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关键词： 碰撞振动   约束   稳定性   分岔   多稳态  

摘要： 含间隙机械振动系统作为典型的非光滑动力系统,广泛应用于航空航天、交通运输和材料加工等领域。由于擦边、碰撞、摩擦等因素引起的非线性和奇异性等问题使系统表现出复杂的动力学行为,影响系统的使用效率和寿命。因此,含间隙机械振动系统(碰撞振动系统)的动力学研究具有重要的理论意义和工程应用价值。 考虑含弹性约束单自由度Duffing单边碰撞系统,构建系统在各光滑子空间的流映射和切换映射以及各类周期吸引子的全局Poincaré映射,给出各局部映射和全局Poincaré映射Jacobi矩阵计算的数值方法。介绍本文所用的动力学分析方法,包括数值计算、延拓打靶法和胞映射法,计算含弹性约束单自由度Duffing单边碰撞系统的两参数分岔图、单参数分岔图、相图和吸引域,验证本文数值计算结果的正确性和有效性。 针对含弹性约束单自由度Duffing单边碰撞系统,数值计算系统在两参数平面上周期吸引子模式及其存在区域,结合数值计算、延拓打靶法和胞映射法研究相邻周期1吸引子经不同亚谐包含域的转迁规律。结果表明:1)擦边分岔小邻域内的鞍结分岔会使系统产生迟滞现象,引起多种类型吸引子共存。鞍结型倍化分岔和亚临界倍化分岔也会引起多吸引子共存。2)非标准型亚谐包含域内发生混沌吸引子的边界激变、常规内部激变和非常规内部激变等不连续分岔行为。3)在标准型亚谐包含域内,混沌区域两侧1-p吸引子表现出相同的分岔特征。此外,当不稳定吸引子发生擦边分岔时,对应的Floquet特征乘子曲线出现拐点。 考虑含弹性约束两自由度Duffing单边碰撞系统,数值计算系统在两参数平面上周期吸引子类型及其存在区域,结合数值计算和延拓打靶法研究相邻周期1吸引子经不同亚谐包含域的转迁规律,对比分析单自由度和两自由度Duffing单边碰撞系统的动力学特性。与单自由度系统相比,两自由度系统两参数动力学的不同点在于:1)标准型亚谐包含域内,多吸引子共存现象更加明显,尤其是在一定小范围参数区域内,存在三稳态共存现象。2)非标准型亚谐包含域内出现周期吸引子的Hopf分岔,存在周期与拟周期运动的共存。3)在非标准型亚谐包含域的底部临界线附近,存在两个周期1吸引子及其分岔分支的共存,导致小间隙区域内的动力学变得更加复杂。 考虑含赫兹约束单自由度Duffing单边碰撞系统,数值计算系统在两参数平面上周期吸引子模式及其存在区域,结合数值计算、延拓打靶法和胞映射法研究相邻周期1吸引子经不同亚谐包含域的转迁规律,对比分析含弹性约束和含赫兹约束Duffing单边碰撞系统的动力学特性。与含弹性约束碰撞系统相比,含赫兹约束碰撞系统两参数动力学的不同点在于:1)低频小间隙区域的吸引子模式减少,混沌吸引子的存在区域明显减小。2)鞍结型倍化分岔引起的迟滞区内发生不稳定吸引子的擦边分岔。3)在标准亚型谐包含域内,与周期1吸引子分岔分支共存的周期3吸引子消失,相邻1-p吸引子经亚谐包含域的转迁更加简单。

关键词： 双电子复合   重离子储存环   快电子碰撞   动力学参数   强流宽束电子枪  

摘要： 原子、分子和离子的能级结构以及碰撞动力学参数,不仅是原子分子物理的重要研究内容,也是拟合天文观测光谱和建模诊断等离子体的基本输入参数,同时对能源、激光和半导体加工等领域的发展也具有重要意义。然而,原子、分子以及离子的碰撞动力学参数数据库仍不完备,且许多数据精度也不够高。因此,发展相应的实验技术以及研制新的实验装置,提高原子物理数据的精度并补充完善相关数据库,不仅能够加深人们对微观物理过程机理的理解,还能促进相关领域的发展。 本论文利用中国科学院近代物理研究所的重离子冷却储存环CSRe,测量了类碳86Kr30+离子的高精度双电子复合速率系数以及等离子体复合速率系数;利用中国科学技术大学的电子能量损失谱仪,测量了氪原子价壳层激发的动力学参数;设计并研制了用于电子碰撞电离实验的带状电子枪。本论文完成的具体研究内容如下: 1.利用重离子冷却储存环CSRe,测量了 0-60 eV范围内86Kr30+离子的双电子复合速率系数,并在此基础上获得了 10～3-10～7 K温度范围内的等离子体复合速率系数。通过对比实验与FAC理论计算的双电子复合速率系数,发现在0-7 eV和35-38 eV两个范围内实验与理论存在较大差异,表明类碳离子存在强烈的电子关联效应和组态混合。进一步分析表明,35-38 eV区间内主要存在三电子复合e-+2s22p2→2p4[1D2]6l的贡献。然而,由于理论处理高阶的三电子复合较为困难,FAC计算明显高估了此处三电子复合的强度。本论文测量的类碳氪离子的双电子复合速率系数和等离子体复合速率系数,为天体和实验室等离子体建模提供了所需的基准数据; 2.利用电子能量损失谱仪,在入射电子能量为1.5 keV和能量分辨80 meV的条件下,测量了氪原子价壳层激发的广义振子强度。通过与先前的实验及理论结果对比,发现当动量转移平方大于1.0 a.u.时1.5 keV的入射电子无法满足一阶Born近似。将实验测量的广义振子强度外推至动量转移平方为零,得到了相应的光学振子强度,交叉检验了电子碰撞和光吸收实验的结果。基于BE-scaling方法获得了从激发阈值到5 keV的积分截面。本论文报道的振子强度和积分截面补充了氪原子的电子碰撞激发动力学参数数据库,并且能够用来严格检验理论方法; 3.研制了一台强流宽束（束宽为70 mm）电子枪,实现了相应的控制以及数据采集和程序。测试发现,电子枪的钡钨阴极在缓慢升高到约1200℃后充分激活,此时本底真空好于5×10-7 Pa。电子能量在30-600 eV可调,电流最高可达42 mA,初步具备了开展电子碰撞电离实验的能力。

关键词： 代谢网络模型   基因调控网络   酶动力学参数   深度学习   生物信息学  

摘要： 随着生物信息学和代谢工程领域相关研究的快速发展,对细胞工厂的代谢网络进行构建和优化,逐渐成为提升目标产物合成效率的关键环节。作为构建代谢网络的基础,利用基因调控网络可以通过对代谢途径上的多个关键基因进行“多点调控”,从而实现细胞内代谢通量的动态调节,然而这种多基因的调控思维范式虽然弥补了单基因调控的简化性缺陷,却忽视了代谢网络中酶催化的复杂特性。作为代谢途径上基因的表达产物,酶和底物分子之间的动力学特性直接决定了细胞工厂内代谢通量的高低。因此,本文章针对重构细胞内的基因调控网络及预测酶和底物之间的动力学参数等问题进行了深入研究。主要成果如下: （1）针对基因调控网络重构效果不佳的问题,本文提出一种基于图表示学习的深度学习模型GRLGRN（Graph Representation-based Learning to Infer Gene Regulatory Networks）。该模型利用图变换层提取先验基因调控网络中的隐式连接,并结合基因表达谱矩阵和注意力机制获取基因的高质量表征。通过在42个基准数据集上训练和测试,GRLGRN相较于其它基准模型展现出了更高的重构精度。这一成果为准确挖掘出细胞体内的全局转录因子提供有效的帮助,为进一步提高代谢通量打下了坚实的基础。 （2）针对预测酶和代谢底物之间米氏常数的问题,本文提出了一种基于深度学习的预测模型DLERKm（Deep Learning method to Extract Enzymatic Reactions Information for Km Prediction）。该模型充分利用预训练模型的优势,通过迁移学习有效的捕获了酶促反应和酶序列中复杂的特征信息,并结合分子指纹对酶促反应中分子集合信息进行特异性的表征。将DLERKm和现有基准模型进行比较,证明了该模型能够提供更为精确的预测结果,并通过可解释性分析展示了考虑产物特征的必要性。 （3）针对预测酶周转数的问题,为弥补米氏常数仅反映酶和底物之间亲和力的缺陷,本文提出了一种基于酶促反应多模态特征的深度学习模型Mul ERKcat(Multimodal Features of Enzymatic Reactions for kcat Prediction)。该模型旨在将酶促反应SMILES序列、酶序列、分子图和分子集合等多模态特征来作为输入,并结合预训练模型、图神经网络和注意力机制等深度学习算法来预测酶周转数。通过对比实验和酶序列相似度分析,充分说明了Mul ERKcat相较于其它基准模型的预测优势。 本文提出的GRLGRN、DLERKm和Mul ERKcat等深度学习模型,有望在代谢网络和代谢途径优化及酶的动力学特性改进等方面提供了全新的视角,并为进一步构建稳定且高效的细胞工厂提供了有力的技术支撑。

关键词： 肺动脉高压   超声心动图   右心功能   三尖瓣环平面收缩期位移   右心室面积变化分数  

摘要： 目的:本研究为一项探索性分析,旨在通过有限样本量初步构建基于多参数超声心动图的无创血流动力学预测模型,突破传统单一超声参数诊断动脉型肺动脉高压的狭隘局限,评估动脉型肺动脉高压（PAH）患者右心功能状态,优化风险分层体系,阐明超声心动图在PAH患者右心功能定量分析、疾病分期判定及治疗效果监测中的临床效用,从而提升床旁超声在动脉型肺动脉高压诊疗中的决策支持价值。 方法:纳入2023年10月至2024年10月期间贵州医科大学附属医院收治的经右心导管确诊的PAH患者55例,并收集PAH患者基线人口统计学特征（年龄、性别、血压、BMI、既往心衰史、病因）及临床参数（胆红素、PLT、PDW、NT-pro BNP等）、治疗方案。根据患者右心导管平均肺动脉压力将患者分为轻度PAH组（26mm Hg45mm Hg）。所有患者在右心导管术前24小时内接受了经胸超声心动图检查。检查时,患者取左侧卧位,超声测量参数包括三尖瓣环平面收缩期位移（TAPSE）、三尖瓣反流速度（TRV）、右心室收缩期及舒张期面积等。此外,通过评估下腔静脉直径及其吸气塌陷率估算右心房压力。在局部麻醉或基础麻醉下,经股静脉置入导管,测量腔静脉压、右心房压（RAP）、右心室压（RVP）、肺动脉压（PAP）等血流动力学参数,并记录肺动脉血氧饱和度（Sa O2）。心输出量（CO）采用Fick法计算。本研究采用SPSS 29.0软件进行数据分析处理。运用Shapiro-Wilk检验对连续变量的正态性进行评判,对于符合正态分布的数据,采用平均值±标准差（Mean±SD）的形式进行展示;而对于非正态分布的数据,则使用中位数及四分位距[M（Q1,Q3）]来表述。分类变量则以频数和百分比的形式呈现。在探讨TRV/TAPSE、RVFAC与血流动力学参数之间的相关性时,根据数据的正态性,分别选用Pearson相关系数（针对正态数据）或Spearman相关系数（针对非正态数据）进行分析。对于组间比较,若数据满足正态分布,则采用单因素ANOVA进行分析;若数据为非正态分布,则选择Kruskal-Wallis H检验进行统计推断。TRV/TAPSE、RVFAC、TAPSE与m PAP的关系通过多元线性回归分析,数据清洗后检查缺失值和异常值,并进行多重共线性诊断,计算方差膨胀因子（VIF）。以m PAP为因变量,TRV/TAPSE、RVFAC、TAPSE为自变量构建回归模型。为进一步分析,本研究将m PAP转化为二分类变量,以m PAP≥45mm Hg作为高肺动脉压（高危组）的临床标准,分为高危组（m PAP>45mm Hg）和轻、中度组（m PAP≤45mm Hg）。通过ROC曲线分析确定区分重度组的最佳截断值,并采用Kaplan-Meier方法绘制生存曲线。若单一指标的AUC较低（如<0.7）,则结合多参数模型（TRV/TAPSE、RVFAC、TAPSE、NT-pro BNP）以提升AUC,优化预测能力。所有统计检验以P<0.05为显著性水平。 结果:本研究中,入组PAH患者平均年龄48.73岁,女性患者（69.1%）所占比例高于男性（31.9%）,尤其是重度组中女性占比显著更高（8/24vs）,同时重度组用药数显著多于轻度组。TRV/TAPS和RVFAC均与侵袭性肺血流动力学相关。TRV/TAPSE与肺动脉压力（m PAP、d PAP、s PAP）、血氧饱和度（Sa O2）及心输出量均存在显著相关性（均P<0.05）。其中,TRV/TAPSE与CO呈显著负相关。在多因素回归分析中,模型的R方值为0.560,调整后R方为0.534。TAPSE的标准化系数β为0.667,RVFAC的标准化系数β为-0.285,TRV/TAPSE的标准化系数β为0.433。模型的容差值均大于0.7,方差膨胀因子（VIF）均小于1.5。在重度组（m PAP>45mm Hg）的分析中,TRV/TAPSE的ROC曲线下面积（AUC）为0.628（95%CI:0.477-0.779）,最佳截断值约为0.26m·s?1·mm Hg?1,此时敏感度为46.9%,特异性为73.9%。相比之下,RVFAC的ROC曲线下面积（AUC）仅为0.327（95%CI:0.182-0.473）,其最佳截断值无实际意义,敏感度和特异性均低于50%。然而,通过结合多参数模型（TRV/TAPSE、RVFAC、TAPSE、NT-pro BNP）,AUC值显著提升至0.916（95%CI:0.825-1.000）,远高于单一指标的预测能力（TRV/TAPSE:0.628,RVFAC:0.327）。 结论:本研究通过系统性分析TRV/TAPSE与RVFAC的关联性,揭示了右心室功能与肺动脉压力（m PAP）及心脏整体代偿状态的动态交互机制。TRV/TA

关键词： 血流动力学参数监测   深度学习   无创血压监测   U-Net3  

摘要： 血流动力学参数的实时监测是现代医学中的关键技术,能为临床诊疗提供重要的数据支持。目前,常用的有创或微创监测方法(如动脉穿刺、肺动脉导管等)虽然测量精度较高,但存在创伤风险大、易感染等明显局限性。相比之下,无创监测技术因其安全便捷的特点展现出显著优势,但其测量准确性极大依赖于连续血压的精确获取。 因此,本研究开发了基于深度学习的无创血压监测模型——ADRSU-Net。该模型基于改进的U-Net 3+框架,通过自动提取脉搏波信号中的特征信息,实现端到端的连续血压精确预测。在此基础上,结合血流动力学原理构建计算模型,可准确推导出心输出量(Cardiac Output,CO)等关键血流动力学参数。本文所提出ADRSU-Net模型的具体创新点如下: (1)编码器中的残差连接设计:ADRSU-Net的编码器通过引入残差连接,在增加网络深度的同时能够有效缓解梯度消失的问题。这种设计增强了模型对于深层特征的提取能力,从而提高了血压监测的准确性。 (2)自动特征提取模块的提出:本研究提出了一种位于编码器与解码器之间的自动特征提取块,该模块通过全连接层进行非线性变换,有效提取并强化了关键特征,提升了模型的表现能力。 (3)小型全尺寸跳跃连接的提出:ADRSU-Net模型提出了小型全尺寸跳跃连接,替代了传统的跳跃连接方法。这种设计在保持特征传递的同时,减少了模型参数,提高了运算效率,并优化了特征信息在编码器与解码器之间的传递路径。 本研究通过对公开数据集和私有数据集的广泛实验评估,验证了ADRSU-Net模型的性能。在公开数据集上,数据预处理包括滤波和基线校正等步骤,最终模型计算出的收缩压(SBP)、舒张压(DBP)和平均动脉压(MAP)的平均绝对误差分别为2.63mm Hg、1.09mm Hg、2.22mm Hg,符合美国医疗器械促进协会(AAMI)和英国高血压学会(BHS)的标准。 在私有数据集上,为了确保数据的质量,本文采用了小波阈值去噪和低通滤波相结合的方法,以去除信号中的噪声和无关高频成分,从而提高数据的信噪比。最终,在DBP、SBP、MAP、每搏输出量(Stroke Volume,SV)、CO、全身血管阻力(Systemic Vascular Resistance,SVR)和全身血管阻力指数(Systemic Vascular Resistance Index,SVRI)上有较好的血流动力学参数监测效果。 此外,本研究还开发了一套监测系统,该系统不仅能够显示脉搏波波形,还具备数据存储功能,便于对每次监测结果进行深入分析。综上所述,本研究提出的ADRSU-Net模型通过创新的网络架构设计和特征提取机制,不仅实现了高精度的连续血压预测,更为后续血流动力学参数的监测任务提供了可靠的技术支撑。

关键词： 浮游植物   荧光动力学参数   测量装置  

摘要： 浮游植物是海洋碳循环、食物链的关键初级生产者,其光合活性直观体现生态健康状况,在维持地球气候稳定、保障海洋生物多样性方面,具备不可替代的生态意义。针对传统实验室检测方法样本处理复杂、时效性差等问题,本研究设计了荧光动力学的原位测量装置。主要研究内容如下: 首先,设计了浮游植物荧光动力学曲线测量装置。基于对浮游植物光合色素吸收光能驱动光系统II电子传递链、荧光强度动态变化与PSII反应中心状态,以及荧光信号高灵敏检测等关键技术的剖析,从器件选型、激发与发射光路设计、荧光信号检测、荧光信号采集这四个层面,展开测量系统的总体分析与设计。分析了光合色素不同波长吸收特性,为浮游植物荧光测量装置设计提供了理论支持。激发与发射光路采用正交设计,实现了激发光与荧光的物理分离。研究了荧光信号快速及高灵敏检测技术,采用模块化电路架构,设计了I/V转换电路、反相电路及可调偏置放大电路,实现微弱荧光信号高精度检测。针对荧光信号采集的高精度要求,设计了AD采集电路,实现微弱荧光信号的数字化,采样率可达1 MSPS。此外,设计了基于STM32F407芯片最小核心板,集成光源控制、数据采集与通信功能。 其次,对浮游植物荧光动力学曲线及参数反演方法展开研究。利用搭建的浮游植物荧光动力学检测装置获取荧光动力学曲线,研究了浮游植物光合作用参数反演算法,通过滑动窗口斜率分析法与最小二乘拟合算法,从荧光动力学曲线中反演0、8)、及质体醌平均还原时间(QA)等参数。开展了浮游植物荧光检测对比分析试验,选取绿藻、硅藻、甲藻等六类浮游植物,通过多波长（440/470/505/563 nm）对比试验揭示光合特性差异,分析了不同波长对藻类光合色素的影响。

关键词： 随机参数化流形   Lie代数   同调论   Galerkin-Koornwinder方法  

摘要： 本文针对非交换噪声激励下随机微分方程(SDE)及随机时滞微分方程(SDDE)的动力学行为分析问题,研究了随机参数化流形的构造方法及其在降维与稳定性分析中的应用。 本文根据扩散向量场生成的不同Lie代数结构,分别提出了对应情形下随机参数化流形计算框架。具体而言,通过随机微分同胚(平稳坐标变换)将原系统转化为含随机系数的微分方程(RDE),并证明了上述同胚对非一致伪双曲性的保持性,进而保证了RDE的局部随机参数化流形的存在性,再经上述同胚的逆变换即可得到原始SDE的随机不变集。本部分给出简单情形下的数值算例,直观展示了随机参数化流形和非随机不变流形的区别。 本文推广经典Galerkin-Koornwinder方法至随机情形,对随机Galerkin-Koornwinder方法的均方一致收敛性给出了证明。该法约化得到的系统为SDE系统,实现了对SDDE的有效约化。作为数值算例,本部分研究了随机MEMS陀螺仪的时滞反馈控制问题。结果表明,在约化阶数较低的情形,随机Galerkin-Koornwinder方法即可对谱、解的渐进行为、参数稳定域、以及各种动力学指标等有着很好的逼近效果。此外,通过非交换图展示了随机Galerkin-Koornwinder方法与直接将解投影到约化子空间之间的区别。 本文对随机动力系统的cocycle性质从同调代数方面给出了具体的严格解释。其次,对于SDDE经Galerkin-Koornwinder约化后系统扩散向量场的Lie代数幂零性和可解性的保持性给出了证明,为判断约化后系统扩散向量场的Lie代数结构给出了简单的准则,从而从理论上给出了SDDE的近似局部随机参数化流形的计算方法。最后,文章给出了一个未证明的命题,展示了原始系统与各阶约化系统扩散向量场的一条Lie代数的单同态链,以说明约化系统相较原始系统代数复杂度的增加仅为表象。 本研究为随机动力系统的降维与随机参数化流形的计算提供了新思路,尤其为含非交换噪声及时滞的动力系统的动力学分析奠定了理论基础。

关键词： 窄间隙激光填丝焊   合金结构钢   摆动激光   熔池流场  

摘要： 30CrMnSi低合金高强度钢因其高强度、优异的综合力学性能以及良好的耐磨性和抗疲劳性,被广泛应用于煤炭行业的核心承力部件。传统焊接方法如电弧弧焊易因热输入大会导致热影响区(HAZ)晶粒粗化、侧壁熔合不良及焊接变形等问题,直接影响液压支架立柱的承载能力与服役安全性。窄间隙激光焊接热输入量小,光斑尺寸细,具有良好的小坡口适应性,提升焊接效率与精度,有效解决传统电弧焊接问题。但窄间隙激光焊接易出现小孔诱导性气孔、飞溅以及侧壁熔合不良等缺陷,而激光焊接液态过程难以通过实验观测,因此需要构建多相流耦合计算流体力学(CFD)模型对焊接液态过程进行定量分析。本文针对窄间隙激光多层单道焊接工艺特征,基于VOF方法追踪熔池-小孔界面演化,联立求解连续性方程、Navier-Stokes方程与能量守恒方程,综合考虑激光能量、金属蒸汽、熔滴、表面张力等激光焊接液态过程影响因素,依托fluent平台建立了涵盖自熔焊(底层)、填丝焊(中间层)和盖面焊(表层)的窄间隙激光焊接熔池数值模拟模型,旨在探究熔池动力学演化规律,探寻缺陷形成的临界条件。同时结合激光焊接接头截面宏观形貌、显微组织与高速摄影图像分析手段,与模拟结果进行对比验证,最终为获取无气孔、无飞溅、无熔合不良的焊接工艺窗口提供理论依据与指导。获得主要结论如下: (1)自熔焊模拟结果表明直线激光焊缝出现焊接气孔主要归因于内部的低速涡流(v<0.1 m/s)。而摆动激光小孔壁面流速为1.16 m/s,熔合线流速为0.27 m/s,熔池内部流速0.6 m/s,这种特征有助于消除低速涡流,抑制焊接气孔。 (2)高速摄影实验测得的小孔开口熔池流速大于2.1 m/s((值值),产生飞飞溅。单道填丝焊模拟研究表明,当摆动频率60 Hz、摆动幅度1 mm、焊接速度10mm/s、送死速度200 cm/min时,小孔开口处流速波动幅度平稳,无飞溅生飞。 (3)窄间隙填丝焊模拟研究表明,当摆动频率为100 Hz、摆动幅度为1.2mm时,两侧侧壁的流速大,均匀性一致,有利于侧壁熔合;在焊接完成之后对焊道进行一次逆摆动自熔焊接会使流动性较弱的右侧壁面流速由0.13 m/s提升至0.19 m/s,塌肩△H值由0.42 mm降低至0.22 mm,有利于侧壁熔合,改善塌肩。