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2019年  第48卷  第2期

通信与信息工程
基于稀疏滤波神经网络的智能调制识别
李润东, 李立忠, 李少谦, 宋熙煜, 何鹏
2019, 48(2): 161-167. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2019.02.001
摘要:
针对传统调制识别中特征提取依赖人工经验的问题,该文提出了一种基于抗噪预处理及稀疏滤波卷积神经网络的智能通信调制识别算法。该算法将调制信号的循环谱作为卷积神经网络的输入图像,并引入低秩表示算法去除循环谱图中的噪声及干扰。在有监督训练卷积神经网络之前,该文设计了一种新型的稀疏滤波准则对网络进行无监督的逐层预训练,从而提升了泛化性能。仿真表明算法在信噪比为0 dB时仍可达94.2%的识别准确率,优于传统方法及相关深度学习方法。
基于GAMP的近场毫米波成像快速算法
高乐, 毕东杰, 彭礼彪, 谢永乐
2019, 48(2): 168-173. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2019.02.002
摘要:
传统近场毫米波均匀采样成像由于扫描时间长和计算代价大等问题无法实现实时成像。为此,该文构建了近场毫米波压缩采样成像模型及相应的观测矩阵,提出了一种基于广义近似消息传递的近场毫米波压缩采样成像快速算法。该算法将广义近似消息传递有效嵌入到期望最大化框架,加快了收敛速度;并利用快速傅里叶变换、小波滤波等方式构造了观测矩阵的快速算子,避免了大型观测矩阵的构造、存储与计算,进一步提升了算法运算速度。实验结果表明该算法可以快速、有效地从压缩采样数据中重建近场毫米波二维图像,并在重建效果与运算时间上都优于主流的快速迭代阈值收缩算法。
基于多维属性的跨域虚拟网络映射算法
张治中, 朱磊, 冯琳琳, 刘利兰
2019, 48(2): 174-181. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2019.02.003
摘要:
基于一种支持多类型业务的跨域融合网络架构,提出了一种基于动态拓扑感知和资源属性的跨域虚拟网络映射算法。基于网络局部和全局角度,分析虚拟网络和物理网络中节点的拓扑信息,结合网络扩展资源,建立节点多属性评价模型,并基于该模型利用主成分分析法和逼近理想解排序法度量节点的映射优先级,随后依据链路资源成本分析网络负载状态。仿真结果表明,该算法提高了多域虚拟网络请求的构建成功率,网络收益开销比增大,并能减小网络映射时延。
多宿主场景下双层规划中继激励选择算法
张晖, 任文辉
2019, 48(2): 182-188. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2019.02.004
摘要:
面向泛在无线环境下的多宿主场景,基于多流并发思想探索拥塞小区内高速率业务需求保障问题,该文提出一种基于激励机制的双层规划中继选择算法。首先,建立基于买卖模型的中继激励机制,获得初步成交的中继集合及对应的交易标的值。在此基础上,构建基于双层规划的中继选择模型,以获得最终达成交易的中继集合及对应的交易标的值。借助分类求解策略以快速得到该模型的最优解,从而选择出性价比最佳中继用于协作转发并实现拥塞小区内高速率业务的可靠保障。仿真结果验证了该算法的有益效果。
毫米波环境下大规模MIMO系统中基站合理分布的研究
王海泉, 李肖, 王雪丽, 杨大款
2019, 48(2): 189-194. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2019.02.005
摘要:
针对多小区多用户大规模多输入多输出(MIMO)系统,提出了一种合理分布基站的方法,以减轻导频污染所带来的性能损失,并用室内毫米波环境对方法进行了仿真证实。该方法是基于对训练阶段中的矩阵进行奇异值(SVD)分解,将系统模型转换为等价系统模型,从中分析得到一个能够指导基站合理分布的判定依据,即系统指标数大于0时,得出基站之间的合理间距。仿真表明,在室内毫米波环境下,当小区半径为10 m时,基于该方案得出基站与干扰用户之间的合理距离约为40~58 m之间,从而提出,当基站与基站之间的距离在50~68 m之间时,干扰得到有效降低。
支持多安全运算模块的USB3.0控制器固件设计
杨亚涛, 曲鸣, 曹广灿, 蔡居良
2019, 48(2): 195-201. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2019.02.006
摘要:
USB3.0接口以其高速稳定的数据传输能力,已经成为硬件设备的主流接口。该文针对安全运算模块设计中对多模块控制的需求问题,提出了一种可用于多安全运算模块的USB3.0控制器固件设计方法。该方法充分运用CYUSB3014芯片和FPGA芯片的硬件资源,设计了接口传输模式配置、DMA通道、GPIF Ⅱ接口控制逻辑等主要模块的固件程序。经测试,该方案能够有效控制多安全运算模块对PC端数据进行加解密处理,且传输速度能达到330.3MB/s,相比现有设计提升37%,实现了数据的高速可靠传输,具有较好应用前景。
自动化技术
基于MDS的电缆附件局部放电模式识别
张安安, 杨林, 何嘉辉, 高春林, 李茜
2019, 48(2): 202-207. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2019.02.007
摘要:
针对电缆附件局部放电特征参数提取时,由于数据量不足难以形成图谱而导致特征提取困难这一问题,提出一种相位分割方法,同时结合多维尺度分析法(MDS)对特征值进行降维优化,识别出具有较高分类能力的最优特征量。通过在工频周期内对局放信号进行等角度分割,在每个分割区域进行特征值提取,获取更细微更具体的特征参数,再通过MDS对特征值降维优化以提高识别的速度和准确度。通过电力电缆附件典型缺陷的实验对比,结果表明该方法能在数据较少的情况下,较好地提取出特征值,且能得到更准确的识别结果。
混合直流输电直流侧谐波分析及滤波器设计
黄睿, 李兴源, 廖建权, 周念成, 王强钢
2019, 48(2): 208-215. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2019.02.008
摘要:
为评估混合直流输电直流侧电压质量,解析其谐波成分和幅值计算等效电路,该文采用平均开关状态法分析MMC,调制理论分析LCC产生的谐波,推导各次谐波的幅值计算表达式,简化等效电路。在此基础上,分析了LC滤波后的波形和谐波成分,在交流侧三相不平衡度较大时,LC滤波器平抑低频谐波效果差;为抑制因三相不平衡引起的直流侧低频脉动,设计了两种3阶低通滤波器,并对比了它们与LC滤波器在滤波效果和动态响应时间上的差别,结果表明巴特沃斯滤波器的指标最佳。利用MATLAB/Simulink软件建立了混合直流输电模型,仿真结果显示所推导的谐波幅值计算表达式和等效电路能正确反映直流侧的谐波特征,所设计的滤波器能更好地消除低频谐波。
抗差自适应EKF在INS/GNSS紧组合中的应用
段顺利, 孙伟, 吴增林
2019, 48(2): 216-220. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2019.02.009
摘要:
针对惯性/卫星紧组合导航中卫星观测数据存在粗差,影响组合导航系统定位精度,同时考虑到卫星少于4颗和卫星几何分布不佳对预测残差构造自适应因子的影响,提出了一种抗差自适应EKF紧组合算法。该算法给出惯性/卫星紧组合状态方程与观测方程,抗差等价权因子和预测残差法构造自适应因子的计算公式,并给出卫星少于4颗和卫星几何状态分布不佳情况下自适应因子的计算方法。通过车载实测数据对算法进行验证与分析,实验结果表明,基于抗差自适应EKF的惯性/卫星紧组合算法可有效削弱卫星粗差观测值的影响,在可见卫星数少于4颗和卫星几何分布不佳的状态下,依据该算法获取的系统导航精度得到进一步提高。
计及极端扰动的孤岛微电网潮流优化控制
王聪, 颜伟, 李丹, 张海兵, 赵霞, 毛艳丽
2019, 48(2): 221-227. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2019.02.010
摘要:
考虑源荷功率的极端扰动对微电网潮流和频率的影响,以及电流型和电压型微电源在三相潮流控制方面的差异,提出了计及源荷功率极端扰动的孤岛微电网三相潮流的优化控制模型。该模型同时考虑了电流型和电压型两种微电源的控制方式以及源荷功率的静态频率电压特性。模型的目标函数为正常状态的系统网损最小,约束条件考虑了下一时刻源荷功率的正常状态和极端扰动状态的潮流及频率安全约束。为了满足潮流在频率控制方面的要求,对正常状态,除考虑源荷功率的一次调节能力以外,还考虑了电源功率的二次调节能力。而对极端扰动状态,只考虑了源荷功率的一次调节能力。模型的求解采用预测-校正原对偶内点法。IEEE 33节点修正算例系统的仿真结果验证了该模型的有效性。
计算机工程与应用
稀疏角度CT图像重建的一类自适应临近点算法
朱赟, 陈明真, 陈莹, 喻高航, 威力
2019, 48(2): 228-232. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2019.02.011
摘要:
针对全变差正则化的稀疏角度CT图像重建问题,提出了一种自适应临近点算法。该算法在临近点迭代的每一步中自适应地选取临近参数矩阵,且该矩阵是变动且不对称的。在收缩算法的框架和一定条件下可建立该算法的全局收敛性。对广泛使用的滤波反投影算法和自适应临近点算法进行了二维的仿真数据实验,实验结果表明自适应临近点算法在图像重建中是有效实用的。
基于图形路标特征的精确定位研究
刘睿, 邓强强, 冯运, 陈凌, 蒋伟, 殷宏磊, 彭倍
2019, 48(2): 233-238. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2019.02.012
摘要:
定位系统是智能移动机器人中一项重要的基础性工作,精确定位对机器人的实时导航具有重要的意义。随着计算机图像处理技术的发展,基于图像的定位技术也在不断地进步。该文提出一种基于图形路标的精确定位算法。首先对采集图像进行数据压缩处理,去除图像中冗余的信息,减少计算量、提高运算效率;其次通过SIFT算法对不同尺度空间下的图像进行特征提取,使得不同背景下的图形路标依然能够匹配;最后通过三角定位法来实现移动机器人的精确定位。实验结果表明,该算法是移动机器人实现精确定位和自主导航的一种可行方法。
基于混合PAES的置信规则库推理算法
傅仰耿, 刘莞玲, 吴伟昆, 李敏, 吴英杰
2019, 48(2): 239-246. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2019.02.013
摘要:
目前对置信规则库(BRB)的研究主要是关于BRB系统的参数或结构的单目标优化。然而,BRB系统中提高推理准确性和减少系统复杂度往往是两个相互冲突的目标。因此,设计合适算法来寻找到两个目标上的最优解具有重要意义。鉴于此,该文提出基于混合Pareto存档进化策略(M-PAES)的置信规则库推理方法(M-PAES-BRB),通过最小化系统的均方根误差和系统复杂性来寻找到近似的Pareto最优前沿。该算法采用了改进型M-PAES算法来构建多目标优化模型,通过重组和变异操作生成候选解。该文选取两个标准时间序列,Mackey-Glass和Box-Jenkins作为实验数据,对M-PAES-BRB的可行性及有效性进行分析。实验结果表明,相比于模糊规则库的多目标优化方法(FRBSs),该文方法的推理准确性更高,同时系统复杂度更低。
一种能耗约束的多核系统任务调度算法
谢盈, 陈建英, 吴尽昭, 丁旭阳
2019, 48(2): 247-252. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2019.02.014
摘要:
不同的任务调度算法将任务分配在不同的处理单元,会产生不同的能耗。在基于片上网络的多核系统中,将任务分摊到所有处理器核能提高系统利用率,但导致大量的簇间通信,增加数据传输能耗。本文在对系统能耗进行建模的基础上,提出一种能耗约束的任务调度算法。该算法结合任务间依赖关系,动态计算任务分配时产生通信开销最小的簇和系统利用率最大的簇,通过计算在相应簇上产生的系统能耗,选择产生系统能耗小的分配方案以平衡系统利用率和簇间通信开销。仿真实验结果证明,算法在减少了簇间通信开销并提高系统利用率的同时,降低了系统能耗。
基于集成学习的功耗分析研究
刘飚, 潘扬, 许盛伟, 李佳丽, 封化民
2019, 48(2): 253-258. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2019.02.015
摘要:
针对单模型分类算法在训练样本数量较少时成功率偏低的问题,提出一种集成学习算法,并在DPA_Contest_V4数据集上进行实验。首先使用传统方法破解循环掩码,再使用SVM(support vector machine)、随机森林和k近邻(k-nearest neighbor,kNN)等分类算法进行训练和预测,最后将这些模型的结果集成。实验结果表明,集成模型优于单一模型,尤其当训练集中的能量迹数目较少时集成模型的成功率比单一模型高10%左右。
基于TrustZone的TEE设计与信息流形式化验证
孙海泳, 杨霞, 雷航, 乔磊, 杨拯
2019, 48(2): 259-263. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2019.02.016
摘要:
基于可信硬件构建安全关键应用的可信执行环境(TEE),是嵌入式安全领域的一个研究热点。虽然底层硬件可信,但TEE软件仍可能因错误使用硬件指令或存在其他安全漏洞而导致机密信息泄露。该文基于ARM TrustZone技术提出了多层次的TEE架构,并建立了安全通信通道,用户层可信应用不能直接访问非可信环境的软硬件资源,只能通过内核层的安全通信通道API与外界通信,因此整个TEE的信息流不再受用户层影响。该文进一步提出了TEE形式化模型(TEEFM),借助Coq辅助证明器验证了TEE信息流无干扰性并证明了TEE安全监控模块不存在整型溢出、程序返回地址异常等资源边界类软件漏洞,以此保证了TEE的自身安全性。
针对RAM防护的二维多比特报警法
孙瑞一, 张钦宇, 梁松海, 梁允萍
2019, 48(2): 264-271. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2019.02.017
摘要:
针对安全芯片中RAM故障对系统安全性的危害,提出了一种基于二维纠错码的RAM防护技术,即二维多比特纠正报警法(TDMBAM)。该技术设计了一种可以有效识别、纠正RAM故障类型的二维纠错码,并可对二维纠错码的纠错能力和RAM的故障类型进行评估。TDMBAM对RAM进行了分区防护,将RAM分为程序存储区和数据存储区,并根据存储区的各自特点设计相异的纠错报警电路。对TDMBAM进行算法仿真,结果表明TDMBAM纠正了给定宽度内所有的连续和非连续故障,并对超过识别能力的故障给出了报警。报警后的系统有99.147 7%没有产生系统故障,并按照系统预定状态工作。
基于步态识别的移动设备身份认证模型
蒋伟, 王瑞锦, 余苏喆, 秦圣智, 李蝉娟, 李冬芬
2019, 48(2): 272-277. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2019.02.018
摘要:
智能移动设备遗失时,隐私泄露是一个大问题。现在的生物特征识别技术必须借助相应的辅助设备,如指纹识别、人脸识别等,认证操作复杂且成本较高。针对以上问题,该文提出一种基于步态识别的移动设备身份认证模型。在训练阶段,通过移动设备自带的加速度传感器对用户在日常生活中不同行为下的步态数据进行收集,提取特征形成特征向量并建立步态模型;在识别阶段,利用基于神经网络的模型匹配算法进行身份识别。系统实现采用C/S架构,所有传输数据采用国密SMS4对称加密算法进行加密,保证了数据传输的安全性。实验表明,神经网络算法的平均识别率为78.13%,综合反馈机制之后,可以达到98.96%的认证准确率。
机械电子工程
Kinematics of Free Floating Robots Using Dual Quaternions
FELISIAK Piotr A, QIN Kai-yu, LI Gun
2019, 48(2): 278-287. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2019.02.019
摘要:
On-orbit servicing robots seem to be the best alternative for tasks such as satellite servicing, space construction missions, and orbital debris removal. Typically, space robots for on-orbit servicing consist of a base satellite and one or more manipulators attached to the base. Since the base is not fixed, the robot kinematics is more complicated than in the case of ground-fixed manipulators. This paper presents methods for solving the direct and inverse kinematics of a free floating robot for on-orbit servicing as well as its direct and inverse velocity kinematics. The presented approach employs dual quaternions for the kinematics solving, showing more computationally efficiently than the classical approach based on homogenous transforms. The velocity kinematics problems are solved by an introduction of the momentum conservation law into the kinematics model. The proposed methods are applicable to robots with an arbitrary number of manipulators and mixed prismatic and revolute joints. The methods are verified by computer simulation of a kinematic control process.
一种近似响应面模型的链轮优化设计方法
李文强, 王强, 李彦, 任代祥
2019, 48(2): 288-295. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2019.02.020
摘要:
链轮系统作为一种广泛应用于工业设备上的动力传输装置,优化并提高其系统性能具有重要的理论和实际意义。针对目前链轮系统优化过程中优化效率和优化精确度难以兼顾的不足,提出了一种基于试验设计响应面模型的链轮系统优化设计方法和优化过程。以链轮系统有限元分析结果为基础,对影响链轮系统的优化控制参数进行最优超立方试验设计,获得具有显著影响度的设计控制参数并建立各控制参数间的交互响应关系。基于显著控制样本参数构造链轮系统响应面近似模型,采用多岛遗传算法对响应面近似模型进行全局寻优并实现对链轮系统的优化设计。与常规优化方法对比,该方法在较少优化次数条件下进一步提高了链轮系统的综合优化性能,有较好的可行性和实用性。
复杂性科学
基于TOPSIS的时序网络节点重要性研究
郭强, 殷冉冉, 刘建国
2019, 48(2): 296-300. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2019.02.021
摘要:
时序网络考虑事件发生的顺序,可以更准确地刻画复杂系统的演化特征。本文采用多属性排序方法(TOPSIS)对时序网络不同时间片段节点的影响力进行综合评价。具体的思想是通过计算不同层间相似性指标值与正理想解和负理想解的欧式距离,根据其接近正理想解和远离负理想解的程度对层间耦合关系的度量方法进行排名。基于Workspace数据集的实验结果表明,以优先链接指标(PA)度量时序网络时间层耦合关系,所挖掘出的重要节点准确率最高,在各时间层上平均达到50.82%。该文的工作为从多属性角度分析时序网络提供了借鉴。
基于三角形变换的中国城市空间分布与区域关联分析
刘攀, 韩筱璞, 吕琳媛
2019, 48(2): 301-306. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2019.02.022
摘要:
本文提出一种基于三角形变换的方法,对中国城市的空间分布结构进行了实证分析研究。这一方法将所观察的城市和其周边满足某一条件的3个近邻城市的地理位置,映射到一个标准正三角形空间上,并统计各个所观察城市在映射三角形中的位置分布。研究发现,城市与和它的经济规模接近的近邻城市之间的关系在映射三角形上呈现出中心聚集趋势,说明城市关系以竞争排斥为主;而与它规模相差较大的近邻城市之间,则呈现出三角分离趋势,显示出明显的协作吸引关系。通过分析,该文发现这两种趋势的转变所对应的城市GDP之比的阈值约为1.2。进一步,基于这种方法,根据城市之间的空间关系,该文提出一种经济区域的识别方法,并对中国大陆地区的经济区域进行了有效识别。该文的研究及发现对于理解城市之间的竞争与协作关系以及区域经济发展趋势预测有着一定的意义。
在线数据揭示预期薪金的影响因素
王军, 高见, 杨枭, 刘金虎, 周涛
2019, 48(2): 307-314. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2019.02.023
摘要:
数据资源的丰富和分析方法的创新,促使社会经济学逐渐转变为数据驱动的定量化学科。作为定量化人力资源的组成部分,薪金研究对社会经济发展有重要意义。然而,以往研究大多基于规模有限的普查数据,对不同经济和文化背景的考虑也不足。本文基于中国人力资源网站获取的大规模简历数据,分析了多种因素对求职者预期薪金的影响,结果发现身高、工作经验和教育程度等因素影响预期薪金,并且男女存在显著的差异。其中,女性平均预期低于男性,相比男性差大约五年工作经验或一个教育学位。最后,多变量回归方法验证了分析结果的鲁棒性。
高铁-普铁的实证双层网络结构与鲁棒性分析
孙晓璇, 吴晔, 冯鑫, 肖井华
2019, 48(2): 315-320. doi: 10.3969/j.issn.1001-0548.2019.02.024
摘要:
双层乃至多层网络的结构与功能研究是近年来复杂网络研究的一个重要方向。该文根据2016年中国列车时刻运行表,提取全国453个高速车站和2 293个普通车站作为研究对象,构建了高铁-普铁交通双层复杂网络,接着对单层高铁网络、单层普铁网络及高铁-普铁双层网络的拓扑静态指标进行分析。最后利用网络的最大连通子图这一指标对这3种铁路网络模型进行可靠性分析,研究发现交通多层复杂网络的可靠性在高速铁路网络和普通铁路网络之间。此研究为双层网络的实证研究提供了新证据,而且有利于交通部门管理和规划交通网络。