摘要 强化学习(reinforcement learning, RL)技术经历了数十年的发展,已经被成功地应用于连续决策的环境中.如今强化学习技术受到越来越多的关注,甚至被冠以最接近通用人工智能的方法之一.但是,客观环境中往往不仅包含一个决策智能体.因此,我们更倾向于以多智能体强化学习(multi-agent reinforcement learning, MARL)为技术手段,应对现实的复杂系统.近十年来,多智能体系统(multi-agent system, MAS)和强化学习的结合日渐紧密,逐渐形成并丰富了多智能体强化学习这个研究方向.回顾MARL的相关工作,我们发现研究者们大致从学习框架的讨论、联合动作学习,以及基于通信的MARL这3个角度解决MARL的问题.而本文重点调研基于通信的MARL的工作.首先介绍选取基于通信的MARL进行讨论的原因,然后列举出不同性质的多智能体系统下的代表性工作.希望本文能够为MARL的研究者提供参考,进而提出能够解决实际问题的MAS方法.

关键词 强化学习; 多智能体系统; 部分可观测环境; 多智能体通信; 协同控制; reinforcement learning; multi-agent system; partially observable environment; multi-agent communication; coordinated control;

摘要 随着互联网和移动计算等技术的发展,人们的在线行为产生了越来越多的数据,想要从海量数据中挑选出用户可能喜欢的物品,推荐系统不可或缺.然而传统的推荐算法需要将用户数据收集到服务端才能构建模型,这会泄露用户隐私.最近,谷歌针对机器学习任务中需要收集用户数据才能进行建模的问题,提出了一种新的学习范式——联邦学习.联邦学习与推荐系统相结合,使得联邦推荐算法能够在模型构建过程中,始终将用户数据保留在客户端本地,从而保护了用户隐私.本文主要对联邦学习与推荐系统相结合的研究工作进行综述,并从架构设计、系统的联邦化和隐私保护技术的应用3个角度重点分析联邦推荐算法的研究进展.最后,对基于联邦学习的推荐系统可研究的方向进行展望.

关键词 推荐系统; 联邦学习; 隐私保护; 联邦推荐; 协同过滤; recommender systems; federated learning; privacy protection; federated recommendation; collaborative filtering;

摘要 随着深度神经网络在机器学习的各个领域获得广泛成功,其自身所存在的问题也日益尖锐和突出,例如可解释性差、鲁棒性弱和模型训练难度大等.这些问题严重影响了神经网络模型的安全性和易用性.因此,神经网络的可解释性受到了大量的关注,而利用模型可解释性改进和优化模型的性能也成为研究热点之一.在本文中,我们通过几何中流形的观点来理解深度神经网络的可解释性,在通过流形视角分析神经网络所遇到的问题的同时,汇总了数种有效的改进和优化策略并对其加以解释.最后,本文对深度神经网络流形解释目前存在的挑战加以分析,提出将来可能的发展方向,并对今后的工作进行了展望.

关键词 深度学习; 对抗攻击; 可解释性; 流形; deep learning; adversarial attack; interpretability; manifold;

摘要 人工智能(artificial intelligence, AI)自1956年诞生以来,在60多年的发展历史中,一直存在两个相互竞争的范式,即符号主义与连接主义(或称亚符号主义).二者虽然同时起步,但符号主义到20世纪80年代之前一直主导着AI的发展,而连接主义从20世纪90年代才逐步发展起来,到21世纪初进入高潮,大有替代符号主义之势.今天看来,这两种范式只是从不同的侧面模拟人类的心智(或大脑),具有各自的片面性,依靠单个范式不可能触及人类真正的智能.需要建立新的可解释和鲁棒的AI理论与方法,发展安全、可信、可靠和可扩展的AI技术.为实现这个目标,需要将这两种范式结合起来,这是发展AI的必经之路.本文将阐述这一思想,为叙述方便,我们称符号主义为第一代AI,称连接主义为第二代AI,将要发展的AI称为第三代AI.

关键词 人工智能; 符号主义; 连接主义; 双空间模型; 单空间模型; 三空间模型; artificial intelligence; symbolism; connectionism; dual-space model; single-space model; triple-space model;

摘要 人机对抗作为人工智能研究的前沿方向,已成为国内外智能领域研究的热点,并为探寻机器智能内在生长机制和关键技术验证提供有效试验环境和途径.本文针对巨复杂、高动态、不确定的强对抗环境对智能认知和决策带来的巨大挑战,分析了人机对抗智能技术研究现状,梳理了其内涵和机理,提出了以博弈学习为核心的人机对抗智能理论研究框架;并在此基础上论述了其关键模型:对抗空间表示与建模、态势评估与推理、策略生成与优化、行动协同与控制;为复杂认知与决策问题的可建模、可计算、可解释求解奠定了基础.最后,本文总结了当前应用现状并对未来发展方向进行了展望.

关键词 人工智能; 人机对抗; 机器学习; 智能博弈; 认知决策; artificial intelligence; human-computer gaming; machine learning; autonomous intelligent gaming; command and decision making;

摘要 偏标记学习是一类重要的弱监督机器学习框架.在该框架下,每个对象在输入空间由单个示例进行刻画,在输出空间与一组候选标记相对应,其中仅有一个标记为其真实标记.利用有歧义性的样本进行建模,直观的策略是对候选标记集合进行消歧,然而该策略会受到伪标记的影响,因此有必要考虑从非消歧的角度解决偏标记学习问题.本文将围绕基于消歧、非消歧策略的偏标记学习算法对该领域进行综述.首先,给出偏标记学习的定义以及其与其他相关学习框架的关系.然后对现有几种代表性基于消歧策略的偏标记学习算法进行介绍.接下来重点介绍我们提出的两种基于非消歧策略的偏标记学习算法.最后对本文进行总结并简要讨论进一步的研究方向.

关键词 机器学习; 弱监督学习; 偏标记学习; 候选标记; 非消歧策略; machine learning; weakly-supervised learning; partial label learning; candidate label; disambiguation-free strategy;

摘要 深度学习近年来取得了突出进展,然而,深度学习模型需要占用大量的与计算相关的资源,同时其学习过程需要大量的数据与标记,因此目前深度学习领域的一个热点是降低其对计算和数据资源的渴求,即研究资源受限的深度学习.本文首先分析深度学习对资源的渴求及其导致的挑战,然后分别从数据、标记、计算资源受限3个方面对目前的研究进展简要描述,并以我们在计算机视觉领域的研究实践为例进行较详细的介绍.

关键词 深度学习; 资源受限; 数据资源; 标记资源; 计算资源; deep learning; resource constraints; data resources; label resources; computation resources;

摘要 分层分类是一种利用数据类别间层次结构关系进行分类的任务,可以高效地组织和处理大规模数据.近些年来,在这个受到越来越多关注的领域中涌现出许多重要的工作.本文介绍分层分类的定义,并按照不同种类的问题解决策略,对大规模分层分类任务中的几个基本问题的研究进行总结.首先,给出层次结构的形式化定义.其次,分别阐述如何设计分层评价指标、如何构建层次结构、如何利用层次结构信息进行特征选择、如何利用层次结构信息训练分类器以及如何面向层次结构设计停止机制,并介绍具有代表性的相关工作.最后,对大规模分层分类任务进行总结,并展望未来可能的研究方向.

关键词 分层学习; 层次结构构建; 分层分类器学习; 分层分类停止机制; 分层特征选择; 分类; hierarchical classification; hierarchy construction; hierarchical classifier learning; hierarchical stopping strategy; hierarchical feature selection; classification;

摘要 情绪是人对外界事物产生的心理和生理反应.准确地识别情绪在人机交互研究中占据着重要位置,其成果可应用在医学、教育、心理、军事等方向.由于脑电信号具有客观,不易伪装等特点,其在情绪识别领域的应用广受关注.从脑电信号中提取与情绪关联大、区分能力强的特征,有助于后续的分类器更有效地识别不同情绪状态.本文调研了目前常用于情绪识别研究领域的脑电信号特征,从时域、频域、时频域和空间域4个方面介绍其定义、计算方法,以及与情绪的联系,在SEED, DREAMER和CAS-THU 3个公开的脑电–情绪数据集上,使用SLDA算法评估和比较了各类脑电特征区分不同效价的能力.本文也对目前存在的问题和未来的研究方向进行了讨论和展望,可以为研究人员系统性地了解面向情绪识别的脑电特征研究现状以及开展后续研究提供思路.

关键词 情绪识别; 脑电信号; 特征提取; 特征选择; 情绪效价; emotion recognition; electroencephalograms; feature extraction; feature selection; valence;

关键词 虚实融合网络空间; 泛联网; 数字孪生; 安全; 隐私

摘要 随着人工智能技术的高速发展,计算机视觉与图形学等相关学科的交叉融合掀起了一场数字人生成技术的新革命,人类进入“元宇宙”等数字空间的梦想正逐渐变为现实.面对大规模三维数字人的生产需求,传统图形学建模方法建模过程繁琐,周期冗长,阻碍了虚拟数字人的普及和应用,而利用生成式人工智能技术产生高拟真、规模化的虚拟数字人正逐渐成为研究热点.为了深入了解三维数字人技术的研究现状与挑战,本文从生成式模型的视角对数字人技术进行了系统性梳理,并总结了其中的3个关键步骤:表示、渲染与学习.随后,对显式及隐式的表示方法进行总结,对传统渲染与神经网络渲染的成像方式进行归纳,并概括了相应的模型学习方法.最后,本文对三维数字人的典型应用进行分析,并对当前挑战与未来发展方向进行总结和展望.

关键词 三维数字人; 生成模型; 隐式表示; 神经渲染; 对抗学习; 3D digital human; generative model; implicit representation; neural rendering; adversarial learning

摘要 视网膜启发的传感器(又称仿视网膜传感器)是近年来新兴的视觉传感器,其通过对场景光强信息进行连续采样,输出高时间分辨率的异步脉冲信号.本文将围绕基于仿视网膜传感器的采样原理进行总结,包括空间对比度传感器、时间对比度传感器、时域积分传感器,以及其他具有附加采样电路的仿视网膜传感器.相对于传统相机,仿视网膜传感器具有高动态范围、高时域分辨率的特征.但是,以1和0 (或-1)形式存储的脉冲信号难以与传统视觉信号兼容.如果把仿视网膜采样看作场景光强的紧凑编码过程,那么视觉信息重建即为视觉信息的解码过程.因此,视觉信息重建可以成为一个连接仿视网膜传感器与传统视觉的桥梁.近年来,出现了一些利用异步脉冲信号进行图像重构的算法,通过对脉冲信号进行一系列处理,可以重构出高时域分辨率的图片.本文综述了仿视网膜传感器的采样原理及分类,总结了目前基于事件相机和脉冲相机的视觉信息重建方法.同时,探讨和展望了仿视网膜采样和视觉信息重建的机遇和挑战,以及可能的发展方向.

关键词 仿视网膜传感器; 仿视网膜采样机制; 神经形态相机; 图像重构; 光流估计; 深度估计; retina-like vision sensor; retina-like visual sampling; neuromorphic camera; image reconstruction; optical flow estimation; depth estimation;

摘要 人类利用视觉、听觉等多种感官理解周围环境,通过整合多种感知模态,形成对事件的整体认识.为使机器更好地模仿人类的认知能力,多模态认知计算模拟人类的“联觉”(synaesthesia),探索图像、视频、文本、语音等多模态输入的高效感知与综合理解手段,是人工智能领域的重要研究内容,也是实现“通用人工智能”的关键之一.近年来,随着多模态时空数据的海量爆发和计算能力的快速提升,国内外学者提出了大量方法,以应对日益增长的多样化需求.然而,当前的多模态认知计算仍局限于人类表观能力的模仿,缺乏认知层面的理论依据.本文从信息论角度出发,建立了认知过程的信息传递模型,结合信容(information capacity),提出了多模态认知计算能够提高机器的信息提取能力这一观点,从理论上对多模态认知计算各项任务进行了统一.进而,根据机器对多模态信息的认知模式,从多模态关联、跨模态生成和多模态协同这3个方面对现有方法进行了梳理与总结,系统地分析了其中的关键问题与解决方案.最后,结合当前阶段人工智能的发展特点,重点思考多模态认知计算领域面临的难点与挑战,并对未来发展趋势进行了深入分析与展望.

关键词 人工智能; 多模态; 认知计算; 联觉; 信容; artificial intelligence; multi-modal; cognitive computing; synaesthesia; information capacity;

摘要 基于深度学习的工业缺陷检测方法可以降低传统人工质检的成本,提升检测的准确性与效率,因而在智能制造中扮演重要角色,并逐渐成为计算机视觉领域新兴的研究热点之一.其被广泛地应用于无人质检、智能巡检、质量控制等各种生产与运维场景中.本综述旨在对工业缺陷检测的任务定义、难点、挑战、主流方法、公共数据集及评价指标等进行全面归纳,以帮助研究人员快速了解该领域.具体而言,本文首先介绍工业缺陷检测的背景与特点.接着,按照实际数据标注情况,划分出缺陷模式已知、缺陷模式未知与少量缺陷标注3种研究任务设置,并根据方法类型作进一步归纳与分析,探讨了各方法的性能优劣与适用场景,阐明了方法与实际应用需求的关联性.此外,本文还归纳了方法部署中的关键辅助技术,总结了现有方法在实际产业落地中存在的局限性.最后,本文对该领域未来的发展趋势和潜在研究方向进行了展望.

关键词 缺陷检测; 异常检测; 计算机视觉; 工业视觉; 深度学习; defect detection; anomaly detection; computer vision; industrial vision; deep learning;

摘要 实时视频流分析在智能监控、智慧城市、自动驾驶等场景中具有重要价值.然而计算负载高、带宽需求大、延迟要求严等特点使得实时视频流分析难以通过传统的云计算范式进行部署.近年来兴起的边缘计算范式,将计算任务从云端下沉到位于网络边缘的终端设备和边缘服务器上,能够有效解决上述问题.因此,许多针对实时视频流分析的边缘计算研究逐渐涌现.本文首先介绍了智能视频流分析和边缘计算的背景知识,以及二者结合的典型应用场景;接着提出了现有系统所关注的衡量指标和面临的挑战;然后从终端设备层次、协作层次、边缘/云层次对本领域的关键技术分别进行了详细的介绍,重点涉及了模型压缩和选择、本地缓存、视频帧过滤、任务卸载、网络协议、隐私保护、查询优化、推理加速和边缘缓存技术.基于对上述各项核心技术的有机整合,本文提出了基于边缘计算的视频大数据智能分析平台Argus,从数据采集、推理分析,到数据挖掘、日志管理,对实时视频流分析全生命周期提供支持,并成功应用到智慧油田中.最后,本文讨论了本领域尚待解决的问题和未来研究方向,希望为今后的研究工作提供有益参考.

关键词 边缘计算; 视频分析; 模型压缩; 任务卸载; 查询优化; edge computing; video analytics; model compression; task offloading; query optimization;

摘要 行人再识别(person re-identification, ReID)旨在解决跨摄像头跨场景下目标行人的关联与匹配,作为智能视频监控系统的关键环节,对维护社会公共秩序具有重大作用.为了深入了解行人再识别研究现状和加速推进国内行人再识别相关研究及技术落地,本文对该领域国家自然科学基金申报数量、资助力度以及地理分布情况进行统计,并针对近年来发表在国际顶级会议和期刊上的行人再识别研究进行全面梳理.具体地,首先阐述一个标准行人再识别算法流程,并总结其中3个关键技术:表征学习、度量学习和重排序优化.随后,列举了实际开放场景中面临的主要难点与挑战,并据此概括了7种开放行人再识别任务:遮挡、无监督、半监督、跨模态、场景行人搜索、对抗鲁棒和快速检索.此外,本文整理了标准行人再识别和开放行人再识别的代表性数据集,并且对一些代表性行人再识别算法进行比较.最后本文对行人再识别的未来发展趋势进行展望.

关键词 行人再识别; 智能视频分析; 深度学习; 表征学习; 度量学习; person re-identification; intelligent video analysis; deep learning; feature representation learning; metric learning;

摘要 随着人工智能技术的突破性进展,人工智能与可视化的交叉研究成为当前的研究热点之一,为人工智能和大数据分析领域的若干核心难题提供了启发式的理论、方法和技术.一方面,人工智能技术的创新应用提升了可视化的分析效率,拓展了分析功能,为大数据可视分析提供了强有力的工具.另一方面,可视化技术增强了以深度学习为代表的人工智能的可解释性和交互性,为可解释人工智能提供了可靠的技术基础.本文从面向人工智能的可视化技术和人工智能驱动的可视化技术两个方向,分别介绍了数据质量改善、可解释机器学习、智能特征提取、可视化自动布局与生成、智能交互、智能故事叙述等6个重要问题.对国内外的研究进展进行了分析,并对发展趋势进行了展望.

关键词 可视化; 可视分析; 人工智能; 可解释机器学习; 自动可视化; visualization; visual analytics; artificial intelligence; explainable machine learning; automatic visualization;

摘要 近年来随着图形硬件的快速发展,渲染技术和深度学习技术都飞速发展,可微渲染作为二者之间的桥梁受到了广泛关注.随着许多可微渲染方法的提出,逆渲染等借助可微渲染工具的应用也随之蓬勃发展.本文从传统渲染管线开始介绍,逐步引入可微渲染的主要思想、基本原理和方法,对它们进行介绍、分析和比较.并介绍基于路径跟踪的可微渲染,随后列出开源的可微渲染工具供大家参考并进行比较.本文后半部分介绍可微渲染的广泛应用,分为人脸、人体、人手和物体4个方面.最后列举了一些可微渲染可能的发展方向.

关键词 可微渲染, 逆渲染, 三维重建, 人脸重建, 渲染

摘要 视频数据是人们日常生活中最重要的信息载体之一.视频萃取(video distillation)通过研究视频数据的时空和语义特性,探索简洁高效的数据展示形式和信息感知模态,是计算机视觉和人工智能的重点研究内容.近年来,随着视频获取方式的快速革新和拍摄需求的多样化发展,视频数据的智能化分析任务面临着新的机遇与挑战,涌现出众多的视频萃取方法.本文创新性地从信息论的角度,解释了数据、信息和知识之间的关系,确立了视频萃取的核心是提高单位数据量的信息提供能力这一基本原则,并依据数据信容(information capacity)分析,从理论上对视频萃取中的各项任务进行了统一.进一步地,分类讨论了视频时空表征中的关键问题与解决方案,系统地分析了从内容、目标和语义角度进行视频萃取的方法,结合视频摘要、浓缩和描述任务,梳理出三条发展主线,展现了视频萃取的发展态势.更重要的是,本文对现有方法的优势与缺陷进行了深入的思考与讨论,指出了尚未解决的若干关键科学问题,并对解决方案进行了初步探讨.同时,本文对视频萃取研究所面临的挑战与未来发展趋势进行了系统的分析与展望.

关键词 视频萃取; 视觉表征; 视频摘要; 视频浓缩; 视频描述; 计算机视觉; 人工智能; video distillation; visual representation; video summarization; video synopsis; video captioning; computer vision; artificial intelligence;

摘要 近年来,随着科学技术的快速发展和硬件设备的不断迭代,人工智能在各种领域(如安防监控、医疗辅助、健康诊断、智能推荐、遥感监测、目标定位等)都得到了广泛的应用.随着人们对智能处理任务的要求逐步提高,人工智能算法所需要理解的语义信息层次和输出数据精准度要求也步步攀升.因此,像素级语义理解任务也因其精准度要求远高于图像级理解而越来越受到重视.与图像级理解相比,像素级语义理解具有输出数据量大、逐像素输出精度高的优点,相应地其难度也更大,内部成因更值得关注与研究.为此本文从信息度量的角度出发,结合像素级语义理解任务的特有属性,给出了像素级语义理解任务的定义与优化目标,进一步依据实际任务的特性从初始定义衍生出像素级语义分类和像素级语义回归两类任务;随后分别讨论了在这两类任务中优化目标的退化和演变,并通过详尽的调研总结了常见像素级语义理解任务的发展现状;紧接着探究了当前像素级语义理解的难点和未来发展方向,针对亟待解决的问题给出了深入的分析思考以及可行的解决方案;最后重点反思了后深度学习时代像素级语义理解乃至人工智能领域所面对的机遇与挑战,提出知识的方向指导和数据的优化驱动是未来人工智能发展的重点关注目标.本文意图从像素级语义理解的定义与发展现状出发,延伸出对当前工作的思考以及对整个领域的反思,强调整个领域面临的风险;在介绍像素级语义理解基础认知的同时对相关技术的发展方向和路径进行深入的思考与深度的展望.

关键词 像素级语义理解; 人工智能; 深度学习; 分类; 回归; pixel level semantic understanding; artificial intelligence; deep learning; classification; regression;

摘要 专利导航是利用专利信息资源,引导和支撑技术与产业良性发展的基础性研究与推广工作.本文综述了由国家专利导航项目(高校)研究和推广中心完成的《虚拟现实相关技术专利导航分析报告》的部分成果,该报告对我国以及全球主要国家和地区在虚拟现实技术领域的专利申请进行了分析,从专利视角绘制了关键技术研发路线,导航相应的知识产权布局策略,对如何推动我国在新一轮技术竞争中降低对外部技术的依存度、培育创新主体的创新竞争力,以及确保国家技术安全提出了建议和措施.

关键词 虚拟现实; 专利导航; 核心技术研发路线; 专利布局; 竞争力; virtual reality; patent navigation; core technology R&D route; patent layout; competitiveness;

摘要 零样本图像分类指训练集和测试集在数据的类别上没有交集的情况下进行图像分类.该技术是解决类别标签缺失问题的一种有效手段,因此受到了日益广泛的关注.自提出此问题至今,零样本图像分类的研究已经大致有十年时间.本文系统地对过去十年中零样本图像分类技术的研究进展进行了综述,主要包括以下4个方面.首先介绍零样本图像分类技术的研究意义及其应用价值,然后重点总结和归纳零样本图像分类的发展过程和研究现状,接下来介绍常用的数据集和评价准则,以及与零样本学习相关的技术的区别和联系,最后分析有待深入研究的热点与难点问题,并对未来的发展趋势进行了展望.

关键词 零样本图像分类; 属性; 词向量; 跨模态映射; 领域适应学习; zero-shot image classification; attributes; word vectors; cross-modal embedding; domain adaptation learning;

摘要 数字书法将传统书法的创作工具、视觉艺术效果、书写技巧和创作等用数字化的方式再现.本文首先在回顾数字书法研究历史和研究特点的基础上,给出数字书法的主要研究内容和研究方向,包括:书法工具的数字化建模、书法图像的分析与处理、书法字形的合成与美化等;然后阐述数字书法每一类问题的具体研究目标、研究现状和研究趋势;最后,探讨数字书法进一步发展需要予以关注的重要问题和研究方向.

关键词 数字书法; 虚拟毛笔; 碑帖图像; 字形合成; 审美评价; 计算美学; 人工智能; digital calligraphy; virtual brush; tablet image; typeface synthesis; aesthetic evaluation; computational aesthetics; arti?cial intelligence;

摘要 近年来,随着数字技术的迅速发展,数字化成为目前非物质文化遗产保护与传播的主要方式之一.非物质文化遗产数字化在整个数字技术环境中包含一系列活动,涉及记录、保存、展示、传播等数字化实践工作以及相关学术研究和政策制定.本文对非物质文化遗产数字化的发展现状做了较为细致的梳理,从非物质文化遗产及其数字化的概念界定入手,介绍了非物质文化遗产数字化中采集、记录、保存、保护、展示、传播等研究主题,非物质文化遗产数字化的具体技术手段,数字博物馆与数据库等当前非物质文化遗产数字化的运行形态,讨论了在现有研究中存在的问题与不足,并根据最新的研究方向对这一研究领域目前的研究需求以及发展趋势进行了归纳与展望.

关键词 非物质文化遗产; 文化遗产数字化; 数字技术; intangible cultural heritage; digitalization of cultural heritage; digital technology;

摘要 随着大数据时代的到来,图数据挖掘成为了一个热门的研究方向.极大团枚举(maximal clique enumeration, MCE)作为图论中的一个基本问题,在很多领域都有着广泛的应用.然而,鉴于极大团枚举问题本身的复杂性以及现实图数据规模的飞速增长,在现实图数据上进行极大团枚举是很耗时的.目前已经有大量的工作对该问题的求解算法进行改进,或采用各种计算优化方法减少算法的运行时间.本文就极大团枚举问题做了如下工作:对现有的极大团枚举问题的研究工作进行了分类归纳;对极大团枚举问题的研究现状进行了详细介绍;对该问题进一步发展所面临的挑战和发展方向进行了讨论和展望.

关键词 极大团枚举; 图论; 图数据挖掘; 图划分; 并行计算; maximal clique enumeration; graph theory; graph mining; graph partition; parallel computing;

摘要 洛瓦兹局部引理是组合数学和概率论中的重要工具,其最主要的用途之一是证明当约束之间"弱相关"时,满足复杂约束的组合对象存在.自从1975年Erdos和Lovasz提出洛瓦兹局部引理以来,局部引理在组合数学、理论计算机和物理学等领域已经有了很多应用.近年来,为了扩展局部引理的应用范围,人们提出了很多新版的局部引理,尤其是在构造版本局部引理上取得了重大的突破.本文将综述局部引理近年来最新的研究进展,包括几种最主要的局部引理变种以及它们在计算机科学和物理学中的应用.特别的,我们将给出抽象版本、Lopsided版本、变量版本和量子版本局部引理紧的条件,并讨论抽象版本紧的条件同统计物理、量子版本紧的条件同量子物理之间的联系.同时,我们还将以布尔可满足性问题和量子可满足性问题为例,说明局部引理在证明问题有解、找到问题的解以及对问题的解进行计数和采样等方面的应用.

关键词 洛瓦兹局部引理; 变量版本局部引理; 量子版本局部引理; 构造版本局部引理; Shearer界; Lovász Local Lemma; variable LLL; quantum LLL; constructive LLL; Shearer's bound;

摘要 随着全球数据的指数级激增,数据中心在存储和管理数据方面正面临空前挑战,基于服务器架构的传统数据中心在资源利用率、扩展性、性能等方面的缺陷日益显著,已经愈发难以满足业务需求.近年来,一种分离式数据中心架构得到了学术界和工业界的广泛关注:该架构下,硬件资源被拆分为不同的硬件资源池(例如处理器池、内存池、存储池等),并通过高速网络互连;管理员可以按需扩展特定的硬件资源池,且各类硬件资源可以在不同应用间灵活共享.然而,分离式数据中心架构在访存模式、存储层级、容错模型、软件开销等方面呈现出显著差异,这为构建分离式架构友好的存储系统带来了新的挑战.首先,分析了分离式数据中心的驱动因素,阐述了其架构特点及优势,并综述了对应存储系统的关键技术和代表性研究工作;然后,围绕数据容错、异构计算及异构网络,展望了未来的发展趋势并给出了总结.

关键词 分离式数据中心; 分离式内存; 分离式存储; 存算分离; disaggregated datacenter; disaggregated memory; disaggregated storage; separation of compute and storage;

摘要 近年来,以深度学习为代表的人工智能技术迅猛发展,深度学习模型和训练数据的规模均呈爆炸式增长,给智能模型训练系统带来了巨大挑战.随着高性能计算与人工智能的不断深度融合,并行智能训练技术成为大规模深度学习模型高效训练的主要方法.本文总结了并行智能训练的基本模式和关键技术,以及并行智能训练框架的发展现状,分析了并行智能训练技术和框架发展面临的挑战与发展趋势,简介了银河天璇并行智能训练框架的研究进展.

关键词 智能训练; 高性能计算; 并行智能训练; 深度学习; intelligent training; high-performance computing; parallel intelligent training; deep learning;

摘要 ATPG (automatic test pattern generation)是VLSI (very large scale integration circuits)电路测试中非常重要的技术,它的好坏直接影响测试成本与开销.然而现有的并行ATPG方法普遍存在负载不均衡、并行策略单一、存储开销大和数据局部性差等问题.由于图计算的高并行度和高扩展性等优点,快速、高效、低存储开销和高可扩展性的图计算系统可能是有效支持ATPG的重要工具,这将对减少测试成本显得尤为重要.本文将对图计算在组合ATPG中的应用进行探究;介绍图计算模型将ATPG算法转化为图算法的方法;分析现有图计算系统应用于ATPG面临的挑战;提出面向ATPG的单机图计算系统,并从基于传统架构的优化、新兴硬件的加速和基于新兴存储器件的优化几个方面,对图计算系统支持ATPG所面临的挑战和未来研究方向进行了讨论.

关键词 图计算; 超大规模集成电路; 自动测试向量生成; 电子设计自动化; 电路测试; graph processing; VLSI; ATPG; electronic design automation; circuit test;

摘要 下一代互联网是全球各国推动科技产业革命和重塑国家长期竞争力的基础设施和先导领域,同样也是高科技密布、专利密集的战略性新兴产业领域,技术研发与创新竞争异常激烈.本文运用专利导航方法对全球下一代互联网互联设备相关技术进行了分析,通过对本导航领域多位技术专家的访谈,澄清和界定了下一代互联网互联设备关键技术的基本定义与范畴,从总体趋势、地域、核心申请人、核心发明人、专利强度、我国向国外申请专利,以及技术分支等方面分析了全球及我国下一代互联网互联设备关键技术的专利布局现状、竞争前沿和未来趋势,结合本导航领域国内外典型案例的总结,对研发创新和专利运用提出了相应的导航建议.

关键词 下一代互联网; 未来网络; 互联技术; 专利导航; next generation Internet; future network; interconnection technologies; patent navigation;

摘要 随着摩尔定律(Moore’s law)与迪纳德(Dennard)缩放定律逐步走向终结,依靠集成电路制程工艺的进步提升计算系统性能与效能越来越困难,计算体系架构的演进成为了未来计算系统发展的重要技术途径.本文首先从应用适应性、计算驱动方式、系统重心变化、计算核心构成,以及计算逻辑使用等不同的角度回顾了体系架构的发展历程,总结了不同体系架构的优缺点;然后着重分析了在人工智能、大数据等应用飞速发展的条件下未来计算系统的能力需求特征;最后提出了软件定义计算体系架构,并梳理了其重点研究内容与关键技术,为未来计算体系架构的发展提供了一条可行的技术途径.

关键词 体系架构; 软件定义计算; 领域专用架构; 异构计算; 可重构计算; architecture; software-defined computing; domain-specific architecture; heterogeneous computing; reconfigurable computing;

摘要 互联网和物联网规模的迅速扩张促使全球数据存储总量呈现爆炸式的增长,导致数据系统从计算密集型向数据密集型方向发展.如何构建可靠高效的数据存储系统,成为大数据时代迫切需要解决的问题.相比传统磁盘,非易失主存具有性能高以及字节寻址等优点,这些独特的优势为高效存储系统的构建提供了新的机遇.然而,传统存储系统的构建方式不适用于非易失主存,无法发挥出非易失主存的性能优势,并且容易造成一致性开销高、空间利用率低、编程安全性低等问题.为此,本文分析了基于非易失主存构建存储系统面临的挑战,在系统软件层次分别综述了空间管理机制、新型编程模型、数据结构、文件系统和分布式存储系统等方面的研究进展,并展望了基于非易失主存构建存储系统的未来研究方向.

关键词 非易失主存, 系统软件, 空间管理机制, 编程模型, 数据结构, 文件系统, 分布式系统

摘要 随着应用数据处理需求的激增,在传统冯·诺依曼(von Neumann)体系结构中,处理器到主存之间的总线数据传输逐渐成为瓶颈.不仅如此,近年来兴起的数据密集型应用,如神经网络和图计算等,呈现出较严重的数据局部性,缓存命中率低.在这些新兴数据密集型应用的处理过程中,中央处理器到主存间的数据传输量大,导致系统的性能不佳且能耗变高.针对传统冯·诺依曼体系结构的局限性,内存计算通过赋予主存端一定的计算能力,以缓解因数据量大以及数据局部性差带来的总线拥堵和传输能耗高的问题.内存计算有两大形式,一种是以高带宽的连接方式将计算资源集成到主存单元中(近数据计算),另一种是直接利用存储单元做计算(存内计算).这两种形式有各自的优缺点和适用场景.本文首先介绍并分析了内存计算的提出和兴起原因,然后从硬件和微体系结构方面介绍内存计算技术,接着分析和总结了内存计算所面临的挑战,最后介绍了内存计算给目前流行的应用带来的机遇.

关键词 内存计算; 近数据计算; 存内计算; 神经网络; 图计算; processing-in-memory; near-data computing; computing-in-memory; neural network; graph computing;

摘要 在计算机体系结构发展历程中,冯·诺依曼(von Neumann)计算机结构一直是计算机系统的主流架构.谈及非冯计算机体系结构时,数据流计算机无疑是被提及最多的.本文从计算机体系结构发展历程的角度,分析数据流计算思想在计算机体系结构创新发展过程中发挥的重要作用.本文首先回顾数据流计算思想、分析早期数据流计算机的局限性;之后分析在现代中央处理器(central processing unit, CPU)技术中所借鉴的数据流计算思想,乱序执行和多线程技术;进一步介绍流计算思想、流处理器技术和图形处理器(graphics processing unit, GPU)中的数据流计算思想;然后针对大数据智能化时代计算机系统的发展变化分析数据流计算思想的运用.最后总结数据流计算思想运用规律,展望未来发展趋势.

关键词 数据流; 大数据; 异构计算; GPU; 智能计算; data flow; big data; hybrid computing; GPU; intelligent computing;

摘要 过去20余年,在国家科技计划持续支持下,中国的高性能计算事业得到长足发展,目前,正在向EFlops级(百亿亿次级,简称E级)高性能计算机的目标冲刺.本文简要回顾了我国高性能计算发展的历史,针对当前E级计算所遇到的困难,从体系结构、处理器、互连网络、并行操作系统、并行编程、算法和可靠性等7个方面,探讨了需要重点研究和解决的技术问题.

关键词 E级计算机; 异构体系结构; 众核处理器; 互连网; 并行编程; exascale computer; heterogeneous architecture; many-core processor; interconnect; parallel programming;

摘要 能耗问题已经成为阻碍数据中心进一步发展的主要障碍之一.为了解决这个问题,近年来,学术界和工业界涌现了大量的数据中心能效优化研究.本文针对数据中心节能问题,首次从跨层能效优化的角度对国内外的研究现状进行分类和介绍,包括基于IT负载调度的制冷系统能效优化、基于IT负载调度的供电系统能效优化,以及IT系统与制冷系统跨层统一能效优化3个方面,并展望了数据中心跨层能效优化研究的发展趋势.

关键词 能耗; 数据中心; 能效算法; 资源管理; 绿色计算; energy consumption; data center; energy efficient algorithms; resource management; green computing;

摘要 随着数字经济时代的到来,数据已成为重要生产要素,将数据外包给第三方存储、管理、分析、计算等应用越来越广泛,随之而来的外包数据、外包计算等外包服务的可信性问题也日益突出,可验证技术被视为判定外包服务可信的一种有效且具有广泛应用前景的技术.该技术发展迅速、研究内容丰富、技术多样、种类繁多,且随着区块链、人工智能、隐私计算等新型外包服务需求的出现,为可验证技术带来了新的挑战和发展契机.本文对面向外包服务的可验证技术研究进展进行了梳理与总结.首先梳理总结给出了面向外包服务的可验证技术框架、分类方法、安全目标与评价体系.接着从外包数据和外包计算两个角度给出可验证技术的形式化定义,并分别论述其典型的可验证方案.然后从外包数据的角度,以验证数据类型为主线结合实现的功能和方法分别详细论述了不同数据类型、不同场景、不同实现方式的外包数据持有性验证和完整性验证技术;从外包计算的角度,根据外包计算类型的不同,总结归纳了5种典型外包计算的可验证技术特点及研究进展,并基于提出的评价体系对典型方案进行了详细的对比分析.最后结合新兴技术和应用热点,展望了可验证技术在前沿方向上的发展趋势、应用前景及其面临的挑战.

关键词 外包服务; 外包数据验证; 可验证计算; 可认证数据结构; 动态可验证结构; outsourcing services; outsourcing data verification; verifiable computation; authenticated data structures; dynamic verifiable structures

摘要 “云、大、物、移、智、链”等新技术的发展伴生了诸多安全问题特别是隐私泄露问题.密码学为这些问题的解决提供了独特视角和可行路线.这些新技术也促进了密码学研究的深入发展,许多新型密码原语、功能强大的高等密码算法与协议新型构造不断涌现.本文给出了具有隐私保护计算能力的几类高等密码算法与协议的研究进展综述,特别是安全多方计算、同态加密、零知识证明、以及不可区分混淆四类算法与协议的设计和分析研究进展,也通过具体示例讨论了它们的潜在应用场景.本综述既着眼于各类算法与协议的不同层级安全属性,也侧重于从模块化角度剖析具体构造的内在技巧逻辑甚至缺陷.本文有助于读者掌握这些高等密码算法与协议的最新理论和技术进展、背后的发展逻辑,并深悟其中的关键技术原理,在密码学理论和实践的结合过程中得到有益启发.

关键词 隐私保护; 安全多方计算; 同态加密; 零知识证明; 不可区分混淆; privacy preserving; secure multiparty computation; homomorphic encryption; zero-knowledge proof; indistinguishability obfuscation

摘要 可信计算以硬件安全机制为基础,建立可信赖计算环境,从体系结构上全面增强系统和网络信任,是当前学术界和产业界的关注热点.随着信息技术的深入发展,新应用场景的不断涌现,网络空间的安全威胁日益严峻,因此可信计算在重要信息系统的安全防护领域将发挥越来越重要的作用.本文从创新发展角度,围绕作者20年来在可信计算领域的研究成果,综述了可信计算理论的发展历程,提炼总结出涵盖两大方法基础、三大信任核心和四大关键技术的可信计算技术体系,阐述了移动可信计算、抗量子可信计算、可信物联网、可信云、可信区块链等方面的重要研究问题以及可信计算在这些领域的融合创新成果.在移动可信计算方面,软硬件结合的可信执行环境体系架构设计和实现是研究重点,其次,移动操作系统内核运行时安全隔离防护,以及基于可信执行环境(trusted execution environment, TEE)的移动应用安全防护也是两个重要研究问题.在可信物联网方面,由于嵌入式环境本身的特性以及资源的受限,轻量级的信任根构建、高效安全的软件证明、实用的安全代码更新机制、集群设备证明是该领域有待进一步研究的重要问题.在抗量子可信计算、可信云、可信区块链等新型场景中,可信计算技术也在不断地拓展其应用边界,发挥更加重要的作用.最后本文展望和讨论了可信计算未来的发展趋势.

关键词 可信计算; 可信执行环境; 移动可信计算; 抗量子可信计算; 可信物联网; 可信云; 可信区块链; trusted computing; trusted execution environment; mobile trusted computing; quantum-resistant trusted computing; trusted Internet of Things; trusted cloud; trusted blockchain;

摘要 大数据是经济发展的新动能,社会发展的新引擎,塑造国家竞争力的战略制高点,对人民生活具有重大影响.然而随着社会对数据价值认知的提升和大数据平台建设的蓬勃发展,大数据安全问题日益成为阻碍大数据应用推广的瓶颈.同时,由于大数据技术、框架仍在不断演变当中,研究人员对大数据安全内涵的核心认知和关键特征理解还存在差异,尚未形成相对统一的大数据安全框架.当前亟需对大数据安全技术发展现状进行梳理,为大数据安全重点问题的研究和突破提供参考.本文结合典型大数据系统技术框架,围绕大数据安全需求,构建了大数据安全技术框架.在此框架下,从大数据安全共享与可信服务、大数据平台安全和大数据安全监管3个方面系统梳理了大数据安全关键技术的研究现状,囊括了大数据业务流程和大数据系统技术框架所涉及的主要安全机制.最后总结了大数据安全技术有待解决的核心问题和发展趋势.

关键词 大数据安全; 安全技术框架; 数据安全共享; 平台安全; 安全监管; big data security; security technology framework; data secure sharing; platform security; security supervision;

摘要 近期发布的ChatGPT和GPT-4等大型语言模型,不仅能高质量完成自然语言生成任务,生成流畅通顺,贴合人类需求的语言,而且具备以生成式框架完成各种开放域自然语言理解任务的能力.在少样本、零样本场景下,大模型可取得接近乃至达到传统监督学习方法的性能,且具有较强的领域泛化性,从而对传统自然语言核心任务产生了巨大的冲击和影响.本文就大模型对自然语言处理的影响进行了详细的调研和分析,试图探究大模型对自然语言处理核心任务带来哪些挑战和机遇,探讨大模型将加强哪些自然语言处理共性问题的研究热度,展望大模型和自然语言处理技术的未来发展趋势和应用.分析结果表明,大模型时代的自然语言处理依然大有可为.我们不仅可以将大模型作为研究方法和手段,学习、借鉴大型语言模型的特点和优势,变革自然语言处理的主流研究范式,对分散独立的自然语言处理任务进行整合,进一步提升自然语言核心任务的能力;还可就可解释性、公平性、安全性、信息准确性等共性问题开展深入研究,促进大模型能力和服务质量的提升.未来,以大模型作为基座,拓展其感知、计算、推理、交互和控制能力,自然语言处理技术将进一步助力通用人工智能的发展,促进各行各业的生产力进步,更好地为人类社会服务.

关键词 ChatGPT; 对话式大模型; 大型语言模型; 自然语言处理; 通用人工智能; chat generative pre-trained transformer; large language models; natural language processing; artificial general intelligence

摘要 语言理解是认知科学和计算机科学交叉领域共同关心的问题,但两个学科在选择具体研究问题时却十分不同.认知科学领域的研究侧重解析大脑的工作机制,更多地关注于描述大脑对语言的响应,缺乏对大脑语言功能整体化、系统化的研究,而计算机科学家在选择研究问题时重点关注实际应用效能,往往忽略了对语言最本质规律的研究.那么,如何实现两种思路的交叉融合,为智能语言计算模型的构建和语言认知机理的研究带来新的机遇和启发呢?本文首先简要回顾了认知科学和计算机科学在语言理解方向上的研究问题、发展历程和研究方法,重点阐述研究现状和面临的挑战,之后对比认知科学和计算机科学领域对于语言理解问题的主要观点,分析两者之间的异同.最后对现有语言认知和语言计算两个领域的交叉融合方法进行归纳和总结,并对未来发展趋势予以展望.

关键词 语言认知; 语言计算; 人的语言理解; 机器的语言理解; 交叉研究; language cognition; language computation; human language understanding; machine language understanding; interdisciplinary research;

摘要 近年来,随着深度学习技术的广泛应用,人机对话研究取得了突破性进展.但是,目前的人机对话系统大多是在人机双方参与的假设下进行设计的,而更具挑战性的人机多方对话的研究和应用尚不成熟.本文将立足于自然语言处理领域,对近几年基于深度学习的多方对话研究进展进行综述.首先从人机对话角度出发,整理多方对话系统的关键问题和已有解决方案;然后,梳理基于多方对话的其他自然语言处理任务;之后,总结已有多方对话研究的数据集,并分析现有数据集的局限性和改进方案;最后,展望多方对话研究的未来发展趋势.

关键词 自然语言处理; 深度学习; 人机对话; 多方对话; natural language processing; deep learning; human-machine dialogue; multi-party dialogue;

摘要 随着大数据对全球生产、流通、分配、消费等国计民生领域产生重要影响,事理作为认知智能重要概念,不仅帮助人们发现大数据所蕴含的国计民生的线索与发展规律,而且帮助人们更好认知人机物三元世界未来发展趋势.考虑到人机物事理动态演化是工业大数据有别于其他行业大数据处理的本质区别,本文从人机物事理动态演化特性智能认知着手,结合传统知识图谱在互联网领域取得的成功经验,提出了面向大数据领域的事理认知图谱构建与推断分析.首先论述了事理认知图谱对推动认知智能研究发展的贡献,剖析了它与知识图谱异同之处,深度理解人类社会发展变化规律的重要价值.其次阐述了事理抽取与泛化、多模态联合网络化合成表示、进化认知和推断分析等关键技术研究最新进展以及面临的挑战.最后,结合我们课题组在事理认知图谱的研究进展情况,归纳总结了事理认知图谱在预防网络电话诈骗和安全生产管控等领域最新应用效果.本文结尾总结和展望事理认知图谱的未来研究方向和发展前景.

关键词 工业大数据; 知识图谱; 事理认知; 人机行为演化分析; industrial big data; knowledge graph; event logic cognitive; analysis of human-machine behavior evolution;

摘要 以研究科学创新与演化规律为目的的科学学近年来迎来了进一步的发展,科技大数据领域知识图谱在其中发挥了重大的作用.本文将从科技大数据知识图谱构建及应用研究角度,对科学学研究过程中发挥重大推动作用的科技领域知识图谱技术进行系统、深入的综述,阐述科技大数据知识图谱构建过程中涉及的科技实体抽取、科技实体消歧、科技关系抽取、科技关系推断等问题,对科技实体推荐、科技社区发现、科技实体评价、学科交叉以及学科演化等科技大数据知识图谱分析挖掘方法进行系统梳理,并给出科技大数据知识图谱未来的研究及应用方向.

关键词 科技大数据; 科技领域知识图谱; 科学学; 科技数据挖掘; 图神经网络; big data of sci-tech; knowledge graph of sci-tech domain; science of science; sci-tech data mining; graph neural network;

摘要 推荐系统旨在为用户推荐个性化的在线商品或信息,其广泛应用于众多Web场景之中,来处理海量信息数据所导致的信息过载问题,以此提升用户体验.鉴于推荐系统强大的实用性,自20世纪90年代中期以来,研究者针对其方法与应用两方面,进行了大量广泛的研究.近年来,很多工作发现知识图谱中所蕴含的丰富信息可以有效地解决推荐系统中存在的一系列关键问题,例如数据稀疏、冷启动、推荐多样性等.因此,本文针对基于知识图谱的推荐系统这一领域进行了全面的综述.具体地,首先简单介绍推荐系统与知识图谱中的一些基本概念.随后,详细介绍现有方法如何挖掘知识图谱不同种类的信息并应用于推荐系统.此外,总结了相关的一系列推荐应用场景.最后,提出了对基于知识图谱的推荐系统前景的看法,并展望了该领域未来的研究方向.

关键词 知识图谱; 推荐系统; 协同过滤; 异质信息网络; 图嵌入; knowledge graph; recommender system; collaborative filtering; heterogeneous information network; graph embedding;

摘要 随着谷歌知识图谱、DBpedia、微软Concept Graph、YAGO等众多知识图谱的不断出现,根据RDF来构建的知识表达体系越来越为人们所熟知.利用RDF三元组表达形式成为人们对现实世界中知识的基本描述方式,由于其结构简单、逻辑清晰,所以易于理解和实现,但也因为如此,当其面对现实中无比繁杂的知识和很多常识时,往往也无法做到对知识的认识面面俱到,知识图谱的构建过程注定会使其中包含的知识不具有完整性,即知识库无法包含全部的已知知识.此时知识库补全技术在应对此种情形时就显得尤为重要,任何现有的知识图谱都需要通过补全来不断完善知识本身,甚至可以推理出新的知识.本文从知识图谱构建过程出发,将知识图谱补全问题分为概念补全和实例补全两个层次:(1)概念补全层次主要针对实体类型补全问题,按照基于描述逻辑的逻辑推理机制、基于传统机器学习的类型推理机制和基于表示学习的类型推理机制等3个发展阶段展开描述;(2)实例补全层次又可以分为RDF三元组补全和新实例发现两个方面,本文主要针对RDF三元组补全问题沿着统计关系学习、基于随机游走的概率学习和知识表示学习等发展阶段来阐述实体补全或关系补全的方法.通过对以上大规模知识图谱补全技术研究历程、发展现状和最新进展的回顾与探讨,最后提出了未来该技术需要应对的挑战和相关方向的发展前景.

关键词 知识图谱; 知识库补全; 概念补全; 实例补全; knowledge graph; knowledge base completion; concept completion; instance completion;

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

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

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;

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;

摘要 在云计算和大数据的技术背景下,"人–机–物"三元融合的应用模式正不断加速社会的信息化进程,并对软件系统的自适应和持续演化能力提出了新的需求.本文探索了面临软硬件环境及外部资源不断变迁挑战下的可成长网构软件理论方法和实现技术,从软件可成长性问题的由来,至可成长性概念的内涵和可成长软件的范型机理,在开放环境感知与自适应、无缝演化和过程演进,以及演化质量评估方法和保障机制3个方面系统分析了可成长软件的技术挑战并介绍了当前的技术进展,以支撑软件系统在不断成长视角下的长期生存.

关键词 可成长软件; 范型机理; 自主适应; 持续演化; growing software; paradigm; self-adaptation; continuous evolution;

摘要 在过去的十几年间, Android系统由于其开源性、丰富的硬件选择性以及拥有百万级别应用市场等优点,已经迅速成为了目前最流行的移动操作系统.与此同时, Android系统的开源性也使其成为了恶意软件的主要攻击目标.恶意软件的快速增长给移动智能手机用户带来了巨大的危害,包括资费消耗、隐私窃取以及远程控制等.因此,深入研究移动应用的安全问题对智能手机生态圈的健全发展具有重要意义.本文首先介绍了恶意软件检测所面临的问题与挑战,然后综述了近些年的恶意软件检测所使用的数据集信息以及相关方法,将现有方法分为了基于特征码、基于机器学习以及基于行为3大类,并针对各方法所使用的技术进行了归纳总结,全面比较和分析了不同技术的优缺点.最后,结合我们自身在恶意软件检测方面的研究基础对未来的研究方向和面临的挑战进行了探索与讨论.

关键词 安卓; 恶意软件检测; 家族识别; 机器学习; Android; malware detection; familial identification; machine learning;

摘要 软件崩溃指程序的意外中断,是软件故障的一种严重表现形式.软件崩溃危害巨大:一方面,崩溃发生的反复性会带来较差的用户体验并影响公司的声誉;另一方面,崩溃发生的突然性会给用户造成巨大的甚至无法挽回的损失.随着现代软件的规模和复杂性不断增大,如何有效地防止和应对软件崩溃成为了热门研究问题.本文从软件崩溃的分析、重现、定位修复这3个方面出发,简要地回顾和总结了近年来软件崩溃的研究进展.

关键词 软件崩溃; 崩溃分析; 崩溃重现; 崩溃定位; 崩溃修复; 程序调试; 程序异常处理; software crashes; crash analysis; crash reproduction; crash localization; crash repair; program debugging; program exception handling;

摘要 软件自动化是提高软件生产率的根本途径.由于Android应用快速迭代的开发模式,其对于自动化协助应用开发,尤其是自动化测试,有很高的需求.在自动化测试中,测试输入自动生成是最为关键和资源消耗最大的步骤之一,极大地影响自动化测试的有效性.由于Android应用独有的特性,自动为其生成测试输入存在独特的挑战.为了应对这一挑战,已有许多Android应用测试输入自动生成技术被提出.本文提出Android应用测试输入自动生成技术的描述框架,包括测试输入自动生成技术的3个维度(分别为搜索空间的表示、候选输入的生成、候选输入的评估),并讨论了测试输入自动生成技术在这3个维度采用策略的两个评价指标(即充分性与高效性).借助这一全新描述框架,本文对已有技术进行分析和总结,讨论现有技术的长处和不足,并对未来可能的研究方向给予展望.

关键词 Android; 自动测试; 输入生成; 技术描述; 智能手机; Android; automated testing; input generation; description of technology; smartphones;

摘要 实物用户界面是一种新型的人机交互界面范式.通过实物对象与数字信息的耦合,实物用户界面允许用户通过抓握、移动、组装等自然的操作方式对数字信息进行操作.结合机电驱动等新兴技术,实物用户界面也可以通过自主移动、形状改变等方式,将数字内容的变化在真实世界中产生物理反馈.在诸多领域中,包括信息可视化、日常办公、教育与娱乐,以及支持创意创作等方面,实物用户界面都具有巨大的应用潜力.本文对实物用户界面的研究发展做了较细致的梳理,介绍了实物用户界面的起源及发展、理论框架、实现技术及应用领域等几方面,并展望了这一研究领域未来的发展趋势.

关键词 实物用户界面; 自然用户界面; 界面范式; tangible user interface; natural user interface; interface paradigm;

摘要 最近10年,人工智能和人机交互研究突飞猛进,在学术界和产业界都掀起了热潮.不管是突破人工智能的瓶颈,还是实现和谐、自然的人机交互,都迫切需要符合人类认知机理和心理规律的人机交互心理模型.建构面向智能时代的人机合作心理模型,不但可以解释、模拟和预测人类的行为,而且可以指导相应的智能系统和人机交互设计.本文回顾和总结了以往的人机交互模型和认知计算模型,基于最近10年的实验证据和研究发现,试图拓展和深化已有的认知模型,建构面向智能时代的人机合作心理模型,为智能时代的人机交互研究提供理论基础.

关键词 人工智能; 人机合作; 人机交互; 心理模型; 感知; 认知; 动作; artificial intelligence; human-computer cooperation; human-computer interaction; psychological model; perception; cognition; motor;

摘要 在信息技术迅猛发展的背景下,人工智能的爆发及在诸多行业的成功应用再次引发人们对计算机全方位为人类服务的美好想象.然而,作为人与计算机之间信息沟通的桥梁和以人为中心指导系统开发的方法论,人机交互没有得到应有的同步发展,其瓶颈效应日益彰显.究其原因,可以归纳为以下两点:一是没有吸取好历史的发展经验;二是智能时代下应用场景的变化导致新的需求,对人机交互提出了巨大的挑战.本文回顾了人机交互的发展历史,重点讨论了人机交互的发展模式、心理学模型、交互界面、交互设计原则和研究框架等多个核心问题,并总结了当前人机交互出现的重要思想理论,提出在智能时代下对人机交互未来发展必要的讨论和思考.

关键词 人机交互; 用户界面; 心理学模型; 研究框架; 人工智能; human-computer interaction; user interface; mental model; research framework; artificial intelligence;

摘要 云计算应用服务具备优良的弹性与扩展性,但其开发则具备较高的难度和复杂性,要求开发者熟练掌握并运用各项云计算技术,搭建并维护网络化信息系统.在国民经济各行各业对云计算应用服务日益旺盛的需求驱动下,近年来出现了众多支持或辅助云计算应用服务完整或部分生命周期的开发环境.本文实践调研了多个主流云计算应用服务开发环境,根据自动化程度的高低将它们分为3个类别:用户自主搭建开发环境、社区自发维护标准构件及托管开发环境,其中第3类进一步分为4代:编辑型、应用级、函数级与集成型.通过典型案例的深入挖掘,梳理出云计算应用服务开发环境的4个主要发展趋势:虚拟化、轻量化、智能化与可视化,并基于我们研发的Cloud Studio开发环境探索其可能的具体形态与展现形式,特别是开发理念从微观层面的代码逻辑转变到宏观层面的数据流图,期望能够有效降低开发门槛,加速开发效率,促进"中国云"核心竞争力的形成.

关键词 云计算; 开发环境; 软件工程; 数据流图; 应用开发; cloud computing; development environment; software engineering; data flow diagram; application development;

摘要 图(graph)是一种以顶点和边构成的包含多种信息的复杂数据结构.图计算(graph processing)要求我们将现实条件中的关系属性抽象为图数据结构并进行复杂计算.由于CPU性能提升遇到瓶颈,人们尝试了多种协处理器或专用加速器,致力于提高运行速度并节省能耗.由于图计算具有数据依赖性强、访存–计算比高的特点,提高图计算访存效率是改善系统性能的关键.尤其是随着图数据规模的扩大,高效的内存管理优化对异构图计算性能的提高显得尤为重要.本文将介绍异构架构图计算中内存系统的管理及优化方法,归纳目前能够提高访存效率的图数据格式;分析图计算专用加速器GPU, FPGA, ASIC, PIM等的架构特点与内存方面的优化工作;概括国内相关研究进展;同时总结图计算在内存方面的机遇与挑战.

关键词 图计算; 专用加速器; 内存管理; 内存系统架构; 访存优化; graph processing; accelerator; memory management; memory system architecture; memory access optimization;

摘要 近年来,卷积神经网络作为深度学习中的常用算法,被广泛地应用在计算机视觉的任务中.FPGA凭借它的高并行计算、低功耗和可重复配置的特点在实现卷积神经网络的多种加速器中显示了优异的特性.近几年,使用FPGA加速卷积神经网络的方法已经被人们广泛地探索,但是大部分设计的性能都受限于片上乘法器数量.快速算法在卷积操作中能够有效降低运算中乘法的数量,进而达到平衡资源的效果.本文首先介绍4种实现卷积神经网络的算法:传统的空间卷积算法、矩阵乘法、Winograd算法和FFT算法.同时介绍国内外对于不同算法在硬件上的实现,以及相应的优化手段,并且总结使用FPGA加速CNN的发展历程.

关键词 卷积神经网络; FPGA; 卷积算法; 快速算法; Winograd; FFT; CNN; FPGA; convolution algorithm; fast algorithm; Winograd; FFT;

摘要 随着深度学习在众多领域发挥着越来越重要的作用,如何设计高性能、低功耗、低延迟的深度学习硬件加速器成为体系结构领域的研究热点.本文基于深度学习算法模型的结构和优化方法,分析了深度学习硬件实现中面临的困难和挑战,并对比当前主流的深度学习硬件加速平台的优势和不足,提出了基于飞腾–迈创通用向量DSP的深度学习硬件加速方案,对其向量广播、矩阵转换等加速技术进行了阐述.并围绕目前通用向量DSP硬件加速的不足,对兼顾通用向量计算和专用深度学习计算的可重构计算阵列等优化技术进行了深入的探讨与研究.

关键词 深度学习; 体系结构; 硬件设计; 加速器; 数字信号处理器(DSP); deep learning; architecture; hardware design; accelerator; digital signal processor;

摘要 当前人工智能对算力的需求以超摩尔定律的速度增长,算法并行性高、数据重用性强,为处理器体系结构设计带来了更大的设计空间.众核处理器以其强大的片上计算能力、灵活的片上体系结构、高效的片上通信、柔性优化的存储等特性,为人工智能提供了更广阔的发展空间.本文在介绍众核处理器发展历史的基础上梳理了主要技术路线,重点论述人工智能应用对国产众核处理器体系结构和关键特性的需求.

关键词 众核处理器; 智能计算; 体系结构; 通信机制; 存储体系; manycore processor; intelligent computing; computer architecture; communication mechanism; memory system;

摘要 扩散磁共振成像是目前唯一非侵入式重建纤维解剖结构的成像技术.体素微结构纤维方向估计的精确性是影响该技术成像结果的关键.自扩散张量成像技术提出以来,很多高角度分辨率扩散成像方法用于估计纤维的方向.本文首先从估计模型角度,利用Q空间成像和模型依赖两大类数学模型总结现有主要的成像方法并延伸到目前广泛采用的球面去卷积模型,且讨论了其局限性和优越性.其次从优化方法角度,针对大规模逆问题优化方法的L_2正则化约束、L_1系数稀疏约束、L_1和L_2纤维分布空间稀疏约束以及纤维空间连续性约束优化模型的发展脉络介绍了球面去卷积优化方法的进展.最后,利用大量的模拟数据和实际数据对多种典型算法进行了纤维方向估计分辨率、准确率等对比实验.根据实验结果,对不同方法的优点和缺点进行了定量分析,并对今后的算法估计的研究方向进行了展望.

关键词 纤维方向分布; 去卷积; 扩散磁共振; 纤维跟踪成像; 高角度分辨率成像; ber orientation distribution; deconvolution; diffusion MR; tractography; high angular resolution diffusion imaging;

摘要 自1967年美国心理学家Reber首次设计和使用了微型人工语法学习范式以来,人工语法的发展已有半世纪的历史.本文从语言学习视角出发,讨论人工语法发展以来4种类型(有限状态语法下的经典微型人工语法学习范式、有限状态语法下的无语义型微型人工语法学习范式、非有限状态语法下的调控语义型微型人工语法学习范式以及"迷你"自然语言型微型人工语法学习范式)的相关实证研究及其在语言学习领域的深远意义.

关键词 语言学习; 微型人工语法; 人工语言; 第二语言; 内隐学习; language learning; AGL; artificial languages; second language; implicit learning;

摘要 语言模型是自然语言处理相关领域研究工作的重要基础.近年来,人们基于量子力学概率理论提出量子语言模型.本文旨在综述量子语言模型的研究动机和当前进展.我们首先回顾语言模型的研究现状及存在的问题,然后介绍信息检索领域和语音处理领域的量子语言模型,以及我们所提出的应用于自动问答领域的端到端的量子语言模型.通过分析各种量子语言模型的优缺点,以及量子力学与神经网络的本质联系,提出进一步的研究思路与未来愿景.

关键词 语言模型; 量子语言模型; 神经网络; 信息检索; 量子力学; language model; quantum language model; neural network; information retrieval; quantum mechanics;

摘要 近年来,随着网络规模的不断扩大,结构和功能日趋复杂,网络流量快速增长,各种新型网络应用不断出现,对传统网络的配置、运行和管理提出了严峻挑战.软件定义网络(software defined networking,SDN)作为新兴的网络架构,较好地适应了各种网络应用的需求.在SDN网络中进行测量任务能及时了解、监控和掌握网络状态,是优化网络结构、改善网络服务质量、实现网络故障诊断和恢复的重要手段.本文对SDN网络测量技术进行综述,研究网络性能测量中的延迟测量、丢包测量和带宽测量等方面以及网络流量测量等相关技术,从设计理念、测量方式、测量对象、技术特点,以及优缺点等方面做了详尽的描述.文章最后进行了总结并对未来工作进行了展望.

关键词 软件定义网络; 延迟测量; 丢包测量; 带宽测量; 流量测量; software-defined networking; latency measurement; packet loss measurement; bandwidth measurement; traffic measurement;

摘要 博弈智能是一个涵盖博弈论、人工智能等方向的交叉领域,重点研究个体或组织间的交互作用,以及如何通过对博弈关系的定量建模进而实现最优策略的精确求解,最终形成智能化决策和决策知识库.近年来,随着行为数据的海量爆发和博弈形式的多样化,博弈智能吸引了越来越多学者的研究兴趣,并在现实生活中得到广泛应用.本文围绕博弈智能这一研究领域,分别从3个方面进行了系统的调研、分析和总结.首先,回顾了博弈智能的相关背景,涵盖了单智能体马尔可夫(Markov)决策过程,基于博弈论的多智能体建模技术,以及强化学习、博弈学习等多智能体求解方案.其次,依照智能体之间的博弈关系不同,将博弈分为合作博弈、对抗博弈以及混合博弈这三大类范式,并分别介绍了每种博弈智能范式下的主要研究问题、主流研究方法以及当前典型应用.最后,总结了博弈智能的研究现状,以及亟待解决的主要问题与研究挑战,并展望了学术界和工业界的未来应用前景,为相关研究人员提供参考,进一步推动国家人工智能发展战略.

关键词 博弈智能; 博弈论; 人工智能; 多智能体系统; 强化学习; 均衡求解; game intelligence; game theory; artificial intelligence; multiagent systems; reinforcement learning; equilibrium computing

摘要 随着通信技术和新一代人工智能的迅速发展,强化学习这一数据驱动的控制方法引起了极大的关注.本文回顾了强化学习中的一类典型方法——策略优化法——在系统控制律设计上的最新研究进展.主要讨论了其在各种重要线性最优控制问题上的收敛性及样本复杂度,例如线性二次控制、输出反馈控制、■控制、分布式控制等.此外,对策略优化法在网络化系统控制中的应用作了展望.

关键词 线性系统; 最优控制; 策略梯度法; 强化学习; 数据驱动控制; linear system; optimal control; policy gradient method; reinforcement learning; data-driven control;

摘要 在博弈论中,单个个体控制全部个体的收益通常被认为是不可能的.一个例外是20世纪末在重复囚徒困境中提出的均衡器策略:使用这种策略的个体可以将对手的收益设置为由收益函数所决定的某个区间内的任意值.十余年后发现的零行列式策略通过单方面设置个体收益的线性关系,将该结果一般化.在此基础上,关于博弈收益控制的研究取得了一系列成果.本文概述了博弈收益控制的研究现状;介绍了单次博弈和重复博弈中的收益控制技术;从收益控制的基本概念、能控制的收益关系、收益控制策略的形式和收益控制策略的演化特性等方面总结了博弈中收益控制的主要进展和成果;并讨论了博弈收益控制的未来发展趋势.

关键词 博弈论; 收益控制; 零行列式策略; 演化博弈论; 策略设计; game theory; payoff control; zero-determinant strategy; evolutionary game theory; strategy design;

摘要 近年来,强化学习方法得到了广泛的关注,并已在控制领域取得了一定成果.自主水下机器人(AUV)能完成复杂多样的水下任务,是海洋探索开发任务中的关键设备,强化学习技术的发展为AUV的智能化控制提供了新的思路.本文着眼于强化学习与AUV控制的交叉领域,重点介绍了强化学习在镇定控制和跟踪控制等底层控制任务方面的应用.为此,我们首先对强化学习框架进行了简要介绍,并在其后对强化学习在AUV控制领域面临的挑战以及最新的进展进行了概述.最后,我们详细介绍了两种针对AUV的无模型强化学习控制方法,希望能够为此类控制器的设计和使用提供参考.

关键词 强化学习; 自主水下机器人; 底层控制; 自主控制; 无模型; reinforcement learning; autonomous underwater vehicle; low-level control; autonomous control; model-free;

摘要 当前以深度学习代表的人工智能技术所能解决的问题往往需要具有大量可以借鉴学习的训练集,同时要求所获取的信息是完备的.但在复杂时变的真实应用环境中,采集到的数据往往包含大量噪声与不确定性,且仅包含环境的局部信息,导致了基于深度学习的人工智能应用的局限性.而在同样环境下,人类却往往可以依靠直觉做出较为迅速且适宜的判断,这为我们发展新的人工智能理论解决上述问题提供了灵感.本文系统地对人类直觉的概念、机理、类别等内容进行论述,分析了不同学科已有相关研究进展及存在的不足.在此基础上,提出了机器直觉这一新的交叉学科研究方向,并给出了实现机器直觉的基本准则,以及通过让机器实现类似甚至超过人类的直觉能力、赋予机器洞察力与创造性的研究目标.本文尝试设计了机器直觉的通用整体架构,确定了全息感知、直觉认知、直觉决策和博弈行动几个主要功能模块的基本原理和内涵.最后,从脑科学、认知科学、人工智能等多学科交叉研究角度,对机器直觉的应用与未来研究方向进行了展望,为后续展开机器直觉的研究提供方向性指引.

关键词 人工智能; 直觉机理; 机器直觉; 直觉架构; 全息感知; 直觉认知; artificial intelligence; mechanism of intuition; machine intuition; structure of intuition; holographic perception; intuitive cognition;

摘要 智能制造是实现我国流程工业高效化、绿色化、高质量发展的必由之路.知识是流程工业智能制造的核心要素,知识驱动的流程工业智能制造是流程制造业发展的新模式.论文从流程制造业中知识的重要性和特点出发,综述了知识研究及应用现状.提出了知识驱动的流程工业智能制造系统框架,探讨了深度知识获取、知识注入和工业知识图谱等关键技术.通过铝电解企业智能决策过程应用案例阐明了以上关键技术在流程工业智能制造系统中的重要作用.最后给出了知识驱动的流程工业智能制造面临的挑战性问题和未来展望.

关键词 流程工业; 智能制造; 知识驱动; 工业知识图谱; process industry; smart manufacturing; knowledge-driven; industrial knowledge graph;

摘要 随着网络科学的兴起,网络上的传播动力学引起了控制论、博弈论、系统科学、人工智能、社会学、经济学、生物学、心理学、物理学、数学和计算机科学等领域的共同关注.虽然网络上的不同传播行为具有各自的传播规律,但其传播特征总是依赖于网络结构.在实际的复杂网络化系统中,个体间的交互范围不断变化,因此,理解复杂动态网络上的传播行为需要考虑传播动力学与网络演化动力学的耦合.针对当前动态网络上的传播动力学研究主要采用Monte Carlo仿真、缺乏系统理论方法的问题,我们提出随机网络拓扑更新规则,证明该规则为可逆Markov链,并给出其稳态分布,从理论上分析动态网络上的传播动力学.利用该方法,本文以合作演化、疾病传播、疫苗接种为例,给出传播行为分析,揭示动态网络上的演化博弈策略传播行为与疾病传播行为的共性与区别,有望为复杂动态网络上的传播动力学分析提供统一的理论框架.

关键词 传播行为; 动态网络; 演化博弈动力学; 疾病传播动力学; spreading behavior; dynamical network; evolutionary game theory; epidemic spreading dynamics;

摘要 信息技术的快速发展和广泛应用,为科学认识和有效调控现实世界中各类不确定性复杂系统的结构、运行与功能之间关系,提供了前所未有的工具和手段,使系统与控制科学迎来新的发展机遇.未来科学发展离不开现有研究基础及其所提供的借鉴.本文在简要回顾控制理论发展历史的基础上,主要围绕不确定性动态系统的估计、控制和博弈研究中的若干基本科学问题,重点介绍作者研究团队的相关理论进展、研究体会和疑难问题,并给出某些未来展望.本文主要内容集中在下列基本问题的理论和算法基础:经典比例–积分–微分(PID)控制、自适应学习、自适应滤波、自适应控制、反馈机制最大能力、自适应博弈、群体涌现与博弈控制系统等.值得指出,在不确定性动态系统中一般存在各种反馈回路,对其行为的观测数据通常远不满足独立性与平稳性等经典统计假设,这是对其开展理论研究的一个突出特色.

关键词 复杂系统; 控制系统; 不确定性; 反馈机制; PID控制; 自适应估计; 自适应滤波; 自适应控制; 自适应博弈; 涌现行为; 博弈控制系统; complex systems; control systems; uncertainty; feedback mechanism; PID control; adaptive estimation; adaptive control; adaptive games; emergence; and game-based control systems;

摘要 建模与仿真技术应用广泛,现已成为人们认识和改造现实世界的重要手段,而仿真系统可信与否是仿真用户十分关注的问题.随着仿真对象愈发复杂以及用户对仿真应用要求越来越高,仿真系统呈现出多种复杂特性,以致于其可信度评估面临诸多挑战.本文首先总结了国内外仿真可信度评估发展历程,并分析了复杂仿真系统的特点及可信度评估面临的问题;然后,在此基础上给出了复杂仿真系统可信度评估解决方案及应对策略;最后总结了复杂仿真系统可信度评估所面临的挑战与机遇,指出了未来研究方向.

关键词 复杂仿真系统; 可信度评估; 校核验证与确认; 仿真模型验证; 研究进展; complex simulation system; credibility assessment; VV&A; simulation model validation; research development;

摘要 在仿真科学技术领域,模型重用技术是提高建模效率和可信性的重要手段,也是当前复杂系统仿真领域的研究难点与热点.本文对模型重用的需求、分类、相关概念、特点等方面进行了分析,给出了模型重用的知识体系,从理论、方法与应用角度给出了详细说明,并总结了目前模型重用研究所存在的一些问题,最后分析讨论了未来要研究的几个关键问题.

关键词 建模仿真; 仿真模型重用; 可信性; 复杂系统; 模型生命周期; modeling and simulation; model reuse; credibility; complex system; model lifecycle;

摘要 观念动力学是近年来国际系统与控制科学领域的研究热点之一,旨在从动态系统的角度研究社会网络中观念和行为的演化.本文概述了观念动力学的研究现状和发展趋势.首先介绍了观念动力学领域的基本问题和模型.然后结合多智能体系统的相关结果,分别从个体性质、个体交互方式和个体决策过程3个方面论述了观念动力学的主要研究成果.最后,对该领域的未来发展方向作出展望.

关键词 观念动力学; 社会网络; 多智能体系统; 复杂网络; 博弈; opinion dynamics; social networks; multi-agent systems; complex networks; game;

摘要 由于原材料、设定点、外界环境等因素变化,工业过程通常具有多个运行工况.多工况过程异常监测技术是保证工业系统安全运行的有效方式,也是过程监测技术的研究热点与难点.首先,对多工况过程异常监测方法进行概述,并将多工况过程的常见处理方式归纳为整体建模、自适应建模、混合建模和多模型建模方法;其次,分别回顾了多工况平稳过程和多工况非平稳过程的研究现状,并分析了各类方法的优缺点;最后,结合实际工业系统特点,指出该领域亟须解决的问题和未来发展方向.

关键词 数据驱动; 多工况过程; 异常监测; 平稳过程; 非平稳过程; 故障检测; data-driven; multimode processes; anomaly monitoring; stationary processes; nonstationary processes; fault detection

摘要 基于深度迁移学习的工业监控方法在近年来获得了大量研究关注,特别是在以故障诊断、软测量等为代表的工业监控典型监督任务中.通过挖掘与迁移相似源域的知识来完成对目标域的建模,这类方法为实际工业场景中变工况等原因导致的跨域监控问题提供了新的思路.本文系统梳理了面向工业监控典型监督任务的深度迁移学习方法,并将其分为基于模型迁移、基于样例迁移与基于特征迁移的工业监控方法.在此基础上,对不同类方法的基本研究思想在故障诊断与软测量任务中的研究进展进行了详细阐述.随后,从实际工业场景的复杂欠数据问题、可迁移性的量化与负迁移问题、工业过程的动态特性问题等角度,指出了当前基于深度迁移学习的工业监控研究中存在的挑战,并对该领域的未来研究方向做出进一步展望.

关键词 迁移学习; 深度学习; 跨域工业监控; 故障诊断; 软测量; transfer learning; deep learning; cross-domain industrial monitoring; fault diagnosis; soft sensor;

摘要 电力系统安全仿真是面向电力系统自身故障或外部攻击等安全威胁,通过仿真实验或借助数值计算研究系统行为的技术.随着自动控制、网络通信、人工智能等信息技术的广泛应用,电力系统已发展成为物理系统与信息系统深度耦合的信息物理融合系统.物理破坏或网络攻击产生的故障在电力系统中相互关联,可跨域传播,产生新的安全威胁形态.电力系统安全仿真正在面临新的挑战.本文回顾了历史上影响广泛的电力系统安全事件;从工程安全、网络安全、信息物理综合安全3个维度,分析电力系统安全仿真的需求和技术发展,对代表性的安全仿真平台进行分类和总结;探讨电力系统安全仿真技术面临的挑战和发展趋势.

关键词 信息物理融合系统; 工程安全; 网络安全; 信息物理综合安全; 电力系统安全仿真技术; cyber-physical system(CPS); engineering safety; network security; cyber-physical integrated security; power system security simulation technology;

摘要 高速列车信息控制系统是确保整车运行安全的关键系统之一,也是高速列车高发故障的主要来源之一.实时故障诊断是提升系统运行可靠性和安全性的有效方案之一,故障注入作为检验其是否满足车载应用要求的关键技术,是实现安全、逼真模拟系统各类故障场景的重要手段.高速列车信息控制系统结构复杂,故障场景呈现出多种复杂特性,从而使实现其有效故障注入方法和技术面临诸多挑战,如故障位置不可访问、故障场景时空变迁特性复杂和系统级故障注入架构缺乏、仿真资源受限等.本文首先综述了故障注入研究现状,对比探讨了面向实时仿真的故障注入的研究意义;然后,分析了面向实时仿真高速列车信息控制系统故障注入存在的问题,并在此基础上给出了一些解决方案;最后,指出了高速列车信息控制系统故障注入未来的研究方向.

关键词 故障注入; 实时仿真; 故障诊断; 高速列车; 信息控制系统; fault injection; real-time simulation; fault diagnosis; high-speed train; information control system;

摘要 本文综述了运载火箭上升段自主制导方法 (autonomous guidance method, AGM)的发展. AGM是指一类不依赖离线规划的参考轨迹,而是实时规划满足后续飞行复杂过程约束和终端条件的飞行轨迹,从而动态计算当前制导指令的方法.该方法结合了轨迹规划和传统制导方法的优点,具有在线、动态、全局和滚动的特点.分析了不同运动体在制导控制上面临的主要挑战,提出了长征运载火箭上升段自主制导方法的两大技术体系.一是针对确定目标轨道的制导方法,也称迭代制导(iterative guidance mode, IGM);介绍了迭代制导的基本理论、基础型及增强型算法,及其在型号中应用的飞行结果.二是目标轨道与飞行轨迹的联合优化方法,主要应对推力下降的典型故障;介绍了基于目标函数触发(state triggered indices, STI)的在线优化方法,以及以STI和IGM为基础进行自主任务重构的算法.论文还提出了未来的研究方向,包括多级分层优化,以及基于自主制导方法的新型闭环控制系统架构,以进一步增强上升段飞行的自主性和故障适应性.

关键词 迭代制导; 自主制导; 在线规划; 自主任务重构; 多级分层优化; iterative guidance mode(IGM); autonomous guidance method(AGM); online planning; autonomous mission reconstruction; multiple graded optimization(MGO);

摘要 嫦娥四号工程首次实现人类探测器在月球背面着陆和巡视探测,在国际月球探测史上树立了新的里程碑.本文简要介绍了国际月球探测态势,回顾了嫦娥四号工程的实施历程,对工程在地–月中继通信、月球背面高精度着陆、空间同位素电源研制等方面所实现的重要技术突破进行了阐述,并总结了在月球背面形貌、矿物组分和环境探测等方面已取得的多项原创性科学研究成果.本文可为后续深化月球和行星领域探测与科学研究提供借鉴.

关键词 嫦娥四号; 技术突破; 科学进展; 设计与分析; 任务实现; Chang'e-4; technological breakthrough; scientific achievement; design and analysis; mission implementation;

摘要 无人机是人工智能的重要载体,在国家安全和国民经济建设领域发挥着十分重要的作用.随着无人机任务复杂程度不断提升、反无人机技术不断发展,无人机事故日益增多,其安全问题凸显,解决无人机安全问题已经刻不容缓.本文结合国家科技发展需求,总结了干扰估计与故障诊断、抗干扰控制、容错控制、任务重构等关键技术领域的研究现状与难题,并提出可能的解决思路.从控制学科的角度初步探讨了无人机安全控制系统构架,重点强调了干扰、对抗和故障等复杂极端环境下无人机的动态行为表征、因果与溯源分析、能力量化与评估、"小回路"智能检测、"全回路"优化控制、"任务–控制"一体化设计等.建议未来重点逐步从控制理论和算法的研究拓展到无人机安全控制软件、芯片,以及系统的研制,服务于国家重大需求和工程实践.

关键词 无人机安全控制; 干扰估计; 故障诊断; 抗干扰控制; 容错控制; 高可靠自动驾驶仪; 任务重构; UAV safety control; disturbance estimation; fault diagnosis; anti-disturbance control; fault-tolerant control; highly reliable autopilot; task reconfiguration;

摘要 无人–有人机协同是适应无人机快速发展,提升对抗条件下无人机实战化能力的必由之路;是实现优势互补,形成新型高效作战体系的有效途径;也是确保武器控制在人手中的重要保障.无人–有人机协同运用的核心是协同控制,即通过人(飞行员)最小监督下无人机与有人机的自主协同,达成"1+1> 2"的作战效能.本文分析了无人–有人机协同控制的发展现状,基于"观察–判断–决策–行动(OODA)"任务回路,针对内回路的多机自主协同、外回路的人机智能协同,系统梳理了协同控制技术体系,并展望了下一步的研究重点.

关键词 无人–有人机系统; 协同控制; 自主协同; 智能协同; 分布式体系架构; manned-unmanned aircraft systems; cooperation control; autonomous cooperation; intelligent operation; distributed architecture;

摘要 无人机感知与规避技术是实现未来无人机空域集成应用的核心技术之一,也是无人机自主化、智能化的重要标志.近年来无人机感知与规避相关政策法规、技术研究和系统设计都取得了大量的工作进展.本文从无人机感知与规避的概念、核心技术和系统设计3个方面进行了综述.针对无人机感知与规避的概念,从政策法规和技术内涵两方面进行了介绍;针对无人机的核心技术,从无人机的环境感知、路径规划与机动技术两方面介绍了国内外代表性的工作进展;在系统设计方面,针对大、中型无人机和小、微型无人机在系统属性、应用场景和操作方式上的诸多差异分别提出了相应的感知与规避系统安全等级定义,并分别给出了层级式和响应式的感知与规避系统架构.最后,从政策标准发展、技术研究和系统设计测试3个方面对无人机的感知与规避系统进行了展望.

关键词 无人机; 环境感知; 障碍规避; 路径规划; 机动控制; unmanned aerial vehicle; environment sensing; collision avoidance; path planning; maneuver control;

摘要 高精度定位与导航是实现无人机自主飞行、高效侦察与精确打击的关键技术之一.景象匹配视觉导航技术因其设备结构简单、被动式、定位精度高等特点,能与惯性系统组合构成自主性很强的高精度导航系统.通过分析当前基于景象匹配的无人机视觉导航技术研究现状,发现国外研究主要集中于单独利用视觉图像信息进行飞机姿态、导航信息提取以及联合IMU等传感器的组合导航系统;国内该领域的研究鲜见报道,但对该技术所涉及的惯性组合导航、视觉/激光测距三维地图重建、视觉导航着陆应用等技术进行了大量研究.本文总结了无人机景象匹配视觉导航技术的特点、分类与研究方法,得出在不同时间、不同视角、不同光照、不同分辨率、不同平台以及不同传感器等条件下,在高精度、强实时、鲁棒、连续视觉导航任务中,无人机景象匹配视觉导航需突破的关键技术.

关键词 无人机; 视觉导航; 景象匹配; 图像匹配; 惯性导航; unmanned aerial vehicle; visual navigation; scene matching; image matching; inertial navigation;

摘要 作为移动机器人的核心技术之一,导航技术涉及感知、决策、控制等多层架构,包含建图、定位、规划等主要模块,兼容经典控制与机器学习等多样算法,其相关研究涉及面广,时间跨度大,联系较为不明显.为梳理不同工作间关联,帮助快速了解移动机器人导航技术发展与挑战,本文从“导航”的词语释义与数学描述出发,以“导”与“航”两个主要目标为线索贯穿全文.通过分析不同环境下的导航应用局限,探究环境的空间复杂性与时间不确定性对导航技术产生的影响,阐明复杂场景应用下的研究现状与关键挑战.全文借助对近几十年来相关文献的归类梳理,寻找不同研究间的相关联系、研究初衷以及可能方案,拟在帮助读者加深对导航技术理解的同时,为后续研究提供思路参考.

关键词 移动机器人; 导航技术; 导航效率; 导航安全; 复杂环境; mobile robot; navigation technologies; navigation efficiency; navigation safety; complex environment

摘要 模块化机器人具备鲁棒、低成本和多功能性等优势,近年来得到研究人员的广泛关注,并在多领域不断替代或拓展传统的单体机器人.随着模块化机器人技术的发展,以及其与泛在计算、群体智能等前沿技术的紧密融合,将不断拓展在太空探测、智能制造、灾难救援等领域的应用,成为人机物三元融合空间中无处不在的新型智能终端.本文基于泛在计算新视角,对近年来群智模块化机器人领域的工作进行了系统性研究,构建并拓展其概念空间体系,阐释其自重构、自组织、自适应、持续演化等六大关键技术及最新发展趋势,进而介绍其在典型领域的创新应用.最后,对群智模块化机器人的未来发展方向及开放性挑战进行了分析和展望.

关键词 模块化机器人; 群体智能; 泛在计算; 自重构; 自组织; modular robots; crowd intelligence; ubiquitous computing; self-reconfiguration; self-organizing

摘要 无人机是多样化的民生应用及临地安防技术领域的重要成员,“无人机到底能飞多久?”这个疑问已经在行业内引起了广泛的思考.作为无人机的心脏,其动力系统与无人机的飞行性能有着重要的关系,已成为航空领域最重要的发展方向之一.根据无人机动力系统的分类,本文分析了油动无人机、电动无人机、光动无人机的研究现状以及需要解决的技术问题,并特别关注了如何通过信号处理的方式达到智能飞行器长航时的目标,为无人机的续航能力及其动力的发展提供参考.

关键词 无人机; 智能飞行器; 续航能力; 油动无人机; 电动无人机; 光动无人机; UAVs; intelligent aircraft; endurance; oil-powered UAVs; electric UAVs; optics-driven UAVs;

摘要 自主搜寻在环境保护、灾后搜救和工业监控等方面有重要作用.无人机传感平台凭借其灵活的机动性成为实现自主搜寻的有效途径之一.针对自主搜寻中两个关键任务,即污染源定位和污染边界跟踪,本文分别梳理了相关算法体系,并揭示了其设计思想的本质.对于污染物溯源,控制驱动和信息驱动两类算法是目前的研究主流,但两者的结合却鲜有报道.在边界跟踪方面,本文从单平台和多平台协作两方面总结了现有文献的控制和估计方法.根据双重控制思想,本文分析了相关算法的设计思路,并展望了下一步的研究重点.

关键词 自主搜寻; 无人机; 污染源搜寻; 边界跟踪; 双重控制; 探索与利用; autonomous search; UAV; source seeking; boundary tracking; dual control; exploration and exploitation;

摘要 在人工智能与"新基建"推动的技术变革背景下,面向灾害救援、突发公共事件、应急处理等高危行业,推进无人平台的智能化升级,对保障人民的健康安全,提升国家应急和治理能力具有重要的意义.本文对面向反恐、救灾、应急等高危行业的无人平台智能化发展的特点和现状进行分析,对基础理论、关键技术、重大装备和人才培养等4个方面的国内外现状和发展趋势进行总结,结合我国面向高危行业的无人平台智能化发展的现状、需求和不足,提出未来基础理论、关键技术、重大装备、人才培养等方面需要攻克和解决的挑战和问题,提出面向高危行业的无人平台智能化发展的战略规划与顶层设计的建议.

关键词 高危行业; 无人平台; 智能化发展; 人工智能; 对策建议; high-risk industry; unmanned platform; intelligent development; artificial intelligence; strategy and suggestion;

摘要 专利分析是竞争情报分析的重要形式之一,是指跟踪、研究、分析某一技术领域及竞争对手的专利发明,形成总揽全局及预测功能的竞争情报,从而为国家和企业的产业发展,技术布局及服务开发中的决策提供参考.本文从专利检索和分析角度,对自动驾驶汽车安全相关的专利技术进行调研和研究.首先通过专利检索,利用专利申请国别、申请人、专利分类号等信息,梳理自动驾驶汽车安全领域发展的脉络走向.其次,结合专利具体技术内涵,从自动驾驶汽车的被动安全、功能安全、预期功能安全、行为安全和信息安全等5个方面,阐述自动驾驶汽车安全领域的技术现状、专利布局策略和发展趋势.本文从专利视角绘制了自动驾驶安全关键技术研发路线,对自动驾驶汽车安全技术开发和布局有一定的借鉴意义.

关键词 自动驾驶汽车; 安全技术; 安全体系; 专利分析; 技术布局; automated driving vehicle; safety technology; safety system; patent analysis; technology layout;

摘要 近年来, SARS病毒和MERS冠状病毒等全球传染性疫情频繁发生, 2019年12月至2020年5月7日,新冠肺炎(COVID-19)疫情已造成世界范围内210多个国家的370多万人感染,其中超过26万人死亡.此次疫情严重影响了人民生命安全、社会正常秩序和经济稳定发展,因而探索和实施面向重大传染病的新型防控方案迫在眉睫.随着机器人和人工智能技术的发展,复杂场景下的多类型应急防控智能机器人应运而生,并在疾病防控、排查诊断及治疗护理中扮演着至关重要的角色.本文以重大疫情防控过程中面临的物资供给不足、消毒任务繁重等问题为切入点,研究了医用物资搬运机器人、多场景消毒机器人、医护辅助机器人、排查防控机器人、复工复产机器人等系统方案和应用情况,并对环境感知、自主导航、运动规划、5G通信技术等多项疫情应急防控机器人关键技术的现状进行了对比分析.最后,对面向重大疫情应急防控智能机器人系统的前景提出了技术展望.

关键词 疫情应急防控; 疫情机器人; 环境感知; 自主导航; 运动规划; 5G通信技术; emergency prevention and control; outbreak robot; environment awareness; autonomous navigation; motion planning; 5G communication technology;

摘要 本文在综述太阳系边际探测的发展历程和现状基础上,基于太阳系边际探测的发展趋势,阐释了太阳系边际探测的4类科学目标,提出了我国太阳系边际探测的总体目标、阶段目标及近期探测任务设想,给出了应重点研究和突破的6类关键技术,为我国太阳系边际探测的论证与实施提供参考.

关键词 太阳系边际; 日球层; 恒星际; 探测器; 太阳风; 星际介质; 发展路线; Solar system boundary; heliosphere; interstellar space; spacecraft; solar wind; interstelar medium; development roadmap;

摘要 自重构模块化机器人指由一系列通用模块组装而成、能够根据所处环境或任务的变化依靠模块间的相互通信和自主运动重组为另一种适应新环境、新任务构型的机器人,对它的研究近年来已成为学术界和工业界关注的热点.模块化机器人的自重构过程在数学建模上,可以归约到在其所能表达的构型空间中的两个构型之间找到一条满足某种条件的最优路径.本文围绕自重构模块化机器人的路径规划方法,从单个模块的运动方式、实现运动所需的模块硬件结构、多个模块整体间的组织方式、构型空间表示方法以及路径规划算法这5个层次,对国际上已有代表性工作进行总结分析,并在此基础上指出现有工作中存在的问题与挑战,提出可能的发展方向并对以后的工作作出展望,为研究人员系统性地了解自重构模块化机器人路径规划方法的现状以及开展后续研究提供了思路.

关键词 模块化机器人; 自重构; 路径规划; NP完全问题; 近似算法; 计算几何; modular robots; self-assembly; path searching; NP-complete problems; approximation algorithms; computational geometry;

摘要 康复机器人是人机强耦合的系统,柔顺、安全的人机交互性能对于改善康复训练效果具有重要意义.现有人机交互控制方法研究主要涉及人体运动意图识别与交互控制策略等方面.人体运动意图识别一般基于生物电信号或交互力/力矩,而交互控制策略主要包括虚拟隧道、阻抗控制以及功能性电刺激.稳定、安全的人机交互是确保机器人辅助康复训练顺利执行,避免患者受到二次伤害的必要前提.本文对上述问题进行充分综述,并对存在的问题做了深入分析.

关键词 康复机器人; 交互控制; 表面肌电信号; 脑电信号; 动力学模型; 阻抗控制; 功能性电刺激; 稳定性; rehabilitation robot; interactive control; surface electromyographic; electroencephalogram; dynamics model; impedance control; functional electrical stimulation; stability;

摘要 近年来,自主水下机器人(autonomous underwater vehicle,AUV)一直是水下机器人(unmanned underwater vehicle,UUV)领域的研究热点,已经在海洋科学研究、海洋资源调查和海洋安全保证等方面得到了广泛的应用.在国家和有关部门的支持下,我国深海AUV在技术上取得了重要突破,开展了较大规模的航次应用,在多种深海资源调查领域中发挥了不可替代的作用.本文简要介绍了国外自主水下机器人研究现状,重点介绍了我国深海AUV的研究现状和应用成果,并展望了我国深海AUV的未来发展趋势.

关键词 自主水下机器人; 水下机器人; 海洋资源调查; AUV; UUV; marine resources investigation;

摘要 随着水下机器人技术的飞速发展,水下搜寻与救捞朝着精细作业方式发展.本文将搜救流程分解为大面积声学扫描与疑似点标识、近底声学成像与疑似点辨认、坐底声学精确定位与标志物投放、目标近距离观察与挂钩救捞/海底非开挖穿缆工程与织网救捞4个阶段,综述了各阶段所采取的搜寻与救捞方法、需要的搜寻与救助工具、搜救载体,以及国内外的典型成功案例.

关键词 水下搜救; 水下机器人; ROV; 声呐; 作业工具; underwater search and salvage; underwater robot; ROV; scanner; work tool;

摘要 由于海洋环境中温度、压力、波浪、海洋生物等因素的影响,致使绝大部分陆地无线传感器网络定位技术无法直接应用于水下传感器网络,需要结合其独特的海洋声传播环境进行研究.近十年来,水下传感器网络定位技术取得了巨大的进步,本文综述了水下传感器网络定位技术的研究现状,探讨了水下传感器网络定位技术中的若干前沿问题,并展望了水下传感器节点定位技术在近几年内预期能够解决的现实问题.

关键词 水下传感器网络; 定位; 通信; 网络定位节点; 水下信号传播; underwater wireless sensor networks; localization; communication; network positioning node; underwater signal propagation;

摘要 随着车联网(Internet of vehicles, IoV或vehicle to everything, V2X)技术推动汽车行业和交通行业的智能化、网联化进程加快,车联网安全问题日益严峻.区块链(Blockchain, BC)作为分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等技术的集成应用,为车联网安全提供新的解决思路.本文对基于区块链的车联网安全研究展开综述,首先汇总了现有的车联网安全威胁和防护手段;其次梳理了区块链和车联网结合的研究价值;然后分析了当前基于区块链的车联网安全关键技术;接着从通信安全、数据安全、应用安全3个角度重点阐述了现有基于区块链的车联网安全防护手段和方法,并总结了现有的基于区块链的新型车联网安全体系架构;最后展望了基于区块链的车联网安全的未来发展方向和研究重点.

关键词 车联网安全; 区块链; 通信安全; 数据安全; 应用安全; IoV/V2X security; Blockchain; communication security; data security; application security;

摘要 随着第五代移动通信系统(5th generation wireless systems, 5G)及其演进系统的商用和其在物联网、车联网等垂直领域的融合发展,其安全问题越来越受到关注.本文从潜在威胁、安全架构和安全技术3个方面阐述了相关研究进展.首先,根据攻击者对系统有效性、信息完整性、身份认证、隐私和机密性保护的不同安全目标,将5G潜在的安全威胁进行了分类,分析了各个层次可能面临的威胁与攻击手段.其次,简述了相关标准中的5G安全架构,讨论了5G及其演进系统潜在的物理层、网络层和应用层安全技术.最后,本文指出了未来继续提升5G及B5G安全的潜在研究方向.

关键词 5G安全; 5G演进; 系统架构; 安全威胁; 物理层安全; 5G security; beyond 5G; system architecture; security threats; physical layer security;

摘要 射频功率放大器是发射机的核心器件之一,它在提供高效率的同时也成为了发射机非线性失真的主要来源.因此,发射机往往采用额外的功放线性化技术以兼顾效率和线性度,其中,数字预失真技术以其高精度、稳定、可灵活配置等优势成为目前应用最广泛、应用效果最好的一类线性化技术.本文从数字预失真的基本原理和关键技术出发,回顾了数字预失真技术近三十年的发展历程,探讨了目前数字预失真发展面临的关键技术挑战,为今后的研究提供了参考.

关键词 无线通信; 射频功率放大器; 数字预失真; 行为建模; 发展趋势; wireless communication; RF power amplifier; digital predistortion; behavioral modeling; development trends;

摘要 电磁超材料是由亚波长单元周期或非周期地排列而组成的人工电磁结构,可通过设计结构单元及其排布自由地控制电磁波,是信息领域的研究热点之一.本文介绍了东南大学毫米波国家重点实验室从事电磁超材料研究的历史和最新进展,主要分为3个发展阶段.第1阶段发展了等效媒质超材料,提出了超材料结构的等效媒质一般性理论,实验验证了宽带地面隐身衣、电磁黑洞、电磁幻觉及各向异性零折射率等奇特物理现象及功能器件,并在超材料变换光学透镜、平板透镜天线,以及宽带电磁隐身表面等方面获得了应用.第2阶段开拓了基于人工表面等离激元(surface plasmon polariton,SPP)传输线的微波领域新方向,提出一种超薄、低损耗、条带式的SPP传输线,能在共形曲面上传输无畸变的SPP波;基于此,研制了一系列微波SPP无源器件、SPP放大器和倍频器,以及SPP天线,构建了首个全SPP无线通信射频收发系统,在间距为深亚波长的两个通道上实现了两个独立视频无干扰的超视距传输.第3阶段创建了信息超材料新体系,提出用数字编码表征超材料的新思想,通过控制不同的数字编码序列实时地调控电磁波,实现了超材料的现场可编程功能;提出在信息超材料的物理平台上进行信息熵操作及相关的数字卷积定理和加法定理,在物理空间上构筑起数字空间,实现了对电磁波和数字信息的同时调控;基于此研制了新架构的微波成像系统、无线通信系统和智能感知系统.

关键词 电磁超材料; 等效媒质; 表面等离激元; 数字编码; 现场可编程; 信息超材料; 信息系统; electromagnetic metamaterial; effective-medium model; surface plasmon polaritons; digital coding metamaterial; field programmable; information metamaterial; information system;

摘要 本文围绕高分辨率对地微波成像雷达对天线高效率、低剖面和轻量化的迫切需求,分析研究了有源阵列天线的特点、现状、趋势和瓶颈技术,针对对集成电路后摩尔时代的发展预测,提出了天线阵列微系统概念、内涵和若干前沿科学技术问题,分析讨论了天线阵列微系统所涉及的微纳尺度下多物理场耦合模型、微波半导体集成电路、混合异构集成、封装及功能材料等关键技术及其解决途径,并对天线阵列微系统在下一代微波成像雷达中的应用进行了展望.

关键词 天线阵列微系统; 微电子; 混合集成; 封装材料; 微波成像雷达; antenna array microsystem; microelectronics; hybrid/heterogeneous integration; packaging materials; microwave imaging radar;

摘要 涉水光学(water-related optics)主要研究光与水的物质相互作用机理及光的跨介质传播机理,解决与涉水光学数据智能获取、信息传输及智能信号处理有关的各种问题,探索光学在涉水领域中应用的科学,是临地安防(vicinagearth security, VS)体系中水下安防的重要学科支撑.近年来,随着光学技术和智能科学的快速发展,光学在水体中的应用日渐突出,涌现出大量的涉水光学新理论、新技术,同时面临着新的机遇与挑战,对我国领水的防卫、防护、生产、安全、救援等具有重要的意义.本文系统介绍了光学技术在涉水领域中的数据获取、信息传输及智能信号处理,包括涉水光学中的传感、测量、成像、探测、通信、智能信号处理等研究方向.本文对现有涉水光学理论和技术进行了深入的思考,针对现有的科学技术现状,分析了涉水光学当前所面临的挑战,并展望了涉水光学的未来发展趋势.

关键词 光与水相互作用; 智能科学; 海洋光学; 水下光学; 认知计算; 水下安防; 临地安防; light-water interaction; artificial intelligence; ocean optics; underwater optics; cognitive computing; underwater security; vicinagearth security

摘要 光纤通信作为二战以来最有意义的四大发明之一,奠定了网络信息传输的基石,承载了全球90%以上数据流量,但预计其未来20年将遭遇"传输容量危机".本文围绕超高速率、超大容量、超长距离、超宽灵活、超强智能(ultra-high speed, ultra-large capacity, ultra-long distance, ultra-wideband flexibility, and ultra-powerful intelligence, 5U)这5个光纤通信的发展维度开展研究,在回顾了其50多年发展历程的基础上,对近10年来所取得的一系列最新进展进行了全面综述,并就未来10年甚至20年的演进趋势做出展望.

关键词 光纤通信; 光传输; 光网络; optical fiber communication; optical fiber transmission; optical network;

摘要 以深度学习为代表的人工智能技术已被广泛应用于遥感图像解译中.相比自然场景图像,遥感图像具有载荷类型多、成像机理差异大等特点,使得现有面向单传感器、纯数据驱动的智能解译方法应用到不同模态数据时,性能上限难以突破.尤其在面向多传感获取的、大范围的、目标种类较多的复杂应用场景时,实际性能受限更为严重.本文主要对遥感智能解译结合多模态数据和多任务学习的研究工作进行综述,重点从基本概念、研究方法和应用场景3个方面进行展开.并且介绍了基于分域提取和跨域融合理念设计的模型架构,通过从海量多模态数据中提取通用特征,实现单个基础模型完成多类下游任务的泛化解译,在不同模态解译任务中表现优异,并实际应用推广.最后,对遥感多模态多任务学习未来技术发展方向进行展望.

关键词 深度学习; 多模态; 多任务学习; 基础模型; 自监督训练; deep learning; multi-modal; multi-task learning; foundation model; self-supervised training;

摘要 目标微动对雷达回波产生的调制特征蕴含了目标精细结构及运动信息,从雷达回波中挖掘提取目标特有的微动信息并实现目标识别是雷达领域的重要方向.本文在结合雷达回波调制规律的基础上,从雷达目标微动表征、估计与识别三方面进行综述;针对现有微动目标表征精度有限、参数估计鲁棒性差、识别特征信息单一问题,重点阐述了稀疏时间–频率–调频率表征、新型变换域估计统计量、基于网络的特征融合识别等具有代表性的新兴微动信息提取方法;最后对雷达目标微动特性研究进行了总结与展望.

关键词 微动; 参数估计; 目标识别; 稀疏时间-频率-调频率表示; 变换域统计量; 神经网络; micro-motion; parameter estimation; target recognition; sparse time-frequency-frequency rate representation; statistics in the transform domain; neural network;

摘要 分子通信是一种利用信息粒子的特性来传递信息的通信方式,可用于常规信号载体(如电磁波)受限的场景.目前的研究以理论分析为主,而用于验证理论成果并推进实际应用的原型机实验仍然较少.本文首先介绍了分子通信系统的定义,描述了发射机、信道和接收机模型;着重按信道类型回顾了现有的宏观尺度原型机研究及其对应理论成果;最后,根据理论模型与原型机实验结果的区别,指出理论研究的局限、原型机实验的必要性,以及未来研究方向.

关键词 扩散; 流体力学; 宏观尺度; 分子通信; 原型机; diffusion; fluid dynamics; macro-scale; molecular communication; prototype;

关键词 第六代移动通信技术(6G)，信道编码，多址，波形，智能超表面，智能MIMO

关键词 6G,星地融合移动通信,多波束协同,弹性可重构网络架构,频谱共享,移动性管理,天基计算

关键词 6G, 信道测量, 信道特性, 信道建模, 人工智能, 数字孪生, 通信感知一体化, 超大规模MIMO, 可重构智能超表面, 空-天-地-海通信

关键词 业务网络, 按需服务, 全场景, 智能内生, 协作共享, 大模型, 6G

关键词 太赫兹通信, 通信感知一体化, 一体化架构, 一体化波形, 一体化组网

关键词 6G, 全场景按需服务, 知识, 意图驱动网络, 人工智能

关键词 超可靠低时延通信, 有限块长, MIMO 传输, 二维空时信道编码, MIMO 一体化接收机

关键词 双碳; 绿色通信; 双网融合; 绿色网络架构; 节能减排

摘要 无线感知已成为通信产业界广泛公认的、下一代无线网络中的原生能力.通信感知一体化将通信和感知功能集成在同一个无线系统中,能够提高资源利用率,减少基础设施开销,并增强通信和感知各自的性能.通信与感知间的性能折衷是通感一体化的关键基础理论问题之一.本文首先指出通感性能极限和可达性能边界是研究通感性能折衷的重要手段,然后从容量–失真理论、基于均方误差的通感性能边界理论、基于感知等效速率的通感性能边界理论,以及面向目标检测的通感性能边界理论4个方面出发,对相关的当前研究进展进行了详细总结与分析.文中指出通感性能折衷可进一步划分为确定–随机折衷和子空间折衷,并详细讨论了现有研究工作中与之相关的结论.在此基础上,讨论了基于实际的5G NR协议与帧结构的通感性能边界理论.最后,本文对通感一体化的信息理论极限中仍需关注和进一步研究的开放问题进行了总结.

关键词 通信感知一体化; 信息理论极限; 通感性能折衷; integrated sensing and communications; information-theoretic limits; performance tradeoff between communication and sensing

摘要 融合感知、通信、计算技术的自动驾驶,其重要任务是实现高安全和高效率的车辆调度,但目前单车和联网两种自动驾驶方案还难以保障这两方面性能.借鉴轨道交通的强控制性,基于感通算融合构建的导轨式自动驾驶系统,即无线虚拟导轨,是实现安全和高效自动驾驶的一种潜在方案.无线虚拟导轨中,系统统一为车辆规划行车轨迹和控制策略,即虚拟导轨,通过移动网络实时引导车辆沿虚拟导轨行驶.本文给出了无线虚拟导轨的系统架构,介绍了各级功能与组成,综述了系统实现的三大关键技术:集中式分级管控技术、高可靠低时延无线通信技术和高精度车辆定位技术.针对高精度车辆定位技术,本文综述了5种定位实现方案,及定位器件部署策略和适用场景.无线虚拟导轨有望实现安全高效的自动驾驶,为未来车辆自动驾驶发展提供参考.

关键词 自动驾驶; 感通算融合; 无线虚拟导轨; 集中式分级管控; 高可靠低时延通信; 高精度定位; autonomous driving; communication-sensing-computing integration; autonomous driving with virtual rail; centralized controlling with hierarchical architecture; ultra-reliable and low latency communications; high-precision positioning;

摘要 近年来,共生散射通信因其在频谱与能量域的互惠共享特性而受到广泛关注,为解决6G面临的频谱与能耗问题提供了潜在方案.在该技术中,次系统利用主系统的频谱及射频信号实现被动式反向散射通信,而次系统的传输为主系统提供额外的多径效应,有望提升主系统的性能.本文首先介绍共生散射通信的基本概念及技术原理,然后从信息论基础、接收机设计、资源配置,以及多用户接入4个方面综述该技术的研究现状.在此基础上,讲述可重构智能表面(reconfigurable intelligent surface,RIS)在共生散射通信系统中的应用,分析并总结了引入RIS为共生散射通信带来的性能增益.最后介绍了融合共生散射通信的6G架构及应用前景,并探讨了共生散射通信面临的技术挑战.

关键词 6G; 共生散射通信; 可重构智能表面; 互惠共生; 频谱效率; 能量效率; 6G; symbiotic backscatter communications; reconfigurable intelligent surface; mutualistic symbiosis; spectrum efficiency; energy efficiency;

摘要 大规模机器通信作为第五代移动通信系统的三大应用场景之一,也是支撑未来第四次工业革命的关键技术.其主要通过部署大量的机器设备,以实现智能型社会.由于低功耗要求,人们引入了免授权随机接入来减少设备与基站间的信令交互过程.加之无线电资源的匮乏,如何实现大规模机器设备的免授权随机接入成为挑战.在B5G以及6G中,这一挑战将变得尤为显著.因此有必要研究出一种行之有效的多址接入技术.串联扩频多址技术是一种实现大规模机器设备高效连接的新型非正交多址接入技术,并且能够以较低的复杂度实现高连接性和高可靠性.本文首先综述了大规模机器通信的特点及多址技术的研究现状.然后,介绍了串联扩频多址技术的收发机设计和性能权衡性分析.最后,介绍了串联扩频多址技术的研究进展和应用进展.

关键词 大规模机器通信; 非正交多址; 串联扩频多址; B5G; 6G; mMTC; NOMA; TSMA; B5G; 6G;

摘要 本文从Shannon信息论及其扩展形式的角度,探讨未来6G移动通信系统性能提升的潜能.首先,对经典Shannon信道容量及传输性能折中理论框架进行了概括,并探讨了其在当代移动通信系统中应用的局限性.其次,对Shannon信息论的多输入多输出(MIMO)扩展形式进行了论述,指出了其在当代移动通信系统发展中所扮演的基础性作用;鉴于Shannon信息论及其MIMO扩展形式均为非构造性的,文中还分别讨论了信道容量构造性逼近的两种重要途径—信道极化和特征模式无线传输.然后,围绕更高的频谱效率与功率效率、更高的可靠性与更低的时延、更高的频段等6G技术发展需求,从基础理论的角度探讨其性能进一步提升的潜能,主要结论包括:通过引入更多的天线、无蜂窝网络构架创新,以及分块长度–差错概率–传输速率–最小天线数等关键参数的有效平衡等途径,未来6G技术仍然具有较大的提升潜能,但需要在系统性能与部署成本之间进行折中,并有针对性地有效获取高频段MIMO信道容量.最后本文对涉及未来发展的若干基础性问题进行了总结.

关键词 Shannon信息论; MIMO; 6G移动通信; 无蜂窝; 高可靠与低时延; Shannon theory; MIMO; 6G mobile communications; cell free; uRLLC;

摘要 本文从移动通信演进规律和泛在性出发,研究第六代移动通信系统(sixth generation, 6G).在前期引入代表智慧或意识的"灵"的基础上,提出6G信息交换中枢Ubiquitous-X网络,使人–机–物–灵的新通信对象全面协作和融合于现有网络,以构建未来的6G网络.针对Ubiquitous-X网络构架面临的信息密度非均匀增长导致的传播非线性、信息维度增加导致的信息空间高维性、承载服务差异化导致的信息处理复杂性3大挑战,借鉴复杂系统耗散理论和信息负熵促进有序的思想,给出设计与优化Ubiquitous-X网络的演进范式和核心技术,为6G研究提供参考.

关键词 移动通信; 网络构架; 人–机–物–灵; 泛在性; 耗散理论; mobile communication; network architecture; human-machine-thing-genie; ubiquity; dissipative theory;

摘要 第5代移动通信(5G)技术将为移动互联网的快速发展提供无所不在的基础性业务能力,在满足未来10年移动互联网流量增加1000倍发展需求的同时,为全行业、全生态提供万物互联的基础网络技术.相对已有的移动通信技术, 5G技术适用面更为广泛,系统设计也更为复杂.重新复兴的人工智能(AI)技术为5G系统的设计与优化提供了一种超越传统理念与性能的可能性.本文在概述5G移动通信关键技术的基础上,梳理了AI技术在5G系统设计与优化方面富有发展前景的若干发展方向,并给出了有关5G网络优化、资源最优分配、5G物理层统一加速运算以及端到端物理层联合优化等若干典型范例.

关键词 5G移动通信; AI技术; 网络优化; 资源分配; 统一加速; 端到端联合优化; 5G mobile communication; AI techniques; network optimization; resource allocation; unified acceleration; end-to-end joint optimization;

摘要 随着认知无线电、软件定义网络、认知网络,以及雷达通信系统抗干扰、低截获等技术的发展和装备部署应用,战场电磁频谱环境的复杂程度呈现几何倍数的增加.如何提高电子战"感知环境(observe)–适应环境(orient)–做出决策(decide)–采取行动(act)"(OODA)环路速度,实现电磁敏捷,是电子战应对未来复杂战场环境挑战需要解决的关键科学技术问题.人工智能理论与电子战相结合,形成具有认知能力的电子战系统,将极大提高电子战系统对威胁信号的感知、干扰决策和干扰效果评估能力,缩短对未知威胁的干扰反应时间,加快电子战OODA环路速度,提升电子战系统的作战能力.

关键词 人工智能; 机器学习; 认知; 电子战; artificial intelligence; machine learning; cognition; electronic warfare;

摘要 人类社会正迎来大数据时代,对数据传输速率的要求越来越高,迫切需要发展高集成度、高速率的新型互连技术,满足每秒太比特甚至更高速率数据传输需求.传统平面集成互连技术,如微带线、带状线、共面波导等,采用开放式结构,受带宽与损耗限制,其时延、衰减、串扰等信号完整性问题在数据速率达到每秒吉比特以上时非常严重,无法满足传输需求.为了提高传输速率,在传统互连技术基础上,可采用串行链路与差分技术,均衡与预加重技术等,但仍无法从根本上解决互连的高速数据传输问题.基片集成波导技术作为一种新型的平面集成互连结构,兼具传统平面集成互连的易集成与波导的宽频带、低损耗与低串扰优点,近些年来逐渐在高速互连技术中得到应用,实现了高速率的数据传输.本文详细介绍了各种新型基片集成波导互连的物理结构与传播特性、传输模式与机制,以及已实现的数据传输速率,其中包括了作者近几年的一些最新研究成果.按照传输模式不同,基片集成波导互连主要可以分为3类:TE模式的基片集成波导互连(substrate integrated waveguide,SIW)、TEM模式的基片集成同轴互连(substrate integrated coaxial line,SICL),以及混合模式的基片集成波导互连.TE模式SIW互连为带通信道,需对基带信号进行调制方可进行传输.SIW互连系统引入调制技术增加了传输复杂度,但多种调制技术的灵活运用可以增加信道利用率,从而提高数据传输速率.SICL互连采用TEM模式,不需调制解调,并且准封闭式结构保证了良好的信号完整性.混合模式的SIW互连通过共享导体或介质,集成了SIW与其他结构互连,可同时传输TEM模式与TE10模式.按照物理通道数分类,基片集成波导互连又可分为单物理通道单路信号传输、单物理通道多路信号并行传输、多物理通道多路信号并行传输.单物理通道单路信号传输,采用单个物理信道,基于单模或多模方式传输一路信号.单物理通道多路信号传输,则采用单个物理信道,通过多种模式或复杂调制技术传输多路信号.多物理通道多路信号并行传输,采用多个物理信道,基于单模或多模方式并行传输多路信号.各种新型基片集成波导互连的提出,为实现高速率的数据传输提供了关键技术与解决方案.

关键词 基片集成波导; 基片集成同轴线; 互连; TEM模式; TE模式; 高速数据传输; substrate integrated waveguides; substrate integrated coaxial line; interconnects; TEM mode; TE mode; high-speed data transmission;

摘要 天地一体化信息网络是国家面向2030的重大科技工程,现有的基础架构及由此构建的技术体系在其节点高性能处理、网络高效互联、一体化安全防护等方面面临诸多挑战.本文从拟态技术应用的角度出发,在分析天地一体化信息网络面临的技术挑战和现有技术思路的基础上,提出将拟态计算、拟态防御和软件定义互连技术应用到天地网络架构、关键信息系统中的设计思路与应用构想,相关技术思路和设计可为高速、高效、灵活、安全的天地一体化信息网络建设提供参考.

关键词 天地一体化信息网络; 拟态防御; 拟态计算; 软件定义互连; space-ground integration information network; mimic defense; mimic computing; software-defined interconnection;

摘要 芯片与微电子系统是现代电子信息与智能技术的基础,芯片由集成电路(integrated circuits,IC)技术实现,而微电子系统则可由本文提出的集成系统(integrated systems, IS)技术实现.集成系统概念的提出参照了集成电路的思想,并基于以下4方面原因:首先,集成电路是手段,系统才是目的,单个集成电路往往不具备系统功能,需要与其他电路或元器件相结合才能构成系统.其次,标准硅基集成电路的摩尔定律已面临挑战.第三,微电子系统的前道芯片设计加工与后道封装集成逐步收敛.最后,目前的封装集成技术采取分立的实施步骤.集成系统研究如何将各种不同材料、不同工艺、不同结构的元器件、天线、集成电路芯片进行集成,实现所需功能和性能的微电子系统.集成系统的一个核心理念是能否像设计、加工集成电路一样设计、加工微电子系统.本文将介绍集成系统的背景、概念、特征、面临的挑战、需解决的关键科技问题,以及一些研究进展.

关键词 集成电路; 微电子系统; 电子封装; 集成系统; 异质异构集成; 体系架构; integrated circuits; microelectronic systems; electronic packaging; integrated systems; heterogeneous integration; system architecture

摘要 人工智能与物联网时代,大数据模型驱动的应用场景和计算任务层出不穷,极大促进了国家数字化发展.然而,传统冯·诺依曼(John von Neumann)体系架构的硬件系统由于存算分离的结构特点导致存储墙瓶颈,在数据密集型应用中消耗了大量的数据搬运成本,抑制了能效性能提升.存算一体技术是后摩尔(Moore)时代背离传统架构系统的新型计算范式,利用存储单元器件、电路内在特性,将基本的计算逻辑任务融入存储单元之中,从而消除数据搬运开销,有望实现智能计算硬件平台能效性能的显著提升.本文以契合存算一体技术的存储器件电路为切入点,概述基于传统互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor, CMOS)和新型非易失存储器件代表铁电晶体管的存算一体电路,并从器件、架构芯片、算法应用等层次讨论存算一体电路的跨层次协同设计优化方法.

关键词 存内计算; 静态随机访问存储器; 铁电晶体管; 交叉阵列; 内容寻址存储器; computing-in-memory; static random access memory; ferroelectric field effect transistor; crossbar; content addressable memory;

摘要 如今,随着数据需求的增长以及硬件算力性能的提升,人工智能得到越来越广泛的应用.其中,神经网络算法已经被成功地用于解决一些实际问题,例如人脸识别、自动驾驶等.尽管这些算法有着卓越的表现,但其在传统硬件平台上的计算性能仍然不够高效.因而,一些为神经网络算法定制的计算平台应运而生.本文将总结一些典型的神经网络加速器架构设计,包括计算单元、数据流控制、所加速的不同神经网络的特点,以及在新兴计算平台上设计加速器的考量等.最后我们也将提出对神经网络加速器未来的展望.

关键词 人工智能; 神经网络; 体系结构; 加速器; artificial intelligence; neural network; architecture; accelerator;

摘要 随着科技快速进步,新兴应用不断涌现.无法响应软件变化的芯片,如专用集成电路(application-specific integrated circuit, ASIC),将因为生命周期过短,面临一次性工程成本(non-recurring engineering,NRE)过高的难题.与此同时,随着摩尔定律(Moore's law)和迪纳徳定律(Dennard scaling)走向终结,未来集成电路工艺更新带来的能效收益越来越小,通用处理器可实现的计算能力被芯片功耗约束.近几年兴起的领域定制加速器(domain-specific accelerator, DSA)通过针对特定应用领域的计算模式,定制芯片架构,以期兼顾能量效率和特定领域内的灵活性.但目前DSA面向硬件定制软件,这导致软件生态碎片化,程序员学习成本增大.未来芯片设计需要兼顾灵活性、能量效率和可编程性.软件定义芯片(software-defined chip, SDC)在这一需求下成为了研究热点.可重构芯片通过融合处理器的高灵活性、ASIC的高能效,并通过重构提供了在运行时根据软件定制芯片架构的能力,是当前SDC的研究热点.本文首先回顾SDC的研究动机,然后分析可重构芯片如何满足SDC的需求,之后探讨当前可重构芯片面临的挑战,最后阐述为了实现SDC,可重构芯片未来的发展方向.

关键词 软件定义芯片; 可重构计算; 领域定制架构; 能量效率; 可编程性; software defined chips; reconfigurable computing; domain-specific architecture; energy efficiency; programmability;

摘要 传统电荷型器件的发展已接近摩尔定律的极限,亟需寻求新原理或新架构进行信息处理,用"非电荷型器件"替代传统的"电荷型器件"是一种极具潜力的途径.其中利用电子自旋的集体进动所产生的自旋波进行信息的输运及计算,有可能成为后摩尔时代信息传输与处理的重要方式.自旋波逻辑器件在能量损耗、器件尺寸应用频段、逻辑实现等诸多方面具有传统器件无法比拟的优势.本文在介绍Mach-Zehnder干涉型自旋波逻辑门工作原理的基础上,从器件层面剖析自旋波逻辑门中的关键器件的实现原理,并系统性综述了这些关键器件近年来的研究进展.论文最后就自旋波逻辑门的未来发展做出了展望.

关键词 自旋波电子学; 磁振子; 自旋波; Mach-Zehnder干涉仪; 逻辑门; magnon spintronics; magnons; spin waves; Mach-Zehnder interferometer; logic gate;

摘要 随着半导体器件特征尺寸的快速减小,人们开始关注深度摩尔(more Moore)以及超越摩尔(more than Moore)的发展.为了实现取代传统硅基电路的技术,人们正在尝试将硅基计算转化到分子计算中.这种转化依赖于,以生物材料为基础的、具有类似于计算机逻辑的模块化编程,其目的是实现图灵机.为了达到这个目的,以DNA为基础的组合逻辑是我们首先需要考虑的.本文分别从模拟计算和数字计算两方面介绍了,基于DNA的组合逻辑实现.总结了最新的研究成果,为感兴趣的读者提供了快速理解DNA计算的渠道.同时,我们也希望启发读者对现有技术进行讨论,进而提出创新的解决方案.我们希望这篇文章能够为未来的DNA计算的发展铺平道路.

关键词 合成生物学; DNA计算; DNA链置换反应; 化学反应网络; 组合逻辑; synthetic biology; DNA computing; DNA strand displacement reactions; chemical reaction networks; combinational logic;

摘要 竞技体育是国家体育发展水平的核心竞争力.现代竞技体育训练追求运动成绩不断提高,高水平运动员越来越依赖科学定制的个性化训练规划.随着柔性电子、多功能器件集成、人工智能等技术不断进步,运动传感器逐渐向智能化、多元化、微型化、柔性可穿戴化发展,可以对运动员训练过程产生的信号进行全方位、多角度、多层次采集,通过构建高水平运动员运动数据库,运用大数据分析,实时监控运动员的各项生理指标,预测运动员训练存在的风险,进行合理规避运动损伤,为运动员以及教练团队提供科学化的训练方案.本文从运动员训练中对各种体征信号采集、分析的需求出发,综述了近些年来柔性电子、光电可穿戴传感器的最新研究进展,介绍了不同种类的运动信号检测方法,包括电生理信号监测、电化学传感监测、光电容积描记法监测等,为我国运动员与体育工作者提供最新、最前沿的可穿戴传感器技术总结,为制定更为精准、可量化的科学训练方法与理论提供知识与技术支持,推动我国体育强国建设.

关键词 竞技训练辅助; 可穿戴传感器; 生理信号; 运动监测与评估; athletic training assistant; wearable sensor; physiological signals; kineses monitoring and evaluation;

摘要 神经形态计算(类脑计算)以其自适应学习、高并行计算和低功耗等优点,被认为是最有希望解决冯·诺依曼(von Neumann)瓶颈的方法之一.实现神经形态计算的重要前提是开发能模拟生物突触行为的神经突触器件.电学神经突触器件是首先发展起来的神经突触器件,但是它们在统筹考虑带宽、连接、密度等因素下的整体优化面临着很大的挑战.近年来,把光引入神经突触器件,研制光电神经突触器件,为神经突触器件的发展带来了新机遇.对神经突触器件而言,光不仅具备电难以实现的高带宽、低串扰、低功率和无延迟等特性,还可以直接模拟视觉等至关重要的神经行为.光电神经突触器件作为基于光电集成的人工神经网络的基础,有望有力促进高性能和低功耗的神经形态计算的发展.本文主要介绍了光电神经突触器件的基本性能和类别,展示了已经实现的光电神经突触器件的模拟应用,并展望了今后光电神经突触器件的发展.

关键词 光电神经突触器件; 突触可塑性; 能耗; 氧空位离化与去离化; 载流子俘获与释放; optoelectronic synaptic devices; synaptic plasticity; energy consumption; oxygen vacancy; carrier traps;

摘要 传统硅(Si)基集成电路制造工艺已经进入7 nm节点,继续减小器件尺寸变得愈发困难.半导体材料锗(Ge),具有比硅更高的载流子迁移率,能够实现器件性能的大幅提升.本文从栅极堆垛(gate stack)、源漏工程(source/drain engineering)和新器件结构(new device structures) 3个角度总结了Ge器件的最新研究成果.研究表明,锗沟道器件中诸多关键科学和工程问题仍未得到有效解决,从基本的器件制备工艺到深层次的器件物理问题都亟待深入研究与克服.但是, Ge器件是未来集成电路5 nm及以下技术节点最有希望的发展方向.

关键词 锗; 栅极堆垛; 源漏技术; 新器件结构; Ge; gate stacks; source and drain formation; new device structure;

摘要 量子信息技术是量子力学与信息科学融合的新兴交叉学科,它的诞生标志着人类社会将从经典技术迈进到量子技术的新时代,本文将阐述量子信息技术的研究现状与未来.文中描绘了量子技术发展远景,即筑建各种类型的量子网络,包括量子云计算网络、分布式量子计算、量子传感网络和量子密钥分配网络等.量子计算机已从实验室的研究迈进到企业的实用器件研制,目前已发展到中等规模带噪声量子计算机(noisy intermidiate-scale quantum, NISQ)的阶段.在量子技术时代,没有绝对安全的保密体系,也没有无坚不摧的破译手段,信息安全进入"量子对抗"的新阶段.

关键词 量子信息技术; 量子网络; 量子计算机; 量子密码; quantum information technology; quantum networks; quantum computers; quantum cryptography;

摘要 电注入半导体激光器相较于其他类型激光器具有电光转换效率高、体积小、寿命长等优势,近年来在显示、材料加工、医疗、通讯等领域的市场占有份额日益增长.激光器的模式特性直接影响激光器的输出性能,如功率、光束质量、光谱线宽等通过引入人工微结构,结合宇称时间对称、连续谱束缚态以及多模腔杂化调控手段,不仅可以拓展半导体激光器的物理研究范畴,同时有效优化激光器的性能,进一步增加了半导体激光器的多元应用场景.本文从模式调控的角度出发,对电注入下的人工微结构半导体激光器展开综述,包括国内外研究发展现状、物理原理以及相应的应用,最后进行了总结与展望.

关键词 宇称时间对称; 非厄米拓扑; 连续谱束缚态; 复合腔; 激光器; parity-time symmetry; non-Hermitian topology; bound states in the continuum; compound cavity; laser;

摘要 外腔型半导体激光器具有低噪声、高边模抑制比、高温度稳定性、结构简单、成本低等优势,已成为实现宽调谐和窄线宽特性的优选方案,被广泛应用于光通信、激光雷达、环境监测、光谱分析、光学相干断层扫描等前沿领域.本文详细介绍了宽调谐窄线宽外腔型半导体激光器的技术方案和发展现状.按照不同的结构分类,深入分析其结构、工作原理及性能特点,讨论近年来国际前沿研究方案的结构特点、关键技术、光学性能和应用领域.最后,对宽调谐窄线宽外腔型半导体激光器面临的挑战和潜在的发展前景作出分析和展望.

关键词 宽调谐; 窄线宽; 外腔半导体激光器; 半导体激光器; Littrow; Littman; wide tuning; narrow linewidth; external-cavity diode laser; semiconductor laser; Littrow; Littman;

摘要 成像光谱仪能够获取目标的几何和光谱辐射信息,是一种具有量化分析和特征识别能力的光学感知手段,按照分光方式可分为棱镜色散、光栅衍射和干涉调制等多种类型. Fourier变换成像光谱技术通常基于双光束干涉原理,将探测器获取的干涉图通过Fourier变换反演出目标光谱.该技术具有高通量、多通道、高光谱分辨率等优点,是成像光谱技术中最具创新空间和应用潜力的重要研究方向,发展过程中逐步形成了时间调制、空间调制、时空调制等多种类型,在工业农业、科学研究、生物医药、大气探测、环境监测、资源调查等诸多领域得到广泛应用.本文从Michelson干涉仪原理出发,简要介绍Fourier变换光谱技术的基本理论,按照3种干涉调制类型分别介绍不同Fourier变换成像光谱技术的典型方案、突出特点和主要应用.

关键词 Fourier变换; 成像光谱; 辐通量; 多通道; 调制度; 并行采样; Fourier transform; imaging spectroscopy; throughput; multiplex; modulation depth; parallel sampling;

摘要 人类社会正迎来智能出行时代,智能汽车的发展对高精度雷达探测技术的要求越来越高,而新型全固态激光雷达,具有分辨率高、抗有源干扰能力强、体积小、重量轻、成本低等优势,可满足未来智能汽车的需求.窄线宽半导体激光器作为全固态激光雷达的理想光源,其技术的进步与发展能大幅提升全固态激光雷达的实用化进程.本文详细介绍了当前国际上窄线宽半导体激光技术及发展现状,并分析讨论了各种窄线宽激光器的设计思路、关键技术及光学特性,最后展望了窄线宽半导体激光器的发展前景.

关键词 半导体激光器; 窄线宽; 内腔光反馈技术; 外腔光反馈技术; 全固态激光雷达; diode lasers; narrow linewidth; internal cavity optical feedback technology; external cavity optical feedback technology; solid-state lidars;

摘要 本文梳理了微纳电子器件技术从等比例缩小的技术路线发展到以功耗降低为核心的后摩尔时代技术路线的过程,阐述了从等比例缩小到功耗缩小的微纳电子器件技术发展趋势,并对后摩尔时代大规模集成电路的新器件与工艺技术,包括Fin FET、围栅晶体管、新型隧穿器件、单片三维集成工艺等进行了较为系统的分析,试图为大规模集成电路技术的持续发展提供新的视野和观点.

关键词 集成电路; 等比例缩小; 低功耗; 微电子器件; FinFET; 围栅晶体管; 隧穿晶体管; 单片三维集成; 摩尔定律; integrated circuit; scaling; low power; microelectronics devices; FinFET; gate-all-around transistor; tunneling field-effect transistor; sequential three dimensional integration; Moore's law;

摘要 随着数据信息的迅速膨胀,现代基于von Neumann架构的计算机正面临着严峻的挑战,像人脑一样能够对信息进行学习、记忆和灵活处理的智能计算机是未来计算机发展的方向和目标.人脑几乎控制着人类所有复杂的生命活动,大脑神经元间的信息传递依赖于名为"突触"的结构,其突出特点——突触可塑性是学习与记忆的重要分子基础,因此突触仿生和突触可塑性模拟被认为是实现高效类脑人工神经网络的第一步.忆阻器作为第4种基本电路元件,拥有独特的类神经突触非线性电学传输特性,它的出现和发展为实现这一目标提供了可能.本文全面总结了近年来各科研小组使用不同的忆阻器件和各种实验方法成功模拟的突触可塑性,包括按记忆时间长短分类的短时程可塑性(双脉冲抑制、双脉冲易化、强直后增强)和长时程可塑性,以及放电时间依赖可塑性、放电速率依赖可塑性、经验学习、非联想性学习功能,还有用多个忆阻器及其他基本元器件(电阻、电感、电容、晶体管等)复合模拟的联想性学习、突触缩放等复杂功能,对比了不同器件的优缺点.最后,简述了当前忆阻器研究存在的问题和挑战,并对忆阻器在突触仿生中的研究前景进行了展望.

关键词 忆阻器; 突触; 突触可塑性; 人工神经网络; memristor; synapse; synaptic plasticity; artificial neural networks;

摘要 直拉硅单晶是集成电路的基础材料,因而在过去几十年来被广泛而深入研究.直拉硅单晶的缺陷以及机械强度对集成电路制造的成品率有显著的影响.传统上,人们认为直拉硅单晶中除了掺杂所需的电活性杂质以及不可避免的氧杂质以外,其他杂质越少越好.在此情形下,直拉硅单晶的缺陷控制和机械强度的改善几乎只能依赖于晶体生长工艺的优化.为了打破这种限制,我们提出在直拉硅单晶中掺入特定的非电活性杂质,既可以通过这些杂质原子与点缺陷的相互作用来调控维度更高的缺陷的行为,又可以发挥增强机械强度的作用,这就是直拉硅单晶的杂质工程.本文首先阐述直拉硅单晶的杂质工程的研究背景与意义,随后综述作为直拉硅单晶的杂质工程的一个范本——微量掺锗的效应,包括掺锗对氧沉淀和空洞等缺陷形成的影响及其对集成电路制造的有益作用,以及掺锗对硅片机械强度的增强作用.

关键词 直拉硅单晶; 杂质工程; 微量掺锗; 缺陷控制; 机械强度; Czochralski silicon; impurity engineering; germanium-doping; defect control; mechanical strength;

摘要 植入式生物电子器件主要依靠需要频繁充电或者手术更换的电池进行供电,给病人带来健康风险和经济负担的双重压力.近年来利用柔性电子器件进行生物微能量收集得到广泛关注,特别是基于心动俘获的能量可为能耗10μW量级的生物电子器件持久供能.本综述简要回顾了传统刚性器件的心脏跳动能量收集方法,着重介绍近年来使用柔性压电器件进行心动能量收集的实验进展、理论建模分析与优化设计,最后展望该方向的未来发展趋势.

关键词 心动能量收集; 柔性压电器件; 植入式电子器件; energy harvesting from heartbeat; flexible piezoelectric devices; implantable medical devices;

摘要 单晶硅/锗材料是当今半导体工业的基石.当厚度缩小到纳米尺寸量级时,这些材料的薄膜在力学、光学、电学、热学等领域均展现出显著区别于体材料的独特性质与应用.超薄的厚度使单晶硅/锗纳米薄膜在获取可以媲美有机半导体材料的柔性特征的同时,仍保持远高于有机材料的迁移率特性.以上性质使硅/锗纳米薄膜成为高性能柔性电子器件的理想构筑单元,在物联网、可植入/可穿戴电子器件、仿生电子器件等诸多领域表现出非常广阔的应用前景.本文通过"先转移单晶硅/锗纳米薄膜,后搭建器件"以及"先制备单晶硅/锗纳米薄膜器件,后转移整体"两个角度,深入探讨了不同转移策略的特点,以及在柔性器件中的应用;阐述了当前该领域最新研究进展及需要重点解决的科学问题与技术难点.

关键词 硅; 锗; 纳米薄膜; 转移; 柔性器件; silicon; germanium; nanomembrane; transfer; flexible electronics;

摘要 赋予材料自修复能力是增强设备可靠性、耐用性和功能性的有效途径.对于柔性电子材料与设备来说,自修复功能尤为重要.本文总结了柔性自修复材料与传感器的研究进展.首先介绍并讨论了自修复聚合物的主要修复机制,包括本征型自修复和外援型自修复,并详细介绍了自修复柔性导电材料的研究进展.在此基础上,介绍并讨论了自修复柔性传感器,尤其是自修复柔性力学传感器的构建方法、传感及自修复性能.最后,讨论了柔性自修复材料和传感器的现有挑战和解决方案.

关键词 自修复; 柔性电子; 可穿戴电子; 柔性传感器; 柔性导体; self-healing; flexible electronics; wearable electronics; flexible sensors; flexible conductor;

摘要 柔性传感器件因其在医疗健康、人机交互等应用中的巨大前景,受到了广泛关注,也是近年来的研究热点.作为无机功能材料中的一类重要材料,氧化物功能薄膜因其具有丰富的电子学、光学、热学、力学、磁学等方面性质已经在各种电子和光电子器件中得到了广泛的应用.将氧化物功能薄膜应用于柔性传感器件,有望进一步提高柔性传感器件的性能,并为新型柔性传感器件的设计提供材料保障.本文分析了目前氧化物功能薄膜在柔性传感器件中应用所面临的重点科学技术问题,并介绍了近年来在基于氧化物功能薄膜的柔性传感器件所涉及的关键技术和器件应用上的研究进展.

关键词 无机功能材料; 氧化物功能薄膜; 柔性器件; 传感器件; inorganic functional materials; functional oxide thin film; flexible device; sensor device;

摘要 皮肤是人体最大的器官,能够感受温度、湿度、压力以及外界复杂的刺激.通过电子系统(电子皮肤)重塑人体皮肤的属性是一个研究热点,在人工智能、机器人和人机界面等方面具有广泛的应用.为了模仿人体皮肤的触感,研究者采用不同传导机制和结构设计研发出具有柔性、可拉伸、高灵敏度和高分辨率等要求的传感阵列.高密度柔性电路集成技术、无线技术和自供电技术使得电子皮肤具有便携和可移动等特点.自愈合技术使得电子皮肤对于意外的划伤产生自愈合效果以弥补器件的功能.本文综述了近期国内外用于模仿皮肤感知和生成仿生信号能力的材料、设备,以及改善电子皮肤性能所采用的先进技术.

关键词 电子皮肤; 柔性电路; 无线技术; 自供电技术; 自愈合技术; electronic skin; flexible circuit; wireless technology; self-powered technology; self-healing technology;

摘要 随着技术的进步与社会的发展,柔性电子器件与人体集成是电子信息与健康医疗紧密结合的必然趋势.具有可拉伸、可变形、超柔性等特点的类皮肤固体电子器件能与人体长时间舒适集成,未来将在医学诊断、医学治疗、人机交互和机器人环境感知等领域发挥重要作用.本文以超薄类皮肤固体电子器件研究为主题,重点介绍其在体温、体表应变、血氧、血糖等人体基本生理参数连续监测以及生物能量收集方面的应用进展.随着人工智能的成熟和大数据环境的完善,类皮肤固体电子将在人类未来的生命健康领域发挥不可替代的作用.

关键词 柔性电子; 类皮肤固体电子; 健康医疗; 体温; 血氧; 血糖; 能量收集; flexible electronics; skin-like solid electronics; healthcare and medicare; body temperature; blood oxygen; blood glucose; energy harvesting;