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Journal of Zhejiang University SCIENCE C
ISSN 1869-1951(Print), 1869-196x(Online), Monthly
2021 Vol.22 No.12 P.1551-1684
Perspectives
Perspective: Multiple knowledge representation for big data artificial intelligence: framework, applications, and case studies
Yi Yang, Yueting Zhuang, Yunhe Pan
DOI: 10.1631/FITEE.2100463 Downloaded: 5030 Clicked: 4568 Cited: 0 Commented: 0(p.1551-1558) <Full Text><PPT> 854
机构：1浙江工业大学，机械工程学院，中国杭州，310023；2浙江大学，流体动力与机电系统国家重点实验室，中国杭州，310027；3浙江工业大学，特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室，中国杭州，310023
目的：两级换向阀通常采用比例先导控制技术，其缺点是存在死区、泄漏和先导阀运动质量大等问题，难以保证主阀的快速响应性能。因此，本文旨在提出一种采用两个独立高速开关阀的切换先导技术替代传统的先导比例阀，以提高主阀的动静态性能。
创新点：1.设计一种以高速开关阀组为先导桥路的新型两级液压阀；2.设计基于分段式比例积分微分（PID）的主阀芯位移控制算法；3.运用切换先导技术，明显改善主阀的动静态性能。
方法：1.通过理论分析研究先导级供油压力（公式(16)和(17)）和高速开关阀驱动频率（公式(19)和(20)）对主阀动静态性能的影响；2.在先导级采用自适应供油压力驱动算法（图7），而在主级采用分段式PID主阀芯位移控制算法（图10）；3.通过实验分析，验证本文提出的切换先导技术的控制效果（图12~15）。
结论：1.通过理论分析和实验论证，证明了切换先导技术方案的可行性；2.先导级供油压力和高速开关阀驱动频率对主阀动态性能和控制精度有很大影响。3.通过增大先导级供油压力，可以提高主阀21.5%的快速响应性能，但同时会造成较大的稳态误差。4.通过增加高速开关阀的驱动频率，可以将主阀的稳态误差控制在20μm内，并提高16.7%的静态性能。
关键词组：先导式比例阀；切换先导级；高速开关阀；动态性能；控制精度
Perspective: Perspectives on cross-domain visual analysis of cyber-physical-social big data
Wei Chen, Tianye Zhang, Haiyang Zhu, Xumeng Wang, Yunhai Wang
DOI: 10.1631/FITEE.2100553 Downloaded: 2167 Clicked: 3107 Cited: 0 Commented: 0(p.1559-1564) <Full Text><PPT> 770
1浙江大学CAG&CG国家重点实验室，中国杭州市，310058
2山东大学计算机科学与技术学院，中国济南市，250100
摘要：三元空间大数据一般定义为由其定义领域（包括数据、对象、任务、应用场景、主体等）所有元素组成的集合。可视分析是一种新兴的人在回路大数据分析范式，可利用人类感知提高人类认知效率。本文探讨三元空间大数据跨域可视化分析，强调三元空间大数据跨域性带来的新挑战--数据、主题和任务域，并提出一个新的可视分析模型和一套方法来应对这些挑战。
关键词组：可视分析；三元空间；大数据；跨域
Research Articles
Heng Yao, Ben Ma, Mian Zou, Dong Xu, Jincao Yao
DOI: 10.1631/FITEE.2000716 Downloaded: 3496 Clicked: 6369 Cited: 0 Commented: 0(p.1565-1582) <Full Text><PPT> 782
1上海理工大学光电信息与计算机工程学院，中国上海市，200093
2上海理工大学机械工程学院，中国上海市，200093
3中国科学院大学附属肿瘤医院（浙江省肿瘤医院），中国杭州市，310000
4中国科学院肿瘤与基础医学研究所，中国杭州市，310000
摘要：噪声是影响人类视觉感知最常见的图像失真类型。本文提出一种基于熵、梯度和峰度特征的无参考图像质量评估方法。具体来说，基于偏度不变性在离散余弦变换域进行图像噪声估计，进一步计算得到熵特征。在主成分分析变换域，通过统计有噪声图像与无噪声图像之间的显著差异得到峰度特征。此外，将熵和峰度特征与梯度系数结合，提高熵和峰度特征与主观得分之间的一致性。通过不同方向的滤波器对图像进行梯度特征提取，最后支持向量回归将所有提取的特征映射到综合评分系统中。为验证算法性能，在3个主流数据库（即LIVE、TID2013以及CSIQ）中对该方法进行评价。实验结果验证了该方法的优越性，尤其是在反映预测精度的皮尔逊线性相关系数方面的突出性能。
关键词组：噪声图像质量评价；噪声估计；峰度；人类视觉系统；支持向量回归
A novel context-aware RPL algorithm based on a triangle module operator
Yanan Cao, Hao Yuan
DOI: 10.1631/FITEE.2000658 Downloaded: 4135 Clicked: 5279 Cited: 0 Commented: 0(p.1583-1597) <Full Text><PPT> 888
1天津师范大学天津市无线移动通信与电力传输重点实验室，中国天津市，300387
2中国人民解放军61846部队，中国涿州市，072750
摘要：低功耗有损网络路由协议（RPL）由因特网工程任务组设计，主要适用于通信条件复杂、环境恶劣的低功耗有损网络。为进一步提高低功耗有损网络性能，本文提出一种基于三角模算子的情景感知RPL新算法（CAR-TMO）。首先设计了一种新的情景感知复合路由度量（CA-RM）；CA-RM可综合评估候选父节点的剩余能量指数、缓存占用率、以及该候选父节点到根节点之间路径所需的期望传输数（ETX）、时延和跳数。CA-RM以递归方式评估了候选父节点及其偏好父节点的剩余能量指数和缓存占用率，以降低上游父节点对偏好父节点选择的影响。CA-RM综合使用路径上各链路ETX和时延的和值、均值和均方差值以进一步提高网络性能。其次，设计了上述各路由度量的隶属度函数。然后，基于三角模算子和各路由度量的隶属度函数构造综合隶属度函数和情景感知目标函数（CA-OF）。此外，提出新的计算节点秩值和偏好父节点选择机制。最后，理论分析和仿真结果均表明，CAR-TMO在分组投递成功率、能效等方面均优于RPL及其相关改进算法。
关键词组：三角模算子；隶属度函数；情景感知；低功耗有损网络路由协议（RPL）；路由度量
State space optimization of finite state machines from the viewpoint of control theory
Jumei Yue, Yongyi Yan, Zengqiang Chen, He Deng
DOI: 10.1631/FITEE.2000608 Downloaded: 6645 Clicked: 5462 Cited: 0 Commented: 0(p.1598-1609) <Full Text><PPT> 763
1河南科技大学农业装备工程学院，中国洛阳市，471003
2河南科技大学信息工程学院，中国洛阳市，471003
3南开大学人工智能学院，中国天津市，300071
摘要：现有大多数关于有限状态自动机（finite state machines, FSM）状态空间的优化方法不便甚至不能给出优化的数学意义。本文将FSM视为逻辑动态系统，借鉴控制论中动态系统平衡点的概念，引入t-等价状态和t-源等价状态概念。基于近年提出的FSM状态转移动力学方程，得到t-等价状态和t-源等价状态的数学描述（该数学描述可类比于控制论中关于动态系统平衡点的充要条件），进而给出该优化问题的数学解释。基于这些数学描述，设计了求解FSM所有t-等价状态和t-源等价状态的两种方法。此外，找到降低FSM状态空间的两种路径。可不借助计算机，仅用纸笔以数学推演方式实现。并且，为使所设计的方法借助计算机能完全以无人值守方式运行，提出一个开放性问题。最后，采用实际语言模型验证了结论的正确性和有效性。
关键词组：有限状态自动机；有限值系统；逻辑系统；逻辑网络；矩阵半张量积；空间优化
Yan Wei, Jun Luo, Huaicheng Yan, Yueying Wang
DOI: 10.1631/FITEE.2000692 Downloaded: 4150 Clicked: 6150 Cited: 0 Commented: 0(p.1610-1624) <Full Text><PPT> 887
1上海交通大学航空航天学院，中国上海市，200240
2上海大学机电工程与自动化学院，中国上海市，200444
3华东理工大学信息科学与工程学院，中国上海市，200237
摘要：研究了状态约束下多输入多输出不确定非线性系统的自适应有限时间事件触发控制问题。为防止系统状态违反非对称时变约束，建立tan型非线性映射函数，将所考虑的系统转化为等价无约束系统。在虚拟控制信号中引入光滑切换函数，以避免传统有限时间动态面控制方法在零附近的奇异现象。同时，采用模糊逻辑系统补偿未知非线性函数。引入合适的事件触发机制确定何时控制律更新。利用李雅普诺夫稳定性理论分析，证明闭环系统是半全局最终有限时间稳定的，且不违反状态约束。最后，通过仿真实例验证了所设计控制方法的有效性。
关键词组：事件触发控制；非线性映射；自适应模糊控制；有限时间；状态约束
A stepless-power-reconfigurable converter for a constant current underwater observatory
Yujia Zang, Yanhu Chen, Canjun Yang, Haoyu Zhang, Zhiyong Duan, Gul Muhammad
DOI: 10.1631/FITEE.2100259 Downloaded: 4337 Clicked: 3049 Cited: 0 Commented: 0(p.1625-1640) <Full Text><PPT> 873
1浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室，中国杭州市，310027
2季华实验室，中国佛山市，528200
摘要：恒流（CC）电能到恒压（CV）电能的转换是恒流输电水下观测网的关键技术之一。该系统通常采用具有高稳定性和高可靠性的并联稳压器以稳定输出电压。然而，并联稳压方法存在高热损耗和低转换效率的缺点。本文对传统并联稳压方法进行改进，提出一种CC/CV转换模块的无级功率重构方法。针对稳定负载或缓慢变化负载的应用场景，介绍两种无级功率重构转换模式：（1）基于单环控制的手动无级功率重构（MSPR）；（2）基于内-外环控制的自动无级功率重构（ASPR）。所述方法在保证系统留有预设功率裕度的同时，可以尽可能减少并联稳压方法中不必要的能量损失。分析了该方法的转换效率，讨论了系统关键参数选择方法。实验结果表明，MSPR和ASPR方法均保留了并联稳压方法的高稳定优点，同时降低了CC/CV转换模块的热耗散，提高了CC/CV转换效率。
关键词组：恒流/恒压转换；并联稳压器；无级功率重构；水下观测网
Yefei Zhang, Zhidong Zhao, Yanjun Deng, Xiaohong Zhang, Yu Zhang
DOI: 10.1631/FITEE.2000511 Downloaded: 4728 Clicked: 6554 Cited: 0 Commented: 0(p.1641-1654) <Full Text><PPT> 968
杭州电子科技大学电子信息学院，中国杭州市，300318
摘要：随着日益增长的个人隐私和安全需求，基于生理信号的生物识别技术近年受到越来越多关注。心电信号（electrocardiogram, ECG）的活体采集性和信息隐蔽性使其具有极强抗攻击性。本文针对现有深度学习算法在心电身份识别领域应用中面临的3个主要瓶颈--超参数寻优费时、识别过程缓慢且计算量大、心电采集环境复杂且不稳定，提出一种新的深度神经网络框架，集双向长短期记忆网络（BLSTM）和自适应粒子群优化算法（APSO）于一体，直接从时序信号中学习待识别个体的关键特征表示。该方法避免了超参数选择寻优效率低下且依赖于经验设定的不足，充分利用时序信号的空间信息特征和识别算法对关键特征的记忆特性。为评估算法性能，设计了两种方案模拟个体ECG采集过程中的电极放置位置和采集时间连续性。经4种LSTM网络模型和机器学习算法的实验对比分析，证实所提算法在抑制过拟合和特征自学习方面存在一定优势，训练集、验证集和测试集的平均识别率分别为97.71%、99.41%和98.89%。实验结果表明，本文所提算法具有计算量小、泛化性能高的优势，可有效应用于个体身份识别。
关键词组：心电图生物特征；个体身份识别；长短期记忆网络；自适应粒子群优化算法
Shaopeng Pan, Mingtuan Lin, Lin Qi, Pan Chen, Yang Feng, Gaosheng Li
DOI: 10.1631/FITEE.2100139 Downloaded: 7125 Clicked: 5530 Cited: 0 Commented: 0(p.1655-1665) <Full Text><PPT> 779
机构：1中国地质大学（武汉），工程学院，中国武汉，430074；2合肥工业大学，资源与环境工程学院，中国合肥，230009；3哥伦比亚特区大学，土木工程学院，美国华盛顿哥伦比亚特区，20008
目的：传统边坡稳定性评价通常基于典型横断面进行二维分析，忽略了边坡纵向长度对稳定性评价的影响。本文旨在研究两种边界条件下三维边坡稳定性分析和二维边坡稳定性分析结果的差异性及其原因，并探究土体参数水平波动范围和边坡纵向长度对边坡稳定性的影响规律。
创新点：1.从确定性和不确定性分析两个角度对比研究二维和三维边坡稳定性分析结果的差异性；2.揭示土体参数水平波动范围和边坡纵向长度对三维边坡稳定性的影响规律；3.分析三维边坡失稳的局部破坏统计特征。
方法：1.运用数值模拟方法，采用强度折减法分析计算边坡安全系数（公式(1)）；2.通过蒙特卡洛和矩估计法计算边坡失效概率（公式(9)~(12)）。
结论：1.确定性分析结果表明，全约束RR型边界条件下三维边坡稳定性分析结果更符合真实条件下边坡破坏形态；半约束SS型边界条件下三维边坡稳定性分析可视为二维边坡稳定性分析方法在边坡纵向长度的延展。2.考虑土体参数空间变异时，三维边坡稳定性分析得到的失效概率通常小于二维边坡稳定性分析计算结果，二者间的差异性在一定范围内随边坡纵向长度和土体参数水平波动范围增加而减小。3.考虑土体参数空间变异时，三维边坡稳定性分析会得到沿边坡纵向的多个局部破坏，这些局部破坏可很好地解释二维和三维边坡稳定性分析结果的差异性。
关键词组：边坡稳定性；空间变异性；失效概率；安全系数；纵向长度
Wideband cryogenic amplifier for a superconducting nanowire single-photon detector
Lianming Li, Long He, Xu Wu, Xiaokang Niu, Chao Wan, Lin Kang, Xiaoqing Jia, Labao Zhang, Qingyuan Zhao, Xuecou Tu
DOI: 10.1631/FITEE.2100525 Downloaded: 5507 Clicked: 3348 Cited: 0 Commented: 0(p.1666-1676) <Full Text><PPT> 990
1东南大学信息科学与工程学院无线电工程系移动通信国家重点实验室，中国南京市，210096
2紫金山实验室，中国南京市，211111
3南京大学电子科学与工程学院超导电子研究所，中国南京市，210093
摘要：为有效读出超导纳米线单光子探测器（SNSPD）输出信号，提出一种基于0.13 µm SiGe BiCMOS工艺的低功耗无电感宽带差分超低温放大器。为解决缺少超低温器件精确模型的问题，结合并联-并联反馈和电容耦合超低温放大器结构，通过详细理论分析和仿真，确定了放大器增益与电路可调设计参数间的关系，提高了设计和优化的灵活性，从而实现所需增益。为实现工作频率范围内端口阻抗平坦特性，采用RC并联补偿结构，有效提高了放大器闭环稳定性，并可抑制放大器过冲问题。给出室温（300 K）和低温（4.2 K）下S参数和瞬态性能测试结果。在良好输入输出阻抗匹配下，该放大器在300 K温度下3 dB带宽为1.13 GHz，增益为21 dB。在4.2 K温度下，该放大器增益可在15～24 dB范围内调节，其3 dB带宽为120 kHz～1.3 GHz，功耗仅3.1 mW。去除芯片外围焊盘，该超低温放大器芯片核心面积仅为0.073 mm2。
关键词组：超低温放大器；宽带放大器；超导纳米线单光子探测器
Di Chang, Pengcheng Hu, Jiubin Tan
DOI: 10.1631/FITEE.2000432 Downloaded: 6507 Clicked: 5439 Cited: 0 Commented: 0(p.1677-1684) <Full Text><PPT> 898
1哈尔滨工业大学超精密光电仪器工程研究所，中国哈尔滨市，150080
2工信部超精密仪器技术及智能化重点实验室（哈尔滨工业大学），中国哈尔滨市，150080
摘要：光栅姿态角表达方法是六自由度光栅干涉测量的重要课题，但仅有少量相关研究。目前，广泛用于航空航天、导航和机器人领域的导航角（roll-pitch-yaw）被引入六自由度光栅干涉测量领域。然而，因导航角存在固有旋转顺序，在描述绕多个测量轴的复杂旋转时会引起溯源偏差，且该偏差随光栅偏摆角度增加而增大，并不符合干涉系统中的精确定义。基于机器人领域的融合角（fused angles）表达法，本文提出"无偏溯源角（fused-like angles）"表达法，因无偏溯源角不会引起溯源偏差，更加符合光栅干涉仪中的定义，从而更适合六自由度测量。提出的无偏溯源角已应用于六自由度光栅干涉的运动模型和解耦算法研究。
关键词组：无偏溯源角；光栅干涉仪；六自由度测量；角度表达方法