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2023, 49(3): 473-475.
doi: 10.16383/j.aas.c221020
2023, 49(3): 476-493.
doi: 10.16383/j.aas.c220792
摘要:
控制是航天器在空间环境下自主完成复杂任务的关键技术. 首先梳理了中国空间控制技术过去50多年来的发展成果, 总结划分为航天器姿态控制、姿态轨道控制、“感知−决策−执行” (Perception-decision-action, PDA)自主控制三个方面, 并在综述了各方面主要进展的基础上, 围绕超大结构航天器姿态轨道控制、轨道空间博弈控制、网络化航天器集群控制、地外探测智能无人系统控制、跨域航天器自主控制、在轨建造与维护(On-orbit servicing, assembly, and manufacturing, OSAM)控制6个技术方向, 提出面临的挑战和需要重点关注的基础性问题, 为空间控制技术未来的发展提供借鉴和参考.
控制是航天器在空间环境下自主完成复杂任务的关键技术. 首先梳理了中国空间控制技术过去50多年来的发展成果, 总结划分为航天器姿态控制、姿态轨道控制、“感知−决策−执行” (Perception-decision-action, PDA)自主控制三个方面, 并在综述了各方面主要进展的基础上, 围绕超大结构航天器姿态轨道控制、轨道空间博弈控制、网络化航天器集群控制、地外探测智能无人系统控制、跨域航天器自主控制、在轨建造与维护(On-orbit servicing, assembly, and manufacturing, OSAM)控制6个技术方向, 提出面临的挑战和需要重点关注的基础性问题, 为空间控制技术未来的发展提供借鉴和参考.
2023, 49(3): 494-513.
doi: 10.16383/j.aas.c220995
摘要:
智能机器人在服务国家重大需求, 引领国民经济发展和保障国防安全中起到重要作用, 被誉为“制造业皇冠顶端的明珠”. 随着新一轮工业革命的到来, 世界主要工业国家都开始加快机器人技术的战略部署. 而智能机器人作为智能制造的重要载体, 在深入实施制造强国战略, 推动制造业的高端化、智能化、绿色化过程中将发挥重要作用. 本文从智能机器人的感知与控制等关键技术的视角出发, 重点阐述了机器人的三维环境感知、点云配准、位姿估计、任务规划、多机协同、柔顺控制、视觉伺服等共性关键技术的国内外发展现状. 然后, 以复杂曲面机器人三维测量、复杂部件机器人打磨、机器人力控智装配等机器人智能制造系统为例, 阐述了机器人的智能制造的应用关键技术, 并介绍了工程机械智能化无人工厂、无菌化机器人制药生产线等典型案例. 最后探讨了智能制造机器人的发展趋势和所面临的挑战.
智能机器人在服务国家重大需求, 引领国民经济发展和保障国防安全中起到重要作用, 被誉为“制造业皇冠顶端的明珠”. 随着新一轮工业革命的到来, 世界主要工业国家都开始加快机器人技术的战略部署. 而智能机器人作为智能制造的重要载体, 在深入实施制造强国战略, 推动制造业的高端化、智能化、绿色化过程中将发挥重要作用. 本文从智能机器人的感知与控制等关键技术的视角出发, 重点阐述了机器人的三维环境感知、点云配准、位姿估计、任务规划、多机协同、柔顺控制、视觉伺服等共性关键技术的国内外发展现状. 然后, 以复杂曲面机器人三维测量、复杂部件机器人打磨、机器人力控智装配等机器人智能制造系统为例, 阐述了机器人的智能制造的应用关键技术, 并介绍了工程机械智能化无人工厂、无菌化机器人制药生产线等典型案例. 最后探讨了智能制造机器人的发展趋势和所面临的挑战.
2023, 49(3): 514-527.
doi: 10.16383/j.aas.c230055
摘要:
本文在分析智能制造对PID整定的新需求及PID整定面临的挑战难题的基础上, 将自动化的建模、控制与优化和人工智能的深度学习与强化学习深度融合与协同, 提出了自适应与自主的PID整定的智能优化方法, 包括端边云协同的PID控制过程数字孪生模型和强化学习与数字孪生模型相结合的PID整定算法. 将工业互联网的端边云协同技术与PLC控制系统相结合, 研制了PID整定智能系统, 并在重大耗能设备 — 电熔镁炉成功应用. 该系统安全、可靠与优化运行, 取得显著的节能减排效果. 最后, 提出了控制系统智能化研究方向需要进一步深入研究的内容.
本文在分析智能制造对PID整定的新需求及PID整定面临的挑战难题的基础上, 将自动化的建模、控制与优化和人工智能的深度学习与强化学习深度融合与协同, 提出了自适应与自主的PID整定的智能优化方法, 包括端边云协同的PID控制过程数字孪生模型和强化学习与数字孪生模型相结合的PID整定算法. 将工业互联网的端边云协同技术与PLC控制系统相结合, 研制了PID整定智能系统, 并在重大耗能设备 — 电熔镁炉成功应用. 该系统安全、可靠与优化运行, 取得显著的节能减排效果. 最后, 提出了控制系统智能化研究方向需要进一步深入研究的内容.
2023, 49(3): 528-539.
doi: 10.16383/j.aas.c220737
摘要:
我国流程行业原料来源复杂, 如何优化调控工艺指标使复杂生产流程适应原料波动, 是保障产品质量、降低物耗能耗的关键. 本文结合全流程、工序、反应器等不同生产层级的工艺特点, 系统研究复杂生产流程协同优化和智能控制方法. 针对全流程多工序关联的特点, 提出了操作模式优化方法和操作模式动态匹配的全流程多工序协同优化方法; 针对单元工序多反应器级联的特点, 分析了工序内不同反应器的物质转化效率差异, 提出了反应器指标梯度协同优化方法; 针对反应器多反应共存、工况多变的特点, 研究了基于完备状态空间的动态特性描述框架, 建立了竞争−促进反应体系机理模型, 提出了工况全覆盖的模型参数自主辨识方法和基于分工况智能综合调节的反应器操作参数精细化调控方法. 通过锌冶炼智能工厂建设案例阐述了所提方法在提高工艺原料适应能力、生产效率、质量稳定性等方面的成效. 最后, 结合我国流程行业智能化发展现状和需求, 分析了需进一步研究的问题.
我国流程行业原料来源复杂, 如何优化调控工艺指标使复杂生产流程适应原料波动, 是保障产品质量、降低物耗能耗的关键. 本文结合全流程、工序、反应器等不同生产层级的工艺特点, 系统研究复杂生产流程协同优化和智能控制方法. 针对全流程多工序关联的特点, 提出了操作模式优化方法和操作模式动态匹配的全流程多工序协同优化方法; 针对单元工序多反应器级联的特点, 分析了工序内不同反应器的物质转化效率差异, 提出了反应器指标梯度协同优化方法; 针对反应器多反应共存、工况多变的特点, 研究了基于完备状态空间的动态特性描述框架, 建立了竞争−促进反应体系机理模型, 提出了工况全覆盖的模型参数自主辨识方法和基于分工况智能综合调节的反应器操作参数精细化调控方法. 通过锌冶炼智能工厂建设案例阐述了所提方法在提高工艺原料适应能力、生产效率、质量稳定性等方面的成效. 最后, 结合我国流程行业智能化发展现状和需求, 分析了需进一步研究的问题.
2023, 49(3): 540-549.
doi: 10.16383/j.aas.c220571
摘要:
大型生产设施的安全与能效监控, 迫切需要低功耗、高精度的泛在感知, 高实时、高可靠的无线传输以及动态灵活的生产管控. 为此, 本文首先提出一种扁平架构的无线化工业控制系统. 然后, 围绕感知、传输和控制等核心功能需求, 系统阐述了高实时高可靠的工业无线网络设计及其时−空−频三元联合调控方法, 感知终端的变周期精益采样和高能效精准时间同步方法, 以及管控平台的语义化互操作和赋时工作流模型等核心关键技术. 最后, 研发了面向石油高效采收和电网全域安全监测的无线化工业控制系统, 介绍了应用效果和成效.
大型生产设施的安全与能效监控, 迫切需要低功耗、高精度的泛在感知, 高实时、高可靠的无线传输以及动态灵活的生产管控. 为此, 本文首先提出一种扁平架构的无线化工业控制系统. 然后, 围绕感知、传输和控制等核心功能需求, 系统阐述了高实时高可靠的工业无线网络设计及其时−空−频三元联合调控方法, 感知终端的变周期精益采样和高能效精准时间同步方法, 以及管控平台的语义化互操作和赋时工作流模型等核心关键技术. 最后, 研发了面向石油高效采收和电网全域安全监测的无线化工业控制系统, 介绍了应用效果和成效.
2023, 49(3): 550-566.
doi: 10.16383/j.aas.c220570
摘要:
城市固废焚烧(Municipal solid waste incineration, MSWI)是处置城市固废(Municipal solid waste, MSW) 的主要手段之一. 中国MSW来源范围广、组分复杂、热值波动大, 其焚烧过程通常依靠人工干预, 这导致MSWI过程智能化水平较低且难以满足日益提升的控制需求. MSWI具有多变量耦合、工况漂移等诸多不确定性特征, 因而难以建立其被控对象模型并设计在线控制器. 针对以上问题, 提出了一种面向MSWI过程的数据驱动建模与自组织控制方法. 首先, 构建了基于多输入多输出Takagi Sugeno 模糊神经网络(Multi-input multi-output Takagi Sugeno fuzzy neural network, MIMO-TSFNN) 的被控对象模型; 然后, 设计了基于多任务学习的自组织模糊神经网络控制器(Multi-task learning self-organizing fuzzy neural network controller, MTL-SOFNNC)用于同步控制炉膛温度与烟气含氧量, 其通过计算神经元的相似度与多任务学习(Multi-task learning, MTL)能力对控制器结构进行自组织调整; 接着, 通过Lyapunov定理对MTL-SOFNNC稳定性进行了证明; 最后, 通过北京市某MSWI厂的过程数据验证了模型与控制器的有效性.
城市固废焚烧(Municipal solid waste incineration, MSWI)是处置城市固废(Municipal solid waste, MSW) 的主要手段之一. 中国MSW来源范围广、组分复杂、热值波动大, 其焚烧过程通常依靠人工干预, 这导致MSWI过程智能化水平较低且难以满足日益提升的控制需求. MSWI具有多变量耦合、工况漂移等诸多不确定性特征, 因而难以建立其被控对象模型并设计在线控制器. 针对以上问题, 提出了一种面向MSWI过程的数据驱动建模与自组织控制方法. 首先, 构建了基于多输入多输出Takagi Sugeno 模糊神经网络(Multi-input multi-output Takagi Sugeno fuzzy neural network, MIMO-TSFNN) 的被控对象模型; 然后, 设计了基于多任务学习的自组织模糊神经网络控制器(Multi-task learning self-organizing fuzzy neural network controller, MTL-SOFNNC)用于同步控制炉膛温度与烟气含氧量, 其通过计算神经元的相似度与多任务学习(Multi-task learning, MTL)能力对控制器结构进行自组织调整; 接着, 通过Lyapunov定理对MTL-SOFNNC稳定性进行了证明; 最后, 通过北京市某MSWI厂的过程数据验证了模型与控制器的有效性.
2023, 49(3): 567-579.
doi: 10.16383/j.aas.c220888
摘要:
近年来, 非线性系统的安全分析与控制已成为控制领域中的热门研究方向, 而障碍函数则是该方向的一种重要工具. 基于障碍函数的安全分析与控制方法具有计算效率高、鲁棒性强等优点. 本文首先从多个角度介绍了基于障碍函数的非线性系统安全性分析的理论成果, 并进一步综述了障碍函数方法在非线性系统安全控制中的最新进展. 最后, 简要地介绍了当前基于障碍函数的安全分析与控制理论中一系列尚未解决的问题, 并指出了未来可能发展的一些研究方向.
近年来, 非线性系统的安全分析与控制已成为控制领域中的热门研究方向, 而障碍函数则是该方向的一种重要工具. 基于障碍函数的安全分析与控制方法具有计算效率高、鲁棒性强等优点. 本文首先从多个角度介绍了基于障碍函数的非线性系统安全性分析的理论成果, 并进一步综述了障碍函数方法在非线性系统安全控制中的最新进展. 最后, 简要地介绍了当前基于障碍函数的安全分析与控制理论中一系列尚未解决的问题, 并指出了未来可能发展的一些研究方向.
2023, 49(3): 580-613.
doi: 10.16383/j.aas.c220680
摘要:
近年来, 人工智能(Artificial intelligence, AI)技术在棋牌游戏、计算机视觉、自然语言处理和蛋白质结构解析与预测等研究领域取得了众多突破性进展, 传统学科之间的固有壁垒正在被逐步打破, 多学科深度交叉融合的态势变得越发明显. 作为现代智能科学的三个重要组成部分, 博弈论、多智能体学习与控制论自诞生之初就逐渐展现出一种“你中有我, 我中有你” 的关联关系. 特别地, 近年来在AI技术的促进作用下, 这三者间的交叉研究成果正呈现出一种井喷式增长的态势. 为及时反映这一学术动态和趋势, 本文对这三者的异同、联系以及最新的研究进展进行了系统梳理. 首先, 介绍了作为纽带连接这三者的四种基本博弈形式, 进而论述了对应于这四种基本博弈形式的多智能体学习方法; 然后, 按照不同的专题, 梳理了这三者交叉研究的最新进展; 最后, 对这一新兴交叉研究领域进行了总结与展望.
近年来, 人工智能(Artificial intelligence, AI)技术在棋牌游戏、计算机视觉、自然语言处理和蛋白质结构解析与预测等研究领域取得了众多突破性进展, 传统学科之间的固有壁垒正在被逐步打破, 多学科深度交叉融合的态势变得越发明显. 作为现代智能科学的三个重要组成部分, 博弈论、多智能体学习与控制论自诞生之初就逐渐展现出一种“你中有我, 我中有你” 的关联关系. 特别地, 近年来在AI技术的促进作用下, 这三者间的交叉研究成果正呈现出一种井喷式增长的态势. 为及时反映这一学术动态和趋势, 本文对这三者的异同、联系以及最新的研究进展进行了系统梳理. 首先, 介绍了作为纽带连接这三者的四种基本博弈形式, 进而论述了对应于这四种基本博弈形式的多智能体学习方法; 然后, 按照不同的专题, 梳理了这三者交叉研究的最新进展; 最后, 对这一新兴交叉研究领域进行了总结与展望.
2023, 49(3): 614-634.
doi: 10.16383/j.aas.c230015
摘要:
社会物理信息系统 (Cyber-physical-social systems, CPSS)在传统物理信息系统 (Cyber-physical systems, CPS)的基础上纳入对社会信号及社会关系的考虑, 利用网络世界近乎无限的人力、数据和信息资源, 突破物理世界有限的资源约束以及时空的限制. 然而, CPSS中人类和社会行为的复杂性加剧了实际系统和其模型之间的建模鸿沟, 使得系统的形态演变为“默顿系统”. 对此, 以ACP方法为核心的平行智能 (Parallel intelligence, PI) 框架通过组合人工系统 (Artificial systems, A)、计算实验 (Computational experiments, C)、平行执行 (Parallel execution, P)三个过程, 为跨越这一鸿沟提供了可行的路径. 具体而言, ACP将模型从系统解析器转变为数据生成器, 使原本难以控制的“默顿系统”可测试、可计算、可验证, 为复杂系统中“涌现”和“收敛”的对立统一确立了方法基础. 本文从平行控制与智能控制、平行机器人与平行制造、平行管理与智能交通、平行医学与智慧健康、平行生态与平行社会、平行经济系统与社会计算、平行军事系统以及平行认知与平行哲学这八个方面阐述面向CPSS的平行智能应用成果. 最后, 对CPSS未来的发展方向和技术趋势进行了讨论与展望.
社会物理信息系统 (Cyber-physical-social systems, CPSS)在传统物理信息系统 (Cyber-physical systems, CPS)的基础上纳入对社会信号及社会关系的考虑, 利用网络世界近乎无限的人力、数据和信息资源, 突破物理世界有限的资源约束以及时空的限制. 然而, CPSS中人类和社会行为的复杂性加剧了实际系统和其模型之间的建模鸿沟, 使得系统的形态演变为“默顿系统”. 对此, 以ACP方法为核心的平行智能 (Parallel intelligence, PI) 框架通过组合人工系统 (Artificial systems, A)、计算实验 (Computational experiments, C)、平行执行 (Parallel execution, P)三个过程, 为跨越这一鸿沟提供了可行的路径. 具体而言, ACP将模型从系统解析器转变为数据生成器, 使原本难以控制的“默顿系统”可测试、可计算、可验证, 为复杂系统中“涌现”和“收敛”的对立统一确立了方法基础. 本文从平行控制与智能控制、平行机器人与平行制造、平行管理与智能交通、平行医学与智慧健康、平行生态与平行社会、平行经济系统与社会计算、平行军事系统以及平行认知与平行哲学这八个方面阐述面向CPSS的平行智能应用成果. 最后, 对CPSS未来的发展方向和技术趋势进行了讨论与展望.
2023, 49(3): 635-660.
doi: 10.16383/j.aas.c220588
摘要:
机器学习技术成功地应用于计算机视觉、自然语言处理和语音识别等众多领域. 然而, 现有的大多数机器学习模型在部署后类别和参数是固定的, 只能泛化到训练集中出现的类别, 无法增量式地学习新类别. 在实际应用中, 新的类别或任务会源源不断地出现, 这要求模型能够像人类一样在较好地保持已有类别知识的基础上持续地学习新类别知识. 近年来新兴的类别增量学习研究方向, 旨在使得模型能够在开放、动态的环境中持续学习新类别的同时保持对旧类别的判别能力(防止“灾难性遗忘”). 本文对类别增量学习(Class-incremental learning, CIL)方法进行了详细综述. 根据克服遗忘的技术思路, 将现有方法分为基于参数正则化、基于知识蒸馏、基于数据回放、基于特征回放和基于网络结构的五类方法, 对每类方法的优缺点进行了总结. 此外, 本文在常用数据集上对代表性方法进行了实验评估, 并通过实验结果对现有算法的性能进行了比较分析. 最后, 对类别增量学习的研究趋势进行展望.
机器学习技术成功地应用于计算机视觉、自然语言处理和语音识别等众多领域. 然而, 现有的大多数机器学习模型在部署后类别和参数是固定的, 只能泛化到训练集中出现的类别, 无法增量式地学习新类别. 在实际应用中, 新的类别或任务会源源不断地出现, 这要求模型能够像人类一样在较好地保持已有类别知识的基础上持续地学习新类别知识. 近年来新兴的类别增量学习研究方向, 旨在使得模型能够在开放、动态的环境中持续学习新类别的同时保持对旧类别的判别能力(防止“灾难性遗忘”). 本文对类别增量学习(Class-incremental learning, CIL)方法进行了详细综述. 根据克服遗忘的技术思路, 将现有方法分为基于参数正则化、基于知识蒸馏、基于数据回放、基于特征回放和基于网络结构的五类方法, 对每类方法的优缺点进行了总结. 此外, 本文在常用数据集上对代表性方法进行了实验评估, 并通过实验结果对现有算法的性能进行了比较分析. 最后, 对类别增量学习的研究趋势进行展望.
2023, 49(3): 661-677.
doi: 10.16383/j.aas.c220823
摘要:
基于因果建模的强化学习技术在智能控制领域越来越受欢迎. 因果技术可以挖掘控制系统中的结构性因果知识, 并提供了一个可解释的框架, 允许人为对系统进行干预并对反馈进行分析. 量化干预的效果使智能体能够在复杂的情况下 (例如存在混杂因子或非平稳环境) 评估策略的性能, 提升算法的泛化性. 本文旨在探讨基于因果建模的强化学习控制技术 (以下简称因果强化学习) 的最新进展, 阐明其与控制系统各个模块的联系. 首先介绍了强化学习的基本概念和经典算法, 并讨论强化学习算法在变量因果关系解释和迁移场景下策略泛化性方面存在的缺陷. 其次, 回顾了因果理论的研究方向, 主要包括因果效应估计和因果关系发现, 这些内容为解决强化学习的缺陷提供了可行方案. 接下来, 阐释了如何利用因果理论改善强化学习系统的控制与决策, 总结了因果强化学习的四类研究方向及进展, 并整理了实际应用场景. 最后, 对全文进行总结, 指出了因果强化学习的缺点和待解决问题, 并展望了未来的研究方向.
基于因果建模的强化学习技术在智能控制领域越来越受欢迎. 因果技术可以挖掘控制系统中的结构性因果知识, 并提供了一个可解释的框架, 允许人为对系统进行干预并对反馈进行分析. 量化干预的效果使智能体能够在复杂的情况下 (例如存在混杂因子或非平稳环境) 评估策略的性能, 提升算法的泛化性. 本文旨在探讨基于因果建模的强化学习控制技术 (以下简称因果强化学习) 的最新进展, 阐明其与控制系统各个模块的联系. 首先介绍了强化学习的基本概念和经典算法, 并讨论强化学习算法在变量因果关系解释和迁移场景下策略泛化性方面存在的缺陷. 其次, 回顾了因果理论的研究方向, 主要包括因果效应估计和因果关系发现, 这些内容为解决强化学习的缺陷提供了可行方案. 接下来, 阐释了如何利用因果理论改善强化学习系统的控制与决策, 总结了因果强化学习的四类研究方向及进展, 并整理了实际应用场景. 最后, 对全文进行总结, 指出了因果强化学习的缺点和待解决问题, 并展望了未来的研究方向.
2023, 49(3): 678-686.
doi: 10.16383/j.aas.c220501
摘要:
针对航天器近距离操作过程中追踪航天器位姿控制系统执行器故障问题, 提出了一种直接自适应容错控制方法, 保证了追踪航天器在发生执行器故障下的自身稳定性和对目标航天器位姿状态的渐近跟踪性能. 基于对偶四元数的航天器位姿一体化控制系统模型, 首先, 假设故障已知, 设计标称控制信号; 然后, 设计自适应更新律对标称控制信号中的未知参数进行估计, 构成自适应控制信号; 最后, 利用多Lyapunov函数对多故障模式下的系统性能进行分析. 仿真结果表明了所提方法的有效性.
针对航天器近距离操作过程中追踪航天器位姿控制系统执行器故障问题, 提出了一种直接自适应容错控制方法, 保证了追踪航天器在发生执行器故障下的自身稳定性和对目标航天器位姿状态的渐近跟踪性能. 基于对偶四元数的航天器位姿一体化控制系统模型, 首先, 假设故障已知, 设计标称控制信号; 然后, 设计自适应更新律对标称控制信号中的未知参数进行估计, 构成自适应控制信号; 最后, 利用多Lyapunov函数对多故障模式下的系统性能进行分析. 仿真结果表明了所提方法的有效性.
本刊经同行评议拟录用的文章，目前在编校阶段，尚未确定卷期及页码，已有DOI。
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doi: 10.16383/j.aas.c220767
摘要:
在图像标题生成领域, 交叉注意力机制在建模语义查询与图像区域的关系方面, 已经取得了重要的进展. 然而, 其视觉连贯性仍有待探索. 为了填补这项空白, 提出了一种新颖的语境辅助的交叉注意力(Context-assisted cross attention, CACA)机制, 利用历史语境记忆(Historical context memory, HCM), 来充分考虑先前关注过的视觉线索对当前注意力语境生成的潜在影响. 同时, 提出了一种名为“自适应权重约束(Adaptive weight constraint, AWC)” 的正则化方法, 来限制每个CACA模块分配给历史语境的权重总和. 本文将CACA模块与AWC方法同时应用于转换器(Transformer)模型, 构建了一种语境辅助的转换器(Context-assisted transformer, CAT)模型, 用于解决图像标题生成问题. 基于MS COCO (Microsoft common objects in context)数据集的实验结果证明, 与当前先进的方法相比, 该方法均实现了稳定的提升.
在图像标题生成领域, 交叉注意力机制在建模语义查询与图像区域的关系方面, 已经取得了重要的进展. 然而, 其视觉连贯性仍有待探索. 为了填补这项空白, 提出了一种新颖的语境辅助的交叉注意力(Context-assisted cross attention, CACA)机制, 利用历史语境记忆(Historical context memory, HCM), 来充分考虑先前关注过的视觉线索对当前注意力语境生成的潜在影响. 同时, 提出了一种名为“自适应权重约束(Adaptive weight constraint, AWC)” 的正则化方法, 来限制每个CACA模块分配给历史语境的权重总和. 本文将CACA模块与AWC方法同时应用于转换器(Transformer)模型, 构建了一种语境辅助的转换器(Context-assisted transformer, CAT)模型, 用于解决图像标题生成问题. 基于MS COCO (Microsoft common objects in context)数据集的实验结果证明, 与当前先进的方法相比, 该方法均实现了稳定的提升.
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doi: 10.16383/j.aas.c220482
摘要:
针对含有推进器故障和状态测量不确定的无人艇(Unmanned surface vehicle, USV)系统, 提出一种基于双扰动观测器的固定时间容错跟踪控制(Double disturbance observer-based fixed-time fault-tolerant control, DDO-FxFC)方法. 设计两个固定时间扰动观测器, 分别估计状态测量不确定性产生的非匹配干扰和包含推进器故障的集总非线性, 同时自适应实时补偿未知观测误差; 采用测量位姿跟踪误差及其动态, 设计快速非奇异终端滑模面, 构建DDO-FxFC框架; 理论分析证明DDO-FxFC方法能够确保跟踪误差固定时间收敛, 其中收敛时间的上界独立于系统初始状态; 针对原型USV的仿真结果和综合对比验证所提出DDO-FxFC技术的有效性和优越性.
针对含有推进器故障和状态测量不确定的无人艇(Unmanned surface vehicle, USV)系统, 提出一种基于双扰动观测器的固定时间容错跟踪控制(Double disturbance observer-based fixed-time fault-tolerant control, DDO-FxFC)方法. 设计两个固定时间扰动观测器, 分别估计状态测量不确定性产生的非匹配干扰和包含推进器故障的集总非线性, 同时自适应实时补偿未知观测误差; 采用测量位姿跟踪误差及其动态, 设计快速非奇异终端滑模面, 构建DDO-FxFC框架; 理论分析证明DDO-FxFC方法能够确保跟踪误差固定时间收敛, 其中收敛时间的上界独立于系统初始状态; 针对原型USV的仿真结果和综合对比验证所提出DDO-FxFC技术的有效性和优越性.
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doi: 10.16383/j.aas.c220875
摘要:
针对一类非匹配不确定多输入多输出系统提出了一种分数阶终端滑模控制策略, 使系统输出收敛到零而非其邻域. 该方法解除了传统反步法控制律设计中, 虚拟控制增益右伪逆矩阵必须存在的严苛限制; 对系统不确定性的假设不局限于慢时变和H2范数有界型扰动, 分析了控制增益存在摄动情况下系统的控制问题. 分数阶终端滑模面及其控制律的设计使得虚拟和实际控制信号连续, 削弱了抖振现象, 利用自适应滑模切换增益技术解决了由控制增益矩阵摄动引起的代数环问题. 最后, 仿真分析验证了所提方法的正确性和优越性.
针对一类非匹配不确定多输入多输出系统提出了一种分数阶终端滑模控制策略, 使系统输出收敛到零而非其邻域. 该方法解除了传统反步法控制律设计中, 虚拟控制增益右伪逆矩阵必须存在的严苛限制; 对系统不确定性的假设不局限于慢时变和H2范数有界型扰动, 分析了控制增益存在摄动情况下系统的控制问题. 分数阶终端滑模面及其控制律的设计使得虚拟和实际控制信号连续, 削弱了抖振现象, 利用自适应滑模切换增益技术解决了由控制增益矩阵摄动引起的代数环问题. 最后, 仿真分析验证了所提方法的正确性和优越性.
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doi: 10.16383/j.aas.c200510
摘要:
针对水下观测图像的颜色失真和散射模糊问题, 提出一种基于改进循环一致性生成对抗网络(Cycle-consistent generative adversarial networks, CycleGAN)的水下图像颜色校正与增强算法. 为了利用CycleGAN学习水下降质图像到空气中图像的映射关系, 对传统CycleGAN的损失函数进行了改进, 提出了基于图像强边缘结构相似度(Strong edge and structure similarity, SESS)损失函数的SESS-CycleGAN, SESS-CycleGAN可以在保留原水下图像的边缘结构信息的前提下实现水下降质图像的颜色校正和对比度增强. 为了确保增强后图像和真实脱水图像颜色的一致性, 建立了SESS-CycleGAN和正向生成网络G相结合的网络结构; 并提出了两阶段学习策略, 即先利用非成对训练集以弱监督方式进行SESS-CycleGAN学习, 然后再利用少量成对训练集以强监督方式进行正向生成网络G的监督式学习. 实验结果表明: 本文算法在校正水下图像颜色失真的同时还增强了图像对比度, 且较好地实现了增强后图像和真实脱水图像视觉颜色的一致性.
针对水下观测图像的颜色失真和散射模糊问题, 提出一种基于改进循环一致性生成对抗网络(Cycle-consistent generative adversarial networks, CycleGAN)的水下图像颜色校正与增强算法. 为了利用CycleGAN学习水下降质图像到空气中图像的映射关系, 对传统CycleGAN的损失函数进行了改进, 提出了基于图像强边缘结构相似度(Strong edge and structure similarity, SESS)损失函数的SESS-CycleGAN, SESS-CycleGAN可以在保留原水下图像的边缘结构信息的前提下实现水下降质图像的颜色校正和对比度增强. 为了确保增强后图像和真实脱水图像颜色的一致性, 建立了SESS-CycleGAN和正向生成网络G相结合的网络结构; 并提出了两阶段学习策略, 即先利用非成对训练集以弱监督方式进行SESS-CycleGAN学习, 然后再利用少量成对训练集以强监督方式进行正向生成网络G的监督式学习. 实验结果表明: 本文算法在校正水下图像颜色失真的同时还增强了图像对比度, 且较好地实现了增强后图像和真实脱水图像视觉颜色的一致性.
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doi: 10.16383/j.aas.c200457
摘要:
水下仿生软体机器人在水底环境勘测, 水下生物观测等方面具有极高的应用价值. 本文为进一步提升仿章鱼臂软体机器人在特殊水下环境中控制效果, 提出一种自适应鲁棒视觉伺服控制方法, 实现其在干扰无标定环境中的高精度镇定控制. 本文基于水底动力学模型, 设计保证动力学稳定的控制器; 针对柔性材料离线标定过程繁琐成本高, 提出料参数自适应估计算法; 针对水下特殊工作条件, 设计自适应鲁棒视觉伺服控制器, 实现折射效应的在线补偿, 并通过自适应未知环境干扰上界, 避免先验环境信息的求解. 所提算法在软体机器人样机中验证其镇定控制性能, 为仿生软体机器人的实际应用提供理论基础.
水下仿生软体机器人在水底环境勘测, 水下生物观测等方面具有极高的应用价值. 本文为进一步提升仿章鱼臂软体机器人在特殊水下环境中控制效果, 提出一种自适应鲁棒视觉伺服控制方法, 实现其在干扰无标定环境中的高精度镇定控制. 本文基于水底动力学模型, 设计保证动力学稳定的控制器; 针对柔性材料离线标定过程繁琐成本高, 提出料参数自适应估计算法; 针对水下特殊工作条件, 设计自适应鲁棒视觉伺服控制器, 实现折射效应的在线补偿, 并通过自适应未知环境干扰上界, 避免先验环境信息的求解. 所提算法在软体机器人样机中验证其镇定控制性能, 为仿生软体机器人的实际应用提供理论基础.
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doi: 10.16383/j.aas.c220564
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具身智能强调智能受脑、身体与环境协同影响,更侧重关注智能体与环境的“交互”. 因此, 在具身智能的研究中, 智能体的物理形态与感知、学习、控制的关系起到至关重要的作用. 当前, 具身智能综合吸收了机构学领域关于形态、结构, 机器学习领域关于感知、学习, 以及机器人领域关于行为、控制等的相关研究成果, 形成了相对完整、独立并仍在蓬勃发展的学科分支. 但是, 目前尚无文献完整地梳理基于形态的具身智能研究进展. 本文从这个角度出发, 重点围绕基于形态计算的行为生成、基于学习的形态控制, 以及基于学习的形态优化这三方面总结重要的研究进展, 凝炼相关的科学问题, 并总结未来的发展方向, 可为具身智能的研究提供参考.
具身智能强调智能受脑、身体与环境协同影响,更侧重关注智能体与环境的“交互”. 因此, 在具身智能的研究中, 智能体的物理形态与感知、学习、控制的关系起到至关重要的作用. 当前, 具身智能综合吸收了机构学领域关于形态、结构, 机器学习领域关于感知、学习, 以及机器人领域关于行为、控制等的相关研究成果, 形成了相对完整、独立并仍在蓬勃发展的学科分支. 但是, 目前尚无文献完整地梳理基于形态的具身智能研究进展. 本文从这个角度出发, 重点围绕基于形态计算的行为生成、基于学习的形态控制, 以及基于学习的形态优化这三方面总结重要的研究进展, 凝炼相关的科学问题, 并总结未来的发展方向, 可为具身智能的研究提供参考.
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doi: 10.16383/j.aas.c220753
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Web3技术催生的去中心化自治组织 (Decentralized Autonomous Organization, DAO) 正以颠覆性的方式重新定义要素资源、变革生产关系与塑造组织形态. 为了更好地顺应DAO研究与应用需求, 本文从组织和运营两个角度重新解析DAO, 认为其应当被更广义而精确地定义为去中心化自治组织和运营 (Decentralized Autonomous Organization and Operation) . 在此基础上, 阐述DAO的关键原理与基本要求, 探讨社会物理信息系统、平行智能等基础设施以及数字孪生、元宇宙、Web3等支撑技术, 构建涵盖组织层、协调层以及执行层等的DAO五层智能新架构, 提出DAO的闭环方程与功能导向的智能新算法, 分析个体、组织与社会视角下的DAO治理机制, 研究面向生物人、机器人与数字人的DAO激励机制, 并介绍DAO的典型与潜在应用场景. 最后, 总结全文并展望DAO未来研究方向.
Web3技术催生的去中心化自治组织 (Decentralized Autonomous Organization, DAO) 正以颠覆性的方式重新定义要素资源、变革生产关系与塑造组织形态. 为了更好地顺应DAO研究与应用需求, 本文从组织和运营两个角度重新解析DAO, 认为其应当被更广义而精确地定义为去中心化自治组织和运营 (Decentralized Autonomous Organization and Operation) . 在此基础上, 阐述DAO的关键原理与基本要求, 探讨社会物理信息系统、平行智能等基础设施以及数字孪生、元宇宙、Web3等支撑技术, 构建涵盖组织层、协调层以及执行层等的DAO五层智能新架构, 提出DAO的闭环方程与功能导向的智能新算法, 分析个体、组织与社会视角下的DAO治理机制, 研究面向生物人、机器人与数字人的DAO激励机制, 并介绍DAO的典型与潜在应用场景. 最后, 总结全文并展望DAO未来研究方向.
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doi: 10.16383/j.aas.c220712
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青藏地区快速的经济发展使得进入高原的群体数量日益增加, 随之而来的高原健康问题也愈发突出. 间歇性低氧训练(Intermittent hypoxic training, IHT)是急进高原前常使用的预习服方法, 一般针对不同个体均设置固定的开环策略, 存在方案制定无标准、系统化的理论指导缺乏, 效果不明显等问题. 针对以上情况, 设计了一种小样本数据驱动的IHT策略贝叶斯闭环学习优化框架, 建立自回归结构的高斯过程血氧饱和度(Pripheral oxygen saturation, SpO2)预测模型, 并考虑高低风险事件对训练的影响, 设计与氧浓度变化方向和速率相关的风险不对称代价函数, 提出具有安全约束的贝叶斯优化方法, 实现IHT最优供氧浓度的优化决策. 考虑到现有仿真器无法反映个体动态变化过程, 依据“最优速率理论”设计了合理的模型自适应变化律. 所提出闭环干预方法通过该仿真器进行了可行性和有效性验证. 说明该学习框架能够指导个体提升高原适应能力, 减轻其在预习服阶段的非适应性不良反应, 为个性化IHT提供精准调控手段.
青藏地区快速的经济发展使得进入高原的群体数量日益增加, 随之而来的高原健康问题也愈发突出. 间歇性低氧训练(Intermittent hypoxic training, IHT)是急进高原前常使用的预习服方法, 一般针对不同个体均设置固定的开环策略, 存在方案制定无标准、系统化的理论指导缺乏, 效果不明显等问题. 针对以上情况, 设计了一种小样本数据驱动的IHT策略贝叶斯闭环学习优化框架, 建立自回归结构的高斯过程血氧饱和度(Pripheral oxygen saturation, SpO2)预测模型, 并考虑高低风险事件对训练的影响, 设计与氧浓度变化方向和速率相关的风险不对称代价函数, 提出具有安全约束的贝叶斯优化方法, 实现IHT最优供氧浓度的优化决策. 考虑到现有仿真器无法反映个体动态变化过程, 依据“最优速率理论”设计了合理的模型自适应变化律. 所提出闭环干预方法通过该仿真器进行了可行性和有效性验证. 说明该学习框架能够指导个体提升高原适应能力, 减轻其在预习服阶段的非适应性不良反应, 为个性化IHT提供精准调控手段.
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doi: 10.16383/j.aas.c220759
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四旋翼无人机系统姿态角和角速度分别为运行在不同时间尺度上的慢、快动态. 由于输入扰动的上界难以精确估计, 本文提出了一种基于自适应多尺度超螺旋滑模算法的无人机集群一致性控制策略. 首先, 建立了无人机集群系统的姿态角模型, 并通过奇异摄动理论将其化为两时间尺度形式. 基于系统的快慢特性, 本文设计两时间尺度的超螺旋滑模算法, 并采用自适应增益处理无人机集群系统的未知边界非线性. 此外, 还提出了一种改进型自适应多尺度超螺旋滑模算法, 进一步减少了系统的一致性收敛时间, 实现了无人机集群姿态角有限时间内同步. 最后通过仿真分析, 验证了两种自适应多尺度超螺旋滑模算法的正确性和有效性.
四旋翼无人机系统姿态角和角速度分别为运行在不同时间尺度上的慢、快动态. 由于输入扰动的上界难以精确估计, 本文提出了一种基于自适应多尺度超螺旋滑模算法的无人机集群一致性控制策略. 首先, 建立了无人机集群系统的姿态角模型, 并通过奇异摄动理论将其化为两时间尺度形式. 基于系统的快慢特性, 本文设计两时间尺度的超螺旋滑模算法, 并采用自适应增益处理无人机集群系统的未知边界非线性. 此外, 还提出了一种改进型自适应多尺度超螺旋滑模算法, 进一步减少了系统的一致性收敛时间, 实现了无人机集群姿态角有限时间内同步. 最后通过仿真分析, 验证了两种自适应多尺度超螺旋滑模算法的正确性和有效性.
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doi: 10.16383/j.aas.c220034
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随着国家“双碳”重大战略的提出, 高比例新能源并网将成为我国电力能源转型的重要态势. 针对火电机组、配电网和需求侧关联的系列运行约束制约了电网对高比例新能源的有效消纳这一问题, 本文提出重大耗能企业这一主要电力负荷参与网需求响应(Demand response, DR)的研究思路, 通过重大耗能企业与电网协调调度促进新能源消纳, 并获得经济补偿以减少运行成本. 研究首先基于混合需求侧响应机制, 提出以重大耗能企业、新能源、火电机组为核心的协调调度方法, 并根据新能源预测值−预测误差的信息依存顺序提出了两步调度策略. 在此基础上, 进行生产过程行为建模以实现重大耗能企业需求侧响应决策描述, 并建立高比例新能源并网的重大耗能企业需求响应与电网协调调度优化模型. 最后, 基于烟台电网实际系统进行算例分析, 验证了重大耗能企业通过需求响应参与电网协调调度以及两步调度策略的有效性.
随着国家“双碳”重大战略的提出, 高比例新能源并网将成为我国电力能源转型的重要态势. 针对火电机组、配电网和需求侧关联的系列运行约束制约了电网对高比例新能源的有效消纳这一问题, 本文提出重大耗能企业这一主要电力负荷参与网需求响应(Demand response, DR)的研究思路, 通过重大耗能企业与电网协调调度促进新能源消纳, 并获得经济补偿以减少运行成本. 研究首先基于混合需求侧响应机制, 提出以重大耗能企业、新能源、火电机组为核心的协调调度方法, 并根据新能源预测值−预测误差的信息依存顺序提出了两步调度策略. 在此基础上, 进行生产过程行为建模以实现重大耗能企业需求侧响应决策描述, 并建立高比例新能源并网的重大耗能企业需求响应与电网协调调度优化模型. 最后, 基于烟台电网实际系统进行算例分析, 验证了重大耗能企业通过需求响应参与电网协调调度以及两步调度策略的有效性.
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doi: 10.16383/j.aas.c200217
摘要:
基于深度学习的方法在去雾领域已经取得了很大进展, 但仍然存在去雾不彻底和颜色失真等问题. 针对这些问题, 本文提出一种基于内容特征和风格特征相融合的单幅图像去雾网络. 所提网络包括特征提取、特征融合和图像复原三个子网络, 其中特征提取网络包括内容特征提取模块和风格特征提取模块, 分别用于学习图像内容和图像风格以实现去雾的同时可较好地保持原始图像的色彩特征. 在特征融合子网络中, 引入注意力机制对内容特征提取模块输出的特征图进行通道加权实现对图像主要特征的学习, 并将加权后的内容特征图与风格特征图通过卷积操作相融合. 最后, 图像复原模块对融合后的特征图进行非线性映射得到去雾图像. 与已有方法相比, 所提网络对合成图像和真实图像均可取得理想的去雾结果, 同时可有效避免去雾后的颜色失真问题.
基于深度学习的方法在去雾领域已经取得了很大进展, 但仍然存在去雾不彻底和颜色失真等问题. 针对这些问题, 本文提出一种基于内容特征和风格特征相融合的单幅图像去雾网络. 所提网络包括特征提取、特征融合和图像复原三个子网络, 其中特征提取网络包括内容特征提取模块和风格特征提取模块, 分别用于学习图像内容和图像风格以实现去雾的同时可较好地保持原始图像的色彩特征. 在特征融合子网络中, 引入注意力机制对内容特征提取模块输出的特征图进行通道加权实现对图像主要特征的学习, 并将加权后的内容特征图与风格特征图通过卷积操作相融合. 最后, 图像复原模块对融合后的特征图进行非线性映射得到去雾图像. 与已有方法相比, 所提网络对合成图像和真实图像均可取得理想的去雾结果, 同时可有效避免去雾后的颜色失真问题.
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doi: 10.16383/j.aas.c211127
摘要:
虚假数据注入攻击严重威胁了电力信息物理系统的状态估计, 而目前大多数检测方法侧重于攻击存在性检测, 无法获取准确的受攻击位置. 故本文提出了一种基于灰狼优化多隐层极限学习机的电力信息物理系统虚假数据注入攻击检测方法. 所提方法将攻击检测看作是一个多标签二分类问题, 不仅将用于特征提取与分类训练的极限学习机由单隐层变为多隐层, 以解决极限学习机特征表达能力有限的问题, 且融入了具有强全局搜索能力的灰狼优化算法以提高多隐层极限学习机分类精度和泛化性能. 进而自动识别系统各个节点状态量的异常, 获取受攻击的精确位置. 通过在不同场景下对IEEE-14和57节点测试系统上进行大量实验, 验证了所提方法的有效性, 且分别与极限学习机、未融入灰狼优化的多隐层极限学习机以及支持向量机相比, 所提方法具有更精确的定位检测性能.
虚假数据注入攻击严重威胁了电力信息物理系统的状态估计, 而目前大多数检测方法侧重于攻击存在性检测, 无法获取准确的受攻击位置. 故本文提出了一种基于灰狼优化多隐层极限学习机的电力信息物理系统虚假数据注入攻击检测方法. 所提方法将攻击检测看作是一个多标签二分类问题, 不仅将用于特征提取与分类训练的极限学习机由单隐层变为多隐层, 以解决极限学习机特征表达能力有限的问题, 且融入了具有强全局搜索能力的灰狼优化算法以提高多隐层极限学习机分类精度和泛化性能. 进而自动识别系统各个节点状态量的异常, 获取受攻击的精确位置. 通过在不同场景下对IEEE-14和57节点测试系统上进行大量实验, 验证了所提方法的有效性, 且分别与极限学习机、未融入灰狼优化的多隐层极限学习机以及支持向量机相比, 所提方法具有更精确的定位检测性能.
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doi: 10.16383/j.aas.c201082
摘要:
针对中心化域名安全扩展(Domain name system security extensions, DNSSEC)架构所导致的信任链复杂性和单边控制模式, 提出了一种去中心化的DNSSEC公钥验证机制. 该机制结合区块链结构、密码学累加器和共识算法设计, 创新性地实现使用区块链技术的密钥绑定、轮转和验证操作, 无需中心化权威节点即可使用可信公钥验证域名记录. 进一步分析和实验表明, 所提出的机制在保证密钥管理安全性的同时, 提高了密钥验证的效率.
针对中心化域名安全扩展(Domain name system security extensions, DNSSEC)架构所导致的信任链复杂性和单边控制模式, 提出了一种去中心化的DNSSEC公钥验证机制. 该机制结合区块链结构、密码学累加器和共识算法设计, 创新性地实现使用区块链技术的密钥绑定、轮转和验证操作, 无需中心化权威节点即可使用可信公钥验证域名记录. 进一步分析和实验表明, 所提出的机制在保证密钥管理安全性的同时, 提高了密钥验证的效率.
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doi: 10.16383/j.aas.c210051
摘要:
针对众包标记经过标记集成后仍然存在噪声的问题, 提出了一种基于自训练的众包标记噪声纠正算法(Self-training-based label noise correction, STLNC). STLNC整体分为3个阶段: 第1阶段利用过滤器将带集成标记的众包数据集分为噪声集和干净集. 第2阶段利用加权密度峰值聚类算法构建数据集中低密度实例指向高密度实例的空间结构关系. 第3阶段首先根据发现的空间结构关系设计噪声实例选择策略; 然后利用在干净集上训练的集成分类器对选择的噪声实例按照设计的实例纠正策略进行纠正, 并将纠正后的实例加入到干净集, 再重新训练集成分类器; 重复实例选择与纠正过程直到噪声集中所有的实例被纠正; 最后用最后一轮训练得到的集成分类器对所有实例进行纠正. 在仿真标准数据集和真实众包数据集上的实验结果表明STLNC比其他5种最先进的噪声纠正算法在噪声比和模型质量两个度量指标上表现更优.
针对众包标记经过标记集成后仍然存在噪声的问题, 提出了一种基于自训练的众包标记噪声纠正算法(Self-training-based label noise correction, STLNC). STLNC整体分为3个阶段: 第1阶段利用过滤器将带集成标记的众包数据集分为噪声集和干净集. 第2阶段利用加权密度峰值聚类算法构建数据集中低密度实例指向高密度实例的空间结构关系. 第3阶段首先根据发现的空间结构关系设计噪声实例选择策略; 然后利用在干净集上训练的集成分类器对选择的噪声实例按照设计的实例纠正策略进行纠正, 并将纠正后的实例加入到干净集, 再重新训练集成分类器; 重复实例选择与纠正过程直到噪声集中所有的实例被纠正; 最后用最后一轮训练得到的集成分类器对所有实例进行纠正. 在仿真标准数据集和真实众包数据集上的实验结果表明STLNC比其他5种最先进的噪声纠正算法在噪声比和模型质量两个度量指标上表现更优.
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doi: 10.16383/j.aas.c200726
摘要:
为避免使用函数逼近器(神经网络或模糊系统), 并提高双惯量伺服系统的瞬态响应和稳态性能, 本文针对含外部扰动的双惯量伺服系统, 提出一种基于预设性能函数(Prescribed performance function, PPF)的类比例状态反馈控制策略. 首先, 提出一种改进的带有最大超调、收敛速率以及稳态误差的预设性能函数, 并将该函数融入控制器设计使二惯量伺服的跟踪误差保持在预定的边界之内. 其次, 基于预设性能函数设计了类比例状态反馈控制器实现跟踪控制. 与传统基于函数逼近控制方法相比较, 该方法可降低控制系统计算复杂度同时消除反演控制中存在的复杂度爆炸问题. 最后, 利用双惯量伺服系统实验平台开展了对比实验, 验证了所提出方法的有效性.
为避免使用函数逼近器(神经网络或模糊系统), 并提高双惯量伺服系统的瞬态响应和稳态性能, 本文针对含外部扰动的双惯量伺服系统, 提出一种基于预设性能函数(Prescribed performance function, PPF)的类比例状态反馈控制策略. 首先, 提出一种改进的带有最大超调、收敛速率以及稳态误差的预设性能函数, 并将该函数融入控制器设计使二惯量伺服的跟踪误差保持在预定的边界之内. 其次, 基于预设性能函数设计了类比例状态反馈控制器实现跟踪控制. 与传统基于函数逼近控制方法相比较, 该方法可降低控制系统计算复杂度同时消除反演控制中存在的复杂度爆炸问题. 最后, 利用双惯量伺服系统实验平台开展了对比实验, 验证了所提出方法的有效性.
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doi: 10.16383/j.aas.c200842
摘要:
为了消除制造系统调度层与控制层之间的隔阂, 实现对生产事件快速灵活响应, 本文提出了一种调度与控制一体化的方法. 首先, 定义了一种新型Petri网模型, 即平行Petri网, 从而集成地描述了传感器、执行器、任务和资源信息, 构建制造系统的信息物理系统模型; 其次, 提出了一种从平行Petri网到赋时Petri网的抽象简化方法, 大规模压缩优化调度所需搜索的状态空间; 再次, 定义了策略Petri网以描述最优调度策略. 最后, 给出了平行Petri网与策略Petri网同步执行算法, 使得平行Petri网与物理系统同步执行.
为了消除制造系统调度层与控制层之间的隔阂, 实现对生产事件快速灵活响应, 本文提出了一种调度与控制一体化的方法. 首先, 定义了一种新型Petri网模型, 即平行Petri网, 从而集成地描述了传感器、执行器、任务和资源信息, 构建制造系统的信息物理系统模型; 其次, 提出了一种从平行Petri网到赋时Petri网的抽象简化方法, 大规模压缩优化调度所需搜索的状态空间; 再次, 定义了策略Petri网以描述最优调度策略. 最后, 给出了平行Petri网与策略Petri网同步执行算法, 使得平行Petri网与物理系统同步执行.
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doi: 10.16383/j.aas.c200144
摘要:
现有的图聚类方法主要存在两方面的问题, 一是对各个类规模一致的假设, 在许多实际应用中并不成立; 二是在处理多类聚类问题时, 其所常借助的递归技术或启发式算法会影响聚类的性能. 为此, 本文提出一种基于灵活平衡约束的多类图聚类方法. 其能够覆盖从绝对平衡约束到无平衡约束的范围, 可同时处理类别规模一致和不一致的问题. 为有效求解新方法中的参数, 进一步提出一个紧松弛方法来使所提出的图聚类方法不仅易于求解, 且在处理多类聚类问题时不必依赖递归技术, 而能直接得到聚类结果. 另外, 本文还给出一种实现松弛图聚类的有效求解算法. 在合成数据和真实数据上的实验结果表明, 所提出的方法具有良好的性能.
现有的图聚类方法主要存在两方面的问题, 一是对各个类规模一致的假设, 在许多实际应用中并不成立; 二是在处理多类聚类问题时, 其所常借助的递归技术或启发式算法会影响聚类的性能. 为此, 本文提出一种基于灵活平衡约束的多类图聚类方法. 其能够覆盖从绝对平衡约束到无平衡约束的范围, 可同时处理类别规模一致和不一致的问题. 为有效求解新方法中的参数, 进一步提出一个紧松弛方法来使所提出的图聚类方法不仅易于求解, 且在处理多类聚类问题时不必依赖递归技术, 而能直接得到聚类结果. 另外, 本文还给出一种实现松弛图聚类的有效求解算法. 在合成数据和真实数据上的实验结果表明, 所提出的方法具有良好的性能.
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doi: 10.16383/j.aas.c200148
摘要:
布匹瑕疵检测是纺织工业中产品质量评估的关键环节, 实现快速、准确、高效的布匹瑕疵检测对于提升纺织工业的产能具有重要意义. 在实际布匹生产过程中, 布匹瑕疵在形状、大小及数量分布上存在不平衡问题, 且纹理布匹复杂的纹理信息会掩盖瑕疵的特征, 加大布匹瑕疵检测难度. 本文提出基于深度卷积神经网络(Deep convolutional neural network, DCNN)的分类不平衡纹理布匹瑕疵检测方法, 首先建立一种基于通道叠加的ResNet50卷积神经网络模型(ResNet50+)对布匹瑕疵特征进行优化提取; 其次提出一种冗余特征过滤的特征金字塔网络对特征图中的背景特征进行过滤, 增强其中瑕疵特征的语义信息; 最后构造针对瑕疵数量进行加权的MFL (Multi focal loss)损失函数, 减轻数据集不平衡对模型的影响, 降低模型对于少数类瑕疵的不敏感性. 通过实验对比, 本文提出的方法能有效提升布匹瑕疵检测的准确率及定位精度, 同时降低了布匹瑕疵检测的误检率和漏检率, 明显优于当前主流的布匹瑕疵检测算法.
布匹瑕疵检测是纺织工业中产品质量评估的关键环节, 实现快速、准确、高效的布匹瑕疵检测对于提升纺织工业的产能具有重要意义. 在实际布匹生产过程中, 布匹瑕疵在形状、大小及数量分布上存在不平衡问题, 且纹理布匹复杂的纹理信息会掩盖瑕疵的特征, 加大布匹瑕疵检测难度. 本文提出基于深度卷积神经网络(Deep convolutional neural network, DCNN)的分类不平衡纹理布匹瑕疵检测方法, 首先建立一种基于通道叠加的ResNet50卷积神经网络模型(ResNet50+)对布匹瑕疵特征进行优化提取; 其次提出一种冗余特征过滤的特征金字塔网络对特征图中的背景特征进行过滤, 增强其中瑕疵特征的语义信息; 最后构造针对瑕疵数量进行加权的MFL (Multi focal loss)损失函数, 减轻数据集不平衡对模型的影响, 降低模型对于少数类瑕疵的不敏感性. 通过实验对比, 本文提出的方法能有效提升布匹瑕疵检测的准确率及定位精度, 同时降低了布匹瑕疵检测的误检率和漏检率, 明显优于当前主流的布匹瑕疵检测算法.
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doi: 10.16383/j.aas.c210667
摘要:
在医学图像中, 器官或病变区域的精准分割对疾病诊断等临床应用有着至关重要的作用, 然而分割模型的训练依赖于大量标注数据. 为减少对标注数据的需求, 本文主要研究针对医学图像分割的半监督学习任务. 现有半监督学习方法广泛采用平均教师模型, 其缺点在于, 基于指数移动平均(Exponential moving average, EMA)的参数更新方式使得老师模型累积学生模型的错误知识. 为避免上述问题, 提出一种双模型交互学习方法, 引入像素稳定性判断机制, 利用一个模型中预测结果更稳定的像素监督另一个模型的学习, 从而缓解了单个模型的错误经验的累积和传播. 提出的方法在心脏结构分割、肝脏肿瘤分割和脑肿瘤分割三个数据集中取得优于前沿半监督方法的结果. 在仅采用30%的标注比例时, 该方法在三个数据集上的戴斯相似指标(Dice similarity coefficient, DSC)分别达到89.13%, 94.15%, 87.02%.
在医学图像中, 器官或病变区域的精准分割对疾病诊断等临床应用有着至关重要的作用, 然而分割模型的训练依赖于大量标注数据. 为减少对标注数据的需求, 本文主要研究针对医学图像分割的半监督学习任务. 现有半监督学习方法广泛采用平均教师模型, 其缺点在于, 基于指数移动平均(Exponential moving average, EMA)的参数更新方式使得老师模型累积学生模型的错误知识. 为避免上述问题, 提出一种双模型交互学习方法, 引入像素稳定性判断机制, 利用一个模型中预测结果更稳定的像素监督另一个模型的学习, 从而缓解了单个模型的错误经验的累积和传播. 提出的方法在心脏结构分割、肝脏肿瘤分割和脑肿瘤分割三个数据集中取得优于前沿半监督方法的结果. 在仅采用30%的标注比例时, 该方法在三个数据集上的戴斯相似指标(Dice similarity coefficient, DSC)分别达到89.13%, 94.15%, 87.02%.
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doi: 10.16383/j.aas.c220795
摘要:
针对存在临界点的A类被控对象及不存在临界点的B类被控对象, 分别采用其\begin{document}$-180^\circ$\end{document} ![]()
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针对存在临界点的A类被控对象及不存在临界点的B类被控对象, 分别采用其
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doi: 10.16383/j.aas.c220631
摘要:
强化学习(Reinforcement learning, RL)在围棋、视频游戏、导航、推荐系统等领域均取得了巨大成功. 然而, 许多强化学习算法仍然无法直接移植到真实物理环境中. 这是因为在模拟场景下智能体能以不断试错的方式与环境进行交互, 从而学习最优策略. 但考虑到安全因素, 很多现实世界的应用则要求限制智能体的随机探索行为. 因此, 安全问题成为强化学习从模拟到现实的一个重要挑战. 近年来, 许多研究致力于开发安全强化学习(Safe reinforcement learning, SRL)算法, 在确保系统性能的同时满足安全约束. 本文对现有的安全强化学习算法进行全面综述, 将其归为三类: 修改学习过程、修改学习目标、离线强化学习, 并介绍了5大基准测试平台: Safety Gym、safe-control-gym、SafeRL-Kit、D4RL、NeoRL. 最后总结了安全强化学习在自动驾驶、机器人控制、工业过程控制、电力系统优化和医疗健康领域中的应用, 并给出结论与展望.
强化学习(Reinforcement learning, RL)在围棋、视频游戏、导航、推荐系统等领域均取得了巨大成功. 然而, 许多强化学习算法仍然无法直接移植到真实物理环境中. 这是因为在模拟场景下智能体能以不断试错的方式与环境进行交互, 从而学习最优策略. 但考虑到安全因素, 很多现实世界的应用则要求限制智能体的随机探索行为. 因此, 安全问题成为强化学习从模拟到现实的一个重要挑战. 近年来, 许多研究致力于开发安全强化学习(Safe reinforcement learning, SRL)算法, 在确保系统性能的同时满足安全约束. 本文对现有的安全强化学习算法进行全面综述, 将其归为三类: 修改学习过程、修改学习目标、离线强化学习, 并介绍了5大基准测试平台: Safety Gym、safe-control-gym、SafeRL-Kit、D4RL、NeoRL. 最后总结了安全强化学习在自动驾驶、机器人控制、工业过程控制、电力系统优化和医疗健康领域中的应用, 并给出结论与展望.
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doi: 10.16383/j.aas.c220461
摘要:
为了提升高速列车牵引系统的稳定性和可靠性, 针对其牵引电机提出了一种基于未知输入观测器的转子断条和速度传感器故障联合诊断方法. 首先, 通过非奇异坐标变换, 将牵引电机系统解耦为两个分别只包含转子断条故障和速度传感器故障的子系统, 实现转子断条故障和速度传感器故障的解耦, 并进一步利用一阶低通滤波器将含速度传感器故障的子系统转化为增广系统; 其次, 对含转子断条故障的子系统和速度传感器故障增广系统分别设计未知输入区间观测器和未知输入滑模观测器; 在此基础上, 采用未知输入区间观测器上界和下界构建转子断条故障诊断的检测变量和自适应阈值, 利用未知输入滑模观测器的等效输出控制原理实现速度传感器故障估计. 最后, 通过仿真和TDCS-FIB平台实验验证了所提方法的有效性和鲁棒性.
为了提升高速列车牵引系统的稳定性和可靠性, 针对其牵引电机提出了一种基于未知输入观测器的转子断条和速度传感器故障联合诊断方法. 首先, 通过非奇异坐标变换, 将牵引电机系统解耦为两个分别只包含转子断条故障和速度传感器故障的子系统, 实现转子断条故障和速度传感器故障的解耦, 并进一步利用一阶低通滤波器将含速度传感器故障的子系统转化为增广系统; 其次, 对含转子断条故障的子系统和速度传感器故障增广系统分别设计未知输入区间观测器和未知输入滑模观测器; 在此基础上, 采用未知输入区间观测器上界和下界构建转子断条故障诊断的检测变量和自适应阈值, 利用未知输入滑模观测器的等效输出控制原理实现速度传感器故障估计. 最后, 通过仿真和TDCS-FIB平台实验验证了所提方法的有效性和鲁棒性.
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doi: 10.16383/j.aas.c220574
摘要:
基于视网膜对视觉信息的处理方式, 本文提出了一种视网膜功能启发的边缘检测层级模型. 针对视网膜神经元在周期性光刺激下产生适应的特性, 构建具有自适应阈值的Izhikevich神经元模型; 模拟光感受器中视锥、视杆细胞对亮度的感知能力, 构建亮度感知编码层; 引入双极细胞对给光— 撤光刺激的分离能力, 并结合神经节细胞对运动方向敏感的特性, 构建双通路边缘提取层; 另外根据神经节细胞神经元在多特征调控下延迟激活的现象, 构建具有脉冲延时特性的纹理抑制层; 最后将双通路边缘提取的结果和延时抑制量相融合, 得到最终边缘检测的结果. 以150张来自实验室采集和AGAR数据集中的菌落图像为实验对象. 检测结果的重建图像相似度、边缘置信度、边缘连续性和综合指标分别达到0.9629, 0.3111, 0.9159和0.7870, 结果表明本文方法能更有效地进行边缘定位, 抑制冗余纹理, 并保持主体边缘完整性. 本文面向边缘检测任务, 构建模拟视网膜对视觉信息处理方式的边缘检测模型, 也为后续构建由视觉机制启发的图像计算模型提供了新思路.
基于视网膜对视觉信息的处理方式, 本文提出了一种视网膜功能启发的边缘检测层级模型. 针对视网膜神经元在周期性光刺激下产生适应的特性, 构建具有自适应阈值的Izhikevich神经元模型; 模拟光感受器中视锥、视杆细胞对亮度的感知能力, 构建亮度感知编码层; 引入双极细胞对给光— 撤光刺激的分离能力, 并结合神经节细胞对运动方向敏感的特性, 构建双通路边缘提取层; 另外根据神经节细胞神经元在多特征调控下延迟激活的现象, 构建具有脉冲延时特性的纹理抑制层; 最后将双通路边缘提取的结果和延时抑制量相融合, 得到最终边缘检测的结果. 以150张来自实验室采集和AGAR数据集中的菌落图像为实验对象. 检测结果的重建图像相似度、边缘置信度、边缘连续性和综合指标分别达到0.9629, 0.3111, 0.9159和0.7870, 结果表明本文方法能更有效地进行边缘定位, 抑制冗余纹理, 并保持主体边缘完整性. 本文面向边缘检测任务, 构建模拟视网膜对视觉信息处理方式的边缘检测模型, 也为后续构建由视觉机制启发的图像计算模型提供了新思路.
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doi: 10.16383/j.aas.c200621
摘要:
针对标准粒子群优化算法存在早熟收敛和容易陷入局部最优的问题, 本文提出了一种基于事件触发的全信息粒子群优化算法(Event-triggering-based full-information particle swarm optimization, EFPSO). 首先, 引入一类基于粒子空间特性的事件触发策略实现粒子群优化算法(Particle swarm optimization, PSO) 的模态切换, 更好地维持了算法搜索和收敛能力之间的动态平衡. 然后, 鉴于引入历史信息能够降低算法陷入局部最优的可能性, 提出一种全信息策略来克服PSO算法搜索能力不足的缺陷. 数值仿真实验表明, EFPSO算法在种群多样性、收敛率、成功率方面优于其他改进的PSO算法. 最后, 应用EFPSO算法对变分模态分解(Variational mode decomposition, VMD)去噪算法进行改进, 并在现场管道信号去噪取得了很好的效果.
针对标准粒子群优化算法存在早熟收敛和容易陷入局部最优的问题, 本文提出了一种基于事件触发的全信息粒子群优化算法(Event-triggering-based full-information particle swarm optimization, EFPSO). 首先, 引入一类基于粒子空间特性的事件触发策略实现粒子群优化算法(Particle swarm optimization, PSO) 的模态切换, 更好地维持了算法搜索和收敛能力之间的动态平衡. 然后, 鉴于引入历史信息能够降低算法陷入局部最优的可能性, 提出一种全信息策略来克服PSO算法搜索能力不足的缺陷. 数值仿真实验表明, EFPSO算法在种群多样性、收敛率、成功率方面优于其他改进的PSO算法. 最后, 应用EFPSO算法对变分模态分解(Variational mode decomposition, VMD)去噪算法进行改进, 并在现场管道信号去噪取得了很好的效果.
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doi: 10.16383/j.aas.c220352
摘要:
X射线工业计算机断层(Computerized tomography, CT)技术是一种先进的非接触式无损三维检测技术,能在无损伤情况下以灰度图像的形式对物体内部结构进行全面、详细地分析, 在航空航天、工业生产、安检等领域发挥着重要的作用. 针对工业CT伪影严重降低图像质量问题, 对工业CT成像过程复杂伪影形成机理进行分析, 对不同类型伪影抑制方法进行归纳总结. 阐述了基于射线衰减、探测器及高密度差异、采样数据及重建等不同过程伪影成因及伪影消除相关算法的最新技术进展, 并对近年来人工智能深度学习背景下新兴的基于深度学习及神经网络的工业CT无损检测研究与发展方向进行了总结和展望.
X射线工业计算机断层(Computerized tomography, CT)技术是一种先进的非接触式无损三维检测技术,能在无损伤情况下以灰度图像的形式对物体内部结构进行全面、详细地分析, 在航空航天、工业生产、安检等领域发挥着重要的作用. 针对工业CT伪影严重降低图像质量问题, 对工业CT成像过程复杂伪影形成机理进行分析, 对不同类型伪影抑制方法进行归纳总结. 阐述了基于射线衰减、探测器及高密度差异、采样数据及重建等不同过程伪影成因及伪影消除相关算法的最新技术进展, 并对近年来人工智能深度学习背景下新兴的基于深度学习及神经网络的工业CT无损检测研究与发展方向进行了总结和展望.
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doi: 10.16383/j.aas.c220768
摘要:
高炉料面形貌是反映煤气流分布和煤气利用率的关键指标, 研究高炉料面炉料堆积形状数学建模方法对实现高炉精准布料控制和“双碳”战略在钢铁行业落地具有重要意义. 针对高炉多环布料情况下料面堆积形状预测难的问题, 本文提出了一种基于炉料运动轨迹和径向移动距离的高炉料面炉料堆积形状建模方法. 首先, 提出了一种与炉料初始状态和溜槽状态相关的炉料运动轨迹建模方法, 获取炉料从节流阀至料面的炉料运动轨迹, 并确定炉料在炉喉空区的内轨迹曲线和外轨迹曲线. 然后, 基于炉料运动轨迹和初始料面形状, 以体积守恒原则为约束, 提出了一种基于炉料径向移动距离的高炉料面炉料堆积形状数学建模方法, 获取炉料在料面的堆积形状. 最后, 基于某钢铁厂2# 高炉的尺寸建立离散单元法仿真模型, 模型仿真结果验证了所提方法的准确性和有效性.
高炉料面形貌是反映煤气流分布和煤气利用率的关键指标, 研究高炉料面炉料堆积形状数学建模方法对实现高炉精准布料控制和“双碳”战略在钢铁行业落地具有重要意义. 针对高炉多环布料情况下料面堆积形状预测难的问题, 本文提出了一种基于炉料运动轨迹和径向移动距离的高炉料面炉料堆积形状建模方法. 首先, 提出了一种与炉料初始状态和溜槽状态相关的炉料运动轨迹建模方法, 获取炉料从节流阀至料面的炉料运动轨迹, 并确定炉料在炉喉空区的内轨迹曲线和外轨迹曲线. 然后, 基于炉料运动轨迹和初始料面形状, 以体积守恒原则为约束, 提出了一种基于炉料径向移动距离的高炉料面炉料堆积形状数学建模方法, 获取炉料在料面的堆积形状. 最后, 基于某钢铁厂2# 高炉的尺寸建立离散单元法仿真模型, 模型仿真结果验证了所提方法的准确性和有效性.
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doi: 10.16383/j.aas.c210963
摘要:
由于冗余驱动的存在, 冗余驱动并联机器人系统逆动力学模型存在无限组可跟踪期望轨迹的控制力矩解, 这使得机器人在运行过程中具有完成附加任务的能力. 以实现骨科机器人的安全精准操控为目的, 提出了基于变阻抗控制的冗余驱动并联机器人多目标内力优化方法. 首先, 采用支链分解法对冗余驱动并联机器人的动力学进行建模. 其次, 为实现机器人的安全操作, 设计了冗余驱动并联机器人时变阻抗控制器, 利用李雅普诺夫定理分析了系统的稳定性; 在此基础上, 以消除冗余驱动并联机器人运动过程中的传动间隙为附加任务, 提出了一种以力矩传递性能、驱动功率和控制力为优化目标的多目标融合驱动力优化方法. 最后, 通过仿真实验与对比分析, 验证了所提方法的有效性, 实现了机器人系统传动间隙的消除.
由于冗余驱动的存在, 冗余驱动并联机器人系统逆动力学模型存在无限组可跟踪期望轨迹的控制力矩解, 这使得机器人在运行过程中具有完成附加任务的能力. 以实现骨科机器人的安全精准操控为目的, 提出了基于变阻抗控制的冗余驱动并联机器人多目标内力优化方法. 首先, 采用支链分解法对冗余驱动并联机器人的动力学进行建模. 其次, 为实现机器人的安全操作, 设计了冗余驱动并联机器人时变阻抗控制器, 利用李雅普诺夫定理分析了系统的稳定性; 在此基础上, 以消除冗余驱动并联机器人运动过程中的传动间隙为附加任务, 提出了一种以力矩传递性能、驱动功率和控制力为优化目标的多目标融合驱动力优化方法. 最后, 通过仿真实验与对比分析, 验证了所提方法的有效性, 实现了机器人系统传动间隙的消除.
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doi: 10.16383/j.aas.c220204
摘要:
针对脉冲推力航天器轨道追逃博弈问题, 提出一种基于强化学习的决策方法, 实现追踪星在指定时刻抵近至逃逸星的特定区域, 其中两星都具备自主博弈能力. 首先, 充分考虑追踪星和逃逸星的燃料约束、推力约束、决策周期约束、运动范围约束等实际约束条件, 建立锥形安全接近区及追逃博弈过程的数学模型; 其次, 为了提升航天器面对不确定博弈对抗场景的自主决策能力, 以近端策略优化 (Proximal policy optimization, PPO) 算法框架为基础, 采用左右互搏的方式同时训练追踪星和逃逸星, 交替提升两星的决策能力; 在此基础上, 为了在指定时刻完成追逃任务, 提出一种终端诱导的奖励函数设计方法, 基于CW (Clohessy Wiltshire)方程预测两星在终端时刻的相对误差, 并将该预测误差引入奖励函数中, 有效引导追踪星在指定时刻进入逃逸星的安全接近区. 与现有基于当前误差设计奖励函数的方法相比, 本文方法能够有效提高追击成功率. 最后, 通过与其他学习方法仿真对比, 验证本文提出的训练方法和奖励函数设计方法的有效性和优越性.
针对脉冲推力航天器轨道追逃博弈问题, 提出一种基于强化学习的决策方法, 实现追踪星在指定时刻抵近至逃逸星的特定区域, 其中两星都具备自主博弈能力. 首先, 充分考虑追踪星和逃逸星的燃料约束、推力约束、决策周期约束、运动范围约束等实际约束条件, 建立锥形安全接近区及追逃博弈过程的数学模型; 其次, 为了提升航天器面对不确定博弈对抗场景的自主决策能力, 以近端策略优化 (Proximal policy optimization, PPO) 算法框架为基础, 采用左右互搏的方式同时训练追踪星和逃逸星, 交替提升两星的决策能力; 在此基础上, 为了在指定时刻完成追逃任务, 提出一种终端诱导的奖励函数设计方法, 基于CW (Clohessy Wiltshire)方程预测两星在终端时刻的相对误差, 并将该预测误差引入奖励函数中, 有效引导追踪星在指定时刻进入逃逸星的安全接近区. 与现有基于当前误差设计奖励函数的方法相比, 本文方法能够有效提高追击成功率. 最后, 通过与其他学习方法仿真对比, 验证本文提出的训练方法和奖励函数设计方法的有效性和优越性.
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doi: 10.16383/j.aas.c200806
摘要:
由无人机(Unmanned aerial vehicles, UAV)和地面移动机器人组成的异构机器人系统在协作执行任务时, 可以充分发挥两类机器人各自的优势. 无人机运动灵活, 但通常续航能力有限; 地面机器人载荷多, 适合作为无人机的着陆平台和移动补给站, 但运动受路网约束. 本文研究这类异构机器人系统协作路径规划问题. 为了降低完成任务的时间代价, 本文提出一种由蚁群算法和遗传算法相结合的两步法对地面机器人和无人机的路线进行解耦, 同时规划地面机器人和无人机的路线. 第1步使用蚁群算法为地面机器人搜索可行路线. 第2步对无人机的最优路径建模, 采用遗传算法求解并将无人机路径长度返回至第1步中, 用于更新路网的信息素参数, 从而实现异构协作系统路径的整体优化. 另外, 为了进一步降低无人机的飞行时间代价, 研究了无人机在其续航能力内连续完成多任务的协作路径规划问题. 最后, 通过大量仿真实验验证了所提方法的有效性.
由无人机(Unmanned aerial vehicles, UAV)和地面移动机器人组成的异构机器人系统在协作执行任务时, 可以充分发挥两类机器人各自的优势. 无人机运动灵活, 但通常续航能力有限; 地面机器人载荷多, 适合作为无人机的着陆平台和移动补给站, 但运动受路网约束. 本文研究这类异构机器人系统协作路径规划问题. 为了降低完成任务的时间代价, 本文提出一种由蚁群算法和遗传算法相结合的两步法对地面机器人和无人机的路线进行解耦, 同时规划地面机器人和无人机的路线. 第1步使用蚁群算法为地面机器人搜索可行路线. 第2步对无人机的最优路径建模, 采用遗传算法求解并将无人机路径长度返回至第1步中, 用于更新路网的信息素参数, 从而实现异构协作系统路径的整体优化. 另外, 为了进一步降低无人机的飞行时间代价, 研究了无人机在其续航能力内连续完成多任务的协作路径规划问题. 最后, 通过大量仿真实验验证了所提方法的有效性.
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doi: 10.16383/j.aas.c210524
摘要:
铁水硅含量是反映高炉冶炼过程中热状态变化的灵敏指示剂, 但无法实时在线检测, 造成铁水质量调控盲目. 为此, 提出一种基于动态注意力深度迁移网络(Attention deep transfer network, ADTNet)的高炉铁水硅含量在线预测方法. 首先, 针对传统深度网络静态建模思路无法准确描述过程变量与铁水硅含量之间的关系, 提出一种基于注意力机制模块的输入过程变量与输出硅含量之间的动态关系描述方法; 其次, 为降低硅含量预测模型训练时对标签数据的依赖, 考虑到铁水温度跟硅含量数据之间的正相关性, 利用小时级硅含量标签数据微调基于分钟级铁水温度数据预训练好的深度模型的结构, 进而提高基于动态注意力深度迁移网络的硅含量预测精度; 同时, 为了增强预测网络的可解释性, 实时给出了基于动态注意力机制模块计算的每个样本各过程变量对铁水硅含量的贡献度; 最后, 基于某钢铁厂2号高炉的工业实验, 验证了该方法的准确性、有效性和先进性.
铁水硅含量是反映高炉冶炼过程中热状态变化的灵敏指示剂, 但无法实时在线检测, 造成铁水质量调控盲目. 为此, 提出一种基于动态注意力深度迁移网络(Attention deep transfer network, ADTNet)的高炉铁水硅含量在线预测方法. 首先, 针对传统深度网络静态建模思路无法准确描述过程变量与铁水硅含量之间的关系, 提出一种基于注意力机制模块的输入过程变量与输出硅含量之间的动态关系描述方法; 其次, 为降低硅含量预测模型训练时对标签数据的依赖, 考虑到铁水温度跟硅含量数据之间的正相关性, 利用小时级硅含量标签数据微调基于分钟级铁水温度数据预训练好的深度模型的结构, 进而提高基于动态注意力深度迁移网络的硅含量预测精度; 同时, 为了增强预测网络的可解释性, 实时给出了基于动态注意力机制模块计算的每个样本各过程变量对铁水硅含量的贡献度; 最后, 基于某钢铁厂2号高炉的工业实验, 验证了该方法的准确性、有效性和先进性.
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doi: 10.16383/j.aas.c210498
摘要:
针对飞行目标机动性带来的多传感器协同探测资源调度动态性需求, 提出一种新的基于近端策略优化与全卷积神经网络结合的多传感器协同探测资源调度算法. 首先分析影响多传感器协同探测资源调度的复杂约束条件, 形成评价多传感器协同探测资源调度过程指标; 然后引入马尔科夫决策过程模拟多传感器协同探测资源调度过程, 并为提高算法稳定性, 将Adam算法与学习率衰减算法结合, 控制学习率调整步长; 最后基于改进近端策略优化与全卷积神经网络结合算法求解动态资源调度策略, 并通过对比实验表明该算法的优越性.
针对飞行目标机动性带来的多传感器协同探测资源调度动态性需求, 提出一种新的基于近端策略优化与全卷积神经网络结合的多传感器协同探测资源调度算法. 首先分析影响多传感器协同探测资源调度的复杂约束条件, 形成评价多传感器协同探测资源调度过程指标; 然后引入马尔科夫决策过程模拟多传感器协同探测资源调度过程, 并为提高算法稳定性, 将Adam算法与学习率衰减算法结合, 控制学习率调整步长; 最后基于改进近端策略优化与全卷积神经网络结合算法求解动态资源调度策略, 并通过对比实验表明该算法的优越性.
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doi: 10.16383/j.aas.c220544
摘要:
孪生网络跟踪算法在训练阶段多数采用\begin{document}$ {L_2}$\end{document} ![]()
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孪生网络跟踪算法在训练阶段多数采用
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doi: 10.16383/j.aas.c220659
摘要:
电熔镁砂生产 (Fused magnesia smelting process, FMSP)用电需量会出现先升后降的尖峰现象, 当峰值达到用电需量限幅值, 会将电熔镁炉拉闸断电. 为避免尖峰时刻的不必要拉闸需要对需量尖峰进行识别, 因此需要进行需量多步预报. 利用电熔镁砂生产过程熔化电流闭环控制系统方程建立了由线性模型和未知非线性动态系统组成的需量多步预报模型, 将系统辨识与深度学习相结合提出了端边云协同的电熔镁砂生产用电需量多步智能预报方法. 采用电熔镁砂生产过程的工业大数据的实验结果验证了所提的预报方法可以准确预报需量的变化趋势.
电熔镁砂生产 (Fused magnesia smelting process, FMSP)用电需量会出现先升后降的尖峰现象, 当峰值达到用电需量限幅值, 会将电熔镁炉拉闸断电. 为避免尖峰时刻的不必要拉闸需要对需量尖峰进行识别, 因此需要进行需量多步预报. 利用电熔镁砂生产过程熔化电流闭环控制系统方程建立了由线性模型和未知非线性动态系统组成的需量多步预报模型, 将系统辨识与深度学习相结合提出了端边云协同的电熔镁砂生产用电需量多步智能预报方法. 采用电熔镁砂生产过程的工业大数据的实验结果验证了所提的预报方法可以准确预报需量的变化趋势.
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doi: 10.16383/j.aas.c220387
摘要:
现实世界中存在很多目标函数的计算非常昂贵, 甚至目标函数难以建模的复杂优化问题. 常规优化方法在解决此类问题时要么无从入手, 要么效率低下. 离线数据驱动的进化优化方法不需对真实目标函数进行评估, 跳出了传统优化方法的固铚, 极大推动了昂贵优化问题和不可建模优化问题的求解. 但离线数据驱动进化优化的效果严重依赖于所采用代理模型的质量. 为提升离线数据驱动进化优化的性能, 提出了一个基于剪枝堆栈泛化的代理模型构建方法. 具体而言, 一方面基于异构的基学习器建立初级模型池, 再采用学习方式对各初级模型进行组合, 以提升代理模型的通用性和准确率. 另一方面基于等级保护指标对初级模型进行剪枝, 在提高初级模型集成效率的同时进一步提升最终代理模型的准确率, 并更好地指导种群的搜索. 为验证所提方法的有效性, 与7个最新的离线数据驱动的进化优化算法在12个基准测试问题上进行对比, 实验结果表明所提出的方法具有明显的优势.
现实世界中存在很多目标函数的计算非常昂贵, 甚至目标函数难以建模的复杂优化问题. 常规优化方法在解决此类问题时要么无从入手, 要么效率低下. 离线数据驱动的进化优化方法不需对真实目标函数进行评估, 跳出了传统优化方法的固铚, 极大推动了昂贵优化问题和不可建模优化问题的求解. 但离线数据驱动进化优化的效果严重依赖于所采用代理模型的质量. 为提升离线数据驱动进化优化的性能, 提出了一个基于剪枝堆栈泛化的代理模型构建方法. 具体而言, 一方面基于异构的基学习器建立初级模型池, 再采用学习方式对各初级模型进行组合, 以提升代理模型的通用性和准确率. 另一方面基于等级保护指标对初级模型进行剪枝, 在提高初级模型集成效率的同时进一步提升最终代理模型的准确率, 并更好地指导种群的搜索. 为验证所提方法的有效性, 与7个最新的离线数据驱动的进化优化算法在12个基准测试问题上进行对比, 实验结果表明所提出的方法具有明显的优势.
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doi: 10.16383/j.aas.c220227
摘要:
苛性碱溶液浓度是氧化铝生产过程中的重要运行指标, 由于苛性碱溶液的温度和浓度频繁波动, 导致目前的浓度检测仪表检测精度低, 只能采用人工化验获得苛性碱浓度值, 化验结果的严重滞后导致无法实现苛性碱浓度的自动控制, 影响氧化铝产品质量. 在分析苛性碱溶液浓度控制过程动态特性的基础上建立了由线性模型和未知非线性动态系统描述的苛性碱浓度预报模型, 将参数辨识与自适应深度学习相结合, 提出端边云协同的氧化铝生产过程苛性碱浓度智能预报方法, 并采用氧化铝生产企业的实际生产数据对本文所提方法进行应用验证. 应用结果表明, 所提的苛性碱浓度智能预报方法可以实时、准确预报苛性碱浓度, 为实现苛性碱浓度的闭环运行优化控制创造了条件.
苛性碱溶液浓度是氧化铝生产过程中的重要运行指标, 由于苛性碱溶液的温度和浓度频繁波动, 导致目前的浓度检测仪表检测精度低, 只能采用人工化验获得苛性碱浓度值, 化验结果的严重滞后导致无法实现苛性碱浓度的自动控制, 影响氧化铝产品质量. 在分析苛性碱溶液浓度控制过程动态特性的基础上建立了由线性模型和未知非线性动态系统描述的苛性碱浓度预报模型, 将参数辨识与自适应深度学习相结合, 提出端边云协同的氧化铝生产过程苛性碱浓度智能预报方法, 并采用氧化铝生产企业的实际生产数据对本文所提方法进行应用验证. 应用结果表明, 所提的苛性碱浓度智能预报方法可以实时、准确预报苛性碱浓度, 为实现苛性碱浓度的闭环运行优化控制创造了条件.
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doi: 10.16383/j.aas.c201031
摘要:
针对经验模态分解(Empirical mode decomposition, EMD)系列方法存在的模态分裂(Mode splitting, MS)问题, 提出中值互补集合经验模态分解(Median complementary ensemble EMD, MCEEMD)算法. 通过概率模型量化互补集合经验模态分解(Complementary ensemble EMD, CEEMD)的MS问题, 证明了使用中值算子替代算术平均算子对抑制MS的有效性. MCEEMD算法首先添加N对互补的白噪声至原信号中, 并经过EMD分解得到2N组固有模态函数(Intrinsic mode functions, IMFs), 然后分别对其中互补相关的IMFs两两取平均得到N组IMFs, 最后使用中值算子处理上述N组IMFs得到输出结果. 对仿真信号与实测信号的分析结果表明, 本文提出的MCEEMD方法不仅有效抑制了CEEMD的MS问题, 而且避免了单一使用中值算子的两个缺点分解完备性差和IMFs中存在毛刺现象.
针对经验模态分解(Empirical mode decomposition, EMD)系列方法存在的模态分裂(Mode splitting, MS)问题, 提出中值互补集合经验模态分解(Median complementary ensemble EMD, MCEEMD)算法. 通过概率模型量化互补集合经验模态分解(Complementary ensemble EMD, CEEMD)的MS问题, 证明了使用中值算子替代算术平均算子对抑制MS的有效性. MCEEMD算法首先添加N对互补的白噪声至原信号中, 并经过EMD分解得到2N组固有模态函数(Intrinsic mode functions, IMFs), 然后分别对其中互补相关的IMFs两两取平均得到N组IMFs, 最后使用中值算子处理上述N组IMFs得到输出结果. 对仿真信号与实测信号的分析结果表明, 本文提出的MCEEMD方法不仅有效抑制了CEEMD的MS问题, 而且避免了单一使用中值算子的两个缺点分解完备性差和IMFs中存在毛刺现象.
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doi: 10.16383/j.aas.c210467
摘要:
针对热轧带钢表面缺陷检测存在的智能化水平低、检测精度低和检测速度慢等问题, 本文提出了一种基于自适应全局定位网络(Adaptive global localization network, AGLNet)的深度学习缺陷检测算法. 首先, 引入了一种残差网络(Residual network, ResNet)与特征金字塔网络(Feature pyramid network, FPN)集成的特征提取结构, 减少缺陷语义信息在层级传递间的消失; 其次, 提出基于Tree-structure parzen estimation的自适应树型候选框提取网络(Adaptive tree-structure region proposal network, AT-RPN), 无需先验知识的测试积累, 避免了人为调参的训练模; 最后, 引入了全局定位算法(Global localization regression)算法以全局定位的模式在复杂的缺陷检测中实现缺陷更精确定位.本文实现一种快速、准确、更智能化、更适用于实际工业应用的热轧带钢表面缺陷的算法.实验结果表明, AGLNet在NEU-DET热轧带钢表面缺陷数据集上的检测速度保持在11.8fps, 平均精度达到了79.90 %, 优于目前其他深度学习带钢表面缺陷检测算法; 另外该算法还具备较强的泛化能力.
针对热轧带钢表面缺陷检测存在的智能化水平低、检测精度低和检测速度慢等问题, 本文提出了一种基于自适应全局定位网络(Adaptive global localization network, AGLNet)的深度学习缺陷检测算法. 首先, 引入了一种残差网络(Residual network, ResNet)与特征金字塔网络(Feature pyramid network, FPN)集成的特征提取结构, 减少缺陷语义信息在层级传递间的消失; 其次, 提出基于Tree-structure parzen estimation的自适应树型候选框提取网络(Adaptive tree-structure region proposal network, AT-RPN), 无需先验知识的测试积累, 避免了人为调参的训练模; 最后, 引入了全局定位算法(Global localization regression)算法以全局定位的模式在复杂的缺陷检测中实现缺陷更精确定位.本文实现一种快速、准确、更智能化、更适用于实际工业应用的热轧带钢表面缺陷的算法.实验结果表明, AGLNet在NEU-DET热轧带钢表面缺陷数据集上的检测速度保持在11.8fps, 平均精度达到了79.90 %, 优于目前其他深度学习带钢表面缺陷检测算法; 另外该算法还具备较强的泛化能力.
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doi: 10.16383/j.aas.c220230
摘要:
现有多模态机器翻译(Multi-modal machine translation, MMT)方法将图片与待翻译文本进行句子级别的语义融合. 这些方法存在视觉信息作用不明确和模型对视觉信息不敏感等问题, 并进一步造成了视觉信息与文本信息无法在翻译模型中充分融合语义的问题. 针对这些问题, 提出了一种跨模态实体重构(Cross-modal entity reconstruction, CER)方法. 区别于将完整的图片输入到翻译模型中, 该方法显式对齐文本与图像中的实体, 通过文本上下文与一种模态的实体的组合来重构另一种模态的实体, 最终达到实体级的跨模态语义融合的目的, 通过多任务学习方法将CER模型与翻译模型结合, 达到提升翻译质量的目的. 该方法在多模态翻译数据集的两个语言对上取得了最佳的翻译准确率. 进一步的分析实验表明, 该方法能够有效提升模型在翻译过程中对源端文本实体的忠实度.
现有多模态机器翻译(Multi-modal machine translation, MMT)方法将图片与待翻译文本进行句子级别的语义融合. 这些方法存在视觉信息作用不明确和模型对视觉信息不敏感等问题, 并进一步造成了视觉信息与文本信息无法在翻译模型中充分融合语义的问题. 针对这些问题, 提出了一种跨模态实体重构(Cross-modal entity reconstruction, CER)方法. 区别于将完整的图片输入到翻译模型中, 该方法显式对齐文本与图像中的实体, 通过文本上下文与一种模态的实体的组合来重构另一种模态的实体, 最终达到实体级的跨模态语义融合的目的, 通过多任务学习方法将CER模型与翻译模型结合, 达到提升翻译质量的目的. 该方法在多模态翻译数据集的两个语言对上取得了最佳的翻译准确率. 进一步的分析实验表明, 该方法能够有效提升模型在翻译过程中对源端文本实体的忠实度.
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doi: 10.16383/j.aas.c210626
摘要:
大量基于深度学习的无监督视频目标分割算法存在模型参数量与计算量较大的问题, 这显著地限制了算法在实际中的应用. 提出了基于运动引导的视频目标分割网络, 在大幅降低模型参数量与计算量的同时提升视频目标分割性能.整个模型由双流网络、运动引导模块、多尺度渐进融合模块三部分组成. 具体地, RGB图像与光流估计输入双流网络提取物体外观特征与运动特征. 然后, 运动引导模块通过局部注意力提取运动特征中的语义信息, 用于引导外观特征学习丰富的语义信息. 最后, 多尺度渐进融合模块获取双流网络的各个阶段输出的特征,将深层特征渐进地融入浅层特征, 最终提升边缘分割效果. 在三个标准数据集上进行了大量评测, 实验结果证明了该方法的优越性能.
大量基于深度学习的无监督视频目标分割算法存在模型参数量与计算量较大的问题, 这显著地限制了算法在实际中的应用. 提出了基于运动引导的视频目标分割网络, 在大幅降低模型参数量与计算量的同时提升视频目标分割性能.整个模型由双流网络、运动引导模块、多尺度渐进融合模块三部分组成. 具体地, RGB图像与光流估计输入双流网络提取物体外观特征与运动特征. 然后, 运动引导模块通过局部注意力提取运动特征中的语义信息, 用于引导外观特征学习丰富的语义信息. 最后, 多尺度渐进融合模块获取双流网络的各个阶段输出的特征,将深层特征渐进地融入浅层特征, 最终提升边缘分割效果. 在三个标准数据集上进行了大量评测, 实验结果证明了该方法的优越性能.
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doi: 10.16383/j.aas.c210664
摘要:
航母甲板在风、浪、流等因素影响下做六自由度不规则运动, 影响舰载机着舰精度. 航母甲板运动预估与补偿是自动着舰系统的重要功能之一, 也是提高舰载机着舰安全性与成功率的关键技术之一. 本文提出一种面向甲板运动预估的鲁棒学习模型, 通过基本构建单元自适应演化出复杂学习系统. 构建单元的训练采用非梯度的伪逆学习策略, 提高了训练效率, 简化了学习控制超参数调优;构建单元的架构设计采用数据驱动的策略, 简化了架构超参数调优;采用图拉普拉斯正则化方法提高了模型的鲁棒性. 通过某型航母在中等海况条件下以典型航速巡航时的仿真实验, 验证了所提方法在甲板纵摇、横摇以及垂荡运动预估问题中的有效性及鲁棒性.
航母甲板在风、浪、流等因素影响下做六自由度不规则运动, 影响舰载机着舰精度. 航母甲板运动预估与补偿是自动着舰系统的重要功能之一, 也是提高舰载机着舰安全性与成功率的关键技术之一. 本文提出一种面向甲板运动预估的鲁棒学习模型, 通过基本构建单元自适应演化出复杂学习系统. 构建单元的训练采用非梯度的伪逆学习策略, 提高了训练效率, 简化了学习控制超参数调优;构建单元的架构设计采用数据驱动的策略, 简化了架构超参数调优;采用图拉普拉斯正则化方法提高了模型的鲁棒性. 通过某型航母在中等海况条件下以典型航速巡航时的仿真实验, 验证了所提方法在甲板纵摇、横摇以及垂荡运动预估问题中的有效性及鲁棒性.
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doi: 10.16383/j.aas.c200045
摘要:
为了模拟人眼的视觉注意机制, 快速、高效地搜索和定位图像目标, 提出了一种基于循环神经网络的联合回归深度强化学习目标定位模型. 该模型将历史观测信息与当前时刻的观测信息融合并做出综合分析, 以训练智能体快速定位目标, 并联合回归器对智能体所定位的目标包围框进行精细调整. 实验结果表明, 该模型能够在少数时间步内快速、准确地定位目标.
为了模拟人眼的视觉注意机制, 快速、高效地搜索和定位图像目标, 提出了一种基于循环神经网络的联合回归深度强化学习目标定位模型. 该模型将历史观测信息与当前时刻的观测信息融合并做出综合分析, 以训练智能体快速定位目标, 并联合回归器对智能体所定位的目标包围框进行精细调整. 实验结果表明, 该模型能够在少数时间步内快速、准确地定位目标.
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doi: 10.16383/j.aas.c200267
摘要:
烧结过程的运行性能是生产效率和能源利用的综合表现. 运行性能评价是保持烧结过程的运行性能处于最优等级的前提. 考虑到时间序列数据的冗余, 提出一种基于粒度聚类的铁矿石烧结过程运行性能评价方法. 首先, 利用单因素方差分析方法选取影响运行性能等级的检测参数. 然后, 采用多粒度区间信息粒化实现检测参数时间序列数据的降维, 并进行粒度聚类, 得到聚类标签. 最后, 以聚类得到的聚类标签为输入, 利用随机森林算法进行运行性能等级评价. 利用实际钢铁企业的运行数据进行实验, 构建两个对比实验, 分别采用基于时间序列数据聚类的方法和基于时间序列特征聚类的方法. 实验表明, 该方法为有效评价烧结过程的运行性能提供了一套可行方案, 为操作人员提升烧结过程运行性能提供了有力的指导.
烧结过程的运行性能是生产效率和能源利用的综合表现. 运行性能评价是保持烧结过程的运行性能处于最优等级的前提. 考虑到时间序列数据的冗余, 提出一种基于粒度聚类的铁矿石烧结过程运行性能评价方法. 首先, 利用单因素方差分析方法选取影响运行性能等级的检测参数. 然后, 采用多粒度区间信息粒化实现检测参数时间序列数据的降维, 并进行粒度聚类, 得到聚类标签. 最后, 以聚类得到的聚类标签为输入, 利用随机森林算法进行运行性能等级评价. 利用实际钢铁企业的运行数据进行实验, 构建两个对比实验, 分别采用基于时间序列数据聚类的方法和基于时间序列特征聚类的方法. 实验表明, 该方法为有效评价烧结过程的运行性能提供了一套可行方案, 为操作人员提升烧结过程运行性能提供了有力的指导.
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doi: 10.16383/j.aas.c200578
摘要:
针对传统技术难以解决规模化混杂生产线缓冲区容量优化分配问题, 提出了一种规模化生产线递阶分解并行寻优技术, 该技术结合混杂生产线系统综合方法与分解方法的技术思想, 兼顾生产线平衡性与系统规模, 将原系统递阶分解为包含虚拟生产线在内的n + 1个子生产线系统, 通过求解子系统的最优解构造原系统的渐近最优解, 并在系统递阶建模阶段建议了一种设备模糊聚类的辅助方式; 同时, 基于混杂生产线系统综合方法也建议了一种系统渐次综合的初解改进确定方法; 并提出了一种通过构造动态步长来设计领域结构的改进型禁忌搜索算法对子系统进行并行寻优; 最后对技术算法的收敛性进行了证明. 提出的生产线递阶分解建模并行寻优技术具有一般性, 对受设备随机故障等随机事件影响的生产线尤其是规模化生产线系统其他优化、控制问题也具有借鉴、参考价值.
针对传统技术难以解决规模化混杂生产线缓冲区容量优化分配问题, 提出了一种规模化生产线递阶分解并行寻优技术, 该技术结合混杂生产线系统综合方法与分解方法的技术思想, 兼顾生产线平衡性与系统规模, 将原系统递阶分解为包含虚拟生产线在内的n + 1个子生产线系统, 通过求解子系统的最优解构造原系统的渐近最优解, 并在系统递阶建模阶段建议了一种设备模糊聚类的辅助方式; 同时, 基于混杂生产线系统综合方法也建议了一种系统渐次综合的初解改进确定方法; 并提出了一种通过构造动态步长来设计领域结构的改进型禁忌搜索算法对子系统进行并行寻优; 最后对技术算法的收敛性进行了证明. 提出的生产线递阶分解建模并行寻优技术具有一般性, 对受设备随机故障等随机事件影响的生产线尤其是规模化生产线系统其他优化、控制问题也具有借鉴、参考价值.
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doi: 10.16383/j.aas.c210646
摘要:
微型扑翼飞行器(Flapping wing micro aerial vehicle, FWMAV)因飞行效率高、质量轻、耗能低、机动性强等显著优点, 在飞行器研究和应用中占据重要地位. 目前, FWMAV姿态控制成为飞行器控制研究领域的研究热点. 针对FWMAV姿态控制问题, 基于平行智能理论框架提出了一种FWMAV抗扰动姿态控制器. 通过建立人工系统(Artificial systems, A)、计算实验(Computational experiments, C)、平行执行(Parallel execution, P)三个过程, 得到一个能够有效解决FWMAV姿态控制过程中扰动问题的控制器, 并通过理论分析和数值仿真证明了该控制器的有效性.
微型扑翼飞行器(Flapping wing micro aerial vehicle, FWMAV)因飞行效率高、质量轻、耗能低、机动性强等显著优点, 在飞行器研究和应用中占据重要地位. 目前, FWMAV姿态控制成为飞行器控制研究领域的研究热点. 针对FWMAV姿态控制问题, 基于平行智能理论框架提出了一种FWMAV抗扰动姿态控制器. 通过建立人工系统(Artificial systems, A)、计算实验(Computational experiments, C)、平行执行(Parallel execution, P)三个过程, 得到一个能够有效解决FWMAV姿态控制过程中扰动问题的控制器, 并通过理论分析和数值仿真证明了该控制器的有效性.
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doi: 10.16383/j.aas.c220115
摘要:
基于深度学习的目标检测方法是目前计算机视觉领域的热点, 在目标识别、跟踪等领域发挥了重要的作用. 随着研究的深入开展, 基于深度学习的目标检测方法主要分为有锚框的目标检测方法和无锚框的目标检测方法, 其中无锚框的目标检测方法无需预定义大量锚框, 具有更低的模型复杂度和更稳定的检测性能, 是目前目标检测领域中较前沿的方法. 在调研国内外相关文献的基础上, 梳理基于无锚框的目标检测方法及各场景下的常用数据集, 根据样本分配方式不同, 分别从基于关键点组合、中心点回归、Transformer、锚框和无锚框融合等4个方面进行整体结构分析和总结, 并结合COCO数据集上的性能指标进一步对比. 在此基础上, 介绍了无锚框目标检测方法在重叠目标、小目标和旋转目标等复杂场景情况下的应用, 聚焦目标遮挡、尺寸过小、角度多等关键问题, 综述现有方法的优缺点及难点. 最后对无锚框目标检测方法中仍存在的问题进行总结并对未来发展的应用趋势进行展望.
基于深度学习的目标检测方法是目前计算机视觉领域的热点, 在目标识别、跟踪等领域发挥了重要的作用. 随着研究的深入开展, 基于深度学习的目标检测方法主要分为有锚框的目标检测方法和无锚框的目标检测方法, 其中无锚框的目标检测方法无需预定义大量锚框, 具有更低的模型复杂度和更稳定的检测性能, 是目前目标检测领域中较前沿的方法. 在调研国内外相关文献的基础上, 梳理基于无锚框的目标检测方法及各场景下的常用数据集, 根据样本分配方式不同, 分别从基于关键点组合、中心点回归、Transformer、锚框和无锚框融合等4个方面进行整体结构分析和总结, 并结合COCO数据集上的性能指标进一步对比. 在此基础上, 介绍了无锚框目标检测方法在重叠目标、小目标和旋转目标等复杂场景情况下的应用, 聚焦目标遮挡、尺寸过小、角度多等关键问题, 综述现有方法的优缺点及难点. 最后对无锚框目标检测方法中仍存在的问题进行总结并对未来发展的应用趋势进行展望.
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doi: 10.16383/j.aas.c211207
摘要:
卷积混叠环境下的的盲源分离(Blind source separation, BSS)是一个极具挑战性和实际意义的问题. 本文在独立分量分析(Independent component analysis, ICA)框架下, 建立非负矩阵分解(Nonnegative matrix factorization, NMF)模型, 设计新的优化目标函数, 通过严格的数学理论推导, 得到新的模型参数更新规则; 并对解混叠矩阵进行标准化处理, 避免幅度歧义性问题; 在源信号的重构阶段, 通过实时更新非负矩阵分解模型参数, 避免源信号的排序歧义性问题. 实验结果验证了本文算法在分离中英文语音混叠信号、音乐混叠信号时的有效性和优越性.
卷积混叠环境下的的盲源分离(Blind source separation, BSS)是一个极具挑战性和实际意义的问题. 本文在独立分量分析(Independent component analysis, ICA)框架下, 建立非负矩阵分解(Nonnegative matrix factorization, NMF)模型, 设计新的优化目标函数, 通过严格的数学理论推导, 得到新的模型参数更新规则; 并对解混叠矩阵进行标准化处理, 避免幅度歧义性问题; 在源信号的重构阶段, 通过实时更新非负矩阵分解模型参数, 避免源信号的排序歧义性问题. 实验结果验证了本文算法在分离中英文语音混叠信号、音乐混叠信号时的有效性和优越性.
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doi: 10.16383/j.aas.c200189
摘要:
针对具有未知扰动与测量噪声的线性离散时间系统, 提出了一种传感器故障检测方法. 首先, 将传感器故障视为增广状态, 将原始系统转化为一个等效的新线性动态系统. 然后, 基于鲁棒观测器设计和极点配置方法构造了一个故障检测观测器, 使得生成的残差能够同时满足对扰动与噪声的鲁棒性和对故障的敏感性. 此外, 本文设计了一种基于椭球分析的残差评价方法, 该方法可通过判断残差是否被无故障残差椭球包含来检测故障. 最后, 通过一个二阶RC电路模型的仿真算例验证了所提出方法的有效性与优越性.
针对具有未知扰动与测量噪声的线性离散时间系统, 提出了一种传感器故障检测方法. 首先, 将传感器故障视为增广状态, 将原始系统转化为一个等效的新线性动态系统. 然后, 基于鲁棒观测器设计和极点配置方法构造了一个故障检测观测器, 使得生成的残差能够同时满足对扰动与噪声的鲁棒性和对故障的敏感性. 此外, 本文设计了一种基于椭球分析的残差评价方法, 该方法可通过判断残差是否被无故障残差椭球包含来检测故障. 最后, 通过一个二阶RC电路模型的仿真算例验证了所提出方法的有效性与优越性.
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doi: 10.16383/j.aas.c220638
摘要:
小世界神经网络具有较快的收敛速度和优越的容错性, 近年来得到广泛关注. 然而, 在网络构造过程中, 随机重连可能造成重要信息丢失, 进而导致网络精度下降. 针对该问题, 基于Watts-Strogatz (WS) 型小世界神经网络, 提出了一种基于突触巩固机制的前馈小世界神经网络(Feedforward small-world neural network based on synaptic consolidation, FSWNN-SC). 首先, 使用网络正则化方法对规则前馈神经网络进行预训练, 基于突触巩固机制, 断开网络不重要的权值连接, 保留重要的连接权值; 其次, 设计重连规则构造小世界神经网络, 在保证网络小世界属性的同时实现网络稀疏化, 并使用梯度下降算法训练网络; 最后, 通过4个UCI基准数据集和2个真实数据集进行模型性能测试, 并使用Wilcoxon符号秩检验对对比模型进行显著性差异检验. 实验结果表明: 所提出的FSWNN-SC模型在获得紧凑的网络结构的同时, 其精度显著优于规则前馈神经网络及其它WS型小世界神经网络.
小世界神经网络具有较快的收敛速度和优越的容错性, 近年来得到广泛关注. 然而, 在网络构造过程中, 随机重连可能造成重要信息丢失, 进而导致网络精度下降. 针对该问题, 基于Watts-Strogatz (WS) 型小世界神经网络, 提出了一种基于突触巩固机制的前馈小世界神经网络(Feedforward small-world neural network based on synaptic consolidation, FSWNN-SC). 首先, 使用网络正则化方法对规则前馈神经网络进行预训练, 基于突触巩固机制, 断开网络不重要的权值连接, 保留重要的连接权值; 其次, 设计重连规则构造小世界神经网络, 在保证网络小世界属性的同时实现网络稀疏化, 并使用梯度下降算法训练网络; 最后, 通过4个UCI基准数据集和2个真实数据集进行模型性能测试, 并使用Wilcoxon符号秩检验对对比模型进行显著性差异检验. 实验结果表明: 所提出的FSWNN-SC模型在获得紧凑的网络结构的同时, 其精度显著优于规则前馈神经网络及其它WS型小世界神经网络.
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doi: 10.16383/j.aas.c220531
摘要:
大规模多视图聚类旨在解决传统多视图聚类算法中计算速度慢、空间复杂度高以致无法扩展到大规模数据的问题.其中, 基于锚点的多视图聚类方法通过使用整体数据集合的锚点集构建后者对于前者的重构矩阵, 利用重构矩阵进行聚类, 有效地降低了算法的时间和空间复杂度.然而, 现有的方法忽视了锚点之间的差异, 均等地看待所有锚点, 导致聚类结果受到低质量锚点的限制.为了定位更具有判别性的锚点, 加强高质量锚点对聚类的影响, 提出了一种基于加权锚点的大规模多视图聚类算法(Multi-view Clustering With Weighted Anchors, MVC-WA).通过引入自适应锚点加权机制, 所提方法在统一框架下确定锚点的权重, 进行锚图的构建.同时, 为了增加锚点的多样性, 根据锚点之间的相似度进一步调整锚点的权重.在9个基准数据集上与现有最先进的大规模多视图聚类算法的对比实验结果验证了所提方法的高效性与有效性.
大规模多视图聚类旨在解决传统多视图聚类算法中计算速度慢、空间复杂度高以致无法扩展到大规模数据的问题.其中, 基于锚点的多视图聚类方法通过使用整体数据集合的锚点集构建后者对于前者的重构矩阵, 利用重构矩阵进行聚类, 有效地降低了算法的时间和空间复杂度.然而, 现有的方法忽视了锚点之间的差异, 均等地看待所有锚点, 导致聚类结果受到低质量锚点的限制.为了定位更具有判别性的锚点, 加强高质量锚点对聚类的影响, 提出了一种基于加权锚点的大规模多视图聚类算法(Multi-view Clustering With Weighted Anchors, MVC-WA).通过引入自适应锚点加权机制, 所提方法在统一框架下确定锚点的权重, 进行锚图的构建.同时, 为了增加锚点的多样性, 根据锚点之间的相似度进一步调整锚点的权重.在9个基准数据集上与现有最先进的大规模多视图聚类算法的对比实验结果验证了所提方法的高效性与有效性.
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doi: 10.16383/j.aas.c210921
摘要:
研究了一类存在一步随机时滞的复杂网络分布式状态估计问题, 采用伯努利随机变量刻画测量值的随机时滞情况. 基于复杂网络模型和不可靠测量值, 分别设计了复杂网络的状态预测器和分布式状态估计器, 基于杨氏不等式消除了节点之间的耦合项, 通过优化杨氏不等式引进的参数, 优化了状态预测协方差. 通过设计估计器增益, 获得了状态估计误差协方差, 同时结合预测误差协方差, 获得了状态估计误差协方差的迭代公式, 并给出了估计误差协方差稳定的充分条件. 最后, 对由小车组成的耦合系统进行数值仿真, 验证了所设计估计器的有效性.
研究了一类存在一步随机时滞的复杂网络分布式状态估计问题, 采用伯努利随机变量刻画测量值的随机时滞情况. 基于复杂网络模型和不可靠测量值, 分别设计了复杂网络的状态预测器和分布式状态估计器, 基于杨氏不等式消除了节点之间的耦合项, 通过优化杨氏不等式引进的参数, 优化了状态预测协方差. 通过设计估计器增益, 获得了状态估计误差协方差, 同时结合预测误差协方差, 获得了状态估计误差协方差的迭代公式, 并给出了估计误差协方差稳定的充分条件. 最后, 对由小车组成的耦合系统进行数值仿真, 验证了所设计估计器的有效性.
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doi: 10.16383/j.aas.c211230
摘要:
针对移动机器人视觉伺服跟踪控制问题, 提出了一种基于自适应动态规划(Adaptive dynamic programming, ADP) 的控制方法. 通过移动机器人上的相机拍摄共面特征点的当前图像、期望图像以及参考图像, 利用单应性技术得到移动机器人当前的位姿信息与期望的位姿信息(即平移量与旋转角度), 从而通过当前与期望的平移旋转之间差值得到系统的开环误差模型. 进而, 针对此系统设计最优控制器, 同时做合适的控制输入变换. 在此基础上设计一个基于ADP的视觉伺服控制方法以保证移动机器人完成轨迹跟踪任务. 为求出最优控制输入, 采用一个评价神经网络近似值函数, 通过不断学习逼近哈密顿-雅可比-贝尔曼(Hamilton-Jacobi-Bellman, HJB)方程的解. 与以往不同的是, 由于系统存在时变项, 导致HJB方程也含有时变项, 因此需要设计具有时变权值结构的神经网络近似值函数. 最终证明在所设计的控制方法作用下, 闭环系统是一致最终有界的.
针对移动机器人视觉伺服跟踪控制问题, 提出了一种基于自适应动态规划(Adaptive dynamic programming, ADP) 的控制方法. 通过移动机器人上的相机拍摄共面特征点的当前图像、期望图像以及参考图像, 利用单应性技术得到移动机器人当前的位姿信息与期望的位姿信息(即平移量与旋转角度), 从而通过当前与期望的平移旋转之间差值得到系统的开环误差模型. 进而, 针对此系统设计最优控制器, 同时做合适的控制输入变换. 在此基础上设计一个基于ADP的视觉伺服控制方法以保证移动机器人完成轨迹跟踪任务. 为求出最优控制输入, 采用一个评价神经网络近似值函数, 通过不断学习逼近哈密顿-雅可比-贝尔曼(Hamilton-Jacobi-Bellman, HJB)方程的解. 与以往不同的是, 由于系统存在时变项, 导致HJB方程也含有时变项, 因此需要设计具有时变权值结构的神经网络近似值函数. 最终证明在所设计的控制方法作用下, 闭环系统是一致最终有界的.
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doi: 10.16383/j.aas.c220344
摘要:
针对移动机器人在复杂场景中难以稳定跟随目标的问题, 提出基于改进YOLOX的移动机器人目标跟随方法, 主要包括目标检测、目标跟踪以及目标跟随三个部分. 首先, 以 YOLOX 网络为基础, 在其框架下将主干网络采用轻量化网络 MobileNetV2X, 提高复杂场景中目标检测的实时性. 然后, 通过改进的卡尔曼滤波器获取目标跟踪状态并采用数据关联进行目标匹配, 同时通过深度直方图判定目标发生遮挡后, 采用深度概率信息约束及最大后验概率进行匹配跟踪, 确保机器人在遮挡情况下稳定跟踪目标. 再采用基于视觉伺服控制的目标跟随算法, 当跟踪目标丢失时, 引入重识别特征主动搜寻目标实现目标跟随. 最后, 在公开数据集上与具有代表性的目标跟随方法进行了定性和定量实验, 同时在真实场景中完成了移动机器人目标跟随实验, 实验结果均验证了所提方法具有较好的鲁棒性和实时性.
针对移动机器人在复杂场景中难以稳定跟随目标的问题, 提出基于改进YOLOX的移动机器人目标跟随方法, 主要包括目标检测、目标跟踪以及目标跟随三个部分. 首先, 以 YOLOX 网络为基础, 在其框架下将主干网络采用轻量化网络 MobileNetV2X, 提高复杂场景中目标检测的实时性. 然后, 通过改进的卡尔曼滤波器获取目标跟踪状态并采用数据关联进行目标匹配, 同时通过深度直方图判定目标发生遮挡后, 采用深度概率信息约束及最大后验概率进行匹配跟踪, 确保机器人在遮挡情况下稳定跟踪目标. 再采用基于视觉伺服控制的目标跟随算法, 当跟踪目标丢失时, 引入重识别特征主动搜寻目标实现目标跟随. 最后, 在公开数据集上与具有代表性的目标跟随方法进行了定性和定量实验, 同时在真实场景中完成了移动机器人目标跟随实验, 实验结果均验证了所提方法具有较好的鲁棒性和实时性.
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doi: 10.16383/j.aas.c220524
摘要:
液压锚杆钻机摆角系统固有的死区、干扰和时变参数, 严重影响其动态和稳态性能. 为了解决该问题, 通过融合动态面方法、滑模方法和扩展状态观测器, 提出一种基于改进非线性扩展状态观测器的液压锚杆钻机自适应滑模摆角控制方法. 首先, 引入一种死区补偿方法, 建立了摆角系统的死区补偿模型. 其次, 为了提高系统的抗扰动能力和抑制噪声, 设计了一种改进的非线性扩展状态观测器. 此外, 构造了一种自适应滑模控制律, 这其中, 基于性能函数和动态面方法设计了一种新型的滑模面, 以提高控制精度; 随后, 设计了一种新的滑模趋近律, 以提高系统滑模响应速度和消除滑模抖振. 进一步, 分别设计了估计误差自适应律和参数自适应律以补偿扰动估计误差和抑制时变参数的影响. 最后, 通过将所提出的控制方法与8种控制方法进行比较, 验证其有效性.
液压锚杆钻机摆角系统固有的死区、干扰和时变参数, 严重影响其动态和稳态性能. 为了解决该问题, 通过融合动态面方法、滑模方法和扩展状态观测器, 提出一种基于改进非线性扩展状态观测器的液压锚杆钻机自适应滑模摆角控制方法. 首先, 引入一种死区补偿方法, 建立了摆角系统的死区补偿模型. 其次, 为了提高系统的抗扰动能力和抑制噪声, 设计了一种改进的非线性扩展状态观测器. 此外, 构造了一种自适应滑模控制律, 这其中, 基于性能函数和动态面方法设计了一种新型的滑模面, 以提高控制精度; 随后, 设计了一种新的滑模趋近律, 以提高系统滑模响应速度和消除滑模抖振. 进一步, 分别设计了估计误差自适应律和参数自适应律以补偿扰动估计误差和抑制时变参数的影响. 最后, 通过将所提出的控制方法与8种控制方法进行比较, 验证其有效性.
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doi: 10.16383/j.aas.c220065
摘要:
针对密集场景中大规模冲突导致多机器人路径规划(Multi-agent path finding, MAPF) 成功率低的问题, 引入讨价还价博弈机制并以层级协作A* (Hierarchical cooperative A*, HCA*) 算法为内核, 提出一种基于讨价还价博弈机制的改进层级协作A* (Bargaining game based improving HCA*, B-IHCA*) 算法. 首先, 在HCA*算法基础上, 对导致路径无解的冲突双方或多方进行讨价还价博弈. 由高优先级机器人先出价, 当低优先级机器人在该条件下无法求解时, 则其将不接受该出价, 并通过降约束求解方式进行还价. 再由其他冲突方对此做进一步还价, 直至各冲突方都能协调得到可接受的路径方案. 其次, 为避免原始HCA*算法由于高优先级的阻碍陷于过长或反复无效搜索状态, 在底层A*搜索环节加入了熔断机制. 通过熔断机制与讨价还价博弈相配合可在提升路径求解成功率的同时兼顾路径代价. 研究结果表明, 所提算法在密集场景大规模机器人路径规划问题上较现有算法求解成功率更高, 求解时间更短, 路径代价得到改善, 验证了算法的有效性.
针对密集场景中大规模冲突导致多机器人路径规划(Multi-agent path finding, MAPF) 成功率低的问题, 引入讨价还价博弈机制并以层级协作A* (Hierarchical cooperative A*, HCA*) 算法为内核, 提出一种基于讨价还价博弈机制的改进层级协作A* (Bargaining game based improving HCA*, B-IHCA*) 算法. 首先, 在HCA*算法基础上, 对导致路径无解的冲突双方或多方进行讨价还价博弈. 由高优先级机器人先出价, 当低优先级机器人在该条件下无法求解时, 则其将不接受该出价, 并通过降约束求解方式进行还价. 再由其他冲突方对此做进一步还价, 直至各冲突方都能协调得到可接受的路径方案. 其次, 为避免原始HCA*算法由于高优先级的阻碍陷于过长或反复无效搜索状态, 在底层A*搜索环节加入了熔断机制. 通过熔断机制与讨价还价博弈相配合可在提升路径求解成功率的同时兼顾路径代价. 研究结果表明, 所提算法在密集场景大规模机器人路径规划问题上较现有算法求解成功率更高, 求解时间更短, 路径代价得到改善, 验证了算法的有效性.
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doi: 10.16383/j.aas.c211041
摘要:
针对随机权神经网络(Random weight neural networks, RWNNs)含层节点随机生成过程可解释性不足和节点随机生成而导致的网络结构不紧致等问题, 本文提出了一种空间几何角度最大化随机增量学习模型(Stochastic incremental learning model with maximizing spatial geometry angle, SGA-SIM). 首先, 以空间几何视角深入分析随机增量学习过程, 建立了具有可解释性的空间几何角度最大化约束, 以改善隐含层节点质量, 并证明该学习模型具有无限逼近特性; 同时, 引入格雷维尔迭代法优化学习模型输出权值计算方法, 提高模型学习效率. 在真实的分类和回归数据集以及数值模拟实例上的实验结果表明, 本文所提增量学习模型在建模速度、模型精度和模型网络结构等多个方面具有明显优势.
针对随机权神经网络(Random weight neural networks, RWNNs)含层节点随机生成过程可解释性不足和节点随机生成而导致的网络结构不紧致等问题, 本文提出了一种空间几何角度最大化随机增量学习模型(Stochastic incremental learning model with maximizing spatial geometry angle, SGA-SIM). 首先, 以空间几何视角深入分析随机增量学习过程, 建立了具有可解释性的空间几何角度最大化约束, 以改善隐含层节点质量, 并证明该学习模型具有无限逼近特性; 同时, 引入格雷维尔迭代法优化学习模型输出权值计算方法, 提高模型学习效率. 在真实的分类和回归数据集以及数值模拟实例上的实验结果表明, 本文所提增量学习模型在建模速度、模型精度和模型网络结构等多个方面具有明显优势.
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doi: 10.16383/j.aas.c220341
摘要:
基于脑电(Electroencephalogram, EEG)的谎言预测技术依赖于对事件相关电位(Event-related potential, ERP)的有效解码, 当前主要采用手工设计特征进行脑电分析. 近年, 单试次脑电分类方法取得了长足进步, 其中端到端的脑电分类方法能够实现对脑电的自动特征提取和分类, 但在谎言预测中缺乏研究和应用, 同时存在无法在测谎场景下直接应用的问题. 本研究设计基于复合反应范式(Complex trial protocol, CTP)进行自我面孔信息识别任务的实验, 采集了18 名被试的脑电数据. 研究了不同端到端的单试次ERP分类方法在谎言预测中的应用, 同时针对单试次脑电解码方法无法直接实际应用的问题, 提出了一种类自举算法. 算法基于数据分布假设, 通过对比各类刺激图像被视为探针刺激时所训练模型的性能, 来推断真正的探针刺激. 实验结果表明, 在基于自我面孔信息的CTP的谎言预测中, 所提出的类自举法性能优于传统探针预测方法, 在仅使用少量脑电数据情况下, 可实现准确的谎言预测.
基于脑电(Electroencephalogram, EEG)的谎言预测技术依赖于对事件相关电位(Event-related potential, ERP)的有效解码, 当前主要采用手工设计特征进行脑电分析. 近年, 单试次脑电分类方法取得了长足进步, 其中端到端的脑电分类方法能够实现对脑电的自动特征提取和分类, 但在谎言预测中缺乏研究和应用, 同时存在无法在测谎场景下直接应用的问题. 本研究设计基于复合反应范式(Complex trial protocol, CTP)进行自我面孔信息识别任务的实验, 采集了18 名被试的脑电数据. 研究了不同端到端的单试次ERP分类方法在谎言预测中的应用, 同时针对单试次脑电解码方法无法直接实际应用的问题, 提出了一种类自举算法. 算法基于数据分布假设, 通过对比各类刺激图像被视为探针刺激时所训练模型的性能, 来推断真正的探针刺激. 实验结果表明, 在基于自我面孔信息的CTP的谎言预测中, 所提出的类自举法性能优于传统探针预测方法, 在仅使用少量脑电数据情况下, 可实现准确的谎言预测.
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doi: 10.16383/j.aas.c210518
摘要:
多模态数据间交互式任务的涌现对综合利用不同模态的知识提出了高要求, 多模态知识图谱应运而生, 其通过融合不同模态的知识来满足这类任务的需求. 然而, 现有多模态知识图谱存在图谱知识不完整的问题, 严重阻碍对信息的有效利用. 缓解此问题关键是通过实体对齐方法对图谱进行补全. 当前多模态实体对齐方法以固定权重融合多种模态信息, 在融合过程中忽略了不同模态信息贡献的差异性. 为解决上述问题, 本文设计一套自适应特征融合机制, 根据不同模态数据质量动态融合实体结构信息和视觉信息. 此外, 考虑到视觉信息质量不高、知识图谱之间的结构差异也影响实体对齐的效果, 本文分别设计提升视觉信息有效利用率的视觉特征处理模块以及缓和结构差异性的三元组筛选模块. 在多模态实体对齐任务上的实验结果表明, 本文提出的多模态实体对齐方法的性能优于当前最好的方法.
多模态数据间交互式任务的涌现对综合利用不同模态的知识提出了高要求, 多模态知识图谱应运而生, 其通过融合不同模态的知识来满足这类任务的需求. 然而, 现有多模态知识图谱存在图谱知识不完整的问题, 严重阻碍对信息的有效利用. 缓解此问题关键是通过实体对齐方法对图谱进行补全. 当前多模态实体对齐方法以固定权重融合多种模态信息, 在融合过程中忽略了不同模态信息贡献的差异性. 为解决上述问题, 本文设计一套自适应特征融合机制, 根据不同模态数据质量动态融合实体结构信息和视觉信息. 此外, 考虑到视觉信息质量不高、知识图谱之间的结构差异也影响实体对齐的效果, 本文分别设计提升视觉信息有效利用率的视觉特征处理模块以及缓和结构差异性的三元组筛选模块. 在多模态实体对齐任务上的实验结果表明, 本文提出的多模态实体对齐方法的性能优于当前最好的方法.
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doi: 10.16383/j.aas.c210783
摘要:
无人驾驶汽车行驶是连续时空的三维运动, 汽车周围的目标不可能突然消失或者出现, 因此, 对于感知层而言, 稳定可靠的多目标跟踪(Multi-object tracking, MOT)意义重大. 针对传统的目标关联和固定生存周期管理的不足, 提出了基于边界交并比(Border intersection over union, BIoU)度量的目标关联和自适应生存周期管理策略. BIoU综合了欧氏距离和交并比(Intersection over union, IoU)的优点, 提高了目标关联的精度. 自适应生存周期管理将目标轨迹置信度与生存周期相联系, 显著减少了目标丢失和误检. 在KITTI多目标跟踪数据集上的实验验证了该方法的有效性.
无人驾驶汽车行驶是连续时空的三维运动, 汽车周围的目标不可能突然消失或者出现, 因此, 对于感知层而言, 稳定可靠的多目标跟踪(Multi-object tracking, MOT)意义重大. 针对传统的目标关联和固定生存周期管理的不足, 提出了基于边界交并比(Border intersection over union, BIoU)度量的目标关联和自适应生存周期管理策略. BIoU综合了欧氏距离和交并比(Intersection over union, IoU)的优点, 提高了目标关联的精度. 自适应生存周期管理将目标轨迹置信度与生存周期相联系, 显著减少了目标丢失和误检. 在KITTI多目标跟踪数据集上的实验验证了该方法的有效性.
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doi: 10.16383/j.aas.c220371
摘要:
药物相互作用(Drug-drug interaction, DDI)是指不同药物存在抑制或促进等作用. 现有DDI预测方法往往直接利用药物分子特征表示预测DDI, 而忽略药物分子中不同原子对DDI的影响. 为此, 提出基于多层次注意力机制和消息传递神经网络的DDI预测方法. 该方法将DDI建模为通过学习基于序列表示的药物分子特征实现DDI预测的链接预测问题. 首先, 建立基于注意力机制和消息传递神经网络的原子特征网络, 结合提出的基于分子质心的位置编码, 学习不同原子及其相关联化学键的特征, 构建基于图结构的药物分子特征表示; 然后, 设计基于注意力机制的分子特征网络, 并通过监督和对比损失学习, 实现DDI预测; 最后, 通过实验证明该方法的有效性和优越性.
药物相互作用(Drug-drug interaction, DDI)是指不同药物存在抑制或促进等作用. 现有DDI预测方法往往直接利用药物分子特征表示预测DDI, 而忽略药物分子中不同原子对DDI的影响. 为此, 提出基于多层次注意力机制和消息传递神经网络的DDI预测方法. 该方法将DDI建模为通过学习基于序列表示的药物分子特征实现DDI预测的链接预测问题. 首先, 建立基于注意力机制和消息传递神经网络的原子特征网络, 结合提出的基于分子质心的位置编码, 学习不同原子及其相关联化学键的特征, 构建基于图结构的药物分子特征表示; 然后, 设计基于注意力机制的分子特征网络, 并通过监督和对比损失学习, 实现DDI预测; 最后, 通过实验证明该方法的有效性和优越性.
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doi: 10.16383/j.aas.c220312
摘要:
连续学习多个任务的能力对于通用人工智能的发展至关重要. 现有人工神经网络在单一任务上具有出色表现, 但在开放环境中依次面对不同任务时非常容易发生灾难性遗忘现象, 即联结主义模型在学习新任务时会迅速地忘记旧任务. 为了解决这个问题, 本文将随机权神经网络与生物大脑的相关工作机制联系起来, 提出了一种新的再可塑性启发的随机化网络(Metaplasticity-inspired randomized network, MRNet)用于类增量学习场景, 使得单一模型在不访问旧任务数据的情况下能够从未知的任务序列中学习与记忆融合. 首先, 以前馈方式构造了具有解析解的通用连续学习框架, 用于有效兼容新任务中出现的新类别; 然后, 基于突触可塑性设计了具备记忆功能的权值重要性矩阵, 自适应地调整网络参数以避免发生遗忘; 最后, 所提方法的有效性和高效性通过5个评价指标, 5个基准任务序列和10个比较方法在类增量学习场景中得到验证.
连续学习多个任务的能力对于通用人工智能的发展至关重要. 现有人工神经网络在单一任务上具有出色表现, 但在开放环境中依次面对不同任务时非常容易发生灾难性遗忘现象, 即联结主义模型在学习新任务时会迅速地忘记旧任务. 为了解决这个问题, 本文将随机权神经网络与生物大脑的相关工作机制联系起来, 提出了一种新的再可塑性启发的随机化网络(Metaplasticity-inspired randomized network, MRNet)用于类增量学习场景, 使得单一模型在不访问旧任务数据的情况下能够从未知的任务序列中学习与记忆融合. 首先, 以前馈方式构造了具有解析解的通用连续学习框架, 用于有效兼容新任务中出现的新类别; 然后, 基于突触可塑性设计了具备记忆功能的权值重要性矩阵, 自适应地调整网络参数以避免发生遗忘; 最后, 所提方法的有效性和高效性通过5个评价指标, 5个基准任务序列和10个比较方法在类增量学习场景中得到验证.
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doi: 10.16383/j.aas.c210808
摘要:
本文研究了一类分布式优化问题, 其目标是在满足耦合不等式约束和局部可行集约束的情况下使非光滑全局代价函数值最小. 首先, 对原有的分布式连续时间投影算法进行拓展, 结合线性代数理论分析, 我们设计一个适用于强连通加权平衡有向通信网络拓扑图的算法. 其次, 在局部代价函数和耦合不等式约束函数是非光滑凸函数的假设条件下, 利用Moreau-Yosida函数正则化使目标函数和约束函数近似光滑可微. 然后, 根据强连通加权平衡有向图的分布式连续时间投影算法构造李雅普诺夫函数, 证明该算法下的平衡解是分布式优化问题最优解, 并对算法进行收敛性分析. 最后, 通过数值仿真验证了算法的有效性.
本文研究了一类分布式优化问题, 其目标是在满足耦合不等式约束和局部可行集约束的情况下使非光滑全局代价函数值最小. 首先, 对原有的分布式连续时间投影算法进行拓展, 结合线性代数理论分析, 我们设计一个适用于强连通加权平衡有向通信网络拓扑图的算法. 其次, 在局部代价函数和耦合不等式约束函数是非光滑凸函数的假设条件下, 利用Moreau-Yosida函数正则化使目标函数和约束函数近似光滑可微. 然后, 根据强连通加权平衡有向图的分布式连续时间投影算法构造李雅普诺夫函数, 证明该算法下的平衡解是分布式优化问题最优解, 并对算法进行收敛性分析. 最后, 通过数值仿真验证了算法的有效性.
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doi: 10.16383/j.aas.c210174
摘要:
针对一类难以建立精确模型的单输入单输出(Single-input single-output, SISO) 非线性离散动态系统, 提出了一种数据驱动模型的自适应控制方法. 所提方法首先设计具有直链与增强结构的随机配置网络(Stochastic configuration network, SCN), 建立了一种可同时表征非线性系统低阶线性部分与高阶非线性项(未建模动态)的数据驱动模型, 并采用增量学习方法与监督机制, 对模型结构与模型参数进行同步更新优化, 保证了数据驱动模型的无限逼近能力, 解决了传统自适应控制采用交替辨识算法存在的建模精度低、模型收敛性无法保证的问题. 进而利用直链部分与增强部分, 分别设计了线性控制器及虚拟未建模动态补偿器, 建立了基于SCN 数据驱动模型的自适应控制新方法, 分析了其稳定性与收敛性, 通过数值仿真实验和采用交替辨识算法的传统自适应控制方法进行对比, 实验结果表明所提方法的有效性.
针对一类难以建立精确模型的单输入单输出(Single-input single-output, SISO) 非线性离散动态系统, 提出了一种数据驱动模型的自适应控制方法. 所提方法首先设计具有直链与增强结构的随机配置网络(Stochastic configuration network, SCN), 建立了一种可同时表征非线性系统低阶线性部分与高阶非线性项(未建模动态)的数据驱动模型, 并采用增量学习方法与监督机制, 对模型结构与模型参数进行同步更新优化, 保证了数据驱动模型的无限逼近能力, 解决了传统自适应控制采用交替辨识算法存在的建模精度低、模型收敛性无法保证的问题. 进而利用直链部分与增强部分, 分别设计了线性控制器及虚拟未建模动态补偿器, 建立了基于SCN 数据驱动模型的自适应控制新方法, 分析了其稳定性与收敛性, 通过数值仿真实验和采用交替辨识算法的传统自适应控制方法进行对比, 实验结果表明所提方法的有效性.
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doi: 10.16383/j.aas.c220347
摘要:
序列推荐(Sequential recommendation, SR)旨在建模用户序列中的动态兴趣, 预测下一个行为. 现有基于知识蒸馏的多模型集成方法通常将教师模型预测的概率分布作为学生模型样本学习的软标签, 不利于关注低置信度序列样本中的动态兴趣. 提出了一种同伴知识互增强下的序列推荐方法(Sequential recommendation enhanced by peer knowledge, PeerRec), 使多个具有差异的同伴网络按照人类由易到难的认知过程进行两阶段的相互学习. 在第一阶段知识蒸馏的基础上, 第二阶段的刻意训练通过动态最小组策略协调多个同伴从低置信度样本中挖掘出可被加强训练的潜在样本. 然后, 受训的网络利用同伴对潜在样本预测的概率分布调节自身对该样本学习的权重, 从解空间中探索更优的兴趣表示. 三个公开数据集上的实验结果表明, 提出的PeerRec方法相比于最新的基线方法在基于Top-k的指标上不仅获得了更佳的推荐精度, 且具有良好的在线推荐效率.
序列推荐(Sequential recommendation, SR)旨在建模用户序列中的动态兴趣, 预测下一个行为. 现有基于知识蒸馏的多模型集成方法通常将教师模型预测的概率分布作为学生模型样本学习的软标签, 不利于关注低置信度序列样本中的动态兴趣. 提出了一种同伴知识互增强下的序列推荐方法(Sequential recommendation enhanced by peer knowledge, PeerRec), 使多个具有差异的同伴网络按照人类由易到难的认知过程进行两阶段的相互学习. 在第一阶段知识蒸馏的基础上, 第二阶段的刻意训练通过动态最小组策略协调多个同伴从低置信度样本中挖掘出可被加强训练的潜在样本. 然后, 受训的网络利用同伴对潜在样本预测的概率分布调节自身对该样本学习的权重, 从解空间中探索更优的兴趣表示. 三个公开数据集上的实验结果表明, 提出的PeerRec方法相比于最新的基线方法在基于Top-k的指标上不仅获得了更佳的推荐精度, 且具有良好的在线推荐效率.
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doi: 10.16383/j.aas.c220326
摘要:
六轮野外机器人通常体积庞大, 难以建立其动力学模型. 采用传统的速度控制方法很难保证机器人的横向稳定性. 为了解决这一问题, 研究了基于分层控制策略的六轮滑移机器人横向稳定性控制问题. 首先分析整车受力情况, 建立六轮滑移机器人的动力学模型. 其次, 设计基于分层控制策略的动力学控制器, 其中上层为基于改进趋近律的滑模控制器, 实现对期望横摆角速度的跟踪; 下层为基于附着率最优的转矩分配控制器, 该控制器可以保证机器人行驶的横向稳定性. 最后, 在不同工况下进行仿真实验, 并搭建实验平台进行实物测试. 结果表明设计的控制器可以有效提高机器人的横向稳定性.
六轮野外机器人通常体积庞大, 难以建立其动力学模型. 采用传统的速度控制方法很难保证机器人的横向稳定性. 为了解决这一问题, 研究了基于分层控制策略的六轮滑移机器人横向稳定性控制问题. 首先分析整车受力情况, 建立六轮滑移机器人的动力学模型. 其次, 设计基于分层控制策略的动力学控制器, 其中上层为基于改进趋近律的滑模控制器, 实现对期望横摆角速度的跟踪; 下层为基于附着率最优的转矩分配控制器, 该控制器可以保证机器人行驶的横向稳定性. 最后, 在不同工况下进行仿真实验, 并搭建实验平台进行实物测试. 结果表明设计的控制器可以有效提高机器人的横向稳定性.
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doi: 10.16383/j.aas.c211233
摘要:
纵向联邦学习是一种新兴的分布式机器学习技术, 在保障隐私性的前提下利用分散在各个机构的数据实现机器学习模型的联合训练. 纵向联邦学习被广泛应用于工业互联网金融借贷和医疗诊断等众多领域中, 因此保证其隐私安全性具有重要意义. 本文首先针对纵向联邦学习协议中由于参与方交换的嵌入表示造成的隐私泄露风险, 研究由协作者发起的通用的属性推断攻击. 攻击者利用辅助数据和嵌入表示训练一个攻击模型, 然后利用训练完成的攻击模型窃取参与方的隐私属性. 实验结果表明: 纵向联邦学习在训练、推理阶段产生的嵌入表示容易泄露数据隐私. 为了应对上述隐私泄露风险, 进一步提出一种基于最大最小策略的纵向联邦学习隐私保护方法, 其引入梯度正则组件保证训练过程主任务的预测性能, 同时引入重构组件掩藏参与方嵌入表示中包含的隐私属性信息. 最后, 在钢板缺陷诊断工业场景的实验结果表明: 相比于没有任何防御方法的VFL, 隐私保护方法将攻击推断准确度从95%降到55%以下, 接近于随机猜测的水平, 同时主任务预测准确率仅下降2%.
纵向联邦学习是一种新兴的分布式机器学习技术, 在保障隐私性的前提下利用分散在各个机构的数据实现机器学习模型的联合训练. 纵向联邦学习被广泛应用于工业互联网金融借贷和医疗诊断等众多领域中, 因此保证其隐私安全性具有重要意义. 本文首先针对纵向联邦学习协议中由于参与方交换的嵌入表示造成的隐私泄露风险, 研究由协作者发起的通用的属性推断攻击. 攻击者利用辅助数据和嵌入表示训练一个攻击模型, 然后利用训练完成的攻击模型窃取参与方的隐私属性. 实验结果表明: 纵向联邦学习在训练、推理阶段产生的嵌入表示容易泄露数据隐私. 为了应对上述隐私泄露风险, 进一步提出一种基于最大最小策略的纵向联邦学习隐私保护方法, 其引入梯度正则组件保证训练过程主任务的预测性能, 同时引入重构组件掩藏参与方嵌入表示中包含的隐私属性信息. 最后, 在钢板缺陷诊断工业场景的实验结果表明: 相比于没有任何防御方法的VFL, 隐私保护方法将攻击推断准确度从95%降到55%以下, 接近于随机猜测的水平, 同时主任务预测准确率仅下降2%.
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doi: 10.16383/j.aas.c220090
摘要:
实际工业场景中, 需要在生产过程中收集大量测点的数据, 从而掌握生产过程运行状态. 传统的过程监测方法通常仅评估运行状态整体的异常与否, 或对运行状态进行分级评估, 这种方式并不会直接定位故障部位, 不利于故障的高效检修. 为此, 提出了一种基于全量测点估计的监测模型, 根据全量测点估计值与实际值的偏差定义监测指标, 从而实现全量测点的分别精准监测. 为了克服原有的基于工况估计的监测方法监测不全面且对测点间耦合关系建模不充分的问题, 提出了多核图卷积网络(Multi-kernel graph convolution network, MKGCN), 通过将全量传感器测点视为一张全量测点图, 显式地对测点间耦合关系进行建模, 从而实现了全量传感器测点的同步工况估计. 此外, 面向在线监测场景, 设计了基于特征逼近的自迭代方法, 从而克服了在异常情况下由于测点间强耦合导致的部分测点估计值异常的问题. 所提出的方法在电厂百万千瓦超超临界机组中引风机的实际数据上进行了验证, 结果显示, 提出的监测方法与其他典型方法相比能够更精准地检测出发生故障的测点.
实际工业场景中, 需要在生产过程中收集大量测点的数据, 从而掌握生产过程运行状态. 传统的过程监测方法通常仅评估运行状态整体的异常与否, 或对运行状态进行分级评估, 这种方式并不会直接定位故障部位, 不利于故障的高效检修. 为此, 提出了一种基于全量测点估计的监测模型, 根据全量测点估计值与实际值的偏差定义监测指标, 从而实现全量测点的分别精准监测. 为了克服原有的基于工况估计的监测方法监测不全面且对测点间耦合关系建模不充分的问题, 提出了多核图卷积网络(Multi-kernel graph convolution network, MKGCN), 通过将全量传感器测点视为一张全量测点图, 显式地对测点间耦合关系进行建模, 从而实现了全量传感器测点的同步工况估计. 此外, 面向在线监测场景, 设计了基于特征逼近的自迭代方法, 从而克服了在异常情况下由于测点间强耦合导致的部分测点估计值异常的问题. 所提出的方法在电厂百万千瓦超超临界机组中引风机的实际数据上进行了验证, 结果显示, 提出的监测方法与其他典型方法相比能够更精准地检测出发生故障的测点.
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doi: 10.16383/j.aas.c211146
摘要:
如今智能优化算法已广泛应用于工程优化中,在当前多能耦合与互补的能源发展趋势下,以仅考虑系统经济指标的单目标优化模式已经不再适用于目前区域综合能源系统的运行优化调度,需要研究一种多目标运行策略来解决区域综合能源系统的运行优化调度问题.首先综合考虑经济与能源利用两个指标并结合商业住宅区域的特性,以系统日运行收益和一次能源利用率为优化目标构建了商业住宅区域综合能源系统多目标运行优化调度模型.其次由于传统多目标智能优化算法缺乏一种最优解综合评价方法,基于非支配排序以及拥挤度计算的多目标算法框架,提出了一种利用模糊一致矩阵选取全局最优解的多目标鲸鱼优化算法(AMOWOA),并将提出算法对商住区域综合能源系统多目标运行优化调度模型进行求解.最后以华东某商业住宅区域综合能源系统为例进行仿真,验证了该方法的有效性和可行性.
如今智能优化算法已广泛应用于工程优化中,在当前多能耦合与互补的能源发展趋势下,以仅考虑系统经济指标的单目标优化模式已经不再适用于目前区域综合能源系统的运行优化调度,需要研究一种多目标运行策略来解决区域综合能源系统的运行优化调度问题.首先综合考虑经济与能源利用两个指标并结合商业住宅区域的特性,以系统日运行收益和一次能源利用率为优化目标构建了商业住宅区域综合能源系统多目标运行优化调度模型.其次由于传统多目标智能优化算法缺乏一种最优解综合评价方法,基于非支配排序以及拥挤度计算的多目标算法框架,提出了一种利用模糊一致矩阵选取全局最优解的多目标鲸鱼优化算法(AMOWOA),并将提出算法对商住区域综合能源系统多目标运行优化调度模型进行求解.最后以华东某商业住宅区域综合能源系统为例进行仿真,验证了该方法的有效性和可行性.
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doi: 10.16383/j.aas.c211163
摘要:
针对考虑外部海洋环境扰动和内部模型不确定性的多个欠驱动自主水下航行器, 研究了其在通信资源受限和机载能量受限下的协同路径跟踪控制问题. 首先, 针对水声通信信道窄造成的通信资源受限问题, 设计了一种基于事件触发机制的协同通信策略; 其次, 针对模型不确定性和海洋环境扰动问题, 设计了一种基于事件触发机制的线性扩张状态观测器来逼近水下航行器的未知动力学, 并降低了系统采样次数; 最后, 针对机载能量受限问题, 设计了一种基于事件触发机制的动力学控制律, 在保证控制精度的前提下降低了执行机构的动作频次, 从而节省了能量消耗. 应用级联系统稳定性分析方法, 分别证明了闭环系统是输入状态稳定的, 且系统不存在Zeno行为. 仿真结果验证了所提基于事件触发机制的多自主水下航行器协同路径跟踪控制方法的有效性.
针对考虑外部海洋环境扰动和内部模型不确定性的多个欠驱动自主水下航行器, 研究了其在通信资源受限和机载能量受限下的协同路径跟踪控制问题. 首先, 针对水声通信信道窄造成的通信资源受限问题, 设计了一种基于事件触发机制的协同通信策略; 其次, 针对模型不确定性和海洋环境扰动问题, 设计了一种基于事件触发机制的线性扩张状态观测器来逼近水下航行器的未知动力学, 并降低了系统采样次数; 最后, 针对机载能量受限问题, 设计了一种基于事件触发机制的动力学控制律, 在保证控制精度的前提下降低了执行机构的动作频次, 从而节省了能量消耗. 应用级联系统稳定性分析方法, 分别证明了闭环系统是输入状态稳定的, 且系统不存在Zeno行为. 仿真结果验证了所提基于事件触发机制的多自主水下航行器协同路径跟踪控制方法的有效性.
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doi: 10.16383/j.aas.c211091
摘要:
产品质量与污染排放浓度等难测参数的实时检测是实现复杂工业过程优化控制的关键因素之一. 受限于检测技术难度、高时间与经济成本等原因, 难测参数的软测量模型建模样本存在数量少、分布稀疏与不平衡等问题, 严重制约了数据驱动模型的泛化性能. 针对以上问题, 提出一种基于多目标粒子群优化混合优化的虚拟样本生成方法, 首先, 设计综合学习粒子群优化算法的种群表征机制, 使其能够同时编码用于映射模型超参数优化的连续变量和用于虚拟样本选择的离散变量; 然后, 定义具有多阶段多目标特性的综合学习粒子群优化算法适应度函数, 使其能够在确保模型泛化性能的同时最小化虚拟样本数量; 最后, 向虚拟样本生成多目标混合优化任务对综合学习粒子群优化算法进行改进, 使其能够适应虚拟样本优选过程的变维特性并提高优化过程的收敛速度. 同时, 首次借鉴度量学习的指标提出用于评价虚拟样本质量的综合评价指标和分布相似指标. 本文采用混凝土抗压强度和超导临界温度基准数据集验证了所提算法的合理性及有效性, 基于工业数据集构建了面向城市固废焚烧过程的二噁英排放浓度的软测量模型, 进一步验证了所提方法.
产品质量与污染排放浓度等难测参数的实时检测是实现复杂工业过程优化控制的关键因素之一. 受限于检测技术难度、高时间与经济成本等原因, 难测参数的软测量模型建模样本存在数量少、分布稀疏与不平衡等问题, 严重制约了数据驱动模型的泛化性能. 针对以上问题, 提出一种基于多目标粒子群优化混合优化的虚拟样本生成方法, 首先, 设计综合学习粒子群优化算法的种群表征机制, 使其能够同时编码用于映射模型超参数优化的连续变量和用于虚拟样本选择的离散变量; 然后, 定义具有多阶段多目标特性的综合学习粒子群优化算法适应度函数, 使其能够在确保模型泛化性能的同时最小化虚拟样本数量; 最后, 向虚拟样本生成多目标混合优化任务对综合学习粒子群优化算法进行改进, 使其能够适应虚拟样本优选过程的变维特性并提高优化过程的收敛速度. 同时, 首次借鉴度量学习的指标提出用于评价虚拟样本质量的综合评价指标和分布相似指标. 本文采用混凝土抗压强度和超导临界温度基准数据集验证了所提算法的合理性及有效性, 基于工业数据集构建了面向城市固废焚烧过程的二噁英排放浓度的软测量模型, 进一步验证了所提方法.
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doi: 10.16383/j.aas.c210302
摘要:
多元时间序列(Multivariate time series, MTS)分类是许多领域中的重要问题, 准确的分类结果可以有效地帮助决策. 当前的MTS分类算法在个体的表征学习阶段难以自动建模多元变量之间复杂的交互关系, 并且无法评估分类结果的可信度, 这会导致模型性能受限, 以及缺乏具备统计意义的可靠性解释. 本文提出了一种基于不确定性的多元时间序列分类算法, 变分贝叶斯共享图神经网络, 即VBSGNN (Variational Bayes shared graph neural network). 首先通过图神经网络提取多元变量之间的交互特征, 然后利用贝叶斯神经网络为预测过程引入了不确定性. 最后在10个公开MTS数据集上进行了算法实验, 并与当前提出的7类算法进行了比较, 结果表明VBSGNN可有效学习多元变量之间的交互关系, 提升了分类效果, 并使得模型具备一定的可靠性评估能力.
多元时间序列(Multivariate time series, MTS)分类是许多领域中的重要问题, 准确的分类结果可以有效地帮助决策. 当前的MTS分类算法在个体的表征学习阶段难以自动建模多元变量之间复杂的交互关系, 并且无法评估分类结果的可信度, 这会导致模型性能受限, 以及缺乏具备统计意义的可靠性解释. 本文提出了一种基于不确定性的多元时间序列分类算法, 变分贝叶斯共享图神经网络, 即VBSGNN (Variational Bayes shared graph neural network). 首先通过图神经网络提取多元变量之间的交互特征, 然后利用贝叶斯神经网络为预测过程引入了不确定性. 最后在10个公开MTS数据集上进行了算法实验, 并与当前提出的7类算法进行了比较, 结果表明VBSGNN可有效学习多元变量之间的交互关系, 提升了分类效果, 并使得模型具备一定的可靠性评估能力.
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doi: 10.16383/j.aas.c210966
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目前, 在带有视差场景的图像对齐中, 主要难点在某些无法找到足够匹配特征的区域, 这些区域称为匹配特征缺失区域. 现有算法往往忽略匹配特征缺失区域的对齐建模, 而只将有足够匹配特征区域中的部分单应变换系数(如相似性变换系数)传递给匹配特征缺失区域, 或者采用将匹配特征缺失区域转化为有足够匹配特征区域的间接方式, 因此对齐效果仍不理想. 在客观事实上, 位于相同平面的区域应该拥有相同的完整单应变换而非部分变换参数. 由此出发, 利用单应变换系数扩散的思想设计了一个二步网格优化的图像对齐算法. 该方法在第一步网格优化时获得有足够匹配特征区域的单应变换, 再基于提出的单应性扩散约束将这些单应变换系数扩散到邻域网格, 进行第二步网格优化, 在保证优化任务简洁高效的前提下实现单应变换系数的传播与图像对齐. 相较于现有的针对视差场景图像对齐算法, 所提方法在各项指标上都获得了更好的效果.
目前, 在带有视差场景的图像对齐中, 主要难点在某些无法找到足够匹配特征的区域, 这些区域称为匹配特征缺失区域. 现有算法往往忽略匹配特征缺失区域的对齐建模, 而只将有足够匹配特征区域中的部分单应变换系数(如相似性变换系数)传递给匹配特征缺失区域, 或者采用将匹配特征缺失区域转化为有足够匹配特征区域的间接方式, 因此对齐效果仍不理想. 在客观事实上, 位于相同平面的区域应该拥有相同的完整单应变换而非部分变换参数. 由此出发, 利用单应变换系数扩散的思想设计了一个二步网格优化的图像对齐算法. 该方法在第一步网格优化时获得有足够匹配特征区域的单应变换, 再基于提出的单应性扩散约束将这些单应变换系数扩散到邻域网格, 进行第二步网格优化, 在保证优化任务简洁高效的前提下实现单应变换系数的传播与图像对齐. 相较于现有的针对视差场景图像对齐算法, 所提方法在各项指标上都获得了更好的效果.
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doi: 10.16383/j.aas.c210547
摘要:
近年来, 以人机对抗为途径的智能决策技术取得了飞速发展, 人工智能技术AlphaGo、AlphaStar等分别在围棋、星际争霸等游戏环境中战胜了顶尖人类选手. 兵棋推演, 作为一种人机对抗策略验证环境, 由于其非对称环境决策、更接近真实环境的随机性与高风险决策等特点受到智能决策技术研究者的广泛关注. 通过梳理兵棋推演与目前主流人机对抗环境如围棋、德扑、星际争霸等对抗环境的区别, 阐述了兵棋推演智能决策技术的发展现状, 分析了当前主流技术的局限与瓶颈, 对兵棋推演中的智能决策技术研究进行了思考, 期望能对兵棋推演相关问题中的智能决策技术研究带来启发.
近年来, 以人机对抗为途径的智能决策技术取得了飞速发展, 人工智能技术AlphaGo、AlphaStar等分别在围棋、星际争霸等游戏环境中战胜了顶尖人类选手. 兵棋推演, 作为一种人机对抗策略验证环境, 由于其非对称环境决策、更接近真实环境的随机性与高风险决策等特点受到智能决策技术研究者的广泛关注. 通过梳理兵棋推演与目前主流人机对抗环境如围棋、德扑、星际争霸等对抗环境的区别, 阐述了兵棋推演智能决策技术的发展现状, 分析了当前主流技术的局限与瓶颈, 对兵棋推演中的智能决策技术研究进行了思考, 期望能对兵棋推演相关问题中的智能决策技术研究带来启发.
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doi: 10.16383/j.aas.c211178
摘要:
针对大数据应用中用户共享数据的访问控制由半可信云服务商实施所带来的隐私泄露、策略和访问日志易被篡改等问题, 提出一种基于区块链的策略隐藏大数据访问控制方法. 该方法采用区块链技术实施访问控制以减少对服务商的信任依赖, 引入属性基加密以及双线性映射技术去实现在不泄露访问控制策略的前提下, 通过智能合约正确执行访问控制策略; 同时, 解耦访问控制策略, 简化用户策略的发布、更新和执行; 并应用链上和链下存储相结合方式解决智能合约和访问控制策略占用区块链节点资源不断增大的问题. 最后对该方法进行了理论分析和HyperLedger Fabric环境下的实验评估, 结果表明该方法能在策略隐藏情况下有效实现访问控制, 但不会给数据拥有者、区块链节点增加过多额外计算和存储开销.
针对大数据应用中用户共享数据的访问控制由半可信云服务商实施所带来的隐私泄露、策略和访问日志易被篡改等问题, 提出一种基于区块链的策略隐藏大数据访问控制方法. 该方法采用区块链技术实施访问控制以减少对服务商的信任依赖, 引入属性基加密以及双线性映射技术去实现在不泄露访问控制策略的前提下, 通过智能合约正确执行访问控制策略; 同时, 解耦访问控制策略, 简化用户策略的发布、更新和执行; 并应用链上和链下存储相结合方式解决智能合约和访问控制策略占用区块链节点资源不断增大的问题. 最后对该方法进行了理论分析和HyperLedger Fabric环境下的实验评估, 结果表明该方法能在策略隐藏情况下有效实现访问控制, 但不会给数据拥有者、区块链节点增加过多额外计算和存储开销.
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doi: 10.16383/j.aas.c211089
摘要:
目前, 基于深度学习的超分辨算法已经取得了很好的性能. 但是这些方法通常具有较大的内存消耗和较高的计算复杂度, 很难应用到低算力或便携式设备上. 为了解决这一问题, 设计了一种轻量级的组－信息蒸馏残差网络用于快速且精确的单图像超分辨率. 具体来说, 提出一个更加有效的组－信息蒸馏模块, 作为网络特征提取基本块. 同时, 引入密集快捷连接对多个基本块进行组合, 构建组－信息蒸馏残差组, 捕获多层级信息和有效重利用特征. 另外, 还提出一个轻量的非对称残差Non-local模块对长距离依赖关系进行建模, 进一步提升超分的性能. 最后, 设计一个高频损失函数去解决像素损失带来图片细节平滑的问题. 大量的实验证明了该算法相较于其他先进方法, 可以在图像超分辨率性能和模型复杂度之间取得更好的平衡, 其在公开测试数据集B100上4倍超分速率达到56FPS, 比残差注意力网络快15倍.
目前, 基于深度学习的超分辨算法已经取得了很好的性能. 但是这些方法通常具有较大的内存消耗和较高的计算复杂度, 很难应用到低算力或便携式设备上. 为了解决这一问题, 设计了一种轻量级的组－信息蒸馏残差网络用于快速且精确的单图像超分辨率. 具体来说, 提出一个更加有效的组－信息蒸馏模块, 作为网络特征提取基本块. 同时, 引入密集快捷连接对多个基本块进行组合, 构建组－信息蒸馏残差组, 捕获多层级信息和有效重利用特征. 另外, 还提出一个轻量的非对称残差Non-local模块对长距离依赖关系进行建模, 进一步提升超分的性能. 最后, 设计一个高频损失函数去解决像素损失带来图片细节平滑的问题. 大量的实验证明了该算法相较于其他先进方法, 可以在图像超分辨率性能和模型复杂度之间取得更好的平衡, 其在公开测试数据集B100上4倍超分速率达到56FPS, 比残差注意力网络快15倍.
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doi: 10.16383/j.aas.c210951
摘要:
组合设备是半导体晶圆制造的核心装备, 其调度与控制优化是半导体制造领域极具挑战性的课题. Petri网因其强大的建模能力和简约的图形化表达优势, 被广泛地应用于组合设备的建模与调度. 对基于Petri网的组合设备建模与调度方法进行综述, 归纳总结了组合设备的结构类型、晶圆流程模式、调度策略及Petri网建模方法, 并系统阐述组合设备的七类典型调度问题, 包括驻留时间约束、作业时间波动、晶圆重入加工、多品种晶圆加工、加工模块故障、加工模块清洗和组合设备群. 最后讨论了当前组合设备调度存在的挑战及后续可能的研究方向.
组合设备是半导体晶圆制造的核心装备, 其调度与控制优化是半导体制造领域极具挑战性的课题. Petri网因其强大的建模能力和简约的图形化表达优势, 被广泛地应用于组合设备的建模与调度. 对基于Petri网的组合设备建模与调度方法进行综述, 归纳总结了组合设备的结构类型、晶圆流程模式、调度策略及Petri网建模方法, 并系统阐述组合设备的七类典型调度问题, 包括驻留时间约束、作业时间波动、晶圆重入加工、多品种晶圆加工、加工模块故障、加工模块清洗和组合设备群. 最后讨论了当前组合设备调度存在的挑战及后续可能的研究方向.
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doi: 10.16383/j.aas.c211244
摘要:
分布式电力市场交易模式可以有效缓解传统集中模式下市场主体的隐私安全等问题, 但难以在保障市场主体收益和电力系统安全稳定运行的同时实现社会福利最大化. 因此, 考虑电网线路传输约束, 首先以社会福利最大化为目标构建了集中式交易模型, 并采用拉格朗日乘子法和对偶理论将其等价分解为各市场主体自身利益最大化的分布式交易模型. 在此基础上, 设计了两种适用于不同场景的分布式交易方法, 并构造电网安全成本影响市场主体的决策, 从而保证电网线路传输安全. 最后, 基于算例分析验证了两种方法的有效性.
分布式电力市场交易模式可以有效缓解传统集中模式下市场主体的隐私安全等问题, 但难以在保障市场主体收益和电力系统安全稳定运行的同时实现社会福利最大化. 因此, 考虑电网线路传输约束, 首先以社会福利最大化为目标构建了集中式交易模型, 并采用拉格朗日乘子法和对偶理论将其等价分解为各市场主体自身利益最大化的分布式交易模型. 在此基础上, 设计了两种适用于不同场景的分布式交易方法, 并构造电网安全成本影响市场主体的决策, 从而保证电网线路传输安全. 最后, 基于算例分析验证了两种方法的有效性.
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doi: 10.16383/j.aas.c210916
摘要:
对于连续弱测量过程存在高斯噪声的情况, 基于在线交替方向乘子法推导出一种适用于n比特随机量子系统实时状态估计的算法QSE-OADM; 运用李雅普诺夫方法设计控制律, 实现基于实时量子状态估计的反馈控制, 并证明所提控制律的收敛性. 以2比特随机量子系统为例进行数值仿真实验, 通过与基于QST-OADM算法和OPG-ADMM算法的实时量子状态估计及其反馈控制方案的性能对比, 显示出所提控制方案的优越性.
对于连续弱测量过程存在高斯噪声的情况, 基于在线交替方向乘子法推导出一种适用于n比特随机量子系统实时状态估计的算法QSE-OADM; 运用李雅普诺夫方法设计控制律, 实现基于实时量子状态估计的反馈控制, 并证明所提控制律的收敛性. 以2比特随机量子系统为例进行数值仿真实验, 通过与基于QST-OADM算法和OPG-ADMM算法的实时量子状态估计及其反馈控制方案的性能对比, 显示出所提控制方案的优越性.
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doi: 10.16383/j.aas.c210979
摘要:
长距离带式输送机是矿山、港口等领域运输散装物料的主要工具. 针对长距离带式输送机的安全节能运行问题, 本文研究数字孪生驱动的运行优化方法. 首先, 构建由数字孪生模型、模型同步算法、控制策略和现实带式输送机组成的数字孪生驱动运行优化框架; 然后, 建立数字孪生模型, 包括基于变质量牛顿第二定律和有限元分析法的输送带动力学模型、物料流动态模型和动态能耗模型; 最后, 提出数字孪生驱动的计算决策−仿真评估−优化校正优化决策方法, 优化带式输送机的稳态和暂态运行带速, 形成可行带速设定曲线. 实验表明, 数字孪生驱动的带式输送机运行优化方法可以实现带式输送机安全节能运行. 与传统控制方法相比, 能够根据运行工况实时调速, 提高输送带填充率, 节能13.87%.
长距离带式输送机是矿山、港口等领域运输散装物料的主要工具. 针对长距离带式输送机的安全节能运行问题, 本文研究数字孪生驱动的运行优化方法. 首先, 构建由数字孪生模型、模型同步算法、控制策略和现实带式输送机组成的数字孪生驱动运行优化框架; 然后, 建立数字孪生模型, 包括基于变质量牛顿第二定律和有限元分析法的输送带动力学模型、物料流动态模型和动态能耗模型; 最后, 提出数字孪生驱动的计算决策−仿真评估−优化校正优化决策方法, 优化带式输送机的稳态和暂态运行带速, 形成可行带速设定曲线. 实验表明, 数字孪生驱动的带式输送机运行优化方法可以实现带式输送机安全节能运行. 与传统控制方法相比, 能够根据运行工况实时调速, 提高输送带填充率, 节能13.87%.
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doi: 10.16383/j.aas.c211235
摘要:
针对一类存在周期性扰动的系统, 提出了一种新型的基于广义PI观测器零点配置的抗扰残差评估框架, 充分利用了广义PI观测器的零点可配置性, 通过调整传递函数矩阵在阻塞零点处的相位响应并利用该频点处矩阵的零特征向量对残差信号进行滤波, 实现了残差信号与周期性扰动的解耦. 此外, 还创新性地提出了一种基于矩阵条件数的优化目标函数, 改善了残差信号对故障的敏感性. 最后, 通过两轮自平衡小车的仿真对比实验和实物测试, 验证了所提方法在残差抑扰和故障检测方面的有效性.
针对一类存在周期性扰动的系统, 提出了一种新型的基于广义PI观测器零点配置的抗扰残差评估框架, 充分利用了广义PI观测器的零点可配置性, 通过调整传递函数矩阵在阻塞零点处的相位响应并利用该频点处矩阵的零特征向量对残差信号进行滤波, 实现了残差信号与周期性扰动的解耦. 此外, 还创新性地提出了一种基于矩阵条件数的优化目标函数, 改善了残差信号对故障的敏感性. 最后, 通过两轮自平衡小车的仿真对比实验和实物测试, 验证了所提方法在残差抑扰和故障检测方面的有效性.
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doi: 10.16383/j.aas.c201018
摘要:
近些年, 联邦学习由于能够打破数据壁垒, 实现孤岛数据价值变现, 受到了工业界和学术界的广泛关注. 然而, 在实际工程应用中, 联邦学习存在着数据隐私泄露和模型性能损失的问题. 对此, 首先对这两个问题进行了数学描述与分析. 然后, 提出了一种自适应模型聚合方案, 该方案能够设定各参与者的mini-batch值和自适应调整全局模型聚合间隔, 旨在保证模型精度的同时, 提高联邦学习训练效率. 并且, 混沌系统被首次引入联邦学习领域中, 用于构建一种基于混沌系统和同态加密的混合隐私保护方案, 从而进一步提升系统的隐私保护水平. 理论分析与实验结果表明, 提出的联邦学习算法能够保证参与者的数据隐私安全. 并且, 在非独立同分布数据的场景下, 该算法够在保证模型精度的前提下提高训练效率, 降低系统通信成本, 具备实际工业场景应用的可行性.
近些年, 联邦学习由于能够打破数据壁垒, 实现孤岛数据价值变现, 受到了工业界和学术界的广泛关注. 然而, 在实际工程应用中, 联邦学习存在着数据隐私泄露和模型性能损失的问题. 对此, 首先对这两个问题进行了数学描述与分析. 然后, 提出了一种自适应模型聚合方案, 该方案能够设定各参与者的mini-batch值和自适应调整全局模型聚合间隔, 旨在保证模型精度的同时, 提高联邦学习训练效率. 并且, 混沌系统被首次引入联邦学习领域中, 用于构建一种基于混沌系统和同态加密的混合隐私保护方案, 从而进一步提升系统的隐私保护水平. 理论分析与实验结果表明, 提出的联邦学习算法能够保证参与者的数据隐私安全. 并且, 在非独立同分布数据的场景下, 该算法够在保证模型精度的前提下提高训练效率, 降低系统通信成本, 具备实际工业场景应用的可行性.
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doi: 10.16383/j.aas.c211134
摘要:
在社会网络中, Hegselmann-Krause模型描述了置信阈值内不同邻居对个体的观点影响权重都是相同的, 且邻居对个体的吸引力与他们的观点差值成正比, 这是不切实际的. 为了克服经典Hegselmann-Krause模型的不足, 提出了具有类万有引力的有界置信观点动力学模型, 描述个体观点的更新依赖于观点之间的差值和邻居的权威性, 且不同邻居对个体的观点影响权重不同. 根据置信矩阵的性质证明观点的收敛性, 并分析具有衰减置信阈值的观点动力学行为, 给出观点收敛速率的显式解. 最后, 利用本文提出的观点动力学模型研究社会心理学中的“权威效应”和“非零和效应”. 仿真分析表明, 邻居的权威性有利于观点达成一致.
在社会网络中, Hegselmann-Krause模型描述了置信阈值内不同邻居对个体的观点影响权重都是相同的, 且邻居对个体的吸引力与他们的观点差值成正比, 这是不切实际的. 为了克服经典Hegselmann-Krause模型的不足, 提出了具有类万有引力的有界置信观点动力学模型, 描述个体观点的更新依赖于观点之间的差值和邻居的权威性, 且不同邻居对个体的观点影响权重不同. 根据置信矩阵的性质证明观点的收敛性, 并分析具有衰减置信阈值的观点动力学行为, 给出观点收敛速率的显式解. 最后, 利用本文提出的观点动力学模型研究社会心理学中的“权威效应”和“非零和效应”. 仿真分析表明, 邻居的权威性有利于观点达成一致.
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doi: 10.16383/j.aas.c211195
摘要:
针对轴承全寿命周期数据获取困难、训练样本少的问题, 提出一种基于关系网络的轴承剩余使用寿命(Remaining useful life,RUL)预测方法. 关系网络是一种基于度量的元学习方法, 在少量训练样本下, 具有快速学习新任务的优点. 设计了一种基于关系网络的轴承健康评估模型, 利用关系网络的嵌入模块提取轴承状态特征, 利用关系模块度量轴承状态特征之间的相似性, 基于相似性构建轴承健康指标;对健康指标进行Savitzky-golay滤波平滑处理, 降低振荡对预测结果的影响;最后利用线性函数对健康指标进行拟合, 得到轴承RUL预测值. 为验证所提方法的有效性, 在PHM2012轴承实测数据集上进行实验. 结果表明所得健康指标能够反映轴承的退化趋势, 所得RUL预测结果与ConvLSTM、Transformer、RNN、LSTM、Attention mechanism方法相比, 误差百分比分别减少了1.68%、3.41%、9.03%、13.72%、30.49%. 方法在少量训练样本的基础上可以取得较好的预测结果, 具有一定的应用价值.
针对轴承全寿命周期数据获取困难、训练样本少的问题, 提出一种基于关系网络的轴承剩余使用寿命(Remaining useful life,RUL)预测方法. 关系网络是一种基于度量的元学习方法, 在少量训练样本下, 具有快速学习新任务的优点. 设计了一种基于关系网络的轴承健康评估模型, 利用关系网络的嵌入模块提取轴承状态特征, 利用关系模块度量轴承状态特征之间的相似性, 基于相似性构建轴承健康指标;对健康指标进行Savitzky-golay滤波平滑处理, 降低振荡对预测结果的影响;最后利用线性函数对健康指标进行拟合, 得到轴承RUL预测值. 为验证所提方法的有效性, 在PHM2012轴承实测数据集上进行实验. 结果表明所得健康指标能够反映轴承的退化趋势, 所得RUL预测结果与ConvLSTM、Transformer、RNN、LSTM、Attention mechanism方法相比, 误差百分比分别减少了1.68%、3.41%、9.03%、13.72%、30.49%. 方法在少量训练样本的基础上可以取得较好的预测结果, 具有一定的应用价值.
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doi: 10.16383/j.aas.c211123
摘要:
针对有扰动的一阶非线性多智能体系统在切换拓扑下的实际固定时间平均一致性问题, 提出了基于动态事件触发机制的固定时间一致性协议. 该一致性协议在节约更多资源的情况下, 使多智能体系统以更快的速度达到一致. 相对于有限时间一致性控制算法, 固定时间一致性控制算法的收敛时间不依赖于初始状态, 并且可以通过选择合适的控制器参数设定相应的收敛时间上界. 通过设计一个包含双曲正切函数的测量误差, 证明系统不存在Zeno行为. 由于内部动态变量的引入, 大量不必要的触发被取消, 从而节省能量损耗. 最后, 通过仿真实验验证算法的可行性和有效性.
针对有扰动的一阶非线性多智能体系统在切换拓扑下的实际固定时间平均一致性问题, 提出了基于动态事件触发机制的固定时间一致性协议. 该一致性协议在节约更多资源的情况下, 使多智能体系统以更快的速度达到一致. 相对于有限时间一致性控制算法, 固定时间一致性控制算法的收敛时间不依赖于初始状态, 并且可以通过选择合适的控制器参数设定相应的收敛时间上界. 通过设计一个包含双曲正切函数的测量误差, 证明系统不存在Zeno行为. 由于内部动态变量的引入, 大量不必要的触发被取消, 从而节省能量损耗. 最后, 通过仿真实验验证算法的可行性和有效性.
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doi: 10.16383/j.aas.c210577
摘要:
现有大多数用于识别候选疾病基因的随机游走方法通常优先访问高度连接的基因, 而可能与已知疾病有关的不知名或连接性差的基因易被忽略或难
现有大多数用于识别候选疾病基因的随机游走方法通常优先访问高度连接的基因, 而可能与已知疾病有关的不知名或连接性差的基因易被忽略或难