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基于改进U-Net的工业烟尘图像分割方法研究

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基于改进U-Net的工业烟尘图像分割方法研究

作者：张大锦昆明理工大学

学位级别：硕士

随着工业化进程的快速发展,工业烟尘排放量逐渐增加,污染环境的同时也在危害人体健康。因此,有效控制工业烟尘的排放能够降低工业烟尘对人体健康的危害和环境的污染。烟尘浓度是工业烟尘污染等级监测的重要评判指标,基于林格曼烟气黑度... 详细信息

随着工业化进程的快速发展,工业烟尘排放量逐渐增加,污染环境的同时也在危害人体健康。因此,有效控制工业烟尘的排放能够降低工业烟尘对人体健康的危害和环境的污染。烟尘浓度是工业烟尘污染等级监测的重要评判指标,基于林格曼烟气黑度图的计算机图像处理方法,由于其具有成本低准确率高等特点,已经成为工业烟尘浓度监测的主要方法,在该方法中实现烟尘区域的准确分割是所有环节中最重要也是最难的部分。工业烟尘是一种非刚性物体,容易受到自然环境的影响,呈现出形状、方向、大小多变以及边缘细节模糊等特点,导致现有图像分割方法对目标烟尘区域的分割不准确。U-Net网络可以通过端到端的快速训练,实现像素级的工业烟尘分割,但对于形状、方向、大小多变以及边缘细节模糊的烟尘,存在烟尘分割不够准确的问题。本文针对此问题对U-Net网络进行改进,开展了以下研究:(1)提出一种A-ASPP跳跃连接U-Net的工业烟尘图像分割方法。针对工业烟尘具有形状和大小多变的特点,导致在特征提取过程中存在烟尘上下文信息提取困难分割不准确的问题,提出一种注意力ASPP(Attention Atrous Spatial Pyramid Pooling,A-ASPP)跳跃连接U-Net的工业烟尘图像分割方法。首先,通过自注意力机制对ASPP每个空洞率下的特征进行加权,增强每一个空洞率下对烟尘边缘特征的提取能力;其次,构建A-ASPP跳跃连接结构,增强网络上下文信息提取及特征准确融合的能力,提高烟尘整体分割效果。根据实验结果表明,本章提出的分割网络能够有效地关注烟尘整体上下文特征并进行提取,从而得到更完整的烟尘分割结果。所提A-ASPPU-Net方法比U-Net在查全率R、IOU、DSC和F1度量四个评价指标上分别提高了6.59%、3.56%、2.89%和4.93%。(2)提出一种可形变编解码A-ASPPU-Net的工业烟尘图像分割方法。针对工业烟尘具有形状大小多变和边缘细节模糊等特点,导致在特征提取过程中普通卷积对不规则烟尘的几何适应能力不足而存在烟尘边缘提取困难分割不准确的问题,提出一种可形变编解码A-ASPPU-Net的工业烟尘图像分割方法。首先,通过引入适应形变烟尘变化规律的可形变卷积来构建可形变编解码结构,来提高网络对烟尘的几何适应能力;其次,将可形变编解码结构与A-ASPPU-Net网络进行深度融合,以增强烟尘边缘分割效果,提高烟尘边缘分割的准确性。根据实验结果表明,本章提出的分割网络能适应不规则烟尘边缘特征,对边缘细节特征能进行很好的提取,分割出的烟尘边缘更精确。所提A-ASPPDU-Net方法在评价指标查全率R、IOU、DSC和F1度量上比原始U-Net网络分别提高了8.22%、4.97%、3.93%和6.13%。(3)提出一种频域多方向C-UNet及动态损失的工业烟尘图像分割方法。针对工业烟尘图像边缘模糊且方向多变,在进行烟尘特征提取过程中挖掘烟尘边缘方向信息不充分,边缘细节信息容易丢失分割不准确的问题,提出一种频域多方向C-UNet(Contourlet U-Net)及动态损失的工业烟尘图像分割方法。首先,通过构建轮廓波多方向分解下采样结构增强U-Net编码阶段对烟尘边缘方向信息的提取能力;其次,通过轮廓波变换提取烟尘八个边缘方向细节信息进行跳跃连接提升持续采样过程中细节信息的表达准确度;然后,构建轮廓波细节重构上采样结构增强U-Net解码阶段对烟尘边缘细节信息的恢复能力;最后,针对烟尘边缘特征信息提取困难的问题提出一种动态加权策略构建组合损失函数优化训练网络,使网络从关注全局信息逐渐到关注烟尘边缘特征的提取。实验结果表明,本章所提方法在查全率R、IOU、DSC和F1度量上比原始U-Net网络分别提高了9.25%、5.27%、4.31%和6.91%。

关键词：工业烟尘图像分割注意力ASPP 可形变卷积轮廓波变换动态加权损失

频域多方向C-UNet及动态损失的工业烟尘图像分割

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控制理论与应用 2023年

作者：张大锦刘辉陈甫刚赵安云南昆钢电子信息科技有限公司昆明理工大学云南省人工智能重点实验室昆明理工大学信息工程与自动化学院

工业烟尘污染等级监测中烟尘的准确分割是污染等级判定的重要前提.针对边缘模糊且方向多变烟尘在特征提取过程中边缘方向细节信息提取困难,分割不准确的问题,提出一种频域多方向C-UNet(Contourlet U-Net)及动态损失的工业烟尘图像分割方... 详细信息

工业烟尘污染等级监测中烟尘的准确分割是污染等级判定的重要前提.针对边缘模糊且方向多变烟尘在特征提取过程中边缘方向细节信息提取困难,分割不准确的问题,提出一种频域多方向C-UNet(Contourlet U-Net)及动态损失的工业烟尘图像分割方法.首先,通过构建轮廓波多方向分解下采样结构增强编码阶段烟尘边缘方向信息的提取能力;其次,通过轮廓波变换提取烟尘八个边缘方向细节信息进行跳跃连接,提升持续采样过程中细节信息的表达准确度;然后,构建轮廓波细节重构上采样结构增强解码阶段烟尘边缘细节信息的恢复能力;最后,提出一种动态加权策略构建组合损失函数来优化训练网络,增强网络对烟尘边缘特征的提取能力.结果表明,本文方法与U-Net和其他同类方法相比在指标上有较好提升,改善了烟尘边缘分割不准确的问题,在不同烟尘场景上的分割效果也优于现有分割模型.

关键词：工业烟尘图像分割轮廓波变换特征提取动态损失函数

基于CJS-SLLE降维与即时学习的转炉炼钢终点碳温软测量方法

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控制理论与应用 2023年第10期40卷 1839-1850页

作者：赵安刘辉陈甫刚刘旭琛张大锦昆明理工大学信息工程与自动化学院云南昆明650500 昆明理工大学云南省人工智能重点实验室云南昆明650500 云南昆钢电子信息科技有限公司云南昆明650500

转炉炼钢中碳温的准确检测是终点判断的关键,基于数据驱动的终点碳温软测量方法是一种有效途径,但转炉炼钢生产过程数据存在高维度、非线性和数据波动大的问题.针对这一问题,本文提出一种降维与即时学习的终点碳温软测量(CJS-SLLE)算法... 详细信息

转炉炼钢中碳温的准确检测是终点判断的关键,基于数据驱动的终点碳温软测量方法是一种有效途径,但转炉炼钢生产过程数据存在高维度、非线性和数据波动大的问题.针对这一问题,本文提出一种降维与即时学习的终点碳温软测量(CJS-SLLE)算法用于过程数据的监督降维.通过在距离度量中引入量化后的碳温标签信息,从而构造了一种带有监督信息的度量方式实现类内类间方差的调整,然后在带标签信息的基础上引入数据间方向信息,从而实现了样本标签、方向和距离三者信息融合的一种新型(CJS)相似性度量策略,应用到局部线性嵌入中获得高维训练样本低维坐标;其次,提出一种自适应局部线性投影策略用于无标签待测样本,实现其低维坐标中同样包含标签信息;最后,根据即时学习算法选取样本子集建立偏最小二乘局部回归模型对终点碳温预测.在实际转炉炼钢生产过程数据仿真下,碳含量在±0.02%误差范围内预测精度达到90%,温度在±10℃误差范围内预测精度达到87%.

关键词：转炉炼钢即时学习相似性度量预测分析降维

国外光电瞄准吊舱探测系统总体构架的对比分析

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红外与激光工程 2024年第1期53卷 183-192页

作者：李剑张大勇中国工程物理研究院流体物理研究所四川绵阳621900

回顾了国外军队装备的四代光电瞄准吊舱的技术特点和发展历程,定义了光学口径和吊舱舱径之比(光舱比)作为衡量集成度的标准,重点针对第三代的Sniper XR ATP和ATFLIR两型采用共光路串联布局吊舱的探测系统进行了分析和正向设计:二者均拥... 详细信息

回顾了国外军队装备的四代光电瞄准吊舱的技术特点和发展历程,定义了光学口径和吊舱舱径之比(光舱比)作为衡量集成度的标准,重点针对第三代的Sniper XR ATP和ATFLIR两型采用共光路串联布局吊舱的探测系统进行了分析和正向设计:二者均拥有Φ150 mm口径,约1.5°×1.5°视场,在0.7~0.9μm和3.7~4.8μm波段的传递函数接近衍射限,前者为透射式前置望远系统,后者为离轴三反式前置望远系统,二者的结构布局为:前置望远系统置于吊舱前部压缩光束,通过光学铰链和快反镜将光束导入吊舱中,部分光进入各自的探测通道或激光发射通道。其中,类ATP的透射式前置望远系统可在汇聚光路中折叠形成俯仰/方位正交轴系并置于305 mm舱径内,光舱比约0.492;类ATFLIR的离轴三反式前置望远系统可在压缩后的平行光路中折叠形成方位/俯仰两个正交轴系并置于Φ330 mm的球体内,光舱比约0.455。作为对比,采用共光舱并联布局的第四代Litening 5和Talios吊舱探测系统将所有光学载荷和伺服框架平台置于吊舱前部的Φ406 mm球体内,光舱比约0.37,其并联共光舱设计架构的集成度较低。针对未来可能的升级要求,类ATFLIR吊舱比ATP吊舱具有更强的生命力,其采用纯反射式的前置望远系统可以更方便地增加波段和拓展功能。

关键词：光电瞄准吊舱光学设计多波段共光路前置望远系统

一种基于改进K核分解的合作网络关键节点集识别方法

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数据分析与知识发现 2024年第5期8卷 80-90页

作者：张大勇门浩苏展哈尔滨工业大学互动媒体设计与装备服务创新重点实验室哈尔滨150001 哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院哈尔滨150001

【目的】针对关键节点集识别算法中广泛存在的退化性问题,提出一种以半局域中心性为基础的改进型K-shell分解算法。【方法】算法根据节点一阶邻居信息构建半局域中心性指标,在考虑剩余节点的半局域信息和已移除节点的半局域信息基础上,... 详细信息

【目的】针对关键节点集识别算法中广泛存在的退化性问题,提出一种以半局域中心性为基础的改进型K-shell分解算法。【方法】算法根据节点一阶邻居信息构建半局域中心性指标,在考虑剩余节点的半局域信息和已移除节点的半局域信息基础上,通过递归移除方式确定最终的关键节点集。【结果】6组实际合作网络数据实验表明,改进的K-shell分解算法能够有效消除原有算法中的退化性问题,具有较高的计算准确性和较低的计算复杂度,适用于大规模合作网络中关键节点集的识别。【局限】受网络结构属性的影响,在部分样本网络中计算准确性低于介数中心性方法。【结论】通过对改进的K-shell分解算法计算所得的核心节点集的有效保护,能够提升合作网络的稳定性,有利于合作网络目标的实现。

关键词：合作网络分解算法关键节点集计算复杂度

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浅谈白茶加工设备的维修与保养

福建茶叶 2024年第2期46卷 33-35页

作者：陈德锦林振传张大贵福建品品香茶业有限公司福建福鼎355200

随着目前农业与食品行业设备的不断创新与优化,在茶叶领域也同步衍生出多种白茶加工设备。白茶从初制加工到精制处理再到成品包装均能从不同设备供应商中获取到配套的生产设备,以此来提高车间生产效率,降低企业用人成本。在白茶加工过程... 详细信息

随着目前农业与食品行业设备的不断创新与优化,在茶叶领域也同步衍生出多种白茶加工设备。白茶从初制加工到精制处理再到成品包装均能从不同设备供应商中获取到配套的生产设备,以此来提高车间生产效率,降低企业用人成本。在白茶加工过程中,不同环节的设备在维保内容上的着重点不尽相同。因此,对白茶加工设备的维修、保养和注意事项进行了探讨,可为白茶加工企业在生产设备使用过程中提供指导与参考。

关键词：白茶设备维修保养

时变通信约束下航天器绕飞的高阶全驱预测控制方法

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航空学报 2024年第1期45卷 40-50页

作者：张大蔚刘国平哈尔滨工业大学控制理论与制导技术研究中心哈尔滨150001 南方科技大学控制科学与技术研究中心深圳518055

针对视线坐标系下具有时变通信约束的航天器绕飞问题,提出了一种高阶全驱(HOFA)预测控制方法以实现绕飞任务并主动补偿服务航天器与跟踪与数据中继卫星系统间的时变通信延迟和数据丢包。首先,在视线坐标系下引入了一个非线性高阶全驱系... 详细信息

针对视线坐标系下具有时变通信约束的航天器绕飞问题,提出了一种高阶全驱(HOFA)预测控制方法以实现绕飞任务并主动补偿服务航天器与跟踪与数据中继卫星系统间的时变通信延迟和数据丢包。首先,在视线坐标系下引入了一个非线性高阶全驱系统模型来描述航天器绕飞的相对动力学模型,并将所提出的绕飞任务转换为非线性高阶全驱系统的跟踪控制问题。其次,利用全驱特性抵消系统中的非线性,从而构建一个线性高阶全驱(LIHOFA)系统。然后,应用丢番图方程建立一个增量线性高阶全驱预测模型以代替传统的降阶预测模型,进而构建多步超前预测以实现跟踪控制性能的优化和时变通信约束的补偿,从而有效地保证了绕飞任务的实现。同时,给出了一个简单的充要条件以分析闭环系统的稳定性和跟踪性能。最后,还提供了航天器在圆轨道和椭圆轨道绕飞的数值仿真以验证高阶全驱预测控制方法的可行性。

关键词：航天器绕飞非线性高阶全驱系统时变通信约束高阶全驱预测控制稳定性与跟踪性能

基于大涡模拟的大型风力机在剪切来流条件下的尾流研究

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中国测试 2024年第5期50卷 130-137页

作者：孙芳锦邓富河贺伟盼曾倩张大明桂林理工大学土木与建筑工程学院广西桂林541006 广西嵌入式技术与智能系统重点实验室广西桂林541006 桂林理工大学信息科学与工程学院广西桂林541006

来流条件对大型风力机尾流特性影响重大,由于地面摩擦导致来流风在竖直方向有速度差异进而形成剪切风。为研究剪切来流风带来尾流特性变化,采用5 MW风力机作为研究对象,两台大型风力机串列的布置方式,基于大涡模拟(LES),模拟大型风力机... 详细信息

来流条件对大型风力机尾流特性影响重大,由于地面摩擦导致来流风在竖直方向有速度差异进而形成剪切风。为研究剪切来流风带来尾流特性变化,采用5 MW风力机作为研究对象,两台大型风力机串列的布置方式,基于大涡模拟(LES),模拟大型风力机不同间距在剪切来流风下尾流特性变化。结果表明:剪切来流风经过风力机,随着串列间距增大,对下游风力机风压扰动减小;且不同间距下,共同特点是轮毂处风压比其他地方更大,轮毂后风速损失较叶轮其他位置更加严重;不同间距工况下,尾流速度恢复处在5D工况相较于所有工况恢复距离最远,甚至在10D处之后才恢复,而8D工况时,在下游9D处恢复,11D工况时,在下游6D处恢复,说明间距越大,尾流速度恢复处位置越近。

关键词：大型风力机尾流大涡模拟剪切来流

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白垩纪超静磁带短期负极性事件研究综述

地质论评 2024年

作者：张大文枣庄学院旅游与资源环境学院

白垩纪超静磁带,又称白垩纪正极性超时(Cretaceous Normal Superchron, CNS, 121.4～83.6 Ma),代表了地质历史时期的极端地磁场行为。开展CNS期间地磁场特征研究对于认识地球内部物理和化学过程(如外核流体运动、核幔边界热通量体制、... 详细信息

白垩纪超静磁带,又称白垩纪正极性超时(Cretaceous Normal Superchron, CNS, 121.4～83.6 Ma),代表了地质历史时期的极端地磁场行为。开展CNS期间地磁场特征研究对于认识地球内部物理和化学过程(如外核流体运动、核幔边界热通量体制、地幔对流模式等)的异常变化具有重要意义。为此,笔者从极性倒转的角度对过去与CNS期间短期负极性事件相关的研究工作进行了系统梳理和总结,获得以下主要结论和认识:海相沉积、火山岩和陆相沉积记录共同指示CNS期间可能至少发生了七个(组)短期极性倒转事件,分别在中—晚阿普特期(被命名为M“-1r”或“ISEA”,118～116 Ma)、晚阿普特期—早阿尔布期(～113.3 Ma)、中阿尔布期(被命名为M“-2r” set,～108 Ma)、晚阿尔布期(被命名为M“-3r” set,～102 Ma)、晚塞诺曼期(～96 Ma)、晚土伦期(～91 Ma)和晚康尼亚克期—早圣通期(86～85 Ma),呈现全球同时性特征和4～6 Ma周期。但是,考虑到在古地磁采样与测试方法、地层定年、可能的重磁化和岩石磁学分析等方面存在的问题,对于CNS期间极性倒转事件的真实性及其发生时间、频率和持续时间等研究结果仍然具有争议。同时,短期负极性事件作为地球发电机数值模拟新的约束条件,有助于更加科学地揭示CNS期间地球内部独特的动力学变化过程以及与白垩纪中期全球地质事件在成因上的内在联系。下一步,开展白垩纪长时间尺度的高精度磁性地层学和地质年代学相结合的研究,以及针对负极性带的精细岩石磁学分析,是准确约束CNS期间短期极性倒转事件发生规律的关键。

关键词：白垩纪超静磁带短期负极性事件全球记录白垩纪中期全球性地质事件地球内部动力学过程地球发电机模拟