计算机工程与科学

2018年第6期目录

2018, 40(06): 0-0. doi:

摘要 ( 6 )

PDF (283KB) ( 26 ) 　　

监督学习模型指导的函数级编译优化参数选择方法研究

刘慧1,2，赵荣彩1，王琦1

2018, 40(06): 957-968. doi:

摘要 ( 131 )

PDF (989KB) ( 264 ) 　　

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基于机器学习的迭代编译方法可以在对新程序进行迭代编译时，有效预测新程序的最佳优化参数组合。现有方法在模型训练过程中存在优化参数组合搜索效率较低、程序特征表示不恰当、预测精度不高的问题。因此，基于机器学习的迭代编译方法是当前迭代编译领域内的一个研究热点，其研究挑战在于学习算法选择、优化参数搜索以及程序特征表示等问题。基于监督学习技术，提出了一种程序优化参数预测方法。该方法首先通过约束多目标粒子群算法对优化参数空间进行搜索，找到样本函数的最佳优化参数；然后，通过动静结合的程序特征表示技术，对函数特征进行抽取；最后，通过由函数特征和优化参数形成的样本构建监督学习模型，对新程序的优化参数进行预测。分别采用k近邻法和softmax回归建立统计模型，实验结果表明，新方法在NPB测试集和大型科学计算程序上实现了较好的预测性能。

基于FPGA的HS400模式eMMC控制器设计与实现

张煜1,2，陈微1，吴利舟1,2，肖侬1,2

2018, 40(06): 969-976. doi:

摘要 ( 653 )

PDF (1069KB) ( 457 ) 　　

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介绍了eMMC及其在HS400高速数据传输模式下的工作原理，提出了一种eMMC控制器的设计方案。实现了200 MHz工作频率下，使用DDR传输模式进行数据传输的eMMC控制器，并通过CRC校验模块实现对传输数据的CRC校验，增强了系统的可靠性。实验平台采用母板/子板总体架构，在Xilinx Zynq7000 FPGA开发板Zedboard上实现eMMC控制器，通过FMC接口与eMMC芯片子板进行通信传输。仿真及板级测试表明， HS400模式下数据读写
的传输速率最高可达400 MB/s，能够在实际的eMMC开发中有效提高eMMC设备的访问性能。

面向选择推荐节点的P2P网络信任模型

马满福1,2，何春玲1,2

2018, 40(06): 977-983. doi:

摘要 ( 100 )

PDF (685KB) ( 141 ) 　　

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对等网（P2P）具有开放性、匿名性等特点，节点之间的交互类型复杂多样并且具有较小的重复交互性，导致其节点之间的信任关系难以确定。提出一种基于选择节点的P2P网络信任模型，通过直接信任和推荐信任得到节点综合信任值。选择推荐节点时，使用推荐节点与交互节点信任值相似度作为标准，以其信任差值最小的推荐节点作为被选择节点；同时，针对共谋团体的团伙欺骗，提出连带惩罚机制以及对提供可靠消息节点的奖励机制。仿真实验结果表明，该模型不但具有抗恶意节点攻击的能力，同时还具有较高的自适应能力。

一种基于深度学习的性能分析框架设计与实现

冯赟龙，刘勇，何王全

2018, 40(06): 984-991. doi:

摘要 ( 110 )

PDF (930KB) ( 275 ) 　　

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高性能计算系统的体系结构日益复杂和现有性能分析工具的智能程度不足，导致高性能计算应用的程序性能分析和优化的成本代价日益高昂。所幸，人工智能领域目前取得了重要进展，其中深度学习技术发挥了重要作用，它给性能分析工具的智能化带来了契机。提出一种基于深度学习的程序性能智能分析框架，其核心思想是将程序的性能分析问题抽象成可用机器学习技术描述的分类问题，使用处理器支持的PMU采集分类所需的性能数据并标准化，使用簇评估技术结合簇的实际含义确定性能问题类别，通过稀疏编码自动学习性能数据特征并构建性能问题分类模型。在神威太湖之光超级计算机上实现了程序性能分析框架原型。实验结果表明，该性能分析方法能够直观地指导程序员快速把握当前应用最为突出的性能瓶颈问题，提高应用优化的效率，降低用户调优代码的成本。

基于HBase的遥感数据分布式存储与查询方法研究

景维鹏，田冬雪

2018, 40(06): 992-998. doi:

摘要 ( 163 )

PDF (702KB) ( 202 ) 　　

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遥感影像的存储与查询是地理信息处理中重要的内容，在海量遥感影像的实时处理中发挥着重要作用。针对传统的遥感影像处理中存在单节点故障、扩展性低和处理效率低等问题，提出了一种基于HBase的遥感数据分布式存储与查询方案。该方法首先采用均匀网格对遥感影像进行划分，并根据划分结果设计了一种基于网格ID和Hilbert曲线相结合的索引方案。然后，通过利用HBase的过滤机制设计了过滤列族，达到了在查询时筛选数据的目的。另外，采用MapReduce的并行处理方法对影像数据进行并行写入和查询。实验结果表明，与MySQL和MapFile相比，该方法可以有效地提高数据的写入和查询速度，且具有较好的可扩展性。

SCADA中历史数据的SDT算法研究与改进

徐旭东，付艳萍

2018, 40(06): 999-1004. doi:

摘要 ( 133 )

PDF (556KB) ( 205 ) 　　

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随着物联网和大数据技术的快速发展，数据采集与监视控制SCADA系统每天采集的数据量呈几何级数增长，传统的数据压缩算法——旋转门算法SDT
已经不能满足SCADA系统对历史数据压缩的要求。在深入研究了数据压缩方法尤其是旋转门SDT算法的基础上，提出了一种改进的ASDT
算法,并用Java语言加以实现。ASDT算法通过正弦曲线拟合数据以实现数据压缩，与传统SDT算法的性能相比，ASDT算法能取得更好的压缩效果。实验数据结果表明，相对于传统SDT算法，ASDT算法可以在不显著增加压缩误差的前提下，有效地提高压缩比。

基于分块FRIT-SVD的鲁棒零水印算法

曲长波，于智龙，李栋栋

2018, 40(06): 1005-1016. doi:

摘要 ( 120 )

PDF (1458KB) ( 237 ) 　　

针对水印图像轮廓特征的提取，使用小波变换并不是最佳方式，脊波变换较小波变换有着更好的逼近精度和稀疏性能。结合二维混沌系统、SVD和位平面技术共同构造零水印信息，提出了一种基于脊波变换域的鲁棒零水印算法。该算法首先对载体图像进行二维一级小波变换提取低频域，利用分块策略对其分块并进行有限脊波变换(FRIT)，经SVD提取最大奇异值构造特征矩阵后，使用二维混沌系统对特征矩阵进行置乱加密，提取特征矩阵中的重要位平面与加密水印信号结合生成注册零水印信息，不仅提高了水印鲁棒性，双重加密后的水印安全性能也得到提升。实验表明，该算法具有较好的鲁棒性、安全性和易操作性，能够有效抵抗各类图像攻击。

基于软件定义网络的数据中心网络负载均衡算法研究

樊自甫，张丹，李书

2018, 40(06): 1017-1022. doi:

摘要 ( 116 )

PDF (670KB) ( 183 ) 　　

针对传统网络的分布式架构使得负载均衡技术难以满足低成本、高灵活性、自适应调整的要求，提出一种基于SDN的数据中心网络负载均衡算法。首先，根据路径当前负载状况和链路负载波动为路径设置了一个权重，并以此作为路径选择依据；其次，设置了一个负载均衡度用于衡量网络负载状况；最后，针对需要调度的流，进一步限定了其流量大小范围，保证了高效的流调度。仿真结果表明，与其他算法相比，所提算法能有效提高网络资源利用率并均衡全网负载。

具有聚合性质的无证书代理重签名方案

杨小东,杨平,高国娟,刘婷婷,王彩芬

2018, 40(06): 1023-1028. doi:

摘要 ( 126 )

PDF (431KB) ( 150 ) 　　

现有的代理重签名大多是基于证书或身份的密码系统，存在证书管理和密钥托管等问题。为了克服已有代理重签名方案的安全性依赖强和计算开销大等缺陷，结合代理重签名和无证书公钥密码体制，设计了一种具有聚合性质的无证书代理重签名方案，可将任意长度集合上的签名或者重签名聚合成一个集合上的签名，有效减少了签名验证的计算代价和通信成本。分析结果表明，新方案具有较短的签名长度和重签名长度，并且在kMCDH假设下是存在性不可伪造的。

本地差分隐私保护及其应用

高志强，崔翛龙，周沙，袁琛

2018, 40(06): 1029-1036. doi:

摘要 ( 257 )

PDF (659KB) ( 363 ) 　　

隐私保护问题已成为信息安全领域研究的重点方向。差分隐私从2006年提出至今一直受到理论界的推崇，而近年来在产业界众包模式下的本地差分隐私受到了极大关注。分析了本地差分隐私模型相对于经典差分隐私模型的演进与应用场景，从理论研究和工程实践角度，对本地差分隐私基础理论及其在数据收集与数据分析中的应用研究进行综述。在数据收集方面，介绍了本地差分隐私的主要研究和应用成果，并着重从差分隐私的角度对这些方法进行了分析比较。在数据分析方面，阐述了本地差分隐私在编码、解码以及在统计学角度的实现和分析方式，并从理论上对这些算法进行推导分析。最后，在对已有技术深入对比分析的基础上，总结出了本地差分隐私技术面临的挑战和研究方向。

基于随机几何的大规模MIMO中继异构网络性能分析

周猛1，贾向东1,2，颉满刚1

2018, 40(06): 1037-1044. doi:

摘要 ( 114 )

PDF (1928KB) ( 151 ) 　　

采用随机几何理论，对大规模多输入多输出MIMO中继异构蜂窝网络HetNets的频谱效率进行了研究。其中基站采用最大比结合/最大比传输以及迫零预处理方案和放大转发AF协议，宏小区被稠密的小小区所覆盖。为了得到目标小区总的频谱效率SE，首先计算了用户对的信干比SINR和功率放大因子表达式；其次获得了目标小区总的频谱效率的闭式解。研究发现，只有当小小区半径小于宏小区保护半径时，系统才能达到最优(或次优)的性能。而对于宏小区的保护半径则存在上界，即仅当满足此条件时，增大宏小区的保护半径才有助于提高系统的SE。此外，宏小区半径存在最优的下限，且仅当宏小区半径小于最优下限时，系统所实现的总的SE随着宏小区半径的增大而增大。

基于PUF适用于大规模RFID系统的移动认证协议

李松1，孙子文1,2

2018, 40(06): 1046-1053. doi:

摘要 ( 121 )

PDF (779KB) ( 200 ) 　　

针对移动射频识别系统中的安全问题，采用物理不可克隆函数研究适用于大规模RFID系统的移动认证协议。为解决移动RFID认证环境下读写器易遭受假冒攻击的问题，在Vaudenay模型中加入攻击者入侵读写器的能力，并通过服务器对读写器的身份认证来抵御攻击者的假冒攻击；为解决标签的运算能力不足问题和服务器搜索标签耗时长的问题，采用PUF生成会话密钥来减轻标签加密过程中的运算量，服务器通过共享密钥异或运算实现对检索标签和读写器身份标识的快速检索。利用Vaudenay模型理论，分析和证明了研究的协议可实现Destructive等级的隐私保护；仿真结果表明，PMLS协议中服务器的搜索耗时不随标签数目增长而加长，满足大规模移动RFID系统的应用要求。

基于网络安全态势感知的主动防御技术研究

刘世文1,5，马多耀2,4，雷程1,3,5，尹少东2,4，张红旗1,5

2018, 40(06): 1057-1061. doi:

摘要 ( 217 )

PDF (1008KB) ( 268 ) 　　

网络主动防御作为突破传统被动防御瓶颈的关键技术正成为网络信息安全领域的研究热点。针对网络主动防御缺乏防御针对性的问题，提出了基于网络安全态势感知的主动防御技术。首先，设计了基于扫描流量熵的网络安全态势感知方法，通过判别恶意敌手的扫描策略指导主动防御策略的选取，以增强防御的针对性。在此基础上，提出了基于端信息转换的主动防御机制，通过转换网络端信息实现网络拓扑结构的动态随机改变，从而达到增加网络攻击难度和成本的目的。理论与实验验证了该技术可有效针对不同类型的扫描策略实施高效的主动防御。

室内电力线通信和可见光通信融合信道参考模型

高树立1,2，张剑1，阳辉2

2018, 40(06): 1062-1066. doi:

摘要 ( 136 )

PDF (532KB) ( 237 ) 　　

室内电力线通信PLC和可见光通信VLC融合系统的设计需要对融合系统的参考模型进行研究。传统的电力线通信和可见光通信融合信道的分析模型没有对融合系统的信道模型参数进行确定，因此模型只能定性地描述融合信道的一般特性。通过对典型场景下融合信道的实际测量，提出了电力线通信和可见光通信融合系统的参考模型，该模型由一小组参数决定。基于最小二乘法对模型参数进行拟合，进而得到融合信道模型参数，继而增加了融合信道模型的实用性。
搭建的融合系统验证了参考模型的正确性，结果表明所提出的融合信道模型能很好地描述实测的融合信道传输特性。

基于不可满足原因的最小纠正集求解

胡潇洒，张越岭，李建文，蒲戈光，张敏

2018, 40(06): 1067-1074. doi:

摘要 ( 111 )

PDF (586KB) ( 201 ) 　　

布尔公式的最小纠正集MCS是子句的集合。对于一个不可满足公式，移除MCS后，所得到的新公式可满足。任一MCS中的子句保留在公式中，所得到的新公式不可满足。通过求解MCS 并调整约束集合，能够求解最小不可满足核心、MaxSAT 问题和最大（小）可满足解问题；还能够应用于故障定位、模型检查配置优化等实际问题中。
提出了一种基于不可满足原因的MCS求解算法，实现了相应的CUC工具。通过与目前最好的MCS求解工具LBX进行比较，得到了CUC性能优于LBX的结论。CUC比LBX平均多解出5%（65个）的公式。对于CUC和LBX均可解出的公式，CUC的平均求解时间比LBX快2.5倍。

服务组合的代数规约

陈颖1，刘冬梅1，朱鸿2，兰斌1，何娟娟1

2018, 40(06): 1075-1083. doi:

摘要 ( 122 )

PDF (499KB) ( 132 ) 　　

现有的服务组合描述途径不能有效地验证和测试组合正确性，针对这一问题，提出了一个代数规约方法，引入规约包机制扩展面向服务代数规约语言SOFIA以支持该方法。用代数规约单元描述服务系统中的各种实体，其中基调部分定义实体的语法和结构，公理部分定义其功能和行为特性。与一个服务相关的规约单元封装在一个包中或拆分在几个相互引用的包中，每个包形成一个命名空间。当多个服务组合在一起时，以这些服务的代数规约包为基础，一方面抽象地定义组合服务的交互过程和语义，形成描述服务组合实现方式的实现规约包；另一方面抽象地定义组合服务对外接口及其功能语义，形成描述组合服务需求的抽象规约包。在实现规约和抽象规约的双元结构基础上，进一步定义了实现规约和抽象规约之间必须满足的“实现”关系，证明了满足实现关系可以保证实现的正确性，从而为服务组合的可验证性和可测试性奠定了理论基础。最后结合实例分析阐述了用代数规约描述服务组合的抽象性、可表达性和可验证性。

面向测试生成的ASM模型约简研究

杨羊,何柳柳,尚颖,李征

2018, 40(06): 1084-1092. doi:

摘要 ( 89 )

PDF (858KB) ( 149 ) 　　

基于模型的Web应用程序测试是软件测试的一个重要方法。ASM模型从源码解析的角度，基于Web应用程序表示层建立模型，描述了Web应用程序的交互性、动态性和低耦合性。基于ASM模型的测试用例生成，考虑用户的非预期行为，在主要路径的基础上，通过添加无效访问状态和无效迁移路径，扩充测试用例。然而，随着Web应用程序规模的扩大，无效访问状态和无效迁移路径的增加导致测试用例空间爆炸。在研究ASM模型的基础上，通过定义基于ASM模型测试生成的等价迁移和等价状态，合并迁移和状态，从而有效地对ASM模型进行约简，减少了无效访问状态和无效迁移路径的数量，实现测试用例空间约减。
对一个实际Web应用程序系统的评估结果表明，基于模型约简的测试用例优化，有效约减了74.38%的测试用例空间，并且对原子段的覆盖率和错误检测数目没有产生影响。

基于CPN模型的REST服务架构标准特征验证方法研究

赵玉强,刘靖

2018, 40(06): 1093-1102. doi:

摘要 ( 108 )

PDF (1293KB) ( 128 ) 　　

当前REST服务架构广泛应用于大规模、可扩展的分布式Web系统中，若应用REST服务架构时不遵循其标准特征，则可能导致基于REST服务架构的Web系统出现性能下降、可扩展性低等问题。因此，实现基于REST服务架构的Web系统前，需要对该系统设计是否满足REST服务架构标准特征进行验证，以提升基于REST服务架构的Web系统的研发质量。提出一种基于CPN模型的REST服务架构标准特征验证方法，即对REST服务架构的五个标准特征约束进行CPN建模，并使用模型状态空间执行路径同步匹配的验证方法，以应用系统的CPN模型和标准特征约束的CPN模型为基础，对模型状态空间中的各自执行路径进行同步匹配，若路径可同步执行完毕，则说明该应用系统满足该REST标准特征约束。以基于REST服务架构的课程管理Web系统为例，验证上述方法的可用性和有效性。实验结果表明，本文所提验证方法可以有效确认基于REST服务架构的Web应用系统设计是否符合REST服务架构的标准特征约束，并在不符合标准特征约束时提供直观、可行的执行数据，便于后续完成应用系统设计缺陷定位及修正。

一种面向识别的无监督特征学习算法

夏海蛟1,2，谭毅华1,2

2018, 40(06): 1103-1110. doi:

摘要 ( 95 )

PDF (909KB) ( 167 ) 　　

特征抽取是图像识别的关键环节，准确的特征表达能够产生更准确的分类效果。采用软阈值编码器和正交匹配追踪(OMP)算法正交化视觉词典的方法，以提高单级计算结构的识别率，并进一步构造两级计算结构，获取图像更准确的特征，以提高图像的识别率。实验表明，采用软阈值编码器和OMP算法能提高单级计算结构提取特征的能力，提高大样本数据集中图像的识别率。两级计算结构能够提高自选数据集中图像的识别率。采用OMP算法能提高VOC2012数据中图像的识别率。在自选数据集上，两级计算结构优于单级计算结构，与NIN结构相比表现出优势，与卷积神经网络CNN相当，说明两级计算结构在自选数据集上有很好的适应性。

一种改进的One-Cut交互式图像分割算法

王栋，唐晶磊

2018, 40(06): 1111-1118. doi:

摘要 ( 163 )

PDF (1052KB) ( 216 ) 　　

GrabCut算法作为一种典型的交互式彩色图像分割算法，是计算机图像领域中的重要技术手段。然而随着大数据时代的到来，图像数据种类和数量都呈指数级增长，显著地增加了图像分割的任务量，对图像分割效率提出了更高的要求。针对GrabCut算法图像分割效率及精度低的问题，提出了一种改进的OneCut交互式图像分割算法。首先采用OneCut的L1距离项构建能量函数避免GrabCut算法所面临的NPhard问题。然后改进能量函数中表观重叠惩罚项，并结合颜色直方图加速技术，优化网络图结构，显著降低网络图的复杂度，从而提高图像分割的效率及精度。实验结果表明，改进后的OneCut图像分割算法显著提升了图像分割效率，提高了分割精度，得到了较好分割结果。

基于前景增强与背景抑制的显著性物体检测

王豪聪1,2，赵晓叶1,2，彭力1,2

2018, 40(06): 1119-1124. doi:

摘要 ( 157 )

PDF (840KB) ( 239 ) 　　

显著性物体检测的关键在于准确地突出前景区域，多数传统方法在处理复杂背景图像时效果不理想。针对上述问题，提出了一种基于前景增强与背景抑制的显著性物体检测方法。首先，利用简单线性迭代聚类(SLIC)将图像进行分割得到多个超像素区域，通过区域间的对比和边界信息分别获得图像的显著区域与背景种子，并通过计算得到基于区域间对比和基于背景的两幅显著图。然后，在两幅图像中运用Seam Carving和Graphbased的图像分割法区分显著与非显著区域，进而得到前景增强与背景抑制模板。最终，融合两幅显著图与模板得到最终的显著图。在公开数据集MSRA1000上对算法进行验证，结果表明，所提算法与7种主流算法相比具有更好的查准率和查全率。

基于弹幕情感分析和聚类算法的视频用户群体分类

洪庆,王思尧,赵钦佩,李江峰,饶卫雄

2018, 40(06): 1125-1139. doi:

摘要 ( 253 )

PDF (1654KB) ( 471 ) 　　

随着数字媒体等技术的发展，出现了弹幕系统这种新型的评论模式并逐渐流行。它能够使视频观众即时发布关于视频情节内容的评论，也可以帮助观众理解视频内容。弹幕文本数据的产生，为短文本处理和实时数据处理提供了新的素材。研究弹幕数据的特点和其表达的情感，可以帮助我们更好地理解视频情节；研究弹幕内容之间的相似度进而分析用户之间的关联关系，不仅能够深入了解弹幕用户的特点、发掘不同视频之间的潜在联系，而且可以为视频制作时受众群体的选择提供更为准确的解决方案。首先将弹幕文本数据进行收集和预处理，然后计算这些文本的情感值。针对弹幕文本口语化的特点，建立了网络弹幕常用词词典。通过改进传统的k-means聚类算法，对所有发表弹幕的用户进行基于情感值的分类。这样的分类可以帮助我们了解观看特定类型视频的观众在情感上的异同点。

一种改进的模糊连接点聚类算法

孙明珊，覃华，苏一丹

2018, 40(06): 1140-1146. doi:

摘要 ( 116 )

PDF (672KB) ( 137 ) 　　

传统的模糊连接点FJP聚类算法采用基于欧氏距离的最大最小合成运算法生成传递闭包，该方法所生成的传递闭包存在失真问题，即包含有较多错误的数据关联信息，最终造成算法聚类精度低且计算时间长。针对以上问题，提出一种改进的模糊连接点聚类算法：先用组合核函数计算数据集的模糊相似度矩阵，提高算法对数据非线性特征的辨识能力，并用大顶堆存储之；然后遍历传递闭包矩阵中的空元素，用堆顶的桥元素填充传递闭包的空元素，直至生成传递闭包。在测试数据集上的实验结果表明，本文算法的平均聚类精度较传统FJP算法有20%以上的提升，显著改善了传递闭包的失真问题；另外，在大型数据集上的计算效率亦优于传统FJP算法的，说明本文改进FJP算法的思路是有效的、可行的。

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