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期刊信息/Journal information
中国科学（技术科学）
中国科学（技术科学）

严陆光

月刊

1674-7259

technology@scichina.org

010-64016732

100717

北京东黄城根北街16号

中国科学（技术科学）/Journal SCIENTIA SINICA TechnologicaCSCD北大核心CSTPCDEI
查看更多>>《中国科学》是中国科学院主办、中国科学杂志社出版的自然科学专业性学术刊物。《中国科学》任务是反映中国自然科学各学科中的最新科研成果，以促进国内外的学术交流。《中国科学》以论文形式报道中国基础研究和应用研究方面具有创造性的、高水平的和有重要意义的科研成果。在国际学术界，《中国科学》作为代表中国最高水平的学术刊物也受到高度重视。国际上最具有权威的检索刊物SCI，多年来一直收录《中国科学》的论文。1999年《中国科学》夺得国家期刊奖的第一名。本刊从2009年1月期变更为主要报道技术科学方面的优秀成果，主要学科为材料、机械工程、工程热物理、水利、空间科学、航空、土木工程、核科学与技术、电工、电机、建筑、工程力学等，而不再刊登有关信息科学方面的内容。
正式出版
收录年代

    时变切换拓扑下基于虚拟误差的无人机集群分布式协同控制

    张兆宇段海滨
    1637-1651页
    查看更多>>摘要：本文针对时变切换的受限通信链路条件下的无人机集群协同控制问题,设计了一种基于虚拟误差的多无人机分布式协同控制算法,研究对象设置为具有非线性耦合特性的四旋翼无人机集群.首先,使用时变切换无向拓扑来描述干扰存在的受限环境下通信链路通断特性,将连续可微的权重函数用作邻接矩阵元素,用以描述邻居节点间通信链路的时延阻滞特性.其次,设计姿态内环控制回路的指令驱动力矩,消去非线性姿态旋转误差项,利用障碍李雅普诺夫函数证明姿态控制内环系统稳定性.此外,在外环位置控制回路中引入两个辅助控制量,利用其构造与原平动动力学系统等价的辅助误差系统.利用该虚拟误差系统设计满足推力有界性的控制输入,避免每个节点的控制系统对节点自身和邻居节点的位置及速度信息的反馈需求,将集群内全部无人机节点的虚拟位置、速度误差以堆叠形式构造位置控制回路李雅普诺夫函数,基于姿态回路的渐近稳定证明位置闭环控制系统的渐近稳定性.最后,设置仿真场景中的通信拓扑为满足一致联合准强连通的时变无向切换拓扑,引入4个四旋翼无人机节点开展分布式协同控制律的仿真实例验证,进一步将本文设计的分布式控制协议分别同其他文献中所提出的基于虚拟系统的分布式控制算法及基于滑模误差流形的控制算法相对比,验证本文所提出算法能够仅在给定中心参考速度前提下跟踪速度积分所得的虚拟领导中心轨迹,且在集群构型保持和速度一致性控制方面具有显著优势.

    四旋翼无人机集群分布式控制虚拟误差法时变拓扑

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    基于领域自适应的城市污水处理运行过程多工况优化控制

    韩红桂白星侯莹
    1652-1664页
    查看更多>>摘要：城市污水处理运行过程的优化控制方法是提高其运行效率和改善其运行效果的关键.然而,由于城市污水处理过程进水负荷多变,运行过程存在多种工况且变化频繁,导致城市污水处理过程难以实现优化运行.因此,如何设计优化控制策略应对多种工况变化,保证出水总氮和出水总磷等水质指标达标,是城市污水处理过程亟需解决的挑战性问题.本文设计了基于领域自适应的城市污水处理运行过程多工况优化控制方法(multi-operating op-timization control with domain adaptive,MOOC-DA).首先,建立城市污水处理运行过程多工况优化目标模型,捕获运行能耗以及出水水质的时间序列特性,实现运行指标的精确预测.其次,设计基于多任务领域自适应粒子群的多工况优化设定方法,保证多工况运行出水水质达标.最后,设计基于多任务模糊神经网络的优化设定跟踪控制方法,实现城市污水处理过程多工况优化运行.为了验证所提出方法的有效性,基于活性污泥模型仿真平台将提出的MOOC-DA与其他优化控制方法进行对比实验.结果表明,该方法能够实现污水处理过程多工况的优化运行,保证出水总氮和出水总磷等水质指标达标.

    城市污水处理过程多工况优化控制多任务优化领域自适应

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    • 万方数据

    基于双向长短时记忆与混合奖励函数的多无人车协同围捕控制

    顾健王寅苏牧青孔小平...
    1665-1675页
    查看更多>>摘要：针对未知、不确定环境下多无人车协同围捕问题,本文提出了一种基于双向长短时记忆与混合奖励函数(BM-MADDPG)的多智能体协同围捕决策算法解决无人车围捕策略生成与协同控制问题.首先,通过双向长短时记忆(bidirectional long short-term memory,Bi-LSTM)网络捕捉状态和动作序列间时序信息特征,评估当前状态采取不同动作的长期效果,解决协作围捕信息数据利用率低的问题.针对无人车围捕任务场景中奖励稀疏、反馈延时而导致的学习效率低的问题,提出了一种稀疏奖励与密集奖励相结合的混合奖励函数(mixed reward function),引导围捕者探索,提高多无人车间的协作能力.仿真和实验表明,在多无人车协作围捕场景中,所提出的BM-MADDPG算法相较于MADDPG的围捕成功率提高了4.5％,有效提高多无人车协作围捕能力与学习训练效率.

    多无人车BM-MADDPG围捕策略Bi-LSTM混合奖励函数

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    面向人机协同能效车间调度的群智能优化算法

    王凌李瑞陈靖方
    1676-1692页
    查看更多>>摘要：随着制造企业的智能化,"人-机-物"全面互联融合的新发展模式成为新一代智能制造的方向.同时,工人与机器人协同制造已普遍存在于现代制造车间,相较于传统的人机独立生产模式增加了人机资源配置的问题,使得调度问题更加复杂,对算法设计带来了新的挑战.因此,本文考虑人机协同制造的特点建立了人机协同能效车间调度问题,以最小化最大完工时间和总能耗为优化目标,提出了一种群智能协同优化算法求解.该算法包含如下特点:首先,提出了一种双阶段协同搜索框架,即第一阶段以群智能优化实现快速收敛并构建精英存档,第二阶段以反馈协同搜索在精英解附近进行多方位勘探增加分布性.其次,针对人机资源配置问题提出了多层协同搜索算子实现快速收敛.最后,针对问题特性,提炼问题知识,设计多策略协同初始化方法提供高质量初始种群,同时提出多操作协同局部搜索高效优化两个目标.为了验证提出算法的有效性,本文生成了 15个不同规模的案例,并进行了参数、消融和对比仿真实验.结果表明,本文提出了多种的协同方法能有效提升算法性能和搜索质量,通过对比最新相关算法验证了所提算法的有效性,为人机协同制造的调度排产在方法上提供了可靠的指导.

    智能制造人机协同制造能效调度协同优化

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    基于交互可视分析的多规格厚板板形质量异常诊断与回溯

    张同康王睿博曾诚丁进良...
    1693-1706页
    查看更多>>摘要：厚板的板形质量对于产品的使用性能和市场竞争力至关重要.由于厚板生产过程的复杂性和生产数据的高维、多源、异构以及规模大等特征,有效地分析诊断板形质量的异常及其原因是一项极具挑战性的任务.采用数据可视化与人机交互技术,本文提出了一种基于交互式可视分析的多规格厚板板形质量异常诊断与回溯方法及系统.以多视角、多层次的数据呈现方式,为用户提供了一个直观且深入的工业大数据分析探索环境,能够通过人机交互协助快速识别板型质量异常,并分析生产过程数据与板形质量变化的内在关联,进而回溯板形异常的潜在原因.采用国内某钢铁企业的实际厚板生产数据进行的集成实验,验证了所提方法和系统的有效性和实用性.

    板形质量质量异常诊断与回溯可视分析人机交互工业大数据

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    面向防空资源分配优化问题的自适应演化算法

    邢立宁罗天羽李豪公茂果...
    1707-1719页
    查看更多>>摘要：防空资源分配作为作战装备.目标分配问题的一种重要组成部分,必须不断适应战场的动态变化.如何在复杂战场环境中协调多作战装备单元、合理分配防空资源,提出更加灵活和智能的分配策略,以实现装备系统效能最大化,成为了当下亟待解决的核心问题.在综合考虑多部雷达接力跟踪、多枚导弹拦截同一目标和目标优先级等因素的基础上,构建了防空资源分配数学模型.将启发式规则的运算效率及定制化优势与演化算法的广域搜索优势相结合,设计一种新的自适应演化算法对此问题分阶段求解.为了提升算法的搜索能力与速度,在迭代中为目标分配首枚导弹的分配方案,并引入资源释放和重规划的方法提升现有方案质量.然后,在迭代后采用启发式规则对已发现的最优方案按需分配多枚导弹.通过对不同资源与不同规模的算例进行数值仿真实验,验证了该算法具有求解时间和求解精度上的优越性,可有效解决防空资源分配问题.

    防空资源分配重规划自适应演化算法

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    • 万方数据

    面向多运动体协同任务分配的目标辅助概率强势学习粒子群优化算法

    钱通黎建宇刘晓芳詹志辉...
    1720-1735页
    查看更多>>摘要：多运动体协同任务分配(multi-agent cooperative task allocation,MACTA)是异构多运动体系统应用的基础.为了最小化所有任务的最大完成时间,MACTA需要同时最小化各个任务的执行时间和运动体在任务点间的移动时间,这给已有优化算法带来两个新挑战.首先,由于异构运动体具有不同的移动速度与任务执行效率,多个运动体协作虽然可以缩短任务执行时间,但同时会增加运动体在任务点间的移动时间,因此任务执行时间与运动体移动时间之间存在一定的冲突,导致现有单目标优化方法难以高效求解MACTA.其次,MACTA中任务可分配的运动体协作组合数量随着运动体数量的增加呈指数增加,是典型的大规模组合优化问题,且存在众多的局部最优解,已有算法容易落入局部最优.针对上述问题,本文提出目标辅助概率强势学习粒子群优化(objective-assisted probabilistic strength learning particle swarm optimization,OA-PSLPSO)算法.本文的贡献主要有三个方面.第一,提出目标辅助优化框架,将多运动体总移动时间作为辅助目标,对问题进行多目标建模,从而使用多目标优化算法对运动体移动时间和任务完成时间进行协同优化,提高优化效率.第二,提出概率强势学习策略,根据概率为粒子选择目标进行强势学习,提高算法的搜索多样性,避免落入局部最优.第三,基于上述框架和策略,提出OA-PSLPSO,对MACTA进行高效求解.通过将所提算法与5种前沿算法在包括百万级候选解规模的30个测试用例上进行对比实验,验证了所提方法能更好地最小化所有任务的最大完成时间,实现对MACTA的高效求解.

    多运动体系统协同任务分配粒子群优化算法概率强势学习目标辅助

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    基于量化隐私保护一致性的热电联产系统分布式协同调度

    孔敏雪彭鑫沈菲菲伍小龙...
    1736-1746页
    查看更多>>摘要：传统集中式调度无法有效解决大规模能源设备接入导致的实时性欠佳问题.本文通过引入一致性算法,提出复杂通信环境下的热电联产系统分布式优化调度方案.针对决策信息交换过程中存在的隐私性,引入有效的掩码函数,防止各类能源设备在协同调度过程中造成系统敏感信息泄露.在此隐私保护方案的基础上,考虑到通信环境中通信资源有限和分布式通信滞后,提出了一种基于量化隐私一致性算法的分布式优化调度方案,并快速获取能源设备协同调度的最优解.此外,对所设计算法的收敛性进行了严格的理论分析,确保其具有可行性.值得指出的是,本文设计的隐私量化方案也适用于基于加权平均一致算法的协同优化调度.最后,通过对热电联产系统模型进行实验,验证了所提出的算法能够实现供需平衡下的运行成本最小化,并具有良好的收敛性能.

    热电联产能源系统量化一致性分布式调度隐私保护

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    具有仿射形成约束的分布式连续时间优化算法与应用

    郑可凡吴楚方浩班超...
    1747-1762页
    查看更多>>摘要：本文研究了一种具有仿射形成约束与时变代价函数的分布式连续时间优化问题.该问题的求解目标是最小化带有仿射形成约束与时变安全约束的联合代价函数,且该联合代价函数由仅被各智能体自身所知晓的局部代价函数构成.通过设计分布式梯度跟踪算法,求解了该问题的一般形式,并针对现存的由未知环境中障碍物所致的局部代价函数不连续与阻碍系统实现协同跟踪的问题,在局部代价函数设计中引入了近似连续时间函数与时变位置收敛函数以解决上述问题.通过引入算法收敛系数,提升了估计解对最优解的收敛速度.通过对所设计算法的收敛性分析,证明了估计解对最优解的跟踪误差将以指数级消失,且将最终收敛至局部移动目标的领域内.通过设计并应用了分布式多智能体系统框架,对所提出的算法的有效性进行了仿真与实物验证.

    连续时间优化仿射形成多智能体系统分布式控制

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    基于生产-能源协同的钢铁企业能源系统双层鲁棒优化

    韩中洋王志远赵珺王伟...
    1763-1777页
    查看更多>>摘要：钢铁产品生产与煤气、蒸汽、电力等能源密切相关,因而上述多能流协作及其与生产过程的协同是钢铁企业实现节能降耗的关键.现有文献通常基于能源产消量的预测实现动态闭环优化,然而因生产频繁波动造成的预测不确定性也为后续运行优化工作带来挑战.本文提出一种基于生产-能源协同的钢铁企业能源系统双层优化方法.该方法首先考虑分时电价建立上层热轧生产计划排产优化模型;进而以运行成本最低为目标、联合热电联产(combined heat and power,CHP)机组等能源耦合设备可行空间等约束,建立下层能源系统运行优化模型;为应对能源产消预测结果的不确定性,本文提出一种改进的弱鲁棒优化方法进行求解,从而最终获得经济最优的能源系统运行方案.本文基于中国某钢铁企业能源系统真实数据进行实验分析,通过分别与不考虑生产协同关系、忽视预测不确定性及不计入CHP机组可行空间等其他求解方法的对比,说明了协同优化对能源系统运行带来的经济性提升和自身鲁棒性优势.

    钢铁企业能源系统协同优化鲁棒优化

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