山东大学学报 (工学版)

基于进化集成的图神经网络解释方法

常新功,苏敏惠,周志刚

2024, 54(4): 1-12. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.273

摘要 ( 309 )

PDF (8454KB) ( 93 )

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针对图神经网络模型普遍缺乏可解释性问题,提出一种基于进化集成的图神经网络解释方法,为模型预测提供质量更高的解释。将当前主流图神经网络解释方法GNNExplainer和PGExplainer作为初级解释器,分别为模型预测提供初级解释;基于初级解释结果设计遗传算子,采用改进遗传算法集成两种初级解释结果得到最终解释。在4个真实数据集和4个合成数据集上进行广泛试验,从定性和定量两个角度对试验结果进行评估。试验结果表明,相较于同类算法,提出算法的准确度平均提高17%,忠实度平均提高20%。与传统集成学习融合策略相比,改进遗传算法作为集成器对解释方法的优化效果更为显著,所有指标整体平均提高29%。采用进化集成策略能够显著提高图神经网络解释算法的性能。

基于神经正切核草图的多核学习方法

王梅,许传海,王伟东,韩非

2024, 54(4): 13-20. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.163

摘要 ( 194 )

PDF (1066KB) ( 21 )

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为提高多核学习对大规模及分布不均衡问题的处理能力,提出一种基于神经正切核草图的多核学习方法(neural tangent kernel sketch multiple kernel learning, NS-MKL )。应用神经正切核代替单层核函数作为多核学习基核函数,提高多核学习方法表示能力;使用神经正切核草图算法对神经正切核进行近似,减少神经正切核的特征数量和特征维度,提高多核学习方法计算效率;使用核目标对齐计算每个近似神经正切核的基核权重,根据权重进行多核线性组合,得到多核决策函数。在3个UCI数据集上对神经正线核(neural tangent kernel, NTK)核支持向量机(support vector machine, SVM)与传统核SVM进行比较分析,NTK核SVM比传统核SVM预测准确率最低提高1.9%,精度最低提高2.0%,召回率最低提高2.0%。在3个UCI数据集上对NS-MKL与传统核MKL进行比较分析,NS-MKL比应用传统核MKL预测准确率最低提高2.0%,运行时间最低减少9 s。NS-MKL能提高预测准确率,降低计算速度。

基于贝叶斯优化的强化学习广义不动点解逼近

陈兴国,吕咏洲,巩宇,陈耀雄

2024, 54(4): 21-34. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.148

摘要 ( 169 )

PDF (1273KB) ( 25 )

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针对强化学习不动点的解更优这一问题,提出广义不动点解模型设计,该设计使用n步自举法的不动点解扩展和基于线性插值法的不动点解构造方法。将该设计应用于成熟的CBMPI算法框架上,提出基于广义不动点的CBMPI(n,β)算法。针对如何表达并逼近最优解这一问题,提出基于贝叶斯优化的广义不动点解的参数优化和基于集成学习的更高质量的解。在经典的10×10规模的Tetris游戏环境中验证算法提出的有效性。试验结果证明了基于线性插值法的广义不动点构造能比n步传统不动点效果好,其效果与其超参数步长n和插值参数β有很大关联。在100局的Tetris游戏中,平均分达到4 388.3,表明贝叶斯优化技术可以找到多组表现优异的策略。对表现优异的四组广义不动点的策略参数(贝叶斯优化技术的结果)进行策略集成和值函数集成,得到更高质量的解。平均分可以分别达到4 526.29和4 579.74,试验结果表明基于广义不动点的策略集成和基于广义不动点的值函数集成的分数相较于广义不动点的分数有小幅度提高,证实了可以通过集成学习寻找更高质量的解。

基于高斯分布和Householder flow的无监督图嵌入算法

刘国军,范天祥,王乃正,张正达,齐广智

2024, 54(4): 35-41. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.160

摘要 ( 119 )

PDF (2350KB) ( 75 )

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为更好地表示节点,提出一种新的图嵌入方法,将节点表示为由均值和方差构成的高斯分布,通过应用一系列可逆 Householder变换,将相对简单的分布转换为更灵活的分布,可以更好地捕获关于其表示的不确定性。为提高稳定性,采用Wasserstein距离进行分布之间的度量。试验结果表明,在多个基准数据集上,使用Householder变换的Graph2Gauss(G2G)算法比原始模型的链接预测表现更好。通过节点分类的效果可以看出,对于节点信息缺失的图,使用Wasserstein距离可以大幅增加节点分类的F₁分数。

基于改进多目标粒子群算法的储气库注气优化

杜睿山,井远光,孟令东,张豪鹏

2024, 54(4): 42-50. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.111

摘要 ( 160 )

PDF (3868KB) ( 144 )

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为减少储气库不合理注气导致的微震次数,保证储气库注气量最大,构建基于双向长短期记忆(bi-directional long short-term memory, BiLSTM)神经网络预测代理模型,降低微震次数和储气库有效应力的预测误差,提出一种精英进化多目标粒子群优化(elite-evolved multi-objective particle swarm optimizer, EMPSO)算法。采用基于排序分组策略对种群进行分组,并在每个分组内进行随机精英竞争学习,提高算法的多样性;引入精英聚集的思想,加快算法的收敛速度。基于BiLSTM模型和EMPSO算法对储气库注气过程进行优化,与其他3种多目标优化算法进行对比,将EMPSO算法应用于实际配产优化。结果表明,改进后的算法具有更好的Pareto前沿、更快的收敛速度,优化后微震次数和有效应力分别降低了9.78%和10.12%,对保障储气库安全和提高储气库储气量具有重要意义。

混合BERT和宽度学习的低时间复杂度短文本分类

陈晓江,杨晓奇,陈广豪,刘伍颖

2024, 54(4): 51-58. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.125

摘要 ( 166 )

PDF (2994KB) ( 26 )

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针对短文本分类任务效率低下和精度不高的问题,提出混合基于Transformer的双向编码器表示和宽度学习分类器(hybrid bidirectional encoder representations from transformer and broad learning, BERT-BL)的高效率和高精度文本分类模型。对基于Transformer的双向编码器表示(bidirectional encoder representation from transformer, BERT)进行微调以更新BERT的参数。使用微调好的BERT将短文本映射成对应的词向量矩阵,将词向量矩阵输入宽度学习(broad learning, BL)分类器中以完成分类任务。试验结果显示,BERT-BL模型在3个公共数据集上的准确率均达到最优;所需要的时间仅为基线模型支持向量机(support vector machine, SVM)、长短期记忆网络(long short-term memory, LSTM)、最小p范数宽度学习(minimum p-norm broad learning, p-BL)和BERT的几十分之一,而且训练过程不需要高性能显卡的参与。通过对比分析,BERT-BL模型不仅在短文本任务中具有良好的性能,而且能节省大量训练时间成本。

面向不平衡数据的提升均衡集成学习算法

白琳,俱通,王浩,雷明珠,潘晓英

2024, 54(4): 59-66. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.116

摘要 ( 118 )

PDF (4630KB) ( 35 )

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为有效解决欠采样技术在处理不平衡数据时的伪平衡问题,提出并设计一种基于欠采样的提升均衡集成学习算法。采用新的均衡采样机制,通过分箱操作协调数据的预测概率,生成高质量的训练子集,以此迭代训练分类器。基于基分类器在原始数据上的假阳性率和假阴性率,在迭代过程中自适应为其分配权重,避免性能较差的分类器影响整体决策,提高集成模型的泛化能力。新的算法能够在消除伪平衡的同时增加多数类样本的识别度,从而降低边界模糊对分类模型的影响。通过18组小型数据集和2组大型数据集的对比试验表明,该算法具有处理不平衡数据分类问题的优势。

融合数据增强和知识迁移的汉维跨语言命名实体识别

葛一飞,艾孜尔古丽,陈德刚

2024, 54(4): 67-75. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.112

摘要 ( 180 )

PDF (4152KB) ( 30 )

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针对维吾尔语命名实体识别任务数据匮乏的问题,提出汉维跨语言命名实体识别零样本迁移方法。采用一种简单有效的序列标记翻译方式,将源语言训练数据翻译为目标语言数据,避免词序变化和实体跨度不确定等问题,结合源语言数据和翻译后得到的数据,引入一种基于相似度计算的实体增强方法,可以有效提高文本生成质量,进一步增加样本的多样性。通过一系列广泛的试验,这些增强数据使少数民族预训练语言模型(Chinese minority pre-trained language model, CINO)能够更好地实现知识迁移目标语言的特定语言特征和多语言的语言独立特征,在多语言数据增强跨语言知识迁移模型上F₁值达到86.50%,相比于基线模型提升7.42%,证明融合数据增强和知识迁移的汉维跨语言命名实体识别的可行性。

基于异常点检测的心理健康辅助诊断方法

乔慧妍,段学龙,解驰皓,赵冬慧,马玉玲

2024, 54(4): 76-85. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2024.057

摘要 ( 165 )

PDF (3761KB) ( 49 )

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采用异常点检测算法研究心理健康辅助诊断任务,提出并设计一种基于异常点检测的心理健康辅助诊断方法,有效识别心理沙盘数据中的异常样本。在构建心理健康辅助诊断模型过程中,分析数据特性,提取与用户心理健康状况高度相关的特征,构建虚拟心理沙盘数据集;使用4种传统异常点检测算法,识别沙盘数据集中异常样本,设计融合策略,集成不同算法检测结果,提高异常样本检测精准性和效率,辅助人类专家进行精确诊断;对模型预测性能和结果进行详细分析,结合基线模型进行对比评价。试验结果表明,基于异常点检测的心理健康辅助诊断方法在沙具使用相似度、距离度量、聚类性能等3项指标上获得较好性能。

基于自适应线性模型的环境数据预测算法

王凤娟,王语睿,卫兰,范存群,徐晓斌

2024, 54(4): 86-94. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.287

摘要 ( 160 )

PDF (4182KB) ( 35 )

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针对环境大数据在智慧城市应用中的实时性和准确性问题,提出一种基于自适应线性模型的环境数据预测算法。根据气象数据的实时变化情况对模型进行训练,自适应调整训练窗口大小,并在训练态与预测态之间动态实时切换,使模型具有较强的适应环境的能力。该算法具有较低的时延和较小的计算开销,可以在传感器节点上直接部署,满足数据预测的实时性需求。在真实环境数据集的基础上构建仿真试验,相比固定窗口模型,该算法数据预测误差降低17.4%以上,环境数据采集能耗降低80%以上,平均时延降低超过50%;相比已有的机器学习算法,训练及预测时间降低37%以上。

城市硬岩下地铁隧道管片壁后注浆隔振优化分析

郭海坡,文毅然,杨为民,丁万涛

2024, 54(4): 95-105. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2024.030

摘要 ( 114 )

PDF (12844KB) ( 25 )

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为了研究硬岩地层叠落隧道管片壁后注浆隔振处理措施,并为隔振材料研究提供基础。结合工程实际,将注浆隔振等效为注浆阻尼,采用有限元模拟分析法,研究隧道管片壁后注浆层不同阻尼比对地铁列车振动荷载的隔振效果影响。研究结果表明:当注浆层阻尼比从0.05增大到0.50,隧道结构上的最大竖向加速度变化率达到14.6%,周边岩土体的变化率达到了60.3%;由于加速度随阻尼比改变的变化率逐步降低,当阻尼比到达0.50时,此改变效果已经达到影响极限的80%,故可以将注浆层阻尼比控制在0.50以内,以达到最大的优化效率及经济效益。

基于MatDEM的松散地基喷浆加固浆液扩散规律

郭静,赵振华,马梦媛,史长远,姚占勇,赵秋红,姚凯

2024, 54(4): 106-114. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.183

摘要 ( 150 )

PDF (19863KB) ( 104 )

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为分析松散地基喷浆加固过程中浆液扩散规律,借助MatDEM软件生成模拟土层,基于孔隙密度流原理实现喷浆过程可视化,生成土体颗粒位移场。从现有成桩直径预测公式出发,分析基于极限侵蚀距离的成桩直径预测公式的可靠性,基于模拟结果,通过分析喷浆压力、颗粒粒径等对修正参数的影响,对成桩直径预测公式进行修正,将现场试验中双管法旋喷喷浆施工参数及原位土体力学参数带入修正后成桩直径预测公式计算,与现场试验桩体开挖后实测直径进行对比,验证了修正公式的可靠性。

氯盐干湿循环下风积沙混凝土微观结构演变

董伟,朱相茹,王雪松,周梦虎

2024, 54(4): 115-121. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.117

摘要 ( 159 )

PDF (7856KB) ( 25 )

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为探究干湿循环作用下风积沙混凝土内部微观结构的演变规律,试验采用河砂质量的0、25%、50%、75%及100%的风积沙替代河砂制备混凝土,在NaCl质量分数为3.5%的溶液中进行干湿循环试验。利用扫描电镜、核磁共振等技术对氯盐干湿循环作用下风积沙混凝土(aeolian sand concrete, ASC)的微观结构及氯离子侵蚀机理进行分析。结果表明:随风积沙质量分数增大,ASC内部自由氯离子质量分数先减小后增大;随侵蚀深度的增加,自由氯离子质量分数逐渐减小;氯盐干湿循环使ASC内部产生了大量盐结晶,结晶压力造成ASC内部孔结构劣化,核磁共振T₂图谱不断右移,其中采用河砂质量的100%的风积沙替代河砂的混凝土(A100)在氯盐干湿循环过程中损伤最严重。

海水环境下硫酸盐侵蚀钙质砂注浆体试验研究

孙悦,张文亮,张建鹏,王蕾,李鹏,杨飞宇,何灵垚

2024, 54(4): 122-130. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.192

摘要 ( 134 )

PDF (7486KB) ( 31 )

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为研究硫酸根离子侵蚀效应对钙质砂吹填岛礁注浆加固钙质砂地基服役性能的影响,采用耦合温度和离子浓度的加速侵蚀方法,基于海水侵蚀试验装置开展不同水泥类型、侵蚀时间、水灰比条件下硫酸根离子对于注浆结石体性能的弱化试验。获得海水中硫酸根离子对注浆结石体力学性能及渗透性能的影响规律,并对侵蚀后的注浆结石体进行微观测试,揭示硫酸根离子对钙质砂注浆结石体的侵蚀弱化机理。试验结果表明,硫酸根离子渗透注浆结石体内部与水化反应产物发生反应生成石膏以及钙矾石等产物引发注浆结石体发生侵蚀破坏,而动水环境会加剧硫酸根离子对注浆结石体的侵蚀弱化效应,动水侵蚀组结石体在侵蚀时间为3.28 a时,抗压强度为5.41 MPa,较淡水对照组降低23.9%;渗透系数为7.159×10^-5 cm/s,较淡水对照组增大6.691×10^-5 cm/s。

NaOH改善粉煤灰混凝土微结构及抗风蚀-冻融耐久性能

张启懿,邹春霞,郭晓松,宋育鑫,郑建庭,赵溢

2024, 54(4): 131-140. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.181

摘要 ( 173 )

PDF (8443KB) ( 37 )

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为改善水工混凝土风蚀-冻融耐久性能,提高固废粉煤灰的利用率,选择NaOH碱性激发剂制备加碱粉煤灰混凝土。通过红外光谱试验、核磁共振试验、室内冻融和风蚀-冻融试验研究常温养护下加碱粉煤灰混凝土反应产物、孔隙特征及抗冻、抗风蚀-冻融耐久性劣化规律。结果表明:常温掺加质量分数为5%的NaOH有利于激发粉煤灰活性,提高其对水泥的替代率;加碱后红外光谱中粉煤灰玻璃体的特征峰消失,出现了N-A-S-H凝胶的典型特征峰且凝胶聚合度更高;核磁共振中相应的T₂谱起始弛豫时间和谱面积均减小,孔结构更优;粉煤灰替代率为40%,NaOH质量分数为5%时混凝土的孔隙结构优于粉煤灰替代率为20%的普通混凝土。以相对动弹性模量为指标,建立加碱粉煤灰混凝土耐久性指标的优化残差-马尔可夫(Markov)模型并对其服役寿命进行预测,相对误差在5%左右,证实了常温条件外加碱性激发剂有助于提高粉煤灰在胶凝材料中的使用率,改善混凝土的抗风蚀-冻融耐久性能,为风蚀严寒区绿色水工混凝土的开发、推广提供理论支撑。

吸水土工布对路基湿度控制效果的数值模拟

马川义,冯豪杰,蒋红光,侯天新,姚占勇,杨为民

2024, 54(4): 141-149. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.056

摘要 ( 148 )

PDF (7811KB) ( 26 )

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针对我国典型的粉质黏土填料路基,提出采用新型吸水土工布来控制细粒土路基内部湿度,通过对比铺设吸水土工布前后路基内部体积含水率和基质吸力的空间分布,评价吸水土工布对路基湿度的控制效果。基于压力板仪等室内试验获得吸水土工布水力参数,通过COMSOL有限元软件建立路基水汽迁移分析模型,获得不同水位条件下(2、4、6、8 m)路基内部体积含水率和基质吸力的空间分布特征,分析路基内部水分迁移模式和吸水土工布的吸排水机理。结果表明:新型吸水土工布具有较强的亲水性、较低的持水性和较高的水平渗透性;吸水土工布对路基湿度具有较好的控制效果,土工布界面上下的含水率和基质吸力发生明显突变;相比于无土工布路基,4~8 m处地下水位吸水土工布上方土体体积含水率显著降低7.6%~9.6%,基质吸力增加2~2.3倍,路基动态回弹模量提高23.2%~43.6%;吸水土工布凭借形成的基质吸力差和自身的水平导水能力,可快速吸排出非饱和土中的弱结合水。水土工布可有效控制毛细水上升导致的路基湿化,并能提高路基的支撑能力。

地方政府和高速公路经营者低碳行为的演化博弈分析

高艳艳,周童,王旭,高洁,戴荣健

2024, 54(4): 150-158. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.106

摘要 ( 156 )

PDF (4893KB) ( 33 )

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为促进高速公路低碳运营,基于演化博弈理论研究地方政府和高速公路经营者在碳排放配额政策和奖惩机制下的低碳行为变化,通过主体行为影响因素选取构建、求解和分析双方演化博弈模型,并借助MATLAB软件开展仿真分析,研究不同奖惩机制和合作程度对演化结果的影响以及博弈主体行为选择初始概率、奖惩系数分别对演化过程的影响。结果表明:地方政府对高速公路经营者实施碳排放配额政策和运行奖惩机制能够促进政企双方共同参与高速公路运营降碳,且奖惩机制根据政企合作程度动态调整的效果直观有效;地方政府实施碳配额政策且经营者合法排放的初始概率越接近1,双方合作推动高速公路低碳运营的速度越快;碳配额政策实施初期运行高奖惩系数(θ1=0.15,θ₂=0.15)机制会加速高速公路低碳运营。

山东省综合能源系统可持续发展能力评价

梁涛,刘亚祥,杨硕,徐越,王庆松

2024, 54(4): 159-168. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2023.180

摘要 ( 167 )

PDF (1085KB) ( 30 )

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为有效规划和管理能源资源,促进区域可持续发展,以山东省为研究对象,构建山东省综合能源系统可持续发展能力评价指标体系,利用熵权法量化可持续发展能力。研究结果表明:山东省综合能源系统的经济、环境和社会子系统的可持续发展能力持续升高,资源子系统的可持续发展能力有降低发展趋势,煤炭消耗量、用电量及较高的第二产业占比等是制约山东省综合能源系统可持续发展水平提高的重要因素。山东省应提高第三产业和高新技术产业占比,积极发展新能源和可再生能源,进一步优化电力生产结构与能源消费结构,为山东省综合能源系统高质量可持续发展助力。

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