作者:Zili WANG 来源:Frontiers of Engineering Management 发布时间:2021/12/20 10:48:01
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FEM | 前沿研究:中国可靠性系统工程发展现状与展望

论文标题:Current status and prospects of reliability systems engineering in China (中国可靠性系统工程发展现状与展望)

期刊:Frontiers of Engineering Management

作者:Zili WANG

发表时间:16 Sep 2021

DOI:10.1007/s42524-021-0172-2

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作者:王自力

单位:北京航空航天大学可靠性工程研究所

引用:

Zili WANG. Current status and prospects of reliability systems engineering in China. Frontiers of Engineering Management, 2021, 8(4): 492–502 https://doi.org/10.1007/s42524-021-0172-2

文章链接:

https://journal.hep.com.cn/fem/EN/10.1007/s42524-021-0172-2

https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs42524-021-0172-2

导语: 本文系统回顾了中国可靠性系统工程(RSE)的诞生与发展历程,重点阐述了可靠性系统工程的最新发展,即基于模型的可靠性系统工程(MBRSE)。首先,介绍了MBRSE的概念模型和运行模型。然后,以“V”模型为核心介绍了MBRSE实施的关键技术,并给出了MBRSE平台的总体技术架构。进而,介绍了过去30年RSE技术与平台在中国的推广应用情况。最后,对可靠性系统工程的未来发展趋势进行了展望。

1 前言

现阶段,可靠性依然是复杂工程建设中亟需解决的世界性挑战。如1998年欧洲ICE-1高铁重大事故,2003年哥伦比亚号航天飞机失事,2018-2019年的波音737MAX系列事故等。究其根本原因都是可靠性工作不到位所致。

为解决产品的可靠性问题,设计制造高质量产品,世界各国早在上世纪60年代起就纷纷提出了各自的解决方案。如美国的工程专业综合与并行工程,将可靠性、维修性等专门特性作为设计因素集成到产品研发过程中。同时,将产品的设计、制造与维护保障过程并行交互化处理,从而改进产品的性能与质量,降低寿命周期成本和费用。又如欧洲的可信性工程,集成了与可靠性相关的工程和管理专业,从而有效控制全寿命周期的产品可靠性。再如日本的全面质量管理和健壮设计,将产品质量作为核心,建立一个科学高效的质量体系。中国可靠性工程的先驱杨为民教授在引进吸收上述先进技术和经验后,于1994年首次提出了中国特色的可靠性系统工程(Reliability Systems Engineering, RSE)的完整概念,并阐述了其内涵。与国外相关技术对比,中国的RSE是与产品故障做斗争的学问,是一个具有统一目标和量化指标的独立学科体系。经过近30年的发展,RSE作为可靠性工程中国方案,其标准、程序和技术已经日趋成熟,取得了卓越的应用成效。

本研究的内容是基于作者对RSE理论的理解,以及在航空航天、船舶、工业制造等 10 多个军民领域的30多年的实践经验总结整理完成的。其主要目的与贡献包括两方面:一是,回顾中国可靠性系统工程的诞生与发展历程;二是,介绍RSE的最新发展,即“基于模型的可靠性系统工程(Model-based RSE,MBRSE)”,及其未来趋势。

本文的其余部分组织如下:第2节讨论了RSE 的发展和技术框架;第3节介绍了MBRSE 的概念模型和运行模型;第4节阐述了MBRSE关键技术;第5节介绍了MBRSE平台以及RSE在中国的推广应用情况;第6节对RSE的发展进行了总结,并给出了一些具有代表性的研究方向。

2 可靠性系统工程的发展

2.1 发展历程

进入20世纪90年代后,用户需求逐渐从重视功能性能发展到重视效能,再到重视“高效费比”。在这里,效能是用户关心的产品可用、可信和可能的综合体现。而可靠性既是构成产品效能的重要基础,也是影响其寿命周期费用的关键因素。因此,可靠性工程是满足新时代用户高质量需求的重要支撑。

在过去的27年里,中国可靠性研究人员和工程师一直致力于推进RSE,以解决实际的可靠性问题。RSE在中国的发展历程如图 1所示。

图1. 中国可靠性系统工程发展历程

针对可靠性工程的复杂性和引进技术消化不良等问题,杨为民教授以效能为目标,以产品故障为核心要素,首次提出了可靠性系统工程的完整概念和基本理论框架。其定义如下:“可靠性系统工程是研究产品全寿命过程以及同故障作斗争的工程技术。从产品的整体性及其同外界环境的辨证关系出发, 用实验研究、现场调查、故障或维修活动分析等方法, 研究产品寿命和可靠性与外界环境的相互关系研究产品故障的发生、发展及其预防和维修保障直至消灭的规律, 以及增进可靠性、延长寿命和提高效能的一系列技术和管理活动”。同时,杨为民教授类比医学工程介绍了可靠性系统工程的理论框架,虽然对象不同,但两者具有很多相似点,如“防病、治病”或者说“优生、优育”。RSE的提出,重点解决了可靠性众多相关专业缺乏统一目标和主线的难题,既是系统工程理论在可靠性专业的应用,也有助于可靠性专业融入系统工程过程。

2005年,为进一步指导RSE的发展,作者提出了全特性、全寿命、全系统的“三全质量观”以及“从生产到设计到全寿命,抓质量管理同时更强化质量设计”的质量技术变革观。其中,“三全质量观”将产品质量特性划分为功能性能对应的专用质量特性(Special Quality Characteristics,SQC)以及可靠性、安全性、维修性、测试性、保障性、环境适应性(简称六性)等特性对应的通用质量特性(General Quality Characteristics,GQC)。“三全质量观”系统回答了RSE与现代质量工程的关系,也明确了以效能为目标、六性综合为重点的可靠性系统工程正是解决质量全特性设计的抓手。同年,围绕故障的“防、诊、治”,作者从基础理论、基础技术和应用技术三个层次进一步构建了RSE的技术框架,阐述了RSE的学科内涵。

2007年,可靠性系统工程被《中国军事百科全书.军事技术总论》正式收录为学科条目。作者基于其研究发展给出了RSE新的定义:“运用系统工程理论方法,以故障为核心,以效能为目标,研究复杂系统全寿命过程中故障发生规律及其预防、诊断、修复的综合交叉技术和管理”。这标志着可靠性系统工程得到了国内工程界认可,正式成为一门学科。自提出以来,RSE一直致力于解决通用质量特性设计与专用质量特性设计“不均衡、两张皮” 的难题,并从通用质量特性内部综合、通用质量特性与专用质量特性综合,以及质量全特性技术与管理综合三方面持续推进RSE技术发展

2015年,在第一届中国可靠性系统工程年会上,作者进一步明确了RSE的核心是“效能设计+六性综合”。2016年,随着基于模型的系统工程(Model-based Systems Engineering, MBSE)理念的发展,作者进一步提出了基于模型的可靠性系统工程,目标是以产品、故障、环境等模型为核心,将大量六性相关工作进行整合,基于模型演化认知故障规律,运用这些规律实现故障闭环消减控制,并将这一过程融入到产品MBSE过程中。

2.2 技术框架

为构建RSE的技术框架,作者定义了三条原则包括:全局化视角、系统化过程和综合化方法。这些原则使RSE与国外相关技术区分开来。其中全局化视角是指始终以效能为目标,以可用、可信为重点,围绕产品、功能和使用,在全局的高度处理通用质量特性;系统化过程是指按照定型前可预防、故障前可预测等多维故障事理逻辑规划通用质量特性工作,并有机融入到系统工程过程。综合化方法是指以故障识别和消减为驱动,实现功能/性能与通用质量特性的数据、流程和特性综合,以及技术与管理的有机融合。

基于上述原则,创新提出可靠性系统工程的三层技术体系架构,如图2所示。

图2. 可靠性系统工程技术架构

(1)基础理论层

可靠性系统工程是在故障认知的基础上发展起来的理论,它揭示故障机理,认知故障规律,以支持故障防控技术发展。其中,故障认知理论主要包括:1) 基于载荷响应和理化过程的故障物理,主要描述结构、材料、工艺对载荷的响应和物理化学变化,如断裂、击穿、疲劳等;2) 基于静态、动态逻辑和涌现行为的失败事理,主要描述系统在任务和决策中的时序以及静态、动态逻辑和涌现关系,如逻辑漏洞和时序错乱等;3)基于绩效影响和能力局限的失误人理,主要描述机器、环境、团队对人的绩效影响和人的能力局限性,如超负荷、决策错误、误操作等。这些故障认知理论的物理/数学基础主要包括确定性和不确定理论及其综合理论

(2)基础技术层

基于故障规律认知,RSE发展了一系列故障“防诊治”的共性基础技术。其中,故障预防技术是指面向产品设计、制造和使用的设计、分析、试验与评价技术。常见的冗余设计、简化设计、基于统计的过程控制技术和以可靠性为中心的维修维护等都属于故障预防技术。故障诊断技术是指对产品故障进行诊断和预测的技术,它侧重于及时地开展故障监测与隔离,关注故障发展趋势和后果的预测。在故障诊断技术的基础上,故障“治疗”技术是指一旦发生不可控故障,及时有效地恢复产品功能的技术。它旨在快速、经济、有效地恢复产品功能,包括修复产品故障的具体技术、修复产品故障的程序以及各类保障资源的规划,如备件、工具、设备,以及修复产品故障所需的人员。

(3)应用技术层

RSE的应用技术是指以全寿命过程、全系统对象和全特性方法综合集成构建的故障防控技术型谱。其中,全寿命过程,包括论证、设计、试验、生产、评估、验证和使用。全系统对象包括不同尺度的软/硬件物理实体,如体系、装备、系统、设备、元器件、原材料等。全特性方法包含可靠性、安全性、测试性、维修性、保障性、环境适应性等通用质量特性方法。其核心技术包括基于效能仿真的需求集成技术,基于模型驱动的研制集成技术以及基于故障预测与健康管理(Prognostics and Health Management,PHM)的运维集成技术。

3 MBRSE的概念与运行模型RSE的概念与运行模

2016年,作者结合RSE与MBSE首次提出MBRSE的概念,本部分主要介绍MBRSE的概念模型和基于"V"模型的MBRSE运行模型。

3.1 MBRSE的概念模型

MBRSE的概念模型如图3所示,根据用户使用需求,构建综合设计问题,并将综合设计需求分解为功能性能设计和故障消减与控制设计。同时,应用工程方法集合,对综合设计问题进行分析和求解,在求解过程中,上述两类设计应相互协同,减少设计迭代。故障消减与控制设计建立在对故障及其控制规律认知的基础上,其认知随设计的深入,产品设计方案逐步细致,逐渐深化,从定性到定量;同时故障消减与控制的过程也是对故障及其控制规律再认识的过程。而对故障及其控制规律的认知,建立在对使用过程/环境(载荷)认知的基础上,对载荷的认知也是随着设计的进展不断深入。完成各问题的求解后,需要进行系统综合与评价,校核求解过程,评价综合问题解决程度,上述过程在产品设计中可能要多次迭代,直到综合设计问题得到满意解。

图3. MBRSE 概念模型

3.2 基于"V"模型的MBRSE运行模型

为在MBSE过程中有机集成功能、性能以及通用质量特性模型,我们给出了基于"V"模型的MBRSE运行模型,如图 4所示。MBRSE以效能为牵引,以故障/缺陷的识别、消减、测试、验证为核心建立了完整模型体系,并通过多维度模型协同演化、多线索闭环管控、多类故障仿真验证等技术,实现多层级产品(最高到体系级)通用质量特性的综合设计与验证。此外,通过PHM技术支持精确运维保障。综上,MBRSE可实现"性能-故障-健康"三维融合,"装备-系统-设备"三级传递,设计分析与仿真验证协同互动的效能正向设计。执行"V"模型的所涉及的关键技术详见第4节。

图4. 基于"V"模型的MBRSE

4 MBRSE的关键技术

4.1 基于效能仿真的通用质量特性需求捕获技术

“V”模型的左侧顶部是面向效能、任务驱动的可靠性要求仿真论证技术。其目的是通过从任务出发,基于仿真技术将装备效能需求正向分解可靠性要求,作为后续设计输入。首先,围绕任务、装备、恢复和环境四类要素,构建基于智能体的动态分层、分块的效能仿真框架。然后,突破基于寿命时钟清除的故障发生机制,以及基于智能体行动图和状态跃迁的维护保障行为建模机制。其后,给出基于蒙特卡洛和多维性能判据的效能仿真评估技术。最后,给出基于高精度效能仿真的参数分析、权衡、比较和优化技术,支持可靠性要求仿真确定。从而打破相似法、经验型等传统可靠性要求论证模式的局限性,为新型装备研制自主创新奠定必要基础。

4.2 模型驱动的通用质量特性综合设计技术

"V"模型的左侧是模型驱动的通用质量特性综合设计,其目的是将基于效能仿真捕获的可靠性指标要求自顶向下分配到产品各个层级,同时生成相应的数字设计方案。随着MBSE概念模型的持续发展,我们形成了以故障统一建模及其消减控制为核心的通用质量特性设计技术体系,如图5所示。在MBRSE的模型体系随统一模型演化过程中,逐步实现产品的通用质量特性设计,重点解决三类故障的识别与消减。

图5. 基于故障模型及其控制的通用质量特性设计

(1)功能故障识别与消减

从功能消失、下降、不连续、不期望等多个线索渐近识别每项功能的潜在故障模式,同时考虑功能故障影响的传递关系,建立功能故障模型。然后,综合考虑故障模式发生的可能性、后果以及单一故障消减可能引起的关联故障增、消、控的情况,确定关键、重要故障模式关联集,并通过闭环消减控制以确保相应的设计改进措施或使用补偿措施能够有效落实。

(2)物理故障消减与控制

基于功能故障模型及功构映射关系,以仍未消除的功能故障为线索,结合物理模型内部的物理化学过程、元器件/原材料/零部件特性、温度/振动等内外载荷,渐近识别物理故障模式。然后结合机械、电子、软件等各类物理单元的故障机理,并考虑单一物理故障消减可能引起的关联物理故障增、消、控及系统故障消减情况,确定关键重要物理故障关联集,再结合物理故障消减机制实施物理故障的闭环消减控制,以确定或优化对应物理单元的设计参数,消除深层次的物理故障原因,避免其发生或使其受控。

(3)系统耦合故障消减与控制

围绕系统综合过程中,产生的接口故障、传递故障、误差传播故障以及潜在功能故障等,在系统级综合识别相应系统级故障。系统级故障通常为耦合故障,需要综合考虑故障及其关联故障进行消减控制。

4.3 实物试验/虚拟仿真相结合的多层级通用质量特性试验验证

在产品集成过程中,从设备级开始,需逐级向上进行系统级、装备级和装备系统级的集成验证。重点是在相关层级开展故障/缺陷相关测试以及薄弱环节分析,既验证已识别故障/缺陷的消减情况,也进一步识别新的故障/缺陷。在此基础上,基于各类试验获取的数据进行六性和效能的验证。

随着仿真技术的进步,目前普遍采用实物试验与虚拟仿真相结合的方式进行验证。如在设备级可以开展多应力综合可靠性试验、可靠性仿真试验。在系统级可以开展系统多应力综合加速试验(HALT/ HASS)、基于虚拟样机的六性评估。在装备级,可以开展整机试验、多源数据可靠性评估,可用性仿真等,在装备系统可以进行真实任务实测验证或虚拟效能仿真(包括全虚拟/人在环/硬件在环/数据驱动等类型)。

4.4 以健康管理为中心的运维

"V"型右上方表示以PHM技术为核心的产品运维过程。PHM技术是可靠性工程领域的创新发展和重要补充,可以与通用质量特性方法进行有机集成。它聚焦运维管理,又同时跨越了研制、运行和维护等阶段。在产品研制阶段,需要开展PHM系统设计与验证,包括构建PHM指标体系,建立全要素的体系构型,突破空间维、时间维和症状维等关键故障检测和预测技术,并基于各类工具手段完成PHM系统研制。这一过程中要注重与功能、性能以及其他通用质量特性工作协调。

在运维阶段,基于自主保障的理念,以任务为驱动,以健康状态为依据,通过故障预测,合理规划维护任务和保障资源,提前调度从提升或保持装备的健康状态,并降低维护保障费用。

4.5 多线索流程闭环管控

各类通用质量特性设计工作均涉及到人、数据、任务和资源的交互,因此需要高效的流程管控确保综合设计过程协调有序。具体来说,包括三条线索:

(1)基于通用质量特性定量指标分配和预计/评价的线索,这是研制方对用户方需求实现的核心,各类定量要求是设计的硬约束。

(2)基于定性通用质量特性准则的贯彻和符合性检查的线索,这是研制方通用质量特性设计经验的积累和重用,可以有效提高相似产品的六性水平;

(3)基于故障闭环消减的线索。对于产品新原理、新工艺、新材料以及系统综合带来新的故障进行识别、消除或控制其影响后果。

5 MBRSE平台与RSE推广应用情况

5.1 MBRSE平台

为推动RSE技术体系有效落实,北航可靠性工程研究所持续建设相关数字平台。目前,正在攻克多层多维可靠性数据可视化、多维故障数据本体、柔性流程指令链、故障全域识别与闭环消减控制、可靠性知识图谱构建与挖掘等关键技术,打造第四代RSE平台,即MBRSE平台。该平台的核心工作由10余个模型驱动软件所构成工具联盟完成,可大幅减少可靠性工作项目,提高工作成效。此外,还集成有具有存储、挖掘、智能推送功能的通用质量特性基础知识系统,以及支持全设计域通用质量特性要求实现过程的动态可视化监控与决策系统,整体架构如图6所示。该平台技术集成与管理集成相统一,可融入数字化研制环境,并具有国际领先水平。

图6. MBRSE平台

5.2 RSE的推广应用

中国可靠性系统工程已实践超过25年,经历了转变观念、提高认识,型号试点、摸索经验,需求牵引、技术推动,全面启动、迎接挑战,突出重点、专项整改把握规律、制定法规,机制建设、基础保障,节点控制、定型把关,平台推广、能力建设,质量提升,规划纲要等一系列过程。当前,我国已构建了较完整的可靠性系统工程军用标准体系(46项),形成了能覆盖各类装备、各个阶段研制需求的可靠性工程技术体系,研发了配套的工具和手段(如可靠性设计分析软件、可靠性试验评价设备、元器件检测筛选设备、软件评测系统等),建立了丰富的工程数据库,产生了许多典型的工程实践范例,培养了一批专业化的技术人才。

现阶段,可靠性系统工程已在军工行业全面应用,形成了一批以预防为主式、过程融合式、事后补课式等为代表的典型应用模式,如航母工程、歼十工程、大运工程等。同时,RSE正在向大飞机、高铁、新能源、高端制造业等民用领域逐步推广应用。

以航母工程为例简要说明如何运用MBRSE实现通用质量特性设计。在需求论证阶段,构建基于多智能体的航母效能仿真模型,建立航母效能与其组成要素通用质量特性间的有机联系,进而通过参数权衡确定舰载机和航保系统的通用质量特性研制要求。在工程研制阶段,建立统一通用质量特性数据模型确保不同研制机构、不同设计阶段、不同产品层级和不同特性之间的数据共享一致以及可追溯性。同时,将舰载机和航保系统通用质量特性要求向下逐层分解设备级通用质量特性要求,并建立基于功能、物理结构与可靠性的统一模型,实现多层级产品的功能、性能、可靠性协同与优化设计。同时,基于虚拟验证模型对舰载机的通用质量特性进行装置级、设备级、系统级验证,发现薄弱环节分析,支持设计迭代。该验证可有效降低未来实物试验的工作量,从而大幅降低成本。在使用阶段,利用PHM技术、智能运维技术等为航母使用维护提供全方位支持。

6 结论

结 本文回顾了国内可靠性系统工程近30年的发展历程。RSE的基础理论和基础技术强调数理协同和集成优化,目前呈现出从基于概率统一到基于故障物理,再到两者融合发展的趋势。而RSE的应用技术,则强调学科交叉、专业融合的发展思路。目前已发展到健康工程阶段:“优生、优育”并重,以故障为核心,以健康为目标,以防诊治为手段,以性能与可靠性综合设计/PHM集成平台为支撑(MBRSE+PHM),从“以可靠性为中心的维修”向“以健康为目标的智能预测与健康管理”转变;从追求无故障的完美阶段,向“允许带病生存而保障健康”的实用阶段转变。

目前一些代表性方向包括:

(1)跨尺度的通用质量特性综合设计,重点是宏观化的效能、微观化的机理和智能化的过程。体系级:发展智慧装备体系效能仿真分析与设计优化,装备级:研究按需提供初步设计模型、智能识别故障并提供消减方案的通用质量特性智能设计,设备级:多物理场、多视角、新工艺、新材料等综合设计技术。

(2)可靠性数字孪生,重点是构建覆盖设计、制造、运维建立全寿命周期全过程以及设备、装备、体系多个层级的可靠性数字孪生,从而实现可靠性数字孪生体和产品物理实体的同步交付。最终在运维阶段实现基于个体状态的体系健康态势精确感知和动态运维决策。

(3)基于认知计算的健康评估、故障诊断与预测技术,目的是提高全寿命周期产品的增强感知和认知能力以及故障预测能力。

(4)质量信息交换平台-中国版GIDEP,建设军方、政府与工业界联合的质量信息交换平台。定期/实时交互工程数据、故障经验数据、可靠性维修性数据、计量数据等。挖掘大量沉积质量数据,通过质量数据交换获取更高收益。

在未来,应以RSE集成平台为载体,通过试点推广、全面推广和升级推广的方式逐渐实现RSE技术体系在军民行业的全覆盖。在这一过程中,还需实现RSE技术水平从规范能力到量化能力再到优化能力的不断提升。

摘要

This study provides a systematic overview of the advent and evolution of reliability systems engineering (RSE) in China, and the latest RSE development, that is, model-based RSE (MBRSE), is emphatically introduced. The establishment of the system architecture and conceptual models of MBRSE is first described. The fundamental theory and methodology of MBRSE are then elaborated, with a V-model as the core of this approach. The development of various MBRSE platforms and the effectiveness of their implementation over the past 30 years are presented. The prospective trends in the development of RSE in China are outlined.

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