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基于特征相似性和特征规范化的注意力模块

华南理工大学学报（自然科学版） 2024年第7期52卷 62-71页

作者：杜启亮汪益民田联房华南理工大学自动化科学与工程学院广东广州510640 华南理工大学中新国际联合研究院广东广州510555 华南理工大学自主系统与网络控制教育部重点实验室广东广州510640 华南理工大学珠海现代产业创新研究院广东珠海519170 华南理工大学广东省发展改革委工程中心广东广州510031

近年来,注意力机制在图像分类、目标检测和语义分割等领域取得了巨大成功,但现有的注意力机制大多只能在通道或空间维度上实现特征融合,这极大限制了其在通道和空间维度上变化的灵活性,导致无法充分利用特征信息。为此,文中提出一种基... 详细信息

近年来,注意力机制在图像分类、目标检测和语义分割等领域取得了巨大成功,但现有的注意力机制大多只能在通道或空间维度上实现特征融合,这极大限制了其在通道和空间维度上变化的灵活性,导致无法充分利用特征信息。为此,文中提出一种基于特征相似性和特征规范化的、可同时利用特征图各维度信息的卷积神经网络注意力模块FSNAM。该模块由特征相似性模块(FSM)和特征规范化模块(FNM)两部分组成,FSM利用输入特征图的通道特征信息和局部空间特征信息生成一个二维的特征相似性权重图;FNM利用输入特征图的全局空间特征信息生成一个三维的特征规范化权重图;两个模块生成的权重图融合在一起,生成一个三维的注意力权重图,以此实现通道特征信息和空间特征信息的融合。为证明FSNAM的可行性和有效性,进行了消融实验,结果表明:在图像分类任务方面,FSNAM模块对分类网络在CIFAR数据集上的性能提升明显优于其他主流注意力模块;在目标检测任务方面,使用FSNAM模块的目标检测网络对VOC数据集中的小目标和中等大小目标的检测准确率分别提高了3.9和1.2个百分点;在语义分割任务方面,使用FSNAM模块可以提高HRNet模型的性能,在SBD数据集上模型的平均像素准确率提高了0.58个百分点。

关键词：卷积神经网络计算机视觉特征相似性特征规范化注意力模块

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基于双电层作用的环境湿度差发电机理研究

工程热物理学报 2024年第1期45卷 230-234页

作者：严湖平刘珍綦戎辉华南理工大学化学与化工学院广州510640

环境湿度分布不均在自然界中普遍存在,其中包含着大量可用能量。利用湿度差驱动纳米材料中的电子或自由离子的定向运动、从而产生电能是很有发展前景的。然而,自由离子在纳米材料内部通道中的传递过程尚不明确。为此,本文构建了考虑通... 详细信息

环境湿度分布不均在自然界中普遍存在,其中包含着大量可用能量。利用湿度差驱动纳米材料中的电子或自由离子的定向运动、从而产生电能是很有发展前景的。然而,自由离子在纳米材料内部通道中的传递过程尚不明确。为此,本文构建了考虑通道双电层作用的湿度驱动发电理论模型,通过Comsol Multiphysics软件数值求解并进行了实验验证。结果显示,纳米材料内部通道对流经通道的自由离子具有选择透过性,其表面电位越大,离子选择性越强,电压输出越大。同时,通道长度越大,湿度差驱动下的电压输出性能越大,与实际发电器件的运行结果一致。该模拟可通过分析纳米通道内的离子分布,以预测不同种类和尺寸纳米颗粒的电压输出,为后续研究中的材料选择和装配提供指导。

关键词：发电湿度差双电层模拟纳米通道

基于知识图谱和预训练语言模型深度融合的可解释生物医学推理

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北京大学学报（自然科学版） 2024年第1期60卷 62-70页

作者：徐寅鑫杨宗保林宇晨胡金龙董守斌华南理工大学计算机科学与工程学院广州510641 中山市华南理工大学现代产业技术研究院中山528437

基于预训练语言模型(LM)和知识图谱(KG)的联合推理在应用于生物医学领域时,因其专业术语表示方式多样、语义歧义以及知识图谱存在大量噪声等问题,联合推理模型并未取得较好的效果。基于此,提出一种面向生物医学领域的可解释推理方法DF-... 详细信息

基于预训练语言模型(LM)和知识图谱(KG)的联合推理在应用于生物医学领域时,因其专业术语表示方式多样、语义歧义以及知识图谱存在大量噪声等问题,联合推理模型并未取得较好的效果。基于此,提出一种面向生物医学领域的可解释推理方法DF-GNN。该方法统一了文本和知识图谱的实体表示方式,利用大型生物医学知识库构造子图并进行去噪,改进文本和子图实体的信息交互方式,增加对应文本和子图节点的直接交互,使得两个模态的信息能够深度融合。同时,利用知识图谱的路径信息对模型推理过程提供了可解释性。在公开数据集MedQA-USMLE和MedMCQA上的测试结果表明,与现有的生物医学领域联合推理模型相比,DF-GNN可以更可靠地利用结构化知识进行推理并提供解释性。

关键词：生物医学预训练语言模型知识图谱联合推理

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基于多尺度特征融合与多任务学习框架的非侵入式负荷监测方法

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电网技术 2024年第5期48卷 2074-2083,I0072页

作者：陈嘉伟季天瑶梅广刘紫罡华南理工大学电力学院广东省广州市510641

随着建筑物能源消耗的不断升高,高精度与高泛化能力的非侵入式负荷监测技术的研究具有重大意义。针对当前负荷分解方法存在的问题,提出了一种基于多尺度特征融合与多任务学习框架的非侵入式负荷监测方法。将实例-批归一化网络与U形网络... 详细信息

随着建筑物能源消耗的不断升高,高精度与高泛化能力的非侵入式负荷监测技术的研究具有重大意义。针对当前负荷分解方法存在的问题,提出了一种基于多尺度特征融合与多任务学习框架的非侵入式负荷监测方法。将实例-批归一化网络与U形网络结合,提取总负荷数据的上下文信息,并利用跨越连接实现对不同尺度的细节特征与全局特征的融合。针对多特征特点,引入高效通道注意力网络,使模型聚焦重要特征。引入多任务学习框架与后处理操作,去除输出的假阳性片段,实现对目标电器的精准识别。将所提模型与几种代表性模型在UK-DALE(UK domestic appliance-level electricity)数据集与REDD(reference energy disaggregation data set)上进行对比实验,结果表明,所提模型的性能优于对比模型,具有出色的负荷分解能力与状态识别能力。

关键词：非侵入式负荷监测实例-批归一化网络多尺度特征融合高效通道注意力网络多任务学习

水污染达峰后元素比例失衡引发的新环境风险:以广东沿海为例

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环境科学学报 2024年第5期44卷 138-148页

作者：黄华关翔鸿成晓倩吴宇伦何旭光吴海珍邱光磊韦朝海华南理工大学环境与能源学院广州510006 华南理工大学生物科学与工程学院广州510006

针对人类活动和环境变化对水质可能带来的影响,本研究收集了广东省沿海城市群入海口水质监测数据,分析了近岸环境的营养元素化学计量及微量元素浓度时空变化的趋势;通过综合污染指数法,评估了2015—2022年间的生态风险演变,利用相关性... 详细信息

针对人类活动和环境变化对水质可能带来的影响,本研究收集了广东省沿海城市群入海口水质监测数据,分析了近岸环境的营养元素化学计量及微量元素浓度时空变化的趋势;通过综合污染指数法,评估了2015—2022年间的生态风险演变,利用相关性分析与相关网络分析解析了近岸水环境演变过程中水溶液性质群集间的关联及聚集,最后通过主成分分析揭示了驱动水溶液性质相互作用的关键影响因素.结果表明:广东省河口水体的主要污染物指标在浓度上受到了控制,但B/C、C/N和C/P比值等逐步偏离其自然本底比值,导致水体的微生物能量利用、营养物质固定和元素矿化效率受阻,水质特征不利于进一步的自然利用,干预了水生态的自净化机制与能力;在气候变化影响下的元素比例失衡、限制性元素匮乏等因素将会限制水体的功能发挥,从而引发新的环境风险.由相关性分析和主成分分析可知,亲和组分浓度受多种效应相近的物理化学作用而产生群集效应,由此构建了复杂的元素耦合体系.生态条件和水文环境的快速变化动摇了元素间的比例链条,因此,需建立排放尾水-河流-入海口-海洋联通的水溶液性质的信息反馈,未来的水环境管理应综合考虑水文特征、污染物总量和元素比例阈值.

关键词：近岸环境营养盐重金属生态风险水溶液性质

激光增材成形纯锌的微观组织及力学性能各向异性研究(特邀)

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中国激光 2024年第4期51卷 130-140页

作者：赵彦喆董志王迪宋长辉杨永强韩昌骏华南理工大学机械与汽车工程学院广东广州510641

重点研究了激光选区熔化成形纯锌(Zn)的微观组织和力学性能的各向异性及产生机理。分别对垂直和平行两个构建方向的纯锌试样进行了试验研究,采用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和电子背散射衍射仪(EBSD)对晶粒尺寸、形貌、取向和... 详细信息

重点研究了激光选区熔化成形纯锌(Zn)的微观组织和力学性能的各向异性及产生机理。分别对垂直和平行两个构建方向的纯锌试样进行了试验研究,采用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和电子背散射衍射仪(EBSD)对晶粒尺寸、形貌、取向和分布进行了表征。结果表明:纯Zn试样在垂直平面上存在粗柱状晶,平均晶粒尺寸约为17.24μm,晶粒取向优先沿方向生长;在水平平面上则表现为等轴晶粒,表现出较弱的■与■纤维织构,等轴晶的平均晶粒尺寸为10.21μm,相比垂直平面减小了约40.8%。沿水平平面成形的试样的极限抗拉强度和延伸率分别为123.5 MPa和11.7%,而沿垂直平面成形的试样的极限抗拉强度和延伸率分别为108.0 MPa和14.1%。SLM成形纯锌在微观结构与力学性能上均存在明显的各向异性:沿水平平面成形的试样的强度高,归因于更细小的晶粒尺寸和更大的初始位错密度;沿垂直平面成形的试样的延展性更好,则是因为更多的高角度晶界有效阻碍了裂纹偏转。研究结果揭示了激光选区熔化增材制造纯Zn的微宏观各向异性机理,为Zn在医用植入物中的应用提供了理论参考。

关键词：激光技术激光选区熔化纯锌各向异性力学性能微观组织

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基于先验知识和网格监督的手部姿态估计

华南理工大学学报（自然科学版） 2024年第6期52卷 138-147页

作者：孙迪钢张平华南理工大学计算机科学与工程学院广东广州510006

手部自遮挡和深度信息缺失使得由单目RGB图像进行三维手部姿态估计存在关节相对深度估计不够准确、生成的姿态违背手部生物力学约束等问题。为解决此问题,文中结合手部结构中蕴含的先验知识以及手部网格信息,提出一种基于先验知识和网... 详细信息

手部自遮挡和深度信息缺失使得由单目RGB图像进行三维手部姿态估计存在关节相对深度估计不够准确、生成的姿态违背手部生物力学约束等问题。为解决此问题,文中结合手部结构中蕴含的先验知识以及手部网格信息,提出一种基于先验知识和网格监督的深度神经网络。手部骨架的铰链式结构意味着关节三维位置在二维图像平面和深度方向的投影之间存在着特定关系,但个体之间的手部结构差异导致难以对其进行直观的形式化描述,为此文中提出通过学习来对其进行拟合。同一手指的关节位置和骨骼长度、同一手指的不同分段以及不同手指的弯曲方向之间也存在特定关系,文中将其设计为损失函数,用于监督网络训练。所提出的神经网络在估计手部姿态的同时并行生成手部网格,通过网格标注监督网络训练,优化姿态估计,且不增加网络复杂度。使用混合数据集对神经网络进行了训练,以进一步提高其泛化能力。实验结果表明,所提方法在多个数据集的内部交叉验证精度、跨数据集验证精度、模型的时间和空间复杂度等方面都优于其他方法,手部结构先验知识和网格监督在提升姿态估计精度的同时保持了神经网络结构的紧凑性。

关键词：手部姿态估计手部形状估计先验知识手部网格

上游空间信息融合对随机森林模型预报长三角日尺度臭氧污染的性能提升研究

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环境科学学报 2024年

作者：莫健彬袁自冰华南理工大学环境与能源学院

我国大气臭氧污染呈加剧态势，准确的臭氧污染预报是开展应急防控以降低其污染水平的前提条件.机器学习模型具有计算效率高、操作简单等优点，在臭氧污染预报中的应用日趋广泛.臭氧污染水平除了取决于本地光化学反应生成外，也与区域传... 详细信息

我国大气臭氧污染呈加剧态势，准确的臭氧污染预报是开展应急防控以降低其污染水平的前提条件.机器学习模型具有计算效率高、操作简单等优点，在臭氧污染预报中的应用日趋广泛.臭氧污染水平除了取决于本地光化学反应生成外，也与区域传输密切相关.然而，现有基于机器学习的臭氧日最大8 h滑动平均(MDA8)预报并未通过考虑空间信息以体现臭氧区域传输的影响，或在融合空间信息时只考虑了目标站点同一聚类监测站点，不能全面反映区域传输对臭氧浓度的重要作用，导致模型预报臭氧MDA8和污染事件的准确率都较低.鉴于此，本研究开发了一种融合上游空间信息的随机森林算法，该算法能从大范围臭氧监测站点中提取与预报目标站点相关的臭氧上游空间信息，提取后的上游空间信息包含丰富的臭氧急剧变化信号，从而提高随机森林模型对臭氧MDA8的预报精度和对臭氧污染事件的预报准确率.将融合上游空间信息的随机森林模型(L-RF)应用于长三角地区163个空气质量监测站点，选取位于南京、上海和杭州的6个站点为目标站点，其余站点为目标站点提供空间信息.结果表明，与未融合空间信息模型(RF)相比，L-RF对臭氧MDA8的预报性能有了显著提升，决定系数R2从0.67提升到0.80，平均绝对误差MAE从20.95降低到16.19.L-RF能准确预报MDA8急剧上升的趋势且峰值浓度与实测值最为接近，其预报臭氧污染事件的准确率最高可达84%，远大于RF的40%；预报臭氧骤升骤降事件的准确率可达52%，远大于RF的18%.L-RF特征变量重要性分析表明上游空间信息融合是臭氧污染预报性能提升的关键原因.

关键词：随机森林空间信息臭氧MDA8预报臭氧污染事件

局部收缩背景下深圳都市圈企业更替格局及机制

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资源科学 2024年第2期46卷 262-278页

作者：林思仪赵渺希王笑涵华南理工大学建筑学院广州510641 华南理工大学亚热带建筑与城市科学全国重点实验室广州510641

【目的】在全球贸易和世界经济持续阻滞的国际环境下,应对改革开放前沿地区的城市收缩是中国新型城镇化的新命题,研究局部收缩下的都市圈企业更替空间格局及影响机制,对未来城市规划向“精明收缩”范式转变、整合优化低效闲置土地具有... 详细信息

【目的】在全球贸易和世界经济持续阻滞的国际环境下,应对改革开放前沿地区的城市收缩是中国新型城镇化的新命题,研究局部收缩下的都市圈企业更替空间格局及影响机制,对未来城市规划向“精明收缩”范式转变、整合优化低效闲置土地具有重要意义。【方法】以深圳都市圈为研究区域,以街镇为研究尺度,借助GIS空间分析、多元回归分析、典型案例分析,识别2010—2020年深圳都市圈发生人口收缩的地区,解析都市圈企业更替时空格局及驱动机理,归纳都市圈局部收缩的机制动因。【结果】①人口收缩主要发生在都市圈核心区80 km外的惠东、博罗两县城镇。②都市圈整体企业更替特征为高进入、高退出,人口收缩地区的企业更替水平较弱。③从不同产业部类看,人口收缩程度仅与制造业企业更替量显著负相关;相对人口因素而言,交通、创新、网络因素对信息技术业、商贸流通业企业更替量的解释力度更高,启示人口收缩地区依托其他生产要素积极转型。④分析内城、中心城区边缘、大都市圈外围3类区位的人口收缩地区发现,金融危机后外资外贸退潮、中心城市对外围的持续吸引、地方的产业转移和转型升级、传统的国际劳动分工模式难以为继等不同程度地造成了都市圈的局部人口收缩。【结论】在发达都市圈,内城和中心城区边缘的人口收缩带有偶发性,较易实现转型增长;大都市圈外围的人口收缩具有普遍性,消除人口收缩的负面影响、实现“以收缩换发展”面临着更加艰巨和严苛的挑战。提升人力资本水平,积极嵌入区域网络,减少增量规划,促进市场有序更替是人口收缩地区精明发展的有效途径。

关键词：收缩城市人口收缩深圳都市圈企业更替劳动力精明收缩小城镇