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基于基模图的码率兼容广义稀疏随机码及空天通信应用

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电子学报 2024年第4期52卷 1132-1143页

作者：章磊陈钊殷柳国清华大学电子工程系北京100084 清华大学北京信息科学与技术国家研究中心北京100084

空天通信信道时变性强且包含复杂干扰,而经典信道编码以高斯信道为假设设计,其直接应用将带来通信资源效率低、灵活性差、传输可靠性难以保障等问题.本文针对这一问题提出了一种基于基模图的广义稀疏随机编码构造及实现方法,通过在基于... 详细信息

空天通信信道时变性强且包含复杂干扰,而经典信道编码以高斯信道为假设设计,其直接应用将带来通信资源效率低、灵活性差、传输可靠性难以保障等问题.本文针对这一问题提出了一种基于基模图的广义稀疏随机编码构造及实现方法,通过在基于基模图随机编码架构上引入高维代数约束,提升了在极低码率下的编码纠错性能;进一步通过动态调整高维约束阶次和维数实现码率兼容,支持对信道非高斯特征以及传输业务需求的适配.测试结果表明,该编码可实现码率范围1/40~1可变、信息位长度104~20000 bit可变、速率25 Kbps~10 Gbps可变的编译码,可在SNR=-37.1 dB(对应E_(b)/N_(0)=-0.79 dB)的低信噪比下实现误帧率优于1.0×10^(‒4)的高可靠通信.

关键词：空天通信广义稀疏随机码非高斯信道编码构造码率兼容

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面向机器学习应用的可解释性需求分析框架

计算机研究与发展 2024年第4期61卷 983-1002页

作者：裴忠一刘璘王晨王建民大数据系统软件国家工程研究中心(清华大学) 北京100084 清华大学软件学院北京100084

基于大数据机器学习的智能软件研发过程需要综合运用软件工程、数据与领域知识工程、机器学习等多方面的知识和工具,涉及的研究主题和人员角色众多,技术实现手段复杂、研发难度大.面向智能软件的需求工程需要面对领域知识、业务知识、... 详细信息

基于大数据机器学习的智能软件研发过程需要综合运用软件工程、数据与领域知识工程、机器学习等多方面的知识和工具,涉及的研究主题和人员角色众多,技术实现手段复杂、研发难度大.面向智能软件的需求工程需要面对领域知识、业务知识、数据科学交织带来的挑战.然而,如何将领域知识和端到端的机器学习技术恰当地融合到给定的业务流程之中,以及如何应对工业、医疗等高可信要求场景中的可解释性需求,仍是亟待探索的重要研究问题.调研了近年来面向机器学习应用的需求工程研究文献,对该领域的发展现状、核心问题和代表性方法进行综述.提出了面向机器学习应用的可解释性需求分析框架.基于该框架,通过一个工业智能应用案例分析了未来待研究的重要问题,展望了可行的研究路径.

关键词：需求工程机器学习领域模型工业工程可解释性

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基于生物网络的中医药学原理探索

科学通报 2024年第1期69卷 17-29页

作者：谌攀吴博文张鹏李梢清华大学自动化系清华大学北京市中医药交叉研究所北京信息科学与技术国家研究中心北京100084

中医药生物学基础不清、方剂作用机制不明、缺乏符合中医药整体特点的研究方法学体系是中医药现代化研究面临的关键瓶颈.随着信息学与系统生物学等新兴学科的发展,以生物网络为切入点开展中医药学与人工智能、大数据、信息学等前沿科学... 详细信息

中医药生物学基础不清、方剂作用机制不明、缺乏符合中医药整体特点的研究方法学体系是中医药现代化研究面临的关键瓶颈.随着信息学与系统生物学等新兴学科的发展,以生物网络为切入点开展中医药学与人工智能、大数据、信息学等前沿科学技术的交叉研究,成为探索中医药科学原理、促进中医药现代化的重要途径.基于生物网络的“网络靶标”理论有望突破宏微观内在关联解析的鸿沟,实现还原论和整体论的有机融合,架起传统中医与现代医学研究桥梁,成为探索中医药学原理的突破口之一.“寒、热”等中医药核心诊疗概念、治未病等中医特色理论的科学内涵阐明是解读中医药学原理的重要组成部分.本文基于李梢课题组的研究,综述了基于生物网络的中医药研究理论与技术方法,及其应用于“寒、热”“治未病”等中医特色理论的病证结合科学原理探索所取得的进展,以期为利用现代科学技术解读中医药学原理,促进中医药现代化提供参考.

关键词：中医药学原理生物网络寒热证候治未病网络靶标

一种阴离子浸出策略合成金属羟基氧化物用于电催化甘油氧化

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物理化学学报 2024年第7期40卷 43-46页

作者：王烨葛瑞翔刘翔李敬段昊泓清华大学化学系北京100084 清华大学化学系稀土新材料教育部工程研究中心北京100084

亲核氧化反应在可持续生产增值化学品中扮演着重要角色。电催化甘油氧化反应作为亲核氧化反应的一种重要类型,可以制得包括甲酸在内的C_(1)至C_(3)衍生产物。非贵金属氢氧化物/羟基氧化物被广泛应用于甘油氧化反应,但在中等电位下难以... 详细信息

亲核氧化反应在可持续生产增值化学品中扮演着重要角色。电催化甘油氧化反应作为亲核氧化反应的一种重要类型,可以制得包括甲酸在内的C_(1)至C_(3)衍生产物。非贵金属氢氧化物/羟基氧化物被广泛应用于甘油氧化反应,但在中等电位下难以达到工业级电流密度(大于300 mA·cm^(-2))。研究表明,氢氧化物/羟基氧化物催化的甘油氧化反应通过间接氧化机理进行,即通过电生成的含有亲电吸附氧的羟基氧化物氧化亲核试剂(甘油)。因此,理解甘油氧化反应中电催化剂的演变至关重要。在本文中,通过循环伏安法活化钼酸镍(NiMoO_(4)),开发了一种钼掺杂的羟基氧化镍(Mo-NiOOH)催化剂。通过多种表征方法对Mo-NiOOH进行了系统表征,结果显示,Mo-NiOOH继承了NiMoO_(4)前驱体的纳米片阵列形貌,但Mo含量降低,证明循环伏安法活化后实现了从氧化物到羟基氧化物的相重构。此外,Mo-NiOOH中Ni^(3+)/Ni^(2+)的比例高于循环伏安法活化制备的NiOOH。在活化过程中,Mo物种从NiMoO_(4)中浸出,制备得到的Mo-NiOOH保留了NiMoO_(4)前驱体的纳米片阵列形貌。与氢氧化镍(Ni(OH)_(2))经循环伏安法活化合成的NiOOH相比,Mo-NiOOH具有更高的Ni^(3+)/Ni^(2+)比例以及更高的电化学比表面积(ECSAs),且促进了Ni^(2+)氧化为Ni^(3+)。因此,Mo-NiOOH达到高电流密度(400mA·cm^(-2))的电位(1.51V ***)低于NiOOH(1.84 V ***)。此外,Mo-NiOOH表现出高于NiOOH的甲酸盐法拉第效率(84.7%vs.59.6%),表明钼掺杂加速了碳-碳键断裂。多电位阶跃实验显示,NiOOH和Mo-NiOOH催化的甘油电氧化通过类似的羟基氧化物介导的间接氧化机理进行。原位电化学阻抗谱和原位拉曼光谱证实,Mo掺杂促进了甘油氧化反应动力学以及Ni^(2+)氧化为Ni^(3+)的过程,导致Mo-NiOOH比NiOOH具有更高的活性和甲酸选择性。本研究通过可溶性阴离子浸出策略来调节羟基氧化物表面结构,为设计高性能亲核氧化反应电催化剂提供了指导。

关键词：循环伏安法活化电催化甘油电氧化羟基氧化物重构

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轻量级链式验证的网络传输层安全性增强方法

软件学报 2024年第5期35卷 2503-2521页

作者：冯学伟徐恪李琦杨宇翔朱敏付松涛清华大学计算机科学与技术系北京100084 北京信息科学与技术国家研究中心(清华大学) 北京100084 清华大学网络科学与网络空间研究院北京100084 中关村实验室北京100081

传输层是网络协议栈的关键组成部分,负责为不同主机间的应用程序提供端到端的服务.已有的传输层协议如TCP等为用户提供了基本的差错控制和确认应答等安全保护机制,在一定程度上保证了不同主机间应用程序收发报文的一致性.但现有的传输... 详细信息

传输层是网络协议栈的关键组成部分,负责为不同主机间的应用程序提供端到端的服务.已有的传输层协议如TCP等为用户提供了基本的差错控制和确认应答等安全保护机制,在一定程度上保证了不同主机间应用程序收发报文的一致性.但现有的传输层安全保护机制存在严重的缺陷,如TCP报文的序列号容易被猜测推理,报文校验和的计算依赖于有漏洞的补码求和算法等.这导致现有的传输层安全机制并不能保证报文的完整性和安全性,从而允许一个远程的攻击者伪造出一个报文,注入到目标网络流中,对目标网络流形成污染或攻击.针对传输层的攻击发生在网络协议栈的基础层次,可以旁路掉上层应用的安全保护机制,对网络基础设施造成严重的危害.深入研究近年来针对网络协议栈的各种攻击和相关安全漏洞,提出一种基于轻量级链式验证的传输层安全性增强方法LightCTL.所提方法基于哈希验证的方式,使TCP连接双方能够对传输层报文形成彼此可验证的共识,避免攻击者或中间人窃取和伪造敏感信息,从而解决网络协议栈面临的典型安全威胁,包括基于序列号推理的TCP连接重置攻击、TCP劫持攻击、SYN洪泛攻击、中间人攻击、报文重放攻击等.LightCTL不需要修改中间网络设备如路由器等的协议栈,只需对终端协议栈中的校验和相关部分进行修改,因此方法易于部署,同时显著提升了网络系统的安全性.

关键词：计算机网络网络传输层链式验证恶意报文注入

工业物联网数据管理中的系统负载均衡最优化问题及其求解

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中国科学:信息科学 2024年第10期54卷 2343-2367页

作者：张凌哲朱妤晴安彦哲訾源王建民清华大学软件学院北京信息科学与技术国家研究中心(清华大学) 大数据系统软件国家工程研究中心

工业物联网数据管理与数字中国基础设施建设紧密相关,是支撑提取工业大数据价值的基础.由于工业物联网数据源于设备,工业物联网数据管理系统面临着数据量、数据到达速度、负载多样性等更严峻的大数据挑战.为了应对这些挑战,工业物联网... 详细信息

工业物联网数据管理与数字中国基础设施建设紧密相关,是支撑提取工业大数据价值的基础.由于工业物联网数据源于设备,工业物联网数据管理系统面临着数据量、数据到达速度、负载多样性等更严峻的大数据挑战.为了应对这些挑战,工业物联网数据管理系统必须进行负载均衡,以充分利用可扩展的计算资源、提升系统性能.现有的负载均衡方法未能充分利用工业物联网数据典型的时序特性,无法应对工业物联网数据管理的上述挑战.本文针对工业物联网数据的时序特性,以读写差异化均衡为约束,建模了负载均衡最优化问题,以匹配工业物联网数据的读写分离特性;提出了负载均衡方案TsLBOpt,集成了简化系统架构的非侵入式负载统计与估算方法,利用分片细分与自适应复制以扩充解空间的整数规划最优化求解方法,以及基于贪心策略最小化数据迁移代价的数据重分布方法.TsLBOpt在清华大学获日内瓦国际发明展金奖的开源时序数据管理系统IginX中进行了实现,并基于多容器构建的集群系统开展了大量实验,结果表明,本文提出的TsLBOpt相比常用的哈希方法、经典的启发式热数据迁移法、前沿工作DynaHash分别可提升系统整体性能至2倍、10倍、4倍以上,且可有效应用于资源异构、组件异构的异构集群系统中.

关键词：工业物联网物联网数据管理负载均衡性能最优化时序数据

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超大规模人口国家的农业农村现代化建设

河北学刊 2024年第1期44卷 1-9页

作者：解安清华大学马克思主义学院清华大学城镇化与城乡统筹研究中心

几乎不会有人否认“超大规模人口国家”视角对于理解中国问题的特殊意义。“超大规模人口国家农业农村现代化”就构成了中国学术界一个十分重要而又亟待破解的学术命题。超大规模人口不仅影响土地利用、农业技术应用以及农村人力资源配... 详细信息

几乎不会有人否认“超大规模人口国家”视角对于理解中国问题的特殊意义。“超大规模人口国家农业农村现代化”就构成了中国学术界一个十分重要而又亟待破解的学术命题。超大规模人口不仅影响土地利用、农业技术应用以及农村人力资源配置,而且与粮食安全、农村基本经营组织、农村人居环境整治及文化建设、农村社会保障体系以及农民农村共同富裕存有内在逻辑关系。超大规模人口对农业农村现代化既带来了各种挑战,又放大了各种机遇。

关键词：超大规模人口国家农业农村现代化中国式

面向全分布式智能建筑系统应用程序的并行化编译方法

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软件学报 2024年第6期35卷 2724-2752页

作者：陈文杰杨启亮姜子炎邢建春周启臻邹荣伟冯博伟陆军工程大学国防工程学院江苏南京211101 清华大学建筑节能研究中心北京100084

群体智能系统通过邻居个体的信息交互实现群体级别的应用任务,具有良好的鲁棒性和灵活性.与此同时,大多数开发人员难以对分布式、并行的个体交互机制进行描述.一些高级语言允许用户以串行思维方式、从系统全局角度来编程并行的群体智能... 详细信息

群体智能系统通过邻居个体的信息交互实现群体级别的应用任务,具有良好的鲁棒性和灵活性.与此同时,大多数开发人员难以对分布式、并行的个体交互机制进行描述.一些高级语言允许用户以串行思维方式、从系统全局角度来编程并行的群体智能计算任务,而无需考虑通信协议、数据分布等底层交互细节.但面向用户、全局声明式的群体智能系统应用程序与个体并行执行逻辑存在的巨大语义差距,使得编译过程复杂进而导致应用程序开发效率不高.提出一个编译系统及其支撑工具,支持将高级的群体智能系统应用程序转换为安全、高效的分布式实现.所提编译系统通过并行信息识别,计算划分,交互信息生成技术,将面向系统全局、串行编程的群体智能应用程序编译为面向个体独立执行的并行目标代码,从而使用户不必了解个体间的复杂交互机制.设计一种标准化中间表示,将复杂群体智能计算任务转换为群体智能算子和输入输出变量组合而成的标准化语义模块序列,其以独立于平台的形式表示源程序信息,屏蔽目标硬件平台的异构性.在一个群体智能系统案例平台中部署和测试所提编译系统,结果表明该系统能够有效将群体智能应用程序编译为平台可执行的目标代码并提升应用程序开发效率,其生成的代码在一系列基准测试中具有比现有编译器更好的性能.

关键词：群体智能应用程序编译系统并行化编译

电催化氮集成二氧化碳还原反应合成有机氮化合物

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物理化学学报 2024年第8期40卷 4-7页

作者：孔燕危伟徐乐凯陈晨清华大学化系先进稀土材料工程研究中心北京100084

以化石能源如煤、石油和天然气为主要能源的社会发展模式,不仅导致不可再生资源枯竭,还引发大气中CO_(2)浓度持续上升的问题。随着人们对能源结构认识的深化和生态环境保护意识的增强,寻求有效的清洁CO_(2)固定和转化技术已成为研究热... 详细信息

以化石能源如煤、石油和天然气为主要能源的社会发展模式,不仅导致不可再生资源枯竭,还引发大气中CO_(2)浓度持续上升的问题。随着人们对能源结构认识的深化和生态环境保护意识的增强,寻求有效的清洁CO_(2)固定和转化技术已成为研究热点。这些技术可利用太阳能、风能、潮汐能和地热能等可再生能源,促进人工碳循环、碳储存,并缓解环境恶化。在众多CO_(2)固定和催化转化技术中,常温常压下的CO_(2)还原技术受到可再生能源的驱动,有助于人工碳循环、碳储存,减轻环境退化。目前,水溶液中的电催化CO_(2)还原研究已取得显著进展,但在制造其他重要的有机小分子,如尿素、酰胺、胺及其衍生物,甚至氨基酸方面,仍有未开发的潜力。这些产品在肥料、化学品合成、医药化学和航空工业等领域有广泛应用,引起了广泛研究兴趣。通过氮集成的电催化CO_(2)还原反应制造有机氮化合物,能显著提高CO_(2)电还原技术的实际应用价值,同时也为生物小分子的起源提供参考,因此具有重要意义。然而,该过程涉及CO_(2)和含氮无机物的电化学耦合,包含多步电子和质子转移过程,因此面临着缓慢的动力学和复杂的反应机制。在本综述中,我们详细讨论了氮集成电催化CO_(2)还原生成不同产物的具体反应路径和合理的催化剂设计策略,这对于指导高效电催化剂的设计至关重要。尽管已经通过一系列策略取得了一定的研究进展,但仍然存在一些需要解决的挑战,这限制了它们在大规模实际应用中的发展。最后,我们对该领域的发展限制和改进的可能方向进行了讨论,希望这能有助于氮集成电催化CO_(2)还原反应催化剂的进一步发展。

关键词： CO_(2)还原反应含氮化合物有机氮化合物电催化 C-N偶联