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2022年  第51卷  第5期

量子信息专栏
本期“量子信息”专栏评述
专栏编委会
2022, 51(5): 641-641. doi: 10.12178/1001-0548.20220051
摘要:
基于量子卷积神经网络的图像识别新模型
范兴奎, 刘广哲, 王浩文, 马鸿洋, 李伟, 王淑梅
2022, 51(5): 642-650. doi: 10.12178/1001-0548.2022279
摘要:
为了解决卷积神经网络对内存和时间效率要求越来越高的问题,提出一种面向数字图像分类的新模型,该模型为基于强纠缠参数化线路的量子卷积神经网络。首先对经典图像进行预处理和量子比特编码,提取图像的特征信息,并将其制备为量子态作为量子卷积神经网络模型的输入。通过设计模型量子卷积层、量子池化层、量子全连接层结构,高效提炼主要特征信息,最后对模型输出执行Z基测量,根据期望值完成图像分类。实验数据集为MNIST数据,{0,1}分类和{2,7}分类准确率均达到了100%。对比结果表明,采用平均池化下采样的三层网络结构的QCNN模型具有更高的测试精度。
基于多量子滤波器的QCNN算法预测厌氧消化性能
董玉民, 侯栋, 耿馨雨, 胡万斌
2022, 51(5): 651-659. doi: 10.12178/1001-0548.2022268
摘要:
厌氧消化是可再生能源生产中一种具有前景的技术,沼气是由有机废物通过厌氧消化产生的生物能源,预测厌氧消化产生的沼气产量并进行管控是必要的。设计了一种具有短期记忆的多量子滤波器量子卷积神经网络,利用参数化变分量子电路接受数据“时间窗”以模拟短期记忆,并在多量子滤波结构中舍弃过多的线路迭代和参数数量使其具有更高的表达性。在量子线路框架中,设计了最优的卷积、池化层线路,能够更好地提取特征因子中的隐藏状态;同时对废物管理数据进行严格的预处理,通过指数平滑去除特征中趋势和季节性。该算法的精度达到了83.30%,比CNN模型精度提升了8%,RMSE和MAE值也均优于ANN、KNN、CNN等经典模型。
生物信息专栏
本期“生物信息”专栏评述
专栏编委会
2022, 51(5): 660-660. doi: 10.12178/1001-0548.20220501
摘要:
口腔鳞状细胞癌遗传变异数据库
施雯靖, 潘贤润, 吕哲宇, 詹超英, 沈百荣
2022, 51(5): 661-667. doi: 10.12178/1001-0548.2022044
摘要:
口腔鳞状细胞癌(OSCC)作为一种特发在口腔的恶性肿瘤,属于头颈部最恶性、危害最大的肿瘤。口腔鳞状细胞癌的发生发展具有很强的异质性,是遗传和环境包括生活习惯共同作用的结果。为了在系统遗传学层次上了解口腔鳞状细胞癌发生发展的机制,迫切需要一个口腔鳞状细胞癌遗传变异的数据库。通过自然语言处理结合人工收集、整理了PubMed文献中口腔鳞状细胞癌相关的遗传变异数据,构建了口腔鳞状细胞癌遗传变异数据库(GVDoscc)。该数据库包含从334篇原始文章中提取的1020种遗传变异和608条临床样本信息,为口腔鳞状细胞癌的变异规律寻找和分子机制研究提供了一个可靠的开源平台。
外显子跳跃模式中组蛋白修饰的组合模式分析
田园芳, 陈伟
2022, 51(5): 668-674. doi: 10.12178/1001-0548.2022138
摘要:
可变剪接是基因表达调控的重要过程。组蛋白修饰参与了可变剪接,但具体调控机制尚不清楚。为了研究组蛋白修饰与可变剪接的关系,首先基于人胚肺成纤维细胞系的RNA-Seq数据,获得了该细胞系外显子跳跃模式的可变剪接数据。在此基础上,分析了外显子跳跃模式中排除和包含外显子中组蛋白修饰间的相关性。通过构建组蛋白修饰间的贝叶斯网络,推断了人胚肺成纤维细胞系外显子跳跃可变剪接事件中组蛋白修饰之间的因果关系。
成电青年学者·信息与通信工程专栏
下行协作NOMA系统中断概率分析与优化
刘承鹏, 张蔺, 陈智, 李少谦
2022, 51(5): 675-680. doi: 10.12178/1001-0548.2022103
摘要:
研究了一个下行协作无线数据传输系统, 其中基站采用非正交多址接入(NOMA)技术在一个频段上同时为一个近用户和一个远用户提供无线数据传输服务。由于严重的物理阻挡和阴影效应,基站与远用户之间没有直接通信链路。为了实现基站向远用户的无线数据传输,近用户采用无线携能通信技术,为远用户充当协作中继。 与现有的大多数研究不同,考虑了实际场景中能量采集电路的非线性特点,采用一个非线性能量采集模型并分析整个系统的中断性能。具体地,首先推导了上述系统的中断概率的积分形式,为了刻画系统相关参数设计对中断性能的影响,进一步采用近似技术获得系统中断概率闭式解并分析了系统参数的最优设计。最后,仿真结果验证了理论分析与优化设计的正确性。
混频器交调分量相位不对称机理研究
张柏玮, 童玲, 高博, 顾宗静, 梁胜利, 年夫顺
2022, 51(5): 681-687. doi: 10.12178/1001-0548.2021392
摘要:
基于二阶记忆效应机制研究了混频器交调分量的相位不对称性机理。该研究是基于时变调制函数(TVMF)和多盒行为混频器模型(MBBM)提出的,这种相位不对称性表现在三阶交调分量的上下边带的相位相对于双音间距具有反向变化趋势。 研究表明,基带调制和二次谐波调制是导致三阶交调分量上下边带的相位不对称的原因。但是,基带调制产生的三阶交调分量的上下边带相位具有相反变化趋势的机制与二次谐波调制造成的三阶交调分量相位具有相反变化趋势的机制不同,可以以此加以区分。 最后,利用ADS对混频器的三阶交调分量上下边带的相位进行仿真,并结合实测结果验证了上述分析。
通信与信息工程
基于连续波的通信雷达一体化距离处理分析
黄驿轩, 胡苏, 叶启彬, 胡泽林
2022, 51(5): 688-693. doi: 10.12178/1001-0548.2021246
摘要:
随着科技的发展,车联网(IoV)和6G对通信雷达一体化(RadCom)技术的需求逐渐增加。基于连续波和波形共用体制的正交频分复用(OFDM) RadCom系统有两种距离处理方式:基于周期自相关函数(PACF)与基于频域元素级除法。在距离处理中,这两种方式对接收噪声有不同的影响,导致其雷达性能出现差异。通过对基于PACF方式和基于频域元素级除法方式的等效噪声幅度放大因子和相关旁瓣分析,给出了两种距离处理方式的临界信噪比计算方法。最后,在IoV场景中对雷达探测性能进行了仿真评估,验证了该临界信噪比计算方法的有效性。
基于子带谱特征的助听器背景噪声场景分类算法
靳韡赟, 詹毅, 樊晓华
2022, 51(5): 694-701. doi: 10.12178/1001-0548.2021249
摘要:
针对助听器应用中背景噪声场景分类算法需同时具备低延时性和高分类准确率的问题,提出一种基于LightGBM集成学习模型的助听器场景分类算法以减少分类过程的计算时间,给出一种新的子带谱相关性特征并联合子带谱熵特征构成分类特征来提高助听器场景分类的准确率,使用双耳差分信号提取子带谱特征减少计算过程中的内存占用率以及模型离线训练工作量,提高计算效率。对双耳助听器声学环境识别数据集中的安静室内、交通环境、风噪声、音乐、鸡尾酒会、汽车噪声6种场景下的背景声音进行测试,实验结果表明,相对于基于随机森林模型和子带信号周期性特征、子带信号熵特征的场景分类算法,该算法在实时性和分类准确率方面的性能均有显著改善。
物理电子学
Research on Terahertz Backward-Wave Oscillator Based on Photonic Column Array Slow-Wave Structure
XIAO Chuanhong, WU Zhenhua, LI Jielong, SHI Zongjun, ZHONG Renbin, LIU Diwei, ZHAO Tao, HU Min, LIU Shenggang
2022, 51(5): 702-708. doi: 10.12178/1001-0548.2022014
摘要:
This article explores a photonic column array slow-wave structure (SWS). A 0.28-THz sheet beam backward-wave oscillator (BWO) was designed and simulated by calculating the dispersion, field distribution and particle simulation. When the cathode current density is only 10 A/cm2 (the minimum is less than 6 A/cm2), the voltage is 12.5 kV and the magnetic field is 0.5 T, the structure interacts with the sheet beam by immersion and the output power is 435 mW. On the basis of previous work, the SWS was fabricated using Lithography-Galvanoformung-Abformung (LIGA) fabrication technology. The results show that the column array structure can effectively improve the interaction efficiency and reduce the starting current density; and effectively improve the lifespan of terahertz (THz) vacuum electron device (VED) cathodes, which is a viable means of increasing the performance of THz vacuum radiation sources.
强激光打靶辐射电磁脉冲诱导线缆串扰模拟
李廷帅, 李子豪, 易涛, 王传珂, 何强友, 杨雨, 王峰
2022, 51(5): 709-714. doi: 10.12178/1001-0548.2021262
摘要:
以在神光II升级靶场使用九路激光打靶实测的电磁脉冲信号为输入源,建立平行线缆模型,研究电磁脉冲耦合电缆产生的串扰现象,揭示不同线缆间距、线缆长度受串扰的规律,以及线缆长度对串扰信号频率的影响机制。同时探讨铜箔屏蔽处理后对串扰信号的衰减。结果表明,增大平行线缆的间距有利于抑制串扰,增大线缆长度抗干扰能力减弱,谐振频率降低;屏蔽处理能有效抑制信号串扰,为高功率激光装置安全精确的开展各类物理诊断提供实验与理论支持。
小型化高密度可调控电感耦合等离子体发生器性能研究
袁野, 张岩, 郭成, 刘玉献, 薄勇, 赵青
2022, 51(5): 715-720. doi: 10.12178/1001-0548.2021356
摘要:
根据理论分析和磁场仿真结果设计并加工了一款用于黑障通信实验的电感耦合等离子体发生器,该装置能产生具有形状为半球形、厚度小于5 cm、等离子体密度为1×1018 m−3量级等黑障典型等离子体鞘层特征的等离子体薄层。采用等离子体发射光谱诊断的方法,研究了等离子体发生器产生等离子体的电子激发温度和电子数密度,并分析了线圈功率对等离子体特性的影响规律,对等离子体发生器乃至对电小天线辐射调控系统的进一步优化有参考作用。
计算机工程与应用
基于决策边界搜索的对抗样本生成算法
刘欣刚, 江浩杨, 苏鑫, 冯晶
2022, 51(5): 721-727. doi: 10.12178/1001-0548.2021396
摘要:
神经网络模型已被广泛运用于人工智能领域,并取得了成功,然而当前神经网络面临着对抗样本攻击的困扰。对抗样本是一种人为构造的虚假数据,可使得神经网络输出错误的结果。故提出了一种基于神经网络决策边界搜索的对抗样本生成算法。首先,在两个真实样本之间使用二分搜索来找到一个初始攻击点。然后,计算神经网络在决策边界面上的法线向量,以找到神经网络最敏感的方向。最后,使用方向信息迭代找到更接近原始数据点的对抗样本,直到对抗样本收敛。在公开的数据集上,使用该算法进行对抗样本攻击实验,实验结果表明该算法能够生成对抗扰动更小的对抗样本,并且可以与其他攻击算法结合,达到较好的攻击效果。
一体化多目标跟踪算法研究综述
周雪, 梁超, 何均洋, 唐瀚林
2022, 51(5): 728-736. doi: 10.12178/1001-0548.2021349
摘要:
视觉多目标跟踪算法(MOT)一直是计算机视觉与视频图像智能分析领域的一个研究热点。近年来,随着深度学习的发展及实际应用需要,越来越多性能优异的一体化多目标跟踪算法被提出,受到研究者的青睐。对近年来广受关注的一体化多目标跟踪算法进行了系统性的综述。从不同的一体化构建思路出发,梳理包括构建出发点、框架设计、方法优缺点、研究趋势等方面的内容,并在权威的MOT Challenge系列数据集上进行性能比较,定量地分析不同的一体化方法的优势和局限性。最后,结合研究现状,提出了一体化多目标跟踪需要重点关注的若干问题及未来展望。
移动边缘计算时延与能耗联合优化方法
张先超, 任天时, 赵耀, 樊锐
2022, 51(5): 737-742. doi: 10.12178/1001-0548.2021244
摘要:
针对移动边缘计算中时延与能耗是关键性能指标,且相互制约的问题,研究了通过在边缘与终端之间进行任务分配,对时延与能耗进行联合优化。首先,建立了能耗与时延联合优化的0-1整数规划模型;其次,设计了对任务进行分配的分支定界算法。仿真结果表明,该方法能够有效降低移动边缘计算能耗与时延。
融合粗糙数据推理的多策略改进麻雀搜索算法
周宁, 张嵩霖, 张晨
2022, 51(5): 743-753. doi: 10.12178/1001-0548.2021288
摘要:
针对麻雀搜索算法在迭代过程中种群多样性减少、容易陷入局部最优的问题,提出了一种融合粗糙数据推理的多策略改进麻雀搜索算法(RSSA)。该算法先结合低差异序列的思想进行种群初始化,增强算法的全局搜索能力,保障粗糙数据推理论域的完整性;然后引入粗糙数据推理理论,结合适应度与距离建立个体间的联系,提高收敛速度,增强跳出局部最优的能力,改良麻雀搜索算法在多峰值问题中的不足;并且对于迭代中的超界个体,在超界的同时将其赋值为边界附近的值而非边界最大或最小值,保证种群的多样性且提高算法收敛速度。仿真实验结果表明,RSSA与其他4种算法相比,收敛速度更快,精度更高,在面对多峰值问题时效果更好。
基因数据的交互依赖特征选择算法
张俐
2022, 51(5): 754-759. doi: 10.12178/1001-0548.2021136
摘要:
特征选择是生物信息领域中数据预处理阶段必不可少的步骤。传统特征选择算法忽视了特征之间的依赖相关性和冗余性,因此提出一种联合互信息的特征选择算法(JFRR)。该算法利用互信息计算特征之间的冗余值,并利用联合互信息分别计算已选特征集合、候选特征及类标签之间的相关性。将JFRR与其他6个特征选择算法在2个分类器上,使用9个不同基因数据集,进行分类准确率指标(Precision_micro和F1_micro)验证。实验结果表明,该算法能有效提高分类精度。
基于CWGAN-GP平衡化的网络恶意流量识别方法
丁要军, 王安宙
2022, 51(5): 760-765. doi: 10.12178/1001-0548.2022011
摘要:
在网络恶意流量识别任务中,存在恶意流量样本数量与正常流量样本比例不平衡问题,从而导致训练出的机器学习模型泛化能力差、识别准确率低。为此,在网络流量图片化的基础上提出一种利用具有梯度惩罚项的条件Wasserstein生成对抗网络(CWGAN-GP)对少量数据类进行平衡的分类方法。该方法首先借助网络流量图片化方法将原始流量PCAP数据按照流为单位进行切分、填充、映射到灰度图片中;然后使用CWGAN-GP方法实现数据集的平衡;最后,在公开数据集USTC-TFC2016和CICIDS2017上使用CNN模型对不平衡数据集和平衡后的数据集进行分类测试。实验结果表明,使用CWGAN-GP的平衡方法在精确度、召回率、F1这3个指标上均优于随机过采样、SMOTE、GAN以及WGAN平衡方法。
恶意PDF检测中的特征工程研究与改进
黄娜, 何泾沙, 吴亚飈
2022, 51(5): 766-773. doi: 10.12178/1001-0548.2021403
摘要:
在基于机器学习的恶意PDF检测中,现有特征容易引起混淆或逃逸。为了提高特征的准确性和鲁棒性,在现有方法的基础上研究和改进特征提取方法,结合内容特征、结构特征以及逻辑树的间接结构特征,通过分析特征重要性进行特征选择,最后应用分类算法实现恶意PDF检测。结构特征包括多个高频次叶子节点数量;内容特征包括元数据特征、字节熵值、流字节比例等特征。收集实验数据集,提取特征并分析,最终选择出58维特征,使用LightGBM算法训练梯度提升决策树模型,测试准确率为99.9%,优于其他方法。另外,模拟攻击部分样本的特征,生成对抗样本,检测准确率同样达到99.2%。
复杂性科学专栏
考虑相依边负载的相依网络鲁棒性研究
余荣斌, 蒋沅, 严玉为, 洪成
2022, 51(5): 774-785. doi: 10.12178/1001-0548.2021274
摘要:
针对现实中不同网络之间的连接边存在负载传递和容量约束的现象,提出了一种考虑相依边负载的相依网络级联失效模型,并将该模型运用到地铁公交相依网络上,分析不同交通网络之间的换乘所带来的负载分配问题。该模型综合考虑了相依边过载失效、相依节点故障和非最大连通子图节点损失的失效情况。通过调节攻击比例,分析不同负载重分配策略、不同的网络耦合方式与组合模式、网络的相依程度、不同边攻击方式下对相依网络鲁棒性的影响。结果表明:剩余容量分配策略能有效缓解相依边的过载失效,小世界网络组成的相依网络鲁棒性更好;提高耦合程度和子网络的平均度能有效提高相依网络的抗毁性;相较于相连边,攻击相依边对网络的鲁棒性影响更大。
系统科学视角下的城市建模与城市计算研究进展
李睿琪, 刘晨馨, 尚璠, 狄增如
2022, 51(5): 786-799. doi: 10.12178/1001-0548.2022048
摘要:
本文综述了近年来融合大数据挖掘技术及系统科学研究方法在城市建模与城市计算方面的研究进展,介绍了城市的复杂系统属性,总结了城市感知、城市复杂系统结构实证研究、演化机制研究方面的重要工作,并进一步揭示城市标度律与空间标度律的可能起源,以及能够同时解释不同尺度下的复杂城市现象的统一理论分析框架。
《电子科技大学学报》征订启事
2022, 51(5): 800-800. doi: 10.12178/1001-0548.zhengdingqishi
摘要: