第一篇：學(xué)科前沿講座專題報(bào)告封面設(shè)計(jì)

專

題

報(bào)

告

項(xiàng)目名稱：

自動(dòng)指紋識(shí)別技術(shù)

課程名稱：

學(xué)科前沿講座

班級(jí)：

計(jì)082

姓名：

柴碩

學(xué)號(hào)：

070746

教師：

杜天蒼

信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系

【摘 要】 指紋識(shí)別，一種被大家耳熟能詳?shù)男虃杉夹g(shù)手段，它隨著我們社會(huì)的發(fā)展而無限延伸。從最早的指紋發(fā)現(xiàn)到指紋術(shù)誕生，再?gòu)氖止ぶ讣y識(shí)別術(shù)到自動(dòng)指紋識(shí)別，這經(jīng)歷了上千年的歷史，其識(shí)別技術(shù)含量也隨之不斷提高。據(jù)指紋專家介紹，人的指紋有50億分之一的重復(fù)概率，幾乎為零。用指紋來認(rèn)定罪犯，最有說服力，指紋因此被稱為“證據(jù)之王”。

但指紋作為一個(gè)獨(dú)立學(xué)科出現(xiàn)，是比較晚近的事情。如果說從1923年泊金杰將指紋分成九類并加以命名算起，至今也不過一百六十年的歷史。但是人類對(duì)指紋的應(yīng)用，卻從非常遠(yuǎn)古的時(shí)候就開始了。本文將主要針對(duì)指紋的發(fā)展歷程及其發(fā)展前景進(jìn)行淺析。

【關(guān)鍵詞】指紋識(shí)別技術(shù) 發(fā)展歷程 發(fā)展前景 指紋時(shí)代 【引 言】

“指紋”是每個(gè)人與生俱來的生理特征，人們對(duì)它非常熟悉。而“指紋識(shí)別”人們卻比較陌生，甚至帶有一些神秘的色彩。大多數(shù)人對(duì)“指紋識(shí)別”的印象停留在電影電視中刑警破案的場(chǎng)景。其實(shí)，在最近幾年，指紋識(shí)別技術(shù)逐漸從警用走向民用，從專用走向公用，逐漸成為人們關(guān)注的前沿高科技之一。

指紋，由于其具有終身不變性、唯一性和方便性，已幾乎成為生物特征識(shí)別的代名詞。指紋是指人的手指末端正面皮膚上凸凹不平產(chǎn)生的紋線。紋線有規(guī)律的排列形成不同的紋型。紋線的起點(diǎn)、終點(diǎn)、結(jié)合點(diǎn)和分叉點(diǎn)，稱為指紋的細(xì)節(jié)特征點(diǎn)。

指紋識(shí)別即指通過比較不同指紋的細(xì)節(jié)特征點(diǎn)來進(jìn)行鑒別。由于每個(gè)人的指紋不同，就是同一人的十指之間，指紋也有明顯區(qū)別，因此指紋可用于身份鑒定。

哲學(xué)上說萬物總有其所在源頭。指紋識(shí)別技術(shù)亦有著自己的發(fā)展源頭以及一步步的重要演變。

一、追溯指紋識(shí)別技術(shù)的最早（1）最早的指紋術(shù)

中國(guó)是世界上公認(rèn)的“指紋術(shù)”發(fā)祥地，在指紋應(yīng)用方面具有非常悠久的歷史。追溯中華民族的指紋歷史，可以上溯到6000年以前的新石器時(shí)代中期。在半坡遺址出土的陶器上就印有清晰可見的指紋圖案。距今有5000年歷史的紅山文化遺址處（今天的內(nèi)蒙赤峰市東效紅山），考古發(fā)現(xiàn)的古陶罐上有3組幾何曲線畫，是3枚相同的、典型的箕形指紋畫，每枚指紋畫都有一條中心線和6條圍線。在位于青海省樂都縣柳灣墓地的馬家窖文化，出土了距今5000年的人像指紋彩陶壺。其上繪有4幅原始螺旋形指紋畫。嵴線的起點(diǎn)、終點(diǎn)的細(xì)節(jié)特征都很明顯，在兩組畫之間繪制一個(gè)三角，一個(gè)中心花紋配左右兩個(gè)三角紋，組成了一幅完整的斗形指紋畫。

指紋學(xué)家確認(rèn)，指紋曾是古人進(jìn)行陶器紋樣設(shè)計(jì)的模板。新石器時(shí)代陶器上被考古學(xué)家命名的幾何裝飾紋中，如波形紋、弧形紋、圓圈紋、曲線紋、旋渦紋、雷云紋等在指紋上應(yīng)有盡有。這是在積累了豐富的指紋觀察經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確生動(dòng)的創(chuàng)作的指紋畫。這種創(chuàng)作的成功，是深刻理解指紋特性基礎(chǔ)上的再創(chuàng)作，是對(duì)指紋術(shù)認(rèn)識(shí)的前奏曲。

中國(guó)古代第一個(gè)利用指紋的保密措施。秦漢時(shí)代（公元前221年～公元25年）盛行封泥制。當(dāng)時(shí)的公私文書大都寫在木簡(jiǎn)或木牘上，差發(fā)時(shí)用繩捆綁，在繩端或交叉處封以粘土，蓋上印章或指紋，作為信驗(yàn)，以防私拆。這種泥封指紋，是作為個(gè)人標(biāo)識(shí)，也表示真實(shí)和信義。還可防止偽造。這個(gè)保密措施可靠易行。中國(guó)古代第一個(gè)印有指紋的契約文書。1959年新疆米蘭古城出土了一份唐代藏文文書（借粟契）。這封契是用長(zhǎng)27.5厘米、寬20.5厘米，棕色、較粗的紙寫成的，藏文為黑色，落款處按有4個(gè)紅色指印。其中一個(gè)能看到嵴線，可以肯定為指紋。

另外在我國(guó)宋代時(shí)期，判案就講證據(jù)講科學(xué)。指紋在那時(shí)已作為正式刑事判案的物證?！端问罚{傳》中記載有元絳利用指紋判案的故事。

（2）指紋術(shù)的正式形成

指紋最早應(yīng)用在中國(guó)，但指紋技術(shù)的形成卻是西方人對(duì)世界的貢獻(xiàn)。亨利?福爾茨博士是英國(guó)皇家內(nèi)外科醫(yī)師學(xué)會(huì)會(huì)員，1874-1886年在日本京筑地醫(yī)院工作。1880年10月8日，他在第22期英國(guó)《自然》雜志上發(fā)表了《手上的皮膚壟溝》論文。幾乎同一時(shí)間，威廉?赫謝爾爵士——大英帝國(guó)派駐印度殖民地的內(nèi)務(wù)官，他于1853-1878年在孟加拉胡格里地區(qū)民政部任職。1880年11月28日，第23期英國(guó)《自然》雜志也發(fā)表了他的文章——《手的皮膚壟溝》。比起亨利?福爾茨博士的論文來，他的論文僅遲了一期在同樣的雜志上發(fā)表，但兩篇論文的題目卻驚人的相似。

亨利?福爾茨博士在日本講授生物學(xué)的13年間，他看到日本許多文件和中國(guó)一樣，都用手印來簽署。亨利?福爾茨博士出于對(duì)生物學(xué)知識(shí)的敏感，對(duì)古代陶器的指紋產(chǎn)生了濃厚的興趣。他收集了大量的指紋進(jìn)行研究，并經(jīng)過大量的觀察比對(duì)，認(rèn)定人的指紋各不相同。從而成為第一個(gè)提出指紋第一大特性的人。為了了解指紋是否在人的生命周期內(nèi)發(fā)生變化，他組織日本的學(xué)生和醫(yī)生進(jìn)行各種試驗(yàn)。用砂紙、酸堿試著去磨去或腐蝕指紋，但新長(zhǎng)出來的指紋與原來一模一樣。亨利?福爾茨博士憑著自己深厚的生物學(xué)知識(shí)功底，從一開始就利用生物學(xué)理論和方法規(guī)范自己的指紋研究，很快就得到了指紋各不相同的結(jié)論，并證實(shí)了由吉森大學(xué)講師、人類學(xué)家奧爾克于1856年提出的指紋終身不變的理論。到了1921年，亨利?福爾茨又連續(xù)７期出版了《指紋學(xué)》雙月期雜志，奠定了其在西方指紋學(xué)方面的主導(dǎo)地位。

威廉?赫謝爾爵士1853-1878年在印度任職時(shí)發(fā)現(xiàn)孟加拉的一些中國(guó)商人有時(shí)在契約上按大拇指印。他也就采用蓋手印的方法讓每一個(gè)士兵在領(lǐng)津貼的名單和收據(jù)上蓋兩個(gè)指紋，結(jié)果重領(lǐng)和冒領(lǐng)的情況戛然而止。后來，他又讓犯人按右手中指和食指為質(zhì)，制止了當(dāng)時(shí)常有的罪犯雇人服刑、冒名頂替的現(xiàn)象。威廉?赫謝爾爵士在自己長(zhǎng)達(dá)19年的指紋試驗(yàn)和實(shí)踐中，收集了數(shù)千人的指紋檔案。這些檔案為進(jìn)一步研究指紋技術(shù)提供了寶貴的資料。1877年在他在印度寫出了《手之紋線》一文。

1891年高爾頓用統(tǒng)計(jì)學(xué)和概率論的理論，整理出指紋的形態(tài)規(guī)律。他是達(dá)爾文的表弟，擅長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)學(xué)，他以指紋的三角數(shù)目的多少和有無為依據(jù)，將千奇百態(tài)的指紋合并為弓、箕、斗三大類型，再?gòu)钠渲屑?xì)分出亞形，對(duì)各種形態(tài)編制數(shù)字代碼，大大方便了指紋檔案的管理。亨利?福爾茨的理論經(jīng)高爾頓的系統(tǒng)整理，于1892年高爾頓出版了經(jīng)典力作《指紋學(xué)》。此書標(biāo)志著非經(jīng)驗(yàn)意義上的、有著科學(xué)意義的現(xiàn)代指紋學(xué)的誕生。

威廉?赫謝爾爵士的繼任者亨利，于1893年學(xué)習(xí)了高爾頓的《指紋學(xué)》，創(chuàng)造出指紋檔案分類登記法，他把指紋分為５個(gè)種類：橈側(cè)環(huán)（正箕）、尺側(cè)環(huán)（反箕）、螺型、平拱和凸拱（見圖26）,并開始在印度使用。1901年英國(guó)政府采用了亨利指紋分類法，1903年德國(guó)、1904年美國(guó)、1914年法國(guó)也都相繼使用了亨利指紋法。其它國(guó)家如瑞士、挪威、俄羅斯、意大利、埃及等國(guó)也在后來陸續(xù)采用了亨利的指紋分類法。從此亨利指紋分類法在世界上廣泛使用，包括我國(guó)在內(nèi)。

二、人工指紋識(shí)別技術(shù)成形 自亨利指紋法提出以來，世界各國(guó)都開始在自己的刑偵領(lǐng)域廣泛使用這一分類方法。那時(shí)指紋的建檔是通過指紋卡作為載體來存儲(chǔ)指紋的。隨著收集的指紋越來越多，指紋的亞類型越來越豐富，F(xiàn)BI和其它機(jī)構(gòu)在經(jīng)過多年實(shí)際應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)后，擴(kuò)大了亨利指紋系統(tǒng)，增加了更多的判定數(shù)據(jù)作為輔助分類的依據(jù)。同時(shí)考慮到指紋卡存儲(chǔ)、檢索與管理的方便性，F(xiàn)BI開發(fā)了指紋卡的標(biāo)準(zhǔn)，包括卡片大小、墨水類型、指紋數(shù)量、應(yīng)該收集的指紋名稱（拇指等）、指紋按壓位置、描述文字所在位置等。

當(dāng)時(shí)環(huán)境下，指紋采集均采用指紋卡的形式。在刑偵現(xiàn)場(chǎng)，收集嫌疑人留下的指紋的方法，大多是采用化學(xué)顯影等方法顯現(xiàn)指紋，之后再通過拍照的方式取得現(xiàn)場(chǎng)指紋并保存下來，以備后續(xù)進(jìn)行人工比對(duì)。顯現(xiàn)指印的具體方法許多，主要?dú)w納為物理附著作用顯色、化學(xué)反應(yīng)顯色、熒光顯現(xiàn)等幾大類。但沒有任何一種方法是到處可以適用的“萬能方法”。必須因質(zhì)、因時(shí)、因地做具體篩選，否則不會(huì)奏效，甚至破壞現(xiàn)場(chǎng)手印。

以下是一位多年從事刑偵工作的工作人員所提供的基本思路。

(一)先在自然光或人造光源下，通過調(diào)整光的強(qiáng)弱與角度檢查，更加能觀察清楚，即直接拍照。

(二)在普通光線下觀察不清的，試用在各種色光、紫外和激光下，配用不同的濾光鏡進(jìn)行熒光檢驗(yàn)。許多物質(zhì)(包含汗液物質(zhì))在外界光能激發(fā)下，都會(huì)產(chǎn)生熒光。不同物質(zhì)、在不同波長(zhǎng)激發(fā)光的激發(fā)下，發(fā)出熒光的波長(zhǎng)范圍也不一樣。而濾光片有若干種，當(dāng)濾光片與指印物質(zhì)的熒光波長(zhǎng)匹配，我們即可透過濾光鏡看到和拍攝到清晰的指印。

(三)使用特種膠薰顯法，大部分指印可以顯出。而且薰顯出來的紋線粘附力增強(qiáng)，還可以繼續(xù)用碘薰等其他方法增強(qiáng)薰顯效果。

(四)薰顯后，如效果不佳，可以放置揮發(fā)，繼續(xù)用化學(xué)方法顯色，一般采用噴霧方法。視不同客體，可用不同的試劑。

(五)對(duì)薰顯后，不宜再采用化學(xué)方法的，可以適當(dāng)用物理方法顯現(xiàn)，再用真空鍍膜法增強(qiáng)效果。

(六)最后，還可以用二次熒光技術(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)。

人工指紋比對(duì)一般是由專業(yè)技術(shù)人員根據(jù)事先制定的指紋分類方法和指紋細(xì)節(jié)辨識(shí)方法，對(duì)從現(xiàn)場(chǎng)采集回來的指紋與指紋庫(kù)中的指紋卡上的進(jìn)行人工肉眼辨識(shí)。當(dāng)時(shí)的人工比對(duì)主要是用于刑事偵破和法院判案，所以保證人工比對(duì)的準(zhǔn)確性是非常重要的。

三、自動(dòng)指紋識(shí)別應(yīng)運(yùn)而生

在20世紀(jì)60年代，以電子計(jì)算機(jī)為代表的信息技術(shù)的逐步興起，為人們研究指紋識(shí)別提供了新的思路和方法。早在1961年的時(shí)候就有記載關(guān)于自動(dòng)比較指紋的論文發(fā)表出來。1963年，著名的《自然》雜志也發(fā)表了關(guān)于指紋自動(dòng)識(shí)別的論文。而指紋卡的應(yīng)用，到1969年的時(shí)候，僅FBI收集的指紋就有超過1600萬人的。當(dāng)時(shí)，F(xiàn)BI已經(jīng)發(fā)現(xiàn)存儲(chǔ)和搜索指紋任務(wù)之繁重到了FBI職員不能承受的地步。于是向美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局提出要求幫助研究自動(dòng)比較的技術(shù)。當(dāng)時(shí)的法國(guó)、英國(guó)、俄羅斯、加拿大、日本也開始了類似的研究。目前全球著名的自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)（AFIS）公司大多都是這一階段創(chuàng)立和發(fā)展起來的，如SAGEM(Morpho System)、UltraScan、Printrak Motorola、NEC、Biolink、Idenicator、Cogent等。在我國(guó)，“指紋識(shí)別”作為重要的證據(jù)之一，在以前的破案工作中，技術(shù)人員需要舉著放大鏡，把現(xiàn)場(chǎng)提取的指紋在幾十萬份指紋檔案中一一核對(duì)，有時(shí)需要十幾個(gè)人連著干兩個(gè)月，才有可能找出相同的指紋。20世紀(jì)90年代初，北京市公安局刑事科學(xué)技術(shù)研究所(以下簡(jiǎn)稱刑科所)研制成功了具有國(guó)際先進(jìn)水平、符合我國(guó)刑偵部門實(shí)際需要的指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，徹底結(jié)束了這種繁重的體力勞動(dòng)。

用指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)來做同樣的工作，最多只要5分鐘。警方從案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)提取的指紋，不論模糊、殘缺、變形甚至故意破壞的指紋，經(jīng)掃描輸入計(jì)算機(jī)后，可以幾分鐘內(nèi)對(duì)比出同樣的指紋以及這枚指紋的主人情況，或者告知用戶在數(shù)據(jù)庫(kù)中沒有同樣的指紋。在偵破鹿憲洲搶劫運(yùn)鈔車系列案等重大刑事案件過程中，這套系統(tǒng)立下了汗馬功勞。目前，這套系統(tǒng)已在全國(guó)公安機(jī)關(guān)中推廣使用，并建立起龐大的前科指紋檔案數(shù)據(jù)庫(kù)，大部分已實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程比對(duì)。運(yùn)用這一系統(tǒng)，北京市在1999年破獲刑事案件117 起，今年截止到現(xiàn)在已破案近百起。這套系統(tǒng)在全國(guó)推廣以來，已破案1萬余起，挽回經(jīng)濟(jì)損失達(dá)億元以上。

四、警用AFIS（指紋識(shí)別系統(tǒng)）到民用AFIS（指紋識(shí)別系統(tǒng)）

上世紀(jì)90年代以前，指紋識(shí)別技術(shù)基本上僅應(yīng)用于刑偵領(lǐng)域，滿足國(guó)家刑事偵察與法院身份鑒定的專項(xiàng)需要。警用AFIS系統(tǒng)由于指紋庫(kù)龐大、圖像信號(hào)處理的復(fù)雜程度高，以及對(duì)實(shí)時(shí)性要求高等原因，其硬件成本及對(duì)運(yùn)行環(huán)境的要求均較高，使用與維護(hù)的成本也相對(duì)較高，不易大規(guī)模普及，因此主要應(yīng)用于司法與刑偵領(lǐng)域。

指紋識(shí)別技術(shù)在民用領(lǐng)域中的應(yīng)用和發(fā)展緩慢，其中最大的障礙是由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)過于龐大、價(jià)格昂貴以及指紋采集方式落后，使用困難。傳統(tǒng)的采集方法是將手指按在紙上留下指紋捺印，再用掃描儀等裝置將指紋捺印輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，速度慢而且很不方便，指紋圖像的質(zhì)量也無法得到保證，常有重疊、粘連等現(xiàn)象，使識(shí)別準(zhǔn)確率大大受到影響。

隨著計(jì)算機(jī)圖像處理和模式識(shí)別理論及大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)發(fā)生了質(zhì)的飛躍，體積縮小，速度提高，實(shí)現(xiàn)成本以及對(duì)運(yùn)行環(huán)境的要求逐步降低，指紋采集的速度和方便性都得到提高。這些都使指紋認(rèn)證技術(shù)的實(shí)用化向前邁進(jìn)了一大步，大量應(yīng)用于政府、銀行、稅務(wù)、社保、學(xué)校和公司機(jī)構(gòu)等部門的文件保密、信息安全、門禁控制、考勤管理與證卡管理等各類需要計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)身份認(rèn)證的場(chǎng)合。這個(gè)變化發(fā)生在自動(dòng)識(shí)別的第二個(gè)階段。

總體來說，警用AFIS的應(yīng)用重點(diǎn)是把指紋當(dāng)證據(jù)，把指紋識(shí)別當(dāng)作一種有效的取證技術(shù)手段。民用AFIS的應(yīng)用重點(diǎn)則是把指紋當(dāng)成個(gè)人身份的識(shí)別標(biāo)記，把指紋識(shí)別當(dāng)成應(yīng)用系統(tǒng)中行之有效的身份確認(rèn)方法。

五、指紋識(shí)別技術(shù)的基礎(chǔ)是指紋的兩大特性

正所謂萬變不離其中，指紋識(shí)別技術(shù)不管怎么發(fā)展，對(duì)它本身而言，“指紋”始終是最基本的構(gòu)成元素，也是指紋識(shí)別的主體對(duì)象，任其技術(shù)如何發(fā)展最終都只能說是對(duì)“指紋”這個(gè)主體對(duì)象的技術(shù)識(shí)別。

因此，指紋的特性是指紋識(shí)別技術(shù)的基礎(chǔ)。

指紋的兩大特性分別是指（1）“每個(gè)人的指紋形狀終身不變”；（2）“每個(gè)人的指紋均不相同”。（1）其中“指紋終身不變”的理論，是由吉森大學(xué)講師、人類學(xué)家奧克爾在1856年提出的。他對(duì)自己34歲和75歲時(shí)的指紋進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)指紋的紋形類型和細(xì)節(jié)點(diǎn)特征沒有變化，于是提出這一理論?！爸讣y終身不變”是指指紋的嵴線形狀在一生之中不會(huì)改變。人出生后隨著年齡的增長(zhǎng)，嵴線會(huì)變粗、紋形面積會(huì)增大。但到了成年之后，這些變化就不明顯了。“指紋的終身不變”，還表現(xiàn)在它具有一定的復(fù)原性和難以毀滅性。復(fù)原性來源于真皮乳頭的再生能力，只要不傷及真皮，即使表皮大面積剝脫也能慢慢恢復(fù)起來，而且保持與原來的完全同樣的紋形和結(jié)構(gòu)，以及全部特征點(diǎn)。

（2）指紋的另外一大特性是“各不相同”。它是由英國(guó)人亨利·福爾茨提出的，也就是第一位撰寫《指紋學(xué)》的亨利。他是英國(guó)皇家內(nèi)外科醫(yī)師學(xué)會(huì)會(huì)員，教授生物學(xué)。他在日本傳教期間，看到許多日本的文件和中國(guó)的文件一樣，常常按捺手印，就開始大量收集指紋進(jìn)行研究，并組織日本的學(xué)生和醫(yī)生進(jìn)行各種有關(guān)指紋的試驗(yàn)，從而證明了每個(gè)人的指紋各不相同。同時(shí)他還證明了奧克爾提出的“指紋終身不變”的理論。

六、結(jié)束語

縱覽全球諸多指紋識(shí)別事件：出入關(guān)按指紋、開門按指紋、領(lǐng)社保按指紋、上班考勤按指紋、幼兒園接送孩子按指紋、銀行取款按指紋、上電腦按指紋等等新現(xiàn)象層出不窮，指紋識(shí)別正在以飛快的速度走進(jìn)人們的生活。

追溯歷史，我們已經(jīng)知曉，公元前7000～6000年，古代亞述人和中國(guó)人就意識(shí)到了指紋的特點(diǎn)，終于，19世紀(jì)專家證言：沒有任何兩個(gè)手指指紋的紋線形態(tài)一致；指紋紋線的形態(tài)終生不變。

我們相信，中國(guó)的指紋識(shí)別技術(shù)將更加快速地發(fā)展，會(huì)讓指紋識(shí)別技術(shù)不僅僅為我們國(guó)家的穩(wěn)定祥和作出貢獻(xiàn)，也會(huì)讓中國(guó)這個(gè)經(jīng)濟(jì)大國(guó)站在國(guó)際舞臺(tái)上徹底拉開“指紋時(shí)代”的巨幕！

參考文獻(xiàn)：

[1]《世界指紋史》（德）羅伯特·海因德爾 / 公安大學(xué)出版社 / 何海龍、劉持平、王京譯/ 2008-1-1 [2]《犯罪案件偵破科學(xué)》作者: 趙正杰 警察技術(shù)雜志 2006年04期

[13]《淺談指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)》熊光弼 刑事技術(shù)雜志 2002年z1期

[15]《科學(xué)技術(shù)是刑事偵查第一戰(zhàn)斗力》 蘭紹江 天津市公安學(xué)校 2005年6月

第二篇：學(xué)科前沿講座

學(xué)科前沿講座

專業(yè)班級(jí)： 光信13-3_

姓 名： 朱家興_

學(xué) 號(hào)： _10134425__

任課教師： 張國(guó)營(yíng)

2016年 11月 11 日

量子計(jì)算與量子計(jì)算機(jī)

【摘要】量子計(jì)算的強(qiáng)大運(yùn)算能力使得量子計(jì)算機(jī)具有廣闊的應(yīng)用前景。該文簡(jiǎn)要介紹了量子計(jì)算的發(fā)展現(xiàn)狀和基本原理，列舉了典型的量子算法，闡明了量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性，最后預(yù)測(cè)了量子計(jì)算及量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用方向。

【關(guān)鍵詞】量子計(jì)算；量子計(jì)算機(jī)；量子算法；量子信息處理 1.引言

在人類剛剛跨入21世紀(jì)的時(shí)刻！科技的重大突破之一就是量子計(jì)算機(jī)的誕生。德國(guó)科學(xué)家已在實(shí)驗(yàn)室研制成功5個(gè)量子位的量子計(jì)算機(jī)，而美國(guó)LosAlamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行7個(gè)量子位的量子計(jì)算機(jī)的試驗(yàn)【1】。它預(yù)示著人類的信息處理技術(shù)將會(huì)再一次發(fā)生巨大的飛躍，而研究面向量子計(jì)算機(jī)以量子計(jì)算為基礎(chǔ)的量子信息處理技術(shù)已成為一項(xiàng)十分緊迫的任務(wù)。2.子計(jì)算的物理背景

任何計(jì)算裝置都是一個(gè)物理系統(tǒng)。量子計(jì)算機(jī)足根據(jù)物理系統(tǒng)的量子力學(xué)性質(zhì)和規(guī)律執(zhí)行計(jì)算任務(wù)的裝置【2】。量子計(jì)算足以量子計(jì)算目L為背景的計(jì)算。是在量了力。4個(gè)公設(shè)（postulate）下做出的代數(shù)抽象。Feylllilitn認(rèn)為，量子足一種既不具有經(jīng)典耗子性，亦不具有經(jīng)典渡動(dòng)性的物理客體（例如光子）。亦有人將量子解釋為一種量，它反映了一些物理量（如軌道能級(jí)）的取值的離散性。其離散值之問的差值（未必為定值）定義為量子。按照量子力學(xué)原理，某些粒子存在若干離散的能量分布。稱為能級(jí)。而某個(gè)物理客體（如電子）在另一個(gè)客體（姻原子棱）的離散能級(jí)之間躍遷（transition。粒子在不同能量級(jí)分布中的能級(jí)轉(zhuǎn)移過程）時(shí)將會(huì)吸收或發(fā)出另一種物理客體（如光子），該物理客體所攜帶的能量的值恰好是發(fā)生躍遷的兩個(gè)能級(jí)的差值。這使得物理“客體”和物理“量”之問產(chǎn)生了一個(gè)相互溝通和轉(zhuǎn)化的橋梁；愛因斯坦的質(zhì)能轉(zhuǎn)換關(guān)系也提示了物質(zhì)和能量在一定條件下是可以相互轉(zhuǎn)化的因此。量子的這兩種定義方式是對(duì)市統(tǒng)并可以相互轉(zhuǎn)化的。量子的某些獨(dú)特的性質(zhì)為量了計(jì)算的優(yōu)越性提供了基礎(chǔ)。3.量子計(jì)算機(jī)的特征

量子計(jì)算機(jī)，首先是能實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的機(jī)器，是以原子量子態(tài)為記憶單元、開關(guān)電路和信息儲(chǔ)存形式，以量子動(dòng)力學(xué)演化為信息傳遞與加工基礎(chǔ)的量子通訊與量子計(jì)算，是指組成計(jì)算機(jī)硬件的各種元件達(dá)到原子級(jí)尺寸，其體積不到現(xiàn)在同類元件的1%。量子計(jì)算機(jī)是一物理系統(tǒng)，它能存儲(chǔ)和處理關(guān)于量子力學(xué)變量的信息【3】。量子計(jì)算機(jī)遵從的基本原理是量子力學(xué)原理：量子力學(xué)變量的分立特性、態(tài)迭加原理和量子相干性。信息的量子就是量子位，一位信息不是0就是1，量子力學(xué)變量的分立特性使它們可以記錄信息：即能存儲(chǔ)、寫入、讀出信息，信息的一個(gè)量子位是一個(gè)二能級(jí)（或二態(tài)）系統(tǒng)，所以一個(gè)量子位可用一自旋為1/2的粒子來表示，即粒子的自旋向上表示1，自旋向下表示0；或者用一光子的兩個(gè)極化方向來表示0和1；或用一原子的基態(tài)代表0第一激發(fā)態(tài)代表1。就是說在量子計(jì)算機(jī)中，量子信息是存儲(chǔ)在單個(gè)的自旋’、光子或原子上的。對(duì)光子來說，可以利用Kerr非線性作用來轉(zhuǎn)動(dòng)一光束使之線性極化，以獲取寫入、讀出；對(duì)自旋來說，則是把電子（或核）置于磁場(chǎng)中，通過磁共振技術(shù)來獲取量子信息的讀出、寫入；而寫入和讀出一個(gè)原子存儲(chǔ)的信息位則是用一激光脈沖照射此原子來完成的。量子計(jì)算機(jī)使用兩個(gè)量子寄存器，第一個(gè)為輸入寄存器，第二個(gè)為輸出寄存器。函數(shù)的演化由幺正演化算符通過量子邏輯門的操作來實(shí)現(xiàn)。單量子位算符實(shí)現(xiàn)一個(gè)量子位的翻轉(zhuǎn)。兩量子位算符，其中一個(gè)是控制位，它確定在什么情況下目標(biāo)位才發(fā)生改變；另一個(gè)是目標(biāo)位，它確定目標(biāo)位如何改變；翻轉(zhuǎn)或相位移動(dòng)。還有多位量子邏輯門，種類很多。要說清楚量子計(jì)算，首先看經(jīng)典計(jì)算。經(jīng)典計(jì)算機(jī)從物理上可以被描述為對(duì)輸入信號(hào)序列按一定算法進(jìn)行交換的機(jī)器，其算法由計(jì)算機(jī)的內(nèi)部邏輯電路來實(shí)現(xiàn)【4】。經(jīng)典計(jì)算機(jī)具有如下特點(diǎn)：

a其輸入態(tài)和輸出態(tài)都是經(jīng)典信號(hào)，用量子力學(xué)的語言來描述，也即是：其輸入態(tài)和輸出態(tài)都是某一力學(xué)量的本征態(tài)。如輸入二進(jìn)制序列0110110，用量子記號(hào)，即10110110>。所有的輸入態(tài)均相互正交。對(duì)經(jīng)典計(jì)算機(jī)不可能輸入如下疊加Cl10110110>+C2I1001001>。

b經(jīng)典計(jì)算機(jī)內(nèi)部的每一步變換都將正交態(tài)演化為正交態(tài)，而一般的量子變換沒有這個(gè)性質(zhì)，因此，經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的變換（或計(jì)算）只對(duì)應(yīng)一類特殊集。

相應(yīng)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的以上兩個(gè)限制，量子計(jì)算機(jī)分別作了推廣。量子計(jì)算機(jī)的輸入用一個(gè)具有有限能級(jí)的量子系統(tǒng)來描述，如二能級(jí)系統(tǒng)（稱為量子比特），量子計(jì)算機(jī)的變換（即量子計(jì)算）包括所有可能的幺正變換。因此量子計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)為：

c量子計(jì)算機(jī)的輸入態(tài)和輸出態(tài)為一般的疊加態(tài)，其相互之間通常不正交；

d量子計(jì)算機(jī)中的變換為所有可能的幺正變換。得出輸出態(tài)之后，量子計(jì)算機(jī)對(duì)輸出態(tài)進(jìn)行一定的測(cè)量，給出計(jì)算結(jié)果。由此可見，量子計(jì)算對(duì)經(jīng)典計(jì)算作了極大的擴(kuò)充，經(jīng)典計(jì)算是一類特殊的量子計(jì)算。量子計(jì)算最本質(zhì)的特征為量子疊加性和相干性。量子計(jì)算機(jī)對(duì)每一個(gè)疊加分量實(shí)現(xiàn)的變換相當(dāng)于一種經(jīng)典計(jì)算，所有這些經(jīng)典計(jì)算同時(shí)完成，并按一定的概率振幅疊加起來，給出量子計(jì)算的輸出結(jié)果。這種計(jì)算稱為量子并行計(jì)算，量子并行處理大大提高了量子計(jì)算機(jī)的效率，使得其可以完成經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法完成的工作，這是量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性之一。

4.量子智能計(jì)算

自Shor算法和Grover算法提出后，越來越多的研究員投身于量子計(jì)算方法的計(jì)算處理方面，同時(shí)智能計(jì)算向來是算法研究的熱門領(lǐng)域，研究表明，二者的結(jié)合可以取得很大的突破，即利用量子并行計(jì)算可以很好的彌補(bǔ)智能算法中的某些不足【5】。

目前已有的量子智能計(jì)算研究主要包括：量子人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，量子進(jìn)化算法，量子退火算法和量子免疫算法等。其中，量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和量子進(jìn)化算法已經(jīng)成為目前學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，并且取得了相當(dāng)不錯(cuò)的成績(jī)，下面將以量子進(jìn)化算法為例。

量子進(jìn)化算法是進(jìn)化算法與量子計(jì)算的理論結(jié)合的產(chǎn)物，該算法利用量子比特的疊加性和相干性，用量子比特標(biāo)記染色體，使得一個(gè)染色體可以攜帶大數(shù)量的信息。同時(shí)通過量子門的旋轉(zhuǎn)角度表示染色體的更新操作，提高計(jì)算的全局搜索能力。

目前量子進(jìn)化算法已經(jīng)應(yīng)用于許多領(lǐng)域，例如：工程問題、信息系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等。同時(shí)，伴隨著量子算法的理論和應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展，量子進(jìn)化算法等量子智能算法有著更大的發(fā)展前景和空間。

5.量子計(jì)算的應(yīng)用

1.量子疊加態(tài)的計(jì)算魅力。在經(jīng)典物理學(xué)中，物質(zhì)在確定的時(shí)刻僅有確定的一個(gè)狀態(tài)。量子力學(xué)則不同，物質(zhì)會(huì)同時(shí)處于不同的量子態(tài)上。因?yàn)樘幱诏B加態(tài)，這就意味著，量子計(jì)算一次運(yùn)算就可以處理210=1024個(gè)數(shù)（從0到1023被同時(shí)處理一遍）【6】。以此類推，量子計(jì)算的速度與量子比特?cái)?shù)是2的指數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系。一個(gè)64位的量子計(jì)算機(jī)一次運(yùn)算就可以同時(shí)處理264=***709551616個(gè)數(shù)。如果單次運(yùn)算速度達(dá)到目前民用電腦CPU的級(jí)別（1GHz），那么這個(gè)64位量子計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理速度將是世界上最快的“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)（每秒33.86千萬億次）的545萬億倍。

量子力學(xué)疊加態(tài)賦予了量子計(jì)算機(jī)真正意義上的“并行計(jì)算”，而不像經(jīng)典計(jì)算機(jī)一樣只能并列更多的CPU來并行。因此在大數(shù)據(jù)處理技術(shù)需求強(qiáng)烈的今天，量子計(jì)算機(jī)越來越獲得互聯(lián)網(wǎng)巨頭們的重視。

2.肖爾算法――RSA加密技術(shù)的終結(jié)者。1985年，牛津大學(xué)的物理學(xué)家戴維?德意志提出了量子圖靈機(jī)模型的概念。隨后貝爾實(shí)驗(yàn)室的彼得?肖爾于1995年提出了量子計(jì)算的第一個(gè)解決具體問題的思路，即肖爾因子分解算法。

我們今天在互聯(lián)網(wǎng)上輸入的各種密碼，都會(huì)用到RSA算法加密。這種技術(shù)用一個(gè)很大的數(shù)的兩個(gè)質(zhì)數(shù)因子生成密鑰，給密碼加密，從而安全地傳輸密碼。由于這個(gè)數(shù)很大，用目前經(jīng)典計(jì)算機(jī)的速度算出它的質(zhì)數(shù)因子幾乎是不可能的任務(wù)。但利用量子計(jì)算的并行性，肖爾算法可以在很短的時(shí)間內(nèi)通過遍歷算法來獲得質(zhì)數(shù)因子，從而破解掉密鑰，使RSA加密技術(shù)不堪一擊。

量子計(jì)算機(jī)會(huì)終結(jié)任何依靠計(jì)算復(fù)雜度的加密技術(shù)，但這不意味著從此我們會(huì)失去信息安全的保護(hù)。量子計(jì)算的孿生兄弟――量子通信，會(huì)從根本上解決信息傳輸?shù)陌踩[患。

6.量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用前景

目前經(jīng)典的計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算，解決很多難題。但依然存在一些難解問題，它們的計(jì)算需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和資源，以致在宇宙時(shí)間內(nèi)無法完成【7】。量子計(jì)算研究的一個(gè)重要方向就是致力于這類問題的量子算法研究。量子計(jì)算機(jī)首先可用于因子分解。因子分解對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)而言是難解問題，以至于它成為共鑰加密算法的理論基礎(chǔ)。按照Shor的量子算法，量子計(jì)算機(jī)能夠以多項(xiàng)式時(shí)間完成大數(shù)質(zhì)因子的分解。量子計(jì)算機(jī)還可用于數(shù)據(jù)庫(kù)的搜索。1996年，Grover發(fā)現(xiàn)了未加整理數(shù)據(jù)庫(kù)搜索的Grover迭代量子算法。使用這種算法，在量子計(jì)算機(jī)上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)未加整理數(shù)據(jù)庫(kù)Ⅳ的平方根量級(jí)加速搜索，而且用這種加速搜索有可能解決經(jīng)典上所謂的NP問題。量子計(jì)算機(jī)另一個(gè)重要的應(yīng)用是計(jì)算機(jī)視覺，計(jì)算機(jī)視覺是一種通過二維圖像理解三維世界的結(jié)構(gòu)和特性的人工智能。計(jì)算機(jī)視覺的一個(gè)重要領(lǐng)域是圖像處理和模式識(shí)別。由于圖像包含的數(shù)據(jù)量很大，以致不得不對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。這種壓縮必然會(huì)損失一部分原始信息 參考文獻(xiàn)

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2.張毅，盧凱，高穎慧.量子算法與量子衍生算法 3.Deutsch D，Jozsa R.Rapid solution of problems by quanturm computation[C]//Proc Roy Soc London A，1992，439：553-558

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5.蘇曉琴，郭光燦。量子通信與量子計(jì)算。量子電子學(xué)報(bào)，2004，21（6）：706-718

6.White T.Hadoop： The Defintive Guide，California：O’Reilly Media，Inc.2009：12-14

7.王蘊(yùn)，黃德才，俞攸紅.量子計(jì)算及量子算法研究進(jìn)展.

第三篇：學(xué)科前沿講座

聽學(xué)科前沿講座有感

學(xué)科前沿是指整個(gè)科技體系或?qū)W科群中居于主導(dǎo)地位具有帶動(dòng)其它科學(xué)發(fā)展并影響人們科學(xué)觀念轉(zhuǎn)變的學(xué)科。學(xué)科前沿是指某一學(xué)科中最能代表該學(xué)科發(fā)展趨勢(shì)制約該學(xué)科當(dāng)前發(fā)展的關(guān)鍵性科學(xué)問題、難題及相應(yīng)的學(xué)說。

在即將畢業(yè)之際，即將踏入工作生涯，了解學(xué)科前沿是至關(guān)重要的。學(xué)院在這個(gè)時(shí)候給我們安排學(xué)科前沿講座，意義是非凡的，我們也應(yīng)該抓住這次機(jī)會(huì)認(rèn)真學(xué)習(xí)學(xué)科前沿知識(shí)，為以后的工作生涯和人生打下結(jié)實(shí)的基礎(chǔ)。

因此在聽完三位老師的講座，不禁有感而發(fā)，對(duì)機(jī)械學(xué)科的前沿有了更深入的了解。

一、對(duì)我國(guó)汽車前沿的感悟

中國(guó)汽車發(fā)展歷程

新中國(guó)剛一成立就決定發(fā)展自己的汽車工業(yè)，1953年第一汽車制造廠破土動(dòng)工，毛澤東主席為奠基儀式親自題寫了“第一汽車制造廠奠基紀(jì)念”。1956年我國(guó)生產(chǎn)的第一輛汽車下線，毛主席又親自為其命名———解放，對(duì)于當(dāng)時(shí)工業(yè)整體水平非常落后的中國(guó)人來說，這確實(shí)是一次經(jīng)濟(jì)上的解放。1956年是中國(guó)汽車史上令人難忘的一年。5月，第一汽車制造廠試制成功東風(fēng)牌轎車，送往北京向黨的八大”獻(xiàn)禮，這是中國(guó)自制的第一部轎車，6月，北京第一汽車廠附件廠試制成功井岡山牌轎車，同時(shí)工廠更名為北京汽車制造廠。8月一汽又設(shè)計(jì)試制成功第一輛紅旗牌高級(jí)轎車，9月上海汽車配件廠試制成功第一輛鳳凰牌轎車。在大躍進(jìn)的年代，這幾輛稚嫩的國(guó)產(chǎn)轎車確實(shí)讓全國(guó)人民歡欣鼓舞了一陣子。

六七十年代，除了紅旗外，中國(guó)惟一大批量生產(chǎn)的轎車就是上海牌轎車。1964年，鳳凰牌轎車改名為上海牌，并對(duì)制造設(shè)備做了一系列改進(jìn)。首先制成了車身外板成套沖模，結(jié)束了車身制造靠手工敲打的落后生產(chǎn)方式，又以此為基礎(chǔ)制成各種拼裝臺(tái)，添置點(diǎn)焊機(jī)，實(shí)現(xiàn)拼裝流水線生產(chǎn)，轎車質(zhì)量得到穩(wěn)定和提高。1965年上海轎車通過一機(jī)部技術(shù)鑒定，批準(zhǔn)定型。到1979年，上海牌轎車共生產(chǎn)了一萬七千多輛，成為我國(guó)公務(wù)用車和出租車的主要車型。1972年起還對(duì)車身進(jìn)行了改型，并減輕了自重。1980年，該車年產(chǎn)量突破5000輛。1985年，已經(jīng)開始與德國(guó)大眾公司合資的上海轎車廠和嘉定縣聯(lián)營(yíng)另行建廠繼續(xù)生產(chǎn)上海轎車，并繼續(xù)做了一些技術(shù)改進(jìn)，一直生產(chǎn)到90年代。在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里，上海轎車支撐著國(guó)內(nèi)對(duì)轎車的需求，為社會(huì)發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。但當(dāng)時(shí)我國(guó)的汽車工業(yè)是以載貨車為主導(dǎo)的，對(duì)轎車缺乏應(yīng)用的重視，這使得我國(guó)的轎車工業(yè)技術(shù)水平長(zhǎng)期處于極為幼稚的狀態(tài)。

改革開放后，我國(guó)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，對(duì)轎車的需求越來越強(qiáng)，我國(guó)落后的轎車工業(yè)根本無法滿足這種需求。一時(shí)間，外國(guó)轎車洪水般涌入我國(guó)。1984年至1987年，我國(guó)進(jìn)口轎車64萬輛，耗資266億元。為了迅速提高中國(guó)轎車生產(chǎn)能力和技術(shù)水平，我國(guó)汽車工業(yè)開始走上與國(guó)外汽車企業(yè)合作、引進(jìn)消化外國(guó)先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展道路。具體方式基本都是從進(jìn)口全部散件組裝開始，逐漸提高國(guó)產(chǎn)化率。純種的中國(guó)汽車也在不斷發(fā)展，長(zhǎng)城、吉利、奇瑞等車廠已經(jīng)發(fā)展壯大起來，技術(shù)也越來越好，反正自己孩子自己養(yǎng)，國(guó)人支持，他們肯定能做好。

中國(guó)汽車的發(fā)展方向

中國(guó)車企目前還處于開闊市場(chǎng)階段，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)方向看，提高自身產(chǎn)品才是第一要旨。所以中國(guó)汽車業(yè)將在逐步占領(lǐng)世界市場(chǎng)的同時(shí)，加強(qiáng)品牌建設(shè)，提高汽車質(zhì)量和性能，將中國(guó)從一個(gè)汽車生產(chǎn)大國(guó)向汽車研發(fā)大國(guó)轉(zhuǎn)變?，F(xiàn)代汽車電子化、智能化、多媒體化和網(wǎng)絡(luò)化的應(yīng)用，不僅提高了汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、安全和環(huán)保性，改善了行駛的穩(wěn)定性和舒適性，推動(dòng)了汽車工業(yè)的發(fā)展，還為電子產(chǎn)品開拓了廣闊的市場(chǎng)，從而推動(dòng)了電子工業(yè)的發(fā)展。因此，大力發(fā)展汽車電子化、智能化、多媒體化和網(wǎng)絡(luò)化，加快汽車電子化速度，是啟動(dòng)和振興汽車工業(yè)的重要手段。也是中國(guó)汽車零部件企業(yè)的新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。

二、礦用絞車前沿感悟

聽完李老師的講座，我深感到礦山機(jī)械設(shè)備的落后，據(jù)李老師所說，礦山設(shè)備要落后一般機(jī)械二十年。在那里生產(chǎn)的資源推動(dòng)著中國(guó)的發(fā)展，然而卻沒有人去推動(dòng)他們的發(fā)展。

在這里也深刻體會(huì)到我校老師獨(dú)自走入深山的寂寞，也希望國(guó)家和社會(huì)給予更多的關(guān)注，來回饋礦山，感知礦山。解救那些用生命換來工業(yè)糧食的礦山工人們，那些對(duì)礦上不離不棄的礦大人

三、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的機(jī)械電子的感悟

機(jī)電是中國(guó)礦業(yè)大學(xué)起步較早的一門學(xué)科，也是社會(huì)發(fā)展的一門前沿學(xué)科，機(jī)電控制、機(jī)電一體化和機(jī)電自動(dòng)化都是現(xiàn)代制造技術(shù)所必須的學(xué)科。在之前發(fā)展也是我校的強(qiáng)勢(shì)學(xué)科，但由于學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)的不只是，導(dǎo)至學(xué)科人才流失，技術(shù)失傳，相對(duì)其他學(xué)校機(jī)械電子的大發(fā)展，而我校的機(jī)電學(xué)科有逆水行舟不進(jìn)則退之勢(shì)。加上學(xué)校對(duì)機(jī)電學(xué)科教學(xué)的忽視，導(dǎo)至學(xué)生對(duì)機(jī)電的不了解，在以后工作當(dāng)中對(duì)出現(xiàn)問題不知道如何去解決！在這里我也希望學(xué)校和學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)關(guān)注一下機(jī)電學(xué)科的發(fā)展，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，拓寬學(xué)生的知識(shí)面。

小結(jié)

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)有很大一批老師機(jī)械學(xué)科前沿，為礦業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)科發(fā)展付出了不懈的努力。希望學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)給予大力支持，支持機(jī)電學(xué)院的老師，支持礦大的機(jī)械學(xué)科的發(fā)展，支持機(jī)械學(xué)科的教育工作。讓我們更有能力去回饋礦山、感知礦山、去為那些為中國(guó)發(fā)展提供資源和生命的礦山人，為礦山安全、高效開采奉獻(xiàn)知識(shí)和生命

第四篇：學(xué)科前沿講座課程報(bào)告

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院土木工程專業(yè)學(xué)科前沿講座課程報(bào)告

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凍脹融沉的分析與防范

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院 土木10-7班 陳輝 學(xué)號(hào)：02100498）

摘 要：工程建設(shè)是否對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面或不利影響, 是建設(shè)者和使用者所關(guān)注的問題。針對(duì)地鐵工程建設(shè)中涉及的凍脹融沉,從其產(chǎn)生的機(jī)理到影響因素進(jìn)行了細(xì)致的論述和分析,以及分析了凍脹融沉的相關(guān)影響因素，從本質(zhì)上分析了其特點(diǎn)，憑此制定了科學(xué)、合理的防范措施,并應(yīng)用于實(shí)踐,在施工中取得較好的效果。關(guān)鍵詞：凍脹融沉;分析;防范

在地鐵建設(shè)中, 煤礦凍結(jié)法作為一種土體加固方法被廣泛應(yīng)用,但凍結(jié)法的凍脹融沉是否對(duì)地鐵隧道及周圍環(huán)境產(chǎn)生影響,是建設(shè)者和使用者所關(guān)注的問題。為此,我們?cè)诒狈侥吵鞘械罔F聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工中,對(duì)凍脹融沉的產(chǎn)生機(jī)理及影響因素進(jìn)行了認(rèn)真、細(xì)致的分析,結(jié)合工程實(shí)際情況,制定了科學(xué)、合理的防范措施,取得了較好的效果。凍結(jié)法凍脹分析

凍脹是指地鐵工程在土體加固過程中,由于凍結(jié)管對(duì)土體實(shí)施凍結(jié)作用,使土體中水分結(jié)冰而造成其體積膨脹的現(xiàn)象,在實(shí)際施工中, 不論對(duì)天然凍土區(qū)還是人工凍土區(qū),凍脹都是工程建設(shè)者所面臨的棘手問題。究其原因,主要是由于含水土體在凍結(jié)過程中, 一方面土中原位水發(fā)生凍結(jié),另一方面是未凍結(jié)水向凍結(jié)鋒面的遷移現(xiàn)象,從而引起土中水分的重新分布和析冰作用。土體的凍脹分為原位凍脹和分凝凍脹,由于原位水分凍結(jié)引起的凍脹量相對(duì)分凝凍脹來講十分微小, 因此, 我們本次所研究的土體凍脹主要指由水分遷移引起的分凝凍脹。1.1 凍脹的產(chǎn)生機(jī)理

分凝凍脹的產(chǎn)生機(jī)理包括土中水分遷移和成冰作用。土體在凍結(jié)過程中,一旦土體溫度低于土的起始凍結(jié)溫度, 土中就有部分液態(tài)水變成冰,但在土顆粒表面仍有一些作為吸附膜的未凍水存在,在溫度梯度引起的負(fù)壓梯度作用下,來自未凍土的水通過未凍水膜遷入凍土層內(nèi)。由于未凍水膜的厚度隨土溫的降低而減薄, 被遷移的水分因遷移受阻而逐漸在某個(gè)位置聚集。此時(shí),凍土中的未凍水含量是恒定的, 即在一定負(fù)溫下, 土顆粒外圍具有恒定的平衡水膜厚度。當(dāng)足夠的水分聚集起來時(shí),由于未凍水膜的厚度增大, 未凍水的自由能比冰的自由能高, 原來的熱力平衡狀態(tài)被破壞。在恒定的負(fù)溫下,土水體系通過多余的未凍水釋放自由能分凝成冰,而重新建立平衡狀態(tài)。隨著分凝冰晶便不斷積累,土體便產(chǎn)生了凍結(jié)膨脹。1.2 凍脹的影響因素

凍結(jié)過程中水分遷移和成冰作用是產(chǎn)生土體凍脹的直接因素,它們的強(qiáng)弱主要取決于土體顆粒的土質(zhì)、土中水分、溫度及荷載作用等因素。1.2.1 土顆粒組成對(duì)凍脹的影響

土粒表面力場(chǎng)的差異性影響著土凍結(jié)過程中水分遷移能力, 并導(dǎo)致凍脹變形各不相同。對(duì)于粗顆粒土來說,不存在土的礦物成分對(duì)凍脹的影響。在細(xì)顆粒土中,尤其是亞粘土、粘土, 這種影響顯著地表現(xiàn)出來。在水分、溫度及凍結(jié)條件大致相似的情況下, 各類土的凍脹性強(qiáng) 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院土木工程專業(yè)學(xué)科前沿講座課程報(bào)告

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弱大致按下列順序遞減: 粉質(zhì)土、亞砂土> 亞粘土> 粘土> 礫石土(小于 0.05mm 粒徑的含量超過12%)> 粗砂> 砂礫石。1.2.2 土中水對(duì)凍脹的影響

試驗(yàn)和工程實(shí)踐證明,只有土中水分超過一定界限之后才會(huì)產(chǎn)生凍脹, 在外界條件相同的情況下, 土體含水量愈高,其凍脹的強(qiáng)度也就愈大。此外, 在沒有外界水源補(bǔ)給的封閉系統(tǒng)中,由于水分遷移受到了限制, 凍脹達(dá)到一定量時(shí)就不再增長(zhǎng),而在有水源補(bǔ)給的開放系統(tǒng)中,只要條件適宜,凍脹就會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)。1.2.3 溫度對(duì)凍脹的影響

首先, 土溫降低引起水結(jié)晶、冰分凝,引起土體內(nèi)部液態(tài)水向凍結(jié)鋒面的不斷遷移。凍土土溫愈低,土體中未凍水含量愈少, 含冰量愈大。其次, 凍土的溫度梯度決定著水分遷移量的大小,凍土的溫度梯度愈小, 水分遷移量愈大;凍脹量愈大,溫度梯度愈大,水分遷移量愈小,凍脹量愈小。

1.2.4 荷載對(duì)凍脹的影響

荷載的增加會(huì)對(duì)土體的凍脹產(chǎn)生抑制作用, 首先,荷載的增加會(huì)使得土體的凍結(jié)溫度降低,要繼續(xù)維持土體的凍結(jié)狀態(tài), 則需要更低的凍結(jié)溫度。其次, 外部壓力的作用會(huì)引起土體內(nèi)水分的重分布。若荷載的增加超過凍結(jié)鋒面所產(chǎn)生的界面能量時(shí),水分則會(huì)從高應(yīng)力區(qū)的凍結(jié)鋒面向低應(yīng)力區(qū)發(fā)生反向遷移,使得土體凍脹急劇減少,甚至停止。融沉的分析

2.1 融沉的產(chǎn)生機(jī)理

凍結(jié)地層溫度上升, 凍土發(fā)生融化, 凍土中的冰晶融化成水, 土體體積縮小,加上土體原有結(jié)構(gòu)凍脹時(shí)形成的裂縫在融化時(shí)的閉合, 產(chǎn)生融化沉降;同時(shí)凍土在融化過程中未凍水含量隨地溫的升高而增加, 直至達(dá)到相變溫度點(diǎn),冰全部變成孔隙水, 當(dāng)未凍水含量增加到足以擺脫靜電作用時(shí),土體便在重力和上覆荷載的作用下發(fā)生排水固結(jié),土顆粒運(yùn)動(dòng), 孔隙度變小而壓密,產(chǎn)生固結(jié)沉降。融化終結(jié)后, 排水固結(jié)并不馬上結(jié)束, 而是繼續(xù)進(jìn)行一段時(shí)間,直至土體固結(jié)沉降達(dá)到穩(wěn)定。凍土融化沉降的沉降量與外壓力無關(guān), 而融土固結(jié)產(chǎn)生的沉降與凍結(jié)過程中形成的土粒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、冰融化成水釋放的自由孔隙空間以及上覆荷載的大小有關(guān)。通常壓密沉降與正壓力成正比, 一般凍土的融沉量要大于凍脹量,有時(shí)融沉?xí)優(yōu)橥幌?。融沉的不均勻性及突陷往往?huì)導(dǎo)致地表建筑結(jié)構(gòu)的破壞。2.2 融沉的影響因素

影響凍土融沉的主要因素有: 凍土的含水量(包括凍土中的未凍水和孔隙冰)、冷生構(gòu)造、干容重、上覆荷載等。2.2.1 含水量對(duì)融沉的影響

凍土含水量的大小是影響凍土融沉的關(guān)鍵因素, 其含水量包括凍土中的未凍水和孔隙冰兩個(gè)部分,各部分所占比重的大小視凍土所處的負(fù)溫而定,體積含冰量較大的富冰凍土融化時(shí)常產(chǎn)生突發(fā)性下沉變形, 而含冰量較少的貧冰凍土融沉?xí)r基本不會(huì)產(chǎn)生較大變形。2.2.2 冷生構(gòu)造對(duì)融沉的影響

凍土的融沉與凍土在凍結(jié)過程中所形成結(jié)構(gòu)有關(guān),凍土的結(jié)構(gòu)對(duì)土的融化沉降及壓密沉降有著直接的影響,通常來講呈整體狀構(gòu)造的凍土, 其產(chǎn)生的融沉一般不大,而凍結(jié)時(shí)呈層狀 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院土木工程專業(yè)學(xué)科前沿講座課程報(bào)告

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或網(wǎng)狀構(gòu)造的凍土一般在融沉過程中會(huì)產(chǎn)生較大的沉降變形。2.2.3 干容重對(duì)融沉的影響

干容重對(duì)凍土融沉的影響是從另一面體現(xiàn)了凍土中含水量的融沉的影響, 凍土中含水量小時(shí), 干密度相對(duì)較大,土體中孔隙體積較少,這樣的凍土在融沉過程

中不會(huì)產(chǎn)生較大的沉降變形;而在凍土含水量較大的情況下,凍土的干密度較小, 土體中孔隙體積相對(duì)較大, 該類凍土則在荷載的作用下會(huì)產(chǎn)生較大的沉降壓縮變形。2.2.4 荷載對(duì)融沉的影響

荷載對(duì)融沉的影響主要體現(xiàn)在融土的固結(jié)過程, 隨著凍土中冰的融化,融土中含水量會(huì)逐漸增大, 形成超靜孔隙水壓力,試驗(yàn)表明, 融土在較大的荷載作用下, 孔隙水壓力會(huì)加速消散,隨著融土中孔隙水的排出, 孔隙的壓密,融土將產(chǎn)生較大的壓縮沉降。地鐵人工凍結(jié)土體凍脹融沉的特點(diǎn)

從以上的分析中可以看出,不論是人工凍土還是天然凍土,其凍脹融沉的產(chǎn)生機(jī)理及影響因素都是相同的。但就人工凍土來講, 它除具有天然凍土的特征外,還具有其自身的一些特點(diǎn),主要表現(xiàn)在:(1)人工凍結(jié)土體所處地層多為淤泥質(zhì)土或粘土地層等,一般含水豐富,在這樣的地層環(huán)境下, 易產(chǎn)生較大的凍脹和融沉變形。

(2)凍結(jié)過程中,人工凍結(jié)器表面溫度通常低于-20 ,負(fù)溫梯度隨著凍結(jié)壁的擴(kuò)展由大變小, 凍結(jié)速度由快變慢, 凍結(jié)時(shí)間相對(duì)較短;在凍結(jié)土體融化過程中,周邊的土體溫度相對(duì)較低,溫度梯度較小, 但在其相鄰范圍的正溫土體的作用下,凍土溫度會(huì)快速升高, 在此相變過程中,由于凍結(jié)土體要吸收大量的熱量, 而周邊正溫土體傳導(dǎo)熱量的能力有限,使得凍結(jié)土體全部融化要經(jīng)歷相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間。

(3)人工凍結(jié)土體具有三維凍融的特征, 在凍結(jié)過程中凍結(jié)鋒面的擴(kuò)展垂直于凍結(jié)管軸線方向, 冰晶分布平行于凍結(jié)管軸線方向;在凍土融化過程中, 熱量是由周圍土體或結(jié)構(gòu)向凍土內(nèi)部擴(kuò)散,凍土從周邊邊界開始融化。此外,人工凍結(jié)土體的凍融過程中水分的聚集和消散同樣具有明顯的三維特征。

(4)人工凍結(jié)壁作為臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)一般要承受一定的荷載作用, 在凍結(jié)過程中荷載通常對(duì)土體的凍脹具有一定的限制和約束作用,而在融沉過程中, 由于受荷載作用的影響, 融土中的孔隙水會(huì)迅速排出, 土體逐漸被壓實(shí)、壓密。制定防范措施

我們此次施工范圍內(nèi)土層主要為第四系全新中統(tǒng)相層粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和第四系上更新統(tǒng)三組相層粉質(zhì)粘土,其土層土質(zhì)松軟、結(jié)構(gòu)松散、孔隙比較大, 含水豐富、承載力低、容易壓縮和在動(dòng)力作用下易流變、土體內(nèi)聚力小等特點(diǎn), 在我們經(jīng)過對(duì)凍結(jié)土體凍漲融沉產(chǎn)生的機(jī)理和影響因素充分分析及研究的基礎(chǔ)上,參照以往聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工經(jīng)驗(yàn),考慮到施工中將可能面臨或出現(xiàn)的各種問題, 有針對(duì)性的提出了以下技術(shù)控制要點(diǎn):(1)為防止凍結(jié)土體的凍脹融沉給隧道及地面帶來不利影響,在聯(lián)絡(luò)通道實(shí)施土體凍結(jié)前期, 根據(jù)凍結(jié)管的布置, 及時(shí)在凍結(jié)帷幕內(nèi)對(duì)稱設(shè)置數(shù)個(gè)壓力釋放觀測(cè)孔,凍結(jié)開始后根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行泄壓以防凍脹,保證聯(lián)絡(luò)通道開挖及結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量;開挖后,及時(shí)在結(jié)構(gòu) 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院土木工程專業(yè)學(xué)科前沿講座課程報(bào)告

第 4 頁(yè) 的外層臨時(shí)支護(hù)(鋼格柵)背板后用水泥砂漿充填密實(shí),利用隧道或聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)的注漿跟蹤注漿加以補(bǔ)強(qiáng),以補(bǔ)償土層融沉,控制地表變形。

(2)由于混凝土和鋼管片相對(duì)于土層更易散熱, 并且會(huì)影響隧道管片附近土體的凍結(jié)質(zhì)量,從而影響凍土整體穩(wěn)定性和封土性。為此,我們考慮在冷凍區(qū)域隧道管片上鋪設(shè)保溫層,在其對(duì)面隧道管片加設(shè)冷凍板等保溫措施,切斷由于溫度變化,而出現(xiàn)外界水源補(bǔ)給的現(xiàn)象,以消除凍土帷幕可能存在影響安全的薄弱環(huán)節(jié)。

(3)加強(qiáng)凍結(jié)過程檢測(cè), 在凍土帷幕內(nèi)布置測(cè)溫孔,以便正確測(cè)定凍土帷幕厚度和判斷凍土帷幕是否交圈,并配合壓力釋放觀測(cè)孔進(jìn)行檢測(cè), 在凍脹達(dá)到一定壓力時(shí),及時(shí)泄壓,減少對(duì)周圍土體及隧道的影響。

(4)在凍結(jié)、開挖兩側(cè)隧道內(nèi)均增設(shè)環(huán)向預(yù)應(yīng)力支撐,以防打開聯(lián)絡(luò)通道留口管片時(shí), 隧道產(chǎn)生過大變形,而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

(5)在凍結(jié)過程中, 加強(qiáng)積極、維護(hù)凍結(jié)的質(zhì)量控制,使帷幕形成整體狀凍結(jié)土體, 消除后期冷生構(gòu)造對(duì)融沉產(chǎn)生的不利影響。

(6)由于凍土的蠕變形很強(qiáng),如遇凍土帷幕有明顯變形,溫度明顯回升, 立即用預(yù)制格柵加背板支撐,必要時(shí)調(diào)整開挖構(gòu)筑工藝,并同時(shí)加強(qiáng)凍結(jié),防止融沉過大,對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生不利影響。

(7)由于聯(lián)絡(luò)通道的開挖和支護(hù)層施工時(shí)間較凍土帷幕的化凍時(shí)間短,根據(jù)礦山井筒凍結(jié)經(jīng)驗(yàn), 由于偶然停凍對(duì)開挖安全不會(huì)產(chǎn)生大的影響。但是, 為了提高施工安全性,應(yīng)選用可靠的凍結(jié)施工設(shè)備。

(8)在聯(lián)絡(luò)通道集水井部分施工時(shí), 一般應(yīng)割除其內(nèi)凍結(jié)管,在此期間將結(jié)束人工凍結(jié),因此, 必須合理安排、保證連續(xù)施工, 盡量減少溫度對(duì)其影響,同時(shí), 加強(qiáng)停凍時(shí)的凍工帷幕監(jiān)測(cè),以便及時(shí)采取相關(guān)措施。

(9)由于人工凍結(jié)土體具有三維凍融的特征, 因此,在聯(lián)絡(luò)通道砼襯砌結(jié)構(gòu)中, 分別在結(jié)構(gòu)頂面、四周側(cè)面等處設(shè)置注漿孔,預(yù)埋注漿管,在施工后期, 采用注漿方式以補(bǔ)償解凍后出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)與凍結(jié)土體間的孔隙, 消除融沉可能造成的變形,注漿應(yīng)配合凍土帷幕融化過程進(jìn)行, 開始可注粘土水泥漿。

(10)在整個(gè)施工及解凍過程中, 嚴(yán)密監(jiān)測(cè)隧道變形,特別是在解凍初期15d 內(nèi), 做好跟蹤補(bǔ)償注漿工作,當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常,應(yīng)及時(shí)在變形較大部位周圍或?qū)?yīng)面進(jìn)行注漿,確保隧道等安全。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)

2005 年1月11日~ 2005年6月11日, 我們?cè)诒狈侥吵鞘械罔F聯(lián)絡(luò)通道Ⅰ區(qū)間、Ⅱ區(qū)間進(jìn)行了兩個(gè)聯(lián)絡(luò)通道(含集水井)的凍結(jié)法施工,由于聯(lián)絡(luò)通道上方10m左右為該城市主干道,施工期間,交通正常運(yùn)行,凍結(jié)前后上部荷載不會(huì)有較大變化, 在采取上述措施的同時(shí),除加強(qiáng)監(jiān)測(cè)外,未考慮荷載影響,鑒于聯(lián)絡(luò)通道所處位置上方分布有較多的建筑物等, 因此, 我們?cè)诘孛?、房屋、管線布置了 50個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),在隧道內(nèi)布置了162個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),從凍結(jié)鉆孔開始至施工結(jié)束后70d 左右進(jìn)行了地面變形、隧道內(nèi)沉降、水平、收斂等監(jiān)測(cè),以檢查聯(lián)絡(luò)通道在凍結(jié)前期、施工過程及后期,凍脹融沉是否給隧道及周圍環(huán)境帶來不利影響,我們從隧道內(nèi)162個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中, 選取24個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。從凍結(jié)開始至解凍脹融沉的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看, 凍結(jié) 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院土木工程專業(yè)學(xué)科前沿講座課程報(bào)告

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周圍的土體發(fā)生或多或少的變形,其中隧道內(nèi)監(jiān)測(cè)值均控制在-10~ 10 mm 以內(nèi),另從地面監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)看,地面沉降值均控制在-30~ 10 mm 以內(nèi),凍漲基本發(fā)生在凍結(jié)期, 其中波動(dòng)主要在凍結(jié)30d 以后,融沉發(fā)生在解凍后,解凍周期一般為1~ 2個(gè)月,在此期間, 變形波動(dòng)緩慢、平穩(wěn),因此,在施工中嚴(yán)格按照科學(xué)、合理的施工方案進(jìn)行施工與控制,凍脹、融沉不會(huì)對(duì)地鐵隧道產(chǎn)生不利或負(fù)面影響。

參考文獻(xiàn)

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第五篇：汽車學(xué)科前沿講座報(bào)告

本周的學(xué)科前沿講座使我們又回顧了不就前剛剛學(xué)過的汽車構(gòu)造這么學(xué)科，讓我又有了新的收獲和理解。汽車學(xué)科前沿講座報(bào)告

汽車的發(fā)展史

卡爾·弗里特立奇·本茨（Karl Friedrich Benz，1844年11月25日－1929年4月4日），德國(guó)著名的戴姆勒－奔馳汽車公司的創(chuàng)始人之一，現(xiàn)代汽車工業(yè)的先驅(qū)者之一，人稱“汽車之父”、“汽車鼻祖”。

1890-1920 馬車過渡到汽車，金屬車身出現(xiàn) 1885年，德國(guó)工程師卡爾?本茨制成了世界上第一輛三輪車，并于1886年1月29日申請(qǐng)并獲得了發(fā)明專利，所以，1886年1月29日被認(rèn)為汽車的誕生日。幾乎同時(shí)，,德國(guó)工程師戈特利布·戴姆勒也成功研制成一輛公認(rèn)的以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的四輪汽車.1894年奔馳velo是最早的量產(chǎn)汽車.進(jìn)入20世紀(jì)以后，汽車不再僅是歐洲人的天下了，特別是亨利.福特(HeneryFord)在1908年10月開始出售著名的“T”型車時(shí)，這種車產(chǎn)量增長(zhǎng)驚人，短短19年，就生氣1500輛。此間的1913年福特汽車公司還首次推出了流水裝配線的大量作業(yè)方式，使汽車成本大跌，汽車價(jià)格低廉，不再僅僅是貴族和有錢人的豪華奢侈品了，它開始逐漸成為大眾化的商品。也是此時(shí)開始，美國(guó)汽車便成為世界寵兒，福特公司也因此成為名副其實(shí)的汽車王國(guó)。所以，人們說，汽車發(fā)明于歐洲，但獲得大發(fā)展那是在本世紀(jì)初30年代的美國(guó)。福特采用流水作業(yè)生產(chǎn)汽車，在汽車發(fā)展史上樹起了第三塊里程碑。

汽車基本知識(shí)

汽車一般由發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、車身和電氣設(shè)備等四個(gè)基本部分組成.發(fā)動(dòng)機(jī)：是一種由許多機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)組成的復(fù)雜機(jī)器。無論是汽油機(jī)，還是柴油機(jī)；無論是四行程發(fā)動(dòng)機(jī)，還是二行程發(fā)動(dòng)機(jī)；無論是單缸發(fā)動(dòng)機(jī)，還是多缸發(fā)動(dòng)機(jī)。要完成能量轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)工作循環(huán)，保證長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)正常工作，都必須具備以下一些機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)。

汽車底盤構(gòu)造 : 底盤： 底盤作用是支承、安裝汽車發(fā)動(dòng)機(jī)及其各部件、總成，形成汽車的整體造型，并接受發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，使汽車產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，保證 正常行駛。底盤由 傳動(dòng)系、行駛系、轉(zhuǎn)向系和制動(dòng)系 四部分組成

汽車車身：是指汽車的外殼,內(nèi)飾,坐椅等.汽車電器設(shè)備電氣設(shè)備： 汽車電氣設(shè)備主要由蓄電池、發(fā)電機(jī)、調(diào)節(jié)器、起動(dòng)機(jī)、點(diǎn)火系、儀表、照明裝置、音響裝置、雨刷器等組成。

發(fā)動(dòng)機(jī)的基本知識(shí)

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)是機(jī)體，其他構(gòu)件都是安裝在機(jī)體上。主要由曲柄連桿機(jī)構(gòu)，配氣機(jī)構(gòu)，燃油供給系統(tǒng)，潤(rùn)滑系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)，汽油機(jī)有點(diǎn)火系統(tǒng)，以及電子控制系統(tǒng)等。

汽油發(fā)動(dòng)機(jī)（Gasoline Engine），是以汽油作為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)。由于汽油粘性小，蒸發(fā)快，可以用汽油噴射系統(tǒng)將汽油噴入氣缸，經(jīng)過壓縮達(dá)到一定的溫度和壓力后，用火花塞點(diǎn)燃，使氣體膨脹做功。汽油機(jī)的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕，造價(jià)低廉，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，使用維修方便。汽油機(jī)在汽車上，特別是小型汽車上大量使用，至今不衰。

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是功率大、經(jīng)濟(jì)性能好。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)有許多相同的地方，每個(gè)工作循環(huán)也經(jīng)歷進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣四個(gè)行程。但由于柴油機(jī)用的燃料是柴油，其粘度比汽油大，不易蒸發(fā)，而其自燃溫度卻較汽油低，因此可燃混合氣的形成及點(diǎn)火方式都與汽油機(jī)不同。

汽車前沿技術(shù)

汽車的電子化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化是現(xiàn)代汽車發(fā)展的重要標(biāo)志，隨著消費(fèi)者對(duì)汽車功能和性能要求的日益提高，汽車正在逐漸由機(jī)械系統(tǒng)向電子系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，目前全球汽車電子產(chǎn)業(yè)面臨著高速增長(zhǎng)的機(jī)遇。在國(guó)外，電子系統(tǒng)已占到一輛普通轎車總成本的30%，在高級(jí)轎車上比例更高，在國(guó)內(nèi)，中高級(jí)轎車電子裝置的配置已經(jīng)接近或達(dá)到了國(guó)外汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家水平。但我國(guó)汽車電子業(yè)總體上還與國(guó)外有很大差距，需要加大研究投入的力度。汽車電子技術(shù)經(jīng)過兩個(gè)階段的發(fā)展，現(xiàn)正處在第三個(gè)階段。第一階段的汽車電子設(shè)備主要采用分立電子元件組成電子控制器，并開始由分立電子元件產(chǎn)品向集成電路產(chǎn)品過渡；第二階段則主要采用集成電路和8位微處理器開發(fā)汽車專用的獨(dú)立控制系統(tǒng)；第三階段開始于20世紀(jì)90年代，汽車電子設(shè)備廣泛采用16位或32位微處理器進(jìn)行控制，控制技術(shù)向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。在該階段出現(xiàn)了很多新的技術(shù)研究領(lǐng)域和研究熱點(diǎn)。

線控技術(shù)DBW

汽車的各種操縱系統(tǒng)正向電子化、自動(dòng)化方向發(fā)展，在未來的5～10年里，傳統(tǒng)的汽車機(jī)械操縱系統(tǒng)將變成通過高速容錯(cuò)通信總線與高性能CPU相連的電氣系統(tǒng)。如汽車將采用電氣馬達(dá)和電控信號(hào)來實(shí)現(xiàn)線控駕駛、線控制動(dòng)、線控油門和線控懸架等，采用這些線控系統(tǒng)將完全取代現(xiàn)有系統(tǒng)中的液壓和機(jī)械控制。

CAN總線網(wǎng)絡(luò)

隨著電控單元在汽車中的應(yīng)用越來越多，車載電子設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信變得越來越重要，以分布式控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)構(gòu)造汽車車載電子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是很有必要的。大量數(shù)據(jù)的快速交換、高可靠性及廉價(jià)性是對(duì)汽車電子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的要求。在該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，各處理機(jī)獨(dú)立運(yùn)行，控制改善汽車某一方面的性能，同時(shí)在其它處理機(jī)需要時(shí)提供數(shù)據(jù)服務(wù)。汽車內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成主要依靠總線傳輸技術(shù)。汽車總線傳輸是通過某種通訊協(xié)議將汽車中各種電控單元、智能傳感器、智能儀表等聯(lián)接起來，從而構(gòu)成的汽車內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。其優(yōu)點(diǎn)有：減少了線束的數(shù)量和線束的容積，提高了電子系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性；采用通用傳感器，達(dá)到數(shù)據(jù)共享的目的；改善了系統(tǒng)的靈活性，即通過系統(tǒng)的軟件可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的變化。CAN總線是德國(guó)博世公司在20世紀(jì)80年代初開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通訊協(xié)議。它的短幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、非破壞性總線仲裁技術(shù)以及靈活的通訊方式，使CAN總線具有很高的可靠性和抗干擾性，滿足了汽車對(duì)總線的實(shí)時(shí)性和可靠性的要求。

機(jī)自

07-9班

王淼03071213