挑战杯 自然科学类 全国特等奖作品汇编

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环形交叉口通行能力的微观仿真研究

来源：第十二届“挑战杯”作品

小类：机械与控制

大类：自然科学类学术论文

简介：

本文提出了一种研究环形交叉口通行能力的微观仿真方法。利用VISSIM仿真平台分析5个影响因素对通行能力的敏感性；选取敏感性高

的因素来建立修正系数模型，并获得实际通行能力的改进计算公式；将

其进行验证，并和现有的模型比较，结果表明其具有最小的相对误差，

从而为环形交叉口规划、设计、管理提供科学依据。

详细介绍：

针对目前我国环形交叉口通行能力的研究相对滞后，不能客观评价城市交通系统的情况，本文选取北京市方庄环形交叉口作为研究对象，

对其进行实地调研和调研数据处理、分析，并以此为基础，重点进行环

形交叉口通行能力计算模型的修正。目前，项目进展顺利，已完成以下

工作： 1.完成交通量调查辅助手机软件（android平台）的开发。 2.

现状调查利用Google earth查找北京市区内的环形交叉口，并通过实

地观察和综合比较，本研究小组选取了方庄环形交叉口，并于2010年8

月24日——8月26日（周二至周四）对其几何数据、交通量（机动车、

非机动车和行人）、车辆行程时间和地点车速进行调查，了解方庄环形

交叉口的交通特性，为VISSIM仿真平台的搭建和验证、通行能力模型

的建立以及后续的研究内容提供依据。 3.VISSIM仿真平台的搭建与校

准首先利用部分实测数据搭建仿真平台，后利用剩余数据，以仿真画面、

平均相对误差及最大相对误差为评价指标，通过调整四个驾驶行为参数

来校准仿真平台。其中，正交试验法的运用，在保证实验准确性的同时，

提高了效率。 4.通行能力影响因素的敏感性分析影响环形交叉口通行

能力的因素主要有环岛半径等几何方面的因素和交通量等方面的交通

因素。选择大车比例、左转比例、右转比例、主支路流量比例和环岛半

径作为此次影响因素分析的对象。针对以上影响因素，利用“每次改变

单一因素，仿真计算该条件下的通行能力”的方法，通过非线性曲线拟

合分析各个因素对通行能力变化的敏感性。实验结果显示：东、西进口

大车比例、左转比例和右转比例以及主支路流量比例对通行能力变化敏

感性较高。之后，对拟合曲线之间相关性较高的因素进行合并，简化后

续实验。 5.修正通行能力理论模型开发在比较各种环形交叉口理论通

行能力模型的基础上，选取王炜的双环行车道时通行能力理论模型作为

基本通行能力模型。接着，通过改变上述敏感性较高的4个影响因素，进行了5184次VISSIM 仿真实验，利用多元回归法得出通行能力修正系数，并提出修正后的通行能力模型。最后，对修正后的通行能力模型进行验证。 6.根据本文的研究思路开发环形交叉口通行能力辅助计算软件。 7.着手进行模型的实际运用，其中包括：环形交叉口运行评估和改造建议。

作品图片：

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作品专业信息

撰写目的和基本思路：：

通行能力是进行道路交通理论研究的基础参数之一。本项目根据我国环形交叉口环内多车道、机非混行的特点，利用VISSIM 仿真平台和统计模型分析五个影响因素对通行能力的敏感性。选取敏感性高的因素利用多元回归方法来建立实际通行能力的改进计算公式。验证结果表明建立的改进模型精度得以较大的提高。在此基础上开发环形交叉口通行能力分析软件，为环形交叉口规划、设计、管理以及进一步的路网交通诱导提供科学依据。

科学性、先进性及独特之处：：

1.考虑了国内典型的环内多车道情况。

2.充分利用计算机模拟可重复性、可延续性、弥补观测数据不足的优势，对不同交通条件下车辆进出环进行细致的模拟分析。

3.仿真平台参数标定中正交试验的运用，提高了效率，保证了结果的准确性。

4.利用经济学中常用的弹性系数对影响因素进行敏感性分析，有效跟踪通行能力在不同条件下的变化规律。

5.根据研究思路开发用户界面友好的环形交叉口通行能力计算辅助软件。

应用价值和现实意义：：

本作品针对环形交叉口的实际通行能力进行了研究，分析了大车比例、左转比例、右转比例、主支路流量比例等影响因素，建立了实际通行

能力的改进模型。本研究有助于准确地估算环形交叉口通行能力，从而客观地评价城市道路交叉口。此外，本研究对于分析大车禁行、交通诱导等交通管制措施以及分离式专用车道等工程的效果具有重要的参考价值。

学术论文摘要：：

随着交通量的迅猛增长，环形交叉口已经成为城市路网的“瓶颈”，因此对其进行在一定服务水平条件下通行能力的研究刻不容缓。鉴于计算机模拟可重复性、可延续性的优势，本文针对国内常见的环内多车道环形交叉口，提出了一种研究其通行能力的微观仿真方法。利用实测数据进行VISSIM仿真平台的搭建和校准；对各进口分别利用“每次改变单一因素，仿真计算该条件下通行能力”并进行曲线拟合、计算弹性系数的方法，分析环道宽度、大车比例、左转比例、右转比例、和主支路流量比例和环道宽度五个影响因素对通行能力的敏感性；选取敏感性高的因素进行参数回归，建立修正系数模型，并获得实际通行能力的改进计算公式；将其进行验证，并和现有的模型比较，结果表明其具有最小的相对误差。根据模型开发了环形交叉口通行能力计算辅助软件，有助于便捷准确地估算环形交叉口通行能力。此外，对于评价大车禁行、交通诱导等交通管制措施以及分离式专用车道等工程的效果也具有重要的参考价值，从而为环形交叉口规划、设计、管理提供科学依据。

获奖情况：：

1.第九届“金士宣”杯创新能力竞赛一等奖（校级第一名）

2.2011年度

“挑战杯”课外学术科技作品大赛自然科学类论文一等奖（校级第一名）

3.2011年度首都“挑战杯”课外学术科技作品大赛自然科学类论文特等

奖 4.英文论文已投至(IEEE ITSC 2011)14th International IEEE Annual Conference on Intelligent Transportation Systems

鉴定结果：：

以上内容属实

参考文献：：

检索目录：中文关键词：环形交叉口通行能力仿真英文关键词：

Roundabout Capacity Simulation

同类课题研究水平概述：：

环形交叉口通行能力的研究主要基于四类理论基础：交织理论模型；

穿插及间隙——接受理论模型，如Tanner公式；反映环内车流量与入口

通行能力关系的回归模型；最后一类是线性规划模型。 1.交织理论模型：交织理论认为车辆运行是通过交织行为来完成的，环形交叉口通行能力为通过交织段的最大通行流量。这种方法的原理为：计算交叉口通行能力时，各交织段交通量将以同比例增加，当某一交织段交通量增加到其通行能

力，认为该交织段已成为环形交叉口的瓶颈，此时的环形交叉口通行能力即为各入口道的交通量之和。 2.穿插间隙——接受理论模型：穿插及间隙——接受理论模型以进口车道能进入环形交叉口的最大流量反映环形交叉口的通行能力。其基本原理为：假定环形交叉口上仅有一条车道，当引道上的车流进入环形交叉口时，它需要与环道上车流进行穿插，只有当环道上的车辆之间的车头时距超过临界间隙时方能进入交叉口；否则，必须等待。 3.线性规划模型：考虑到环形交叉口疏导的结果是流出交通量，所以线性规划模型将求解整个环形交叉口通行能力的问题转换为多个约束条件下的求极值问题，即求各个出口流量之和的最大值。 4.回归模型：反映环形车流量与入口通行能力关系的回归模型是基于大量观测数据进行的回归分析模型。 5.综述交织理论模型算法简单，参数及数据都相对容易测量，可以解决多岔路环形交叉口通过能力的计算。但是该方法只适用于引道上无因故停留的车辆，几何布局必须满足Wardrop公式使用条件，并且环道内的车辆不享有优先通行权的情况；穿插间隙——接受理论模型建立在严格的理论基础上，考虑了交通特征，有很强的适应性，适于车辆间隙较小、以穿插为主要通过方式的城市环形交叉口；线性规划模型虽然容易操作，但是只考虑了三个约束条件，而实际的交通环境却很复杂，而且约束条件的选取在一定程度上取决于研究者的主观判断，这样就失去了严谨性和准确性；线性规划模型利用整个环形交叉口的左、右转比例来计算通行能力，忽略了进口的左、右转比例不同对环形交叉口的通行能力的影响，得出不准确的结果；反映环形车流量与入口通行能力关系的回归模型不需要从理论上进行道路条件以及交通特性条件分析，适应性比较差。不同类型的交叉口回归模型很难统一，如果要使模型具有宽泛的适应性，就必须结合多条道路及多种交通条件进行大量的数据采集，目前我国还不具备这样的试验条件。

异步电动机转子故障在线检测方法及装置

来源：第十二届“挑战杯”作品

小类：机械与控制

大类：自然科学类学术论文

简介：

项目首次将旋转不变技术（ESPRIT）与模拟退火算法（SAA）相结合应用于异步电动机转子断条故障在线检测。新方法仅需针对短时信号

（1.1s），即可达到高频率分辨力，对故障分量的频率、幅值、初相角

进行准确估计。适用于负荷波动、噪声等干扰严重情况下的异步电动机

转子故障在线检测。克服了传统检测方法因需长时间采样数据而易受负

荷波动等因素影响的缺点。并根据新方法制作了异步电动机转子故障检

测装置。

详细介绍：

一、论文简介：本文提出了一种基于旋转不变技术（ESPRIT）与模拟

退火算法（SAA）的异步电动机转子故障检测新方法。首先通过仿真信

号验证，指出ESPRIT算法对于短时信号具备高频率分辨力，可以准确

计算转子故障特征分量以及其它分量之频率；但对诸频率分量幅值、初

相角的计算欠缺准确性、稳定性。随后，引入SAA确定诸频率分量幅值、

初相角，效果理想。进而，对一台Y100L-2型3kW异步电动机完成了转

子故障检测实验。实验结果表明：基于ESPRIT与SAA的异步电动机转

子故障检测方法是切实可行的，并且因仅需处理短时（1.1s）信号即可

对故障进行准确、快速检测，而适用于负荷波动、噪声等干扰严重情况。

二、制作装置：基于新方法制作出了异步电动机转子故障检测装置，

已受理实用新型专利。检测装置由电流测试钳、信号采集卡和计算机组

成。能够快速、灵敏、准确地对异步电动机转子故障进行在线检测。既

体现了新方法在严重干扰情况下良好的故障检测性能，适用于负荷波

动、噪声等干扰严重情况，又展示了装置本身优异的检测性能和推广应

用前景。三、创新点：项目首次将现代频谱估计领域中的旋转不变技术

（ESPRIT）与优化算法中的模拟退火算法（SAA）相结合应用于异步电

动机转子故障在线检测，这具有显著优势： 1、针对短时信号，亦可达

到高频率分辨力； 2、在低信噪比等恶劣情况下，提供无偏谱估计； 3、

对故障分量的频率、幅值、初相角进行准确估计。基于以上的特点，

本方法可以广泛应用于工程当中，适用于负荷波动、噪声等干扰严重情

况下的异步电动机转子故障在线检测，具有广阔的市场前景。四、支撑

材料： 1、论文录用证明两份，其中一篇为中文核心期刊 2、推荐材料

五份：杨奇逊（中国工程院院士、北京四方继保自动化有限公司董事长）

黄其励（中国工程院院士、国家电力公司东北公司总工程师）陈欣（河

北省电机工程学会副理事长、河北省机械行业协会会长）裴建杰（高级

工程师、河北省机械产品质量监督检验总站站长）石新春（华北电力大

学教授、博士生导师） 3、实用新型专利受理书一份 4、应用证明一份

5、教育部科技工作站查新证明一份.

作品图片

作品专业信息

撰写目的和基本思路：

目的：寻求一种仅需短时信号，即可在负荷波动、噪声等干扰严重情况下对运行中的异步电动机转子故障进行灵敏、可靠检测的新方法，并制作相应装置。基本思路：提出基于旋转不变技术（ESPRIT）与模拟退火算法（SAA）的异步电动机转子故障检测新方法。对于短时信号即可准确计算转子故障特征分量之频率、幅值。对一台Y100L-2型3kW异步电动机进行转子故障检测实验，结果表明新方法切实可行，适用于干扰严重情况。

科学性、先进性及独特之处：

本文首次将ESPRIT与SAA相结合应用于异步电机转子故障检测，具有良

好的频率分辨力和抗噪性能。相较于传统方法，新方法仅需针对短时信号（1.1s），即可达到高频率分辨力，对故障分量的频率、幅值进行准确估计，适用于干扰严重情况下的故障检测。

应用价值和现实意义：

已经根据论文中的新方法制作出异步电动机转子故障检测装置，该转置仅需处理短时信号（1.1s），即可快速、灵敏、准确地进行故障检测；该装置结构简单、操作方便且只需提取单相定子电流，能够快速、灵敏、准确地进行电机故障检测，既体现了新方法仅需针对短时信号即可达到高频率分辨力的特点，又展示了装置本身优异的检测性能和推广应用前景。

学术论文摘要：

本文提出了一种基于旋转不变技术（ESPRIT，Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Technique）与模拟退火算法

（SAA，Simulated Annealing Algorithm）的异步电动机转子故障检测新

方法。首先以转子故障仿真信号检验ESPRIT性能，结果表明：ESPRIT对于短时信号具备高频率分辨力，可以准确计算转子故障特征分量以及其它分量之频率；但对诸频率分量幅值、初相角的计算欠缺准确性、稳定性。

为此，引入SAA确定诸频率分量幅值、初相角，效果理想。进而，对一台Y100L-2型3kW异步电动机完成了转子故障检测实验。实验结果表明：基于ESPRIT与SAA的异步电动机转子故障检测方法是切实可行的，并且因

仅需处理短时信号而适用于负荷波动、噪声等干扰严重情况。

获奖情况：

1、论文《旋转不变技术及应用》被中文核心期刊（华北电力大学学报）

录用 2、论文《基于改进ESPRIT算法的异步电动机故障在线检测》被《河北农机》录用 3、基于新方法设计制作的异步电动机转子故障检测装置已受理实用新型专利（201120199735.3） 4、2011年6月，在第十二届“挑战杯”省大学生课外学术科技作品荣获“特等奖”

鉴定结果：

教育部科技查新工作站（G03）鉴定为作品的创新点在国内公开发表的中

文文献未见报道

参考文献：

[1]许伯强，李和明，孙丽玲，等．笼型异步电动机转子断条故障检测新

方法[J]．中国电机工程学报，2004，24(5)：115-119． Xu Boqiang，Li Heming，Sun Liling，et al．A novel detection method for broken rotor bars in induction motors [J]．Proceedings of the CSEE，2004，24(5)：115-119 (in Chinese)． [2]张贤达. 现代信号处理 [M]. 清华大学出版社, 2002. Zhang Xianda. Modern signal processing [M]. Tsinghua

University Press, 2002(in Chinese). [3]方芳, 杨士元, 侯新国. 基

于改进多信号分类法的异步电机转子故障特征分量的提取[J]．中国电机

工程学报，2007，27(30)：72-76． Fang Fang, Yang Shiyuan, Hou Xinguo.

Rotor fault feature extraction of motor faults of induction motor based on a modified MUSIC method [J]．Proceedings of the CSEE，

2007，27(30)：72-76 (in Chinese)． [4]章勇高，将有缘，方华松，等．基于模拟退火算法的共模电磁干扰抑制技术[J]．电工技术学报，2008，

23(6)：1-6． Zhang Yonggao，Jiang Youyuan，Fang Huasong，et al．Common mode EMI suppression based on simulate annealing algorithm

[J]．Transactions of China Electrotechnical Society，2008，23(6)：1-6 (in Chinese)． [5]许伯强，孙丽玲，李和明．笼型异步电动机转子断条数目诊断新判据[J]．中国电机工程学报，2009，29(6)：105-110．

同类课题研究水平概述：

目前，针对笼型异步电动机转子故障在线检测方法中，最常见的方法为定子电流信号检测。当笼型异步电动机发生转子时，其定子电流（瞬时输出功率）中均会出现相应的故障特征频率分量。因此，为了检测故障特征频率分量进而判断电机故障与否，发展出了一系列基于傅立叶频谱分析技术的转子故障检测方法。下面针对其中两种典型的方法进行介绍：⑴自适应滤波法自适应滤波法将信号滤波技术与傅立叶频谱分析技术结合，在采集定子电流信号后，首先利用自适应抵消处理方法抵消定子电流中幅值最大的工频分量，再对滤波后的信号进行傅立叶频谱分析，通过对故障特征频率分量的幅值估计实现在线检测电动机转子故障。优点：从一定程度上解决了工频分量频谱泄漏对故障特征频率检测的影响。缺点：仍需要较长数据采样时间以保证足够的频率分辨力，若电机拖动波动负荷时，在采样时段内定子电流波动以及噪声等因素会对故障检测造成影响；需采集定子电压信号，硬件电路复杂，检测装置的安装较为繁琐。⑵瞬时输出功率法瞬时输出功率法是通过对电动机瞬时输出功率（定义为异步电动机定子相电压与相电流瞬时值的乘积）进行傅立叶频谱分析，对其中包含的故障特征频率进行估计后实现异步电动机转子故障在线检测。优点：避开了定子电流中边频分量的检测，可以更好地突出故障；故障特征信息多、对采样分辨率要求较低。缺点：需要同时采集定子电流、电压信号，增大硬、软件开销和复杂程度。综上所述，基于傅立叶频谱分析技术的异步电机转子故障检测方法由于受限于频率分辨力（采样频率/采样点数），需连续采集足够时长的电机信号方能保证频率分辨力足够高以切实分辨转子故障特征并判断转子故障与否。而在工程实际中，负荷波动、噪声等干扰是不可避免的，信号采集时间过长往往意味着引入这些干扰而影响傅里叶频谱分析结果，甚至恶化转子故障检测之性能。这是当前亟待解决的关键问题，本文即致力于此，这具有学术意义与实际应用价值。

地铁列车在站停靠时间的建模及模型应用的研究

来源：第十一届“挑战杯”国赛作品

小类：机械与控制

大类：自然科学类学术论文

简介：

本文通过对地铁列车在站停靠时间相关影响因素的观测和分析，建立停靠时间模型，并利用所建模型，提出一套预测地铁在站停靠时间的

方法，以及探究缩短停靠时间的措施，并通过仿真，证明措施的有效性。

详细介绍：

本文在理论分析和实地考察的基础上，对地铁在站停靠时间的影响因素进行分析，抓住主要因素，忽略次要因素，最终确定影响停靠时间

的因素为：上车人数、下车人数、车厢内拥挤程度、上下乘客的相互干

扰影响程度、车门数量、乘车时间段。接着采用类比公交车的方法，对

各影响因素的相关性进行分析，得到停靠时间的理论模型。然后利用地

铁站实地调查得到的平峰时段和高峰时段数据，对理论模型进行修正，

采用线性回归的方法，建立地铁在站停靠时间的最终模型。而后，再次

利用实地观察数据，对模型误差进行分析，计算结果显示，平峰时期模

型误差为2%，高峰时段误差为5%。接着项目对模型的应用进行研究。

首先，利用地铁在站停靠时间模型，提出一套预测停靠时间的方法，而

预测所得时间可为地铁运营时刻表的编制提供基础数据；其次，对模型

中一些参数的取值进行调整，并提出与其相对应的管理措施，缩短地铁

在站停靠时间，在此基础上，利用仿真软件VISSIM对运用改进措施后

的地铁停靠情况进行仿真，证明改进措施的有效性及其效果。

作品专业信息

撰写目的和基本思路：

作品以介绍地铁在站停靠时间模型及其运用为目的，首先对作品的研究背景、现状及意义进行阐述，接着分析地铁在站停靠的影响因素并结合实地调查，建立最终停靠时间模型。最后利用所建模型对其应用进行研究。

科学性、先进性及独特之处：

地铁在站停靠时间模型是在理论分析与实地调查两大基础上建立的，它具有科学性。除此之外，在国内外，对地铁的停靠时间研究较少，本项目就利用与公交车相类比的方法进行研究，从而体现了作品的先进性与独特性。

应用价值和现实意义：

作品有两大应用价值：首先，它可以预测地铁的在站停靠时间，从而为列车运营时刻表的编制提供基础数据；其次，通过对模型参数的分析，可提出缩短地铁在站停靠时间的措施。

学术论文摘要：

本文通过对地铁列车在站停靠时间影响因素的分析，并结合列车在站停靠情况的实地调查，运用线性回归方法，建立地铁列车在站停靠时间的

模型。并利用该模型计算列车在站停靠时间以及探究缩短列车在站停靠时间的措施，同时利用仿真软件VISSIM对运用改进措施后的地铁列车停靠

情况进行仿真，证明改进措施的有效性。

获奖情况：

本作品于2009年4月8日被《都市快轨交通》录用，并在近期发表；

2009年4月本校第七届“金士宣”杯一等奖； 2009年5月第四届全国交通科技大赛二等奖； 2009年6月北京市第五届“挑战杯”比赛一等

奖。

鉴定结果：

作品内容属实，且具有实际运用意义，符合课外学术作品要求。

参考文献：

[1] 韩宇，韩宝明，李得伟．地铁站乘客上下车效率因素影响分析．城市

轨道交通研究[J]．2007 ,10（7）：43—46． [2] 彭庆艳，杨东援．公

共汽车停靠时间研究．城市公交规划与管理[J]．2002 ,1（3）：27—29． [3] 吴叶，徐大刚．公交停靠站停靠时间特征分析．交通与运输[J]．2007 ,23（12）：78—80． [4] 郭四玲，韦艳芳，时伟等．公交车停靠时间的统

计分析．广西师范大学学报[J]. 2006 ,24（2）：5—9． [5] Martinez I, Vitoriano B, Fernandez A, et al. Statistical dwell time model for metro lines.Urban Transport XIII: Urban Transport and the

Environment in the 21st Century[C]. Southampton, United Kingdom: WITPress,2007,223-232.

同类课题研究水平概述：

从总体上看，国内外在“地铁在站在站停靠时间”方面的研究并不多见，但与之相关的内容有所涉及。在国内，对地铁在站停靠时的影响因

素有所分析，如韩宇等人撰写的《地铁站乘客上下车效率因素影响分析》，它从自然因素、社会因素、设备因素、个人因素对乘客的上、下车情况进

行分析，但是未对各因素的主次关系以及相互之间的关系进行深入探究。

除此之外，国内对地铁站的研究主要集中在地铁站的疏散水平评价与乘客进出站的仿真模拟分析，很少涉及到地铁在站停靠时间这一关键点。相反，与地铁有着很多相似性的另一种公共交通工具——公交车，对它的在站停靠时间的研究较为多见。国外的情况与国内较为相似，对“地铁在站停

靠时间”的研究也不多，在对地铁站的研究中，主要针对地铁的运营管理

组织以及对地铁站的运营仿真，如提出一些提高地铁整体运营效率的方法，加强地铁行车的安全的措施。而对公交车的在站停靠时间研究也有涉及。

磁性铜离子印迹聚合物的合成与性能研究

来源：第十二届“挑战杯”作品

小类：能源化工

大类：自然科学类学术论文

简介：

随着废水污染日益严重和资源日益短缺，目前治理废水不仅要求“尽量去除各种污染物”逐渐转变为“尽量从废水中回收各种有用之

物”。针对上述技术需求，采用表面离子印迹技术、溶胶凝胶与磁性分

离技术耦合，合成了核壳结构磁性铜离子印迹聚合物。并通过IR、XRD

等方式对其结构进行表征，采用静态吸附法研究了吸附容量、选择性因

子等吸附性能。研究结果发表在二区期刊Ind. Eng. Chem. Res.杂志上。详细介绍：

针对目前处理重金属废水主要是尽量去除各种重金属污染物，而不是尽量回收各种重金属的缺陷，本研究拟设计一种具有选择性去除和回

收功能的新型材料，为废水中重金属处理提供一种新手段。为了实现上

述目的，我们通过溶胶凝胶和表面印迹技术把离子印迹材料的高选择性

和Fe3O4的磁分离性能有机结合，成功合成了新型磁性铜离子印迹聚合

物（Cu (II)-MIIP）。红外、热重分析和XRD数据表明离子印迹聚合物

成功地接枝到Fe3O4表面。激光粒度仪分析结果表明Cu (II)-MIIP尺

寸主要分布在1.0 μm到10.0 μm。Cu (II)-MIIP饱和磁强度值为55.00

emu/g，该饱和磁强度值已经足够用于磁性聚合物的磁性分离。通过静

态吸附实验得出吸附容量为58.20 mg/g，并且符合Langmuir吸附模型；

Cu (II)-MIIP对于Zn (II)和Ni (II)的选择性系数分别是49.44和

50.38，表现了高的选择性和印迹效果。重复五次后仍然保持较高的吸

附容量，表明该磁性离子印迹聚合物具有较好的再生能力和稳定性。该

磁性离子印迹聚合物与电解技术耦联，有望为重金属废水选择性去除和

资源化提供了新途径。上述研究成果发表在中科院SCI期刊工程技术二

区期刊的Industrial and Engineering Chemistry Research杂志上，

并且申请中国发明专利1项，现已通过实审。

作品图片：

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作品专业信息

撰写目的和基本思路：

针对目前处理重金属废水主要是尽量去除各种重金属污染物，而不是尽量回收各种重金属的缺陷，本研究拟设计一种具有选择性去除和回收功能的新型材料，为废水中重金属处理提供一种新手段。为了实现上述目的，我们通过溶胶凝胶和表面印迹技术把离子印迹材料的高选择性和Fe3O4

的磁分离性能完美结合，成功合成了新型磁性铜离子印迹聚合物，并初步设计基于磁性铜离子印迹聚合物的废水处理新工艺。

科学性、先进性及独特之处：

1、采用的表面离子印迹技术，解决了本体印迹技术离子包埋深、传质阻

力大、模板离子洗脱不完全的问题。 2、赋予离子印迹聚合物磁学性能，能够让这种吸附剂在溶液中迅速分离，克服了传统吸附剂离心和过滤繁琐的操作过程。 3、在处理重金属废水的同时能够选择性回收重金属，并将其与电解技术耦联，为重金属废水资源化提供了新途径。据知，至今还

没有关于在Fe3O4表面合成金属离子印迹聚合物的报道。

应用价值和现实意义：

将磁性铜离子印迹聚合物与电解技术耦合，能够使铜离子转化为铜单质，实现废水中贵重金属离子的资源化。磁性印迹技术不但提供了一种处理废水中重金属的新方法，而且还具有一定的广义性，不仅能运用于铜离子，也能运用于其他重金属，如Pb2+、Cd2+、Fe3+、Co2+等的分离。既能实

现环境生态效益，又具有非常好的应用前景和一定的经济意义。

学术论文摘要：

A novel Cu (II) magnetic ion imprinted polymer (MIIP) was prepared

via sol-gel method. The maximum sorptions calculated from the

Langmuir isotherm are 58.20 and 23.10 mg/g for Cu (II)-MIIP and magnetic non-imprinted polymer (MNIP), respectively. The kinetics studies showed that the adsorption process obeyed

pseudo-second-order kinetic model. The selectivity coefficients of the Cu (II)-MIIP for Cu (II) in the presence of Zn (II) and Ni (II) are 49.44 and 50.38, respectively.

获奖情况：:

1、论文《Selective separation of Cu (II) from aqueous solution with

a novel Cu (II) surface magnetic ion-imprinted polymer》已发表在

美国化学会《Industrial and Engineering Chemistry Research 》（Ind.

Eng. Chem. Res. 2011, 50, 6355–6361）. 2、《磁性金属离子表面印

迹聚合物的制备方法和应用》，申请中国发明专利,已通过实审，公开

号,201010252060.4。 3、于2011年5月第十二届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛某省赛区获“一等奖”。

鉴定结果：无

参考文献：

[1] Andac M, Ozyap? E, Senel S, et al. Ind. Eng. Chem. Res,

2006,45(5):1780-1786. [2] Otero Romaní J, Moreda Pi?eiro A,

Bermejo-Barrera P, et al. Anal. Chim. Acta, 2008,630(1):1-9. [3] Hoai N T, Yoo D K, Kim D. J. Hazard. Mater, 2010,173(1-3):462-467.

[4] Bi X Y, Lau R J, Yang K L. Langmuir, 2007,23(15):8079-8086. [5]

Gao B J, An F Q, Zhu Y. Polymer, 2007,48(8):2288-2297. [6] Fang G Z, Tan J, Yan X P. Anal. Chem, 2005,77(6):1734-1739. [7] Wang X B, Ding X B, Zheng Z H. Macromol. Rapid. Comm, 2006,27(14):1180-1184.

[8] Birlik E, Ersoz A, Ac?kkalp E, et al. J. Hazard. Mater.

2007,140(1-2):110-116.

同类课题研究水平概述：

重金属是水和土地中最重要的污染之一，主要是通过一些工业废水排放到水环境中。目前，去除废水中重金属离子的吸附剂主要有壳聚糖、天然无机矿物、功能化的聚合物和碳纳米管等。这些吸附剂具有一些共同的

缺点例如选择性差、重复使用性低。因此，急需发展一种具有较高选择性和重复使用能力的新型吸附剂。分子印迹聚合物是一种对目标分子具有

特殊识别能力的高分子材料，已经广泛应用于许多领域如固相萃取、色谱分离、薄膜分离、传感器等。离子印迹聚合物与分子印迹聚合物具有相似的原理，它的选择作用是基于配位基的特异性，如离子的配位结构、配位数、价态等。近年来，离子印迹聚合物已经被广泛报道。Andac等用羟乙基甲基丙烯酸酯-N-甲基丙烯酰氯-L-谷氨基酸作为配位单体成功地制备

了铝离子印迹聚合物。Otero-Romaní等用2-(二乙基氨基)甲基丙烯酸乙

酯作为功能单体制备了镍离子印迹聚合物，并且成功地应用于固相萃取技术检测海水中的镍离子。Hoai等用甲基丙烯酸和乙烯基吡啶为功能单体

制备了多孔型铜离子印迹聚合物微粒。离子印迹聚合物的传统合成方法是

通过本体聚合、沉淀聚合和悬浮聚合来实现的，虽然具有较好的选择性，但由于离子被深深包埋在聚合物内部，存在吸附容量低，传质阻力大等缺点。为了克服这些缺点，表面离子印迹技术是一种比较好的选择。近来，表面离子印迹技术引起了人们的广泛关注，由于其模板离子能够比较彻底的去除并具有较快的吸附速率。Bi等成功合成了铜离子表面印迹聚合物，用甘氨酸，甘氨酰替基氨酸和三甘氨酸作为配位基使之功能化，在不同pH值下该铜离子表面印迹聚合物对铜离子表现了高的吸附容量和选择能力。Gao等在硅胶球微粒上制备的离子印迹材料，对模板离子表现了突出的吸附和选择能力。Fang等利用表面印迹技术偶联溶胶-凝胶的方法制备了一种具有离子印迹功能的硅胶吸附剂，这种印迹吸附剂对铅离子的吸附表现出了优良的特性，如较强的耐酸性，以及较高的选择性，在铅离子痕量检测中获得满意的效果。然而，大部分表面离子印迹聚合物都是在二氧化硅球体粒子的表面合成。如果以Fe3O4为载体将离子印迹聚合物修饰在其表面，这种材料不仅具有高的吸附能力，低的传质阻力和磁性分离的特点，而且将以一种既方便又经济的应用方式取代离心和过滤的过程。而据我们所知，至今还没有关于在Fe3O4表面合成金属离子印迹聚合物的报道。

神经激肽受体拮抗剂对三种白血病细胞生长的抑制

作用及其机制研究

来源：第十二届“挑战杯”作品

小类：生命科学

大类：自然科学类学术论文

简介：

神经激肽受体是G蛋白偶联受体家族成员，其内源性配体在体内参与调节多种生理活动。本项目拟选用人慢性粒性白血病细胞K562，人急

性粒性白血病细胞HL-60和小鼠红白血病细胞MEL来研究神经激肽受体

拮抗剂SR48968、SR140333的抗肿瘤作用及作用机制探讨。该类拮抗剂

作为抗肿瘤药物研究未见报道，由于神经激肽受体在某些肿瘤中高表

达，而拮抗剂在体内有明确的结合靶点，有可能发展为一类新的抗癌药

物。

详细介绍：

速激肽是一种在体内具有多种生理活性的神经肽，通过与体内的神经激肽受体结合而发挥一系列生理或病理调节作用。神经激肽受体是G

蛋白偶联受体家族的成员,目前国际上药物研究常规靶点。近半个世纪

的研究，神经激肽受体的拮抗剂已经从第一代、第二代具有较大副作用

且易降解的肽类拮抗剂发展到了第三代具有高亲和性和高选择性的非

肽类的化合物。其中的代表是由法国Sanofi-Synthelabo公司合成的

SR140333（神经激肽受体1的拮抗剂），SR48968（神经激肽受体2的

拮抗剂），该拮抗剂已经进入临床二期的治疗哮喘的研究。目前研究发

现神经激肽受体在一些肿瘤组织（如乳腺癌和结肠癌）中的表达发生了

明显的上调，而拮抗剂在体内有明确的结合靶点，因此我们设想拮抗剂

是否具有抗肿瘤的作用？经文献检索发现目前仅有几篇报道SR140333

在乳腺癌和结肠癌细胞的作用，还未发现文献报道SR140333对白血病

生长的作用。也未发现关于SR48968对各种肿瘤，包括白血病生长的作

用。而白血病又是一类严重危害人类健康的疾病，在儿童及35岁以下

青年人中的死亡率中占第1位。因此本项目拟重点研究神经激肽受体的

第三代拮抗剂SR140333和SR48968对三种白血病细胞的作用，并对其

作用的机制进行初步的探讨。本文选用人慢性粒性白血病细胞K562，人

急性粒性白血病细胞HL-60和小鼠红白血病细胞MEL为研究对象，研究

SR140333和SR48968对三种白血病细胞生长的作用。通过MTT实验和光

学显微镜观察发现SR48968和SR140333对三种白血病细胞均具有剂量

和时间依赖的抑制作用。SR140333对三种白血病的抑制作用强弱有选择

性，其抑制效果明显没有SR48968对三种白血病的抑制效果强。通过

Hoechst 33342荧光染色实验发现SR48968抑制白血病细胞的生长有可

能是通过诱导细胞发生凋亡进行的。进一步通过流式细胞术分别检测细

胞周期和细胞凋亡发现，SR48968主要是通过将白血病细胞阻滞在细胞

周期的G0/G1期，同时诱导白血病细胞发生凋亡来达到抑制细胞增殖的

效果。通过蛋白组学研究技术发现SR48968在抑制白血病细胞增殖和诱

导其凋亡的过程中引起了部分蛋白出现了表达水平的上调或下调。本项

目的研究结果将有助于进一步深入系统研究神经激肽受体与肿瘤发生、

发展的关系，后续深入系统的研究将对临床肿瘤的诊治工作提供新的研

究思路和研发新的抗癌药物。

作品专业信息

撰写目的和基本思路：

神经激肽受体的拮抗剂是目前国际上进行药物研究的常规靶点，而在一些肿瘤组织中神经激肽受体的表达明显升高，那么神经激肽受体的拮抗剂能否作为新型抗肿瘤药物？前期工作发现拮抗剂对白血病细胞生长有抑制

作用，本项目以3种白血病细胞为模型，选用第三代神经激肽受体的拮抗剂SR48968 和SR140333，利用细胞生物学、分子生物学和蛋白质组学技

术对神经激肽受体拮抗剂的抗癌作用及其作用机制进行初步探讨。

科学性、先进性及独特之处：

本项目是原始创新研究，未有文献报道相关抗肿瘤作用。神经激肽受体第三代拮抗剂SR48968对3种白血病细胞具有显著的抗肿瘤作用，作用机制可能是诱导细胞凋亡。基础研究方面，可了解神经激肽受体与肿瘤发生

发展的关系，在实际应用方面可开发为新一代的抗肿瘤新药。蛋白组学

研究找到的差异蛋白有可能成为临床肿瘤诊断和治疗中新的、潜在的靶

点。结果已申报国家专利2项，见附件。

应用价值和现实意义：

目前绝大多数常用化疗药物如：顺铂、5-氟尿嘧啶、博来霉素、长春新碱等，虽然有较好疗效却缺乏选择性抗肿瘤作用，因此化疗的毒副作用较大，不能使病人的治疗达到预期的效果。由于本项目研究重点SR48968为神经激肽受体的第三代选择性拮抗剂，分子量小，有明确的作用靶点，可提高治疗的灵敏度，减轻毒副作用。本实验如果成功，可能为临床肿瘤的治疗提供新的药物，减轻病人的痛苦，更好地达到治疗的目的。

学术论文摘要：

本文选用人慢性粒性白血病细胞K562，人急性粒性白血病细胞HL-60和

小鼠红白血病细胞MEL为研究对象，研究SR140333和SR48968对三种白

血病细胞生长的影响。通过MTT实验和光学显微镜观察发现SR48968和

SR140333对三种白血病细胞均有抑制作用，且与剂量和时间呈正相关。

SR140333对三种白血病的抑制作用强弱有选择性，且抑制效果明显没有

SR48968对三种白血病的抑制效果强。通过Hoechst 33342荧光染色实验

发现SR48968抑制白血病细胞的生长有可能是通过诱导细胞发生凋亡进

行的，进一步通过流式细胞术分别检测细胞周期和细胞凋亡发现，SR48968主要是通过将白血病细胞阻滞在细胞周期的G0/G1期，同时诱导白血病细胞发生凋亡来达到抑制细胞增殖的效果，通过蛋白组学研究技术发现

SR48968在抑制白血病细胞增殖和诱导其凋亡的过程中引起了部分蛋白

出现了表达水平的上调或下调。本文的研究结果将有助于进一步深入系统研究神经激肽受体与肿瘤发生发展的关系，后续深入系统的研究将对临床肿瘤的诊治工作提供新的思路和潜在的药物。

获奖情况：

1.获2011年省“大学生科技创新项目”支持。

2.2011年省“挑战杯”

大学生课外学术科技作品竞赛一等奖。 3.申报国家发明专利两项。 4.

发表学术论文一篇。

鉴定结果：

拮抗剂SR48968显著抑制三种白血病细胞增殖，且效果强于SR140333。

其抑制细胞增殖作用机制，可能是诱导细胞凋亡。蛋白组学分析药物处理

前后有一百多个差异蛋白点，需要进行鉴定和功能研究。

参考文献：

[1] 郝希山. 肿瘤学，2010，北京：人民卫生出版社. [2] Singh D, shi

DD, Hameed M et al. Increased expression of preprotachykinin-I and neurokinin receptors in human breast cancer cells: implications for bone marrow metastasis. Proc Natl Acad Sci U S A, 2000, 97:388-393.

[3] Pennefather JN, Lecci A, Candenas ML, et al. Tachykinins and

tachykinin receptors: a growing family. Life Sciences, 2004, 74: 1445-1463. [4] Fukuhara S, Mukai H, Kako K, et al. Further

identification of neurokinin receptor types and mechanisms of

calcium signaling evoked by neurokinins in the murine neuroblastoma C1300 cell line. J Neurochem, 1996, 67:1282-1292. [5] Pagán B,

Isidro AA, Coppola D, et al. Effect of a neurokinin-1 receptor

antagonist in a rat model of colitis-associated colon cancer.

Anticancer Res, 2010 , 30:3345-3353. [6] Huang WQ, Wang JG, Chen L et al. SR140333 counteracts NK-1 mediated cell proliferation in human breast cancer cell line T47D. J Exp Clin Cancer Res, 2010, 29:55.

同类课题研究水平概述：

本项目选用人慢性粒性白血病细胞K562，人急性粒性白血病细胞HL-60

和小鼠红白血病细胞MEL 三种白血病细胞为研究对象，研究神经激肽受

体的拮抗剂（SR48968、SR140333）对白血病细胞生长的影响及作用机制

的探讨。神经激肽受体是G蛋白偶联受体家族的成员,有三种亚型，分别

为神经激肽受体1、2、3,这些受体在体内分布不同。神经激肽受体的内

源性配体为速激肽，目前已鉴定出40多种。由于神经激肽受体的序列已

经明确，加之神经激肽受体的内源性配体速激肽在体内参与了多种生理活性的调节，因此神经激肽受体的拮抗剂目前已成为许多制药公司的研究热点。神经激肽受体拮抗剂的研究始于1965年，第一代拮抗剂从改变速激肽氨基酸入手，以右旋氨基酸取代的多肽，但其作用弱，选择性低，且有神经毒性和释放组胺的作用。第二代拮抗剂是在缩短肽链和化学修饰的基础上得到高亲和性、高选择性的短肽和环肽拮抗剂，但其口服的生物利用度低，代谢较快。本项目选择的是第三代的神经激肽受体拮抗剂，是由法国Sanofi-Synthelabo公司研制的SR140333（NK1R的拮抗剂）和

SR48968（NK2R的拮抗剂）。 SR48968是法国Sanofi-Synthelabo公司正在进行Ⅱ期临床研究的抗哮喘药物，同时也可能成为一个很好的抗抑郁药，但没有文献报道其具有抗肿瘤作用。另外，通过在教育部科技查新工作站（Z09）：浙江大学图书馆进行科技查新后得出如下结论（附科技查新报告一份）： 1. 中文文献中，已见SR48968等神经激肽受体拮抗剂在哮喘治疗中、在气道高反应性作用机制中、对炎症调节、对心血管功能影响等研究的文献报道。此外，有关于SR140333 通过阻断NK-1在体外培养的乳腺癌细胞系中发挥生长抑制作用的文献报道。 2. 外文文献中，已见神经激肽受体2的拮抗剂SR48968在小鼠的成神经细胞瘤C1300细胞中对钙离子浓度的调节作用、对炎症调节、对结肠平滑肌反应中作用等研究的文献报道。此外，还见SR140333等其它神经激肽受体的拮抗剂在结肠癌、乳腺癌等肿瘤调节作用的文献报道。 3. 未见神经激肽受体2的拮抗剂SR48968和神经激肽受体1的拮抗剂SR140333对白血病细胞作用的中外文文献报道。

超材料电磁器件的设计

来源：第十二届“挑战杯”作品

小类：信息技术

大类：自然科学类学术论文

简介：

基于坐标变换方法，根据对电磁透明体性能的要求，建立了原空间和变换空间的坐标变换关系，使用解析方法导出了透明体介电常数和磁

导率的表达式，仿真了其性能；基于逆数值方法，在不需要知道坐标变

换的前提下，设计了任意形状的外斗篷、聚焦器、旋转器等器件，丰富

了超材料电磁器件的设计方法；建立了二维超材料平面电磁透镜的LC

网络模型，编写了相关核心程序，并通过仿真进行了证实，为设计复杂

形状器件奠定了坚实的基础。

详细介绍：

超材料（Metamaterials）是最近出现的一个新的学术词汇，它是一种介电常数、磁导率可为正、零、负、无穷小或者无穷大的人工材料，

它包括左手材料、零电材料、零磁材料以及其它极端电磁参数材料。它

具有许多奇异的电磁特性，例如，负折射、完美透镜、逆多普勒效应等。

超材料是国内外电磁学、材料科学、物理学研究的一个重要方向和热点，

如左手材料的发现被《Science》杂志评为十大科学进展(2003年)，基

于左手材料思想设计的梯度超介质实现电磁波隐形被《Science》杂志

评为年度十大科技突破之一(2006年)，著名的杂志《Materials Today》

将超材料与半导体一起列为过去50年材料科学研究的十大进展(2008

年)，《Science》杂志将超材料列为过去十年的十大科技突破之一(2010

年)。超材料是电磁学理论发展史上的重要事件，为经典电磁学理论开

辟了崭新的研究空间，其重大的科学意义及巨大的应用前景对未来通

信、雷达、国防、微电子、医学成像等科技和社会发展将产生极为重要

的影响。在超材料理论和实验研究中，设计超材料电磁器件是一个重

要的研究方向，目前设计方法主要有三类： (1) 解析方法解析方法最

早是由Pendry和Smith等人提出的，他们首次用这种方法设计了电磁

斗篷，自此之后，关于电磁斗篷的研究成果如雨后春笋般地出现，各种

不同形状的电磁斗篷纷纷问世。同时，除电磁斗篷外，基于坐标变换的

其它新型电磁器件相继被提出，例如，透明体、聚焦器、超散射体、超

吸收体和外斗篷等。最近，我们设计了任意形状的电磁透明体，详细研

究了其电磁性能，并探讨了其在天线保护中的应用。用解析法设计电

磁器件，必须根据原空间和变换空间的坐标转换关系求出雅克比矩阵，