计算机工程与科学

2019年第8期目录

2019, 41(08): 0-0. doi:

摘要 ( 17 )

PDF (296KB) ( 75 ) 　　

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通过部分Warp重组消除GPGPU控制流的不一致性

沈立，杨耀华，王志英

2019, 41(08): 1335-1342. doi:

摘要 ( 139 )

PDF (827KB) ( 282 ) 　　

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GPU已被广泛应用于当前的高性能计算系统中，但其性能却受到程序运行时不同控制流方向的严重制约。这一问题通常通过动态Warp重组技术来解决，即将一个或多个Warp内沿相同控制流执行的线程组合在一起，构成一个新的 Warp。但是，这类方法普遍存在一些不必要的重组，引入了较大的额外性能开销。分析了线程重组的性能开销，并提出了一种称作“部分重组”的性能优化方法。这种方法在保证重组效率的前提下，避免了对包含活跃线程数量较多的Warp的重组，从而有效减少了线程重组引入的性能开销。测试结果表明，部分重组能够在保证重组效率的前提下带来较为明显的性能提升。

基于TCG技术的二进制翻译条件转移指令优化研究

张家豪，单征，岳峰，傅立国，王军，李明亮

2019, 41(08): 1343-1352. doi:

摘要 ( 273 )

PDF (1081KB) ( 247 ) 　　

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在二进制翻译中引入TCG中间表示技术可以实现多目标平台之间的程序移植，同时可以更加方便地引入新型平台，解决新平台对主流平台的兼容性问题。然而由于原有的中间表示在翻译过程中影响了代码的关联度，生成的后端代码中存在较多冗余指令，影响翻译程序的执行效率。分析了指令优化可行性，针对条件跳转指令进行优化，通过指令预处理对中间表示进行改进，实现中间表示到后端代码生成由一对多翻译模式到多对多翻译模式的转变，采用指令归约技术，针对条件跳转指令的2种模式CMP-JX型与TEST-JX型，分别设计相应的优化翻译算法，并在开源二进制平台QEMU上实现。基于NPB-3.3和SPEC CPU 2006测试集进行了测试，与以前的翻译模式进行对比，优化后的代码膨胀率平均减少了14.62%，翻译程序运行速度提升了17.23%，验证了该优化方法的有效性。

一种基于两级DAG模型的MapReduce工作流异构调度算法

王宇新，王飞，王冠，郭禾

2019, 41(08): 1353-1359. doi:

摘要 ( 141 )

PDF (616KB) ( 200 ) 　　

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MapReduce编程模型被广泛应用于大数据处理平台，而一个有效的任务调度算法对模型的运行效率至关重要。将MapReduce工作流的Map和Reduce阶段分别拆解为若干个有先后序限定关系的作业，每个作业再拆解为多个任务。之后基于计算集群的可用资源和任务异构性，构建面向作业和任务的2级有向无环图(DAG)模型，同时提出基于2级优先级排序的异构调度算法2-MRHS。算法的第1阶段进行优先级排序，即对作业和任务分别进行优先权值计算，再汇总得到任务的调度队列；第2阶段进行任务分配，即基于最快完成时间将每个任务所包含的数据块子任务分配给最适合的计算结点。采用大批量随机生成的DAG模型进行实验，结果表明与其他相关算法相比，本文算法有更短的调度长度（makespan）且更加稳定。

基于消息队列的LightGBM超参数优化

南东亮1,2，王维庆1，王海云1

2019, 41(08): 1360-1365. doi:

摘要 ( 157 )

PDF (879KB) ( 242 ) 　　

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为了提高LightGBM超参数优化效率，同时得到全局最优模型，提出了以消息队列方式并行优化LightGBM超参数方法。根据超参数的预选范围，将每一组超参数发送到队列中，各节点从队列获取到消息后以并行方式进行模型训练并验证准确率，最后选出准确率最高的模型计算待预测的数据集。实验结果表明，与传统的网格搜索、贝叶斯法、随机搜索方法以及消息队列串行优化相比，消息队列并行优化超参数方法时间最短，AUC值最大。

微服务环境下容器编排可视化实践研究

张丽敏，高晶，李务斌，刘晨

2019, 41(08): 1366-1373. doi:

摘要 ( 175 )

PDF (773KB) ( 279 ) 　　

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伴随着云计算的快速发展，海量数据等业务需求的处理无法只依赖单体应用程序。微服务软件架构模式以其模块化、可扩展、高可用的应用优势为应用程序的开发带来了新的设计思路。容器是基于共享Linux内核、面向应用的一种新兴的轻量级虚拟化技术，以Docker为代表的容器技术为微服务提供了理想的载体。同时，以Kubernetes为代表的容器编排工具则极大地简化了容器化微服务创建、集成、部署、运维的整个流程。在开发和运维向“面向容器”的转变中，会带来数量庞大且关系复杂的服务组合，此时微服务的创建与部署则变得尤为重要。从易用性角度出发，提供了一种容器编排的可视化方法，实践分析显示，利用此方法进行的微服务部署不仅为研发人员提供了友好型服务创建界面，而且还便利了服务创建过程，提高了开发效率。

基于频次的SAT问题学习子句混合评估算法

吴贯锋1,2，徐扬2,3,陈青山1,2,何星星2,3，常文静1,2

2019, 41(08): 1374-1380. doi:

摘要 ( 169 )

PDF (689KB) ( 229 ) 　　

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为了有效管理学习子句，避免学习子句规模呈几何级增长，减少冗余学习子句对系统内存占用，从而提高布尔可满足性问题SAT求解器的求解效率，需要对学习子句进行评估，然后删减学习子句。传统的评估方式是基于学习子句的长度，保留较短的子句。当前主流的做法一个是变量衰减和VSIDS的子句评估方式，另外一个是基于文字块距离LBD的评估方式，也有将二者结合使用作为子句评估的依据。通过对学习子句参与冲突分析次数与问题求解的关系进行分析，将学习子句使用频率与LBD评估算法混合使用，既反映了学习子句在冲突分析中的作用，也充分利用了文字与决策层之间的信息。以Syrup求解器（GLUCOSE 4.1并行版本）为基准，在评估算法与并行子句共享策略方面做改进测试，通过实验对比发现，混合评估算法比LBD评估算法有优势，求解问题个数明显增多。

基于多核学习的自适应DDoS攻击检测方法

张晨1，唐湘滟1,2，程杰仁1,2,3，董哲1，李俊麒1

2019, 41(08): 1381-1389. doi:

摘要 ( 125 )

PDF (899KB) ( 211 ) 　　

分布式拒绝服务DDoS攻击是互联网安全的主要威胁之一。当前大多数检测方法采用单一特征，在大数据环境下不能有效地检测DDoS早期攻击。提出了一种基于多核学习的特征自适应DDoS攻击检测方法FADADM,根据DDoS攻击流量的突发性、地址的分布性以及通信双方的交互性定义了5个特征。基于集成学习框架，分别提出采用增大同类方差与异类均值差的比值IS/M和减少同类方差与异类均值差的比值RS/M的方式自适应地调整各特征值的权重，基于简单多核学习SimpleMKL模型训练出IS/M-SimpleMKL和RS/M-SimpleMKL 2种具有不同特性的多核学习模型，以识别DDoS早期攻击。实验结果表明，本文方法能够快速、准确地检测DDoS早期攻击。

面向未来网络的信息-物理融合系统的探讨

姚建刚1，文武1,2，康童1，张小峰1，金永顺3

2019, 41(08): 1390-1397. doi:

摘要 ( 125 )

PDF (865KB) ( 234 ) 　　

随着信息通信技术的发展，信息-物理融合系统已成为相互依存、深度融合的超大规模二元复合网络系统。研究其信息网络框架、体系结构和大数据及碎片化知识的属性，对未来智能电网理论研究和实际工程应用具有重要意义。针对互联网、物联网、大数据知识等引领人类社会进入信息知识大爆炸时代的特征，重点探讨电力信息-物理融合系统所面临的机遇和挑战，未来将呈现新能源并网、电子信息装置比率提升、多能源和多网络融合的发展趋势，从发、输、变、调配用等环节提出了大数据和人工智能知识的应用展望，助力于未来智能电网信息化决策与部署。

异构网络中基于用户划分的资源分配与功率控制方案

刘辉1,2,3，宋家旺1,2，代云霞1,2，朱彬欣1,2

2019, 41(08): 1398-1405. doi:

摘要 ( 105 )

PDF (725KB) ( 218 ) 　　

部署异构网络是提高移动通信系统容量至关重要的举措。然而宏基站的高发射功率会使得微蜂窝边缘用户受到严重的干扰；同时，微蜂窝周围的宏蜂窝用户由于靠近微基站将同样受到其所造成的干扰，因此这些用户应该受到保护。通过研究异构网络下行传输中的资源分配与功率控制策略，提出了一种基于用户划分的资源分配与功率控制方案。首先根据用户的信干噪比对用户进行分类，同时为受干扰严重的边缘用户划分保护频带。此外，通过动态地调整每个基站在保护频带上的传输功率，在不过度牺牲系统性能情况下减轻边缘用户的干扰。仿真结果表明，与传统方案相比，该方案能够有效抑制宏蜂窝和微蜂窝边缘用户的干扰并提高整个系统的吞吐量。

快递配送路径的优化研究与软件设计

李玲玉,张昆

2019, 41(08): 1406-1412. doi:

摘要 ( 190 )

PDF (808KB) ( 345 ) 　　

中国的快递行业近几年来呈现出爆发式的增长，如何提高快递员的配送效率以及保障交通安全，已经成为一个亟需解决的重要课题。结合旅行商问题（TSP）在快递配送中的应用，采用C-W节约算法对快递配送路径进行了优化研究。用蒙特卡罗模拟后发现，C-W节约算法比快递员当前使用的最近邻居算法（NNH）更优，C-W节约算法找出的最佳路径平均缩短了7.8%的里程。借助高德地图API获取配送点之间的路径信息，采用C-W节约算法和Shiny R技术结合，开发了基于Internet的快递配送路径优化工具Delivery Helper。Shiny技术简化了网页开发过程，使用R语言就可以搭建动态交互的网页应用程序。快递公司或快递员只需登录软件网址就可使用Delivery Helper。该软件有望提高快递员的配送效率，减少快递员低头看手机的次数，从而保障交通安全。

基于MLP-HMM的跨站脚本攻击检测

周康，万良，丁红卫

2019, 41(08): 1413-1420. doi:

摘要 ( 98 )

PDF (763KB) ( 213 ) 　　

针对隐马尔科夫模型（HMM）在跨站脚本检测中对初始先验假设估计不准确和以极大似然准则规定的HMM参数分类能力差的缺陷，提出了一种基于MLP-HMM的跨站脚本检测模型。首先，使用自然语言处理（NLP）方法解决数据高维复杂性问题。然后，通过多层感知机（MLP）神经网络学习对整个模型进行权值微调得到初始观察矩阵。最后，将该观察矩阵代入HMM中，增强HMM参数构建能力和分类能力。结果表明，结合MLP的HMM相比于原始HMM以及传统算法在跨站脚本检测上检测率有显著提高，并缩短了检测时间。

D2D网络中的缓存副本数布设算法

文凯1,2,3,谭笑1,2

2019, 41(08): 1421-1425. doi:

摘要 ( 86 )

PDF (593KB) ( 200 ) 　　

在Device-to-Device (D2D)缓存网络中，缓存文件的副本数量是制约系统缓存效率的重要因素，过多的副本会导致缓存资源不能得到充分利用，副本数过低又将
使流行文件难以被有效获取。针对D2D缓存网络副本布设问题，以系统缓存命中率最大化为目标，利用凸规划理论，提出了一种缓存文件副本数布设算法（CRP）。仿真结果显示，与现有副本数量布设算法相比，该算法可以有效提升D2D缓存网络总体缓存命中率。

面向需求的安全关键系统形式化建模与验证方法研究

胡军,张维珺,李宛倩

2019, 41(08): 1426-1433. doi:

摘要 ( 163 )

PDF (1068KB) ( 260 ) 　　

在安全关键系统领域中，明确的需求对于一个系统的作用至关重要。使用基于模型的系统工程思想对自动飞行控制系统进行面向需求的形式化建模与验证，使用RSML-e语言对自动飞行控制系统（AFCS）需求进行建模，提出一种将RSML-e模型转化成NuSMV 2模型的方法，并用NuSMV 2对模型的属性进行验证。针对一个真实综合航电系统中的自动飞行控制系统GFC700进行分析验证，实验结果表明，该方法对实际系统的安全性分析具有可行性。

一种支持设计时软件重用的反射式软件体系结构及其形式化研究

罗巨波1，应时2，刘天时1

2019, 41(08): 1434-1443. doi:

摘要 ( 98 )

PDF (1838KB) ( 232 ) 　　

软件体系结构在软件重用中有着特殊的意义。缺乏显式的描述并使用支持体系结构重用过程的信息和缺乏有效的重用方法是软件体系结构难以重用最根本的原因。在软件设计阶段，将元信息、元建模、反射和软件体系结构结合起来，构造了一种支持软件体系结构重用的反射式软件体系结构。给出了基于反射式软件体系结构的软件体系结构重用过程。给出了反射式软件体系结构的具体化过程的基本原理和具体化操作的Object-Z形式化描述，即创建元组件、创建元连接器、创建元组合件操作的形式化描述。给出了基于反射式软件体系结构的软件体系结构重用的支撑工具的设计过程。

基于3D CNN的鼻咽癌CT图像分割

肖银燕，全惠敏

2019, 41(08): 1444-1452. doi:

摘要 ( 100 )

PDF (1049KB) ( 225 ) 　　

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基于混合自动编码器道路语义分割方法研究

周飞,唐建,杨成松,芮挺

2019, 41(08): 1453-1458. doi:

摘要 ( 114 )

PDF (744KB) ( 241 ) 　　

道路检测是无人驾驶汽车环境感知的重要环节，利用计算机视觉技术实现对环境场景的语义分割是确保无人驾驶汽车安全行驶的关键技术之一。提出一种稀疏自动编码器和去噪自动编码器相结合的混合自动编码器语义分割模型，利用稀疏自动编码器的稀疏性语义编码和去噪自动编码器鲁棒的语义编码，使混合模型学习的特征更有利于图像的语义分割。通过建立一种合理的模型排列顺序与堆叠形式，实现对图像语义的优化选择，从而建立一个具有深度的“富结构”语义分割模型，进一步提高语义分割性能。实验表明，本文所提模型更为简单、训练周期短，具有较好的综合图像分割性能。

基于邻域优化机制的图像显著性目标检测

魏伟一，王瑜，窦镭响，文雅宏

2019, 41(08): 1459-1465. doi:

摘要 ( 100 )

PDF (1074KB) ( 244 ) 　　

在显著性目标检测中，背景区域和前景区域区分度不高会导致检测结果不理想。针对这一问题，提出一种基于邻域优化机制的图像显著性目标检测算法。首先对图像进行超像素分割；然后在CIELab颜色空间建立对比图和分布图，并通过一种新的合并方式进行融合；最后在空间距离等约束下，建立邻域更新机制，对初始显著性图进行优化。实验对比表明，该算法显著性目标检测效果更好。

基于多种先验的盲图像复原方法

许煜，刘辉，尚振宏

2019, 41(08): 1466-1473. doi:

摘要 ( 170 )

PDF (906KB) ( 357 ) 　　

基于好的还原图像是倾向于清晰图像而不是模糊图像这样一个事实，提出了一种基于多种先验的有效的盲图像去模糊方法。目前比较好的去模糊方法对于特定场景图像的复原效果不理想，存在一些模糊，包括轮廓和细节表示不清晰。为解决这些问题，结合多个先验知识，包括暗通道先验、强度图像先验和梯度图像先验知识，并加以权衡，就可以在复原过程中为轮廓和细节提供更多的先验信息，并把这个先验知识放到MAP的框架中,通过不断地迭代得到估计模糊核，再利用非盲的图像复原方法对原图像复原。在泛化处理自然环境的多种场景中，本文方法相较于目前比较先进的方法，结果的轮廓和细节都有不错的提升。

X射线图像三维重建的自标定优化算法

张伯麟1，刘荣海2，郑欣2，杨迎春2，陈磊1，万书亭1

2019, 41(08): 1474-1481. doi:

摘要 ( 115 )

PDF (762KB) ( 208 ) 　　

根据X射线图像成像特点，提出一种适用于X射线图像三维重建的自标定算法。首先基于SIFT算法得到相邻2幅X射线图像对应轮廓特征匹配关系；然后根据匹配关系计算得到基础矩阵；接着根据基础矩阵估计X射线无损检测设备内参数初值；最后基于改进Kruppa方程优化内参数，得到X射线图像三维重建自标定内参数。根据优化前后的内参数建立的电力金具三维模型，从形状和关键尺寸误差2方面进行对比，结果表明优化后的内参数具有较高的精度和可靠性。

装配序列约束下的飞机虚拟维修过程建模仿真

钱文高1，耿宏1，马红岩2

2019, 41(08): 1482-1489. doi:

摘要 ( 83 )

PDF (632KB) ( 210 ) 　　

针对当前飞机虚拟维修过程模型固化，对维修复杂行为关系缺乏考虑，无法满足学员多样性实训需求的现状，充分考虑了飞机系统的复杂度、学员操作的不规范性和随机性等因素，依据各维修装配序列间的优先约束关系，构建了优先约束矩阵，进而定义了优先约束时间有色Petri网模型。在系统梳理维修实体及其维修操作行为的基础上，提出了虚拟维修实体操作元模型和元模型融合下的过程建模，阐述了基于优先约束时间有色Petri网的动态虚拟维修过程实现方法。最后，以A320飞机加油活门的某一个随机拆卸过程为例，进行建模仿真，验证了模型的有效性。

基于局部均值分解和改进小波熵的时序SAX模型

白莹莹，王会青，郭芷榕

2019, 41(08): 1490-1496. doi:

摘要 ( 101 )

PDF (870KB) ( 190 ) 　　

符号聚合近似表示法是提取时间序列特征的重要方式。然而，传统的符号聚合近似表示法存在平均化分段数、同等对待划分区间，以及无法准确反映非平稳序列的突变信息等多项缺陷。鉴于此，通过引入局部均值分解和改进小波熵的分段算法，建立了一种新的时序SAX模型。该模型的基本原理是采用局部均值分解技术对原始序列进行去噪处理，利用滑动窗口阈值法获取分段数，并使用SAX表示法进行符号表示，利用KNN分类器实现分类性能测试。基于这一改进模型，进行了实证检验，实验结果表明，该模型能够有效提取序列的信息特征，具有较高的拟合度，达到了降维的目的，更重要的是，提高了KNN分类算法在SAX表示法中分类的准确率。

关键词：
局部均值分解；滑动窗口；小波熵；符号聚合近似

基于短语的柬汉双语LDA主题模型

谢庆1，严馨1，诺宇1，徐广义2，周枫1，郭剑毅1

2019, 41(08): 1497-1503. doi:

摘要 ( 88 )

PDF (678KB) ( 191 ) 　　

为了有效地获取双语文档的主题分布，提出了一种基于短语的柬汉双语LDA主题模型。修改了传统LDA主题模型中的词袋模型，融入短语（N-gram）的概念，能够在主题预测过程中考虑文章的词序以及上下文，并将之应用于可比语料的双语环境中。本模型基于一个3层贝叶斯网络模型，在此框架下，首先搜集中文和柬埔寨语的可比语料，每一对双语可比语料文档共享一个相同的主题分布，之后引入发现主题以及主题短语的主题模型：对每个单词，首先进行主题抽样，然后将其状态作为短语进行采样，最后对来自特定主题短语分布的单词进行采样。通过实验结果可知，基于短语的双语LDA主题模型比一般的双语LDA模型更能抓住文章的主题，且有更好的主题预测能力。

基于模糊人工势场法的多智能体编队控制及避障方法

郑延斌1,2，席鹏雪1，王林林1，樊文鑫1，韩梦云1

2019, 41(08): 1504-1511. doi:

摘要 ( 273 )

PDF (1645KB) ( 342 ) 　　

针对动态环境中多智能体编队控制及避障问题，提出了一种基于模糊人工势场法的编队方法。首先，在领航跟随法的框架下控制编队队形，在动态队形变换策略的异构模式下，使用人工势场法为多智能体编队中每个智能体规划避障路径；其次，利用模糊控制器控制跟随智能体追踪领航智能体，同时保持跟随智能体之间与领航智能体的相对距离，遇到未知障碍物时，及时保持多智能体编队之间的队形并避免碰撞障碍物。针对人工势场法在引力增量系数和斥力增量系数设置的局限性，利用模糊控制器选择出适应环境的增量系数。Matlab仿真实验结果表明，该方法能够有效地解决复杂环境下多智能体编队控制及避障问题，使用效率函数对实验数据进行分析，验证了所优化方法的合理性和有效性。

融合BTM和图论的微博检索模型

蔡晨1,2，罗可1,2

2019, 41(08): 1512-1518. doi:

摘要 ( 123 )

PDF (623KB) ( 176 ) 　　

微博数据量庞大且微博文本的字符数少、特征稀疏，为提高检索精度，提出一种融合BTM和图论的微博检索模型，通过词汇语义相关度计算微博文本中带有标签的特征相关度，构建bi-term主题模型，用JSD距离计算映射到该模型中短文本的词对相关度，抽取CN-DBpedia中实体及图结构，再使用SimRank算法计算图结构中实体间的相关度。综上3种相关度为该模型最终相关度。最后使用新浪微博数据集进行检索实验，实验结果表明：对比于融合隐含狄利克雷分布算法与图论的检索模型和基于开放数据关联和图论方法系统模型，新模型在MAP、准确率和召回率上性能有明显提高，说明该模型具有较优的检索性能。

一种基于集成的不均衡数据流分类算法

袁泉1,2,郭江帆1,赵学华1

2019, 41(08): 1519-1524. doi:

摘要 ( 109 )

PDF (632KB) ( 215 ) 　　

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目前数据流分类算法大多是基于类分布这一理想状态，然而在真实数据流环境中数据分布往往是不均衡的，并且数据流中往往伴随着概念漂移。针对数据流中的不均衡问题和概念漂移问题，提出了一种新的基于集成学习的不均衡数据流分类算法。首先为了解决数据流的不均衡问题，在训练模型前加入混合采样方法平衡数据集，然后采用基分类器加权和淘汰策略处理概念漂移问题，从而提高分类器的分类性能。最后与经典数据流分类算法在人工数据集和真实数据集上进行对比实验，实验结果表明，本文提出的算法在含有概念漂移和不均衡的数据流环境中，其整体分类性能优于其他算法的。

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