本網(wǎng)訊 近日，由蔣麗忠教授、向平教授聯(lián)合指導(dǎo)，中南大學(xué)土木工程學(xué)院研究生彭炫作為第一作者在國際頂級期刊《自然·通訊》（Nature Communications）發(fā)表題為“基于時間感知專家的自適應(yīng)圖區(qū)域方法：優(yōu)化動態(tài)系統(tǒng)長期預(yù)測性能（Adaptable graph region for optimizing performance in dynamic system long-term forecasting via time-aware expert）”的研究論文。該成果針對結(jié)構(gòu)工程等領(lǐng)域動態(tài)系統(tǒng)長期預(yù)測中“精度與效率難以兼顧”的核心痛點，提出創(chuàng)新性解決方案。
在結(jié)構(gòu)工程及相關(guān)領(lǐng)域，橋梁、建筑、交通網(wǎng)絡(luò)等動態(tài)系統(tǒng)的長期行為預(yù)測是保障安全、優(yōu)化管理的關(guān)鍵，但現(xiàn)有技術(shù)存在計算慢、多尺度信息融合不足、遠距離節(jié)點信息傳遞失衡等問題。為此，研究團隊開展技術(shù)創(chuàng)新，提出了區(qū)域圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RGNN）框架，通過引入?yún)^(qū)域圖表示（RGR）與細粒度重構(gòu)（FGR）技術(shù)，將真實物理系統(tǒng)變?yōu)橛嬎銠C所能理解的語言，選取系統(tǒng)關(guān)鍵部件作為節(jié)點，將耦合關(guān)系作為節(jié)點的連接關(guān)系，賦予節(jié)點和邊對應(yīng)的物理屬性，實現(xiàn)了對系統(tǒng)動態(tài)特性的精準捕捉。
研究表明，通過靈活調(diào)節(jié)“區(qū)域階數(shù)”，有效控制了圖結(jié)構(gòu)規(guī)模，在保留核心拓撲信息的同時，可將節(jié)點數(shù)量大幅壓縮至原規(guī)模的10%-50%，顯著提升了計算效率。同時，借助線性變換矩陣實現(xiàn)區(qū)域特征向量的重新分配，確保了信息的精準傳遞與無損重構(gòu)。研究還集成了稀疏時間感知專家模塊，該模塊能夠動態(tài)融合短期波動與長期趨勢的多尺度信息，有效解決了傳統(tǒng)模型在信息融合上的局限性，提高了長期預(yù)測的準確性和穩(wěn)定性。此外，研究提出的融合圖卷積（FGC）技術(shù)，優(yōu)化了大型圖結(jié)構(gòu)中遠距離節(jié)點的信息交換機制，實現(xiàn)了高效的信息傳遞，避免了傳統(tǒng)方法中的效率犧牲與信息丟失問題。
圖示為如何將復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)（列車- 橋梁耦合系統(tǒng)這類存在多組件交互的系統(tǒng)）轉(zhuǎn)化為標準化圖結(jié)構(gòu)
實驗結(jié)果顯示，技術(shù)在PEMS08（PEMS 全稱：Performance Measurement System，即 “交通性能監(jiān)測系統(tǒng)”）數(shù)據(jù)集上的計算速度提升了45.7倍，內(nèi)存消耗降低了87%。在PEMS04和PEMS08（PEMS04、PEMS08均為美國加州交通流量監(jiān)測數(shù)據(jù)集）兩個經(jīng)典數(shù)據(jù)集上的驗證表明，區(qū)域化后的鄰接矩陣與原始鄰接矩陣在核心拓撲特征上高度一致，有效保留了局部連接特性和整體疏密分布規(guī)律。此研究成果通過構(gòu)建一套全新的預(yù)測技術(shù)框架，在動態(tài)系統(tǒng)長期預(yù)測領(lǐng)域取得關(guān)鍵突破，為橋梁安全監(jiān)測、交通管控、氣候預(yù)測等領(lǐng)域提供了高效智能的技術(shù)支撐。
PEMS04 和 PEMS08 數(shù)據(jù)集的區(qū)域圖矩陣可視化
（一審：張靜雪 二審：唐瀟珺 三審：韓艷）
