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2020年  第52卷  第6期

特约综述
化合物半导体Cu2ZnSnS4太阳电池与人工光合作用制氢
江丰, 李林涛, 冯旷, 王康, 黄定旺
2020, 52(6): 1-9. doi: 10.6054/j.jscnun.2020086
摘要:
太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源,将成为未来新能源的重要组成部分.目前人们除了利用太阳能光伏发电以外,还有利用仿生光合作用将太阳能转化为化学能、利用半导体光电极分解水制氢等方式.而在半导体材料中,低成本环保型的化合物半导体光伏材料(如Cu2ZnSnS4等)具有优良的光伏发电性能,同时也非常适合作为太阳光分解水制氢的材料.文章综述了近年来在Cu2ZnSnS4光伏电池及其太阳光分解水制氢领域的研究进展.
物理学与光学工程
超导非绝热几何量子计算及其优化控制
徐靖, 薛正远
2020, 52(6): 10-14. doi: 10.6054/j.jscnun.2020087
摘要:
为实现量子门的高保真度和强鲁棒性,提出基于超导量子电路体系的非绝热几何量子计算方案.仅通过对超导比特施加含时共振微波驱动的方式,可以在超导比特上实现任意的单比特几何量子门.同时,在2个电容耦合的超导比特体系中,非平庸的2比特几何量子门也可以类似地实现.结果表明:提出的非绝热几何量子计算方案不仅对几何量子操作具有较好的鲁棒性,还可以与优化控制技术兼容,进一步增强量子门的鲁棒性.该方案的提出使容错固态量子计算的研究与发展向前迈出了重要的一步.
基于U-net和YOLOv4的绝缘子图像分割与缺陷检测
唐小煜, 黄进波, 冯洁文, 陈锡和
2020, 52(6): 15-21. doi: 10.6054/j.jscnun.2020088
摘要:
输电线路上绝缘子的完整性直接影响了输电的安全与可靠性.采用深度学习方法,对绝缘子图像识别提取和缺陷检测问题进行了研究.首先基于优化的U-net模型获取绝缘子区域掩模图像,实现对绝缘子串语义分割;然后基于YOLOv4模型获取缺陷绝缘子的位置,实现对自爆绝缘子目标的检测.为充分利用高分辨率图像的像素信息,提出“切分-识别-合成”的检测思路,精确分割出绝缘子以及判断并获取缺陷区域;最后设计了多组实验并进行对比,验证了模型的有效性.采用优化的U-net模型分割绝缘子的Dice系数达0.92;采用YOLOv4模型检测自爆绝缘子的识别精度达0.96,平均重叠度IOU达0.88.研究结果对实现电力系统运维的智能化具有较高的应用价值.
化学与环境
锂离子电容器碳酸乙烯酯基电解液的研究
王鹏磊, 安亚斌, 耿琳彬, 孙现众, 张熊, 马衍伟
2020, 52(6): 22-27. doi: 10.6054/j.jscnun.2020089
摘要:
采用2种碳酸乙烯酯基电解液制作了基于活性炭正极和软碳负极的软包装锂离子电容器(LICs),研究了器件的直流内阻、倍率、阻抗和循环稳定性等电化学性能.结果表明:通过向碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二乙酯(DEC)的混合溶剂中加入碳酸丙烯酯(PC),得到双氟磺酰亚胺锂电解液(1.2 mol/L LiFSI : (EC/PC/DEC)), 可使LICs具有更低的内阻和更佳的倍率性能,而且低温下其电化学性能亦有显著提高.研究结果对于开发低内阻和低温LICs的电解液具有重要意义.
Ni3S2 -多孔镍@泡沫镍电极制备及其赝电容性能
赵少飞, 刘鹏, 李婉萍, 曾小红, 余林, 曾华强
2020, 52(6): 28-33. doi: 10.6054/j.jscnun.2020090
摘要:
采用氢气鼓泡法预处理泡沫镍集流体,通过循环伏安法原位电沉积Ni3S2活性材料,制备了Ni3S2-多孔镍@泡沫镍(Ni3S2-Ni@NF)电极.通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、光电子能谱(XPS)和拉曼光谱(Raman)对物相结构进行了表征,并利用电化学工作站测试了电化学性能.结果表明:制备的Ni3S2-Ni@NF材料表现出优异的赝电容性能,在2 mA/cm2的电流密度下,比电容达到4.56 F/cm2,且具有优异的倍率性能(20 mA/cm2的电流密度下,比电容达到4.06 F/cm2)和循环性能(10 mA/cm2的电流密度下,循环1 000次的比电容保持率约73%).
一种可富集Fe3+的含芘荧光探针
王莎, 黄子杰, 肖盈希, 卢博, 唐健, 马立军
2020, 52(6): 34-38. doi: 10.6054/j.jscnun.2020091
摘要:
以芘为荧光发射基团、以邻氨基苯甲酸基团为识别基团,设计、合成了一种对Fe3+特异性响应的荧光探针芘甲酰邻氨基苯甲酸(PAA).利用氢核磁共振波谱、质谱表征其结构,通过紫外-可见吸收光谱以及荧光发射光谱研究其对Fe3+的响应性能.结果表明:PAA对Fe3+具有高选择性、高抗干扰性的荧光响应.随着Fe3+浓度的升高,探针的荧光强度逐渐减弱,同时伴随大量Fe3+螯合物沉淀的析出,从而使Fe3+从体系中富集出来,且在4倍浓度干扰离子存在的体系中,PAA对Fe3+的识别能力几乎不受影响.因此,PAA在实际环境应用中,具有较大的潜力和应用价值.
天然沸石对水中左氧氟沙星的吸附及其影响因素
杜悦矜, 曾丽璇, 黄家全, 李美慧
2020, 52(6): 39-44. doi: 10.6054/j.jscnun.2020092
摘要:
以天然沸石(NZ)作为去除水中左氧氟沙星(LEV)的吸附剂,通过静态吸附实验结合XRD、FT-IR和XRF等表征手段,针对NZ的结构及其对LEV的吸附效果、吸附机理进行探讨,并研究环境因素(包括腐殖酸和氨氮等)对吸附效果的影响.结果表明:XRD分析揭示了所用的NZ为斜发沸石;在LEV初始质量浓度为20 mg/L时,吸附达到饱和,最佳pH为6.5,吸附过程符合Langmuir模型,最大吸附容量为23.65 mg/g;吸附机理是离子交换和氢键作用;腐殖酸和氨氮的存在均使LEV的吸附量显著下降,推测主要是位点竞争和静电竞争抑制了NZ对LEV的吸附.
Z型Cu2O-(rGO-TiO2)光催化剂的制备及其对甲基橙的降解性能
陈可欣, 李立峰, 王熙, 李来胜
2020, 52(6): 45-51. doi: 10.6054/j.jscnun.2020093
摘要:
通过简易的三步合成法成功制备出在日光下对甲基橙(MO)具有良好光催化性能的Z型Cu2O-(rGO-TiO2)光催化剂.与传统二元异质结不同,还原氧化石墨烯(rGO)作为中间介质可促进光催化剂量子效率的提升,可提高Cu2O-TiO2的氧化还原能力.当rGO负载量(质量分数)为1%时,Cu2O-(rGO-TiO2)具有最佳的光催化活性.采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、紫外-可见漫反射(UV-Vis DRS)研究光催化剂的形貌结构和光学性质,采用探针法和光致发光光谱(PL)分析并验证了Z型光催化体系. Cu2O-(rGO-TiO2)光催化剂厚度约32.24 μm,Cu2O呈多面柱状结构,以{111}晶面(具有良好的光催化活性)为主,TiO2纳米颗粒均匀分散在二维单层褶皱片状结构的rGO表面,Cu2O、TiO2和rGO组成了Z型光催化体系.分别探究不同光源和rGO负载量对光催化性能的影响.结果表明:在模拟太阳光照射条件下,中间介质rGO的存在提升了量子效率,增强了光催化剂性能,Cu2O-(1%rGO-TiO2)光照2 h对甲基橙的催化降解率为58%.该Z型光催化剂可被应用于染料废水的降解,研究结果为环境治理提供了新的技术发展思路.
生物学与生物工程
LvCTL1与WSSV复制的相互关系研究
邱炜, 陈义烘
2020, 52(6): 52-56. doi: 10.6054/j.jscnun.2020094
摘要:
C型凝集素(CTL)是一类重要的先天性免疫因子,在对虾机体的免疫防御中具有重要的作用.该研究利用相对定量PCR实验检测基因表达量、绝对定量PCR实验检测病毒拷贝数、组织切片分析实验检测感染病毒细胞数.实验数据显示:WSSV感染能显著上调LvCTL1的表达;WSSV感染的LvCTL1敲降的凡纳滨对虾中,膜囊蛋白VP28表达量、病毒拷贝数和胃上皮细胞中的感染细胞数都显著高于注射dsEGFP对照组.研究结果表明:WSSV感染后,机体通过上调LvCTL1表达来抑制WSSV复制.
电刺激对失重导致的废用性骨骼肌萎缩的影响
石海旺, 段锐, 刘承宜
2020, 52(6): 57-66. doi: 10.6054/j.jscnun.2020095
摘要:
骨骼肌萎缩是由于去神经支配、损伤、关节固定、卧床休息、败血症、癌症、衰老以及微重力等引起的骨骼肌质量下降.论文采用骨骼肌电刺激(Muscle Electrical Stimulation,MES)模拟不同运动形式探讨延缓尾悬吊(Tail Suspension,TS)导致的斯泼累格·多雷大鼠(Sprague-Dawley Rat,SD Rat)骨骼肌萎缩的效果,同时引入联合训练模式,进一步探讨维持习惯性运动模式与非习惯性运动模式对延缓骨骼肌萎缩的效果,并结合Sigma算法与传统统计方法对实验结果进行分析.实验结果表明:(1)高频电刺激(High Frequency Electrical Stimulation,HFES)干预6周后可以显著提高骨骼肌质量,其中比目鱼肌质量(mLS)与胫骨前肌质量(mLT)分别提高21%(P < 0.01)和26%(P < 0.01),Akt与p70s6k的蛋白激活程度显著提高;低频电刺激(Low Frequency Electrical Stimulation,LFES)干预6周后,比目鱼肌与胫骨前肌的质量有升高趋势,但与对照组相比无显著性差异. (2)尾悬吊处理4周后,比目鱼肌质量与对照组相比下降45%(P < 0.01),表明模型构建成功. (3)经过常重力与微重力干预,其下降程度均得到显著改善,与悬吊组相比,常重力干预后比目鱼肌质量增加49%(P < 0.01). (4)联合组干预结果发现:与悬吊组相比,HHT组比目鱼肌质量升高55%(P < 0.01),胫骨前肌质量提升37%(P < 0.01),腓肠肌质量(mLG)提升25%(P < 0.01),总体干预效果好于其他各组.实验结论:高频电刺激对于增加骨骼肌质量的效果好于低频电刺激,常重力干预效果好于微重力,习惯性电刺激干预模式对延缓废用性骨骼肌萎缩的效果好于非习惯性电刺激.
UV-B预处理对拟南芥uvr8-2突变体响应干旱胁迫的影响
向花, 吕桂珍, 李韶山
2020, 52(6): 67-73. doi: 10.6054/j.jscnun.2020096
摘要:
以拟南芥uvr8-2突变体植株为材料,研究UV-B预处理对植株响应干旱胁迫的影响以及植物激素在此过程中的作用.实验结果表明:从形态观察到生理指标,UV-B预处理显著提高了拟南芥uvr8-2突变体的干旱适应性,与野生型Ler的结果一致;UV-B预处理显著提高了拟南芥uvr8-2突变体抗氧化酶SOD、POD、CAT活性,抗氧化酶基因PODCAT的表达量,以及植物激素ABA、JA、SA的质量分数,降低了细胞膜受损程度.由此推测:UV-B预处理诱导uvr8-2植株的干旱适应性中存在一条不依赖于UVR8的信号转导途径,即通过增加植物逆境响应激素ABA、JA和SA的质量分数,调控抗氧化酶基因CATPOD表达和增强抗氧化酶活性,从而缓解干旱胁迫下拟南芥的叶片萎焉、相对含水量下降等现象.
地理科学与技术
基于无人机多光谱数据的农田土壤水分遥感监测
冯珊珊, 梁雪映, 樊风雷, 王塞, 伍健恒
2020, 52(6): 74-81. doi: 10.6054/j.jscnun.2020098
摘要:
为了提高农田精准管理效率,基于无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)实时获取和传输的遥感数据设计了一种快速监测农田土壤水分的方法:首先,利用UAV飞行采集农田的多光谱数据,在农田选取一个代表性的重点观测区域进行随机样点土壤水分探测;然后,利用垂直干旱指数(Perpendicular Drought Index, PDI),结合样点土壤水分数据快速构建农田土壤水分反演模型,进而获得大范围的农田土壤水分监测结果.并通过6个时相获取的UAV数据和样点土壤水分数据,进行方法实验和模型精度分析,结果表明利用该方法进行农田土壤水分监测的精度较高:6个时相土壤水分反演结果的决定系数R2均在0.8以上,其中5个时相的均方根误差RMSE和系统误差SE值均小于0.1.这证明了基于UAV数据设计的农田土壤水分监测方法的有效性和可行性,可以为大范围农田土壤水分的快速监测提供方法参考.
台风灾害间接损失评估模型中劳动力参数研究
王芳, 李宁, 张正涛, 刘远, 陈曦, 黄承芳
2020, 52(6): 82-89. doi: 10.6054/j.jscnun.2020097
摘要:
为进一步研究自然灾害间接损失模型中受灾劳动力参数问题,调查了“山竹”台风严重影响的广州市和深圳市的劳动力受灾情况.基于实地调研的845份问卷调查数据,分析了受灾劳动力部门分布、影响时长以及恢复路径的实际情况,并与灾害间接损失前沿评估模型(AMIL模型)中的理论假设参数进行对比.研究结果表明:(1)从受灾劳动力所属部门来看,信息传输、软件和信息技术服务业、制造业、金融业、建筑业、批发零售业5个部门的实际受灾劳动力较多,而AMIL模型假设低估了信息传输、软件和信息技术服务业、金融业、建筑业等14个部门的劳动力受灾情况;(2)从恢复时间来看,所有劳动力实际恢复工作的时间是台风过后的第4天,远少于AMIL模型设置的时间;(3)从恢复路径来看,综合劳动力恢复路径呈先快后慢的趋势,幂函数对该路径的拟合效果较好,与AMIL模型假设的双曲正切函数曲线不符;(4)广州市劳动力受台风影响情况比深圳市的更加严重,且恢复速度较慢.研究表明:AMIL模型中对劳动力所属部门假设和劳动力灾后动态恢复路径的函数设置与选择方面存在进一步调整修正的空间.
数学与应用数学
基于能量不变二次化法的Cahn-Hilliard方程的数值误差分析
姚廷富, 李顺利
2020, 52(6): 90-96. doi: 10.6054/j.jscnun.2020099
摘要:
基于能量不变二次化方法,构造了一个求解Cahn-Hilliard方程的线性数值格式,该线性数值格式对非线性项半显式处理,每步迭代相应的半离散化方程只需要求解一个线性方程;证明了该线性数值格式是无条件能量稳定的,而且是唯一可解的;讨论了该线性数值格式在时间方向的误差估计.数值例子表明:该线性数值格式的数值解在时间方向上基本达到二阶精度, 能够有效模拟相位变化过程.
带干扰与注资的二维对偶模型限制分红问题
权俊亮, 胡华
2020, 52(6): 97-102. doi: 10.6054/j.jscnun.2020100
摘要:
研究了带干扰二维对偶模型中再注资且分红贴现利率变化的最优分红问题;运用随机控制中HJB方程,证明了最优分红策略是阈值策略,并且得到了累积分红折现期望值函数所满足的积分-微分方程,并用此方程得到收益服从指数分布时值函数的显性表达式.
计算机科学与软件工程
融合文本和路径语义的知识图谱嵌入学习模型
肖宝, 韦丽娜, 李璞, 蒋运承
2020, 52(6): 103-112. doi: 10.6054/j.jscnun.2020101
摘要:
针对现有的融合文本和路径信息的模型未能充分挖掘和利用文本与路径语义的问题,提出了新的知识图谱嵌入学习模型(GETR模型):首先, 利用LDA丰富实体描述文本语义并用TWE获取词和主题向量,采用Bi-LSTM模型把词和主题向量编码融入实体向量表示中,以增强结点的语义表达能力;其次,设计了以组合PageRank和余弦相似度算法为策略的随机游走算法,以获取实体间的多步路径,并利用自注意力机制捕获路径的重要语义融入到翻译模型中进行联合训练,从而达到有效过滤路径中的噪声和提高模型效率的目的.最后,在数据集FB15K、FB20K和WN18上,对GETR、TransE、DKRL、TKGE模型进行知识补全和实体分类任务的评测,结果表明:GETR模型具有更好的性能表现,是一种更加高效的知识表示方法.
基于格的两轮多重签名方案
姜玫, 马昌社
2020, 52(6): 113-120. doi: 10.6054/j.jscnun.2020102
摘要:
为了抵抗量子攻击且进一步降低通信代价,基于代数格提出了一种支持公钥聚合的两轮多重签名方案(TLMS方案),其安全性可归约于求解环上小整数解(Ring-SIS)问题,并在随机预言机模型下给出方案的安全性分析.相比于现有多重签名方案,基于格上困难问题构造的TLMS方案生成多重签名时仅需进行2轮交互,具有较小的计算开销和通信开销,可满足量子时代最新的安全需求.
分布式天线系统中基于天线选择的能量效率优化
汪乔瑜, 崔海霞
2020, 52(6): 121-127. doi: 10.6054/j.jscnun.2020103
摘要:
为了进一步解决无线通信系统的能量消耗问题, 以分布式天线系统单小区为模型,提出了一种将天线选择和功率分配技术相结合的最大能量效率优化算法(max-ANPO-EE算法):通过选取用户一定距离范围内的天线后,利用拉格朗日函数和次梯度得到各个天线的最优发送功率,从而推导出相应的能量效率性能表达式,得到最优的能量效率.仿真结果表明:在用户和天线随机分布的单蜂窝小区网络内,max-ANPO-EE算法能获得比较好的性能.