“FAST”主动反射面的调节

介绍2021年“高教社杯”全国大学生数学建模竞赛A题“‘FAST’主动反射面的形状调节”的建模思路,并简要评述参赛论文评阅的总体情况.     

基于激光诱导击穿光谱(LIBS)的煤灰熔点快速检测

炉内结渣是影响火电机组和气化工艺可靠运行的关键因素之一,准确预测灰熔点可以提前调整炉膛出口温度以避免结渣。本论文采用激光诱导击穿光谱（LIBS）采集煤灰样中金属元素的光谱,分别建立煤灰中的金属元素的谱线强度与煤灰熔点的随机森林模型、支持向量机回归模型和线性回归模型,直接预测煤灰熔点温度。采用基于马氏距离(MD)的异常数据剔除算法和基于稀疏矩阵的基线估计与降噪算法（BEADS）,对粉煤灰样的全光谱数据进行了预处理。随机森林模型对粉煤灰熔点的预测平均相对误差（MRE）为54.74%,支持向量机回归模型的预测平均相对误差为60.08%,而线性回归模型的预测平均相对误差达到了9.78%。研究结果表明,线性回归模型对煤灰熔点的预测结果更准确。     

水体透射光谱结合主成分分析(PCA )改进化学需氧量(COD)含量估算研究

化学需氧量（Chemical Oxygen Demand,COD）是水体有机污染的一项重要指标,化学需氧量越高,表示水污染程度越严重。 为了解决传统的COD测量方法耗时较长,不利于快速、实时地获取水体中COD的信息等问题。本文提出了基于透射光谱测量结合主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)改进水体COD含量估算模型。具体的,采集100组COD水体光谱信息,分别使用3种不同的高光谱数据预处理方法对光谱数据进行预处理,分析不同预处理方法对模型精度的影响,并基于不同的预处理方法分别建立高斯过程回归模型(Gaussian Process Regression, GPR)和BP神经网络模型,分析不同预处理方法对模型精度的影响;并对各模型结合PCA数据降维方法进行模型的改进,通过比较模型的精度选择最优模型进行水体COD含量的检测。结果显示,相比于原始光谱数据建立的GPR模型和BP神经网络模型,数据预处理后的模型精度明显提升;且结合PCA对预处理后的数据进一步降维处理后,模型精度得到了进一步的提升。其中,基于标准正态变量变换特征结合PCA改进BP神经网络模型基于PCA改进的BP神经网络模型R^2高达0.9940,均方根误差RMSE为0.022540。证明了基于PCA改进的BP神经网络数据降维方法对预处理后的光谱数据进行降维处理,有利于去除光谱中的冗余信息,提取特征信息,可以实现高光谱检测方法可以实现COD含量估算模型的优化,从而为传统COD测量方法存在的问题提出了一种新的解决思路。     

可恢复相干性中心自旋模型结构设计及精确动力学

中心自旋不可避免地与周围核自旋发生相互作用,发生退相干,这也是量子信息和量子计算领域长久以来面临的严峻挑战之一。我们提出了一种可以完美且长久保持中心自旋量子位相干性的结构,该结构由一个自旋-1/2中心自旋通过XXZ型超精细相互作用耦合上一个由非均匀耦合相互作用的自旋链构成,其在中心自旋为叠加态、浴自旋为反铁磁态为初态及浴内为较强耦合的情况下,中心自旋可近似维持原有相干性,进一步去除xy方向超精细耦合,可完美保持相干性。中心自旋作量子位,将此结构应用于量子计算,或可实现无损耗量子计算。我们用浴自旋模拟环境,应用基于XX链中自旋算符矩阵元解析表示的运动方程方法,系统地研究了环境对于中心自旋退相干动力学的影响,着重研究了浴自旋间非均匀耦合影响下的中心自旋相干因子的动力学特性。在从最小到最大调控浴自旋间非均匀耦合过程中,中心自旋相干动力学大致呈现出了六个阶段,展现了丰富的量子动力学特性,并为日后研究中心自旋动力学提供了两个重要参考标志：相干因子的长时平均值的极值可以作为区分不同相的标志;相干因子长时演化的平衡可以作为竞争平衡中耦合关系对等或之间的倍数关系的标志。     

交叉分段差分进化支持向量回归的气体超声 流量计测量方法

为了进一步提高全量程气体超声流量计的测量精度,基于多通道声波到时和实时温度,提出了一种交叉分段差分进化(Differential Evolution)支持向量回归(Support Vector Regression)DE-SVR模型。考虑到气体在不同流量条件下的流体状态不同,提出了交叉分段处理的方法,采用DE算法优化选取SVR参数。实验结果表明,对于16~1600m3/h全量程,交叉分段DE-SVR和传统积分方法计算气体流量的平均相对误差分别为0.00447和0.02781,前者较后者降低了83.93%;对于16~160m3/h小流量,交叉分段DE-SVR和无分段DE-SVR算法计算结果平均相对误差分别为0.00436和0.03214,前者较后者降低了86.43%。该方法有效避免了声道长度、探头角度以及管道直径等参数不确定性对流量计算的影响,为全量程气体流量的高精度测量提供了保障。     

圆柱类构件超声相控阵聚焦模型

在利用平面相控阵超声换能器对圆柱类构件检测时,受曲界面结构引起的入射波和回波时延的影响,扫描声束的波阵面产生弯曲,在利用传统迭代遍历算法计算延迟时间时效率低,无法发挥相控阵换能器检测优势。针对上述问题,建立了一种基于圆柱类构件特征和耦合介质特性的超声相控阵扫描成像的聚焦模型。该模型基于换能器、耦合介质、圆柱类构件材料特性和几何关系以及声线模型和折射定律,建立了耦合介质及被检构件的声速、曲面曲率半径、阵列与曲面间的距离等关联的延迟时间聚焦控制模型。利用该模型计算出的延时时间,对各阵元发射时间进行控制,从而实现扫描声束的聚焦。该文以液体和有机玻璃制介质楔块为例,对圆柱钢曲面的相控阵声束聚焦进行了仿真实验,结果表明该文方法计算效率显著提升,同时声束可以在预设位置实现聚焦,验证了该模型在计算效率上的优势与有效性。     

声纹信号-图形差分场增强和多头自注意力机制的变压器工作状态辨识方法*

为提升电力变压器工作状态的智能监测水平,提出声纹信号-图形差分场增强和多头自注意力机制的变压器工作状态辨识方法。基于图形差分场技术将声纹信号映射为二维图像,再借助多头注意力机制的视觉转换器实现图像信息的深层挖掘与状态辨识,采用梯度加权类激活映射实现分类结果的可解释性分析。搭建了包含变压器4种典型工作状态下的实验模拟测试系统平台,实验结果表明：所提方法不仅能够有效表征变压器声纹信号的状态特征,且分类辨识精度相较于“时频图+引入多头注意力机制的变换网络”与“图形差分场+引入残差模块的卷积神经网络”的常规方法有显著提升,提升约6%,同时也具备较好的鲁棒性,可为电气设备的故障检测研究提供一定参考。     

浅谈三根火柴杆悬挂重物的平衡原理

介绍了一个利用三根火柴杆悬挂重物的有趣力学试验,分析了其平衡的原理是火柴在桌面边缘处发生了自锁现象,通过理论力学的平衡方程及梁的弯曲变形理论求得了其所能悬挂的最大重量与火柴抗弯刚度、火柴与桌面摩擦系数、火柴外伸尺寸及火柴布局等因素的关系.通过几个算例讨论了摩擦系数、棉线与桌面距离对悬挂极限载荷的影响.     

Interplay Between Quark-Antiquark and Diquark Condensates in Vacuum in a Two-Flavor Nambu-Jona-Lasinio Model

By means of a relativistic effective potential, we analytically research competition between the quark- antiquark condensates （qq） and the diquark condensates （qq） in vacuum in ground state of a two-flavor Nambu Jona Lasinio （NJL） model and obtain the Gs-Hs phase diagram, where Gs and Hs are the respective four-fermion coupling constants in scalar quark-antiquark channel and scalar color anti-triplet diquark channel. The results show that, in the chiral limit, there is only the pure （qq） phase when Gs/Hs 〉 2/3, and as Gs/Hs decreases to 2/3 〉 Gs/Hs ≥ 0 one will first have a coexistence phase of the condensates （qq） and （qq） and then a pure （qq） phase. In non-zero bare quark mass case, the critical value of Gs/Hs at which the pure （qq） phase will transfer to the coexistence phase of the condensates （qq） and （qq） will be less than 2/3. Our theoretical results, combined with present phenomenological fact that there is no diquark condensates in the vacuum of QCD, will also impose a real restriction to any given two-flavor NJL model which is intended to simulate QCD, i.e. in such model the resulting sma/lest ratio Gs/Hs after the Fierz transformations in the Hartree approximation must be larger than 2/3. A few phenomenological QCD-like NJL models are checked and analyzed.     

C40自密实混凝土Ⅱ型断裂韧度的确定

自密实混凝土的Ⅱ型断裂韧度是个很重要的材料参数,而对其Ⅱ型断裂的研究,有助于我们建立复杂裂缝扩展准则并且探索构件断裂失效.为了解自密实混凝土Ⅱ型断裂破坏过程并确定其Ⅱ型断裂韧度,本文制备了7组21个不同缝高比以及不同切口方式的试件,利用半对称加载方式对自密实混凝土做了Ⅱ型断裂实验,并利用ABAQUS有限元建模,模拟计算...