DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 2. 公民提起环境民事公益诉讼的可行性不足 (一) 公民诉讼能力不足 首先，在环境民事公益诉讼中，被告通常都是拥有雄厚财力的大企业，有些甚至是当地的支柱型企业。面对经济力量悬殊的被告，公民在财力、人力和知识方面都有很大的差距，一般公民承担不起高昂的诉讼费用，也难以聘请优秀的律师。其次，复杂的技术鉴定需要请专业的鉴定人员，而且环境污染造成何种损害，损害到何种程度，都难以鉴定，败诉的可能性极大。第三，关于有些学者认为公民的法律意识不断提高和动力更足的观点，在实践中难以体现，普通百姓对于环境公益诉讼并不了解。 经济学家科斯认为，谁可以把资源用得更好，资源就应该落到谁的手上。因此，应当让能够更好的运用环境公益诉讼诉权的主体提起环境公益诉讼。环境公益诉讼不同于普通民事诉讼，它具有很强的专业性，专业的人员能够将诉权用得更好，更好地避免社会资源与社会成本的浪费，因此环境公益诉讼的诉权应当赋予在环境领域内更有能力、更加专业的人。公民与环保组织、检察机关相比，在环境研究领域内并不具有非常明显的优势，因而公民并不适合作为环境公益诉讼的原告。 (二) 激励机制的资金来源单一 有些学者认为，为解决公民在诉讼费用方面的弱势，可以建立激励机制，但是，笔者认为，鼓励当事人积极提起环境公益诉讼的资金来源必须予以重视。环境公益诉讼的激励资金通常来自于赢得诉讼的收益，加重对方当事人的责任以及外部注资。而我国对环境公益诉讼的激励措施只能通过分享胜诉收益或外部注资来实现。分享胜诉收益本质上并不符合环境公益诉讼的初衷，有私益的倾向，并且分析收益还意味着减少可以用于修复环境损害的赔偿金， 这相当于将部分环境公共利益转移给环境公共利益诉讼主体，其合法性基础不足。外部资金资流入通常是基于财政环境保护投入较为充足以及环境保护资金较为发达这样的前提，但是我国在这两方面均有缺陷。即使可以通过外来资金注入的方式解决，也存在资金注入者试图控制环境公益诉讼以谋求不法或不当利益的风险 [ 1 ]。 (三) 容易产生滥诉的风险 由环境公益诉讼的具体内涵可知，环境公益诉讼中不能掺杂私益，因为原告起诉的目的须为维护公共利益。我国人口众多，一旦对其提起诉讼的行为予以放开，就有可能有人假借公益之名满足其获得经济补偿目的，这样一来，不仅不能维持环境公益，而且浪费了大量的司法资源。从美国相关的审判实践中我们可以看到公民滥诉的倾向，以塞拉俱乐部诉内政部长莫顿案为例，美国法院以塞拉俱乐部受到了实际损害为由支持其作为原告起诉，此案判决后，在后续的许多案件中，很多原告为了获得起诉资格都声称自己的权益受到了“实际损害” [ 2 ]。 为了避免出现上述滥诉情况，有些学者认为，法院可以设立专门的审查机构。在受理案件时判断案件的性质，涉及的利益群体是否特定，诉讼目的是否为了维护环境公益而不是私益。但我们认为，公益和私益并非泾渭分明，二者有交汇之处，在一定条件下可以相互转化。法官在开庭审理前，仅凭当事人提交的材料，可能难以判断受损利益的性质。因此，该观点可行性不足。 (四) 现行法律已赋予公民通过其他途径保护环境的权利 从理论上说，并没有赋予公民环境公益诉讼的必要性。根据诉讼维护和救济的权利不同，诉讼可以分为公共利益诉讼和私人利益诉讼。私益诉讼旨在为私人利益提供救济和保护，在这一诉讼模式下，原告与诉讼请求是否有直接利害关系以及要如何弥补和赔偿原告受到的损失是至关重要的问题。与私益诉讼相对，公益诉讼旨在维护和救济公共利益，其更注重如何预防或避免公共利益受损以及对公共利益的修复和救济。根据以上分类方法，我们可以将环境诉讼划分成环境私益诉讼和环境公益诉讼。环境私益诉讼旨在为因环境污染或恶化造成人身或财产方面的损害的受害者提供救济，环境公益诉讼旨在实现和维护有关的环境公共利益 [ 3 ]。 环境公益诉讼不应掺杂个人利益。首先，《中华人民共和国环境保护法》第58条第3款规定，提起诉讼的社会组织不得通过诉讼谋取经济利益，由于它保护的对象的特殊性，即公共利益，因此，胜诉带来的更多的是对环境公共利益的保护而非个人的经济利益。其次，如果在维护公共利益的过程中掺杂有私人利益，人的利己本性会使他们将私人利益优先于公共利益，从而导致环境公益诉讼保护和救济环境公益和的目的无法实现。因此即环境公益诉讼不应涉及任何的私益 [ 4 ]。 如前所述，公益诉讼是指没有直接利害关系的人向法院提起诉讼以维护公共利益。而大部分学者认为，因为公民与环境有紧密的联系，公民能够最快速的感受到环境的变化，所以应当给予公民诉讼权利以达到更好的治理环境的目的。其主张的核心是公民与环境有诉的利益，从而应当给予公民诉讼权利。但是，我国现行法律已经给予了公民保护环境的权利，公民也可以通过提起环境侵权诉讼来保障其合法权益。 我国的《环境保护法》第五十七条规定，公民，法人以及其他组织有权进行环保监督管理，当发现单位或者个人污染或者破坏生态环境的，有权向有关机关和负责人报告。公民，法人和其他组织发现各级地方人民政府，以及相关环境主管部门未依法履行职责的，有权对其进行监督，向其上级机关或监督机关举报。一方面，公民可以通过举报，请诉讼能力更强的检察机关、行政机关和环保组织来维护环境公益；另一方面，如果某一地域的居民由于某种污染源的影响，导致该区域居民受到环境恶化的影响，造成生产生活的不便或者人身和财产方面的损害，该区域的居民基于其自身利益受损而起诉，这属于私益诉讼，应由《民事诉讼法》或《行政诉讼法》调整。
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user: 3. 以美国环境公民诉讼为借鉴有失偏颇 对于有学者提出的借鉴美国相关制度的观点，笔者认为，应当结合两国国情和具体实际情况来考虑。 首先，美国环境公民的立法并非一蹴而就的，它的出现有着独特的历史背景。一方面，美国环境公民诉讼将公纳入原告主体范围得益于美国环境伦理学以及诉权理论的发展，另一方面，20世纪60年代至70年代环保运动在美国蓬勃发展也为美国环境公民诉讼提供助力。大萧条时期，凯恩斯主义兴起，美国政府一反自由放任之常态开始对市场进行宏观调控，相关的环境行政管理机构也随之出现。然而，官商勾结现象也随着时间的发展暴露在民众面前，环境行政管理机构便不再有公信力，公民开始对其是否代表公众利益持怀疑态度，从而导致公民诉诸司法从而达到冲突平衡 [ 5 ]。 其次，我国的国情并不同于美国，改革开放以来，我国一直强调以经济建设为中心发展相应的产业，2001年加入世界贸易组织再到近些年一带一路倡议的提出也无不见证着中国经济高速发展的脚步，然而，发展经济总不可避免以牺牲环境为代价。其实，中国的环境问题是在经济卓有成就的近些年才被渐渐重视的，相关的理论与制度也都还在逐渐的完善——当环境问题受到重视之后，我国环境公益诉讼的原告主体也在不断的完善，从放宽对环保组织提起公益诉讼的限制、将检察机关纳入环境公益诉讼原告支持起诉，再到环境司法专门化，中国的环境公益诉讼体系在不断的完善。从近些年环境公益诉讼案件逐渐增加以及2015年最高法发布的10起环境公益诉讼的案件，我们可以看到中国的相应公权力机关并未有不作为的情况发生，将公民纳入环境公益诉讼其实并没有现实的需要与紧迫性。 最后，美国的环境公民诉讼更类似于我国的环境侵权诉讼(私益诉讼)。在美国，公民必须具有其相应的条件才有资格提起环境公民诉讼，首先，该公民必须遭受到了现实而非推测或者预测的损害，其次，原告遭受到的损害与被诉行为有因果关系，再次，法院作出的判决有利于该公民得到相应的救济。而根据《中华人民共和国侵权责任法》，环境侵权案件需要满足以下三点，第一，有相应的环境污染行为，第二，有客观现实的损害，第三，该环境污染行为与相应的损害结果之间有因果关系。将两者进行对比分析，我们可以得出，美国环境公民诉讼更与中国的环境侵权诉讼相类似，两者都要求该公民具有针对该案件的直接的诉的利益，侵权损害救济也仅仅是针对该公民的，我们其中并不能看出含有公益的成分。
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user: 4. 加强环保组织与检察机关作为环境公益诉讼原告的重要作用 如前文所述，因为法律已经给予了公民提起环境侵权诉讼的权利，且公民在公益诉讼方面相对于现行法律确定的相关组织呈现诉讼能力不足的劣势，以及滥诉问题与资金短缺问题，导致其并非提起环境公益诉讼的最佳人选。笔者认为，不应当盲目效仿国外扩大环境公益诉讼原告主体，而基于我国的环境公益诉讼领域内的现实情况，完善现有环境公益诉讼原告主体的相关制度，从而更好的解决环境问题。 我国现行法律规定，可以提起环境公益诉讼的原告有社会环境保护组织和检察机关。现有的环境公益诉讼案件表明，环境组织提起环境公益诉讼的积极性较大，但在环境公益诉讼的主体资格上却面临困难。法律法规对于社会组织获得环境公益诉讼原告主体的规定较为严苛，使得符合条件的社会组织寥寥无几，活跃在环境公益诉讼领域的社会组织只有自然之友、中国生物多样性保护与绿色发展基金会等屈指可数的几家，而且多数环保组织都在一审中被质疑其原告主体资格，即使是在环境公益诉讼领域参与程度较高的中国生物多样性保护与绿色发展基金会也在一审时被法院否认了原告资格 [ 6 ]。环境公益诉讼固有的特点也在很大程度上挫伤了环保组织提起环境公益诉讼的积极性。从环境公益诉讼的特点上看，环境公益诉讼专业性强、诉讼费用及鉴定费用较高，虽然我国《最高人民法院关于审理环境民事公益诉讼案件适用法律若干问题的解释》第三十三条规定，我国的环保组织提起环境诉讼时，可以延迟诉讼费用的支付。如果败诉或部分失败的原告申请减少或免除诉讼费用，法院应根据《诉讼费用的支付程序》和案件的审理情况，结合原告的经济状况，决定是否允许。但是环境公益诉讼周期长，在整个期间内，环保组织聘请专业的专家运用昂贵的设备、鉴定污染等依旧需要耗费大量资金。 在2017年新修订的《中华人民共和国民事诉讼法》中，明确检察机关提起的环境公益诉讼的原告主体地位，第五十五条规定，人民检察院在履行职责过程中发现破坏环境等损害公众利益的行为，在没有有关部门和组织提起诉讼的情况下，可以基于公共利益向人民法院提起诉讼。若有关机构或者组织提起公益诉讼的，人民检察院可以支持起诉。法律并未赋予检查机关直接提起环境公益诉讼的权利，而是将其排在第二顺位，并且还做出了其作为支持起诉者参与起诉的相关规定。 从法律实践与法律规定中我们可以看到，现阶段法律明确规定的两个可以提起环境公益诉讼的主体都存在待完善之处。在现阶段法律赋予的原告主体的制度还不完善、不健全的情况下，我们应当致力于完善相应的制度。首先，应当进一步放宽对环保组织的资格限制，加大财政资金在环境诉讼领域的投入，支持环保组织提起环境公益诉讼。其次，应当明确检查机关的主体地位，2015年7月1日第十二届全国人大常委会第十五次会议通过《全国人民代表大会常务委员会关于授权最高人民检察院在部分地区开展公益诉讼试点工作的决定》，授权最高人民检察院在某些领域开展提起公益诉讼的试点。试点地区的实践成果证明，有必要建立检察机关的环境公益诉讼制度。以国家作为强有力的后盾的检查机关有其独特的优势，检察机关拥有更为专业的人员便于环境公益诉讼的开展与取证，面对诉讼地位不平等的问题，检察机关作为公权力机关能够起到很好的矫正作用。检察机关应当发挥其自身独特优势，为环境公益诉讼贡献力量，从而达到更好的解决环境问题的目标 [ 7 ]。
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user: 5. 结论 环境民事公益诉讼原告主体资格问题，一直是一个复杂的问题，对其立法不仅仅要考虑法理与人情，也要考虑制度变迁所需要的成本。当立法的成本远大于维系当前法律所需要的成本时，我们应当坚持完善现有制度从而使环境问题得到更好的解决。公民对于环境的维权可以通过环境侵权诉讼来实现，不论是从诉讼能力与经济条件，还是从借鉴国外经验来分析，公民都不适合作为环境民事公益诉讼的原告。我们所需要做的是完善现有制度，以促成环境问题更好的解决。
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user: 摘 要 由于纳米材料性质的独特性，国内外在环境科学领域对纳米材料的研究也是层出不穷。为了深入探究环境科学领域纳米技术相关的研究热点与进展，利用文献计量学方法，结合CiteSpace软件，对2015~2019年国际环境科学领域纳米相关研究进行了分析。以“Nano”为关键词，在“Web of Science”上共检索环境科学相关文献3005篇。发文分析结果表明近五年研究主要集中在“纳米材料的性能与优化”“纳米材料的环境效应”以及“纳米技术的应用”三个方面。本研究可以反映现阶段纳米技术在环境科学领域内的研究热点及发展方向，为读者提供科学的参考。 关键词 :CiteSpace软件，纳米，环境科学，计量分析 Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 近年来，纳米技术高速发展，各种纳米材料层出不穷，同时纳米技术与多学科相结合，在工农业、物理学、化学、材料学、机械学乃至医疗领域等都有广泛的应用。世界各国纷纷意识到纳米科技在社会的经济发展、科学技术进步等方面的巨大潜力，并加大了对于纳米技术的研究强度。我国也于2003年成立国家纳米科学研究中心，在2006年将纳米科学与技术研究列为《国家中长期科学技术发展规划纲要》的四大重点学科之一。基于纳米材料性质的独特性，其在水处理(纳米吸附剂 [ 1 ] 、光催化剂 [ 2 ] 等)、大气污染治理(大气中甲醛的处理 [ 3 ] 、汽车尾气处理 [ 4 ] 、空气净化 [ 5 ] 等)、土壤污染修复(有机农药残留的降解 [ 6 ] 、重金属污染修复 [ 7 ])、环境监测(纳米材料制造的化学传感器 [ 8 ])等环境科学领域也有着广泛的应用。同时，纳米材料的环境行为，即环境中金属纳米粒子、有机物纳米粒子在水体、土壤、植物等环境介质中形态的变化、迁移的规律以及纳米颗粒生物毒性的防治也越来越受到研究人员的重视 [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]。 文献计量法是以文献为研究对象，通过科学统计和分析展现其分布规律，从而预测某一学科领域的发展方向以及识别学术前沿 [ 12 ]。从20世纪60年代至今，通过信息分析领域专家的不懈努力将进行文献计量研究的可视化呈现逐步完善 [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]，新兴信息可视化工具现今无论在国内还是国外都是一项日趋成熟的技术方法，加以CiteSpace、VOS Viewer等信息检索可视化工具的引入，文献计量法能对文本进行更深入的数据挖掘，例如直观而易于操作的绘制知识图谱，在最近几年通过利用信息检索可视化工具来研究某领域逐渐成为我国的一个研究热点 [ 16 ]。本文所运用的CiteSpace软件是可运用共引分析对某一学科领域文献进行科学计量分析，得到参考意义极强的计量结果，其广泛应用于聚合算子分析 [ 17 ] 、医学发展趋势分析 [ 18 ] 、经济发展分析 [ 19 ] 等领域。本文以Web of Science (WOS)数据库文献为基础，利用CiteSpace软件提供的科学知识图谱的可视化技术对环境科学领域纳米相关文献进行科学计量分析，直观反映了2015~2019年国际上纳米技术相关研究的研究进展及研究热点。
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user: 2. 文献计量学工具 2.1. 国外文献计量工具 文献计量学以宏观数据研究为基础，其客观性、定量化及模型化的特点被大多学科广泛使用，由于研究入门简单，在国外受到例如美国科学情报研究所和美国德雷克塞尔大学等机构的青睐 [ 20 ]，常见的文献计量分析可视化研究工具有Gaffield [ 21 ] 开发的HistCite软件针对含有引文信息的文献题录数据，并按照年找编排的重要文献、作者和期刊列表，能生成实时动态的引文编年图；Persson编写的Bibexcel软件 [ 22 ] 可对数据库检索记录进行分析，能进行频次统计，能进行关键词与引文的共现查找并生成矩阵文件；Linton Freeman编写UCINet软件 [ 23 ] 以网络结构分析方面功能为最重要的功能，可以进行中心度测量；美籍华人陈超美开发的CiteSpace软件等等。 2.2. 国内文献计量工具 在国内文献计量学研究最为积极的机构往往为众多高校，例如中国医科大学崔雷对文献共引分析等进行了研究并开发Bicomb书目共现分析系统 [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]。南京大学魏建香 [ 28 ] 研究文档聚类技术并构建学科交叉知识发现和可视化模型，开发了“VIK”，浙江大学刘启元等 [ 29 ] 开发了“文献题录信息统计分析工具(SATI)”对中西文数据中检索所得的题录进行加工转换、字段抽取、频次统计。 无论是国内还是国外，文献计量分析方法在数据处理方面均是以“简单精准分析”为目的，即围绕研究对象进行数据清洗和规范，保证数据质量。但是现有的文献计量分析可视化研究工具只能截面、静态、局部地表征研究对象的基础情况，不能从时段、动态、整体角度反映在某领域的研究前沿 [ 30 ]。总结在文献计量分析应用中存在的问题主要集中在国外文献计量分析可视化研究工具未能很好的“本土化”所导致的的数据检索策略不当、图谱效果差等常见问题，以及国内文献计量分析可视化研究工具软件的应用层次较低，未能合理的开发运用高级功能。 根据CiteSpace软件发展历程来 [ 31 ] 看，从2005年CiteSpace软件引入试用期，到2015年起进入完善提升期，现已进入2020年，陈超美教授应用JAVA程序开发的可视化软件开发的CiteSpace软件通过上百次的技术改进，该软件数据处理能力不断增强，能较好的实现“本土化”可克服文献计量分析方法在数据处理方面以及成图过程中的常见问题，其主要功能是通过合作网络、共现网络、共被引网络和文献耦合等可视化功能展现和分析学科领域演化进程中的关键路径、转折点以及学科发展前沿 [ 32 ]。因此本文利用CiteSpace5.6.R2版本对WOS中的文献进行分析，主要有发文量分析、文献共被引分析、关键词分析、合作关系分析、聚类分析等。
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user: 3. 材料与方法 3.1. 数据来源及软件参数设置 第一步WOS采集数据步骤如下： 选择WOS核心合集(数据来源真实完整)，基本检索，以“Nano (纳米)”为主题词，自定义年份“2015~2019”；选择学科“Environment Sciences (环境科学)”，文章类型为“Article (期刊论文)”，检索到3005篇文献，并将文献保存为相应的格式。 第二步CiteSpace分析WOS中以Nano为主题词的操作步骤如下： 选择CiteSpace的数据去重功能，设置分析年限2015~2019，所有的图谱均选择修剪方式Pathfinder、Pruning Sliced Networks和Pruning the Merged Network。不同的图谱设置不同的Top值，余下设置均为默认，共得3005篇文献。 3.2. 知识图谱分析 关键词共现图中，每个节点表示一个关键词，节点大小表示关键词出现的频次，节点之间连线的粗细表示关键词共现强度的高低，即与两者共被引次数成比例，彼此间相邻的关键词表示他们经常出现在相同的文章中。图中节点年轮的颜色和厚度，表示关键词出现的时间和数量。年轮外色环越厚，表示该关键词中介中心性越高，说明该节点位于关键词网络较为中心的位置，是网络中各部分的过渡。关键词在短时间内跃迁的现象，强调突变性。通过对关键词突变性的考察，可得知特定时间内的研究热点。
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user: 5. 结论与展望 5.1. 结论 本文应用CiteSpace软件，以“Nano”为主题词，对WOS的数据进行文献计量，分析了国际该领域的发展趋势、关键词等，能相对直观地展示近五年来在环境科学领域纳米技术的整体发展水平，有效地反映出该领域研究关注的热点问题。从环境科学领域纳米相关研究的聚类和关键词分析来看，近年来，国际环境科学领域纳米相关的研究主要集中在“纳米材料的性能与优化”“纳米材料的环境效应”以及“纳米技术的应用”三个方面。 5.2. 展望 经文献计量研究分析可得，目前环境科学领域纳米材料的相关研究已经取得较大进展，且纳米材料具有宽阔的实际应用前景，通过以上综述，对该领域的未来发展和接下来的研究重点工作总结了如下： 1) 进一步研究纳米材料的生态安全性，提高纳米材料在环境治理与修复当中的稳定性，以及模拟纳米材料进入环境中的迁移转化机制，重点关注纳米材料的生态安全性和风险评估。 2) 纳米材料因为有很多独特的特性，易于功能化，研究者们可以根据物质本身的性质和合成机理，通过表面功能化和修饰纳米材料等各种新型的手段来设计具有所需的附加功能的工程纳米材料，从而达到在环境治理与修复当中，降解或吸附各种污染物。同时还应关注利用绿色化学或者工业化方法生产纳米材料，减少环境污染和减低生产成本等问题。 3) 目前大部分研究的纳米材料都是室内研究，是由于现研究的功能化纳米材料有待进一步提高效率和可用性，可以从验证研究从室内研究到室外研究的优化条件，模拟各种环境条件并加以的优化改性，从而达到纳米材料的功能的成熟化使其具有实际应用的价值和促进实际应用的发展。
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user: 摘 要 针对聚类中心的选择问题以及轨迹匿名集中轨迹间的相似性过高而泄露轨迹隐私的问题，提出基于k-means++的抗轨迹相似性攻击的轨迹 -匿名算法。轨迹预处理的过程中，通过构造同步轨迹来减少信息损失；构建匿名集和时，本文采用k-means++算法来构建匿名集合，并且用 -约束来限制轨迹匿名集合间的相似性构建包含k条轨迹的匿名集合。实验结果表明，该算法能够较好地构建匿名集合，能够有效抵制轨迹相似性攻击，相比其它算法减少了轨迹信息的损失，同时增强了轨迹数据可利用性，更好地实现了轨迹隐私保护。 关键词 :轨迹隐私保护，l-多样性，轨迹 -匿名算法，k-means++ Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 随着全球定位系统的发展，基于位置服务 [ 1 ] (LBS， location based services)的应用越来越广泛，人们通过这些应用可以发现最近的酒店、超市和医院等，它们正在改变着信息时代人们的生活 [ 2 ] [ 3 ]。LBS服务过程中会产生大量包含用户的会见、位置信息的数据。人们可以通过对这些数据进行分析、挖掘，得到大量可用信息以帮助决策者实施相关政策，例如通过分析某个区域内用户的轨迹信息，可以发现用户曾经或者未来感兴趣的位置，在这些位置建立相应的商场，广场等，帮助投资者实现盈利的最大化。然而，分析这些轨迹数据，也可以推断出用户的一些日常轨迹、身体情况等隐私信息，如果这些个人隐私信息被泄露，会对用户造成极大的威胁 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]。因此对用户轨迹隐私信息保护技术的研究，已经成为信息安全领域研究的重要内容之一。 在轨迹数据隐私保护过程中，轨迹的相似性是轨迹聚类和匿名化的重要因素。然而，如果匿名集合内的k条轨迹的太过相近，即它们在很长一段时间内经过同一个敏感区域，或者完全重合，那么也会泄露轨迹隐私信息的情况。文献 [ 7 ] 提出构建的轨迹k-匿名集和要具有一定的差异性，以此来降低轨迹隐私信息泄露的风险，它通过采用最小边界矩形MBR (Minimum Bounding Rectangle)大于一个给定阈值的方式来保证轨迹间的差异性。文献 [ 8 ] 首次用轨迹间夹角和距离构造轨迹图的边权的方法，文献 [ 9 ] 又在其基础之上设计了一种基于图划分的个性化隐私保护方法，利用轨迹距离和轨迹夹角度量来构造轨迹间边权，将构建轨迹k-匿名集和转化为轨迹k-子图的划分问题。Abul等人 [ 10 ] 提出NWA (never walk alone)方法，该方法提出了一个基于共定位的 -匿名模型，首相将轨迹集合划分为互不相交的子集，其次利用聚类算法形成轨迹k-匿名集合；Cai等人 [ 11 ] 提出了一种以用户为中心的轨迹隐私保护方法以防止轨迹攻击。他们引入位置语义多样性以最大化轨迹隐私，攻击和防御问题被转化为贝叶斯Stackelberg方式以进行定量分析。对轨迹发布数据的隐私保护研究领域，已有大量学者进行了研究 [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]。 这些隐私保护方法一定程度保护了轨迹隐私，但是均未考虑轨迹因相似而泄露轨迹信息的情况，另外，在轨迹聚类中心的选取上较为不合理，因此本文提出了基于k-means++的轨迹 -匿名算法。本文有两个贡献，第一优化了轨迹聚类中心的选择，第二将轨迹斜率作为敏感属性，用 约束轨迹相似度以解决轨迹相似性攻击问题。
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user: 2. 相关概念 定义1 轨迹，移动对象O的轨迹T为三维时空坐标拟合的曲线，表示为 ，其中Id为移动对象的身份标识； 为O在i时刻的位置坐标并且 ； 是在 时刻的速度。 定义2 [ 14 ] 同步轨迹。两条不同的轨迹 和 ，如果轨迹 和 具有相同的时间序列，那么我们称 和 是同步轨迹；如果轨迹集合中的任意两条轨迹两两同步，则称轨迹集合是同步的。 然而，在我们实际环境中移动对象的轨迹往往不是同步的。主要有两个原因：一是由于移动终端或GPS对每个移动对象位置的采样时间不同；二是由于不同移动对象向位置服务器(LBS)发送请求服务的时间各不相同。另外，本文在做轨迹处理时，我们假设轨迹在2个样本时间点内匀速直线运动，对于轨迹 和 间不同时间坐标，通过在轨迹中插入相应时刻的位置坐标来实现轨迹 和 的同步。 定义3 轨迹等价类。若轨迹 满足1) 的起始时间 ，并且终止时间 ；2)任意轨迹 是同步的，那么轨迹 是一个轨迹等价类。 定义4 Fréchet距离 [ 15 ]。设二元组 是一个度量空间，其中d是S上的度量函数。在单位区间[0，1]上的映射 是连续映射，则称γ为S上的连续曲线。从单位区间到其自身的映射 ，满足如下三个条件：1) ζ是连续的；2) ζ是非降的，即对于任意 ，且 ，都有 成立；3) ζ是满射，则称函数ζ为单位区间[0，1]的重参数化函数，且此时有 。特别地，当ζ为恒等函数 时，称ζ为平凡重参数化函数，否则，称ζ为非平凡重参数化函数。显然单位区间的重参数化函数有无穷多个。 设A和B是S上的两条连续曲线，即 。又设 和 是单位区间的两个重参数化函数，即 。则曲线A和B的Fréchet距离 定义为 (1) 其中d是S上的度量函数。 定义5 离散Fréchet距离 [ 15 ]。设 是一个折线段曲线，我们用 表示每个折线段的终点，即 ，那么曲线P和Q的一个组合序列 ，且每个序列对都不相同，并且 ，对任意i，有 和 或 ，因此组合序列对必须遵循曲线P和Q所有点的顺序，定义L的长度为所有序列对的最大距离，即 。那么折线段P和Q的离散Fréchet距离为： (2) 定义6 轨迹之间的曼哈顿距离。任意两条轨迹 和 之间的曼哈顿为轨迹上所有位置点曼哈顿距离之和的平均值，定义为： (3) 定义7 -约束。轨迹匿名集合 满足 -约束，当且仅当轨迹匿名集合 中至少有l个不同斜率的轨迹，并且轨迹间斜率差异值至少为δ。 定义8 -匿名模型。匿名集合 中至少有k个轨迹，并且这些轨迹满足 -约束。 定义9 轨迹相似性攻击。一个匿名集合中如果存在多条高度相似的轨迹，尤其是运行轨迹相近或者平行亦或者重复，那么攻击者可以对这些发布的轨迹数据进行推理就能获得这些轨迹的大致运动轨迹及其敏感信息，若发布的轨迹均经过同一敏感区域，攻击者可以推断出该集合内的所有轨迹均有很大概率经过该敏感区域，用户隐私也随之暴露，这种攻击模式我们称之为轨迹相似性攻击。 定义10 轨迹斜率。轨迹数据的起始点、中间点和终止点所在线段的平均斜率。若采样轨迹片段Tr在起始时刻时位置为 ，中间时刻位置为 ，结束时刻位置为 ，则该轨迹斜率 为： (4)
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user: 3. 基于k-means++抗相似性攻击的轨迹匿名算法 3.1. 轨迹预处理 轨迹预处理过程有以下两个步骤，首先，我们选取具有相同开始时间和结束时间的轨迹构造轨迹等价类；针对实际环境中的移动对象同时开始并且同时结束的数量非常少，文献 [ 9 ] 采用轨迹集合中的最大开始时间和最小结束时间作为构造轨迹等价类的约束条件。这种方式存在的问题是如果轨迹的开始时间或者结束时间相差很大，构建轨迹集合时就会损失很多轨迹信息，同时在形成匿名集合时也会造成很大的信息损失。鉴于此，本文选取一个给定时间间隔内的轨迹以保证轨迹间的高相似性；其次，将第一步已经选取的轨迹通过轨迹同步化形成轨迹等价类。 例如，设轨迹的起始时间为7:00，终止时间为8:00，时间间隔为5分钟，那么选取轨迹开始时间在[6:55， 7:05]，结束时间在[7:55， 8:05]的所有轨迹，并将这些轨迹进行同步化，最终形成一个轨迹等价类。对于间隔时间 的选择，主要依据轨迹采样时间的稀疏程度，如果采样时间稀疏，那么间隔时间 可以相对大一点；如果采样时间点密集，则间隔时间 相应选取小一点。 算法1 预处理算法 (Pre-process) 输入：原始轨迹集合 输出：轨迹等价类 (1) for tr in : (2) If 轨迹的开始、结束时间在给定范围内那么 (3) 将tr添加到 中 (4) for each (5) for (6) If and (7) 将 时间点插入 中 (8) else 将 时间点插入 中 (9) 返回 3.2. 构建轨迹匿名集合 目前大部分轨迹隐私保护算法构建匿名集合时在选择聚类中心主要通过随机选取k个匿名中心，随后构建匿名集合，这样的作法会导致轨迹匿名中心的选取不合理以至构建的匿名集合信息损失大，轨迹可用性降低，本文采用k-means++算法构建匿名集合，解决了上诉问题。 算法2 基于k-means++的轨迹匿名算法 输入：预处理之后的轨迹等价类 输出：轨迹匿名集合 (1) 随机选取一个轨迹作为第一个聚类中心 (2) 计算每个样本与当前已有类聚中心最短距离(即与最近一个聚类中心的距离)，用D(x)表示；这个值越大，越可能成为轨迹的聚类中心 (3) 重复步骤二，直到选出k个聚类中心； (4) 针对轨迹等价类中每个轨迹 ，计算它到k个聚类中心的距离并计算距离最小的聚类中心所对应的类中斜率差值是否满足 约束，如果满足加入所在类，否则计算次近的类，以此类推； (5) 针对每个匿名集合 ，重新计算聚类中心 (即该匿名集合的质心)； (6) 重复(4)，(5)直到聚类中心不在变化。
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user: 4. 轨迹隐私水平和数据可用性 本文主要从两个方面分析算法的可行性，一是k-匿名的隐私保护程度即泄密风险，第二，分析轨迹数据的信息损失率即数据的可用性。 4.1. 隐私保护水平 隐私保护水平的评估主要评估匿名集合中轨迹被重新识别的概率，即由构建的匿名集合推断出原使集合记录的可能性，一般采用用匿名集合与原轨迹集合同一记录的相关程度来衡量。 定义11链接成功。匿名集合内任一轨迹记录t，计算t到原始集合中所有轨迹记录的距离，得到距离t最近的记录集 ，次近记录集 ，如果 或 是由t匿名化得到的，则称t链接成功。 基于距离的评估思想为：用匿名集合链接成功的记录所占比例大小作为泄密风险的测量，设link_records为匿名集合链接成功的记录数，total_records为总记录数，则泄密风险值LR为： (5) 4.2. 信息损失率 我们在计算信息损失率时，仅仅考虑构建轨迹匿名集合时造成的信息损失，不考虑轨迹预处理的信息损失。本文通过轨迹的匿名区域与整个轨迹空间区域的面积的比值来衡量信息损失，轨迹匿名区域与数据可用性成反比，匿名区域面积越大数据可用性越小，反之数据可用性越大，表示为： (6) 其中 表示 时刻的匿名区域面积， 表示第i个匿名集合的最大面积，p表示匿名集合的个数。
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user: 5. 实验结果与分析 5.1. 实验环境和数据 我们的实验环境为Inte(R) Core(TM) i5-4590 CPU @3.30 GHz；8 G内存；Microsoft Windows 7.sp。64位操作系统；本算法在pycharm中实现。实验中使用的实验数据集是由Brinkhoff生成器基于德国奥尔登堡市交通地图生成的 [ 16 ]，初始数据集如表1所示。第一列表示移动对象的编号，第二列是移动对象位置编号即表示该点是轨迹的第几个位置，第三列表示数据返回的概率，0表示以百分百的概率生成数据点，第四列表示轨迹所处的时间；第五、六列表示轨迹所处的位置信息，第七列表示轨迹的当前速度；最后两列表示轨迹下一时刻将要到达的位置。 Table 1 Part of the dat 对象编号 位置编号 数据返回概率 X轴 Y轴 速度 X轴 Y轴 41 62 0 15071.05005 24095.37797 59 15057 23925 40 62 0 5446.962785 13539.45939 134 5756 14288 39 63 0 5092.652393 24035.09312 26 5058 22845 38 63 0 12279.01879 15301.07878 134 12350 15144 37 63 0 6085.989021 24575.8497 59 6051 24596 36 63 0 13369.37702 14968.13312 50.25 13320 14972 表1. 部分数据 5.2. 隐私保护水平 通过图1可以看出基于k-means++的轨迹 -匿名算法相比CMPT，NWL两种匿名算法泄密风险小很多。基于k-means++算法构建的轨迹匿名集合更为合理，轨迹间的距离相比其它算法会小一点；另外，由于 的约束，每个等价类在聚类时要求类内至少有l个轨迹斜率差异值至少为 ，避免了匿名集合间轨迹的过度相似，能够有效抵制轨迹相似性攻击，防止隐私泄露。 图1. 不同方法的泄密风险 由图2可知，基于k-means++的轨迹 -匿名算法在取不同k值时，随着 值的增加可以获得更安全的匿名数据，大大减少了信息泄露的可能性。以上实验结果表明，本文算法具有一定的可用性。 图2. 不同δ值变化对应的泄密风险 5.3. 轨迹信息损失 图3是CMPT，NWL匿名算法与基于k-means++的 -匿名算法信息损失随着k值的变化的情况。基于k-means++的 -匿名算法略微比其它两种算法的信息损失度低，这是由于尽管聚类时要保证轨迹间至少有l个斜率差异值至少为 ，但是，本文采用k-means++算法构建轨迹匿名集合相比于传统的聚类算法构建的匿名集合更为合理，轨迹间的距离更小，因此本文算法信息损失略低。 图3. 不同方法的信息损失 由图4可见，基于k-means++的 -匿名算法随斜率差异值 的增大，取不同k值时信息损失度均增大。随着 增大，类内轨迹斜率取值差异增大，导致类内轨迹距离增大，从而增加了信息损失量。 5.4. 算法运行时间分析 图5是本文算法与其它两种匿名算法的运行时间比较。由于本文匿名算法要求在构建轨迹等价类时，满足k-匿名的条件下同时满足至少有l个轨迹斜率差异值至少为e的轨迹，所以本文算法在k取值增加的情况下，运行时间会略微增加，但可忽略不计。 图4. 不同k值随δ变化的信息损失 图5. 不同方法的运行时间
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user: 6. 总结 本文提出的基于k-means++的轨迹 -匿名算法解决了聚类中心的选取问题以及因轨迹间的相似性过高导致泄露轨迹隐私泄的问题。相比其它轨迹k-匿名算法，本文将轨迹斜率作为轨迹的敏感属性，优化了聚类中心的选择，以及增加了等价类内轨迹 -约束，即要求匿名集在满足轨迹k-匿名的同时还需满足至少有l个斜率差异值至少为 ，避免了因出现大量相似甚至于平行的轨迹而导致隐私的直接泄露的问题。实验结果表明本文算法得到的匿名算法在抵抗轨迹相似性攻击的能力方面更强，并且也保证了轨迹数据的可用性。
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user: 摘 要 放射治疗是以避免正常组织严重损伤的前提下，尽可能提高肿瘤部位照射剂量为目标。近年来，超高剂量率放射治疗(FLASH-RT)以其特有的对正常组织的保护作用而受到研究者们的广泛关注。目前已有众多的研究机构在开展FLASH-RT生物学机制的研究，同时致力于开发适合临床应用和转化的放疗设施。本文就此领域最新的研究现状及进展作一综述。 关键词 :超高剂量率放射治疗，正常组织保护，临床转化 Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 临床上在制定肿瘤放疗计划时，为了尽可能多地杀灭肿瘤细胞，需要在周围正常组织可耐受的范围内，最大限度地提高肿瘤区域的照射剂量。故肿瘤周围正常组织的防护，就成为了提高瘤区放疗剂量的一大命题。 当前临床放疗过程中所用的典型剂量率如下：传统外照射放疗和高剂量率的近距离放疗剂量率大致为1 Gy/min；全身照射时剂量率为0.1 Gy/min；低剂量率的近距离放疗为0.01 Gy/min [ 1 ]。但近几年来，关于超高剂量率放射治疗也称FLASH放射治疗(FLASH Radiotherapy， FLASH-RT)，对正常组织的保护作用(FLASH效应)的研究结果，引起放射生物学研究者以及放射肿瘤学家的广泛兴趣。FLASH-RT与常规剂量率照射相比，最显著的特点就是剂量率的差异，两者剂量率相差好几个数量级。FLASH-RT可以通过单脉冲或多脉冲来实施，一般脉冲宽度都在微秒、毫秒级别。对于FLASH-RT的剂量率当前尚无确切的界定值，目前实验研究中所用剂量率大都在40 Gy/s以上 [ 2 ]。Pierre 等使用0.1~500 Gy/s的梯度剂量率电子线照射小鼠大脑，其发现在剂量率低于30 Gy/s时，FLASH效应消失 [ 2 ]。 早在二十世纪六、七十年代，就有研究者对FLASH效应进行了报道 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]，随后却未实现研究结果向临床应用的转化。近年来，欧洲和美国的研究人员又重视起这一放射生物效应，重新开始探索FLASH-RT的生物学基础、发生机制，及其临床转化应用的意义和价值。现就此领域的研究现状作一综述。
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user: 2. 正常组织的FLASH效应 当前关于FLASH-RT对正常组织的保护作用的研究，所用射线大部分为电子线和光子线，少部分为质子线。 Favaudon等发现单次15 Gy的常规剂量率(≤0.03 Gy/s)照射后8周即可出现小鼠肺部纤维化，同时转化生长因子信号通路被激活。而小鼠在17 Gy的FLASH-RT照射后36周仍未出现明显的肺部并发症，其肺血管病变和细支气管上皮细胞的凋亡也较低。FLASH-RT组在经过30 Gy的照射后才出现小鼠的肺纤维化 [ 6 ]。同样，与10 Gy的全脑常规剂量率照射相比，同等剂量的全脑FLASH-RT并不会引起小鼠明显的记忆功能受损 [ 7 ]。与前者比较，这种超高剂量率的照射产生的活性氧较少，小鼠脑内的炎性反应水平较低，神经元的形态及树突棘的密度都可得到一定程度的保护 [ 8 ] [ 9 ]。来自Stanford University的初步研究结果表明，在腹腔照射时，FLASH-RT对肠道也有保护作用。在该研究中，常规剂量率照射的小鼠半数致死量(LD50)是14.7 Gy，而采用70 Gy/s和210 Gy/s的超高剂量率照射时，小鼠的半数致死量(LD50)分别为16.6 Gy和18.3 Gy [ 10 ]。由于猪的皮肤结构与人类相似，故其常被用来研究皮肤的放射生物效应。25 Gy的常规剂量率照射即可导致小型猪皮肤毛囊的长期缺失(>6个月)，而FLASH-RT在总剂量为34 Gy时才会达到与此相同的效果。研究人员还使用单次剂量的FLASH-RT治疗了6例猫的鼻部鳞状细胞癌。在剂量递增研究中，每只猫接受的总剂量范围为25 Gy至41 Gy。6只猫的照射野区域均出现永久性的脱毛，3只猫仅有轻中度的黏膜炎，另外3只猫未出现急性皮肤反应。该项研究中，其治疗后16个月时的无进展生存率为84% [ 11 ]。 关于使用质子线的FLASH-RT生物效应，目前已发表的研究结果较少。在使用低剂量率(0.05 Gy/s)和超高剂量率(100 Gy/s和1000 Gy/s)质子线照射人肺成纤维细胞后，并未观察到细胞存活率的明显改变。在1000 Gy/s的剂量率照射组，仅在射线剂量达到20 Gy后，才出现DNA损伤的相对减弱。在FLASH-RT照射后1月，细胞内TGF-β1的水平明显低于常规剂量率照射组 [ 12 ]。体内研究发现，相比于0.08 Gy/s的质子线照射，100 Gy/s的FLASH-RT并未显著改变斑马鱼胚胎的畸形率和存活率。但是在23 Gy的剂量照射后的第3天和第4天，均可观察到在超高剂量率照射组，其心包水肿的发生率显著下降 (p < 0.05) [ 13 ]。
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user: 3. FLASH放疗中肿瘤组织的生物效应 FLAH-RT的临床应用是不能以牺牲肿瘤控制率为代价的。现阶段对该照射技术效应的研究大多聚焦于其对正常组织的保护作用。关于其与常规剂量率照射在肿瘤控制率方面的相关对比研究结果大部分尚未正式发表，但在国际会议中已有所报道。从现有的结果来看，FLASH-RT在保护正常组织的同时可以有效杀伤肿瘤细胞。Favaudon等的研究结果表明对于肺癌TC-1细胞的原位移植瘤、人乳腺癌HBCx-12A细胞或者头颈部肿瘤HEp-2细胞的异种移植瘤，FLASH-RT在保护正常肺组织的同时，都可获得与常规剂量率放射治疗同样的肿瘤控制效力。25 Gy的FLASH-RT可在不产生任何皮肤损伤的情况下，完全抑制HEp-2肿瘤的生长。在原位移植TC-1细胞的小鼠中，15 Gy的常规剂量率照射后，存活的小鼠体内的肿瘤消失，但是出现了明显的肺部炎症和纤维化。而在28 Gy FLASH-RT照射后的相同时间点，小鼠并未出现明显的肺纤维化 [ 6 ]。Zlobinskaya等使用激光离子加速器产生的质子束来研究脉冲型和持续型超高剂量率照射对移植的人下咽FaDu癌细胞的抑制情况。与相近剂量的常规光子照射相比，两种类型的超高剂量率照射都可更好地控制肿瘤生长。且根据实验得出的数据，研究者认为从肿瘤生长延迟时间方面来看，脉冲型和持续型超高剂量率质子线的相对生物效应与常规质子线的相对生物效应并无明显差别 [ 14 ]。此外，多次分割的FLASH-RT(3 × 8 Gy或5 × 5 Gy)同样可以达到像常规剂量率照射那样的肿瘤控制效果 [ 15 ]。
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user: 4. 如何解释正常组织的FLASH效应？ 当前关于FLASH效应的确切发生机制尚不十分清楚。正常组织的FLASH效应的发生，其机理可能与组织内的氧消耗密切相关。目前的理论性解释为：正常生理氧含量下，足够高总剂量的FLASH-RT可以在极短时间内消耗完正常组织内的氧气。FLASH-RT的每个脉冲间隔时间很短，其并不足以让正常组织通过氧弥散再氧合，此时正常组织将像乏氧组织一样，出现放射抵抗。而由于肿瘤组织本身多是处于乏氧状态，因此改变照射剂量率，对其放疗反应影响较小 [ 2 ] [ 16 ]。 Douglas等提出相比于肿瘤组织，正常组织细胞内不稳定铁以及可将铁带入细胞的转铁蛋白受体的含量低，因此其可更容易地调节和隔绝不稳定铁。这使得正常组织的细胞可在发生芬顿反应前更快清除电离辐射产生的氢过氧化物，同时可以限制过氧化反应。单个脉冲内，常规剂量率照射沉积的能量以及造成的电离事件远少于FLASH-RT，其产生的自由基和氢过氧化物远少于FLASH-RT。由于这些活性产物的量较少，此时不足以体现出正常组织细胞与肿瘤细胞在清除这些物质效率上的差异。而FLASH-RT可消耗氧气产生更多的活性物质，此时正常组织细胞清除这些产物的优势可以更加明显地体现出来，从而表现为FLASH-RT在肿瘤细胞和正常组织之间杀伤效力的差异性 [ 17 ]。
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user: 5. FLASH-RT的临床转化和应用 大部分关于FLASH-RT的文献中，提及的剂量率实际上是整个照射过程的平均剂量率。但是在临床应用中，需要明确脉冲数量、每个脉冲的剂量、以及脉冲内的剂量率等物理学参数。这些参数以及总的照射时间与FLASH效应密切相关。此外，对外瞬时输出高能量的射线需要特定的照射平台，或者对现有加速器进行改造。Michael等通过优化医科达Precise医用加速器的电子枪灯丝电流、调制器充电速率以及偏转磁铁电流等参数，在放置散射箔片的情况下可产生较为平整的超高剂量率电子束，其在楔形板处的剂量率超过300 Gy/s。去除散射箔片后射野剂量分布均匀性下降，但是剂量率甚至可超过1000 Gy/s。经过调节后的超高剂量率输出仅可在机器预热完成后的第一个10分钟内维持稳定，在超过10分钟后输出效率开始下降且变得不稳定 [ 18 ]。Emil等通过调节临床用瓦里安Clinac 21EX直线加速器后可获得>4 cm的均匀电子束，其剂量率超过200 Gy/s [ 19 ]。另有研究使用Oriatron eRT6加速器在源皮距1 m处得到的电子线的平均剂量率也可达到200 Gy/s [ 20 ]。但是，这些仪器在“FLASH模式”下仅能提供一个单一方向的射束，且受限于射束的宽度及有效深度，调节后的设备仅能用于小型动物的照射研究。由包括Stanford University、Indiana University等多个单位共同研发的多向高能快速扫描电子放射治疗(Pluridirectional high-energy agile scanning electronic radiotherapy， PHASER)系统致力于提供有图像引导的高度适形FLASH-RT [ 21 ]，我们期待这一系统可真正应用于临床。而对于质子的FLASH-RT，已见报道的实验平台能提供的最大射野仅为1.2 × 1.2 cm 2 [ 22 ]。 由于FLASH-RT会在极短时间内给予肿瘤部位大剂量的照射，这就对照射治疗前患者的摆位、固定以及移动控制提出了更高精度的要求，以保证靶区和肿瘤部位的高度吻合。为了保证治疗的安全性，需要有可以进行逐个脉冲剂量监测的高速探测系统。因此，正如在一场关于FLASH-RT应用前景的辩论中Paul Keall提到的那样，在将FLASH-RT大规模应用于临床治疗前，除了需要使用不同的动物模型来确认其对正常组织的保护作用外，还有大量技术问题需要我们去解决 [ 23 ]。 最新报道Lausanne University Hospital使用FLASH-RT治疗了第一例临床肿瘤病人。该患者是一名75岁的多重耐药CD30 + T细胞性淋巴瘤病人，肿瘤已侵及全身皮肤。此前患者共接受了110个肿瘤部位的常规剂量率放疗，尽管总的照射剂量较低，患者仍出现严重的皮肤反应。此次在90 ms内给予患者计划靶区15 Gy的处方剂量照射后，患者只出现了I级的皮肤反应。在5个月的短期随访时间内，该患者的肿瘤得到了有效的控制 [ 24 ]。
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user: 6. 结语 从目前的研究进展来看，相比于常规剂量率放疗，FLASH-RT在正常组织保护方面有很大优势。这种照射方式在不影响肿瘤控制率的同时，可以减少分割次数，缩短分次照射时间和总治疗时间，避免照射过程中组织、器官移动造成的照射精确度下降。但是具体的脉冲给量方式、照射分割模式的确定仍需更多研究结果的支持。此外，相比于光子和电子线照射，质子放射治疗本身就有其剂量分布优势。如果质子FLASH-RT能在正常组织的保护方面，表现出更加优异的效果，将极大减轻放射治疗的晚期反应，这对长期存活的患者是十分有利的。因而可预测FLASH-RT将具有十分重要的临床转化和肿瘤治疗的实践意义。 值得注意的是，近期一项研究结果显示35 Gy/s的全腹照射比0.1 Gy/min的照射导致更多的小鼠死亡。且超高剂量率的心脏或者脾脏照射比常规剂量率照射引发了更为严重的淋巴细胞数量下降 [ 25 ]。由此可见除了剂量率之外可能还存在其他生物学或者治疗参数方面的因素会对FLASH效应产生影响。这提示我们需要更多的研究来探索FLASH-RT的最佳实施条件以达到可重复的稳定获益。只有在真正了解FLASH效应的放射生物学原理之后才可以考虑向临床治疗应用转化。
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user: 摘 要 本文以PX4飞控系统为基础，针对复合式VTOL无人机在固定翼模式下高度/速度的耦合问题，将总能量控制引入了复合式VTOL无人机的控制系统中。对于总能量控制核心算法进行了推导并设计了符合PX4飞控代码习惯的总能量控制模块，通过Gazebo仿真软件进行硬件在环仿真验证了总能量控制模块对复合式VTOL无人机速度控制和高度控制的解耦有良好的效果。 关键词 :复合式VTOL无人机，总能量控制，PX4飞控系统 Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 垂直起降无人机是近几年飞速发展的一种新型飞行器 [ 1 ]。复合式VTOL无人机兼具了固定翼型无人机和多旋翼型无人机的优点，是近年来发展较快的无人机类型。 随着复合式VTOL无人机的大量飞行实践，人们发现在固定翼模式飞行时，经常出现通过油门改变飞行速度但导致了无人机高度发生变化的现象，或者只进行俯仰操作想改变高度，无人机的速度却发生了改变。造成这样的原因是由于无人机在低动压条件下升降舵和油门杆对无人机响应的耦合特性，使得控制器不能实现飞行速度和飞行高度的单独控制，因此，如何解耦是提升复合式VTOL无人机飞行品质的关键。一般的做法是设计一个油门和升降舵分别单独控制的系统。但由油门杆间合适的协同控制，解耦控制效果并不理想 [ 2 ]。Faleiro和Lambregts将飞机作为一个能量系统进行分析，对飞机速度/航迹进行解耦控制 [ 3 ]。在Faleiro和Lambregts研究的基础上，将偏差控制引入到基于总能量控制的飞行航迹/速度解耦控制中，从而实现对飞行速度、飞行高度的无稳差控制 [ 4 ]。总能量控制在大型有人飞机和导弹上已有大量应用但是在复合式VTOL无人机上的应用还是一个较新的课题。本文以总能量控制算法为核心，设计了把PX4飞控系统数据转化为总能量控制核心算法输入的外回路。 文章还通过对现有的PX4飞控系统仔细研究设计了可嵌入的总能量控制模块，并借助PX4飞控硬件和Gazebo仿真软件验证在完整飞行过程中总能量控制模块的效果。
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user: 2. 总能量控制算法在复合式VTOL上的应用 2.1. 总能量控制核心算法 无人机总能量为无人机的动能和势能之和： (1) 故单位质量的总能量为： (2) 考虑到复合式VTOL无人机在固定翼模式飞行时的航迹角一般比较小，所以我们假设 ，无人机在空中所需要的推力为： (3) 对(2)式进行微分并且整理可得： (4) 空气动力学中当飞行器处在小航迹角、低动压飞行状态下有： (5) 当复合式VTOL无人机处于固定翼模式平飞时，主电机产生的推力T用于抵消无人机飞行时的阻力D。由于此时无人机纵向机动一般较小，速度变化不甚剧烈，因而在短周期运动中，其所受阻力可近似认为不变，从而需用推力的增量只与期望的航迹角切向加速度和飞行重量有关，则推力控制和飞行状态增量方程可写为： (6) 式中 表示推力的改变量，下标e表示偏差，由上再由(3) (5)易得： (7) 由上可知，无人机总能量的变化是由推力的变化控制的，升降舵的偏转对无人机总能量的变化影响很小。在推力不变时，升降舵可使无人机的势能和动能相互转换而不发生明显的能量损失。也就是说无人机在主电机输出功率的改变的同时也能按一定比例改变整体无人机系统的能量变化率。 基于上述特性，可以采用PI (比例–积分)控制表达推力与能量误差变化率之间的关系为： (8) 式中 代表飞行状态改变后的期望推力，这条控制率的作用是当无人机的飞行状态改变时，其能量的变化率为零。 由于将升降舵作为无人机动能、势能的分配器，从而在升降舵控制通道使用能量分配率为控制量，它定义为动能与势能之差： (9) 由推力的控制律为模板，可以用类似的方法来描述能量分配律误差和升降舵偏角的控制关系为： (10) 由于系统运行时会在(8) (9)两式的比例通道上产生不期望的零点，从而使得控制响应超调。故而在比例控制中，引入总能量变化率反馈量 和分配率反馈量 ，从而可以得到改进后的总能量控制核心算法： (11) (12) 再由(5) (9)两式可得： (13) (14) 总能量控制系统核心算法结构图如图1所示： 图1. 总能量控制系统核心算法结构图 图中 和 为系统实际的航迹角和期望的航迹角， 和 为系统实际的加速度反馈量和期望的加速度反馈量，而该系统输出 为位置控制和无人姿态控制的输入信号。 2.2. 总能量控制核心算法在PX4控制系统上的实现 对于PX4控制系统而言，总能量控制核心算法的系统输入无法在PX4飞控中直接获得，因此需要设计一个系统将PX4飞控中速度、加速度、高度等的期望值、实际值数据转化为总能量控制核心算法的系统输入，称之为总能量控制模块的外回路。 由于在低动压、小航迹角飞行状态下存在 的关系，通过这样的转换就将高度的控制转化为对航迹角的控制。要实现对无人机的高度进行控制，需要须引入升降率参数。按照普遍的升降率获得方法，采用比例控制，以高度控制的输入与高度反馈量的偏差按一定比例关系获取升降率信息。有： (15) 进而得到期望的航迹角计算公式： (16) 综上可得高度控制结构如图2所示： 图2. 总能量控制外回路高度控制结构图 同样在PX4系统中加速度反馈期望值 也不能直接获取，可以通过飞行速度的期望值和实际值的差，再通过P控制可以得到： (17) 综上可得速度控制结构如图3所示： 图3. 总能量控制外回路速度控制结构图 综合前述的高度控制和速度控制，共同构成了总能量控制模块的外回路，总能量控制核心算法组成总能量控制模块的内回路。从而有PX4下复合式VTOL总能量控制模块结构图如图4所示： 图4. PX4下复合式VTOL总能量控制模块结构图
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user: 3. PX4下复合式VTOL无人机总能量控制模块设计 根据前文所述，依照PX4飞控的编程模式可将总能量控制模块的设计分为，外回路，油门控制和俯仰控制(内回路)三部分。 1) 外回路将获得的参数进行解算并为内回路提供系统输入，头文件如下； 外回路工作完成后，将数据传输给内回路开始能量的运算。在PX4中动能表示为SKE，势能表示为SPE，总能量表示为STE。 2) 油门控制 首先设置一套油门和能量变化率STE_rate的线性对应关系，最小油门–总能量减少最大速率、平飞巡航油门–0、最大油门–总能量增加最大速率，通过计算总能量变化率，即可得出输出油门值。但是这个输出值是一个参考数值，还需要由目标能量和当前能量，通过PID控制器对油门输出动态修正；综上，油门控制流程如图5所示。 图5. 总能量油门控制 代码执行目标：1) 根据空速的期望值和最大、最小空速来计算势能可能的最大值最小值；2) 计算总能量差；3) 计算期望的总能量率；4) 计算能量率差(期望的总能量率与当前势能率和动能率差)；5) 用0.5 s的低通滤波器对能量率差进行滤波，目的是去除加速度计的噪声(1/(0.2 × 10) = 0.5s)；6) 计算前馈控制加PID控制。部分代码如下：
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user: 4. 俯仰控制 升降舵作为总能量的分配器需设置动能和势能分配的权重W，其值在0~2之间变化，能量分配 = W*动能参数 + (2 − W)*势能参数，再设置一组能量分配和俯仰角的线性对应关系，之后将能量分配和俯仰角分配输入PID控制器就可以得到俯仰输出。与油门控制相同也需设置SEB变化率和输出之间的线性对应关系如图6所示。 图6. 总能量俯仰控制流程图 代码执行目标：1) 确认动能和势能分配的权重；2) 计算期望势能和期望动能的差值；3) 计算期望势能率和期望动能率的差值；4) 计算势能和动能差值；5) 计算势能率和动能率差值；6) PID控制；部分代码如下： 根据前文，要实现复合式VTOL无人机的总能量控制，需要控制无人机的主电机输出和俯仰舵机输出。因此我们模块的嵌入位置应在固定翼模式下。经过对飞控程序的研读，找到了固定翼模式指令TRANSITION_TO_FW故而可得总能量控制模块的工作流程如图7所示。