2024年, 第64卷, 第10期　
刊出日期：2024-10-15

  

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专题：机器人工程
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  用于机器人自动装配的长圆孔视觉分割定位算法

  蒋潇, 王松, 吴丹

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(10): 1677-1685. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.27.023

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  长圆孔应用于工业生产可以提高装配容错, 增加装配调整量, 但其难以解析描述的特点显著增加了工业应用中视觉检测定位算法的难度, 限制了长圆孔在自动化装配结构中的应用。该文探索出一种具有鲁棒性的高精度长圆孔视觉分割定位算法, 首先分析了长圆孔几何特征, 将其描述为一种具有对称性、 缺少简单解析表达的封闭图形; 进而提出了一种基于语义分割网络和长圆孔区域退化的视觉分割定位算法, 该算法结合深度学习和传统图像处理算法, 首先构建YOLO和全卷积神经网络串联架构依次实现目标检测、 感兴趣区域提取和语义分割, 然后利用中轴变换骨架提取方法完成长圆形区域退化定位, 有效避免了语义分割输出区域形状误差对定位精度的影响, 最终得到了亚像素精度的精准检测结果。在某机器人自动装配系统中开展实验验证, 得出所提算法具备精度高、 鲁棒性好的特点, 因此具有较广阔的工业应用前景。
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  基于变推进力的水下近端索驱动机器人结构设计及工作空间分析

  武昊, 李国通, 李东兴, 唐晓强

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(10): 1686-1695. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.21.022

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  面向水下各方向远距离、 大空间作业任务, 提出一种基于变推进力机构的水下近端索驱动机器人。该机器人采用六索及螺旋桨混合驱动形式, 螺旋桨推进力大小和方向均可变, 可等效为1根绳索。首先, 对该机器人进行结构设计, 提出采用近端驱动模式, 并引入可改变推进力方向的A、 B轴转角机构; 其次, 建立机器人的运动学与静力学模型, 进一步针对推进力可变的特点提出一种基于二次规划的力可行工作空间计算方法; 最后, 对恒方向和变方向推进力下机器人的力可行工作空间进行分析。工作空间对比结果表明, 推进力变向机构的引入使机器人的力可行工作空间显著增大, 解决了已有水下多自由度机器人作业空间不足的问题。
  
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  基于优化并行的四足机器人运动技能学习

  张思远, 朱晓庆, 陈江涛, 刘鑫源, 王涛

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(10): 1696-1705. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.27.018

  摘要 ( ) PDF全文 ( ) HTML     审稿意见

  动物对自然界的适应能力是由环境选择与适者生存决定的, 四足哺乳动物可以通过种群的进化逐步适应环境的变化, 提高其对环境的适应度和种群的生存率。基于上述启发, 该文在软演员-评论家(SAC)算法基础上提出一种基于优化并行强化学习的算法OP-SAC, 该算法使用进化策略与强化学习交替训练, 通过知识共享和知识继承优化四足机器人学习效果, 提高训练效率。算法验证结果显示, OP-SAC算法能够完成四足机器人的仿生步态学习; 对比实验验证出OP-SAC算法比其他结合了进化策略的SAC算法具有更加优越的鲁棒性; 设计消融实验证明了知识共享和知识继承策略使算法的训练效果获得较大提升。
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  基于质点弹簧阻尼模型的人机接触运动皮肤三维形变仿真

  翟敬梅, 章昊

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(10): 1706-1716. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.26.046

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  人机接触运动中, 在接触区域后方和前方皮肤表面分别产生拉伸和堆积形变。针对当前该领域研究的局限性, 该文研究了黏滑摩擦下皮肤三维形变仿真模型, 为人机作业参数优化、 在线轨迹规划和控制提供参考。该文基于皮肤解剖结构, 构建皮肤、 肌肉脂肪、 骨骼3层质点-弹簧-阻尼模型, 描述皮肤在拉伸、 剪切和弯曲作用下的形变; 基于皮肤黏滑摩擦机理, 结合改进Kelvin-Voigt黏弹模型, 构建皮肤质点-弹簧-阻尼动力学模型, 模拟不同作业环境下皮肤的实时三维形变; 验证了皮肤质点-弹簧-阻尼模型在Kwiatkowska、 Franklin等皮肤拉伸测量试验中的有效性。同时, 该文搭建了机器人手臂按摩试验平台和皮肤表面形变测量视觉系统。与试验测量结果对比, 皮肤三维形变仿真模型拉伸形变在X和Z方向的平均误差分别为0.295、 0.360 mm, 标准差分别为0.164、 0.085 mm; 堆积形变在X、 Y和Z方向的平均误差分别为0.317、 0.248、 0.471 mm, 标准差分别为0.090、 0、 0.232 mm。试验结果表明： 该文构建的皮肤三维形变仿真模型误差较小、 稳定性较高。
专题：大数据分析
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  非均衡大客流冲击下城市轨道交通网络抗毁性建模及演化特征

  马飞, 蒋金凤, 敖誉芸, 马壮林, 刘擎

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(10): 1717-1733. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.26.045

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  在非均衡大客流冲击下, 城市轨道交通面临结构抗毁和功能抗毁双重压力, 极易造成轨道交通网络级联失效。首先, 该文分析了非均衡大客流对城市轨道交通网络(urban rail transit network, URTN)级联失效的影响机理, 考虑客流冲击影响, 构建了客流加权网络, 从拓扑特征和客流特征2方面测量轨道站点的重要性; 其次, 根据级联失效理论和混沌动力学改进耦合映像格子 (coupled map lattice, CML)模型, 设置初始状态值为轨道站点客流饱和程度, 并利用故障节点比和网络强度熵刻画URTN级联失效的结构抗毁性和功能抗毁性演化规律; 最后, 以西安地铁为例进行研究。结果表明： 在URTN级联失效过程中, 结构抗毁性和功能抗毁性演化趋势相似; 轨道站点间的耦合系数ε和突发事件扰动R存在临界值(ε=0.3和R=1), 若ε≤0.3或R≤1, 则不发生URTN级联失效, 若ε＞0.3且R＞1, 则URTN结构抗毁性和功能抗毁性的失效时间随ε和R的增大而缩短; 客流强度与URTN抗毁性水平呈负相关; 介数大的轨道站点和客流强度大的轨道站点受突发扰动后, URTN结构抗毁性和功能抗毁性能力更低。该文研究结果有助于揭示非均衡大客流冲击下URTN级联失效的影响因素及抗毁性演化规律, 可为加强非均衡大客流冲击下轨道交通安全管理提供依据。
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  面向寒冷地区住宅碳排放预测的机器学习算法模型比较

  刘依明, 杨珺涵, 张忠利, 许沛琪, 刘念雄

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(10): 1734-1745. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.22.031

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  机器学习算法模型为住宅低碳设计与优化提供了数据支持。然而, 在碳排放预测与分析时, 算法模型常被直接使用, 而未考虑调参与寻优, 且不同自变量数据集对模型预测效果的影响差异也有待明确。为揭示不同算法模型对寒冷地区住宅低碳设计的指导效果、 向建筑师提供算法模型的选择依据, 针对多元线性回归、 分类回归树、 随机森林、 自适应增强算法、 梯度提升回归树和多层感知机等在低碳设计中常用的算法模型进行寻优, 对比分析不同算法和自变量数据集的适用性与预测性能。该文说明了算法模型寻优的目标边界、 参数取值范围、 寻优过程和论证方法。在37栋寒冷地区钢筋混凝土剪力墙结构住宅及其衍生方案的基础上, 采用交叉验证和网格搜索, 建立了120个建材碳排放预测模型和60个将稳态耗热量转换为动态耗热量的转化系数预测模型。对比结果表明： 总体上, 多元线性回归、 随机森林和梯度提升回归树算法的碳排放预测性能更好。其中, 随机森林和梯度提升回归树算法在误差控制方面表现更佳, 但预测优度与多元线性回归算法相近, 且可解释性较差。采用恰当的自变量数据集, 如建筑总层数、 建筑层高、 建筑面宽与进深等形体尺度参数, 标准层户数与卧室数等功能配置参数, 以及采暖期室外平均温度、 实际供暖天数、 屋面和墙面传热系数的修正系数等城市气象参数, 多元线性回归算法能够为寒冷地区住宅低碳设计与优化提供更直观、 有效的指导。
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  新中国成立以来中国粮食生产多元要素驱动定量研究

  秦长海, 王明, 赵勇, 何国华, 曲军霖, 游梦园

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(10): 1746-1758. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.27.001

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  粮食安全事关国家安全与社会稳定, 该文基于1949—2020年中国31个省级行政区(不含香港特别行政区、 澳门特别行政区和台湾地区)的数据, 采用Cobb-Douglas函数, 按照不同的地域范围划分方式构建了区域粮食生产模型, 量化解析了不同时段内的第一产业从业人员数、 机械动力强度、 有效灌溉面积、 化肥折纯量、 受灾面积和复种指数对粮食产量的作用。结果表明, 有效灌溉面积和化肥折纯量对中国粮食生产的贡献度不断提升, 第一产业从业人员数和复种指数的贡献度显著下降, 机械动力强度的贡献度先提升再下降, 受灾面积对粮食的减产效用先增强再减弱; 各要素对粮食生产的驱动作用趋于均衡化, 未来粮食安全需依靠以有效灌溉面积为基础的多要素协同保障; 有效灌溉面积的北移和人口重心的南移共同驱动了中国粮食调运格局的转变, 这种“北粮南运”的格局仍将持续并可能呈现扩大态势。保障中国粮食安全需充分发挥国家水网的水资源调配功能, 通过增加有效灌溉面积驱动多要素协同促进粮食增产。
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  脱硫石膏改良剂治理盐碱地的专利技术进展

  李明珠, 田荣荣, 李然, 张菁, 王淑娟, 刘嘉, 徐立珍, 李彦, 赵永敢

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(10): 1759-1770. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.21.020

  摘要 ( ) PDF全文 ( ) HTML     审稿意见

  基于incoPat专利数据库对2003—2022年利用脱硫石膏改良剂治理盐碱地技术领域的520件专利进行计量学统计。结果表明： 利用脱硫石膏改良剂治理盐碱地的专利年申请量呈先上升后下降的趋势, 高峰时(2016年)年申请量为115件。高校和科研院所的专利授权数量高于企业, 但高校与企业联合授权的专利数量占总数的15.6%。共有37件专利获得转化且其中有7件发生质押, 占授权总数的33.3%, 均为高校转让给企业、 企业质押融资。70%以上专利的配方都由3种或以上的物料组成, 主要成分包括有机物料、 无机矿物、 微生物菌剂和养分补充剂等。与不施用或施用其他类型改良剂的土壤相比, 施用脱硫石膏改良剂的功效主要是降低土壤pH值、 碱化度及减少对作物生长有害的盐分离子, 提高土壤Ca²⁺、 SO₄^2-、 全量和速效氮磷含量, 从而改良了盐碱地。整体而言, 脱硫石膏改良剂研发日趋成熟, 部分创新成果已经转化为现实生产力, 相关专利的价值也日益凸显。
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  基于情感主题建模的负面舆情早期预警研究

  崔骕, 韩益亮, 朱率率, 李鱼, 吴旭光

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(10): 1771-1784. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.27.005

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  社交网络中的负面舆情事件具有不可低估的影响力, 针对基于情感分析的方法不能直接对负面网络舆情进行早期预警的问题, 该文提出了一种基于情感分类和主题提取的舆情主题建模方法, 通过研究消极情绪主题词实现对负面舆情事件统计和量化; 针对负面舆情预警方法即时性不足的问题, 构建网络舆情早期预警模型, 从爆发指数、 情绪指数、 传播指数3个指标综合评估舆情主题的发展态势, 设定舆情主题算数指数触发预警值, 实现主题词对应的负面舆情事件的早期预警。实验结果表明, 在COVID-19相关微博情感数据集TF-IDF权重排名前10的消极情绪主题词中, 最早预警时间比舆情暴发日平均提前161.01 h, 实现的早期预警平均为2.1次; 最早预警时间比舆情峰值日平均提前261.81 h, 平均早期预警5.8次。所提出的预警模型对社交网络舆情事件具有良好的早期预警效果。
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  多模态信息增强表示的中文关键词抽取方法

  周炫余, 刘林, 卢笑, 李璇, 张思敏

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(10): 1785-1796. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.27.015

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  关键词抽取是指能自动抽取反映文本主题的词或者短语, 被广泛应用于文本检索、 文本摘要等领域中。目前关键词抽取任务主要依赖于预训练语言模型来获取文本表示, 这类语言模型主要基于单一模态的通用文本语料进行训练, 存在无法根据下游任务特性进行领域适配和语义表征能力有限的问题。该文提出一种多模态信息增强表示的中文关键词抽取方法MIEnhance-KPE, 首先引入Adapter层将偏旁和部首信息集成到预训练语言模型层中, 得到领域自适应的文本表示; 其次利用卷积神经网络提取汉字的图像特征, 同时使用交叉注意力机制融合汉字图像特征和文本特征, 实现文本语义表示增强; 最后利用条件随机场(conditional random field, CRF)模型进行序列标注任务, 并计算词语的位置-词频权重对其进行排序获得关键词。与目前十分先进的关键词抽取方法KIEMP相比, MIEnhance-KPE在公开的中文科学文献数据集和自构建的中文教育关键词抽取数据集上的F值分别提升了15.71%和3.40%; 消融实验结果表明, 所提出的领域自适应模块和视觉语义增强表示模块均能有效提高关键词抽取的准确性。MIEnhance-KPE的提出有助于教育研究者精准了解教育发展趋势, 促进教育理论和实践的创新。
电子工程
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  无源雷达时延-Doppler域高速多目标角度估计算法

  刘大鹏, 冯新星, 刘成城, 任勇, 杜军

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(10): 1797-1808. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.22.028

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  为了获取无源雷达中微弱目标回波的角度信息, 现有研究主要采用基于时延-Doppler域二维相关处理的估计算法, 其基本思想是通过参考信号和监视信号的互模糊函数来获得积累增益, 提升回波信号信噪比, 而后进行角度估计。该文针对高速多目标场景, 提出了一种更加高效稳健的时延-Doppler域角度估计算法。根据目标运动和外辐射源信号参数, 对参考信号和监视信号进行分段处理, 段内为快时间, 段间为慢时间; 考虑到目标高速运动可能引发距离徙动问题, 利用Keystone变换对各频率的时间轴进行尺度变换, 校正高速目标的距离徙动, 继而将目标回波信号能量积累至同一时延-Doppler域; 检测并提取目标回波所在时延单元的阵元慢时间采样信号, 并转化为慢时间维度的多快拍信号测角问题; 针对多目标场景下可能存在的相干信号, 利用均匀圆阵轴向虚拟平移解相干和多信号分类(MUSIC)算法对信号处理得到目标方位角和俯仰角估计。仿真实验结果表明： 所提出的算法可以以较低的计算复杂度实现无源雷达微弱目标回波信号的角度估计, 特别是在高速多目标场景下, 具有明显的性能优势。
  
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  基于两次时间内插的FPGA-TDC设计

  陆江镕, 李文昌, 刘剑, 张天一, 王彦虎

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(10): 1809-1817. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.27.009

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  减少基于现场可编程门阵列实现的时间数字转换器(FPGA-TDC)中延迟单元的延迟时间, 可以提高TDC分辨率, 但是需要构建更长的抽头延迟链, 使延迟单元积累更多的非线性, 导致系统线性度恶化。该文在粗计数与细计数结合架构的基础上, 利用Xilinx Virtex UltraScale+ FPGA平台设计出一种基于两次时间内插的FPGA-TDC, 并用于时间信号量化过程中的细计数阶段。通过对系统时钟进行两次内插量化, 缩短了延迟链长度, 减少了延迟单元非线性在延迟链中的积累, 提升了系统线性度。同时, 延迟链长度的缩短使TDC中温度计码编码器等模块规模更小, 降低了电路实现占用的FPGA逻辑资源。实验结果表明, 该FPGA-TDC的分辨率为1.72 ps, 微分非线性和积分非线性的极差分别为4.49和26.55 LSB, 可实现较优的系统线性度。
核能与新能源技术
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  高温热管技术在空间核能热能转换系统中的应用及展望

  李欣, 袁达忠, 陈民, 杜宝瑞

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(10): 1818-1838. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.22.040

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  随着未来空间多元化任务的需求提升, 空间核电源中核能热能转换系统的空间受限、 长距离无动力循环、 无重力环境等极限传热难题凸显。高温热管具有传热热流密度大、 工作温度高、 传热温差小、 自适应能力强等优点, 可作为空间核电源核能热能转换系统的关键核心器件, 应用前景广阔。该文分析了当前空间核电源核能热能转换系统存在的极限传热难题, 讨论了高温热管技术应用于空间核能热能转换系统的优势和挑战, 从高温热管内工质流动传热机理、 高温热管的冷态启动、 稳态传热、 传热极限和寿命失效以及异形高温热管设计和研制等方面进行了综述, 总结了高温热管技术在空间核能热能转换系统中的研究现状和最新应用进展, 并给出合理建议。适应极限传热的高温热管工质流动和传热机制、 异形高温热管的研制和热力结构耦合传热实验验证、 空间核能热能转换与用能之间的匹配和优化是后续研究的重点方向。
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  控制棒水压驱动系统步降过程瞬变流特性分析

  杨林清, 秦本科, 薄涵亮

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(10): 1839-1848. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.27.010

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  控制棒水压驱动系统(CRHDS)是一种新型的内置式控制棒驱动技术, 主要应用于如NHR200低温供热堆等一体化堆。CRHDS在工作过程中会产生水击现象, 导致驱动系统回路和设备振动, 干扰仪表工作, 需要通过试验和理论模型研究对瞬变流动过程进行分析。该文完成了CRHDS瞬变流动特性试验, 分析了步降过程机理; 在此基础上建立了驱动系统步降过程瞬变流模型, 发现模型计算结果与试验结果符合度较好。进一步将模型应用于热态变驱动压力工况下, 结果表明： 步降过程中包含1次水击过程, 压力衰减速度较快; 随着驱动压力的增大, 步降前时间逐渐增大, 步降时间逐渐减小, 步降平均速度和压力波动幅值逐渐增大。该文研究成果可为CRHDS减振设计和运行监测提供依据。