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基于圖神經(jīng)網(wǎng)絡的職業(yè)健康風險傳播建模演講人01引言:職業(yè)健康風險傳播建模的時代需求與挑戰(zhàn)02職業(yè)健康風險傳播的特性:從“靜態(tài)暴露”到“動態(tài)網(wǎng)絡”03圖神經(jīng)網(wǎng)絡的適配性:從“拓撲感知”到“動態(tài)學習”04基于GNN的職業(yè)健康風險傳播建模:全流程框架構(gòu)建05實證案例:某汽車制造企業(yè)噪音暴露風險傳播建模06挑戰(zhàn)與未來方向:從“技術(shù)落地”到“體系化應用”07結(jié)論:圖神經(jīng)網(wǎng)絡賦能職業(yè)健康風險管理的核心價值目錄基于圖神經(jīng)網(wǎng)絡的職業(yè)健康風險傳播建模01引言:職業(yè)健康風險傳播建模的時代需求與挑戰(zhàn)引言:職業(yè)健康風險傳播建模的時代需求與挑戰(zhàn)職業(yè)健康作為公共衛(wèi)生與企業(yè)管理交叉的核心領域,其本質(zhì)是通過系統(tǒng)性干預降低職業(yè)環(huán)境中的有害因素對勞動者健康的損害。然而,在實踐中,職業(yè)健康風險并非孤立存在,而是通過“人-環(huán)境-行為”的復雜網(wǎng)絡動態(tài)傳播——例如,車間粉塵通過通風系統(tǒng)擴散至鄰近工段,有毒化學品通過設備共享污染多個崗位,職場壓力通過團隊氛圍在部門間蔓延。這種傳播特性使得傳統(tǒng)“點狀”風險評估方法難以捕捉風險的擴散路徑與演化規(guī)律,導致預防措施往往滯后于風險爆發(fā)。在參與某大型制造企業(yè)的職業(yè)健康調(diào)研時,我深刻體會到這一困境:企業(yè)雖定期監(jiān)測車間噪音、粉塵等物理指標,卻無法解釋為何“同一暴露水平下,不同員工的聽力損傷率差異顯著”;傳統(tǒng)流行病學模型(如SIR模型)將員工視為均質(zhì)群體,忽略了班組協(xié)作、非正式接觸等網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),導致預測結(jié)果與實際偏差超過30%。這些問題促使我們思考:能否借助復雜網(wǎng)絡理論與人工智能技術(shù),構(gòu)建一種能反映職業(yè)健康風險“傳播-演化”動態(tài)的建模工具?引言:職業(yè)健康風險傳播建模的時代需求與挑戰(zhàn)圖神經(jīng)網(wǎng)絡(GraphNeuralNetwork,GNN)的興起為此提供了可能。作為處理非歐幾里得數(shù)據(jù)的深度學習模型,GNN通過“消息傳遞”機制捕捉節(jié)點間的拓撲關系與特征交互,天然適配職業(yè)健康風險的網(wǎng)絡化傳播特性。本文將從職業(yè)健康風險傳播的本質(zhì)出發(fā),系統(tǒng)分析傳統(tǒng)建模方法的局限性,闡述GNN的理論適配性,并構(gòu)建一套完整的“數(shù)據(jù)-模型-應用”框架,最終通過實證案例驗證其有效性,以期為職業(yè)健康管理提供科學決策工具。02職業(yè)健康風險傳播的特性:從“靜態(tài)暴露”到“動態(tài)網(wǎng)絡”職業(yè)健康風險的多元類型與傳播載體職業(yè)健康風險可分為四大類,每類風險依托不同載體形成傳播路徑:1.物理因素:如噪音、粉塵、高溫等,通過空氣流動、設備振動、空間鄰近等物理載體傳播。例如,某鑄造車間的粉塵不僅通過通風系統(tǒng)擴散至整個車間,還可附著于員工工作服,在更衣室、食堂等區(qū)域形成“二次傳播”。2.化學因素:如重金屬、有機溶劑等,通過原材料傳遞、產(chǎn)品接觸、廢棄物處理等載體擴散。如某電子廠清洗工序中的有機溶劑,可通過通風管道污染相鄰的組裝工段,或通過員工手部接觸污染個人物品。3.生物因素:如病毒、細菌等,通過人際接觸、共享設備(如工具、鍵盤)、密閉空間(如宿舍)傳播。新冠疫情期間,某建筑工地通過宿舍聚集導致的疫情擴散,即體現(xiàn)了生物風險的快速傳播特性。職業(yè)健康風險的多元類型與傳播載體4.心理社會因素:如職場暴力、工作壓力、職業(yè)倦怠等,通過人際互動、組織文化、信息流動等載體傳播。例如,某企業(yè)的“加班文化”通過管理層與員工的層級關系擴散,導致部門內(nèi)出現(xiàn)集體性焦慮情緒。職業(yè)健康風險傳播的網(wǎng)絡化特征與傳統(tǒng)疾病傳播不同,職業(yè)健康風險的傳播具有顯著的組織網(wǎng)絡特性,具體表現(xiàn)為“三性”:1.結(jié)構(gòu)性:組織內(nèi)部的層級關系、協(xié)作關系、非正式社交關系構(gòu)成風險傳播的“拓撲骨架”。例如,某企業(yè)的班組長作為“樞紐節(jié)點”,既與上級溝通任務分配,又與下屬直接協(xié)作,其健康狀態(tài)(如攜帶某種病原體)或行為模式(如違規(guī)操作)可快速影響整個班組。2.動態(tài)性:組織結(jié)構(gòu)、人員流動、任務調(diào)整等因素導致傳播網(wǎng)絡隨時間演化。例如,某項目制企業(yè)在“旺季”臨時抽調(diào)不同部門員工組建團隊,形成短期密集接觸網(wǎng)絡,導致風險傳播速度激增。3.異質(zhì)性:節(jié)點的個體特征(如年齡、工齡、健康史)與邊的屬性(如接觸頻率、協(xié)作強度)影響傳播效率。例如,老年員工對噪音更敏感,高頻協(xié)作的崗位間風險傳播概率更高。傳統(tǒng)建模方法的局限性:從“均質(zhì)假設”到“結(jié)構(gòu)失真”當前職業(yè)健康風險建模多依賴傳統(tǒng)方法,但其對網(wǎng)絡特性的忽視導致模型失真:1.流行病學模型(SIR/SEIR):假設人群“充分混合”,忽略節(jié)點間的拓撲差異。例如,用SIR模型預測某企業(yè)流感傳播時,若將員工視為獨立個體,會高估“隨機接觸”的作用,而低估“班組聚集”的傳播貢獻。2.統(tǒng)計回歸模型:通過“暴露-反應”關系分析風險影響因素,但難以捕捉動態(tài)交互。例如,用邏輯回歸分析“粉塵暴露與肺功能損傷”的關系時,無法解釋“為何同崗位員工中,吸煙者損傷率顯著高于非吸煙者”——即忽略了吸煙這一行為特征與粉塵暴露的交互作用。傳統(tǒng)建模方法的局限性:從“均質(zhì)假設”到“結(jié)構(gòu)失真”3.復雜網(wǎng)絡模型(如SIRonnetworks):雖引入網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),但依賴人工定義的傳播規(guī)則(如固定傳播概率),缺乏自適應學習能力。例如,預設“相鄰節(jié)點傳播概率為0.1”,但實際中“高頻協(xié)作節(jié)點的傳播概率可能達0.3”,模型無法根據(jù)數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整這一參數(shù)。03圖神經(jīng)網(wǎng)絡的適配性:從“拓撲感知”到“動態(tài)學習”圖神經(jīng)網(wǎng)絡的核心思想:消息傳遞與節(jié)點聚合GNN的本質(zhì)是通過“消息傳遞機制”學習圖結(jié)構(gòu)信息,其數(shù)學表達可概括為:$$h_i^{(l+1)}=\phi\left(h_i^{(l)},\sum_{j\in\mathcal{N}(i)}\psi\left(h_i^{(l)},h_j^{(l)},e_{ij}\right)\right)$$其中,$h_i^{(l)}$表示節(jié)點$i$在第$l$層的特征,$\mathcal{N}(i)$表示節(jié)點$i$的鄰居節(jié)點集合,$e_{ij}$表示節(jié)點$i$與$j$之間的邊特征,$\psi$為消息函數(shù)(生成鄰居消息),$\phi$為聚合函數(shù)(整合鄰居消息與自身特征)。圖神經(jīng)網(wǎng)絡的核心思想:消息傳遞與節(jié)點聚合通俗而言,GNN的運作類似“社會網(wǎng)絡中的信息擴散”:每個節(jié)點(員工)收集鄰居節(jié)點(接觸對象)的特征(健康狀態(tài)、暴露風險),通過加權(quán)聚合更新自身狀態(tài),從而捕捉“誰影響了誰”以及“影響程度如何”。這一機制恰好契合職業(yè)健康風險傳播中“節(jié)點特征依賴拓撲關系”的核心特征。GNN與傳統(tǒng)職業(yè)健康模型的互補優(yōu)勢相較于傳統(tǒng)方法,GNN在職業(yè)健康風險建模中具有三大不可替代的優(yōu)勢:1.拓撲感知能力:能自動學習節(jié)點間的“重要性權(quán)重”。例如,通過圖注意力網(wǎng)絡(GAT),模型可識別“班組長”比“普通員工”在風險傳播中具有更高的“注意力系數(shù)”,從而精準定位關鍵傳播節(jié)點。2.動態(tài)演化建模:通過時間圖神經(jīng)網(wǎng)絡(TGNN)或圖卷積網(wǎng)絡與循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(GCN-LSTM)的結(jié)合,可捕捉網(wǎng)絡的時序變化。例如,某企業(yè)在“設備檢修”期間,臨時調(diào)整了班組協(xié)作關系,TGNN可實時更新網(wǎng)絡拓撲,預測風險傳播路徑的變化。3.多模態(tài)特征融合:能同時處理節(jié)點的結(jié)構(gòu)特征(崗位、層級)、屬性特征(健康數(shù)據(jù)、暴露水平)和邊的語義特征(接觸頻率、協(xié)作類型)。例如,將“員工工齡”(屬性特征)與“協(xié)作時長”(邊特征)輸入GNN,可解釋“為何工齡長的員工更易將慢性勞損傳播給新員工”。GNN在職業(yè)健康風險建模中的適用場景基于上述優(yōu)勢,GNN特別適用于以下三類職業(yè)健康風險建模場景:1.高風險傳播路徑識別:如化工企業(yè)的有毒化學品擴散,通過構(gòu)建“員工-設備-車間”的多層圖,GNN可識別“設備共享”這一關鍵傳播路徑,為隔離措施提供依據(jù)。2.關鍵傳播節(jié)點挖掘:如建筑工地的傳染病傳播,通過GAT計算節(jié)點的“傳播影響力”,可優(yōu)先對“宿舍長”“工具管理員”等關鍵節(jié)點進行疫苗接種。3.干預策略效果模擬:如某企業(yè)推行“彈性工作制”減少人際接觸,通過動態(tài)GNN模擬網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)變化,可預測“減少30%的面對面協(xié)作能使流感傳播率降低多少”。04基于GNN的職業(yè)健康風險傳播建模:全流程框架構(gòu)建數(shù)據(jù)采集與預處理:從“多源異構(gòu)”到“圖結(jié)構(gòu)化”職業(yè)健康風險建模的數(shù)據(jù)具有“多源、異構(gòu)、高維”特點,需通過以下步驟構(gòu)建圖數(shù)據(jù):1.數(shù)據(jù)來源:-節(jié)點數(shù)據(jù):企業(yè)HR系統(tǒng)(員工基本信息、崗位、工齡)、醫(yī)療記錄(職業(yè)病史、體檢數(shù)據(jù))、環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)(崗位暴露水平、噪音等級);-邊數(shù)據(jù):考勤系統(tǒng)(協(xié)作班組、共同任務)、通訊記錄(郵件、企業(yè)微信溝通)、設備管理系統(tǒng)(設備共享記錄);-標簽數(shù)據(jù):職業(yè)健康事件記錄(如“某月某車間新增5例聽力損傷”)。數(shù)據(jù)采集與預處理:從“多源異構(gòu)”到“圖結(jié)構(gòu)化”2.數(shù)據(jù)清洗與特征工程:-缺失值處理:對“暴露水平”等關鍵指標,采用“崗位均值插補”或“KNN插補”;對“協(xié)作記錄”中的缺失數(shù)據(jù),通過“任務反推”(如同一項目組的員工默認存在協(xié)作)補充。-特征標準化:對“年齡”“工齡”等連續(xù)特征采用Z-score標準化,對“崗位類型”“暴露等級”等分類特征進行one-hot編碼。-隱私保護:對員工姓名、身份證號等敏感信息進行匿名化處理(如用“ID001”代替),符合《個人信息保護法》要求。數(shù)據(jù)采集與預處理:從“多源異構(gòu)”到“圖結(jié)構(gòu)化”3.圖結(jié)構(gòu)構(gòu)建:-節(jié)點定義:將員工、設備、車間等實體抽象為節(jié)點,節(jié)點特征包括“個體屬性”(如年齡、健康狀態(tài))和“環(huán)境屬性”(如所在崗位的暴露水平);-邊定義:根據(jù)“接觸關系”定義邊,如“共同工作時長>4小時/天”則存在協(xié)作邊,“使用同一設備”則存在共享邊,邊的特征包括“接觸頻率”“協(xié)作類型”(如正式協(xié)作/非正式交流);-圖類型選擇:根據(jù)研究目標選擇有向/無向圖:若風險傳播具有方向性(如“管理層決策影響員工行為”),則采用有向圖;若傳播無方向性(如“粉塵通過空氣擴散”),則采用無向圖。GNN模型設計:從“基礎架構(gòu)”到“任務適配”職業(yè)健康風險建模的核心任務是“風險傳播預測”與“關鍵節(jié)點識別”,需針對不同任務設計GNN模型:1.風險傳播預測模型(時序預測任務):-模型架構(gòu):采用“GCN-LSTM”組合結(jié)構(gòu)。GCN層用于聚合節(jié)點間的空間信息(如鄰居的暴露風險),LSTM層用于捕捉時間序列的動態(tài)演化(如風險隨時間的變化趨勢);-輸入輸出:輸入為歷史時間步的節(jié)點特征(如近3個月的暴露水平)與邊特征(如近3個月的協(xié)作時長),輸出為未來時間步的節(jié)點風險狀態(tài)(如“是否發(fā)生健康損傷”);-損失函數(shù):采用“加權(quán)交叉熵”,對“高風險節(jié)點”賦予更高權(quán)重(如“高風險節(jié)點的分類錯誤權(quán)重設為5”),解決樣本不平衡問題。GNN模型設計:從“基礎架構(gòu)”到“任務適配”2.關鍵傳播節(jié)點識別模型(節(jié)點分類任務):-模型架構(gòu):采用圖注意力網(wǎng)絡(GAT)。通過注意力機制計算節(jié)點間的“注意力系數(shù)”,識別“對鄰居風險影響最大”的節(jié)點;-輸入輸出:輸入為當前時刻的節(jié)點特征與邊特征,輸出為節(jié)點的“傳播影響力得分”(得分越高,越可能是關鍵傳播節(jié)點);-訓練策略:采用“監(jiān)督學習+無監(jiān)督學習”結(jié)合:監(jiān)督信號來自歷史數(shù)據(jù)中的“實際傳播節(jié)點”(如某疫情中的“超級傳播者”),無監(jiān)督信號來自節(jié)點的“中心性指標”(如PageRank值)。GNN模型設計:從“基礎架構(gòu)”到“任務適配”3.多模態(tài)融合模型(復雜任務):-當需同時處理“文本數(shù)據(jù)”(如員工心理健康問卷)與“數(shù)值數(shù)據(jù)”(如環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù))時,采用“模態(tài)特定編碼器+圖融合”策略:-文本數(shù)據(jù)通過BERT編碼為節(jié)點特征,數(shù)值數(shù)據(jù)通過MLP編碼為節(jié)點特征;-通過“門控機制”控制兩種模態(tài)的特征權(quán)重,融合后的輸入送入GNN層。模型訓練與優(yōu)化:從“過擬合風險”到“泛化能力”4.圖數(shù)據(jù)增強:通過“邊擾動”(隨機添加/刪除少量邊)、“特征掩碼”(隨機掩蓋部分節(jié)點特征)生成訓練樣本,提升模型泛化能力。052.歸一化方法:采用“層歸一化”(LayerNorm)穩(wěn)定訓練過程,解決GNN中“節(jié)點數(shù)量變化導致的梯度方差問題”;03GNN模型訓練面臨“過擬合”“梯度消失”等挑戰(zhàn),需通過以下策略優(yōu)化:013.超參數(shù)調(diào)優(yōu):通過“貝葉斯優(yōu)化”搜索最優(yōu)超參數(shù)(如學習率、隱藏層維度),避免手動調(diào)參的盲目性;041.正則化技術(shù):采用“Dropout”(在GNN層中隨機丟棄部分節(jié)點與邊)和“L2正則化”(限制模型參數(shù)大?。?,防止過擬合;02模型驗證與評估:從“技術(shù)指標”到“業(yè)務價值”模型驗證需結(jié)合“技術(shù)指標”與“業(yè)務場景”,確保模型不僅準確,還能解決實際問題:1.技術(shù)指標:-預測任務:采用準確率(Accuracy)、精確率(Precision)、召回率(Recall)、F1-score(F1),其中召回率尤為重要(需盡可能識別所有高風險節(jié)點);-節(jié)點分類任務:采用AUC-ROC(衡量模型區(qū)分關鍵節(jié)點與非關鍵節(jié)點的能力)、Precision@K(Top-K節(jié)點的精確率)。模型驗證與評估:從“技術(shù)指標”到“業(yè)務價值”2.業(yè)務場景驗證:-將模型預測結(jié)果與企業(yè)實際職業(yè)健康事件對比,如“模型預測的‘高風險班組’與實際發(fā)生‘群體性健康事件’的班組重合率”;-通過“干預模擬”驗證模型決策價值:如“若對模型識別的‘關鍵節(jié)點’進行隔離,實際風險傳播率下降多少”。05實證案例:某汽車制造企業(yè)噪音暴露風險傳播建模案例背景與研究目標某汽車制造企業(yè)擁有2000名員工,其中裝配線員工800人,長期暴露于85-100dB的噪音環(huán)境。2022年,企業(yè)發(fā)現(xiàn)“裝配線員工的聽力損傷率(12%)顯著高于管理人員(3%)”,但傳統(tǒng)SIR模型預測的損傷率僅為8%,偏差達33%。本研究旨在基于GNN構(gòu)建噪音暴露風險傳播模型,實現(xiàn)“精準預測-關鍵節(jié)點識別-干預優(yōu)化”的閉環(huán)管理。數(shù)據(jù)采集與圖構(gòu)建1.數(shù)據(jù)來源:-節(jié)點數(shù)據(jù):2000名員工的年齡、工齡、崗位、聽力損傷史(來自醫(yī)療系統(tǒng));-邊數(shù)據(jù):考勤系統(tǒng)(2022年全年協(xié)作記錄,定義“同班組協(xié)作>6小時/天”存在邊)、設備管理系統(tǒng)(共享工具記錄);-環(huán)境數(shù)據(jù):車間噪音監(jiān)測數(shù)據(jù)(各崗位噪音等級,85-100dB)。2.圖構(gòu)建:-節(jié)點:2000名員工,節(jié)點特征包括“年齡”“工齡”“崗位噪音等級”“聽力損傷史”(0/1,0表示無損傷,1表示有損傷);-邊:共定義3500條協(xié)作邊,邊特征包括“協(xié)作時長”“協(xié)作類型”(如“流水線協(xié)作”/“設備維修協(xié)作”);-圖類型:無向圖(噪音傳播無方向性)。模型設計與訓練1.模型選擇:針對“聽力損傷傳播預測”任務,采用“GCN-LSTM”模型:-GCN層:2層,隱藏維度128,聚合鄰居的“噪音暴露水平”與“聽力損傷狀態(tài)”;-LSTM層:2層,隱藏維度64,捕捉時間序列動態(tài)(以月為單位,輸入近6個月數(shù)據(jù),預測未來3個月?lián)p傷狀態(tài));-損失函數(shù):加權(quán)交叉熵(高風險節(jié)點權(quán)重設為5)。2.訓練過程:-數(shù)據(jù)集:2022年1-9月數(shù)據(jù)作為訓練集,10-12月作為測試集;-優(yōu)化器:Adam,學習率0.001,batchsize32;-正則化:GCN層Dropout率0.3,L2正則化系數(shù)0.001。結(jié)果分析與業(yè)務價值1.模型性能:-測試集F1-score達0.82,顯著優(yōu)于傳統(tǒng)SIR模型(0.58)和邏輯回歸模型(0.61);-召回率達0.85,即85%的實際聽力損傷員工被模型成功預測。2.關鍵傳播節(jié)點識別:-GAT模型識別出20個“關鍵傳播節(jié)點”,其中15人為班組長,3人為設備維護人員,2人為“非正式社交中心”(如食堂“桌長”,常組織員工聚餐);-分析發(fā)現(xiàn),這些節(jié)點的共同特征是“協(xié)作人數(shù)多(平均每人與15人協(xié)作)”“噪音暴露水平高(平均95dB)”“健康意識薄弱”(僅30%使用防護耳塞)。3.干預策略與效果驗證:-基于模型結(jié)果,企業(yè)采取三項措施:結(jié)果分析與業(yè)務價值010203在右側(cè)編輯區(qū)輸入內(nèi)容①對關鍵節(jié)點進行“一對一”健康培訓,提升防護耳塞使用率至90%;在右側(cè)編輯區(qū)輸入內(nèi)容②調(diào)整班組協(xié)作模式,減少“班組長”的流水線協(xié)作時長(從8小時/天降至4小時/天);-效果:2023年一季度,裝配線聽力損傷率降至8%,較2022年同期下降33%,模型預測值與實際值偏差<5%。③為“非正式社交中心”配備降噪耳機。案例反思本案例的成功驗證了GNN在職業(yè)健康風險傳播建模中的有效性,但也暴露了數(shù)據(jù)依賴問題:若企業(yè)缺乏“協(xié)作記錄”等邊數(shù)據(jù),模型性能會顯著下降。這提示我們,未來需結(jié)合“知識圖譜”等技術(shù),通過領域知識補充缺失數(shù)據(jù),提升模型的魯棒性。06挑戰(zhàn)與未來方向:從“技術(shù)落地”到“體系化應用”當前面臨的核心挑戰(zhàn)盡管GNN在職業(yè)健康風險建模中展現(xiàn)出潛力,但其規(guī)?;瘧萌悦媾R三大挑戰(zhàn):1.數(shù)據(jù)質(zhì)量與隱私保護:-企業(yè)數(shù)據(jù)分散在HR、醫(yī)療、生產(chǎn)等多個系統(tǒng),存在“數(shù)據(jù)孤島”問題;-職業(yè)健康數(shù)據(jù)涉及員工隱私,如何在數(shù)據(jù)共享中保護隱私(如差分隱私、聯(lián)邦學習)是亟待解決的問題。2.模型可解釋性:-GNN的“黑箱”特性使得企業(yè)難以理解“為何某節(jié)點被識別為關鍵傳播節(jié)點”。例如,模型可能將“食堂桌長”識別為關鍵節(jié)點,但企業(yè)需要知道“是因為社交傳播還是共同用餐”才能制定針對性措施。當前面臨的核心挑戰(zhàn)3.動態(tài)網(wǎng)絡適應性:-企業(yè)組織結(jié)構(gòu)(如部門調(diào)整、人員流動)和外部環(huán)境(如新工藝引入、政策變化)會導致網(wǎng)絡拓撲動態(tài)變化,現(xiàn)有GNN模型對“快速變化網(wǎng)絡”的適應性不足。未來研究方向1.因果推斷與GNN結(jié)合:-當前GNN只能捕捉“相關性”,而職業(yè)健康風險管理需“因果性”。例如,需明確“是協(xié)作導致風險傳播,還是高暴露崗位的員工更傾向于協(xié)作”。通過“因果圖神經(jīng)網(wǎng)絡”(CausalGNN),可區(qū)分“混淆變量”“中介變量”“因果關系”,為干預提供科學依據(jù)。2.聯(lián)邦學習與隱私計算:-聯(lián)邦學習允許多個企業(yè)在不共享原始數(shù)據(jù)的情況下聯(lián)合訓練GNN模型。例如,10家汽車制造企業(yè)可各自貢獻本地數(shù)據(jù),訓練
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