元宇宙:概念、技术及应用研究综述

网络技术、人机交互和人工智能等技术的飞速发展催生了元宇宙,并进一步促进人们物质生活各个方面的数字化转型.2021年是元宇宙元年,元宇宙作为一个新兴的概念受到产业界、学术界、媒体界及公众的广泛关注.本文尝试从技术维度和应用角度深度剖析元宇宙.首先,从定义、起源与发展、特征和关键技术(网络及运算技术、物联网技术、人机交互技术、电子游戏技术、区块链技术、数字孪生技术和其他技术)等多方面对元宇宙的概念及内涵进行论述;然后,讨论了当下布局元宇宙的企业和应用实例;最后,剖析了目前元宇宙发展存在的问题和机遇,并对未来研究与应用进行了展望.通过对元宇宙当前的发展状况、研究趋势进行归纳分析以及科学地评估元宇宙的落地应用,为元宇宙研究人员提供有益的参考和借鉴.

中国生活垃圾焚烧环境损害成本研究

环境损害成本分析可以衡量人类活动造成的污染对最终主体的影响。目前,我国生活垃圾焚烧(MSWI)所造成的环境损害成本仍不清楚。作者基于环境损害模型(LIME-3)对中国MSWI所产生的环境损害成本进行了研究,包括初级生产力(NPP)、社会资产(SA)、生物多样性(BIO)和人体健康(HH)四个端点影响类别,并分析了时空分布和影响因素等。结果显示,2004~2019年,中国MSWI的环境损害总成本分别为133、54、23、5亿美元,SA(61%)>HH(25%)>BIO(11%)>NPP(3%),华东地区占比最大,西南以及华中地区增长趋势比较明显。这些结果可以为整个中国生活垃圾管理系统以及地区特定废物的管理政策制定提供数据支撑。

南京北郊冬季大气粗细颗粒物中PAHs来源解析

为研究南京冬季大气颗粒物中PAHs来源情况,利用FA-3型气溶胶采样器从2007年11月20日到12月30日在南京郊区分昼夜采集气溶胶样品,并用GC-MS对16种优控PAHs浓度进行定量分析,采用PCA法对其来源进行解析.结果表明,南京冬季细颗粒物中PAHs浓度明显高于粗颗粒物中PAHs浓度,单种类PAH浓度表现出昼夜差异,日间低分子量PAHs含量高于夜间,而夜间高分子量PAHs浓度则相对较高;主成分分析对PAHs源解析结果表明,南京北郊大气颗粒物中PAHs主要来源为机动车尾气、燃煤源、焦化源、天然气燃烧和烹调源等,粗细颗粒物中PAHs排放源差异明显,细颗粒物部分表现出明显的昼夜差异,同时,外来源和不确定源占有较大比重.

南京市北郊冬季大气颗粒物中重金属污染研究

为摸清南京市北郊不同粒径大气颗粒物的污染状况、来源及风险,于2014年冬季采集南京信息工程大学浦口校区观测场TSP、PM_(10)、PM_(5)、PM_(2.5)样品,并分析样品中As、Cr、Mn、Cu、Ni、Pb和Zn等7种元素。结果表明,TSP、PM_(10)、PM_(5)、PM_(2.5)浓度范围是9.09~37.12、12.88~29.55、10.61~29.55、59.85~153.79μg/m^3,其中PM_(2.5)超过国家二级标准的比例为66.67%;TSP、PM_(10)、PM_(5)和PM_(2.5)中元素的排序分别为:Cu>Zn>Mn>Pb>As>Cr>Ni;Zn>Cu>Pb>Mn>Cr>Ni>As;Zn>Pb>Cu>Mn>As>Cr>Ni;Zn>Pb>Mn>Cu>Ni>Cr>As。运用富集因子法和主成分分析法分析得到7种元素的来源主要包括交通源、地表扬尘、工业排放等;潜在生态风险评估显示生态风险为极强;健康风险评估显示PM_(2.5)中7种元素对小学生的危害最大,其次是中学生,对大学生的危害最小,其年均超额危险度均未超过人群可接受危险水平1×10-6,对人体危害在可接受范围。

南京市区郊区大气PM_(10)、PM_(2.1)中PAHs的分布特征及影响因素

2009年11月~2010年7月,同步采集了南京市区郊区大气PM_(10)、PM_(2.1)样品,利用气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)对其中16种PAHs进行定量分析.结果表明,南京市区、郊区大气PM_(10)中ΣPAHs浓度范围分别为32.84~245.35ng/m^3、21.43~225.72ng/m^3.PM_(2.1)中分别为19.11~111.57ng/m^3、19.69~125.21ng/m^3,市区和郊区PAHs分布差异不大,均呈现冬季>夏季的季节特征.PM_(10)、PM_(2.1)中PAHs均以4、5、6环为主,占总质量浓度的78.7%~83.1%(PM_(10))、80.5%~87.1%(PM_(2.1)),冬季4环PAHs的比例明显增加.市区和郊区PAHs浓度昼夜变化趋势不同,即市区白天大于夜间,而郊区夜间大于白天.在所测定的气象条件中,温度、相对湿度和PM_(10)浓度对PAHs影响显著,温度、相对湿度对PAHs的贡献为负,而PM_(10)对PAHs贡献为正,暖季(夏秋)PAHs受到气象条件的影响大于冷季(冬春),O_3对5、6环PAHs表现出显著的负贡献.利用后向轨迹分析发现南京受到本地排放和周边地区污染源的影响,来自南京东南和西南方向的短距离输送气团对PAHs浓度上升影响较大.

东北城市群大气污染立体观测与研究进展

基于国家重点研发计划专项课题“哈长城市群大气复合污染立体监测技术体系”研究成果,回顾了近年来在我国东北城市群大气污染立体监测、污染特征及成因机制研究方面取得的主要进展;介绍了东北地区大气污染立体观测网的布局和建设,总结了大气污染物时空分布特征和大气气溶胶光化学特性,分析了大气边界层结构特征及其物理过程对大气污染生消的影响。最后指出东北城市群还需要加强PM_(2.5)和臭氧污染的协同控制以及气溶胶—边界层反馈机制对大气污染影响等方面的研究。

南京青奥会期间棕碳对大气颗粒物光吸收贡献研究

黑碳(α_(BC))和棕碳(BrC)是大气中重要的吸光物质。近年来,大气棕碳光吸收贡献已成为国内外研究热点之一。2014年青奥会期间在位于南京江心洲的南京市气象局,利用三波长光声黑碳光度仪(PASS-3),热熔蚀器(TD),气溶胶质量分析仪(APM),扫描电迁移率粒径谱仪(SMPS)和空气动力学粒径谱仪(APS)进行了大气实时观测。基于Mie模型和AAE方法,计算得出BrC在405 nm和532 nm处的平均光吸收系数分别为(8.5±4.5)Mm^(−1)和(3.2±2.1)Mm^(−1),相应的平均光吸收贡献分别为(22.7±12.0)%和(13.6±9.2)%,说明BrC的光吸收能力具有波长依赖性。进而对核-壳和外混两种模型中α_(BC)随复折射指数变化做了敏感性分析。在这两种模型中,α_(BC)均对α_(BC)核复折射指数虚部最为敏感,其次是α_(BC)核复折射指数的实部;不同的是,在外混模型中非吸光物质复折射指数实部的改变不会影响α_(BC)。

考虑氢能利用与需求响应的综合能源系统低碳优化调度

综合能源系统(IES)对提高能源利用效率、减少碳排放具有重要意义.为了更好地实现这一目标,提出一种考虑氢能利用与需求响应的IES低碳优化调度方法.在源侧,构建以氢能利用为核心的IES模型来优化设备运行灵活性;在负荷侧,考虑到用户用能特征,建立基于Logistic函数的需求响应模型来优化负荷曲线、协助降碳;同时,为进一步挖掘系统的碳减排潜力,在优化模型中引入阶梯式碳交易机制;最后,综合考虑系统购能成本、运维成本、碳交易成本以及弃风成本,以IES日运行总成本最小为目标函数进行优化调度.算例验证结果表明,所构建模型不仅达到负荷削峰填谷的效果,同时可以有效地降低IES的运行总成本和碳排放,具有较好的低碳经济性.

面向航空结构件的双资源分布式柔性调度研究

考虑航空结构件生产中精工序的员工约束和分布式多工厂协作需求,建立双资源约束分布式柔性作业车间调度模型。提出一种基于关键工厂的混合灰狼优化算法来解决该问题。针对模型的工厂选择、工序排序、机器选择以及员工选择4个子问题,设计了4层编码及新型解码方式以避免机器员工的使用冲突。结合模型的工厂约束和员工约束特征,设计一种新的狼群捕猎和猎物搜索机制,保证种群多样性的同时提高算法全局探索能力。针对分布式特性,设计基于关键工厂的局部搜索策略,提高算法的局部搜索能力。通过扩展标准算例和航空结构件实例分析,验证了所提算法求解双资源约束分布式柔性调度的有效性。

改进文化基因算法求解双资源约束柔性作业车间调度问题

针对具有机器和工人的双资源约束柔性作业车间调度问题,以最小化最大完工时间为目标构建调度模型,并设计一种改进文化基因算法对其进行求解。由于该调度问题需要同时考虑工序排序、机器选择及工人选择3个子问题,故采用三层序列编码。考虑传统解码方式存在收敛速度慢、收敛不完全的弊端,设计一种扩展型插入式主动解码方式,以提高算法的收敛速度;针对进化算法易陷入局部最优的缺陷,设计一种基于负载平衡的机器和工人再分配算子,增强算法的全局搜索能力,对种群中的优秀个体采用改进变邻域搜索以提高算法的局部寻优能力。最后,利用仿真算例及航空设备生产实例进行实验,验证所提算法求解双资源约束调度问题的有效性。

双解码卷积循环网络风噪声有源控制

本文提出一种利用双解码卷积循环网络(Dual-decoder Convolutional Recurrent Network,DCRN)代替FxLMS(Filtered-x Least Mean Square)算法的有源噪声控制方法,考虑到相位信息在有源噪声控制(Active Noise Control,ANC)中的重要性,DCRN网络的输入特征为噪声信号的复数频谱(包括实部谱和虚部谱).网络结构中,采用编码模块从噪声复数频谱中提取特征,利用双解码模块分别估计网络输出的实部谱和虚部谱,采用参数共享机制和组策略以降低训练参数的数量并提高网络的学习能力和泛化能力.特别是针对风噪声,选用新的损失函数以及对训练数据进行正则化处理以提升DCRN的性能.实验结果表明,DCRN方法在仿真环境与有源降噪耳机环境下对一般噪声和风噪声都表现出良好的降噪性能和鲁棒性.

水库水位的VMD-CNN-GRU混合预测模型

水库水位预测为其运营、防洪、水资源调度管理提供了重要决策支持.准确可靠的预测对水资源的优化管理起着至关重要的作用.针对水库水位数据的非线性、不稳定性以及复杂的时空特性,提出一种融合自适应变分模态分解(VMD)、卷积神经网络(CNN)和门控循环单元(GRU)的混合水库水位预测模型.VMD通过对水位序列进行分解消除噪声,CNN用于有效提取水位数据的局部特征,GRU用于提取水位数据的深层时间特征.以葠窝水库日水位为例,与多个相关模型对比分析,结果表明:精度方面,新模型在选取的评价指标上均表现最佳;运算效率方面,本文选择的GRU与长短时记忆网络(LSTM)相比,运算效率显著提高.新模型预测的高精度、高运算效率更能满足实际水库水位实时调度的需求.

优化形状因子的超声兰姆波损伤概率成像

在超声兰姆波的损伤概率成像算法中,目前对于形状因子的选取是通过测试或根据先验知识得到的,这使得结果不够客观准确。文章提出了一种基于损伤概率点对形状因子优化的损伤概率成像方法。该方法先利用概率成像的原理估计缺陷范围,然后依据该点对部分路径上的形状因子进行重新计算,使得每条路径上的影响区域都尽可能包含缺陷,最后运用概率叠加实现缺陷定位。该方法用在兰姆波钢板缺陷的检测实验中,结果表明能够实现缺陷定位,定位误差在7mm以内,较常数形状因子的算法减小了定位误差。该方法在未有先验知识的前提下能对形状因子进行有效的优化,得到更好的损伤概率成像效果。

基于自适应步长策略的A*算法路径规划优化

针对A*算法求解路径轨迹耗时长、内存占用大等问题,本文提出一种基于自适应步长策略改进A*算法.首先,根据当前点与终点的位置关系,设定寻路方向的优先级顺序,减少不合理方向上的冗余规划计算量;其次,修改到达终点的判断条件,可在轨迹规划时实现路径的跳跃;再次,针对A*算法轨迹规划效率低的问题,提出自适应步长策略;最后,针对内存占用大,以及面对大地图时可能出现的内存溢出问题,提出了八方向搜索法.实验结果表明,相较于原始的A*算法,改进的A*算法在轨迹规划效率上获得了极大的提升,同时内存占用大的问题也得到了很好的解决.

基于GA-PSO-BP神经网络的气象能见度预测

针对安徽省气象能见度数据缺测问题,选取安徽省4种不同地形条件下的自动气象站点(黄山站、灵璧站、山南溪谷站、白泽湖站)2017—2019年的气象数据,首先采用灰色关联分析法筛选出与能见度联系紧密的气象要素,然后构建遗传算法(genetic algorithm,GA)和粒子群算法(particle swarm optimization algorithm,PSO)混合算法优化BP(back propagation)神经网络的预测模型,对4种不同地形条件下的自动气象站点的能见度进行预测,并与RF预测模型、XGBoost预测模型的预测效果进行对比,结果表明采用GA-PSO-BP神经网络预测模型无论在哪种地形条件下,预测误差更小,模型精度更高。

基于投票机制的暖通空调空气处理单元传感器故障诊断

现有暖通空调(HVAC)空气处理单元(AHU)的故障诊断研究往往是集中式的。少量的分布式方法大多需要求解大量耗时的优化问题,使得无法及时完成故障诊断。针对以上挑战,该文提出一种基于投票机制的分布式故障诊断方法。在该方法中,建立一个玻尔兹曼机来描述传感器网络,通过传感器之间的相互投票来确定玻尔兹曼机的边权值,基于边权值对玻尔兹曼机的状态也就是传感器的状态进行迭代,从而定位传感器的故障。设计了一种基于欧氏距离的投票策略确定投票值。开发了一种方法,通过在玻尔兹曼机中增加一个额外的节点来重置其权值矩阵,在将玻尔兹曼机对称化的同时,保持原来各传感器之间的投票关系,以保证玻尔兹曼机状态的迭代收敛。该方法不需要求解大量的优化问题,相较于当前的分布式方法计算量小。使用ASHRAE Project RP-1312提供的实际数据对所提方法进行验证。实验结果表明所提方法可以精确且高效地诊断出空气处理单元传感器的偏差故障和漂移故障。

南京2013年冬季三级分粒径雾水化学特征

为研究南京冬季不同粒径雾滴的化学成分的特征,利用three-stage CASCC主动式分档雾水采集器,于2013年12月7日～12月9日南京郊区发生浓雾期间,分时段采集三级分档雾水样本,分档粒径为4～16μm（三级）、16～22μm（二级）、〉22μm（一级）,共计23个分档雾水样本;用瑞士万通850professional IC型色谱仪器测定水溶性阴、阳离子浓度,分析探讨了三级分粒径雾水中阴、阳离子组分的分布特征,不同粒径雾滴中阴、阳离子浓度的相关性,雾水离子浓度与污染气体以及微物理之间的关系.结果表明,南京雾水的p H值多呈酸性,雾水中的各离子成分分布都与雾滴的大小存在着尺度依赖性关系,小雾滴与大雾滴相比,小雾滴中主要离子成分浓度（NH4＋,NO3-,SO42-）高、p H值小且电导率（EC）值高.同时南京雾水中的各离子浓度呈现出夜间高白天低.统计分析显示,南京雾过程中雾水组分的变化,主要源于污染源的贡献差异.结合雾滴谱和污染气体资料分析得出,雾水化学组成的变化与微物理特征以及空气中污染气体有关。

综合气象观测运行监控系统监控信息的标准化与传输

为加强气象探测保障能力,提高气象观测数据的可用性,规范监控信息发送的标准化,提高气象设备维护维修的实效性,利用Visual Studio 2010编写了监控快报、监控日报短信发送软件。该软件自投入使用以来,监控快报、监控日报的发送越来越规范,人为因素导致的不规范现象锐减,取得了良好的效果。

基于BLDC的气象温度传感器设计与实验研究

针对自然通风温度传感器受太阳辐射影响后测量精度较差,而强制通风温度传感器功耗大、能耗浪费严重等问题,设计了一种基于无刷直流电机(BLDC),将自然通风与强制通风相结合的新型温度传感器。首先利用计算流体动力学(CFD)方法量化传感器在不同环境变量及电机转速下的辐射误差,并基于此制定电机转速的控制策略。其次利用粒子群优化的神经网络算法对仿真数据进行训练学习,并拟合成辐射误差修正方程。最后搭建户外测试平台验证新型温度传感器的测温精度以及修正方程的修正效果。实验结果表明,新型温度传感器具有较高的温度测量精度,其修正值与基准值的差值的平均绝对误差(MAE)和均方根误差(RMSE)分别为0.035℃和0.043℃。

大气冰核:研究进展与挑战

大气冰核参与初始冰晶的异质形成,影响冰云的微物理过程和辐射性质。阐明大气冰核浓度、来源、性质及活化成冰的微观机制,是深入认识气溶胶与云相互作用的关键。本文梳理了近年来国内外在冰核测量技术、冰核活化机制、外场观测及其参数化方案等几个方面取得的进展,明晰了冰核研究存在的挑战。此外,本文也指出了我国加强大气冰核研究的必要性和迫切性。