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清华大学计算机系近期部分科研工作进展

作者: 学术咖

时间: 2019-01-23 14:11

去年是清华计算机系建立60周年,60年对个人而言很长,但对于清华大学计算机学科发展历史而言又很短暂,引领全球计算机学科奋进之路才刚刚开始。

本文将为大家简要介绍清华大学计算机系近期部分科研工作进展,具体如下:

  • 千万核可扩展的高精度数值模拟与大数据分析
  • 自然人机交互技术与优化方法
  • 跨媒体大数据计算理论方法与应用
  • 智能机器人的灵巧操作
  • 密码算法设计与分析
  • 科技情报大数据挖掘与智能服务
  • 下一代互联网体系结构关键技术及其应用

1.千万核可扩展的高精度数值模拟与大数据分析

气候变化、极端天气与地质灾害等重大科学问题的数值模拟是富有挑战性的高性能计算应用,对于人类可持续发展、防震减灾具有重要意义。清华大学依托其负责实际运营管理的国产“神威·太湖之光”十亿亿次超级计算机(该系统连续4次位列世界超级计算机500强排名榜榜首),致力于推动高性能计算应用软件的发展,已支持完成22项全机应用,取得多项国际领先成果。

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在大气模拟领域,以清华大学为中坚力量的联合团队基于国产众核处理器提出了一系列创新性数值算法与优化方法,先后完成了国际上首次千万核规模的大气动力过程全隐式模拟和首次千万核规模的高分辨率气候模式数值模拟,其应用成果获得2016年“戈登·贝尔奖”,实现了该奖项设置29年来中国科研团队首次获奖。

在地震模拟领域,清华大学生主导的研究团队基于数据压缩、异构任务划分等一系列创新工作,在国际上首次实现对唐山大地震的高分辨率模拟,再次问鼎2017年“戈登·贝尔奖”。

在大数据分析领域,清华计算机系主导研发了“神威·太湖之光”上的高性能图计算大数据分析系统ShenTu,在分析规模和性能方面与国际同类系统相比有数量级的提升,成功入围2018年“戈登·贝尔奖”。

2.自然人机交互技术与优化方法

人机交互是人与计算机为完成某项任务所进行的信息交换过程,计算机形态形态和使用情境日益复杂,交互技术已经成为终端和应用创新的核心竞争力。传统的图形用户界面的交互理论主要面向桌面计算,交互信道有限、交互接口和交互情境固定,刻画范围窄,难以支持通道综合多样情况下契合人的能力习惯的自然交互,迫切需要建立自然交互技术的科学方法,以支撑技术和产业的发展。

计算机系师生面向自然交互的原理和智能算法,开展包括自然交互动作感知和建模、用户意图识别方法、情感和语音交互理论和算法等方面的深入研究,取得多项创新成果,包括基于信息熵的任务复杂度度量、人体运动控制参数的统计建模、自然交互意图的贝叶斯推理等,形成了比较完整的自然用户界面优化框架,并在关键步骤上做出了引领性创新,获得了同行和业界的高度认可。

3.跨媒体大数据计算理论方法及应用

该项目瞄准国家智慧城市管理创新的重大战略需求,以信息空间、物理世界和人类社会融合的三元空间大数据为研究对象,以揭示三元空间的映射机制与知识涌现机理、建立三元空间大数据计算理论方法体系为目标,针对“三元空间异构数据的弱先验关联表征“以及”人类社会驱动的知识涌现机理”两个关键科学问题,深入研究三元空间异构数据的深层表征与关联计算以及群智计算学习等理论方法,取得了创新性进展。

4.智能机器人的灵巧操作

随着“德国工业4.0”、美国的“再工业化”以及“中国制造2025”等国家层面重大计划的提出和实施,21世纪将是智能机器人技术大力发展的年代。智能机器人正在从传统的工业领域,逐渐走向更为广泛的应用场景,而灵活操作是实现智能机器人多种任务的基本途径。智能机器人的灵巧操作应用已成为精密制造、科学实验、助老助残与医疗服务等国民经济重要领域的迫切需求。

计算机系致力于智能机器人灵巧操作的研究。研制了国际上第一款视触滑温四模态指尖传感器和多感知灵巧手,攻克了高密度触觉阵列的传感、多模态感知测量、多模态信物融合、感联知控一体化技术,突破了基于多模态信息融合的智能感知理论方法,建立了精细灵巧仿人操作体系,为我国精密制造装备、高性能科学实验机器人系统的研制奠定了硬件研发条件和技术基础,支撑精密制造装备、超高精度手机机器人、面向空间科学实验的舱内机器以及助老残机器人系统的研制。多感知仿人五指灵巧手获得第二届世界机器人大会“最佳科技创新奖”。

计算机系类脑与认知团队开发了基于深度学习的多模态融合物体检测与分类模块和自主规划操作策略等相关技术,研制的智能机器人灵巧操作系统获得国际机器人“抓取与操作”比赛冠军。该成果成功转化并广泛应用于工业产品的质量检测和分拣,推动了中国智能制造的产业化升级。

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5.密码算法设计与分析

5.密码算法设计与分析

“没有网络安全就没有国家安全”,密码技术是网络安全的基础和核心技术。

密码哈希算法是三类基础密码算法之一。作为密码学的基本工具,哈希算法是众多密码系统的关键部件,例如,它是区块链的核心技术。

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2016年,以清华大学计算机系王小云教授为领导的项目团队所设计的密码哈希算法SM3成为中国国家密码算法标准(GB/T 32905-2016),目前SM3算法已经进入ISO/IEC国际最终标准草案阶段。密码哈希算法SM3被广泛用于金融、电力、社保、教育、交通、电子政务等领域,含SM3的电力终端安全芯片已在全国27个省推广使用,覆盖6亿多用户,US-BKey出货量超过10亿,产生了显著的社会经济效益。

在满足国家密码安全保重重大需求方面,清华大学计算机系针对特定领域的技术需求设计了多个密码算法,部分算法已经应用于国家重大卫星工程,为我国航天通信安全作出了重要贡献。

在密码分析方面,比特分析法是王小云教授提出的用于求解哈希函数碰撞解的新型密码分析数学模型,该方法成功破解了在国际上曾经广泛使用的两大哈希函数标准MD5和SHA-1,促使国际密码学界设计新的哈希函数标准SHA-3.该成果获国家自然科学二等奖。

十多年来,如何将比特分析法成功用于带密钥的对称密码算法分析,特别是解决带密钥方程的控制难题,是密码学界的一个重要科学问题。清华大学计算机系研究团队突破方程中密钥的影响,将比特方程控制雪崩方法成功用于分组密码、消息认证码和认证加密算法三类密码算法分析。结合比特分析法与立方攻击技术提出了条件立方攻击新方法,在对基于SHA-3标准的Keccak-MAC和认证加密算法Keyak的攻击中取得了重要突破。

这些原创性成果极大地推动了密码设计与分析的研究,使清华大学计算机系成为了同领域的领跑者。

6.科技情报大数据挖掘与智能服务

网络环境下知识工程是互联网面向知识服务重要发展方向上的基础研究课题,为互联网自动化处理和智能知识服务提供有效手段。从2000年以来,计算机系在互联网语义内容生成理论和算法应用上进行深入研究,在高质量语义内容生成、异构信息网络集成、隐含语义挖掘和智能服务方面取得了一系列创新性研究成果。

互联网环境下科技信息资源具有规模大、分布及异构等特点,通用互联网搜索在科技信息方面的处理能力有限,亟待探究新的技术途径推动科技情报分析和智能知识服务的产业发展。

从2006年开始,计算机系将互联网语义内容生成理论和方法研究与科技情报领域国家需求相结合,研发了具有完全自主知识产权、以知识和科研人员为中心的科技情报大数据挖掘和服务平台AMiner。经过10余年的建设,AMiner建立了超过1亿篇学术论文、专利和1.36亿科研人员的科研人员的科技智库,提供面向科技文献、专利和科技新闻的语义搜索、语义分析、科技成果评价等知识服务。

项目获授权发明专利30余项,编著英文论著两部,发表论文100余篇,论文引用10000余次,ACM/IEEE/AAAI Fellow学者引用1000余次,两篇论文入围数据挖掘顶级国际会议KDD近十年引用最高的10篇文章。

目前,AMiner服务全球220余个国家和地区的800多万独立IP用户,提供科研数据下载230万次;相关技术7年13次获得国际语义集成竞赛冠军;为工程院、科技部、基金委、科协等科研管理部门提供专家智库和智能指派服务;成果应用于搜狗公司的学术搜索、阿里巴巴全域自然人知识图谱、腾讯社交网络等企业核心产品。研究成果获得2017年北京市科技进步一等奖、2013年中国人工智能学会科技技术奖一等奖。

7.下一代互联网体系结构关键技术及其应用

近年来,针对IPv6下一代互联网面临的可扩展性和安全性等重大技术挑战,提出并攻克真实源地址验证SAVA技术,解决互联网难以溯源的设计缺陷;提出并攻克4over6过渡技术,解决IPv4向IPv6平稳过渡难题;引领两项下一代互联网创新技术研究和IETF国际标准制定,获批10多项国际互联网标准IEIFRFC,实现了我国在互联网国际标准制定方面的重要突破。

在国际上首次提出“互联网真实源地址验证体系结构SA-VA”,攻克了互联网因不保存路径信息而难以溯源的技术难题,实现全网源地址验证、精确定位和地址溯源。真实源地址验证体系结构等四项创新为国际首创,整体处于国际领先水平,为可信任互联网提供重要技术支撑。被评为2008年中国高校十大科技进展,获2012年教育部高校科技发明一等奖。

在国际上首次提出“4over6过渡技术”,攻克了IPv4和IPv6语法、语义不兼容条件下的互通、海量地址和路由空间精确映射等技术难题。4over6过渡技术为国际首创,总体技术达到国际领先水平,为下一代互联网过渡提供了一种重要解决方案。获2013年度国家技术发明奖二等奖。

文章来源:新清华

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