Journal of Zhejiang University

Current Issue: <FITEE>

Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering (former title: Journal of Zhejiang University SCIENCE C (Computers & Electronics), 2010-2014)

ISSN 2095-9184 (print); ISSN 2095-9230 (online); CN 33-1389/TP; Monthly.

FITEE is an international peer-reviewed journal indexed by SCI-E, Ei Compendex, DBLP, IC, Scopus, JST, CSA, etc. It covers research in Electrical and Electronic Engineering, including Computer Science, Information Sciences, Control, Automation, Telecommunications, and related disciplines.

Impact factor: 0.308 (2011), 0.297 (2012), 0.380 (2013), 0.415 (2014), 0.392 (2015), 0.622 (2016), 0.910 (2017), 1.033 (2018), 1.604 (2019), 2.161 (2020), 2.526 (2021).

Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering

ISSN 2095-9184 (print), ISSN 2095-9230 (online), monthly

2021 Vol.22 No.12 P.1551-1684

Cover:

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Contents:

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<<< CONTENTS >>>

Perspectives

Perspective: Multiple knowledge representation for big data artificial intelligence: framework, applications, and case studies

Yi Yang, Yueting Zhuang, Yunhe Pan

DOI: 10.1631/FITEE.2100463 Downloaded: 3848 Clicked: 4346 Cited: 0 Commented: 0(p.1551-1558) <Full Text> <PPT> 808

Chinese summary <31> 大(dà)數據人工(gōng)智能下(xià)的多重知(zhī)識表達：框架、應用及案例研究

楊易，莊越挺，潘雲鶴
浙江大(dà)學計算機學院，中(zhōng)國杭州市，310027
摘要：提出一(yī)種多重知(zhī)識表示框架，探讨了其對推動大(dà)數據人工(gōng)智能技術在各個領域中(zhōng)發展的重要意義及深遠影響。傳統知(zhī)識表達和現代基于深度學習的知(zhī)識表達通常着眼于利用特定變換方式，将輸入轉換爲符号編碼或者向量。例如，知(zhī)識圖譜關注于描述各個概念之間的語義聯系，而深度神經網絡更像是感知(zhī)原始信号輸入的工(gōng)具。多重知(zhī)識表達是一(yī)種更爲先進的人工(gōng)智能表征框架，具備更完整的智能功能，比如原始信号感知(zhī)、特征提取及向量化、知(zhī)識符号化和邏輯推斷。多重知(zhī)識表達有如下(xià)兩點優勢：（1）與現有以深度學習爲主導的人工(gōng)智能技術相比，具有更強的解釋性以及更好的泛化能力；（2）将多重知(zhī)識表達集成于現有人工(gōng)智能技術，有利于各種表征（例如原始信号感知(zhī)以及符号化編碼）發揮互補優勢。我(wǒ)們希望多重知(zhī)識表達相關研究以及應用能夠驅動新一(yī)代人工(gōng)智能蓬勃發展。

關鍵詞組：多重知(zhī)識表達；人工(gōng)智能；大(dà)數據

Perspective: Perspectives on cross-domain visual analysis of cyber-physical-social big data

Wei Chen, Tianye Zhang, Haiyang Zhu, Xumeng Wang, Yunhai Wang

DOI: 10.1631/FITEE.2100553 Downloaded: 1960 Clicked: 2916 Cited: 0 Commented: 0(p.1559-1564) <Full Text> <PPT> 745

Chinese summary <34> 三元空間大(dà)數據跨域可視化分(fēn)析展望

陳爲¹，張天野¹，朱海洋¹，王叙萌¹，汪雲海²
¹浙江大(dà)學CAG&CG國家重點實驗室，中(zhōng)國杭州市，310058
²山東大(dà)學計算機科學與技術學院，中(zhōng)國濟南(nán)市，250100
摘要：三元空間大(dà)數據一(yī)般定義爲由其定義領域（包括數據、對象、任務、應用場景、主體(tǐ)等）所有元素組成的集合。可視分(fēn)析是一(yī)種新興的人在回路大(dà)數據分(fēn)析範式，可利用人類感知(zhī)提高人類認知(zhī)效率。本文探讨三元空間大(dà)數據跨域可視化分(fēn)析，強調三元空間大(dà)數據跨域性帶來的新挑戰--數據、主題和任務域，并提出一(yī)個新的可視分(fēn)析模型和一(yī)套方法來應對這些挑戰。

關鍵詞組：可視分(fēn)析；三元空間；大(dà)數據；跨域

Research Articles

No-reference noisy image quality assessment incorporating features of entropy, gradient, and kurtosis

Heng Yao, Ben Ma, Mian Zou, Dong Xu, Jincao Yao

DOI: 10.1631/FITEE.2000716 Downloaded: 3133 Clicked: 6140 Cited: 0 Commented: 0(p.1565-1582) <Full Text> <PPT> 752

Chinese summary <28> 結合熵、梯度、峰度特征的無參考噪聲圖像質量評價

姚恒¹，馬奔²，鄒勔²，徐棟^3,4，姚勁草^3,4
¹上海理工(gōng)大(dà)學光電信息與計算機工(gōng)程學院，中(zhōng)國上海市，200093
²上海理工(gōng)大(dà)學機械工(gōng)程學院，中(zhōng)國上海市，200093
³中(zhōng)國科學院大(dà)學附屬腫瘤醫院（浙江省腫瘤醫院），中(zhōng)國杭州市，310000
⁴中(zhōng)國科學院腫瘤與基礎醫學研究所，中(zhōng)國杭州市，310000
摘要：噪聲是影響人類視覺感知(zhī)最常見的圖像失真類型。本文提出一(yī)種基于熵、梯度和峰度特征的無參考圖像質量評估方法。具體(tǐ)來說，基于偏度不變性在離(lí)散餘弦變換域進行圖像噪聲估計，進一(yī)步計算得到熵特征。在主成分(fēn)分(fēn)析變換域，通過統計有噪聲圖像與無噪聲圖像之間的顯著差異得到峰度特征。此外(wài)，将熵和峰度特征與梯度系數結合，提高熵和峰度特征與主觀得分(fēn)之間的一(yī)緻性。通過不同方向的濾波器對圖像進行梯度特征提取，最後支持向量回歸将所有提取的特征映射到綜合評分(fēn)系統中(zhōng)。爲驗證算法性能，在3個主流數據庫（即LIVE、TID2013以及CSIQ）中(zhōng)對該方法進行評價。實驗結果驗證了該方法的優越性，尤其是在反映預測精度的皮爾遜線性相關系數方面的突出性能。

關鍵詞組：噪聲圖像質量評價；噪聲估計；峰度；人類視覺系統；支持向量回歸

A novel context-aware RPL algorithm based on a triangle module operator

Yanan Cao, Hao Yuan

DOI: 10.1631/FITEE.2000658 Downloaded: 3732 Clicked: 5103 Cited: 0 Commented: 0(p.1583-1597) <Full Text> <PPT> 836

Chinese summary <27> 基于三角模算子的情景感知(zhī)RPL新算法

曹亞楠¹，原豪²
¹天津師範大(dà)學天津市無線移動通信與電力傳輸重點實驗室，中(zhōng)國天津市，300387
²中(zhōng)國人民解放(fàng)軍61846部隊，中(zhōng)國涿州市，072750
摘要：低功耗有損網絡路由協議（RPL）由因特網工(gōng)程任務組設計，主要适用于通信條件複雜(zá)、環境惡劣的低功耗有損網絡。爲進一(yī)步提高低功耗有損網絡性能，本文提出一(yī)種基于三角模算子的情景感知(zhī)RPL新算法（CAR-TMO）。首先設計了一(yī)種新的情景感知(zhī)複合路由度量（CA-RM）；CA-RM可綜合評估候選父節點的剩餘能量指數、緩存占用率、以及該候選父節點到根節點之間路徑所需的期望傳輸數（ETX）、時延和跳數。CA-RM以遞歸方式評估了候選父節點及其偏好父節點的剩餘能量指數和緩存占用率，以降低上遊父節點對偏好父節點選擇的影響。CA-RM綜合使用路徑上各鏈路ETX和時延的和值、均值和均方差值以進一(yī)步提高網絡性能。其次，設計了上述各路由度量的隸屬度函數。然後，基于三角模算子和各路由度量的隸屬度函數構造綜合隸屬度函數和情景感知(zhī)目标函數（CA-OF）。此外(wài)，提出新的計算節點秩值和偏好父節點選擇機制。最後，理論分(fēn)析和仿真結果均表明，CAR-TMO在分(fēn)組投遞成功率、能效等方面均優于RPL及其相關改進算法。

關鍵詞組：三角模算子；隸屬度函數；情景感知(zhī)；低功耗有損網絡路由協議（RPL）；路由度量

State space optimization of finite state machines from the viewpoint of control theory

Jumei Yue, Yongyi Yan, Zengqiang Chen, He Deng

DOI: 10.1631/FITEE.2000608 Downloaded: 4292 Clicked: 5243 Cited: 0 Commented: 0(p.1598-1609) <Full Text> <PPT> 726

Chinese summary <25> 從控制論觀點審視有限狀态自動機的狀态空間優化

嶽菊梅¹，闫永義²，陳增強³，鄧鶴²
¹河南(nán)科技大(dà)學農業裝備工(gōng)程學院，中(zhōng)國洛陽市，471003
²河南(nán)科技大(dà)學信息工(gōng)程學院，中(zhōng)國洛陽市，471003
³南(nán)開(kāi)大(dà)學人工(gōng)智能學院，中(zhōng)國天津市，300071
摘要：現有大(dà)多數關于有限狀态自動機（finite state machines, FSM）狀态空間的優化方法不便甚至不能給出優化的數學意義。本文将FSM視爲邏輯動态系統，借鑒控制論中(zhōng)動态系統平衡點的概念，引入t-等價狀态和t-源等價狀态概念。基于近年提出的FSM狀态轉移動力學方程，得到t-等價狀态和t-源等價狀态的數學描述（該數學描述可類比于控制論中(zhōng)關于動态系統平衡點的充要條件），進而給出該優化問題的數學解釋。基于這些數學描述，設計了求解FSM所有t-等價狀态和t-源等價狀态的兩種方法。此外(wài)，找到降低FSM狀态空間的兩種路徑。可不借助計算機，僅用紙(zhǐ)筆以數學推演方式實現。并且，爲使所設計的方法借助計算機能完全以無人值守方式運行，提出一(yī)個開(kāi)放(fàng)性問題。最後，采用實際語言模型驗證了結論的正确性和有效性。

關鍵詞組：有限狀态自動機；有限值系統；邏輯系統；邏輯網絡；矩陣半張量積；空間優化

Event-triggered adaptive finite-time control for nonlinear systems under asymmetric time-varying state constraints

Yan Wei, Jun Luo, Huaicheng Yan, Yueying Wang

DOI: 10.1631/FITEE.2000692 Downloaded: 3477 Clicked: 5909 Cited: 0 Commented: 0(p.1610-1624) <Full Text> <PPT> 844

Chinese summary <25> 不對稱時變狀态約束下(xià)非線性系統自适應有限時間事件觸發控制

魏岩¹，羅均²，嚴懷成³，王曰英²
¹上海交通大(dà)學航空航天學院，中(zhōng)國上海市，200240
²上海大(dà)學機電工(gōng)程與自動化學院，中(zhōng)國上海市，200444
³華東理工(gōng)大(dà)學信息科學與工(gōng)程學院，中(zhōng)國上海市，200237
摘要：研究了狀态約束下(xià)多輸入多輸出不确定非線性系統的自适應有限時間事件觸發控制問題。爲防止系統狀态違反非對稱時變約束，建立tan型非線性映射函數，将所考慮的系統轉化爲等價無約束系統。在虛拟控制信号中(zhōng)引入光滑切換函數，以避免傳統有限時間動态面控制方法在零附近的奇異現象。同時，采用模糊邏輯系統補償未知(zhī)非線性函數。引入合适的事件觸發機制确定何時控制律更新。利用李雅普諾夫穩定性理論分(fēn)析，證明閉環系統是半全局最終有限時間穩定的，且不違反狀态約束。最後，通過仿真實例驗證了所設計控制方法的有效性。

關鍵詞組：事件觸發控制；非線性映射；自适應模糊控制；有限時間；狀态約束

A stepless-power-reconfigurable converter for a constant current underwater observatory

Yujia Zang, Yanhu Chen, Canjun Yang, Haoyu Zhang, Zhiyong Duan, Gul Muhammad

DOI: 10.1631/FITEE.2100259 Downloaded: 3221 Clicked: 2857 Cited: 0 Commented: 0(p.1625-1640) <Full Text> <PPT> 835

Chinese summary <26> 一(yī)種面向恒流輸電水下(xià)觀測網的無級功率重構轉換器

臧玉嘉^1,2，陳燕虎¹，楊燦軍¹，張浩宇¹，段志(zhì)勇¹，Gul MUHAMMAD¹
¹浙江大(dà)學流體(tǐ)動力與機電系統國家重點實驗室，中(zhōng)國杭州市，310027
²季華實驗室，中(zhōng)國佛山市，528200
摘要：恒流（CC）電能到恒壓（CV）電能的轉換是恒流輸電水下(xià)觀測網的關鍵技術之一(yī)。該系統通常采用具有高穩定性和高可靠性的并聯穩壓器以穩定輸出電壓。然而，并聯穩壓方法存在高熱損耗和低轉換效率的缺點。本文對傳統并聯穩壓方法進行改進，提出一(yī)種CC/CV轉換模塊的無級功率重構方法。針對穩定負載或緩慢(màn)變化負載的應用場景，介紹兩種無級功率重構轉換模式：（1）基于單環控制的手動無級功率重構（MSPR）；（2）基于内-外(wài)環控制的自動無級功率重構（ASPR）。所述方法在保證系統留有預設功率裕度的同時，可以盡可能減少并聯穩壓方法中(zhōng)不必要的能量損失。分(fēn)析了該方法的轉換效率，讨論了系統關鍵參數選擇方法。實驗結果表明，MSPR和ASPR方法均保留了并聯穩壓方法的高穩定優點，同時降低了CC/CV轉換模塊的熱耗散，提高了CC/CV轉換效率。

關鍵詞組：恒流/恒壓轉換；并聯穩壓器；無級功率重構；水下(xià)觀測網

ECGID: a human identification method based on adaptive particle swarm optimization and the bidirectional LSTM model

Yefei Zhang, Zhidong Zhao, Yanjun Deng, Xiaohong Zhang, Yu Zhang

DOI: 10.1631/FITEE.2000511 Downloaded: 3715 Clicked: 6346 Cited: 0 Commented: 0(p.1641-1654) <Full Text> <PPT> 920

Chinese summary <26> ECGID：一(yī)種基于自适應粒子群優化算法和雙向LSTM網絡的個體(tǐ)身份識别模型

張烨菲，趙治棟，鄧豔軍，張曉紅，張钰
杭州電子科技大(dà)學電子信息學院，中(zhōng)國杭州市，300318
摘要：随着日益增長的個人隐私和安全需求，基于生(shēng)理信号的生(shēng)物(wù)識别技術近年受到越來越多關注。心電信号（electrocardiogram, ECG）的活體(tǐ)采集性和信息隐蔽性使其具有極強抗攻擊性。本文針對現有深度學習算法在心電身份識别領域應用中(zhōng)面臨的3個主要瓶頸--超參數尋優費(fèi)時、識别過程緩慢(màn)且計算量大(dà)、心電采集環境複雜(zá)且不穩定，提出一(yī)種新的深度神經網絡框架，集雙向長短期記憶網絡（BLSTM）和自适應粒子群優化算法（APSO）于一(yī)體(tǐ)，直接從時序信号中(zhōng)學習待識别個體(tǐ)的關鍵特征表示。該方法避免了超參數選擇尋優效率低下(xià)且依賴于經驗設定的不足，充分(fēn)利用時序信号的空間信息特征和識别算法對關鍵特征的記憶特性。爲評估算法性能，設計了兩種方案模拟個體(tǐ)ECG采集過程中(zhōng)的電極放(fàng)置位置和采集時間連續性。經4種LSTM網絡模型和機器學習算法的實驗對比分(fēn)析，證實所提算法在抑制過拟合和特征自學習方面存在一(yī)定優勢，訓練集、驗證集和測試集的平均識别率分(fēn)别爲97.71%、99.41%和98.89%。實驗結果表明，本文所提算法具有計算量小(xiǎo)、泛化性能高的優勢，可有效應用于個體(tǐ)身份識别。

關鍵詞組：心電圖生(shēng)物(wù)特征；個體(tǐ)身份識别；長短期記憶網絡；自适應粒子群優化算法

Performance enhancement for antipodal Vivaldi antenna modulated by a high-permittivity metasurface lens

Shaopeng Pan, Mingtuan Lin, Lin Qi, Pan Chen, Yang Feng, Gaosheng Li

DOI: 10.1631/FITEE.2100139 Downloaded: 4468 Clicked: 5341 Cited: 0 Commented: 0(p.1655-1665) <Full Text> <PPT> 747

Chinese summary <25> 基于高介電常數超表面透鏡調制的性能增強對跖Vivaldi天線

潘少鵬¹，林銘團²，亓琳¹，陳攀¹，馮楊¹，李高升¹
¹湖南(nán)大(dà)學電氣與信息工(gōng)程學院，中(zhōng)國長沙市，410082
²國防科技大(dà)學電子科學學院，中(zhōng)國長沙市，410073
摘要：設計了工(gōng)作頻(pín)段爲2～20 GHz的超表面單元以增強對跖Vivaldi天線的增益和輻射性能。設計的超表面單元結構簡單、超寬帶性能穩定、介電常數高，可獨立調制兩個極化電磁波。分(fēn)析了單元上的電流分(fēn)布，并提取等效電磁參數，以驗證超表面單元對x極化電磁波和y極化電磁波進行獨立調制的能力。設計的超表面單元被集成到對跖Vivaldi天線的口徑中(zhōng)形成超表面透鏡，用于引導電磁波傳播。提出兩種超表面透鏡，将它們分(fēn)别集成到對跖Vivaldi天線中(zhōng)衍生(shēng)出天線Ant1和Ant2，并從電場幅度和相位角度分(fēn)析透鏡對電磁波的調制作用，進而得到最終設計方案。根據優化設計結果，加工(gōng)并測試對跖Vivaldi天線和提出的天線Ant2，測試與仿真結果吻合良好。Ant2測得的阻抗帶寬基本覆蓋2～18 GHz頻(pín)段，與傳統對跖Vivaldi天線相比，提出的天線Ant2增益提高0.6～3.7 dB，副瓣電平大(dà)大(dà)降低，方向性也得到明顯改善。

關鍵詞組：對跖Vivaldi天線；超寬帶；高介電常數；雙極化；超表面透鏡

Wideband cryogenic amplifier for a superconducting nanowire single-photon detector

Lianming Li, Long He, Xu Wu, Xiaokang Niu, Chao Wan, Lin Kang, Xiaoqing Jia, Labao Zhang, Qingyuan Zhao, Xuecou Tu

DOI: 10.1631/FITEE.2100525 Downloaded: 3416 Clicked: 3100 Cited: 0 Commented: 0(p.1666-1676) <Full Text> <PPT> 937

Chinese summary <28> 用于超導納米線單光子探測器的寬帶超低溫放(fàng)大(dà)器

李連鳴^1,2，何龍²，吳旭^1,2，牛曉康¹，萬超²，康琳^2,3，賈小(xiǎo)氫^2,3，張蠟寶^2,3，趙清源^2,3，塗學湊^2,3
¹東南(nán)大(dà)學信息科學與工(gōng)程學院無線電工(gōng)程系移動通信國家重點實驗室，中(zhōng)國南(nán)京市，210096
²紫金山實驗室，中(zhōng)國南(nán)京市，211111
³南(nán)京大(dà)學電子科學與工(gōng)程學院超導電子研究所，中(zhōng)國南(nán)京市，210093
摘要：爲有效讀出超導納米線單光子探測器（SNSPD）輸出信号，提出一(yī)種基于0.13 µm SiGe BiCMOS工(gōng)藝的低功耗無電感寬帶差分(fēn)超低溫放(fàng)大(dà)器。爲解決缺少超低溫器件精确模型的問題，結合并聯-并聯反饋和電容耦合超低溫放(fàng)大(dà)器結構，通過詳細理論分(fēn)析和仿真，确定了放(fàng)大(dà)器增益與電路可調設計參數間的關系，提高了設計和優化的靈活性，從而實現所需增益。爲實現工(gōng)作頻(pín)率範圍内端口阻抗平坦特性，采用RC并聯補償結構，有效提高了放(fàng)大(dà)器閉環穩定性，并可抑制放(fàng)大(dà)器過沖問題。給出室溫（300 K）和低溫（4.2 K）下(xià)S參數和瞬态性能測試結果。在良好輸入輸出阻抗匹配下(xià)，該放(fàng)大(dà)器在300 K溫度下(xià)3 dB帶寬爲1.13 GHz，增益爲21 dB。在4.2 K溫度下(xià)，該放(fàng)大(dà)器增益可在15～24 dB範圍内調節，其3 dB帶寬爲120 kHz～1.3 GHz，功耗僅3.1 mW。去(qù)除芯片外(wài)圍焊盤，該超低溫放(fàng)大(dà)器芯片核心面積僅爲0.073 mm²。

關鍵詞組：超低溫放(fàng)大(dà)器；寬帶放(fàng)大(dà)器；超導納米線單光子探測器

Fused-like angles: replacement for roll-pitch-yaw angles for a six-degree-of-freedom grating interferometer

Di Chang, Pengcheng Hu, Jiubin Tan

DOI: 10.1631/FITEE.2000432 Downloaded: 4127 Clicked: 5191 Cited: 0 Commented: 0(p.1677-1684) <Full Text> <PPT> 852

Chinese summary <26> 六自由度光栅幹涉儀中(zhōng)的無偏溯源角表達法

常笛^1,2，胡鵬程^1,2，譚久彬^1,2
¹哈爾濱工(gōng)業大(dà)學超精密光電儀器工(gōng)程研究所，中(zhōng)國哈爾濱市，150080
²工(gōng)信部超精密儀器技術及智能化重點實驗室（哈爾濱工(gōng)業大(dà)學），中(zhōng)國哈爾濱市，150080
摘要：光栅姿态角表達方法是六自由度光栅幹涉測量的重要課題，但僅有少量相關研究。目前，廣泛用于航空航天、導航和機器人領域的導航角（roll-pitch-yaw）被引入六自由度光栅幹涉測量領域。然而，因導航角存在固有旋轉順序，在描述繞多個測量軸的複雜(zá)旋轉時會引起溯源偏差，且該偏差随光栅偏擺角度增加而增大(dà)，并不符合幹涉系統中(zhōng)的精确定義。基于機器人領域的融合角（fused angles）表達法，本文提出"無偏溯源角（fused-like angles）"表達法，因無偏溯源角不會引起溯源偏差，更加符合光栅幹涉儀中(zhōng)的定義，從而更适合六自由度測量。提出的無偏溯源角已應用于六自由度光栅幹涉的運動模型和解耦算法研究。

關鍵詞組：無偏溯源角；光栅幹涉儀；六自由度測量；角度表達方法