计算机工程与科学

2019年第4期目录

2019, 41(04): 0-0. doi:

摘要 ( 13 )

PDF (294KB) ( 58 ) 　　

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基于梯度的H.265/HEVC帧内预测硬件加速算法研究

李文武，孙书为，郭阳

2019, 41(04): 575-582. doi:

摘要 ( 193 )

PDF (698KB) ( 225 ) 　　

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HEVC即H.265，是目前最新的视频编码标准。相比于前一代视频编码标准，H.265/HEVC虽然能够明显改善视频压缩效率，但是却带来了更高的计算复杂度，尤其是在帧内预测过程中。为了解决这个问题，提出一种基于梯度的帧内预测硬件加速算法来跳过一些帧内预测模式和划分深度的预测过程，从而达到减少计算的目的。利用图像梯度信息来粗略估计编码单元的纹理方向和纹理复杂度，其中纹理方向用来估计编码单元的最优帧内预测方向，纹理复杂度用来判断是否跳过当前划分深度的预测编码过程。实验表明，相比于H.265/HEVC测试模型HM16.18，本文提出的算法能够减少6059%的编码时间，仅造成0.38 dB的BDPSNR减少和8.52%的BD-Rate增加。

基于国产十亿亿次超算系统的近连续过渡流区 N-S/DSMC耦合算法并行优化研究

徐金秀1，李中华2，孙俊1，李志辉3，郑岩1

2019, 41(04): 590-597. doi:

摘要 ( 161 )

PDF (702KB) ( 138 ) 　　

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过渡流区气动问题的数值模拟一直是空气动力学领域的难点。首先介绍了在已有 N-S解算器和 DSMC方法研究基础上，采用 MPC耦合技术建立N-S/DSMC 耦合算法，把 DSMC 方法和 N-S 方法的应用范围拓展到近连续过渡流区。然后详述了基于国家超级计算无锡中心的国产十亿亿次超级计算机开展的耦合算法多级并行优化技术，并首次实现了耦合算法的众核并行。测试表明，本文的进程级优化技术取得了超线性加速比；众核级优化受制于原算法特点和系统特点没有取得预期效果，但进行了探讨和分析，为 N-S/DSMC 耦合算法的众核并行提供了研究和分析依据，为过渡流区高超声速气动特性数值模拟研究提供了有效的途径。

面向异构计算平台的SpMV划分优化算法研究

谈兆年，计卫星，Akrem Benatia，高建花，李安民，王一拙

2019, 41(04): 590-597. doi:

摘要 ( 90 )

PDF (750KB) ( 75 ) 　　

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稀疏矩阵向量乘SpMV在科学计算和工程问题中有着广泛的应用。稀疏矩阵的非零元素分布会极大地影响SpMV的计算效率，针对不同的数据分布模式使用特定算法进行加速可以获得显著的性能提升。CPU的控制能力强，适用于通用计算，而GPU的计算核心多，并行度高，适用于数据密集型计算。根据CPU和GPU的不同特点，充分发挥二者的优势，可以使SpMV获得更大的性能提升。研究CPU-GPU混合架构上SpMV的任务划分与优化方法，针对2种主要的稀疏矩阵数据分布模式：Quasi-diagonal和Tetris，提出了一种基于SVR的任务二次分配算法。研究的2种稀疏矩阵模式具有很好的代表性，在实际科学工程应用中占比达到66%。实验评测结果表明，采用本文的算法之后，与GPU相比，异构平台上Quasi-diagonal和Tetris的加速比平均值分别达到1.74×和2.15×。

面向服务的云-端动态协作方法

曹云梦1,2,周胜军3,刘晨1,2,韩燕波1,2

2019, 41(04): 598-605. doi:

摘要 ( 109 )

PDF (708KB) ( 144 ) 　　

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边缘计算可以通过将计算转移至边缘设备，以提高大型物联网流数据的处理质量并降低网络运行成本。然而，实现大型流数据云计算和边缘计算的集成面临两个挑战。首先，边缘设备的计算能力和存储能力有限，不能支持大规模流数据的实时处理。其次，流数据的不可预测性导致边缘端的协作不断地发生变化。因此，有必要实现边缘服务和云服务之间的灵活划分。提出一种面向服务的云端与边缘端的无缝集成方法，用于实现大规模流数据云计算和边缘计算的协作。该方法将云服务分成两部分，分别在云端和边缘端上运行。同时，提出了一种基于改进的二分图动态服务调度机制。当产生事件时，可以在适当的时间将云服务部署到边缘节点。基于真实的电能质量监控数据对提出的方法进行了有效性验证。

基于可信密码模块的SoC可信启动框架模型

王希冀，张功萱，郭子恒

2019, 41(04): 606-611. doi:

摘要 ( 110 )

PDF (565KB) ( 132 ) 　　

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为满足嵌入式终端对信息安全的要求，设计了基于可信密码模块的SoC可信启动框架。该框架的特点在于对引导程序U-boot做功能上的分割，且存储在不同的非易失性存储器中，并增设了通信模块，使之在操作系统启动之前就具有发送和接收文件的功能。将引导程序的各部分与操作系统核心文件均作为可信实体，发送至可信密码模块进行完整性度量，若度量成功则可信密码模块返回下一阶段的启动信号并在其本地存储器中保存可信实体；若度量失败则禁止启动。实验结果表明，该框架是可行、有效的,可以满足现今嵌入式终端在信息安全方面的需要。

DDR4并行互连传输串扰特性仿真与分析

李川，王彦辉，郑浩

2019, 41(04): 612-617. doi:

摘要 ( 198 )

PDF (773KB) ( 179 ) 　　

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为满足高带宽存储应用需求，访存速率和互连密度越来越高。DDR4作为主存领域应用广泛且速率较快的并行存储互连技术，上升/下降沿时间或低至百ps量级，信号间串扰不容忽视。以某DDR4驱动模型和板级嵌入式应用为研究对象，建立多线打扰模型，从时域角度仿真分析布线间距、打扰源相位、数据速率、耦合传输线长对带状线传输串扰的影响。结果显示：5倍介质厚度布线间距条件下串扰接近于0 mV，不同相位关系打扰源形成的总串扰具有成倍双向差异。对于特定访存速率，耦合传输线长度与串扰极值存在周期性对应关系，据此合理设计DDR数据组线长，可以有效规避串扰极大值。

量化编码的分层可通航小世界图算法

李秋珍1，白兴强2，李立夏1，王赢1

2019, 41(04): 618-625. doi:

摘要 ( 343 )

PDF (1021KB) ( 266 ) 　　

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随着大数据和人工智能的高速发展，针对多媒体数据的结构化处理与基于内容的检索受到极大的关注，面对多媒体数据结构化后的海量高维特征向量，如何快速、准确地检索是人工智能处理大规模数据所必须解决的问题。最近提出的分层可通航小世界图HNSW检索算法在多个公开数据集取得了最佳的性能表现，但该算法存在内存开销大的问题。而基于量化编码的检索算法能够压缩数据集向量，大幅度降低内存占用。将量化编码和分层可通航小世界图算法结合，提出了2种基于量化编码改进的HNSW算法，分别是使用标量量化编码向量的HNSWSQ算法和使用乘积量化编码向量的HNSWPQ算法，2种算法使用不同的量化策略存储原始向量编码，以降低内存开销，再通过HNSW算法建立索引达到缩短检索耗时的目的。其中HNSWSQ算法在多个数据集上获得了与HNSW算法相近的查全率和平均检索耗时，而内存开销大幅降低。实验结果表明，HNSWSQ算法在SIFT1M和GIST1M数据集上的内存开销比HNSW算法分别降低了45.1%和70.4%。

具有隐私保护的安全电子交易协议

曹素珍,王斐,郎晓丽

2019, 41(04): 626-632. doi:

摘要 ( 122 )

PDF (470KB) ( 141 ) 　　

电子交易的普及在给用户带来便利的同时，其在交易支付中所暴露出的隐私保护和安全性问题也受到不同程度的挑战。针对此问题，提出一个安全的电子交易协议。协议中，优化后的签密算法可保证交易的安全性；同时支付服务商具有去匿名性功能，可以在保护用户隐私的基础上进行追责。经性能分析，本协议在提高通信性能的基础上，满足消息的机密性和不可否认性、购买者的匿名性和可追踪性以及电子交易的公平性。

动态ID多因素远程用户身份认证方案的改进

曹守启，孙青，曹莉凌

2019, 41(04): 633-640. doi:

摘要 ( 98 )

PDF (645KB) ( 133 ) 　　

基于动态身份信息ID的远程用户身份认证方案，在保证远程用户身份匿名性及不可追踪性的前提下，可实现远程用户与服务器端的双向身份认证。
对Yang提出的基于动态ID的远程用户身份认证方案进行了安全分析，指出Yang方案无法抵御重放攻击、服务器伪装攻击、用户伪装攻击，且不能提供双向认证。针对这些缺陷，提出了一种多因素远程用户身份认证方案的改进，并进行了安全性和效率分析，分析结果表明，改进的方案弥补了Yang方案的不足，且具有较高的安全性能。

基于迁移学习的多源数据隐私保护方法研究

付玉香1，秦永彬1,2，申国伟1,2

2019, 41(04): 641-648. doi:

摘要 ( 240 )

PDF (727KB) ( 324 ) 　　

隐私保护的多源数据分析是大数据分析的研究热点，在多方隐私数据中学习分类器具有重要应用。提出两阶段的隐私保护分析器模型，首先在本地使用具有隐私保护性的PATET模型对隐私数据训练分类器；然后集合多方分类器，使用迁移学习将集合知识迁移到全局分类器，建立一个准确的、具有差分隐私的全局分类器。该全局分类器无需访问任何一方隐私数据。实验结果表明，全局分类器不仅能够很好地诠释各个本地分类器，而且还可以保护各方隐私训练数据的细节。

基于隐藏访问策略属性基的能源互联网数据保护

刘鹏1,2，何倩1,2，李双富1,2，徐红1,2

2019, 41(04): 649-656. doi:

摘要 ( 176 )

PDF (620KB) ( 180 ) 　　

能源互联网中不同安全域中实体的通信数据包含敏感信息，基于密文策略属性基加密CP-ABE方案可实现细粒度的保护，但传统CP-ABE解密复杂度高，属性撤销需要对整个密文进行全部更新，以及访问策略易泄露隐私信息，导致其在能源互联网中应用受限。围绕着能源互联网云存储数据共享安全，设计基于隐藏访问策略的能源互联网数据保护方案，访问策略支持任意门限或者布尔表达式，将访问策略中的属性模糊化以实现策略的隐藏，引入解密代理将高复杂度的属性基解密过程的主要部分外包到服务端，减少了接收端的解密开销，在属性撤销过程中仅需要属性认证中心和解密代理参与，降低了属性撤销的难度。实验对比分析结果表明，本文方案的解密性能有较大的提升。

变精度最小平方粗糙熵的图像分割算法

佘志用,段超，张雷

2019, 41(04): 657-664. doi:

摘要 ( 132 )

PDF (621KB) ( 179 ) 　　

图像处理是获取信息的重要途径且被广泛地应用到军事、医学和交通等重要领域，图像分割在图像处理中占有重要地位。针对图像处理分割过程中的不确定性，为获取更加精确的图像分割效果，提出变精度最小平方粗糙熵和粒子群的图像单阈值分割算法。该单阈值分割算法用变精度粗糙集表示图像，以变精度最小平方粗糙熵求解最佳分割阈值，借助粒子群优化算法提高分割效率。实验表明，该单阈值分割算法明显优于最大平均信息熵法，且说明了变精度粗糙熵能够处理图像分割过程出现的不确定性。

基于CNN的改进行人重识别技术

熊炜1,2，冯川1，熊子婕1，王娟1,2，刘敏1,2，曾春艳1,2

2019, 41(04): 665-672. doi:

摘要 ( 150 )

PDF (1133KB) ( 193 ) 　　

针对行人重识别研究中训练样本的不足，为提高识别精度及泛化能力，提出一种基于卷积神经网络的改进行人重识别方法。首先对训练数据集进行扩充，使用生成对抗网络无监督学习方法生成无标签图像；然后与原数据集联合作半监督卷积神经网络训练，通过构建一个Siamese网络，结合分类模型和验证模型的特点进行训练；最后加入无标签图像类别分布方法，计算交叉熵损失来进行相似度量。实验结果表明，在Market-1501、CUHK03和DukeMTMCreID数据集上，该方法相比原有的Siamese方法在Rank-1和mAP等性能指标上有近3~5个百分点的提升。当样本较少时，该方法具有一定应用价值。

基于图像尖锐度的角点匹配算法

邢彩燕，张志毅，胡少军，耿楠

2019, 41(04): 665-672. doi:

摘要 ( 65 )

PDF (1841KB) ( 65 ) 　　

从多角度拍摄同一物体所得不同视角图像中的关键点的匹配对图像三维重建至关重要。为了得到精准的角点匹配对，提出了基于图像尖锐度角点匹配的新算法。该算法分为3个步骤：第1，为最大限度避免噪声的干扰，使用Canny算子先检测图像，进而使用8邻域轮廓追踪算法追踪边缘点得到边缘轮廓线。第2，计算轮廓线的尖锐度获取图像中的关键角点。第3，先粗匹配利用零均值归一化互相关法建立不同图像角点间一对多的关系，再进行精匹配采用优化后减少迭代次数的松弛迭代法得到一对一匹配点对。实验表明，该算法能够在提高运行效率的同时提高角点匹配的精准度，最终得到角点精匹配对。

动态调节因子的邻域搜索人工蜂群算法

常小刚1，赵红星2

2019, 41(04): 673-681. doi:

摘要 ( 146 )

PDF (939KB) ( 131 ) 　　

自人工蜂群算法（ABC）提出以来，因其算法简单、控制参数少、全局收敛能力强、便于实现等优点得到了广泛的关注。然而，ABC算法仍然存在收敛精度低、收敛速度慢等不足之处。针对此问题，受到生物个体邻域规则的启发，提出一种基于生物邻域最优个体的人工蜂群算法（NABC），通过食物源向邻域最优食物源周围搜索，提高了种群的搜索速度；同时，为了动态调节算法的搜索过程，使算法早期侧重于全局搜索，后期侧重于深度搜索，提出了基于三角函数调节因子的邻域搜索人工蜂群算法（DNABC)。对12个测试函数的实验结果表明，NABC算法在函数优化时具有较高的收敛精度和较快的收敛速度，而且基于三角函数的调节因子能够对NABC算法的搜索过程进行调节，促进了NABC算法的改善。

基于直觉模糊熵的群组聚类决策方法

张冰1，董骁雄2，李文1，孟祥飞1，李超1

2019, 41(04): 692-698. doi:

摘要 ( 106 )

PDF (497KB) ( 128 ) 　　

针对直觉模糊群决策问题，依据专家的直觉模糊评价信息，利用直觉模糊相似度和相异度构造直觉模糊相似矩阵，为了得到合理的专家聚类结果，设计风险参数并提出聚类阈值变化率分析方法，综合聚类结果和直觉模糊熵对各专家进行组合赋权。提出基于离散正态分布的位置权重确定方法，构造直觉模糊集混合加权集结算子对各专家关于方案集的直觉模糊评价信息进行综合集成。结合算例验证了方法的可行性和有效性。

基于随机隐含层权值神经网络的瓦斯浓度预测

张以文1，郭海帅1，涂辉2，余国锋2

2019, 41(04): 699-707. doi:

摘要 ( 94 )

PDF (740KB) ( 148 ) 　　

煤矿的安全生产一直是人们重点研究的课题之一。在众多的煤矿开采安全事故中，瓦斯引起的事故占到了大多数。对井下生产线的瓦斯浓度进行实时准确的预测，提前预知生产环境是否处于安全状态，对煤矿的安全生产来说意义重大。针对这一问题，提出了一种基于NSGAII训练的随机隐含层神经网络（BNSGAII NN）来进行瓦斯浓度预测的方法。一方面，NSGAII需要设定的参数少，使用较为简单；另一方面，NSGAII中的交叉变异机制避免了陷入局部最优解。为了证明NSGAII训练的随机隐含权值神经网络的预测质量，通过实验与PSOGSA训练的随机隐含层神经网络（PSOGSA NN）进行了对比。实验结果表明,BNSGAII NN的预测质量明显高于PSOGSA NN的预测质量。

关键词：

基于图分析方法和余弦相似性的主题检测研究

马长林，程梦丽，王涛

2019, 41(04): 708-712. doi:

摘要 ( 99 )

PDF (612KB) ( 121 ) 　　

如何从海量文本中自动提取有价值的主题信息已成为重要的技术挑战，当下的研究方法大多数是在假设主题相互独立的前提下进行的，但实际上主题与主题之间有着复杂的内在联系。为解决以上问题，将相关性理论与改进的图分析方法相结合，基于主题相关性和术语共现性对主题检测进行建模，高精度语义信息和潜在共现关系同时被用于主题检测，来发现重要且有意义的主题和趋势，仿真实验验证了本文模型的有效性。

基于双向LSTM的军事命名实体识别

李健龙，王盼卿，韩琪羽

2019, 41(04): 711-718. doi:

摘要 ( 204 )

PDF (541KB) ( 228 ) 　　

为了减少传统的命名实体识别需要人工制定特征的大量工作，通过无监督训练获得军事领域语料的分布式向量表示，采用双向LSTM递归神经网络模型解决军事领域命名实体的识别问题，并且通过添加字词结合的输入向量和注意力机制对双向LSTM递归神经网络模型进行扩展和改进，进而提高军事领域命名实体识别。实验结果表明，
提出的方法能够完成军事领域命名实体的识别，并且在测试集语料上的F-值达到了87.38%。

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李君娣，张正军，庄立纯，张乃今

2019, 41(04): 719-726. doi:

摘要 ( 32 )

PDF (737KB) ( 44 ) 　　

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基于残差网络和随机森林的音频识别方法

张晓龙1,2,3，彭宜1,2,3

2019, 41(04): 727-732. doi:

摘要 ( 119 )

PDF (463KB) ( 156 ) 　　

环境声音分类（ESC）是音频处理领域的重要分支之一，在未来多媒体应用中有重要的作用。音频识别是提取音频中特定的声学特性，将音频分类至样本对应的正确场景，有助于感知和理解周围环境。现阶段音频识别主要是通过信号处理技术和机器学习方法达成。随着人工智能飞速发展，传统的音频处理技术以及机器学习方法面临着巨大的挑战，ESC的识别准确性有待进一步提高。结合残差网络和随机森林两种方法，将一维时域信号的音频数据转换为二维数据形式的梅尔声谱图，预训练残差网络获得一个精度较高的网络模型作为特征提取器，利用该网络模型提取音频中的深层特征，再利用随机森林对深层特征进行分类。该方法在ESC任务上识别率提升了近10%，取得了较好的分类结果。

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张国涛1，付晓东1,2，岳昆3，刘骊1，冯勇1，刘利军1

2019, 41(04): 733-741. doi:

摘要 ( 80 )

PDF (605KB) ( 107 ) 　　

客观上，用户的评价准则是由主观意识决定的，用户之间的评价准则不同导致多个用户对同一服务的评分不具备可比较性，不考虑不同用户评分的不可比较性所获得的服务推荐将难以满足用户个性偏好及其真实需求。为此，提出一种面向不一致用户评价准则的在线服务推荐方法，考虑用户偏好不一致时用户对在线服务的偏好关系，以偏好关系计算用户之间的相似度，并以此获得在线服务推荐结果。首先以用户服务评分矩阵为基础建立用户对服务的偏好关系，其次根据偏好关系计算用户之间的相似度，然后以用户相似度为基础对用户未评分的服务进行评分预测，最后以预测评分的排序结果作为推荐结果。与经典的协同过滤推荐方法的比较实验，验证了本方法的有效性。实验表明，本方法获得的推荐结果能满足大多数用户的服务偏好，同时获得了比经典的协同过滤推荐方法更好的准确率。

故障样本的多指标集成加权分配方法

刘磊,宋家友

2019, 41(04): 744-749. doi:

摘要 ( 173 )

PDF (522KB) ( 153 ) 　　

针对测试性验证实验中故障样本分配结果置信度比较低的问题，提出了一种多指标集成加权的分配方法。首先，综合分析故障属性与环境因子对故障样本分配结果置信度的影响，在此基础上，定量计算影响指标的值；其次，采用集成加权法确定各个指标的权重；最后，利用归一化后的指标比值进行故障样本分配。该方法改进了故障率、严酷度、危害度及指标权重的计算方法，并提出了故障样本分配中故障-环境关联度的计算方法。在某型装备故障样本分配中的应用结果表明，该方法的分配结果更合理，置信度更高，更具有实际应用价值。

文本情感分析方法研究综述

洪巍1,2,李敏2

2019, 41(04): 750-757. doi:

摘要 ( 318 )

PDF (585KB) ( 556 ) 　　

文本情感是信息挖掘的一个新兴领域，近年受到管理学等相关领域的广泛关注。目前，文本情感分析使用的方法主要有情感词典方法和机器学习方法。由于文本情感分析的结果对优化政府、企业以及消费者决策具有重大意义，以文本情感分析的方法为视角，对情感词典的方法、有监督的机器学习方法和弱监督的深度学习方法以及其他方法的相关文献进行了梳理并做出评述。此外，指出虽然文本情感分析领域的学者基于情感词典和有监督的机器学习方法已提出许多情感分析模型，但准确率和效率普遍不高，进一步的研究重点应在于使用深度学习的方法处理文本情感，并提出未来的研究方向。

基于混合粒子群算法的运动估计研究

覃远年，梁仲华

2019, 41(04): 758-764. doi:

摘要 ( 40 )

PDF (559KB) ( 68 ) 　　

针对块匹配运动估计算法中传统搜索方法的不足，提出了一种新的基于混合粒子群的块匹配运动估计算法。在保留系统随机搜索性能的同时根据运动矢量特性合理地设计初始搜索种群，并通过混沌差分进化搜索协同粒子群算法迭代寻优，混沌序列用于优化差分变异算子，以提高算法的精细搜索能力。通过相同点检测技术和恰当的终止计划有效地降低了系统的运算复杂度。经实验测试与验证，该算法在搜索质量和运算复杂度中达到了一种动态平衡的状态，其整体性能高于传统的快速运动估计算法，效果更逼近于穷举搜索法。

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