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泛在操作系统理论、技术与开源生态构建专题

BrickOS: 面向异构硬件资源的积木式内核

古金宇, 李浩, 夏虞斌, 管海兵, 丁佐华, 赵永望, 陈海波
中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 491-513

摘要 人机物融合的新兴领域需要新型操作系统内核以支持泛在计算,对下管控海量异构硬件,对上服务动态多变应用场景.本文提出一种积木式内核架构BrickOS,可以根据使用场景灵活选择要加入内核的系统组件,同时可以选择将系统组件运行在用户态以提供较好的安全性,或者运行在共享地址空间的内核态中以提升性能.为了保障运行在相同地址空间中的系统组件的安全性, BrickOS为底层硬件的内存保护机制提供了统一的抽象,并将其用于单地址空间的内存隔离.测试结果表明BrickOS可以根据不同场景生成定制化内核,并拥有较低的进程间通信(inter-process call, IPC)开销,整体性能良好.

关键词 操作系统内核; 组件编排; 进程间通信; 内存隔离; operating system kernel; components arrangement; inter-process communication; memory isolation

引用格式 古金宇, 李浩, 夏虞斌, 等. BrickOS: 面向异构硬件资源的积木式内核. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 491-513, doi: 10.1360/SSI-2022-0413
Jinyu GU, Hao LI, Yubin XIA, et al. BrickOS: specialized kernels for heterogeneous hardware resources. Sci Sin Inform, 2024, 54(3): 491-513, doi: 10.1360/SSI-2022-0413

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泛在操作系统理论、技术与开源生态构建专题

面向泛在操作系统的结构化存储

范晓鹏, 阎松, 翁楚良
中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 461-490

摘要 人机物融合泛在计算的新场景和新模式,需要新型的操作系统,即泛在操作系统.存储管理作为泛在操作系统的一项核心功能,设计轻量化、高性能和动态可适配的存储系统是推进泛在操作系统发展的必要举措.然而,对于“端(终端设备)–边(边缘端)–云(云端)”泛在场景中普遍存在的结构化数据,传统存储解决方案存在I/O放大严重、系统体量过大和软件栈冗余等问题,难以满足泛在应用的需求.为此,本文从系统全栈的角度进行原创性探索,提出原生表存储系统.本文首先回顾了计算机系统的发展历史;之后分析泛在计算时代的新需求,总结出泛在操作系统的基本形态,并介绍最新研究成果;然后剖析了现有结构化存储方案在“端–边–云”场景下面临的挑战;进一步提出面向泛在操作系统的原生表存储系统,并从端侧和边/云侧两个场景深入分析其架构优势.最后,总结全文并展望未来发展趋势.

关键词 泛在计算; 泛在操作系统; 原生表存储; 软件栈; 端-边-云; ubiquitous computing; ubiquitous operating system; native table storage; software stack; end-edge-cloud

引用格式 范晓鹏, 阎松, 翁楚良. 面向泛在操作系统的结构化存储. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 461-490, doi: 10.1360/SSI-2022-0415
Xiaopeng FAN, Song YAN, Chuliang WENG. Structured storage for ubiquitous operating systems. Sci Sin Inform, 2024, 54(3): 461-490, doi: 10.1360/SSI-2022-0415

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泛在操作系统理论、技术与开源生态构建专题

我国巨型星座操作系统发展研究

于登云, 李宗凌, 宋桂萍, 汪路元
中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 449-460

摘要 巨型星座是未来天基系统的一个重要发展方向.本文基于巨型星座核心共性需求以及对桌面、物联网、车联网、卫星等典型应用场景操作系统发展历程的研判,分析了应用场景需求与操作系统间的演化规律,提出了我国发展完全自主可控星云操作系统的构想和技术途径,包括架构定义、硬件载体、内核设计、安全可信,以及生态建设等方面,以满足巨型星座复杂应用场景的需求.

关键词 巨型星座; 星云操作系统; 共性需求; 应用场景; 发展思路; mega-constellation; China satellite cloud operating system; common requirements; application scenario; development research

引用格式 于登云, 李宗凌, 宋桂萍, 等. 我国巨型星座操作系统发展研究. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 449-460, doi: 10.1360/SSI-2022-0426
Dengyun YU, Zongling LI, Guiping SONG, et al. Development research of operating system for mega-constellation in China. Sci Sin Inform, 2024, 54(3): 449-460, doi: 10.1360/SSI-2022-0426

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国防科技大学建校70周年专题

群智范式: 软件开发范式的新变革

王怀民, 余跃, 王涛, 丁博
中国科学: 信息科学, 2023, 53(8): 1490-1502

摘要 软件开发作为人类当代独特的智力活动,经历了从作坊式的个体创作到工业化群体大生产,再由工业化群体大生产回归大规模群体创作的历史转变,产生了工程范式与开源范式两次变革.工程范式聚焦线性的确定性问题的软件开发,几乎放弃对不确定性问题的关注.开源范式全面拥抱不确定性,但对结果不做确定性承诺.本文面向软件定义一切的新时代,系统总结两次软件开发范式变革的核心规律,结合我们长期的研究与实践,提出软件开发群智范式,采用“群体智能”为本源的科学观、“宏观演化、微观求精”的核心理念,以及“两个联接、一个转化”的方法论,重新认识软件开发活动,为人机物三元共融的群智软件开发提供指导.

关键词 软件开发; 范式变革; 工程范式; 开源范式; 群智范式; software development; paradigm shifting; engineering paradigm; open source paradigm; crowd intelligence paradigm;

引用格式 王怀民, 余跃, 王涛, 等. 群智范式: 软件开发范式的新变革. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(8): 1490-1502, doi: 10.1360/SSI-2023-0064
Huaimin WANG, Yue YU, Tao WANG, et al. Crowd intelligence paradigm: a new paradigm shift in software development. Sci Sin Inform, 2023, 53(8): 1490-1502, doi: 10.1360/SSI-2023-0064

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AdvSce:面向自动驾驶系统的安全关键场景生成工具

李昌文, 晏荣杰, 张健
中国科学: 信息科学, 2023, 53(4): 815-820

摘要 AdvSce是一个面向自动驾驶系统的安全关键场景生成工具,能够在给定初始场景的基础上,以添加额外交通参与者的方式,生成挑战自动驾驶系统控制车辆(主车)安全性的扰动场景,用于自动驾驶系统的仿真测试.不同于既往研究中,首先确定场景参数空间,再使用黑盒优化算法生成安全关键场景的工具或方法, AdvSce可以基于对主车行为的分析,在场景生成过程中动态地构造能够挑战主车安全性的场景参数空间,从而实现高度自动化且高效的安全关键场景生成.我们使用AdvSce在LGSVL仿真器中生成了面向Apollo 7.0自动驾驶系统的测试场景.结果表明,相比现有的安全关键场景生成工具, AdvSce具有更高的安全问题场景生成效率.

关键词 自动驾驶系统; 仿真测试; 安全关键场景生成; 基于搜索的优化; 行为序列提取; autonomous driving system; simulation-based testing; safety-critical scenario generation; searchbased optimization; behavioral sequence extraction;

引用格式 李昌文, 晏荣杰, 张健. AdvSce:面向自动驾驶系统的安全关键场景生成工具. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(4): 815-820, doi: 10.1360/SSI-2022-0317
Changwen LI, Rongjie YAN, Jian ZHANG. AdvSce: safety critical scenario generation for testing autonomous driving systems. Sci Sin Inform, 2023, 53(4): 815-820, doi: 10.1360/SSI-2022-0317

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基于深度学习的SQL生成研究综述

梁清源, 朱琪豪, 孙泽宇, 张路, 张文杰, 熊英飞, 梁广泰, 郁莲
中国科学: 信息科学, 2022, 52(8): 1363-1392

摘要 SQL生成(text-to-SQL)是自动化软件工程的重要应用之一,也是语义解析领域的研究热点.SQL生成根据输入的自然语言描述自动生成相应的SQL数据库查询语句,它允许非专业人员在不了解SQL语法的情况下访问数据库.随着大量SQL相关数据集的不断构造以及人工智能技术的卓越进步, SQL生成任务也得到了极大的发展.基于深度学习的SQL生成(deep learning-based text-to-SQL)能够利用大规模数据的优势,从已有数据中学习自然语言、数据库以及SQL语句的表示,并根据新的自然语言输入生成符合查询需求的SQL语句.相对于传统的SQL生成,基于深度学习的SQL生成具有高准确率、输入信息灵活和可迭代学习的优点.近年来,研究者在基于深度学习的SQL生成方面进行了一系列的研究,本文从SQL生成场景、数据集、模型结构和评估方法层面对现有研究进行分类综述.

关键词 SQL生成; 语义解析; 深度学习; 代码生成; 编码–解码模型; text-to-SQL; semantic parsing; deep learning; code generation; encoder-decoder;

引用格式 梁清源, 朱琪豪, 孙泽宇, 等. 基于深度学习的SQL生成研究综述. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(8): 1363-1392, doi: 10.1360/SSI-2021-0316
Qingyuan LIANG, Qihao ZHU, Zeyu SUN, et al. A survey of deep learning based text-to-SQL generation. Sci Sin Inform, 2022, 52(8): 1363-1392, doi: 10.1360/SSI-2021-0316

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一种基于列计算的空间并置模式挖掘方法

杨培忠, 王丽珍, 王晓璇, 周丽华
中国科学: 信息科学, 2022, 52(6): 1053-1068

摘要 空间并置(co-location)模式挖掘旨在发现空间特征间的关联关系.一个并置模式是空间特征集合的子集,它们的实例在空间中频繁并置出现.传统的并置模式挖掘方法大多基于表实例计算模式的并置程度,但表实例的生成和存储将导致巨大的时间、空间消耗.针对这一问题,本文提出了一种基于列计算的空间并置模式挖掘方法,不再生成表实例,只需要搜索模式的参与实例.为了加速参与实例搜索,设计了实例搜索空间剪枝、候选参与实例验证、频繁性提前感知等优化策略.在此基础上,提出了CPM-Col算法,讨论了算法的复杂度、正确性和完备性.在真实和模拟数据集上进行了大量实验,实验结果表明,本文提出的算法比其他7个baseline算法具有更好的性能和可扩展性,特别地,CPM-Col算法的效率提升达到数倍至数个量级.此外,实验验证了本文提出的优化策略的有效性.

关键词 空间数据挖掘; 并置模式; 列计算; 搜索算法; 剪枝技术; spatial data mining; co-location pattern; column calculation; search algorithm; pruning technique;

引用格式 杨培忠, 王丽珍, 王晓璇, 等. 一种基于列计算的空间并置模式挖掘方法. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(6): 1053-1068, doi: 10.1360/SSI-2020-0384
Peizhong YANG, Lizhen WANG, Xiaoxuan WANG, et al. A spatial co-location pattern mining approach based on column calculation. Sci Sin Inform, 2022, 52(6): 1053-1068, doi: 10.1360/SSI-2020-0384