信息与控制杂志

信息与控制杂志2019年第2期

• 群智能自组织劳动分工研究进展

  肖人彬, 王英聪

  群智能是指众多行为简单的个体在相互作用过程中涌现产生的整体智能行为，劳动分工是其最重要特征之一.本文首先根据个体与个体、个体与环境的交互模式，给出群智能劳动分工的一个框架描述，分析其个体专职化、角色可塑性和自组织等特性.然后从自组织的角度对激发-抑制、刺激-响应、个体排序和寻觅工作等四类劳动分工模型进行对比分析，旨在归纳提炼群智能自组织劳动分工模型的构建规律.进而结合群智能自组织劳动分工的应用情况，针对其适用范围和求解思路进行了评述和讨论.最后从劳动分工机制、劳动分工模型、分配问题求解和优化问题求解四个方面展望了群智能自组织劳动分工的发展前景.

• 复杂需求环境下中小型制造企业作业系统建模与分析

  李芳, 张毕西, 曹晓静

  针对中小型制造企业（small medium production enterprises，SMPEs）对复杂需求的响应速度普遍比较慢的问题，从调整系统参数合理性的角度提出了一种提高系统响应速度的方法.首先，构建了融合员工关键技能的SMPEs生产作业系统；其次，基于连续时间马尔可夫链建立系统的稳态平衡方程模型，在采用两种不同控制策略的情况下，深入研究了生产线的切换时间等参数对系统性能的影响；最后，在给定的生产实例下，通过理论推导和仿真实验分析了系统性能指标随着关键参数的变化趋势.实验结果表明，理论推导结果与实际生产的运行情况吻合良好，为SMPEs生产企业进行合理的系统参数设计提供了重要的基础.

• 基于形状上下文和方向梯度直方图特征的异源图像配准

  黄微, 任卫红, 朱琳琳, 田建东

  针对单模态图像包含的信息存在局限性的问题，提出了一种基于形状上下文和HOG（histogram of oriented gradient）特征的红外和可见光图像配准方法.在混合高斯模型前景检测的基础上，通过提出的形状上下文和HOG特征结合的方法实现轮廓特征匹配，再利用TPS（thin plate spline）转换模型将匹配延伸到整个形状，并使用正则化和缩放特性迭代重组对应关系及估计转换降低估计误差.最后，采用RANSAC（random sample consensus）算法去除错误匹配点.与已有的形状上下文方法相比，此方法结合了边缘和轮廓特征信息，降低了误差，鲁棒性更好.

• 一种能耗均衡的WSN分布式拓扑博弈算法

  徐宁, 胡晓辉, 李慧玲, 杜永文, 张学军

  无线传感器网络（wireless sensor network，WSN）中通常节点能量受限，节点间能耗不均衡会导致网络生命周期缩短.针对该问题，综合考虑节点的能量效率和能耗均衡，通过引入阿特金森指数设计了一种改进优化的综合效用函数；基于此，建立了一种能耗均衡的拓扑博弈模型，并证明了该拓扑博弈模型是序数势博弈且存在帕累托最优；提出了一种能耗均衡的WSN分布式拓扑博弈算法（DTCG）.通过仿真实验及对比分析表明，相较于其它基于博弈理论的拓扑控制算法，DTCG算法能在保证网络连通性和鲁棒性的前提下，降低节点发射功率，拥有更好的能量均衡性和能量效率，可以有效延长网络生命周期.

• 改进视觉背景提取模型的前景目标检测算法

  郁怀波, 胡越黎, 王佳乐, 李丽敏

  针对经典视觉背景提取算法（ViBe）在动态背景场景下检测精度不高，以及长时间存在鬼影的问题，提出一种改进的视觉背景提取算法.该方法在背景模型初始化阶段考虑到像素点之间的颜色相似性以及空间距离，选取像素点邻域内的同质像素点对背景模型进行初始化；根据场景动态程度自适应调整每个像素点的阈值以及背景模型更新的速率，改善了在动态背景场景下的检测精度；根据光流判断像素点是否存在运动来把真实前景目标和鬼影区分开来并及时对背景模型进行修正，从而尽快消除鬼影现象.使用changedection测试集进行测试，改进后的ViBe算法在能提取到较完整前景目标的同时，检测准确率相比原始ViBe算法也有所提高.

• 基于自适应外点剔除与解耦算法的视觉里程计

  刘世蔷, 黄影平, 胡兴, 慈文彦

  针对视觉里程计内点确定的问题，提出了一种基于自适应外点剔除与解耦算法的视觉里程计方法.采用ORB（Oriented FAST and Rotated BRIEF）算子检测特征点.采用经光流归一化的重投影误差作为内点评判标准，归一化的重投影误差与特征点的深度及位置无关.自运动估计分为两步：先使用改进的5-point RANSAC方法结合球形线性插值求解优化的旋转参数；然后采用两帧间光束法平差，结合归一化的重投影误差去除外点，迭代循环到最大次数或内点集合不变，得到最优的平移参数.采用公共数据集KITTI对算法进行测试，实验表明本文算法较之传统的采用固定阈值重投影误差评估内点并同时估计6自由度的方法，在外点剔除方面有显著提升，与同类视觉里程计方法相比在精度上也有提升.

• 基于RNN-LSTM的磨矿系统故障诊断技术

  曲星宇, 曾鹏, 李俊鹏

  目前磨矿系统故障诊断多为人为判断，效率低、准确率低、成本高且容易造成人员伤亡.传统方法对高维度和时间相关性较大的样本数据集分类能力较差，针对以上问题，提出一种基于RNN-LSTM（Recurrent Neural Network-Long Short-Term Memory）的深度学习方法，实现磨矿系统故障的智能化诊断.该方法通过将数据集"分批处理"分别输入到LSTM单元网络中，提取数据集在时间维度上的相关性，并比较分析前后时刻的输入特征向量实现对故障分类.通过分别对RNN-LSTM深度学习网络与基于自编码分类方法进行实验对比验证，得出结论：在时间相关性较强的高维度数据集中基于RNN-LSTM深度方法辨识效果明显优于基于自编码方法的分类器，最终网络对于故障诊断的错误率低至3%.

• 无机械辅助结构自行车机器人控制仿真及实现

  艾红, 童璐, 李成荣

  为实现自行车机器人的平稳直线行驶，论证了无机械辅助结构、仅靠调整车把维持自平衡的后驱自行车机器人动力学建模、姿态控制、系统仿真及实物样机实验.针对具有典型对称性欠驱动非完整约束的自行车机器人系统难于实现平衡控制问题，首先基于拉格朗日方法分析系统力学机理，建立简化动力学模型.然后基于部分反馈线性化原理，对车体横滚角与转把力矩的欠驱动子系统进行线性化处理及模糊自适应控制.仿真及实验结果表明，有效地实现了自行车机器人直线运动自平衡控制，为进一步开展自行车机器人以及其他欠驱动系统平衡运动控制奠定理论基础.

• 基于扩张状态观测器的磁通切换永磁电机的无传感器控制

  陈增强, 王科磊, 孙明玮, 孙青林

  将线性自抗扰控制应用于磁通切换永磁电机（FSPMM）的无速度传感器控制中，采用线性扩张状态观测器（LESO）构造FSPMM的转速观测器，实现对转速准确而快速的实时估计；设计线性自抗扰控制器（LADRC）作为转速环调节器，系统的鲁棒性被提高了.仿真结果验证了所设计的基于LESO的无传感器LADRC控制策略能够使FSPMM可靠稳定运行，LESO提升了系统的观测精度和响应速度，克服了滑模观测器（SMO）带来的高频抖振和滞后现象；与基于SMO的无传感器PI控制策略相比，所提的控制策略在负载扰动和参数摄动时具有更强的鲁棒性.

• 深海自持式智能浮标双闭环模糊PID定深控制

  张惠琳, 李醒飞, 杨少波, 徐佳毅, 李洪宇, 王强

  针对深海自持式智能浮标运动模型非线性、强耦合性的特点，提出了一种基于双闭环反馈回路的模糊比例-积分-微分（proportion-integral-derivative，PID）定深控制器.根据浮标的浮力调节机构，分析了浮标的运动过程，建立了非线性运动方程.针对外环深度反馈回路，设计了模糊控制器.基于内环速度反馈回路与模糊控制器，设计了联级模糊PID定深控制器.传统PID定深控制器超调量5.6%，最终在目标深度±30 m范围内震荡，而双闭环模糊PID定深控制器在相同的上升时间内，超调量2.0%，深度误差控制在1.0%以内.存在外界扰动的情况下，通过双闭环模糊PID定深控制器的调节，浮标仍可以稳定在目标深度内.仿真结果表明，所建立的双闭环模糊PID定深控制系统具有良好的控制效果和稳定性.

• 量子布谷鸟协同搜索的垃圾回收路径规划方法

  朱海红, 齐学梅, 王家亮, 陈林烽, 陈付龙, 黄琤

  针对城市垃圾回收路径规划问题，提出了一种量子布谷鸟协同搜索算法，用于优化最短路径.首先，采用Bloch球面坐标量子编码来扩大解空间；然后设计了一种基于差分进化的量子布谷鸟搜索策略，实现较差个体的改进以及劣势个体与优势个体之间的信息交换，增强全局搜索能力；最后，利用一种局部邻域搜索算法进一步提高解的质量.理论分析了所提算法的收敛性.基于无线传感网络采集数据进行了仿真实验，将量子布谷鸟协同搜索算法与传统遗传算法和量子布谷鸟搜索算法分别比较，求解垃圾回收最短路径问题的最优解和平均解均改进了20%~40%，结果证明了量子布谷鸟协同搜索算法的优越性.

• 基于多样性加权相似度的集成局部加权偏最小二乘软测量建模

  潘贝, 金怀平, 杨彪, 冯丽辉, 陈祥光

  针对传统即时学习软测量方法仅考虑单一的相似度函数，难以有效处理复杂工业过程中的非线性特性，从而导致模型预测性能受限的问题，提出了一种基于多样性加权相似度（DWS）的集成局部加权偏最小二乘（LWPLS）软测量建模方法.首先采用随机子空间法和高斯混合聚类，构建一组多样性的训练样本子集；然后通过偏最小二乘回归分析确定输入特征权值，从而定义一组多样性加权相似度函数.在线实施阶段，对于任意的查询样本，基于多样性的相似度指标，可建立一组多样性的LWPLS软测量模型，随后引入集成学习策略实现难测变量的融合预测.在数值例子和脱丁烷塔过程中的应用结果表明了该方法的有效性.

• 决策信息系统的连续型特征选取方法

  李国和, 杨绍伟, 吴卫江, 郑艺峰

  在大数据应用过程中，对特征集合进行约简，降低数据维度，有助于提升数据模型的泛化能力.采用随机森林模型选择和相似性度量结合的方式对特征集合进行特征初选，并通过前向搜索策略以距离为评价方式对初选集合进行二次筛选，最终获得特征子集.算法模型采用局部遍历以提高执行效率，同时通过前向选择算法解决传统方法无法确定最优特征数目的问题.实验结果表明，本文提出的方法能更有效地选择特征子集，提高模型的分类准确率.

• 基于纠删码技术的云存储数据块部署方案

  沈记全, 谢果君, 杨焕焕

  针对云存储系统中因忽视集群中存储节点之间的差异而引起的存储代价过高、可靠性较低、节点负载能力不足等问题，提出了段排序交换算法（FSSA）.首先对数据块部署问题进行数学建模；然后根据各个节点的负载情况进行分段，并在各个分段中依据数据可靠性的需求对节点进行初步选择；最后根据数学模型中对目标函数的分析在分段选择的结果中选取适当的节点进行数据部署.仿真结果表明，采用FSSA算法可以在保证数据存储可靠性的基础之上，降低数据存储代价、增强系统负载均衡能力.

• 基于Elliptic-curve及Hilbert-curve的簇间数据压缩融合加密算法

  夏凡, 余修武, 刘永, 钟文豪, 郭林, 戴李, 姜慧

  现存无线传感器网络（WSN）路由算法融合加密过程通讯开销较大及数据完整性检测不够理想，对此，就簇间通信提出一种基于Elliptic-curve及Hilbert-curve的数据融合加密算法——ECHCPA.通过采用椭圆曲线进行公钥加密，Hilbert-Curve压缩融合，减少同类数据的传输量，最大程度地降低加密压缩算法复杂度，进而降低通讯开销.压缩融合后，通过比较父节点与随机选取检测节点二者的压缩融合数据，实现数据完整性查验.仿真结果表明：与iHDA和SMART相比，ECHCPA通讯开销明显降低，且有较好的数据完整性和数据精度.

• 一类线性切换系统的事件触发输出调节问题

  李莉莉, 宋林阳, 郭家珺, 郝立颖

  通过设计事件触发状态反馈控制器，研究一类线性切换系统的输出调节问题.相比于时间触发控制，事件触发控制可显著地降低控制任务执行的次数.由于事件触发时刻与切换时刻的相互混合，导致切换系统控制器的设计十分困难.本文通过给出事件触发机制、状态反馈控制器和满足平均驻留时间的切换信号联合设计的方案，得到系统输出调节问题可解的充分条件.非共同坐标变换突破原有各子系统的调节器方程组具有共同解的限制.此外，为了避免Zeno现象，给出相邻事件触发间隔时间存在一个正下界.最后，应用切换RLC电路系统进行仿真验证结论的有效性.

• 2阶多智能体网络在切换拓扑下的群一致性

  高海云, 胡爱花, 李玲

  针对2阶多智能体网络的群一致性问题，提出了基于牵引控制方法的群一致性协议.考虑到网络模型具有切换拓扑结构，在模型中引入相应的虚拟领导者.对于网络中的每一个智能体，其一致性协议依赖于智能体邻居的状态及速度信息，并受到虚拟领导者的牵引控制；进一步地，来自虚拟领导者的牵引控制可以随时间发生变换.利用代数图论、线性矩阵不等式和李亚普诺夫稳定性理论，对网络进行群一致性分析，给出了切换拓扑下2阶多智能体网络达到群一致性的充分条件.最后，数值仿真验证了理论结果的有效性.