封面介绍
计算机辅助设计（CAD）技术为工程师高效、高质量地设计产品提供了强大的工具。然而，几何建模、结构分析和优化之间的差异使得设计过程严重依赖试错法和人类经验。因此，探索新的设计策略以减少人为干预实现高质量的设计非常重要。本期专题中关于人辅助设计（HAD）的研究，提出了一种新的智能设计策略。在HAD 中，计算机使用创新的等几何拓扑优化方法自动完成整个设计过程，实现高质量的设计，而人类仅在必要时进行辅助，通过对设计进行轻微修改以满足特定要求。智能HAD作为一种全新的设计策略，在下一次工业革命中具有取代传统设计方式的潜力。
复合材料以其优异的性能被广泛应用于许多领域。复合材料的质量缺陷会导致其构件的性能下降，成为潜在的事故隐患。当前国内外研究者通常采用实验或仿真的方法对复合材料的质量进行预测。然而，由于固化环境的不确定性和对动态、静态特征考虑不全面，因此难以准确预测复合材料的质量。为了解决这一问题，本文首先建立了复合材料的数字孪生（DT）模型，然后通过实现静态热压罐DT虚拟模型与可变复合材料DT虚拟模型的耦合，完成复合材料固化过程数字孪生模型的构建。基于该固化过程模型，生成模拟数据来增加动态特征，从而提高质量预测的准确性。最后基于获取的数据，使用极限学习机（ELM）构建复合材料质量预测模型，并通过结果分析验证了所提方法的有效性。
工业互联网平台是智能制造的关键推动者，能够允许各类物理制造资源虚拟封装后以制造服务的形式进行协作。制造服务协作优化是工业互联网平台的核心功能，其目的在于针对制造任务构建高质量的服务协作方案。在对服务协作方案进行优化时，必须同时满足制造任务的制造功能需求以及制造数量需求。然而，现有的制造服务协作优化研究主要关注面向功能需求的横向服务协作，针对面向数量需求的纵向服务协作鲜有涉及。因此，本文提出了一种同时考虑制造任务功能需求和数量需求的双维度服务协作方法。首先，提出了一种多粒度的制造服务建模方法，并在此基础上建立了双维度制造服务协作优化（DMSCO）模型。在纵向维度上，多个功能相似的制造服务组成一个服务集群以共同完成一个子任务；在横向维度上，多个功能互补的服务集群协作完成整个任务。其中，制造服务的选择和所选服务之间的制造数量分配是模型中的关键问题。针对该问题，本文设计了一种具有多种局部搜索算子的多目标模因算法，并在算法中构建竞争机制以动态调整每个局部搜索算子的选择概率。实验结果表明，与常用算法相比，本文所提算法在收敛性、质量性指标和综合指标等方面均具有优势。
残余应力是材料的基本属性之一，与零件的几何/尺寸稳定性和疲劳寿命直接相关。针对具有高精度要求的大型零件，其残余应力场的准确测量和预测一直是一个挑战。目前的残余应力场测量技术分为基于应变的有损法以及效率和精度较低的无损法。本文提出了一种基于变形力推断残余应力场的无损法。本方法通过能够反映去除材料后不平衡残余应力场整体效应的变形力来推断零件的残余应力场。利用虚功原理建立了变形力与残余应力场之间的力学关系，并引入正则化方法求解残余应力场。为验证方法的有效性，本文进行了理论验证和实际实验验证。实验结果表明，该方法对于大型结构件的残余应力场测量具有可靠的精度和灵活性。在数字化和智能制造的趋势下，该方法的基本原理为利用加工监测数据预测和补偿由残余应力引起的零件加工变形提供了重要参考。
本文研究的重点是在云制造环境中实现快速重构、实现灵活的资源调度、开发资源潜力以应对各种变化。因此，本文首先提出了一种新的基于云和软件定义网络（SDN）的制造模型——软件定义云制造（SDCM），该模型将控制逻辑从自动化硬件转移到软件上。这种转变意义重大，因为软件可以充当制造系统的“大脑”，并且可以轻松更改或更新以支持快速系统重新配置、运营和演进。随后，边缘计算被引入，以接近终端的计算和存储能力来补充云。另一个关键问题是管理由不同服务质量（QoS）要求的大量物联网（IoT）数据传输而导致的严重网络拥塞。基于SDCM的虚拟化和灵活的网络能力，本研究形式化了面向复杂制造任务集的时间敏感性数据流量控制问题，并考虑了子任务分配和数据路由路径选择。为了解决这一优化问题，提出了一种将遗传算法（GA）、Dijkstra 最短路径算法和排队算法相结合的方法。实验结果表明，该方法能有效地防止网络拥塞，减少SDCM中的总通信延迟。
复杂产品的拓扑优化设计可以显著改善材料和节能，有效地降低惯性力和机械振动。本研究选择了一种大吨位液压机作为典型的复杂产品，用以表述这种优化方法。基于可靠性和优化解耦模型与基于教与学优化（TLBO）算法，本文提出了一种可靠性拓扑优化方法。将由板系结构形成的支撑物作为拓扑优化对象，具有轻量化和稳定性好的特点。将某种不确定性下的可靠性优化和结构拓扑优化协同处理。首先，利用有限差分法将优化问题中的不确定性参数修正为确定性参数。然后，将不确定性可靠性分析和拓扑优化的复杂嵌套解耦。最后，利用TLBO算法求解解耦模型。该算法参数少，求解速度快。TLBO算法采用了自适应教学因子，在初始阶段实现了更快的收敛速度，并在后期阶段进行了更精细的搜索。本文给出了一个液压机基板结构的数值实例，验证了该方法的有效性。
关键性能指标（KPI）的软测量在复杂工业过程决策中起着至关重要的作用。许多研究人员已经使用先进的机器学习（ML）或深度学习（DL）模型开发出了数据驱动的软传感器。其中，特征选择是一个关键的问题，因为一个原始的工业数据集通常是高维的，并不是所有的特征都有利于软传感器的建立。一种完善的特征选择方法不应该依赖于超参数和后续的ML或DL模型。换言之，这种特征选择方法应该能够自动地选择一个特征子集进行软传感器建模，选择的每个特征对工业KPI 都有独特的因果影响。因此，本研究提出了一种受因果模型启发的自动特征选择方法，用于工业KPI 的软测量。首先，受后非线性因果模型的启发，本研究将数据驱动的软传感器与信息论相结合，以量化原始工业数据集中每个特征和KPI之间的因果效应。然后，提出了一种新的特征选择方法，即自动选择具有非零因果效应的特征来构造特征子集。最后，利用所构造的子集，通过AdaBoost 集成策略开发KPI 的软传感器。两个实际工业应用中的实验证实了该方法的有效性。在未来，该方法也可以应用于其他工业过程，以帮助开发更先进的数据驱动的软传感器。
本文提出了一种新的设计模式——人辅助设计，以取代传统的计算机辅助设计。在人辅助设计中，计算机可以通过一种新的等几何拓扑优化自动完成整个产品设计，而人类仅需协助轻微修改设计以满足要求。文中提出了一种嵌入域等几何拓扑优化用于设计具有不规则设计域的复杂模型，并且可以基于分层等几何拓扑优化结果自动生成优化结果的可编辑几何模型。测试了三个算例以验证所提出的等几何拓扑优化模式，包括一个具有规则设计域的3D悬臂梁，一个具有不规则设计域的汽车零件和一个具有多尺度结构的MBB梁。结果表明，所提出的等几何拓扑优化模式可以自动生成高质量的优化模型。因此，该技术具有成为革命性技术的巨大潜力，可以将当前设计模式由计算机辅助设计转变为人辅助设计。
太赫兹（THz）技术是公众熟知的一种强大的成像工具，该技术已经被应用于安全领域和医学扫描，生成了许多使用其他技术所无法获得的令人印象深刻的图像。随着5G移动网络的推出，对6G无线通信的研究正在升温。据预测，太赫兹技术将被用于6G和未来的无线通信。本文回顾了太赫兹技术是如何被应用于成像和无线通信的，然后介绍和确定了该领域的最新发展，最后检查和比较了这两种应用中的常见设备和问题。本文还讨论了将太赫兹成像与无线通信整合的可能性，提出并讨论了目前面临的挑战和未来前景。结果表明，太赫兹技术是未来成像和无线通信的一项关键使能技术。
本文介绍了一种用于5G多输入多输出（MIMO）应用的39 GHz收发机前端芯片组。每个芯片包括两个可变增益变频信道，可以支持两个同时独立的波束。该芯片还集成了一个本地振荡器链和数字模块，用于多芯片的扩展和增益状态控制。为了提高射频性能，针对前端系统中的关键构建模块提出了几种电路级改进技术。此外，还开发了先进的低温共烧陶瓷工艺，用于封装39 GHz双信道收发机芯片组，实现了低封装损耗和两个发射（TX）/接收（RX）信道之间的高隔离。通过进行芯片级和系统封装（SIP）级的测量，展示了收发机芯片组的性能。测量特性表明，TX SIP 提供11 dB 的最大增益和10 dBm饱和输出功率，而RX SIP实现52 dB的最大增益，5.4 dB噪声系数和7.2 dBm输出1 dB压缩点。收发机的单信道通信链路测试显示，对于64 次正交幅度调制（QAM），误差矢量幅度（EVM）为3.72%，频谱效率为3.25 位⋅s−1⋅ Hz−1。对于1 m距离内的256-QAM 调制，EVM为3.76%，频谱效率为3.9 位⋅s−1⋅Hz−1。在该芯片组的基础上，还开发了39 GHz的多波束原型，用于执行5G毫米波应用的MIMO操作。用于单流和双流传输的空中通信链路表明，多波束原型可以覆盖5~150 m的距离，具有相当的吞吐量。
在糖尿病前期人群中，采取健康的生活方式可以有效预防糖尿病的发生。然而，健康生活方式与心血管疾病（cardiovascular disease, CVD）、癌症和死亡的长期风险之间的关联尚不清晰。本文旨在探究糖尿病前期人群中综合健康生活方式与上述多种健康结局之间的关联。本研究纳入的121 254 名糖尿病前期研究对象来自以下4 个前瞻性队列，包括中国的东风-同济（Dongfeng-Tongji, DFTJ）队列和开滦研究，英国生物银行（UK Biobank, UKB）和美国的国家健康与营养调查（National Health and Nutrition Examination Survey, NHANES；仅用于死亡分析）。随访期间，共诊断了18 333 例新发糖尿病病例、10 829 例新发心血管疾病病例、6926 例新发癌症病例和9877 例全因死亡。本文基于5 个因素（从不吸烟或戒烟超过10 年、适量饮酒、充足的体力活动、健康膳食和理想的腰围）构建综合健康生活方式评分。各因素均被分为健康水平（赋1 分）和不健康水平（赋0 分），评分的加和为综合健康生活方式评分（0~5 分）。首先，采用Cox比例风险回归模型计算每个队列中综合健康生活方式评分与健康结局之间的关联；然后，通过随机效应模型的荟萃分析合并各独立队列结果的多变量校正的风险比（hazard ratio, HR）和95% 置信区间（confidence interval, CI）。与生活方式最不健康（评分为0~1 分）的研究对象相比，生活方式最健康（评分为4~5 分）的研究对象具有更低的糖尿病、心血管疾病、癌症和死亡风险，合并的HR（95% CI）分别为0.57（0.48~0.69）、0.67（0.62~0.73）、0.80（0.73~0.88）和0.54（0.42~0.70）。根据研究对象的基线人口学特征和代谢健康状况进行亚组分析的结果也与主要分析的结果一致。总而言之，本研究对来自三个国家的4个队列的合并分析表明，在糖尿病前期人群中，坚持更健康的生活方式与糖尿病及主要并发症的发生风险降低有关。本研究的发现为临床指南和公共卫生政策提供了可靠证据。
精准的结构和功能成像对于泌尿系统疾病的诊断和预后至关重要。近红外二区光谱区域（second nearinfrared spectral region, NIR-II, 1000~1700 nm）荧光生物成像相较于传统的荧光生物成像具有更高的空间分辨率、更深的穿透力和更好的信噪比，但其临床适用性有限。在此，本文首次报道了基于临床可用且经肾脏排泄的荧光染料亚甲基蓝（methylene blue, MB）对活体泌尿系统进行NIR-II 荧光成像，该技术不仅可实现清晰的有创/无创尿路造影，而且还能有效且无创地检测肾功能。以上研究结果表明MB辅助的NIR-II 荧光成像在临床/基础研究中泌尿系统结构和功能成像领域中具有较大的应用前景。
由于缺乏经证实具备免疫原性的多肽，基于肿瘤抗原的免疫治疗应用受到限制。在本研究中，利用肝胆肿瘤类器官分析了环状RNA（circRNA）作为肿瘤抗原肽新来源的潜力。使用RNA测序（RNA-seq）和基于算法的评分工具，预测出27 个类器官中3950 个肿瘤特异性circRNA 可翻译18 971 条抗原肽。抗原图谱显示，11 个氨基酸长度（mer）的肽和人类白细胞抗原（HLA）-A结合肽的免疫原性相关评分最高。通过对5 个类器官进行基于质谱的免疫肽组学分析，直接证实其中三个类器官的13 条抗原肽为HLA-A、HLA-B 和HLA-C（HLA-ABC）结合肽。通过流式细胞仪和酶联免疫分析发现，HLA-ABC 呈递的cricRNA来源肿瘤特异性肽可以刺激CD8 T细胞，使其CD107a 和干扰素γ（IFNγ）共表达提高、IFNγ分泌增加。细胞杀伤实验证实，经circRNA 来源免疫原性肽活化的T 细胞可杀伤类器官细胞。值得注意的是，来自circTBC1D15 的抗原肽YGFNEILKK不仅可以被HLA-ABC呈递，还能活化T细胞，显著降低肿瘤类器官活率。本研究的发现提供了一种产生肿瘤抗原的重要来源，提示肿瘤特异性circRNA 可作为抗肿瘤靶点。
植物病原菌不断危害农业生产和粮食安全。因此，病害发展早期的动态表征对病变监测和显症前诊断至关重要。高光谱成像（HSI）在跟踪病害初始侵染部位的动态进程以进行显症前诊断方面具有巨大潜力。然而，目前尚无相关文献提取出早期感染阶段活体叶片病变组织的指纹光谱特征（FSS），也没有探究HSI的检测机制。FSS是指能够表征特定植物病害的独特、有代表性的光谱特征。在本研究中，基于时序HSI数据分析，提取了接种麦根平脐蠕孢菌（Bipolaris sorokiniana）的大麦叶片的FSS，以表征叶斑病症状发展，实现显症前诊断。还研究了叶斑病早期发展阶段叶片的光谱和生化响应。本文所提取的全波段FSS能够捕捉病变发展过程中褪绿组织和坏死组织的独特特征，从而原位可视化植物-病原菌像素级的早期互作动态进程。进一步，实现了接种后24 h 叶斑病的显症前诊断，比传统的聚合酶链式反应（PCR）测定或生化测定提前了12 h。为了揭示HSI 显症前诊断的机制，还建立了叶片的平均光谱响应与其生化指标（叶绿素、类胡萝卜素、丙二醛、抗坏血酸和还原型谷胱甘肽）之间的定量关系，回归模型在预测集的决定系数（Rp2）均高于0.84。总体结果表明，HSI反映了活体植物特性的变化，所提取的FSS可成功跟踪叶斑病发生发展的时空动态进程，实现显症前诊断。在其他植物病害上的试验表明，该方法在植物病害早期控制方面具有较大的推广潜力。
本研究提出并实现了一种基于人类语音识别的智能超表面平台，用于对电磁波束进行可编程调控。该智能超表面平台由数字编码超表面、语音识别模块、单片机和数模转换器（DAC）电路组成，可根据预先存储的语音指令对电磁波进行智能控制。所构建的数字编码超表面包含6 × 6 个超级子单元，每个超级子单元由4 × 4 个嵌入了变容二极管的有源数字单元组成。语音识别模块配合DAC和单片机对语音指令进行识别，并生成对应的电压序列来控制超表面。此外，在超表面的设计过程中引入遗传算法，可有效优化超表面相位分布。为了验证智能超表面平台的性能，实验展示了雷达散射截面积缩减、涡旋波束生成和波束分裂三种典型功能。所提出的方案为调控电磁波提供了一种新途径，并在电磁和声学通信之间架起了一座桥梁。
异常区域超前辨识对于预防地下岩土工程灾害具有重要作用。为了满足地下工程高精度探测的需求，本文提出一种层析成像方法以辨识复杂岩体结构中的异常区域，结合了走时层析、阻尼最小二乘法和高斯滤波等技术。该方法克服了空洞区域辨识中速度差限制，减轻了迭代中孤立速度突变所带来的影响。开展了数值和室内实验，量化评估最短路径法（shortest-path method, SPM）、动态最短路径法（dynamic shortest-path method, DSPM）和快速扫描法（fast sweeping method, FSM）等正演模拟的识别精度和计算效率。结果表明，在数值和室内实验中DSPM和FSM均能清晰地辨识出异常区域。陕西震奥矿山现场应用结果证明了该方法可利用矿山开采中爆破、微震等多类声源对矿山内部未知结构进行波速场成像。本研究不仅实现了走时层析成像方法在异常区域识别中的应用，而且为地下岩土工程中潜在风险源的探测提供了新的思路。
长期观测主要大气成分的体积混合比（VMR）廓线和柱总量对掌握中国气候变化和碳收支具有重要意义。本文对我国首个全球碳总柱观测网（TCCON）高分辨率傅里叶变换光谱仪（FTS）地基观测站，即合肥观测站开展了系统性研究。该观测站可观测30多种大气成分的柱总量和VMR廓线。本文公布了2014年以来合肥观测站观测到的部分关键大气成分的时间序列，总结了迄今为止该站点取得的主要研究成果，包括光谱反演表征和归一化、关键大气成分的总体演变特征、排放估计、卫星和化学传输模式（CTM）校验以及对大气污染来源和传输的相关研究。同时，本文还对合肥观测站的观测、科学研究和未来研究计划进行了展望。中国明确提出2030年二氧化碳排放达到峰值，2060年实现碳中和。合肥观测站将为中国政府制定绿色经济政策、实现碳中和及《巴黎协定》目标提供科学支撑。
超高性能混凝土（UHPC）是一种相对较新的水泥混凝土复合材料，由于其优异的机械强度和耐久性，在基础设施建设中具有巨大的应用潜力。钢纤维与基体的界面粘结性能是决定UHPC其他力学性能的主要因素，包括抗拉、弯曲、抗压强度和破坏模式（断裂行为）。本文通过讨论并比较多种纤维拉拔测试方法和分析模型，全面综述了UHPC的纤维-基体粘结行为的研究进展；详细确定并讨论了影响纤维-基体粘结的参数，包括纤维的几何形状和方向、表面处理、基体的组成和强度。最后，基于现有研究，对未来UHPC增强方法和测试细节提出了建议。