2013年 第39卷 第4期
2013, 39(4): 293-302.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2013.00293
摘要:
本文简述平行控制的理念、概念及基本方法与应用, 主要强调虚实互动的平行扩展方式与同时计算的并行划分方式的不同之处. 平行控制方法是ACP理论在控制领域中的具体应用, 其核心是利用人工系统进行建模和表示、通过计算实验进行分析和评估、最后借助平行执行实现对复杂系统的控制和管理. 这一控制方法是反馈控制, 特别是自适应控制方法向复杂系统问题扩展的自然结果, 是一种迈向数据驱动控制和计算控制的必然且有效途径.
本文简述平行控制的理念、概念及基本方法与应用, 主要强调虚实互动的平行扩展方式与同时计算的并行划分方式的不同之处. 平行控制方法是ACP理论在控制领域中的具体应用, 其核心是利用人工系统进行建模和表示、通过计算实验进行分析和评估、最后借助平行执行实现对复杂系统的控制和管理. 这一控制方法是反馈控制, 特别是自适应控制方法向复杂系统问题扩展的自然结果, 是一种迈向数据驱动控制和计算控制的必然且有效途径.
2013, 39(4): 303-311.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2013.00303
摘要:
自适应动态规划(Adaptive dynamic programming, ADP)是最优控制领域新兴起的一种近似最优方法, 是当前国际最优化领域的研究热点. ADP方法 利用函数近似结构来近似哈密顿--雅可比--贝尔曼(Hamilton-Jacobi-Bellman, HJB)方程的解, 采用离线迭代或者在线更新的方法, 来获得系统的近似最优控制策略, 从而能够有效地解决非线性系统的优化控制问题. 本文按照ADP的结构变化、算法的发展和应用三个方面介绍ADP方法. 对目前ADP方法的研究成果加以总结, 并对这 一研究领域仍需解决的问题和未来的发展方向作了进一步的展望.
自适应动态规划(Adaptive dynamic programming, ADP)是最优控制领域新兴起的一种近似最优方法, 是当前国际最优化领域的研究热点. ADP方法 利用函数近似结构来近似哈密顿--雅可比--贝尔曼(Hamilton-Jacobi-Bellman, HJB)方程的解, 采用离线迭代或者在线更新的方法, 来获得系统的近似最优控制策略, 从而能够有效地解决非线性系统的优化控制问题. 本文按照ADP的结构变化、算法的发展和应用三个方面介绍ADP方法. 对目前ADP方法的研究成果加以总结, 并对这 一研究领域仍需解决的问题和未来的发展方向作了进一步的展望.
2013, 39(4): 312-321.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2013.00312
摘要:
以漫谈的方式讨论复杂动态网络环境下传统控制理论所遇到的一些新问题与新挑战. 具体地, 本文首先介绍现代网络科学与工程的背景, 然后讨论复杂动态网络的牵制控制、有向复杂网络的能控性以及"网络的网络"的 建模与控制等三个方面的相关科学研究问题.
以漫谈的方式讨论复杂动态网络环境下传统控制理论所遇到的一些新问题与新挑战. 具体地, 本文首先介绍现代网络科学与工程的背景, 然后讨论复杂动态网络的牵制控制、有向复杂网络的能控性以及"网络的网络"的 建模与控制等三个方面的相关科学研究问题.
2013, 39(4): 322-346.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2013.00322
摘要:
汽车控制技术是推动汽车工业可持续发展的重要保障. 在全球汽车行业竞争日益激烈 的背景下, 如何通过理论与方法的创新, 提高我国汽车控制系统的自主研发能力, 完成从消费大国 向制造强国的过渡是我们目前面临的重大挑战. 本文主要围绕汽车动力总成系统、主动安全系统及新能源汽车中的关键控制问题展开论述, 总结国内外的研究状况, 提炼共性问题, 对汽车控制的发展趋势给出了一些观点.
汽车控制技术是推动汽车工业可持续发展的重要保障. 在全球汽车行业竞争日益激烈 的背景下, 如何通过理论与方法的创新, 提高我国汽车控制系统的自主研发能力, 完成从消费大国 向制造强国的过渡是我们目前面临的重大挑战. 本文主要围绕汽车动力总成系统、主动安全系统及新能源汽车中的关键控制问题展开论述, 总结国内外的研究状况, 提炼共性问题, 对汽车控制的发展趋势给出了一些观点.
2013, 39(4): 347-359.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2013.00347
摘要:
航路规划是一种多约束多目标非线性优化问题. 对反舰导弹航路规划 (Anti-ship missile path planning, ASMPP) 问题及其方法的研究进展进行了综述. 1) 论述了反舰导弹航路规划问题领域的研究现状, 包括 反舰导弹航路规划相关名词术语的统一和规范、 对问题的界定及其定义、反舰导弹航路规划的特点; 2) 分析了反舰导弹航路规划问题模型的研究进展; 3) 分析了反舰导弹航路规划方法的研究进展, 包括 基于几何学原理的航路规划方法和基于智能优 化算法的航路规划方法; 4) 对多平台反舰导弹协同航路规划方法的研究进展进行了分析和总结; 5) 阐述了反舰导弹航路规划面临的关键问题及发展趋势.
航路规划是一种多约束多目标非线性优化问题. 对反舰导弹航路规划 (Anti-ship missile path planning, ASMPP) 问题及其方法的研究进展进行了综述. 1) 论述了反舰导弹航路规划问题领域的研究现状, 包括 反舰导弹航路规划相关名词术语的统一和规范、 对问题的界定及其定义、反舰导弹航路规划的特点; 2) 分析了反舰导弹航路规划问题模型的研究进展; 3) 分析了反舰导弹航路规划方法的研究进展, 包括 基于几何学原理的航路规划方法和基于智能优 化算法的航路规划方法; 4) 对多平台反舰导弹协同航路规划方法的研究进展进行了分析和总结; 5) 阐述了反舰导弹航路规划面临的关键问题及发展趋势.
2013, 39(4): 360-370.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2013.00360
摘要:
针对时间无卷积的二能级Non-Markovian开放量子系统, 分别研究了环境截断频率、耦合系数和系统振荡频率对系统衰减系数、相干性和纯度的影响, 并根据不同数值对系统性能影响的分析结果来确定合适的系统仿真实验的参数; 基于李雅普诺夫稳定性定理设计了用于系统状态转移的控制场; 在Matlab环境下进行了系统数值仿真实验,研究了Non-Markovian系统自由演化轨迹的特性, 以及在所设计的控制器作用下纯态到纯态的状态转移,并通过性能对比实验, 验证了所提出的量子李雅普诺夫控制方法应用于Non-Markovian系统状态转移的有效性, 同时分析了控制参数、截断频率参数对控制系统性能的影响.
针对时间无卷积的二能级Non-Markovian开放量子系统, 分别研究了环境截断频率、耦合系数和系统振荡频率对系统衰减系数、相干性和纯度的影响, 并根据不同数值对系统性能影响的分析结果来确定合适的系统仿真实验的参数; 基于李雅普诺夫稳定性定理设计了用于系统状态转移的控制场; 在Matlab环境下进行了系统数值仿真实验,研究了Non-Markovian系统自由演化轨迹的特性, 以及在所设计的控制器作用下纯态到纯态的状态转移,并通过性能对比实验, 验证了所提出的量子李雅普诺夫控制方法应用于Non-Markovian系统状态转移的有效性, 同时分析了控制参数、截断频率参数对控制系统性能的影响.
2013, 39(4): 371-380.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2013.00371
摘要:
道路检测是智能车辆及先进驾驶辅助系统(Advanced driver assistance systems, ADAS) 研究的关键问题之一.本文提出了一种基于立体视觉的可行驶道路区域与非道路区域间边界的检测方法. 该方法基于立体视觉平面单应性建立了一个隐马尔科夫模型(Hidden Markov model, HMM).针对该模型,我们应用Viterbi算法,并提出了一种巧妙的状态序列的观测概率函数,以寻找道路/非道路边界的最优状态序列. 实验结果证明了该方法在各种典型且复杂的实际道路场景中的有效性和鲁棒性.
道路检测是智能车辆及先进驾驶辅助系统(Advanced driver assistance systems, ADAS) 研究的关键问题之一.本文提出了一种基于立体视觉的可行驶道路区域与非道路区域间边界的检测方法. 该方法基于立体视觉平面单应性建立了一个隐马尔科夫模型(Hidden Markov model, HMM).针对该模型,我们应用Viterbi算法,并提出了一种巧妙的状态序列的观测概率函数,以寻找道路/非道路边界的最优状态序列. 实验结果证明了该方法在各种典型且复杂的实际道路场景中的有效性和鲁棒性.
2013, 39(4): 381-389.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2013.00381
摘要:
根据粒子群优化（Particle swarm optimization, PSO)算法的差分模型定义粒子状态序列和群体状态序列, 并分析其马尔科夫性质, 证明了粒子及种群的最优状态集的封闭性, 以及计算粒子一步转移概率; 进一步基于全概率公式和马氏链的性质, 推导了群体状态转到最优状态集的转移概率; 根据该转移概率, 对PSO算法的惯性权重ω和加速度因子c进行了讨论和解释, 研究了算法早熟收敛和发散等问题, 最后分析表明标准PSO算法以一定概率收敛到全局最优.
根据粒子群优化（Particle swarm optimization, PSO)算法的差分模型定义粒子状态序列和群体状态序列, 并分析其马尔科夫性质, 证明了粒子及种群的最优状态集的封闭性, 以及计算粒子一步转移概率; 进一步基于全概率公式和马氏链的性质, 推导了群体状态转到最优状态集的转移概率; 根据该转移概率, 对PSO算法的惯性权重ω和加速度因子c进行了讨论和解释, 研究了算法早熟收敛和发散等问题, 最后分析表明标准PSO算法以一定概率收敛到全局最优.
2013, 39(4): 390-399.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2013.00390
摘要:
针对二人零和随机非线性微分对策问题, 利用统计线性化技术并提出一种新的逼近策略控制方法. 通过求解具有统计线性化参数的Riccati微分方程得到逼近控制策略, 该Riccati微分方程与一般线性系统的Riccati微分方程具有明显的区别; 同时对控制量受约束情形的控制策略也进行了求解; 最后通过仿真验证了所得结论的正确性.
针对二人零和随机非线性微分对策问题, 利用统计线性化技术并提出一种新的逼近策略控制方法. 通过求解具有统计线性化参数的Riccati微分方程得到逼近控制策略, 该Riccati微分方程与一般线性系统的Riccati微分方程具有明显的区别; 同时对控制量受约束情形的控制策略也进行了求解; 最后通过仿真验证了所得结论的正确性.
2013, 39(4): 400-406.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2013.00400
摘要:
针对周期已知情形下的离散周期时变系统, 提出一种自适应重复控制方法, 参数估计采用带死区修正的重复学习投影算法. 关键技术引理在分析离散自适应控制系统时起到了关键作用, 通过推广这一引理, 文中给出重复域关键技术引理, 用于证明离散自适应重复控制系统的稳定性和收敛性. 理论分析表明, 系统的输入和输出信号均有界; 且当周期数趋于足够大时, 跟踪误差收敛于一邻域中, 其半径为干扰的界. 在直线电机实验装置上的应用结果验证了 所提出重复控制方法的有效性.
针对周期已知情形下的离散周期时变系统, 提出一种自适应重复控制方法, 参数估计采用带死区修正的重复学习投影算法. 关键技术引理在分析离散自适应控制系统时起到了关键作用, 通过推广这一引理, 文中给出重复域关键技术引理, 用于证明离散自适应重复控制系统的稳定性和收敛性. 理论分析表明, 系统的输入和输出信号均有界; 且当周期数趋于足够大时, 跟踪误差收敛于一邻域中, 其半径为干扰的界. 在直线电机实验装置上的应用结果验证了 所提出重复控制方法的有效性.
2013, 39(4): 407-417.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2013.00407
摘要:
提出了一种新型图像缩放算法, 由自适应锐化滤波器和双三次插值组成.锐化滤波器减轻了双三次插值产生的模糊效应, 自适应技术进一步提升了图像缩放质量. 为了减少运算量, 提出前置滤波和后置滤波技术.与其他几种算法相比较, 本文的算法在主观和客观评价方面都明显胜出. 为了实现实时低成本设计, 提出了一种该算法的流水线超大规模集成电路 (Very large scale integration, VLSI)架构. 在现场可编程逻辑器件 (Field-programmable gate array, FPGA)上实现, 占用695个逻辑单元(Logic elements, LEs), 时钟频率达到165MHz, 减少了36.8%逻辑单元, 图像质量平均峰值信噪比 (Peak signal-to-noise ratio, PSNR)提升了1.5dB.
提出了一种新型图像缩放算法, 由自适应锐化滤波器和双三次插值组成.锐化滤波器减轻了双三次插值产生的模糊效应, 自适应技术进一步提升了图像缩放质量. 为了减少运算量, 提出前置滤波和后置滤波技术.与其他几种算法相比较, 本文的算法在主观和客观评价方面都明显胜出. 为了实现实时低成本设计, 提出了一种该算法的流水线超大规模集成电路 (Very large scale integration, VLSI)架构. 在现场可编程逻辑器件 (Field-programmable gate array, FPGA)上实现, 占用695个逻辑单元(Logic elements, LEs), 时钟频率达到165MHz, 减少了36.8%逻辑单元, 图像质量平均峰值信噪比 (Peak signal-to-noise ratio, PSNR)提升了1.5dB.
2013, 39(4): 418-423.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2013.00418
摘要:
盲图像复原过程中,图像质量评价至关重要. 通过分析重构图像质量与其总变分值之间的关系, 提出了用于图像复原的一种基于总变分(Total bounded variation, TBV)的图像质量评估方法, 并构建关系模型, 证明了原始清晰图像的总变分值在所有模糊图像中具有极大值, 且在所有重构图像的变分值中具有极小值. 通过分析, 得出结论: 当总变分取极值时, 基于所提度量方法, 可以获得更好的盲图像重构效果. 最后, 比较了原始清晰图像、模糊图像和重构图像之间的变分值, 计算机仿真验证了该方法的有效性和准确性.
盲图像复原过程中,图像质量评价至关重要. 通过分析重构图像质量与其总变分值之间的关系, 提出了用于图像复原的一种基于总变分(Total bounded variation, TBV)的图像质量评估方法, 并构建关系模型, 证明了原始清晰图像的总变分值在所有模糊图像中具有极大值, 且在所有重构图像的变分值中具有极小值. 通过分析, 得出结论: 当总变分取极值时, 基于所提度量方法, 可以获得更好的盲图像重构效果. 最后, 比较了原始清晰图像、模糊图像和重构图像之间的变分值, 计算机仿真验证了该方法的有效性和准确性.
2013, 39(4): 424-432.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2013.00424
摘要:
车辆路径与调度问题 (Vehicle routing and scheduling problem, VRSP)是制造系统自动化和商业服务系统优化调度要解决的重要问题, 常常以路径最短或成本(时间)最小为 优化目标. 在强制性碳排放政策的影响下, 如何通过路径优化与调度实现系统的节能减排, 已经成为管理者一个优化控制的目标. 本文 建立了针对接送机场服务中以最小碳排放量为目标的车次分配与调度问 题的0-1混合整数规划模型, 采用了改进的基于时间和地域划分的极线扫描算法. 重点通过不同类型、规模测试实例, 分别从测试实例的 顾客点位置分布、顾客规模以及车辆容量大小、满意度水平分析了对人均 碳排放的影响程度, 对现实接送机场服务运作中车辆配置和设置服务水平提供了有价值的建议.
车辆路径与调度问题 (Vehicle routing and scheduling problem, VRSP)是制造系统自动化和商业服务系统优化调度要解决的重要问题, 常常以路径最短或成本(时间)最小为 优化目标. 在强制性碳排放政策的影响下, 如何通过路径优化与调度实现系统的节能减排, 已经成为管理者一个优化控制的目标. 本文 建立了针对接送机场服务中以最小碳排放量为目标的车次分配与调度问 题的0-1混合整数规划模型, 采用了改进的基于时间和地域划分的极线扫描算法. 重点通过不同类型、规模测试实例, 分别从测试实例的 顾客点位置分布、顾客规模以及车辆容量大小、满意度水平分析了对人均 碳排放的影响程度, 对现实接送机场服务运作中车辆配置和设置服务水平提供了有价值的建议.
2013, 39(4): 433-439.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2013.00433
摘要:
针对无轴承异步电机非线性、多变量、强耦合的特点,提出一种基于神经网络 α阶逆系统方法的非线性内模控制策略.将用动态神经网络逼近的无轴承异步电机 α阶逆模型与原系统复合,将非线性的无轴承异步电机原系统解耦成转子径向位移、转 速和转子磁链四个独立的伪线性子系统.为了保证 系统的鲁棒性,对伪线性系统引入内模控制,仿真和实验研究验证了所提控制方法的有效性.
针对无轴承异步电机非线性、多变量、强耦合的特点,提出一种基于神经网络 α阶逆系统方法的非线性内模控制策略.将用动态神经网络逼近的无轴承异步电机 α阶逆模型与原系统复合,将非线性的无轴承异步电机原系统解耦成转子径向位移、转 速和转子磁链四个独立的伪线性子系统.为了保证 系统的鲁棒性,对伪线性系统引入内模控制,仿真和实验研究验证了所提控制方法的有效性.
2013, 39(4): 440-449.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2013.00440
摘要:
目前国际上对动态优化问题中的状态变量路径约束已有一些研究,但专门处理控制变量路径约束的方法却鲜见报道. 本文首先介绍两种分别基于三角函数变换、约束算子截断来处理控制变量路径约束的方法,然后提出一种基于光滑化的二次罚函数方法. 光滑化罚函数方法不仅能够处理控制变量路径约束,而且还能同时处理关于状态变量的路径约束. 最后使用目前流行的控制变量参数化 (Control variable parameterization, CVP)策略对最终获得的、不再含控制变量路径约束的动态优化问题求解. 实例测试一展现了三种方法各自的特点;实例测试二表明了光滑罚函数方法的有效性和优越性.
目前国际上对动态优化问题中的状态变量路径约束已有一些研究,但专门处理控制变量路径约束的方法却鲜见报道. 本文首先介绍两种分别基于三角函数变换、约束算子截断来处理控制变量路径约束的方法,然后提出一种基于光滑化的二次罚函数方法. 光滑化罚函数方法不仅能够处理控制变量路径约束,而且还能同时处理关于状态变量的路径约束. 最后使用目前流行的控制变量参数化 (Control variable parameterization, CVP)策略对最终获得的、不再含控制变量路径约束的动态优化问题求解. 实例测试一展现了三种方法各自的特点;实例测试二表明了光滑罚函数方法的有效性和优越性.
2013, 39(4): 450-454.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2013.00450
摘要:
在模式识别领域,投票策略是非常有效的,而且已被成功应用到人脸检测、识别等领域. 然而,在手写汉字识别 (Handwritten Chinese character recognition, HCCR)中,由于类别集很大、训练样本少等特点,现有的很多分类器集成方法方法都很难直接应用于此领域. 本文提出一种自产生式投票的方法,该方法通过事先学习得到的参数集产生一个测试集合,然后用一个分类器去识别 测试集合中的每个样本,得到属于各个类别的概率,最后通过加权投票得到识别结果. 实验结果表明,本文提出的方法是实用和有效的.
在模式识别领域,投票策略是非常有效的,而且已被成功应用到人脸检测、识别等领域. 然而,在手写汉字识别 (Handwritten Chinese character recognition, HCCR)中,由于类别集很大、训练样本少等特点,现有的很多分类器集成方法方法都很难直接应用于此领域. 本文提出一种自产生式投票的方法,该方法通过事先学习得到的参数集产生一个测试集合,然后用一个分类器去识别 测试集合中的每个样本,得到属于各个类别的概率,最后通过加权投票得到识别结果. 实验结果表明,本文提出的方法是实用和有效的.
2013, 39(4): 454-460.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2013.00454
摘要:
针对多级异构无线传感器网络(Wireless sensor networks, WSNs)路由问题,提出一种高效动态聚簇策略(Efficient and dynamic clustering scheme, EDCS). EDCS在给定多级异构网络环境下, 结合考虑理想状态的平均能量预测和历史能耗参考值估计下轮平均网 络剩余能量, 决定节点当选簇头的概率, 以此指导整个簇头选举过程. 同时在簇形成过程中引入类万有引力思想, 以引力 大小确定非簇头节点加盟哪个簇. 仿真实验结果验证EDCS的有效性, 且比LEACH, SEP, DEEC和EDFCM更适合应用 于多级异构无线传感器网络.
针对多级异构无线传感器网络(Wireless sensor networks, WSNs)路由问题,提出一种高效动态聚簇策略(Efficient and dynamic clustering scheme, EDCS). EDCS在给定多级异构网络环境下, 结合考虑理想状态的平均能量预测和历史能耗参考值估计下轮平均网 络剩余能量, 决定节点当选簇头的概率, 以此指导整个簇头选举过程. 同时在簇形成过程中引入类万有引力思想, 以引力 大小确定非簇头节点加盟哪个簇. 仿真实验结果验证EDCS的有效性, 且比LEACH, SEP, DEEC和EDFCM更适合应用 于多级异构无线传感器网络.
2013, 39(4): 461-468.
doi: 10.3724/SP.J.1004.2013.00461
摘要:
以《2003年～2012年年度国家自然科学基金资助项目统计》及国家自然科学基金委员会信息 中心提供的数据为依据, 详细分析了近十年间信息科学部自动化领域科学基金项目的申请与资助情况, 平均 资助强度与资助率的变化情况, 以及项目负责人的年龄层次和依托单位隶属关系的分布情况, 并在此基础上 给出了几点建议, 供有关人员参考.
以《2003年～2012年年度国家自然科学基金资助项目统计》及国家自然科学基金委员会信息 中心提供的数据为依据, 详细分析了近十年间信息科学部自动化领域科学基金项目的申请与资助情况, 平均 资助强度与资助率的变化情况, 以及项目负责人的年龄层次和依托单位隶属关系的分布情况, 并在此基础上 给出了几点建议, 供有关人员参考.
