山东大学学报 (工学版)

短视频场景分类方法综述

聂秀山,巩蕊,董飞,郭杰,马玉玲

2024, 54(3): 1-11. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.109

摘要 ( 176 )

PDF (4309KB) ( 96 )

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传统的视频场景分类方法习惯于从视觉模态中提取表现图像场景的特征,结合支持向量机等有监督学习方法,实现对某些类别的场景分类。随着各种短视频在各大平台迅速涌现,基于短视频特性的场景特征表示越来越受到研究者们的关注。由于短视频数据具有噪声、数据缺失、各模态语义强度不一致等问题,导致传统的视频场景表征方法无法学习具有丰富语义的短视频场景表征。近年来,部分短视频场景分类的研究考虑上述挑战,并提出相应的方法。本研究综述短视频场景分类的研究现状,介绍短视频场景特征表示和分类方法,对不同数据集上的场景分类方法进行分析。针对现有方法存在的问题,分析未来短视频场景分类中需要解决的挑战性问题。

面向密度峰值聚类的高效相似度度量

王丽娟,徐晓,丁世飞

2024, 54(3): 12-21. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.107

摘要 ( 133 )

PDF (12328KB) ( 85 )

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针对密度峰值聚类(density peaks clustering, DPC)计算复杂度高的问题,提出一种面向密度峰值聚类的高效相似度度量(efficient similarity measure, ESM)法,通过仅度量最近邻之间的相似度构建不完全相似度矩阵。最近邻的选择基于一个随机第三方数据对象,无需另外引入参数。基于ESM法构建相似度矩阵,提出一种改进的高效密度峰值聚类(efficient density peaks clustering, EDPC)算法,在保持准确率的同时提高DPC识别聚类中心的效率。理论分析和试验结果表明,ESM法通过减少一定不相似的相似度,可以有效提高DPC及其改进算法基于K最近邻的密度峰值聚类(density peaks clustering based on K-nearest neighbors, DPC-KNN)和模糊加权K最近邻密度峰值聚类(fuzzy weighted K-nearest neighbors density peaks clustering, FKNN-DPC)的计算效率,具有较强的可扩展性。

基于Gromov-Wasserstein最优传输的输电线路小目标检测方法

索大翔,李波

2024, 54(3): 22-29. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.098

摘要 ( 93 )

PDF (2898KB) ( 261 )

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针对输电线路无人机线路巡检场景中目标检测算法在处理线路缺陷、零部件缺失等小目标时性能严重下降的问题,从标签分配角度提出新的损失函数,提高小目标检测的准确性和效果。区别于传统目标检测方法,将每个目标预测框视为高斯感受野,将真实值视为高斯热图,通过计算2个高斯分布之间的距离进行标签分配;提出利用Gromov-Wassertein最优传输引导模型学习,该方法可以建立在现有的检测模型之上。对多个输电线路目标检测数据集进行试验,结果表明,采用高斯感受野和最优传输的标签分配方案在输电线路巡检中的小目标检测方面具有良好的效果。

基于点云处理网络的三维颜面正中矢状面预测模型

刘真光,朱玉佳,王勇,傅湘玲,赵一姣,陈晋鹏

2024, 54(3): 30-35. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.169

摘要 ( 101 )

PDF (3192KB) ( 184 )

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设计一种基于点云处理网络的三维颜面正中矢状面预测模型(facial midsagittal plane prediction network, FSPNet),实现三维颜面正中矢状面端到端自动化预测。FSPNet模型以三维颜面点云数据为输入,利用点云处理网络提高数据处理效率。它包含3个模块:全局特征编码模块从点云整体结构提取全局特征;局部特征编码模块从点云局部空间结构提取局部特征;正中矢状面预测模块聚合全局特征和局部特征,输出正中矢状面平面参数。借助点云编码模块,模型能够从不同角度充分挖掘颜面点云数据空间信息,实现点云特征全面提取。在真实颜面数据集上的试验结果表明,FSPNet模型具有优秀的性能,点云编码模块能够准确提取颜面点云特征,模型预测效果明显优于临床广泛使用的迭代最近点关联法,充分验证了FSPNet模型的有效性。

基于类权重和最小化预测熵的测试时集成方法

宋辉,张轶哲,张功萱,孟元

2024, 54(3): 36-43. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.154

摘要 ( 98 )

PDF (5369KB) ( 90 )

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针对传统集成学习方法忽略不同样本需使用不同模型权重的问题,提出一种基于类权重和最小化预测熵(class and entropy weights, CEW)的测试时集成方法。类权重为模型预测结果与验证集上各类概率对错分布的相似度,利用欧氏距离计算相识度;在最小化熵过程中,线性组合模型预测经过类权重模块加权后的输出,寻找最小预测熵对应的线性组合作为熵权重,提高集成模型预测能力。试验结果表明:在4个公开医学图像数据集上,CEW方法与最优单一模型相比,平均召回率提高0.23%~2.81%,准确率提高0.5%~2.54%;与DS方法相比,CEW方法平均召回率最多提高1.25%,准确率最多提高1.1%。基于CEW的测试时集成方法能够在测试时(无标签情况下)动态调整模型权重,比同类方法的预测精度更高。

基于多尺度特征模糊卷积神经网络的遥感图像分割

马翔悦,徐金东,倪梦莹

2024, 54(3): 44-54. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.001

摘要 ( 121 )

PDF (20230KB) ( 210 )

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为解决高分辨率遥感图像“同谱异物、同物异谱”的不确定性以及大量空间信息利用率低的问题,提出一种基于多尺度特征的模糊卷积神经网络模型。该模型在长跳跃连接部分加入模糊学习模块去除噪声特征,缓解类别间的不确定性;利用多孔空间金字塔池化融合多尺度特征,提取完备的空间上下文信息,提升分割性能。试验结果表明,该模型在Potsdam数据集和Vaihingen数据集上的整体准确度分别达到92.65%和93.19%,明显优于现有流行的深度学习模型,能够显著提升高分辨率遥感图像的语义分割性能。

基于联邦学习的时间序列预测算法

刘新,刘冬兰,付婷,王勇,常英贤,姚洪磊,罗昕,王睿,张昊

2024, 54(3): 55-63. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.217

摘要 ( 240 )

PDF (2608KB) ( 85 )

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为应对不断升级的数据隐私保护需求,提出一种基于分布式场景下的时间序列预测算法。该算法主要改进体现在以下两个方面:在客户端模型本地训练阶段,通过正则化项约束本地模型训练方向,解决本地模型漂移问题;在全局模型聚合阶段,提出客户端贡献估计策略,根据客户端贡献程度分配权重,保护客户端协作公平性,提升全局模型泛化能力。为验证改进后算法有效性,在ETTh1数据集、ETTm1数据集和Weather数据集上将其与基线联邦学习算法FedAvg对比。试验结果表明,改进后算法在ETTh1数据集上均方误差E_MS平均降低2.99%,在ETTm1数据集上E_MS平均降低3.57%。在算法中加入正则化项和客户端贡献估计策略,E_MS分别下降0.84%和2.78%,同时加入这两个模块,E_MS降低3.03%,验证提出的算法在预测性能方面表现出更高预测准确性。

基于颜色和纹理特征的立体车库锈蚀检测技术

岳仁峰,张嘉琦,刘勇,范学忠,李琮琮,孔令鑫

2024, 54(3): 64-69. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.099

摘要 ( 87 )

PDF (5006KB) ( 22 )

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针对立体车库锈蚀检测的迫切需求,提出基于颜色和纹理特征的锈蚀检测新方法。利用高斯滤波和伽马变换解决锈蚀图片光照不均匀的问题。采用HSV(hue saturation value)色彩空间实现锈蚀的颜色特征筛选,提出基于灰度共生矩阵进行锈蚀纹理特征分析的方法,对锈蚀区域进行测量和形状分析。结合方向梯度直方图(histogram of oriented gradients, HOG)特征提取和支持向量机(support vector machine, SVM)算法实现了立体车库锈蚀检测。试验结果表明,该方法锈蚀识别准确率达到93.19%,实现了立体车库锈蚀表面的视觉检测,大大减少了外部环境的干扰。

基于岩体稳定的土岩双元基坑破坏模式

李连祥,韩志霄,张潇潇,陈家财

2024, 54(3): 70-80. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.024

摘要 ( 123 )

PDF (7095KB) ( 190 )

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为了探究土岩双元基坑的破坏模式及判定标准,依托具体案例,采用PLAXIS 3D有限元数值模拟软件,利用强度折减法,得到下卧岩体稳定时不同上覆土层厚度的4种基坑破坏模式演变规律和不同下卧岩体的基坑破坏模式判定标准。利用条分法推导出圆弧、圆弧-平面、切面和滑切破坏模式整体稳定性统一解析解,针对切面和滑切破坏模式,得到不同下卧岩体发生破坏时的临界上覆土层厚度,推导出保持岩体切角稳定的最小支护作用力计算公式。结合多个基坑工程案例进行验证,结果表明:土岩双元基坑的破坏模式有别于土体基坑,应充分考虑岩体的强度和稳定性。下卧岩体稳定时,随上覆土层厚度增大,土岩双元基坑的破坏模式逐渐从圆弧破坏向圆弧-平面、切面和滑切破坏过渡转变,破坏模式判定标准及稳定性解析解具有合理性研究结果,可以为土岩双元基坑合理支护提供支持和参考。

考虑中夹岩柱安全储备的深埋小净距隧道围岩压力计算方法

罗彦斌,王思涵,陈建勋,王传武

2024, 54(3): 81-93. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.043

摘要 ( 114 )

PDF (6857KB) ( 171 )

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针对深埋小净距隧道围岩压力计算存在中夹岩柱安全系数取值不准确的问题,从隧道施工过程中先行隧道开挖支护完成,后行隧道开挖但支护结构尚未闭合的状态出发,计算中夹岩柱极限承载力,采用强度折减法计算中夹岩柱安全储备系数,推导中夹岩柱对小净距隧道围岩压力分担作用表达式,建立考虑中夹岩柱安全储备的深埋小净距隧道围岩压力计算方法,通过算例验证该方法的合理性,分析净距对隧道围岩压力的影响。研究结果表明:本研究提出的围岩压力计算方法考虑了岩体参数、隧道跨度、工法等因素对中夹岩柱安全储备系数的影响,能更准确反映中夹岩柱对小净距隧道围岩压力的分担作用,某单洞四车道公路隧道Ⅳ级围岩段修正的中夹岩柱承载力为10 324 kN/m,拱顶竖向围岩压力为264 kPa;某两车道公路隧道Ⅴ级围岩段修正的中夹岩柱承载力为2 430 kN/m,拱顶竖向围岩压力为251 kPa。修正算法均实现了对实测围岩压力的包络,并且较规范值分别减小了6%和29%。根据本研究提出的算法,Ⅲ级围岩段四车道、三车道、两车道隧道围岩压力不受小净距影响的临界净距分别为0.6B_4lanes、0.7B_3lanes、0.7B_2lanes,Ⅳ级围岩段分别为1.2B_4lanes、0.9B_3lanes、0.9B_2lanes,Ⅴ级围岩段三车道和两车道隧道临界净距分别为1.8B_3lanes和1.2B_2lanes。

一种新型装配式混凝土剪力墙等效平面桁架模型

樊禹江,丁佳雄,黄欢欢,廖凯,许锦宝

2024, 54(3): 94-102. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.054

摘要 ( 106 )

PDF (17059KB) ( 83 )

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针对一种具有一定地震响应自适应能力的新型装配式剪力墙的墙体,提出一种等效平面桁架模型非线性分析方法,有效解决传统的建模方法效率低下、提取的结构刚度和质量矩阵的阶数过大,影响后续结构振动控制系统调用的问题。对两种由不同水平连接装置连接而成的新型装配式剪力墙进行加载试验;通过刚度等效将矩形平面微元体简化为等效平面桁架单元,通过强调等效原则对混凝土应力-应变关系进行修正;结合装配式剪力墙等效平面桁架模型的特点,提出一种适用于该模型的破坏准则和一种裂缝处理方法。将新型装配式剪力墙等效平面桁架模型的模拟结果和试验结果进行误差分析,结果表明,所建等效平面桁架模型能够快速提取结构刚度、质量矩阵;单向推覆所得结果与试验特征荷载平均相对误差为4.0%,与ANSYS和ABAQUS传统有限元模拟结果特征荷载平均相对误差分别为2.3%和2.7%,但计算时间分别降低了60%和64%。所建立的新型装配式剪力墙结构等效平面桁架模型能够适用于后续结构振动控制中,且精度较高。

异形钢管混凝土轴压短柱力学性能

罗靓,晏宇翔,吕辉,张成明

2024, 54(3): 103-114. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.178

摘要 ( 95 )

PDF (14137KB) ( 48 )

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基于已有混凝土三轴塑性-损伤本构模型和钢材弹塑性本构模型,建立L形、T形、十字形3种异形钢管混凝土轴压短柱的三维实体精细有限元模型。在已有试验验证的基础上开展参数分析,对比钢管强度、混凝土强度、腹板高厚比和钢管壁厚对荷载-位移曲线的影响。结果表明:当钢管屈服强度或钢管壁厚增大时,柱的极限承载力明显增大,延性更好;当混凝土强度等级或腹板高厚比增大时,柱的极限承载力增大,但延性变差。确定了3种短柱达到极限承载力时的约束区与非约束区面积及其对应的混凝土Mises平均应力,提出考虑约束系数的承载力实用计算公式,此约束系数主要与腹板高厚比有关。将此公式计算得到极限承载力与试验值、有限元值对比,证明了公式的精确性和有效性,可用于3种异形钢管混凝土轴压短柱的承载力计算。

采用雷视融合方法的灌溉风险区异物入侵风险预警

陈晓燕,王川,齐明杰,张宁,林晓龙,霍延强,刘世杰,田源

2024, 54(3): 115-121. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.092

摘要 ( 97 )

PDF (2950KB) ( 158 )

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针对传统灌溉渠异物入侵监测方法检测精度低、时效性差、夜间巡检不全面、危险性高等问题,提出一种基于雷视融合的灌溉区异物入侵监测方法。针对灌溉区周边行人、动物等小目标误检及特征提取能力不足等问题,提出一种基于YOLOv5改进的小目标识别算法,提高对灌溉区周边小目标检测能力。通过实际场景测试试验,本研究提出的灌溉区雷视融合监测方法和改进的基于YOLOv5的小目标识别算法,识别精确度达到93.26%,监测范围是设备周围360°,有效提升了不同时间段下的异物入侵监测能力,验证了该方法的准确性。

电力系统实时调频仿真与教学实验设计

李常刚,陈浩然,张慧,张文,张恒旭

2024, 54(3): 122-131. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.097

摘要 ( 109 )

PDF (13810KB) ( 33 )

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为提高电力系统分析课程的教学质量,加深学生对频率动态过程的系统性理解,基于电力系统仿真工具包(simulation toolkit for electrical power systems, STEPS)开发实时仿真功能,可视化展示系统中各电气量的动态响应曲线。结合频率教学相关内容,模拟实际电网的自动发电控制策略,构建电力系统实时调频仿真实验案例,分别模拟电力系统一次调频和二次调频过程。该仿真系统和实验为学生提供交互式模拟频率动态过程的机会,加深学生对所学知识的理解,引导学生参与实验设计并自主优化调频策略,提高学生的基本科研素质。

风冰荷载作用下输电塔-线体系参数敏感性分析

张亮,牛凯,罗贤超,张思遥,裴浩威,唐亚可,田利

2024, 54(3): 132-140. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.058

摘要 ( 109 )

PDF (10360KB) ( 158 )

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建立风速与覆冰厚度的联合概率分布模型,计算考虑不同重现期的灾害作用组合值和组合系数。基于角钢构件现象学滞回模型,开展覆冰输电塔-线体系的风致倒塌破坏研究,并考虑结构参数不确定性开展敏感性分析。结果表明,风速范围在5~10 m/s、覆冰厚度在10~20 mm时,覆冰期年极值风速和年最大覆冰厚度均符合广义极值分布(generalized extreme value, GEV)。在风、冰荷载的共同影响下,输电塔-线体系的杆件破坏集中在塔腿处,主材失效是结构倒塌的主要原因,且覆冰输电塔-线体系在敏感性分析中的屈服强度和弹性模量对结构临界倒塌风速影响最大,风攻角0°和30°的敏感性程度要大于45°和90°。

基于A^*算法的输电线路组塔施工吊装路径规划方法

张飞凯,夏拥军,秦剑,游溢,彭飞

2024, 54(3): 141-148. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.104

摘要 ( 73 )

PDF (9663KB) ( 39 )

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为提高双平臂落地抱杆的吊装效率,降低线路施工安全风险,提出一种基于A^*算法的输电线路组塔施工吊装路径规划方法。将三维空间中的吊装路径规划问题简化为水平面和铅垂面2个二维平面内的路径寻优问题,通过动力学仿真研究吊件摆动幅度和消摆时间对吊装路径的影响,在进行施工现场环境中心对称建模的基础上,基于A^*算法和仿真结论对吊装路径进行规划。实际工程应用结果表明,该方法可在约0.188 s内自动规划出双平臂落地抱杆两侧平衡起吊的优化吊装路径,可有效缩短吊装时间,保障线路施工的效率和安全性。

新农村能源系统供用能特征分析与运行优化

王超,潘麟,刘博,李申伟,马蕾娜,陈建泽,何斯强

2024, 54(3): 149-159. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.091

摘要 ( 90 )

PDF (7684KB) ( 138 )

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为促进农村能源系统对分布式能源的高效消纳,在供用能特征及可调潜力分析基础上,提出一种考虑各类可调资源运行特性的新农村能源系统运行优化方法,可在满足各类用能需求的同时促进分布式能源消纳。梳理各类用能负荷典型曲线及时变特征,分析其与分布式能源的协同配合潜力;考虑各类能量转换设备物理特性,建立状态转移模型及运行边界,以用能成本最低为目标建立能源系统运行优化模型;通过同类负荷聚合简化模型降低计算难度,基于Yalmip+CPLEX工具求解得到运行优化方案;以典型新农村能源系统为例验证所提方法效果。算例分析表明,所提方法可充分利用温控负荷、电转气负荷及电储能等可调资源促进分布式光伏消纳,相比基于规则的运行方式,弃光量降低约58%,用能成本降低约19%。

河流水质对浮游细菌和致病菌群落的影响

郝婕,张梦汝,张子璇,王洵,刘胜,周维芝

2024, 54(3): 160-170. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2024.052

摘要 ( 122 )

PDF (9417KB) ( 21 )

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针对浮游细菌和致病菌对河流水质的差异化响应问题,以人类干扰较少的怒江干流河段为研究对象,利用16S rRNA高通量测序技术分析了河流主要水质因子对水体中浮游细菌、致病菌群落结构及功能的影响。研究结果表明,怒江干流河段水质整体较好,其中氨氮浓度与总磷浓度分别达到地表水Ⅲ类、Ⅱ类的水质标准。黄杆菌属、不动杆菌属、假单胞菌属是怒江浮游细菌的优势菌属,其中不动杆菌和假单胞菌作为潜在致病菌具有较高的相对丰度。冗余分析表明,pH对浮游细菌和致病菌群落结构和功能的影响显著。结合氮代谢功能基因预测表明,较高浓度的氮和硅酸盐显著提升了致病菌的丰度,控制氮和硅酸盐的排放可降低水体致病菌富集。本研究揭示了河流中浮游细菌和致病菌对水质的差异化响应,对掌握河流浮游细菌群落变化特征及致病菌风险具有重要意义。

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