IT之家 7 月 28 日消息，科技媒體 Tom"s Hardware 昨日（7 月 27 日）發(fā)布博文，報道稱德國科學(xué)家利用液滴中的 400 個微小顆粒，完成混沌信號預(yù)測和異常檢測。

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“混沌信號”通常指由混沌系統(tǒng)產(chǎn)生的時間序列：它看起來像隨機(jī)噪聲，但本質(zhì)上是由確定性（可用方程描述）的系統(tǒng)動力學(xué)產(chǎn)生的。它的典型特點是對初始條件極度敏感、長期不可預(yù)測、但統(tǒng)計規(guī)律性仍然存在。

該研究成果由康斯坦茨大學(xué)和斯圖加特大學(xué)的物理學(xué)家團(tuán)隊研究打造，相關(guān)成果發(fā)表在《通信、人工智能與計算》期刊上。

該陣列預(yù)測了一個混沌的麥基-格拉斯（Mackey-Glass）序列，并識別出了不影響信號均值、方差和短時自相關(guān)性的異常，在更復(fù)雜的任務(wù)中取得了 0.90 的 F1 值。

麥基-格拉斯序列是 Mackey-Glass 方程生成的混沌時間序列，具有確定性規(guī)則和復(fù)雜變化特征。研究通常用它檢驗系統(tǒng)對非線性時間依賴關(guān)系的預(yù)測能力。該序列常用于儲備池計算、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和其他時間序列模型的基準(zhǔn)測試。

不過該系統(tǒng)的精度依然存在挑戰(zhàn)，論文中明確指出，單步麥基-格拉斯序列預(yù)測的歸一化均方根誤差約為 0.1，相比較基于憶阻器的儲能系統(tǒng)（誤差已達(dá)到 0.01 或更低），其陣列精度約為 10 分之一。

歸一化均方根誤差是指均方根誤差經(jīng)過尺度歸一化后的指標(biāo)，用于衡量預(yù)測值與真實值之間的偏差。數(shù)值越低，預(yù)測結(jié)果與目標(biāo)序列越接近。

運行該儲液池需要一臺 532nm 激光器、一臺以 100 kHz 頻率掃描的雙軸聲光偏轉(zhuǎn)器、一臺帶有粒子追蹤功能的實時顯微鏡、一個溫控石英池，以及一臺普通計算機(jī)（用于處理 1000 個高斯核函數(shù)以生成輸出結(jié)果）。

在系統(tǒng)設(shè)計方面，每個振蕩器都是一個半徑為 3μm 的二氧化硅球，其一端覆蓋著 80nm 厚的碳層，并懸浮在 28°C 的水-二甲基吡啶混合溶液中。

科研團(tuán)隊利用 532nm 激光加熱碳層，驅(qū)動粒子飛向預(yù)設(shè)的目標(biāo)點。然而，由于成像和光束重新定位之間存在延遲，粒子會過沖并最終停留在一個較小的軌道上。液體中的流場會耦合相鄰的軌道，數(shù)據(jù)以目標(biāo)點位移的形式輸入系統(tǒng)。

研究人員將振蕩器排列為六邊形晶格。單個粒子圍繞目標(biāo)位置運行，軌道半徑約為 1?μm。陣列間距 L 可設(shè)為 12?μm、14?μm 或 30?μm。阻尼參數(shù) Γ 可設(shè)為 0?μm、1.4?μm 或 1.5?μm。

脈沖測試中，研究人員將全部目標(biāo)位置沿同一方向移動 4?μm，持續(xù) 4 個延遲時間 τ_d。由此測得的弛豫時間 τ_r 隨 L 和 Γ 變化超過 1 個數(shù)量級。

在混沌 Mackey–Glass 序列預(yù)測實驗中，陣列接收 6700 個時間步信號。前 80% 數(shù)據(jù)用于訓(xùn)練線性讀出層，后 20% 數(shù)據(jù)用于驗證。

模擬結(jié)果顯示，輸入通道數(shù) N 從 1 增加至 10 時，10 步預(yù)測誤差下降，繼續(xù)增加后性能下降。僅驅(qū)動 20% 的振蕩器時，系統(tǒng)仍保持較高預(yù)測準(zhǔn)確率。

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關(guān)鍵詞： 粒子 陣列 序列 脈沖 振蕩器 混沌信號