2023年, 第63卷, 第5期　
刊出日期：2023-05-15

  

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过程系统工程
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  基于理论可行性的生物合成路径评估方法

  魏奕新, 韩一蕾, 卢滇楠, 邱彤

  清华大学学报（自然科学版）. 2023, 63(5): 697-703. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.22.001

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  合成生物学是实现化工绿色化、可持续发展的有效方法之一。代谢途径重构是合成生物学中工业菌种开发与化学品生物催化合成的关键步骤,目的在于确定宿主内合成目标化合物的反应路径与底物,是酶定向进化、实现目标物质生物合成的基础。考虑到生物代谢网络的复杂性,代谢途径重构一般会得到较为庞大的路径结果。为了提高效率、减少无效的实验尝试,合理、有效的路径评估与筛选是重要与必须的。针对已有路径评估方法存在的问题,该文构建了一种生物合成路径评估与排序方法,设计了6个反映路径理论可行性的评估指标,结合层次分析法实现了合理、可解释的路径推荐。通过实例测试,证明了所提出的路径评估方法的有效性。该路径评估方法可降低实验的试错成本,为增加生物逆合成工具的实用性提供了基础。
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  膜分离耦合电化学氢泵提氦工艺设计与优化

  程安迪, 刘世帅, 吴雪梅, 姜晓滨, 贺高红, 王璠, 杜国栋, 肖武

  清华大学学报（自然科学版）. 2023, 63(5): 704-713. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.21.040

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  深冷精馏的氦气富集工艺存在能耗高、投资大,催化氧化法脱氢会引入新杂质(O₂、H₂O等)的问题,因此提出基于膜分离耦合电化学氢泵的脱氮单元尾气提氦工艺。二级膜分离富集氦气,电化学氢泵分离氢气/氦气,一步实现高效脱氢提氦和氢气资源化利用。基于课题组自主开发的膜分离和电化学氢泵单元模块,利用Aspen HYSYS对耦合工艺进行了建模及数据分析,并结合灵敏度分析法和响应面法对工艺关键参数进行了优化。最优工艺条件是第1、2级膜面积分别为4 759.5和435.3 m²,第1、2级膜进料绝对压强分别为6 010.3和4 352.5 kPa,第1、2级电化学氢泵的膜电极面积分别为39和17 m²,施加电势均为1 V。该条件下,产品氦气摩尔含量为99.99%,总回收率为95.67%,同时副产燃料电池车用标准的氢气。经济评价结果表明,在考虑氢气副产品附加值的条件下,耦合工艺高纯氦气生产成本为标准状态下125.47元/m³,动态投资回收期为2.09 a,内部收益率为79%,具有显著的经济优势。
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  丙烯/丙烷在分子筛上吸附热力学的Monte Carlo模拟

  赵丽, 何畅, 舒逸聃, 陈清林, 张冰剑

  清华大学学报（自然科学版）. 2023, 63(5): 714-722. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.26.003

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  运用Monte Carlo方法,模拟了300 K、101 kPa条件下丙烯(C₃H₆)和丙烷(C₃H₈)单组分以及二元混合组分气体在DD3R、ITQ-32、Si-CHA、Si-SAS、ITQ-12和ITQ-3共6种纯硅分子筛上的吸附过程。Si-CHA和Si-SAS分子筛对C₃H₆和C₃H₈单组分气体的吸附量较大。6种分子筛在300 K时的吸附等温线均属于Ⅰ类Dubinin-Radushkevich (D-R)型,揭示了吸附质在微孔内发生体积填充的过程,Si-SAS分子筛对C₃H₆的吸附量随温度升高而降低。Si-SAS分子筛对C₃H₆/C₃H₈二元混合物的C₃H₆吸附量为2.26 mmol/g,选择性为3.94,是分离二者的最佳吸附剂,进一步发现分子筛的选择性与等量吸附热差值ΔQ_st及C₃H₆吸附量与分子筛孔体积之间存在正相关关系。
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  基于压缩机选型的炼厂氢网络集成

  周迎千, 冯霄, 杨敏博

  清华大学学报（自然科学版）. 2023, 63(5): 723-729. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.25.050

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  随着原油劣质化趋势加重,炼厂的氢气(H₂)需求日益增加,通过氢网络集成提高氢气的利用效率变得至关重要。压缩机费用是炼厂氢网络中除新氢外的第二大费用,往复式压缩机和离心式压缩机被广泛用于氢气输送网络。该文提出了一种考虑多级离心式压缩机和多级往复式压缩机选型的超结构,约束条件包括压缩机的流量和出口压力;基于此超结构建立了一个混合整数非线性规划模型,以最小总年化成本为目标函数,其中综合考虑了新氢的成本、压缩机的投资费用和操作费用;并通过案例分析证明了模型的实用性。
大数据
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  基于无监督学习的智能数据中心电力拓扑系统

  贾鹏, 王平辉, 陈品安, 陈奕超, 何诚, 刘炯宙, 管晓宏

  清华大学学报（自然科学版）. 2023, 63(5): 730-739. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.21.039

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  在任务关键型云计算服务中,构建准确的数据中心电力拓扑结构对于实现快速准确的故障处理,减轻故障事件对云计算服务质量的损害十分重要。但目前数据中心电力拓扑结构的生成过程具有劳动密集型的特点,其准确性难以得到有效评估和保障。该文设计了一种基于无监督学习的智能数据中心电力拓扑系统(intelligent data center power topology system,IPTS),不仅可为电力系统的运行部分自动生成实时变化的电力拓扑结构,而且可利用电力系统的监控数据对人工构建的数据中心电力拓扑结构进行验证。实验结果表明,IPTS可自动生成准确的数据中心电力拓扑结构,一致性比率(CR)可达到0.978,并可有效地定位人工构建的电力拓扑结构中的大多数错误。
  
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  针对大规模数据的分布一致缺失值插补算法

  余嘉茵, 何玉林, 崔来中, 黄哲学

  清华大学学报（自然科学版）. 2023, 63(5): 740-753. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.25.003

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  缺失值插补(missing value imputation,MVI)作为数据挖掘领域的重要研究分支,旨在为机器学习算法的训练提供高质量的数据支持。不同于现有的以算法性能提升为导向的MVI算法,为对大规模数据的缺失值进行有效插补,该文提出一种以数据结构还原为导向的数据分布一致MVI (distribution consistency-based MVI,DC-MVI)算法。首先,DC-MVI算法基于概率分布一致性原则构建了用于确定最优插补值的目标函数;其次,利用推导出的可行缺失值优化规则获取与原始完整值保持最大分布一致性且方差最为接近的插补值;最后,在分布式环境下,针对大数据的随机样本划分(random sample partition,RSP)数据块并行训练DC-MVI算法,获得大规模数据缺失值对应的插补值。实验结果表明:DC-MVI算法不仅能生成与原始完整值保持给定显著性水平下概率分布一致的插补值,还具有比另外5种经典的和3种最新的MVI算法更快的插补速度和更好的插补效果,进而证实DC-MVI算法是一种可行的大规模数据MVI算法。
公共安全
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  顶部多点竖向排烟下地铁隧道烟气控制研究

  钟茂华, 胡鹏, 陈俊沣, 程辉航, 吴乐, 魏旋

  清华大学学报（自然科学版）. 2023, 63(5): 754-764. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.26.055

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  通过在某带有独立通风隧道的地铁区间隧道开展0.25~1.25 MW规模的现场火灾实验,对烟气温度分布进行分析,利用火灾动力学模拟工具(fire dynamics simulator,FDS)建立对应实际尺寸的数值模拟隧道模型,展开抑制下游烟气蔓延的通风隧道临界排风量以及排烟效率的研究。对于横向水平中心线温度,火源相对于排烟口的位置对火源附近温度升高区域的范围基本无影响。在地铁隧道内设置进风量可抑制烟气逆流,但同时会造成下游烟气失稳,排烟口无法完全排出高温烟气。对于在不同排风量及火源功率(heat release rate,HRR)的情况下,排烟效率先增大后保持不变;当排风量达到一定值,即等于临界排风量时,排烟口能够完全排出高温烟气,排烟口排烟效率为1,临界值与HRR相关。计算出临界Fr约2.7,略高于此前的研究。得到HRR的经验公式,排烟效率与无量纲HRR和无量纲风速的相关性呈现分段函数关系。
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  重大自然灾害下多灾害点应急物资智能调度优化

  张琳, 王金玉, 王鑫, 王伟, 曲立

  清华大学学报（自然科学版）. 2023, 63(5): 765-774. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.21.038

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  重大自然灾害频发对国家安定和人民生命安全带来威胁的同时也会造成严重的经济损失。如何在灾后将受灾点所需应急物资快速、精准运送到位受到了广泛关注。该文针对重大自然灾害事件救援特点,考虑在不确定性条件下,兼顾应急调度成本最低和调度时间最短两目标,构建面向多灾害点的应急物资智能调度模型。研究选取2021年中国河南特大暴雨灾害为典型案例,基于三角模糊数方法对不确定变量进行表示,从而将所构建的模型转变为确定性多目标应急物资智能调度模型,同时引入二维Euclid距离赋权进行模拟运算,对模型求解。进一步,利用LINGO软件计算得到各出救点至各受灾点分阶段应急物资调度方案。研究结果表明,利用该模型得到的模拟结果与现实要求接近,能够满足重大自然灾害下多灾害点应急物资调度需求,可为决策者制定有效救灾策略提供参考。
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  基于定量风险评估的建筑火灾保险费率

  胡俊, 疏学明, 解学才, 颜峻, 张雷

  清华大学学报（自然科学版）. 2023, 63(5): 775-782. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.21.042

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  火灾保险是有效应对火灾风险的重要手段,根据建筑的火灾风险准确厘定建筑的火灾保险费率是保险行业关心的问题。当前的建筑火灾保险费率主要基于保险市场的统计数据得到火灾的发生频率和期望损失,然后再根据建筑的风险评估结果进行浮动调整。这种方法难以精确反映建筑的火灾风险,得到的保险费率也较为粗略。该文构建了建筑火灾费率的定量厘定模型,采用Bayes网络的方法计算建筑起火概率,并采用拉丁超立方采样的方法,对建筑火灾不同阶段的烧损率进行了分层采样,得到火灾损失的复合概率分布估计,从而对具体建筑的火灾风险进行定量评估,再根据风险评估的结果对保险费率进行了厘定。选取了15户家庭,根据风险评估的结果厘定了保险费率,并将结果与保险市场火灾纯保险费率进行了比较。结果表明,该模型更能反映火灾风险的差异化水平,得到的保险费率更具有公平性。
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  背板对聚甲基丙烯酸甲酯向下火蔓延的影响

  李大玉, 赵坤, 周魁斌, 孙鹏辉, 武金模

  清华大学学报（自然科学版）. 2023, 63(5): 783-791. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.22.015

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  聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)是主要的建筑装饰材料之一,一旦被点燃可能会导致严重的火灾事故。目前针对背板对PMMA向下火蔓延影响的实验研究较少。该文利用自主设计搭建的实验装置研究了背板对2 mm和5 mm厚PMMA向下火蔓延的影响。实验结果表明:背板对固体可燃物向下火蔓延存在抑制作用,具体表现为更大的热解前缘角度及更小的平均火焰高度、质量损失速率和火蔓延速率,该抑制作用在2 mm厚度PMMA上更加明显。基于有无背板工况下的传热模型,结合燃烧稳定阶段样品热解区域形态参数,对质量损失速率及接收总热量反馈预测值大小进行对比,发现背板的存在会导致样品接收总热量反馈减少,进而导致更小的质量损失速率和火蔓延速率。
医疗设备
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  有源植入式医疗器械可靠性研究的特点和进展

  王伟明, 李冰, 李路明

  清华大学学报（自然科学版）. 2023, 63(5): 792-801. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.21.028

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  有源植入式医疗器械是中国医疗器械产业实现转型升级和高质量发展目标的关键领域。该文概述了高风险有源植入式医疗器械的可靠性特点。从系统级、部件级到元器件级3个层面,系统阐述了有源植入式医疗器械领域的可靠性研究进展。在系统级,主要关注有源植入式医疗器械寿命的影响因素、关键部件之间的连接和医生手术过程的再操作等。在部件级,电路板的可靠性保障与传统高可靠性保障方法相比发生了显著变化,简化元件级试验并增加用户板级试验内容,结合实际工况设计相关试验条件和判据,成为了商用器件用于高可靠领域的可靠性保障的发展方向。电极与组织之间相互作用的长期可靠性是有源植入式医疗器械可靠性研究的重点内容。在元器件级,以电容为例对关键部件用于有源植入式医疗器械领域的可靠性问题进行了结合应用场景的分析。此外,微小型植入式医疗器械因植入简单,能够降低和导线密切相关的电磁兼容、核磁等风险,同时能够避免因导线变形、断裂等引发的可靠性问题,成为有源植入式医疗器械的重要发展方向,其可靠性先行的特征尤为明显。以设计应用方作为研究主体,侧重结合实际应用情况进行可靠性保障,是有源植入式医疗器械等高可靠性领域可靠性研究当前阶段的突出特点和发展趋势。
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  碘-131 SPECT平片成像伪影校正算法

  程李, 刘帆, 高丽蕾, 刘辉, 刘亚强

  清华大学学报（自然科学版）. 2023, 63(5): 802-810. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.26.060

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  碘-131单光子发射计算机断层扫描(single photon emission computed tomography,SPECT)平片成像已广泛应用于甲状腺癌的临床诊断和治疗评估中。由于碘-131发射的Gamma光子能量较高,穿透SPECT准直器隔壁的概率较大,易导致最终图像上出现放射状伪影。为解决该问题,该文提出了一种点扩展函数解卷积结合先验正则化的方法,并基于Monte Carlo模拟和临床数据对该方法进行了验证。模拟数据表明该算法具有很好的单调收敛性。当采用127×127的点扩展函数(像素大小2.2 mm×2.2 mm),设置正则化参数为0.01时,模拟数据、临床点源数据和人体数据的放射状伪影区域计数值可分别降低至原始值的4%、35%和28%,同时还可以维持背景区域较低的噪声水平。研究结果表明:该文算法可以有效解决碘-131 SPECT平片成像中的放射状伪影问题,从而提高临床诊断精度。
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  基于Monte Carlo模拟的全身骨扫描SPECT专用准直器设计

  王喆鑫, 刘辉, 程李, 高丽蕾, 吕振雷, 江年铭, 何作祥, 刘亚强

  清华大学学报（自然科学版）. 2023, 63(5): 811-817. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.26.040

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  单光子发射断层成像(single photon emission computed tomography,SPECT)是放射性核素骨显像的重要成像手段之一。为进一步优化临床上应用于骨显像的SPECT系统的探测灵敏度,降低骨扫描时间,提高骨扫描效率,该文在临床双探头SPECT系统的基础上,设计了高探测灵敏度的骨显像专用准直器。通过设计一系列不同的准直器参数,进行Monte Carlo仿真模拟,对不同准直器的探测灵敏度和图像分辨率进行评估,以验证准直器的几何参数与性能的关系,选出一套准直器的设计方案,并用热圆柱模型实验验证了该准直器的成像效果。结果表明:该准直器在保证图像质量的同时,能显著降低骨扫描的采集时间。
水利水电工程
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  高原河流底栖动物对侧向水文连通性的响应：以泉吉河为例

  周雄冬, 刘逸博, 徐梦珍, 张家豪, 王聪聪

  清华大学学报（自然科学版）. 2023, 63(5): 818-829. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.22.021

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  侧向水文连通性改变了河流系统的水动力条件和营养状况,进而对生物群落的多样性、结构和功能造成影响。对侧向水文连通性的研究多集中于平原河流,侧向水文连通性对高原河流系统的生态影响尚待厘清。该文采用野外采样、现场测量和室内鉴定分析相结合的方法,以大型无脊椎底栖动物为水生态指示生物,以青藏高原东北部青海湖的支流泉吉河为研究区域,分析了不同侧向水文连通条件下典型高原河流系统的环境条件差异和底栖动物群落差异。结果表明:侧向水文连通性与底栖动物群落的多样性、结构和功能特征均有较强关联;泉吉河流域的底栖动物多样性对侧向水文连通性降低均呈"先降低后升高"的单谷式响应,显著区别于平原河流的单峰式响应模式。高原河流"低代谢、寡营养"的本底条件造成底栖动物对扰动敏感,底栖动物群落偏好的中度干扰条件由中等水文连通环境向低水文连通环境偏移,是造成单谷响应模式的重要原因。
  
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  管道瞬态多流态混合流的扩散对流模型

  张东, 王恩志, 刘晓丽, 吴春璐

  清华大学学报（自然科学版）. 2023, 63(5): 830-839. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.21.041

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  管道明-满流及混合流流动过程的数值模拟存在计算稳定性差、成本高的问题,尤其在如岩溶区长期水动力预测方面,急需准确、稳定性强且成本低的物理数学模型。基于扩散波动近似和密度连续假设,该文考虑管道流动形式及流态变化过程,提出了多流态管道混合流扩散对流模型,并针对典型管道流问题进行了数值模拟来验证模型的适用性和准确性。结果表明,该模型的计算结果与理论解、SWMM (storm water management model)结果及实验数据十分吻合,准确地模拟瞬时管道混合流动过程。相比SWMM,该模型减弱了在明-满流交替界面的数值振荡现象,计算稳定性更好,对时空离散要求更低。该模型可以为管道长期水动力过程模拟预测如岩溶管道流模拟等提供理论和方法支撑。
核能与新能源
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  结合部耦合的能量分析方法

  杨林清, 秦本科, 薄涵亮

  清华大学学报（自然科学版）. 2023, 63(5): 840-848. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.21.043

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  输流管道系统中的水击现象会导致流体压强大幅波动,威胁管道和设备的正常工作,因此评价其瞬变流动特性具有重要的研究意义。该文基于流固耦合(FSI)水击理论,建立了能量分析方法,讨论了流体能量和管道能量的变化规律,旨在描述结合部耦合对水击过程瞬变流动特性的影响。首先采用特征线法对流固耦合4方程模型进行数值求解并验证。在此基础上对模型进行数学推导和变换,获得了管道能量和流体能量的物理表达式和控制方程。深入分析了系统中能量的传递和转换过程,进一步借助无量纲因子对结合部耦合的影响进行了定量化描述。分析结果表明:考虑结合部耦合后,管道下游约束减弱,流体能量和管道能量均有不同程度的增大,系统流固耦合的剧烈程度有所增大,管道运动的剧烈程度显著增大,流体压强脉动的剧烈程度稍有减小。研究成果有助于理解和对比流固耦合水击过程动态响应,对定量化描述其瞬变流动特性具有重要意义。