计算机工程与科学

2021年第11期目录

2021, 43(11): 0-0. doi:

摘要 ( 138 )

PDF (294KB) ( 154 ) 　　

GROMACS 2020在ROCm平台上的移植与优化

张驭洲, 曹武迪, 卜景德, 谭光明, 吉青

2021, 43(11): 1901-1909. doi:

摘要 ( 225 )

PDF (1090KB) ( 189 ) 　　

GROMACS是应用广泛的开源分子动力学模拟软件，当前主要通过CUDA使用NVIDIA GPU进行加速计算。ROCm是一个开源的高性能异构计算平台。基于ROCm平台的HIP编程语言，首次实现了GROMACS 2020系列在ROCm平台上的完整移植。在MI50 GPU上，以一个复杂离子液体模拟算例为目标，使用GPU性能分析工具rocprof对移植代码进行了性能分析。针对MI50硬件特性，先后对成键力核函数、静电力的PME核函数和短程非成键力核函数进行了优化，优化后运行目标算例的性能相比初始版本整体上获得了约2.8倍的加速比，在 MI50上的性能高于GROMACS原版OpenCL代码60.5%，相对纯CPU版本有约2.7倍的加速比。在另外2个具有代表性算例的单结点测试以及离子液体算例的多结点扩展性测试中，优化后的代码也达到了较好的性能提升，这表明所采用的优化操作具有一定的通用性。

一种基于混淆矩阵的多分类任务准确率评估新方法

张开放, 苏华友, 窦勇

2021, 43(11): 1910-1919. doi:

摘要 ( 236 )

PDF (531KB) ( 176 ) 　　

多分类任务准确率评估对评判模型的分类效果具有重要的理论意义和应用价值。针对机器学习领域的多分类任务，在现有方法的基础上，通过拓展和迁移应用，给出一种新的评估方法。为了准确评估多分类任务模型的分类效果，将遥感图像分类效果评估方法引入多分类任务。针对多分类任务的实际特点，对该方法进行了改进与推广，以更好地评估分类器效能。基于MNIST手写字符集识别任务和CIFAR-10数据集分类任务的实验结果表明，同样是基于混淆矩阵进行计算，与现有的评估方法相比，该方法可以同时给出分类器整体的分类效果和单个类别的分类效果，对于改进训练过程有一定的指导意义。另一方面，该方法可以推广到任意的分类任务分类效果评估工作中，具有较好的应用前景。

水声环境特征参数并行预报方法研究

范培勤, 过武宏, 韩梅, 唐帅, 张驰,

2021, 43(11): 1920-1925. doi:

摘要 ( 95 )

PDF (710KB) ( 76 ) 　　

随着水声装备的快速发展，其性能发挥与海洋环境的耦合越来越紧密，如何为水声传感器提供长时间、大范围、精细化水声环境参数信息，对优化水声传感器设计，充分发挥其探测性能，实现海洋环境与传感器性能发挥的最佳匹配具有重要意义。利用MPI并行编程环境开发了水声环境特征参数并行预报程序，实现了水声环境特征参数的快速预报，针对并行程序存在的任务负载不均衡问题，分析了造成负载分配不均衡的原因，给出了性能优化的策略和方法。测试结果表明，优化后的并行程序，负载均衡问题得到了有效改善，计算时间大幅缩短，大大提升了水声环境参数预报能力。

面向操作系统版本构建的软件包依赖关系分析

马俊, 周凯, 任怡, 朱浩, 秦莹, 王静

2021, 43(11): 1926-1933. doi:

摘要 ( 160 )

PDF (712KB) ( 158 ) 　　

基于Linux的开源操作系统发行版本通常都是由一系列相互关联的软件包构建而成，由于软件包数量庞大、互相之间依赖和冲突等关系复杂，操作系统版本构建也变得复杂，定制裁剪的粒度和精度不足，可能存在很多冗余软件包。目前，操作系统版本的构建主要还是根据工程经验进行组织，特别是软件包的选择缺少理论分析和指导。给出基于依赖关系的操作系统版本构建的基本模型，并结合Ubuntu开源发行版本的版本构建过程和软件仓库数据，对软件包的出入度、优先级和分类等特征进行统计分析和模型验证，从依赖关系角度总结出操作系统版本构建的主要原则，为后续提升版本自动化定制裁剪的精度以及软件发行演化和故障分析提供指导和重要参考。

一种部分流水的多塔三维SoC测试时间优化算法

邵晶波, 王丹, 王岩, 张瑞雪

2021, 43(11): 1934-1943. doi:

摘要 ( 71 )

PDF (1435KB) ( 55 ) 　　

针对硬晶片构成的多塔三维SoC绑定中测试，提出考虑测试访问机制、层间硅通孔数和测试功耗约束的测试时间优化算法。只要任意一种测试资源约束不满足待调度晶片测试，就依次释放最早结束测试的晶片测试资源，直到待调度晶片尽可能提前测试为止，以此实现该晶片与未结束测试晶片的部分流水。选用ITC02测试基准电路中的5种典型电路，手工搭建2种塔内包含子塔的多塔三维SoC。实验结果表明，与已有算法相比，提出的算法减少了空闲时间块，显著缩短了总测试时间；实验还发现，与增加TSV数相比，增大测试引脚数更能有效减少多塔三维SoC的总测试时间。

基于Delaunay三角划分策略的WSN区域覆盖优化研究

张晶, 魏淼,

2021, 43(11): 1944-1951. doi:

摘要 ( 113 )

PDF (1142KB) ( 88 ) 　　

针对无线传感器网络在对初次抛洒节点形成的覆盖漏洞进行二次部署的过程中,传统几何学方法难以运用于概率感知模型的问题，提出一种基于Delaunay三角划分策略的无线传感器网络区域覆盖优化算法——DPSO算法。首先对监测区域内随机抛洒的静态节点和监测区域边缘顶点进行Delaunay三角划分，以得到静态节点三角网，结合无线传感器网络节点的概率感知模型证明三角形内部存在完全未覆盖区域即覆盖漏洞；其次将通过筛选得到的三角形形心集合作为粒子群优化算法的初始解集，利用改进的粒子群优化算法完成对移动节点的二次部署，以达到修复覆盖漏洞的目的。实验表明，所提出的基于Delaunay三角划分策略的优化算法能够有效修复覆盖漏洞，使区域覆盖率得到显著提高。

计算机网络管理困境与对策

王宏, 王承松, 郦苏丹

2021, 43(11): 1952-1958. doi:

摘要 ( 96 )

PDF (585KB) ( 96 ) 　　

随着5G时代的到来，网络业务的快速部署能力和网络运维能力需求对网络管理提出了新的挑战。一方面，网络正在进行功能虚拟化转型，切片和微服务使网络更复杂；另一方面，网络管理人员需要更加简单的自动化工具集合支持按需、实时、灵活的网络服务。分析了当前网络管理面临的困境和产生困境的原因，提出了网络自主管理研究框架，为进一步研究提供参考。

一种改进的远程用户身份认证方案

曹守启, 何鑫, 刘婉荣

2021, 43(11): 1960-1965. doi:

摘要 ( 101 )

PDF (653KB) ( 96 ) 　　

物联网的快速发展给人们的生产生活带来了极大的便利，但是如何保证用户的信息安全是物联网发展中必须解决的一个重要问题。为了解决该问题，必须在增加较低计算量的前提下，提出安全性更高的身份认证协议。对Nikooghadam等人提出的保护用户身份的协议进行了分析，并在此基础上提出了一种改进的远程用户身份认证协议。采用BAN逻辑进行验证，也进行了性能比较与计算效率分析，结果表明，提出的协议在增加较低计算量的前提下具有更高的安全性。

基于文献计量的国内区块链技术研究及应用态势分析

裴凇莹, 陈振国

2021, 43(11): 1966-1978. doi:

摘要 ( 116 )

PDF (1289KB) ( 73 ) 　　

为分析区块链技术的发展态势，从区块链总体论文产出、区块链应用、区块链金融3个方面设计检索需求，以CNKI中检索获得的文献为样本，引入文献计量分析的方法，并使用CiteSpace软件绘制关键词共现图谱、作者合作和机构合作图谱，对数据进行直观的可视化分析。在分析中，对区块链应用的关键词按含义进行相应的分类，并通过对区块链热点关键词的追踪统计，创新性地提出热点关键词的变化快慢与研究趋势的关联关系。结果表明，区块链相关论文从2015年开始至今呈现爆发式增长，区块链在金融方面的应用与研究、区块链自身特性技术、区块链与新兴技术的结合这些方面是当前研究的热点问题。对于作者和机构在区块链研究中的合作较少，科研合作团体有待形成。未来区块链研究重点更趋向于实际应用与新兴技术的结合。

数据驱动的船载外测数据实时处理软件架构设计与实现

张煜昕, 李永刚, 史鸣谦, 郭力兵, 杨海民, 胡上成

2021, 43(11): 1979-1985. doi:

摘要 ( 96 )

PDF (783KB) ( 91 ) 　　

针对航天测控任务的多样性和复杂性不断增加，特别是数据采样频率的变化调整，原有的时间驱动处理模式已经逐渐不能满足需求，基于时间驱动的软件架构开发的外测软件日益复杂，维护难度不断增加等问题，提出了一种数据驱动的船载外测数据实时处理软件架构，在银河麒麟操作系统下，基于该架构实现了外测数据实时处理软件，该软件包含多个由数据驱动的功能组件，各组件之间使用服务总线来实现数据交互与集成。实验表明，基于该架构实现的外测数据实时处理软件很好地解决了时延过大和时序交替的问题，能够满足当前航天任务需求。

基于改进卷积神经网络的腹部动脉血管分割

纪玲玉, 高永彬, 蔡清萍, 卫子然, 廖薇

2021, 43(11): 1986-199. doi:

摘要 ( 110 )

PDF (795KB) ( 100 ) 　　

腹部动脉血管分割对于胃癌淋巴结的转移和肝动脉变异类型的判断至关重要。针对腹部动脉血管分割精度低、易断裂等问题，提出一种改进卷积网络架构的腹部动脉分割方法。卷积网络的编码部分使用带有卷积注意的预训练模块(resnet34)，避免了梯度消失且可更好地获取图像的特征信息。为了扩大感受野和聚集多尺度特征信息，提出了一种新的多尺度特征融合模块。此外，动脉血管的边缘结构信息的学习至关重要，引入注意力导向滤波作为信息扩展路径，使输出特征更加结构化，提升血管分割的精度。所提方法在腹部动脉血管分割的实验结果表明，与基础网络U-Net相比，所提方法在灵敏度和交并比上分别提升了2.84%和1.19%。与CE-Net网络相比，在灵敏度和交并比上分别提升了1.34%和161%。

带形状参数的三次三角域Bézier曲面

查东东, 刘华勇, 王曾珍

2021, 43(11): 1994-2002. doi:

摘要 ( 52 )

PDF (3345KB) ( 38 ) 　　

为了能提升三次三角域Bézier曲面的形状控制能力，从局部形状参数和全局形状参数的角度出发，构造了带有2种参数的三次三角域Bernstein基函数。借由基函数定义了三次三角域λα-Bézier曲面，通过改变2种参数的取值达到不同的控制效果。将三角域λα-Bézier曲面与Bézier曲面进行了形状调节、时间复杂度和控制网格逼近程度3方面的比较，得出了三角域λα-Bézier曲面的优势。并给出了三次三角域λα-Bézier曲面片间满足C1、G1连续的条件及证明，相关实例也证实:三次三角域λα-Bézier曲面不仅继承了三次三角域Bézier曲面的优良性质，还可以通过变化参数取值来提高曲面的形状控制能力。在曲面拼接时，也可以通过改变参数来构造多种拼接造型。

一种基于改进拟仿射变换的基础矩阵估计方法

范宜凯, 刘石坚, 潘正祥,

2021, 43(11): 2003-2010. doi:

摘要 ( 90 )

PDF (1182KB) ( 49 ) 　　

以基础矩阵的估计为基础，使用计算机视觉的方法从一组不同角度、不同距离拍摄的同一场景所得的二维序列图像中还原出目标对象的三维空间信息，是实现基于图像的建模、即时定位与地图构建等前沿热点问题的主流解决方案。在基础矩阵估计问题中，准确性和效率是2个主要的衡量指标。准确性不够时，往往需要通过后端优化等方式花费高昂的代价对其进行修正，效率低则会影响系统的实时性。针对该问题，提出一种基于改进拟仿射变换的基础矩阵估计方法。具体来说，在QUATRE算法基础上，首先提出一种基于特定“基因-染色体”模式的种群协作方法。其次，重新定义齐次坐标系所表示的离散解空间中的种群初始化、变异和交叉等操作。此外，还提出一种基于置信度的迭代次数确定方式，用于加速本文方法。实验表明，该方法能有效剔除噪声和误匹配所产生的外点干扰，在准确性和效率方面优于LMedS、RANSAC和MSAC等方法，可有效解决基础矩阵估计问题。

自动驾驶模糊神经网络速度规划方法

王猛, 陈珏璇, 邓正兴

2021, 43(11): 2011-2019. doi:

摘要 ( 92 )

PDF (2274KB) ( 78 ) 　　

为提升自动驾驶的舒适性，降低速度规划算法的复杂度，提出了一种基于模糊神经网络的纵向速度规划方法。将人工驾驶经验总结为模糊规则表，建立了模糊速度规划模型，结合神经网络的自学习功能修正模糊速度规划模型，建立了模糊神经网络速度规划模型。分析了静态障碍物和动态障碍物场景，通过仿真验证了所提速度规划方法的可行性，与传统方法相比，加速度的平滑性能更好。所提速度规划方法具有一定的抗干扰性能，工程实现简单，保证了速度规划的实时性与稳定性。

改进K-means聚类算法行驶工况及油耗研究

苏小会, 张玉西, 徐淑萍, 尚煜

2021, 43(11): 2020-2026. doi:

摘要 ( 101 )

PDF (1181KB) ( 88 ) 　　

为解决传统聚类算法初始中心易陷入局部最优、耗时长的问题，提出一种改进的K-means聚类优化算法。该算法引入最大最小距离和加权欧氏距离，从剩余聚类点距离均值和出发，避免孤立点和边缘数据的影响。利用比重法对主成分进行改进，以由此获得的特征影响因子作为初始特征权重，构建一种加权欧氏距离度量。根据特征贡献率对聚类的影响，筛选具有代表性的特征因子凸显聚类效果，最终合成汽车行驶工况，分析瞬时油耗。结果表明，所提算法构建行驶工况的速度-加速度联合分布差异值仅为105%，比传统K-means聚类省时44.2%，行驶工况拟合度较高，能反映实际车辆的运行特征及油耗。

离散型和连续型改进Karnik-Mendel算法在高阶模糊系统降型中的关系研究

陈阳, 王涛

2021, 43(11): 2027-2034. doi:

摘要 ( 60 )

PDF (858KB) ( 39 ) 　　

降型是广义二型模糊逻辑系统的核心模块。比较和分析了离散改进Karnik-Mendel（EKM）算法中求和运算和连续EKM(CEKM)算法中求积分运算，基于广义二型模糊集的α-平面表达理论，扩展EKM算法计算完成广义二型模糊逻辑系统质心降型。当计算广义二型模糊逻辑系统的质心降型集和质心解模糊化值时，用2个仿真实验说明了当适当增加广义二型模糊集主变量采样个数时，离散EKM算法的计算结果可以准确地逼近CEKM算法。

基于Cubic映射的灰狼优化算法及应用

张孟健, 张浩, 陈曦, 杨靖

2021, 43(11): 2035-2042. doi:

摘要 ( 270 )

PDF (913KB) ( 148 ) 　　

针对标准的灰狼优化算法GWO对于复杂优化问题的求解易陷入局部最优的缺点,从混沌初始化和非线性控制策略2个角度，提出一种基于Cubic映射和反向学习的灰狼优化算法COGWO。首先，利用Cubic映射和反向学习策略对种群进行初始化，并通过非线性参数控制策略来调节寻优过程中的参数；然后，对6种基准测试函数进行寻优实验，实验结果表明，COGWO算法具有更好的收敛精度、收敛速度和稳定性；最后，将COGWO算法应用到了实际的工程优化问题中。

基于阿当姆斯捷径连接的深度神经网络模型压缩方法

杜鹏, 李超, 石剑平, 姜麟

2021, 43(11): 2043-2048. doi:

摘要 ( 83 )

PDF (731KB) ( 56 ) 　　

深度神经网络已经在各类计算机视觉任务中取得了很大的成功,可网络结构设计仍缺乏指导性的准则。大量的理论和经验证据表明,神经网络的深度是它们成功的关键,而深度神经网络的可训练性仍是待解决的问题。将微分方程数值解法——阿当姆斯(Adams)法用于深度神经网络的权重学习,提出一种基于阿当姆斯法的捷径连接(shortcut connection)方式,可提高网络后期的学习精度,压缩模型的规模,使模型变得更有效。尤其对网络层数较少的深度神经网络的可训练性优化效果更明显。以经典的ResNet为例,比较了使用基于Adams法的捷径连接方式的Adams-ResNet与源模型在Cifar10上的性能表现,所提方法在提高识别正确率的同时将源模型的参数量压缩至一半。

基于标签共现关系的多标签特征选择

李雨晨, 魏巍, 白伟明, 王达

2021, 43(11): 2049-2055. doi:

摘要 ( 121 )

PDF (599KB) ( 85 ) 　　

多标签数据广泛存在于现实世界中，多标签特征选择是多标签学习中重要的预处理步骤。基于模糊粗糙集模型，研究人员已经提出了一些多标签特征选择算法，但是这些算法大多没有关注标签之间的共现特性。为了解决这一问题，基于样本标签间的共现关系评价样本在标签集下的相似关系，利用这种关系定义了特征与标签之间的模糊互信息，并结合最大相关与最小冗余原则设计了一种多标签特征选择算法LC-FS。在5个公开数据集上进行了实验，实验结果表明了所提算法的有效性。

一种求解命题公式骨干集的警示传播算法

王帅, 王晓峰, 梁田, 李志

2021, 43(11): 2056-2061. doi:

摘要 ( 78 )

PDF (836KB) ( 54 ) 　　

警示传播WP算法是一类重要的信息传播算法，在命题公式的可满足性判定中非常有效。通过对WP算法的数学原理分析发现，当算法收敛时以高概率固定部分变元的赋值，可以对公式进行化简。基于这样的特征修改WP算法的迭代方程和变元赋值条件，设计了一种求解命题公式骨干集的信息传播算法。当变元数目超过400时，与经典骨干集求解算法对比,效率提高了40%，与目前常用算法对比也有10%的提高。结果表明，所提算法求解命题公式骨干集时非常有效。

一种基于区域分裂与合并的势博弈网络拓扑控制算法

魏连锁, 陈齐齐, 韩建, 苏扬

2021, 43(11): 2063-2068. doi:

摘要 ( 59 )

PDF (796KB) ( 40 ) 　　

现有无线传感器网络拓扑控制算法在传感器节点部署密集或稀疏区域存在网络拓扑链路冗余、个别节点负载过重、瓶颈节点和网络生命周期短等问题。针对这些问题，提出一种基于区域分裂与合并的势博弈网络拓扑控制算法，该算法首先划分目标区域并随机抛洒传感器节点，在每个子区域内进行博弈并选出簇首节点，利用区域分裂与合并思想，在节点密集区域进行分割再博弈，防止部分节点负载过大，在节点稀疏区域利用权重链路进行合并，防止出现瓶颈节点以保障网络连通；然后对所有簇首节点实施二次势博弈生成簇首拓扑结构连接各子区域。仿真结果表明，该算法能够有效缓解节点负载，均衡节点能耗，延长网络生命周期。

基于自注意力机制的多模态语义轨迹预测

刘婕, 张磊, 朱少杰, 刘佰龙, 张雪飞

2021, 43(11): 2069-2070. doi:

摘要 ( 102 )

PDF (727KB) ( 94 ) 　　

随着社交媒体的快速发展，多模态语义轨迹的预测成为新的挑战。轨迹点间的依赖关系在预测中起到重要作用，同时也存在着以下挑战：轨迹信息中包含多种模态信息(时间、兴趣点和活动文本等)，存在时间、空间和活动意图等多种依赖，这些依赖关系很复杂，现有方法很难量化这些复杂依赖关系。为了解决以上问题，提出一种基于自注意力机制的多模态语义轨迹预测模型SAMSTP。SAMSTP先对多模态特征进行联合嵌入，再设计自注意力机制结合Position Encoding计算轨迹点之间的特征相似度，自动学习并量化复杂依赖权重，同时解决轨迹的长期依赖关系。最后，采用LSTM网络处理轨迹时序关系，并设计模式规范化机制解决依赖关系失真问题，加快模型收敛速度。在真实数据集上的实验结果表明，SAMSTP是有效的，并且优于现有最新方法。

一类连续的K-means 等价聚类模型及其优化算法

谢挺, 刘瑞华, 魏正元

2021, 43(11): 2077-2083. doi:

摘要 ( 85 )

PDF (454KB) ( 70 ) 　　

聚类作为一种非监督学习方法是数据科学中重要的研究内容。K-means是一种基于划分的聚类算法，一般是利用启发式算法求解一个离散的NP问题。为增强K-means在大数据问题中的应用性，从聚类矩阵的属性出发，设计了一类非凸连续的K-means等价聚类优化模型，并利用ADMM 框架给出了该等价模型的快速优化算法。数值实验结果表明了该模型及其优化算法在大数据聚类中的准确性和高效性。此外，还讨论了该模型的性质及等价性问题。

伴随时间的模糊聚类协同过滤推荐算法

阎红灿, 王子茹, 李伟芳, 谷建涛

2021, 43(11): 2084-2090. doi:

摘要 ( 86 )

PDF (537KB) ( 72 ) 　　

随着用户对推荐的准确性和实时性需求的不断提高，从海量用户历史数据中挖掘出用户需要的准确信息是一个极有价值的研究方向。基于模糊聚类的协同过滤算法首先要解决数据稀疏问题，对原始的用户评分数据进行预处理，采用SMOTE过采样技术填充数据有效解决了数据稀疏问题；然后利用模糊聚类实现评分数据的分类，结合艾宾浩斯遗忘曲线，将用户评价的时间戳作为因子对聚类后的数据进行评分预测，以此改善用户爱好随时间变化对推荐效果的影响，解决实时性问题。在MovieLens-100k数据集上的实验结果表明，伴随时间的模糊协同过滤推荐可以明显提高推荐算法的准确性。

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