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A hybrid CNN-LSTM model for diagnosing rice nutrient levels at the rice panicle initiation stage

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Journal of Integrative Agriculture 2024年第2期23卷 711-723页

作者： Fubing Liao Xiangqian Feng ziqiu Li Danying Wang Chunmei Xu Guang Chu Hengyu Ma Qing Yao song Chen School of Computer Science and Technology Zhejiang Sci-Tech UniversityHangzhou 310018China China National Rice Research Institute Chinese Academy of Agricultural SciencesHangzhou 310006China School of Agriculture Yangtze UniversityJingzhou 434025China

Nitrogen(N)and potassium(K)are two key mineral nutrient elements involved in rice growth.Accurate diagnosis of N and K status is very important for the rational application of fertilizers at a specific rice growth stage.Therefore,we propose a hybrid model for diagnosing rice nutrient levels at the early panicle initiation stage(EPIS),which combines a convolutional neural network(CNN)with an attention mechanism and a long short-term memory network(LSTM).The model was validated on a large set of sequential images collected by an unmanned aerial vehicle(UAV)from rice canopies at different growth stages during a two-year experiment.Compared with VGG16,AlexNet,GoogleNet,DenseNet,and inceptionV3,ResNet101 combined with LSTM obtained the highest average accuracy of 83.81%on the dataset of Huanghuazhan(HHZ,an indica cultivar).When tested on the datasets of HHZ and Xiushui 134(XS134,a japonica rice variety)in 2021,the ResNet101-LSTM model enhanced with the squeeze-and-excitation(SE)block achieved the highest accuracies of 85.38 and 88.38%,respectively.Through the cross-dataset method,the average accuracies on the HHZ and XS134 datasets tested in 2022 were 81.25 and 82.50%,respectively,showing a good generalization.Our proposed model works with the dynamic information of different rice growth stages and can efficiently diagnose different rice nutrient status levels at EPIS,which are helpful for making practical decisions regarding rational fertilization treatments at the panicle initiation stage.

关键词： dynamic model of deep learning UAV rice panicle initiation nutrient level diagnosis image classification

Bottlenecks and Countermeasures of High-Penetration Renewable Energy Development in China

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Engineering 2021年第11期7卷 1611-1622页

作者： Jizhen Liu Qinghua Wang ziqiu song Fang Fang State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources North China Electric Power UniversityBeijing 102206China School of Control and Computer Engineering North China Electric Power UniversityBeijing 102206China

China has become the world’s largest producer and consumer of energy,and ranks first in its wind and solar power installation capacity.However,serious wind and solar curtailment in China has significantly hindered the development and utilization of renewable energy.To address problems in the consumption of renewable energy,this paper analyzes four key factors affecting the capacity of power generated from renewable energy sources:power balance,power regulation performance,transmission capacity,and load level.Focusing on these bottlenecks,we propose seven solutions:centralized and distributed development of renewable energy,improving the peak-load regulation flexibility of thermal power,increasing the proportion of gas turbines and pumped-hydropower storage,construction of transmission channels and a flexible smart grid developing demand response and virtual power plants,adopting new energy active support and energy storage,and establishing appropriate policies and market mechanisms.The Chinese Government and energy authorities have issued a series of policies and measures,and in the past three years,China has had remarkable achievements in the adoption of renewable energy.The rate of idle wind capacity decreased from 17%in 2016 to 7%in 2018,and that of solar decreased from 10%in 2016 to 3%in 2018.

关键词： Bottlenecks Countermeasures Idle wind and solar power Renewable energy

基于LPV-MPC的风电机组功率-载荷协调控制策略

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可再生能源 2024年第1期42卷 38-44页

作者：梁栋炀宋子秋刘亚娟华北电力大学控制与计算机工程学院北京102206

大型风电机组变桨控制是一个复杂的非线性控制任务,如何在系统约束和风速扰动的条件下实现功率调节和载荷降低成为难题。针对该问题,文章采用机理与参数辨识方法构建了一个面向控制的线性变参数(LPV)模型,LPV模型引入间隙度量理论来降... 详细信息

大型风电机组变桨控制是一个复杂的非线性控制任务,如何在系统约束和风速扰动的条件下实现功率调节和载荷降低成为难题。针对该问题,文章采用机理与参数辨识方法构建了一个面向控制的线性变参数(LPV)模型,LPV模型引入间隙度量理论来降低模型复杂度,为控制设计提供了更加精确的线性模型。设计了时变卡尔曼滤波器,实现了风机的最优状态估计,基于获得的最优状态,提出了自适应模型预测(MPC)变桨控制器,MPC控制器能够根据实时风速变化调整预测模型,在满足系统约束的条件下实现大型风电机组功率-载荷的协调控制。OpenFAST对比仿真实例表明了模型与控制器的有效性。

关键词：风电机组变桨控制线性参数变化模型自适应模型预测控制功率-载荷控制

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风电机组运行动态数字孪生建模及半物理仿真

系统仿真学报 2024年第3期36卷 636-648页

作者：胡阳王蔚然房方宋子秋许昱涵刘吉臻华北电力大学控制与计算机工程学院北京102206 新能源电力系统全国重点实验室北京102206

面向数字孪生技术所提出的精准映射与实时仿真需求,针对大型风电机组复杂非线性运行特性,提出了一种多输入-多输出(multi-input multi-output,MIMO)有限差分域-混合半机理(finite difference domain-hybrid semi-mechanical,FDD-HSM)数字孪生建模方法,建立了含物理控制器的风电机组数字孪生半物理仿真系统。推导机组集成动态MIMO-FDD-HSM模型结构;定义可表征机组运行工况的有限差分回归向量,完成全工况下有限差分空间紧致凸划分、参数模型辨识以及非参数模型训练;联合物理控制器搭建风电机组数字孪生仿真系统,开展硬件在环实时仿真。结果表明:该仿真系统具有高精度、实时逼近能力。

关键词：风力发电数字孪生混合半机理有限差分域半物理仿真

城市绿地游憩服务网络特征及不同出行模式的响应差异

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风景园林 2024年第2期31卷 56-63页

作者：宋子亮刘宇航黄子秋刘文平华中农业大学园艺林学学院华中农业大学长江勘测规划设计研究有限责任公司

【目的】随着经济社会的快速发展,城市居民亲近自然的游憩需求显著增长。在城市尺度提升绿地的蓝色和绿色游憩服务效率成为当前亟须解决的问题。【方法】以武汉市为研究区域,通过提取居民游憩出行的最短路径,利用社会网络分析软件Ucinet... 详细信息

【目的】随着经济社会的快速发展,城市居民亲近自然的游憩需求显著增长。在城市尺度提升绿地的蓝色和绿色游憩服务效率成为当前亟须解决的问题。【方法】以武汉市为研究区域,通过提取居民游憩出行的最短路径,利用社会网络分析软件Ucinet 6.0分别构建步行、骑行和驾车3种出行模式下的5 min、10 min和15 min城市绿地的游憩服务网络,并分析网络的整体特征、节点功能和节点类型,进而探究这些特征在不同出行模式下的响应差异。【结果】当出行时长为5 min时,骑行和驾车模式能够组织超过85%的城市绿地节点协同联系形成游憩服务网络,而步行模式下游憩服务则呈零星局部组团分布。随着出行时长的增加,3种出行模式下游憩服务网络的核心集聚功能节点占比呈上升趋势,且节点类型主要以绿色游憩服务为主。骑行和驾车模式下的边缘汇聚功能节点占比则随出行时长增加而逐渐下降,但其蓝色游憩服务型核心集聚节点的占比则逐渐上升。【结论】城市绿地游憩服务网络效率的整体提升须系统考虑不同出行模式下居民的游憩需求,并协同整合蓝色和绿色游憩空间。这些发现可以为城市绿地游憩体系的构建和完善,以及游憩资源的系统整合提供直接支持。

关键词：风景园林游憩服务社会网络分析城市绿地出行模式

Multifunctional Perovskite Photodetectors: From Molecular-Scale Crystal Structure Design to Micro/Nano-scale Morphology Manipulation

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Nano-Micro Letters 2023年第10期15卷 565-594页

作者： Yingjie Zhao Xing Yin Pengwei Li ziqiu Ren Zhenkun Gu Yiqiang Zhang Yanlin song College of Chemistry Zhengzhou UniversityZhengzhou 450001People’s Republic of China Henan Institute of Advanced Technology Zhengzhou UniversityZhengzhou 450001People’s Republic of China Key Laboratory of Green Printing Institute of ChemistryChinese Academy of Sciences(ICCAS)Beijing 100190People’s Republic of China

Multifunctional photodetectors boost the development of traditional optical communication technology and emerging artificial intelligence fields, such as robotics and autonomous driving. However, the current implementation of multifunctional detectors is based on the physical combination of optical lenses, gratings, and multiple photodetectors, the large size and its complex structure hinder the miniaturization, lightweight, and integration of devices. In contrast, perovskite materials have achieved remarkable progress in the field of multifunctional photodetectors due to their diverse crystal structures, simple morphology manipulation, and excellent optoelectronic properties. In this review, we first overview the crystal structures and morphology manipulation techniques of perovskite materials and then summarize the working mechanism and performance parameters of multifunctional photodetectors. Furthermore, the fabrication strategies of multifunctional perovskite photodetectors and their advancements are highlighted, including polarized light detection, spectral detection, angle-sensing detection, and selfpowered detection. Finally, the existing problems of multifunctional detectors and the perspectives of their future development are presented.

关键词： Perovskite materials Crystal structure design Micro/nano-structure manipulation Working mechanism Multifunctional photodetectors

基于多头自注意力机制的茶叶采摘点语义分割算法

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农业机械学报 2023年第9期54卷 297-305页

作者：宋彦杨帅郑子秋宁井铭安徽农业大学工学院合肥230036 安徽省智能农机装备工程实验室合肥230036 茶树生物学与资源利用国家重点实验室合肥230036

茶叶采摘点定位是茶叶选择性采摘的关键技术之一,在茶树采摘场景中,存在采摘点尺度小、背景干扰大、光照情况复杂等问题,导致准确分割茶叶采摘点成为难题。本研究针对茶园场景下采摘点精确分割问题,构建了一种基于多头自注意力机制结合... 详细信息

茶叶采摘点定位是茶叶选择性采摘的关键技术之一,在茶树采摘场景中,存在采摘点尺度小、背景干扰大、光照情况复杂等问题,导致准确分割茶叶采摘点成为难题。本研究针对茶园场景下采摘点精确分割问题,构建了一种基于多头自注意力机制结合多尺度特征融合的语义分割算法——RMHSA-NeXt。首先使用ConvNeXt卷积神经网络提取图像特征;其次构造基于残差和多头自注意力机制的注意力模块,将模型注意力集中于分割目标,增强重要特征的表达;再次通过多尺度结构(Atrous spatial pyramid pooling,ASPP)将不同尺度的特征进行融合,在其中针对采摘点特性,在融合过程中使用条状池化(Strip pooling),减少无用特征的获取;最后通过卷积以及上采样等操作完成信息的解码,得出分割结果。试验表明,茶园环境下该模型可以对采摘点进行有效分割,模型的像素准确率达到75.20%,平均区域重合度为70.78%,运行速度达到8.97 f/s。基于相同测试集将本文模型与HRNet V2、EfficientUNet++、DeeplabV3+、BiSeNet V2模型进行对比,结果表明相比于其他模型同时具有准确性高、推理速度快、参数量小等优点,能够较好地平衡精度与速度指标。本文的研究成果可以为精准定位茶叶采摘点提供有效可靠的参考。

关键词：茶叶采摘点语义分割注意力机制多尺度结构

降低海面覆冰载荷影响的近海固定式风电机组安全控制

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中国电机工程学报 2023年第16期43卷 6320-6331页

作者：刘亚娟孙荷雨宋子秋任鑫房方华北电力大学控制与计算机工程学院北京市昌平区102206

海面覆冰载荷是寒冷地区海上风电设计和运营中需要考虑的重要因素。该文建立风扰动及海面覆冰扰动下海上风电机组的T-S模糊增量模型;采用分布补偿控制率,通过控制桨距角增量以达到保持风电机组功率稳定、降低海面覆冰载荷影响的控制目标... 详细信息

海面覆冰载荷是寒冷地区海上风电设计和运营中需要考虑的重要因素。该文建立风扰动及海面覆冰扰动下海上风电机组的T-S模糊增量模型;采用分布补偿控制率,通过控制桨距角增量以达到保持风电机组功率稳定、降低海面覆冰载荷影响的控制目标,基于Lyapunov稳定性理论,利用线性矩阵不等式(linear matrix inequality,LMI)方法求解相关增益,完成模糊状态观测器及模糊状态反馈控制器的设计,设计过程中考虑H∞性能指标以减少风扰动及海面覆冰载荷扰动对系统的影响。仿真结果表明,所设计的模糊状态观测器能够准确跟踪机组运行状态;所设计的降载控制器可有效降低风扰动及海面覆冰扰动对系统动态性能的不利影响,使风电机组功率及塔顶位移保持在较为稳定的范围内。

关键词：海上风电机组海面覆冰载荷 T-S模糊模型状态反馈控制状态观测器

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计及碳收益的风电场混合储能容量优化配置

中国电力 2022年第12期55卷 22-33页

作者：陈崇德郭强宋子秋胡阳华北电力大学控制与计算机工程学院北京102206 山西省电力公司电力科学研究院山西太原030001

风电场输出功率波动剧烈,直接并网会影响电力系统的安全稳定运行,需要配置储能平滑风电功率使其满足并网要求。为克服滑动平均法追随性差而导致储能配置容量较大的问题,提出分级滑动平均法用于确定风电功率平滑目标;采用Butterworth低... 详细信息

风电场输出功率波动剧烈,直接并网会影响电力系统的安全稳定运行,需要配置储能平滑风电功率使其满足并网要求。为克服滑动平均法追随性差而导致储能配置容量较大的问题,提出分级滑动平均法用于确定风电功率平滑目标;采用Butterworth低通滤波对风电功率偏移量进行分解,将低频分量和高频分量分别作为锂电池储能和飞轮储能的参考功率;考虑储能初始投资及置换等成本以及售电收益、碳交易收益,建立风电场混合储能容量优化配置模型,并采用自适应混沌粒子群优化算法进行求解;利用某48MW风电场的运行数据进行仿真验证。仿真结果表明:分级滑动平均法更适用于确定风电功率平滑目标,锂电池与飞轮混合储能有利于提高风储系统全生命周期的净收益。

关键词：碳交易收益风电功率平滑混合储能储能容量配置锂电池储能飞轮储能