第一篇：中南大學學科前沿講座感受

淺談學科前沿講座學習感受

學科前沿是指某一學科中最難代表該學科發展趨勢制約該學科當前發展的關鍵性科學問題、難題及相應的學說。我有幸聆聽了院里各位教授的學科前沿講座，八次的講座使我受益匪淺。教授們從日常生活中的小例子向大家詮釋“前沿”的內涵，所謂前沿，就是無論在國內還是國外都沒有重復的科學發展事態。同時，他們也結合自身做學術研究過程中的種種經歷，以平實而又生動的語言講述著做學問要付出的各種努力以及要去接觸的各種問題。隨后，教授們分別向大家介紹了各自目前從事的學科前沿問題，同時強調“做學問需要結合時代的需要，符合時代背景，與國際接軌”，并告誡同學們要注重積累，拓寬專業知識。

雖然僅有八次學科前沿講座，我被教授們清晰的思路和表達、嚴密的邏輯和證據、學者應有的良知與責任而折服。講座中，教授帶我們一起回望化學的發展歷史，展望化學未來，體會化學給我們帶來的種種歡樂與夢想。

在教授們提出的眾多學科前沿課題中，我最感興趣的是：為什么熱水比冷水在冰箱中結冰快，因為這一問題貼近生活，我們可以親自動手驗證，如此普通卻又高深的難以解釋。我對這一問題進行了資料搜集和思考。最早發現這一現象的是中學，1963年的一天，在地處非洲熱帶的坦桑尼亞一所中學里，一群學生想做一點冰凍食品降溫。一個名叫埃拉斯托·姆佩巴的學生在熱牛奶里加了糖后，準備放進冰箱里做冰淇淋。他想，如果等熱牛奶涼后放入冰箱，那么別的同學將會把冰箱占滿，于是就將熱牛奶放進了冰箱。過了不久，他打開冰箱一看，令人驚奇的是，自己的那杯冰淇淋已經變成了一杯可口的冰淇淋，而其他同學用冷水做的冰淇淋還沒有結冰。姆佩巴把這特殊現象告訴了達累薩拉姆大學的物理學教授奧斯博爾內博士。奧斯博爾內聽了姆佩巴的敘述后也感到有點驚奇，但他相信姆佩巴講的一定是事實。尊重科學的奧斯博爾內又進行了實驗，其結果也姆佩巴的敘述完全相符。這就確切地肯定了在低溫環境中，熱水比冷水結冰快。此后，世界上許多科學雜志載文介紹了這種自然現象，還將這種現象命名為“姆佩巴效應”（Mpemba Effect）。

從物理方面來說，致冷有四種并存的機制：輻射、傳導、汽化、對流，通過實驗觀察，對結果進行比較，發現引起熱水比冷水先結冰的原因主要是傳導、汽化、對流三者相互作用的綜合結果，如果把熱水和冷水結冰的過程敘述出來并分析原因就更能說明問題了：盛有4℃冷水的結冰要很長時間，因為水和玻璃都是熱的不良導體，液體內部的熱量很難依靠傳導有效地傳遞到表面，杯子里的水由于溫度下降，體積膨脹，密度變小，集結在表面，所以在水表面處最先結冰，其次是底部和四周，形成了一個密閉的“冰殼”，這時內層的水與空氣隔絕，只能依靠傳導和輻射來散熱，所以冷卻的速率很小，阻止內層水溫繼續下降的正常進行，另外由于水結冰時體積要膨脹，“冰殼”起著一種抑制作用。盛有100℃熱水那一杯冷凍的時間相對來說要少得多，看到的現象是表面的冰層總不能連成冰蓋，看不到“冰殼”的現象，沿冰水的界面向液體內生長出針狀的冰晶（在初溫低于12℃時，看不到這種現象）。隨著時間的流逝，冰晶由細變粗，這是因為初溫高的熱水，上層水冷卻后密度變大向下流動，形成液體內部的對流，使水分子圍繞各自的結晶中心結成冰，初溫越高，這種對流越劇烈，能量的損耗也越大。正是這種對流，使上層的水不易結成冰蓋，由于熱傳遞和相變潛熱，在單位時間內的內能損耗較大，冷卻速率較大，當水面溫度降到0℃以下并有足夠的低溫，水面就開始出現冰晶。初溫較高的水，生長冰晶的速度較大，這是由于冰蓋未形成和對流劇烈的緣故，最后我們觀察到冰蓋還是形成了，冷卻速率變小了一些，但由于水內部冰晶已經生長而且粗大，具有較大的表面能，冰晶的生長速率與單位表面能成正比，所以生長速度仍然要比較初溫低的水快得多。

從生物作用方面來看，水要結成冰，水中需要許多結晶的中心，生物實驗發現，水中的微生物往往是“結晶中心”。而某些微生物在熱水（水溫在100℃以下一點）中繁殖比冷水中快，這樣一來，熱水中的“結晶中心”比冷水中的多得多，加速了熱水結冰的協同作用，圍繞“結晶中心”生長出子晶，子晶是外延結晶的晶核，對流使各種取向的分子都流過子晶，依靠晶體表面的分子力，抓住合適取向的水分子，外延出分子作有序排列的許多晶粒，懸浮在水中，結晶釋放的能量通過對流放出，而各相鄰的冰粒又連結成冰，直到水全部結冰為止。

以上是對觀察到的現象進行分析，得出的一些結論和提出的一些解釋。但要真正解開“姆潘巴問題”的謎，對其作出全面定量的令人滿意的結論，還有待進一步探索。

回憶起自己的化學學習史，在初高中時期，接觸到物質的定性測定，對于復雜的物質定量分析，淺嘗輒止，由于許多的理論雖然成立，卻對其意義無從深究，例如：酸堿指示劑的應用：酚酞的變色范圍是PH8.0~9.6，在強堿滴定強酸試驗中通常采用酚酞作為指示劑，理論計算得化學計量點時PH=7.0（室溫），而此值并不在酚酞的變色范圍內，為何依然選用酚酞作為指示劑，一起滴定的結果會產生怎樣的誤差？諸如此類的問題，由于自身缺乏詳細而周密的理論知識，學習的主動性不是很強。專業的化學知識是作為一名化學人首先應當具備的，無機化學學習已經讓我們對于這門學科深奧的知識內涵和龐大的知識體系有所了解，而接觸到有機化學課程學習，足以讓我們領會到一名化學人應該持有嚴謹的治學態度。我對這門課的感觸頗深：一套完整的理論體系背后，必然有著一套嚴密的數學推理過程。分析化學的任務是確定物質的化學組成，測量物質各組成成分的含量及表征物質的化學結構，形態等。為了完成這些任務，必然需要嚴格的公式推理，在我看來分析化學與其說是化學學科的一門分支，不如說它是架在化學學科和數學學科之間的一道橋梁。望著滿滿的數學公式，還有形狀各異的曲線，心靈的震撼足以讓我產生恐懼——如此多的公式要怎樣記憶，即使記住又該怎樣用？但是，隨著老師的詳細授教，我的認識有所改變，雖然有繁多的計算公式，但清晰的推理過程為我們的記憶工作做了很好的鋪墊。除此以為，在不同的環境和條件下，數據的微元也使得計算式變得簡單，在誤差允許的范圍內，優化了數據的處理。學習時間雖然短暫，但它將對我以后的化學學習產生很大的影響，尤其是其所需求的嚴謹的治學態度，會使我們終身受用。

在講座中，我不僅感受到與世界接軌的濃厚科學氛圍，更對本院及自己所在專業——分析化學有了更深的認識。當今世界，分析化學占了很重要的位置，尤其是在目前全球所面臨的各個領域中的問題上，都少不了分析化學的作用。食品，環境，新型材料，醫用藥品，冶金，化工，生物，臨床醫學等領域，都是分析化學應用非常活躍的地方。所以，分析化學未來的方向可能會影響到這些領域的未來動態。本文在查閱文獻的基礎上，論述了分析化學未來主要的新方向——環境分析。在環境，食品等方面的問題，我們通過有效的分析方法，可以知道問題的所在，為解決問題帶來了根本的幫助。而化學反應方面講會朝著無害原料、綠色反應條件的方向發展。光化學和電化學分析在環境方面會得到高度的重視。化學發光分析具有測定靈敏度高、線性范圍寬、使用儀器簡單、分析速度快、易與多種分析技術結合、容易自動化等特點。

另外，化學為人類進步提供了物質基礎，對于許多學科分支的發展起了帶頭作用，但是其地位和作用一直受到忽視。但現在作為化工院的一員，以后將會成為化工人的我認為基礎研究是人類文明進步的動力，是科技與經濟發展的源泉和后盾，是新技術新發明的先導，也是培養人才的搖籃。基礎研究的核心在于創新，而創新就要允許失敗，創新是科研的靈魂，而創新又不可能脫離原有研究基礎，同時也有不同的模式和水平。

在未來的幾十年中，相信化工人將會不斷發展壯大，通過分析化學領域的科學方法，對環境污染源分析，從源頭上消除污染，合理利用資源和能源，降低生產成本，找到環境問題的解決辦法，從而生活在更清潔，更綠色的地球。回顧化學這幾十年的飛速發展，給人類帶來了許多福音，相信在未來化學定會帶給我們更多的驚喜和福祉！

第二篇：淺談學科前沿講座的學習感受

學 科 前 沿 講 座 論 文

04101430

中德學院

淺談學科前沿講座的學習感受

學科前沿是指某一學科中最難代表該學科發展趨勢制約該學科當前發展的關鍵性科學問題、難題及相應的學說。我作為一名中德學院的機械工程專業學生有幸聆聽了由李炳文、朱華、李寶林等礦大一流教授作的機械工程學科前沿講座，教授們從日常生活中的小例子向大家詮釋“前沿”的內涵，所謂前沿，就是無論在國內還是國外都沒有重復的科學發展事態。同時，他們結合自身做學術研究過程中的種種經歷，以平實而又生動的語言講述著做學問要付出的各種努力以及要去接觸的各種問題。隨后，教授們分別向大家介紹了各自目前從事的學科前沿問題，同時強調“做學問需要結合時代的需要，符合時代背景，與國際接軌”，并告誡同學們要注重積累，拓寬專業知識。通過這16個學時的學習，我在對機械專業有了更深層次的認識。機械可以完成人用雙手和雙目，以及雙足、雙耳直接完成和不能直接完成的工作，而且完成得更快、更好。現代機械工程創造出越來越精巧和越來越復雜的機械和機械裝置，使過去的許多幻想成為現實。機械對于社會和人的生活具有重要意義。

在李炳文教授的學科前沿講座中，我被他清晰的思路和表達、嚴密的邏輯和證據、學者應有的良知與責任而折服。他帶著我走進了 “液壓支架”這門學科。液壓支架是綜采設備的重要組成部分。它能可靠而有效地支撐和控制工作面 的頂板，隔空采空區。防止矸石進入回采工作面和推進輸送機。它與采煤機配套使用，實現采煤綜合機械化，解決機械化采煤工作中頂板管理落后于采煤工作的矛盾，進一步改善和提高采煤和運輸設備的效能，減輕煤礦工人的勞動強度，預防事故的發生，最大限度保障煤礦工人的生命安全。據李老師說礦山機械設備落后一般機械設備二十年，在那里生產的物資推動著中國的發展，而沒有人來推動他們的發展。在這里我深深地體會到我校的老師走進深山，守住寂寞，發明并研發的 “懸浮式液壓支柱系列”、“雙伸縮懸浮式液壓支柱系列”、“液壓支架用懸浮式液壓立柱系列”、“液壓支架用雙伸縮懸浮式液壓立柱系列”、“超靜定液壓支架系列”、“大采高超靜定液壓支架系列”、“特大采高超靜定液壓支架系列”、“大采高充填式液壓支架系列”及特大采高充填式液壓支架系列等系列產品。用自己的聰明才智來解救那些用生命換來工業糧食的礦山工人們。

朱華教授利用影視資料，介紹近年來我國發生礦難情況。我國煤礦礦井災害事故頻繁發生，人員傷亡十分慘重，觸目驚心。中國煤炭產量占世界35%，但礦難死亡人數卻占世界的80%。在災難救援中，救援人員只有非常短的時間(約48小時)用于在倒塌的廢墟中尋找幸存者，否則發現幸存者的幾率幾乎為零。參與救援工作的救護隊員在深入井下，會遇到二次爆炸等各種危險狀況，他懷著一顆憂國憂民之心，帶著對礦工的深厚感情，從救援工作的實際出發，積極組織研制了我國第一臺用于煤礦環境監測以及煤礦災害搜救的機器人CUMT-1。朱教授介紹了CUMT-1能夠實時探測災區的瓦斯濃度、一氧化碳濃度、粉塵濃度和溫度，并且安裝有低照度攝影機，實時傳回災區的視頻和環境信息具有雙向語音對講功能，可以報告受害者的情況，與受害者進行對話，機器人CUMT-1還能攜帶食品、水、藥品、救護工具等救災物資。然后朱教授又介紹了CUMT-2型救災機器人，該機器人采用多傳感器融合的方式進行導航的。就未來礦井救災機器人發展，他站在學科的最前沿提出了礦井救災機器人技術將隨著計算機技術、傳感技術、控制技術、材料技術的發展，特別是網絡技術和圖像信息處理技術的迅猛發展，而將在許多應用領域不斷擴大，應用的復雜程度也越來越高。

在朱華教授的另一個講座中，他把我們帶進一個五彩繽紛的世界------分形學科。也給我們打開了一扇完全嶄新和令人興奮的幾何學窗口。在這堂講座上，朱教授的淵博的知識，在從事機械學研究多年，理工科已取得很高成就下，對文史和藝術上也有很高的建樹。他講座這一新的數學領域觸及到我們生活的方方面面，諸如自然現象的描述，電影攝影術、天文學、經濟學、氣象學、生態學等等。談到我們擁有的這個新幾何，甚至可以描述變化的宇宙。站在這個巨人的肩膀上，我們可以實現許多原來被我們視為奇異或是不可

能實現的東西，不覺中讓我們感嘆原來世界可以這樣。分形所呈現的無窮玄機和美感引發人們去探索，并為之感動。分形使人們感悟到科學與藝術的融合，數學與藝術審美上的統一，使昨日枯燥的數學不再僅僅是抽象的哲理，而是具體的感受；不再僅僅是揭示一類存在，而是一種藝術創作，它搭起了科學與藝術的橋梁。感動于分形的美妙，并受到朱教授的啟發，我有兩個隨意的設想：將分形圖形用于信息加密防偽；印制分形賀卡、明信片和小臺歷。

李寶林老師講授的是汽車發展史，帶我們一起回望汽車的發展歷史，展望未來汽車，體會汽車給我們帶來的種種歡樂與夢想??

汽車自十九世紀末誕生以來，已經走過了風風雨雨的一百多年。從卡爾.本茨造出的第一輛三輪汽車以每小時18公里的速度，跑到現在，竟然誕生了從速度為零到加速到100公里/小時只需要三秒鐘多一點的超級跑車。這一百多年，汽車發展的速度是如此驚人！同時，汽車工業也造就了多位巨人，他們一手創建了通用、福特、豐田、本田這樣一些在各國經濟中舉足輕重的著名公司。

19世紀末20世紀初，歐美一些主要資本主義國家都相繼完成了工業革命，隨著生產力大幅度地增長，要求用于交通運輸的工具也要有相應的發展。從德國人奔馳和戴姆勒于 5

1886年制造的第一輛汽車開始，各國都爭相發展汽車，使汽車工業有了日新月異的變化。

汽車工業發展到今天，汽車設計的范疇早已不再局限在車身造型上。最大的改變就是對內飾設計的重視，以及新能源動力的整車設計。跳脫傳統的造型設計思維，點燃了今天汽車工業的蓬勃發展。

從汽車產業到汽車社會，汽車已成為一種現代生活方式的代表。特別是隨著經濟的發展，汽車越來越普及，人們需求也越來越多樣化，從而刺激汽車廠商不斷地開發更全面、更時尚、更能夠體現時代特色的汽車產品。未來的小客車的造型將更為平滑、流暢。美國通用汽車公司的雪佛萊部研制的AERO2002型未來小客車已具備了這樣的特點。電腦被廣泛地運用在汽車上，將是未來汽車的重要標志。將來的汽車裝上電腦指揮系統。可以把駕駛員的意志和外界行駛條件結合起來轉化成電信號,然后集中輸送到微處理器，經過分析計算后，向車輛的各個部分發出指令。使汽車更為安全可靠。甚至可以出現無人駕駛的“智能”汽車。將來還會出現更多造型奇特、性能卓越的汽車。例如，履帶式氣墊車，用充氣的橡膠履帶來代替汽車的輪子，可以在泥濘道路或沼澤地自由行走。無輪步行式汽車，是仿照動物行走的特征制造的，裝有四條腿，下坑洼、涉泥濘都非常靈活。還有水陸空三用汽 6

車、飛碟汽車、潛艇式汽車等等。總之未來汽車比我們現在想象要豐富得多。

在最后一節課上，另一位未透露姓名的教授則從切割的資源消耗、環境影響分析入手，向我們闡述干切環保綠色技術及特點。這讓我想起來我高中曾經做的預涂層-超濾膜聯用工藝用于應急給水的應用研究，這是當時我看到貧窮地區的村民喝不上安全飲用水，就決定開始的研究。雖然不同的方向，但是起發點都一樣，地球只有一個，我們都要為環保事業做點貢獻。我對于干切環保綠色技術了解就是滿足零件加工時間，加工質量需求，能以最經濟的成本，對大生態環境和對小生產環境都無毒副作用或副作用極小，資源消耗最少，對人及環境無害的切削加工技術。我對具體怎么切削加工那個不太清楚，但是我想只要都有一顆愛護環境的心并付諸實施，都是讓人敬佩的。

中國礦業大學有很大一批機械學科前沿的優秀教授，為這個同樣領先的大學的發展付出了不懈的努力。我們莘莘學子將以他們為榜樣回饋礦山、感知礦山。去為那些為中國的發展提供資源和生命的礦山人，為礦山安全、高效開采奉獻知識和生命。

第三篇：學科前沿講座

學科前沿講座

專業班級： 光信13-3_

姓 名： 朱家興_

學 號： _10134425__

任課教師： 張國營

2016年 11月 11 日

量子計算與量子計算機

【摘要】量子計算的強大運算能力使得量子計算機具有廣闊的應用前景。該文簡要介紹了量子計算的發展現狀和基本原理，列舉了典型的量子算法，闡明了量子計算機的優越性，最后預測了量子計算及量子計算機的應用方向。

【關鍵詞】量子計算；量子計算機；量子算法；量子信息處理 1.引言

在人類剛剛跨入21世紀的時刻！科技的重大突破之一就是量子計算機的誕生。德國科學家已在實驗室研制成功5個量子位的量子計算機，而美國LosAlamos國家實驗室正在進行7個量子位的量子計算機的試驗【1】。它預示著人類的信息處理技術將會再一次發生巨大的飛躍，而研究面向量子計算機以量子計算為基礎的量子信息處理技術已成為一項十分緊迫的任務。2.子計算的物理背景

任何計算裝置都是一個物理系統。量子計算機足根據物理系統的量子力學性質和規律執行計算任務的裝置【2】。量子計算足以量子計算目L為背景的計算。是在量了力。4個公設（postulate）下做出的代數抽象。Feylllilitn認為，量子足一種既不具有經典耗子性，亦不具有經典渡動性的物理客體（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）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。按照量子力學原理，某些粒子存在若干離散的能量分布。稱為能級。而某個物理客體（如電子）在另一個客體（姻原子棱）的離散能級之間躍遷（transition。粒子在不同能量級分布中的能級轉移過程）時將會吸收或發出另一種物理客體（如光子），該物理客體所攜帶的能量的值恰好是發生躍遷的兩個能級的差值。這使得物理“客體”和物理“量”之問產生了一個相互溝通和轉化的橋梁；愛因斯坦的質能轉換關系也提示了物質和能量在一定條件下是可以相互轉化的因此。量子的這兩種定義方式是對市統并可以相互轉化的。量子的某些獨特的性質為量了計算的優越性提供了基礎。3.量子計算機的特征

量子計算機，首先是能實現量子計算的機器，是以原子量子態為記憶單元、開關電路和信息儲存形式，以量子動力學演化為信息傳遞與加工基礎的量子通訊與量子計算，是指組成計算機硬件的各種元件達到原子級尺寸，其體積不到現在同類元件的1%。量子計算機是一物理系統，它能存儲和處理關于量子力學變量的信息【3】。量子計算機遵從的基本原理是量子力學原理：量子力學變量的分立特性、態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，量子力學變量的分立特性使它們可以記錄信息：即能存儲、寫入、讀出信息，信息的一個量子位是一個二能級（或二態）系統，所以一個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極化方向來表示0和1；或用一原子的基態代表0第一激發態代表1。就是說在量子計算機中，量子信息是存儲在單個的自旋’、光子或原子上的。對光子來說，可以利用Kerr非線性作用來轉動一光束使之線性極化，以獲取寫入、讀出；對自旋來說，則是把電子（或核）置于磁場中，通過磁共振技術來獲取量子信息的讀出、寫入；而寫入和讀出一個原子存儲的信息位則是用一激光脈沖照射此原子來完成的。量子計算機使用兩個量子寄存器，第一個為輸入寄存器，第二個為輸出寄存器。函數的演化由幺正演化算符通過量子邏輯門的操作來實現。單量子位算符實現一個量子位的翻轉。兩量子位算符，其中一個是控制位，它確定在什么情況下目標位才發生改變；另一個是目標位，它確定目標位如何改變；翻轉或相位移動。還有多位量子邏輯門，種類很多。要說清楚量子計算，首先看經典計算。經典計算機從物理上可以被描述為對輸入信號序列按一定算法進行交換的機器，其算法由計算機的內部邏輯電路來實現【4】。經典計算機具有如下特點：

a其輸入態和輸出態都是經典信號，用量子力學的語言來描述，也即是：其輸入態和輸出態都是某一力學量的本征態。如輸入二進制序列0110110，用量子記號，即10110110>。所有的輸入態均相互正交。對經典計算機不可能輸入如下疊加Cl10110110>+C2I1001001>。

b經典計算機內部的每一步變換都將正交態演化為正交態，而一般的量子變換沒有這個性質，因此，經典計算機中的變換（或計算）只對應一類特殊集。

相應于經典計算機的以上兩個限制，量子計算機分別作了推廣。量子計算機的輸入用一個具有有限能級的量子系統來描述，如二能級系統（稱為量子比特），量子計算機的變換（即量子計算）包括所有可能的幺正變換。因此量子計算機的特點為：

c量子計算機的輸入態和輸出態為一般的疊加態，其相互之間通常不正交；

d量子計算機中的變換為所有可能的幺正變換。得出輸出態之后，量子計算機對輸出態進行一定的測量，給出計算結果。由此可見，量子計算對經典計算作了極大的擴充，經典計算是一類特殊的量子計算。量子計算最本質的特征為量子疊加性和相干性。量子計算機對每一個疊加分量實現的變換相當于一種經典計算，所有這些經典計算同時完成，并按一定的概率振幅疊加起來，給出量子計算的輸出結果。這種計算稱為量子并行計算，量子并行處理大大提高了量子計算機的效率，使得其可以完成經典計算機無法完成的工作，這是量子計算機的優越性之一。

4.量子智能計算

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算方法的計算處理方面，同時智能計算向來是算法研究的熱門領域，研究表明，二者的結合可以取得很大的突破，即利用量子并行計算可以很好的彌補智能算法中的某些不足【5】。

目前已有的量子智能計算研究主要包括：量子人工神經網絡，量子進化算法，量子退火算法和量子免疫算法等。其中，量子神經網絡算法和量子進化算法已經成為目前學術研究領域的熱點，并且取得了相當不錯的成績，下面將以量子進化算法為例。

量子進化算法是進化算法與量子計算的理論結合的產物，該算法利用量子比特的疊加性和相干性，用量子比特標記染色體，使得一個染色體可以攜帶大數量的信息。同時通過量子門的旋轉角度表示染色體的更新操作，提高計算的全局搜索能力。

目前量子進化算法已經應用于許多領域，例如：工程問題、信息系統、神經網絡優化等。同時，伴隨著量子算法的理論和應用的進一步發展，量子進化算法等量子智能算法有著更大的發展前景和空間。

5.量子計算的應用

1.量子疊加態的計算魅力。在經典物理學中，物質在確定的時刻僅有確定的一個狀態。量子力學則不同，物質會同時處于不同的量子態上。因為處于疊加態，這就意味著，量子計算一次運算就可以處理210=1024個數（從0到1023被同時處理一遍）【6】。以此類推，量子計算的速度與量子比特數是2的指數增長關系。一個64位的量子計算機一次運算就可以同時處理264=***709551616個數。如果單次運算速度達到目前民用電腦CPU的級別（1GHz），那么這個64位量子計算機的數據處理速度將是世界上最快的“天河二號”超級計算機（每秒33.86千萬億次）的545萬億倍。

量子力學疊加態賦予了量子計算機真正意義上的“并行計算”，而不像經典計算機一樣只能并列更多的CPU來并行。因此在大數據處理技術需求強烈的今天，量子計算機越來越獲得互聯網巨頭們的重視。

2.肖爾算法――RSA加密技術的終結者。1985年，牛津大學的物理學家戴維?德意志提出了量子圖靈機模型的概念。隨后貝爾實驗室的彼得?肖爾于1995年提出了量子計算的第一個解決具體問題的思路，即肖爾因子分解算法。

我們今天在互聯網上輸入的各種密碼，都會用到RSA算法加密。這種技術用一個很大的數的兩個質數因子生成密鑰，給密碼加密，從而安全地傳輸密碼。由于這個數很大，用目前經典計算機的速度算出它的質數因子幾乎是不可能的任務。但利用量子計算的并行性，肖爾算法可以在很短的時間內通過遍歷算法來獲得質數因子，從而破解掉密鑰，使RSA加密技術不堪一擊。

量子計算機會終結任何依靠計算復雜度的加密技術，但這不意味著從此我們會失去信息安全的保護。量子計算的孿生兄弟――量子通信，會從根本上解決信息傳輸的安全隱患。

6.量子計算機的應用前景

目前經典的計算機可以進行復雜計算，解決很多難題。但依然存在一些難解問題，它們的計算需要耗費大量的時間和資源，以致在宇宙時間內無法完成【7】。量子計算研究的一個重要方向就是致力于這類問題的量子算法研究。量子計算機首先可用于因子分解。因子分解對于經典計算機而言是難解問題，以至于它成為共鑰加密算法的理論基礎。按照Shor的量子算法，量子計算機能夠以多項式時間完成大數質因子的分解。量子計算機還可用于數據庫的搜索。1996年，Grover發現了未加整理數據庫搜索的Grover迭代量子算法。使用這種算法，在量子計算機上可以實現對未加整理數據庫Ⅳ的平方根量級加速搜索，而且用這種加速搜索有可能解決經典上所謂的NP問題。量子計算機另一個重要的應用是計算機視覺，計算機視覺是一種通過二維圖像理解三維世界的結構和特性的人工智能。計算機視覺的一個重要領域是圖像處理和模式識別。由于圖像包含的數據量很大，以致不得不對圖像數據進行壓縮。這種壓縮必然會損失一部分原始信息 參考文獻

1.王書浩，龍桂魯.大數據與量子計算

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

4.吳楠，宋方敏。量子計算與量子計算機

5.蘇曉琴，郭光燦。量子通信與量子計算。量子電子學報，2004，21（6）：706-718

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

7.王蘊，黃德才，俞攸紅.量子計算及量子算法研究進展.

第四篇：學科前沿講座

聽學科前沿講座有感

學科前沿是指整個科技體系或學科群中居于主導地位具有帶動其它科學發展并影響人們科學觀念轉變的學科。學科前沿是指某一學科中最能代表該學科發展趨勢制約該學科當前發展的關鍵性科學問題、難題及相應的學說。

在即將畢業之際，即將踏入工作生涯，了解學科前沿是至關重要的。學院在這個時候給我們安排學科前沿講座，意義是非凡的，我們也應該抓住這次機會認真學習學科前沿知識，為以后的工作生涯和人生打下結實的基礎。

因此在聽完三位老師的講座，不禁有感而發，對機械學科的前沿有了更深入的了解。

一、對我國汽車前沿的感悟

中國汽車發展歷程

新中國剛一成立就決定發展自己的汽車工業，1953年第一汽車制造廠破土動工，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念”。1956年我國生產的第一輛汽車下線，毛主席又親自為其命名———解放，對于當時工業整體水平非常落后的中國人來說，這確實是一次經濟上的解放。1956年是中國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牌轎車，送往北京向黨的八大”獻禮，這是中國自制的第一部轎車，6月，北京第一汽車廠附件廠試制成功井岡山牌轎車，同時工廠更名為北京汽車制造廠。8月一汽又設計試制成功第一輛紅旗牌高級轎車，9月上海汽車配件廠試制成功第一輛鳳凰牌轎車。在大躍進的年代，這幾輛稚嫩的國產轎車確實讓全國人民歡欣鼓舞了一陣子。

六七十年代，除了紅旗外，中國惟一大批量生產的轎車就是上海牌轎車。1964年，鳳凰牌轎車改名為上海牌，并對制造設備做了一系列改進。首先制成了車身外板成套沖模，結束了車身制造靠手工敲打的落后生產方式，又以此為基礎制成各種拼裝臺，添置點焊機，實現拼裝流水線生產，轎車質量得到穩定和提高。1965年上海轎車通過一機部技術鑒定，批準定型。到1979年，上海牌轎車共生產了一萬七千多輛，成為我國公務用車和出租車的主要車型。1972年起還對車身進行了改型，并減輕了自重。1980年，該車年產量突破5000輛。1985年，已經開始與德國大眾公司合資的上海轎車廠和嘉定縣聯營另行建廠繼續生產上海轎車，并繼續做了一些技術改進，一直生產到90年代。在相當長的時間里，上海轎車支撐著國內對轎車的需求，為社會發展做出了貢獻。但當時我國的汽車工業是以載貨車為主導的，對轎車缺乏應用的重視，這使得我國的轎車工業技術水平長期處于極為幼稚的狀態。

改革開放后，我國經濟迅速發展，對轎車的需求越來越強，我國落后的轎車工業根本無法滿足這種需求。一時間，外國轎車洪水般涌入我國。1984年至1987年，我國進口轎車64萬輛，耗資266億元。為了迅速提高中國轎車生產能力和技術水平，我國汽車工業開始走上與國外汽車企業合作、引進消化外國先進技術的發展道路。具體方式基本都是從進口全部散件組裝開始，逐漸提高國產化率。純種的中國汽車也在不斷發展，長城、吉利、奇瑞等車廠已經發展壯大起來，技術也越來越好，反正自己孩子自己養，國人支持，他們肯定能做好。

中國汽車的發展方向

中國車企目前還處于開闊市場階段，但從長遠方向看，提高自身產品才是第一要旨。所以中國汽車業將在逐步占領世界市場的同時，加強品牌建設，提高汽車質量和性能，將中國從一個汽車生產大國向汽車研發大國轉變。現代汽車電子化、智能化、多媒體化和網絡化的應用，不僅提高了汽車的動力性、經濟性、安全和環保性，改善了行駛的穩定性和舒適性，推動了汽車工業的發展，還為電子產品開拓了廣闊的市場，從而推動了電子工業的發展。因此，大力發展汽車電子化、智能化、多媒體化和網絡化，加快汽車電子化速度，是啟動和振興汽車工業的重要手段。也是中國汽車零部件企業的新的經濟增長點。

二、礦用絞車前沿感悟

聽完李老師的講座，我深感到礦山機械設備的落后，據李老師所說，礦山設備要落后一般機械二十年。在那里生產的資源推動著中國的發展，然而卻沒有人去推動他們的發展。

在這里也深刻體會到我校老師獨自走入深山的寂寞，也希望國家和社會給予更多的關注，來回饋礦山，感知礦山。解救那些用生命換來工業糧食的礦山工人們，那些對礦上不離不棄的礦大人

三、中國礦業大學的機械電子的感悟

機電是中國礦業大學起步較早的一門學科，也是社會發展的一門前沿學科，機電控制、機電一體化和機電自動化都是現代制造技術所必須的學科。在之前發展也是我校的強勢學科，但由于學校領導的不只是，導至學科人才流失，技術失傳，相對其他學校機械電子的大發展，而我校的機電學科有逆水行舟不進則退之勢。加上學校對機電學科教學的忽視，導至學生對機電的不了解，在以后工作當中對出現問題不知道如何去解決！在這里我也希望學校和學院領導關注一下機電學科的發展，提高學生的綜合素質，拓寬學生的知識面。

小結

中國礦業大學有很大一批老師機械學科前沿，為礦業大學機械學科發展付出了不懈的努力。希望學校領導給予大力支持，支持機電學院的老師，支持礦大的機械學科的發展，支持機械學科的教育工作。讓我們更有能力去回饋礦山、感知礦山、去為那些為中國發展提供資源和生命的礦山人，為礦山安全、高效開采奉獻知識和生命

第五篇：學科前沿講座論文

研究生課程論文

課程名稱：學科前沿講座

姓名：臧寧寧 學號：1049731602549 學院：汽車工程學院

專業：車輛工程專碩

班級：163班

2016年 12 月 28 日

車網互聯（V2G）技術淺析

臧寧寧

（武漢理工大學汽車工程學院；車輛工程163班；1049731602549）

摘要：針對城市高峰電力負荷大、持續時間短的特點，采用車網互聯（V2G）模式，通過電動汽車集群晚間低谷充電，白天停駛時反饋給電網以支持高峰電力負荷，有利于城市電網削峰填谷，并提高能源利用效率。文章首先介紹了V2G研究的意義及其經濟性，而后介紹了V2G的試現方法，V2G研究的關鍵問題：智能管理策略、雙向充電器，最后對我國V2G技術的進一步發展提出了相關建議。

關鍵詞：V2G：實現方法；智能管理策略；雙向充電器

Abstract：For the city peak power load, short duration characteristics, the use of car network interconnection(V2G)model, through the electric car cluster evening trough charging during the day and suspended feedback to the grid to support the peak load, is conducive to urban power grid Valley, and improve energy efficiency.In this paper, the significance of V2G research and its economy are introduced.Secondly, the key techniques of V2G are introduced, such as intelligent management strategy, bi-directional charger, and some suggestions for further development of V2G technology in China.Keywords：V2G;implementation method;intelligent management strategy;bi-directional charger

引言

電動汽車以電為動力，作為智能電網的重要組成部分，其動力電池可以理解為電網中一個移動的分布式儲能單元，具有清潔、高效、環保等特點。由此形成了“車—電”互聯(Vehicle to Grid，簡稱V2G)的概念，即車輛與電網在受控狀態下，實現能量、信息雙向互動，將動力電池看成不僅是車輛的動力源，也是重要的移動儲能介質。當車載動力電池需要充電，則電能從電網流向汽車。當汽車暫停使用時，也可以把車載電池中的電能反送給電網系統。電動汽車V2G充放電模式的應用，是電動汽車能源供給體系中的重要形式之一，也是智能電網建設的重要內容。采用 V2G 模式可對電網起到削峰填谷的作用，從而減少電力建設投資，提高能源利用效率。

圖1.1 電網供應圖

1.V2G研究的意義

現在的電網實際上效率并不是非常高，因為一是成本較高，再就是容易造成浪費。圖1.1和1.2是電網的供應和需求圖，將兩圖進行對比，可以看出：在用電高峰期，電網的供應難以滿足需求，一般采用增建調峰電廠或調峰機組解決；而在用電低谷時，大量的電力被浪費。

圖1.2電網需求圖

V2G的核心思想就是利用大量電動汽車的儲能源作為電網和可再生能源的緩沖，如圖2所示。當電網負荷過高時，由電動汽車儲能源向電網饋電；而當電網負荷低時，用來存儲電網過剩的發電量，避免造成浪費。通過這種方式，電動汽車用戶可以在電價低時，從電網買電，電網電價高時向電網售電，從而獲得一定的收益。

圖2 V2G示意圖

現在，插電式混合動力汽車（PHEV）和純電動汽車（EV）正慢慢進入市場。當這些汽車的數量足夠大時，其電池的總容量是相當巨大的，因而可以將其作為電網以及可再生能源系統的緩沖。但是，電動汽車并不能隨意地、毫無管理地接入到電網中，這是因為如果電網正處于峰值負荷需求，大量汽車的充電要求必然會對電網產生極其嚴重的影響；對于汽車而言，除了為電網提供輔助服務外，還必須能夠滿足日常的行駛需求。因此在向電網饋電的過程中，還必須兼顧汽車自身的能量存儲狀態，以避免影響汽車的正常使用。綜合上述兩個方面，非常有必要對電動汽車 V2G 進行研究，協調汽車與電網間的充電和放電，使得既不會影響電網的運行，也不會限制汽車的正常使用。

2.V2G的經濟性

《車網互聯（V2G）支持高峰電力的技術經濟分析》一文中，以帶有 30 k W·h 動力電池的電動車集群集中放電來支持上海地區 12 h 的800 MW 高峰電力為例，通過V2G 模式中成本和收益的經濟核算，發現電動車主和電網企業都能從 V2G 模式中受益。

文章還對V2G技術的環保價值進行了評估。通過 V2G 模式，一方面可以提高火電機組的發電效率和輸配電設備的利用效率，減少發電和輸電設備的投資；另一方面還可以提高可再生能源的使用比例。就純電動車使用而言，其過程是零排放，既無 CO2排放，也無污染物排放。目前我國 70%-80%的電力來自煤電，電動車使用電力驅動間接上還是產生 CO2和污染物排放，如果把煤電的生產環節考慮在內，其 CO2排放量仍然保持在 120 g/km 左右。通過 V2G 模式可以提高能源利用效率，增加可再生能源電力的比例，從而減少二氧化碳和污染物的排放。因此與風能、太陽能一樣，V2G 模式是一種節能、環保、可持續發展的模式。

3.V2G的實現方法

根據應用對象的不同，可以將 V2G實現方法分成四類。

3.1集中式的 V2G 實現方法

所謂集中式的V2G是指將某一區域內的電動汽車聚集在一起，按照電網的需求對此區域內電動汽車的能量進行統一的調度，并由特定的管理策略來控制每臺汽車的充放電過程。由于此種方式采用統一的調度和集中的管理，可以實現整體上的最優，例如通過先進的算法可以計算每臺汽車的最優充電策略，保證成本最低及電力最優利用。3.2自治式的 V2G 實現方法

自治式 V2G 的電動車經常散落在各處，無法進行集中的管理，因而一般采用車載式的智能充電器，它們可以根據電網發布的有、無功需求和價格信息，或者根據電網輸出接口的電氣特征（如電壓波動等），結合汽車自身的狀態（如電池 SOC）自動地實現 V2G 運行。由于不受統一的管理，每臺電動車的充放電具有很大的隨機性，是否能保證整體上的最優還需進一步研究，此外，車載充電器還會增加電動汽車的成本。3.3基于微網的 V2G 實現方法

基于微網的 V2G 實現方法，實際上是將電動汽車的儲能設備集成到微網中，它與前邊兩種實現方法的區別在于，這種 V2G 方法作用的直接對象不是大電網，而是微網。微網是一種由負荷和微型電源共同組成的系統，它可同時提供電能和熱量；微網內部電源主要由電力電子器件負責能量的轉換，并提供必需的控制；微網相對于外部大電網表現為單一的受控單元，并可同時滿足用戶對電能質量和供電安全等的要求。

3.4基于更換電池組的 V2G 實現方法

基于更換電池組的 V2G 實現方法，其源于更換電池組的電動汽車供電模式。它需要建立專門的電池更換站，在更換站中存有大量的儲能電池，因而也可以考慮將這些電池連到電網上，利用電池組實現 V2G。這種方法的原理類似于集中式 V2G，但是管理策略上會有所不同，因為電池最終是要用來更換的，所以必須確保一定比例的電池電量是滿的。它的實現迫切需要統一電池及充電接口等部件的標準。

4.V2G研究的關鍵問題

4.1智能管理策略

4.1.1 從電網角度分析

電網各個發電單元的作用不相同：容量較大的發電單元價格便宜，但是響應速度慢，適用于提供基本負荷；容量較小的單元價格昂貴，但響應速度快，一般用于峰值負荷。管理策略的制定就是利用 V2G 盡可能減少電網對昂貴發電單元的依賴，并減少無功補償裝置的使用。這就需要電網根據自身的負荷狀況、可再生能源的發電狀況以及 V2G 單元可用容量等信息，事先計算出對各 V2G 單元的有功和無功需求，并給出合理的電價。

對此問題的處理可以分為兩種方式，第一種是由電網直接對接入的每臺電動車連同其他發電單元進行統一調度，采用智能的算法來控制每臺汽車的V2G 運行。第二種方式是在電網與電動汽車群之間建立一個中間系統。該中間系統將一定區域內接入電網的電動汽車組織起來，成為一個整體，服從電網的統一調度。這樣電網可以不必深究每臺電動車的狀態，只需根據自己的算法向各個中間系統發出調度信號（包括功率的大小、有功還是無功以及充電還是放電等），而對電動汽車群的直接管理，則由中間系統來完成。4.1.2 從用戶角度分析

電動汽車 V2G 的智能充放電管理策略描述的是這樣一個過程：中間系統根據電動汽車的充電需求對能量進行合理的供應，同時根據電網需求將電動汽車能量反饋給電網。對于每一臺與電網相連的電動汽車而言，一方面要通過 V2G 來提供輔助服務，另一方面還要從電網獲取能量為電池充電。但是，不論是提供輔助服務（放電）還是從電網獲取能量（充電），其過程并不是隨意地，毫無限度的，它需要實時考慮電動汽車當前及未來的狀況，如電池 SOC、未來行駛計劃、當前的位置、當前電力價格以及連網時間等信息。這樣做是為了在保證正常行駛的前提下使用戶獲得最優。

對于電動汽車智能充放電管理策略的研究，主要涉及如何對各電動車進行協調充電；制定管理策略尋找最大化車主利益的最優方案，例如在電價便宜時為電動車充電，電價昂貴時向電網提供服務。大多數管理策略只適用于 V2G 運行的某一方面，有的適用于頻率調節，有的適用于調峰，并沒有提出一個統一的策略。4.2 V2G 雙向充電器

要使電動汽車實現 V2G，需要在電網和汽車

間配備雙向的智能充電器。此雙向充電器必須具有為電動汽車電池充電的功能，同時產生最小的電流諧波，也應具有根據調節向電網回饋能量的能力。

一般來講，雙向充電器由濾波器、雙向 DC-DC變換器以及雙向 AC-DC 變換器組成。當充電器工作于電池充電模式時，交流電首先通過濾波器濾除不期望的頻率分量，然后通過雙向 C-DC 變換器將交流整流成直流。由于雙向 AC-DC 變換器的輸出電壓可能與直流儲能單元的電壓不匹配，還需要一個雙向 DC-DC 變換器來保證合適的充電電壓。當變換器工作于電池放電模式時，其過程則恰好相反。

5.結論

隨著電網負荷的快速發展,電網峰谷差逐年增大,電網調峰壓力越來越大。如今大力開發和利用新能源的發展戰略進一步加大了各電網的調峰和調頻的難度。V2G技術給未來電網的調峰和調頻問題開辟了新思路。

目前，我國正大力發展電動汽車產業，考慮到 現階段我國智能電網的發展水平，V2G 的發展可適當參考以下兩條建議：

（1）在建設電動汽車基礎設施過程時，盡量考慮V2G因素，建設方便于V2G技術的設施。

（2）建立 V2G 試點工程，進行適當宣傳，使廣大電動汽車用戶了解V2G技術的益處。參考文獻

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