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面向异构客户端的联邦学习性能优化研究

面向异构客户端的联邦学习性能优化研究

作者：徐臻帅吉林大学

学位级别：硕士

随着智能手机、可穿戴设备、移动网络的普及,本地边缘设备已经成为现代社会中不可或缺的重要组成部分。在充分保护用户隐私的前提下,更有效地利用本地设备中存储的私有数据来进行模型训练成为分布式机器学习领域的新挑战。为了应对这一... 详细信息

随着智能手机、可穿戴设备、移动网络的普及,本地边缘设备已经成为现代社会中不可或缺的重要组成部分。在充分保护用户隐私的前提下,更有效地利用本地设备中存储的私有数据来进行模型训练成为分布式机器学习领域的新挑战。为了应对这一挑战,联邦学习(Federated Learning,FL),作为一种新型的分布式机器学习范式应运而生,其能够在不收集数据的情况下,协调多台本地客户端共同训练机器学习模型。然而,由于联邦学习中数据分布在不同的客户端,实际应用中面临如下两个异构性挑战:(1)数据不遵循独立同分布假设,即统计异构性;(2)客户端不可靠,即系统异构性。为解决这些挑战,研究者提出一系列联邦优化方法,包括基于限制性度量的方法和基于客户端选择的方法等。然而,这些方法仍存在一些问题:(1)基于限制性度量的方法虽然通过本地优化减少了客户端之间的偏差,但这些方法本地学习到的参数只能最小化自身损失,无法最小化其他参与训练客户端的损失,导致本地模型学习到的参数偏离全局最优解。(2)这些方法在解决异构性挑战时,隐含的假设联邦学习训练过程中的所有学习阶段都同等重要。然而,由于最近对关键学习期(Critical Learning Periods,CLP)的发现,这一假设被证明是不成立的。在关键学习期间,其中小的梯度误差可能会导致最终性能的不可挽回的缺陷。除此之外,现有工作未能将它们与联地优化方法集成来增强优化。为应对上述问题,本文提出以下创新性解决方案:针对问题(1),本文提出了Federated Follow The Regularized Leader(Fed FTRL),一种新颖的联邦在线优化框架,通过近似估计本地参数对其他参与训练客户端损失函数的贡献,Fed FTRL有效解决了本地客户端无法最小化其他客户端的损失问题。Fed FTRL框架的核心是Follow The Regularized Leader(FTRL)正则化器,采用在线学习技术可灵活插入到多个联邦学习本地优化框架中,提高其优化和稳定性。相较于其他正则化项方法,Fed FTRL在弱异构网络甚至IID环境也能够加速收敛,提升性能。本工作通过理论分析确保了Fed FTRL的收敛性和稳定性,并在多个数据集和多种任务上进行了实证验证。针对问题(2),本文提出了Federated Adaptive Weight Norm(Fed Awn),一种通过客户端选择来增强联邦优化方法并实现鲁棒的关键学习期检测的方法。Fed Awn的核心是Federated Weight Norm(FWN)指标,用于衡量每台客户端的信息量和学习到的参数对其他客户端损失的贡献。Fed Awn通过最大化FWN完成客户端选择,实现每轮参与聚合的客户端包含最大的信息量且学习到的参数尽可能不偏离全局最优解。相比其他方法,FWN在不增加计算成本的情况下减轻了噪声对关键学习期的影响,显著提高了框架整体性能和稳定性。与现有的联邦优化解决方案不同,Fed Awn能够无缝集成到当前的联邦学习技术中,增强其优化和稳定性,并引入阶段意识。本文通过实验证实了Fed Awn框架引入的FWN指标的有效性,并通过将FWN接入其他联邦优化框架证明了Fed Awn能够增强其他方法的优化能力,为异构联邦学习提供更通用、稳健的解决方案。最后,本文在多个数据集和多样化任务下,对提出的两个框架进行了实验验证。实验结果显示,Fed FTRL框架能够显著优化性能和稳定性,其中引入的FTRL项在现有联邦本地优化方法中展现出了优越的改进效果。同时,Fed Awn框架通过自适应设备选择机制,实现了稳健的关键学习期检测并优化了异构联邦学习方法。本文所提出的FWN指标,可有效集成于现有联邦优化方法,为它们提供一个低异构性的工作环境。

关键词：联邦学习联邦优化客户端选择在线学习关键学习期

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木质素磺酸盐支化改性对钢筋阻锈性能的影响

木质素磺酸盐支化改性对钢筋阻锈性能的影响

作者：江帅帅安徽建筑大学

学位级别：硕士

阻锈剂是当今世界海洋工程钢筋混凝土结构广泛应用腐蚀防护材料,但其存在阻锈效率低、环境污染、成本昂贵等问题。本研究旨在以绿色高效的混凝土阻锈剂为切入点,以自然界植物中的木质素磺酸盐为阻锈剂载体,选取聚羧酸减水剂功能基团,对... 详细信息

阻锈剂是当今世界海洋工程钢筋混凝土结构广泛应用腐蚀防护材料,但其存在阻锈效率低、环境污染、成本昂贵等问题。本研究旨在以绿色高效的混凝土阻锈剂为切入点,以自然界植物中的木质素磺酸盐为阻锈剂载体,选取聚羧酸减水剂功能基团,对木质素磺酸钠进行羟基、羧基接枝改性,首先采用异戊烯聚氧乙烯醚(TPEG)对木质素磺酸钠进行接枝改性,制备了木质素磺酸钠基聚醚单体(LS-TPEG),同时将TPEG接枝的木质素磺酸钠基聚醚单体作为大单体,代替一定比例的TPEG与聚羧酸功能基团通过自由基聚合法合成了一种新型具有减水功能的改性木质素磺酸盐阻锈剂(LS-PCE),并通过调节木质素磺酸钠与聚羧酸功能基团的质量比例确定具有最优减水性能的新型阻锈剂。通过模拟混凝土孔隙溶液研究了碳钢的锈蚀行为,发现随着改性木质素磺酸盐阻锈剂掺量增大,碳钢电极电荷转移电阻逐渐增大,腐蚀电流密度逐渐减小,碳钢锈蚀面积减小,阻锈效率得到提高;分析了碳钢在混凝土孔隙溶液中的吸附行为,发现改性木质素磺酸盐阻锈剂基本符合Langmuir等温吸附模型,在室温25℃条件下3.5%NaCl的饱和Ca(OH)2溶液体系中,改性木质素磺酸盐阻锈剂在碳钢表面的吸附属于以物理吸附和化学吸附的混合吸附。研究了水泥砂浆环境下的碳钢锈蚀行为,发现随着改性木质素磺酸盐阻锈剂掺量的增大,碳钢电极电荷转移电阻逐渐增大,腐蚀电流密度逐渐减小,阻锈效率逐渐提高;碳钢高阻锈效率所需掺量的木质素磺酸盐对水泥基材料的流动性和力学性能影响较小;而其改性阻锈剂阻锈效率略有降低,减水性能显著提升,在混凝土中单独使用既可以对氯盐腐蚀环境下的钢筋起到足够的阻锈作用,又能兼顾混凝土的流动性和力学性能,通过结构调控实现改性木质素磺酸钠阻锈剂多功能协同。本研究提供了一种绿色、高效、价格低廉的阻锈剂设计思路,为实际工程钢筋混凝土结构中钢筋阻锈和混凝土流动及力学性能功能协同提供理论指导和技术途径。

关键词：木质素磺酸盐阻锈结构改性减水性能协同

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基于正交-响应面法的砂土细观参数标定

吉林大学学报（地球科学版） 2024年第4期54卷 1280-1290页

作者：刘红帅张东涛河北大学建筑工程学院河北保定071000 河北大学岩土工程研究所河北保定071000

颗粒离散元的模拟精度主要取决于所标定细观参数的准确性,为提升细观参数的标定精度和效率,本文首先采用抗转动线性接触模型模拟砂土三轴压缩试验;再利用正交试验中的方差分析法筛选出宏观参数的控制性细观参数;然后建立宏观参数与控制... 详细信息

颗粒离散元的模拟精度主要取决于所标定细观参数的准确性,为提升细观参数的标定精度和效率,本文首先采用抗转动线性接触模型模拟砂土三轴压缩试验;再利用正交试验中的方差分析法筛选出宏观参数的控制性细观参数;然后建立宏观参数与控制性细观参数的响应面方程,依据室内三轴试验确定的砂土宏观参数,代入所建的响应面方程求解得到控制性细观参数;最后结合三轴试验结果验证所标定细观参数的准确性。结果表明:宏观参数包括弹性模量、泊松比、峰值摩擦角和剪胀角,其中弹性模量的控制性细观参数为有效模量和摩擦系数,泊松比的控制性细观参数为刚度比与摩擦系数,峰值摩擦角和剪胀角的控制性细观参数都为摩擦系数;通过三轴试验得出宏观参数取值,弹性模量为83.83 MPa、泊松比为0.45、峰值摩擦角为34.47°、剪胀角为8.93°;进一步标定细观参数取值,有效模量为153.35 MPa,刚度比为2.16,摩擦系数为0.45;利用标定的细观参数进行三轴试验模拟,结果与室内试验结果在低围压(100 kPa)下峰值强度相差7.2%,在高围压(300、500 kPa)下误差都控制在了±15.0%以内,证明了所提出的标定方法具有准确性和可靠性。

关键词：砂土离散元法细观参数正交试验响应面法宏观参数弹性模量泊松比

巯基改性芡实壳吸附展青霉素特性及其在苹果汁中的应用

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巯基改性芡实壳吸附展青霉素特性及其在苹果汁中的应用

作者：邢帅帅山东农业大学

学位级别：硕士

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不同蔬菜轮作对生姜栽培土壤性状的影响

不同蔬菜轮作对生姜栽培土壤性状的影响

作者：徐佳帅河北科技师范学院

学位级别：硕士

中国种植生姜历史悠久,是全球生姜生产第一大国。为了耕作方便、追求经济效益,人们对生姜进行连作栽培,常导致土壤质量下降,微生物菌群失衡、植株生长发育不良、生姜品质下降,甚至造成绝收。本研究利用盆栽及田间试验,通过对种植1年和2... 详细信息

中国种植生姜历史悠久,是全球生姜生产第一大国。为了耕作方便、追求经济效益,人们对生姜进行连作栽培,常导致土壤质量下降,微生物菌群失衡、植株生长发育不良、生姜品质下降,甚至造成绝收。本研究利用盆栽及田间试验,通过对种植1年和2年生姜的土壤分别进行连作生姜和轮作不同蔬菜,分析轮作蔬菜对土壤性状的影响,以期筛选适合生姜轮作的蔬菜种类。结果如下:不同蔬菜轮作均提高了土壤有机质含量。轮作大葱和洋葱均显著提高了土壤p H和EC值,轮作大蒜、洋葱和大葱有利于提高土壤碱解氮、速效磷、速效钾的含量。轮作大葱提高了土壤中性磷酸酶活性,轮作大蒜对土壤过氧化氢酶活性的改良效果好,轮作洋葱对土壤脲酶活性的改良效果好,1年生姜轮作洋葱对土壤蔗糖酶活性的改良效果好。综合分析,轮作大葱、洋葱和大蒜有利于生姜栽培土壤化学性质的改良,轮作洋葱对生姜栽培土壤酶活性的提高效果较好。生姜与大葱和洋葱轮作对土壤细菌群落丰富度和多样性的提高效果理想。盆栽试验中轮作大葱处理的土壤细菌类群最丰富,细菌独特性最明显。1年生姜轮作洋葱增加了变形菌门、粘球菌门、放线菌纲、梭菌纲、梭菌科、鞘氨醇单胞菌属和芽孢杆菌属的相对丰度,1年生姜轮作大葱增加了绿弯菌门和放线菌门的相对丰度,2年生姜轮作洋葱增加了梭菌纲、梭菌科、狭义梭菌属1的相对丰度。田间试验中,1年生姜轮作洋葱和2年生姜轮作大葱处理增加了土壤细菌种类。1年生姜轮作洋葱对酸杆菌门、α-变形菌纲、芽单胞菌科相对丰度的改良效果好,2年生姜轮作洋葱对变形菌门、γ-变形菌纲、酸杆菌纲相对丰度的改良效果好,2年生姜轮作大葱对放线菌门、梭菌纲等相对丰度的改良效果好。冗余分析结果表明,盆栽试验中1年生姜轮作不同蔬菜的土壤速效磷含量、中性磷酸酶活性、p H等对物种丰富度的影响程度较大,2年生姜轮作不同蔬菜的土壤中性磷酸酶活性、蔗糖酶活性、脲酶活性等对物种数据的影响程度较大。田间试验中土壤脲酶活性、有机质含量、速效钾含量为主要环境影响因子。因此认为洋葱和大葱可作为生姜的主要轮作蔬菜。

关键词：生姜土壤化学性质土壤酶活性土壤细菌多样性

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面向数据密集型科研范式的科研档案管理研究

面向数据密集型科研范式的科研档案管理研究

作者：米帅河北大学

学位级别：硕士

数据密集型计算是科学研究人员在海量数据中获取相关数据的一种计算方式,随着数据技术的迅猛发展,科学研究范式在时代的发展中不断更新迭代,从第一范式发展到现如今的第四范式,即数据密集型科学研究范式。这一范式是继实验、理论和计算... 详细信息

数据密集型计算是科学研究人员在海量数据中获取相关数据的一种计算方式,随着数据技术的迅猛发展,科学研究范式在时代的发展中不断更新迭代,从第一范式发展到现如今的第四范式,即数据密集型科学研究范式。这一范式是继实验、理论和计算机科学之后的一种全新的科学研究思维。在科学研究活动中,科研工作人员借助大数据、计算机等工具捕获数据,根据数据呈现的结果,对现有科研活动进行模拟,收集活动中形成的数据,最后将有价值的数据存储到计算机中。科研档案是科技创新的重要组成部分,管理好科研档案是档案部门的重要工作,数据密集型科研范式下,以往的科研档案管理手段存在不适应性,故档案部门应做出相应的调整,优化科研档案管理策略,发挥科研档案在科学研究活动中的价值。笔者梳理了数据密集型科研范式与科研档案管理相关概念,明确数据密集型科研范式的特点以及科研档案管理的范围。分析了科研档案收集、整理、加工、利用的现状,结合数据密集型科研范式的特点,提出科研档案管理在此背景之下存在的不足之处,主要表现在顶层设计不够完善,制约了管理大局、科研档案资源建设需要优化、科研档案安全体系建设不够充分、科研档案资源利用程度不高、人才专业化有待提升。最后提出了数据密集型科研范式下的科研档案管理的策略,通过完善顶层设计,健全制度建设和加强管理协同;优化科研档案资源建设,高度重视科研档案精细化管理;完善安全体系建设,注重保护科研档案资源本身以及科研人员知识产权、数据隐私;加大科研档案利用力度,打造科研档案智能数据库共享平台,方便档案部门各科研单位管理档案以及共享利用,促进档案价值的实现;优化人才队伍建设,提升专业能力,打造职业精神与专业水平并重的档案管理人才,发挥科研档案的优势,为科学研究活动助力。

关键词：科研档案管理科研范式数据密集型

吸附剂孔道环境调控及其在乙烯一步分离纯化中的应用研究

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吸附剂孔道环境调控及其在乙烯一步分离纯化中的应用研究

作者：帅花南昌大学

学位级别：硕士

乙烯是石化工业之母,是全球消耗量最大的化学品之一,其产量已成为衡量一个国家石油化工发展水平的重要标志。工业上主要采用石脑油蒸汽裂解或乙烷脱氢制备,不可避免存在少量乙炔、乙烷等结构性质相似的杂质,其将严重影响乙烯聚合等深加... 详细信息

乙烯是石化工业之母,是全球消耗量最大的化学品之一,其产量已成为衡量一个国家石油化工发展水平的重要标志。工业上主要采用石脑油蒸汽裂解或乙烷脱氢制备,不可避免存在少量乙炔、乙烷等结构性质相似的杂质,其将严重影响乙烯聚合等深加工过程。当前,工业上主要采用深冷精馏技术分离乙烷/乙炔/乙烯,然而分离能耗高、设备巨大。相比之下,采用多孔吸附剂的吸附分离技术设备简单、更为节能环保,是极具前景的乙烯分离纯化替代技术。金属有机框架材料（MOFs）因其具有丰富的拓扑结构、可调控的孔道结构和尺寸、易于功能化修饰等特点,在性质相似的低碳烃吸附分离中极具潜力。本文旨在构筑稳定的超微孔金属有机框架材料,通过调控配体官能团、优化孔道尺寸和孔道表面环境等策略选择性吸附乙烷、乙炔,实现一步纯化乙烯的目的,主要研究内容如下:（1）首先采用不同甲基数的吡唑羧酸配体(cpy-（CH3）_n)与金属锌（Zn）通过溶剂热法制备了系列具有不同孔道尺寸的相互贯穿的三维网络框架材料:Zn-cpy)、Zn-cpy-CH3和Zn-cpy-（CH3）2。研究表明,Zn-cpy-CH3和Zn-cpy-（CH3）2对乙烷具有较高的亲和力,乙烷吸附量分别是4.70、4.45 mmol g-1,乙烷/乙烯（50/50,v/v）选择性分别为1.64和1.85,而Zn-cpy对乙烷的吸附量较低(2.27 mmol g-1),其乙烷/乙烯（50/50,v/v）选择性仅为0.93。动态穿透实验结果表明,Zn-cpy-CH3可以从乙烯/乙烷二元混合物中直接分离获得高纯乙烯,且易于再生。巨正则蒙特卡洛（GCMC）模拟和色散矫正密度泛函理论（DFT）计算结果表明,甲基吡唑羧酸配体对乙烷具有多重C-H···O、C-H···π和C-H···H相互作用。基于乙烷和乙烯的极性及氢原子数目差异,通过引入甲基构建尺寸匹配及非极性孔道环境,增强框架对乙烷的作用力,为优先吸附乙烷吸附剂的设计提供了新思路。（2）进一步开展了同步脱除乙烷、乙炔的研究工作,实现了从C2烃混合物中一步纯化乙烯。本文采用富含苯环和极性砜基的4,4′-磺酰基二苯甲酸（H2sdba）和具有丰富烷基的三乙烯二胺（dabco）作为有机配体,构建了π表面、烷基以及极性砜基合理分布的柱撑结构金属有机框架材料,Ni（sdba）(dabco)0.5。在298 K和1.0 bar下,Ni（sdba）(dabco)0.5同时展现出优异的乙炔/乙烯（2.28）和乙烷/乙烯（2.47）选择性,超过了绝大多数乙烯一步纯化吸附剂,并且具有较高的乙烷(3.15 mmol g-1)和乙炔(4.41 mmol g-1)吸附量。动态穿透实验表明,Ni（sdba）(dabco)0.5可以从乙烷/乙烯（10/90和50/50,v/v）和乙炔/乙烷/乙烯三组分气体混合物（1/1/1和1/9/90,v/v/v）一步制备高纯乙烯（>99.9%）。模拟计算表明,层内丰富的π表面与层间孔道大量可利用的极性氧原子和非极性烷基位点协同作用,提供多重C-H···O、C···H、C-H···π和C-H···H相互作用,从而实现对乙烷和乙炔的选择性识别捕获。

关键词：金属-有机框架材料吸附分离孔道环境乙烯一步纯化

管理体制转型背景下铁路公安内控制度调适研究 ——基于社会学制度主义的分析

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管理体制转型背景下铁路公安内控制度调适研究 ——基于社会学制...

作者：王志帅中国人民公安大学

学位级别：硕士

2009年铁路公安机关由国有企业内设保卫部门划转为中央垂直管理的国家行政机关,2020年正式实施中央财政预算资金的经费管理模式,铁路公安经济活动运行规则发生重大变化。管理体制转型至今,铁路公安内控制度始终没有成“转型”适配,且在... 详细信息

2009年铁路公安机关由国有企业内设保卫部门划转为中央垂直管理的国家行政机关,2020年正式实施中央财政预算资金的经费管理模式,铁路公安经济活动运行规则发生重大变化。管理体制转型至今,铁路公安内控制度始终没有成“转型”适配,且在铁路公安内控制度调适过程中暴露出诸多问题。为了解决当前铁路公安内控制度调适过程中面临的困境,以社会学制度主义为理论依据,探寻影响铁路公安内控制度调适的相关影响因素。通过COSO框架的控制环境、风险评估、控制活动、信息与沟通、监督五个评价维度,对铁路公安转型前后内控制度的现实情况进行分析,并着重分析了转型后铁路公安内控制度与和预期效果之间的差距。以社会学制度主义为理论基础,分别从规制性引申出上级机关示范作用、从模仿性(文化—认知)引申出同侪压力、从规范性引申出组织沉淀程度。进而,使用李克特量表对铁路公安财务审计人员进行问卷调查,分析了以上三方面对铁路公安内控制度调适的影响机制。经实证分析发现,上级机关示范作用、同侪压力、组织沉淀程度均对铁路公安内控制度调适压力产生正向影响。经中介回归分析和调节因素分析发现,上述三个因素中上级机关示范作用影响最大,同侪压力可以作为中介因素,而组织沉淀未能发挥调节作用。因此,为促使铁路公安内控制度调适工作顺利开展,保障铁路公安机关安全平稳使用财政资金,提高经费运行效率,全面降低廉政风险提供保障,要切实发挥好上述三个方面的正向影响,以加强顶层设计、开展同级竞争、提升自身素养、强化监督检查等多个方式,不断促使铁路公安内控制度调适工作正向发展。

关键词：铁路公安内控制度制度调适社会学制度主义 COSO框架

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代际观察类综艺《屋檐之夏》的叙事策略研究

代际观察类综艺《屋檐之夏》的叙事策略研究

作者：李子帅河北大学

学位级别：硕士

观察类综艺在节目文本和观看之间引入了新的空间和关系,节目形式是把明星或者普通人的真实生活记录下来,通常以观察者和记录者的身份,讲述嘉宾在某种价值观的基础上,以真实身份和主动意志完成节目组赋予的具有真实社会生活特征的任务的... 详细信息

观察类综艺在节目文本和观看之间引入了新的空间和关系,节目形式是把明星或者普通人的真实生活记录下来,通常以观察者和记录者的身份,讲述嘉宾在某种价值观的基础上,以真实身份和主动意志完成节目组赋予的具有真实社会生活特征的任务的观察记录性节目。综艺节目市场愈来愈丰富,观众的需求也更加垂直细分,饮食、乐曲、竞赛、职业等更多元的要素也逐渐进入到观察类综艺中去,2019年,B站于全网首先提出了要推出一档忘年共居类型的综艺,当今社会老龄化程度逐渐加深,也有越来越多的年轻人选择城漂,基于站内年轻人们所面临的现实困境的考察,媒体把目光放在了城市独居老人和城漂青年这两类群体上。2021年,B站于中国老龄协会共同推出了国内首档忘年共居观察类综艺《屋檐之夏》,它开创了国内首档代际合住的综艺节目,呈现青老共居的真实状态,节目播出后,获得了不俗的口碑和话题讨论度。本文从观察角度切入,结合经典叙事学相关理论,将《屋檐之夏》作为研究样本,从而进一步探究代际观察类综艺的叙事策略。全文共由五个部分组成,第一部分为绪论,谈及了研究背景和研究意义,并对创新点进行了分析;第二部分是代际观察类综艺的相关概述,阐述分析了其诞生的原因以及发展历程;第三章和第四章是论文的核心。第三部分对代际观察类综艺《屋檐之夏》的叙事话语进行了分析,主要从时空、视角、符号和情节四个层面探究,其有着自身独特的叙事话语逻辑;第四章则主要围绕《屋檐之夏》的叙事内容展开分析,其叙事内容包含叙事主题、叙事人物、叙事线索三个维度,其叙事内容是丰富的并且多维度的;而第五章则主要是在前几章的基础上,分析了目前代际观察类综艺所面临的一些困境,并针对相关问题提出建议,就故事走向、人物设定、环境空间等多个方面的问题展开说明并提出建议。期望通过本文的研究能够助力代际观察类综艺乃至整个综艺类节目的制作及创新发展。

关键词：代际观察类综艺老青共居叙事代际沟通