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ISSN 1000-0054
CN 11-2223/N
创刊于 1915 年 (月刊)
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新冠肺炎病毒颗粒在空调大巴中的传播与乘客感染风险  收藏
吴家麟, 翁文国
清华大学学报(自然科学版)    2021, 61 (2): 89-95.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.21.002
Abstract  (0) HTML   PDF (13816KB) (372)
新型冠状病毒肺炎(COVID-19)存在气溶胶传播的可能性。该文选择了一例发生在湖南省空调大巴中的新冠肺炎传染案例,建立数值模型开展计算,分析了含新冠肺炎病毒的液滴和气溶胶的扩散输运过程,研究了空调排风模式、颗粒粒径、传染源位置等因素对于新冠肺炎病毒在空调大巴中传播规律的影响,并针对所有乘客的感染风险进行了定量评估,将结果与实际感染情况进行了对比。新冠肺炎感染者呼出的病毒颗粒有较高的比例沉积在大巴内部壁面与座椅表面。粒径和排风口位置会影响气溶胶扩散规律。小粒径含病毒气溶胶在空气中悬浮的时间长、扩散距离远,带给远处乘客的风险较高。基于研究结果,提出了降低空调大巴中新冠肺炎传播风险的建议。
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社交隔离对COVID-19的发展影响  收藏
黄梦瑶, 黄丽达, 袁宏永, 刘罡
清华大学学报(自然科学版)    2021, 61 (2): 96-103.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.21.001
Abstract  (0) HTML   PDF (6897KB) (209)
社交隔离是控制疫情最为常见有效的手段之一,其具体施行方案会对疫情发展产生较大的影响。为研究不同社交隔离方案对新型冠状病毒肺炎(COVID-19)的防疫效果,应对未来可能复发的疫情,该文利用SEIRS模型,从隔离时间和隔离程度2方面对4个国家的疫情态势进行仿真。结果表明,在采取短期社交隔离方案时,较长时间、较低程度的隔离对于医疗状况好、人口少的国家效果最佳,而较短时间、较高程度的隔离对于医疗状况较差、人口多的国家效果最佳;采取长期社交隔离方案直至疫情衰退时,50%的隔离程度是控制疫情发展的转折点。长期社交隔离方案的防疫效果要优于短期社交隔离方案。
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COVID-19疫情前后高校在线教学数据分析  收藏
孔啸, 刘乃嘉, 张梦豪, 徐明伟
清华大学学报(自然科学版)    2021, 61 (2): 104-116.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.21.017
Abstract  (0) HTML   PDF (2288KB) (197)
受2020年初爆发的新型冠状病毒肺炎(COVID-19)疫情影响,中国高校全面开展线上教学工作。现有文献通过调查的方式对线上教学条件下学生学习效果和积极性产生的变化进行研究和探讨,得到的调查结果存在调查的主观偏差和样本的局限性问题。高校的教学选课系统是每个学生日常必须使用的。该文以清华大学为例,以其教学选课系统的日志数据为切入点,对线上教学前后同期学生的学习、生活特点进行解读。该文根据HTTP协议的特点对日志数据进行了清洗和整合,并以不同的视角对数据进行可视化和分析。该文发现,疫情期间至少98%的会话来自校园外。学生在脱离了校园环境后,访问教学选课系统的会话量下降了25%~47%,使用移动设备访问系统的人次下降了约7%,系统平均浏览时长下降了约8%。结果表明,线上教学期间学生对于校园学习、工作的积极性发生了明显的下降,需要学校更加重视对学生积极性与学习能动性的调动,从而改善教学质量。
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城市地下空间综合韧性防灾抗疫建设框架  收藏
邱桐, 陈湘生, 苏栋
清华大学学报(自然科学版)    2021, 61 (2): 117-127.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.21.020
Abstract  (0) HTML   PDF (5061KB) (154)
土木工程在2019年底全球爆发新型冠状病毒肺炎(COVID-19)疫情后将背负起城市综合韧性防灾抗疫建设的重大使命。该文提出了融合中国城市疫情防控的需求和城市地下空间的防灾抗疫韧性性能优势的综合发展方案,指出在城市地下空间进行疫情应急防控具有的安全稳定、与应急医疗条件相适应、可作为低能耗地下应急物资储藏仓库、可作为政府统一应急调度资源、与城市发展相适应等特点。构建了适合城市地下空间综合防灾抗疫韧性评估框架,对城市地下空间及既有抗疫设施进行韧性评估,通过对比分析获得地下空间在城市抗疫韧性的全面优势。在此基础上,分析了中国城市地下空间防灾抗疫关于“存量”“增量”“变量”及“统一调度”的韧性建设框架,并提出了城市地下空间综合韧性防灾抗疫建设框架,为韧性城市建设和城市地下空间开发提供参考。
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监控完全遮挡场景下火灾调查方法  收藏
王冠宁, 陈涛, 米文忠, 康彦武, 邓亮
清华大学学报(自然科学版)    2021, 61 (2): 128-134.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.22.029
Abstract  (0) HTML   PDF (8765KB) (68)
视频分析已成为火灾调查方法研究的热点领域。为解决火灾现场监控完全遮挡场景下火灾原因认定面临的重大困难,该文基于视频分析技术对监控完全遮挡场景下起火部位定位方法进行了研究。利用油盘火模拟室内火灾现场,布置彩色电荷耦合器(CCD)摄像机使之完全被遮挡,收集火灾现场监控视频进行分析。首先结合监控视频和现场勘验对火灾现场进行二维平面重建,其次通过光路分析对起火部位初步确定,然后通过图像亮度分析对起火部位进一步确定,最后利用单目视觉定位技术结合光路和亮度分析结果对起火部位进行精确定位。实验结果表明:针对监控完全遮挡场景所建立的基于光路和亮度分析的单目视觉定位方法,可以较好地实现起火部位的精确定位,为火灾事故调查工作的顺利开展提供了有力的工具。
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基于小波熵的化工园区流场不稳定性  收藏
周成龙, 陈涛
清华大学学报(自然科学版)    2021, 61 (2): 135-143.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.25.032
Abstract  (0) HTML   PDF (13058KB) (49)
石化园区的挥发性有机化合物(volatile organic compounds,VOCs)无组织排放的监测溯源技术是研究热点,而监测点处的局部流场特征是溯源的关键。针对大庆炼化芳烃抽提设备,该文设计了一套分布式监测溯源系统。采用数值仿真对自然风下的设备区瞬态流动进行了研究,基于小波熵理论对流场的时变信号进行了处理,并研究了各种参数与流场稳定性的相关性。结果表明:小波熵可以表征流场的稳定性,风向小波熵越大,流动的不稳定性越强。关联性分析表明风速小波熵以及风向方差与风向小波熵具有强相关性,可以共同作为风场不稳定性的评价指标。风速变化量与风向小波熵呈现中等程度负相关,而风向平均偏转量和风速方差与不稳定性无关。
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基于视频识别的混合非机动车速度分布模型  收藏
刘贺子, 陈涛
清华大学学报(自然科学版)    2021, 61 (2): 144-151.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.22.026
Abstract  (0) HTML   PDF (1298KB) (92)
中国非机动车出行近年来逐渐复兴并形成了复杂的混合交通流动,造成了交通运行和安全问题,因此对混合非机动车速度分布进行准确建模是重要的现实需求。该文首先介绍了利用深度神经网络进行多目标跟踪的数据采集方法,然后输入非机动车道的拍摄视频进行自动识别,高效获取实测数据;在对车速进行统计分析后,通过信息准则确定混合Gauss模型的最优组分,采用期望最大化算法求解模型参数的极大似然估计,并建立模型参数与道路运行状况和统计特征之间的联系。所使用的智能化视频识别方法提高了数据采集效率,求解参数前进行组分选择可以提高建模效率。拟合结果表明:混合Gauss模型对非机动车速度分布的描述比单分布模型更准确。在流动不受阻碍时,混合Gauss模型的结果以非机动车类型划分组分,其参数与速度均值、标准差及各类型车的比例相关;在高峰时,组分划分与根据流动状态进行分类是一致的,其中较快组分的平均速度接近车辆自由流动速度。
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IFC数据模型至关系型数据库模型的自动映射  收藏
郭红领, 周颖, 叶啸天, 罗柱邦, 薛帆
清华大学学报(自然科学版)    2021, 61 (2): 152-160.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.22.030
Abstract  (0) HTML   PDF (8532KB) (111)
建筑信息模型(BIM)为建筑业信息化提供重要支撑,而工业基础类(IFC)作为国际通用的数据模型,则为BIM的研究与应用提供了有效支持。然而,IFC的局限性使其不宜作为信息系统二次开发时数据存储的主要形式。为此,该文提出一种自动映射方法,实现IFC数据模型到关系型数据库模型的自动映射。根据IFC数据模型结构,依次定义实体、类型、函数、规则、属性集和数量集的映射规则,实现数据解析、数据映射存取和信息检索处理。通过2个案例探索映射得到的关系型数据库的专业应用前景,结果表明:映射得到的关系型数据库在信息传递完整性和数据管理效率方面均优于直接操作IFC文件,不仅能提高BIM数据管理的完整性和效率,还能促进智能建造的拓展应用和建筑业信息化的发展。
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面向航天器分离的高速索力传递特性  收藏
侯森浩, 唐晓强, 孙海宁, 崔志伟, 王殿君
清华大学学报(自然科学版)    2021, 61 (3): 177-182.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.26.012
Abstract  (0) HTML   PDF (3638KB) (269)
在航天器分离的地面模拟试验中,其受力状态的准确施加是试验的关键环节。该文基于航天器主动式分离试验方案,研究了航天器在高速分离过程中的绳索索力传递问题。首先通过Newton运动定律推导了绳索提升系统的动力学模型;然后引入测试函数,使用空间离散的方法对二阶偏微分方程求解,得到绳索在运动过程中的受力关系,并探索其对绳索索力的影响因素;最后通过数值仿真及实例进行验证。结果表明:该模型能够准确模拟绳索受力状态,对航天器主动式高速分离试验具有指导性意义。
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基于改进SIFT和SURF算法的沙丘图像配准  收藏
唐颖复, 王忠静, 张子雄
清华大学学报(自然科学版)    2021, 61 (2): 161-169.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.22.031
Abstract  (0) HTML   PDF (12374KB) (303)
单个沙丘的图像配准受到沙丘图像颜色相近、纹理相似和轮廓模糊等问题困扰,常用的特征提取和特征点配准方法易产生较多的错误匹配点。为了实现有效的单个沙丘跟踪,该文提出了适用于沙丘图像的基于相似三角形原理的尺度不变特征变换(SIFT)和快速鲁棒特征(SURF)的特征点筛选算法。该算法利用暴力匹配法匹配SIFT与SURF特征点,先根据K最近邻算法(KNN)初步筛选匹配点,再利用相似三角形原理对匹配点进一步筛选。将该算法应用于库姆塔格沙漠的沙丘图像配准,实例表明所提出的算法是一种适用性强、准确率高的沙丘图像配准算法。
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基于孔隙网络模型的电池热管理系统跨尺度分析  收藏
王屹航, 杨元凯, 刘通, 王沫然
清华大学学报(自然科学版)    2021, 61 (2): 170-176.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.22.018
Abstract  (0) HTML   PDF (3054KB) (158)
针对电池热管理系统进行跨尺度分析以提高电池安全性是当前产业界的迫切需求。该文将电池组类比为多孔介质,将电池热管理系统优化等效为多孔介质对流换热过程,采用具有计算高效、多物理场耦合能力强等优势的孔隙网络模型对实际电池热管理系统进行了多尺度分析。该方法在进行准确性验证后,可以有效建立电池单体与电池组整体之间的信息交互,并搭建电池热管理系统分析的跨尺度桥梁。该方法基于不同尺度下多孔介质流动和传热过程,为未来跨尺度方法的工程应用打下基础。
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索驱动TBot及Delta高速并联机器人的性能对比分析  收藏
彭发忠, 段金昊, 邵珠峰, 张兆坤, 王道明
清华大学学报(自然科学版)    2021, 61 (3): 183-192.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.26.027
Abstract  (0) HTML   PDF (7697KB) (152)
相较于串联机器人,并联机器人凭借刚度高、动态特性好和结构紧凑等构型优点,在高速分拣领域逐渐获得广泛应用。索驱动并联机器人采用索驱动代替刚性支链,使机器人结构得到有效简化,实现了大幅轻量化,有助于提升其动态特性,降低成本和功耗。该文设计了采用内部支链张紧的新型索驱动高速并联机器人TBot,该机器人与Delta并联机器人均面向高速分拣工况,可实现三维高速平动和绕动平台所在平面法向的单自由度转动。通过对比分析两者的差异,有助于明确索驱动和刚性并联机构的特性,定位亟待解决的关键技术,推动两者的研究和工业应用。在对Delta和TBot机器人进行运动学和动力学建模的基础上,仿真分析了给定“门”字轨迹下的运动学和动力学特性。仿真结果表明: TBot机器人具有机构简洁、能耗低、可达空间大等优势,具有较大的发展潜力。
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欠约束绳牵引并联支撑系统运动学分析与鲁棒控制  收藏
王晓光, 吴军, 林麒
清华大学学报(自然科学版)    2021, 61 (3): 193-201.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.26.026
Abstract  (0) HTML   PDF (1665KB) (71)
欠约束绳牵引并联机器人可以为风洞受迫/自由动态试验提供一种新的支撑方式。该文针对多输入、多输出、具有不确定性的欠约束绳牵引并联支撑系统,研究其运动特性并提出一种基于非线性干扰观测器的计算力矩控制方法。首先,针对欠约束系统几何静力耦合问题,采用自适应粒子群算法对运动学进行求解与分析,确定初始平衡状态。其次,采用计算力矩控制方法,并考虑实际系统存在外部干扰等,设计非线性干扰观测器予以补偿;基于Lyapunov函数法证明闭环系统的稳定性。最后,以风洞动态试验中典型的单自由度正弦振荡以及双自由度运动轨迹为例进行仿真。结果表明:该控制方法能够有效补偿外部干扰,在期望轨迹上可以实现高精度跟踪,且绳拉力始终保持张紧状态;同时还能模拟未受控方向的自由运动特性。上述研究成果可为欠约束绳牵引并联支撑在风洞试验中的实际应用提供技术支撑。
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基于平行绳索构型的柔性梁结构抑振控制  收藏
唐乐为, 石朋帅
清华大学学报(自然科学版)    2021, 61 (3): 202-208.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.26.024
Abstract  (0) HTML   PDF (5821KB) (100)
基于结构质量轻、载重比大和成本低等优点,大型桁架结构在航海和航天等领域得到了广泛应用。桁架结构在长径比较大时表现出一定的柔性,在外部激励作用下会引起设备振动,影响使用性能。该研究以Euler-Bernoulli梁作为柔性机构的简化模型,采用平行绳索构型的抑振结构,结合MATLAB/Simulink提出基于索力控制的柔性梁抑振控制方法。该文分析平行绳索构型的被动和主动抑振2种模式。结果表明:平行绳索构型抑振方案能够有效减少端点位置的振动,被动绳索抑振方案能快速抑制振动,但是索力无法控制;主动抑振方案能有效控制绳索索力大小,但是抑振时间相对较长。
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二自由度悬索并联机器人计算力矩控制  收藏
任凭, 何梦伊
清华大学学报(自然科学版)    2021, 61 (3): 209-216.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.26.028
Abstract  (0) HTML   PDF (3710KB) (74)
该文针对二自由度悬索并联机器人的轨迹跟踪控制进行计算力矩控制器设计。在处理悬索张力问题时,采用区间分析方法对由控制器参数与末端执行器初始状态构成的参数空间进行分析,确定满足悬索张力约束的解析充分条件以及可靠空间。该方法可以跟踪水平轨迹、竖直轨迹和圆周轨迹等典型周期轨迹,以及动态工作空间内的点对点轨迹。当初始状态位于期望轨迹之外时,该方法可以实现运动轨迹的自动过渡。仿真结果表明:可靠空间内的参数组合可以确保末端执行器以指数速率收敛于期望轨迹,并始终保持悬索张力为正。
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索牵引弹体装填机器人的尺寸优化设计  收藏
杨继锋, 姚蕊, 陈捷
清华大学学报(自然科学版)    2021, 61 (3): 217-223.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.26.025
Abstract  (0) HTML   PDF (6217KB) (63)
针对海军大型武器的对接装填自动化需求,为提高装填安全性和效率,该文提出一种三索并联机器人,实现弹体自动化转运和装填,并完成了该三索并联机器人的尺寸优化设计方法研究。考虑索塔高度对于建造难度、重量及成本等影响,将参数优化设计分为全局搜索优化及局部搜索优化。全局搜索通过对所有设计参数进行采样搜索得到索塔高度为关键设计参数,基于悬臂梁位移公式得到索塔高度及直径相关性,从而建立索塔高度与索力变化率的无量纲优化函数,得到索塔及索径优化结果。在全局搜索优化结果基础上,以最大索力最小化为设计参数优化指标,得到所有设计参数的优化值,并最终得到平动轨迹上的索力变化曲线。设计方案、优化方法及参数优化结果可为后续海军弹体装填自动化设备提供参考和依据。
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绳牵引并联机器人悬链线优化解算方法  收藏
韦慧玲, 仇原鹰, 盛英, 陈海初, 卢清华
清华大学学报(自然科学版)    2021, 61 (3): 224-229.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.26.019
Abstract  (0) HTML   PDF (1307KB) (53)
针对大跨度绳牵引并联机器人难以建立精确动力学模型的问题,该文提出一种绳索非线性悬链线模型降维优化解算方法。该方法首先通过柔索微分单元和积分法推导绳索悬链线模型的差分方程并确定其边界条件;根据系数矩阵行列式为零的方法对悬链线模型的超越方程进行降维;进一步通过换元法和Taylor展开方法求出悬链线模型的解析解;接着基于Newton迭代方法得出悬链线模型的精确数值解,分析数值解的取值范围确定其正确符号;最后,对降维优化解算方法的合理性和有效性通过实例计算进行了验证。研究成果可为绳牵引并联机构的动力学精确建模和稳定运动实时控制提供理论依据。
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可回收火箭动力着陆段在线制导算法  收藏
宋雨, 张伟, 苗新元, 张志国, 龚胜平
清华大学学报(自然科学版)    2021, 61 (3): 230-239.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.26.015
Abstract  (0) HTML   PDF (1294KB) (83)
针对火箭垂直回收精确着陆问题,该文研究了基于凸优化的在线制导算法,提出了一种制导、导航与控制一体化闭环数值仿真方法。通过无损凸化和逐次凸化方法,将火箭回收段制导问题转化为二阶锥优化问题,并结合内点法将该特定问题进行定制求解。研究了在随机大气扰动、发动机节流特性、导航系统随机偏差以及系统整体时延等多重不确定因素作用下算法的鲁棒性。通过对问题进行定制化求解,该算法具备毫秒级的收敛特性,且具有较高的算法鲁棒性。在动力学环境扰动、控制和导航系统偏差以及系统整体延时等不同扰动的组合作用下,该算法的仿真结果满足火箭回收精确软着陆的要求。
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机动卫星星座对多目标成像任务规划  收藏
甘岚, 龚胜平
清华大学学报(自然科学版)    2021, 61 (3): 240-247.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.26.013
Abstract  (0) HTML   PDF (1147KB) (60)
在卫星对地观测任务中,需要研究卫星星座的快速机动及任务规划方法。该文研究了机动卫星星座对多目标的成像任务规划算法。提出了单颗太阳同步圆轨道卫星对单个点目标的可见性分析方法,结合解析方法与数值方法,得到目标的可见性,并给出卫星轨道机动及构型返回策略。在对多目标成像任务规划中,生成变轨策略集,并利用遗传算法求解任务规划问题,提高了计算效率。仿真结果表明:该方法准确性高,提高了星座的观测能力和平均目标观测次数。
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基于匹配滤波器和度量学习的脑电信号分类  收藏
刘宏马, 王生进
清华大学学报(自然科学版)    2021, 61 (3): 248-253.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.22.024
Abstract  (0) HTML   PDF (1637KB) (75)
脑电信号识别和脑机接口技术是人机交互领域的热点问题。当前脑电信号分类方法模型复杂,难以实际应用。该文提出基于匹配滤波器的脑电信号分类框架:根据脑电信号特点和假设检验建立生成式模型,并基于Gauss噪声假设推导出一个简单的线性判定算子;利用度量学习方法估计主信号分量和最优协方差矩阵,进一步增强分类器的鉴别力。实验结果表明:所推导出的线性判定算子分类精度和计算复杂度都优于其他算法,能够满足实际应用需求。
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基于气味奖励引导的Q-learning环境认知方法  收藏
阮晓钢, 刘鹏飞, 朱晓庆
清华大学学报(自然科学版)    2021, 61 (3): 254-260.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.25.036
Abstract  (0) HTML   PDF (6290KB) (58)
Q-learning作为一种无模型的值迭代强化学习算法,被广泛应用于移动机器人在非结构环境下的导航任务中。针对Q-learning在移动机器人导航中环境探索和利用存在矛盾关系导致收敛速度慢的问题,该文在Q-learning算法的基础上,受啮齿类动物可以利用嗅觉线索来进行空间定向和导航的启发,提出一种基于气味奖励引导的Q-learning环境认知策略。该算法通过改善Q-learning中的动作选择策略来减少对环境的无用探索,在动作选择策略中融入了环境气味奖励的引导,并提出了嗅觉因子来平衡动作选择策略中Q-learning和气味奖励引导的权重关系。为了验证算法的有效性,在Tolman老鼠实验所用的迷宫环境中进行了仿真实验,动态仿真结果表明,相比Q-learning算法,基于气味奖励引导的Q-learning算法在环境认知过程中,可减少对环境的无用探索,并增强对环境的认知学习能力,且提高算法的收敛速度。
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阶梯状声扩散体排布方式对扩散性能影响分析  收藏
汪俊东, 赵越喆
清华大学学报(自然科学版)    2021, 61 (3): 261-268.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.26.020
Abstract  (0) HTML   PDF (1226KB) (44)
应用时域有限差分法计算阶梯状声扩散体的反射声场,通过理论计算结果和全消声室测量结果对比证明了计算方法的有效性。在近似远场条件下,传声器、声源与扩散体之间的距离对扩散系数计算结果没有影响。将声场时域有限差分法与免疫遗传算法相结合对单周期六阶阶梯状扩散体的形体进行优化。优化后的单周期扩散体的扩散性能优于原扩散体,但经周期排布后,两者的扩散性能均降低。依二进制序列排布正反相扩散体,通过寻优计算得到扩散体排布,其整体扩散性能优于传统的周期重复排布方式,但没能获得平直的扩散系数频率特性曲线。将优化后的阶梯状扩散体与原扩散体按照二进制序列混合排布,通过寻优计算得到扩散体排布进一步提高了整体扩散性能。
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双堆点亮清华梦,一甲绽开百拾香——清华大学110周年校庆暨核研院60周年院庆专刊序言  收藏
清华大学核能与新能源技术研究院
清华大学学报(自然科学版)    2021, 61 (4): 269-269.  
Abstract  (0) HTML   PDF (645KB) (58)
2021年,清华大学迎来110周年华诞。清华大学秉持自强不息、厚德载物的校训,坚持“顶天、立地、树人”的宗旨,开创了中西融汇、古今贯通、文理渗透的办学风格,不断深化教育教学改革创新,为中国乃至世界培养了一大批优秀人才,在社会主义现代化的各项事业中作出了巨大贡献。
与此同时,清华大学核能与新能源技术研究院(简称“核研院”)也在2020年迎来60周年院庆。核研院自诞生之日起就为国而生,为国而长。60年来,以“两弹”精神为鼓舞,数十年如一日沉潜砥砺,不慕虚名,踏实前行。在党和国家的领导下,一代代核研院人牢记“建堆报国,建堆育人”的初心使命,攻坚克难,瞄准国家重大战略需求,坚持核心技术自主创新,取得了一批国内首创、世界先进的重大科技创新成果,并为国家核能发展事业培养了大批学术型人才及工程领军人才。
核研院以核为主要研究特色,聚焦核能科学与工程、核燃料循环与材料、核环境、能源系统分析与气候变化、新能源等领域,覆盖反应堆物理、热工、机械、电气、控制、材料等诸多学科,是跨学科战略性高技术研究院。核研院坚持攻关高温气冷堆示范工程关键技术,如主氦风机的研制、基于TRISO颗粒的球形燃料元件生产技术、关键设备的自主创新等,并推进世界首座具有第四代核能系统特征的模块式高温气冷堆示范电站HTR-PM的建成;发展满足小功率用户需求的小型核反应堆,其中自主研发的一体化自然循环低温供热堆技术NHR200-Ⅱ已卓有成效;进行核安全评审,对核电及各种发电技术进行环境影响综合评价,为电力行业低碳转型提供技术支撑;发展海水提铀、核能制氢和氢储能技术等。
“水木清华百十年,建堆报国任担肩,李桃并放虽云盛,只照丹心更向前!”。2021年,为迎接清华大学建校110周年校庆,
在《清华大学学报(自然科学版)》编辑部的大力支持下,核研院精心组织本专刊,专刊组稿也得到了广大师生的积极响应。
本期专刊精选11篇综述和论文,有代表性地报道展示清华大学核研院在技术创新、产业化领域取得的最新重要研究进展。借此机会,祝清华大学及核研院在新的历史时期能取得更辉煌的成就!
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高温气冷堆关键材料技术发展战略  收藏
史力, 赵加清, 刘兵, 李晓伟, 雒晓卫, 张征明, 张平, 孙立斌, 吴莘馨
清华大学学报(自然科学版)    2021, 61 (4): 270-278.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.25.031
Abstract  (0) HTML   PDF (1017KB) (122)
在我国核电技术自主化发展过程中,堆本体、燃料组件和蒸发器等主要设备的关键材料自主化是一个重要的基础问题。对于高温气冷堆(high temperature gas-cooled reactor,HTGR),这些关键材料主要涵盖核燃料、高温金属、核石墨、压力容器材料、高温气冷堆制氢相关材料等。受国内材料研发和制造水平所限,高温气冷堆部分关键材料仍采用国外进口材料。该文针对我国高温气冷堆核能技术所需的关键材料技术开展战略研究,研究关键材料的内容和范围、制造产业链、表征和应用等,提出对高温堆技术发展具有支撑性作用的关键材料体系及其工程化技术,并给出技术发展规划和建议。
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海水提铀材料研究进展  收藏
刘泽宇, 谢忆, 王一凡, 胡铜洋, 叶钢, 陈靖
清华大学学报(自然科学版)    2021, 61 (4): 279-301.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.25.016
Abstract  (0) HTML   PDF (21156KB) (164)
铀资源是核工业发展中不可或缺的重要战略资源,发展海水提铀对于保障核能可持续发展和推进海洋资源综合利用具有重要战略意义。实现海水提铀的工程化从根本上依赖于对海水中碳酸铀酰离子具有高效富集能力且综合性能优良的吸附材料。作为海水提铀的明星材料,偕胺肟功能化聚合物因其对铀特殊的亲和力,一直受到国际国内广泛的关注。近年来,结合电化学、光化学和生物化学等交叉领域的研究进展,高吸附容量、高选择性的海水提铀材料也不断涌现。该文立足海水提铀材料的设计思路和合成策略,介绍了近年来国内外海水提铀材料的研究进展,阐明了目前海水提铀面临的关键问题和挑战,分析了海水提铀工程化的经济性,并对未来发展研究方向进行了展望。
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能源互联网推动下的氢能发展  收藏
曹军文, 郑云, 张文强, 于波
清华大学学报(自然科学版)    2021, 61 (4): 302-311.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.25.007
Abstract  (0) HTML   PDF (10076KB) (94)
随着当前以化石燃料为主的能源体系资源消耗和环境污染问题日益严重,能源结构转型已经成为世界能源体系发展的重要趋势。能源互联网是以信息传递为基础,以可再生能源和核能为主要一次能源供体,以电能为核心,以储能技术为媒介的新型能源体系,具有智能化、清洁化、操作灵活化等优点,是未来能源结构发展的理想形式。氢能具有热值高、无污染、可再生、长周期储存和远距离运输等优点,能够实现“可再生能源-电能-氢能”的多样化转换,可作为能量储存、传递和转换媒介在能源互联网构建中发挥重要作用。该文从能源互联网的概念出发,阐述了氢能在能源互联网中的重要地位,并结合清华大学核能与新能源技术研究院(简称核研院)在核能制氢方面的研究成果,综述了氢能和氢储能技术在能源互联网体系下的关键技术的发展现状,并对氢储能技术的未来发展做出展望。
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先进核燃料循环中基于二硫代次膦酸配体的三价镧锕分离研究:从基础化学到流程开发  收藏
严强, 徐超, 陈靖
清华大学学报(自然科学版)    2021, 61 (4): 312-321.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.21.024
Abstract  (0) HTML   PDF (3487KB) (44)
三价镧系与锕系离子具有极其接近的电荷密度、离子半径和物理化学性质,它们的分离是先进核燃料循环领域的关键挑战之一,同时也是世界性的难题。该文综述了20多年来二硫代次膦酸配体在三价镧锕离子分离方面的研究和应用进展,其中重点介绍了清华大学在该领域的研究工作。最后,对未来的研究方向进行了展望。
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小型一体化全功率自然循环压水堆NHR200-II技术特点及热力市场应用分析  收藏
郝文涛, 张亚军, 杨星团, 郭文利
清华大学学报(自然科学版)    2021, 61 (4): 322-328.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.25.025
Abstract  (0) HTML   PDF (4182KB) (62)
在减少温室气体排放、缓解空气污染的需求背景下,减少化石能源消耗、增加核能在一次能源消耗中的占比,已成为科技界和产业界的共识。清华大学聚焦居民供热、工业蒸汽、海水淡化等需求,同时兼顾偏远地区发电需要,自主研发了能够产生1.6 MPa饱和蒸汽的小型模块化压水堆NHR200-Ⅱ。该堆采用一体化布置、全功率自然循环、自稳压、非能动安全的设计理念,设有中间隔离回路,可实际消除大规模放射性释放、技术上无需采取场外应急措施,可贴近城市周边和最终用户建设;同时,系统设计简化、运行操纵简单、放射性废物量少,保障了该技术具有经济竞争力。经过试验堆建设和30余年的持续攻关,该技术已具备示范应用条件。
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高温气冷堆示范工程螺旋管式直流蒸汽发生器工程验证试验  收藏
李晓伟, 吴莘馨, 张作义, 赵加清, 雒晓卫
清华大学学报(自然科学版)    2021, 61 (4): 329-337.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.25.029
Abstract  (0) HTML   PDF (5209KB) (51)
研发一种新型蒸汽发生器必须进行一定规模的工程验证试验。清华大学核能与新能源技术研究院在其实验基地建设了高温气冷堆示范工程(HTR-PM)螺旋管式直流蒸汽发生器的工程验证试验回路(engineering test facility for steam generator,ETF-SG)。工程验证试验回路能够模拟HTR-PM运行参数,可对HTR-PM蒸汽发生器一个换热组件进行1∶1的工程验证试验。回路设计热功率10 MW,氦回路设计压力8 MPa,最高设计温度800℃,二回路设计压力18 MPa,最高设计温度600℃。在工程验证试验回路上针对高温气冷堆蒸汽发生器完成了几十项热工水力试验,对蒸汽发生器的温度均匀性、堵管后温度分布及其温度展平调节、热工水力瞬态特性、两相流不稳定性等进行了试验研究,验证了HTR-PM螺旋管式直流蒸汽发生器的热工水力和结构设计,并为其调试、运行、低功率及启停工况参数的确定提供了重要数据和参考。
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一体化水堆内置式控制棒水压驱动技术研究  收藏
薄涵亮, 王大中, 张作义, 姜胜耀, 张亚军, 秦本科, 赵陈儒, 刘潜峰, 王金海
清华大学学报(自然科学版)    2021, 61 (4): 338-349.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.25.013
Abstract  (0) HTML   PDF (12818KB) (76)
安全性和经济性满足较小功率用户需求的小型核反应堆为近年来的研究热点,一体化布置水冷反应堆为小型核反应堆的主要堆型之一。核反应堆控制棒驱动机构是反应堆最关键的安全设备,担负着反应堆的启动、功率调节及停堆等重要功能。该文给出一种应用于一体化布置水冷反应堆的内置式控制棒水压驱动技术,包括功率小于50 MW的A型和热功率50~300 MW的B型2种整体设计方案、部件组成、主要功能和性能等工程研究和应用。为一体化水堆提供了完整的内置式控制棒驱动线,包括其部件组成、联接结构、固定方式和功能;降低了反应堆高度;避免了弹棒事故,增强了反应堆安全性;使一体化布置反应堆更加紧凑、体积小、自然循环能力加强。
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