DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 3. 微波进行消毒土壤的必要性常见土壤消毒方法 随着生活质量的提升，人们越来越重视绿色食品蔬菜的发展。由于不当耕种与施药方法使土壤受到不同程度破坏和污染，这也是造成蔬菜生产种植中的病虫菌害日趋严重的主要原因。近年来，果蔬所发生的根结线虫病在多地不断传播，造成大量蔬菜大棚减产绝收 [ 15 ]，农民普遍的防治方法是加大杀虫剂的用量，结果必然造成果蔬中农药的残留量超标。由于大多数虫卵及病原菌都寄存于土壤当中，环境条件适宜时便发生害情，所以从源头上遏制病虫害、在土壤中杀灭将虫卵及病原菌显得尤其重要 [ 16 ]。通过对病原菌、虫害、草害与土壤的特性分析，利用微波所具有的特性对土壤进行消毒灭菌的试验后收到了显著效果。 无论是设施农业的产物——温室大棚还是按季播种的大田，随着耕作时间的增加，土壤间传播的病虫害与杂草数量的激增严重影响农作物的产量，造成较大的经济损失。近年来随着工程技术手段的快速发展，设施农业使我国的农业发展得到了极大的提升，大棚中温度、湿度等环境因素也相对可控，农作物因此生长迅速，产量也大大提高，但大棚中的优越环境也为原菌的积累、土壤疾病的传播及土传病害的发生提供了便宜条件。所以，对造价较高的温室大棚中进行农作物种植前的土壤消毒显得更为必要。 实际生产中对同一块耕地进行连续耕种相同的农作物通常会加速土壤中特定的营养元素的消耗，造成养分偏失、增大了某些特定病虫害的发生的几率，并且造成微生物区系改变导致土壤中酶类释放量减少，无法正常参与土壤有机质降解及养分循环，使连作作物的收成逐年降低 [ 17 ]。如果对于花生进行连续种植，就会使其根系真菌骤增，导致严重的病虫害发生如引发根线虫病、叶斑病、病毒病等，而这些使植株感染的病菌大都由土壤传播。由于连作而染病植株通常出现生长缓慢、发育不良、不结实等现象；而且连作时间越久，土壤中的致病菌积累的就越多，植株被侵害的程度就越大；初期作物会有抗性减弱的表象，如未能及时采取补救措施甚至会有死亡的现象发生。 如烟草等众多经济作物都存在无法连作的问题，给作物生产造成较大损失。经过长期实践发现“作物轮作”是一种有效的解决方法，间隔性的耕种不同作物可使微生物区系更好的恢复到摄动前的生态平衡，从而减轻土壤中的寄生虫负担 [ 18 ]。但通过轮作的方式来保护土壤、保证农作物的产量的同时阶段性的放弃原作物的种植在经济快速发展的今天并不受用。并且有一些通过轮作的方式也不能提供相对可靠性的作物，如瓜类；土壤中的寄生虫会将其作为宿主保持休眠或代谢失活的状态生存很长时间。所以在土地“超负荷”种植的今天，无法满足合理的轮作或充足休耕的情况下，就要人为地来维护土壤健康、保证土壤营养充分、促进植株生长、提高作物产量，由此一来，土壤杀菌过程就显得十分必要了 [ 19 ]。 常见土壤消毒方法 物理和化学方法的土壤消毒又可分为多种类型：化学方法的主要代表为甲基溴土壤消毒法，物理方法可分为高温蒸汽土壤消毒、熏土壤消毒、火烧土壤消毒、热水土壤消毒及微波土壤消毒等。 在八十年代中期到九十年代初期，国内外主要采用溴甲烷熏蒸的方法进行土壤消毒，溴甲烷(CH 3 Br)又称甲基溴，是一种无色无味的气体。对土壤有较强的穿透性，对菌虫具有广泛、高效的杀伤性，甚至可以穿透到未腐烂分解的有机体中来有效去除菌虫，所以在土壤消毒中可以达到灭菌、防病、除虫除草的效果。溴甲烷在对土壤熏蒸后能够较快的挥发，短时间内土壤便可耕种，又因其成本低廉，便从最初定位用作植物保护的试剂发展为化学土壤消毒的主要产品，直至21世纪初其作为最受农民欢迎的一种土壤消毒剂广泛应用于大部分地区。但因溴甲烷会引发诸多环境和土壤问题，如溴甲烷法处理后的耕地如果散气时间不足，残留物会使农作物受到药害的影响；而且溴甲烷广泛的杀伤作用不只针对土壤生物，作为一种强烈的神经毒剂，其对人的皮肤和内脏可造成不同程度的损伤；溴甲烷的使用还会严重破坏臭氧层，故我国已在2019年对溴甲烷法的土壤消毒全面禁止。 对于高温蒸汽熏蒸开水法、火烤法等消毒方法，普遍存在设备复杂、环境污染、化学残留、杀菌效率低下等问题 [ 20 ] [ 21 ]。沸水法土壤灭菌从改善农田土壤品质的层面出发无疑为一种绿色方法、操作过程简单，但实际上操作中效率低下、菌虫致死率低、设备能耗大、可行性不高。1993年2月美国学者申请专利，所设计的沸水杀菌装置可将热水从类似犁状的农具中喷出，装置呈线性阵列，每个农具上排列有多个喷嘴，工作时热水注入土壤中以进行更深的渗透杀灭土壤中的昆虫、病原体，一般在沸水注射后在土壤表面上覆以绝缘泡沫层以保留水温，这种灭菌方式不仅需要操作设备携带大型水箱及加热装置，而且所释放的热水在土壤中有效范围很小，在实际生产中要有持续供水系统与供热系统，实施此方法会产生大量的能耗与环境上的污染。 土壤蒸汽消毒法在1888年由德国人Fran提出，1893首次商业化使用，随即蒸汽消毒法在大棚和苗圃土壤消毒中得到应用。根据使用的方法不同对蒸汽消毒法进行分类，可分为冷蒸汽消毒法、Hoddeson管道法、负压蒸汽消毒法、地表覆膜蒸汽消毒法等，此类方法的优点在于通过高压密集的蒸汽，杀死土壤中的细菌、真菌、昆虫及草籽。另外，被蒸汽熏蒸后的土壤呈团粒状，对提高土壤通透性、排水性都有较大帮助。蒸汽消毒绿色环保、清洁高效、无毒害残留、处理后短时间内即可播种，且加热、加湿相结合会比单独使用蒸汽更有效抑制病虫害；但蒸汽法作业依赖于土壤的含水量，土壤湿度大时处理时热传递速率快，反之，热传递慢、效果欠佳，且土壤湿度大时会促进杂草萌发，抗性杂草也会趁此被高温杀灭。用于蒸汽法土壤消毒整套设备复杂，此消毒设备上需配有土壤渗透装置，还需安装有蒸汽发生装置、供电系统、持续供水系统和水质软化系统等来联合供能；为保证较高的土壤致病菌虫的杀灭率，蒸汽消毒过程中土温需保持在70℃以上30分钟。因其用时间长，能耗高，供给能量燃烧必然会排放大量的温室气体，对大气造成损害与环境的污染，另外，蒸汽法土壤消毒收益较多但所需的配套设施工程量较大，一般需铺设地下管道，通过管道将蒸汽输送到相应设备，且后期维护成本较高。 火焰土壤消毒是通过燃烧设备上所携带的液化气直接喷射土壤进行消毒，2019年我国江苏地区研制出一款自走式精旋土壤火焰杀虫机 [ 22 ] 如图2，设备先将土壤粉碎然后通过喷出的火焰对土壤进行高温灭菌杀虫处理，对处理后的土壤施用修复剂既竹炭有机肥，田间试验表明火焰土壤消毒对土壤进行修复处理对杀灭土壤中线虫有效作用深度可达20 cm，但液化气成本约1500元/667m 2 ，用时约3.5 h/667m 2 。 图2. 自走式精旋土壤火焰杀虫机。1.分动箱部件；2.转筒部件；3.链轮箱部件；4.旋耕滚筒部件；5.火焰喷射器部件；6.液压部件 2019年尹英敏发明一种便携式微波杀虫机，主要用于森林中树木消毒，因为可手持式易靠近受害高大树木，便于除虫，如图3，设备与发电组连接，由微波发射装置、绝缘手柄、聚能天线主要部件组成，设备具有减小劳动强度，降低林间杀虫操作得危险性等优势，其构造比大型设备更易携带至特殊地形 [ 23 ]。 图3. 便携式微波杀虫机。1.手柄开关；2.磁控管；3.波导管；4.聚能天线；5.输出口；6.预留插座；7.电源线；8.发点组件
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user: 5. 微波土壤消毒设备存在的不足与改进 5.1. 微波土壤消毒设备存在的不足 基于物理方法的微波土壤消毒设备种类少，大多应用于温室大棚，微波土壤消毒设备能耗大，配套动力不足等因素是使其工作效率低、难以适用大田作业的主要原因。目前结构为非接触式微波消毒设备的所占比重较大，原因是非接触式微波消毒设备作为一种可将直接产生微波能作用于土壤上表面与土壤耦合的装置可避免因微波发生单元可用空间受限而降低微波发生器的可用微波功率和能量效率。但实际当中，随着土层厚度的增加介质损耗增大吸收部分微波能，且不同物质对微波有不同程度的吸收，选择吸收频率也不尽相同 [ 34 ]，便出现了表层土壤与深层土壤处理的不均匀性，因微波消毒腔在工作时没有形成完全封闭的金属腔会导致电磁波的波峰和波谷发生变化，能量的最值随之发生波动性改变；所以在微波土壤消毒处理的过程中出现土壤受热不均、土壤升温不良状况。微波耗散是造成试验结果与理论提出相差较大直接原因，也是阻碍微波消毒设备的作业质量提升的重要因素，避免微波耗散，提高设备灭菌杀虫、除草等各项指标是对新一代样机设计的主要需求。 通过对现有微波杀菌设备的总结，分离取土式设备具有高效节能、集多功能为一体的土壤消毒设备，相比于其他形式一定程度上可提高灭菌杀虫效果，由于部分结构仍存在设计上的不足，对其改进设计可从以下几方面开展。分离取土式设备在工作时主要步骤为掘土、输土、微波处理、土壤还田。首先，掘土过程中使掘土工作进行的同时还可对土壤进行深耕、深松等工作，机具可设计为“深耕刀”形式；其次，传送带将土壤输送至微波辐射处利用微波对土壤进行消毒处理，可根据每一个微波发射单元的作用面积将安装于同一固定架，便于整体的上下提升，每一次土壤到达指定位置后，每个微波发射单元可在固定架下降后与金属传送带组成多个独立封闭空间进行微波辐射，最后，土壤经消毒还田过程可通过分土装置与覆土装置对耕地进行起垄、使整地功能与土壤灭虫灭菌功能相结合，实现机具的多功能化。 设备作业前可根据土壤感染情况的不同采用对应程序进行针对性杀灭。处理期间利用数字显示控制仪检测每一个封闭“单元”的土壤温度，待达到杀菌温度与处置时间，固定架升高，土壤由传送装置还田。为保证土壤杀菌质量，需对微波处理后土样中菌、虫的进行抽样检测确保杀灭率符合要求，检测结果与实际要求不符时，可根据实际需求改变系统的辐射时间。 5.2. 微波土壤消毒设备存在不足的解决方法 目前基于微波技术在土壤消毒方面的应用在国内外正处于研发阶段，没有推广出相对成熟的微波土壤消毒设备 [ 26 ]。随着我国土壤消毒技术的普及与微波技术的研究与开发、大功率拖拉机在农业中的普遍应用，研制一种新型的微波土壤消毒设备及微波土壤消毒联合作业设备十分必要，微波土壤消毒作业不仅能杀死土壤中的杂草及有害菌而且在土壤优化和营养成分的均衡方面起着相当大的调节作用。 应对需求设计一种微波土壤消毒设备时，首先要研究此设备对土壤中微生物、草籽的杀灭效果、耕作成本及对作物产量的影响，一是在原有基础上对设备模型进行改进，采取有效措施减少微波耗散、提升微波土壤消毒设备的作业效果与工作效率，加强其杀菌、杀虫、除草等性能。二是使微波土壤消毒设备的智能化；针对不同的土壤启用相应的处理程序来杀灭某种特定菌、虫和草籽。三是提高产品的制造工艺水平，保证整机及工作部件质量，使微波土壤消毒设备工作过程的安全性、可靠性，特别是防止微波泄露伤人；四是积极推动对微波土壤消毒设备生产进行标准化、规范化管理的技术分类、制造标准和验收标准，便于后期大面积推广。五是要推动发展“一机多用”的微波土壤消毒联合作业机，开发研制适用于不同地区且满足农业技术要求不同规格的设备，如适用于中国平地区原的大型联合作业设备、在西南地区发展适用于丘陵山的中小型设备等。六是要加强农机信息化管理，对各地区造价较高的农用设备进行合理的统筹规划，实行可跨区调控作业，避免此类农业设备闲置时间过长而造成的经济损失。 微波土壤消毒设备的普及对我国的农业生产意义巨大，但目前因缺少联合作业机制，作业目的较为单一，无法满足多种农艺要求。目前市场上的微波土壤消毒设备品种少，质量参差不齐，用于实际生产的设备多为根据不同地区农业生产情况自发研制，不具备标准化、系列化的管理条件，设备的作业可靠性难以保证，无法进行大面积推广。
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user: 6. 微波消毒土壤设备发展情况的结论与展望 国内外微波土壤消毒设备作业形式与机械结构的不同，大部分文献中只提出了相关的设计思路，没有制造出实际的微波消毒设备，目前已经生产出微波消毒设备多数没有经过田间试验来验证微波设备是否达到所提出的预期指标，实际效果我们无从得知。所以，对常见的几种表面非接触式、犁形接触式及分离取土式设备进行性能试验，在实验中观察他们的优势与不足，验证其具体土壤消毒效果，获得设备在田间试验中实际工作参数对后期微波土壤消毒设备的发展有着重大意义。 除微波土壤消毒设备作业形式的不同，外部环境也是影响试验结果的关键因素，与设备作业性能存在交互规律。影响微波土壤消毒设备作业效果的外因主要为土壤的温度、含水率、坚实度、电导率等可变因素。另外，2450 MHz与915 MHz为我国民用与工业上可使用的频率，对频率的正确选择对土壤穿透能力与作业结果有直接影响。 改进微波土壤消毒设备参数获得理想的杀菌、杀虫、除草效果主要方法是：通过对不同设备与不同影响因素下进行对比试验，综合作业时影响试验结果的内因和外因，获得相关试验数据，通过分析比对计算出相对优化的设备参数，并进一步制定改进方案，另外，是否能通过简单的人为干预改变土壤的含水率、坚实度等因素来提升微波土壤消毒的工作效率还有待于进一步的研究。 土壤品质直接影响农作物的品质与产量，微波土壤消毒机作为一种具有绿色高效的土壤消毒设备，推动了我国土壤的可持续利用，对促进了我国保护性耕作技术的发展、推进我国农业可持续发展进度也具有十分重要的意义。
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user: 摘要 沼气能源是一种新兴的可再生能源，属于生物质能的一种。这种技术最初只是用来生产天然肥料，但是随着科技的不断发展，人们对沼气能源的产物有了全方位的应用，使得沼气能源呈现出空前发展的状态。国家也大力支持沼气能源的发展，但是因为一些客观因素导致在农村地区的沼气能源产业发展停滞不前。本文从几个方面阐述了农村发展沼气能源的可行性。
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user: 1. 引言 化石能源的大规模使用，一方面推动了工业经济的发展，但另一方面，也间接导致了能源危机。所以一大批新型能源也因此快速发展起来，比如风能、太阳能、水能、地热能、生物质能、核能、氢能、海洋能 [ 1 ] 等。但由于农村地区地理环境特殊、地貌多变、经济发展落后、人才缺失等问题导致大部分新型能源都难以在农村地区发展起来。并且一种新型能源的全面推广最需要的还是人民群众对该能源的认可程度，而在众多能源中沼气能源无疑是发展农村能源的首选。 建国以来，在能源危机的影响下我国在20世纪50年代和70年代先后出现了两次对沼气能源发展的探索 [ 2 ]。但都因操之过急，导致在修建的过程中只注重速度而忽略了质量，使得花费了大量人力物力修建的700万座沼气池在短短的2~3年内就接连报废。直到上世纪80年代以后，我国先后颁布《农业法》、《节约能源法》、《中华人民共和国可再生能源法》等有关农村能源发展的法律法规，同时又出台了一系列的补贴政策，使得从20世纪80年代到21世纪初，我国农村的沼气能源发展呈现出一个较为平缓的状态。1983是中国农村沼气池使用数量最少的一年，但在之后的17年之内沼气池的数量以每年平均增长率4.6%的速度增加，一直到2000年底，农村沼气池的数量突破800万户 [ 3 ]。在2000年~2009年我国政府在原有的政策上又加大了补贴力度，甚至开始了沼气服务网点的投资，在这种前所未有的优惠政策下我国农村的沼气池数量直接增加到3000多万户，沼气能源正式作为新型供能方式被人们熟知。但随着经济的迅速发展，农村出现了大批外出务工人员，直接导致了农村地区劳动力缺乏，养殖业、农业的发展呈下降趋势，沼气能源的发展也因原料、劳动力的问题开始停滞不前。本文主要对当下发展沼气能源的各方优势进行了总结，针对在农村发展沼气能源的可行性进行了研究。
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user: 2. 沼气能源的工作原理 2.1. 液化阶段 沼气池的反应原料种类繁多，但大部分都是以蛋白质、脂类和多糖为主的有机物；其中的多糖类物质(淀粉、纤维素、半纤维素、果胶质等)是发酵反应中的主要反应物，这些反应物的溶解性较差。发酵反应则需要在发酵性细菌的细胞内才可以完成，而刚好发酵细菌的分泌物可以和这些反应物发生反应生成溶解性较好的有机物；并且通过一系列的发酵反应，将这些可溶性物质转化为化学结构简单的脂肪酸、醇类、氢和二氧化碳等。反应物中属于蛋白质类的物质在发酵性细菌的作用下重新水解一个个单独的氨基酸；而其中的少量蛋白质可以直接被细菌吸收再利用，用于细胞的新陈代谢；当蛋白质过多时剩余的蛋白质将进一步被分解为脂肪酸、氨和硫化氢(有毒气体)等，而氨基酸可进一步分解成有机酸类。反应物中的脂类物质在细菌脂肪酶的水解作用下，生成甘油和脂肪酸，其中甘油的分解过程和糖类物质的代谢过程一样，而脂肪酸则在微生物的分解作用下分解为多个乙酸。 2.2. 产酸阶段 因为的产物不能直接被产甲烷菌直接利用，所以需要增加一个产酸阶段来进一步分解液化阶段的产物。产酸阶段主要利用的菌类包括产氢产乙酸菌和耗氢产乙酸菌两种；而其中的产氢产乙酸菌可以将液化阶段所产生的有机酸和醇类分解转化为乙酸、氢和二氧化碳；而耗氢产乙酸菌既可以将液化阶段产生的氢气和二氧化碳生成乙酸，也可以通过自身的新陈代谢产生乙酸。经过上述两种菌类的处理，将较为复杂有机物转化为结构简单的有机酸、氢气和二氧化碳等。 2.3. 产甲烷阶段 在产甲烷阶段工作的主要菌类包括食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌两大类群。沼气发酵形成甲烷的过程，是由生理上高度专业化的大量古细菌(产甲烷菌)所引起的，其中产甲烷菌包括食乙酸产甲烷菌和食氢产甲烷菌两种，是整个厌氧消化食物链的最后一步，虽然这两种细菌有不同的形态，但是他们本身拥有较为特殊的工作机理进而在整个沼气发酵过程中表现出共同的生理特性。它们特殊的厌氧工作机制使他们将前三群细菌代谢终产物(乙酸、氢气和二氧化碳)，在没有外源受氢体的情况下化为甲烷和二氧化碳，使沼气发酵最后一步的分解顺利完成。
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user: 3. 沼气能源在农村发展的可行因素 3.1. 更加完善的政策支持 沼气能源的发展离不开国家政策的支持，我国在以下几个方面实行了新的政策和法律法规，用以促进沼气能源的发展。养殖业发展方面：在2019年颁布《2019年粮改饲试点项目工作实施方案》中增加了有关饲料作物的种植，促进了农村养殖业的复苏，间接解决了沼气发酵的原料问题。返乡创业方面：颁布《关于支持农民工等人员返乡创业的意见》后，涌现出了一大批城市返乡就业人员，其中60%以上都是农民工，既促进了农村经济的发展，也缓和了农村劳动力流失的情况。能源循环利用方面：颁布《种养结合循环农业示范工程建设规划(2017-2020年)》，以区域统一管理的方式提高了能源的利用效率，同时也加快了自然资源的循环过程，明确了农村发展沼气能源的可行性。高校建设(人才培养)方面：大力支持各个高校兴办有关新型能源的专业，从2010年到目前为止，我国的能源科学与工程学院由最初的11所增加到现在的118所。这些法律法规的颁布解决了影响沼气能源发展的原料、人才、劳动力以及环保等问题。沼气能源的发展形成了一个完整的良性循环。 3.2. 沼气能源的技术壁垒得到了突破 2000年以后沼气池的数量大幅增加，而沼气池的技术壁垒也就慢慢浮现出来了。首先是在沼气发酵的过程中会产生少量的硫化氢(有毒气体)，2015年山西晋城的硫化氢泄露事故，造成了人员的巨大伤亡，但是近年来各种脱硫技术和脱硫装置的竞相出现从根本上解决了沼气中硫化氢气体所带来的风险。然后就是因为不同地域环境的差异，导致沼气能源的发展受到制约，比如北方地区冬天气温低，沼气池的反应效率低下，而西北地区干旱缺水，不能满足沼气池发酵反应的液体环境，而针对这两种情况，不同的地域逐步形成南方“猪沼果”、北方“四位一体”、西北“五配套”的能源生态模式 [ 4 ]，将环境因素对沼气池的影响降到了最低。最后是传统的沼气池供能不稳定，经常会出现沼气耗尽供能不稳的情况，而现代的新型沼气池，增加了沼气存储装置和恒压输出装置解决了上述问题。现代沼气池的修建和使用技术在传统沼气池的基础上的到了很大的发展，使得沼气池的供能更加安全稳定。 3.3. 沼气池的环保性 沼气能源的原料来源主要是森林能源及其废弃物、农作物及其副产物、禽畜粪便、生活垃圾、生活废水等。这些废弃物不管是直接排放到自然环境中还是作为家用能源供能，都会对生态环境造成一定程度的污染。为了保证农作物的收益，农民在种植农作物的同时都会施用大量的化肥，而这就不可避免的会对环境造成污染。但如果沼气池大量出现，那么就会因为沼气池的原料需求直间减少了排放的废弃物总量，且沼气池的发酵的产物之一(生物肥料)和化肥相比对环境的污染基本上可以忽略不计。在保护环境的同时又可以得到一定程度的经济收益 [ 5 ]，这样的能源想要在农村发展将具有很大的可行性。 3.4. 市场需求(以山西省吕梁市为例) 2018年吕梁市全市的总用电量为196.8亿千瓦每时，比2017年增加了5.5%，而同年人口增长率只有0.455%，由以上数据可知吕梁市人均能源消耗指数越来越高 [ 6 ]；而吕梁市基本上还是以化石能源作为首要的供能能源，由2018年山西统计年鉴的统计数据可知山西省吕梁市人民的生活能源中有66.69%来自于化石能源，剩下的33.31%来自于国家电网，所以当前山西省吕梁市急需一种新型的供能方式。但山西的农村人口占人口总数的41.59%，且山西省的占地面积在全国排名十二，在这样的内部条件下，作为最适合在农村推广的沼气能源，在山西省将具有很大的市场需求。 3.5. 其他方面 服务体系愈发完善，沼气池的造价比其他的能源产业的造价低。在当下农村人口集中搬迁的脱贫政策下农村人口实现了小范围的集中，中小型的沼气池就有了用武之地。近年来农村人口的人均教育水平的提高，加深了人们对沼气能源的认同程度。
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user: 4. 总结 建国以来政府虽然大力推动沼气能源的发展，但因为各种各样的原因影响了沼气池在农村推广的进程。但随着经济和科技的快速发展，沼气池推广所面临的问题都得到了较好的解决，尤其是近年来国家在沼气能源推广使用方面颁布各种各样的政策，在这些政策的推动下逐步营造了一个非常适合沼气能源发展的农村大环境。政策、科技的进步都给沼气能源的发展提供了更大的可行性，尤其是类似山西省这样的能源需求大、能源单一、人口基数大、地域广泛的农村地区沼气能源的全面推广显得尤为重要。
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user: 摘要 目的：手术切口感染是外科病人常见的医院感染之一。其不仅给患者带来巨大的疼痛，增加患者的住院时间，加重患者的经济负担，还会严重影响患者的预后。本研究通过回顾性分析青岛大学医学院附属医院急诊普外科2017年l月到2019年12月期间的320例结肠癌手术患者的临床资料，探讨术后切口感染相关的影响因素，为降低切口感染的发生率提供依据。方法：根据患者术后是否发生切口感染，将其分为感染组和非感染组。同时，统计患者的基线情况、手术相关因素及临床结局等资料，分析感染组细菌培养的结果与相关的影响因素。结果：手术后切口感染25例，切口感染率7.81%。手术后切口感染与肥胖、糖尿病及术前长期吸烟有关；与性别、年龄、术前是否应用抗生素、急症手术、手术时间、切口长度及肿瘤分期无显著相关性。结论：结肠癌患者术后切口感染发生率高，病原菌以革兰阴性菌(大肠埃希菌)为主，BMI ≥ 25 kg/m 2 、合并糖尿病与吸烟是术后切口感染发生的独立危险因素。因此，临床依据结肠癌患者术后切口感染病原菌分布特点及影响因素，采取针对性、个体化的围术期干预措施，可切实降低术后切口感染的发生率，显著改善预后。
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user: 1. 引言 结肠癌是临床上极为常见的恶性肿瘤，随着人们饮食结构及生活习惯的改变，结肠癌发病率呈逐年递增的趋势，给人们生命安全带来极大威胁 [ 1 ]。目前治疗方法首选外科手术切除，多数患者在切除肿瘤后，取得了较好的疗效。目前，有文献报道其术后切口感染的发生率为5.9%~24% [ 2 ] [ 3 ]。手术切口感染是外科病人常见的医院感染之一。其不仅给患者带来巨大的疼痛，增加患者的住院时间，加重患者的经济负担，还会严重影响患者的预后 [ 4 ]。本研究通过回顾性分析青岛大学医学院附属医院急诊普外科2017年l月到2019年12月期间的320例结肠癌手术患者的临床资料，探讨术后切口感染相关的影响因素，为降低切口感染的发生率提供依据。
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user: 2. 临床资料与方法 2.1. 临床资料 选取2017年1月至2019年12月间收治的开腹手术的结肠癌病例320例，纳入标准为行开腹手术的结肠癌病人，排除标准为腹腔镜手术病人和仅内科放化疗病人。其中男173例，女147例，男：女 = 1.18：1。年龄26~89岁，平均年龄62.5岁，中位年龄65岁。右半结肠癌176例，左半结肠癌144例。术前合并肠梗阻84例，合并慢性内科疾病182。Dukes分期：A期31例，B期126例，C期114例，D期49例。本组病例中行根治性手术263例，姑息性切除术43例，单纯造瘘术14例。术中失血100~2000 ml (平均失血200 ml)。术中均使用电刀开腹，术后常规进行预防行性抗生素治疗，胃肠道功能恢复前常规进行营养支持治疗。 2.2. 研究方法 按照是否在术后发生切口感染，将数据分为感染组与非感染组，采集病人的基本资料以及围手术期的相关数据，包括年龄、体重指数(Body Mass Index， BMI)、术前应用抗生素、手术性质等临床资料，统计病原菌分布情况，分析影响术后切口感染的因素。该研究符合伦理要求，已通过单位伦理许可。 1) 手术切口感染的诊断依据国家卫生部颁发的医院感染诊断标准制定：① 术后切口有脓性分泌物，同时有明显的红、肿、热、痛；② 术后体温 > 38℃，切口出现明显压痛，切口裂开，同时伴有脓性分泌物溢出；③ 切口引流或穿刺发现脓性分泌物；④ 病原菌检查(+)，影像学提示感染 [ 5 ]。若符合上述任意一条则诊断为手术切口感染。 2) 肥胖的诊断标准根据2000年国际肥胖特别工作组亚太地区成年人BMI标准制定：BMI < 18.5为体重过低，18.5 < BMI < 23为正常，23 < BMI < 25为超重，BMI > 25为肥胖 [ 6 ]。 3) 病原菌检测：通过采集结肠癌患者术后切口处脓性分泌物并进行细菌培养，培养温度37℃，培养24 h后分离纯化病原菌。 2.3. 统计学分析 数据分析通过SPSS22.0软件进行。应用χ 2 检验比较各调查因素对切口感染率的影响。P < 0.05为差异有统计学意义。
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user: 3. 结果 1) 手术后切口感染25例，切口感染率为7.81%。手术切口感染的感染率与危险因素见表1。由表1可见，发现手术后切口发生感染与肥胖、糖尿病及术前长期吸烟有关；与性别、年龄、术前是否应用抗生素、急症手术、手术时间、切口长度及肿瘤分期无明显相关性。 Table 1 Risk factors and Surgical incision infection rate (% 危险因素 手术例数 感染例数 感染率(%) χ 2 值 P值 性别 男 173 10 5.78 2.159 >0.05 女 147 15 10.20 年龄 ≥60岁 162 17 10.49 2.014 >0.05 <60岁 158 8 5.06 肥胖 BMI < 25 217 10 4.61 9.6111 <0.01 BMI ≥ 25 103 15 14.56 术前应用抗生素 是 289 21 7.27 1.235 >0.05 否 31 4 12.90 手术性质 急症 34 6 17.65 1.253 >0.05 非急症 286 19 6.64 糖尿病 是 49 9 18.37 9.003 <0.01 否 271 16 5.90 长期吸烟 是 84 11 13.09 6.589 <0.05 否 236 14 5.93 手术时间 >3 h 107 10 9.35 0.525 >0.05 ≤3 h 213 15 7.04 切口长度 >15 cm 225 18 8.00 0.037 >0.05 ≤15 cm 95 7 7.37 Dukes分期 A 31 1 6.37 0.891 >0.05 B 126 9 C 114 10 9.20 D 49 5 表1. 危险因素及切口感染率(%) 2) 病原菌谱分布情况，见表2。由此可见，病原菌以革兰氏阴性杆菌为主，最常见的细菌为大肠埃希菌和肺炎克雷伯菌，两种细菌占比超过60%；革兰氏阳性菌则以表皮葡萄球菌最为常见。 Table 2 The distribution of the pathogenic bacteri 病原菌 株数 构成比(%) 革兰阳性菌 14 表皮葡萄球菌 6 10.2 金黄素葡萄球菌 4 6.8 粪肠球菌 2 3.4 尿肠球菌 2 3.4 革兰阴性菌 45 大肠埃希菌 26 44.1 铜绿假单胞菌 4 6.8 肺炎克雷伯菌 10 16.9 产气肠杆菌 3 5.1 鲍氏不动杆菌 2 3.4 总计 59 100 表2. 病原菌谱分布
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user: 4. 讨论 结肠癌的发病率高。特别是近年来，随着我国的生活水平不断提高，红肉的摄入量增加，结肠癌的发病率也持续攀升 [ 7 ]。鉴于手术治疗可以彻底切除原发病灶，目前临床上常优先行外科手术治疗 [ 8 ]，但结肠是人体最大的细菌库，手术前手术准备不充分容易导致菌群易位，同时，术中操作不规范，极易使肠内容物外溢，由此结肠手术患者容易发生切口感染。有研究显示，结肠癌患者手术后最常见的并发症是切口感染，发生率约为5.9%~24% [ 9 ]。起初可能仅为切口脂肪液化或切口内血肿，随着疾病的进展可能会导致败血症、切口裂开、切口疝等严重后果。结肠癌患者术后切口感染会大大增加患者切口感染会导致患者术后延迟化放疗，进而影响肿瘤患者预后 [ 10 ]。有研究认为，分析结肠癌患者术后切口感染发生的痛苦，导致住院时间延长，加重患者经济负担。此外，的影响因素及病原菌分布特点，同时，根据病原菌分布特点指导临床围手术期抗菌药物干预，可有效降低术后切口感染发生率 [ 11 ]。本研究发现切口感染的发生与肥胖、糖尿病、长期吸烟等因素显著相关。目前虽然有预防措施，但切口感染在结肠癌术后发生率仍居高不下，严重影响患者预后，有效避免切口感染的发生不容忽视。 本研究发现行手术治疗的结肠癌患者术后切口感染发生率为7.81%，低于既往的研究。这可能与手术的种类和手术方式等因素有关。病原菌主要为革兰阴性菌，分析原因考虑，结肠手术患者在在术前不完善的肠道准备极易造成菌群的易位以及肠内内容物的外溢。通常情况下，结肠中存在大量的细菌，结肠恶性肿瘤可导致肠管屏障的破坏，同时术中会破坏肠管的连续性，这有利于菌群的异位定植，导致术后切口感染的发生 [ 12 ] [ 13 ]。因此完善的术前准备及规范的手术操作有助于减少感染的发生。 本组研究认为病人肥胖，合并糖尿病和术前长期吸烟，其切口感染的发生率较高；而性别，年龄，术前是否应用抗生素，急症手术，手术时间，切口的长度及肿瘤的分期不是影响切口愈合情况的显著原因。 4.1. 肥胖 有报道肥胖是造成腹部伤口感染的独立危险因素 [ 14 ]。对于肥胖的标准，BMI是公认相对全面的指标。本研究发现，BMI ≥ 25的患者术后切口感染的发生率远高于BMI < 25的患者。与BMI < 25的患者相比，肥胖患者腹部具有较厚的脂肪层，血供相对较差，相应的切口愈合速度更慢，同时，由于切口部位脂肪层较厚，脂肪容易发生液化、坏死，同时局部组织张力小，体液容易积聚，这将为病原菌的繁殖提供适宜的环境 [ 15 ]。 4.2. 糖尿病 糖尿病患者术后切口感染率明显升高，本研究发生切口感染的25个病例中有9例合并糖尿病。此类患者由于其长期处于高糖状态，其白细胞功能受损，同时，切口渗出液也具有较高的葡萄糖浓度，这将有利于细菌的生长，由此，糖尿病患者术后具有较高切口感染率。既往的研究结果与本文结果一致 [ 16 ]。我国在2019年手术部位切口感染预防指南中推荐，患者围手术期血糖的控制目标建议设定为6.1~8.3 mmol/L。 4.3. 吸烟 有吸烟史且术前未戒烟的患者术后切口感染率高于不吸烟者。吸烟可影响人体免疫系统，长期吸烟者免疫功能明显受到抑制，表现为免疫球蛋白浓度和溶菌酶活性下降，NK细胞计数减少，CD 4+ /CD 8+ 比例下降，从而改变人体的正常免疫功能，增加术后感染的机会 [ 17 ]。实验研究证明，吸烟不仅会影响红细胞免疫功能，还会影响红细胞免疫功能自身的调控能力 [ 18 ]。长期吸烟的患者，由于缺氧刺激红细胞生成素增高，红细胞生成增多，血液黏稠度增大，血液流速减慢，红细胞运送免疫复合物到肝、脾处理减慢，至血中免疫复合物含量增多，红细胞膜上的C3b受体空位减少及活性降低，形成继发性红细胞免疫功能低下 [ 16 ] [ 19 ]。因此，结肠肿瘤性手术治疗的患者最少应在术前2周戒烟，术后护理要积极翻身拍背咳痰，进行雾化吸入治疗，同时，术后使用多头腹带减轻腹部切口张力。 综上所述，在临床工作中对于拟行结肠癌手术的患者，在术前应关注其BMI、糖尿病以及吸烟史，对于BMI ≥ 25、术前合并糖尿病以及未戒烟或戒烟小于2周的患者应优化术前手术准备，加强术后预防措施，进一步控制术后切口感染的发生，改善患者的预后。
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user: 摘要 令G为简单连通图，D G 为其double图，称图G的随机游走从点u首次到达点v所需步数的期望值为点u到点v的撞击时间的期望值。本文给出了D G 和G中任意两点撞击时间的期望值之间的关系。
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user: 1. 引言 令 G = ( V G ， E G ) 为简单连通图。顶点v的邻域表示G中与v相邻的顶点的集合，记为 N G ( v ) 。v的度定义为 N G ( v ) 的元素个数，记为 d G ( v ) = | N G ( v ) | 。G的邻接矩阵A(G)是如下的0~1方阵：如果u和v相邻，则它的(u， v)元为1，否则为0。D(G)为G的度对角矩阵。G的Laplacian矩阵定义为 L ( G ) = D ( G ) − A ( G ) 。 对于图G而言，如果它的一个简单的随机游走满足从当前的一个顶点u以 1 / d G ( u ) 的概率到达它的下一个邻点v，则该简单随机游走构成一个马尔可夫链。点u到点v的撞击时间的期望值定义为G的所有马尔科夫链中从点u首次到达点v所经过的步数的期望值，记为 H G ( u ， v ) 。随机游走的撞击时间的期望值是一个很重要的图参数 [ 1 ] [ 2 ] 并已被广泛研究 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]。通常，很难从其定义中给出两个给定顶点之间的撞击时间的期望值的表达式，尤其是在复杂的网络结构的情况下。计算撞击时间的期望值的一项非凡成就归功于 [ 7 ]，他根据正则Laplacian特征值及其对应的特征向量给出了一个公式(请参见下面的引理2.1)。因此，获得正则Laplacian特征值及其对应的特征向量是计算撞击时间的期望值的最有效方法之一。但是，对于一般图要给出正则Laplacian特征值及其对应的特征向量非常困难。然后，许多研究人员试图研究一些特殊类别的图，例如参见 [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]。 令G是顶点集为 V G = { v 1 ， v 2 ， ⋯ ， v n } 的图。取G的一个复制，其对应顶点集记为 { v ′ 1 ， v ′ 2 ， ⋯ ， v ′ n } ，对每个i，令 v ′ i 与 N G ( v i ) 中所有点相连接，我们将所得的图称为G的double图，记为D G ，显然 | V D G | = 2 | V G | 和 | E D G | = 4 | E G | 。有关double图的更多性质和应用，请参考 [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]。本文主要结论如下： 定理1.1设G为边数为m的连通图， V G = { v 1 ， v 2 ， ⋯ ， v n } 。令D G 为G的double图， V D G = { v 1 ， v 2 ， ⋯ ， v n ， v ′ 1 ， v ′ 2 ， ⋯ ， v ′ n } ，其中 v ′ i 对应于 v i ， 1 ≤ i ≤ n ，则 1) H D G ( v i ， v j ) = H D G ( v ′ i ， v ′ j ) = H G ( v i ， v j ) + 2 m d G ( v j ) ， i ， j ∈ { 1 ， 2 ， ⋯ ， n } ； 2) H D G ( v i ， v ′ i ) = H D G ( v ′ i ， v i ) = 4 m d G ( v i ) ， 1 ≤ i ≤ n ； 3) H D G ( v i ， v ′ j ) = H D G ( v ′ i ， v j ) = H G ( v i ， v j ) + 2 m d G ( v j ) ， i ， j ∈ { 1 ， 2 ， ⋯ ， n } 。
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user: 2. 预备知识 在本节，我们给出一些基本定义和相关引理，这些结果将用于证明我们的主要结论。给定一个连通图G，G的Randi 矩阵 [ 14 ] 定义为 R ( G ) = D ( G ) − 1 / 2 A ( G ) D ( G ) − 1 / 2 . (2.1) 设 λ 1 ≥ λ 2 ≥ λ 3 ≥ ⋯ ≥ λ n 为 R ( G ) 的全部特征值， x 1 ， x 2 ， ⋯ ， x n 为相应的两两正交的单位特征向量，则由文献 [ 15 ]， λ 1 = 1 ， λ 2 < 1 当且仅当G是连通图。设 U = ( x 1 ， x 2 ， ⋯ ， x n ) ，则U是正交矩阵，即 ∑ k = 1 n x i k x j k = ∑ k = 1 n x k i x k j = { 1 ，                       i = j ; 0 ，                       i ≠ j . (2.2) 设 x i = ( x i 1 ， x i 2 ， ⋯ ， x i n ) t ，其中t表示转置，则容易得到 x 1 = ( d G ( v 1 ) / 2 m ， d G ( v 2 ) / 2 m ， ⋯ ， d G ( v n ) / 2 m ) t . (2.3) 1993年，Lovász [ 7 ] 给出了关于撞击时间的期望的公式，如下所示： 引理2.1 ( [ 7 ] )设G为具有m条边的n阶图，则对于任意 v i ， v j ∈ V G ， H G ( v i ， v j ) = 2 m ∑ k = 2 n 1 1 − λ k [ x k j 2 d G ( v j ) − x k i x k j d G ( v i ) d G ( v j ) ] . 给定一个连通图G，其中 | V G | = n ， | E G | = m ，则 | V D G | = 2 n ， | E D G | = 4 m ，我们有 A ( D G ) = ( A ( G ) A ( G ) A ( G ) A ( G ) ) ， D ( D G ) = ( 2 D ( G ) 0 0 2 D ( G ) ) . 再由(2.1)得出 R ( D G ) = D ( D G ) − 1 / 2 A ( D G ) D ( D G ) − 1 / 2 = ( 1 2 D ( G ) − 1 / 2 0 0 1 2 D ( G ) − 1 / 2 ) ( A ( G ) A ( G ) A ( G ) A ( G ) ) ( 1 2 D ( G ) − 1 / 2 0 0 1 2 D ( G ) − 1 / 2 ) = 1 2 ( R ( G ) R ( G ) R ( G ) R ( G ) ) (2.4) 接下来，我们求出 R ( D G ) 的特征值和相应的正交特征向量，如下所示： 引理2.2设G为具有m条边的n阶图， 1 = λ 1 ≥ λ 2 ≥ ⋯ ≥ λ n ≥ − 1 为 R ( G ) 的特征值， x 1 ， x 2 ， ⋯ ， x n 为相应的正交特征向量，则 R ( D G ) 的特征值和相应的正交特征向量如下： 1) 特征值1的重数为1及其相应的特征向量为 ( d G ( v 1 ) / 4 m ， ⋯ ， d G ( v n ) / 4 m ， d G ( v 1 ) / 4 m ， ⋯ ， d G ( v n ) / 4 m ) t ; 2) 特征值0的重数为n及其相应的特征向量为 1 2 ( x i − x i ) 其中 i = 1 ， 2 ， ⋯ ， n 。 3) λ k ( k = 2 ， 3 ， ⋯ ， n ) 为 R ( D G ) 的特征值，其相应的特征向量为 1 2 ( x k x k ) . 证明：1) 因为 | E D G | = 4 m ， ∀ v i ， v ′ i ⊆ V D G ， i = 1 ， 2 ， ⋯ ， n 。 d D G ( v i ) = d D G ( v ′ i ) = 2 d G ( v i ) ，则由(2.3)得出：特征值1相应的特征向量为 ( d G ( v 1 ) / 4 m ， ⋯ ， d G ( v n ) / 4 m ， d G ( v 1 ) / 4 m ， ⋯ ， d G ( v n ) / 4 m ) t . 2) 由(2.4)，我们有 R ( D G ) ( x i − x i ) = 1 2 ( R ( G ) R ( G ) R ( G ) R ( G ) ) ( x i − x i ) = 0. 进而， ( x i − x i ) t ( x j − x j ) = 2 x i t x j = { 2 ，                       i = j ; 0 ，                       i ≠ j . 因此，0为 R ( D G ) 的特征值， 1 2 ( x i − x i ) ， i = 1 ， 2 ， ⋯ ， n 为相应的单位特征向量。 3) 由(2.4)，我们有 R ( D G ) ( x k x k ) = 1 2 ( R ( G ) R ( G ) R ( G ) R ( G ) ) ( x k x k ) = λ k ( x k x k ) . 另外， ( x k x k ) t ( x j x j ) = 2 k i t x j = { 2 ，                       k = j ; 0 ，                       k ≠ j . 因此， λ k 为 R ( D G ) 的特征值， 1 2 ( x k x k ) ， k = 2 ， 3 ， ⋯ ， n 为相应的单位特征向量。
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user: 3. 定理1.1的证明 在本节，我们根据引理2.1和引理2.2给出定理1.1的证明。 证明：1) 回顾： | E D G | = 4 | E G | = 4 m ，由引理2.1和引理2.2，我们有 H D G ( v i ， v j ) = 8 m [ ∑ k = 2 n 1 1 − λ k ( x k j 2 4 d G ( v j ) − x k i x k j 4 d G ( v i ) d G ( v j ) ) + ∑ k = 1 n ( x k j 2 4 d G ( v j ) − x k i x k j 4 d G ( v i ) d G ( v j ) ) ] = 2 m ∑ k = 2 n 1 1 − λ k ( x k j 2 4 d G ( v j ) − x k i x k j 4 d G ( v i ) d G ( v j ) ) + 2 m d G ( v j ) = H G ( ( v i ， v j ) + 2 m d G ( v j ) (3.1) 其中 i ≠ j ，由(2.2)可得(3.1)中等号成立。由D G 的对称性， ，其中 i ≠ j 。 2) 由引理2.1、引理2.2和(2.2)可得： H D G ( v i ， v ′ i ) = 8 m ∑ k = 1 n ( x k i 2 4 d G ( v i ) + x k i 2 4 d G ( v i ) ) = 4 m d G ( v i ) . 由D G 的对称性， H D G ( v ′ i ， v i ) = 4 m d G ( v i ) ，其中 1 ≤ i ≤ n 。 3) 再由引理2.1、引理2.2和(2.2)，我们有 H D G ( v i ， v ′ j ) = 8 m [ ∑ k = 2 n 1 1 − λ k ( x k j 2 4 d G ( v j ) − x k i x k j 4 d G ( v i ) d G ( v j ) ) + ∑ k = 1 n ( x k j 2 4 d G ( v j ) + x k i x k j 4 d G ( v i ) d G ( v j ) ) ] = 2 m ∑ k = 2 n 1 1 − λ k ( x k j 2 d G ( v j ) − x k i x k j d G ( v i ) d G ( v j ) ) + 2 m d G ( v j ) = H G ( v i ， v j ) + 2 m d G ( v j ) 其中 i ≠ j ，由D G 的对称性， H D G ( v ′ i ， v ′ j ) = H G ( v i ， v j ) + 2 m d G ( v j ) ，其中 i ≠ j 。
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user: 摘要 基于现有的一些人体摔倒检测模型实现复杂，适用性差等缺点，本文提出了一种新的更加简便，适用性更强的人体摔倒检测模型。该模型是一种基于GRU神经网络和人体骨骼关键点的人体摔倒检测模型。该模型中，先通过Alphapose对每一帧图像进行人体骨骼关键点识别与检测，然后将得到的骨骼关键点数据进行归一化数据处理，再分组输入到GRU神经网络中进行时序特征提取，最后将GRU模型中隐含层的输出向量输入到全连接层进行处理并得出检测结果。本文使用的是UR Fall Detection Dataset热舒夫大学摔倒数据集进行测试实验，并与多种检测模型的实验性能进行了横向对比。实验结果表明本文的模型在多场景，多视角和多种摔倒姿势等情况下较其他模型都有较高的检测精度，且实现难度较其他模型而言要低。
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user: 1. 引言 我国老龄化现象不断加剧，据国家统计局公布数据显示 [ 1 ]，2019年末全国大陆人口140005万人，我国60周岁及以上人口2538万人，占总人口的18.1%。其中65周岁及以上人口17604万人，占总人口的12.6%。由于老年人身体机能下降，摔倒后容易引起严重后果，而当前对于老人的服务资源不能满足社会要求，独生子女外出工作，摔倒的老人往往错过最佳救治时间。当老年人独自在家发生摔倒时，及时的检测能尽可能保障老人的安全。 目前，人体摔倒检测主要有基于穿戴式传感器的摔倒检测和基于计算机视觉的摔倒检测。基于穿戴式传感器的摔倒检测通常将设备放在人的身体某个部位上，由外部传感设备采集数据，提取相关数据后利用机器学习模型进行分组，检测的准确性十分依赖于提取特征值的好坏，对于设备的要求较高 [ 2 ] [ 3 ]。基于计算机视觉的摔倒检测是将摄像头放置在用户日常活动范围的固定位置，对获取的图像进行处理，通过机器学习、深度学习等方法实现对监控视频进行摔倒检测 [ 4 ]。杨碧瑶 [ 5 ] 使用PCANet提取图像特征，依次通过两个SVM分类器来判断是否摔倒。徐世文 [ 6 ] 采用CenterNet目标检测网络，利用建立的红外图像摔倒数据集进行网络的训练与测试。Wen-Nung Lie [ 7 ] 采用卷积神经网络(CNN)为每个输入帧提取2D骨架，然后使用LSTM来对摔倒进行预测。 当前两种主流的摔倒检测方法都存在一些问题。基于穿戴式传感器的摔倒检测设备成本要求高，检测精度低，用户需要随身佩戴传感器设备导致生活不便。基于计算机视觉的摔倒检测法存在场景适应性差，不同摔倒姿势误检率高等问题 [ 8 ]。针对以上问题，本文提出一种基于人体骨骼关键点的摔倒检测模型。通过使用Alphapose实现对人体骨骼关键点特征的提取，将得到关键点坐标归一化后根据时间序列输入GRU神经网络进行分类，实现人体摔倒检测，避免了场景中环境的改变导致图像特征提取效果差，并在公开数据集上进行测试，表明本模型拥有良好的性能。
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user: 2. 系统结构 检测算法与GRU神经网络模型结构如图1所示，首先将视频分割成帧，帧图像输入Alphapose得到每帧图片人体的17个坐标点(x， y)。这17个关键点包括人的头部，上半身，下半身几乎所有关节的关键点，可以有效的代表人体。人体在运动时，身体骨骼点x，y的位置存在明显变化，将得到的坐标点进行归一化处理。检测多帧图像后可以得到(x， y)的序列，当序列长度满足GRU设置的size后，将序列输入GRU神经网络提取特征，每当有一个新的帧加入后删除原序列的最旧坐标值，保持坐标序列为设置的窗口长度。最后将特征信息通过全连接层进行分类，根据输出结果判断是否摔倒。 图1. 摔倒检测流程图
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user: 3. 摔倒检测方法 3.1. Alphapose骨骼点检测模型 Alphapose是由上海交通大学卢策吾团队提出的一种自顶向下的姿态估计技术 [ 9 ]，通过区域姿态估计(Regional Multi-Person Pose Estimation， RMPE)框架来实现姿态估计，能有效解决目前骨骼模型检测框定位错误和检测框冗余问题。 RMPE框架主要包括Symmetric Spatial Trans-former Network (SSTN)，Parametric Pose Non-Maximum-Suppression (P-NMS)和Pose-Guided Proposals Generator (PGPG)三个模块。对称空间变换网络SSTN模块先进行姿态估计，将估计结果映射到原图，以此来调整原本的识别框，它能使目标检测的框变得更精准。姿态非极大值抑制器P-NMS通过姿态距离和空间距离消除冗余的检测框，当姿态距离和空间距离的权重和低于某一阈值时删除检测框，它能有效的消除冗余的检测框。姿态引导样本生成器PGPG通过Kmeans算法得到原子姿势，根据密集采样生成偏移量产生增强的训练建议，增加了样本的数量，它使样本数量增多，模型的精准度得到提高。通过这三个模块Alphapose有效的提升了骨骼检测的性能。Alphapose骨骼点检测模型效果如图2。 卢策吾团队在COCO数据集上与Openpose，Mask-RCNN进行骨骼检测模型对比试验，Alphapose在准确率和平均速度上均有优势，是目前精确度最高的骨骼检测模型。本文摔倒检测模型采用Alphpose得到每帧图像的17个骨骼关键点坐标(x， y)。 3.2. GRU网络模型 GRU网络是LSTM网络的一种变体，它是一种特殊的RNN (循环卷积网络)类型。摔倒动作并不是瞬时发生而是由一连串的状态组成的，与传统的卷积神经网络相比，RNN能记录并使用先前的状态信息。 传统的RNN结构如图3所示，是一种能将以往的信息利用的网络模型，但是这种模型存在许多的 图2. Alphapose骨骼点检测模型 图3. RNN结构图 弊端。当预测所需的信息距离比较远时，因为结果可以拆分成中间梯度的乘积，如果中间权重小于1，经过多次自乘后，梯度会出现指数级缩小，这称为梯度消失，与梯度消失相对，如果中间权重大于1，经过多次自乘后会出现梯度爆炸。LSTM (长短期记忆网络)可以解决这一问题，其模型的核心思想是“细胞状态”，它通过叫做“门”的结构来通过或去除信息到细胞状态。LSTM有三种“门”，在第一步通过遗忘门来决定忘记的信息，第二步通过输入门来确定细胞存放的新信息，第三通过输出门来更新旧细胞的状态并作为结果输出。结构如图4。 图4. LSTM结构图 GRU作为LSTM的一种变体，他只有更新门和重置门，具体结构如图5所示。 图5. GRU细胞结构 更新门相当于将LSTM的输入门和遗忘门融合，并加入少许改动，控制前一细胞状态信息带入当前状态的程度。重置门控制前一状态有多少信息写入到候选集上。计算过程为公式(1)到公式(4)。 z t = σ ( W z ⋅ [ h t − 1 ， x t ] ) (1) r t = σ ( W r ⋅ [ h t − 1 ， x t ] ) (2) h t ˜ = tanh ( W ⋅ [ r t ∗ h t − 1 ， x t ] ) (3) h t = ( 1 − z t ) ∗ h t − 1 + z t ∗ h t ˜ (4) GRU能够利用之前的信息，由于GRU的结构比LSTM更简单，在相同数据集的情况下GRU拥有明显的速度优势。本文摔倒模型将得到的骨骼坐标点进行处理后，按照时间的顺序输入并得到摔倒结果分类。 3.3. 人体摔倒检测模型 本文基于Alphapose和GRU神经网络提出了摔倒检测模型。Alphapose骨骼关键点检测是目前已知技术中准确度和速度最高的模型，GRU神经网络与其他处理时间序列中包含的信息拥有优势的模型LSTM和RNN相比在摔倒检测中拥有较高的准确率，实验将说明这一点。因为GRU拥有比LSTM更简单的细胞结构，所以神经网络的处理速度更快 [ 10 ]。本文首先使用Alphapose对运动的每一帧图像进行人体骨骼点提取得到17个(x，y)坐标，对得到的坐标进行处理后将骨骼点坐标输入GRU神经网络提取特征，每有新的一帧图像加入序列，旧的一帧图像被抛弃，保证序列中始终存储最新的一系列帧图像。将GRU提取的隐层特征经过全连接层分为两类：摔倒，未摔倒，来实现人体摔倒检测判断。如公式(5)所示 y = f ( h t ) = { 1 ，       摔 倒 0 ，     未 摔 倒 (5)
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user: 4. 数据集与数据处理 UR Fall Detection Dataset热舒夫大学摔倒数据集包含30个跌倒与40个日常生活活动摔倒的视频与加速度等数据。通过Alphapose对视频进行处理，它通过将视频流转换成若干帧图像，再对每一帧图像进行骨骼点坐标识别，得到坐标json文件。 由于每个图像中人体在图像中的位置不同，摔倒检测只需要关注人体的动作，同时增强模型通用性，所以需要对数据进行归一化。确定每一个图像坐标的X_MIN，X_MAX，Y_MIN，Y_MAX，通过下列等式对数据进行归一化处理。计算过程为公式(6) (7)。 x = x − x min x max − x min (6) y = y − y min y max − y min (7) GRU数据样本通过滑动窗口法获取。首先设置窗口大小s，如图x所示，当前帧为n，其标签L(n)为该样本标签，其中Z(n)包含17个骨骼点(x， y)的坐标，即 Z ( n ) = { ( x 1 ， y 1 ) ， ( x 2 ， y 2 ) ， ⋯ ， ( x 17 ， y 17 ) } ，窗口不断向右滑动来获取新样本，当有新数据添加进窗口时，删除窗口最左侧数据帧。据此来获取测试数据样本。