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关键词： 医疗救治应急空间   传染率系数   感染率   数学模型  

摘要： 医疗救治应急空间作为防控救治体系中非常重要的一环,其在防疫期间收治病患和预防病毒进一步传播方面发挥着重要作用。2020年COVID-19(简称“新冠肺炎”)疫情爆发后,医疗救治应急空间的使用过程中暴露出医患交叉感染严重的问题。过去的医疗救治应急空间设计主要是以宏观布局优化和现代化设计为主,尚未融合传染病动力学理论形成具有防疫功能的科学设计模型,通过建筑分区面积规划控制交叉感染率的机制尚不清楚。前期研究发现,合理规划医疗救治应急空间分区使用面积是降低病毒在医患之间交叉感染风险的有效办法,由此推测三区面积与传染率系数、开放床位数、医护数量之间以及感染率与三区面积之间存在关系通路,通过传染率系数调控三区面积规划能够降低感染率。拟采用相关性分析法和回归分析法进行医疗救治应急空间面积规划研究,构建基于模块化理论和传染病动力学理论的医疗救治应急空间面积规划优化模型及感染率优化模型,证明将传染率系数作为重要因子进行空间面积规划能够降低感染率,对揭示传染率系数指导医疗救治应急空间面积规划内在规律、阐明医疗救治应急空间面积规划降低感染率机制具有重要意义,提供医疗救治应急空间设计新思路,为中国医疗防疫发展提供支持。 研究包括以下四个部分:首先,结合模块化理论、传染病动力学理论探寻理论依据;其次,分别从社会、技术、应用三方面论证研究可行性,阐明传染病动力学模型应用、模块化划分医疗救治应急空间三区面积及优化策略制定的依据;再次,使用传染病动力学模型计算感染率,将传染率系数作为重要影响因子,结合三区面积、医护数量、开放病床数量进行相关性分析及回归分析,构建医疗救治应急空间面积规划优化模型;最后,利用面积规划模型对驻马店市公共卫生临床中心进行优化设计,依据模型计算结果制定优化策略,调整分区面积,降低交叉感染率,达到最佳面积划分,以期对我国医疗救治应急空间建设提供新的参考方法。

关键词： 化工离心泵   数学模型   有限元分析   PID控制   控制策略  

摘要： 轴承作为离心泵中的重要组成部分,其性能往往直接影响着离心泵的安全性与生产效率。为解决近年来离心泵在生产过程中因机械轴承摩擦和能量损耗而导致的寿命缩短和维护成本增加的问题,本文提出了一种新型高效、低功耗恒流源励磁主动磁悬浮轴承代替传统机械轴承。该磁轴承具有低摩擦、高转速、高寿命等优点,以解决实际生产需要。论文主要研究内容如下: 本文首先重点介绍了化工离心泵的研究背景,然后详细阐述了六极恒流励磁主动磁悬浮轴承的悬浮原理,主要从磁路设计和参数设计两个关键环节展开。根据已确定的参数,通过Maxwell仿真软件建立六极恒流源励磁主动磁轴承的仿真模型,分析了恒流源偏置磁路磁密、控制磁路磁密、力与电流、力与位移之间的关系。验证仿真结果与理论结果是否吻合,分析其精确性。 然后,针对六极恒流源励磁主动磁轴承系统由于外部干扰导致转子扰动问题,在Matlab/Simulink中建立了模糊PID控制和传统PID控制的仿真模型。介绍模糊控制原理、PID控制原理以及模糊规则的制定,通过对比模糊PID和传统PID控制策略,验证转子在参数自整定模糊PID控制下的系统响应速度与抗干扰能力。 最后,以TMS320F28335芯片为基础,从硬件与软件两个方面搭建基于六极恒流源励磁主动磁轴承搭建数字实验平台。设计主要内容包括DSP最小系统电路板以及硬件各模块电路,以硬件电路为基础完成软件程序设计,包括主程序、初始化子程序、通讯程序和中断程序等。

关键词： 2-硝基-4-乙酰氨基苯甲醚   催化加氢   超重力反应器   本征动力学   数学模型  

摘要： 2-氨基-4-乙酰氨基苯甲醚（AMA）是一种重要的染料中间体。工业上常采用多级串联搅拌釜反应器,以2-硝基-4-乙酰氨基苯甲醚（NMA）为原料催化加氢生产AMA,设备总体积大,安全风险高。本课题拟将具有强化气液传质优势的超重力反应器应用于NMA催化加氢合成AMA过程,以期提高宏观反应速率,缩小反应器体积,提高AMA生产安全。主要研究内容如下: （1）在消除传质阻力的基础上,建立了NMA催化加氢合成AMA的本征动力学模型。对于幂函数模型,NMA浓度级数为0.70,氢气压力级数为1.11,催化剂用量级数为1.23,活化能为22.29 k J·mol-1;对于机理模型,反应符合双位点吸附,即原料NMA和H2在不同活性位点上被吸附,速率决定步骤为H2解离吸附,活化能为23.86 k J·mol-1。 （2）构建了NMA加氢反应器的数学模型。对于全混流反应器（CSTR）,最佳工艺操作条件为F=5 m3·h-1,c NMA,0=1.11 kmol·m-3,T0=293.15 K,w=25 kg·m-3,P=1.2 MPa,TJ=323.15 K,NMA转化率可达96.18%。液膜侧气液传质阻力是导致宏观反应速率低于本征反应速率水平的重要因素,k LaH时,增大k La,能够有效提高宏观反应速率,k La≥k H时,影响不再明显,基本实现气液传质与本征反应速率的匹配。 （3）探究了超重力反应器内工艺条件对NMA加氢反应的影响。甲醇为溶剂,N=1400 r·min-1,P=1.2 MPa,T=373.15 K,w=8 kg·m-3时,反应20 min,NMA转化率达96.62%,选择性近100%。与搅拌釜反应器相比,超重力反应器中NMA加氢反应速率更高,宏观反应速率接近本征反应速率水平。

关键词： 超宽带雷达   生命体征   信息分析   数学模型  

摘要： 在生物检测领域中，利用超宽带雷达（UWB）实现无需接触的生命体征监测已成为一种创新且高效的方法。特别是在新冠肺炎疫情全球蔓延的背景下，与传统的接触式测量相比，非接触式监测更加方便、安全、高效，不仅保证了患者的安全，同时也保护了医护人员的健康。超宽带雷达的应用不仅局限于医疗场所，还扩展到传染病病房、烧伤病房、新生儿重症监护病房、养老院等领域，受到广泛关注。　　本文结合数学模型和实验数据对生命体征信息进行分析。首先，搭建基于超宽带雷达的生命体征监测系统，对雷达天线和内部模块的性能参数进行对比和优化，以确保实验数据的准确性和可靠性。然后，通过心跳和呼吸带动的胸腔振幅与超宽带雷达产生的微多普勒效应，使得回波信号中含有生命体征信息。　　本文主要做了以下工作：　　在测量呼吸和心跳等生命体征信息方面，本文采用了巴特沃斯低通滤波器和动目标显示（MTI）相结合的方法去除平稳杂波和非平稳杂波进行数据预处理，并利用回波强度的等高线投影选择多个目标的距离门，然后对选择的数据进行主成分分析（PCA）降维，再利用变分模态分解（VMD）算法进行信号分解。接着，对分解得到的各个独立模态函数（IMF）进行自适应重构，并利用经验小波变换（EWT）寻找与生命体征最高皮尔逊相关度的分量。最后，通过傅里叶变换估计得到生命体征信号。　　为了验证在有路过行人，单个测试者情况下对本文方案在生命体征数据提取的准确性，在有距离雷达0.3m路过行人的情况下，测试者分别距离雷达0.9m、1.2m、1.4m和1.6m进行VMD算法、巴特沃斯滤算法、本文方案和接触式传感器进行对比。并且本文对于两位测试者情况下，在有距离雷达0.3m路过行人的情况下，两位测试者分别距离雷达0.9m和1.6m进行实验从而验证本方案对生命特征探测的可行性。　　通过以上研究表明，本文提出的超宽带雷达生命探测方法具有良好的识别能力，可准确地检测出呼吸和心跳频率，而且在不同距离和在多目标的条件下有很好的稳定性和适用性，提升了生命探测的精准度，并为广泛的实际应用提供了新思路。

关键词： 斑马鱼   应激行为   数学模型   皮质醇   血清素  

摘要： 生物水质预警系统对于现代水资源管理至关重要,尤其在工业化和城市化快速发展的背景下,传统的化学分析和仪器测量虽然精确但耗时较长,而基于斑马鱼行为的生物水质预警系统通过监测斑马鱼的行为变化来实现快速响应和预警,很好地满足了水质监测的实时性和准确性需求。磷酸三（1,3-二氯-2-丙基）酯（TDCIPP）作为一种环境污染物,在多种环境介质中浓度上升,对人体健康和环境产生不良影响。当斑马鱼暴露于TDCIPP时,其会产生一系列行为和生理响应,通过深入研究斑马鱼对TDCIPP的响应规律,可以更好地理解其毒性作用,为制定有效的水环境管理策略提供科学依据。 （1）将斑马鱼的行为指标分为速度、转角、彼间距等11类,并通过主成分分析法求出综合行为得分,用速度和时间求得总移动距离进行绘图,随着暴露时间和暴露浓度的增加这些行为指标有明显规律。斑马鱼急性暴露于TDCIPP之后,移动类的行为指标符合斑马鱼压力模型的五个阶段即无效应、刺激、适应、调整、毒性阶段,身体类行为指标在中高浓度显著变化,位置类行为指标表明鱼群有聚集在上部和下部的现象,综合行为得分在0.1TU、0.25TU、0.5TU、1TU、2TU均在某一段时间内与0-30min有显著差异。结果表明TDCIPP急性暴露下斑马鱼的速度、活动性、前进方向、彼间距、到上中心点距离、到中心点距离、到下中心点距离、综合行为得分这些行为指标在斑马鱼受到化学胁迫后发生显著变化（P<0.001）,这种变化在1TU和2TU时尤为明显。 （2）相对于对照组应激状态下斑马鱼皮质醇和血清素浓度均增加,并且与胁迫浓度和胁迫时间成正相关关系。正常水质下皮质醇和血清素浓度分别为17.355±2.94 ng/ml和185.69±33.01 ng/ml,在受到TDCIPP胁迫后皮质醇浓度增加了35%-264%,血清素浓度增加了3%-91%,整体来看斑马鱼皮质醇浓度增幅大并且与对照组数据有显著性差异。将两种生理指标与行为指标进行拟合,不同的行为指标拟合效果也不同,例如有些行为指标如速度可以与生理指标拟合R2达到0.5-0.7的水平,有些行为指标如彼间距则无相关性。 （3）以行为指标数据为基础建模,六种模型中随机森林模型在准确度、精确度和召回率上表现最优,达到了0.780、0.828和0.819。其他模型如逻辑回归、线性判别、支持向量机、梯度提升树和K近邻在性能上略逊于随机森林模型。利用行为实验和生理实验的数据建立微分方程模型,与环境参数相比体质参数对生理指标的影响更大。建立的皮质醇变化模型性能参数优于血清素变化模型,皮质醇变化模型中行为参数对模型预测值的影响范围为0.1224,血清素变化模型中行为参数对模型预测值的影响范围为0.6942。

关键词： 同步发电机   电磁暂态特性   数学模型   运算效率  

摘要： 在双碳政策和能源转型的背景下，电力电子设备在电力系统中的占比逐渐增加，这要求电磁暂态仿真程序拥有更好的快速性和准确性，以适应日益复杂的仿真需求。同步发电机作为电力系统中的核心设备，其动态方程是一个高阶微分方程，难以精确求解。目前，传统的同步发电机数学模型——dq0模型与外电路连接时等效为电流源，无直接机网接口，该等效方法使得模型在大步长(50μs～100μs)电磁暂态仿真时出现模型不稳定现象。因此，如何建立稳定高效的同步发电机数学模型成为电磁暂态仿真程序的研究难点之一。　　本文完成的主要工作内容如下:　　(1)推导了基于两相旋转坐标系下的同步发电机数学模型，并在此基础上，建立了同步发电机的电流源等效模型，分析了非直接机网接口对于模型计算速度和稳定性的影响。　　(2)针对传统电流源等效模型带来的计算速度慢和稳定性差的问题，基于VBR (Voltage-Behind-Reactance)建模方法建立同步发电机模型。该方法通过将发电机等效为电阻-电感-反电动势模型，使其具有直接的电机-外电路接口;同时，该模型采用分段线性化方法准确表示了同步发电机稳态和暂态过程的磁饱和特性，并且提出了常参数化方法，该方法可以实现具有恒定电阻电感分支的解耦接口电路;基于IEEE14节点系统，进行了本文所提模型在故障工况下的适用性验证。经仿真验证，在满足准确性的前提下，所提三相同步发电机模型相比原有三相同步发电机模型运行效率提高了 55.6％。　　(3)六相同步发电机模型相比于三相同步发电机模型，同一组绕组及两组定子绕组间均存在耦合关系。针对该问题，将上述VBR建模方法应用于六相同步发电机模型中，并推导六相同步发电机VBR模型基本方程，通过将耦合量归入反电动势内解决了两组定子绕组间的耦合问题，提高了模型的运算效率。在MATLAB/Simulink中进行了六相同步发电机dq0模型和VBR模型的搭建，验证了所提模型的有效性，在满足准确性的前提下，所提六相同步发电机模型相比原有六相同步发电机模型的运行效率提高了 48.1％。

关键词： 合成酯绝缘油   双电层结构   有限元仿真   油流带电特性   数学模型  

摘要： 变压器油流带电问题一直是电力系统安全领域的重要研究内容之一。目前针对变压器油流带电问题的研究主要是针对矿物绝缘油,合成酯油因其卓越的环保性能、极高的生物降解性以及优异的电气和热性能,近年来已成为变压器绝缘油的一个重要发展方向。与传统的矿物油相比,合成酯油在绝缘、冷却和环保方面表现出更优的性能,因此,其在高压和超高压变压器中的应用越来越广泛。然而,合成酯油在流动状态下的带电现象是其安全稳定运行中不可忽视的问题,并且这一现象与油流速度、油流温度、电压大小等多重因素有关,其对变压器的正常运行和使用寿命可能产生重要影响。针对以上问题,本文结合了仿真和试验,主要进行了以下工作: (1)本文分析了变压器油流带电现象的产生原理,包括油流带电的双电层结构、油纸界面的电荷分离、油流电荷的迁移与积聚、和最终的油流放电过程,探讨了影响油流带电现象的多种因素,如油流速率、温度、流动状态和油中水分含量等。在此基础上,以Comsol Multiphysics软件作为主要工具对合成酯油在流动状态下的带电现象进行了仿真,在此过程中关注了油流中的多场耦合效应,包括温度场、流场和热场的相互作用,这些因素对油流带电行为产生了决定性影响。通过构建精确的物理模型,并结合实际工作条件的参数设置,模拟了合成酯油在不同温度和流速条件下的油流带电特性。 (2)搭建了油流带电试验平台,并提出了油流带电度的测量方法与试验条件,以试验方式验证了仿真研究结果。在合成酯油油流带电特性的试验研究部分,通过对试验材料的预处理和在不同条件下(包括无外施电场和外施交流电压条件)的油流带电特性测试,本文深入探讨了油流速度、温度和外施电压幅值对油流带电特性的影响,并分析了试验测量数据的误差来源。 (3)考虑到油纸绝缘模型中的电子转移和油流流动时的剪切力作用以及温度对电场分布的影响,建立了两种计算油纸绝缘模型中冲流电流大小的数学模型,分别计算油纸绝缘模型在无外施电场时和外施交流电场时的油流中冲流电流大小。将计算结果与试验所测得数据进行对比,验证了数学模型和冲流电流计算结果的准确性,较好地解释了试验所得结果。

关键词： 数学模型   时空融合   遥感数据   TPS插值   混合像元分解  

摘要： 时空融合是弥补遥感数据缺失的有效方法,现有的时空融合的方法从原理上可以分为5种。其中基于权重函数、基于混合像元分解和基于贝叶斯概率的方法都是直接对数据进行处理分析后融合,可以将其定义为传统方法。除传统方法外,还有基于学习的方法以及混合方法。 传统方法在处理遥感数据时空融合时面临尺度差异和时序特征处理困难的挑战,在生成高质量、细节丰富的融合图像方面也存在限制。传统方法通常基于像素级别的操作,无法充分考虑图像中的语义信息和结构关系。因此,在融合过程中往往无法保持目标的准确性和边缘的清晰度,导致融合图像的质量不高。现有的基于学习的方法仅从视觉领域出发,虽然利用了计算机的强大算力,其在在异质景观中的表现仍有待提高,如何将传统方法中的优势在基于学习的模型中发挥出来具有实际意义。 基于此,本文提出了一种基于Swin Transformer的遥感数据时空融合模型,旨在解决基于学习的方法在生成高质量异质区域的融合图像方面的问题。 本文首先介绍了传统方法中存在的挑战,包括对不同尺度和时序特征的处理困难以及生成细节丰富的高质量融合图像的问题。然后提出了基于Swin Transformer的遥感数据时空融合模型,该模型利用其特征提取和混合融合模块的能力,有效地融合了不同尺度的特征,并通过逐层上采样的方式使其能够生成具有高质量的预测时刻的遥感图像。 为了验证该模型的性能,本文选择在三个公开的数据集上进行了实验评估。实验结果和分析表明,基于Swin Transformer的遥感数据时空融合模型能够有效地处理不同尺度和时序特征,并生成具有细节丰富的高质量融合图像。相比传统的时空融合模型,该模型在捕捉地表特征变化和适应异质性地区方面表现出更好的性能。

关键词： 风力发电机   电磁暂态仿真   数学模型   半隐式延迟解耦模型   接口电路  

摘要： 随着我国双碳战略的提出，可持续发展的需求得到日益增长，其中风力发电由于其技术最为成熟，成本较低受到了广泛的重视。随着风力发电单元逐渐成为新能源的主力，对风力发电单元进行准确高效的电磁暂态仿真变得尤为重要。然而，大量电力电子器件的加入使电网的特性更为复杂，换流器拓扑更为多样，时间尺度的跨度更大，传统的电磁暂态仿真手段不能兼顾效率和精度，已经不能满足发展的需求，如何对风力发电单元进行快速电磁暂态仿真是亟需解决的关键问题。本文针对风力发电单元的快速电磁暂态仿真进行了以下研究:　　(1)风力发电机的数学模型及其电磁暂态仿真方法的研究　　发电机是旋转元件，发电机的旋转运动状态决定了系统的运行状态。为了研究风力发电单元中风力发电机的数学模型，首先深入研究了同步发电机的数学模型及其数学模型中的不同变量和变量间的关系所代表的物理含义，由于风力发电单元中常用的发电机是永磁同步发电机，因此在同步发电机的基础上进行降阶，得到永磁同步发电机的数学模型。在此基础上，研究了发电机的电磁暂态仿真方法，对发电机模型进行初始化处理，并实现发电机模型与网络的接口。最后，将同步发电机单机模型和永磁同步发电机单机模型接入简单网络中来验证其准确性。　　(2)风力发电单元各设备的半隐式延迟解耦模型的研究　　基于半隐式延迟解耦技术，建立了风力发电单元中的背靠背换流器，滤波器和集电线路等设备的半隐式延迟解耦模型，通过推导得到了各设备的解耦表达式以及解耦电路图，在此基础上，通过将各解耦设备组合实现了整个风力发电单元的解耦。风力发电单元解耦模型中的各设备能够并行计算，而且能够保持精度，实现了精度和效率的结合。　　(3)基于半隐式延迟解耦模型的改进接口方法研究　　在对VSC换流器的半隐式解耦模型的研究的基础上，根据解耦电路的特点，通过推导得出接口电路具有指数形式的解析解，并将其与解耦模型相结合，得到具有数据预测功能的解耦方案。在上述研究的基础上，通过编程设计了风力发电单元半隐式解耦模型的算例和风力发电单元含改进接口模型的算例，并将其结果与PSCAD中的详细模型算例进行对比，结果证明了风力发电单元半隐式解耦模型能够实现电磁暂态的快速和高精度仿真，同时，本文提出的改进接口方案对半隐式解耦模型也具有优化效果。

关键词： TRU   初中数学   数学模型   课堂教学  

摘要： 数学模型是数学与现实世界联系的纽带,初中阶段,学生在认识数学模型的基础上应用数学模型去解决实际问题,从而发展模型观念。因此,初中数学模型相关课堂教学的质量影响着学生核心素养的发展。本文基于TRU课堂评价框架,利用数学课堂教学质量评估体系对来自国家教育资源公共平台——“一师一优课”和全国初中青年数学教师课例展示活动中的八个数学模型教学课例进行评价,探讨我国初中数学模型课堂教学的特点,并对两类来源不同的教学课例进行对比分析。 本文利用了文献梳理法、课堂观察法和视频分析法三种研究方法。本文结合TRU框架和数学课堂教学质量评估体系,从数学内容、认知需求、教学组织、学生参与、数学交流和及时评价六个维度对教学课例进行分析,每个维度又划分出3个子维度,结合数学模型相关教学要求制定了相关的课堂活动编码标准,对每个教学课例进行分析。笔者先分析了单个的教学课例,而后对八个教学课例进行了整体分析,最后对来自“一师一优课”和全国初中青年数学教师课例展示活动的课例进行了对比分析。分析发现,八个数学模型课例在每个维度上的表现存在显著差异,各维度的表现水平从高到低依次是教学组织、数学内容、学生参与、认知需求、及时评价和数学交流。八个数学模型教学课例在教学组织维度的表现优异;在数学内容和学生参与两个维度上的表现较好;在认知需求维度上的表现一般;在及时评价和数学交流维度上的表现需要加强。通过对比分析发现,“一师一优课”和全国初中青年数学教师课例展示活动中的课例在六个维度上的整体表现差异不是十分显著,从分值上看,“一师一优课”的教学课例在数学内容、认知需求和教学组织三个维度上的表现略优于全国初中青年数学教师课例展示活动中的课例,但在学生参与维度上的表现稍次于全国初中青年数学教师课例展示活动中的课例;两类教学课例在数学交流维度上的表现相同。 本文基于研究结果提出了结合学生的数学现实,创设合适的实际问题情境;结合实际情境或数学模型,培养学生提出实际问题的能力;有效提问,促进学生思考;促进课堂数学交流,发挥学生主动性;改进评价与反馈方式,提高课堂教学效果等建议。最后笔者指出了本文研究的不足之处和未来研究展望。