【明日报告】博士学位论文答辩公告及学术讲座通知汇总

非线性动力学系统广泛存在于许多自然科学及工程应用领域中，由于其中包含了非线性项，其分析求解面临着许多困难。而实际问题一方面受到多种非线性因素的影响，另一方面又对问题求解的实时性和精确性有一定的要求。这使得相关的高性能计算方法成为工程应用和科学研究中迫切需求的工具。

为了分析非线性动力学系统的稳态和瞬态响应，现有的研究往往会用到两大类方法——渐近法和加权残余法。然而，在实际应用中，这两种方法分别存在符号计算量过大和数值计算不稳定的隐患。本文在这两种方法的基础上，针对航天工程中的结构振动和轨道运动问题，提出了含间隙非线性结构振动的快速仿真计算方法，及航天器周期性相对运动轨道的快速精确搜索算法。此外，提出了反馈Picard迭代-配点方法，避免了渐近方法和加权残余法中分别存在的重大缺陷：(i) 符号计算量过大; (ii) 求解非线性方程组导致的数值不稳定问题。具体研究内容包括:

1）为含间隙非线性结构振动提供了一种快速仿真计算方法。利用微分变换法计算简单、通用性强的特点，本文将其应用于包含复杂积分非线性项的系统求解中，并针对非线性项中存在的间隙不连续性采用了Henon方法来辅助定位分段函数的切换点。这使得我们能够能够精确地得到含间隙非线性系统的复杂动力学响应及关于系统参数的分岔曲线，而一般的Runge-Kutta方法则无法得到符合实际情况的仿真结果。

2）提出了航天器周期性相对运动轨道的快速精确搜索算法。将时间域的配点方法应用到航天器相对运动动力学模型的求解中，通过将原始系统转化为非线性代数方程组，能够快速地得到系统中存在的周期解。这一方法能够有效替代常用的打靶法，极大地提高了周期性相对运动轨道的搜索效率和精度。此外，在这一算法的基础上提出的控制策略能够有效实现低燃耗的周期性相对运动轨道保持。

3）揭示了渐近方法中的三种方法——Picard方法、Adomian解耦法和变分迭代法——之间存在的内在联系。通过揭示这三种方法的内在联系，本文证明了Picard迭代方法和Adomian解耦法是变分迭代法的特殊形式，而变分迭代法本质上是拉格朗日乘子的一般化使用。在这一结论的基础上，进一步改进了变分迭代法，得到了一种全新的局部变分迭代法。后者能够有效预测非线性系统的长期响应，同时降低了求解过程中符号计算的困难。

4）针对强非线性系统提出了一种新的反馈Picard迭代-配点方法。该方法能够完全避免变分迭代法中繁琐的符号运算，同时又免除了时间域配点方法中非线性代数方程组的求解。这种新方法能够直接应用于一般的非线性动力学系统模型，通过迭代计算得到系统的真实动力学响应。相比于文献中现有的计算方法如有限差分法、配点法，或者其他的迭代方法，这种新的反馈Picard迭代-配点方法具有更高的计算效率及计算精度。仿真计算结果说明这一方法在相同的计算时间内，有效计算步长可达有限差分法的上千倍，计算精度比有限差分法要高出多个数量级。

5）为摄动环境中航天器轨道递推和轨道转移提供了一种高性能计算方法。利用反馈Picard迭代-配点方法计算量小、精度高、收敛速度快、计算稳定性强等特点，将其应用于轨道递推及轨道转移的计算求解中。（i）该方法在轨道递推计算中能够达到机器精度。相比于工程中常用的精确积分方法如Runge-Kutta 12 (10)，反馈Picard迭代-配点法的计算效率提高了几十倍，同时能达到更高的计算精度。(ii) 反馈Picard迭代-配点法同时也能够快速精确的求解摄动力作用下的轨道转移问题。相比于同类型问题中的其他解决方案如打靶法，本文提出的方法能够以远低于打靶法的计算量满足任务的需求。

[1] 第一作者. X. Yue, X. Wang, and H. Dai: A Simple Time Domain Collocation Method to Precisely Search for the Periodic Orbits of Satellite Relative Motion. Mathematical Problems in Engineering. Vol. 2014. (SCI Index)

[2] 第一作者. X. Wang, X. Yue, and H. Dai: Analysis of a Two Dimensional Aeroelastic System Using the Differential Transform Method. Journal of Computational and Nonlinear Dynamics. Vol. 11, No. 6, 2014. (SCI Index)

[3] 第一作者. X. Wang, S. N. Atluri: A Unification of the Concepts of the Variational Iteration, Adomian Decomposition and Picard Iteration Methods; and a Local Variational Iteration Method. Computer Modeling in Engineering and Sciences. Vol. 111, No. 6, 2016. (SCI Index)

[4] 第一作者. X. Wang, S. N. Atluri: A novel class of highly efficient and accurate time-integrators in nonlinear computational mechanics. Computational Mechanics. Vol. 59, No. 5, 2017. (SCI Index)

[5] 第一作者. X. Wang, S. N. Atluri: Computational methods for nonlinear dynamical systems. Mechanical Engineering Review-JSME. Vol. 4, No. 2, 2017.

[6] 第一作者. X. Wang, X. Yue, H. Dai., S. N. Atluri: Feedback-Accelerated Picard Iteration for Orbit Propagation and Lambert’s Problem. Journal of Guidance, Control, and Dynamics. Vol. 40, No. 10, 2017. (SCI index)

[7] 第一作者. H. Dai, X. Wang, M. Schnoor, S. N. Atluri: Analysis of internal resonance in a two-degree-of-freedom nonlinear dynamical system. Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulations. Vol. 49, 2017. (SCI Index)

刘琳波，男，1978年12月出生，新加坡国立大学生物工程博士。2011年获哈佛医学院麻省总医院医学发现博士后奖。2012年入选中组部“青年千人计划”，后因研究需要在南洋理工大学电气及电子工程学院化工与生物医学工程学院任助理教授。长期从事高分辨率光学相干层析成像技术研究，是Micro-OCT技术的主要发明人。当前主要研究方向为用于早期癌症诊断的亚细胞分辨率OCT技术。在Nature Medicine，Advanced Materials，Optica等杂志发表SCI论文40余篇，申报国内外发明专利10项，授权美国专利2项。

光学相干层析成像（Optical Coherence Tomography, OCT）是一种无损、无辐射、非接触的断层成像技术。OCT能够提供微米级的空间分辨率和毫米级的穿透深度，非常适合人体粘膜层的高速、大范围成像，所以广泛应用于粘膜疾病的临床诊断。现有OCT技术应用的瓶颈之一是其有限的空间分辨率（5-10微米），无法清晰分辨大部分人体细胞和亚细胞结构（1-2微米）。Micro-OCT是一种1微米级分辨率的OCT技术：Micro-OCT通过采用干涉光谱拼接、色散补偿等方法达到1微米级的轴向分辨率；同时通过数字多孔径合成技术同时提高横向分辨率和扩展焦深。通过实验动物和人体实验，我们证明Micro-OCT能够清晰分辨多种上皮组织的亚细胞结构；更为重要的是，Micro-OCT能够清晰分辨正常、低度上皮内瘤变和高度上皮内瘤变的细胞学特征，在早期癌症的筛查和诊断领域有潜在的应用价值。同时，我们也积极探索了Micro-OCT技术在无损检测领域的应用。

王郸维，1982年毕业于华南理工大学，获学士学位，并分别于1986和1989年在美国密歇根大学获硕士和博士学位。现任新加坡南洋理工大学电子与电机工程学院教授，并担任ST Engineering–NTU联合实验室主任和南洋理工大学机器人研究中心副主任。2005到2011年间，王郸维任控制与仪表工程系主任。他担任多个国际会议的常务主席、技术主席等职务，并担任Conference Editorial Board、IEEE Control Systems Society、International Journal of Humanoid Robotics的AE。另外，王郸维教授还积极参加机器人和控制理论与技术领域的教学和科研活动，于2008和2013年两次带领团队参加室外自主机器人比赛（TechX Challenge）并取得优异成绩。王教授还于1996-1997年获得德国Alexander von Humboldt奖。他发表专著4部，学术论文350余篇，所涉及领域包括机器人、控制理论与应用、故障诊断和复杂系统预测等方面。

Robotics has ventured into the 3D space and multi-robot coordination. Robot capabilities in 3D space allow UGVs and UAVs expand their applications to almost all our activities and our imagination. This presentation discusses our robotics research activities in 3D unstructured environment. These include 3D perception, feature extractions, collaborative simultaneous localisation and mapping, exploration, map merging and formation keeping. This presentation includes some research activities in the STE-NTU Corp Lab which focuses on the team collaboration for multi-robots. Some recent developments on the 3D SLAM, 3D Visual Odometry, 3D exploration, 3D map merging are presented and illustrated. Discussion also includes techniques and approaches behind all these research and developments. Examples and experiments are used to illustrate the concepts and points.

1999年获得西安交通大学机械工程专业博士学位，师从屈梁生院士。2001至2013年先后在香港城市大学、诺丁汉特伦特大学、克兰菲尔德大学和杜汉姆大学英国国家可再生能源中心等单位从事可再生能源和设备状态监测方面的研究。2013年至今在纽卡斯尔大学航海学院海上可再生能源专业任教。为IEEE、IEEE可靠性学会、英国工程技术学会成员。担任英国工程学会可再生能源发电副编辑、机械工程编委、科学世界杂志编委、工程技术评论全球杂志的编委、当代可替代能源的编委、国际可再生能源及工程杂志的编委、电力和能源工程杂志编委、科学世界杂志编委。发表论文30余篇，SCI检索18篇，并在《Wind Power》上发表论文进入ESI数据。

由于风力机往往工作在偏远、高寒地带，或者是工作在空旷潮湿、环境复杂多变的海面上，其故障率较高。故大力加强其状态监测工作对提高风力机可利用率、降低风力机运维及整个风电项目生产成本至关重要。然而，由于与传统旋转设备不同，风场的风力机往往是集群化作业，而且其运行工况及所承受的载荷随时间会出现反复变化，这给实现风力发电机组的有效状态监测带来了极大的挑战。本讲座便是基于这些原因，对在实现风力发电机状态监测过程中可能出现的各种挑战、问题进行分析的基础上，结合本人近年来的研究成果，为解决这些难题提出可能的解决方案。最后，结合风力机的远程、广泛分布、能源持续等特点，展望了其在海洋环境、大气环境监测领域的应用前景。