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基于量子—经典混合架构的卷积神经网络优化研究

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基于量子—经典混合架构的卷积神经网络优化研究

作者：窦通华南理工大学

学位级别：硕士

机器学习近年在广泛的应用领域取得了突破性的进展,但随着摩尔定律逼近极限,现有的计算硬件难以承受模型训练带来的巨大的计算开销。量子计算为解决这个问题提供了新的方向,这引发了关于量子机器学习的前沿研究。作为经典神经网络的量... 详细信息

机器学习近年在广泛的应用领域取得了突破性的进展,但随着摩尔定律逼近极限,现有的计算硬件难以承受模型训练带来的巨大的计算开销。量子计算为解决这个问题提供了新的方向,这引发了关于量子机器学习的前沿研究。作为经典神经网络的量子拓展,量子神经网络由于结合了量子计算潜在的加速能力和经典学习模型的拟合能力,有望突破经典神经网络遇到的瓶颈。最近基于量子-经典混合架构的神经网络模型已经被提出,其中由于经典卷积网络在各领域取得巨大的成功,量子-经典混合卷积网络引起了极大的关注。该模型通过将经典卷积神经网络中的卷积操作用量子线路代替,对数据进行特征提取,然而由于现阶段量子计算资源受限和优化方法的缺失,量子-经典混合卷积网络当前还难以大规模训练。针对上述问题,本文基于量子-经典混合计算架构的卷积神经网络分别提出了无监督特征学习方法和端到端学习方法,对现有的优化方法进行了改进。主要研究内容如下:1)量子-经典卷积神经网络的无监督特征学习。在经典卷积神经网络无监督特征学习的启发下,提出了适用于量子-经典混合计算架构卷积神经网络的无监督特征学习方法。通过量子自编码器将经典数据编码到参数化量子线路中,然后通过K-medoids聚类算法对参数化量子线路进行聚类,可以使用无监督的标准来学习“量子”卷积核。通过对轴承异常检测的仿真实验,验证了算法的可行性。该方法实际上可以看成一个预训练的过程,用于全监督的微调之前,减少训练网络的成本。2)端到端学习的量子-经典混合卷积神经网络。针对量子-经典混合卷积神经网络模型,提出可导的量子特征提取层。结合微积分中的链式法则和变分量子算法中的参数位移法则推导了量子特征提取层的反向传播,从而实现了量子-经典卷积神经网络模型的端到端训练。通过对手写数字识别的仿真实验,验证了算法的可行性。特别地,通过去除网络模型中“经典”因素的影响,使用全局平均池化,表明了模型提取特征的有效性。本文基于量子-经典混合卷积神经网络,分别提出了可用作预训练的无监督特征学习方法和能充分利用量子线路计算能力的端到端优化方法,为在量子计算资源有限的含噪声的中等规模量子时代训练量子-经典混合架构的神经网络提供了新思路。

关键词：量子机器学习卷积神经网络量子-经典混合计算变分量子算法参数位移法则

含减纱碳/环氧2.5D机织复合材料低速冲击性能及损伤机制

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含减纱碳/环氧2.5D机织复合材料低速冲击性能及损伤机制

作者：窦宏通江南大学

学位级别：硕士

2.5D机织复合材料因其优异的力学性能、灵活的结构设计性和整体近净成形能力,被广泛应用于航天发动机喷管、航天天线罩和航空发动机燃烧室火焰筒等锥形回转体部件。其中,加减纱工艺是实现锥形回转体预制体成形的核心技术,但加减纱的引... 详细信息

2.5D机织复合材料因其优异的力学性能、灵活的结构设计性和整体近净成形能力,被广泛应用于航天发动机喷管、航天天线罩和航空发动机燃烧室火焰筒等锥形回转体部件。其中,加减纱工艺是实现锥形回转体预制体成形的核心技术,但加减纱的引入会造成局部结构变异甚至缺陷。重要的是,这些部件在制备和服役过程中,难免会遭受低速冲击载荷,而加减纱区域所引起的损伤起始和演化尚未明确,严重影响构件后续服役的可靠性。本文以2.5D机织复合材料锥形回转体实际应用为牵引,设计和制备了不含减纱、含半列减纱和含整列减纱的2.5D机织复合材料,采用试验和数值计算相结合的方法,重点开展了低速冲击力学性能、渐进损伤和损伤机理研究,以期为锥形回转体的结构设计和应用提供数据支撑。本文的主要研究内容及结论包括:(1)设置冲击能量为54J和72J,利用落锤冲击仪对不含减纱、含半列减纱和含整列减纱的2.5D机织复合材料进行了低速冲击试验,获取了载荷-时间曲线、载荷-位移曲线、能量-时间曲线以及关键力学特征值。分别利用光学显微镜和X射线计算机断层扫描(Micro-CT)技术对冲击后试样的表面及内部损伤进行了分析,阐明了三种试样的冲击损伤机制。研究表明,减纱会小幅降低2.5D机织复合材料的低速冲击性能,含半列减纱试样的力学性能保留率比含整列减纱试样高3%。在相同的冲击能量下,含整列减纱试样的损伤程度最严重。此外,不含减纱试样的破坏形式以纱线与基体的脱粘为主,含半列减纱试样破坏形式是以剩余的半列接结经纱断裂为主,而含整列减纱试样的破坏形式则是以大面积的分层和剪切破坏为主。(2)基于低速冲击“局部”破坏特征和Micro-CT图像扫描结果,采用理想化建模的方法建立了不含减纱和含减纱的2.5D机织复合材料宏-细观混合有限元模型。使用ABAQUS有限元软件,选用三维Hashin准则、Von-Mises准则以及最大应力准则,并采用刚度折减的损伤演化方法,开展了2.5D机织复合材料的低速冲击数值计算,进一步理清了低速冲击渐进损伤过程。结果表明,所建立的宏-细观混合有限元模型可以准确地模拟出2.5D机织复合材料的低速冲击力学响应曲线、宏观损伤形貌和细观损伤分布区域。并且,在低速冲击过程中,纱线减少区域的基体会承受更高的应力水平。(3)结合数字图像相关(DIC)技术,利用万能试验机对不含减纱、含半列减纱和含整列减纱三种试样进行了冲击后压缩试验,获取了载荷-位移曲线、剩余强度、全场应变渐进分布及损伤模式。研究表明,减纱会小幅降低试样的压缩强度,由于低速冲击产生的损伤体积差异,在54J和72J冲击能量下含半列减纱试样的剩余强度分别比含整列减纱试样高11.8%和4%。此外,未冲击试样的压缩损伤随机分布,而冲击后试样的压缩损伤则集中在冲击中心两侧。不含减纱、含半列减纱以及含整列减纱试样的渐进损伤过程类似,都表现为率先在冲击损伤区域产生大的应力集中并逐渐呈线性往试样边缘区域延伸。

关键词： 2.5D机织复合材料减纱低速冲击性能数值模拟冲击后压缩

三维异型纺织复合材料的预制体织造技术及材料力学性能研究进展

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材料工程 2023年第4期51卷 88-102页

作者：窦宏通王晓旭刘晓东张典堂江南大学生态纺织教育部重点实验室江苏无锡214122

近年来,三维纺织复合材料因其整体性能优异、结构丰富和净成形等特点,被广泛地应用于国防重大工程领域。其中,三维异型纺织复合材料理论研究仍远落后于应用。从三维异型纺织复合材料构件的应用出发,根据各种构件的典型特征分类归纳了三... 详细信息

近年来,三维纺织复合材料因其整体性能优异、结构丰富和净成形等特点,被广泛地应用于国防重大工程领域。其中,三维异型纺织复合材料理论研究仍远落后于应用。从三维异型纺织复合材料构件的应用出发,根据各种构件的典型特征分类归纳了三维异型纺织结构件的应用现状,总结了三维异型纺织复合材料预制体的主要织造工艺和织造装备的发展现状,并从不同的层级分析国内外对三维异型纺织复合材料的力学性能、细观结构建模、数值模拟等方面的研究进展,提出了三维异型纺织复合材料研究面临的关键问题,以期为三维异型纺织复合材料在未来的应用提供支撑。

关键词：三维异型纺织复合材料预制体织造装备力学性能数值模拟

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集成层级图注意力网络检测非均衡虚假评论

计算机科学与探索 2023年第2期17卷 428-441页

作者：赵敏张月琴窦英通张泽华太原理工大学信息与计算机学院太原030024 Department of Computer Science University of Illinois at ChicagoChicago 60607USA

作为机器学习当前一大热点,图神经网络(GNN)模型近年来已逐渐开始结合用户评论应用于欺诈检测领域。但现实中汇总的用户评论涉及多个不同领域,可用信息复杂多样,海量的用户生成内容中欺诈信息通常也只占少数,基于GNN的相关检测方法对虚... 详细信息

作为机器学习当前一大热点,图神经网络(GNN)模型近年来已逐渐开始结合用户评论应用于欺诈检测领域。但现实中汇总的用户评论涉及多个不同领域,可用信息复杂多样,海量的用户生成内容中欺诈信息通常也只占少数,基于GNN的相关检测方法对虚假评论的识别效果不甚理想。针对这种特征异构和数据分布不均衡的问题,将评论系统进行异构网络建模,提出一种新的集成层次图注意力网络(En-HGAN)识别方法。通过融合层次注意力结构,更加充分地利用异构网络中丰富的用户行为信息,为评论学习更加丰富的语义表征,并在集成学习Bagging框架下集成多个差异化的HGAN子模型,使用随机欠采样策略实现基学习器多样性聚合,从而减少有效信息丢失,增强对欺诈评论的检测能力。在YelpChi与Amazon真实数据集上的实验结果表明,En-HGAN方法具有良好的异常探测性能,和当前一些最新的方法相比,在数据类别倾斜分布的应用中显示En-HGAN方法对欺诈实体具有不错的鲁棒性。

关键词：虚假评论检测层次图注意力网络网络表征学习集成学习非均衡数据分类

含减纱2.5D机织碳/环氧复合材料低速冲击损伤机制

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天津工业大学学报 2023年第6期42卷 24-32,46页

作者：张典堂窦宏通董放江昊江南大学生态纺织教育部重点实验室江苏无锡214122

针对锥形回转体构件常用的减纱工艺,设计和制备了不含减纱、含半列减纱和含整列减纱2.5D机织碳/环氧复合材料。分别设置54 J和72 J的冲击能量,采用落锤冲击仪对3种复合材料开展了低速冲击试验,获取了载荷-时间曲线,并采用Micro-CT开展... 详细信息

针对锥形回转体构件常用的减纱工艺,设计和制备了不含减纱、含半列减纱和含整列减纱2.5D机织碳/环氧复合材料。分别设置54 J和72 J的冲击能量,采用落锤冲击仪对3种复合材料开展了低速冲击试验,获取了载荷-时间曲线,并采用Micro-CT开展了损伤形貌和损伤量化分析。基于低速冲击损伤“局部”分布特征,建立了一种宏-细观混合有限元模型,开展了3种复合材料的低速冲击数值模拟,并揭示了失效机理。结果表明:数值模拟的力学响应曲线及损伤形貌与对应试验结果吻合较好;相比于不含减纱试样,在54 J冲击能量下,含半列减纱和整列减纱试样的冲击损伤体积分别增加了21.0%和34.8%;在72 J冲击能量下,含半列减纱和整列减纱试样的冲击损伤体积分别增加了15.7%和24.4%。可以看出,减纱点的引入明显降低了结构的承载效率。

关键词：减纱 2.5D机织复合材料低速冲击损伤机制混合模型

基于Modbus协议的能源计量数据采集系统应用

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中国科技期刊数据库工业A 2022年第9期 263-266页

作者：窦贺通中国石油化工股份有限公司天津分公司天津300270

本文在分析了石油石化行业能源计量数据采集需求的基础上,详细介绍基于Modbus协议的数据采集系统的结构,解析远距离数据采集及传输、Modbus总线干扰、通讯速度缓慢、数据采集瓶颈等应用难点,着重于采集系统的实践应用,保障能源计量数据... 详细信息

本文在分析了石油石化行业能源计量数据采集需求的基础上,详细介绍基于Modbus协议的数据采集系统的结构,解析远距离数据采集及传输、Modbus总线干扰、通讯速度缓慢、数据采集瓶颈等应用难点,着重于采集系统的实践应用,保障能源计量数据采集、数据监控的准确稳定。通过该系统可以为数据的采集、监控提供有力的支持,确保计量可靠。

关键词： Modbus协议数据采集分析与处理

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薄壁圆筒干摩擦阻尼减振研究

装备维修技术 2023年第4期 95-98页

作者：黄云霞窦柏通中国航发商用航空发动机有限责任公司

通过数值和试验的方法研究了阻尼衬套对薄壁圆筒频率和振幅的影响。数值计算和试验结果均表明：薄壁圆筒内部增加衬套后，薄壁圆筒的频率几乎没有改变，两个结构的1节径1阶频率相差最大，相差约1.8%；薄壁圆筒的振幅响应明显减小，在1节... 详细信息

通过数值和试验的方法研究了阻尼衬套对薄壁圆筒频率和振幅的影响。数值计算和试验结果均表明：薄壁圆筒内部增加衬套后，薄壁圆筒的频率几乎没有改变，两个结构的1节径1阶频率相差最大，相差约1.8%；薄壁圆筒的振幅响应明显减小，在1节径1阶频率下，振幅最大降低了39～49%。

关键词：薄壁圆筒振动特性阻尼特性试验分析数值分析

来源：博看期刊

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周向对称零件分析模型及约束、加载方法研究

机电信息 2023年第24期 84-88页

作者：黄云霞郭越江窦柏通中国航发商用航空发动机有限责任公司上海200241

针对周向对称零件,尝试了多种模型和网格划分方式以及多种约束和加载方法,并针对所有方法开展了周向变形计算,计算结果表明,整圈模型均匀网格可以使用节点周向力、RBE3及控制点建接触方式施加扭矩;整圈模型非均匀网格及扇形段模型只能... 详细信息

针对周向对称零件,尝试了多种模型和网格划分方式以及多种约束和加载方法,并针对所有方法开展了周向变形计算,计算结果表明,整圈模型均匀网格可以使用节点周向力、RBE3及控制点建接触方式施加扭矩;整圈模型非均匀网格及扇形段模型只能用控制点建接触方式施加扭矩,计算结果与整圈模型均匀网格一致。结合计算效率,建议采用扇形段模型及控制点建接触方式施加扭矩的方法开展周向对称零件的有限元分析。

关键词：扭矩加载节点周向力 RBE3 控制点建接触

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最小二乘等几何分析的多重网格方法

西安交通大学学报 2014年第7期48卷 124-130页

作者：陈德祥窦柏通徐自力胡哺松西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室西安710049 长动集团武汉汽轮发电机有限公司武汉430074

针对最小二乘等几何分析得到的代数方程系数矩阵的条件数大、迭代求解成本高的问题,提出了求解该方程的多重网格法。该方法在密网格上进行误差光顺,使高频误差快速衰减,在疏网格上进行误差修正,使低频误差快速衰减。通过节点插入算法自... 详细信息

针对最小二乘等几何分析得到的代数方程系数矩阵的条件数大、迭代求解成本高的问题,提出了求解该方程的多重网格法。该方法在密网格上进行误差光顺,使高频误差快速衰减,在疏网格上进行误差修正,使低频误差快速衰减。通过节点插入算法自动生成不同尺寸的网格,根据离散B样条建立网格转换矩阵。采用该方法求解了泊松方程,对比了多重网格迭代与Gauss-Seidel迭代、PCG迭代的收敛性,结果表明Gauss-Seidel迭代收敛速度最慢,PCG迭代收敛速度随着代数方程自由度的增加而变慢,多重网格的收敛速度最快,能够有效求解最小二乘等几何分析得到的代数方程,解决了矩阵条件数过大的问题,并且收敛速度与网格尺寸无关。

关键词：多重网格最小二乘等几何分析迭代方法网格转换