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面向悬臂结构数字孪生体的灰盒模型构建方法研究

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系统仿真学报 2024年

作者：张文嘉张和明清华大学自动化系

复杂工业场景中准确且具有高实时性的数字孪生体模型构建面临着诸多挑战。传统的仅基于机理或数据的模型构建方法均表现出一定的局限性。因此本研究基于灰盒建模思想，以悬臂式掘进机中的悬臂结构为对象，提出了一种结合机理模型特征并... 详细信息

复杂工业场景中准确且具有高实时性的数字孪生体模型构建面临着诸多挑战。传统的仅基于机理或数据的模型构建方法均表现出一定的局限性。因此本研究基于灰盒建模思想，以悬臂式掘进机中的悬臂结构为对象，提出了一种结合机理模型特征并带有自注意力机制的孪生体模型构建方法。该方法对原始输入进行灰度变换并与物理特征拼接，实现了机理信息的有机融合，不仅增强了孪生体模型的表达力与泛化性，也提高了训练效率；同时引入带有自注意力机制的数据模型结构，增强模型对时序特征的解析能力，进而提高孪生体模型精确度。该方法的有效性已在实验中得到验证，其建模效果相较传统方法有显著提升，为悬臂式掘进机的设计、操作和维护提供了全新的可能性。

关键词：数字孪生复杂系统建模灰盒建模悬臂结构

基于最优传输理论的深度半监督学习伪标签生成算法

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软件学报 2024年

作者：翟德明沈斯娴周雄江俊君刘贤明季向阳清华大学自动化系哈尔滨工业大学计算学部

目前,深度学习广泛应用于各个领域并取得了优异的表现,这通常需要大量标注数据的支持,而大量标注数据的获取往往意味着高昂的成本与苛刻的应用条件.因此,随着深度学习的发展,如何在实际场景下突破数据限制,成为目前重要的研究目标,而半... 详细信息

目前,深度学习广泛应用于各个领域并取得了优异的表现,这通常需要大量标注数据的支持,而大量标注数据的获取往往意味着高昂的成本与苛刻的应用条件.因此,随着深度学习的发展,如何在实际场景下突破数据限制,成为目前重要的研究目标,而半监督学习正是其中一大研究方向.半监督学习通过利用大量的未标记数据辅助少量的标记数据进行学习,很好地减轻了深度学习的数据需求压力.伪标签生成方法是当前半监督学习的重要组成部分,所生成的伪标签质量的优劣会很大程度影响半监督学习的最终效果.聚焦半监督学习中的伪标签生成问题,提出基于最优传输理论的伪标签生成方法.所提方法在将有标签信息作为生成过程引导的同时引入类别均衡约束,在此基础上将半监督学习的伪标签生成过程转换成最优传输优化问题,给出新的求解伪标签生成问题的形式.为求解该优化问题,引入Sinkhorn-Knopp算法进行近似快速求解,避免不可计算问题.所提伪标签生成方法作为半监督学习中的独立过程可结合当前一致性正则等半监督学习技巧构成完整的半监督学习过程.最终,在CIFAR-10、SVHN、MNIST、FashionMNIST这4大公共经典图像分类数据集上进行实验,验证方法的有效性.实验结果显示,所提方法与当前先进的半监督学习方法相比,均取得更优异的结果,尤其是在标签情况较少的情况下提升显著.

关键词：半监督学习伪标签生成最优传输图像分类深度学习

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偏振视觉

中国科学：信息科学 2024年第7期54卷 1620-1645页

作者：赵永强乔新博李宁潘泉西北工业大学自动化学院西安710072 清华大学自动化系北京100084

传统视觉技术已经广泛应用于生产生活中的各类领域,然而在面对复杂环境以及非合作目标时,获得的信息量有限使传统视觉技术无法有效地检测、识别目标.作为与光强、波长、相位并列的光的基本物理特性,偏振能够反映发射或反射光的振动特性... 详细信息

传统视觉技术已经广泛应用于生产生活中的各类领域,然而在面对复杂环境以及非合作目标时,获得的信息量有限使传统视觉技术无法有效地检测、识别目标.作为与光强、波长、相位并列的光的基本物理特性,偏振能够反映发射或反射光的振动特性,表征物体的多种信息,因此偏振信息能有效区分目标与背景,并在恶劣环境中维持信息有效性.利用偏振信息的这种特性,人们将光的偏振信息引入视觉系统,得到了一种解决复杂场景成像问题的方案,即偏振视觉.偏振视觉最早在部分生物上发现,对偏振视觉的进一步研究使人们发现偏振视觉相较于传统视觉在复杂场景下的成像优势.本文以偏振视觉的发展为主线整理了偏振视觉技术的诞生、成像设备的发展与该技术在各领域的应用,并展望了偏振视觉及其相关技术的未来发展方向.

关键词：偏振视觉偏振信息偏振成像设备散射介质成像目标检测反射光去除三维重构

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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

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基于滑模控制的高升阻比飞行器协同制导方法

系统工程与电子技术 2024年

作者：郭博铁鸣范文慧李传旭空间物理重点实验室清华大学自动化系

针对多个高升阻比飞行器在飞行中间段的时间协同问题，提出了一种基于滑模控制的高升阻比飞行器协同制导方法，建立了多个高升阻比飞行器协同飞行力学模型，设计规划了飞行器在中间段制导过程中的飞行程序与针对飞行器侧向机动的滑模控... 详细信息

针对多个高升阻比飞行器在飞行中间段的时间协同问题，提出了一种基于滑模控制的高升阻比飞行器协同制导方法，建立了多个高升阻比飞行器协同飞行力学模型，设计规划了飞行器在中间段制导过程中的飞行程序与针对飞行器侧向机动的滑模控制策略。通过设计标称轨迹，对控制参数进行优化，进而生成各个飞行器不同初始条件所需的侧向过载并通过侧向过载得到所需的倾侧角指令，以实现对飞行器飞行时间的控制，从而使多飞行器能够同时到达目标点上方设定范围内，并考虑飞行器始末条件和状态约束，使飞行器能够满足协同任务需求。利用李雅普诺夫稳定性判据证明了系统的稳定性以及滑模面非奇异性，仿真结果表明本文协同制导策略具备一定抗干扰性，能够满足异地非同步发射的多个飞行器协同制导需求。

关键词：高升阻比飞行器协同制导滑模控制参数优化稳定性

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复合材料结构振动仿真及其多元统计分析方法

系统仿真学报 2024年

作者：郭博铁鸣范文慧空间物理重点实验室清华大学自动化系

复合材料层合板以其独特优势在工业生产中的愈发重要。其物理性质受其固有频率影响，而固有频率又受到其多个不同结构参数的影响，如层合板材料的尺寸大小，剪切模量，弹性模量等，这些参数都不同程度地影响着它的固有频率，因此有必要... 详细信息

复合材料层合板以其独特优势在工业生产中的愈发重要。其物理性质受其固有频率影响，而固有频率又受到其多个不同结构参数的影响，如层合板材料的尺寸大小，剪切模量，弹性模量等，这些参数都不同程度地影响着它的固有频率，因此有必要研究其参数不确定性情况下的固有频率特性。另外，不同边界条件和不同振动阶数的情况下，这些参数对固有频率的影响程度也不相同。由此，建立了二维各向异性中厚板材料模型与三维各向异性圆柱薄壳材料振动模型，针对这类复合材料结构参数的不确定性，开发了复合材料振动仿真与多元统计分析软件，对复合材料的结构振动进行了仿真模拟，提出了一种针对复合材料固有频率不确定性的多元统计分析方法。通过主成分分析和因子分析方法进行数据降维，将材料固有频率可以用少数几个主成分或是因子成分表达，从而最终达到更高效、准确处理分析复合材料固有频率不确定性的目的，解决了复合材料不确定性分析过程复杂的难题，由此可以提升各领域复合材料结构设计的效率。

关键词：复合材料振动仿真不确定性固有频率主成分分析因子分析

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基于LSTM模型的短期光伏功率预测

太阳能学报 2024年第6期45卷 376-381页

作者：高寒旭袁祖晴张淑婷王晓春张恒齐耿华南京信息工程大学海洋科学学院南京210044 清华大学自动化系北京100083

对比3类LSTM功率预测方法的误差以评价业务气象预报在光伏功率预测中的作用,及训练集、测试集的不同划分对预测精度的影响。这3类功率预测方法分别是:只使用光伏功率、使用光伏功率及气象观测、使用光伏功率及气象预报。气象预报因子使... 详细信息

对比3类LSTM功率预测方法的误差以评价业务气象预报在光伏功率预测中的作用,及训练集、测试集的不同划分对预测精度的影响。这3类功率预测方法分别是:只使用光伏功率、使用光伏功率及气象观测、使用光伏功率及气象预报。气象预报因子使用了与光伏功率相关性最高的总辐照度。分析时间段为2020年1月1日—6月30日,气象预报来自于ECMWF和NOAA/NCEP。结果表明,对于长度有限的资料,训练集、测试集的不同划分对预测模型精度会产生一定的影响。如果可使用总辐照度的观测,则短期功率预测的相对误差可降低约2.3%。与只使用光伏功率相比,既使用光伏功率又使用气象预报,短期功率预测相对误差降低约2.1%。与NOAA/NCEP气象预报相比,ECMWF气象预报明显降低了功率预测的误差。相比于只使用光伏功率,增加气象预报可提高预测精度。

关键词：长短期记忆网络光伏发电功率预测辐照度

陆战场低空多域场景下的集群目标威胁动态评估

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清华大学学报（自然科学版） 2024年第8期64卷 1380-1390页

作者：董泽委清华大学自动化系北京100084 陆军航空兵学院航电和兵器工程系北京101123

未来战争的形态正随着人工智能技术的迅猛发展而加速演变,针对当前目标威胁评估研究中存在的作战场景单域化、研究对象单一化、研究分析过于侧重蓝方态势等问题,该文围绕陆战场低空多域的作战场景,提出一种基于犹豫模糊集的集群目标威... 详细信息

未来战争的形态正随着人工智能技术的迅猛发展而加速演变,针对当前目标威胁评估研究中存在的作战场景单域化、研究对象单一化、研究分析过于侧重蓝方态势等问题,该文围绕陆战场低空多域的作战场景,提出一种基于犹豫模糊集的集群目标威胁动态评估方法。首先研究了陆战场低空多域作战规律、有人或无人空地混合集群装备的作战特点,以此建立了集群目标威胁的评估指标体系;然后根据红方态势变化对指挥员心理压力的影响规律,提出了基于Weber-Fechner感知定律的动态权重策略;最后结合犹豫模糊环境下的变权方法,构建了陆战场低空多域场景下的集群目标威胁动态评估模型。案例分析结果表明,该模型的权值确定更加合理,能充分体现指挥员面对战场态势刺激时心理压力的动态变化,提供更加及时准确的威胁评估结果。

关键词：多域作战集群目标变权动态权重威胁评估

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自动驾驶汽车仿真器综述:能力、挑战和发展方向

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交通运输工程与信息学报 2024年第1期22卷 1-24页

作者：张坤鹏常成王世璞张佐李力清华大学自动化系北京100084 河南工业大学电气工程学院郑州450001

仿真器在自动驾驶汽车(Autonomous Vehicle,AV)系统的研究、开发和验证中发挥着举足轻重的作用。本文系统地探讨了AV仿真器的国内外现状,并重点分析了其能力、面临的挑战和未来发展趋势。首先,梳理了AV仿真器的发展历程,阐述了国内外相... 详细信息

仿真器在自动驾驶汽车(Autonomous Vehicle,AV)系统的研究、开发和验证中发挥着举足轻重的作用。本文系统地探讨了AV仿真器的国内外现状,并重点分析了其能力、面临的挑战和未来发展趋势。首先,梳理了AV仿真器的发展历程,阐述了国内外相关研究现状。接着,依据技术性指标、功能性指标、性能指标和商业性指标,对各类仿真器进行了全面评估,同时讨论了它们在不同研究和开发任务中的适用性。此外,深入剖析了AV仿真器所面临的挑战和限制,结合深度学习、人工智能等先进技术的发展,提出了针对性的解决策略。对于如何克服AV仿真器在复杂环境和多元场景下的局限性,提出了一系列具有前瞻性的解决方案。在此基础上,着重强调了未来研究的机遇和新兴趋势,这些将为下一代仿真器的发展奠定基础。最后,本综述旨在为研究人员、开发者及行业利益相关者提供有益的参考,协助他们选择最符合需求的工具,并激发自动驾驶领域未来的创新潜力。综述的内容有助于推动AV仿真器在自动驾驶研究和实际应用中发挥更大的作用,从而为人类出行带来更为安全、便捷和高效的体验。

关键词：智能交通自动驾驶汽车仿真器综述自动驾驶汽车测试