关于我校推荐2015年度高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）候选项目的公示
来源： 发布日期：2015-07-28
各单位：
根据教育部要求，现在校内对我校推荐申报的2015年度高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）候选项目和参与申报项目进行公示，并征求异议。异议期为7天，请异议人在异议期内提交书面的异议材料及必要的证明材料至逸夫楼102室。
联系人：徐向平
联系电话：68912113
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科学技术研究院
二〇一五年七月二十八日
二〇一五年七月二十八日
附：高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）申报项目汇总表
申报项目简介
1. 能源经济系统中的效率测度理论与方法
能源经济系统中的效率测度理论与方法是管理科学前沿研究领域之一。传统的效率测度理论和方法已无法满足当前系统节能和环境保护下的科学与实践需求。项目组在国家自然基金项目等重要科研任务长期资助下，形成了能源经济系统中的效率测度理论，建立了能效测度方法和指标体系，并在节能减排政策制定中得到应用。主要创新成果有三个方面：
（1）形成了能源经济系统中的效率测度理论。针对以往研究中忽视了能源经济系统的耦合性、结构异质性、要素替代性、多目标性和环境外部性等问题，引入Translog/KLEM生产函数理论，在数理上推导出了能源需求与经济增长、产业结构、技术进步和能源结构的关系，揭示了能源需求的传导机制和反馈途径，拓展了能源效率测度理论，为完善能效测度方法和节能实践提供了理论基础。研究成果Liao和Wei(2007)被列入麻省理工学院的“能源安全与挑战”等2门课程列为必读材料(required reading)，Liang和Wei(2007)被克拉克奖获得者、美国科学院院士Jorgenson作为碳税节能协同效应的证据，同时被CGE模型主创者、俄罗斯科学院外籍院士Whalley作为节能减排研究典型案例。
（2）建立了动态和多目标条件下的能源效率测度方法和指标体系。针对以往测度指标局限于工程、物理或产值等单一维度而导致的信息有偏和激励不相容问题，应用多目标数学规划、数据包络分析、Shephard距离函数和随机前沿面分析方法等，提出了能源配置效率、经济效率和全要素碳排放绩效等新型能源效率测度指标，发展了能源效率测度指标体系。研究成果被著名能源效率专家Worrell教授等长篇采用并做为钢铁部门能源效率研究工具；被Energy J. 主编Hunt作为非参数DEA方法测度能源效率典型案例。
（3）提出并构建了信息损失视阈下能源经济系统效率评价的综合指标方法。针对能源经济系统效率综合评价中聚合方法选择过于主观的问题，以信息损失最小化为目标，构建Shannon-Spearman公式对不同准则决策指标聚合方法进行比较，提出了一套可用于构建能效综合指标的最优化方法。研究成果被著名学者Tofallis (2013)评价为该方法特别有预见性。
研究成果已在Energy Economics、E. J. Operational Research、Energy、Energy Efficiency、Applied Energy等SCI期刊发表论文39篇，其中SCI一区37篇，ESI高被引论文9篇。论文被SCI/SSCI他引1082次，单篇SCI/SSCI他引最高88次；在Google Scholar中被他引2459次。10篇代表性论著被SCI/SSCI他引431次；在Google Scholar中被他引909次。出版能源效率专著1部。引文作者来自MIT、哈佛、UC伯克利、斯坦福、杜克、佐治亚理工、剑桥、世界银行等200余家机构。3篇论文被联合国气候变化专门委员会评估报告引用。完成的2项国家自然科学基金项目结题绩效评估为“特优”。
2. 人车路系统风险演变机理与辅助驾驶方法
随着城市机动化进程的迅速发展，交通安全问题已成为一项全球性挑战，是人们普遍关注的社会问题。为实现道路交通安全，如何在人、车、路等要素耦合作用下解析交通系统风险的生成与演变、如何能够确保系统的最佳匹配品质并通过交通行为辅助来提高效能，对深入系统地识别人车路系统风险和构建交通本质安全具有重要意义。
本项目创建了以行为理论为核心的交通系统风险演化机制与评价方法，揭示了交通参与者行为、车辆行驶性能和道路基础设施之间的内在容错性规律，围绕驾驶可信性分析、人车单元与弱势交通参与者安全行为模式、不良交通事件的风险演变及其控制、驾驶辅助与人车交互等方向展开系统研究，取得的主要创新性成果和科学发现如下：
(1) 对交通参与者行为形成进行了规则化、模型化的定量描述，深入系统地研究了弱势交通参与者在不同交通态势下的行为变化特性，重点构建了驾驶本质安全模型和驾驶差错恢复能力的分析方法，提出智能交通信息网络环境下数字驾驶概念并创建可信驾驶的体系结构，从理论层次上阐明驾驶失误的不可避免特征。
(2) 从人车交互的交通本质出发，建立车辆接近和换道行为的微观模型，成功识别出驾驶人在车辆行驶过程中表现出的跟随动作滞后、速度波动以及操作扰动现象，依据道路环境对人车单元风险向量变化的扰动分析，提出了面向舒适性与安全性的车辆生态人机界面功能分配方法，为确定车辆行驶安全需求控制与驾驶辅助方式提供理论依据。
(3) 从交通事变信息流传递的层次上，依据不良交通征兆所蕴含信息量来解析人车路系统风险演变过程，突破传统事故分析方法难以量化事故诱发因素的瓶颈，提出交通系统定量风险性评价和交通事故致因动态微观辨识方法，解决了信息不足和数据丢失时如何辨识交通风险源的难题，并实现对人车路危险因素的预警性控制。
本项目共发表SCI论文29篇。出版中英文专著3部，其中《车辆人机交互安全与辅助驾驶》获得国家科学技术学术著作出版基金。10篇代表性论著被SCI他引184次。有4篇论文曾进入ESI前1%高被引论文，1篇论文进入ESI前0.1%高被引论文。2013年获得全球三项KSCE-Springer奖的最高奖-引文奖。第一完成入选2014年度Elsevier中国高被引学者。获授权国家发明专利3项。作为发起人和会议主席主办6 届国际学术会议，17次在国际著名大学和国际会议上做特邀报告。研究成果多次被美、英、德、日、法等国学者在本领域顶尖学术期刊《Transportation Research》、 《IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems》、《Safety Science》等正面评论，获得了IEEE Fellow 、IEA Fellow等相关领域国际权威的高度评价，认为该项目“填补了交通风险分析模型的空白”，“对认识驾驶行为和确定驾驶辅助的技术方法具有突出的贡献”。项目研究成果开拓出交通行为与安全、绿色智能交通系统等学科发展方向，对深入系统地定量辨识基于征兆的人车路系统风险、构建具有容错性功能的城市交通本质安全具有重要科学意义和应用价值。
3. 仿人机器人关键技术及应用
本项目属于机器人控制系统研究和机器人机械学领域。
“机器人革命”有望成为“第三次工业革命”的一个切入点和重要增长点，将创造数万亿美元的市场。仿人机器人是智能机器人发展的一个制高点，其研发、制造、应用反映了一个国家科技创新和高端制造业的水平，具有引领、辐射和带动作用。仿人机器人通常具有30个以上自由度，近100个传感器，是一个不稳定的非线性强耦合的复杂多体动力学系统，技术难度高。它双足行走、双手作业，更容易适应人类生活、工作环境，在航天、国防、家庭服务等领域具有巨大需求。
仿人机器人作为发达国家必争的战略高新技术，以前主要由日本、美国等发达国家掌握。本项目采用新的研究思路，借鉴人类长期进化所具备自然、快速、协调运动机理和灵巧结构特征，创新地研究了仿人机器人的仿生运动规划、控制、操作及系统集成等关键技术，取得了新突破，打破了国外的技术垄断，主要技术处于国际领先水平。主要发明点如下：
1)发明了基于人体运动规律的仿人机器人运动规划方法，无需预设ZMP轨迹，解决了传统方法存在的收敛与系统高稳定性的矛盾；首创了空间和时间维度的运动相似性评价函数，成为一种仿人机器人与人体动作相似程度的定量评价准则，解决了多自由度机器人拟人化复杂运动求解难题。
2)发明了快速传感反射平衡控制方法，无需机器人数学模型，即可快速调节踝、膝、腰等关键部位，解决了在环境突发扰动及未知凹凸地面时平衡控制难题，有效提高了仿人机器人抗未知干扰及环境变化的能力。
3)发明了仿人机器人移动与操作协调控制技术，通过逆动力学控制器调节加速度协调全身运动，解决了快速运动平衡性与操作精确性间的矛盾，有效提高了机器人对动态目标操作的反应能力。
4)发明了轻量化关节设计技术和功能仿生的灵巧机构，攻克了系统集成技术，研制了5代仿人机器人系统，解决了部件与系统性能一致性难以匹配的问题，提高了仿人机器人系统的集成度和整体性能。
项目得到多项863计划重点项目、国家杰青基金等项目十余年的持续支持。共申请国家发明专利61项，其中已授权31项，形成了仿人机器人运动规划、控制和系统集成的专利群。发表SCI/EI论文97篇，并在国际顶级会议IEEE-IROS等获3篇优秀论文奖。研制的仿人机器人在国内率先实现了独立行走，在国际上首次完成了刀术、太极拳等高难度运动，被选为国家863计划重大科技成果，并作为标志性成果在国家高新区建设二十周年成就展展出，产生了良好的社会反响。由教育部组织的多位院士等专家组成的鉴定委员会鉴定意见：“从仿生角度系统地研究了仿人机器人的仿生运动规划、控制及系统集成，攻克了核心技术”、“在复杂动态动作的仿生规划与传感反射控制技术方面处于国际领先水平”。
项目从关键技术发明、核心部件研发到应用创新，形成了一整套技术成果，已在航天等国家重大工程、国家公共安全领域得到应用，在军工、民口企业创造经济效益超过1亿元，取得了显著的社会效益和经济效益。
4. 多曲面及多元复合聚光中高温太阳能集热技术及应用
太阳能中高温集热技术是科技部十二五计划中作为能源战略开发的重大技术之一，也是节能减排的重要技术手段之一。然而，传统的太阳能聚光集热器大多都是根据单曲面或单曲线设计的，或者是单一聚光方式聚焦形成的，比如抛物面聚光器是由抛物线平移或旋转而成的。这些聚光方式的理论基础是非常清晰的，聚光比很大，理论聚光温度很高。但是，此类聚光器的聚光角一般都很小，有的只有1°甚至只有0.1°，需要准确跟踪太阳和严格的控制。这在工程应用上是非常困难的，它需要庞大的跟踪机构和驱动机构，这些固有缺陷使传统型太阳能聚光器难于低成本商业化运行，限制了它们的推广利用。
为此，本课题组针对传统太阳能聚光器的这些缺陷，展开了长达近10年的技术基础研究，提出了多曲面复合太阳能聚光和多元复合的思想，发明了一系列基于多曲面、多元复合聚光理念的先进中高温太阳能聚光器，拓展了太阳能聚光的思想与方法，增加了聚光器的接收角，减少了太阳能聚光系统对太阳的跟踪精度要求，多元聚光更是截取了透射与反射聚光部件中最有效的部分，降低了传统太阳能聚光系统的控制及驱动系统的复杂性和自身能耗。
（1）创新提出了多曲面聚光和多元聚光的思想，建立了多曲面聚光的完整理论，形成了焦点后置式太阳能聚光技术和太阳光密度倍增聚光技术。发明了镜像焦点重叠式可变向平行光能流密度倍增器，实现了焦点后置式太阳能聚光，为太阳能聚光器与后端用户系统有机连接创造了条件。设计了一系列一体化太阳能利用系统。
（2）创新提出了多曲面顺向聚光理念，形成了多曲面聚光的设计理论与设计方法，获得了定向太阳能聚光与传光技术，实现了新型太阳能聚光器聚光角的宽域设计方法，发明了槽式顺向聚焦轴向传光太阳能聚光器。
（3）创新提出了多元聚光的思想，将反射与折射聚光技术结合为一体，将用户的用能需求融于聚光器的设计之中，形成了多元高倍聚光理论与结构设计方法。发明了菲涅耳透射与反射复合聚光滚筒式太阳能高温集热器，它由曲面菲涅耳透射聚光、平面菲涅耳反射聚光和多曲面再聚光的三元聚光复合组成，进一步拓展了太阳能高温集热的理念，是一种完全区别于传统抛物面聚光器的全新高温太阳能集热装置，克服了传统抛物面聚光器的众多缺陷。它要求的跟踪精度低，普通电机即可准确跟踪运行。
基于上述思想和发明，设计制造了多曲面光漏斗、平行光能流倍增器、多级CPC叠置高倍聚光器、多曲面槽式中高温集热器和透射与反射复合聚光转轮式太阳能高温集热器等新型太阳能聚光装置，开发出多种上市产品。为非传统太阳能高温集热或聚光指出了新的方向。
基于这些发明和基础研究，获得国家“863”计划资助、获得二项国家自然基金资助，还获得二项国际项目资助。获得授权发明专利14个，实用新型专利3项，申请发明专利1个，发表SCI论文16篇，EI20篇。出版专著兼教材1部。与企业合作5项，开发了多个产品进入市场，取得了显著的经济效益。
5. 光学表面残差频域及亚表面损伤表征及修正理论与制造技术研究
现代高分辨率、超分辨率成像光学系统以及高能激光系统对其核心元件质量提出苛刻要求，除要求表面面形残余误差峰谷值和均方根值外，还要求其残余误差各频域分布以及亚表面损伤程度满足特定的需求，以保证成像的质量和提高光学元件的损伤阈值。但是，目前国内兴起的数控计算机表面成形技术对于制造具有高质量表面尚具有一定难度，在此基础上提出的全频段残余误差控制以及亚表面损伤控制更是一个新的难题和挑战。
本项目针对现存理论和技术难题，依托教育部项目新世纪优秀人才支持计划项目，完成高精度表面及亚表面加工理论、测量方法、评价指标、加工及检测设备等系统成果，实现了无亚表面破坏层，全频段残余误差修整和控制的光学表面制造，主要创新性成果包括：
1. 研制了适用于高精度光学表面制造的精密光学研抛机床及其专用工具系列，申请并获得国家发明专利。
2. 提出光学材料亚表面残差微观表征及机理，得出了微缺陷分布随机性、微裂纹分布纵伸性的结论，阐释了横向微裂纹在剪切去除中的积极作用。
3. 建立光学表面全频段残余误差的评价体系，提出采用多样性工作函数和随机路径方案，实现对不同频域针对性去除，达到全频域残余误差的控制。
4. 首次构建了多变量全局寻优模型，建立了适用于光学表面全频段残余误差控制以及亚表面损伤全阶段控制工艺模型，形成面向高精度表面和亚表面的评价、制造和检测工艺链和技术流程。
本项目在国家基金支持下，取得了大量突破性的创新成果。编撰学术专著2部；申报国家发明专利11项，其中授权发明专利8项；发表SCI检索学术论文16篇，其中。研究成果目前已经应用于航空航天以及精密机场照明领域。经全频段残余误差和亚表面损伤控制后的光学表面，提高了光学元件在强激光的作用下损伤阈值，提升了高分辨成像系统成像性能。
本项目研究的光学表面全频域及亚表面损伤表征及修正理论与制造技术具有自主知识产权，能够有效抑制表面残差在各频率域的分布，并消除亚表面损伤层，可为空间光学、强激光系统、高分辨成像系统、精密照明等高新技术提供核心元件支撑，产生巨大的社会效益和经济效益。
6. 超快激光微纳制造机理、方法及新材料制备的基础研究
针对超快激光微纳制造中机理、方法及新材料制备展开了十余年的基础研究：
1）建立了量子等离子体模型，揭示了超快激光加工绝缘体机理。当加工作用时间短到飞秒和尺寸小到纳米时，材料的瞬时局部特性变化极为关键，许多经典的理论不再适用，建立了量子等离子体模型，首次能够预测飞秒激光加工形状，并预测了一系列反常效应，后被多个国家研究组实验确认。
2）建立了改进双温度方程，揭示了超快激光加工金属机理。针对10余年未能突破的难题：微纳热传导基石之一的经典双温度方程仅适用于峰值电子温度远低于费米温度的情况（如超快激光低能量加热），不能正确描述高能量密度情况下的超短脉冲与金属相互作用（如超快激光加工），建立了改进双温度方程，成功解决了这一难题，极大地扩展了双温度方程的适用范围。
3）提出超快激光微纳制造新方法并获得了重要应用。根据理论预测，提出了脉冲序列设计和共振吸收的超快激光微纳制造新方法，首次实现了制造中对局部瞬时电子动态及其对应材料特性的主动调节，使加工重铸层高度降低了约60%，效率提高了5-56倍，深径比/深宽比极限提高了30余倍，新方法被选定为国家重大专项之一的点火工程中核心构件微靶靶球深孔的加工工艺。设计并加工了新型光纤微传感器及不同维度石墨烯器件，已经开始市场推广。
发表主流国际会议主题/特邀报告53次，其中Keynote/Plenary报告11次。20篇主要论文SCI他引1362次，8篇代表作SCI他引814次，获2014年教育部自然科学一等奖。推动了国际相关领域发展，如材料领域：美国前国家科学院院长F. Seitz创立的UIUC材料研究室以实验逐一验证了我们模型的主要假设和预测：“该现象在本质上与姜和蔡的预测吻合…弹坑形状与姜和蔡的预测十分接近”；纳米领域：AAAS/ASME/SPIE/ISNM/AIMBE五会会士、加州大学S.C. Chen教授应用我们模型成功解释了“飞秒激光辅助纳米加工”的原理：“姜和蔡提出了一个模型[9,10]，本计算所用的模型，除个别解释的地方外，大都从参考文献[10]而来”；化工领域：日本京都大学T. Maruyama教授专门发文验证我们模型并拓展其应用：“本文目的是基于已有实验对比，讨论该等离子体模型在其它宽禁带材料中的应用”；机械领域：ASME会士、美国空军研究室J.K.Chen教授根据我们的改进双温度方程提出了“半经典双温度方程”；物理领域：丹麦奥尔胡斯大学P. Balling教授在Rep. Prog. Phys.(IF:17.062)中用半页篇幅重点评述：“…通过姜等所提模型，可以计算电子密度和温度随时间、空间的演化规律…预测结果高度一致”。化学领域：诺贝尔化学奖得主、加州理工学院A.H. Zewail教授在论文中评价：“这样的模型对澄清激光诱导熔化和烧蚀非常重要”；电子领域：OSA会士、多伦多大学P.R. Herman教授在论文中将我们所提方法列为“报导的飞秒激光最好的加工结果之一”。光学领域：意大利萨尼奥大学A. Cusano教授重点评述我们的新型传感器：“目前的最高纪录是利用飞秒激光加工双空气孔马赫-曾德尔干涉仪…”。
能源经济系统中的效率测度理论与方法是管理科学前沿研究领域之一。传统的效率测度理论和方法已无法满足当前系统节能和环境保护下的科学与实践需求。项目组在国家自然基金项目等重要科研任务长期资助下，形成了能源经济系统中的效率测度理论，建立了能效测度方法和指标体系，并在节能减排政策制定中得到应用。主要创新成果有三个方面：
（1）形成了能源经济系统中的效率测度理论。针对以往研究中忽视了能源经济系统的耦合性、结构异质性、要素替代性、多目标性和环境外部性等问题，引入Translog/KLEM生产函数理论，在数理上推导出了能源需求与经济增长、产业结构、技术进步和能源结构的关系，揭示了能源需求的传导机制和反馈途径，拓展了能源效率测度理论，为完善能效测度方法和节能实践提供了理论基础。研究成果Liao和Wei(2007)被列入麻省理工学院的“能源安全与挑战”等2门课程列为必读材料(required reading)，Liang和Wei(2007)被克拉克奖获得者、美国科学院院士Jorgenson作为碳税节能协同效应的证据，同时被CGE模型主创者、俄罗斯科学院外籍院士Whalley作为节能减排研究典型案例。
（2）建立了动态和多目标条件下的能源效率测度方法和指标体系。针对以往测度指标局限于工程、物理或产值等单一维度而导致的信息有偏和激励不相容问题，应用多目标数学规划、数据包络分析、Shephard距离函数和随机前沿面分析方法等，提出了能源配置效率、经济效率和全要素碳排放绩效等新型能源效率测度指标，发展了能源效率测度指标体系。研究成果被著名能源效率专家Worrell教授等长篇采用并做为钢铁部门能源效率研究工具；被Energy J. 主编Hunt作为非参数DEA方法测度能源效率典型案例。
（3）提出并构建了信息损失视阈下能源经济系统效率评价的综合指标方法。针对能源经济系统效率综合评价中聚合方法选择过于主观的问题，以信息损失最小化为目标，构建Shannon-Spearman公式对不同准则决策指标聚合方法进行比较，提出了一套可用于构建能效综合指标的最优化方法。研究成果被著名学者Tofallis (2013)评价为该方法特别有预见性。
研究成果已在Energy Economics、E. J. Operational Research、Energy、Energy Efficiency、Applied Energy等SCI期刊发表论文39篇，其中SCI一区37篇，ESI高被引论文9篇。论文被SCI/SSCI他引1082次，单篇SCI/SSCI他引最高88次；在Google Scholar中被他引2459次。10篇代表性论著被SCI/SSCI他引431次；在Google Scholar中被他引909次。出版能源效率专著1部。引文作者来自MIT、哈佛、UC伯克利、斯坦福、杜克、佐治亚理工、剑桥、世界银行等200余家机构。3篇论文被联合国气候变化专门委员会评估报告引用。完成的2项国家自然科学基金项目结题绩效评估为“特优”。
2. 人车路系统风险演变机理与辅助驾驶方法
随着城市机动化进程的迅速发展，交通安全问题已成为一项全球性挑战，是人们普遍关注的社会问题。为实现道路交通安全，如何在人、车、路等要素耦合作用下解析交通系统风险的生成与演变、如何能够确保系统的最佳匹配品质并通过交通行为辅助来提高效能，对深入系统地识别人车路系统风险和构建交通本质安全具有重要意义。
本项目创建了以行为理论为核心的交通系统风险演化机制与评价方法，揭示了交通参与者行为、车辆行驶性能和道路基础设施之间的内在容错性规律，围绕驾驶可信性分析、人车单元与弱势交通参与者安全行为模式、不良交通事件的风险演变及其控制、驾驶辅助与人车交互等方向展开系统研究，取得的主要创新性成果和科学发现如下：
(1) 对交通参与者行为形成进行了规则化、模型化的定量描述，深入系统地研究了弱势交通参与者在不同交通态势下的行为变化特性，重点构建了驾驶本质安全模型和驾驶差错恢复能力的分析方法，提出智能交通信息网络环境下数字驾驶概念并创建可信驾驶的体系结构，从理论层次上阐明驾驶失误的不可避免特征。
(2) 从人车交互的交通本质出发，建立车辆接近和换道行为的微观模型，成功识别出驾驶人在车辆行驶过程中表现出的跟随动作滞后、速度波动以及操作扰动现象，依据道路环境对人车单元风险向量变化的扰动分析，提出了面向舒适性与安全性的车辆生态人机界面功能分配方法，为确定车辆行驶安全需求控制与驾驶辅助方式提供理论依据。
(3) 从交通事变信息流传递的层次上，依据不良交通征兆所蕴含信息量来解析人车路系统风险演变过程，突破传统事故分析方法难以量化事故诱发因素的瓶颈，提出交通系统定量风险性评价和交通事故致因动态微观辨识方法，解决了信息不足和数据丢失时如何辨识交通风险源的难题，并实现对人车路危险因素的预警性控制。
本项目共发表SCI论文29篇。出版中英文专著3部，其中《车辆人机交互安全与辅助驾驶》获得国家科学技术学术著作出版基金。10篇代表性论著被SCI他引184次。有4篇论文曾进入ESI前1%高被引论文，1篇论文进入ESI前0.1%高被引论文。2013年获得全球三项KSCE-Springer奖的最高奖-引文奖。第一完成入选2014年度Elsevier中国高被引学者。获授权国家发明专利3项。作为发起人和会议主席主办6 届国际学术会议，17次在国际著名大学和国际会议上做特邀报告。研究成果多次被美、英、德、日、法等国学者在本领域顶尖学术期刊《Transportation Research》、 《IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems》、《Safety Science》等正面评论，获得了IEEE Fellow 、IEA Fellow等相关领域国际权威的高度评价，认为该项目“填补了交通风险分析模型的空白”，“对认识驾驶行为和确定驾驶辅助的技术方法具有突出的贡献”。项目研究成果开拓出交通行为与安全、绿色智能交通系统等学科发展方向，对深入系统地定量辨识基于征兆的人车路系统风险、构建具有容错性功能的城市交通本质安全具有重要科学意义和应用价值。
3. 仿人机器人关键技术及应用
本项目属于机器人控制系统研究和机器人机械学领域。
“机器人革命”有望成为“第三次工业革命”的一个切入点和重要增长点，将创造数万亿美元的市场。仿人机器人是智能机器人发展的一个制高点，其研发、制造、应用反映了一个国家科技创新和高端制造业的水平，具有引领、辐射和带动作用。仿人机器人通常具有30个以上自由度，近100个传感器，是一个不稳定的非线性强耦合的复杂多体动力学系统，技术难度高。它双足行走、双手作业，更容易适应人类生活、工作环境，在航天、国防、家庭服务等领域具有巨大需求。
仿人机器人作为发达国家必争的战略高新技术，以前主要由日本、美国等发达国家掌握。本项目采用新的研究思路，借鉴人类长期进化所具备自然、快速、协调运动机理和灵巧结构特征，创新地研究了仿人机器人的仿生运动规划、控制、操作及系统集成等关键技术，取得了新突破，打破了国外的技术垄断，主要技术处于国际领先水平。主要发明点如下：
1)发明了基于人体运动规律的仿人机器人运动规划方法，无需预设ZMP轨迹，解决了传统方法存在的收敛与系统高稳定性的矛盾；首创了空间和时间维度的运动相似性评价函数，成为一种仿人机器人与人体动作相似程度的定量评价准则，解决了多自由度机器人拟人化复杂运动求解难题。
2)发明了快速传感反射平衡控制方法，无需机器人数学模型，即可快速调节踝、膝、腰等关键部位，解决了在环境突发扰动及未知凹凸地面时平衡控制难题，有效提高了仿人机器人抗未知干扰及环境变化的能力。
3)发明了仿人机器人移动与操作协调控制技术，通过逆动力学控制器调节加速度协调全身运动，解决了快速运动平衡性与操作精确性间的矛盾，有效提高了机器人对动态目标操作的反应能力。
4)发明了轻量化关节设计技术和功能仿生的灵巧机构，攻克了系统集成技术，研制了5代仿人机器人系统，解决了部件与系统性能一致性难以匹配的问题，提高了仿人机器人系统的集成度和整体性能。
项目得到多项863计划重点项目、国家杰青基金等项目十余年的持续支持。共申请国家发明专利61项，其中已授权31项，形成了仿人机器人运动规划、控制和系统集成的专利群。发表SCI/EI论文97篇，并在国际顶级会议IEEE-IROS等获3篇优秀论文奖。研制的仿人机器人在国内率先实现了独立行走，在国际上首次完成了刀术、太极拳等高难度运动，被选为国家863计划重大科技成果，并作为标志性成果在国家高新区建设二十周年成就展展出，产生了良好的社会反响。由教育部组织的多位院士等专家组成的鉴定委员会鉴定意见：“从仿生角度系统地研究了仿人机器人的仿生运动规划、控制及系统集成，攻克了核心技术”、“在复杂动态动作的仿生规划与传感反射控制技术方面处于国际领先水平”。
项目从关键技术发明、核心部件研发到应用创新，形成了一整套技术成果，已在航天等国家重大工程、国家公共安全领域得到应用，在军工、民口企业创造经济效益超过1亿元，取得了显著的社会效益和经济效益。
4. 多曲面及多元复合聚光中高温太阳能集热技术及应用
太阳能中高温集热技术是科技部十二五计划中作为能源战略开发的重大技术之一，也是节能减排的重要技术手段之一。然而，传统的太阳能聚光集热器大多都是根据单曲面或单曲线设计的，或者是单一聚光方式聚焦形成的，比如抛物面聚光器是由抛物线平移或旋转而成的。这些聚光方式的理论基础是非常清晰的，聚光比很大，理论聚光温度很高。但是，此类聚光器的聚光角一般都很小，有的只有1°甚至只有0.1°，需要准确跟踪太阳和严格的控制。这在工程应用上是非常困难的，它需要庞大的跟踪机构和驱动机构，这些固有缺陷使传统型太阳能聚光器难于低成本商业化运行，限制了它们的推广利用。
为此，本课题组针对传统太阳能聚光器的这些缺陷，展开了长达近10年的技术基础研究，提出了多曲面复合太阳能聚光和多元复合的思想，发明了一系列基于多曲面、多元复合聚光理念的先进中高温太阳能聚光器，拓展了太阳能聚光的思想与方法，增加了聚光器的接收角，减少了太阳能聚光系统对太阳的跟踪精度要求，多元聚光更是截取了透射与反射聚光部件中最有效的部分，降低了传统太阳能聚光系统的控制及驱动系统的复杂性和自身能耗。
（1）创新提出了多曲面聚光和多元聚光的思想，建立了多曲面聚光的完整理论，形成了焦点后置式太阳能聚光技术和太阳光密度倍增聚光技术。发明了镜像焦点重叠式可变向平行光能流密度倍增器，实现了焦点后置式太阳能聚光，为太阳能聚光器与后端用户系统有机连接创造了条件。设计了一系列一体化太阳能利用系统。
（2）创新提出了多曲面顺向聚光理念，形成了多曲面聚光的设计理论与设计方法，获得了定向太阳能聚光与传光技术，实现了新型太阳能聚光器聚光角的宽域设计方法，发明了槽式顺向聚焦轴向传光太阳能聚光器。
（3）创新提出了多元聚光的思想，将反射与折射聚光技术结合为一体，将用户的用能需求融于聚光器的设计之中，形成了多元高倍聚光理论与结构设计方法。发明了菲涅耳透射与反射复合聚光滚筒式太阳能高温集热器，它由曲面菲涅耳透射聚光、平面菲涅耳反射聚光和多曲面再聚光的三元聚光复合组成，进一步拓展了太阳能高温集热的理念，是一种完全区别于传统抛物面聚光器的全新高温太阳能集热装置，克服了传统抛物面聚光器的众多缺陷。它要求的跟踪精度低，普通电机即可准确跟踪运行。
基于上述思想和发明，设计制造了多曲面光漏斗、平行光能流倍增器、多级CPC叠置高倍聚光器、多曲面槽式中高温集热器和透射与反射复合聚光转轮式太阳能高温集热器等新型太阳能聚光装置，开发出多种上市产品。为非传统太阳能高温集热或聚光指出了新的方向。
基于这些发明和基础研究，获得国家“863”计划资助、获得二项国家自然基金资助，还获得二项国际项目资助。获得授权发明专利14个，实用新型专利3项，申请发明专利1个，发表SCI论文16篇，EI20篇。出版专著兼教材1部。与企业合作5项，开发了多个产品进入市场，取得了显著的经济效益。
5. 光学表面残差频域及亚表面损伤表征及修正理论与制造技术研究
现代高分辨率、超分辨率成像光学系统以及高能激光系统对其核心元件质量提出苛刻要求，除要求表面面形残余误差峰谷值和均方根值外，还要求其残余误差各频域分布以及亚表面损伤程度满足特定的需求，以保证成像的质量和提高光学元件的损伤阈值。但是，目前国内兴起的数控计算机表面成形技术对于制造具有高质量表面尚具有一定难度，在此基础上提出的全频段残余误差控制以及亚表面损伤控制更是一个新的难题和挑战。
本项目针对现存理论和技术难题，依托教育部项目新世纪优秀人才支持计划项目，完成高精度表面及亚表面加工理论、测量方法、评价指标、加工及检测设备等系统成果，实现了无亚表面破坏层，全频段残余误差修整和控制的光学表面制造，主要创新性成果包括：
1. 研制了适用于高精度光学表面制造的精密光学研抛机床及其专用工具系列，申请并获得国家发明专利。
2. 提出光学材料亚表面残差微观表征及机理，得出了微缺陷分布随机性、微裂纹分布纵伸性的结论，阐释了横向微裂纹在剪切去除中的积极作用。
3. 建立光学表面全频段残余误差的评价体系，提出采用多样性工作函数和随机路径方案，实现对不同频域针对性去除，达到全频域残余误差的控制。
4. 首次构建了多变量全局寻优模型，建立了适用于光学表面全频段残余误差控制以及亚表面损伤全阶段控制工艺模型，形成面向高精度表面和亚表面的评价、制造和检测工艺链和技术流程。
本项目在国家基金支持下，取得了大量突破性的创新成果。编撰学术专著2部；申报国家发明专利11项，其中授权发明专利8项；发表SCI检索学术论文16篇，其中。研究成果目前已经应用于航空航天以及精密机场照明领域。经全频段残余误差和亚表面损伤控制后的光学表面，提高了光学元件在强激光的作用下损伤阈值，提升了高分辨成像系统成像性能。
本项目研究的光学表面全频域及亚表面损伤表征及修正理论与制造技术具有自主知识产权，能够有效抑制表面残差在各频率域的分布，并消除亚表面损伤层，可为空间光学、强激光系统、高分辨成像系统、精密照明等高新技术提供核心元件支撑，产生巨大的社会效益和经济效益。
6. 超快激光微纳制造机理、方法及新材料制备的基础研究
针对超快激光微纳制造中机理、方法及新材料制备展开了十余年的基础研究：
1）建立了量子等离子体模型，揭示了超快激光加工绝缘体机理。当加工作用时间短到飞秒和尺寸小到纳米时，材料的瞬时局部特性变化极为关键，许多经典的理论不再适用，建立了量子等离子体模型，首次能够预测飞秒激光加工形状，并预测了一系列反常效应，后被多个国家研究组实验确认。
2）建立了改进双温度方程，揭示了超快激光加工金属机理。针对10余年未能突破的难题：微纳热传导基石之一的经典双温度方程仅适用于峰值电子温度远低于费米温度的情况（如超快激光低能量加热），不能正确描述高能量密度情况下的超短脉冲与金属相互作用（如超快激光加工），建立了改进双温度方程，成功解决了这一难题，极大地扩展了双温度方程的适用范围。
3）提出超快激光微纳制造新方法并获得了重要应用。根据理论预测，提出了脉冲序列设计和共振吸收的超快激光微纳制造新方法，首次实现了制造中对局部瞬时电子动态及其对应材料特性的主动调节，使加工重铸层高度降低了约60%，效率提高了5-56倍，深径比/深宽比极限提高了30余倍，新方法被选定为国家重大专项之一的点火工程中核心构件微靶靶球深孔的加工工艺。设计并加工了新型光纤微传感器及不同维度石墨烯器件，已经开始市场推广。
发表主流国际会议主题/特邀报告53次，其中Keynote/Plenary报告11次。20篇主要论文SCI他引1362次，8篇代表作SCI他引814次，获2014年教育部自然科学一等奖。推动了国际相关领域发展，如材料领域：美国前国家科学院院长F. Seitz创立的UIUC材料研究室以实验逐一验证了我们模型的主要假设和预测：“该现象在本质上与姜和蔡的预测吻合…弹坑形状与姜和蔡的预测十分接近”；纳米领域：AAAS/ASME/SPIE/ISNM/AIMBE五会会士、加州大学S.C. Chen教授应用我们模型成功解释了“飞秒激光辅助纳米加工”的原理：“姜和蔡提出了一个模型[9,10]，本计算所用的模型，除个别解释的地方外，大都从参考文献[10]而来”；化工领域：日本京都大学T. Maruyama教授专门发文验证我们模型并拓展其应用：“本文目的是基于已有实验对比，讨论该等离子体模型在其它宽禁带材料中的应用”；机械领域：ASME会士、美国空军研究室J.K.Chen教授根据我们的改进双温度方程提出了“半经典双温度方程”；物理领域：丹麦奥尔胡斯大学P. Balling教授在Rep. Prog. Phys.(IF:17.062)中用半页篇幅重点评述：“…通过姜等所提模型，可以计算电子密度和温度随时间、空间的演化规律…预测结果高度一致”。化学领域：诺贝尔化学奖得主、加州理工学院A.H. Zewail教授在论文中评价：“这样的模型对澄清激光诱导熔化和烧蚀非常重要”；电子领域：OSA会士、多伦多大学P.R. Herman教授在论文中将我们所提方法列为“报导的飞秒激光最好的加工结果之一”。光学领域：意大利萨尼奥大学A. Cusano教授重点评述我们的新型传感器：“目前的最高纪录是利用飞秒激光加工双空气孔马赫-曾德尔干涉仪…”。