Junyi Wu 1,2Bo Zhang 2,*Weihua Wang 2,3Weipeng Li 1[ ... ]Ming Yan 1,4,**
作者单位
摘要
1 Department of Materials Science and Engineering, Southern University of Science and Technology, Shenzhen 518055, Guangdong, China
2 Songshan Lake Materials Laboratory, Dongguan 523830, Guangdong, China
3 Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
4 Jiaxing Research Institute, Southern University of Science and Technology, Shenzhen 518055, Guangdong, China
5 High Performance Computing Department, National Supercomputing Center, Shenzhen 518055, Guangdong, China
Ti-6Al-4V is a benchmark Ti alloy. Laser wire additive manufacturing (LWAM) offers advanced manufacturing capability to the alloy for applications possibly including exploration of outer space. As a typical multiple-variable process, LWAM is complex, which, however, can be analyzed, predicated or even optimized by artificial intelligence (AI) methods such as machine learning (ML). In this study, printing parameters of the Ti-6Al-4V is firstly optimized using single-track-single-layer experiments, and then single-track-multiple-layer samples are printed, whose properties in terms of hardness and compressive strength are analyzed subsequently by both experiments and ML. The two ML approaches, artificial neural network (ANN) and support vector machine (SVM), are employed to predict the experimental results, whose coefficients of determination R2 show good values. Further optimized properties are realized by adopting genetic algorithm (GA) and simulated annealing (SA) approaches, which contribute to high mechanical properties achieved, for instance, an engineering compressive strength of about 1694 MPa. The results here indicate that important mechanical properties of the LWAM-prepared Ti alloys can be well predicted and enhanced using suitable ML approaches.
laser technique laser wire additive manufacturing (LWAM) Ti-6Al-4V machine learning mechanical properties support vector machine (SVM) artificial neural network (ANN) 
中国激光
2024, 51(4): 0402305
作者单位
摘要
中国信息通信科技集团有限公司 光纤通信技术和网络国家重点实验室,武汉 430074
人工神经网络(ANN)学科的发展推动了信息处理技术的进步,目前,被称为第3代ANN的脉冲神经网络(SNN)以其更具生物可解释性,更适合ANN硬件实现的优势受到业界的广泛关注,并已成功应用于模式识别、医学成像和智能控制等多个领域。受制于“后摩尔时代”电子芯片的制程不断接近极限以及冯·诺依曼体系“存算分离”带来的性能瓶颈,低时延、低能耗、高带宽和高并行性的光子计算方案应用于SNN的硬件实现成为信息处理领域多学科融合的热门课题。文章介绍了光子SNN的起源,利用光学器件的特性实现神经元的行为和突触连接强度的变化进而实现SNN的研究历程和多种实现方案,总结了光子SNN目前存在的瓶颈和挑战,展望了光子SNN的未来发展趋势。
信息处理 人工神经网络 光子脉冲神经网络 光子计算 光学器件 information processing ANN photonic SNN photonic computing optical device 
光通信研究
2023, 49(1): 17
赵志磊 1,2,3,4王雪妹 1,2,3刘冬冬 1,2王艳伟 1,2,3[ ... ]牛晓颖 1,2,3,4
作者单位
摘要
1 河北大学质量技术监督学院,河北 保定 071002
2 计量仪器与系统国家地方联合工程研究中心,河北 保定 071002
3 河北省能源计量与安全检测技术重点实验室,河北 保定 071002
4 河北大学地理标志研究院,河北 保定 071002
5 河北农业大学生命科学学院,河北 保定071002
可溶性固形物(SSC)和可滴定总酸(TA)含量是影响李果实品质的重要指标, 经典的破坏性检测方法不适用于果实按品质分级, 近红外光谱(NIRS)检测方法具有速度快、 操作简便、 可无损检测果实品质。 为实现NIRS无损快速检测安哥诺李果实可溶性固形物和可滴定总酸含量, 利用NIRS采集李果实的漫反射光谱, 同时采用糖度计测定安哥诺李果实的SSC, 采用滴定法测定了李果实TA含量, 使用杠杆值和F概率值剔除异常样品, 采用软件优化结合人工筛选光谱波段, 使用了消除常数偏移量、 减去一条直线、 矢量归一化(SNV)、 最大-最小归一化、 多元散射校正(MSC)、 一阶和二阶导数结合平滑处理、 一阶导数结合减去一条直线和平滑处理、 以及一阶导数结合SNV或MSC校正等光谱预处理方法, 分别采用偏最小二乘法(PLS)和主成分分析结合反向传播人工神经网络(BP-ANN)建立李果实SSC、 TA的定量分析模型。 结果表明, 李果实SSC和TA的最佳PLS建模效果波段范围分别为4 000~8 852和4 605~6 523 cm-1。 SSC的PLS模型的最佳光谱预处理方法为MSC校正, 最佳模型校正相关系数(Rc)为0.914 4, 预测相关系数(Rp)为0.878 5, 校正均方根误差(RMSEC)为0.91, 预测均方根误差(RMSEP)为1.00。 经一阶微分结合SNV和9点平滑的方法预处理后, TA的PLS模型效果最佳, Rc, Rp, RMSEC, RMSEP分别为0.860 3, 0.819 6, 0.80和0.86。 提取了李果实SSC和TA光谱数据的主成分, 并基于前10个主成分得分建立了李果实SSC和TA最佳BP-ANN定量分析模型, 其Rc, Rp, RMSEC和RMSEP分别为0.976 7, 0.889 7, 0.75和0.99; TA的BP-ANN模型的相应参数值依次为0.974 3, 0.897 7, 0.62和0.83, 与采用PLS算法建立的定量模型相比较, BP-ANN模型具有较高的Rc, Rp和较低的RMSEC, RMSEP, 因此BP-ANN模型对SSC和TA指标的定量分析结果更佳。
李果实 偏最小二乘法 反向传播人工神经网络 近红外光谱 Plum fruit PLS BP - ANN Near-infrared spectrum 
光谱学与光谱分析
2022, 42(9): 2836
作者单位
摘要
长春工业大学电气与电子工程学院, 吉林 长春 130012
在合金钢众多成分中碳(C)属于微量非金属元素, 其含量决定了合金钢的主要力学性能, 准确、 实时掌握C元素的含量, 对合金钢的生产及分类起到关键作用。 双脉冲激光诱导击穿光谱(DP-LIBS)是一种可用于在线快速分析合金钢中元素的有效手段, 不仅具有实时、 样品预处理简单等优点, 还能够增强物质的烧蚀度和信号强度, 从而提高LIBS技术的检测灵敏度。 为了减小基体效应影响, 进一步提高LIBS技术对合金钢中微量C元素定量分析的精确性, 采用多元素多谱线的修正方法, 通过DP-LIBS结合反向传播人工神经网络(BP-ANN), 建立多变量GA-BP-ANN定标法。 首先在氩气环境对合金钢样品进行DP-LIBS采集, 目标C元素选择了谱线强度变化能够体现其含量变化的C 193.09 nm处的原子谱线, 同时选取共存元素Fe, Cr, Mn和Si对应的特征谱线, 以提供更多的光谱信息, 提高C元素定量分析的准确度, 共选择15条特征分析谱线, 其中Fe元素含量丰富且相对稳定, 作为内标元素引入以减小谱线波动; 之后通过遗传算法(GA)寻优, 对C/Fe, Cr/Fe, Mn/Fe和Si/Fe的谱线强度比进行优化选择; 最后将GA选择的多谱线强度比作为BP-ANN网络的输入, 输出为目标C元素浓度值, 建立多变量GA-BP-ANN定标方法。 为比较该方法预测结果的精确性, 同时建立传统定标曲线法与以C/Fe为输入的单变量BP-ANN定标方法。 利用标准合金钢样品, 通过留一法交叉预测C元素含量值, 与内标法和单变量BP-ANN定标方法相比, 预测样品的平均相对误差分别由14.78%和14.75%减小到8.29%, 预测值与真实值之间的决定系数R2分别由0.967 4和0.974 4提升至0.989 3。 结果说明了多变量GA-BP-ANN定标法预测的C元素含量更接近于真实含量, 证明了该方法用于LIBS检测合金钢中C元素含量的可行性。
双脉冲LIBS 定量分析 低碳合金钢 多变量 Double pulse laser induced breakdown spectroscopy (DP-LIBS) Quantitative analysis Low-carbon alloy steels Multi-variable GA-BP-ANN GA-BP-ANN 
光谱学与光谱分析
2022, 42(1): 197
作者单位
摘要
西安交通大学电气工程学院电力设备电气绝缘国家重点实验室, 陕西 西安 710049
β-苯乙胺(PEA)是一种重要的有机合成中间体, 在PEA生产过程中, 最终的生成物中常常为含有氯化钠(NaCl)、 氢氧化钠(NaOH)和PEA三者的混合物。 因此, 对NaCl, NaOH, PEA和混合物种类进行鉴别, 有利于PEA的合成以及定性检测, 需建立紫外光谱快速鉴别NaCl, NaOH, PEA和混合物种类的方法。 利用紫外光谱法分别测量了NaCl, NaOH, PEA和混合物在190~400 nm范围的吸收光谱。 首先, 采用偏最小二乘法(PLS)提取紫外光谱的主成分信息, 用少数的主成分信息取代原始变量, 减少模型的复杂度。 用PLS提取NaCl, NaOH和PEA在前三个主成分空间中得分向量值的分布。 可知NaCl, NaOH和PEA前三个主成分累计贡献率分别是96.64%, 99.44%和99.95%。 因此, NaCl、 NaOH和PEA的前三个主成分基本包含了大部分的光谱信息。 其次, 用获得的三个主成分作为输入变量, 采用线性判别分析(LDA), Sigmoid SVM, RBF-SVM, RBF-ANN, BP-ANN和人工蜂群(ABC)优化神经网络(ABC-BP-ANN)等模式识别方法对NaCl, NaOH和PEA种类进行判别, 获得总的敏感性分别为95.6%, 95.6%, 95.9%, 95.8%, 96.9%和99.6%。 由于NaCl和NaOH特征吸收峰很相似, 主成分得分向量会出现重叠现象, 导致NaCl和NaOH的种类鉴别出现误判。 通过对比六种分类方法, 可知ABC-BP-ANN效果最优, BP-ANN次之, RBF-SVM和RBF-ANN结果相似, 但比BP-ANN稍差, LDA和Sigmoid-SVM效果最差。 最后, 配制7种不同摩尔分数的混合物(混合物摩尔分数是指PEA物质的量占混合物总物质的量百分比), 浓度范围为0%mol·L-1~60%mol·L-1, 然后采用RBF-SVM, BP-ANN和ABC-BP-ANN三种方法对混合物种类进行判别。 从敏感性和特异性结果可以得知, ABC-BP-ANN分类效果最好, BP-ANN次之, RBF-SVM分类效果最差, 由混合物得到的结果与单组分的结果相一致。 结果表明, 紫外光谱结合ABC-BP-ANN模式识别方法可以成功区分NaCl, NaOH, PEA和混合物的种类。 该方法可作为一种简便、 快速、 可靠的方法用于NaCl, NaOH, PEA和混合物的种类判别, 并为PEA的合成和质量控制提供理论依据和技术支撑。
β-苯乙胺 紫外光谱 人工蜂群优化神经网络 敏感性 混合物光谱判别 β-phenylethylamine UV spectroscopy Artificial Bee Colony combined with BP-ANN Sensitivity Species identification of the mixture 
光谱学与光谱分析
2021, 41(2): 448
作者单位
摘要
1 安徽理工大学测绘学院, 安徽 淮南 232001
2 中国矿业大学测绘科学与技术博士后流动站, 江苏 徐州 221116
为研究煤矸石充填复垦土壤重金属含量快速有效的监测方法, 以淮南创大生态园煤矸石充填复垦田间试验小区为研究区域, 首先采用化学方法监测土壤(0~20 cm)重金属(Cu, Cr, As)含量, 然后采用ASD(analytical spectral devices) FiSpec4型高光谱仪测量土壤样品的反射光谱, 提取光谱特征, 并对光谱进行一阶微分变换、 二阶微分变换及倒数对数变换; 将变换后的各光谱特征参数与监测的土壤重金属含量进行相关性分析, 并依据相关性分析结果选择显著相关的波段作为相关因子供建模使用。 采用多元逐步回归(stepwise multiple liner regression, SMLR)分析、 偏最小二乘回归(partial least squares regression, PLSR)及人工神经网络(artificial neural network, ANN)三种方法分别建立基于光谱反射率估算土壤重金属含量的预测模型, 并采用回归模型进行精度评定, 然后确定各重金属含量的最佳预测模型。 实验结果表明, 经过微分变换的光谱波段与土壤重金属含量达到了显著相关; 重金属Cu和Cr的一阶微分光谱的人工神经网络模型为最佳预测模型, 重金属元素As的二阶微分光谱的偏最小二乘回归模型为最佳预测模型。
煤矸石充填复垦 土壤重金属含量 高光谱 Coal gangue filling reclamation Soil heavy metal content High spectrum SMLR SMLR PLSR PLSR ANN ANN 
光谱学与光谱分析
2017, 37(12): 3839
作者单位
摘要
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
随着餐饮业的发展, 餐饮烟气已经成为某些城市三大空气污染源之一。 由于餐饮烟气对人体健康威胁很大, 近年来对餐饮烟气的研究愈来愈热。 餐饮烟气中包含有大量食用油加热过程中裂解而产生的不饱和烃类, 危害着人类健康。 不同食用油裂解出来的成分以及含量有所不同, 通过构建一定的分类识别数学模型, 从而实现对食用油分类识别。 采用自主研发的傅里叶变换红外光谱仪, 采集了不同食用油油烟烟气红外光谱数据。 同时构建了主成分分析(PCA)分别结合概率神经网络(PNN)以及误差反向传播人工神经网络(BPANN)的分类识别算法。 将两种分类识别算法对不同食用油油烟烟气的傅里叶变换红外光谱数据进行分析。 通过样本数据对数学模型进行训练, 将训练好的数学模型对未知光谱数据进行分析, 来确定产生油烟烟气的食用油种类。 实验结果表明, 两种算法都能对不同的油烟种类进行较好地分类识别。 在全波段识别时, 识别率分别达到90.25%和97.0%。 通过对烟气光谱数据的吸收波段进行分析, 提取大气窗口并且具有较强可挥发性有机物(VOCs)吸收特征的波段(1 300~700 cm-1以及3 000~2 600 cm-1); 将吸光度数据分成两个分离的吸收波段, 两种算法在3 000~2 600 cm-1波段都有较好的识别效果, PCA-PNN算法识别率为90.25%, PCA-BPANN算法识别率为92.25%。 可见, 两种人工神经网络算法都能有效对食用油烟种类进行识别。
人工神经网络 油烟识别 主成分分析 FTIR FTIR ANN Oil identification PCA 
光谱学与光谱分析
2017, 37(3): 749
Author Affiliations
Abstract
1 Electrical and Instrumentation Engineering Department Thapar University
2 Computer Science Engineering Department GCET, Ropar 174001, India
The objective of the work is to investigate the classification of different movements based on the surface electromyogram (SEMG) pattern recognition method. The testing was conducted for four arm movements using several experiments with artificial neural network classification scheme. Six time domain features were extracted and consequently classification was implemented using back propagation neural classifier (BPNC). Further, the realization of projected network was verified using cross validation (CV) process; hence ANOVA algorithm was carried out. Performance of the network is analyzed by considering mean square error (MSE) value. A comparison was performed between the extracted features and back propagation network results reported in the literature. The concurrent result indicates the significance of proposed network with classification accuracy (CA) of 100% recorded from two channels, while analysis of variance technique helps in investigating the effectiveness of classified signal for recognition tasks.
ANN SEMG arm recognition statistics classification RMS upper arm activities 
Journal of Innovative Optical Health Sciences
2016, 9(6): 1650025
作者单位
摘要
1 Key Laboratory of Oil and Gas Terahertz Spectroscopy and Photoelectric Detection, CPCIF, Beijing 100723, China
2 Laboratory of Optic Sensing and Detecting Technology, China University of Petroleum, Beijing 102249, China
terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) n-heptane n-octane partial least squares (PLS) back propagation-artificial neural network (BP-ANN 
Frontiers of Optoelectronics
2015, 8(1): 1
陈辉 1,*范春林 1常巧英 1,2庞国芳 1,2[ ... ]胡雪艳 1
作者单位
摘要
1 中国检验检疫科学研究院, 北京 100123
2 燕山大学环境与化学工程学院, 河北 秦皇岛 066004
3 山东农业大学食品科学与工程学院, 山东 泰安 271018
应用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)测定了北京顺义、河北阜平和河北平山三个地区65个荆条蜜样品中38种元素含量, 其中B, Na, Mg, P, K, Ca, Fe和Zn等8种元素的含量处于较高水平, 其浓度均高于1 mg·kg-1。比较发现, 不同地区荆条蜜中元素含量存在一定差异。以具有显著性差异(p<0.05)的29种元素(Na, Mg, Al, K, Ti, V, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Ga, As, Sr, Y, Mo, Cd, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Ho, Tl, Pb和U)为变量, 应用主成分分析(PCA)和反向传输人工神经网络(BP-ANN)两种化学计量学方法按照不同产地对荆条蜜进行了分析。PCA可将所有变量降为4个主成分, 并能解释81.6%的变量, 结果表明, PCA基本可以将荆条蜜按照不同产地分开。应用BP-ANN建立不同产地荆条蜜溯源模型, 用全部样本建立模型时, 三个产地荆条蜜分类的正确率均为100%, 采用“留一法”进行交叉检验, 整体准确率为95.4%;以75%的样本建立模型, 25%的样本用于预测, 对BP-ANN模型的可靠性进行验证, 三个产地整体分类和预测的准确率均为100%。ICP-MS测定蜂蜜中多元素含量结合多变量模型可以实现不同产地荆条蜜溯源。
荆条蜜 多元素 地理来源 Vitex honey Multi-element Geographical origin PCA PCA BP-ANN BP-ANN 
光谱学与光谱分析
2015, 35(1): 212

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