分析方法和预测性控制算法[13]㊂其中,支护系统状态测量㊁适应性设计以及装备运行态势的分析预测是首先需要解决的关键问题㊂笔者以中煤新集口孜东煤矿140502工作面为工业性试验点,针对工作面俯采倾角变化大㊁矿压显现剧烈㊁顶板煤壁破碎所带来的采场围岩稳定性控制难度大㊁液压支护系统适应性降低等问题,基于工作面煤层地质条件研发了7m四柱式超大采高液压支架;建立了工作面状态监测系统,实时监测和解算支架支护状态和围岩定性;研发了基于Unity3D的工作面三维仿真与运行态势分析决策系统,突破千米深井智能开采围岩稳定性控制和装备运行适应性控制的关键技术瓶颈㊂1㊀千米深井工作面地质条件及开采特点1.1㊀口孜东煤矿5号煤煤层赋存条件口孜东煤矿5号煤埋深967m,工作面沿倾斜条带布置,走向方向南部平缓,北部较陡,煤层平均倾角14ʎ,局部20ʎ,俯采最大角度17ʎ㊂1405采区工作面布置如图1所示,首采140502工作面倾向倾角8ʎ 15ʎ,平均倾角14ʎ,局部20ʎ㊂煤层厚度2.869.75m,平均6.56m,普氏系数1.6㊂工作面顶㊁底板以泥岩为主,少数为细砂岩㊁粉砂岩及砂质泥岩,顶㊁底板围岩特点是岩层较软㊂图1㊀口孜东煤矿1405采区工作面布置Fig.1㊀LayoutofworkingfaceinNo.1405miningareaofKouzidongMine口孜东煤矿1405采区煤层厚度等厚线如图2所示,6.0m煤层以上占总采区80%,7.0m以上煤层占总采区的50%,8.0m以上煤层占总采区的10%㊂确定最小采高4.50m,最大采高7.00m,平均051任怀伟等:煤矿千米深井智能开采关键技术研究与应用2021年第4期采高6.56m㊂图2㊀口孜东煤矿1405采区煤层厚度等厚线Fig.2㊀CoalseamthicknesscontourofNo.1405miningareainKouzidongMine1.2㊀工作面装备选型配套根据口孜东煤矿5号煤层地质赋存条件,通过对比分析不同采煤方法㊁支架方案选择的优缺点,综合分析产量和效率因素㊁资源采出率因素㊁采空区遗煤自然发火因素㊁工作面超前段巷道维护因素㊁工作面支护因素㊁人员因素㊁智能化开采因素等,确定选择7.0m大采高一次采全高采煤方法进行开采㊂淮南地区地质构造与国内其他地区有较大不同,具体表现为埋深大㊁ 三软 煤层㊁倾角大㊁松散层厚㊁基岩薄等,工作面主要采用俯斜长壁采煤法㊂对于口孜东煤矿140502工作面而言,大采高开采可以充分发挥资源采出率高㊁开采工艺简单㊁工作面推进速度快㊁设备维护量少㊁易于实现自动化和有利于工作面 一通三防 等优势,但需要对液压支架与围岩适应性进行深入分析研究,要综合考虑支护强度㊁顶梁前端支撑力㊁合力作用点调节范围㊁防片帮冒顶㊁防扎底等多种因素,对液压支架和成套装备参数进行针对性设计㊂确定支架最大高度7.2m,最小高度考虑运输与配套尺寸,确定为3.3m㊂140502工作面配套装备见表1㊂表1㊀140502工作面成套装备Table1㊀CompleteequipmentinNo.140502workingface序号设备设备主要技术参数参考型号1中部支架工作阻力18000kN;高度3.3 7.2m;支护强度1.73 1.78MPaZZ18000/33/72D过渡支架工作阻力22000kN;高度2.9 6.0m;支护强度1.53MPaZZG22000/29/60D端头支架工作阻力24200kN;高度2.9 5.5m;支护强度1.5MPaZZT24200/29/55D2采煤机总功率2590kW;采高4.5 7.0m;滚筒直径3.5m;截深0.865mMG1000/2590-GWD3刮板输送机功率3ˑ1200kW;运输能力4000t/h;卸载方式交叉侧卸SGZ1250/3ˑ12004转载机输送能力4500t/h;长度约50m;功率700kWSZZ1350/7005破碎机破碎能力5000t/h;功率700kW;电压3300VPCM7007乳化液泵站工作压力37.5MPa;流量630L/min;电机功率500kWBRW630/37.58喷雾泵站工作压力16MPa;额定流量516L/min;电机功率160kWBPW516/16㊀㊀工作面成套装备地面联调试验情况如图3所示㊂图3㊀工作面成套装备地面联调Fig.3㊀Groundequipmentjointdebuggingofworkingface2㊀千米深井工作面智能开采技术路径针对千米深井复杂条件工作面开采,除成套装备功能㊁参数与围岩条件相匹配外,控制系统能否适应环境动态变化㊁控制围岩稳定并驱动装备跟随煤层自动推进是影响开采效率和安全㊁减少作业人员㊁降低劳动强度的关键[14-15]㊂目前,在地质条件简单㊁煤层变化小的工作面,智能化开采技术与装备主要实现开采工艺自动化和 三机 装备协调联动控制,以提升开采效率为目标[16]㊂然而,上述口孜东煤矿5号煤140502工作面走向倾向都有倾角㊁顶板破碎㊁围岩大变形,是典型的复杂条件工作面㊂在该工作面实施7.0m大采高开采,极易发生片帮㊁冒顶㊁扎底㊁飘溜㊁上窜下滑等问题,必须通过现场操作工人的经验提前实施预防措施,现有自动化技术无法完成上述功能㊂因此,复杂条件煤层智能开采必须在装备性能㊁参数足够满足要求的前提下,实现以围岩稳定支护和煤层跟随截割为目标的环境适应性控制,是一个不依赖人工操作的自适应自学习过程㊂1512021年第4期煤炭科学技术第49卷如图4所示复杂条件煤层智能开采技术路径图㊂环境适应性控制的前提是要首先知道环境的状态,然后对环境变化趋势进行分析和预测,最后通过智能控制技术给出 三机 装备运动参数㊂图4㊀复杂条件智能化开采技术路径Fig.4㊀Intelligentminingtechnologypathundercomplexconditions㊀㊀环境状态这里先考虑围岩压力和煤层赋存状态,主要采用压力传感器测量工作面来压情况,采用倾角传感器测量工作面倾角及设备姿态㊂以测量数据为基础,通过支架-围岩耦合关系模型,判断顶板㊁煤壁稳定性,通过三维力学模型判断支架受力状态及其动态变化,通过运动学模型判断工作面推进方向变化趋势㊂工作面装备智能控制综合实时控制㊁趋势控制㊁群组控制㊁模型跟随控制等技术,实现开采工艺工序优化㊁功能参数调整的多数据融合决策,完成工作面稳定支护㊁截割空间与煤层空间最佳重合的自主连续生产㊂3㊀7.0m大采高复杂条件工作面智能化关键技术3.1㊀7.0m超大采高液压支架适应性设计围岩支护和装备推进都离不开液压支架㊂复杂条件工作面开采首先要求液压支架要有适应围岩变化的能力㊂针对口孜东煤矿5煤的140502工作面条件,对液压支架结构和动态性能进行创新设计,研制出最高的ZZ18000/33/72D四柱式一次采全高液压支架,如图5所示㊂3.1.1㊀架型参数及支护强度设计根据口孜东煤矿5煤地质条件,以俯采为主且顶板相对破碎,煤层较软,底板主要为泥岩,因此重点考虑顶梁合力作用点控制,以及片帮㊁扎底和漏矸等异常状况㊂为此,采用四柱式液压支架,提升顶梁控制能力㊁防止底座扎底;同时为增强顶梁前端支撑力,采用前后立柱不同缸径设计㊂前立柱采用400图5㊀ZZ18000/33/72D四柱式一次采全高液压支架Fig.5㊀ZZ18000/33/72Dfour-columnhydraulicsupportforminingfull-heightonecemm缸径,后立柱采用320mm缸径㊂当顶梁合力作用点前移㊁后立柱难以发挥作用时,支架仍有足够的支撑能力㊂根据计算,顶梁前端支撑力最大达到5000kN,支架支护强度达到1.72MPa,远超过同等高度㊁支护力的支架,这样可以很好的控制顶板,同时减少顶板对煤壁的压力,减轻片帮程度㊂3.1.2㊀护帮及稳定性设计为防止煤壁片帮㊁冒顶,采用伸缩梁+铰接三级护帮的结构,当采煤机割过煤后,伸缩梁立即伸出并打开护帮板,实现及时支护,避免片帮㊁冒顶的发生㊂伸缩梁行程1000mm,大于截割滚筒宽度865mm,在特殊情况下可伸入煤壁支护;三级护帮板回转251任怀伟等:煤矿千米深井智能开采关键技术研究与应用2021年第4期180ʎ后可上翘3ʎ,护帮总高度3500mm,如图6所示㊂图6㊀ZZ18000/33/72D四柱式一次采全高液压支架护帮板结构Fig.6㊀StructureofZZ18000/33/72Dfour-columnhydraulicsupportguardplateforone-timeminingfull-height同时,针对工作面走向㊁倾向都有倾角的情况,充分考虑俯采情况下的支架稳定性,合理设计结构件质量和尺寸,使支架重心尽量靠后,适应俯采倾角20ʎ以下的情况;优化后支架临界俯斜失稳㊁仰斜失稳㊁侧翻失稳分别为22.25ʎ,23.7ʎ以及18.6ʎ,均大于煤层在各个方向上的倾角㊂设置防倒防滑装置,在工作面两端角度较大的区域安装,辅助调整支架,保障工作面支护系统稳定性㊂3.1.3㊀密闭性及可靠性设计工作面在移架过程中可能有矸石冒落,为此支架需要加强密闭性设计㊂ZZ18000/33/72D四柱式一次采全高液压支架顶梁和掩护梁均设计双侧活动侧护板,顶梁与掩护梁的铰接处具备防漏矸功能;后连杆设计固定侧护板与挡矸板;尽可能让支架后部封闭,阻止矸石进入支架内部㊂同时,加强推移千斤顶和抬底千斤顶,增强抬底力和推移力,保证动作到位㊂为防止拔后立柱造成活柱固定销损坏,增加销轴直径至50mm,大幅增加可靠性㊂3.2㊀工作面液压支架(围岩)状态监测系统研发通过安装在液压支架上的压力传感器反映顶板压力变化情况和岩层运移规律是普遍采用的研究工作面状态的方法[17]㊂然而,对于走向㊁倾向均有倾角的千米深井复杂条件工作面,只有压力数据还不足以反映围岩情况,必须将立柱压力状态和支架姿态数据(工作面角度)结合起来㊂为同时获取支架压力和姿态数据,研发了基于LORA的工作面液压支架(围岩)状态监测系统㊂系统结构如图7所示㊂在液压支架上安装双通道压力传感器和3个三轴倾角传感器,通过LORA自组网与数据监测分站连接,实现数据传输;数据监测分站汇聚工作面局部数据后通过CAN总线上传至主站㊂图7㊀基于LORA的工作面液压支架(围岩)状态监测系统Fig.7㊀LORA-basedmonitoringsystemforhydraulicsupport(surroundingrock)主站与工作面集控中心通过OPC数据接口通信,将数据通过井下工业以太环网上传至地面的三维仿真系统进行数据分析及控制应用㊂整个系统的通信链路为 集控中心-主(以太网)㊁主-分(CAN总线)㊁分-传感器(LoRa自组网) ㊂根据工作面地质条件㊁无线信号传输距离和数3512021年第4期煤炭科学技术第49卷据采集需求,现场每3台液压支架安装一套监测传感器(包括前㊁后立柱压力2个压力传感器和顶梁㊁掩护梁㊁底座3个倾角传感器),总计安装40套;在工作面端头安装1台分站,在顺槽集控中心安装1台主站㊂布置方案如图8所示㊂图8㊀井下设备布置方案Fig.8㊀Layoutplanofequipment三轴无线倾角传感器布置方案如图9所示㊂传感器为本质安全型,测量角度范围ʃ90ʎ,测量误差ʃ1ʎ,传输协议采用ModbusTCP,采集周期:20s,延时小于100ms,供电方式为干电池供电,可满足1年以上数据采集电量需求㊂主站和分站采用127V直流电源供电,如图10所示㊂图9㊀倾角传感器布置方案Fig.9㊀Layoutplanofinclinationsensor3.3㊀工作面三维仿真与运行态势分析决策平台㊀㊀工作面三维仿真与运行态势分析决策系统是复杂条件工作面智能开采的大脑㊂监测系统采集的数图10㊀液压支架倾角传感器Fig.10㊀Hydraulicsupportinclinationsensor据会在平台上进行解算,得出液压支架受力状态和姿态,从而判定围岩稳定性和工作面倾角;同时,可基于历史数据进行趋势分析㊁推进方向路径规划及矿压动态预测;预测结果可通过自动或人工发送指令控制工作面装备调整开采工艺和参数㊂3.3.1㊀液压支架受力状态及位姿解算在倾斜工作面,液压支架受力分析必须考虑角度因素[18],如图11所示㊂图11㊀液压支架受力分析Fig.11㊀Forceanalysisofhydraulicsupport根据力平衡原理得ðXi=Fc-fc()sinθc+Fs+fb()sinθb+Qx()sinθc-Fycosθy-Fbcosθb=0(1)ðYi=Fc-fc()cosθc+Fs+fb()cosθb+Fbsinθb-Qx()cosθc-Fysinθy-G=0(2)式中:Fc和Fs为伸缩梁千斤顶和推移千斤顶推力;Fy为掩护梁在顶梁平面上的投影面积承载的顶板压力再分解至垂直掩护梁方向上的力;fc和fb分别为摩擦阻力;θb㊁θy㊁θc分别为液压支架底座㊁掩护梁和顶梁与水平夹角;Q为液压支架顶板载荷;x为液压支架顶板载荷位置;G为液压支架重力㊂由式(1)和式(2)可求得液压支架底座㊁掩护梁和顶梁在θb㊁θy㊁θc倾角情况下的受力状态,给出合力作用点位置㊁相对正常位置的偏移量㊁立柱平衡性等参数值㊂同时,基于倾角传感器数据可计算出451任怀伟等:煤矿千米深井智能开采关键技术研究与应用2021年第4期支架实时高度㊁立柱在来压期间下缩量等,如图12所示㊂液压支护系统的整体受力㊁空间位姿也反映着工作面围岩的力学状态㊁角度及空间形态㊂这些数据均是三维仿真与运行态势分析㊁决策的依据㊂图12㊀液压支架参数计算Fig.12㊀Calculationofhydraulicsupportparameters3.3.2㊀基于大数据的矿压分析预测技术千米深井软岩条件开采条件下,工作面矿压规律不明显,传统基于各种顶板结构模型的矿压分析预测方法难以适用,这里尝试采用基于大数据的矿压分析预测技术,分别从预测算法㊁模型输入输出特征工程以及数据分布3个方面进行研究㊂算法方面,液压支架工作阻力数据为典型的时间序列数据,分别基于支持向量机(SVR)㊁函数链接预测误差法(FLPEM)㊁极限学习机(ELM)㊁长短期记忆网络(LSTM)㊁BP神经网络㊁自回归滑动平均模型(ARMA)㊁最小二乘支持向量机(LSSVM)等机器学习算法建立液压支架工作阻力预测模型㊂经测试,FLPEM和ARMA两种算法的预测精度比较高㊂模型输入输出特征工程方面,针对单个支架,选取该液压支架在采煤机第k刀煤过程中的12个工作阻力数据为模型的输入(一刀煤的时间大约为1h,液压支架工作阻力数据采样时间为5min),该液压支架在采煤机第k+2刀煤过程中的第一个工作阻力数据为模型的输出,确定12维输入1维输出的工作阻力超前一刀预测模型㊂数据分布方面,针对支护过程中时变工况影响工作阻力数据分布㊁导致预测模型失准的问题,采用数据分布域适应迁移算法进行数据分布一致化处理,消除时变工况干扰㊂基于上述3个方面研究,对口孜东煤矿140502工作面液压支架工作阻力进行超前预测,采用FLPEM算法,模型预测精度达到92%㊂如图13所示为某一液压支架前立柱工作阻力监测值和预测值对比㊂3.3.3㊀工作面空间态势分析和截割路径规划理想情况下,智能化开采要能够使煤机装备自图13㊀液压支架工作阻力预测结果与相对误差Fig.13㊀Predictionresultsofworkingresistanceofhydraulicsupport动跟随煤层条件变化㊁做到自适应开采[19]㊂这就需要根据感知数据分析拟合装备的状态和运行趋势,并规划后续推进控制参数㊂影响智能化开采的因素很多,这里集中讨论煤层倾角变化带来的问题㊂如前所述,140502工作面在走向和倾向方向都是倾斜的㊂有一定角度,且煤层顶底板曲面在揭露的巷道轮廓和切眼轮廓基础上仍有较大的起伏变化㊂因此,给工作面内成套装备的姿态控制和沿巷道的推进方向控制带来很大困难㊂1)工作面内装备姿态控制㊂工作面底板起伏影响液压支架姿态,在移架过程中会发生挤架㊁咬架显现,自动跟机程序无法正常运行㊂因此需根据感知到的工作面倾角变化情况,在跟机移架过程中,自动调整跟机速度㊁跟机架数以及架间的距离,目的是保障顺利移架,跟上采煤机割煤速度㊂因此,建立了以支架移架速度不小于采煤机速度为优化目标㊁以移架规则为约束条件的液压支架跟机规划模型:min{ND/N1t1+N2t2+N3t3()-vshear}s.t.N1ȡN2ȡN33ɤN1+N2+N3ɤ3CeilΔm/D[]N=CeilN1+N2+N3[]ìîíïïïï式中:N为支架总数;vshear为采煤机速度;N1㊁N2㊁N3㊁t1㊁t2㊁t3分别为需要进行降架㊁移架㊁升架操作的支架数量与时间;Δm为安全距离;D为架宽;Ceil[㊃]5512021年第4期煤炭科学技术第49卷为朝正向取整函数㊂根据上式,控制系统会根据工作面角度变化引起的液压支架姿态变化和相关位姿关系变化,同时考虑煤机位置㊁速度等参数,自动调整跟机移架策略,从而适应煤层在倾向方向的变化㊂2)截割推进方向控制㊂对于基于滚筒采煤机的长壁综采装备而言,截割推进方向调整一般情况下是靠调整滚筒截割高度和卧底量实现的[20]㊂受装备配套尺寸限制,工作面每次调整的角度是有限的,因此必须在煤层角度变化之前提前调整,才能使装备逐渐改变推进方向,而调整量和每刀采煤机滚筒卧底抬高的高度需要超前规划和预测㊂基于采煤机滚筒高度在工作面各监测点数据,利用机器学习算法,以前3刀数据为模型输入,未来1刀数据为输出,建立滚筒高度预测模型,实现超前一步预测,从而可以进一步规划工作面倾向和推进方向的推进路径㊂图14所示采煤机滚筒高度在整个工作面倾向方向的预测值和实际值对比㊂图14㊀滚筒高度预测结果Fig.14㊀Predictionresultsofrollerheight4 现场试验与数据分析研发的7.2m超大液压支架㊁工作面状态监测系统和三维仿真与运行态势分析决策平台于2021年2月安装在口孜东煤矿140502工作面(图15),进行工业试验㊂图15㊀口孜东煤矿140502工作面Fig.15㊀No.140502workingfaceofKouzidongCoalMine工作面液压支架状态监测系统也同步安装完成,图16所示为现场安装的倾角传感器㊂图16㊀液压支架倾角传感器安装情况Fig.16㊀Inclinationsensorinstalledonsite根据液压支架顶梁㊁掩护梁和底座倾角传感器安装情况,可以对局部工作面液压支架的姿态进行实时监测,如图17所示㊂图17㊀液压支架倾角监测情况Fig.17㊀Monitoringofinclinationangleofhydraulicsupport工作面三维仿真与运行态势分析决策平台安装在地面集控中心的服务器上,如图18所示㊂图18㊀工作面三维仿真与运行态势分析决策平台Fig.18㊀Three-dimensionalsimulationofworkingfaceandoperationsituationanalysisdecision-makingplatform工作面三维仿真与运行态势分析决策平台分为3个区域:中间为工作面三维虚拟仿真系统,可根据感知数据实时驱动三维模型运动,从而反映井下工作面真实的情况;同时,也可根据后台预测㊁分析的结果,由优化后的运行参数驱动,提前对后续开采过程进行模拟仿真,从而验证优化结果的有效性;左侧651任怀伟等:煤矿千米深井智能开采关键技术研究与应用2021年第4期区域为工作面压力及截割轨迹的实时监测结果㊁预测结果的实时展现,直观看到工作面来压情况㊁即将来压的情况,截割过的轨迹以及即将截割的方向趋势,便于把握总体运行情况和趋势(图19所示);右侧区域为工作面主要设备运行参数显示及控制区,可事实查看设备的速度㊁方向㊁电机温度㊁高度㊁工作阻力等参数,并且在安全和许可的条件下,部分参数可由人工修改,以便更好地控制设备运行(图20所示)㊂图19㊀工作面总体运行情况和趋势界面Fig.19㊀Overalloperationstatusandtrendinterfaceofworkingface图20㊀设备控制界面Fig.20㊀Devicecontrolinterface上述设备㊁系统和平台在140502工作面开采过程中发挥了重要作用㊂现场试验表明:工作面在试验期开采高度达到6.5m左右,每天割煤4 5刀,月产达到31.5万t㊂7m四柱式超大采高液压支架在14ʎ 17ʎ俯采㊁顶板相对破碎㊁煤层普氏系数为1.6的条件下使用,可靠性和适应性较之前该矿使用的支架明显提升,煤壁片帮㊁顶板漏矸情况较少,以前立柱受力为主,没有出现拔后柱情况,工作面安全性大幅改善㊂通过压力和姿态监测数据可实时解算支架合力作用点位置和稳定性,从而保证围岩稳定支护;在工作面三维仿真与运行态势分析决策系统中分析工作面推进方向的变化趋势,判断装备开采空间与煤层的叠加重合度,从而超前调整开采工艺参数以适应煤层变化,实现了千米深井三软煤层的安全高效开采㊂5㊀结㊀㊀论以中煤新集口孜东煤矿140502工作面地质条件为基础,研究了千米深井复杂条件工作面智能化开采关键技术,并研发了成套装备和监测系统㊁虚拟仿真决策平台,为复杂难采煤层开采提供了技术与装备支撑㊂1)深部开采中,煤层三维曲面分布及围岩变形是其主要特征,综采装备的三维空间姿态及受力状况感知㊁预测是安全㊁高效开采的核心,而非简单条件工作面设备的协同联动控制㊂基于预测结果的预警㊁提前启动工艺保障措施是顺利开采的关键㊂2)研发了基于LORA的工作面液压支架(围岩)状态监测系统,形成 集控中心-主(以太网)㊁主-分(CAN总线)㊁分-传感器(LORA自组网) 的通信链路,同时获取立柱压力和支架姿态数据㊂3)提出了基于大数据分析的矿压分析预测算法,采用数据分布域适应迁移算法解决了支护过程中时变工况导致预测模型失准的问题,模型预测精度达到92%以上㊂4)研发了基于Unity3D的工作面三维仿真与运行态势分析决策系统,通过监测感知数据实时驱动工作面装备三维模型,同时基于大数据分析结果预测㊁分析和模拟后续开采过程,支撑复杂条件下的围岩控制和煤层跟随截割控制的智能决策㊂针对复杂条件煤层智能开采技术的研究目前尚处于起步阶段,技术㊁工艺和管理上还有许多未解决的问题,需要在环境感知㊁数据分析㊁控制算法等方面加大研究力度,充分利用物联网㊁大数据㊁深度学习等先进技术,不断提高综采装备的智能控制水平,提升复杂条件煤层智能化综采技术的系统性适用性㊁稳定性和协调性,最终降低井下工作人员的劳动强度,提高采出效率和效益㊂参考文献(References):[1]㊀WANGGuofa,XUYongxiang,RENHuaiwei.Intelligentandeco⁃logicalcoalminingaswellascleanutilizationtechnologyinChina:reviewandprospects[J].InternationalJournalofMiningScienceandTechnology,2019,29(2):161-169.[2]㊀KELLYM,HAINSWORTHD,REIDD,etal.Longwallautoma⁃tion:anewapproach[C]//3thInternationalSymposium-HighPerformanceMineProduction.Aachen:CRISOExploration&Min⁃ing,2003:5-16.[3]㊀李㊀森.基于惯性导航的工作面直线度测控与定位技术[J].751。
智能制造促进辽宁省装备制造业转型升级的机理和路径研究
智能制造促进辽宁省装备制造业转型升级的机理和路径研究摘要:进入信息时代,智能制造已经成为世界经济增长的又一核心动力来源,因此我国下一步的制造业产业结构调整势必需要围绕着智能制造方向展开相关建设。
智能制造是利用信息化手段,将新兴数字科技与制造业融合发展,智能化控制生产领域的各个环境,实现资源的高效利用。
辽宁省应积极顺应这一趋势,把加快发展智能制造作为实现两化深度融合、推进产业转型升级的战略选择。
基于新一代信息通信技术与先进制造技术深度融合,智能制造全面赋能传统产业是辽宁省实现制造强省建设目标的重要抓手。
首先分析辽宁省智能制造业的发展现状与挑战,分析智能制造赋能传统产业的内在机理与现存困境,着力分析产业转型所面临的困境,需求点及破题的对策经验,最后从技术突破、基础设施建设和人才引育等多个维度给出智能制造助力辽宁省传统产业升级的对策建议。
关键词:智能制造人工智能高质量发展经济转型结构升级在传统产业与“大数据”、“云计算”逐步深度融合的大背景下,为了能够实现辽宁制造业高质量发展,改善辽宁省制造业发展活力不足的结构性问题,可以以发展智能制造为抓手,从而实质性地改革原有产业模式和创新技术体系。
进入信息时代,世界上主要工业化国家已将智能制造作为重点科技战略领域来部署。
纵观世界大势,我国在2015年《政府工作报告》中首次提出“中国制造2025”概念,强调坚持创新驱动、智能转型、强化基础、绿色发展。
辽宁省供给侧结构性矛盾日益深化,建立完备的智能制造生产体系可以有效化解这一难题。
一、辽宁省智能制造发展状况与现存问题分析(一)面临全球经济竞争与买方市场到来的双重压力随着信息技术不断与各行各业进行融合,商品供大于求形成“买方市场”,生产厂家的竞争激烈。
为了应对这种局面,企业应增加技术创新投入,提高生产人员整体素质,从而降低生产成本以求在市场竞争中占据有利位置。
中国改革开放后经济的迅速发展得益于经济全球化体系的带动,在这一过程中,辽宁省传统制造业转型将不可避免地受到来自国外生产者的冲击。
“双碳”背景下我国低碳电力发展研究
“双碳”背景下我国低碳电力发展研究
任晨星;任清洁;高翔
【期刊名称】《热力发电》
【年(卷),期】2024(53)2
【摘要】在“十四五”规划中提出的“碳中和”以及“碳达峰”目标对电力行业各方面的发展产生了深层次的影响,电力行业向低碳方向转型已成为主流趋势。
通过阐述低碳电力体系中的低碳电厂、低碳电网、低碳能源消费以及相关评价技术,说明了该体系在节能减排、环境保护方面有着高效、清洁、可循环的低碳属性。
同时,分析了国际低碳形式变化对我国的影响以及“双碳”政策具体落实过程中的相关问题,为“双碳”战略的执行以及电力行业的低碳转型提供了新的科研思路。
【总页数】7页(P1-7)
【作者】任晨星;任清洁;高翔
【作者单位】浙江大学能源清洁利用国家重点实验室;华电陕西能源有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】F42
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高寒条件下的矿山排土场边坡表面变形规律研究
223高寒条件下的矿山排土场边坡表面变形规律研究赖渊平(紫金矿业集团股份有限公司,西藏 拉萨 850200)摘 要:通过分析驱龙3-1#排土场边坡监测数据,研究发现影响排土场表面变形的主要因素为时间与降雨量因子,且排土场变形与时间及降雨量因子之间存在显著的线性相关特性,还得到了排土场表面变形与时间及降雨量因子之间的回归统计模型;此外,研究还发现排土场变形最大区域在坡底与排土场入口位置,且变形在空间上表现出了由坡底逐渐向坡顶发展并持续保持的变化规律,因此,在日常排土场安全管理中,应当加强早期坡脚变形与后期坡顶变形监测,并提出了防控建议措施,这可为评估和预测排土场表面变形发展趋势提供参考。
关键词:高寒条件;排土场边坡;在线监测;表面变形规律;统计分析中图分类号:X936 文献标识码:A 文章编号:1002-5065(2023)20-0223-3Researching of surface deformation law for a dump slope under high cold conditionsLAI Yuan-ping(Zijin Mining Group Co., Ltd,Lhasa 850200,China)Abstract: By analyzing monitoring data of Qulong No 3-1# dump slope, researching finds that surface deformation is deeply relevant to the time and raining factors, and it’s a linear correlations between surface displacement and time & raining factors, also the article gains the statistical model between surface displacement and time & raining factors. In addition, the max deformation happens in the slope bottom and crest, and it shows a changing rule of developing from slope bottom to crest. During the daily slope safety management process, we must pay attention to monitoring the slope bottom in early stage and slope crest in later stage, and it provides preventing suggestions and references to evaluating and forecasting surface deformation development tendency.Keywords: high cold conditions; dump slope; online monitoring; surface deformation law; statistical analysis收稿日期:2023-08基金项目:国家重点研发计划资助(2022YFC2903903)。
K2SiF6∶Mn^4+荧光粉湿热环境下的劣化行为
第39卷㊀第6期2018年6月发㊀光㊀学㊀报CHINESEJOURNALOFLUMINESCENCEVol 39No 6Juneꎬ2018㊀㊀收稿日期:2017 ̄08 ̄10ꎻ修订日期:2017 ̄09 ̄11㊀㊀基金项目:江苏省优秀青年基金(BK20160073)ꎻ江苏重点研发项目(BE2015102)ꎻ中央高校基本科研业务费专项(2242016K40012)资助项目SupportedbyOutstandingYouthFundofJiangsuProvince(BK20160073)ꎻKeyR&DPrajectofJiangsuProvince(BE2015102)ꎻSpecialResearchExpensesforCentralUniversities(2242016K40012)文章编号:1000 ̄7032(2018)06 ̄0757 ̄07K2SiF6ʒMn4+荧光粉湿热环境下的劣化行为陈沙然ꎬ邵起越∗ꎬ董㊀岩ꎬ蒋建清(东南大学材料科学与工程学院ꎬ江苏南京㊀210089)摘要:研究了白光LED用K2SiF6ʒMn4+红色荧光粉湿热环境下的发光性能劣化规律及机理ꎮ结果表明ꎬ环境中水汽的侵蚀可导致K2SiF6ʒMn4+荧光粉发光性能劣化ꎬ且温度升高可加剧该劣化过程ꎮ85%湿度/70ħ下处理6hꎬK2SiF6ʒ7%Mn4+荧光粉相对亮度降至初始值的25%ꎮ荧光粉中Mn4+含量越高ꎬ湿热条件下的性能劣化越显著ꎮ基于湿热处理前后荧光粉的XRD㊁表面形貌以及光学性能的对比分析ꎬ发现湿热环境下K2SiF6ʒMn4+荧光粉的劣化主要是由于表面水汽侵蚀产物强吸收400~700nm的可见光ꎬ降低荧光粉的激发效率以及再吸收荧光粉的发射光ꎮ水热后处理可使K2SiF6ʒMn4+荧光粉颗粒尺寸增大ꎬ结晶性提高ꎬ从而显著改善其耐水性ꎮ85%湿度/70ħ下处理6hꎬ水热后处理K2SiF6ʒ7%Mn4+荧光粉的相对亮度仍可保持初始值的80%ꎮ关㊀键㊀词:K2SiF6ʒMn4+ꎻ红色荧光粉ꎻ白光LEDꎻ劣化ꎻ耐水性中图分类号:O482.31ꎻO611.65㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀DOI:10.3788/fgxb20183906.0757DegradationBehaviorofK2SiF6ʒMn4+PhosphorsUnderHeat ̄moistureConditionsCHENSha ̄ranꎬSHAOQi ̄yue∗ꎬDONGYanꎬJIANGJian ̄qing(SchoolofMaterialScienceandEngineeringꎬSoutheastUniversityꎬNanjing210089ꎬChina)∗CorrespondingAuthorꎬE ̄mail:qiyueshao@seu.edu.cnAbstract:HereinꎬdegradationbehaviorandmechanismofK2SiF6ʒMn4+(KSFM)redphosphorsinhotandhumidenvironmentwereinvestigated.Theattackbymoisturecaninducetheemissioninten ̄sityofKSFMphosphorstodecreaseandlimittheirapplicationsinwhiteLEDs.Themoisturedegra ̄dationofKSFMwouldbeaggravatedathighertemperatures.Under85%humidityand70ħfor6hꎬtherelativebrightnessofK2SiF6ʒ7%Mn4+fallsto25%oftheinitialvalue.WiththeincreaseofMn4+contentsinKSFMphosphorsꎬmoresignificantemissionintensitydecreaseinhotandhumidenvironmentisobtained.BasedonthecomparativeanalysisofXRDꎬmorphologyandopticalproper ̄tiesofKSFMphosphorsbeforeandafterheat ̄moisturetreatmentsꎬthedegradationofKSFMcanbeattributedtothereactionbetweenenvironmentalmoistureandphosphors.Thereactionproductsꎬwhicharelocatedontheparticlesurfaceandexhibitbroadabsorptionbandsbetween400and700nmꎬcandecreasetheexcitationefficiencyandre ̄absorbtheemittedlightofphosphorsꎬleadtothedegradationofKSFMphosphorsinhotandhumidenvironment.Itisalsofoundthatthehydro ̄thermalpost ̄treatmentsresultintheincreaseoftheparticlesizeofphosphorsandtheimprovementoftheircrystallineꎬandthussignificantlyenhancethemoistureresistanceofKSFMphosphors.The758㊀发㊀㊀光㊀㊀学㊀㊀报第39卷hydrothermallypost ̄treatedK2SiF6ʒ7%Mn4+phosphorcanretain80%oftheinitialbrightnessafterexposureahotandhumidenvironment(85%humidityand70ħ)for6h.Keywords:K2SiF6ʒMn4+ꎻredphosphorsꎻwhiteledꎻdegradationꎻmoisture ̄resistance1㊀引㊀㊀言半导体照明新技术具有高效节能㊁绿色环保等显著优势ꎬ引起全球产业界和研究机构的极大关注ꎬ发展态势迅猛[1]ꎮ蓝光芯片配合适当色系的荧光材料是当前构建白光LED的主流技术ꎬ其中LED荧光粉作为光通量的主要提供者ꎬ其性能直接决定封装器件的光效㊁显色性㊁色温等基本特征参数ꎬ已成为稀土发光材料领域的研发热点ꎮ目前ꎬ荧光体转换白光LED的主要实现方式是在蓝色LED芯片上涂覆能被蓝光激发的黄色YAGʒCe3+荧光粉ꎬ芯片发出的蓝光与荧光粉发出的黄光互补形成白光ꎮ但是这种方法得到的白光光谱成分中缺少红光ꎬ使光源显色指数低ꎬ色温偏高ꎬ难以实现更适于通用照明的暖白光ꎮ引入可被蓝光激发的红色荧光粉与YAGʒCe3+配合ꎬ可以获得低色温(2700~3000K)高显色指数(>90)的暖白光LED[2]ꎮ目前ꎬ最为成功的LED用红色荧光粉体系是Eu2+激活氮化物荧光粉ꎬ如Sr2Si5N8ʒEu2+和CaAlSiN3ʒEu2+[2 ̄4]ꎮ氮化物荧光粉虽然量子效率高㊁化学稳定性好ꎬ但也具有一些本征缺点[5 ̄7]:一是其发射谱延伸至人眼不敏感的深红区ꎬ导致封装白光LED器件整体光效低ꎻ二是氮化物的荧光粉激发谱与绿色或黄色荧光粉的发射谱重合ꎬ混合使用存在荧光粉间的再吸收ꎬ降低了白光LED器件的整体光效ꎻ三是合成条件苛刻ꎬ制备成本较高ꎮ此外ꎬ还有一些新型红色荧光粉如SrLiAl3N4ʒEu2+和NaLa0.7 ̄(MoO4)2-x(WO4)xʒ0.3Eu3+等[8 ̄9]ꎮK2SiF6ʒMn4+(KSFM)也是最近研究较多的一种红色荧光粉ꎬ其可被蓝光(420~480nm)有效激发ꎬ在630nm附近有尖锐的发射峰ꎬ量子效率高ꎬ发光热猝灭性能优异ꎬ且制备工艺简单ꎬ成本低廉ꎬ很好地契合商业暖白光LED光源或者液晶显示用背光源的封装需求[10 ̄15]ꎮ但是ꎬKSFM荧光粉易受服役环境中水汽侵蚀ꎬ导致发光强度降低ꎬ进而使封装LED器件光色参数劣化ꎬ阻碍其大规模实际应用ꎮ本文研究了湿度㊁温度以及Mn4+含量对KSFM荧光粉发光劣化行为的影响ꎬ并结合SEM㊁XRD㊁光谱分析等手段探究其劣化机理ꎮ还通过水热后处理ꎬ改善了KSFM荧光粉的耐水性能ꎮ2㊀实㊀㊀验2.1㊀材料制备采用共沉淀法制备K2SiF6ʒMn4+荧光粉[16]ꎮ首先将质量比为1ʒ20的KMnO4和KHF2溶于氢氟酸(48%)ꎬ通过缓慢滴加H2O2ꎬ获得黄色K2MnF6沉淀作为Mn4+源ꎮ将SiO2和K2MnF6溶于氢氟酸溶液ꎬ然后在70ħ下逐滴加入KF的氢氟酸溶液ꎬ获得黄色沉淀ꎮ将沉淀用乙醇洗涤3遍ꎬ置于80ħ干燥箱中干燥2hꎬ获得最终KSFM荧光粉ꎮ2.2㊀材料表征采用ShimadzuXD ̄3AX射线衍射仪分析荧光粉物相ꎮ采用FEISirion场发射扫描电子显微镜观察荧光粉颗粒表面形貌ꎮ采用BT ̄9300S激光粒度仪统计样品的粒径分布ꎮ采用日立F7000荧光分光度计和浙大三色PR ̄302相对亮度仪ꎬ测试湿热处理对荧光粉稳态/瞬态光谱和相对亮度的影响ꎮ荧光粉湿热处理分别在湿热交变试验箱(85%/50%湿度)和真空手套箱(0%湿度)中完成ꎬ在不同温度(50ꎬ70ꎬ90ħ)下处理6hꎮ采用瓦里安公司的Cary5000紫外可见分光光度计测试荧光粉漫发射光谱ꎮ采用自行搭建的量子效率测试系统测试KSFM荧光粉湿热处理前后的量子效率ꎬ该系统主要由海洋光学maya2000光谱仪㊁积分球和蓝光LED光源组成ꎮ3㊀结果与讨论3.1㊀温度和湿度的协同影响图1为不同温度和湿度条件下荧光粉相对亮度随时间变化图ꎮ当湿度为0%时ꎬ荧光粉相对亮度在不同温度下均基本保持不变ꎮ随湿度上升ꎬ一定温度下荧光粉相对亮度下降的幅度不断增大ꎬ表明环境中的水汽是导致KSFM荧光粉发㊀第6期陈沙然ꎬ等:K2SiF6ʒMn4+荧光粉湿热环境下的劣化行为759㊀光性能劣化的关键原因ꎮ值得指出的是ꎬ特定湿度下ꎬ温度升高也引起劣化显著加剧ꎬ表明水汽导致的荧光粉劣化过程是热激活的ꎮ如图2所示ꎬ湿热处理后荧光粉发射光谱强度也显著降低ꎬ但光谱结构无明显变化ꎮ600t /hR e l a t i v e b r i g h t n e s s /%12345650℃70℃90℃(c )402080100Humidity:85%600t /h R e l a t i v e b r i g h t n e s s /%12345650℃70℃90℃(b )402080100Humidity:50%600t /hR e l a t i v e b r i g h t n e s s /%12345650℃70℃90℃(a )402080100Humidity:0%图1㊀不同湿度和温度条件下ꎬK2SiF6ʒ7%Mn4+荧光粉相对亮度随时间的变化ꎮ(a)0%ꎻ(b)50%ꎻ(c)85%ꎮ㊀Fig.1㊀RelativebrightnesschangesofK2SiF6ʒ7%Mn4+phosphoratvarioustemperaturesandhumidities.(a)0%.(b)50%.(c)85%.姿/nmI n t e n s i t y /a .u .InitialAfter HTM treament图2㊀K2SiF6ʒMn4+荧光粉湿热处理(50%湿度ꎬ90ħꎬ6h)前后发射光谱比较ꎬλex=450nmꎮFig.2㊀PhotoluminescencespectraofK2SiF6ʒMn4+phos ̄phorsbeforeandafterheat ̄moisturetreatment(HMT)attemperatureof90ħandhumidityof50%for6hꎬλex=450nm.KSFM荧光粉在湿热协同作用下呈现显著的发光性能劣化ꎬ如85%湿度及90ħ温度下湿热处理6hꎬK2SiF6ʒ7%Mn4+荧光粉相对亮度下降到初始的15%左右ꎮ由于芯片自身发热以及荧光粉的无辐射跃迁ꎬ实际白光LED器件的工作温度最高可至100ħ以上ꎮ可以预期ꎬ高的工作温度和环境水汽的协同影响将会导致KSFM荧光粉发光性能降低ꎬ从而影响整个白光LED器件的光效和光色参数ꎮ因此ꎬKSFM荧光粉湿热环境下的性能劣化严重制约其在半导体照明领域的实际应用ꎮ3.2㊀Mn4+含量的影响激活剂Mn4+含量对KSFM荧光粉发光效率的影响文献已有较多报道[10 ̄15]ꎬ本文重点关注Mn4+含量对其劣化行为的影响ꎮ分别制备Mn4+含量为3%㊁5%㊁7%㊁9%的KSFM荧光粉ꎬ如图3所示ꎬ85%/70ħ条件下ꎬ随着Mn4+含量提高荧光粉相对亮度下降的幅度不断变大ꎮMn4+含量对KSFM荧光粉劣化性能影响显著ꎬMn4+含量越高ꎬ湿热环境下的劣化越显著ꎮ8006t /hR e l a t i v e b r i g h t n e s s /%100604020123453%5%7%9%图3㊀85%/70ħ条件下ꎬ不同Mn4+含量KSFM荧光粉相对亮度变化对比图ꎮFig.3㊀RelativebrightnesschangesofKSFMphosphorswithvariousMn4+contentsunder85%/70ħcondition3.3㊀劣化机理图4(a)给出了湿热处理后(湿度85%ꎬ温度50ꎬ70ꎬ90ħ)荧光粉的XRD图谱ꎮ可以看出ꎬ经过湿热处理后荧光粉的物相无明显变化ꎮ图4(b)和(c)为湿热处理前后KSFM荧光粉表面形貌对比ꎮ可以看出ꎬ初合成荧光粉表面非常光滑ꎬ湿热处理后表面明显粗糙ꎬ有新的颗粒状物质生成ꎮEDS测试表明ꎬ湿热处理后荧光粉表面的氧元素含量明显升高ꎮK2SiF6基质可与水发生如下反应[17]:K2SiF6+3H2Oң2KF+4HF+H2SiO3ꎬ㊀(1)760㊀发㊀㊀光㊀㊀学㊀㊀报第39卷202兹/(°)I n t e n si t y /a .u .304050607090℃(a )70℃50℃Initial 80PDF#07鄄0217图4㊀(a)85%湿度下不同温度处理6h后KSFM荧光粉的XRD图ꎻ(b)湿热处理前KSFM荧光粉的SEM图ꎻ(c)85%湿度90ħ下处理6h的KSFM荧光粉的SEM图ꎮFig.4㊀(a)XRDpatternsofKSFMphosphorsafterheat ̄moisturetreatmentatvarioustemperatureswiththehumidityof85%for6h.(b)SEMimageofKSFMphosphorsbeforeheat ̄moisturetreatment.(c)SEMimageofKSFMphosphorsafterheat ̄moisturetreat ̄ment(90ħꎬ85%humidityꎬ6h).我们也发现荧光粉与水反应后的溶液pH值为3左右ꎬ表明有酸性产物生成ꎮ另外ꎬ我们发现荧光粉长期浸泡在酸性水溶液中后ꎬ亮度无明显变化ꎬ可见酸性环境有利于抑制K2SiF6基质与水的反应ꎬ进一步验证了上述化学反应的正确性ꎮ图4(c)中KSFM荧光粉表面的颗粒产物应为K2SiF6基质与水反应生成的非晶态产物ꎮ环境中的水汽与KSFM荧光粉表面反应ꎬ导致表面结晶结构破坏ꎬ应是其光学性能劣化的主要原因ꎮ为进一步理清湿热处理后KSFM荧光粉表面产物如何影响其发光性能ꎬ我们研究了KSFM荧光粉湿热处理前后光吸收㊁量子效率以及发光寿命的变化ꎮ如表1所示ꎬ湿热处理后ꎬKSFM荧光粉的量子效率显著降低ꎬ从86%降至35%ꎮ但如表1和图5(a)所示ꎬ湿热处理过程对KSFM荧光粉的发光寿命τ(τ=1/WR+WNR)影响较小ꎬ表明湿热处理后KSFM荧光粉辐射跃迁几率(WR)和无辐射跃迁几率(WNR)基本保持不变ꎬ这也意味着湿热处理后KSFM荧光粉的本征量子效率应该保持不变ꎮ从量子效率测试原理看ꎬ实测的荧光粉量子效率等价于发射光强度与吸收光强度的比值ꎮ湿热处理后KSFM荧光粉实测量子效率的显著降低应与荧光粉受水汽侵蚀后产物带来的额外吸收有关ꎮ从表1可以看出ꎬ荧光粉湿热处理后蓝光吸收率明显提高ꎮ而且由图5(b)的漫反射谱可以看出ꎬ湿热处理后KSFM荧光粉对300~800nm波段的光均呈现较强的吸收ꎬ这也与湿热处理后KSFM荧光粉从橙黄色向暗黄色转变这一实验现象相符合ꎮ吸收带覆盖紫外至可见光波段的水汽侵蚀产物ꎬ一方面产生对激发蓝光的无效吸收ꎬ这部分吸收能量以无辐射跃迁形成释放ꎮ同时ꎬ水汽侵蚀产物也导致对KSFM荧光粉所发射红光的再吸收ꎬ导致量子效率测试系统所探测到的有效光子数减少ꎮ两个过程同时作用ꎬ导致KSFM荧光粉湿热处理后发光强度或实测量子效率显著降低ꎮ表1㊀湿热处理(85%湿度ꎬ70ħꎬ6h)对K2SiF6ʒ7%Mn4+荧光粉蓝光吸收率η㊁量子效率αB以及发光寿命τ的影响Tab.1㊀Effectofheat ̄moisturetreatmentonαBꎬηandτofK2SiF6ʒ7%Mn4+荧光粉ηαBτ/ms处理前86%54%8.37处理后35%65%8.30如前所述ꎬ环境中的水汽可与K2SiF6基质反应ꎬ在荧光粉表面生成氟化物或硅酸盐非晶态杂相ꎮ有文献报道ꎬ潮湿环境下KSFM荧光粉中的Mn4+离子易从基质中析出[18]ꎮ析出到杂相的Mn4+离子由于配位体对称性或者晶体场强度的改变ꎬ吸收带为涵盖整个可见光波段的宽带ꎮ另一种可能是ꎬ湿热环境下Mn4+离子发生氧化ꎬ生㊀第6期陈沙然ꎬ等:K2SiF6ʒMn4+荧光粉湿热环境下的劣化行为761㊀成高吸光性杂相ꎮ总之ꎬ宽带(紫外至整个可见光波段)吸收的水汽侵蚀产物在KSFM荧光粉表面的生成ꎬ是其湿热环境下发光性能劣化的主导因素ꎮ0.1t /msl g I1As 鄄prepared KSFM KSFM after HMT(a )20400姿/nmR e f l e c t a n c e /%500700800300100As 鄄prepared KSFM KSFM after HMT (b )6004060800图5㊀KSFM荧光粉湿热处理(85%湿度ꎬ70ħꎬ6h)前后的发光衰减曲线图(a)和漫反射谱(b)Fig.5㊀Diffusereflectionspectra(a)andluminescentdecaycurves(b)ofKSFMphosphorsbeforeandafterheat ̄moisturetreatment3.4㊀水热后处理的影响我们尝试采用水热后处理的办法来改进KSFM荧光粉的劣化性能ꎮ通过共沉淀法合成KSFM沉淀后ꎬ将反应后的混合物(呈酸性)一并放入水热釜内ꎬ180ħ保温12hꎬ然后通过清洗㊁烘干获得水热后处理KSFM荧光粉(HT ̄KSFM)ꎮ水热后处理首先可以增强KSFM荧光粉的室温发光强度ꎬ相对直接共沉淀获得的产物提高2%~5%ꎬ同时可以显著改善KSFM荧光粉的耐水性能ꎮ图6为Mn4+摩尔分数为3%和7%的HT ̄KSFM荧光粉相对亮度随湿热处理时间的变化曲线ꎮ与图3对比可以看出ꎬKSFM荧光粉通过水热处理后ꎬ耐湿热性能显著提高ꎮ在85%/70ħ/6h湿热条件下ꎬ3%Mn4+的荧光粉在水热处理后的最终相对亮度从原来的30%提升到90%ꎬ7%Mn4+荧光粉的最终相对亮度从原来的25%提升到80%ꎮ水热处理后ꎬ荧光粉耐湿热性能的提升与其微结构和颗粒尺寸的改变有关ꎮ图7为K2SiF6ʒ7%Mn4+荧光粉水热处理前后的SEM图ꎮ可以看出ꎬ经过水热处理后荧光粉的颗粒尺寸明显增8006t /hR e l a t i v e b r i g h t n e s s /%100604020123453%Mn 4+7%Mn 4+图6㊀85%/70ħ湿热条件下ꎬ水热后处理KSFM荧光粉相对亮度随时间的变化ꎮFig.6㊀Relativebrightnesschangesofhydrothermallypost ̄trea ̄tedKSFMphosphorsunder85%/70ħcondition80姿/nmR e f l e c t a n c e /%1006040200(d )HT 鄄KSFMHT 鄄KSFM after HMT8Size /滋mV o l u m e /%1101006420(c )10As 鄄prepared KSFM,D 50=38.4滋m HT 鄄KSFM,D 50=54.1滋m图7㊀水热后处理前(a)㊁后(b)KSFM荧光粉的SEM图ꎬ以及水热后处理对KSFM荧光粉粒度分布(c)和漫反射光谱(d)的影响ꎮFig.7㊀SEMimagesofKSFMphosphorsbefore(a)andafter(b)hydrothermaltreatmentꎬandtheeffectsofhydrothermalpost ̄treatmentontheparticlesizedistribution(c)anddiffusereflectionspectra(d)ofKSFMphosphors.762㊀发㊀㊀光㊀㊀学㊀㊀报第39卷大ꎬ表面更光滑ꎮ尺寸的增大也可由图7(c)的粒径分布图证实ꎬKSFM荧光粉的D50由38.4mm增大至水热处理后的54.1mmꎮ荧光粉的共沉淀合成温度为70ħꎮ在较低温度下ꎬ所制成荧光粉颗粒尺寸较小ꎬ结晶度低ꎬ存在较高密度的晶界等缺陷ꎬ可作为水分子的快速扩散通道ꎬ加剧荧光粉与环境中水汽的反应速度ꎬ因此耐水性较差ꎮ180ħ的水热处理ꎬ一方面使荧光粉颗粒的尺寸长大ꎬ另外较高温度的后处理也提高了荧光粉的结晶度ꎬ降低晶界等缺陷浓度ꎮ二者均导致荧光粉与水汽的有效接触面积减小ꎬ从而抑制了环境中水汽与荧光粉的反应速率ꎬ耐湿热性得到了提高ꎮ如图7(d)所示ꎬHT ̄KSFM荧光粉湿热环境劣化后的漫反射谱变化较小(与图5对比)ꎬ表明湿热环境劣化过程中HT ̄KSFM荧光粉的水汽侵蚀产物大大减少ꎬ因此耐水性能得到了提升ꎮ4㊀结㊀㊀论研究了湿度㊁温度以及Mn4+含量对K2SiF6ʒMn4+荧光粉劣化性能的影响ꎮ发现K2SiF6ʒMn4+易受环境中水汽的侵蚀ꎬ发光性能劣化严重ꎮ而且ꎬ水汽劣化过程为热激活ꎬ温湿度越高ꎬ荧光粉相对亮度下降幅度越大ꎮ激活剂Mn4+含量对其劣化也有影响ꎬMn4+掺杂量越高ꎬ湿热处理后其光学性能下降幅度越大ꎮ通过系统考察湿热处理对荧光粉形貌㊁微结构以及光学性能的影响规律ꎬ认为K2SiF6ʒMn4+的劣化机理为荧光粉与环境水汽发生反应ꎬ表面生成对可见光波段强吸收的产物ꎬ从而导致荧光粉湿热环境下发光强度降低ꎮ180ħ水热后处理可增大荧光粉颗粒尺寸并改善其结晶性ꎬ减少与环境水汽的有效接触面积ꎬ显著提高了K2SiF6ʒMn4+荧光粉的耐湿热性能ꎮ85%/70ħ/6h湿热条件下ꎬ水热后处理K2SiF6ʒMn4+荧光粉相对亮度从原先的25%提升到80%ꎮ本研究为进一步提高K2SiF6ʒMn4+红色荧光粉的服役性能提供了一定的理论和技术基础ꎮ参㊀考㊀文㊀献:[1]肖志国.半导体照明发光材料及应用[M].北京:化学工业出版社ꎬ2014.XIAOZG.LuminescentMaterialsandApplicationsinSolidStateLighting[M].Beijing:ChemicalIndustryPressꎬ2014.(inChinese)[2]UHEDAKꎬHIROSAKINꎬYAMAMOTONꎬetal..LuminescencepropertiesofaredphosphorꎬCaAlSiN3ʒEu2+ꎬforwhitelighting ̄emittingdiodes[J].Electrochem.Solid ̄StateLett.ꎬ2006ꎬ9(4):22 ̄25.[3]PIAOXꎬMACHIDAKꎬHORIKAWATꎬetal..PreparationofCaAlSiN3ʒEu2+phosphorsbytheself ̄propagatinghigh ̄temperaturesynthesisandtheirluminescentproperties[J].Chem.Mater.ꎬ2007ꎬ19(18):4592 ̄4599. 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基于CEVA-XC4500_DSP平台5G-LDPC码编码实现
2024年无线电工程第54卷第2期457 doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2024.02.025引用格式:吴思远,陈成,姜明,等.基于CEVA XC4500DSP平台5G LDPC码编码实现[J].无线电工程,2024,54(2):457-462.[WUSiyuan,CHENCheng,JIANGMing,etal.EncodingImplementationof5G LDPCCodesonCEVA XC4500DSPPlatform[J].RadioEngineering,2024,54(2):457-462.]基于CEVA XC4500DSP平台5G LDPC码编码实现吴思远,陈 成,姜 明,徐安来(东南大学信息科学与工程学院,江苏南京214135)摘 要:低密度奇偶校验(Low DensityParity Check,LDPC)码是第五代移动通信技术(5thGenerationMobileCommunicationTechnology,5G)系统采用的信道编码技术之一,用于业务信道高速数据传输,具有很强的抗干扰能力和纠错能力。
5G LDPC码编译码在嵌入式平台的实现是一个值得关注的研究方向。
CEVA XC4500数字信号处理(DigitalSignalProcessing,DSP)芯片具有极低功耗、高密度计算、集成了超长指令字(VeryLongInstructionWord,VLIW)和单指令多数据(SingleInstructionMultipleData,SIMD)矢量功能的特点。
针对CEVA XC4500DSP矢量汇编指令和内联指令集的特点,提出一系列针对5G LDPC码编码的代码优化方法,使其满足5G LDPC码编码工程应用指标要求。
仿真结果表明,优化后的5G LDPC码编码在CEVA XC4500DSP内核上表现良好,中长块编码吞吐率超过100Mb/s、核心矩阵吞吐率超过1Gb/s,最大吞吐率达到250Mb/s、最大核心矩阵吞吐率达到1.6Gb/s。
非等温热分解活化能的求解及应用
Vol.25No.1 1999-02华 东 理 工 大 学 学 报 J ournal of Eas t China University of Science and Tech nology 收稿日期:1998-06-15非等温热分解活化能的求解及应用朱新生 管爱国* 李引擎1)(华东理工大学材料科学研究所,上海200237)1)(中国建筑科学研究院建筑防火研究所,北京100013) 提要:比较了热分析实验中热降解活化能的常见求解方法的特点和应用场合,并阐述了利用活化能评价高分子材料热稳定性及探讨热分解反应机理的实际意义。
关键词:活化能;等转化率法;热分解;热稳定性中图分类号:O631.3 用以求解反应活化能的阿累尼乌斯公式诞生已经一个多世纪了,随着计算机技术的发展,活化能的求解方法、概念的理解和应用得到进一步深入。
活化能概念从基元及复杂的化学反应逐步应用到各种物理化学场合。
比如,聚合物分子物态转变,扩散及松驰过程,材料的断裂破坏行为及高温热分解过程。
本文根据活化能与转化率的关系,将活化能的求解方法分成两大类,阐述了各种方法的求解条件,途径和特点。
1 活化能的求解在热失重方法中,实验数据可以在单一加热速率、也可以在多种加热速率条件下获得。
等转化率法则要求试验在不同的加热速率条件下进行。
在热失重曲线中,如果没有微分曲线或微分曲线噪音很大时,试验宜在多种加热速率条件下进行。
另外,当对试验材料的热物理性能缺乏了解时,宜采用多种加热速率方法。
通常,对于聚合物材料,当样品用量为10mg左右,加热速率不应超过10°C/min。
样品用量增加时,加热速率应降低。
否则,在试样中存在明显的温度梯度,导致活化能的计算错误。
1.1 非等转化率法1.1.1 积分近似法 当如下所示的化学反应:A→B初始质量为:10时间t后:1-T T则T=w0-w(t)w0(1)其中A为反应物;B为生物物;T为转化率;w0,w(t)分别为初始时刻和t时刻的样品质量。
一种基于DPBF的单线态氧纳米探针
第40卷㊀第8期2019年8月发㊀光㊀学㊀报CHINESEJOURNALOFLUMINESCENCEVol 40No 8Aug.ꎬ2019文章编号:1000 ̄7032(2019)08 ̄0987 ̄06一种基于DPBF的单线态氧纳米探针于印霄ꎬ王小卉∗ꎬ陈雪桥ꎬ刘元安(北京邮电大学电子工程学院安全生产智能监控北京市重点实验室ꎬ北京㊀100876)摘要:为了实现光动力治疗过程中单线态氧的检测ꎬ设计了一种水溶性良好的单线态氧纳米探针ꎮ首先利用再沉淀法将1ꎬ3二苯基异苯并呋喃(DPBF)封装于纳米颗粒中ꎬ然后对纳米探针进行透射电镜㊁动态光散射粒径和吸收光谱表征ꎬ表明纳米颗粒具有良好的分散性ꎬ粒径约为200nmꎬ在426nm左右具有DPBF的特征吸收峰ꎬ最后选择吲哚菁绿(ICG)作为光敏剂ꎬ利用纳米探针的吸收峰变化检测单线态氧的产生ꎮ结果表明该纳米探针对单线态氧具有高灵敏度ꎬ在光动力治疗过程中单线态氧的检测方面具有良好的应用价值ꎮ关㊀键㊀词:DPBFꎻ单线态氧检测ꎻ纳米探针ꎻ光动力治疗中图分类号:O482.31㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀DOI:10.3788/fgxb20194008.0987ASingletOxygenNanoprobeBasedonDPBFYUYin ̄xiaoꎬWANGXiao ̄hui∗ꎬCHENXue ̄qiaoꎬLIUYuan ̄anꎬ(BeijingKeyLaboratoryofWorkSafetyIntelligentMonitoringꎬSchoolofElectronicEngineeringꎬBeijingUniversityofPostsandTelecommunicationsꎬBeijing100876ꎬChina)∗CorrespondingAuthorꎬE ̄mail:wangxiaohui@bupt.edu.cnAbstract:Inordertorealizethedetectionofsingletoxygenduringphotodynamictherapyꎬasingletoxygennanoprobewithgoodwatersolubilitywasdesigned.Firstlyꎬthe1ꎬ3diphenylisobenzofuran(DPBF)wasencapsulatedinthenanoparticlesbyreprecipitation.Thenthenano ̄probeswerechar ̄acterizedbytransmissionelectronmicroscopyꎬdynamiclightscatteringparticlesizeandabsorptionspectrum.Thenanoparticlewithgooddispersibilityisabout200nmandhasacharacteristicabsorp ̄tionpeakofDPBFataround426nm.Finallyꎬindocyaninegreen(ICG)wasselectedasaphotosen ̄sitizerꎬandthegenerationofsingletoxygenwasdetectedbythechangeoftheabsorptionpeakofthenanoprobe.Theresultsshowthatthenanoprobehashighsensitivitytosingletoxygenandispromis ̄inginthemonitoringofsingletoxygenforphotodynamictherapy.Keywords:DPBFꎻsingletoxygendetectionꎻnanoprobeꎻphotodynamictherapy㊀㊀收稿日期:2018 ̄08 ̄16ꎻ修订日期:2018 ̄10 ̄25㊀㊀基金项目:国家自然科学基金(61605014)ꎻ中央高校基本科研业务费专项资金(2018RC18ꎬ2018RC17)资助项目SupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(61605014)ꎻFundamentalResearchFundsforTheCentralUniversi ̄ties(2018RC18ꎬ2018RC17)1㊀引㊀㊀言光动力疗法(PhotodynamictherapyꎬPDT)是一种基于光敏药物吸光产生高活性氧(主要是单线态氧ꎬ1O2)㊁进而杀死肿瘤细胞的治疗方法[1 ̄2]ꎮ在正常情况下ꎬ细胞内单线态氧水平很低ꎬ单线态氧的产生与清除处于动态平衡中ꎬ一旦打破平衡ꎬ将引起一系列生理反应ꎬ严重时将导致细胞死亡[3 ̄4]ꎮ因此ꎬ有效地检测单线态氧浓度变化对于评估光动力治疗效果具有重要的意义ꎮ988㊀发㊀㊀光㊀㊀学㊀㊀报第40卷目前常见的单线态氧检测方法主要有电子顺磁共振法(ESR)㊁直接测定法㊁分光光度法和荧光光度法等ꎮESR方法灵敏度高ꎬ选择性好ꎬ但测定的ESR信号受到共存离子㊁溶剂等条件的影响ꎬ检测误差较大ꎬ而且仪器的操作程序相对复杂ꎻ直接测定法对生物体无侵害ꎬ选择性高ꎬ但灵敏度低ꎬ检出信号弱ꎬ无法用于低浓度1O2的检测ꎻ分光光度法和荧光光度法选择性好ꎬ但大多探针水溶性较差ꎬ不利于生物体系内1O2的测定[5]ꎮ近年来ꎬ具有高灵敏度和良好水溶性的单线态氧探针在生物医学领域受到越来越多的关注ꎮ单线态氧荧光探针(SingletoxygensensorgreenꎬSOSG)具有较好的水溶性ꎬ可以间接测量1O2浓度[6 ̄7]ꎬ但其自身在紫外光照下会产生1O2ꎬ且细胞吞噬效率较低ꎬ因此导致其在定量检测1O2和亚细胞水平应用方面存在一定的局限性[8 ̄10]ꎮ1ꎬ3二苯基异苯并呋喃(DPBF)是一种常用的1O2指示剂[11]ꎬ能快速与1O2进行反应[12 ̄13]ꎬ对少量1O2具有比SOSG更高的敏感性ꎮPing等[14]将DPBF包埋于纳米颗粒中ꎬ通过共聚焦显微镜对吞噬纳米颗粒的癌细胞进行荧光成像ꎬ根据荧光成像强度变化监测光动力治疗过程中细胞内单线态氧的变化ꎮ在光动力治疗领域ꎬ纳米探针正逐渐用于检测细胞内1O2[15]ꎬ通过生物兼容纳米颗粒负载非水溶性的单线态氧检测剂ꎬ可以拓展其在生物检测方面的应用ꎮ总之ꎬ我们需要发展更多新型㊁简便且灵敏度较高的水溶性单线态氧检测材料ꎮ本文首先基于再沉淀法制备了二氧化硅包覆DPBF的单线态氧纳米探针ꎮ其中采用高分子材料聚苯乙烯(PS)和十二烷基三甲氧基硅烷(DTS)作为基质ꎬDTS水解在纳米颗粒表面形成二氧化硅壳层ꎬDPBF随机地分散于纳米颗粒内部ꎬ即形成包覆DPBF的纳米颗粒[16]ꎮ然后选择吲哚菁绿(ICG)作为光敏剂ꎬ采用808nm激光辐照ꎬ通过观察纳米探针的吸收峰强度变化检测单线态氧的产生[17 ̄19]ꎮ随着激光辐照剂量的增加ꎬ纳米探针的吸收峰逐渐被猝灭ꎬ表明该纳米探针对单线态氧具有高灵敏度ꎬ可以用来监测光动力治疗中的单线态氧浓度变化ꎮ2㊀实㊀㊀验2.1㊀材料与仪器本实验中所需要的化学试剂:1ꎬ3二苯基异苯并呋喃(DPBF)㊁聚苯乙烯(PS)㊁十二烷基三甲氧基硅烷㊁四氢呋喃(THF)均购自Sigma ̄Aldrichꎬ吲哚菁绿(ICG)和二甲基亚砜(DMSO)购自百灵威科技有限公司ꎬ氨水购自国药集团化学试剂有限公司ꎮ以上所有试剂购买后配成溶液直接使用ꎮ在实验过程中均用18MΩ/cm的去离子水ꎮ2.2㊀样品制备方法与步骤采用再沉淀法制备包覆DPBF的单线态氧纳米探针ꎬ首先配置DPBF(500ˑ10-6g/mL)㊁PS(2000ˑ10-6g/mL)和DTS(2000ˑ10-6g/mL)的THF溶液ꎻ待溶液充分溶解后ꎬ分别配置DPBF㊁PS和DTS质量比为10ʒ40ʒ50㊁15ʒ35ʒ50㊁20ʒ30ʒ50和25ʒ25ʒ50的混合溶液ꎬ并通过添加THF使其最终浓度为400ˑ10-6g/mLꎻ然后取0.5mL混合溶液在超声振荡条件下迅速注入到8mL的去离子水溶液中ꎬ并且调节溶液的pH值为9ꎻ最后将悬浮液静置2hꎬ并于去离子水中透析24h以除去有机溶剂四氢呋喃ꎬ即得到包覆DPBF的纳米颗粒ꎮ2.3㊀纳米颗粒表征方法实验过程中纳米颗粒的吸收光谱由日本分光株式会社生产的型号为V ̄550的紫外分光光度计测得ꎻ样品的透射电子显微镜成像由日立公司生产型号为JEM1400EX的透射电子显微镜测得ꎻ利用马尔文公司生产的型号为NanoZS90的激光粒度仪对纳米颗粒的动态光散射粒径进行表征ꎮ3㊀结果及讨论3.1㊀单线态氧纳米探针的制备与表征基于再沉淀法制备二氧化硅包覆DPBF的单线态氧纳米探针ꎮ在超声条件下把聚苯乙烯㊁硅氧烷和DPBF的混合溶液注入到pH=9的溶液中ꎻ注入后疏水的聚苯乙烯和硅氧烷为避免与水接触ꎬ向内折叠成球形纳米颗粒ꎬDPBF随机地分散于纳米颗粒中ꎻ硅氧烷基团在碱性环境下迅速发生水解和缩聚ꎬ在纳米颗粒表面形成二氧化硅壳层ꎬ可以有效地将DPBF与水隔离ꎬ进而起到保护作用ꎮ纳米探针的形貌通过透射电子显微镜进行表征ꎬ如图1(a)所示ꎬ纳米颗粒分布较为均匀ꎬ分散性良好ꎬ呈球形ꎬ表面光滑ꎬ粒径约为200nmꎮ图1(b)是马尔文粒度仪测得的动态光散射粒径ꎬ纳米颗粒的粒径主要分布在200nm左右ꎬ与透射电镜测得的粒径结果一致ꎮ放置48h以后ꎬ纳米颗粒的动态光散射粒径略微增加ꎬ约为㊀第8期于印霄ꎬ等:一种基于DPBF的单线态氧纳米探针989㊀Voltage waveform Intensity waveform0.5滋m2015110000d /nmI n t e n s i t y /%1000100101050nps10110000d /nmI n t e n s i t y /%1000100105nps after 48h15(a )(b )(c )图1㊀(a)单线态氧纳米探针的TEM图像ꎻ(b)单线态氧纳米探针的动态光散射粒径分布ꎻ(c)放置48h后ꎬ纳米探针的粒径分布ꎮFig.1㊀(a)TEMimagesofsingletoxygennanoprobes.(b)Histogramofhydrodynamicdiameterdatameasuredbydynamiclightscattering.(c)Hydrodynamicdiam ̄eterrecordedafter48h.0.3400700姿/nmA b s o r p t i o n0.40.20.10300500600800900DPBF DPBF 鄄NPs图2㊀DPBF溶于DMSO溶液中和封装于纳米颗粒内的吸收光谱Fig.2㊀AbsorptionspectraofDPBFdissolvedinDMSOaque ̄oussolutionsandencapsulatedinnanoparticles230nm左右(图1(c))ꎬ证明其具有较好的稳定性ꎮ图2为DPBF分别溶于DMSO溶液中和封装于纳米颗粒内的吸收光谱ꎮ溶解于DMSO中的DPBF吸收峰位于410nm左右ꎬ而纳米颗粒中的DPBF吸收峰则位于426nmꎬ吸收峰红移是由于DPBF的局域环境发生改变引起的ꎮ3.2㊀单线态氧敏感性检测为了选择最佳的DPBF掺杂浓度以制备高灵敏度的单线态氧纳米探针ꎬ我们分析了封装不同比例DPBF(10%㊁15%㊁20%㊁25%)的DPBF ̄NPs的吸收光谱随激光辐照的变化情况(图3)ꎮ随着DPBF浓度的增大ꎬDPBF ̄NPs位于426nm的吸收峰逐渐增强ꎮ为测试其单线态氧敏感性ꎬ取2mLDPBF ̄NPs分散溶液与20μL的0.1mg/mL的ICG溶液混合ꎬ然后利用808nm激光器进行激光辐照ꎬ即获得DPBF吸收强度随辐照时间变化的曲线ꎮ如图4(a)所示ꎬ随着激光辐照时间的增加ꎬDPBF和ICG的吸收峰逐渐降低ꎮ辐照12min以后ꎬDPBF的吸收峰几乎完全猝灭ꎮ表明ICG被光激发后产生单线态氧ꎬ并与纳米颗粒中的DPBF反应ꎬ致使其吸收逐渐降低[20 ̄23]ꎮ为了描述不同掺杂浓度的纳米探针对单线态氧的敏感性ꎬ我们分析375~475nm之间的吸收峰面积变化来定量表征DPBF的猝灭效果ꎮ如图4(b)所示ꎬ10% ̄DPBF ̄NPs中DPBF含量相对较少ꎬ辐照后猝灭率约为70%ꎻ15% ̄DPBF ̄NPs在激光照射12min之后ꎬ猝灭率达到86%ꎮ表明更多比例的DPBF与1O2发生了反应ꎬ15% ̄DPBF ̄NPs对单线态氧具有良好的敏感性ꎮ而对于20% ̄DPBF ̄NPsꎬ由于其DPBF掺杂浓度相对较高ꎬ猝灭率低于15% ̄DPBF ̄NPsꎮ为了研究在不同辐照功率下DPBF ̄NPs对单0.4400700姿/nmA b s o r p t i o n0.60.2030050060080010%鄄DPBF 鄄NPs 15%鄄DPBF 鄄NPs 20%鄄DPBF 鄄NPs 25%鄄DPBF 鄄NPs图3㊀掺杂不同浓度DPBF的纳米颗粒的吸收光谱Fig.3㊀Absorptionspectraofnanoparticlesdopedwithdiffer ̄entconcentrationsofDPBF990㊀发㊀㊀光㊀㊀学㊀㊀报第40卷0.4400700姿/nmA b s o r p t i o n0.50.203005006009000min 3min 6min 9min 12min0.60.30.1800(a )0.809t /minA b s o r p t i o n1.00.40360.60.212(b )10%鄄DPBF 鄄NPs 15%鄄DPBF 鄄NPs 20%鄄DPBF 鄄NPs图4㊀(a)15% ̄DPBF ̄NPs在130mW激光辐照下的吸收光谱ꎬ每辐照3min后进行吸收光谱表征ꎻ(b)不同DPBF掺杂浓度的纳米探针的吸收峰猝灭ꎮFig.4㊀(a)Absorptionspectraof15% ̄DPBF ̄NPsunderla ̄serirradiation.After3minofirradiationꎬtheabsorp ̄tionspectraistested.(b)Absorptionpeakquench ̄ingofnanoprobesdopedwithdifferentDPBFconcen ̄trationsafterlaserirradiation.线态氧的敏感性ꎬ我们进一步选择50mW和210mW的激光进行辐照ꎬ然后表征其吸收光谱变化ꎮ如图5(a)所示ꎬ50mW激光辐照12min后ꎬDPBF吸收强度猝灭率约为40%ꎻ采用210mW激光辐照后ꎬ可能由于功率过高ꎬ破坏了光敏剂的荧光基团ꎬ致使ICG产生单线态氧的效率变低ꎬ12min后猝灭效率比15% ̄DPBF ̄NPs略低ꎬ约为75%ꎮ实验结果表明选择合适的激光功率可以优化DPBF ̄NPs对单线态氧的检测效果ꎮ为了分析单线态氧纳米探针的光稳定性ꎬ我们使用130mW的激光辐照15% ̄DPBF ̄NPsꎮ如图5(b)所示ꎬDPBF的吸收峰变化微弱ꎬ激光辐照12min后仅下降约2%ꎬ证明DPBF具有比较强的光稳定性ꎮ由于ICG存在光热现象ꎬ在持续的激光辐照下ꎬ纳米探针的环境温度会发生变化ꎮ因此ꎬ我们分析了纳米探针在不同温度下的吸收光谱ꎬ可以看出当温度由20ħ升高到40ħ时ꎬDPBF的峰值下降约10%ꎬ对比单线态氧的猝灭效果ꎬ温度对0.809t /minA b s o r p t i o n1.00.40360.60.212(a )50mW 130mW 210mW0.4400700姿/nmA b s o r p t i o n0.203005006009000min 3min 6min 9min 12min0.30.1800(b )0.5400700姿/nmA b s o r p t i o n0.230050060020℃30℃40℃0.30.1800(c )0.40图5㊀(a)在不同功率的激光辐照下ꎬ单线态氧敏感性的柱状图ꎻ(b)15% ̄DPBF ̄NPs在130mW激光辐照下的吸收光谱ꎻ(c)在不同温度下ꎬ15% ̄DPBF ̄NPs吸收峰的变化趋势图ꎮFig.5㊀(a)Histogramofsingletoxygensensitivityofnano ̄probesunderlaserirradiationswithdifferentpower.(b)Absorptionspectraof15% ̄DPBF ̄NPsirradiatedby130mWlaser.(c)Trendsofabsorptionpeakof15% ̄DPBF ̄NPsatdifferenttemperatures.纳米探针的影响较弱ꎮ为分析单线态氧纳米探针的检测灵敏度ꎬ我们分别使用溶于DMSO中的DPBF溶液和封装DPBF的荧光纳米探针对ICG的光动力现象进行检测ꎮ首先取20μL的0.5mg/mLDPBF溶液与微量ICG混合ꎬ待混合均匀后进行激光辐照ꎬ然后表征吸收光谱ꎮ如图6所示ꎬ随着辐照时间的增加ꎬ溶于DMSO中的DPBF猝灭率仅约为10%ꎮ这是因为DPBF溶解于有机溶剂ꎬ在水中的溶解㊀第8期于印霄ꎬ等:一种基于DPBF的单线态氧纳米探针991㊀性差ꎬ单线态氧不易与DPBF接触发生反应ꎬ从而导致水溶液中1O2的检测灵敏度较低[24]ꎮ因此在t /minA b s o r p t i o n图6㊀溶解于DMSO中的DPBF与DPBF ̄NPs对单线态氧的敏感性对比Fig.6㊀ComparisonofthesensitivityofDPBFinDMSOandDPBF ̄NPstosingletoxygen光动力治疗过程中ꎬ将单线态氧检测剂封装于纳米颗粒中制成水溶性较好的纳米探针ꎬ能够优化单线态氧的检测效果ꎮ4㊀结㊀㊀论本文从光动力治疗出发ꎬ通过简单易制的方法制备了一种新型的单线态氧纳米探针ꎮ该探针具有核壳型结构ꎬ在二氧化硅包覆的核心部分掺杂DPBF分子ꎬ有效提高了探针分子的水溶性ꎬ进而提高了纳米探针的单线态氧灵敏度ꎮ通过分析不同DPBF掺杂浓度和激光辐照功率ꎬ发现在130mW激光辐照下ꎬ15% ̄DPBF ̄NPs的吸收峰有明显的下降ꎬ猝灭率能够达到86%ꎮ该单线态氧纳米探针具有较小粒径㊁良好水溶性和高的灵敏度ꎬ在光动力治疗领域具有很广阔的应用前景ꎮ参㊀考㊀文㊀献:[1]SANABRIALMꎬRODRÍGUEZMEꎬCOGNOISꎬetal..Directandindirectphotodynamictherapyeffectsonthecellularandmolecularcomponentsofthetumormicroenvironment[J].Biochim.Biophys.Actaꎬ2013ꎬ1835(1):36 ̄45.[2]DOLMANSDEJGJꎬFUKUMURADꎬJAINRK.Photodynamictherapyforcancer[J].Nat.Rev.Cancerꎬ2003ꎬ3(5):380 ̄387.[3]VAUPELPꎬMAYERA.Hypoxiaincancer:significanceandimpactonclinicaloutcome[J].CancerMetastasisRev.ꎬ2007ꎬ26(2):225 ̄239.[4]BUSCHTMꎬXINGXMꎬYUGQꎬetal..Fluencerate ̄dependentintratumorheterogeneityinphysiologicandcytotoxicre ̄sponsestophotofrinphotodynamictherapy[J].Photochem.Photobiol.Sci.ꎬ2009ꎬ8(12):1683 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什么是可兑换货币?
什么是可兑换货币?
任丁秋
【期刊名称】《前线》
【年(卷),期】1992(000)010
【摘要】可兑换货币又称自由兑换货币,是指可以自由支付国际收支经常项目并且由该货币国家承担兑换义务的货币。
根据国际货币基金组织协定的规定,所谓自由兑换,是指国际性经常项目即贸易和非贸易的支付不加限制,不采取差别性的多种汇率,在另一会员国的要求下,
【总页数】1页(P41-41)
【作者】任丁秋
【作者单位】
【正文语种】中文
【中图分类】D6
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天地融合网络中基于博弈论的分布式卸载算法研究
doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2021.06.009引用格式:罗志勇,黄澳,孙韶辉,等.天地融合网络中基于博弈论的分布式卸载算法研究[J].无线电通信技术,2021,47(6):740-745.[LUOZhiyong,HUANGAo,SUNShaohui,etal.ResearchonDistributedComputationOffloadingTechnologyBasedonGameTheoryinIntegratedTerrestrial⁃SatelliteNetwork[J].RadioCommunicationsTechnology,2021,47(6):740-745.]天地融合网络中基于博弈论的分布式卸载算法研究罗志勇1,黄㊀澳1,孙韶辉2,辛㊀宁3,4(1.中山大学电子与通信工程学院,广东广州518107;2.大唐移动通信设备有限公司,北京100083;3.中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部,北京100094;4.国家航天局卫星通信系统创新中心,北京100094)摘㊀要:在天地融合网络中,移动边缘计算技术的使用能节约通信资源并提升网络服务质量㊂计算卸载作为移动边缘计算技术的重要内容,能够让终端设备将计算开销大的任务卸载至边缘节点上进行处理㊂但由于节点上部署资源有限,为解决多设备同时接入卸载时,对卫星边缘节点上通信资源的竞争问题,提出天地融合网络中基于博弈论的分布式卸载算法,讨论应用场景并进行建模仿真,结合贪心算法对边缘服务器的选择策略进行更新㊂仿真结果证明了算法的有效性,可很好减小卸载方设备的总体开销㊂关键词:天地融合网络;移动边缘计算;计算卸载;博弈论中图分类号:TN927㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀开放科学(资源服务)标识码(OSID):文章编号:1003-3114(2021)06-0740-06ResearchonDistributedComputationOffloadingTechnologyBasedonGameTheoryinIntegratedTerrestrial⁃SatelliteNetworkLUOZhiyong1,HUANGAo1,SUNShaohui2,XINNing3,4(1.SchoolofElectronicsandCommunicationEngineering,SunYat⁃SenUniversity,Guangzhou518107,China;2.DatangMobileCommunicationEquipmentCo.,Ltd.,Beijing100083,China;3.InstituteofTelecommunicationandNavigationSatellites,CAST,Beijing100094,China;4.InnovationCenterofSatelliteCommunicationSystem,CNSA,Beijing100094,China)Abstract:IntheIntegratedTerrestrial⁃satelliteNetwork,theuseofmobileedgecomputingtechnologycansavecommunicationresourcesandimprovethequalityofnetworkservice.AsanimportantpartofMobileEdgeComputingtechnology,computationoffloadingstrategiesenableterminaldevicestooffloadcomputingtaskswithhighlosstoEdgenodesforprocessing.However,theresourcesdeployedontheedgenodesarelimited.Inordertosolvethecompetitionofcommunicationresourcesonsatelliteedgenodeswhenmulti⁃pledevicesareconnectedandunloadedatthesametime,agametheoryunloadingalgorithminIntegratedTerrestrial⁃satelliteNetworkisproposed.Bydiscussingapplicationscenarios,modelingandsimulationandmodifyingtheupdatingstrategyofMECserverwithgreedyalgorithm,simulationresultsprovetheeffectivenessofthisalgorithm,whichcanfurtherreducethetotallossvalueoftheunloadingde⁃vicesinpracticalapplication.Keywords:integratedterrestrial⁃satellitenetwork;mobileedgecomputing;computationoffloading;gametheory收稿日期:2021-07-15基金项目:国家重点研发计划(2020YFB1807900)FoundationItem:NationalKeyResearchandDevelopmentProgramofChina(2020YFB1807900)0 引言计算卸载策略一直是边缘计算技术(MobileEdgeComputing,MEC)推广应用过程中重要的研究内容[1-3]㊂一方面,通信技术的不断发展使得数据流量不断增加㊁业务需求不断提高[4],而终端设备计算能力与能量储备却是有限的,难以满足业务在时延和能耗方面的需求㊂因此,在传统通信网络中终端设备通常将任务传输给远处的云计算中心进行处理[5],在边缘网络中则是需要将任务卸载到边缘节点(EdgeComputingNode,ECN)上[6]㊂另一方面,. All Rights Reserved.因为ECN具有轻量化特点,部署资源有限,同时移动设备进行卸载时自身也有能量资源消耗,所以也需要有合适的计算卸载策略来优化卸载过程㊂WuH等人[7]将响应时延作为主要研究对象,提出GAMEC策略进行卸载节点的选择决策㊂余翔等人[8]提出基于博弈论的功率分配算法,对功率和计算卸载进行联合优化,提高卸载性能㊂文献[9-10]基于联合思想,将计算卸载同计算资源分配联合为一个NP⁃hard优化问题,各自采用不同方法分两步进行了求解㊂在具体的MEC网络中,ECN对部署资源的分配非常重要㊂尤其是当多设备同时卸载竞争资源时,通信信道被大量占用导致设备相互干扰加大,进而影响整体网络性能㊂在天地融合网络这一应用场景下,由于星上资源的宝贵,这样的问题更加突出[11-12]㊂针对该问题,本文从文献[13]提出的地面基站内多终端设备博弈卸载模型中受到了启发,提出该场景下的博弈论卸载算法㊂经过有限次迭代达到非合作博弈下的 纳什均衡 ,最终实现了该算法在天地融合网络中的运用和改进㊂1㊀系统模型1.1㊀通信卸载场景在海洋㊁荒漠或战争㊁灾害等复杂地理环境中,地面蜂窝网络难以满足船只㊁UAV等终端的服务需求,移动终端可选卸载方式只有将任务卸载到部署了MEC服务的LEO卫星上进行处理,其卸载模型如图1所示㊂图1㊀星-地卸载场景Fig.1㊀Satellite⁃Groundcomputingunloadscene该场景在复杂地理环境中有明确需求存在㊂但就现有技术水平而言,从地面将计算任务卸载到星上处理并不经济,难以在上述固定需求外开展大规模应用㊂另一种考虑为由于卫星之间处理能力的不均等,使得处理能力弱的卫星有可能将任务卸载到能力强的卫星上,来减小开销的星间卸载场景㊂其卸载场景基本单元如图2所示㊂图2㊀星间卸载模型基本单元Fig.2㊀Satellite⁃Satellitecomputingunloadscene该卸载场景需要卫星之间存在星间链并且具备交换通信能力㊂例如铱星星座中每颗卫星与同㊁异轨道面共4颗卫星构成星间链路[14]㊂在这个基本结构上延伸扩展形成一个庞大的卫星星座㊂设想星座中存在CPU频率高的高处理能力卫星,而周围卫星处理能力较弱㊂倘若卫星可通过一定的卸载策略进行决策判断,将任务卸载到能力强的卫星上进行处理,则此时利用卸载策略最小化卸载方开销,比星地卸载场景中节约地面终端资源的意义更大㊂上述场景中,通信模型都为一个卫星边缘计算节点对应服务范围内多个终端设备㊂可建立数学模型并设定参数如下:终端设备集P={1,2,3, ,N},每个设备都有不可分解的计算任务;无线信道集C={1,2,3, ,K},代表卫星提供K个可进行任务卸载的正交子信道;决策集S={s1,s2, ,sn},其中,有si代表终端设备i的决策情况㊂当si=0时,代表任务本地计算;当siɪC时,代表任务将卸载到第si个信道上进行处理㊂考虑到不同终端设备进行任务卸载时可能利用相同子信道导致相互干扰,根据Shann⁃Hartley定理可得到从终端n卸载任务到SEC服务器第k个信道的数据传输速率为:. All Rights Reserved.Rup(n)=wlb1+qngn,kw0+ðiɪP:iʂn,si=snqigi,kæèçöø÷,(1)式中,w为子信道带宽,w0代表传输过程中的噪声功率,qi代表终端i传输功率;gi,k为终端设备i在卫星信道k上的信道增益㊂用二元组{ai,bi}描述终端设备i对应的计算任务ti,其中ai代表完成任务所需CPU操作数,bi代表任务上传数据量㊂由于处理完后返回的数据量相对较小,为了简化模型,将这一部分进行省略[15]㊂本文选择将时延和能耗这两个常用研究参数综合考虑[16],分别加上权重λti和λei,其中:λti+λei=1,λtiλeiɪ0,1[]㊂(2)时延敏感型业务可增加权重λtn,能耗敏感型业务可增加权重λen㊂因此,该计算方案可通过设定不同的权重比来满足不同业务下对时延与能耗的个性化需求㊂1.2㊀计算模型根据决策的不同,任务处理类型可分为本地处理和卫星边缘节点处理两大类㊂1.2.1㊀本地处理本地处理对应终端设备决策si=0的情况,即计算任务由终端本身处理而不卸载至MEC网络中㊂此时需知参数主要是终端CPU处理能力Fbs和能耗因数θn㊂定义本地处理时延为任务所需CPU操作数和本地处理能力之比:Tn=anFbs㊂(3)本地处理过程中的能耗即为任务所需CPU操作数㊁本地处理能力平方与能耗因数之积:En=θn(Fbs)2an,(4)式中,能耗因数θn通常与芯片中开关电容元件数量等参数有关[17]㊂综上所述,本地处理模型的计算开销函数即可表示为:Costn=λtiTn+λeiEn㊂(5)1.2.2㊀卫星边缘节点处理卫星边缘节点处理对应终端设备决策siɪC的情况,即终端设备本地处理能力不足或者本地处理开销较大时,决定把计算任务卸载到卫星所提供的第si条子信道上进行处理㊂整个计算卸载过程分为三部分:终端任务上传㊁边缘节点处理以及处理结果回传㊂倘若节点上部署的资源正在被其他终端设备调用,则还需等待资源释放的等待时延㊂结合式(1)可定义上传时延㊁上传能耗㊁节点处理时延为:㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Tup(n)=bnRup(n),(6)Eup(n)=PnTup(n),(7)Tsec(n)=anFsec㊂(8)综合式(6) 式(8),考虑到已卸载终端数num和可能存在的排队时延Twait后,可得卫星边缘节点处理模型的开销函数表达式为:Costn=λtn(Tup(n)+Tsec(n))+λeiEup(n),ifnumɤKλtn(Tup(n)+Tsec(n)+Twait)+λeiEup(n),else{㊂(9)1.3㊀卸载问题描述考虑多用户对卫星边缘节点上部署资源的竞争,优化参数目标为综合考虑时延与能耗的总开销值㊂用S-i={s1, ,si-1,si+1, ,sn}代表终端设备i以外所有终端设备的决策向量集㊂则对终端设备i来说,需要做出决策si以获取期望最小开销:minCosti(si,S-i),∀iɪP,siɪ0ɣC{},(10)从而获得能够使整个天地融合网络MEC系统卸载过程总体开销最小的解决策集S㊂2㊀基于博弈论的计算卸载算法2.1㊀博弈论基本思想在有多个参与者的博弈过程中,各参与者都需要结合其他参与者的决策情况,在迭代中不断调整自身决策使自己尽可能获取更大增益/更小开销,经过有限次的迭代达到 纳什均衡 情况㊂在该情况下任何一个理智的决策者都不会再做出更新决策的选择,因为他已经获得了当前情况下的最大收益或最小开销㊂因此,该思想适用于计算卸载中多终端非合作博弈场景[18],分布式的卸载策略让每个节点可自行评估决策好坏并做出当前情况最优决策,完成卸载节点选择和任务卸载,从而使得MEC系统整体卸载开销最小㊂2.2㊀算法实现在MEC系统中,不同终端之间的非合作博弈是势博弈的一种,其特点是存在一个单调势函数㊂每次迭代中用户改变策略导致开销变化都能映射到势函数中,可证明经过有限次迭代,必能得到 纳什均衡 解[19]㊂. All Rights Reserved.由此可设计博弈论卸载算法,具体要点如下:①初始化终端设备决策全为本地决策㊂②每个时隙下每个终端设备的工作有:a.计算已有决策对应开销值;b.评估所有可能的决策值,取当前情况下开销值最小决策为最优决策;c.比较已有决策与最优决策,若最优决策开销小于当前决策开销,代表终端设备决策可更新㊂③下一个时隙,边缘服务器随机选择一个终端设备进行决策更新㊂重复迭代过程,直至当前时隙无可更新决策的终端设备,此时算法结束㊂据此,可给出多用户博弈卸载策略如下:算法1:天地融合网络中博弈论卸载算法输入:N个计算任务元组㊁噪声功率w0㊁各终端传输功率P与对应各信道上的增益g1初始化:可更新决策集不为空2对于每个用户从i=1转到N进行3初始化用户决策si=0,㊀㊀计算本地处理开销cost(i)=λtiTi+λeiEi4while当前可更新用户集不为空5㊀㊀将更新决策用户集置空;6㊀对于每个用户从i=1转到N进行7㊀㊀㊀对于每个卫星子信道从l=1转到K进行8㊀㊀㊀㊀获取该信道信干噪比,计算上传速率Rup(n);9㊀㊀㊀㊀计算该用户在该信道总体开销值C(si,S-i);10㊀㊀㊀该用户最优决策开销值newsi(t)=min(C(si,S-i))11㊀㊀㊀if最优决策开销现有决策开销,then12㊀㊀㊀㊀将更新请求与内容一并发送至SEC节点13㊀㊀㊀㊀可更新决策用户集用户数+1;14㊀边缘卫星MEC服务器在可更新决策用户集中随机选择一个,按内容更新决策与对应开销值15㊀对于每个用户从i=1转到N进行16㊀㊀㊀if收到到更新指令,then17㊀㊀㊀㊀下一时隙更新si(t+1)=newsi(t);18㊀㊀㊀else19㊀㊀㊀㊀下一时隙不更新si(t+1)=si(t)㊂2.3㊀贪心算法优化根据现有算法1,在每一次迭代中MEC服务器在可更新的终端设备列表中随机选择一个终端设备进行决策更新,这样的随机选择策略充分体现了终端设备之间接入卸载的公平性㊂但从开销角度来看,该选择策略并非最优㊂可引入贪心算法的思想,MEC服务器对可更新决策开销集UC进行排序,优先选择卸载后开销值大的用户进行任务卸载㊂将该算法中 在可更新终端设备集UD中随机选择一个终端设备进行更新 的随机选择策略替换为贪心选择策略㊂3㊀仿真结果分析以1.1节中星地卸载模型为例,一些基本参数设置如表1所示,在Matlab2020a平台上进行编程仿真测试㊂表1㊀仿真参数指标Tab.1㊀Simulationparameters符号参数指标取值N终端设备数50K正交子信道数40qn用户终端发射功率/W1 1.5W子信道带宽/MHz5w0噪声背景功率/dBm-100Fbs本地处理能力/GHz3Fsec边缘节点处理能力/GHz20an任务所需CPU操作数100000 1000000bn任务上传数据量10000 100000λti㊁λei权重0.5ʒ0.53.1㊀博弈论算法仿真结果将程序结束后卸载方所有设备的总体开销值作为评判标准,把该算法与另外3种常见的计算卸载方案加以对比:①本地处理方案,只有本地处理决策㊂②忽略排队时延方案,只做出将任务卸载到边缘计算节点上的决策㊂③不考虑排队时延方案,即该方案不能接受存在的排队时延㊂一旦边缘计算节点资源已被其他终端设备利用,终端设备就只会做出将任务放置在本地进行处理的决策㊂图3展示了4种算法的卸载性能:本地处理算法和忽略排队时延算法因为决策的单一性,设备间相互干扰会很大,两者开销明显大于博弈论算法㊂而在博弈论卸载算法和不考虑排队时延算法二者中,后者因为算法本身选取策略稍弱,加之忽略了排队时延存在时可能有的增益,总体开销稍大㊂图3㊀不同算法下的卸载开销Fig.3㊀Unloadinglossofdifferentalgorithms. All Rights Reserved.图4卫星支持的子信道数量增加实际增加了ECN上的通信资源,不同终端设备决策到相同信道上相互干扰的情况更少㊁竞争减小㊂因此博弈论㊁不考虑排队时延㊁忽略排队时延3种方案总开销都呈下降趋势㊂本地处理方案与其无关,总开销保持不变㊂图4㊀子信道个数K对总体开销的影响Fig.4㊀Impactofsubchannelnumberonoverhead图5表明终端设备数/待卸载任务数N的变化,一方面本身增加了网络中总的待处理任务量;另一方面在信道资源不变的情况下,有更多终端设备受到了其他设备的干扰㊂各方案总体开销值都在增加,尤其是忽略排队处理方案受到影响很大㊂图5㊀待卸载任务数N对总体开销的影响Fig.5㊀Impactofdevicenumberonoverhead在这过程中博弈论算法总体开销最低,始终保持着较好表现㊂3.2㊀贪心优化结果根据2.3节中引入的贪心策略,优化MEC服务器选择更新策略后重新进行仿真,可得结果如图6和图7所示㊂图6㊀贪心优化算法效果(K变化)Fig.6㊀Greedystrategyoptimizationeffect(Kchanges)图7㊀贪心优化算法效果(N变化)Fig.7㊀Greedystrategyoptimizationeffect(Nchanges)由图6与图7可得,优化后算术开销随参数N与K的变化趋势与原算法保持一致,但此时算法的损耗值在原算法基础上进一步减小㊂分析原因是优先选择了卸载后损耗大的终端设备进行任务卸载㊂根据ECN和移动终端处理能力之比,在终端设备之间相互干扰尚不严重的情况下,那些卸载到边缘节点上处理开销依旧大的任务,被放置在本地处理只会带来更大的时延与能耗㊂优先卸载处理它们,能有效解决这一问题㊂4㊀结束语本文针对天地融合移动边缘计算网络,研究其中各终端对边缘节点通信资源的竞争问题㊂针对终端计算任务不可分割的二进制卸载类型,提出该场景下基于博弈论的分布式卸载算法㊂在讨论适用场景㊁进行公式推导与计算模型的构建后,Matlab程序仿真结果表明该方法能有效减小卸载方的时延与能耗㊂贪心思想的引入改进了MEC服务器的选择更新策略,使得总体开销值进一步缩小㊂在实际意义上对天地融合网络时延方面的不足具有一定的弥补㊂在后续工作中,将在此基础上尝试与排队论㊁强化学习等多种理论和方法结合,从模型与算法等角度进行进一步优化完善,适应规模更大㊁链路更复杂的天地融合网络,进一步提高卸载效率㊂参考文献[1]㊀DENBYB,LUCIAB.OrbitalEdgeComputing:MachineInferenceinSpace[J].IEEEComputerArchitectureLet⁃ters,2019,18(1):59-62.[2]㊀刘通,方璐,高洪皓.边缘计算中任务卸载研究综述[J].计算机科学,2021,48(1):11-15.[3]㊀谢人超,廉晓飞,贾庆民,等.移动边缘计算卸载技术综述[J].通信学报,2018,39(11):142-159.[4]㊀施巍松,孙辉,曹杰,等.边缘计算:万物互联时代新型计算模型[J].计算机研究与发展,2017,54(5):907-924.[5]㊀WANGS,ZHANGX,ZHANGY,etal.ASurveyonMobileEdgeNetworks:ConvergenceofComputing,CachingandCommunications[J].IEEEAccess,2017,5:6757-6779.. All Rights Reserved.[6]㊀李辉,李秀华,熊庆宇,等.边缘计算助力工业互联网:架构,应用与挑战[J].计算机科学,2021,48(1):1-10.[7]㊀WUH,DENGS,LIW,etal.ServiceSelectionforCompo⁃sitioninMobileEdgeComputingSystems[C]ʊ2018IEEEInternationalConferenceonWebServices(ICWS).SanFrancisco:IEEE,2018:355-358.[8]㊀余翔,石雪琴,刘一勋.移动边缘计算中卸载策略与功率的联合优化[J].计算机工程,2020,46(6):20-25.[9]㊀王汝言,吴和,崔亚平,等.超密集网络中多基站博弈边缘卸载策略[J/OL].西安电子科技大学学报:1-10.[2021-05-28].http:ʊkns.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20210226.1329.002.html.[10]朱科宇,朱琦.多小区蜂窝网络中计算卸载与资源分配联合优化算法[J/OL].信号处理:1-14.[2021-05-28].http:ʊkns.cnki.net/kcms/detail/11.2406.TN.20210323.1325.002.html.[11]唐琴琴,刘旭,张亚生,等.边缘计算在星地协同网络中的应用探讨[J].电信科学,2019,35(S2):235-241.[12]李凤华,殷丽华,吴巍,等.天地一体化信息网络安全保障技术研究进展及发展趋势[J].通信学报,2016,37(11):156-168.[13]时月茹,李俊.多基站多用户场景的移动边缘计算卸载策略[J].数据与计算发展前沿,2020,2(3):126-136.[14]胡东伟,宋春晓.低轨卫星移动通信系统的星间链设计[J].无线电通信技术,2017,43(5):11-15.[15]JOSILOS,DANG.AGameTheoreticAnalysisofSelfishMobileComputationOffloading[C]ʊIEEEINFOCOM2017--IEEEConferenceonComputerCommunications.Atlanta:IEEE,2017:1-7.[16]CHENX,JIAOL,LIW,etal.EfficientMulti⁃UserCom⁃putationOffloadingforMobileEdgeCloudComputing[J].IEEE/ACMTransactionsonNetworking,2016,24(5):2795-2808.[17]WENY,ZHANGW,LUOH.Energy⁃OptimalMobileApplicationExecution:TamingResource⁃PoorMobileDeviceswithCloudClones[C]ʊProceedingsIEEEINFOCOM.Orlando:IEEE,2012:2716-2720.[18]LUK,JINGG,WANGL.DistributedAlgorithmsforSearchingGeneralizedNashEquilibriumofNoncooperativeGames[J].CyberneticsIEEETransactionson,2019,49(6):2362-2371.[19]MONDERERD,SHAPLEYLS.PotentialGames[J].GamesandEconomicBehavior,1996,14(1):124-143.作者简介:㊀㊀罗志勇㊀电子科技大学通信与信息系统专业博士,教授㊁博士生导师,中山大学百人计划 引进人才,国家重点领域计划专项总体专家㊁指南专家㊂主要研究方向:卫星互联网一体化融合㊁无线通感算融合赋能技术㊁通信人工智能应用㊂荣获中国卫星导航定位创新应用金奖㊁中国轻工联科技进步奖㊁亚运会信息通讯工作贡献奖等㊂㊀㊀黄㊀澳㊀中山大学硕士研究生㊂主要研究方向:移动边缘计算㊂㊀㊀孙韶辉㊀西安电子科技大学通信与信息系统专业博士,教授级高工,博士生导师,大唐移动通信设备有限公司副总经理,大唐电信科技集团首席专家,入选科技部中青年科技创新领军人才计划㊂长期从事无线移动通信新技术创新性研究和国际标准制定工作㊂主要研究方向:蜂窝移动通信关键技术㊁卫星通信技术等㊂荣获国家科技进步特等奖㊁技术发明二等奖等㊂㊀㊀辛㊀宁㊀中国空间技术研究院飞行器设计专业博士,高级工程师㊂主要研究方向:天基信息网络㊂. 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结论:红绿灯要ຫໍສະໝຸດ 等待时间提示!同济大学召开了一个有关交通的研 讨会,同济大学交通运输工程学院教授 李克平坦言,目前上海的红灯时间明显 过长。
“国外的交通信号设置要建立在大 量调研基础上,德国人忍耐红灯的极限 是60秒,英国人是45秒,这些国家的红 灯时间绝不能超过市民忍耐的极限,而 我们国家却从未做过相关调研。”
情景二
。。。 。。。
我们组想针对大望 路路段的红绿灯设 置问题进行深入研 究,并规划出一个 更加合理的红绿灯 安置方案,能尽量 减轻大望路路段交 通阻塞严重现象。
国内外研究现状分析
杭州一中学学生,针对某一地 区的红绿灯时间间隔设置与汽车 流量的合理性进行过研究。
他们改进了原有的红绿灯设置 方案,在交警大队采取了这套新 方案之后,交通问题大大缓解。
本年3-4月,搜集资料, 学习相关知识。 本年5-7月,实地考察、 记录、分析。 本年8-10月,查资料,设 计出多套新的合理方案,并分析。 本年11-12月,通过咨询, 实地试验,来确定最佳方案,完 成报告。
预计设计出大望路路 段红绿灯的最佳设置方案, 分别列出各个红绿灯的变 化时间等信息,写出具体 数据,并制作道路模型。 最后通过联系有关人士, 对该路段红绿灯进行重新 设置。
中期考核指标
设定出3-5套合理的红绿灯方案, 计算车流量的改善情况。
结题考核指标
确定出最后的最佳方案, 分析并对比改进前后的车流量情况。 制作出最后的道路模型,并实施到该路段。
研究基础
1.通过查资料,找 到一些外校同学、 老师以及国外的研 究人员做过的相关 调查、实验,分析 研究他们做的情况 与成果,通过上网 查资料及翻阅书籍, 了解现在关于红路 灯设置问题有哪些 突破进展。 2.选定大望路路段 比较利于本次研究, 一是交通拥堵问题 严重,可改造空间 大;二是该路段离 学校近,实地考察 方便,可以做充分 的实地调查。
大望路路段是从家到 学校的必经之路,也 是交通最拥挤的一段 路。坐公交车有时候 在桥下要等半个多小 时,到站后,等了很 久的乘客们蜂拥而上, 挤满了公交车。
造成交通拥挤的原因,除了处于 上下班高峰期车多人多、司机的不守 交规、交通事故频出以外,还有其他 原因吗? 在我们思考道路上的车和人的同 时,道路本身是否做到了尽善尽美呢? 交通是由人、车及道路上的各种交通 设施组成的。道路上的电子指挥员— —红绿灯设定的不合理也会造成资源 的浪费,引发各种交通问题。
经过观察与分析,我们发现有一 部分原因是因为道路上的红绿灯设置 不合理造成的 其中包括红绿灯的位置设置的不 合理、红绿灯延续时间和变化时间不 合理、相邻两红绿灯之间变化间隔不 合理等等。
情景回放~
情景一
图 中 红 绿 灯 均 为 车 辆 的 红 绿 灯 , 行 人 相 反
修改-ing。。。。
我们组计划先调查资料,学习红 绿灯的设置规律、方法,了解北京市 红绿灯的特点和不足之处。 然后实地调查,观察、记录红绿 灯的位置、数量、时间,不同时间该 路段车流量及行人的数量、通过率等 数据。 最后再通过各方搜集资料、咨询 老师、问卷调查等方式设计更加合理 的红绿灯设置方案,来优化大望路路 段的红绿灯系统,来减轻该路段交通 拥堵问题。
国外有一项专门的研究成果,发现 合理的红绿灯时间设置规律一般为: 绿灯时间不少于25秒,红灯时间不 多于70秒。
开发智能红绿灯
根据一天之中不同位置、 不同时间车流量的变化,设 置各个红路灯不同时刻的变 化时间。
利用仪器对十字路口的 车流量进行监控,根据车流 量的大小,实时调节红绿灯 的时间长短。用更加人性化 的方式来解决这一严重的交 通问题。设计出适合大望路 路段的一套完整的红路灯系 统。