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2021年, 第38卷, 第3期 上一期    下一期
数学与物理学
单指标分位回归模型估计的MM算法
郭媛媛, 杨雪梅, 孙志华
2021, 38 (3): 289-296.  DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2021.03.001
摘要 ( 706 ) HTML ( ) PDF (1199KB) ( 692 )
单指标分位回归模型是一类重要的半参数模型,具有降维的优点的同时保留了非参数分位回归模型的稳健性。但现有的单指标分位回归模型的估计程序大部分都是通过内点法来实现。对单指标分位回归模型估计程序的MM(majorize-minimize)算法进行研究。首先找到目标函数的优化函数,然后通过最小化优化函数来得到估计,再逐步迭代至收敛。数值模拟和实证研究表明MM算法在单指标分位回归模型的估计中具有较好的稳定性,能够得到比较准确的估计结果,且相比于内点法,计算效率更高,耗时更短。
静电除尘器中纳米颗粒运动与荷电特性
冯宇轩, 罗坤, 樊建人
2021, 38 (3): 297-305.  DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2021.03.002
摘要 ( 457 ) HTML ( ) PDF (3479KB) ( 581 )
通过建立静电除尘器(electrostatic precipitator,ESP)内纳米颗粒沉积及荷电的数值模型,耦合流场、电场、颗粒荷电及颗粒运动等子模型,研究ESP内纳米颗粒的运动与荷电特性。研究发现纳米颗粒在ESP中的受力方向和大小会随着其运动而不断改变,其沉积效率曲线相较于微米级颗粒,呈现出U型的特征,经证明这是由纳米颗粒所受体积力的主要类型和大小随着粒径不断变化决定的。此外纳米颗粒的荷电机理也会发生变化,荷电量与粒径和喷射浓度的大小紧密相关,直接影响颗粒所受库仑力的同时还会间接影响电晕放电,甚至造成电晕封闭,严重影响颗粒沉积效率。
化学与生物学
手性氨基酸对DNA链式聚合反应的影响
卜新雅, 陈露, 阚玉贺, 雷华军, 何裕建, 封禄田, 吴丽
2021, 38 (3): 306-313.  DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2021.03.003
摘要 ( 454 ) HTML ( ) PDF (3020KB) ( 405 )
构成天然蛋白质的氨基酸为L构型,D构型氨基酸虽然不是构成蛋白质的基本结构单元,但许多植物、微生物甚至在人体中都有D-氨基酸的存在。DNA聚合酶链式反应广泛发生在生物体内及PCR实验中,首次探究手性氨基酸及其与金属离子协同条件下对Taq-DNA聚合酶催化下的DNA链式聚合反应的影响情况,为进一步研究手性氨基酸及金属离子对生物体的影响提供实验依据。变性聚丙烯酰胺凝胶电泳结果表明,酸性氨基酸对于DNA链式聚合反应有抑制作用,极性不带电荷氨基酸其L构型对引物延伸的抑制作用大于D构型氨基酸,而极性带正电荷的氨基酸D构型与L构型的作用则与其相反。在加入Na+、K+、Ca2+等9种金属离子及手性氨基酸的实验当中,铝盐及锆盐溶液对PCR实验几乎完全抑制;镍、铜、钙对其影响次之。加入手性氨基酸金属络合物之后,其影响结果部分发生改变。
环境科学与地理学
东北地区天然林资源保护工程生态保护成效分析
相恒星, 王宗明, 毛德华
2021, 38 (3): 314-322.  DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2021.03.004
摘要 ( 448 ) HTML ( ) PDF (9413KB) ( 535 )
东北地区作为全国重要的天然林分布区,是天然林资源保护工程(天保工程)实施的重要区域。系统开展东北地区天保工程实施前后生态系统变化的评估,对于工程实施效果提升与区域生态保护具有重要的科学意义。利用Landsat和MODIS遥感数据源及InVEST模型,从生态系统结构、质量和服务3个维度,综合分析东北地区天保工程的保护成效。研究结果表明:1)天保工程实施后(2000—2015年),森林面积增加2 133 km2。2)天保工程实施后,生态系统质量得到改善,叶面积指数和植被净初级生产力呈现上升趋势。3)天保工程实施后,森林生态系统碳储量增加49 Tg,森林生态系统产水量减少3.5×109 m3,全区生境质量差的面积减少1 423 km2。4)天保工程总体上有显著的生态成效,但仍有产水量与生境质量、生态系统碳储量存在权衡等问题,区域生态系统的保护有待提升。
吉林中部城市群空间经济联系与网络结构
郑陈柔雨, 马延吉
2021, 38 (3): 323-332.  DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2021.03.005
摘要 ( 310 ) HTML ( ) PDF (3348KB) ( 323 )
吉林中部城市群发展对推进吉林省新型城镇化和促进东北振兴具有战略意义。从各市县相互作用角度,基于吉林中部城市群26个市县的多指标、时间距离和列车班次数据,运用熵权Topsis、引力模型和社会网络分析方法分析各市县空间经济联系与网络结构。研究发现:1)吉林中部城市群单极化发展突出,经济综合发展水平在空间上反映由长春市区向四周衰减的态势。2)吉林中部城市群各市县关联强度前2、5、10名的经济联系在全局上呈“高联系邻近集中、低联系松散分布”,市县联系“十”字形发展主轴突出。局部上反映地级市区的连接作用突出,其他市县的弱联系制约一体化及同城化进程。3)整个城市群的FPI指数为0.101,呈现绝对主导的特征,长春市区辐射影响有限,区域节点城市发育不足。4)吉林中部城市群可分为4个城市组团。中西部区域向心集中特征显著,西北部区域对外协作效应突出,东部区域以吉林市区内外联系为主,南部区域发展潜力大。研究结果可为城市群建设和区域经济布局优化提供科学参考。
基于CMIP5模式的2006—2017年中亚降水预估误差分析
黄芳, 甘淼, 于洋, 他志杰, 张海燕, 皮原月, 孙凌霄, 于瑞德
2021, 38 (3): 333-340.  DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2021.03.006
摘要 ( 271 ) HTML ( ) PDF (12361KB) ( 303 )
利用第5次耦合模式计划(CMIP5)的24个模式模拟数据,与英国East Anglia大学气候研究中心Climatic Research Unit(CRU)提供的2006—2017年的月降水格点数据进行比较,通过误差空间分布、误差百分率、标准差以及误差趋势分析,对多模式集合下的中亚降水预估误差进行评估。结果表明:模式集合对中亚大部分地区的年均降水预估偏多,尤其是东南部帕米尔高原与西天山的少数区域,误差偏大明显;夏半年(6—11月)在中亚东南及南部部分地区降水预估明显偏多,对中亚东北大部分区域降水预估偏少但不明显;冬半年(12及1—5月)中亚大部分区域降水量预估偏多,帕米尔高原西部部分区域以及巴尔喀什湖东部降水预估偏少,预估偏多与偏少均不明显。同时发现,中亚西部与西北部年、夏半年、冬半年模式间标准差均小于中亚东部及东南部;中亚大部分地区尤其中部的年、夏半年与冬半年降水预估误差均呈现减小趋势;厄尔尼诺年以及拉尼娜年的降水预估误差的空间分布决定多年平均预估误差分布特征。各种误差分析表明,直接使用CMIP5模式预估未来降水存在较大的不确定性,可能多来自模式本身存在的问题,如分辨率及地形处理、积云对流参数化方案、降水物理过程等描述不完善。
近10年新疆不同程度盐渍化耕地的时空变化特征
庄庆威, 吴世新, 杨怡, 牛雅萱, 颜瑜严
2021, 38 (3): 341-349.  DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2021.03.007
摘要 ( 597 ) HTML ( ) PDF (7861KB) ( 734 )
以新疆各地级行政区为研究单元,运用地统计学中的土地利用转移矩阵和土地利用动态度对新疆近10年不同程度盐渍化耕地的时空变化特征进行分析。结果表明:1)2005年,新疆灌区盐渍化耕地面积占耕地总面积的32.07%;2014年,新疆灌区盐渍化耕地面积占耕地总面积的37.72%。研究期内,新疆盐渍化耕地面积有所增加,但多集中于新垦区,老灌区经过改良治理,盐渍化危害程度明显减弱,盐渍化耕地大都呈现稳定脱盐趋势。2)新疆各地区盐渍化耕地在结构上和数量上具有明显的差异性:南疆的中度和重度盐渍化耕地比例高于北疆地区,是新疆盐渍化治理的重点区域;巴州和喀什盐渍化耕地面积占比超过50%,而乌鲁木齐和伊犁地区盐渍化耕地面积占比低于10%。3)新疆各地区盐渍化耕地变化活跃程度也存在明显的差异性:除克拉玛依外,其余各地区综合动态度均为正值,其中,综合利用动态度高、盐渍化耕地面积快速增长的热点地区主要集中在南疆,包括克州、巴州和喀什地区。
城市公园绿地可达性时空变化及影响因素——以乌鲁木齐市为例
刘韬, 杨德刚, 张豫芳, 蔡天毅
2021, 38 (3): 350-359.  DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2021.03.008
摘要 ( 539 ) HTML ( ) PDF (7960KB) ( 586 )
公园绿地作为城市重要的公共资源,可在提升城市宜居性、增强居民福祉方面发挥重要作用。基于GIS技术,采用最小距离法及考虑地形的行进成本法,分析2007—2017年乌鲁木齐市中心城区公园绿地可达性时空变化特征及影响因素,以期为乌鲁木齐公园绿地的优化布局提供科学依据。结果表明:1)乌鲁木齐中心城区公园绿地面积持续增长,空间分布呈现出“南多北少”的特征;2)2007—2017年中心城区公园绿地的空间和时间可达性均提升较大,截至2017年,93.14%的居民点能够在5 min内到达距其最近的公园绿地;空间可达性呈现出从中心向外围逐级递减的“圈层”式分布特征,而时间可达性呈现出从中心向外围逐渐降低的“T”字型分布特征;3)路网密度、公园绿地面积、形状指数及距居民点空间距离对公园绿地可达性决定力显著,路网密度和公园绿地距居民点距离是关键因素;4)绿地布局变化是东西方向公园绿地可达性提升的主要原因,道路网络改善对南北方向公园绿地可达性有积极作用,且两者分别对5 min内和5~30 min可达区域的面积增加贡献较大。
援疆政策下新疆国内旅游客源市场优化——基于修正的旅游引力模型
郭姣姣, 杨兆萍, 徐晓亮, 王璀蓉, 赵胡兰
2021, 38 (3): 360-366.  DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2021.03.009
摘要 ( 372 ) HTML ( ) PDF (1086KB) ( 757 )
旅游地客源市场空间结构是客源地和目的地空间相互作用的结果,是旅游地理学的重要研究领域,直接关系到旅游发展战略决策的科学性。基于旅游目的地与客源地之间社会要素流动特征和旅游引力模型理论内涵分析,添加政策因素,修正已有引力模型,建立适用于新疆的旅游引力模型,并对新疆国内客源市场吸引力进行测度,利用IPA分析法对测度结果与实际接待量进行比较。结果显示:新疆本地市场仍是新疆旅游最主要的客源市场,这将是短期无法改变的现实;广东、北京、四川、江苏、河南、甘肃、山东、浙江、陕西、河北10省是除新疆外的重要客源市场,上海、湖北2省市是新疆国内旅游发展的优势客源市场,其他18省市是潜在客源市场。
乌鲁木齐市A级旅游景区系统空间结构分形研究
赵胡兰, 杨兆萍, 时卉, 刘勤, 韩芳, 王璀蓉, 郭姣姣
2021, 38 (3): 367-373.  DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2021.03.010
摘要 ( 308 ) HTML ( ) PDF (1858KB) ( 424 )
旅游景区系统的空间结构不仅影响区域设施空间布局,同时也影响区域空间结构的优化和调整。基于分形理论,对乌鲁木齐市A级旅游景区系统空间结构进行研究,以唯一的5A级旅游景区天山大峡谷为中心,测算聚集维数以及基于乌鸦距离和乳牛距离的空间关联维数。结果表明:乌鲁木齐市A级旅游景区系统的空间结构存在明显的双分形特征,总体上呈现聚集分布,分布密度由中心向四周衰减较快,在演变过程中可能出现多中心并存的格局;系统空间结构具有自组织优化趋势,各景区之间关联程度较高,但总体交通通达性一般,交通网络体系还不够完善。据此提出多中心协同发展模式、大力打造主题式景区、开发精品自驾游路线等建议,形成旅游空间网络体系。
电子科学
一种LSTM神经网络和卡尔曼滤波相结合的复合材料承载预测方法
肖亚楠, 周伟, 崔杰, 刘亭亭, 肖灵
2021, 38 (3): 374-381.  DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2021.03.011
摘要 ( 601 ) HTML ( ) PDF (6216KB) ( 741 )
复合材料是基于多种材料组分的不同组合方式经由相应工艺加工而成的新型材料,近年来凭借其优良的综合性能被广泛应用于交通、建筑等领域,其试验分析结果有时候与经验分析存在较大误差,从而建立可信的分析方法对复合材料承载性能进行验证具有十分重要的理论意义。基于长短期记忆(long short term memory,LSTM)深度学习网络模型的预测精度受数据序列长度影响,提出一种LSTM神经网络和Kalman滤波相结合的复合材料承载预测方法,既可以克服训练数据序列长度对传统LSTM神经网络的影响,又使得Kalman滤波可以从输入数据中学习。仿真结果表明,该方法可以获得优良的预测性能:LSTM-KF模型的承载预测误差将LSTM模型的预测误差从0.033 0 kN减小到0.016 0 kN,降幅为51.52%。
一种基于FMCW雷达的慢速目标检测自适应滤波器
宋志华, 陈锟山, 曾江源, 许镇
2021, 38 (3): 382-391.  DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2021.03.012
摘要 ( 528 ) HTML ( ) PDF (8676KB) ( 702 )
调频连续波(FMCW)雷达具有近距离高精度测量、无距离盲区等优点,因此常被用来探测近距离慢速目标。针对FMCW雷达探测地面道路慢速目标场景,提出一种新的自适应滤波器。该滤波器可用于抑制环境中的强杂波影响,提升目标检测性能。仿真结果表明,在强杂波环境背景下,经滤波器处理后信号的峰值降低91.1%,信号平均幅度降低82.7%,与常用的MTI脉冲对消滤波器的性能相比,可以更好地抑制强杂波的影响,更利于动目标的提取。同时,真实测量数据进一步验证了该滤波器的有效性和目标检测结果的准确性。检测结果显示相对距离误差和相对速度误差均在10-3量级,具有良好的检测精度。
基于V-CSK视频遥感卫星运动目标检测跟踪方法
黄萍萍, 王峰, 向俞明, 尤红建
2021, 38 (3): 392-401.  DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2021.03.013
摘要 ( 593 ) HTML ( ) PDF (9026KB) ( 668 )
视频遥感卫星在道路交通导航、军事动态监视、目标跟踪等方面具有众多应用,因此利用卫星视频实现运动目标实时检测跟踪备受关注。针对卫星视频中的运动目标检测跟踪问题,提出基于V-CSK算法的检测跟踪方法,该算法采用改进的ViBe检测算法,引入多重自定义阈值滤波算法获得运动目标中心区域,再根据中心位置均值原理与噪声距离判断原则提取目标中心坐标,并实现轨迹曲线估计和修正,最后利用CSK算法实现目标跟踪。基于3组卫星视频数据进行实验,同时引入目标检测和跟踪的对比实验作为参照。实验结果表明,V-CSK算法在卫星视频运动目标检测跟踪中具有良好的性能。
一种基于RPC的组态化卫星模拟器故障注入方法
杨善强, 李华旺, 常亮, 高才栋, 虞业泺
2021, 38 (3): 402-408.  DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2021.03.014
摘要 ( 271 ) HTML ( ) PDF (1451KB) ( 338 )
本着提高卫星故障注入模型的可复用性及缩短开发周期的目的,为卫星仿真系统设计一种标准层次结构模型,由卫星模拟器、故障注入前端和故障协议组成。卫星模拟器中的单机由通用单机模型配置而成,实现卫星模拟器的组态化。故障前端通过RPC(Remote Proce dure Call,远程过程调用)调用模拟器中的各函数封装故障信息,提高扩展性。实践结果表明,基于该方案构建的标准层次模型能够组态实现不同型号卫星的仿真建模,而且单机模型内嵌故障注入机制,可提高卫星仿真模型的复用性,有效缩短仿真建模的周期。
一种基于相关概率模型的卫星异常检测方法
孙宇豪, 李国通, 张鸽
2021, 38 (3): 409-416.  DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2021.03.015
摘要 ( 434 ) HTML ( ) PDF (1268KB) ( 496 )
卫星在轨运行期间,遥测数据是反映卫星健康状态的重要依据,在卫星故障早期检测到遥测数据的潜在异常对卫星的安全维护具有重大意义。工程上采用的阈值法无法有效检测到门限内的故障征兆,而且目前这一领域的理论研究无法有效地挖掘多维遥测序列的潜在相关性。针对这一问题,采用一种融合主成分分析的相关概率模型的检测方法,以某型号卫星实际在轨遥测数据为对象,深入分析故障案例。通过仿真验证该方法能够在故障早期检测出异常,并对实验结果进行对比和分析。而且,这种方法可以快速地帮助运管人员对早期故障做出诊断,以便地面及时处理,避免发生更大的事故。
面向WSN的QAM系统功放性能分析
朱百明, 燕丽艳, 尹洪胜, 齐洪钢
2021, 38 (3): 417-422.  DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2021.03.016
摘要 ( 261 ) HTML ( ) PDF (1929KB) ( 307 )
采用单载波正交幅值调制(Quadrature Amplitude Modulation,QAM)的无线传感网络(Wireless Sensor Network,WSN)系统性能的分析研究中,一般都忽略功率放大器的非线性特性,实际上功放的非线性特性对系统性能的影响不可忽略。在功放经过非线性失真补偿后近似理想A类功率放大器特性的假设基础上,分析滤波器滚降系数、功放功率回退量对系统星座图、功率谱密度(Power Spectral Density,PSD),、误符号率(Symbol Error Rate,SER)3个性能参数的影响。仿真结果验证了理论分析的正确性。
计算机科学
一种计算机系统内存扩展方案
郝晓冉, 陈岚, 倪茂, 潘磊
2021, 38 (3): 423-432.  DOI: 10.7523/j.issn.2095-6134.2021.03.017
摘要 ( 258 ) HTML ( ) PDF (5058KB) ( 361 )
在计算机系统中,当DRAM内存空间即将用尽时,操作系统将启动内存交换机制将内存中不常用的数据换出至底层存储设备(如硬盘)中,当此数据再次被访问时需将其重新换入至内存中。内存数据的换入换出通常以页(4 KB)为单位进行,当被换出的内存页中包含其他热点数据时,会造成频繁的内存数据换入换出,带来冗余的系统I/O操作,影响系统性能。针对这一问题,利用SSD扩展DRAM内存空间,提出一种以对象为粒度的内存管理方案,在选择被换出内存数据时可以对象为单位,降低热点数据被换出内存的可能性,从而减少不必要的系统I/O操作。与Linux内存交换机制相比,本文提出的内存管理方案可以提升最高73.3%的系统性能。