智能嵌入式系统结构与软件关键技术专题序言

王 泉，杨天若，朱大开，邓庆绪，郭 兵，陈铭松，董云卫，严 义，江建慧，张凯龙，谢国琪0，周俊龙

(1.西安电子科技大学 计算机科学与技术学院，陕西 西安 710071；2.加拿大圣弗朗西斯泽维尔大学 计算机科学系，安蒂戈尼什 NS B2G 2W5；3.美国得克萨斯州大学圣安东尼奥分校 计算机科学系，圣安东尼奥 TX 78249-1644；4.东北大学 计算机科学与工程学院，辽宁 沈阳 110167；5.四川大学 计算机学院，四川 成都 610065；6.华东师范大学 软件工程学院，上海 200241；7.西北工业大学 计算机学院，陕西 西安 710129；8.杭州电子科技大学 计算机学院，浙江 杭州 310018；9.同济大学 软件学院，上海 201804；10.湖南大学 计算机工程系，湖南 长沙 410082；11.南京理工大学 计算机科学与工程学院，江苏 南京 210094)

作为数字与物理、信息与应用交叉融合的重要基石，嵌入式系统技术在近十年以来已被广泛应用在社会生产、生活、国防等诸多领域，并快速推动了这些领域的数字化、网络化和智能化发展。在人工智能、云计算、物联网、大数据等新兴技术不断发展和交叉应用的万物智联大计算背景下，信息物理深度融合、多维智能能力支撑、应用形态日益多元等新特征对嵌入式系统的体系结构以及软硬件技术的发展都提出了新的需求和挑战。诸如，空、天、地、海军民领域的复杂安全有关应用对高可信的多态嵌入式计算体系与技术，移动计算与物联网对高性能、低功耗的嵌入式系统、网络通信与网络安全技术，以智能驾驶为代表的复杂信息物理系统对实时智能计算体系与技术，智能制造对工业机器人以及工业互联网等基于嵌入式系统的行业技术等，新业态迫切需要新技术的支持。

在这样的背景下，《西安电子科技大学学报》组织了“智能嵌入式系统与软件关键技术”专题。经过严格评审，最终录用了10篇学术论文，包括了边缘计算任务调度、雾计算服务部署、多资源均衡调度、小样本学习、样本攻击防御、大规模图遍历优化等方面。这里分别介绍如下。

在边缘计算任务动态调度方面，论文《面向边缘计算平台的半线上任务动态调度方法》提出了一种面向边缘计算平台的半线上任务动态调度方法。首先，考虑边缘计算平台中能耗的主要影响因素，从边缘节点的处理速度、路由延迟和队列长度三个角度，引入边缘节点的任务执行能耗、任务传输能耗和空闲能耗，建立了面向能耗优化的边缘计算平台任务调度模型；其次，对于边缘计算平台中的未知性能节点，先将其性能假设为某个已知节点，形成未知与已知节点之间的映射关系，再不断感知映射双方的任务队列长度来动态调整映射关系，充分利用已有先验知识，提出了一种基于动态映射的半线上任务调度算法，实现能耗优化；最后，在CloudSim平台完成对比试验。实验结果表明，所提方法相较其他方法能有效地降低边缘计算平台的能耗。论文《面向雾计算的嵌入式异构计算服务放置策略》提出了一种面向雾计算应用的服务放置策略，基于微服务架构，对雾计算层异构资源进行优化建模，细化了资源异构属性表征，在保证系统的基础上，通过动态对比服务放置消耗提升系统资源利用率。将这种策略与基于请求率的放置策略和iFogSim默认放置策略进行对比，该策略的系统资源利用率分别平均提高了约5.00%和13.34%。

在异构计算中的资源与任务管理方面，论文《Kubernetes集群中多节点合作博弈负载均衡策略》提出了一个基于合作博弈论的多资源负载均衡算法用于Kubernetes集群调度，并提出集群资源负载均衡度这个指标，优化调度从而降低集群资源碎片化程度。结果表明，MBCGT算法降低了集群资源碎片化程度，集群中各节点的平均负载均衡度可提升8.40%。论文《面向交叉微服务链的任务调度优化》针对微服务链交叉产生的资源竞争问题，以系统资源利用率及处理请求的全局响应时间为衡量指标，将微服务架构中服务的资源消耗情况和任务执行的时间进行了形式化表征。同时，结合蚁群算法并行计算与模拟退火算法局部扰动的优势，提出了一种面向交叉微服务链的任务调度算法。通过实验证明，与先来先服务算法和传统蚁群算法相比，文中的算法能够在复杂微服务链环境下有效提高资源利用率，并降低任务的全局响应时间。论文《JEDERL：一种异构计算平台任务调度优化算法》针对异构计算平台任务调度中存在的计算资源异构及缺乏任务全局信息的问题，首先根据任务及资源的属性进行任务执行的抽象建模；然后利用图神经网络对任务和计算资源进行可伸缩的状态信息编码，从3个层次聚合任务及资源特征，解决了任务数量不确定、缺乏全局信息的问题；接着以最小化任务的平均完成时间为目标，基于深度确定性策略梯度算法设计任务调度算法。实验结果表明，JEDERL算法与随机调度、先进先出调度、短任务优先调度、轮盘法调度以及现有的强化学习调度算法相比，任务平均完成时间分别减少了约27.8%、12.6%、28.6%、21.9%、13.1%。

在数据处理与智能学习方面，论文《一种高效的自监督元迁移小样本学习算法》针对已有算法的模型泛化能力弱、分类结果差等问题，提出了残差注意力膨胀卷积网络作为网络模型的特征提取器，膨胀分支的设计增大了模型感受野且可以提取不同尺寸的特征，基于图片的残差注意力增强了模型对重要特征的关注度。提出基于自监督的网络模型预训练算法，预训练阶段使用自监督方式，对图像数据进行不同角度旋转且建立相应标签，设计基于图像结构信息的旋转分类器，增加了训练任务中的监督信息，以增强对数据信息进一步挖掘及算法的泛化能力。在标准的小样本数据集miniImageNet和Fewshot-CIFAR100上，将作者提出的算法与基准算法进行了充分的实验。实验结果表明：该算法取得了最新最好的性能。论文《BC 算法性能与图数据格式的关系特性分析》针对中心性算法如何根据性能需求选择合适的压缩格式来提升图计算系统性能的问题，采用Skylake Xeon(R)Platinum 8164处理器上的硬件性能计数器对不同数据集的COO、CSC、CSR、DCSC和CSCI的5种压缩格式进行性能评测与分析，性能评价指标包括执行时间、计算量、数据移动量以及功耗等。评价结果表明，当硬件资源受限时，CSR压缩格式在处理以遍历为中心的BC算法时表现最优，可有效地减少程序执行时间、数据移动量以及降低功耗；使用CSC压缩格式，可有效地降低缓存缺失率，更好地利用数据局部性；在考虑内存占用情况下，DCSC压缩格式可提高图数据存储效率；CSCI压缩格式在硬件加速器的数据并行性方面有一定的优势，但在通用处理器上的图应用方面并不理想；COO压缩格式在提升图计算应用性能方面相对较差。分析结果对于BC算法如何根据不同性能需求选择预处理方式提供了依据。论文《一种新型高效的文库知识图谱实体关系抽取算法》首先基于训练文库构建了一种新的实体语义关系图，随着测试的进行它也可以不断扩展。实体语义关系图用于从语料库的所有句子中全局获取实体之间的语义关系。然后，选取语料库中存在的大量“other”关系作为负样本进行训练，以提高分类性能。最后，利用轻量级预训框架ALBERT、图卷积网络和负样本学习三元组损失，提出了一种新的实体关系抽取算法。该算法能不断地汇总和完善与待抽取实体对间关系的相关知识，因此可以有效地提高实体关系抽取的精度。在SemEval-2010 Task8和TACRED的基准测试中对这种算法进行的广泛性能对比实验，表明该算法的性能均优于目前最具代表性的深度实体关系抽取算法。论文《面向超级计算机系统的大规模图遍历优化》基于现实世界中图结构的小世界性和无尺度性特征，面向评测超级计算机图处理能力的重要基准Graph500，提出一种主要应用于大规模图的图遍历优化方法。这一方法结合了天河平台的体系结构特征，在图结构上应用了顶点排序和优先缓存策略，即将图中顶点按度数从高到低排序，令程序在图遍历阶段优先访问高度数邻居顶点，并将部分关键高度数顶点缓存至天河系统核组内的高速缓存中，以此来减少Graph500基准程序中的无效访存，降低进程间的通信开销，提高访存带宽利用率，从而有效提升Graph500基准测试程序在天河平台上的性能。该文面向天河超级计算机系统实验平台提出的应用顶点排序与优先缓存优化方法的VS-Graph500程序，加速效果显著，可扩展性好，当图测试规模为237时，全系统稳定测试性能为2547.13 GTEPS，超过2020年11月Graph500国际排名榜上第7名的数据。

在深度神经网络安全性方面，论文《增强型深度对抗样本攻击防御算法》针对现有对抗样本去噪防御算法破坏干净样本的有用信息致使模型分类精度下降的缺陷，基于在目标模型上添加增强型输入去噪器，以及基于凸包理论所提出的隐层干净样本有损信息恢复器，提出了一种新的增强型对抗样本攻击防御算法。该算法在模型的输入层训练一个去噪器，去噪器的输入为干净样本和对抗样本的并集，期望去噪器去除对抗扰动的同时避免对干净样本的遗忘。由于去噪器会破坏干净样本含有的扰动信息，因此在模型的隐层中训练一个恢复器，恢复器的输入为干净样本和对抗样本隐向量的凸组合，期望恢复器将位于错误分类空间的样本重新映射回正确分类空间，以此训练出更具鲁棒性的模型。在多个标准数据集上的大量对比仿真实验表明：所提出的去噪器和恢复器能有效地提升模型的鲁棒性，其对抗样本防御性能优于众多现有代表性的对抗样本防御算法。

我们相信读者可以从以上的学术论文中发现很多有益的思路和解决问题的方法，并借此机会感谢所有作者的贡献以及所有评审者的辛勤付出。是大家的无私奉献和辛勤努力，使得编委团队成功组织了这一期专题。

编委简介

王泉，博士，教授，现任西安电子科技大学副校长。中国计算机学会杰出会员，嵌入式专委会主任。教育部教学信息化与教学方法创新指导委员会副秘书长，软件工程专业教学指导委员会委员，教育部《教育信息化长期发展规划(2021～3035)》和《教育部信息化“十四五规划”》编制专家组成员。主要研究方向为嵌入式计算与系统、新型人机交互、人工智能+教育等。主持了国家基金、重点研发计划、预研等项目，为国家和行业的重大应用提供了关键技术支撑。在IEEE TPAMI、TKDE、TNNLS、TPDS、TIP和IJCAI等国外内重要期刊/会议上发表学术论文40余篇，授权专利20余项，研究成果先后获得了省部级教学科研奖励十余项。

E-mail：qwang@xidian.edu.cn

杨天若，博士，加拿大圣弗朗西斯泽维尔大学(St.Francis Xavier University)教授、博士生导师。现任加拿大国家工程院院士，加拿大工程研究院院士，欧洲科学院外籍院士，IEEE/IET Fellow，国家海外高层次人才入选者，全球高被引学者，ACM 杰出科学家。主要从事并行、分布式和云计算、嵌入式和普适计算、人机物系统设计与安全等方面的研究。共计发表了 200多篇IEEE和 ACM 汇刊/期刊论文，多篇文章入选ESI热点和ESI高被引文章。同时作为作者或编者在多个国际著名出版社出版25 余本学术著作，在世界 50 多个国际主要学术会议与研讨会上做大会特邀主题报告。曾担任IEEE CS超级计算与应用技术委员会副主席、IEEE CS 可扩展计算委员会主席、IEEE CIS 普适计算和智能工作组主席、IEEE加拿大大西洋地区副主席和主席。现担任IEEE CS TCSC 技术委员会主席、IEEE SMC Cybermatics技术委员会主席、IEEE CIS 人机物系统工作组主席以及加拿大自然科学和工程基金计算机学科评审委员会委员。目前还担任10多个IEEE重要国际学术会议指导委员会主席，同时担任IEEE Systems Journal、Information Fusion、Information Sciences等多个国际著名期刊的编委。曾获得多项国际性奖励与荣誉：加拿大工程研究院 John B.Stirling Medal 奖章(2021)，IEEE CPS信息-物理系统最有影响力论文奖(2020)，科睿唯安的全球高被引学者(2019)，AMiner 物联网领域最有影响力学者奖(2018)，IEEE TCPS 信息-物理系统杰出领袖奖(2018)等。

E-mail：ltyang@ieee.org

朱大开，Dakai Zhu(朱大开)教授现为美国得克萨斯州立大学圣安东尼奥分校(University of Texas at San Antonio)计算机系终身教授。1996年获西安交通大学计算机工程学士学位,1999年获清华大学计算机工程硕士学位，2004年获美国匹兹堡大学计算机科学博士学位。主要研究领域包括：实时嵌入式系统，低功耗和可靠性计算，并行和多核系统和云计算资源管理。已发表国际学术期刊和国际会议论文70余篇(其中包括近30篇国际期刊论文，比如ACM TECS，TODAES，IEEE TC，TPDS，TCAD和Journal of Real Time Systems；40余篇国际学术会议论文，比如RTSS，RTAS，DAC和 ICCAD等实时系统及设计自动化领域顶级国际会议)。研究工作多次获得美国国家自然科学基金会(USA National Science Foundation)的资助，并于2010年获得了美国国家科学基金颁发的杰出学术发展奖(NSF CAREER AWARD)。是ACM和IEEE的会员，并在RTSS，RTAS，RTCSA，DATE和IGSC 等国际顶级或知名会议中常年担任程序委员会委员，而且是10余个IEEE或ACM国际顶级期刊的审稿人。

E-mail：dakai.zhu@utsa.edu

邓庆绪，东北大学计算机学院教授，辽宁省嵌入式软件工程中心主任，教育部新世纪人才，辽宁省“兴辽人才”科技创新领军人才。计算机学会嵌入式系统专委会副主任。主要研究方向为实时嵌入式系统、可重构计算、CPS(信息物理系统)/物联网工程。在实时嵌入式系统、物联网等领域，以负责人身份承担国家863计划项目、国家支撑计划、国家自然基金、国际合作基金、国家重点研发计划课题等项目30余项。相关成果已获得14项发明专利，曾获省技术发明奖一等奖、省科技进步一等奖和国家科技进步二等奖。已在实时嵌入式系统、物联网、可重构计算等领域的著名国内外期刊和会议上发表论文140多篇。有多篇代表性成果发表于相关领域顶级国际会议RTSS、RTAS、DAC以及ACM Trans.、IEEE Trans.等国际期刊。领导的课题组关于多核实时调度理论研究方面的成果论文曾获RTSS 2009最佳论文奖，DATE 2013最佳论文奖，以及多次RTSS，RTAS最佳论文提名。多次担任嵌入式实时系统和设计自动化系统国际会议RTSS、DAC等多个国际会议的程序委员会委员。

E-mail：dengqx@mail.neu.edu.cn

郭兵，教授，博士生导师，四川大学计算机学院(软件学院)副院长。CCF嵌入式系统专委会副主任，国家重点研发计划和NSFC重点项目负责人。主要研究方向包括嵌入式系统、绿色计算、区块链、工业软件等。先后主持32项国家重大专项/重点研发计划、国家自然科学基金、“863”项目以及企业横向项目的研发工作，包括国家重点研发计划项目“规模化制造业多价值链协同云服务平台研发”、NSFC重点项目“嵌入式系统的低能耗软件设计方法与技术研究”等。曾在美国密执根州立大学、日本筑波大学和韩国Kyungwon大学做访问教授。同时，在《IEEE Transactions on Cloud Computing》《IEEE Transactions on Computers》《计算机学报》等杂志和IEEE/ACM国际会议上发表高质量学术论文56篇，以General Co-chair主办ICEES2008、GreenCom2011、EmbeddedCom2013、ESCT2013、ICESS2016、CBD2016和FFC2016七次国际会议，获得四川省、湖北省和国防科工委等各种奖励6次。

E-mail：guobing@scu.edu.cn

陈铭松，华东师范大学教授，博士生导师，软件工程学院副院长(主持工作)，软硬件协同设计与应用技术教育部工程研究中心主任。主要研究方向为可信智能软硬件协同设计、信息物理融合系统设计自动化。在DAC、ISCA、、RTSS、TC、TCAD、软件学报等国内外权威会议与期刊上发表论文100余篇，出版英文专著1部，相关成果获得上海市科技进步特等奖(排名第三)。主持过多项省部级以上重点项目。目前担任CCF嵌入式专委会副主任、上海计算机学会物联网专委会副主任。

E-mail：mschen@sei.ecnu.edu.cn

董云卫，西北工业大学教授，西北工业大学智能嵌入式软件研究中心副主任。主要从事嵌入式系统建模分析理论、软件自动化理论研究。主持和参加国家自然基金、国家863计划、国防预研、国家重点研发计划、国家“核高基”专项计划等10余项课题。发表学术论文100余篇、获得技术发明专利20余项和出版专著2部。2000年获首届“陕西省十大软件行业杰出青年”，2001年获首届“中国软件行业杰出青年”提名，获省部级科技成果三等奖2项。

E-mail：yunweidong@nwpu.edu.cn

严义，杭州电子科技大学二级教授，博士生导师，享受国家特殊津贴专家。浙江省政府咨询委委员，浙江省科技厅电子网络专家组组长，PLCopen中国主席，杭州电子科技大学工业互联网研究院院长。杭州电子科技大学计算机国家级实验教学示范中心负责人，国家级虚拟仿真实验项目负责人，浙江省重点科技创新团队(面向行业的嵌入式关键技术)负责人。中国机电一体化应用协会常务委员，中国计算机学会嵌入式专家委员会常务委员。作为负责人，其研究成果获浙江省技术发明一等奖，科学技术一等奖各1项，科学技术二等奖2项；作为主要成员获国家级教学成果二等奖两项。拥有发明专利技术50多项，科研成果产业化，产生经济效益达十亿元。发表论文40多篇，多篇被SCI、EI收录。

E-mail：yybjyyj@163.com

江建慧，博士，教授，博士生导师，同济大学软件学院副院长，同济大学首批国家一流本科专业建设点“软件工程”专业负责人，中国计算机学会容错计算专业委员会副主任，中国计算机学会嵌入式系统专业委员会常务委员，中国计量测试学会集成电路测试专业委员会副主任，上海市高等教育学会高校计算机专业委员会主任，《同济大学学报(自然科学版)》编辑委员会委员。长期从事容错计算、测试与诊断、性能评测与设计优化等方向的理论研究和技术开发，负责和参与完成了国家科技部973和863计划项目、国家自然科学基金项目、上海市科委项目以及华为、中广核等企业合作项目近40项。出版教材2部，在IEEE Transactions on Reliability、IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems、IEEE Transactions on Systems、Man and Cybernetics：Systems，Journal of Computer Science and Technology、《计算机学报》、《电子学报》、《中国科学》、ITC、DATE等国内外学术刊物和会议上发表学术论文200多篇，SCI/SCIE/EI收录100多篇。获宝钢教育基金优秀教师奖、华为无线网络产品线价值合作成果奖、上海市科技进步一等奖等。

E-mail：jhjiang@tongji.edu.cn

张凯龙，博士，博士后(法国)，西北工业大学计算机学院教授、博士生导师，现任西北工业大学-巴黎高科MINES机器人与群智能系统联合实验室主任、中国计算机学会嵌入式系统专委会秘书长。获评为中国嵌入式系统十大杰出青年、法中科学与应用基金会“卡恩·岗”学术奖。主要研究方向为实时智能系统、协作式智能交通系统、空天地群智能协同系统及科技伦理与哲学等。近年来，主持国家自然科学基金课题3项，陕西省科技计划、航空基金、航天SAST基金等项目10余项。在IEEE Trans on ITS等领域顶级期刊和IEEE ITSC等国际会议发表学术论文60余篇。技术成果产业化1项，在国际领域上率先提出并建立面向服务的协作式智能交通系统(SoC-ITS)研究方向并得到同行肯定。获省部级科技进步奖2项。编著《嵌入式系统体系、原理与设计》，译著《嵌入式系统导论——CPS方法(第2版)》、《嵌入式系统——CPS与IoT的嵌入式系统基础(第3版)》、科技哲学著作《柏拉图与技术呆子》等共5部，获省级、校级优秀教学成果奖等多项。

E-mail：kl.zhang@nwpu.edu.cn

谢国琪，博士，湖南大学教授、博士生导师。IEEE TCSC Early Career Researcher Award获得者，CCF嵌入式系统专委会副秘书长，IEEE/ACM/CCF高级会员。主要研究兴趣为实时操作系统、实时通信、高性能嵌入式计算、信息物理系统。以第一作者发表CCF A类会议与IEEE/ACM Transactions期刊论文30多篇。出版专著及教材3本。JSA、JCSC、MICPRO 3本SCI期刊编委(Associate Editor)，RTSS、DAC等顶级国际会议的程序委员会成员。主持了纵/横向项目多项，完成了多款实时及嵌入式应用的研发。

E-mail：xgqman@hnu.edu.cn

周俊龙，南京理工大学副教授，硕士生导师。CCF嵌入式系统专委会副秘书长，江苏省计算机学会体系结构专委会秘书长。主要研究领域为嵌入式系统、物联网与云计算。先后主持了国家自然科学基金(面上、青年项目)、中国博士后自然科学基金(特别资助、面上项目一等资助)、江苏省自然科学基金(青年项目、博士后A类科研资助)、国家和省部级重点实验室开放课题等项目10余项。曾在美国圣母大学访问研究，在国内外权威期刊会议发表学术论文90篇，含IEEE/ACM Transactions 论文近30篇，入选ESI热点/高被引论文4篇，IEEE会议最佳论文1篇。JSA等5个国际期刊编委。任10余次国际会议(例如HPCC)的程序委员会主席，入选斯坦福大学发布的 2020 年“全球前 2%顶尖科学家”榜单，在计算机硬件与体系结构学科影响力中国(含港澳台)排名位居第 11 位。

E-mail：jlzhou@njust.edu.cn