首页期刊导航|中国科学F辑
期刊信息/Journal information
中国科学F辑
中国科学杂志社
中国科学F辑

中国科学杂志社

月刊

1674-5973

informatics@scichina.org

100717

北京东黄城根北街16号

中国科学F辑/Journal Science in China(Information Sciences)CSCD北大核心CSTPCD
查看更多>>本刊是中国科学院和国家自然科学基金委员会共同主办、《中国科学》杂志社出版的学术刊物，本刊力求及时报道计算机科学与技术、控制科学与控制工程、通信与信息系统、电子科学与技术、生物信息学等领域基础及应用研究方面的原创性成果；月刊，中文版每月20日出版，英文版每月1日出版。
正式出版
收录年代

    非平稳过程异常监测方法:综述与展望

    王敏冯智彬吴德浩张景欣...
    1807-1826页
    查看更多>>摘要：实际工业过程受多种因素(如原材料变化、负载波动、设备老化等)的影响，往往表现出非平稳特性，即过程监测数据统计特性随时间发生变化，因此非平稳过程异常监测备受关注并已成为监测领域的焦点之一。本文从监测方法的角度对非平稳过程异常监测相关研究成果进行了系统性的回顾:首先对非平稳过程的概念和技术难点进行了概述;其次，将非平稳过程监测方法根据原理的差异划分为五大类，并总结了各类方法的优点与不足;最后，结合当前技术发展的现状，对非平稳过程研究中的挑战进行了深入分析与展望。

    非平稳过程过程监测自适应建模协整分析平稳子空间分析慢特征分析深度学习

      原文链接:
    • NETL
    • NSTL
    • 万方数据

    面向忆阻器存内计算架构的高能效编解码机制

    黄禹郑龙刘海峰邱启航...
    1827-1842页
    查看更多>>摘要：近年来，以忆阻器为代表的存内计算架构被广泛研究，用于加速各种应用，并有望突破冯。诺伊曼(von Neumann)架构面临的内存墙瓶颈。本文观察到忆阻器计算操作的能源消耗存在不对称性，即在低电阻状态下对忆阻器单元的操作能耗可能比在高电阻状态下高出数个数量级。这为通过减少低电阻状态单元的数量来节省计算能源提供了机会。为此，本文提出了一套通用且高效的忆阻器编解码机制，可以无缝集成到现有加速器中，并且不会影响其计算结果。在编码部分，设计了一个基于减法的编码器，实现了低电阻状态到高电阻状态的编码转换，并将编码问题表述为图遍历问题以实现最优的编码结果。在解码部分，配备了一个轻量级的硬件解码器，用于还原编码的计算结果，并且避免引入额外的计算时间开销。实验结果显示，本方案在机器学习和图计算等多个领域取得不俗效果，分别实现了高达31。3％和56。0％的能源节约。

    存内计算忆阻器加速器高能效机器学习图计算

      原文链接:
    • NETL
    • NSTL
    • 万方数据

    一种求解偏微分方程的动态平衡物理信息神经网络

    邓书超宋孝天钟旻霄李庆...
    1843-1859页
    查看更多>>摘要：近年来，物理信息神经网络(physics-informed neural networks，PINNs)在求解非线性偏微分方程(partial differential equations，PDEs)中得到了大量应用。PINN将物理信息作为正则化约束加入神经网络损失函数，可以减少传统神经网络方法对训练数据的大量依赖。然而，PINN无法根据数据变化动态调整损失函数中各个损失项的权重，导致其在求解非线性PDEs时存在求解误差较大的问题。为此，本文提出了一种动态平衡物理信息神经网络(dynamic balanced PINN，DBPINN)。首先，DBPINN为PINN损失函数的各个损失项设计了一种动态权重系数，并使用随机函数对该系数进行动态更新，能够显著提升PINN的精度。其次，DBPINN为PNNN损失函数的各个损失项之间建立了一种平衡求和方法，该方法考虑了所有损失项之间的竞争关系，使得PINN各损失项朝着有利于收敛的方向进行优化。DBPINN通过动态权重系数和平衡求和方法使得PINN可以更好地进行优化，进而解决了 PINN在实际应用中求解误差较大的问题。本文选择了科学机器学习领域中4个经典的非线性PDEs对DBPINN进行了数值验证和分析。实验结果表明，相比于PINN，DBPINN在Schrodinger和Allen-Cahn方程上误差分别降低了 46％和64％。DBPINN在求解Navier-Stokes方程时将系数λ1和λ2的误差分别降低了 1～2个数量级和约50％。DBPINN在KdV方程中能够在多项系数中将误差降低1个数量级。最后，本文在多种形式的Burgers方程和Allen-Cahn方程上进行性能和参数消融验证，结果表明DBPINN不仅能够提升模型性能、处理小数据量以及拟合不同时间状态下的方程的能力，而且DBPINN相比于PINN具有更好的稳定性、准确率以及收敛性。DBPINN可以取代PINN被应用于各种非线性PDEs的高精度求解。

    物理信息神经网络非线性偏微分方程动态权重系数平衡求和方法科学机器学习

      原文链接:
    • NETL
    • NSTL
    • 万方数据

    全域哈希椭圆曲线签名

    张方国
    1860-1870页
    查看更多>>摘要：椭圆曲线密码体制(elliptic curve cryptosystem，ECC)依然是当前应用最广泛的公钥密码体制，其安全核心是椭圆曲线离散对数问题。本文提出了椭圆曲线离散对数的强不动点问题。利用强不动点假设，在随机预言模型下证明了 ECDSA(elliptic curve digital signature algorithm)的一个全域哈希变形方案是可以抵抗自适应选择消息下的存在伪造的。签名的聚合性质使得签名方案在诸如区块链、云存储等众多场景中发挥着重要作用，所以本文也讨论了这个全域哈希椭圆曲线签名方案的聚合性质。

    椭圆曲线数字签名不动点加和多项式聚合签名

      原文链接:
    • NETL
    • NSTL
    • 万方数据

    基于MASAC强化学习算法的多无人机协同路径规划

    方城亮杨飞生潘泉
    1871-1883页
    查看更多>>摘要：针对动态不确定环境下异构多无人机协同路径规划问题，提出了一种新的多智能体深度强化学习算法。首先，开发了一个空域场景下多无人机到达目标地点的强化学习环境，环境引入了无人机动力学方程，并考虑了无人机异构的因素以及安全避障的需求。其次，设计了任务完成率、编队保持率、飞行时间等性能指标，用以衡量算法的优劣。然后，将多无人机协同路径规划问题建模为部分可观Markov决策过程，提出了一种多智能体柔性执行评价(multi-agent soft actor critic，MASAC)算法寻求该问题的近似最优策略。最后，通过仿真实验验证了所提算法的有效性和优越性。

    多无人机路径规划多智能体深度强化学习部分可观Markov决策过程MASAC算法

      原文链接:
    • NETL
    • NSTL
    • 万方数据

    基于自适应观测器的液压锚杆钻机全局终端滑模有限时间转速控制

    张振郭一楠朱松焦峰...
    1884-1906页
    查看更多>>摘要：在煤矿巷道支护中，液压锚杆钻机转速系统具有显著的死区、时变参数、内部外部扰动等非线性特性，使其转速跟踪控制存在精度低、速度慢和超调等问题，从而无法实现高质量和高效率的支护作业。为了解决上述问题，提高煤矿巷道支护的自动化程度、增强安全性和可靠性，设计一种高效的控制方法十分必要。鉴于此，本文提出一种基于自适应扩张状态观测器的全局终端滑模有限时间控制方法。首先，基于跟踪误差，设计一种自适应扩张状态观测器，该观测器能够通过自适应调整估计增益实时响应系统动态，实现扰动估计和系统跟踪性能的改善，从而有效克服转速系统的非线性特性，改善动态性能。其次，构建一种快速、平滑、连续的收敛函数，并有机融合跟踪误差和估计误差，设计一种新颖的全局终端滑模面;并根据李雅普诺夫(Lyapunov)方法，提出全局终端滑模控制律，有效改善转速系统的稳态性能。基于此，将观测器估计的扰动在滑模控制律中加以补偿，构成所提控制器。最后，基于李雅普诺夫稳定理论，论证转速系统的有限时间稳定性，并通过对比实验验证所提方法的有效性。

    液压锚杆钻机滑模控制扩张状态观测器有限时间稳定收敛函数

      原文链接:
    • NETL
    • NSTL
    • 万方数据

    一类基于分数阶梯度信息的变阶次扩散LMS算法

    杨洋莫立坡左敏于永光...
    1907-1923页
    查看更多>>摘要：针对分布式网络中的参数估计问题，本文提出了一类基于分数阶梯度信息的扩散LMS算法，主要利用分数阶梯度的变阶次机制来提升算法的各项性能。首先，针对已有的集中式分数阶梯度LMS算法，将其推广到分布式网络中的参数估计问题上来。进而，讨论了所提算法的收敛速度和收敛精度。其次，考虑到分数阶阶次对于算法性能的影响，设计了一个变分数阶阶次的策略来充分发挥分数阶的优点以提升算法的收敛特性。进一步，证明了切换拓扑结构下所提算法的收敛性。最后，通过数值仿真结果，从收敛速度、收敛精度、鲁棒性等角度验证了所提算法的有效性和优越性。

    分布式估计扩散式LMS算法适应性滤波切换拓扑分数阶微积分

      原文链接:
    • NETL
    • NSTL
    • 万方数据

    基于间歇控制策略的双层网络广义同步

    宋长江周进卫红凯张森...
    1924-1939页
    查看更多>>摘要：复杂网络是刻画现实世界的有效工具，而同步现象是复杂网络中最为普遍的现象之一，广义同步更因其普适性吸引着研究者的目光。本文研究单向耦合双层驱动-响应网络的广义同步问题。判定广义同步存在的辅助系统方法因其简单有效自提出起便被广泛使用，并于21世纪初被推广应用于复杂网络。而对于不能自发同步的网络，间歇控制是一种常见且有效的控制机制。间歇控制策略不仅符合现实场景，还能够减少通信，节约控制资源。基于此，本文研究单向耦合双层网络的层间广义同步，并利用辅助系统方法，提出间歇控制策略下的双层网络广义同步准则。首先，本文提出线性反馈牵制间歇控制机制下的网络广义同步准则。进一步，为节约控制资源，考虑自适应牵制控制器在间歇控制策略下的网络广义同步问题。本文从理论和仿真两方面证实了间歇控制策略下的双层网络层间广义同步可行性。

    双层复杂网络广义同步间歇控制牵制控制自适应控制

      原文链接:
    • NETL
    • NSTL
    • 万方数据

    基于扩维域能量弥散的隐蔽通信

    安建平倪子涵王帅潘高峰...
    1940-1969页
    查看更多>>摘要：无线通信技术是现今蓬勃发展的数据时代不可或缺的重要信息传输手段之一，而无线数据的安全性更是构建数据时代的磐石。在某些特殊应用场景中，发送方不但要保障信息内容的安全，甚至要做到无线信号传输的行为不被侦收发现。面对严峻的无线电侦收威胁，传统的隐蔽通信手段是基于某一个或两个维域进行能量弥散以降低被侦测概率，如基于扩频的码分多址接入技术将能量弥散到频域，短时猝发技术将能量弥散在时域的多个离散时段，短时猝发与跳频结合的技术将能量弥散在时、频两域。本文首先回归无线传输过程中信号能量弥散的物理本质，将隐蔽通信模型从能量在单维域弥散扩展至时-频-空的多维域能量弥散。即利用此模型并借助无线电传播理论以及数字信号处理方法等工具对无线信号能量在时-频-空3个维域的能量弥散进行建模，设计了侦听方面向时-频-空维域的能量检测器。接下来，在此多维域能量检测模型下，推导了侦听方收集能量的表达式，侦听方使用平均噪声能量作为门限的检测概率上下边界表达式，以及在纽曼-皮尔逊(Neyman-Pearson)能量检测器下的检测概率上下边界表达式。然后，结合理论推导分析、归纳并证明了扩维域能量弥散以实现隐蔽通信思路的正确性。然后，结合仿真结果，从博弈的角度讨论了在多维域能量检测模型下发送方隐蔽性存在的条件以及侦听方接收机的改进策略。最后，针对实际工程，揭示了无线隐蔽通信系统隐蔽性与可靠性这一内生矛盾及相互作用机理，进而给出了实现无线隐蔽传输的原理及技术途径。

    隐蔽通信多维域能量弥散无线电传播理论无线电侦收纽曼-皮尔逊检验

      原文链接:
    • NETL
    • NSTL
    • 万方数据

    RIS辅助认知反向散射通信网络吞吐量最大化算法

    徐勇军田秦语陈前斌王公仆...
    1970-1982页
    查看更多>>摘要：为了提高频谱利用率与解决反向散射通信存在障碍物阻挡导致通信质量急剧下降的问题，基于实际非线性能量收集模型，本文研究了智能超表面(reconfigurable intelligent surface，RIS)辅助的认知反向散射通信网络吞吐量最大化问题。考虑最大干扰功率、最小能量收集与RIS相移约束，建立了一个联合优化传输时间、发射功率、反射系数与RIS相移的多变量耦合资源分配模型。利用变量替换、二次变换和半正定松弛方法，将原问题转换为凸优化问题求解，并提出一种基于迭代的吞吐量最大化资源分配算法。仿真结果表明，与传统线性能量收集算法相比，所提算法平均吞吐量提升了 15。0％;与传统无RIS辅助算法相比，所提算法平均吞吐量提升了 22。7％。

    智能超表面认知无线电反向散射通信吞吐量最大化非线性能量收集

      原文链接:
    • NETL
    • NSTL
    • 万方数据