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拉曼光谱结合WGANGP-ResNet算法鉴别病原菌种类

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光谱学与光谱分析 2024年第2期44卷 542-547页

作者：孟星志刘亚秋刘丽娜东北林业大学信息与计算机工程学院黑龙江哈尔滨150040

快速准确识别病原菌在防止传染病的传播、帮助对抗抗菌素耐药性和改善病人预后方面起着关键作用。拉曼光谱结合机器学习算法能够简单快捷地对病原菌进行无标记检测。然而,病原菌种类和表型繁多,并且深度学习需要依赖大量样本训练,而收... 详细信息

快速准确识别病原菌在防止传染病的传播、帮助对抗抗菌素耐药性和改善病人预后方面起着关键作用。拉曼光谱结合机器学习算法能够简单快捷地对病原菌进行无标记检测。然而,病原菌种类和表型繁多,并且深度学习需要依赖大量样本训练,而收集大批量病原菌拉曼光谱劳神费力,且易受荧光等因素影响。针对上述问题,提出一种基于WGAN-GP数据增强方法和ResNet结合的病原菌拉曼光谱检测模型。采用五种常见眼科病原菌的拉曼光谱。将采集到的原始数据归一化作为ResNet和传统卷积神经网络(1D-CNN)的输入,将经过SG滤波、airPLS基线校正、PCA降维等预处理后的数据作为K近邻(KNN)的输入,对比分析发现ResNet模型效果最优,其分类精度可达96%;搭建Wasserstein生成式对抗网络加梯度惩罚模型(WGAN-GP),生成大量与真实数据相似的高分辨率光谱数据。同时与偏移法、深度卷积生成式对抗神经网络(DCGAN)2种数据增强方法进行比对,证明WGAN-GP的可靠性;为验证生成数据可以丰富数据多样性,进而提高分类精度,将扩充后的数据集重新放入ResNet进行训练,最终WGAN-GP结合ResNet的分类准确率提高到99.3%。结果表明:基于ResNet的分类模型无需复杂数据预处理,在开发效率和分类精度上均有提高;改进的WGAN-GP模型适用于拉曼光谱数据增强,解决了传统数据增强方法生成光谱的有效性与类别准确性不匹配的问题,相比于GAN提高了训练过程的速度和稳定性;利用表面增强拉曼光谱技术(SERS)结合WGANGP-ResNet模型对病原菌拉曼光谱分类,减少了对大量训练数据的需求,有利于快速学习和分析低信噪比的拉曼光谱,并将光谱采集时间缩减到1/10。在临床快速、免培养鉴别病原菌方面具有重要研究意义与应用价值。

关键词： WGAN-GP 拉曼光谱病原菌鉴别一维残差网络卷积神经网络

基于响应曲面法的木材喷涂漆雾扩散角度与均匀度优化

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林业科学 2024年第6期60卷 136-147页

作者：杨春梅刘彤彬马亚强丁禹程王金聪胡松宋文龙东北林业大学机电工程学院哈尔滨150040 东北林业大学计算机与控制工程学院哈尔滨150040 广东博硕涂装技术有限公司佛山520308

【目的】探究木材喷涂喷头结构参数对喷口流速v_(2)、漆雾扩散角度γ和漆雾均匀性λ的影响,求解喷头最优结构参数,提高木材喷涂效率和喷涂效果。【方法】基于雾滴碰撞、聚集和积累理论初步探究v_(2)、γ和λ的影响因素,将优化参数设为... 详细信息

【目的】探究木材喷涂喷头结构参数对喷口流速v_(2)、漆雾扩散角度γ和漆雾均匀性λ的影响,求解喷头最优结构参数,提高木材喷涂效率和喷涂效果。【方法】基于雾滴碰撞、聚集和积累理论初步探究v_(2)、γ和λ的影响因素,将优化参数设为原始喷头的7项关键内部结构参数,包括内壁倒角β、三段管道内壁长度L_(1)至L_(3)和三段管道内壁直径d_(1)至d_(3),利用Design Expert设计7因素3水平3指标的BBD响应曲面试验,探究各结构参数对v_(2)、γ和λ的影响显著性。BBD试验各组结果由3部分仿真获得,采用k-ε模型进行喷头内部流场仿真、KHRT模型进行高压平口雾化仿真。应用Image J测定漆雾扩散角度,通过Python运用“雾滴撒点法”完成对每组雾化仿真结果的均匀性标定,利用多目标优化方法求解喷头最优结构参数,并通过仿真喷涂和实机喷涂验证其喷涂效果。【结果】BBD响应曲面试验结果表明,7项关键内部结构参数对指标的影响十分复杂,但3项指标v_(2)、 γ和λ回归显著(P≤0.000 1),多目标优化下的理论最优漆雾扩散角度为21.28°、最优漆雾均匀性为3.053;最优喷头的喷涂仿真试验结果表明,优化后喷口流速v_(2)由35.8 m·s^(-1)升至107 m·s^(-1),漆雾扩散角度γ由16.74°升至21.09°(与理论相差0.883%),漆雾均匀性λ由3.62升至3.03(λ越小代表越均匀,与理论相差0.751%)。在木材喷涂实机试验中,优化前后木材喷涂试样漆厚标准差由21.71μm降至17.74μm,单面喷涂时间由6.2 s降至5.5 s,单面喷头移动行程由3 255 mm降至2 887 mm。【结论】基于“雾滴撒点法”的漆雾均匀性评判标准以及基于响应曲面法和多目标的喷头结构参数优化方法可对木材喷涂喷头优化设计提供一定参考,对提高木材喷涂漆面均匀性和木材喷涂效率具有一定效果和帮助。

关键词：木材喷涂喷涂均匀性扩散角度雾化仿真响应曲面法多目标优化

二元低共熔脂肪酸相变微胶囊的设计与工艺优化

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材料工程 2024年第10期52卷 34-43页

作者：袁红平洪枢邓竣骞吴新宇李晓玉肖俊连海兰南京林业大学材料科学与工程学院南京210037 东北林业大学材料科学与工程学院哈尔滨150040

单一脂肪酸的相变温度普遍较高且易泄漏,不能满足其作为相变材料对夏季建筑空调能耗调节的需求。本工作基于真实溶剂类导体屏蔽模型(conductor-like screening model for real solvents,COSMO-RS),采用COSMOthermX软件对7种中链脂肪酸... 详细信息

单一脂肪酸的相变温度普遍较高且易泄漏,不能满足其作为相变材料对夏季建筑空调能耗调节的需求。本工作基于真实溶剂类导体屏蔽模型(conductor-like screening model for real solvents,COSMO-RS),采用COSMOthermX软件对7种中链脂肪酸和10种长链脂肪酸两两组合的136种二元低共熔脂肪酸进行设计计算,筛选预测其共熔温度与摩尔比。进而将最优组合作为芯材,三聚氰胺-尿素-甲醛树脂(MUF)为壁材,通过原位聚合法制备相变微胶囊,系统地探讨不同工艺条件(芯壁比、反应温度、反应时间和反应转速等)对该微胶囊热物理性能的影响。结果表明:COSMO-RS模型可以直观地判断材料氢键供体(hydrogen bond donor,HBD)与受体(hydrogen bond acceptor,HBA)之间的关系,最优组合月桂酸(lauric acid,LA)与肉豆蔻酸(myristic acid,MA)摩尔比为0.66∶0.34的LA-MA(LM)理论共熔温度(33.25℃)与实验结果(33.1℃)相似度达98.08%;在芯壁比2∶1、反应时间3 h、反应温度80℃、搅拌转速200 r/min的条件下,MUF对芯材LM的包覆效率为61.37%,较好地解决了泄漏问题,对降低建筑空调制冷能耗具有潜在的应用价值。

关键词：月桂酸肉豆蔻酸二元低共熔脂肪酸相变微胶囊 COSMO-RS

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锥形阶梯流管无阀压电泵仿真及实验

振动．测试与诊断 2024年第3期44卷 602-607,626页

作者：孙业明李驹苏天一王俊尧李瑞鹏东北电力大学机械工程学院吉林132012

针对锥形流管无阀压电泵输出流量小、回流流量多等问题,结合锥形流管和溢流坝阶梯式结构的阻流作用,研制了一种锥形阶梯流管无阀压电泵。对锥形阶梯流管的流阻特性进行了理论分析,利用有限元软件对锥形阶梯流管无阀压电泵和锥形无阶梯... 详细信息

针对锥形流管无阀压电泵输出流量小、回流流量多等问题,结合锥形流管和溢流坝阶梯式结构的阻流作用,研制了一种锥形阶梯流管无阀压电泵。对锥形阶梯流管的流阻特性进行了理论分析,利用有限元软件对锥形阶梯流管无阀压电泵和锥形无阶梯无阀压电泵进行了流场仿真对比,制作了锥形阶梯流管无阀压电泵实验样机,测量不同频率和驱动电压下两种泵的流量。实验结果表明:当驱动电压峰峰值为180 V、驱动频率为18 Hz时,锥形无阶梯流管无阀压电泵流量最大为6.20 ml/min,锥形阶梯流管无阀压电泵输出流量最大为8.04 ml/min,与锥形无阶梯流管无阀压电泵相比泵最大输出流量提升了29%,验证了锥形阶梯流管无阀压电泵能有效抑制锥形流管中的回流现象,且相比于无阶梯流管无阀压电泵具有更好的输出流量。

关键词：无阀压电泵锥形阶梯流管有限元仿真流量实验

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原子力显微镜加工轨迹测压电剪切叠堆二维高频运动位移

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强激光与粒子束 2024年第8期36卷 158-164页

作者：尹若楠薛勃张津铭吴哲东北林业大学机电工程学院哈尔滨150040

针对两轴压电剪切叠堆在高频电压驱动下的二维高频运动的位移测量问题,提出使用(AFM)探针在敲击模式下的加工痕迹测量压电剪切叠堆运动位移的方法,首先制备热塑性聚合物聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜,随后进行AFM探针敲击加工实验,扫描AM... 详细信息

针对两轴压电剪切叠堆在高频电压驱动下的二维高频运动的位移测量问题,提出使用(AFM)探针在敲击模式下的加工痕迹测量压电剪切叠堆运动位移的方法,首先制备热塑性聚合物聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜,随后进行AFM探针敲击加工实验,扫描AMF探针加工轨迹并对其进行后处理,成功得到压电剪切叠堆的二维高频运动位移,实现了以半接触的方式对压电剪切叠堆二维高频复杂运动的准确检测,并依据实验数据对压电剪切叠堆二维运动位移随电压幅值及频率的变化情况进行分析。实验结果表明,在10 Hz~5 kHz的激励信号频率范围内,所提出的方法能准确测量压电剪切叠堆的运动位移。

关键词：原子力显微镜敲击加工压电剪切叠堆二维高频运动

基于近红外光谱-光纤液滴分析法检测蓝莓综合品质

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食品科学 2024年第18期45卷 216-224页

作者：冯国红周金东朱玉杰王甜甜东北林业大学机电工程学院黑龙江哈尔滨150040

基于近红外光谱融合液滴分析技术进行蓝莓的二维相关分析,以实现蓝莓综合贮藏品质的检测。本研究采集8个贮藏时间‘绿宝石’蓝莓的近红外光谱图和液滴指纹图,综合分析硬度、花青素、VC、固酸比等15个理化指标,发现各指标之间有着密切的... 详细信息

基于近红外光谱融合液滴分析技术进行蓝莓的二维相关分析,以实现蓝莓综合贮藏品质的检测。本研究采集8个贮藏时间‘绿宝石’蓝莓的近红外光谱图和液滴指纹图,综合分析硬度、花青素、VC、固酸比等15个理化指标,发现各指标之间有着密切的相关性,因此对15个理化指标进行隶属函数联合主成分分析计算蓝莓的综合得分,以此划分综合贮藏品质的等级。对光谱数据进行Savitzky-Golay(SG)卷积平滑、标准正态变换、多元散射矫正和迭代自适应加权惩罚最小二乘预处理,经对比分析,SG卷积平滑预处理后所建立的模型预测精度最高,预测结果为82.67%。对液滴数据取平均进行数据降维后进行移动平均平滑、SG卷积平滑、高斯滤波和中值滤波预处理,经过对比分析,经SG卷积平滑预处理后所建立的模型预测精度最高,预测结果为86.67%。以蓝莓的综合得分作为外扰,对光谱数据和液滴数据分别进行二维相关分析,分别优选出879、1019、1220、1636 nm波长和789、1653、2386、2703 ms自相关峰所对应的位置作为特征变量,以光谱和液滴特征数据融合后作为输入建立支持向量机(support vector machine,SVM)和随机森林模型,模型预测准确率分别为100.00%和98.33%,均高于以单个特征作为输入的预测准确率,且SVM模型预测效果更优,之后用‘蓝宝石’‘莱克西’和‘蓝丰’等9个蓝莓品种进行验证,采用相同的方法进行一系列数据处理建立SVM模型,结果表明模型对于不同品种蓝莓均表现出良好的预测效果。综上,利用可见-近红外光谱融合液滴分析技术可以实现蓝莓综合贮藏品质的预测,为蓝莓的品质检测提供新的方法。

关键词：蓝莓可见-近红外光谱液滴分析二维相关光谱主成分分析

东北地区生态系统服务空间分布及其驱动因子分析

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环境科学 2024年第9期45卷 5385-5394页

作者：王佳琪邢艳秋常晓晴杨红东北林业大学机电工程学院森林作业与环境研究中心哈尔滨150040

东北地区是我国重要的生态屏障,深入了解生态系统服务空间分布格局以及驱动因素,对实现生态系统服务后续的管理与保护至关重要.基于气象数据、遥感数据和社会经济数据等,采用InVEST、RWEQ和RUSLE模型定量评估了东北地区生态系统服务空... 详细信息

东北地区是我国重要的生态屏障,深入了解生态系统服务空间分布格局以及驱动因素,对实现生态系统服务后续的管理与保护至关重要.基于气象数据、遥感数据和社会经济数据等,采用InVEST、RWEQ和RUSLE模型定量评估了东北地区生态系统服务空间分布,利用地理探测器识别了生态系统服务空间分布的驱动因子.结果表明,东北地区生态系统服务空间分布存在明显的空间异质性,生境质量、固碳服务和土壤保持服务高值主要分布在内蒙古自治区东四盟北部、黑龙江省北部、吉林省东部和辽宁省东部,水源涵养服务和防风固沙服务高值则分别分布在东北地区东部和内蒙古自治区东四盟.根据地理探测器结果,生态系统服务的空间分布主要受到自然因子的影响,坡度对土壤保持服务的空间分布解释力最强,q值为0.31,土地利用类型对生境质量和固碳服务空间分布的解释力最强,q值分别为0.64和0.52,植被覆盖度和年降水量对防风固沙和水源涵养服务空间分布的解释力最强,q值分别为0.24和0.64,并且各驱动因子之间都存在交互作用.研究结果可为后续东北地区生态系统服务的管理和提升提供科学依据.

关键词：生态系统服务(ESs) 地理探测器 InVEST模型 RUSLE模型 RWEQ模型

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空气分级技术及设备研究进展

化学工业与工程 2024年第4期41卷 117-130页

作者：付敏曹众陈效庆高泽飞战明宇东北林业大学机电工程学院

空气分级机是通过空气流场对不同粒径大小的颗粒进行分离的设备，广泛应用于选矿、食品加工、精细化工、生物制药和固体废弃物回收等领域，对控制粉体原料的品质有重要作用。总结了静态空气分级机和动态空气分级机的研究进展，主要包括... 详细信息

空气分级机是通过空气流场对不同粒径大小的颗粒进行分离的设备，广泛应用于选矿、食品加工、精细化工、生物制药和固体废弃物回收等领域，对控制粉体原料的品质有重要作用。总结了静态空气分级机和动态空气分级机的研究进展，主要包括垂直流型和水平流型重力式分级机、离心式分级机、动态分级机的分类以及转笼、导风叶片和物料分散机构等关键部件、工艺参数和内部流场的研究现状，指出存在的问题并展望未来发展方向，以期为空气分级技术及设备的研究提供参考。未来空气分级机的研究可重点关注分级室内颗粒运动学、动力学分析、分级机内部流场定量表征以及整体结构与工艺参数优化。

关键词：分级技术重力式分级离心式分级动态空气分级涡流场

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基于无监督聚类分析的激进换道行为识别方法

交通运输系统工程与信息 2024年第2期24卷 166-178页

作者：王婉琦程国柱徐亮东北林业大学土木与交通学院哈尔滨150040 长春工程学院土木学院长春130012

为有效指导驾驶人采取更安全的换道行为,本文提出基于改进的自组织映射神经网络(SOM-Kmeans)聚类分析的激进换道行为识别方法。通过模拟驾驶设备和眼动仪获取驾驶数据和眼动状态,运用变点检测算法结合方向盘转角和横向注视位置从多模态... 详细信息

为有效指导驾驶人采取更安全的换道行为,本文提出基于改进的自组织映射神经网络(SOM-Kmeans)聚类分析的激进换道行为识别方法。通过模拟驾驶设备和眼动仪获取驾驶数据和眼动状态,运用变点检测算法结合方向盘转角和横向注视位置从多模态数据集中提取换道行为事件数据,进而提取驾驶人换道行为关键特征参数,运用SOM-Kmeans聚类分析识别激进换道行为。将SOM-Kmeans聚类方法分别与基于密度的聚类算法(DBSCAN)及模糊C均值聚类算法(FCM)比较,分析激进换道行为的识别效果。研究结果表明:SOM-Kmeans能够将激进换道行为划分为紧急换道和挤车换道两种类型,并建立相应的行为指标和阈值,当换道过程中加速度波动大于8.22 m·s^(-3)且方向盘转角大于0.83 (°)·s^(-1),识别此次换道为激进换道行为;在激进换道行为的基础上,当换道间隙小于7.5 m且换道持续时间大于10.3 s时,识别此次换道为挤车换道,否则,为紧急换道行为。挤车换道行为多出现在拥堵较严重的强制换道中,紧急换道行为多出现在交通流环境较好的自由换道中。本文提出的识别方法的准确率为92.5%,与传统聚类分析相比,本文提出的激进换道行为识别方法能够更加细致地识别激进换道行为的种类,研究结果可作为评估驾驶人是否存在危险换道行为和衡量驾驶人换道习惯的参考标准,同时,该两次聚类结果可作为激进型换道行为的参考标准。

关键词：智能交通激进换道行为识别 SOM-Kmeans聚类算法城市道路模拟驾驶