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基于随机平滑的通用黑盒认证防御

计算机学报 2024年第3期47卷 690-702页

作者：李瞧陈晶张子君何琨杜瑞颖汪欣欣空天信息安全与可信计算教育部重点实验室武汉大学国家网络安全学院武汉430079 武汉大学日照信息研究院山东日照276800 武汉大学地球空间信息技术协同创新中心武汉430079

近年来,基于深度神经网络(DNNs)的图像分类模型在人脸识别、自动驾驶等关键领域得到了广泛应用,并展现出卓越的性能.然而,深度神经网络容易受到对抗样本攻击,从而导致模型错误分类.为此,提升模型自身的鲁棒性已成为一个主要的研究方向.... 详细信息

近年来,基于深度神经网络(DNNs)的图像分类模型在人脸识别、自动驾驶等关键领域得到了广泛应用,并展现出卓越的性能.然而,深度神经网络容易受到对抗样本攻击,从而导致模型错误分类.为此,提升模型自身的鲁棒性已成为一个主要的研究方向.目前大部分的防御方法,特别是经验防御方法,都基于白盒假设,即防御者拥有模型的详细信息,如模型架构和参数等.然而,模型所有者基于隐私保护的考虑不愿意共享模型信息.即使现有的黑盒假设的防御方法,也无法防御所有范数扰动的攻击,缺乏通用性.因此,本文提出了一种适用于黑盒模型的通用认证防御方法.具体而言,本文首先设计了一个基于查询的无数据替代模型生成方案,在无需模型的训练数据与结构等先验知识的情况下,利用查询和零阶优化生成高质量的替代模型,将认证防御场景转化为白盒,确保模型的隐私安全.其次,本文提出了基于白盒替代模型的随机平滑和噪声选择方法,构建了一个能够抵御任意范数扰动攻击的通用认证防御方案.本文通过分析比较原模型和替代模型在白盒认证防御上的性能,确保了替代模型的有效性.相较于现有方法,本文提出的通用黑盒认证防御方案在CIFAR10数据集上的效果取得了显著的提升.实验结果表明,本文方案可以保持与白盒认证防御方法相似的效果.与之前基于黑盒的认证防御方法相比,本文方案在实现了所有L p的认证防御的同时,认证准确率提升了20%以上.此外,本文方案还能有效保护原始模型的隐私,与原始模型相比,本文方案使成员推理攻击的成功率下降了5.48%.

关键词：深度神经网络认证防御随机平滑黑盒模型替代模型

基于工况适应替代模型的电池液冷系统结构优化

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机械工程学报 2023年第22期59卷 59-68页

作者：吕超宋彦孔朱世怀葛亚明王立欣哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院哈尔滨150001 哈尔滨工业大学(深圳)机电工程与自动化学院深圳518001 哈尔滨工业大学(深圳)实验与创新教育中心深圳518001

电池液冷系统的冷板结构决定了冷却系统的性能。不合理的冷板结构参数导致液冷系统能量损耗高,质量与体积大且电池温升抑制效果不明显。针对不同应用场景限制液冷系统结构优化效率的难题,将工况条件参数作为替代模型输入变量,构建包含... 详细信息

电池液冷系统的冷板结构决定了冷却系统的性能。不合理的冷板结构参数导致液冷系统能量损耗高,质量与体积大且电池温升抑制效果不明显。针对不同应用场景限制液冷系统结构优化效率的难题,将工况条件参数作为替代模型输入变量,构建包含工况条件输入的Kriging替代模型,实现任意工况与任意结构参数下电池热管理系统最高温度、最大温差以及冷却液进出口压降的精确仿真。确定蛇形流道冷板结构优化的能量损耗、冷板质量、最高温度三个优化目标,结合第二代非支配遗传算法完成不同工况下的冷板结构优化。以最高温度取最小值为例,分析流道直径随工况条件的变化规律。对比完成优化工作需要的时间,证实采用包含工况条件的替代模型进行液冷系统结构优化的高效性与便捷性。

关键词：液冷系统替代模型多目标优化工况条件结构参数

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基于替代模型的缆索承重桥梁固有频率预测

铁道科学与工程学报 2023年第7期20卷 2594-2603页

作者：马亚飞付曙雯何羽鲁乃唯王磊长沙理工大学土木工程学院湖南长沙410114

大跨缆索承重桥梁空间组成复杂,影响参数多,结构动力分析具有显著不确定性。提出一种基于支持向量机的结构固有频率预测方法,采用遗传算法和交叉验证算法进行超参数寻优,实现了复杂高维结构参数与动力响应间的非线性映射建模。以南溪长... 详细信息

大跨缆索承重桥梁空间组成复杂,影响参数多,结构动力分析具有显著不确定性。提出一种基于支持向量机的结构固有频率预测方法,采用遗传算法和交叉验证算法进行超参数寻优,实现了复杂高维结构参数与动力响应间的非线性映射建模。以南溪长江大桥为背景,采用ANSYS三维建模对悬索桥进行模态分析,选用拉丁超立方试验抽取样本数据保证结果的全面性,考虑参数敏感性和样本量对模型预测精度和效率的影响,利用MATLAB函数实现固有频率的回归预测。研究结果表明:遗传支持向量机替代模型样本量达350组时,均方误差值为7.8482×10^(−4)基本收敛;样本量在50~1000组范围内,经遗传算法参数寻优的预测误差随样本量增加的变化趋势与交叉验证算法较一致,但遗传算法精度更高;在350组样本量下,遗传算法单次寻优耗时仅为交叉验证算法的37.06%。准确预测基频后,进一步预测了南溪长江大桥第3阶、第5阶和第7阶固有频率,预测结果的均方误差和平均绝对误差均小于0.005,满足精度要求。研究成果可为复杂结构动力分析和安全状态评估提供一种精确高效的分析方法。

关键词：桥梁固有频率有限元分析支持向量机遗传算法替代模型

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基于稠密连接网络的地下水污染替代模型研究

同济大学学报（自然科学版） 2023年第2期51卷 229-237页

作者：江思珉孔维铭吴延浩刘金炳张春秋夏学敏同济大学土木工程学院上海200092 长江生态环保集团有限公司江苏南京210019 上海理工大学环境与建筑学院上海200093

地下水污染溯源和含水层参数反演问题等地下水逆问题通常面临计算负荷量的制约,考虑使用替代模型作为解决方法,从而降低地下水反演问题的计算成本。借鉴卷积神经网络的图像识别过程,考虑将地下水流运动和污染物运移问题转化为输入场图像... 详细信息

地下水污染溯源和含水层参数反演问题等地下水逆问题通常面临计算负荷量的制约,考虑使用替代模型作为解决方法,从而降低地下水反演问题的计算成本。借鉴卷积神经网络的图像识别过程,考虑将地下水流运动和污染物运移问题转化为输入场图像(渗透系数场、污染源信息等)与输出场图像(水头场、浓度场等)之间函数关系的图像回归问题,利用基于稠密连接网络的AR-Net-WL构建地下水流运动和污染物运移的替代模型。算例研究表明,针对替代模型的过拟合现象,尽可能选择较大的训练样本可获得约10%的精度提升;当没有条件增加训练样本时,采用最优正则项系数的AR-Net-WL在训练样本较少的情形下(训练样本500)也能够取得良好的性能,能够精确预测地下水流运动和污染物运移。

关键词：地下水污染替代模型地下水逆问题深度学习稠密连接网络

基于替代模型和流向算法的地下水污染源反演识别

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中国环境科学 2023年第11期43卷 5823-5832页

作者：罗成明卢文喜潘紫东王梓博徐亚宁白玉堃吉林大学新能源与环境学院地下水与资源环境教育部重点实验室吉林长春130012

应用模拟-优化的理论和方法,对地下水污染源的相关信息、模拟模型的渗透系数以及抽水井的抽水量进行同步识别.首先,根据假想例子构建地下水污染数值模拟模型.然后,分别运用BP神经网络(BPNN)方法和核极限学习机(KELM)方法构建模拟模型的... 详细信息

应用模拟-优化的理论和方法,对地下水污染源的相关信息、模拟模型的渗透系数以及抽水井的抽水量进行同步识别.首先,根据假想例子构建地下水污染数值模拟模型.然后,分别运用BP神经网络(BPNN)方法和核极限学习机(KELM)方法构建模拟模型的替代模型,优选出拟合精度更高的替代模型嵌入到后续的优化模型中,以此减少计算负荷并提升替代模型对模拟模型的逼近精度.最后,采用流向算法(FDA)对优化模型进行求解,得到反演结果,同时,将其分别与麻雀搜索算法(SSA)和粒子群优化算法(PSO)得到的反演结果进行对比.结果表明:相比于KELM替代模型,BPNN替代模型的拟合精度较高,确定性系数、平均相对误差和均方根误差分别为0.9999、0.1723%和0.5625;与PSO和SSA相比,FDA的收敛速度更快,对优化模型的求解精度更高,其识别结果的平均相对误差小于7%,提升了地下水污染源反演识别的精度和效率,能够为地下水污染修复、风险评定和责任认定提供可靠的依据.

关键词：同步识别模拟-优化方法替代模型流向算法 BP神经网络

基于随机行走的海岛地下水流替代模型构建方法

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水利学报 2023年第6期54卷 696-705页

作者：南统超潘硕张江江吴吉春鲁春辉河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室江苏南京210098 河海大学长江保护与绿色发展研究院江苏南京210098 河海大学水利水电学院江苏南京210098 南京大学地球科学与工程学院江苏南京210023

地下水是海岛重要的淡水资源。为了解决海岛地下水管理实践中遇到的模型计算成本过高以及现有替代模型黑箱性问题,本文提出基于随机行走的海岛地下水流替代模型构建方法。通过GPU并行随机行走算法分别建立海岛的人工增储含水层、分层越... 详细信息

地下水是海岛重要的淡水资源。为了解决海岛地下水管理实践中遇到的模型计算成本过高以及现有替代模型黑箱性问题,本文提出基于随机行走的海岛地下水流替代模型构建方法。通过GPU并行随机行走算法分别建立海岛的人工增储含水层、分层越流含水层、随机非均质含水层的替代模型,并与相应海岛含水层解析解或数值解进行对比,验证随机行走替代模型在不同海岛含水层模型中的适用性和可靠性,分析潮汐动态边界对海岛分层含水层的影响,最后评估行走元数量对替代模型误差及计算成本的影响。

关键词：海岛含水层潮汐随机行走替代模型物理机制

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基于替代试件模型的振动台迭代学习控制方法

土木工程学报 2022年第S1期55卷 203-208,256页

作者：王贞陆文龙吴斌贾学军武汉理工大学土木工程与建筑学院湖北武汉430070 武汉理工大学海南研究院海南三亚572000 南京工业大学江苏南京211816 中国建筑第二工程局有限公司湖北武汉430070

由于加载系统的非线性、不确定性以及振动台-试件耦合特性,非迭代加载的振动台试验的复现精度较差;而迭代加载过程常对试件造成损伤,进而改变试件力学性能。针对此问题,提出一种基于替代试件模型的振动台迭代控制方法。该方法首先构建... 详细信息

由于加载系统的非线性、不确定性以及振动台-试件耦合特性,非迭代加载的振动台试验的复现精度较差;而迭代加载过程常对试件造成损伤,进而改变试件力学性能。针对此问题,提出一种基于替代试件模型的振动台迭代控制方法。该方法首先构建与试件动力特性相近的替代模型,再利用该模型完成迭代学习得到振动台加载命令,最后开展原试件的振动台试验。本文重点研究了获取替代试件模型动力参数的方法。研究表明:针对线性试件,基于试件模态参数的反解法以及基于遗传算法的优化方法均能获得替代效果良好的线性模型参数;对于非线性试件,考虑阻尼器参数的线性替代模型能实现更好的替代效果。

关键词：振动台替代模型试验方法遗传算法迭代学习

基于优化-自适应稀疏网格替代模型的地下水模拟参数不确定性分析

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吉林大学学报（地球科学版） 2022年第4期52卷 1234-1243页

作者：李小兰曾献奎王栋吴吉春南京大学地球科学与工程学院南京210023

地下水模型常用的参数识别方法通常需要多次调用原始模型,从而导致计算负荷问题。替代模型是常用来解决模型计算负荷的有效方法,其中稀疏网格(SG)替代技术已被广泛应用。为了进一步提高稀疏网格替代模型的效率,将斥力粒子群优化算法(RP... 详细信息

地下水模型常用的参数识别方法通常需要多次调用原始模型,从而导致计算负荷问题。替代模型是常用来解决模型计算负荷的有效方法,其中稀疏网格(SG)替代技术已被广泛应用。为了进一步提高稀疏网格替代模型的效率,将斥力粒子群优化算法(RPSO)和维数-局部自适应稀疏网格(DA-LA-SG)结合,提出了优化-自适应稀疏网格(O-DA-LA-SG)替代模型技术。基于一个解析案例和纳米颗粒物运移数值案例,对提出的O-DA-LA-SG替代模型技术进行验证,并利用马尔科夫链蒙特卡洛(MCMC)方法识别纳米颗粒物运移模型参数的后验分布。结果表明:在纳米颗粒物运移数值案例中,O-DA-LA-SG的优化过程总共节省了1598个网格节点,占DA-LA-SG插值节点总数的24.6%;通过MCMC方法直接调用替代模型,减少了参数的不确定性。

关键词：替代模型自适应稀疏网格斥力粒子群优化算法马尔科夫链蒙特卡洛方法地下水

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基于替代模型的批量零阶梯度符号算法

计算机科学 2023年第S2期50卷 851-856页

作者：李炎达范纯龙滕一平于铠博沈阳航空航天大学计算机学院沈阳110136

在面向神经网络的对抗攻击领域中,针对黑盒模型进行的通用攻击,如何生成导致多数样本输出错误的通用扰动是亟待解决的问题。然而,现有黑盒通用扰动生成算法的攻击效果不佳,且生成的扰动易被肉眼察觉。针对该问题,以典型卷积神经网络为... 详细信息

在面向神经网络的对抗攻击领域中,针对黑盒模型进行的通用攻击,如何生成导致多数样本输出错误的通用扰动是亟待解决的问题。然而,现有黑盒通用扰动生成算法的攻击效果不佳,且生成的扰动易被肉眼察觉。针对该问题,以典型卷积神经网络为研究对象,提出基于替代模型的批量零阶梯度符号算法。该算法通过对替代模型集合进行白盒攻击来初始化通用扰动,并在黑盒条件下查询目标模型,实现对通用扰动的稳定高效更新。在CIFAR-10和SVHN两个数据集上的实验结果表明,与基线算法对比,该算法攻击能力显著提升,其生成通用扰动的性能提高了近3倍。

关键词：卷积神经网络通用扰动对抗攻击黑盒攻击替代模型