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面向大规模数据的高效超图神经网络

吉书仪, 魏宇轩, 戴琼海, 高跃
中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 853-871

摘要 高阶关联广泛存在于现实世界中,如社交网络、生物网络、交通网络等,建模及优化高阶关联对于网络属性研究和演化趋势预测具有重要意义.超图是一种灵活的数据结构,能够自然地建模高阶关联.近年来,随着深度学习的发展,基于超图建模的超图神经网络被广泛应用于面向高阶关联的表示学习.然而,现有的超图神经网络均基于直推学习范式,虽然在小规模超图数据集上取得了不错的效果,但难以应用到大规模数据上,限制了其应用范围.本文首先分析了现有超图神经网络方法在大规模数据上应用的挑战,然后针对该问题提出了面向大规模数据的高效超图神经网络方法 (efficient hypergraph neural network, EHGNN).针对现有方法空间、时间复杂度过高的问题, EHGNN分别设计了超图采样模块和基于单阶段超图卷积的计算加速模块,同时降低了超图神经网络的空间开销和时间开销,使得超图神经网络适用于大规模超图数据,显著增强了可扩展性.在4个真实超图数据集上的实验结果验证了EHGNN的有效性和高效性.

关键词 超图计算; 超图神经网络; 高阶关联; 大规模数据; 节点分类; hypergraph computation; hypergraph neural network; high-order correlation; large-scale data; vertex classification

引用格式 吉书仪, 魏宇轩, 戴琼海, 等. 面向大规模数据的高效超图神经网络. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 853-871, doi: 10.1360/SSI-2022-0379
Shuyi JI, Yuxuan WEI, Qionghai DAI, et al. Efficient hypergraph neural network on million-level data. Sci Sin Inform, 2024, 54(4): 853-871, doi: 10.1360/SSI-2022-0379

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深度ReLU神经网络的万有一致性

刘霞, 王迪
中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 638-652

摘要 随着数据量爆炸式增长、计算资源愈加丰富,浅层神经网络并不总能满足时代需求,从而导致深度神经网络的出现.深度神经网络的迅猛发展主要体现在应用领域,其理论研究相对匮乏.基于此,本文聚焦研究深度ReLU神经网络的万有一致性,具体内容包括:首先,是否存在一个具有统一结构的深度神经网络(即深度、宽度、激活函数等均已确定)使得该深度神经网络可以学习更多特征,并具有万有逼近性;其次,针对已确定的深度神经网络模型,证明其是强万有一致的;最后,从实验的角度验证理论结果的合理性.

关键词 深度神经网络; 万有一致性; 深度学习; ReLU 函数; 逼近性; deep neural networks; universal consistency; deep learning; ReLU function; approximation

引用格式 刘霞, 王迪. 深度ReLU神经网络的万有一致性. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 638-652, doi: 10.1360/SSI-2022-0401
Xia LIU, Di WANG. Universal consistency of deep ReLU neural networks. Sci Sin Inform, 2024, 54(3): 638-652, doi: 10.1360/SSI-2022-0401

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稳健选择伪标注的混合式半监督学习

郭兰哲, 李宇峰
中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 623-637

摘要 半监督学习旨在数据标注缺乏的情形下利用无标注数据提升学习性能,是重要的机器学习范式.尽管不少研究报道表明半监督学习取得了优异的性能表现,然而其在面临诸多实践任务时仍存在伪标注质量判断困难、超参数选择敏感、理论指导缺乏等瓶颈.针对上述挑战,本文提出一种稳健选择伪标注的混合式半监督学习方法,通过综合利用模型预测结果之间的分歧自适应地判断伪标注质量,无需预设超参数,显著提升了半监督学习的稳健性.本文在理论上证明了新方法的错误率随训练轮数的增加而显著下降.实验验证了本文方法较主流技术取得了明显的性能提升,例如,相较于在CIFAR-10数据集中表现最优的半监督学习技术FixMatch,新方法的分类错误率下降了11%以上,在更具挑战的STL-10数据集中分类错误率下降了18.8%.

关键词 机器学习; 深度学习; 半监督学习; 伪标注; 稳健性; machine learning; deep learning; semi-supervised learning; pseudo-label; robust

引用格式 郭兰哲, 李宇峰. 稳健选择伪标注的混合式半监督学习. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 623-637, doi: 10.1360/SSI-2022-0421
Lanzhe GUO, Yufeng LI. Robust pseudo-label selection for holistic semi-supervised learning. Sci Sin Inform, 2024, 54(3): 623-637, doi: 10.1360/SSI-2022-0421

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基于混合比例估计的标签噪声学习方法

郑庆华, 曹书植, 阮建飞, 赵锐, 董博
中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 603-622

摘要 近年来,人工智能蓬勃发展,伴随着计算硬件算力的提升,深度学习已成为了人工智能算法的新范式.然而深度学习依赖大量精确标注的数据,在现实的多类别分类场景中,受限于标注成本和隐私数据保护等因素,大量精准标注的数据往往难以获得.近些年,移动众包和网络爬虫这类经济廉价的数据收集方法被广泛采用,但他们不可避免地引入了错误标注,即标签噪声.鉴于深度神经网络强大的数据拟合能力,标签噪声的存在将造成算法的过拟合,严重制约了深度学习方法的泛化能力.针对标签噪声问题,现有研究大多显式或隐式地依赖锚点(明确属于某一类别的样本),然而在现实场景中锚点难以获取,这使得现有解决方案不再适用.为解决这一问题,本文创造性地将多类别标签噪声学习问题转化为混合比例估计(mixture proportion estimation, MPE)问题,构建了一种不依赖锚点的满足统计一致性的学习算法.本文的主要贡献包括:(1)对现有的仅适用于二组成物MPE场景的R-MPE(regrouping-MPE)方法进行推广,提出了多组成物场景下不依赖不可约假设的MPE方法 MR-MPE(multi-component oriented R-MPE);(2)理论上证明了多类别分类场景下标签噪声学习算法锚点假设和MPE问题不可约假设的等价性,并基于所提出的MR-MPE方法构建了不依赖锚点的满足统计一致性的算法.本文在合成噪声数据集和真实噪声数据集上分别与现有算法进行了对比实验,结果显示本文所提算法在多个数据集上均展现出了最优的性能;同时,在移除锚点的情况下,本文对算法的鲁棒性进行了测试,验证了所提算法不依赖锚点的特性.

关键词 混合比例估计; 多类别分类; 标签噪声学习; 锚点; 不可约假设; 统计一致性; mixture proportion estimation; multi-class classification; label-noise learning; anchor point; irreducible assumption; statistical consistency

引用格式 郑庆华, 曹书植, 阮建飞, 等. 基于混合比例估计的标签噪声学习方法. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 603-622, doi: 10.1360/SSI-2023-0126
Qinghua ZHENG, Shuzhi CAO, Jianfei RUAN, et al. Label-noise learning via mixture proportion estimation. Sci Sin Inform, 2024, 54(3): 603-622, doi: 10.1360/SSI-2023-0126

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缓解随机一致性的基尼指数与决策树方法

王婕婷, 李飞江, 李珏, 钱宇华, 梁吉业
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 159-190

摘要 决策树模型具有较强的可解释性,是随机森林、深度森林等机器学习方法的基础.如何选择节点的分割属性与分割值是决策树算法的关键问题,对树的泛化能力、深度、平衡程度等重要性能产生影响.传统属性选择准则的定义大多基于凹函数,使得决策树算法存在多值偏向问题,即倾向于选择取值种类多的属性作为节点分割属性.已有研究表明缓解随机一致性的评价准则能够降低分类偏差与类簇个数偏向.本文将基于标准化框架缓解基尼指数的随机一致性,以此缓解其多值偏向问题.通过人造数据集验证,标准基尼指数能够缓解基尼指数的多值偏向问题,并且选择出具有决策信息的属性.通过12个基准数据集与两个图像数据集的实验验证,基于标准基尼指数的决策树算法比现有缓解多值偏向的决策树算法具有较高的泛化性能.

关键词 基尼指数; 多值偏向; 决策树; 随机一致性; Gini index; bias to multi-value; decision tree; random consistency

引用格式 王婕婷, 李飞江, 李珏, 等. 缓解随机一致性的基尼指数与决策树方法. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 159-190, doi: 10.1360/SSI-2022-0337
Jieting WANG, Feijiang LI, Jue LI, et al. Gini index and decision tree method with mitigating random consistency. Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 159-190, doi: 10.1360/SSI-2022-0337

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面向标签噪声的联合训练框架

魏琦, 孙皓亮, 马玉玲, 尹义龙
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 144-158

摘要 当前面向标签噪声的鲁棒性学习通常依赖样本选择和标签修正两种策略,但是这两类方法均存在缺陷.基于样本选择的方法忽略了被过滤掉的样本中的有效信息,进而降低了模型的性能.基于标签修正的方法常使用自标签技术而引起模型的错误积累问题.对此,本文提出了一个集成样本选择、标签修正的联合训练框架.针对样本选择模块,本文设计了一种新的选择标准,通过在线选择的方法对所挑选的样本集合进行更新.相较于现有选择标准,本文提出的标准可保留更多边界样本,提升了模型对决策边界的学习性能,增强了模型的泛化性能.针对标签修正模块,本文提出了一种联合标签修正策略.相比于传统的自标签修正技术,该模块通过联合特征空间视角,对噪声样本进行多视角的标签修正,解决了传统自标签技术的错误累积问题.此外,本文引入对比学习正则化项,提升了标签修正效果和模型表征学习能力.本文方法在4个测试基准上取得了当前最好分类效果,验证了所提训练框架的有效性.

关键词 标签噪声学习; 样本选择; 标签修正; 对比学习; learning with noisy labels; sample selection; label correction; contrastive learning

引用格式 魏琦, 孙皓亮, 马玉玲, 等. 面向标签噪声的联合训练框架. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 144-158, doi: 10.1360/SSI-2022-0395
Qi WEI, Haoliang SUN, Yuling MA, et al. A joint training framework for learning with noisy labels. Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 144-158, doi: 10.1360/SSI-2022-0395

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基于专家知识的主动因果效应辨识

王天佐, 周志华
中国科学: 信息科学, 2023, 53(12): 2341-2354

摘要 因果效应定量描述变量间的影响作用,在许多现实任务中发挥着重要作用.辨识因果效应需要依赖已知的因果关系.一种确定因果关系的主流方法是引入干预信息,即通过人为干预某些因素而获取的信息.鉴于实际干预通常会带来巨大的成本,本文提出利用易于获取的专家知识替代干预,通过设计形如“在XX干预下,目标变量的值相较不干预时增大还是减小?”的问题并向专家咨询,确定因果关系,进而辨识因果效应.尽管每次专家返回的信息量少于干预信息,但通过一定次数的咨询,本文方法可以达到与使用干预信息方法相近的因果效应辨识效果.实验验证了上述结论.

关键词 因果效应辨识; 因果关系; 人机交互; 专家知识; causal effect identification; causal relation; human-in-the-loop; expert knowledge

引用格式 王天佐, 周志华. 基于专家知识的主动因果效应辨识. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(12): 2341-2354, doi: 10.1360/SSI-2022-0390
Tian-Zuo WANG, Zhi-Hua ZHOU. Active causal effect identification with expert knowledge. Sci Sin Inform, 2023, 53(12): 2341-2354, doi: 10.1360/SSI-2022-0390

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面向多维分类的监督式降维

贾彬彬, 张敏灵
中国科学: 信息科学, 2023, 53(12): 2325-2340

摘要 与传统多类分类相比,多维分类中每个对象仍由一个示例(特征向量)表示,但同时与多个类别变量相关联,各类别变量基于异构类别空间刻画对象的语义.降维可以有效地缓解维度灾难并加速模型训练,已有多维分类研究均关注于设计性能更好的学习算法,尚未出现面向多维分类数据降维方面的工作.本文基于特征空间和语义空间的相关性,首次面向多维分类数据设计了一种名为SDeM的监督式线性降维方法.该方法使用Hilbert-Schmidt独立判据衡量两个空间的相关性,通过最大化投影特征空间与语义空间在该度量下的相关性确定投影矩阵.实验结果表明,相比于无监督式降维方法,SDeM所得降维特征更有利于多维分类方法取得更好的泛化性能.

关键词 机器学习; 多维分类; 降维; 空间相关性; Hilbert-Schmidt独立准则; machine learning; multi-dimensional classification; dimensionality reduction; dependence between spaces; Hilbert-Schmidt independence criterion

引用格式 贾彬彬, 张敏灵. 面向多维分类的监督式降维. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(12): 2325-2340, doi: 10.1360/SSI-2022-0363
Bin-Bin JIA, Min-Ling ZHANG. Supervised dimensionality reduction for multi-dimensional classification. Sci Sin Inform, 2023, 53(12): 2325-2340, doi: 10.1360/SSI-2022-0363

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基于自监督的端到端图数据异常检测方法

张震, 刘美含, 李朝, 卜佳俊
中国科学: 信息科学, 2023, 53(11): 2202-2213

摘要 异常检测旨在发掘数据中异于寻常的模式,它在金融欺诈以及网络入侵检测等领域有着广泛的应用前景.本文主要研究了如何在结构复杂的图数据中进行异常检测,这涉及到挖掘异常的图结构信息以及节点属性信息.现有大部分工作通常采用一个两步的框架,即先对结构复杂的图数据进行表征学习生成图表征向量,然后再将该向量用于下游异常检测任务.由于分开训练的图表征学习任务与下游异常检测任务存在一定的语义鸿沟,这导致现有方法无法有效地挖掘出图中潜在的异常模式.因此,我们提出了一种基于自监督的端到端图数据异常检测框架SGAD,它可以有效地捕获图数据的语义信息并用于异常检测.具体来说, SGAD对无标签图数据进行了一系列变换用于构建自监督辅助任务,然后该自监督任务的输出结果可以直接用于异常检测.我们在多个公开数据集上进行了大量实验,实验结果表明本文提出的SGAD与现有方法相比获得了显著的效果提升.

关键词 图结构数据; 异常检测; 自监督学习; 图神经网络; 图表征学习; graph-structured data; anomaly detection; self-supervised learning; graph neural network; graph representation learning

引用格式 张震, 刘美含, 李朝, 等. 基于自监督的端到端图数据异常检测方法. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(11): 2202-2213, doi: 10.1360/SSI-2022-0179
Zhen ZHANG, Meihan LIU, Zhao LI, et al. Self-supervised end-to-end graph level anomaly detection. Sci Sin Inform, 2023, 53(11): 2202-2213, doi: 10.1360/SSI-2022-0179

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联邦无监督跨模态哈希

朱磊, 李京智, 王天时, 李晶晶, 张化祥
中国科学: 信息科学, 2023, 53(11): 2180-2201

摘要 联邦跨模态检索利用分散的客户端学习一个共享跨模态检索模型,从而降低集中大规模多模态训练数据时高昂的维护成本,解决分布式数据存储场景下跨模态检索中存在的数据隐私问题.然而现有的联邦跨模态检索方法大多依赖于大量的语义标注,这限制了检索模型在大规模应用场景下的扩展性.与之不同,本文提出一种无监督的联邦跨模态哈希检索模型,旨在保护客户端数据隐私的前提下,学习不依赖语义标注的跨模态检索模型.由于联邦环境中多模态数据分布不平衡,局部信息不足以让模型学习到整体数据上的模态间相似性,从而影响检索性能.为解决此问题,本文提出一个全局–局部模态间对比正则化方法,通过使用不同模态的全局哈希模型对单个模态的局部哈希模型进行约束,使局部哈希模型能够充分感知整体数据的相似性语义,从而加强对本地跨模态哈希学习过程的引导.同时,本文引入一种全局–局部模态内知识蒸馏策略来进一步地获取模态内特有的全局知识.5个基准跨模态检索数据集上的实验结果验证了本文提出方法的有效性.

关键词 联邦学习; 多模态学习; 无监督学习; 跨模态检索; 无监督跨模态哈希; federated learning; multimodal learning; unsupervised learning; cross-modal retrieval; unsupervised cross-modal Hashing

引用格式 朱磊, 李京智, 王天时, 等. 联邦无监督跨模态哈希. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(11): 2180-2201, doi: 10.1360/SSI-2022-0366
Lei ZHU, Jingzhi LI, Tianshi WANG, et al. Federated unsupervised cross-modal Hashing. Sci Sin Inform, 2023, 53(11): 2180-2201, doi: 10.1360/SSI-2022-0366

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基于堆叠式对抗变分循环神经网络的多维时间序列异常检测

陈文超, 方博为, 代良, 陈渤, 刘畅, 赵小楠
中国科学: 信息科学, 2023, 53(9): 1750-1767

摘要 为了建模多维时间序列(multivariate time series, MTS)中复杂的时序依赖性与随机性,并实现对它的无监督异常检测这一工业机器或互联网基础设施设备质量管理中的关键任务,本文提出了一种堆叠式对抗变分循环神经网络(stacked adversarial variational recurrent neural network, SaVRNN).SaVRNN是一个层次化概率动态模型,它将层次化概率生成模型、堆叠式循环结构和多层对抗优化方式整合到一个联合贝叶斯框架下.具体来说, SaVRNN核心思想是利用堆叠循环结构捕捉多层次与长距离的时序相关性,利用层次化的概率生成操作建模多层的结构特性,进而实现对多维时间序列正常模式的学习,最后通过重构的概率来判断异常模式.为了实现模型的高效推理,本文创新性地提出了一种向上–向下对抗变分推理方案,实现对隐层变量后验的准确估计.针对多层对抗网络中难以实现生成器与判别器的更新平衡导致的SaVRNN训练困难的问题,本文基于条件传输(conditional transport,CT)提出了一个新的优化方法.最后,基于Sa VRNN的层次化结构,本文将多层似然进行融合以改进传统的异常检测策略.在两个公共数据集和一个实测数据集上显示所提方法在F1-score指标上实现了相比目前主流方法的更优性能,证明了所提模型在时间序列在线异常检测任务上的有效性.

关键词 异常检测; 多维时间序列; 对抗变分贝叶斯; 变分循环神经网络; 条件传输; anomaly detection; multivariate time series; adversarial variational Bayesian; variational RNN; conditional transport

引用格式 陈文超, 方博为, 代良, 等. 基于堆叠式对抗变分循环神经网络的多维时间序列异常检测. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(9): 1750-1767, doi: 10.1360/SSI-2022-0277
Wenchao CHEN, Bowei FANG, Liang DAI, et al. Stacked adversarial variational recurrent neural network for anomaly detection of multivariate time series. Sci Sin Inform, 2023, 53(9): 1750-1767, doi: 10.1360/SSI-2022-0277

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基于模糊密度峰值聚类的区域同位模式并行挖掘算法

蒋希文, 王丽珍, Vanha TRAN
中国科学: 信息科学, 2023, 53(7): 1281-1298

摘要 区域同位模式挖掘(RCPM, regional co-location pattern mining)是为了发掘某个局部区域内存在的同位(co-location)模式,以发现在全局中无法发现的信息.传统的区域挖掘大多会采用明确界限的几何体框定同位模式产生的区域.但是现实中的各类区域可能是无明确边界的.另外,数据的分布情况作为区域的重要特征之一,也应该成为区域选择的因素.基于上述思考,本文引入密度峰值聚类(DPC, density peak-based clustering),提出新的密度度量函数,并结合模糊集理论与k近邻距离,设计了一个行之有效的并行区域同位模式挖掘算法.实验结果表明,利用本文方法挖掘到的结果更具有现实意义,并且并行化极大地提升了挖掘算法的效率.在真实数据上, 2线程下的加速比达到了1.89.

关键词 空间数据挖掘; 区域同位模式; 模糊密度峰值聚类; 并行算法; k近邻; spatial data mining; regional co-location pattern; fuzzy density peak clustering; parallel algorithm; k-nearest neighbor;

引用格式 蒋希文, 王丽珍, Vanha TRAN. 基于模糊密度峰值聚类的区域同位模式并行挖掘算法. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(7): 1281-1298, doi: 10.1360/SSI-2022-0004
Xiwen JIANG, Lizhen WANG, Vanha TRAN. A parallel algorithm for regional co-location mining based on fuzzy density peak clustering. Sci Sin Inform, 2023, 53(7): 1281-1298, doi: 10.1360/SSI-2022-0004

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一种基于偏差-方差权衡的贝叶斯分类学习框架

张文钧, 蒋良孝, 张欢, 胡成玉
中国科学: 信息科学, 2023, 53(6): 1078-1095

摘要 朴素贝叶斯由于其简单、高效和有效性成为十大数据挖掘算法之一.然而它要求的属性条件独立假设在实际应用中很难成立.为了削弱其属性条件独立假设,学者们提出了结构扩展、属性选择、属性加权、实例选择、实例加权5类改进方法.现有改进方法虽然在一定程度上降低了模型的偏差,但同时也提高了模型的方差,因而限制了模型的泛化性能.偏差–方差权衡是机器学习的核心原则之一,该原则要求模型具有较低偏差的同时,方差也要尽量低.如何在贝叶斯分类学习中引入偏差–方差权衡,同时获得较低的偏差和方差,从而进一步提升模型的泛化性能,是本文关注的重点.为此,本文首先理论分析了在贝叶斯分类学习中做偏差–方差权衡的可行性,探讨了保证可行性的关键因素;然后通过构建回归任务来学习贝叶斯分类模型的后验概率损失,调控关键因素的变化;最后提出了一种基于偏差–方差权衡的贝叶斯分类学习框架,并在提出的学习框架下重新实现了朴素贝叶斯及其各类改进模型.在大量经典的UCI标准数据集上的实验结果表明,现有的各类先进的贝叶斯分类模型在本文所提学习框架下的分类性能显著优于其原始性能.

关键词 朴素贝叶斯; 属性条件独立假设; 偏差 – 方差权衡; 后验概率损失; 学习框架; naive Bayes; attribute conditional independence assumption; bias–variance trade-off; posterior probability loss; learning framework;

引用格式 张文钧, 蒋良孝, 张欢, 等. 一种基于偏差-方差权衡的贝叶斯分类学习框架. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(6): 1078-1095, doi: 10.1360/SSI-2022-0025
Wenjun ZHANG, Liangxiao JIANG, Huan ZHANG, et al. Bayesian classification learning framework based on bias–variance trade-off. Sci Sin Inform, 2023, 53(6): 1078-1095, doi: 10.1360/SSI-2022-0025

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硬件感知的神经架构搜索

王鑫, 姚洋, 蒋昱航, 关超宇, 朱文武
中国科学: 信息科学, 2023, 53(5): 899-917

摘要 深度神经网络(deep neural networks, DNNs)能否取得令人满意的性能很大程度上依赖于其神经网络架构.研究人员提出神经网络架构搜索(neural architecture search, NAS)来自动搜索神经网络的最优架构,现有的工作大多使用每秒浮点运算次数(floating point operations per second, FLOPs)来评价神经网络架构的实际效率,但是FLOPs和实际延迟并不是完全一致的.随着任务变得越来越复杂以及越来越多的硬件平台开始运行基于深度神经网络的算法,为硬件平台搜索高效的神经网络架构已成为亟待解决的难题.为了解决这一问题,本文提出了硬件感知的搜索空间构造方法,并借助考虑架构推断延迟的搜索策略,来搜索最优的神经网络架构.本文在可变换神经网络架构搜索方法(transformable architecture search, TAS)和图神经网络架构搜索方法 (graph neural architecture search, GraphNAS)上应用了该方法,提出了硬件可感知的可变换神经网络架构搜索方法 (hardwareaware transformable architecture search, HTAS)和硬件感知的图神经网络架构搜索方法 (hardwareaware graph neural architecture search, HGNAS).相比于现有方法,本文所提出的这两种算法在多种数据集上均针对不同类型目标硬件搜索出了更加高效的深度神经网络架构,从而证明了该方法的有效性.

关键词 深度学习; 神经网络架构搜索; 可变换神经网络架构搜索; 图神经网络架构搜索; 硬件感知; deep learning; neural architecture search; transformable architecture search; graph neural architecture search; hardware-aware;

引用格式 王鑫, 姚洋, 蒋昱航, 等. 硬件感知的神经架构搜索. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(5): 899-917, doi: 10.1360/SSI-2021-0446
Xin WANG, Yang YAO, Yuhang JIANG, et al. Hardware-aware neural architecture search. Sci Sin Inform, 2023, 53(5): 899-917, doi: 10.1360/SSI-2021-0446

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卷积效力评价机制驱动的深度神经网络全局剪枝

周成, 李军华, 黎明, 张聪炫, 蔡昊
中国科学: 信息科学, 2023, 53(5): 878-898

摘要 模型剪枝被广泛应用于深度神经网络(deep neural network, DNN)的压缩与加速,为资源受限的终端设备部署DNN提供了技术支持.然而以往的剪枝研究缺乏对卷积核效力机制的有效评估,同时忽视了压缩空间中多种不可控因素的潜在干扰.因此本文提出一种卷积效力评价机制驱动的DNN全局剪枝方法,在特征图信息丰富度的基础上,以可视化的方式评估卷积核的效力值,优化了卷积核选择机制.同时探索了压缩空间中卷积结构的效力相关性,并在不同卷积层中使用不同的剪枝标准.首先,本文通过离散傅里叶变换(discrete Fourier transform, DFT)对特征图的信息度进行定量分析,并提出一种评估卷积核效力值的数据驱动方法.然后,基于卷积结构的相关性,引入损失因子以度量剪枝过程中剩余压缩单元的效力损失.最后根据层索引值的变化,在不同结构的功能层中自适应修正剪枝标准.实验表明,相比于最新的剪枝策略,本文的剪枝方法具有更佳的压缩性能和模型优化能力.

关键词 深度神经网络压缩; 模型剪枝; 重要度评估; 损失因子; 特征图信息度; deep neural network compression; model pruning; significance evaluation; loss factor; informativeness of feature map;

引用格式 周成, 李军华, 黎明, 等. 卷积效力评价机制驱动的深度神经网络全局剪枝. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(5): 878-898, doi: 10.1360/SSI-2022-0021
Cheng ZHOU, Junhua LI, Ming LI, et al. Global pruning of deep neural networks driven by convolutional effectiveness evaluation mechanism. Sci Sin Inform, 2023, 53(5): 878-898, doi: 10.1360/SSI-2022-0021

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知识图谱驱动的图卷积神经网络谣言检测模型

徐凡, 李明昊, 黄琪, 鄢克雨, 王明文, 周国栋
中国科学: 信息科学, 2023, 53(4): 663-681

摘要 社交媒体谣言以极低的成本在互联网中被快速扩散,给社会带来显著的负面影响.传统的谣言检测模型主要考虑传播模式、写作风格、用户信用和世界知识等信息.然而,谣言的传播模式通常难以被捕捉,写作风格却容易被模仿,由元数据(如职业、家乡、学历、年龄等)构成的用户信息也容易被伪造.本文提出了一种新颖的知识驱动的图卷积神经网络谣言检测模型.该模型首先将社交媒体文本表示成一种语义–实体无向图结构,其中节点包含原社交媒体文本中的词语,利用世界知识库扩展的实体词语,以及利用语言知识库扩展的语义词语,边包含三类节点的6种有效组合.该语义–实体图可以有效地增强任意两种节点的共现性,从而丰富了原社交媒体文本的表示,从一定程度上缓解数据稀疏共现问题.语言知识利用了HowNet (义原和同义词)以及WordNet (上义词、下义词和同义词)分别对中英文社交媒体文本的主题词进行扩充.并成功地将语言知识和实体知识通过图卷积神经网络框架有效集成.在4个国际基准中英文谣言语料库上的实验结果和可视化分析表明了本文模型的有效性.

关键词 语言知识; 世界知识; 主题模型; 图卷积神经网络; 谣言检测; language knowledge; world knowledge; topic model; graph convolutional neural networks; rumor detection;

引用格式 徐凡, 李明昊, 黄琪, 等. 知识图谱驱动的图卷积神经网络谣言检测模型. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(4): 663-681, doi: 10.1360/SSI-2022-0170
Fan XU, Minghao LI, Qi HUANG, et al. Knowledge graph-driven graph neural network-based model for rumor detection. Sci Sin Inform, 2023, 53(4): 663-681, doi: 10.1360/SSI-2022-0170

计算机 人工智能 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

基于细粒度迁移的跨场景认知能力评估方法

张迎伟, 陈益强, 于汉超, 杨晓东, 谷洋
中国科学: 信息科学, 2023, 53(4): 647-662

摘要 认知健康是大脑健康的重要组成部分,与个体全生命周期的正常发展密切相关.目前,非受限普适场景下的认知能力评估已成为实现认知障碍相关疾病早期预警的重要途径.然而,在医疗、家庭等不同计算场景下,因感知设备、认知评估流程等的不同,往往存在不同场景间评估模型相互适用难的问题.针对以上跨场景认知能力评估挑战,本文提出了一种参数自适应的细粒度迁移学习方法 PAFG-TL.PAFG-TL基于随机森林模型实现,通过参数自适应的个体分类器评估策略和领域自适应的决策树生长机制实现参数无关的个体分类器聚类评估和决策树细粒度进化生长.通过在临床认知评估和公开基准数据集上进行实验验证,证明了PAFG-TL方法在跨场景认知能力评估中的有效性.

关键词 参数自适应; 细粒度; 迁移学习; 跨场景; 认知能力评估; parameter adapative; fine-grained; transfer learning; cross-scenario; cognitive ability assessment;

引用格式 张迎伟, 陈益强, 于汉超, 等. 基于细粒度迁移的跨场景认知能力评估方法. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(4): 647-662, doi: 10.1360/SSI-2021-0269
Yingwei ZHANG, Yiqiang CHEN, Hanchao YU, et al. A fine-grained transfer learning method for cross-scenario cognitive-ability assessment. Sci Sin Inform, 2023, 53(4): 647-662, doi: 10.1360/SSI-2021-0269

计算机 人工智能 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 2

基于进化策略的自适应联邦学习算法

公茂果, 高原, 王炯乾, 张元侨, 王善峰, 谢飞
中国科学: 信息科学, 2023, 53(3): 437-453

摘要 联邦学习是一种多设备参与的,保护数据隐私的深度学习技术.它能够在私有数据不出本地的同时训练全局共享模型.然而,在复杂的物联网环境中,联邦学习面临着统计异构性和系统异构性的挑战.不同的本地数据分布和高额的通信计算成本,使得过参数化的模型不适合在物联网应用中直接部署.同时,非独立同分布的数据也使采用参数平均聚合的联邦学习更加难以收敛.联邦学习场景下的研究难点在于,如何根据私有数据为每个客户端建立个性化的轻量级模型的同时,把这些模型汇总成为联合模型.为了解决这一问题,本文提出了一种基于进化策略的自适应联邦学习算法.该方法将模型结构进行编码,把每个参与者视作进化策略中的个体,通过全局优化来为每个客户端自适应地生成不同的个性化子模型.客户端根据网络单元重要性和编码在服务器端超网中抽取相应的子网来进行本地更新,而这种网络局部更新的方法天然契合dropout的思想.在真实数据集上进行的大量实验证明,本文提出的框架相比于经典的联邦学习方法,模型性能得到了显著改善.在客户端数据非独立同分布的情况下,该算法在有效降低了客户端在通信带宽和计算力受限条件下参与联邦学习门槛的同时,提高了全局模型的泛化能力.

关键词 联邦学习; 进化策略; 模型编码; 网络剪枝; 本地个性化; federated learning; evolution strategy; model encoding; network pruning; local customization;

引用格式 公茂果, 高原, 王炯乾, 等. 基于进化策略的自适应联邦学习算法. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(3): 437-453, doi: 10.1360/SSI-2021-0190
Maoguo GONG, Yuan GAO, Jiongqian WANG, et al. Adaptive federated learning algorithm based on evolution strategies. Sci Sin Inform, 2023, 53(3): 437-453, doi: 10.1360/SSI-2021-0190

计算机 人工智能 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

面向异构数据的自适应个性化联邦学习——一种基于参数分解和持续学习的方法

倪宣明, 沈鑫圆, 张海
中国科学: 信息科学, 2022, 52(12): 2306-2320

摘要 联邦学习允许资源受限的边缘计算设备协作训练机器学习模型,同时能够保证数据不离开本地设备,但也面临着异构数据下全局模型收敛缓慢甚至偏离最优解的挑战.为解决上述问题,本文提出一种自适应个性化联邦学习(adaptive personalized federated learning, APFL)算法,在同时包括空间和时间维度的多任务学习框架下,考虑面向异构数据的联邦优化问题.首先, APFL采用参数分解策略,将待训练模型参数分解为全局共享参数和客户端特定参数,在提取所有客户端公共知识的同时实现针对每个客户端的个性化建模.进一步地, APFL将每个客户端上执行的局部优化构建为顺序多任务学习,通过对全局共享参数的更新施加弹性权重巩固(elastic weight consolidation, EWC)惩罚,实现了全局共享模型中重要参数的记忆保留和非重要参数的快速学习.多个联邦基准数据集上的对比实验验证了本文方法的有效性和优越性.

关键词 联邦学习; 边缘计算; 异构数据; 多任务学习; 持续学习; 参数分解; 个性化; federated learning; edge computing; heterogeneous data; multi-task learning; continual learning; parameter decomposition; personalization;

引用格式 倪宣明, 沈鑫圆, 张海. 面向异构数据的自适应个性化联邦学习——一种基于参数分解和持续学习的方法. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(12): 2306-2320, doi: 10.1360/SSI-2021-0152
Xuanming NI, Xinyuan SHEN, Hai ZHANG. Adaptive personalized federated learning for heterogeneous data: a method based on parameter decomposition and continual learning. Sci Sin Inform, 2022, 52(12): 2306-2320, doi: 10.1360/SSI-2021-0152

计算机 人工智能 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

基于特征增广的生成—判别混合模型构建方法

张文钧, 蒋良孝, 张欢
中国科学: 信息科学, 2022, 52(10): 1792-1807

摘要 从概率框架的角度来看,生成模型首先由数据学习联合概率分布,然后再求出条件概率分布,通常具有更快的收敛速度;而判别模型由数据直接学习条件概率分布,往往具有更高的准确率.生成–判别混合模型作为二者的有效结合,同时集成了它们的优点.然而,现有方法在构建混合模型时,需要将原始特征划分为两个独立的特征空间,分别用于训练生成模型和判别模型.特征划分不仅提升了模型的时间复杂度,还削弱了原始特征空间的表达能力.为了解决这一问题,本文提出了一种基于特征增广的生成–判别混合模型构建方法.该方法首先利用生成模型学习条件概率分布,然后将学到的条件概率分布作为新特征增广到原始特征空间中,最后在增广后的特征空间中训练判别模型并预测最终的分类结果.该方法利用特征增广的思想做模型混合,无需对原始特征进行划分,具有较低的时间复杂度,同时还增强了原始特征空间的表达能力.在36个经典UCI标准数据集上的实验结果表明,所提方法不仅具有有效性和通用性,还遵循了偏差–方差权衡原则.

关键词 生成模型; 判别模型; 特征增广; 条件概率分布; 偏差–方差权衡; generative model; discriminative model; feature augmentation; conditional probability distribution; bias-variance trade-off;

引用格式 张文钧, 蒋良孝, 张欢. 基于特征增广的生成—判别混合模型构建方法. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(10): 1792-1807, doi: 10.1360/SSI-2021-0199
Wenjun ZHANG, Liangxiao JIANG, Huan ZHANG. A feature augmentation-based method for constructing generative-discriminative hybrid models. Sci Sin Inform, 2022, 52(10): 1792-1807, doi: 10.1360/SSI-2021-0199

计算机 人工智能 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

基于多尺度空洞卷积的知识图谱表示方法

杜昊桐, 王震, 聂弘毅, 姚权铭, 李学龙
中国科学: 信息科学, 2022, 52(7): 1204-1220

摘要 知识图谱嵌入是知识图谱研究中的一项重要课题.它旨在根据已观测到的三元组,学习知识图谱中实体与关系的低维向量表示.知识图谱嵌入在许多下游任务中发挥了巨大作用,例如知识图谱补全、三元组分类.如今,深度模型利用神经网络强大的非线性拟合能力,在知识图谱嵌入领域展示出了优异的性能.然而,现有的大多数方法忽略了实体与关系之间的多尺度特征交互, InceptionE是目前唯一考虑到了多尺度交互特征的模型,但由于大量的计算开销导致其很难进行训练.本文提出了一种全新的知识图谱嵌入模型MDCE,它使用多尺度空洞卷积核在不同的尺度空间捕捉丰富的交互特征.同时, MDCE相比于InceptionE方法的计算开销更小.我们在多个基准数据集上进行了大量实验.在链接预测任务上的结果表明, MDCE不仅在性能方面超过了已有的工作,而且更加高效、稳健.

关键词 知识图谱; 知识图谱嵌入; 深层模型; 多尺度特征; 链接预测; 人工智能; knowledge graph; knowledge graph embedding; deep model; multi-scale feature; link prediction; artificial intelligence;

引用格式 杜昊桐, 王震, 聂弘毅, 等. 基于多尺度空洞卷积的知识图谱表示方法. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(7): 1204-1220, doi: 10.1360/SSI-2021-0111
Haotong DU, Zhen WANG, Hongyi NIE, et al. Multi-scale dilated convolutional network for knowledge graph embedding. Sci Sin Inform, 2022, 52(7): 1204-1220, doi: 10.1360/SSI-2021-0111

计算机 人工智能 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 3

基于独立自表达学习的不完全多视图聚类

诸葛文章, 范瑞东, 罗廷金, 陶红, 侯臣平
中国科学: 信息科学, 2022, 52(7): 1186-1203

摘要 不完全多视图聚类是通过结合多视图数据的异构不完全特征来获得数据本征结构,从而提高聚类性能的一种学习范式.在实际应用中,各个视图除了缺失某些完整样本外,还会受到缺失值与异常值的影响,使得大部分传统的不完全多视图聚类方法失效.为解决上述问题,本文提出一种基于独立自表达学习的不完全多视图聚类方法.该方法通过自表达重构,补全缺失的特征的同时学习视图独有的自表达矩阵,然后为自表达矩阵添加低秩约束,更好地挖掘本征结构,并通过引入希尔伯特–施密特独立性准则来衡量不同视图间的差异性.多个数据集上的实验结果表明,所提方法在大多数情况下能取得较对比方法更优的聚类结果.

关键词 不完全多视图聚类; 特征任意缺失; 自表达; 差异性; incomplete multi-view clustering; arbitrary missing feature; self-presentation; diversity;

引用格式 诸葛文章, 范瑞东, 罗廷金, 等. 基于独立自表达学习的不完全多视图聚类. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(7): 1186-1203, doi: 10.1360/SSI-2021-0070
Wenzhang ZHUGE, Ruidong FAN, Tingjin LUO, et al. Incomplete multi-view clustering via independent self-representation learning. Sci Sin Inform, 2022, 52(7): 1186-1203, doi: 10.1360/SSI-2021-0070

计算机 人工智能 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

珠算: 可微概率编程库的设计与实现

石佳欣, 陈键飞, 朱军
中国科学: 信息科学, 2022, 52(5): 804-821

摘要 概率模型为机器学习处理广泛存在的不确定性提供了强大的工具.概率编程利用计算机程序表示概率模型,支持采样和以任意观察值为条件进行的概率推断.长期以来,概率程序中的依赖关系往往是线性或广义线性的,许多成功的模型和推断算法往往都依赖于这一简化.然而,这也限制了概率程序的表达能力和灵活性.可微概率编程允许构建具有参数化的非线性依赖关系(如神经网络)的概率程序,并使用基于梯度的方法从数据中学习未知参数.这种编程范式容易扩展,极大地避免了繁琐的模型选择过程,且允许端到端地部署概率模型.本文介绍珠算(ZhuSuan),一种开源的可微概率编程库,并以此为例,探讨可微概率编程系统的设计与实现.

关键词 概率模型; 概率编程; 贝叶斯推断; 变分推断; 深度学习; probabilistic models; probabilistic programming; Bayesian inference; variational inference; deep learning;

引用格式 石佳欣, 陈键飞, 朱军. 珠算: 可微概率编程库的设计与实现. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(5): 804-821, doi: 10.1360/SSI-2021-0005
Jiaxin SHI, Jianfei CHEN, Jun ZHU. ZhuSuan: design and implementation of differentiable probabilistic programming libraries. Sci Sin Inform, 2022, 52(5): 804-821, doi: 10.1360/SSI-2021-0005

计算机 人工智能 评述 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 7

基于通信的多智能体强化学习进展综述

王涵, 俞扬, 姜远
中国科学: 信息科学, 2022, 52(5): 742-764

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;

引用格式 王涵, 俞扬, 姜远. 基于通信的多智能体强化学习进展综述. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(5): 742-764, doi: 10.1360/SSI-2020-0180
Han WANG, Yang YU, Yuan JIANG. Review of the progress of communication-based multi-agent reinforcement learning. Sci Sin Inform, 2022, 52(5): 742-764, doi: 10.1360/SSI-2020-0180

计算机 人工智能 评述 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 7

基于联邦学习的推荐系统综述

梁锋, 羊恩跃, 潘微科, 杨强, 明仲
中国科学: 信息科学, 2022, 52(5): 713-741

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;

引用格式 梁锋, 羊恩跃, 潘微科, 等. 基于联邦学习的推荐系统综述. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(5): 713-741, doi: 10.1360/SSI-2021-0329
Feng LIANG, Enyue YANG, Weike PAN, et al. Survey of recommender systems based on federated learning. Sci Sin Inform, 2022, 52(5): 713-741, doi: 10.1360/SSI-2021-0329

计算机 人工智能 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 3

局部-全局关系耦合的低照度图像增强

王克琪, 钱宇华, 梁吉业, 刘畅, 黄琴, 陈路, 贾洁茹
中国科学: 信息科学, 2022, 52(3): 443-460

摘要 卷积神经网络目前在人工智能多个领域均取得了不同程度的进展.卷积计算是基于参数共享的滑窗机制,这导致卷积神经网络更多地关注特征信息的局部关系,对全局关系的建模能力有限.局部关系和全局关系对特征的表达均具有重要的作用.为此,本文聚焦于如何对特征信息的局部–全局关系进行构建并有效耦合,从而挖掘更加丰富的特征信息,提高特征的判别性.本文提出了局部–全局关系耦合模块,该模块是由特征提取、基于深度卷积(depth-wise convolution, DWConv)的局部关系构建分支、基于多头自注意力机制(mutli-head self-attention, MHSA)的全局关系构建分支和基于点向卷积(point-wise convolution, PWConv)的关系耦合4部分组成.基于此模块,本文构建了编解码结构的局部–全局关系耦合神经网络,该网络可以对特征信息的局部–全局关系进行建模,增强特征信息的表征能力,进而提升模型的性能.为验证所提算法的有效性,本文在低照度图像增强任务上,使用基准数据集与其他算法进行了实验对比.实验结果表明,本文所提出的方法取得了较好的图像增强结果,优于当前先进的图像增强方法.最后,本文通过消融实验和扩展实验从多个角度进一步验证了有效耦合局部–全局关系的重要性和可扩展性.

关键词 低照度图像增强; 局部–全局关系; 计算机视觉; 卷积神经网络; 深度学习; low-light image enhancement; local-global relationship; computer vision; convolution neural network; deep learning;

引用格式 王克琪, 钱宇华, 梁吉业, 等. 局部-全局关系耦合的低照度图像增强. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(3): 443-460, doi: 10.1360/SSI-2021-0174
Keqi WANG, Yuhua QIAN, Jiye LIANG, et al. Local-global coupling relationship based low-light image enhancement. Sci Sin Inform, 2022, 52(3): 443-460, doi: 10.1360/SSI-2021-0174

计算机 人工智能 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

基于特征归因和泰勒展开引导重要度评价的梯度流剪枝

高畅, 王家祺, 景丽萍, 于剑
中国科学: 信息科学, 2022, 52(3): 430-442

摘要 卷积神经网络压缩是近年来研究的热点.本文将模型存在冗余的原因归结为部分卷积核未学到任务相关特征.为去除这部分冗余,本文基于剪枝框架,从卷积核学习任务相关特征的程度和卷积核对损失函数的影响两个角度出发,提出一种新颖的重要度评价标准.此评价标准能准确量化卷积核的重要度,并以此指导卷积核剪枝操作.此外,本文还将梯度流策略引入到卷积核剪枝的过程中,在每次训练迭代中根据重要性和压缩率将卷积核分成两类并对它们分别用不同的更新策略.对于冗余参数,此策略将目标函数反传的梯度进行截流,仅使其权重逐渐衰减直至为零.本文在VGGNet和ResNet两种网络框架上对此剪枝算法进行验证.结果表明:本算法不仅能够在分类精度、计算量、参数量和任务相关特征的保留程度上优于当前主流剪枝算法,而且在高压缩率情况下表现优越.

关键词 卷积神经网络; 压缩; 剪枝; 任务相关特征; 梯度流; convolutional neural networks; compressing; pruning; features related to task; gradient flow;

引用格式 高畅, 王家祺, 景丽萍, 等. 基于特征归因和泰勒展开引导重要度评价的梯度流剪枝. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(3): 430-442, doi: 10.1360/SSI-2021-0172
Chang GAO, Jiaqi WANG, Liping JING, et al. Gradient flow pruning based on the evaluation of the importance of characteristic attribution and Taylor-guidance. Sci Sin Inform, 2022, 52(3): 430-442, doi: 10.1360/SSI-2021-0172

计算机 人工智能 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 8

群体智能系统的动力学模型与群体熵度量

罗杰, 姜鑫, 郭炳晖, 郑宏威, 吴文峻, 吕卫锋
中国科学: 信息科学, 2022, 52(1): 99-110

摘要 群体智能是自然界普遍存在的现象,受到了国内外研究者的广泛关注.网络和人工智能技术的高速发展,使得大规模群体在网络上通过个体智慧激发和群体智慧汇聚形成超越个体能力的群体智能成为可能.随之而来,如何认知和形成这样的群体智能系统成为了研究的热点.本文将在广义群体智能的概念体系之下,探索群体智能系统的度量理论和方法,以此来促进对群体智能形成机理的更深层认知.本文提出了群体智能系统的基本特性以及其形成的激发汇聚建模,指出群体智能系统实质上是一类复杂非线性动力学系统,包含微观个体激发、宏观群体协作、全局群智汇聚3个核心动力学属性.并以此为基础,讨论了群体智能系统群体熵度量所应满足的基本性质.最后以图的群体化搜索为例,说明了群体的激发和汇聚过程,以及在此过程中如何通过群体熵来度量群体行为的变化,验证了本文提出的群体熵度量思想的有效性.

关键词 群体智能系统; 动力学模型; 群体熵; 度量; 激发; 汇聚; crowd intelligence system; dynamic model; crowd entropy; measurement; incentive; convergence;

引用格式 罗杰, 姜鑫, 郭炳晖, 等. 群体智能系统的动力学模型与群体熵度量. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(1): 99-110, doi: 10.1360/SSI-2020-0193
Jie LUO, Xin JIANG, Binghui GUO, et al. Dynamic model and crowd entropy measurement of crowd intelligence system. Sci Sin Inform, 2022, 52(1): 99-110, doi: 10.1360/SSI-2020-0193

计算机 人工智能 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

面向半监督聚类的最优间隔分布学习机

张腾, 黎铭, 金海
中国科学: 信息科学, 2022, 52(1): 86-98

摘要 基于间隔的聚类是一类经典的聚类算法,此类算法假设聚类结构能通过引入监督学习中的间隔来确定.即一个好的聚类结果,当以其簇标记作为类别标记进行监督学习时,所得分类器产生的关于间隔的目标物理量也同时达到最优.目前最为有效的间隔物理量是间隔分布,其基于最新的间隔理论,取得了比优化最小间隔更好的效果.然而在现实聚类任务中,我们往往还能获得一些额外的监督信息,例如两两样本之间的"必连"约束和"勿连"约束,此时优化间隔分布是否还有效尚未可知.对此,本文提出面向半监督聚类的最优间隔分布学习机(ODMSSC),对该问题进行初步探索. ODMSSC对应的形式化是一个混合整数规划,我们将其放松成一个鞍点问题,并提出一种高效的交替优化方法进行求解.最终通过真实数据集上的实验,我们验证了所提算法的有效性.

关键词 半监督聚类; 约束聚类; 最优间隔分布学习机; 间隔分布; 间隔; semi-supervised clustering; constrained clustering; optimal margin distribution machine; margin distribution; margin;

引用格式 张腾, 黎铭, 金海. 面向半监督聚类的最优间隔分布学习机. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(1): 86-98, doi: 10.1360/SSI-2021-0187
Teng ZHANG, Ming LI, Hai JIN. Optimal margin distribution machine for semi-supervised clustering. Sci Sin Inform, 2022, 52(1): 86-98, doi: 10.1360/SSI-2021-0187

计算机 人工智能 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

连续无监督异常检测

倪一鸣, 陈松灿
中国科学: 信息科学, 2022, 52(1): 75-85

摘要 无监督异常检测(unsupervised anomaly detection, UAD)旨在检测任何未见过的偏离预期模式或正常分布的数据,由于其学习过程不依赖对罕见异常样本的获取,因此在现实动态环境下备受青睐.然而,在现实场景中,目标任务往往会随时间动态变化,这要求模型能够连续执行多个不同的UAD任务,确保在仅有当前任务正常数据的前提下,实现对所有见过任务的异常检测.本文旨在研究这一问题,尝试从互信息角度,提出一种新的连续UAD (CUAD)算法.具体而言,我们针对原始目标依赖过往任务原始数据和异常数据的问题,给出基于信息论的损失函数,并对其进行近似优化.据此,我们构建出来的深度编码器模型既能连续执行不同的UAD任务,又能有效应对连续学习带来的灾难性遗忘问题.最后,我们在多个标准数据集上的实验验证了所提出方法的优越性.

关键词 异常检测; 无监督; 灾难性遗忘; 连续学习; 信息论; anomaly detection; unsupervised; catastrophic forgetting; continual learning; information theory;

引用格式 倪一鸣, 陈松灿. 连续无监督异常检测. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(1): 75-85, doi: 10.1360/SSI-2021-0192
Yiming NI, Songcan CHEN. Continual unsupervised anomaly detection. Sci Sin Inform, 2022, 52(1): 75-85, doi: 10.1360/SSI-2021-0192

计算机 生物信息 论文 Website Google Scholar PDF

基于水平可视图多元联合模体熵的多维EEG情感脑电信号识别

杨小冬, 马志怡, 任彦霖, 陈梅辉, 何爱军, 王俊
中国科学: 信息科学, 2023, 53(12): 2406-2422

摘要 目前,许多基于深度学习和神经网络的算法被应用于脑电(electroencephalogram, EEG)信号情感识别.然而,现有研究大多采用提取单维脑电信号特征的方法.随着多传感技术的更新,更具全面性和系统性的多维信号特征提取需求出现.本文尝试将复杂网络研究应用到多维情感脑电识别中,提出一种基于水平可视图多元联合模体熵的情感识别算法,该方法可以有效避免人工选取特征对实验结果的影响,保持原始序列的非线性动力学特征.首先利用水平可视图算法将多维情感脑电信号分别转换为多路可视图网络,提取模体熵特征识别情感脑电研究中的关键频带和关键通道.在此基础上,将水平可视图网络两两联合,提取多元水平联合模体熵向量,作为输入参数对情感脑电信号进行识别.由于情感脑电序列长度会对识别效果产生影响,我们将脑电信号切割成大小不一的窗口,对比不同窗口大小对分类准确率的影响.实验结果表明,当切割窗口大小为10 s时,多元水平联合模体熵对情感脑电信号的识别效果最佳,对积极脑电/消极脑电、积极脑电/中性脑电、消极脑电/中性脑电的分类准确率分别达到95.07%, 97.73%, 90.26%,优于其他二维连接参数.同时,三分类的准确率为93.67%,本文算法无论在识别复杂度和准确率上,与已有算法相比均有较大提高.

关键词 EEG; 多路水平可视图; 多元联合模体熵; 情感识别; 多维分析; multiplex horizontal visibility graph; multivariate joint motif entropy; emotional recognition; multivariate analysis

引用格式 杨小冬, 马志怡, 任彦霖, 等. 基于水平可视图多元联合模体熵的多维EEG情感脑电信号识别. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(12): 2406-2422, doi: 10.1360/SSI-2022-0454
Xiaodong YANG, Zhiyi MA, Yanlin REN, et al. Multivariate emotional EEG signal recognition based on multivariate joint motif entropy of a horizontal visibility graph. Sci Sin Inform, 2023, 53(12): 2406-2422, doi: 10.1360/SSI-2022-0454

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基于图神经网络的环状RNA生物标志物筛选预测算法

李扬, 胡学钢, 王磊, 李培培, 尤著宏
中国科学: 信息科学, 2023, 53(11): 2214-2229

摘要 越来越多的证据表明,环状RNA (circular RNA, circRNA)在人类复杂疾病发病机制和许多重要生物学过程中发挥不可或缺的作用.确定环状RNA与疾病之间关联对于复杂人类疾病的诊断和治疗具有重要的潜在价值.然而,传统的湿实验方式通常是盲目、低效、耗时且昂贵的,往往还伴随着高的假阳性率.因此,迫切需要有效和可行的计算方法来大规模预测潜在的环状RNA–疾病关联.本文通过结合图神经网络的高阶图卷积网络算法与随机蕨分类器对环状RNA与疾病之间的关联关系进行预测.该方法能够从环状RNA和疾病多种属性信息构建的多源相似性网络中,有效抽取具有高阶混合邻域信息的高级特征,并对其进行准确分类.在5折交叉验证实验中,该方法在CircR2Disease数据集上取得了93.75%的AUC得分.此外,在案例研究中,该模型的预测结果得到了生物湿实验的支持,预测得分前15的环状RNA–疾病关联中的13个在最近发表文献中得以证实.这些优异的结果表明,所提模型是预测环状RNA–疾病关联的有效工具,并且可以为生物湿实验提供理论依据和高可信的环状RNA候选生物标志物.

关键词 环状RNA; 图神经网络; 环状RNA–疾病关联; 高阶图卷积网络; 随机蕨; circRNA; graph neural network; circRNA-disease association; high-order graph convolutional network; random ferns

引用格式 李扬, 胡学钢, 王磊, 等. 基于图神经网络的环状RNA生物标志物筛选预测算法. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(11): 2214-2229, doi: 10.1360/SSI-2023-0070
Yang LI, Xuegang HU, Lei WANG, et al. Prediction algorithm for screening circRNA biomarker based on graph neural network. Sci Sin Inform, 2023, 53(11): 2214-2229, doi: 10.1360/SSI-2023-0070

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基于单细胞数据的癌症协同驱动模块识别方法

陈希, 王峻, 余国先, 崔立真, 郭茂祖
中国科学: 信息科学, 2023, 53(2): 250-265

摘要 从大规模生物组学数据中准确识别导致癌症发生的协同驱动模块是生物信息学研究领域重大课题之一.现有研究方法通常只基于批量组学数据进行识别,忽视了细胞水平上的癌症异质性,易受噪声影响.针对上述问题,本文提出了一种基于单细胞数据和先验知识指导的协同驱动模块识别方法CDMFinder.该方法首先利用基因在不同亚型及正常细胞表达数据间存在的特异性共表达信息,融合基因交互网络,优化形成分子功能关联网络,在深入挖掘基因间功能关联的同时有效降低网络复杂度;再基于重叠马尔可夫(Markov)聚类从该网络中挖掘功能簇,并提出基于融合权重和贪心策略的驱动模块识别方法,从功能簇中获得驱动模块集合;最后,融合功能交互网络与突变共现定义模块距离函数,识别获取协同驱动模块. CDMFinder充分融合评估了表达、突变、差异分析等多种因素,展现了优良的识别性能.在乳腺癌和胶质母细胞瘤多组学数据上的实验结果表明,本文方法能够识别出超过对比方法 1.35倍的驱动基因,识别到的协同驱动模块在功能/通路水平富集度上超过现有算法1.5倍.

关键词 单细胞数据; 协同驱动模块; 分子功能关联网络; 马尔可夫聚类; 多组学数据融合; single-cell data; cooperative driver module; molecular functional association network; Markov clustering; multi-omics data fusion;

引用格式 陈希, 王峻, 余国先, 等. 基于单细胞数据的癌症协同驱动模块识别方法. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(2): 250-265, doi: 10.1360/SSI-2022-0057
Xi CHEN, Jun WANG, Guoxian YU, et al. Cooperative driver module identification based on single cell data. Sci Sin Inform, 2023, 53(2): 250-265, doi: 10.1360/SSI-2022-0057

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面向连续手语识别的自适应关键帧选择

闵越聪, 陈熙霖
中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 893-910

摘要 基于视觉的连续手语识别旨在从图像序列中识别出对应的手语词序列,可以为手语使用者提供一种便利的辅助工具.现有的连续手语识别方法大多需要从图像序列中,逐帧提取视觉和时序特征,而相邻帧中存在的相似视觉信息带来了大量的冗余计算.本文通过分析帧率对连续手语识别算法的影响,发现降低帧率可以显著地提升计算效率,但也会带来一定的性能损失.为了在降低帧率的同时保留更多手语关键信息,本文提出了自适应动态池化层(adaptive dynamic temporal pooling, ADTP),ADTP基于序列特征的自相似性对序列进行动态下采样.在此基础上,本文进一步提出了一种两阶段的训练方式,以更充分地利用原始帧率中的时空信息.具体而言,该训练方式在第一阶段只训练基于原始帧率的手语识别模型,并以此模型为教师网络,通过知识蒸馏的方式引导第二阶段含ADTP模块的模型训练.实验结果表明,本文所提的方法在损失少量性能的情况下,可以大幅度减少识别所需的计算量.此外,本文所提出的ADTP也可用于手语视频结构分析,生成简略直观的手语视频摘要.

关键词 连续手语识别; 时间序列分析; 视觉语言; 知识蒸馏; 计算效率; continuous sign language recognition; time series analysis; visual languages; knowledge distillation; computational efficiency

引用格式 闵越聪, 陈熙霖. 面向连续手语识别的自适应关键帧选择. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 893-910, doi: 10.1360/SSI-2022-0467
Yuecong MIN, Xilin CHEN. Adaptive keyframe selection for continuous sign language recognition. Sci Sin Inform, 2024, 54(4): 893-910, doi: 10.1360/SSI-2022-0467

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多模可信交互:从多模态信息融合到人-机器人-数字人三位一体式交互模型

王国庆, 裴云强, 杨阳, 徐行, 汪政, 申恒涛
中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 872-892

摘要 信任在人–机器人–数字人协作中扮演着关键角色,因为它不仅影响了人–机器人–数字人的效率,同时也存在风险和益处.然而,当前的人–机器人–数字人信任研究存在“失衡”现象,即大部分研究集中于“以人为中心”的信任关系而忽略了智能体(机器人和数字人)对人的信任.为了填补人–机器人–数字人信任研究领域的这一空白,在使用多模态信号来建立人–机器人–数字人交互中的适度单向信任基础上,构建跨虚实世界的“三位一体”经历交融共享生态.本文旨在探讨多模态线索和增强现实在建立人–机器人–数字人之间可信关系方面的现有研究、可行性和未来发展方向.最后,本文展望了该模式在社会组织形态及社会事件态势感知和管控中的应用前景,并指出了未来需要解决的问题.本文的研究有助于理解多模态线索和增强现实在人–机器人–数字人交互中的作用,并为“三位一体”趋势的实现提供思路和解决方案.

关键词 增强现实; 多模态交互; 人-机器人-数字人交互; 信任; augmented reality; multimodal interaction; human-robot-digital human interaction; trust

引用格式 王国庆, 裴云强, 杨阳, 等. 多模可信交互:从多模态信息融合到人-机器人-数字人三位一体式交互模型. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 872-892, doi: 10.1360/SSI-2023-0133
Guoqing WANG, Yunqiang PEI, Yang YANG, et al. Multimodal trustworthy interaction: from multimodal information fusion to a trinitarian human-robot-digital human interaction model. Sci Sin Inform, 2024, 54(4): 872-892, doi: 10.1360/SSI-2023-0133

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虚实融合网络空间安全综述

赵沁平, 周忠, 梁晓辉, 李帅, 汪淼, 王焱
中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 817-852

摘要 在计算机与网络基础设施不断发展的推动下,越来越多的人类活动从物理世界向数字世界迁移,产生了构建新型虚实融合网络空间的动因和思想,增强现实、数字孪生、元宇宙等相继成为国际关注热点.虚实融合网络以互联网、物联网为基础,进一步将具有独立身份的计算机、各种物理对象及其数字孪生,以及计算机生成的数字原生对象进行互联,将物理世界和人类世界与数字世界贯通,成为“泛联网”,形成人、机、物泛联互通的虚实融合网络空间,带来全新的大众体验、社交形态、生产模式和数字经济发展路径.这种新型网络空间极大地拓展了互联网、物联网的空间边界和应用领域,同时也带来了新的安全与隐私保护问题.本文首先介绍了泛联网与虚实融合网络空间的概念及架构,分析其存在的安全与隐私风险,然后从用户认证与权限控制、数据安全、隐私保护、感知与交互安全、关键基础设施与软硬件安全、应用安全与网络空间治理等方面的国际研究现状和发展趋势进行综述,最后给出需要解决的十个问题.

关键词 虚实融合网络空间; 泛联网; 数字孪生; 安全; 隐私; virtual-real mixing cyberspace; Pervasive Internet; digital twins; security; privacy

引用格式 赵沁平, 周忠, 梁晓辉, 等. 虚实融合网络空间安全综述. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 817-852, doi: 10.1360/SSI-2023-0188
Qinping ZHAO, Zhong ZHOU, Xiaohui LIANG, et al. Security in virtual-real mixing cyberspaces: a survey. Sci Sin Inform, 2024, 54(4): 817-852, doi: 10.1360/SSI-2023-0188

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基于时空层级查询的指代视频目标分割

兰猛, 张乐飞, 杜博, 张良培
中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 674-691

摘要 本文针对当前指代视频目标分割方法缺乏目标时空一致性建模和目标时空表征学习不足等问题,进行了深入的研究,提出了基于时空层级查询的指代视频目标分割方法 (STHQ).本文将指代视频目标分割看作基于查询的序列预测问题,并提出两级查询机制进行目标的时空一致性建模和时空特征学习.在第1阶段,本文提出了帧级空间信息提取模块,该模块使用语言特征作为查询独立地和视频序列中的每一帧在空间维度进行信息交互,生成包含目标空间信息的实例嵌入;在第2阶段,本文提出时空信息聚合模块,该模块使用视频级的可学习查询嵌入和第1阶段生成的实例嵌入在时空维度进行信息交互,生成具有时空表征信息的视频级实例嵌入;最后,视频级实例嵌入线性变换为条件卷积参数,并和视频序列中的每一帧进行卷积操作,生成目标的掩码预测序列.在该领域的3个基准数据集上的实验结果表明,本文提出的STHQ方法超越了现有的方法,实现了最佳的性能.

关键词 指代视频目标分割; 时空一致性建模; 时空特征学习; 跨模态特征交互; Transformer; referring video object segmentation; spatio-temporal consistency modeling; spatio-temporal feature learning; cross-modal feature interaction

引用格式 兰猛, 张乐飞, 杜博, 等. 基于时空层级查询的指代视频目标分割. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 674-691, doi: 10.1360/SSI-2023-0030
Meng LAN, Lefei ZHANG, Bo DU, et al. Spatio-temporal hierarchical query for referring video object segmentation. Sci Sin Inform, 2024, 54(3): 674-691, doi: 10.1360/SSI-2023-0030

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分心感知的伪装物体分割

梅海洋, 杨鑫, 周运铎, 季葛鹏, 魏小鹏, 范登平
中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 653-673

摘要 本文致力于设计一个有效且高效的伪装物体分割(camouflaged object segmentation, COS)模型.为此,本文开发了一个生物启发的框架,称为金字塔定位和聚焦网络(pyramid positioning and focus network, PFNet+),其模仿了自然界中的捕食过程.具体地,本文的PFNet+包含3个关键模块,即上下文增强模块(context enrichment, CEn)、金字塔定位模块(pyramid positioning module, PPM)和聚焦模块(focus module, FM). CEn通过整合上下文信息来增强骨干特征的表征能力,从而提供更有辨别性的骨干特征. PPM模仿捕食中的检测过程,以金字塔的方式从全局的角度定位潜在的目标物体.然后FM执行捕食中的识别过程,通过在歧义区域的聚焦逐步细化初始的预测结果.值得注意的是,在FM中,本文开发了一个新颖的分心挖掘策略,用于分心区域的发现和去除,以提高预测的性能.大量的实验证明本文的PFNet+能够实时运行(56 fps),在4个标准度量指标下, PFNet+在3个具有挑战性的数据集上都显著优于现有的20个最新模型,在其他视觉任务(如息肉分割)上的实验进一步证明了PFNet+的泛化能力.

关键词 伪装物体; 分心; 上下文增强; 上下文探索; 金字塔; 分割; camouflaged object; distraction; context enrichment; context exploration; pyramid; segmentation

引用格式 梅海洋, 杨鑫, 周运铎, 等. 分心感知的伪装物体分割. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 653-673, doi: 10.1360/SSI-2022-0138
Haiyang MEI, Xin YANG, Yunduo ZHOU, et al. Distraction-aware camouflaged object segmentation. Sci Sin Inform, 2024, 54(3): 653-673, doi: 10.1360/SSI-2022-0138

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基于薄板样条插值的弯曲笔触神经绘画与风格化方法

唐波昊, 胡腾, 杜瑜桢, 易冉, 马利庄
中国科学: 信息科学, 2024, 54(2): 301-315

摘要 近年来,图像生成技术取得了令人瞩目的发展,目前的图像生成方法大多以像素填充的方式生成图像,缺乏艺术家逐笔绘制的过程,使其在局部笔触细节与纹理上与真实艺术作品有所不同.神经绘画致力于模仿人类艺术家以画笔为单位,逐笔绘制的作画过程.现有的神经绘画方法大多使用贝塞尔曲线或者笔触模板进行仿射变换来模拟真实笔触.然而,贝塞尔曲线纹理的缺乏以及仿射变换的线性性质,导致生成的笔触在纹理或者形状上存在较大的限制.为了更好地模拟真实笔触的纹理与形状,本文提出了新的基于薄板样条插值的弯曲笔触参数模型,通过对真实笔触模板先后进行弯曲与仿射变换,可以生成更加真实、多样的笔触图像.此外,本文提出了层次化的笔触优化方法,将整幅图像分解为由大到小的多个笔触,能够有效提升模型对图像整体架构与局部细节的绘画能力.最后,本文将提出的方法拓展至风格迁移中,实现了较好的风格迁移效果.定性与定量的实验表明,本文所提出的新的笔触模型与优化方法在神经绘画及风格化任务中都超越了已有的最佳模型.

关键词 神经绘画; 薄板样条插值; 弯曲笔触; 层次优化; 风格迁移; neural painting; thin plate spline; curved stroke; layer optimization; style transfer

引用格式 唐波昊, 胡腾, 杜瑜桢, 等. 基于薄板样条插值的弯曲笔触神经绘画与风格化方法. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(2): 301-315, doi: 10.1360/SSI-2023-0194
Bohao TANG, Teng HU, Yuzhen DU, et al. Curved-stroke-based neural painting and stylization through thin plate spline interpolation. Sci Sin Inform, 2024, 54(2): 301-315, doi: 10.1360/SSI-2023-0194

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城区场景建筑物单体分割与结构重建耦合研究

董梦成, 谢科, 黄惠
中国科学: 信息科学, 2024, 54(2): 281-300

摘要 随着无人机以及激光雷达在测绘领域的大规模应用,大量的城市场景稠密三维网格模型被生产出来,对其进行建筑物单体分割与结构化重建是计算机图形学领域极具挑战性的研究问题.本文对此提出了一种城区场景建筑物单体分割与结构化重建耦合处理的方法.首先,本文基于马尔可夫(Markov)随机场从场景中提取建筑物轮廓;然后,基于提取出的建筑物轮廓以及人造建筑竖直方向的规则性,引入了一种新的建筑物结构化模型——多层轮廓模型;最后,设计了一个自顶向下的城区场景建筑物单体分割与结构化重建耦合处理的并行系统,该系统能够高效地处理大规模城区场景.实验结果表明,本文方法生成的结构化模型最高实现了厘米级的精度.

关键词 建筑物单体分割; 结构重建; 耦合处理; 城市场景理解; 马尔可夫随机场; building instance segmentation; structural reconstruction; coupled processing; urban scene understanding; Markov random field

引用格式 董梦成, 谢科, 黄惠. 城区场景建筑物单体分割与结构重建耦合研究. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(2): 281-300, doi: 10.1360/SSI-2023-0221
Mengcheng DONG, Ke XIE, Hui HUANG. Coupled study on instance segmentation and structural reconstruction of buildings in 3D urban scenes. Sci Sin Inform, 2024, 54(2): 281-300, doi: 10.1360/SSI-2023-0221

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学习成对样本运动显著性的细粒度人体骨架动作识别

李红艳, 涂志刚, 谢伟, 张嘉旭
中国科学: 信息科学, 2023, 53(12): 2440-2457

摘要 基于骨架数据的细粒度人体动作识别是一项重要的研究课题,但未被充分解决.由于骨架数据缺乏视觉表观信息,相似类别的人体动作很难被现有的深度网络模型识别.在这项工作中,我们提出了一个新型的运动显著性探测器(motion salience prober, MSP),并引入了配对学习(motion salience prober-incorporated pairwise-learning, MSP-PL)框架,以实现细粒度的骨架动作识别.我们的MSP-PL框架在构造成对的相似骨架运动样本基础上(查询样本与探测样本),利用运动显著性学习机制,促进编码器学习精细化的运动特征.其核心模块MSP可以在我们设计的探测样本和损失函数的帮助下,增强查询样本的显著性运动特征,并消除冗余的噪声.本文设计了3种探测样本构造策略来生成查询–探测样本对,辅助模型识别查询样本的动作,并测试了它们对模型性能的影响.在NTU-RGB+D120数据集与Kinetics-Skeleton数据集上的大量实验表明,我们的MSP-PL框架是通用的,大多数骨架特征编码器可以无缝嵌入其中,并显著提高其准确性. 5个主流的编码器对精细化动作的平均分类准确率提高了2.4%以上.此外,我们的MSP-PL框架在与最新的编码器相结合时,在骨架动作识别方面达到了最先进的性能.

关键词 骨架动作识别; 细粒度动作识别; 视觉注意力; 运动显著性学习; 对比学习; skeleton action recognition; ne-grained action recognition; visual attention; motion salience learning; contrastive learning

引用格式 李红艳, 涂志刚, 谢伟, 等. 学习成对样本运动显著性的细粒度人体骨架动作识别. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(12): 2440-2457, doi: 10.1360/SSI-2023-0047
Hongyan LI, Zhigang TU, Wei XIE, et al. Fine-grained skeleton action recognition with pairwise motion salience learning. Sci Sin Inform, 2023, 53(12): 2440-2457, doi: 10.1360/SSI-2023-0047

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基于纹理与几何解耦的说话人视频连续情感编辑模型

吕天, 温玉辉, 孙志尧, 刘永进
中国科学: 信息科学, 2023, 53(12): 2423-2439

摘要 说话人视频的情感编辑是计算机视觉和图形学当前研究热点之一,其目的是将一段中性情感的人物说话视频转为带有目标情感的说话视频.已有的方法难以同时兼顾高清晰度情感编辑、人脸三维属性的保持以及模型对不同目标人物的适用性.为同时满足上述要求,本文提出基于Basel人脸模型(Basel face model, BFM)条件的几何编辑网络作为几何情感编辑模块,保证了几何编辑在不同目标人物场景下的通用性;提出了基于人物分类器的纹理情感编辑模块,使得精细纹理的编辑可以迁移到多人任务之中,突破了以往情感编辑模型仅适用特定目标人物或适用多人模型生成质量不高的局限性.本文提出的模型可以实现连续控制情感编辑强度的效果.实验结果表明,本文提出的通用情感编辑模型在多人任务上的清晰度、人物保真度、情感编辑质量等各项指标均优于已有可适用于多人情感编辑的方法,并且在训练集中未出现的目标人物上也能实现自然的情感编辑,甚至在未见的人脸位姿的说话视频中也能获得合理的结果.

关键词 情感编辑; 三维重建; 深度学习; 计算机视觉; 神经网络; emotional editing; 3D reconstruction; deep learning; computer vision; neural network

引用格式 吕天, 温玉辉, 孙志尧, 等. 基于纹理与几何解耦的说话人视频连续情感编辑模型. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(12): 2423-2439, doi: 10.1360/SSI-2022-0444
Tian LV, Yu-Hui WEN, Zhiyao SUN, et al. A continuous emotional editing model for talking head videos based on decoupling texture and geometry. Sci Sin Inform, 2023, 53(12): 2423-2439, doi: 10.1360/SSI-2022-0444

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基于特征对齐和高斯表征的视觉有向目标检测

杨学, 严骏驰
中国科学: 信息科学, 2023, 53(11): 2250-2265

摘要 有向目标检测是计算机视觉中的一个研究热点,在遥感、场景文字等领域具有广泛应用.大长宽比、密集排列以及任意方向等问题是该领域目标检测面临的主要挑战.本文提出了一种基于单阶段检测方法的级联有向检测器R~3DetGauss,采用一种从粗到细的渐进式回归方法快速准确地定位目标.考虑到级联检测器中存在的特征不对齐的问题,本文设计了一个特征精修模块(feature refinement module, FRM),能够获得更准确的特征,从而提高检测性能. FRM通过逐像素特征插值将当前精修后的边界框的位置信息重新编码到对应的特征点,进而实现特征的重构和对齐.本文还采用了具有尺度不变性的归一化高斯Wasserstein距离作为回归损失来进一步提高估计边界框的质量.此外,本文基于该距离提出了长宽比感知的自适应样本采样策略,提高了样本分配的质量.在多个公开的图像数据集上的大量实验结果表明,所提出的R~3DetGauss检测器在多种数据集上均能够进一步提升精度,并最终达到当前先进检测水平.相关代码在国产深度学习Jittor框架、PyTorch和TensorFlow中均进行了开源发布.

关键词 有向目标检测; 计算机视觉; 特征精修模块; 分布距离; 标签分配; 回归损失; oriented object detection; computer vision; feature refinement module; distribution distance; label assignment; regression loss

引用格式 杨学, 严骏驰. 基于特征对齐和高斯表征的视觉有向目标检测. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(11): 2250-2265, doi: 10.1360/SSI-2022-0410
Xue YANG, Junchi YAN. Visual oriented object detection via feature alignment and Gaussian parameterization. Sci Sin Inform, 2023, 53(11): 2250-2265, doi: 10.1360/SSI-2022-0410

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非约束环境下的轻量级实时多人三维动作捕捉

杨文武, 李跃, 邢帅, 蔡佳航, 王勋
中国科学: 信息科学, 2023, 53(11): 2230-2249

摘要 非接触式的多人三维动作捕捉技术在影视动画、游戏、虚实互动、体育运动和生物医学分析等领域有着广泛的应用.现有的国内外相关论文多数聚焦在算法创新,而缺少整体视角下的系统分析与构建.为此,本文提出了一种非约束环境下的轻量级多人三维动作捕捉系统,该系统便于组装,仅需少量的(4~6个)普通相机或摄像头,并且适用于一般的室内外环境,对场景中的背景和人物对象的着装没有特殊要求.首先,为了提升三维人体动作捕捉的精度,设计并实现了一个鲁棒的基于多视图的多人三维姿态估计算法,它充分利用了多视角的信息互补,并引入了一个跨帧连贯性约束来过滤异常的二维人体关节点检测结果以抑制其对三维人体姿态估计的影响.其次,围绕多视图数据的实时采集与传输及其有效处理,构建了一套轻量级的硬件系统,同时提出了一种数据流向可控的模块化并行处理机制,最终实现了一个灵活、易维护扩充且高效的软硬件系统框架.最后,基于多个公开数据集与自采数据集,通过大量实验,充分验证了本文所提出算法与系统的准确性、高效性和鲁棒性.

关键词 动作捕捉; 非接触式动捕; 实时动捕; 多人三维姿态估计; 跨视角姿态关联; motion capture; markerless motion capture; realtime motion capture; multi-person 3D pose estimation; cross-view pose association

引用格式 杨文武, 李跃, 邢帅, 等. 非约束环境下的轻量级实时多人三维动作捕捉. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(11): 2230-2249, doi: 10.1360/SSI-2022-0397
Wenwu YANG, Yue LI, Shuai XING, et al. Lightweight multi-person motion capture system in the wild. Sci Sin Inform, 2023, 53(11): 2230-2249, doi: 10.1360/SSI-2022-0397

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基于局部-全局建模与视觉相似引导的光流估计方法

舒铭奕, 张聪炫, 陈震, 葛利跃, 胡卫明, 王子旭
中国科学: 信息科学, 2023, 53(10): 1945-1964

摘要 光流估计是计算机视觉的核心任务.近年来,基于卷积神经网络的光流估计方法已取得很大成功,然而由于现有模型的卷积感受野有限,难以建模远距离的依赖关系,导致在大位移和局部歧义性区域的光流估计效果较差.此外,现有方法在光流上采样过程采用的插值操作会导致误差的传播放大,进而引起光流估计的运动边缘模糊等问题.针对以上问题,本文提出了一种基于局部–全局建模与视觉相似引导上采样的光流估计方法.首先,引入一个高效且简单的自注意力机制加强光流计算网络的局部和全局建模能力.通过提取更具有表达力的图像特征,降低因大位移和局部歧义性导致的光流估计误差问题.其次,基于物体视觉特征越相似,运动也越相似的假设,构建视觉相似引导的光流上采样网络模型.将特征的视觉相似性转化为运动的相似性进而指导光流上采样过程,提高了运动边界区域光流估计的精度.最后,分别采用MPI-Sintel和KITTI数据库测试图像集对本文方法和最先进的深度学习光流计算方法进行综合对比分析.实验结果表明,本文方法在所有对比方法中取得了最优的光流计算结果,尤其在大位移和运动边界区域显著提升了光流计算的精度.

关键词 光流估计; 卷积神经网络; 自注意力; 上采样; 视觉相似引导; optical flow estimation; convolutional neural networks; self-attention; upsampling; visual similarity guidance

引用格式 舒铭奕, 张聪炫, 陈震, 等. 基于局部-全局建模与视觉相似引导的光流估计方法. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(10): 1945-1964, doi: 10.1360/SSI-2022-0340
Mingyi SHU, Congxuan ZHANG, Zhen CHEN, et al. Optical flow estimation based on local-global modeling and visual similarity guidance. Sci Sin Inform, 2023, 53(10): 1945-1964, doi: 10.1360/SSI-2022-0340

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基于神经网络的生成式三维数字人研究综述: 表示、渲染与学习

晏轶超, 程宇豪, 陈琢, 彭乙骢, 吴思婧, 张维天, 李俊杰, 李逸轩, 高景南, 张维夏, 翟广涛, 杨小康
中国科学: 信息科学, 2023, 53(10): 1858-1891

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

引用格式 晏轶超, 程宇豪, 陈琢, 等. 基于神经网络的生成式三维数字人研究综述: 表示、渲染与学习. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(10): 1858-1891, doi: 10.1360/SSI-2022-0319
Yichao YAN, Yuhao CHENG, Zhuo CHEN, et al. A survey on generative 3D digital humans based on neural networks: representation, rendering, and learning. Sci Sin Inform, 2023, 53(10): 1858-1891, doi: 10.1360/SSI-2022-0319

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基于对齐遗忘机制的信息不平衡图像翻译

舒叶芷, 夏萌霏, 李强, 张国鑫, 万鹏飞, 郑文, 刘永进
中国科学: 信息科学, 2023, 53(8): 1593-1607

摘要 作为图像处理领域的热点技术,图像翻译可将图像由源域迁移至目标域,实现图像风格的转换.然而,在诸如真实人脸与卡通人脸、街道实景与街景分割图等图像翻译应用中,源域与目标域间往往存在巨大差距,域间的冗余信息和不一致特征会增加转换的难度,降低转换质量.本文提出对齐遗忘机制并设计多个损失函数,通过构建简易高效的信息不平衡图像翻译算法框架,实现了域编码与域解码.具体地,在将源域和目标域信息对齐映射至共享语义空间后,本文在对齐遗忘机制中使用互信息(mutual information)删除域间不一致特征,同时保留相同特征.实验结果表明,本文方法可有效剔除冗余信息,提高域间信息一致性.此外,本文在多个代表性信息不平衡图像数据集上验证了新算法较已有算法的优越性.

关键词 图像处理; 图像翻译; 生成对抗网络; 不平衡信息; 注意力机制; image processing; image-to-image translation; generative adversarial networks; imbalanced information; attention mechanism;

引用格式 舒叶芷, 夏萌霏, 李强, 等. 基于对齐遗忘机制的信息不平衡图像翻译. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(8): 1593-1607, doi: 10.1360/SSI-2022-0092
Yezhi SHU, Mengfei XIA, Qiang LI, et al. Aligned forgetting mechanism for imbalanced image-to-image translation. Sci Sin Inform, 2023, 53(8): 1593-1607, doi: 10.1360/SSI-2022-0092

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面向事件相机的轻量化脉冲识别网络

刘昭辛, 吴金建, 石光明, 赵庆行
中国科学: 信息科学, 2023, 53(7): 1333-1347

摘要 事件相机是一种用脉冲表达信息的仿生成像传感器,具有高时域分辨率、高动态范围、低功耗和高速率等优势.由于事件驱动特性,传统人工神经网络(artificial neural networks, ANN)无法直接处理事件相机输出的脉冲信号.而脉冲神经网络(spiking neural network, SNN)作为一种神经形态计算方法,具有高时域分辨率及事件驱动的特性,这与事件相机高度契合.但是,深层脉冲神经网络需要消耗大量存储空间以及神经元计算资源,严重限制了其在边缘计算场景的部署.本文基于特征维度映射原理,提出面向嵌入式系统的轻量化脉冲神经网络,降低存储需求、提高运行效率并提高网络性能.首先,通过分析网络参数量与网络拟合功能间的关系,明确了约束脉冲神经网络能力的参数瓶颈问题.随后,基于低维特征提取–融合策略提出一种通用轻量化特征提取结构SpikeFire,该模块在保证感受野和特征维度等基本性质不变的前提下大幅减少了网络参数.此外,模拟脑神经元复杂连接特性,模块中采用跳层连接,这既增加多尺度信息提取又有助于深层次网络的优化.最后,将本文所提轻量化网络部署在嵌入式硬件中,开发出了事件驱动的成像识别一体化系统.实验表明,无论是在公开数据集还是自建真实场景和极端成像场景中,所提方法在保证识别性能的前提下大幅减少了参数量并提高运行速度.

关键词 脉冲神经网络; 事件相机; 轻量化网络; 特征融合; 嵌入式硬件; spiking neural network; event camera; lightweight network; feature fusion; embedded hardware;

引用格式 刘昭辛, 吴金建, 石光明, 等. 面向事件相机的轻量化脉冲识别网络. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(7): 1333-1347, doi: 10.1360/SSI-2022-0063
Zhaoxin LIU, Jinjian WU, Guangming SHI, et al. Towards event camera signal recognition using a lightweight spiking neural network. Sci Sin Inform, 2023, 53(7): 1333-1347, doi: 10.1360/SSI-2022-0063

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基于经验增强的自主场景探索

夏熙, 吴关, 刘利刚
中国科学: 信息科学, 2023, 53(7): 1314-1332

摘要 自主地探索未知室内场景并同时构建地图,是机器人完成许多应用任务的必备前提.基于深度强化学习的方法通过与环境交互的方式,让机器人学会利用室内场景的结构规律,因而有希望获得更加高效和鲁棒的探索策略.现有的方法通常直接控制机器人的运动,导致较长的决策序列,并需要大量的训练样本;或者间接指定长期目标点,却难以保证其可以到达,因而也阻碍了训练的进行.针对这些问题,提出了一种基于经验增强的自主场景探索方法以加速策略的训练并生成更加高效的探索目标.首先引入off-policy的强化学习算法和经验回放缓存机制;然后利用全局探索策略指定长期目标点;接着利用增量启发式寻路算法生成前往目标点的无碰撞路径;在此基础上对每一条探索路径分段并评估子路径的奖励,从而改进已有经验;最后利用时序差分误差对经验进行过滤,并加入经验回放缓存中.该方法能从原本失败的经验中推导出正确的行为,并生成易于到达的长期目标点.实验结果表明,本文方法不仅能明显加速全局探索策略的训练,还能提升训练后系统的整体性能.

关键词 自主场景探索; 深度强化学习; 经验增强; 路径规划; autonomous scene exploration; deep reinforcement learning; experience enhancement; path planning;

引用格式 夏熙, 吴关, 刘利刚. 基于经验增强的自主场景探索. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(7): 1314-1332, doi: 10.1360/SSI-2022-0318
Xi XIA, Guan WU, Ligang LIU. Autonomous scene exploration using experience enhancement. Sci Sin Inform, 2023, 53(7): 1314-1332, doi: 10.1360/SSI-2022-0318

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局部关系泛化表征的小样本增量学习

赵一凡, 李甲, 田永鸿
中国科学: 信息科学, 2023, 53(6): 1132-1146

摘要 小样本学习作为计算机视觉的新兴研究热点,旨在通过少量的已知样本实现对全新概念的快速识别和理解.现有的小样本学习技术只针对给定的新类别物体进行分类和识别,忽略了旧有基础类别的表示和区分.针对小样本增量学习问题中的类间可区分性差、增量类别难泛化两大研究难点,本文引入局部关系学习的思想,提出局部关系泛化表征的模型学习方法.为确保增量过程中的类别可区分性,本文首先使用局部空间关联约束增量表征能力,在此基础上,使用特征重映射方法将查询向量与支撑集映射在同一度量空间,有效确保了微小差异的可区分性.同时,为缓解增量过程中样本不足导致的归纳偏置问题,本文提出空间泛化式原型生成算法,利用分布特性快速生成虚拟原型,促进样本的有效表征.在此基础上,本文利用元学习训练方法,提出了局部泛化联合的增量学习框架,通过联合基础类别的局部表征和增量类别的快速泛化约束,有效缓解了灾难性遗忘和表征不足的困难,实验证明本方法在经典小样本增量任务中取得了当前最好的性能表现.

关键词 小样本学习; 增量学习; 局部关系; 泛化表征; 元学习; few-shot learning; incremental learning; local relationship; generalized representation; meta learning;

引用格式 赵一凡, 李甲, 田永鸿. 局部关系泛化表征的小样本增量学习. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(6): 1132-1146, doi: 10.1360/SSI-2022-0231
Yifan ZHAO, Jia LI, Yonghong TIAN. Generalized representation of local relationships for few-shot incremental learning. Sci Sin Inform, 2023, 53(6): 1132-1146, doi: 10.1360/SSI-2022-0231

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基于采样和加权损失函数的模型窃取攻击方法

王熠旭, 李杰, 刘弘, 王言, 徐明亮, 吴永坚, 纪荣嵘
中国科学: 信息科学, 2023, 53(5): 931-945

摘要 模型窃取攻击旨在获得一个和目标受害模型功能相似的替代模型.现有的方法主要采用数据生成或数据选择方法和交叉熵损失函数去获得一个较好的攻击效果.据此,本文着重研究了攻击过程中这两个极为重要的模块:数据采样和损失函数.同时,本文提出了一个新颖的模型窃取攻击方法S&W,其包含了一种新的采样策略和一个精心设计的加权损失函数.首先,新的采样策略更加关注于从受害者模型中获得更多信息的重要样本.与此同时,本文通过引入k-Center算法达到选择样本的多样性的目的.其次,受到经典Focal损失函数的启发,本文设计了一种新的加权损失函数.该损失函数主要关注于受害者模型和替代模型对于相同输入所给出的输出之间的差异,从而促使替代模型模拟受害者模型.在4个常用的数据集上,我们通过实验证明了本文提出的方法的有效性.相比于之前最好的方法,本文方法最高有5.03%的性能提升.

关键词 计算机视觉; 模型窃取攻击; 对抗攻击; 主动学习; 知识蒸馏; computer vision; model stealing attack; adversarial attack; active learning; knowledge distillation;

引用格式 王熠旭, 李杰, 刘弘, 等. 基于采样和加权损失函数的模型窃取攻击方法. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(5): 931-945, doi: 10.1360/SSI-2022-0029
Yixu WANG, Jie LI, Hong LIU, et al. Model stealing attack based on sampling and weighting. Sci Sin Inform, 2023, 53(5): 931-945, doi: 10.1360/SSI-2022-0029

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多尺度稳定场GAN的图像修复模型

叶学义, 曾懋胜, 孙伟杰, 王凌宇, 赵知劲
中国科学: 信息科学, 2023, 53(4): 682-698

摘要 近年来生成对抗网络(generative adversarial network, GAN)已经展示了它在图像修复任务中修复大面积缺失区域并生成合理语义结果的潜力,但现有方法经常忽略缺失区域的语义一致性和特征连续性,并对不同尺度特征的感知能力不足,因此提出一种基于多尺度稳定场GAN的图像修复模型.该模型的生成单元汲取了U-Net的特点,将稳定场算子嵌入到跳跃连接中以填充编码器特征图中的缺失区域,保持了缺失区域的语义一致性和特征连续性;然后通过多尺度融合计算逐步加强经稳定场算子填充缺失区域的特征图的传递,使得跳跃连接传递的信息不再来自单一的特征图,让模型能够感知高层特征的语义信息.在人脸和自然场景等数据集上的实验结果表明,该模型优于其他的经典图像修复方法.

关键词 图像修复; 生成对抗网络; GAN; 稳定场; 多尺度融合; 深度学习; image inpainting; generative adversarial network; stable field; multi-scale fusion; deep learning;

引用格式 叶学义, 曾懋胜, 孙伟杰, 等. 多尺度稳定场GAN的图像修复模型. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(4): 682-698, doi: 10.1360/SSI-2022-0065
Xueyi YE, Maosheng ZENG, Weijie SUN, et al. Image inpainting based on multi-scale stable-field GAN. Sci Sin Inform, 2023, 53(4): 682-698, doi: 10.1360/SSI-2022-0065

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基于Transformer的高光谱图像超分辨率重建

王龙光, 郭裕兰, 林再平, 王应谦, 安玮
中国科学: 信息科学, 2023, 53(3): 500-516

摘要 高光谱图像超分辨率重建旨在融合高分辨率多光谱图像与低分辨率高光谱图像以得到高分辨率高光谱图像.如何实现二者中空域信息和谱域信息的有效融合是高光谱图像超分辨率重建的关键.受高光谱图像的端元表示模型启发,本文在神经网络中显式地对端元进行建模,并利用其作为纽带实现空域信息和谱域信息的融合.具体来说,本文提出了一个基于Transformer的高光谱图像超分辨率重建网络,利用Transformer结构从低分辨率高光谱图像提取端元信息,并将端元信息融合到高分辨率多光谱图像中,进而完成高分辨率高光谱图像的重建.实验结果表明, Transformer结构的全局感受野增强了网络的长程建模能力,提高了端元提取精度,进而提升了超分辨率重建性能.与已有方法相比,本文所提方法在室内/遥感高光谱数据集上均取得了更优的性能.

关键词 高光谱图像; 图像超分辨率重建; 图像融合; Transformer网络; 端元特征; hyperspectral image; image super-resolution; image fusion; transformer network; endmember feature;

引用格式 王龙光, 郭裕兰, 林再平, 等. 基于Transformer的高光谱图像超分辨率重建. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(3): 500-516, doi: 10.1360/SSI-2021-0181
Longguang WANG, Yulan GUO, Zaiping LIN, et al. Deep hyperspectral image super-resolution with transformers. Sci Sin Inform, 2023, 53(3): 500-516, doi: 10.1360/SSI-2021-0181

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基于姿态与双流神经架构搜索的行人动作识别

龚申健, 张姗姗, 郭煜, 杨健, 陶冶
中国科学: 信息科学, 2023, 53(3): 485-499

摘要 行人是城市交通场景下的弱势群体,为了避免碰撞,有必要准确地预测他们的动作行为.为此,本文首次提出城市交通场景中行人动作识别这一问题并提出了有针对性的解决方案.首先,我们创建了一个新的行人动作识别数据集(PARD)作为实验的数据基础,并给出了一个有效的基准模型MFVGG,该模型能够以较低的计算成本达到与之前先进人体动作识别方法相当的性能.为了更针对性地解决问题,本文在两个方面对基准模型进行了改进.首先,利用姿态先验来丰富特征表示,构造双流网络融合双分支编码特征.其次,本文引入双流神经架构搜索得到对于这项任务的最优层级网络架构.实验表明,提出的方法的性能超过了一般人体动作识别相关的先进算法.数据集以及代码公布在https://github.com/Yankeegsj/PARD.

关键词 深度学习; 计算机视觉; 动作识别; 网络架构搜索; 姿态估计; deep learning; computer vision; action recognition; neural architecture search; pose estimation;

引用格式 龚申健, 张姗姗, 郭煜, 等. 基于姿态与双流神经架构搜索的行人动作识别. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(3): 485-499, doi: 10.1360/SSI-2021-0198
Shenjian GONG, Shanshan ZHANG, Yu GUO, et al. Pose-guided pedestrian action recognition with two-stream neural architecture searching. Sci Sin Inform, 2023, 53(3): 485-499, doi: 10.1360/SSI-2021-0198

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仿视网膜传感器视觉重建算法研究综述

朱林, 田永鸿
中国科学: 信息科学, 2023, 53(3): 417-436

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;

引用格式 朱林, 田永鸿. 仿视网膜传感器视觉重建算法研究综述. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(3): 417-436, doi: 10.1360/SSI-2021-0397
Lin ZHU, Yonghong TIAN. Review of visual reconstruction methods of retina-like vision sensors. Sci Sin Inform, 2023, 53(3): 417-436, doi: 10.1360/SSI-2021-0397

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基于雾扰动的图像分类对抗性攻击方法

高瑞均, 郭青, 余洪凯, 冯伟
中国科学: 信息科学, 2023, 53(2): 309-324

摘要 对抗性攻击是研究深度神经网络脆弱性的前沿技术.然而现有工作大多关注基于加性噪声扰动的攻击,无法代表现实世界中的扰动因素,阻碍了对抗性攻击的实际应用.雾作为现实世界中广泛存在的自然现象,对图像造成显著影响,不可避免地对深度模型构成潜在威胁.本文首次尝试从对抗性攻击的角度研究雾对深度神经网络的影响,并提出两种基于雾扰动的对抗性攻击方法:基于优化的雾扰动对抗性攻击OAdvHaze,在深度神经网络的指引下优化大气散射模型参数,以合成有雾图像,该方法具有较高的攻击成功率.预测式雾扰动对抗性攻击PAdvHaze,采用深度神经网络直接预测雾合成参数,提高了对抗性攻击的速度.本文在ILSVRC 2012和NIPS 2017两个公开数据集上验证了所提出方法的有效性, OAdvHaze和PAdvHaze取得了与最先进攻击方法相当的攻击成功率和可迁移性.该工作将有助于评估和提高深度神经网络对现实世界中潜在雾扰动的鲁棒性.

关键词 对抗性攻击; 图像分类; 雾合成; 深度学习; 图像处理; adversarial attack; image classification; haze synthesis; deep learning; image processing;

引用格式 高瑞均, 郭青, 余洪凯, 等. 基于雾扰动的图像分类对抗性攻击方法. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(2): 309-324, doi: 10.1360/SSI-2021-0362
Ruijun GAO, Qing GUO, Hongkai YU, et al. Adversarial attack method against image classification based on haze perturbation. Sci Sin Inform, 2023, 53(2): 309-324, doi: 10.1360/SSI-2021-0362

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三维时频变换视角的智能微观三维形貌重建方法

闫涛, 钱宇华, 李飞江, 闫泓任, 王婕婷, 梁吉业, 郑珂银, 吴鹏, 陈路, 胡治国, 乔志伟, 张江峰, 翟小鹏
中国科学: 信息科学, 2023, 53(2): 282-308

摘要 基于图像聚焦信息的三维形貌重建方法通常对微观物体的景深图像序列采用统一的聚焦评价标准,这类重建方法往往会忽视图像序列之间的联系,难以修正图像纹理稀疏或低对比度导致的连续帧深度误差.鉴于三维数据特有的多维度信息关联特性,本文将微观物体的不同景深图像序列视为三维数据,在重建过程中引入全部图像序列之间的关联关系,从三维数据时频变换的视角构造了以多视角分析、稳定性聚类、选择性融合逻辑耦合的微观三维形貌重建框架.首先从理论上分析三维数据相较于传统二维图像处理重建问题的优势,通过构造三维时频变换实现三维数据到不同尺度、区域和方向深度图像之间的映射;然后从增强深度图像特征的角度构建基于多模态纹理特征的局部稳定性聚类算法,实现同质性较好深度图像的自适应选择;最后提出选择性深度图像融合的策略,通过构造层筛过滤平衡树对滤除离散噪声后的多层深度图像进行融合,实现微观物体高精度的三维形貌重建.模拟数据与真实场景数据均验证了本文方法的有效性.三维时频变换视角的智能微观三维重建方法为基于图像聚焦信息的三维形貌重建提供一个崭新的研究视角,在精密制造、亚微米级工业测量等领域具有重要的理论意义和应用价值.

关键词 三维重建; 无监督学习; 稳定性聚类; 深度图像; 时频变换; 3D shape reconstruction; unsupervised learning; locally stable clustering; depth image; time-frequency transformation;

引用格式 闫涛, 钱宇华, 李飞江, 等. 三维时频变换视角的智能微观三维形貌重建方法. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(2): 282-308, doi: 10.1360/SSI-2021-0386
Tao YAN, Yuhua QIAN, Feijiang LI, et al. Intelligent microscopic 3D shape reconstruction method based on 3D time-frequency transformation. Sci Sin Inform, 2023, 53(2): 282-308, doi: 10.1360/SSI-2021-0386

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面向多设备协同场景的实时视频流分析系统

杨铮, 董亮, 蔡新军
中国科学: 信息科学, 2023, 53(1): 46-65

摘要 实时视频流分析在智能监控、智能制造、自动驾驶等场景中具有重要价值,然而其存在计算负载高、带宽需求大和延迟要求严格等特点,难以通过传统的本地计算模式或者云计算模式进行部署.近年兴起的边缘计算范式,将复杂的计算任务从终端设备上传到物理临近的边缘服务器上,能够有效解决设备层面的部署问题.然而,例如无人机编队飞行、车队自动驾驶和多机器人协同等不断涌现的多设备协同场景,新增了系统层面的综合性能要求,包括智能分析的实时准确率、设备之间的性能一致性和系统容纳的设备数量上限.当前的边缘计算范式对多设备协同场景的优化尚显不足,未能有效解决设备之间对上传带宽和服务器算力的竞争问题,所以难以满足这类场景的要求.本文设计了MASSIVE系统,能够在多设备协同场景中,全面提升实时视频分析的综合性能.首先, MASSIVE系统提出了适合多设备协同场景中度量视频流分析系统综合性能的评价体系.其次, MASSIVE系统设计了帕累托改进调度器来计算帕累托最优的系统调度策略,使得系统在3个维度上同时取得了相比已有系统更好的性能表现.最后, MASSIVE设计了虚拟流量整形器来保证各个设备在无线网络中按照调度策略上传视频流数据.实验结果表明, MASSIVE在多种典型的视频分析任务中,相比于当前的代表性系统,至少达到了122.7%的实时准确率、1.8倍的系统容量和更好的系统一致性,并达到了帕累托最优.

关键词 实时视频流分析; 边缘计算; 多设备协同; 多目标优化; 帕累托最优; real-time video analysis; edge computing; multi-agent cooperation; multi-objective optimization; Pareto optimal state;

引用格式 杨铮, 董亮, 蔡新军. 面向多设备协同场景的实时视频流分析系统. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(1): 46-65, doi: 10.1360/SSI-2021-0179
Zheng YANG, Liang DONG, Xinjun CAI. Toward cooperative multi-agent video streaming perception. Sci Sin Inform, 2023, 53(1): 46-65, doi: 10.1360/SSI-2021-0179

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基于正交回归和特征加权的脑电情感特征选择方法

徐雪远, 刘建红, 李子遇, 翟广涛, 邬霞
中国科学: 信息科学, 2023, 53(1): 33-45

摘要 颅内容积传导效应导致大量脑电特征之间具有高度相关性,而这些高度相关的脑电特征无法为情感识别提供额外的有用信息,并且会降低基于脑电信号的情感识别效率.为了去除冗余信息和挑选有判别力的脑电特征,本文提出了一种基于正交回归和特征加权的脑电情感特征选择方法.与传统特征选择方法相比,该方法利用正交回归在脑电特征映射空间中保留更多的判别信息,更加适合于非线性和非平稳脑电信号的分析处理.为了验证所提出方法的性能,我们采集了由视频诱发的多通道脑电情感数据,并将所提出方法与4种常用的脑电特征选择方法进行了比较.实验结果证明了本文所提出方法能有效降低脑电特征集内冗余信息,并挑选出具有判别力的脑电特征子集.此外,通过分析由该方法所挑选的脑电特征类型,我们发现中心频率特征是最具判别力的脑电情感特征.该发现将为未来脑电情感特征提取研究提供新的思路.

关键词 脑电; 特征选择; 情感识别; 正交回归; 特征加权; electroencephalogram; feature selection; emotion recognition; orthogonal regression; feature weighting;

引用格式 徐雪远, 刘建红, 李子遇, 等. 基于正交回归和特征加权的脑电情感特征选择方法. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(1): 33-45, doi: 10.1360/SSI-2021-0276
Xueyuan XU, Jianhong LIU, Ziyu LI, et al. EEG emotional feature selection method based on orthogonal regression and feature weighting. Sci Sin Inform, 2023, 53(1): 33-45, doi: 10.1360/SSI-2021-0276

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多模态认知计算

李学龙
中国科学: 信息科学, 2023, 53(1): 1-32

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;

引用格式 李学龙. 多模态认知计算. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(1): 1-32, doi: 10.1360/SSI-2022-0226
Xuelong LI. Multi-modal cognitive computing. Sci Sin Inform, 2023, 53(1): 1-32, doi: 10.1360/SSI-2022-0226

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附加偏见预测器辅助的均衡化场景图生成

王文彬, 王瑞平, 陈熙霖
中国科学: 信息科学, 2022, 52(11): 2075-2092

摘要 场景图是以场景中的物体为结点、以物体之间的关系为边构成的图结构,在视觉与语言交互理解和推理相关任务中具有广泛的应用前景.近年来,场景图自动生成逐渐受到关注,但生成结果中对于关系的描述受到长尾分布带来的偏见的影响,偏向于样本量较大的头部关系.然而头部关系往往过于空泛,描述不够准确,容易造成误解.由于这种关系价值不高,生成的场景图近似于退化为场景中物体信息的堆叠,不利于其他应用在图结构上进行结构化推理.为了使场景图生成器在这种不均衡的数据条件下,能够更均衡地学习,给出更加多样化的特别是尾部的更准确的关系,本文提出一种附加偏见预测器(additional biased predictor, ABP)辅助的均衡化学习方法.该方法利用一条有偏见的关系预测分支,令场景图生成器抑制自身对头部关系的偏好,并更加注重尾部关系的学习.场景图生成器需要为指定的一对物体预测关系,这是一种实例级的关系预测,与之相比,有偏分支以更简洁的方式预测出图像中的关系信息,即不指定任何一对物体,直接预测出图像中存在的关系,这是一种区域级的关系预测.为此,本文利用已有的实例级的关系标注,设计算法自动构造区域级的关系标注,以此来训练该有偏分支,使其具有区域级关系预测的能力.在不同场景图生成器上应用ABP方法,并在多个公开数据集(Visual Genome, VRD和OpenImages等)上进行实验,结果表明, ABP方法具有通用性,应用ABP方法训练得到的场景图生成器能够预测出更加多样化的、更准确的关系,进而生成更有价值、更实用的场景图.

关键词 场景图生成; 长尾分布; 附加偏见预测器; 均衡化学习; 区域级关系; scene graph generation; long-tailed distribution; additional biased predictor; balanced learning; region-level relationship;

引用格式 王文彬, 王瑞平, 陈熙霖. 附加偏见预测器辅助的均衡化场景图生成. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(11): 2075-2092, doi: 10.1360/SSI-2022-0105
Wenbin WANG, Ruiping WANG, Xilin CHEN. Balanced scene graph generation assisted by an additional biased predictor. Sci Sin Inform, 2022, 52(11): 2075-2092, doi: 10.1360/SSI-2022-0105

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基于全局结构差异与局部注意力的变化检测

梅杰, 程明明
中国科学: 信息科学, 2022, 52(11): 2058-2074

摘要 检测由自然灾害造成的不同变化,对于有效地指导人道主义援助和灾难响应行动来说至关重要.但是灾害发生的地区通常面积大、地面环境复杂,导致检测其变化具有较大的挑战性.现有的评估方法通常依靠人工来进行判别,不适用于多种灾害的检测.本文提出了一种新颖的变化检测模型(change transformer, CHTR),基于双时序遥感图像来同时进行建筑分割和多级变化检测两个任务.本文结合卷积神经网络擅长学习局部细节特征和Transformer可以建模长程依赖关系的优势,采用混合卷积神经网络和Transformer的架构作为编码器.考虑到自然灾害通常会对复杂环境中的建筑物造成不同程度的破坏,本文提出了一种全局差异模块,以捕获全局变化模式,提高对双时序图像之间变化的整体认识.进一步设计了一种局部门控注意力模块,以学习多级别变化之间的局部依赖性,增强对不同变化的判别能力.在目前最大的建筑物损毁评估数据集(xBD)上进行的大量实验表明,本文提出的方法在建筑分割和变化检测两个任务上都取得了更好的结果.

关键词 建筑物分割; 变化检测; 遥感图像; 全局和局部结构; Transformer; building segmentation; change detection; satellite imagery; global-local architecture; transformer;

引用格式 梅杰, 程明明. 基于全局结构差异与局部注意力的变化检测. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(11): 2058-2074, doi: 10.1360/SSI-2021-0384
Jie MEI, Ming-Ming CHENG. Damage assessment with global differences and local attention. Sci Sin Inform, 2022, 52(11): 2058-2074, doi: 10.1360/SSI-2021-0384

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基于自判别循环生成对抗网络的人脸图像翻译

王清和, 曹兵, 朱鹏飞, 王楠楠, 胡清华, 高新波
中国科学: 信息科学, 2022, 52(8): 1447-1462

摘要 人脸跨域翻译是将人脸图像从一个图像域映射到另一个图像域的过程,常见的人脸图像翻译任务包括人脸照片–素描、人脸照片–线条画跨域翻译等,可以广泛应用于现实场景,如协助刑侦、电影制作、数字娱乐.但是成对的人脸图像数据有限,且不同域之间的颜色、纹理差异较大,导致人脸图像跨域翻译仍面临着巨大挑战.现有的方法通常会产生模糊、伪影、结构失真等问题,导致较差的视觉效果.为解决这一问题,我们提出了一个自判别循环生成对抗网络,其中,生成器部分采用编码器–解码器结构,生成器对应的判别器为翻译方向相反的编码器,通过自判别的形式,使编码器(即判别器)巧妙地融合了“真/假”语义判别能力与对像素改变的敏感性,从而增强了模型的稳健性和泛化能力.其次,我们提出了一个新颖的全向像素梯度损失函数,设计的卷积核计算了每个像素周围每个方向的梯度来提取图像的梯度信息,通过约束生成图像与对应真实图像的梯度信息保持一致,从而激励模型有效地学习像素间连续变化的模式,并且该损失函数可以灵活地应用于其他生成模型以提升性能.大量的实验表明本文提出的框架能够在公开的成对的人脸照片–素描数据集(CUFS, CUFSF)以及人脸照片–线条画数据集(APDrawing)上取得优异的结果.此外,通过泛化能力验证实验,我们进一步展示了模型在真实场景数据上的强泛化能力,以及自判别循环生成对抗网络结构在非成对人脸数据集上的出色性能.

关键词 人脸图像翻译; 自判别循环生成对抗网络; 梯度损失; 照片–素描; 照片–线条画; face image translation; self-discriminative cycle generative adversarial network; gradient loss; photo-sketch; photo-APDrawing;

引用格式 王清和, 曹兵, 朱鹏飞, 等. 基于自判别循环生成对抗网络的人脸图像翻译. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(8): 1447-1462, doi: 10.1360/SSI-2021-0321
Qinghe WANG, Bing CAO, Pengfei ZHU, et al. Self-discriminative cycle generative adversarial networks for face image translation. Sci Sin Inform, 2022, 52(8): 1447-1462, doi: 10.1360/SSI-2021-0321

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基于精细化多模态关联的自然语言句子在视频中的时序定位方法

袁艺天, 王鑫, 朱文武
中国科学: 信息科学, 2022, 52(8): 1417-1446

摘要 通信技术和移动互联网的发展使多媒体数据逐渐渗透人们的生活,而视频作为其中一种最具表现力的内容表达方式,近年来受到了工业界和学术界的广泛关注.针对视频数据中背景信息较为冗余,所需分析浏览时间长的特点,本文介绍了自然语言句子在视频中的时序定位任务,即在视频中定位与给定自然语言句子语义相关的视频片段,这样人们可以通过提供明确简洁的文本描述在视频中迅速找寻所关注的特定内容,从而提高用户的视频浏览体验和搜索效率.传统方法往往以多模态匹配的框架来解决句子在视频中的时序定位问题,忽略了自然语言句子中的关键定位线索,更忽视了自然语言句子对于关联视频内部相关内容的重要指导作用,因而其时序定位准确率十分有限.为解决上述难题,本文提出了多模态共同注意力机制挖掘自然语言句子中与时序定位相关的重要语义细节,精细地构建句子中各单词和视频内容之间的语义关系.在此基础上,我们还提出了语义条件动态归一化机制,指导视频中与句子语义相关的局部视频内容紧密耦合,形成明确的视频片段边界,最后辅以细粒度的边界调整模块,进而获得更为精准和灵活的时序定位结果.在公开数据集上的实验验证了本文所提出的机制和方法的有效性.最后,本文还从引入视频中的音频信号、考虑弱监督环境下的时序定位问题,以及构建无偏见时序定位数据集这3个方面对自然语言句子在视频中的时序定位问题进行了未来研究方向的展望.

关键词 时序定位; 语义关联; 多模态共同注意力机制; 时序卷积网络; 语义条件动态归一化机制; temporal sentence grounding in videos; semantic correlation; multimodal co-attention mechanism; temporal convolutional network; semantic conditioned dynamic normalization;

引用格式 袁艺天, 王鑫, 朱文武. 基于精细化多模态关联的自然语言句子在视频中的时序定位方法. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(8): 1417-1446, doi: 10.1360/SSI-2021-0138
Yitian YUAN, Xin WANG, Wenwu ZHU. Temporal sentence grounding in videos with fine-grained multimodal correlation. Sci Sin Inform, 2022, 52(8): 1417-1446, doi: 10.1360/SSI-2021-0138

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混合曲线曲面的CG-LSPIA拟合算法

蒋旖旎, 蔺宏伟
中国科学: 信息科学, 2022, 52(7): 1251-1271

摘要 混合曲线曲面的拟合常应用于计算机辅助设计与制造中,但传统的数据拟合方法缺乏明显的几何意义.最小二乘渐进迭代逼近算法(progressive-iterative approximation for least square fitting, LSPIA)能通过迭代地调整控制点得到原始数据点的最小二乘拟合结果,具有明显的几何意义,但收敛速度较慢.为解决这个问题,本文提出一种基于共轭梯度法的最小二乘渐进迭代逼近算法(conjugate-gradient progressive-iterative approximation for least square fitting, CG-LSPIA).该算法首先计算共轭曲线曲面,再更新混合曲线曲面,在没有数值误差的情况下,迭代至多n步即可生成给定数据点的最小二乘拟合曲线曲面.此外,本文给出了CG-LSPIA算法收敛性证明.最后,以B样条曲线曲面为例,与LSPIA算法进行了比较,实验表明该算法有效,并且减少了达到相同拟合误差限所需的迭代次数与时间.

关键词 渐进迭代逼近; 最小二乘拟合; 共轭梯度法; 数据拟合; 几何设计; progressive-iterative approximation algorithm; least square fitting; conjugate-gradient method; data fitting; geometric design;

引用格式 蒋旖旎, 蔺宏伟. 混合曲线曲面的CG-LSPIA拟合算法. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(7): 1251-1271, doi: 10.1360/SSI-2020-0403
Yini JIANG, Hongwei LIN. Conjugate-gradient progressive-iterative approximation for least square fitting of curves and surfaces. Sci Sin Inform, 2022, 52(7): 1251-1271, doi: 10.1360/SSI-2020-0403

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“千里阵云”的主观物象空间特征测量

律睿慜, 张陶洁, 梅莉琳
中国科学: 信息科学, 2022, 52(7): 1221-1250

摘要 书法笔画能够产生丰富的主观意象,中国传统绘画也有类似的审美现象.于是,在古代的书画论著中,有大量关于笔画观感的记载,往往是将笔画引出的各种丰富拟物化意象进行描述.目前由于书法通常被归入艺术学研究的范畴,书法理论研究中还极少引入数理建模和科学实验的方法,因此对于笔画的意象空间还鲜有采取测量及实证的科学方法,还未能对其建立数理模型.本文设计了两项实验,用以探索书法笔画的意象空间.在第一项实验中,引入实验美学中常用的审美测量方法,选取了书法家写的15个“一”字作为测试样品,并选用21种拟物化感知维度,设计了视觉模拟量表,招募了252名普通群众对它们进行意象感受评测实验.然后,对数据进行主成分分析,展现出笔画“一”的意象空间的特征:其一,它的前二维占据主导,主轴对应于书法理论中探讨最多的“质与妍”的风格倾向问题、副主轴对应于“真与草”的书风倾向问题;其二,它的第三、四维的分布情况也不可忽略,其具体的意义有待进一步解释;其三,不同形态的笔画分布于该空间的不同位置,不同的感知维度对应于从空间原点出发的不同方向.基于第一项实验,设计了可视化方案,直观展现该意向空间中占主导的前二维的结构特征.第二项实验让测试者对实验一中的15个笔画样品评价其两两之间的主观差异.该实验结果经多维缩放分析,与实验一的结果互为支撑.不仅验证了书法理论中有关书风和书体的观点,还为关于“笔法”的审美感知实证研究提供了一种可拓展的数理模型和实验框架.

关键词 书法; 笔法; 笔画; 意象; 实验美学; 主成分分析; 多维尺度分析; 数据可视化; calligraphy; brushstrokes; calligraphic stroke; synesthesia; empirical aesthetics; principle component analysis; multidimensional scaling; data visualization;

引用格式 律睿慜, 张陶洁, 梅莉琳. “千里阵云”的主观物象空间特征测量. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(7): 1221-1250, doi: 10.1360/SSI-2020-0344
Ruimin LYU, Taojie ZHANG, Lilin MEI. Experimental framework to study the subjective materialized image space of horizontal calligraphy strokes. Sci Sin Inform, 2022, 52(7): 1221-1250, doi: 10.1360/SSI-2020-0344

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工业缺陷检测深度学习方法综述

罗东亮, 蔡雨萱, 杨子豪, 章哲彦, 周瑜, 白翔
中国科学: 信息科学, 2022, 52(6): 1002-1039

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;

引用格式 罗东亮, 蔡雨萱, 杨子豪, 等. 工业缺陷检测深度学习方法综述. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(6): 1002-1039, doi: 10.1360/SSI-2021-0336
Dongliang LUO, Yuxuan CAI, Zihao YANG, et al. Survey on industrial defect detection with deep learning. Sci Sin Inform, 2022, 52(6): 1002-1039, doi: 10.1360/SSI-2021-0336

计算机 图形图像 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

基于生成对抗网络和域一致性的MRI运动伪影校正方法

曾宪华, 纪聪辉, 董倩
中国科学: 信息科学, 2022, 52(5): 822-836

摘要 在临床诊断中,磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)运动伪影是一个常见的问题,运动伪影的存在会影响医生的诊断,虽然重新采集MRI可以避免这一问题,但这会提高医院和患者的经济成本和时间成本,因此,运动伪影的校正具备实用研究价值.现有的研究主要关注于空域的运动伪影校正或者K空间的运动伪影校正,缺乏对K空间和空域之间数据一致性的保持.为了解决这一问题,本文基于生成对抗网络提出了保持K空间和空域之间数据一致性的MRI运动伪影校正模型.该模型通过频域生成器对K空间数据进行初步校正,然后通过空域生成器对空域中的数据进行精细校正,在优化阶段则采用域间数据一致性损失来保持K空间和空域之间的数据一致性.在公开脑部MRI数据集ADNI, ABIDE, OASIS和Brain上的实验结果表明,本文提出的模型相较于其他方法分别在PSNR, SSIM以及RMSE上最高提升了3.4%, 3.07%和15.57%.

关键词 运动伪影校正; 生成对抗网络; 数据一致性; 深度学习; 医学图像; motion artifact correction; generative adversarial network; data consistency; deep learning; medical image;

引用格式 曾宪华, 纪聪辉, 董倩. 基于生成对抗网络和域一致性的MRI运动伪影校正方法. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(5): 822-836, doi: 10.1360/SSI-2021-0114

计算机 图形图像 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

一种基于点标注的弱监督目标检测方法

姚洁茹, 韩军伟, 张鼎文
中国科学: 信息科学, 2022, 52(3): 461-482

摘要 近年来,弱监督目标检测在计算机视觉和机器学习领域获得了广泛的关注.点标注是弱标注的形式之一,它依赖人工标注,为图像中的每一个物体赋予一个标注点.尽管在过去的几年中,出现了许多基于深度学习的弱监督目标检测算法,但当前基于点标注的弱监督目标检测的探索仍处于空白.考虑到点标注可以为弱监督目标检测提供丰富的、与感兴趣物体相关的位置、类别、数量等信息,本文提出了一个基于点标注的弱监督目标检测算法.该算法通过探索标注点与目标、类别间、实例间的依赖关系弥补弱监督学习中监督信息的不足,提高弱监督目标检测性能.在该算法中,本文提出了3个网络分支用以充分挖掘标注点信息,改善弱监督目标检测学习过程:空间图分支(spatial graph branch,SGB)利用点标注与目标空间上的局部相关性,探索标注点与标注点空间上下文间关系;多语义分支(multi-semantics branch, MSB)利用类别间在语义上的共现概率,构建语义拓扑结构,探索标签间的全局语义关系;实例计数分支(count-guided instance branch, CIB)利用不同实例间在空间上的局部无关性和特征差异,推断每个目标的伪监督信息,实现实例级监督.用点标注训练弱监督目标检测算法,在节省人工标注成本的同时提供更多丰富的监督信息,从本质上提高弱监督目标检测性能.在PASCAL VOC 2007和PASCAL VOC 2012数据集上的实验结果表明,本文算法与基准模型相比,在均值平均精度上分别提高了7.9%和10.2%,在定位准确度上分别提高了9.7%和11.7%.

关键词 弱监督学习; 目标检测; 点标注; 依赖关系; 关系推理; weakly supervised learning; object detection; point annotation; dependency relationship; relationship reasoning;

引用格式 姚洁茹, 韩军伟, 张鼎文. 一种基于点标注的弱监督目标检测方法. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(3): 461-482, doi: 10.1360/SSI-2021-0089
Jieru YAO, Junwei HAN, Dingwen ZHANG. A weakly supervised object detection approach using point annotation. Sci Sin Inform, 2022, 52(3): 461-482, doi: 10.1360/SSI-2021-0089

计算机 图形图像 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

基于多尺度特征融合的人脸照片-素描合成

梁昌城, 王楠楠, 朱明瑞, 杨曦, 李洁, 高新波
中国科学: 信息科学, 2022, 52(2): 334-347

摘要 从真实的人脸照片合成面部素描及其逆过程具有广泛的用途,例如数字娱乐与协助刑事案件的侦查.但是,由于照片与素描在纹理上的显著差异,它们之间的互相转换仍是一个具有挑战性的问题.最近基于生成对抗网络的方法已在图像间转换问题,特别是照片到素描的转换方面展现出令人鼓舞的结果,但它们大多会在面部关键组件产生不同的形变或者模糊,使得合成图像的真实性受影响.为了应对这一挑战,我们提出了一种新颖的基于多尺度特征融合的人脸照片–素描合成算法,来提高合成图像的结构完整性与纹理逼真度.首先使用编码器提取输入图像的多尺度编码特征,然后将最底层编码特征经过空洞卷积模块后传入解码器进行解码.解码过程中将不同尺度的解码特征与对应尺度的编码特征在通道维度上拼接,从而获得多尺度编解码融合特征.最后在解码器的输出端将不同尺度的编解码融合特征进一步融合,并通过一层卷积层产生最终合成结果.通过这种同时将编码–解码过程中不同尺度的特征在通道维度进行拼接的方式,能够保持较好的图像结构以及纹理细节,生成逼真的面部素描/照片图像.我们在多个具有挑战性的数据集中验证了所提方法的有效性.定量和定性评估表明,本文模型在生成具有高视觉质量的人脸素描(或照片)方面优于其他最新技术.

关键词 人脸照片–素描合成; 图像翻译; 生成对抗网络; 多尺度特征融合; 空洞卷积; face photo sketch synthesis; image-to-image translation; generative adversarial network; multi-scale feature fusion; dilated convolution;

引用格式 梁昌城, 王楠楠, 朱明瑞, 等. 基于多尺度特征融合的人脸照片-素描合成. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(2): 334-347, doi: 10.1360/SSI-2021-0085
Changcheng LIANG, Nannan WANG, Mingrui ZHU, et al. Face photo-sketch synthesis based on multi-scale feature fusion. Sci Sin Inform, 2022, 52(2): 334-347, doi: 10.1360/SSI-2021-0085

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基于田字格变换的自监督汉字字体生成

曾锦山, 陈琪, 王明文
中国科学: 信息科学, 2022, 52(1): 145-159

摘要 近年来,汉字自动生成因其在艺术字体生成、个性化字体设计,以及书法作品生成等问题中的广泛应用而引起了大量关注.当前主流的汉字字体自动生成方法主要基于非配对数据和深度生成模型如生成对抗网络等.然而,这些主流的深度汉字字体生成方法通常忽略了汉字本身的结构信息,导致在提取特征时缺乏相应指导,且在训练过程中容易出现模式坍塌现象,从而在生成汉字质量方面亟待进一步提高.针对该问题,本文受汉字田字格书写的启发,提出一种基于田字格变换的自监督方法来指导网络模型提取更高质量的特征,进而提升汉字生成效果,需要特别指出的是所设计的田字格几何变换无需改变现有模型网络且不增加任何人工成本,因此潜在可嵌入许多已有深度汉字字体生成模型.所提自监督学习方法的有效性在一系列实验中得到验证.实验结果表明,在嵌入所提的自监督学习任务后,当前流行的基于CycleGAN的深度汉字生成模型在生成效果和训练稳定性等方面都有较大提升,并且模式坍塌现象得到改善.与现有其他深度汉字字体生成方法相比,所提基于田字格几何变换的自监督方法提高了生成汉字质量,并且在生成汉字内容准确率、FID值、L1损失和IOU这4个评价指标上均有一定提升.

关键词 汉字字体生成; 自监督学习; 生成对抗网络; 深度学习; 田字格变换; Chinese font generation; self-supervised learning; generative adversarial network; deep learning; square-block transformation;

引用格式 曾锦山, 陈琪, 王明文. 基于田字格变换的自监督汉字字体生成. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(1): 145-159, doi: 10.1360/SSI-2021-0056
Jinshan ZENG, Qi CHEN, Mingwen WANG. Self-supervised Chinese font generation based on square-block transformation. Sci Sin Inform, 2022, 52(1): 145-159, doi: 10.1360/SSI-2021-0056

计算机 图形图像 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

BeautyGAN+: 基于全新PMT数据集的美妆转移混合监督学习算法

白玉, 颜波, 谭伟敏
中国科学: 信息科学, 2022, 52(1): 129-144

摘要 作为改变人脸图像外观的重要方式之一,美妆转移任务在近年来获得了越来越多的关注.美妆转移网络可以将任意参考图像的妆容转移到任意人脸图像上,在节约时间和空间成本的同时帮助人们找到适合自己的妆容,并获得妆容得到美化的图像.美妆转移网络BeautyGAN成功展示了无监督方法妆容迁移的较好效果,然而此类无监督学习策略缺乏可以提供良好妆容细节的监督标签,导致实验结果中出现了背景变色、边缘不自然、容易受光照影响等问题.用素颜–美妆配对标签进一步约束BeautyGAN模型训练可以解决上述问题,但当前学术界缺乏此类精细标注的配对数据集.针对以上问题,本文提出了BeautyGAN+方法,贡献了一个用户详细标注的素颜–美妆配对数据集,即PMT数据集,在BeautyGAN的无监督基础上加入有监督损失进行训练,最终通过实验发现结合无监督(迁移性好)和有监督(细节修复好)的训练策略可以提供更好的迁移效果.实验结果中的图像结果和用户调研(14位)均表明本文方法显著提升了美妆转移效果,解决了美妆转移工作长期缺乏配对数据集及转移结果存在多种偏差的难题.

关键词 深度学习; 美妆转移技术; 生成式对抗网络; 有监督学习; 美妆数据集; deep learning; makeup transfer; generative adversarial network(GAN); supervised learning; makeup dataset;

引用格式 白玉, 颜波, 谭伟敏. BeautyGAN+: 基于全新PMT数据集的美妆转移混合监督学习算法. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(1): 129-144, doi: 10.1360/SSI-2021-0093
Yu BAI, Bo YAN, Weimin TAN. BeautyGAN+: mixed-supervised makeup transfer learning algorithm based on new PMT dataset. Sci Sin Inform, 2022, 52(1): 129-144, doi: 10.1360/SSI-2021-0093

计算机 图形图像 评述 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 4

面向实时视频流分析的边缘计算技术

杨铮, 贺骁武, 吴家行, 王需, 赵毅
中国科学: 信息科学, 2022, 52(1): 1-53

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;

引用格式 杨铮, 贺骁武, 吴家行, 等. 面向实时视频流分析的边缘计算技术. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(1): 1-53, doi: 10.1360/SSI-2021-0133
Zheng YANG, Xiaowu HE, Jiahang WU, et al. Edge computing technologies for streaming video analytics. Sci Sin Inform, 2022, 52(1): 1-53, doi: 10.1360/SSI-2021-0133

计算机 计算机理论 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

理论计算机科学专题

创作者经济中的去中心化审查机制设计

陈宏崟, 邓小铁, 孔雨晴, 陆宇暄
中国科学: 信息科学, 2022, 52(6): 992-1001

摘要 创作者经济的兴起以及相应去中心化平台的搭建加速了权力向个体创作者的转移,然而由于去中心化平台缺乏中心内容审查和监管,创作者可能滥用权力,传递可能造成社会损害的信息.已有的去中心化审查机制缺乏对创作内容社会损害的严谨刻画,同时对于该问题的解决方案也缺乏相应的理论支撑.我们提出了一套去中心化平台的审查机制:创作者上传的作品将首先由去中心化的审查者进行损害评估,根据评估结果,创作者在上传作品的同时需要支付一定押金,为了防止在随机环境下较坏情况发生,我们将引入去中心化的担保者进行担保,在此基础上通过中心化的资金池解决极端情形下的社会损害赔付.我们证明:(1)在损害评估阶段,审查者们诚实地给出自己对作品社会损害的评估是一个支配性策略;(2)审查机制以极高的概率保证作品的社会损害会低于担保者的赔偿上限和创作者的押金之和.

关键词 创作者经济; 互联网3.0; 去中心化审查; 区块链; 社交媒体; creator economy; Web3.0; decentralized censorship; blockchain; social media;

引用格式 陈宏崟, 邓小铁, 孔雨晴, 等. 创作者经济中的去中心化审查机制设计. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(6): 992-1001, doi: 10.1360/SSI-2022-0126
Hongyin CHEN, Xiaotie DENG, Yuqing KONG, et al. Decentralized content censorship for creator economy. Sci Sin Inform, 2022, 52(6): 992-1001, doi: 10.1360/SSI-2022-0126

计算机 计算机理论 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 5

理论计算机科学专题

基于区块链和贝叶斯博弈的联邦学习激励机制

张沁楠, 朱建明, 高胜, 熊泽辉, 丁庆洋, 朴桂荣
中国科学: 信息科学, 2022, 52(6): 971-991

摘要 联邦学习通过聚合多方本地模型成为数据共享的新模式.现有的联邦学习激励机制有效缓解了完全信息下的数据供给不足问题,但仍面临搭便车、不公平、不可信等挑战.为此,本文提出了一种基于区块链和贝叶斯博弈(Bayesian game)的不完全信息联邦学习激励机制,通过量化数据供给方的成本效用与数据需求方的支付报酬对数据交易过程建模,采用沙普利值(Shapley value)实现了数据供给方报酬分配的公平性.在交易模型中考虑到参与个体的异质性与隐私保护,将数据供给方的资源配置策略构建为不完全信息的贝叶斯博弈模型,通过优化本地模型训练策略实现对数据供给方的激励作用.本文进一步分析了激励机制的有效性与行动策略的可信性,提出一种隐私保护的贝叶斯博弈行动策略共识算法(privacy-preserving Bayesian game action strategy consensus algorithm, PPBG-AC),该算法使数据供给方在基于区块链的数据交易平台下实现了贝叶斯纳什均衡.方案对比与理论分析表明本文提出的不完全信息联邦学习激励机制保障了数据供给方利益分配的公平性与资源配置的可信性,基于实际公开数据集的仿真实验与性能评估验证了激励机制的有效性.

关键词 联邦学习; 激励机制; 区块链; 贝叶斯博弈; 沙普利值; 不完全信息; 隐私保护; federated learning; incentive mechanism; blockchain; Bayesian game; Shapley value; incomplete information; privacy protection;

引用格式 张沁楠, 朱建明, 高胜, 等. 基于区块链和贝叶斯博弈的联邦学习激励机制. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(6): 971-991, doi: 10.1360/SSI-2022-0020
Qinnan ZHANG, Jianming ZHU, Sheng GAO, et al. Incentive mechanism for federated learning based on blockchain and Bayesian game. Sci Sin Inform, 2022, 52(6): 971-991, doi: 10.1360/SSI-2022-0020

计算机 计算机理论 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 2

理论计算机科学专题

最小最大圈覆盖问题的精确算法

袁森, 陈开奇, 李江坤, 张鹏
中国科学: 信息科学, 2022, 52(6): 960-970

摘要 最小最大圈覆盖问题是旅行售货商问题的推广,该问题在无线传感器网络和无人机救灾等领域有着广泛的应用.目前关于最小最大圈覆盖问题的研究主要集中在近似算法方面,而缺少精确算法方面的结果.本文根据最小最大圈覆盖问题的组合特征,对该问题设计了基于动态规划策略的首个精确算法,时间复杂度为O~*(3~n).本文将对最小最大圈覆盖问题的求解分为两个阶段,第一个阶段是对问题的输入进行预处理,第二个阶段是在预处理的基础上求问题的最优解.有趣的是,两个阶段的方法都是基于动态规划策略设计的,这是本文处理最小最大圈覆盖问题的一个主要的特色.本文所证明的求到最优解的时间O~*(3~n),显著优于基于暴力搜索策略的枚举算法的时间.

关键词 最小最大圈覆盖问题; 动态规划; 分支定界; 精确算法; min-max cycle cover; dynamic programming; branch and bound; exact algorithm;

引用格式 袁森, 陈开奇, 李江坤, 等. 最小最大圈覆盖问题的精确算法. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(6): 960-970, doi: 10.1360/SSI-2021-0444
Sen YUAN, Kaiqi CHEN, Jiangkun LI, et al. Exact algorithms for the min-max cycle cover problem. Sci Sin Inform, 2022, 52(6): 960-970, doi: 10.1360/SSI-2021-0444

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理论计算机科学专题

平面上带次模惩罚费用的最小能量部分覆盖问题

刘晓非, 代涵, 李思哲, 李伟东
中国科学: 信息科学, 2022, 52(6): 947-959

摘要 给定平面上的n个用户、m个传感器和一个正整数k (n),任意传感器s均可以通过提供能量p(s)产生一个圆形的覆盖区域,覆盖区域的半径r(s)与p(s)满足p(s)=r(s)~α,其中, α1为衰减系数.平面上带次模惩罚费用的最小能量部分覆盖问题尝试寻找传感器的一个能量供应方案,使得至少有k个用户被覆盖且总能量与未覆盖用户的惩罚费用之和达到最小,其中惩罚费用由一个次模函数确定.该问题推广了最小能量覆盖问题、最小能量部分覆盖问题和带惩罚费用的最小能量部分覆盖问题.通过深入挖掘平面上半不相交圆盘集合的几何性质,本文设计了一个基于原始对偶框架的两阶段多项式时间(5·2~α+1)-近似算法.当惩罚费用函数是线性函数时,此算法的近似比为5·2~α.

关键词 能量部分覆盖问题; 次模惩罚费用; 原始对偶方法; 半不相交; 近似算法; k-prize-collecting power cover problem; submodular penalties; primal-dual method; semi-disjoint; approximation algorithm;

引用格式 刘晓非, 代涵, 李思哲, 等. 平面上带次模惩罚费用的最小能量部分覆盖问题. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(6): 947-959, doi: 10.1360/SSI-2021-0445
Xiaofei LIU, Han DAI, Sizhe LI, et al. k-prize-collecting minimum power cover problem with submodular penalties on a plane. Sci Sin Inform, 2022, 52(6): 947-959, doi: 10.1360/SSI-2021-0445

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理论计算机科学专题

无权重物品的几乎无忌妒分配

张智杰, 应东昊, 张家琳, 孙晓明
中国科学: 信息科学, 2022, 52(6): 935-946

摘要 公平分配研究如何把m个不可分的物品公平地分配给n个玩家.每个玩家关于物品有一个可加的估值函数.物品是无权重的,如果他们的取值范围为{1, 0,-1}.非负估值的物品称为奖品,非正估值的物品称为苦差.本文考虑寻找无权重物品的分配,并满足“相差任意物品下是无忌妒的”(envy-free up to any item, EFX0). EFX_0是本领域内最受关注的公平性度量.一般可加估值函数下的EFX_0分配的存在性仍然是开放的.本文提出寻找无权重物品的EFX_0分配的多项式时间算法.为了达到这个目的,本文分别提出了寻找无权重奖品和无权重苦差的EFX_0分配的算法.然后,通过将二者小心地结合起来,本文得到了最终的算法.本文的结果完整刻画了无权重情况下寻找EFX_0分配的解决方案.

关键词 公平分配; 无忌妒性; 不可分物品; 奖品; 苦差; fair allocation; envy-freeness; indivisible items; goods; chores;

引用格式 张智杰, 应东昊, 张家琳, 等. 无权重物品的几乎无忌妒分配. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(6): 935-946, doi: 10.1360/SSI-2021-0449
Zhijie ZHANG, Donghao YING, Jialin ZHANG, et al. Almost envy-free allocations of unweighted items. Sci Sin Inform, 2022, 52(6): 935-946, doi: 10.1360/SSI-2021-0449

计算机 计算机理论 评述 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 2

图数据中极大团枚举问题的求解: 研究现状与挑战

许绍显, 廖小飞, 邵志远, 华强胜, 金海
中国科学: 信息科学, 2022, 52(5): 784-803

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;

引用格式 许绍显, 廖小飞, 邵志远, 等. 图数据中极大团枚举问题的求解: 研究现状与挑战. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(5): 784-803, doi: 10.1360/SSI-2021-0155
Shaoxian XU, Xiaofei LIAO, Zhiyuan SHAO, et al. Maximal clique enumeration problem on graphs: status and challenges. Sci Sin Inform, 2022, 52(5): 784-803, doi: 10.1360/SSI-2021-0155

计算机 计算机理论 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

分布式梅特罗波利斯算法: 收敛条件与最优并行加速

凤维明, 尹一通
中国科学: 信息科学, 2022, 52(2): 287-313

摘要 梅特罗波利斯算法(Metropolis algorithm)是一种基本的马尔可夫链蒙特卡罗(Markov chain Monte Carlo, MCMC)采样技术,可用于从概率图模型所表示的高维概率分布(即吉布斯(Gibbs)分布)中进行随机采样.传统的梅特罗波利斯算法是一个串行算法.关于其快速收敛性的一个经典结论是:当满足梅特罗波利斯算法的Dobrushin-Shlosman条件时,该算法在O(n log n)步内快速收敛,其中n是随机变量的个数.本文研究了梅特罗波利斯算法的分布式版本——局部梅特罗波利斯算法.对该算法的正确性与收敛速度进行了分析,证明了该算法总是收敛于正确的吉布斯分布;并且对于一类自然的不包含三角形(triangle-free)概率图模型,如果满足相同的Dobrushin-Shlosman条件,则局部梅特罗波利斯算法在O(log n)轮内快速收敛.相比于传统的串行算法,实现了?(n)倍的渐进最优并行加速比.具体应用包括图染色、硬核模型和伊辛(Ising)模型的分布式采样算法.

关键词 分布式采样; 马尔可夫链蒙特卡洛; 混合时间; 自旋系统; 耦合; distributed sampling; Markov chain Monte Carlo; mixing time; spin system; coupling;

引用格式 凤维明, 尹一通. 分布式梅特罗波利斯算法: 收敛条件与最优并行加速. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(2): 287-313, doi: 10.1360/SSI-2021-0127
Weiming FENG, Yitong YIN. Distributed Metropolis algorithm: convergence condition and optimal parallel speed-up. Sci Sin Inform, 2022, 52(2): 287-313, doi: 10.1360/SSI-2021-0127

计算机 高性能计算 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

一种基于动态可寻址会话的服务器无感知计算

李子俊, 赵一龙, 陈全, 过敏意
中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 582-602

摘要 服务器无感知计算作为云原生范式中快速发展的新兴技术,因其按需付费、自动资源伸缩和底层环境屏蔽等特点而受到越来越多的开发人员欢迎. FaaS (函数即服务)作为Serverless架构的主要实现方式,以函数粒度对应用进行解耦和执行.大多数云服务提供商也为应用开发人员提供了基于Serverless架构的应用搭建服务,这些服务允许开发人员以函数的形式部署代码,并根据实际的请求量进行自动扩缩容.然而,在部署有状态函数时,由于Serverless架构的无状态特性,管理其中的有状态数据变得复杂,往往无法满足Serverless中函数对有状态数据的访问性能要求.因此,本文提出了一种基于有状态和动态可寻址会话机制的服务器无感知计算系统XFaaS,实现了低开销的有状态数据访问和更高的应用吞吐.实验结果表明,通过采用XFaaS系统部署有状态函数的方式,可以降低有状态数据访问时延3个数量级,并提高2倍以上的函数最大吞吐量.

关键词 服务器无感知计算; 函数即服务; 有状态函数; 粘滞会话; 容器; Serverless computing; function-as-a-service; stateful function; sticky Session; container

引用格式 李子俊, 赵一龙, 陈全, 等. 一种基于动态可寻址会话的服务器无感知计算. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 582-602, doi: 10.1360/SSI-2023-0155
Zijun LI, Yilong ZHAO, Quan CHEN, et al. Serverless computing based on dynamic-addressable session. Sci Sin Inform, 2024, 54(3): 582-602, doi: 10.1360/SSI-2023-0155

计算机 高性能计算 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

联邦学习在高度数据异构场景下的泛化鲁棒性增强

万伟, 胡胜山, 陆建荣, 李明慧, 周子淇, 金海
中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 566-581

摘要 联邦学习(federated learning, FL)是一种以保护客户隐私数据为中心的分布式处理网络,为解决隐私泄露问题提供了前景良好的解决方案.然而, FL的一个主要困境是高度非独立同分布(nonindependent and identically distributed, non-IID)的数据会导致全局模型性能很差.尽管相关研究已经探讨了这个问题,但本文发现当面对non-IID数据、不稳定的客户端参与以及深度模型时,现有方案和标准基线FedAvg相比,只有微弱的优势或甚至更差,因此严重阻碍了FL的隐私保护应用价值.为解决这个问题,本文提出了一种对non-IID数据鲁棒的优化方案:FedUp.该方案在保留FL隐私保护特点的前提下,进一步提升了全局模型的泛化鲁棒性. FedUp的核心思路是最小化全局经验损失函数的上限来保证模型具有低的泛化误差.大量仿真实验表明, FedUp显著优于现有方案,并对高度non-IID数据以及不稳定和大规模客户端的参与具有鲁棒性.

关键词 分布式网络; 联邦学习; 异构优化; 泛化性; 鲁棒性; 隐私保护; distributed network; federated learning; heterogeneous optimization; generalization; robustness; privacy protection

引用格式 万伟, 胡胜山, 陆建荣, 等. 联邦学习在高度数据异构场景下的泛化鲁棒性增强. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 566-581, doi: 10.1360/SSI-2023-0107
Wei WAN, Shengshan HU, Jianrong LU, et al. Enhancing generalization robustness of federated learning in highly heterogeneous environments. Sci Sin Inform, 2024, 54(3): 566-581, doi: 10.1360/SSI-2023-0107

计算机 高性能计算 论文 Website Google Scholar PDF

TVMT: 基于TVM的高性能神经网络训练编译器

曾军, 寇明阳, 郑惜元, 姚海龙, 孙富春
中国科学: 信息科学, 2023, 53(12): 2458-2471

摘要 随着深度学习应用的快速发展,神经网络模型的参数量变得越来越大,这意味着训练一个可用的神经网络模型需要更多的算力和更长的计算时间,因此如何提升神经网络训练的效率至关重要.然而训练效率在很大程度上取决于硬件后端和编译器.为了提升神经网络训练的性能,编译器的效率亟待提升,而这主要取决于计算图的优化、算子级别的优化和代码生成.主流的神经网络训练框架(如TensorFlow, PyTorch)使用了供应商特定的、通过手工设计算子获得的算子库.然而,手工设计算子浪费了大量的算子级别的优化空间,因此研究人员提出了TVM.作为一个端到端的编译器, TVM实现了算子级的自动优化,比现有框架进一步提高了性能.此外, TVM支持从多种神经网络框架中导入神经网络模型,并在不同主流硬件后端上部署.然而, TVM的注意力集中于提升神经网络推理任务的性能,并不支持神经网络的训练.本文提出了TVMT,第一个基于TVM、支持神经网络训练的端到端编译器.为了支持神经网络训练,本文提出了以下方法.(1)合并损失函数到现有的计算图中,以支持前向和后向传播;(2)在训练过程中采用设备到主机的机制来更新权重参数;(3)集成了最先进的张量程序调优器,以自动优化神经网络训练程序.实验结果表明,与PyTorch相比, TVMT在Intel CPU和NVIDIA GPU上的神经网络训练性能达到了最高4.88倍的提升;与TensorFlow相比, TVMT在Intel CPU和NVIDIA GPU上的神经网络训练性能达到了最高11.5倍的提升.

关键词 神经网络编译器; 神经网络训练; 算子自动优化; 参数更新; 反向传播; neural network compiler; neural network training; automatic optimization for operators; parameters update; back propagation

引用格式 曾军, 寇明阳, 郑惜元, 等. TVMT: 基于TVM的高性能神经网络训练编译器. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(12): 2458-2471, doi: 10.1360/SSI-2022-0140
Jun ZENG, Mingyang KOU, Xiyuan ZHENG, et al. TVMT: TVM-based high-performance neural network compiler supporting training. Sci Sin Inform, 2023, 53(12): 2458-2471, doi: 10.1360/SSI-2022-0140

计算机 高性能计算 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

面向SDN网络的分布式轻量级大流检测算法

周京晶, 黄河, 孙玉娥, 杜扬, 张博宇
中国科学: 信息科学, 2023, 53(10): 1924-1944

摘要 在SDN (software-defined networks)网络中检测大流对负载均衡、异常检测、流量工程等网络应用的实施及网络服务质量的提升至关重要. SDN网络通常使用流表统计流量数据,但由于存储流表的三态内容寻址寄存器(ternary content addressable memory, TCAM)资源有限,仅凭流表无法从海量网络数据中识别出所有大流,需要使用紧凑数据结构作为额外的测量模块来辅助检测.现有的研究多考虑将测量模块部署在单台或边缘交换机上,但交换机中的高速存储资源和计算资源极度紧缺,处于高流量链路上的交换机会因执行测量任务承受过高的负载,甚至影响交换机核心功能的执行.为此,本文提出了一种面向SDN网络的分布式轻量级大流检测方案.该方案将网络流量测量任务分摊至全网交换机,进而实现测量负载的均衡,并结合所设计的轻量级测量模块,有效降低了每台交换机执行测量任务所需的计算和存储开销.实验结果证明该方案较已有最新研究成果具有更高的测量精度及更低的计算和存储开销.

关键词 SDN网络; 网络流量测量; 大流检测; 分布式测量; Sketch; software-defined networks; network traffic measurement; elephant flow detection; distributed measurement

引用格式 周京晶, 黄河, 孙玉娥, 等. 面向SDN网络的分布式轻量级大流检测算法. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(10): 1924-1944, doi: 10.1360/SSI-2022-0387
Jingjing ZHOU, He HUANG, Yu-E SUN, et al. A distributed and lightweight elephant flow detection algorithm for software-defined networks. Sci Sin Inform, 2023, 53(10): 1924-1944, doi: 10.1360/SSI-2022-0387

计算机 高性能计算 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

面向动态有向图的单调图算法硬件加速机制

杨赟, 余辉, 赵进, 张宇, 廖小飞, 姜新宇, 金海, 刘海坤, 毛伏兵, 张吉, 王彪
中国科学: 信息科学, 2023, 53(8): 1575-1592

摘要 随着现实世界中动态图计算需求的快速增长,现有的研究工作已经提出了多种方法来有效支持单调图算法在动态有向图中的处理.然而,由于动态有向图的图结构频繁发生变化,其相邻图顶点之间的状态更新存在复杂的依赖关系,这使得现有的软硬件方法在处理单调图算法时依然面临着数据访问成本高和收敛速度慢的问题.为此,本文提出了一种面向动态有向图的单调图算法加速器DSGraph,它能够充分利用图顶点之间的依赖关系来加快单调图算法在动态有向图处理中的收敛速度,并有效降低数据访问成本.具体来说, DSGraph通过实时提取动态有向图中图顶点的局部拓扑依赖顺序来执行异步迭代处理,从而显著减少冗余的图顶点状态更新.同时, DSGraph设计了一种异步迭代流水线架构,其按照依赖顺序对图顶点状态进行异步迭代处理,从而加速图顶点状态传播速度并减少数据访问开销.最后, DSGraph提出了一种无阻塞数据同步机制,通过并行执行本地图顶点的状态更新和外部图顶点的数据同步来减少系统同步开销.实验显示,与目前最先进的面向单调图算法的动态图处理系统KickStarter相比, DSGraph将动态有向图处理速度平均提升了11.2倍.

关键词 动态有向图; 单调图算法; 增量计算; 依赖感知; 图加速器; dynamic directed graph; monotonic graph algorithms; incremental processing; dependency-aware; graph accelerator;

引用格式 杨赟, 余辉, 赵进, 等. 面向动态有向图的单调图算法硬件加速机制. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(8): 1575-1592, doi: 10.1360/SSI-2022-0191
Yun YANG, Hui YU, Jin ZHAO, et al. An efficient hardware accelerator for monotonic graph algorithms on dynamic directed graphs. Sci Sin Inform, 2023, 53(8): 1575-1592, doi: 10.1360/SSI-2022-0191

计算机 高性能计算 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

国防科技大学建校70周年专题

学科交叉多物理场耦合并行计算构件模型

莫则尧, 杨章
中国科学: 信息科学, 2023, 53(8): 1560-1574

摘要 随着高性能数值模拟对客观对象逼真度的不断增强,学科交叉特征凸显,带来多物理场耦合的多样性和动态演化,给并行计算带来了新的挑战.相对于单一学科或静态的多物理场耦合,挑战主要表现在两个方面,其一,如何降低耦合的复杂度;其二,如何支撑提升耦合的可信度.本文提出一种跨学科并行计算构件模型,统一表征结构网格、非结构网格和组合几何的网格数据模型,构件化数据通信、负载平衡和数值计算功能,将耦合复杂度从平方量级降低到线性近优,并奠定了耦合可信度提升的并行计算基础.结构–流体–传热等跨学科多物理场耦合并行计算表明,本文提出的构件模型有效.

关键词 构件模型; 并行计算; 学科交叉; 多物理场耦合; component model; parallel computing; interdisciplinary; multiphysics coupling;

引用格式 莫则尧, 杨章. 学科交叉多物理场耦合并行计算构件模型. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(8): 1560-1574, doi: 10.1360/SSI-2023-0108
Zeyao MO, Zhang YANG. Parallel computing component model for interdisciplinary multiphysics coupling. Sci Sin Inform, 2023, 53(8): 1560-1574, doi: 10.1360/SSI-2023-0108

计算机 高性能计算 评述 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

国防科技大学建校70周年专题

分离式数据中心的存储系统研究进展

舒继武, 陈游旻, 汪庆, 王晶, 李俊儒, 廖晓坚
中国科学: 信息科学, 2023, 53(8): 1503-1528

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;

引用格式 舒继武, 陈游旻, 汪庆, 等. 分离式数据中心的存储系统研究进展. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(8): 1503-1528, doi: 10.1360/SSI-2023-0034
Jiwu SHU, Youmin CHEN, Qing WANG, et al. Progress on storage systems for disaggregated data centers. Sci Sin Inform, 2023, 53(8): 1503-1528, doi: 10.1360/SSI-2023-0034

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国防科技大学建校70周年专题

并行智能训练技术: 挑战与发展

卢凯, 赖志权, 李笙维, 柳炜杰, 葛可适, 卢锡城, 李东升
中国科学: 信息科学, 2023, 53(8): 1441-1468

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;

引用格式 卢凯, 赖志权, 李笙维, 等. 并行智能训练技术: 挑战与发展. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(8): 1441-1468, doi: 10.1360/SSI-2023-0051
Kai LU, Zhiquan LAI, Shengwei LI, et al. Parallel intelligent computing: development and challenges. Sci Sin Inform, 2023, 53(8): 1441-1468, doi: 10.1360/SSI-2023-0051

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一种新型群智感知系统架构模型和实现方法

马华东, 赵东, 王新兵, 王甲海, 华蓓, 童剑军
中国科学: 信息科学, 2023, 53(7): 1262-1280

摘要 物联网移动群智感知模式本质是汇聚大规模普通移动个体的智能感知能力,对开放、动态、复杂物理环境进行感知,通过感知大数据的智能分析,对感知群体引导和反馈,使其持续涌现群体智能并辅助综合决策.目前的群智感知系统仍然存在个体感知欠智能、群体目标少引导、群智过程弱调控三方面的局限性.本文首先讨论了群智感知研究现状和面临的挑战;结合人机物融合、云边端协同、感算控闭环3个核心发展趋势,提出一种智能演进与反馈引导结合的新型群智感知系统架构模型Evo-CPS,并研究了该模型的实现方法;然后结合智慧出行应用场景,将所提出的理论方法进行应用验证;最后,总结全文并展望新一代群智感知研究领域的发展方向.

关键词 群体智能; 群智感知; 人机物融合; 智慧出行; crowd intelligence; crowdsensing; human-cyber-physical fusion; smart transportation;

引用格式 马华东, 赵东, 王新兵, 等. 一种新型群智感知系统架构模型和实现方法. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(7): 1262-1280, doi: 10.1360/SSI-2022-0157
Huadong MA, Dong ZHAO, Xinbing WANG, et al. A novel crowdsensing system architecture model and its implementation methods. Sci Sin Inform, 2023, 53(7): 1262-1280, doi: 10.1360/SSI-2022-0157

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图计算在ATPG中的应用探究

毛伏兵, 彭达, 张宇, 廖小飞, 姜新宇, 杨赟, 金海, 赵进, 刘海坤, 王柳峥
中国科学: 信息科学, 2023, 53(2): 211-233

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;

引用格式 毛伏兵, 彭达, 张宇, 等. 图计算在ATPG中的应用探究. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(2): 211-233, doi: 10.1360/SSI-2021-0267
Fubing MAO, Da PENG, Yu ZHANG, et al. Research on the application of graph processing in ATPG. Sci Sin Inform, 2023, 53(2): 211-233, doi: 10.1360/SSI-2021-0267

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代际交错背景下移动蜂窝系统的近因现象与自调控设计: 速度、能耗与可靠性

刘云浩, 李振华, 李洋, 林灏, 宫良一, 郑雅文
中国科学: 信息科学, 2022, 52(12): 2290-2305

摘要 移动蜂窝系统正经历着从2G/3G/4G到5G的交错式代际进化过程,多样化的信号与协议长期共存.如何在庞大、异构、高动态的蜂窝环境中保证服务的高速(传输快)、高能效(耗电少)和高可靠性(不断网)成为至关重要但又非常困难的问题,该问题同时涉及手机制造商、网络服务提供商、操作系统和应用软件开发商.我们研究和综述了近年来针对该问题的代表性工作,发现蜂窝系统表观层面的多个反常性能问题,实际上归因于核心机制层面隐蔽而深刻的“近因现象”:受社会舆论和商业宣传影响,在选择使用移动网络时,存在非理性的代际偏颇和不自觉的速度至上倾向,进而引发了偏向5G的“亏损迁移”、网络容量的“饱和饥饿”以及基站连接的“乒乓跳跃”等连锁效应.为修复上述缺陷,我们提出基于4G/5G双连接以及非齐次时变马尔可夫过程的自调控技术设计,将5G设备的故障发生率降低40%并将所有设备的平均故障持续时间缩短36%,同时探讨我们基于大规模工业合作实践的洞察和创新.

关键词 代际交错; 5G; 近因现象; 亏损迁移; 自调控技术; interlaced generations; 5G; recency effect; loss-making migration; self-regulating design;

引用格式 刘云浩, 李振华, 李洋, 等. 代际交错背景下移动蜂窝系统的近因现象与自调控设计: 速度、能耗与可靠性. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(12): 2290-2305, doi: 10.1360/SSI-2022-0062
Yunhao LIU, Zhenhua LI, Yang LI, et al. Recency effect and self-regulating design of mobile cellular systems in the context of interlaced generations: network bandwidth, power efficiency, and connection reliability. Sci Sin Inform, 2022, 52(12): 2290-2305, doi: 10.1360/SSI-2022-0062

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面向机器学习系统的张量中间表示

庄毅敏, 文渊博, 李威, 郭崎
中国科学: 信息科学, 2022, 52(6): 1040-1052

摘要 随着各类机器学习算法的广泛应用,高能效地定制机器学习系统受到越来越多的关注.定制机器学习系统高效部署的关键在于其编程与编译环境.中间表示是编程与编译环境的核心,用于连接上层编程语言和底层硬件指令.当前的中间表示或是面向上层算法或是面向以标量处理为核心的传统处理器,难以高效应对以张量处理为核心的机器学习系统.本文提出了面向机器学习系统的张量中间表示,以提升机器学习系统的编程和运行效率.具体而言,我们定义了一系列张量类型,张量操作及张量存储空间,并在此基础上进行张量处理优化.我们将所提出的张量中间表示对TVM的底层标量中间表示进行了扩展并在典型机器学习系统上进行了实验.我们探索了原有中间表示没有发掘的优化并取得了1.62~2.85倍的性能提升,同时在典型算子的开发效率上平均提升了5.46倍.

关键词 机器学习系统; 编程与编译; 张量处理; 中间表示; 编程效率; machine learning systems; programming & compiling; tensor processing; intermediate representation; programming efficiency;

引用格式 庄毅敏, 文渊博, 李威, 等. 面向机器学习系统的张量中间表示. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(6): 1040-1052, doi: 10.1360/SSI-2020-0398
Yimin ZHUANG, Yuanbo WEN, Wei LI, et al. A tensor intermediate representation for machine learning systems. Sci Sin Inform, 2022, 52(6): 1040-1052, doi: 10.1360/SSI-2020-0398

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下一代互联网互联设备关键技术专利导航研究综述

贾宏君, 周静, 乔开文, 张丹, 谢祥, 刘杰, 娄颖, 张铭, 马跃, 张柏秋, 何笑冬, 张凌宇, 郑晔晴, 邹昊, 刘科
中国科学: 信息科学, 2022, 52(5): 765-783

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;

引用格式 贾宏君, 周静, 乔开文, 等. 下一代互联网互联设备关键技术专利导航研究综述. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(5): 765-783, doi: 10.1360/SSI-2021-0286
Hongjun JIA, Jing ZHOU, Kaiwen QIAO, et al. Patent navigation on key technologies of next generation Internet interconnection technologies: a review. Sci Sin Inform, 2022, 52(5): 765-783, doi: 10.1360/SSI-2021-0286

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计算体系架构研究综述与思考

高彦钊, 邬江兴, 刘勤让, 沈剑良, 宋克, 张帆
中国科学: 信息科学, 2022, 52(3): 377-398

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;

引用格式 高彦钊, 邬江兴, 刘勤让, 等. 计算体系架构研究综述与思考. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(3): 377-398, doi: 10.1360/SSI-2021-0163
Yanzhao GAO, Jiangxing WU, Qinrang LIU, et al. Review and thoughts on the development of computing architecture. Sci Sin Inform, 2022, 52(3): 377-398, doi: 10.1360/SSI-2021-0163

计算机 高性能计算 观点与争鸣 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 2

专用处理器比较分析

鄢贵海, 卢文岩, 李晓维, 孙凝晖
中国科学: 信息科学, 2022, 52(2): 358-375

摘要 微处理器是现代信息系统的核心基础设施.大数据、人工智能、5G等技术的快速发展催生了数据量的爆发性增长,随之对数据处理能力的需求也急剧增长.专用计算技术被广泛认为是后摩尔时代的计算机体系结构演化的重要方向.专用处理器技术的发展一直伴生着通用处理器的发展,数字信号处理技术甚至早于传统意义上的通用处理器.通用处理器技术的发展,不仅在商业上取得了巨大的成功,很多关键技术也被专用处理器吸收借鉴用于提升专用计算的性能、优化可编程性等.本文主要分析了数字信号处理器(DSP)、图像处理器(GPU)、深度学习处理器(AI芯片)和网络处理器(NPU)的关键技术特征,并进一步对专用计算架构未来发展可能涉及的关键点作出了简要的评述.

关键词 专用处理器; 数字信号处理; 图像处理; 深度学习; 网络处理; domain-specific processor; digital signal processing; graphic processing; deep learning; network processing;

引用格式 鄢贵海, 卢文岩, 李晓维, 等. 专用处理器比较分析. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(2): 358-375, doi: 10.1360/SSI-2021-0274
Guihai YAN, Wenyan LU, Xiaowei LI, et al. Comparative study of the domain-specific processors. Sci Sin Inform, 2022, 52(2): 358-375, doi: 10.1360/SSI-2021-0274

计算机 高性能计算 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

FJoin: 一种基于FPGA的流连接并行加速器

林力韬, 陈汉华, 金海
中国科学: 信息科学, 2022, 52(2): 314-333

摘要 流连接广泛应用于提取多源流数据之间的关键信息,是大数据处理的重要支撑技术.但连接两条大数据流时大规模的连接谓词计算,使其易成为性能瓶颈.为提高处理性能,流连接系统常采用并行和分布式两种方式扩展.然而,采用多核并行的流连接系统的扩展性受到CPU核数限制,无法应对大规模数据流.采用分布式扩展的流连接系统由于引入分布式框架运行的开销,导致硬件处理效率严重下降.为实现高效大规模扩展,本文提出一种利用FPGA加速器外设向上扩展的流连接系统FJoin.加速器可进行高并行的流动连接,载入多个流元组后,连接窗口中的数据流经一次即可完成所有连接计算.对于逻辑容易在FPGA实现的连接谓词,通过大量基本连接单元串联构成深度连接流水线,实现大规模并行.通过主机CPU和FPGA设备协同进行连接控制,将连续的流连接计算划分为独立的小批量任务,高效地保证并行化流连接的完整性.在装备FPGA加速卡的平台实现了FJoin,基于大规模真实数据集的测试结果表明,对比部署在40个节点集群上的目前最好的分布式流连接系统,本文提出的流连接加速器FJoin可在单一FPGA加速卡上将连接计算速度提升16倍,达到5倍的系统吞吐,且时延满足实时流处理要求.

关键词 流连接; FPGA; 流处理; 硬件加速; 并行计算; stream join; FPGA; stream process; hardware accelerate; parallel computing;

引用格式 林力韬, 陈汉华, 金海. FJoin: 一种基于FPGA的流连接并行加速器. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(2): 314-333, doi: 10.1360/SSI-2021-0214
Litao LIN, Hanhua CHEN, Hai JIN. FJoin: an FPGA-based parallel accelerator for stream join. Sci Sin Inform, 2022, 52(2): 314-333, doi: 10.1360/SSI-2021-0214

计算机 高性能计算 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

一种高效的面向高并发图分析任务的存储系统

赵进, 姜新宇, 张宇, 廖小飞, 金海, 刘海坤, 杨赟, 张吉, 王彪, 余婷
中国科学: 信息科学, 2022, 52(1): 111-128

摘要 随着现实世界中图计算需求的快速增长,同一平台上往往并发运行着大量迭代图分析任务.然而,现有的图计算系统主要是为了高效执行单个图分析任务而设计的.因此,当多个并发图分析任务同时在同一个底层图上并行执行时,现有图计算系统会面临巨大的数据访问开销.为了提高并发图分析任务的吞吐量,现有的核外并发图处理方案通过共享图数据减少并发任务的数据存储与访问开销.但是,由于现实世界中图的图顶点度数幂律分布特性以及图分析任务之间的差异性,现有方案在访问数据时依旧存在着大量的不必要的冗余I/O开销.这是因为即使静态图分区中绝大部分顶点处于非活跃状态或者只被少数图分析任务共享,现有方法也依旧会将整个分区加载入内存供并发图分析任务处理.为解决上述问题,本文提出了一个面向并发图分析任务的高效存储系统GraphDP.它能够插入到现有核外图计算系统中来透明有效地减少现有图计算系统执行并发图分析任务时的存储消耗与数据访问开销,从而提高并发图分析任务的吞吐量.具体来说, GraphDP使用一种新颖的动态I/O调度策略,能够使系统以最优的I/O访问方式完成图数据的加载,并有效地减少加载到内存和cache的数据.同时, GraphDP通过高效的缓存机制在内存中优先缓存被频繁访问的图数据,从而进一步减少数据访问开销.为证明GraphDP的有效性,我们将GraphDP插入到目前流行的核外图计算系统中,包括GridGraph, GraphChi和X-Stream.实验结果表明, GraphDP分别将GridGraph, GraphChi和X-Stream的吞吐量提高了1.57~2.19倍, 1.86~2.37倍和1.62~2.21倍.

关键词 迭代图处理; 并发任务; 存储系统; I/O开销; 吞吐量; iterative graph processing; concurrent jobs; storage system; I/O overhead; throughput;

引用格式 赵进, 姜新宇, 张宇, 等. 一种高效的面向高并发图分析任务的存储系统. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(1): 111-128, doi: 10.1360/SSI-2021-0020
Jin ZHAO, Xinyu JIANG, Yu ZHANG, et al. An efficient storage system towards high throughput of concurrent graph processing jobs. Sci Sin Inform, 2022, 52(1): 111-128, doi: 10.1360/SSI-2021-0020

计算机 信息安全 评述 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

面向外包服务的可验证技术研究进展

孙奕, 杨帆, 陈性元, 杜学绘, 林玮
中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 514-565

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

引用格式 孙奕, 杨帆, 陈性元, 等. 面向外包服务的可验证技术研究进展. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 514-565, doi: 10.1360/SSI-2022-0360
Yi SUN, Fan YANG, Xingyuan CHEN, et al. Research progress of verifiable technologies for outsourcing services. Sci Sin Inform, 2024, 54(3): 514-565, doi: 10.1360/SSI-2022-0360

计算机 信息安全 论文 Website Google Scholar PDF

分组密码FBC的差分分析

刘端, 罗毅博, 贾珂婷, 张国艳, 邹光南, 尤启迪, 陈颖
中国科学: 信息科学, 2024, 54(2): 335-353

摘要 FBC是一种轻量级分组密码算法,由于结构简单、软硬件实现灵活等优点成为2018年中国密码学会(CACR)举办的全国密码算法设计竞赛中晋级到第2轮的10个算法之一.FBC密码包含3个版本支持128和256两种比特长度的明文分组以及128和256两种比特长度的密钥,本文主要对分组长度128位的两个版本进行分析.我们基于SAT (Boolean satisfiability problem)模型对FBC的差分特征进行自动化搜索,得到了新的14轮差分路线,概率为2~(-102.25).基于此路线我们给出了18轮FBC128-128和20轮FBC128-256差分分析,并且在分析过程中给出了复杂度估计.对于18轮FBC128-128差分分析,时间复杂度和存储复杂度分别为2~(101.5)和2~(52).对于20轮FBC128-256差分分析时间复杂度和存储复杂度分别为2~(184)和2~(96).

关键词 分组密码; 差分分析; FBC 算法; 布尔可满足性问题; block cipher; differential cryptanalysis; FBC; Boolean satisfiability problem

引用格式 刘端, 罗毅博, 贾珂婷, 等. 分组密码FBC的差分分析. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(2): 335-353, doi: 10.1360/SSI-2023-0189
Duan LIU, Yibo LUO, Keting JIA, et al. Differential analysis of block cipher FBC. Sci Sin Inform, 2024, 54(2): 335-353, doi: 10.1360/SSI-2023-0189

计算机 信息安全 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

基于区块链构建安全去中心化的联邦学习方案

王恺祺, 洪睿琦, 毛云龙, 仲盛
中国科学: 信息科学, 2024, 54(2): 316-334

摘要 联邦学习甫一问世便得到了广泛的关注,被认为是一种具有广阔前景的分布式机器学习范式.然而,传统联邦学习方案基于中央服务器的集中式设计,在效率和可扩展性上存在不足.此外,集中式设计需要有可信的中央节点协调参与者完成训练,可能导致信任和可靠性的问题,例如中央服务器被操控或是出现单点故障.为了解决上述问题,相关领域的研究人员提出了基于区块链的去中心化联邦学习方案.去中心化联邦学习修补了传统集中式联邦学习的缺陷,但与此同时也引入了全新的攻击面.具体而言,由于区块链将网络中节点发起的全部事务保存在一个公开共享的数字账本,所有区块链节点都可以获取联邦学习参与者每轮的本地训练模型副本.这一现象严重地侵害了参与者的数据隐私和自身利益.在上述困境的驱动下,本文提出了一种安全去中心化联邦学习的可行方案,能够同时解决联邦学习参与者的数据机密性问题和学习公平性问题.区别于此前的研究工作,还提出了一种基于区块链的联邦学习的生产–消费模型,用于在模型安全聚合过程中审查参与者的本地行为,防止出现参与者不劳而获或是虚假训练的情况,在此基础上本文提出APoS共识机制,提供一种激励与审查机制,确保参与者在联邦学习的过程中倾向于选择诚实的训练.

关键词 联邦学习安全; 去中心化网络; 区块链; 数据消费; 激励机制; secure federated learning; decentralized network; blockchain; data consumption; incentives

引用格式 王恺祺, 洪睿琦, 毛云龙, 等. 基于区块链构建安全去中心化的联邦学习方案. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(2): 316-334, doi: 10.1360/SSI-2023-0083
Kaiqi WANG, Ruiqi HONG, Yunlong MAO, et al. Secure solution for decentralized federated learning with blockchain. Sci Sin Inform, 2024, 54(2): 316-334, doi: 10.1360/SSI-2023-0083

计算机 信息安全 论文 Website Google Scholar PDF

可验证布隆过滤器: 加速区块链中的不存在查询与证明

徐松松, 过晓冰, 徐恪
中国科学: 信息科学, 2023, 53(12): 2386-2405

摘要 传统基于区块链的“真实存储”系统在过滤“无效查询请求”时忽略了提供“不存在证明”,恶意节点可以随时对指定用户发动拒绝服务攻击.本文提出了可验证布隆过滤器的一种构建方式,基于布隆过滤器快速过滤无效查询请求的同时能有效提供证据证明数据不存在;此外,针对证明过程中可能造成的隐私泄露问题,本文提出了“隐秘的可验证布隆过滤器”和“数据混淆”两种方式,前者确保每个“不存在证明”只会泄露布隆过滤器的一位置零位,减少了数据泄露量;后者则是在前者的基础上进一步降低用户从泄露的布隆过滤器中推测出真实内容准确率.实验数据表明,当无效查询请求量占比为35%时,读取性能提升大约30%;当无效查询请求量占比为95%时,读取性能可提升十倍以上.

关键词 区块链; 可验证布隆过滤器; 可认证数据结构; 不存在证明; 隐私保护; blockchain; veri able Bloom lter; authenticated data structure; nonexistence proof; privacy preserving

引用格式 徐松松, 过晓冰, 徐恪. 可验证布隆过滤器: 加速区块链中的不存在查询与证明. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(12): 2386-2405, doi: 10.1360/SSI-2023-0048
Songsong XU, Xiaobing GUO, Ke XU. Verifiable Bloom filter (VBF): accelerate the query and proof of nonexistent data in a blockchain. Sci Sin Inform, 2023, 53(12): 2386-2405, doi: 10.1360/SSI-2023-0048

计算机 信息安全 论文 Website Google Scholar PDF

基于深度强化学习的算力网络主动防御方法

张焘, 许长桥, 连一博, 康嘉文, 况晓辉
中国科学: 信息科学, 2023, 53(12): 2372-2385

摘要 算力网络旨在深度融合算力资源与网络资源,实现多种资源的高效协同,最大化资源利用率.算力网络边缘部分通常采用分布式软件定义网络架构,构建逻辑集中但物理分散的控制平面,并将其与数据平面分离,实现全网算力资源与网络资源的统一调度与编排.然而,攻击者极易将控制平面作为首要攻击目标,发起分布式拒绝服务攻击(distributed denial of service, DDoS),使控制平面大面积失效,严重影响计算任务的实时传输.为了解决算力网络中的安全问题,本文创新性地提出了基于深度强化学习的算力网络主动防御方法.首先,构建了马尔可夫决策过程(Markov decision process, MDP)模型来准确表征交换机与控制器映射关系的动态性,并设计了一种基于节点介数的奖励函数来反映DDoS攻击对控制器部署方案的影响.其次,综合考虑多种网络约束,将多控制器部署问题建模为约束满足问题,其可行解空间即为MDP模型的动作空间.最后,提出了一种基于深度强化学习的主动防御算法,迭代优化动作选择策略,智能化选择多控制器部署方案.实验结果表明,该方法在网络性能几乎无损的前提下,相比基准方法能够分别提升13%和8%的防御成功率.

关键词 算力网络; 分布式软件定义网络; 主动防御; 分布式拒绝服务攻击; 深度强化学习; computing power network; distributed software-defined network (SDN); moving target defense; distributed denial of service (DDoS); deep reinforcement learning

引用格式 张焘, 许长桥, 连一博, 等. 基于深度强化学习的算力网络主动防御方法. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(12): 2372-2385, doi: 10.1360/SSI-2023-0004
Tao ZHANG, Changqiao XU, Yibo LIAN, et al. Deep reinforcement learning-based moving target defense method in computing power network. Sci Sin Inform, 2023, 53(12): 2372-2385, doi: 10.1360/SSI-2023-0004

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物联网云服务中API滥用的风险分析与检测

袁斌, 郑开民, 万俊, 邹德清, 金海
中国科学: 信息科学, 2023, 53(12): 2355-2371

摘要 近年来,物联网技术的蓬勃发展带动了智能家居应用的快速发展,越来越多的智能家居平台开放各种应用程序接口,以方便用户实现自定义的智能家居应用,如设备联动控制.然而,这些开放接口中存在的安全缺陷也成为影响智能家居系统安全的重要因素之一.本文针对SmartThings智能家居平台的开放接口进行研究,发现了一系列新的具有安全缺陷的接口,并通过概念验证实验证实了其安全风险.为提升智能家居平台的安全性,设计并实现了检测智能家居云服务中接口滥用行为的工具SmartNotify.实验结果表明, SmartNotify能快速且准确地识别利用安全缺陷接口进行攻击的智能家居应用.

关键词 物联网安全; 智能家居安全; SmartThings平台; 开放接口; 云服务; IoT security; smart home; SmartThings platform; open interface; cloud service

引用格式 袁斌, 郑开民, 万俊, 等. 物联网云服务中API滥用的风险分析与检测. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(12): 2355-2371, doi: 10.1360/SSI-2022-0466
Bin YUAN, Kaimin ZHENG, Jun WAN, et al. Risk assessment and detection of API abuse in the IoT cloud. Sci Sin Inform, 2023, 53(12): 2355-2371, doi: 10.1360/SSI-2022-0466

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数据推断: 信息物理融合系统数据泄露威胁范式和防御方法

刘烃, 王子骏, 刘杨, 周亚东, 吴江, 鲍远义, 吴桐, 管晓宏
中国科学: 信息科学, 2023, 53(11): 2152-2179

摘要 随着计算单元和物理对象的高度集成,信息系统和物理系统正逐渐耦合发展为信息物理融合系统(cyber-physical system, CPS).根据CPS物理系统的客观规律,或业务流程间的复杂关联关系,CPS数据之间存在相互推断的可能;当出现从低安全域数据向高安全域数据的准确推断途径时,将引发推断型数据泄露威胁.本文通过分析数据推断引发的CPS数据泄露事件,从数据窃取和数据推断两个维度,提出数据泄露威胁的范式;将数据推断归纳为3类问题:状态估计问题、参数辨识问题和盲源分离问题,从模型驱动、数据驱动和数据–模型双驱动的角度,总结了数据推断的方法和算法.以电力市场为例,展示了基于公开电价数据推断电力系统关键参数的过程,验证了数据推断可以引发严重CPS数据泄露威胁.同时,分析了现有数据保护方法应对数据推断攻击时面临的挑战,探讨了CPS数据推断防御和数据安全治理的研究方向.

关键词 数据安全; 信息物理融合系统; 数据泄露威胁范式; 数据推断; data security; cyber-physical system; CPS; data leakage threat paradigm; data inference

引用格式 刘烃, 王子骏, 刘杨, 等. 数据推断: 信息物理融合系统数据泄露威胁范式和防御方法. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(11): 2152-2179, doi: 10.1360/SSI-2022-0362
Ting LIU, Zijun WANG, Yang LIU, et al. Data inference: data leakage paradigms and defense methods in cyber-physical systems. Sci Sin Inform, 2023, 53(11): 2152-2179, doi: 10.1360/SSI-2022-0362

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面向移动边缘计算的广播身份认证协议

周彦伟, 许渊, 杨波, 顾纯祥, 夏喆, 张明武
中国科学: 信息科学, 2023, 53(9): 1734-1749

摘要 随着无线通信技术在各领域的普及,基于该技术演进的移动边缘计算(mobile edge computing,MEC)引起了诸多研究者的关注.在MEC中,为确保边缘节点接入过程的安全性,近年来多个身份认证协议相继被提出,然而上述传统方案仅支持一对一的身份合法性认证,即实现了一个边缘节点与一个边缘服务器间的相互认证.由于需要通过重复认证操作以满足边缘节点在多个边缘服务器间的迁移需求,导致传统协议的工作效率较低、用户的通信体验欠佳.针对传统协议无法高效地解决MEC中边缘节点的移动性问题,本文基于无证书公钥密码体制,提出支持广播通信的身份认证机制,实现一个边缘节点同时与多个边缘服务器完成身份合法性认证的目标,确保边缘节点在多服务器间迁移过程的服务连贯性,提高MEC环境下的身份认证效率.此外,在随机谕言机模型下,基于离散对数问题和计算性Diffie-Hellman问题分别证明了本文协议中通信消息的不可伪造性和协商密钥的安全性;同时使用形式化分析工具ProVerif对协议的安全性进行了模拟验证,结果表明本文协议具有其所声称的安全性.与现有传统方案的性能对比结果表明本文协议具有更优的计算效率,更加适合在MEC等终端计算资源受限的网络环境下部署.

关键词 身份认证; 移动边缘计算; 无证书密码机制; 可证明安全性; identity authentication; mobile edge computing; certificateless cryptography; provably security

引用格式 周彦伟, 许渊, 杨波, 等. 面向移动边缘计算的广播身份认证协议. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(9): 1734-1749, doi: 10.1360/SSI-2022-0419
Yanwei ZHOU, Yuan XU, Bo YANG, et al. Broadcast identity authentication scheme for mobile edge computing. Sci Sin Inform, 2023, 53(9): 1734-1749, doi: 10.1360/SSI-2022-0419

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隐私保护计算密码技术研究进展与应用

霍炜, 郁昱, 杨糠, 郑中翔, 李祥学, 姚立, 谢杰
中国科学: 信息科学, 2023, 53(9): 1688-1733

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

引用格式 霍炜, 郁昱, 杨糠, 等. 隐私保护计算密码技术研究进展与应用. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(9): 1688-1733, doi: 10.1360/SSI-2022-0434
Wei HUO, Yu YU, Kang YANG, et al. Privacy-preserving cryptographic algorithms and protocols: a survey on designs and applications. Sci Sin Inform, 2023, 53(9): 1688-1733, doi: 10.1360/SSI-2022-0434

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基于同态加密的医疗数据密文异常检测方法

李腾, 方保坤, 马卓, 沈玉龙, 马建峰
中国科学: 信息科学, 2023, 53(7): 1368-1391

摘要 为了避免电子健康数据(electronic health records, EHRs)在异常检测过程中泄漏患者信息和诊断结果等问题,针对医院与患者敏感数据的隐私保护,提出了一种基于CKKS全同态加密的EHRs异常检测隐私保护模型.将医院以及患者的EHRs由CKKS算法实现浮点数同态加密,设计一个基于密文比较算法的协议,通过可信密钥服务器与第三方数据中心之间的通信建立密文态孤立森林模型.并利用CKKS算法的SIMD技术,实现密文数据在孤立森林模型上的异常检测,最终返回密文结果.理论分析和实验结果表明,所提出的方案能够保证EHRs的隐私安全.并且在不同的EHRs数据集上验证,该模型优于传统的明文异常检测算法和同类型密文异常检测算法,且在密文态上能够保持和明文孤立森林算法相近的检测效率,有较好的异常检测效果.

关键词 同态加密; 孤立森林; 异常检测; 隐私保护; 密文比较; homomorphic encryption; isolation forest; anomaly detection; privacy protection; ciphertext comparison;

引用格式 李腾, 方保坤, 马卓, 等. 基于同态加密的医疗数据密文异常检测方法. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(7): 1368-1391, doi: 10.1360/SSI-2022-0214
Teng LI, Baokun FANG, Zhuo MA, et al. Homomorphic encryption-based ciphertext anomaly detection method for e-health records. Sci Sin Inform, 2023, 53(7): 1368-1391, doi: 10.1360/SSI-2022-0214

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用于大状态分组密码的深度学习辅助密钥恢复框架

陈怡, 包珍珍, 申焱天, 于红波
中国科学: 信息科学, 2023, 53(7): 1348-1367

摘要 深度学习辅助密钥恢复攻击是2019年International Cryptology Conference (CRYPTO)上提出的一项全新密码分析技术.针对该技术至今无法应用于大状态分组密码的缺陷,本文提出了一种深度学习辅助的多阶段密钥恢复框架.该框架的核心是找到一个神经区分器组合,分阶段进行密钥恢复攻击.本文首先针对Speck的大状态成员分别训练了一组神经区分器,通过在该框架下利用区分器组合,设计并执行了实际密钥恢复攻击,证实了该框架的有效性.然后,提出了一种在低概率差分中寻找中性比特的方法,来把实际攻击扩展成覆盖更长轮数的理论攻击.最终,针对缩减轮Speck的最大状态成员取得了更好的密钥恢复攻击.这项工作为使用深度学习对更多分组密码进行密码分析铺平了道路.本文的验证代码已开源至https://github.com/AI-Lab-Y/NAAF.

关键词 大状态分组密码; 深度学习; 密钥恢复攻击; 差分分析; Speck; large-state block ciphers; deep learning; key recovery attack; differential cryptanalysis; Speck;

引用格式 陈怡, 包珍珍, 申焱天, 等. 用于大状态分组密码的深度学习辅助密钥恢复框架. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(7): 1348-1367, doi: 10.1360/SSI-2022-0298
Yi CHEN, Zhenzhen BAO, Yantian SHEN, et al. A deep learning-aided key recovery framework for large-state block ciphers. Sci Sin Inform, 2023, 53(7): 1348-1367, doi: 10.1360/SSI-2022-0298

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基于层次结构的隐私多维分析查询算法

张啸剑, 周丹, 徐雅鑫, 林东岱, 纪守领, 孟小峰
中国科学: 信息科学, 2023, 53(6): 1111-1131

摘要 基于本地化差分隐私的多维分析查询(multi-dimensional analytical query, MDA)已得到了研究者的广泛关注.现有基于最优局部哈希(optimal local Hashing, OLH)机制与层次树结构的扰动方法存在泄露根结点隐私的风险.针对现有结合层次树结构的本地扰动机制不足,提出了一种有效且满足本地化差分隐私的MDA查询算法H4MDA (hierarchical structure for MDA),该算法充分利用层次树的横向与纵向结构特征设计了3种基于用户分组策略的本地扰动算法HGRR, LGRR-FD,LGRR.算法HGRR结合层次树横向结构与GRR机制本地扰动用户元组数据,通过摈弃根结点组合来响应MDA查询.不同于HGRR, LGRR-FD算法利用层次树的纵向结构与GRR机制扰动本地数据,同时通过添加假数据来避免叶子结点的隐私泄露. LGRR算法通过摈弃叶子结点层纵向扰动本地数据.收集者结合LGRR的扰动结果利用局部一致性处理技术重构层次树最后两层,通过添加虚拟叶子结点来响应MDA查询,而虚拟叶子结点计数之和等于其父节点计数. HGRR, LGRR-FD, LGRR算法与现有扰动算法在3种数据集上实验结果表明,其响应MDA查询的精度优于同类算法.

关键词 多维分析查询; 层次结构; 本地化差分隐私; 本地扰动; 随机应答机制; multidimensional analytical queries; hierarchical structure; local differential privacy; local perturbation; random response mechanism;

引用格式 张啸剑, 周丹, 徐雅鑫, 等. 基于层次结构的隐私多维分析查询算法. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(6): 1111-1131, doi: 10.1360/SSI-2022-0310
Xiaojian ZHANG, Dan ZHOU, Yaxin XU, et al. Answering private multidimensional analytical queries with hierarchical structure. Sci Sin Inform, 2023, 53(6): 1111-1131, doi: 10.1360/SSI-2022-0310

计算机 信息安全 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

基于水声信道的隐蔽密钥协商方案

徐明, 冯赫鑫, 关佶红
中国科学: 信息科学, 2023, 53(6): 1096-1110

摘要 水声信道环境下,传统的密钥协商协议更容易遭受信息泄漏等安全威胁,而现有的隐蔽密钥协商协议由于受限于平方根定律,隐蔽通信速率不超过■.为解决上述难题,本文提出了一种基于水声信道的隐蔽密钥协商方案.在优先提取阶段,发送方以一定的功率向接收方发送均匀分布的随机消息,而接收方根据水下噪声方差信息,通过Gibbs采样计算出估计消息,并使用对数似然比检验获取初始密钥来减少消息传输时的不确定性和误比特率.信息调和阶段,发送方将伴随式发送给接收方,而接收方将接收到的伴随式与优先提取阶段得到的对数似然比序列进行联合解码来获得错误比特的位置信息,经过比特翻转后得到与发送方完全一致的最终密钥.通过假设检验理论和信息论,证明了方案的保密性、隐蔽性和可靠性.仿真结果表明,所提方案比现有方案性能有所提升.

关键词 水声信道; 隐蔽密钥协商; 优先提取; 信息调和; 对数似然比检验; underwater acoustic channel; covert secret-key agreement; advantage distillation; information reconciliation; log-likelihood ratio (LLR) test;

引用格式 徐明, 冯赫鑫, 关佶红. 基于水声信道的隐蔽密钥协商方案. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(6): 1096-1110, doi: 10.1360/SSI-2022-0291
Ming XU, Hexin FENG, Jihong GUAN. Covert secret-key agreement scheme based on an underwater acoustic channel. Sci Sin Inform, 2023, 53(6): 1096-1110, doi: 10.1360/SSI-2022-0291

计算机 信息安全 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 3

基于商用密码SM9的高效分层标识加密

赖建昌, 黄欣沂, 何德彪, 郭福春
中国科学: 信息科学, 2023, 53(5): 918-930

摘要 分层标识加密能有效减轻标识密码体制中密钥生成中心生成用户私钥和分发私钥的工作量.SM9标识密码作为我国商用密码行业标准和国家标准,在金融、政务等方面起着重要的作用,但SM9标识加密算法不具备分层加密的功能,不适合大规模网络的应用场景,阻碍了SM9加密算法的部署.本文基于商用密码SM9标识加密算法提出一个高效的分层标识加密方案SM9-HIBE.相比SM9标识加密算法,方案的密文只增加一个群元素,解密开销只增加一个双线性对运算,与接收者标识的长度无关.方案的安全性基于判定性BDHI困难问题,在随机谕言模型中可证明方案满足静态选择明文攻击模型下的不可区分性.最后,对方案进行比较分析,结果表明SM9-HIBE在计算开销和通信代价方面与现有HIBE方案是可比的.

关键词 分层加密; 标识密码; SM9; 密钥封装; 选择明文安全; hierarchical encryption; identity-based cryptography; SM9; key encapsulation; chosen-plaintext attack; CPA;

引用格式 赖建昌, 黄欣沂, 何德彪, 等. 基于商用密码SM9的高效分层标识加密. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(5): 918-930, doi: 10.1360/SSI-2022-0163
Jianchang LAI, Xinyi HUANG, Debiao HE, et al. Efficient hierarchical identity-based encryption based on SM9. Sci Sin Inform, 2023, 53(5): 918-930, doi: 10.1360/SSI-2022-0163

计算机 信息安全 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 2

面向联邦学习的对抗样本投毒攻击

王波, 代晓蕊, 王伟, 于菲, 魏飞, 赵梦楠
中国科学: 信息科学, 2023, 53(3): 470-484

摘要 为了解决传统的机器学习中数据隐私和数据孤岛问题,联邦学习技术应运而生.现有的联邦学习方法采用多个不共享私有数据的参与方联合训练得到了更优的全局模型.然而研究表明,联邦学习仍然存在很多安全问题.典型地,如在训练阶段受到恶意参与方的攻击,导致联邦学习全局模型失效和参与方隐私泄露.本文通过研究对抗样本在训练阶段对联邦学习系统进行投毒攻击的有效性,以发现联邦学习系统的潜在安全问题.尽管对抗样本常用于在测试阶段对机器学习模型进行攻击,但本文中,恶意参与方将对抗样本用于本地模型训练,旨在使得本地模型学习混乱的样本分类特征,从而生成恶意的本地模型参数.为了让恶意参与方主导联邦学习训练过程,本文进一步使用了“学习率放大”的策略.实验表明,相比于Fed-Deepconfuse攻击方法,本文的攻击在CIFAR10数据集和MNIST数据集上均获得了更优的攻击性能.

关键词 联邦学习; 对抗样本; 投毒攻击; federated learning; adversarial example; poisoning attack;

引用格式 王波, 代晓蕊, 王伟, 等. 面向联邦学习的对抗样本投毒攻击. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(3): 470-484, doi: 10.1360/SSI-2022-0116
Bo WANG, Xiaorui DAI, Wei WANG, et al. Adversarial examples for poisoning attacks against federated learning. Sci Sin Inform, 2023, 53(3): 470-484, doi: 10.1360/SSI-2022-0116

计算机 信息安全 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

身份基加密机制的挑战后泄露容忍性

周彦伟, 王兆隆, 乔子芮, 杨波, 顾纯祥, 夏喆, 张明武
中国科学: 信息科学, 2023, 53(3): 454-469

摘要 现有的多数抗泄露加密机制的研究均假设敌手的泄露是来自收到挑战密文之前,并禁止敌手在挑战后进行泄露操作.然而,在现实中敌手往往是接触到密文数据后会通过各种手段获取相应密钥的泄露信息,因此挑战后的泄露容忍性更符合实际环境的真实应用需求.针对上述不足,本文将对身份基加密(identity-based encryption, IBE)机制的挑战后泄露容忍性展开研究,提出IBE机制熵泄露容忍性的属性要求和安全性定义;并在状态分离模型中联合熵泄露容忍的IBE机制和二源提取器设计抗挑战后泄露攻击的IBE机制,对上述构造在选择明文攻击下的安全性进行了形式化证明.此外,为了获得具有更优安全性的IBE机制,在上述构造的基础上,通过增加消息验证码设计选择密文攻击安全的挑战后泄露容忍的IBE机制.

关键词 挑战后泄露容忍性; 身份基哈希证明系统; 身份基加密机制; 熵泄露容忍性; after-the-fact leakage resilience; identity-based hash proof system; identity-based encryption; entropic leakage resilience;

引用格式 周彦伟, 王兆隆, 乔子芮, 等. 身份基加密机制的挑战后泄露容忍性. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(3): 454-469, doi: 10.1360/SSI-2022-0148
Yanwei ZHOU, Zhaolong WANG, Zirui QIAO, et al. After-the-fact leakage resilience in identity-based encryption. Sci Sin Inform, 2023, 53(3): 454-469, doi: 10.1360/SSI-2022-0148

计算机 信息安全 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

国密SM2加密算法的RCCA安全设计

陈荣茂, 王毅, 黄欣沂
中国科学: 信息科学, 2023, 53(2): 266-281

摘要 国密SM2密码算法已经成为保障我国网络信息系统安全自主可控的关键技术.然而近期研究发现, SM2加密算法在实际部署应用时面临高效的算法替换攻击.该种攻击可以从当前的密文预测下一次加密所使用的随机数,从而可以在不知道解密密钥的情况下成功解密后续密文.密码逆向防火墙技术已被证实可以有效抵抗该种攻击,但其要求密文具有可重随机性,与SM2加密算法本身所具备的CCA (chosen-ciphertext attack)安全性相冲突.针对该问题,本文改进SM2加密算法,构造了具有RCCA (可重放CCA)安全性的公钥加密方案.该方案具有与SM2加密算法近似的安全性,且同时支持密文重随机操作,因此可以有效兼容密码逆向防火墙.方案的设计遵循Phan等提出的OAEP三轮构造范式,结合SM2加密算法进行改进,并在随机预言机模型下给出了严谨的安全证明.本文提出了首个基于国密算法的可重随机RCCA公钥加密方案,研究结果有助于提升SM2密码算法在实际应用中的安全性.

关键词 SM2; 加密算法; RCCA; 可重随机性; 密码逆向防火墙; SM2; encryption; RCCA; rerandomizability; cryptographic reverse firewall;

引用格式 陈荣茂, 王毅, 黄欣沂. 国密SM2加密算法的RCCA安全设计. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(2): 266-281, doi: 10.1360/SSI-2022-0282
Rongmao CHEN, Yi WANG, Xinyi HUANG. RCCA-secure public-key encryption based on SM2. Sci Sin Inform, 2023, 53(2): 266-281, doi: 10.1360/SSI-2022-0282

计算机 信息安全 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 2

面向车联网的抗设备捕获认证密钥协商协议

姜奇, 杨雪, 王金花, 程庆丰, 马鑫迪, 马建峰
中国科学: 信息科学, 2022, 52(12): 2351-2370

摘要 随着汽车保有量的持续增长和道路交通的饱和,车联网被视为有效提高交通效率,改善驾乘体验的有效技术之一.认证密钥协商协议是保证车载单元(onboard unit, OBU)与各种信息服务器安全交互的关键手段.通常,认证密钥协商协议所需的密钥被存储于OBU中.然而,由于车辆常处于无人值守状态, OBU失盗事件时有发生.因此,如何确保私钥的存储安全是一个具有挑战性的难题.为了解决上述问题,本文提出了基于不经意伪随机函数(oblivious pseudorandom functions, OPRF)和两方协同签名的抗捕获认证密钥协商协议.借助于两方协同签名,私钥被分成两个部分,一部分使用辅助设备的公钥加密,另一部分通过OBU和辅助设备运行OPRF协议才能恢复.由于OBU中没有存储任何秘密信息,即使OBU被盗取,攻击者仍然无法获取私钥.本文对提出的方案进行了全面的安全性分析和性能比较.结果表明所提出的方案可以抵抗各种已知的攻击,特别是设备被捕获导致的密钥泄露.此外,所提出的方案可以实现计算开销和通信开销的平衡.

关键词 车联网; Schnorr协同签名; OPRF; 认证密钥协商; 抗设备捕获; Internet of vehicle; Schnorr collaborative signature; OPRF; authentication key agreement; capture resilient;

引用格式 姜奇, 杨雪, 王金花, 等. 面向车联网的抗设备捕获认证密钥协商协议. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(12): 2351-2370, doi: 10.1360/SSI-2021-0379
Qi JIANG, Xue YANG, Jinhua WANG, et al. Device capture resilient authentication and key agreement protocol for IoV. Sci Sin Inform, 2022, 52(12): 2351-2370, doi: 10.1360/SSI-2021-0379

计算机 信息安全 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

一种基于PUF的可证明安全消息认证算法及应用

张效林, 谷大武
中国科学: 信息科学, 2022, 52(12): 2336-2350

摘要 消息认证码(message authentication code, MAC)是一种对称密码算法,能检查消息的完整性与来源合法性,可广泛用于各类信息系统.然而,当运行MAC算法的设备受到物理攻击时,攻击者可通过读取存储器或电路调试等手段获取算法密钥并生成合法的消息认证码,从而危害系统安全.为此,本文提出了PUF-MAC,一种基于物理不可克隆函数(physically unclonable function, PUF)和Hash函数的MAC算法. PUF是一种具有结构不可克隆性与输出不可预测性的数据映射实体,不同PUF实体映射间的差异来源于生产时物理环境的微小变化.通信双方可使用PUF生成共享密钥.在标准模型下,本文归约证明了PUF-MAC算法在适应性选择消息攻击下满足存在性不可伪造(existential unforgeability under chosen message attack, EUF-CMA),且算法的EUF-CMA安全性依赖于Hash的弱抗碰撞性以及PUF的EUF-CMA安全性.同时,本文基于PUF-MAC算法设计了一种满足前后向安全性的密钥协商方案和双向身份认证协议,体现了PUF-MAC良好的实用性.理论分析表明,与其他MAC算法相比, PUF-MAC结构轻量且实现简单,无需预先存储大量的PUF响应. PUF的引入使攻击者即使获取算法密钥,也无法生成合法的消息认证码,保证了通信系统的安全.

关键词 消息认证码; 密钥管理; 物理不可克隆函数; 身份认证; MAC; key management; PUF; authentication;

引用格式 张效林, 谷大武. 一种基于PUF的可证明安全消息认证算法及应用. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(12): 2336-2350, doi: 10.1360/SSI-2021-0261
Xiaolin ZHANG, Dawu GU. A PUF-based provably secure message authentication algorithm and application. Sci Sin Inform, 2022, 52(12): 2336-2350, doi: 10.1360/SSI-2021-0261

计算机 信息安全 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

基于国产密码SM2的实用公钥广播加密方案

陈泌文, 向涛, 何德彪, 黄欣沂
中国科学: 信息科学, 2022, 52(12): 2321-2335

摘要 近年来网络攻击与数据泄露事件层出不穷,网络安全受到国家及相关部门的高度关注.国产密码算法作为保障我国网络与信息安全的关键技术,推动其应用与实施既符合构建我国网络强国的战略需求,又能保障实际应用的健康发展. SM2公钥加密算法是我国自主设计的国产商用密码之一,可有效保障数据在通信过程中的安全性.然而,经典SM2公钥加密算法适合“一对一”通信场景,在“一对多”通信场景中需承担较大的计算与通信开销.为提升SM2公钥加密算法在“一对多”通信场景中计算与通信效率,扩展我国商用密码的应用范围,本文将我国商用密码SM2公钥加密算法和广播加密概念相结合,利用Diffie-Hellman密钥交换和多项式秘密分享的思想,设计了基于SM2的公钥广播加密方案.所构造方案最大程度地保留原有SM2公钥加密算法结构,通过简单地扩展即可实现在多用户场景下消息安全广播的自主可控.与现有广播加密方案相比,所构造方案的系统参数大小与接收者数量无线性关系,以及系统无需指定数据发送者广播消息.所构造方案的安全性分析表明,本文方案与SM2公钥加密算法具有相同安全强度.理论分析与实验仿真表明,所构造方案具有较好的性能,显著增强了我国商用密码的实用性.

关键词 公钥加密; SM2公钥密码算法; 广播加密; Diffie-Hellman密钥协商; publi-key encryption; SM2 public key cryptography; broadcast encryption; Diffie-Hellman key exchange;

引用格式 陈泌文, 向涛, 何德彪, 等. 基于国产密码SM2的实用公钥广播加密方案. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(12): 2321-2335, doi: 10.1360/SSI-2021-0424
Biwen CHEN, Tao XIANG, Debiao HE, et al. An efficient public-key broadcast encryption scheme based on SM2. Sci Sin Inform, 2022, 52(12): 2321-2335, doi: 10.1360/SSI-2021-0424

计算机 信息安全 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

满足本地化差分隐私的推荐系统中隐私预算的优化设置

暴婷, 徐蕾, 祝烈煌, 王丽宏
中国科学: 信息科学, 2022, 52(8): 1481-1499

摘要 推荐系统可帮助用户从众多的数据中发现用户所需数据,与此同时,上传用户原始数据给服务器也可能泄露用户隐私.本文使用本地化差分隐私技术为推荐系统中的用户数据提供隐私保护.在本地化差分隐私模型中,隐私预算控制用户数据的隐私保护程度,较高的隐私预算通常意味着较高的分析准确性.为在最小化隐私损失的同时最大化推荐准确性,我们将隐私预算设置问题建模为多臂赌博机问题,并提出基于置信度上界的学习策略帮助用户选择最优的隐私预算.考虑到用户对不同数据的敏感程度不同,我们对学习策略进行了改进.真实数据集上的实验结果表明,所提策略可以帮助用户选出合适的隐私预算,可有效提高用户的累计收益.

关键词 推荐系统; 本地化差分隐私; 隐私预算; 强化学习; 多臂赌博机; recommendation system; local differential privacy; privacy budget; reinforcement learning; multiarmed bandit;

引用格式 暴婷, 徐蕾, 祝烈煌, 等. 满足本地化差分隐私的推荐系统中隐私预算的优化设置. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(8): 1481-1499, doi: 10.1360/SSI-2021-0304
Ting BAO, Lei XU, Liehuang ZHU, et al. Optimized setting of privacy budget in a recommendation system with local differential privacy. Sci Sin Inform, 2022, 52(8): 1481-1499, doi: 10.1360/SSI-2021-0304

计算机 信息安全 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 2

基于序列特征提取的溯源图上APT攻击检测方法

梁若舟, 高跃, 赵曦滨
中国科学: 信息科学, 2022, 52(8): 1463-1480

摘要 在真实场景,特别是工业场景下的高级持续性威胁(advanced persistent threat, APT)具有复杂性和长期性,但当前方法无法有效提取攻击中的长期关联关系.针对这一问题,本文提出一种基于溯源图的APT攻击检测方法 SeqNet. SeqNet采用序列特征提取方式,实现APT攻击检测.在SeqNet中,首先将描述系统运行状态的溯源图序列转化为特征向量序列,然后使用GRU (gate recurrent unit)模型提取系统状态变化特征,并使用结合局部注意力机制的编解码器模型训练GRU模型,最后利用K-means聚类方法对系统正常行为进行建模.本文在5个公开数据集StreamSpot, wget, shellshock,ClearScope和CADETS上进行了实验,并与当前具有代表性的方法进行了对比.本文方法在5个数据集上都取得了相似或更好的效果.实验结果证明本文方法能够实现真实场景下的APT攻击检测.

关键词 APT攻击检测; 溯源图; 异常检测; 序列特征提取; 局部注意力机制; APT attack detection; provenance graphs; anomaly-based detection; sequence feature extraction; local attention mechanism;

引用格式 梁若舟, 高跃, 赵曦滨. 基于序列特征提取的溯源图上APT攻击检测方法. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(8): 1463-1480, doi: 10.1360/SSI-2021-0252
Ruozhou LIANG, Yue GAO, Xibin ZHAO. Sequence feature extraction-based APT attack detection method with provenance graphs. Sci Sin Inform, 2022, 52(8): 1463-1480, doi: 10.1360/SSI-2021-0252

计算机 信息安全 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

云与用户之间交互式抗屏摄密文水印协议

董晓娟, 张卫明, 方涵, 俞能海
中国科学: 信息科学, 2022, 52(7): 1272-1286

摘要 现有的云存储服务普遍推出了浏览文件的功能,这为用户通过拍摄屏幕上的文件来窃取信息带来极大的便利,同时也加重了信息泄露的风险.因此,用户通过拍照窃取信息对云存储服务来说是一个潜在的安全性问题.现有的办法是云端在推送图像至用户端前,先嵌入与用户身份相关的抗屏摄水印,那么云端能从拍摄的图像检测到水印,发现用户身份.然而云端和用户端都有含用户水印的图像,我们无法确认被泄露的图像是从云端流出的还是从用户端流出的.为了消除泄露源的二义性,使用密文水印,云端将用户的密文水印嵌入到明文图像,生成含用户水印的密文图像.只有用户端能将之解密,获得相应的明文图像.一旦该图像被偷拍泄露,我们可断定该图像一定是从用户端流出的.但是目前的抗屏摄水印算法不支持上述功能,仅支持明文水印的嵌入.为此,本文提出一个云与用户之间的抗屏摄密文水印协议,旨在保护版权用户对其图像的版权,防止使用图像的用户通过偷拍窃取图像.通过理论分析和仿真实验,本文验证了所提出协议在实施过程中的安全性和有效性.

关键词 云存储; 密文水印协议; 抗屏摄水印; 版权保护; 泄露追踪; cloud storage; ciphertext watermark protocol; screen-shooting resilient watermark; copyright protection; leakage tracking;

引用格式 董晓娟, 张卫明, 方涵, 等. 云与用户之间交互式抗屏摄密文水印协议. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(7): 1272-1286, doi: 10.1360/SSI-2021-0213
Xiaojuan DONG, Weiming ZHANG, Han FANG, et al. Interactive screen-shooting resilient ciphertext watermarking protocol between the cloud and the user. Sci Sin Inform, 2022, 52(7): 1272-1286, doi: 10.1360/SSI-2021-0213

计算机 信息安全 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 2

基于区块链和去中心不可否认属性签名的分布式公钥基础设施方案

袁和昕, 刘百祥, 阚海斌, 陈泽宁
中国科学: 信息科学, 2022, 52(6): 1135-1148

摘要 灵活有效的身份体制方案一直是信息时代的核心需求之一.传统的中心化公钥基础设施存在诸多缺陷,而已有的运行在区块链上的分布式的公钥基础设施同样存在诸如性能、鲁棒性、不可否认性、身份灵活性等方面的问题.本文创新地将区块链与去中心不可否认属性签名结合,提出一种新型分布式公钥基础设施方案,方案利用门限算法和属性签名对身份进行细粒度的管理,并引入非交互式零知识证明使得证书具有不可否认的性质,利用区块链的共识机制进行证书库的同步以实现分布式的身份认证.本文通过实验仿真和分析并结合具体场景,证明了该方案在安全性和可用性上都满足实际落地的需求.

关键词 区块链; 公钥基础设施; 属性签名; 门限算法; 零知识证明; 身份认证; blockchain; public key infrastructure; attribute-based signature; threshold algorithm; zero-knowledge proof; identity authentication;

引用格式 袁和昕, 刘百祥, 阚海斌, 等. 基于区块链和去中心不可否认属性签名的分布式公钥基础设施方案. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(6): 1135-1148, doi: 10.1360/SSI-2021-0177
Hexin YUAN, Baixiang LIU, Haibin KAN, et al. Distributed public key infrastructure scheme based on blockchain and decentralized undeniable attribute-based signature. Sci Sin Inform, 2022, 52(6): 1135-1148, doi: 10.1360/SSI-2021-0177

计算机 信息安全 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

中本聪共识安全性质研究方法

周子钰, 张宗洋, 刘建伟
中国科学: 信息科学, 2022, 52(5): 837-855

摘要 中本聪共识是区块链共识机制中最基础和研究最广泛的一种共识机制,其安全性对整个区块链领域的发展具有重要的理论意义和应用价值.现有大量研究在各种模型假设下对中本聪共识进行了安全性分析和证明.本文首先详细描述了中本聪共识的执行模型,包括时间模型、网络模型、敌手模型等.其次,系统总结了中本聪共识安全性的形式化定义.再次,根据时间模型将中本聪共识研究方法分为基于离散时间模型和连续时间模型两类,并指出不同方法的优缺点.最后对中本聪共识的安全性研究进行展望,旨在为区块链共识机制的研究提供技术支撑.

关键词 中本聪共识; 区块链; 安全性证明; 数字货币; 工作量证明; Nakamoto consensus; blockchain; proof of security; cryptocurrency; proof-of-work;

引用格式 周子钰, 张宗洋, 刘建伟. 中本聪共识安全性质研究方法. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(5): 837-855, doi: 10.1360/SSI-2021-0225
Ziyu ZHOU, Zongyang ZHANG, Jianwei LIU. Methods of security analysis for Nakamoto consensus. Sci Sin Inform, 2022, 52(5): 837-855, doi: 10.1360/SSI-2021-0225

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大模型时代的自然语言处理: 挑战、机遇与发展

车万翔, 窦志成, 冯岩松, 桂韬, 韩先培, 户保田, 黄民烈, 黄萱菁, 刘康, 刘挺, 刘知远, 秦兵, 邱锡鹏, 万小军, 王宇轩, 文继荣, 严睿, 张家俊, 张民, 张奇, 赵军, 赵鑫, 赵妍妍
中国科学: 信息科学, 2023, 53(9): 1645-1687

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

引用格式 车万翔, 窦志成, 冯岩松, 等. 大模型时代的自然语言处理: 挑战、机遇与发展. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(9): 1645-1687, doi: 10.1360/SSI-2023-0113
Wanxiang CHE, Zhicheng DOU, Yansong FENG, et al. Towards a comprehensive understanding of the impact of large language models on natural language processing: challenges, opportunities and future directions. Sci Sin Inform, 2023, 53(9): 1645-1687, doi: 10.1360/SSI-2023-0113

计算机 社会媒体 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

基于语法和语义分割的跨领域方面级情感分类

吴震, 戴新宇
中国科学: 信息科学, 2023, 53(7): 1299-1313

摘要 神经网络在方面级情感分类任务上已经取得了良好的性能.然而,由于复杂且耗时的数据标注流程,方面级情感分类在很多领域上是低资源甚至是零资源的,这限制了该任务在实际场景中的应用.为了解决这个挑战性的问题,本文关注跨领域的方面级情感分类,并提出一种基于语法和语义分割的跨领域方面情感分类方法.具体而言,针对不同领域用词差异造成的领域漂移和注意力泛化问题,本文首次提出利用单纯的语法信息来获取可在领域之间迁移的语法注意力,并引入与目标领域相近的文档情感分类任务来增强神经网络模型对目标领域的情感识别能力,最终从语法和语义两个层面分别提升模型的注意力机制和文本上下文表示.实验在6个跨领域方面级情感分类任务上进行,结果表明,与其他9种基线方法相比,本文的方法在6个任务上都取得了最先进的性能,在平均准确率和平均macro-F1两个指标上比之前最好的模型DIFD分别提升7.14%和7.6%.此外,即使以大规模预训练模型BERT, BERT-ADA, RoBERTa等作为骨干网络,本文的方法仍能实现3.5%以上的平均准确率提升和平均macro-F1提升.

关键词 方面级情感分类; 跨领域; 神经网络; 注意力; 语法和语义; aspect-level sentiment classification; cross-domain; neural network; attention; syntax and semantics;

引用格式 吴震, 戴新宇. 基于语法和语义分割的跨领域方面级情感分类. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(7): 1299-1313, doi: 10.1360/SSI-2021-0166
Zhen WU, Xinyu DAI. Separated syntax and semantics modeling for cross-domain aspect-level sentiment classification. Sci Sin Inform, 2023, 53(7): 1299-1313, doi: 10.1360/SSI-2021-0166

计算机 社会媒体 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

基于学习连续时间事件序列的动态网络链路预测

韩忠明, 王宇航, 陈福宇, 杨伟杰, 毛雅俊
中国科学: 信息科学, 2023, 53(2): 234-249

摘要 动态网络链路预测是目前复杂网络的热点研究方向,网络表示学习可以有效学习到节点的相似性,从而为链路预测提供基础.现有的动态网络表示学习方法大多先将动态网络进行离散窗口化,然后在静态网络快照图上建模,这样很难有效处理具有细粒度时间特性的动态网络.本文提出了一种可以学习动态网络中复杂的时间特性的链路预测模型,该模型使用连续时间事件序列表示动态网络,对网络中的连续时间信息和结构演化特征进行学习,并提出了基于时间注意力的信息传递机制来模拟网络中信息的扩散与聚合,最后将链路预测转化为分类问题.实验在4个真实动态网络数据集以及模拟网络上进行,并以ap和auc作为评价指标.真实网络实验结果证明该模型能够较好地学习网络演化的连续性,得到更有效的节点表示,从而提升了链路预测效果.模拟网络的实验结果表明链路预测的效果和网络模型相关,但本文模型仍可以获得较好的预测效果.

关键词 链路预测; 连续时间; 动态网络; 表示学习; 复杂网络; link prediction; continuous time; dynamic network; representation learning; complex network;

引用格式 韩忠明, 王宇航, 陈福宇, 等. 基于学习连续时间事件序列的动态网络链路预测. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(2): 234-249, doi: 10.1360/SSI-2022-0059
Zhongming HAN, Yuhang WANG, Fuyu CHEN, et al. Dynamic network link prediction based on learning continuous time events. Sci Sin Inform, 2023, 53(2): 234-249, doi: 10.1360/SSI-2022-0059

计算机 社会媒体 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 2

基于解析图嵌入和加权图卷积网络的知识图谱补全

罗妹秋, 张春霞, 彭成, 张鑫, 郭贵锁, 牛振东
中国科学: 信息科学, 2022, 52(11): 2037-2057

摘要 知识图谱补全是知识图谱构建、自然语言处理和知识工程等领域的重要研究课题.知识图谱不仅是实现通用领域和专业领域精准知识服务的知识支撑,而且是信息检索、问答交互和信息推荐等领域取得突破性进展的必要基础.知识图谱的低质量和小规模是阻碍知识图谱广泛应用的主要瓶颈.知识图谱补全的目的是构建大规模高质量的知识图谱,以不断更新和扩充知识图谱.针对现有知识图谱补全方法难以从非结构化文本等辅助信息中提取深层次语义特征的问题,本文提出一种基于解析图嵌入和加权图卷积网络的知识图谱补全方法.一方面,该方法通过加权图卷积网络,对实体描述文本的语义依存分析进行建模,构建语义依存解析图嵌入;另一方面,引入了实体描述文本的多粒度句嵌入生成方法,旨在于构建能够捕获多粒度语义、深层次语义特征的实体表示学习.通过在两个公开数据集上的实验结果表明了本文知识图谱补全方法优于现有方法,验证了本文方法的有效性和优越性.

关键词 知识图谱补全; 解析图嵌入; 加权图卷积网络; 语义依存分析; 实体表示学习; knowledge graph completion; parsing graph embedding; weighted graph convolutional network; semantic dependency parsing; entity representation learning;

引用格式 罗妹秋, 张春霞, 彭成, 等. 基于解析图嵌入和加权图卷积网络的知识图谱补全. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(11): 2037-2057, doi: 10.1360/SSI-2021-0217
Meiqiu LUO, Chunxia ZHANG, Cheng PENG, et al. Knowledge graph completion based on parsing graph embedding and a weighted graph convolutional network. Sci Sin Inform, 2022, 52(11): 2037-2057, doi: 10.1360/SSI-2021-0217

计算机 社会媒体 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

基于句法模板采样的无监督复述生成方法

鲍宇, 黄书剑, 周浩, 李磊, 戴新宇, 陈家骏
中国科学: 信息科学, 2022, 52(10): 1808-1821

摘要 文本复述可以辅助机器翻译、智能问答、文本分类等任务,是非常重要的自然语言处理任务.近年来,一些研究探索了基于结构变换的文本复述,从无监督学习的概率化表示空间中采样多个句法表示并生成多个复述.然而,通过后验分布采样句法表示生成的复述往往高度相似,缺乏多样性;另一方面,从先验分布采样句法表示又难以保证与给定的语义表示相匹配,导致生成的复述质量欠佳.本文提出了基于句法模板的文本复述模型,引入了句法模板隐变量建立语义空间和句法空间的联系,并进一步提出了两步采样策略:(1)使用先验分布采样句法模板,使得采样的句法表示更加多样化;(2)使用后验分布采样句法表示,以确保句法表示与语义表示的匹配.实验表明,两步采样策略有效地结合了先验采样和后验采样的优势,生成的文本复述可以在具备良好生成质量的同时保持着更好的多样性,取得了当前最佳的复述性能.

关键词 无监督复述; 变分自编码器; 句法结构; 采样; unsupervised paraphrasing; variational autoencoder; syntax structure; sampling;

引用格式 鲍宇, 黄书剑, 周浩, 等. 基于句法模板采样的无监督复述生成方法. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(10): 1808-1821, doi: 10.1360/SSI-2021-0065
Yu BAO, Shujian HUANG, Hao ZHOU, et al. Unsupervised paraphrasing via syntactic template sampling. Sci Sin Inform, 2022, 52(10): 1808-1821, doi: 10.1360/SSI-2021-0065

计算机 社会媒体 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 3

细粒度建模用户兴趣的序列化推荐方法

张麒, 吴宾, 孙中川, 叶阳东
中国科学: 信息科学, 2022, 52(10): 1775-1791

摘要 序列化推荐因其实用性和较高推荐精度在近期受到了人们广泛关注.不同于传统推荐方法,序列化推荐的核心在于如何基于用户近期交互行为来捕获用户的短期兴趣.现有工作或者依次考虑用户交互序列中物品之间的成对关系,忽略了更为重要的多对一关系;或者将用户最近交互的多个物品视为集合,忽略了物品之间的相对次序.这不仅未能充分挖掘物品之间的复杂关系,而且未准确刻画用户兴趣的演变过程.为此,本文提出门耦合胶囊网络(gating coupled capsule network, GCC),一种从个体层、联合层以及局部有序性3个层面细粒度分析物品间关系对于用户短期兴趣影响的方法.借助胶囊网络的空间感知能力, GCC引入个性化胶囊模块建模用户高阶时序信息,其不仅能够捕获物品间的联合层关系,也保留了物品间的局部有序性.另外,本文在GCC中设计了用于建模物品间成对关系的个性化门单元模块,以此捕获个体层关系对于用户短期兴趣的影响.在4个真实推荐场景下的实验结果表明, GCC相比于主流序列化推荐方法在多个评价指标上具有显著的性能优势.

关键词 胶囊网络; 序列化推荐; 门单元机制; 隐式反馈; 推荐系统; capsule networks; sequential recommendation; gating mechanism; implicit feedback; recommender systems;

引用格式 张麒, 吴宾, 孙中川, 等. 细粒度建模用户兴趣的序列化推荐方法. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(10): 1775-1791, doi: 10.1360/SSI-2021-0026
Qi ZHANG, Bin WU, Zhongchuan SUN, et al. Fine-grained modeling of user interests for sequential recommendation. Sci Sin Inform, 2022, 52(10): 1775-1791, doi: 10.1360/SSI-2021-0026

计算机 社会媒体 评述 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

语言认知与语言计算——人与机器的语言理解

王少楠, 丁鼐, 林楠, 张家俊, 宗成庆
中国科学: 信息科学, 2022, 52(10): 1748-1774

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;

引用格式 王少楠, 丁鼐, 林楠, 等. 语言认知与语言计算——人与机器的语言理解. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(10): 1748-1774, doi: 10.1360/SSI-2021-0100
Shaonan WANG, Nai DING, Nan LIN, et al. Language cognition and language computation—human and machine language understanding. Sci Sin Inform, 2022, 52(10): 1748-1774, doi: 10.1360/SSI-2021-0100

计算机 社会媒体 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 4

基于交互序列商品相关性建模的图卷积会话推荐

闫昭, 项欣光, 李泽超
中国科学: 信息科学, 2022, 52(6): 1069-1082

摘要 会话推荐旨在根据用户在会话中的短期行为,预测用户的后续行为,多应用于用户匿名访问网站的场景.会话推荐的核心在于商品之间协同关系的建模,以提升推荐结果的性能.现有方法大都挖掘商品交互顺序信息以计算商品间的协同关系.这种方式仅仅考虑了商品之间的相邻交互的信息,忽视了历史交互信息.其实,若两个商品共享相同的历史交互信息,即它们具有一定的协同关联性.例如,在两个商品交互序列为I_1-I_2-I_3和I_1-I_2-I_4的会话中,商品I_3与I_4的历史交互信息均为I_1-I_2,则商品I_3与I_4极有可能具有较强的关联关系.因此,本文提出了一种新颖的会话推荐模型IHGCN,通过分析会话的商品交互序列建模商品之间的关联关系,同时挖掘了相邻交互信息和历史交互信息.为了从这些交互信息中协同分析出商品特征,所提出方法使用图结构构建商品之间的关系,并引入图卷积网络从商品关系图中学习商品特征.该方法使用特征维度级的细粒度注意力机制挖掘户的全局偏好,并融合用户的局部偏好;基于学习得到的商品特征和用户偏好特征生成最终的推荐结果.本文在3个公开数据集上进行了验证分析,与当前最好的相关方法的比较结果表明所提出方法 IHGCN的有效性和优越性.

关键词 会话推荐; 图卷积网络; 商品交互相似性; 用户偏好; 注意力机制; session-based recommendation; graph convolutional network; item interaction similarity; user preference; attention mechanism;

引用格式 闫昭, 项欣光, 李泽超. 基于交互序列商品相关性建模的图卷积会话推荐. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(6): 1069-1082, doi: 10.1360/SSI-2020-0383
Zhao YAN, Xinguang XIANG, Zechao LI. Item correlation modeling in interaction sequence for graph convolutional session recommendation. Sci Sin Inform, 2022, 52(6): 1069-1082, doi: 10.1360/SSI-2020-0383

计算机 软件 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

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

计算机 软件 评述 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

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

控制 人工智能系统 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

单样本学习下时序约束稀疏表示的物体识别方法

童小宝, 熊鹏文, 宋爱国, 刘小平
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 191-209

摘要 非接触式传感器相比接触式触觉传感器可以避免与物体直接接触过程中产生的噪声,因而能够获取更有价值的原始数据表征物体内在属性;然而针对非接触式传感器感知的物体属性数据而言,现有算法难以实现单样本学习下的物体准确识别.为解决这一问题,本文提出一种新颖的单样本学习下时序约束稀疏表示方法 (one-shot learning with temporally constrained sparse representation, OSL-TCSR)用于识别5种不同材料下的50个物体类别.首先将两种原始数据(Lumini光谱和SCiO光谱)并行投影至共享子空间,并且使用聚类典型关联分析法(cluster canonical correlation analysis, C-CCA)计算两种原始数据的聚类相关性特征;其次通过稀疏表示分别计算得到聚类相关性特征数据以及原始数据的编码向量,并利用原始数据的编码向量对相关性特征数据的编码向量进行二次投影映射;然后将两次映射后的原始数据和相关性特征数据进行重构,以充分耦合化两种光谱数据,解决了单样本学习下的数据稀缺问题;进一步地,设计新颖的时序约束稀疏表示方法计算重构后的原始数据和相关性特征数据,以充分考虑每个光谱序列的时序特征;最后与最新的物体识别方法进行实验对比,结果表明提出的OSL-TCSR方法提高了单样本学习情况下的物体识别结果.此外, OSL-TCSR还可灵活迁移至多种应用场景,比如材料识别或纹理识别等.

关键词 物体识别; 聚类相关性特征; 单样本学习; 时序约束正则化; object recognition; clustering correlation characteristics; one-shot learning; temporally constrained regularization

引用格式 童小宝, 熊鹏文, 宋爱国, 等. 单样本学习下时序约束稀疏表示的物体识别方法. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 191-209, doi: 10.1360/SSI-2022-0256
Xiaobao TONG, Pengwen XIONG, Aiguo SONG, et al. Object recognition based on one-shot learning with temporally constrained sparse representation. Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 191-209, doi: 10.1360/SSI-2022-0256

控制 人工智能系统 论文 Website Google Scholar PDF

舰载机保障作业人机协同决策方法

李亚飞, 高磊, 蒿宏杰, 靳远远, 王可, 徐明亮
中国科学: 信息科学, 2023, 53(12): 2493-2510

摘要 舰载机保障作业是航空母舰航空保障系统的重要组成部分,其调度效率不仅影响舰载机出动架次率,而且严重制约航空母舰作战效能发挥.在多舰载机保障的动态甲板作业环境下,安全高效地为舰载机分配保障资源,最大限度地减少舰载机因资源分配冲突产生的时间开销,是提高舰载机保障作业调度效率的关键途经.现有基于启发式、机器学习等方法舰载机保障作业调度策略,存在计算量大、鲁棒性差、训练效率低等问题.为此,本文将舰载机保障作业调度问题建模为分布式多智能体协同控制的顺序决策问题,构建了一种新颖的基于人机协同的多智能体作业调度决策框架HCMTPF(human-machine collaborative multi-agent task planning framework),有效地提高了保障作业调度决策模型的学习效率.在此基础上,提出了一种基于人类行为可信度的自适应作业分配方法,进一步提高了智能体自主探索能力和人类指导经验利用率.经大量仿真实验验证,本文提出的舰载机保障作业人机协同决策方法比其他方法在计算性能和学习效率方面具有明显优势.

关键词 舰载机; 人机协同; 深度强化学习; 任务分配; 资源分配; carrier aircraft; human-machine collaboration; deep reinforcement learning; task allocation; resource allocation

引用格式 李亚飞, 高磊, 蒿宏杰, 等. 舰载机保障作业人机协同决策方法. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(12): 2493-2510, doi: 10.1360/SSI-2022-0403
Yafei LI, Lei GAO, Hongjie HAO, et al. Human-machine collaborative decision-making for carrier aircraft support operations. Sci Sin Inform, 2023, 53(12): 2493-2510, doi: 10.1360/SSI-2022-0403

控制 人工智能系统 评述 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 3

博弈智能的研究与应用

郝建业, 邵坤, 李凯, 李栋, 毛航宇, 胡舒悦, 王震
中国科学: 信息科学, 2023, 53(10): 1892-1923

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

引用格式 郝建业, 邵坤, 李凯, 等. 博弈智能的研究与应用. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(10): 1892-1923, doi: 10.1360/SSI-2023-0010
Jianye HAO, Kun SHAO, Kai LI, et al. Research and applications of game intelligence. Sci Sin Inform, 2023, 53(10): 1892-1923, doi: 10.1360/SSI-2023-0010

控制 人工智能系统 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

面向人机序贯决策实现共享控制下的仲裁优化

张倩倩, 赵云波, 吕文君, 陈谋
中国科学: 信息科学, 2023, 53(9): 1768-1783

摘要 共享控制存在于众多由人类智能和机器智能共同参与的序贯决策场景.由于人的决策范围和智能机器的决策范围尚未予以明确划分,需要加以实时仲裁从而达到人机共存并且共享决策权限.为此本文提出了一种仲裁优化方法,该方法的独特之处在于引入自主性边界概念,优化了共享控制中人机决策动作的仲裁机制.本文为自主性边界的计算和更新维护提供了思路,能够基于贝叶斯规则的意图推理分析人机共享系统可能要实现的目标,从而确定仲裁参数.此外,本文还分析了自主性边界的不确定性以促进边界信息对共享控制中决策质量的优化效果.实验结果表明,所提出的方法在累积奖励、成功率、撞击率方面表现出色,这些说明了本文提出的共享控制中的仲裁优化方法在求解人机序贯决策问题时的有效性和价值.

关键词 共享控制; 仲裁优化; 自主性边界; 人机序贯决策; 强化学习; shared control; arbitration optimization; autonomous boundary; human-machine sequential decision-making; reinforcement learning

引用格式 张倩倩, 赵云波, 吕文君, 等. 面向人机序贯决策实现共享控制下的仲裁优化. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(9): 1768-1783, doi: 10.1360/SSI-2022-0295
Qianqian ZHANG, Yun-Bo ZHAO, Wenjun LV, et al. Shared control with optimized arbitration for human-machine sequential decision-making. Sci Sin Inform, 2023, 53(9): 1768-1783, doi: 10.1360/SSI-2022-0295

控制 人工智能系统 评述 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

数据驱动的策略优化控制律设计最新研究综述

赵斐然, 游科友
中国科学: 信息科学, 2023, 53(6): 1027-1049

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;

引用格式 赵斐然, 游科友. 数据驱动的策略优化控制律设计最新研究综述. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(6): 1027-1049, doi: 10.1360/SSI-2022-0455
Feiran ZHAO, Keyou YOU. Survey of recent progress in data-driven policy optimization for controller design. Sci Sin Inform, 2023, 53(6): 1027-1049, doi: 10.1360/SSI-2022-0455

控制 人工智能系统 评述 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

博弈收益控制研究进展

王龙, 陈芳, 陈星如
中国科学: 信息科学, 2023, 53(4): 623-646

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;

引用格式 王龙, 陈芳, 陈星如. 博弈收益控制研究进展. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(4): 623-646, doi: 10.1360/SSI-2022-0263
Long WANG, Fang CHEN, Xingru CHEN. Payoff control in game theory. Sci Sin Inform, 2023, 53(4): 623-646, doi: 10.1360/SSI-2022-0263

控制 人工智能系统 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 4

非完全信息下人机合作对抗博弈专题

基于MASAC的无人机集群对抗博弈方法

王尔申, 刘帆, 宏晨, 郭靖, 何宁, 赵琳, 薛健
中国科学: 信息科学, 2022, 52(12): 2254-2269

摘要 随着无人机智能化水平的提高和集群控制技术的发展,无人机集群对抗智能决策方法将成为未来无人机作战的关键技术.无人机集群对抗学习环境具有维度高、非线性、信息有缺失、动作空间连续等复杂特点.近年来,以深度学习和强化学习为代表的人工智能技术取得了很大突破,深度强化学习在解决复杂环境下智能决策问题方面展现出了不俗能力.本文受多智能体集中式训练–分布式执行框架和最大化策略熵思想的启发,提出一种基于非完全信息的多智能体柔性行动器–评判器(multi-agent soft actor-critic, MASAC)深度强化学习方法,建立基于多智能体深度强化学习的无人机集群对抗博弈模型,构建连续空间多无人机作战环境,对红蓝双方无人机集群的非对称性对抗进行仿真实验,实验结果表明MASAC优于现有流行的多智能体深度强化学习方法,能使博弈双方收敛到收益更高的博弈均衡点.进一步对MASAC的收敛情况进行实验和分析,结果显示MASAC具有良好的收敛性和稳定性,能够保证MASAC在无人机集群对抗智能决策方面的实用性.

关键词 深度强化学习; 多智能体; 对抗博弈; MASAC; 无人机集群; deep reinforcement learning; multi-agent; confrontation game; MASAC; UAV clusters;

引用格式 王尔申, 刘帆, 宏晨, 等. 基于MASAC的无人机集群对抗博弈方法. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(12): 2254-2269, doi: 10.1360/SSI-2022-0303
Ershen WANG, Fan LIU, Chen HONG, et al. MASAC-based confrontation game method of UAV clusters. Sci Sin Inform, 2022, 52(12): 2254-2269, doi: 10.1360/SSI-2022-0303

控制 人工智能系统 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 2

非完全信息下人机合作对抗博弈专题

非完备策略集下人机对抗空战决策方法

李守义, 陈谋, 王玉惠, 吴庆宪, 贺建良
中国科学: 信息科学, 2022, 52(12): 2239-2253

摘要 在真实的空战对抗环境中,不确定性广泛存在.本文考虑人机对抗场景中的空战决策问题,提出了一种非完备策略集下的博弈决策方法.首先,将对抗的无人机群和有人机群的动态博弈过程分解为不同的决策阶段,并将当前的决策阶段建模为一个零和博弈模型.所建模型考虑了有人机群的策略不完全可知的情形,并用一个不确定效用矩阵来描述这种非完备策略.随后,基于矩阵博弈中的最大最小策略概念,提出了非完备策略下博弈模型的求解方法,从而给出了无人机群的决策序列.最后通过仿真实验验证了所提方法的有效性.

关键词 无人机; 空战决策; 人机对抗; 非完备策略集; 博弈论; 最大最小策略; unmanned air vehicle(UAV); air combat decision-making; human-computer gaming; incomplete strategy set; game theory; maximum-minimum strategy;

引用格式 李守义, 陈谋, 王玉惠, 等. 非完备策略集下人机对抗空战决策方法. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(12): 2239-2253, doi: 10.1360/SSI-2022-0222
Shouyi LI, Mou CHEN, Yuhui WANG, et al. Human-computer gaming decision-making method in air combat under an incomplete strategy set. Sci Sin Inform, 2022, 52(12): 2239-2253, doi: 10.1360/SSI-2022-0222

控制 人工智能系统 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

非完全信息下人机合作对抗博弈专题

分层决策多机空战对抗方法

王欢, 周旭, 邓亦敏, 刘小峰
中国科学: 信息科学, 2022, 52(12): 2225-2238

摘要 在空战研究领域,战术决策旨在提高博弈对抗收益,进而提升战机攻击效率.现有战术决策算法大多基于规则方法设计,当应用于多机空战的复杂环境时则存在设计难度大,难以求解最优解等问题.本文提出一种分层决策多机空战对抗方法,首先,在训练初始阶段借鉴已有人类专家经验,指导模型训练;其次,根据战术动作类型设计分层动作决策网络,降低动作决策空间维度;最后,将训练产生的对抗经验按阶段分解,降低策略学习难度.在多机空战仿真环境中进行了实验验证,相比于现有多机空战决策方法,本文提出的方法在训练收敛性和决策性能方面均具有更好的表现.

关键词 多机空战; 动作决策网络; 博弈; 分层强化学习; 决策收益; multi-aircraft air combat; action decision-making network; game; hierarchical reinforcement learning; decision gain;

引用格式 王欢, 周旭, 邓亦敏, 等. 分层决策多机空战对抗方法. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(12): 2225-2238, doi: 10.1360/SSI-2022-0185
Huan WANG, Xu ZHOU, Yimin DENG, et al. A hierarchical decision-making method for multi-aircraft air combat confrontation. Sci Sin Inform, 2022, 52(12): 2225-2238, doi: 10.1360/SSI-2022-0185

控制 人工智能系统 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

非完全信息下人机合作对抗博弈专题

非完全信息下基于PPO-CFR的扩展式博弈决策

黄蕾, 朱进, 段福庆
中国科学: 信息科学, 2022, 52(12): 2178-2194

摘要 非完全信息下的人机对抗通常可以通过双人零和博弈模型加以描述,反事实后悔最小化(counterfactual regret minimization, CFR)是处理非完全信息双人零和博弈的一种流行算法.然而现有CFR及其变体算法在迭代过程中使用固定的后悔值计算和策略更新类型,在非完全信息扩展式博弈下表现各有优劣,泛化性能薄弱.针对这一问题,本文将强化学习近端策略优化(proximal policy optimization,PPO)算法与CFR算法相结合,提出一种PPO-CFR算法,通过训练出理性的智能体,从而实现CFR迭代过程后悔值计算和策略更新类型的自适应选择,以提高算法的泛化性能,并实现非完全信息扩展式博弈的策略优化.本文采用通用的扑克博弈实验验证所提算法,并制定逐步奖励函数训练智能体的动作策略,实验结果表明,与现有方法相比, PPO-CFR算法具有更好的泛化性能和更低的可利用度,迭代策略更为逼近纳什均衡策略.

关键词 非完全信息; 扩展式博弈; 反事实后悔最小化; 近端策略优化; 博弈决策; incomplete information; extensive game; counterfactual regret minimization; proximal policy optimization; game decision-making;

引用格式 黄蕾, 朱进, 段福庆. 非完全信息下基于PPO-CFR的扩展式博弈决策. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(12): 2178-2194, doi: 10.1360/SSI-2022-0216
Lei HUANG, Jin ZHU, Fuqing DUAN. Extensive game decision based on the PPO-CFR algorithm under incomplete information. Sci Sin Inform, 2022, 52(12): 2178-2194, doi: 10.1360/SSI-2022-0216

控制 人工智能系统 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

非完全信息下人机合作对抗博弈专题

非全时有效人类决策下的人机共享自主方法

游诗艺, 康宇, 赵云波, 张倩倩
中国科学: 信息科学, 2022, 52(12): 2165-2177

摘要 在人机共享自主中,人和智能机器以互补的能力共同完成实时控制任务,以实现双方单独控制无法达到的性能.现有的许多人机共享自主方法倾向于假设人的决策始终“有效”,即这些决策促进了任务的完成,且有效地反映了人类的真实意图.然而,在现实中,由于疲劳、分心等多种原因,人的决策会在一定程度上“无效”,不满足这些方法的基本假设,导致方法失效,进而导致任务失败.本文提出了一种新的基于深度强化学习的人机共享自主方法,使系统能够在人类决策长期无效的情况下完成正确的目标.具体来说,我们使用深度强化学习训练从系统状态和人类决策到决策价值的端到端映射,以显式判断人类决策是否无效.如果无效,机器将接管系统以获得更好的性能.我们将该方法应用于实时控制任务中,结果表明该方法能够及时、准确地判断人类决策的有效性,分配相应的控制权限,并最终提高了系统性能.

关键词 人机系统; 共享自主; 非全时有效决策; 深度强化学习; 仲裁; human-machine system; shared autonomy; non-full-time effective decision; deep reinforcement learning; arbitration;

引用格式 游诗艺, 康宇, 赵云波, 等. 非全时有效人类决策下的人机共享自主方法. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(12): 2165-2177, doi: 10.1360/SSI-2022-0225
Shiyi YOU, Yu KANG, Yun-Bo ZHAO, et al. Human-machine shared autonomy approach for non-full-time effective human decisions. Sci Sin Inform, 2022, 52(12): 2165-2177, doi: 10.1360/SSI-2022-0225

控制 人工智能系统 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

具有学习和推理能力的空间无人系统智能架构

黄煌, 李谋, 刘磊, 汤亮, 刘昊, 谢心如, 刘乃龙, 魏春岭, 邢琰, 姜甜甜, 胡海东, 常亚菲, 胡勇, 杨孟飞
中国科学: 信息科学, 2022, 52(11): 2093-2105

摘要 以卫星、飞船、深空探测器为代表的航天器是一类典型的无人系统,经历了从自动化到自主化的不断发展.为提升航天器对未知空间环境和复杂空间任务的适应能力和智能自主水平,以空间无人系统为研究对象设计了具有学习和推理能力的无人系统智能架构,给出架构的组成及功能;接着分析该架构中学习和推理能力的运作机制,并针对架构所需的动作库和知识库的构建、更新与扩展方法等关键技术提出解决方案;最后通过地外星表巡视采样任务示例,具体说明在该智能架构下的新知识生成、基于知识的推理和自主执行任务的过程,以及过程中知识库、环境、任务和动作库之间的交互关系.

关键词 学习和推理能力; 空间无人系统; 智能架构; 动作库; 知识库; learning and reasoning capabilities; space unmanned system; intelligent architecture; action library; knowledge library;

引用格式 黄煌, 李谋, 刘磊, 等. 具有学习和推理能力的空间无人系统智能架构. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(11): 2093-2105, doi: 10.1360/SSI-2022-0036
Huang HUANG, Mou LI, Lei LIU, et al. Intelligent architecture of space unmanned system with learning and reasoning capabilities. Sci Sin Inform, 2022, 52(11): 2093-2105, doi: 10.1360/SSI-2022-0036

控制 人工智能系统 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 3

基于强化学习的高速列车群运行调整方法

代学武, 程丽娟, 崔东亮, 俞胜平, 袁志明, 应志鹏
中国科学: 信息科学, 2022, 52(5): 890-906

摘要 随着我国高速铁路建设成网,行车密度不断提高,在出现突发事件导致列车晚点时,行车调度的复杂性和难度急剧增加,如何动态调整列车群运行,以减少晚点,提高准点率是运行调整的核心.本文提出了一种适用于突发事件下高速列车群运行调整的无模型强化学习方法.首先将多个列车在多个车站和闭塞区间的运行调整建模为受约束的资源占用和配置的多阶段序贯决策过程,提出了基于动态时空拓扑矩阵的车站和区间统一化建模方法.针对高铁列车群时空关联强的特点,首次提出了一种包含车辆位置、路网资源等时空分布信息的强化学习状态空间、动作空间和回报函数,构建了有效的奖励反馈机制.然后,针对高铁运行系统搜索空间巨大的难点,提出了启发式动作子空间自适应生成方法,利用部分显式静态约束构建启发式规则减少搜索空间,有效减少了无模型强化学习的试错次数,提高了求解效率,也保留了无模型通用性好的优点.最后,基于京广高铁实际案例的仿真分析表明,在发生不同时空范围的大风限速,导致多车延误的事件下,所提出的算法均能较好收敛,明显减少列车群内晚点传播,与MILP, ACO, FCFS方法相比,列车群的平均晚点时间可减少2%~20%.

关键词 强化学习; 时空拓扑矩阵; 列车运行调整; FCFS算法; 优化; reinforcement learning; spatio-temporal topology matrix; train rescheduling; FCFS algorithm; optimization;

引用格式 代学武, 程丽娟, 崔东亮, 等. 基于强化学习的高速列车群运行调整方法. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(5): 890-906, doi: 10.1360/SSI-2021-0073
Xuewu DAI, Lijuan CHENG, Dongliang CUI, et al. Rescheduling of high-speed trains: a reinforcement learning approach. Sci Sin Inform, 2022, 52(5): 890-906, doi: 10.1360/SSI-2021-0073

控制 复杂网络与系统 论文 Website Google Scholar PDF

基于多阶邻居传播度量和拓扑特征的高影响力节点识别

罗余, 王建波, 李平, 杜占玮, 许小可
中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 944-959

摘要 如何定量评估复杂网络中节点的影响力是一个重要的研究课题,因为它有助于深入理解网络的结构和功能.现有的多数方法主要基于网络固有拓扑的分析建立,缺少对多阶邻居节点的传播性质和拓扑信息的综合利用,然而它们对影响力节点识别有重要影响.为此,本文提出了一种综合多阶邻居传播度量和拓扑特征(multi-order neighbor propagation metrics and topological features, MNPMTF)的算法来有效识别复杂网络中的影响力节点.首先,该算法结合传播模型和最短路径来刻画邻居节点的传播概率,从而量化节点之间信息传播的可能性.其次,考虑多阶邻居中的邻居重叠比形成邻居重叠度,进而量化信息在邻居网络中的传播路径.再次,利用节点的k壳、h指数和聚类系数构成新指标KHC系数,以此来描述节点的拓扑特征.最后,算法综合3阶邻居范围内的传播概率、邻居重叠度和拓扑特征以评估节点的影响力.在9个真实网络上的大量实验表明,所提算法在排序准确性、有效性和区分能力等多方面均优于7种具有代表性的方法,为复杂网络中节点影响力评估提供了一种新的思路.

关键词 传播概率; 邻居重叠度; KHC系数; 影响力节点; 复杂网络; propagation probability; neighbor overlap; KHC coefficient; influential nodes; complex networks

引用格式 罗余, 王建波, 李平, 等. 基于多阶邻居传播度量和拓扑特征的高影响力节点识别. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 944-959, doi: 10.1360/SSI-2023-0201
Yu LUO, Jianbo WANG, Ping LI, et al. Identification of high-influential nodes based on multi-order neighbor propagation metrics and topological features. Sci Sin Inform, 2024, 54(4): 944-959, doi: 10.1360/SSI-2023-0201

控制 复杂网络与系统 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 2

高阶网络牵制控制中单纯形的选择

周进, 李博, 陆君安, 史定华
中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 708-718

摘要 随着网络科学的发展,普通网络无法描述多个个体间的交互作用,这就有必要引入高阶网络.高阶网络能够刻画普通网络无法描述的网络特征,其中单纯形(2阶以上)扮演着关键角色.牵制控制具有“四两拨千斤”的作用,在高阶网络中只需牵制一部分单纯形就能达到同步.但如何选取合适的单纯形进行牵制控制,是一个充满挑战而又全新的课题.本文给出高阶网络达到同步的自适应牵制控制律,并提出如何选择合适的单纯形进行牵制,选择方式由高阶网络广义Laplacian矩阵次小特征值对应的单位特征向量分量决定.数值仿真结果表明该方法简单有效,牵制控制效果与单纯形选择方式一致.

关键词 复杂网络; 高阶网络; 牵制控制; 同步; 单纯形; complex networks; higher-order networks; pinning control; synchronization; simplexes

引用格式 周进, 李博, 陆君安, 等. 高阶网络牵制控制中单纯形的选择. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 708-718, doi: 10.1360/SSI-2023-0142
Jin ZHOU, Bo LI, Jun-An LU, et al. Selection of simplexes in pinning control of higher-order networks. Sci Sin Inform, 2024, 54(3): 708-718, doi: 10.1360/SSI-2023-0142

控制 复杂网络与系统 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

基于半张量积的双合作博弈Shapley值计算

李志强, 李文鸽, 何秋锦, 宋金利, 杨俊起
中国科学: 信息科学, 2022, 52(7): 1302-1316

摘要 合作博弈中的参与人只将合作、不合作作为自己的策略,而双合作博弈是合作博弈的一般化,参与者以合作、不合作和弃权作为自己的策略,以获得自己所在的联盟利益的最大化,从而使自己的收益达到最优.与合作博弈一样,如何分配参与者联盟获得的总收益是双合作博弈的一个重要研究问题.本文利用矩阵半张量积工具,研究了双合作博弈的Shapley值计算问题.首先构造了双合作博弈的Shapley矩阵,然后将双合作博弈的Shapley值计算转化为双合作博弈的特征函数矩阵与Shapley矩阵乘积形式.本文得到的Shapley值矩阵计算公式形式简洁,不但简化了计算,而且为双合作博弈的研究提供了新的工具.

关键词 合作博弈; 双合作博弈; Shapley值; Shapley矩阵; 矩阵半张量积; cooperative game; bicooperative game; Shapley value; Shapley matrix; semi-tensor product of matrices;

引用格式 李志强, 李文鸽, 何秋锦, 等. 基于半张量积的双合作博弈Shapley值计算. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(7): 1302-1316, doi: 10.1360/SSI-2021-0337
Zhiqiang LI, Wenge LI, Qiujin HE, et al. The Shapley value for bicooperative games based on the semi-tensor product. Sci Sin Inform, 2022, 52(7): 1302-1316, doi: 10.1360/SSI-2021-0337

控制 复杂网络与系统 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 5

基于生物网络的关系推断原理、方法与应用

李梢, 张鹏, 古槿, 江瑞, 李衍达
中国科学: 信息科学, 2022, 52(5): 856-869

摘要 在生物医学大数据时代,如何全面有效地发现致病基因、药物靶标等关键要素,从整体上理解宏观表型的微观本质,是目前信息科学与中西医学交叉研究面临的重大共性挑战之一.生物系统是典型的复杂系统,克服上述挑战的关键是:如何通过深入理解复杂生物系统的“关系”本质,解决复杂系统多层次信息融合难题以及生物医学大数据中广泛存在的维度高、噪声大、样本少等难点.“生物网络”是构成复杂生物系统的基础,反映人体内部基因和基因产物等各种生物分子的相互关系、生物分子与疾病和药物等不同层次的关系,生物网络已被广泛用于生物医学大数据的分析.李梢课题组从20余年前开始中西医药与生物网络的关联研究,率先提出“网络靶标”假说,并进行方法构建与应用.本文对基于生物网络的关系推断理论与方法进行总结与思考.首先,从原理上,发现疾病宏观表型与微观分子在复杂生物网络中存在“层次模块化关系”,即宏观层次的涌现在微观上具有局域模块性,宏观表型越相似,微观致病基因或药物靶标在网络上的模块性关联越强.其次,从方法上,给出基于生物网络从生物医学大数据、少量目标样本中推断关键生物要素的“关系推断”一般性方法框架:以层次模块化关系为基础,从全局角度进行关系网络构建、关系表示与建模、未知关系推断,实现关系的实体化、数学化、整体化.进而,从应用上,基于生物网络的关系推断方法在致病基因与药物靶标预测、疾病标志物识别、中医药机制解析等方面表现出很好的性能.综上,关系推断方法能够为从系统角度和分子水平揭示中西医药科学原理提供系统解决方案,也为网络药理学等新兴学科提供重要的原理和方法学支撑.

关键词 复杂生物网络; 模块化; 多层次关联; 关系推断; 小样本推断; 网络药理学; complex biological network; modularity; multilevel relationship; relationship inference; small-sample inference; network pharmacology;

引用格式 李梢, 张鹏, 古槿, 等. 基于生物网络的关系推断原理、方法与应用. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(5): 856-869, doi: 10.1360/SSI-2021-0243
Shao LI, Peng ZHANG, Jin GU, et al. Principle, method and application of relationship inference based on biological networks. Sci Sin Inform, 2022, 52(5): 856-869, doi: 10.1360/SSI-2021-0243

控制 分布式控制与优化 论文 Website Google Scholar PDF

扰动线性多智能体系统的分布式资源分配算法

时侠圣, 孙长银, 穆朝絮
中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 911-926

摘要 针对一般异构线性多智能体系统的分布式资源分配问题,结合智能体动力学特性设计一类分布式优化算法,旨在实现扰动抑制的同时完成资源的最优分配.面对扰动模型已知干扰信号,本文利用智能体状态信息设计一种自适应分布式优化算法,其中拉格朗日(Lagrange)乘子对偶变量控制参数自动增加,直至拉格朗日乘子对偶变量达到一致.当智能体状态信息不可测时,本文将上述算法修改为基于输出反馈的分布式优化算法.当全局成本函数强凸时,借助拉萨尔(LaSalle)不变性引理证明上述所提算法渐近收敛到全局最优解.面对未知扰动信号,本文利用扩张状态观测器技术设计一种分布式优化算法.当未知扰动信号为常数或其微分趋于零时,利用李雅普诺夫(Lyapunov)理论证明上述算法渐近收敛至全局最优解.最后利用数值仿真验证上述算法有效.

关键词 异构多智能体系统; 资源分配; 自适应通信权重; 状态反馈; 输出反馈; 未知扰动; heterogeneous multi-agent systems; resource allocation; adaptive communication weight; state feedback; output feedback; unknown disturbance

引用格式 时侠圣, 孙长银, 穆朝絮. 扰动线性多智能体系统的分布式资源分配算法. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 911-926, doi: 10.1360/SSI-2023-0093
Xiasheng SHI, Changyin SUN, Chaoxu MU. Distributed resource allocation algorithms for linear multi-agent systems with disturbances. Sci Sin Inform, 2024, 54(4): 911-926, doi: 10.1360/SSI-2023-0093

控制 分布式控制与优化 论文 Website Google Scholar PDF

具有非协同步长的噪声鲁棒分布式资源分配算法

吴温文, 朱善迎, 刘帅, 关新平
中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 692-707

摘要 针对通信噪声干扰下的资源分配问题,本文提出了基于对偶梯度追踪的分布式算法以实现资源的最优配置.通过设计新的噪声追踪策略与引入抑制系数,本文算法对噪声干扰具有更好的鲁棒性,并且支持各节点使用非协同步长进行迭代更新.理论分析证明了对于非Lipschitz光滑甚至不可微的强凸目标函数,算法在噪声干扰下仍能收敛到最优解邻域并且具有O(1/k)收敛速率.最后,在IEEE14母线和IEEE 118母线系统上验证了本文所提出分布式算法的有效性和可拓展性.

关键词 分布式优化; 对偶问题; 噪声抑制; 资源分配; 非协同步长; distributed optimization; dual problem; noise suppression; resource allocation; uncoordinated stepsizes

引用格式 吴温文, 朱善迎, 刘帅, 等. 具有非协同步长的噪声鲁棒分布式资源分配算法. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(3): 692-707, doi: 10.1360/SSI-2023-0022
Wenwen WU, Shanying ZHU, Shuai LIU, et al. Noise-robust distributed resource allocation with uncoordinated step-sizes. Sci Sin Inform, 2024, 54(3): 692-707, doi: 10.1360/SSI-2023-0022

控制 分布式控制与优化 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

基于事件触发的互联电力系统分布式负荷频率预测控制

马苗苗, 李钰梅, 崔婧, 刘向杰
中国科学: 信息科学, 2023, 53(7): 1392-1403

摘要 针对具有约束和扰动的多区域互联电力系统负荷频率控制(load frequency control, LFC)问题,本文提出了一种事件触发分布式模型预测控制(event-triggered distributed model predictive control,ET-DMPC)策略.将大规模互联电力系统分解成多个动态耦合的子系统,考虑发电机变化率约束(generation rate constraint, GRC)和调速器阀门位置限制,建立分布式预测控制优化问题.为了降低系统计算负担,减少计算资源的消耗和浪费,基于预测值和系统实际状态的误差构造事件触发条件.在事件触发机制下,只有子系统满足相应的事件触发条件时,控制器才传输状态信息和求解优化问题,并与邻域子系统交互最优解作用下的关联信息.仿真结果表明,本文提出的控制策略在负荷扰动和系统参数不确定的情况下具有良好的鲁棒性,同时极大地降低了系统的计算负担.

关键词 负荷频率控制; 分布式模型预测控制; 事件触发; 互联电力系统; 发电机变化率约束; load frequency control; distributed model predictive control; event-triggered; interconnected power system; GRC;

引用格式 马苗苗, 李钰梅, 崔婧, 等. 基于事件触发的互联电力系统分布式负荷频率预测控制. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(7): 1392-1403, doi: 10.1360/SSI-2022-0343
Miaomiao MA, Yumei LI, Jing CUI, et al. Event-triggered distributed model predictive load frequency control of an interconnected power system. Sci Sin Inform, 2023, 53(7): 1392-1403, doi: 10.1360/SSI-2022-0343

控制 分布式控制与优化 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

基于边云协同的建筑能源系统分布式供需协同优化

徐占伯, 周春翔, 吴江, 刘坤, 管晓宏
中国科学: 信息科学, 2023, 53(3): 517-534

摘要 建筑能源系统能耗总量巨大且用能弹性高,具有很大的节能优化潜力,其提效节能被认为是降低能源电力系统终端碳排放、实现“2030碳达峰、2060碳中和”国家战略目标的重要途径之一.然而,建筑能源系统节能优化面临人员行为与系统能耗交互影响、多种能源介质时空多尺度耦合与供需能量平衡等建模挑战,以及系统决策空间随建筑规模指数增长的维数灾计算复杂性挑战.针对上述挑战,本文从信息物理融合的角度出发,提出了基于节点–流量模型的建筑能源系统分布式优化模型,刻画了电、气、热等能源物理网络与信息网络的交互影响,实现了局部数据采集和计算的一体化结构设计,支撑边云协同计算体系.进而,设计了基于边云协同的分布式迭代优化算法,证明了算法的收敛性,可实现建筑能源系统供需协同优化,并大大降低了对全局信息的依赖性和通信需求.本文以6种不同规模下实际建筑系统的数值测试结果,验证了所提方法的性能和有效性,特别在大规模建筑能源系统上具有良好的应用前景.

关键词 建筑能源系统; 信息物理融合系统; 边云协同计算; 供需协同优化; 系统优化; building energy system; cyber-physical system; edge-cloud computing; supply-demand coordination; system optimization;

引用格式 徐占伯, 周春翔, 吴江, 等. 基于边云协同的建筑能源系统分布式供需协同优化. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(3): 517-534, doi: 10.1360/SSI-2022-0053
Zhanbo XU, Chunxiang ZHOU, Jiang WU, et al. Edge-cloud framework-based distributed optimization of a building energy system with supply-demand coordination. Sci Sin Inform, 2023, 53(3): 517-534, doi: 10.1360/SSI-2022-0053

控制 分布式控制与优化 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

网络攻击下产品与供应链协同演进系统数据驱动变更控制设计

李庆奎, 高雪峰, 彭晨, 张蕴隆, 易军凯
中国科学: 信息科学, 2023, 53(2): 325-343

摘要 产品与供应链协同演进系统(product and supply chain synchronous evolution system, PSCSE)是一类复杂的分布式信息物理系统(cyber-physical system, CPS),含有大量的未建模动态与不确定性.剧烈的需求波动及突发的网络事件,使系统结构参数极易发生变化.产品设计变更是维持PSCSES稳定、满足用户需求及保证经济效益的重要手段.本文研究基于分布式CPS的PSCSES在受到DoS攻击下的应急变更控制问题.首先,针对PSCSES在网络攻击下数据包丢失问题,利用每条子链的历史数据设计基于循环神经网络(recurrent neural network, RNN)的预测器以弥补因网络攻击造成的库存数据丢失;其次,利用博弈论思想将H∞一致性控制问题转化为多人零和图博弈问题,提出一种应急变更补偿机制;进而基于Q-learning的策略迭代技术设计了模型未知的控制器求解算法,实现了系统的库存状态H∞一致性.最后,仿真实验验证了所提方法的有效性.

关键词 网络攻击; 数据驱动; 供应链; 变更控制设计; 多智能体; cyber-attacks; data-driven; supply chain; change control design; multi-agent;

引用格式 李庆奎, 高雪峰, 彭晨, 等. 网络攻击下产品与供应链协同演进系统数据驱动变更控制设计. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(2): 325-343, doi: 10.1360/SSI-2021-0435
Qingkui LI, Xuefeng GAO, Chen PENG, et al. Data-driven change control design for product and supply chain synchronous evolution systems under cyber-attacks. Sci Sin Inform, 2023, 53(2): 325-343, doi: 10.1360/SSI-2021-0435

控制 分布式控制与优化 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

有向图中含弹性关节多机械臂系统的分布式一致性

孟祥正, 吴爱国, 梅杰, 马广富
中国科学: 信息科学, 2023, 53(1): 81-96

摘要 本文主要研究有向图中含弹性关节多机械臂系统的一致性问题,利用模型参考自适应一致性方法,将含弹性关节多机械臂系统的一致性问题转化成参考模型的一致性和单个机械臂系统的轨迹跟踪问题两个子问题.考虑到机械臂的相对角速度信息难以获取的情况,提出了无需相对角速度信息的线性参考模型.在轨迹跟踪算法设计上,利用反步法对单个机械臂系统设计了跟踪控制算法,使得系统达到关节角度趋于一致的结果.

关键词 含弹性关节机械臂; 一致性; 分布式控制; 多智能体系统; 有向图; manipulator with elastic joints; consensus; distributed control; multi-agent systems; directed graph;

引用格式 孟祥正, 吴爱国, 梅杰, 等. 有向图中含弹性关节多机械臂系统的分布式一致性. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(1): 81-96, doi: 10.1360/SSI-2021-0349
Xiangzheng MENG, Aiguo WU, Jie MEI, et al. Consensus of multiple manipulators with elastic joints under a directed graph. Sci Sin Inform, 2023, 53(1): 81-96, doi: 10.1360/SSI-2021-0349

控制 分布式控制与优化 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

车站封锁下基于问题知识的高速铁路列车运行实时调整方法

王荣笙, 张琦, 张涛, 林鹏, 丁舒忻, 袁志明
中国科学: 信息科学, 2022, 52(11): 2121-2140

摘要 针对突发事件导致的车站封锁情况,本文以列车运行图为问题对象,以进化计算框架为基础,提出基于问题知识的运行图实时调整方法,通过减小列车总晚点时间,保证高铁运营的安全高效和旅客的满意舒适.首先,基于调整列车发车次序的运行图调整策略提出排列编码方法,用于减少解空间的无效搜索.之后,根据“紧追踪”的列车运行追踪方式,设计启发式解码方法消除所有行车作业约束,提升算法求解效率.最后,将调度员调整运行图的经验作为问题知识,用于初始化进化计算的初始种群,由此提出基于问题知识的启发式种群初始化方法,加快算法前期的收敛速度并提高求解方案质量.以京津高速线为例,在北京南站设置车站封锁下20~150 min不同封锁时长的9个典型场景,选择加强精英保留遗传算法和差分进化算法,分别应用实整数编码和排列编码,与随机种群初始化和启发式种群初始化的不同组合进行仿真实验.仿真结果表明,相较于实整数编码难以获取可行解, 2种进化算法应用排列编码方法后,能在9 s的平均时间内给出列车总晚点时间最小的调整方案.在启发式种群初始化的改进下, 2种进化算法能更快地收敛于近似最优解.选取加强精英保留遗传算法应用排列编码和启发式种群初始化的改进变体,作为本文最优改进进化算法.针对CPLEX无法在10 min获得最优解的7个场景,该改进进化算法都能在20 s内给出近似最优解.

关键词 高速铁路; 列车运行调整; 车站封锁; 进化计算; 遗传算法; 排列编码优化; high-speed railway; train rescheduling; station blockage; evolutionary computing; genetic algorithm; permutation-based optimization;

引用格式 王荣笙, 张琦, 张涛, 等. 车站封锁下基于问题知识的高速铁路列车运行实时调整方法. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(11): 2121-2140, doi: 10.1360/SSI-2021-0332
Rongsheng WANG, Qi ZHANG, Tao ZHANG, et al. Real-time rescheduling approach of train operation for high-speed railways using problem-specific knowledge under a station blockage. Sci Sin Inform, 2022, 52(11): 2121-2140, doi: 10.1360/SSI-2021-0332

控制 分布式控制与优化 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

考虑V2G背景下微电网的一致性能量管理策略

任丽娜, 武瀚, 焦晓红
中国科学: 信息科学, 2022, 52(6): 1098-1113

摘要 电动汽车具有移动储能器的特性,对其充放电行为进行合理调度可以对电网负荷起到削峰填谷作用,并提高电网对风光能源的吸纳能力,为此本文研究了含有电动汽车与电网交互(vehicle-to-grid,V2G)的孤岛微电网分布式能量管理策略.首先通过充放电电价诱导机制,提出一种包含电动汽车聚合商的多智能体微电网效益模型,进而考虑实际能源系统在发电损耗及功率平衡约束下的社会效益最大化问题.其次利用微电网内分布式能源之间信息交互,设计基于多智能体一致性理论的优化求解算法,并进一步考虑系统中存在通信随机时延的情况,最终实现社会效益最大化且系统电价达到一致,并对此研究背景下算法的收敛性进行分析,给出了收敛条件.最后采用标准IEEE-11总线结构对系统进行仿真验证,证明了所提控制策略的有效性.

关键词 V2G; 多智能体系统; 发电损耗; 通信时延; 分布式一致性; V2G; multi-agent system; power loss; time delay; distributed consistency;

引用格式 任丽娜, 武瀚, 焦晓红. 考虑V2G背景下微电网的一致性能量管理策略. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(6): 1098-1113, doi: 10.1360/SSI-2021-0218
Lina REN, Han WU, Xiaohong JIAO. Consistency-based energy management strategy for microgrids with V2G. Sci Sin Inform, 2022, 52(6): 1098-1113, doi: 10.1360/SSI-2021-0218

控制 故障诊断与控制系统安全 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

基于异构图注意力的工业设备故障诊断知识图谱补全方法

马亚杰, 刘洋, 姜斌, 冒泽慧, 刘剑慰, 刘文静
中国科学: 信息科学, 2024, 54(2): 354-372

摘要 针对工业设备故障诊断知识图谱故障实体属性残缺、故障关系链接缺失的问题,本文提出了一种基于知识图谱异构图注意力网络(knowledge graph heterogeneous graph attention network, KGHAN)模型的工业设备故障诊断知识图谱补全方法,通过对故障实体概念补全和故障关系链接补全完善了工业设备故障诊断知识图谱.所提KGHAN模型在异构图注意力网络模型的基础上,融合了故障知识结构信息和故障图结构信息,有效地表征了故障实体和故障关系的嵌入表示,提高了故障实体概念补全任务的准确率和故障关系链接补全任务的命中率.将所提工业设备故障诊断知识图谱补全方法应用在国内某企业的工业设备故障运维数据上,结果表明,故障实体概念补全任务的准确率提高了约10%,故障关系链接补全任务的命中率提高了约37%,验证了方法的有效性.

关键词 知识图谱补全; 知识图谱; 图神经网络; 故障诊断; 工业设备; knowledge graph completion; knowledge graph; graph neural network; fault diagnosis; industrial equipment

引用格式 马亚杰, 刘洋, 姜斌, 等. 基于异构图注意力的工业设备故障诊断知识图谱补全方法. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(2): 354-372, doi: 10.1360/SSI-2022-0440
Yajie MA, Yang LIU, Bin JIANG, et al. Knowledge graph completion method for industrial equipment fault diagnosis based on heterogeneous graph attention. Sci Sin Inform, 2024, 54(2): 354-372, doi: 10.1360/SSI-2022-0440

控制 故障诊断与控制系统安全 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

基于前景理论的行为安全博弈

路石, 杨浩, 姜斌
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 210-226

摘要 本文基于前景理论在博弈的框架下研究了行为感知概率对网络化系统中攻防资源配置的影响.首先,在理性决策情形下,通过融合物理系统、执行器攻击和资源分配模型,构建了一个新的安全博弈框架.其次,针对决策者依靠感知概率而非真实概率进行主观决策的情形,基于前景理论构造了行为安全博弈模型.然后,建立了安全博弈和行为安全博弈下期望收益函数关于攻防资源凹凸性的充要条件,并深入分析和比较了安全博弈和行为安全博弈下攻防资源最优配置的存在性和唯一性以及行为概率对安全博弈的影响.最后以无人机群为例进行了仿真,验证了所提方法的有效性.

关键词 执行器攻击; 前景理论; 资源分配; 安全博弈; 行为安全博弈; actuator attacks; prospect theory; resource allocation; security game; behavioral security game

引用格式 路石, 杨浩, 姜斌. 基于前景理论的行为安全博弈. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 210-226, doi: 10.1360/SSI-2023-0002
Shi LU, Hao YANG, Bin JIANG. Prospect theory-based behavioral security game. Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 210-226, doi: 10.1360/SSI-2023-0002

控制 故障诊断与控制系统安全 论文 Website Google Scholar PDF

多方ARX系统的协作安全辨识——一种基于门限Paillier密码体制的最小二乘辨识方法

谭建伟, 王继民, 张纪峰
中国科学: 信息科学, 2023, 53(12): 2472-2492

摘要 本文研究了多方参与的随机线性系统的协作安全参数辨识问题,提出了一种基于门限Paillier密码体制的安全多方最小二乘辨识算法.具体地,通过对正负整数的合理编码,将(门限) Paillier密码体制的加密对象及同态特性由非负整数扩展到了整数.利用门限Paillier密码体制和将数据沿时间轴切分的方法,设计了相应的安全多方参数辨识算法.给出了算法正确加解密所需的明文空间大小条件、保证隐私安全性的时间切分长度条件以及一定条件下估计误差与加密量化误差之间的定量关系.证明了,只要选取的时间切分长度合适,对于任意一个参与者,即使其他所有参与者联合起来仍然无法得到其具体的隐私信息.最后,通过数值仿真验证了算法的有效性.

关键词 多方参与的ARX系统; 隐私安全; 系统辨识; 门限Paillier加密体制; 最小二乘方法; multi-participant ARX system; privacy security; system identification; threshold Paillier cryptosystem; least squares method

引用格式 谭建伟, 王继民, 张纪峰. 多方ARX系统的协作安全辨识——一种基于门限Paillier密码体制的最小二乘辨识方法. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(12): 2472-2492, doi: 10.1360/SSI-2023-0140
Jianwei TAN, Jimin WANG, Jifeng ZHANG. Cooperative secure parameter identification of multi-participant ARX system — threshold Paillier cryptosystem-based least-squares identification algorithm. Sci Sin Inform, 2023, 53(12): 2472-2492, doi: 10.1360/SSI-2023-0140

控制 故障诊断与控制系统安全 评述 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

数据驱动的多工况过程异常监测方法: 综述与展望

张景欣, 周东华, 陈茂银, 吴德浩
中国科学: 信息科学, 2023, 53(11): 2087-2106

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

引用格式 张景欣, 周东华, 陈茂银, 等. 数据驱动的多工况过程异常监测方法: 综述与展望. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(11): 2087-2106, doi: 10.1360/SSI-2022-0404
Jingxin ZHANG, Donghua ZHOU, Maoyin CHEN, et al. Data-driven anomaly monitoring methods for multimode processes: overview and perspectives. Sci Sin Inform, 2023, 53(11): 2087-2106, doi: 10.1360/SSI-2022-0404

控制 故障诊断与控制系统安全 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

基于启发式时空图神经网络的多变量时序异常检测

姜羽, 陈华, 张小刚, 王炼红, 王鼎湘
中国科学: 信息科学, 2023, 53(9): 1784-1801

摘要 针对信息物理系统的多变量时序数据的异常检测是预防系统故障、保证安全生产的必要手段.由于系统变量间的强耦合性和传播效应,设计异常检测算法时应考虑系统变量间的耦合特性、传播有向性和因果时滞性,从系统结构变化的角度检测早期异常.本文提出一种端到端的启发式时空图神经网络(heuristic spatio-temporal graph neural network, HST-GNN)用于多变量时序数据的异常检测.首先,考虑变量间关系的有向性和集群性,设计一种有向相似性函数和基于启发式聚类算法的图结构学习算法,对多变量时序数据进行图建模以学习变量间的空间耦合关系;其次,使用门控卷积注意单元和多头图注意层作为时空图注意模块,从时空层面同时捕获系统的非线性因果时序和空间耦合深度特征;最后,量化系统的图结构特征,将其作为时空图网络提取的传感器深度特征的补充,输入自编码器中,从系统级别和传感器级别来检测异常.本文在4个公共数据集上验证了HST-GNN的性能.实验结果表明,稀疏有向的图结构有利于系统耦合特性的提取,从系统和传感器级别检测异常增加了模型对不显著的早期异常的敏感度.

关键词 多变量时序数据; 无监督异常检测; 启发式图结构; 时空图注意网络; 系统级图结构特征; multivariable time series data; unsupervised anomaly detection; heuristic graph structure; spatiotemporal graph attention network; system-level graph structure features

引用格式 姜羽, 陈华, 张小刚, 等. 基于启发式时空图神经网络的多变量时序异常检测. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(9): 1784-1801, doi: 10.1360/SSI-2022-0425
Yu JIANG, Hua CHEN, Xiaogang ZHANG, et al. Multivariable time series anomaly detection using heuristic spatio-temporal graph neural network. Sci Sin Inform, 2023, 53(9): 1784-1801, doi: 10.1360/SSI-2022-0425

控制 故障诊断与控制系统安全 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

基于Transformer GAN架构的多变量时间序列异常检测

蔡美玲, 汪家喜, 刘金平, 唐朝晖, 谢永芳
中国科学: 信息科学, 2023, 53(5): 972-992

摘要 基于过程中实时采集的多变量时序关联数据进行异常检测是预防工业过程事故、保障系统安全的关键环节之一.然而,工业多变量时间序列异常检测仍面临如下两大难题:(1)时序数据变量间复杂的非线性关联特性缺乏有效的表达方法;(2)正常/异常分布极度不均衡的时间序列间复杂的相关性有待深入挖掘.本文提出一种新的基于多变量时间序列的无监督异常检测方法 ——基于Transformer GAN的多变量时间序列异常检测方法 (TGAN-MTSAD). TGAN-MTSAD采用Transformer网络作为生成对抗网络的基本模型,引入了图注意力层以自动学习时序多元变量间的复杂依赖关系,还应用了patch技巧使模型能够有效捕捉时间窗口内的异常细节信息,并提出了基于重构误差与鉴别误差相结合的异常分数计算方法.采用3个真实世界的数据集对所提方法进行了大量的性能验证与对比实验分析.结果表明, TGAN-MTSAD可以有效检测过程中的时序异常,在大多数情况下优于基线方法,并且具有良好的可解释性,可用于复杂工业异常诊断.

关键词 多变量时间序列; 异常检测; Transformer; 异常分数; 图注意力; multivariate time series; anomaly detection; Transformer; anomaly score; graph attention;

引用格式 蔡美玲, 汪家喜, 刘金平, 等. 基于Transformer GAN架构的多变量时间序列异常检测. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(5): 972-992, doi: 10.1360/SSI-2022-0133
Meiling CAI, Jiaxi WANG, Jinping LIU, et al. Transformer-GAN architecture for anomaly detection in multivariate time series. Sci Sin Inform, 2023, 53(5): 972-992, doi: 10.1360/SSI-2022-0133

控制 故障诊断与控制系统安全 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

非平衡数据下基于自适应迁移与宽度学习的多工况故障诊断

姜午恺, 周平
中国科学: 信息科学, 2023, 53(5): 946-971

摘要 针对高维不平衡数据的多工况故障诊断难题,提出一种非平衡数据条件下基于动态自适应迁移的宽度学习方法 (TL-BLS),并应用于污水处理过程的多工况故障诊断.首先,针对工业过程中不同工况下存在数据分布差异过大的问题,采用迁移学习流形变换方法拉近源域数据和目标域数据的距离;其次,针对后续自适应迁移中需要伪标签的条件,提出考虑数据不平衡的两阶段目标域伪标签预测方法,第一阶段使用基于类间关系的伪标签方法得到可靠度高的伪标签,第二阶段使用考虑子集差异的集成方法来获得可靠度更高且兼顾数据不平衡问题的伪标签;最终,建立带流形正则化项和具有动态平衡因子的自适应迁移与宽度学习方法,并在宽度学习系统和自适应迁移中引入权重矩阵来解决数据非平衡的问题,实现多工况过程下的故障诊断.污水处理过程数据实验及其比较分析表明所提方法具有更优的故障识别效果和更好的实用性.

关键词 故障诊断; 迁移学习; 宽度学习系统; 流形学习; 集成学习; 污水处理过程; 非平衡数据; fault diagnosis; transfer learning; broad learning system; manifold learning; ensemble learning; sewage treatment process; imbalanced data;

引用格式 姜午恺, 周平. 非平衡数据下基于自适应迁移与宽度学习的多工况故障诊断. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(5): 946-971, doi: 10.1360/SSI-2022-0118
Wukai JIANG, Ping ZHOU. Multi-condition fault diagnosis based on adaptive transfer and broad learning under imbalanced data. Sci Sin Inform, 2023, 53(5): 946-971, doi: 10.1360/SSI-2022-0118

控制 故障诊断与控制系统安全 评述 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 4

面向工业监控典型监督任务的深度迁移学习方法: 现状、挑战与展望

柴铮, 汪嘉业, 赵春晖, 丁进良, 孙优贤
中国科学: 信息科学, 2023, 53(5): 821-840

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;

引用格式 柴铮, 汪嘉业, 赵春晖, 等. 面向工业监控典型监督任务的深度迁移学习方法: 现状、挑战与展望. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(5): 821-840, doi: 10.1360/SSI-2022-0328
Zheng CHAI, Jiaye WANG, Chunhui ZHAO, et al. Deep transfer learning methods for typical supervised tasks in industrial monitoring: state-of-the-art, challenges, and perspectives. Sci Sin Inform, 2023, 53(5): 821-840, doi: 10.1360/SSI-2022-0328

控制 故障诊断与控制系统安全 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

基于知识图谱和多任务学习的工业生产关键设备故障诊断方法

卞嘉楠, 冒泽慧, 姜斌, 马亚杰, 刘文静
中国科学: 信息科学, 2023, 53(4): 699-714

摘要 针对工业生产关键设备故障数据稀疏的问题和故障诊断的需求,本文提出了一种基于知识图谱和多任务学习的工业生产关键设备故障诊断模型MKFD (multi-task learning for knowledge graphenhanced fault diagnosis),通过对故障根因的推断实现故障诊断.设计了多任务学习框架,并构造了一种改进十字绣单元用于实现框架内子任务之间的信息共享.利用运维数据构建故障现象–故障根因关联矩阵,使用多层感知机搭建知识图谱嵌入模型;分别将关联矩阵嵌入和知识图谱嵌入作为多任务学习框架中的两个子任务,通过子任务的交替学习,优化MKFD模型参数,实现对故障根因的推断,从而达到故障诊断的目的.最后,基于国内某工业企业的运维数据所构建的两个工业生产关键设备故障知识图谱对上述方案进行了验证实验,结果证明所提出的方法具有良好的性能.

关键词 故障诊断; 知识图谱; 多任务学习; 工业生产关键设备; 推荐系统; fault diagnosis; knowledge graph; multi-task learning; critical industrial equipment; recommender system;

引用格式 卞嘉楠, 冒泽慧, 姜斌, 等. 基于知识图谱和多任务学习的工业生产关键设备故障诊断方法. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(4): 699-714, doi: 10.1360/SSI-2022-0060
Jianan BIAN, Zehui MAO, Bin JIANG, et al. Fault diagnosis method of critical industrial equipment based on knowledge graphs and multi-task learning. Sci Sin Inform, 2023, 53(4): 699-714, doi: 10.1360/SSI-2022-0060

控制 故障诊断与控制系统安全 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

旋转导向钻井工具装备的微小故障检测

盛立, 牛艺春, 刘诗洋, 王伟亮, 高明, 周东华
中国科学: 信息科学, 2022, 52(11): 2106-2120

摘要 旋转导向钻井系统是油气开发领域的高端装备,其核心部分——动态指向式旋转导向钻井工具的可靠运行是钻井系统正常工作的重要前提.本文基于模型的方法研究了导向钻井工具装备的微小故障检测,有望为系统的运行维护与健康管理提供重要保障.首先,基于机理建模方法得到了导向钻井工具装备的数学模型.然后,利用移动加权平均方法提高了残差对微小故障的敏感性.基于非中心χ~2分布的性质,实现了对微小故障在统计意义下的可检测性分析,得到了保证误报率与漏报率在允许范围内的窗口长度和权值.最后,在旋转导向钻井工具原理样机上进行实验,实验结果验证了所提方法的有效性.

关键词 旋转导向钻井工具装备; 微小故障检测; 故障可检测性分析; 误报率; 漏报率; rotary steerable drilling tool equipment; incipient fault detection; fault detectability analysis; false alarm rate; missed detection rate;

引用格式 盛立, 牛艺春, 刘诗洋, 等. 旋转导向钻井工具装备的微小故障检测. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(11): 2106-2120, doi: 10.1360/SSI-2021-0309
Li SHENG, Yichun NIU, Shiyang LIU, et al. Incipient fault detection of rotary steerable drilling tool equipment. Sci Sin Inform, 2022, 52(11): 2106-2120, doi: 10.1360/SSI-2021-0309

控制 故障诊断与控制系统安全 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

知识嵌入式图神经网络在风机多元状态预测中的应用

刘颖, 李阳光, 瞿树晖, 董纪昌, 王竞凡
中国科学: 信息科学, 2022, 52(10): 1870-1882

摘要 风机状态预测是风电数字化和智能运维的关键环节.深度学习由于在挖掘复杂高维数据隐藏关系上具有强大潜力,逐渐被应用于风机状态预测中.然而深度学习在实际运行中也存在着推理性和解释性差等局限性,如何将领域知识与智能算法有效结合是智能运维的一个重要方向.本文以多元时间序列图神经网络通用框架(multivariate time series graph neural network, MT-GNN)为基础,提出了一个知识嵌入式图神经网络模型(knowledge-embedded graph neural network, K-GNN),对风机多元时间序列状态数据进行预测.在该模型中,本文将知识嵌入模块与图学习模块相结合,通过嵌入相关、因果、专家经验3种知识矩阵,更好地刻画出状态变量之间的关联关系.结果显示,在3种知识嵌入式K-GNN模型中,嵌入了专家经验矩阵的图神经网络模型在预测上的表现更为出色,说明领域知识能够有效提升图神经网络模型的泛化性能和可解释性.本文的研究成果对于风电预测性维护技术的研发和推广具有参考意义.

关键词 风力发电机; 状态预测; 多元时间序列; 专家经验; 图神经网络; wind turbines; state prediction; multivariate time series; expert experience; graph neural network;

引用格式 刘颖, 李阳光, 瞿树晖, 等. 知识嵌入式图神经网络在风机多元状态预测中的应用. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(10): 1870-1882, doi: 10.1360/SSI-2021-0300
Ying LIU, Yangguang LI, Shuhui QU, et al. Application of knowledge-embedded graph neural network for multivariate state prediction of wind turbines. Sci Sin Inform, 2022, 52(10): 1870-1882, doi: 10.1360/SSI-2021-0300

控制 故障诊断与控制系统安全 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

非正障碍函数: 面向非线性系统安全控制的一类新颖障碍函数

朱哲人, 张新民, 柴毅, 宋执环
中国科学: 信息科学, 2022, 52(10): 1853-1869

摘要 面向系统状态安全的分析与控制,是目前控制领域内的热点研究之一.针对一类具有可行状态集的动态系统,本文深入讨论障碍函数与状态安全判据之间的相关性,通过设计一种新颖的障碍函数,提出了基于障碍函数的状态安全判据,该状态安全判据可用于此类系统的安全分析、诊断与控制.受启发于倒数障碍函数与零障碍函数,本文设计了一类非正障碍函数,并在此基础上提出了面向可行状态集的动态系统状态安全判据,通过验证该可行状态集的前向不变性,从而保证系统的安全性;根据非正障碍函数,建立了控制障碍函数,以此设计面向动态控制系统的状态安全控制器,保障系统的运行安全.上述理论与方法在一类连续搅拌釜反应器的安全运行控制中得以应用,通过仿真验证,证明了理论与方法的有效性,实现了基于障碍函数的安全控制理论在过程控制中的首次尝试.

关键词 非正障碍函数; 动态系统; 状态安全控制; 安全性判据; 控制障碍函数; non-positive barrier function; dynamical systems; state-safety control; safety criteria; control barrier function;

引用格式 朱哲人, 张新民, 柴毅, 等. 非正障碍函数: 面向非线性系统安全控制的一类新颖障碍函数. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(10): 1853-1869, doi: 10.1360/SSI-2021-0313
Zheren ZHU, Xinmin ZHANG, Yi CHAI, et al. Non-positive barrier function: a new notion of barrier function for state-safety control of nonlinear dynamical systems. Sci Sin Inform, 2022, 52(10): 1853-1869, doi: 10.1360/SSI-2021-0313

控制 故障诊断与控制系统安全 评述 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 4

电力系统安全仿真技术: 工程安全、网络安全与信息物理综合安全

王子骏, 刘杨, 鲍远义, 管晓宏, 吴桐, 卢建刚, 余志文, 袁晓舒, 刘烃
中国科学: 信息科学, 2022, 52(3): 399-429

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;

引用格式 王子骏, 刘杨, 鲍远义, 等. 电力系统安全仿真技术: 工程安全、网络安全与信息物理综合安全. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(3): 399-429, doi: 10.1360/SSI-2021-0210
Zijun WANG, Yang LIU, Yuanyi BAO, et al. Power system security simulation technologies: engineering safety, network security and cyber-physical integrated security. Sci Sin Inform, 2022, 52(3): 399-429, doi: 10.1360/SSI-2021-0210

控制 滤波、估计与参数辨识 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 2

非线性递推辨识理论在量刑数据分析中的应用

王芳, 张蓝天, 郭雷
中国科学: 信息科学, 2022, 52(10): 1837-1852

摘要 司法大数据已成为法律实证研究和智慧司法工程建设的重要基础,相应地,数据计算结果的可解释性与可靠性等基础性问题愈加重要.为此,我们对非线性递推辨识理论进行了相应创新,并应用于量刑数据分析.具体来讲,依据相关法律建立了更加符合法逻辑的非线性随机量刑模型(S-模型),应用我们提出的非线性递推辨识算法和建立的关于有限数据样本下辨识精度的数学理论,对近20万故意伤害罪判决数据进行了计算分析.研究发现,与传统线性模型及最小二乘算法相比,基于我们的S-模型和非线性递推辨识算法所给出的计算结果,更符合量刑基本原则和具体规则,可以更准确地反映量刑要素的影响及变化,并具有更好的预测能力.

关键词 非线性模型; 递推辨识算法; 辨识精度保证; 量刑; 故意伤害罪; 司法判决数据; nonlinear model; recursive identification algorithm; identification accuracy guarantee; sentencing; crime of intentional injury; judicial documents data;

引用格式 王芳, 张蓝天, 郭雷. 非线性递推辨识理论在量刑数据分析中的应用. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(10): 1837-1852, doi: 10.1360/SSI-2022-0325
Fang WANG, Lantian ZHANG, Lei GUO. Applications of nonlinear recursive identification theory in sentencing data analyses. Sci Sin Inform, 2022, 52(10): 1837-1852, doi: 10.1360/SSI-2022-0325

控制 导航、制导与控制 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

一种基于透射不变性原理的高机动编队控制方法

王常虹, 陈济泽
中国科学: 信息科学, 2023, 53(10): 1965-1981

摘要 本文给出了一种具有高机动性的透射编队控制方法,解决了经典的仿射编队控制受限于平行关系的常约束,无法直接实现战术攻防上常用的前后三角、前后梯形等队形的快速切换问题.该方法受启发于框架理论中的透射不变性原理,通过引入透射像和自应力矩阵来对编队构型进行定义,实现了在仅增加一个领航者且队形凹凸性不变的前提下,任意目标队形的保共线和交比的一致性跟踪,提高了队形的可操作性.所推导的透射可定位条件和队形连续变换条件为透射编队控制的应用提供了理论依据.此外,在攻防切换任务和联合切换任务两种情景下的仿真测试结果也进一步证明了该编队控制方法的可靠性.

关键词 透射变换; 编队控制; 战术任务; 多智能体系统; 自应力矩阵; projective transformation; formation control; tactical tasks; multiagent systems; self-stress matrix

引用格式 王常虹, 陈济泽. 一种基于透射不变性原理的高机动编队控制方法. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(10): 1965-1981, doi: 10.1360/SSI-2022-0409
Changhong WANG, Jize CHEN. A high-mobility formation control method based on the principle of projective invariance. Sci Sin Inform, 2023, 53(10): 1965-1981, doi: 10.1360/SSI-2022-0409

控制 导航、制导与控制 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

非完全信息下人机合作对抗博弈专题

障碍环境下基于生物捕食逃逸行为的多运动体边界防御博弈方法

仝秉达, 段海滨, 夏洁, 刘小峰
中国科学: 信息科学, 2022, 52(12): 2213-2224

摘要 基于微分对策的追逃博弈和疆土防御问题是多智能体对抗博弈控制的关键问题之一.本文研究了含障碍物的有界区域中多运动体边界防御博弈方法.首先通过对自然界中生物的捕食逃逸行为进行分析,对多运动体边界防御博弈系统进行了建模,得到不同情况下博弈终止条件和价值函数.其次,本文对含障碍环境下博弈双方的主导区域和界栅面进行了分析,并与无障碍情况进行了对比.最后,数值仿真验证了本文提出的多运动体边界防御方法满足微分对策中的鞍点策略条件和有效性.

关键词 捕食逃逸; 协同控制; 边界防御; 微分对策; 鞍点策略; predation and escape; cooperative control; border defense; differential games; saddle point strategy;

引用格式 仝秉达, 段海滨, 夏洁, 等. 障碍环境下基于生物捕食逃逸行为的多运动体边界防御博弈方法. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(12): 2213-2224, doi: 10.1360/SSI-2022-0211
Bingda TONG, Haibin DUAN, Jie XIA, et al. Multi-agent border defense differential game based on biological predation and escape behavior in an obstacle environment. Sci Sin Inform, 2022, 52(12): 2213-2224, doi: 10.1360/SSI-2022-0211

控制 导航、制导与控制 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 4

面向特殊应用场景的无人机智能决策与控制专刊

基于干扰区间观测器的无人机预设性能着舰飞行控制

胡伟, 雍可南, 陈谋
中国科学: 信息科学, 2022, 52(9): 1711-1726

摘要 无人机在现代战争中已发挥重要作用,为夺取海域制空权,航母配备无人机是必然趋势.面向无人机着舰的高精度控制要求,本文针对存在建模误差与外部干扰的无人机,在动态面控制框架下提出一种基于干扰区间观测器的无人机预设性能着舰飞行控制策略.该策略能够对未知项提供区间估计,在前馈补偿未知项的同时,控制律将根据区间估计的宽度动态调节控制器增益,从而保证无人机的轨迹始终处在着舰轨迹约束范围内.同时,在干扰区间观测器与飞行控制律设计过程中,引入非线性增益,有效地处理了着舰机动中的状态非线性耦合.最后,基于Lyapunov函数方法与不变集理论,给出着舰飞行控制策略的参数设计条件,数值仿真也进一步表明该策略的有效性.

关键词 无人机; 着舰控制; 预设性能控制; 干扰观测器; 区间观测器; unmanned aerial vehicle; carrier landing control; prescribed performance-based control; disturbance observer; interval observer;

引用格式 胡伟, 雍可南, 陈谋. 基于干扰区间观测器的无人机预设性能着舰飞行控制. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(9): 1711-1726, doi: 10.1360/SSI-2022-0051
Wei HU, Kenan YONG, Mou CHEN. Disturbance interval observer-based carrier landing control of unmanned aerial vehicles using prescribed performance. Sci Sin Inform, 2022, 52(9): 1711-1726, doi: 10.1360/SSI-2022-0051

控制 导航、制导与控制 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

面向特殊应用场景的无人机智能决策与控制专刊

面向宽域飞行的组合动力空天飞行器切换控制

程怡新, 许斌, 洪锐
中国科学: 信息科学, 2022, 52(9): 1687-1710

摘要 针对组合动力空天飞行器宽域爬升过程存在的模态转换、气动参数未知以及外界时变干扰等问题,研究了一种基于飞行包线模态划分的切换控制方案.对飞行器六自由度模型和发动机推力模型进行气动和推力特性分析,给出了模态划分结果和模态转换过渡过程.基于切换信号设计建立了空天飞行器切换系统,设计终端滑模软切换控制策略来保证模态的平稳转换,并利用神经网络和非线性扰动观测器协同处理系统不确定性和外界时变干扰.通过多Lyapunov函数方法对闭环切换系统的稳定性进行了分析,且仿真结果验证了所提方法的有效性.

关键词 空天飞行器; 组合动力; 模态转换; 切换控制; 鲁棒自适应控制; aerospace vehicle; combined power; modal transition; switching control; robust adaptive control;

引用格式 程怡新, 许斌, 洪锐. 面向宽域飞行的组合动力空天飞行器切换控制. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(9): 1687-1710, doi: 10.1360/SSI-2022-0055
Yixin CHENG, Bin XU, Rui HONG. Switching control of combined power aerospace vehicles for wide-area flight. Sci Sin Inform, 2022, 52(9): 1687-1710, doi: 10.1360/SSI-2022-0055

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面向特殊应用场景的无人机智能决策与控制专刊

基于动态目标概率分布的核电站无人机航路强化学习规划

周同乐, 陈谋
中国科学: 信息科学, 2022, 52(9): 1642-1655

摘要 针对核电站空中动态入侵目标,本文提出了一种基于动态目标概率分布的无人机航路强化学习规划算法,实现了对空中入侵目标的有效拦截.根据入侵目标的状态信息基于概率扩散原理计算目标的概率分布,推理目标可能出现的位置.在此基础上,设计了基于航路点转移规则的行动空间和基于目标概率分布的报酬函数动态更新机制,通过Q-学习不断优化路径,构建了基于目标概率分布和强化学习的无人机航路规划框架,实现了无人机航路强化学习规划.仿真结果表明,该方法能够针对核电站空中入侵目标,实现目标点变化情况下无人机的自主航路规划.

关键词 无人机; 核电站; 航路规划; 动态目标概率分布; 强化学习; UAV; nuclear power plant; path planning; dynamic target probability distribution; reinforcement learning;

引用格式 周同乐, 陈谋. 基于动态目标概率分布的核电站无人机航路强化学习规划. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(9): 1642-1655, doi: 10.1360/SSI-2022-0050
Tongle ZHOU, Mou CHEN. Path reinforcement learning planning of nuclear power plant UAVs based on dynamic target probability distribution. Sci Sin Inform, 2022, 52(9): 1642-1655, doi: 10.1360/SSI-2022-0050

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面向特殊应用场景的无人机智能决策与控制专刊

面向复杂未知多障碍环境的多无人机分布式在线轨迹规划

张学伟, 田栢苓, 鲁瀚辰, 谌宏鸣, 宗群
中国科学: 信息科学, 2022, 52(9): 1627-1641

摘要 考虑复杂未知多障碍环境对无人机实时轨迹规划性能的影响,提出了基于Tube-MPC和模型预测路径积分(model predictive path integral, MPPI)控制相结合的多无人机分布式实时轨迹规划框架与方法.首先,考虑无人机在多障碍环境下的避碰避障需求,构造代价函数表征轨迹规划过程中的约束条件,将多无人机的轨迹规划问题转化为随机最优控制问题.其次,借鉴Tube-MPC思想,设计并实现了多无人机分布式轨迹规划框架,通过将低频标称控制器与高频辅助控制器串联保证了系统的实时性和鲁棒性.再次,为避免传统方法在求解过程中的维数灾难,提出基于MPPI的多无人机异步轨迹规划方法,该方法通过基于GPU的并行蒙特卡洛(Monte-Carlo)随机前向采样技术,将多无人机随机最优控制问题的求解转化为给定代价函数下对采样轨迹期望的求解,进而获得最优控制序列,其显著特点是求解速度快且避免了基于梯度求解方法对约束条件和代价函数连续性及凸特性的要求.最后,通过Gazebo虚拟仿真平台,在复杂未知多障碍环境下对算法的有效性进行了验证.

关键词 未知多障碍环境; 多无人机; 在线轨迹规划; 模型预测路径积分; GPU并行加速; unknown obstacle-rich environment; multi-UAV; online trajectory planning; model predictive path integral; GPU parallel acceleration;

引用格式 张学伟, 田栢苓, 鲁瀚辰, 等. 面向复杂未知多障碍环境的多无人机分布式在线轨迹规划. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(9): 1627-1641, doi: 10.1360/SSI-2022-0048
Xuewei ZHANG, Bailing TIAN, Hanchen LU, et al. Multi-UAV decentralized online trajectory planning in complex unknown obstacle-rich environments. Sci Sin Inform, 2022, 52(9): 1627-1641, doi: 10.1360/SSI-2022-0048

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面向特殊应用场景的无人机智能决策与控制专刊

基于合作竞争公共物品博弈的无人机集群动态资源分配

王浩淼, 段海滨, 魏晨
中国科学: 信息科学, 2022, 52(9): 1598-1609

摘要 无人机集群动态资源分配是其任务规划的挑战性关键技术难题.本文提出了一种基于合作竞争机制的动态资源分配方法,将无人机集群与网络进化博弈模型进行对应,建立了基于无人机拓扑网络的博弈模型,通过设计针对特殊个体的调控规则,达到提升系统平均收益的目的.最后,通过无人机博弈模型的仿真实验,根据网络结构、模型参数,以及不同激发机制下系统的稳态结果,验证了本文所提无人机动态资源分配方法的可行性和有效性.

关键词 无人机集群; 公共物品博弈; 动态资源分配; 合作机制; 竞争机制; UAV swarm; public goods game; dynamic resource allocation; cooperative mechanism; competition mechanism;

引用格式 王浩淼, 段海滨, 魏晨. 基于合作竞争公共物品博弈的无人机集群动态资源分配. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(9): 1598-1609, doi: 10.1360/SSI-2021-0416
Haomiao WANG, Haibin DUAN, Chen WEI. Dynamic resource allocation of UAV swarms based on cooperative and competitive public goods game. Sci Sin Inform, 2022, 52(9): 1598-1609, doi: 10.1360/SSI-2021-0416

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推力矢量极性错误下的飞行控制自主重构技术

潘豪, 胡瑞光, 宋征宇, 邵梦晗
中国科学: 信息科学, 2022, 52(5): 870-889

摘要 飞行故障在线自主辨识与控制重构是实现航天智能飞行的一个重要标志.本文针对运载火箭飞行中的推力矢量极性错误,研究了基于人工神经网络的故障识别与自主重构方法.在明确故障模式基础上,结合扩张状态观测器(extended state observer, ESO)观测结果,提出了考虑模型偏差的仿真训练样本设计方法,并分别采用基于反向传播(back propagation, BP)神经网络和长短时记忆(long short term memory, LSTM)网络方法进行了故障辨识设计,仿真结果表明,两种方法均具有较高识别准确度,均可实现推力矢量极性错误下的平稳自主重构,相比而言,基于滑窗时间序列的LSTM网络方法更具优势,具有较高的识别准确度.

关键词 极性错误; 自主重构; 扩张状态观测器; 反向传播; 长短时记忆; polarity errors; autonomous reconstruction; extended state observer(ESO); back propagation(BP); long short term memory(LSTM);

引用格式 潘豪, 胡瑞光, 宋征宇, 等. 推力矢量极性错误下的飞行控制自主重构技术. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(5): 870-889, doi: 10.1360/SSI-2021-0305
Hao PAN, Ruiguang HU, Zhengyu SONG, et al. Autonomous reconfiguration of flight control under thrust vector polarity errors. Sci Sin Inform, 2022, 52(5): 870-889, doi: 10.1360/SSI-2021-0305

控制 导航、制导与控制 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 3

角速度受限下航天器姿态机动事件触发控制

石永霞, 胡庆雷, 邵小东
中国科学: 信息科学, 2022, 52(3): 506-520

摘要 针对角速度受限和通信资源有限的航天器姿态系统,考虑转动惯量难以精确获得并且存在外部干扰的情况,提出一种基于神经网络的自适应事件触发姿态机动控制算法.该算法首先基于预设性能技术,将角速度受限约束转换为性能边界约束,进一步通过误差转换,建立姿态系统的等效误差模型,将存在角速度约束的航天器姿态系统机动控制问题巧妙地转化为无约束误差系统的状态有界稳定控制问题;然后,选用径向基神经网络设计自适应律,在线逼近系统中由未知转动惯量带来的不确定性项.与此同时,考虑到星载通信资源有限的问题,通过建立触发控制信号与实时控制信号之间的显式关系,设计一个统一的时变事件触发机制,当触发条件满足时同步更新控制器和自适应律,大大减少了控制器和执行器之间频繁的网络信号传输.此外,触发机制中时变项的引入严格保证了触发控制无Zeno现象发生.最后,仿真结果表明了所提出的姿态控制算法不但能够保证航天器高精度、高稳定度、高鲁棒性地完成指定姿态机动任务,而且可以减少大约97.50%的控制信号更新,这大大缓解了航天器的通信负担.

关键词 航天器; 角速度受限; 预设性能控制; 通信资源有限; 事件触发机制; spacecraft; angular velocity constraint; prescribed performance control; limited communication resources; event-triggered mechanism;

引用格式 石永霞, 胡庆雷, 邵小东. 角速度受限下航天器姿态机动事件触发控制. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(3): 506-520, doi: 10.1360/SSI-2021-0136
Yongxia SHI, Qinglei HU, Xiaodong SHAO. Event-triggered attitude maneuver control of spacecraft under angular velocity constraints. Sci Sin Inform, 2022, 52(3): 506-520, doi: 10.1360/SSI-2021-0136

控制 网络化控制系统 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 3

基于自适应动态时钟通信的二阶多智能体系统完全分布式一致性

邓甲, 王付永, 刘忠信, 陈增强
中国科学: 信息科学, 2023, 53(1): 97-110

摘要 针对无向通信拓扑下二阶多智能体系统的一致性问题,本文提出了一种基于自适应动态时钟的新型事件触发控制策略.智能体根据自身的动态时钟来确定触发时刻,在触发时刻向邻居广播自身的状态信息并自适应重置时钟.每个智能体只获取邻居在触发时刻的状态信息,且仅依赖自身的状态和邻居在触发时刻的状态来更新时钟和控制信号,无需使用邻居的实时状态信息,也无需使用通信拓扑的任何全局信息.所设计的控制策略有效避免了连续通信,并且是完全分布式的.利用代数图论以及Lyapunov稳定性分析方法证明了所提出的控制策略能保证系统是渐近稳定的并且不存在Zeno行为.仿真示例进一步验证了所提出控制策略的有效性.

关键词 完全分布式一致性; 多智能体系统; 事件触发控制; 自适应动态时钟; Zeno行为; fully distributed consensus; multi-agent systems; event-triggered control; adaptive dynamic clock; Zeno behavior;

引用格式 邓甲, 王付永, 刘忠信, 等. 基于自适应动态时钟通信的二阶多智能体系统完全分布式一致性. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(1): 97-110, doi: 10.1360/SSI-2021-0426
Jia DENG, Fuyong WANG, Zhongxin LIU, et al. Fully distributed consensus control for second-order multi-agent systems based on adaptive dynamic clock communication. Sci Sin Inform, 2023, 53(1): 97-110, doi: 10.1360/SSI-2021-0426

控制 网络化控制系统 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

非完全信息下人机合作对抗博弈专题

基于虚拟排斥力的移动多智能体覆盖控制动态博弈算法

宿浩, 张宝琳, 籍艳, 蔡智辉, 薛健, 马慧, 郑元世
中国科学: 信息科学, 2022, 52(12): 2195-2212

摘要 为提高移动多智能体系统的覆盖控制效率,通常要求移动智能体在覆盖控制过程中进行多信息甚至全信息交互.在此情形下,覆盖控制成本和能耗将大幅增加.如何在提高移动智能体覆盖效率的同时,尽可能降低控制成本一直是移动智能体覆盖控制领域的重要课题之一.本文研究非完全信息条件下的移动多智能体覆盖控制方法,提出了基于虚拟排斥力的移动多智能体覆盖控制合作博弈算法.首先,将移动多智能体集群分解为若干个子集群,群中每个智能体只能观测到各自周围一定范围内其他智能体的信息,将移动多智能体集群的覆盖控制问题转化为非完全信息条件下移动多智能体子群的合作博弈分布覆盖问题;其次,给出了各移动智能体子群的博弈规则,并提出了一种基于虚拟排斥力的智能体分布覆盖博弈决策策略,用以计算并确定集群中每个智能体在覆盖控制过程中的新候选位置;第三,将移动多智能体系统覆盖控制问题分解为以刚性虚拟结构为参照系的覆盖控制问题,简化了多智能体系统覆盖控制中位移路径的规划设计.仿真算例表明,本文提出的基于虚拟排斥力的覆盖控制合作博弈算法,可以实现不完全信息条件下移动多智能体系统的分布覆盖控制任务,有效节约移动智能体的覆盖控制成本;同时,和已有的覆盖控制算法相比,本文提出的动态合作博弈覆盖算法,覆盖控制过程中智能体移动次数更少,覆盖率更高.

关键词 动态博弈; 网络覆盖; 分布算法; 多智能体系统; 虚拟排斥力; dynamic game; network coverage; distributed algorithms; multi-agent systems; virtual repulsive force;

引用格式 宿浩, 张宝琳, 籍艳, 等. 基于虚拟排斥力的移动多智能体覆盖控制动态博弈算法. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(12): 2195-2212, doi: 10.1360/SSI-2022-0219
Hao SU, Bao-Lin ZHANG, Yan JI, et al. Dynamic game coverage control algorithms for multiple mobile agents through virtual repulsive force. Sci Sin Inform, 2022, 52(12): 2195-2212, doi: 10.1360/SSI-2022-0219

控制 网络化控制系统 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

通信距离受限下无人机集群轨迹分布式滚动规划

徐广通, 孟子阳, 龙腾, 王祝, 孙景亮
中国科学: 信息科学, 2022, 52(8): 1527-1541

摘要 针对通信距离受限下无人机集群轨迹规划时效性与安全性问题,本文构建了分布式滚动规划框架,提出了局部优先级解耦的序列凸优化方法 (local-priority-decoupled sequential convex programming,LPD-SCP),将集群轨迹规划问题分解为一系列短时域单机凸优化子问题,在保证求解效率的基础上确保了轨迹的安全性.本文推导了确保飞行安全的可行规划时域长度,设计了通信距离受限的局部优先级解耦机制,根据通信状态动态调整邻域内无人机规避优先级,实现通信距离受限下的机间避撞.更进一步,定制了轨迹时间一致协调策略,通过更新飞行时间下边界约束,实现邻域内无人机飞行时间一致性.理论分析了所提LPD-SCP能够通过多次滚动规划获得满足约束的集群轨迹.数值仿真试验结果表明:LPD-SCP能够在通信距离受限条件下规划出满足飞行动力学、机间避碰与时间一致约束的协同轨迹,且15架无人机短时域集结轨迹生成时间不大于4 s.

关键词 集群轨迹规划; 通信距离受限; 滚动规划架构; 局部优先级解耦; 序列凸优化; trajectory planning of swarms; communication distance limitation; receding planning framework; local priority decoupling; sequential convex programming;

引用格式 徐广通, 孟子阳, 龙腾, 等. 通信距离受限下无人机集群轨迹分布式滚动规划. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(8): 1527-1541, doi: 10.1360/SSI-2021-0251
Guangtong XU, Ziyang MENG, Teng LONG, et al. Trajectory distributed receding planning for UAV swarms subject to limited communication distance. Sci Sin Inform, 2022, 52(8): 1527-1541, doi: 10.1360/SSI-2021-0251

控制 网络化控制系统 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

网络化不确定非线性时滞系统的状态估计

徐雍, 饶红霞, 王卓, 鲁仁全, 李宗
中国科学: 信息科学, 2022, 52(8): 1513-1526

摘要 本文研究了离散不确定非线性时滞系统在网络传输不可靠情况下的状态估计问题.针对网络传输丢包问题,采用伯努利(Bernoulli)随机模型,建立了控制信号和输入信号的不可靠传输模型.本文通过状态扩展的方法处理不确定非线性项,得到了扩展状态系统.基于不可靠的控制和测量信息,设计了状态预测器和估计器,并给出相应的误差系统.通过设计最优估计器增益,本文给出了状态预测误差协方差的迭代公式.为了进一步提高状态估计器的精度,设计了一种新型的参数迭代优化方法.针对状态预测误差协方差,本文得到了其稳定性的判别准则.最后,通过一例数值仿真,验证了所得结论的有效性.

关键词 网络化控制系统; 扩展状态估计; 时滞; 不确定非线性; 丢包; networked control system; extended state estimation; time delay; nonlinear uncertainty; packet dropout;

引用格式 徐雍, 饶红霞, 王卓, 等. 网络化不确定非线性时滞系统的状态估计. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(8): 1513-1526, doi: 10.1360/SSI-2021-0228
Yong XU, Hongxia RAO, Zhuo WANG, et al. State estimation for networked uncertain nonlinear systems with time-delays. Sci Sin Inform, 2022, 52(8): 1513-1526, doi: 10.1360/SSI-2021-0228

控制 网络化控制系统 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

合作竞争网络下的多智能体系统链路故障检测

邵晋梁, 石磊, 李彤, 张希琳
中国科学: 信息科学, 2022, 52(8): 1500-1512

摘要 本文提出分布式符号簇一致协议,研究合作竞争网络下的多智能体系统链路故障检测问题.首先,应用符号图理论和非负矩阵理论的相关知识分析智能体在符号簇一致性协议下的渐近收敛性和最终收敛状态.其次,通过观察链路发生故障前后智能体收敛状态的变化,给出精确判断故障链路的方法.该方法同时适用于单链路故障和多链路故障的情形.最后,通过数值模拟验证该方法的有效性.

关键词 多智能体系统; 合作竞争网络; 链路故障检测; 一致性; 分布式协议; multi-agent systems; cooperation-competition networks; link failure detection; consensus; distributed protocol;

引用格式 邵晋梁, 石磊, 李彤, 等. 合作竞争网络下的多智能体系统链路故障检测. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(8): 1500-1512, doi: 10.1360/SSI-2021-0120
Jinliang SHAO, Lei SHI, Tong LI, et al. Link failure detection for multi-agent systems on cooperation-competition networks. Sci Sin Inform, 2022, 52(8): 1500-1512, doi: 10.1360/SSI-2021-0120

控制 非线性系统与控制 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 2

基于自抗扰的三自由度推力矢量飞行器的控制分配方法与理论

向飞宇, 薛文超, 陈森, 张言军
中国科学: 信息科学, 2023, 53(6): 1163-1180

摘要 推力矢量飞行器具有气动舵、推力矢量等改变本体姿态的多类控制输入,这使得推力矢量飞行器具备在日益复杂的空天环境下的高机动控制能力.同时,推力矢量飞行器的控制系统模型为非仿射非线性结构,并且包含复杂的不确定性,这使得其控制问题具有挑战性.本文针对三自由度推力矢量飞行器的角速度跟踪控制问题,采用自抗扰控制方法,实现了飞行过程中不确定性的主动补偿;基于气动舵优先和误差最小的准则,得到了控制输入最优解具有显式表达式的条件;针对控制输入最优解无法得到显式表达式的情况,证明了最优解一定在约束边界上,且可通过有限步求解;结合实际控制分配,定量给出了闭环系统的跟踪误差和估计误差的特性.在典型仿真环境下,本文提出的控制方法表现出有效性和鲁棒性,能够在强非线性和大范围不确定性下实现角速度跟踪目标.

关键词 推力矢量飞行器; 自抗扰控制; 扩张状态观测器; 控制分配; 自由度; thrust-vectored aircraft; active disturbance rejection control; extended state observer; control allocation; degree of freedom;

引用格式 向飞宇, 薛文超, 陈森, 等. 基于自抗扰的三自由度推力矢量飞行器的控制分配方法与理论. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(6): 1163-1180, doi: 10.1360/SSI-2022-0018
Feiyu XIANG, Wenchao XUE, Sen CHEN, et al. ADRC-based control allocation method and theory for 3-DOF thrust-vectored aircraft. Sci Sin Inform, 2023, 53(6): 1163-1180, doi: 10.1360/SSI-2022-0018

控制 非线性系统与控制 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

基于未知状态估计与神经网络补偿的增强PID控制方法

孙霄阳, 周平
中国科学: 信息科学, 2023, 53(4): 715-736

摘要 PID控制一直是应用最广泛的工业控制技术.但是基本PID控制算法仅考虑了动态系统输入–输出的外部特性,缺乏对系统内部状态信息的运用,因而在控制非线性耦合动态系统时往往难以获得满意的控制性能.本文在不改变原有PID控制设置的基础上,提出一种通过未知状态估计与神经网络控制补偿的增强PID (enhanced PID, En-PID)控制方法,可显著增强原有PID控制的性能.首先,采用扩展卡尔曼(Kalman)滤波技术对未知关键状态进行精确估计,并将状态估计值作为神经网络补偿控制器的输入,从而将基本PID控制算法并未使用的过程状态信息引入到控制输入;其次,采用K均值聚类算法求取历史输入数据的聚类中心,以此作为径向基函数(radial basis function, RBF)神经网络补偿器隐含层的中心向量;构建关于控制误差熵的优化性能指标,采用梯度下降算法对神经网络补偿器输出层权值向量进行优化和修正;最后,将RBF网络求取的补偿控制输入与原有PID控制器的基本控制输入进行综合,并共同作用于实际被控系统,实现高性能控制.理论分析和污水处理过程控制实验验证了所提方法的先进性和实用性.

关键词 增强PID控制; 扩展卡尔曼滤波; 径向基函数神经网络; 控制补偿; 熵; enhanced PID control; extended Kalman filtering; RBF neural network; control compensation; entropy;

引用格式 孙霄阳, 周平. 基于未知状态估计与神经网络补偿的增强PID控制方法. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(4): 715-736, doi: 10.1360/SSI-2022-0084
Xiaoyang SUN, Ping ZHOU. Enhanced PID control method based on unknown state estimation and neural network-based compensation. Sci Sin Inform, 2023, 53(4): 715-736, doi: 10.1360/SSI-2022-0084

控制 非线性系统与控制 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 4

基于事件触发机制的多四旋翼无人机鲁棒自适应滑模姿态控制

李鸿一, 王琰, 姚得银, 周琪, 鲁仁全
中国科学: 信息科学, 2023, 53(1): 66-80

摘要 针对一类具有外部干扰的多四旋翼无人机姿态系统,研究其在无向拓扑下的姿态跟踪问题,提出一种基于事件触发机制的鲁棒自适应滑模控制方法.首先,建立多四旋翼无人机的姿态动力学模型,并引入干扰观测器,对系统受到的未知外部干扰进行估计.其次,为了节约四旋翼无人机的网络传输资源,本文在传感器和控制器之间引入事件触发机制,并结合鲁棒滑模控制算法,设计基于事件触发的鲁棒自适应滑模控制器.此外,通过Lyapunov稳定性理论证明闭环系统中所有信号最终有界,并证明所设计的事件触发机制能够有效避免Zeno行为.最后,仿真结果验证所提控制方法的有效性.

关键词 滑模控制; 事件触发机制; 干扰观测器; 姿态跟踪; 多四旋翼无人机系统; sliding mode control; event-triggered mechanism; disturbance observer; attitude tracking; MQUAVs;

引用格式 李鸿一, 王琰, 姚得银, 等. 基于事件触发机制的多四旋翼无人机鲁棒自适应滑模姿态控制. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(1): 66-80, doi: 10.1360/SSI-2021-0358
Hongyi LI, Yan WANG, Deyin YAO, et al. Robust adaptive sliding mode attitude control of MQUAVs based on event-triggered mechanism. Sci Sin Inform, 2023, 53(1): 66-80, doi: 10.1360/SSI-2021-0358

控制 非线性系统与控制 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

执行器故障和非对称误差约束下的时延多智能体系统自适应事件触发控制

范利蓉, 王芳, 周超, 王坤
中国科学: 信息科学, 2022, 52(7): 1287-1301

摘要 本文针对非线性多智能体系统一致性跟踪控制问题,设计自适应事件触发控制策略.首先,通过引入非对称障碍Lyapunov函数,使输出误差满足非对称约束条件.其次,采用Lyapunov-Krasovskii(L-K)泛函和Young不等式消除状态时延的影响.利用模糊逻辑系统逼近未知非线性函数.再次,结合有界估计法和光滑函数有效补偿执行器故障和网络引起的误差.基于Lyapunov稳定性理论证明闭环系统半全局有界稳定.最后,通过仿真验证所设计控制策略的有效性.

关键词 多智能体系统; 状态时延; 事件触发控制; 非对称误差约束; 执行器故障; multi-agent systems; state time-delays; event-triggered control; asymmetric error constraints; actuator faults;

引用格式 范利蓉, 王芳, 周超, 等. 执行器故障和非对称误差约束下的时延多智能体系统自适应事件触发控制. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(7): 1287-1301, doi: 10.1360/SSI-2020-0391
Lirong FAN, Fang WANG, Chao ZHOU, et al. Adaptive event-triggered control for time-delay multi-agent systems with actuator faults and asymmetric error constraints. Sci Sin Inform, 2022, 52(7): 1287-1301, doi: 10.1360/SSI-2020-0391

控制 非线性系统与控制 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

非线性多输入多输出连续时间系统基于历史采样数据的不确定性因素补偿控制

姚慧颖, 赵志良, 陈森, 柴天佑
中国科学: 信息科学, 2022, 52(3): 483-505

摘要 本文针对一类具有强耦合不确定性因素的连续时间多输入多输出非线性系统,提出了基于历史采样数据的不确定性因素补偿控制策略(sampled-data-based compensation control, SDBCC).与基于观测器的不确定性因素补偿控制不同,本文首先利用当前以及历史采样数据计算出由系统非线性耦合未建模动态和外部扰动构成的总扰动在前一采样周期内某时刻的精确值,然后利用该精确值在反馈环节对总扰动进行补偿以消除它的不利影响.连续时间系统在数据驱动的反馈控制作用下构成了一个混杂闭环控制系统,这连同系统的强耦合非线性不确定性因素为控制闭环系统的稳定性收敛性分析带来了挑战.为克服这一难题,本文发展了基于特征值和迭代序列的分析方法,证明了当系统跟踪目标为有界函数时,跟踪误差可随采样周期的减小而任意小,进而当跟踪目标为常数,并且系统的非线性项为时不变连续可微函数时,跟踪误差随时间趋于无穷大而趋近于零.二自由度无人机姿态控制的仿真结果验证了本文所提出方法的有效性和优越性.

关键词 不确定性; 非线性; MIMO系统; PID控制; 数据驱动控制; uncertainty; nonlinearity; MIMO system; PID control; data-driven control;

引用格式 姚慧颖, 赵志良, 陈森, 等. 非线性多输入多输出连续时间系统基于历史采样数据的不确定性因素补偿控制. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(3): 483-505, doi: 10.1360/SSI-2021-0222
Huiying YAO, Zhiliang ZHAO, Sen CHEN, et al. Sampled-data-based uncertainty compensation control for a class of continuous-time nonlinear MIMO systems. Sci Sin Inform, 2022, 52(3): 483-505, doi: 10.1360/SSI-2021-0222

控制 其他 刊讯 Website Google Scholar PDF

随机系统分析与控制专题简介

张维海, 解学军
中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 988-988

摘要 随机控制理论在处理控制系统噪声、优化系统性能和增强鲁棒性等方面发挥关键作用,是现代控制理论中的重要研究领域之一.近年来,随机控制理论和应用虽有显著进步,但依然面临众多新的、具有挑战性的问题.这些问题包括高阶和低阶非线性特性、输出约束的随机系统的稳定化问题、平均场随机系统最优策略的部分无模型或完全无模型的智能算法设计问题,以及针对道路交通拥堵的随机网络控制策略问题等.为了展示这些问题的最新研究进展, SCIENCE CHINA Information Sciences在2024年67卷第4期组织并出版了“随机系统分析与控制专题”(Special Topic:Analysis and Control of Stochastic Systems),深入地探讨了随机系统基础理论与应用领域的研究现状及其创新成果.

引用格式 张维海, 解学军. 随机系统分析与控制专题简介. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 988-988, doi: 10.1360/SSI-2024-0104

控制 其他 刊讯 Website Google Scholar PDF

网络系统的控制、优化和学习专题简介

任伟, 曹明, 陈智勇, 胡国强, 虞文武
中国科学: 信息科学, 2023, 53(10): 2055-2056

关键词 网络系统;

引用格式 任伟, 曹明, 陈智勇, 等. 网络系统的控制、优化和学习专题简介. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(10): 2055-2056, doi: 10.1360/SSI-2023-0282

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控制与优化的互动专题简介

姜钟平, 刘腾飞
中国科学: 信息科学, 2023, 53(7): 1438-1438

关键词 采样数据控制系统; 多智能体系统; 控制与优化; 伺服系统;

引用格式 姜钟平, 刘腾飞. 控制与优化的互动专题简介. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(7): 1438-1438, doi: 10.1360/SSI-2023-0208

控制 其他 编者按 Website Google Scholar PDF

非完全信息下人机合作对抗博弈专题

编者按

康宇, 段海滨, 赵云波
中国科学: 信息科学, 2022, 52(12): 2163-2164
引用格式 康宇, 段海滨, 赵云波. 编者按. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(12): 2163-2164, doi: 10.1360/SSI-2022-0448

控制 其他 编者按 Website Google Scholar PDF

面向特殊应用场景的无人机智能决策与控制专刊

编者按

陈谋, 贺威
中国科学: 信息科学, 2022, 52(9): 1577-1578
引用格式 陈谋, 贺威. 编者按. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(9): 1577-1578, doi: 10.1360/SSI-2022-0345

控制 其他 刊讯 Website Google Scholar PDF

信息物理系统专题简介

Shiyan HU, Changliu LIU, Vincenzo PIURI
中国科学: 信息科学, 2022, 52(2): 376-376
引用格式 Shiyan HU, Changliu LIU, Vincenzo PIURI. 信息物理系统专题简介. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(2): 376-376, doi: 10.1360/SSI-2022-0040

控制 机器人与无人系统 论文 Website Google Scholar PDF

数据驱动的冗余机器人双层运动规划

刘梅, 尚明生
中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 960-975

摘要 冗余机器人在智能制造、救灾抢险与太空探索等领域扮演着重要角色.然而,对结构信息不准确或未知的冗余机器人进行运动规划是一个棘手的问题.此外,若不考虑冗余机器人末端执行器的姿态约束,可能会因姿态的不可控性导致任务失败.为解决该问题,在考虑末端姿态保持和多层关节物理限制的基础上,本文针对模型未知的冗余机器人提出了一种基于数据驱动技术的双层运动规划方案.该方案在关节角加速度层求解的同时能实现最小化关节角速度范数的要求.进而,构建一个离散神经动力学求解器以在线求解该方案.理论分析、仿真和物理实验验证了所提数据驱动的冗余机器人双层运动规划方案的可行性和有效性.

关键词 冗余机器人; 姿态保持; 数据驱动; 神经动力学; 非线性优化; redundant robots; orientation maintaining; data-driven; neural dynamics; nonlinear optimization

引用格式 刘梅, 尚明生. 数据驱动的冗余机器人双层运动规划. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 960-975, doi: 10.1360/SSI-2023-0100
Mei LIU, Mingsheng SHANG. Data-driven double-level motion planning for redundant robots. Sci Sin Inform, 2024, 54(4): 960-975, doi: 10.1360/SSI-2023-0100

控制 机器人与无人系统 论文 Website Google Scholar PDF

隐私保护下的多智能体系统弹性一致性控制

张冲, 伍益明, 徐明, 郑宁
中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 927-943

摘要 针对多智能体系统通信网络遭受欺骗攻击与隐私窃取问题,本文提出了一种新的具备隐私保护能力的多智能体系统弹性一致性算法.首先考虑到多智能体系统在信息传输环节直接将真实状态信息暴露给外界的问题,设计了一种基于状态分配思想的节点状态信息处理机制,来保证系统中节点状态信息隐私的安全性.其次考虑到外部攻击者对系统收敛的影响,在状态分配机制上进一步引入了检测环节,从而保证系统安全收敛.然后通过数学理论分析证明了算法能够有效保护节点初始状态信息隐私的同时能够保证系统实现弹性一致性收敛.最后通过数值仿真实验与对比实验,进一步验证了本文算法的有效性.

关键词 多智能体系统; 弹性一致性; 欺骗攻击; 隐私保护; 网络安全; multi-agent systems; resilient consensus; deception attack; privacy-preserving; cyber security

引用格式 张冲, 伍益明, 徐明, 等. 隐私保护下的多智能体系统弹性一致性控制. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 927-943, doi: 10.1360/SSI-2023-0124
Chong ZHANG, Yiming WU, Ming XU, et al. Resilient consensus control of multi-agent systems under privacy protection. Sci Sin Inform, 2024, 54(4): 927-943, doi: 10.1360/SSI-2023-0124

控制 机器人与无人系统 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

自动驾驶车辆道路跟驰与状态一致性控制

郭胜辉, 罗世坚, 黄大荣, 宋家锋
中国科学: 信息科学, 2024, 54(2): 394-412

摘要 针对含有未知输入和外部干扰的非线性自动驾驶车辆时变跟驰队列系统,研究系统部分状态可测情况下的车辆道路跟驰和状态一致性控制问题.基于车辆跟驰和二自由度动力学模型,得到含有外部干扰和未知输入的离散化状态方程,利用前导跟驰特性,得到自动驾驶车辆跟驰队列系统;利用比例积分状态观测器解决系统部分状态不可测问题,提出一种基于观测器实现含有未知输入和外部干扰的自动驾驶车辆状态一致性控制协议;将观测器估计效果和一致性控制问题转化为误差系统的稳定性问题,由此构造Lyapunov-Krasovkii函数,利用离散系统稳定性理论推导出一个充分条件;通过求解线性矩阵不等式(linear matrix inequality, LMI)得到跟驰系统的增益矩阵和参数矩阵,利用H_∞性能指标分析系统鲁棒性.仿真结果表明:所设计观测器能够估计未知输入、外部干扰和系统状态,并且基于观测器设计能够使自动驾驶车辆道路跟驰和状态达到一致.

关键词 智慧交通; 自动驾驶车辆; 道路跟驰; 多智能体系统; 一致性控制; 外部干扰; intelligent transportation; autonomous vehicle system; path following; multiagent system; consistency control; external disturbance

引用格式 郭胜辉, 罗世坚, 黄大荣, 等. 自动驾驶车辆道路跟驰与状态一致性控制. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(2): 394-412, doi: 10.1360/SSI-2022-0424
Shenghui GUO, Shijian LUO, Darong HUANG, et al. Path following and status consistency control of autonomous vehicles. Sci Sin Inform, 2024, 54(2): 394-412, doi: 10.1360/SSI-2022-0424

控制 机器人与无人系统 评述 Website Google Scholar PDF

移动机器人导航技术综述

姚陈鹏, 石文博, 刘成菊, 陈虹, 陈启军
中国科学: 信息科学, 2023, 53(12): 2303-2324

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

引用格式 姚陈鹏, 石文博, 刘成菊, 等. 移动机器人导航技术综述. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(12): 2303-2324, doi: 10.1360/SSI-2022-0420
Chenpeng YAO, Wenbo SHI, Chengju LIU, et al. An overview of mobile robot navigation technology. Sci Sin Inform, 2023, 53(12): 2303-2324, doi: 10.1360/SSI-2022-0420

控制 机器人与无人系统 评述 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

泛在计算视角下的群智模块化机器人

吴磊, 郭斌, 徐若楠, 刘思聪, 丁亚三, 党朝辉
中国科学: 信息科学, 2023, 53(11): 2107-2151

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

引用格式 吴磊, 郭斌, 徐若楠, 等. 泛在计算视角下的群智模块化机器人. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(11): 2107-2151, doi: 10.1360/SSI-2022-0385
Lei WU, Bin GUO, Ruonan XU, et al. Emergence of crowd modular robotics: a ubiquitous computing perspective. Sci Sin Inform, 2023, 53(11): 2107-2151, doi: 10.1360/SSI-2022-0385

控制 机器人与无人系统 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

无人机系统自主安全: 定义、建模与分级

潘泉, 郭亚宁, 吕洋, 李扬, 谈政
中国科学: 信息科学, 2023, 53(8): 1608-1628

摘要 自主与安全平衡是无人机技术与产业健康、快速发展的战略需求和核心关键.在同时面对“不断提升的无人自主飞行性能”与“日趋严峻的物理、信息、智能等多域安全威胁”的挑战下,仅借鉴有人机安全体系,适度拓展适航飞行和感知规避为核心的安全架构已不能满足现在和未来无人机系统的安全需求,构建无人机自主安全新架构显得十分必要和迫切.本文从自主性这一无人机固有的本质属性出发,初步研究了无人机自主安全架构,重点定义和表征了“无人机自主安全”新概念、构建了面向多域安全威胁和系统高度自主的无人机系统自主安全新模型、提出了无人机系统自主安全能力分级,为我国无人机行业健康快速发展提供基础支撑,为其他无人系统安全体系建立提供借鉴.

关键词 无人机系统; 多域威胁; 自主安全; 资源配置; unmanned aerial system; multi-domain threat; autonomous safety and security; resource configuration;

引用格式 潘泉, 郭亚宁, 吕洋, 等. 无人机系统自主安全: 定义、建模与分级. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(8): 1608-1628, doi: 10.1360/SSI-2022-0338
Quan PAN, Yaning GUO, Yang LYU, et al. Autonomous safety and security of UAV systems: definition, modeling, and gradation. Sci Sin Inform, 2023, 53(8): 1608-1628, doi: 10.1360/SSI-2022-0338

控制 机器人与无人系统 评述 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

无人机续航能力

李学龙
中国科学: 信息科学, 2023, 53(7): 1233-1261

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;

引用格式 李学龙. 无人机续航能力. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(7): 1233-1261, doi: 10.1360/SSI-2023-0130
Xuelong LI. Endurance of unmanned aerial vehicles. Sci Sin Inform, 2023, 53(7): 1233-1261, doi: 10.1360/SSI-2023-0130

控制 机器人与无人系统 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

基于弹性分析与函数回归模型的示教轨迹学习与泛化方法

肖宏远, 刘成菊, 陈启军
中国科学: 信息科学, 2022, 52(10): 1822-1836

摘要 示教学习是解决仿人机器人动态轨迹规划问题的高效方法.示教轨迹作为一种函数型数据,天然地具有耦合的时空特征,需要在函数型数据分析的理论框架下进行研究.传统的示教学习成果以“预处理”的形式解决上述耦合问题,不能充分利用示教轨迹的函数型数据本质.为了充分利用这一本质,本文采用弹性分析方法,将示教轨迹视作函数型数据,解决它们的时–空特征解耦问题.基于解耦后的示教轨迹,本文建立函数型回归模型并将其应用于动态轨迹的生成,实现示教轨迹在不同任务参数下的泛化.在实验中, JACO-2机械臂学习形态各异的技能并在不同的任务参数下完成任务,验证了提出方法的有效性.本文在统一的数学框架下,基于函数型数据分析的数学方法,解决一类仿人机器人的示教轨迹学习与泛化问题,具有较好的理论统一性与可实践性.

关键词 示教学习; 轨迹生成; 函数型数据; 弹性分析; 函数回归模型; learning from demonstration; trajectory generation; functional data; elastic analysis; functional regression model;

引用格式 肖宏远, 刘成菊, 陈启军. 基于弹性分析与函数回归模型的示教轨迹学习与泛化方法. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(10): 1822-1836, doi: 10.1360/SSI-2021-0259
Hongyuan XIAO, Chengju LIU, Qijun CHEN. Learning and generalizing demonstration trajectories based on elastic analysis and the functional regression model. Sci Sin Inform, 2022, 52(10): 1822-1836, doi: 10.1360/SSI-2021-0259

控制 机器人与无人系统 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

面向特殊应用场景的无人机智能决策与控制专刊

仿猎鹰扑翼飞行器自主飞行控制系统设计

孙永斌, 马宝忠, 贺威, 何修宇, 付强
中国科学: 信息科学, 2022, 52(9): 1656-1671

摘要 仿生扑翼飞行器作为一种新型的飞行器,具有噪声小、隐蔽性好、机动性强、能量利用效率高等优势,在民用和军用领域具有广阔的应用前景.仿生扑翼飞行器的自主飞行能力是高效执行飞行任务的关键.目前,国内外飞行器的自主飞行研究已经取得了一些成果,然而鲜有以仿生扑翼飞行器为载体的研究.仿生扑翼飞行器特有的驱动结构给自主飞行控制研究带来了较大的挑战.本文以仿猎鹰扑翼飞行器作为研究平台设计了自主飞行控制系统.由于仿猎鹰扑翼飞行器的负载较小,本文采用了重量较轻的STM32微型计算平台作为主控芯片设计了硬件系统.由于微型计算平台的算力有限,本文综合考虑制导精度和运算速度,提出了一种线性/非线性切换制导算法,并通过仿真实验与线性制导、非线性制导算法进行了对比,证明了其更加适合于仿猎鹰扑翼飞行器.考虑到仿猎鹰扑翼飞行器的机构滞后问题,对其滚转角和高度设计了一个串级PID控制器.结合面向仿猎鹰扑翼飞行器的地面站软件,最终实现了基于仿猎鹰扑翼飞行器的自主定高圆弧轨迹跟踪任务.

关键词 仿生扑翼飞行器; 自主飞行; 线性制导; 非线性制导; 轨迹跟踪; bionic flapping-wing aircraft; autonomous flight; linear guidance; nonlinear guidance; trajectory tracking;

引用格式 孙永斌, 马宝忠, 贺威, 等. 仿猎鹰扑翼飞行器自主飞行控制系统设计. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(9): 1656-1671, doi: 10.1360/SSI-2022-0067
Yongbin SUN, Baozhong MA, Wei HE, et al. Design of an autonomous flight control system for imitation falcon flapping-wing aircraft. Sci Sin Inform, 2022, 52(9): 1656-1671, doi: 10.1360/SSI-2022-0067

控制 机器人与无人系统 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 3

面向特殊应用场景的无人机智能决策与控制专刊

基于随机采样的高层消防无人机协同搜索规划

李鸿一, 陈锦涛, 任鸿儒, 鲁仁全
中国科学: 信息科学, 2022, 52(9): 1610-1626

摘要 本文面向高层消防救援提出一种基于随机采样的多无人机协同搜索规划方法.首先,受随机树状采样搜索算法启发,提出一种搜索点最优分布方法,利用其在复杂环境下对有限空间重复搜索的特性,同时解决多无人机的路径点分布问题和任务分配问题.其次,设计一种基于交易规则的搜索点优化方法,以进一步提升搜索覆盖范围.然后,利用改进的和声搜索算法得到每架无人机遍历节点的最优顺序,进而获得各无人机的规划路径.最后,采用多线程方法模拟实际任务中的分布式运算,验证所提出方法的可行性.

关键词 高层消防; 随机采样; 和声搜索算法; 多无人机协同; 路径规划; high-rise firefighting; random sampling; harmony search; multi-UAV cooperation; path planning;

引用格式 李鸿一, 陈锦涛, 任鸿儒, 等. 基于随机采样的高层消防无人机协同搜索规划. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(9): 1610-1626, doi: 10.1360/SSI-2022-0038
Hongyi LI, Jintao CHEN, Hongru REN, et al. Random-sampling-based multi-UAV cooperative search planning for high-rise firefighting. Sci Sin Inform, 2022, 52(9): 1610-1626, doi: 10.1360/SSI-2022-0038

控制 机器人与无人系统 评述 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

面向特殊应用场景的无人机智能决策与控制专刊

无人机污染源自主搜寻算法综述

李中国, 陈文华, 刘存佳
中国科学: 信息科学, 2022, 52(9): 1579-1597

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;

引用格式 李中国, 陈文华, 刘存佳. 无人机污染源自主搜寻算法综述. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(9): 1579-1597, doi: 10.1360/SSI-2022-0044
Zhongguo LI, Wen-Hua CHEN, Cunjia LIU. Review of UAV-based autonomous search algorithms for hazardous sources. Sci Sin Inform, 2022, 52(9): 1579-1597, doi: 10.1360/SSI-2022-0044

控制 机器人与无人系统 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 2

考虑状态约束的五自由度塔式吊车多目标最优轨迹规划

刘卓清, 孙宁, 吴易鸣, 杨桐, 梁潇, 方勇纯
中国科学: 信息科学, 2022, 52(3): 521-538

摘要 为了提高塔式吊车的实际工作效率,往往需要在驱动旋臂和台车的同时改变绳长,以同步实现负载的运输与起落吊运.然而,目前针对变绳长塔式吊车控制问题的研究非常有限,依然处于起步阶段.对于变绳长塔式吊车而言,如何在保证系统良好暂态性能的基础上,减少运输时间、降低系统能耗,并同时实现综合最优是一个亟待解决的实际问题.为此,本文提出了一种考虑状态约束的五自由度塔式吊车多目标最优轨迹规划方法,首次实现了运输时间和系统能耗的Pareto最优,并可从理论上保证状态变量及其对应速度满足物理约束.具体而言,本文通过微分平坦输出信号构造和B样条曲线设计,实现了目标轨迹的定位和防摆性能,并利用改进的非支配近邻免疫算法(nondominated neighbor immune algorithm, NNIA)解决了多目标优化问题.最后,通过多组实际实验验证了所提方法的有效性.

关键词 塔式吊车; 欠驱动系统; 多目标优化; 轨迹规划; 摆动抑制; tower cranes; underactuated systems; multi-objective optimization; trajectory planning; swing suppression;

引用格式 刘卓清, 孙宁, 吴易鸣, 等. 考虑状态约束的五自由度塔式吊车多目标最优轨迹规划. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(3): 521-538, doi: 10.1360/SSI-2021-0106
Zhuoqing LIU, Ning SUN, Yiming WU, et al. Multi-objective trajectory planning for 5-DOF underactuated tower cranes with state constraints. Sci Sin Inform, 2022, 52(3): 521-538, doi: 10.1360/SSI-2021-0106

控制 鲁棒控制与自适应控制 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

不确定工时下多目标柔性作业车间调度问题的进化求解方法

钟小玉, 韩玉艳, 姚香娟, 巩敦卫, 孙永征
中国科学: 信息科学, 2023, 53(4): 737-757

摘要 在实际工业生产中,调度环境的复杂性与不确定性使得调度问题求解难度大大提高.针对加工时间不确定的柔性作业车间调度问题,采用不确定参数描述随机工时波动程度和约束条件允许违背程度,构建工时波动服从指数分布的多目标柔性车间调度模型.基于机会约束规划理论,将不确定调度问题转化为加工时间确定的柔性作业车间调度问题,求解得到一定程度上具有鲁棒性能的调度方案.在执行过程中,采用工序移动调整和重调度方法对作业排产方案进行动态调整.基于双链式编码以及贪婪插入法解码规则,提出了基于变邻域搜索的混合NSGA-Ⅱ算法.针对车间调度问题的多约束性和计算复杂度高等特点,设计了基于机器选择的复合启发式规则,包括依据概率的最小累计机器负载和最短工序加工时间规则,以获取更加接近Pareto前沿的均匀分布初始种群.采用改进工序和设备交叉策略以提高算法的全局搜索能力.此外,基于关键工序和机器选择的多种邻域结构,设计了变邻域搜索策略,以进一步提高算法的局部搜索能力.通过Kacem和Brandimarte标准算例的数值仿真以及与多种代表算法的统计比较,验证了所提算法的有效性.本文所提算法为不确定柔性作业车间调度问题提供了更优的调度方案.

关键词 多目标优化; 柔性作业车间调度; NSGA-II; 变邻域搜索; 不确定工时; 机会约束规划; multi-objective optimization; flexible job shop scheduling; variable neighborhood search; uncertain processing time; chance-constrained programming;

引用格式 钟小玉, 韩玉艳, 姚香娟, 等. 不确定工时下多目标柔性作业车间调度问题的进化求解方法. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(4): 737-757, doi: 10.1360/SSI-2022-0017
Xiaoyu ZHONG, Yuyan HAN, Xiangjuan YAO, et al. An evolutionary algorithm for the multi-objective flexible job shop scheduling problem with uncertain processing time. Sci Sin Inform, 2023, 53(4): 737-757, doi: 10.1360/SSI-2022-0017

控制 鲁棒控制与自适应控制 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

具有高阶时延的离散非仿射非线性系统的自适应跟踪控制

张言军
中国科学: 信息科学, 2023, 53(3): 535-549

摘要 本文研究了一类具有高阶输入–输出时延的非仿射非线性离散不确定系统的自适应输出跟踪控制问题,提出了一种基于隐函数的自适应输出反馈输出跟踪控制方案.该方案主要解决了两个技术问题:一是构造了基于未知参数估计和未来时刻信号估计的隐函数方程解的自适应控制律,解决了因系统高阶时延导致的控制律因果矛盾问题并实现了闭环稳定和渐近输出跟踪;二是针对非仿射非线性控制律难求解问题,提出了基于迭代解的解析自适应控制律,实现了闭环稳定和实用输出跟踪.最后仿真研究证实了所提出控制方案的有效性.

关键词 自适应控制; 非仿射非线性; 闭环稳定; 输出跟踪; adaptive control; non-affine nonlinearity; closed-loop stability; output tracking;

引用格式 张言军. 具有高阶时延的离散非仿射非线性系统的自适应跟踪控制. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(3): 535-549, doi: 10.1360/SSI-2022-0007
Yanjun ZHANG. Adaptive tracking control of discrete-time non-affine nonlinear systems with high-order time delays. Sci Sin Inform, 2023, 53(3): 535-549, doi: 10.1360/SSI-2022-0007

控制 鲁棒控制与自适应控制 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 2

面向特殊应用场景的无人机智能决策与控制专刊

基于安全自适应强化学习的自主避障控制方法

王珂, 穆朝絮, 蔡光斌, 汪韧, 孙长银
中国科学: 信息科学, 2022, 52(9): 1672-1686

摘要 障碍规避是无人机等自主无人系统运动规划的重要环节,其核心是设计有效的避障控制方法.为了进一步提高决策优化性和控制效果,本文在最优控制的设定下,提出一种基于强化学习的自主避障控制方法,以自适应方式在线生成安全运行轨迹.首先,利用障碍函数法在代价函数中设计了一个光滑的奖惩函数,从而将避障问题转换为一个无约束的最优控制问题.然后,利用行为–评价神经网络和策略迭代法实现了自适应强化学习,其中评价网络利用状态跟随核函数逼近代价函数,行为网络给出近似最优的控制策略;同时,通过状态外推法获得模拟经验,使得评价网络能利用经验回放实现可靠的局部探索.最后,在简化的无人机系统和非线性数值系统上进行了仿真实验与方法对比,结果表明,提出的避障控制方法能实时生成较优的安全运行轨迹.

关键词 自主无人系统; 避障控制; 强化学习; 神经网络; 经验回放; autonomous unmanned systems; obstacle avoidance control; reinforcement learning; neural networks; experience replay;

引用格式 王珂, 穆朝絮, 蔡光斌, 等. 基于安全自适应强化学习的自主避障控制方法. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(9): 1672-1686, doi: 10.1360/SSI-2022-0054
Ke WANG, Chaoxu MU, Guangbin CAI, et al. Autonomous obstacle avoidance control method based on safe adaptive reinforcement learning. Sci Sin Inform, 2022, 52(9): 1672-1686, doi: 10.1360/SSI-2022-0054

控制 鲁棒控制与自适应控制 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

线性二次二人Stackelberg博弈均衡点求解: 一种Q学习方法

李曼, 秦家虎, 王龙
中国科学: 信息科学, 2022, 52(6): 1083-1097

摘要 近年来, Stackelberg博弈被广泛用于解决信息物理系统安全控制、智能电网能源管理等问题.已有的Stackelberg均衡点求解方法大多需要已知系统模型信息,而在实际应用中模型信息通常难以精确获取,这在一定程度上限制了相关理论研究成果的应用.鉴于此,本文研究了不基于系统模型的Stackelberg博弈均衡点的求解方法.具体地,本文考虑线性二次二人Stackelberg博弈,其中博弈状态演化满足线性方程,且成本函数为二次形式.博弈的两个参与者为能够预测另一个体可能响应的个体(即领导者),和根据领导者策略作出最优响应的个体(即跟随者).因为本文考虑线性形式的状态演化和二次形式的成本函数,且领导者先于跟随者采取行动,故领导者和跟随者的决策问题可建模为两层的线性二次型最优控制问题.本文按照从跟随者到领导者的原则,基于动态规划原理推导出最优控制策略.该策略被证明恰好为Stackelberg均衡策略,但其计算需使用系统模型信息.基于此策略,本文提出一种基于执行器–评价器(actor-critic)结构的Q学习算法,解决了系统动力学模型未知情况下线性二次二人Stackelberg博弈均衡点求解问题.此外,本文理论证明了所提算法能够保证系统状态、执行网络和评价网络权重估计误差一致最终有界,并通过数值仿真实验说明基于Q学习算法所得控制策略能够使系统状态稳定,且估计控制策略下的成本函数偏离均衡策略下的成本函数的幅度较小.

关键词 线性二次二人Stackelberg博弈; 最优控制; 模型未知; 执行器–评价器结构; Q学习; linear-quadratic two-player Stackelberg game; optimal control; model-free; actor-critic structure; Q-learning;

引用格式 李曼, 秦家虎, 王龙. 线性二次二人Stackelberg博弈均衡点求解: 一种Q学习方法. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(6): 1083-1097, doi: 10.1360/SSI-2021-0016
Man LI, Jiahu QIN, Long WANG. Seeking equilibrium for linear-quadratic two-player Stackelberg game: a Q-learning approach. Sci Sin Inform, 2022, 52(6): 1083-1097, doi: 10.1360/SSI-2021-0016

控制 随机系统与控制 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

随机复杂系统设计方案排序问题的动态计量预算分配策略

肖辉, 魏志宏, 寇纲, 顾先明
中国科学: 信息科学, 2024, 54(2): 373-393

摘要 仿真技术已被广泛地用于评估与优化随机复杂系统,例如生产制造、网络通信、医疗健康等信息物理融合系统.然而,将仿真优化方法用于方案排序问题的研究甚少.本文考虑只能通过系统仿真才能获取性能表现的k个备选方案排序问题,在贝叶斯(Bayes)框架下,构建以寻求最大化后验方案正确排序概率为目标的动态仿真预算优化分配模型.通过将仿真预算分配决策过程表述成一个随机动态规划问题,推导出一种动态计量预算分配策略,并证明了该分配策略的渐进最优性.数值实验以及案例分析的结果表明,本文提出的算法显著地提高了方案排序问题的仿真优化效率.

关键词 仿真优化; 排序选优; 信息物理融合系统; 马尔科夫决策过程; 贝叶斯估计; simulation optimization; ranking and selection; cyber-physical system; Markov decision process; Bayesian estimation

引用格式 肖辉, 魏志宏, 寇纲, 等. 随机复杂系统设计方案排序问题的动态计量预算分配策略. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(2): 373-393, doi: 10.1360/SSI-2022-0451
Hui XIAO, Zhihong WEI, Gang KOU, et al. Dynamic computing budget allocation for design ranking in stochastic complex systems. Sci Sin Inform, 2024, 54(2): 373-393, doi: 10.1360/SSI-2022-0451

控制 随机系统与控制 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

基于大偏差技术的子集排序最优仿真预算分配方法

肖辉, 王子淳, 寇纲, 顾先明, Loo Hay LEE
中国科学: 信息科学, 2023, 53(6): 1147-1162

摘要 排序选优方法已广泛应用于求解离散事件动态系统中的仿真优化问题,但该类方法鲜有研究聚焦于子集排序问题的高效求解,而子集排序问题广泛存在于智能制造、电气工程、供应链管理等众多领域.本文针对k个备选方案的子集排序问题,构建了以最大化子集正确排序概率为目标的仿真预算优化分配模型,推导了该优化问题的渐进最优条件,并提出了相应的序贯仿真算法来实现仿真预算的渐进最优分配规则.数值实验结果表明,本文所提出的算法显著地提高了子集排序问题的仿真优化效率.

关键词 离散事件动态系统; 仿真优化; 最优计量分配方法; 大偏差技术; 排序选优; discrete event dynamic systems; simulation optimization; OCBA; large deviation technology; ranking and selection;

引用格式 肖辉, 王子淳, 寇纲, 等. 基于大偏差技术的子集排序最优仿真预算分配方法. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(6): 1147-1162, doi: 10.1360/SSI-2021-0440
Hui XIAO, Zichun WANG, Gang KOU, et al. Optimal simulation budget allocation for subset ranking from a large deviation perspective. Sci Sin Inform, 2023, 53(6): 1147-1162, doi: 10.1360/SSI-2021-0440

通信 网络安全 评述 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 2

基于区块链的车联网安全综述

刘媛妮, 李奕, 陈山枝
中国科学: 信息科学, 2023, 53(5): 841-877

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;

引用格式 刘媛妮, 李奕, 陈山枝. 基于区块链的车联网安全综述. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(5): 841-877, doi: 10.1360/SSI-2022-0019
Yuanni LIU, Yi LI, Shanzhi CHEN. A survey of Internet of vehicles/vehicle to everything security based on Blockchain. Sci Sin Inform, 2023, 53(5): 841-877, doi: 10.1360/SSI-2022-0019

通信 网络安全 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

人工噪声掩护下跳频安全通信

宋长庆, 张译丹, 赵宏志, 邵士海
中国科学: 信息科学, 2023, 53(3): 550-565

摘要 为了对抗电磁干扰与敌方窃听,提出了人工噪声掩护下的跳频通信架构.其中,人工噪声对消是提升系统安全的关键步骤,但实际接收节点处的时间同步误差会降低人工噪声对消效果与系统保密性能.鉴于此,分析了同步误差下人工噪声对消后的残余人工噪声成分和系统保密性能,并提出了具有同步误差鲁棒性的人工噪声最优功率分配方法.理论分析和仿真结果表明,时间同步误差会在人工噪声对消时引入符号间干扰与跳间干扰,进而降低系统的保密性能.此外,当接收节点可以实现完美时间同步时,人工噪声与通信信号应等功率发射.随着时间同步误差的增加,人工噪声与通信信号的功率比应当逐渐减小,以降低时间同步误差引起的保密性能损失.

关键词 人工噪声; 跳频; 时间同步误差; 噪声对消; 功率分配; artificial noise; frequency hopping; time synchronization error; noise cancellation; power allocation;

引用格式 宋长庆, 张译丹, 赵宏志, 等. 人工噪声掩护下跳频安全通信. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(3): 550-565, doi: 10.1360/SSI-2021-0347
Changqing SONG, Yidan ZHANG, Hongzhi ZHAO, et al. Artificial noise shielded frequency hopping secure communication. Sci Sin Inform, 2023, 53(3): 550-565, doi: 10.1360/SSI-2021-0347

通信 网络安全 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 4

6G无线内生安全理念与构想

金梁, 楼洋明, 孙小丽, 钟州, 许晓明, 易鸣, 黄开枝, 季新生, 邬江兴
中国科学: 信息科学, 2023, 53(2): 344-364

摘要 6G开放融合、异构共存、智能互联的网络特点将引发更多未知复杂安全威胁,目前安全滞后于通信发展的格局必然难以应对, 6G时代必须打破思维定势,催生真正具有代际效应的标志性技术.内生安全从无线网络内源性缺陷产生的共性和本源安全问题出发,通过结构导向的解决方法,具有抵御未知安全威胁的能力和通信/安全/服务内源性融合的能力.本文对6G无线网络内生安全问题、理念进行了探讨,并提出内生安全在6G超高速宽带通信、超大连接超低时延、天地一体化全域覆盖等典型场景中的应用构想,给出了若干潜在关键技术和解决方案.

关键词 6G安全; 内生安全; 通信/安全/服务一体化; 无线内生安全; 移动边缘内生安全计算; 物理层链式密钥; 6G security; endogenous safety and security; communication/security/service integration; wireless endogenous safety and security; mobile endogenous security by edge computing; physcical layer offered chain key;

引用格式 金梁, 楼洋明, 孙小丽, 等. 6G无线内生安全理念与构想. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(2): 344-364, doi: 10.1360/SSI-2021-0095
Liang JIN, Yangming LOU, Xiaoli SUN, et al. Concept and vision of 6G wireless endogenous safety and security. Sci Sin Inform, 2023, 53(2): 344-364, doi: 10.1360/SSI-2021-0095

通信 网络安全 观点与争鸣 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 3

论网络空间内生安全问题及对策

邬江兴
中国科学: 信息科学, 2022, 52(10): 1929-1937

摘要 本文从内生安全问题概念及基本特征研究出发,提出网络空间内生安全防御范式的思维视角、方法论和实践规范.本文指出内生安全问题与其本征功能实体间是事物内部各个对立面之间互相依赖又互相排斥关系的矛盾性表达,具有不可分割性,只可能演进转化或和解而不可能彻底消除;提出网络空间内生安全问题概念并列举了相关实例;定义了网络空间内生安全共性问题并给出了基本特征,强调当前网络安全防御范式不可能从根本上解决内生安全共性问题;比较了网络空间内生安全发展范式与既有范式在思维视角、方法论和实践规范层面的区别.

关键词 内生安全问题; 网络空间内生安全问题; 网络空间内生安全共性问题; 网络空间内生安全防御范式; endogenous safety problem; cyberspace endogenous security & safety problem; cyberspace endogenous security & safety common problem; cyberspace endogenous security & safety defense paradigm;

引用格式 邬江兴. 论网络空间内生安全问题及对策. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(10): 1929-1937, doi: 10.1360/SSI-2022-0242
Jiangxing WU. Cyberspace's endogenous safety and security problem and the countermeasures. Sci Sin Inform, 2022, 52(10): 1929-1937, doi: 10.1360/SSI-2022-0242

通信 网络安全 刊讯 Website Google Scholar PDF

人工智能时代的网络空间安全专题简介

李琦, 任奎, 季新生, 陶小峰, N. ASOKAN, Elisa BERTINO, Zhengkai LIANG
中国科学: 信息科学, 2022, 52(7): 1362-1362

关键词 人工智能时代; 空间安全; 机器学习算法;

引用格式 李琦, 任奎, 季新生, 等. 人工智能时代的网络空间安全专题简介. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(7): 1362-1362, doi: 10.1360/SSI-2022-0276

通信 网络安全 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 5

6G网络安全专题

面向6G流量监控: 基于图神经网络的加密恶意流量检测方法

赵键锦, 李祺, 刘胜利, 杨彦青, 洪岳平
中国科学: 信息科学, 2022, 52(2): 270-286

摘要 6G作为下一代移动通信技术演进的重要方向,将全面推动经济社会数字化浪潮. 6G网络承载的众多业务将依赖于实体间共享和协同处理海量的数据,数据安全显得尤为重要.当前多数网络应用都会使用SSL/TLS加密协议来保障网络通信的机密性与安全性.然而,加密机制在保障数据安全的同时也给网络安全监管带来了巨大的挑战.尽管针对传统网络的加密恶意流量检测已成为研究热点,但现有技术无法直接应用于6G网络.在海量异构终端即时、无限制通信的6G网络中,网络通信行为模式更加多样化,这使得正常流量与恶意流量的边界相较于传统网络更加模糊,深入分析并利用网络服务相关性与通信行为相关性对加密恶意流量检测有着重要的价值.然而,现有研究不管是对加密流量进行孤立分析还是聚合分析,都忽略了加密流量间丰富的相关关系.为此,我们面向未来6G网络的网络安全问题提出了基于图神经网络的加密恶意流量检测方法 ET-RSGAT.首先,针对6G网络超高速率、超大连接的特点,我们设计了便捷的加密流量特征提取方法:为单条加密会话提取其TLS握手原始字节、TLS记录长度序列等特征表示;其次,考虑到6G网络中海量异构终端互联、多源异质数据共存,我们从网络服务相关性和通信行为相关性这两个方面分析加密会话之间的相关关系,并构建加密流量图ETG.在ETG的基础上,我们引入图注意力网络,充分利用相关关系来丰富节点的特征表示.在更加丰富的节点特征表示的基础上,我们基于多层感知器构建检测模型来识别威胁.考虑到当前6G网络的仿真环境不成熟,我们针对6G网络海量异构终端互联的特点,部署多种异构终端节点并运行各类网络服务来模拟6G通信场景并设计了相关实验对本方法进行了评价.实验结果表明,本方法能够同时在传统网络与模拟环境数据集中取得令人满意的检测结果.

关键词 6G; 恶意流量检测; 加密流量; 图神经网络; 注意力机制; 6G; malicious traffic detection; encrypted traffic; graph neural network; attention mechanism;

引用格式 赵键锦, 李祺, 刘胜利, 等. 面向6G流量监控: 基于图神经网络的加密恶意流量检测方法. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(2): 270-286, doi: 10.1360/SSI-2021-0280
Jianjin ZHAO, Qi LI, Shengli LIU, et al. Towards traffic supervision in 6G: a graph neural network-based encrypted malicious traffic detection method. Sci Sin Inform, 2022, 52(2): 270-286, doi: 10.1360/SSI-2021-0280

通信 网络安全 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 2

6G网络安全专题

静态场景下基于RIS天线的物理层密钥生成方案

杨杰, 季新生, 黄开枝, 赵见磊, 管新荣
中国科学: 信息科学, 2022, 52(2): 253-269

摘要 针对静态环境下密钥容量低的问题,首次将RIS天线配置在基站设备端用于密钥生成,通过捷变控制RIS单元相移变化,生成随机快变波束,并与原通信信道合并构成新的等价通信信道,从而使密钥容量不受制于自然信道变化速度.然后推导了该方案下密钥容量闭式解,理论分析及仿真表明使用有限单元即可达到与快变信道环境下同等性能,相较于RIS作为反射面部署的方案,在密钥容量增益和防信息泄露等方面具有明显优势.为进一步发挥RIS增益,提出将部分单元用于密钥生成,部分单元用于波束赋形的联合设计方案,推导了该方案下闭式解.最后,在满足密钥容量和通信性能的基础上,给出了最优资源分配策略,仿真表明可以实现密钥容量与通信性能联合提升.

关键词 智能超表面; 密钥生成; 物理层安全; 静态场景; 资源分配; reconfigurable intelligent surface; secret key generation; physical layer security; static environment; resource allocation;

引用格式 杨杰, 季新生, 黄开枝, 等. 静态场景下基于RIS天线的物理层密钥生成方案. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(2): 253-269, doi: 10.1360/SSI-2021-0295
Jie YANG, Xinsheng JI, Kaizhi HUANG, et al. Secret key generation scheme based on RIS antenna for static environments. Sci Sin Inform, 2022, 52(2): 253-269, doi: 10.1360/SSI-2021-0295

通信 网络安全 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

6G网络安全专题

衰落高斯MIMO窃听信道下安全发送方案及其优化问题

马康宁, 徐寅飞, 邵硕, 吴越
中国科学: 信息科学, 2022, 52(2): 239-252

摘要 自适应的物理层安全技术是6G通信中具有抗量子攻击实现通信安全一体化的重要挑战问题.本文研究了合法用户信道状态随机衰落,且各状态不满足退化关系的高斯多天线输入输出(MIMO)窃听信道的信道容量问题.我们引入"弱超多数化"(weak supermajorization)理论对各状态排序.并采用广播逼近(broadcast approach)技术,即基于叠加编码(superposition coding)架构设计编码并予以优化,从而完成信道状态信息(channel state information, CSI)未知情况下的物理层安全传输,实现通信系统的内生安全.该编码架构下的参数的优化问题可以表征为对数函数的非凸优化问题,因此我们提出了求解该传输方案最优输入的快速算法.

关键词 高斯MIMO窃听广播信道; 衰落信道; 广播逼近; 叠加编码; 内生安全; Gaussian MIMO wiretap broadcast channel; fading channel; broadcast approach; superposition coding; endogenous security;

引用格式 马康宁, 徐寅飞, 邵硕, 等. 衰落高斯MIMO窃听信道下安全发送方案及其优化问题. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(2): 239-252, doi: 10.1360/SSI-2021-0255
Kangning MA, Yinfei XU, Shuo SHAO, et al. On the optimization problem in fading Gaussian MIMO wiretap channels. Sci Sin Inform, 2022, 52(2): 239-252, doi: 10.1360/SSI-2021-0255

通信 网络安全 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

6G网络安全专题

混合窃听环境下多波束符号级安全传输方法

邱彬, 程文驰
中国科学: 信息科学, 2022, 52(2): 217-238

摘要 针对毫米波在混合窃听无线通信系统面临的安全问题,基于阵列收发结构,提出了一种有效的无线物理层安全传输方法.在发射端采用多波束符号级方向调制、人工噪声(artificial noise, AN)辅助、天线子集方法,以及合法用户(legitimate user, LU)采用阵列接收确保混合窃听环境下的安全可靠传输.考虑窃听者(eavesdropper, Eve)信息未知,通过最小化发射信息功率准则设计发射波束形成矢量,满足合法用户的接收信号指定符号级约束,确保合法用户有效接收.将剩余的发射功率分配给人工噪声,最大限度扰乱窃听者的接收信号.此外,通过最小均方差无失真响应准则设计合法用户接收权矢量,有效抑制干扰信号.仿真结果证明了所提方法在能量效率和安全增强方面的优越性.

关键词 物理层安全; 人工噪声; 混合窃听; 多波束; 方向调制; physical layer security; artificial noise; hybrid eavesdropping; multibeam; directional modulation;

引用格式 邱彬, 程文驰. 混合窃听环境下多波束符号级安全传输方法. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(2): 217-238, doi: 10.1360/SSI-2021-0282
Bin QIU, Wenchi CHENG. Multi-beam symbol-level secure transmission against hybrid eavesdropping. Sci Sin Inform, 2022, 52(2): 217-238, doi: 10.1360/SSI-2021-0282

通信 网络安全 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

6G网络安全专题

6G网络内生安全架构研究

粟栗, 庄小君, 杜海涛, 冉鹏, 黄晓婷, 杨朋霖
中国科学: 信息科学, 2022, 52(2): 205-216

摘要 6G将是一个覆盖空天地海的一体化网络,并为用户提供按需服务.高安全性是6G网络的重要特性,在规划的6G架构中,安全能力将作为一个独立的逻辑面为6G网络和应用提供服务与保障.本文分析并归纳了6G安全演进的3个方面的趋势:一是网络架构的分布式自治化增加了暴露面,需要网元、子网自身具备高安全性;二是全面云化和虚拟化进一步增加了内部攻击的风险,需要基于零信任理念设计网元、网络内部的安全防护措施;三是按需服务的业务能力需要内部建设智能协同机制,并具备弹性、可编排安全能力资源池.基于上述需求和安全技术发展的趋势,本文提出了以内部安全能力建设为基础的6G安全建设思路,设计了包含安全能力层、安全策略控制器、安全智能中心、安全管理中心,协同信任共识设施、编排能力、人工智能能力形成的6G内生安全架构.本架构以网络内建安全能力为基础,信任共识机制为纽带,智能协同技术为手段,形成主动免疫、信任共识、协同弹性的安全架构与运行机制.通过构建可信链路的实际案例推演证明,该架构可为6G网络和应用提供灵活、按需的安全服务.

关键词 6G; 内生安全; 运行机制; 网络安全; 信任; 6G; build-in security; operating mechanism; network security; trust;

引用格式 粟栗, 庄小君, 杜海涛, 等. 6G网络内生安全架构研究. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(2): 205-216, doi: 10.1360/SSI-2021-0257
Li SU, Xiaojun ZHUANG, Haitao DU, et al. Built-in security framework research for 6G network. Sci Sin Inform, 2022, 52(2): 205-216, doi: 10.1360/SSI-2021-0257

通信 网络安全 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 10

6G网络安全专题

网络空间内生安全发展范式

邬江兴
中国科学: 信息科学, 2022, 52(2): 189-204

摘要 本文试图从科学研究范式的高度诠释网络空间安全发展历程的思维视角和方法论,指出相应发展范式变革的本质原因,目的是围绕网络空间普遍存在的内生安全共性问题和基于这些共性问题引发的"未知的未知"安全威胁,提出解决问题的新理论、新方法论以及相关的实践规范,以期用内生安全发展新范式为网络空间安全领域以及新一代信息技术与相关产业贡献可复制的成功模板.本文在简要介绍范式的概念和理论基础上,以范式的世界观和方法论回顾了传统网络空间安全的主要发展历程以及难以克服的挑战,归纳总结网络空间内生安全共性问题,提出网络空间内生安全发展新范式,介绍了新范式的理论基础、实践规范以及机制方法.

关键词 内生安全共性问题; 未知的未知安全威胁; 相对正确公理; 动态异构冗余构造; 内生安全发展范式; endogenous security common problem; unknown-unknown security threats; relatively-correct axiom; dynamic heterogeneous redundancy architecture(DHR); endogenous safety and security development paradigm;

引用格式 邬江兴. 网络空间内生安全发展范式. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(2): 189-204, doi: 10.1360/SSI-2021-0272
Jiangxing WU. Development paradigms of cyberspace endogenous safety and security. Sci Sin Inform, 2022, 52(2): 189-204, doi: 10.1360/SSI-2021-0272

通信 网络安全 编者按 Website Google Scholar PDF

6G网络安全专题

6G网络安全专题编者按

季新生, 陶小峰, 刘斐, 黄开枝, 王慧明, 李娜
中国科学: 信息科学, 2022, 52(2): 187-188
引用格式 季新生, 陶小峰, 刘斐, 等. 6G网络安全专题编者按. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(2): 187-188, doi: 10.1360/SSI-2022-0012

通信 电磁场与微波技术 论文 Website Google Scholar PDF

大尺度类周期阵列结构快速电磁仿真方法

徐延林, 刘晨曦, 毋召锋, 虎宁, 刘继斌, 刘培国
中国科学: 信息科学, 2024, 54(2): 430-448

摘要 类周期结构具有独特的电磁波调控特性,在天线、雷达探测、目标隐身等领域具有重要研究价值,而针对大尺度类周期阵列的高效精确电磁仿真一直是电磁计算领域的重难点问题.本文从类周期阵列几何相似性出发,提出了一种具有函数复用机制的并行综合函数法(parallel synthetic basis functions method, p-SBFM),首次实现并验证了p-SBFM在多构型类周期阵列分析中的有效性.相比传统电磁数值算法, p-SBFM在大尺度类周期阵列分析中,能够在一定程度上克服精度、效率、内存消耗三方面指标难以兼顾的难题,为类周期结构的工程应用提供理论分析和仿真手段.

关键词 类周期结构; 综合函数; 并行计算; 矩量法; 电磁仿真; quasi-periodic structures; synthetic functions; parallel computing; method of moment; electromagnetic simulation

引用格式 徐延林, 刘晨曦, 毋召锋, 等. 大尺度类周期阵列结构快速电磁仿真方法. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(2): 430-448, doi: 10.1360/SSI-2023-0139
Yanlin XU, Chenxi LIU, Zhaofeng WU, et al. Fast electromagnetic simulation method for large-scale quasi-periodic arrays. Sci Sin Inform, 2024, 54(2): 430-448, doi: 10.1360/SSI-2023-0139

通信 电磁场与微波技术 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

超宽角域广义布儒斯特超表面

吕奇皓, 金城, 田步宁, 张彬超, 张鹏宇
中国科学: 信息科学, 2023, 53(1): 128-145

摘要 针对传统超表面存在大角度电磁性能恶化问题,提出了广义布儒斯特波阻抗匹配理论,实现超表面电磁性能的超宽角域稳定性.首先针对超宽角域透波问题,将超表面本征参数由各向同性标量推广至各向异性张量,建立包含入射角变量的各向异性超表面特性阻抗模型,推导了全角域透波的广义布儒斯特波阻抗匹配条件,将单一角度下的传统布儒斯特理论推广至整个角域.接着,针对电磁吸波问题,进一步将本征参数张量从实数域推广至复数域,建立了吸波超表面的复反射系数的角域模型,推导实现双极化超宽角域吸波的广义布儒斯特复波阻抗匹配条件,将广义布儒斯特波阻抗匹配理论由超宽角域透波推广至超宽角域吸波.最后,根据该理论分别研制了超宽角域透波和吸波超表面,仿真和实验均证明了它们在0?~80?超宽角域内的透波性能和在0?~75?超宽角域内的吸波性能.

关键词 超表面; 超宽角域; 斜入射; 广义布儒斯特理论; 本征参数张量; metasurface; ultrawide-angle; oblique incidence; generalized Brewster theory; constitutive parameter tensors;

引用格式 吕奇皓, 金城, 田步宁, 等. 超宽角域广义布儒斯特超表面. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(1): 128-145, doi: 10.1360/SSI-2022-0186
Qihao LV, Cheng JIN, Buning TIAN, et al. Ultrawide-angle generalized Brewster metasurface. Sci Sin Inform, 2023, 53(1): 128-145, doi: 10.1360/SSI-2022-0186

通信 电磁场与微波技术 评述 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

纪念清华大学电子工程系成立70周年专刊

功放数字预失真线性化技术发展趋势与挑战

刘昕, 陈文华, 吴汇波, 冯正和
中国科学: 信息科学, 2022, 52(4): 569-595

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;

引用格式 刘昕, 陈文华, 吴汇波, 等. 功放数字预失真线性化技术发展趋势与挑战. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(4): 569-595, doi: 10.1360/SSI-2021-0421
Xin LIU, Wenhua CHEN, Huibo WU, et al. Digital predistortion: development trends and key techniques. Sci Sin Inform, 2022, 52(4): 569-595, doi: 10.1360/SSI-2021-0421

通信 信息论与编码 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

考虑LDPC码字的NAND闪存信道量化

方泽群, 马征, 周璇, 庞琦珂
中国科学: 信息科学, 2022, 52(8): 1542-1559

摘要 随着尺寸工艺的提升和存储方法的演进, NAND闪存芯片的存储密度正在一步步提高.而存储密度的提高带来了芯片物理容错性能的下降,从而导致器件的寿命下降.如何保证NAND闪存的使用寿命是目前闪存器件的研究热点问题.纠错编码的软判决译码器应用到NAND闪存中能够充分提供数据可靠性保障,但其在数据读取时的量化方法是核心问题之一.针对目前最大互信息量化方法没有考虑纠错编码码字特性的缺点,本文提出使用密度进化量化算法来进行基于低密度奇偶校验码(low density parity check, LDPC)码字特征的量化.为了适应NAND信道非对称的特点,本文进一步提出首先利用比特翻转器来将实际非对称译码器输入对称化,然后通过使用固定比例方法进一步减少搜索最佳读取电压位置的复杂度.经在NAND闪存信道下的数值仿真比较,本文提出的量化算法可以比最大互信息量化算法更好地提升译码性能,能够显著提升闪存器件的寿命.

关键词 NAND闪存; 非对称信道; LDPC码; 量化; 密度进化; NAND flash memory; asymmetric channel; LDPC codes; quantization; density evolution;

引用格式 方泽群, 马征, 周璇, 等. 考虑LDPC码字的NAND闪存信道量化. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(8): 1542-1559, doi: 10.1360/SSI-2021-0150
Zequn FANG, Zheng MA, Xuan ZHOU, et al. LDPC code-dependent quantization for the NAND flash channel. Sci Sin Inform, 2022, 52(8): 1542-1559, doi: 10.1360/SSI-2021-0150

通信 光通信 进展 Website Google Scholar PDF

国家自然科学基金视角下我国光纤材料与器件领域的分析和展望

唐华
中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 976-987

摘要 光纤作为开启信息时代的关键技术之一,自诞生以来引领了信息、物理等众多相关领域的飞速发展.伴随着光纤材料与器件研究的深入和多元化,其应用领域不断扩展,在多个行业中发挥了不可替代的重要作用.本文从国家自然科学基金的视角,结合2018~2022年国家自然科学基金中人才项目、重点项目、重大项目、国家重大科研仪器研制项目、面上项目和地区科学基金项目的资助情况,对各立项项目的题目和关键词进行了热词分析,梳理了我国光纤材料与器件领域的研究现状与挑战,在此基础上分析展望了需进一步深入研究和探讨的方向与内容.

关键词 光纤材料与器件; 国家自然科学基金; 热词分析; 前沿热点; 研究展望; optical fiber materials and devices; National Natural Science Foundation of China; hot word analysis; frontier hot spots; research prospect

引用格式 唐华. 国家自然科学基金视角下我国光纤材料与器件领域的分析和展望. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 976-987, doi: 10.1360/SSI-2023-0381
Hua TANG. Analysis and prospects of the field of optical fiber materials and devices in China from the perspective of National Natural Science Foundation of China. Sci Sin Inform, 2024, 54(4): 976-987, doi: 10.1360/SSI-2023-0381

通信 光通信 评述 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

涉水光学

李学龙
中国科学: 信息科学, 2024, 54(2): 227-280

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

引用格式 李学龙. 涉水光学. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(2): 227-280, doi: 10.1360/SSI-2022-0398
Xuelong LI. Water-related optics. Sci Sin Inform, 2024, 54(2): 227-280, doi: 10.1360/SSI-2022-0398

通信 光通信 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

130∼170 GHz平坦毫米波噪声信号产生技术

孙粤辉, 郭亚, 王云才, 刘文杰, 黄海碧, 黄奕敏, 秦玉文
中国科学: 信息科学, 2022, 52(11): 2155-2162

摘要 本文提出了一种基于三束非相干光混频产生D波段平坦毫米波噪声信号的方法.通过设置与调节三束光的中心波长与滤波光谱宽度,利用高速光电探测器同时实现光生毫米波噪声信号的频率范围与功率谱平坦度有效可控.理论分析了三束高斯型非相干光的中心波长差、滤波光谱宽度与预设频段噪声功率谱平坦度的关系.实验中,以单行载流子光电探测器(UTC-PD)为光混频器,在130~170 GHz产生了超噪比(ENR)> 35 dB、平坦度低至±2.5 dB的D波段毫米波噪声信号.

关键词 噪声发生器; 毫米波噪声; 光子混频; 超噪比; 平坦度; noise generator; millimeter-wave noise; photonic mixing; excess noise ratio; flatness;

引用格式 孙粤辉, 郭亚, 王云才, 等. 130∼170 GHz平坦毫米波噪声信号产生技术. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(11): 2155-2162, doi: 10.1360/SSI-2021-0433
Yuehui SUN, Ya GUO, Yuncai WANG, et al. Generation of 130{170 GHz flat millimeter-wave noise signal. Sci Sin Inform, 2022, 52(11): 2155-2162, doi: 10.1360/SSI-2021-0433

通信 其他 编者按 Website Google Scholar PDF

国防科技大学建校70周年专题

编者按

宋君强, 廖湘科, 王怀民, 王志英, 卢凯
中国科学: 信息科学, 2023, 53(8): 1439-1440
引用格式 宋君强, 廖湘科, 王怀民, 等. 编者按. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(8): 1439-1440, doi: 10.1360/SSI-2023-0228

通信 其他 编者按 Website Google Scholar PDF

复杂场景下目标协同智能检测专题

编者按

朱中梁, 廖桂生, 郭福成, 王鼎
中国科学: 信息科学, 2022, 52(11): 1941-1941
引用格式 朱中梁, 廖桂生, 郭福成, 等. 编者按. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(11): 1941-1941, doi: 10.1360/SSI-2022-0389

通信 其他 编者按 Website Google Scholar PDF

纪念清华大学电子工程系成立70周年专刊

纪念清华大学电子工程系成立70周年专刊编者按

周炳琨, 陆建华, 罗毅, 王希勤, 黄翊东, 汪玉, 金德鹏
中国科学: 信息科学, 2022, 52(4): 567-568
引用格式 周炳琨, 陆建华, 罗毅, 等. 纪念清华大学电子工程系成立70周年专刊编者按. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(4): 567-568, doi: 10.1360/SSI-2022-0119

通信 雷达与遥感 论文 Website Google Scholar PDF

一种具有宽角域调控的非周期时间调制角反射器设计及其雷达目标特征变换方法

孙光, 王俊杰, 邢世其, 王福来, 冯德军, 庞礴, 李永祯, 王雪松
中国科学: 信息科学, 2023, 53(12): 2543-2560

摘要 时间调制超表面因其可以对入射电磁波进行实时动态地调控,在未来信息领域具有显著的应用潜力.但是时间调制超表面在雷达对抗中的应用却很少被研究,而且由于镜像原理,实现宽角域范围内的单站RCS调控也是其面临的一个关键问题.本文将具有不同于传统周期编码方式的时间调制超表面与角反射器相结合,首次提出了一种基于非周期时间调制超表面的时间调制角反射器,可以在宽角域范围内操控入射电磁波的谐波频谱分布,产生连续的多普勒频移.基于此,进一步探索了非周期时间调制角反射器在雷达中的变换效果,揭示了非周期调制可以沿距离向产生连续的虚假谐波峰值,形成干扰条带.最后,利用半实物雷达系统对时间调制角反射器的高分辨距离像进行了实验测试,验证了所提结构的准确性和理论方法的有效性.

关键词 时间调制超表面; 角反射器; 宽角域; 谐波操控; 雷达目标特征变换; time-modulated metasurface; corner reflector; wide-angle domain; harmonic control; radar target feature transformation

引用格式 孙光, 王俊杰, 邢世其, 等. 一种具有宽角域调控的非周期时间调制角反射器设计及其雷达目标特征变换方法. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(12): 2543-2560, doi: 10.1360/SSI-2023-0018
Guang SUN, Junjie WANG, Shiqi XING, et al. Design of an aperiodic time-modulated corner reflector with wide-angle domain regulation and its radar target feature transformation method. Sci Sin Inform, 2023, 53(12): 2543-2560, doi: 10.1360/SSI-2023-0018

通信 雷达与遥感 论文 Website Google Scholar PDF

双RIS辅助的雷达目标位置与速度测量

邹华峻, 吴亮, 张在琛, 龚子轶, 党建, 朱秉诚
中国科学: 信息科学, 2023, 53(12): 2527-2542

摘要 可重构智能表面(reconfigurable intelligent surface, RIS)是一种由大量被动反射单元构成的平面阵列,并由低功耗的电子电路控制,在空域上可对电磁波灵活调控.本文提出了一种双RIS辅助雷达测量的方法,旨在提高雷达对目标位置和速度测量的准确度.首先,建立了由双RIS辅助的单基雷达信号模型,引入了运动目标的多普勒效应对RIS反射回波信号的影响.非相干RIS反射回波信号的引入,不仅可以极大地提高雷达测量的可用信息量,还可以使单基雷达获得目标三维绝对速度测量的能力.然后,推导了综合利用雷达和RIS的时延、方位角、俯仰角、多普勒信息对目标位置和速度估计的克拉美罗下界.最后,提出以克拉美罗下界为目标,利用遗传算法优化RIS反射系数矩阵的方法.仿真结果表明,本文提出方法的测量精度显著优于单基雷达,可以实现厘米级的位置测量精度与分米级的速度测量精度.

关键词 可重构智能表面; 参数估计; 多普勒; 克拉美罗下界; 遗传算法; reconfigurable intelligent surface; parameter estimation; Doppler; Cramer-Rao lower bound; genetic algorithm

引用格式 邹华峻, 吴亮, 张在琛, 等. 双RIS辅助的雷达目标位置与速度测量. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(12): 2527-2542, doi: 10.1360/SSI-2023-0072
Huajun ZOU, Liang WU, Zaichen ZHANG, et al. Position and velocity measurement in dual RIS-assisted radar systems. Sci Sin Inform, 2023, 53(12): 2527-2542, doi: 10.1360/SSI-2023-0072

通信 雷达与遥感 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

基于协同稀疏解混的高光谱图像变化检测方法

蒋祥明, 高天启, 公茂果, 蒋汾龙, 范晓龙
中国科学: 信息科学, 2023, 53(11): 2283-2300

摘要 高光谱图像变化检测可以考察地物随时间的变化,而高光谱图像解混可以分析地物的物质(亚像元级)构成.因此,将高光谱图像解混引入到高光谱图像变化检测中,不仅可以考察地物发生变化与否,还能利用地物成分随时间的演变信息得到更精准的检测结果.本文首先从高光谱图像的线性混合模型出发,利用稀疏解混的思想对解混模型进行简化,进而采用直观的变化向量分析思路,逐步建立了基于协同稀疏解混的无约束高光谱变化检测模型.其次,本文基于子空间匹配的思想构造了匹配光谱库,以增加解混过程中光谱库和像元光谱的匹配程度.然后,本文设计了交替方向乘子法对所建立的无约束变化检测模型进行求解.最后,本文设计了自适应的丰度截断策略对解混结果进行集成以得到最终的变化检测结果.在仿真及真实数据集上的对比实验结果表明:本方法不仅可以得到高精度的变化检测结果,还可以在虚检和漏检之间寻求良好的平衡.

关键词 协同稀疏解混; 变化检测; 匹配光谱库; 交替方向乘子法; 自适应丰度截断; collaborative sparse unmixing; change detection; matched spectral library; alternating direction method of multipliers; adaptive abundance truncation

引用格式 蒋祥明, 高天启, 公茂果, 等. 基于协同稀疏解混的高光谱图像变化检测方法. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(11): 2283-2300, doi: 10.1360/SSI-2022-0388
Xiangming JIANG, Tianqi GAO, Maoguo GONG, et al. Collaborative sparse unmixing-based hyperspectral change detection method. Sci Sin Inform, 2023, 53(11): 2283-2300, doi: 10.1360/SSI-2022-0388

通信 雷达与遥感 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

基于结构一致性能量模型的异源光学和SAR图像变化检测

孙玉立, 雷琳, 匡纲要
中国科学: 信息科学, 2023, 53(10): 2016-2033

摘要 异源遥感图像变化检测是遥感领域越来越受到关注的课题.由于成像机制的不同,无法通过直接比较不同源的图像来检测变化.为了克服这一难题,本文利用与成像模态无关的结构一致性建立异源图像之间的联系.首先,通过构造K近邻图来表征图像结构,并挖掘图像结构关系与节点变化状态之间的关联.而后,提出了基于图像结构一致性的能量模型来刻画这种关联,并设计了两个能量函数分别度量节点发生变化和未发生变化时的能量损失.最终,通过求解该能量模型得到每个节点发生变化的概率,并对其进行分割得到变化检测结果.由于本文所提出的方法是基于图像结构的,所以它对图像噪声、成像条件等因素不敏感,同时由于该方法对节点状态直接建模,能充分利用能量模型的灵活性,所以它可适用于不同的任务场景.在5个实际数据集上的实验结果验证了本文方法能够取得更高效、更准确的检测结果.

关键词 变化检测; 异源数据; 能量模型; 结构; 多模态; change detection; heterogeneous data; energy based model; structure; multimodal

引用格式 孙玉立, 雷琳, 匡纲要. 基于结构一致性能量模型的异源光学和SAR图像变化检测. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(10): 2016-2033, doi: 10.1360/SSI-2022-0408
Yuli SUN, Lin LEI, Gangyao KUANG. A structure consistency-based energy model for heterogeneous optical and SAR images change detection. Sci Sin Inform, 2023, 53(10): 2016-2033, doi: 10.1360/SSI-2022-0408

通信 雷达与遥感 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

基于线性正则变换的复杂运动目标的3-D InISAR成像

辛红彩, 李炳照
中国科学: 信息科学, 2023, 53(10): 1994-2015

摘要 二维的逆合成孔径雷达(two-dimensional inverse synthetic aperture radar, 2-D ISAR)成像是目标三维(three-dimensional, 3-D)几何结构在成像平面的投影,逐渐难以满足现代工程中目标识别与分类的需求,特别是复杂运动目标.近年来,干涉ISAR (interferometric ISAR, InISAR)成像技术能够高分辨地重构3-D目标的几何结构而颇受关注.本文提出一种基于线性正则变换(linear canonical transform, LCT)的复杂运动目标的3-D InISAR成像算法.首先,结合目标复杂运动分析,给出了目标所产生的原始回波信号.经过运动补偿和图像对准后,将方位向回波建模为线性调频(linear frequency modulation, LFM)信号.其次,根据LFM信号的时频特性,本文提出了基于LCT的2-D ISAR成像算法.该算法不仅能够获取聚焦的多通道2-D ISAR图像,而且很好地保留了相位信息.最后,利用干涉技术,提出了新的3-D InISAR成像算法,实现了目标的高分辨3-D几何结构重建.此外,文中讨论并分析了所提算法的时频聚集性、计算量和基线长度影响.不同的仿真实验和结果证明了所提算法的优越性能.

关键词 复杂运动目标; InISAR; 线性正则变换; 成像算法; 三维坐标重构; target with complex motion; linear canonical transform; imaging algorithm; threedimensional coordinate reconstruction

引用格式 辛红彩, 李炳照. 基于线性正则变换的复杂运动目标的3-D InISAR成像. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(10): 1994-2015, doi: 10.1360/SSI-2022-0344
Hongcai XIN, Bingzhao LI. 3-D InISAR imaging for targets with complex motion based on linear canonical transform. Sci Sin Inform, 2023, 53(10): 1994-2015, doi: 10.1360/SSI-2022-0344

通信 雷达与遥感 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

基于FMCW的新型多域联合调制双功能雷达通信技术

赵嘉荣, 杨平, 肖悦, 武刚, 易琴, 许向楠
中国科学: 信息科学, 2023, 53(9): 1802-1821

摘要 在频谱稀缺现状与6G万物互联需求形势之下,雷达通信一体化得以催生,引起了学术界广泛的关注和研究兴趣.一体化的相关技术研究中,如何在有限的硬件资源条件下平衡好通信与感知性能是一个难题.为解决这个问题,本文提出了一种基于多域联合传输的通感一体化系统方案,利用空域、频域、时域和能量域4种资源进行信息传输,可有效提高数据传输准确率,提升系统性能.构建的自适应偏移索引调频连续波雷达通信系统(offset FMCW-based radar-communications system, OFRaC),有效挖掘了偏移索引调制与原调频连续波雷达通信系统(FMCW-based radar-communications system,FRaC)的优势特性,减少了射频切换时间,提升了传输速率.为降低通信接收端的误比特率(bit error rate, BER),文中还提出了一种基于最短信道距离的天线选择OFRaC (antenna selection-based OFRaC,AOFRaC),可以在OFRaC基础上对BER性能做进一步改善.最后,通过仿真实验,本文分析了AOFRaC, OFRaC与原FRaC系统在通信和感知方面的性能变化,对比了所使用目标检测方法与传统方法的性能优点.得出的结论是,所提出的多域联合调制方案在通信与感知性能中能取得更好的折中与平衡,尤其在需要更轻负载的车联网、无人机等应用场景中,简易的雷达和通信接收端架构将给系统带来优势.

关键词 双功能雷达通信; 多域联合调制; 偏移空间调制; 天线选择; 压缩感知; dual-functional radar-communication; multi-domain joint modulation; offset space modulation; antenna selection; compressed sensing

引用格式 赵嘉荣, 杨平, 肖悦, 等. 基于FMCW的新型多域联合调制双功能雷达通信技术. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(9): 1802-1821, doi: 10.1360/SSI-2022-0287
Jiarong ZHAO, Ping YANG, Yue XIAO, et al. A new FMCW-based multi-domain joint modulation dual-function radar communication technology. Sci Sin Inform, 2023, 53(9): 1802-1821, doi: 10.1360/SSI-2022-0287

通信 雷达与遥感 评述 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

国防科技大学建校70周年专题

遥感跨模态智能解译: 模型、数据与应用

付琨, 王佩瑾, 冯瑛超, 李俊希, 何琪彬, 肖思宁, 刁文辉, 孙显
中国科学: 信息科学, 2023, 53(8): 1529-1559

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;

引用格式 付琨, 王佩瑾, 冯瑛超, 等. 遥感跨模态智能解译: 模型、数据与应用. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(8): 1529-1559, doi: 10.1360/SSI-2023-0055
Kun FU, Peijin WANG, Yingchao FENG, et al. Cross-modal remote sensing intelligent interpretation: method, data, and application. Sci Sin Inform, 2023, 53(8): 1529-1559, doi: 10.1360/SSI-2023-0055

通信 雷达与遥感 评述 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

国防科技大学建校70周年专题

雷达目标微动表征、估计与识别研究

张文鹏, 黎湘, 刘永祥
中国科学: 信息科学, 2023, 53(8): 1469-1489

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;

引用格式 张文鹏, 黎湘, 刘永祥. 雷达目标微动表征、估计与识别研究. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(8): 1469-1489, doi: 10.1360/SSI-2023-0040
Wenpeng ZHANG, Xiang LI, Yongxiang LIU. Research on representation, estimation and recognition for radar targets with micro-motion. Sci Sin Inform, 2023, 53(8): 1469-1489, doi: 10.1360/SSI-2023-0040

通信 雷达与遥感 刊讯 Website Google Scholar PDF

遥感与人工智能的交叉创新专题简介

李军, 孙显, 于瀚雯, 徐丰, Jon Atli BENEDIKTSSON
中国科学: 信息科学, 2023, 53(5): 1026-1026

关键词 人工智能; image; 空谱融合; 高光谱分辨率;

引用格式 李军, 孙显, 于瀚雯, 等. 遥感与人工智能的交叉创新专题简介. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(5): 1026-1026, doi: 10.1360/SSI-2023-0103

通信 雷达与遥感 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

雷达极化域调控超分辨的原理与方法

王罗胜斌, 王雪松, 徐振海
中国科学: 信息科学, 2023, 53(5): 993-1007

摘要 分辨是雷达领域的经典问题,尽管经过几十年的发展,但“分不开、辨不清”的矛盾在雷达各类应用中日益凸显.在雷达分辨研究中,模糊函数理论占据绝对主流,同时尝试突破瑞利(Rayleigh)分辨极限的超分辨研究层出不穷,这些方法具有一定的超分辨效果,但因其前提假设而在工程应用中受限.传统分辨理论并未考虑电磁场的极化特性,利用极化技术可大幅提升雷达分辨能力,研究极化与分辨的关系具有重大理论价值.本文从模糊函数出发,重点分析目标幅度和相位对分辨效果的影响,得出“等幅反相”可使雷达突破分辨率极限,结合雷达收发极化调控技术,创新性提出极化域变焦理论,通过全极化域距离像阐释超分辨原理,并且针对实际雷达系统,提出极化域变焦多目标检测与分辨方法,实现多目标的正确判决和距离的有效估计.仿真结果表明,极化域变焦处理对交叉极化不敏感,在高信噪比条件下可将雷达分辨力提升约20倍.

关键词 极化调控; 雷达超分辨; 模糊函数; 极化域变焦理论; 全极化域距离像; polarization modulation; radar superresolution; ambiguity function; polarimetric zoom theory; fullpolarization domain range profile;

引用格式 王罗胜斌, 王雪松, 徐振海. 雷达极化域调控超分辨的原理与方法. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(5): 993-1007, doi: 10.1360/SSI-2022-0141
Luoshengbin WANG, Xuesong WANG, Zhenhai XU. Principle and approach to polarization modulation for radar super-resolution. Sci Sin Inform, 2023, 53(5): 993-1007, doi: 10.1360/SSI-2022-0141

通信 雷达与遥感 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 2

多极化层析SAR植被高度反演基线融合方法

邢成, 杨健, 殷君君, 张瞻婕
中国科学: 信息科学, 2023, 53(3): 606-621

摘要 植被高度反演属于森林定量遥感,在森林测绘、资源评估和生态监测等领域发挥着重要作用.本文基于多极化层析SAR数据进行基线融合植被高度反演,将森林散射相干模型推广到高维空间,通过复数域到幅度–相位域的转化降低模型非线性度,并提出了基于相干分布方差的广义幅相距离,进而发展了多基线联合参数反演方法.本文通过实测P波段极化层析SAR数据对所提方法进行了验证,同时将其与单基线反演法、基线选择法和欧式距离融合法进行了对比分析.实验结果表明,本文所提方法的反演结果与激光雷达获取的高度图相比,相关性更强,均方根误差更低,显著提高了植被高度反演的精度和稳定性.

关键词 森林遥感; 极化层析SAR; 植被高度反演; 多基线融合; forest remote sensing; Pol-tomoSAR; vegetation height inversion; multi-baseline fusion;

引用格式 邢成, 杨健, 殷君君, 等. 多极化层析SAR植被高度反演基线融合方法. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(3): 606-621, doi: 10.1360/SSI-2021-0436
Cheng XING, Jian YANG, Junjun YIN, et al. Fusion method for vegetation height inversion with multibaseline PolInSAR data. Sci Sin Inform, 2023, 53(3): 606-621, doi: 10.1360/SSI-2021-0436

通信 雷达与遥感 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

联合数学规划策略和精细极化分解的极化SAR舰船目标检测

邢世其, 全斯农, 范晖, 王威, 黄大通, 李永祯, 王雪松
中国科学: 信息科学, 2023, 53(3): 585-605

摘要 由于人造目标具有方位多变和结构复杂等特点,设计具有强泛化、易分辨的特征来实现极化合成孔径雷达(synthetic aperture radar, SAR)目标精准检测是一个非常有挑战性的问题.受数学规划思想的启发,在基于物理模型的极化分解框架下,本文设计了一种散射贡献组合特征检测器用于检测极化SAR舰船目标.一方面,利用类差倒数变换和sigmoid函数变换,首先构造了一种旋转二面角散射模型,它能充分反映由方位变化所导致的同极化和交叉极化响应之间的快速转变.结合类偶极子混合散射模型,以及通过设计基于根的判别式的模型求解策略,随后提出了一种极化信息完全利用的八成分目标分解方法,它能够有效刻画舰船目标的局部结构散射并显著改善体散射过估问题.另一方面,通过分析舰船目标不同散射机理的分布显著特性,以及舰船目标相对海杂波的散射独有特性,利用线性及非线性运算等数学规划策略,首先设计了一种稳健的散射贡献组合器特征.随后将该特征与保护滤波器结合,进一步增强其分辨能力以实现最终的舰船目标检测.实验利用不同实测极化SAR数据对所提方法进行了定性和定量验证,结果表明该方法优于现有的其他舰船目标检测方法,检测品质因素最高可达0.96.

关键词 极化合成孔径雷达; 舰船目标检测; 数学规划策略; 精细极化分解; 散射贡献组合器; polarimetric synthetic aperture radar; ship detection; mathematical programming strategy; fine polarimetric decomposition; scattering contribution combiner;

引用格式 邢世其, 全斯农, 范晖, 等. 联合数学规划策略和精细极化分解的极化SAR舰船目标检测. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(3): 585-605, doi: 10.1360/SSI-2021-0403
Shiqi XING, Sinong QUAN, Hui FAN, et al. Integrating a mathematical programming strategy and fine polarimetric decomposition into PolSAR ship detection. Sci Sin Inform, 2023, 53(3): 585-605, doi: 10.1360/SSI-2021-0403

通信 雷达与遥感 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

基于低管秩张量分解的互质阵列自适应波束成形算法

程耘, 刘天鹏, 师俊朋, 苏晓龙, 刘振
中国科学: 信息科学, 2023, 53(2): 402-416

摘要 互质阵列因其大阵列孔径和高自由度特性在波束成形领域受到广泛关注.为了充分利用该特性,近年来学者们提出了基于孔洞填充的算法,有效提高了互质阵列波束成形的性能.然而,这些算法存在计算量大、噪声鲁棒性弱等缺点,难以适应复杂多变的实际环境.为此,本文利用张量的多维结构在参数估计上的性能优势,提出了一种基于低管秩张量分解的互质阵列自适应波束成形算法.首先将互质阵列的多采样虚拟信号矩阵重排为张量形式,利用其低管秩特性补全缺失的互相关信息;然后从补全后的张量数据中提取信号参数,并与目标先验进行匹配,最终得到波束成形权矢量.本算法分别利用ADMM和Tucker分解提高了张量补全和分解的运算效率;所设计的目标匹配方案也有效控制了算法误差.仿真结果展示了本算法在性能和计算复杂度相对于现有方法的优势,尤其是在低信噪比和少采样数的情况下.

关键词 自适应波束成形; 互质阵列; 张量分解; 自由度; 参数估计; adaptive beamforming; coprime array; tensor decomposition; degree-of-freedom; parameter estimation;

引用格式 程耘, 刘天鹏, 师俊朋, 等. 基于低管秩张量分解的互质阵列自适应波束成形算法. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(2): 402-416, doi: 10.1360/SSI-2022-0013
Yun CHENG, Tianpeng LIU, Junpeng SHI, et al. Coprime array-adaptive beamforming based on low-tubal-rank tensor decomposition. Sci Sin Inform, 2023, 53(2): 402-416, doi: 10.1360/SSI-2022-0013

通信 雷达与遥感 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

计算阵列——计算赋能的数字阵列技术

吴曼青, 赵逸超, 何峰, 粟毅
中国科学: 信息科学, 2022, 52(12): 2270-2289

摘要 计算阵列是计算与传感深度融合的新一代数字阵列.由于引入单元计算,在发射和接收端构建“阵元–模块–系统”三级分布式计算架构,不仅能开发当前数字阵列的发射自由度,还能最大限度利用感知数据满足大任务中海量数据的传递与分布式计算的需求,解决当前数字阵列数据传输和处理压力.本文对计算阵列进行了综述,主要介绍计算阵列的概念和内涵、能力优势和应用、设计与实现和未来发展趋势.

关键词 计算阵列; 传感计算一体化; 发射自由度; 计算单元; 计算中心; computational array; integration of computing and sensing; computational unit; transmitting freedom; computational center;

引用格式 吴曼青, 赵逸超, 何峰, 等. 计算阵列——计算赋能的数字阵列技术. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(12): 2270-2289, doi: 10.1360/SSI-2021-0368
Manqing WU, Yichao ZHAO, Feng HE, et al. Computational array — digital array with computational empowerment. Sci Sin Inform, 2022, 52(12): 2270-2289, doi: 10.1360/SSI-2021-0368

通信 雷达与遥感 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

基于散射图卷积网络的PolSAR影像地物分类

刘旭, 李玲玲, 刘芳, 杨淑媛, 侯彪, 焦李成
中国科学: 信息科学, 2022, 52(10): 1900-1914

摘要 本文针对极化合成孔径雷达(polarimetric synthetic aperture radar, PolSAR)图像解译中特征提取不足与目标分类困难的问题,进行了深入的研究,提出了一种基于散射图卷积网络的PolSAR影像分类方法.在特征提取方面,本文给出了极化散射编码的一维表现形式;同时,考虑目标散射的特性和像素间的复杂关系,结合图论理论,提出了一种新的散射机制的图表示模型,来刻画复杂的极化散射机理;最后,将这种新的散射建模方法和图卷积网络结合,提出了PolSAR图像分类的新方法,从而更加高效、高精度地完成分类任务.实验结果表明,在5幅公开的PolSAR图像上(PolSF数据集),本文提出的算法具有良好的分类性能.

关键词 散射; 特征表示; 图卷积网络; 极化SAR图像; 地物分类; scattering; feature representation; graph convolutional network; PolSAR image; classification;

引用格式 刘旭, 李玲玲, 刘芳, 等. 基于散射图卷积网络的PolSAR影像地物分类. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(10): 1900-1914, doi: 10.1360/SSI-2021-0126
Xu LIU, Lingling LI, Fang LIU, et al. Scattering graph convolutional network-based PolSAR image classification. Sci Sin Inform, 2022, 52(10): 1900-1914, doi: 10.1360/SSI-2021-0126

通信 雷达与遥感 进展 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 3

稀疏阵列MIMO雷达参数估计研究进展

刘永祥, 师俊朋, 黎湘
中国科学: 信息科学, 2022, 52(8): 1560-1576

摘要 利用稀疏阵列多输入多输出(multi-input and multi-output, MIMO)雷达的虚拟孔径扩展特性开展参数估计研究具有重要的理论意义和应用前景.本文以稀疏阵列MIMO雷达设计和参数估计为导向,以提高估计精度和降低运算量为落脚点,从子空间类和压缩感知类算法的契合点出发,围绕阵列设计、波达方向估计、角度联合估计等方面,构建了系统的稀疏阵列MIMO雷达参数估计理论.最后,从阵列优化设计、混合目标参数估计、非理想因素抑制和分布式平台搭建等方面展望了稀疏阵列MIMO雷达的发展趋势.

关键词 稀疏阵列; MIMO雷达; 参数估计; 孔径扩展; 压缩感知; sparse array; MIMO radar; parameter estimation; aperture extension; compressive sensing;

引用格式 刘永祥, 师俊朋, 黎湘. 稀疏阵列MIMO雷达参数估计研究进展. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(8): 1560-1576, doi: 10.1360/SSI-2021-0209
Yongxiang LIU, Junpeng SHI, Xiang LI. Research progress on sparse array MIMO radar parameter estimation. Sci Sin Inform, 2022, 52(8): 1560-1576, doi: 10.1360/SSI-2021-0209

通信 雷达与遥感 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 5

一种同时全极化雷达发射波形和接收滤波器联合设计的抗间歇采样转发干扰方法

王福来, 庞晨, 黄大通, 李永祯, 王雪松
中国科学: 信息科学, 2022, 52(7): 1333-1348

摘要 针对间歇采样干扰生成的高逼真虚假目标串能将真实目标回波掩盖,致使雷达目标检测功能失效的问题,本文以降低脉冲压缩后的干扰能量为出发点,首次提出了在同时全极化雷达体制下,基于正交发射波形和接收滤波器联合设计的间歇采样干扰抑制方法.文中首先建立了以脉冲压缩输出信号旁瓣能量为指标的目标函数;其次,以抑制间歇采样干扰为目的,根据发射波形的恒模约束等条件,建立了同时全极化雷达体制下发射波形与接收滤波器的联合优化模型;最后,通过交替迭代优化方法对该模型求解,继而实现对间歇采样干扰的抑制.数字仿真和半实物硬件系统测试结果表明,本文提出的方法能有效抑制间歇采样干扰,提升全极化雷达在复杂电磁环境下的抗干扰能力.

关键词 全极化雷达; 抗干扰; 间歇采样转发干扰; 波形设计; 非线性优化; fully polarimetric radar; anti-jamming; interrupted sampling repeater jamming; waveform design; nonlinear optimization;

引用格式 王福来, 庞晨, 黄大通, 等. 一种同时全极化雷达发射波形和接收滤波器联合设计的抗间歇采样转发干扰方法. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(7): 1333-1348, doi: 10.1360/SSI-2021-0032
Fulai WANG, Chen PANG, Datong Huang, et al. An anti-jamming method against interrupted sampling repeater jamming based on designing transmitted waveforms and receiving filters for simultaneous polarimetric radar. Sci Sin Inform, 2022, 52(7): 1333-1348, doi: 10.1360/SSI-2021-0032

通信 雷达与遥感 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 6

雷达图像深度学习模型的可解释性研究与探索

李玮杰, 杨威, 刘永祥, 黎湘
中国科学: 信息科学, 2022, 52(6): 1114-1134

摘要 虽然深度学习技术在雷达图像处理任务中获得了部分应用,但缺乏对黑盒模型的可解释性分析和全面的性能评估,限制了该技术在雷达图像领域中的应用性能、可信度和广泛性.本文从可解释性入手,提出了雷达图像深度学习黑盒模型分析思路,在开源MSTAR雷达图像数据集上进行实验验证.从深度学习模型的迁移机制和认知机理两个方面进行分析,得到了关于迁移学习、归因方法应用和模型鲁棒性评估方面的相关结论,填补了现有研究的空白.

关键词 深度学习; 雷达图像; 可解释性; 迁移学习; 归因方法; 鲁棒性; deep learning; radar image; interpretability; transfer learning; attribution algorithm; robustness;

引用格式 李玮杰, 杨威, 刘永祥, 等. 雷达图像深度学习模型的可解释性研究与探索. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(6): 1114-1134, doi: 10.1360/SSI-2021-0102
Weijie LI, Wei YANG, Yongxiang LIU, et al. Research and exploration on the interpretability of deep learning model in radar image. Sci Sin Inform, 2022, 52(6): 1114-1134, doi: 10.1360/SSI-2021-0102

通信 雷达与遥感 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

纪念清华大学电子工程系成立70周年专刊

基于Wishart梯度和SIFT方法的极化SAR图像配准

王洪淼, 杨健, 殷君君
中国科学: 信息科学, 2022, 52(4): 687-699

摘要 目前基于多幅极化SAR图像融合的遥感应用受到了广泛关注.图像配准是图像融合应用的一个关键预处理步骤.典型的SAR-SIFT配准算法不能利用极化SAR图像的目标极化信息.本文提出Wishart-SIFT配准方法,即利用Wishart梯度代替SAR-SIFT中的比值梯度,并基于此梯度建立改进的SIFT配准算法,从而充分利用极化SAR图像的目标极化信息.我们在RADARSAT-2和AIRSAR的数据集上分别实验验证了Wishart-SIFT方法在不同视角和不同频段极化SAR图像下的配准效果,结果显示Wishart-SIFT方法在配准精度和稳定性方面均优于SAR-SIFT方法.

关键词 极化SAR; 图像配准; SIFT; Wishart梯度; 多波段; polarimetric SAR; image registration; SIFT; Wishart gradient; multi-frequency;

引用格式 王洪淼, 杨健, 殷君君. 基于Wishart梯度和SIFT方法的极化SAR图像配准. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(4): 687-699, doi: 10.1360/SSI-2021-0396
Hongmiao WANG, Jian YANG, Junjun YIN. A PolSAR image registration method based on the Wishart gradient and SIFT method. Sci Sin Inform, 2022, 52(4): 687-699, doi: 10.1360/SSI-2021-0396

通信 卫星通信 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 2

地月空间近地小行星观测系统研究

唐玉华, 吴伟仁, 李明涛, 韩思远, 祁海明, 王新涛, 周琪, 张哲, 田少杰, 石萌, 金霄
中国科学: 信息科学, 2022, 52(7): 1169-1185

摘要 近地小行星撞击是造成人类毁灭性灾难的七大威胁之一,开展小行星防御、保护地球家园是全人类共同的责任.做好小行星防御,首先要建立和完善小行星监测系统.目前,国际小行星监测主要以地基光学系统监测为主,由于光学观测条件限制,导致来自太阳方向的小行星无法及时被“捕获”跟踪,而天基监测系统由于其特定的位置优越性,成为地基观测系统的有益补充.本文系统梳理了地基监测系统存在的问题和不足,分析了月基和地月空间轨道部署望远镜的优劣,提出了基于地月系统L4,L5点轨道部署天基望远镜用于近地小行星观测的方案,并提出了国际合作实施建议,对未来构建近地小行星监测系统具有参考价值.

关键词 地月空间; 行星防御; 近地小行星; 拉格朗日点轨道; 红外望远镜; cislunar space; planetary defense; near-Earth asteroids; Lagrange point orbit; infrared telescope;

引用格式 唐玉华, 吴伟仁, 李明涛, 等. 地月空间近地小行星观测系统研究. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(7): 1169-1185, doi: 10.1360/SSI-2022-0011
Yuhua TANG, Weiren WU, Mingtao LI, et al. Near-Earth asteroids observation system in cislunar space. Sci Sin Inform, 2022, 52(7): 1169-1185, doi: 10.1360/SSI-2022-0011

通信 通信信号处理 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

一种全新的积分变换——双正交梅林变换

张亮, 陈辉, 杜庆磊, 王永良
中国科学: 信息科学, 2023, 53(10): 2034-2052

摘要 针对调频(frequency modulation, FM)类信号处理问题,提出一种全新的积分变换——双正交梅林变换(biorthogonal Mellin transform, BMT).该变换与傅里叶变换(Fourier transform, FT)、双正交傅里叶变换(biorthogonal Fourier transform, BFT)、梅林变换(Mellin transform, MT)、分数阶傅里叶变换(fractional Fourier transform, FRFT)存在密切关系,能够解决指数为整数或者分数的幂函数调频(power frequency modulation, PFM)信号检测、参数估计、滤波等问题.文中给出了BMT定义、基本性质和典型函数变换结果,设计了一种基于指数采样理论的离散BMT快速计算方法.实验结果表明, BMT构思新颖,理论完备,具有广阔应用前景.

关键词 双正交梅林变换; 双正交傅里叶变换; 梅林变换; 分数阶傅里叶变换; 数值计算; biorthogonal Mellin transform; biorthogonal Fourier transform; Mellin transform; fractional Fourier transform; numerical calculation

引用格式 张亮, 陈辉, 杜庆磊, 等. 一种全新的积分变换——双正交梅林变换. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(10): 2034-2052, doi: 10.1360/SSI-2022-0463
Liang ZHANG, Hui CHEN, Qinglei DU, et al. A new integral transform: biorthogonal Mellin transform. Sci Sin Inform, 2023, 53(10): 2034-2052, doi: 10.1360/SSI-2022-0463

通信 通信信号处理 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

考虑硬件损耗的可重构智能表面辅助的MIMO通信系统

张驰亚, 刘莹洁, 李兴泉, 陈文宇, 何春龙
中国科学: 信息科学, 2023, 53(7): 1423-1437

摘要 可重构智能表面技术在实现低功耗、高能效通信的“绿色通信”上具有重要意义,已成为下一代无线通信的关键技术.硬件损耗产生的损耗失真会影响通信系统的性能,本文在可重构智能表面辅助的多输入多输出无线通信系统中考虑硬件损耗,优化目标是最大化系统中用户的加权和速率.由于优化问题的多变量耦合效应,采用块坐标下降算法把原问题解耦成两个子问题,分别对发射预编码矩阵和反射相移矩阵交替优化.仿真结果证明了在波束成形优化中考虑硬件损耗的必要性以及将可重构智能表面引入多输入多输出系统的有效性.

关键词 可重构智能表面; 多输入多输出; 硬件损耗; 块坐标下降算法; 最大最小化算法; reconfigurable intelligent surface; multiple-input multiple-output; hardware impairments; block coordinate descent algorithm; majorization-minimization algorithm;

引用格式 张驰亚, 刘莹洁, 李兴泉, 等. 考虑硬件损耗的可重构智能表面辅助的MIMO通信系统. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(7): 1423-1437, doi: 10.1360/SSI-2022-0071
Chiya ZHANG, Yingjie LIU, Xingquan LI, et al. Reconfigurable intelligent surface assisted MIMO communication system considering hardware impairments. Sci Sin Inform, 2023, 53(7): 1423-1437, doi: 10.1360/SSI-2022-0071

通信 通信信号处理 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

基于双向循环卷积神经网络的可见光定位和姿态跟踪:应对环境动态变化

周炳朋, 陈光森, 朱杰友
中国科学: 信息科学, 2023, 53(7): 1404-1422

摘要 本文研究了动态环境下基于可见光的运动目标位置和姿态跟踪技术(visible light-based position and orientation tracking, VLP).基于信号模型的传统VLP方法通常依赖于具有固定参数的信号传播模型(signal propagation model, SPM).当定位环境随时间变化时,例如当漫散射和接收机响应增益波动变化时,传统VLP算法性能会剧烈下降.为了应对这一挑战,本文提出了一种基于双向循环卷积网络的VLP算法.该算法通过双向循环结构挖掘连续时刻观测数据的时间特征信息,利用3D卷积网络挖掘观测数据中稳定的空间纹理特征信息,采用记忆细胞存储时空纹理特征信息,并利用遗忘门对记忆细胞中缓存的时空信息进行选择性保留,以此保证对时空纹理信息的长期记忆,从而实现对运动目标的高精度定位跟踪.仿真结果表明,相比于现有可见光定位算法,本算法能充分挖掘并融合观测数据中的时间与空间纹理特征来提升定位跟踪性能,在动态环境条件下,定位精度达到1.5 cm.

关键词 可见光定位; 样本图像; 时空纹理特征; 卷积神经网络; 循环神经网络; visible light-based positioning; sample image; spatial-time texture; convolutional network; recurrent neural network;

引用格式 周炳朋, 陈光森, 朱杰友. 基于双向循环卷积神经网络的可见光定位和姿态跟踪:应对环境动态变化. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(7): 1404-1422, doi: 10.1360/SSI-2022-0239
Bingpeng ZHOU, Guangsen CHEN, Jieyou ZHU. Bidirectional recurrent convolutional learning-based visible light position and pose tracking against environment variation. Sci Sin Inform, 2023, 53(7): 1404-1422, doi: 10.1360/SSI-2022-0239

通信 通信信号处理 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 2

面向信道簇模型的太赫兹宽带混合预编码

崔铭尧, 谭竞搏, 戴凌龙
中国科学: 信息科学, 2023, 53(4): 772-786

摘要 太赫兹宽带混合预编码是未来高速无线传输的关键技术.太赫兹系统带宽较大,因而存在严重的波束分裂现象,限制了用户的通信速率.已有方案主要研究如何克服信道径模型下的波束分裂现象,在存在角度扩展的信道簇模型下性能损失严重.针对这一问题,首先分析比较了信道簇模型下典型太赫兹预编码的性能;接着提出了时相联合优化算法,以克服信道簇模型下的波束分裂现象;最后提供仿真结果验证所提算法的性能.

关键词 太赫兹; 宽带; 波束分裂; 角度扩展; 混合预编码; THz; wideband; beam split; angular spread; hybrid precoding;

引用格式 崔铭尧, 谭竞搏, 戴凌龙. 面向信道簇模型的太赫兹宽带混合预编码. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(4): 772-786, doi: 10.1360/SSI-2022-0137
Mingyao CUI, Jingbo TAN, Linglong DAI. Wideband hybrid precoding for THz massive MIMO with angular spread. Sci Sin Inform, 2023, 53(4): 772-786, doi: 10.1360/SSI-2022-0137

通信 通信信号处理 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

基于星间协作的低轨卫星物联网鲁棒预编码设计

褚建杭, 陈晓明
中国科学: 信息科学, 2023, 53(2): 387-401

摘要 随着物联网的广泛应用,地面物联网已经难以满足海量广域分布设备的接入需求,亟需研究低地球轨道(low-earth orbit, LEO)卫星物联网(satellite Internet of Things, SIoT). LEO-SIoT网络为了实现全球无缝覆盖,会使用几十颗甚至上千颗低轨卫星组成一个卫星星座,但这也造成了严重的星间干扰.本文提出一种结合非正交多址接入(non-orthogonal multiple acces, NOMA)和多波束预编码技术的LEO-SIoT网络,可以支持海量设备接入并抑制波束间和卫星间干扰.然而,卫星获取的信道状态信息(channel state information, CSI)具有信道误差,导致传统的预编码方法无法起到抑制干扰的作用.因此,本文首先以低轨卫星物联网的总功耗为目标函数,并以物联网设备所需速率阈值的中断概率为约束建立星间联合鲁棒预编码优化问题;其次,利用二阶泰勒展开、伯恩斯坦不等式(Bernstein-type inequality, BTI)和惩罚函数等数学方法将原问题转化为近似等效的二阶锥规划(second-order cone program, SOCP)问题;最后,本文提出了一种鲁棒预编码算法来解决SOCP问题.大量仿真结果证明了该算法的有效性和鲁棒性.

关键词 低轨卫星物联网; 鲁棒预编码; 非正交多址接入; 星间协作; LEO satellite IoT; robust precoding; non-orthogonal multiple access; inter-satellite cooperation;

引用格式 褚建杭, 陈晓明. 基于星间协作的低轨卫星物联网鲁棒预编码设计. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(2): 387-401, doi: 10.1360/SSI-2022-0069
Jianhang CHU, Xiaoming CHEN. Robust precoding design for inter-satellite cooperation-based low-earth orbit satellite Internet of Things. Sci Sin Inform, 2023, 53(2): 387-401, doi: 10.1360/SSI-2022-0069

通信 通信信号处理 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

基于多域判别核典型相关分析的辐射源指纹特征融合方法

孙丽婷, 王翔, 黄知涛
中国科学: 信息科学, 2023, 53(1): 146-163

摘要 辐射源个体识别(specific emitter identification, SEI)是指通过提取信号中蕴含的有关其发射来源的硬件指纹信息,来实现对特定信号辐射源的精确识别. SEI技术的关键在于指纹特征的提取.相关研究大多侧重于定义和提取新的指纹特征,较少关注对已有特征的综合利用问题.鉴于不同分析域的特征对辐射源指纹的描述存在互补性,本文提出一种基于多域判別核典型相关分析(multi-domain discriminant kernel canonical correlation analysis, MDKCCA)的辐射源指纹多域特征融合方法,充分利用特征的标签信息以及特征间的互补性,在高维空间完成多域特征的降维与融合.以4个特征分析域8种常见指纹特征为依托,在4种不同类型的实测数据集上验证了算法的性能.结果证明,该方法无需人工特征寻优环节,可大幅降低融合特征的维度,对4类目标的准确识别率均达到95%以上,优于最优单一特征,同时优于基于直接级联或基于PCA (principal component analysis)降维变换的简单特征综合方法、基于神经网络的特征综合方法,以及基于判别相关分析(discriminant canonical correlation,DCA)等方法的特征融合方法.

关键词 辐射源个体识别; 特征融合; 多域辐射源指纹特征; 典型相关分析; 特征提取; specific emitter identification(SEI); feature fusion; multi-domain radio frequency fingerprint feature; canonical correlation analysis(CCA); feature extraction;

引用格式 孙丽婷, 王翔, 黄知涛. 基于多域判别核典型相关分析的辐射源指纹特征融合方法. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(1): 146-163, doi: 10.1360/SSI-2021-0197
Liting SUN, Xiang WANG, Zhitao HUANG. Radio frequency fingerprinting feature fusion based on multi-domain discriminant kernel canonical correlation analysis. Sci Sin Inform, 2023, 53(1): 146-163, doi: 10.1360/SSI-2021-0197

通信 通信信号处理 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

复杂场景下目标协同智能检测专题

基于地球高程信息的运动辐射源时差频差无源定位算法

裴禹豪, 张敏, 郭福成, 王垚
中国科学: 信息科学, 2022, 52(11): 1974-1991

摘要 本文研究利用时差频差以及地球高程信息对运动辐射源的定位测速问题.针对高程信息精确已知的情况,提出一种鲁棒迭代约束加权最小二乘法RICWLS-noAE (robust iterative constrained weighted least squares without altitude error).方法通过引入多个辅助变量将测量方程伪线性化,而后根据加权最小二乘准则构建含4个二次约束的代价函数,最后通过将二次约束近似成伪线性约束的方式迭代求解出辐射源的位置和速度.当高程信息存在误差时,对算法进行拓展,提出RICWLS-AE(robust iterative constrained weighted least squares under altitude error)以解决对运动辐射源定位测速问题.数值仿真表明本文所提RICWLS-noAE法的定位和测速性能要好于现有的两步加权最小二乘法,并且RICWLS-AE方法在中等信噪比下也能达到CRLB.

关键词 无源定位; 运动辐射源; 时差; 频差; 高程信息; passive localization; moving source; time difference of arrival; frequency difference of arrival; altitude knowledge;

引用格式 裴禹豪, 张敏, 郭福成, 等. 基于地球高程信息的运动辐射源时差频差无源定位算法. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(11): 1974-1991, doi: 10.1360/SSI-2021-0423
Yuhao PEI, Min ZHANG, Fucheng GUO, et al. Moving source localization using TDOA and FDOA measurements in the presence of altitude knowledge. Sci Sin Inform, 2022, 52(11): 1974-1991, doi: 10.1360/SSI-2021-0423

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复杂场景下目标协同智能检测专题

针对超视距短波辐射源的测角与测时差协同定位方法

王鼎, 尹洁昕, 朱中梁
中国科学: 信息科学, 2022, 52(11): 1942-1973

摘要 对短波超视距辐射源进行定位在国防安全领域具有重要意义.短波多站定位体制包括测角交汇定位和测时差交汇定位,它们在性能上各有优劣.为了结合这两种定位技术的优势,本文研究短波测角与测时差协同定位问题.首先,在超视距传播场景下依次构建二维波达方向(direction-of-arrival,DOA)和到达时差(time-difference-of-arrival, TDOA)非线性观测模型;然后,在电离层虚高先验观测误差存在下推导定位精度的克拉美罗下界(Cramér-Rao lower bound, CRLB);接着,针对超视距观测方程的强非线性特征,提出一种基于DOA/TDOA观测量的短波协同定位方法;最后,利用一阶误差分析方法证明所提方法的渐近统计最优性.该方法包含两个阶段:阶段1通过引入辅助变量并求解一元二次方程得到短波DOA伪线性观测方程,基于此构建含双重二次等式约束的优化模型,并提出一种基于矩阵QR分解的迭代优化算法,用于获得辐射源位置中间估计值;阶段2利用该估计值构建短波TDOA伪线性观测方程,并提出基于矩阵分解的迭代型约束加权最小二乘估计器,以确定最终定位结果.仿真实验结果表明,所提的协同定位方法具有较好的全局收敛性,其定位性能可达到CRLB,并能获得较高的协同增益.

关键词 无线定位; 短波辐射源; 波达方向; 到达时差; 克拉美罗下界; QR分解; 理论性能分析; wireless positioning; shortwave emitter; direction-of-arrival(DOA); time-difference-of-arrival(TDOA); Cramér-Rao lower bound(CRLB); QR decomposition; theoretical performance analysis;

引用格式 王鼎, 尹洁昕, 朱中梁. 针对超视距短波辐射源的测角与测时差协同定位方法. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(11): 1942-1973, doi: 10.1360/SSI-2021-0331
Ding WANG, Jiexin YIN, Zhongliang ZHU. Novel cooperative localization method of over-the-horizon shortwave emitters based on direction-of-arrival and time-difference-of-arrival measurements. Sci Sin Inform, 2022, 52(11): 1942-1973, doi: 10.1360/SSI-2021-0331

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频谱共生干扰主动抑制技术研究

郭文博, 林朗, 赵宏志, 唐友喜
中国科学: 信息科学, 2022, 52(10): 1915-1928

摘要 针对频谱共生无线通信系统,提出了一种主动式共生干扰抑制架构.在此基础上,以残余接收功率最小化为目标,提出了一种频谱共生干扰的时幅相三维联合抑制算法,其主动利用频谱共生无线通信系统中发射电磁波的信号特征,在时、幅、相3个维度对共生干扰进行调整、重建和抑制.理论和仿真分析表明,所提架构和算法可以将共生干扰抑制到底噪水平,并且具有较低的空间复杂度和时间复杂度.

关键词 频谱共生; 干扰抑制; 联合搜索; 复杂度; 残余功率; spectrum symbiotic; interference cancellation; joint search; complexity; residual power;

引用格式 郭文博, 林朗, 赵宏志, 等. 频谱共生干扰主动抑制技术研究. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(10): 1915-1928, doi: 10.1360/SSI-2021-0160
Wenbo GUO, Lang LIN, Hongzhi ZHAO, et al. Research on the active cancellation technology of spectrum symbiotic interference. Sci Sin Inform, 2022, 52(10): 1915-1928, doi: 10.1360/SSI-2021-0160

通信 通信信号处理 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

RS-LDPC概率联合译码算法

孙怡宁, 黄秋, 胡剑浩, 康凯
中国科学: 信息科学, 2022, 52(5): 922-933

摘要 现有的译码方案中,由于复杂度问题, LDPC码多使用部分并行译码架构,难以满足高速、超高速应用; RS码多采用硬判决译码算法.因此,对于RS-LDPC级联码译码在复杂度和性能上有进一步优化的空间.本文基于概率计算的思想提出了RS-LDPC概率联合迭代译码算法.该算法继承了概率LDPC译码器的低复杂度优势和概率RS译码算法可采用硬译码器逼近软译码性能的特点,同时通过联合迭代译码架构改善了译码性能.为此,我们设计了一种基于LDPC概率值的测试向量产生方法和一种新颖的应用于概率LDPC译码器的变量节点结构的附加外信息生成机制.仿真结果表明,在误比特率为10-6处,我们提出的算法与使用浮点BP和BM硬判决译码的RS-LDPC级联译码方案相比,可以获得0.3 d B的增益;其实现复杂度为一个概率LDPC译码器和多个RS硬译码器的复杂度;译码时延由概率LDPC译码器时延决定.因此,本文提出的联合译码算法具有很好的应用价值.

关键词 RS码; LDPC码; 概率计算; 联合迭代译码; RS codes; LDPC codes; stochastic computing; joint iterative decoding;

引用格式 孙怡宁, 黄秋, 胡剑浩, 等. RS-LDPC概率联合译码算法. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(5): 922-933, doi: 10.1360/SSI-2020-0325
Yining SUN, Qiu HUANG, Jianhao HU, et al. RS-LDPC stochastic joint decoding algorithm. Sci Sin Inform, 2022, 52(5): 922-933, doi: 10.1360/SSI-2020-0325

通信 通信信号处理 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 9

面向智能体的语义通信: 架构与范例

张亦弛, 张平, 魏急波, 赵海涛, 熊俊, 张姣
中国科学: 信息科学, 2022, 52(5): 907-921

摘要 语义通信关注的是语义的准确传递,而不是数据或通信符号的准确传输,因此可以达到用更低的通信量实现更高效信息交互的目标,是适用于智能体交互的高效通信机制.本文分析总结了与语义通信紧密相关的一些研究工作,探讨了一种面向智能体的语义通信架构,并分析了该架构下各模块的功能;进一步,从有效性和可靠性两个方面分析了语义通信性能的指标和评估方法;最后,通过一个范例来说明语义通信的实现过程,证明其相较于传统通信方式可以显著降低通信量.

关键词 语义通信; 智能体通信; 语义相似度; 语义编码; 语义译码; semantic communication; intelligent communication; semantic similarity; semantic coding; semantic decoding;

引用格式 张亦弛, 张平, 魏急波, 等. 面向智能体的语义通信: 架构与范例. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(5): 907-921, doi: 10.1360/SSI-2020-0379
Yichi ZHANG, Ping ZHANG, Jibo WEI, et al. Semantic communication for intelligent devices: architectures and a paradigm. Sci Sin Inform, 2022, 52(5): 907-921, doi: 10.1360/SSI-2020-0379

通信 通信信号处理 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

纪念清华大学电子工程系成立70周年专刊

一种面向商用接收机的GNSS欺骗干扰源测向方法

王仲潇, 李洪, 周子恒, 陆明泉
中国科学: 信息科学, 2022, 52(4): 658-674

摘要 随着全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)应用的日益广泛和欺骗攻击威胁的日益加剧,针对商用接收机开展反欺骗研究是十分必要和迫切的.本文提出了一种面向商用接收机的GNSS欺骗干扰源测向方法.该方法利用水平面内运动接收机提供的多普勒(Doppler)观测量和钟漂解算信息构造双差观测量,计算提取了由接收机运动产生的多普勒信息,并利用该信息实现欺骗干扰源测向.本文给出了欺骗源方位角和仰角测量的最大似然估计(maximum likelihood estimation,MLE)方法,推导了克拉美罗下界(Cramer-Rao lower bound, CRLB),分析了影响角度估计性能的因素,并通过外场试验验证了所提方法的有效性.

关键词 全球导航卫星系统; 欺骗攻击; 波达方向; 多普勒; 最大似然估计; GNSS; spoofing; DOA; Doppler; MLE;

引用格式 王仲潇, 李洪, 周子恒, 等. 一种面向商用接收机的GNSS欺骗干扰源测向方法. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(4): 658-674, doi: 10.1360/SSI-2021-0399
Zhongxiao WANG, Hong LI, Ziheng ZHOU, et al. A direction finding method of the GNSS spoofer for commercial receivers. Sci Sin Inform, 2022, 52(4): 658-674, doi: 10.1360/SSI-2021-0399

通信 通信信号处理 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

室内空气质量物联网部署、优化和数据预测

张楠, 白子轩, 张泓亮, 宋令阳
中国科学: 信息科学, 2022, 52(1): 160-175

摘要 调查研究显示,城市地区人们平均有超过70%的时间在室内度过,因此良好的室内空气质量及其实时信息对维持健康和生产力至关重要.本文使用低成本物联网传感器网络对室内健身房空气质量进行监测,研究了电量受限的传感器网络位置部署和能量控制优化问题.为了提高测量数据的有效性,使用模拟退火算法寻找最优的部署位置;为了提高能量利用率,使用动态规划算法合理规划传感器的感知策略;为了获得室内空气质量的变化趋势,使用LSTM网络对室内空气质量进行预测,并使用遗传算法对网络超参数进行优化.通过仿真评估所提出的解决方案的性能,显示当联合采用位置部署和能量优化策略时,性能显著提升,预测算法可以对未来的空气质量进行有效预测.

关键词 空气质量; 物联网; 位置部署; 能量优化; 数据预测; air quality; Internet of Things; location deployment; energy optimization; data prediction;

引用格式 张楠, 白子轩, 张泓亮, 等. 室内空气质量物联网部署、优化和数据预测. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(1): 160-175, doi: 10.1360/SSI-2021-0075
Nan ZHANG, Zixuan BAI, Hongliang ZHANG, et al. Deployment, optimization and data prediction of Internet of Things for indoor air quality. Sci Sin Inform, 2022, 52(1): 160-175, doi: 10.1360/SSI-2021-0075

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6G专项研究进展专刊

面向6G网络的高可靠低延时通信计算与控制

牛志升
中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 1267-1282

摘要 未来6G网络的业务主体将转变为赋能千行百业的智能物联网应用,因此在提供高可靠低延时通信(ultra-reliable and low-latency communications, u RLLComm)的同时,还要实现高可靠低延时的智能计算(uRLLComp)与智能控制(uRLLCtrl)(以下简称uRLLC3).这对于传输环境、业务需求与网络资源配置均高度动态变化的移动网络来讲是一个巨大挑战.本文面向6G时代的智慧网联与网联智能,从排队论中几个超越直觉的定理出发,尝试为u RLLC3的实现提供一些有益启示,并系统地给出实现高可靠低延时通信、计算与控制的理论与方法.同时,以未来智慧网联汽车的智能控制为例,在描述信息新鲜度的信息年龄(age-of-information, AoI)性能指标的基础上,提出一种新的信息时效性表征指标——信息紧迫度(urgency-of-information, UoI),并在此基础上给出几种UoI意义上最优的移动终端调度与控制算法,验证所提UoI指标的有效性.

关键词 移动通信; 6G; 高可靠低延时; 车联网; 信息年龄; 信息时效性; mobile communication; ultra-reliable and low-latency; vehicular network; age of information; information timeliness

引用格式 牛志升. 面向6G网络的高可靠低延时通信计算与控制. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 1267-1282, doi: 10.1360/SSI-2023-0336
Zhisheng NIU. uRLLC3: ultra-reliable and low-latency communication, computing, and control for 6G networks. Sci Sin Inform, 2024, 54(5): 1267-1282, doi: 10.1360/SSI-2023-0336

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6G专项研究进展专刊

6G移动信息网络架构:从通信到一切皆服务的变迁

刘光毅, 张慧敏, 佟舟, 李娜, 陈天骄, 华美慧, 刘超, 彭程晖, 艾明, 崔琪楣, 潘志文
中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 1236-1266

摘要 5G与大数据、云计算和AI等技术的融合正在赋能千行百业的数字化转型,加速整个社会走向数字化和智慧化.面向2030年,社会发展的愿景将是“数字孪生、智慧泛在”,更加差异化和碎片化的业务场景将对移动通信网络提出全新的挑战,未来网络将从提供信息传输服务,拓展到信息感知、传输、存储、处理、利用等全过程服务,实现从传统通信网络向移动信息网络的重大转变.为了高效实现这一转变, 6G网络将通过通信、感知、大数据、计算、AI和安全等多领域技术的跨界融合,实现柔性、按需服务、至简、智慧内生、数字孪生和安全内生的网络设计,带来“按需服务”和“一切皆服务”的范式转变.本文从面向2030年的新应用需求、新技术趋势,以及5G网络面临的问题与挑战出发,分析6G网络发展的三大驱动力,提出6G网络架构的整体设计思路,并设计了“三层六面” 6G网络逻辑功能架构和实际部署架构,打造一站式提供通信、感知、计算、AI、大数据和安全等服务的全新能力,全面提升6G网络的业务和场景适应能力,实现面向全行业、全场景、全生态的按需服务,在有效解决5G网络面临的高成本、高功耗、操作和维护难等主要问题的同时,全面赋能“数字孪生、智慧泛在”社会发展愿景的实现.

关键词 6G; 网络架构; 柔性至简; 按需服务; 智慧内生; 数字孪生; 安全内生; network architecture; soft and lite network; on-demand service; native AI; digital twin; native security

引用格式 刘光毅, 张慧敏, 佟舟, 等. 6G移动信息网络架构:从通信到一切皆服务的变迁. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 1236-1266, doi: 10.1360/SSI-2023-0339
Guangyi LIU, Huimin ZHANG, Zhou TONG, et al. 6G mobile information network architecture: migrate from communication to XaaS. Sci Sin Inform, 2024, 54(5): 1236-1266, doi: 10.1360/SSI-2023-0339

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6G专项研究进展专刊

太赫兹通信感知一体化技术综述

陈智, 刘轲, 李玲香, 陈思思, 陈文荣, 王珍, 张波
中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 1215-1235

摘要 太赫兹通信具有频谱资源丰富、传输速率高、保密性强、易实现通信感知一体化等优势,在6G通信和空间通信等方面都具有重要的应用前景.然而,太赫兹频段的器件机理和传播特性迥异于微波频段:一是太赫兹波与现有器件材料的互作用效率较低,二是通信和感知的波形体制相互矛盾,三是太赫兹波传播的粒子效应突出.这些差异使得太赫兹通信感知一体化面临信号高效调控难、信号处理复杂度高、移动接入和覆盖受限3个难题.针对如何突破这些难题,本文将从系统架构、射频前端、波形产生、信号处理、组网的角度出发,介绍太赫兹通信感知一体化的背景、概念、特征、面临的挑战、需要解决的关键问题、一些研究进展,以及未来研究方向.

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; Terahertz communications; joint sensing and communications; integrated system architecture; integrated waveform; integrated networking

引用格式 陈智, 刘轲, 李玲香, 等. 太赫兹通信感知一体化技术综述. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 1215-1235, doi: 10.1360/SSI-2023-0354
Zhi CHEN, Ke LIU, Lingxiang LI, et al. Survey of Terahertz integrated communication and sensing technology. Sci Sin Inform, 2024, 54(5): 1215-1235, doi: 10.1360/SSI-2023-0354

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6G专项研究进展专刊

6G星地融合移动通信关键技术

陈山枝, 孙韶辉, 康绍莉, 徐晖, 苏厉, 张晓燕, 胡博, 张伟, 虞志刚
中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 1177-1214

摘要 星地融合移动通信朝着“5G体制兼容、6G系统融合”的技术路径发展, 6G星地融合可以充分发挥卫星通信和地面移动通信各自的优势,极大地提高网络的覆盖能力和系统性价比,实现全球立体覆盖的目标.本文概述了星地融合移动通信发展背景与趋势,分析了6G星地融合移动通信需求与技术挑战,针对无线传输效率低、网络架构设计复杂、移动性管理难、网络质量保障难等系列问题,从无线传输、网络架构、资源管控和移动性管理、天基计算、频谱共享等多个方面开展6G星地融合移动通信关键技术研究.针对各关键技术,首先分析发展现状,然后提出创新技术,并开展相应的性能评估验证其有效性.

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; integrated satellite-terrestrial mobile communication; multi-beam coordination; flexible and configurable network architecture; frequency sharing; mobility management; space-based computing

引用格式 陈山枝, 孙韶辉, 康绍莉, 等. 6G星地融合移动通信关键技术. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 1177-1214, doi: 10.1360/SSI-2023-0348
Shanzhi CHEN, Shaohui SUN, Shaoli KANG, et al. Key technologies for 6G integrated satellite-terrestrial mobile communication. Sci Sin Inform, 2024, 54(5): 1177-1214, doi: 10.1360/SSI-2023-0348

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6G专项研究进展专刊

6G无线覆盖扩展技术

许晓东, 韩书君, 赵芸, 王静贤, 何睿斯, 王德胜, 侯延昭, 费泽松, 张雪菲, 侯利明, 郭婧, 艾渤, 牛勇, 熊轲, 王方刚, 章嘉懿, 沈霞, 杜滢, 刘玲, 杜清河, 王碧舳, 孙梦颖, 张静璇, 谭力
中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 1144-1176

摘要 根据国际电信联盟关于IMT-2030愿景,第6代移动通信系统(the 6th generation mobile networks, 6G)的覆盖服务需求将从单场景覆盖向多场景覆盖扩展, 6G基础设施的部署也将逐步从2D覆盖向3D覆盖扩展、从局部覆盖向全球覆盖扩展、从中低频段融合使用向更高频段按需开启.上述需求使得6G在提升容量的同时,需要进一步考虑无线覆盖扩展需求.本文针对如何在6G网络结构时空尺度跨度大、全场景业务需求差异大、超密集覆盖能耗大等关键挑战下实现容量和能效约束下的覆盖能力扩展这一重大科学问题,首先提出了面向6G无线覆盖扩展的智能柔性组网架构;其次研究了面向6G无线覆盖扩展的关键技术,包括面向6G广域覆盖的多维立体空天地覆盖扩展技术、面向深度覆盖的超密集异构覆盖扩展技术和面向6G平滑度覆盖的超高速移动覆盖扩展技术;接着分析了基于语义通信的覆盖扩展技术;最后给出了6G全场景无线覆盖扩展仿真验证,通过定义6G无线覆盖扩展技术指标体系,进行了典型场景的覆盖性能仿真验证.

关键词 6G; 无线覆盖扩展; 组网架构; 关键技术; 指标体系; wireless coverage extension; networking architecture; key technologies; metrics

引用格式 许晓东, 韩书君, 赵芸, 等. 6G无线覆盖扩展技术. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 1144-1176, doi: 10.1360/SSI-2023-0346
Xiaodong XU, Shujun HAN, Yun ZHAO, et al. 6G wireless coverage extension technologies. Sci Sin Inform, 2024, 54(5): 1144-1176, doi: 10.1360/SSI-2023-0346

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6G专项研究进展专刊

6G信道新特性与建模研究:挑战、进展与展望

张建华, 王珩, 张宇翔, 唐盼, 于力, 许慧鑫, 刘亚萌, 刘西曼, 巩汇文, 田磊
中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 1114-1143

摘要 随着第六代移动通信(the six generation, 6G)的前沿研究在全球范围内陆续开展,工业界和学术界提出了多种新技术、新频段和新应用,如通信感知一体化(integrated sensing and communication,ISAC)、超大规模多输入多输出天线阵列(extra-large-scale massive multiple-input multiple-output, XLMIMO)、多频段通信、可重构智能超表面(reconfigurable intelligent surface, RIS)和空–天–地–海通信等,旨在提供更高速率、更低时延、更广覆盖的高可靠移动通信服务.信道是移动通信系统收发端之间信号承载的媒介,其深入的传播特性发现与精确的建模对6G系统的研发、评估和优化至关重要.因此本文首先回顾了第一代到第五代移动通信的信道研究发展趋势,指出了多频段、多场景和多种新技术趋势下6G信道研究面临的挑战.随后,详细总结了6G信道新特性研究的最新进展,包括ISAC信道的共享性、XL-MIMO信道的近场和空间非平稳性、RIS信道的级联特性,以及多频段信道频率依赖性等.然后,本文提出了一种面向6G标准的扩展几何统计性信道模型,将所发现的信道新特性纳入统一建模框架,所提模型后向兼容主流的高精度5G标准模型,便于代际更迭的信道仿真器实现.最后,指出了面向6G演进的信道特性与建模方法研究有待深入的问题,并聚焦6G网络自治化的未来愿景,展望了一种基于环境感知重构和人工智能预测技术的信道数字孪生新范式.

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; channel measurement; channel characteristics; channel modeling; artificial intelligence; AI; digital twin; integrated sensing and communication; extra-large-scale massive MIMO; reconfigurable intelligent surface; space-air-ground-sea communication

引用格式 张建华, 王珩, 张宇翔, 等. 6G信道新特性与建模研究:挑战、进展与展望. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 1114-1143, doi: 10.1360/SSI-2023-0355
Jianhua ZHANG, Heng WANG, Yuxiang ZHANG, et al. Channel characteristics and modeling research for 6G: challenges, progress, and prospects. Sci Sin Inform, 2024, 54(5): 1114-1143, doi: 10.1360/SSI-2023-0355

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6G专项研究进展专刊

6G无线空口传输技术研究进展与展望

杨刚华, 何高宁, 陈睿荣, 张朝阳, 杨照辉, 刘荣科, 杨涛, 陈达, 苏昕, 孙韶辉, 宋令阳, 曾书豪, 马啸, 蔡穗华, 王千帆, 白宝明, 李南希, 江甲沫
中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 1078-1113

摘要 自20世纪80年代以来,移动通信已彻底改变世界,对人们的生活产生了深远影响.在5G成功商用的今天,人们又开始思考6G会是什么样子.作为下一代移动通信系统, 6G不仅在频谱效率、时延、可靠性等通信KPI指标上提出了更高的要求,其内涵也将涉及人工智能、感知等新元素,远超传统意义上移动通信的范畴.为了实现6G愿景,迫切需要业界研究与之相适应的先进无线技术方案.本文重点介绍了6G无线空口多个研究方向的技术趋势和进展,包括信道编码技术、多址和波形技术、智能超表面技术、智能MIMO (multiple input multiple output)技术等,提出并初步验证了一系列创新技术点,如便车码、格码多址等.这些创新技术的提出,对6G愿景和KPI指标的实现起到有力的支撑作用.

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; channel coding; multiple access; waveform; intelligent metasurface; intelligent MIMO

引用格式 杨刚华, 何高宁, 陈睿荣, 等. 6G无线空口传输技术研究进展与展望. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 1078-1113, doi: 10.1360/SSI-2023-0331
Ganghua YANG, Gaoning HE, Ruirong CHEN, et al. Progress and prospect of 6G wireless air-interface transmission technology research. Sci Sin Inform, 2024, 54(5): 1078-1113, doi: 10.1360/SSI-2023-0331

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6G专项研究进展专刊

面向超可靠低时延通信的有限块长MIMO传输理论与技术

沈弘, 朱鹏程, 刘平川, 孙羿, 李至诚, 张睿, 许威, 尤肖虎
中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 1055-1077

摘要 超可靠低时延通信是5G及未来6G无线通信系统的重要组成部分.针对该类通信场景,如何从MIMO传输的角度实现时延和可靠性的最佳折中,是近年来备受关注的一项研究课题.由于现有基于长包假设的经典MIMO传输体系难以满足系统对于时延和可靠性的严苛要求,亟需研究更具挑战性的有限块长MIMO传输理论和技术.本文围绕有限块长MIMO信息论、发射机以及接收机设计的已有研究工作进行全面总结,并重点介绍二维空时信道编码以及MIMO一体化接收机等新型技术,为显著提升超可靠低时延通信的性能提供指导.另外,本文简要介绍了作者所在课题组搭建的MIMO超可靠低时延试验验证平台,为后续相关理论与算法的验证奠定试验基础.

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; ultra-reliable and low-latency communication; URLLC; finite blocklength; MIMO transmission; 2D space-time channel coding; integrated MIMO receiver; MIMO

引用格式 沈弘, 朱鹏程, 刘平川, 等. 面向超可靠低时延通信的有限块长MIMO传输理论与技术. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 1055-1077, doi: 10.1360/SSI-2023-0324
Hong SHEN, Pengcheng ZHU, Pingchuan LIU, et al. Finite blocklength MIMO transmission for URLLC: theory and technique. Sci Sin Inform, 2024, 54(5): 1055-1077, doi: 10.1360/SSI-2023-0324

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6G专项研究进展专刊

6G全场景按需服务:愿景、技术与展望

承楠, 陈芳炯, 陈文, 程志密, 杨清海, 李长乐, 沈学民
中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 1025-1054

摘要 6G移动通信系统面临着复杂动态的网络,其多样化的场景和个性化的需求为网络服务的提供和价值的实现带来了极大挑战.因此, 6G网络应转向“以服务为中心”的新范式,综合运用先进网络技术和多维网络资源在全域全场景实现按需服务.本文对6G全场景按需服务研究展开综述,首先对按需服务的必要性进行说明,梳理了全场景按需服务的研究价值;然后对其内涵、挑战和机遇进行了阐述;接着对于6G全场景按需服务的架构和关键技术进行了分析;最后展望了6G全场景按需服务的前景和潜在研究方向.

关键词 6G; 全场景按需服务; 知识; 意图驱动网络; 人工智能; omni-scenario on-demand service provision; knowledge; intent-driven networks; AI

引用格式 承楠, 陈芳炯, 陈文, 等. 6G全场景按需服务:愿景、技术与展望. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 1025-1054, doi: 10.1360/SSI-2023-0323
Nan CHENG, Fangjiong CHEN, Wen CHEN, et al. 6G omni-scenario on-demand services provisioning: vision, technology and prospect. Sci Sin Inform, 2024, 54(5): 1025-1054, doi: 10.1360/SSI-2023-0323

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6G专项研究进展专刊

6G智能业务网络:愿景、架构与关键技术

廖建新, 戚琦, 王敬宇, 王晶, 庄子睿
中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 991-1024

摘要 移动通信业务网络负责基础网络与业务应用之间的适配. 5G以前的业务网络是在建好基础网络以后,通过叠加逻辑网络方式构建. 6G时代,“场景驱动”将成为移动通信发展的主要演进范式,业务网络的重要性更加突出. 6G业务网络应与基础网络同步规划和建设,由6G全场景驱动设计,实现全场景全域按需服务.传统业务网络仅从独立视角设计安全认证、网络控制和能力开放等机制,难以实现细粒度、动态资源管控,无法高效适配6G全场景业务应用.为此,本文基于国家首批6G重点研发计划专项“全场景按需服务关键技术”项目成果与当前学术研究进展,梳理和总结了6G网络按需服务的挑战、6G智能业务网络的愿景和总体架构设计,设计了涵盖资源接入、能力开放与场景解析3个层次以及安全内生、智能内生和协作共享3个关键管控平面的6G智能业务网络,实现对全域资源的细粒度智能管控.最后结合大模型、元宇宙、绿色节能等技术与通信网络深度融合的趋势,展望了6G智能业务网络更加广阔的应用发展空间.

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; service network; on-demand services; full-scenario; native intelligence; collaboration and sharing; large foundation model

引用格式 廖建新, 戚琦, 王敬宇, 等. 6G智能业务网络:愿景、架构与关键技术. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 991-1024, doi: 10.1360/SSI-2023-0328
Jianxin LIAO, Qi QI, Jingyu WANG, et al. 6G intelligent service networking: vision, architecture, and key technologies. Sci Sin Inform, 2024, 54(5): 991-1024, doi: 10.1360/SSI-2023-0328

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6G专项研究进展专刊

6G专项研究进展专刊序

尤肖虎
中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 989-990
引用格式 尤肖虎. 6G专项研究进展专刊序. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(5): 989-990, doi: 10.1360/SSI-2024-0139

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面向"双碳"的移动通信系统与方法专题

面向无线网-能源互联网双网融合系统的碳效用评估指标

黄朋博, 余涛, 郑嘉怡, 张舜卿, 陈小静
中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 803-816

摘要 随着国家“双碳战略”的稳步推进,无线通信领域缺少合理评估碳效用的相关指标,而传统的碳效用评估指标无法满足变化愈加剧烈的网络流量和网络部署、运维的特点.针对上述问题以及无线通信网–能源互联网双网融合的新趋势,本文提出了面向双网融合系统的集成相对碳效用指标(integrated relative carbon efficiency, IRCE).该指标不仅可以反映无线通信网络的容量和流量在时空上的动态变化,而且能够准确反映能源互联网的各个单元对双网融合系统的碳效用的影响.实验证明,所提出的集成相对碳效用指标不仅可以评估双网融合系统的碳效用水平,还可以反映能源供给侧不同的电能调度方式对碳效用的影响.

关键词 碳效用评估; 无线网络; 能源互联网; 双网融合; 虚拟电厂; carbon efficiency evaluation; wireless network; energy Internet; joint dual network; virtual power plant

引用格式 黄朋博, 余涛, 郑嘉怡, 等. 面向无线网-能源互联网双网融合系统的碳效用评估指标. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 803-816, doi: 10.1360/SSI-2023-0255
Pengbo HUANG, Tao YU, Jiayi ZHENG, et al. Novel carbon efficiency metric for integrated wireless and energy network system. Sci Sin Inform, 2024, 54(4): 803-816, doi: 10.1360/SSI-2023-0255

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面向"双碳"的移动通信系统与方法专题

基于随机几何分布的新能源蜂窝网碳排放优化研究

李嘉宸, 李昆, 艾小猛, 钟祎, 葛晓虎
中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 788-802

摘要 随着无线通信系统中用户数量和通信数据量的不断增加,通信系统所消耗的能源量也在急剧增长,为了实现可持续发展并达成绿色通信目标,将可再生能源与电网能源相结合,并采用多源供电方式为蜂窝通信系统供电,成为一种具有前景的解决方案.本论文旨在针对实际场景下的太阳能生产情况,基于随机几何理论,建立精确的基站能耗模型以及新能源捕获模型.进一步,提出了一种基于非平衡最优传输的启发式基站间新能源调度算法,以达到提高新能源利用率,降低网络碳排放率的效果.该算法有效降低了通信系统对电网能源的依赖,为新能源移动通信基站的节能减排探索提供了有益的参考.

关键词 蜂窝网络; 可再生能源; 随机过程; 非平衡最优运输; 能源共享; cellular networks; renewable energy sources; stochastic processes; unbalanced optimal transport; cooperative energy sharing

引用格式 李嘉宸, 李昆, 艾小猛, 等. 基于随机几何分布的新能源蜂窝网碳排放优化研究. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 788-802, doi: 10.1360/SSI-2023-0291
Jiachen LI, Kun LI, Miaomeng AI, et al. Carbon emission optimization in renewable powered cellular networks based on stochastic geometric distribution. Sci Sin Inform, 2024, 54(4): 788-802, doi: 10.1360/SSI-2023-0291

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面向"双碳"的移动通信系统与方法专题

移动通信使能其他行业碳减排的定量评估:指标、方法和案例

张四海, 崔婵, 孙宏宇, 曾勇梅, 朱江, 朱近康
中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 777-787

摘要 随着新一代信息通信技术(information and communication technologies, ICT)的高速发展以及新基建的部署,移动通信系统的能耗和碳排放出现较快增长的趋势. ICT行业在自身节能减排之外,使能其他行业节能减排,可有效降低其他行业的碳排放,是未来理论研究行业应用的重要领域.本文基于ICT使能碳减排评估框架,提出两个定量衡量使能效果的指标,使能减碳比(enable carbon reduction ratio, ECRR)和使能低碳系数(enable carbon reduction coefficient, ECRC)以及相应的定量分析方法,用于评估被使能企业的实际碳减排效果.本文研究可保护数据隐私的多方数据共享,基于安全多方计算(secure multi-party computation, SMPC)框架,提出保护各方数据隐私的使能碳减排评估方法.本文通过实际案例,完成数据采集、分析验证,对所提指标和方法论证其有效性和实用性.

关键词 ICT使能; 碳减排量化评估; 隐私保护; 全生命周期碳足迹; 使能低碳系数; ICT enablement; quantitative evaluation of carbon reduction; privacy protection; life cycle assessment of carbon reduction; enable carbon reduction coefficient

引用格式 张四海, 崔婵, 孙宏宇, 等. 移动通信使能其他行业碳减排的定量评估:指标、方法和案例. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 777-787, doi: 10.1360/SSI-2023-0295
Sihai ZHANG, Chan CUI, Hongyu SUN, et al. Quantitative evaluation of carbon reduction enabled by mobile communication in other industries: indicators, methods, and cases. Sci Sin Inform, 2024, 54(4): 777-787, doi: 10.1360/SSI-2023-0295

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面向"双碳"的移动通信系统与方法专题

面向语义通信网络的能效跨层优化

余开文, 樊仁和, 苟文龙, 俞传航, 武刚
中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 758-776

摘要 语义通信关注传输信息的内在含义,通过语义提取可显著减少需要传输的数据量,提高通信效率,在未来智能设备通信场景中展现出巨大的潜力.然而,深度学习使能的语义编解码进一步加剧传统通信的能量消耗.针对该问题,本文提出一种联合跨层优化框架,并设计了一种语义能效指标来评估用户的体验质量和全局系统的能量损耗.将该优化过程建模为部分可观测的马尔可夫过程,联合优化物理层中的功率控制和语义层中的语义压缩配置:功率分配用于消除小区间干扰,语义压缩等级配置用于优化语义传输效率.仿真结果表明,所提框架和算法能够有效解决语义层和物理层的联合优化问题.

关键词 资源分配; 语义通信; 语义感知网络; 能量效率; 多智能体强化学习; resource allocation; semantic communications; semantic-aware network; energy efficiency; multiagent reinforcement learning

引用格式 余开文, 樊仁和, 苟文龙, 等. 面向语义通信网络的能效跨层优化. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 758-776, doi: 10.1360/SSI-2023-0283
Kaiwen YU, Renhe FAN, Wenlong GOU, et al. Cross-layer energy efficiency optimization for semantic communication networks. Sci Sin Inform, 2024, 54(4): 758-776, doi: 10.1360/SSI-2023-0283

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面向"双碳"的移动通信系统与方法专题

能量信息深度融合的移动网络架构及其技术挑战

周盛, 孙宇璇, 姜之源, 龚杰, 常征, 牛志升
中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 745-757

摘要 5G的大规模部署伴随着网络能耗呈指数级增长,与此同时,国家提出了“碳达峰”与“碳中和”的“双碳”目标,因此移动网络的节能减排已刻不容缓.然而,一方面随着人工智能等技术的发展,未来6G网络中计算类业务预期将迎来大幅增长;另一方面,实现绿色低碳需要提升可再生能源的利用率,但绿色新能源供能不稳难以保证服务质量.为应对以上挑战,本文提出一种能量与信息服务深度融合的低碳网络架构,通过构建一个协调异质资源的智能控制面,充分利用并调度移动网络中泛在的算力、通信和储能,在保证6G个性化业务服务质量要求的同时,以期大幅降低网络能耗与碳排放.本文同时还讨论了该架构下的调度机制设计以及可能的未来研究方向.

关键词 6G; 低碳; 节能; 通信计算融合; 绿色能源; low carbon; energy saving; communications and computing integration; green energy

引用格式 周盛, 孙宇璇, 姜之源, 等. 能量信息深度融合的移动网络架构及其技术挑战. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 745-757, doi: 10.1360/SSI-2023-0290
Sheng ZHOU, Yuxuan SUN, Zhiyuan JIANG, et al. Deep integration of the energy and information: network architecture and technology challenges. Sci Sin Inform, 2024, 54(4): 745-757, doi: 10.1360/SSI-2023-0290

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面向"双碳"的移动通信系统与方法专题

面向"双碳"目标的未来绿色移动通信技术

李建东, 张夏雨, 刘俊宇, 赵晨曦, 盛敏, 朱江
中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 721-744

摘要 由我国首次提出的“双碳”目标(即“碳达峰”与“碳中和”),是“十四五”规划中的重要布局,也是未来移动通信网络实现绿色、可持续发展的关键目标,更是奠定我国国际碳资产定价权与世界碳交易平台的基础.其中,实现绿色通信的难点在于保持业务量增长的同时,降低网络能耗及碳排放.本文从移动通信网络侧节能减排的角度和通信网与多能能源网融合架构的角度对绿色通信技术展开研究.研究结果表明,实现绿色通信技术的关键在于进行网络资源、能量资源与业务分布的相互匹配,而现有技术仅能实现网络资源与业务分布的单向匹配,或能量资源与业务分布的单向匹配.基于此,本文提出一种通信、感知和能量融合的原生绿色网络架构,该架构具备能量感知与业务感知能力,支持网络资源、能量资源与业务分布双向匹配方法,通过消除业务分布与能量分布的随机性与突发性,实现业务量持续增长的同时,显著降低移动通信网络侧耗能及碳排放.

关键词 双碳; 绿色通信; 双网融合; 绿色网络架构; 节能减排; carbon peaking; carbon neutrality; green communication; integration of communication network and energy network; green network architecture; energy saving and emission reducing

引用格式 李建东, 张夏雨, 刘俊宇, 等. 面向"双碳"目标的未来绿色移动通信技术. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 721-744, doi: 10.1360/SSI-2023-0287
Jiandong LI, Xiayu ZHANG, Junyu LIU, et al. Overview of future green mobile communication technologies oriented to the "carbon peaking" and "carbon neutrality" target. Sci Sin Inform, 2024, 54(4): 721-744, doi: 10.1360/SSI-2023-0287

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面向"双碳"的移动通信系统与方法专题

编者按

李建东, 朱近康, 易芝玲, 卢建民, 张朝阳
中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 719-720
引用格式 李建东, 朱近康, 易芝玲, 等. 编者按. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(4): 719-720, doi: 10.1360/SSI-2024-0084

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邻域感知的分布式智能边缘计算卸载和资源分配算法

李云, 张剑鑫, 姚枝秀, 夏士超
中国科学: 信息科学, 2024, 54(2): 413-429

摘要 随着大量计算密集型和时延敏感型任务的出现,利用移动边缘计算(mobile edge computing,MEC)来提高用户体验并降低系统能耗已成为研究热点.然而,在密集部署的MEC网络场景下,无线网络状态复杂的空间相关性和动态性给卸载方案的制定带来了严峻挑战.本文针对多基站多用户MEC网络场景,研究了一种智能协作的计算卸载和资源分配算法.首先,提出了卸载决策、信道分配、传输功率分配和计算资源分配的联合优化问题,旨在用户时延约束下最小化系统的能耗.其次,由于该问题是一个混合整数非线性规划问题,本文提出了一种基于图注意力网络的混合动作多智能体强化学习算法(graph attention network-based hybrid-action multi-agent reinforcement learning, Gat-HMARL),将基站作为智能体并配置该算法. Gat-HMARL算法通过图注意力网络捕捉无线网络状态之间潜在的空间相关性,使基站有选择性地关注邻域中其他基站的无线网络状态信息,从而学习更优的计算卸载和资源分配策略.最后,仿真结果表明Gat-HMARL与基准算法相比在性能上有明显提升.

关键词 移动边缘计算; 计算卸载; 资源分配; 多智能体强化学习; 图注意力网络; mobile edge computing; computing offloading; resource allocation; multi-agent reinforcement learning; graph attention network

引用格式 李云, 张剑鑫, 姚枝秀, 等. 邻域感知的分布式智能边缘计算卸载和资源分配算法. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(2): 413-429, doi: 10.1360/SSI-2023-0177
Yun LI, Jianxin ZHANG, Zhixiu YAO, et al. Neighborhood-aware distributed intelligent computing offloading and resource allocation for edge computing. Sci Sin Inform, 2024, 54(2): 413-429, doi: 10.1360/SSI-2023-0177

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基于多智能体协同的无人机簇群多域节能抗干扰通信

吴志娟, 林艳, 张一晋, 束锋, 李骏
中国科学: 信息科学, 2023, 53(12): 2511-2526

摘要 随着无人机网络向着集群化方向发展,无人机簇群通信面临恶意干扰电磁环境下频谱和能量资源不足以及环境部分可观测等问题.针对联合频谱域和功率域的无人机簇群抗干扰问题,以最小化长期传输能量损耗和跳频开销为优化目标,通过建立分布式部分可观测马尔可夫决策过程模型,构建基于多智能体协同的无人机簇群节能抗干扰通信框架.具体地,各簇头无人机作为智能体,利用长短时记忆神经网络的信息长期记忆优势,结合双深度Q学习方法,采用多智能体框架完成分布式训练,最终实现仅需各簇群本地观测信息即可完成协同多域节能抗干扰通信分布式决策.仿真结果表明,本文所提算法可适应部分可观测且未知动态变化的无人机簇群传输环境和干扰环境,相较于基准算法能更有效地降低长期传输能量损耗和跳频开销,且同时提升数据传输成功率.

关键词 无人机簇群; 多智能体强化学习; 部分可观测; 抗干扰通信; 节能; 信道分配; 功率分配; UAV clusters; multi-agent reinforcement learning; partial observability; anti-jamming communication; energy-saving; channel allocation; power allocation

引用格式 吴志娟, 林艳, 张一晋, 等. 基于多智能体协同的无人机簇群多域节能抗干扰通信. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(12): 2511-2526, doi: 10.1360/SSI-2023-0015
Zhijuan WU, Yan LIN, Yijin ZHANG, et al. Multi-agent collaboration based UAV clusters multi-domain energy-saving antijamming communication. Sci Sin Inform, 2023, 53(12): 2511-2526, doi: 10.1360/SSI-2023-0015

通信 无线通信 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

多维域低零功率通信

安建平, 丁海川, 王帅
中国科学: 信息科学, 2023, 53(11): 2266-2282

摘要 无线信道的开放性使得无线通信链路极易受到窃听和攻击.随着硬件设备的发展和信号处理技术的进步,无线通信链路面临的安全威胁日益严峻,亟需一种更为有效的防护机制保障无线通信链路的安全.为此,本文从能量博弈的角度提出了基于信号能量弥散的多维域低零功率通信体制,通过隐藏通信信号和行为来避免恶意用户对无线通信链路监听和攻击.该体制以直接序列扩频技术为基础,以通信行为的隐匿为目标,通过将信号能量在时、频、空、码和极化等多维参数空间进行弥散,增加侦听方的能量收集难度,提升信号的隐蔽性.本文以侦听方有关多维域信号参数的先验信息为基础定义信号的隐蔽性,并结合概率论、信息论和信号检测理论建立多维域低零功率通信系统的数学模型,分析了系统的可达性能极限,揭示了侦听方先验知识对隐蔽通信速率的影响,为后续研究工作的开展奠定了理论基础.结果显示通过信号能量的多维域弥散合法用户间的通信速率能够突破传统1/2次幂的变化规律,实现高效隐蔽的信号传输.

关键词 低零功率通信; 扩频通信; 先验信息; 性能分析; covert communications; spread-spectrum communications; prior knowledge; performance analysis

引用格式 安建平, 丁海川, 王帅. 多维域低零功率通信. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(11): 2266-2282, doi: 10.1360/SSI-2023-0033
Jianping AN, Haichuan DING, Shuai WANG. Low-to-no-power covert communication based on energy dispersion. Sci Sin Inform, 2023, 53(11): 2266-2282, doi: 10.1360/SSI-2023-0033

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通信感知一体化的信息理论极限

熊一枫, 刘凡, 袁伟杰, 崔原豪, 杨凯, 武刚, 张奇勋, 尉志青, 冯志勇, 张平
中国科学: 信息科学, 2023, 53(11): 2057-2086

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

引用格式 熊一枫, 刘凡, 袁伟杰, 等. 通信感知一体化的信息理论极限. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(11): 2057-2086, doi: 10.1360/SSI-2023-0056
Yifeng XIONG, Fan LIU, Weijie YUAN, et al. Information-theoretic limits of integrated sensing and communications. Sci Sin Inform, 2023, 53(11): 2057-2086, doi: 10.1360/SSI-2023-0056

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基于Bi-LSTM的同时同频全双工数字域自干扰抑制方法

鲁帆, 范占春, 马超, 陈远祥, 汪予晗, 程竟爽, 杜海龙, 胡聪
中国科学: 信息科学, 2023, 53(10): 1982-1993

摘要 同时同频全双工(co-frequency co-time full duplex, CCFD)系统在相同的频率上同时进行信号的收发,理论上可使通信频谱利用率提高一倍.但是由于收发天线等前端模块距离较近,系统中会存在很强的自干扰信号.当前常用的自适应滤波、最小二乘法估计等自适应干扰抑制方法存在着不能有效抑制多径信道和功放非线性产生自干扰信号的不足.针对此问题,本文提出一种基于双向长短时记忆神经网络(bi-directional long short-term memory, Bi-LSTM)的CCFD数字域自干扰抑制方法.首先根据多径信道的特征,采用记忆多项式对自干扰信道进行建模;然后采用Wild Horse优化算法(Wild Horse optimizer, WHO),通过迭代寻找到最优时延单位以确定训练数据的特征数;最后搭建Bi-LSTM网络进行训练,重构出自干扰信号,并在接收端减去,以达到自干扰抑制的目的.在仿真实验中采用OFDM (orthogonal frequency division multiplexing)信号作为参考信号,实现了47.17 dB自干扰信号抑制比,较传统最小二乘(least square, LS)算法有31.58 dB的提升.结果表明,本文所提出的方法可高效准确地提高CCFD系统的自干扰信号抑制能力.

关键词 同时同频全双工; CCFD; 双向长短时记忆神经网络; Bi-LSTM; Wild Horse优化算法; OFDM; co-frequency co-time full duplex; bi-directional long short-term memory; Wild Horse optimizer

引用格式 鲁帆, 范占春, 马超, 等. 基于Bi-LSTM的同时同频全双工数字域自干扰抑制方法. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(10): 1982-1993, doi: 10.1360/SSI-2022-0446
Fan LU, Zhanchun FAN, Chao MA, et al. A CCFD digital domain self-interference suppression approach based on Bi-LSTM. Sci Sin Inform, 2023, 53(10): 1982-1993, doi: 10.1360/SSI-2022-0446

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6G通信-感知-计算融合网络的思考

尹浩, 黄宇红, 韩林丛, 金婧
中国科学: 信息科学, 2023, 53(9): 1838-1842

摘要 移动信息网络是支撑数字经济提速提质的关键基础.为满足超能交通、智慧安防、元宇宙等新场景新业务的多元化需求,未来6G移动信息网络需提供极致的通信能力、精确的感知能力,以及强大的计算能力,助力构建“数字孪生、智慧泛在”新世界.本文从应用需求、网络特征和关键技术及挑战3方面,对6G通信–感知–计算融合网络进行研究,为后续6G通感算融合网络的发展提供方向性指引.

关键词 通感算融合网络; 6G; 网络特征; 网络协作感知; 多频段协同; integrated communication-sensing-computing networks; network features; network cooperative sensing; multi-band collaboration

引用格式 尹浩, 黄宇红, 韩林丛, 等. 6G通信-感知-计算融合网络的思考. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(9): 1838-1842, doi: 10.1360/SSI-2023-0135
Hao YIN, Yuhong HUANG, Lincong HAN, et al. Thoughts on 6G integrated communication, sensing and computing networks. Sci Sin Inform, 2023, 53(9): 1838-1842, doi: 10.1360/SSI-2023-0135

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通用分组网络寻址路由与标识演进方法及系统

李挥, 邬江兴, 韦国华, 孟详帧, 白鹤, 林立宏, 杨昕, 伊鹏, 宗泽斌, 魏进武, 朱伏生, 陆以勤, 缪伟豪, 杨伟豪, 郑泽峰, 马军锋, 张明龙, 张汉裕, 褚晓理, 何品翰, 王泽华
中国科学: 信息科学, 2023, 53(8): 1629-1644

摘要 未来的网络通信需求动态多样,网络层功能也应适时而变,因此对网络可演进性的研究具有重要意义.多标识网络作为一种兼容性极强的网络架构,网络层功能十分丰富,但仍缺少网络演进性设计.本文为多标识网络设计了一种通过标识扩展来支持网络体系不断演进的方案,包括对标识空间进行形式化定义,设计标识回退候选标识的优先级排序算法以及设计支持标识扩展的路由转发协议;并且在ndnSIM网络仿真环境和多标识网络测试床中实现了上述方案,评估了标识扩展方案的可行性和性能.实验结果表明相比于标识扩展机制给网络架构带来的益处,其性能损失在可接受的范围内.

关键词 多标识网络; 标识扩展; 网络演进; 原型系统; ndnSIM仿真; multi-identifier network; identifiers extension; network evolution; prototype system; the ndnSIM simulation;

引用格式 李挥, 邬江兴, 韦国华, 等. 通用分组网络寻址路由与标识演进方法及系统. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(8): 1629-1644, doi: 10.1360/SSI-2022-0261
Hui LI, Jiangxing WU, Guohua WEI, et al. Method and system for general packet network addressing routing and identifier evolution. Sci Sin Inform, 2023, 53(8): 1629-1644, doi: 10.1360/SSI-2022-0261

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IQ不平衡下全双工非线性自干扰频域对消

何怡敏, 赵宏志, 邵士海
中国科学: 信息科学, 2023, 53(6): 1212-1229

摘要 在全双工自干扰信道反射径较多的情况下,针对已有时域自干扰对消方案复杂度高的问题,提出了一种低复杂度的频域自干扰对消方案.该方案以全双工零中频架构为基础,综合考虑了IQ不平衡以及功放非线性对自干扰重建模型的影响,优化了已有频域自干扰重建模型的准确度.在此基础上,利用正交化辅助的连续干扰对消技术实现了低复杂度的自干扰消除.仿真分析表明,所提方案相比已有的基于RLS算法的频域自干扰对消方案,能够在存在IQ不平衡以及功放非线性的情况下实现几乎相同的自干扰对消性能,但是降低了68.75%的复杂度.

关键词 全双工; 自干扰对消; IQ不平衡; 非线性; 频域; full-duplex; self-interference cancellation; IQ imbalance; nonlinear; frequency domain;

引用格式 何怡敏, 赵宏志, 邵士海. IQ不平衡下全双工非线性自干扰频域对消. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(6): 1212-1229, doi: 10.1360/SSI-2022-0112
Yimin HE, Hongzhi ZHAO, Shihai SHAO. Frequency-domain nonlinear interference cancellation scheme with IQ imbalance in full-duplex systems. Sci Sin Inform, 2023, 53(6): 1212-1229, doi: 10.1360/SSI-2022-0112

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面向大规模接入的通信感知一体化

邵晓丹, 陈枫, 仇挺之, 陈晓明, 钟财军
中国科学: 信息科学, 2023, 53(6): 1197-1211

摘要 随着万物互联的愿景不断推进,无线电频谱稀缺已成为制约未来无线通信系统发展的严峻挑战.为了解决上述问题,通信感知一体化(integrated sensing and communication, ISAC)逐渐成为第六代(sixth-generation, 6G)移动通信技术与业务的主导趋势之一. ISAC系统不仅能完成可靠的多设备通信,同时能实现准确的感知,有望成倍提高频谱效率.同时,具有高可靠、低时延和小成本特性的大规模随机接入技术被广泛认为是6G通信网络的核心技术之一.为此,本文提出了面向大规模随机接入的通信感知一体化框架,即大规模随机接入系统可以利用相同的频谱、硬件和信号处理模块来完成物体成像的感知服务.具体而言,激活设备同时向基站发送待解码的数据信息,信号被环境中物体散射后到达基站.在基站端,本文探究了大规模接入的偶发性通信的特性和环境信息的稀疏特性,基于张量建模与分解、变分贝叶斯(Bayes)推断和字典学习技术,提出了新的联合激活设备检测和物体成像感知算法.严谨的理论分析和大量的仿真实验验证了所提算法的准确性和高效性.

关键词 通信感知一体化; 大规模随机接入; 张量正则-双峰分解; 贝叶斯学习; 字典学习; integrated sensing and communication; massive random access; tensor canonical polyadic decomposition; Bayesian learning; dictionary learning;

引用格式 邵晓丹, 陈枫, 仇挺之, 等. 面向大规模接入的通信感知一体化. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(6): 1197-1211, doi: 10.1360/SSI-2022-0266
Xiaodan SHAO, Feng CHEN, Tingzhi QIU, et al. Integrated sensing and communication for massive access. Sci Sin Inform, 2023, 53(6): 1197-1211, doi: 10.1360/SSI-2022-0266

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大规模能量收集物联网基于信息年龄的自适应接入

朱奕雯, 张葳, 林艳, 罗元勋, 张一晋
中国科学: 信息科学, 2023, 53(6): 1181-1196

摘要 信息年龄是衡量通信系统传输时效性的重要性能指标,其优化对于实时检测监控和精准决策控制至关重要.尽管如此,针对多源多宿大规模物联网,现有研究缺乏考虑能量收集动态性、互干扰时空差异性以及接入参数时变性对信息年龄的综合影响.鉴于此,本文首次面向此类物联网提出一种允许发送节点在能量充足时根据对应实时信息年龄采用不同发送概率的自适应接入协议,并且联合运用空间点过程、马尔可夫(Markov)过程以及不动点理论推导了信息年龄空间分布和系统平均信息年龄,最后提出一种低复杂度获取次优自适应接入参数的方法.仿真结果验证了理论分析的准确性,并表明了所提自适应策略的信息年龄性能明显优于已有策略.

关键词 物联网; 信息年龄; 随机接入; 点过程; 马尔可夫过程; Internet of Things; age of information; random access; point process; Markov process;

引用格式 朱奕雯, 张葳, 林艳, 等. 大规模能量收集物联网基于信息年龄的自适应接入. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(6): 1181-1196, doi: 10.1360/SSI-2022-0265
Yiwen ZHU, Wei ZHANG, Yan LIN, et al. Age-of-information dependent adaptive access for large-scale energy harvesting Internet of Things. Sci Sin Inform, 2023, 53(6): 1181-1196, doi: 10.1360/SSI-2022-0265

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基于感通算融合的导轨式自动驾驶系统——无线虚拟导轨

周一青, 王露, 原进宏, 石晶林, 赵登攀
中国科学: 信息科学, 2023, 53(6): 1050-1077

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;

引用格式 周一青, 王露, 原进宏, 等. 基于感通算融合的导轨式自动驾驶系统——无线虚拟导轨. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(6): 1050-1077, doi: 10.1360/SSI-2022-0259
Yiqing ZHOU, Lu WANG, Jinhong YUAN, et al. Autonomous driving with virtual rail—a wireless tracked and controlled selfdriving vehicle system based on the integration of communication, sensing, and computing. Sci Sin Inform, 2023, 53(6): 1050-1077, doi: 10.1360/SSI-2022-0259

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非对称信道下离散密度进化及LDPC码设计

袁涛, 马征, 庞琦珂, 唐小虎
中国科学: 信息科学, 2023, 53(4): 787-802

摘要 为了设计非对称信道下的低密度奇偶校验(low-density parity-check, LDPC)码并分析其性能,本文提出了可实现的基于偏移最小和译码的非对称离散密度进化方法.首先采用组合数学、差分方法和二项式定理等工具推导了低复杂度的非对称信道离散密度进化的迭代公式;应用该迭代公式,进一步对采用偏移最小和译码的LDPC码编码进行优化设计,得到了在非对称信道下不同量化范围和步长的LDPC码的最佳度分布及其性能;最后获得了在高精度量化下的最佳偏移值.结果表明在非对称信道下,改进的基于偏移最小和译码的非对称密度进化方法复杂度比原方法呈指数级降低;当码率固定,规则码变量节点度越小其性能越好,最佳偏移值越小.对非规则LDPC码,使用差分进化算法找到了最佳度分布与偏移值.码率固定时,最大变量节点度越大,非规则码性能越好.

关键词 非对称信道; 低密度奇偶校验码; 最小和; 密度进化; 度分布; 差分进化; asymmetric channel; low-density parity-check codes; min-sum; density evolution; degree distributions; differential evolution;

引用格式 袁涛, 马征, 庞琦珂, 等. 非对称信道下离散密度进化及LDPC码设计. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(4): 787-802, doi: 10.1360/SSI-2022-0250
Tao YUAN, Zheng MA, Qike PANG, et al. Discrete density evolution and LDPC codes design with asymmetric channels. Sci Sin Inform, 2023, 53(4): 787-802, doi: 10.1360/SSI-2022-0250

通信 无线通信 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

无线知识驱动的大规模MIMO信道估计

张四海, 林嘉树, 徐亚梅, 赵明, 朱近康
中国科学: 信息科学, 2023, 53(4): 758-771

摘要 大规模多输入多输出(multiple-input multiple-output, MIMO)技术能够显著提升无线通信系统的能量效率和频谱效率,其关键前提是获取精确的信道状态信息,然而导频复用造成的导频污染问题严重影响信道估计精度,成为制约大规模MIMO系统性能的核心难题.本文提出无线知识驱动的大规模MIMO信道估计模型,基于信道海图技术挖掘用户在角度域空间中的近邻关系作为无线信道知识,设计基于无线知识驱动的卷积神经网络(convolutional neural network, CNN)信道估计器(WKDCNN)提高信道估计精度.研究表明,在不同信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)下,天线数、导频污染程度、训练集大小对所提方法的信道估计性能均有重要影响.仿真结果表明, WKD-CNN在高信噪比区域的归一化均方误差相较于传统信道估计算法、基于多层感知机(multilayer perceptron, MLP)和无信道海图知识驱动卷积网络的信道估计方法均明显降低.

关键词 大规模MIMO; 信道海图; 信道估计; 知识驱动; 机器学习; massive MIMO; channel charting; channel estimation; knowledge-driven; machine learning;

引用格式 张四海, 林嘉树, 徐亚梅, 等. 无线知识驱动的大规模MIMO信道估计. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(4): 758-771, doi: 10.1360/SSI-2022-0173
Sihai ZHANG, Jiashu LIN, Yamei XU, et al. Wireless knowledge driven channel estimation in massive MIMO. Sci Sin Inform, 2023, 53(4): 758-771, doi: 10.1360/SSI-2022-0173

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智能6G频谱、覆盖与使能技术专题简介

许威, 黄永明, 王巍, 朱伏生, 季新生
中国科学: 信息科学, 2023, 53(3): 622-622
引用格式 许威, 黄永明, 王巍, 等. 智能6G频谱、覆盖与使能技术专题简介. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(3): 622-622, doi: 10.1360/SSI-2023-0053

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涡旋电磁波轨道角动量传输的量子电动力学分析

张超, 王元赫
中国科学: 信息科学, 2023, 53(3): 566-584

摘要 随着可用频率等无线传输资源逐渐消耗殆尽,基于电磁波轨道角动量(orbital angular momentum, OAM)新维度的数据传输成为未来无线通信系统潜在核心关键技术.具有OAM的电磁波被称为涡旋电磁波,具体可分为通过回旋电子辐射生成的涡旋电磁波量子,以及由不同相位的电磁波量子叠加生成的统计态涡旋波束.然而,由于统计态涡旋波束被认为是基于多天线的多输入多输出(multipleinput multiple-output, MIMO)系统的一种在直射信道环境下波束成形的特例,从而对电磁波OAM传输是否具有新维度产生争论.特别是从微观层面到宏观层面,目前缺少相应理论文献和分析方法予以澄清.为解决这个问题,本文提出了一种基于量子电动力学(quantum electro-dynamics, QED)的轨道角动量分析方法,结合统计物理学概念,对涡旋电磁波轨道角动量传输过程进行分析,明确了量子态和统计态的区别.本文的主要创新点包括:(1)提出了一种结合统计物理学的量子电动力学分析方法,建立了电磁波微观状态与宏观状态的桥梁;(2)采用所提方法,对统计态OAM涡旋波束进行了全面分析,并与量子态OAM涡旋电磁波量子进行了充分对比;(3)针对涡旋电磁波物理新维度的质疑,明确了量子态OAM为无线传输系统提供新维度.本文分析指出:量子态OAM涡旋电磁波量子与统计态OAM涡旋波束关于轨道角动量定义的内涵是不同的,分别属于内禀和外部OAM,从而导致了统计态OAM涡旋波束的外部OAM与电场强度的空域紧耦合,这也是统计态OAM涡旋波束传输不会超过传统多天线MIMO传输最大容量界的根本原因;与之相比,量子态OAM则是在物理上完全独立于电场强度且与宏观空域解耦,可构成无线传输新维度.因此,含有内禀OAM的量子态OAM涡旋电磁波量子是开发电磁波新资源的发展方向,以其为核心关键技术的无线通信系统则是未来的发展趋势.

关键词 电磁波; 轨道角动量; 涡旋波束; 量子电动力学; 涡旋电磁波量子; 微波量子; 无线通信; MIMO; electro-magnetic wave; OAM; vortex beam; quantum electro-dynamics; vortex photon of EM wave; microwave photon; wireless communications; MIMO;

引用格式 张超, 王元赫. 涡旋电磁波轨道角动量传输的量子电动力学分析. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(3): 566-584, doi: 10.1360/SSI-2021-0066
Chao ZHANG, Yuanhe WANG. Quantum electro-dynamics analysis of vortex electro-magnetic wave transmission with orbital angular momentum. Sci Sin Inform, 2023, 53(3): 566-584, doi: 10.1360/SSI-2021-0066

通信 无线通信 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

下行NOMA-HetNet中联合干扰对齐与功率分配的干扰管理方案

景小荣, 陈怡西, 高维, 陈前斌
中国科学: 信息科学, 2023, 53(2): 365-386

摘要 在基于马特恩簇过程的下行非正交多址接入型异构网(non-orthogonal multiple access heterogeneous network, NOMA-HetNet)中,针对典型宏小区中不同干扰类型,提出一种联合干扰对齐(interference alignment, IA)与功率分配(power allocation, PA)的干扰管理方案.在该方案中,在分析IA可行性的基础上,通过设计基于干扰信道对齐的两阶段式IA算法、微基站(small base station, SBS)预编码矢量和宏用户(macro user, MUE)检测矢量,来分别消除宏基站(macro base station, MBS)对微用户(small user, SUE)的层间干扰、SBS对SUE的簇间干扰和SBS对MUE的层间干扰.同时,为抑制簇内干扰,以最大化系统和速率为目标,构建一基于PA的非凸优化问题,并通过对非线性最小速率约束条件线性化处理,将原问题转化为凸优化问题,进而利用卡罗需–库恩–塔克(Karush-Kuhn-Tucker)最优性条件,从理论上推导出该问题的最优闭式解.仿真结果验证了所提干扰管理方案的有效性.

关键词 非正交多址接入型异构网; 干扰管理; 干扰对齐; 功率分配; 凸优化; NOMA-HetNet; interference management; interference alignment(IA); power allocation(PA); convex optimization;

引用格式 景小荣, 陈怡西, 高维, 等. 下行NOMA-HetNet中联合干扰对齐与功率分配的干扰管理方案. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(2): 365-386, doi: 10.1360/SSI-2021-0344
Xiaorong JING, Yixi CHEN, Wei GAO, et al. Joint interference alignment and power allocation interference management scheme for downlink NOMA-HetNet. Sci Sin Inform, 2023, 53(2): 365-386, doi: 10.1360/SSI-2021-0344

通信 无线通信 进展 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

面向6G的太赫兹光纤一体融合通信系统: 架构、关键技术与验证

朱敏, 张教, 华炳昌, 雷明政, 蔡沅成, 田亮, 王东明, 许威, 张川, 黄永明, 余建军, 尤肖虎
中国科学: 信息科学, 2023, 53(1): 191-210

摘要 太赫兹通信被普遍认为是未来6G移动通信系统的核心组成部分.通过对国内外太赫兹无线通信系统中太赫兹上变频与下变频主要技术路线进行分析与对比,本文提出了一种超宽带太赫兹光纤一体融合实时系统新型架构,借助于商业成熟的数字相干光模块(digital coherent optics, DCO),解决超高容量6G太赫兹实时无线通信难题.该架构系统性融合双偏振光子上变频太赫兹产生和光电混合下变频太赫兹接收技术,解决“光纤–太赫兹–光纤”无缝融合的应用难题.考虑到光电器件带宽受限,利用超宽带太赫兹信号多维调制技术,提升频谱效率和传输容量.针对复杂时变的太赫兹光纤混合信道,提出基于深度神经网络(deep neural network, DNN)的智能非线性联合补偿技术,有效解决太赫兹光纤混合信道信噪比受限问题.基于上述架构和关键技术,完成了世界上首个360~430 GHz光子太赫兹100/200 GbE实时无线传输通信实验,创造了目前世界上太赫兹无线通信的最高实时传输纪录,通信速率较5G提升10~20倍.本文提出的技术方案可实现与高速光纤网络的无缝融合,在太赫兹与光信号之间平滑转换,且能够充分复用商用化DCO,兼容IEEE 802.3和ITU-T G.798物理层传输协议,显著降低研发技术门槛和成本,大大加速6G太赫兹技术商用化进程.本文还从大容量、长距离和集成化等方面,对太赫兹光纤一体融合通信系统的未来发展方向及关键技术进行展望.

关键词 6G; 太赫兹无线通信; 光纤通信; 一体融合; 实时通信; 6G; THz wireless communication; optical fiber communication; seamless converged architecture; real-time communication;

引用格式 朱敏, 张教, 华炳昌, 等. 面向6G的太赫兹光纤一体融合通信系统: 架构、关键技术与验证. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(1): 191-210, doi: 10.1360/SSI-2022-0152
Min ZHU, Jiao ZHANG, Bingchang HUA, et al. 6G-oriented ultra-wideband fiber-THz-fiber seamless converged communication system: architecture, key techniques and verification. Sci Sin Inform, 2023, 53(1): 191-210, doi: 10.1360/SSI-2022-0152

通信 无线通信 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

基于多流接收空间调制的去蜂窝MIMO下行传输方法

黄谋华, 张冬梅, 许魁, 谢威, 夏晓晨
中国科学: 信息科学, 2023, 53(1): 111-127

摘要 将多流接收空间调制(multi-stream receive-spatial modulation, MSR-SM)技术应用于用户和接入点(access point, AP)都是多天线的去蜂窝(cell-free)多输入多输出(multiple-input multiple-output,MIMO)下行链路传输,为绿色节能的无线通信提供新的思路.在AP的最高发射功率和用户的最低信干噪比(signal interference-to-noise ratio, SINR)约束下,运用连续凸逼近(sequential convex approximation, SCA)算法求得每个AP的功率控制系数,实现能量效率(energy efficiency, EE)最优化.为减少不必要的服务AP数量,降低系统总消耗功率,本文提出基于注水(water-filling)算法的接入点选择方案.通过仿真表明,本文所提的功率分配算法相比最大最小(max-min)功率控制算法可以显著提升能量效率,基于多流接收空间调制的下行链路传输模式,其能量效率性能优于传统的空分复用MIMO数字调制模式.此外,基于AP选择方案的连续凸逼近算法相比无AP选择方案的功率控制算法,能够进一步增强能量效率.

关键词 去蜂窝; 多流接收空间调制; 连续凸逼近; 能量效率; 接入点选择; cell-free; MSR-SM; sequential convex approximation; energy efficiency; AP selection;

引用格式 黄谋华, 张冬梅, 许魁, 等. 基于多流接收空间调制的去蜂窝MIMO下行传输方法. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(1): 111-127, doi: 10.1360/SSI-2021-0148
Mouhua HUANG, Dongmei ZHANG, Kui XU, et al. Multi-stream receive-spatial modulation based cell-free MIMO downlink transmission method. Sci Sin Inform, 2023, 53(1): 111-127, doi: 10.1360/SSI-2021-0148

通信 无线通信 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 3

一种面向无人机智能通信的信息物理融合框架

王海军, 赵海涛, 任保全, 马东堂, 张姣, 熊俊, 魏急波, 尹浩
中国科学: 信息科学, 2022, 52(11): 2141-2154

摘要 为了缓解无人机面临的通信瓶颈问题,本文充分利用通信、计算和控制间的共生效应,从信息物理融合的角度探讨一种面向无人机智能通信的框架.首先,分析了计算和控制对通信的耦合作用以及相关研究工作.进而,提出一种信息物理融合框架并阐述各模块的关键作用.该框架将通信决策的维度扩展到计算和控制上,能够更准确地定位和处理通信问题,为实际应用中的通信、计算和控制一体化设计提供启发.最后,以一个应用范例来说明基于所提通信框架进行建模和优化的过程.仿真结果验证了所提框架的有效性和先进性.

关键词 无人机; 智能通信; 信息物理融合; 信息物理系统; 能耗模型; unmanned aerial vehicle; intelligent communication; cyber-physical fusion; cyber physical system(CPS); energy consumption model;

引用格式 王海军, 赵海涛, 任保全, 等. 一种面向无人机智能通信的信息物理融合框架. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(11): 2141-2154, doi: 10.1360/SSI-2021-0226
Haijun WANG, Haitao ZHAO, Baoquan REN, et al. Cyber-physical framework for UAV intelligent communications. Sci Sin Inform, 2022, 52(11): 2141-2154, doi: 10.1360/SSI-2021-0226

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复杂场景下目标协同智能检测专题

基于空间稀疏采样的频谱态势生成: 模型与算法

张国勇, 王军, 陈霄南, 武刚
中国科学: 信息科学, 2022, 52(11): 2011-2036

摘要 面对日益复杂的电磁频谱环境和持续增长的用频需求,为了维护电磁频谱秩序和安全,提高频谱资源整体利用效率,亟需利用有限感知节点采集的频谱状态数据,挖掘广域地理空间的频谱态势信息.本文从空、时、频等多维频谱态势表征着手,探讨和总结基于空间稀疏采样的电磁环境频谱态势的模型和生成方法.本文提出了基于多元函数的频谱态势表征方法,建立了适应不同辐射源传播特性的频谱态势模型.针对不同类别的频谱态势生成方法,论文分析了空间稀疏采样下频谱态势模型的辨识性和恢复性条件,为实现频谱态势的可靠生成提供了理论准则.最后,论文通过仿真对不同频谱态势生成算法的性能进行了对比分析.

关键词 频谱态势; 无线电环境地图; 张量分解; 张量填充; 神经网络; spectrum situation; radio environment map; tensor decomposition; tensor completion; neural network;

引用格式 张国勇, 王军, 陈霄南, 等. 基于空间稀疏采样的频谱态势生成: 模型与算法. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(11): 2011-2036, doi: 10.1360/SSI-2021-0382
Guoyong ZHANG, Jun WANG, Xiaonan CHEN, et al. Spectrum situation generation from sparse spatial sampling: model and algorithm. Sci Sin Inform, 2022, 52(11): 2011-2036, doi: 10.1360/SSI-2021-0382

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复杂场景下目标协同智能检测专题

无线信号交汇定位的奇异解问题表征与解决

刘公绪, 李龙, 路建民, 高新波
中国科学: 信息科学, 2022, 52(11): 1992-2010

摘要 无线信号交汇定位是最常见的几何定位技术,在通信与定位领域具有广泛的应用.然而人们对无线信号交汇定位所产生的奇异解问题本质认识不足,对相关解决方法缺少基础和深入的研究.针对上述问题,本文基于最小二乘法推导了相关一维/二维/三维定位的解析式,从新的角度发现了用来表征奇异解的八条几何拓扑约束关系,并提出了参数微调法和空时自调节法来解决奇异解相关问题.实验结果表明所提出的几何拓扑约束关系是可信的,使奇异解问题易表征、可解释;此外,所提出的解决方法可实现对奇解问题的高效解决,且有高精度定位近似解.总之,该工作对几何定位、基站布设、奇异解表征和鲁棒定位算法设计等提供了有益指导.

关键词 无线信号交汇定位; 几何定位; 最小二乘法; 奇异解; 拓扑约束; wireless signal intersection location; geometric positioning; least square method; singular solution; topological constraints;

引用格式 刘公绪, 李龙, 路建民, 等. 无线信号交汇定位的奇异解问题表征与解决. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(11): 1992-2010, doi: 10.1360/SSI-2022-0127
Gongxu LIU, Long LI, Jianmin LU, et al. Representation and solution of singular positioning issues from wireless signal intersection location technology. Sci Sin Inform, 2022, 52(11): 1992-2010, doi: 10.1360/SSI-2022-0127

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基于数能同传的D2D网络鲁棒资源分配算法

徐勇军, 杨蒙, 周继华, 陈前斌
中国科学: 信息科学, 2022, 52(10): 1883-1899

摘要 为了提高终端直通(device-to-device, D2D)网络设备运行寿命和复杂电磁环境下的抗干扰能力,提出了一种基于数能同传的D2D网络系统能效最大化的鲁棒资源分配算法.考虑用户最小速率约束、最小收集能量约束、功率分流和信道分配因子约束,建立了联合优化传输功率、子信道和功率分流因子的鲁棒能效资源分配模型.基于Dinkelbach方法和Worst-case方法,将原NP-hard问题转换为确定性的凸优化问题,利用匹配理论和拉格朗日对偶理论获得解析解.仿真结果表明所提算法具有较好的鲁棒性和较高的能效.

关键词 D2D通信; 无线信息与功率同传技术; 匹配理论; 能效; 鲁棒资源分配; D2D communications; SWIPT; matching theory; energy efficiency; robust resource allocation;

引用格式 徐勇军, 杨蒙, 周继华, 等. 基于数能同传的D2D网络鲁棒资源分配算法. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(10): 1883-1899, doi: 10.1360/SSI-2021-0086
Yongjun XU, Meng YANG, Jihua ZHOU, et al. Robust resource allocation algorithm in SWIPT-based D2D networks. Sci Sin Inform, 2022, 52(10): 1883-1899, doi: 10.1360/SSI-2021-0086

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面向6G的共生散射通信技术: 原理、方法与应用

张倩倩, 王俊, 梁应敞
中国科学: 信息科学, 2022, 52(8): 1393-1416

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;

引用格式 张倩倩, 王俊, 梁应敞. 面向6G的共生散射通信技术: 原理、方法与应用. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(8): 1393-1416, doi: 10.1360/SSI-2022-0153
Qianqian ZHANG, Jun WANG, Ying-Chang LIANG. Symbiotic backscatter communications for 6G: principles, approaches, and applications. Sci Sin Inform, 2022, 52(8): 1393-1416, doi: 10.1360/SSI-2022-0153

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不确定网络环境下的任务卸载和资源分配算法

姚枝秀, 夏士超, 李云
中国科学: 信息科学, 2022, 52(7): 1349-1361

摘要 随着计算密集型和时延敏感型应用的大量涌现,在大数据和低时延计算需求的驱动下,移动边缘计算(mobile edge computing, MEC)在提升用户体验和降低能耗方面将发挥重要作用.然而,由于计算资源有限的MEC服务器无法快速响应海量突发的计算请求,计算任务在MEC服务器的排队等待时间是不可忽略且难以预测的.为了保证在排队等待时间不确定的网络环境中满足应用的计算时延需求,本文在计算时延约束条件下,以最小化系统能耗为目标,提出了一种基于随机模拟的任务卸载和资源分配两阶段随机规划算法SS_2SSP.仿真结果表明, SS_2SSP算法能够保证应用的计算时延需求,同时有效降低了系统能耗.

关键词 移动边缘计算; 不确定网络; 任务卸载; 资源分配; 计算时延; 两阶段随机规划; mobile edge computing; uncertain network; task offloading; resource allocation; computation delay; two-stage stochastic programming;

引用格式 姚枝秀, 夏士超, 李云. 不确定网络环境下的任务卸载和资源分配算法. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(7): 1349-1361, doi: 10.1360/SSI-2021-0186
Zhixiu YAO, Shichao XIA, Yun LI. Task offloading and resource allocation in an uncertain network. Sci Sin Inform, 2022, 52(7): 1349-1361, doi: 10.1360/SSI-2021-0186

通信 无线通信 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

一种基于中继的车辆编队功率优化算法

胡杰文, 马征, 刘刚, 范平志, 唐优华
中国科学: 信息科学, 2022, 52(7): 1317-1332

摘要 车辆编队作为蜂窝车联网(cellular-vehicle-to-everything, C-V2X)的高级应用之一,可以有效地提高出行效率.处于编队内的车辆需要实时共享速度、前进方向和意图(制动、加速度等)等信息,并且位于队头的车辆需负责整个编队的管理并传递控制消息.但是在高密度场景下,当多个编队的队头被分配到同一子信道上同时传输时,多个编队之间会存在干扰,如果队头车辆以传统的固定功率方式进行广播,广播功率过大会导致对其他队列造成的干扰过大,广播功率过小则会影响队列内成员的接收质量,因此需要合适的功率分配方案以满足高密度场景下的通信需求.本文在满足时延、接收信噪比要求的前提下以最小化总功率消耗为目标,提出了一种基于中继的多队列协作功率优化方案,该方案通过在编队内选取合适的中继车辆以减少每跳广播所需要的功率,从而减少对其他编队的干扰并且降低总功率消耗.仿真结果表明,所提出的方案相比传统方案能够容纳更多的编队成员,并且在满足性能要求的前提下大幅降低总功率消耗.

关键词 C-V2X; 车辆编队; 广播功率; 中继; 功率优化; C-V2X; platoon; broadcast power; relay; power optimization;

引用格式 胡杰文, 马征, 刘刚, 等. 一种基于中继的车辆编队功率优化算法. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(7): 1317-1332, doi: 10.1360/SSI-2021-0082
Jiewen HU, Zheng MA, Gang LIU, et al. A relay-based power optimization algorithm for platooning. Sci Sin Inform, 2022, 52(7): 1317-1332, doi: 10.1360/SSI-2021-0082

通信 无线通信 评述 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

纪念清华大学电子工程系成立70周年专刊

面向B5G/6G大规模机器通信系统新型多址技术研究进展

戴基明, 马国玉, 马毅琰, 薛珍, 艾渤
中国科学: 信息科学, 2022, 52(4): 639-657

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;

引用格式 戴基明, 马国玉, 马毅琰, 等. 面向B5G/6G大规模机器通信系统新型多址技术研究进展. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(4): 639-657, doi: 10.1360/SSI-2021-0394
Jiming DAI, Guoyu MA, Yiyan MA, et al. Research progress of new multiple access technique for B5G/6G massive machine-type communication systems. Sci Sin Inform, 2022, 52(4): 639-657, doi: 10.1360/SSI-2021-0394

信息器件 新材料 刊讯 Website Google Scholar PDF

新型二维材料与器件应用专题 (2023) 简介

王欣然, 倪振华, 何军, 吕俊鹏
中国科学: 信息科学, 2023, 53(6): 1230-1231

关键词 二维材料; 异质结构; 二维半导体; 器件应用;

引用格式 王欣然, 倪振华, 何军, 等. 新型二维材料与器件应用专题 (2023) 简介. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(6): 1230-1231, doi: 10.1360/SSI-2023-0152

信息器件 电路和系统 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

集成电路未来发展及关键问题观点专题

EDA左移融合设计范式的发展现状、趋势与挑战

梁云, 卓成, 李永福
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 121-129

摘要 左移(shift-left)融合是电子设计自动化(electronic design automation, EDA)的一种新设计范式,旨在通过融合和并行解决传统瀑布式设计范式的问题.传统EDA流程分为多个串行设计阶段,导致设计周期长、设计冗余大.通过相邻设计阶段的融合与并行,可以有效缩短设计周期、提升设计优化效率.左移融合通常涉及在不同设计阶段之间共享数据模型,并采用新的抽象方法,可以应用到包括高层次综合、逻辑综合、布局布线、签核验证、工艺优化等EDA流程的各个阶段.此外,借助早期的数据分析与评估,可以有效应对后期可能出现的问题,从而降低开发成本.综上,鉴于左移融合对于提高EDA流程的效率和质量具有重要意义,本文将介绍左移融合的发展现状和关键科学问题,并展望未来发展路线.

关键词 电子设计自动化; 左移; 融合; 并行; 效率; EDA; shift-left; fusion; parallel; efficiency

引用格式 梁云, 卓成, 李永福. EDA左移融合设计范式的发展现状、趋势与挑战. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 121-129, doi: 10.1360/SSI-2023-0314
Yun LIANG, Cheng ZHUO, Yongfu LI. The shift-left design paradigm of EDA: progress and challenges. Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 121-129, doi: 10.1360/SSI-2023-0314

信息器件 电路和系统 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

集成电路未来发展及关键问题观点专题

高性能芯片物理实现的关键因素

樊凌雁, 黄灿坤, 朱志伟, 刘海銮, 马香媛
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 110-120

摘要 影响高性能芯片的物理设计涉及多个关键因素,文章分析了其中主要的5个因素:标准单元库、核心IP库、布局布线、制造工艺、物理设计与EDA工具/Foundry的协作优化.通过对基本情况介绍,当前行业情况分析等,剖析了影响高性能芯片设计及制造的核心因素,对高性能芯片未来需要重点发展的方向提出了一些探讨思路.

关键词 高性能芯片; 物理设计; 集成电路IP核; EDA; 布局布线; high-performance chips; physical design; intellectual property core; place and route

引用格式 樊凌雁, 黄灿坤, 朱志伟, 等. 高性能芯片物理实现的关键因素. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 110-120, doi: 10.1360/SSI-2023-0330
Lingyan FAN, Cankun HUANG, Zhiwei ZHU, et al. Key factors in the physical design of high-performance chips. Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 110-120, doi: 10.1360/SSI-2023-0330

信息器件 电路和系统 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

集成电路未来发展及关键问题观点专题

面向高性能计算的低温芯片技术: 发展和挑战

程然, 李博, 王宗巍, 张结印, 单伟伟, 张建军, 蔡一茂, 韩根全
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 88-101

摘要 过去60多年,集成电路技术的进步推动了电子信息领域的快速发展.随着工艺制程进入纳米阶段,通过微缩化技术进一步提升器件和电路的性能需要克服技术和成本方面的多重挑战.探寻新的器件、设计和架构技术是高性能计算领域解决当下瓶颈的必然路径.低温芯片技术,利用晶体管低温下电学性能的提升,可以进一步提高逻辑芯片的算力并降低动态和静态功耗,由于和现有集成电路技术兼容性较高,是低成本实现更高性能计算的理想技术路线之一.此外,随着量子计算技术的发展,可扩展的大规模量子芯片需要和极低温互补金属氧化物半导体CMOS电路以及存储芯片实现片上集成,进而实现更高效的数据处理.本文面向高性能计算应用,从器件表征、模型、仿真和设计、应用等多个层面,分析并总结了低温芯片技术领域的发展历程、理论基础和技术挑战,并给出针对性的解决方案和建议,有助于推动我国在低温芯片技术领域的持续发展.

关键词 低温芯片; 低温电子学; 低温PDK; 高性能计算; 量子计算; low-temperature CMOS circuit; low-temperature electronics; low-temperature PDK; high-performance computing; quantum computing

引用格式 程然, 李博, 王宗巍, 等. 面向高性能计算的低温芯片技术: 发展和挑战. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 88-101, doi: 10.1360/SSI-2023-0347
Ran CHENG, Bo LI, Zongwei WANG, et al. Low-temperature CMOS technology for high-performance computing: development and challenges. Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 88-101, doi: 10.1360/SSI-2023-0347

信息器件 电路和系统 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

集成电路未来发展及关键问题观点专题

硅基毫米波集成电路设计发展现状与挑战

张净植, 余益明, 吴韵秋, 赵晨曦, 张青风, 康凯
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 68-87

摘要 毫米波相控阵系统因其大带宽、高速率和多波束的优点,在移动通信和雷达感知系统中得到了广泛的应用.硅基毫米波集成电路设计是其中的关键核心技术.本文基于国家自然科学基金委员会第347期“双清论坛(青年)”的研讨成果,根据毫米波集成电路与集成系统研究方面的重大需求,针对硅基毫米波集成电路设计的关键挑战和科学问题,按照相控阵架构、关键电路和器件模型3个层级,总结梳理了国内外硅基毫米波集成电路设计领域近年来所取得的主要进展和成就,凝炼了该领域未来5~10年的重大关键科学问题,探讨了前沿研究方向和科学基金资助战略.

关键词 毫米波; 相控阵; 集成电路; 移动通信; 雷达感知; mm-Wave; phased array; integrated circuit; communication; radar

引用格式 张净植, 余益明, 吴韵秋, 等. 硅基毫米波集成电路设计发展现状与挑战. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 68-87, doi: 10.1360/SSI-2023-0334
Jingzhi ZHANG, Yiming YU, Yunqiu WU, et al. Developments and challenges of mm-Wave integrated circuits on silicon. Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 68-87, doi: 10.1360/SSI-2023-0334

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集成电路未来发展及关键问题观点专题

高效率高集成度电源管理芯片的发展与关键挑战

路延, 屈万园
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 58-67

摘要 随着人工智能对算力(电力)需求的指数增长,高性能计算芯片对供电效率、密度提出了严苛的要求,高密度电源管理芯片成为制约算力发展的显著瓶颈,是高性能计算芯片的重要共性支撑.面对高算力芯片的供电功率、密度与效率的综合性巨大挑战,以及集成芯片系统的新供电场景,传统的分立供电架构、控制技术等亟待突破.基于国家自然科学基金委员会第347期“双清论坛(青年)”关于集成电路未来发展及关键问题的广泛讨论,本文总结了电源管理芯片方向发展上的关键问题与挑战.本文从目前主流处理器的前沿供电技术的发展现状出发,讨论了高性能处理器供电技术的长期发展趋势,并给出未来关键技术的发展预测,从电源管理系统架构、控制技术、无源器件集成、封装形态等方面提出研究建议,为我国集成芯片高密度供电技术的发展提供重要的理论支撑.

关键词 电源管理芯片; DC-DC; 混合架构; 稳压电源; 3D集成芯片供电; power management IC; hybrid topology; voltage regulator; 3D power delivery for integrated chips

引用格式 路延, 屈万园. 高效率高集成度电源管理芯片的发展与关键挑战. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 58-67, doi: 10.1360/SSI-2023-0338
Yan LU, Wanyuan QU. Development and challenges of high-efficiency highly-integrated power management integrated circuits. Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 58-67, doi: 10.1360/SSI-2023-0338

信息器件 电路和系统 论文 Website Google Scholar PDF

集成电路未来发展及关键问题观点专题

高性能模数转换器技术挑战与发展趋势

朱樟明, 刘术彬
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 48-57

摘要 高性能模数转换器(analog-to-digital converter, ADC)是电子信息系统的核心器件,是集成电路设计领域的研究热点与难点,是最复杂、难度最大的模拟集成电路.本文阐述了集成电路工艺演进给高性能模拟电路设计带来的共性挑战,并分别从纳米工艺下高速高精度、超高速低精度和高精度低延时等模数转换器系统架构与设计技术方面分析了高性能模数转换器面临的技术挑战与重要发展趋势.

关键词 模拟集成电路; 模数转换器; 高速高精度; 低延时; analog integrated circuit; analog-to-digital converter; high-speed-high-precision; low latency

引用格式 朱樟明, 刘术彬. 高性能模数转换器技术挑战与发展趋势. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 48-57, doi: 10.1360/SSI-2023-0310
Zhangming ZHU, Shubin LIU. Challenge and trend of high-performance analog-to-digital converters. Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 48-57, doi: 10.1360/SSI-2023-0310

信息器件 电路和系统 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

集成电路未来发展及关键问题观点专题

高能效高安全新兴计算芯片: 现状、挑战与展望

刘伟强, 陈珂, 吴比, 邓尔雅, 王佑, 龚宇, 崔益军, 王成华
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 34-47

摘要 智能信息化社会对算力的需求日益增长,高能效和高安全性的计算芯片已经成为支撑科技创新和社会进步不可或缺的基础设施.新兴计算范式作为提升算力的创新技术,近年来在理论和技术方面取得了重要突破,引起了学术界和工业界广泛关注.本文从电路设计方法、新型芯片架构以及脑启发算法等多个角度介绍和分析了新兴计算芯片的相关前沿技术,同时讨论了各项技术的阶段性特征以及所面临的设计挑战和安全可信挑战,最后展望了新兴计算芯片技术的未来发展,并阐述了其发展的重点方向.

关键词 新兴计算范式; 安全可信; 近似计算; 随机计算; 存内计算; 脑启发式计算; emerging computing paradigm; secure and trust; approximate computing; stochastic computing; in-memory computing; brain-inspired computing

引用格式 刘伟强, 陈珂, 吴比, 等. 高能效高安全新兴计算芯片: 现状、挑战与展望. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 34-47, doi: 10.1360/SSI-2023-0316
Weiqiang LIU, Ke CHEN, Bi WU, et al. High-efficiency and high-security emerging computing chips: development, challenges, and prospects. Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 34-47, doi: 10.1360/SSI-2023-0316

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集成电路未来发展及关键问题观点专题

集成电路未来发展与关键问题——第347期"双清论坛(青年)"学术综述

陈云霁, 蔡一茂, 汪玉, 唐华, 何杰, 刘克, 郝跃
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 1-15

摘要 集成电路是信息时代重要的技术基础,也是国家战略竞争力的重要标志.在全球范围内,集成电路技术正处于快速变革与创新的新时期.面向集成电路未来发展,需要针对先进器件及集成工艺、模拟与混合电路、电路设计方法、新型计算架构等方面开展前沿研究,加强规划布局,完善创新系统,推动我国集成电路产业在未来发展中占得先机.基于第347期“双清论坛(青年)”,本文总结了我国集成电路科学研究及产业发展面临的国家重大需求,研判分析了集成电路领域国内外的发展态势和关键问题,展望了该领域重大的前沿发展趋势,探讨了前沿研究方向和科学基金资助战略,以期助推我国集成电路技术高质量发展.

关键词 集成电路; 先进集成封装工艺; 模拟与射频电路; 电子设计自动化; 新型体系架构; integrated circuit; advanced integration and packaging; analog and radio-frequency circuit; electronic design automation; novel computer architecture

引用格式 陈云霁, 蔡一茂, 汪玉, 等. 集成电路未来发展与关键问题——第347期"双清论坛(青年)"学术综述. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 1-15, doi: 10.1360/SSI-2023-0356
Yunji CHEN, Yimao CAI, Yu WANG, et al. Integrated circuit technology: future development and key issues—review of the 347th "Shuangqing Forum (Youth)". Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 1-15, doi: 10.1360/SSI-2023-0356

信息器件 电路和系统 评述 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

从集成电路到集成系统

吴林晟, 毛军发
中国科学: 信息科学, 2023, 53(10): 1843-1857

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

引用格式 吴林晟, 毛军发. 从集成电路到集成系统. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(10): 1843-1857, doi: 10.1360/SSI-2022-0414
Linsheng WU, Junfa MAO. From integrated circuits to integrated systems. Sci Sin Inform, 2023, 53(10): 1843-1857, doi: 10.1360/SSI-2022-0414

信息器件 电路和系统 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 3

忆阻器混合逻辑电路设计及其应用

代广珍, 赵振宇, 宋兴文, 韩名君, 倪天明
中国科学: 信息科学, 2023, 53(1): 178-190

摘要 为解决传统集成电路面积大、功耗高等问题,采用纳米级忆阻器设计实现了数字逻辑电路中的加法器和乘法器.基于忆阻器MRL结构设计的OR门和AND门,设计了2T-4M结构的XOR和XNOR逻辑门.运用这些逻辑门与CMOS管混合实现了全加器,其中CMOS反相器增强了信号驱动.改进2T-4M结构实现了一种新型2T-4M逻辑模块,并基于此模块设计了2位二进制乘法器. LTspice仿真验证了电路设计的正确性.与已报道的MRL结构全加器和2位二进制乘法器进行比较发现全加器使用的元器件数量明显减少,延迟时间最少提高了53.3%,功耗最小降低了1.93 m W; 2位二进制乘法器的设计在元器件总体使用数量上也有一定的优势,总共只需要18个元器件.最后,利用全加器构成加密阵列电路,对图像进行了加解密操作,验证了电路在实际应用中的可行性.

关键词 忆阻器; CMOS; 全加器; 乘法器; 图像加密; memristor; CMOS; full adder; multiplier; image encryption;

引用格式 代广珍, 赵振宇, 宋兴文, 等. 忆阻器混合逻辑电路设计及其应用. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(1): 178-190, doi: 10.1360/SSI-2022-0162
Guangzhen DAI, Zhenyu ZHAO, Xingwen SONG, et al. Design and application of memristor hybrid logic circuit. Sci Sin Inform, 2023, 53(1): 178-190, doi: 10.1360/SSI-2022-0162

信息器件 电路和系统 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 2

基于忆阻器的RBM及其在车牌图像处理中的应用

徐聪, 王春华, 孙晶茹
中国科学: 信息科学, 2023, 53(1): 164-177

摘要 车牌识别在智能交通和公共安全领域具有十分重要的意义.由于拍摄环境、拍摄设备等因素的影响,获取的车牌图像分辨率较低、图像模糊,影响了车牌识别的准确率.图像超分辨率和图像去噪技术可以改善图像质量,提高车牌图像的识别率.本文提出了基于忆阻器的受限玻尔兹曼机(restricted Boltzmann machine, RBM)的全电路设计,并将其应用于车牌图像处理.忆阻RBM电路主要包含3个模块:隐单元生成模块、可见单元重构模块和隐单元再生模块.忆阻电路采用片上训练方式,提高了网络的训练效率,实现了实时的在线学习.最后,将基于忆阻器的RBM应用于车牌图像超分辨率和图像去噪,通过计算图像的结构相似性(structural similarity, SSIM)和峰值信噪比(peak signal to noise ratio, PSNR),并与传统的图像处理方法进行对比分析,验证了所提出的基于忆阻器的RBM在图像处理中的有效性和优越性.

关键词 忆阻器; 神经网络; 车牌图像处理; 受限玻尔兹曼机; 电路设计; memristor; neural network; license plate image processing; restricted Boltzmann machine; circuit design;

引用格式 徐聪, 王春华, 孙晶茹. 基于忆阻器的RBM及其在车牌图像处理中的应用. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(1): 164-177, doi: 10.1360/SSI-2022-0027
Cong XU, Chunhua WANG, Jingru SUN. A memristor-based RBM circuit implementation and application in license plate image processing. Sci Sin Inform, 2023, 53(1): 164-177, doi: 10.1360/SSI-2022-0027

信息器件 电路和系统 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

纪念清华大学电子工程系成立70周年专刊

高速电流舵数模转换器减小时序失配的方法

付裕深, 黄成宇, 孙立猛, 李学清, 杨华中
中国科学: 信息科学, 2022, 52(4): 675-686

摘要 随着电流舵数模转换器(digital-to-analog converter, DAC)工作频率的提高,即使是数百飞秒的时序失配也会严重恶化高性能DAC的动态性能.在这一类DAC中,锁存驱动器模块直接控制电流源的开关切换,其时序直接影响电流舵DAC输出模拟信号的码间过渡动态特性.电流舵DAC锁存驱动器时序失配的主要来源,包括时钟网络延时失配、开关驱动晶体管的梯度失配和随机失配.一方面,在传统时钟网络中,不同位置节点间的失配是时钟网络延时失配的重要来源;另一方面,增加开关驱动晶体管尺寸可减少随机失配造成的延时偏差,但增加梯度失配造成的延时偏差.为了减小锁存驱动器时序失配提升DAC动态性能,本文提出了一种通过改变时钟网络连接方式减小时钟延时失配的方法,以及一种综合考虑梯度失配与随机失配的联合设计方法.为了验证所提方法的有效性,在65 nm工艺下设计了一个14b精度的DAC,流片测试结果表明在1 GS/s采样率、430 MHz信号带宽内,实测的无杂散动态范围(spurious-free dynamic range, SFDR)大于70 dB.与相同工艺下设计但并未采用本文所提出的时序优化方法的DAC测试结果对比表明,本文提出的时序优化方法以功耗从106 mW提升到160 mW为代价,将SFDR大于70 dB的信号带宽从210 MHz提升到430 MHz.

关键词 时序失配; 数模转换器(DAC); 时钟网络; 梯度失配; 随机失配; 无杂散动态范围(SFDR); timing mismatch; digital-to-analog converter(DAC); clock network; gradient mismatch; random mismatch; spurious-free dynamic range(SFDR);

引用格式 付裕深, 黄成宇, 孙立猛, 等. 高速电流舵数模转换器减小时序失配的方法. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(4): 675-686, doi: 10.1360/SSI-2021-0411
Yushen FU, Chengyu HUANG, Limeng SUN, et al. Methods for reducing the timing mismatch of high-speed current-steering digital-to-analog converters. Sci Sin Inform, 2022, 52(4): 675-686, doi: 10.1360/SSI-2021-0411

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纪念清华大学电子工程系成立70周年专刊

存算一体电路与跨层次协同设计优化: 从SRAM到铁电晶体管

尹勋钊, 岳金山, 黄庆荣, 李超, 蔡嘉豪, 杨泽禹, 卓成, 刘明
中国科学: 信息科学, 2022, 52(4): 612-638

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;

引用格式 尹勋钊, 岳金山, 黄庆荣, 等. 存算一体电路与跨层次协同设计优化: 从SRAM到铁电晶体管. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(4): 612-638, doi: 10.1360/SSI-2021-0420
Xunzhao YIN, Jinshan YUE, Qingrong HUANG, et al. Computing-in-memory circuits and cross-layer integrated design and optimization: from SRAM to FeFET. Sci Sin Inform, 2022, 52(4): 612-638, doi: 10.1360/SSI-2021-0420

信息器件 电路和系统 评述 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

纪念清华大学电子工程系成立70周年专刊

神经网络加速器架构概述

陈怡然, 王一土
中国科学: 信息科学, 2022, 52(4): 596-611

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;

引用格式 陈怡然, 王一土. 神经网络加速器架构概述. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(4): 596-611, doi: 10.1360/SSI-2021-0409
Yiran CHEN, Yitu WANG. A survey of architectures of neural network accelerators. Sci Sin Inform, 2022, 52(4): 596-611, doi: 10.1360/SSI-2021-0409

信息器件 MEMS 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

基于轮辐式多阶微通道结构的超强冷却技术

吴永进, 孙云娜, 马闯北, 蔡涵, 王艳, 丁桂甫
中国科学: 信息科学, 2023, 53(9): 1822-1837

摘要 针对电子器件向更高功率和更高集成度发展所导致日益严重的散热问题,本文设计了轮辐式微通道散热器.基于轮辐式微通道具有良好分流特性提出了多阶微通道的特色设计,拓展了辐射微通道的设计思路;通过研究发现微通道的对流换热面积、流固占空比与流道布局协同耦合强化冷却能力,而这3项的改变是无法实现单一项的变化,这就更加增大了三者之间的耦合因子.为了兼顾散热器的冷却能力与压降,进一步提出功能化四出口的设计,系统性提高了散热器的冷却能力并降低散热器的压降.采用有限元仿真结合理论方法系统性解析了不同微通道散热器的热阻分布比例,为进一步提高冷却能力指明方向.通过微加工工艺制备出轮辐式多阶微通道散热器,最后通过实验测试验证不同设计的冷却能力,高达932.08 W/cm~2,为替代传统水冷冷板散热系统奠定基础.

关键词 轮辐式多阶微通道; 功能化出口; 超强冷却技术; 协同强化冷却能力; rotor-wing multi-order microchannel; functional outlet; super cooling technology; collaborative cooling capability

引用格式 吴永进, 孙云娜, 马闯北, 等. 基于轮辐式多阶微通道结构的超强冷却技术. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(9): 1822-1837, doi: 10.1360/SSI-2022-0342
Yongjin WU, Yunna SUN, Chuangbei MA, et al. Super cooling technology based on rotor-wing multi-order microchannel structure. Sci Sin Inform, 2023, 53(9): 1822-1837, doi: 10.1360/SSI-2022-0342

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脑机接口技术与应用专题简介

陶虎
中国科学: 信息科学, 2022, 52(5): 934-934

关键词 技术与应用; SSVEP; 神经电极;

引用格式 陶虎. 脑机接口技术与应用专题简介. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(5): 934-934, doi: 10.1360/SSI-2022-0155

信息器件 MEMS 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

海洋温盐深高精度测量集成微纳传感器制备及测试

王振宇, 管轶华, 尹加文, 车啸婷, 郜晚蕾, 金庆辉
中国科学: 信息科学, 2022, 52(3): 553-566

摘要 海洋传感器技术在海洋军事作战领域发挥着重要的作用,随着人类探索海洋的未知领域,海洋传感器技术逐渐发展,但现阶段发展不完全,主要依赖进口,国产化率低.海水的温度、盐度、深度(温盐深)是海洋环境测量的基本参数,目前国内温盐深三参数传感器体积大、设备复杂、集成度低,难以满足实时在线检测的需求.本文基于微机电系统(MEMS)技术,制备了一批用于海洋温度、电导率和压力检测的温盐深集成微纳传感器,其中温度测量采用PT8000铂电阻传感器,盐度测量采用四电极法电导率传感器,深度测量采用压阻式压力传感器,通过离子注入工艺控制掺杂浓度形成压力敏感电阻,硅片下表面经过湿法腐蚀工艺形成压力形变所需的空间,最后键合硅片和玻璃制备出压力传感器,三参数传感器的制备工艺全兼容,具有较高的批量一致性.对于压力传感器,利用COMSOL仿真软件确定合适的传感器参数,得到0~10 MPa下的宽范围量程,以满足1000 m水深检测的需求.利用嵌入式系统原理开发了针对制备的温盐深传感器的采样和读出电路,其中温度传感器的电阻为8231±100?,灵敏度为32.101?/?C,测量准确度达到±0.01?C;电导率传感器的电导池参数为2.594 cm-1,测量准确度为±0.05 m S/cm,与温度传感器联合测量消除了温度对电导率的影响;压力传感器的压敏区域构成了惠斯通(Wheatstone)电桥模型,消除了温度对压敏电阻的影响,采用矩形形变膜片,提高了压力线性度,传感器的测量准确度达到0.01 MPa,非线性误差为0.366%,重复性误差为0.376%,迟滞性误差为0.188%.结果表明,本文制备的温盐深传感器精度高、尺寸小、集成度高、可批量制造,适用于海洋温盐深参数精确定点测量的需求.

关键词 海洋传感器; 温盐深; 微纳集成制造; 高精度测量; ocean sensor; temperature-salt-depth; micro-nano integrated manufacturing; high precision measurement;

引用格式 王振宇, 管轶华, 尹加文, 等. 海洋温盐深高精度测量集成微纳传感器制备及测试. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(3): 553-566, doi: 10.1360/SSI-2021-0248
Zhenyu WANG, Yihua GUAN, Jiawen YIN, et al. Fabrication and test of integrated micro-nano sensors for high precision measurement of ocean temperature-salinity-depth. Sci Sin Inform, 2022, 52(3): 553-566, doi: 10.1360/SSI-2021-0248

信息器件 MEMS 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

基于一种多功能系统的二维纳米器件高效制备

梁亚春, 焦陈寅, 肖飞, 朱健凯, 徐博, 文婷, 伍松, 任子明
中国科学: 信息科学, 2022, 52(2): 348-357

摘要 原子级厚度的二维层状晶体材料具有丰富的物理特性,在新型微纳米器件领域展现出重要的发展潜力,相关的器件制备和性能研究也引起了广泛的关注.二维材料微纳米器件的制备需要经过二维材料的转移及金属电极的淀积等一系列过程.然而,在传统的制备流程中所涉及多步工艺需要用到诸多不同设备,如二维材料转移对准系统、电子束曝光系统,或是光刻系统,而且往往在一些步骤中涉及有机溶液处理,有可能会对样品带来一些不利的影响.本文设计展示了一种能够实现二维材料微纳米器件制备的多功能系统,该系统不仅可以实现二维材料的高效转移,而且可以直接进行金属电极的准确淀积,并且整个加工流程不涉及溶液处理,具有操作方便、效率高、样品污染少等优点.基于该多功能系统,我们成功制备出了MoS_2场效应晶体管并对器件进行了光学表征和电学性能测试,展现了这一系统在高效制备微纳器件方面的潜力.

关键词 二维晶体材料; 多功能制备系统; 材料干法转移; 金属电极淀积; MoS_2场效应晶体管; two dimensional(2D) materials; multifunctional fabrication system; dry transfer; metal electrode deposition; MoS_2 transistor;

引用格式 梁亚春, 焦陈寅, 肖飞, 等. 基于一种多功能系统的二维纳米器件高效制备. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(2): 348-357, doi: 10.1360/SSI-2021-0317
Yachun LIANG, Chenyin JIAO, Fei XIAO, et al. Fast prototyping of nanodevices based on two dimensional materials using a multifunctional fabrication system. Sci Sin Inform, 2022, 52(2): 348-357, doi: 10.1360/SSI-2021-0317

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集成电路未来发展及关键问题观点专题

SRAM存算一体芯片研究: 发展与挑战

叶乐, 贾天宇, 陈沛毓, 武蒙, 黄如
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 25-33

摘要 人工智能时代对计算芯片的算力和能效都提出了极高要求.存算一体芯片技术被认为是有望解决处理器芯片“存储墙”瓶颈,大幅提升人工智能算力能效和算力密度的关键技术和重要解决方案.SRAM存算一体芯片技术由于其在兼容性、鲁棒性、灵活性等方面的优势,已经得到多个旗舰公司的认可和相关领域的产业布局.本文基于国家自然科学基金委员会第347期“双清论坛(青年)”的讨论内容,回顾SRAM存算一体芯片领域近年来的研究现状和发展趋势,分析并总结了该领域未来的研究需求,凝练关键科学问题并进一步探讨前沿研究方向和科学基金资助战略.

关键词 人工智能; 存算一体; SRAM存算; 科学问题; artificial intelligence; compute-in-memory; SRAM-based CIM; scientific topics

引用格式 叶乐, 贾天宇, 陈沛毓, 等. SRAM存算一体芯片研究: 发展与挑战. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 25-33, doi: 10.1360/SSI-2023-0320
Le YE, Tianyu JIA, Peiyu CHEN, et al. SRAM-based compute-in-memory: status and challenges. Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 25-33, doi: 10.1360/SSI-2023-0320

信息器件 新器件 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

集成电路未来发展及关键问题观点专题

存算一体芯片发展现状、趋势与挑战

康旺, 寇竞, 赵巍胜
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 16-24

摘要 冯·诺依曼计算架构本质上面临“存储墙”和“功耗墙”瓶颈,近年来摩尔定律的放缓进一步加剧了上述瓶颈.新型存算一体芯片技术通过器件–架构–电路–工艺的协同创新,将数据存储与计算融合一体化,大幅降低数据搬运及其开销,被视为后摩尔时代突破冯·诺依曼架构瓶颈的重要技术方向之一.同时,存算一体芯片通过大规模并行运算方式实现高算力,在一定程度上可以缓解工艺微缩压力,对我国在新一轮人工智能革命中突破算力困境,具有重要的战略意义与应用价值.基于国家自然科学基金委员会第347期“双清论坛(青年)”,本文介绍存算一体芯片领域当前的研究现状,分析了存算一体芯片技术对我国的重要战略意义,展望了未来亟待解决的关键科学问题与技术挑战,并进一步给出了该领域的发展趋势和建议.

关键词 存内计算; 近存计算; 异构集成; 异构架构; in-memory computing; near-memory computing; heterogeneous integration; heterogeneous architecture

引用格式 康旺, 寇竞, 赵巍胜. 存算一体芯片发展现状、趋势与挑战. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 16-24, doi: 10.1360/SSI-2023-0311
Wang KANG, Jing KOU, Weisheng ZHAO. In-memory computing technology: development status, trends and challenges. Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 16-24, doi: 10.1360/SSI-2023-0311

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基于忆阻的嗅觉感知及跨模态联想电路设计与实现

丁明慧, 王小平, 曾志刚
中国科学: 信息科学, 2023, 53(12): 2561-2576

摘要 嗅觉研究在环境监测、灾害预警等领域的重要性凸显,联想记忆是生物大脑处理信息的机制,探索嗅觉感知及其跨模态联想对于扩展类脑感知在机器人技术上的应用和发展十分必要.本文基于忆阻设计了嗅觉感知与跨模态联想电路,模拟了嗅觉的基本功能及其情感、记忆效应,主要包括3个模块:气味识别模块以忆阻嗅觉神经元为基础实现对两种气味的识别;高级感知模块搭建情感产生电路生成嗅觉情感,并利用忆阻阻值变化实现对其他模态记忆巩固的影响;延时跨模态联想模块基于忆阻变化规律设计延时电路和联想记忆电路,以情感为强化物实现了嗅觉与其他模态信息的延时联想.最后设计4种情景进行实验,仿真结果表明该电路可以实现嗅觉的感知功能和与其他模态信息的跨模态联想,为机器人嗅觉感知提升提供了可能.

关键词 忆阻; 嗅觉感知; 情感; 联想记忆; 跨模态信息关联; memristor; olfactory perception; emotion; associative memory; different modal information correlations

引用格式 丁明慧, 王小平, 曾志刚. 基于忆阻的嗅觉感知及跨模态联想电路设计与实现. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(12): 2561-2576, doi: 10.1360/SSI-2023-0137
Minghui DING, Xiaoping WANG, Zhigang ZENG. Memristive circuit design and implementation of olfactory perception and cross-modal association. Sci Sin Inform, 2023, 53(12): 2561-2576, doi: 10.1360/SSI-2023-0137

信息器件 新器件 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 2

基于忆阻器的可编程矩阵行列式求解电路设计及应用

肖平旦, 洪庆辉, 杜四春, 孙辰, 黎俊, 张吉良
中国科学: 信息科学, 2023, 53(5): 1008-1025

摘要 矩阵行列式的求解在工程应用中具有重要的意义并得到了广泛的应用,如何高效快速地求解矩阵行列式成为物联网大数据时代的迫切需求.为此,本文提出了一种基于忆阻器的可编程模拟电路,可一步完成任意阶行列式的计算.首先,本工作给出了二阶行列式和三阶行列式的计算电路.在此基础上,通过组合电路的方式得到任意阶数行列式求解电路.同时,该电路还可以通过调节忆阻器的电导和输入电压源来实现可编程的功能. PSPICE的仿真结果表明,该电路的精度在99.4%以上,运行时间比MATLAB仿真快3个数量级,即便在10.0%的误差干扰的情况下,其精度仍能超过93%.相比于数字处理器,该电路在面积开销与功耗上具有显著优势.最后,该电路可通过各个卫星的余弦参数来计算多卫星构成的空间矩阵行列式以辅助定位卫星组合的选择,其计算结果的平均精度可达99.7%.

关键词 忆阻器; 电路设计; 可编程; 行列式; 卫星定位; memristors; circuit design; programmable; determinant; satellite positioning;

引用格式 肖平旦, 洪庆辉, 杜四春, 等. 基于忆阻器的可编程矩阵行列式求解电路设计及应用. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(5): 1008-1025, doi: 10.1360/SSI-2022-0229
Pingdan XIAO, Qinghui HONG, Sichun DU, et al. Design and application of a programmable matrix determinant-solving circuit based on memristors. Sci Sin Inform, 2023, 53(5): 1008-1025, doi: 10.1360/SSI-2022-0229

信息器件 新器件 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

耐高温微系统气密封装技术及高温可靠性研究

刘佳欣, 彭洋, 胡剑雄, 徐建, 陈明祥
中国科学: 信息科学, 2023, 53(4): 803-814

摘要 针对武器装备、航空航天等领域高温封装需求,提出一种耐高温微系统气密封装技术.选用氮化铝直接电镀陶瓷基板(direct plated ceramic substrate, DPC)作为封装散热基板,可伐(Kovar)合金作为封装盖板,金锡合金(Au_(80)Sn_(20))作为焊接材料实现气密封装,并通过有限元模拟优化了最小焊接应力下的焊环厚度.根据设计方案制备了集成热敏电阻和微型加速度计的微系统器件.测试结果表明,微系统封装样品焊接质量良好,界面无孔隙和裂纹.将封装后的微系统在200℃下老化1000 h,测试其老化前后的气密性和芯片电性能.结果表明,老化后微系统仍具有较高气密性,封装漏率达到10~(-9)Pa·m~3/s量级,热敏电阻及微型加速度计电信号正常.实验证明该耐高温微系统气密封装技术可满足高温应用可靠性需求,有望应用于航空航天及军工领域.

关键词 高温封装; 微系统; 气密封装; 直接电镀陶瓷基板(DPC); 金锡焊片; 可靠性; high-temperature packaging; microsystem; hermetic packaging; direct plated ceramic substrate (DPC); Au-Sn; reliability;

引用格式 刘佳欣, 彭洋, 胡剑雄, 等. 耐高温微系统气密封装技术及高温可靠性研究. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(4): 803-814, doi: 10.1360/SSI-2021-0438
Jiaxin LIU, Yang PENG, Jianxiong HU, et al. High-temperature microsystem packaging technology and high-temperature reliability. Sci Sin Inform, 2023, 53(4): 803-814, doi: 10.1360/SSI-2021-0438

信息器件 新器件 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

基于闪存的可编程线性忆阻器及其存算一体化电路与系统

赵亮, 高世凡, 张圣波, 邱翔, 杨帆, 李杰, 陈泽志, 赵毅
中国科学: 信息科学, 2022, 52(1): 176-186

摘要 基于新型非易失性存储器和存内计算架构的神经网络推理芯片在功耗、速度和存储密度等方面展现出突出的优势,使其在物联网和边缘计算等应用领域受到广泛关注.在本文中,我们详细介绍了一款基于可编程线性忆阻器(programmable linear random-access memory, PLRAM)的存算一体化片上系统芯片的设计和实现方法.为了在资源受限条件下实现高效的推理计算,该系统结合了器件、电路和系统层面的一系列新技术,包括具备每单元7比特存储能力的新器件、数据自适应写入、电路失配补偿,以及基于残差模型训练的模型部署技术.这些新技术帮助该系统实现优越的整体性能,使其具有紧凑的外观尺寸,超过10 TOPS/W的能效和接近95%的计算精度,并被成功应用于一款低功耗、低成本的语音多关键词识别产品.

关键词 存算一体化; 片上系统; 改进型浮栅晶体管; 可编程线性忆阻器; 模型部署技术; in-memory computing; system-on-chip; modified floating gate transistor; PLRAM; model deployment techniques;

引用格式 赵亮, 高世凡, 张圣波, 等. 基于闪存的可编程线性忆阻器及其存算一体化电路与系统. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(1): 176-186, doi: 10.1360/SSI-2021-0157
Liang ZHAO, Shifan GAO, Shengbo ZHANG, et al. Programmable linear random-access memory and its in-memory computing circuits and systems based on flash memory. Sci Sin Inform, 2022, 52(1): 176-186, doi: 10.1360/SSI-2021-0157

信息器件 新器件 评述 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 10

科学训练辅助: 柔性可穿戴传感器运动监测应用

苏炳添, 李健良, 徐慧华, 徐泽, 孟建新, 陈小平, 李风煜
中国科学: 信息科学, 2022, 52(1): 54-74

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;

引用格式 苏炳添, 李健良, 徐慧华, 等. 科学训练辅助: 柔性可穿戴传感器运动监测应用. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(1): 54-74, doi: 10.1360/SSI-2021-0294
Bingtian SU, Jianliang LI, Huihua XU, et al. Scientific athletics training: flexible sensors and wearable devices for kineses monitoring applications. Sci Sin Inform, 2022, 52(1): 54-74, doi: 10.1360/SSI-2021-0294

信息器件 其他 刊讯 Website Google Scholar PDF

后摩尔时代新器件基础研究重大研究计划进展专题简介

黄如, 郝跃, 王润声, 黎明, 韩根全
中国科学: 信息科学, 2023, 53(11): 2301-2302
引用格式 黄如, 郝跃, 王润声, 等. 后摩尔时代新器件基础研究重大研究计划进展专题简介. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(11): 2301-2302, doi: 10.1360/SSI-2023-0306

信息器件 其他 人物风采 Website Google Scholar PDF

郑婉华院士

中国科学: 信息科学, 2022, 52(10): 1938-1940
引用格式 . 郑婉华院士. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(10): 1938-1940, doi: 10.1360/SSI-2022-0352

信息器件 量子 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 0

集成电路未来发展及关键问题观点专题

半导体量子计算芯片

张建军, 李海欧, 郭国平
中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 102-109

摘要 近年来,量子计算受到国内外越来越广泛的关注,美国、欧洲、日本和澳大利亚等国都投入了大量资金,量子计算应用研究成果开始涌现.在众多的量子计算物理系统中,半导体量子计算因具有与现有集成电路工艺兼容及可扩展、可集成的优点而备受重视.本文在介绍国内外半导体量子计算研究进展的基础上,探讨半导体量子计算发展中面临的关键科学技术难题,以及未来半导体量子计算规模化、集成化、产线化的发展趋势.

关键词 硅; 锗; 量子点; 量子比特; 量子计算; silicon; germanium; quantum dot; quantum bit; quantum computing

引用格式 张建军, 李海欧, 郭国平. 半导体量子计算芯片. 中国科学: 信息科学, 2024, 54(1): 102-109, doi: 10.1360/SSI-2023-0333
Jian-Jun ZHANG, Hai-Ou LI, Guo-Ping GUO. Semiconductor quantum computing. Sci Sin Inform, 2024, 54(1): 102-109, doi: 10.1360/SSI-2023-0333

信息器件 量子 刊讯 Website Google Scholar PDF

量子信息专题简介

张卫平, 周正威, 苏晓龙
中国科学: 信息科学, 2023, 53(10): 2053-2054

关键词 量子信息;

引用格式 张卫平, 周正威, 苏晓龙. 量子信息专题简介. 中国科学: 信息科学, 2023, 53(10): 2053-2054, doi: 10.1360/SSI-2023-0292

信息器件 量子 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 1

纪念清华大学电子工程系成立70周年专刊

非平衡光纤干涉仪的相位稳定方法研究

杨川荣, 袁晨智, 范云茹, 张瑞明, 李加睿, 邓光伟, 宋海智, 王浟, 尤立星, 周强
中国科学: 信息科学, 2022, 52(4): 700-712

摘要 光量子信息技术通过使用光子承载量子信息,在量子通信、量子精密测量、线性光量子计算中发挥着重要作用.近年来,非平衡光纤干涉仪被广泛应用于光量子比特信息的制备、操控和测量过程中.然而,基于光纤器件的非平衡光纤干涉仪容易受到环境温度、应力等物理量变化的扰动,使得其使用过程需要反馈控制的配合.现有反馈控制装置常使用一束参考激光结合光电探测来实现,容易在光量子比特信息中引入额外噪声.因此,本文面向光量子信息应用,验证了一种基于弱相干参考光结合单光子探测计数的反馈控制方案.在理论分析基础上,我们实现了对臂长差约为1 m的非平衡光纤迈克尔逊干涉仪(fiber Michelson interferometer)的反馈控制,相位抖动小于0.042弧度,并在该干涉仪中测量到单光子干涉的条纹可见度大于99%.

关键词 非平衡光纤干涉仪; 反馈控制; 弱相干光; 光子计数; unbalanced fiber interferometer; feedback control; weak coherent light; photon counting;

引用格式 杨川荣, 袁晨智, 范云茹, 等. 非平衡光纤干涉仪的相位稳定方法研究. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(4): 700-712, doi: 10.1360/SSI-2021-0410
Chuanrong YANG, Chenzhi YUAN, Yunru FAN, et al. A phase stabilization method for unbalanced fiber interferometer. Sci Sin Inform, 2022, 52(4): 700-712, doi: 10.1360/SSI-2021-0410

信息器件 量子 论文 Website Google Scholar PDF SCOPUS引次: 2

高维量子低密度奇偶校验码纠缠度

范兴奎, 颜丹丹, 刘芬, 马鸿洋
中国科学: 信息科学, 2022, 52(3): 539-552

摘要 量子纠错与量子计算是量子信息科学坚实的基础和重要的组成部分.在实际应用中,如大气传输中的量子通信,将需要多种数学运算,其中包括量子纠错码.量子纠错码可以抵抗噪声,但由于构造量子纠错码依赖于量子纠缠,因此被认为是困难的.利用图态解决码字纠缠度是一个很有前途的解决方案,但高维图态构造起来仍有诸多困难,上述困难可以巧妙地通过码字纠缠的上界和下界来解决.本文根据稳定子码循环差集的特性和经典低密度奇偶校验(low-density parity check, LDPC)码的U和B组合,构造了高维量子低密度奇偶校验(quantum low-density parity check, QLDPC)码.通过计算新码元的非Z型生成元并求出其最小数目得到新码元的纠缠上界;再计算新码校验矩阵的秩作为纠缠下界.当码字纠缠上界和下界不同时,利用机器学习中的学习向量量化(learning vector quantization,LVQ)算法可同时求得码字纠缠度和编码复杂度,以此推得它们之间的关系.在计算运行速度方面,对比拉格朗日乘数法中的迭代算法, LVQ算法运行速度提高了37.68%,而且在稳定性和精度方面, LVQ算法的性能优于拉格朗日乘数法中的迭代算法.本文在量子码字纠缠度的测量中迈出了重要的一步,为设计具有更高译码效率的量子纠错码提供了帮助.

关键词 量子低密度奇偶校验码; 稳定子码循环差集; U和B组合; 码字纠缠度; 学习向量量化; quantum low-density parity codes; cyclic difference set of stabilizer codes; combination of U and B; codewords entanglement measurement; learning vector quantization;

引用格式 范兴奎, 颜丹丹, 刘芬, 等. 高维量子低密度奇偶校验码纠缠度. 中国科学: 信息科学, 2022, 52(3): 539-552, doi: 10.1360/SSI-2021-0183
Xingkui FAN, Dandan YAN, Fen LIU, et al. Entanglement degree of high-dimensional quantum low-density parity check codes. Sci Sin Inform, 2022, 52(3): 539-552, doi: 10.1360/SSI-2021-0183