DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 3. 定理1.1的证明 广义酉除数和函数 σ k ∗ ( f ) 在函数域 F q ( T ) 上的Dirichlet级数如下： F ( s ) = ∑ f ∈ M σ k ∗ ( f ) ‖ f ‖ s = ∑ n = 0 + ∞ ∑ f ∈ M n σ k ∗ ( f ) q − n s (3.1) 由引理2.1.2知可对 F ( s ) 做Euler乘积，即： F ( s ) = ∏ P ∈ M P 不 可 约 ( 1 + σ k ∗ ( P ) ‖ P ‖ s + σ k ∗ ( P 2 ) ‖ P ‖ 2 s + ⋯ ) = ∏ P ∈ M P 不 可 约 ( 1 + 1 + ‖ P ‖ k ‖ P ‖ s + 1 + ‖ P ‖ 2 k ‖ P ‖ 2 s + ⋯ ) . 再由引理2.1.1，有： ζ A − 1 ( s ) ζ A − 1 ( s − k ) F ( s ) = ∏ P ∈ M P 不 可 约 ( 1 − 1 ‖ P ‖ 2 s − k ) = G ( s ) . 即： F ( s ) = ζ A ( s ) ζ A ( s − k ) G ( s ) . (3.2) 由引理2.1.1，知： ζ A ( s ) = 1 1 − q 1 − s 和 ζ A ( s − k ) = 1 1 − q 1 + k − s 对其做Taylor展开，并取 u = q − s ，有： ζ A ( s ) = ∑ m = 0 + ∞ q m u m 和 ζ A ( s − k ) = ∑ h = 0 + ∞ q h ( k + 1 ) u h 将此及式(2.3)代入式(3.2)，有： F ( s ) = ∑ m = 0 + ∞ q m u m ∑ h = 0 + ∞ q h ( k + 1 ) u h ∑ l = 0 + ∞ h l u l . (3.3) 下面分两步计算 ∑ f ∈ M n σ k ∗ ( f ) ： 第一步：令 ∑ t = 0 + ∞ T t u t = ζ A ( s − k ) G ( s ) = ∑ h = 0 + ∞ q h ( k + 1 ) u h ∑ l = 0 + ∞ h l u l . 则： T t = ∑ h + l = t q h ( k + 1 ) h l = q t ( k + 1 ) ∑ l = 0 t h l q l ( k + 1 ) . 由引理2.2.3，可得： T t = q t ( k + 1 ) + O ε ( q t ( k + 1 ) − k + 1 2 + ε ) . 第二步，计算均值： 比较式(3.1)和式(3.3)的系数，可得： 1 q n ∑ f ∈ M n σ k ∗ ( f ) = 1 q n ∑ m + t = n q m T t = ∑ t = 0 n T t q t . 由第一步结果可知： ∑ t = 0 n T t q t = ∑ t = 0 n q t k + O ε ( ∑ t = 0 n q t k − k + 1 2 + ε ) . 当 k = 0 时， 1 q n ∑ f ∈ M n σ k ∗ ( f ) = n + 1 + O ε ( ( n + 1 ) q − k + 1 2 + ε ) . 当 k ≥ 1 时， 1 q n ∑ f ∈ M n σ k ∗ ( f ) = q ( n + 1 ) k − 1 q k − 1 + O ε ( q − k + 1 2 + ε q ( n + 1 ) k − 1 q k − 1 ) . 又 q ( n + 1 ) k − 1 q k − 1 = q k q k − 1 q n k − 1 q k − 1 ， 且 1 < q k q k − 1 < 2 ，因此， 1 q n ∑ f ∈ M n σ k ∗ ( f ) = q k q k − 1 q n k + O ε ( q n k − k + 1 2 + ε ) . 对 1 1 − q − k 作Taylor展开，有： 1 1 − q − k = 1 + O ( 1 q k ) . 因此， 1 q n ∑ f ∈ M n σ k ∗ ( f ) = q n k + O ( q n k − k ) + O ε ( q n k − k + 1 2 + ε ) . 又知 ( n − 1 ) k ≤ n k − k + 1 2 + ε ， 故： 1 q n ∑ f ∈ M n σ k ∗ ( f ) = q n k + O ε ( q n k − k + 1 2 + ε ) . 定理得证。
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user: 摘要 通过问卷调查法、深度访谈法与个案法，以六位不同特征的初中数学教师为研究对象进行个案分析，探究不同特征教师MPCK如何，以便教师了解自身的MPCK并改进，提高教学效果。研究发现：处于“水平一”的数学教师MPCK均处于最低水平；相比“水平一”的教师，“水平二”教师的MPCK更丰富。为了提升数学教师的MPCK，针对研究结果，提出两点建议：教师要注重对数学学科知识与教育学相关知识的整合；教师结合《标准》和数学教材深刻解读教学内容。
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user: 1. 引言 20世纪80年代舒尔曼(Shulman)首次提出了教学内容知识(Pedagogical Content Knowledge，以下简称PCK)这一概念，将其定义为学科知识和教学知识的合金 [ 1 ]。关于PCK的研究越来越多，对数学教学内容知识(Mathematics Pedagogical Content Knowledge，以下简称MPCK)的研究也逐渐深入其中。而且，不同学者对MPCK有着不同的理解，比如：有从教师教学的角度强调学科内容知识的重要性 [ 2 ]，有从学生学习的角度关注学生学习结果的重要性 [ 3 ]，有从教学内容本身的角度强调教学方法的重要性 [ 4 ]。金美月教授对国内外众多研究者对于MPCK的内涵及结构进行分析，并且结合诸多教学实践及课堂教学观摩，认为MPCK是由数学学科知识、学习者知识、课程知识、教学策略知识以及教育信念整合而成。其中数学学科知识包括实体知识、内容知识和句法知识。学习者知识指对于所教学生的知识结构、思维水平、学习困难、易错点的了解。课程知识指对课程标准的理解以及对数学教材的把握。教学策略知识包含教学评价、教学方法、教学组织相关的知识。教育信念指教师对数学、学生学习数学、数学教学的看法。 MPCK作为数学教师必备的知识，是数学教师专业发展的重要因素。因此，对不同特征初中数学教师MPCK 进行个案研究，不仅有助于确定教师专业发展的因素，而且有助于不同特征初中数学教师了解自身的MPCK，进而提升教学质量，进行有效教学。为此，通过问卷调查法、深度访谈法与个案法，以六名不同特征初中数学教师为研究对象，从五个维度十五个观测点进行整合研究不同特征初中数学教师的MPCK如何。
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user: 2. 概念界定 不同特征指的是四个维度的不同，每个维度包含2个水平，具体见表1。因此，该文中的不同特征初中数学教师不仅指在职教师，也包含预备教师。
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user: 3. 研究方法 3.1. 研究对象 选取6位初中数学教师为研究对象进行案例研究，分别用T1、T2、T3、T4、T5、T6表示6位不同的教师，教师特征如表2。除了成绩、研读、反思、经验四个特征存在差异外，在影响数学教师MPCK的其他因素方面基本保持一致。 Table 1 Description of different feature 维度 不同 水平一 水平二 数学专业课与教育学相关课程的成绩 成绩平均分 < 95分 成绩平均分 ≥ 95分 对数学教材与教学参考书的研读 不能准确说出知识所在的章、节、课时、地位 能说出知识所在的章、节、课时、地位，教学先决条件以及教材编写的特点，并明确知识间的联系 教学反思 仅对目标达成情况、新课标理念、重难点突破以及生成问题中的一到两点进行反思 能对目标达成、新课标理念、重难点突破以及生成问题进行全面反思 教学实践经验 少于一年 一年到三年之间 表1. 不同特征描述 Table 2 Different characteristics of junior middle school mathematics teacher 不同特征 水平一 水平二 数学专业课与教育学相关课程的成绩 T1、T2、T5 T3、T4、T6 对数学教材与教学参考书的研读 T1、T2、T4 T3、T5、T6 教学反思 T1、T3、T4 T2、T5、T6 教学实践经验 T1、T2、T3 T4、T5、T6 表2. 不同特征初中数学教师 3.2. 数据分析 首先对访谈结果、教学视频分析结果、有效测试卷进行分析，根据“MPCK子要素水平描述表 [ 5 ] ”(见表3)给每个子要素进行水平划分；其次结合每一个子要素所处的水平，根据“MPCK维度水平描述表”(见表4)得出相应维度所处的水平；最后根据“MPCK水平描述表”(见表5)得出该教师MPCK所处的水平以描述其MPCK的现状。 Table 3 MPCK sub-element level descriptio 维度 子要素 水平描述 了解 理解 掌握 数学学科知识 内容知识 在具体教学情境中，能识别核心知识点。 在了解的基础上，能准确说出核心知识点的概念。 在理解的基础上，能描述核心知识点的特征和由来。 实体知识 在具体教学情境中，能识别相关知识点。 知道相关知识点间存在逻辑关系。 能明确地知晓相关知识点间具有怎样的逻辑关系。 句法知识 知道所教内容所体现的数学思想方法。 能明确地将任教内容所体现的数学思想方法，并表述体现的过程。 能巧妙地将任教内容所体现的数学思想方法与教学设计相联系。 学习者知识 知识结构 能从具体情境中辨认出学生已有知识结构。 能明确地知道所教学生的知识基础，符合学生的实际。 完全知晓所教学生的知识基础，符合学生的实际并能很好地运用到教学过程中。 思维水平 能从具体情境中辨认出学生已有思维水平。 能明确地知道所教学生的思维水平，并且符合学生的实际。 完全知晓所教学生的思维水平，符合学生的实际并能很好地运用到教学过程中。 学习困难 知道学生存在学习困难，但不能对学生的学习困难进行预测。 能根据具体的教学内容预测学生的学习困难。 在理解的基础上，能合理解释学生产生困难的原因。 易错点 知道存在易错点，但不能对学生的易错点进行预测。 能根据具体的教学内容预测学生的易错点。 在理解的基础上，能合理解释学生易错点产生的原因。 课程 知识 对数学课程标准的理解 不知道数学课程标准中相关行为动词的含义或者知道的不够清晰。 基本可以理解数学课程标准中相关行为动词的含义。 能够结合实际教学内容对数学课程标准中相关行为动词做出准确的解释。 对数学教材的把握 对任教内容的地位与作用知之甚少，教学重难点不突出。 基本知道任教内容的地位与作用，教学重难点有所体现，但不能有效突破。 十分了解任教内容的地位与作用，并能有效突破教学重难点。 教学 策略 知识 教学评价 知道教学评价的不同形式。 根据具体的教学内容，采用适当的评价形式，判断教学目标的达成情况。 根据具体的教学内容，选择适当的评价形式从不同维度，判断教学目标的达成情况。 教学方法 教学方法不合理，不符合学生的认知规律，或在教学过程中有较少体现。 教学方法基本合理，比较符合学生的认知规律，在教学过程中有较多体现。 教学方法完全合理，完全符合学生的认知规律，在教学过程中完全体现。 教学组织 教学组织完全遵循教材，没有改动。 教学组织完全遵循教材，有自己的改动，并说出修改原因。 教学组织依据学生的认知规律重新编排、组织，有自己独特的见解。 教育信念 数学信念 工具主义观念：认为数学是由事实、规则、技能组成的一种工具。 柏拉图主义观：认为数学是一个静态不变的学科。 问题解决观念：认为数学是动态发展的学科，是人们在探索真理的路途中建立起来的。 数学学习信念 行为主义学习观：数学学习是一种机械化的学习。 信息加工主义学习观：数学学习是教师把知识传授给学生。 建构主义学习观：数学学习是在学生已有知识经验上的重新建构过程。 数学教学信念 以内容为中心：数学教学应以教学内容为中心，强调概念理解。 以学生为中心：数学教学以学生已有的知识为中心。 以课堂为中心：数学教学以有效的课堂为中心。 表3. MPCK子要素水平描述 Table 4 MPCK dimension level descriptio 维度 了解 理解 掌握 数学学科知识 两个或两个以上子维度处于“了解”水平 两个或两个以上子维度处于“理解”水平 两个或两个以上子维度处于“掌握”水平 学习者知识 两个或两个以上子维度处于“了解”水平 两个或两个以上子维度处于“理解”水平 两个或两个以上子维度处于“掌握”水平 课程知识 两个子维度处于“了解”水平 一个或一个以上子维度处于“理解”水平 一个或一个以上子维度处于“掌握”水平 教学策略知识 两个或两个以上子维 度处于“了解”水平 两个或两个以上子维 度处于“理解”水平 两个或两个以上子维 度处于“掌握”水平 教育信念 两个或两个以上子维度处于“了解”水平 两个或两个以上子维度处于“理解”水平 两个或两个以上子维度处于“掌握”水平 表4. MPCK维度水平描述 Table 5 MPCK level descriptio 了解 理解 掌握 MPCK 三个或三个以上维度处于“了解”水平 三个或三个以上维度处于“理解”水平 三个或三个以上维度处于“掌握”水平 表5. MPCK水平描述
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user: 4. 数据分析及结论 4.1. 成绩不同教师的MPCK 分析“水平一”教师对数学学科知识子要素的答题情况，该教师能较全面列出这一节的核心知识，但仅对“一次函数的定义”做了详细的叙述；对核心知识点特征的叙述不够全面，且没有说明其由来。《一次函数》相关概念数量少，仅包含“坐标系、单项式、多项式、未知数、等量关系”，没有体现出正比例函数及反比例函数等。综上分析该教师对于核心知识点处于识别阶段。相关知识点间逻辑关系的掌握仅停留在概念层面，没有结合整个学段形成完整的逻辑体系。知道教学片断体现的思想及方法，但对具体的体现过程不清楚。这些特点符合表3中数学学科知识子要素对应的“了解”水平。 由表4可知，处于“水平一”的教师在数学学科知识维度处于“了解”水平；用同样的思路分析每一个维度，得到学习者知识、课程知识、教学策略知识均处于“了解”水平，教育信念处于“理解”水平；再由表5得出成绩处于“水平一”教师的MPCK 为“了解”水平。同样的分析思路，得出处于“水平二”教师MPCK为“理解”水平。 4.2. 研读不同教师的MPCK 分析“水平一”教师对课程知识子要素的访谈结果，该教师对于行为动词“理解”的刻画是“学生能够用自己的语言说出正比例函数的定义及注意事项而不是仅仅记住教材中所给出的定义”。教师简略说明“变量与函数”是函数知识的开端，有承上启下的作用，并没有说明上承哪些知识，下接哪些知识。对于教学重难点，指出“分段分析并讲解各种图像代表的意义”。综上所述，得出该教师对《标准》中相关行为动词的刻画不准确。对于任教内容的地位与作用知道较少，且不能有效突破教学重难点。这些特点符合表3中课程知识子要素对应的“了解”水平。 由表4可知，处于“水平一”的教师在课程知识维度处于“了解”水平；用同样的思路分析每一个维度，得出数学学科知识、学习者知识、教学策略知识均处于“了解”水平，教育信念处于“理解”水平；再由表5得出研读处于“水平一”教师MPCK为“了解”水平。同样的分析思路，得出处于“水平二”教师MPCK为“理解”水平。 4.3. 反思不同教师的MPCK 分析“水平一”教师对教学策略知识子要素的答题情况，该教师认为通过做题就能判断教学目标的达成情况，且仅从知识技能方面评价学生。对于教学过程，该教师完全按照教材顺序进行教学，首先根据“思考1”分析三个方程之间有什么联系，然后给出书中的一次函数，让学生讨论总结三个方程与一次函数有什么关系，最后学生讨论归纳完成“思考2”、“问题3”。综上分析该教师着眼于学生回答问题的正确率，忽视其他方面的评价；教学过程完全遵循教材，不能综合学生特点、知识特点合理设计教学内容。这些特点符合表3中教学策略知识子要素对应的“了解”水平。 由表4可知，处于“水平一”的教师在教学策略知识维度处于“了解”水平；用同样的思路分析每一个维度，得出数学学科知识、学习者知识、课程知识均处于“了解”水平，教育信念处于“理解”水平；再由表5得出反思处于“水平一”教师的MPCK 为“了解”水平。同样的分析思路，得出处于“水平二”教师MPCK为“理解”水平。 4.4. 经验不同教师的MPCK 分析“水平一”教师对教育信念子要素的访谈结果，该教师所持的是工具主义观念，注重新旧知识的联系，体现的是一种建构主义学习观。数学的学习要注重知识之间的联系，在学习新知识时要与旧知识建立联系。这些特点符合表3中教育信念子要素对应的“理解”水平。 由表4可知，处于“水平一”的教师在教育信念维度处于“了解”水平；用同样的思路将分析每一个维度，得出数学学科知识、学习者知识、课程知识、教学策略知识均处于“了解”水平；再由表5得出经验处于“水平一”教师MPCK 为“了解”水平。同样的分析思路，得出处于“水平二”教师MPCK为“理解”水平。 综上所述“水平一”的数学教师对核心知识点的掌握仅停留在教材表层所呈现出的内容；缺乏对知识本身的深刻理解，相关知识点的掌握程度较低；对教学过程中的思想、方法表述不够完整清晰；不理解《标准》对相关行为动词的要求；对所教内容的地位与作用了解不全面。所以，处于“水平一”的教师MPCK现状水平不够理想，表明其MPCK有着很大的进步空间。 “水平二”的教师相比“水平一”的教师，更能综合学生实际情况与知识点本身，预测学生的学习困难和易错点；能够理解行为动词基本含义且对任教内容的地位与作用把握较为全面；进行教学设计时能够根据教学内容难易程度以及学生基础水平对教材顺序进行适当调整，教学过程中选择的教学方法比较符合学生的认知规律，针对具体的教学内容选择观察、简单访谈、口头提问、测试卷等恰当的评价形式进行评价。
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user: 5. 建议 5.1. 教师注重对数学学科知识与教育学相关知识的整合 将数学与教育学的教和学的过程、情感特征、评价等方面的知识进行整合，对教师发展有积极作用。扎实的专业知识与广博的教育学相关知识可以丰富教师的MPCK。因此，教师在获得数学学科知识的同时，还应学习充足的教育学、心理学知识以及相关教学法知识，注重将其进行整合，使数学学科知识与教育学相关知识融会贯通，从而提升教师MPCK。 5.2. 结合《标准》和数学教材深刻解读教学内容 将《标准》与教材相结合来解读教学内容时，会把《标准》所倡导的理念、思想、方法与教材研究的成果应用于教学设计，关注课堂教学整体性观念的全面渗透。因此，教师在备课阶段应深度分析《标准》及教材，熟悉教学内容的每个知识点及习题等，明确核心知识点，抓住教学重难点 [ 5 ]；考虑学生认知发展水平和已有的知识经验，明确学生需要掌握到什么程度，教师需要讲到什么程度，从而加深对知识的理解，理清数学相关概念之间的联系、建立全面的数学知识体系，最终提升教师MPCK。
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user: 摘要 本文研究具有避难所的平方根功能反应捕食者–食饵模型的Hopf分支的方向和分支周期解的稳定性。结果表明，当避难所作为参数等于一个阈值时，它会发生Hopf分支。
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user: 1. 引言 2011年，Ajraldi等人 [ 1 ] 和Braza [ 2 ] 提出了具有群体效应的捕食者–食饵模型，即用带有食饵平方根的功能反应函数去刻画具有这种群体效应的捕食者–食饵模型。许多学者在这类具有群体效应的捕食–食饵系统的研究方面取得了很大的进展 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]。 在自然界中，食饵种群常常建立避难所为了达到躲避被捕食者捕食的目的。为了更好的符合现实生态环境，在系统中增加对食饵避难所的考虑是必要的。在文献 [ 6 ] 中作者建立了一类具有食饵保护区的捕食者–食饵模型，模型如下： { d x d t = r x ( 1 − x k ) − a ( 1 − m ) x y ， d y d t = b ( 1 − m ) x y − d y ， (1) 其中， x ( t ) 和 y ( t ) 分别代表猎物和捕食者的密度函数，r，k，a，m分别代表食饵的内禀增长率，食饵的环境容纳量，食饵的消耗率以及食饵的庇护率，b和d分别是食饵的转化率和捕食者的自然死亡率。 本文主要研究模型(1)的Hopf分支问题。主要内容如下：首先分析了模型(1)平衡点的稳定性，接下来通过中心流行定理，规范型理论和文献 [ 7 ] 的方法分析Hopf分支的方向以及分支周期解的稳定性，最后用数值模拟来验证所得到的结论。
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user: 2. Hopf分支的存在性 通过计算可知 E * = ( x * ， y * ) 是系统(1)的一个正平衡点， x * = d 2 b 2 ( 1 − m ) 2 ， y * = r d ( k b 2 ( 1 − m ) 2 − d 2 ) a b 3 k ( 1 − m ) 4 要使 E * 存在，其中 k b 2 ( 1 − m ) 2 > d 2 。 定理1若 m < min { m ¯ ， b k 2 r 2 − 2 b k r + 2 k b − 2 d 2 k 2 r 3 − 4 d 2 k r 2 + 4 d 2 k r k ( k r 2 − 2 r + 2 ) b } (H1) 则 E * 是不稳定的，若 m ¯ < m < 1 ，则 E * 是渐近稳定的，其中 m ¯ = b k − d 3 k b k 证明：系统(1)在 E * 处的Jacobi矩阵为 J ( E * ) = ( a 11 a 12 a 21 a 22 ) a 11 = r − 2 r x * k − a ( 1 − m ) y * 2 x * ， a 12 = − a ( 1 − m ) x * a 21 = b ( 1 − m ) y * 2 x * ， a 22 = b ( 1 − m ) x * − d 对应的特征方程为 λ 2 − t r [ J ( E * ) ] λ + det [ J ( E * ) ] = 0 (1.1) 其中 t r [ J ( E * ) ] = r − d + b ( 1 − m ) x * − 2 r x * k − a ( 1 − m ) y * 2 x * det [ J ( E * ) ] = b r ( 1 − c ) x * + a d ( 1 − m ) y * 2 x * + 2 r d x * k − r d − 2 r b ( 1 − m ) x * 3 2 k 如果 t r [ J ( E * ) ] < 0 ， det ( J [ E * ] ) > 0 成立，则(1.1)的根具有负实部，如果 m < min { m ¯ ， b k 2 r 2 − 2 b k r + 2 k b − 2 d 2 k 2 r 3 − 4 d 2 k r 2 + 4 d 2 k r k ( k r 2 − 2 r + 2 ) b } ，我们可以得到平衡点 E * 是局部渐近稳定的。 下面，我们选择避难所m作为分支参数分析系统(1)在 E * 处的Hopf分支。 引理1 [ 6 ] 若条件 m = m ¯ 成立，则模型(1)在 E * 处产生Hopf分支。 证明：由计算可知，当 m = m ¯ 时， t r [ J ( E * ) ] = 0 ，由于 det [ J ( E * ) ] > 0 ， det [ J ( E * ) ] > 0 有一对纯虚特征值 λ 1 ， 2 = ± i det [ J ( E * ) ] 。 现在我们验证横截性条件。事实上，如果 λ 1 ， 2 = β ( m ) ± i ω ( m ) 是特征方程(1.1)的根，则 β ( m ) = 1 2 t r [ J ( E * ) ] ， ω ( m ) = 1 2 4 det [ J ( E * ) ] − t r [ J ( E * ) ] 2 ，因此， β ( m ¯ ) = 1 2 t r [ J ( E * ) ] | m = m ¯ = 0 ， β ′ ( m ¯ ) = d d c t r [ J ( E * ) ] | m = m ¯ = 3 r d 2 ( 1 − m ¯ ) 3 b 5 k > 0 。 这表明横截性条件满足。因此，由文献 [ 8 ] 的Poincaré-Andronov-Hopf分支定理可得，当m经过 m ¯ 时，系统(1)在 E * 处产生Hopf分支。
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user: 4. 数值模拟 在这一节我们借助Matlab软件通过数值模拟来验证前面所得到的结果。 在系统(1)中选取参数 a = 1.7 ， b = 0.8 ， d = 0.3 ， r = 1 ， k = 1 。经计算， m ¯ ≈ 0.35 。当 m = 0.4 > m ¯ 时，正平衡点 E * = ( 0.390625 ， 0.373391 ) 是渐近稳定的，如图1。所示。当m减小到临界值 m ¯ 时，正平衡点 E * = ( 0.333866 ， 0.348862 ) 失稳并且经历Hopf分支，进一步计算可得 h ( m ¯ ) ≈ − 0.38714 < 0 ，由定理3可以得到Hopf分支的分支周期解是轨道渐近稳定的，方向为超临界。当 m = 0.34 < m ¯ 时，正平衡点 E * = ( 0.322831 ， 0.342919 ) 是不稳定的，且系统(1)存在一个稳定的极限环，如图2所示。
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user: 摘要 未来教育教学将充分利用网络化平台和智能教育等先进信息技术汇聚各类优质教学资源，实现学生的探究式、主动式、渐进式学习过程和能力的培养。本文应用MOOC、SPOC和翻转课堂对“数字信号处理”课程采用线上线下混合式教学模式进行了实践探究。MOOC课程选用中国大学MOOC国家精品课程；异步SPOC课程补充相应的教学资源，公布课程教学日历，明确学生应学习的内容以及学习要求；线下课堂精讲课程的重要知识点、难点，组织学生深入研讨并且演示各自的项目成果。经过实践，这种结合网络在线学习和翻转课堂环节的混合式教学，在教学中发挥了积极作用，取得了较好的效果，但仍需要进行更为深入的实践与总结提高。
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user: 1. 引言 展望未来教育的发展趋势，面向可持续竞争力的大规模个性化创新人才培养将是高校教育的基本形态。这种形态将以新理念、新模式与新方法培养创新型工程人才，将不断加强教学过程中教师学生之间的互动研讨，通过教学资源快速和灵活的组织，促进教学内容与环节的快速交替迭代和精准协同优化，实现个性化创新人才培养的目标。这种形态将充分利用网络化平台和智能教育等先进信息技术汇聚各类跨域跨界跨校的优质教学资源，动态分解教学内容、课程与环节，对教学内容实行非线性组合及混合式并行编排与多轮迭代，通过校内与跨校教学团队和学生之间交互式协作、校企合作协同育人、高校与社会之间的深度融合，实现精准优化的协同教学与培养进程，实现学生的探究式、主动式、渐进式学习过程和能力的逐步增强 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]。 在此理念的指导下，应用当前“互联网+教育”、“智能+教育”、“慕课”等信息技术与教育的深度融合技术，本文实践了基于“MOOC + SPOC + 翻转课堂”的“数字信号处理”课程教学改革。本文对教学过程、经验等进行分析，希望探索出适合专业自身特点的线上线下混合式教学模式，为高校更好地进行创新型人才培养提供借鉴。
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user: 2. MOOC + SPOC + 翻转课堂 MOOC (massive open online course)大规模开放在线课程，是指面向社会所有学员开放的课程；SPOC (small private online course)小范围私有在线课程，是指仅面向某学校某课程班学员开放的课程 [ 4 ] [ 5 ]。本文中应用的MOOC + SPOC是指各学校基于同一门MOOC课程建立专有的特色化的在线开放课程SPOC，是一种基于MOOC的异步SPOC实施模式。MOOC课程是选用国家级精品课程，解决了一门课程规定内容、标杆内容的网络化教学。SPOC课程是各学校各课程班的特色化课程，解决了不同学校不同专业的差异化网络化教学，各SPOC内部差异化教学资源为各学校自己建设、自己使用，由SPOC教师负责维护，SPOC所基于的MOOC课程教学资源为各学校共享使用。 翻转课堂就是要把以往教师教的部分，放到MOOC、SPOC里面去实施。而实体课堂我们更多强调的是面对面的、以教师为主导的、学生自主式、参与式、探究式、协作式的这种学习 [ 6 ]。“MOOC + SPOC + 翻转课堂”是一种线上线下相结合的混合式教学模式，这种方式让课程中平凡的内容留在网上学生自学，尽可能地释放线下课堂教学空间，使教师可以有时间在线下课堂中讲解最精彩的内容，有时间组织学生的主动式学习、研讨式协作式学习。加强学生的能力训练。让能力强的学生可以走得更远(学习到更多内容)，让基础弱的学生可以走得更扎实。
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user: 3. “数字信号处理”课程 “数字信号处理”是国内外众多高校的电子信息类、自动化类、电气类、生物医学、航空航天、甚至机械工程等专业都开设的课程，也是很多院校的考研专业课程之一。数字信号处理的基本方法和技术的应用领域十分广泛，如通信信号处理、雷达信号处理、图像信号处理、语音信号处理等。随着电子技术以及计算机技术的迅猛发展，科学研究中数字信号处理的新理论和新技术层出不穷，其地位和作用越来越重要、应用越来越广泛。因此，“数字信号处理”课程是从事许多实际科研课题的前提和基础 [ 7 ]。 数字信号处理课程主要内容包括：信号分析、信号变换以及快速算法、数字滤波器的设计等，该课程强调理论与实践、原理与应用相结合。因此，“数字信号处理”这门课程有一定难度。在与许多本科生的接触中发现，他们对于数字信号处理方面的知识掌握得并不是太好，而且普遍感到这门课程比较难学。如何更好地进行本课程的教学，是任课教师的首要任务。为了提高学生的学习兴趣，获得更好地教学效果，实现学生的探究式、主动式、渐进式学习过程和能力的培养，本文将“MOOC + SPOC + 翻转课堂”的线上线下混合式教学方法引入到本课程的教学改革中。
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user: 5. 结论 本文应用MOOC、SPOC和翻转课堂对“数字信号处理”课程采用线上线下混合式教学模式进行了实践探究。经过实践，这种结合网络在线学习和翻转课堂环节的混合式教学，在教学中发挥了积极作用，有效地激发了学生学习兴趣，增强了学生自学能力、表达能力及团队合作能力等，提高了教学质量。为创新型人才培养积累了经验，但还存在一定的局限性。由于受环境、时间及课程学时所限，教学改革研究还不够充分。因此，后续研究将进一步对于不同学习内容之间教学方法的具体差异，教师与学生之间有效互动协作的方式及具体差异对提升学习效果的影响等做更为细致的研究实践。
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user: 摘要 随着经济社会的发展，城市化进程加快，城市用地紧张导致部分城市向低洼地区发展，甚至侵占河道，填埋沟塘，使得城市滞水空间缩小，降雨径流系数增大，汇流时间加快，增加了城市洪水风险。城市化改变了城市水文循环特性，从而使得城市雨洪特性改变，易引起短历时暴雨积水形成内涝直接影响了城市居民的生活并造成很大的经济损失，甚至人员伤亡。城市是政治、经济、文化中心，一旦遭受洪灾，将造成巨大的政治影响和经济损失，可见分析城市暴雨洪灾原因、提出相应对策显得十分重要。本文主要探讨城市化内涝原因及对暴雨径流的影响，并探讨应对措施。
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user: 1. 引言 最近几年我国城市暴雨洪灾内涝问题日渐突出，很多城市不同程度地遭遇了暴雨侵袭，引发内涝灾害，严重影响了城市的正常生活，有的甚至造成人员伤亡及巨大的财产损失。例如2007年济南发生的“7·18”大暴雨洪水，这次洪水主要特点是历时短、强度大、降雨集中，这场暴雨过程仅维持3个多小时，市区平均降雨量就已经达到了 146 mm ，最大点暴雨量达到了 178 mm ，暴雨洪涝造成济南市33.3万人受灾，直接经济损失12亿元 [ 1 ]；广州市曾在2010年遭受了几场大暴雨的袭击，造成市区严重内涝，其中最严重的就是“5·7”大暴雨，12小时降雨超过 213 mm ，很多地下停车场被淹，很多主干道积水严重，市区交通严重受阻甚至瘫痪，全市经济损失约5.4亿 [ 2 ]；2012年的北京特大暴雨，导致78人死亡，造成房屋倒塌10，660间，160.2万人受灾，经济损失116.4亿元； 2013 年 10 月 7 日 ，浙江余姚因菲特台风影响，导致全市21个乡镇、街道均受灾，受灾人口832，870人，城区大面积受淹，主城区城市交通瘫痪，大部分住宅小区低层进水，主城区全线停水、停电，商贸业损失严重。其实这些严重的城市洪涝灾害并不是个例，而是我国很多城市普遍存在的现象。 改革开放以后，人口和财富不断向城市集中，城市化的进程也越来越快，人们对城市的生活环境要求不断提高，城市地面上的建筑随之也发生了巨大变化，但是在城市化高速发展的同时，出现了一系列的城市问题，城市化的发展重地上轻地下，注重了地面上的建筑发展，缺忽略了地下的建设，交通拥堵，地面积水，突发性暴雨使城市出现内涝等，导致原有的地下设施难以满足城市化的高速发展 [ 3 ]。其次，在城市化发展过程中，工业的发展、人们的日常生活习惯等都已经改变了原有的自然生态环境，使原有的城市自然生态环境遭到了破坏，致使城市环境变得恶劣，城市应对自然灾害能力下降 [ 4 ]。在城市化建设中，对预防自然灾害重视不够，排水系统设计标准过低。 快速城市化在短期内永久改变陆地生态系统的结构与功能，通过影响地表蒸散改变区域水热平衡等水文气象过程，并直接影响近地面大气的物理属性、地气能量交换和生态系统水分收支 [ 5 ]，带来或加重一系列生态水文与城市大气环境效应 [ 6 ] [ 7 ]。然而，城市化、水文和生态系统服务功能在不同时间和空间尺度之间的相互作用还存在知识空白 [ 8 ] [ 9 ]。理论上，城市生态学还属于比较新的学科领域，从流域角度关注城市水文的研究还比较缺乏。 早在20世纪60年代，国外的森林气象水文研究人员对此就有初步认识，指出城市下垫面独特的物理性质造成了其不同于自然下垫面的能量平衡分布特征，并认为这是城市化影响能量再分配、小气候和生态水文的根本原因 [ 10 ] [ 11 ]。 大规模城市化带来的不透水面増加会显著降低地表土壤入渗速率，从而増大地表径流比例，影响流琙汇流速率；再加上植被减少造成蒸散下降 [ 12 ]，导致流域暴雨径流、洪峰流量和流域总产水量增大 [ 13 ]，增加洪涝灾害风险。除此之外河网变迁等地表结构改变也是城市化影响洪涝的主要因素之一 [ 14 ]。Lull和Sopper [ 15 ] 研究表明，快速城市化流域的年径流、暴雨流量和年最大洪峰流量随城市化进程显著增加。其中，暴雨流量对降雨量的响应在城市区域最为敏感。 城市是政治、经济和文化中心，人口密集，工商业发达，财富集中，一旦遭受洪灾，将造成政治影响和经济损失，因此探讨城市暴雨洪灾内涝原因及对策显得十分重要。
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user: 2. 城市化对暴雨洪灾影响及原因分析 2.1. 城市化对降雨的影响 随着我国城市化进程不断加剧，城市人口越来越集中，交通工具剧增，建筑群密集，沥青路面和水泥路面已经布满整个城市的大街小巷，由于这些因素使城市的气温明显高于郊区，形成显著的热岛效应。城市热岛效应不仅造成城市及其周边地区气温升高，而且很多研究还表明 [ 16 ] [ 17 ]，城市热岛效应还可能通过流场的作用，对冬夏季降水过程产生影响。另外，由于城市的建筑物高低不一，加大了城区的粗糙度，这不仅引起湍流，而且对稳动滞缓的降水系统有阻碍效应，增加了降雨在城区的滞留时间，增大了降雨强度。同时城市化伴随着工业化发展，对环境产生大气污染，大气中悬浮颗粒密度增大，一定程度上起到人工降雨的作用，导致暴雨形成的几率和降雨量增大。显然城市化效应日趋严重会导致短时降雨量增大，增加了城市洪涝灾害发生的可能性。 2.2. 城市化对雨洪径流的影响 随着城市化的进程，城区土地利用性质的改变，使原有下垫面发生了剧大的变化，建筑物增多，道路铺装，不透水面积增大等，直接改变了地面雨洪径流形成条件，使天然水文情势发生了变化。另外城市用地日趋紧张，公园逐渐被“边缘化”，不透水面积逐步增加，降水基本无蓄、滞、渗空间，下渗的雨量基本为零。地面硬质化致使地表径流产生的较快，径流系数很大，使降到城市区域的雨水很快填满洼地而后形成地表径流，使同强度暴雨形成的地表径流量增大，洪峰流量增加，当超过现有排水系统的排水能力时，雨水就会在地面积聚形成内涝。 2.3. 城市雨水管网排水标准低 我国城市采用的市政排水系统标准偏低，GB 50014-2006《室外排水设计规范》规定 [ 18 ] “一般地区，重现期一般采用0.5~3年；重要干道、重要地区或短期积水即能引起较严重后果的地区，一般采用3~5年”。但在实际设计中，大多数城市的排水标准重现期多选取下限如北京、上海、广州大部分地区的排水标准为1年一遇，重点地区或特别重要地区为3~5年一遇，与国外城市普遍采用的2~5年一遇的排水标准相比，我国城市的排水标准偏低。而且一些老城区的市政排水系统已经使用几十年，部分管道老化破损，甚至堵塞，致使整个排水系统排水能力低下。 2.4. 城市排水系统设计标准规范的衔接问题 城市排水系统包括两部分，一部分是市政雨水管道系统，主要布置在城市主干道和大街小巷，主要用于排除城市雨水，但有的城市目前采用的还是雨污合同制，雨水污水共用一条管道。市政雨水管道设计一般属于给水排水专业的设计范畴，管道的没计流量采用市政公式即暴雨强度公式来计算，设计标准采用的是GB 50014-2006《室外排水设计规范》；另一部分是在城市市区内从水利角度设置的防洪排涝工程，包括城市内河、排涝泵站、排涝闸等，属于水利设计范畴，设计流量的计算一般采用的是单位线法或推理公式法，目前还没有专门的规范，主要采用GB 50288-99《灌溉与排水工程设计规范》里的农田排涝标准。二者设计之间存在比较复杂的关系，一般市政雨水管道由专门的市政设计单位设计，而一些防洪排涝工程由水利设计单位负责，这样就会存在两个专业衔接的问题，以及标准不一致的问题。 2.5. 城市雨水管理系统不健全 我国城市雨水管理系统不够健全，对城市排水设施的建设重视不够、投入不足，主要表现在应急防洪减灾设施建设没有得到重视；外洪内涝兼顾综合治理不够；防汛预警与应急管理水平滞后；排水设施得不到及时的养护和维修；应对超标准降雨的措施力度不够；宣传教育不够，没有形成全社会公众参与的全方位防灾减灾体系。
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user: 3. 城市暴雨洪灾内涝对策探讨 3.1. 减轻城市化对暴雨影响的工程措施 3.1.1. 雨洪利用 雨洪利用是针对开发建设区域内不同下垫面所产生的降雨径流采取相应的措施，或贮存利用，或渗入地下，以达到充分利用雨水资源、改善小区生态环境、减轻区域防洪压力的目的，是一项开源与节流并举的措施。雨洪利用的形式一般有3类即深入地下、拦蓄利用和调控排放。主要是利用道路、绿地、屋顶、公共基础设施等进行雨水收集，作为道路浇洒、汽车冲洗、绿地浇灌、小区景观等或地面铺装选用透水材料，采用多孔沥青或多孔混凝土路面，在人行道、广场或休闲区铺设草皮砖，让雨水顺利的渗入地下等措施。 3.1.2. 城市规划与设计阶段合理规划用地减少硬化面积 城市规划和建设阶段必须重视防洪排水。对排水设施进行系统规划，将水利与市政规划设计相结合，从源头编制雨水控制、利用调蓄设施的规划，合理规划建设用地，对于现有的内河道和沟塘等具有蓄洪、排涝能力的区域不要随意填埋侵占，适当布置一些花园、运动场、停车场，还可以临时滞蓄或排泄洪水，在道路设计上尽量减少地面硬化面积，多采用入渗型路面，增加绿地面积，不但美化环境，也可以增加雨水的下渗和含蓄。 3.1.3. 提高排水系统标准及标准规范的衔接 结合我国的目前排水系统现状，逐步提高排水设施的设计标准是必然趋势。在今后的设计中不同地区应采用不同重现期，一些重要干道及市区中心等重要区域提高雨水管道的设计重现期，尽量取标准中的上限，与国际标准接轨，对已经建成的排水设施若有改造，应按照新设计的情况考虑。同时，中心城区的排涝标准也要提高，在发生超大洪水时设计中常采用的20年一遇的标准是不能满足要求的。不仅要提高排水系统标准，也要注重考虑标准的衔接问题，加强不同专业间设计沟通协调。另外如何将市政规范及标准与水利标准统一，而不是单独从各自专业领域来考虑问题，这需要相关部门对这方面进行深入探讨研究，制定出统一的规范标准。 3.1.4. 完善城市雨水管理系统 1) 养护、维修排水设施。城市排水系统中的很多排水设施，如管渠、检查井、雨水口等，由于初期雨水携带的杂物比较多而极易使排水设施堵塞；城市边缘山体雨水进入城市排水系统更易夹杂泥沙，堵塞排水设施或降低过流能力，以致形成内涝。所以这些排水设施需要经常养护，清理杂物，定期维修，以保证排水正常，另外对已经建成多年的管道要定期检查，严重破损的要及时改造，对排涝泵站及排涝闸也要经常检查维修。 2) 积极进行城市防洪减灾的宣传，树立市民对水灾的风险意识。 3) 借鉴国外经验采用城市防洪风险管理办法。 4) 加强城市防洪基础工作。 3.1.5. 采用先进的技术应对超大洪水 采用先进的技术为新建城市排水系统规划设计提供科学依据，为旧城区采取措施应对突发暴雨提供科学预报。将整个城区的排水系统建立数据库，构建数学模型，通过计算机来模拟整个系统的动态变化，及时预报超标降雨发生时出现积水的位置及深度，为及时采取应急措施提供科学的依据。目前国外已经有很多成熟的商业软件可以根据我国的实际情况来应用。 3.1.6. 完善城市应对超标降雨的应急措施 为确保发生超标降雨时，积水时间短、退水快，不形成城市内涝。需要采取应急措施，制定应急预案，落实各部门责任，由相关部门建立相应预警应急队伍，配备专门人员密切关注气象预报，发出预警信号。同时，给应急队伍配备用于积水排除的设施，一般包括：水泵、临时发电机组、软管、起重机械等设备，在预警信号发出后随时待命。另外对城市经常积水区域，应制定人员撤离与安置、重要建筑保护等相关预案。 3.2. 减轻城市化对暴雨影响的非工程措施 1) 从政府层面讲，必须立法，如美国若干城市立法“修建建筑物，必须同时修建相应的需水设备，原则是使街区地表径流不增大”。 2) 从技术层面讲，必须提高城市暴雨排水标准，修订相应的规范，使暴雨及时排出，避免城市内涝的发生。 3) 城市总体规划应充分考虑寂静发展、生活水平提高的要求；不仅要求考虑供水，更应考虑排水以及排水水质的处理和标准。
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user: 4. 结论及建议 不断城市化及地球环境的继续恶化带来极端恶劣的天气，特别是近年来暴雨及特大暴雨发生的概率越来越大，致使很多城市发生严重内涝，通过分析城市暴雨洪灾内涝原因，根据目前国内外的一些相关研究浅谈目前应对城市内涝的一些措施。 建议进一步完善我国雨水系统规划设计体系及关键技术，加强雨水系统模型建设及其在规划中应用的研究。同时还要加强及完善有关部门立法条例，进而极大限度地减轻城市化对暴雨径流的影响，减小城市内涝造成的损失。
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user: 摘要 爬壁机器人是可以在一定角度的壁面上稳定吸附、行走并工作的机器人，近年来在多个工业领域得到应用。本文根据吸附方式的不同将爬壁机器人分为负压吸附、磁吸附、抓扣式吸附和仿生吸附四类，并分别介绍了各类机器人的研究现状和热点，最后根据爬壁机器人的应用需求和技术发展提出了其发展趋势，认为未来爬壁机器人将向着多智能化、功能化、轻量化和无缆化发展。
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user: 1. 引言 机械化、智能化是当前世界各国正在努力发展的方向，“中国制造2025”、“德国工业四代(Industry 4.0)”、“美国工业互联网”都对智能机器人的发展做出了规划，爬壁机器人是移动机器人领域的一个重要分支，在核工业、石油化工、建筑业、造船业、航空航天、市政工程以及军事、警备、消防等多方面都有广泛的应用 [ 1 ] [ 2 ]。
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user: 3. 爬壁机器人发展趋势 由于爬壁机器人可以攀爬的特殊属性，可以替代人类完成大量高空危险或者不可完成的工作，因此随着技术的发展，爬壁机器人必将拥有更广阔的前景。从上文已经可以看出，各领域爬壁机器人的研究已将较为繁荣，但其工程应用还需要更进一步推广，从需求侧推导，今后爬壁机器人将从以下几个方面发展。 3.1. 智能化 智能化是所有机器人发展的终极方向，爬壁机器人也不例外。目前爬壁机器人需要实现的智能化包含两个方面：一是实现爬壁机器人行走的智能化，二是爬壁机器人作业的智能化。爬壁机器人攀爬的壁面一般是人类难以到达或不方便达到的，有时甚至难以直接观察，因此未来爬壁机器人需要实现自主探测环境、自主避障、自主规划路线并自主控制行走机构到达目标点，最终实现爬壁机器人智能行走。智能机器人本身具有完备的感知、决策和执行等模块，可以像人类一样独立完成任务。要实现以上智能化功能，爬壁机器人还有很长的路要走，需要解决的问题包括但不限于以下几个方面。首先是机器人自主环境探测，在未知的环境中，机器人需要首先需要感知环境，建立环境和自身的地理信息。机器人感知环境主要通过传感器，而传感器多种多样，如采用红外、压力、超声波、化学反应传感器等，而最近研究较多的是视觉传感，即所谓的机器视觉，借助CCD或CMOS摄像头获取环境信息，通过图像处理，生成环境信息，使机器人可以自主的在复杂环境中工作，如朱凌峰设计了基于单目视觉的爬壁机器人定位系统，可在一定墙面范围内实现爬壁机器人的方位检测 [ 46 ]。其次路径规划和跟踪也是爬壁机器人迈向智能得一大难点。路径规划分为全局路径规划和局部路径规划，全局路径规划求解的精度更高但需要全局环境信息，计算量较大且动态环境适应能力较差；局部路径规划可根据传感器信息实时避障，结合机器视觉等技术能实现机器人智能攀爬，动态环境适应能力强，缺点是仅依靠局部信息可能产生局部极值点，机器人避过障碍却无法按路径到达目标点。路径规划和控制算法多种多样，路径规划常用方法有可视图法、格栅法、拓扑法、人工势场法，近年来流行模糊控制法、遗传算法、神经网络法等。路径跟踪算法有滑模控制法、回退法、模糊控制法等，近年来国内外学者还采用神经网络法与其他方法结合提出了许多新的路径跟踪控制方法，推进了机器人的自主路径规划和跟踪的发展。此外，爬壁机器人壁面行走目的是完成作业任务，未来爬壁机器人还需要根据环境自主判断并控制作业执行机构完成作业任务。不同的任务有不同的作业执行机构，最终的智能化爬壁机器人应该能实现根据不同的任务需求和环境自行采用不同的执行机构或工具完成作业任务。 3.2. 多功能化 目前爬壁机器人多为某种单一的任务而设计，如壁面清洗或除锈，但实际上这可能只是壁面作业的一道工序，壁面清洗后往往还需要检测、焊接、喷涂等。未来爬壁机器人将向着多功能融合方向发展，由爬壁机器人提供平台，集成多种功能执行机构，根据任务需求依次序或同时完成多种任务，这将成倍的提高爬壁机器人工作效率，使爬壁机器人的应用更加广泛。例如文江川等人设计的墙面清洁、探伤机器人依靠携带的清洁工具和传感器，一次行走可以实现墙面清洁和墙体裂纹探伤、定位等功能，避免了人工作业的风险，提高了工作效率 [ 47 ]。 3.3. 轻量化 轻量化是爬壁机器人一直以来的追求。爬壁机器人不同于普通机器人就在于需要在有一定角度的壁面上爬行，除克服自身重力外还要负载任务执行机构，而爬壁机器人的吸附能力是有限的，因此在满足功能的前提下，爬壁机器人需要尽可能轻量化、小型化，采用新型材料、结构和吸附技术，尽量降低爬壁机器人自身的质量。例如目前仿生爬壁机器人机身大多由有机合成材料制作，质量仅为几百克。 3.4. 无缆化 爬壁机器人的无缆化对应的是能源问题，目前较为大型的爬壁机器人需要背负缆绳为自身吸附、行走和执行机构供能，这不仅增加机器人负重而且容易发生因线缆缠绕、摩擦带来的安全风险。随着能源技术的发展，特别是电池技术和无线传能技术的发展，爬壁机器人将摆脱线缆的束缚，更加灵活的完成各项工作。 3.5. 三维空间表面无障碍运动能力 目前爬壁机器人大多是针对特定的壁面而设计的，磁吸附爬壁机器人需要壁面具有磁性，真空吸附爬壁机器人要求壁面较为平坦，遇到沟壑或凸起容易失效，机械抓扣式爬壁机器人大多针对特定环境，仿生吸附目前尚不成熟，在光滑壁面上吸附效果较好，遇到灰尘、凹凸不平的壁面时吸附能力不足，且负载能力较弱。未来爬壁机器人可能会面对多种多样的工作环境，例如城市或者桥梁攀爬时可能遇到较为规则的金属壁面也可能遇到各种形状的护栏、拉索以及水泥壁面，目前的机器人无法完成在整个环境中任意的攀爬运动。因此，吸附技术仍是爬壁机器人需要继续突破的关键点，使爬壁机器人吸附稳定性更高，适应环境能力更强，实现三维空间表面无障碍运动能力。目前实现多环境适应的方法之一是多吸附原理的结合，如岳一领等 [ 48 ] 设计了一种多功能攀爬机器人，同时拥有机械夹持和永磁体两种吸机构，通过巧妙地变形机构使机器人可以在爬杆和爬壁形态之间切换，使爬壁机器人可适应两种不同的环境。
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user: 摘要 直流微电网短路下会导致电源烧毁及大量电力电子器件损坏等严重损失，基于电力电子器件的可控性将主动式保护控制应用到直流微电网的短路保护中，以含有多能源储能系统的直流微电网作为研究对象，找出三相AC/DC和三相交错DC/DC两种换流器模式下极间短路故障的共性，在此基础上，提出了一种基于全控性器件绝缘栅双极晶体管IGBT的抑制极间短路电流的直流微电网控保协同主动保护方法及其启动判据，解决直流微电网发生极间短路故障问题，实现利用变换器内本身电力电子元件特性的主动保护。
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user: 1. 引言 能源是全球各国必不可少的生存资源，而电能是其中最清洁便利的、也是可再生的能源 [ 1 ]。由于近些年不断增加光伏装机容量，目前中国已经成为世界上风电使用量最大的国家。随着新型电子设备的兴起，大量的直流分布式电源和储能设备通过换流器接入直流微电网，经济性更高且不存在交流微电网稳定性问题的直流微电网逐渐成为供电方式的主流 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]。直流微电网的实现主要通过全控型电力电子器件，当直流系统发生故障时，冲击电流上升速度快，设备耐受过流能力弱，短时间内就会达到器件保护界限，严重影响直流保护的故障诊断，故障发生后需要迅速完成控制保护 [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]。 随着电力电子技术的不断发展，部分变换器具备阻断故障电流的能力，直流微电网传统意义控制与保护的分界日益模糊，利用电力电子变换器在故障时刻主动地改变自身状态，向系统施加某种激励，即可实现在线式的主动保护 [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]。在进行直流微电网的故障分析时，不可避免地需要对直流换流器换相失败条件下的动态响应特性进行研究，该特性除了与交流故障条件有关，更与直流逆变侧的控制策略有关 [ 14 ]。但在直流微电网内部故障分析时，大多数研究将系统内的电力电子变换器视为不可控元件，即故障电流通过电力电子开关器件的反并联二极管持续流向故障点 [ 15 ] [ 16 ]。因此，基于含有多能源储能系统的直流微电网，充分考虑故障时变换器主动响应的潜力，提出了一种基于全控性器件绝缘栅双极晶体管IGBT的抑制极间短路电流的直流微电网控保协同主动保护方法，从而进一步提高直流微电网保护的性能。
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user: 2. 直流微电网的故障特性分析 2.1. 直流微电网的故障特性分析 当三相AC/DC模块直流母线侧发生极间短路故障时，交流电源将通过AC/DC换流器向故障点提供故障电流，其等效电路如图1所示。其中电阻R a = R b = R c ，电感L a = L b = L c ，续流二极管由D1~D6表示，图中C为AC/DC变换器直流母线侧并联滤波电容。具有自保护功能的绝缘栅双极型晶体管IGBT在发生故障后会迅速完成闭锁动作。在此过程中IGBT极短时间内完成自锁，对故障的产生和分析影响很小，因此在对三相AC/DC极间短路故障特性分析前可以做出假设：直流线路故障发生瞬间IGBT立即闭锁。 图1. 三相AC/DC极间短路故障等效图 三相AC/DC极间短路故障回路的变化过程，其故障特性包括三个阶段：直流母线侧电容放电阶段、二极管交替换向导通阶段和二极管同时导通阶段。 1) 直流母线侧电容放电阶段 AC/DC换流器直流母线侧极间短路故障瞬间，电容迅速向故障点提供极大电流，向故障点供电，忽略交流侧续流，直流母线侧电容和电感电阻构成RLC电路。图2(1)给出了该阶段的等效电路。 2) 二极管交替换向导通阶段 电容电压持续降低，待下降到小于交流侧电压时，反并联续流二极管导通，交流源和电容一起向故障点提供故障电流。随电容电压的下降，交流侧通过续流二极管向直流母线侧提供的短路电流逐渐增大。在这个过程中二极管交替导通关断，动态方程的解随着换向过程的发生而改变，前一次换向过程的结果是下一次的初始条件。二极管D1、D2导通时故障电流的流通路径如图2(2)所示。 图2. 三相AC/DC极间短路阶段等效图 3) 二极管同时导通阶段 在电容电压U dc 降低过零时，AC/DC变换器内6个二极管D1~D6同时导通，形成一个RL放电回路，此时电容电压被二极管钳位为0，6个续流二极管对交流侧电源不再表现出单向导通性，交流侧可等效成两个部分，左侧是三相短路部分，右侧是直流母线侧放电部分，如图2(3)所示。 2.2. 三相交错DC/DC极间短路故障响应 依据三相交错DC/DC极间短路故障回路的变化过程，其故障特性包括直流母线侧电容放电阶段、二极管导通阶段和双向DC/DC极间短路稳定阶段三个阶段(图3)。 1) 直流母线侧电容放电阶段 直流微电网三相交错DC/DC极间换流器直流母线侧极间短路故障瞬间，电容迅速向故障点提供极大电流，向故障点供电。在I相工作状态，此时S2导通，续流二极管D1关断，在此过程中电容电压持续下降。图4(1)给出了该阶段的等效电路。 图3. 三相交错DC/DC极间短路故障等效图 图4. 三相交错DC/DC极间短路阶段等效图 2) 二极管导通阶段 电容电压持续降低，待下降到小于蓄电池侧电压时，即当U dc < U bat ，反并联续流二极管导通，蓄电池电源和电容一起向故障点提供故障电流。随电容电压的下降，蓄电池侧通过续流二极管向母线侧提供的短路电流逐渐增大。二极管D1、D3、D5导通时故障电流的流通路径如图4(2)所示。 3) 三相交错DC/DC极间短路稳定阶段 直流母线侧电压下降到接近零，电容向故障点放电结束，蓄电池向故障点和电容供电，如图4(3)所示。 基于对上述三相AC/DC极间短路和三相交错DC/DC极间短路故障特性分析，在极间故障发生的整个过程，从第二阶段开始二极管一直处于导通，而且在第三阶段二极管电流突然增大，在此时刻电力电子器件容易被烧毁，因此三相AC/DC极间短路和三相交错DC/DC极间短路故障需要第三阶段初始时刻在直流母线侧电压过零之前切除，从而保护AC/DC和DC/DC变换器安全。
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user: 3. 直流微电网控制与主动保护 依据对多能源微电网故障特性分析，研究了两种换流器模式下直流母线侧发生极间短路的故障共性及其短路电流关键影响因素，进而提出了基于全控性器件绝缘栅双极晶体管IGBT主动保护控制策略及其启动判据，实现安全运行的同时协同控制故障电流。 基于IGBT的可控性，提出了能适用于三相AC/DC和三相交错DC/DC两种换流器拓扑结构的主动保护策略，如图5、图6所示，通过给出指定的控制信号，在发生直流母线侧极间短路故障后，能通过IGBT切除电源侧经换流器向故障点供电的通道，能有效控制故障电流和电压，保护设备和电力电子器件安全。 图5. 三相AC/DC极间短路主动保护拓扑图 图6. 三相交错DC/DC极间短路阶段等效图 将换流站中充当续流作用的IGBT的谐波注入源由一个特定的单端量变为两个不同频率信号的双端量，进而实现保护的绝对选择性。基于两种换流器模式下直流母线侧发生极间短路的故障共性，多能源微电网主动保护控制方法的流程如图7所示。其保护方法及实现的步骤如下：配置di/dt、du/dt作为所提方法的启动判据，形成启动部分。保护装置启动后，系统中各保护测量点检测直流是否过流，若大于定值，则给变流器DC/DC、AC/DC发送闭锁信号，然后开始动作。基于可控的电力电子器件，能在不同拓扑结构和换流阀类别的直流微电网中对系统故障电流和电压控制，达到故障穿越和故障清除的目的。 图7. 保护方案设计流程图