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面向边缘计算应用的宽度孪生网络

李逸楷 张通 陈俊龙

李逸楷, 张通, 陈俊龙. 面向边缘计算应用的宽度孪生网络. 自动化学报, 2020, 46(10): 2060−2071 doi: 10.16383/j.aas.c200555
引用本文: 李逸楷, 张通, 陈俊龙. 面向边缘计算应用的宽度孪生网络. 自动化学报, 2020, 46(10): 2060−2071 doi: 10.16383/j.aas.c200555
Li Yi-Kai, Zhang Tong, Chen Jun-Long. Broad Siamese network for edge computing applications. Acta Automatica Sinica, 2020, 46(10): 2060−2071 doi: 10.16383/j.aas.c200555
Citation: Li Yi-Kai, Zhang Tong, Chen Jun-Long. Broad Siamese network for edge computing applications. Acta Automatica Sinica, 2020, 46(10): 2060−2071 doi: 10.16383/j.aas.c200555

面向边缘计算应用的宽度孪生网络

doi: 10.16383/j.aas.c200555
基金项目: 国家自然科学基金(61702195, 61751202, U1813203, U1801262, 61751205), 国家科技部重点专项(2019YFA0706200, 2019YFB1703600), 广州市重大科技项项目(202007030006)资助
详细信息
    作者简介:

    李逸楷:华南理工大学计算机科学与技术专业博士研究生. 2020年获得中国广州华南理工大学计算机科学与技术专业学士学位. 主要研究方向为神经网络, 情感计算等机器学习技术及其在边缘计算领域的应用

    张通:华南理工大学计算机科学与工程学院副教授. 2009年获得广州中山大学软件工程专业学士学位, 2011年获得澳门大学应用数学专业硕士学位, 2016年获得澳门大学软件工程专业博士学位. 主要研究方向为情感计算,进化计算,神经网络和其他机器学习技术及其应用. 本文通信作者

    陈俊龙:华南理工大学计算机科学与工程学院特聘讲席教授及院长. IEEE Fellow, 美国科学促进会AAAS Fellow, IAPR Fellow, 国际系统及控制论科学院IASCYS院士, 香港工程师学会Fellow, 中国自动化学会Fellow. 欧洲科学院(AE)外籍院士、欧洲科学与艺术学院(EASA)院士, 国际系统与控制论科学院(IASCYS)院士. 1985年毕业于美国密歇根州安娜堡市的密歇根大学安娜堡分校, 2016年获得由母校普渡大学(1988年获得博士学位)颁发的杰出电气和计算机工程师奖. 作为美国工程技术教育认证委员会(ABET)的项目评估员, 成功地设计了澳门大学的工程和计算机科学课程, 并通过香港工程师学会(HKIE)获得了华盛顿/首尔协议的认证. 这被认为是他作为澳门大学科技学院前任院长在工程/计算机科学教育方面的最大贡献. 他在2018年获IEEE系统人机控制论的最高学术奖——IEEE诺伯特•维纳奖(Norbert Wiener Award). 2018和2019年连续两年入选科瑞唯安(Clarivate)全球高被引科学家. 在2012年至2013年, 他是IEEE系统、人和控制论协会主席, 是IEEE期刊《系统、人和控制论: 系统》 (2014-2019)主编. 目前, 他是IEEE控制论汇刊的主编, 以及IEEE模糊系统汇刊的副主编. 他于2015年至2017年任国际自动控制联合会TC9.1经济与商务系统主席. 主要研究方向为控制论、系统和计算智能

Broad Siamese Network for Edge Computing Applications

Funds: Supported by National Natural Science Foundation of China (61702195, 61751202, U1813203, U1801262, 61751205), National Key Research and Development Program of China (2019YFA0706200, 2019YFB1703600), Science and Technology Major Project of Guangzhou (202007030006)
  • 摘要: 边缘计算是将计算、存储、通信等任务分配到网络边缘的计算模式. 它强调在用户终端附近执行数据处理过程, 以达到降低延迟, 减少能耗, 保护用户隐私等目的. 然而网络边缘的计算、存储、能源资源有限, 这给边缘计算应用的推广带来了新的挑战. 随着边缘智能的兴起, 人们更希望将边缘计算应用与人工智能技术结合起来, 为我们的生活带来更多的便利. 许多人工智能方法, 如传统的深度学习方法, 需要消耗大量的计算、存储资源, 并且伴随着巨大的时间开销. 这不利于强调低延迟的边缘计算应用的推广. 为了解决这个问题, 我们提出将宽度学习系统(Broad learning system, BLS)等浅层网络方法应用到边缘计算应用领域, 并且设计了一种宽度孪生网络算法. 我们将宽度学习系统与孪生网络结合起来用于解决分类问题. 实验结果表明我们的方法能够在取得与传统深度学习方法相似精度的情况下降低时间和资源开销, 从而更好地提高边缘计算应用的性能.
  • 图  1  一种典型的宽度学习系统网络结构

    Fig.  1  A typical network structure of broad learning system (BLS)

    图  2  一种典型的孪生网络结构

    Fig.  2  A typical network structure of Siamese network

    图  3  采用独热编码的相似性度量

    Fig.  3  Similarity metrics of one-hot coding

    图  4  特征映射结果分析

    Fig.  4  An analysis of feature mapping results

    图  5  一种可能的混合特征映射方案

    Fig.  5  A possible hybrid feature mapping scheme

    图  6  宽度孪生网络特征映射过程

    Fig.  6  Feature mapping of broad Siamese network

    图  7  一种基于独热编码的相似度度量方案

    Fig.  7  An one-hot based similarity metric

    图  8  算法准确度随阈值变化的曲线

    Fig.  8  Threshold curves of algorithms

    图  9  受试者工作特征(ROC)曲线

    Fig.  9  Receiver operating characteristic (ROC) curves of algorithms

    图  10  采用不同相似性度量指标宽度孪生网络算法准确度随阈值变化的曲线

    Fig.  10  Threshold curves of broad Siamese network with different similarity metrics

    图  11  采用不同相似性度量指标宽度孪生王洛算法的受试者工作特征(ROC)曲线

    Fig.  11  Receiver operating characteristic (ROC) curves of broad Siamese network with different similarity metrics

    表  1  实验数据集信息表

    Table  1  Table of data set for experiments

    数据集样本
    规模
    类别
    数量
    各类别样本数量特征
    维度
    CK+58767(1022, 233, 868, 546, 1331, 547, 1329)14400
    MNIST7000010每个类别近似 7000 样本784
    JAFFE2137(30, 29, 32, 31, 30, 31, 30)14 400
    USPS2000010每个类别 2 000 样本784
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    表  2  宽度孪生网络参数设置信息

    Table  2  Table of parameters for broad Siamese network

    数据集npe
    CK+8109000
    MNIST1010 500
    JAFFE810 9000
    USPS1010 1500
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    表  3  对比算法中全连接神经网络结点个数设置信息

    Table  3  Table of number about nodes in the fully connected network for comparison

    数据集第一层结点数第二层结点数第三层结点数
    CK+512128512
    MNIST1616 16
    JAFFE1024128 1024
    USPS128128 128
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    表  4  准确率实验结果

    Table  4  Table of experiment results about accuracy

    数据集宽度孪生网络基于全连接神经网络的孪生网络
    CK+0.97887380.9287094
    MNIST0.97981120.9777414
    JAFFE0.92176870.9206349
    USPS0.95360750.9505025
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    表  5  训练时间实验结果

    Table  5  Table of experiment results about training time

    数据集宽度孪生网络基于全连接神经网络的孪生网络
    CK+94.140997567.9896214
    MNIST5.6314652 60.0518959
    JAFFE58.4795067 1105.1385579
    USPS3.0834677 29.8392925
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    表  6  内存开销实验结果

    Table  6  Table of experiment results about memory overhead

    数据集宽度孪生网络基于全连接神经网络的孪生网络
    CK+3.34912116.0307884
    MNIST2.4598732 2.0554810
    JAFFE0.2893066 5.6162262
    USPS1.2569504 0.8804893
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-07-15
  • 录用日期:  2020-08-27
  • 修回日期:  2020-08-18
  • 刊出日期:  2020-10-29

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