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國家自然科學基金委員會及研究資助局聯合研究計劃: 2009/2010 年度獲資助之研究項目摘要

基於光流交換的下一代彈性,動態,超大容量核心光網絡
香港首席研究員:張國偉教授 (香港中文大學)
內地首席研究員:徐安士教授 (北京大學)

本提議書旨在研究一種全新的方式以建立下一代超高容量的核心光網路。現有網路採用龐大的電子IP路由交換機,其缺點是運行時耗費大量的電能,這日益成為一個突出的環境問題。另一方面,傳統IP路由交換也容易遭受各種惡意攻擊。隨著核心網的流量需求飛速增長,尤其是點對點技術(peer-to-peer)和視頻應用的普及,服務提供商可用的帶寬容量正在急劇地耗盡。此外,從傳統的電信業務到資料交換業務,是一次重大的業務模式的轉換,核心網路的資料流程量在過去的十年中從幾個百分點增長到了97%以上。由於數據不必像實時連續通信那樣對於時延有嚴格的限制,因此在規劃設計中需要一種新的模式,以使得下一代核心網路具備彈性、穩健、動態、可擴展、低成本以及低能耗的特性,並能夠支持百兆百兆位/秒的帶寬容量。

我們提出的方法結合了兩項最新研究成果:香港中文大學的廣義生存網路(Generalized Survivable Network, GSN)和北京大學的時空標籤交換協議(Time-Space Label Switching Protocol, TS-LSP),在同一個框架下解決光流交換(Optical Flow Switching, OFS)網路的若干研究課題。光流交換技術僅採用光交叉連接(Optical Cross Connect,OXC)來實現交換,不存在電的交換和處理,非常透明,這使得光交換結構可以實現低成本和低能耗。光流交換適用于高帶寬需求的資料應用,如高清電視、IP電視、視頻點播、資料交換中心以及網格計算等。

將光流交換技術廣義生存網路和時空標籤交換協議相結合,一個很大的優勢是資源預留問題會變得非常直觀,因為廣義生存網路保證了所有的動態流量需求可以得到滿足,無須在特定請求到達時計算和查找可用資源,這對於整體的網路吞吐量和延時有相當大的改善。綜上所述,通過本研究我們將更好的理解下一代核心網路技術中光流交換的可行性,解決可擴展性、分佈式路由以及資源衝突、信令、生存性以及應用服務特性等等方面的絕大多數問題。本研究將引導下一代核心網絡取得突破性的發展。

基於回復式神經網絡的計算機輔助精準肝切除研究
香港首席研究員:王平安教授 (香港中文大學)
內地首席研究員:章毅教授 (四川大學)

醫學圖像處理技術的發展為精準外科手術規劃與操作提供了基礎。但是,在精準肝臟圖像處理上仍然有許多難點,如:(1)肝實質與腹腔內其他組織相鄰,甚至有些部分在圖像上重疊;(2)肝臟血管、肝管、膽管與周圍組織對比度較小,且易受噪聲影響;(3)肝臟病灶與周圍組織交迭,且形狀體積各異。現有的基於形狀與基於灰度優化的方法並不適合於精確肝臟圖像的處理。

回復式神經網路的發展為解決上述問題提供了新的途徑。相比傳統的神經網路,回復式神經網路具有多穩定性、連續吸引性、局部共同活動性和靜止性等性質,因而具有更強大的計算能力。 另外,利用回復式神經網路的特徵綁定原理實現醫學圖像的區域與邊緣特徵的內在結合,可為處理複雜肝臟圖像的難題提供合適的工具。在回復式神經網路中分割、配准、融合等醫學圖像處理問題可轉變為能量最小化的問題。回復式神經網路還可以用於模擬軟組織內部勢能在離散化質點中的傳播,為實時軟組織變形研究提供新的思路。

針對精準肝切除的臨床需求,發揮回復式神經網路在醫學圖像處理上的優勢,我們提出一系列創新研究方法以解決電腦輔助精準肝切除的幾個重要的難點問題。

交互式英語口語學習對話系統研究 (面向母語是普通話和廣東話的英語口語學習對象)
香港首席研究員:蒙美玲教授 (香港中文大學)
內地首席研究員:劉加教授 (清華大學)

該項目旨在開發一個交互式的英語口語學習對話系統,以協助母語為普通話或廣東話(即兩個主要的漢語方言)的成年人學習英語以作為第二語言。英語是世界通用的語言,據估計,到2010年全球將有20億英語學習者,而在中國就大約有3億8千萬,掌握運用英語進行交際的能力至關重要。第二語言的學習,特別是發音的學習,涉及到目標語言的正確感知和正確發音。這個學習進程往往會受到母語遷移的影響,而負遷移會導致第二語言發音不夠標準,或者錯誤。這些錯誤往往會隨著年齡的增長而固化,成為成年人學習第二語言的重要障礙。英語與漢語具有鮮明的差異,中國學習者在說英語時經常會受到原來漢語的負遷移影響。

要改善第二語言的發音,學習者需要在感知和發音這兩方面進行長期的訓練。為了能夠支持高效的訓練(即誘導學習者說第二語言以進行評價),我們提出了開發具有差異性的自動語音識別技術,以檢測和診斷由於語言負遷移效應而造成的目標發音的不準確之處(即錯誤發音)。值得注意的是,從交際的角度看,某些音素的發音錯誤會顯得尤其嚴重,例如一對近似的單詞,如果把其中具有區分性的音素讀錯,將會導致單詞混淆;相對地,其他一些音素的混淆可能並不會妨礙交流。此外,單詞中的音素發音錯誤越多,錯誤通常會越嚴重。一般地,相對於高級學習者,初級學習者會出現更多的發音不準確。高效的訓練應該幫助初級學習者專注於那些比較嚴重的錯誤,並糾正它們,然後循序漸進。理想的是能夠標出那些初學者經常出現的錯誤發音,因為這些錯誤發音會使得他們喪失學習的信心。對於高級學習者,往往只有較少的發音錯誤,訓練應該側重于那些普通而細微的錯誤,以幫助他們完善第二語言的發音。為了滿足不同教學層次的需求,我們提出從基於資料庫的研究中開發出一套錯誤發音變化,這些發音變化包括了從細微的錯誤到嚴重的錯誤,將有助於開發一個能夠適應不同教學層次需求的對話模型。該對話模型將引發新一代的發音反饋方式,這些反饋是針對檢測和診斷到的發音錯誤,為學習者提供中肯的發音矯正提示。

為了能夠支援感知訓練(即開發學習者準確區分目的語言不同發音的能力),我們提出開發新一代的自動回應系統,它能夠提供多模式視覺化(例如通過使用文本到視聽的語音合成)的語音產生過程,以提供有助於指導學習者矯正發音錯誤和改進發音的提示。我們相信,這種互動的口語對話的開發,能夠有效地幫助中國學習者學習英語,特別是那些處於偏遠地區的學習者,因為這些地區缺乏符合資格的英語教師。

隱私無洩漏網絡數據發佈
香港首席研究員:陳雷教授(香港科技大學)
內地首席研究員:梅宏教授 (北京大學)

隨著Internet 應用的不斷拓展,以Hi5、Facebook、Myspace 為代表的社會網絡已 經成為人們日常交流和信息共用的重要平臺。但是社會網絡數據中包含了大量的用戶隱私信息,保護這些隱私信息在任何數據分享或挖掘活動中不被洩露是一項重要而緊迫的任務。

在本項目中,我們計畫開展一系列研究工作以實現隱私無洩漏網絡數據發佈,在保持網絡數據中信息可用性的同時保護數據網絡中的隱私信息不被洩露。

多模態遷移學習及其在網絡數據挖掘中的應用
香港首席研究員:楊強教授 (香港科技大學)
內地首席研究員:余勇教授 (上海交通大學
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隨著現代信息技術的發展,互聯網上的知識呈幾何級數增長。其知識的表現形式也從過去單一的文本形式,發展到文本、圖像、語音、視頻等多模態信息相互呈現,互相補充。傳統的機器學習往往關注于單一媒體的研究缺乏將各種媒體聯繫到一起的能力。而事實上,多模態信息是相互關聯的,特別是文本和語音、圖像和視頻。本課題從理論與應用等角度重新研究該領域的問題。從理論角度上,我們側重多模態下的遷移學習基本理論與核心演算法,這將有助於我們理解各種媒體數據之間的聯繫與。從應用角度,多模態遷移學習技術的發展,將會給互聯網挖掘、圖像理解、計算機視覺等應用帶來新的機遇。研究多模態信息的遷移學習,將會極大地推動認知科學、機器學習、人工智慧、心理學等學科的發展,同時也將有利於改進信息檢索、自然語言處理、計算機視覺等應用領域的核心技術。因此,本課題的研究具有著重要的理論與實際應用價值。

密碼演算法的分析與實現
香港首席研究員:許志光博士 (香港大學)
內地首席研究員:王小雲教授 (山東大學)

Hash函數與分組密碼演算法是保證電子商貿安全的重要數學工具。

本課題主要開展Hash函數與分組密碼演算法的分析及實現的研究。在Hash函數方面,主要跟蹤NIST開展的Hash函數演算法標準SHA-3的篩選過程,對候選演算法進行安全性分析,並進行Hash函數快速實現技術的研究及其在計算機取證領域的應用。在分組密碼演算法方面,深入分析AES及其他通用演算法的安全性,針對特殊結構的密碼演算法進行分析。研究基於Hash函數和分組密碼演算法的隨機預示模型的可證明安全密碼體制。

總括來說,通過本課題的研究,能提高Hash函數與分組密碼演算法的安全性,從而提高電子商貿的安全性。

PPARδ改善糖尿病血管內皮功能的分子細胞機制及其臨床意義
香港首席研究員:黃聿教授 (香港中文大學)
內地首席研究員:汪南平教授 (北京大學)

2型糖尿病和肥胖是全球性的流行性疾病,多數患者死于心血管及腎臟併發症,因此迫切需要開發更為有效的治療策略以改善其心血管預後。近期研究揭示了過氧化物酶體增殖物啟動受體(PPAR)激動劑在改善胰島素敏感性方面的作用。PPARα和PPARγ已經在臨床上應用多年,而PPARδ亞型迄今仍然不是藥物的作用靶點,目前研究多集中於其代謝調控作用,有關其心血管功能調節研究較少,僅有少數研究提示PPARδ具有重要的血管生物學功能。環氧酶(COX)表達及活性的升高參與了血管炎症反應,而PPARδ激動劑抑制內皮細胞COX -2表達。本項目將集中研究COX -2在糖尿病db/db小鼠內皮功能紊亂中的病理生理作用及PPARδ激動劑的內皮血管保護效應。本課題旨在研究COX-2 和 PPARδ在調控糖尿病血管內皮功能中的相互作用及分子機制。深入理解PPARδ的血管功能具有重要的理論價值和臨床意義。研究結果將會為PPARδ激動劑作為防治糖尿病血管病變的潛在藥物及作用機制提供新的證據。

BDNF誘導的小腦GABA能信號傳遞中離子電化學驅動力可塑性的機制和功能研究
香港首席研究員:容永豪教授 (香港中文大學)
內地首席研究員:王建軍教授 (南京大學)

至今對抑制性突觸傳遞的突觸可塑性仍知之甚少。新近發現的離子電化學驅動力可塑性(ionic plasticity)是抑制性GABA能信號傳遞突觸可塑性的一種重要和有趣的形式,且為GABA能突觸所獨有。本項目將在我們預實驗基礎上,從分子、細胞、神經元環路和整體行為水平,深入研究BDNF誘導的小腦GABA能信號傳遞中ionic plasticity的機制和功能。研究結果將不僅有助於從理論上深入認識中樞抑制性突觸可塑性,而且有助於臨床治療那些由抑制性突觸可塑性變化引起的神經系統疾病。

體外誘導的多能幹細胞向眼表面上皮幹細胞定向分化及其應用於角膜上皮組織工程的研究
香港首席研究員:連祺周博士 (香港大學)
內地首席研究員:劉祖國教授 (廈門大學)

本研究從全角膜緣幹細胞缺乏患者的眼表面取得上皮細胞及成纖維細胞,採用Oct4,Sox2,Nanog 以及Lin28 四基因共轉染方法在體外誘導產生多能幹細胞(iPSC),然後通過P63 和/或 Pax6 基因轉染,角膜緣基質微環境表面共培養,以及角膜緣基質成纖維細胞條件培養基共培養等方法,誘導iPSC 向角膜上皮幹細胞方向定向分化。在此基礎上,採用這些定向分化的角膜上皮幹細胞構建組織工程角膜上皮,並進行裸鼠皮下移植,以探討iPSC 來源的細胞用於重建眼表面的可能性。

孤兒核受體Nur77與β-catenin信號轉導交互作用與調控
香港首席研究員:黄思齊博士 (香港大學)
內地首席研究員:曾錦章教授 (厦門大學)

Wnt/β-catenin信號轉導通路參與細胞周期和增殖的調控,在許多腫瘤尤其是結腸癌中起到極其重要的作用。近年來,核受體與Wnt/β-catenin交互作用引起人們廣泛的注意,這種交互作用可能是發展新型治療方法的一個重要途徑。在前期的研究中,我們首次發現核受體中的一個孤兒成員Nur77的誘導表達可以控制β-catenin的表達水平和抑制β-catenin的轉錄激活功能,非常有意思的是,膽酸中的某些成分可以調控Nur77和β-catenin的交互作用,本課題將深入研究這種分子調控機制,並尋找新的調控化合物。

綜合運用有機合成和全基因組RNAi篩選方法鑒定cADPR介導之鈣信號通路中新型調控蛋白
香港首席研究員:岳劍波博士 (香港大學)
內地首席研究員:張亮仁教授 (北京大學)

諸多的細胞功能包括細胞的增殖,分化,受精作用,肌肉收縮,神經遞質、激素和酶的分泌,淋巴細胞的活動以及增殖等等都涉及到胞內鈣庫的動員[1-5]。環腺苷二磷酸核糖(cADPR)是一種起胞內鈣離子動員作用的核苷酸,廣泛存在於從植物到動物的多種細胞中。cADPR是由煙醯胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)在ADP核糖基環化酶的作用下形成的。現已證實很多的胞外刺激都可以誘導cADPR的合成繼而導致胞內的鈣釋放或鈣內流[1, 6-8]。 雖然有證據顯示cADPR介導的鈣釋放是經由ryanodine受體完成,但其確切的分子機制仍有待闡明。本研究提出了一種新的化學合成膜透性cADPR類似物的策略。同時,我們發現一種膜透性的cADPR類似物--cTDRE, 可以誘導人Jurkat細胞中的鈣釋放,而Jurkat細胞中的3型ryanodine受體(Ryr-3)被敲除後,cTDRE的這種誘導鈣釋放的作用被顯著抑制了。我們進一步推測新的調節信號蛋白在cADPR介導的經由ryanodine受體實施的鈣釋放作用中也是存在的。因此,我們計畫綜合運用有機合成和全基因組RNAi篩選方法去鑒定cADPR介導之鈣信號通路中新型調控蛋白。我們的設計是:(1)化學合成高效新型的膜透性cADPR類似物並對其進行藥理鑒定;(2)利用全基因組RNAi技術篩選鑒定新型cADPR介導之鈣信號通路的調控因數。鑒於cADPR介導的鈣信號通路在多種細胞途徑中的重要作用,瞭解這一信號通路中的分子機制不僅具有重要的科學價值,同時也有重要的臨床價值。

用金屬組學追蹤細胞中的金屬: 對金屬相關的病理生理過程的啟示
香港首席研究員: 孫紅哲教授 (香港大學)
內地首席研究員: 柴之芳研究員(院士) (中國科學院高能物理研究所)

生物體內金屬離子的平衡對於維持生命體的生物和生物化學過程的正常進行具有極端重要的作用。總體上,約有三分之一的蛋白質需要金屬離子以保持它的正常活性。然而,金屬的作用對於細胞而言具有兩面性,一方面可以起到有益的作用,同時也可能產生毒性。金屬濃度的失衡會極大影響細胞的功能(例如:信號傳導),增加氧化性損傷,和干擾新生蛋白質的的折疊。因此,全面、系統的研究金屬(過渡金屬)在細胞內的組成、種態(例如:金屬與生物大分子的相互作用)、分佈和功能是非常有必要的。與基因組和蛋白質組的概念類似,生物體內(細胞或組織)所有金屬的組成、種態、特徵、含量和分佈就叫做金屬組(metallome)。對于金屬組的研究,以及金屬與基因,蛋白質和代謝過程之間的相互作用以及功能之間的相關性的研究就叫做金屬組學(metallomics)。

幽門螺旋桿菌是人體內主要的病原體之一,它能導致胃潰瘍,慢性胃炎,甚至癌癥。由於兩種重要的金屬酶-尿素酶和[鎳,鐵]-氫化酶的存在,它能在極強的酸性條件下存活。在對於幽門螺旋桿菌的感染和胃潰瘍的治療中,鉍化合物的應用有很長的歷史。盡管金屬對於細菌體在很多方面都起到了非常重要的作用,但是很少研究詳細地報道過細菌體中的金屬組成。

本研究的目的是以幽門螺旋桿菌為研究對象進行詳細的金屬組學方面的研究,全面的分析細胞內金屬的組成。具體來講包括以下幾個方面:
1) 利用一維或二維凝膠電泳與先進核分析手段(例如:微束同步輻射X熒光成像技術)聯用的技術定量分析與幽門螺旋桿菌蛋白質組和病原體密切相關的重要金屬(如鐵,鋅和鎳);
2) 利用金屬親和層析法分離、X-射線吸收光譜法測定研究蛋白質裏金屬存在的"環境";
3) 利用核磁共振、X-射線衍射和X-射線吸收光譜法測定關鍵金屬蛋白的結構和功能;
4) 開發一種應用於定位細胞內金屬結合蛋白或二維凝膠電泳中蛋白質定位和定量的熒光探針。
本研究將會極大的增進我們對於幽門螺旋桿菌中金屬的位置和種態的瞭解,同時有助於揭示金屬和金屬蛋白在重要的病理生理學過程中的作用。這一合作研究的長期目標是建立一個現代化的金屬組學研究中心,致力於與金屬相關的疾病的研究。

全球氣候變化及環境惡化對中國南海造礁珊瑚的可預見影響
香港首席研究員:伍澤賡教授 (香港中文大學)
內地首席研究員:黃暉博士 (中國科學院南海海洋研究所)

珊瑚礁是地球上生物多樣性最高的生態系統﹐它為超過3億人提供了豐富的蛋白質資源﹐並且每年產生超過數十億美元的經濟價值。 但是世界範圍的珊瑚正面臨全球氣候變化及環境持續惡化等帶來的威脅。本研究選擇中國華南沿岸和南海的一條溫度和污染的梯度斷面﹐由北往南依次為香港污染最重﹐海南三亞其次﹐西沙群島污染最輕。 從「香港-三亞─西沙群島」這樣一條全球範圍內獨特的研究斷面﹐採用現場調查與室內實驗相結合的方法﹐評估造礁石珊瑚對環境壓力包括升高的溫度﹑富營養化和有機物污染影響的反應。基於室內實驗和野外調查的結果﹐利用計算機模擬未來環境惡化和全球氣候變化對中國南海珊瑚生物多樣性和群落結構的影響﹐為制定適宜的珊瑚礁保護政策和措施提供依據。

珠江三角洲地區大氣鹵代烴研究
香港首席研究員:郭海 博士 (香港理工大學)
內地首席研究員:王新明教授 (中國科學院廣州地球化學研究所)

珠江三角洲是我國城市化和工業化程度較高的重要城市群之一,其鹵代烴的使用和排放在我國佔有較大比重。本研究擬通過區內45個站點的面上網格化同步觀測及3個代表性站點長期觀測,揭示珠江三角洲大氣鹵代烴的時空分佈特徵,並對照前期觀測資料探討大氣鹵代烴濃度水平的演化趨勢;在此基礎上,結合氣象因素分析鹵代烴排放源區,利用受體模型解析不同排放源的貢獻率,並用CO 比值法等估算珠三角地區主要鹵代烴排放量。

來源於海洋微生物的丁烯酸內酯和吲哚生物鹼兩類抗污損活性化合物的構效關係與作用機制(基因和蛋白水平)的研究
香港首席研究員:錢培元教授 (香港科技大學生物系)
內地首席研究員:漆淑華研究員 (中國科學院南海海洋研究所)

海洋生物污損是由海洋生物附著在人造物體表面形成的。海洋生物污損每年給海洋產業造成巨大的經濟損失。最近三丁基有機錫的禁用促使我們尋找無毒或低毒的抗污損添加劑。儘管已經從事了大量的篩選無毒抗污損化合物的工作,但是我們還是很缺乏以下幾方面的知識:
1) 已知抗污損物質的化學結構和功能的關係方面的研究甚少,從而很難設計高效、低毒的抗污損化合物;
2) 化合物對污損生物幼蟲的抑制機理,從而很難將化合物開發成產品;
3) 污損生物的基因組學和蛋白組學方面的資訊太缺少,從而很難研究抗污損化合物的作用機制。

在本課題中,我們將利用一些與污損生物附著變態相關的生物標記研究兩組抗污損化合物作用機制。我們將要進行一下幾方面的工作:
1) 從海洋鏈黴菌和芽孢桿菌中分離和純化屬於丁烯酸內脂和吲哚生物鹼的抗污損化合物;
2) 分別分析這兩組化合物的構效關係,確定抗污損活性的官能團;
3) 比較丁烯酸內脂和吲哚生物鹼對華美盤管蟲幼蟲中p38MAPK基因表達的影響;
4) 分析丁烯酸內脂和吲哚生物鹼對紋藤壺幼蟲中與附著變態相關蛋白表達的影響。

我們希望通過分析構效關係,我們能得到活性更強的化合物。更重要的是,我們希望能更深入的瞭解這兩類化合物在污損生物幼蟲中怎樣在基因和蛋白水平作用從而抑制幼蟲的附著變態。通過本課題的研究,我們也希望能夠找到更好的解決生物污損問題的方法。

環境污染物複合效應高通量研究平臺
香港首席研究員:吳洪開 (香港科技大學)
內地首席研究員:江桂斌 (中國科學院生態環境研究中心)

由於環境污染物種類繁多,組分複雜,使得複合毒性篩選的工作相當繁重,需要大量的時間和人力。本項目以環境污染物 的複合效應研究為目標,擬建立一個基於微流控技術的高通量研究平臺。利用該平臺對標準品及實際環境樣品中內分泌干擾物的複合效應進行快速篩查。根據實驗數據,對現有的複合效應理論模型進行驗證,並發展更為精確的模型。通過對大量實際環境樣品的篩查,尋找環境中尚未發現的內分泌干擾物。

產品召回和供應鏈質量管理模式研究
香港首席研究員:趙先德教授 (香港中文大學)
內地首席研究員:范秀成教授 (復旦大學)

產品危害及相應的召回是企業其中一個最糟糕的惡夢, 因為產品召回是一項成本高昂的行動。 這些行動不單止導致一個國家的經濟蒙受巨大損失, 亦引大量的永久意外傷亡及複雜的醫療處理。

考慮到對企業的影响, 產品危害不單止對生產商及海外品牌商造成巨大傷害, 也對供應鏈產失一連串的惡性影响。 換言之, 供應鏈中每一部份都受傷害。產品危害甚至會打擊知名品牌, 使企業名聲受損因而使盈利及市場份額流失。 所以產品危害就好像其他的負面宣傳一樣, 不單止嚴重地損害企業的形象及品牌, 甚至會催毁整個企業。

本研究就是在此前提下提出, 我們研究企業如何利用不同的產品召回策略去減低產品危害的影嚮。 我們會提出一套管理方針去規劃產品召回的決策及找出一個優良及可行的產品召回制度應有的元素, 以便企業能在供應鏈中有效地找出, 追踪及回收問題產品。儘管如此, 企業透過產品召回去處理產品危害只是一個短暫措施卻並不足以在市場中維持競爭力。 所以企業需尋求建立一套能使它保持長期成功的供應鏈質量管理制度(SCQM)。故此, 本研究會着眼於建立一個全面的SCQM模式以協助企業不單止可藉此去防止產品危害的再發生, 更可以去改善及維持供應鏈上下游的質量表現。

本研究在學術上有明顯的供獻, 它描述多種關係存在於"消費者對產品危害所意識到的危險", "他們所理解企業應負的責任", "企業的社會合法性", "潛在的風險及信任", "客户滿意度", "再採購的意向"以及"外界的負面評價"。 此研究會揭示產品召回策略如何影嚮這些關係。它更是首個研究著力於透過嚴謹的程序去將SCQM概念化及操作化。 我們會綜合過往的文憲並建議一些過往研究所忽略的因素。最後我們會測試該模型在不同情况及環境中的表現。

網絡擁擠收費機制的多目標設計、優化和實現
香港首席研究員:楊海教授 (香港科技大學)
內地首席研究員:黃海軍教授 (北京航空航天大學)

擁擠道路使用收費不僅能夠有效地管理交通需求,而且能夠得到額外收入以補償道路建設上的巨額開支,正在世界範圍內被檢驗和完善。理論和實踐都迫切需要研究適用于一般道路網絡的擁擠收費模型,該模型應考慮網絡用戶之間的時間價值屬性差異,從而引出了時間最小化和成本最小化的雙目標優化問題。本專案旨在從理論和實踐兩個方面對多目標、多用戶類的網絡擁擠定價進行深入研究,包括無約束的帕累托系統最優收費和有約束的次優收費。

基於貴金屬,半導體和稀土複合納米結構材料的,具有等離子體共振增強和寬帶光活性的光催化劑
香港首席研究員:王建方教授 (香港中文大學)
內地首席研究員:嚴純華教授 (北京大學)

基於半導體材料的光催化劑在污水淨化、空氣淨化以及太陽能轉化等領域有著廣泛的應用。在眾多種類的光催化劑中,二氧化鈦(TiO2)納米材料由於具有特殊的光催化活性、較好的化學穩定性和光穩定性而受到了廣泛的關注。但是,由於銳鈦礦結構的TiO2帶隙能量高達3.2eV,其吸收光的範圍在紫外區域(<388nm)。而太陽光中只有約1.4%的光能量是分佈在280到400nm的紫外區域的。與此相對的是,太陽光中有約26.2%的光能量分佈在400到700nm的可見區域。因此,很多工作都集中在如何生產具有可見光活性的光催化劑。對於TiO2而言,通常是採取摻雜或是染料敏化的方法拓寬TiO2的光回應區域。但是,這種方法對於吸收光譜帶的加寬範圍有限,同時得到的材料吸光係數比較小,光穩定性也不好。因而得到的材料很難擁有較高的光活性。

我們因此計畫設計具有較高光活性以及較寬吸收範圍(從可見到近紅外區域)的光催化複合納米材料和薄膜,該材料由半導體、貴金屬和稀土共同組成。在半導體納米晶體中摻雜或者引入稀土元素,會使其具有吸收近紅外光的特性,同時將較低能量的紅外光子轉化為較高能量的可見或紫外光子。這種行為被稱為上轉換行為。通過上轉換得到的較高能量光子將被催化劑中的半導體吸收,從而進行光催化反應。由於太陽光中有47.4%的能量分佈在700到1500nm近紅外區域,該催化劑的光催化效率將會有顯著的提高。貴金屬納米材料有著豐富的表面等離子共振行為,它們的特徵共振波長可以從400調節到2000nm。利用貴金屬納米材料表面等離子共振的性質,可以顯著地提高其周圍材料的光吸收效率。因此,將貴金屬納米顆粒複合到光催化劑中,可以提高光催化劑從可見到近紅外波段的光吸收效率。同時,貴金屬納米顆粒還能提高半導體吸收光後的電荷分離能力。這兩種性質都將會很大地提高複合材料的光催化性質。我們將嘗試製備具有不同幾何和拓撲學結構的複合材料,研究其光吸收、上裝換、能量轉移、表面等離子共振、電荷分離以及光催化活性,期望開發出一種具有高度光活性的寬帶光催化劑。

一維納米材料及其陣列的製備、表徵和在高性能鋰離子電池中的應用
香港首席研究員:楊世和教授 (香港科技大學)
內地首席研究員:孫世剛教授 (廈門大學)

鋰離子二次電池已廣泛應用於移動電子設備。目前,商品化鋰離子電池的負極石墨化碳材料及正極LiCoO2、LiMnO2或LiFePO4等材料,其容量已接近其極限值。社會發展對攜帶型能源、電動交通工具能源、以及能量儲存和轉換提出了越來越高的要求。而要發展高比能、高功率、高安全性鋰離子二次電池,研發新型高容量電極材料則是關鍵之一。
過去十年來,香港研究小組發展了簡易可行,條件溫和的方法在金屬電極上原位製備一維有序納米結構材料。這些一維納米材料陳列用於高性能鋰離子電池具有如下優點:(1)可以為電子提供一維通道,減小內阻;(2)具有很大的比表面積,可以增加電解液與活性材料的接觸面積,從而減小單位幾何面積上的電流密度;(3)具有足夠的空隙緩衝活性材料嵌鋰時的體積膨脹,能夠更有效地抑制活性物質的粉化,從而減緩鋰嵌入比容量下降的趨勢;(4)活性材料直接生長在集流體上,因此不用加入導電劑和粘結劑,減少它們的引入帶來的複雜的介面過程。同時,大陸研究小組在納米材料表面結構可控合成及電極表面過程方面取得了突破性進展。例如通過系統地對錫基合金電沉積機理和沉積層的結構進行研究,闡明了錫基合金材料表面微晶的擇優取向和多孔結構有利於緩解合金電極的結構變化,能夠更有效地抑制活性物質的粉化,從而減緩鋰嵌入比容量下降的趨勢,同時也減弱了鋰的滯留或積累現象,表現出較好的充放電性能。這些均為本項目的順利實施打下了堅實的基礎。
通過強化香港科大和廈大小組之間的合作來攻克技術難關和探討基礎問題,本申請項目旨在研發一維納米材料及其陣列的合成和在高性能鋰離子電池中的應用。我們將結合雙方在納米材料和電化學方面的優勢,共同實現以下目標:(1)原位合成及表面修飾無機一維納米材料及其陣列;(2)研究這些新型材料的結構,電子,及電化學性能;(3)發展這些新型材料在通高性能鋰離子電池中的應用。

混凝土健康監測的水泥基壓電複合材料及其感測器的研究
香港首席研究員:李宗津教授 (香港科技大學)
內地首席研究員:程新教授 (濟南大學)

本項目旨在為智慧土木工程結構開發水泥基壓電複合材料及其相應的感測器。據我們所知,香港科技大學是首先開展水泥基壓電智慧材料的第一家院校,並已在水泥基壓電材料及其感測器開發方面積累了相當豐富的經驗。本項目將集中精力改進水泥基壓電材料及其傳感系統的性能。溶膠凝膠法將用來生產具有微米尺度的新型的壓電晶體。新型的壓電晶體將與不同的水泥,包括氯氧鎂水泥,一起生產水泥基壓電複合材料及傳感元件。為了誘導基體材料與壓電晶體的化學反應,將根據分子動力學的模擬選擇某些適用的耦連劑。這些水泥基壓電複合材料用來開發具有創新性的傳感元件與感測器。將這些感測器埋置於高樓大廈與大型公共結構之中,就可以監測其使用及健康狀態。從而可以根據健康監測的資訊適時地提出相關維護措施以保障更安全、更舒適的生活與工作環境。這一健康監測系統不僅能改善香港及大陸高層建築與大跨度橋樑的服役性能,也將香港及大陸在土木工程結構健康監測方面的研究推到世界前沿。

鐵基超導材料的輸運和熱電性質
香港首席研究員:張富春教授(香港大學)
內地首席研究員:許祝安教授(浙江大學)

某些材料的電阻在溫度低於某個臨界溫度 Tc時會突然消失,這種現象被稱為超導。超導是一種非常令人關注的量子現象,但是多數超導材料的臨界溫度都非常之低,這大大限制了它的應用。而最近發現的鐵基超導體則是臨界溫度僅次於銅氧化物超導體的另一大類超導材料。目前已經在全世界引發了大量的針對這一類材料及其物理性質的研究。鐵基超導材料的超導電性是對母體材料進行化學摻雜而實現的,而且不同摻雜對超導電性影響很大。因此化學摻雜的影響是鐵基超導體研究中最重要的問題之一。在這個專案中,我們計畫研究三種典型的摻雜系統: 1) 使用 Co 或者 Ni 原子替代鐵原子,2) 在鐵砷面外的不同價態元素的電子或者空穴型摻雜,以及 3) 會導致化學壓力效應的同價元素替代。我們將系統的探索這些材料的輸運,磁,以及熱點性質。再結合光譜測量研究這一體系的基態的演化,特別是尋找其中可能存在的量子相變和量子臨界現象。我們力圖獲得這些摻雜系統的全面的相圖。我們將通過理論結合實驗力圖闡述不同的有序相的演化,並增進對鐵基超導體超導機理的理解。

具有混雜特性的間歇過程的容錯控制
香港首席研究員:高福榮教授 (香港科技大學)
內地首席研究員:周東華教授 (清華大學)

間歇過程(批處理過程)在製造業中具有舉足輕重的地位,被廣泛用來生產高附加值的產品。控制性能在間歇過程的產品質量及其一致性上起著至關重要的作用。控制系統的設計和分析應遵循並充分利用間歇過程的特性。香港和內地的申請人都具備優秀的間歇過程知識。一直以來,間歇過程的控制設計主要是利用其重複性。然而,除了重複性,間歇過程還有一些其它的重要性質:(一)2維動態性質。在一個批次內,間歇過程有沿著時間方向的動態特性,同時,由於環境因素,材料變化,或使用批次控制的影響,它也有顯著的沿批次方向的動態特性;(二)混雜性質。一個典型的間歇過程通常包含幾個操作或具有不同特徵的階段。所謂的多階段控制框架就是在不同的階段採用不同的控制目標和控制策略。從一個階段到另一個階段,控制策略的轉換會在這個轉換之後對控制性能產生顯著的干擾。為了獲得更好的控制性能和設計,本項目提出將多階段控制問題看成一個混雜系統,從而放在一個統一的框架下去設計控制系統。(三)由於間歇過程必須在復雜的條件下工作,它很可能遇到故障,但對於間歇過程的容錯控制是一個被忽略的問題。通過充分研究上面提到的間歇過程的特性,本國家自然科學基金委員會(NSFC)與香港研究資助局(RGC)聯合科研基金項目結合了香港申請人和大陸研究小組的專業知識去系統研究間歇過程。本項目的成功完成,不僅可以解決這些重要的學術問題,而且還提供了一個與間歇過程特性相一致的控制方法;由於在香港的製造產業主要都是基於間歇過程的,所以間歇過程對香港來說顯得尤為重要。