【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】上海科技大學(xué)積極鼓勵(lì)本科生走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、參與科學(xué)研究，這一創(chuàng)新舉措從建校之初延續(xù)至今。近期，信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2024屆本科畢業(yè)生王宇瀚(現(xiàn)為香港中文大學(xué)博士研究生)在本科階段學(xué)習(xí)期間完成主要理論與實(shí)驗(yàn)工作的兩項(xiàng)研究成果分別被通信領(lǐng)域國(guó)際期刊錄用。這兩項(xiàng)成果在通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化以及分布式計(jì)算效率的提升方面，均展現(xiàn)出了重要的理論價(jià)值與潛在的應(yīng)用前景。兩項(xiàng)研究各有側(cè)重：一項(xiàng)圍繞“多任務(wù)導(dǎo)向的有損壓縮” 展開(kāi)深入探索，以“Task-Oriented Lossy Compression with Data, Perception, and Classification Constraints”為題被通信領(lǐng)域期刊IEEE Journal on Selected Areas in Communications(JSAC)接收；另一項(xiàng)則聚焦于“預(yù)定義場(chǎng)景下的編碼分布式計(jì)算”，以“Coded Distributed Computing with Pre-set Data Placement and Output Functions Assignment”為題發(fā)表于信息論領(lǐng)域期刊IEEE Transactions on Information Theory(TIT)。兩項(xiàng)工作由信息學(xué)院吳幼龍教授指導(dǎo)，吳幼龍教授為通訊作者，第一完成單位為上海科技大學(xué)。
 

　　任務(wù)導(dǎo)向的有損壓縮理論
 

　　在通信系統(tǒng)中，如何在有限帶寬下實(shí)現(xiàn)高效數(shù)據(jù)傳輸一直是核心挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的信息瓶頸(Information Bottleneck, IB)理論通過(guò)壓縮冗余信息、保留目標(biāo)關(guān)鍵信息為核心任務(wù)(如分類)服務(wù)，但其單一任務(wù)導(dǎo)向的特性使其難以應(yīng)對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景下的多任務(wù)需求。
 

　　研究人員首次提出“率-失真-分類”(Rate-Distortion-Classification, RDC)和“率-感知-分類”(Rate-Perception-Classification, RPC)兩大函數(shù)，將IB理論拓展至多任務(wù)場(chǎng)景，成功統(tǒng)一重建、生成與類三類任務(wù)的聯(lián)合優(yōu)化目標(biāo)，為提取任務(wù)導(dǎo)向信息提供了新的理論框架。
 

　　圖一：綜合考慮失真(distortion)、感知(perception)與分類(classification)任務(wù)的有損壓縮模型
 

　　通過(guò)理論分析，研究人員證明了在高斯信源下，失真約束與分類目標(biāo)存在折衷關(guān)系。例如，過(guò)度追求低均方誤差(MSE)會(huì)導(dǎo)致圖像分類準(zhǔn)確率顯著下降；而在碼率受限時(shí)，感知質(zhì)量提升則會(huì)加劇這一矛盾。此外，研究人員推導(dǎo)并揭示了信源噪聲對(duì)任務(wù)間權(quán)衡的決定性作用，提出了一個(gè)基于深度學(xué)習(xí)的多任務(wù)圖像壓縮框架，并在真實(shí)數(shù)據(jù)集上驗(yàn)證了理論分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。該研究為智能通信、自動(dòng)駕駛等場(chǎng)景的實(shí)時(shí)多任務(wù)處理提供了新思路。
 

圖二：高斯信源下的RDC與RPC函數(shù)
 

　　攻克異構(gòu)計(jì)算難題，提出普適性編碼算法
 

　　在分布式計(jì)算領(lǐng)域，如何通過(guò)編碼技術(shù)降低通信負(fù)載是提升效率的關(guān)鍵。現(xiàn)有編碼分布式計(jì)算(CDC)方案嚴(yán)重依賴預(yù)設(shè)的文件分配規(guī)則，難以適配邊緣計(jì)算等場(chǎng)景中節(jié)點(diǎn)自主存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、輸出函數(shù)多樣化的現(xiàn)實(shí)需求。
 

　　研究人員針對(duì)“任意預(yù)設(shè)的文件與函數(shù)分配”場(chǎng)景提出系統(tǒng)解決方案。通過(guò)定義“赤字比率”量化中間值的異構(gòu)性，設(shè)計(jì)了“即時(shí)編碼傳輸(OSCT)”與“聯(lián)合編碼傳輸(FSCT)”兩大算法。算法通過(guò)對(duì)中間值進(jìn)行高效的分類和分割，并充分利用多播增益，顯著優(yōu)化了數(shù)據(jù)傳輸效率。其中OSCT算法注重?cái)?shù)據(jù)塊的獨(dú)立解碼，適用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)景；而FSCT算法則通過(guò)聯(lián)合解碼多個(gè)數(shù)據(jù)塊，進(jìn)一步提升了多播增益，適用于對(duì)傳輸效率有更高要求的場(chǎng)景。研究人員通過(guò)理論分析，建立了算法達(dá)到最優(yōu)計(jì)算負(fù)載-通信負(fù)載權(quán)衡關(guān)系的充分條件。
 

　　兩項(xiàng)研究雖分屬通信理論與分布式計(jì)算領(lǐng)域，但共同體現(xiàn)出“基礎(chǔ)理論創(chuàng)新—技術(shù)方案設(shè)計(jì)—實(shí)踐驗(yàn)證”的研究路徑。在任務(wù)導(dǎo)向壓縮研究中，團(tuán)隊(duì)從信息論出發(fā)構(gòu)建統(tǒng)一框架，并通過(guò)深度學(xué)習(xí)模型實(shí)現(xiàn)落地；而在編碼計(jì)算領(lǐng)域，則從系統(tǒng)異構(gòu)性建模切入，抽象出可擴(kuò)展的算法核心。
 

　　這兩項(xiàng)研究的第一作者王宇瀚在本科階段完成主要理論與實(shí)驗(yàn)工作。信息學(xué)院的很多本科課程都會(huì)設(shè)置項(xiàng)目型“大作業(yè)”，以本研結(jié)合模式培養(yǎng)具有學(xué)術(shù)前瞻性的學(xué)生，鼓勵(lì)學(xué)生從低年級(jí)接觸前沿問(wèn)題，將前沿的研究成果引入課堂，實(shí)現(xiàn)科研、教學(xué)相互結(jié)合。