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量子计算意义范文

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量子计算意义

第1篇

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[11]NARAYANAN A, MOORE M. Quantuminspired genetic algorithms [C]// ICEC96: Proceedings of the 1996 IEEE International Conference on Evolutionary Computation. Washington, DC: IEEE Computer Society, 1996: 61-66.

[12]HAN K H, KIM J H. Genetic quantum algorithm and its application to combinatorial optimization problem [C]// ICEC 2000: Proceedings of the 2000 IEEE Conference on Evolutionary Computation. Washington, DC: IEEE Computer Society, 2000: 1354-1360.

[13]李士勇, 李盼池. 基于实数编码和目标函数梯度的量子遗传算法[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2006, 38(8): 1216-1223.

第2篇

[关键词]高效 复杂 绝对安全

中图分类号:TP39 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2016)10-0295-01

人类的实践活动产生需求,并在具备了一定的技术条件后,就有新的计算机产生。虽然计算机技术取得了非常巨大的进步,但随着人类实践活动的不断拓展,对计算机技术也在不断提出新的需求。现在得到广泛应用的电子计算机提高性能的一个重要途径,就是不断提高集成电路芯片的集成度。但是,受到芯片散热,器件工艺技术及制造成本等因素的制约,芯片集成度的持续提高将会遇到很大的困难,进而影响到计算机速度新的突破。因此量子计算机的研究和探索成为了当今计算机技术发展的一个重要趋势。

基于量子理论的量子计算机,遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。量子计算机源于对可逆计算机的研究。量子计算机应用的量子比特,可以同时处在多个状态,而不像传统计算机那样只能处于0或1的二进制状态。Qubit,是通过囚禁原子技术,降低原子温度让原子保持量子形态。量子的最大特点是其包罗万象,可以根据用户所提取信息而定。这种设置从根本上提升了计算机的运行速度。量子计算机可同时处理0及1以上,只需3个Byte(字节)便可处理1600万项任务,理论上,现时最快的超级计算机需要花10亿年处理那极端复杂的排程运算,量子计算机只1分钟即可完成。

原子的旋转可能向上也可能向下,但不可能同时都进行。对量子来说,原子被描述为两种状态的总和,一个向上转的原子和一个向下转的原子的总和。每一种物体都被使用所有不可思议状态的总和来描述。一串原子排列在一个磁场中,以相同的方式旋转。如果一束激光照射在这串原子上方,激光束会跃下这组原子,迅速翻转一些原子的旋转轴。通过测量进入的和离开的激光束的差异,我们完成了一次复杂的量子“计算”,涉及了许多自旋的快速移动。从数学抽象上看,量子计算机执行以集合为基本运算单元的计算。

一、关于量子计算机在信息传输安全的问题

量子计算机对信息传输的帮助。“就是绝对的安全。”用量子加密通信就能保证绝对的安全!在光缆传输信息的时候,由单个光子作为信息的载体,携带所需的信息。因此从光子角度看。

尝试窃听信息

窃听信息首先就意味着光子被截获,接收方将无法获得信息。按照目前的科技水平,光子的捕获是可行的,但并不能达到窃听信息的目的。

2012年诺贝尔物理学奖得主阿罗什已经发现一种超高Q值的腔体,能够将光子存储在镜子之间,时间超过0.1秒。这就意味着人们对信息的截获,而且并不影响接收端的接受,因为网络信息的传输本身就存在延迟的问题,而且0.1秒人们的感官一般是感觉不到这种细微的差别的。同时这个代价是巨大的,只有著名的学术机构才可能拥有这套设备,并且在上万次的实验中才有可能成功一次。而且将光量子储存在腔体之后,就可以无破坏地对相同的场进行重复测量,将场投影到具有确定光子数数目的状态上(即Fock态),同时可以观察腔体获得或丢失单个光子时引发的光量子跃迁。因此这种信息的捕获和解读并不会影响下文中所提到的光子状态的改变.但是这里又会出现另一个问题,一个光子所携带的信息是有限的,若想同时捕获两个光子的概率为10^(-34),而且捕获一个光子所需的时间为10^(-11)秒。因此,若想捕获由量子计算机传输的全部信息,对于现在的人类来说是完全不可能的,正如潘建伟院士所说,这就是完全的加密。

二、尝试克隆信息

尝试克隆信息则意味着单个光子的状态改变,接收方一样会发现问题。根据海森堡不确定性原理,量子的不可分割和量子的不可克隆,决定了在绝大多数情况下窃听必然被发现(除了上文中提到的特殊情况)。在此基础上,量子密钥分发“一次一密,完全随机”,就保证了加密内容不可破译,也就是理论上的绝对安全。但是还有另一种极为特殊的情况,“除非改变熵增不可减这一宇宙法则被改变,这种逆过程在目前人类所处的三维空间世界里还无法想象,毕竟,多维平行世界目前还无法体验。就如牛顿经典力学适用于低速宏观世界,在高速微观世界就得用爱因斯坦相对论和量子理论一样。至少在目前人类已经感知的世界中,绝对的安全就出现了。

关于量子隐形传态和量子计算。

利用量子纠缠技术,借助卫星网络、光纤网络等信道,传输量子态携带的量子信息。量子态就可以在一个地方消失,不需要任何载体的携带,又在另一个地方瞬间出现。这就可以极大的加快现在的信息传输速度。根据海森堡的不确定性关系,量子本身是可以同时存在于两个地方的。一般情况来说量子波是可以瞬间展开充满宇宙的。

数据是不会丢失的。如果用光子作为信息的载体,就很有可能面临信息的丢失。但是这一点目前可以结合伦纳德・欧拉的最小作用量原理,粒子的运行轨迹是使得此路线上的任何两点之间的作用总是尽可能小。同时加上海森堡的不确定性原理,ΔPΔX~h当量子想要跃迁到更远的地方时,由于量子干涉的规模也会变大,所以量子本身只会运动很小的距离(这是在极大概率下发生的) 。例如,在一个0.0009m2的空间中,让1微克的物体完全移动出去大概需要10^21秒。这个数值是宇宙年龄的1000倍,因此数据的丢失是几乎不会发生的,光子可以几乎按照人们预先设计好的路线,完成信息的传输,因此量子计算机的实现,对信息的传输是绝对安全的。

关于量子通信的实际应用

在量子通信的实际应用中,我们则需要保证终端的安全,身份的安全,传输途径的安全,以及相关软件和云应用环境的安全,因此理论上的绝对安全在实际应用中会受到这样那样的条件限制。

2015年12月11日,谷歌量子人工智能实验室宣布量子计算机最新进展:在两次测试中D-Wave2X的运行速度比传统模拟装置计算机芯片运行速度快1亿倍。

这项突破性的成果打破了业内对于量子计算机真伪的存疑。这次,谷歌和NASA一同证实了量子计算机的可操作性。

由于量子形态的不稳定,量子计算机只是在理论层面可行,加上能够用运用量子计算的算法有限相对编程也较传统计算机难度更大,因此并不具备可行性。这次的2X系统,采用了1152Qubit的架构,对比之前的系统,研发团队重点从提升量子的运行速度转移到保持量子稳定性以提升性能上。

即便克服了量子稳定性的问题,量子计算机在实际落地推广方面会遇到一些实质问题,如何在实验上实现对微观量子态的操纵。已经提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束缚离子、电子或核自旋共振、量子点操纵、超导量子干涉等。很难说哪一种方案更有前景,只是量子点方案和超导约瑟夫森结方案更适合集成化和小型化。也许我们需要一种全新的设计,而这种新设计又是以某种新材料为基础,就像半导体材料对于电子计算机一样。但摩尔定律的失效,对半导体行业和量子计算机的发展无疑又产生了一个更大的障碍。研究量子计算机的目的绝不是要用它来取代现有的计算机,而是为了在某些方面满足人类对实践活动的需要。随着科技的发展,量子计算机将变成可能。

参考文献

第3篇

氨基酸平均分子量等于蛋白质分子量除以氨基酸个数。

20种常见氨基酸的平均分子量138,由于小分子量的氨基酸出现的频率比较大,加权平均分子量为128。

氨基酸是含有氨基和羧基的一类有机化合物的统称,生物功能大分子蛋白质的基本组成单位。氨基酸能在植物或动物组织中合成,可由蛋白质水解得到,在组织的代谢、生长、维护和修复过程中起重要作用。

(来源:文章屋网 )

第4篇

[关键字]矿产资源 储量估算 矿产新规范 矿体圈连

[中图分类号] TD98 [文献码] B [文章编号] 1000-405X(2013)-3-18-1

在我国的地质勘查中,所勘探到的资源储量是其成果的集中体现,矿产资源储量的多少是衡量一个矿山开发与建设以及矿床价值潜力的重要依据,对矿产资源储量的可靠性关系到一个矿山开发与发展的成本,此外对矿产资源的储量是否能正确的估算,以及估算精度怎么样,对矿产资源储量可靠性有直接性的影响,因此,估算矿产资源储量的全过程一定要做到精确。但是,在目前的矿产资源储量估算中,仍然存在着很多问题,其主要原因是对矿产资源新的规范不够了解,尤其对资源储量估算的计算、矿体的圈连以及矿产数位的取舍上存在着严重的偏差。所以,要对这些问题加以注意,确保其估算的精确。这些问题主要包括:

1 矿产资源储量估算的范围

对矿产资源储量进行估算,若为垂向,则要对其埋藏的深度以及起止的高度进行估算,若为平面,则要对对拐点的坐标以及起止的剖面进行估算,同时还要注意矿产资源储量估算过程中的矿体号机矿体数[1]。如果对其估算的范围比矿权的范围大,那么,就要矿产分别进行分内与外的资源储量估算。

2 对矿产工业指标的储量估算

对资源储量估算和对矿体圈定的经济技术指标,就称之为矿床工业指标。对工业指标的确定一方面要对定量规模的、圈定的工业矿体进行考虑,另一方面还要涉及到国家监督管理矿产资源的方向,所以在对矿产资源储量进行估算时,必须与国家相关部门规定及矿产实际情况相适应,要做到这些,就要制定出切实可行的方法[2],具体确定方法如下:

(1)类比法

若邻近矿床的地方有类型相同的、而且具有可比性的其它矿床,那么就可以对这个矿产的工业指标加以使用,同时对相对类型的矿产资源储量进行准确的估算。在对这两种矿床进行类比时,必须要对其矿床外部建设的相似形或一致性和矿床的内部特征予以考虑,如果通过类比法对一般的工业指标和特定工业指标出现形似或者一致的情况下,可以不用对其报批。要不然就得去政府主管部门进行批准。

(2)继承法

若一个矿床被曾经勘查过,而且有相关审批部门下发的特定工业指标,那么,这个工业指标对当前矿床的经济技术指标也相适应,而且可以直接对其进行运用。但是,要对这个工业指标所出自的文件文号、名称、批准的单位以及批准的时间进行详细的说明[3]。

(3)论证法

在对矿产进行勘探以及详查的过程中,通常情况下,还要对矿床的可行性及预可行性研究进行有效的结合,对这个矿床的标准的工业指标进行论证与指定,在对相关的政府部门进行上报并且经过批准之后,将其作为对矿产资源储量估算和对矿体圈定的重要依据。相关的工业指标论证情况,则要交给有可行性研究资格的相关部门完成[4]。

(4)一般法

通常情况下,矿产一般都会选取那些由符合矿种勘测规范及建议,或者由相关政府部门承认的矿床工业指标。而且对其选取的范围必须要比一般浮动指标范围小,对工业具体指标的选取要视矿床的具体情况而定[5]。如果矿床内部及外部条件都比较好时,则要取其下限值,如果矿床内部及外部条件都比较差时,则取其上限值比较合理。这种对矿床选取的界定,使得在其工业指标的确定上无需进行详细的论证,也无需向上级审批,运行的程序比较方便简单。这种取值方式通常情况下比较适用于预查及普查阶段,同时也可以应用于勘测和详查阶段。

3 矿产资源要进行快段划分及储量分类

在对矿体的边界进行确定的前提下,还要依照矿床研究程度及对勘测工程控制程度,此外,还要结合矿体的可行性,根据《矿产资源分类法》,对矿产资源储量的类型进行细致的划分与圈定,还应该对每种资源储量类型及划分条件进行具体的说明,此外,还要对每种类型的资源分布情况在其储量估算表上进行详细的表明[6]。

块段划分矿产资源储量估算,还要对矿石的类型、矿产资源储量的类型以及矿产工程的网度予以考虑。对矿产资源新的规范不够了解,从原则上来说,矿石的类型相同,而且矿产资源的储量类型也相同的矿体,应该按其矿产网度在剖面线上的间距、或者沿着倾斜面按照一个或者数个的矿产开采中段进行快段的划分[7]。待到矿体的品味与厚度达到均匀后,快段的类型如果相同,则可以划大一些,但是要适度。

4 对矿产的资源储量进行估算所要遵循的原则

(1)在对资源储量进行估算中所参与的各个工程在质量上,必须要与相关的规程、规范以及规定相符合。

(2)对矿产资源进行储量上的估算,一定要在对矿床各方面的因素进行综合研究的基础上,按照相关工业给出的指标,在对矿体进行正确圈定的基础上运行。

(3)在对矿产资源的储量进行分类之后,按照其资源和矿体储量的类型以及矿石的类型进行有类别的对其矿床、矿体中含金属量、矿石量以及平均品位进行估算[8]。

(4)在矿产中的混合带、氧化带以及原生带进行发育的过程中,必须要对其资源储量进行有类别的估算。如果混合带没有出现发育的情况,那么可以依照实际情况而定,将其资源划入原声带或者氧化带里,并对其予以估算。

参考文献

[1]刘玉强,张延庆.固体矿产地质勘查资源储量报告编制文件及规范解读[M].北京:地质出版社,2007:493-444.

[2]司雪峰.略谈矿产勘查新规范中存在的几个问题[J].地质找矿论丛,2006(4):299-302.

[3]潘龙驹,杨建功,甘先平等.铜、铅、锌、银、镍、钼矿地质勘查规范(DZ/T0214- 2002)[M].北京:地质出版社,2003,9:156-158.

[4]国土资源部矿产资源储量司.固体矿产地质勘查规范的新变革[M].北京:地质出版社,2003,6:97-98.

[5]杨建力.我国矿产资源储量管理已与国际接轨[J].地质与勘探,2001,37(2):119-120.

[6]杨建力.固体矿产资源储量分类及其类裂条件[J].中国地质矿产经济,2000,13(7):25-29.

第5篇

关键词:江浙沪;银行结算账户;资金往来;实证分析

中图分类号:F830 文献标识码:B 文章编号:1006-1428(2008)03-0084-04

一、上海与江浙两省账户往来情况分析

(一)总体情况

截至2007年9月底,异地注册的单位存款人赴上海开立各类异地银行结算账户共计17333户,其中江苏、浙江两省注册的单位存款人开立的异地银行结算账户分别为2740户和2404户,分别占上海异地银行结算账户总数的15.81%和13.87%。通过账户占比情况反映,目前江浙两省注册的单位存款人赴上海开立的异地银行结算账户约占上海全部异地银行结算账户总数的30%。同期,上海注册的单位存款人赴异地开立各类银行结算账户共计11955户,其中赴江苏、浙江两省开立的异地银行结算账户分别为5296户和2189户,分别占异地银行结算账户总数的44.30%和18.31%。通过账户占比情况反映,目前上海注册的单位存款人赴江浙两省开立的各类异地银行结算账户约占全部异地银行结算账户总数的62.61%。

(二)主要特点

1、GDP与总体银行结算账户流向关联关系。

(1)城市经济发达程度越高,对上海资本的吸引力就越大,GDP成为了判断江浙两省各城市吸引上海资本能力的重要指标。

将上海流入江浙两省主要城市的异地银行结算账户数量的排序情况与江浙两省主要城市的2006年GDP排序(包括人均GDP排序)情况相比较,可以发现一个重要的现象――江浙两省主要城市GDP与上海流入这些城市的异地银行结算账户数量存在明显的正相关关系。这反映出上海资本在向江浙两省流出时,十分关注当地的经济发展水平和投资环境。

其中,苏州、无锡因其与上海较为接近的地理优势和良好的投资环境,成为了吸引上海资本最多的城市。紧随其后的宁波市,由于宁波具有港口地理优势,以及近代甬商赴沪所积淀的两地间深厚的人文和经济联系,使得两地之间形成了很高的文化认同,从而使上海流出资本大量的向宁波聚集。杭州和南京两市作为江浙两省的省会城市,本身就具备较强的经济基础,因而在吸引上海资本方面排名靠前。

(2)城市经济发达程度越高,对上海的投资力度就越大,GDP也是判断江浙两省城市来沪投资意愿和能力的重要指标。

将江浙两省主要城市流入上海的银行结算账户数量的排序情况与江浙两省主要城市的2006年GDP排序(包括人均GDP排序)情况相比较,可以发现这些城市GDP与其来上海开立的异地银行结算账户数量同样存在明显的正相关关系。这反映出江浙两省的对外投资能力与经济发展水平呈正比。

其中,苏州市仍然以21.92%的占比成为来上海开立银行结算账户最多的城市,杭州、温州、宁波、嘉兴则分列二至五位。从上述城市的所属省份来看,除苏州市以外,排名前五位的其他四座城市全部隶属于浙江省。从中可以看出,上述城市的资本对上海的投资意愿和投资能力较强。

2、浙江省与上海异地银行结算账户流入流出数量基本保持平衡;上海流入江苏省异地银行结算账户数量约为江苏省流入上海异地银行结算账户数量的两倍,反映与浙江省相比,江苏省的投资经营环境、商务成本等更吸引上海企业。

截至2007年9月底,浙江省注册的单位存款人赴上海开立各类异地银行结算账户2404户,上海注册的单位存款人赴浙江省开立各类异地银行结算账户2189户,两者数量基本保持平衡。同期,江苏省注册的单位存款人赴上海开立各类异地银行结算账户2740户,上海注册的单位存款人赴江苏省开立各类异地银行结算账户5296户,约为前者的两倍。

从上海江浙两省各省会城市及地市(以下简称各城市)异地银行结算账户流入流出数量合计情况来看,异地银行结算账户流入流出合计数量最多的六个城市依次是苏州、杭州、无锡、宁波、南通、南京,其中上海与苏州异地银行结算账户流入流出数量的占比达总数25.77%。异地银行结算账户流入数量最多的三个城市依次为苏州、杭州、温州,异地结算账户流出数量最多的三个城市依次为苏州、无锡、南通。

从上海与江浙两省各城市异地银行结算账户流入流出数量差额情况来看,上海与江苏省各城市异地银行结算账户流入流出占比差额呈负数,为净流出。上海与浙江省各城市异地银行结算账户流入流出占比差额呈正数,为净流入。

由此看来,地理环境、运输成本、产业结构的趋同性(或差异性)是影响上海与江浙两省各城市经济往来的主要因素。从与上海与浙江省异地银行结算账户流入流出数量相比,反映目前江苏省在投资经营环境上更吸引上海企业。

3、开立异地银行结算账户的单位存款人所属的行业主要集中在“制造业”、“交通运输、仓储及邮政业”、“建筑业”三类。

从异地银行结算账户的单位存款人所属的行业情况来看,2006年1季度至2007年3季度,上海与江浙两省间异地经营的企业主要集中在“制造业”、“交通运输、仓储及邮政业”、“建筑业”三个行业类别,其异地银行结算账户数量占比分别为62.87%、18.37%、15.25%。其中“制造业”的单位存款人开立的异地银行结算账户占比高达62.87%,明显高于其他行业。

(1)跨区域产业专业化分工初步形成,制造业从上海向江浙两省转移现象明显。

上海“制造业”的单位存款人赴江浙两省开立异地银行结算账户的数量占比为67.10%(其中以流向江苏省为主,占总数的73.84%),其中:“制造业”的单位存款,人赴苏州、无锡、常州、温州、嘉兴开立银行结算账户的数量占比较高,其占比达77%以上;江浙两省“制造业”的单位存款人赴上海开立异地银行结算账户的数量占比为50.73%。

截至2007年9月底,上海流入江浙两省制造业企业银行结算账户共计3869户,江浙两省流入上海制造业企业银-彳亍结算账户共计1018户,上海净流出2851户,这反映出目前制造业从上海向江浙两省转移的明显趋势。

从城市分布情况来看,在江浙两省吸收的上海制造业企业账户总量中,苏州和无锡两市分别占了36.11%和13.29%,这反映出苏州和无锡两地在吸引和发展制造业方面相对江浙两省其他城市具有很大的优势。

2005年长江三角洲制造业企业单位数占全国比重32.10%,企业资产占全国比重25.33%。同时,二省

一市的制造产业集聚呈现一定的区域特征,存在三大集聚区,包括沿沪宁高速公路分布的电子信息产品制造加工产业区、以绍兴市为中心的轻纺产业区和以温州为中心的小商品生产产业区。

(2)交通运输业出现跨区域经营趋势,有利于促进区域经济一体化发展。

上海“交通运输、仓储及邮政业”的单位存款人赴江浙两省开立异地银行结算账户的数量占比为17.83%,“交通运输、仓储及邮政业”的单位存款人赴徐州、连云港、盐城、舟山开立银行结算账户的数量占比较高,其占比在50%以上;江浙两省“交通运输、仓储及邮政业”的单位存款人赴上海开立异地银行结算账户的数量占比为19.93%。

“交通运输、仓储及邮政业”的单位存款人跨区域经营,有利于交通运输市场的良性发展,通过市场竞争也有利于降低运输费用。随着运输费用的降低,运输费用较低的产品的生产活动就会呈“雁形状态”从核心地区向周边地域顺次移动。通过对异地银行结算账户开立情况的分析已证明了这一点。

(3)地区建筑业有效服务基础设施建设,跨区域经营有效促进建筑业市场良性发展。

上海“建筑业”的单位存款人赴江浙两省开立异地银行结算账户的数量占比为11.33%;江浙两省“建筑业”的单位存款人赴上海开立异地银行结算账户的数量占比为26.51%,其中:宿迁、连云港、淮安、扬州、绍兴、徐州、南通“建筑业”的单位存款人赴上海开立银行结算账户的数量占比较高,其占比达50%以上。

从异地银行结算账户流量流向情况来看,宿迁、连云港、淮安、扬州、绍兴、徐州、南通等地区的“建筑业”在其当地属于支柱行业,建筑施工企业纷纷跨区域承接建筑施工项目,为二省一市基础设施建设起到了非常重要的作用。

二、上海与江浙两省大额支付系统资金往来情况分析

(一)从上海与江浙两省大额支付系统资金往来总量来看,沪苏资金往来笔数及金额高于沪浙

2006年7月至2007年9月期间,上海与江浙两省之间通过大额支付系统实现资金往来共计1355.45万笔,其中江苏806.97万笔、浙江548.49万笔,两省业务笔数比为16:11;往来业务金额共计59003.09亿元,其中江苏31985.72亿元、浙江27017.37亿元,两省业务金额比为8:7。从中可以看出,上海与江苏省的资金往来高于浙江省。

从上海与江浙两省各城市之间通过大额支付系统资金往来情况来看,资金往来金额最高的五个城市依次是南京、杭州、苏州、宁波和无锡;资金往来笔数最多的五个城市依次是苏州、杭州、南京、宁波、无锡。

(二)从资金流向情况来看,2006年7月至2007年9月,上海对江浙两省呈资金净流出态势

2006年7月至2007年9月,上海通过大额支付系统向江浙两省净流出资金共计1821.07万元。其中,上海向江苏省资金净流出共计674.97亿元,向浙江省资金净流出共计1146.10亿元,分别占江浙两省与上海资金往来金额总额的2.11%和4.24%。

从总体上看,江浙沪三地城市间,大额支付系统最大的几条资金通道其中一个节点均为上海。中心城市与副中心城市及各制造业聚集区的资金往来明显高于其他地区,其基本特征与异地银行结算账户的流量流向情况基本吻合。从而证明长江三角洲“一头两翼”的态势凸显。

三、结论

(一)上海处于“龙头”地位,集聚和辐射作用明显

上海政府协作办的数据显示,目前长江三角洲地区各地流入上海的资金总量已经占全国投资上海的五成以上,江浙两省各类实力强劲的投资公司均开始携巨资进军上海。这使上海在实现以上海为目的地的资金、资本集聚功能的同时,实现以上海为出发点的资金、资本对内地特别是长江三角洲的辐射作用,进一步发挥上海作为金融中心的辐射作用。

(二)地区一体化发展不均衡,江浙两省经济联动不足

从大额支付系统城市间业务笔数和金额来看,江浙两省各城市间资金往来较少,只有南京市和杭州市业务金额排名第20位,且金额远低于其省内部分城市间的业务金额。从而造成长江三角洲地区经济一体化发展不均衡,长江三角洲“一头两翼”的态势凸显,作为副中心城市的南京、杭州等地在其省内具有一定的集聚和辐射功能,但跨省的集聚和辐射功能不明显。

第6篇

关键词:数字水印;独立分量分析;小波分析

中图分类号:TP391 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2010)20-5584-02

An Algorithm of Digital Watermarking Based on ICA

ZHAO Wei, CHEN Wei-jie, CHEN Ren-an

(Chengyi College of Jimei University, Xiamen 361021, China)

Abstract: An algorithm of digital watermarking based on Independent Component Analysis (ICA) is proposed to improve the robustness of digital watermarking. Firstly, At first the original image is decomposed by DWT, then the approximation image is embedded with pre-processed watermark. The watermark is abstracted resorting to Fast Independent Component Analysis (FastICA). The results of emulation under Matlab have demonstrated that the proposed approach is robust against common signal processing such as JPEG compression, noise, cropping and so on.

Key words: digital watermarking; ICA; DWT

1 概述

随着计算机和Internet的普及数字产品的复制和传播变得越来越方便。这就使得数字产品的信息安全问题日益突出。如何有效地防止数据的非法复制和鉴别数字媒体的知识产权,成为亟待解决的问题。数字水印技术应运而生成为研究的热点,是版权保护的有效方法[1-2]。水印的鲁棒性是衡量水印算法性能的一个重要指标,水印在经受大量有意或无意的攻击和失真之后,应该仍然能够提取出水印或者能够证明水印的存在。

数字水印技术按水印嵌入的位置分为空间域算法和变换域算法。空间域算法是将水印直接嵌入到原始图像的空间域上,该算法运算速度快,但鲁棒性较差。变换域算法是将水印嵌入到原始图图像的变换域(DCT域、DFT域、DWT域、ICA域等)上,该算法具有较强的鲁棒性。小波变换因其很好地匹配人类视觉系统特性及与JPEG2000标准相兼容,因此在数字水印上有着广泛的应用。

独立分量分析(ICA)[3]是一种基于高阶统计量的信号分析方法,它可以找到隐含在数据中的独立分量,已广泛应用于信号处理领域,在图像处理方面的应用有:图像特征提取、图像去噪、人脸识别和检测、图像分离、图像水印和遥感图像处理等,并且取得了令人满意的结果[4]。

2 独立分量分析

独立分量分析以非高斯源信号为研究对象,在对它们作统计独立假设条件下,将观测到的多路混合信号变换到相互独立的方向上,使经过变换所得到的各个分量之间不仅正交,而且相互独立。

ICA的数学模型为:假设n个相互独立的源信号s=[s1,s2,…sn]T经过线性系统A混合后得到m个观测信号x=[x1,x2,…xm]T,即:x=As。ICA的3个基本假设如下:1、m≥n,通常令m=n即混合矩阵A为满秩矩阵;2、源信号s的各个分量之间相互统计独立;3、源信号s的各分量最多只允许有一个是高斯分布的。

ICA是在s和A未知并在以上三个假设的条件下,仅通过观测信号x将源信号s估计出来的一种算法。因此ICA的问题可视为求解一个解混矩阵w,使得y=wx=wAs=Gs=的各分量尽可能相互独立,并把y作为源信号s的估计。

常用的ICA算法有:非线性去相关算法、最大似然算法、Jutten-Herault算法以及FastICA[5]算法。FastICA算法因其具有较快的收敛速度,而成为目前ICA使用的主流算法。

3 算法分析

本文提出了一种基于独立分量分析(ICA)的数字水印算法,即将预处理过的水印嵌入到图像的小波低频子图得到含水印的图像,采用FastICA算法提取水印,并对提取出的水印进行适当的增强处理。仿真实验表明,该算法具有较强的鲁棒性。

3.1 水印预处理

为了对提高水印的鲁棒性和隐蔽性,在水印嵌入前先对水印进行过采样和置乱等预处理。过采样即将原始水印按自身进行复制扩展。为了提高水印的安全性及隐蔽性,采用Arnold置乱算法将水印置乱成难以辨认的图像,并将置乱频率f作为密钥k1用于还原水印图像。

3.2 水印嵌入算法

原始图像经过小波变换后,主要能量集中在低频子图,细节部分集中在高频子图。为了提高水印的鲁棒性,嵌入算法(如图1所示)将水印图像嵌入到二级小波分解的低频子图,具体流程如下:1)将水印图像w进行过采样和Arnold置乱处理,得到处理过的水印图像w2;2)将原始图像S进行二级小波分解,并把低频子图LL2作为密钥k2保存起来,用于提取水印;3)将w2嵌入到LL2,即LL2'=LL2+α×w2,其中α为嵌入强度;4)进行逆小波变换即可得到含水印信息的图像S1;

图1 水印嵌入算法 图2 水印提取算法

3.3 水印提取算法

水印提取算法(如图2所示)采用独立分量分析技术从受攻击图S2中提取出水印信息,并通过还原和增强处理,获得效果良好的水印图像。提取算法的具体流程如下:

1)将受攻击的图像进行二级小波分解,得到低频子图LL2”;2)将LL2”与密钥k2视为两个观测信号,利用FastICA算法进行分离变量,得到水印图像w3;3)利用密钥k1对w3进行置乱还原,得到w4;4)将w4中各位置上的水印进行加权平均,各位置上水印的权重相同,得到w5;5)对w5进行平滑和二值化等增强处理,即可得到效果良好的水印图像w’。

4 算法仿真

本文采用256×256大小的Lena图像作为原始图像S(如图3所示),采用36×36大小的二值图像(汉字“水”)作为水印,在Matlab下进行仿真实验。水印嵌入强度α=0.1,含水印的图像S1与S的峰值信噪比(PSNR)为42.9548。由图3可见,人眼不易察觉S与S1间存在差异,说明这种嵌入算法具有较高的隐蔽性。水印及其预处理图像如图4所示,经过扩展及预处理后水印信息人眼根本无法辨别,因而使得水印具有较高的安全性。

对含水印的图像S1进行常用的攻击实验(中值滤波、高斯滤波、盐攻击、裁减攻击),得到受攻击图S2(如图5所示)。表1列出了受攻击图S2与原始图像S的PSNR值。提取出的水印图像如图6所示。

图5 常见攻击获得的图像 图6 从常见攻击中提取的水印图像

表1 本算法对常见方式攻击的鲁棒性检测

采用JPEG压缩方式对含水印图像S1进行攻击,源图像与攻击后的图像的PSNR值如表2所示,提取出的水印图像如图7所示,其中Q为品质因子。

表2 本算法对JPEG压缩的鲁棒性检测

5 结束语

本文提出的一种基于独立分量分析的数字水印算法,具有如下特点:1)由于采用独立分量分析,水印提取过程中不需要原始水印参与;2)水印嵌入在二级小波变换的低频子图,具有较强的鲁棒性;3)水印预处理阶段采用过采样和置乱处理,提高了水印的抗攻击性和安全性;4)水印提取后的增强处理,使得提取出的水印效果良好。仿真实验表明,该算法对JPEG攻击及常见的攻击方式具有较强的鲁棒性。

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[3] 游荣义,.基于小波变换的盲信号分离的神经网络方法[J].仪器仪表学报,2005,26(4):415-418.

第7篇

关键词奇异积分算子;向量值多线性奇异积分算子;有界平均振动空间;广义Morrey空间

The multilinear singular integral operator TA was first introduced by Cohen and Gosselin, which is defined as follows:

TA(f)x=∫RnRm+1(A;x,y)|x-y|mk(x,y)f(y)dy,

where Rm+1(A;x,y)=A(x)-∑|α|≤m1α!DαA(y)(x-y)α, α=(α1,…,αn) denotes a multiindex and |α|=α1+…+αn denotes the order of α. Dα A denote the partial derivative αAα1x1α2x2,…,αnxn,α!=α1!α2!…αn! and (x-y)α=(x1-y1)α1…(xn-yn)αn.

The Lp(p>1) boundedness of the multilinear singular integral operator is proved by the authors of [13]. Later, Hu and Yang proved a variant sharp estimate for the multilinear singular integral operators in [4]. In 2010, Liu considered the multilinear singular integral operators on classical morrey space in [5]. Recently, Du and Huang studied the boundedness of vectorvalued multilinear singular integral operator on variable exponent Lebesgue spaces in [6]. The vectorvalued multilinear singular integral operator is defined as follws:

|TA(f)(x)|s=(∑∞i=1|TA(fi)(x)|s)1s,

where TA(fi)(x)=∫Rn∏lj=1Rmj+1(Aj;x,y)|x-y|mK(x,y)fi(y)dy, and Rmj+1(Aj;x,y)=Aj(x)-∑|α|≤mj1α!DαAj(y)(x-y)α. Let mj be positive integers (j=1,…, l), m1+…+ml=m, and Aj be functions on Rn (j=1,…,l),1

The classical Morrey spaces were originally introduced by Morrey in [11] to study the local behavior of solutions to second order elliptic partial dierential equations. The classical Morrey spaces are defined by the norm fLp,λ:=supx∈Rn,r>0r-λpfLp(B(x,r)), where 1≤p≤∞,0≤λ≤n.

When λ=0, Lp,0(Rn)=Lp(Rn). When λ=n, Lp,n(Rn)=L∞(Rn). If λn, then Lp,λ={0}. The generalized Morrey spaces Mr,φ(Rn) were first defined by Guliyev in [12]. The generalized Morrey spaces recover the classical Morrey spaces, which will be explained in next section.

湖南师范大学自然科学学报第38卷第5期俞飞:向量值多线性奇异积分算子在广义Morrey空间上的有界性1Preliminaries

In this section, we will give some basic definitions and lemmas, which will be used in the proof of our main results.

Definition 1.1Fix ε>0. Let S and S′ be Schwartz space and its dual, T:SS′ be a linear operator. If there exists a locally integrabal function K(x,y) on Rn×Rn\{(x,y)∈Rn×R:x=y} such that T(f)(x)=∫RnK(x,y)f(y)dy, for every bounded and compactly supported function f, where K satises |K(x,y)|≤C|x-y|-n and |K(y,x)-K(z,x)|+|K(x,y)-K(x,z)|≤C|y-z|ε|x-z|-n-ε, if 2|y-z|≤|x-z|. Throughout the paper C will denote a positive constant which may be different from line to line.

Definition 1.2Let mj be positive integers (j=1…,l), m1+…+ml=m, and Aj be functions on Rn (j=1,…,l). For 1

|TA(f)(x)|s=(∑∞i=1|TA(fi)(x)|s)1s,

where TA(fi)(x)=∫Rn∏lj=1Rmj+1(Aj;x,y)|x-y|mK(x,y)fi(y)dy and Rmj+1(Aj;x,y)=Aj(x)-∑|α|

Definition 1.3Let φ(x,r) be a positive measurable function on Rn×(0,∞) and 1≤p

fMp,φ=supx∈Rn,r>0φ(x,r)-1|B(x,r)|-1pfLp(B(x,r))

Note that if φ(x,r)=rλ-np, then Mp,φ(Rn)=Lp,λ(Rn).

Definition 1.4[10]We call function Φ(t) a Young function, if function Φ(t) is a contious, nonnegative, strictly increasing and convex function on [0,∞) with Φ(0)=0 and Φ(t)∞. The Φaverage of a function f over a cube Q is defined as

fΦ,Q=inf{λ>0:1|Q|∫QΦ(|f(x)|λ)dx≤1}.

The examples here are Φ(t)=etr-1 and (t)=t logr(e+t), ・expLr,Q and ・L(log L)r,Q denote Φaverage and average.

In the following, we give some lemmas which will play important roles in proof of our main results.

Lemma 1.1[6]Let 1

|TA(f)|sLp≤C∏lj=1(∑|α|=mjDαAjBMO)|f|sLp.

Remark 1. This Lemma can get from Theorem 2 in [6].

Lemma 1.2[13]Let 1

|f|sL1(Rn)

Lemma 1.3[3]Let A be a function on Rn and DαA∈Λq(Rn) for all α with |α|=m and q>n. Then

|Rm(A;x,y)|≤C|x-y|m∑|α|=m(1|(x,y)|∫(x,y)|DαA(z)|qdz)1q,

where is the cube centered at x with edges parallel to the axes and having diameter 5n|x-y|, Λp(Rn)={f(x),x∈Rn:Λp=supx∈Q(1|Q|∫Q|f(t)|pdt)1p

Lemma 1.4[14](1)For all 1≤p

bBMO≈supB(1|B|∫B|b(y)-bB|p)1p.

(2)Let b∈BMO(Rn). Then there exists a constant C>0 such that

|bB(x,r)-bB(x,t)|≤CbBMOlntr

for 0

Lemma 1.5[7]Let rj≥1 for j=1,…,l and 1r=1r1+…+1r1,b∈BMO. Then

1|Q|∫Q|f1(x)…fl(x)g(x)|dx≤fexpLr1,Q…fexpLrl,QgL(logL)1r,Q

and

b-bBexpL,B≤CbBMO, where bB=1|B|∫Bb(x)dx.

Remark 2. If we use the ball instead of cube, the above results still hold.

2Main result and its proof

Theorem 2.1Let 1

∫∞rlnl(e+tr)φ1(x,t)dtt≤Cφ2(x,r),

then |TA|s is bounded from Mp,φ1(Rn) to Mp,φ2(Rn) for all |f|sLp(Rn)

ProofSet B=(x0,r), 2B=B(x0,2r). Without loss of generality, we may assume l=2. Let j(x)=Aj(x)-∑|α|=mj1α!(DαAj)Bxα, then Rmj+1(Aj;x,y)=Rmj+1(j;x,y) and Dαj=DαAj-(DαAj)B for |α|=mj. We split f into two parts, f=g+h={gi}+{hi}={fiχ2B}+{fiχRn\2B}.

(∑∞i=1|TA(fi)(x)|s)1sLp(B)≤(∑∞i=1|TA(gi)(x)|s)1sLp(B)+(∑∞i=1|TA(hi)(x)|s)1sLp(B):=I+II.

For I, by Lemma 2.1 then we have

I≤(∑∞i=1|TA(gi)(x)|s)1sLp≤C∏lj=1(∑|α|=mjDαAjBMO)|g|sLp=

C∏lj=1(∑|α|=mjDαAjBMO)|f|sLp(2B).

On the other hand,

|f|sLp(2B)≈rnp|f|sLp(2B)∫∞2rdttnp+1≤Crnp∫∞2r|f|sLp(B(x0,t))t-np-1dt.

Then we can get

I≤C∏lj=1(∑|α|=mjDαAjBMO)rnp∫∞2r|f|sLp(B(x0,t))t-np-1dt.

Now let us estimate II

(∑∞i=1|TA(hi)(x)|s)1sLp(B)=

(∑∞i=1|∫Rn∏2j=1Rmj+1(j;x,y)|x-y|mK(x,y)hi(y)dy|s)1sLp(B)≤

C(∑∞i=1|∫Rn∏2j=1Rmj(j;x,y)|x-y|mK(x,y)hi(y)dy|s)1sLp(B)+

(∑∞i=1|∑||=m11!∫RnRm2(2;x,y)(x-y)|x-y|mD1(y)K(x,y)hi(y)dy|s)1sLp(B)+

(∑∞i=1|∑||=m21!∫RnRm2(1;x,y)(x-y)|x-y|mD2(y)K(x,y)hi(y)dy|s)1sLp(B)+

(∑∞i=1|∑||=m1,||=m21!!∫Rn(x-y)+D1(y)D2(y)|x-y|mK(x,y)hi(y)dy|s)1sLp(B):=

I1+I2+I3+I4

We first estimate I1. By Lemma 2.3 and 2.4, we have

Rmj(j;x,y)≤C|x-y|mj∑|α|=mj(1|Q(x,y)|∫Q(x,y)|DαAj-(DαAj)B|qdz)1q≤

C|x-y|mj∑|α|=mj(|3nB(x,y)||Q(x,y)|1|3nB(x,y)|∫3nB(x,y)|DαAj-(DαAj)B|qdz)1q≤

C|x-y|mj∑|α|=mj(1|3nB(x,y)|∫3nB(x,y)|DαAj-(DαAj)3nB(x,y)|qdz)1q+

C|x-y|mj∑|α|=mj(1|3nB(x,y)|∫3nB(x,y)|(DαAj)3nB(x,y)-(DαAj)B|qdz)1q≤

C|x-y|mj∑|α|=mjDαAjBMO+

C|x-y|mj∑|α|=mjDαAjBMO(1|3nB(x,y)|∫3nB(x,y)|ln(e+3n|x-y|r)|qdz)1q≤

C|x-y|mj∑|α|=mjDαAjBMOln(e+|x-y|r),

where B(x,y) is the ball centered at x and has radius r=|x-y|, 3nB(x,y) denote the ball centered at x and has radius r=3n|x-y|.

Notice that x∈B(x0,r),32|y-x0|≥|y-x0|+|x0-x|≥|y-x|≥|y-x0|-|x0-x|≥12|y-x0|. Then by Lemma 2.2,2.3 and 2.4 and Hlder inequality, we have

(∑∞i=1|∫Rn∏2j=1Rmj(j;x,y)|x-y|mK(x,y)hi(y)dy|s)1s≤

C∏2j=1(∑|α|=mjDαAjBMO)(∫Rn{∑∞i=1|ln2(e+|x-y|r)K(x,y)hi(y)s|}1sdy)≤

C∏2j=1(∑|α|=mjDαAjBMO)(∫|y-x0|>2rln2(e+|x-y|r)|f|s|x-y|-ndy)≤

C∏2j=1(∑|α|=mjDαAjBMO)(∫|y-x0|>2rln2(e+|x0-y|r)|f|s|x0-y|-ndy)≤

C∏2j=1(∑|α|=mjDαAjBMO)(∫|y-x0|>2rln2(e+|x0-y|r)|f|s∫+∞|y-x0|dttn+1dy)≤

C∏2j=1(∑|α|=mjDαAjBMO)(∫+∞2r∫2r

C∏2j=1(∑|α|=mjDαAjBMO)(∫+∞2rln2(e+tr)∫2r

C∏2j=1(∑|α|=mjDαAjBMO)(∫+∞2rln2(e+tr)|f|sLp(B(x0,t))t-np-1dt).

So we get

I1≤C∏2j=1(∑|α|=mjDαAjBMO)rnp∫+∞2rln2(e+tr)|f|sLp(B(x0,t))t-np-1dt.

Next, we estimate I2. Applying Lemma 2.2, 2.3 and 2.4 and Hlder inequality, note that 32|y-x0|≥|y-x|≥12|y-x0|,then we obtain

(∑∞i=1|∑||=m11!∫RnRm2(2;x,y)(x-y)|x-y|mD1(y)K(x,y)hi(y)dy|s)1s≤

C∑||=m2DA2BMO(∑∞i=1|∑||=m1∫Rnln(e+|x-y|r)D1(y)K(x,y)hi(y)dy|s)1s≤

C∑||=m2DA2BMO∫Rn{∑∞i=1|∑||=m1ln(e+|x-y|r)D1(y)K(x,y)hi(y)|s}1sdy≤

C∑||=m2DA2BMO∫|y-x0|>2rln(e+x0-yr)|∑||=m1D1(y)||f|s1|x0-y|ndy≤

C∑||=m2DA2BMO∫|y-x0|>2rln(e+x0-yr)|∑||=m1D1(y)||f|s∫+∞|y-x0|dttn+1dy≤

C∑||=m2DA2BMO∫+∞2rln(e+tr)∫2r

C∑||=m2DA2BMO∫+∞2rln(e+tr)∑||=m1D1(y)Lp′(B(x0,t))|f|sLp(B(x0,t))dttn+1≤

C∑||=m2DA2BMO∫+∞2rln(e+tr)∑||=m1(1|B(x0,t)|∫B(x0,t)|DA1(y)-(DA1)B|p′)1p′

|f|sLp(B(x0,t))t-np-1dt≤

C∑||=m2DA2BMO∫+∞2rln(e+tr)∑||=m1(1|B(x0,t)|∫B(x0,t)|DA1(y)-(DA1)B(x0,t)|p′)1p′

|f|sLp(B(x0,t))t-np-1dt≤

C∑||=m2DA2BMO∫+∞2rln(e+tr)∑||=m1(1|B(x0,t)|∫B(x0,t)|(DA1)B(x0,t)-(DA1)B|p′)1p′

|f|sLp(B(x0,t))t-np-1dt≤

C∏2j=1(∑|α|=mjDαAjBMO)(∫+∞2rln2(e+tr)|f|sLp(B(x0,t))t-np-1dt)+

C∏2j=1(∑|α|=mjDαAjBMO)(∫+∞2rln2(e+tr)|f|sLp(B(x0,t))t-np-1dt)≤

C∏2j=1(∑|α|=mjDαAjBMO)(∫+∞2rln2(e+tr)|f|sLp(B(x0,t))t-np-1dt).

Then

I2≤C∏2j=1(∑|α|=mjDαAjBMO)rnp∫+∞2rln2(e+tr)|f|sLp(B(x0,t))t-np-1dt.

Using the same method in proof of I2, we can get

I3≤C∏2j=1(∑|α|=mjDαAjBMO)rnp∫+∞2rln2(e+tr)|f|sLp(B(x0,t))t-np-1dt.

Finally we estimate I4, by Lemma 2.2, 2.3 and 2.4 and Hlder inequality, notice that 32|y-x0|≥|x-y|≥12|y-x0|, then we have that

(∑∞i=1|∑||=m1,||=m21!!∫Rn(x-y)+D1(y)D2(y)|x-y|mK(x,y)hi(y)dy|s)1s≤

C(∑∞i=1|∑||=m1,||=m2∫Rn|D1(y)D2(y)K(x,y)hi(y)dy|s)1s≤

C∑||=m1,||=m2∫|y-x0|>2r|D1(y)D2(y)|1|y-x0|n|f|sdy≤

C∑||=m1,||=m2∫|y-x0|>2r|D1(y)D2(y)||f|s∫+∞|y-x0|dttn+1dy≤

C∑||=m1,||=m2∫+∞2r∫2r

C∑||=m1,||=m2∫+∞2r∫2r

C∑||=m1,||=m2∫+∞2r∫2r

(DA2(y)-(DA2)B)|p′dy)1p′|f|sLp(B(x0,t))t-np-1dt≤

C∑||=m1,||=m2∫+∞2r∫2r

[DA2(y)-(DA2)B(x0,t)]|p′dy)1p′|f|sLp(B(x0,t))t-np-1dt+

C∑||=m1,||=m2∫+∞2r∫2r

[(DA2)Bx0,t-(DA2)B]|p′dy)1p′|f|sLp(B(x0,t))t-np-1dt+

C∑||=m1,||=m2∫+∞2r∫2r

[DA2(y)-(DA2)B(x0,t)]|p′dy)1p′|f|sLp(B(x0,t))t-np-1dt+

C∑||=m1,||=m2∫+∞2r∫2r

[(DA2)B(x0,t)-(DA2)B]|p′dy)1p′|f|sLp(B(x0,t))t-np-1dt:=I14+I24+I34+I44.

For I14, by Lemma 2.5 we have

I14≤C∫+∞2r∑||=m1([DA1(y)-(DA1)B(x0,t)]p′expL1p′,B(x0,t))1p′|f|sLp(B(x0,t))t-np-1

(1L(log L)12p′,B(x0,t))1p′∑||=m2([DA2(y)-(DA2)B(x0,t)]p′expL1p′,B(x0,t))1p′dt≤

C∫+∞2r∑||=m1[DA1(y)-(DA1)B(x0,t)]expL,B(x0,t)|f|sLp(B(x0,t))

∑||=m2[DA2(y)-(DA2)B(x0,t)]expL,B(x0,t)t-np-1dt≤

C∏2j=1(∑|α|=mjDαAjBMO)∫+∞2r|f|sLp(B(x0,t))t-np-1dt.

The estimate of I24 is as follows

I24≤C∑||=m2DA2BMO∑||=m1∫+∞2rln(e+tr)(1|B(x0,t)|∫B(x0,t)|DA1(y)-(DA1)B(x0,t)|p′dy)1p′

|f|sLp(B(x0,t))t-np-1dt≤

C∏2j=1(∑|α|=mjDαAjBMO)∫+∞2rln(e+tr)|f|sLp(B(x0,t))t-np-1dt.

The estimate of I34 is the same as above.

I34≤C∏2j=1(∑|α|=mjDαAjBMO)∫+∞2rln(e+tr)|f|sLp(B(x0,t))t-np-1dt.

Now we estimate I44.

I44≤C∏2j=1(∑|α|=mjDαAjBMO)∫+∞2rln2(e+tr)|f|sLp(B(x0,t))t-np-1dt.

According to the above estimate, we obtain

I4≤C∏2j=1(∑|α|=mjDαAjBMO)rnp∫+∞2rln2(e+tr)|f|sLp(B(x0,t))t-np-1dt.

Thus,

(∑∞i=1|TA(fi)(x)|s)1sLp(B)≤C∏lj=1(∑|α|=mjDαAjBMO)rnp∫+∞2rlnl(e+tr)|f|sLp(B(x0,t))t-np-1dt.

Then according to the condition,

|TA|sMp,φ2=supx0∈Rn,r>0φ2(x,r)-1|B(x,r)|-np|TA|sLp(B(x0,r))≤

C∏lj=1(∑|α|=mjDαAjBMO)supx0∈Rn,r>01φ2(x0,r)∫+∞rlnl(e+tr)|f|sLp(B(x0,t))dt≤

C∏lj=1(∑|α|=mjDαAjBMO)|f|sMp,φ1supx0∈Rn,r>01φ2(x0,r)∫+∞rlnl(e+tr)φ1(x0,t)dtt≤

C∏lj=1(∑|α|=mjDαAjBMO)|f|sMp,φ1.

The proof is completed.

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第8篇

关键词:脑卒中;居家康复;FuglMeyer评定;加速度传感器;遗传算法;极限学习机

中图分类号: TP18; TP391.4

文献标志码:A

Abstract: To realize automatic and quantitative assessment in homebased upper extremity rehabilitation for stroke, an Extreme Learning Machine (ELM) based prediction model was proposed to automatically estimate the FuglMeyer Assessment (FMA) scale score for shoulderelbow section. Two accelerometers were utilized for data recording during performance of 4 tasks selected from shoulderelbow FMA and 24 patients were involved in the study. Accelerometerbased estimation was obtained by preprocessing raw sensor data, extracting data features, selecting features based on Genetic Algorithm and ELM. Then 4 singletask models and a comprehensive model were built individually using the selected features. Results show that it is possible to achieve accurate estimation of shoulderelbow FMA score from the analysis of accelerometer sensor data with a root mean squared prediction error value of 2.1849 points. This approach breaks through the subjective and timeconsuming property of traditional outcome measures which rely on clinicians at hand and can be easily utilized in the home settings.

Key words: stroke; homebased rehabilitation; FuglMeyer Assessment (FMA); accelerometer sensor; Genetic Algorithm (GA); Extreme Learning Machine (ELM)

0引言

随着生活水平的提高和人口老龄化,脑卒中的发病率呈上升趋势,且趋于年轻化,70%~85%首次脑卒中患者留有偏瘫[1]。据统计[2],我国每年新增250万例脑卒中患者,死于脑卒中相关疾病者达120万~150万,另外还有700万发生脑卒中后存活下来,其中约75%遗留不同程度残疾,40%为重度残疾,这些高发病率、高死亡率和高致残率给社会和家庭带来沉重的精神压力和巨大的经济负担。

与下肢相比,上肢运动更为精细且恢复缓慢,因此,脑卒中后上肢运动功能的康复一直是一个重要的问题,21%的脑卒中患者不能够达到上肢功能的完全恢复[3]。近年来,随着远程医疗技术、康复机器人技术和虚拟现实技术等的发展,居家康复越来越受到人们的关注,并且有文献报道[4],居家康复可以获得和住院康复一样的效果。然而,如何有效监测并评价患者居家康复进程和功能状况以帮助康复医师进一步制定个体化的康复治疗方案,一直是居家康复发展的瓶颈。目前临床上应用最多的脑卒中偏瘫运动功能评价方法是FuglMeyer量表,它要求患者进行一系列动作,依靠评测者的徒手操作和观察来检查不同恢复阶段的肢体反射状态、屈伸协同运动和选择性分离运动,属于主观评定。大量应用研究[5]显示,该量表敏感、可靠,但项目繁多,评测费时,且需要治疗师或康复医师的参与,这在一定程度上限制了其在居家康复中的应用。因此,在居家康复治疗中更为理想的评价方法是简洁、客观、定量的自动评价。由多个传感器节点组成的无线躯体传感网(Wireless Body Sensor Network, WBSN)可实现运动功能评估的自动化和定量化,国外已有大量研究将其用于老年人和慢性病患者的居家监护[6]。Uswatte等[7-8]通过对169名脑卒中患者的研究发现,加速度传感器可以捕获反映上肢运动功能障碍程度的临床相关信息;Patel等[9]用加速度传感器来自动估计Wolf运动功能评价量表(Functional Ability Scale of Wolf Motor Function Test, WMFTFAS)得分。但将运动传感器与临床评估量表相结合的研究国内还鲜有报道。

为了进一步实现居家康复评估的自动化和定量化,本文提出了一种利用加速度传感器实现FuglMeyer量表自动评估的方法,以期可以更为客观、定量地反映患者上肢运动功能状况。从上肢FuglMeyer评定(Upper Extremity FuglMeyer Assessment, UEFMA)肩肘部分中选取4个动作,用固定于患者偏瘫侧前臂和上臂的两个加速度传感器采集患者动作数据,基于遗传算法和极限学习机建立UEFMA肩肘部分得分自动预测模型。

采用由两个三轴加速度传感器节点和一个接收节点组成的WBSN系统进行数据采集,其中加速度传感器的灵敏度为±6g,采样率为40Hz。采集过程中,两个传感器节点分别固定于患者偏瘫侧前臂和上臂,x轴平行于手臂,如图1。对于选取的4个动作,患者在康复医师指导下先做1~2次,熟悉后开始正式采集,每个动作根据病人身体状况重复3~5次,加速度传感器采集到的病人动作数据经ZigBee无线传输到PC客户端,完成数据的可视化及分类存储。

3.3预测及结果分析

各动作选取的最优特征集为自变量,对应得分为因变量,归一化后输入ELM模型。激活函数选择Sigmoidal函数,隐层节点数设为10。首先用单个动作来预测FuglMeyer肩肘得分,然后考虑到FuglMeyer量表是经过多年临床验证的标准量表,其各动作之间并没有太大的相关性,用其中一个动作的数据来预测总的得分势必会带来较大误差,而将4个动作单独预测的结果进行加权平均可以对UEFMA肩肘部分得分进行更为精确的预测。为此,对于每个患者,将单个动作预测结果与医生打分之间建立回归关系得到最终的综合预测模型,并将综合预测结果与单个动作预测结果进行对比。图4所示为用留一交叉验证法(Leaveonesubjectout crossvalidation,即轮流取其中一名患者为测试集,其余为训练集)对24名患者分别采用单个动作模型和综合模型预测的结果,可以看出,与单个动作预测相比,综合预测的误差相对较小且分布较集中。表3列出了24名患者各自预测误差的均方根值(RootMeanSquare Error, RMSE)和标准差(STandard Deviation,STD),除动作1外,其余三个动作单独预测的RMSE值均超过了10%,而采用综合预测模型,预测RMSE值可以减小至2.1849分,占总分的7.3%,小于任一单个动作预测的误差,且综合预测误差的标准差最小,说明综合预测模型更稳定,这一结果与图4一致。

目前,P. Bonato小组[6,9,13]在将运动传感器用于临床评估方面做了较多研究,但他们主要针对Wolf运动功能测试(Wolf Motor Function Test, WMFT);文献[13]采用6个加速度节点采集数据,选取单个WMFT动作,建立多元线性回归模型对FuglMeyer量表肩肘部分得分进行预测,最小预测误差为2.35分;文献[9]利用同样的采集装置,选取8个WMFT动作对FAS量表得分进行自动预测。然而,WMFT往往需要患者具有较高的运动协调能力,且需要一定的工具才能完成测试,在我国临床上极少使用,进行居家康复的患者也较难完成。本文直接从FuglMeyer量表中选取动作,采用更少的传感器节点(2个)对FuglMeyer量表肩肘部分得分进行预测,获得了更为精确的预测结果。与WMFT相比,从FuglMeyer量表中选取的动作可由患者直接完成,无需任何额外的实验条件,在居家康复评估中更易实现。

4结语

本研究将运动传感器与临床评估量表相结合,采用4个动作对UEFMA肩肘部分得分进行精确的自动预测,突破了传统评定中主观性、耗时性的限制及对康复医师或治疗师的依赖性,初步显示加速度传感器可以用来自动预测FuglMeyer上肢运动功能评定量表肩肘部分得分,实现康复评估的自动化、客观化和定量化。在居家康复或社区康复中,患者通过佩戴加速度传感器,可以精确记录训练过程中上肢运动功能的实际情况,反馈给远程的康复医生以帮助医生制定个体化、专业化的康复治疗方案,使患者上肢运动功能得到最大限度的恢复,同时也可以用于不同康复治疗技术的疗效评估。但还缺少腕手功能的评定,将来的工作中,将使用能反映腕手功能状态的传感器(如弯曲度传感器)采集腕手动作数据,建立模型对FuglMeyer腕手部分得分进行预测,以便更全面、细致地反映患者整个上肢运动功能。

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第9篇

Abstract: This paper proposed a digital audio watermarking algorithn of wavelet domain self-synchronization based on mean quantization. The algorithm is a blind detection algorithm to detect without the original audio signal. The algorithm introduced the idea of mean coefficient quantization,after wavelet decomposition of the audio signal,on which the low frequency coefficients were meanly quantified and watermark was embedded;and introduced the idea embedded synchroization signals,using synchronous signal to locate the watermark embedding position to resist translation,cutting and other attacks. Experimental results show that the algorithm has strong robustness and anti-aggressive.

关键词: 音频水印;小波变换;均值量化;同步信号;鲁棒性

Key words: audio watermarking;wavelet transform; mean quantization; synchronizing signal; robustness

中图分类号:TP391文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)16-0154-02

0引言

随着网络技术与多媒体技术的飞速发展,互联网已成为传播各种知识和信息的重要途径,但随之而来的盗版问题和版权纷争已成为一个迫切需要解决的社会问题。数字水印技术目前被公认为是解决版权问题的一种有效方式,它可以声明数字产品的所有权、识别购买者或提供和内容相关的信息。数字音频水印嵌入算法是音频信号水印处理技术中重要的组成部分。数字音频水印的最重要的特性是不可听性和鲁棒性。在常见的数字音频水印技术中,变换域音频水印算法由于对一些压缩格式的数字音乐制品进行版权保护的需要取得了很大的进展。在该算法研究中,文献[1]提出了一种利用小波变换的音频水印算法,这种算法隐藏的水印具有较强的隐蔽性和鲁棒性。文献[2]提出一种基于量化的小波域数字音频水印算法,该算法调制信号通过量化处理过程嵌入到离散小波变换后的系数中,提取水印信号无需使用原始数字音频信号。本文提出了一种基于DWT域的音频水印算法。该算法引入了系数均值量化的思想,通过量化的方法将每个水印比特位嵌入到一组小波系数的平均值中,为了达到较好的鲁棒性,对DWT域的低频系数进行量化;并且引入了嵌入同步信号的思想,利用同步信号来定位水印的嵌入位置,以抵抗平移裁剪等攻击。实验表明该算法鲁棒性、抗攻击更强。

1均值量化原理

设由K个小波系数构成的集合为{x0,…,xK-1},其均值为=x。假设在均值中利用量化的方法嵌入一个水印比特w∈{0,1}所引起的误差为,即嵌有一个水印比特w后的K个信号的均值为=+,由此可知,K个小波系数的集合中的所有单个系数也将进行相应的修改,即x=x+,i=0,…,K-1(1)

其中,x是指某个被修改后的系数值。假设嵌有水印的信号在传输过程中受到了一定的攻击,攻击对每个信号产生的误差为δ,即攻击后K个小波系数中某个小波系数为=x+δ,i=0,…,K-1,则攻击后K个小波系数的均值为==+。假设δ~N(0,σ),即δ服从均值为0,方差为σ的高斯分布,K个服从高斯分布的随机变量其平均值仍然服从高斯分布,但是方差缩小了K倍,即~N(0,)。因此,均值量化与单个系数量化的方法相比,可以减少由于攻击所造成的系数改变量的方差,提高算法的鲁棒性。图1给出了小波系数改变量的统计分布。

2同步信号的选取和判定

本文采用m序列作为同步信号,首先把m序列{cn}(cn=1,0)转化成m序列{c}(c=1,-1),即c=2c-1。

假设{a}和{b}(a,b=1,-1)是具有相同周期T的两个m序列,则它们的自相关系数定义为

ρ(τ)=ab-τ(2-1)

m序列{a}的自相关系数定义为

ρ(τ)=aa-τ(2-2)

m序列的自相关系数有如下性质:

ρ(τ)= 1,τ=0-1/T,τ≠0(2-3)

设{a}是作为同步信号的原始m序列,{b}是一待检验的序列,如果ρ(0)n/T,则判定{b}是一个同步信号,其中n是一个通过大量实验所得的阈值,取奇数,如果待检验序列有(T+n)/2个相同,就认为{b}是一个同步信号。

3水印嵌入算法

3.1 水印的预处理为了提高数字水印算法的鲁棒性,使得所加入的水印能够抵抗剪切、重采样等信号处理方法的攻击,同时为了达到安全和保密的目的,文中使用Arnold变换对二值图像进行置乱变换,其中变换次数作为密钥key。将二维水印嵌入到一维的数字音频信号中,要进行降维处理。另外,为了进一步提高抵抗剪切、平移等去同步攻击能力,需在嵌入序列中添加一同步序列。在此处采用m序列作为同步信号。这样,最终嵌入音频信号序列的组成结构图如图2所示,其长度为m序列和水印序列之和。

3.2 音频信号分段设A表示含有L个采样数据的原始数字音频信号,它可以表示为:A={a(l),0l

其中a(l)∈{0,1,2…,(2p-1)}是第l个数据的幅度值,p为每个数据用的比特数。将原始音频信号分成两部分,水印嵌入相关部分Ae和水印嵌入无关部分Ar,即A=Ae+Ar(3-2)

假设每个音频段数据个数为L,音频数据总数为N,在每个数据段中嵌入一个像素值,则为了嵌入所有M1×M2个水印像素点,原始音频Ae数据个数必须满足:

NM1×M2×L(3-3)

将用于嵌入水印的音频Ae分成M1×M2段

Ae={Ae(k),0k

3.3 每段音频做小波分解对嵌入水印相关音频Ae选择合适的小波基进行离散小波变换,本文选取Daubechies-4小波基,对相关音频进行三层小波分解,即

D=DWT(Ae)=CD1CD2CD3CA3(3-5)

3.4 低频系数均值量化后把水印嵌入由于音频信号的能量大多集中在低频分量上,稳定性好、抵抗噪声等信号处理的能力较强。为了保证水印的鲁棒性,选择CA3作为水印嵌入区域,其系数记为X={aa∈CA,i=0,…,M-1},M为子带CA3的系数总和,即完成了水印的嵌入。

3.5 小波逆变换得到含水印的音频信号用嵌入水印得低频系数CA代替原来的CA,细节分量CDi(i=1,2,3)保持不变,得到嵌入后小波变换域表示式,

A=IDWT(CD1CD2CD3CA)(3-6)

最后进行小波重构,用含有水印的音频信号A代替原始的音频信号A,无关部分A不变,得到含有水印的音频信号A,

A=A+A(3-7)

4水印提取算法

4.1 音频信号分段按照嵌入时的方法将待检测的音频信号A分成水印嵌入相关部分A和水印嵌入无关部分A,即

A=A+A(4-1)

其中A={A(k),0k

4.2 分段小波变换对音频相关部分A选择和嵌入水印相同的小波基――Daubechies-4小波基进行三层小波变换,选择变换后的近似分量系数做下一步处理,其中小波变换的结果为:

D=DWT(A)=CDs1CDs2CDs3CA(4-2)

4.3 提取水印选取低频分量CA,采用与嵌入时相同的处理方式对CA组成的系数集划分成阵列,求出列的均值。设所求均值(l),从(l)中提取水印序列{w′(l)}。即:

w′(j)=(l)/Q1+1/2%2l=0,…,L-1(4-3)

4.4 升维并逆置乱对提取的一维水印比特V′(l)进行升维处理得到的是一副杂乱无章的图像w(i,j),然后,通过对这幅杂乱无章的图像根据密钥key进行Arnold逆置乱操作即可得到水印图像。

W′={w′(i,j),1iM1,1jM2}(4-4)

5仿真实验及结果分析

实验中,取量化精度为16位、采样率为44100Hz、911757个采样点,播放时间为21秒的一段乐曲作为原始信号。采用一幅64 ×64的带有“音频水印”字样的二值图像作为水印信号。同步信号周期为63的m序列,量化步长为0.2,音频数据嵌入水印后感觉不到差异。

为了测试水印的鲁棒性,对嵌入水印的音频信号进行一般的信号处理操作:低通滤波、重采样、重量化、叠加噪声、有损压缩。

该算法对mp3压缩有很强的鲁棒性,当压缩至32kbps时,依然能检测到水印。

6结束语

本文提出了基于均值量化的小波域自同步数字音频水印算法,每个水印比特位通过量化的方法嵌入到一组小波系数的平均值中,水印的提取不需要原始音频信号。实验结果表明,基于均值量化的水印系统总体性能相对于基于一般量化的水印系统有了较大的提高,即在没有引入感知噪声的情况下,水印系统的鲁棒性得到了很好的改善。该算法具有以下特点:该算法是一种盲检测算法,检测时不需要原始音频信号;引入了系数均值量化的思想,音频信号进行小波分解后,对其中的低频系数进行均值量化,嵌入水印;引入了嵌入同步信号的思想,利用同步信号来定位水印的嵌入位置,以抵抗平移、裁剪等攻击。

参考文献:

第10篇

关键词:网络容量扩充;移动办公;提高老旧写字楼竞争力

中图分类号:TP393 文献标识码:A 文章编号:1007-9599 (2012) 11-0000-02

一、前言

计算机网络已经成为决定一个公司企业能否正常运转的重要因素,计算机网络公司企业领导和员工获取资源和信息的主要途径之一,它能把企业中的从事行政管理、生产、销售、售后、研发活动的人员紧密地联系在一起,在企业生产以及创造利润中的作用与地位日益显著。因此,如果没有计算机网络,有相当一部分公司企业尤其是从事金融、贸易、物流行业的公司企业将无法运转。但很多写字楼或办公场所由于建设之初采用的是有线计算机网络布线,从实践结果来看,由于目前网络是“有线”的,所以在后期使用过程中会出现很多困难。例如,有些位置信息点数量无法满足实际需要导致进驻的公司无法人手一个信息接入点;有些地方信息点的位置跟公司企业办公室计划的办公桌摆放位置冲突最终导致这些公司企业不得不妥协;由于有线接入的信息点位置固定无法调整导致进驻公司的办公室内部装修受到各种限制;由于写字楼已投入使用楼内布线通道已经被各类线缆占满导致无法为扩充网络容量新增信息点进行楼内布线等等。而上述这些都可以通过合理的部署无线网络来解决。

此外随着信息技术的飞速发展,公司企业对于网络的依赖性相当之高,“随时随地获取信息”已成为公司企业的新需求。但是,传统的有线网存在着诸多“网络盲点”,比如许多不宜网络布线的场馆设施如何联网?在会议室等场合如何突破网络节点限制、实现多人同时上网的问题?便携电脑、IPAD、智能手机等移动智能终端的使用的日益增长,造成有线网络远远不能满足公司企业领导和员工“随时随地”获取资源和信息的需求。因此,通过wlan无线计算机网络的建设是解决上述矛盾主要途径。

二、公司企业WLAN应用分析

随着传统局域网络已经越来越不能满足人们的需求,于是无线局域网(Wireless Local Area Network)WLAN应运而生且发展迅速。近年来无线局域网的技术产品逐渐走向成熟,正以它优越的灵活性和便捷性在网络应用中发挥日益重要的作用。WLAN网络以其灵活性、移动性、易于部署等特点能有效解决前言中描述问题,必将逐渐成为企业部署网络的一种主流技术。

对于大型写字楼的办公环境来说,架设无线网络,是从扩容现有网络容量、实现网络信号在写字楼内全覆盖、解决楼内移动办公和提高工作效率出发的,其带来的网络延伸性和便捷移动性是无可比拟的,诸如公司内部的在线会议、网络电话、都将会方便很多,如果同时实现FMC(有线与无线的融合网络),则对于跨地区或跨国企业的通信成本将大为减少。

大型写字楼的WLAN无线网络建设可以分利用现有固定有线网络资源,在写字楼内原有网络的基础上仅增加AC设备、AP设备、网管系统、POE交换机等WLAN相关套件,构建完美的WLAN网络覆盖,为企业和员工提供良好的无线网络应用环境。

三、公司企业WLAN无线网络的应用需求

每个公司企业根据自身的业务需要对计算机网络的具体要求也各不一样,但在安全性、可靠性、用户管理和计费认证这些方面的需求总体上是一致的,下面我们从这几方面来分析一下在WLAN无线网络建设过程中需要注意的问题。

(一)基于个人用户的运营管理

由于大型写字楼内有很多个公司企业,因此部署WLAN无线网络系统需要支持运营管理功能,能够根据单个用户实现用户管理,包括:认证、计费、安全控制、QoS控制等。此外还需支持数据、语音等多种业务,有其它智能业务扩展能力,如多媒体业务、精准的无线物理定位功能、无线视频、无线对讲功能等。

(二)满足企业特点的安全和可靠性

大型写字楼内针对多个公司企业的WLAN无线网络建设的目标是建设一个可管理、可运营网络,这样的定位对网络的可靠性、安全、加密和非授权用户的控制提出了更明确的要求,因此在建设大型写字楼内WLAN无线计算机网络时就必须保证WLAN无线网络的网管系统必须具备以下功能:

1.支持精确的无线入侵、射频干扰、非法AP定位和隔离。

2.冗余的中央服务控制保证企业复杂接入环境的安全无线接入。

3.访客隔离机制,保证访客用户与公司企业网用户的隔离。

4.同时支持端到端的网络可靠性保证技术。

(三)满足生产、运营网络要求的运维和管理

大型写字楼内无线网络规模大、环境复杂,因此无线网络系统应该支持高效的运营网络级的管理功能,方便未来无线网络的运维管理。因此必须结合写字楼内已有的有线计算机网络建设可分级的一体化网络管理系统,使有线、无线网络管理相结合,集中与分布式管理相结合,为运营维护提供高效率和低成本。

(四)支持用户全网漫游

由于大型写字楼的楼层多、楼内办公面积,因此在写字楼内部署的WLAN无线网络必须支持用户全网快速、安全、无缝漫游,保证用户在楼内移动过程中可以保证IP地址不变、网络连接不间断、应用会话不间断,从而保证用户网络应用在移动中的不间断性。

第11篇

[关键词] 咪唑斯汀;过敏性鼻炎;微量元素;特异性免疫球蛋白E;嗜酸性粒细胞阳离子蛋白;炎性因子

[中图分类号] R765.2 [文献标识码] A [文章编号] 1673-7210(2013)03(a)-0099-03

过敏性鼻炎是临床高发病,其治疗方法较多,多数效果不甚理想。国内外的较多研究认为,此类疾病与患者机体中的较多检测指标有一定的相关性,其中微量元素及炎性因子,还有其他较多指标均是对疾病诊断和发展转归有较高检测价值的指标,因此认为其可以作为了解治疗干预方案是否有效的检测项目[1-2]。本研究就咪唑斯汀对过敏性鼻炎患者血清元素及特异性免疫球蛋白E(sIgE)、嗜酸性粒细胞阳离子蛋白(ECP)、炎性因子的影响进行分析探讨,并将分析步骤及结果报道如下:

1 资料与方法

1.1 一般资料

选择2010年6月~2012年5月重庆医科大学附属永川医院收治的84例过敏性鼻炎患者,将其分为对照组(42例)和观察组(42例)。对照组中男23例,女19例;年龄15~71岁,平均(34.1±5.2)岁;病程10.0~88.5个月,平均(45.3±3.7)个月。观察组中男24例,女18例;年龄16~72岁,平均(34.3±5.1)岁;病程11.0~88.0个月,平均(45.5±3.6)个月。两组患者的男女所占比例、年龄及病程比较,差异均无统计学意义(均P > 0.05),具有可比性。

1.2 方法

1.2.1 治疗方法 两组患者均无1个月内用药治疗史。对照组采用伯克纳进行治疗,以伯克纳鼻喷雾剂进行喷鼻治疗,2揿/次,2次/d,较为严重者可加至3~4次/d。观察组则采用伯克纳联合咪唑斯汀进行治疗,伯克纳用药方法与对照组一致,同时给予咪唑斯汀10 mg/次口服,1次/d。两组均根据治疗情况治疗7~14 d。后将两组患者的治疗总有效率及治疗前,治疗后7、14 d的血清锌(Zn)、铜(Cu)、锰(Mn)、sIgE、ECP及白介素4(IL-4)、白介素6(IL-6)、白介素8(IL-8)、肿瘤坏死因子α(TNF-α)、γ干扰素(IFN-γ)水平进行比较。

1.2.2 检测方法 两组患者均于用药前1 d空腹状态下采集静脉血5.0 mL进行检测血清Zn、Cu、Mn、sIgE、ECP及IL-4、IL-6、IL-8、TNF-α、IFN-γ,其中血清Zn、Cu、Mn采用DS-3B微量元素分析仪进行检测;sIgE及ECP则采用上海逸晗生物科技有限公司的sIgE ELISA试剂盒及ECP ELISA检测试剂盒进行检测;IL-4、IL-6、IL-8、TNF-α、IFN-γ则均采用上海丽臣生物科技有限公司的相应酶联免疫定量试剂盒进行检测,最后将上述所有检测项目所得检测数据进行统计分析。

1.3 疗效评价标准

以经治疗后患者的所有症状体征消失,同时实验室检测指标均恢复正常为显效,以患者所有症状体征及实验室检测指标均明显改善为有效,以患者所有症状体征及实验室检测指标均无改善、轻微改善或加重为无效[3],且以显效例数和有效例数相加之和为总有效例数。

1.4 统计学方法

软件包为SAS 8.0,计量资料采用均数±标准差(x±s)表示,组间比较采用t检验,重复测量的计量资料采用重复测量方差分析,以P < 0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组临床疗效比较

治疗后7、14 d统计数据显示,观察组的总有效率显著高于对照组,差异有统计学意义(P < 0.05)。

2.2 两组治疗前后血清微量元素及sIgE、ECP比较

观察组患者治疗前的血清Zn、Cu、Mn、sIgE及ECP与对照组比较,差异均无统计学意义(均P > 0.05),而治疗后7、14 d观察组血清Zn高于对照组,Cu、Mn、sIgE、ECP低于对照组,差异均有统计学意义(均P < 0.05)。见表2。

2.3 两组治疗前后炎性因子指标比较

治疗前两组患者的IL-4、IL-6、IL-8、TNF-α及IFN-γ比较,差异均无统计学意义(均P > 0.05),而治疗后7、14 d观察组血清IL-4、IL-6、IL-8、TNF-α及IFN-γ低于对照组,差异均有统计学意义(均P < 0.05)。见表3。

3 讨论

过敏性鼻炎是由IgE介导的I型变态反应性疾病,临床发病率较高,且具有反复发作的特点,严重影响到患者的生存状态。另外,较多研究认为本类疾病发生过程中多种免疫活性细胞和细胞因子等均发生一定的变化[4]。另外,国内外一些研究认为[5-6],机体某些微量元素的异常与本病有较为明显的相关性,其中Zn的降低和Cu、Mn的升高可导致机体功能的异常,甚至影响到机体的免疫状态,因此患者更易发生一些疾病。再者,临床中对于sIgE及ECP在本病患者中存在异常升高的情况已经基本得到肯定[7-8],均与其特异性抗原引起的免疫性反应有关,其在疾病发生的过程中起到敏感症状介质的作用。同时,较多研究显示,此类患者存在明显的炎性指标的异常升高的状况,其中IL-4、IL-6、IL-8、TNF-α及IFN-γ均是临床研究基本肯定的参与本病的指标[9-10]。综合这些因素认为,上述项目均可在患者治疗的过程中给予细致的监测,以利于了解病情的发展转归。

伯克纳是临床中对于过敏性鼻炎治疗较受肯定的药物之一,其为糖皮质激素类药物,主要为通过收缩皮肤血管来达到抗炎及抗过敏的作用,从而对过敏性鼻炎发挥治疗效果。咪唑斯汀是临床中较为常用的一类治疗变态反应的药物,具有抗组胺和抗变态反应活性,还可抑制活化的肥大细胞释放组胺以及抑制嗜中性粒细胞等炎症细胞的趋化作用,而这些作用均有效针对了过敏性鼻炎的发病机制,因此认为效果较为可靠。

本研究就咪唑斯汀对过敏性鼻炎患者血清元素及sIgE、ECP、炎性因子的影响进行观察,以从这些指标的变化方面进一步了解咪唑斯汀的疗效,结果显示,加用咪唑斯汀的患者较未加用咪唑斯汀的患者,其血清微量元素及sIgE、ECP、炎性因子的变化幅度更大,且这些变化呈现出持续性,因此从这些方面肯定了其疗效。

综上所述,本研究认为咪唑斯汀对过敏性鼻炎患者血清元素及SIgE、ECP、炎性因子的影响较为明显,其可有效改善患者的疾病状态。

[参考文献]

[1] 赵红,张华.咪唑斯汀治疗季节变应性鼻炎180例[J].第四军医大学学报,2008,29(6):3.

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[3] 张清全,杨清,孙勇,等.新疆维、汉人群变应性鼻炎患者血清IL-4和IFN-γ水平及其与鼻粘膜嗜酸性粒细胞浸润的相关性[J].中国免疫学杂志,2012,28(4):355-356.

[4] 陈涛,蒋科会,聂孝敏.变应性鼻炎患者血浆P选择素及ECP的测定及其意义[J].贵州医药,2010,34(6):533-534.

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[9] Arshi S,Nabavi M,Babaie D,et al. Exercise induced changes in spirometry and impulse oscillometry measurements in persistent allergic rhinitis [J]. Iran J Allergy Asthma Immunol,2012,11(3):259-266.

第12篇

[关键词] 血液回收;控制性降压;异体输血;脊柱;外科;脑组织氧合;乳酸代谢

[中图分类号] R331.1 [文献标识码] A [文章编号] 1674-0742(2015)05(c)-0005-03

[Abstract] Objective To investigate the value of autologous blood recovery combined with controlled hypotension technology in reducing allogeneic blood transfusion, and analyze its effect on brain tissue oxygenation and lactic acid metabolism in patients with spinal surgery. Methods 80 cases with spinal surgery admitted from January 2013 to December 2014 were randomly and equally divided into two groups, the observation group and the control group. The observation group were given autologous blood recovery combined with controlled hypotension, while the control group were given conventional autologous blood recovery. The intake and output of the two groups in peri-operation were compared. The hemoglobin (Hb), cerebral oxygen consumption level [C(a-jv)O2], cerebral oxygen extraction rate(CERO2), arteriovenous blood lactic acid content (ADVL) before operation, immediately after and 24h after operation were counted and calculated and compared. The mean arterial pressure (MAP) after stable was also compared. Results The volume of blood loss, drainage and urine during operation between the groups showed no significant difference (P>0.05), but the volume of allogeneic blood transfusion in the observation group was significantly less than that in the control group (P0.05), but immediately after operation and 24h after operation, Hb in the observation group was significantly higher than that in the control group(P0.05). But the CERO2 immediately after operation and 24h after operation in the observation group was significantly lower than that in the control group(P

[Key words] Blood recovery; Controlled hypotension; Allogeneic transfusion; Spine; Surgery; Brain tissue oxygenation; Lactic acid metabolism

脊柱外科手术多为大型手术,手术时间长、创伤大,且术中出血量极大,为保证安全,必须行有效的术中及术后补血[1]。但异体输血可能导致溶血、异体免疫等并发症,且可能存在血源不足的问题,故目前有研究推荐应用自体血液回收[2],且指出联合应用控制性降压能够更显著地减少异体输血量[3]。然而控制性降压为非生理状态,有可能导致重要脏器缺血,造成其它严重并发症。为验证两种异体输血方法联用的安全性,该研究以脑组织氧合和乳酸代谢为例,进行对比分析,报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

纳入符合上述要求患者80例,行随机数字表法均分为两组。观察组40例,男女比例13:7,年龄33~71岁,平均(53.2±7.1)岁;对照组男女比例14:6,年龄36~73岁,平均(53.7±7.6)岁。

1.2 方法

患者均行脊柱后路减压植骨内固定术治疗,行气管插管全麻,手术方案基本一致。对照组予常规自体血液回收;观察组联合应用自体血液回收及控制性降压技术。

1.2.1 控制性降压 术中予硝酸甘油(国药准字H20057880,1 mL:5 mg)持续静脉泵入,速度0.5~5 μg/(kg・min),使MAP逐渐、缓慢降低至基础值的70%,期间根据生命体征调整给要速度,至主要操作结束后,立即停止给药。

1.2.2 自体血液回收 血液回收机为国产自体-2000型,创口血液经管道通过滤网存储至储血器,管道配套连接抗凝药滴管,持续提供肝素生理盐水(2 500 U肝素:500 mL生理盐水)。肝素生理盐水与血液混合比例1:5。行清洗式血液回收,洗出后血液即刻回输,仪器参数均为出厂设置。

1.3 纳入标准

ASA Ⅰ~Ⅱ级,脊柱骨折,行外科手术治疗者;术前实验室检查指标正常;未合并严重器质性疾病、血液系统疾病、内分泌系统疾病、心血管疾病等,符合手术指征;术中失血超过500 mL;知情同意;入院时间在2013年1月―2014年12月间。该研究已获得院伦理委员会批准。

1.4 统计项目

①分别于术前、术后即刻、术后24 h行颈静脉逆行穿刺、采集血液标本行血气分析,检测统计对象颈静脉血氧分压、颈静脉血氧饱和度、颈静脉球血乳酸含量;动脉穿刺,检测统计对象动脉血氧分压、动脉血氧饱和度、动脉血乳酸含量。参考Fick公式计算上述时刻脑动脉血氧含量、颈静脉球血氧含量、脑氧耗[C(a-jv)O2]、脑氧摄取率(CERO2)、动静脉血样乳酸含量差(ADVL);②统计围术期出入量,包括失血量、引流量、异体输血量、尿量;③统计术前、术后即刻、术后24 h血红蛋白(Hb)水平;④统计术中持续性降压稳定时平均动脉压;⑤统计围术期不良反应。

1.5 统计方法

应用SPSS 19.0统计学软件处理数据,计量资料按均数±标准差(x±s)表示,行t检验。

2 结果

2.1 围术期出入量对比

观察组手术时间(4.0±0.8)h对比对照组(4.0±0.6)h,差异无统计学意义(P>0.05)。两组围术期除异体输血量外,其它统计项目差异无统计学意义(P>0.05),见表1。

2.2 脑组织氧合和乳酸代谢对比

两组C(a-jv)O2、ADVL在各时间点对比,差异无统计学意义(P>0.05),但观察组术后即刻、术后24 h CERO2均明显低于对照组,差异有统计学意义(P

2.3 围术期Hb及MAP变化对比

观察组术后即刻及术后24 h Hb明显高于对照组,差异有统计学意义(P

2.4 围术期不良反应对比

观察组围术期未出现不良反应,术后无严重并发症;对照组数学期间出现过敏性发热1例、荨麻疹1例,对症处理后均好转,术后亦无严重并发症。

3 讨论

相较异体输血,自体血液回收有显著优势,如可避免血源短缺、免疫相关并发症等,故已得到全面普及,但实践表明,即便行自体输血,患者围术期可能还需要补充异体血,这可能与集体应激、创伤等因素有关[4],并提示还需通过其他策略进一步减少异体血输注量。研究结果显示,观察组手术时间(4.0±0.8)h对比对照组(4.0±0.6)h,差异无统计学意义(P>0.05)。两组围术期除异体输血量外,其它统计项目差异无统计学意义(P>0.05)。该例对照组仅行自体血液回收,围术期消耗异体血(2.5±0.6)U,而观察组在此基础上联合行控制性降压技术,异体血消耗量下降至(0.6±0.2)U,可见控制性降压有助于进一步减少异体输血量。

然而控制性降压状态下,机体血流灌注异常下降,可能影响重要脏器新陈代谢,考虑到脑组织在人体内新城代谢率最高、对缺氧较为敏感[5],该研究认为分析患者脑组织氧合和乳酸代谢可能有助于评价自体血液回收联合控制性降压对机体缺氧、缺血的影响,结果则显示观察组脑组织氧储备良好,乳酸代谢亦无明显变化。此结果较为合理,主要是因为本研究以颈静脉球血气参数、Fick公式计算脑组织氧合及乳酸代谢,而颈内静脉球部血不包含颈外静脉血,多来自大脑半球。

两组C(a-jv)O2、ADVL在各时间点对比,差异无统计学意义(P>0.05),但观察组术后即刻、术后24 h CERO2均明显低于对照组,此差异有统计学意义(P

CERO2则与Hb差异无关,此指标仅与有氧代谢及脑血流量有关,因此能更清楚地反映患者脑氧代谢情况。观察组在术后即刻及术后24 h该指标更低,这说明观察组减少异体输血的策略能够减少脑神经细胞从动脉血氧中摄取氧,从而改善微循环,增加脑组织氧供,查本俊等人的亦得出了相似的结论[8]。对照组此指标术后上升,则表明脑氧代谢高,可能出现脑缺氧问题。本例术中及术后未出现明显并发症,则提示只要掌握输血指征,保证红细胞水平,无论是何种输血方案,均有较高的安全性,这与其他研究结果类似[9-10]。

ADVL则反应无氧代谢程度,该指标越高,无氧代谢率越高。本研究结果指出两种输血方案下,患者ADVL并无明显差异,说明联合应用控制性降压及自体血液回收,并不会导致脑组织无氧代谢增加。

由上述3指标的变化,能够看出两种减少异体输血量的策略联用,不仅能够协同降低异体输血量,还不会严重影响脑氧供需平衡。为明确两种策略对机体循环的影响,本研究还直接检测了患者的Hb及MAP变化,研究结果显示,观察组术后即刻及术后24 h Hb明显高于对照组,差异有统计学意义(P

[参考文献]

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第13篇

论文摘要:将量子化学原理及方法引入材料科学、能源以及生物大分子体系研究领域中无疑将从更高的理论起点来认识微观尺度上的各种参数、性能和规律,这将对材料科学、能源以及生物大分子体系的发展有着重要的意义。

量子化学是将量子力学的原理应用到化学中而产生的一门学科,经过化学家们的努力,量子化学理论和计算方法在近几十年来取得了很大的发展,在定性和定量地阐明许多分子、原子和电子尺度级问题上已经受到足够的重视。目前,量子化学已被广泛应用于化学的各个分支以及生物、医药、材料、环境、能源、军事等领域,取得了丰富的理论成果,并对实际工作起到了很好的指导作用。本文仅对量子化学原理及方法在材料、能源和生物大分子体系研究领域做一简要介绍。

一、 在材料科学中的应用

(一)在建筑材料方面的应用

水泥是重要的建筑材料之一。1993年,计算量子化学开始广泛地应用于许多水泥熟料矿物和水化产物体系的研究中,解决了很多实际问题。

钙矾石相是许多水泥品种的主要水化产物相之一,它对水泥石的强度起着关键作用。程新等[1 ,2]在假设材料的力学强度决定于化学键强度的前提下,研究了几种钙矾石相力学强度的大小差异。计算发现,含Ca 钙矾石、含Ba 钙矾石和含Sr 钙矾石的Al -O键级基本一致,而含Sr 钙矾石、含Ba 钙矾石中的Sr,Ba 原子键级与Sr-O,Ba -O共价键级都分别大于含Ca 钙矾石中的Ca 原子键级和Ca -O共价键级,由此认为,含Sr 、Ba 硫铝酸盐的胶凝强度高于硫铝酸钙的胶凝强度[3]。

将量子化学理论与方法引入水泥化学领域,是一门前景广阔的研究课题,它将有助于人们直接将分子的微观结构与宏观性能联系起来,也为水泥材料的设计提供了一条新的途径[3]。

(二) 在金属及合金材料方面的应用

过渡金属(Fe 、Co、Ni)中氢杂质的超精细场和电子结构,通过量子化学计算表明,含有杂质石原子的磁矩要降低,这与实验结果非常一致。闵新民等[4]通过量子化学方法研究了镧系三氟化物。结果表明,在LnF3中Ln原子轨道参与成键的次序是:d>f>p>s,其结合能计算值与实验值定性趋势一致。此方法还广泛用于金属氧化物固体的电子结构及光谱的计算[5]。再比如说,NbO2是一个在810℃具有相变的物质(由金红石型变成四方体心),其高温相的NbO2的电子结构和光谱也是通过量子化学方法进行的计算和讨论,并通过计算指出它和低温NbO2及其等电子化合物VO2在性质方面存在的差异[6]。

量子化学方法因其精确度高,计算机时少而广泛应用于材料科学中,并取得了许多有意义的结果。随着量子化学方法的不断完善,同时由于电子计算机的飞速发展和普及,量子化学在材料科学中的应用范围将不断得到拓展,将为材料科学的发展提供一条非常有意义的途径[5]。

二、在能源研究中的应用

(一)在煤裂解的反应机理和动力学性质方面的应用

煤是重要的能源之一。近年来随着量子化学理论的发展和量子化学计算方法以及计算技术的进步,量子化学方法对于深入探索煤的结构和反应性之间的关系成为可能。

量子化学计算在研究煤的模型分子裂解反应机理和预测反应方向方面有许多成功的例子, 如低级芳香烃作为碳/ 碳复合材料碳前驱体热解机理方面的研究已经取得了比较明确的研究结果。由化学知识对所研究的低级芳香烃设想可能的自由基裂解路径,由Guassian 98 程序中的半经验方法UAM1 、在UHF/ 3-21G*水平的从头计算方法和考虑了电子相关效应的密度泛函UB3L YP/ 3-21G*方法对设计路径的热力学和动力学进行了计算。由理论计算方法所得到的主反应路径、热力学变量和表观活化能等结果与实验数据对比有较好的一致性,对煤热解的量子化学基础的研究有重要意义[7]。 转贴于

(二)在锂离子电池研究中的应用

锂离子二次电池因为具有电容量大、工作电压高、循环寿命长、安全可靠、无记忆效应、重量轻等优点,被人们称之为“最有前途的化学电源”,被广泛应用于便携式电器等小型设备,并已开始向电动汽车、军用潜水艇、飞机、航空等领域发展。

锂离子电池又称摇椅型电池,电池的工作过程实际上是Li + 离子在正负两电极之间来回嵌入和脱嵌的过程。因此,深入锂的嵌入-脱嵌机理对进一步改善锂离子电池的性能至关重要。Ago 等[8] 用半经验分子轨道法以C32 H14作为模型碳结构研究了锂原子在碳层间的插入反应。认为锂最有可能掺杂在碳环中心的上方位置。Ago 等[9 ] 用abinitio 分子轨道法对掺锂的芳香族碳化合物的研究表明,随着锂含量的增加,锂的离子性减少,预示在较高的掺锂状态下有可能存在一种Li - C 和具有共价性的Li - Li 的混合物。Satoru 等[10] 用分子轨道计算法,对低结晶度的炭素材料的掺锂反应进行了研究,研究表明,锂优先插入到石墨层间反应,然后掺杂在石墨层中不同部位里[11]。

随着人们对材料晶体结构的进一步认识和计算机水平的更高发展,相信量子化学原理在锂离子电池中的应用领域会更广泛、更深入、更具指导性。

三、 在生物大分子体系研究中的应用

生物大分子体系的量子化学计算一直是一个具有挑战性的研究领域,尤其是生物大分子体系的理论研究具有重要意义。由于量子化学可以在分子、电子水平上对体系进行精细的理论研究,是其它理论研究方法所难以替代的。因此要深入理解有关酶的催化作用、基因的复制与突变、药物与受体之间的识别与结合过程及作用方式等,都很有必要运用量子化学的方法对这些生物大分子体系进行研究。毫无疑问,这种研究可以帮助人们有目的地调控酶的催化作用,甚至可以有目的地修饰酶的结构、设计并合成人工酶;可以揭示遗传与变异的奥秘, 进而调控基因的复制与突变,使之造福于人类;可以根据药物与受体的结合过程和作用特点设计高效低毒的新药等等,可见运用量子化学的手段来研究生命现象是十分有意义的。

综上所述,我们可以看出在材料、能源以及生物大分子体系研究中,量子化学发挥了重要的作用。在近十几年来,由于电子计算机的飞速发展和普及,量子化学计算变得更加迅速和方便。可以预言,在不久的将来,量子化学将在更广泛的领域发挥更加重要的作用。

参考文献:

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[9]Ago H ,Kato M,Yahara A K. et al. Journal of the Electrochemical Society, 1999, 146(4):1262

第14篇

关键词:计算科学 计算机科研 计算工具

理论研究科学既有深厚的科学意义,又具备丰富的应用功能,是最基本的计算机科学的组成部分,在国际上一直很受重视,但在国内却是大家不太了解的领域。

据了解,从1998年成立至今,微软亚洲研究院已经确立了五大研究方向,涵盖多媒体、数字娱乐、用户界面、无线及网络技术和互联网搜索与挖掘等领域。本次成立的理论研究组将与原有的五个研究组平行运作,为他们提供理论方面的支持,帮助他们进一步拓展研究的深度和广度。

首先,先谈谈关于计算科学与计算机发展。

第一,计算的本质以及远古的计算工具。抽象地说, 所谓计算, 就是从一个符号串f变换成另一个符号串g。比如说,从符号串12+3变换成15就是一个加法计算。如果符号串f是x2,而符号串g是2x,从f到g的计算就是微分。定理证明也是如此,令f表示一组公理和推导规则,令g是一个定理, 那么从f到g的一系列变换就是定理g的证明。从这个角度看,文字翻译也是计算,如f代表一个英文句子, 而g为含意相同的中文句子, 那么从f到g就是把英文翻译成中文。这些变换间有什么共同点?为什么把它们都叫做计算?因为它们都是从己知符号(串) 开始, 一步一步地改变符号(串) , 经过有限步骤, 最后得到一个满足预先规定的符号(串) 的变换过程。

从类型上讲, 计算主要有两大类::数值计算和符号推导。随着数学的不断发展, 还可能出现新的计算类型。早在公元前5世纪,中国人已开始用算筹作为计算工具,并在公元前3世纪得到普遍的采用,一直沿用了二千年。同时还把算法口诀化,从而加快了计算速度。

第二,近代计算系统与电动计算机和电子计算机。近代的科学发展促进了计算工具的发展:在1614年,对数被发明以后,乘除运算可以化为加减运算,对数计算尺便是依据这一特点来设计。1620年,冈特最先利用对数计算尺来计算乘除。1850年,曼南在计算尺上装上光标,因此而受到当时科学工作者,特别是工程技术人员广泛采用。机械式计算器是与计算尺同时出现的,是计算工具上的一大发明。帕斯卡于1642年发明了帕斯卡加法器。在1671年,莱布尼茨发明了一种能作四则运算的手摇计算器,是长1米的大盒子。自此以后,经过人们在这方面多年的研究,特别是经过托马斯、奥德内尔等人的改良后,出现了多种多样的手摇计算器, 并风行全世界。

20世纪初,电子管的出现,使计算器的改革有了新的发展,美国宾夕法尼亚大学和有关单位在1946年制成了第一台电子计算机。电子计算机的出现和发展,使人类进入了一个全新的时代。它是20世纪最伟大的发明之一,也当之无愧地被认为是迄今为止由科学和技术所创造的最具影响力的现代工具。

第三,摩尔定律与计算的极限。人类是否可以将电子计算机的运算速度永无止境地提升?传统计算机计算能力的提高有没有极限?对此问题,学者们在进行严密论证后给出了否定的答案。如果电子计算机的计算能力无限提高,最终地球上所有的能量将转换为计算的结果――造成熵的降低,这种向低熵方向无限发展的运动被哲学界认为是禁止的, 因此, 传统电子计算机的计算能力必有上限。

而以IBM研究中心朗道(R.Landauer)为代表的理论科学家认为到21世纪30年代,芯片内导线的宽度将窄到纳米尺度(1纳米=10-9米), 此时,导线内运动的电子将不再遵循经典物理规律――牛顿力学沿导线运行,而是按照量子力学的规律表现出奇特的“电子乱窜”的现象,从而导致芯片无法正常工作;同样,芯片中晶体管的体积小到一定临界尺寸(约5纳米)后,晶体管也将受到量子效应干扰而呈现出奇特的反常效应。所有的美妙都是彼此联系和有意义的

第四,量子计算系统。量子计算最初思想的提出可以追溯到20世纪80年代。物理学家费曼RichardP.Feynman曾试图用传统的电子计算机模拟量子力学对象的行为。他遇到一个问题:量子力学系统的行为通常是难以理解同时也是难以求解的。以光的干涉现象为例,在干涉过程中,相互作用的光子每增加一个,有可能发生的情况就会多出一倍,也就是问题的规模呈指数级增加。模拟这样的实验所需的计算量实在太大了,不过,在费曼眼里,这却恰恰提供一个契机。因此,只要在计算机运行的过程中,允许它在真实的量子力学对象上完成实验,并把实验结果整合到计算中去,就可以获得远远超出传统计算机的运算速度。

量子计算的出现,则彻底打破了这种认识与创新规律。它建立在对量子力学实验的在现实世界的不可计算性。试图利用一个实验来代替一系列复杂的大量运算。电子计算机和互联网的出现,大大加强了人类整体的科研能力,那么,量子计算系统的产生,会给人类整体带来更加强大的科研能力和思考能力。不仅如此, 量子计算系统会更加深刻的揭示计算的本质, 把人类对计算本质的认识从牛顿世界中扩充到量子世界中。

再次,关于理论计算机科学研究提速

据了解,从1998年成立至今,微软亚洲研究院已经确立了五大研究方向,涵盖多媒体、数字娱乐、用户界面、无线及网络技术和互联网搜索与挖掘等领域。本次成立的理论研究组将与原有的五个研究组平行运作,为他们提供理论方面的支持,帮助他们进一步拓展研究的深度和广度。

第一,理论研究科学深厚的科学意义和具备丰富的应用功能。理论研究科学既有深厚的科学意义,又具备丰富的应用功能,是最基本的计算机科学的组成部分,在国际上一直很受重视,但在国内却是大家不太了解的领域。直到2004年,计算机理论学界大师姚期智从任教多年的普林斯顿大学回归清华大学时,才算刚刚起步。

微软亚洲研究院院长沈向洋认为,理论研究组的意义在于,从科研角度来讲,理论相当于底层的基础支撑,丰富的、有深度的、坚实的理论资源将使基础研发走得更快更远。他表示,对于微软亚洲研究院来说,促进地区整体科研实力的提高是其使命之一。理论研究组的成立,除了为研究院其他组的研究以及微软产品的研发做好坚实的理论储备,进一步促进研究院的发展和创新外,还希望能和清华大学等科研院所一道促进理论计算机科学在中国的研究与发展。

第二,理论计算机科学研究的机会与挑战。理论计算机科学怎样才能够做出一些突破性的研究,让中国信息科学的研究更上一层楼,姚期智院士举了两个例子:

其一点,有些问题是效率问题,譬如互联网的搜索就能得益于理论计算机科学的发展。互联网是一个很大的图形,在这个图形里面所做的事情,基本上是理论计算机科学里面所包含的问题,如果能在算法上进行改进的话,就能在科学、时间、商业上取得非常大的效果,从而发挥强大的效益。

另一点,有些问题,不单是效率问题,而是能不能够做到的问题。譬如安全,在过去30年的研究里,大家公认的在信息安全、网络安全方面,没有一个好的理论框架和基础,不可能做到绝对安全,完全避免黑客的攻击。因此,必须在理论发展的基础上去保证各种信息的安全。

未来可能会从两个方面解决摩尔定律的极限问题:一方面是计算机的硬件,譬如说量子计算机;另一方面是计算机的软件。

综上所述,如果观察历史,会发现人类文明不断增多的“发现”已经构成了我们理解世界的“公理”,人们的公理系统在不断的增大,随着该系统的不断增大,人们认清并解决了许多问题。人类的认识模式似乎符合下面的规律:“计算工具不断发展-整体思维能力的不断增强-公理系统的不断扩大-旧的神谕被解决-新的神谕不断产生”不断循环。

无论量子计算的本质是否被发现,也不会妨碍量子计算时代的到来。量子计算是计算科学本身的一次新的革命,也许许多困扰人类的问题,将会随着量子计算机工具的发展而得到解决,它将“计算科学”从牛顿时代引向量子时代,并会给人类文明带来更加深刻的影响。如果我们用最好的方法,写的软件程序能够比现在更有效率的话,计算能力本身就会帮我们做许多现在无法做到的事情。

参考文献:

[1]M.A.NielsenandI.L.Chuang,QuantumComputation and Quantum Information[M].Cambridge University Press.

第15篇

注意教材书(文献[9])已有"辐射场"及"能量场"的物理学概念。但囿于理论局限,使得教材书对这种场的描述是静止的(机械的)、孤立的(与物质世界无必然联系的)、无源的(原因不清),因而也是抽象的(没有物理意义的)。

上已证明,原子中能量量子化的根源是原子核,量子化是原子核自身性质。值得物理学注意的是,原子核这种性质并不孤立存在,它同时还严格地规定着所有外部世界。因而使得电子、原子、分子、物体、天体、宇宙都只能有唯一稳态位置和结构。这就是大自然最基本的内在本质规律。也就是普适方程即(20)式所揭示的规律。

那末,具体规律是什么呢?请看:

4.2 辐射能场(存在)定理

研究表明,辐射能场准确存在可用定理表述。

〖辐射能场定理〗:任何粒子(含场粒子及天体,无例外,下同)在其周围都形成(存在)一种辐射能场,这种辐射能场可用普朗克常数 ? 和量子数 n=0,1,2,3… 准确具体描述。在微观辐射能场表现为量子化,在宏观则表现为大量粒子的简并统计结果。

4.3 辐射能场实质

辐射能场实质系以粒子为中心,向周围空间抛射场粒子流(这里主旨中性场粒子流,对于电磁场当有别论),这种场粒子流经电子集约化就成了光子。研究也表明,任何光子包括 X 射线都准确如此。参见(15)式,据此不难描述任何光子的自身结构。并且可以证明任何光子的静止(如可能)质量均不为零。认为光子静止质量为零,还是量子力学根据"相对论"瞎子摸象猜测结果。

这已表明光子的真实粒子性。并可准确具体证明,所谓波动性实际上是普朗克常数与量子数相互作用的一种客观表象,任何光子都不存在任何物理意义上的波动属性。

4.4 辐射能场形象

研究表明,辐射能场形象与点光源的光通量完全一致。对于原子核,其辐射能场可用图(3)准确表示:

图中箭头方向表示辐射能流方向,其线密度表示能流密度,n为量子数。

4.5 辐射能场性质

研究表明,辐射能场实质系以光速抛射场粒子流(粒子上限为中微子),故,辐射能场具有排它性。原子核的辐射能场首先排斥核外所有电子,任何电子也因此未能落到核上,这是事实。所以,电子未能落到核上量子力学的任何解释都只能是自欺欺人的胡言乱语!也所以,玻尔对电子的担心完全多余。

需要指出,辐射能场这种排斥作用,通常主要表现为能量形式。相形之下排斥力效应很小,一般可忽略。这与太阳光辐射的能量效应十分明显,而太阳光的压力效应十分微小,完全相似。不过在研究宇宙膨胀时,完全不可忽略天体辐射的斥力效应。就是说,"宇宙斥力"存在。然,囿于历史和理论局限,爱因斯坦在提出宇宙斥力概念后,又不得不自我否定。

4.6 原子核辐射能场数学表达式

大量研究表明,原子核(质子)的辐射能场数学表达式准确为:

E = n2·h2 / 2mP·r2 ―――――――― (21)

式中 h 为普朗克常数,n为量子数,mP为质子质量,距离为r=0∞,需指出,辐射能场场强 E 具有能量量纲(这是因为使用因子 h 结果),其数值则为 r处单位面积上的能量。

注意:该式与(64)式有必然联系,但物理意义微妙不同,且具有丰富物理内容(略)。

研究还表明,由此电子所得到的原子核辐射能场能量准确地为:

E = n2·?2 / 2me·r2 ――――――― (22)

注意:这也就是玻尔量子化条件。

式中 me 为电子质量,不难看出普朗克常数 h=2π? 紧密地联系着质子和电子。

已很明显,量子力学与玻尔相比,玻尔正确,量子力学谬误!

并且由(21)、(22)式不难看出,当量子数 n=0时,E=0。 需指出,这是物质结构非常状态。参见图(3),在 n=0 时,原子核没有了辐射能场,原子核不再有排斥电子的能力。于是,电子必然落到核上。研究表明,这就是宇宙到达最低温度--宇宙奇点的情况。于是,原子中发生比核反应还强烈的变化,结果原子爆炸--物质爆炸--宇宙爆炸!这就是宇宙爆炸原因,由此也不难了解宇宙过去。

可悲的是,量子力学竟将量子数 n=0 也定义为原子的一种稳定状态。可歌呼?可泣乎?灾难,罪过!阿们--

4.7 辐射能场的实验验证

4.7.1 太阳的辐射本领已足够大

目前世界公认太阳发射本领(文献[2])为3.8×1033(尔格/秒),这相当于太阳每秒抛射出质量为 m=4.2×109(千克) 物质。但如上可知,太阳实际发射本领远大于此。因为太阳光仅是辐射能流的一部分,这种能流粒子上限为中微子。

4.7.2 宇宙正在膨胀

宇宙正在膨胀,表明"宇宙斥力"存在,这是宇宙中心辐射能场性质。宇宙正在膨胀恰系宇宙中心辐射能场的客观真实写照(或曰照片)。

4.7.3 "太阳风"的存在

文献 [10]介绍的"太阳风"正是本文定义的太阳辐射能场,太阳风就是太阳辐射能场的客观真实写照。该文献给出了对太阳风考察的卫星实际探测结果(文献图示略)。这可谓太阳辐射能场的真实实验验证。

4.7.4 第四个验证是,任何原子中任何电子均未能落到核上,这是事实

不仅如此,人为方法:高能阴极射线、X射线或高能加速器也很难将电子打到原子核上。这绝非因碰撞截面太小,总会有几率。实际上正是由于原子核具有排它性的辐射能场排斥效应所致。由(22) 式可见,电子得到的原子核排斥能与距离平方成反比例。在核半径处排斥能十分巨大,以致可忽略静电引力能。简单计算表明,电子必须具有200倍C(光速)才可能到达核半径处。也因此,玻尔对电子的担心完全多余!

需要指出,对此类问题,量子力学仍会故伎重演--狡辩。但经如上及以下分析论证,量子力学纯系主观臆造,对物理学实质问题全然无知,已经使得量子力学的狡辩不再有任何效力。

4.7.5 第五个验证是人们熟悉的,然而又不熟悉的,这就是气体压力

量子力学会立即反驳说:"气体压力来自分子热运动和碰撞" (文献[8])。需指出,这种解释充其量只能算作表面化非本质解释,作为哲学或市民语言尚可,但不能作为物理学家语言。在严格物理意义上说这种解释是自欺欺人的。这种解释实际上并不清楚分子热运动的实质和根源,更不知温度对单个分子的意义是什么。量子力学(文献 [8])以公开宣称:"对单个分子温度没有任何意义"。

这是因为量子力学有一剂灵丹妙药--波函数Ψ --量子力学家主观意识,就可以包治百病。温度与这灵丹妙药无任何联系,在灵丹妙药中没任何位置,所以温度没有用处。也所以量子力学结论:对于单个分子,温度没有意义。

但是,只要神经不错乱,人人都懂得,既然宏观温度是大量分子集体贡献,怎么能说单个分子没有贡献?单个分子又怎能摆脱温度环境?这与人对社会贡献完全一致,能说个人对社会的贡献没有意义吗?!

大量研究已经表明,温度概念同样也有极为丰富的物理内容。温度问题同样也贯穿全部物理世界全部内容。并对此可做如下结论:

普朗克常数 h=2π? 与量子数 n=0,1,2,3…好比一对孪生兄弟,他们共同贯穿全部物理世界全部内容,并且,宏观温度 T 就是量子数 n=0,1,2,3… 的照片。

注意,此结论在确切物理意义上正确。

研究还表明:分子热运动及分子间斥力的实际根源正在于原子(核)间排斥能场相互作用的结果。并可得以下具体结果:

PV=∑Ei ―――――――――――――――― (23)

式中PV为气体压力势能,Ei为单个气体分子的辐射能场能量(推导略)。这种严格关系唯一证明分子(原子)辐射能场客观存在。此时并唯有此时辐射能场的排斥力效应也十分明显,这就是气体压力。

第五章 大自然内在本质规律二

5.1 大自然内在本质规律之二--潜动能客观存在

研究还表明,这种规律正确存在也可用定理表述:

5.2 潜动能定理

〖潜动能定理〗:任何质量为 m 的物体(含场粒子及天体)当以速度 V 运动时,必有潜动能存在。若以符号 T2 表示则为:

T2 = (1/2) mV2 ――――――――――― (24)

可见,潜动能在数值上与物体经典动能(机械动能)相等。现将经典动能定义为显动能,并以符号 T1 表示之:

T1= T2 =(1/2) mV2 ―――――――― (25)

那么,可以定义物体运动全动能,以符号 Tm 表示则为:

Tm = T1+T2 = mV2 ――――――――― (26)

如果,质量 m 以光速 C 运动,其全动能必为:

Tm= mC2 = E ――――――――――― (27)

看!这就是遐迩闻名的爱因斯坦质能关系。这已表明,爱因斯坦质能关系只不过是物体(粒子)运动全动能之特例!然而,不仅爱因斯坦本人,而且后人至今都不清楚质能关系的物理意义。可(27)式中 E=mC2 的物理意义是再清楚不过了!

5.3 潜动能的物理意义

研究表明,潜动能普遍客观存在,实际上它是物体(粒子)运动时的伴随能量。由于潜在性,低速时或直观上人们难以发觉。只有在高速时才明显表现出来,所以人们至今尚不知晓。

研究表明,潜动能实质也是一种辐射能场,这种场粒子上限亦为中微子,对中微子目前尚不能检测,这也是人们尚未发现潜动能的直接原因。

需指出,温度为 T 的物体当以速度 V 运动时,同时存在辐射能场及潜动能能场,两种能场分别可测并须分别描述。但是,以下将完全证明原子核的辐射能场实际上就是原子核自旋潜动能。由此也证明潜动能普遍客观存在。

也所以潜动能的能量效应较其压力(即动量)效应明显,尤其当速度V<<C 时,人们无法观测到这种动量效应。然而当物体速度接近光速(VC)时,潜动能的能量效应与动量效应均不可忽略。这时潜动能的能量效应形成爱因斯坦的质能关系事实;而其动量效应则形成"物质波"的事实。这就是"物质波"的本来面目和真实内容。

5.4 潜动能的实验验证

5.4.1 回旋加速器的验证

文献 [10] 介绍:"电子在回旋加速器中,任何瞬间,轨道平均磁场的增量必须是轨道上磁场增量的 2 倍"。即:

dBave =2dB ―――――――――――――- (28)

这无疑表明本文如上全动能成立,亦即表明潜动能客观存在。

5.4.2 电子在加速器中同步辐射光

电子在加速器中同步辐射光能正是电子运动的潜动能,并且,电子同步辐射光的波长 λ为:

λ = h·c/E ―――――――――――――― (29)

注意:式中能量 E 是电子同步辐射光能量,也就是电子的潜动能。

5.4.3 地球的潜动能

地球有潜动能?从没听说过!有人说。

不错,但经本文由普适方程已经计算出地球确有潜动能:月球的存在给出完全的证明。因为本文对月球的计算表明,普适方程不仅适用于太阳系,而且适于地(球)--月(球)结构。并且,对月球的计算,得出两个重要结果:①由普适方程计算月球绕地(球)轨道半径与天文观测(文献[2])的误差小于1% ; ②由普适方程计算得出--月球是颗裸星。这已是个奇迹,目前为止任何理论都办不到!

这种结果无疑表明:

第一,地球所得到的太阳辐射能刚好等于地球轨道动能,也刚好等于地球的潜动能。于是,地球能量处于一种动平衡中。这表明,月球绕地(球)轨道受地球潜动能严格支配,亦即受地球轨道动能严格支配,亦即受太阳能量严格支配。不仅如此,太阳以此严格支配着系内所有天体(无例外)的运行(位置、动能、尺寸、质量以及轨道曲线性质)。

第二,地球运动潜动能客观存在,在数值上准确等于地球轨道运行动能。故〖潜动能定理〗成立!

第三,"物质波"就是本文所定义的"潜动能"。

第四,普适方程无条件成立!

5.4.4 X射线韧致辐射

周知,X射线韧致辐射最短波长 λmin 为:

λmin = h·c/E -――――――――――― (30)

式中 E 为外加能量,在数值上等于电子显动能,也等于潜动能。需要指出的是,电子只能放出潜动能形成所谓的"波长":λ。而电子的显动能与宏观物体的机械动能一样:只能直接作机械功,不能直接成为辐射能。量子力学对此问题"心不在肝"!

所以,(30)式的真实物理内容是:电子放出潜动能形成所谓波长:λ,这证明潜动能客观存在。可是,量子力学,还有德布罗意,把这称为"物质波"!

还要注意:由(30)式可见,韧致辐射最短波长 λmin 连续可变,这已完全表明电子能量连续可变。再一次证明"量子化"并非电子自身固有属性。

第六章 物质波及其实质

6.1 究竟物质波是什么

谈物质波问题,恰进入量子力学权威领地。作为权威,理应对此做出科学合理解释。遗憾的是虽经近百年发展量子力学仍满足于对物理现象作似是而非的猜测,量子力学的"波函数"概念正是对"物质波"现象的猜测,并强加给电子。

下面考察物质波。

德布罗意"物质波波长"表达式为:

λ = h/p ―――――――――――――――― (31)

该式表示什么物理意义呢?

认真研究表明:虽然 λ 具有长度量纲,但并不表征任何长度物理量,只能表征粒子动量p 的反比量度。之所以具有长度量纲,是因为动量 p 反比量度的单位取 h 的结果。除此之外(31)式不再有其他物理意义,或将其变化如下:

λ=h/p=hv/pv=hv/mv2=hv/Em ――― (32)

式中 Em=Tm 为前文定义的粒子运动"全动能",这表明 λ 亦可表征粒子运动全动能的反比量度,或者说是对潜动能的一种量度。所以可结论:

6.2 物质波实质

第一,"物质波"波长只能表征粒子运动时的动量效应或者潜动能,实质是潜动能的反比量度。除此之外(32)、(31)式不再有其它意义。

第二,"物质波波长"绝不表示粒子有任何物理意义上的"波动"性质!

第三,那又为何将 λ 定义为"波长"呢?研究表明,这还是在于量子力学的特长--富于猜想的结果:看到粒子(光子或电子)的干涉和衍射现象,联想宏观波动(水面波动)的干涉,于是猜想微观粒子(光子和电子)有一种说不清的波动性质。由此便将 λ 定义为"波长"。殊不知,宏观波动(水面波动)的干涉与微观粒子的干涉是完全不同的两回事。研究表明,水面波动确系水面物质波动。而粒子(光子和电子)的干涉和衍射却完全是由普朗克常数 ? 与量子数 n (一对孪生兄弟) 共同(技术)表演的结果。并可严格准确具体证明:粒子(光子或电子)的干涉条件中的自然数 n=0,1,2,3… 恰为量子数 n=0,1,2,3…(略)。这是因为粒子的干涉和衍射现象是粒子与(量子化了的)物质场(辐射能场)相互作用的必然结果。

并且在本文已到达的深度--准确描述场粒子自身结构深度上说,仍未发现任何粒子有任何内禀波动属性。这说明根本不存在"物质波"。而德布罗意"物质波"概念恰在于粒子运动"潜动能"的事实。所以,与其说德布罗意发现了"物质波",毋宁说他发现了粒子运动的潜动能。

之所以人们认为粒子具有波动性,客观原因在于人们对微观粒子,例如光子,几乎完全缺乏了解。也因之,目前为止,光子的"波粒二象性"问题仍属世界公认遗难问题之一!

第七章 普适方程物理意义

7.1 普适方程物理意义

普适方程物理意义可用图(4)

描述如下:

图中曲线 ① 就是普适方程 ①

式,这代表大自然一种普遍基本规

律--相互吸引规律。式中 T 为

粒子(含天体 )轨道动能,V 为引

力势能。动能等与势能之半,这本是

经典物理内容。

曲线 ③ 就是普适方程 ③ 式,

这代表大自然另一种普遍基本规律

--相互排斥规律。式中 E 为粒子

(含天体)所得到的由辐射中心来的

辐射(排斥)能。

显然,曲线 ① 是线性的,即引

力能 V 随距离 r 呈直线变化;而

排斥能 E(曲线 ③)是双曲线。故,

两条曲线必相交,交点为 ②,即普适方程 ② 式(T=E)。这代表大自然第三种基本规律--普遍客观存在规律--两种相反作用永恒绝对平衡规律:既可以是稳态平衡,例如原子和太阳系;又可以是动态平衡,例如银河系及宇宙的膨胀(含宇宙爆炸)。并且牛顿力学在大自然中完全好用!量子力学对牛顿力学的非议纯属癔语糊勒!

7.2 普适方程注释

第一,普适方程物理意义虽很宽广,但却真实具体,并不抽象。

第二,普适方程可以直接用来计算原子结构,计算天文结构须要变换(略)。

第三,已不难看出大自然(宇宙万物)没有任何东西能够(可以)逃脱普适方程规律的支配!所以这里用了"永恒绝对普遍"规律说法,不仅物理意义,而且哲学意义准确可靠。亦不难看出人类目前为止的哲学理论错误(略)!

第四,因此不难理解:普朗克常数及量子数好比一对孪生兄弟,他们共同贯穿全部物理世界全部内容!

研究表明,这已构成物理学最基本的定律--物理学奠基定律。以致物理学不得不另辟一章:

第八章 物理学奠基定律

8.1 物理学奠基定律

〖物理学奠基定律〗:普朗克常数 h=2π? 与量子数 n=0,1,2,3… 好比一对孪生兄弟,它们同时共同贯穿全部物理世界全部内容,无例外。