基于异步深度强化学习的车联网协作卸载策略

随着车联网(IoV)的快速发展,智能网联汽车产生了大量延迟敏感型和计算密集型任务,有限的车辆计算资源以及传统的云服务模式无法满足车载用户的需求,移动边缘计算(MEC)为解决海量数据的任务卸载提供了一种有效范式。但在考虑多任务、多用户场景时,由于车辆位置、任务种类以及车辆密度的实时性和动态变化,IoV中任务卸载场景复杂度较高,卸载过程中容易出现边缘资源分配不均衡、通信成本开销过大、算法收敛慢等问题。为解决以上问题,重点研究了IoV中多任务、多用户移动场景中的多边缘服务器协同任务卸载策略。首先,提出一种多边缘协同处理的三层异构网络模型,针对IoV中不断变化的环境,引入动态协作簇,将卸载问题转化为时延和能耗的联合优化问题;其次,将问题分为卸载决策和资源分配两个子问题,其中资源分配问题又拆分为面向边缘服务器和传输带宽的资源分配,并基于凸优化理论求解。为了寻求最优卸载决策集,提出一种能在协作簇中处理连续问题的多边缘协作深度确定性策略梯度(MC-DDPG)算法,并在此基础上设计了一种异步多边缘协作深度确定性策略梯度(AMCDDPG)算法,通过将协作簇中的训练参数异步上传至云端进行全局更新,再将更新结果返回每个协作簇中提高收敛速度。仿真结果显示,AMC-DDPG算法较DDPG算法至少提高了30%的收敛速度,且在奖励和总成本等方面也取得了较好的效果。

一种可解释的云平台任务终止状态预测方法

基于特征选择和模型可解释方法构建可解释性强的云平台任务终止状态预测模型,该模型可视化任务/作业的静态和动态属性与终止状态之间的映射关系,进而找出负载特征与任务终止状态之间的映射机理.利用Google公开的工作负载监控日志,并加入云平台中任务的动态信息,采用沙普利加和解释(Shapley additive explain,SHAP)找出静态和动态属性对终止状态影响的重要性,利用变量重要性结合SHAP值和XGBoost模型,对任务终止状态预测模型建模后的结果进行解释,使用可视化技术呈现负载特征如何影响模型对不同任务终止状态的预测.用SHAP值绝对值的平均值衡量特征的重要性,实现任务不同终止状态特征重要性的全局可视化,根据结果筛选出对任务终止状态预测模型影响大的20个变量,作为特征筛选的依据;由可视化的结果可知,任务运行过程中,各特征的不同特征值对任务的终止状态有影响,不同特征值对终止状态的产生有不同的影响.特征选择结合模型可解释性方法运用于任务终止状态预测模型的构建流程中,可辅助构建高分类性能及易于理解的任务终止状态预测模型,通过对负载特征与任务终止状态之间映射机理的探索,可以优化云平台的调度机制.

基于知识图谱的端到端内容共享机制

端到端(D2D)通信利用边缘网络的本地计算和缓存能力,可以满足未来移动网络用户低延时、高能效的内容共享需求。而边缘网络内容共享效率性能的提升不仅取决于用户社交关系,同时也高度依赖终端设备的特征,如计算、存储和剩余能量资源等。因此,以最大化能量效率为目标,综合考虑设备异质性、用户社交性和兴趣差异性,提出一种用户-设备-内容多维度关联特征的D2D内容共享机制。首先,基于用户成本效益最大化将多目标约束问题转化为最优节点选择和功率控制问题,构建面向用户-设备-内容的多维度知识关联特征和图谱模型,将设备相关的计算资源、存储资源等多维特征结构化处理;其次,研究用户在设备属性和社交属性上的意愿度度量方法,提出一种基于用户社交和设备图谱的共享意愿度度量方法;最后,根据用户共享意愿度构建面向内容共享的D2D协作簇,面向能量效率设计一种基于共享意愿度的功率控制算法,以最大化网络共享性能。在真实用户设备数据集和infocom06数据集的实验结果表明,所提基于共享意愿度的功率控制算法与最近选择算法和不考虑设备意愿度的选择算法相比,系统和速率分别提升了约97.2%和11.1%,用户满意度分别提升了约72.7%和4.3%,能效分别提升了约57.8%和9.7%,验证了所提算法在传输速率、能量效率和用户满意度等方面的有效性。

基于需求模式自适应匹配的间歇性需求预测方法

大型制造企业售后配件的需求分布稀疏、波动性大,需求频率和需求数量不确定性较高,序列呈现出典型的间歇性特点。在实际运维中,配件需求在频率和数量方面存在较大波动,从而产生变化多样的需求模式,而现有间歇性需求预测主要采用单一或静态组合的固定预测模型,难以充分挖掘不同需求模式下需求序列的演化规律,预测精度和稳定性均难以保证。为解决上述问题,提出一种基于需求模式自适应匹配的间歇性需求预测方法,通过动态识别和匹配需求模式提升间歇性序列预测效果。该方法包括两个阶段:在模型训练阶段,首先,根据配件历史需求数据的间歇性特征,将它划分为需求量序列和间隔量序列,并对两类序列分别进行聚类,以捕获每类序列对应的不同需求和间隔模式;其次,建立包含统计学分析模型、浅层机器学习模型及深度学习模型的预测模型库,测试各模型对每种需求模式的预测效果,识别并标记每类需求模式的最优预测模型。在预测阶段,将待预测序列划分为需求量序列和间隔量序列,确定需求模式并匹配最佳预测模型,进而将需求量和间隔量的预测值合并,形成最终预测结果。在美国汽车公司和英国空军的间歇性配件需求数据集上的实验结果表明,所提方法可适用于不同需求模式的配件历史数据,通过自适应匹配需求模式和最优预测模型,有效提升了预测精度。

一种联合时延和能耗的依赖性任务卸载方法

边缘计算通过在靠近用户的网络边缘侧部署计算和存储资源,使用户可将高延迟、高耗能应用程序卸载到网络边缘侧执行,从而降低应用延迟和本地能耗.已有的卸载研究通常假设卸载的任务之间相互独立,且边缘服务器缓存有执行任务所需的所有服务.然而,在真实场景中,任务之间往往存在依赖关系,且边缘服务器因其有限的存储资源只能缓存有限的服务.为此,提出一种在边缘服务器计算资源和服务缓存有限的约束下,权衡时延和能耗(即成本)的依赖性任务卸载方法.首先,松弛研究问题中的约束将其转换为凸优化问题;采用凸优化工具求最优解,并用解计算卸载任务的优先级.然后,按照优先级将任务卸载到成本最小的边缘服务器,若多个依赖任务卸载到不同的边缘服务器,为了使总成本最小,则采用改进粒子群算法求解边缘服务器的最佳传输功率.最后,为了验证所提方法的有效性,基于真实数据集进行了充分的实验.实验结果表明,所提方法与其他方法相比能够降低总成本8%~23%.

差分扰动的堆优化算法

针对堆优化算法(HBO)在解决复杂问题时存在搜索能力不足和搜索效率低等缺陷,提出一种差分扰动的HBO--DDHBO。首先,提出一种随机差分扰动策略更新最优个体的位置,以解决HBO没有对其更新从而导致的搜索效率低的问题;其次,使用一种最优最差差分扰动策略更新最差个体的位置,以强化其搜索能力;然后,采用一种多层差分扰动策略更新一般个体的位置,以强化多层个体之间的信息交流,并提高搜索能力;最后,针对原更新模型在搜索初期获得有效解概率低的问题,提出一种基于维的差分扰动策略更新其他个体的位置。在大量CEC2017复杂函数上的实验结果表明,与HBO相比,DDHBO在96.67%的函数上具有更好的优化性能,更少的平均运行时间(3.4450s);与WRBBO(Worst opposition learning and Random-scaled differential mutation Biogeography-Based Optimization)、DEBBO(Differential Evolution and Biogeography-Based Optimization)和HGWOP(Hybrid PSO and Grey Wolf Optimizer)等先进算法相比,DDHBO也具有显著的优势。

移动边缘计算中收益最大化的缓存协作策略

移动边缘计算(MEC)通过将资源部署在用户的近邻区域,可以减少移动设备的能耗,降低用户获取服务的时延;然而,大多数有关缓存方面的研究忽略了用户所请求服务的地域差异特性。通过研究区域所请求内容的特点和内容的动态性特性,提出一种收益最大化的缓存协作策略。首先,考虑用户偏好的区域性特征,将基站分为若干协作域,使每一个区域内的基站服务偏好相同的用户;然后,根据自回归移动平均(ARIMA)模型和内容的相似度预测每个区域的内容的流行度;最后,将缓存协作问题转化为收益最大化问题,根据存放内容所获得的收益,使用贪心算法解决移动边缘环境中缓存的内容的放置和替换问题。仿真实验表明,与基于MEC分组的协作缓存算法(GHCC)相比,所提算法在缓存命中率方面提高了28%,且平均传输时延低于GHCC。可见,所提算法可以有效提高缓存命中率,减少平均传输时延。

基于蚁群算法及博弈论的多Agent路径规划算法

针对多Agent路径规划问题,提出了一个两阶段的路径规划算法。首先,利用改进的蚁群算法来为每个Agent规划出一条从起始点到目标点,不与环境中静态障碍物碰撞的最优路径。在蚁群算法的改进中引入反向学习方法来对蚂蚁位置进行初始化分布,提高了算法的全局搜索能力;利用粒子群算法中的自适应惯性权重因子来调节信息素强度Q值,使其自适应地变化,避免陷入局部最优;对信息素挥发因子ρ进行调节,提高算法的迭代速度。其次,若多Agent之间存在动态碰撞,利用博弈论构建多Agent之间的动态避障模型,并利用虚拟行动法来解决博弈的求解问题及多Nash均衡的选择问题,确保每个Agent能够快速学习到最优Nash均衡。仿真实验结果表明改进蚁群算法与传统蚁群算法相比在搜索精度与搜索速度上有明显的提高,与Mylvaganam的多Agent动态避障算法相比,所提算法减小了路径总长度并提高了收敛速度。

基于中国写意风格迁移的动漫视频生成模型

目前生成式对抗网络(GAN)已经被用于图像的动漫风格转换。然而,现有基于GAN的动漫生成模型主要以日本动漫和美国动漫为对象,集中在写实风格的提取与生成,很少关注到中国风动漫中写意风格的迁移,因此限制了GAN在国内广大动漫制作市场中的应用。针对这一问题,通过将中国写意风格融入到GAN模型,提出了一种新的中国风动漫生成式对抗网络模型CCGAN,用以自动生成具有中国写意风格的动漫视频。首先,通过在生成器中增加反向残差块,构造了一个轻量级的深度神经网络模型,以降低视频生成的计算代价。其次,为了提取并迁移中国写意风格中图像边缘锐利、内容构造抽象、描边线条具有水墨质感等性质,在生成器中构造了灰度样式损失和颜色重建损失,以约束真实图像和中国风样例图像在风格上的高层语义一致性,并且在判别器中构造了灰度对抗损失和边缘促进对抗损失,以约束重构图像与样例图像保持相同的边缘特性。最终,采用Adam算法最小化上述损失函数,从而实现风格迁移,并将重构图像组合为视频。实验结果表明,与目前最具代表性的风格迁移模型CycleGAN与CartoonGAN相比,所提CCGAN可从以《中国唱诗班》为例的中国风动漫中有效地学习到中国写意风格,同时显著降低了计算代价,适合于大批量动漫视频的快速生成。

基于弹性秘密共享的多方门限隐私集合交集协议

(t,n)门限隐私集合交集协议,指N个参与者各自拥有大小为n的隐私集合,在不泄露自身隐私信息的前提下,如果各参与者交集数量大于门限值t,则参与各方能够获得交集信息,其有广泛的应用,如指纹识别、在线拼车、相亲网站等.然而现有门限隐私集合交集协议大多针对两方参与者进行研究,对多方门限隐私集合交集协议的研究仍存在许多挑战,现有的多方门限隐私集合交集协议使用全同态加密等开销较大的公钥算法,尚没有有效实现.针对上述问题,结合弹性秘密共享、布隆过滤器提出两种有效的多方门限隐私集合交集协议,并首次仿真实现了协议.首先,设计一种新的布隆过滤器构造方法,将弹性秘密共享生成的份额与参与方的集合元素相对应,通过查询布隆过滤器获取的秘密子份额能否重构出正确秘密来判断各方交集是否达到门限值,有效防止交集基数的泄露.设计的第1个协议避免使用开销较大的公钥算法,当设置安全参数λ为128,集合大小为2^(14),门限值为0.8n时,在三方场景下协议在线阶段的时间成本为191 s.此外,为了能在半诚实模型下抵抗至多N-1个敌手合谋,在第1个协议基础上结合不经意传输设计一种该协议的变体,相同条件下,在线阶段时间成本为194 s.最后通过安全证明,证明上述协议在半诚实模型下是安全的.

面向轴承早期故障检测的多尺度残差注意力深度领域适配模型

针对由工作环境和设备状况的差异引起的轴承早期故障检测模型可靠性差、误报警率高的问题,根据早期故障检测的特点和需求,提出一种多尺度注意力深度领域适配模型。首先,将监测信号处理成由原始信号、希尔伯特-黄变换边际谱、频谱组成的三通道数据;然后,通过在残差注意力模块中增加不同尺寸的滤波器以提取多尺度深度特征,使用卷积-反卷积操作来重构输入信息从而获得注意力信息,并且将注意力信息与多尺度特征融合构建了一种多尺度残差注意力模块,用于提取对早期故障表征能力更强的注意力特征;其次,在所提取到的注意力特征基础上,构建基于交叉熵和最大均值差异(MMD)正则化约束的损失函数来实现领域适配;最后,采用随机梯度下降算法进行网络参数优化,构建端到端的早期故障检测模型。在IEEE PHM-2012数据挑战赛数据集上的实验结果表明,与8种代表性的早期故障检测和诊断方法以及迁移学习算法相比,所提方法能够在不延迟报警时间点的前提下,分别比8种方法的平均误报警率降低了62.7%和61.3%,有效提高了早期故障检测的鲁棒性。

基于二维主成分分析与卷积神经网络的手写体汉字识别

随着计算能力的飞速增长、训练数据的不断积累以及非线性激活函数的不断完善,卷积神经网络(CNN)在手写体汉字识别中表现出较好的识别性能。针对CNN识别手写体汉字识别速度慢的问题,将二维主成分分析(2DPCA)与CNN相结合识别手写体汉字。首先,利用2DPCA提取手写体汉字的投影特征向量;然后,将得到的投影特征向量组成特征矩阵;其次,用组成的特征矩阵作为CNN的输入;最后,用Softmax函数进行分类。与基于AlexNet的CNN模型相比,所提方法的运行时间降低了78%,与基于ACNN与DCNN的模型相比,所提方法的运行时间分别降低了80%与73%。实验结果表明,该方法在不降低识别精度的同时,可以减少识别手写体汉字的运行时间。

基于邻域容差互信息和鲸鱼优化算法的非平衡数据特征选择

针对大多数特征选择算法未充分考虑数据的类不均匀分布、特征之间的相关性和不同参数对特征选择结果的影响等问题,提出一种基于邻域容差互信息和鲸鱼优化算法(WOA)的非平衡数据特征选择方法。首先,在不完备邻域决策系统中,针对二分类数据集和多分类数据集,基于上、下边界域定义两种非平衡数据的特征重要度;然后,为充分反映特征的决策能力和特征之间的相关性,构建邻域容差互信息;最后,通过将非平衡数据特征重要度和邻域容差互信息相结合,提出基于邻域容差互信息的非平衡数据特征选择(FSIDN)算法,该算法采用WOA获取特征选择算法中的最优参数,并引入非线性收敛因子和自适应惯性权重来改进WOA,以解决WOA易陷入局部最优的问题。在8个基准函数上进行实验,结果表明改进的WOA具有较好的优化性能;在13个二分类和4个多分类的非平衡数据集上进行特征选择实验,实验结果表明,与其他相关算法相比,所提算法能够有效地选择出具有良好分类性能的特征子集。

可验证的隐私保护k-means聚类方案

针对现有云外包隐私保护k-means聚类方案存在的效率不高,以及当云服务器不可信或遭受黑客攻击时返回不合理聚类结果的问题,提出了一种可应用于多方隐私保护场景的云外包可验证隐私保护k-means聚类方案。首先,提出了一种适用于云外包场景的改进的聚类初始化方法,从而有效提高算法的迭代效率;然后,利用乘法三元组技术来设计安全欧几里得距离的计算,并利用混淆电路技术来设计安全计算最小值算法;最后,提出了一种验证算法,使用户仅需一轮通信就实现对聚类结果的验证,并且数据外包后算法的训练完全在云上进行,能够有效减少用户和云的交互。仿真实验表明,所提方案在数据集Synthetic和S1上的准确度分别达到97%和93%,说明隐私保护下的k-means聚类和明文k-means聚类的情况近似,适用于医疗、社会科学和商业等领域。

一种基于轨迹预测的车联网边缘卸载策略

以最小化卸载成本为目标,提出一种结合轨迹预测的任务卸载策略,将任务卸载转化为服务器节点选择问题。构建一种基于时间序列的车辆移动轨迹预测模型,将其表述为一个非线性回归任务;依据车辆位置信息与通信范围,提出一种基于最短通信距离的动态协作簇建立方法,利用服务器计算能力和传输成本均衡边缘网络负载,减少车辆移动形成的系统开销;利用马尔可夫决策过程,结合移动轨迹预测和动态边缘服务器簇设计任务卸载策略,解决多边缘服务器覆盖场景下的服务器选择问题。试验结果表明,所提算法与其他算法相比,任务卸载成本在简单与复杂移动轨迹下至少降低了80%和57.8%,有效减少多边缘服务器协作时的轨迹预测误差和成本开销。

基于区块链的多方隐私保护k-means聚类方案

针对现有隐私保护k-means聚类方案迭代效率不高,中心化差分隐私保护k-means聚类方案中服务器会遭受攻击,以及本地化差分隐私保护k-means聚类方案中服务器会返回错误聚类结果的问题,提出了一种基于区块链的多方隐私保护k-means聚类方案(M-PPkCS/B)。利用本地化差分隐私技术的优势及区块链公开透明、不可篡改的特性,首先,设计一种多方k-means聚类中心初始化算法(M-kCCIA),在保护用户隐私的同时,提高聚类的迭代效率,并确保用户联合产生初始聚类中心的正确性;然后,设计一种基于区块链的隐私保护k-means聚类算法(Bc-PpkCA),并构建聚类中心更新算法的智能合约来在区块链上迭代更新聚类中心,从而保证各个用户都能得到正确的聚类结果。在数据集HTRU2和Abalone上进行实验的结果表明,在确保各个用户得到正确聚类结果的同时,两个数据集的准确率分别能达到97.53%和96.19%,M-kCCIA的平均迭代次数与随机化初始聚类中心算法RS的平均迭代次数相比,在两个数据集上分别减少了5.68次和2.75次。

边缘计算下基于区块链的隐私保护联邦学习算法

针对在边缘计算(EC)场景下进行的联邦学习(FL)过程中存在的模型参数隐私泄露、不可信服务器可能返回错误的聚合结果以及参与训练的用户可能上传错误或低质量模型参数的问题,提出一种边缘计算下基于区块链的隐私保护联邦学习算法。在训练过程中,每个用户首先使用全局模型参数在其本地数据集上进行训练,并将训练得到的模型参数以秘密共享的方式上传至附近的边缘节点,从而实现对用户本地模型参数的保护;然后由边缘节点在本地计算它们所收到的模型参数的份额之间的欧氏距离,并将结果上传至区块链;最后由区块链负责对模型参数之间的欧氏距离进行重构,进而在去除有毒的更新后,再进行全局模型参数的聚合。通过安全分析证明了所提算法的安全性:即使在部分边缘节点合谋的情况下,用户的本地模型参数信息也不会泄露。同时实验结果表明该算法具有较高的准确率:在投毒样本比例为30%时,它的模型准确率为94.2%,接近没有投毒样本时的联邦平均(FedAvg)算法的模型准确率97.8%,而在投毒样本比例为30%时FedAvg算法的模型准确率下降至68.7%。

基于Fisher score与模糊邻域熵的多标记特征选择算法

针对Fisher score未充分考虑特征与标记以及标记之间的相关性,以及一些邻域粗糙集模型容易忽略边界域中知识粒的不确定性,导致算法分类性能偏低等问题,提出一种基于Fisher score与模糊邻域熵的多标记特征选择算法(MLFSF)。首先,利用最大信息系数(MIC)衡量特征与标记之间的关联程度,构建特征与标记关系矩阵;基于修正余弦相似度定义标记关系矩阵,分析标记之间的相关性。其次,给出一种二阶策略获得多个二阶标记关系组,以此重新划分多标记论域;通过增强标记之间的强相关性和削弱标记之间的弱相关性得到每个特征的得分,进而改进Fisher score模型,对多标记数据进行预处理。再次,引入多标记分类间隔,定义自适应邻域半径和邻域类并构造了上、下近似集;在此基础上提出了多标记粗糙隶属度函数,将多标记邻域粗糙集映射到模糊集,基于多标记模糊邻域给出了上、下近似集以及多标记模糊邻域粗糙集模型,由此定义模糊邻域熵和多标记模糊邻域熵,有效度量边界域的不确定性。最后,设计基于二阶标记相关性的多标记Fisher score特征选择算法(MFSLC),从而构建MLFSF。在多标记K近邻(MLKNN)分类器下11个多标记数据集上的实验结果表明,相较于ReliefF多标记特征选择(MFSR)等6种先进算法,MLFSF的平均分类精度(AP)的均值提高了2.47~6.66个百分点;同时,在多数数据集上,MLFSF在5个评价指标上均能取得最优值。

基于信噪比和相关信息熵的彩色图像隐写检测特征选择方法

彩色图像隐写检测方法在提取特征的时候带来大量的冗余特征,降低了检测精度.在特征选择中,信息论方法是将特征相关性和冗余性进行分割判断,无法判断整个特征子集的组合效应.因此,将相关信息熵引入到彩色图像隐写检测特征选择中,提出了一种基于信噪比和相关信息熵的彩色图像隐写检测特征选择方法.首先,使用信噪比度量彩色图像的每一维隐写检测特征对样本分类的贡献度,去除不相关特征获得预处理子集;然后,利用相关信息熵度量彩色图像隐写检测特征之间的独立性和冗余程度,设计了一种特征排序算法对预处理子集进行特征重要度排序,使用集成分类器剔除冗余特征,以得到最终约简子集.实验结果表明,所提方法能在不影响检测精度的同时有效降低特征维数,且优于C-FNCES、CGSM和Steganalysis-α隐写检测特征选择方法.