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关键词： 豆瓣酱   合成微生物群落   微生物相互作用   数学模型   按顺序强化接种  

摘要： 豆瓣酱是中国传统发酵调味品,其发酵过程涉及多种微生物。这些微生物以群落的形式存在,相互影响着彼此的生长与代谢,共同促进了豆瓣酱的成熟,赋予豆瓣酱独特的风味和口感。豆瓣酱微生物群落所呈现的高度复杂性,成为研究关键微生物相互作用的一大难题,而简化的合成群落可为相关研究提供一种解决方案。论文构建了一个包含鲁氏接合酵母(Zygosaccharomyces rouxii)、肉葡萄球菌(Staphylococcus carnosus)、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)、解淀粉芽孢杆菌(Bacillus amyloliquefaciens)、嗜盐四联球菌(Tetragenococcus halophilus)和融合魏斯氏菌(Weissella confusa)等6种豆瓣酱核心微生物的合成群落,结合基于培养技术的群落结构检测方法以及数学模型揭示了这些微生物间的相互作用,考察了合成微生物群落在豆瓣酱强化发酵中的应用效果。论文主要研究结果如下: (1)建立了用于量化豆瓣酱合成微生物群落中菌株绝对丰度的选择性培养基。采用微量稀释法分析了42种抗生素对5株细菌成员的抑制效果,通过组合细菌抑制剂(氨苄西林钠、萘夫西林钠、盐酸金霉素、恶喹酸和林可霉素)以及真菌抑制剂(制霉菌素),设计一系列选择性培养基。在仅接种目标菌株与接种混合菌悬液的选择性平板上,目标菌株的CFU数无显著差异(p>0.05),说明选择性培养基能够精确量化该豆瓣酱合成微生物群落中任一菌株的绝对丰度。该研究结果为成员数量较少的合成微生物群落结构检测方法的建立提供了一种简便、准确、低成本的解决方案。 (2)建立了一个基于数学模型的框架来揭示豆瓣酱合成微生物群落的相互作用网络。运用通过选择性培养基获得的物种丰度数据训练了广义洛特卡-沃尔泰模型(generalized Lotka-Volterra,g LV),发现成对相互作用主导了该合成菌群的相互作用网络。基于菌株成对组合的生长数据,g LV模型准确地预测了2和4 d时多物种组合的群落中大多数物种的丰度。在成对相互作用中,负相互作用的占比(57%)明显大于正相互作用(37%),且前者的作用强度普遍大于后者。在g LV模型的基础上建立的化学参数相互作用模型有效地可视化了微生物相互作用对发酵过程中可滴定酸和氨基酸态氮含量的潜在影响。研究发现***能有效减少产酸细菌在环境中积累的有机酸,而Bacillus属对乳酸菌的生长和乳酸积累具有促进作用。 (3)通过按顺序接种的策略,在发酵初期先后接种具有竞争劣势的***、***、***和***,随后在发酵中期先后接种具有竞争优势的***和***,对豆瓣酱进行强化发酵实验。强化发酵加快了豆瓣酱在发酵前中期可滴定酸的积累,但对氨基酸态氮含量无显著影响;在接种了***后,还原糖含量快速下降。按顺序强化接种合成菌群显著增加了豆瓣酱的酯香和醇香味并减少了异味,其挥发性风味物质含量是自然发酵对照样品的9.43倍。

关键词： 藻菌共生   氨氮废水   数学模型   影响因素  

摘要： 近些年来,随着全球人口的快速增长,废水的产生量在逐年增加。据预测,到2030年全球可能有40%的人口面临水资源短缺的问题。在面临有限的淡水资源情况下,如何将废水可持续性利用,一直是学者的热门研究课题。藻菌共生体系去除污染物因具有绿色环保、高效和节约资源等优势在众多处理方法中脱颖而出。数学模型是分析、理解和预测生化反应的有效工具,它打破了实验观测的时空局限性。因此构建藻菌共生系统模型,能够深入了解污染物的归趋情况,通过改变系统运行条件,探究最优的工况条件并提出相应的优化策略,为利用藻菌共生体系进行污水处理和资源回收提供理论依据和数据支持。 本研究在现有的藻菌理论模型和经典活性污泥数学模型的基础上,纳入了影响微藻生长和光合作用速率的温度效应和光照效应,构建了藻菌共生系统模型。结合第三方藻菌体系去除污水的实验数据对模型进行校正和验证。采用数值模拟的研究手段,探究了影响藻菌共生系统去除污染物的关键性因素,最后通过响应面法分析得出最佳的工况条件。主要研究结果如下: （1）藻菌共生系统模型的构建结果表明,在对构建的模型进行参数敏感性分析和参数估计后,能够较好地模拟出实验校正场景和实验验证场景的循环处理性能指标COD、NH4+-N和TN浓度随时间的变化情况。 （2）通过探究典型应用场景内进水有机物和氨氮的归趋情况,结合微生物的空间分布关系,揭示了微生物的同化作用是藻菌共生系统去除有机物和氨氮的主要方式。 （3）基于构建的藻菌共生系统模型分别探究了光照强度、温度和碳氮比对反应器去除污染物性能的影响。结果表明,过大或过小的初始光照强度I0均会使系统的最终NH4+-N、COD和TN的出水浓度偏高,当光强为300μmol/m2/S时,藻菌共生系统对污染物的去除效果最佳,此时对于COD和NH4+-N的去除率分别为88.26%和87.90%;在探究温度效应对反应器的影响时,发现当温度在5～30℃时,升高温度是有助于提高污水处理过程中对COD和NH4+-N的去除效率,当温度为30℃时,COD的去除率为94.05%,NH4+-N的去除率为88.26%;在探究碳氮比对反应器去除污染物性能的影响时,发现C/N从7逐渐增大至13的过程中,反应器对污染物的去除性能也逐渐增大,且当C/N为13时,COD的去除率为91.30%,NH4+-N的去除率为99.38%。 （4）通过模型模拟得到三种单因素的最佳运行条件,基于响应面法模拟设计了17种不同的单因素数值组合,通过分析其响应面三维图和等高线图,得出藻菌共生系统对COD的去除率大小的影响因素依次为C/N>温度>光照强度。当C/N为12.97,温度为28℃和光照强度为325.8μmol/m2/S时,COD的去除率为95.01%。

关键词： 排序问题   车间调度   NP-难   近似算法   数学模型  

摘要： 车间作业分批排序问题广泛存在于现实生产调度中,对于这类问题的研究具有较高的理论意义与应用价值。本文主要研究了带基数约束的两台机自由作业和流水作业分批排序问题,目标是寻求一个可行排序,使得最大完工时间最小。首先提出了问题的混合整数线性规划模型,接着给出了若干复杂性及近似算法结果。全文内容共四章,具体内容组织如下: 第一章首先介绍了问题的背景和批次加工的基本概念;接着介绍了排序问题的基本概念和近似算法的基本理论;最后根据机器环境的不同,综述了作业分批排序问题的研究现状。 第二章研究了带基数约束的两台机自由作业分批排序问题,目标是极小化最大完工时间。首先证明了带基数约束的两台机自由作业分批排序问题在第二台机器上分为三个批次的情形是NP-难的;接着提出了该问题的混合整数线性规划模型;然后针对第二台机器上批次数量不同的情况,分别设计了相应的近似算法,当第二台机器上为一个批次时,设计了一个最优算法,当第二台机器上批次数为2和3时,分别设计了最坏情况界为1+ε和4/3的算法;最后,通过数值实验验证算法高效性。 第三章研究了带基数约束的两台机流水作业分批排序问题,目标是极小化最大完工时间。首先证明了带基数约束的两台机流水作业分批排序问题当两台机批次工件数量上限分别为1和3时是强NP-难的;接着提出了该问题的混合整数线性规划模型;然后针对第一台机器比第二台机器工件加工时间更短和更长的两种情况,分别设计了两个近似算法并证明算法最坏情况界为11/6和3/2;最后,通过数值实验验证算法高效性。 第四章总结了本文内容,并且对问题的未来研究方向给出了分析与展望。

关键词： Cu-Fe合金   温轧   宽展   压下率   数学模型  

摘要： Cu-Fe合金具有优良的性能，且Fe含量的升高还能降低成本，但高Fe含量的Cu-Fe合金在常温下属于难变形材料，利用温轧可以提高其可加工性。与冷轧不同的是，温轧时合金会发生一定宽展，这会影响加工时产品尺寸精度的控制。因此，本研究针对Cu-Fe合金，通过实验研究在不同温轧工艺下，张力、压下率和温度等因素对一定尺寸的Cu-Fe合金板材宽展的影响，开发出适用于Cu-Fe合金薄带温轧过程的宽展数学模型。结果表明，温轧过程中张力对宽展影响很小，压下率和温度的增加都会导致宽展增大，但温度的作用要大于压下率；在巴赫契诺夫宽展公式基础上进行了优化，获得了应用于Cu-Fe合金板材试样温轧的宽展模型。通过在液压张力温轧机上进行试验验证，模型误差很小，精度范围在±10%以内，因此宽展模型可以用于温轧过程Cu-Fe合金板带宽展的预测。

关键词： 数学模型   数学建模平台   课程改革   教学  

摘要： 首先，从理工科院校数学模型课程的教学现状和对策入手，明确数学模型课程在信息与计算科学专业中核心课程地位，筑牢新工科、新文科建设的理学基础，搭建数学工具与综合解决实际问题之间的桥梁。其次，设立数学模型公选课，提高数学模型课程的普及程度，实现教赛相长，并建立新疆理工学院数学建模大赛制度，助力学风建设。最后，弥补和强化实践环节教学内容，使数学模型课程更加符合应用型办学定位，综合专业课和公选课的特点，设置相匹配的实践环节，培养学生的创新能力和综合解决问题的能力。

关键词： 流量测量   动态流量计   数学模型   测量特性   测试实验  

摘要： 随着国家“双碳”战略目标的提出,液压行业未来发展主流方向应为节能减耗,流量作为液压系统中重要的物理量,对评价液压系统及液压元件动态特性有重要的意义,但在动态流量测量领域还未形成统一的国家标准或行业标准,仍需要进行不断的探索。 结合伺服缸良好的动态特性提出一种新型动态流量测量方法,测量主体结构由创新设计的伺服缸和多种传感器组成,具有结构简单,测量频带宽,可实现复杂工况下连续准确计量的优点。通过伺服缸测得动态高频流量和活塞小孔瞬态模型计算低频稳态流量,两部分叠加得出最终总流量。 首先,对传统伺服缸进行创新型结构设计,创新之处为省去了活塞杆,在活塞上开设通孔以及在活塞两侧加装压缩弹簧。对关键结构设计计算,初步拟定关键结构参数,并在后续仿真环节进行修正。 其次,在圆管层流启动流的基础上推导了小孔瞬态流量数学模型,并提出分析了小孔瞬态流量模型简化计算方案。结合缸测流量数学模型推导出活塞位移调节控制数学模型,为探究该动态流量测量系统的仿真工作奠定基础。 进而,在Simulink中搭建新型动态流量测试系统的仿真模型,仿真分析不同输入动态信号下活塞位移调节性能,并对照理论模型进行评估。同时分析关键结构参数对活塞位置调节性能的影响,确定关键结构参数和传感器选型,为后续实物加工提供依据。根据最终参数进行流量计动态性能仿真和动态流量测试仿真,表现出了不错的测试性能和测量精度。 最后,编写实验测试总程序,搭建测试实验台,对新型动态流量计的活塞位置调节性能和流量测试性能进行了实验测试,通过实验验证了该新型动态流量测试方法能够在多种复杂流动下进行连续精确测量。

关键词： 初中数学   数学模型   模型观念   教学设计  

摘要： 《义务教育数学课程标准(2022年版)》将模型观念列为初中学生必备的核心素养之一,强调学生需要理解数学建模是连接数学与现实的基本途径,感悟数学模型应用的普遍性。实际调查发现,不少学生对数学模型的认识仅停留于表面,缺乏从现实生活中抽象出数学模型的能力。基于此,深入研究如何在中学数学教学中增强学生对数学模型的应用意识,对于培养学生的核心素养具有重要意义。 首先,本文采用文献分析法,叙述了国内外有关模型观念教学的研究现状,梳理了北师大版初中数学教材中的模型观念内容,发现在模型观念的安排上侧重于代数领域,模型观念的教学内容主要集中在八年级。厘清教材中模型观念的分布情况后,运用课堂观察法,通过观摩研讨一线教师的数学课堂,初步了解了目前初中数学课堂中模型观念的培养现状,发现了教师普遍存在的一些问题:在教学中,教师缺乏模型观念的传授意识与模型观念融入课堂的手段,同时对模型案例的筛选意识不足。 其次,本文通过问卷调查法和访谈法进一步调查模型观念的培养现状。问卷结果表明:学生对数学模型观念的理解不足,在应用数学模型时,大多数学生缺乏运用模型观念解决实际问题的能力。访谈的结果表明:教师认为学生掌握模型观念是必要的,但教学时间有限,在课堂中较少涉及模型观念的深入探讨;在模型观念的教学方面,部分教师教学方式单一,教学策略有待完善。 最后,本文提出了模型观念融入课堂的原则与策略,设计了《一元一次方程》《二元一次方程组》《身份证上的数学》三篇教学案例。在F市某初级中学的七年级A、B两班,采用对照实验验证教学策略能否提高学生数学素养和能力,实验结果表明,在课堂中融入模型观念的教学策略是可行的,有助于提高课堂教学效率与教学的灵活性,同时有助于深化学生的模型意识,对学生数学素养的培养有着积极的影响。

关键词： 立体几何   解题思路   数学模型   发散思维  

摘要： 本文分析了立体几何解题思路，并指出解题中的注意事项和能力训练方向。

关键词： 下肢仿生装置   数学模型   滑模变结构控制   模糊PID控制   运动捕捉  

摘要： 康复装置的设计开发、下肢伤病的康复治疗等都需要考虑到真实人体下肢的运动以及关节处受力状态。本文提出一种用于测试人体下肢屈伸运动的实验装置,可以通过体外模拟人体下蹲、起立运动,研究下肢在蹲起过程中关节、肌肉处所受的力大小以及在施加确定的力、载荷的条件下,得出下肢在屈伸过程中的各项数据,从而为相关方向的行业人员提供理论参考和技术支持。本文主要研究内容如下: 1)根据人体下肢建立下肢力学模型,在此基础上推导出人体下肢仿生屈曲装置受力方程;建立人体下肢单侧腿在矢状面内的D-H模型,推导人体下肢运动的运动学方程,并结合MATLAB/Robotics toolbox工具箱进行运动学仿真验证,为人体下肢仿生屈曲装置的建立提供理论基础。 2)对人体下肢仿生测试实验平台机械结构进行优化设计,机械结构部分主要分为4个功能模块:髋关节替代结构、膝关节假体、踝关节替代结构、仿生肌力加载结构。同时利用Ansys对各关键替代部件进行强度校核,在极限载荷情况下仿生髋关节处承重轴的最大变形量仅为0.012mm,踝关节处X轴滑轨最大变形量仅为0.000036mm,Y轴滑轨最大变形量仅为0.0042mm,刚度表现良好能够满足实际工况要求。 3)设计整机控制理论模型,推导其传递函数,根据基于指数趋近律的滑膜变结构控制理论,模糊控制理论,使用MATLAB/Simulink工具箱设计基于模糊PID结合滑膜变结构的仿真模型,使系统在大约1.5s内趋于稳定,为实现多台步进电机协同运动的精准控制奠定基础。 4)进行多组正常人运动捕捉实验,得到人体在蹲起过程中的各项运动数据,并对得出的数据进行分析,作为人体下肢仿生屈曲装置的期望输入曲线;使用搭建好的实验平台进行下肢屈伸运动实验,测得一个蹲起周期内的运动曲线,股四头肌、腓肠肌、腘绳肌肌力,髌骨与股骨关节间接触压力,得出的实验数据与期望曲线数据进行比较表明,各肌肉在一个周期中约50%前跟随良好,在50%后出现较小偏差,整体趋势与期望曲线趋于一致,髌骨接触力起始值为200N,最大值达到946.7N,与前人所诉相一致,验证了该实验装置的可行性。

关键词： 钇钡铜氧化物   数学模型   失超传播  

摘要： 本文建立了钇钡铜氧化物(YbaCuO,YBCO)在准绝热工况下的失超传播数学模型,包括一组联立的方程及其求解条件,并结合了真空密封套筒内外壁在失超过程中产生的辐射换热对失超的影响.使用COMSOL软件建立了二维计算模型,模拟YBCO带材在不同工况下的失超传播过程,以及失超传播中带材的温度、电势、电阻率和热导率的变化.为了验证模型的准确性,设置了两种工况,去模拟带材失超过程,并与相关模型及实验结果进行比对,以评估模型是否准确.经过比对,该模型成功地模拟出带材失超传播过程,模型最小失超能量计算结果与实验结果均在同一数量级;与现有模型相比,两者失超传播速度误差约为15%,且本模型计算结果更接近实验数据.