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主要研究方向
科学研究
主要研究方向

一、电气工程

(一)电工装备可靠性理论及应用

本研究方向以可靠性为基础,开展可靠性理论、失效机理及应用的研究,主要包括:研究开关电器性能参数测试和可靠性评价理论,拓展高压开关电器,建立开关电器运行可靠性评价模型,实现开关电器运行可靠性的实时评价和剩余寿命的预测;进行开关电器产品可能承受各种环境应力能力的研究,特别是进行极端应力下开关电器行为特征的研究,基于优化设计技术进行电器产品可靠性优化设计;进行新型电器及成套开关装置的可靠性增长预测理论以及全寿命周期成本评估方法的研究,建立智能开关电器运行状态变化特征模型,研究状态辨识与特征表征理论方法,进行智能开关电器的健康寿命预测;研究基于实测信息的电气设备健康状态和工作性能,揭示安全性退化规律;建立安全性的动态退化模型、故障诊断模型及剩余寿命预测模型;探索在智能电网环境下电工装备的失效机理、寿命预测模型和设计方法,提高电气设备智能化水平;采用仿真和试验相结合的方法进行金属掺杂的绿色环保电器触头材料的研究;研究聚合物绝缘材料可靠性和安全性理论,发展电气设备高可靠绝缘技术和绝缘在线监测技术。

(二)开关电器基础理论与智能化技术

本研究方向以现代开关电器为对象,开展低压、中压、高压、超高压与特高压多电压层级开关电器基础理论与智能化技术研究。主要包括:开展直流开关电器基本理论研究,建立直流开断拓扑结构,提高直流分断能力;研究直流开断过程中能量转移特性,提高直流开断可靠性;研究漏电保护理论和漏电信号识别技术,进行非线性漏电信号量测理论分析,建立强背景漏电噪声下故障漏电识别与保护模型;研究交、直流电弧发生机理,建立串弧、并弧等故障电弧模型,识别非线性负荷与故障电弧特征;研究楼宇故障电弧保护策略、光伏直流线路故障电弧识别与保护策略,实现故障电弧保护;基于各大型分析软件,建立可视化三维开关电器模型,对开关电器产品动作过程及性能进行模拟、分析和改进设计,开发专用仿真软件系统;进行现代电器智能控制和数据融合技术研究,研究动态图像压缩、解压及传输技术和图像处理算法,实现电器参数虚拟测试与智能控制。

(三)现代工程电磁技术及应用

本研究方向以电磁场为基础,开展新一代电工装备中的磁问题和磁现象的研究,主要包括:先进电工磁性材料的一、二、三维动态磁特性测试、模拟,在各种工况条件下的磁滞、损耗特性建模及应用;研究电工设备中的电磁效应机理、磁-热-力等多物理场耦合机理、涡流场及其耦合场机理、复杂输电环境电磁生物学机理等,为实现电工设备的部件、磁结构、系统等层次上的优化设计提供理论指导;研究不同电磁加载条件下电工装备部件应力-应变关系,确定电工装备电磁无损检测诊断技术与评估方法;研究电磁传感和检测技术,研究电工装备的电磁振动噪声机理和减振降噪方法;研究系统传输电能的理论,发展无线电能传输技术;建立电工装备激磁模型、换能模型和控制模型,模拟电工装备在动态服役条件下的电磁场分布和工作过程,分析实际电工装备的运行数据,确定电工装备的输入与输出关系和工作特性;研究电磁冶金中磁感应加热问题,如纵向磁通感应加热、横向磁通感应加热和行波感应加热,以及电磁连铸中的电磁力对铸造的影响等;研究电磁脉冲放电机理及应用。

(四)新型磁性材料与智能器件

本研究方向是电气学科、新材料学科与智能控制学科交叉融合的研究方向,基于电工理论和智能控制技术,开展新型磁性材料电磁特性与智能器件的研究工作。主要研究内容包括:新型磁性材料的电磁特性测试技术与理论模型研究,为材料应用与器件设计提供基本参数;应用现代设计方法设计与开发新型磁性材料的换能器件和智能传感器,为功率超声换能器的应用、先进电工装备状态感知与智能检测技术的发展做出贡献;基于各种微处理器的新型智能器件控制系统的数据传输及控制方法研究,为智能器件产品的性能调控提供技术支撑;基于振动发电理论的新型振动发电机的设计开发及应用技术研究,为电工装备的减振降噪和振动能量的高效利用提供指导。

(五)电力系统及智能电网技术

本研究方向以电力系统为对象,开展新能源与智能电网中相关技术的研究,主要包括:研究智能微电网的发电、储能与负荷间的协调控制策略,研究光伏发电系统的故障特征与故障预测技术,开展由多种可再生能源接入而形成的多源供电系统的新型继电保护技术的研究;研究现代电力系统的建模和潮流计算,微电网与智能电网控制技术,新能源接入的输配电系统状态估计技术,分布式和非线性优化技术在新能源电力系统的应用,含HVDC和FACTS元件的电力系统潮流控制方法,利用FACTS元件提高可用输电能力技术等。研究HVDC换流阀的理论、设计和可靠性,HVDC输电系统的运行与控制技术,FACTS元件(STATCOM、SSSC、UPQC和UPFC)的控制策略等;研究人工智能与机器学习在发电机励磁系统及有关电力装备的故障预测与诊断方面的应用,研究分布式新能源大量接入所引发的电力系统稳定性问题,研究新型柔性输电技术及无功补偿与谐波补偿技术。

(六)电力电子技术及应用

本研究方向开展电力电子变换技术及在新能源发电、电动汽车与电力系统中应用研究,主要包括:研究新型宽禁带电力电子器件特性及应用,开展高频电力电子变换拓扑分析、磁元件的设计方法、新型功率变换装置研制、功率变换系统中电磁干扰与电磁兼容方面的研究;研究高频功率变换控制策略,高频软开关控制及功率变换器效率优化,微/纳电网中逆变器的调制及控制技术、逆变器的并网稳定性问题、微/纳电网的功率控制策略、储能系统充放电管理、电能质量控制技术;开展电力电子应用技术研究,建立嵌入式实时控制硬件和在线仿真平台,进行超高速电机驱动器、风力发电机功率变换器、分布式太阳能变换器、电动汽车及电力系统中电力电子装置的研制。

(七)电机及其控制

本研究方向主要从事新型高效驱动系统的设计和驱动技术。主要研究内容包括:电机系统电-磁-热-力-流体多物理场耦合规律与分析方法,进行少稀土及无稀土新型电机系统拓扑结构、设计理论与方法、控制策略的研究、新型材料研究与应用技术和现代控制理论与技术,开展新型电机设计与应用技术、新型电机控制系统设计与应用技术、开展具有更高转矩密度、高小转矩脉动新型电机系统的研究。重点研究新型驱动系统拓扑结构、电磁性能、噪声与振动分析、电机系统健康状态在线监测和容错控制、多时间尺度的全局最优化多步预测控制算法等。开展新型电机及其控制系统在新能源汽车、新能源开发和利用等领域的应用。

(八)电化学储能技术理论与应用

开展储能电池单体、电池模组成组技术、管理系统技术研究,涉及材料学、电化学、电子电气检测技术和控制科学等。研究内容主要包括:研究电池电极材料的合成与制备,得到先进的正负极材料。研究单体电池的电化学测试,通过电化学性能测试分析电池的性能指标;研究电池的成组技术,通过单体电池的合理串并联得到电池模组,达到储能应用所需要的电压和容量;研究电池连接的电路设计,建立可靠的连接电路;进行从电池单体到系统的仿真研究,建立准确的电池、电池组、系统模型;研究电池管理系统,通过对电池电压、电流及温度的实时监测来估算电池内部状态,进行电池组能量管理、热管理及安全管理等,以提高电池组的使用效率、延长电池组的使用寿命。研究管理系统硬件,获得可靠的电池系统管理硬件。

(九)生物电工技术

生物电磁场及多物理场建模与数值计算、生物电磁功能成像与临床应用、电磁仿生防护、电磁神经调控、电磁环境与电磁安全、生物电磁效应、智能感知与智能传感。

二、生物医学工程

本方向开展包括生物电磁与神经调控、脑认知与神经工程、生物电磁功能成像与临床应用、智能医学与健康大数据四个方向的基础研究以及应用基础研究,旨在积极吸引和凝聚人才,打造先进的研究平台,服务于天津市、京津冀区域乃至全国的社会经济创新驱动发展和科研水平的提高。

(一)生物电磁与神经调控

生物电磁技术将生物医学、生物物理学、生物电磁学、生物技术和信息处理技术等相结合,重点研究电磁场的生物效应机理及其综合利用方面的基础科学问题和关键技术问题,神经调控技术通过将电磁刺激作用于中枢神经系统或周围神经系统邻近神经元,发挥兴奋、抑制或调节作用,从而达到改善患者生活质量或提高机体功能的目的。随着医疗科学和生物工程技术的发展,神经调控技术日益成为脑科学研究和脑疾病治疗的重要工具。主要研究内容包括:

(1)以脑电信息采集和解析技术、电磁刺激干预与神经调控技术为平台,以细胞内不同离子通道、神经元局部场电位、脑电、脑源定位、脑网络特征为分析对象,从微观、介观和宏观多尺度融合探究脑认知与神经调控机制,探索电磁刺激手段对各种神经类和精神类疾病的疗效。

(2)研究基于电磁场的神经调控理论与技术,开展电磁神经调控理论、作用机理和调控方法、多尺度建模理论与分析方法研究,为人体健康系统工程中疾病的早期诊断与精准治疗、康复工程提供支撑,并研发与电磁干预、电磁调控及电磁靶向功能治疗等相关的生命体征信号检测与康复设备。

(3)开展复杂电磁环境下的电磁生物效应及应用,探索生命物质的生物电磁现象和生命活动过程中结构功能的关系以及外部电场、磁场对生物体的作用影响规律,为阐明电磁场对生物体的作用机制、探索其对人类健康的影响、趋利避害地利用生物效应等提供实验和理论依据。

(二)脑认知与神经工程

脑科学是以脑为研究对象的多学科融合的新兴研究领域,是研究人、动物和机器的认知与智能的本质与规律的科学。随着相关领域的迅速发展,神经科学、认知科学和人工智能及其工程应用等多学科深度交叉,脑科学与神经工程成为重要的前沿技术领域。主要研究内容包括:

(1)采用先进的生物电磁信号特征提取、分析和控制方法,理解认知大脑高级功能的物质及结构基础,在多尺度上探寻大脑的认知神经机制,研究新型的智能信息处理计算机理、计算模型和算法,为脑疾病诊断、治疗和类脑智能技术的发展提供重要理论基础。

(2)结合神经信息处理机制,利用复杂网络原理与技术探索针灸和磁刺激穴位的神经作用规律,为揭示针灸的效应、机理和本质提供理论基础,为中医针灸理论及脑疾病诊断与治疗提供依据。

(3)开展神经信息传导与认知机制、神经网络建模与类脑计算、脑机接口与智能人机交互和多模态融合的脑功能网络等方面的研究,开发相应的脑机接口、人机接口设备,为类脑智能信息处理理论方法提供重要的理论基础和技术支撑。

(三)生物电磁功能成像与临床应用

生物电磁功能成像是通过电磁场效应重建生命活动信息的新型医学检测方式。不同生物组织电磁特性各异,同一组织器官在生理、病理状态变化时电磁特性亦差异显著。开展生物电磁功能成像与临床应用研究,有助于肿瘤筛查的早期诊断以及肺部疾病重症监护等医学问题。主要研究内容包括:

(1)基于磁-声-电多物理场耦合效应的新型电磁功能成像原理与方法,开展生物电磁成像耦合机制、多物理场数值建模方法、正问题和逆问题求解算法、图像重构算法的研究,为生物电磁功能成像的临床应用提供理论支撑。

(2)以电磁理论为基础开展光、声、热等多物理场耦合功能成像与临床应用研究,开展相应的动物实验及临床实验,为高分辨率、高特异性生物电磁功能成像诊疗设备的设计与研制提供理论依据。

(3)积极推动电磁功能成像向细胞成像和分子成像水平发展,为组织病变早期检测提供新型诊断方法,推进新型医学检测技术应用于临床,为解决我国政府、群众高度关注的“看病贵”这一民生问题做出贡献,助力“健康中国2030战略”。

(四)智能医学与健康工程

智能医学与健康大数据是利用人工智能、机器学习和深度学习的前沿技术对海量的医学和健康数据进行特征挖掘和智能学习,从而实现系统化、精准化和智能化的计算机辅助诊疗服务和健康管理的研究。主要研究内容包括:

(1)开展人工智能和大数据在计算医疗和健康领域的应用方式和融合机理的探索研究,为人工智能、深度学习、影像医学、智能辅助诊疗、健康管理、疾病预防等领域的研究发展提供新思路和新方法。

(2)开展基于深度学习的新型智能化计算机辅助诊疗研究,利用计算机视觉技术解决医学影像解读高度依赖医(技)师个人经验和判断所造成的准确率和稳定性方面的问题,从而提升医疗工作效率,辅助提供快速、高效、精准的医学诊断结果和可选择的循证治疗方案。

(3)利用海量健康大数据研发基于可穿戴设备的健康管理与风险预警系统,提供个性化的实时健康预警反馈与建议,实现智能健康管理;探索将强化学习技术运用于健康医疗领域的新方法,研究基于强化学习的高度智能化诊疗和手术机器人的可行方案,推动现代医疗、保健和康复向智能化、精准化、高效化和家庭化方向发展。