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深度學(xué)習(xí)及其在車聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用 [美]胡斐 [美]伊夫蒂哈爾·拉希德 ![]() 本書主要介紹了深度學(xué)習(xí)在車聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用,主要從以下五個部分講述了深度學(xué)習(xí)如何為車聯(lián)網(wǎng)動態(tài)地提供強大的支持:面向車輛安全和保護措施的深度學(xué)習(xí);面向車載通信的深度學(xué)習(xí),如車對車、車對基礎(chǔ)設(shè)施的通信等;面向車輛控制的深度學(xué)習(xí),如基于道路交通狀況的排放控制,如何預(yù)測電動汽車充電負荷以及基于攝像頭捕獲的圖像來調(diào)整車速;面向信息管理的深度學(xué)習(xí),如基于道路交通狀況和給定目的地信息,使用基于深度學(xué)習(xí)算法的自然語言處理實現(xiàn)駕駛過程中物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的自動搜索等;其他應(yīng)用。本書適合自動駕駛研發(fā)人員參考閱讀,也可以作為高等院校相關(guān)專業(yè)碩博研究生的參考用書。 1.本書系統(tǒng)解析了深度學(xué)習(xí)在智能網(wǎng)聯(lián)汽車領(lǐng)域的突破性應(yīng)用,涵蓋車輛安全、通信優(yōu)化、動態(tài)控制、信息管理及創(chuàng)新場景五大核心方向。2.主編胡斐與拉希德教授聯(lián)合全球頂尖學(xué)者,首次將深度學(xué)習(xí)等前沿技術(shù)與車聯(lián)網(wǎng)深度融合,提出CNN-LSTM網(wǎng)絡(luò)檢測、視覺自適應(yīng)控制等方案。3.書中實證案例豐富(如充電負荷時空預(yù)測、V2X通信優(yōu)化),理論推導(dǎo)嚴謹,為自動駕駛研發(fā)者提供可靠方法論,也可供高校智能汽車、智能交通領(lǐng)域研究生參考閱讀。 深度學(xué)習(xí)(DL)描述了一組機器學(xué)習(xí)算法,這些算法用于具有循環(huán)或卷積特征的大型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),換句話說,用于特征生成、學(xué)習(xí)、分類和預(yù)測的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(DNN)。目前,深度學(xué)習(xí)已經(jīng)被亞馬遜、谷歌、Meta等許多在線服務(wù)廣泛使用。深度學(xué)習(xí)在汽車工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,從自動駕駛汽車的計算機視覺處理到提供高數(shù)據(jù)速率的車聯(lián)網(wǎng)。即將推出的智能汽車將配備各種傳感器和執(zhí)行器,如發(fā)動機控制器、雷達、激光雷達 (LiDAR)以及攝像頭,使車輛能夠了解周圍環(huán)境。這些車輛還將具有更強大的計算能力和更大的車載存儲設(shè)備。這種轉(zhuǎn)變意味著傳統(tǒng)的汽車網(wǎng)絡(luò)需要智能處理能力。深度學(xué)習(xí)是基于人工智能的一種有效方法,可以為此類車聯(lián)網(wǎng)動態(tài)地提供一套強大的工具。在車聯(lián)網(wǎng)的各個領(lǐng)域,深度學(xué)習(xí)可用于基于學(xué)習(xí)的信道估計、交通流預(yù)測、車輛軌跡預(yù)測、基于位置預(yù)測的調(diào)度和路由、智能網(wǎng)絡(luò)擁塞控制、智能負荷均衡和垂直切換控制、智能網(wǎng)絡(luò)安全策略、虛擬智能高效資源分配和智能分布式資源分配。對于想要了解智能車輛通信系統(tǒng)的大學(xué)生或研究人員來說,本書是一本有價值的教科書或參考書,也可以被工程師或技術(shù)人員作為硬件或軟件設(shè)計時的參考書用。本書是世界知名專家學(xué)者在車聯(lián)網(wǎng)與控制中應(yīng)用深度學(xué)習(xí)的研究工作總結(jié)。本書由以下五個部分組成。第一部分:面向車輛安全和保護措施的深度學(xué)習(xí)。首先介紹了深度學(xué)習(xí)算法在車輛安全和保護措施上的應(yīng)用,以確保自動駕駛汽車能夠正確識別攝像頭拍攝的圖像,并采取適當(dāng)?shù)男袆印@,車輛可以識別到前方的道路障礙,并及時制動。設(shè)計安全性的目的是防止黑客的故意攻擊。例如,可以將偽造的傳感信號插入車輛的射頻通信信道以誤導(dǎo)車輛,也可以污染成像數(shù)據(jù)從而產(chǎn)生錯誤的深度學(xué)習(xí)結(jié)果。另外,該部分還將解釋如何使用深度學(xué)習(xí)來識別駕駛?cè)说钠谇闆r,這對車輛安全也很重要。第二部分:面向車載通信的深度學(xué)習(xí)。車聯(lián)網(wǎng)包括車對車和車對基礎(chǔ)設(shè)施的通信。智能車聯(lián)網(wǎng)需要靈活選擇所有車輛的zui佳路線,進行基于帶寬可用性的自適應(yīng)發(fā)送速率控制,及時從路邊基站下載數(shù)據(jù)等。另外,該部分還講解了在車聯(lián)網(wǎng)(V2X)中不同網(wǎng)絡(luò)層使用深度學(xué)習(xí)的內(nèi)容。例如,在物理層中,深度學(xué)習(xí)可用于選擇節(jié)能調(diào)制參數(shù)。第三部分:面向車輛控制的深度學(xué)習(xí)。對于每輛車,許多操作需要智能控制。例如,需要根據(jù)與障礙物的距離和當(dāng)前車輛的速度施加不同的制動強度水平。在本部分中,我們選擇了幾個深度學(xué)習(xí)在不同車輛運行控制中的應(yīng)用:根據(jù)道路交通情況控制排放,通過深度學(xué)習(xí)預(yù)測充電樁負荷,分析攝像頭捕獲的圖像來調(diào)整車速。一輛自動駕駛汽車上有數(shù)百個傳感器,這些傳感器的數(shù)據(jù)首先需要基于有效的數(shù)據(jù)融合方法進行融合,然后利用深度學(xué)習(xí)進一步從傳感器數(shù)據(jù)中提取可解釋的信息。第四部分:面向信息管理的深度學(xué)習(xí)。本部分涵蓋了對部分智能信息的收集和解析。例如,我們可以基于道路交通狀況和給定目的地的信息,將深度學(xué)習(xí)用于節(jié)能車輛軌跡控制;我們還可以基于深度學(xué)習(xí)算法進行自然語言處理,用于駕駛過程中的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)自動搜索。車輛群體感知也是一個具有挑戰(zhàn)性的問題,因為一些車輛沒有動力系統(tǒng)參與傳感器網(wǎng)絡(luò)。本部分將介紹如何使用深度學(xué)習(xí)進行有價值的信息提取,以更好地理解道路環(huán)境。第五部分:其他應(yīng)用。本部分介紹了深度學(xué)習(xí)模型在其他車輛控制中的應(yīng)用。例如,我們可以使用深度學(xué)習(xí)來識別駕駛行為,以確定駕駛?cè)嗽隈{駛過程中是否頭腦清醒。另外還討論了模擬器的設(shè)計問題,以研究如何使用深度學(xué)習(xí)對車輛攝像頭收集的視頻數(shù)據(jù)進行計算機視覺理解。自動駕駛汽車在當(dāng)今社會越來越受歡迎。深度學(xué)習(xí)及其變體將在車輛通信和控制方面發(fā)揮越來越重要的作用。其他機器學(xué)習(xí)模型,如深度強化學(xué)習(xí),也將促進智能車輛行為的理解和調(diào)整。我們期望本書成為您理解這一關(guān)鍵領(lǐng)域的寶貴參考。編 者 Fei Hu是阿拉巴馬大學(xué)電氣與計算機工程系的教授。他的研究重點包括網(wǎng)絡(luò)安全和網(wǎng)絡(luò)。他于1999年在同濟大學(xué)(中國上海)獲得信號處理博士學(xué)位,并于2002年在克拉克森大學(xué)(美國紐約)獲得電氣與計算機工程博士學(xué)位。他發(fā)表了200多篇期刊/會議論文。他的研究得到了美國國家科學(xué)基金會、思科、Sprint等的支持。 譯者序前言貢獻者名單第一部分 面向車輛安全和保護措施的深度學(xué)習(xí)第1章 車輛安全和保護措施的深度學(xué)習(xí)21.1 引言21.2 車輛內(nèi)部監(jiān)控的深度學(xué)習(xí)31.2.1 攝像頭系統(tǒng)31.2.2 基于可穿戴傳感器的系統(tǒng)31.2.3 駕駛?cè)诵袨楸O(jiān)控41.3 對周圍環(huán)境感知的深度學(xué)習(xí)41.3.1 道路檢測51.3.2 車輛周圍環(huán)境檢測51.3.3 挑戰(zhàn)性環(huán)境下的目標檢測61.4 交通管理的深度學(xué)習(xí)61.4.1 交通流建模71.4.2 車對基礎(chǔ)設(shè)施的通信71.5 基于深度學(xué)習(xí)的路線規(guī)劃和導(dǎo)航81.5.1 出行者路線規(guī)劃91.5.2 食品運輸路線規(guī)劃91.5.3 未知地圖的動態(tài)路線規(guī)劃91.6 結(jié)論9參考文獻10第2章 應(yīng)用于安全車輛的駕駛?cè)似诜诸惖纳疃葘W(xué)習(xí)142.1 引言142.1.1 疲勞檢測的重要性142.1.2 在未來自動化車輛中的應(yīng)用142.2 駕駛?cè)似跈z測方法152.2.1 主觀測量152.2.2 客觀測量162.2.3 深度學(xué)習(xí)方法172.3 方法比較232.4 結(jié)論252.5 注釋26參考文獻26第3章 網(wǎng)聯(lián)自動駕駛汽車(CAV)網(wǎng)絡(luò)安全與威脅情報的深度學(xué)習(xí)333.1 引言333.2 CAV技術(shù)促進因素:自動化和連通性343.3 CAV威脅景觀和威脅情報353.3.1 聯(lián)邦學(xué)習(xí)353.3.2 車內(nèi)(低級傳感器)網(wǎng)絡(luò)漏洞363.3.3 車輛控制模塊363.3.4 CAV威脅安全分析373.3.5 攻擊面373.3.6 CAV生態(tài)系統(tǒng)的組織風(fēng)險383.4 CAV威脅緩解:基于深度學(xué)習(xí)的異常檢測與分類383.5 深度學(xué)習(xí)的前沿(進步和未來)393.6 面向CAV網(wǎng)絡(luò)攻擊檢測的端到端深度CNN-LSTM架構(gòu)413.6.1 性能分析423.6.2 結(jié)果與討論453.7 結(jié)論47參考文獻47第二部分 面向車載通信的深度學(xué)習(xí)第4章 無人機網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的深度學(xué)習(xí)524.1 引言524.2 提高無人機網(wǎng)絡(luò)吞吐量的關(guān)鍵類別544.3 針對無人機網(wǎng)絡(luò)吞吐量的路線增強554.3.1 基于位置的路線選擇554.3.2 基于拓撲的路線選擇564.3.3 基于集群的路線選擇564.3.4 應(yīng)用深度學(xué)習(xí)路線選擇的無人機網(wǎng)絡(luò)574.4 無人機網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)584.4.1 無人機集群網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)584.4.2 應(yīng)用深度學(xué)習(xí)的無人機集群網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增強604.5 應(yīng)用深度學(xué)習(xí)的無人機網(wǎng)絡(luò)吞吐量614.5.1 應(yīng)用深度學(xué)習(xí)分配增加吞吐量634.5.2 應(yīng)用深度學(xué)習(xí)調(diào)度增加吞吐量644.6 結(jié)論68參考文獻68第5章 物理層深度學(xué)習(xí)在未來無線通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)中的最新技術(shù)785.1 引言785.1.1 相關(guān)調(diào)查文獻795.1.2 本章摘要815.2 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的機器學(xué)習(xí)方法的收發(fā)器優(yōu)化815.2.1 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的端到端收發(fā)器優(yōu)化方法815.2.2 用于模塊化收發(fā)器優(yōu)化的模型輔助數(shù)據(jù)驅(qū)動方法835.3 深度學(xué)習(xí)用于符號檢測任務(wù)835.3.1 將專業(yè)知識納入自編碼器845.3.2 在接收器處實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)855.3.3 使用機器學(xué)習(xí)的順序檢測器865.4 使用機器學(xué)習(xí)進行信道估計905.5 使用機器學(xué)習(xí)在頻域和時域進行信道預(yù)測915.6 AI/ML在信道編碼中的應(yīng)用925.7 智能鏈路適應(yīng)935.8 智能無線電955.8.1 智能頻譜感知955.8.2 使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)進行自動信號識別965.8.3 智能無線電環(huán)境965.9 無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)級性能評估的機器學(xué)習(xí)985.10 結(jié)論995.11 注釋100參考文獻100第6章 基于深度學(xué)習(xí)的車載通信指標調(diào)制系統(tǒng)1056.1 引言1056.2 V2V/V2I通信1076.3 基于深度學(xué)習(xí)的指標調(diào)制系統(tǒng)1086.3.1 基于多載波的指標調(diào)制系統(tǒng)1086.3.2 基于單載波的指標調(diào)制系統(tǒng)1116.3.3 基于多輸入多輸出的指標調(diào)制系統(tǒng)1146.4 結(jié)論117參考文獻118第7章 深度強化學(xué)習(xí)在互聯(lián)自動化交通系統(tǒng)中的應(yīng)用1217.1 引言1217.2 深度強化學(xué)習(xí):理論與背景1227.2.1 (深度)強化學(xué)習(xí)簡史1227.2.2 經(jīng)典強化學(xué)習(xí)1237.2.3 深度強化學(xué)習(xí)1267.2.4 為CAV應(yīng)用定制(深度)強化學(xué)習(xí)1307.3 CAV網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)環(huán)境1317.3.1 優(yōu)勢1317.3.2 AVS產(chǎn)生的數(shù)據(jù)1337.4 深度強化學(xué)習(xí)應(yīng)用:車聯(lián)網(wǎng)汽車1347.4.1 換道和輔助1347.4.2 交通信號控制1347.4.3 交通流量優(yōu)化1357.4.4 鐵路和海運1357.4.5 數(shù)據(jù)通信、計算和組網(wǎng)1367.4.6 DRL在網(wǎng)絡(luò)安全中的應(yīng)用1367.5 深度強化學(xué)習(xí)應(yīng)用:自動駕駛系統(tǒng)1377.5.1 運動規(guī)劃1377.5.2 橫向控制1387.5.3 安全1387.6 挑戰(zhàn)與未來方向1387.6.1 在實際應(yīng)用中的可移植性1387.6.2 交通環(huán)境標識1397.6.3 構(gòu)建獎勵函數(shù)1397.6.4 CAV環(huán)境下多智能體DRL1407.6.5 部分狀態(tài)可觀測性140參考文獻141第三部分 面向車輛控制的深度學(xué)習(xí)第8章 基于深度強化學(xué)習(xí)的時變交通信息道路車輛排放控制1528.1 引言1528.2 相關(guān)工作1538.3 綜述1538.3.1 準備工作1538.3.2 交通數(shù)據(jù)分析1548.3.3 問題公式化1548.4 方法論1558.4.1 框架1558.4.2 EFRL模型1568.5 實驗驗證1578.5.1 數(shù)據(jù)和設(shè)置1578.5.2 基線和指標1588.5.3 結(jié)果1588.6 結(jié)論160參考文獻160第9章 電動汽車充電負荷預(yù)測1629.1 引言1629.2 電動汽車充電負荷特性分析1639.3 擴張因果卷積的分位數(shù)回歸模型1639.3.1 擴張因果卷積1639.3.2 核密度估計1649.3.3 擴張因果卷積分位數(shù)回歸1649.3.4 模型評價指標1659.3.5 基于Python的實例仿真1669.4 基于深度學(xué)習(xí)的充電負荷時空動態(tài)預(yù)測1799.4.1 充電樁的時空動態(tài)負荷預(yù)測1799.4.2 時空動態(tài)負荷矩陣構(gòu)建1809.4.3 時空卷積網(wǎng)絡(luò)模型1819.4.4 基于擴張因果卷積的時空動態(tài)負荷預(yù)測1829.4.5 基于時空神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的時空動態(tài)負荷預(yù)測1839.4.6 基于Python的實例仿真1849.5 結(jié)論189參考文獻190第10章 基于視覺的方法實現(xiàn)自適應(yīng)的魯棒控制19110.1 引言19110.2 通過深度學(xué)習(xí)選擇參考文獻圖像處理19110.2.1 CNN分析結(jié)果作為對照參考19210.2.2 實驗數(shù)據(jù)19310.2.3 多目標評價19510.2.4 控制狀態(tài)變量19610.3 魯棒控制設(shè)計19610.3.1 系統(tǒng)識別19710.3.2 魯棒線性二次型調(diào)節(jié)器(RLQR)19810.3.3 H控制器20010.4 混合控制器的案例研究20110.4.1 仿真環(huán)境和問題目標20110.4.2 機器學(xué)習(xí)設(shè)計20210.4.3 混合控制設(shè)計20410.4.4 結(jié)果評估20610.5 結(jié)論206參考文獻207第四部分 面向信息管理的深度學(xué)習(xí)第11章 基于自然語言處理的自動化物聯(lián)網(wǎng)搜索方法21011.1 引言21011.2 物聯(lián)網(wǎng)搜索引擎21111.2.1 架構(gòu)21111.2.2 關(guān)鍵組成部分21211.2.3 研究挑戰(zhàn)21311.3 基于NLP的查詢處理21311.3.1 設(shè)計原理21311.3.2 NLP基本組成部分21411.3.3 NLP工具21511.3.4 NLTK與spaCy比較21511.4 ACQUISE方法21611.4.1 基線策略21611.4.2 增強靜態(tài)策略21711.4.3 增強動態(tài)策略21711.5 性能評估22311.5.1 研究方法22311.5.2 結(jié)果22411.6 討論22611.6.1 機器學(xué)習(xí)22611.6.2 協(xié)議與算法22611.6.3 安全與隱私22611.7 相關(guān)工作22711.8 結(jié)論227致謝228參考文獻228第12章 一種基于強化學(xué)習(xí)的方法實現(xiàn)激勵兼容的車輛眾測23112.1 引言23112.2 邊緣輔助的車輛群體感知23212.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計23212.2.2 工作流程23412.3 招募車輛的激勵機制23412.3.1 Stackelberg博弈23412.3.2 SSP的策略23512.3.3 車輛的策略23512.4 案例研究23612.5 結(jié)論237附錄238參考文獻242第13章 利用深度學(xué)習(xí)和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)從噪聲復(fù)雜信號中檢測子信號24413.1 引言24413.2 基于LSTM-RNN和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的算法從噪聲復(fù)雜信號中檢測子信號24613.2.1 數(shù)據(jù)準備和預(yù)處理24713.2.2 LSTM-RNN局部子信號學(xué)習(xí)25013.2.3 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的全局子信號測試25113.3 實驗結(jié)果25513.4 結(jié)論260參考文獻260第五部分 其他應(yīng)用第14章 深度學(xué)習(xí)算法及其對駕駛行為和車輛通信的影響26414.1 深度學(xué)習(xí)算法基礎(chǔ)知識和監(jiān)督學(xué)習(xí)26414.1.1 線性回歸和邏輯回歸26414.1.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)26514.1.3 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)26614.1.4 循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)26714.1.5 深度學(xué)習(xí)架構(gòu)26814.2 深度無監(jiān)督和半監(jiān)督學(xué)習(xí)27314.2.1 受限玻爾茲曼機和深度置信網(wǎng)絡(luò)27314.2.2 自編碼器和變分自編碼器27314.2.3 生成對抗網(wǎng)絡(luò)27414.2.4 Transformers模型架構(gòu)27414.3 超參數(shù)、預(yù)處理和優(yōu)化27614.3.1 數(shù)據(jù)增強和遷移學(xué)習(xí)27614.3.2 權(quán)重初始化、激活函數(shù)和優(yōu)化器27614.3.3 訓(xùn)練時間、預(yù)處理和架構(gòu)改進27814.4 深度學(xué)習(xí)在駕駛行為分析和車輛通信中的應(yīng)用27914.5 結(jié)論282參考文獻282第15章 無人機和地面車聯(lián)網(wǎng)的深度學(xué)習(xí)、計算機視覺和物理層集成仿真28715.1 引言28715.2 從CAVIAR模擬中獲益的應(yīng)用程序28815.2.1 啟用無人機的AI/ML仿真28815.2.2 V2I的波束選擇28915.3 多域集成模擬器29115.3.1 使用Raymobtime生成無線信道29315.3.2 CAVIAR模擬29615.4 仿真結(jié)果29715.4.1 以激光雷達為輸入的V2I的波束選擇29715.4.2 計算機視覺應(yīng)用的循環(huán)(In-loop) CAVIAR仿真30015.4.3 三維模型精度對無線信道的影響30215.5 結(jié)論304致謝305參考文獻305
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