張眾杰，劉瑞林，梁志峰，夏南龍，周廣猛，楊春浩

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柴油機(jī)增壓系統(tǒng)變海拔自適應(yīng)技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

張眾杰1，劉瑞林1，梁志峰1，夏南龍1，周廣猛1，楊春浩2

（1.軍事交通學(xué)院，天津 300161；2.海軍工程大學(xué)，武漢 430000）

分析了高原環(huán)境條件下柴油機(jī)功率下降、油耗增加、增壓器效率下降、渦輪超溫超速等問(wèn)題，考慮采用自適應(yīng)增壓系統(tǒng)改進(jìn)柴油機(jī)和增壓器高原運(yùn)行存在的問(wèn)題。介紹了可變截面渦輪增壓系統(tǒng)（VGT）、普通二級(jí)可調(diào)增壓系統(tǒng)（TST）、復(fù)合增壓系統(tǒng)（C2T）、基于VGT二級(jí)可調(diào)增壓系統(tǒng)（R2T）幾種典型的可調(diào)增壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理和高原應(yīng)用現(xiàn)狀。最后，結(jié)合柴油機(jī)變海拔和變工況的運(yùn)行特點(diǎn)，從增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置、智能優(yōu)化算法、控制理論、多系統(tǒng)協(xié)同控制和增壓器內(nèi)部流場(chǎng)優(yōu)化控制五個(gè)方面提出了增壓系統(tǒng)高海拔自適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

變海拔；柴油機(jī)；增壓系統(tǒng)；自適應(yīng)技術(shù)

高原環(huán)境條件對(duì)柴油機(jī)各子系統(tǒng)和整機(jī)性能都有較大影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，海拔每升高1000 m柴油機(jī)動(dòng)力性下降4.0%~13.0%，經(jīng)濟(jì)性下降2.7%~12.9%，HC，CO和煙度的排放量平均增加30%，35%，34%。這是因?yàn)榇髿鈮毫档?，進(jìn)入氣缸內(nèi)的空氣量減小，壓縮終點(diǎn)氣缸內(nèi)混合氣壓力和溫度降低，使得噴入缸內(nèi)的燃油不能及時(shí)著火，造成燃燒滯后，等容度下降，燃燒放熱率重心后移，導(dǎo)致柴油機(jī)功率下降，燃油消耗率上升，排氣溫度增加，排放性能惡化。同時(shí)，隨著海拔上升，壓氣機(jī)進(jìn)入低雷諾區(qū)，渦輪進(jìn)入跨聲速區(qū)，增壓器工作范圍變窄、效率降低，易出現(xiàn)壓氣機(jī)喘振、渦輪超速現(xiàn)象[1-2]。

車輛在高原公路（如青藏線、川藏線和滇藏線等）行駛時(shí)，具有海拔高、落差大、環(huán)境惡劣、工況復(fù)雜等特點(diǎn)，這對(duì)柴油機(jī)變海拔適應(yīng)能力提出極高要求。同時(shí)，隨著電控技術(shù)逐步在柴油機(jī)各子系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，加之越來(lái)越嚴(yán)格的排放法規(guī)，柴油機(jī)變海拔工作中的可控參數(shù)和優(yōu)化目標(biāo)將越來(lái)越多，開(kāi)展基于多參數(shù)控制和多目標(biāo)優(yōu)化的柴油機(jī)增壓系統(tǒng)變海拔自適應(yīng)技術(shù)研究將具有重要意義[3-4]。

1 高原環(huán)境對(duì)柴油機(jī)及增壓系統(tǒng)性能 影響

1.1 柴油機(jī)性能下降

根據(jù)某六缸高壓共軌柴油機(jī)不同海拔（0~5500 m）性能仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，認(rèn)為柴油機(jī)高原性能存在如下問(wèn)題：功率和油耗下降較大；低速轉(zhuǎn)矩下降嚴(yán)重；最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速向高速區(qū)偏移；熱負(fù)荷增加；排放性能惡化（HC，CO，NO和碳煙排放增加）；起動(dòng)、加速性能差，瞬態(tài)響應(yīng)性遲緩。在高原環(huán)境條件下，由于柴油機(jī)進(jìn)氣壓力較低，進(jìn)氣量不足，這些問(wèn)題更加突出[5-8]。如圖1所示，相對(duì)0 m海拔，海拔5500 m標(biāo)定功率下降達(dá)33.7%，在800～1000 r/min時(shí)，柴油機(jī)有效功率下降42.1%～62.4%，燃油消耗率最大增加18.6%[1]。

圖1 不同海拔高壓共軌柴油機(jī)全負(fù)荷速度特性曲線

1.2 增壓器特性下降

隨著海拔升高，排氣背壓降低，排氣溫度升高，壓氣機(jī)進(jìn)口雷諾數(shù)下降，渦輪入口相對(duì)馬赫數(shù)增大。這些因素共同作用導(dǎo)致[9-11]：壓氣機(jī)進(jìn)入低雷諾區(qū)域，工作范圍變窄；壓氣機(jī)喘振傾向增加；渦輪進(jìn)入跨聲速區(qū)，渦輪堵塞和超速可能性增大；增壓器可靠性下降。隨著海拔增加，壓氣機(jī)入口雷諾數(shù)降低，壓氣機(jī)與柴油機(jī)聯(lián)合運(yùn)行線逐漸偏離壓氣機(jī)高效率區(qū)，喘振傾向增加，在海拔4000 m，出現(xiàn)渦輪超速問(wèn)題，如圖2和圖3所示。

圖2 不同海拔下壓氣機(jī)入口雷諾數(shù)的變化曲線

圖3 不同海拔下壓氣機(jī)和柴油機(jī)聯(lián)合運(yùn)行線

2 高海拔增壓系統(tǒng)自適應(yīng)技術(shù)研究現(xiàn) 狀

為了提升柴油機(jī)及增壓系統(tǒng)高原性能，從增壓系統(tǒng)改進(jìn)方向考慮，主要有兩種方式：（1）為現(xiàn)有柴油機(jī)重新匹配大流量高壓比的增壓器[12-13]；（2）采用變海拔自適應(yīng)增壓系統(tǒng)，將可調(diào)增壓系統(tǒng)與電控技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)增壓系統(tǒng)變海拔、變工況的自調(diào)整和自適應(yīng)功能。方案（1）渦輪增壓器與柴油機(jī)匹配針對(duì)固定海拔和工況，存在平原增壓壓力過(guò)高、高原低速小負(fù)荷功率恢復(fù)不足、瞬態(tài)響應(yīng)遲緩和渦輪超溫超速等問(wèn)題[14]。

2.1 幾種先進(jìn)的渦輪增壓系統(tǒng)

方案（1）中的變海拔自適應(yīng)增壓系統(tǒng)能夠根據(jù)海拔和柴油機(jī)工況的變化自行調(diào)節(jié)增壓壓力和進(jìn)氣流量，顯著提高高原環(huán)境下柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放等性能指標(biāo)，提升增壓器與柴油機(jī)高原匹配特性[15-18]。目前面向高原的自適應(yīng)增壓系統(tǒng)主要有VGT，TST，C2T，R2T等四類。其中TST包括串聯(lián)式TST和并聯(lián)式TST兩種控制模式，C2T包括機(jī)械+渦輪增壓（MC2T）、電輔助+渦輪增壓（EC2T）兩種型式。

歐美國(guó)家研究車用渦輪增壓技術(shù)較早，先進(jìn)的自適應(yīng)增壓系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化[19-21]。由于西方發(fā)達(dá)國(guó)家大多平原地區(qū)，針對(duì)高原環(huán)境下柴油機(jī)與增壓系統(tǒng)性能研究不多，有代表性的研究機(jī)構(gòu)包括：美國(guó)陸軍研究室[22]、IEVCO公司[23]、VE商用車公司[24]、意大利薩蘭托大學(xué)[25]、西班牙瓦倫西亞理工大學(xué)[26]等。在0~3000 m海拔范圍內(nèi)，為減少油耗和控制排放，將VGT，TST，C2T三種自適應(yīng)增壓系統(tǒng)應(yīng)用于高原柴油機(jī)。鑒于國(guó)內(nèi)特有的高原型地理特點(diǎn)和恢復(fù)柴油機(jī)高原功率的客觀需求，近年來(lái)，自適應(yīng)增壓系統(tǒng)研究逐步受到國(guó)內(nèi)一些科研機(jī)構(gòu)的重視。主要研究機(jī)構(gòu)包括：清華大學(xué)[27-28]、北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所[29]、北京理工大學(xué)[20-31]、上海交通大學(xué)[32-35]和軍事交通學(xué)院[36-38]等單位。清華大學(xué)和北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所針對(duì)VGT高原匹配、增壓壓力MAP標(biāo)定、VGT不同工況的控制策略以及流場(chǎng)優(yōu)化等方面開(kāi)展了大量的研究工作。北京理工大學(xué)和上海交通大學(xué)針對(duì)TST和C2T系統(tǒng)高原選型匹配、渦輪旁通閥變海拔調(diào)節(jié)特性和增壓壓力MAP標(biāo)定、渦輪旁通閥瞬態(tài)工況控制策略等方面開(kāi)展了大量的仿真和臺(tái)架試驗(yàn)研究。軍事交通學(xué)院針對(duì)現(xiàn)有VGT和TST系統(tǒng)變海拔和變工況能力不足、低速轉(zhuǎn)矩提高不足、瞬態(tài)響應(yīng)慢等問(wèn)題，提出一種R2T系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了R2T高海拔控制系統(tǒng)和相應(yīng)的控制策略，并通過(guò)仿真和臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了R2T可以有效提高0~5500 m海拔下柴油機(jī)和增壓器的各項(xiàng)性能指標(biāo)。

2.2 高海拔下先進(jìn)的增壓系統(tǒng)比較分析

現(xiàn)有變海拔自適應(yīng)增壓系統(tǒng)提升柴油機(jī)性能參數(shù)比較分析見(jiàn)表1。

表1 高海拔條件下不同自適應(yīng)增壓技術(shù)比較

注：“+”的多少分別表示改善或惡化的程度。

從表1中可以看出，VGT系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)柴油機(jī)變工況自適應(yīng)增壓，但是受增壓比限制，VGT變海拔適應(yīng)能力較差，若匹配大流量的VGT系統(tǒng)，必然導(dǎo)致柴油機(jī)中低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩提高不足，車輛的瞬態(tài)響應(yīng)遲緩。TST能夠提供高壓比、寬流量，有效提高柴油機(jī)高原進(jìn)氣壓力，但匹配工況固定，變工況適應(yīng)能力不足，低速轉(zhuǎn)矩和瞬態(tài)工況響應(yīng)性較差。MC2T不存在渦輪遲滯，瞬態(tài)響應(yīng)性最好，但是在增壓過(guò)程中會(huì)損失柴油機(jī)一部分功率，不利于柴油機(jī)高原功率恢復(fù)。EC2T能夠消除渦輪遲滯問(wèn)題，可根據(jù)柴油機(jī)工況和海拔的變化精確控制增壓壓力，是較有潛力的變海拔自適應(yīng)增壓系統(tǒng)[39]，但存在電機(jī)轉(zhuǎn)速不足、增壓器軸承劇烈振動(dòng)、電機(jī)受高排溫可靠性差和電機(jī)變工況加速潛力不足等問(wèn)題。R2T能夠在海拔5500 m全工況條件下，使得柴油機(jī)功率恢復(fù)至平原水平的90%以上，大幅提高低速轉(zhuǎn)矩，有效避免了增壓器效率降低、壓氣機(jī)喘振、渦輪超溫和超速等問(wèn)題。在柴油機(jī)低速時(shí)，低壓級(jí)渦輪做功能力較弱，起不到增壓作用。同時(shí)R2T不能根據(jù)海拔和工況和變化合理分配渦輪功，在高原環(huán)境下排氣能量不能夠得到最大化利用。

3 高海拔增壓系統(tǒng)自適應(yīng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

針對(duì)目前變海拔自適應(yīng)增壓系統(tǒng)研究現(xiàn)有問(wèn)題和缺陷，筆者從五個(gè)方面提出未來(lái)高原型自適應(yīng)增壓系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

3.1 新型多級(jí)增壓系統(tǒng)

在變海拔、變工況下，為實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)多目標(biāo)優(yōu)化控制，將不同增壓系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，采用多級(jí)、多控制閥的增壓系統(tǒng)是未來(lái)高原自適應(yīng)增壓系統(tǒng)的發(fā)展方向[40]。圖4為2014年寶馬和博格華納[41]聯(lián)合開(kāi)發(fā)的三級(jí)可調(diào)增壓系統(tǒng)（R3T）。該增壓系統(tǒng)高壓級(jí)采用雙VGT并聯(lián)布置，低壓級(jí)采用普通渦輪增壓系統(tǒng)，在不同工況條件下，系統(tǒng)中五個(gè)控制閥協(xié)同控制執(zhí)行五種不同的控制策略。與R2T相比，R3T可以大幅度提高中低轉(zhuǎn)矩，最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)提前至低轉(zhuǎn)速區(qū)，擴(kuò)大了壓氣機(jī)高效率區(qū)工作范圍。圖5為日本橋本宗昌[42]利用仿真和試驗(yàn)兩種方式比較雙VGT串聯(lián)布置和并聯(lián)布置兩種控制方案，結(jié)果表明，與并聯(lián)方案相比，雙VGT串聯(lián)方案能夠合理調(diào)節(jié)高、低壓級(jí)渦輪功分配，燃油消耗率、NO排放和碳煙明顯降低，高壓級(jí)渦輪轉(zhuǎn)速響應(yīng)時(shí)間明顯縮短。

3.2 多目標(biāo)智能優(yōu)化算法

隨著電控技術(shù)的快速發(fā)展和排放法規(guī)的越發(fā)嚴(yán)格，在高原環(huán)境下，為了實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化，柴油機(jī)及增壓系統(tǒng)控制參數(shù)逐漸增多，噴油壓力、噴油提前角、噴油量、增壓系統(tǒng)旁通閥及VGT葉片開(kāi)度、EGR率、可變氣門(mén)正時(shí)和幾何壓縮比等，各控制參數(shù)之間互相影響。柴油機(jī)需要優(yōu)化的性能指標(biāo)有多個(gè)：轉(zhuǎn)矩、燃油消耗率、NO、碳煙、CO、HC、瞬態(tài)工況響應(yīng)時(shí)間等，不同優(yōu)化目標(biāo)之間互相影響，如何折中各優(yōu)化目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)高海拔下的性能最優(yōu)，將是今后研究的重點(diǎn)。在高原環(huán)境下，柴油機(jī)各子系統(tǒng)之間屬于氣動(dòng)連接，目標(biāo)函數(shù)無(wú)法用解析表達(dá)式寫(xiě)出，傳統(tǒng)優(yōu)化方法要求的連續(xù)可微或局部極小值等并不適用。目前新發(fā)展的智能優(yōu)化方法[43-49]如：遺傳算法（Genetic Algorithm）、模擬退火（Simulated Annealing）、粒子群算法（Particle Swarm Algorithm）等智能算法具有較好的魯棒性、全局性，在柴油機(jī)變海拔非線性多目標(biāo)優(yōu)化方面問(wèn)題具有巨大優(yōu)勢(shì)，表2列出了多參數(shù)智能優(yōu)化方法。

由表2可以看出，不同的智能優(yōu)化算法有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，將多種智能優(yōu)化算法結(jié)合[50-53]，形成智能混合優(yōu)化算法將更加有助于解決高海拔柴油機(jī)非線性多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。

圖4 BWM可調(diào)兩級(jí)增壓系統(tǒng)

圖5 雙VGT二級(jí)可調(diào)增壓系統(tǒng)

表2 不同優(yōu)化算法比較

注：“+”的多少分別表示改善或惡化的程度

3.3 先進(jìn)的控制理論

在變海拔和變工況下，柴油機(jī)熱力過(guò)程是以燃燒過(guò)程、流體流動(dòng)、熱量傳遞為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)柴油機(jī)機(jī)構(gòu)參數(shù)、氣體動(dòng)力學(xué)參數(shù)和熱力學(xué)參數(shù)，可變因數(shù)多、非線性、時(shí)變性和隨機(jī)性大，是可變互耦系統(tǒng)的控制優(yōu)化問(wèn)題。傳統(tǒng)的PID（包括PID改進(jìn)型）的控制理論在調(diào)節(jié)范圍、控制精度、自適應(yīng)能力方面均有限，難以滿足柴油機(jī)變海拔運(yùn)行時(shí)工況較多，變化范圍廣的工作特點(diǎn)。先進(jìn)的控制理論，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)控制、模型預(yù)測(cè)控制（MPC）、自適應(yīng)控制、滑膜控制等因其良好的響應(yīng)性、極佳的魯棒性和較強(qiáng)的控干擾能力將具有更加明顯的優(yōu)勢(shì)[53-57]。代表性的有2015年德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)[58]針對(duì)某汽油機(jī)二級(jí)可調(diào)增壓系統(tǒng)采用非線性模型預(yù)測(cè)控制（Nonlinear Model-based Predictive Controllers)，該控制理論能夠耦合多系統(tǒng)輸入，并在約束條件下取得較高的控制質(zhì)量。

表3 不同控制理論比較

注：“+”的多少分別表示改善或惡化的程度。

為進(jìn)一步提高增壓系統(tǒng)變海拔自適應(yīng)能力，將兩種或兩種以上的智能控制理論結(jié)合起來(lái)，提出擴(kuò)展型控制理論逐漸成為研究熱點(diǎn)[60-61]。

3.4 多系統(tǒng)協(xié)同控制

柴油機(jī)變海拔、變工況條件下，將柴油機(jī)增壓系統(tǒng)、氣門(mén)升程、噴油系統(tǒng)、氣缸壓縮比、EGR閥等多系統(tǒng)、多執(zhí)行器協(xié)同控制，能夠?qū)崿F(xiàn)柴油機(jī)在不同海拔下多目標(biāo)的優(yōu)化控制，全面提升柴油機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)[62-65]。目前，關(guān)于柴油機(jī)變海拔多系統(tǒng)協(xié)同控制的相關(guān)剛剛起步。北京理工大學(xué)李長(zhǎng)江和上海交通大學(xué)李華雷對(duì)噴油和增壓策略對(duì)柴油機(jī)變海拔的影響規(guī)律做了初步的研究。李長(zhǎng)江針[65]對(duì)增壓系統(tǒng)在過(guò)渡工況中存在增壓壓力突降的問(wèn)題，采用壓氣機(jī)旁通閥晚關(guān)和延遲噴油兩種策略。李華雷[66]針對(duì)TST系統(tǒng)存在高海拔特定工況下增壓器效率下降和泵氣損失增加問(wèn)題，提出燃油補(bǔ)償控制于渦輪旁通閥控制相結(jié)合，達(dá)到增壓壓力的恢復(fù)目標(biāo)。

3.5 高海拔下增壓器內(nèi)部流場(chǎng)的優(yōu)化控制

現(xiàn)有自適應(yīng)增壓系統(tǒng)研究面臨的共同難點(diǎn)是，葉片通道內(nèi)部的流動(dòng)非線性和非定常性及旋渦結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。旋渦分離流動(dòng)對(duì)增壓器的效率、失速裕度、級(jí)性能和內(nèi)燃機(jī)的整機(jī)性能有影響，導(dǎo)致自適應(yīng)增壓系統(tǒng)氣動(dòng)設(shè)計(jì)與流場(chǎng)匹配難度大為增加[38]。在高原環(huán)境條件下，壓氣機(jī)進(jìn)入低雷諾數(shù)區(qū)域，渦輪進(jìn)入超臨界區(qū)域，同時(shí)，增壓比提高導(dǎo)致離心壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍急劇降低，壓氣機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生畸變流場(chǎng)[68]。有必要研究壓氣機(jī)和渦輪機(jī)變海拔、全工況內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律及性能影響機(jī)理，探討增壓器主要幾何參數(shù)（如：壓氣機(jī)葉輪進(jìn)口相對(duì)直徑、壓氣機(jī)進(jìn)口葉尖葉片角、壓氣機(jī)出口相對(duì)寬度、壓氣機(jī)出口后彎角、蝸殼喉口面積、渦輪入口葉輪半徑、渦輪出口葉尖半徑等）對(duì)增壓器變海拔全工況性能的影響。建立以高海拔柴油機(jī)全工況性能為設(shè)計(jì)目標(biāo)，增壓器關(guān)鍵幾何參數(shù)為設(shè)計(jì)變量的增壓器變海拔多工況流通設(shè)計(jì)的新方法[10,69-70]。

4 結(jié)語(yǔ)

1）簡(jiǎn)要分析高原環(huán)境對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、熱負(fù)荷和增壓器與柴油機(jī)匹配特性影響，提出了兩種增壓系統(tǒng)改進(jìn)方案。

2）比較了現(xiàn)有幾種高原自適應(yīng)增壓系統(tǒng)的性能指標(biāo)參數(shù)，分析了各增壓系統(tǒng)提升柴油機(jī)高原性能的潛力。

3）針對(duì)目前變海拔自適應(yīng)增壓系統(tǒng)中存在的不足，從增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置、智能優(yōu)化算法、先進(jìn)控制理論、多系統(tǒng)協(xié)同控制和增壓器流場(chǎng)優(yōu)化控制等五個(gè)方面，提出了未來(lái)高海拔自適應(yīng)增壓系統(tǒng)的研究的重點(diǎn)。

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Research Status and Development of Self-adaptive Technology for Diesel Engine with Turbocharging System at Varying Altitudes

ZHANG Zhong-jie1, LIU Rui-lin1, LIANG Zhi-feng1, XIA Nan-long1, ZHOU Guang-meng1, YANG Chun-hao2

(1.Military Transportation University, Tianjin 300161, China; 2.Naval University of Engineering, Wuhan 430000, China)

Problems of power declining, fuel consumption increasing, and efficiency of turbocharger dropping, over temperature and over-speed of turbine of diesel engine were analyzed. Various regulated turbocharging systems were taken into consideration to improve the diesel engine and turbocharger running at high altitude. Variable geometry turbocharging (VGT), classical two-stage regulated turbocharging (TST), compound turbocharging (C2T) and two-stage regulated turbocharging based on VGT (R2T) were introduced, including structure principle and application of the systems at plateau.At last, the development trend of self-adaptive turbocharging technologies were put forward from five aspects: structural arrangement of turbocharging system, intelligent optimization algorithms, control theories, multi-system cooperative control, optimizing inner flow field of turbocharger, and combined with the characteristics of diesel engine working at varying operations and altitudes..

varying altitudes; diesel engine; turbocharging system; self-adaptive technology

TJ07；TK421+.8

A

1672-9242(2017)10-0001-07

10.7643/ issn.1672-9242.2017.10.001

2017-05-19；

2017-06-31

張眾杰（1989—），男，山西長(zhǎng)治人，博士，主要從事車用渦輪增壓技術(shù)研究。