计算机工程与科学

2019年第3期目录

2019, 41(03): 0-0. doi:

摘要 ( 22 )

PDF (295KB) ( 69 ) 　　

多核Cache稀疏目录性能提升方法综述

吴健虢，陈海燕，刘胜，邓让钰，陈俊杰

2019, 41(03): 385-392. doi:

摘要 ( 225 )

PDF (917KB) ( 250 ) 　　

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受限于功耗，十多年前通用微处理器就停止追求更高的主频转而向集成更多处理器核的方向发展；同时，随着晶体管密度按摩尔定律不断提高，单片可集成的处理器核数成倍增长，片上多核、众核处理器已成为高性能微处理器发展的主流。未来千核级通用众核处理器支持共享存储编程模型是一种必然趋势，但传统的Cache一致性目录结构面临着查找延迟高、目录项替换频繁以及硬件代价和功耗可扩展性有限等问题。稀疏目录实现了传统目录结构硬件开销与一致性维护效率的折衷，被认为是众核处理器维护Cache一致性的一种高能效、可扩展结构。综述了近年来提高稀疏目录性能的相关研究与方法，并对其在面积、访问延迟、功耗和实现复杂性等方面进行分析，归纳出这些方法各自的优点和存在的不足，对创新设计未来高性能众核处理器共享存储体系结构具有一定的参考价值。

基于Spark的并行化头脑风暴优化算法及复杂多峰函数优化

杨广明，张涛，TRUONG Thanhtung，王瑞，马连博

2019, 41(03): 393-399. doi:

摘要 ( 148 )

PDF (956KB) ( 170 ) 　　

头脑风暴优化BSO算法是一种新型的群体智能优化算法，启发于众人集思广益求解问题的模式，适合求解复杂多峰函数优化问题。但是，BSO求解多峰极值时需进行重复的迭代运算，面对大规模数据集时会出现计算效率与求解精度过低的现象。为解决上述问题，设计并实现了一种基于Spark的并行化头脑风暴优化算法，通过将BSO算法中计算复杂度最高的聚类与新解产生过程并行化，以提高算法的加速比与计算效率。特别地，基于并行化思想，将种群划分为多个子群进行协同演化，每个子群独立产生新解来保持种群多样性，提高算法的收敛速度。最后，利用并行化BSO算法求解多峰函数。实验表明，在并行节点的总核心数为10的情况下，并行化BSO算法计算时间节省一半，计算精度和串行BSO算法基本持平，收敛速度明显提高，实验结果说明了并行化BSO的有效性。

一种多线程阵列众核处理器的二级Cache划分机制

陈逸飞，朱蕾，李宏亮

2019, 41(03): 400-408. doi:

摘要 ( 140 )

PDF (1151KB) ( 143 ) 　　

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阵列众核处理器由于其较高的计算性能和能效比已经广泛应用于高性能计算领域。而要构建未来高性能计算系统处理器必须解决严峻的“访存墙”挑战以及核心协同问题。通常的阵列处理器，其核心多采用单线程结构，以减少开销，但是对访存提出了较高的要求。引入硬件同时多线程技术，针对实验中单核心多线程二级Cache利用率较低的问题，提出了一种共享二级Cache划分机制。经实验模拟，通过上述优化的共享二级Cache划分机制，二级指令Cache失效率下降18.59%，数据Cache失效率下降6.60%，整体CPI性能提升达到10.1%。

基于Temporal rule的忆阻神经网络电路

黄成龙，郝栋栋，方粮

2019, 41(03): 409-416. doi:

摘要 ( 157 )

PDF (983KB) ( 149 ) 　　

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忆阻器是一种动态特性的电阻，其阻值可以根据外场的变化而变化，并且在外场撤掉后能够保持原来的阻值，具有类似于生物神经突触连接强度的特性，可以用来存储突触权值。在此基础上，为了实现基于Temporal rule对IRIS数据集识别学习的功能，建立了以桥式忆阻器为突触的神经网络SPICE仿真电路。采用单个脉冲的编码方式，脉冲的时刻代表着数据信息，该神经网络电路由48个脉冲输入端口、144个突触、3个输出端口组成。基于Temporal rule学习规则对突触的权值修改，通过仿真该神经网络电路对IRIS数据集的分类正确率最高能达到93.33%,表明了此神经系统结构设计在类脑脉冲神经网络中的可用性。

面向CPU-GPU异构系统的数据分析负载均衡策略

孙婷婷，黄皓，王嘉伦，翁楚良

2019, 41(03): 417-423. doi:

摘要 ( 145 )

PDF (798KB) ( 225 ) 　　

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应用于高性能计算领域的通用GPU拥有强大的并行计算能力，以通用GPU作为主处理器的数据分析系统相较于传统数据库能够提供更好的性能。在大数据场景下，如何根据CPU和GPU的资源在处理器之间合理分配工作负载是亟待解决的问题。提出了一种CPUGPU异构数据分析系统上的负载均衡处理策略。该策略采用流水线模型将工作负载分解，基于流水线设计了负载均衡模型，将工作负载合理分配至异构处理器，减少系统总执行时间开销，实现了性能提升。实验结果表明，提出的基于流水线的负载均衡模型能适应不同查询请求下的不同数据量场景，具有良好的性能。

一种面向异构计算的结构化并行编程框架

李安民,计卫星,廖心怡，高建花，谈兆年，王一拙，石峰

2019, 41(03): 424-432. doi:

摘要 ( 407 )

PDF (1180KB) ( 276 ) 　　

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随着人工智能时代的到来，异构计算在深度学习、科学计算等领域发挥着越来越重要的作用。目前异构计算系统在应用上的瓶颈之一在于缺少高效的软件开发框架，已有的OpenCL、CUDA等支持GPU、DSP及FPGA的编程框架基于C/C++语言和传统的并行编程方法，导致软件开发效率较低，软件推理和调试困难，难以灵活处理计算设备之间的协作和调度。提出一种面向异构计算平台的基于脚本语言的结构化并行编程框架，提供结构化的并行编程接口，支持计算任务到异构计算设备的映射，便于并行程序的推理和验证。设计并实现了基于遗传算法的结构化调度算法，充分利用异构计算系统的计算能力，提高了异构计算系统的软件开发效率。实验结果表明，提出的编程框架在CPU+GPU平台上实现了相对于单处理器1.5到2.5倍的加速比。

一种云环境下科学工作流执行计划的优化方法

郭宏乐，陈旺虎，马生俊，李新田，乔保民

2019, 41(03): 433-439. doi:

摘要 ( 102 )

PDF (703KB) ( 152 ) 　　

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为降低云环境下科学工作流的执行代价，提出了一种执行计划的优化方法。引入猴群算法，依靠对当前执行计划的层内和层间优化，在保证工作流全局截止时间约束的前提下，通过同层任务的逻辑聚合和任务的层间调整，尽可能减少各层任务数的差异，以避免资源的闲置浪费，缩短任务的等待时间。实验表明，该方法与
类似研究相比，可降低资源消耗量，减小总的延迟时间。

基于柯西码的HDFS存储优化策略

谢果君，沈记全，杨焕焕

2019, 41(03): 440-445. doi:

摘要 ( 116 )

PDF (523KB) ( 165 ) 　　

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随着大数据时代的到来，数据存储正接受着严峻的考验。为了改进传统Hadoop分布式文件系统HDFS存在的冗余度高、负载均衡能力不足等问题，提出了一种基于柯西码的动态分散式存储优化策略CDDS。对于系统中的数据块，在保证数据可用性的基础上，依据其热度的不同生成相应的存储方案。对于系统中的冷数据与热数据，分别采用基于柯西码的纠删码技术进行单副本与多副本存储，既保证了数据的可靠性又保证了系统的I/O能力。经测试，运用该策略存储数据所需要的存储空间减小为原来的75%,系统的可靠性与负载均衡能力也得到了增强。

笔记本电脑散热结构优化设计

李红，李俊，龚国辉

2019, 41(03): 446-451. doi:

摘要 ( 143 )

PDF (597KB) ( 250 ) 　　

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分析了某款基于国产中央处理器的自主可控笔记本电脑散热较差的主要因素，并针对关键因素进行优化设计。通过对散热模组、风道和转轴盖的优化设计提高了笔记本电脑的整体散热性能。温度测试实验数据表明：在25℃工作环境中，机器满负荷工况运行时，优化后的笔记本电脑各测试点的温度均有明显降低，散热有较大的改善，C壳键盘最热区域温度为35℃，用户体验感良好。

存在故障的数字微流控芯片重构后测试

张玲1，邝继顺2

2019, 41(03): 452-457. doi:

摘要 ( 107 )

PDF (468KB) ( 153 ) 　　

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数字微流控芯片广泛用于生命科学领域，它对可靠性的要求很苛刻。由于数字微流控芯片的可重构性，在测试诊断的故障数小于一定比例时，电极阵列会被重构以撇开故障单元继续使用，而对于重构后的不规则电极单元，必须在使用前做强健完备的测试。首次提出对重构后的不规则电极单元进行并行测试：将重构电极阵列分为多个等大子阵列，每个子阵列分配1个测试液滴进行并行测试，目标为最小化测试时间。本文将测试时间最小化问题转化为分发池的分配问题，并为该NP完全问题建立ILP模型，计算最优测试时间。实验结果表明，该方法避免了重复诊断，最小化了故障后重构芯片的测试时间，获得了较好的测试效果。

基于消息认证混合同态签名的无线网络抗污染攻击方案

杨竞，范明钰，王光卫

2019, 41(03): 458-465. doi:

摘要 ( 103 )

PDF (983KB) ( 162 ) 　　

为提高无线网络抗污染攻击性能，提出一种基于消息认证混合同态签名的无线网络抗污染攻击方案。首先，采用有向多重图的源节点、非源节点集和链路集对无线网络编码过程进行模型构建，并考虑数据污染攻击和标签污染攻击2种类型的污染攻击建立网络抗污染模型；其次，利用MACs和DMACs以及Sign同态签名方案，建立混合型的同态签名方案，实现对抗污染攻击模型的消息验证过程的改进，保证了每个MAC编码数据包内容的完整性，并提升了算法的执行效率；最后，通过在基于ASNC机制的实验模拟环境下，对所提算法在被污染节点百分比、流量累积分布和计算效率3个指标中的实验对比，验证了所提算法的性能优势。

基于模体的目标区域网络拓扑划分方法

杨迪，刘琰，陈静，张伟丽

2019, 41(03): 466-478. doi:

摘要 ( 105 )

PDF (1065KB) ( 189 ) 　　

随着信息社会的发展，网络安全的重要性日益凸显，准确获取网络实体的地理位置有助于更好地实施网络管理。现有经典的基于拓扑启发式聚类的网络实体定位方法，采用基于网络结构的集群划分对网络实体进行聚类，由于没有考虑网络拓扑的具体特性，导致最后的结果误差较大。为解决这一问题，提出一种基于模体的目标区域网络拓扑划分方法。该方法根据目标网络拓扑呈现局部节点高聚类性的特点，创新性地引入“模体”的概念，在目标网络拓扑中挖掘模体结构并进行分析；然后借鉴复杂网络研究领域内局部社团发现方法中初始种子扩展的思路，以模体结构为初始种子进行相应扩展，将拓扑中与模体紧密相连的节点划分为多个集合；最后分别根据地标和公开的IP地理位置数据库对划分的节点集合进行定位，将集合的位置作为集合内节点的地理位置，从而实现网络实体的批量定位。基于香港和台湾两个地区网络拓扑的实验结果表明，该方法与经典的HC-Based方法、NNC方法相比，在网络实体定位准确率上分别能提高25%和16%左右，并且可批量定位的网络实体更多。

基于用户体验延迟的QoE层次评估模型

龚文聪1，袁景凌1,2，陈旻骋1，向尧1,赵子康1

2019, 41(03): 479-484. doi:

摘要 ( 131 )

PDF (522KB) ( 144 ) 　　

针对Web服务中难以获得反映用户体验的数据，且难以对用户体验质量（QoE）进行评估的问题，在分析了Web数据和现有评价方法的基础上，提出了一种融入用户体验延迟ED的QoE层次评价方法。该方法基于层次分析法，并结合人类生理主观感受，能够更加客观地衡量用户体验。通过相关案例验证了该方法的可行性。

基于二次加权的LANDMARC景区改进定位算法研究

靳朋1，郗涛1，王莉静2

2019, 41(03): 485-489. doi:

摘要 ( 104 )

PDF (608KB) ( 139 ) 　　

针对景区地形复杂导致定位精度低的问题，在传统的LANDMARC室内定位算法基础上，提出了一种基于二次加权定位的改进算法，以解决景区中部分参考标签不能均布地复杂定位问题。首先，该算法通过一次加权定位求出待定位标签坐标；然后，将第一次求得的待定位坐标分别与参考区域的顶点连接，将参考区域划分为k个三角形区域，再分别求出这k个三角形内切圆的圆心；最后，以k个圆心作为最邻近参考坐标，通过设定二次加权系数，从而计算出更精确的待定位标签坐标。本文以某典型景区进行定位实验，实验仿真结果表明，改进后的定位算法在复杂的景区环境中，相比传统的一次加权定位算法，定位精度提高了10.6%，这说明其在复杂景区中具有更好的适用性。

基于动态奖惩的CDCL SAT求解器分支启发式算法

陈秀兰，刘婷

2019, 41(03): 490-497. doi:

摘要 ( 156 )

PDF (479KB) ( 158 ) 　　

分支启发式算法在CDCL SAT求解器中有着非常重要的作用，传统的分支启发式算法在计算变量活性得分时只考虑了冲突次数而并未考虑决策层和冲突决策层所带来的影响。为了提高SAT问题的求解效率，受EVSIDS和ACIDS的启发，提出了基于动态奖惩DRPB的分支启发式算法。每当冲突发生时，DRPB通过综合考虑冲突次数、决策层、冲突决策层和变量冲突频率来更新变量活性得分。用DRPB替代VSIDS算法改进了Glucose 3.0，并测试了SATLIB基准库、2015年和2016年SAT竞赛中的实例。实验结果表明，与传统、单一的奖励变量分支策略相比，所提分支策略可以通过减少搜索树的分支和布尔约束传播次数来减小搜索树的规模并提高SAT求解器的性能。

电子文件归档管理系统的核心功能单元设计

邹名璐1,罗元2

2019, 41(03): 498-504. doi:

摘要 ( 97 )

PDF (851KB) ( 158 ) 　　

以数据导入单元的设计为例，阐述了电子文件归档管理系统核心功能单元的设计思路。主要从建立功能单元工作流程和确定逻辑操作及逻辑处理出发，就对象模型建立、类定义与类间关系、操作功能逻辑实现以及单元功能测试等方面进行了论述。

适应于自动驾驶的计算结构与平台综述

邹文超，李仁发，吴武飞

2019, 41(03): 505-512. doi:

摘要 ( 117 )

PDF (924KB) ( 220 ) 　　

信息与通信技术领域的不断发展，推动了自动驾驶汽车的巨大进步。自动驾驶汽车有效解决了用户对出行日益提高的安全、便捷、舒适、高效等个性化需求，有着巨大的商业前景和应用价值。首先从自动驾驶的定义出发，对自动驾驶汽车计算任务进行了分类总结，阐述了自动驾驶汽车集移动端、边缘节点和云端一体的计算结构。然后分类讨论了目前自动驾驶汽车移动端计算平台，呈现出异构多核的特点，并对当前主流的底层计算平台进行了对比分析。最后，从性能与成本和信息安全两个方面总结目前自动驾驶汽车计算结构和平台遇到的问题与挑战。

融合标记独有属性特征的k近邻多标记分类新算法

蒋芸，肖潇，侯金泉，陈莉

2019, 41(03): 513-519. doi:

摘要 ( 95 )

PDF (498KB) ( 144 ) 　　

在多标记学习系统中，每个样本同时与多个类别标记相关，却均由一个属性特征向量描述。大部分已有的多标记分类算法采用的共同策略是使用相同的属性特征集合预测所有的类别标记，但它并非最佳选择，原因在于每个标记可能与其自身独有的属性特征相关性最大。针对这一问题，提出了融合标记独有属性特征的k近邻多标记分类算法—IMLkNN。首先对多标记数据的特征向量进行预处理，分别为每类标记构造对该类标记最具有判别能力的属性特征;然后基于得到的属性特征使用改进后的MLkNN算法进行分类。实验结果表明，IMLkNN算法在yeast和image数据集上的性能明显优于MLkNN算法以及其他3种常用的多标记分类算法。

区间犹豫模糊的改进层次TODIM在云制造资源中的应用研究

王铁旦，赵洋，彭定洪

2019, 41(03): 520-530. doi:

摘要 ( 113 )

PDF (1130KB) ( 192 ) 　　

针对具有递阶层次准则结构的决策问题，考虑到决策者偏好表达的不确定和犹豫性以及认知的参照依赖和损失规避行为，提出一种区间犹豫模糊多层的TODIM多准则决策方法。首先在对传统JACCARD距离修正后提出一种新的区间犹豫模糊距离测度，接着结合层次分析法思想与TODIM方法建立一种能够解决递阶层次准则结构决策问题的区间犹豫模糊决策方法。最后将该方法运用于云制造资源选择问题，并通过对比分析证实了其有效性和可用性。

基于启发式Bi-RRT算法的虚拟手臂运动规划

陈静杰，耿丽琴

2019, 41(03): 531-537. doi:

摘要 ( 168 )

PDF (1248KB) ( 209 ) 　　

为提高虚拟人手臂在复杂多障碍物空间进行维修时的运动路径规划效率，提出一种基于启发式BiRRT的路径规划算法。在运用Bi-RRT算法的基础上，结合启发式搜索思想对腕关节进行路径规划，通过比较多个随机搜索点与目标点的距离，保留距离目标点最近的随机搜索点，使随机树有方向地进行扩展，减少无效的搜索。仿真实验结果表明，启发式Bi-RRT算法较传统的RRT算法和BiRRT算法有更好的搜索效果，搜索效率更高，对于7自由度虚拟手臂的运动路径规划也有较好的效果。

利用蚁群优化算法的粗糙集属性约简方法

吴尚智1，张文超2，佘志用1，张霞1，段超1

2019, 41(03): 538-544. doi:

摘要 ( 84 )

PDF (569KB) ( 173 ) 　　

随着高维数据的扩散，特征选择成为学习过程中不可或缺的一项任务。属性约简是特征选择的重要方法，为了寻找有效的属性约简方法，将粗糙集与蚁群算法相结合，提出了利用蚁群优化算法的粗糙集属性约简方法。首先从信息素的更新开始，限制其信息素值的上、下限范围，然后根据寻址方式改进候选解的构造方案。实验表明，该方法具有一定的优越性。

基于分布式遗传算法的水质传感器布置优化研究

李进生，蒙江，童名文

2019, 41(03): 545-550. doi:

摘要 ( 98 )

PDF (586KB) ( 154 ) 　　

水质传感器优化布置是指在城镇配水管网中最优位置布置水质传感器对污染物进行检测，从而达到监测预警的目的，其本质是一类大规模离散组合优化问题。
首先从数学上对该问题进行分析，论证了其具有NPComplete特性；然后针对该问题计算开销大等特点，提出了基于Spark云计算模型的分布式遗传算法；最后以一个典型的复杂配水管网为对象进行实验，仿真结果表明，所提出的算法不仅具有搜索速度快、精度高等优点，而且还具有较好的线性加速比。

基于地址语义理解的中文地址识别方法

李晓林1,张懿1,李霖2

2019, 41(03): 551-558. doi:

摘要 ( 159 )

PDF (676KB) ( 145 ) 　　

互联网中中文地址文本蕴含着丰富的空间位置信息，为了更加有效地获取文本中的地址位置信息，提出一种基于地址语义理解的地址位置信息识别方法。通过对训练语料进行词频统计，制定地址要素特征字集合和字转移概率，构造特征字转移概率矩阵，并结合字符串最大联合概率算法，设计了一种不依赖地名词典和词性标注的地址识别方法。实验结果表明，该方法对地址要素特征字突出且存在歧义的中文地址的完全匹配率为76.85%，识别准确率为93.11%。最后，与机械匹配算法和基于经验构造转移概率矩阵的方法进行对比实验，实验结果表明了该方法的可用性和有效性。

基于融合特征的多尺度快速相关滤波跟踪算法

火元莲，曹鹏飞，董俊松，石明

2019, 41(03): 559-566. doi:

摘要 ( 140 )

PDF (1313KB) ( 157 ) 　　

针对复杂场景下目标遮挡和尺度变化所导致的跟踪效果不佳问题，提出一种基于融合特征的多尺度快速相关滤波跟踪算法。首先，对目标的3种特征降维融合构成特征矩阵；其次，采用主成分分析思想实时地提取显著特征，重构特征矩阵，在有效降维的同时训练位置相关滤波器；最后，利用融合特征矩阵训练尺度相关滤波器，从而准确预测目标位置和尺度。实验部分将改进算法与目前流行的相关滤波跟踪算法进行比较，结果表明，改进算法在目标遮挡和尺度变化场景下跟踪精度较高，平均跟踪速度达到52.5 frame/s。

DRI生物免疫视角扩展：机理、方法与仿真研究

杨波

2019, 41(03): 567-574. doi:

摘要 ( 72 )

PDF (821KB) ( 142 ) 　　

生物免疫系统是复杂自适应系统，能够快速识别和抵抗外来危险，为企业有效识别动态风险提供了新的思路与方法。梳理相关文献发现，当前有关生物免疫视角下企业动态风险识别研究取得了一定的进展，但尚不存在一套相对成熟的方法体系。借鉴生物免疫的思想，构建了包含动态记忆自动识别和可变模糊自动识别的DRI生物免疫扩展方法体系，并在Netlogo仿真平台进行了多Agent的仿真实验，验证了该方法的动态有效性。该研究延伸和拓展了企业动态风险识别理论，丰富了企业动态风险识别生物免疫机理扩展的相关文献，为其他领域的动态风险识别问题提供了应用指引。

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