EEPW论坛

　　成果一：大数据粮食品质评价

　　项目简介

　　所谓“民以食为天”，粮食的安全储藏对国计民生起到重要的作用。随着世界人口的增加，全世界对粮食的需求随之增加。为了满足粮食的供应，中国政府在全国各地建立大批粮库用来储备粮食。粮食在仓储过程中会因为多种原因而产生变质，最终导致粮食的损失。仓储中粮食的损失已成为全世界广泛关注的问题。

　　因此，对仓储过程中粮食品质的监控至关重要，最常用的粮食品质监测指标为粮食的温度。开发粮食温度场估计技术有助于监测粮食品质的全局变化情况，为粮食品质的实时监控提供准确、全面的信息。

　　现有的温度场估计技术主要有两大类：基于热传递原理的热力学模型和基于传感数据的统计模型。热力学模型是对理想状态下基于传热机理而引起的温度场变化的描述。通过给定初始温度和边界条件，建立三维热力学模型，实现对三维动态温度场的估计。该模型没有考虑在实际工程应用中温度场的变化会受到其他因素的影响而产生的局部变化，对温度场的估计误差较大。统计模型通过无线传感设备采集温度数据，并利用这些数据建立温度场估计模型，实现对温度场的估计。

　　在工程应用中，由于传感器配置成本的限制，在温度场中安装的传感设备数目较少，通过传感设备只能获取一少部分稀疏的数据。同时，传感设备较易发生损坏，导致部分传感器数据缺失或不可用。传感器数据的不足导致该温度场估计技术的精确度大大降低。

　　本技术以国家储备粮库中的储备粮作为研究对象，以粮食温度作为评价粮食品质的指标，提出了一种基于时空动态耦合的三维粮温传感数据分析方法，并建立仓储粮食品质监测平台，实现在粮食贮藏期间对粮食品质的评估和实时监控。通过本技术能够解决目前在工程领域中存在的由于传感器数据不足无法获得准确、全面温度场信息的问题，可以得到温度场的全面而准确的信息，为工程领域中监控、决策等措施提供依据。

　　成果二：基于农业大数据和人工智能的农业 选种决策优化技术

　　项目简介

　　农业是国民经济的基础，在经济社会发展中处于基础性地位，农业生产最重要的产品是粮食。

　　粮食为人类生存发展提供最基本的物质基础，为工业与服务业发展提供最基本的物质保障，同时粮食关系国家安全。然而由于耕地减少、弃耕现象严重、粮食进口依存度上升等原因，我国粮食发展面临的困难和挑战在不断增多。

　　因此，需要实施一系列粮食增产增效措施，其中，构建粮食种植品种组合是一个可行方法。构建粮食品种组合，是一项经济高效的粮食增产措施。由于不同品种对于天气、土壤等产量影响因子的反馈程度不同，利用该属性可以分析得到不同品种在同样自然条件下的差异化产量，将产量负相关性较强的种子组合起来进行种植，可以有效降低该品种组合种植后期望产量的方差，由此对冲由未来天气的不确定性带来的风险，进而实现粮食产量的提升与产量波动的下降。

　　该技术创新性地提出了综合利用大数据分析技术、人工智能神经网络构建农业产量预测模型的思路，设计出基于混合整数二次规划的最优求解策略，创新性地解决了农作物选种最优决策配比的问题。该方案的创新之处在于设计一个协方差矩阵对冲由天气不确定性所带来的风险，同时将大数据技术、人工智能技术与最优化理论方法相结合，研发出针对粮食产量预测与选种优化的决策分析支持工具，具有很强的普适性。

　　成果三：基于系统动力学的四大粮食品种供需预测研究

　　项目简介

　　近年来，受耕地减少、水资源匮乏、气象灾害、农户种植积极性不足以及人口增长等因素制约，我国粮食安全日益面临严峻挑战。

　　国家对保障粮食安全、实现粮食自给给予了高度重视。实现粮食自给的基础是做好国内粮食的供需预测，准确预测未来一段时间我国的粮食产量和市场需求量，才能为我国政府在指导粮食生产、粮食流通、粮食消费等环节提供更多决策支持，更好地保障粮食安全目标的实现。

　　本研究采用基于系统动力学的仿真建模方法，构建了多品种耦合、分消费结构、分城乡区域的我国四大粮食品种（小麦、玉米、稻谷和大豆）供需仿真预测模型。

　　该模型定量化描述了社会经济因素、生产技术因素、自然环境因素和时序因素等对我国四大品种供给的影响规律，以及各品种之间的相互影响关系；系统化研究了我国分消费结构（城乡口粮、饲料粮、工业粮和种子粮）的粮食总需求，并对各消费结构中四大品种的占比进行趋势预测；同时，通过供需与价格的反馈机制得出了我国粮食生产系统与需求系统的相互反馈关系。

　　进一步，为解决上述仿真模型迭代预测过程产生的误差累积问题，提高中长期预测的准确性，本研究引入SPSA优化算法，以最小化5年累积误差为目标函数，寻找预测模型中变量最优的估计参数，并通过大豆种植面积等子模型验证了该优化算法的有效性。

　　与现有的针对国内粮食供需预测的工作相比，本研究构建的仿真模型系统化地研究粮食生产系统与粮食需求系统的相互反馈关系，同时定量化研究了主要粮食品种的相互影响关系，并对粮食消费结构进行细分考虑，更符合我国粮食系统的实际状况，为我国农业生产结构调整优化、粮食消费需求引导以及农业政策制定提供更科学的决策支持。

　　成果四：互联网环境下在线学习和资源动态推荐研究

　　项目简介

　　李克强总理在2015年提出的“互联网+”行动计划，推动互联网、云计算、大数据等现代信息技术与电子商务、医疗、金融等行业的融合。在2016年发布的《十三五规划》当中，明确实施“互联网+”重大工程成为推动商业模式、服务模式以及管理模式创新的重要引擎。

　　另一方面，国家鼓励搭建互联网资源开放共享平台，在互联网企业不断努力下，形成了大量的互联网服务平台，形成了初具规模的互联网服务市场。我国2017年互联网健康医疗用户规模达1.95亿，电子商务用户5.14亿，在线订****使用人数3.34亿。以信息技术为基础的互联网为用户提供了多种多样的服务资源，发挥了资源整合和配置的重要作用。

　　相比于传统线下服务平台，互联网用户可选择的服务类型更加丰富，选择行为更加差异化。如何引导用户理性选择服务，促进资源的合理配置成为互联网平台管理和运营的一个挑战。

　　北京大学工学院的研发团队基于动态规划理论和在线学习方法，研发设计了互联网服务平台中的资源动态推荐算法。通过自动化收集用户选择行为反馈，基于用户选择模型，实现用户行为的动态学习，不断更新用户选择行为模型，并在协同考虑用户行为和供需优化匹配的目标下，实现关键资源的动态推荐。

　　该研究为互联网服务平台提供基于在线线学习的运营优化方案。该研究成果有助于提升互联网服务平台中的用户体验，提升用户满意度，改善优质服务资源的利用。研究为互联网行业企业的产品设计和运营提供量化模型，成果有助于促进互联网医疗、电子商务行业中的供给与需求实时优化动态平衡。

　　成果五：战略物资应急储备优化研究

　　项目简介

　　为应对自然灾害、价格异常波动、战争等突发事件，国家战略物资储备对人民生命安全以及国民经济稳定运行起到重要的保障作用。

　　“国以民为本，民以食为天”，以粮食为例，自2004年起，我国连续14年的中央1号文件以及党的十八大、中央经济工作会议、中央农村工作会议都将国家粮食安全，特别是粮食储备体系列入重要内容。

　　然而战略储备在实际执行过程中仍出现储备成本过高、仓容不足、储备规模不达标、储备结构不合理等问题。北京大学工学院的研发团队针对战略储备应急领域成本控制与应急需求快速响应两方面的现实问题，引入异地存储的优化模式，提出一套基于数据驱动，区域安全差异定量评估与战略储备布局优化决策工具，并设计与开发可视化系统。

　　研究基于数据挖掘方法对每个省份进行安全性评价，考虑了生产量、消费量外、灾害敏感性、应对能力等多类因素的聚类。研究建立了满足响应度、最小化存储成本等约束条件下的规划模型，求解获得战略储备布局结构的最优方案。

　　通过仿真模型模拟应急事件发生，基于规划模型优化求解精准量化评估战略储备方案，在线可视化系统实时展示储备方案及其优化效果。

　　该项目为政府与企业管理部门提供战略储备的量化决策方法，优化的战略储备体系布局将降低成本，保障安全，为应急相应提供评估与优化系统工具。

　　成果六：动力学仿真软件及其工程应用

　　项目简介

　　动力学仿真软件，借助高性能计算机平台对动力学控制方程组进行数值求解，以达到对工程问题、物理现象等进行细致研究的目的。

　　包括结构动力学和流体动力学在内的动力学仿真软件及技术，已经广泛应用于航空航天、国防、汽车、船舶、机械电子、能源等各主要工程领域，成为工程技术人员分析研究技术问题、产品优化设计的重要手段和平台。

　　研发团队在多年基础研究和应用研究工作积累的基础上，开发了具有完全自主知识产权的商用流体动力学（CFD）数值仿真软件。该CFD软件以有限体积法为基础，在吸收现有商用CFD软件技术（如MPI并行计算技术、多重网格加速技术、RANS/DES湍流模型等）的同时，进一步嵌入了多项由北大科研团队独立发展的核心技术，包括：约束大涡模拟方法（CLES）、嵌套网格算法、高精度耦合算法。这些核心技术都是当前国际CFD领域前沿研究的最新成果，可以显著提升CFD软件的计算精度、数值可靠性、特别是模拟复杂湍流分离流的准确性，代表了CFD技术的发展方向。

　　上述CFD软件的开发工作得到了国家工信部重大科技专项的资助，并已开始应用于相关技术装备的研发工作中。近期该仿真软件正在走向航天、国防、汽车、新能源等应用领域。

　　与此同时，研发团队还与相关企业开展技术咨询合作，将动力学仿真技术直接应用于企业相关产品的研发与优化设计过程中。例如，项目组与某风电企业合作，开展适用于低风速风场的风机叶片气动优化设计、风机阵列控制技术优化等；与某大型机电企业合作，开展新一代散热器翅片性能研究与优化设计工作；与某大型客车企业合作，开展客车机舱热管理系统优化设计、乘员舱热舒适性优化设计、整车结构强度与NVH仿真分析及优化设计等工作；与某重型卡车企业合作，开展重卡车架结构强度分析与优化设计工作等。

　　上述项目研发成果在根治企业相关产品固有设计缺陷的同时，极大地推动了企业的产品升级与技术进步。动力学仿真软件，借助高性能计算机平台对动力学控制方程组进行数值求解，以达到对工程问题、物理现象等进行细致研究的目的。包括结构动力学和流体动力学在内的动力学仿真软件及技术，已经广泛应 用于航空航天、国防、汽车、船舶、机械电子、能源等各主要工程领域，成为工程技术人员分析研究技术问题、产品优化设计的重要手段和平台。

　　研发团队在多年基础研究和应用研究工作积累的基础上，开发了具有完全自主知识产权的商用流体 动力学CFD数值仿真软件。该CFD软件以有限 体积法为基础，在吸收现有商用CFD软件技术（如MPI并行计算技术、多重网格加速技术、RANS/DES 湍流模型等）的同时，进一步嵌入了多项由北大科研 团队独立发展的核心技术，包括：约束大涡模拟方法（CLES）、嵌套网格算法、高精度耦合算法。这些 核心技术都是当前国际CFD领域前沿研究的最新成果，可以显著提升CFD软件的计算精度、数值可靠性、特别是模拟复杂湍流分离流的准确性，代表了CFD技术的发展方向。

　　上述CFD软件的开发工作得到了国家工信部重大科技专项的资助，并已开始应用于相关技术装备的研发工作中。近期该仿真软件正在走向航天、国防、汽车、新能源等应用领域。与此同时，研发团队还与相关企业开展技术咨询合作，将动力学仿真技术直接应用于企业相关产品的研发与优化设计过程中。

　　例如，项目组与某风电企业合作，开展适用于低风速风场的风机叶片气动优化设计、风机阵列控制技术优化等；与某大型机电企业合作，开展新一代散热器翅片性能研究与优化设计工作；与某大型客车企业合作，开展客车机舱热管理系统优化设计、乘员舱热舒适性优化设计、整车结构强度与NVH仿真分析及优化设计等工作；与某重型卡车企业合作，开展重卡车架结构强度分析与优化设计工作等。

　　上述项目研发成果在根治企业相关产品固有设计缺陷的同时，极大地推动了企业的产品升级与技术进步。

　　成果七：流动噪声和流动控制在航空航天航 海中的应用

　　项目简介

　　北京大学工学院课题组曾顺利主持完成来自航空航天院所关于高超飞行器、UAV、航空涡扇发动机、和水中装备噪声等的若干工程科学项目并自行设计和建设了系列实验装备，具体有：小型消声室和缩比风扇噪声实验台一座；小型声学水槽一座；自行设计的Beamforming阵列2台。

　　该课题组研究领域涵盖航空航天航海中的流动噪声和流动控制中的科学和工程实际问题，课题组领衔专家ActaMechanicaSinica和 JournalofAeroacoustics编委，曾任总装备部气动噪声与控制重点实验室学术委员、剑桥大学访问副教授（牛顿高级学者）等职，2015年至今连续4年被Elsevier评为年度中国高被引学者（航空航天）。

　　成果八：高超声速转捩边界层气动加热机理 研究

　　项目简介

　　高超音速飞行器是本世纪正在研发的前沿科技新项目，它又被称作“近空间高超音速飞行器（NSHV）”。

　　这种飞行器飞行高度可达离地面20~100km的大气层空间，这一空间位于低轨卫星轨道的下方、一般飞机的飞行高度的上方，包括大气平流层、中间层和部分热层，是尚待开发的近空间区域。

　　从科技的角度分析，高超音速飞行器同时融合了航天和航空的诸多前沿技术，这些前沿技术与传统飞行器技术比较，主要有以下几方面特点：复杂的气动特性；使用超燃冲压发动机；飞行器机体与发动机一体化；飞行器机体与推进系统和飞行器结构动态之间耦合强；飞行器模型非线性度高；飞行器飞行高度、速度跨度大；飞行环境复杂，瞬息万变；气动特性和气热特性变化剧烈；控制精度高，末制导难度大。

　　北京大学工学院研究团队在高超声速转捩边界层气动加热机理研究上取得突破，相关结果发表在流体力学重要期刊PhysicsofFluids:Letters，J.Fluid Mech.,AIAAJ.上，在国际上引起高度关注。国际学界高度评价了该项工作，认为其构建了气动加热新原理，对于改进高超飞行器的设计，提高其安全性具有极为重要的意义。

　　一般认为高超声速边界层中的气动加热来自于壁面摩擦力的剪切做功，该课题组运用多种实验手段在北京大学高超声速静风洞中展开实验，并结合理论和计算方法，发现由包括胀压粘性在内的胀压做功过程会在转捩前期产生剧烈的气动加热，其大小可能超过完全湍流状态下的气动加热值，这一过程与由二次模态波引起的高频压缩——膨胀过程紧密相关。

　　这一重要发现告诉人们，在高马赫数流动中，胀压做功特别是胀压粘性系数的作用不可忽视，准确评估其大小对于高超转捩的理论分析和计算建模具有极为重要的意义。

　　成果九：线性 / 非线性一体化相控阵超声检 测系统

　　项目简介

　　无损检测在现代工业中受到越来越广泛的关注，超声检测方法由于其适用性广、绿色环保等优点，一直以来是应用最广泛的无损检测方法。

　　相控阵超声检测技术具有检测速度快、效率高、缺陷检出率较高、检测方法灵活多样以及适用于狭窄空间等优点，因而近年来在能源、航空、化工以及复合材料和焊接等无损检测领域中得到了越来越广泛的应用。

　　目前，欧美等发达国家已经普遍采用了相控阵超声检测技术。最近几年，国内一些大型电力和石化公司也开始采用相控阵方法进行检测，但所使用的设备均为国外进口，比如加拿大R/DTech公司生产的PipeWIZARD管道相控阵超声检测系统，日本Olympus、美国GE等公司也分别有各自的相控阵超声检测产品。最近几年，国家相关部门也开始对相控阵超声检测技术逐渐重视起来，并于2012年底发布，2013年6月开始实施了国内第一个相控阵超声检测的国家标准－GB/T29302-2012《无损检测仪器相控阵超声检测系统的性能与检验》。

　　国内最近几年陆续有汕头超声、武汉中科仿照国外产品也开发出自己的相控阵超声检测产品，但总体指标和性能与国外产品相比还有一定差距。

　　目前所有的相控阵超声检测产品均采用线性超声模式，只用单极向的负脉冲进行****。线性超声对于微小缺陷，如裂纹、微孔洞的检测结果不是非常理想。

　　随着材料科学的发展，工程实践中对无损检测技术的要求也越来越高，尤其是对微小缺陷、复合材料结构的检测等需求对传统超声相控阵技术的检测能力提出了挑战，将非线性超声检测技术应用于超声相控阵中是解决上述挑战的一种途径。

　　线性/非线性一体化相控阵超声检测系统采用反相脉冲****技术和合成波束技术，在国际上首次实现了线性/非线性一体化的相控阵超声检测系统，开发出具有独立知识产权的便携式相控阵超声检测产品。

　　测试结果表明，非线性相控阵超声检测技术与线性检测技术相比具有空间分辨力高、缺陷分辨力强等优点。该产品的总体性能优于国外目前在售的主流相控阵超声检测仪器。

　　成果十：颗粒材料理论的工程化运用

　　项目简介

　　颗粒材料广泛存在于自然界和人类生活和生产活动中。对其力学性质的研究不仅是当前力学学科的重要基础科学问题之一，也与诸多工程科学技术的发展密切相关，包括沙漠环境下的仿生机器人技术，冲击防护工程，地质灾害防护等。

　　围绕我国探月工程重大项目需求，研究课题组近年来系统开展了与月壤采样密切相关的颗粒物质动态力学性质及其螺旋输动力学行为等方面的研究。研究成果不仅为我国航天工程实现提供了可靠的技术保障，而且在颗粒材料力学理论研究方面取得了一些重要基础性成果。

　　课题组发表在NatureCommunications上的研究工作证实了颗粒材料具有复杂流体的典型特征。通过准静态压入实验，定量表征了介入体在颗粒材料中的阻力-深度特征曲线。

　　并从理论上了证实：通过引入一个与颗粒材料内摩擦角相关联的比例系数，流体力学中的经典阿基米德定律能够用来描述颗粒流的准静态阻力。即介入体准静态运动时所受阻力正比于颗粒密度和排开的材料体积。修正后的阿基米德定律中的比例系数是颗粒材料内摩擦角的强非线性函数。

　　该理论结果不仅能够被课题组自身的实验所证实，而且能够被已有文献的实验结果所验证。

　　该项研究不仅在颗粒材料理论研究方面具有重要的理论价值，而且已应用到探月工程月壤采样钻采工艺规程设计当中。