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Journal of Zhejiang University SCIENCE C
ISSN 1869-1951(Print), 1869-196x(Online), Monthly
2024 Vol.25 No.2 P.179-332
SpecialFeatureonSecureControlandFilteringforIndustrialMetaverse(Editor-in-Chief:Qing-LongHAN;Guest Editors:DeruiDING,XiaohuaGE)
Editorial: Secure control and filtering for industrial metaverse
Qing-Long HAN, Derui DING, Xiaohua GE
DOI: 10.1631/FITEE.2420000 Downloaded: 882 Clicked: 1267 Cited: 0 Commented: 0(p.179-181) <Full Text>
1斯威本科技大学科学、计算与工程技术学院，澳大利亚维多利亚州墨尔本市，3122
2上海理工大学控制科学与工程系，中国上海市，200093
概要：元宇宙可被视为一个社会化和虚拟化的网络空间，与现实世界平行但互动。得益于云计算和数字孪生的快速发展，元宇宙正在将带有传统控制和滤波范式的工业自动化系统转变为信息物理社会融合系统。在此情况下，未来的工业自动化系统可能是在一定时间和空间范围内具有强大计算能力的现实世界系统与虚拟孪生系统的集成。在该领域中，元宇宙重点涉及信息传输管理、用户的行为识别以及控制、滤波和决策，且性能和成本将是系统在网络空间和现实世界中行为的综合反映。毫无疑问，虚拟网络空间和现实世界之间的信息交换的内在特征，唤起了对安全控制和滤波的新需求。如何保证期望的系统性能和实现理想的参数设计，已然成为该领域研究的重大挑战。然而，目前对元宇宙的研究主要集中在解决其社会关切和寻求其在各个领域的应用，其在控制领域的发展仍处于初级阶段。
当网络空间与现实世界交换感兴趣的信息时，恶意攻击不可避免，这可能导致数据不可靠或隐私泄露。因此，定义合适的评估标准来揭示网络攻击的影响，并提供面向工程的安全控制和滤波方案，具有重要意义。本期专题旨在推进工业元宇宙中安全控制与滤波的理论研究和技术开发，服务于智能制造的发展需要。
感谢所有作者对此专题的贡献，感谢所有为作者提供宝贵意见的评审人。衷心感谢《信息与电子工程前沿（英文）》期刊执行副主编王飞跃教授鼓励我们组织本期专题，以及编辑人员的全程支持。
Special Feature on Secure Control and Filtering for Industrial Metaverse
Towards resilient average consensus inmulti-agent systems: a detection and compensation approach
Chongrong FANG, Wenzhe ZHENG, Zhiyu HE, Jianping HE, Chengcheng ZHAO, Jingpei WANG
DOI: 10.1631/FITEE.2300467 Downloaded: 1237 Clicked: 1751 Cited: 0 Commented: 0(p.182-196) <Full Text><PPT> 317
1上海交通大学自动化系，中国上海市，200240
2浙江大学工业控制技术国家重点实验室，中国杭州市，310027
3中国科学院空间应用工程与技术中心，中国北京市，100094
摘要：一致性是多智能体系统分布式协同控制的基础技术之一，例如智能制造中的多智能体协同控制。本文研究了具有行为不当节点的多智能体系统的弹性平均一致性问题。为保护一致性的收敛值免受不当行为节点的影响，本文通过检测不当行为、减轻相应不利影响并实现弹性平均一致性来解决此问题。本文考虑一般化的不当行为，包括恶意攻击、意外故障和链路故障。基于两跳通信信息，以分布式方式描述行为不当节点的不利影响，并面向确定性系统提出一种基于检测与补偿的一致性算法（D-DCC算法），且该算法具有衰减容错错误界限。考虑到由于链路随机故障而导致信息集间歇性失效的场景，我们面向随机性系统提出一种基于检测补偿的一致性算法（S-DCC算法）。本文证明了D-DCC和S-DCC算法分别使得节点在统计意义上渐进地实现弹性准确平均一致性和无偏弹性平均一致性。紧接着，本文引入沃瑟斯坦距离来分析S-DCC的准确性。最后，进行大量仿真来验证所提算法的有效性。
关键词组：弹性一致性；多智能体系统；恶意攻击；检测；补偿
Yanping YANG, Siyu MA, Dawei LI, Jinghui SUO
DOI: 10.1631/FITEE.2300615 Downloaded: 1120 Clicked: 1642 Cited: 0 Commented: 0(p.197-213) <Full Text><PPT> 332
1东华大学信息科学与技术学院，中国上海市，201620
2东华大学数字化纺织服装技术教育部工程研究中心，中国上海市，201620
3东华大学信息科学与技术学院纤维材料改性国家重点实验室，中国上海市，201620
摘要：本文考虑固定和切换拓扑下的多智能体系统缩放编队控制问题。首先，提出一种改进的基于采样的包含动态辅助变量的弹性动态事件触发机制。在该机制中，引入一个服从伯努利分布的随机变量来表达通信网络的空闲和繁忙情况。同时，将绝对值运算引入触发条件，以有效减小编队误差。然后，基于所提机制，在固定和切换拓扑下设计一个缩放编队控制协议。缩放编队误差系统被建模为一个时变时滞系统。通过构建适当的Lyapunov-Krasovskii泛函，导出编队误差系统稳定的充分条件。提出一种基于麻雀搜索算法的联合设计算法，用于联合设计控制增益和触发参数。最后，通过多无人机仿真实验平台，对所设计控制方法的有效性进行了数值验证。
关键词组：缩放一致性；编队控制；动态事件触发机制；切换拓扑
Event-triggered distributed optimization formodel-free multi-agent systems
Shanshan ZHENG, Shuai LIU, Licheng WANG
DOI: 10.1631/FITEE.2300568 Downloaded: 1367 Clicked: 1591 Cited: 0 Commented: 0(p.214-224) <Full Text><PPT> 321
1上海理工大学理学院，中国上海市，200093
2上海电力大学自动化工程学院，中国上海市，200090
摘要：研究了一类一般非线性无模型多智能体系统的分布式优化问题。每个智能体的动态模型是未知的，只能获得输入和输出数据的信息。首先，通过采用无模型自适应控制方法，将原来未知的非线性系统等效转化为动态线性化模型。然后，为保证所有智能体输出的一致性误差收敛，提出一种基于事件触发机制的一致性控制方案。其次，引入分布式梯度下降法，提出一种新的事件触发无模型自适应分布式优化算法。根据李亚普诺夫稳定性理论，给出闭环系统达到一致性和最优性的充分条件。最后，通过仿真实验验证算法设计方案的有效性。
关键词组：分布式优化；多智能体系统；无模型自适应控制；事件触发机制
Yajing MA, Yuan WANG, Zhanjie LI, Xiangpeng XIE
DOI: 10.1631/FITEE.2300613 Downloaded: 1461 Clicked: 1531 Cited: 0 Commented: 0(p.225-236) <Full Text><PPT> 355
机构：1中南大学，土木工程学院，中国长沙，410075；2高速铁路建造技术国家工程研究中心，中国长沙，410075；3轨道交通工程结构防灾减灾湖南省重点实验室，中国长沙，410075
目的：探究利用大涡模拟研究山区桥址三维风场特征的适用性。研究计算域尺寸对模拟山区桥址风场特征的影响，并分析得出满足工程应用要求的最小计算域尺寸。研究大涡模拟中添加入口湍流的方法，并对比分析不同湍流入口条件对风场特征的影响。
创新点：1.设置了多种高度和长度的计算域进行计算和对比；2.研究了三种入口边界条件对风场特征的影响。
方法：1.使用大涡模拟计算与风洞试验设置完全一致的工况，验证大涡模拟的准确性；2.改变上述工况的计算域尺寸，并与之前的结果进行对比分析；3.分别使用谐波合成法和循环法生成入口边界的脉动风速序列，并将它们引入主计算域进行计算，对比分析两种湍流来流工况与均匀来流工况所得的桥址处风场特征。
结论：1.在山区风场的数值模拟中，计算域高度低于三倍模型高度时，顶部边界对风场影响很大；当计算域高度高于五倍模型高度时，顶部边界对风场影响微弱。2.计算域出口边界与桥址之间存在高山阻隔，故两者间距离对计算结果影响不大。3.入口边界的湍流特征对桥址处风剖面形状影响不大，但对桥址处湍流特征有明显影响；循环法产生的湍流入口边界能显著降低低空中的湍流强度。4.当地形坡度平缓时，入口湍流特征对后方风场影响较大，而当地形坡度陡峭时，入口湍流对后方风场影响较小。
关键词组：大涡模拟；谐波合成法；循环法；高山峡谷；风场特征；大气边界层；计算域
Zhibin HU, Jun HU, Cai CHEN, Hongjian LIU, Xiaojian YI
DOI: 10.1631/FITEE.2300508 Downloaded: 1675 Clicked: 1928 Cited: 0 Commented: 0(p.237-249) <Full Text><PPT> 356
胡志斌1,2，胡军1,2,3，陈才3，刘宏建4，伊枭剑5,6,7
1哈尔滨理工大学应用数学系，中国哈尔滨市，150080
2哈尔滨理工大学黑龙江省复杂系统优化控制与智能分析重点实验室，中国哈尔滨市，150080
3哈尔滨理工大学自动化学院，中国哈尔滨市，150080
4安徽工程大学数理学院，中国芜湖市，241000
5北京理工大学机电学院，中国北京市，100081
6北京理工大学长三角研究院，中国嘉兴市，314003
7北京理工大学唐山研究院，中国唐山市，063099
摘要：本文研究一类多传感器非线性奇异系统在动态事件触发策略下的抗野值分布式融合滤波问题。采用自适应饱和函数设计滤波器可以有效减轻数据传输中测量野值的影响。为进一步节省每个传感器节点的能耗，提高资源利用效率，利用动态事件触发策略调节数据传输频率。对于所处理的非线性奇异系统，本文主要目的是在测量野值和动态事件触发策略影响下构造局部抗野值滤波器，并通过求解差分方程得到滤波误差协方差矩阵的局部上界。同时，所设计的滤波器增益可以确保该局部上界迹取值最小。此外，根据局部滤波器及其上界、逆协方差交叉融合准则，提出可以降低数据传输频率和测量野值的影响的分布式融合滤波算法。在均方意义下，讨论滤波误差的一致有界性并给出相应的充分条件。最后，通过仿真例子验证算法的有效性。
关键词组：分布式融合滤波；多传感器非线性奇异系统；动态事件触发策略；抗野值滤波器；一致有界
Ying SUN, Miaomiao FU, Jingyang MAO, Guoliang WEI
DOI: 10.1631/FITEE.2300565 Downloaded: 1170 Clicked: 1549 Cited: 0 Commented: 0(p.250-259) <Full Text><PPT> 380
1上海理工大学管理学院，中国上海市，200093
2上海市曹杨职业技术学校，中国上海市，200333
3上海应用技术大学电气与电子工程学院，中国上海市，201418
4上海理工大学智慧应急管理学院，中国上海市，200093
摘要：信息物理系统具有多速率的信息收集和处理功能，并且对信息交换具有依赖性。本文旨在设计一种联合递归滤波方案，用于估计具有未知输入的多速率信息物理系统的输入和系统状态，其中联合递归滤波器和传感器之间的信息传输受自适应事件触发策略控制。通过求解一组代数矩阵方程，可以递归地确定满足要求的联合滤波器增益，并且可以通过一些代数运算获得保证滤波误差协方差有界的充分条件。基于协方差交叉融合的概念，提出一种利用局部状态估计的融合估计方案。最后，通过一个数值仿真验证了所提自适应事件触发递归滤波算法的有效性。
关键词组：信息物理系统；多速率；联合递归滤波；自适应事件触发机制；未知输入
Mingguang ZHANG, Feng LI, Yang YU, Qingfeng CAO
DOI: 10.1631/FITEE.2300620 Downloaded: 1397 Clicked: 1520 Cited: 0 Commented: 0(p.260-271) <Full Text><PPT> 310
1江苏理工学院电气信息工程学院，中国常州，213001
2扬州大学电气与能源动力工程学院，中国扬州，225127
摘要：本文提出一种基于滤波和递推的含测量噪声的Hammerstein系统参数估计与工业控制方法。Hammerstein非线性系统由神经模糊模型和线性状态空间模型组成，并利用由阶跃信号和随机信号组成的混合信号估计Hammerstein系统参数。首先，利用阶跃信号不激发静态非线性系统的特性，即Hammerstein系统的中间变量与输入具有不同幅值的阶跃信号，从而未知的中间变量可以利用输入替代，解决了中间变量信息不可测量问题。因此，基于设计的阶跃信号，利用递推增广最小二乘（RELS）算法估计状态空间模型参数。其次，为了有效处理测量噪声的干扰，引入数据滤波技术，并利用滤波RELS算法和聚类算法估计神经模糊模型参数。最后，利用Hammerstein系统的特殊结构，将非线性系统控制简化为线性系统控制，从而利用线性控制器进行控制。通过两个工业仿真案例验证了所提方法和控制策略的有效性和可行性。
关键词组：Hammerstein非线性系统；神经模糊网络；数据滤波；混合信号；工业控制
Na PANG, Dawei ZHANG, Shuqian ZHU
DOI: 10.1631/FITEE.2300625 Downloaded: 1007 Clicked: 1752 Cited: 0 Commented: 0(p.272-285) <Full Text><PPT> 374
山东大学数学学院，中国济南市，250100
摘要：针对受非线性张紧力和能量有界摩擦力影响的深水钻井隔水系统，本文研究了其在网络资源有限和不可靠通信情况下的反冲控制问题。不同于现有的线性化建模方法，本文将基于三角形的多面体建模方法应用于非线性隔水管系统。基于该多面体模型，为提高资源利用率并容许随机数据丢失和通信时延的发生，提出混合事件触发方案下一种异步增益调度控制策略。将非线性网络化反冲控制系统建模为带有输入时延和和脉冲更新方程的异步线性参变系统，并给出调度参数的异步偏差界计算方法。运用Lyapunov-Krasovskii泛函方法，提出干扰抑制分析和反冲控制器设计的一些可解条件。这些条件可以保证最终的网络化系统指数均方稳定且具有指定的性能。数值结果验证了所提出的非线性网络化控制相比于线性控制在使用较少通信数据的情况下能获得更好的反冲响应。
关键词组：隔水管系统；反冲控制；异步增益调度控制；数据丢失；事件触发方案
Regular Papers
Review Article: Empowering smart city situational awareness via big mobile data
Zhiguang SHAN, Lei SHI, Bo LI, Yanqiang ZHANG, Xiatian ZHANG, Wei CHEN
DOI: 10.1631/FITEE.2300453 Downloaded: 1670 Clicked: 1966 Cited: 0 Commented: 0(p.286-307) <Full Text><PPT> 436
1国家信息中心，中国北京市，100045
2北京航空航天大学计算机学院，中国北京市，100191
3中关村实验室，中国北京市，100094
4北京腾云天下科技有限公司，中国北京市，100027
5浙江大学计算机辅助设计与图形学国家重点实验室，中国杭州市，310027
摘要：智慧城市态势感知近年来成为学术圈、产业界及政府部门关注的热门话题。其整合尖端信息技术的潜力可望解决现代城市面临的诸多挑战。在最近一期五年规划中，中国政府强调利用前沿信息技术（如大数据、物联网）赋能智慧城市管理，其中态势感知通常是关键的第一步。近年来，面向城市态势的静态监测数据已广泛存在。与之不同的是，本文报告了一类相对新颖且极为重要的新兴城市数据源，即在移动设备上收集的大规模移动数据，可代表现代城市中公共车辆和个人用户的移动情况与分布。具体而言，我们重点关注一种代表性数据源，整合了数十万移动软件应用程序中获取的百亿条GPS定位数据，服务于智慧城市态势感知。这种数据源具有较高的用户渗透率（覆盖约50％的城市人口）、均匀的时空覆盖程度和高定位精度等优势。本文首先详述了智慧城市态势感知的需求与挑战，之后重点介绍了两类面向态势感知的移动大数据分析技术：（1）智慧城市的安全保障方法；（2）智慧城市移动大数据的时空建模与可视化分析方法。本文主要贡献在于全面阐述智慧城市态势感知的技术框架，并通过实际应用案例展示其技术可行性。
关键词组：智慧城市；移动数据；态势感知
A novel topology with controllablewideband baseband impedance for power amplifiers
Yao YAO, Zhijiang DAI, Mingyu LI
DOI: 10.1631/FITEE.2300074 Downloaded: 1305 Clicked: 1928 Cited: 0 Commented: 0(p.308-315) <Full Text><PPT> 312
1重庆科技大学智能技术与工程学院，中国重庆市，400065
2重庆大学微电子与通信工程学院，中国重庆市，400065
摘要：本文提出一种新的拓扑结构控制功率放大器（PA）的基带阻抗，以避免在并发双频带模式下性能下降。传统基带阻抗控制通过纯LC网络实现，但局部频点发生谐振后会呈现高阻抗，不能实现连续宽频带基带阻抗控制。本文所提出的结构可以有效避免这一问题，该拓扑结构可以应用于具有宽带信号激励的发射机架构。特别地，通过调整电路参数和增加电路的阶数，可以灵活控制关键频带的阻抗。为证实这一设计思想，设计了一个功率放大器：其饱和输出功率约为46.7 dBm，漏极效率超过68.2%（1.8–2.3 GHz）。在同时双音激励下，即使在5.5 dB的回退功率下，两个频点间距从10至500 MHz，漏极效率也达到40%左右。这些结果表明，所提出的拓扑结构能有效控制宽带的基带阻抗。
关键词组：基带阻抗；并发双带；功率放大器
A low-noise, high-gain, and large-dynamic-range photodetector based on a JFET and a charge amplifier
Jinrong WANG, Shuange WU, Chengdong MI, Yaner QIU, Xinai BAI
DOI: 10.1631/FITEE.2300340 Downloaded: 1123 Clicked: 1650 Cited: 0 Commented: 0(p.316-322) <Full Text><PPT> 307
机构：浙江工业大学，机械工程学院，中国杭州，310023
目的：针对现有多保真建模方法需要嵌套训练样本来捕捉数据相关性导致的计算成本增加与未充分考虑不同保真度样本之间非线性关系导致模型精度低的问题，本文提出一种结合多保真建模和主动学习的可靠性分析方法，旨在实现高效且准确的失效概率估计。
创新点：1.基于非线性自回归方案构建了一种非线性自回归多保真克里金（NAMK）模型；2.在模型更新过程中，用集成的多保真学习函数代替传统的学习函数，通过综合考虑采样成本和多保真样本之间的相关性，从多保真样本空间中选择新的采样点；3.当选择高保真样本时，使用残差模型生成嵌套的低保真样本。
方法：1.在指定的参数范围内选择初始多保真样本，并使用NAMK构建初始代理模型；2.通过集成学习函数确定新样本的位置和保真度；3.一旦选择了一个高保真样本，根据残差模型生成嵌套的低保真度样本并根据新的样本更新模型；4.使用基于相对误差估计的停止准则终止主动学习过程并输出失效概率估计结果。
结论：1.本文所提出的基于多保真建模和主动学习的可靠分析方法提高了失效概率估计的效率和精度；2.利用NAMK模型来捕捉多保真样本之间的非线性关系，有效提高了代理模型的准确性；3.考虑多保真样本的相关性和采样成本的学习函数能自适应地确定新样本的位置和保真度；4.当学习函数选择高保真样本时，通过构造残差模型生成嵌套的低保真度样本可减少低保真度模型的调用次数。
关键词组：可靠性分析；多保真代理模型；主动学习；非线性；残差模型
Correspondence: The engineering of circular causality for specialization and design of complex systems: cad2CAS and casCAD2
Xiaolong LIANG, Rui QIN, Juanjuan LI, Fei-Yue WANG
DOI: 10.1631/FITEE.2300443 Downloaded: 1059 Clicked: 1217 Cited: 0 Commented: 0(p.323-332) <Full Text><PPT> 262
1Russian Research Institute of Farm Animal Genetics and Breeding - Branch of the L. K. Ernst Federal Research Centre for Animal Husbandry, Pushkin, St. Petersburg, 196601, Russia
2School of Biosciences, University of Kent, Canterbury, CT2 7NJ, UK
3L. K. Ernst Federal Research Center for Animal Husbandry, Dubrovitsy, Podolsk, Moscow Oblast, 142132, Russia
摘要：全球范围内的鸡品种基因库中涵盖了数量庞大且多样化起源的多种品系，不过这个数量正逐渐减少。本研究采用了大规模的全基因组分析，探究了49个种群的复杂分子结构、遗传变异性以及详细结构组成。这些种群来自于欧洲（如俄罗斯、捷克共和国、法国、西班牙、英国等）、亚洲（如中国）、北美（如美国）和大洋洲（如澳大利亚），代表了世界各地的鸡品种。我们使用Illumina 60K单核苷酸多态性（SNP）芯片对品种进行了基因型分析，然后进行了生物信息学分析。这一分析包括了杂合子/纯合子统计、近交系数和有效种群大小的计算，以及连锁不平衡的评估和系统发生树的构建。通过多维缩放、主成分分析和ADMIXTURE辅助全球祖先分析，我们探索了每个品种种群和亚群的遗传结构。此外，还进行了总体的49个种群的系统发生分析，并提出了一种精细化的鸡品种形成演化模型，其中包括蛋、肉、兼用型和混合的品种。利用现代基因组方法对家禽养殖中的遗传资源进行如此大规模的调查，不仅对于普遍了解家鸡遗传学的角度具有重要意义，而且对于进一步发展家禽育种中的基因组技术和方法也是至关重要的。总而言之，对来自全球基因库的有发展潜力的鸡品种进行全基因组SNP基因分型，将促进现代基因组学在家禽育种中的进一步发展。
关键词组：鸡基因组多样性；单核苷酸多态性分析（SNP)；基因库；全球原始祖先；种群发展史；种群大小历史