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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

Apache IoTDB中的多模态数据编码压缩

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软件学报 2024年第3期35卷 1173-1193页

作者：贺文迪夏天睿宋韶旭黄向东王建民清华大学软件学院北京100084 大数据系统软件国家工程研究中心(清华大学) 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

时间序列数据在工业制造、气象、船舶、电力、车辆、金融等领域都有着广泛的应用,促进了时间序列数据库管理系统的蓬勃发展.面对愈加庞大的数据规模和多样的数据模态,高效的数据存储和管理方式十分关键,而数据的编码压缩愈发成为一个具... 详细信息

时间序列数据在工业制造、气象、船舶、电力、车辆、金融等领域都有着广泛的应用,促进了时间序列数据库管理系统的蓬勃发展.面对愈加庞大的数据规模和多样的数据模态,高效的数据存储和管理方式十分关键,而数据的编码压缩愈发成为一个具有重要意义和价值的问题.现有的编码方法和相关系统未能充分考虑不同模态的数据特点,或者未把一些时序数据的处理方法应用于数据编码问题中.全面阐述了ApacheIoTDB时序数据库系统中的多模态数据编码压缩方法及其系统实现,特别是面向工业物联网等应用场景.该编码方法较为全面地考虑包括时间戳数据、数值数据、布尔值数据、频域数据、文本数据等多个不同模态的数据,充分挖掘和利用各自模态数据的特点,特别是包括时间戳模态中时间戳序列间隔近似的特点等,进行有针对性的编码方案设计.同时,将实际应用场景中可能出现的数据质量问题因素纳入编码算法的考量中.在多个数据集上的编码算法层面和系统层面的实验评估和分析,验证了该编码压缩方法及其系统实现的效果.

关键词：数据编码时间序列数据数据库工业物联网多模态

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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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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高密度超长碳纳米管的可控制备:进展与展望

化工学报 2024年第4期75卷 1355-1369页

作者：刘恺轩姜沁源汪菲李润朱平王康康臧永路赵彦龙张如范清华大学化学工程系清洁能源化工技术教育部工程研究中心北京100084

碳纳米管因其优异的力学、电学、热学和光学性能,在碳基集成电路、超强超韧纤维、机械储能、柔性可穿戴设备等众多尖端领域拥有广阔的应用前景。碳纳米管的单体结构和微观形貌(如长度、取向度、缺陷浓度、洁净程度等)对其基础物理性质... 详细信息

碳纳米管因其优异的力学、电学、热学和光学性能,在碳基集成电路、超强超韧纤维、机械储能、柔性可穿戴设备等众多尖端领域拥有广阔的应用前景。碳纳米管的单体结构和微观形貌(如长度、取向度、缺陷浓度、洁净程度等)对其基础物理性质有显著的影响。在各类碳纳米管中,只有具有宏观长度、低缺陷浓度和高取向度的超长碳纳米管才能充分体现和发挥其本征的性能优势并满足很多尖端领域对其结构和性能的严格要求。实现超长碳纳米管实际应用的关键在于实现其大规模制备,然而其目前的产率远远无法满足应用需求,因而其在高密度、高产率制备方面依然面临很多挑战。深入讨论了超长碳纳米管的生长机理,分析了超长碳纳米管产率低的原因,系统总结了高密度超长碳纳米管的制备方法,并介绍了目前在超长碳纳米管实际应用方面的最新进展。另外,还总结了超长碳纳米管制备领域所面临的科学和技术挑战,并对未来的发展方向进行了深入的讨论。

关键词：超长碳纳米管高产率可控制备

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1000 MW水轮机多工况运行水力损失及熵产特性分析

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排灌机械工程学报 2024年

作者：张泽泉卢永刚朱荣生王正伟李贤梁清华大学能源与动力工程系江苏大学国家水泵及系统工程研究中心

白鹤滩1000 MW水轮机组的单机容量为世界之最，其不稳定流动都会造成水力损失。根据热力学第二定律，基于熵产理论对三种常见出力工况下的水轮机进行水力损失分析研究，主要是对流动过程中的熵产分布和流场进行分析，从而得到水力损失... 详细信息

白鹤滩1000 MW水轮机组的单机容量为世界之最，其不稳定流动都会造成水力损失。根据热力学第二定律，基于熵产理论对三种常见出力工况下的水轮机进行水力损失分析研究，主要是对流动过程中的熵产分布和流场进行分析，从而得到水力损失的具体空间分布情况。研究发现，湍流熵产和壁面熵产占水轮机系统总熵产的99%以上，时均速度引起的直接熵产几乎可以忽略不计。熵产主要集中在导叶、转轮和尾水管三个部件，导叶无叶区的高速流动造成较大速度梯度，使得高局部熵产(LEPR)出现在无叶区。转轮内的回流，流动分离等不稳定流动，使得高LEPR区出现在转轮叶片的前缘和尾缘处。尾水管在额定出力下流态最好，偏额定出力工况会在直锥段出现螺旋状涡带或直柱状涡带，且在靠近入口的直锥段中心出现局部回流，导致高LEPR区出现在此处。导叶和转轮在超出力工况产生较大的水力损失，尾水管则在低出力工况下的水力损失较大。

关键词： 1000 MW水轮机熵产理论不稳定流动涡水力损失

基于自适应二次分解与CNN-BiLSTM的超短期风电功率预测

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太阳能学报 2024年第6期45卷 429-435页

作者：马志侠张林鍹巴音塔娜谢明浩张盼盼王馨新疆大学电气工程学院乌鲁木齐830047 清华大学国家计算机集成制造系统工程技术研究中心(cims) 北京100084

为提高风电功率预测精度,提出基于自适应二次模态分解(QMD)、卷积神经网络(CNN)与双向长短期记忆网络(BiLSTM)的超短期风电功率预测模型。针对风电功率的波动性,利用改进的完全自适应噪声集成经验模态分解方法(ICEEMDAN)对风电功率数据... 详细信息

为提高风电功率预测精度,提出基于自适应二次模态分解(QMD)、卷积神经网络(CNN)与双向长短期记忆网络(BiLSTM)的超短期风电功率预测模型。针对风电功率的波动性,利用改进的完全自适应噪声集成经验模态分解方法(ICEEMDAN)对风电功率数据进行分解。引入麻雀搜索算法(SSA)对变分模态分解(VMD)的分解数量与惩罚因子进行优化,使VMD具有自适应性。将ICEEMDAN分解得到的高频分量I_(1)用SSA-VMD进行第二次分解,降低序列不平稳度。同时,构建包含2层池化层的CNN网络进行特征提取与BiLSTM网络的超短期预测模型,最终的风电功率即为各子序列预测结果之和。通过算例分析进行实验表明,所提风电功率预测方法的预测精度优于其他模型,验证了预测模型的优越性。

关键词：卷积神经网络长短期记忆网络变分模态分解风电功率预测二次模态分解麻雀搜索算法

基于知识图谱推理的热轧带钢产品质量缺陷追溯

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计算机集成制造系统 2024年第3期30卷 1105-1114页

作者：张佳琪凌卫青同济大学电子与信息工程学院cims研究中心上海201804

热轧带钢生产面临多工况、机理复杂、工艺参数繁多等问题,造成专家很难及时有效给出生产中导致质量缺陷的原因。由此提出一种基于知识图谱推理的质量缺陷追溯方法。首先通过可解释方法SHAP实现对随机森林模型预测结果的解释,并通过知识... 详细信息

热轧带钢生产面临多工况、机理复杂、工艺参数繁多等问题,造成专家很难及时有效给出生产中导致质量缺陷的原因。由此提出一种基于知识图谱推理的质量缺陷追溯方法。首先通过可解释方法SHAP实现对随机森林模型预测结果的解释,并通过知识图谱将数据挖掘结果与工艺机理、专家经验等知识进行融合,进一步将图谱中表示工艺参数与质量参数依赖关系的子图映射到贝叶斯网络,推断不同工艺参数导致产品质量缺陷的后验概率。实际生产数据验证表明,针对不同生产工况,该方法能有效识别各个批次中导致质量缺陷的工艺参数,表现出良好识别率。

关键词：热轧带钢质量缺陷知识图谱可解释人工智能贝叶斯网络

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基于光子学的线性调频微波信号产生技术进展

光学学报 2024年

作者：邵帅杨四刚陈宏伟陈明华清华大学电子工程系北京信息科学与技术国家研究中心

线性调频（linear frequency-modulated,LFM）信号以其具备大时间带宽积优势已成为现代雷达系统中最为常用的波形之一。因受限于电子瓶颈，传统电学器件在产生高频、大带宽的信号方面已面临诸多挑战。相比之下，微波光子技术以其具有大... 详细信息

线性调频（linear frequency-modulated,LFM）信号以其具备大时间带宽积优势已成为现代雷达系统中最为常用的波形之一。因受限于电子瓶颈，传统电学器件在产生高频、大带宽的信号方面已面临诸多挑战。相比之下，微波光子技术以其具有大可用带宽、低损耗、高灵活度等优势现已成为最为可行的替代方案之一。本文首先综述了现有基于微波光子技术产生线性调频微波信号的方案，之后介绍了本课题组提出的一种基于锁相同步光源的信号产生方案。通过构建同步锁相环路实现了直流光源与扫频光源的实时锁定，拍频后实现了低相位噪声和高相参的信号产生。此外，本课题组所提出的信号产生方案还可实现中心频率、带宽和周期的灵活调节，产生的信号可以分别覆盖L至Ka波段。

关键词：微波光子学线性调频信号半导体激光器光锁相环