第1期 封面 目录

计算机 图形图像 评述 Website Google Scholar

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;

信息器件 新器件 评述 Website Google Scholar

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;

计算机 人工智能 论文 Website Google Scholar

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;

计算机 人工智能 论文 Website Google Scholar

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;

计算机 人工智能 论文 Website Google Scholar

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 高性能计算 论文 Website Google Scholar

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;

计算机 图形图像 论文 Website Google Scholar

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;

计算机 图形图像 论文 Website Google Scholar

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;

通信 信号处理 论文 Website Google Scholar

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;

信息器件 新器件 论文 Website Google Scholar

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;

第2期 封面 目录

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

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 论文 Website Google Scholar

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

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

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

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

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;

计算机 计算机理论 论文 Website Google Scholar

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 高性能计算 论文 Website Google Scholar

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 图形图像 论文 Website Google Scholar

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;

信息器件 MEMS 论文 Website Google Scholar

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;

计算机 高性能计算 观点与争鸣 Website Google Scholar

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;

控制 信息物理系统 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

第3期 封面 目录

计算机 高性能计算 评述 Website Google Scholar

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;

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

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;

计算机 人工智能 论文 Website Google Scholar

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

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 图形图像 论文 Website Google Scholar

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;

控制 非线性系统与控制 论文 Website Google Scholar

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 导航、制导与控制 论文 Website Google Scholar

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 机器人与无人系统 论文 Website Google Scholar

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;

信息器件 量子 论文 Website Google Scholar

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;

信息器件 MEMS 论文 Website Google Scholar

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;

第4期 封面 目录

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 电磁场与微波技术 评述 Website Google Scholar

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;

信息器件 电路和系统 评述 Website Google Scholar

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 评述 Website Google Scholar

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;

通信 无线通信 评述 Website Google Scholar

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;

通信 信号处理 论文 Website Google Scholar

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;

信息器件 电路和系统 论文 Website Google Scholar

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);

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

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;

信息器件 量子 论文 Website Google Scholar

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;

第5期 封面 目录

计算机 人工智能 评述 Website Google Scholar

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 评述 Website Google Scholar

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 高性能计算 评述 Website Google Scholar

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 计算机理论 评述 Website Google Scholar

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 人工智能 论文 Website Google Scholar

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 图形图像 论文 Website Google Scholar

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;

计算机 信息安全 论文 Website Google Scholar

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;

控制 复杂网络与系统 论文 Website Google Scholar

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;

控制 导航、制导与控制 论文 Website Google Scholar

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 人工智能系统 论文 Website Google Scholar

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;

通信 信号处理 论文 Website Google Scholar

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

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;

信息器件 MEMS 刊讯 Website Google Scholar

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;

第6期 封面 目录

计算机 计算机理论 论文 Website Google Scholar

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;

计算机 计算机理论 论文 Website Google Scholar

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;

计算机 计算机理论 论文 Website Google Scholar

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

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;

计算机 计算机理论 论文 Website Google Scholar

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;

计算机 图形图像 评述 Website Google Scholar

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;

计算机 高性能计算 论文 Website Google Scholar

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;

计算机 软件 论文 Website Google Scholar

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;

计算机 社会媒体 论文 Website Google Scholar

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;

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

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 分布式控制与优化 论文 Website Google Scholar

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;

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

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;

计算机 信息安全 论文 Website Google Scholar

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;

第7期 封面 目录

信息器件 光学和光电子 评述 Website Google Scholar

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;

通信 卫星通信 论文 Website Google Scholar

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;

计算机 人工智能 论文 Website Google Scholar

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

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 图形图像 论文 Website Google Scholar

“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;

计算机 图形图像 论文 Website Google Scholar

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;

计算机 信息安全 论文 Website Google Scholar

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;

控制 非线性系统与控制 论文 Website Google Scholar

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 复杂网络与系统 论文 Website Google Scholar

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;

通信 无线通信 论文 Website Google Scholar

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;

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

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 无线通信 论文 Website Google Scholar

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;

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;

第8期 封面 目录

计算机 软件 评述 Website Google Scholar

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;

通信 无线通信 评述 Website Google Scholar

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;

计算机 图形图像 论文 Website Google Scholar

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;

计算机 图形图像 论文 Website Google Scholar

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;

计算机 信息安全 论文 Website Google Scholar

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;

计算机 信息安全 论文 Website Google Scholar

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;

控制 网络化控制系统 论文 Website Google Scholar

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

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

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;

通信 信息论与编码 论文 Website Google Scholar

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

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;

第9期 封面 目录

控制 机器人与无人系统 评述 Website Google Scholar

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 导航、制导与控制 论文 Website Google Scholar

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 机器人与无人系统 论文 Website Google Scholar

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 导航、制导与控制 论文 Website Google Scholar

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

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 机器人与无人系统 论文 Website Google Scholar

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 鲁棒控制与自适应控制 论文 Website Google Scholar

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 导航、制导与控制 论文 Website Google Scholar

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

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;

第10期 封面 目录

信息器件 光学和光电子 评述 Website Google Scholar

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;

计算机 社会媒体 评述 Website Google Scholar

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;

计算机 社会媒体 论文 Website Google Scholar

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;

计算机 人工智能 论文 Website Google Scholar

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 社会媒体 论文 Website Google Scholar

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;

控制 机器人与无人系统 论文 Website Google Scholar

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 滤波、估计与参数辨识 论文 Website Google Scholar

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

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 论文 Website Google Scholar

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;

通信 无线通信 论文 Website Google Scholar

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;

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

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;

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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 网络安全 观点与争鸣 Website Google Scholar

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;

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

第11期 封面 目录

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

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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

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;

通信 无线通信 论文 Website Google Scholar

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;

通信 无线通信 论文 Website Google Scholar

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;

计算机 社会媒体 论文 Website Google Scholar

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;

计算机 图形图像 论文 Website Google Scholar

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;

计算机 图形图像 论文 Website Google Scholar

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;

控制 人工智能系统 论文 Website Google Scholar

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;

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

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 分布式控制与优化 论文 Website Google Scholar

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;

通信 无线通信 论文 Website Google Scholar

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;

通信 光通信 论文 Website Google Scholar

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;

第12期 封面 目录

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 人工智能系统 论文 Website Google Scholar

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;

控制 人工智能系统 论文 Website Google Scholar

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;

控制 网络化控制系统 论文 Website Google Scholar

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 导航、制导与控制 论文 Website Google Scholar

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;

控制 人工智能系统 论文 Website Google Scholar

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;

控制 人工智能系统 论文 Website Google Scholar

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

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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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;

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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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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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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;