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基于参数化量子电路的条件生成对抗网络研究

基于参数化量子电路的条件生成对抗网络研究

作者：张颖南京信息工程大学

学位级别：硕士

量子机器学习是量子信息领域内新兴的子课题,其将量子计算潜在的加速能力和经典机器学习模型的学习和适应能力结合在一起,尝试提出全新的量子机器学习算法或经典机器学习算法的对应量子方案。随着量子计算机在计算规模和稳定性方面的突... 详细信息

量子机器学习是量子信息领域内新兴的子课题,其将量子计算潜在的加速能力和经典机器学习模型的学习和适应能力结合在一起,尝试提出全新的量子机器学习算法或经典机器学习算法的对应量子方案。随着量子计算机在计算规模和稳定性方面的突破,量子机器学习的研究也在不断深入。本文主要研究对象是基于参数化量子电路（PQC）的量子生成对抗网络（QGAN）,是经典生成对抗网络在量子领域的扩展,通过量子生成器和判别器的对抗性训练,学习拟合样本集合的分布。参数化量子电路对算法性能的影响是目前的相关工作中被忽略的一点,并且算法在功能、应用方面仍有改进的空间。因此本文在对PQC结构进行深入研究的基础上,提出了量子条件生成对抗网络算法,主要工作如下:（1）首先提出了三个评价参数化量子电路性能的指标,以规避贫瘠高原、提升PQC训练稳定性和优化电路性能为目标,研究量子电路的结构化设计方案。提出电路优化策略,并通过假设影响电路性能的因素,采用控制变量法进行实验验证。最后在实验电路中选取综合性能较好的结构,应用在后续的算法设计中。（2）在经典条件生成对抗网络的启发下,提出了适用于生成量子数据和经典数据的条件生成对抗网络的量子方案。通过在模型输入中增加条件信息,使生成器学习到目标分布且具备根据条件信息生成特定数据的能力,实现了算法功能的拓展。详尽阐述了条件信息的量子态制备、判别器和生成器的PQC设计以及量子电路参数梯度的估计方法。通过经典数据和量子混合态的分类生成实验,验证了算法的正确性和有效性。（3）在量子条件生成对抗网络的基础上,提出了更加符合实际应用需求的混合量子-经典条件生成对抗网络。该设计利用经典判别器完成分类任务,规避了量子机器学习的“输入瓶颈”。通过BAS数据的分类生成实验,验证了算法的有效性;通过自定义图像数据集和公共图像数据集（MNIST）的分类生成实验,表明了算法具备拟合高维经典数据分布的潜力。

关键词：量子机器学习量子条件生成对抗网络参数化量子电路混合量子-经典模型贫瘠高原

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基于正则化的超分辨率图像序列重建技术研究

基于正则化的超分辨率图像序列重建技术研究

作者：占美全江苏科技大学

学位级别：硕士

在当前数字图像应用领域,由于受成像系统物理条件和气候条件等因素的影响,在成像过程中常常存在光学模糊和运动模糊、降采样和噪声等退化过程,这使得实际获取的图像发生降质,导致图像的分辨率达不到应用的要求。超分辨率图像序列重建技... 详细信息

在当前数字图像应用领域,由于受成像系统物理条件和气候条件等因素的影响,在成像过程中常常存在光学模糊和运动模糊、降采样和噪声等退化过程,这使得实际获取的图像发生降质,导致图像的分辨率达不到应用的要求。超分辨率图像序列重建技术的思想是利用低分辨率图像序列获得高分辨率图像,这恰能解决当前数字图像应用领域所存在的问题,然而超分辨率图像序列重建函数具有病态性,在实际应用中存在缺陷。正则化方法是解决病态问题的有效方法,为了解决上述诸类问题,本文针对超分辨率图像序列重建方法中的正则化方法进行了较为全面的分析与研究,主要内容包括: 第一,设计了一种新的自适应正则化超分辨率图像序列重建方法。传统的方法都是假定配准参数的估计结果是准确的,然而在实际应用中,运动估计的结果存在一定程度的误差。本文在传统的最大后验概率估计的超分辨率图像重建模型基础上,充分考虑配准参数的估计误差对重建的影响,利用自适应技术选择正则化参数,设计出综合多个模型优点的正则化目标函数,对正则化超分辨率图像序列重建模型进行了改进。仿真实验结果显示,新方法使得重建后的图像在整体上具有更好的视觉效果。第二,改进了L2范数总变分正则化超分辨率图像序列重建算法。传统的正则化超分辨率图像序列重建算法都是假设每幅低分辨率图像对重建的相对贡献量是相等的,这将影响重建结果。本文充分考虑每幅低分辨率对重建的相对贡献量,并且把总变分正则化方法用在对超分辨率图像序列重建中,利用总变分正则化克服重建问题的病态性,有效地保持图像的边缘。仿真实验结果显示改进后的算法不仅提高了图像的边缘保持能力,而且更有效地抑制了噪声,使得重建后的图像更清晰。第三,设计了一种快速的总变分正则化超分辨率图像序列重建算法。传统的总变分正则化目标函数中的数据项是L2范数的形式,然而L2范数的数学形式较为复杂。本文利用L1范数代替L2范数对传统的总变分正则化目标函数进行改进,仿真实验结果显示改进后的算法重建速度比传统算法的重建速度要快,而重建结果与传统算法相当,甚至要好。

关键词：病态问题自适应正则化超分辨率图像序列重建

基于低功耗策略的智能家居控制系统的研究与设计

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基于低功耗策略的智能家居控制系统的研究与设计

作者：沈钢江苏科技大学

学位级别：硕士

随着科技的发展和生活水平的提高,人们开始追求更加舒适安全的家居生活环境,家庭智能化成为了一种潮流趋势。智能家居系统通过将家庭内部各个独立的电气设备连接起来,形成一个具有一定智慧的家居生活环境,大大提高人们日常生活的舒适性... 详细信息

随着科技的发展和生活水平的提高,人们开始追求更加舒适安全的家居生活环境,家庭智能化成为了一种潮流趋势。智能家居系统通过将家庭内部各个独立的电气设备连接起来,形成一个具有一定智慧的家居生活环境,大大提高人们日常生活的舒适性和便利性。基于国内外智能家居系统研究现状,本文设计和实现了一种基于嵌入式技术的智能家居下位机系统,该系统由家庭网关、智能控制终端组成,支持多种通信方式,可以控制多种家庭设备。其中,家庭网关的功能是:通过以太网、GPRS或WIFI连接外部网络,进行系统管理;控制终端主要用于本地控制和实时显示,具有监测环境信息、控制电灯和开关、空调等电器设备的功能。两者均具有故障报警及自动修复能力。无线通信技术免除了家庭设备繁琐的布线程序,在智能家具系统中被广泛采用。常用的几种无线通信技术有:蓝牙、WiFi、GPRS以及ZigBee。其中ZigBee无线通信技术具有组网灵活和功耗低的特点,是本设计采用的关键技术,基于ZigBee无线通信技术,本文提出了智能家居系统内部组网方案并设计了异构网络通信协议。本文重点设计了家庭网关和智能控制终端。首先通过分析家庭网关和智能终端的功能需求,并遵循低功耗设计的理念,提出家庭网关和控制终端的硬件总体结构设计方案,同时对各个功能模块的电路设计和模块的主要参数做了相应说明。为了实现系统的功能,在硬件设计完成的基础上,进行了家庭网关和控制终端的软件设计。与硬件设计类似,根据具体的需求,设计了家庭网关和控制终端的软件总体架构,给出了各部分的软件工作流程,在软件设计中也遵循了低功耗的设计思想。此外本文用设计的节点对ZigBee无线传感网的动态拓扑优化算法的正确性和有效性进行了验证。网络中的节点由于电量耗尽离线以后会导致拓扑结构的变化,影响整个系统的寿命,本文提出的动态拓扑优化算法一方面可以提高网络的连接率,另一方面可以平衡路由节点和终端设备的负载。仿真结果表明,改良的算法提高了组网连通率,延长了网络寿命,从整个系统的层面实现了功耗的优化。在系统设计完成后,通过手机、上位机和智能遥控终端分别对系统的控制功能进行了测试,结果显示用户通过不同的客户端均可以实现对智能家居系统的基本控制,系统运行完成,达到预期效果。

关键词：智能家居低功耗嵌入式 ZigBee 动态拓扑

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考虑约束的多智能体分布式优化算法研究

考虑约束的多智能体分布式优化算法研究

作者：梁旭南京信息工程大学

学位级别：硕士

近年来,随着人工智能及通信行业的发展,多智能体系统在生活中得到了广泛的应用,分布式优化问题作为多智能体系统的基本问题,得到大量研究者的关注。基于分布式架构的优化方法将复杂问题转换为多个局部优化问题,智能体仅需要与其邻居智... 详细信息

近年来,随着人工智能及通信行业的发展,多智能体系统在生活中得到了广泛的应用,分布式优化问题作为多智能体系统的基本问题,得到大量研究者的关注。基于分布式架构的优化方法将复杂问题转换为多个局部优化问题,智能体仅需要与其邻居智能体进行通信,通过多次迭代求得局部最优解,便可使整个系统实现全局最优。本文基于多智能体系统代数图论、李雅普诺夫稳定性分析方法、协同优化等方法和理论,处理含有等式约束及不等式约束的凸优化问题,提出考虑约束的分布式优化算法,解决多智能体系统凸优化问题。主要研究内容为以下三个方面:(1)针对含等式约束的多智能体系统二次凸优化问题,设计出一种基于周期采样信息的分布式动态事件触发优化算法。该算法利用周期采样信息进行事件触发条件设计,并给出了与采样周期相关的算法稳定性条件,可有效避免事件触发条件的连续检测问题以及芝诺现象,更符合实际系统运行机制。相较于传统的静态事件触发条件,所设计的动态事件触发条件触发频率更低,可有效降低智能体间通信频率以及控制器更新频率。(2)针对等式约束下的分布式优化问题,考虑了智能体间通信拓扑图为有向图的情况,提出一种异步分布式优化算法,利用矩阵制动理论及李雅普诺夫稳定性方法对算法进行了收敛性分析,并给出系统算法稳定性充要条件,算法可实现在有向通信拓扑图下多智能体系统二次优化问题的求解。(3)针对多约束下的分布式优化问题,本文基于自适应调节机制,对智能体的成本函数参数进行自适应调节,并设计其自适应调节律,进一步建立可直接解决含有等式约束及不等式约束下二次优化问题的分布式优化算法。同时将所设计算法应用于微电网的经济调度问题中,验证了其有效性。

关键词：多智能体系统分布式优化事件触发控制有向图自适应调节

基于改进Dijkstra算法的共享停车系统设计

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基于改进Dijkstra算法的共享停车系统设计

作者：王栋南京信息工程大学

学位级别：硕士

近年来随着城市化进程加快,我国汽车保有量已居世界首位,这使得城市交通面临着巨大的挑战。城市中停车位使用效率不高、停车位状态信息发布不及时和停车过程中容易发生拥堵是长期困扰着广大车主的问题。为了解决上述问题,运用“共享经... 详细信息

近年来随着城市化进程加快,我国汽车保有量已居世界首位,这使得城市交通面临着巨大的挑战。城市中停车位使用效率不高、停车位状态信息发布不及时和停车过程中容易发生拥堵是长期困扰着广大车主的问题。为了解决上述问题,运用“共享经济”的概念,结合互联网技术与地理位置信息服务构建了基于改进Dijkstra算法的共享停车系统,帮助改善城市交通条件、促进智慧城市建设。本文主要研究内容如下:(1)针对机动车驾驶员在停车过程中容易发生交通拥堵、造成能源浪费等问题,在Dijkstra算法的基础上,结合城市道路阻抗函数理论,提出了一种采用停车路径长度和停车路径耗时构成的融合函数作为Dijkstra算法的权重矩阵的路径规划算法。然后,使用仿真工具构建地下停车场平面图和实时数据,利用数值模拟对算法模型进行仿真验证,实验结果表明基于改进Dijkstra算法的停车路径规划算法有效地缓解了停车高峰期的拥堵现象,降低了机动车驾驶员的综合停车成本。(2)针对城市中现有停车位利用率不高、停车位状态信息发布不及时的问题,调查研究有关需求,分析共享停车的业务模式,将用户实际业务需要与系统的设计目标相结合,设计共享停车系统的整体框架。使用统一建模语言对系统建模,详细介绍系统的数据库设计与功能模块设计。采用Bootstrap3框架、Html技术、Css技术、Java Script语言和腾讯位置服务开发面向机动车驾驶员和车位主的客户端以进行页面交互;使用Java语言、Spring和Spring Mvc框架实现用户模块、车位模块、订单模块等功能模块的相关功能,搭建响应用户请求的后台云服务器;采用Mybatis框架和My SQL数据库管理用户数据,采用Redis缓存热点数据;使用j Query框架和Ajax技术交换数据,接口服务采用RESTful风格。最后,对共享停车系统的实现进行了详细说明,展示了各功能模块的页面,并设计了测试用例,对系统功能和性能进行测试,验证了系统的可靠性。

关键词： Dijkstra算法路径规划共享停车

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基于单目视觉的捡球机器人的关键技术研究

基于单目视觉的捡球机器人的关键技术研究

作者：陈卫江苏科技大学

学位级别：硕士

科技的发展与进步是以改善人类的生活质量为目的,先进科技的产业化和成果化对人类的生产生活具有深远的影响和重要意义。移动机器人技术的研究与发展对人类生活质量的提升具有重要意义。本文以基于单目视觉的捡球机器人为研究对象,对其... 详细信息

科技的发展与进步是以改善人类的生活质量为目的,先进科技的产业化和成果化对人类的生产生活具有深远的影响和重要意义。移动机器人技术的研究与发展对人类生活质量的提升具有重要意义。本文以基于单目视觉的捡球机器人为研究对象,对其关键技术进行研究,主要工作如下:(1)针对捡球机器人对球体目标的识别问题,利用球体目标的颜色和形状两个特征量匹配完成对球体目标的最终识别。在对球体颜色特征进行识别过程,对颜色空间模型进行转换,在HSV彩色空间模型中采用双阈值的方法进行对颜色识别。在对形状特征量进行识别的过程中,将彩色图像进行灰度化处理后,通过自适应阈值分割的方法改善了光照不均匀条件下图像分割不准确的问题,在使用Candy边缘检测的方法进行边缘提取后,通过霍夫圆变换完成对形状的识别。最终通过实验表明该方法在不同光照条件下对目标球体的识别效果较为理想。(2)对本文采用的张正友标定法进行深入研究,为保证标定结果的准确性,采集多幅标定板的不同姿态的图像,并最终获取摄像机的内参矩阵及畸变系数。结合捡球机器人的实际工作背景,采用近地约束模型对目标球体进行单目视觉测距实验。通过实验结果分析,该测距算法在一定范围内满足对目标球体的测距需求。(3)基于捡球机器人视野范围有限的特点,采用分层规划思想对全局进行窗口划分,在每个窗口内采用蚁群算法对窗口内球体进行多目标路径规划,Matlab仿真结果表明在机器人搜索完全局后虽不能实现全局最优,但接近全局最优且对捡球机器人的特点具有较强适用性。针对捡球机器人工作环境中的避障问题,在传统人工势场法基础上引入了距离调节因子及机器人与障碍物的相对速度因素,对势场力角度进行调整,并加入自适应步长。Matlab仿真结果表明该算法解决了机器人在特殊位置关系下不可到达目标点和避障轨迹不平滑问题,使机器人更快摆脱障碍物的影响。

关键词：捡球机器人单目视觉目标识别目标测距路径规划