基于5G多接入边缘计算的云化PLC系统架构设计与应用

随着工业控制系统对柔性化、扁平化的要求不断提升,以PLC为构建基础的传统工业控制网络在大规模接入、算力提升和部署灵活性方面均受到限制.针对这些问题,融合5G网络和边缘计算技术,设计了基于5G多接入边缘计算的云化PLC系统架构,阐述了该架构的运行机制和所涉及的关键技术;在此基础上,进行PLC系统的云化部署和调试,实现了工业现场、企业数据中心、5G网络和边缘网络的集成;最后,通过在某汽车制造公司产线改造过程中的应用,验证了所提架构的有效性.

隐私计算的关键理论与前沿应用

基于国家自然科学基金委员会第352期“双清论坛”,本文介绍了隐私计算在服务国家数字经济重大战略需求的重要作用,分析了国内外对该研究聚焦点的布局情况,阐述了隐私计算的内涵与外延,回顾了隐私计算研究历程的三个维度:隐私加密、隐私脱密与非规则博弈下新型隐私计算,凝练了隐私计算的非规则博弈、全生命周期保护与联邦计算范式等关键科学问题,研讨该领域前沿应用与未来研究方向,力争进一步推动我国隐私计算理论、方法和技术的突破性发展与应用。

面向车辆边缘计算的任务合作卸载

随着物联网技术和人工智能技术的飞速发展,车辆边缘计算越来越引起学者的关注。车辆如何有效地利用其周边的各种通信、计算和缓存资源,结合边缘计算系统模型将计算任务迁移到离车辆更近的路边单元,已经成为目前车联网研究的热点。由于车辆应用设备计算资源的有限性,车辆用户的任务计算需求无法满足,需要提升车辆周边计算资源的利用率来完成计算任务。本文研究了车辆边缘计算中任务的合作卸载机制,以最小化车辆任务的计算时延。首先,考虑周边停泊车辆以及路边单元的计算资源,设计了由云服务器层、停泊车辆合作集群层和路边单元合作集群层组成的任务合作卸载3层系统架构,通过路边单元合作集群和停泊车辆合作集群的合作卸载,充分利用系统的空闲计算资源,进一步提高了系统的资源利用率。然后,基于k-聚类算法的思想提出了路边单元合作集群划分算法对路边单元进行合作集群的划分,并采用块连续上界最小化的分布式迭代优化方法设计了任务合作卸载算法,对终端车辆用户的任务进行卸载计算。最后,通过将本文算法和其他算法方案进行实验仿真对比,仿真结果表明,本文算法在系统时延和系统吞吐量方面具有更好的性能表现,可以降低23%的系统时延,并且能提升28%的系统吞吐量。

面向高性能计算的互连网络拥塞控制分析与评估

随着高性能计算技术的发展,高性能计算系统的网络节点数量不断增长,高性能计算应用对网络性能的要求越来越高,高性能互连网络的拥塞控制面临很大的压力与挑战。针对高性能计算互连网络的特点,研究高效、低开销的拥塞控制方法,是确保高性能互连网络性能和稳定性的关键。针对高性能计算系统中互连通信的核心问题,对主流的拥塞控制方法进行分析和实验比较;基于高性能计算系统的结构特点和通信特性,设计用于大规模模拟仿真的数据流模型和流文件生成工具,并提出一种拥塞控制综合评价指标;使用所提出的数据流模型,在较大规模网络中对不同拥塞控制方法进行模拟,并基于所提出的评价指标对几种拥塞控制方法的性能进行分析和评估。提出的分析和评估技术可以对高性能互连网络的拥塞控制方法进行更客观和准确的分析与评估。

面向绿色计算的车辆协同任务卸载方法

车辆边缘计算(VEC)为处理计算密集、延迟敏感型任务提供了新的范式,然而边缘服务器在整合可再生能源方面的能力较差。因此,为了提高边缘服务器的能效,该文设计了一种面向绿色计算的车辆协同任务卸载框架。在该框架中,车辆配备能源收集(EH)设备,通过彼此间共享绿色能源和计算资源协作执行任务。为有效促进车辆的参与积极性,该文通过动态定价激励车辆,并综合考虑了车辆的移动性、任务优先级等。为了使卸载决策适应动态环境的变化,该文提出了一种基于双延迟深度确定性策略梯度(TD3)的任务卸载方法,以在最大化所有车辆平均任务完成效用的同时减少边缘端电网电力的使用。最后,仿真结果验证了该方法的有效性,相比基于深度确定性策略梯度(DDPG)和基于贪心原则(GPE)的方法在性能上分别提升了7.34%和37.47%。

基于边缘计算的高速光纤通信链路时延估计研究

由于未对接收信号进行去噪处理,导致光纤通信链路时延估计存在估计误差大、准确率低的问题,为了解决方法中存在的问题,提出基于边缘计算的高速光纤通信链路时延估计方法。通过边缘计算设计了高速光纤通信网络架构,基于网络架构中的边缘计算层,通过直射链路的方式构建高速光纤通信链路模型,接收光信号,并使用广义相关算法对接收到的信号进行去噪处理,根据去噪处理结果,结合卡尔曼滤波方法与Round-trip算法估计信号时延。实验结果表明,所提方法的高速光纤通信链路时延估计准确率高、效果好,具有较高的实际应用价值。

基于云计算的地震网络数据安全态势感知仿真

地震发生前具有特殊波动响应特征,通过地震台网灾害信息可确定震灾范围,但是网络个人用户无法通过终端服务器及时查询地震数据,导致对地震的安全感知出现延迟问题。针对地震数据处理的任务密集、流程复杂的计算需求,提出基于云计算的地震网络数据安全态势感知方法。在地震节点布局中融入贝叶斯结构,构成混合结构化安全态势采集模型。应用数据分类方法估计出地震态势数据,提取地震发生的隶属度特征,构建地震网络数据安全态势感知模型。按照区域影响因子算出地震信息量,利用相似原则区分灾害程度,检测地震发生范围的安全态势。实验结果证明:研究方法感知获取的地震层间位移与震中国方位角和实际情况一致,偏差较小,能够明确当前地震区域的安全态势。

面向商业航天卫星成本效益的三模冗余软错误防护技术:近似计算的实践

三模冗余(TMR)作为如今集成电路可靠性领域中最为常用且有效的软错误加固技术,在满足高容错要求之时,不可避免地牺牲了庞大的硬件损耗。为实现面积、功耗等硬件性能和容错电路加固能力的折中考虑,适应低成本高可靠性加固的时代需求,针对基于近似计算的三模冗余加固技术(ATMR)进行研究,该文提出一种基于近似门单元(ApxLib)的动态调整多目标优化框架(ApxLib+DAMOO)。首先,其基本优化框架采用非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)实现,通过极性分析与预创建的近似库对电路实现快速近似。随后,该框架提出动态概率调整和极性扩张两种创新机制,根据可测性分析对遗传算法中门单元的突变概率进行动态更新,对双向门单元进行定向识别和重构,以实现寻优效率和寻优效果的双重优化。实验结果表明,该文提出的优化框架与传统NSGA-Ⅱ相比,在相同硬件损耗下可实现最大10%~20%的额外软错误率(SER)降低,且其执行时间平均降低18.7%。

面向移动边缘计算的任务卸载方法研究

目前大多计算卸载策略是在任务整体卸载情况下进行的,且仅考虑时延或能耗单一指标,未将二者结合进行优化,为此,以任务处理的时延与能耗加权和为优化目标,提出一种基于强化学习的部分卸载算法。将单个任务的处理分为本地计算和部分卸载两种方式,且在部分卸载中引入了变量确定卸载权重,最后利用强化学习Q-learning完成了所有任务的计算卸载与资源分配。实验结果表明,所提算法能有效降低任务处理的时延与能耗。

面向物流仓储的基于边缘计算的高价值工业制品外包装表面破损识别研究

高价值工业制品具有重要的经济和战略价值,其物流仓储过程中的破损和损失不仅会带来高昂的直接和间接成本,还会对生产和供应链产生严重的影响。其中,及时发现和处理高价值工业制品外包装表面的破损可以避免货物继续损坏。边缘计算可以通过利用物联网、图像处理、人工智能等先进技术,对货物外包装表面破损情况进行实时监测和预警,从而大幅提高物流仓储的安全性和效率。文章面向物流仓储,基于边缘计算对高价值工业制品外包装表面破损识别展开研究,以期为构建现代化物流和仓储体系、提高高价值工业制品的物流运输质量提供一定参考。

面向高比例新能源电网短路计算的机电-电磁融合电源模型

为解决新型电力系统计算与分析中传统电源模型难以继续适用的问题,提出一种面向高比例新能源电网短路计算的机电-电磁融合电源模型。一方面,考虑新能源电源通用控制策略作用下的外部输出特性,采用单一压控电流源等效电源侧海量新能源电源的整体输出;另一方面,根据短路电流故障的时间划分尺度,保留传统发电机工频基波意义下的外部输出特性,并采用3个大小不一且衰减速度不同的电压源等效电源侧所有发电机的整体输出。进而采用3个电压源和1个压控电流源并联的形式作为融合电源模型的结构,并采用内点法对融合电源模型参数进行在线辨识。通过短路仿真数据和电网实测故障录波数据验证了融合电源模型的适用性。

基于云计算的舰船通信网络动态负载均衡控制方法

针对舰船通信网络通信环境复杂、用户需求不确定、影响通信均衡性等问题、提出基于云计算的舰船通信网络动态负载均衡控制方法。利用Ryu控制器获取监控舰船通信网络状态,获取网络负载。创建云计算平台虚拟机,实现执行舰船通信网络动态负载均衡任务调度任务。选取最高迁移概率的物理机结果作为云计算平台虚拟机迁移结果,通过虚拟机的迁移与关闭操作,更新虚拟机的综合权值,实现舰船通信网络动态负载均衡控制。实验结果表明,该方法可实现舰船通信网络的动态负载均衡控制,负载均衡度高于0.7,可有效提升舰船通信网络的资源利用率。

基于联邦学习和多方安全计算的海铁联运数据安全共享方法研究

我国海铁联运占港口集疏运比例仍然过低,关键原因之一在于铁路对于港口适运货源的动态信息不明、营销组织不力。铁路货运营销部门缺乏在保证港口、铁路、海关三方数据隐私安全的前提下,根据铁路运力动态主动挖掘港口和海关数据中潜在适运货源的技术方法和手段,难以推出适销对路的运输产品和动态营销手段,也难以为海铁联运基础设施的建设提供有效决策依据。构建基于联邦学习和多方安全计算的铁路-港口-海关数据安全共享方法,使用结合同态加密等多方安全计算技术的梯度提升决策树作为模型训练算法,铁路、港口、海关三方地位对等协作,训练出海铁联运潜在货源识别策略;在该策略的正式运行实现过程中,铁路方能够获得路网各流向潜在适运货源的数量级,各方均看不见、带不走其余参与方的任何原始数据。

Spark平台下基于互信息计算的高光谱图像波段选择方法

随着遥感成像技术的发展和普及,高光谱图像中大量的波段使得大多数应用研究遇到休斯现象。而且随着高光谱图像数据量的快速增长,现有的传统串行算法计算复杂度较高,难以处理高维海量高光谱图像数据。针对以上问题,提出Spark平台下基于互信息计算的波段选择算法。利用熵和互信息理论定义波段相关性和多重相关性;基于Spark RDD编程模型设计数据列变换,将数据集划分为列矩阵,以降低计算负载;在Spark平台下对算法并行化,提高算法执行效率。实验结果表明,提出的算法达到了94.5%±0.5的整体分类精度,且加速性能良好,改善了数据可扩展性。

eMD:基于异构计算的大规模分子动力学模拟软件

【目的】异构计算已经成为高性能计算的重要组成部分,GPU异构计算可显著提速计算密集型的分子动力学模拟应用,本文介绍自研分子动力学模拟软件eMD的系统设计及其异构计算应用。【方法】首先介绍eMD软件的目标定位,包括应用功能和计算性能两方面;然后介绍软件概要设计,包括框架、模块和接口等组成部分;重点围绕面向异构计算的软件架构设计和移植优化技术进行阐述。【结果】eMD软件系统基于GPU异构计算可实现大规模体系模拟,同时提供特色的分子动力学模拟算法和模型。【结论】eMD将充分发挥GPU异构计算算力,以提升分子动力学模拟应用效率,助力分子建模理论方法的创新应用和分子科学问题的研究。

面向演化计算的群智协同研究综述

演化计算为代表的群体智能的迅速发展引发了人工智能领域新一轮技术变革。为满足多样化复杂系统应用需求,人工智能越来越趋向于跨级别的智能化、协同化研究。该文提出面向演化计算的群智协同的概念,根据群智协同层级将人工智能跨级别的智能化、协同化研究分为微观协同、中观协同与宏观协同,以群智协同视角对近年来上述分支领域相关研究做出了总结。首先,通过分析决策变量级协同、全局与局部级协同对微观协同进行了阐述。其次,从目标级协同和任务级协同两个维度对中观协同进行了总结。再次,以智能协同系统中存在的空天地海协同、车路云协同和端边云协同对宏观协同展开分析。最后,该文指出了面向演化计算的群智协同领域的研究挑战,并对相关领域发展方向进行了展望。

小行星探测器轨道计算的动力学研究

针对中国即将开展的小行星探测活动中面临的轨道计算动力学问题进行研究。分析了小行星探测器轨道计算的需求,并对小行星轨道计算中涉及的时空参考系进行了描述,然后对轨道计算所需考虑的动力学模型进行了讨论,并给出了各类摄动加速度的计算公式。最大的是太阳引力加速度,约为10^(-6)km/s^(2);最小的是小行星本体摄动加速度,约为10^(-12)~10^(-13)km/s^(2)。利用欧空局Rosetta探测器的实测数据对动力学模型精度进行了验证,结果表明4天弧段位置互差约15 m,速度互差约0.44 mm/s,动力学模型精度可靠。本研究可以为中国小行星探测活动轨道计算提供参考。

基于可信计算的保护控制设备主动防护技术研究与实现

变电站保护控制设备在边界安全防护体系下得以安全稳定运行,但随着信息化、网络化技术不断应用,变电站网络安全要求也在发生变化,过度依赖边界防护的保护控制设备缺乏本体主动防护能力的问题逐渐突显。文章比较分析了不同主动防护技术后,选择了基于可信计算的主动防护技术进行研究,结合保护控制设备的高实时、高可靠等特点,给出了适合保护控制设备的可信计算双体系架构和具体硬软件实现方案。最后,保护监控设备主动防护效果通过了第三方检测机构的验证,且防护功能的增加并未对设备的功能和性能产生明显的影响,该方案具备工程化应用和推广价值。

基于边缘计算的可重构波束控制技术研究

随着社会和技术的发展,相控阵软件无线电技术得到了快速推广和普及,其应用领域从传统的军事预警探测逐步拓展到气象探测、航空安全、无人驾驶、空间探测、天地通信中继等等。同时,新方法新体制应用对天线波束形成算法复杂度、数据传输量和波束切换的低延时等提出了更高的要求,商业应用要求高效低成本部署,并能够基于软件定义具备良好的可扩展性,传统集中式波束控制方法已无法有效应对需求。波束控制节点部署利用边缘计算理念可实现相控阵天线射频前端的就近波束形成运算与数据处理,有效减小数据传输带宽和降低延时,波束控制平台采用软件可重构体制可适应新兴领域和用户需求的不断发展变化。介绍了相控阵射频前端波束控制原理,提出了一种基于边缘计算的可重构波束控制技术,采用嵌入式分布化运算处理技术,通过建模仿真与计算,证明该技术可有效改善相控阵天线多通道数据传输压力,提升波束敏捷性,实现功能、孔径可重构,具有广泛的工程应用前景。

基于流水线计算的3D NoC测试规划研究

为了提高三维片上网络(3D NoC)资源内核的测试效率,提出一种在功耗约束条件下多播流水线并行测试同构核与单播测试异构核相结合的方法对IP核进行测试。为了减少测试数据因资源冲突而进行等待的时间,设计一种改进XYZ路由算法,并采用改进人工蜂群(ABC)算法求解最佳测试规划方案。以国际标准电路测试集ITC'02作为实验对象,结果表明,测试时间最大优化率达到15.45%,与其他测试规划方法相比该文方法能有效地提高并行测试效率。