计算机 人工智能(43) 生物信息(4) 图形图像(55) 计算机理论(8) 高性能计算(21) 信息安全(31) 社会媒体(11) 软件(7)

控制 人工智能系统(12) 复杂网络与系统(7) 分布式控制与优化(6) 故障诊断与控制系统安全(13) 滤波、估计与参数辨识(1) 导航、制导与控制(14) 网络化控制系统(6) 非线性系统与控制(7) 其他(5) 机器人与无人系统(9) 鲁棒控制与自适应控制(5) 随机系统与控制(2)

通信 网络安全(15) 电磁场与微波技术(4) 信息论与编码(1) 光通信(1) 其他(3) 雷达技术与遥感图像处理(21) 卫星通信(1) 信号处理(15) 无线通信(34)

信息器件 电路和系统(8) MEMS(4) 新器件(5) 新材料(2) 光学和光电子(3) 其他(1) 量子(3)

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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

Stacked adversarial variational recurrent neural network for anomaly detection of multivariate time series

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;

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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

A parallel algorithm for regional co-location mining based on fuzzy density peak clustering

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;

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一种基于偏差-方差权衡的贝叶斯分类学习框架

Bayesian classification learning framework based on bias–variance trade-off

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;

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硬件感知的神经架构搜索

Hardware-aware neural architecture search

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;

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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

Global pruning of deep neural networks driven by convolutional effectiveness evaluation mechanism

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;

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知识图谱驱动的图卷积神经网络谣言检测模型

Knowledge graph-driven graph neural network-based model for rumor detection

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;

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基于细粒度迁移的跨场景认知能力评估方法

A fine-grained transfer learning method for cross-scenario cognitive-ability assessment

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;

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基于进化策略的自适应联邦学习算法

Adaptive federated learning algorithm based on evolution strategies

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;

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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

Adaptive personalized federated learning for heterogeneous data: a method based on parameter decomposition and continual learning

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;

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基于特征增广的生成—判别混合模型构建方法

A feature augmentation-based method for constructing generative-discriminative hybrid models

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;

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

基于多尺度空洞卷积的知识图谱表示方法

Multi-scale dilated convolutional network for knowledge graph embedding

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;

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

基于独立自表达学习的不完全多视图聚类

Incomplete multi-view clustering via independent self-representation learning

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;

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

珠算: 可微概率编程库的设计与实现

ZhuSuan: design and implementation of differentiable probabilistic programming libraries

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;

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

基于通信的多智能体强化学习进展综述

Review of the progress of communication-based multi-agent reinforcement learning

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;

计算机 人工智能 评述 Website Google Scholar SCOPUS引次: 5

基于联邦学习的推荐系统综述

Survey of recommender systems based on federated learning

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;

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

局部-全局关系耦合的低照度图像增强

Local-global coupling relationship based low-light image enhancement

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;

计算机 人工智能 论文 Website Google Scholar 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

Gradient flow pruning based on the evaluation of the importance of characteristic attribution and Taylor-guidance

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;

计算机 人工智能 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 5

群体智能系统的动力学模型与群体熵度量

Dynamic model and crowd entropy measurement of crowd intelligence system

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;

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

面向半监督聚类的最优间隔分布学习机

Optimal margin distribution machine for semi-supervised clustering

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;

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连续无监督异常检测

Continual unsupervised anomaly detection

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;

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基于单簇聚类的非对齐多视图异常检测算法

Non-aligned multi-view anomaly detection algorithms based on one-cluster clustering

史小艳, 陈松灿
中国科学: 信息科学, 2021, 51(12): 2037-2052
摘要 多视图数据广泛存在于现实,而异常也不可避免地伴随其中.现有的多视图异常检测方法针对的都是对齐的多视图场景,无法胜任更具挑战的非对齐多视图场景.为此,本文提出了4种基于单簇可能性C–均值(possibilistic C-means, PCM),即P1M (PCM, C=1)算法的非对齐多视图异常检测算法.不同于对齐的多视图场景,非对齐特性造成了样本在各视图间对应关系的缺失,以致我们无法利用在对齐场景下示例级的局部关键信息.为此,我们设法通过各视图的全局信息进行学习.本文的关键之处在于借助交替优化法为各视图分别学得一个变换矩阵,用其将各视图投影到一个公共子空间,进而在该公共子空间中用P1M学得所有训练数据对目标类的隶属度,并设置隶属度阈值,从而实现异常检测.在多个UCI数据集上的实验结果表明,本文方法能够有效应对非对齐多视图场景中的异常检测.
关键词 可能性C–均值; 非对齐多视图; 异常检测; 公共子空间; 单簇; possibilistic C-means; non-aligned multi-view; anomaly detection; the common subspace; one-cluster;

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人工智能的10个重大数理基础问题

Ten fundamental problems for artificial intelligence: mathematical and physical aspects

徐宗本
中国科学: 信息科学, 2021, 51(12): 1967-1978
摘要 本文提出并阐述人工智能研究与应用中亟待解决的10个重大数理基础问题:(1)大数据的统计学基础;(2)大数据计算的基础算法;(3)数据空间的结构与特性;(4)深度学习的数学机理;(5)非正规约束下的最优输运;(6)如何学习学习方法论;(7)如何突破机器学习的先验假设;(8)机器学习的自动化;(9)知识推理与数据学习的融合;(10)智能寻优与人工智能芯片问题.
关键词 人工智能; 数理基础; 统计学; 大数据算法; 数据空间; 深度学习; 最优传输; 学习学习方法论; 机器学习假设; 机器学习自动化; AI芯片; artificial intelligence; mathematical and physical foundation of AI; statistics; big data algorithms; data spaces; deep learning; optimal transportation problem; simulate learning methodology; hypotheses on machine learning; machine learning automation; AI chips;

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

基于隐式网络和显式网络相似性学习的零样本意图识别

Similarity learning with implicit-network and explicit-network for zero-shot intent detection

孙鹏飞, 欧阳亚文, 戴新宇, 张文明
中国科学: 信息科学, 2021, 51(11): 1853-1866
摘要 意图识别是对话系统的一个重要组成部分.现有的工作主要集中在使用充足的标记数据进行意图识别.然而,这些方法不能识别训练数据中不存在的意图.为了解决这个问题,我们提出了一种基于隐式网络和显式网络的相似性学习模型,用于零样本意图识别,该模型能够从词级和句子级学习用户话术和意图描述之间的相似性.为了增强意图的表示,我们引入槽位类型作为意图描述.并依据表达方式的不同将意图分为显式意图和隐式意图,分别从词级和句子级构建显式网络和隐式网络.同时,为了更好地结合这两部分信息,我们还设计了关系层来融合不同层级的信息.在两个基准数据集上的实验结果表明,我们的模型明显优于现有的最先进的模型,并展示了从词级和句子级同时学习相似性的有效性.
关键词 零样本意图识别; 隐式网络; 显式网络; 关系层; 选择门; zero-shot intent detection; implicit network; explicit network; relation layer; switch gate;

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三元空间大数据网络关联表征

Cyber-physical-human big data correlational representation

朱文武, 王鑫
中国科学: 信息科学, 2021, 51(11): 1802-1839
摘要 三元空间是由信息空间、物理世界、人类社会所构成,三元空间大数据由信息空间所产生的互联网数据、物理空间所产生的物联网数据和人类社会空间所产生的数据所构成.本文介绍了三元空间大数据的关联复杂性,并针对三元空间大数据关联复杂性这一本质困难,提出解决三元空间异构数据的关联表征这一关键科学问题.传统信息科学往往依据既有的先验信息进行特征表达,并在先验表征空间内分析信息语义及其关联关系.然而,在表征层面所引入的先验偏见,极大限制了信息理解和关联的广度和深度,使得蕴含于三元空间大数据之中的超出人类现有经验的知识难以被发掘.为解决上述难题,本文提出将三元空间数据关联关系通过拓扑图理论表征成网络或图以实现三元空间大数据的关联表征和融合分析.具体地,利用数据驱动的深层网络表征对三元空间异构数据的弱先验关联关系进行深度建模以保持原始数据间的异构关联关系,通过对非线性、非凸异构数据关联表达进行深度解离化计算以提升深层关联表征的鲁棒性与可解释性,借助拓扑图理论挖掘三元空间大数据中蕴含的异构关联关系以达到对三元空间异构关系的精准刻画.最后,本文从知识与数据双驱动、自适应,以及可推理三元空间大数据分析的角度对三元空间大数据关联表征的未来研究方向进行展望.
关键词 三元空间; 大数据; 关联表征; 深层表征; 网络表征; cyber-physical-human space; big data; correlational representation; deep representation; network representation;

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基于自适应对偶图与非凸约束的嵌入特征选择

Adaptive dual graphs and non-convex constraint based embedded feature selection

尚荣华, 徐开明, 焦李成
中国科学: 信息科学, 2021, 51(10): 1640-1657
摘要 在传统的特征选择方法中,为了保证行的稀疏性,经常采用l_1范数或者l_(2,1)范数来约束评价矩阵.作为凸正则项,它们在多数情况下可以发挥良好的作用.然而在处理冗余性特征时,一些非凸正则项有望表现出更好的性能.借助自适应流形学习与非凸约束的优点,本文提出了一种新的算法,叫做基于自适应对偶图与非凸约束的嵌入特征选择(adaptive dual graphs and non-convex constraint based embedded feature selection, DNEFS).借助稀疏回归框架, DNEFS同时保留了数据空间与特征空间的流形结构信息.通过运用信息熵原理,对偶图中的局部流形信息可以自适应的学习与更新,因此可以获得更好的特征选择效果.不同于传统的凸约束,本文引入了一个新的非凸正则项,这一正则项由l_(2,1)范数与Frobenius范数的差分构成,并记为l_(2,1-2)范数.通过使用这一新正则项, DNEFS可以更好地处理冗余性的特征.本文运用交替迭代更新的方式来优化目标函数,并在6个基准数据集上测试DNEFS算法的性能.通过与6种对比算法做对比,实验结果表明提出的DNEFS优于对比算法的性能.
关键词 对偶图; 流形结构; 非凸约束; 嵌入; 特征选择; dual graphs; manifold structure; non-convex constraint; embedded; feature selection;

计算机 人工智能 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 4

基于本质自表示的多视角子空间聚类

Intrinsic self-representation for multi-view subspace clustering

于晓, 刘慧, 吴彦, 张彩明
中国科学: 信息科学, 2021, 51(10): 1625-1639
摘要 大数据时代,针对高维数据的聚类分析已成为数据挖掘的热点和难点问题,与此同时,近年来数据获取方式的重大变革推动了多视角研究快速兴起.多视角子空间聚类能够针对高维数据进行聚类,已成为目前聚类研究的一个重要分支.然而,现有部分方法直接从原始数据学习相似度矩阵,极易受到数据中噪声的影响.因此,本文提出了一种基于本质自表示的多视角子空间聚类方法 (intrinsic self-representation for multi-view subspace clustering, ISMSC),从数据的潜在表示中学习相似度矩阵,并利用数据的自表达特性将所有视角的特征融合成本质表示.然后,本文使用交替方向乘子法(alternating direction method of multipliers, ADMM)设计了有效的求解策略对模型进行优化.最后,将ISMSC在人造数据集和8个真实基准数据集上的实验结果与9种基准方法进行了对比,结果表明了模型的鲁棒性和有效性.
关键词 多视; 聚类; 子空间; 谱聚类; 稀疏; multi-view; clustering; subspace; spectral clustering; sparse;

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

基于联合分布核适配的迁移学习及其隐私保护

Transfer learning based on joint distribution kernel adaptation and its privacy protection

倪宣明, 沈鑫圆, 张海
中国科学: 信息科学, 2021, 51(10): 1609-1624
摘要 迁移学习利用不同但相关的源域标记数据来解决目标领域的学习问题,大多数减小域间分布差异的方法依赖于最大均值差异距离,但其仅仅能匹配域间数据分布的各阶矩.此外,隐私保护意识的增强限制了对数据源的访问,对迁移学习的发展提出了新的挑战.本文提出一种基于联合分布核适配的迁移学习及其隐私保护方法,直接在再生核希尔伯特空间中同时减小域间边缘分布和条件分布的差异,从而学习一个域不变核矩阵.此外,我们设置数据源双方首先访问一个相同的随机投影函数,然后聚合器发布基于目标扰动的差分隐私核分类器,在实现基于核的联合分布适配的同时,避免了数据源与聚合器直接共享原始特征数据.在多个文本和图像迁移学习基准数据集上进行了对比实验和参数分析,结果显示本文方法具有良好的有效性.
关键词 迁移学习; 隐私保护; 分布适配; 谱学习; 差分隐私; transfer learning; privacy protection; distribution adaptation; spectral learning; differential privacy;

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

几何视角下深度神经网络的对抗攻击与可解释性研究进展

Adversarial attack and interpretability of the deep neural network from the geometric perspective

夏萌霏, 叶子鹏, 赵旺, 易冉, 刘永进
中国科学: 信息科学, 2021, 51(9): 1411-1437
摘要 随着深度神经网络在机器学习的各个领域获得广泛成功,其自身所存在的问题也日益尖锐和突出,例如可解释性差、鲁棒性弱和模型训练难度大等.这些问题严重影响了神经网络模型的安全性和易用性.因此,神经网络的可解释性受到了大量的关注,而利用模型可解释性改进和优化模型的性能也成为研究热点之一.在本文中,我们通过几何中流形的观点来理解深度神经网络的可解释性,在通过流形视角分析神经网络所遇到的问题的同时,汇总了数种有效的改进和优化策略并对其加以解释.最后,本文对深度神经网络流形解释目前存在的挑战加以分析,提出将来可能的发展方向,并对今后的工作进行了展望.
关键词 深度学习; 对抗攻击; 可解释性; 流形; deep learning; adversarial attack; interpretability; manifold;

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复杂担保网络中传染路径的风险评估

Risk assessment for contagion path in complex loan network

程大伟, 牛志彬, 刘新海, 张丽清
中国科学: 信息科学, 2021, 51(7): 1068-1083
摘要 中小企业贷款在促进技术创新、推动经济发展、改善民生和增加就业等方面有着重要的作用.为了满足商业银行的贷款评估标准,很多中小企业选择互相提供担保以获得授信,形成了结构复杂的担保网络.当借款方的贷款违约时,风险则沿着担保方向在网络中层层传播,由此造成的潜在系统性风险给国家的金融安全和监管带来了严峻的挑战.因此,迫切需要发展相应的方法从系统角度对复杂金融担保网络中的传染路径进行风险评估和预测.本文提出了一种基于深度学习的风险评估模型,该方法应用图神经网络和注意力机制直接从网络化的贷款行为数据中学习风险特征,无需依赖于金融领域专业知识的人工特征工程.实验结果表明,本文设计的方法在多数评价指标上均优于现有的7个对比的基准模型.在传染路径风险评估任务中,比基准方法在精确率和召回率的调和平均数(F1-score)方面平均提升了2%~15%.在新路径风险评估任务中,比最好的基准方法平均提升了3.5%.结果表明了本文设计方法在传染路径风险评估中的有效性,可为监管部门和金融机构对担保网络进行系统性风险评估提供方法理论基础.
关键词 风险评估, 传染路径, 担保网络, 图神经网络, 注意力机制

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

EL-Picker: 基于集成学习的余震P波初动实时拾取方法

El-Picker: a machine learning-enhanced robust P-phase picker for real-time seismic monitoring

申大忠, 张琦, 徐童, 祝恒书, 赵雯佳, 殷子凯, 周培伦, 房立华, 陈恩红, 熊辉
中国科学: 信息科学, 2021, 51(6): 912-926
摘要 在实时地震监测中,地震P波(primary wave)的初动拾取任务具有至关重要的作用,其有助于地震应急响应的及时实施.虽然此前在该领域已开展了大量的研究,但是如何从地震分布密集并且充满噪声的监测波形中有效地识别出P波仍然是一个具有挑战性的任务.例如对于大地震的余震监测,实践中使用的普遍方法仍依赖于专家辅助标注.本文针对地震实时监测任务,基于集成学习策略,提出一个全新的技术框架——EL-Picker,实现从连续地震波形中自主拾取P波的初动到时.具体而言,EL-Picker包含3个模块,即触发器、分类器和精化器.其中,分类器模块借鉴集成学习策略,实现对多个个体学习器的整合,提升整体模型性能.基于汶川Ms8.0地震的余震数据集进行的大量实验,我们发现EL-Picker不仅较好地实现P波初动拾取效果,并且多诊断出120%被人工遗漏的地震P波.同时,实验结果也启发我们探索如何针对不同的地震站台选取个性化的个体学习器构建分类器模块.此外,我们进一步地讨论了被人工遗漏的地震波形的规律特点,用于指导人工地震标注.这些发现清晰地验证了EL-Picker框架的鲁棒性、时效性、灵活性以及稳定性.
关键词 P波拾取, 机器学习, 集成学习, 汶川余震, 实时地震监测

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

联邦学习下对抗训练样本表示的研究

Towards training time attacks for federated machine learning systems

冯霁, 蔡其志, 姜远
中国科学: 信息科学, 2021, 51(6): 900-911
摘要 联邦机器学习系统由于能够在多方之间训练联合模型而无需各方共享训练数据,因此在学术界和工业界都获得了越来越多的关注和应用.与传统的机器学习框架相比,这类系统被认为具有保护数据隐私的良好潜力.另一方面,训练阶段攻击是一种通过故意扰动训练数据,从而希望在测试时操纵相应的学习系统预测行为的攻击方法.例如, DeepConfuse是最近的一种高效生成对抗训练数据的方法,展示了传统监督学习范式在此类攻击下的脆弱性.在本文中,作者扩展了DeepConfuse方法,将其应用在联邦机器学习框架中.这是首次针对联邦学习系统的训练阶段攻击.实验结果表明,在δ–准确率损失的衡量标准下,相比于传统的机器学习框架,联邦学习系统在DeepConfuse攻击下更加脆弱.
关键词 联邦学习, 学件, 表示学习

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

一种基于对抗学习和语义相似度的社交网络跨媒体搜索方法

A cross-media search method for social networks based on adversarial learning and semantic similarity

刘翀, 杜军平, 周南
中国科学: 信息科学, 2021, 51(5): 779-794
摘要 社交网络蕴含着丰富的多媒体信息,如何实现社交网络跨媒体信息的搜索已成为研究热点.基于深度学习的单一模态语义特征提取和学习在社交网络信息搜索上取得了较好的效果.在跨模态信息搜索时不同模态的数据特征不能直接比较,因此不同模态之间的语义鸿沟是亟待解决的关键问题.针对上述问题,本文提出了一种基于对抗学习和语义相似度的跨媒体搜索方法,实现了文本和图像之间的相互匹配、排序和搜索.该方法使用对抗学习方法框架构建训练特征映射网络和模态判别网络,其中特征映射网络使用多维语义分布向量将不同模态的数据映射到同一语义空间中,使得相同语义下的不同模态数据在该空间距离小,不同语义下相同模态数据距离大.使用语义分布及相似度作为特征映射网训练依据,模态判别网络负责判定空间中不同数据的模态.基于对抗学习交替训练两个网络,使得特征映射网络得到的数据和原数据语义一致,并消除模态特性,最终在同一空间内使用相似度来排序并得到搜索结果.实验结果表明本文提出的方法在文本和图像的相互搜索的map值比同类方法高,并验证了该方法在社交网络安全话题数据上的有效性.
关键词 跨媒体搜索; 对抗学习; 语义相似度; 社交网络; 搜索排序; cross-media retrieval; adversarial learning; semantic similarity; social network; search and rank;

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

稀疏连接的异步池计算网络

Sparsely connected asynchronous reservoir computing network

薄迎春, 张欣, 刘宝, 王平
中国科学: 信息科学, 2021, 51(5): 764-778
摘要 针对池计算网络的构建问题,提出了一种稀疏连接的异步神经元池构造方法,该方法将多个子神经元池顺序连接,并在子神经元池之间设置滞后环节,以实现各子神经元池对输入信息的异步处理,进而构成串行的记忆.为实现信息高效传输,子神经元池之间采用稀疏的连接方式.实验表明,所提方法能够有效地提高神经元池的记忆容量,易于解决长时依赖问题.此外,该结构能够使神经元池产生丰富的动力学行为,对初始参数也有较好的鲁棒性.
关键词 人工神经网络; 池计算; 记忆; 鲁棒性; 动力学; artificial neural network; reservoir computing; memory; robustness; dynamics;

计算机 人工智能 观点与争鸣 Website Google Scholar SCOPUS引次: 11

精准智能理论: 面向复杂动态对象的人工智能

Refined intelligence theory: artificial intelligence regarding complex dynamic objects

郑志明, 吕金虎, 韦卫, 唐绍婷
中国科学: 信息科学, 2021, 51(4): 678-690
摘要 新一轮科技革命和产业变革正在萌发,以深度学习和大数据为基础,以Alpha Go等为典型应用场景掀起了人工智能的第3次高潮.传统的基于统计线性化动态建模的人工智能,在处理复杂对象时遇到了可解释性、泛化性和可复现性等发展瓶颈,迫切需要建立基于复杂性与多尺度分析的新一代人工智能理论,我们称之为精准智能.针对复杂系统的非线性特征,精准智能构建内嵌领域知识和数学物理机理的系统学习理论,包括复杂数据科学感知、复杂系统精准构建、复杂行为智能分析3个层次.具体而言,通过复杂数据科学感知建立内嵌时空特征与数理规律等具有可解释性的科学数据系统;通过复杂系统精准构建反演具有非线性复杂逻辑关系的多层次、多尺度、可解释的人工智能动态学习模型;通过对系统复杂行为智能分析建立面向系统行为演进和全局动态分析的可解释可调控人工智能新理论和新方法.将上述精准智能理论应用于群体智能,提出了群体熵方法,实现了群体激发和汇聚行为复杂性度量与有效引导调控.
关键词 人工智能; 可解释性; 非线性; 复杂性; 精准智能; artificial intelligence; interpretability; nonlinearity; complexity; refined intelligence;

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

生成式对抗网络的不稳定性分析及其处理技术

Instability analysis for generative adversarial networks and its solving

谭宏卫, 周林勇, 王国栋, 张自力
中国科学: 信息科学, 2021, 51(4): 602-617
摘要 生成式对抗网络(generative adversarial networks, GANs)训练的不稳定性问题一直是GANs研究领域最具挑战性的问题之一.目前,仍未从理论上找到影响GANs训练稳定性的根本原因及有效的解决办法.本文通过理论分析发现, GANs训练的不稳定性主要是由于训练最优判别器与最小化生成器之间相互矛盾所致.经逐步分析得出,控制判别器的Lipschitz常数是解决GANs不稳定性问题的关键,进而提出一种有针对性的梯度惩罚技术来解决此问题.最后,本文从损失函数的振荡幅度(收敛性)、梯度总体变化趋势,以及网络整体性能3个方面进行了全面对比实验.结果显示,本文所提出的惩罚技术对处理GANs训练的不稳定性问题具有显著的效果.
关键词 生成式对抗网络; 不稳定性分析; 惩罚技术; 梯度范数; Lipschitz常数; generative adversarial networks; instability analysis; penalty technique; gradient norm; Lipschitz constant;

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

求解增量二分图优化问题的动态规划驱动的局部搜索算法

A dynamic programming-based local search algorithm for solving the dynamic bipartite drawing problem

彭博, 卢晨贝, 赵岳虎, 苏宙行, 廖毅, 吕志鹏
中国科学: 信息科学, 2021, 51(4): 582-601
摘要 增量二分图优化问题(dynamic bipartite drawing problem, DBDP)是一个具有NP难度的组合优化问题,该问题在实际生产生活中有着广泛的应用.本文提出了一种新的动态规划驱动的局部搜索(DP-LS)算法来求解该问题.不同于文献中求解该问题和该类问题的所有启发式算法的邻域搜索方式(即每次邻域操作只对一个或两个节点进行插入或交换动作),本文提出的动态规划驱动的局部搜索算法能从邻域结构中挑选出并执行多个独立的邻域动作,大大提高了邻域搜索的效率. DP-LS算法从一个随机初始解出发,迭代地利用基于动态规划的局部搜索算法来寻找局部最优解,同时结合扰动机制跳出局部极值陷阱实现全局搜索.本文提出的增量评估方法能够快速评估基于插入和交换的邻域动作,可以大大提高算法的搜索效率.本文针对1120个公共算例进行了计算实验并同文献中已有算法(包括通用求解器Gurobi)进行对比,表明了所提出的动态规划驱动的局部搜索算法在解的优度和计算效率两方面的有效性.此外,通过对比实验表明了DP-LS算法中动态规划机制的有效性(提升近十倍的搜索效率).值得注意的是,本文提出的基于动态规划的局部搜索算法不仅能够用于求解DBDP问题,也能作为一种通用的启发式算法来求解其他组合优化问题,尤其是排序类优化问题.
关键词 增量二分图优化问题; 动态规划; 局部搜索; 增量评估机制; dynamic bipartite drawing problem; dynamic programming; local search; incremental evaluation technique;

计算机 人工智能 刊讯 Website Google Scholar

弱监督学习专题简介

张敏灵, 李宇峰
中国科学: 信息科学, 2021, 51(3): 520-520
关键词 弱监督学习; 多示例学习; 半监督学习;

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

数据驱动的网络多媒体边缘内容分发

Data-driven multimedia edge network and content delivery

朱文武, 王智
中国科学: 信息科学, 2021, 51(3): 468-504
摘要 近年来,网络多媒体迅猛发展.相较于传统固定网络多媒体内容服务,兴起的移动化多媒体服务中的用户行为发生了根本变化.传统内容分发架构依靠中心化基础设施、全局流行度趋势,无法有效感知和服务移动多媒体内容.利用边缘网络架构结合数据驱动策略服务动态移动多媒体内容,提升服务质量成为一种新的选择.通过数据驱动与跨域协同的研究方法,本文深入研究移动多媒体内容服务规律、系统架构、策略设计等.本文首先探讨数据驱动的大规模移动多媒体内容分发模式挖掘与网络性能分析,揭示边缘多媒体内容分发与传统内容分发的本质区别;进一步,本文给出一般性的边缘多媒体网络与内容分发的研究方法,包括数据驱动与跨域协同的多媒体边缘网络内容分发研究框架.最后,本文给出几种代表性框架,包括基于社交媒体传播预测进行内容部署的SocialCDN,基于内容提供商智能的CPCDN,基于边缘网络设备进行移动多媒体内容分发的EdgeCDN,以及基于用户众筹资源的CrowdCDN.
关键词 多媒体网络; 大规模内容分发; 数据驱动策略; 边缘计算; 资源分配; multimedia network; large-scale content delivery; data-driven strategies; edge computing; resource allocation;

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

基于深度线性判别分析的哈希技术

Deep linear discriminant analysis hashing

胡迪, 聂飞平, 李学龙
中国科学: 信息科学, 2021, 51(2): 279-293
摘要 传统基于分类学习的监督哈希方法并不能完全满足哈希检索技术需求,但是线性判别分析却能够在一定程度上做到这一点.本文提出将线性判别分析作为深度网络的优化目标,以端到端训练的方式学习有效的哈希编码.但是,直接以上述目标训练神经网络就必须解决具有较高计算复杂度的特征值分解问题.在本文中,线性判别分析目标被转化为一个简单的最小均方问题,这种转化可以解决上述问题,同时可以利用成熟的优化方法优化网络.这种基于线性判别分析的深度网络拓展可以弥补传统判别分析在简单线性投影和特征学习上的劣势.本文在3个基准数据集上进行大量对比实验,相对于传统线性判别分析,本文所提方法在检索基准指标上有70%的提升,并超过大多数基于深度模型的哈希方法,这些实验结果证明了本文方法的有效性.
关键词 哈希技术; 线性判别分析; 最近邻检索; 深度网络; 量化技术; hashing technique; linear discriminant analysis; nearest-neighbor search; deep network; quantization technique;

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

基于地质知识蒸馏学习的油气储集层识别方法

Method of oil and gas reservoir detection based on geological knowledge distillation learning

李徵, 刘淇, 王喆锋, 郑毅, 林霞, 怀宝兴, 米兰, 陈恩红
中国科学: 信息科学, 2021, 51(1): 40-55
摘要 油气储集层识别是石油能源企业在勘测和开发业务中核心的任务之一.长期以来,油气行业一直依靠专家人工分析海量测井数据以对地下油气储集层进行定性分析,虽然专家解释结论有着很高的精准度,但是时间与经济成本都十分高昂.近些年来,随着以深度学习为代表的人工智能技术的迅速发展,智能油气储集层识别技术成为学术界和工业界共同关注的问题.然而,真实工业环境存在严重的传感数据不一致问题,给传统的监督学习模型带来巨大的挑战.本文针对传感器不一致情境中油气储集层识别任务展开研究,提出多尺度地质知识蒸馏网络的方法.首先,该方法提出一种多尺度特征自注意力融合机制来学习地质信息的多尺度动态表征.其次,该方法设计一种地质知识蒸馏学习模型,从非一致传感数据中学习额外的地质知识,进一步提升模型准确度.最后,在真实数据集上进行大量实验,结果充分证明本文提出的模型在油气储集层识别任务上的有效性和鲁棒性.
关键词 油气储集层识别; 地质知识; 蒸馏学习; 传感数据; 深度神经网络; oil and gas reservoirs detection; geological knowledge; distillation learning; sensor data; deep neural network;

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

K-近邻分类器鲁棒性验证: 从约束放松法到随机平滑法

Robustness verification of K-NN classifiers via constraint relaxation and randomized smoothing

王璐, 姜远
中国科学: 信息科学, 2021, 51(1): 27-39
摘要 本文研究K-近邻分类器的鲁棒性验证问题.形式化鲁棒性验证的目标是计算分类器在给定样本点上的最小对抗扰动的精确值或者最小对抗扰动的非平凡下界.我们将计算K-近邻分类器的最小对抗扰动形式化为一组二次规划问题.二次规划问题的数目随近邻参数K的增大呈指数级增长,精确求解该组二次规划问题往往不可行.约束放松法通过放松优化的约束项,可以在多项式时间内求解最小对抗扰动的下界.然而,本文通过理论分析和实验发现,当近邻参数K取值较大时,约束放松法求得的下界往往过于宽松,甚至会出现K越大下界越小的反直觉结果.为解决这一问题,本文提出使用随机平滑法对K-近邻分类器进行鲁棒性验证.随机平滑法利用了K-近邻分类器对高斯(Gauss)白噪声鲁棒的特点,获得了较为理想的鲁棒性验证效果.基准数据集上的实验结果表明,相比于最新的鲁棒神经网络,"随机平滑的" K-近邻分类器展现出了更好的验证鲁棒性.
关键词 监督学习; 对抗机器学习; 对抗鲁棒性; 鲁棒性验证; K-近邻分类器; supervised learning; adversarial machine learning; adversarial robustness; robustness verification; K-NN classifier;

计算机 人工智能 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 6

基于特征归因重要度评价的卷积网络剪枝

Convolution network pruning based on the evaluation of the importance of characteristic attributions

张彪, 杨朋波, 桑基韬, 于剑
中国科学: 信息科学, 2021, 51(1): 13-26
摘要 近几年,深度模型在诸多任务中取得了巨大成功,但是深度模型需要大量的存储和计算资源实现精确决策,研究者为了将深度模型应用到资源受限的终端设备中,设计了模型压缩的优化策略来降低模型占存和计算量.本文基于剪枝压缩框架,从卷积核重要度评价的角度提出了两种模型剪枝算法.(1)由于每个卷积核都可以学习到其独有特征信息,因此本文提出了一种归因评价机制用于评价卷积核所学特征与因果特征的相关度,将模型中与因果特征相关度较低的卷积核进行裁剪,以实现模型压缩的目的,同时也能够保留原模型的归因特征,称此算法为归因剪枝.(2)第2种剪枝算法基于迭代优化剪枝框架,采用卷积通道和梯度中正相关特征评价相应卷积核重要度,以便于提高剪枝冗余卷积核的精准度,称为Taylor-guided剪枝算法.本文在VGGNet和ResNet两种网络架构上进行实验验证,结果表明:归因剪枝算法可以极大地保留原模型的归因特征;并且两种剪枝算法能够取得比当前主流剪枝算法更优异的压缩效果.
关键词 深度学习; 网络剪枝; 归因; 压缩; Taylor展开; deep learning; network pruning; attribution; compression; Taylor expansion;

计算机 人工智能 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 6

基于决策树模型重用的分布变化流数据学习

Learning from distribution-changing data streams via decision tree model reuse

赵鹏, 周志华
中国科学: 信息科学, 2021, 51(1): 1-12
摘要 在很多真实应用中,数据以流的形式不断被收集得到.由于数据收集环境往往发生动态变化,流数据的分布也会随时间不断变化.传统的机器学习技术依赖于数据独立同分布假设,因而在这类分布变化的流数据学习问题上难以奏效.本文提出一种基于决策树模型重用的算法进行分布变化的流数据学习.该算法是一种在线集成学习方法:算法将维护一个模型库,并通过决策树模型重用机制更新模型库.其核心思想是希望从历史数据中挖掘与当前学习相关的知识,从而抵御分布变化造成的影响.通过在合成数据集和真实数据集上进行实验,我们验证了本文提出方法的有效性.
关键词 机器学习; 分布变化; 流数据; 模型重用; 集成学习; 动态环境; machine learning; distribution change; data stream; model reuse; ensemble methods; dynamic environments;

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基于单细胞数据的癌症协同驱动模块识别方法

Cooperative driver module identification based on single cell data

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;

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基于自注意力机制生成对抗网络的超分辨率磁共振图像重建

Super-resolution reconstruction of MR image with self-attention based generate adversarial network algorithm

蒋明峰, 支明豪, 李杨, 李铁强, 张鞠成
中国科学: 信息科学, 2021, 51(6): 959-970
摘要 高分辨率的磁共振图像可以提供细粒度的解剖信息,但是获取数据需要较长的扫描时间.本文提出了一种基于自注意力机制生成对抗网络的超分辨率磁共振图像重构方法 (SA-SR-GAN),利用生成对抗网络从低分辨率磁共振图像生成高分辨率磁共振图像,将自注意力机制集成到超分辨率生成对抗网络框架中,用于计算输入特征的权重参数,同时引入了谱归一化处理,使判别器网络训练过程更加稳定.本文使用40组3D磁共振图像(每组图像包含256个切片)训练网络,并用10组图像进行测试.实验结果表明,所提出的超分辨率自注意力生成对抗网络方法生成的超分辨率的磁共振图像的PSNR和SSIM值高于同类比较方法.
关键词 磁共振图像, 超分辨率, 生成对抗网络, 自注意力, 谱归一化

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基于互样本熵脑网络的脊髓电刺激下微意识状态患者脑功能评估

Brain function evaluation in the minimally conscious state using cross-sample entropy based on brain network measure under the spinal cord stimulation

梁振虎, 任娜, 王勇, 李佳妮, 白洋, 李小俚, 何江弘
中国科学: 信息科学, 2021, 51(6): 940-958
摘要 脊髓电刺激作为一种有效的意识促醒手段已经在临床上得到了较为广泛的应用,但是其内在机制仍不完全明确.本文将正常人静息态脑电作为对照组,利用样本熵对微意识状态患者的脊髓电刺激前后的脑电信号进行计算,并分析了基于互样本熵构造的脑网络在刺激前后的变化.结果表明,脊髓电刺激提高了微意识状态患者额叶和中央区内的脑电信号复杂度;还提高了患者在额叶内、中央区内以及额叶与其他脑区间的高频段(α～γ, 8～45 Hz)的耦合模式复杂度,表明通道间信息交互作用的显著增强;同时,患者高频段脑网络平均聚类系数增加,平均特征路径长度减少,小世界特性显著提升(在α,β,和γ均为p <0.001).相对于健康对照组,这些指标变化的方向趋向于正常人静息态的脑功能.样本熵和互样本熵在脊髓电刺激后与健康对照组在某些脑区内或脑区间上无显著差异(比如,β和γ频段的样本熵值在额叶和中央区(p> 0.05)),但是高频段的脑网络参数仍有显著差异(比如,高频段小世界网络特征p <0.001).因此,我们认为这些变化是脊髓电刺激对大脑产生了一个"短时程效应".我们推测脊髓电刺激对脑功能的重塑有一定的促进作用.本研究对脊髓电刺激的内在机理提供了新的解释,同时也为微意识状态患者的脑功能评估提供了新的思路.
关键词 微意识状态, 脑电, 脊髓电刺激, 互样本熵, 脑网络

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基于多数据融合的circRNA-疾病关联关系预测

Prediction of circRNA-disease associations based on multiple biological data

雷秀娟, 张文祥, 刘恋
中国科学: 信息科学, 2021, 51(6): 927-939
摘要 环状RNA (circluar RNA, circRNA)在基因表达、剪切和转录的过程中扮演着重要角色.越来越多的证据表明, circRNA与疾病的产生与发展存在着重要的联系.本文提出了一种基于多数据融合的非负矩阵分解算法(EDNMF)预测circRNA–疾病关联关系.该方法首先对circRNA–疾病关联关系进行预处理,解决了circRNA–疾病关联关系过少对算法产生的负面影响的问题.然后, EDNMF算法将circRNA表达谱和癌症相似性数据转化为约束条件,基于预处理后的circRNA–疾病关联关系采用改进的非负矩阵分解算法得到最终的打分值,从而预测circRNA–疾病关联关系.五折和十折交叉验证结果表明, EDNMF算法相比其他算法能更有效地预测circRNA–疾病关联关系.此外,采用EDNMF算法预测新的circRNA–结肠直肠癌关联关系打分排名前10的结果中,大部分结果已经得到了佐证,表明了该算法可以有效地预测未知的circRNA–疾病关联关系.
关键词 circRNA, circRNA 表达谱, circRNA-疾病关联关系, 非负矩阵分解, 疾病相似性

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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

Optical flow estimation based on local-global modeling and visual similarity guidance

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;

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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

A survey on generative 3D digital humans based on neural networks: representation, rendering, and learning

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;

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基于对齐遗忘机制的信息不平衡图像翻译

Aligned forgetting mechanism for imbalanced image-to-image translation

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;

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面向事件相机的轻量化脉冲识别网络

Towards event camera signal recognition using a lightweight spiking neural network

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;

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基于经验增强的自主场景探索

Autonomous scene exploration using experience enhancement

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;

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局部关系泛化表征的小样本增量学习

Generalized representation of local relationships for few-shot incremental learning

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;

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基于采样和加权损失函数的模型窃取攻击方法

Model stealing attack based on sampling and weighting

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;

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多尺度稳定场GAN的图像修复模型

Image inpainting based on multi-scale stable-field GAN

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(GAN); stable field; multi-scale fusion; deep learning;

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基于Transformer的高光谱图像超分辨率重建

Deep hyperspectral image super-resolution with transformers

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;

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基于姿态与双流神经架构搜索的行人动作识别

Pose-guided pedestrian action recognition with two-stream neural architecture searching

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;

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仿视网膜传感器视觉重建算法研究综述

Review of visual reconstruction methods of retina-like vision sensors

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;

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基于雾扰动的图像分类对抗性攻击方法

Adversarial attack method against image classification based on haze perturbation

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;

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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

Intelligent microscopic 3D shape reconstruction method based on 3D time-frequency transformation

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;

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面向多设备协同场景的实时视频流分析系统

Toward cooperative multi-agent video streaming perception

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;

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

基于正交回归和特征加权的脑电情感特征选择方法

EEG emotional feature selection method based on orthogonal regression and feature weighting

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;

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多模态认知计算

Multi-modal cognitive computing

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;

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附加偏见预测器辅助的均衡化场景图生成

Balanced scene graph generation assisted by an additional biased predictor

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;

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基于全局结构差异与局部注意力的变化检测

Damage assessment with global differences and local attention

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;

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基于自判别循环生成对抗网络的人脸图像翻译

Self-discriminative cycle generative adversarial networks for face image translation

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;

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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

Temporal sentence grounding in videos with fine-grained multimodal correlation

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;

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混合曲线曲面的CG-LSPIA拟合算法

Conjugate-gradient progressive-iterative approximation for least square fitting of curves and surfaces

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;

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“千里阵云”的主观物象空间特征测量

Experimental framework to study the subjective materialized image space of horizontal calligraphy strokes

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;

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工业缺陷检测深度学习方法综述

Survey on industrial defect detection with deep learning

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;

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基于生成对抗网络和域一致性的MRI运动伪影校正方法

Motion artifact correction of MRI based on a generative adversarial network and domain consistency

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;

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一种基于点标注的弱监督目标检测方法

A weakly supervised object detection approach using point annotation

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;

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基于多尺度特征融合的人脸照片-素描合成

Face photo-sketch synthesis based on multi-scale feature fusion

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;

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基于田字格变换的自监督汉字字体生成

Self-supervised Chinese font generation based on square-block transformation

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;

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BeautyGAN+: 基于全新PMT数据集的美妆转移混合监督学习算法

BeautyGAN+: mixed-supervised makeup transfer learning algorithm based on new PMT dataset

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;

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面向实时视频流分析的边缘计算技术

Edge computing technologies for streaming video analytics

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;

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面向预防性保护的文物本体智能原位监测系统

An intelligent in-situ visual inspection system for preventive conservation of cultural heritages

冯伟, 张乾, 田飞鹏, 王小伟, 柴勃隆, 孙济洲, 苏伯民
中国科学: 信息科学, 2021, 51(12): 2102-2118
摘要 预防性保护是国际广泛认可并努力持续追求的先进保护理念,代表了文物保护的发展方向.预防性保护通过精细监测病征,识别病因,精准控制相关致病因素,从而达到有效抑制文物本体劣化的目的.整个过程,监测是起点和根本.目前,国内外对环境风险源感知已有很多技术和数据的积累.然而,由于文物本体劣化具有发展缓慢、变化细微、赋存环境多样等特点,目前国内外尚缺乏面向真实赋存环境下文物本体细微变化的快速、精准、可靠的监测方法,严重阻碍了文物预防性保护的发展和推广.本文聚焦该问题,首次提出了基于相机位姿主动式重现的原位监测思路,并在此基础上设计研发了功能完善、适用面广的文物本体智能原位监测系统.通过物理真实地重现相机六自由度位姿,实现了基于图像导引的文物本体真实细微变化的准确检测.目前该系统已成功在敦煌莫高窟、故宫、颐和园等10多个文化遗产地的多种保护业务中推广应用.
关键词 预防性保护; 成像条件原位重现; 相机重定位; 细微变化检测; 主动视觉; 原位监测; preventive conservation; imaging condition reproduction; camera relocalization; fine-grained change detection; active vision; in-situ inspection;

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基于三维深度神经网络的大规模神经元形态表征与检索方法

Large-scale neuron morphological representation and retrieval based on a threedimensional deep neural network

常令琛, 李钟毓, 樊夏玥, 商增谊, 景海婷
中国科学: 信息科学, 2021, 51(12): 2089-2101
摘要 高效准确的相似神经元检索方法是神经元形态分析的重要支撑.随着高精度显微成像、神经元示踪、人工智能等技术的发展,近些年出现了若干基于机器学习的神经元形态计算与分析方法,这些研究主要包括对传统神经元形态度量指标的统计分析,以及将神经元形态二维投影与深度学习结合的神经元量化表征方法,在神经元的特征提取、分类、相似检索等任务中均取得了不错的效果.不过随着越来越多的三维神经元数据被重建出来,以上方法都无法满足当前背景下对大规模神经元形态数据的细粒度表征、检索与分类需求.为此,本文提出了基于三维深度神经网络的大规模神经元形态表征与检索方法.首先,为了将神经元的三维空间拓扑结构转换成适用于深度神经网络的形式,我们设计了神经元空间形态的体素转换方法,将原始的神经元重构文件转换成三维体素的形式,极大地保留了神经元的三维空间拓扑结构.随后,考虑到当前神经元数据缺乏精细的分类标准,本文设计了基于三维卷积自动编码器的神经元形态表征算法,应用深度神经网络无监督地学习神经元体素数据的结构特点,得到神经元形态的量化表征,并以此设计端到端的相似神经元快速检索算法.最后通过实验验证本文所提出的方法,在9万余神经元数据中检索形态相似的神经元,实验结果显著优于其他基于神经元量化表征的检索方法.实验表明,本文方法可以更高效准确地检索相似神经元,为神经元的形态学分析、神经元单细胞分类等相关研究的关键问题提供支持.
关键词 神经元形态学; 深度神经网络; 三维体素; 特征表达; neuron morphology; deep neural networks; 3D voxels; feature representation;

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融合梯度信息和邻域点云分布的3D线特征提取与配准

Extraction and registration of 3D lines by fusing gradient information and neighboring point cloud distribution

缪永伟, 戴颖婷, 王海鹏, 刘复昌, 王金荣
中国科学: 信息科学, 2021, 51(12): 2069-2088
摘要 针对传统点云场景重建中由于场景区域缺乏纹理、场景物体遮挡等导致重建结果不准确的局限性,借助场景包含的几何特性和线结构信息,有效利用RGB-D数据的梯度信息和邻域点云分布信息,本文提出了一种针对点云场景的3D线特征提取、匹配和配准方法.首先,通过场景RGB图的梯度信息确定梯度方向相似的3D直线段支持域.然后,借助场景深度图呈现的邻域几何特性,根据当前点与其邻近点之间的分布关系判断点云中的直线型边界线点云和直线型折边线点云并拟合得到场景3D线特征.其次,以点云场景提取的3D线特征为轴线,构造等厚度同轴圆柱区域作为3D线段支持域,并统计支持域中各层圆柱壁内点云梯度作为描述符实现3D线特征匹配.最后,利用基于线–线的迭代最近线配准算法,迭代计算得到帧间场景的旋转与平移,从而实现帧间点云场景的高效配准.实验结果表明,与已有的点云场景线特征提取及点特征配准方法比较,本文直接基于线特征的方法配准效率高、计算量小、配准精准,方法具有较强的鲁棒性.
关键词 点云场景; 3D线特征; 线特征提取; 线特征配准; 三维重建; point cloud scenes; 3D lines; line feature extraction; line registration; 3D reconstruction;

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智能视频监控关键技术: 行人再识别研究综述

Key technology for intelligent video surveillance: a review of person re-identification

赵才荣, 齐鼎, 窦曙光, 涂远鹏, 孙添力, 柏松, 蒋忻洋, 白翔, 苗夺谦
中国科学: 信息科学, 2021, 51(12): 1979-2015
摘要 行人再识别(person re-identification, ReID)旨在解决跨摄像头跨场景下目标行人的关联与匹配,作为智能视频监控系统的关键环节,对维护社会公共秩序具有重大作用.为了深入了解行人再识别研究现状和加速推进国内行人再识别相关研究及技术落地,本文对该领域国家自然科学基金申报数量、资助力度以及地理分布情况进行统计,并针对近年来发表在国际顶级会议和期刊上的行人再识别研究进行全面梳理.具体地,首先阐述一个标准行人再识别算法流程,并总结其中3个关键技术:表征学习、度量学习和重排序优化.随后,列举了实际开放场景中面临的主要难点与挑战,并据此概括了7种开放行人再识别任务:遮挡、无监督、半监督、跨模态、场景行人搜索、对抗鲁棒和快速检索.此外,本文整理了标准行人再识别和开放行人再识别的代表性数据集,并且对一些代表性行人再识别算法进行比较.最后本文对行人再识别的未来发展趋势进行展望.
关键词 行人再识别; 智能视频分析; 深度学习; 表征学习; 度量学习; person re-identification; intelligent video analysis; deep learning; feature representation learning; metric learning;

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基于机器学习的可视计算专题简介

童欣, 周昆
中国科学: 信息科学, 2021, 51(11): 1965-1966
关键词 可视计算; 机器学习; 深度神经网络;

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可视化与人工智能交叉研究综述

A survey on interdisciplinary research of visualization and artificial intelligence

夏佳志, 李杰, 陈思明, 秦红星, 刘世霞
中国科学: 信息科学, 2021, 51(11): 1777-1801
摘要 随着人工智能技术的突破性进展,人工智能与可视化的交叉研究成为当前的研究热点之一,为人工智能和大数据分析领域的若干核心难题提供了启发式的理论、方法和技术.一方面,人工智能技术的创新应用提升了可视化的分析效率,拓展了分析功能,为大数据可视分析提供了强有力的工具.另一方面,可视化技术增强了以深度学习为代表的人工智能的可解释性和交互性,为可解释人工智能提供了可靠的技术基础.本文从面向人工智能的可视化技术和人工智能驱动的可视化技术两个方向,分别介绍了数据质量改善、可解释机器学习、智能特征提取、可视化自动布局与生成、智能交互、智能故事叙述等6个重要问题.对国内外的研究进展进行了分析,并对发展趋势进行了展望.
关键词 可视化; 可视分析; 人工智能; 可解释机器学习; 自动可视化; visualization; visual analytics; artificial intelligence; explainable machine learning; automatic visualization;

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二值图像超分辨率重建网络

Binary neural networks for image super-resolution

姜馨蕊, 王楠楠, 辛经纬, 李柯宇, 杨曦, 高新波
中国科学: 信息科学, 2021, 51(10): 1690-1705
摘要 近年来,深层卷积神经网络在图像超分辨率重建任务中取得了巨大成功,然而复杂的深度神经网络会消耗大量存储空间以及计算资源,严重限制了其在资源有限的移动端设备上的部署.因此降低模型的资源消耗将有助于扩展深度超分辨率网络的实际应用范围.二值神经网络占用存储空间小、计算效率高,激励我们将二值化算法应用于目前的深度超分辨率重建领域,满足现有移动设备对于超分辨率的实际应用需求.因此,本文关注于二值图像超分辨率重建网络的研究.为此,我们首先总结了现有二值化方法,并针对其技术细节和算法特点进行了详细介绍.随后,我们探索了目前二值化方法在超分辨率领域的实际应用效果,并面向图像超分辨率重建任务提出一种新的二值化算法,主要通过提高网络前向过程表达能力和减少网络反向过程训练损失提升二值超分辨率网络的性能.实验表明,无论对比现有基于分类任务的二值化算法还是对比基于超分辨率任务的二值化算法,我们的方法均可以取得最优的性能.
关键词 二值卷积神经网络; 图像超分辨率重建; 二值化; 量化; 模型压缩; binary neural network; single image super-resolution; binarization; quantization; model compression;

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基于深度学习的数字病理扫描系统单次曝光自动对焦方法

Whole slide imaging via one-shot deep autofocusing

李强, 刘贤明, 韩凯歌, 江俊君, 季向阳
中国科学: 信息科学, 2021, 51(10): 1675-1689
摘要 全切片数字成像(whole slide imaging, WSI)是病理切片数字化的核心技术,其自动对焦的速度和精度决定了WSI系统的性能.然而,传统的自动对焦方法需要拍摄多张离焦子图像创建图像堆栈,或者需要复杂的硬件调制光学系统,从而限制了WSI在实际场景中的应用.本文设计了基于深度学习的数字病理扫描系统单次曝光自动对焦方法,对子图像逐个进行网络虚拟自动对焦,将单张离焦子图像通过网络直接生成准焦子图像.本方法仅需要在任意离焦距离下的单次曝光拍照即可,从原理上避免了重复的对焦运动和相机曝光过程.实验结果表明,本方法具有高通量、高速度、低成本、实用性强、可线下处理等优点.
关键词 数字病理扫描系统; 自动对焦; 深度学习; 光学显微镜; 计算成像; digital pathological systems; autofocusing; deep learning; optical microscopes; computational imaging;

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基于前景与透明度联合求解的多层次仿射类抠像与合成方法

A multi-level affinity-based matting and compositing method based on a joint solution of foreground and transparency

姚桂林, 张必英, 张艳荣, 苏晓东
中国科学: 信息科学, 2021, 51(10): 1658-1674
摘要 数字图像抠像与合成问题是虚拟现实中的经典问题.抠像问题需要根据抠像公式,从输入图像准确地提取出前景物体的透明度(α)和前景物体的颜色值,而合成问题仅使用抠像结果与新背景图像进行结合,使其成为新的合成图像.然而,目前很多抠像算法仅局限于抠像部分的α值的计算,忽略了用于后续合成步骤的前景颜色的计算.这实际上仅限于理论研究,脱离了抠像问题的合成应用层面.同时,其他一些兼顾计算前景颜色算法的效果仍然不理想,而且也仍然缺乏合成图像数据集和对合成图像的比较.本文充分利用仿射类方法中搜索范围灵活可变的优势,采用实体像素与混合像素进行分级处理的3层次结构,联合求解出最终的α值和前景颜色.其中,每个层次均利用前向层次的先验,结合仿射类方法的像素相关性以及颜色拟合性约束,采用闭合形式进行求解.在实验中,本文不仅针对α层面进行比较,而且在数字抠像领域中首次引入针对合成图像层面的比较.在合成层面中,本文针对输入图像及各型号的三分模板(Trimap),均引入了白色背景和相应的自然图像背景.同时各方法的真实的α值和前景颜色不仅与这些背景进行了常规合成,而且也进行了一种单纯α层面的合成.实验结果表明,在数值评价结果和视觉效果方面,本文方法的最终α结果与上述各种合成效果均优于目前已有的抠像与合成方法及一些新生成的方法.
关键词 图像抠像; 图像合成; 仿射类抠像; 闭合形式解; 实体像素与混合像素; image matting; image compositing; affinity-based matting; closed form solution; opaque and mixed pixels;

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认知规律启发的物体分割评价标准及损失函数

Cognitive vision inspired object segmentation metric and loss function

范登平, 季葛鹏, 秦雪彬, 程明明
中国科学: 信息科学, 2021, 51(9): 1475-1489
摘要 物体分割技术是计算机视觉中的研究热点,在多个领域都有广泛的应用.本文从人类视觉系统对场景中的全局信息和局部细节非常敏感的角度出发,设计了一种新颖、高效且易于计算的增强匹配标准(E_ξ)来评估物体分割模型的性能. E_ξ将局部像素值与全局平均值有机结合,以便评估分割结果与标准结果在图像级和像素级的相似度.在国际主流的4个公开数据集上的大量实验表明, E_ξ在多个方面,如应用关联度、随机偏好度、噪声偏好度、感知度上相比现有广泛采纳的评价标准(IoU和F_β)均有大幅相对提升.通过利用加权二值交叉熵损失函数、本文的增强匹配损失函数以及加权交并比损失函数,本文进一步设计了一套组合损失函数(Hybrid-E_(loss))来促进网络学习到像素级、对象级和图像级的分割特征.定性和定量的结果表明,在3个不同领域的分割任务中使用这一组合损失函数能够进一步提高物体分割的精度.
关键词 物体分割技术; 评价标准; 视觉感知; 增强匹配标准; 损失函数; object segmentation; metric; cognitive vision; enhanced-alignment measure; loss function;

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可视身份深度伪造与检测

Deep visual identity forgery and detection

彭春蕾, 高新波, 王楠楠, 李洁
中国科学: 信息科学, 2021, 51(9): 1451-1474
摘要 随着深度学习技术在视频和图像生成领域的广泛应用,视频和图像中的可视身份伪造,特别是人脸伪造结果的逼真程度越来越高,对于身份伪造数据的检测在国家安全和社会稳定等方面均具有重要的研究和应用价值,近年来已成为研究的热点问题.本文从有目标身份伪造和无目标身份伪造两个方面归纳和介绍了可视身份深度伪造的研究方法,并从基于空域线索、时域线索的面向已知伪造类型检测方法、面向未知伪造类型的泛化能力研究,以及面向对抗样本攻击的可信伪造检测研究等多个方面阐述了伪造检测的关键技术,并在总结现有数据集和代表性算法的性能分析基础上,进一步讨论了可视身份深度伪造与检测的关键问题和面临的挑战.
关键词 深度伪造; 人脸替换; 人脸编辑; 表情重演; 人脸生成; 伪造检测; deepfake; face swap; face manipulation; expression reenactment; face generation; forgery detection;

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大场景多对象的深度社交分组网络

Deep social grouping network for large scenes with multiple subjects

李坤, 李万鹏, 孙晓琨, 方璐
中国科学: 信息科学, 2021, 51(8): 1287-1301
摘要 在计算机视觉中,群体分析越来越受到人们的关注,对图像中复杂人群进行分组是群体分析领域的基础技术需求.现有的人群社交分组方法只针对固定人数的小范围场景,不能处理真实世界中的大场景图像.本文提出首个面向十亿像素大场景图像的基于深度学习的细粒度人群社交分组框架,由一种图引导的全局到局部的划分策略与一个学习隐函数表示社交对交互模式的深度社交分组网络组成.该框架可在大范围场景图像上实现准确的人群分组.本文方法同样适用于小场景图像,在小场景图像数据集上的实验结果表明,本文提出的框架相比于现有方法取得了显著的性能提升.相关代码与训练数据即将开源.
关键词 群体; 大场景图像; 深度学习; 社交分组; 图引导; group; large-scene image; deep learning; social grouping; graph-guided;

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基于边缘和距离约束的有理多项式图像放大

Rational polynomial image magnification based on edge and distance constraints

张帆, 王桦, 范辉, 张彩明
中国科学: 信息科学, 2021, 51(8): 1270-1286
摘要 曲面拟合是最有效的图像放大方法之一,其关键是构造对图像拟合的曲面.图像细节和边缘等特征对图像的视觉效果起着关键作用,因此,构造拟合曲面的关键之一是保持图像细节和边缘.基于样条和多项式方法构造的拟合曲面不能有效地保持图像的边缘信息,从而使放大图像在边缘处锯齿状明显.本文提出了以边缘和距离为特征约束的图像放大新算法.算法以边缘和距离为约束,在每个像素的邻近区域上构造一张对邻域上像素点拟合的二次多项式曲面片,并在每个四边形网格上构造一张二次多项式中间曲面片.在每个四边形网格上由五张曲面片加权平均生成有理多项式曲面片.该曲面片具有二次多项式逼近精度,产生的图像具有较好的视觉效果.通过构造误差曲面片对二次多项式曲面片进行修正,提高了放大图像的精度和视觉效果.新算法把二次多项式的常数项、一次和二次项采用不同方法分别计算,为构造带约束的多项式函数提供了新技术.实验结果表明,相比于其他算法,本文算法不仅有较高的逼近精度,而且放大图像的视觉效果也较好.
关键词 二次多项式; 边缘和距离约束; 逼近曲面; 逼近精度; 图像放大; quadratic polynomial; edge and distance constraints; approximation surface; approximation accuracy; image magnification;

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

基于稀疏表示的G1圆弧样条自动逼近方法

Automatic G1 arc spline approximation via sparse representation

徐琳琳
中国科学: 信息科学, 2021, 51(8): 1255-1269
摘要 圆弧样条普遍用于数控机床的刀具轨迹设计中,希望用尽可能少的圆弧段逼近曲线.现有方法大多是启发式的,圆弧样条曲率的分段常值性质还没有引起足够的重视.本文基于这个内在的稀疏性质,提出基于稀疏表示的G~1圆弧样条自动逼近方法,主要分两步:稀疏优化问题自动检测圆弧间连接点的全局初始化和重新调整连接点位置保证G~1连续性的局部修正.实验结果显示新方法对对称性比较敏感,部分尖锐特征、自交数据也可以逼近得很好,充分说明了新方法的优越性.
关键词 圆弧样条; 稀疏表示; 逼近; G~1连续; arc spline; sparse representation; approximation; G~1 continuity;

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互联网图像驱动的语义分割自主学习

Autonomous learning of semantic segmentation from Internet images

侯淇彬, 韩凌昊, 刘姜江, 程明明
中国科学: 信息科学, 2021, 51(7): 1084-1099
摘要 针对目标任务收集新类别的海量标注数据通常需要大量时间和人力成本,并已成为语义分割技术投入实际产业应用过程的主要瓶颈.本文旨在以"网络监督"的方式,在仅利用用户提供的目标类别关键词以及相应自动搜索到的网络数据的条件下实现语义分割模型的自主学习.该任务的核心挑战在于网络爬取的图像中存在一定量的类别噪声,从而影响自主学习的可靠性.为了解决类别噪声问题,本文设计了一种新颖的噪声擦除模型.该模型通过每次从小批次样本的置信注意力区域中以跨样本的方式学习语义信息来擦除训练图像中与搜索关键词无关的区域.基于该模型,本文同时提出了一种能够用于训练语义分割模型的高质量伪标注生成方法.在国际主流的公开数据集(PASCAL VOC2012)上的大量实验表明,基于该方法的语义分割模型在利用网络监督与弱监督的条件下均取得了良好结果 (mIoU=62.0%以及66.1%).
关键词 语义分割, 网络搜索, 类别噪声, 噪声擦除网络, 网络监督

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从传统渲染到可微渲染: 基本原理、方法和应用

From traditional rendering to differentiable rendering: theories, methods and applications

叶子鹏, 夏雯宇, 孙志尧, 易冉, 余旻婧, 刘永进
中国科学: 信息科学, 2021, 51(7): 1043-1067
摘要 近年来随着图形硬件的快速发展,渲染技术和深度学习技术都飞速发展,可微渲染作为二者之间的桥梁受到了广泛关注.随着许多可微渲染方法的提出,逆渲染等借助可微渲染工具的应用也随之蓬勃发展.本文从传统渲染管线开始介绍,逐步引入可微渲染的主要思想、基本原理和方法,对它们进行介绍、分析和比较.并介绍基于路径跟踪的可微渲染,随后列出开源的可微渲染工具供大家参考并进行比较.本文后半部分介绍可微渲染的广泛应用,分为人脸、人体、人手和物体4个方面.最后列举了一些可微渲染可能的发展方向.
关键词 可微渲染, 逆渲染, 三维重建, 人脸重建, 渲染

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

五次间接PH曲线的几何特征

Geometric characteristics of quintic indirect-PH curves

李毓君, 方林聪
中国科学: 信息科学, 2021, 51(5): 808-821
摘要 针对五次间接PH曲线的判别问题,本文结合高斯消元法与几何方法给出Bézier控制多边形满足的充分必要条件.间接PH曲线通过一个二次有理参数变换后,其等距线是有理形式的.间接PH曲线的代数充分必要条件本质是其一阶导数的因式分解满足特定条件,是一种积的形式.考虑到Bézier曲线的表示是Bernstein多项式形式,是一种和的形式.通过这两种形式的相容性引出待求解的非线性方程组并讨论求解问题,最后将所得结果应用在控制多边形上,得到五次间接PH曲线的几何特征.
关键词 Bézier曲线; 等距曲线; 几何特征; 有理参数化; Bézier curves; offsets; geometric characteristic; rational parameterization;

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

面向光流估计的高效加速器架构设计

Efficient accelerator architecture for optical flow estimation

刘博生, 陈晓明, 韩银和, 常亮
中国科学: 信息科学, 2021, 51(5): 795-807
摘要 光流(optical flow)为同一对象在视频中运动到下一帧的移动量.从视频中估计光流已广泛应用于各类移动智能系统,如运动估计和机器人导航.最近的研究表明,卷积神经网络(convolutional neural network, CNN)能提供可靠的光流估计结果.然而,现有的硬件加速器无法支持面向光流估计的CNN复杂计算.具体而言,这些类型的CNN不仅包括常规的卷积(convolution)和反卷积(deconvolution)运算,还包括双线性插值(bilinear interpolation)和/或关联(correlation)运算.双线性插值和关联操作主要探索两个连续图像帧之间的关联关系.为解决这一问题,本项工作提出面向光流的CNN硬件加速设计方案(称为Swan-AOE),即通过支持卷积、反卷积、双线性插值和关联操作解决这类神经网络的硬件加速计算问题. Swan-AOE包括可配置的硬件计算架构和自适应的调度策略,通过提供灵活的并行调度实现最优化吞吐量计算.此外, Swan-AOE还进行设计空间探索,探索可用片上缓存资源在提高能耗–面积效率的潜在能力.实验结果表明,与基准加速器相比,所提出的设计能有效提升性能、能效和面积效率.
关键词 加速器; 光流估计; 能效; 卷积神经网络; accelerator; optical flow estimation; energy efficiency; convolutional neural networks;

计算机 图形图像 评述 Website Google Scholar SCOPUS引次: 12

视频萃取

Video distillation

李学龙, 赵斌
中国科学: 信息科学, 2021, 51(5): 695-734
摘要 视频数据是人们日常生活中最重要的信息载体之一.视频萃取(video distillation)通过研究视频数据的时空和语义特性,探索简洁高效的数据展示形式和信息感知模态,是计算机视觉和人工智能的重点研究内容.近年来,随着视频获取方式的快速革新和拍摄需求的多样化发展,视频数据的智能化分析任务面临着新的机遇与挑战,涌现出众多的视频萃取方法.本文创新性地从信息论的角度,解释了数据、信息和知识之间的关系,确立了视频萃取的核心是提高单位数据量的信息提供能力这一基本原则,并依据数据信容(information capacity)分析,从理论上对视频萃取中的各项任务进行了统一.进一步地,分类讨论了视频时空表征中的关键问题与解决方案,系统地分析了从内容、目标和语义角度进行视频萃取的方法,结合视频摘要、浓缩和描述任务,梳理出三条发展主线,展现了视频萃取的发展态势.更重要的是,本文对现有方法的优势与缺陷进行了深入的思考与讨论,指出了尚未解决的若干关键科学问题,并对解决方案进行了初步探讨.同时,本文对视频萃取研究所面临的挑战与未来发展趋势进行了系统的分析与展望.
关键词 视频萃取; 视觉表征; 视频摘要; 视频浓缩; 视频描述; 计算机视觉; 人工智能; video distillation; visual representation; video summarization; video synopsis; video captioning; computer vision; artificial intelligence;

计算机 图形图像 评述 Website Google Scholar SCOPUS引次: 3

像素级语义理解: 从分类到回归

Pixel level semantic understanding: from classification to regression

李学龙, 赵致远
中国科学: 信息科学, 2021, 51(4): 521-564
摘要 近年来,随着科学技术的快速发展和硬件设备的不断迭代,人工智能在各种领域(如安防监控、医疗辅助、健康诊断、智能推荐、遥感监测、目标定位等)都得到了广泛的应用.随着人们对智能处理任务的要求逐步提高,人工智能算法所需要理解的语义信息层次和输出数据精准度要求也步步攀升.因此,像素级语义理解任务也因其精准度要求远高于图像级理解而越来越受到重视.与图像级理解相比,像素级语义理解具有输出数据量大、逐像素输出精度高的优点,相应地其难度也更大,内部成因更值得关注与研究.为此本文从信息度量的角度出发,结合像素级语义理解任务的特有属性,给出了像素级语义理解任务的定义与优化目标,进一步依据实际任务的特性从初始定义衍生出像素级语义分类和像素级语义回归两类任务;随后分别讨论了在这两类任务中优化目标的退化和演变,并通过详尽的调研总结了常见像素级语义理解任务的发展现状;紧接着探究了当前像素级语义理解的难点和未来发展方向,针对亟待解决的问题给出了深入的分析思考以及可行的解决方案;最后重点反思了后深度学习时代像素级语义理解乃至人工智能领域所面对的机遇与挑战,提出知识的方向指导和数据的优化驱动是未来人工智能发展的重点关注目标.本文意图从像素级语义理解的定义与发展现状出发,延伸出对当前工作的思考以及对整个领域的反思,强调整个领域面临的风险;在介绍像素级语义理解基础认知的同时对相关技术的发展方向和路径进行深入的思考与深度的展望.
关键词 像素级语义理解; 人工智能; 深度学习; 分类; 回归; pixel level semantic understanding; artificial intelligence; deep learning; classification; regression;

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

面向群体行为识别的注意力池化机制

Attentive pooling for group activity recognition

李定, 张文生
中国科学: 信息科学, 2021, 51(3): 399-412
摘要 视频行为识别近年来逐渐成为计算机视觉领域学者的研究热点,按照识别对象进行划分,视频行为识别任务可分为个体行为识别与群体行为识别.本文聚焦于群体行为识别,识别与分析视频场景中整体人群的行为.已有的群体行为识别方法大多采用多层时序网络模型,学习得到表征时序变化的个体行为特征并对其进行聚合形成群体行为特征.但是,在个体特征聚合过程中,以往方法未能有效考虑个体对群体行为贡献程度的差异性,影响识别性能.为此,本文提出一种针对个体行为特征聚合的注意力池化机制,并依此建立了新型群体行为识别模型,以自底向上的方式同时实现个体行为与群体行为分层识别.首先利用卷积神经网络提取视频中人体图像区块的个体静态特征,并将其作为多层递归神经网络时序模型的输入,从而得到个体动态特征.随后通过注意力池化机制对个体特征完成聚合,得到相应的群体行为特征;最后依托个体、群体行为特征同时完成个体行为与群体行为的识别.未验证所提方法的有效性,本文依托广泛使用的The Volleyball Dataset数据集上开展了一系列实验验证.结果显示,本文所提出的模型取得了较好的分类准确率,分类性能优于当前先进模型.
关键词 群体行为识别; 表示学习; 注意力机制; 深度学习; group activity recognition; representation learning; attention mechanism; deep learning;

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

基于多视角聚类分析的汉字字体审美偏好挖掘

Esthetic preference mining of Chinese typefaces using multiview cluster analysis

张艳, 谢源, 洪辰, 曲延云, 李睿, 张俊松, 李翠华
中国科学: 信息科学, 2021, 51(3): 383-398
摘要 在神经美学研究中已经证明,中文字体审美偏好的情绪刺激可以通过观察3种偏好(喜欢、不喜欢和中性)之间的事件相关电位(event related potential, ERP)波动获得.本文通过引入一种核化张量奇异值分解的多视角聚类方法分别构建了基于脑电图(electroencephalogram, EEG)和ERP的审美偏好识别模型,通过这些模型首次确认了该结论.本文方法将来自不同频段的数据视为描述中文字体审美偏好的不同视角,通过张量多秩最小化的约束探索所有视角特征的一致性和关联性,并通过之后的聚类获取审美偏好的识别结果.采用多视角无监督聚类方法得到的识别精度达到97.1%.此外,通过输入–扰动关联方法将电极的振幅与不同种类的审美偏好相关联,可视化关键频段组合以及电极之间的关系,分别取出与喜欢、不喜欢、中性最相关的3个电极,包含次相关的6个电极,包含第三相关的9个电极,包含第四相关的12个电极,分别形成4种不同组合的脑电特征.通过比较实验,验证了相对于62个电极信号,上述4种组合方式在字体美学分类上更具有优势,并且最相关的3个电极的组合特征对审美偏好最具判别性.实验结果表明,基于多视角聚类的方法能够解决神经信号与审美偏好的相关分析,并能挖掘出与字体审美偏好最相关的电极.
关键词 中文字体; 审美评价; 计算美学; 事件相关电位; 核化张量奇异值分解; 数据挖掘; Chinese typeface; esthetic evaluation; computational esthetics; event-related potentials; kernelized tensor-SVD; data mining;

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

基于隐空间约束生成对抗网络的活体检测

Latent regularized generative adversarial network for face spoofing detection

陈成伟, 院旺, 陈攀, 丁守鸿, 谢源, 宋海川, 马利庄
中国科学: 信息科学, 2021, 51(3): 367-382
摘要 近年来,人脸识别技术飞速发展,其主要应用于门禁系统和公共安防系统.然而现有的人脸识别系统容易受到仿冒攻击(也称为呈现攻击),例如尝试使用用户的脸部照片、视频或者伪造的3D人脸去攻击人脸识别系统.这些攻击手段给人脸识别系统带来了极具挑战性的安全问题.因此活体检测技术的研究十分重要,其可以使人脸识别系统免于攻击假脸的安全威胁.目前,大部分活体检测的方法将活体检测任务视作有监督的二分类问题,进而努力充分提取真实人脸和攻击人脸的特征,在单个数据集内部训练和测试可以达到很高的准确率,但是在交叉数据集之间训练和测试往往效果不佳.本文将活体检测任务定义为异常检测任务,并基于此来解决之前活体检测方法存在的泛化能力差的问题.因此本文提出了一种新颖的基于隐空间约束的深度对抗网络,它通过半监督学习的方式进行对抗训练,在此过程中模型不仅仅可以获得正常样本在隐空间中的分布,还可以通过一种惩罚的方式对隐空间中正常样本的特征进行约束,这将带来更加有效和鲁棒的活体检测效果.测试过程中,攻击人脸样本将被视作离群的样本,它们相对于正常样例在隐空间中的表达具有更高的重构差.实验表明提出的模型相较于前沿的半监督异常检测方法具备明显的优势,并且在活体检测跨数据集和单数据集内达到了可比的效果或者目前最好的效果.
关键词 对抗网络; 活体检测; 弱监督学习; 异常检测; 人脸仿冒攻击; adversarial networks; live face detection; semi-supervised learning; anomaly detection; face spoofing attacks;

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

三维标架场可控去旋方法

Controllable curl-correction of 3D frame fields

方贤忠, 金耀, 黄劲, 鲍虎军
中国科学: 信息科学, 2021, 51(2): 263-278
摘要 六面体网格因其良好的数值性能成为有限元分析等领域中重要的一种离散化方法,而基于标架场导引的重网格化是实现可控六面体网格剖分的重要技术.现有的标架场生成技术由于所获得的标架场往往存在拓扑矛盾,难以运用于纯六面体网格的生成,但较易用于六面体主导混合网格的生成.然而,这种六面体主导网格的质量容易受到标架场旋度的影响.针对这一问题,本文提出了一种三维标架场保向且长度可控去旋方法.该方法通过分析三维向量场的旋度,构造针对四面体网格的离散旋度能量,并将其推广至三维标架场的旋度能量.为保持原标架场方向并控制其长度,引入了表达三维标架场3个子向量场长度伸缩量的标量场,并将新标架场表示为标量场和原标架场的合成,最后通过极小化合成场的旋度得到优化后的标架场.实验结果表明,通过约束标量场的变化范围,能在保持其方向不变的情况下,有效地控制去旋程度;将该标架场运用于已有重网格化方法,可得到方向和密度可控的六面体主导的混合网格.此外,该方法只需求解一个带界约束的二次凸规划问题,鲁棒性强且易于计算.
关键词 三维标架场; 去旋; 长度可控; 六面体主导网格; 3D frame field; curl correction; length-controllable; hexahedral dominant mesh;

计算机 图形图像 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 7

基于强化学习的舰载机保障作业实时调度方法

Real-time scheduling for carrier-borne aircraft support operations: a reinforcement learning approach

李亚飞, 吴庆顺, 徐明亮, 吕培, 姜晓恒, 朱睿杰, 周兵
中国科学: 信息科学, 2021, 51(2): 247-262
摘要 衡量航母作战性能的重要指标是舰载机出动架次率,而影响舰载机出动架次率的关键因素是舰载机保障作业调度效率.舰载机保障作业调度是指在有限时间、空间和资源约束的前提下合理安排舰载机所需保障作业顺序并高效完成舰载机的作业保障.现有基于最优化方法 (动态规划、线性规划等)和启发式方法 (如遗传算法、粒子群等)的求解策略仅适用于保障作业可预知情况下的作业调度,很难满足高动态作战场景下的实时保障作业调度需求.基于此,本文提出了一种新的基于DQN (deep Q-network)的舰载机保障作业实时调度方法,将舰载机保障作业调度问题建模成部分可观测马尔科夫决策过程(partially observable Markov decision processes)问题,利用全局与长期收益对保障作业调度过程进行优化,并通过离线学习和在线调配的学习决策框架进行解决.经过仿真实验验证,该方法能显著提高舰载机保障作业调度效率并满足实时决策环境的需要.
关键词 舰载机; 保障作业; 实时调度; 强化学习; 仿真验证; carrier-borne aircraft; support operations; real-time scheduling; reinforcement learning; simulations;

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

基于设备性能的Web3D动态实时光影云渲染系统

A Web3D cloud rendering system for dynamic real-time lighting and shadow based on device power

刘畅, 刘小军, 贾金原, 徐识溥, 张乾, 黄晨曦, 黄欣
中国科学: 信息科学, 2021, 51(2): 231-246
摘要 本文面向多种硬件平台提出了一套Web3D实时动态光影的协同式渲染系统,该系统把Web前端的硬件性能作为整个云渲染系统中光影渲染任务分配的关键因素.对于Web前端性能较强的硬件设备,系统分配复杂度较高的光影渲染任务给前端,相应的云后端的渲染负担则有所降低;反之,系统则分配复杂度较低的光影渲染任务给前端,相应的云后端承担大部分的渲染任务.在上述机制的引导下,该系统的前后端部署了4类关键的实时光影渲染算法,最终通过对算法运行帧率、算法所在设备的运行效率以及光影渲染结果等多种数据的分析,验证了部署的合理性.
关键词 云渲染; Web3D; 实时绘制; 动态光影; 全局光照; cloud rendering; Web3D; real-time rendering; dynamic lighting and shadow; global illumination;

计算机 计算机理论 论文 Website Google Scholar 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

Decentralized content censorship for creator economy

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;

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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

Incentive mechanism for federated learning based on blockchain and Bayesian game

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;

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理论计算机科学专题

最小最大圈覆盖问题的精确算法

Exact algorithms for the min-max cycle cover problem

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;

计算机 计算机理论 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 8

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

k-prize-collecting minimum power cover problem with submodular penalties on a plane

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;

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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

Almost envy-free allocations of unweighted items

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;

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图数据中极大团枚举问题的求解: 研究现状与挑战

Maximal clique enumeration problem on graphs: status and challenges

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;

计算机 计算机理论 论文 Website Google Scholar 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

Distributed Metropolis algorithm: convergence condition and optimal parallel speed-up

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;

计算机 计算机理论 刊讯 Website Google Scholar

人工智能中的约束求解和优化专题简介

蔡少伟, Fred W. GLOVER, 殷明浩, 高健
中国科学: 信息科学, 2021, 51(5): 867-868
关键词 约束求解; 人工智能; 优化算法;

计算机 高性能计算 论文 Website Google Scholar

面向SDN网络的分布式轻量级大流检测算法

A distributed and lightweight elephant flow detection algorithm for software-defined networks

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;

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

面向动态有向图的单调图算法硬件加速机制

An efficient hardware accelerator for monotonic graph algorithms on dynamic directed graphs

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;

计算机 高性能计算 论文 Website Google Scholar 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

Parallel computing component model for interdisciplinary multiphysics coupling

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;

计算机 高性能计算 评述 Website Google Scholar 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

Progress on storage systems for disaggregated data centers

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;

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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

Parallel intelligent computing: development and challenges

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;

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一种新型群智感知系统架构模型和实现方法

A novel crowdsensing system architecture model and its implementation methods

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;

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

图计算在ATPG中的应用探究

Research on the application of graph processing in ATPG

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;

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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

Recency effect and self-regulating design of mobile cellular systems in the context of interlaced generations: network bandwidth, power efficiency, and connection reliability

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;

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面向机器学习系统的张量中间表示

A tensor intermediate representation for machine learning systems

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;

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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

Patent navigation on key technologies of next generation Internet interconnection technologies: a review

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;

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

计算体系架构研究综述与思考

Review and thoughts on the development of computing architecture

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;

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

专用处理器比较分析

Comparative study of the domain-specific processors

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;

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

FJoin: 一种基于FPGA的流连接并行加速器

FJoin: an FPGA-based parallel accelerator for stream join

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;

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

一种高效的面向高并发图分析任务的存储系统

An efficient storage system towards high throughput of concurrent graph processing jobs

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;

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基于流量工程的LEO巨型星座主动容错方法

A proactive failure tolerance method for LEO mega-constellation based on traffic engineering

王少清, 孙富春, 赵有健
中国科学: 信息科学, 2021, 51(11): 1840-1852
摘要 LEO巨型星座因其广覆盖、高通量及低延时的通信潜力而受到越来越多的关注.然而由于所处空间环境复杂及自身特点等原因, LEO巨型星座容错问题亟待研究.为此,本文关注如下问题:如何保证卫星失效后,网络流量依然无拥塞正常转发?本文提出了基于流量工程的主动容错方法 SN-FFC,主要思想是通过合理的链路冗余,使得对于至多k (k为可调参数)个卫星失效,网络流量依然能无拥塞正常转发. SN-FFC首先设计基于流量工程的容错建模方法,随后针对模型计算复杂度高的问题,提出基于对偶理论的算法,使得复杂度从O(C_n~k)降低到O(n).基于Starlink第一阶段星座模型的仿真实验表明SN-FFC相较现有方案,能实现故障下的无拥塞转发,并且计算时间和吞吐量开销较低.
关键词 LEO巨型星座; 容错; 流量工程; 对偶理论; 线性规划; LEO mega-constellation; fault tolerance; traffic engineering; duality theory; linear programming;

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方舱计算

Cabin computing

蒋昌俊, 丁志军, 喻剑, 章昭辉, 闫春钢, 张亚英, 王鹏伟
中国科学: 信息科学, 2021, 51(8): 1233-1254
摘要 随着信息技术创新日新月异,数字化、网络化、智能化深入发展,新应用层出不穷、新业态蓬勃发展,对业务系统的敏捷构造和持续运维提出了更高的要求.为此,本文提出了一种新的计算模式:方舱计算.所谓方舱计算,是通过网络访问的,面向IT任务全生命周期的跨域资源配置和协同的计算集成环境.其核心是"方舱专用机动、资源跨域伸缩、系统运维自治".本文给出了方舱计算系统结构及其工作原理,方舱计算系统主要由方舱生成与管理系统、跨域资源管理系统、虚拟数据中心系统和若干网关(方舱网关、虚拟数据中心网关、跨域资源网关等)组成.进而,给出了适于方舱计算的资源分配最优化问题定义,在兼顾数据资源、计算资源和存储资源等的基础上,实现最小化资源成本.通过规划求解器与近似优化算法仿真实验,表明本文的方法能够兼顾数据资源和物理资源的分布,实现方舱资源的优化配置.
关键词 方舱; 虚拟数据中心; 跨域资源管理; 资源分配; 资源分布图; 资源目录; cabin; virtual data center; cross-domain resource management; resource allocation; resource distribution map; resource directory;

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非易失主存的系统软件研究进展

Development of system software on non-volatile main memory

舒继武, 陈游旻, 胡庆达, 陆游游
中国科学: 信息科学, 2021, 51(6): 869-899
摘要 互联网和物联网规模的迅速扩张促使全球数据存储总量呈现爆炸式的增长,导致数据系统从计算密集型向数据密集型方向发展.如何构建可靠高效的数据存储系统,成为大数据时代迫切需要解决的问题.相比传统磁盘,非易失主存具有性能高以及字节寻址等优点,这些独特的优势为高效存储系统的构建提供了新的机遇.然而,传统存储系统的构建方式不适用于非易失主存,无法发挥出非易失主存的性能优势,并且容易造成一致性开销高、空间利用率低、编程安全性低等问题.为此,本文分析了基于非易失主存构建存储系统面临的挑战,在系统软件层次分别综述了空间管理机制、新型编程模型、数据结构、文件系统和分布式存储系统等方面的研究进展,并展望了基于非易失主存构建存储系统的未来研究方向.
关键词 非易失主存, 系统软件, 空间管理机制, 编程模型, 数据结构, 文件系统, 分布式系统

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三值光学计算机中并行MSD整数除法器的设计与实现

Design and implementation of parallel MSD integer divider in ternary optical computer

江家宝, 沈云付, 陈迅雷, 王哲河, 刘拥, 陈丽萍
中国科学: 信息科学, 2021, 51(5): 750-763
摘要 除法运算是基本四则运算之一,如何进行快速除法一直是电子计算机、嵌入式系统和其他新型计算系统广受关注的问题.充分发挥三值光学处理器位数众多、运算功能可重构、按位可分配等优势,设计出高效并行MSD (modified signed digit)数除法器对提高大数据除法的运算效率、促进三值光学计算机(ternary optical computer, TOC)在数值计算领域的应用意义重大.本文首次提出MSD数的符号判定算法,并基于SRT算法首次提出利用一个并行无进位SJ-MSD加法器和一个MSD数比较器实现单组MSD整数除法或多组MSD整数并行除法方案——并行MSD整数除法,该算法对于被除数等长的多组与单组MSD整数除法需要的机器周期是相同的.实验表明,并行MSD整数除法方案是可行的,它将有效地提高大数据处理效率并加速TOC进入数值计算等实际应用领域.
关键词 并行MSD整数除法器; SJ-MSD加法器; 比较器; SRT除法; 三值光学计算机; parallel MSD integer divider; SJ-MSD adder; comparator; SRT division; ternary optical computer(TOC);

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面向多租户数据中心资源回收利用的能效激励机制

An energy-efficient incentive mechanism for resource recycling in multi-tenant datacenters

周知, 刘方明
中国科学: 信息科学, 2021, 51(5): 735-749
摘要 多租户公有云是云计算的一种重要组成形式.近年来,多租户公有云数据中心在如火如荼发展的同时,其过低资源使用率所导致的巨大能耗浪费也引起了社会的高度关注.然而,由于多租户公有云的资源通常以"包年包月"的租赁形式预留给租户,云服务提供商无法通过关闭空闲服务器等常用能耗管理方法来降低数据中心能耗.针对这一难题,本文提出了面向多租户数据中心资源回收利用的激励机制来提升多租户数据中心能效.该机制以经济激励的形式来回收利用租户空闲预留型资源,即云服务提供商向租户支付合适的经济补偿,从而回收租户空闲预留型资源,并充分利用其运行其他云计算服务(如电商和搜索服务).基于Lyapunov方法,本文设计并分析了一种面向租户预留资源回收利用的动态定价算法,该算法无需预测系统未来信息便可作出在线定价决策,并且在保障系统稳定性的同时使得云服务提供商长期成本无限接近于理论最低值.通过严格的数学证明以及由真实数据驱动的仿真实验,本文验证了所提出的激励机制在回收利用租户空闲资源方面的有效性.
关键词 多租户数据中心; 能耗管理; 资源回收; 激励机制; 在线算法; multi-tenant datacenter; energy management; resource recycling; incentive mechanism; online algorithm;

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内存计算研究进展

Development of processing-in-memory

毛海宇, 舒继武, 李飞, 刘喆
中国科学: 信息科学, 2021, 51(2): 173-206
摘要 随着应用数据处理需求的激增,在传统冯·诺依曼(von Neumann)体系结构中,处理器到主存之间的总线数据传输逐渐成为瓶颈.不仅如此,近年来兴起的数据密集型应用,如神经网络和图计算等,呈现出较严重的数据局部性,缓存命中率低.在这些新兴数据密集型应用的处理过程中,中央处理器到主存间的数据传输量大,导致系统的性能不佳且能耗变高.针对传统冯·诺依曼体系结构的局限性,内存计算通过赋予主存端一定的计算能力,以缓解因数据量大以及数据局部性差带来的总线拥堵和传输能耗高的问题.内存计算有两大形式,一种是以高带宽的连接方式将计算资源集成到主存单元中(近数据计算),另一种是直接利用存储单元做计算(存内计算).这两种形式有各自的优缺点和适用场景.本文首先介绍并分析了内存计算的提出和兴起原因,然后从硬件和微体系结构方面介绍内存计算技术,接着分析和总结了内存计算所面临的挑战,最后介绍了内存计算给目前流行的应用带来的机遇.
关键词 内存计算; 近数据计算; 存内计算; 神经网络; 图计算; processing-in-memory; near-data computing; computing-in-memory; neural network; graph computing;

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基于改进深度卷积神经网络的网络流量分类方法

Network traffic classification method based on improved deep convolutional neural network

张小莉, 程光, 张慰慈
中国科学: 信息科学, 2021, 51(1): 56-74
摘要 机器学习方法对网络流量分类的前提是假设流量具有独立同分布性,而实际情况下流量特征不断发生变化,导致该方法在处理海量、不具备独立同分布的流量数据时开销较大,计算复杂度较高,精度较低.针对上述问题,本文提出一种新的分类模型.该模型将PCA算法与改进的深度卷积神经网络分类模型(improved deep LeNet-5 convolutional neural networks, LCNN)相结合进行流量分类.前者进行降维分析,发现影响检测精度的关键特征,后者采用自主特征学习方式提升分类精度.实验表明,本文方法的内存开销较之前方法降低了3.2%,检测精度提升了5%～8%.
关键词 网络流量分类; 深度卷积神经网络; PCA; 多分类器; 特征选择; Tensorflow; network traffic classification; deep convolutional neural network; PCA; multi-classifier; feature selection; Tensorflow;

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面向移动边缘计算的广播身份认证协议

Broadcast identity authentication scheme for mobile edge computing

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;

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隐私保护计算密码技术研究进展与应用

Privacy-preserving cryptographic algorithms and protocols: a survey on designs and applications

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;

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基于同态加密的医疗数据密文异常检测方法

Homomorphic encryption-based ciphertext anomaly detection method for e-health records

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;

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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

A deep learning-aided key recovery framework for large-state block ciphers

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;

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基于层次结构的隐私多维分析查询算法

Answering private multidimensional analytical queries with hierarchical structure

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;

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基于水声信道的隐蔽密钥协商方案

Covert secret-key agreement scheme based on an underwater acoustic channel

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;

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基于商用密码SM9的高效分层标识加密

Efficient hierarchical identity-based encryption based on SM9

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;

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面向联邦学习的对抗样本投毒攻击

Adversarial examples for poisoning attacks against federated learning

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;

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身份基加密机制的挑战后泄露容忍性

After-the-fact leakage resilience in identity-based encryption

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;

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国密SM2加密算法的RCCA安全设计

RCCA-secure public-key encryption based on SM2

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;

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面向车联网的抗设备捕获认证密钥协商协议

Device capture resilient authentication and key agreement protocol for IoV

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;

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一种基于PUF的可证明安全消息认证算法及应用

A PUF-based provably secure message authentication algorithm and application

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;

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基于国产密码SM2的实用公钥广播加密方案

An efficient public-key broadcast encryption scheme based on SM2

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;

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满足本地化差分隐私的推荐系统中隐私预算的优化设置

Optimized setting of privacy budget in a recommendation system with local differential privacy

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;

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基于序列特征提取的溯源图上APT攻击检测方法

Sequence feature extraction-based APT attack detection method with provenance graphs

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;

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云与用户之间交互式抗屏摄密文水印协议

Interactive screen-shooting resilient ciphertext watermarking protocol between the cloud and the user

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;

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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

Distributed public key infrastructure scheme based on blockchain and decentralized undeniable attribute-based signature

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;

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中本聪共识安全性质研究方法

Methods of security analysis for Nakamoto consensus

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;

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抗泄露的无证书密钥封装机制及应用

Leakage-resilient certificateless key-encapsulation mechanism and application

周彦伟, 杨波, 乔子芮, 夏喆, 张明武
中国科学: 信息科学, 2021, 51(12): 2119-2133
摘要 泄露攻击的出现,导致在传统理想安全模型下已证明安全的密码机制在实际应用中不再保持其所声称的安全性;并且现有基于双线性映射构造的抗泄露无证书密钥封装机制(certificateless keyencapsulation mechanism, CL-KEM)的计算效率较低.针对上述不足,在不使用双线性映射的前提下本文设计了抗连续泄露的CL-KEM,并基于经典的判定性Diffie-Hellman假设对构造的安全性进行形式化证明.在我们的CL-KEM实例中,封装密文的所有元素对敌手而言是随机的,确保任意敌手均无法从封装密文中获知关于用户私钥的泄露信息;并且泄露参数是固定的常数,不受封装密钥空间大小的限制.为了进一步增强CL-KEM的抗泄露攻击的能力,本文构造了一个泄露量达到l_(sk)(1-O(1))的新颖抗泄露CL-KEM,其中l_(sk)表示私钥的长度,分析表明该机制在具有上述优势的同时,将抵抗泄露攻击的能力提升到最佳.最后,基于抗泄露CL-KEM提出抗泄露无证书混合加密机制和抗泄露无证书密钥协商协议的通用构造方法.
关键词 无证书公钥密码; 密钥封装机制; 泄露容忍; 连续泄露容忍; DDH安全性假设; certificateless public-key cryptography; key-encapsulation mechanism; leakage resilience; continuous leakage resilience; DDH security assumption;

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国密SM9数字签名和密钥封装算法的安全性分析

Security analysis of SM9 digital signature and key encapsulation

赖建昌, 黄欣沂, 何德彪, 伍玮
中国科学: 信息科学, 2021, 51(11): 1900-1913
摘要 安全性分析为密码方案的安全性提供重要依据和有力保障.我国自主设计的商用标识密码SM9已成为国家标准,其中, SM9数字签名算法和加密算法已成为ISO/IEC国际标准.然而,现有关于SM9标识密码算法安全性分析的公开发表研究成果较少. Cheng在Inscrypt 2018基于Gap-q-BCAA1假设,给出了SM9密钥交换协议、密钥封装机制和公钥加密算法的安全性证明.本文首先基于q-SDH假设和随机谕言模型,证明SM9数字签名算法具有EUF-CMIA的安全性.其次,为了消除对Gap类困难假设的依赖,采用Twin-Hash-ElGamal技术,提出基于SM9密钥封装机制的新型密钥封装机制Twin-SM9.与SM9密钥封装机制相比, Twin-SM9的系统公钥和用户私钥分别增加了一个群元素,而封装密文长度保持不变.在随机谕言模型中证明,若q-BDHI假设成立,则Twin-SM9密钥封装机制满足IND-CCA.然后进一步阐明了SM9标识密码的安全性,研究结果有助于基于SM9的高级密码协议和算法的设计与分析.
关键词 SM9; 安全性分析; 数字签名; 密钥封装; CCA; SM9; security analysis; digital signature; key encapsulation; CCA;

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基于轻量级区块链的隐私保护传染病监测数据聚合

Lightweight-blockchain based privacy-preserving data aggregation for epidemic disease surveillance

胡柏吉, 李元诚, 房方, 商兴宇
中国科学: 信息科学, 2021, 51(11): 1885-1899
摘要 随着COVID-19在全球肆虐,传染病监测有利于阻止传染病传播.而保护监测系统中病人以及数据提供者的隐私能免除他们对隐私信息泄露的顾虑,从而提高系统的数据采集能力.本文提出了一个基于区块链的传染病监测数据聚合方案(lightweight-blockchain based privacy-preserving data aggregation scheme, LBPDA),可以在不依赖可信第三方的情况下对数据进行聚合.特别地,为了保护数据聚合过程中数据隐私,采用基于Paillier密码系统的加法同态性来聚合病例数据.此外,为了减少时间开销和存储开销,对使用的Hyperledger Fabric联盟区块链平台进行了改进,从而轻量化数据聚合过程.我们对提出的方案进行了仿真,并进行安全性和性能分析以验证提出方案的可行性和有效性.结果显示,提出的方案能满足政府部门在聚合病例数据用于传染病监测的同时保护病人和数据提供者的隐私的需求.此外,通过对比也证明本文对区块链的轻量化是有效的.
关键词 区块链; 传染病监测; 隐私保护数据聚合; Paillier密码系统; Hyperledger Fabric; blockchain; epidemic disease surveillance; privacy-preserving data aggregation; Paillier cryptosystem; Hyperledger Fabric;

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一种基于区块链的隐私保护异步联邦学习

A blockchain-based privacy-preserving asynchronous federated learning

高胜, 袁丽萍, 朱建明, 马鑫迪, 章睿, 马建峰
中国科学: 信息科学, 2021, 51(10): 1755-1774
摘要 联邦学习能够在保障本地数据隐私前提下利用分布式数据和计算资源实现机器学习模型联合训练.现有异步联邦学习有效解决了同步联邦学习所存在的计算资源浪费、训练效率低等问题.然而,现有异步联邦学习通过聚合不同节点训练得到局部模型,并通过中心服务器完成全局模型更新,内生性地受制于中心化信用模式,存在单点失效、隐私泄露等问题.为此,提出了一种基于区块链的隐私保护异步联邦学习,通过上链局部模型并通过共识算法生成全局模型,保证异步联邦学习的可信性.为了保证联邦学习的隐私性,同时提高模型效用,提出利用差分隐私中的指数机制以高概率选择贡献度高的模型梯度,并分配较低的隐私预算以保证局部模型的隐私性.另一方面,针对异步联邦学习时钟不同步问题,提出了双因子调整机制进一步提高全局模型效用.最后,理论分析与实验结果表明所提出的方案能有效保证异步联邦学习的可信性和隐私性,同时提高了模型效用.
关键词 联邦学习; 区块链; 差分隐私; 模型效用; 异步训练; federated learning; blockchain; differential privacy; model utility; asynchronous training;

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移动边缘计算中基于位置信息的安全skyline查询处理方法

Secure skyline query processing in mobile edge computing over location-based data

王缵, 丁晓锋, 周潘, 田有亮, 金海
中国科学: 信息科学, 2021, 51(10): 1721-1737
摘要 针对移动边缘计算下查询的效率和安全问题,本文开展了面向位置信息的移动边缘计算安全skyline查询的研究.首先,提出了移动边缘计算场景下的安全skyline查询框架;其次,针对边缘服务器资源受限的特性,设计了新颖且统一的轻量级安全索引结构;然后,考虑云边协同中的隐私问题,提出了基于移动边缘计算的安全skyline查询协议.安全性分析表明该协议在半诚实模型下是安全的.同时,实验评估发现其比现有协议具有更高的查询效率.
关键词 安全skyline查询; 位置信息; 移动边缘计算; 安全索引; 半诚实模型; secure skyline queries; location-based data; mobile edge computing; secure index; semi-honest model;

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基于区块链和去中心可追踪属性签名的可控匿名认证方案

Controllable anonymous authentication scheme based on blockchain and decentralized traceable attribute-based signature

方宁, 刘百祥, 阚海斌
中国科学: 信息科学, 2021, 51(10): 1706-1720
摘要 信息技术的发展以及人们对于个人隐私安全重视程度的提升对传统互联网应用的身份认证机制提出了更高的要求,既要实现用户的身份认证,同时也要最大程度地保护用户的隐私信息.与传统的数字签名方案相比,基于属性的数字签名方案天然具有匿名的特点,即属性签名可以隐藏签名者的身份信息,其他用户无法将一个签名链接到签名者的身份(属性集).而在实际应用场景当中,我们通常还需要对用户的身份进行监管,以防止匿名滥用和失信行为的发生.因此,为了平衡这两种看似矛盾的需求,本文提出了一个基于区块链和去中心可追踪属性签名的可控匿名认证方案,通过对已有的可追踪属性签名方案进行适当改进,在不影响效率的前提下实现了去中心化的属性授权机构,以防止单个属性授权机构的腐败对系统安全性造成影响.实验及对比分析结果表明,本方案适用于电子投票系统和其他具有去中心可控匿名认证需求的场景.
关键词 区块链; 属性签名; 可追踪性; 可控匿名; 隐私保护; blockchain; attribute-based signature; traceability; controllable anonymity; privacy protection;

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基于区块链的数字内容生态价值链构建

Digital content ecological value chain based on block chain

周广猛, 姚苏, 李琳, 刘昕, 徐恪
中国科学: 信息科学, 2021, 51(9): 1559-1574
摘要 随着互联网和移动终端的普及,数字内容产业正成为文化产业主要经济增长点.本文从数字内容产业面临的版权、质量和产业壁垒问题入手,分析区块链技术对于建设数字内容生态价值链的意义和优势,提出以基于区块链的数字内容平台重塑生态价值链的方案.然后分析新型平台中的关键元素、价值流转、平台架构,设计平台价值流转过程中的基础方案,最后从成本和性能角度证明联盟链适合并且可以支撑平台构建.
关键词 数字内容; 价值链; 区块链; 价值流转; 联盟链; digital content; value chain; blockchain; value transfer; consortium blockchain;

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基于格的口令散列方案

Achieving password-hashing scheme over lattices

李增鹏, 汪定
中国科学: 信息科学, 2021, 51(8): 1375-1390
摘要 在可预见的未来,口令仍将是最主要的身份认证方法.口令认证密钥交换协议(password authenticated key exchange, PAKE)是口令认证的重要组成部分,它允许通信双方在不安全的通话信道上建立一个安全的会话密钥.为了缓解服务器被入侵后对存储在服务器上口令的影响,将口令散列之后再存储被广泛推荐,例如使用传统的口令散列函数,如PBKDF2, Bcrypt,和Scrypt.然而,这些口令散列函数依赖复杂的数学问题,安全性证明建立在随机预言机模型(random oracle model,ROM)之上,且需要较大内存支持.为解决上述问题,基于离散对数假设的口令散列方案陆续被提出,如Benhamouda-Pointceva方案(IACR ePrint2013/833)、Kiefer-Manulis方案(ESORICS’14)、Pointcheval-Wang方案(ASIACCS’17)与平滑投影散列函数(smooth projective hash function, SPHF)集成,但这些方案无法实现后量子安全且仍依赖于ROM模型.因此,本文着重研究如何在标准模型下设计后量子安全的口令散列方案,并给出可证明安全性分析.尽管所提方案尚不能应用于实际,但为构造实际的后量子安全的口令认证及密钥交换协议奠定了基础.
关键词 抗量子; 口令认证密钥交换; 口令散列方案; 平滑投影散列函数; 基于格的密码学; quantum resistant; password authenticated key exchange; password hashing scheme; smooth projective hash function; lattice-based cryptography;

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基于区块链和去中心属性密码的访问控制身份方案

Access control scheme on blockchain and decentralized attributed-based algorithm with identity

陈泽宁, 张亮, 张双俊, 阚海斌
中国科学: 信息科学, 2021, 51(8): 1345-1359
摘要 区块链上的身份体制是不健全的.如何在区块链上认证某个用户的身份、如何确保身份的背书机构是真实的一直是一个挑战.运行在区块链上的分布式公钥基础设施可以在某种程度上解决上述问题,但是属性密码结合区块链可以提供更贴近于真实社会的身份模型.提出一种基于区块链和去中心属性密码的访问控制身份方案,利用用户和组织之间相互授权、背书身份属性实现信任成本的链接,利用属性密码对链上数据进行访问控制和共享达到细粒度的访问控制和隐私保护.设计了可多用户协同的属性密码,为身份模型中的机构提供背书能力.通过实验仿真和对比分析,该方案在安全性和性能上都满足当前通用区块链的需求,为其提供了一种通用基础的身份模型.
关键词 区块链; 属性密码; 访问控制; 身份认证; 隐私保护; blockchain; attributed-based encryption; access control; identity authentication; privacy protection;

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面向数据流发布的数据自适应隐私保护机制

Data-adaptive privacy-preserving mechanism for data stream publishing in real-time

王腾, 杨新宇, 任雪斌, 赵俊
中国科学: 信息科学, 2021, 51(7): 1199-1216
摘要 群智感知系统中针对数据流的实时发布和深度学习在极大方便人们日常生活的同时,也严重威胁了参与用户的隐私信息.现有隐私保护机制在处理动态性强、时空相关性复杂的数据流时,大都难以实现数据自适应性,从而导致较低的数据效用性.因此,基于ω-事件级差分隐私,本文提出了一种数据自适应的多维数据流隐私保护实时发布机制AdaPub.该机制通过集成基于多重哈希的维度划分策略和自适应累积回溯时间聚类策略分别学习数据流的空间和时间相关性,不需要预定义任何参数,能够根据数据流的动态变化趋势来自适应地调整隐私参数,从而保证了隐私保护机制的数据自适应性并有效提高了数据效用性.此外,本文进一步提出了一种面向层次数据流发布的隐私保护机制HierAdaPub,利用最优隐私预算分配策略来最小化扰动方差以保证数据效用性.大量仿真实验从不同角度均验证了所提出隐私保护机制能够在提供强隐私保护的同时,具有较高的数据效用性.
关键词 数据流发布, 数据自适应, 差分隐私, 时空相关性, 数据效用性

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基于权限的移动应用程序隐私风险量化

Privacy risk quantification of mobile application based on requested permissions

朱敏杰, 叶青青, 孟小峰, 杨鑫
中国科学: 信息科学, 2021, 51(7): 1100-1115
摘要 移动设备的普及带来了移动应用程序市场的蓬勃发展,各类服务提供商通过移动应用程序的权限大量收集用户数据,而数据收集过程往往不为用户所知,因此给用户带来极大的隐私风险.对移动应用程序进行隐私风险评估,不仅有助于规范第三方移动应用市场,而且可帮助用户规避潜在的隐私风险,而如何评估移动应用程序可能带来的最大隐私风险则是当前面临的重大挑战.本文通过研究移动应用程序最大化的数据泄露场景,基于权限请求特征和权限分析原则构建隐私风险最大值量化模型.该模型基于权限敏感度、权限类别异常度、权限使用率和权限调用者数量4个参数,对移动应用程序的潜在隐私风险进行评估.在隐私风险量化和恶意应用检测中,对比当前同类型方法,该模型在真实数据集上效果均较优,说明模型的有效性.实验结果进一步表明,该模型可用于改善现有第三方移动应用市场的隐私风险预警机制,进而保护移动用户的隐私.
关键词 隐私保护, 移动应用程序, 隐私风险量化, 权限分析方法

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CCA安全的抗泄露IBE机制的新型构造

A new construction of leakage-resilient CCA secure IBE scheme

周彦伟, 杨波, 夏喆, 张明武
中国科学: 信息科学, 2021, 51(6): 1013-1029
摘要 隐私信息的泄露已成为密码系统当前的严重安全性隐患,因此抗泄露性将是密码机制必备的安全属性之一.目前,通常基于非交互式零知识论证系统、一次性损耗滤波器、强一次性签名等密码基础工具来实现选择密文攻击(chosen-ciphertext attack, CCA)安全的抗泄露身份基加密(identity-based encryption, IBE)机制的通用构造;然而,由于底层工具的计算效率较低,导致传统通用构造尚未达到理想的计算效率.针对上述不足,本文提出一个双封装密钥的身份基哈希证明系统(identity-based Hash proof system with two encapsulated key, T-IB-HPS)的新密码学原语,并详细介绍了T-IB-HPS的形式化定义及安全属性;同时,基于T-IB-HPS和消息验证码(message authentication code, MAC)设计了CCA安全的抗泄露IBE机制的新型通用构造,并基于T-IB-HPS和MAC的安全属性,对通用构造的CCA安全性进行了形式化证明;为进一步展示本文通用构造的实用性,在T-IB-HPS形式化定义的基础上,我们设计了T-IB-HPS的具体实例,并基于判定的双线性Diffie-Hellman假设证明了本文实例的安全性.相较于传统CCA安全的抗泄露IBE机制的通用构造而言,本文通用构造未使用计算效率低的密码学基础工具,表明了本文的通用构造方法具有较高的计算效率.
关键词 哈希证明系统, 身份基哈希证明系统, 身份基加密机制, 抗泄露攻击

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抗恶意敌手的百万富翁问题解决方案

Protocol for millionaires' problem in malicious models

李顺东, 王文丽, 杜润萌
中国科学: 信息科学, 2021, 51(1): 75-88
摘要 安全多方计算是国际密码学界研究的热点,百万富翁问题是安全多方计算最基础最重要的问题,是构造其他安全多方计算协议的基本模块.这个问题已经有许多解决方案,但除了基于混淆电路的协议之外,目前基于公钥加密算法的解决方案几乎都是半诚实模型下的解决方案,抗恶意敌手的解决方案极少,仅有的个别解决方案效率很低,这制约着恶意模型下许多安全多方计算问题的解决.抗恶意敌手的解决方案更符合安全多方计算的实际应用场景,研究抗恶意敌手的百万富翁问题解决方案,具有重要的理论与现实意义.本文首先设计了一个半诚实模型下百万富翁问题的解决方案,进一步分析了恶意敌手可能的恶意行为,并用零知识证明和分割选择阻止或发现这些恶意行为,将半诚实模型下安全的计算协议改造成恶意模型下安全的计算协议,并用理想–实际范例证明了协议的安全性,分析了恶意敌手攻击成功的概率和方案的效率.理论分析表明与现有方案相比,我们提出的方案效率至少提高6倍.
关键词 安全多方计算; 百万富翁问题; 恶意模型; 分割–选择; 零知识证明; 理想–实际范例; secure multiparty computation; millionaires' problem; malicious model; cut-and-choose; zero-knowledge proof; ideal-real paradigm;

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大模型时代的自然语言处理: 挑战、机遇与发展

Towards a comprehensive understanding of the impact of large language models on natural language processing: challenges, opportunities and future directions

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;

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基于语法和语义分割的跨领域方面级情感分类

Separated syntax and semantics modeling for cross-domain aspect-level sentiment classification

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;

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基于学习连续时间事件序列的动态网络链路预测

Dynamic network link prediction based on learning continuous time events

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;

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基于解析图嵌入和加权图卷积网络的知识图谱补全

Knowledge graph completion based on parsing graph embedding and a weighted graph convolutional network

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;

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基于句法模板采样的无监督复述生成方法

Unsupervised paraphrasing via syntactic template sampling

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;

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细粒度建模用户兴趣的序列化推荐方法

Fine-grained modeling of user interests for sequential recommendation

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;

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语言认知与语言计算——人与机器的语言理解

Language cognition and language computation—human and machine language understanding

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;

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基于交互序列商品相关性建模的图卷积会话推荐

Item correlation modeling in interaction sequence for graph convolutional session recommendation

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;

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基于多头注意力网络的无监督跨媒体哈希检索

Unsupervised cross-media Hashing retrieval based on multi-head attention network

李志欣, 凌锋, 唐振军, 马慧芳, 施智平
中国科学: 信息科学, 2021, 51(12): 2053-2068
摘要 跨媒体哈希检索将不同媒体数据编码到公共二值哈希空间中,从而可以有效地测量不同模态样本之间的相关性.为了进一步提高检索性能,提出基于多头注意力网络的无监督跨媒体哈希检索方法.首先,利用多头注意力网络生成哈希码矩阵,使图像和文本能获得更好的匹配.其次,构造一个辅助相似度矩阵,用以整合来自不同模态的原始邻域信息.通过辅助相似度矩阵与哈希码矩阵的协同学习,能够捕获不同模态之间和相同模态内部的潜在联系.此外,设计了两种损失函数训练网络模型,并使用批量归一化和更换哈希码生成函数的策略对模型进行优化,使模型的训练速度得到大幅提升.在3个数据集上的实验表明,本方法的平均性能比目前国际上先进的无监督方法有显著提升,充分证明了本方法的有效性和优越性.
关键词 卷积神经网络; 多头注意力网络; 跨媒体哈希检索; 无监督学习; 协同学习; 辅助相似度矩阵; 批量归一化; convolutional neural network; multi-head attention network; cross-media Hashing retrieval; unsupervised learning; collaborative learning; auxiliary similarity matrix; batch normalization;

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基于时变阻尼运动的社交网络信息传播动力学分析

Social network information propagation dynamic analysis based on time-varying damping motion

刘小洋, 何道兵, 刘超, 张宜浩
中国科学: 信息科学, 2021, 51(11): 1867-1884
摘要 针对目前社交网络上信息传播动力学的研究成果中,未能从社会物理学层面揭示微观个体上的随机性和无序性与宏观群体上的可知性和可控性之间的关系问题,本文提出了一种基于时变阻尼运动的信息传播动力学模型(time-varying damped motion, TVDM).首先,深入分析社交网络中信息传播现象,从时间、空间、主体(行为人)、客体(信息) 4个维度提取关键特征;然后,从带阻尼的简谐运动视角、内外力系合力作用视角、信息能量转化视角、时变系统与信号变换视角,揭示了社交网络上信息传播的物理学本质规则和作用机制;最后,通过数值模拟实验验证了网络上个体行为服从统计规律性.实验结果表明:提出的时变阻尼运动信息传播动力学模型精度为91%,构建的社交网络信息传播动力学模型TVDM是合理有效的.
关键词 社交网络; 动力学; 信息能量; 阻尼运动; 时变系统; social network; dynamics; information energy; damping motion; time-varying system;

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基于深度学习的多方对话研究综述

A survey of multi-party dialogue research based on deep learning

张开颜, 张伟男, 刘挺
中国科学: 信息科学, 2021, 51(8): 1217-1232
摘要 近年来,随着深度学习技术的广泛应用,人机对话研究取得了突破性进展.但是,目前的人机对话系统大多是在人机双方参与的假设下进行设计的,而更具挑战性的人机多方对话的研究和应用尚不成熟.本文将立足于自然语言处理领域,对近几年基于深度学习的多方对话研究进展进行综述.首先从人机对话角度出发,整理多方对话系统的关键问题和已有解决方案;然后,梳理基于多方对话的其他自然语言处理任务;之后,总结已有多方对话研究的数据集,并分析现有数据集的局限性和改进方案;最后,展望多方对话研究的未来发展趋势.
关键词 自然语言处理; 深度学习; 人机对话; 多方对话; natural language processing; deep learning; human-machine dialogue; multi-party dialogue;

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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

Crowd intelligence paradigm: a new paradigm shift in software development

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;

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AdvSce:面向自动驾驶系统的安全关键场景生成工具

AdvSce: safety critical scenario generation for testing autonomous driving systems

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;

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基于深度学习的SQL生成研究综述

A survey of deep learning based text-to-SQL generation

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;

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一种基于列计算的空间并置模式挖掘方法

A spatial co-location pattern mining approach based on column calculation

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;

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组合云系统可靠性概念漂移在线度量方法研究

Reliability concept drift online measurement for composite cloud systems

王磊, 张云秋, 徐丙凤, 徐逸卿
中国科学: 信息科学, 2021, 51(9): 1438-1450
摘要 随着全球云计算产业规模的迅速增长,采用按需付费的方式,基于云服务组合实现大规模软件服务的动态集成和协同,从而构造复杂软件,已成为一种切实可行的方法.所构建的组合云系统运行在动态、不确定的环境下,如何应对系统运行可靠性数据流的概念漂移问题,保障系统运行质量,是一个亟待解决的挑战性问题.为给针对组合云系统的可靠性自适应提供早期指导,本文基于主动式缺陷管理思想,研究组合云系统运行风险的在线感知方法,提出基于Sinkhorn距离的可靠性概念漂移在线度量方法 RCDMeas.这一方法通过引入熵正则化和不动点迭代,计算系统历史累积的可靠性流数据和临近的可靠性流数据的分布距离,从而识别组合云系统可靠性概念漂移及系统潜在运行风险.大规模数据实验结果验证了本文方法的有效性.本文的工作对服务组合系统的自动化运维具有重要的理论意义与实际应用价值.
关键词 组合云系统; 可靠性; 概念漂移; 在线; 运行质量保障; composite cloud systems; reliability; concept drift; online; execution quality assurance;

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基于路径相似度的并行程序多路径覆盖调度序列排序

Path similarity-based scheduling sequence sorting for multi-path coverage of parallel programs

潘峰, 巩敦卫, 田甜, 姚香娟, 李吟
中国科学: 信息科学, 2021, 51(4): 565-581
摘要 测试是提高软件可靠性的重要方法.消息传递并行程序中存在的不确定通信语句,使得进程执行顺序具有不确定性,这增加了测试该类程序的难度.鉴于进程执行顺序对目标路径覆盖难易程度的影响,本文研究消息传递并行程序多路径覆盖调度序列排序方法,以提高多路径覆盖测试数据生成的效率.首先,在每个调度序列下,以每个采样的程序输入执行程序,生成路径覆盖矩阵;然后,针对每条目标路径,分别计算与路径覆盖矩阵中每条路径的相似度,生成多个路径相似度矩阵;接着,基于这些路径相似度矩阵的特征量,评价调度序列的性能,并依此对调度序列排序;最后,基于调度序列排序集,使用随机采样法,生成覆盖所有目标路径的测试数据,并使用缺陷检测平均百分比(average percentage of faults detected, APFD)指标评估调度序列排序集.将所提方法应用于9个基准并行程序中,并与随机方法和传统方法进行比较.实验结果表明,所提方法对路径覆盖率没有影响,但显著减少了被测程序执行次数和运行时间.
关键词 消息传递并行程序; 多路径覆盖; 测试; 调度序列排序; 路径相似度; message-passing parallel program; multi-path coverage; testing; scheduling sequence sorting; path similarity;

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基于互联网群体智能的拼图问题求解

Solving pictorial jigsaw puzzles via Internet-based collective intelligence

申博, 张伟, 赵海燕, 金芝, 吴艳红
中国科学: 信息科学, 2021, 51(2): 206-230
摘要 拼图游戏是一类复杂问题的典型代表.这类问题的复杂性体现在其无法通过自上而下、集中控制的方式进行有效求解.通常情况下,拼图游戏由一个玩家独立完成,或由几个玩家围坐在一起协同完成.本文提出一种基于互联网人类群体智能的拼图问题求解方法.该方法使用一种被称为"探索–融合–反馈"的回路用于支持人类玩家群体在互联网环境中进行并行、协同的拼图问题求解.其中,探索活动由玩家实施,融合与反馈活动由拼图环境自动实施.在探索活动中,每个玩家独立进行拼图问题的求解,不与其他玩家发生直接的交互.在任何时刻,一个玩家探索活动的结果是一个关于当前拼图问题的片段解,以及一组被该玩家判断为错误的图块邻接关系.在融合活动中,拼图环境实时地将所有玩家的当前探索结果融合在一起,形成一个不断演化的群体观点图.在反馈活动中,对于每一个玩家,拼图环境根据该玩家的当前探索结果和当前的群体观点图,向该玩家推荐特定的信息,以加速其拼图进程.我们实现了一个支持上述方法的多人在线拼图环境,并在2~10人规模的玩家群体中进行了初步的实验.实验结果表明:(1)在这一多人拼图环境中,拼图求解时间大致正比于玩家数量的倒数,且以玩家群体中的最强个体为基准点,群体拼图效率能够实现31.36%~64.57%的提升;(2)在该环境中,最快完成拼图的玩家获得的反馈信息平均具有86.34%的准确率,且随着群体规模的增加,反馈信息在最快玩家拼图结果中的平均占比逐渐从20%增加到45%左右;(3)相比于面对面协同的群体拼图求解方式,该环境展示出更好的群体规模可扩展性,且拼图结果总是具有100%的正确率,而拼图问题自动求解算法平均只具有52%的正确率.我们希望本文工作能够为探索群体智能在互联网环境下的更广泛应用提供一些有用的信息或观点.
关键词 人类群体智能; 互联网; 复杂问题求解; 拼图问题; 信息融合与反馈; collective human intelligence; Internet; complex problem solving; pictorial jigsaw puzzle; information integration and feedback;

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博弈智能的研究与应用

Research and applications of game intelligence

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;

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面向人机序贯决策实现共享控制下的仲裁优化

Shared control with optimized arbitration for human-machine sequential decision-making

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;

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数据驱动的策略优化控制律设计最新研究综述

Survey of recent progress in data-driven policy optimization for controller design

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;

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博弈收益控制研究进展

Payoff control in game theory

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;

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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

MASAC-based confrontation game method of UAV clusters

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;

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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

Human-computer gaming decision-making method in air combat under an incomplete strategy set

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;

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

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

A hierarchical decision-making method for multi-aircraft air combat confrontation

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;

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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

Extensive game decision based on the PPO-CFR algorithm under incomplete information

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;

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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

Human-machine shared autonomy approach for non-full-time effective human decisions

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;

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具有学习和推理能力的空间无人系统智能架构

Intelligent architecture of space unmanned system with learning and reasoning capabilities

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;

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基于强化学习的高速列车群运行调整方法

Rescheduling of high-speed trains: a reinforcement learning approach

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;

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交互门控循环单元及其在到达时间估计中的应用

Interactive gated recurrent unit and its application for estimated time of arrival

孙翊文, 王宇璐, 傅昆, 王征, 张长水, 周东华, 叶杰平
中国科学: 信息科学, 2021, 51(5): 822-833
摘要 门控循环单元(gated recurrent unit, GRU)是一种有代表性的深度神经网络,它在众多序列学习任务中达到了国际领先的水平.然而,在门控循环单元的每个时间步之间,输入信息与隐含状态信息缺乏交互,这对更好地挖掘上下文语义信息带来了挑战.针对这个问题,本文提出了一个新颖的序列学习通用的语义特征提取模型:交互门控循环单元(interactive gated recurrent unit, InterGRU),可以让输入与隐含状态向量在各时间步间进行多轮充分的交互.并且,在到达时间估计(estimated time of arrival, ETA)这个有代表性、有挑战的时空序列预测任务上,本文提出了一套基于交互门控循环单元的深度学习框架(InterGRU-ETA).本文在来自滴滴出行平台真实场景下的海量数据集上充分地实验验证了InterGRU-ETA.结果表明,我们的框架在预测准确率上优于目前国际上最先进的方法.这反映了交互门控循环单元在捕获序列语义信息上的性能优势和广阔前景.
关键词 门控循环单元; 到达时间估计; 深度学习; 时空序列预测; 智能交通系统; gated recurrent unit; estimated time of arrival; deep learning; spatio-temporal forecasting; intelligent transportation systems;

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基于半张量积的双合作博弈Shapley值计算

The Shapley value for bicooperative games based on the semi-tensor product

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;

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基于生物网络的关系推断原理、方法与应用

Principle, method and application of relationship inference based on biological networks

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;

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两条层间连边下的双层链状网络同步能力分析

Analysis of the synchronizability of two-layer chain networks with two inter-layer edges

吴晓群, 孟涵怡, 陆君安, 胡捷, 韩秀萍
中国科学: 信息科学, 2021, 51(11): 1931-1945
摘要 多层网络的结构和动力学是目前网络科学研究中的前沿方向.在多层网络中单层之间的连接方式直接影响整个多层网络的动力学、传播、扩散和同步.对于多层网络的一般结构,目前还没有系统的理论和方法,人们只能从简单的多层网络结构入手,来探索层间连接如何影响多层整体动力学行为.本文的工作针对单层是链状结构的双层网络,通过图论理论和数值计算探讨这一问题,寻找层间连接的优化方式.首先,根据主稳定函数方法,在同步域无界的条件下证明了各层结构相同的多层网络在任意层间部分连边方式下,均存在层间耦合强度阈值,使得整个网络同步能力达到最大,且最大同步能力就是其单层网络的同步能力.其次,仿真得到双层链状网络在层间两条连边下的最优连边位置分别为各条链的1/4和3/4处;最差连边位置分别为其端点及相邻次端点处.本文还分别利用主稳定函数方法以及"网络最短距离"结构指标,细致地讨论了单层节点数分别为4N, 4N+1, 4N+2, 4N+3情况下的层间最优连边方式.结果表明:单层节点数4N对应有4种层间最优连边方式,其他3种情况下层间最优连边方式均唯一.最后,本文提出了最优层间耦合强度的表达式,并通过计算不同节点数情况下网络的最优层间耦合强度,验证了该表达式的正确性.
关键词 多层网络; 同步能力; 链状网络; 层间连边方式; 层间耦合强度; multi-layer networks; synchronizability; chain networks; inter-layer connection modes; inter-layer coupling strength;

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基于动态客流的城市轨道交通关键站点识别

A novel method to identify influential stations based on dynamic passenger flows

高超, 蒋世洪, 王震, 邓越, 范懿, 李学龙
中国科学: 信息科学, 2021, 51(9): 1490-1506
摘要 定量评估城市轨道交通站点的重要性有助于优化城市轨道交通网络,提升针对突发事件的应急管理能力.现有工作常根据轨道拓扑结构或静态客流的分布来识别关键站点,然而,由于居民日常出行行为展现时空变化特征,它们对关键站点的识别也有重要影响.为此,本文提出一种结合轨道网络拓扑结构和动态客流的拓扑–客流中心性指标来动态识别轨道交通关键站点.首先,将轨道交通网络拓扑结构抽象为节点负载网络,利用节点负载刻画客流时变特征.其次,利用级联失效模型对比拓扑–客流中心性指标与其他中心性指标对网络平均效率、极大连通系数和损失客流的影响.大量实验表明所提指标能有效识别轨道交通网络中的关键站点.同时,关键站点会随客流演变展现出动态变化特征,特别是当客流量波动剧烈时最为显著.
关键词 交通网络; 关键站点; 中心性指标; 动态客流; 级联故障; traffic networks; influential station; centrality measures; dynamic passenger flows; cascading failure;

控制 复杂网络与系统 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 1

基于多目标强化学习的社区隐藏框架

A multi-objective reinforcement learning framework for community deception

陶海成, 卜湛, 曹杰
中国科学: 信息科学, 2021, 51(7): 1131-1145
摘要 在复杂网络研究领域,社区隐藏算法旨在破坏社区发现算法的有效性,从而隐藏用户之间的关系,达到保护用户隐私的目的.现有的社区隐藏算法寄希望于已有用户改变自己的社交关系实现该目标,这对用户影响较大,操作空间比较小.不同于此类算法,本文所提的算法从增加节点及其相应边的角度出发,即伪造用户及其关系,最大程度降低了对用户的影响,将社区隐藏问题转换为网络增长问题.首先基于ratio association和ratio cut,提出两种更适合社区隐藏的指标;然后基于强化学习框架,定义动作空间为不同的网络增长模型,将两个指标在l个阶段的一致性策略值作为网络的状态表示,并将指标值作为奖赏值;最后采用两种策略来对指标进行优化,即给每个Q函数赋予权重的标量化多目标Q-learning算法以及基于Pareto最优算法的多目标Q-learning算法.在真实数据集上的大量实验表明,相比于现有最新的社区隐藏算法,本文所提算法展现出更好的有效性.
关键词 社交网络分析, 社区发现, 社区隐藏, 多目标优化, 强化学习

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

Network-splitter: 一种基于重叠社区的网络特征提取算法及其在链路预测中的应用

Network-splitter: a network feature extraction algorithm based on overlapping community and its application in link prediction

廖好, 黄晓敏, 吴子强, 周明洋, 毛睿, 汪秉宏
中国科学: 信息科学, 2021, 51(7): 1116-1130
摘要 链路预测任务是根据已知的网络结构和节点属性等信息来预测网络中产生新链路的可能性.它是网络科学中的一个基础性问题,具有重要的理论研究和实际应用价值.近年来,网络表示学习领域的学者利用深度学习提取网络复杂特征,大幅度提高了链路预测效果.实际网络中节点具有局部聚类现象,然而,当前的网络表示学习侧重于提取网络全局特征,忽略了局部信息特征.针对这个问题,我们提出了能够学习网络中节点在不同社区中局部特征表示的模型network-splitter.该模型利用重叠社区思想,在每个社区中创建节点的一个角色副本,并学习该角色副本的特征表示.最后将节点在不同社区中对应的角色副本信息通过神经网络综合,得到的综合向量包含网络全局特征和节点局部特征,并可应用到链路预测任务中.本文的实验结果表明, network-splitter模型与最新的网络学习表示方法相比具有很强的竞争力.
关键词 链路预测, 复杂网络, 网络表示学习, 局部节点特征, 重叠社区

控制 复杂网络与系统 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 4

基于移动闭塞原理的区间中断下列车多策略优化调度方法

Moving block principle-based multi-strategy optimal scheduling method for trains in case of segment blockages

张俊杰, 胡文峰, 彭涛, 阳春华
中国科学: 信息科学, 2021, 51(3): 413-429
摘要 在高铁日常运营中,地质灾害或设备故障等突发事件导致铁路行车区间中断,长时间的区间中断通常会导致大面积的列车晚点,给旅客出行带来极大的延误,如何在区间中断下对列车进行实时调整是高速铁路调度运行的一项重要课题.本文针对固定时间的区间中断,构建了列车运行速度调整和运行图调整的混合整数非线性规划(mixed integer nonlinear programming, MINLP)模型.在该模型中,除了常见的取消车次和延迟发车调度策略,还将降速运行策略考虑在内,在满足行车安全和车站通行能力的约束条件下,以3种调度策略的加权延误影响最小化为目标.该模型基于列车运动学模型计算列车降速运行带来的延误时间,并通过移动闭塞原理控制列车运行安全间隔.本文建立的模型可由商业优化软件CPLEX直接求解,并保证运行调整方案的实时性.模型还讨论了取消车次、延迟发车和降速运行这3种调度策略对总延误时间的影响,最后以京沪高铁实例进行验证.验证结果表明该模型是合理有效的,通过模型求解能对实际问题给出合理的调度方案并提高列车终到正点率.
关键词 高速列车调度; 区间中断; 实时运行调整; 降速运行; 混合整数非线性规划; high-speed train scheduling; segment blockage; real-time operation adjustment; deceleration operation; mixed integer nonlinear programming;

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

Event-triggered distributed model predictive load frequency control of an interconnected power system

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;

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

基于边云协同的建筑能源系统分布式供需协同优化

Edge-cloud framework-based distributed optimization of a building energy system with supply-demand coordination

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;

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

Data-driven change control design for product and supply chain synchronous evolution systems under cyber-attacks

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;

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

有向图中含弹性关节多机械臂系统的分布式一致性

Consensus of multiple manipulators with elastic joints under a directed graph

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;

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

Real-time rescheduling approach of train operation for high-speed railways using problem-specific knowledge under a station blockage

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;

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

考虑V2G背景下微电网的一致性能量管理策略

Consistency-based energy management strategy for microgrids with V2G

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;

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

基于启发式时空图神经网络的多变量时序异常检测

Multivariable time series anomaly detection using heuristic spatio-temporal graph neural network

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;

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

基于Transformer GAN架构的多变量时间序列异常检测

Transformer-GAN architecture for anomaly detection in multivariate time series

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;

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

Multi-condition fault diagnosis based on adaptive transfer and broad learning under imbalanced data

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;

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

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

Deep transfer learning methods for typical supervised tasks in industrial monitoring: state-of-the-art, challenges, and perspectives

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;

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

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

Fault diagnosis method of critical industrial equipment based on knowledge graphs and multi-task learning

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;

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

旋转导向钻井工具装备的微小故障检测

Incipient fault detection of rotary steerable drilling tool equipment

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;

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

Application of knowledge-embedded graph neural network for multivariate state prediction of wind turbines

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;

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

Non-positive barrier function: a new notion of barrier function for state-safety control of nonlinear dynamical systems

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;

控制 故障诊断与控制系统安全 评述 Website Google Scholar SCOPUS引次: 2

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

Power system security simulation technologies: engineering safety, network security and cyber-physical integrated security

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;

控制 故障诊断与控制系统安全 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 6

基于改进LSTM的高速列车牵引系统微小渐变故障诊断

Incipient fault diagnosis for high-speed train traction systems via improved LSTM

冒泽慧, 顾彧行, 姜斌, 许德智, 孙秀文, 刘文静
中国科学: 信息科学, 2021, 51(6): 997-1012
摘要 高速列车牵引系统的微小渐变故障诊断是保障高速列车安全可靠运行的一项重要任务,传统的数据驱动方法通常难以在故障初期实现微小渐变故障的诊断.本文考虑到传感器时序信号的非平稳特性和微小渐变故障具有的慢时变特性,提出了一种基于改进长短期记忆网络(long short-term memory,LSTM)的微小渐变故障无监督诊断方法.首先,我们提出了一种基于LSTM的改进网络结构,并结合门控循环单元(gated recurrent unit, GRU)解码器,构造了一种对非平稳特性具有鲁棒性的自编码器模型以提取故障特征.进而,采用t-SNE (t-distributed stochastic neighbour embedding)对提取的故障特征向量进行降维,使用DBSCAN (density-based spatial clustering of applications with noise)进行故障聚类与识别,实现了对微小渐变故障的无监督诊断.最后,我们基于CRH_2牵引系统的半物理仿真平台数据对上述方案进行了验证.实验结果表明,该无监督诊断方法对同时包含已知和未知故障的情况能够达到95%以上的诊断准确率.
关键词 故障诊断, 微小渐变故障, 无监督学习, 改进的 LSTM 网络

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

基于最小特征值的挠性航天器执行器故障自适应补偿技术

Minimum eigenvalue-based adaptive compensation of actuator faults for flexible spacecraft

马亚杰, 姜斌, 任好
中国科学: 信息科学, 2021, 51(5): 834-850
摘要 本文针对挠性航天器执行器故障问题,提出了一种基于最小特征值的自适应故障补偿方法.首先,针对由故障和挠性模态引起的系统不确定性进行参数化;其次,为了解决由故障引起的控制增益矩阵的不确定性,构造了新的控制增益矩阵,并利用该矩阵的最小特征值设计标称控制信号;而后,设计自适应律对标称控制信号中的不确定参数进行估计,构成自适应控制信号,保证了系统稳定性和渐近跟踪性能;最后,仿真结果验证了本文提出的自适应控制方法的有效性.
关键词 执行器故障; 自适应补偿; 控制增益矩阵; 挠性航天器; 最小特征值; actuator faults; adaptive compensation; control gain matrix; flexible spacecraft; minimum eigenvalue;

控制 故障诊断与控制系统安全 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 7

存在环境干扰下航天继电器故障诊断与容错控制

A fault diagnosis and tolerant control method for aerospace relay with environmental disturbance

冯志超, 周志杰, 胡昌华, 班晓军, 张友民
中国科学: 信息科学, 2021, 51(4): 648-662
摘要 航天继电器作为液体运载火箭等大型结构件复杂电子系统中的关键部件之一,其工作状态直接决定整个系统能否正常工作.本文针对航天继电器使用过程中所面临的高价值样本缺乏、系统复杂、复杂环境干扰等难题,基于考虑属性可靠度的置信规则库(belief rule base with attribute reliability,BRB-r)专家系统提出了一种新的考虑环境干扰的航天继电器故障诊断与容错控制框架.在所提出的新框架中,对航天继电器输出监测指标进行分析,基于BRB-r建立航天继电器故障诊断模型,通过其工作状态评估结果,分为功能正常、功能缺陷和功能丧失3种;然后,针对3种状态分别设计3种控制策略:保持原控制输入、重构控制率和切换备份继电器.本文所提方法通过实验室所搭建的JRC-7M航天继电器测试系统进行了实验验证.
关键词 故障诊断; 容错控制; 航天继电器; 置信规则库; fault diagnosis; tolerance control; aerospace relay; belief rule base;

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

稀疏恶意攻击下的信息物理系统的“PID”型性能和安全控制

Secure control and proportional-integral-derivative performance of cyber-physical systems with sparse adversarial attacks

谢春华, 杨辉, 李哲
中国科学: 信息科学, 2021, 51(1): 89-103
摘要 针对遭受稀疏恶意攻击的离散时间线性系统,本文研究其安全控制问题.假设恶意攻击者受有限资源的约束,仅能操控远程控制器和执行器之间的若干通信通道.对于设计者来说,并不知道哪些通道受到攻击,哪些通道没有受到攻击.本文提出了一种新的安全的远程控制方法,它由控制律、切换函数和选择机制构成.选择机制为控制律提供合适的反馈增益,并产生一个切换函数,用以阻止攻击信号进入被控对象.理论分析表明,在基本的和必要的假设条件下,本文考虑的安全控制问题可转化为求解状态反馈镇定问题.本文所提控制方法,能保证闭环系统的稳定性且使其具有"PID"型性能的抗攻击能力.最后,通过对某无人地面车辆系统的仿真实验,验证了理论结果的正确性.
关键词 安全控制; 信息物理系统; 稀疏恶意攻击; 切换策略; 抗攻击性能; secure control; cyber-physical systems; sparse adversarial attacks; switching strategy; attack-resilient performance;

控制 滤波、估计与参数辨识 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 0

非线性递推辨识理论在量刑数据分析中的应用

Applications of nonlinear recursive identification theory in sentencing data analyses

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;

控制 导航、制导与控制 论文 Website Google Scholar

一种基于透射不变性原理的高机动编队控制方法

A high-mobility formation control method based on the principle of projective invariance

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;

控制 导航、制导与控制 论文 Website Google Scholar 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

Multi-agent border defense differential game based on biological predation and escape behavior in an obstacle environment

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;

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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

基于干扰区间观测器的无人机预设性能着舰飞行控制

Disturbance interval observer-based carrier landing control of unmanned aerial vehicles using prescribed performance

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;

控制 导航、制导与控制 论文 Website Google Scholar 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

Switching control of combined power aerospace vehicles for wide-area flight

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;

控制 导航、制导与控制 论文 Website Google Scholar 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

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

Path reinforcement learning planning of nuclear power plant UAVs based on dynamic target probability distribution

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;

控制 导航、制导与控制 论文 Website Google Scholar 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

面向复杂未知多障碍环境的多无人机分布式在线轨迹规划

Multi-UAV decentralized online trajectory planning in complex unknown obstacle-rich environments

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;

控制 导航、制导与控制 论文 Website Google Scholar 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

基于合作竞争公共物品博弈的无人机集群动态资源分配

Dynamic resource allocation of UAV swarms based on cooperative and competitive public goods game

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;

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

推力矢量极性错误下的飞行控制自主重构技术

Autonomous reconfiguration of flight control under thrust vector polarity errors

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);

控制 导航、制导与控制 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 2

角速度受限下航天器姿态机动事件触发控制

Event-triggered attitude maneuver control of spacecraft under angular velocity constraints

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;

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

串联抑振轨迹规划方法及在FAST馈源支撑系统中的应用

A cascade vibration-free trajectory planning method and its application in the FAST feed support system

景奉水, 郑榕樟, 杨国栋, 邓赛, 谭民
中国科学: 信息科学, 2021, 51(11): 1914-1930
摘要 针对低阻尼柔性机构运动中的振动问题,本文提出了一种综合最优双S形轨迹规划法和输入整形法优点的串联抑振轨迹规划方法,其优势是可以有效抑制匀速运动时段的振动.论文从理论分析和数字仿真两个方面对该方法的正确性进行了证明.最后,对该方法在FAST馈源支撑系统的应用结果进行分析,表明其可有效提高并联柔索机构的运动精度,特别在匀速运动时可提高位置跟踪精度超过20%.
关键词 柔性机构; 五百米口径球面射电望远镜; 振动抑制; 轨迹跟踪; 运动规划; soft mechanism; five-hundred-meter aperture spherical telescope; vibration control; trajectory tracking; motion planning;

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

长征运载火箭上升段的自主制导方法及其研究进展

Review and progress of the autonomous guidance method for Long March launch vehicle ascent flight

宋征宇, 巩庆海, 王聪, 何勇, 施国兴
中国科学: 信息科学, 2021, 51(10): 1587-1608
摘要 本文综述了运载火箭上升段自主制导方法 (autonomous guidance method, AGM)的发展. AGM是指一类不依赖离线规划的参考轨迹,而是实时规划满足后续飞行复杂过程约束和终端条件的飞行轨迹,从而动态计算当前制导指令的方法.该方法结合了轨迹规划和传统制导方法的优点,具有在线、动态、全局和滚动的特点.分析了不同运动体在制导控制上面临的主要挑战,提出了长征运载火箭上升段自主制导方法的两大技术体系.一是针对确定目标轨道的制导方法,也称迭代制导(iterative guidance mode, IGM);介绍了迭代制导的基本理论、基础型及增强型算法,及其在型号中应用的飞行结果.二是目标轨道与飞行轨迹的联合优化方法,主要应对推力下降的典型故障;介绍了基于目标函数触发(state triggered indices, STI)的在线优化方法,以及以STI和IGM为基础进行自主任务重构的算法.论文还提出了未来的研究方向,包括多级分层优化,以及基于自主制导方法的新型闭环控制系统架构,以进一步增强上升段飞行的自主性和故障适应性.
关键词 迭代制导; 自主制导; 在线规划; 自主任务重构; 多级分层优化; iterative guidance mode(IGM); autonomous guidance method(AGM); online planning; autonomous mission reconstruction; multiple graded optimization(MGO);

控制 导航、制导与控制 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 7

基于高维多目标优化的多无人机协同航迹规划

Multi-UAV coordinated path planning based on many-objective optimization

蔡星娟, 胡钊鸣, 张志霞, 王茜, 崔志华, 张文生
中国科学: 信息科学, 2021, 51(6): 985-996
摘要 随着无人机应用领域的增多,多无人机协同航迹规划问题变得愈发重要.然而,现存的多无人机协同航迹规划问题大多将多个目标加权转换为单目标问题进行优化,为减少多目标加权的主观性,本文提出一种基于高维多目标优化的多无人机协同航迹规划模型,此模型可以同时优化多无人机航迹距离代价、多无人机航迹威胁代价、多无人机航迹能耗代价,以及多无人机协同性能.同时,为提高高维多目标优化算法在解决此模型时的性能,提出一种基于个体评估交叉策略的NSGA-Ⅲ算法(NSGAⅢ-ICO),可以根据算法运行代数综合评估个体优劣并指导种群交叉操作.仿真结果证明,此模型可以有效地提供多无人机协同航迹,且通过与其他高维多目标优化算法的比较,可以证明此改进算法可以有效地提高多无人机协同航迹规划的多种性能.
关键词 多无人机, 协同航迹规划, 高维多目标优化算法, 个体综合评估

控制 导航、制导与控制 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 1

基于TOA和TDTOA的增广状态脉冲星组合导航误差抑制方法

TOA and TDTOA-based augmented state pulsar integrated navigation error suppression method

宁晓琳, 桂明臻, 黄月清, 房建成, 吴伟仁
中国科学: 信息科学, 2021, 51(6): 971-984
摘要 脉冲星导航是一种极具潜力的深空自主导航技术,通常采用脉冲到达时间(time of arrival,TOA)作为量测信息.但脉冲星星历误差和星载原子钟误差等系统误差对导航性能有显著影响.为了解决上述问题,提出了一种基于TOA和时间差分TOA (TDTOA)的增广状态脉冲星组合导航误差抑制方法,通过将每个脉冲星的星历误差和时钟误差增加到状态向量,并利用TOA和TDTOA量测值对其进行估计和校正.仿真结果表明,该方法提高了脉冲星星历误差和时钟误差的可观测性,有效地消除了这些系统误差的影响,导航精度相比传统脉冲星导航提高了29%.
关键词 自主导航, 脉冲星导航, 系统误差, 时间差分, 可观测性分析

控制 导航、制导与控制 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 2

基于变权威胁评估的无人机安全飞行区域确定方法

Determining safe flight area of UAVs based on variable weight threat assessment

闫东, 陈谋, 吴庆宪, 袁梦顺
中国科学: 信息科学, 2021, 51(4): 663-677
摘要 针对复杂战场环境下确定无人机安全飞行区域的过程中面对的复杂性和不确定性问题,本文提出了一种基于变权理论和马尔可夫模型的无人机安全飞行区域确定方法.根据无人机相对于威胁区域距离的不同,引入变权理论对威胁指标权值进行调整,完成综合威胁大小计算.然后,利用马尔可夫模型对无人机飞行过程中受到的潜在威胁进行预测.接着,使用模糊评估方法评估无人机飞行区域的威胁等级,并引入云模型构建隶属度函数,以提高评估结果的可靠性.最后,根据威胁阈值确定无人机安全飞行区域.仿真结果表明所研究的无人机安全飞行区域确定方法在复杂战场环境下是有效的.
关键词 无人机; 威胁评估; 安全飞行区域; 变权理论; 马尔可夫模型; UAV; threat assessment; flight safety envelope; variable weight theory; Markov model;

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

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

Fully distributed consensus control for second-order multi-agent systems based on adaptive dynamic clock communication

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;

控制 网络化控制系统 论文 Website Google Scholar 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

Dynamic game coverage control algorithms for multiple mobile agents through virtual repulsive force

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;

控制 网络化控制系统 论文 Website Google Scholar 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

Trajectory distributed receding planning for UAV swarms subject to limited communication distance

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;

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

网络化不确定非线性时滞系统的状态估计

State estimation for networked uncertain nonlinear systems with time-delays

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;

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

合作竞争网络下的多智能体系统链路故障检测

Link failure detection for multi-agent systems on cooperation-competition networks

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;

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

基于记忆型事件触发的信息物理系统的安全状态估计

Memory-based event-triggered secure state estimation of cyber-physical systems

严沈, 顾洲, 费树岷, Zhengtao DING
中国科学: 信息科学, 2021, 51(8): 1302-1315
摘要 本文针对一类时滞非线性信息物理系统,研究虚假数据注入攻击下基于记忆型事件触发的安全状态估计问题.不同于现有事件触发机制只考虑系统的瞬时信息,本文提出一种基于历史测量输出的记忆型事件触发机制.该机制可以有效减少输出信号随机波动导致的事件触发机制误触发次数,减少不必要的网络资源浪费.采用一个满足Bernoulli分布的随机变量来描述虚假数据注入攻击的随机过程.构造新的包含Legendre多项式的Lyapunov-Krasovskii泛函,采用Bessel-Legendre不等式技术,给出保证估计误差系统渐近稳定与状态估计器设计的充分条件.最后,通过仿真算例验证所提方法的有效性.
关键词 记忆型事件触发; 信息物理系统; 状态估计; 虚假数据注入攻击; memory-based event-triggering; cyber-physical systems; state estimation; false data injection attacks;

控制 非线性系统与控制 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 0

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

ADRC-based control allocation method and theory for 3-DOF thrust-vectored aircraft

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;

控制 非线性系统与控制 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 0

基于未知状态估计与神经网络补偿的增强PID控制方法

Enhanced PID control method based on unknown state estimation and neural network-based compensation

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;

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

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

Robust adaptive sliding mode attitude control of MQUAVs based on event-triggered mechanism

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;

控制 非线性系统与控制 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 0

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

Adaptive event-triggered control for time-delay multi-agent systems with actuator faults and asymmetric error constraints

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;

控制 非线性系统与控制 论文 Website Google Scholar 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

Sampled-data-based uncertainty compensation control for a class of continuous-time nonlinear MIMO systems

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;

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

多约束纯反馈非线性系统鲁棒自适应抗干扰控制

Adaptive robust anti-disturbance control for pure feedback nonlinear systems with multiple constraints

陈龙胜, 杨辉
中国科学: 信息科学, 2021, 51(4): 633-647
摘要 针对一类具有未知干扰和多约束的不确定纯反馈非线性系统,提出一种基于干扰观测器的鲁棒自适应抗干扰控制方案.该方法首先基于Butterworth低通滤波器和径向基神经网络设计非线性干扰观测器以实现对系统未知非线性函数和复合扰动的在线精确逼近,并消除"代数环"问题.其次,为确保系统在状态受限、预设性能和输入饱和等多重约束的综合影响下能够对期望轨迹进行稳定跟踪,构造了一种新型的障碍Lyapunov函数,结合辅助有界函数、Nussbaum函数和一阶滑模微分器设计Backstepping控制器,并通过Lyapunov稳定理论分析闭环系统稳定性.最后,仿真结果验证了所提控制方法的有效性.
关键词 径向基神经网络; 非线性干扰观测器; 障碍Lyapunov函数; 多约束; 纯反馈非线性系统; radial basis function neural network; nonlinear disturbance observers; barrier Lyapunov function; multiple constraints; pure feedback nonlinear systems;

控制 非线性系统与控制 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 5

输入死区下的多输入多输出系统自适应神经网络容错控制

Adaptive neural network fault-tolerant control for MIMO systems with dead zone inputs

周琪, 林国怀, 马慧, 鲁仁全
中国科学: 信息科学, 2021, 51(4): 618-632
摘要 针对一类具有传感器故障和不对称输入死区的非线性多输入多输出非严格反馈系统,本文提出一种自适应神经网络容错控制方案.控制器的设计以反步法为框架,采用自适应神经网络控制方法处理传感器故障,利用死区斜率的有界性补偿输入死区对系统性能造成的影响,同时引入动态面控制技术克服"计算爆炸"的问题.该控制方法不仅能够保证闭环系统中所有信号半全局一致最终有界,而且能使跟踪误差收敛至原点附近的紧集内.最后通过两个仿真实验验证该控制方法的有效性.
关键词 非线性系统; 传感器故障; 容错控制; 动态面控制; 输入死区; nonlinear systems; sensor faults; fault-tolerant control; dynamic surface control; dead zone inputs;

控制 其他 刊讯 Website Google Scholar

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;

控制 其他 刊讯 Website Google Scholar

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;

控制 其他 编者按 Website Google Scholar

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

控制 其他 编者按 Website Google Scholar

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

控制 其他 刊讯 Website Google Scholar

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

控制 机器人与无人系统 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 0

无人机系统自主安全: 定义、建模与分级

Autonomous safety and security of UAV systems: definition, modeling, and gradation

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;

控制 机器人与无人系统 评述 Website Google Scholar SCOPUS引次: 0

无人机续航能力

Endurance of unmanned aerial vehicles

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;

控制 机器人与无人系统 论文 Website Google Scholar 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

Learning and generalizing demonstration trajectories based on elastic analysis and the functional regression model

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;

控制 机器人与无人系统 论文 Website Google Scholar 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

仿猎鹰扑翼飞行器自主飞行控制系统设计

Design of an autonomous flight control system for imitation falcon flapping-wing aircraft

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;

控制 机器人与无人系统 论文 Website Google Scholar 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

基于随机采样的高层消防无人机协同搜索规划

Random-sampling-based multi-UAV cooperative search planning for high-rise firefighting

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;

控制 机器人与无人系统 评述 Website Google Scholar 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

Review of UAV-based autonomous search algorithms for hazardous sources

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;

控制 机器人与无人系统 论文 Website Google Scholar 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

Multi-objective trajectory planning for 5-DOF underactuated tower cranes with state constraints

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;

控制 机器人与无人系统 评述 Website Google Scholar SCOPUS引次: 0

面向高危行业的无人平台智能化发展

On the intelligent development of unmanned platforms in high-risk industries

陈杰, 方浩, 曾宪琳
中国科学: 信息科学, 2021, 51(9): 1397-1410
摘要 在人工智能与"新基建"推动的技术变革背景下,面向灾害救援、突发公共事件、应急处理等高危行业,推进无人平台的智能化升级,对保障人民的健康安全,提升国家应急和治理能力具有重要的意义.本文对面向反恐、救灾、应急等高危行业的无人平台智能化发展的特点和现状进行分析,对基础理论、关键技术、重大装备和人才培养等4个方面的国内外现状和发展趋势进行总结,结合我国面向高危行业的无人平台智能化发展的现状、需求和不足,提出未来基础理论、关键技术、重大装备、人才培养等方面需要攻克和解决的挑战和问题,提出面向高危行业的无人平台智能化发展的战略规划与顶层设计的建议.
关键词 高危行业; 无人平台; 智能化发展; 人工智能; 对策建议; high-risk industry; unmanned platform; intelligent development; artificial intelligence; strategy and suggestion;

控制 机器人与无人系统 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 4

基于变分贝叶斯高斯混合噪声模型的机器人跨模态生成对抗网络

Robotic cross-modal generative adversarial network based on variational Bayesian Gaussian mixture noise model

熊鹏文, 童小宝, 宋爱国, 刘小平
中国科学: 信息科学, 2021, 51(1): 104-121
摘要 多模态融合对于机械手充分感知外界环境至关重要,单一模态信息会限制机械手对物体的识别、抓取能力,而传统的跨模态数据生成方法生成的图像效果较差,导致多模态融合效果并不理想.为了解决跨模态生成的图像效果差和多模态融合的数据缺乏等问题,本文提出变分贝叶斯高斯混合条件生成对抗网络(BGM-CGAN)的跨模态多样性噪声数据生成式方法.首先利用变分贝叶斯高斯混合算法将均匀分布的随机噪声组生成单一的混合变量;然后将生成的混合变量通过高斯混合模型生成一系列高斯混合噪声组;最后从生成的高斯混合噪声组中随机选取单一高斯噪声导入辅助模态图像中,并与辅助模态图像进行融合,成功生成了高清晰度的异域模态图像,真实还原了异构模态信息,解决了单一模态信息不足和生成图像质量差等问题.最后利用Inception Score (IS)、Frechet Inception Distance(FID)、结构相似性(SSIM)、峰值信噪比(PSNR)等评价体系,将BGM-CGAN算法与其他算法的跨模态生成图像能力进行对比,验证了所提出算法的有效性和可行性.此外, BGM-CGAN算法还可延伸应用于跨模态材料检索、跨模态纹理识别等领域,具有广泛应用前景.
关键词 跨模态; 变分贝叶斯高斯混合; 条件生成对抗网络; cross-modal; variational Bayesian Gaussian mixture; conditional generative adversarial networks;

控制 鲁棒控制与自适应控制 论文 Website Google Scholar 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

An evolutionary algorithm for the multi-objective flexible job shop scheduling problem with uncertain processing time

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; NSGA-Ⅱ; variable neighborhood search; uncertain processing time; chance-constrained programming;

控制 鲁棒控制与自适应控制 论文 Website Google Scholar 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

Adaptive tracking control of discrete-time non-affine nonlinear systems with high-order time delays

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;

控制 鲁棒控制与自适应控制 论文 Website Google Scholar 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

基于安全自适应强化学习的自主避障控制方法

Autonomous obstacle avoidance control method based on safe adaptive reinforcement learning

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;

控制 鲁棒控制与自适应控制 论文 Website Google Scholar 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

Seeking equilibrium for linear-quadratic two-player Stackelberg game: a Q-learning approach

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;

控制 鲁棒控制与自适应控制 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 1

多输入多输出非线性系统的受限滑模控制

Constrained sliding mode control of MIMO nonlinear systems

吴立刚, 王思怡, 高亚斌, 刘健行, 孙光辉
中国科学: 信息科学, 2021, 51(3): 430-448
摘要 本文针对一类具有执行器和状态约束的多输入多输出非线性系统,研究了基于高阶滑模观测器的滑模控制和稳定性分析问题.通过对该系统进行逆变换并考虑其控制输入系数矩阵的对合跨度分布,我们设计了一类高阶滑模观测器用于实现系统的状态估计,其中,采用鲁棒精确微分器分析了所得误差估计系统的收敛性.然后,利用原系统的部分状态变量设计了二阶滑模控制律,进而分别分析了在执行器/状态无约束和硬约束情形下的系统有限时间稳定性,同时,依据最大吸引域和几何分析法分析了系统状态在滑模阶段的运动轨迹.最后,通过两个仿真算例验证了本文所提出的控制方法的有效性.
关键词 滑模控制; 约束系统; 多输入多输出系统; 吸引域; 几何分析; sliding mode control; constrained system; MIMO system; attraction domain; geometric analysis;

控制 随机系统与控制 论文 Website Google Scholar 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

Optimal simulation budget allocation for subset ranking from a large deviation perspective

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;

控制 随机系统与控制 刊讯 Website Google Scholar

随机系统控制与分析专题简介

解学军, Hiroaki MUKAIDANI, 张维海
中国科学: 信息科学, 2021, 51(10): 1775-1776
关键词 随机系统; 线性参数变化系统; 控制与分析;

通信 网络安全 评述 Website Google Scholar SCOPUS引次: 0

基于区块链的车联网安全综述

A survey of Internet of vehicles/vehicle to everything security based on Blockchain

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;

通信 网络安全 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 0

人工噪声掩护下跳频安全通信

Artificial noise shielded frequency hopping secure communication

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;

通信 网络安全 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 4

6G无线内生安全理念与构想

Concept and vision of 6G wireless endogenous safety and security

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;

通信 网络安全 观点与争鸣 Website Google Scholar SCOPUS引次: 1

论网络空间内生安全问题及对策

Cyberspace's endogenous safety and security problem and the countermeasures

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;

通信 网络安全 刊讯 Website Google Scholar

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;

通信 网络安全 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 0

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

Towards traffic supervision in 6G: a graph neural network-based encrypted malicious traffic detection method

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;

通信 网络安全 论文 Website Google Scholar 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

Secret key generation scheme based on RIS antenna for static environments

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;

通信 网络安全 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 0

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

On the optimization problem in fading Gaussian MIMO wiretap channels

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;

通信 网络安全 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 0

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

Multi-beam symbol-level secure transmission against hybrid eavesdropping

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;

通信 网络安全 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 1

6G网络安全专题

6G网络内生安全架构研究

Built-in security framework research for 6G network

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;

通信 网络安全 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 9

6G网络安全专题

网络空间内生安全发展范式

Development paradigms of cyberspace endogenous safety and security

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;

通信 网络安全 编者按 Website Google Scholar

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

通信 网络安全 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 5

基于3D波束成形的隐蔽无线通信威胁区域构建

Threat region development of covert wireless communication based on 3D beamforming

林钰达, 金梁, 黄开枝, 韩乾
中国科学: 信息科学, 2021, 51(8): 1360-1374
摘要 为了实时且直观地评估当前隐蔽无线通信系统所面临的未知非法检测威胁,本文首次定义了隐蔽威胁区域并设计了相应轻量级算法.首先,在莱斯衰落信道和噪声不确定条件下构建了基于3D波束成形的下行隐蔽无线通信系统模型,分析了敌方最优检测性能,推导了系统最小平均隐蔽概率;然后,给出了通信速率及连接中断概率闭式表达式,求解了给定敌方位置时的系统最大化隐蔽吞吐量优化问题;最后,针对实际通信场景中无法获知敌方位置或分布规律的情形,定义了系统隐蔽威胁区域这一新的性能指标,并设计了相应轻量级算法.仿真结果验证了系统的隐蔽性能、总体性能,以及所提算法性能,揭示了背景噪声、信道环境、天线构造和系统要求等主要参数对隐蔽威胁区域的影响.
关键词 隐蔽无线通信; 隐蔽威胁区域; 3D波束成形; 莱斯衰落; 噪声不确定; covert wireless communication; covert threat region; 3D beamforming; Rician fading; noise uncertainty;

通信 网络安全 评述 Website Google Scholar SCOPUS引次: 4

5G安全技术研究与标准进展

Survey on research and standardization of 5G security technology

强奇, 武刚, 黄开枝, 胡苏, 李少谦
中国科学: 信息科学, 2021, 51(3): 347-366
摘要 随着第五代移动通信系统(5th generation wireless systems, 5G)及其演进系统的商用和其在物联网、车联网等垂直领域的融合发展,其安全问题越来越受到关注.本文从潜在威胁、安全架构和安全技术3个方面阐述了相关研究进展.首先,根据攻击者对系统有效性、信息完整性、身份认证、隐私和机密性保护的不同安全目标,将5G潜在的安全威胁进行了分类,分析了各个层次可能面临的威胁与攻击手段.其次,简述了相关标准中的5G安全架构,讨论了5G及其演进系统潜在的物理层、网络层和应用层安全技术.最后,本文指出了未来继续提升5G及B5G安全的潜在研究方向.
关键词 5G安全; 5G演进; 系统架构; 安全威胁; 物理层安全; 5G security; beyond 5G; system architecture; security threats; physical layer security;

通信 网络安全 刊讯 Website Google Scholar

B5G网络安全专题简介

季新生, 陶小峰, 黄开枝, 吴慧慈
中国科学: 信息科学, 2021, 51(1): 171-172
关键词 网络安全; B5G; 物理层安全;

通信 电磁场与微波技术 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 0

超宽角域广义布儒斯特超表面

Ultrawide-angle generalized Brewster metasurface

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;

通信 电磁场与微波技术 评述 Website Google Scholar 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

Digital predistortion: development trends and key techniques

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;

通信 电磁场与微波技术 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 0

松散电接触对无源互调干扰的影响机理分析

Analysis of passive intermodulation distortion caused by loose electrical contact

杨会平, 黄为, 曾碧卿, 温和
中国科学: 信息科学, 2021, 51(8): 1316-1330
摘要 抑制无源互调干扰是确保新一代移动通信系统安全、稳定和经济运行的重要前提,也是推进我国电信基础设施共建共享的重要保证,对无源互调干扰的产生机理进行分析是抑制其干扰产生的最根本性手段.本文综合性地阐述了金属松散电接触对无源互调干扰的影响机理,包括金属电接触表面的微观特征分析、松散电接触等效电路模型建立、松散电接触面电流密度和阻抗等电特征量对互调干扰作用机制等内容.理论建模、软件仿真以及实验测试表明:松散电接触导致增大的面电流密度与接触阻抗是产生无源互调干扰的直接原因.
关键词 无源互调干扰; 松散电接触; 同轴连接器; 接触阻抗; 新一代移动通信系统; passive intermodulation; loose contact; coaxial connectors; contact impedance; next-generation communication system;

通信 电磁场与微波技术 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 0

5G毫米波大规模MIMO阵列失效特性分析

Analysis on the characteristic of millimeter-wave 5G massive MIMO array with failed elements

蒯乐, 周后型, 陈继新, 洪伟
中国科学: 信息科学, 2021, 51(7): 1156-1167
摘要 大规模MIMO阵列是第五代移动通信(5G)的关键技术之一.然而,阵列在经历了长时间工作之后,会出现部分通道失效的情况,从而对大规模MIMO阵列的辐射性能造成不同程度的影响.本文针对5G毫米波大规模MIMO阵列中不同数量通道失效以及失效通道处于不同失效状态时的辐射特性进行了系统的仿真与实验研究,并在此基础上对MIMO阵列的辐射性能进行了统计分析.提出并建立了大规模MIMO阵列部分通道失效状态下的方向图参数概率模型,对概率模型的结果和统计分析的结果进行了对比,验证了概率模型的正确性和有效性,所给出的概率模型可以代替基于大量样本的仿真或实验结果进行统计分析的方法,对有不同比例的通道失效及不同失效状态时阵列的辐射特性进行快速评估,直接得出阵列主要辐射参数的期望值和方差.此外,本文还分析了不同失效比例和状态下主要辐射特性的概率分布.
关键词 5G, 大规模 MIMO, 毫米波, 有源天线阵列, 失效

通信 信息论与编码 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 0

考虑LDPC码字的NAND闪存信道量化

LDPC code-dependent quantization for the NAND flash channel

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;

通信 光通信 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 1

130∼170 GHz平坦毫米波噪声信号产生技术

Generation of 130{170 GHz flat millimeter-wave noise signal

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;

通信 其他 编者按 Website Google Scholar

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

通信 其他 编者按 Website Google Scholar

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

通信 其他 编者按 Website Google Scholar

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

通信 雷达技术与遥感图像处理 论文 Website Google Scholar

基于结构一致性能量模型的异源光学和SAR图像变化检测

A structure consistency-based energy model for heterogeneous optical and SAR images change detection

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;

通信 雷达技术与遥感图像处理 论文 Website Google Scholar

基于线性正则变换的复杂运动目标的3-D InISAR成像

3-D InISAR imaging for targets with complex motion based on linear canonical transform

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;

通信 雷达技术与遥感图像处理 论文 Website Google Scholar

基于FMCW的新型多域联合调制双功能雷达通信技术

A new FMCW-based multi-domain joint modulation dual-function radar communication technology

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;

通信 雷达技术与遥感图像处理 评述 Website Google Scholar 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

Cross-modal remote sensing intelligent interpretation: method, data, and application

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;

通信 雷达技术与遥感图像处理 评述 Website Google Scholar 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

Research on representation, estimation and recognition for radar targets with micro-motion

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;

通信 雷达技术与遥感图像处理 刊讯 Website Google Scholar

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;

通信 雷达技术与遥感图像处理 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 0

雷达极化域调控超分辨的原理与方法

Principle and approach to polarization modulation for radar super-resolution

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;

通信 雷达技术与遥感图像处理 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 1

多极化层析SAR植被高度反演基线融合方法

Fusion method for vegetation height inversion with multibaseline PolInSAR data

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;

通信 雷达技术与遥感图像处理 论文 Website Google Scholar 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

Integrating a mathematical programming strategy and fine polarimetric decomposition into PolSAR ship detection

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;

通信 雷达技术与遥感图像处理 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 0

基于低管秩张量分解的互质阵列自适应波束成形算法

Coprime array-adaptive beamforming based on low-tubal-rank tensor decomposition

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;

通信 雷达技术与遥感图像处理 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 0

计算阵列——计算赋能的数字阵列技术

Computational array — digital array with computational empowerment

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;

通信 雷达技术与遥感图像处理 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 0

基于散射图卷积网络的PolSAR影像地物分类

Scattering graph convolutional network-based PolSAR image classification

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;

通信 雷达技术与遥感图像处理 进展 Website Google Scholar SCOPUS引次: 2

稀疏阵列MIMO雷达参数估计研究进展

Research progress on sparse array MIMO radar parameter estimation

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;

通信 雷达技术与遥感图像处理 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 4

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

An anti-jamming method against interrupted sampling repeater jamming based on designing transmitted waveforms and receiving filters for simultaneous polarimetric radar

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;

通信 雷达技术与遥感图像处理 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 3

雷达图像深度学习模型的可解释性研究与探索

Research and exploration on the interpretability of deep learning model in radar image

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;

通信 雷达技术与遥感图像处理 论文 Website Google Scholar 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

A PolSAR image registration method based on the Wishart gradient and SIFT method

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;

通信 雷达技术与遥感图像处理 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 0

频谱拥挤环境下雷达扩展目标探测极小极大波形设计

Radar minimax waveform design for extended target detection in the presence of spectrally crowded environment

徐舟, 朱家华, 范崇祎, 黄晓涛
中国科学: 信息科学, 2021, 51(12): 2134-2148
摘要 雷达频段的逐渐拓宽以及5G通信的广泛应用使得频谱资源越发拥挤,宽带雷达在提高距离分辨率的同时,使得目标散射特征由原来的点特征向距离扩展特征转变.本文立足于频谱拥挤环境下的扩展目标探测波形设计问题,以输出信干噪比(signal to interference pulse noise ratio, SINR)为准则,通过建立极小极大(minimax)优化模型,研究在距离扩展目标冲击响应(target impulse response,TIR)非准确已知情况下,具有良好的频谱兼容与脉冲压缩性能的雷达波形设计问题,确保检测性能对TIR的偏差具有稳健性.在波形优化过程中,借鉴Minorization Maximization (MM)算法的思想,构造序列的子minimax问题对原波形设计问题进行逼近.针对子minimax问题,给出了基于拉格朗日(Lagrange)对偶的求解算法,并对算法复杂度和收敛性进行了分析.仿真结果表明,依照所提算法设计的波形能够满足频谱兼容性且具有较好的脉冲压缩性能,是一种稳健的检测波形,相比当前其他算法,所提算法能够确保迭代的收敛性,而且在TIR先验偏差较大时获得更高的SINR.
关键词 扩展目标探测; 频谱兼容; 极小极大优化; Minorization Maximization算法; 拉格朗日对偶; extended target detection; spectral compatibility; minimax optimization; Minorization Maximization algorithm; Lagrange duality;

通信 雷达技术与遥感图像处理 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 1

一种提高全极化相控阵雷达极化测量精度的方法

An approach to improve the polarization measurement accuracy of fully polarimetric phased array radar

王占领, 殷加鹏, 庞晨, 李永祯, 王雪松
中国科学: 信息科学, 2021, 51(7): 1183-1198
摘要 天线交叉极化隔离度与全极化相控阵雷达极化信息精确获取密切相关.为提高交叉极化隔离度,基于三馈点微带贴片天线阵元提出了一种全极化相控阵极化状态配置方法.不同于传统的固定极化状态,如线极化和圆极化,该方法可根据波束指向动态调整辐射信号的极化状态.将交叉极化隔离度提高问题建模成一个多变量带约束非线性最优化问题,从而实现全极化阵元激励幅度和相位的最佳配置.同时,为实现全极化相控阵在极化散射特性测量中的统一化表示,推导了任意极化状态下标准散射体的固有和后向散射矩阵的通用表达式.利用全极化相控阵天线验证了所提极化状态配置方法的有效性和可行性.通过仿真分析,结果表明该方法能够获得更高的交叉极化隔离度,并且能够适应相控阵天线波束宽角扫描特性.经过极化状态配置后的隔离度参数可以显著提高全极化相控阵雷达极化测量精度.
关键词 交叉极化隔离度, 全极化相控阵雷达, 极化测量, 极化状态配置, 三馈点微带贴片天线

通信 雷达技术与遥感图像处理 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 2

高光谱图像光谱维结构相关性及稀疏重建模型

Spectral dimensional correlation and sparse reconstruction model of hyperspectral images

王相海, 王顺, 谢释铖, 李业涛, 陶兢喆, 宋传鸣
中国科学: 信息科学, 2021, 51(3): 449-467
摘要 高光谱图像(HSI)的高维度、高冗余等特性给其传输和处理带来了极大的挑战.近年来基于压缩感知的HSI重建受到重视并成为一前沿问题,在这一领域中有效挖掘HSI的稀疏先验成为提高其重建质量的一个关键.本文首先定义了HSI波段组的"光谱维面",并以此为切入点对HSI光谱维的结构相关性进行研究,获得了如下结论:一是HSI光谱维面的纹理分布较空间域更为简单和均匀,且其纹理的对比度低、平稳度高,更容易被稀疏表达,二是在HSI光谱维面,与参考块相邻的搜索区域内存在着一定数量的与参考块具有较高相似度的光谱曲线块;进一步确定了基于光谱维面的HSI光谱维结构相关性的涵义,并提出了相应的稀疏测量模型;在此基础上,通过整合空间维非局部相关性与光谱维结构相关性的稀疏表示,提出了稀疏模型S-SCo SM,并以其为稀疏约束先验构建了HSI的稀疏重构模型.大量实验表明,所提出的稀疏模型S-SCo SM从空间维和光谱维两个角度更深层次地挖掘了HSI的相关性,获得了更为充分和有效的HSI稀疏约束先验,使HSI的重构质量得到进一步提升,在有效提高重构波段图像空间信息质量的同时,很好地保持了波段组的光谱属性.
关键词 高光谱图像; 光谱维面; 光谱维结构相关性; 联合稀疏; 稀疏重建; 波段组; hyperspectral image; spectral dimension; spectral dimensional correlation; joint sparse; sparse reconstruction; band group;

通信 雷达技术与遥感图像处理 进展 Website Google Scholar SCOPUS引次: 1

构建我国近地小行星探测雷达系统的需求与技术途径探讨

Discussion on the requirements and feasibility of constructing China’s near-Earth asteroids radar system

李海涛, 刘建军, 陈少伍, 樊敏, 严韦
中国科学: 信息科学, 2021, 51(2): 325-346
摘要 近地小行星既是人类科学探测的重要目标,也是对人类地球家园构成重要威胁的灾害之源.利用地基雷达系统进行近地小行星探测具有独特的技术优势.随着我国科技实力的不断增强,开展近地小行星雷达探测已经成为科学探测、国家安全和国际义务等领域的关注重点.本文以此为背景,探讨了我国在科学探测、国家安全和国际义务3个领域的近地小行星雷达探测需求,分析了国际上主要的行星雷达系统技术现状和后续重点技术发展方向.结合我国深空测控网和射电天文网的技术现状及未来的发展规划,对后续我国建设地基小行星探测雷达系统的主要技术途径进行探讨,并对不同技术途径的特点进行了初步分析.
关键词 近地小行星; 雷达探测需求; 行星雷达; 技术途径; near-Earth asteroids; radar detection requirements; planetary radar systems; technical approaches;

通信 雷达技术与遥感图像处理 进展 Website Google Scholar SCOPUS引次: 2

复杂运动目标雷达成像研究进展

Progress in radar imaging for maneuvering targets

黎湘
中国科学: 信息科学, 2021, 51(2): 305-324
摘要 雷达成像是获取目标精细结构特征的重要技术途径.对于复杂运动目标,传统基于距离–多普勒(range-Doppler, RD)原理的逆合成孔径雷达(inverse synthetic aperture radar, ISAR)成像性能下降:在距离维上,高速运动导致一维距离像展宽,且雷达系统硬件能力制约了大带宽实现,约束成像纵向分辨率;在多普勒维上,非合作复杂运动呈现的时变和非线性破坏成像条件,约束成像横向分辨率.本文首先分析了复杂运动对ISAR成像的影响机理,接着从距离和多普勒两个维度,对复杂运动目标ISAR成像技术进行了综述,阐述了高速运动补偿、多频段融合成像、高次相位补偿与稀疏ISAR成像等技术途径.进一步针对ISAR成像体制的局限,阐述了复杂运动目标波前调制超分辨雷达成像新途径,其中包括波前随机调制和电磁涡旋两种技术途径.最后对复杂运动目标雷达成像进行了总结与展望.
关键词 逆合成孔径雷达（ISAR）成像; 复杂运动; 高速运动补偿; 多频段融合成像; 稀疏ISAR成像; 波前随机调制; 电磁涡旋; inverse synthetic-aperture radar(ISAR) imaging; complex motion; high-velocity compensation; multiband fusion; sparse ISAR imaging; wave front random modulation; electromagnetic vortex;

通信 卫星通信 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 1

地月空间近地小行星观测系统研究

Near-Earth asteroids observation system in cislunar space

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;

通信 信号处理 论文 Website Google Scholar

一种全新的积分变换——双正交梅林变换

A new integral transform: biorthogonal Mellin transform

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;

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考虑硬件损耗的可重构智能表面辅助的MIMO通信系统

Reconfigurable intelligent surface assisted MIMO communication system considering hardware impairments

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;

通信 信号处理 论文 Website Google Scholar 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

Bidirectional recurrent convolutional learning-based visible light position and pose tracking against environment variation

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;

通信 信号处理 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 0

面向信道簇模型的太赫兹宽带混合预编码

Wideband hybrid precoding for THz massive MIMO with angular spread

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;

通信 信号处理 论文 Website Google Scholar 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

Robust precoding design for inter-satellite cooperation-based low-earth orbit satellite Internet of Things

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;

通信 信号处理 论文 Website Google Scholar 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

Radio frequency fingerprinting feature fusion based on multi-domain discriminant kernel canonical correlation analysis

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;

通信 信号处理 论文 Website Google Scholar 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

Moving source localization using TDOA and FDOA measurements in the presence of altitude knowledge

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;

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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

Novel cooperative localization method of over-the-horizon shortwave emitters based on direction-of-arrival and time-difference-of-arrival measurements

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;

通信 信号处理 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 0

频谱共生干扰主动抑制技术研究

Research on the active cancellation technology of spectrum symbiotic interference

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;

通信 信号处理 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 0

RS-LDPC概率联合译码算法

RS-LDPC stochastic joint decoding algorithm

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;

通信 信号处理 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 7

面向智能体的语义通信: 架构与范例

Semantic communication for intelligent devices: architectures and a paradigm

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;

通信 信号处理 论文 Website Google Scholar 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

A direction finding method of the GNSS spoofer for commercial receivers

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;

通信 信号处理 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 0

室内空气质量物联网部署、优化和数据预测

Deployment, optimization and data prediction of Internet of Things for indoor air quality

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;

通信 信号处理 评述 Website Google Scholar SCOPUS引次: 5

宏观尺度下的分子通信原型机综述

Survey on macro-scale molecular communication prototypes

黄煜, 季飞, 温淼文, 陈绚, 唐元锟, 郑倍雄
中国科学: 信息科学, 2021, 51(12): 2016-2036
摘要 分子通信是一种利用信息粒子的特性来传递信息的通信方式,可用于常规信号载体(如电磁波)受限的场景.目前的研究以理论分析为主,而用于验证理论成果并推进实际应用的原型机实验仍然较少.本文首先介绍了分子通信系统的定义,描述了发射机、信道和接收机模型;着重按信道类型回顾了现有的宏观尺度原型机研究及其对应理论成果;最后,根据理论模型与原型机实验结果的区别,指出理论研究的局限、原型机实验的必要性,以及未来研究方向.
关键词 扩散; 流体力学; 宏观尺度; 分子通信; 原型机; diffusion; fluid dynamics; macro-scale; molecular communication; prototype;

通信 信号处理 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 0

Reed-Solomon码概率软译码算法增强技术

Enhanced stochastic soft decoding algorithm for Reed-Solomon codes

孙怡宁, 黄秋, 胡剑浩
中国科学: 信息科学, 2021, 51(8): 1331-1344
摘要 基于概率计算的Chase算法可以在保证译码性能的情况下,大幅度降低软译码的复杂度,使得RS软译码算法得到实际应用.然而,概率Chase算法的时间复杂度会随着测试码字个数的增加而增长;在高阶调制下, SSCA算法产生测试码字时的搜索范围会随着调制阶数的增加呈指数增长,从而增大了硬件存储开销.为降低时间复杂度,本文提出了提前输出算法,不需要产生所有的测试码字即可实现成功译码.仿真结果表明该算法可以在逼近原算法误帧率性能的同时将时间复杂度最多降低为原来的近1/τ(τ为测试码字个数).针对SSCA算法存储的压力,本文通过确定搜索半径辅助的选择方法来减小搜索范围.仿真结果表明,提出的3σ-SSCA算法仅以少量性能损失为代价可将测试码字单个符号的搜索范围由q (q为调制阶数)个缩小为个位数.
关键词 RS码; Chase算法; 概率计算; 提前输出算法; 搜索半径辅助的选择方法; RS codes; the chase algorithm; stochastic computing; early output algorithm; search-radius-determination assisted selection method;

通信 无线通信 论文 Website Google Scholar

基于Bi-LSTM的同时同频全双工数字域自干扰抑制方法

A CCFD digital domain self-interference suppression approach based on Bi-LSTM

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(WHO); OFDM;

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6G通信-感知-计算融合网络的思考

Thoughts on 6G integrated communication, sensing and computing networks

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;

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通用分组网络寻址路由与标识演进方法及系统

Method and system for general packet network addressing routing and identifier evolution

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;

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IQ不平衡下全双工非线性自干扰频域对消

Frequency-domain nonlinear interference cancellation scheme with IQ imbalance in full-duplex systems

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;

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面向大规模接入的通信感知一体化

Integrated sensing and communication for massive access

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;

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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

Age-of-information dependent adaptive access for large-scale energy harvesting Internet of Things

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;

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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

Autonomous driving with virtual rail—a wireless tracked and controlled selfdriving vehicle system based on the integration of communication, sensing, and computing

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;

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非对称信道下离散密度进化及LDPC码设计

Discrete density evolution and LDPC codes design with asymmetric channels

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;

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无线知识驱动的大规模MIMO信道估计

Wireless knowledge driven channel estimation in massive MIMO

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;

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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

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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

Quantum electro-dynamics analysis of vortex electro-magnetic wave transmission with orbital angular momentum

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;

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下行NOMA-HetNet中联合干扰对齐与功率分配的干扰管理方案

Joint interference alignment and power allocation interference management scheme for downlink NOMA-HetNet

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;

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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

6G-oriented ultra-wideband fiber-THz-fiber seamless converged communication system: architecture, key techniques and verification

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;

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基于多流接收空间调制的去蜂窝MIMO下行传输方法

Multi-stream receive-spatial modulation based cell-free MIMO downlink transmission method

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;

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一种面向无人机智能通信的信息物理融合框架

Cyber-physical framework for UAV intelligent communications

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;

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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

Spectrum situation generation from sparse spatial sampling: model and algorithm

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;

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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

Representation and solution of singular positioning issues from wireless signal intersection location technology

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;

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基于数能同传的D2D网络鲁棒资源分配算法

Robust resource allocation algorithm in SWIPT-based D2D networks

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;

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面向6G的共生散射通信技术: 原理、方法与应用

Symbiotic backscatter communications for 6G: principles, approaches, and applications

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;

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不确定网络环境下的任务卸载和资源分配算法

Task offloading and resource allocation in an uncertain network

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;

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一种基于中继的车辆编队功率优化算法

A relay-based power optimization algorithm for platooning

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;

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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

Research progress of new multiple access technique for B5G/6G massive machine-type communication systems

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;

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基于大数据的无线通信技术

Big data-based wireless communication technologies

梁应敞, 谭俊杰, 龚晨, 张四海, 朱近康, 徐正元, 李云洲, 钟晓峰, 周世东, 张倩倩, 曹阳, 葛君刚, 杨刚
中国科学: 信息科学, 2021, 51(11): 1946-1964
摘要 随着各类丰富的移动应用普及,可以预见,未来的无线通信系统将需要满足更为苛刻的服务要求,为无线通信技术的发展带来挑战.另一方面,大数据在众多领域的应用取得了令人瞩目的成功.大数据如何赋能无线通信成为学术界和工业界关注的焦点.过去5年,我们承担了国家自然科学基金"无线通信大数据基础理论与技术研究"重点项目群,致力于研究基于大数据的无线通信技术,探索使用大数据突破无线通信发展瓶颈的新理论和新方法.我们将这类在无线通信中产生、能够服务于无线通信的大数据定义为无线大数据.本文是对项目群的研究和实践结果的总结.具体地,我们首先分析了无线大数据的来源和特征,然后构建了与之匹配的无线知识学习范式、智能无线网络框架以及跨地域、跨机构、多用途、一体化的无线大数据平台,最后提出并验证了基于大数据的无线传播环境分析、无线传输以及无线接入技术,从而为基于大数据的无线通信技术的进一步发展提供基础理论支撑和应用范式.
关键词 无线大数据; 无线通信系统; 智能网络; 资源优化; 接入控制; wireless big data; wireless communication systems; intelligent networks; resource optimization; access control;

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异构物联网直联通信关键技术

The key technologies of cross-technology communication

曹东江, 王帅, 熊润群, 刘云淮, 罗军舟, 何田
中国科学: 信息科学, 2021, 51(10): 1738-1754
摘要 随着物联网技术的快速发展,不同应用在通信范围、能耗、时延等方面的需求推动各种无线通信技术的产生.由于无线通信技术的多样性,异构设备间存在通信壁垒不能进行直接通信.由于信息交互能力的缺失,广泛部署的异构物联网设备相互竞争频谱资源并导致通信干扰日益严重.此外,异构设备间的通信障碍限制了信息共享和资源整合.传统的利用网关实现异构设备间的通信需要额外的开销.研究人员提出了不需要网关设备进行协议间转换的异构物联网直联通信技术,使得异构设备能够进行直接通信.本文首先分析和总结异构物联网直联通信技术的研究现状;在此基础上,提出了实现异构物联网直联通信的关键技术:数据包级、信号级和符号级的异构物联网直联通信技术;之后,介绍了所提相关技术在异构物联网设备共存场景下的抗干扰协调应用;最后,总结全文并展望了异构物联网直联通信技术的未来发展方向.
关键词 物联网; 无线网络; 异构物联网直联通信; 无线通信协议; 数字调制; Internet of Things; wireless network; cross-technology communication; wireless communication protocol; digital modulation;

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基于自治域协同的域间路由信誉模型

An inter-domain routing reputation model based on autonomous domain collaboration

陈迪, 邱菡, 祝凯捷, 王清贤, 朱俊虎
中国科学: 信息科学, 2021, 51(9): 1540-1558
摘要 域间路由系统自治域间的交互缺乏可信认证,建立针对自治域行为模式的信誉模型可为域间路由管理提供约束与激励,提高整体安全水平.由于域间路由系统分布自治、局部路由信息不完整,现有信誉评价方法无法从全局视角感知自治域行为,难以准确反映自治域可信程度及其变化.本文提出一种基于自治域协同的域间路由信誉模型.首先通过分析自治域路由行为统计特征,建立基于贝叶斯(Bayes)后验概率分析的自治域信誉量化指标,用于对目标自治域进行本地信誉评价;然后通过研究自治域属性与本地路由信息完整程度的关系,设计信誉加权聚合算法,采用多域协同方式计算目标自治域的全局信誉评价;最后设计信誉动态更新方法,以对连续恶意行为的自治域进行惩罚.基于真实安全事件的实验结果表明,该模型能够有效聚合各自治域本地信誉评价,捕捉自治域行为在不同时间阶段的细微变化,可为域间路由系统中异常路由抑制、安全事件溯源和供应商选取提供参考.
关键词 域间路由安全; 自治域行为; 信誉模型; 贝叶斯估计; inter-domain routing security; autonomous system behaviors; reputation model; Bayesian estimation;

通信 无线通信 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 1

基于广义信号索引的椭圆球面波函数多载波调制解调方法

Multi-carrier modulation scheme based on prolate spheroidal wave functions with generalized index modulation

王红星, 陆发平, 刘传辉, 康家方, 张力凡
中国科学: 信息科学, 2021, 51(9): 1524-1539
摘要 针对基于信号优化分组的椭圆球面波函数(prolate spheroidal wave functions, PSWFs)多载波调制系统频带利用率(spectral efficiency, SE)提升受信号激活路数固定限制的不足,引入广义索引调制(generalized index modulation, GIM),提出了基于GIM的PSWFs多载波调制解调方法,采用放宽对信号激活路数限制、增加调制符号组合数,有效提高系统频带利用率.在发射端,引入固定功率增益,本文提出了基于固定功率增益的调制信号功率控制方法,有效降低了GIM发射端系统复杂度,同时增加了调制符号间最小欧式距离.在接收端,基于不同支路信号激活状态相互独立的特点,引入局部最优,提出了基于局部最优的信号索引检测方法,将信号索引检测转换为相互独立的单支路信号激活状态检测,在相同误比特率(bit error rate, BER)下,能够将检测复杂度由经典GIM信号索引检测方法的O(m Mgn)降低为O(gn).理论与仿真结果表明,所提方法具有更高的系统频带利用率,如当BER为10~(-5)时,相对于基于信号优化分组的PSWFs多载波调制,所提方法 SE提升约14.5%,所需信噪比降低约2.73 d B;相对于经典GIM, SE提升约2.9%,所需信噪比降低约1.92 dB.
关键词 椭圆球面波函数; 频带利用率; 波形设计; 多载波调制; 索引调制; prolate spheroidal wave functions; spectral efficiency; waveform design; multi-carrier modulation; index modulation;

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面向5G的短包物理层安全通信

Secure physical layer short-packet communication for 5G

冯晨, 王慧明
中国科学: 信息科学, 2021, 51(9): 1507-1523
摘要 无线短包通信是实现海量机器类通信(massive machine type communication, m MTC)和超可靠低延迟通信(ultra-reliable low latency communication, uRLLC)等5G物联网(Internet of Things,IoT)应用的关键技术之一.面向工业物联网、车联网等应用,无线通信的安全问题至关重要.本文从物理层安全角度研究了慢衰落信道下短包通信系统的安全传输.基于安全短包通信信息论结论定义了保密中断概率(secrecy outage probability, SOP),并以SOP约束下的可靠吞吐量作为短包通信系统的安全通信性能指标.在此基础上设计了自适应和非自适应编码传输方案,分别利用合法信道的精确/部分瞬时信道状态信息(channel state information, CSI)进行编码速率设计及传输门限优化以最大化吞吐量,并进一步分析了主要系统参数对最优吞吐量的影响.数值结果验证了传输方案的有效性,并验证了SOP约束下主要系统参数对系统安全传输性能的影响.
关键词 短包通信; 物理层安全; 保密中断概率; 传输方案设计; 性能评估; short-packet communications; physical layer security; secrecy outage probability; transmission scheme design; performance evaluation;

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基于信号分组优化的椭圆球面波多载波调制解调方法

Multi-carrier modulation scheme based on prolate spheroidal wave functions with signal grouping optimization

王红星, 陆发平, 刘传辉, 康家方
中国科学: 信息科学, 2021, 51(7): 1168-1182
摘要 围绕如何提高椭圆球面波(prolate spheroidal wave functions, PSWFs)多载波调制系统频带利用率,采用对PSWFs信号分组优化,利用信号索引与脉冲幅度调制进行两个维度的信息加载,在保证信号高能量聚集性的同时提高系统频带利用率的思路,提出了基于信号分组优化的PSWFs多载波调制方法.该方法依据信号路数、分组数,优选高能量聚集性PSWFs信号,保证信号波形具有高能量聚集性;采用I/Q 2个相互独立支路,同时利用信号索引、脉冲幅度调制进行信息加载,增加调制符号组合数,提高系统频带利用率.理论与仿真分析表明,本文所提方法相对于基于PSWFs的正交和非正交调制,在未明显降低信号功率谱、峰均功率比特性的前提下,能够有效提高系统频带利用率.如当误比特率为10~(-5)时,所提方法相对于基于PSWFs的正交调制,以牺牲0.05 dB的系统误码性能为代价,系统频带利用率可提升约18.2%;相对于基于PSWFs的非正交调制,系统频带利用率可提升约17%,同时系统误码性能提升约0.2 d B.此外,相对于经典的结合信号索引的正交频分复用,所提方法具有更高的系统频带利用率和系统误码性能,如当误比特率为10-5时,系统频带利用率可提升约9.1%,同时系统误码性能提升约0.13 dB.
关键词 椭圆球面波函数, 频带利用率, 波形设计, 多载波调制, 分组优化, 信号索引

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室内Wi-Fi异步效应下CSI定位误差界估计方法

CSI localization error bound estimation method under indoor Wi-Fi asynchronous effect

周牧, 张振亚, 王勇, 聂伟, 田增山
中国科学: 信息科学, 2021, 51(5): 851-866
摘要 与传统的基于接收信号强度(received signal strength, RSS)的室内Wi-Fi定位方法相比,信道状态信息(channel state information, CSI)包含了信号传输过程中更细粒度和更多样化的物理层信息(如信道中各个子载波的振幅和相位信息),故基于CSI的室内Wi-Fi定位方法通常具有更高的定位精度.在利用CSI进行定位时,发送端采用正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)技术在多个正交子载波上并行发送数据并在接收端进行解调,但由于异步效应(如载波频率偏差(carrier frequency offset, CFO)、采样时钟频率偏差(sampling frequency offset, SFO)和符号定时偏差(symbol timing offset, STO))的存在,接收端子载波的正交性难以得到保证,于是,基于CSI的室内Wi-Fi定位方法的性能会因为符号间干扰(inter symbol interference, ISI)和载波间干扰(inter carrier interference, ICI)的影响而下降.对此,本文从频域的角度推导了不同异步效应下的CSI定位误差界以评估基于CSI的室内Wi-Fi定位性能.
关键词 室内定位; 异步效应; 定位误差界; 正交频分复用; Wi-Fi; indoor localization; asynchronous effect; localization error bound; orthogonal frequency division multiplexing(OFDM); Wi-Fi;

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无人机通信专题简介

曾勇, 宋令阳, 张朝阳, 盛敏, 许杰, Robert SCHOBER
中国科学: 信息科学, 2021, 51(4): 691-692
关键词 无人机通信; 无人机领域; 移动通信网络;

通信 无线通信 进展 Website Google Scholar SCOPUS引次: 6

CMOS毫米波芯片与4096发射/4096接收超大规模集成相控阵设计实现

Design and implementation of CMOS millimeter-wave ICs and 4096 TX/4096 RX very-large-scale integrated phased-array antenna

赵涤燹, 陈智慧, 尤肖虎
中国科学: 信息科学, 2021, 51(3): 505-519
摘要 大规模相控阵是解决毫米波无线传输距离受限的核心关键技术.传统的毫米波相控阵通常基于化合物半导体芯片加以实现,该类芯片成本高昂且难以实现系统单片集成,极大地限制了传统相控阵的应用范围.本文报道了基于CMOS成熟工艺的毫米波芯片设计及收发通道数为4096 (4096发射/4096接收)的超大规模集成相控阵实现技术. CMOS体硅工艺具有集成度高、成本低廉等优势,但面临有源器件高频性能差、无源器件及互连线高频损耗大、高低温性能差异大等一系列技术瓶颈.通过引入电流复用跨导增强型低噪声放大器、基于新型版图结构的高效率功率放大器、矢量调制型数控无源移相器、基于电容补偿的超宽带衰减器、紧凑型功分器,以及高低温自适应偏置电路等技术,可以较好地解决CMOS体硅工艺所面临的上述瓶颈问题.基于65 nm CMOS体硅工艺,所实现的Ka频段CMOS相控阵芯片噪声系数为3.0 d B,发射通道效率为15%,无需校准即可实现精确幅相控制,相关测试结果表明所研制的低成本相控阵芯片具有集成度高、幅相控制精确等优势,噪声系数等关键技术指标接近砷化镓工艺.以此为基础,本文给出了基于多层混压PCB工艺的1024发射/1024接收超大规模"集成相控阵"设计技术,并将其扩展至4096发射/4096接收相控阵规模,最后给出了低成本、高集成宽带卫星移动通信终端在车载和船载条件下的示范应用结果.
关键词 毫米波; 集成电路; CMOS工艺; 接收机; 发射机; 多层混压PCB工艺; 集成相控阵; 宽带卫星通信; millimeter wave; integrated circuit; CMOS technology; receiver; transmitter; multi-layer hybrid PCB technology; phased-array antenna; broadband satellite communication;

通信 无线通信 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 2

一种面向复杂场景的无线通信节点智能适变架构

An intelligent adaptative architecture for wireless communication in complex scenarios

尹浩, 魏急波, 赵海涛, 熊俊, 梅锴, 张利军, 任保全, 马东堂
中国科学: 信息科学, 2021, 51(2): 294-304
摘要 针对可能存在对抗的未知通信环境,本文探讨了一种能进行智能适变的通信节点体系架构.该架构包括通信环境理解、通信波形适配和智能节点学习进化3个核心功能,以及支持这些功能的通信计算融合硬件平台.所提出的智能适变架构支持通信环境知识库、通信波形库,以及波形与环境适配知识图谱的不断累积和进化,通过波形在线重构,通信节点既能匹配典型通信场景,又能快速适应未知环境,因而支持智能通信节点的可持续发展.进一步本文梳理了强化学习、在线学习和迁移学习等3种机器学习技术在智能适变无线通信节点中的应用,并以最经典的信道估计过程为代表,给出了机器学习应用于通信环境识别的典型范例.
关键词 智能节点; 通信环境理解; 智能适变; 学习生长; 机器学习; 信道估计; intelligent node; communication environment understanding; intelligent adaptation; learning and evolution; machine learning; channel estimation;

通信 无线通信 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 0

基于超图聚簇和干扰限制区域理论的全双工D2D车载通信资源管理方案

Resource management scheme for full-duplex device-to-device vehicular communication using hypergraph clustering and interference limited area theory

肖海林, 吴彬, 张中山, 王承祥, 周迪
中国科学: 信息科学, 2021, 51(1): 139-156
摘要 在蜂窝车用无线通信(cellular vehicular-to-everything, C-V2X)系统中,车辆快速移动导致D2D链路的网络拓扑不稳定,频繁重构的网络拓扑增加了同频干扰问题的复杂度和拓扑管理信令的数量,造成基站的计算能力和带宽资源浪费.本文建立以簇为核心的全双工D2D (full-duplex device-to-device,FD-D2D)车载通信模型,提出基于超图聚簇(hypergraph clustering, HG-C)和干扰限制区域(interference limited area, ILA)理论的FD-D2D车载通信资源管理方案.利用链路依赖度(degree of link dependence, DLD)和车辆用户(Vehicle users, VUE)的计算能力提高簇的生存时间,降低基站的开销.同时,利用动态功率控制和复用区域映射辅助基站分配资源,削弱复用相同蜂窝链路的V-D2D (vehicular device-to-device)链路间和对蜂窝链路的同频干扰,提高频谱效率.最后,基于交通仿真建模软件VISSIM产生实时交通流数据,从而验证本文所提资源管理方案,结果表明:基站承担的网络拓扑管理任务量至少降低50%,与传统蜂窝D2D车载通信相比,频谱平均复用次数增加0.5次以上,频谱效率增加10%.
关键词 C-V2X; 超图聚簇; 干扰限制区域; FD-D2D车载通信; 频谱复用; cellular vehicle-to-everything; hypergraph clustering; interference limited area; full-duplex device-to-device vehicular communication; spectrum sharing;

通信 无线通信 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 2

基于离开角的商用毫米波设备定位方法研究

AoD-based localization with cots millimeter-wave devices

钱堃, 张新宇, 杨铮, 刘云浩
中国科学: 信息科学, 2021, 51(1): 122-138
摘要 近年来,基于无线射频信号的定位技术迅速发展.然而,已有基于商用Wi-Fi设备的定位系统在实用性和准确性上存在明显局限.新兴WiGig设备采用毫米波通信,天线数远多于Wi-Fi设备,具有更高的角度分辨率.然而受限于成本,商用WiGig设备采用模拟波束成型方法,无法获得各天线的信道响应.本文利用新兴毫米波设备,实现高精度定位系统WiGLoc.为此,首先对天线阵列接收信号强度建模(received signal strength, RSS),恢复天线的信道状态信息(channel state information, CSI);然后,对天线阵列进行校准,测量天线阵列参数;最后,利用天线信道状态信息和天线阵列布局信息估计发射端到目标的信号离开角(angle of departure, AoD),对目标定位.实验结果表明, WiGLoc平均三维追踪精度达到了6 cm,平均二维定位精度达到了27 cm.与此相比,已有基于波束成型的方法三维追踪和二维定位的精度分别仅为11 cm和44 cm.
关键词 室内定位; 无线感知; 毫米波; 阵列校准; 信道状态信息; indoor localization; wireless sensing; millimeter wave; array calibration; channel state information;

信息器件 电路和系统 评述 Website Google Scholar

从集成电路到集成系统

From integrated circuits to integrated systems

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;

信息器件 电路和系统 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 0

忆阻器混合逻辑电路设计及其应用

Design and application of memristor hybrid logic circuit

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;

信息器件 电路和系统 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 1

基于忆阻器的RBM及其在车牌图像处理中的应用

A memristor-based RBM circuit implementation and application in license plate image processing

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;

信息器件 电路和系统 论文 Website Google Scholar 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

Methods for reducing the timing mismatch of high-speed current-steering digital-to-analog converters

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);

信息器件 电路和系统 评述 Website Google Scholar SCOPUS引次: 0

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

Computing-in-memory circuits and cross-layer integrated design and optimization: from SRAM to FeFET

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;

信息器件 电路和系统 评述 Website Google Scholar 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

A survey of architectures of neural network accelerators

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;

信息器件 电路和系统 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 1

In-cell触控屏用两级预充电栅极驱动电路

A gate driver circuit with two-stage pre-charge structure for in-cell touch panels

沈帅, 廖聪维, 杨激文, 张盛东
中国科学: 信息科学, 2021, 51(6): 1030-1040
摘要 由于触控侦测阶段的保持电荷损失和驱动晶体管的阈值电压漂移,传统的栅极驱动电路用于高触控侦测率的内嵌式(in-cell)电容触控屏时存在稳定性不佳的问题.本文提出了一种具有两级预充电结构的栅极驱动电路,可有效地减少触控侦测阶段的保持电荷损失量,并抑制驱动晶体管的阈值电压漂移.仿真结果表明,传统栅极驱动电路和新栅极驱动电路的邻近级输出波形延迟时间的差异分别是9.3%和1.6%.在关键晶体管的阈值电压正向漂移10 V后,传统栅极驱动电路和新栅极驱动电路输出波形延迟时间的增加比率分别为120%和2.4%.因此,本文提出的新型栅极驱动电路具有较好的稳定性,适用于高触控侦测率的in-cell电容触控屏.
关键词 内嵌式电容触控屏, 栅极驱动电路, 稳定性, 氢化非晶硅, 薄膜晶体管, 时分驱动

信息器件 电路和系统 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 0

基于非对称耦合阶跃阻抗谐振器的高阶窄带超导平衡式滤波器设计

Design of a high-order narrowband superconducting balanced filter based on asymmetrically coupled stepped-impedance resonators

刘海文, 唐嘉铭
中国科学: 信息科学, 2021, 51(1): 157-170
摘要 本文研究了一款基于非对称耦合阶跃阻抗谐振器SIR (stepped-impedance resonator)设计的6阶窄带超导平衡式带通滤波器,该滤波器具有高的频率选择性以及宽阻带特性.本文首先研究了3种具有不同耦合特性的SIR耦合对,分析了其差模DM (differential mode)相位移、耦合系数,以及共模CM (common mode)抑制水平.通过适当选取SIR的阻抗比以及使用具有分散谐波分量的不同尺寸的SIR,其高次频得以远离基频,从而拓宽阻带.同时,由于其DM和CM等效电路具有不同的谐振频率,其带内的共模噪声可以得到天然的抑制.研究表明,电磁耦合对可在不增加电路面积的情况下获得小的耦合系数以利于窄带设计,电耦合对结构有利于高阶电路的互连,而磁耦合对具有最佳的CM抑制水平.此外, 3类SIR对的弱耦合特性均可用于窄带设计.为了验证,本文采用所述3类SIR对设计了一款6阶平衡式带通滤波器,并在此基础上引入交叉耦合结构产生传输零点以提高通带选择性.其零点的产生机理通过传输路径的幅度及相位移分析进行了说明.最终,本文利用高温超导HTS (high-temperature superconducting)技术实现了所设计的具有交叉耦合结构的滤波器,以降低插入损耗.该电路在77 K温度下进行了测量,测试结果表明:通带的相对带宽FBW (fractional bandwidth)为1.6%,带内插损约为0.37 d B,带内CM抑制度优于40 d B.其-60 dB带宽/-3 dB带宽的矩形系数小于1.45,同时-20 dB DM阻带达到约5倍f0d(f0d代表DM基波频率).
关键词 平衡式滤波器; 阶跃阻抗谐振器; 高阶; 窄带; 高温超导; balanced filter; stepped-impedance resonator(SIR); high order; narrowband; high-temperature superconductor(HTS);

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基于轮辐式多阶微通道结构的超强冷却技术

Super cooling technology based on rotor-wing multi-order microchannel structure

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;

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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;

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海洋温盐深高精度测量集成微纳传感器制备及测试

Fabrication and test of integrated micro-nano sensors for high precision measurement of ocean temperature-salinity-depth

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;

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基于一种多功能系统的二维纳米器件高效制备

Fast prototyping of nanodevices based on two dimensional materials using a multifunctional fabrication system

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;

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基于忆阻器的可编程矩阵行列式求解电路设计及应用

Design and application of a programmable matrix determinant-solving circuit based on memristors

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;

信息器件 新器件 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 0

耐高温微系统气密封装技术及高温可靠性研究

High-temperature microsystem packaging technology and high-temperature reliability

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;

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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

Programmable linear random-access memory and its in-memory computing circuits and systems based on flash memory

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;

信息器件 新器件 评述 Website Google Scholar SCOPUS引次: 7

科学训练辅助: 柔性可穿戴传感器运动监测应用

Scientific athletics training: flexible sensors and wearable devices for kineses monitoring applications

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;

信息器件 新器件 刊讯 Website Google Scholar

近存/存内计算专题简介

黄如, Yiran CHEN, 蔡一茂
中国科学: 信息科学, 2021, 51(6): 1041-1042

信息器件 新材料 刊讯 Website Google Scholar

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;

信息器件 新材料 刊讯 Website Google Scholar

新型二维材料与器件应用专题简介

王欣然, 段镶锋, 黄如
中国科学: 信息科学, 2021, 51(4): 693-694
关键词 二维材料; 二维半导体; 器件应用;

信息器件 光学和光电子 评述 Website Google Scholar SCOPUS引次: 0

电注入下的人工微结构模式调控激光研究进展

Advances in the mode controls of electrically injected lasers based on artificial microstructures

傅廷, 陈静瑄, 王学友, 徐林海, 王宇飞, 王明金, 郑婉华
中国科学: 信息科学, 2022, 52(10): 1727-1747
摘要 电注入半导体激光器相较于其他类型激光器具有电光转换效率高、体积小、寿命长等优势,近年来在显示、材料加工、医疗、通讯等领域的市场占有份额日益增长.激光器的模式特性直接影响激光器的输出性能,如功率、光束质量、光谱线宽等通过引入人工微结构,结合宇称时间对称、连续谱束缚态以及多模腔杂化调控手段,不仅可以拓展半导体激光器的物理研究范畴,同时有效优化激光器的性能,进一步增加了半导体激光器的多元应用场景.本文从模式调控的角度出发,对电注入下的人工微结构半导体激光器展开综述,包括国内外研究发展现状、物理原理以及相应的应用,最后进行了总结与展望.
关键词 宇称时间对称; 非厄米拓扑; 连续谱束缚态; 复合腔; 激光器; parity-time symmetry; non-Hermitian topology; bound states in the continuum; compound cavity; laser;

信息器件 光学和光电子 评述 Website Google Scholar SCOPUS引次: 0

宽调谐窄线宽外腔半导体激光器研究进展

Advances in wide-tuning and narrow-linewidth external-cavity diode lasers

崔强, 雷宇鑫, 陈泳屹, 张德晓, 邱橙, 王野, 樊鲁太, 宋悦, 贾鹏, 梁磊, 王玉冰, 秦莉, 宁永强, 王立军
中国科学: 信息科学, 2022, 52(7): 1149-1168
摘要 外腔型半导体激光器具有低噪声、高边模抑制比、高温度稳定性、结构简单、成本低等优势,已成为实现宽调谐和窄线宽特性的优选方案,被广泛应用于光通信、激光雷达、环境监测、光谱分析、光学相干断层扫描等前沿领域.本文详细介绍了宽调谐窄线宽外腔型半导体激光器的技术方案和发展现状.按照不同的结构分类,深入分析其结构、工作原理及性能特点,讨论近年来国际前沿研究方案的结构特点、关键技术、光学性能和应用领域.最后,对宽调谐窄线宽外腔型半导体激光器面临的挑战和潜在的发展前景作出分析和展望.
关键词 宽调谐; 窄线宽; 外腔半导体激光器; 半导体激光器; Littrow; Littman; wide tuning; narrow linewidth; external-cavity diode laser; semiconductor laser; Littrow; Littman;

信息器件 光学和光电子 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 0

激光驱动的新型光电阴极

A new type of photocathode driven by a laser

刘燕文, 王国建, 田宏, 李芬, 石文奇, 王小霞, 张志强
中国科学: 信息科学, 2021, 51(9): 1575-1586
摘要 本文研究了一种用于微波真空电子器件的锑铯光电阴极的新型制备方法.首先采用钨海绵扩散阻挡层作为发射材料的蒸发源,代替传统的镍管加热提供发射物质的方法,使发射材料蒸发缓慢而均匀,提供受控的光电发射层.然后利用纳米粒子薄膜对阴极基体表面进行改性,提高其吸附性能和光的吸收率.研究了作为发射物质扩散阻挡层的钨海绵基体的新型处理工艺,将钨铜合金基体直接放入真空室内高频加热到1900 K,从而使其中的铜迅速蒸发而沉积到冷凝器上.结果表明去铜后的钨海绵表面非常光洁,避免了传统方法去铜不彻底、时间长、污染环境等缺点.利用直流磁控溅射的方法,在光电阴极基体表面制备出直径为50 nm金属锇纳米粒子薄膜,研制出带有钛泵的光电阴极发射实验二极管,管内真空度可以达到5×10~(-8) Pa.对基体上沉积锇金属膜和锇金属纳米粒子薄膜光电阴极发射性能进行了对比测试.实验中获得稳定发射的最大激光功率分别为0.416和0.193 W,测试的光电发射电流密度分别为40.8和53.9 mA/cm~2,并计算出量子效率分别为1.80×10~(-3)和5.13×10~(-3).由此可以推断覆Os纳米粒子薄膜光电阴极的光吸收率是覆Os金属薄膜的2.16倍,量子效率是2.85倍,由此分析认为覆Os纳米粒子薄膜光电阴极的量子效率提高的主要原因来自于光吸收率的提高.
关键词 微波真空电子器件; 光电阴极; 纳米粒子薄膜; 钨海绵; 激光驱动; 量子效率; microwave vacuum electronic devices; photocathode; nanoparticle film; tungsten sponge; driven by laser; quantum yield;

信息器件 其他 人物风采 Website Google Scholar

郑婉华院士

中国科学: 信息科学, 2022, 52(10): 1938-1940

信息器件 量子 刊讯 Website Google Scholar

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;

信息器件 量子 论文 Website Google Scholar 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

A phase stabilization method for unbalanced fiber interferometer

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;

信息器件 量子 论文 Website Google Scholar SCOPUS引次: 2

高维量子低密度奇偶校验码纠缠度

Entanglement degree of high-dimensional quantum low-density parity check codes

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;