计算机工程与科学
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2017年 39卷 06期
刊出日期 2017-06-25

论文
论文
1011 刘子骏1,何炎祥1,2,张军1,3,李清安1,2,沈凡凡1
一种面向GPGPU的行为感知的存储调度策略
随着通用图形处理器在高性能计算领域的广泛应用,新的并行执行模式被提出。在新模式下,当前的存储调度策略未能使存储器的吞吐率达到最大。分析了图形处理器上多程序并行执行模式下应用程序访存行为特征及其性能损失不公平的原因,提出了一种基于访存行为感知的存储调度策略,利用不同程序类型的优势进行优先级调度。实验表明,该方法能够明显改善不同类型程序间性能损失不均衡的问题,相比基准结构对所有测试程序的存储系统吞吐率和公平性分别有平均9.7%和15.0%的提升。
 
2017 Vol. 39 (06): 1011-1021 [摘要] ( 3 ) [HTML 1KB] [ PDF 1614KB] ( 9 )
1022 姚文军,陈俊仕,苏志超,余洋,廖陈志,安虹
基于神威太湖之光的NAMD软件的移植与优化
纳米级粒度分子动力学NAMD是基于Charm++并行编程模型的开源免费分子动力学模拟软件,能够在大规模并行计算机上快速模拟百万原子级别的大分子体系。太湖之光是中国自主研发的超级计算机,峰值性能为125.4 Pflop/s,共有1 000多万个核心,整机Linpack效率不低于70%。NAMD在空间上对原子进行划分,在计算上对力进行划分,充分曝露出单步模拟的并行度,并通过CHARM++对负载平衡进行调控。针对NAMD进行模拟计算时的特点,移植并优化了NAMD的核心计算代码,让其能够更好地运行在超级计算机神威太湖之光上,优化后性能提高了近20倍,单个核组的性能较Intel XeonE5-2650 v2提高3倍。扩展性方面目前至多可达到325万核的并行度,突破百万核大关。
 
2017 Vol. 39 (06): 1022-1030 [摘要] ( 5 ) [HTML 1KB] [ PDF 908KB] ( 10 )
1031 李蕊,李志泽
基于改进型统一调度算法改善任务集的可调度性

实时系统要求任务在最差情况下能在其截止时间前获得结果,若超过了其截止时间,也会认为是错误的行为,所以改进任务可调度性分析、提高任务集可调度性尤其重要。统一调度能结合固定优先级调度的优点,防止不必要的抢占,降低资源额外销耗,能够提高任务集合的可调度性;但其任务的可调度性分析方法过于粗糙,影响任务最差响应时间分析的结果,降低了任务集的可调度性。针对存在的问题,基于统一调度,增加任务运行阶段数,重新建立任务模型,并提出通过分配任务抢占阈值、调整运行阶段的抢占阈值与长度,优化任务可容忍阻塞,改善任务集可调度性的算法。最后,实验表明,与统一调度算法及其他算法相比,所提出的调度算法能够有效改善任务集的可调度性。

2017 Vol. 39 (06): 1031-1041 [摘要] ( 3 ) [HTML 1KB] [ PDF 730KB] ( 9 )
1042 吴云蔚,宁芊
基于Hadoop平台的分布式SVM参数寻优

参数的选择对算法分类与预测的正确率有直接影响。在参数选择中全局网格搜索有着计算可靠、简单、优化效果明显的优势,适合应用于可靠性要求高的工程运算,如在复杂系统的故障诊断中对故障模式识别算法进行参数寻优等。但是,全局网格搜索在寻优过程中耗时过长,仍然是一个制约其使用的问题,尤其对于实时性要求较高的系统。以支持向量机的参数全局寻优问题为例,针对网格搜索寻优时间长的缺点,利用Hadoop平台进行分布式参数寻优,借助HDFS将参数自动划分到计算节点上,并运用MapReduce计算框架建立分布式参数寻优模型,完成模型训练预测及参数优化。实验结果表明,在不降低算法性能的前提下提高了寻优效率。

2017 Vol. 39 (06): 1042-1047 [摘要] ( 2 ) [HTML 1KB] [ PDF 694KB] ( 15 )
1048 张志鑫1,王春东2,姜书浩1
云存储威胁模型的伪随机双线性映射完整性检查
在云存储应用中,用户文件不在本地存储,因此文件安全性、数据机密性和鲁棒性是关键问题。首先,针对现有文献提出的多个密钥服务器的安全擦除码存储系统未考虑数据鲁棒性导致数据恢复存在缺陷的问题,利用伪随机双线性映射构建云存储完整性检查策略威胁模型;其次,编制接口文件块结构,并参照相关文献算法进行完整性检查方案设计,实现多密钥服务器安全擦除码存储系统算法功能补充,并给出算法计算复杂度分析;最后,实验结果显示,所提出的完整性检查方案可实现较大的数据成功检索概率。
 
2017 Vol. 39 (06): 1048-1055 [摘要] ( 1 ) [HTML 1KB] [ PDF 1634KB] ( 14 )
1056 屈振新,王宏宇
流式时间序列的实时相似度研究

动态时间弯曲算法虽然适合度量时间序列的相似度,但是在大数据背景下,对于序列个数多、潜在长度可能是无穷、实时性要求高的流式时间序列,面临着算法简单、计算不简单的可计算问题。以Spark计算平台为基础,针对流式时间序列的特点,提出了一种流式动态时间弯曲算法,能实时计算动态时间序列近似值,误差可控、稳定,且具备大数据计算能力。最后通过实验验证了算法的可行性和稳定性。

2017 Vol. 39 (06): 1056-1062 [摘要] ( 1 ) [HTML 1KB] [ PDF 755KB] ( 7 )
1063 敖章衡,张应辉,郑东
电子医疗环境下容错且可验证的数据检索方案

随着电子医疗的高速发展,医疗机构需要花费大量资源管理各自独立庞大的电子病例数据,同时医疗机构之间难以实现数据共享。为此提出了一种适用于电子医疗环境的密文检索方案。该方案实现了数据的统一有效管理与利用,同时该方案支持容错且可验证的多关键字云端密文检索。多关键字容错机制基于模糊提取器,增强了检索有效性及实际应用性,基于双线性对累积树数据结构,实现的可验证机制为检索结果提供了可靠性验证。安全性分析表明,该方案满足用户数据保密性以及查询请求隐私性。搜索性能分析表明了该方案多关键字搜索的有效性。

2017 Vol. 39 (06): 1063-1069 [摘要] ( 2 ) [HTML 1KB] [ PDF 597KB] ( 7 )
1070 刘永昌1,2,李翔宇1,2
无线传感器网络节点明文分布对差分功耗分析成功率的影响

无线传感器网络WSN节点中的加密模块往往面临着侧信道攻击SCA的威胁。然而由于WSN节点加密的数据来自于实际的物理信号,明文的分布将会遵循其物理规律,这一点与通常讨论侧信道攻击安全性时假设明文为完全随机的情形不同。为了探索当攻击者用的明文是传感器采集到的实际非均匀分布的信号时差分功耗分析DPA的成功率,该论文从理论和实验上分析了明文分布与分组密码DPA的成功率之间的关系。结论是DPA成功率负相关于明文分布与均匀分布之间的Cramer-von-Mises统计距离。根据这一结论,可以得出当攻击者攻击时能够构造明文,其利用随机均匀分布明文的成功率高;当攻击时只能利用实际数据,攻击最后一轮比攻击第一轮成功率高。

2017 Vol. 39 (06): 1070-1078 [摘要] ( 2 ) [HTML 1KB] [ PDF 751KB] ( 7 )
1079 曹检飞1,文双春1,刘昱2,文延东1
多速率软件无线电数字中频系统的研究与实现

当前,移动通信技术的迅猛发展,促使传统的基于专用硬件的通信设备所固有的功能单一、不易升级改造的缺点突显出来,导致多种通信协议在兼容和版本升级方面的问题日益严重。而软件无线电技术由于自身的灵活性和开放性,可以很好地解决这些问题。在此基础上,对多速率数字中频系统中的关键技术进行了研究和实现。系统设计为全双工模式,支持多速率收发处理,可根据实际应用的需要进行配置,从而实现多种数据速率的转换。系统主要包括混频器模块、采样率变换(插值和抽取)模块、低通滤波器模块。功能上实现了32、96、480倍的降/升采样处理和240 kHz的信号下变频处理,且阻带衰减可以达到60 dB,有效地对杂散信号进行了抑制。在灵活配置的系统前提下,对模块进行了优化和复用,不仅节省了硬件开销,而且提高了系统性能。

2017 Vol. 39 (06): 1079-1086 [摘要] ( 2 ) [HTML 1KB] [ PDF 1790KB] ( 8 )
1087 陈晓辉,裴进明,郭欣欣
一种基于Kriging模型的天线高维全局优化算法

传统的天线优化设计需要对大量的参数组合进行电磁仿真后才能得到最优结果,使得天线高维优化设计效率普遍较低。针对该问题,使用在参数空间均匀分布的少量样本及其仿真结果构建初始Kriging模型,优化循环中每代种群由高适应度个体和高离散性个体组成,依据Kriging模型预测的个体响应和不确定性,对进化后的下一代种群进行筛选,选择最优个体执行电磁仿真并更新Kriging模型。利用此方法优化一个6变量E形天线的工作频点,相比同类优化算法,所需的电磁仿真次数可减少80%左右。

2017 Vol. 39 (06): 1087-1091 [摘要] ( 2 ) [HTML 1KB] [ PDF 543KB] ( 8 )
1092 韩煜
CDMA信号的时频差高精度估计算法
针对多用户CDMA信号的时频域重叠特征,提出了一种新颖的时频差高精度估计方法。该方法结合扩频信号的捕获和解扩操作,以较短的信号样本和较低的计算量,仅两次时间-频率分维迭代实现了用户信号分离和时频差估计,再通过时域和频域内插进一步提高估计精度。仿真结果表明,与直接互模糊函数相关法相比,该方法能够有效提高CDMA信号时频差估计精度,降低计算量。
 
2017 Vol. 39 (06): 1092-1096 [摘要] ( 1 ) [HTML 1KB] [ PDF 523KB] ( 7 )
1097 潘志辉,杨丹,张小洪,徐玲
基于代价敏感神经网络的警告分类研究

静态分析工具可以帮助开发人员在项目编码初期定位可能存在缺陷的代码。然而有研究表明,此类工具往往会报告大量的警告,且其中大部分为误报警告。为了增强静态分析工具的可用性,研究者们通常采用统计和机器学习方法将警告分类为有效警告和误报警告。然而,现有警告分类方法并未考虑大量误报警告造成警告数据类不平衡问题,以及误分类代价不等的问题。鉴于此,分别将BP神经网络和基于过采样、阈值操作、欠采样方法的代价敏感神经网络应用到有效警告的分类中。实验结果对比发现,相比BP神经网络,基于代价敏感神经网络方法在有效警告查全率方面平均提高了44.07%,且当有效警告被误分类的代价高于一定值时,代价敏感分类方法能得到更低的分类代价。

2017 Vol. 39 (06): 1097-1103 [摘要] ( 1 ) [HTML 1KB] [ PDF 695KB] ( 11 )
1104 谢鲲,施文
一种隐私保护的可逆布鲁姆过滤器

布鲁姆过滤器具有空间节俭的特点,它通常被用于无线传感器网络中。为了支持传感网络中Sink节点的展示操作,需要布鲁姆过滤器可以展示所有的元素。现有工作中仅可逆布鲁姆过滤器可实现元素的展示。为了保护传感信息传输的隐私,基于同态加密函数,提出了一种隐私保护的可逆布鲁姆过滤器PPIBF,并设计了PPIBF的插入、聚合和展示算法。PPIBF的聚合操作可以在不解密密文的情况下,实现多个加密的PPIBF的聚合,从而保证即使在中间节点受攻击的情况下,都不会泄露网络中传输的消息。详细的安全性分析和计算分析表明,所提的PPIBF是一种可以保护信息的高效算法。

2017 Vol. 39 (06): 1104-1111 [摘要] ( 3 ) [HTML 1KB] [ PDF 1086KB] ( 7 )
1112 岳川
基于投影的软件易用性评价方法

随着IT行业的不断发展,软件的易用性越来越受到用户和专家的关注与重视。如何科学地量化软件产品的易用性,进而对产品质量进行综合地测评,决定了软件产品的竞争力和用户的满意度。针对软件的易用性,提出了一种基于投影和直觉模糊理论的评价方法。首先,依据用户调查得到的信息,给出评价软件易用性的直觉模糊评价矩阵,并在此基础上建立了评价矩阵的理想决策。其次,借助群决策的框架,给出评价矩阵到理想决策上的投影。然后,基于投影给出测评软件的优劣序。最后,用一个测评实例展示出本方法的有效性和实用性。结果表明,本文提出的模型是一种软件质量综合评价的有效方法。

2017 Vol. 39 (06): 1112-1117 [摘要] ( 2 ) [HTML 1KB] [ PDF 1086KB] ( 16 )
1118 陶文泽1,2,韦宏卫1,张洪群1
基于FPGA的并行RICE解码技术研究与实现

RICE算法在无损压缩系统有着广泛的应用。由于RICE算法采用了变长的自适应熵编码,因此在解码时需要对压缩流进行逐位判断和解析,这给高速解压缩的实现带来了困难。现有的RICE解码实现在解码速度和通用性上都不理想。针对RICE算法中自适应熵编码的特点,设计了一种基于有限状态机和查找表的并行RICE解码结构,可在FPGA上完成8比特宽度的并行解码,解码速度最高可达176 MB/s;同时,该解码结构适用于编码参数k变化的情况,具有很强的通用性。

2017 Vol. 39 (06): 1118-1125 [摘要] ( 0 ) [HTML 1KB] [ PDF 1259KB] ( 8 )
1126 王昇1,刘开华1,王丽婷2
舌诊图像点刺和瘀点的识别与提取

计算机舌诊系统中,点刺和瘀血点是重要的舌象。基于斑点检测、支持向量机(SVM)和K-均值聚类算法,提出了对舌诊图像中点刺和瘀点的识别及提取方法。首先利用SimpleBlobDetector斑点检测算法检测斑点,并提取出斑点数量、大小和分布等特征值生成特征向量,再使用SVM进行点刺(瘀点)舌象识别。点刺(瘀点)提取同样基于斑点检测算法,提取斑点颜色特征,使用K-均值聚类将斑点聚类为多个小类簇,定义基于加权颜色空间距离的判别函数,将聚类结果同第一次斑点检测的结果对比,得到正类和负类,最终提取出点刺和瘀点。利用该方法进行实验,识别正确率达到97.4%,提取误检率为60%,漏检率为10.1%,表明了本方法的有效性和应用价值。

2017 Vol. 39 (06): 1126-1132 [摘要] ( 1 ) [HTML 1KB] [ PDF 867KB] ( 7 )
1133 许光宇,蒋社想
椒盐噪声图像的非局部平均滤波算法
针对非局部平均(NLM)方法对椒盐噪声图像滤波效果较差的问题,通过引入噪声检测结果扩展NLM方法去除图像中椒盐噪声。在噪声检测阶段,利用图像的两个极值Lmin和Lmax把图像像素点分为非噪声点和噪声点。在滤波阶段,非噪声点的灰度值保持不变。对于噪声点,如果以该噪声点为中心的自适应滤波窗口内均为噪声点,则认为该噪声点位于图像自身灰度值为Lmin或Lmax的区域内,使用两个极值的统计结果进行恢复。否则,采用改进的NLM方法滤除噪声。构造联合噪声检测模板避免噪声点对相似权计算的干扰,噪声点的恢复值由非噪声点的灰度值加权平均得到。此外,采用迭代滤波策略对高密度噪声图像噪声点进行恢复。相关去噪实验结果证实了算法去噪的有效性,不足之处是算法的时间复杂度较高。
 
2017 Vol. 39 (06): 1133-1140 [摘要] ( 1 ) [HTML 1KB] [ PDF 865KB] ( 8 )
1141 江明1,陈雷雷2,葛洪伟2,苏树智2
基于近邻传递与SC特征的MEAP传统云纹图案自动分类

云纹是我国古代装饰纹样中独具魅力的瑰宝,卷云纹是其中重要的一支,不仅具有很高的艺术价值,对当代的艺术设计实践也有着深远的启示作用。因此,对其进行归类分析从而发现云纹图案中蕴含的艺术思想、造型手法,无论是对于文化艺术研究还是对于聚类算法研究都具有重要意义。针对云纹图案变化繁复、人工分类效率低下的问题,提出一种基于自适应阈值近邻关系传递的多子类中心近邻传播聚类算法(ANP-MEAP),结合形状上下文特征(SC)提取算法对云纹图案的自动分类进行了有益的尝试。实验显示了结合SC特征的ANP-MEAP算法进行云纹图案自动分类的可行性和优越性。本文提出的云纹图案聚类算法,对于其他传统艺术图案的聚类分析也具有很好的借鉴意义。

2017 Vol. 39 (06): 1141-1148 [摘要] ( 2 ) [HTML 1KB] [ PDF 832KB] ( 9 )
1149 冯广磊,刘斌,陈辉辉
FDM复合式路径填充的生成与优化

熔融沉积制造(FDM)是一种用填充方式来得到每层截面的快速成型工艺,由于成型轨迹的走向直接影响到成型件的外观和成型效率,因此选择一种好的成型算法格外重要。在目前现有的成型轨迹中,复合式扫描法由于在制件精度和加工效率上的诸多优势,成为研究的热点。基于分形填充和偏置填充本身所具有的优点,提出了一种复合优化轨迹的方法,并用分而治之算法对生成的路径进行了最大程度的优化,以减少喷头的开关次数和拉丝现象,保证制件的成型精度和强度,并且已成功应用在实际加工中。

2017 Vol. 39 (06): 1149-1154 [摘要] ( 2 ) [HTML 1KB] [ PDF 673KB] ( 8 )
1155 张鹏1,2,冯旭祥1,葛小青1
基于改进遗传算法的多天线地面站硬件资源分配方法
多天线卫星地面站硬件设备资源分配问题是一个基于约束满足的复杂资源组合优化问题。在考虑任务执行时间、地面站可见时间窗口、地面站设备接收能力和设备链路约束的情况下,对多天线地面站硬件资源分配问题建立了高可用模型。以加权任务执行总时间为目标,以经典遗传算法为基础,根据问题特点改进了相关遗传算子,在进行遗传变异的过程中,通过深度优先搜索算法确定单个染色体对应的最佳资源分配方案,同时利用启发式信息优化搜索过程。最后通过高可用算例仿真表明,所建模型和算法是合理有效的。

 
2017 Vol. 39 (06): 1155-1163 [摘要] ( 2 ) [HTML 1KB] [ PDF 874KB] ( 7 )
1164 刘美玲1,2,黄名选3,汤卫东1
基于离散量优化初始聚类中心的k-means算法

传统k-means算法由于初始聚类中心的选择是随机的,因此会使聚类结果不稳定。针对这个问题,提出一种基于离散量改进k-means初始聚类中心选择的算法。算法首先将所有对象作为一个大类,然后不断从对象数目最多的聚类中选择离散量最大与最小的两个对象作为初始聚类中心,再根据最近距离将这个大聚类中的其他对象划分到与之最近的初始聚类中,直到聚类个数等于指定的k值。最后将这k个聚类作为初始聚类应用到k-means算法中。将提出的算法与传统k-means算法、最大最小距离聚类算法应用到多个数据集进行实验。实验结果表明,改进后的k-means算法选取的初始聚类中心唯一,聚类过程的迭代次数也减少了,聚类结果稳定且准确率较高。

 
2017 Vol. 39 (06): 1164-1170 [摘要] ( 6 ) [HTML 1KB] [ PDF 415KB] ( 10 )
1171 高双,桑庆兵,严大卫
基于非下采样轮廓波变换和多核学习的盲图像质量评价
非下采样轮廓波(Contourlet)变换具有多尺度、多方向特性,能够对图像纹理和结构信息进行精确提取,可以很好地模拟人类视觉系统的多分辨率特性,基于此提出一种基于非下采样Contourlet变换的通用型盲(无参考)图像质量评价算法。首先在空间域上对图像进行非下采样Contourlet变换;然后在各方向带中分别提取能有效反映人类视觉失真程度的特征:高频幅值、平均梯度、信息熵作为图像的特征;最后将其输入到高效的分层多核学习机中学习,预测图像的质量得分。在混合失真型数据库和3个单失真型数据库上的交叉实验结果表明,该算法性能优越,能很好地预测失真图像质量,具有很好的主客观一致性。
 
2017 Vol. 39 (06): 1171-1178 [摘要] ( 2 ) [HTML 1KB] [ PDF 785KB] ( 8 )
1179 吴彦文,齐旻,杨锐
一种基于改进型协同过滤算法的新闻推荐系统
将个性化推荐技术运用于新闻阅读应用,以其快速、精准的特点帮助用户快捷获取兴趣新闻,是值得挖掘的研究方向。设计并实现了一种新闻推荐系统,该系统基于用户协同过滤推荐技术,通过收集用户数据,计算阅读耗时因子对用户偏好值进行修正,纳入新闻热度影响并通过热度惩罚用户相似度值;然后基于相似邻居集对用户未阅读的新闻进行Top-N排序得到推荐列表,从而向用户推送其感兴趣的新闻。经测试,原型系统能够实时更新用户兴趣模型,达到推新、推准的效果,各项功能均已达到设计预期目标。
 
2017 Vol. 39 (06): 1179-1185 [摘要] ( 2 ) [HTML 1KB] [ PDF 795KB] ( 12 )
1186 俞家宗,刘波
基于粒子群优化算法的属性异常检测
提出一种新的基于粒子群优化算法的属性异常检测算法。该算法利用粒子群优化算法简单、寻优速度快的优点检测属性异常,在粒子群寻找最优值的过程中发现可能是属性异常的数据,并采用O-measure适应度评估属性异常,算法的时间复杂度是多项式级的。与全搜索检测算法相比,大幅减少了搜索范围;同时,与完全随机算法相比,采用启发式搜索规则,提高了查全率及查准率。实验结果表明,粒子群检测算法不仅执行效率高,而且保持了较高的查全率与查准率。

 
2017 Vol. 39 (06): 1186-1192 [摘要] ( 4 ) [HTML 1KB] [ PDF 545KB] ( 17 )
1193 赵金辉1,关文革2,尹立杰2
云制造环境中考虑心理预期的合作伙伴选择
为了解决云制造环境下中小企业合作伙伴选择问题,提出一种考虑企业心理预期的合作伙伴双向选择模型。首先,根据属性的不同描述方式给出了不同的量化、比较方法,并以对合作条件的心理预期作为参考点,构建相对于参考点的双方互评损益矩阵;随后,依据前景理论计算出双方选择之间的满意度综合前景值;最后,构建了双向选择优化数学模型,并给出了遗传算法的求解过程。实验仿真结果表明,该模型是可行的和有效的。

 
2017 Vol. 39 (06): 1193-1200 [摘要] ( 1 ) [HTML 1KB] [ PDF 1099KB] ( 7 )
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