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基于忆阻器神经网络的权值映射与更新方法研究

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基于忆阻器神经网络的权值映射与更新方法研究

作者：郭明健西南大学

学位级别：硕士

人工神经网络作为当今最火热的研究领域,已经引起了工业界和学术界极大的研究兴趣,同时也产生了显著的社会影响。在视觉识别,自动驾驶,语音助手,游戏等不同的应用中,人工神经网络表现出的能力超过了人类。目前,常用的几种人工神经网络... 详细信息

人工神经网络作为当今最火热的研究领域,已经引起了工业界和学术界极大的研究兴趣,同时也产生了显著的社会影响。在视觉识别,自动驾驶,语音助手,游戏等不同的应用中,人工神经网络表现出的能力超过了人类。目前,常用的几种人工神经网络硬件计算单元有中央处理单元、图像处理单元、谷歌的张量处理单元等,这类加速器都是基于CMOS工艺制备的“冯诺依曼”架构数字计算单元,其特点是存储单元和计算单元分开。然而,随着信息技术的发展以及人工神经网络的结构加深,目前的人工神经网络计算系统无法满足日益增长的存储和带宽的需求。相比之下,基于神经形态计算架构的人工神经网络硬件平台由于具有存算一体的特性,普遍被研究者认为是最有希望替代传统人工神经网络架构的方案。进一步,忆阻器作为实现神经形态架构应用的首选器件,具有非易失、结构简单、功耗低、存储密度高、纳米级尺寸以及与CMOS工艺兼容等优点。然而,由于忆阻器的模拟特性,忆阻器人工神经网络的部署方案需要进行重新设计。因此,本文对忆阻器交叉阵列实现人工神经网络的部署方案进行了深入的研究,设计了一种基于离线学习的权重映射方法实现了权值在忆阻器中的映射,并成功的应用于忆阻器卷积神经网络的离线部署,同时,研究了器件电导变化特性对该权值部署方案的影响。进一步,设计了一种基于在线学习的权值更新方法对存储在忆阻器当中的权重进行更新,并成功的应用于人工神经网络的在线训练。同时,对该部署方案随器件电导变化的部分非理想特性的容忍性进行了研究。论文的主要工作如下:(1)详细介绍了四种忆阻器模型,分别是基于导电细丝机制的动态忆阻器模型、基于氧化物的忆阻器紧凑模型、基于离子浓度分布的忆阻器模型、电压阈值控制的通用模型。这四种忆阻器模型分别从随机阻变存储器的不同阻变原理特性进行建模。同时,用MATLAB对这四种忆阻器模型进行仿真实验并分析了它们的参数特性,为后续搭搭建基于忆阻器的人工神经网络提供了理论分析。(2)设计了一种基于离线学习的权重映射方法,实现了忆阻器人工神经网络的权重映射。并应用于卷积神经网络权重在忆阻器交叉阵列模型的离线部署。进一步,分别以上述四种忆阻器模型作为基础忆阻器模型,构建的忆阻器交叉阵列模型实现了卷积神经网络并成功应用于MNIST数据集的图像识别。通过比较和分析基于这四种忆阻器模型构建的卷积神经网络对MNIST数据集的测试结果,研究器件特性对该部署方案的影响。(3)设计了一种基于在线学习的权值更新方法对忆阻器神经网络的权值进行更新。通过设置阈值,限制人工神经网络反向传播中梯度更新,当梯度积累超过阈值时释放脉冲,更新电压阈值控制模型的忆阻器交叉阵列中器件电导。运用该部署方案应用于多层感知机和卷积神经网络在忆阻器交叉阵中的在线训练,通过MNIST数据集图像识别的测试,证明了该权值更新方法具有很好的效果。通过设置电压阈值控制模型的忆阻器参数改变电导变化曲线的部分特性,例如线性度,对称性,中间电导状态数量,研究了该部署方案对器件部分非理想特性的容忍性。实验证明了该部署方案对忆阻器器件的非理想特性具有很好的容忍度。

关键词：忆阻器人工神经网络忆阻器交叉阵列离线部署在线部署

煤焦采购供应跨行业计划协同体系的构建及实践

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中国钢铁业 2018年第11期 58-60页

作者：刘红徐权郭明健马鞍山钢铁股份有限公司河钢集团有限公司

文章论述了煤焦供应链中多参与主体协同中遇到的问题，研究了一种全局为重、目标相容、协调各方利益条件下构建的跨行业计划协同体系，介绍了在这种体系下的实践过程，可以实现供应链系统和整体绩效的提高。

关键词：煤焦资源采购供应计划协同体系构建

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宣钢矩形坯连铸机高效化改造

河北联合大学学报（自然科学版） 2000年第S1期32卷 39-43页

作者：郭明健张跃平李建新宣化钢铁公司炼铁厂河北宣化075100

通过介绍宣钢炼钢厂矩形坯连铸机的高效化改造 ,给矩形坯、板坯连铸机的高效化改造提供参考。

关键词：连铸结晶器高效化改造

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宣钢矩形坯连铸机高效化改造

冶金设备 2000年第3期 29-32页

作者：郭明健李建新底根顺陶金明张如斌李晋宣钢炼钢厂 075100 北京冶金设备研究院 100029

传统连铸机实现高拉速、高质量、高作业率需要实施高效化改造。就宣钢二台矩形坯连铸机实施高效化改造存在的困难进行了论证，介绍了高效化改造应达到的目标，提出了实施高效化的基本思路和技术保证及高效化改造的具体内容，最后计算了... 详细信息

传统连铸机实现高拉速、高质量、高作业率需要实施高效化改造。就宣钢二台矩形坯连铸机实施高效化改造存在的困难进行了论证，介绍了高效化改造应达到的目标，提出了实施高效化的基本思路和技术保证及高效化改造的具体内容，最后计算了与高效化改造有关的技术参数，并把改造前后的生产指标进行了对比分析和经济效益分析。实践证明，高效化改造能给钢厂带来巨大的经济效益，传统连铸机实施高效化改造是钢厂今后节能降耗，结构优化的主要途径之一。

关键词：结晶器高效化改造矩形坯连铸机

基于Frenet坐标下改进人工势场法的无人车局部路径规划

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兵工学报 2024年第7期45卷 2097-2109页

作者：姬鹏郭明皓河北工程大学机械与装备工程学院河北邯郸056038

人工势场法由于运算量小、精度高,广泛应用于无人车的局部路径规划。针对传统人工势场法存在目标不可达、局部最小值及陷入U型障碍物的问题,提出一种基于Frenet坐标系下改进人工势场法的路径规划算法。构建Frenet坐标系来表述车辆避障运... 详细信息

人工势场法由于运算量小、精度高,广泛应用于无人车的局部路径规划。针对传统人工势场法存在目标不可达、局部最小值及陷入U型障碍物的问题,提出一种基于Frenet坐标系下改进人工势场法的路径规划算法。构建Frenet坐标系来表述车辆避障运动,简化规划模型,解决路径规划中车辆与所在道路相对位置不易表述的问题。提出安全椭圆模型和预测距离的概念来调整势场影响区域,加入基于Frenet坐标系下的参考线势场及动态速度势场改进斥力场函数,解决车辆在静态和动态下的避障问题。利用数学仿真软件进行仿真,以不同车速在直道和弯道场景中对所提出的路径规划方法进行静态和动态避障仿真实验。研究结果表明:不同车速下的前轮转角、横摆角速度均控制在较小范围内,改进算法可以有效解决传统人工势场法的缺陷,同时与快速搜索随机树(Rapidly-exploring Random Tree,RRT)算法相比,其在避障过程中路径规划计算效率提高了42.8%,改进算法优势明显。

关键词：无人车局部路径规划人工势场法 Frenet坐标系

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Pulse coding off-chip learning algorithm for memristive artificial neural network

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Chinese Physics B 2022年第7期31卷 648-656页

作者： Ming-Jian Guo Shu-Kai Duan Li-Dan Wang College of Artificial Intelligence Southwest UniversityChongqing 400715China

Memristive neural network has attracted tremendous attention since the memristor array can perform parallel multiplyaccumulate calculation(MAC)operations and memory-computation operations as compared with digital CMOS hardware ***,owing to the variability of the memristor,the implementation of high-precision neural network in memristive computation units is still *** learning algorithms for memristive artificial neural network(ANN)is unable to achieve the performance comparable to high-precision by using CMOS-based ***,we propose an algorithm based on off-chip learning for memristive ANN in low *** the ANN in the high-precision in digital CPUs and then quantifying the weight of the network to low precision,the quantified weights are mapped to the memristor arrays based on VTEAM model through using the pulse coding weight-mapping *** this work,we execute the inference of trained 5-layers convolution neural network on the memristor arrays and achieve an accuracy close to the inference in the case of high precision(64-bit).Compared with other algorithms-based off-chip learning,the algorithm proposed in the present study can easily implement the mapping process and less influence of the device *** result provides an effective approach to implementing the ANN on the memristive hardware platform.

关键词： off-chip learning mapping memristor array artificial neural network

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辣椒病虫害检测中的轻量级机器学习算法研究

辣椒病虫害检测中的轻量级机器学习算法研究

作者：史明健长春工业大学

学位级别：硕士

机器学习算法的不断发展,加速了不同领域的智能化,在农业方面上面表现出较好效果。在传统的农业中,辣椒在生长过程中会出现很多种类的疾病,辣椒病虫害常常发生在叶片和根部,需要种植者自己分辨是哪种疾病,然后对症下药,但是这个方法即... 详细信息

机器学习算法的不断发展,加速了不同领域的智能化,在农业方面上面表现出较好效果。在传统的农业中,辣椒在生长过程中会出现很多种类的疾病,辣椒病虫害常常发生在叶片和根部,需要种植者自己分辨是哪种疾病,然后对症下药,但是这个方法即耗时又费力,且准确率较低,使得产量大大降低,严重影响辣椒种植户的经济效益。神经网络能够自主的学习到图片的特征,在图像识别领域方面突出,但是普通的神经网络模型参数量大,无法嵌入到移动端设备进行快速识别,因此本文选取轻量化的卷积神经网络对辣椒病虫害类别进行识别,包括11种病虫害类别炭疽病、疫病、用药不当、病毒病、温度不适、螨虫、细菌性病害、根腐病、缺素、脐腐病和蓟马。本文主要工作如下:(1)对比不同轻量化神经网络,选择MobileNetV2网络对辣椒病虫害类别进行识别,其中辣椒病虫害数据集包含11类,一共5700张图片,实验结果与另外两种典型的轻量化神经网络进行对比验证,分别为Efficient Net和Shuffle Net,证明MobileNetV2网络相对于其他网络的优越性。(2)为了进一步提高模型的准确率,在MobileNetV2网络原有的基础之上进行改进,由于相对于其他的非轻量化神经网络准确率较低,使用结构重参数化的方法,提出Rep-MobileNetV2结构,在原有的倒残差结构之后添加新的结构重参数化层,能够融合多尺度特征信息,以增加少量参数代价提高准确率。考虑到图像通道和空间的特征信息,分别在原有结构中加入混合注意力机制SE模块和CBAM模块得到新的网络结构SE-MobileNetV2和CBAM-MobileNetV2,使得网络能够捕捉到每个通道的信息,从而提高网络的性能。(3)为了提升识别模型的泛化能力,对原始数据图片进行随机裁剪、旋转、改变颜色和添加高丝噪声等方法,同时采用Mosic数据增强方法,将原始数据集扩充到7700张图片,使用扩充后的辣椒病虫害数据集进行训练,提升模型的泛化能力。通过对比实验分析发现,改进模型Rep-MobileNetV2、SE-MobileNetV2和CBAMMobileNetV2与原始MobileNetV2相比较,三种改进模型参数量分别提升9.1%、25%和9.4%,推理时间分别下降38%、17%和2%,Rep-MobileNetV2以提高少量参数为代价使得模型的推理速度加快、准确率提高,而且Rep-MobileNetV2的模型效果最佳,最终在原始数据集中到达92.55%,在数据增强的数据集中达到95.25%。

关键词：轻量级算法 SE模块 CBAM模块 MobileNetV2 结构重参数化

面向栓塞治疗的单分散高弹性可载药水凝胶微球的微流控制备及其性能研究

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高分子学报 2024年第3期55卷 328-337页

作者：施超男郭明雨苏州大学材料与化学化工学部新型功能高分子材料国家地方联合工程实验室、江苏省先进功能高分子材料设计及应用重点实验室、苏州市大分子设计与精密合成重点实验室苏州215123

面向栓塞治疗,利用单乳液毛细管微流控装置制备了粒径均一、尺寸可调节的载药弹性水凝胶微球.以丙烯酰胺(AM)和3-磺酸丙基甲基丙烯酸钾盐(SPMA)为单体,与光引发剂、自制大分子胶束多官能度交联剂(MM2),配制成水溶液作为分散相,以光引发... 详细信息

面向栓塞治疗,利用单乳液毛细管微流控装置制备了粒径均一、尺寸可调节的载药弹性水凝胶微球.以丙烯酰胺(AM)和3-磺酸丙基甲基丙烯酸钾盐(SPMA)为单体,与光引发剂、自制大分子胶束多官能度交联剂(MM2),配制成水溶液作为分散相,以光引发剂、表面活性剂溶于液体石蜡作为连续相,在微流控通道内得到单分散内相液滴,随后通过紫外光照交联聚合,生成具有优异弹性的水凝胶微球.三维通道内的压缩实验表明,微球被压缩约60%而不破碎,且可快速恢复原貌.微球能够快速并大量负载阳离子抗癌药物盐酸阿霉素,20 min即可达到载药平衡,且包封率均超过97%,平衡载药量约648 mg/g(干球)、95mg/g(湿球).此外,还对不同粒径载药微球在不同介质中的药物释放行为进行了研究探讨.研究结果为单分散、高弹性和高载药量水凝胶微球的制备,特别是在栓塞微球方面的潜在应用研究奠定了一定的基础.

关键词：微流控单分散微球弹性水凝胶微球栓塞微球

被“化约”的文学世界:士风叙事下的范仲淹及其文学创作

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新疆大学学报（哲学社会科学版） 2024年第1期52卷 124-130页

作者：郭明山西大同大学文学院山西大同037009

范仲淹的士风观内涵丰富,主要表现为以“四民”说为角色意识基础,以敦教育、慎选举为士风振起途径,以不离中道为理想士风状态。传统士风叙事对范仲淹形象的化约遮蔽了其文学世界的诸多层面,如基于“中道”观的文学思想,以精英化的制度... 详细信息

范仲淹的士风观内涵丰富,主要表现为以“四民”说为角色意识基础,以敦教育、慎选举为士风振起途径,以不离中道为理想士风状态。传统士风叙事对范仲淹形象的化约遮蔽了其文学世界的诸多层面,如基于“中道”观的文学思想,以精英化的制度关怀表达淑世情怀的方式,以及层次丰富的隐逸书写等。在对范仲淹的士风叙事中,欧阳修引入“外和内刚”说,力图补完当时对庆历士风畸重于“刚”的印象;苏轼持“一定之见”说,强调政治定见与操守,将其纳入旧党的思想谱系;宋后的题咏则将其化约为若干标签化的士风印象。“士风”作为一种方法,为全面认识范仲淹的文学世界提供了契机。

关键词：士风观士风叙事形象化约文学世界