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Current Issues: <JZUS-A> <JZUS-B> <FITEE>
Journal of Zhejiang University SCIENCE A
ISSN 1673-565X(Print), 1862-1775(Online), Monthly
2024 Vol.25 No.5 P.357-442
CONTENTS
Review
Yakun ZHANG, Guofang GONG, Huayong YANG, Jianbin LI, Liujie JING
DOI: 10.1631/jzus.A2300377 Downloaded: 648 Clicked: 605 Cited: 0 Commented: 0(p.357-381) <Full Text><PPT> 45
机构：1浙江大学，流体动力基础件与机电系统全国重点实验室，中国杭州，310058；2中铁工程装备集团有限公司，中国郑州，450016；3普渡大学，Maha流体动力研究中心，美国西拉法叶，IN 47905
概要：近年来智能盾构技术的发展体现出盾构机正在由传统的隧道掘进机转变为隧道掘进机器人的趋势。这一转变旨在解决传统盾构机行业在施工环境和人工操控方面所面临的挑战。本文通过系统的文献分析，梳理了智能盾构的技术发展现状，提出了智能盾构的定义，分析了智能盾构的含义、内容和发展模式。通过分析盾构掘进过程各环节的操作流程，从盾构单机作业和盾构机群施工两个层面提出了盾构自主操控技术框架（图12和13）。针对智能盾构及其自主操控技术发展中所面临的挑战，本文给出了未来研究中需重点关注的问题建议。智能盾构的发展应采用在传统盾构的基础上集成相应智能模块的方式逐渐演进。盾构掘进操控中涉及到的离散数字量调控采用可编程逻辑控制器比较容易实现自动化，而需要决策和连续调节的模拟量调控则需要相应的智能化模块。智能盾构技术发展迅速，潜力巨大，在强泛化能力的盾构-环境交互模型、执行器控制器自动设计与整定、智能操控平台、试验与工程验证等方面仍面临挑战。
关键词组：智能盾构；隧道掘进机；隧道掘进机器人；自动驾驶；自主控制；盾构机
Research Articles
Two simple memristive maps with adaptive energy regulation and digital signal process verification
Feifei YANG, Lujie REN, Jun MA, Zhigang ZHU
DOI: 10.1631/jzus.A2300651 Downloaded: 103 Clicked: 127 Cited: 0 Commented: 0(p.382-394) <Full Text><PPT> 57
机构：1兰州理工大学，电气工程与信息工程学院，中国兰州，730050；2兰州理工大学，物理系，中国兰州，730050；3大连工业大学，信息科学与工程学院，中国大连，116034
目的：从物理角度论证忆阻型映射设计的方法和可靠性判据，给出能量函数并表达其自适应调控的机理。
创新点：1.设计两种不同忆阻型映射并论证忆阻型映射的物理可靠性；2.给出忆阻映射的能量函数定义方法；3.提出自适应调控忆阻映射的能力机理。
方法：1.以两类忆阻器分别耦合电感型和电容型器件，设计两类忆阻电路和忆阻振子；2.利用两种方法分别计算忆阻振子的能量函数；3.对忆阻振子的变量和参数进行线性变换得到对应的忆阻映射和能量函数；4.引入阶跃函数和取整函数来表达参数自适应调整，忆阻振子能量超过一定阈值则促进参数进一步增长。
结论：1.非线性电路和振子的构造需要最基本的电感型、电容性器件和非线性器件（变量和函数）；2.能量决定着振子和映射的振荡模态；3.包含时间标度的线性变换可以把非线性振子转换为等效的非线性映射；4.随机性刺激可诱发忆阻映射产生相干共振；5.准确的能量定义有利于判断非线性振子的物理意义和可靠性。
关键词组：哈密顿能量；离散忆阻器；自适应调控；数字电路实现
Yichuan HONG, Haojie YU, Li WANG, Xiang CHEN, Di SHEN, Yu WANG, Shuning REN, Yudi HUANG, Jian YANG
DOI: 10.1631/jzus.A2300386 Downloaded: 184 Clicked: 297 Cited: 0 Commented: 0(p.395-410) <Full Text>
机构：1浙江大学，化学工程与生物工程学院，化学工程联合国家重点实验室，中国杭州，310058；2浙江-俄罗斯光电磁功能材料联合实验室，中国杭州，310058
目的：微针给药具有高效、方便、无痛等特点，有望用于透皮递送胰岛素治疗糖尿病。本文旨在制备糖敏响应负载胰岛素粒子，然后与透明质酸混合制备糖敏微针贴，研究其糖敏响应性能和对糖尿病大鼠的血糖控制性能。
创新点：1.通过嵌段共聚物的亲疏水自组装制备葡萄糖响应粒子并负载了胰岛素；2.制备苯硼酸基糖敏微针贴，此微针贴具有较好的血糖控制性能。
方法：1.通过可逆加成-断裂链转移聚合（RAFT）反应制备不同链长的PEG-b-PAAPBA嵌段共聚物（图4）；2.通过嵌段共聚物在不同pH值下的亲疏水相互作用，自组装制备葡萄糖响应粒子NP-PEG114-b-PAAPBAn，并负载胰岛素（图7）；3.用NP-PEG114-b-PAAPBAn负载胰岛素粒子和透明质酸制备糖敏微针贴，并通过动物实验验证所得糖敏微针贴片具有较好的血糖控制性能（图15和21）。
结论：1.合成了不同链长的PEG-b-PAAPBA嵌段共聚物，并通过自组装方法制备了葡萄糖响应粒子NP-PEG114-b-PAAPBAn并负载了胰岛素；2.用NP-PEG114-b-PAAPBAn负载胰岛素粒子和透明质酸制备了糖敏微针贴；3.所得糖敏微针贴片可以将糖尿病大鼠的血糖控制在正常水平超7h。
关键词组：糖尿病；透明质酸；苯硼酸；糖敏水凝胶；微针
Investigation of mechanical failure performance of a large-diameter shield tunnel segmental ring
Binyong GAO, Renpeng CHEN, Huaina WU, Chengcheng ZHANG, Meng FAN, Chao XIAO
DOI: 10.1631/jzus.A2300446 Downloaded: 355 Clicked: 341 Cited: 0 Commented: 0(p.411-428) <Full Text><PPT> 49
机构：1湖南大学，地下空间先进技术研究中心，中国长沙，410082；2湖南大学，建筑安全与节能教育部重点实验室，中国长沙，410082；3中国建筑第五工程局有限公司，中国长沙，410004
目的：当前对盾构隧道管片衬砌的变形破坏机理和控制标准研究主要集中于小直径隧道。随着大直径盾构隧道逐步投入运营，隧道周边的开挖、超载等施工活动导致隧道变形渗漏水及失效问题日益突出。大直径盾构隧道管片直径大、分块多、接头刚度弱，其变形失效机理与小直径管片存在差异，由此缺乏相应变形控制标准。因此，针对大直径盾构隧道管片衬砌开展变形失效机制研究至关重要。
创新点：1.通过建立精细化数值模型，分析大直径盾构隧道管片环的变形失效机理；2.提出适用于大直径盾构隧道管片的变形控制标准。
方法：1.通过数值模拟，分析大直径盾构隧道管片环的横向变形响应（图2和12）；2.通过将计算的管片内力结果带入已有的压弯承载力理论中，分析大直径管片环失效特征（图14）。
结论：1.大直径盾构隧道管片环的横向变形可分为4个阶段：线性增长阶段（阶段I），拟线性增长阶段（阶段IIa和IIb），非线性增长阶段（阶段III）和破坏阶段（阶段IV）。2.在阶段I，钢筋、螺栓和混凝土均处于弹性状态，未发生裂缝贯通。在阶段IIa和IIb，螺栓、钢筋的应力和混凝土的压应变开始增大，管片出现大量裂缝，管片环的刚度逐渐降低。在阶段III，半塑性铰相继形成，并在结构中向完整塑性铰发展，导致管片环刚度急剧下降。在阶段IV，结构的完整塑性铰相继形成，最终结构不能继续承受荷载。裂缝的大量发展和4个塑性铰的完全形成是导致管片环刚度降低的主要原因。3.选取大直径盾构隧道管片在形成第一个半塑性铰（即第一屈服点）时的横向变形，即管片外径的8‰作为变形控制值。该值可作为防止大直径盾构隧道管片破坏的加固标准。4.将计算得到的内力代入管片环的抗弯承载力特征曲线中，发现管片的最大内力组合不超过管片极限承载力曲线（SUBC）。而接头9°、85°和161°及其沿0°~180°轴对称位置的内力组合超过接头极限承载力曲线（JUBC）。这说明大直径管片环的破坏主要是由于接头强度不足导致结构失稳。当管片环接头中的三个或三个以上螺栓屈服时，大直径管片环就会迅速失稳破坏。
关键词组：有限元模型；横向变形响应；上方超载；塑性铰；抗弯承载力
Comparative analysis between single-train passing and double-train intersection in a tunnel
Jianming DU, Qian FANG, Xuan ZHANG, Hualao WANG
DOI: 10.1631/jzus.A2300339 Downloaded: 278 Clicked: 347 Cited: 0 Commented: 0(p.429-442) <Full Text><PPT> 62
机构：1交通运输部公路科学研究院，桥梁隧道研究中心，中国北京，100088；2北京交通大学，隧道及地下工程教育部工程研究中心，中国北京，100044
目的：气动压力是高速铁路隧道结构服役性能的重要影响因素之一。文章旨在对比高速铁路隧道内单车经过与双车交会诱发的气动压力差异特征，探究列车速度、隧道长度以及阻塞比对气动压力差异特征的影响规律，进而为高铁隧道结构后续的科学服役提供理论支撑。
创新点：1.对比分析高速铁路隧道内单车经过与双车交会诱发的气动压力差异特征；2.探究列车速度、隧道长度以及阻塞比对气动压力差异特征的影响规律。
方法：1.通过三维数值仿真，再现高速列车经过隧道的全过程；与现场实测数据进行对比，验证三维数值仿真所用模型参数的准确性与合理性。2.通过数理统计，对比高铁隧道内单车经过与双车交会诱发的气动压力差异特征，探究列车速度、隧道长度以及阻塞比对气动压力差异特征的影响规律。
结论：1.高速铁路隧道内单车经过与双车等速交会时，气动压力时程曲线同步升降低，且双车交会诱发的压力峰值显著大于单车经过；2.列车在隧道内行驶时，气动压力与速度幂次方成正相关性；3.气动压力峰值与隧道长度幂次方之间无显著的线性关系；4.列车在隧道内行驶或驶出隧道后，气动压力峰值与阻塞比幂次方均成正相关。
关键词组：铁路隧道；气动效应；压力特征；列车速度；隧道长度；阻塞比
Journal of Zhejiang University SCIENCE B
ISSN 1673-1581(Print), 1862-1783(Online), Monthly
2024 Vol.25 No.6 P.451-540
CONTENTS
Reviews
Review: Key role of interferon regulatory factor 1 (IRF-1) in regulating liver disease: progress and outlook
Tao CHEN, Shipeng LI, Dewen DENG, Weiye ZHANG, Jianjun ZHANG, Zhongyang SHEN
DOI: 10.1631/jzus.B2300159 Downloaded: 318 Clicked: 382 Cited: 0 Commented: 0(p.451-470) <Full Text><PPT> 6
1天津医科大学第一中心临床学院，中国天津市，300192
2天津市第一中心医院器官移植科，中国天津市，300192
3南开大学移植医学研究院，中国天津市，300192
4河南省人民医院肝胆外科，中国郑州市，450000
5天津市第一中心医院器官移植重点实验室，中国天津市，300192
摘要：干扰素调节因子1（IRF-1）是干扰素调节因子家族的重要一员，其主要功能是能够与靶基因上的干扰素刺激反应元件（ISRE）结合，进而在干扰素诱导的信号通路中发挥重要作用。IRF-1作为一种重要的转录因子，在细胞周期调控、细胞死亡信号转导、增强免疫监视等方面具有重要作用。当前研究表明，IRF-1在多种肝脏疾病的发生和发展中发挥至关重要的作用，包括抑制肝炎病的复制、缓解肝纤维化的进展和加重肝缺血再灌注损伤（HIRI）等。IRF-1还作为一种重要的肿瘤抑制因子，在临床上可作为预测肝癌预后和复发的潜在指标。此外，最新的研究还揭示了IRF-1在介导其他肝脏疾病中的潜在作用，如预防酒精性/非酒精性脂肪性肝病，抑制胆管细胞癌的生物学进展，预防细胞排斥反应等。虽然当前的研究极少涉及IRF-1的临床转化领域，但几种化合物和药物似乎可以通过激活IRF-1信号通路，在动物体特定肝脏疾病模型中发挥保护功能。在本文中，我们将综述既往文献以帮助解读IRF-1在肝脏疾病治疗中的研究进展，并提供未来转化医学应用的理论基础。
关键词组：干扰素调节因子1（IRF-1）；肝炎病毒；肝纤维化；肝缺血再灌注损伤（HIRI）；肝癌
Review: Clinical applications of metagenomics next-generation sequencing in infectious diseases
Ying LIU, Yongjun MA
DOI: 10.1631/jzus.B2300029 Downloaded: 311 Clicked: 421 Cited: 0 Commented: 0(p.471-484) <Full Text><PPT> 6
浙江大学医学院附属金华医院检验科，中国金华市，321000
摘要：传染病对人类健康产生巨大威胁。快速准确地检测出病原体对于传染病的诊断和治疗非常重要。宏基因组二代测序技术（mNGS）能无差别检测样本中所有的核酸（DNA和RNA）。随着测序和生物信息学技术的发展，mNGS正从实验室研究向临床应用迈进，为病原体检测开辟了新的途径。大量研究表明，mNGS在感染性疾病的临床应用中具有良好的潜力，尤其适用于难检测、罕见和新型病原。但是，mNGS在临床应用中仍存在一些问题:（1）缺乏通用的、可验证的工作流程和质量保证；（2）对高宿主背景和低生物量的样本不敏感；（3）缺乏对海量数据分析和报告解读的标准化指导。因此，全面了解这项新技术将有助于促进mNGS在感染性疾病中的临床应用。本文简要综述了二代测序技术的发展历史、主流测序平台和mNGS工作流程，并讨论了mNGS在感染性疾病中的临床应用及该技术的优缺点。
关键词组：宏基因组二代测序技术（mNGS）；感染性疾病；脑脊液（CSF）；牛津纳米孔技术（ONT）；微生物群
Research Articles
Xiaocheng LI, Yaqing XIAO, Pengfei LI, Yayun ZHU, Yonghong GUO, Huijie BIAN, Zheng LI
DOI: 10.1631/jzus.B2300917 Downloaded: 396 Clicked: 294 Cited: 0 Commented: 0(p.485-498) <Full Text><PPT> 4
1西北大学生命科学学院功能糖组学实验室，中国西安市，710069
2第四军医大学细胞生物学教研室&国家分子医学转化中心，中国西安市，710032
3陕西中医药大学医学实验中心，中国咸阳市，712046
4上海市浦东新区公利医院传染病科，中国上海市，200135
摘要：肝性脑病（HE）是肝病（如乙型肝炎引起的肝硬化和肝癌）发展到终末期之后的一个常见的并发症，氨中毒被认为是其主要的发病机制之一。氨与自噬密切相关，但其对HE的自噬调节作用的分子机制尚不清楚。唾液酸化是糖基化的一种重要形式。在神经系统中，异常的唾液酸化会影响各种生理过程，例如神经发育和突触形成。ST3 β-半乳糖苷α2,3-唾液酸转移酶6（ST3GAL6）是一种重要的糖基转移酶，负责将α2,3-连接的唾液酸添加到底物并生成聚糖结构。在本研究中，我们发现经氨诱导后，HE小鼠大脑和星形胶质细胞中ST3GAL6的表达上调，并且在氨诱导的星形胶质细胞中，α2,3-唾液酸化聚糖和自噬相关蛋白微管相关蛋白轻链3（LC3）和Beclin-1的表达均上调。上述结果表明：ST3GAL6与HE中的自噬有关。因此，本研究将进一步确定ST3GAL6与自噬之间的调控关系。我们发现通过沉默ST3GAL6以及通过怀槐凝集素-II（MAL-II）和神经氨酸酶阻断或降解α2,3-唾液酸化聚糖可以抑制自噬。此外，沉默ST3GAL6的表达可以下调热休克蛋白β8（HSPB8）和Bcl2关联永生基因3（BAG3）的表达。值得注意的是，HSPB8的过表达可部分恢复因ST3GAL6表达沉默而导致的自噬水平降低。综上，我们的结果表明了ST3GAL6可通过HSPB8-BAG3复合物调节自噬。
关键词组：肝性脑病；高氨血症；自噬；ST3 β-半乳糖苷α2,3-唾液酸转移酶6（ST3GAL6）；热休克蛋白β8（HSPB8）
Hongyi LIU, Yuanyuan ZHOU, Peng GUO, Xiongwei ZHENG, Weibin CHEN, Shichao ZHANG, Yu FU, Xu ZHOU, Zheng WAN, Bin ZHAO, Yilin ZHAO
DOI: 10.1631/jzus.B2300479 Downloaded: 339 Clicked: 602 Cited: 0 Commented: 0(p.499-512) <Full Text><PPT> 4
1厦门大学附属中山医院肿瘤微创与介入治疗科，中国厦门市，361004
2厦门大学医学院，中国厦门市，361102
3厦门市健康医疗大数据中心，中国厦门市，361008
4福建省慢性肝病肝癌重点实验室（厦门大学附属中山医院），中国厦门市，361004
5厦门市细胞介入及介入医学材料重点实验室，中国厦门市，361004
摘要：人工血管的移植（AVG）造瘘被广泛用于肾衰竭患者的血液透析治疗。然而，目前临床使用的人工血管的弹性和顺应性较差，容易导致狭窄，形成血栓。用于透析的理想人造血管应模拟天然血管的结构和成分，而天然血管主要由血管内细胞分泌的细胞外基质（ECM）中的胶原蛋白维持。研究发现，在乙型肝炎病毒（HBV）诱导的肝纤维化中，肝星状细胞（HSCs）变得异常活跃，并产生过多的 ECM 纤维。此外，机械刺激可促进 ECM分泌并重塑ECM的纤维结构。基于上述因素，我们用乙型肝炎病毒X基因（HBX）转染HSCs细胞，在体外模拟HBV病毒感染的过程。随后，将HBX-HSCs细胞种植入由聚己内酯-聚氨酯（PCL-PU）制备的内层致密、外层多孔的双层支架，通过机械力刺激HBX-HSCs分泌大量的胶原纤维，并促进其与血管支架的多孔结构进行交联。由此，我们获得了一种ECM-PCL-PU复合仿生血管，其在脱细胞后可作为透析用血管。最后，我们将制备得到的血管支架植入兔颈部动静脉瘘模型。该血管支架具有很强的拉伸强度和顺畅的血流，并在兔子体内形成了自体血管。综上，我们的研究展示了利用人体细胞创建仿生透析血管的方法，为创建临床透析血管通路提供了一种新方法。
关键词组：复合双层仿生血管；细胞外基质；肝星状细胞；乙型肝炎病毒X基因（）；机械力
Heme oxygenase 1 linked to inactivation of subchondral osteoclasts in osteoarthritis
Miao CHU, Guangdong CHEN, Kai CHEN, Pengfei ZHU, Zhen WANG, Zhonglai QIAN, Huaqiang TAO, Yaozeng XU, Dechun GENG
DOI: 10.1631/jzus.B2300303 Downloaded: 400 Clicked: 387 Cited: 0 Commented: 0(p.513-528) <Full Text><PPT> 4
1苏州大学第一附属医院骨科，中国苏州市，215006
2宜兴市人民医院骨科，中国宜兴市，214299
3海安人民医院骨科，中国海安市，226600
4上海交通大学医学院附属苏州九龙医院骨科，中国苏州市，215028
摘要：骨关节炎（OA）是一种老年慢性进行性骨关节病。破骨细胞活化在早期骨关节炎软骨下骨丢失的发生中起着至关重要的作用。然而，骨性关节炎中破骨细胞分化的具体机制尚不清楚。在本研究中，从基因表达综合库（GEO）中筛选了与OA疾病进展和破骨细胞活化相关的基因表达谱。采用GEO2R和Funrich分析工具寻找差异表达基因（DEGs）。富集分析结果表明，化学致癌作用、活性氧和氧化应激反应主要参与OA软骨下骨的破骨细胞分化。此外，还鉴定了14个与氧化应激相关的DEGs。选择排名第一的差异基因血红素加氧酶1（HMOX1）进行进一步验证。相关结果显示，OA软骨下骨破骨细胞活化过程中伴随着HMOX1的下调。在体外实验中发现，鼠尾草酚通过靶向HMOX1，上调抗氧化蛋白的表达来抑制破骨细胞的形成。同时，在体内发现鼠尾草酚通过抑制软骨下骨破骨细胞的激活来减轻OA的严重程度。综上所述，软骨下骨氧化还原失稳态引起的破骨细胞活化是骨性关节炎进展的重要途径。在软骨下破骨细胞中靶向HMOX1可为早期OA的治疗提供新的见解。
关键词组：破骨细胞；氧化应激；骨关节炎（OA）；血红素加氧酶1（HMOX1）；鼠尾草酚
Duo LV, Xishao XIE, Qinyun YANG, Zhimin CHEN, Guangjun LIU, Wenhan PENG, Rending WANG, Hongfeng HUANG, Jianghua CHEN, Jianyong WU
DOI: 10.1631/jzus.B2300538 Downloaded: 290 Clicked: 324 Cited: 0 Commented: 0(p.529-540) <Full Text><PPT> 6
1浙江大学医学院附属第一医院临床药学部，中国杭州市，310003
2浙江省药物临床研究与评价技术重点实验室，中国杭州市，310003
3浙江大学医学院附属第一医院肾脏病中心，中国杭州市，310003
4浙江省肾脏病防治技术研究重点实验室，中国杭州市，310003
5浙江大学肾脏病研究所，中国杭州市，310003
6浙江省肾脏与泌尿系统疾病临床创医学研究中心，中国杭州市，310003
7中国中医药管理局III级实验室，中国杭州市，310003
8浙江大学医学院附属第一医院信息中心，中国杭州市，310003
摘要：2022年12月2019冠状病毒病（COVID-19）在中国出现短期的暴发流行，大量肾移植受者在感染COVID-19后需住院治疗。本研究回顾分析了在2022年12月16日至2023年1月31日期间感染COVID-19并在浙江大学医学院附属第一医院住院治疗的肾移植受者的临床特征和预后，随访截至2023年3月31日。本研究共纳入324名患者，其中位年龄为49岁，从出现症状到入院的中位时间为13天。分别有67例（20.7%）、11例（3.4%）和148例（45.7%）患者接受了莫那匹韦、阿兹夫定和奈玛特韦/利托那韦治疗，29例（9.0%）患者接受了多种抗病毒药物治疗，48例（14.8%）接受了托珠单抗治疗，53例（16.4%）接受了巴瑞替尼治疗。其中，81例（25.0%）发生急性肾损伤（AKI），39例（12.0%）转入ICU治疗，55例（17.0%）发生真菌感染，50例（15.4%）最终发生移植肾失功。患者的28天死亡率为9.0%，截至随访终点时共有42例（13.0%）患者死亡。多因素Cox回归分析显示合并脑血管疾病、AKI出现、白介素-6（IL-6）水平大于6.8 pg/mL、每日平均糖皮质激素剂量大于50 mg以及真菌感染等因素与住院患者死亡风险增加相关。结果表明，感染COVID-19后需住院治疗的肾移植受者死亡率很高。此外，服用免疫调节剂或过迟应用抗病毒药物，并不能提高患者生存率，而且大剂量的糖皮质激素使用则会增加死亡风险。
关键词组：2019冠状病毒病（COVID-19）；肾移植；住院治疗；死亡率
Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering
ISSN 2095-9184 (print), ISSN 2095-9230 (online)
2024 Vol.25 No.5 P.629-762
CONTENTS
Special Feature on Coordination of Networking and Computing: Architecture, Theory, and Practice (Editor-in-Chief: Xiaoyun WANG; Executive Lead Editors: Yong CUI, Tao SUN)
Xiaoyun WANG, Tao SUN, Yong CUI, Rajkumar BUYYA, Deke GUO, Qun HUANG, Hassnaa MOUSTAFA, Chen TIAN, Shangguang WANG
DOI: 10.1631/FITEE.2430000 Downloaded: 85 Clicked: 109 Cited: 0 Commented: 0(p.629-632) <Full Text>
黄群6，Hassnaa MOUSTAFA7，田臣8，王尚广9
1中国移动通信集团有限公司，中国北京市，100032
2中国移动通信有限公司研究院，中国北京市，100053
3清华大学计算机科学与技术系，中国北京市，100084
4墨尔本大学计算与信息系统学院CLOUDS实验室，澳大利亚维多利亚州墨尔本市，3010
5国防科技大学信息系统工程国家重点实验室，中国长沙市，410073
6北京大学计算机学院，中国北京市，100871
7英特尔公司，美国加利福尼亚州圣克拉拉市，95054
8南京大学计算机软件新技术国家重点实验室，中国南京市，210023
9北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室，中国北京市，100876
计算，作为信息处理的基石，在数字服务时代起着至关重要的作用。"网络"和"计算"分别用于信息传输和处理，传统上属于不同的利益主体，并独立演进。近期，网络和计算协同、融合的演进趋势得到工业界和学术界广泛关注。相应地，"算力网"和"算力网络"等概念被陆续提出，电信标准化组织国际电信联盟（ITU-T）也已启动算网协同（coordination of networking and computing,CNC）的标准化工作，尤其关注架构和框架设计。网络与计算协同将带来几个直接好处：
能够在广域内有效调度资源，实现节能。中国在2022年启动的"东数西算"国家工程就是例证，该工程旨在引导产业界在有着丰富能源的中国西部地区进行数据处理和存储，高效利用能源，特别是可再生能源。
促进算力成为一种公共基础设施服务。这是人工智能先驱约翰·麦卡锡（John McCarthy）在20世纪60年代提出的愿景。其目的是使算力像家用水电一样容易获得，以弥合算力资源可获取性的差距。孙凝晖院士及其团队将上述能力命名为"computility"，亦即基于网络提供泛在的信息处理能力。
显著提升用户体验。例如，沉浸式通信是以大流量、低延迟、频繁交互和高计算复杂性为特征的通信模式，其服务质量的评估需同时考虑数据的传输和处理。连接和计算的协同可以实现优化的平衡，例如选择合适的计算节点和网络传输路径。
本专题包括6篇文章--1篇前瞻观点、1篇综述和4篇研究论文。该专题可以看作对长久以来的经典问题--将系统设计为一个网络连接的超级计算机--的一次再探讨。通过对终端、边缘云和中心云进行计算资源的协同管理，实现端到端服务的优化至关重要。其核心理念是"以计算换传输"，通过增强的算力减少数据处理时延，从而降低网络传输过程中对超低延迟传输的苛刻要求。通过系统性协同和集成，让网络和计算能力产生协同放大作用。为达到上述优势，需解决3个方面的重要问题：
对网络与算力的需求及资源进行标识，识别应用所需的算力和网络传输能力。了解如何识别和建模这些需求至关重要，特别对于异构和分布式计算资源。挑战在于确保有效分配原始数据或处理逻辑，以使用可用的计算资源。
及时与联合的感知算力和网络资源，收集与网络或算力相关的负载信息。由于采用不同监控方法，算力指标通常获取自算力基础设施组件，如云服务、虚拟机或容器。相比之下，网络连接指标通常依赖于端到端数据路径传输的测量。
计算和网络资源的协同调度需要系统性优化。促进终端设备、边缘计算和云服务之间的协作，涉及到为网络建立一个统一的"大脑"，使得该网络化的"分布式计算系统"中的资源提供者可协作地应对多维资源调度的挑战。
除以上核心方面外，这些系统的实现还涉及任务，比如应用任务分解。此外，评估网络和计算资源能否在信息处理全生命周期--包括生成、传输、处理和消费--中协作至关重要。在数字化转型背景下，网络与计算协同预示着一个有着广泛前景的崭新研究领域，还有许多挑战有待发现和解决。
系统的架构设计是实现这些新功能的关键。王晓云等提出算力感知网络（CAN）概念，这是一个新的框架，集成了促进广域计算和网络协同的感知平面。这个框架确定了3项关键技术：算力路由（CATS）、弹性广播和广域高吞吐传输。尽管将算力引入路由策略还需进一步调研，国际互联网工程任务组（IETF）已启动关于算力路由的讨论，以探索潜在场景和架构设计。弹性广播是为广域网络中"一对多"通信定制设计的，这对于跨数据中心的人工智能模型训练和推理至关重要。尽管高吞吐传输并非新概念，但长距离造成的物理延迟、数据丢包和服务器限制，为其在广域网中的应用带来不小挑战。
由于高功率计算对环境和成本的影响，能源使用效率至关重要。近年来业界关注的联邦学习就需要采用节能的方法，特别是在边缘计算环境中。颜康等对边缘联邦学习中的节能策略作了全面调研，包括系统和能源消耗模型。探讨了3类策略，包括基于学习的策略、资源分配策略和用户选择策略，并指出几种潜在的节能联邦学习研究方向。
有效提供计算服务或解决复杂问题，需要采用协作的方法进行任务分解。这包括在用户设备、边缘网络和云数据中心之间的任务卸载，促进在云、边缘、终端设备等基础设施之间的协作。白小军等将不同任务分为延迟敏感类和延迟容忍类，利用连续时间马尔可夫链对系统建模。通过对边缘网络缓冲区访问阈值的优化，实现了在平均延迟和阻塞率之间的平衡。
当有多个计算和网络资源服务提供者时，选择适当的提供者对于完成任务至关重要。付月霞等利用基于beta分布函数的信誉模型来评估资源提供者的信誉，并引入基于性能的信誉更新模型。该方法被建模为一个受约束的多目标优化问题，通过改进的快速精英非主导的排序遗传算法确定可行解。大量仿真实验证实了模型在提高用户满意度和资源使用率方面的有效性和效力。
网络和计算协同的本质在于对计算资源与网络资源分配的联合考虑。韩雪莹等提出一种将深度强化学习与图神经网络相结合的智能资源分配方法。该方法通过优化跨网络拓扑中的网络和计算资源，在结构性变化情况下也能克服算力网络中路由的挑战。
在各种场景和领域中，算力与网络之间的协同作用至关重要。蔡逸卓等致力于提高6G网络中联邦学习场景的通信效率，调研了传统和对等（peer-to-peer）联邦学习架构。文章证明基于实时资源状态优化的算力调度可以显著提高性能。
本专题得到学术和产业界大力支持，涵盖了网络与计算协同的多个方面，如互联网协议（IP）、蜂窝网络等。需要指出的是，相关研究仍处于起步阶段，许多问题和技术值得进一步深入研究。
最后，衷心感谢所有作者、评审人及期刊编辑的支持和贡献。
Perspective: Computing-aware network (CAN): a systematic design of computing and network convergence
Xiaoyun WANG, Xiaodong DUAN, Kehan YAO, Tao SUN, Peng LIU, Hongwei YANG, Zhiqiang LI
DOI: 10.1631/FITEE.2400098 Downloaded: 148 Clicked: 224 Cited: 0 Commented: 0(p.633-644) <Full Text><PPT> 49
1中国移动通信集团有限公司，中国北京市，100032
2中国移动通信有限公司研究院，中国北京市，100053
摘要：网络资源的覆盖范围日益广泛，算力资源也逐渐成为能够提供泛在计算服务的基础设施。然而，在广域网络，底层网络和计算资源缺乏密切的研究或协同设计，仍然存在计算服务调度缓慢、数据分发不灵活、数据传输效率低等问题。本文提出算力感知网络(CAN)的系统架构设计，其核心贡献在于引入感知平面来收集、管理并综合计算和网络的信息。这样，感知平面、控制平面和数据平面组成一个闭环控制系统，增强了整个系统的感知能力、决策能力和数据转发功能。为了使能CAN系统，本文提出三项关键技术:算力路由、弹性广播和广域高吞吐传输。本文以人工智能(AI)模型训练、推理和离线参数传输为例，展示CAN的适用性，并指出未来的一些研究方向。
关键词组：网络架构；算力感知网络；算网一体
Review Article: A survey of energy-efficient strategies for federated learning in mobile edge computing
Kang YAN, Nina SHU, Tao WU, Chunsheng LIU, Panlong YANG
DOI: 10.1631/FITEE.2300181 Downloaded: 438 Clicked: 455 Cited: 0 Commented: 0(p.645-663) <Full Text><PPT> 53
1国防科技大学电子对抗学院，中国合肥市，230009
2香港理工大学电子计算学系，中国香港特别行政区，999077
3中国科学技术大学计算机科学与技术学院，中国合肥市，230026
摘要：随着第五代网络技术和物联网的蓬勃发展，终端用户设备数量和各种各样的应用程序正在激增，从而在网络边缘产生大量数据。为了高效处理这些数据，创新性的移动边缘计算框架已经出现，以实现靠近用户流量的低延迟和高效的计算能力。近年来，由于其保护隐私的优势，联邦学习在边缘计算中展示出经验性的成功。因此，它成为各种机器学习任务中分析和处理分布式数据有前景的解决方案，这些任务是移动边缘计算中的主要工作负载。遗憾的是，终端用户设备通常由容量有限的电池供电，在执行高能耗的联邦学习任务时会面临挑战。为应对这些挑战，已有许多节能策略被提出。考虑到目前缺乏全面总结和分类这些策略的调查，我们对移动边缘计算中联邦学习的节能策略的最新进展作了全面调查。具体而言，首先介绍了联邦学习中的系统模型和能耗模型，涉及计算和通信。然后，分析了提高能效方面的挑战，并从3个角度总结了节能策略：基于学习的策略、资源分配策略和客户端选择策略。对这些策略作了详细分析，比较了它们的优势和劣势。此外，通过展示实验结果，直观展现了这些策略对联邦学习性能的影响。最后，讨论了节能联邦学习若干潜在研究方向。
关键词组：移动边缘计算；联邦学习；能量高效
Xiaojun BAI, Yang ZHANG, Haixing WU, Yuting WANG, Shunfu JIN
DOI: 10.1631/FITEE.2300128 Downloaded: 424 Clicked: 500 Cited: 0 Commented: 0(p.664-684) <Full Text><PPT> 42
1燕山大学信息科学与工程学院，中国秦皇岛市，066004
2河北省计算机虚拟技术与系统集成重点实验室，中国秦皇岛市，066004
摘要：如何在用户设备、边缘网络和云数据中心之间协同卸载任务是一个非常有趣且具有挑战性的研究课题。本文研究了云-边-端协同环境下的任务卸载决策、建模解析和系统参数优化问题，旨在权衡不同的性能指标。根据任务的不同延迟要求，将任务分类为延迟敏感型任务和延迟容忍型任务。为了在满足延迟敏感型任务的延迟需求的同时尽可能处理更多的延迟容忍型任务，提出一种云-边-端协同任务卸载策略，其中，延迟敏感型任务和延迟容忍型任务分别遵循访问阈值控制策略和损失策略。建立一个四维连续时间马尔可夫链作为系统机理模型，利用高斯-赛德尔方法，求解系统模型的平稳概率分布。在此基础上，给出延迟敏感型任务的阻塞率和两类任务的平均延迟等性能指标。通过数值实验评估了系统性能，并通过仿真实验验证了所提任务卸载策略的有效性。最后，针对不同延迟敏感型任务比例，优化了边缘网络缓冲区中的访问阈值，实现了系统开销的最小化。
关键词组：边缘计算；卸载策略；云-边-端协同；马尔可夫链；成本函数
Yuexia FU, Jing WANG, Lu LU, Qinqin TANG, Sheng ZHANG
DOI: 10.1631/FITEE.2300156 Downloaded: 392 Clicked: 516 Cited: 0 Commented: 0(p.685-700) <Full Text><PPT> 32
1中国移动通信有限公司研究院，中国北京市，100053
2紫金山实验室，中国南京市，211111
3中国移动通信集团有限公司，中国北京市，100033
摘要：随着算力和网络融合的发展，在算力网络（CFN）中统筹考虑多个提供商的算力资源和网络资源逐渐成为一种新趋势。然而，由于每个算网资源提供商（CNRP）只考虑自身利益，与其他CNRP存在竞争关系，因此引入多个CNRP会造成缺乏信任和难以统一调度的问题。此外，多个并发用户的需求各不相同，因此迫切需要研究如何在多对多的基础上优化匹配用户和CNRP，从而提高用户满意度，保证和提高有限资源的利用率。首先采用基于贝塔分布函数的声誉模型衡量CNRP可信度，并提出基于性能的声誉更新模型。其次，将问题形式化为一个约束多目标优化问题，并使用改进的快速精英非支配排序遗传算法（NSGA-II）找到可行解。本文进行大量仿真实验评估所提算法。仿真结果表明，所提模型、问题表述、和NSGA-II是有效的，NSGA-II可以找到CFN的帕累托集，提高用户满意度和资源利用率。此外，帕累托集所提供的一组解决方案根据实际情况为用户和CNRP的多对多匹配问题提供更多选择。
关键词组：算力网络；资源调度；基于性能的声誉；用户满意度
Xueying HAN, Mingxi XIE, Ke YU, Xiaohong HUANG, Zongpeng DU, Huijuan YAO
DOI: 10.1631/FITEE.2300009 Downloaded: 826 Clicked: 988 Cited: 0 Commented: 0(p.701-712) <Full Text><PPT> 36
1北京邮电大学计算机学院（国家示范性软件学院），中国北京市，100876
2北京邮电大学人工智能学院，中国北京市，100876
3中国移动研究院基础网络技术研究所，中国北京市，100032
摘要：由于具有特定计算需求及超低延迟传输需求的实时应用呈现爆炸性增长，算力网络成为热门研究课题。当前算力网络的主要挑战是如何权衡网络资源与计算资源，作出联合最优决策。尽管近年来深度强化学习在网络优化方面取得一定进步，但这些方法仍然受到拓扑结构变化的影响，特别是对未在训练中出现的网络拓扑作出决策。本文提出一个基于图神经网络的深度强化学习框架，使得智能体在进行网络与计算资源联合优化的同时，兼具拓扑泛化性，更加适应网络拓扑的动态变化。借助图神经网络的泛化优势，该方法可在变动的网络拓扑中运行，且相比基于传统深度强化学习的方法具有更强的优化决策能力。
关键词组：算力网络；路由优化；深度学习；图神经网络；资源分配
Yizhuo CAI, Bo LEI, Qianying ZHAO, Jing PENG, Min WEI, Yushun ZHANG, Xing ZHANG
DOI: 10.1631/FITEE.2300122 Downloaded: 439 Clicked: 635 Cited: 0 Commented: 0(p.713-727) <Full Text><PPT> 42
1北京邮电大学无线信号处理与网络实验室，中国北京市，100876
2中国电信股份有限公司研究院，中国北京市，102209
3中国电信股份有限公司北京分公司，中国北京市，100011
摘要：联邦学习以参与设备之间协作训练全局模型的形式，有效地解决了数据隐私等问题。然而，在复杂的网络环境中，网络拓扑和设备算力等因素极其影响联邦学习的训练和通信过程。作为一种算力可测、可感知、可分配、可调度和可管理的新型网络架构和范式，6G中的算力网络恰好能有效支持联邦学习训练并提高其通信效率。根据业务需求、资源负载、网络条件和设备算力等信息，算力网络可以决策联邦学习的训练进而实现通信效率提高。为了提高复杂网络环境下联邦学习的通信效率，本文研究了其在6G算力网络中的通信效率优化方法，针对不同的网络条件和参与设备的算力作出训练过程的决策。仿真实验基于联邦学习中存在的两种架构，依据算力信息调度设备参与训练，并在传输模型参数的过程中实现通信效率的优化。仿真结果表明，本文提出的方法能够很好地应对复杂的网络情况，有效平衡参与设备的本地训练延迟差异，提高在传输模型参数时的通信效率，并提高网络中的资源利用率。
关键词组：算力网络协同；通信效率；联邦学习；两种架构
Regular Papers
Federated learning on non-IID and long-tailed data via dual-decoupling
Zhaohui WANG, Hongjiao LI, Jinguo LI, Renhao HU, Baojin WANG
DOI: 10.1631/FITEE.2300284 Downloaded: 424 Clicked: 503 Cited: 0 Commented: 0(p.728-741) <Full Text><PPT> 51
上海电力大学计算机科学与技术学院，中国上海市，201306
摘要：联邦学习(FL)作为一种最前沿的分布式机器学习训练范式，旨在通过协作训练客户端模型生成全局模型，且不泄露本地私有数据。然而客户端数据同时呈现出非独立同分布(non-IID)和长尾分布时会严重影响全局模型准确率，从而对联邦学习造成根本性挑战。针对非独立同分布和长尾数据，提出一种通过模型和逻辑校准的双解耦联邦学习(FedDDC)框架。该模型具有3个特点。首先，解耦全局模型为特征提取器和分类器，从而微调受异构数据影响的组件。针对有偏特征提取器，提出客户端置信度重加权算法辅助校准，该算法为每个客户端分配最优权重。针对有偏分类器，采用分类器再平衡方法进行微调。其次，校准并集成经过客户端重加权和分类器重平衡的逻辑，从而得到无偏逻辑。最后，首次在非独立同分布和长尾分布下的联邦学习中使用解耦知识蒸馏，通过提取无偏模型知识提高全局模型准确率。大量实验表明，在非独立同分布和长尾数据上FedDDC优于最先进的联邦学习算法。
关键词组：联邦学习；非独立同分布；长尾数据；解耦学习；知识蒸馏
Zhenkai ZHANG, Xiaoke SHANG, Yue XIAO
DOI: 10.1631/FITEE.2300462 Downloaded: 259 Clicked: 344 Cited: 0 Commented: 0(p.742-754) <Full Text><PPT> 40
江苏科技大学海洋学院，中国镇江市，212003
摘要：正交时频空间(orthogonal time-frequency space, OTFS)是近年来针对高多普勒无线场景提出的一种新的调制技术。针对OTFS雷达通信一体化系统的参数估计问题，本文提出一种基于稀疏重构预处理的参数估计方法，以降低传统加权子空间拟合(weighted subspace fitting,WSF)算法的计算量。首先，构建了OTFS一体化回波信号模型。然后，对回波信号进行时域变换，将目标角度与距离分离，利用稀疏重建算法对检测目标的距离和角度进行粗估计。最后，利用WSF算法以粗估计为中心对搜索进行细化，得到准确的估计。仿真实验证明了所提参数估计算法的有效性和优越性。
关键词组：雷达通信一体化系统；正交时频空；目标参数估计；稀疏重构；加权子空间拟合
Correspondence: SEVAR: a stereo event camera dataset for virtual and augmented reality
Yuda DONG, Zetao CHEN, Xin HE, Lijun LI, Zichao SHU, Yinong CAO, Junchi FENG, Shijie LIU, Chunlai LI, Jianyu WANG
DOI: 10.1631/FITEE.2400011 Downloaded: 185 Clicked: 261 Cited: 0 Commented: 0(p.755-762) <Full Text><PPT> 51
冯俊驰1,3，刘世界1，李春来1,2，王建宇1,2
1中国科学院大学杭州高等研究院，中国杭州市，310024
2中国科学院上海技术物理研究所，中国上海市，200083
3中国科学院大学，中国北京市，100049
4甬江实验室，中国宁波市，130021
摘要：近年来，事件相机以其低延迟、高动态范围和高时间分辨率等特点受到越来越多关注。这些特点使它特别适合应用于虚拟和增强现实（VR/AR）领域。为了促进事件相机在VR/AR应用中的三维感知和定位算法的发展，我们引入用于虚拟和增强现实场景的双目事件相机数据集（SEVAR）。该数据集以头戴式设备为主体，覆盖几种常见的室内场景序列，包括面向事件相机的快速运动和高动态范围的挑战性情景。我们发布了第一组VR/AR场景的感知和定位数据集，该数据集由双目事件体相机、30 Hz双目标准相机和1000 Hz惯性测量单元采集。相机的放置方式、视场和分辨率与商用头戴设备（如Meta Quest Pro）相似。所有传感器在硬件上进行时间同步。为更好地开展定位精度和轨迹的评估，提供了由动作捕捉系统捕捉的位姿真值。数据集见https://github.com/sevar-dataset/sevar。
关键词组：同步定位与地图构建（SLAM）数据集；事件相机；虚拟和增强现实（VR/AR）