考虑驾驶风格的混合动力汽车强化学习能量管理策略

为了提升混合动力汽车能量管理策略对不同风格驾驶员的适应性,基于深度强化学习和等效燃油消耗最小策略(equivalent consumption minimization strategy,ECMS),提出一种考虑驾驶风格的混合动力汽车能量管理策略。通过实车试验采集驾驶员行驶数据,基于采集数据进行驾驶员驾驶风格的聚类分析,建立驾驶风格识别模型;构建基于强化学习和ECMS的能量管理策略,将驾驶风格系数作为强化学习状态变量,利用多种驾驶风格的组合工况训练深度确定性策略梯度智能体,获取不同工况和驾驶风格下ECMS等效因子,采用ECMS求解最优发动机、电机转矩分配以及变速箱挡位;搭建硬件在环测试平台,并基于实际采集的不同驾驶员驾驶数据构建测试工况,验证所提出控制策略的有效性。研究结果表明,相较于基于规则策略、基于等效因子比例修正的自适应ECMS以及DRL-SAC策略,提出的考虑驾驶风格的强化学习能量管理策略使整车能量消耗分别降低16.35%、11.11%和7.56%,所提控制策略的有效性得到了验证。

航天返回舱雷达探测技术研究

雷达在探测航天返回舱黑障区时,因受到等离子体鞘套干扰,长期存在跟踪不稳定甚至丢失等问题。本文从等离子体鞘套与电磁波相互作用机理出发,提出了航天返回舱黑障区电磁特性仿真方法和再入场景回波仿真方法;结合仿真与实测数据研究获取黑障区目标回波特征,提出了基于鞘套快时变特性的目标检测方法;设计了返回舱黑障区认知探测流程,将其应用于多频段雷达装备成功完成了多次返回舱探测任务,保障了黑障区稳定跟踪,基本解决了航天返回舱黑障区雷达探测问题。

权衡城市扩张、耕地保护与生态效益的京津冀城市群土地利用优化配置情景分析

京津冀城市群作为影响我国经济发展的重要区域,具有多重战略意义。然而,快速的城市扩张在提高社会、经济水平的同时,伴随着资源供求矛盾加深、耕地被侵占、生态退化,以及水、大气环境污染等众多突出问题,如何优化调整城市空间结构与布局,实现社会、经济发展与生态环境保护等多目标的协同优化是京津冀规划管理与决策的关键。从土地覆盖/利用数量和空间布局两个重点方面出发,通过多目标优化模型和CLUE-S模型的构建,提出了多目标权衡下的土地扩张优化情景预案,以期为京津冀城市群扩张布局与土地利用优化配置规划与管理提供科学参考。结果表明:一方面,利用多目标遗传算法(MOGA)可以很好地实现对京津冀土地利用结构优化配置及其与社会、经济及生态效益等多目标的定量化求解,为决策人提供满足不同权衡目标的多种选择,并通过与CLUE-S模型相结合,实现京津冀城市群土地利用格局的空间优化配置情景模拟;另一方面,研究结果表明,综合考虑了社会、经济和生态效益的优化方案中,林地的增加可以相对满足政策要求,增幅较大,耕地较未优化方案减幅放缓,符合耕地保有量的要求,同时,也从空间上减少了对重要生态用地的侵占。本研究的方法与结果可为京津冀城市群土地利用规划与生态安全格局建设提供理论与应用参考。

北京城市与西北远郊地表臭氧浓度梯度移动监测研究

北京城市与区域臭氧浓度逐年升高,对自然生态系统已经构成影响。但地表臭氧在北京城市与远郊梯度空间上的连续递变特征机制尚不清楚。采用移动监测车,搭载臭氧分析仪,选择夏季典型臭氧污染天气,以北京教学植物园为对照点,从北京城市中心向西北远郊方向,多点位连续测定地表臭氧浓度。通过分析臭氧浓度和采样点周围归一化植被指数(NDVI)的关系以及典型臭氧污染情况下的天气形势和气团轨迹,探讨北京城市和区域臭氧浓度连续空间变化特征及机制。结果表明:(1)北京西北山区森林区域臭氧浓度显著高于“城市区域”,约为城市区域的 2.00 倍。十三陵是地表臭氧浓度的分界点,从十三陵开始臭氧浓度陡然升高,在西北山区方向保持在高水平。空间上从高到低的顺序是西北山区(254.68μg/m^3)>对照点教学植物园(220.89μg/m^3)>城市支路(162.84μg/m^3)>城市快速路和高速路(103.24μg/m^3);(2)植被分布影响臭氧空间格局。在相同时间范围内,臭氧浓度和 NDVI 正相关,随 NDVI 增加臭氧浓度呈 Logistic 增长;(3)西北山区地表臭氧空间变异系数为 0.11,城市支路上平均为 0.28,城市快速路上为 0.26,高速公路上为 0.36。山区地表臭氧浓度的空间变异系数最小,高速公路最大,城市快速路、城市支路空间变异较大;(4)大范围均压场、高压后部、低压前部等稳定型天气型易造成南向弱气流,能够把空气污染物输送到西北远郊,但本研究中监测到的西北山区高浓度臭氧并非当天从城区输送而来。北京城市与区域臭氧格局与植被的关系及成因需要深入研究。

区域城市扩张对森林景观破碎化的影响——以粤港澳大湾区为例

森林生境丧失与景观破碎化是引起生物多样性下降,生态系统功能降低的重要原因。量化森林景观破碎化的时空特征及其与城市扩张格局的关系是开展区域生态修复与功能提升的重要基础。本文以快速城市化的典型区域——粤港澳大湾区为研究对象,基于遥感解译的1980年、1990年、2000年、2010年和2018年土地覆盖/利用专题图,通过多尺度的景观格局分析和统计分析,定量解析森林景观破碎化的时空演变特征及其与城市扩张格局间的关系。研究结果显示:1)1980—2018年,大湾区林地覆盖面积缩减1,274 km^(2),林地转变为建设用地的面积占林地丧失总面积的比例从1980—1990年的11%增长至2010—2018年的42%,表明城市扩张已成为林地丧失的主导因素;2)森林景观破碎化程度加剧,表现为林地斑块密度提高,平均斑块面积减小,但破碎类型与程度具有地域差异;3)城市扩张幅度与空间格局显著影响林地破碎化,其中,城市扩张幅度对林地破碎化的影响更为重要。基于森林景观破碎化与城市扩张的现状,落实城市增长边界划定、关键斑块-廊道识别与生态网络构建等措施,有助于保护与连通重要生态空间,保障和提升生态功能。

基于无迹卡尔曼滤波与遗传算法相结合的车辆状态估计

针对汽车状态估计中过程噪声和量测噪声统计特性不确定的状况,通过UKF算法与遗传算法相结合,提出一种新的自适应滤波算法,以降低噪声对估计结果的干扰。为达到较高的精度,建立了7自由度非线性车辆动力学模型,结合"魔术公式"轮胎模型对汽车行驶过程中的纵、侧向速度、轮胎力和质心侧偏角分别进行了估计。在利用UKF对汽车状态参数进行估计的同时,引入遗传算法,根据适应度函数对过程噪声和量测噪声进行寻优,实现了噪声的自适应作用,估计精度大幅提高。仿真和道路模拟试验的结果表明,UKF结合遗传算法的方法,能提高估计精度且具有很好的抗干扰性。

基于分子动力学模拟的非离子表面活性剂对煤润湿性影响机制

煤矿深部开采条件下煤尘灾害严重,采用非离子表面活性剂可有效改善煤尘润湿性,抑制煤尘的产生和扩散。为了探究非离子表面活性剂对煤尘表面的润湿过程和润湿机理,采用分子动力学模拟和实验研究相结合的方法,研究非离子表面活性剂月桂基葡糖苷(APG)与曲拉通X-100(Triton X-100)对煤尘表面润湿性能的影响;基于苯环碳骨架结构建立3组煤-水界面吸附体系模型,对比分析表面活性剂在煤表面的吸附平衡构型和分子空间分布,计算煤-表面活性剂-水间相互作用能及能量组成变化,考察APG和Triton X-100与水分子形成氢键的能力;以河南平顶山矿区丁、戊、己3组煤层煤样为测试对象,开展沉降和接触角实验并计算煤样表面自由能组成,验证模拟结果,利用傅立叶红外光谱(FT-IR)测试煤样芳香烃基团特征,验证Triton X-100与煤分子间的作用机制。结果表明:达到吸附平衡状态时,非离子表面活性剂分子通过烷基链相互连接,形成聚集状态,在煤-水界面与水-气界面均有分布;Triton X-100通过增强与水分子的相互作用,促进水分子在煤表面的吸附,对煤表面润湿性能影响较大。室内试验结果表明,Triton X-100对煤表面的润湿效果优于APG,质量分数为1.5%时效果最优,且煤尘中的芳香烃含量越高,越利于Triton X-100的吸附。研究成果可为深部开采的高效抑尘剂研发提供理论指导和借鉴。

面向生态监管的多等级生态功能网格概念与框架

科学有效的生态监管是落实我国生态文明建设、保障区域生态安全、实现城市可持续发展的必要途径和重要抓手。生态系统的监管涉及到社会、经济、自然等多个维度,水、土、气、生等多类要素,国家到局地等多个尺度。目前,已有生态监管常存在生态系统、生态要素、行政单元的割裂。如何整体考虑以上特征,开展科学的、系统的、空间显性的生态监管亟需理论技术的创新。通过整合等级斑块动态范式、复合生态系统理论、多功能景观理论,构建了多等级生态功能网格框架,以期为生态监管提供一个综合的概念与技术框架。等级斑块动态范式从等级作用的角度构建了多等级网格骨架,复合生态系统理论从多个维度丰富了多等级网格内涵,多功能景观理论明确了网格的功能。通过耦合多等级生态功能网格的划分、评价和监管,可实现系统、整体、差异化的生态监管,为生态文明建设提供有力支撑。

城市三维空间形态的热环境效应研究进展

城市的三维空间形态,通过影响地表能量平衡过程和空气流动,改变城市内部热环境,并可能加剧城市热岛效应。在三维空间上定量解析格局-过程-效应关系对于城市生态安全和可持续发展具有重要意义,可为城市生态规划与景观设计提供重要科学依据。从城市三维形态的热环境效应研究角度,综述了城市三维形态的定量化研究进展;总结了城市三维形态对热环境以及空气流动、太阳辐射等过程的影响;分析了当前城市三维形态的热环境效应研究领域存在的不足。未来的研究应注重建筑与植被三维特征的综合表征,三维形态指标的选择应综合考虑其对设计规划的指导作用,并加强城市三维形态对热环境影响机理及其尺度效应的研究。

城市内涝与基于自然的解决方案研究综述

受全球变暖和快速城市化的影响,城市可持续发展面临重大挑战。近10年,基于自然的解决方案(Nature-based Solutions, NbS)受到广泛关注与认可,为解决城市所面临的生态环境问题、提升城市韧性和可持续性提供了新的思路和途径。本文首先回顾了NbS的提出背景与发展历程,剖析了其核心内涵与框架准则,进而以城市中日益突出的内涝问题为例,介绍了NbS在应对和解决城市典型生态环境问题中的应用;通过汇总现有实施案例、整合多方观点,对比分析了NbS与国内外城市内涝管理的常用方法在概念框架、理论内涵和应用实践等方面的区别与联系;综合论述了基于NbS开展城市内涝管理所采用的技术手段、计量方法、评价模型的发展现状;最后,对NbS在我国的应用进行了展望,认为其在适应气候变化、提高城市韧性等方面具有巨大的潜力,但大范围的推广也面临理论认知尚不深入、实践过程存在障碍、专业人才与本土研究不足等多项挑战。

基于MPPT算法的温差发电回收效率研究

针对目前汽车尾气温差发电效率低的问题,通过搭建温差发电实验平台获取温差发电模型,验证最大功率点追踪(MPPT)算法的可行性。分析热电片的开路电压与温差的工作特性,并绘制负载特性曲线,结合改进的二分梯度MPPT控制算法,以提高温差发电回收效率。通过Matlab/Simulink仿真结果表明:相比于传统开路电压法(OCV)和扰动观察法(P&O),提出的MPPT算法在跟踪精度和速度上实现了较大的提升,对后续温差发电实验及算法研究可提供一定的指导。

基于多传感器信息融合的汽车行驶状态估计

为了保证汽车的主动安全控制,需要准确地估计车辆行驶状态信息。针对目前汽车状态估计中由于技术条件限制和成本过高造成的部分参数无法测量或不易测量的问题,本文中利用低成本传感器,基于信息融合技术进行汽车行驶状态估计。建立了包括横摆、横向和纵向的3自由度非线性汽车动力学模型,同时为降低噪声对系统影响,建立了自适应无迹卡尔曼滤波(AUKF)的信息融合算法,给出车辆状态最小方差意义下的融合结果。利用纵向加速度、侧向加速度和转向盘转角等低成本传感器信号融合得到所需的难以测量的质心侧偏角、横摆角速度和纵向车速。通过Matlab/Simulink-CarSim联合仿真和实车试验对所研究的估计算法进行了试验验证。试验结果表明:该算法能够准确地估计汽车质心侧偏角、横摆角速度和纵向车速,且相比于无迹卡尔曼滤波(UKF),本算法提高了估计精度和实时性。

“三全育人”视角下研究生培养长效机制探析

"三全育人"紧紧围绕立德树人根本任务,充分发挥我国社会主义特色的育人优势,以全面提高人才培养能力为关键,努力提高研究生培养的针对性和长效性,形成全员全过程全方位育人。本文从"三全育人"的含义出发,探讨了"三全育人"视角下的研究生培养,围绕师德师风建设、导师指导培养、学术能力培育、培养过程管理、导师能力提升等方面,对高校研究生培养长效机制的构建进行了深入的探讨。

京津冀城市群用水效率及其与城市化水平的关系

深入分析京津冀城市群用水效率与城市化水平的相互关系,揭示不同城市城市化水平对水资源利用效率的影响,有助于缓解水资源短缺问题。结合超效率数据包络模型,定量分析了京津冀城市群不同行业的用水效率,从人口、经济、社会与土地等不同城市化角度,全面分析了城市发展水平与生活、工业、农业三大行业用水效率之间的相互关系。主要结论为:(1)2006—2015年,京津冀城市群生活和工业用水效率总体上略微下降,而农业用水效率明显上升;不同城市之间存在明显差别,唐山、衡水与沧州市各行业用水效率均较高,邯郸和邢台市各行业用水效率均偏低。(2)城市发展水平对不同行业用水效率的影响存在明显差异。城市化水平的提升可以显著提高生活用水效率,但对工业和农业用水效率具有不同程度的负向影响。综合用水效率仅受到经济城市化的显著影响,相关系数达0.19,表明提高用水效率的关键是进一步调整经济产业结构。(3)城市化水平与用水效率梯度的匹配状态较差。一方面,京津冀13个城市中达到匹配的城市仅有4个,占京津冀城市总数的30.77%,匹配程度较低。另一方面,不存在城市化水平和用水效率双高型的城市,匹配层次较低。综上所述,针对京津冀城市化发展与用水效率的失衡关系,应审视水资源投入产出结构并尝试行业联动等节水发展模式。

不同时间尺度北京蟒山油松树干液流对环境因子的响应

探究不同时间尺度蒸腾与环境因子的关系并明确其主控因子,对于理解蒸腾对环境响应规律和驱动机制具有重要的理论意义。以北京蟒山国家森林公园的油松为例,开展树干液流及气象指标、土壤温湿度等环境因子的长期定位观测,并分析不同时间尺度油松液流速率与环境因子的关系。研究结果表明,在日尺度上,土壤温度、大气相对湿度、土壤湿度与液流速率呈极显著正相关,这3个因子对液流速率变化的贡献量分别占28.3%、11.7%和10.1%;在月尺度上,土壤温度对液流速率的影响最大,贡献量占比49.7%,土壤湿度和相对湿度的贡献量分别为7.3%和6.4%;在年尺度上,相对湿度对液流速率的年际变化的贡献量高达93.3%,是关键控制因子。随着时间尺度的扩展,环境因子对油松液流速率的控制作用逐渐增强。本研究的结果可以为植物蒸腾的时间尺度转换、未来全球气候变化背景下植物蒸腾耗水特征的预测提供理论依据。

城市化对空气污染人群暴露贡献的定量方法研究

短期快速城市化引发一系列生态环境问题,尤其是近年来以细颗粒物(PM_(2.5))为代表的城市与区域空气污染问题。人群的污染暴露一方面是因为污染区范围的扩张,另外一方面则归因于城市化引发的人口迁移,目前的研究重点关注于前者的贡献,而忽略了后者的贡献。因此,建立了城市化对空气污染人群暴露贡献的定量方法,并选取我国PM_(2.5)污染最为严重的京津冀城市群开展了实证研究,通过利用2000、2005、2010、2015年PM_(2.5)浓度和人口栅格数据以及人口自然增长率数据,定量评估了城市化引发的人口迁移对空气污染人群暴露的贡献。研究结果显示:(1)京津冀地区受污染影响面积和人口变化显著,造成大量的人口暴露于PM_(2.5)污染。(2)城市化引发的人口迁移与自然增长贡献率方面:总体上,2000—2015年,京津冀城市群总的人口迁移贡献率为48%,北京市和天津市总的人口迁移贡献率分别为94%和88%,而河北省污染总的人口迁移贡献率为-32%。其中在污染保持区,北京市和天津市的人口迁移贡献率均接近100%,而河北省的迁移贡献率为-26%,尤其在2010—2015年,河北省衡水市的人口迁移贡献率达到-6613%;在污染新增区,北京市和天津市的人口迁移贡献率分别为86%和84%,而河北省污染的人口迁移贡献率为-757%。本研究建立了定量化的方法揭示了城市化在空气污染人群暴露中的定量贡献,为科学引导城市化发展提供了定量的手段,为合理规划京津冀城市群地区的人口流动与空气污染奠定了数据基础。

城市空气污染对周边区域空气质量的影响

京津冀地区是全球以PM_(2.5)为首要污染物的空气污染最严重的区域之一,并已严重制约区域发展。大区域尺度上(例全国尺度)开展城市与其周边区域的PM_(2.5)的研究通常直接比较二者的浓度差异,以定量地评估城市PM_(2.5)污染对周边区域的影响,但这种方法在小区域较难精细地刻画城市对周边区域的影响的方向性和距离性差异。利用京津冀地区13个城市2000年,2005年,2010年,2015年PM_(2.5)浓度和土地覆盖类型数据,以城市重心到城市边界的平均距离为基本距离,建立每个城市的一级(一倍基本距离)和二级(二倍基本距离)缓冲区,然后将缓冲区分成8个象限,以定量分析城市PM_(2.5)污染对周边区域影响的方向性和距离差异。结果发现:(1)2000—2015年,京津冀城市群各地级市与周边区域空气质量时空分布分为以下两种模式:第一种模式是城区浓度高,周边区域低;第二种模式是城区浓度低,周边区域高且浓度差异很小。(2)各地级市对周边区域影响程度和范围呈上升趋势,并且这种影响具体表现在距离性和方向性两方面:(1)大部分城市距离城区越远,受城市PM_(2.5)污染的潜在影响越大。(2)2000—2015年,除天津、廊坊、衡水和沧州,其余城市空气污染对周边影响的方向性特征差异显著。通过建立城市空气污染对周边区域定量化方法并在京津冀开展实证研究,拓展了城市空气污染对周边区域空气质量影响研究的方法体系,为定量地开展城市化的生态环境效应研究提供了方法和实证拓展。

城市群空气污染综合评估范式与应用——以京津冀城市群PM_(2.5)污染为例

城市群已成为中国城市发展的主要形式,城市化发展引发的一系列环境污染问题成为目前的研究重点之一,尤其是近年来明显的空气污染问题。由于传统的针对某一城市地区进行细致研究,难以解决在城市聚集的城市群下形成的区域性空气污染来源和影响机制等问题,使区域性空气污染造成的负面效应难以评估。通过构建综合评估模型范式,并运用空间分析,对京津冀168个区县2000年,2005年,2010年,2015年PM_(2.5)人口暴露风险、人类活动对PM_(2.5)的贡献、以及5种土地利用类型的“源汇”特征进行了实证研究。结果发现:(1)2000—2015年,京津冀城市群的人口暴露风险、空气污染分布、综合评估结果总体呈现北低南高的现象。(2)2000—2015年,各县域的人口暴露风险和空气污染的程度、范围呈上升趋势。不同的土地利用类型具有不同的源汇特征,且对污染的贡献不同。本研究通过综合评估模型范式对城市群或区域城市发展与空气质量的权衡关系模式开展量化解析,为城市的可持续发展提供了科学的范式和初步的实证示范。

煤尘微细观润湿特性及抑尘剂研发初探——以平顶山矿区为例

煤矿开采逐渐向深部延伸,深部开采条件下煤尘灾害频发,防控难度高,除尘机理与技术仍然是深部开采科学高效除尘基础研究的难点与重点之一。以平顶山矿区丁、戊、己、庚4组煤层采集的原煤为研究对象,联合多种煤尘物理化学性质测试(工业分析,XRD,BET,SEM,FT-IR)、分子动力学模拟等手段,系统采用基础物性特征分析、润湿特性多因素影响探讨、分子层面润湿机理探索、抑尘剂改性讨论的研究思路,开展了基于煤尘微细观结构特征的除尘机理探索及新型抑尘剂研发初探。研究表明:平顶山矿区丁戊己庚4组煤层典型煤尘的润湿性大小顺序为戊>丁>庚>己,煤中有机质质量分数、水分质量分数、灰分质量分数、无机矿物成分质量分数、比表面积、含氧官能团等指标的显著差异将对煤尘润湿性能产生显著影响,比表面积、石英质量分数、羟基和醚键数量越多,润湿性越好,固定碳质量分数越高,润湿性越差。联合煤的红外光谱分析和分子动力学模拟,根据平顶山矿区煤尘亲水官能团特征,研究了水分子在不同数量羟基和醚键修饰的煤表面吸附过程,进一步揭示了煤尘润湿性能的强关联因素,表面羟基数量正相关于吸附水分子能力,而煤尘醚键数量对于吸附水分子能力存在极大值。基于煤尘微细观特征对其润湿性的影响机制,考察了3种非离子表面活性剂对4组煤尘的润湿除尘特性,基于表面活性剂分子结构对煤尘润湿的作用机理,针对平煤矿区煤尘提出了引入芳香环结构实现新型抑尘剂改性的解决思路。

粤港澳大湾区城镇化对海岸线与海岸带的影响

海岸带以丰富的自然资源与优越的地理位置成为城镇化的关键地带。基于Google Earth平台2001、2010、2018年高分影像识别分析了粤港澳大湾区快速城镇化过程中海岸线长度的变化,并分析了大湾区海岸带土地利用/土地覆被(land use/land cover,LULC)变化,以及定量解析了大湾区滨海城市城镇化与海岸带城镇用地的关联关系。结果表明:(1)2001—2018年,粤港澳大湾区海岸线总长度净增加32.24 km,但自然岸线人工化问题突出,自然岸线共减少187.67 km,人工岸线共增加219.91 km;(2)海岸带(海岸线向陆侧5 km缓冲区)LULC组成以耕地为主,但城镇用地对耕地的侵占问题突出,2001—2018年,耕地面积减少347.58 km^(2),城镇用地面积增加588.33 km^(2);(3)2001—2018年,滨海城市土地城镇化与海岸带城镇用地增长呈显著相关,并且滨海城市土地城镇化对海岸带城镇用地增加的影响在加强(2001—2010年和2010—2018年贡献率分别为43.7%和68.51%)。研究结果可对粤港澳大湾区海岸带保护、修复以及土地利用规划管理提供科学参考。