计算机工程与科学

2018年第8期目录

2018, 40(08): 0-0. doi:

摘要 ( 62 )

PDF (293KB) ( 129 ) 　　

实时操作系统CPU使用率监测的软件容错研究

王余伟1，曹东2,施书成1

2018, 40(08): 1337-1343. doi:

摘要 ( 150 )

PDF (797KB) ( 387 ) 　　

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在硬件实时操作系统中，系统CPU的使用率是系统性能的一项重要指标，如果任务占据了系统的全部CPU,其它任务将无法继续运行，给系统带来灾难性后果。
通过分析实时操作系统中软件运行的特点，系统设计需要采取一定容错策略，以提高系统可靠性和容错能力。在μC/ OS-Ⅱ实时操作系统下对飞行控制软件中的任务进行实时监测。首先给出在μC/ OSⅡ实时操作系统下CPU使用率的计算方法，合理提出CPU的监测周期。其次，给出对CPU使用率异常的故障检测算法，对故障进行故障处置，提高系统的容错能力。最后，通过在MPC5674飞行控制计算机中编写嵌入式飞行控制软件来验证四种对CPU使用率异常的处置方法。仿真结果表明,实时操作系统中CPU的软件容错方法可以有效提高系统可靠性和容错能力。

基于拟态计算机的SHA512算法高吞吐量实现

席胜鑫1，张文宁2，周清雷1，斯雪明3，李斌3

2018, 40(08): 1344-1350. doi:

摘要 ( 124 )

PDF (635KB) ( 228 ) 　　

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哈希函数SHA512是一种目前广泛使用的加密算法，在现代加密学中占据很重要的地位。鉴于拟态计算机高性能和高效能的特点，对SHA512算法进行了深入分析，提出了基于拟态计算机的全流水线结构的实现方案。为了提高算法的运算速率，在关键路径对加法运算进行了优化，并且配合全流水线结构，减少了加密一个数据分组所需要的时钟周期数，提高了数据吞吐率。在拟态计算机上实际运行，芯片工作在130 MHz的时钟频率下，数据吞吐率达到133 120 Mbits/s，性能得到了显著提高，且能效比高于通用服务器的能效比。

空间科学卫星数据快速处理方法

孙小涓1,2,3,石涛2,3,李冰2,3,杨晓艳2,3,雷斌1,2,3,胡玉新1,2,3

2018, 40(08): 1351-1357. doi:

摘要 ( 152 )

PDF (1209KB) ( 213 ) 　　

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针对卫星获取的大规模数据进行快速数据处理一直是空间信息处理系统建设中的关键。面对空间科学卫星全天候观测、探测载荷类型多、处理算法多样带来的数据处理难题，现有基于CCSDS标准格式的数据分析方法，难以满足目前在轨的多颗空间科学卫星数据处理系统在正确性和时效性方面的要求。针对空间科学卫星探测数据处理特点，提出了一种空间科学数据快速处理方法，设计两层联合索引结构，将空间科学大数据处理问题转化为索引表和源包数据单元的处理问题，提高了数据处理效率；采用科学工作流技术设计了数据驱动和业务驱动协同的处理框架，支持多样化的空间科学卫星数据处理流程，各类载荷数据处理任务并行调度。实验结果表明，这种方法处理速度可扩展，内存使用较少，已应用于空间科学卫星地面系统中，取得了良好的效果。

Web服务组合策略研究及组合决策平台实现

郭雪1，李铮2，张贺3，荣国平3，文俊浩1

2018, 40(08): 1358-1365. doi:

摘要 ( 109 )

PDF (745KB) ( 171 ) 　　

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由于关注点的不同和客观环境的多样性，Web服务组合方法的种类纷繁复杂。如何从零碎散乱的不同决策角度出发来构建可行而高效的组合方法，是现阶段Web服务组合研究中亟待解决的关键问题之一。因此，本研究将注意力放在一套可以帮助Web服务组合实践者选择服务组合方法的决策机制上。考虑到层次分析法可以用来帮助解决这个多阶段多标准问题，分析综合了前人的相关研究成果，从而根据层次分析法构建结构树，进而举例详细阐述了如何在多个备选方案中做出最佳选择的Web服务组合决策机制。最后，为帮助Web服务组合实践者理解和使用这套决策机制，也设计并实现了一个决策平台easyWSC，现已开放给相关研究人员和实践者使用、讨论和改进。

基于任务分配与调度的GSAT算法求解3-SAT问题

付慧敏1,2,徐扬2，何星星2,宁欣然1,2

2018, 40(08): 1366-1374. doi:

摘要 ( 198 )

PDF (482KB) ( 218 ) 　　

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基于不同分配策略的云计算任务调度以及任务分配与调度的主要目的，提出了一种新的算法—求解3-SAT问题的基于任务分配与调度的GSAT算法。该算法将3-SAT问题中的每一个变量形成一个任务，在GSAT算法的基础上，引入任务分配与调度指导贪心搜索；同时，在保留原有贪心搜索的前提下，根据任务分配与调度的思想和3-SAT问题的特点，设计了两种新的策略—分配策略和调度策略共同完成整个贪心搜索过程。以标准的SATLAB库中变量个数从 20～250的3 700个不同规模的标准Uniform Random3-SAT 问题对新的算法的性能进行了合理的测试，并与高效和普通性能改进的GSAT算法的结果作了比较，结果表明，该算法具有更高的成功率和更少的翻转次数。

基于CUDA的弱可压SPH流体建模与仿真

段兴锋1,2,任鸿翔1,神和龙1

2018, 40(08): 1375-1382. doi:

摘要 ( 131 )

PDF (1144KB) ( 185 ) 　　

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为了实现小尺度范围流体场景的实时、真实感模拟，采用弱可压SPH方法对水体进行建模，提出了流体计算的CPUGPU混合架构计算方法。针对邻域粒子查找算法影响流体计算效率的问题，采用三维空间网格对整个模拟区域进行均匀网格划分，利用并行前缀求和和并行计数排序实现邻域粒子的查找。最后，采用基于CUDA并行加速的Marching Cubes算法实现流体表面提取，利用环境贴图表现流体的反射和折射效果，实现流体表面着色。实验结果表明，所提出的流体建模和模拟算法能实现小尺度范围流体的实时计算和渲染，绘制出水的波动、翻卷和木块在水中晃动的动态效果，当粒子数达到1 048 576个时，GPU并行计算方法相较CPU方法的加速比为60.7。

投入驱动的存储与计算一体化的事务处理效率优化方法

段玉聪1,邵礼旭1,曹步清2,孙小兵3,齐连永4

2018, 40(08): 1383-1389. doi:

摘要 ( 148 )

PDF (963KB) ( 208 ) 　　

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事务处理技术是报告信息一致性和可靠性的关键技术，决定了Web服务是否可以应用于电子商务。类型化的数据、信息和知识等资源繁杂冗余，导致资源存储和处理效率低下，长事务的处理过程往往会持续较长时间，使得锁定资源的策略不能一直适用，为了协调事务型资源存储和计算代价，提出了一种投入驱动的事务处理方法。从资源建模、资源处理、处理优化和资源管理等角度进行研究，基于对现有知识图谱概念的拓展提出了一种三层可自动抽象调整的解决架构。这个架构包括：数据图谱、信息图谱和知识图谱等三个层面，关键在于对搜索目标资源对象类型转移代价和在资源存储空间上的存储代价的计算，并根据用户投入协同调整搜索目标资源对象的搜索机制和存储方案，从而降低资源搜索的时间复杂度和资源存储的空间复杂度，优化事务处理的时空效率。

基于协同过滤和Slope One算法的Web服务可靠性预测

王磊，瞿佳明

2018, 40(08): 1390-1397. doi:

摘要 ( 108 )

PDF (589KB) ( 169 ) 　　

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针对Web服务的可靠性预测已成为服务计算领域的研究热点。为提高已有的针对Web服务可靠性预测方法的性能，提出两种方法。首先，针对基于协同过滤的Web服务可靠性预测方法，对用户的相似性、服务相似性以及预测值的计算方法都进行了适当的改进；其次，将k-means聚类算法与Slope One算法进行集成，进而用于开展Web服务可靠性预测。实验结果表明，相较已有方法，本文所提出的方法具有更高的预测精度。

基于极限学习机与改进K-means算法的入侵检测方法

王琳琳1，刘敬浩1，付晓梅2

2018, 40(08): 1398-1404. doi:

摘要 ( 126 )

PDF (1269KB) ( 244 ) 　　

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入侵检测系统对于保障网络安全至关重要。针对传统的单一检测算法很难对不同种类的攻击都有很好检测效果的问题，提出一种结合极限学习机与改进Kmeans算法的入侵检测方法。基于算法级联的方式，利用新型线性修正单元（PReLU）激活函数对极限学习机算法进行优化，采用设置距离阈值的方式，实现Kmeans算法自动选择初始聚类中心与聚类簇数目的双重优化，设计了一种混合式入侵检测方法。采用NSLKDD数据集对所提出的入侵检测方法进行仿真实验，实验结果表明，与传统的BP神经网络、支持向量机与极限学习机算法相比，该方法有效地提高了检测效果，同时降低了误报率。

基于核心化技术的点覆盖改进算法

骆伟忠，蔡昭权

2018, 40(08): 1405-1411. doi:

摘要 ( 126 )

PDF (590KB) ( 191 ) 　　

点覆盖是一个著名的NP难解问题，在通信网络和生物信息学等领域具有重要应用。针对点覆盖的研究主要集中在启发式或近似算法，其主要不足是无法实现全局最优。核心化是处理难解问题的一种新方法。提出融合启发式操作和核心化操作的算法框架，利用核心化技术进行点覆盖启发式算法优化。核心化操作挖掘出全局最优的顶点集，而启发式操作改变网络拓扑，使下一轮核心化操作能够继续，两者交叉执行实现解精度优化。实验结果表明，提出的算法在不同网络中均能实现不同程度的优化，在几乎所有稀疏网络实例中获得了最优解。

一种基于视距路径识别的设备无关室内定位算法

严淑萍，段桂华，张士庚

2018, 40(08): 1412-1419. doi:

摘要 ( 120 )

PDF (968KB) ( 213 ) 　　

Wi-Fi技术的广泛应用和部署催生了许多基于Wi-Fi的室内定位技术。近年来，基于Wi-Fi的设备无关定位算法引起了研究人员的广泛注意。设备无关定位算法不需要目标对象携带无线传输设备，而是通过测量目标对象对无线信号传输的影响来反向推断目标对象的位置。由于不需要目标对象携带相关设备，因此可以广泛应用于多种场合，如老人健康护理等。已有的设备无关定位技术通常需要事先采集训练数据，因此容易受室内复杂多变的环境干扰，导致定位精度下降。

提出一种基于视距路径检测的设备无关定位算法。利用物理层信道状态信息CSI，可以判断一对无线收发设备之间的路径是否是视距LoS路径。在此基础上，提出一个新的设备无关定位算法，该算法在监测区域部署一组WiFi收发装置，对任意一对无线设备，通过识别它们之间是否存在视距路径来判断目标对象是否在这对设备的菲涅耳区域内。此外，还提出一种基于投票的方法来获得目标对象的最可能位置。在实际设备上的实验结果表明，该定位算法可以达到0.5 m左右的精度，并且不需事先训练，具有较高的实时性。

一种基于改进的朴素贝叶斯算法的Android钓鱼网站检测方案

马刚，刘锋，朱二周

2018, 40(08): 1420-1428. doi:

摘要 ( 127 )

PDF (818KB) ( 294 ) 　　

随着移动互联网的快速发展，针对移动手机端的钓鱼攻击越来越普遍。提出一种基于改进的朴素贝叶斯算法的移动平台钓鱼网站检测方案。首先，针对在数据收集过程中会出现空缺值的问题，通过K-means算法对缺失的属性值进行填充，以获得完整的数据集；其次，针对朴素贝叶斯算法计算概率时会出现过低估计的问题，
将概率进行适当放大，以解决结果下溢的问题；第三，针对朴素贝叶斯算法容易忽略属性之间的关联性问题，对不同的属性值进行了加权处理，以提高检测的正确率；最后，根据实际情况中钓鱼网站出现概率较小的情况，通过调整钓鱼网站与可信网站的概率比值，以此来进一步提高检测的正确率。实验部署在Android 5.0操作系统上。实验结果表明，改进后的朴素贝叶斯算法能够在较短的时间内有效地检测出针对手机端的钓鱼攻击。

多特征组合的深度图像分割算法

谭志国1，2,欧建平1,张军1,沈先耿2

2018, 40(08): 1429-1434. doi:

摘要 ( 116 )

PDF (877KB) ( 223 ) 　　

深度图像直接反映景物表面的三维几何信息，且不受光照、阴影等因素的影响，对深度图像处理、识别、理解是目前计算机视觉领域研究的热点和重点之一。针对深度图像信息单一且噪声较大的特点，提出一种基于组合特征的阈值分割算法，实现对深度图像数据的有效分割。算法首先通过梯度特征对图像进行Otsu阈值分割；在此基础上，分别在不同分割区域内利用深度特征进行Otsu多阈值分割，得到候选目标；然后，在空域上利用像素的位置特征对候选目标进行分割、合并与去噪，最终得到图像分割的结果。实验结果表明，该方法能有效克服深度图像中噪声的影响，得到的分割区域边界准确，分割质量较高，为以后的室内对象识别和场景理解工作奠定了较好的基础。

一种背景抑制改进的显著性目标检测方法

崔丽群，赵越，吴晓冬，魏可飞，刘晨

2018, 40(08): 1435-1443. doi:

摘要 ( 107 )

PDF (932KB) ( 190 ) 　　

针对显著性目标检测在复杂背景下准确率低的问题，提出超复数傅里叶变换改进的条件随机场显著性目标检测方法。首先，建立图像无向图并提取节点特征；然后重构超复数傅里叶变换得到平滑振幅谱与相位谱，获得无向图节点背景抑制权值，从而初步确定多尺度高斯核背景抑制图；最后输入到训练后的条件随机场中，通过增强目标表示得到最终显著性目标区域。实验表明，本文方法在准确率上较现有流行方法有显著提高，且能够在抑制复杂背景的同时，准确锁定指定目标位置区域。实验验证本文方法在复杂背景下显著性目标检测具有较好的准确性和鲁棒性。

基于模糊控制的流媒体自适应传输算法

侯永宏，邢家明，王利伟

2018, 40(08): 1444-1452. doi:

摘要 ( 88 )

PDF (1736KB) ( 197 ) 　　

基于HTTP的动态自适应流媒体DASH传输协议可以使用户根据自身的终端显示能力和信道条件选择合适的视频质量，是网络视频服务技术的发展方向。如何根据网络吞吐量的变化自适应地选择视频码率，以获得最佳的用户体验质量QOE，在已有的DASH系统中还没有得到很好的解决。
提出了一种基于模糊控制的自适应传输算法，将缓存的视频余量以及用户申请的视频码率和网络吞吐量的码率失配度作为输入，将预期的缓存变化量作为输出,通过模糊逻辑实现以下控制目的：(1）将缓存稳定在一个安全的区间；(2）使传输视频的平均质量最大化；(3）避免因带宽波动所造成的视频播放中断。最后，分别在两种虚拟网络环境和两种实际网络环境下进行性能测试，实验结果表明，与已有的算法相比较，本文提出的算法可以给用户带来更好的QOE。

基于引导滤波和shearlet稀疏的遥感图像融合算法

王威1,2，张佳娥1,2

2018, 40(08): 1453-1458. doi:

摘要 ( 80 )

PDF (685KB) ( 152 ) 　　

针对遥感图像空间分辨率和光谱分辨率不可兼得的情况，结合多尺度变换与稀疏表示，提出一种shearlet稀疏基与引导滤波共同作用的遥感图像融合算法。以IHS融合模型为基础，利用引导滤波作拟合处理，再用shearlet变换分解亮度图像和全色图像，得到图像的高低频子带系数。对低频子图进行稀疏化处理并获取最优稀疏系数，稀疏系数以图像块活跃度取大的标准进行替换融合。基于区域能量和区域方差融合处理对应的高频子图，再利用shearlet反变换获取融合结果。实验结果表明，本文算法能提高图像清晰度以及光谱保留度，在图像完整度和细节考量上远好于其他算法。

基于SLIC的自适应多主体图像分割算法

郭伟，李红达，邢宇哲

2018, 40(08): 1459-1467. doi:

摘要 ( 118 )

PDF (1173KB) ( 217 ) 　　

为了解决多主体图像分割的交互分割问题，提出了一种基于SLIC超像素的自适应图像分割算法。首先利用SLIC对图像进行超像素分割处理，把原图像分割为大小相似、形状规则的超像素，以超像素中心点的五维特征值作为原始数据点通过自适应参数的DBSCAN算法聚类，确定多主体数目和分割边界。算法不需要用户交互，自适应确定分割数目。为了验证算法的有效性，在伯克利大学标准数据集BSDS500上与人工标注的分割图像进行比较，
前期的超像素处理使算法在时间上有很好的提升，对于一幅481×321像素的图像，只需要1.5 s就可以获得结果。实验结果表明，该方法可以有效解决多主体图像分割中的人工交互问题，同时在PRI和VOI的指数对比上也优于传统算法，本文算法可以在保证分割效果的基础上自适应确定分割数目，提高分割效率。

测试代价受限下数据的属性和粒度选择方法

廖淑娇1,2，朱清新1，梁锐1

2018, 40(08): 1468-1474. doi:

摘要 ( 76 )

PDF (624KB) ( 174 ) 　　

代价敏感学习中经常考虑测试代价和误分类代价。在实际应用中，一个属性的测试代价常跟属性值的粒度有关，而一个具有多个属性的对象的误分类代价又常受它的属性的总测试代价大小的影响。基于这一点，研究在总测试代价受限的情形下，数据的属性和粒度选择的问题。以最小化数据处理的平均总代价为目标提出了一种方法，该方法能同时选择最优的属性子集和数据粒度。首先建立了该方法的理论模型，再设计了一个高效的算法。实验结果表明，所提算法能有效地进行不同大小的测试代价约束下的属性和粒度选择。

基于深度神经网络的行人头部检测

陶祝,刘正熙,熊运余,李征

2018, 40(08): 1475-1481. doi:

摘要 ( 156 )

PDF (1433KB) ( 440 ) 　　

行人检测已成为安防、智能视频监控、景区人流量统计所依赖的核心技术，最新目标检测方法包括快速的区域卷积神经网络FastRCNN、单发多重检测器
SSD、部分形变模型DPM等，皆为对行人整体的检测。在大场景下，行人姿态各异，物体间遮挡频繁,只有通过对行人身体部分位置建模，抓住人的局部特征，才能实现准确的定位。利用FasterRCNN深度网络原型，针对行人头部建立检测模型，同时提取行人不同方向的头部特征，并加入空间金字塔池化层，保证检测速率，有效解决大场景下行人的部分遮挡问题，同时清晰地显示人群大致流动方向，相比普通的人头估计，更有利于人流量统计。

移动感知环境下基于CSA-SSVR的交通状态预测方法

夏卓群1,2,3,罗君鹏1,2,胡珍珍1,2

2018, 40(08): 1482-1487. doi:

摘要 ( 81 )

PDF (713KB) ( 156 ) 　　

相较于传统感知网络，移动群智感知网络在部署和维护成本上有着较大优势，在智能交通系统中得到了越来越多的应用。交通状态的预测对交通管理系统具有重要意义，从移动群智感知环境下获取的车速数据出发，以支持向量回归算法(SVR)为基础，引入周期性算子，并采用布谷鸟算法(CSA)确定周期性SVR(SSVR)中的主要参数，提出了CSA-SSVR，对道路未来车速进行预测，据此判断道路的未来交通状态。实验表明，CSA-SSVR在移动群智感知环境下对于交通状态预测问题的准确性较高。

基于标记信息级联传播树特征的谣言检测新方法

蔡国永,毕梦莹,刘建兴

2018, 40(08): 1488-1495. doi:

摘要 ( 138 )

PDF (629KB) ( 262 ) 　　

近年来新浪微博已成为国内重要的社交媒体平台之一，然而该类平台开放的匿名环境给谣言提供了滋生、传播的温床，造谣传谣给社会带来的消极影响不容忽视。传统的基于特征的谣言检测研究主要关注消息文本、发布用户、传播等方面的静态扁平特征，忽略了对消息传播演化结构和传播群体反应等方面的研究。针对此问题，首先将消息传播的级联模型引入标记传播树（LPT）模型中，提出改进的标记信息级联传播树模型（CA-LPT）；在此模型下提出一种动态度量用户影响力的方法；然后提出10个新特征以扩充已有的静态扁平特征集，再利用基于随机通路图核和RBF核的混合核支持向量机（SVM）进行谣言检测；最后通过基于新浪微博真实数据集的实验分析，验证了所提方法能提升谣言检测的性能。

Doherty功放的贝叶斯正则化神经网络逆向建模研究

南敬昌，胡婷婷，盛爽爽，高明明

2018, 40(08): 1496-1502. doi:

摘要 ( 92 )

PDF (903KB) ( 179 ) 　　

针对直接逆向建模方法精度低、稳定性差等缺点，提出了一种采用规则化函数为L1/2范数的贝叶斯正则化神经网络逆向建模方法，L1/2正则化使得网络结构具有稀疏性，能够缩小网络的规模、加快网络的训练速度，用贝叶斯正则化方法可以使网络的输出更加平滑，提高网络的稳定性和泛化能力。将此方法应用到Doherty功率放大器的设计中，在已知Doherty主功放效率、输出匹配端的S11和S21的情况下，分别仿真得出相对应的输出功率和f,可以简化设计过程。实验结果表明，此逆向模型求得的输出功率、与S11相对的f、与S21相对的f比直接逆向建模方法的均方误差分别减少了8.83%、9.30%和9.00%，运行时间分别减少了99.34%、99.40%和99.23%，解决了设计中的多解问题，可用于设计射频微波器件。

密度峰值快速聚类算法优化研究

王鹏飞1，杨余旺1，柯亚琪2

2018, 40(08): 1503-1510. doi:

摘要 ( 94 )

PDF (897KB) ( 212 ) 　　

密度峰值快速搜索聚类CFSFDP算法选择聚类中心时需要通过人工在决策图中选择，且最后进行簇核心与簇光晕划分时会将簇的一些边缘部分划入簇光晕中，导致划分结果不够合理。针对以上问题，提出一种聚类中心自动选择及簇核心与簇光晕分割优化的聚类算法。利用异常检测的思想，寻找簇中心权值的异常点，将异常点作为各簇的聚类中心；引入簇内局部密度，实现对簇核心与簇光晕更合理的分割。通过实验对比，本文提出的算法自动化效果优于CFSFDP算法且得到的聚类结果更为精确。

基于强化学习的体系对抗仿真战役层次指控算法

闫雪飞,李新明,刘东,刘德生,李强

2018, 40(08): 1511-1520. doi:

摘要 ( 200 )

PDF (1344KB) ( 390 ) 　　

针对传统的认知决策技术无法有效应对体系对抗环境具有的不确定性、未知性以及复杂性问题，提出一种基于强化学习（RL）的体系对抗仿真战役层次指控算法。介绍了包含侦察类、打击类、通信类、补给类、修复类以及指控类Agent的UML体系架构，对自主开发的作战仿真原型系统及其作战想定进行了说明，在对战役层次指控Agent认知域描述与假设的基础上，对改进Qlearning认知决策算法的参数归一化、基于GRBF神经网络的Q离散、基于TD公式的跨步差分机制以及网络结构的学习训练过程进行了详细说明。最后，通过地空一体化联合体系对抗仿真验证了算法的有效性，并通过对算法的大量可视化回溯分析发现，一定程度的火力协调以及不间断的战术机动对于作战效能的提升以及毁伤的减免具有重要的意义。

一种面向学习路径推荐的知识网络构建方法

肖奎1,2,吴天吉3

2018, 40(08): 1521-1526. doi:

摘要 ( 135 )

PDF (717KB) ( 246 ) 　　

随着在线教育的迅速发展，互联网上的教学资源数量也呈现出快速增长的趋势。针对当前在线学习平台普遍存在着教学资源内容重复、人们难以辨别与选择，导致学习者很难应用这些资源构建适合自己的学习路径的问题，提出一种面向学习路径推荐的领域知识网络构建方法。通过对每个学习对象的预备知识与目标知识进行社会标注，构建相应的领域知识网络，然后，运用弗洛伊德算法计算领域知识网络里任意两个知识点间的最短路径，为学习路径推荐提供基础。

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