2016年, 第56卷, 第4期　
刊出日期：2016-04-15

  

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土木工程
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  带刚度退化的一种自复位混凝土桥墩简化分析模型

  刘晖, 何铭华, 辛克贵, 郭佳, 刘文

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(4): 341-347. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.24.001

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  自复位混凝土桥墩(SCCP)能够在抵御强震后有效控制残余变形,是一种具备优良抗震性能的新型桥墩体系。该文针对新型自复位混凝土桥墩,提出一种自复位混凝土桥墩损伤演化过程的简化分析模型,系统地描述了循环加载过程中滞回曲线的各个主要环节。在损伤演化分析中,通过引入3个损伤因子γ_u、γ_c和γ_r,阐明循环增大的侧向位移可能导致的3种损伤来源。通过与既有的试验数据的对比分析,验证了该文提出的简化分析模型的准确性和有效性。
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  基于键-值缓存的IFC模型Web应用技术

  刘强, 张建平, 胡振中

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(4): 348-353,359. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.24.002

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  近年来,基于工业基础类(IFC)标准的建筑信息模型(BIM)应用技术得到快速发展,但现有的技术和方法难以支持面向互联网的IFC模型对象传输和查询等应用。为实现IFC模型在Web中的应用,该文使用JSON格式建立了一种面向网络的IFC对象模型,使用分布式的键-值存储系统Redis建立了IFC数据的高速缓存,并基于以上对象模型和缓存技术提出了IFC数据的分步、动态解析方法,实现了大容量IFC数据的轻量化、标准化的网络传输和高速动态解析。验证表明:该模型和技术可以支持面向互联网的BIM应用,并且能够大幅提升IFC数据文件的解析效率,可将大容量(超过30 MB)IFC文件的解析速度提升1倍以上,具有较高的使用价值和应用前景。
水利水电工程
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  国际EPC水电项目设计激励机理

  唐文哲, 王腾飞, 孙洪昕, 漆大山

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(4): 354-359. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.24.003

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  提高中国水电施工企业作为国际设计-采购-施工(EPC)项目总承包商的设计管理能力有助于指导中国企业开拓国际水电市场。该文基于博弈理论,构建了总承包商与设计方之间的单期-多期激励模型,根据双方努力水平与收益矩阵变化,演绎了双方之间激励作用机理。基于7个国际水电EPC项目案例,对模型分析进行了实证检验。结果表明:1)设置激励机制有利于促进总承包商和设计方提高努力水平,优化设计,进而提升双方收益;2)单期激励对设计优化有促进作用,但设计方存在"机会主义"动机,激励效果不稳定;3)多期激励基于长期合作共赢理念,可维护总承包商和设计方之间合作关系的稳定性,激励效果更为明显;4)总承包商在EPC项目设计管理中应择优选择设计方、加强设计评审,并同设计方建立长期合作伙伴关系。
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  基于伙伴关系的国际EPC水电项目设计管理

  王腾飞, 唐文哲, 漆大山, 杜蕾

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(4): 360-364,372. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.24.004

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  提升中国水电施工企业作为国际设计-采购-施工(EPC)项目总承包商的设计管理水平有利于增强中国企业的国际竞争力。基于文献调研,该文构建了基于伙伴关系的国际工程EPC项目设计管理模型,分析了伙伴关系、设计管理和项目绩效之间的作用机理,并利用从6个国家的7个大型EPC水电项目收集的数据进行了实证检验。通过信度效度检验、因子分析和路径分析,得出主要结论有:1)EPC总承包商设计管理重点可解构为制度建设、争端处理、方案优化以及技术提升4个因子;2)伙伴关系、设计管理与项目绩效之间存在正向促进关系,设计管理对项目绩效提升有显著促进作用,伙伴关系不仅可以通过促进设计管理提升项目绩效,还可以直接改善项目绩效。
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  基于社会水文耦合模型的干旱区节水农业水土政策比较

  刘烨, 田富强

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(4): 365-372. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.24.005

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  干旱区节水农业发展过程中,不合理的水土政策可能导致农业用水增加的灌溉效率悖论现象,需要评价水土政策对节水农业发展的影响。该文建立了社会水文耦合模型,包含水土政策、灌溉面积、灌溉用水和环境指标等模块,反映人类政策行为与自然环境变化之间的动态反馈关系。基于该模型,以新疆巴音郭楞蒙古自治州地区1998-2010年节水农业发展过程为例,设置弱、低、中和强这4种耕地限制力度情景,分析不同情景下干旱区节水农业发展特征。对反映现状的弱耕地限制力度情景的模拟有效解释了"灌溉效率悖论"现象的发展过程机理。进一步情景对比分析显示:在耕地低限制力度情景和中限制力度情景下,2005年后灌溉用水总量趋于稳定且灌溉面积仍出现较快增长;在强耕地限制力度情景下,农户的节水能力和动力受到限制,1998-2010年间灌溉用水总量呈现持续上升的趋势,灌溉面积和节水灌溉面积均增长缓慢,农业经济发展受到抑制。该文的结果表明:基于社会水文耦合模型建立的水土政策分析评价框架,能够揭示导致灌溉效率悖论的水土政策作用机理,从而为干旱区节水农业水土政策的制定提供评价方法和理论支撑。
  
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  新疆绿洲棉田盐分及作物生长对灌溉方式的响应

  胡宏昌, 张治, 田富强, 杨鹏举, 倪广恒, 姚新华

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(4): 373-380. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.24.006

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  干旱地区的水资源短缺使得膜下滴灌逐渐取代大水漫灌,在新疆及中国北方地区得到大面积推广应用。为研究灌溉方式转变后的土壤盐分动态及对作物生长和产量的影响,于2011年和2012年开展了棉田膜下滴灌和漫灌对比实验。基于6900个土壤样本的水、盐结果及相关的作物观测数据,结果表明:膜下滴灌下,50 cm土壤深度内盐分在出苗期和灌溉期升高约25%,呈现出累积趋势;而漫灌条件下,灌溉期盐分得到充分淋洗,降低明显;滴灌盐分的入渗深度约为50 cm,而漫灌则达到150 cm以上。作为对土壤水盐分布改变的响应,膜下滴灌根系更为发达,滴灌条件下棉花根系总量是漫灌条件下的1.6倍;膜下滴灌和漫灌的水分利用效率(WUE)分别是0.68 kg/m³和0.22 kg/m³。膜下滴灌实现了良好的经济和环境效益,但在长期应用条件下需注意防治淋洗水量不足引发的盐碱化风险。
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  1956-2010年中国降雪特征变化

  章诞武, 丛振涛, 倪广恒

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(4): 381-386,393. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.24.007

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  降雪特征变化是气候变化的重要组成之一。降雪特征变化一方面影响流域径流总量,另一方面改变流域年内径流的分布。该文基于中国743个国家气象站1956-2010年日气象观测数据,在降雪辨识基础上,插值计算10 km网格日降雪,然后从不同时间尺度分析了降雪特征变化。结果表明:除长江中下游外,中国主要降雪区域年降雪量都显著增加,并且存在"少-多-少"的代际变化模态;降雪在年内没有显著的集中趋势,有利于形成积雪,利于增加流域水资源量。长江中下游地区的降雪年内集中,年总降雪由主要日降雪事件构成,降雪对该地区的径流过程影响不大。
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  山地灌溉管道水力特性的数值模拟

  刘家宏, 周晋军, 王浩, 吕宏兴

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(4): 387-393. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.24.008

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  有压管道的水力特性是管道设计工作的依据和前提。为研究山地灌溉输水管道水力特性,该文建立山地灌溉输水管道水动力学数学模型,运用计算流体动力学数值模拟方法,对有压灌溉管道中凸起管段的水力特性进行模拟。该文以输入流量为控制变量,计算管道水流能量损失,分析了Re与管道凸起段135°弯头局部阻力系数的关系;研究输水管道凸起段水压和流速分布特性。结果表明:当Re<5.0×10⁴时弯头局部阻力系数随着Re增大而迅速减小,当Re>7.0×10⁴时弯头局部阻力系数趋于稳定,当2.3×10⁴ 4时,弯头Ⅰ、弯头Ⅱ、弯头Ⅲ、弯头Ⅳ局部阻力系数变幅范围为4.12~0.37;弯头处静压分布均表现出外侧压力大,内侧压力小;速度值的大小均表现为弯头外侧速度小,内侧速度大。
建设管理
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  基于成本弹性的中国房地产上市公司规模经济状况

  张红, 陈嘉伟, 王悦, 李维娜

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(4): 394-398,405. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.24.009

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  准确掌握房地产企业规模经济状况是优化企业规模的前提。利用38家房地产上市公司2005-2011年的数据,采用超越对数成本函数模型测算成本弹性,判断房地产上市公司的整体规模经济状况,并从资产规模、所有权性质和进驻城市数量等角度分析各类房地产上市公司的规模经济特点。结果表明:1)中国房地产上市公司整体存在规模经济,且随时间推移,规模经济状况在逐渐优化;2) 2005-2011年,存在规模经济的房地产上市公司数为26家,占样本数的68.4%;总资产在50~100亿元的房地产上市公司规模经济状况优于其他公司;民营公司规模经济状况优于国有公司;进驻10个城市以下的公司规模经济状况优于进驻10个城市及以上的公司。
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  基于数理模型的二手房买卖经纪模式仿真比较

  张红, 张洋, 李维娜, 徐照

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(4): 399-405. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.24.010

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  为研究二手房买卖经纪模式对买方效用的影响,比较不同经纪模式下的买方效用,基于对现实二手房买卖过程及特点的分析,分别构建"单一经纪人"和"双经纪人"模式下的买方效用数理模型并进行求解,最后采用Matlab工具对这2种经纪模式下的买方效用及相关指标进行仿真比较。研究结果表明:1)与"双经纪人"模式相比,"单一经纪人"模式下的买方佣金激励程度小,但经纪人搜寻努力高且买方效用大;2)在其他条件不变的情况下,从买方效用的角度分析,二手房买卖过程中的买方应选择"单一经纪人"模式,以达到促进交易进程的目标。
  
工程物理
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  基于有限元仿真的磁感应肿瘤治疗设备线圈优化设计

  武建安, 吴祖河, 王亨, 李利亚, 唐劲天

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(4): 406-410,416. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.24.011

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  在针对头部肿瘤的线圈式磁感应肿瘤治疗设备设计中,为了提高治疗磁场的强度与均匀度,需要对传统的圆形同轴线圈进行改进。根据临床需求和理论分析,采用D形线圈设计,并通过软件仿真与实际测量加以评估。结果表明:在相同条件下D形线圈与圆形线圈相比其中心磁场强度提高了约5.9%,有效治疗空间增加了约4.6%,设备性能有了一定的提高。线圈电感值的仿真与实际测量结果均符合设备要求。
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  基于信息传递效率的地铁网络小世界特性评价

  王志如, 苏国锋, 梁作论

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(4): 411-416. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.24.012

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  为了差异化直接相邻和间接相邻的车站对信息传递效率的影响,该文建立了基于信息传递效率的聚类系数模型,构建了地铁网络小世界特性评价方法。通过对全球52个城市的地铁网络样本的小世界特征值计算,得到基于信息传递效率的聚类系数算法的聚类系数值在0.195~0.407之间,平均值为0.29,虽然小于以线路为演化单位的公共交通网络中P空间(Space-of-Stops)下的聚类系数值,仍然远大于相同规模的随机网络聚类系数值(0.01~0.16,平均值为0.06)。故认为基于信息传递效率的聚类系数算法能够更加严格地评价物理网络是否具有小世界特性。在此方法下,52个样本城市地铁网络仍具有小世界特性。
经济与管理
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  中国内陆与沿海的CO₂排放:基于最终产品生产的不同视角

  潘文卿, 张润君, 潘元鸽

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(4): 417-423. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.24.013

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  该文将中国2007年八地区投入产出表合并为沿海与内陆两区域表,并基于两地区投入产出模型及溢出与反馈效应分解技术,从最终产品的生产出发,试图回答"谁实际排放了CO₂"以及"谁实际引发了CO₂的排放"不同视角的问题。结果表明:从"实际排放"角度测算,中国内陆比沿海多排放CO₂12亿t,但从"实际引发"角度测算,沿海比内陆实际多引发了CO₂排放5.7亿t,表明中国也存在着沿海地区向内陆地区的"碳泄露"现象。因此,单纯的"谁排放,谁担责"原则有失公允。进一步从产业层面考察CO₂实际排放与引发排放的差异表明:电力供应、化学工业等传统的高能耗产业虽然实际排放的CO₂最多,但它们并不是主要引发CO₂排放的产业,而建筑业则在沿海与内陆都成为引发CO₂排放最为主要的产业部门。
化学与化学工程
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  基于结构导向集总的石油馏分分子重构模型

  邱彤, 陈金财, 方舟

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(4): 424-429. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.24.014

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  为了对石油馏分进行分子层面的研究,从而实现炼油过程的分子管理,该文在结构导向集总模型的基础上提出了一种新的石油馏分分子重构模型。首先,模型选取了22个基本结构并对相关约束条件进行了设定。然后,利用Monte Carlo方法随机生成1000个虚拟分子。最后,根据信息熵最大化原则调整虚拟分子含量。将此模型应用于石油馏分的分子重构,各项性质的计算结果与实验标定数据的相对误差小于3%。
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  基于多模型切换策略的精馏塔最优控制

  王振雷, 陈登乾, 王昕

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(4): 430-436. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.24.015

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  为了解决由于精馏塔具有非线性、随机干扰量大等特点导致的模型参数发生变化带来的控制问题,该文提出了将多模型切换控制方法和线性二次型调节器(LQR)优化方法相结合的控制策略。该方法结合了这2种方法的优势。首先对变化区间进行分解;然后建立子模型,形成模型集。接着采用LQR优化方法对子模型设计优控制器,再根据性能指标函数切换控制器,保证在任一时刻,系统都得到最优控制律;最后将该文提出的新方法与单独LQR优化方法进行比较。对比结果表明:当模型参数Par=20跳变到Par=19.5的时候,精馏塔塔顶和塔底轻组分的摩尔分数仍然能够稳定。
自动化
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  一种求解炼油厂连续时间调度模型的Lagrange分解算法

  施磊, 江永亨, 王凌, 黄德先

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(4): 437-447. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.24.016

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  在炼油厂连续时间调度模型中,随着调度问题规模的增大,求解耗时会显著增长。该文提出了一种基于Lagrange分解的求解算法。根据炼油厂生产流程特点,将调度模型分解成9个子问题,并在子问题中加入辅助约束加快Lagrange乘子收敛。针对问题特点设计了乘子初始化方案、乘子迭代方案和对偶解可行化方法。案例仿真选用了3个具有不同调度周期和订单数量的案例进行仿真,结果表明:采用该文提出的算法能够显著提高模型的求解效率,算法求解时间与直接求解和普通Lagrange分解算法相比都要少,且随着问题规模的增大优势会更明显。从求解结果上看,算法能够得到原问题的最优解或者近似最优解。
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  工业过程多变量系统常规控制结构的频域设计

  许锋, 潘琦, 王一岚, 罗雄麟

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(4): 448-452. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.24.017

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  多变量常规分散PID (proportional-integral-differential)控制系统设计的首要工作是进行常规控制系统的结构设计,即对被控变量和操纵变量进行配对。该文在相对增益阵的基础上,充分利用过程频域动态信息,提出了一种控制回路配对的频域方法。首先提出相对频率增益的概念,将其定义为特定输入输出通道的开环频率增益和闭环频率增益之比。然后通过在整个频率范围内计算相对频率增益与(1,j0)点的平均距离导出特定输入输出通道的耦合衡量系数。最后基于耦合衡量系数矩阵提出一种控制回路配对准则,应用该准则进行常规控制系统的结构设计。通过实例分析表明:与基于时域信息的相对增益阵及其改进方法相比,本文配对方法不但能获得正确的配对结果,而且简单有效,易于处理纯滞后过程、积分过程和不稳定过程。