DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 4. mpSQP问题可行解序列的有限收敛性 对于SQP子问题，文献 [ 21 ] 得到由任意算法所产生的可行解序列与最优解之间的距离有一个全局误差界。本文在其解集是弱强的条件下，给出了由任意算法所产生的可行解序列有限收敛到弱强集 的充分必要条件。 定理4.1若mpSQP问题的解集 是模为 的弱强集， ， ， 时， 有限收敛到 的充要条件为 (4.1) 证明 (必要性)对充分大的 ， 时，有 ，此时有 。 为凸集，由 [ 20 ] 中命题6.5和命题6.9知 。 因此有 。 (充分性) 反证法。假设存在序列 ，对 ， ，但是仍然有 。 又 是闭凸集，对任一给定的 ，存在 满足 。 由 的弱强性定义，有 ， 其中 ， 。 又 ， ，因此 。 那么 对 ， 时，我们得到 ，矛盾。因此，(4.1)成立时，对 ， 收敛到 。证毕。 关于变分不等式弱强性的文献 [ 12 ] [ 18 ] 中，迭代点有限收敛的充要条件为目标函数负梯度在切锥上的投影收敛到0。在目标函数可微的凸规划 [ 8 ] 中，迭代点有限收敛等价于目标函数负梯度在切锥上的投影收敛到0；在目标函数不可微的凸规划 [ 12 ] 中，迭代点有限收敛要求目标函数负梯度在切锥上的投影收敛到0。同样，本文中以参数形式的SQP子问题为目标函数，要求函数连续可微，去掉了 [ 8 ] [ 18 ] 中 这一条件，得到迭代点有限收敛的充要条件为目标函数负梯度在切锥上的投影收敛到0。 对于mpSQP中的 ，可写为 的形式，又 。 考虑变分不等式问题 。 mpSQP问题就可以看做变分不等式问题的一个推广。就有如下推论： 推论4.1若VIP问题的解集 是模为 的弱强集， ， ， 时， 有限收敛到 的充要条件为 。 推论4.1即为变分不等式 [ 18 ] 中定理5.2关于VIP问题有限收敛的结果，且去掉了不必要的条件 收敛到0。
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user: 5. 结束语 本文在多参数规划的环境中分析SQP子问题，通过定义解集的弱强性，将弱强的概念推广到多参数规划问题中，不拘泥于具体算法的约束，得到多参数规划最优解序列的有限收敛性。应该指出的是，在我们这个结果的推论中，包括了现有的相关文献中在解集是弱强条件下相应的结果。此外，我们建立的弱强的概念为许多最优化算法的有限收敛提供了更弱的充分条件。 最近，N. H. Xiu研究了可行集S为低秩集时三种不同的法锥对可行解序列的包含关系影响，下一步我们可以针对这三种不同定义的法锥做分别的讨论。另外，弱强集与误差界关系密切，可做进一步探讨。
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user: 摘 要 本文对三维动力系统中三类具有幂零奇点的微分方程进行了讨论和分析，通过规范型理论得出了含有二次多项式的规范型，再利用坐标平移得出了它们的普适开折。 关键词 :三维系统，幂零奇点，二次多项式，规范型，普适开折
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user: 1. 引言 规范型理论是通过一系列的近恒同非线性变换化简原有的微分方程，得到奇点附近非线性项的简单形式，其实质是消去起次要作用的非线性项，而且简化后的系统与原系统拓扑等价。规范型理论在提出以后很长一段时间并未得到较快的发展，主要是由于计算量大且计算过程比较复杂。在罗定军等人的著作 [ 1 ] 中，对于规范型进行了详细的研究。近几十年来，国内外学者对于规范型理论进行了许多卓有成效的研究，到目前为止，已经提出了可用于规范型的计算矩阵表示法、共轭算子法、李代数表示论法、多重李括号法、多尺度摄动法、谐波平衡法等多种方法。 近年来，许多学者利用MAPLE等计算机软件程序计算出了一些高维非线性系统的规范型，但他们都是在原有的基本理论上，利用计算机进行迭代计算，本文主要利用最基本的规范型理论，利用李代数方法对三维系统中可能出现的情况进行一一分析，并求出他们的规范型形式。
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user: 2. 规范型的基本理论 考虑系统 ， (2.1) 其中 为标准型矩阵， ， ， 表示 的 元 次齐次多项式所组成的空间。作变换 ， (2.2) 其中 ，目标是选取适当的 使(2.1)的二次项尽可能地简化。 由(2.2)得： ，故 。 从而 ， (2.3) 其中 表示 的三次齐次项， 。 引入关于 的伴随算子 ， ，则(2.3)可表为 。 (2.4) 设算子 在 中的值域为 ，将 表为 及其补空间 的直和 。 对于(2.1)中的二次项 ，有以下两种情况： 1) 如果 ，则存在 ，使 。这时(2.4)中不再出现二次项。 2) 如果 ，则对适当的 ， ， ，因此可按 中的基底 去讨论变换后方程(2.4)中的二次项所可能出现的各种形式。连同线性项在内，把方程(2.3)截止到二次项，所得系统 称为原系统的二次规范型。 类似地，对三次项可依同样的过程讨论。设取变换 ，其中 。这一变换不会影响到一次和二次项，故(2.3)化为 ， (2.5) 其中 ， 。同样考虑 在 中的值域 以及它在 中的补空间 。当 时，变换后的系统将不含三次项，否则可取适当的 ，使系统化为 。 (2.6) 在(2.6)中，截断到 为止的方程就称为三次规范型，可依 中的基底得出它的形式。重复此步骤可进一步确定4次，5次，……规范型。当然，次数越高，形式将越复杂。如果系统(2.1)为解析，则上述步骤可无限地进行下去，可形式地得到幂级数式的规范型。因而需讨论它是否收敛 [ 1 ] [ 2 ] 。 注：在研究系统的第 次规范型时，它与前 次无影响。且规范型的表示不是唯一的，它依赖于补空间中基底的选择。
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user: 3. 具有幂零奇点三维系统的二次规范型及普适开折 考虑三维系统 ， (3.1) 其中 ， ，现求它的二次规范型以及它的普适开折。 因 三分量各有六个任意系数，故 等同于一个 ，在其中可取如下一组基底： ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 。 因零点是幂零奇点，所以 总可以化成以下几种形式： ， ， ， ， ， 。 而当 时，可以经过 ， ， 变成 。 而当 时，可以经过 ， ， 变成 。 而当 时，可以经过 ， ， 变成 。 所以，下面我们只讨论 ， ， 三种情况。 3.1. 情况一 由 ， 。 同样的， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 。 即 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 。 于是算子 相对于 的这组基底的矩阵为 。 它的秩等于14，故 的值域为 ，取 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 。 的补空间可取为 。于是得到系统的一个二次规范型为 ， 即 。 (3.2) 结论3.1.1：在情况一中，(3.1)的一个二次规范型为(3.2)。 对(3.2)加扰动后 [ 1 ] [ 3 ] ，它为 。 再对 ， 移动坐标 [ 4 ] ，令 ， ， ，得 。 (3.3) 结论3.1.2：(3.2)的一个普适开折为(3.3)。 因(3.1)的一个二次规范型为(3.2)，所以系统(3.1)拓扑等价与(3.2)。而(3.2)的一个普适开折为(3.3)，所以(3.1)拓扑等价系统的一个普适开折为(3.3)。 结论3.1.3：(3.1)拓扑等价系统的一个普适开折为(3.3)。 3.2. 情况二 由 ， 。 类似的， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 。 于是算子 相对于 的这组基底的矩阵为 。 它的秩等于10，故 的值域为 ，取 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ，其补空间可取为 。相应地，系统的一个二次规范型为 。 亦即 ， (3.4) 结论3.2.1：在情况二中，(3.1)的一个二次规范型为(3.4)。 对(3.4)加扰动后 [ 1 ] [ 3 ] ，它为 。 再对 移动坐标 [ 4 ] ，令 ， ， ，得 。 (3.5) 结论3.2.2：(3.4)的一个普适开折为(3.5)。 结论3.2.3：(3.1)拓扑等价系统的一个普适开折为(3.5)。 3.3. 情况三 由 ， 。 类似的， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 。 于是算子 相对于 的这组基底的矩阵为 。 它的秩等于10，故 的值域为 ，取 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ，它的补空间取为 。相应地，系统的一个二次规范型为 。 亦即 ，(3.6) 结论3.3.1：在情况三中，(3.1)的一个二次规范型为(3.6)。 对(3.6)加扰动后 [ 1 ] [ 3 ] ，它为 。 再对 移动坐标 [ 4 ] ，令 ， ， ，得 。 (3.7) 结论3.3.2：(3.6)的一个普适开折为(3.7)。 结论3.3.3：(3.1)拓扑等价系统的一个普适开折为(3.7)。
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user: 摘 要 本文研究在不完美信息下确定出行者路径选择行为的精炼贝叶斯纳什均衡。博弈双方之间的信息不透明成为决定最终路径选择的重要因素。将不完美信息下博弈双方路径选择过程视为不完全信息下的动态博弈过程，首先对出行者出行路径选择获得的收益进行分析，然后运用博弈树的知识，在不完全信息条件下确定动态博弈中的纳什均衡，进而确定纳什均衡是否为精炼贝叶斯纳什均衡。 关键词 :路径选择，动态博弈，不完全信息，精炼贝叶斯纳什均衡
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user: 1. 引言 随着社会经济的发展和城市化水平的不断提高，城市交通的拥挤状况日益严重，经常会出现交通拥堵现象，因此出行者的路径选择显得尤为重要。路径选择行为是出行选择行为中的重要内容，路径的选择不仅关系着出行者的切身利益也关系着路网状况的拥挤程度。对于一般出行者的路径选择而言，路径选择的目标是尽量满足不同出行者的需求，达到省时高效，避免拥挤，使得整个路网状态最优化。传统的基于博弈论的路径选择行为模型是在一定的诱导信息下把任意两位出行者看成博弈双方，在整个交通过程中双方进行重复博弈，以使交通系统最优化，双方收益最大化 [ 1 ] ，也就是纳什均衡状态。而不完全信息博弈就是博弈双方不能获得对方的任何信息，只能靠猜测，即就是一种在不确定条件下个人决策行为分析的理论。然而人们对于模型的准确性还不能满足于纳什均衡，那么就有了纳什均衡之上的精炼贝叶斯纳什均衡 [ 2 ] 的研究。 到目前为止，在博弈论方面，国内外学者将演化博弈论应用于动态路径优化的相关研究相对较少，主要的成果基本上是关于博弈论的应用。Rosenthal [ 3 ] 利用合作博弈讨论了给定节点到其余节点的最短路问题；Su [ 4 ] 等人通过建立一个简化的博弈模型对城市公共交通网络的运行过程进行了仿真；谢晓倩 [ 5 ] 以管理者系统最优与出行者的用户最优之间为矛盾点，利用博弈论在诱导的管理模式下，建立了管理者和出行者之间的博弈模型；董斌杰 [ 1 ] 等通过分析出行者在出行中选择路径的过程，提出了静态诱导信息下的出行路径选择模型，并引入求解纳什均衡的划线法求解；王耀 [ 6 ] 等建立了以军方运输部门和敌方打击力量为双方的博弈模型，构建各自的目标函数，并根据博弈均衡理论，选择总收益值最大的路径为军用油料运输最优路径。在精炼贝叶斯纳什均衡方面，王伟 [ 7 ] 等分析了在市场效率原则下纳税人与纳税主体，纳税人与纳税人之间，围绕纳税与征税，纳税与漏税所展开的一系列较量，构成一个完整的博弈以寻找精炼贝叶斯纳什均衡；曾庆群 [ 8 ] 等分析了移动商务竞价行为中企业购买行为所涉及的基本信息及其抽象表示，对进行博弈分析的基本假设进行定义，然后引入自然人对目标企业收益的不确定性进行贝叶斯先验概率设定，在此基础上对购买竞价过程进行精炼贝叶斯纳什均衡研究。在路径选择方面，葛颖恩 [ 9 ] 等分析了诱导信息对路径选择行为的影响，给出了不可分的路段费用函数，把诱导信息影响下的路线选择问题组织成一个非对称网络均衡问题，并给出了用嵌入遗传算法的对角化算法求解的算例；范文博 [ 10 ] 等分析了基于参考依赖法的出行者日常路径选择的行为建模，构建了与随机用户路径选择均衡的不动点模型，设计了一个基于相继平均法MSA和Logit配流技术的启发式算法来求解该模型。上述的学者都未曾将博弈论中的精炼贝叶斯均衡与出行者路径选择相互连接起来进行研究与应用，本文就将二者联系起来做简单研究。 本文在博弈论的基础上以完全但不完美信息动态博弈模型为分析工具，构建出行路径选择的模型，对出行者选择出行路径的收益进行分析，找出纳什均衡，进而判断在不完美信息下的纳什均衡解是否为精炼贝叶斯纳什均衡，以进一步确定出行者的较优路径选择。
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user: 2. 博弈模型分析 2.1. 基本定义 在动态博弈中出行者获得的信息都是不完美信息与不完全信息，博弈论的基本概念包括局中人，战略，行动，信息，支付函数，结果，均衡等。其中局中人，策略，支付函数构成了博弈的三个基本要素，局中人，行动次序，结果统称为博弈规则，而博弈分析的目的就是使用博弈规则来确定均衡。 决策结：参与人选择的种类个数； 信息集：指某一参与人在某一阶段的行动时由博弈历史信息反应的那一组都有可能是真实位置的决策结的集合； 不完美信息：有一部分已行动者所选行动的信息，但又不能完全确定先行者选择了什么；又指决策结为单一结的情况； 完美信息：某个人参与行动前，有足够的信息来确定已经行动的参与人选择了什么行动；又指决策结不是单结； 不完全信息：自然首先选择参与人类型，而且参与人自己知道自己的真实类型，其他参与人不能确切知道，但有关于参与人类型的概率分布的公共；不完全信息是一类不完美信息； 博弈树：连通的无圈的无向图称为树，开始于初始点，结束于终止点(即再没有箭头从此延伸)。 纳什均衡：是一种策略组合，使得同一时间内每个参与人的策略是对其他参与人策略的最优反应。 精炼贝叶斯纳什均衡：不完全信息动态博弈的均衡称之为精炼贝叶斯纳什均衡。 博弈树规则 [ 11 ] ： 1) 每一个节点都是初始点的后续节点，同时，初始点是唯一没有这一特性的节点。 2) 除初始点之外的任一节点都只有一个直接前置点。初始点没有前置点。 3) 从同一个节点引出的多个分支具有不同的行动标签。 4) 每一个信息集只包含一个参与人的决策点。 5) 某个信息集中的所有节点必须具有相同数量的直接后继点，而且其中的所有节点是通过具有相同集合行动标签的分支而到达这些后继点。 2.2. 博弈模型及求解算法 观察下列图1所描述的不完美信息博弈 如图1所示，该博弈有两个参与人，参与人1先行动，如果选择L，则博弈结束。如果不选择L，则在参与人1选择后由参与人2在不知道参与人1选择结果的情况下进行选择。所以L得选择可区分，没有参与人2选择的机会就意味着参与人1选了L，而参与人2在轮到他选择时，知道参与人1已选择了M或R，但没有更多的信息，所以有一个两个决策结构成的信息集。 这个博弈有两个纯策略纳什均衡 和 ，这可以用纳什均衡的定义直接验证。下面判断 和 是否构成精炼贝叶斯均衡？ 首先考虑 ；若 战略组合是精炼贝叶斯均衡，则参与人2没有机会选择，及参与人2选择 图1. 两个参与人策略选择之间的博弈 的信息集不在均衡路径上。按定义只要有与战略相容的后验概率，但任何后验概率都不会使参与人2选B是最优的，若参与人选择M的概率为 ，选择R的概率为 ，则在参与人2选择的信息集为起点的博弈中，参与人2选B的收益应该比选 的收益大。然而选B时的收益是 ，而选U时的收益是 ：由于 。这表明参与人2在他选择的信息集为起点的博弈中，他的选择不是最优的，按定义 不是精炼贝叶斯均衡。 再考虑 ；给定参与人2选择U，则参与人1选M是最优的，因此参与人1不会偏离。在参与人2选择的信息集中，既然参与人1选M，则贝叶斯法则决定左边一个决策结的概率是1，则参与人选B的收益为0，选U的收益为1。因此参与人2不会偏离。因此 是一个精炼贝叶斯均衡。 对此博弈，也可以分析一下混合策略均衡。实际上参与人2在其选择的信息集中，任何后验概率下，选U比选B好，所以只要有选择的机会，只会选U而不会选B。而在此基础上参与人1以任何正的概率选L或R都会比选M时的收益少。所以不会有混合策略精炼贝叶斯均衡。具体的，若参与人1以 的概率选择L， 的概率选择M，以 的概率选择R，参与人2以 与的概率选 择U和B时，如果是最优 策略，则进入参与人2的信息集左边决策结的概率是 ，右边决策结的概率是 ，参与人2的收益是 所以 时是最优的，即最优的混合策略是 ， 。这时，参与人1收益是 所以 时取最大， ， ， ，因此，没有混合策略均衡。 当然对于此例没有混合策略的均衡，并不代表所有的例子中都没有混合策略，混合策略的求解我们放到出行者路径选择实例中讲解。
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user: 3. 实例分析 在出行者路径选择的博弈模型中有博弈双方进行路径的选择使得自身收益获得最大值，即就是在动态的博弈中达到精炼贝叶斯均衡。博弈论的研究和应用需要某些基本的假设，在路径选择中，假设从A地到B地有L，M，R三条不同的路径可供大家选择，并且由于每个人的主观意识不同使得每个人选择每条路径的概率不同。现假设参与人1选择L，M，R三条路径的概率分别为 ， ， ，参与人2选择路径L，M，R三条路径的概率分别为 ， ， ，出行者 的收益为 (其中 )。且易知 ， 。那么可以得出下列图2。 对于图2，用静态博弈来分析，很容易可以看出 ， ， 均为纳什均 衡，其中前两个解可以用纳什均衡的定义直接验证，而对于混合策略纳什均衡，我们这里作进一步的求解。 考虑混合策略知，出行者1的收益为 ，出行者2的收益为 。可能存在的混合策略必然都是出行者1和出行者2在路径L，M， R上都有正概率的混合策略。对于出行者1而言，要取混合策略，则需要 ， ， 均不为0，所以 为出行者1的混合策略纳什均衡时需成立 ，联立上式解得 ， ， 。同理，对于出行者2而言，要取混合策略，则需要 ， ， 均不为0，所以 为出行者2的混合策略纳什均衡时需成立 ，联立上式解得 ， ， ；即 ； 为一组混合策略纳什均衡。 下面我们检验在不完美信息博弈下三个解是否为精炼贝叶斯均衡； 情况一：检验路径 是否构成精炼贝叶斯均衡：给定出行者2选择路径R，则出行者1选择路径L是最优的，因此出行者1不会偏离。在出行者2选择的信息集中，既然出行者1选择路径L，则贝叶斯法则决定最左边一个决策结的概率是1，则出行者2选路径 的收益为0，选路径M的收益为1，选择路径R的收益为1，因此出行者2不会偏离。因此 是一个精炼贝叶斯均衡。 情况二：检验路径 是否为精炼贝叶斯均衡：类似的给定出行者2选择L，则出行者1选择路径M是最优的，因此出行者1不会偏离。在出行者2选择的信息集中，既然出行者1选择路径M，则贝叶斯法则决定中间决策结的概率为1，则出行者2选路径L的收益为3，选择路径M的收益为0，选择路径R的收益为1，因此出行者2不会偏离。因此 是一个精炼贝叶斯均衡。 图2. 出行者对路径的选择 情况三：混合策略，若 ， ，即出行者1选择路径L的概率为 ，则最左边决策结的概率为 ，选择路径 的概率为 ，则中间决策结的概率为 ，选择路径R的概率为 ，则最左边的决策结的概率为 。如果出行者2选择路径L的概率为 ，选择路径M的概率为 ，选择路径 的概率为 。 对出行者2，他选择路径L的收益为 (1) 他选择路径M的收益为 (2) 他选择路径R的收益为 (3) 联立式子(1) (2) (3)解得： ，即 ； 对于出行者1，他选择路径L的收益为 (4) 他选择路径M的收益为 (5) 他选择路径R的收益为 (6) 联立式子(4) (5) (6)解得： ，即 ； 则可知上述不完美信息博弈中，即混合策略也是精炼贝叶斯均衡。
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user: 4. 结束语 本文基于博弈论，将博弈双方的出行路径选择行为抽象为不完全信息动态博弈，建立博弈模型并求解其纳什均衡，进而判断模型中的纳什均衡是否为精炼贝叶斯纳什均衡，并利用案例进行验证，为出行者出行路径的选择提供最佳的方法和依据。在以后的研究中，我们会进一步深入研究精炼贝叶斯纳什均衡，在不完全动态信息下考虑已知自己类型可获得其他人类型的先验概率，战略空间，信息集，以及后验概率等因素，使得所求解得精炼贝叶斯纳什均衡更加准确。
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user: 摘 要 本文在考虑了阻抗管中存在多重反射的情况下，利用传递函数法优化得出了样品的透射系数和反射系数，从而获得声学超材料有效材料参数。在比较了不同阻抗管算法实验结果之后，可以发现本文提出的新测量方法和仿真结果有着很好的吻合，可以非常准确的获得材料的有效参量。新发展的测量方法，对消声端的消声吸声要求不高，可以测量不吸声的材料，扩展了阻抗管测量的适用范围，对声学超材料的设计和相关应用都有着一定价值。 关键词 :多重反射，传递矩阵，声学超材料
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user: 1. 引言 近年来，人们对声环境的要求愈来愈高。利用结构设计，来构建复合声学材料从而实现对声波更好的操控对声学研究和生活应用也愈来愈重要。声子晶体和声学超材料 [ 1 ] 的提出在隔声、防震、热控制等方面有着巨大的研究前景。声子晶体主要以布拉格散射机制实现对波的调控，因此声子晶体的结构尺度都与工作波长相当。而声学超材料是人工结构材料，其结构尺寸远小于其工作波长。因为这一特点，使在超材料中传播的波不能分辨其结构，所以超材料可视为是均匀的有效介质，可用有效参数描述，比如有效质量密度，有效体模量 [ 2 ] 。人工共振单元设计可以使声学超材料的有效声学参数是单负、双负的 [ 3 ] 。很多以前很难想象的声学应用，比如声隐身 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 都可以通过人工设计控制有效密度和有效体模量来实现。虽然人工共振单元帮助实现了很多新奇有趣的声学传播特性 [ 7 ] ，但共振结构的窄频宽性质也限制了其应用前景 [ 8 ] 。通过将两种具有不同声学特性的材料混合构建的复合声学超材料，可以在一个比较宽的频率范围设计所需的声学特性，是构建宽频声学超材料的基础。声学超材料的设计离不开对材料有效质量密度和有效体模量的测量。发展准确测量声学超材料有效参量的手段对于声学超材料的发展至关重要。 阻抗管是一种用来测量吸声材料的垂直入射吸声系数的装置。其主体是一个具有刚性壁的矩形或者圆形截面的管子。声源在管内产生一个平面波，在样品前方会形成反射，而在样品后会形成透射 [ 9 ] 。传统阻抗管利用“三传声器法”进行测量。由于样品表面的反射，入射波和反射波部形成驻波场，需要利用两支传声器把入射波和反射波分开。在透射部分，在阻抗管末端由于安放了理论上没有反射的尖劈状消声端，可以仅利用第三支传声器测量透射波。通过测量声波的透反射可以得到待测材料的声阻抗、隔声量等材料特性。传统阻抗管的测量的准确程度与安放在阻抗管末端的尖劈消声端直接有关 [ 10 ] 。改良了的“四传声器法”通过更换不同消声端在一定程度上可以减弱消声端的影响。另外，传统阻抗管算法只考虑待测样品对声波的单次反射且样品通常为吸声材料。这些条件使得传统阻抗管并不适用于通常对声波无吸收的声学超材料的测量。 本文在考虑了阻抗管内存在样品、消声端和声源端等端面多重反射情况下，运用传递函数的方法进行理论推导，完善了“三传声器法”阻抗管的测量算法，可以精确对复合声学超材料声学特性进行测量。
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user: 2. 多重反射情况下样品参数的测量 我们首先利用传递函数法推导在存在多重反射的情况下如何求得样品的透/反射系数。图1是我们的 图1. 阻抗管测量及装置示意图：(a) 阻抗管测量示意图，(b) 阻抗管装置图 装置示意图。 如图1所示，以测试样品中点为坐标原点(x = 0)，向右为正方向。在样品前和样品后的管子中位于坐标x处的总声场 ， 分别为： (1) 指待求的样品透射系数，待测样品厚度也包括在透射系数中，这也是公式中没有样品厚度(以 表示)表达式的原因。 指样品的反射系数， 指波矢， 指声源发出的初始声压， 指发声端表面声压，其中“−”表示发声端表面受到声压沿负方向传播。 指消声端表面声压，其中“+”表示消声端表面受到声压沿正方向传播。 指样品前(后)表面声压，其中“+”(“−”)表示受到声压沿正(负)方向传播。 指发声端表面反射系数， 指消声端表面发射系数， 指声源到样品前表面的距离， 指样品后表面到消声端的距离。每个表面声压分别为： (2) 解方程(2)可得 ， ， ， 并代入方程(1)得到： (3) 通过三支坐标分别为 、 、 的传声器测得的声压为 、 、 ，将 与 代入 ， 代入 得到方程： (4) 联立解方程(4)可以得到透/反射系数。 根据公式(4)只需三支传声器就可以得出待测样品透/反射系数，图1所画出的第四支传声器是为了下文提到的“四传声器法”作对比。在考虑多重反射的情况下，看似公式中存在很多参数，包括初始声压 ，发声端表面反射系数 和消声端表面发射系数 ，并需要确定三支麦克风的位置 、 、 以及样品到发声端以及消声端的距离 和 。但在求解过程中， 与 一起被消掉。 可以通过对不放样品的空场进行测量得出。利用相同方法根据两支传声器测出声压 、 以及两支传声器的坐标 、 可以得出 ： (5) 在实验测量中，先通过空场测出 ，再放入待测样品测量，得到其透/反射系数。 (6) 实验需要测量样品有效密度和有效体模量。由透/反射系数可以推导出折射率和阻抗比(以空气阻抗为参考) [ 11 ] 。 (7) 公式(7)中，T指透射系数， 指反射系数。m指整数，是为了让余弦函数数值在−1到1之间， 指波矢， 指样品厚度， 与 存在样品厚度的相位差。 (8) 指样品有效密度， 指样品有效体模量， 指空气密度， 指空气声速， 指样品声速。
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user: 3. 实验系统及测量结果 3.1. 阻抗管的测量系统 本文实验中，选用管道壁厚度为0.01 m，内径为0.03 m的圆管阻抗管，基本满足声波沿管道传播无损耗的要求。测量频率上限大约是6300 Hz，频率下限大约是800 Hz。在管道末端选用吸声材料作为消声端，一般选用吸声棉。实验中坐标为 和 位置的两支传声器间距为0.0225 m，坐标为 和 位置的两支传声器间距为0.0225 m。坐标为 的传声器距离样品左侧表面距离为0.015 m，坐标为 的传声器距离样品右侧表面距离为0.1 m。测量时，第一步把待测样品放置在传声器2和传声器3之间。考虑到样品塞进阻抗管中会产生缝隙造成实验误差，可以考虑把样品做大并采用前管与后管夹住样品的方式进行样品安装与固定。第二步通过LabVIEW控制系统发出单频声音信号。第三步通过传声器接受信号，并对信号进行处理。第四步通过传声器收到信号计算出待测样品透射系数和反射系数。第五步通过透射系数和反射系数得出待测样品有效密度和有效体模量等参数。 3.2. 信号的发生和采集 如图1所示，信号的发生装置主要用来提供单频信号，由NI9263模拟输出板卡、功率放大器和扬声器组成。信号采集由传声器，前置放大器和NI9234声振信号采集卡组成。利用LabVIEW软件编写单频信号产生和信号采集程序，通过插接通用计算机的NI9263模拟输出板卡控制信号发生，通过插接通用计算机的NI9234声振信号采集卡控制信号采集。传声器安装时与管壁平齐，确保管内声场不受扰动 [ 12 ] 。考虑到传声器的不同，我们通过在同一位置测量进行校准。实验中所用传声器尺寸是1/4英寸，型号是BSWA MPA416。测量分析部分通过推导出的测量公式，对测量得出的声压信号完成传递函数实时计算。 3.3. 实验测量结果 实验中消声端为平头消声端，消声端反射率随频率增大在0.05和0.18之间变化，消声端需要平整测量准确，后文有消声端改变的影响。 本文中通过有机玻璃打孔设计构建了复合声学材料，通过调整占空比可以控制有效密度和体模量 [ 13 ] ，这种复合声学材料本身具有各向异性。本文设计的样品厚度是 ，直径是 ，在玻璃板上打孔使样品与空气阻抗接近匹配。孔的直径是 ，占空比是0.465948。有机玻璃密度为1200 kg/m 3 ，有机玻璃声速为2692 m/s，空气密度为1.29 kg/m 3 ，空气声速为345.1405 m/s。 为了验证公式推导的正确性，首先利用COMSOL软件对阻抗管模型进行理论仿真，得出理想情况下的样品透射、反射系数，并反推出理想情况下样品的密度。最后用实验进行论证测量，将测试结果与仿真结果做了对比。如图2所示。 图2中用 指实验反推出有效密度的实部，图中用直线表示； 指实验反推出有效体模量的实 图2. 实验反推样品有效密度和有效体模量与仿真对比及样品示意图 部，图中用短线表示； 指仿真反推出有效密度的实部，图中用点表示； 指仿真反推出有效体模量的实部，图中用短线和点的结合表示。在此实验中，选用的平头消声端的反射系数 在0.18到0.03之间，数值随频率变化而变化。实验反推样品有效密度的虚部都接近0。从图2可以看出实验反推材料密度和体模量与仿真情况很接近。
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user: 4. 结果讨论 本文采用完善后的“三传声器法”考虑了阻抗管中样品与发声端和消声端之间存在的多重反射。考虑到本文所用传递函数的方法，实验中应使用平头消声端。图3是本文为了检测重复性做的实验，本文先选用另一根平头消声端( 在0.2到0.05之间，数值随频率变化而变化)重复一次实验。为了显示我们实验方法的正确性，我们尝试使用硬墙作为消声端( )。实验的结果如图3所示。 如图3所示， 指仿真反推样品有效密度实部，图中用直线表示； 指实验反推出有效密度的实部，图中用短线和点的结合表示； 指选取另一个平头消声端反推样品有效密度实部，图中用短线 表示； 指选用硬墙作为消声端反推样品有效密度实部，图中用点表示。实验反推样品有效密度虚部 和有效体模量虚部都接近0。从图中可以看出，选取另外一根消声端也能得出很精确的有效密度实部。有效体模量的吻合程度和很好。即使选取没有吸收的硬墙作为消声端，除了在特定频率由于阻抗管长形成驻波的影响与仿真结果也基本吻合。硬墙作为消声端，会在有些频率让某个传声器的接收到的声场接 近于零，但在大部分频率还是比较接近仿真结果。说明完善后的“三传声器法”对消声端吸声效果要求不高，并且重复性很好。 我们考虑多重反射的“三传声器法”除了对消声端的要求比较简单，对于待测样品的吸声特性也不做要求。而声学超材料的应用中，往往正是需要设计无耗散的材料。尽管“四传声器法”在传统“三消声器法”的基础上，通过在样品与消声端之间增加第四支传声器分开了透射波和消声端的反射波，但由于忽略了多重反射的情况，通常只能准确测量有吸收的材料，并且消声端应使用吸声效果好的尖劈状消声端。如果假设 的情况下，公式(6)也可以简化到传统“三传声器法”。图4比较了假设 (实际 在0.18到0.03之间的情况下)利用传统“三传声器法”，选用反射系数在0.02的尖劈状消声端的“四传声器法”和仿真结果： 图4中 指仿真反推样品有效密度实部，图中用红色直线表示； 指“四传声器法”反推样品有 图3. 不同消声端反推样品有效密度 图4. 不同实验测量方法反推样品有效密度和有效体模量与仿真对比图 效密度实部，图中用红色短线表示； 指传统“三传声器法”反推样品有效密度实部，图中用红色点线表示； 指仿真反推样品有效体模量实部，图中用绿色直线表示； 指“四传声器法”反推样品有效体模量实部，图中用绿色短线表示； 指传统“三传声器法”反推样品有效体模量实部，图中用绿色点线表示。从图4可以看出，“四传声器法”实验反推样品有效密度和有效体模量确实比传统“三传声器法”更接近仿真值，但是不如完善后的“三传声器法”精确。
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user: 5. 结论 本文考虑阻抗管中存在多重反射情况推导出了更接近实际的理论公式。实验结果相比于传统“三传声器法”和“四传声器法”更接近仿真结果。传统“三传声器法”和“四传声器法”一般用来测试吸声材料隔声量和声阻抗。需要吸声效果非常好的消声端，所以一般都用吸声海绵做成尖劈状消声端。而对于而本文的方法考虑了多重反射情况，应用样品范围比较广，不仅适用于吸声样品也适用于无吸声样品。并且对于消声端的吸声效果要求并不高，只要求消声端是平头就可以，甚至硬墙都可以测出比较准确的结果。而这些特点是传统“三传声器法”和“四传声器法”很难做到的。换掉消声端重复实验，结果相同说明方法具有普遍性，重复性。
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user: 摘 要 人类原癌基因是与人类癌症关系非常密切的基因，当它的结构发生改变或过度表达时，就有可能使正常细胞发生癌变而导致癌症。本文通过构建复杂网络，然后根据Prim算法，做出最小生成树网络的方法，并分析网络的平均度、平均聚类系数和平均最短路径这三个主要参数来研究原癌基因序列之间的进化和亲缘关系。 关键词 :原癌基因，CVTree方法，复杂网络，最小生成树
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user: 1. 引言 基因就是有遗传功能的DNA片段，不同的基因有着不同的遗传功能。而原癌基因是DNA中与细胞增殖有关的基因，当其结构发生改变导致表达激活时，细胞过度增殖，将会形成肿瘤，也就是癌症 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] 。 目前人们一共发现了500多个人类原癌基因，共发现了100多种癌症。而这100多种癌症都是由这500多个原癌基因的表达激活而引起。例如，当基因ARID1A发生突变时，可能会引起肾癌、卵巢癌、乳腺癌、肝癌和前列腺癌等癌症；当基因ITK发生突变时，可能会引起淋巴瘤、肺癌和胰腺癌等癌症。最近在英国科学杂志《自然》中发表的一篇文章指出，通过对30种癌症的7042例癌症患者的突变基因的研究，发现了22种基因突变将会导致癌症，而在这22种基因中，几乎都是出现两种基因突变才引发癌症，子宫癌、胃癌和肝癌这三种癌症则需要6种基因突变才会引起 [ 4 ] 。本文通过构建原癌基因网络，利用网络参数构建癌症基因最小生成树，来分析癌症之间的进化关系。 CVTree方法是近年来由郝柏林院士等人建立的同源比较方法里比较优越的方法，它通过计算两个基因组之间的组份矢量来构建进化距离，然后构建进化树(http://tlife.fudan.edu.cn/cvtree/) [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] 。 复杂网络理论从建立至今已经有几十年的历史，目前正渐渐成熟完整。 一个复杂网络的最小生成树也是一个复杂网络，它包含了原网络中左右的节点，但节点之间相连的情况和原网络却不一样。一个无向且边带有权重的最小生成树，是把原网络中所有连接边的权重的和最小的树模型。现在最小生成树已经得到了非常广泛的应用，其涉及的领域有电力、航空还有生物科学领域。连接边的权重在不同领域分别代表了不同的意义 [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] 。 构建最小生成树有两种比较常用的方法，一种是kruskal算法，另一种是prim算法。这两种算法的主要区别是，kruskal算法是顺序去边，而prim算法是顺序去端。本文采用prim算法构建最小生成树 [ 11 ] 。基于prim算法，便可找出无向且连接边带有权重的最小生成树。
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user: 2. 数据与方法 2.1. 数据来源 本文用到的原癌基因序列都是从美国国家生物技术信息中心(genbank) (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank)下载。每个基因所含序列数大多都不止一条，下载总共得到了4000多条原癌基因序列。本文选择了与15种癌症对应的原癌基因，它们分别为膀胱癌(74)、大肠癌(448)、肺癌(623)、肝癌(136)、宫颈癌(319)、黑色素瘤(74)、甲状腺瘤(323)、淋巴瘤(570)、卵巢瘤(565)、脑肿瘤(59)、前列腺癌(587)、乳腺癌(668)、肾癌(300)、胃癌(138)和胰腺癌(513)，括号中的数量是癌症所对应的原癌基因序列总数。所有这15种癌症的原癌基因序列总数为2229条，因为同一个基因可能同时是属于几种癌症，所以各个癌症的序列之和并不为2229。 2.2. 方法 2.2.1. 网络的构建 在用cvtree方法构建网络时，把每一条基因序列作为网络中的一个节点。本文将15种原癌基因分别作为一个单体构建一组5个不同K值的网络，K分别取6，9，12，15，18这5个值。再将这15种癌症对应的2229条原癌基因序列作为一个总体单独构建一组5个不同K值的网络，总共构建的网络为16组。 用CVTree方法得到亲缘距离矩阵之后，我们得到了任意两条序列之间的亲缘距离D，这时只要定一个标准值Dis，并规定当任意两条序列的D值小于或等于标准值Dis时，这两条序列在网络中代表的节点相连，代表在标准值Dis下它们之间有亲缘关系；反之，两节点则不相连，代表在标准值Dis下它们之间没有亲缘关系。 2.2.2. 最小生成树的构建 本文利用prim算法构建网络最小生成树，先选定网络中任意一个节点作为子图，然后再找出这个子图到剩余子图中边长最短的边，将这条边对应的两个节点在邻接矩阵中的矩阵元置为1，并将找到的节点加入子图，之后一直重复该步骤，直到子图包含了网络中所有节点时，便得到了最小生成数的邻接矩阵。 前面已经利用CVTree方法得到了16组不同K值的距离矩阵，通过prim算法计算这些矩阵边可得到最小生成树的邻接矩阵。两条序列的距离D就是它们之间边的权重。因为构建的网络为无向图，所以在距离矩阵中，对于任意两条序列有D ij = D ji ，且对角元全为0，因此距离矩阵是关于对角对称的。 在原癌基因最小生成树网络中，边的权重直观体现了序列的亲缘关系，通过对最小生成树的分析，可以研究原癌基因的进化关系，进而研究癌症之间的转移机制等。
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user: 4. 结论 本文收集了15种癌症的原癌基因序列，利用CVTree方法算出了15组序列和它们的总和序列共计16组距离矩阵，再通过距离矩阵，基于prim算法，分别计算出了它们的最小生成树邻接矩阵，并利用pajek软件画出最小生成树，最后计算了所有最小生成树的平均度、平均聚类系数和平均最短路径。对于同一种癌症的序列，在5个不同的K值下，最小生成树的平均度相等；所有的最小生成树的平均聚类系数在各个K值下均为0；对于平均最短路径则呈现出随序列数的增加而总体增大的规律。通过对这三个网络参数的分析，揭示了原癌基因的进化可能是沿着最短的路径进行，并且其进化表现出了一定的自相似性；原癌基因网络中聚类系数为0，说明网络连接较为稀疏，同时不同原癌基因序列之间亲缘关系并不密切。
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user: 摘 要 石墨烯是二维晶体结构的碳纳米材料，其具有优异的导电、导热、光学和力学特性引起了研究者的浓厚兴趣，在材料、电子、物理、化学、能源、生物医药等众多领域具有广阔的应用前景。本文详细综述了近年来国内外参考文献对于石墨烯制备方法的研究，并指出了目前各种石墨烯制备方法中存在的问题。最后，本文对石墨烯制备方法的改进方向进行了展望。 关键词 :石墨烯，纳米材料，制备方法
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user: 1. 引言 随着科技的进步、时代的发展，具有特殊性质、优异性能的材料日趋增多。石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp 2 杂化轨道组成六角型呈蜂窝晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] (见图1)。其厚度仅有0.335纳米，只有头发丝直径的二十万分之一 [ 5 ] 。从石墨烯上“裁剪”出不同形状的片层，翘曲能够得到零维的富勒烯(fullerene)，卷曲可以得到一维的碳纳米管(carbon nanotube)，堆叠可以得到三维的石墨(graphite) (见图2) [ 1 ] [ 6 ] ，因此我们可以说石墨烯是构成其它碳材料的基本单元，是目前为止最为理想的碳材料 [ 7 ] 。 石墨烯最早是2004年由英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Kostya Novoselov)发现的，他们使用了一种被称为机械微应力技术(micromechanical cleavage)的简单方法，并因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖 [ 2 ] 。正是这种简单方法制备出来的简单物质—石墨烯推翻了科学界一个长久以来的错误认识——任何二维晶体不能在有限的温度下稳定存在 [ 8 ] [ 9 ] 。事实证明，悬浮着的石墨烯表面是不平整的，存在着些许的起伏，这种起伏在其表面形成三维的褶皱，正是这些褶皱才使得石墨烯能够稳定存在(见图3) [ 10 ] 。因此，以石墨烯为代表的二维晶体材料的成功制备，开辟了新型纳米材料和功能材料/器件发展的新纪元，其一出现就成为纳米材料领域的新宠，经过10年研究，目前石墨烯及其衍生材料依然是新材料领域的研究和应用热点。
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user: 2. 石墨烯的特性 石墨烯独特的晶体结构，使其具有许多独特的性能，如优异的光学特性 [ 11 ] [ 12 ] 、良好的导电性和导热性 [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] 、高的力学强度 [ 17 ] 、高载流子迁移速率 [ 18 ] [ 19 ] 和超大的比表面积 [ 20 ] 等，这些特性吸引了无数科学家的研究兴趣。 2.1. 光学特性 石墨烯具有独特的光学性能，从光学角度来说，石墨烯是一种“透明”的导体材料，能够代替现在的液晶透明电极。同时，石墨烯有望应用于光限幅效应领域。在可见光范围内，Nair等人 [ 21 ] 在几十个微米级的小孔上覆盖上石墨烯，照射白光后发现单层石墨烯仅吸收了约2.3%左右的可见光，即透过率达到97.7%。在红外波段范围内，Li等人 [ 22 ] 对石墨烯700~8000 cm −1 谱段做了研究，发现石墨烯中存在着多子交互作用；红外光在所有波段的吸收和运输曲线随着门电压的增大而由定值变得有一定的起伏。在1250 cm −1 处，吸收曲线达到波谷，波峰向高频方向移动，并且受电压的影响逐渐减小；另外，石墨烯的光学传导率主要是由载流子占据的最高能级(即2E f )控制的，这就保证了石墨烯的高载流子迁移率。 图1. 石墨烯 图2. 石墨烯：碳材料的基本单元[ 2 ] 图3. 石墨烯表面状态：三维褶皱 2.2. 电学特性 石墨烯的每个碳原子均为sp 2 杂化，并贡献剩余一个p轨道电子形成一个大π键，电子可以自由移动，石墨烯是金属或零带隙半导体 [ 23 ] [ 24 ] 。由于石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优异的电学特性。石墨烯和传统的半导体不一样的是其电子有和光子相似的行为，运行速率为光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。石墨烯的准粒子行为可以用狄拉克方程来描述，因此相对于其它材料来说石墨烯具有奇异的电学性质。 石墨烯具有高电子迁移率的特性，电子在石墨烯中传输时不易发生散射，迁移率可达2 × 10 5 cm 2 /(V∙s)，在某些特定条件下，甚至能够达到2.5 × 10 5 cm 2 /(V∙s)，约为硅中电子迁移率的140倍，可以在超级计算机、触摸屏和光子传感器等微电子设备领域“大显身手” [ 18 ] 。石墨烯的电阻率非常小，其电导率可达10 4 S/m，是室温下导电性最佳的材料，并且其低温条件下电阻率甚至趋近于零 [ 19 ] 。 2.3. 热学特性 在发现石墨烯以前，大多数物理学家都认为，热力学涨落是不允许任何二维晶体在有限温度下存在的，因此石墨烯的发现震撼了物理学界。Balandin等人 [ 15 ] 利用共焦显微镜拉曼光谱中激光能量和G峰频率的关系首次测得室温条件下石墨烯的热导率在(4.84 ± 0.44) × 10 3 到(5.30 ± 0.48) × 10 3 W/(m∙K)之间，高于碳纳米管和金刚石，是室温下铜的热导率的10多倍，也是目前热导率最高的材料。J. H. Seol等人 [ 25 ] 以SiO 2 做衬底测量了石墨烯被刻烛前后热阻值的变化，测得的热导率为600 W/(m·K)，高于大多数金属材料，但是远低于其理论值。 2.4. 力学特性 石墨是矿物质中最软的，其莫氏硬度只有1~2级，但被分离成一个碳原子厚度的石墨烯后，性能则发生突变。与普通钢材相比，石墨烯薄膜在质量上要轻6倍，密度上小5~6倍，抗拉强度大10倍，抗弯刚度大13倍。其硬度将比莫氏硬度10级的金刚石还高，是已知材料中强度和硬度最高的晶体结构。但是它却又拥有很好的韧性，且可以弯曲。Gomez-Navarro等人 [ 26 ] 对单层石墨烯的力学性质做了测量，结果表明石墨烯具有极好的硬度和柔韧性。Bunch等人 [ 27 ] 研究发现微米尺寸下的石墨烯的弹性常数为0.2 N/m，而Frank等人 [ 28 ] 通过实验发现悬挂的2~8nm厚的石墨烯薄膜的弹性常数约为1.0~5.0 N/m，其抗拉强度和弹性模量分别为125 GPa和1.1 TPa。研究人员通过计算得知，石墨烯每l00 nm距离上可承受的压力约为2.9 μN，如果将石墨烯做成包装袋(厚度约100 nm)，那么它就能够承受约2000 kg重的物体，承受能力是相当巨大的 [ 17 ] 。
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user: 4. 结论与展望 自2004年由Geim成功制备石墨烯以来，由于其独特和优异的性能，吸引了众多科研工作者的极度关注，尤其是随着研究的不断深入，石墨烯的优异性能和潜在价值正被逐步发掘，在复合材料、纳米器件、储氢材料、量子计算机以及超灵敏传感器等领域也受到了越来越多的亲睐。石墨烯的制备是石墨烯走向应用的关键一步，如何大规模制备高质量、大尺寸、低成本的石墨烯是产业化亟待解决的问题。十年来，石墨烯的制备方法不断创新，但每一种方法都有它的缺点和不足，在工艺的优化和新方法的探索上仍有极大的发展空间。 为了尽快实现石墨烯的商业化应用，科研工作者需要研发出一种能够大面积制备具有多种性能的石墨烯的方法，从而可以使得石墨烯的价格大幅度下降，并保证其应用领域的大幅拓宽。个人认为其中最可行的就是以非液相化学法为基础，一方面可以减少化学法对石墨烯边缘基团的破坏导致难以实现石墨烯的高品质化，另一方面也可以减少强酸强碱类废弃化学品对环境的危害。下一步重点是通过设备和工艺的优化来实现非液相化学法制备石墨烯的中试，加快高品质石墨烯的产业化。同时，石墨烯制备工艺上的突破将会极大地推动碳材料及相关应用技术研究，并对相关学科发展起到了积极的促进作用。
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user: 摘 要 国内自主研发的森林消防车与国外相比，其技术含量、多功能性和灭火效率都存在一定差距，因此本文设计了一款多功能高效灭火的森林消防车。设计选择了整车动力装置参数，确定整车总体布置和结构尺寸参数。并对前顶撞装置、后开沟犁和车厢进行结构有限元分析，保证结构设计满足使用要求。 关键词 :森林消防车，多功能，有限元分析，参数匹配
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user: 1. 引言 森林火灾时有发生，当发生森林火灾时，森林消防车能够迅速将消防人员及设备带到火灾现场，有效控制火势，进行快速灭火，因此消防车在森林火灾灭火中发挥着极为重大的作用。当前，国内自主研发的森林消防车虽然在越野性能及承载能力上取得了实质性地突破，但与国外相比其技术含量、多功能性和灭火效率都存在一定差距。因此研究一款多功能高效灭火的森林消防车具有十分重要的意义。
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user: 2. 森林消防车主要功能设计 本课题旨在研发一款具有高效灭火、高附着性和通过性的多功能森林消防车，通过对消防车底盘结构和灭火装置的合理设计，实现可携带更多灭火装备、具备开设防火线和多途径高效灭火的目标，并强化火场通信和定位导航功能，全面提升森林消防车的作战能力 [ 1 ] 。 2.1. 灭火功能 消防车最主要的功能就是灭火，现在多数消防车以水作为首选消防介质，但常规水的密度大且效果不佳，而使用压缩气体泡沫不仅可以隔离燃烧物和空气，同时能渗透入燃烧物内部，吸收热量使燃烧物冷却，因此本消防车采用压缩气体泡沫为主消防介质，装配气液比例混合发泡器以使灭火效率快速提高。消防车还配备方便装载的水泵、风力灭火器、林地切割器等辅助消防装备 [ 2 ] 。 2.2. 动力性能 在发生森林火灾时，消防车需要将消防员及消防设备快速运抵火灾现场，因此车辆应具有良好的动力性能。本消防车按动力模式匹配整车动力参数，通过最高车速、最大爬坡度等要求来初选发动机型号. 2.3. 越野性能 目前市面上的消防车大多数采用履带式行驶系统，虽然此系统具有良好的牵引性能和通过性能，但其结构复杂、行驶速度较低、转移作业场地困难、对路面破坏程度比较大 [ 3 ] 。因此本课题尝试设计四轮驱动式消防车，提高快速灵活的作战能力。 2.4. 行车障碍清除功能 消防车行驶在森林中时，由于森林地表环境复杂，会对消防车的行驶产生障碍，因此需要在消防车前端设计一款开辟道路的前顶撞装置，该装置在底端配备切割刀片，从而协助消防车快速清理灌木丛等障碍。 2.5. 开挖防火带功能 森林火灾的蔓延一般是由地面开始的，因此开挖防火带对控制火势蔓延极为有效。本课题在车辆后端装备了一款开沟犁，达到防止火势急速蔓延的作用。 2.6. 通信功能 森林中环境恶劣，为保证消防人员的安全，消防车应具有良好的通信功能，同时有利于消防中心指挥作战，提高灭火效率。本消防车采用北斗与GPS综合火灾定位评估通信装置，可进行火灾定位、火势评估和指挥作战等工作 [ 4 ] 。
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user: 3. 整车动力装置参数的选择 为提高森林消防车的灭火效率，在设计时从提高动力性方面考虑，对整车动力装置参数进行匹配。其最高车速越高，到达火灾地点的时间越短；加速能力越强，其平均车速越高；最大爬坡度越大，消防车才能克服不同的森林地形，保证森林消防车顺利通过。 3.1. 发动机功率的选择 本次设计的多功能森林消防车要求最高车速 ≥ 105 km/h，因此通过最高车速来初步确定发动机功率。所选发动机功率应与汽车行驶的阻力功率相平衡，车辆在最高车速行驶时，忽略加速阻力与爬坡阻力 [ 5 ] ，则可由式(1)初步确定发动机功率。 (1) 式中： ——发动机功率，kw； ——空气阻力系数； ——迎风面积，m 2 ； ——最高速度，km/h；η——机械效率； ——作用于车辆上的法向载荷，N； ——滚动阻力系数。 经计算可得 。 同时由于消防车行驶在森林中，还需要考虑车辆在爬坡时的要求。根据整车设计要求，消防车在爬坡度角10˚时，车速要求不低于20 km/h，因此由式(2)计算发动机功率需求。 (2) 式中 ——坡度角，˚。 经计算得出 。 本课题设计的多功能森林消防车，选择发动机功率时还应该考虑到消防设备所需功率，本车所配消防设备需求功率约为30 KW。综合考虑发动机功率和整车动力性的前提下，在目前市场现有的发动机系列中，选定型号为WD 615.87的发动机，其功率为229 KW。 3.2. 最小传动比的选择 汽车所能达到的最高车速u amax 是图1中发动机驱动功率曲线与汽车阻力功率曲线的交点，发动机最大输出功率所对应的为车速u p ，而最小传动比即当u amax 和u p 相等时的传动比。 根据多功能森林消防车要求最高车速 ≥ 105 km/h，所选取发动机转速n p 为2200 r/min，轮胎的滚动半径为0.6325 m。由式(3)可算得传动系最小传动比 。 图1. 发动机功率–阻力功率平衡图 (3) 式中： ——最小传动比；n p ——转速，r/min；r——车轮半径，m； ——最大车速，km/h。 3.3. 最大传动比的选择 最大传动比主要影响汽车的爬坡度，此外还要考虑附着力，爬坡时消防车在低速行驶，汽车所受空气阻力远小于行驶阻力，因此忽略空气阻力与加速阻力。 根据消防车爬坡度的要求及所选发动机的转矩特性，由式(4)可算得最大传动比 。 (4) 式中： ——最大传动比； ——坡度角，˚。 3.4. 分动器的选择 为保证良好的越野性能，本消防车设计为四轮驱动布置形式，所以需要配有分动器。本课题选取具有固定速比值的两档变速分动器，高速档传动比为1，低速档传动比为1.75，以实现减速增矩。车辆在正常路况下使用高速档，在越野或附着条件较差的情况下使用低速档。 3.5. 变速器的选择 汽车的挡位数应根据汽车的使用情况不同而选取相对合适的挡位数。一般而言，挡位数越多，发动机的动力性和经济性会越好，但同时会带来变速器尺寸过大、结构复杂的缺点。因此本设计根据最大和最小传动比以及平顺换档的需求，选用多档变速器，其传动比范围为0.87~8.2，最终选用型号为HW15710C，变速器速比为10.73，7.98，5.91，4.38，3.29，2.45，1.82，1.35，1.00，0.75，10.49 (倒档1)，2.39 (倒档2)。 3.6. 轮胎的选择 森林中道路恶劣，多为无路地带，因此对轮胎的耐磨损、抗刺扎和气密性要求较高。同时，由于消防车需要承载消防人员及设备，要求轮胎有足够的负荷能力，以满足动力性、通过性和操纵稳定性的要求。 针对以上要求，选用型号为14.0-20的轮胎，其气压为770 ± 20 kPa，选用的轮辋型号为10.0-20，轮胎花纹为越野花纹。 综上，选择ZZ2167M4627 A/M0WAZ越野载货车底盘，其相关性能参数如表1。
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user: 4. 多功能森林消防车的总体布置 4.1. 整车尺寸和质量参数 关于消防车的整车尺寸，GB1589-1989对其外廓尺寸进行规定；轴距对轴荷分配、传动轴长度和汽车总长等有影响；轮距对汽车总宽和侧倾刚度等因素有影响，增加轮距有利于增加汽车横向稳定性；本车选用平头型车头，其长度一般在1400~1500 mm之间；同时整车尺寸还应满足GB-T_6244-1986对重系列消防车的尺寸要求。 多功能森林消防车属于特殊车辆，为了能将尽量多的消防设备及消防介质快速运送到火灾现场，在恶劣的森林环境中提高灭火效率，其质量尺寸大于一般货车。由此确定整车的主要尺寸和质量参数如表2。 Table 1 Technical parameter of fire vehicl 项目 技术参数 发动机型号 WD615.87 变速器型号 HW15710C 分动器型号 1200分动器 驱动桥 斯太尔ST16驱动桥速比5.73 最小转弯直径 18.9 m 最小离地间隙 360 mm 接近角/离去角 34˚/23˚ 轮胎型号 14.00-20 表1. 消防车配置技术参数 Table 2 Dimension parameter and quality parameter of fire vehicl 项目 技术参数 外廓尺寸(mm) 8068 × 2496 × 3180 轴距(mm) 4600 轮距(mm) 2072 车头长度(mm) 1490 车箱尺寸(mm) 5500 × 2450 × 600 整备质量(kg) 6890 总质量(kg) 16000 表2. 消防车尺寸参数和质量参数 4.2. 布置草图 在对车辆的底盘数据、整体尺寸参数和质量参数进行初步选定之后，需要绘制总布置草图，以观察初步选定的各部件结构和尺寸是否符合整车设计要求 [ 6 ] 。 消防车总布置草图如图2所示，以左侧前、后车轮与地面接触点连线为X轴，前轴左、右车轮与地面接触点连线为Y轴，左前轮垂直中心线为Z轴，尺寸单位为mm。数字所代表的结构如表3。 经过对消防车的总体设计，将本消防车与其他几款消防车进行性能对比，见表4。 由表4可得，本消防车最高车速高于其他消防车，处于上游水平，发动机功率及单位质量功率属于中上等水平。 图2. 消防车总布置草图 Table 3 Structure description of fire vehicl 序号 结构 1 前顶撞装置，实现行车障碍清除的功能 2 平头式驾驶室，可乘坐3名消防员 3， 7 ZZ2167M4627 A/M0WAZ越野载货车底盘及动力装置 4 车厢，装载消防设备及压缩气体泡沫 5 后开沟犁，实现开挖防火带的功能 6 备用轮胎，在车尾部通过悬链式固定在车架上，保证拆装方便 8 车轮，直径为1240 mm 表3. 消防车总布置草图结构说明 Table 4 Performance comparison of fire vehicl 车辆种类 发动机功率/kW 最高车速/km/h 总质量/t 单位质量功率/kW/t 车长/mm 本消防车 229.0 ≥105 16.00 14.31 8068 SX2 55.1 38.2 7.17 7.69 7420 BFC804 235.3 50.0 14.54 16.23 6700 A531 191.2 60.0 12.81 14.93 5467 SXD09 175.0 55.0 11.90 14.71 5500 表4. 消防车性能对比