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基于投影奖励机制的多机器人协同编队与避障

应用科学学报 2024年第1期42卷 174-188页

作者：葛星秦丽沙瀛华中农业大学信息学院湖北武汉430070 湖北省农业大数据工程技术研究中心湖北武汉430070

针对多机器人协同编队任务中过度中心化、系统鲁棒性低、编队稳定性较差等问题,提出了基于投影奖励机制的多机器人协同编队与避障(projected reward for multi-robot formation and obstacle avoidance, PRMFO)模型,实现了多机器人基于... 详细信息

针对多机器人协同编队任务中过度中心化、系统鲁棒性低、编队稳定性较差等问题,提出了基于投影奖励机制的多机器人协同编队与避障(projected reward for multi-robot formation and obstacle avoidance, PRMFO)模型,实现了多机器人基于统一状态表征方法的去中心化决策过程。设计了一种多机器人统一状态表征方法,实现了机器人与外界环境交互信息处理的一致性;基于统一状态表征设计了基于投影的奖励机制,从距离和方向两个维度将奖励过程矢量化,丰富机器人的决策依据;为了解决多机器人系统中过度中心化问题,设置了自主决策层,融合统一状态表征与投影奖励机制的软演员评论家(soft actor-critic, SAC)算法,实现了多机器人协同编队与避障任务。在机器人操作系统(robot operating system,ROS)环境下进行仿真实验,实验数据表明PRMFO模型在单机器人平均回报值、成功率以及时间等指标上分别提高42%、8%、9%,基于PRMFO模型的多机器人编队误差控制在0~0.06范围内,实现了较高精度的多机器人编队。

关键词：深度强化学习多机器人协同编队与避障投影奖励

场地重金属污染土壤固化及MICP技术研究进展

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环境科学 2024年第5期45卷 2939-2951页

作者：陈玥如高文艳陈虹任薛生国吴川中南大学冶金与环境学院长沙410083 国家重金属污染防治工程技术研究中心长沙410083

冶炼场地土壤重金属污染是亟待解决的重要环境问题.固化修复技术因其修复时间少、成本低、处理效率高已成为污染场地重金属修复的主流技术之一.总结了近10年来有关固化修复场地重金属污染的最新研究进展,从重金属固化修复机制入手,对比... 详细信息

冶炼场地土壤重金属污染是亟待解决的重要环境问题.固化修复技术因其修复时间少、成本低、处理效率高已成为污染场地重金属修复的主流技术之一.总结了近10年来有关固化修复场地重金属污染的最新研究进展,从重金属固化修复机制入手,对比分析了不同固化方式[无机材料固化、有机材料固化、机械球磨和微生物诱导碳酸盐成矿(MICP)]的优缺点及其适用范围.随后,根据文献计量学分析所呈现的研究重点及发展趋势,从MICP在重金属修复中的应用、MICP复合材料在污染场地中的应用和MICP技术应用的影响因素这3个方面对微生物诱导碳酸盐沉淀技术固化场地重金属污染的应用前景及限制因素进行了总结和阐述.最后提出了土壤固化研究的前景和挑战,以期为场地土壤固化技术的未来发展提供借鉴参考.

关键词：重金属土壤修复固化技术污染场地微生物诱导碳酸盐成矿(MICP)

城市绿色空间对居民心理健康的因果效应及分层分析

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地理科学进展 2024年第1期43卷 110-124页

作者：谢波谭徐媛武汉大学城市设计学院湖北省人居环境工程技术研究中心武汉430072

快速城镇化引发城市居民生活方式与居住环境的变化,对居民心理健康产生重要影响,通过建设绿色空间促进居民接触自然环境并缓解心理压力已成为重要的健康干预措施。现有关于绿色空间与居民心理健康的关系研究大多采用横断面设计,难以识... 详细信息

快速城镇化引发城市居民生活方式与居住环境的变化,对居民心理健康产生重要影响,通过建设绿色空间促进居民接触自然环境并缓解心理压力已成为重要的健康干预措施。现有关于绿色空间与居民心理健康的关系研究大多采用横断面设计,难以识别两者的因果关系,且缺乏探讨绿色空间对不同社会群体的心理健康效应的差异性。论文以武汉东湖绿道为例,基于2016年和2019年跟踪调查的1020份东湖绿道周边居民的问卷数据,在控制邻里环境特征的基础上,运用自然实验方法和双重差分模型探究绿色空间干预与居民心理健康变化的因果关系,并结合分层分析方法揭示绿色空间对于不同社会群体心理健康的因果效应的差异性。研究发现:①绿色空间干预显著促进了实验组居民心理健康水平的提升;②绿色空间干预对心理健康的因果效应在不同性别和教育程度的群体中无显著差异,而在不同职业和收入水平的群体之间存在显著差异,表现为绿色空间干预仅显著提升了未就业群体、低收入和中低收入群体的心理健康水平。总体而言,大型绿色空间的建设显著改善了周边居民的心理健康水平,尤其对于未就业、低收入和中低收入等弱势群体的心理健康促进作用更显著。绿色空间干预对于改善居民心理健康、缓解由社会经济地位差异造成的心理健康受益不均等问题具有重要意义。

关键词：绿色空间心理健康因果效应健康受益不均等自然实验

基于手机App使用大数据的居民线上生活空间结构初探——以武汉市都市发展区为例

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地理研究 2024年第4期43卷 966-984页

作者：牛强陈树林伍磊武汉大学城市设计学院武汉430072 湖北省人居环境工程技术研究中心武汉430072

信息时代,居民生活逐渐向线上转移,已有研究表明线上生活推动了相应生活空间的重构,但其空间结构及成因仍待系统研究。本文选取与居民日常生活紧密相关的八类线上生活,利用武汉市联通用户手机App使用数据,以规则网格为单位,基于这些App... 详细信息

信息时代,居民生活逐渐向线上转移,已有研究表明线上生活推动了相应生活空间的重构,但其空间结构及成因仍待系统研究。本文选取与居民日常生活紧密相关的八类线上生活,利用武汉市联通用户手机App使用数据,以规则网格为单位,基于这些App的使用人数占比和人均使用时长构建八类线上生活的综合使用指数,而后利用冷热点分析和层次聚类,初步探究了武汉市居民线上生活的空间结构。发现其与传统生活存在很大差异:(1)就普及程度和使用强度而言,除外卖生鲜外,其他七类均遵循高值指标和热点多分布于郊区的反中心化规律,部分活动还呈现泛中心化的特征。(2)从热门活动的数量和内容来看,中心城区外围热门活动数量多于核心区,线上线下融合型活动居多;近郊区核心区热门活动数量多,各类线上活动发展得较为均衡;近郊区外围热门活动数量少,热门活动多为完全线上型。(3)总结上述特征,居民线上生活空间呈现“环形山”形态的圈层式扇形镶嵌结构。线上生活因弥补了郊区传统生活设施的不足而呈现与之互补的反中心圈层递增规律,同时,地理区位、建设条件、人口构成等因素影响下的线上生活差异使得不同人群集聚片区以扇形板块镶嵌其中。本文从线上生活的角度补充了传统居民生活空间理论,系统地总结了居民线上生活的空间结构,为信息时代城市生活空间的建设提供了参考。

关键词：生活空间结构线上生活手机App使用数据信息时代环形山结构

城内迁居导致的街区尺度人口动态变化测度及其空间分异特征——基于手机信令数据的武汉市实证

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地理科学进展 2024年第8期43卷 1481-1495页

作者：牛强胡金鹏梁晓倩刘晓阳伍磊武汉大学城市设计学院武汉430072 湖北省人居环境工程技术研究中心武汉430072

准确把握城市内部人口动态变化规律,有助于推动区域协调发展、优化社会空间结构。既有研究多集中于宏观尺度的人口总量及分布变化,对于城内迁居导致的人口动态变化过程缺乏关注,其测度方法、特征规律等尚待探讨。论文基于手机信令大数据... 详细信息

准确把握城市内部人口动态变化规律,有助于推动区域协调发展、优化社会空间结构。既有研究多集中于宏观尺度的人口总量及分布变化,对于城内迁居导致的人口动态变化过程缺乏关注,其测度方法、特征规律等尚待探讨。论文基于手机信令大数据,以武汉市为例展开实证分析,构建人口动态变化的“规模—方向—动静”三维测度指标体系,运用聚类分析方法,解析城内迁居带来的街区尺度人口动态变化特征,探究人口动态变化综合类型及分异规律。结果表明:①中心城区到近郊区的人口动态变化具有“高活跃→中活跃→非活跃”的规模特征、“出入大致平衡→严重失衡”的方向特征以及“静态为主→动态为主”的动静特征;②武汉都市发展区人口动态变化综合类型共有5类,其中高活跃增长动态型和高活跃流失弱动态型主要穿插分布于中心城区和近郊区组团的核心区,中活跃微流失弱动态型主要分布在上述两类的外围,低活跃微增长强动态型与低活跃平衡动态型分布于中心城区边缘和近郊区组团外围;③武汉都市发展区内部人口动态变化综合类型具有“中心—外围”嵌套结构,中心城区与近郊区之间人口动态变化的空间分异主要与区位、居住环境品质有关,中心城区内部、近郊区组团内部的空间分异则主要与产业发育及类型有关。研究拓展了人口迁移和人口变化研究领域的理论方法,为优化城市社会空间结构、精细化制定居住空间供给政策等提供了参考依据。

关键词：人口动态变化三维测度指标体系地理空间分异手机信令数据城内迁居武汉

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大邻域多约束无人机数据收集路径规划

计算机科学与探索 2024年

作者：潘淼鑫陈崇成福建师范大学计算机与网络空间安全学院数字福建大数据安全技术研究所福建省高校大数据分析与应用工程技术研究中心福州大学地理空间信息技术国家地方联合工程研究中心

在公网受限的应急环境中，利用无人机辅助物联网能促进传感数据的及时传递。当考虑无线通信距离时，无人机作为移动收集器在有限续航时间内收集尽可能多的传感数据的路径规划可建模为足够近定向问题(Close Enough Orienteering Problem... 详细信息

在公网受限的应急环境中，利用无人机辅助物联网能促进传感数据的及时传递。当考虑无线通信距离时，无人机作为移动收集器在有限续航时间内收集尽可能多的传感数据的路径规划可建模为足够近定向问题(Close Enough Orienteering Problem， CEOP)。现有求解CEOP的算法是逐个计算目标节点的访问顺序及其邻域内的采集点，这在节点邻域较大并覆盖周围多个节点时效率低下，这些方法也没有考虑数据传输时间和无人机遥控距离等约束。为此，建立了大邻域多约束无人机数据收集路径规划的数学模型，提出了基于贪婪随机自适应搜索过程(Greedy Randomized Adaptive Search Procedure， GRASP)的GRASP-LN算法进行求解。该算法不重复计算重合的采集点，而是维护路径每个航点采集的节点集合，无人机在每个航点悬停一段时间以收集集合内节点的数据。公开的CEOP数据集的实验结果表明，GRASP-LN比GSOA、VNS和GRASPopt具有更好的求解质量和更短的计算时间。与基线算法GRASPopt相比，GRASP-LN的路径奖励平均提高了5.86%，最大提高了14.91%，执行时间平均减少了69%，特别在节点邻域平均覆盖4.67个以上节点时，GRASP-LN的路径奖励和稳定性均优于GRASPopt。考虑数据传输时间和无人机遥控距离约束的实验验证了GRASP-LN算法对考虑这些约束的无人机数据收集路径规划问题的有效性。

关键词：无人机贪婪随机自适应搜索过程数据收集足够近定向问题路径规划物联网

黄土高原退耕还林(草)前后土壤有机碳密度变化及其对气候变化和人类活动的响应

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环境科学 2024年第8期45卷 4696-4708页

作者：许煜麟赵雅萍赵雨晴杨婉琳郑梦桃王誉晓刘爽何静苏高杰王珺韩新辉杨改河任成杰西北农林科技大学农学院陕西省循环农业工程技术研究中心杨凌712100

准确评估黄土高原地区退耕还林前后土壤有机碳储量(SOCS)的变化,探究其时空分布及影响因素之间的关系,对区域循环发展以及生态保护政策的制定具有重要的参考意义.基于黄土高原退耕还林(草)前后(2001~2020年)的气候、人类活动及土壤表层(... 详细信息

准确评估黄土高原地区退耕还林前后土壤有机碳储量(SOCS)的变化,探究其时空分布及影响因素之间的关系,对区域循环发展以及生态保护政策的制定具有重要的参考意义.基于黄土高原退耕还林(草)前后(2001~2020年)的气候、人类活动及土壤表层(0~20 cm)和深层(0~100 cm)有机碳密度数据,采用变化趋势分析、克里格差值、方差分解分析等方法,从不同时空尺度上研究了土壤有机碳密度(SOCD)的变化特征及对气候和人为因素变化的相对响应.结果表明:①退耕还林前后全区域表层SOCS增加了833.87万t;深层SOCS增加了1160.02万t.②各生物气候分区中,Ⅰ(半湿润森林区)、Ⅱ(半湿润半干旱林草区)和Ⅲ(半干旱典型草地区)全域平均SOCD呈显著增加,而在Ⅳ(干旱半干旱荒漠草地区)和Ⅴ(干旱荒漠区)中降低.③不同生态系统平均表层SOCS增量排序为:耕地>草地>林地>灌木>裸地及稀疏植被;深层土壤增量排序为:草地>耕地>林地>灌木>裸地及稀疏植被.④气候因子始终是SOCD变化最重要的驱动因素;年均温和降水量与SOCD变化呈显著正相关.研究结果可为区域生态管理和土地利用政策制定提供数据支撑,以促进黄土高原地区生态环境高质量发展.

关键词：黄土高原土壤碳储量土壤碳密度气候人类活动

基于多模型融合策略的温室番茄光合速率预测方法

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农业机械学报 2024年第4期55卷 337-345页

作者：刘潭朱洪锐袁青云王永刚张大鹏丁小明沈阳农业大学信息与电气工程学院沈阳110866 辽宁省农业信息化工程技术研究中心沈阳110866 农业农村部规划设计研究院北京100125

温室番茄光合速率的准确预测对于番茄的生长和产量评估具有重要意义。然而,由于温室环境的复杂性和多变性,传统的光合速率预测模型往往难以满足精准预测的需求。因此,为了进一步提高预测模型的准确性和稳定性,本研究提出了一种基于多模... 详细信息

温室番茄光合速率的准确预测对于番茄的生长和产量评估具有重要意义。然而,由于温室环境的复杂性和多变性,传统的光合速率预测模型往往难以满足精准预测的需求。因此,为了进一步提高预测模型的准确性和稳定性,本研究提出了一种基于多模型融合策略的温室番茄光合速率预测方法。首先,采集温湿度、光照强度、CO_(2)浓度不同组合下的番茄光合速率,构建样本集,并采用五折交叉验证法(Cross-Validation)对数据进行预处理。以预处理的数据为基础,分别基于粒子群优化支持向量机(PSO-SVR)、布谷鸟优化极限学习机(CS-ELM)和北方苍鹰优化高斯过程回归(NGO-GPR)算法建立番茄光合速率预测模型对光合速率进行初步预测,然后采用Stacking算法通过基于决策树的集成学习模型(XGBoost)组合各基础模型的预测结果,进而实现多模型融合。仿真分析结果表明,与单一预测模型相比,基于多模型融合的光合速率预测模型充分发挥了各基础模型的优势,可以进一步提高光合速率预测的准确性和稳定性,该模型验证集MAE为0.569 7μmol/(m^(2)·s),RMSE为0.721 4μmol/(m^(2)·s)。因此,本文提出的方法在温室作物光合速率预测方面具有一定的优势,可为温室番茄等作物光环境优化调控提供一定的理论基础和技术支撑。

关键词：温室番茄光合速率预测极限学习机高斯过程回归多模型融合

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迁移视角下移动办公人群职住空间的郊区化特征探究——一个ICT对郊区化影响的大数据实证

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地理研究 2024年第10期43卷 2666-2683页

作者：牛强张浩付文琪伍磊武汉大学城市设计学院/湖北省人居环境工程技术研究中心武汉430072

信通技术影响下的郊区化现象和格局演变一直是城市空间结构研究的热点话题。移动办公作为信通技术衍生出的新型办公生产活动,极大地提升了个体职住空间选择的灵活性和流动性,从而为解析城市郊区化现象与城市空间结构演变规律提供了新视... 详细信息

信通技术影响下的郊区化现象和格局演变一直是城市空间结构研究的热点话题。移动办公作为信通技术衍生出的新型办公生产活动,极大地提升了个体职住空间选择的灵活性和流动性,从而为解析城市郊区化现象与城市空间结构演变规律提供了新视角。基于时序手机信令大数据,构建2019—2021年、2021—2023年武汉市高频移动办公人群和非移动人群职住空间迁移数据库,综合对比分析、空间分析、社会网络分析等方法探究其职住空间郊区化的数量、空间、结构特征和演进趋势。研究发现:①数量特征上,移动办公人群职住空间由中心城区向郊区新城迁移的人数和占比一定程度上高于非移动办公人群,其迁出数量更多且回迁相对更少,向郊区新城分散化的趋势在持续加强。②空间特征上,移动办公人群职住空间由中心城区向郊区新城迁移的趋势较为明显,而非移动办公人群则主要在中心城区内部迁移的趋势更为明显。同时,移动办公人群在中心城区圈层内负向净迁移量更多,而在郊区新城内正向净迁移量更大。这表明移动办公人群迁向郊区的分散化趋势进一步强化。③结构特征上,移动办公人群在部分郊区新城中心的中心度隐有反超中心城区的趋势,且其中心度增幅已经高于三分之一的中心城区中心。此外,相较于就业空间,移动办公人群居住空间的分散程度更强、辐射范围更远,逐渐由中心城区向城郊结合地区-近郊区新城中心-接近远郊的组团中心扩散,这表明移动办公人群居住空间的选择进一步削弱了地理集聚效应。研究通过大数据实证发掘了信通技术影响下的城市空间及结构的郊区化演变趋势,丰富了信通技术对城市郊区化作用格局、过程的相关研究,也为解析城市的郊区化分散规律提供了移动办公这一新的理论视角,对信通技术发展新阶段下的城市郊区化现象、城-郊进一步融合协调和郊区新城可持续发展具有借鉴作用。

关键词：迁移移动办公职住空间郊区化大数据武汉