本發(fā)明屬于人工智能預(yù)測領(lǐng)域，尤其涉及一種適用于復(fù)雜時空的生物降解地膜降解壽命預(yù)測方法。

背景技術(shù)：

1、我國幅員遼闊，環(huán)境多變，生物降解地膜在不同時間、空間下的降解性能存在巨大差異，現(xiàn)有生物降解地膜田間降解壽命預(yù)測困難，只能依靠長周期實(shí)驗(yàn)評估，尚無可用的方法能夠預(yù)測田間復(fù)雜時空條件下的生物降解地膜降解壽命。

2、cn115711845a一種可生物降解地膜使用壽命預(yù)測方法，該方法構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室預(yù)測的可降解地膜的使用壽命與實(shí)際大田環(huán)境下的使用壽命之間的關(guān)系，通過將可生物降解地膜在室內(nèi)高溫紫外加速老化試驗(yàn)和在大田實(shí)際使用過程中，分別定期取樣，測試樣品的理化性質(zhì)，并通過對比兩者之間的差異，建立可生物降解地膜使用壽命預(yù)測模型和預(yù)測方法；其只適用于單一特定場景下的降解壽命預(yù)測，無法實(shí)現(xiàn)在不同地理氣候下等田間復(fù)雜時空下的降解壽命預(yù)測。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：為解決預(yù)測田間復(fù)雜時空條件下的生物降解地膜降解壽命問題，本申請?zhí)岢鲆环N適用于復(fù)雜時空的生物降解地膜降解壽命預(yù)測方法。

2、技術(shù)方案：一種適用于復(fù)雜時空的生物降解地膜降解壽命預(yù)測方法，包括以下步驟：

3、采集不同地區(qū)影響生物降解地膜降解壽命的材料特性數(shù)據(jù)與時空數(shù)據(jù)，按照時間周期分類，獲得時間序列數(shù)據(jù)；

4、材料特性數(shù)據(jù)與時空數(shù)據(jù)被分別編碼后，通過全局相似性計(jì)算得到相似度矩陣，隨后與原始數(shù)據(jù)跳連，送入解碼器后分別提取特征，經(jīng)融合后，進(jìn)行時空高階導(dǎo)連續(xù)性約束，獲得增強(qiáng)數(shù)據(jù)；

5、將增強(qiáng)數(shù)據(jù)作為預(yù)測網(wǎng)絡(luò)的輸入，所述預(yù)測網(wǎng)絡(luò)采用lstm結(jié)合多頭自注意力方法，在編碼器中使用一個堆疊的lstm網(wǎng)絡(luò)來捕獲不同時間周期序列中的時間全局相關(guān)性，對于每個時間周期，輸入材料特性數(shù)據(jù)和時空數(shù)據(jù)的增強(qiáng)數(shù)據(jù)，然后構(gòu)建多頭自注意力模塊，學(xué)習(xí)時間序列數(shù)據(jù)之間的全局特征并提取出特征中的最關(guān)心的局部區(qū)域，最后通過預(yù)測頭預(yù)測得到各個時間周期的降解率。

6、進(jìn)一步的，所述材料特性數(shù)據(jù)以生物降解地膜應(yīng)用到大田環(huán)境中起始時間為起點(diǎn)，間隔固定時間周期采樣，包括：樣本的質(zhì)量、力學(xué)性能、熱力學(xué)性能、流變、熔指、厚度、透光性與紫外屏蔽性能、水蒸氣與氧氣透過率、表面裂紋與裂縫數(shù)量及破碎程度。

7、進(jìn)一步的，所述時空數(shù)據(jù)為利用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備獲取地區(qū)的環(huán)境信息，并統(tǒng)計(jì)出每個周期內(nèi)環(huán)境因子的平均值、最大值、最小值，所述環(huán)境因子包括：溫度、濕度、輻射強(qiáng)度、降雨量、風(fēng)速、土壤ph值、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤孔隙度、土壤種類、土壤微生物豐度、土壤濕度。

8、進(jìn)一步的，所述材料特性數(shù)據(jù)與時空數(shù)據(jù)被分別編碼的過程包括，對數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，剔除異常數(shù)據(jù)，采用padding對缺失的數(shù)據(jù)用0替代；對所有數(shù)值進(jìn)行歸一化；對時間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行余弦編碼。

9、進(jìn)一步的，所述材料特性數(shù)據(jù)與時空數(shù)據(jù)被分別編碼后，通過全局相似性計(jì)算得到相似度矩陣，隨后與原始數(shù)據(jù)跳連，送入解碼器后分別提取特征；該過程使用兩個單獨(dú)的編碼器，編碼過程表示為：

10、f'n＝encoderf(fn)

11、s'n＝encoders(sn)

12、其中,fn和sn分別表示在時間周期n的材料特性數(shù)據(jù)和時空數(shù)據(jù)，encoderf和encoders是兩個編碼器；

13、計(jì)算全局相似性,通過計(jì)算編碼后的材料特性數(shù)據(jù)和時空數(shù)據(jù)的點(diǎn)積來完成，全局相似性表示為：

14、g＝softmax(f'n·s'nt)

15、隨后原始數(shù)據(jù)與相似性矩陣進(jìn)行跳連，然后送入解碼器進(jìn)行特征提取的公式表達(dá)為：

16、tn＝decoder([f'n,s'n,g])

17、式中，[f'n,s'n,g]表示將原始數(shù)據(jù)和相似性矩陣進(jìn)行連接，decoder()是一個解碼器。

18、進(jìn)一步的，時空高階導(dǎo)連續(xù)性約束具體為：

19、t(x,y,n)＝tn,式中(x,y)為材料在時空中的空間位置，n為數(shù)據(jù)采集的時間周期；

20、t'(x,y,n)＝t'(x,y,n+1)

21、t”(x,y,n)＝t”(x,y,n+1)

22、式中：t’為t的一階導(dǎo)，t”為t的二階導(dǎo)；滿足t’和t”連續(xù)。

23、進(jìn)一步的，得到各個時間周期階段的降解率后，方法還包括利用多項(xiàng)式擬合出降解率曲線，通過設(shè)定的降解率失效閾值，獲得降解周期時間，后續(xù)實(shí)驗(yàn)改變地理區(qū)域和時間序列覆蓋的范圍，進(jìn)行迭代優(yōu)化，提高模型預(yù)測準(zhǔn)確率。

24、進(jìn)一步的，利用預(yù)測值和真值的均方根誤差mse和平均絕對誤差mae表征模型擬合優(yōu)度，

25、

26、式中，是實(shí)際降解率，ηn是預(yù)測降解率，n是樣本數(shù)量。

27、有益效果：本發(fā)明公開了一種適用于不同時空下生物降解地膜的降解壽命預(yù)測方法，涉及生物降解材料的降解壽命預(yù)測技術(shù)領(lǐng)域，獲取不同地域的地理和氣候數(shù)據(jù)，對多種數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，生成時空特征數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)一種基于全局自注意力的降解率預(yù)測網(wǎng)絡(luò)，學(xué)習(xí)劃分的數(shù)據(jù)集生成降解率預(yù)測模型。在模型驗(yàn)證迭代中，在不同時間周期和不同地理環(huán)境下采集新數(shù)據(jù)，輸入新的環(huán)境參數(shù)對模型進(jìn)行預(yù)測，并通過新數(shù)據(jù)迭代模型。通過該技術(shù)，可以快速實(shí)現(xiàn)針對不同地區(qū)環(huán)境的地膜材料的降解性能驗(yàn)證，提高材料設(shè)計(jì)效率，加快地膜行業(yè)發(fā)展。

技術(shù)特征：

1.一種適用于復(fù)雜時空的生物降解地膜降解壽命預(yù)測方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于復(fù)雜時空的生物降解地膜降解壽命預(yù)測方法，其特征在于，所述材料特性數(shù)據(jù)以生物降解地膜應(yīng)用到大田環(huán)境中起始時間為起點(diǎn)，間隔固定時間周期采樣，包括：樣本的質(zhì)量、力學(xué)性能、熱力學(xué)性能、流變、熔指、厚度、透光性與紫外屏蔽性能、水蒸氣與氧氣透過率、表面裂紋與裂縫數(shù)量及破碎程度。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于復(fù)雜時空的生物降解地膜降解壽命預(yù)測方法，其特征在于，所述時空數(shù)據(jù)為利用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備獲取地區(qū)的環(huán)境信息，并統(tǒng)計(jì)出每個周期內(nèi)環(huán)境因子的平均值、最大值、最小值，所述環(huán)境因子包括：溫度、濕度、輻射強(qiáng)度、降雨量、風(fēng)速、土壤ph值、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤孔隙度、土壤種類、土壤微生物豐度、土壤濕度。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于復(fù)雜時空的生物降解地膜降解壽命預(yù)測方法，其特征在于，所述材料特性數(shù)據(jù)與時空數(shù)據(jù)被分別編碼的過程包括，對數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，剔除異常數(shù)據(jù)，采用padding對缺失的數(shù)據(jù)用0替代；對所有數(shù)值進(jìn)行歸一化；對時間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行余弦編碼。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于復(fù)雜時空的生物降解地膜降解壽命預(yù)測方法，其特征在于，所述材料特性數(shù)據(jù)與時空數(shù)據(jù)被分別編碼后，通過全局相似性計(jì)算得到相似度矩陣，隨后與原始數(shù)據(jù)跳連，送入解碼器后分別提取特征；該過程使用兩個單獨(dú)的編碼器，編碼過程表示為：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于復(fù)雜時空的生物降解地膜降解壽命預(yù)測方法，其特征在于，時空高階導(dǎo)連續(xù)性約束具體為：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于復(fù)雜時空的生物降解地膜降解壽命預(yù)測方法，其特征在于，得到各個時間周期階段的降解率后，方法還包括利用多項(xiàng)式擬合出降解率曲線，通過設(shè)定的降解率失效閾值，獲得降解周期時間，后續(xù)實(shí)驗(yàn)改變地理區(qū)域和時間序列覆蓋的范圍，進(jìn)行迭代優(yōu)化。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于復(fù)雜時空的生物降解地膜降解壽命預(yù)測方法，其特征在于，利用預(yù)測值和真值的均方根誤差mse和平均絕對誤差mae表征模型擬合優(yōu)度，

9.一種計(jì)算設(shè)備，其特征在于，包括：一個或多個處理器、一個或多個存儲器以及一個或多個程序，其中一個或多個程序存儲在所述一個或多個存儲器中并被配置為由所述一個或多個處理器執(zhí)行，所述一個或多個程序包括用于執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1至8所述的方法中的任一方法的指令。

10.一種存儲一個或多個程序的計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，其特征在于，所述一個或多個程序包括指令，所述指令當(dāng)由計(jì)算設(shè)備執(zhí)行時，使得所述計(jì)算設(shè)備執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1至8所述的方法中的任一方法。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種適用于復(fù)雜時空的生物降解地膜降解壽命預(yù)測方法，采集不同地區(qū)影響生物降解地膜降解壽命的材料特性數(shù)據(jù)與時空數(shù)據(jù)信息地膜降解率，按照時間周期分類，獲得時間序列數(shù)據(jù)；材料特性數(shù)據(jù)與時空數(shù)據(jù)被分別編碼后，通過全局相似性計(jì)算得到相似度矩陣，隨后與原始數(shù)據(jù)跳連，送入解碼器后分別提取特征，經(jīng)融合后，進(jìn)行時空高階導(dǎo)連續(xù)性約束，獲得增強(qiáng)數(shù)據(jù)；將增強(qiáng)數(shù)據(jù)作為預(yù)測網(wǎng)絡(luò)的輸入，最后預(yù)測得到各個時間周期階段的降解率。本發(fā)明解決復(fù)雜時空下生物降解地膜降解壽命預(yù)測問題，提高了預(yù)測準(zhǔn)確度。

技術(shù)研發(fā)人員：徐磊,嚴(yán)旎娜,蔡澤宇,陳珊,鄭志雨
受保護(hù)的技術(shù)使用者：江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6