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关键词： 迷走神经   神经调控   微电子系统   电刺激动物神经  

摘要： 糖尿病是临床常见的一种代谢性疾病,它通常被认为是由于胰岛素分泌不足或外周组织对胰岛素不敏感引起的,并可能引起各种组织、脏器的长期损害、全面衰竭。据相关机构统计,全球成人患病人数高达4.63亿,而我国是糖尿病患者第一大国,病患人数超过1亿,医疗花销在510亿美元以上。然而,糖尿病目前尚无根治方式。在生活方式干预治疗外,一般的医学治疗方法是口服降糖药物、或者皮下注射人工胰岛素控制患者血糖水平,防止或延缓糖尿病并发症的发生或发展。然而,无论是口服药或者皮下注射都需要每日或每餐长期坚持,给患者生活带来许多不便,部分患者的漏服、拒服或者害怕疼痛拒绝注射等情况给病情控制也带来了很多不确定影响。因此,探索一种非药物的技术治疗糖尿病具有非常重要科学价值、经济价值。神经功能调控技术是与传统临床医学治疗方法不同的一种新的微创疗法,其结合了神经科学、电子信息科学、生物材料学等多学科技术,是目前国际上神经科学与工程领域研究的热点和重点,在瘫痪肢体运动功能重建、抗胃食管反流、难治性癫痫等多种疾病治疗中发挥了显著有效的作用。近年来的医学研究表明,人体血糖的调节以体液调节为主,同时受到神经调节。课题组在2018年首创性提出了基于微电子技术的糖尿病治疗神经调控方法研究思路,即设计一套微电子系统,用与胰岛细胞神经调控。作为该项目前期研究工作的一部分,本论文主要是设计一套可植入式的微电子系统,其具备生物体可植入性、迷走神经电刺激等功能,达到用于迷走神经调控血糖水平的探索性动物实验的目的。本论文的研究内容主要包括:1)基于微电子技术的神经调控方法治疗糖尿病的系统需求分析和设计方案。本论文对糖尿病治疗的研究现状进行调研,针对神经调控胰岛素分泌的理论原理展开系统需求分析,确定选取双相平衡恒流刺激脉冲的调控方式,限定刺激信号的相关特性范围,分析植入式刺激器的体积、电源功能等需求,制订设计方案。2)具有脉冲输出精确控制、电量监测和无线充电功能的植入式迷走神经刺激器的电路设计。本论文按照嵌入式系统开发流程,围绕选定微控制芯片对电路各个模块进行功能设计、芯片选型和仿真实验,包括恒流刺激电路、电源管理电路、无线充电电路等,能够实现刺激信号输出的精准控制,添加设计电量监测反馈功能以利于对体内电池的管理监测。3)植入式迷走神经刺激器的嵌入式软件设计和Android系统手机控制程序设计。本论文结合刺激器硬件系统设计,参考开发例程对系统的嵌入式系统的软件应用进行设计,使用蓝牙通信方式传输字符串的形式完成从体外发送到体内接收与解析的控制,能够精准地控制输出波形的幅值、脉宽、周期等参数。另外设计基于Android系统的手机控制程序,该程序具有友好的人机交互界面,能够简单直观地与刺激产生互动,接收电量信息和发送控制编码。4)系统封装、电学性能测试与动物实验效果验证。本系统选取PDMS材料对刺激器进行封装,确保植入器件在生物相容性等方面的安全要求,并验证植入式刺激器的脉冲输出等电学特性,检验无线充电、电量监测等功能,最后开展以大鼠坐骨神经为电刺激对象的急性动物实验,对植入式系统的功能完整性和实际可操作性进一步验证,使其满足课题用于神经调控胰岛素分泌的实验探索研究的需求。

关键词： 密码学技术   DRE   高效可验证   写入式   零知识证明  

摘要： 民主选举作为一种公平的选举形式,在社会发展中占有重要的地位。随着信息技术的发展及计算机、网络通信技术的广泛应用,电子选举应运而生。电子选举是传统民主选举的电子化,能够实现通过网络完成选举的过程,有较高的效率和灵活性。作为密码学应用的一个重要领域,电子选举系统以密码学理论技术为基础,能够实现安全的电子选举过程中数据传输的安全性和选举结果的公正性,包括隐私性、完整性、可验证性和不可否认性,从而保证选民的权益。起初,可验证的电子选举需要借助可信的计票中心来完成选票的统计操作,以确保选票的安全性和可验证性,但仍然存在一定的安全隐患。随着DRE-i方案的提出,通过用随机因子对选举前所有加密投票进行预计算来移除计票中心的影响,弊端是预计算可能会危及选民隐私。之后提出的DRE-ip方案作为DRE-i方案的改进,可以公开验证选票记录而无需解密选票,实现了无计票中心的端到端可验证性。而且若DRE(Direct Recorder Electronic)设备被完全破坏,统计的完整性也可以保持不变,信息泄露能够被限制在最低限度。因此,DRE-ip方案在极大程度上保证了选举的安全性。但是,由于其采用了同态加密的方式进行计票,因此不支持选民自由填写候选人信息。本文设计实现了一种适合高效可验证的写入式安全电子选举系统,此系统可以在无计票中心的前提下支持选民自由填写候选人信息。本文的主要工作如下:首先,研究现有的基于DRE设备的电子选举系统的投票方案,设计本文电子选举系统的投票方案和具体实施规则。然后,对本文设计的电子选举系统的投票方案所应用的核心加密算法进行研究和实现。其中,选票承诺生成算法基于Pedersen承诺方案并对其进行改进,实现本系统的承诺方案,此承诺方案具有顺序无关性和永久匿名性;选票累计算法基于mix-net混洗方案,实现本系统的匿名投票方案,此方案具有永久匿名性。接下来,对此安全电子选举系统进行流程分析、功能分析和数据库设计。最后,设计良好的用户交互界面,在PC机上实现此安全电子选举系统的管理员端和服务器端,在树莓派上实现此安全电子选举系统的客户端。本文针对所设计实现的安全电子选举系统进行了系统功能测试和性能测试,实验结果表明,该电子选举系统在以写入式添加候选人的同时,能够在理想时间内生成加密参数和加密选票,并能够在有效时间内完成计票。

关键词： 建筑节能   自由冷却   双温度冷源   冰蓄冷   模型预测   全过程优化   深度学习  

摘要： 随着全球气候变暖的加速及其影响范围的逐步扩大,许多国家制定了“碳达峰,碳中和”的目标。建筑行业是高能耗高排放行业,约占全球的40%左右。因此建筑行业的节能减排是实现双碳目标的重要环节。其中,电子洁净厂房能耗是普通商业建筑的30-50倍,因此减少此类建筑的能耗和CO2排放十分必要。空调冷源系统是建筑运行阶段的主要耗能环节,占比达到20%-30%。空调冷源系统的能源效率,系统运行效率和运行中电能的利用效率都会对冷源系统运行能耗、成本以及CO2排放有显著的影响。因此,对复杂建筑冷源系统的设计和运行控制方法进行优化,提升冷源系统各环节效率。大量的研究表明优化空调冷源系统运行控制策略可以显著提高系统的运行效率。然而,这些方法主要集中在优化冷源系统控制策略,而缺乏结合建筑特征对冷源系统设计及运行全过程优化。本课题旨在基于建筑用能特征,研究冷源系统全过程优化控制方法,降低建筑冷源系统运行能耗和费用。分析建筑用冷用能现状是降低建筑运行能耗的基础。在此基础上,从提高冷源系统能源效率,运行效率和经济效益三个层次上分别研究冷源系统设计及运行优化方法,提升系统综合效率。本课题主要研究内容和技术路线如下图所示。首先,基于长期运行数据监测,分析建筑冷源系统用能特征,并基于能流分析发掘设计与运行中的问题,提出对应的优化控制方法。在能源效率方面,本研究基于建筑特征进一步挖掘可利用的低品位自然冷源,并采用实际运行数据定量评估其性能。在确定高能效的冷源系统基础上,运用实测和模拟仿真的相结合的方法,研究适用使用于复杂双温度冷源系统冷负荷分配优化方法。在经济效益方面,提出采用深度学习和物理模型动态仿真相结合的方法优化含有储能装置的冷源系统运行控制。最后,对以上设计及运行节能优化方法总体效果进行评估。通过对天津市某半导体洁净厂房冷源系统长期运行数据监测和分析,获得其用能特征,分析系统运行中存在的问题。针对存在问题,分别从冷源的设计和运行控制两个阶段提出了提升系统运行效率及经济效率的节能措施,实现对复杂冷源系统的全过程优化。在设计阶段,选择高效的冷源是系统节能的关键。长期监测结果显示,电子洁净厂房在冬季仍有较大的冷量需求（约21,704 k W）,这使得采用可再生自然冷源的使用成为可能。在冬季,该冷源系统采用冷却塔与冷机混合运行作为冷源,其能效（COP）平均值可以达到9.95,略低于冷却塔自由冷却系统能效（12.7-2.8）,具有进一步挖掘可利用自然冷源节能的空间。优化系统运行控制方法是运行阶段系统节能的关键。电子洁净厂房室内的显热冷负荷在全年变化不大,新风冷负荷随室外环境变化显著。在夏季最不利条件下,系统的冷负荷可以达到43,734 k W,其中新风冷负荷占49.7%。冷源系统全年耗电量高达47,687MWh。由于电子洁净厂房对室内温湿度控制要求较高,热湿比非常大,而除湿用冷冻水需要具有较低的温度,因此采用双温度冷源系统进行温湿度独立控制。双温度冷源温湿度独立控制系统较温湿度耦合控制的单温度冷源系统能效高。在夏季,中温机组的运行效率COP为4.66,低温机组COP为2.71。相比与传统的单温度冷源系统,双温度冷源系统具有较高能效,但其运行控制更加复杂。双温度冷源系统冷负荷分配包括相同蒸发温度冷机之间和不同蒸发温度冷机之间冷负荷分配,其中不同蒸发温度冷机之间冷负荷分配取决于一次表冷器出口干球温度设定值。目前,在工程应用中常采用固定一次表冷器出口干球温度设定值的方法分配两组冷机之间的冷负荷。这种简单的控制方法没有考虑空气侧的动态处理过程,会导致部分冷源品位的浪费。因此,需要进一步研究双温度冷源系统冷负荷分配优化控制方法。此外,电子洁净厂房用电量大,电厂通常实施动态电价来促进用户调整用电负荷,进而提高发电效率。在峰谷电价机制下,储能装置能够动态调整用户不同时段用电,降低系统运行成本。然而储能装置的增加也导致了冷源系统的运行控制更加复杂。因此,需要进一步研究含有储能装置的能源系统的优化运行控制方法,改变不同时段用能,提升冷源系统运行的经济效益。下面分别介绍以上提出的三方面的研究内容:（一）结合建筑特征挖掘可利用自然冷源针对电子洁净厂房全年供冷的特征,本课题进一步探究冬季可利用的自然冷源。根据调研可以发现电子洁净厂房除了消耗大量的电能外,还消耗大量的水资源。电子洁净厂房的用水量约是普通建筑用水量的19.6倍,其中用于生产工艺冲洗和清洁的超纯水用量占70%。超纯水的制备过程通常需要将原水（自来水）进行预处理、初级处理和抛光精制处理。预处理过程中自来水需要加热到20℃以上,来提高初级处理过程中纯水的产量。在某些特殊的场合中需要将超纯水加热至较高的温度,如70℃。因此冬季纯水制备需要消耗大量的能源加热自来水。考虑到电子厂房同时加热和制冷的需求,本课题提出了基于自来水的自由冷却方法。冬

关键词： 神经肌肉电刺激   微电子肌电桥   动态刺激伪迹   抗刺激伪迹探测前端   肌电控制同侧增强FES   运动功能重建  

摘要： 脑卒中是肢体瘫痪的主要致病因之一,按照肢体瘫痪部位可分为上肢瘫痪和下肢瘫痪,按照瘫痪程度可分为完全瘫痪和不完全瘫痪。上肢和下肢完全瘫痪患者与不完全瘫痪患者都是运动功能康复研究的对象。功能性电刺激(Functional electrical stimulation,FES)是一种利用电刺激诱发瘫痪肢体肌肉收缩从而使患肢完成功能性动作的工程学方法。其中,具有患者自主意识参加的FES能够加强中枢神经的重塑,实现运动功能的康复。对于患侧肢体完全瘫痪的卒中患者,可以利用健侧的运动学信号或生物电信号作为FES的控制源,触发或控制电刺激施加于患侧手臂,从而使得健侧手控制患侧手完成功能性动作。这种FES系统称为对侧控制FES。本课题组前期已经完成了上肢双通道肌电桥的设计,该系统利用偏瘫患者的健侧肌电信号作为控制源编码动态刺激参数的电刺激,刺激偏瘫患者的瘫痪侧手臂,从而使得健康手的指伸与腕伸动作能够在偏瘫手高保真的重建。对于患侧肢体不完全瘫痪的卒中患者,利用患侧肢体肌肉本身尚存的体表肌电(surface Electro-Myo-Graphy,sEMG)作为FES的控制信号源,控制电刺激来加强患肢未完全瘫痪的同一块肌肉的收缩,这种FES系统称为肌电控制的同侧增强FES。对于肌电控制的同侧增强FES研究,最为重要的科学问题是如何使瘫痪患者以近似自然的发力方式控制被刺激肌肉的收缩强度并实现自主康复训练和运动功能恢复。目前肌电控制的同侧增强FES采用的多为固定刺激参数的电刺激,但众多研究指出,根据体表肌电动态编码的电刺激能够准确控制肌肉力量同时降低肌肉疲劳。本课题组在“微电子肌电桥”(简称为肌电桥)技术中提出了一种利用体表肌电动态编码电刺激的方法,但还没有在肌电桥中进行同侧增强的相应的系统设计和研究。针对患侧上肢完全瘫痪的卒中患者,本论文的目的是在课题组前期上肢双通道肌电桥的基础上,参与设计一种上肢穿戴式肌电桥系统帮助患者利用健侧手控制患侧手完成抓握、腕屈、腕伸、指伸四种动作,统计分析肌电探测臂环的最佳佩戴位置,并对上肢穿戴式肌电桥进行临床实验验证。针对患侧下肢不完全瘫痪的卒中患者,本论文的目的是设计出一种下肢同侧增强型肌电桥系统,用于瘫痪下肢背屈动作的加强。由于肌电控制的同侧增强FES的刺激电极与探测电极距离极近,甚至在更小的同一块肌肉上会复用两种电极,所以刺激伪迹严重影响自主肌电的探测,如何去除刺激伪迹对肌电探测的影响是一个核心难点。在肌电控制的同侧增强FES中,刺激伪迹主要包括与电刺激波形相关的初始尖峰和因肌肉运动单元同步活化而产生的肌肉响应信号(Myoelectric signals,简称M波),这两种成分都会干扰自主肌电探测需要去除。本论文结合了探测前端与刺激隔离设计、快速恢复电路、空白电路三种抗刺激伪迹方法去除刺激伪迹。在此基础上,本论文还设计了一种去除肌电中混杂的动态M波的新算法,本算法采用了基于数据库的Gram-Schmidt算法,能够动态实时去除大部分的动态M波。最后再将提取后的体表肌电编码为电刺激脉冲加强同一块肌肉的收缩。该系统能够根据患者的发力意愿调节电刺激节率与刺激强度。为了完成上述两个目的,本论文主要研究内容如下:1.对于上肢穿戴式肌电桥:1)在课题组前期利用线性判别分类器对肌电进行手势动作分类识别的研究基础上,对肌电分类的线性判别算法进行嵌入式编程,使线性判别算法能够在150ms肌电采样窗口内实时运行。2)使用均方根(Root Mean Square,RMS)热图法研究了上肢穿戴式肌电桥在前臂佩戴时的体表肌电分布,结合不同动作下分类的成功率给出了上肢穿戴式肌电桥的最佳佩戴位置。3)通过6名健康人实验以及6名卒中病人的临床实验验证了上肢穿戴式肌电桥的在受控侧重建抓握,指伸,腕屈,腕伸四种手势的功能。2.对于下肢同侧增强型肌电桥系统:1)利用Delsys沿踝关节主动肌的解剖参考线,统计分析了背屈与跖屈的最佳探测位点;利用课题组前期研发的高压恒流电刺激器研究了背屈与跖屈的最佳刺激位点。2)利用自主设计的抗刺激伪迹探测前端采集了动态电刺激的M波。分析了不同刺激强度与刺激间隔下M波的相关性,对比了相同刺激强度下和相同刺激间隔下的M波相关性。3)研究了一种结合探测与刺激隔离和快速恢复与空白法的抗刺激伪迹探测前端,给出了其探测时的基本电气指标,并通过健康人实验对比测试了其与传统抗刺激伪迹探测前端的最短空白时间。4)设计了一种基于数据库的Gram-Schmidt算法(Database based Gram-Schmidt,DBGS),用于去除动态M波。本算法结合了抗刺激伪迹探测前端,通过健康人实验对比了本算法与脉冲触发Gram-Schmidt算法以及经验模式分解算法的M波衰减性能差别。通过健康人实验研究了不同阶数的DBGS在肌电提取性能上的

摘要： Developing sustainable techniques to produce fuels and chemicals is crucial for achieving net-zero carbon dioxide emissions and renewable future. One promising path is to develop electrochemical storage and conversion processes that can (1) transform atmospheric or earth-abundant substances into value-added products by coupling with future very-lowcost but intermittent renewable electricity produced by solar or wind and (2) develop efficient electrocatalytic fuel consumption pathways. The large-scale electrocatalytic processes require high cell efficiency systems but commonly suffer from various unsolved problems. Over the past decade, substantial progress has been made in electrocatalyst design and development; however, elucidating and mitigating electrode mass transport issues and system resistance are equally important and require more research. In Chapter 1, I introduce the background and problems of gas-harnessing and gasgenerating electrocatalytic reactions and discuss current strategies for enabling their use. In Chapter 2, I focus on improving the mass transport of gas reactants to enhance the overall electrocatalytic performance by mimicking the mammalian inhalation process. Nanoporous, hydrophobic, 12-μm-thick pouch-type polyethylene membranes serve as the supports for catalyst deposition while providing drastically improved accessibility to gas reactants, corresponding to an artificial alveolus structure. Such designs maximize the efficiency of the three-phase contact points, featuring excellent electrocatalytic performances even with much lower catalyst loadings. In Chapter 3, I tackle the gas product bubble-induced resistance by mimicking the mammalian exhalation process to enhance electrocatalytic gas evolution performance. By constructing bubble-free gas evolution electrodes, I comprehensively investigate the causes of bubble generation in porous membrane systems and identify three key parameters— membrane permeability, membrane hydrophobicity, and el

关键词： 电子海图   定位跟踪   实时显示   轨迹追踪  

关键词： Wave energy converter  

摘要： Wave energy has great potential but has a high levelized energy cost compared to other renewable energy sources (e.g., solar and wind). Improving the buoy control performance in the wave-to-wire energy conversion would be a straightforward way to increase the wave energy conversion efficiency and decrease the wave energy levelized cost. To improve the buoy control schemes design, the assessment of the state of the art controls and the study of the power take-off (PTO) power loss model are demanded. This dissertation starts with the basic dynamics of the wave energy converter (WEC) buoy and electrical PTO, introduces essential mechanics of the WEC wave-to-wire model composing. Furthermore, the details of the electrical machine control methodologies and the state-of-the-art buoy control schemes are included as well to generate the WEC wave-to-wire control frame. According to the wave-to-wire dynamic model, one fast evaluation methodology for energy extraction potential assessment is introduced. The sea-state-output-power matrices are generated while considering various electrical PTO effects and constraints to obtain electrical output power directly instead of relying on dynamic models propagation. Based upon the fast evaluation methodology, 16-years ground truth ocean wave data is analyzed for solving energy storage system (ESS) sizing problems for off-shore applications. To improve the ESS design reliability, the statistical study is applied as well. To further study the electrical PTO power loss model, the PTO dynamic model is implemented xxxi to the WEC buoy dynamic model. Several state-of-the-art WEC buoy control schemes are applied to the device and the performance is assessed. While considering the PTO copper losses, operation constraints, and the PTO nonlinear power loss model, the results show that the buoy control schemes will be affected significantly by the actual PTO dynamics. By studying the PTO operation efficiency, the possible solutions for improving

关键词： 北斗三号   综合电子   网络化   扩展性   高可靠  

摘要： 作为在轨网络化与智能化信息处理的中心,北斗三号卫星综合电子系统采用分级分布式网络体系结构,以网络化、扩展性、高可靠为原则,实现星座复杂业务信息统一处理和共享。基于标准空间链路协议、空间子网与星内子网分级网络拓扑实现通信网络化,基于接口标准化实现软硬件模块灵活扩展,基于分级故障检测与处置、功能与信道容错、可靠重构与维护及自主健康与任务管理技术保证卫星服务连续性。工程实践表明,北斗三号卫星综合电子系统有力支持分组分批研制及长期可靠智能自主运行,为未来大型复杂航天器电子信息系统的设计提供参考。

关键词： 全电子   高压脉冲   轨道电路   冗余  

摘要： 介绍了一种用于解决站内轨道电路分路不良问题的全电子不对称高压脉冲轨道电路,重点对轨道电路系统结构与原理、脉冲发送及接收设备工作原理、冗余结构、主要技术特点等内容进行了阐述。

关键词： 中国散裂中子源   电子日志   Web服务器  

摘要： 介绍了以ELOG软件为基础,设计的CSNS加速器电子日志系统。该系统使用C语言实现了Web服务器,用户通过Web浏览器进行查看或录入日志,用于记录加速器在建设和运行过程中的各种信息。经过测试,电子日志系统满足需要,系统运行稳定,用户体验好。