2009年 第35卷 第10期
2009, 35(10): 1257-1271.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2009.01257
摘要:
非负稀疏编码(Nonnegative sparse coding, NSC)已成功应用在很多领域的研究中. 目前使用的NSC算法通过梯度投影法和基于辅助函数的乘性更新法相结合来实现, 其性能受迭代步长的影响很大, 且效率较低. 为增强NSC的可应用性, 本文通过对一组凸超抛物面函数做交替最小化来实现NSC, 并依据凸超抛物面特性、点到非负数集合的投影规则以及点到原点处单位超球的投影规则构造了一个无用户定义优化参数的稳定高效的NSC算法---SENSC. 从数学角度, 文中推断了SENSC比现有算法高效且它的解优于当前算法的解, 证明了它的稳定性和收敛性. 实验验证了上述理论推断的正确, 说明了SENSC调节编码稀疏性的能力比已有算法更强.
非负稀疏编码(Nonnegative sparse coding, NSC)已成功应用在很多领域的研究中. 目前使用的NSC算法通过梯度投影法和基于辅助函数的乘性更新法相结合来实现, 其性能受迭代步长的影响很大, 且效率较低. 为增强NSC的可应用性, 本文通过对一组凸超抛物面函数做交替最小化来实现NSC, 并依据凸超抛物面特性、点到非负数集合的投影规则以及点到原点处单位超球的投影规则构造了一个无用户定义优化参数的稳定高效的NSC算法---SENSC. 从数学角度, 文中推断了SENSC比现有算法高效且它的解优于当前算法的解, 证明了它的稳定性和收敛性. 实验验证了上述理论推断的正确, 说明了SENSC调节编码稀疏性的能力比已有算法更强.
2009, 35(10): 1272-1277.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2009.01272
摘要:
针对机械故障诊断领域对反映设备运行状态的图像识别困难以及选择和提取敏感特征困难的问题, 将基于图像的机械设备运行状态判别问题当作图像的识别问题来处理, 提出使用稀疏性非负矩阵分解(Sparse non-negative matrix factorization, SNMF)和支持向量机(Support vector machine, SVM)对时频图像进行识别进而判断机器运行状态, 从而避免特征的选择和提取. 稀疏性非负矩阵分解在对时频图像进行大规模压缩的同时, 能够很好地保留图像的隐含特征, 从而大大减少自动识别时频图像的计算复杂度, 并有效地提高支持向量机的识别精度. 此外, 本文还对影响识别率的稀疏性非负矩阵分解的各参数进行了讨论. 实验结果表明, 该方法对时频处理方法依赖性低, 在大多数情况下都能获得较传统方法高的识别率.
针对机械故障诊断领域对反映设备运行状态的图像识别困难以及选择和提取敏感特征困难的问题, 将基于图像的机械设备运行状态判别问题当作图像的识别问题来处理, 提出使用稀疏性非负矩阵分解(Sparse non-negative matrix factorization, SNMF)和支持向量机(Support vector machine, SVM)对时频图像进行识别进而判断机器运行状态, 从而避免特征的选择和提取. 稀疏性非负矩阵分解在对时频图像进行大规模压缩的同时, 能够很好地保留图像的隐含特征, 从而大大减少自动识别时频图像的计算复杂度, 并有效地提高支持向量机的识别精度. 此外, 本文还对影响识别率的稀疏性非负矩阵分解的各参数进行了讨论. 实验结果表明, 该方法对时频处理方法依赖性低, 在大多数情况下都能获得较传统方法高的识别率.
2009, 35(10): 1278-1282.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2009.01278
摘要:
为了更有效地利用小波矩不变量算法来快速无损地计算图像特征值, 提出了一种融合Mallat算法的无损采样的新型小波矩不变量算法. 在此基础之上, 结合傅里叶变换的原理及特点, 提出了基于频率幅值谱与小波矩不变量的特征提取方法. 并将改进的小波矩不变量算法与传统使用三次B样条矩的小波矩、Hu矩进行了比较. 实验表明, 改进的小波矩不变量在比传统小波矩不变量算法性能几乎没有损失的情况下, 大大加快了小波矩不变量的计算速度, 并且基于频率幅值谱的小波矩有更强的抗噪性.
为了更有效地利用小波矩不变量算法来快速无损地计算图像特征值, 提出了一种融合Mallat算法的无损采样的新型小波矩不变量算法. 在此基础之上, 结合傅里叶变换的原理及特点, 提出了基于频率幅值谱与小波矩不变量的特征提取方法. 并将改进的小波矩不变量算法与传统使用三次B样条矩的小波矩、Hu矩进行了比较. 实验表明, 改进的小波矩不变量在比传统小波矩不变量算法性能几乎没有损失的情况下, 大大加快了小波矩不变量的计算速度, 并且基于频率幅值谱的小波矩有更强的抗噪性.
2009, 35(10): 1283-1289.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2009.01283
摘要:
提出了基于梯度方向直方图特征的多核跟踪算法, 对跟踪过程中的光线变化和部分遮挡具有较强的鲁棒性. 该算法将目标分块, 分别提取出每块的核函数加权的梯度方向直方图特征. 目标模型和候选目标模型的相似度用所有块直方图间的Bhattacharyya系数之和进行度量, 目标的跟踪通过Mean shift算法最大化两者的相似度实现. 对车辆、人体等多个目标的跟踪验证了本文提出算法的有效性.
提出了基于梯度方向直方图特征的多核跟踪算法, 对跟踪过程中的光线变化和部分遮挡具有较强的鲁棒性. 该算法将目标分块, 分别提取出每块的核函数加权的梯度方向直方图特征. 目标模型和候选目标模型的相似度用所有块直方图间的Bhattacharyya系数之和进行度量, 目标的跟踪通过Mean shift算法最大化两者的相似度实现. 对车辆、人体等多个目标的跟踪验证了本文提出算法的有效性.
2009, 35(10): 1290-1295.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2009.01290
摘要:
讨论了一类具有恶化效应和学习效应的单机成组调度问题, 其中工件的加工时间为开工时间和组内工序的函数. 通过对问题性质的分析以及多项式时间算法的描述, 得出如下结论: 在单机成组调度问题中, 即便工件的加工时间同时受恶化效应和学习效应的制约, 极小化完工时间问题以及极小化总资源消耗的问题仍是多项式时间可解的.
讨论了一类具有恶化效应和学习效应的单机成组调度问题, 其中工件的加工时间为开工时间和组内工序的函数. 通过对问题性质的分析以及多项式时间算法的描述, 得出如下结论: 在单机成组调度问题中, 即便工件的加工时间同时受恶化效应和学习效应的制约, 极小化完工时间问题以及极小化总资源消耗的问题仍是多项式时间可解的.
2009, 35(10): 1296-1301.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2009.01296
摘要:
相容性技术是求解约束满足问题的重要手段. 本文针对目前已有相容性算法的单值传播特点, 提出多值传播理论, 证明出k次单值传播与一次多值传播的等价性, 在此基础上, 给出多值传播的弧相容定理. 将该定理与目前流行的Singleton弧相容技术结合, 得到多值传播算法SAC-MP, 并证明其完备性和正确性. 通过对随机问题、N皇后、鸽巢问题及基准用例的测试表明, 算法SAC-MP的执行效率是已有算法SAC-SDS和SAC-3的2～3倍.
相容性技术是求解约束满足问题的重要手段. 本文针对目前已有相容性算法的单值传播特点, 提出多值传播理论, 证明出k次单值传播与一次多值传播的等价性, 在此基础上, 给出多值传播的弧相容定理. 将该定理与目前流行的Singleton弧相容技术结合, 得到多值传播算法SAC-MP, 并证明其完备性和正确性. 通过对随机问题、N皇后、鸽巢问题及基准用例的测试表明, 算法SAC-MP的执行效率是已有算法SAC-SDS和SAC-3的2～3倍.
2009, 35(10): 1302-1309.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2009.01302
摘要:
Error criteria (or error cost functions) play significant roles in statistical estimation problems. In this paper, we study error criteria from the viewpoint of information theory. The relationships between error criteria and error's entropy criterion are investigated. It is shown that an error criterion is equivalent to the error's entropy criterion plus a Kullback-Leibler information divergence (KL-divergence). Based on this result, two important properties of the error criteria are proved. Particularly, the optimum error criterion can be interpreted via the meanings of entropy and KL-divergence. Furthermore, a novel approach is proposed for the choice of p-power error criteria, in which a KL-divergence based cost is minimized. The proposed method is verified by Monte Carlo simulation experiments.
Error criteria (or error cost functions) play significant roles in statistical estimation problems. In this paper, we study error criteria from the viewpoint of information theory. The relationships between error criteria and error's entropy criterion are investigated. It is shown that an error criterion is equivalent to the error's entropy criterion plus a Kullback-Leibler information divergence (KL-divergence). Based on this result, two important properties of the error criteria are proved. Particularly, the optimum error criterion can be interpreted via the meanings of entropy and KL-divergence. Furthermore, a novel approach is proposed for the choice of p-power error criteria, in which a KL-divergence based cost is minimized. The proposed method is verified by Monte Carlo simulation experiments.
2009, 35(10): 1310-1316.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2009.01310
摘要:
基于矩阵理论和信息分配原理导出集中卡尔曼滤波、分散化滤波和联邦滤波之间的解析关系, 证明联邦滤波只有当其主滤波器和局部滤波器的维数都相同时, 其全局滤波才是最优的, 并用信号流图直观清晰地说明联邦滤波较分散化滤波结构更简单, 计算量小. 当联邦滤波的主滤波器和局部滤波器的维数不相同时, 只能得到次优解. 文中提出一种广义联邦滤波器的结构, 按信息分配原理重置其一步预测状态误差信息阵和一步预测状态, 获得全局滤波次优解, 并进一步利用全局滤波次优解作为观测量, 反馈修正其一步预测状态得到全局滤波最优解. 文中对最优反馈增益矩阵进行了数学推导, 从理论上证明其滤波结果同集中卡尔曼滤波是等价的, 并通过一个双SINS/GPS组合导航系统的仿真实验结果验证了算法的有效性.
基于矩阵理论和信息分配原理导出集中卡尔曼滤波、分散化滤波和联邦滤波之间的解析关系, 证明联邦滤波只有当其主滤波器和局部滤波器的维数都相同时, 其全局滤波才是最优的, 并用信号流图直观清晰地说明联邦滤波较分散化滤波结构更简单, 计算量小. 当联邦滤波的主滤波器和局部滤波器的维数不相同时, 只能得到次优解. 文中提出一种广义联邦滤波器的结构, 按信息分配原理重置其一步预测状态误差信息阵和一步预测状态, 获得全局滤波次优解, 并进一步利用全局滤波次优解作为观测量, 反馈修正其一步预测状态得到全局滤波最优解. 文中对最优反馈增益矩阵进行了数学推导, 从理论上证明其滤波结果同集中卡尔曼滤波是等价的, 并通过一个双SINS/GPS组合导航系统的仿真实验结果验证了算法的有效性.
2009, 35(10): 1317-1326.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2009.01317
摘要:
基于短语的模型是目前发展相对成熟的一种统计机器翻译(Statistical machine translation, SMT)模型. 但基于短语的模型不包含任何结构信息, 因而缺乏有效的全局调序能力, 同时不能对非连续短语进行建模. 基于句法的模型因具有结构信息而具有解决以上问题的潜力, 因而越来越受到研究者们的重视. 然而现有的大多数基于句法的模型都因严格的句法限制而制约了模型的描述能力. 为突破这种限制并将 基于短语的模型的优点融入到句法模型中, 本文提出一种基于同步树序列替换文法(Synchronous tree sequence substitution grammar, STSSG)的统计机器翻译模型. 在此模型中, 树序列被用作为基本的翻译单元. 在这种框架下, 不满足句法限制的翻译等价对和满足句法限制的翻译等价对都可以融入句法信息并被翻译模型所使用. 从而, 两种模型的优点均得到充分利用. 在2005年度美国国家标准与技术研究所(NIST)举办的机器翻译评比的中文翻译任务语料上的实验表明, 本文提出的模型显著地超过了两个基准系统: 基于短语的翻译系统Moses和一个基于严格树结构的句法翻译模型.
基于短语的模型是目前发展相对成熟的一种统计机器翻译(Statistical machine translation, SMT)模型. 但基于短语的模型不包含任何结构信息, 因而缺乏有效的全局调序能力, 同时不能对非连续短语进行建模. 基于句法的模型因具有结构信息而具有解决以上问题的潜力, 因而越来越受到研究者们的重视. 然而现有的大多数基于句法的模型都因严格的句法限制而制约了模型的描述能力. 为突破这种限制并将 基于短语的模型的优点融入到句法模型中, 本文提出一种基于同步树序列替换文法(Synchronous tree sequence substitution grammar, STSSG)的统计机器翻译模型. 在此模型中, 树序列被用作为基本的翻译单元. 在这种框架下, 不满足句法限制的翻译等价对和满足句法限制的翻译等价对都可以融入句法信息并被翻译模型所使用. 从而, 两种模型的优点均得到充分利用. 在2005年度美国国家标准与技术研究所(NIST)举办的机器翻译评比的中文翻译任务语料上的实验表明, 本文提出的模型显著地超过了两个基准系统: 基于短语的翻译系统Moses和一个基于严格树结构的句法翻译模型.
2009, 35(10): 1327-1333.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2009.01327
摘要:
机器人对气味烟羽的可靠跟踪是实现气味源定位的关键. 本文主要针对实际时变流场环境中的机器人跟踪气味烟羽问题进行研究. 文中在机器人测得气味时估计气味包的最大可能路径, 在此基础上结合流向信息, 规划搜寻路径并使机器人沿此路径运动以跟踪气味烟羽. 考虑到气味浓度场的时变特性以及可能存在的基本浓度, 采用浓度相对变化量表征气味信息. 室内时变流场环境实验表明, 使用本文所提方法的机器人可实时、有效地跟踪烟羽并趋向气味源.
机器人对气味烟羽的可靠跟踪是实现气味源定位的关键. 本文主要针对实际时变流场环境中的机器人跟踪气味烟羽问题进行研究. 文中在机器人测得气味时估计气味包的最大可能路径, 在此基础上结合流向信息, 规划搜寻路径并使机器人沿此路径运动以跟踪气味烟羽. 考虑到气味浓度场的时变特性以及可能存在的基本浓度, 采用浓度相对变化量表征气味信息. 室内时变流场环境实验表明, 使用本文所提方法的机器人可实时、有效地跟踪烟羽并趋向气味源.
2009, 35(10): 1334-1340.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2009.01334
摘要:
针对文本分类中的规则抽取问题, 提出一种基于多种群协同优化的文本分类规则抽取方法. 该方法利用信息熵生成初始种群, 采用多种群协同优化方法演化当前种群. 多种群协同优化方法通过种群之间的相互竞争和良种共享机制提高优化方法的效率. 实验结果表明, 本文提出的文本分类规则抽取方法所抽取规则的数量少, 准确率高, 平均长度短; 同时, 本文方法所用的计算时间少, 抽取分类规则的速度快, 适用于大规模数据集.
针对文本分类中的规则抽取问题, 提出一种基于多种群协同优化的文本分类规则抽取方法. 该方法利用信息熵生成初始种群, 采用多种群协同优化方法演化当前种群. 多种群协同优化方法通过种群之间的相互竞争和良种共享机制提高优化方法的效率. 实验结果表明, 本文提出的文本分类规则抽取方法所抽取规则的数量少, 准确率高, 平均长度短; 同时, 本文方法所用的计算时间少, 抽取分类规则的速度快, 适用于大规模数据集.
2009, 35(10): 1341-1346.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2009.01341
摘要:
基于分段二次Lyapunov函数为离散分段仿射系统提出了一种基于观测器的控制律. 考虑的主要问题是原系统当前所在作用域未知, 且无法根据测量输出推断. 通过将凸多面体作用域用椭球体外逼近, 并将矩阵等式约束用奇异值分解技术予以处理, 所提控制方法能够被转化为线性矩阵不等式(LMI)描述, 比现有的只能转化为双线性矩阵不等式的方法更容易求解. 最后, 将所提方法应用到混沌系统控制.
基于分段二次Lyapunov函数为离散分段仿射系统提出了一种基于观测器的控制律. 考虑的主要问题是原系统当前所在作用域未知, 且无法根据测量输出推断. 通过将凸多面体作用域用椭球体外逼近, 并将矩阵等式约束用奇异值分解技术予以处理, 所提控制方法能够被转化为线性矩阵不等式(LMI)描述, 比现有的只能转化为双线性矩阵不等式的方法更容易求解. 最后, 将所提方法应用到混沌系统控制.
2009, 35(10): 1347-1351.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2009.01347
摘要:
针对一类具有非线性不确定离散非线性系统设计了可靠H∞滤波器. 设计的结果使得滤波误差系统在标称状态及具有传感器失效状态时不仅是渐进稳定的, 而且满足给定的H∞范数约束. 采用Lyapunov稳定性理论和线性矩阵不等式技术给出了滤波器存在的充分条件. 而且, 为了减少设计的保守性及得到更好的性能, 我们利用松弛变量来解耦Lyapunov矩阵及系统动态矩阵. 数值仿真例子说明设计方法的有效性.
针对一类具有非线性不确定离散非线性系统设计了可靠H∞滤波器. 设计的结果使得滤波误差系统在标称状态及具有传感器失效状态时不仅是渐进稳定的, 而且满足给定的H∞范数约束. 采用Lyapunov稳定性理论和线性矩阵不等式技术给出了滤波器存在的充分条件. 而且, 为了减少设计的保守性及得到更好的性能, 我们利用松弛变量来解耦Lyapunov矩阵及系统动态矩阵. 数值仿真例子说明设计方法的有效性.
2009, 35(10): 1352-1356.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2009.01352
摘要:
提出一种具有鲁棒性能的自适应最优PI控制器, 它首先基于控制回路在正常运行操作中产生的过程输入和输出信号, 通过信号分解和频域分析在线辨识出过程对象在重要频率点的频率特性, 然后计算出可同时满足鲁棒性能指标λ和最小负载扰动特性的最优PI控制器参数, 同时控制性能可以很方便地根据实际需要通过改变鲁棒性能指标λ来调节. PI控制器的自适应过程不需要过程对象和控制器的任何先验知识, 也不需要中断控制回路的正常运行, 仿真实验表明了自适应控制器的有效性和可行性.
提出一种具有鲁棒性能的自适应最优PI控制器, 它首先基于控制回路在正常运行操作中产生的过程输入和输出信号, 通过信号分解和频域分析在线辨识出过程对象在重要频率点的频率特性, 然后计算出可同时满足鲁棒性能指标λ和最小负载扰动特性的最优PI控制器参数, 同时控制性能可以很方便地根据实际需要通过改变鲁棒性能指标λ来调节. PI控制器的自适应过程不需要过程对象和控制器的任何先验知识, 也不需要中断控制回路的正常运行, 仿真实验表明了自适应控制器的有效性和可行性.
2009, 35(10): 1356-1361.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2009.01356
摘要:
以单刀具垂直切削加工系统为研究对象, 引入了变进给量控制方法, 建立了具有Markov跳跃参数的时变时滞跳跃系统模型. 通过对系统的随机稳定性分析, 给出了使系统呈均方意义下指数稳定的充分条件, 同时研究了在系统参数矩阵和状态转移率非精确可知情形下的鲁棒稳定性条件, 并讨论了时变时滞参数对系统状态变量指数衰减速率的影响关系. 最后以仿真算例说明了本文所提方案的有效性.
以单刀具垂直切削加工系统为研究对象, 引入了变进给量控制方法, 建立了具有Markov跳跃参数的时变时滞跳跃系统模型. 通过对系统的随机稳定性分析, 给出了使系统呈均方意义下指数稳定的充分条件, 同时研究了在系统参数矩阵和状态转移率非精确可知情形下的鲁棒稳定性条件, 并讨论了时变时滞参数对系统状态变量指数衰减速率的影响关系. 最后以仿真算例说明了本文所提方案的有效性.
2009, 35(10): 1362-1368.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2009.01362
摘要:
工业过程运行控制的目的是实现反映过程整体运行性能的工艺指标. 将常规解耦内模控制(Internal model control, IMC)进行推广, 提出了优化过程运行的解耦IMC方法. 通过对广义解耦内模控制器的设计获得了具有高维解耦能力、鲁棒稳定性和抗干扰能力强的回路设定模型. 该模型能够响应系统的各种不确定性和干扰, 对回路设定值进行调整, 通过控制回路的输出跟踪调整后的设定值, 从而实现期望的工艺指标. 磨矿回路运行的解耦IMC设计实例及仿真验证了所提方法的有效性.
工业过程运行控制的目的是实现反映过程整体运行性能的工艺指标. 将常规解耦内模控制(Internal model control, IMC)进行推广, 提出了优化过程运行的解耦IMC方法. 通过对广义解耦内模控制器的设计获得了具有高维解耦能力、鲁棒稳定性和抗干扰能力强的回路设定模型. 该模型能够响应系统的各种不确定性和干扰, 对回路设定值进行调整, 通过控制回路的输出跟踪调整后的设定值, 从而实现期望的工艺指标. 磨矿回路运行的解耦IMC设计实例及仿真验证了所提方法的有效性.
