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2018年 12卷 10期 刊出日期:2018-10-01
   
目次
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2018年第10期
2018 Vol. 12 (10): 0-0 [摘要] ( 17 ) [HTML 1KB] [PDF 714KB] ( 25 )
综述·探索
1531 郭晨,彭硕,王博,肖志芳,刘华
互连网络的故障诊断研究综述
互连网络作为系统内部的协同机制和主要的通信手段,是多处理器并行计算机的重要组成部分。为了进一步提高多处理器并行计算机的诊断能力,保障系统的可靠运行,在充分分析互连网络拓扑结构研究的基础上,首先指出了各种互连网络拓扑结构的继承关系、优缺点、拓扑性质、成本和连通度,进而对互连网络的各类故障诊断度进行详细阐述,在结合互连网络各类故障诊断度的基础上,以进一步提高互连网络拓扑性能和诊断能力为目标提出了互连网络故障诊断研究的3个发展方向。系统地综述了互连网络的故障诊断研究现状,重点归纳了互连网络在各类故障诊断度方面的研究成果,指出了互连网络故障诊断研究的发展趋势以及未来研究的主要方向,从而促进互连网络在多处理器并行计算机的应用和推广。
2018 Vol. 12 (10): 1531-1546 [摘要] ( 35 ) [HTML 1KB] [PDF 1462KB] ( 67 )
数据库技术
1547 鲁鹏凯,江大伟,陈珂,寿黎但,陈刚
RStore:基于BigTable的关系数据模型存储系统
近年来,为支持大数据应用开发,大数据管理系统的研发工作受到越来越多的关注。理想的大数据管理系统应为应用开发人员提供两种支持:(1)快速应用开发,即应用开发人员仅须关注业务数据的逻辑数据模型,而无须关心实际物理存储结构的能力;(2)良好的伸缩性及高效的数据存取。然而,目前的解决方案都未能同时满足上述两个需求。关系数据库管理系统使用数据独立的编程模型以支持快速应用开发,但是关系数据库难以获得大数据所需的高伸缩性。诸如BigTable之类的NoSQL数据库具有极佳的系统伸缩性,但是为了高效地存取数据,需要应用开发人员精心地设计和利用BigTable的物理存储结构,因此,该系统并不支持快速应用开发。提出了RStore大数据存储系统,该系统支持快速应用开发所需的关系数据编程模型,并自动将关系型数据存入BigTable中,同时满足了快速应用开发和高效数据访问两个目标。TPC-C应用上的实验证实了提出的方法可行且高效。
2018 Vol. 12 (10): 1547-1558 [摘要] ( 29 ) [HTML 1KB] [PDF 1709KB] ( 35 )
1559 申金鑫,吴烨,陈荦,景宁
面向空间在线分析的并行近似聚集查询
在应对激增的空间数据时,空间聚集查询是一类有效的分析方法。当前,传统单机串行方法已经难以胜任在线分析需求,然而并行可扩展的计算架构中专门针对空间数据的聚集索引技术尚未有很多研究。因此,提出两种新的索引方法以支持空间在线并行聚集分析。第一种索引方法中,并行的两级空间索引结构提升了精确聚集查询效率。在此基础上构建随机采样样本并优化得到第二种索引方法,在任意给定置信度下能够反馈带有置信区间聚集查询结果,且精度随着获取样本的增加不断提高。10亿级规模数据实验结果表明该方法有效可行,还有一定的可扩展性。
2018 Vol. 12 (10): 1559-1570 [摘要] ( 7 ) [HTML 1KB] [PDF 2751KB] ( 18 )
1571 时生乐,赵宇海,李源,印莹,王国仁
一种有效的基于GraphX的分布式结构化图聚类算法
结构化图聚类是大图数据分析的主要技术之一,在社区检测、生物功能发现和图可视化等许多实际应用中具有重要意义。目前的分布式结构化图聚类算法大多基于Hadoop的MapReduce框架,但该框架需要精确计算图中所有邻接顶点之间的相似性且需要大量的磁盘I/O开销,极大增加了算法的运行时间。针对以上问题,主要工作和贡献点如下:(1)提出两个削减规则,第一个削减规则用来减少邻接顶点之间相似性计算次数,第二个削减规则通过非精确计算邻接顶点间的相似性来减少计算时间。(2)提出一种基于Spark中GraphX的结构化图聚类算法GXDSGC,该算法在运行期间不需要大量的磁盘I/O开销。(3)通过在大量真实数据集和合成数据集上的实验,证实提出的GXDSGC算法的有效性。GXDSGC算法比基于Hadoop中MapReduce框架的算法快30多倍,能够显著提高结构化图聚类在大图数据分析中的效率。
2018 Vol. 12 (10): 1571-1582 [摘要] ( 7 ) [HTML 1KB] [PDF 2650KB] ( 25 )
1583 张丽平,任玲玲,郝晓红,李松
障碍环境下线段反[k]最近区域查询方法研究
反k最近区域查询问题是近邻查询领域的一个新问题,为了弥补现有的研究成果无法有效地处理障碍空间下的线段反k最近区域查询问题,提出了在障碍环境下基于Voronoi图的线段反k最近区域查询方法。在实际中主要应用于评估查询对象的影响力。该方法首先对数据区域集进行约减,缩减了查询的搜索范围。然后根据剪枝过程所提定理对候选集进行过滤,获得更精确的候选集。最后基于Voronoi图的性质提出相关定理,精炼OLRkNR(obstacle line reverse k nearest region)查询的结果集。所提方法根据Voronoi图特性在剪枝、精炼过程中提升了查询速度和查询准确率。理论研究和实验表明,所提方法可以有效处理障碍环境下基于线段的反[k]最近区域查询问题。
2018 Vol. 12 (10): 1583-1593 [摘要] ( 6 ) [HTML 1KB] [PDF 2586KB] ( 28 )
系统软件与软件工程
1594 李璇,吴际,刘超,杨海燕
目标符合性论证中成本优化的证据收集方法
面向标准的目标符合性论证是适航认证领域的重要研究内容。论证过程中,在已有证据不足以表明目标符合性论证结果满足期望要求时,有必要进一步收集证据。然而,由于缺少有效的方法帮助划定证据收集范围和收集力度,导致证据收集的结果往往是高成本低效力的。因此,必须避免收集任何低效力且高收集成本的证据,以确保在目标符合性论证结果满足期望要求时证据收集总成本较低。针对定量评估的目标符合性论证方法,以证据收集成本最小化为规划原则,提出了一种成本优化的证据收集方案,以便于明确需收集的证据项及收集力度,进而规避掉不必要的时间、人力、物力的消耗。结合RTCA DO-178C适航认证标准,通过一个覆盖多分支情况的案例,评估了方案的有效性。
2018 Vol. 12 (10): 1594-1603 [摘要] ( 6 ) [HTML 1KB] [PDF 1978KB] ( 21 )
1604 薛海龙,陈渝,雷蕾,王丹
Android应用异步编程模型性能分析
为保障Android应用程序拥有良好的响应性能,开发人员都会采用异步编程的方式,即将耗时任务放在子线程中去执行。这种方式虽然明显提高了应用程序的性能,但是一旦出现性能问题是很难定位原因的。因此为解决开发人员多采用异步编程方式来提高用户体验而引发的Android系统响应性能低下,程序执行过程复杂性增加的问题,提出一种基于异步跟踪实现Android应用响应性能检测与分析的方法。通过对Android系统的Framework层中关键代码进行插桩,完成对程序异步线程执行过程的跟踪,并构建出跨越异步调用边界的关键路径。最后,通过对关键路径的分析得出影响响应性能的主要原因,并反馈给开发者。通过一些特定的测试用例实验和运用该方法解决OPENTHOS系统上存在的实际问题,结果都表明达到了预期目标。
2018 Vol. 12 (10): 1604-1613 [摘要] ( 9 ) [HTML 1KB] [PDF 3048KB] ( 23 )
1614 陆凯,姜淑娟,王兴亚
结合图挖掘和支持向量机的错误定位
已有错误定位方法通常只给出可疑语句的排序列表,缺少错误的上下文信息,导致开发人员难以理解程序失败的原因。对此,提出结合图挖掘和支持向量机(support vector machine,SVM)的软件错误定位方法。首先,根据程序调用信息将程序建模为加权行为图;其次,应用支持向量机提取频繁边对所有执行分类,并通过分类精度的变化度量方法的可疑度,最终生成一个可疑方法集合帮助开发人员判断错误位置。实验结果显示使用频繁边作为特征执行分类保持或者提升了分类精度,表明了方法的有效性。
2018 Vol. 12 (10): 1614-1621 [摘要] ( 7 ) [HTML 1KB] [PDF 1439KB] ( 27 )
人工智能与模式识别
1622 王恒升,任晋
室内移动机器人人机交互的语义实现
自然语言与机器人远程人机交互的主要困难是语义理解。基于本体的方法建立人机交互的概念体系,用Prolog逻辑编程语言对概念进行定义,形成概念语义事实库;进一步以这些事实库为基础,定义谓词逻辑关系,形成基于概念的谓词逻辑推理机制,从而实现人与机器人在统一的概念内涵和推理逻辑基础上的人机交互。以人与处于室内的远程机器人通过交互完成导航为背景,建立某建筑物内部地名词的概念本体,用Prolog定义了其概念事实;定义了谓词逻辑关系,从事实库中提取出建筑物内部的语义地图;在此基础上,通过逻辑推理的方法实现了机器人室内导航所需的自定位功能和路径规划功能。该内容作为机器人基于本体概念体系的逻辑推理实例,所有的结果均建立在实际数据之上,所有的谓词逻辑均在SWI-Prolog中调试通过,推理结果满足预期。
2018 Vol. 12 (10): 1622-1632 [摘要] ( 7 ) [HTML 1KB] [PDF 1982KB] ( 28 )
1633 许欧阳,李光辉
萤火虫优化和随机森林的WSN异常数据检测
异常数据检测在无线传感器网络(wireless sensor network,WSN)环境监测系统中发挥重要作用。针对传统的随机森林(random forest,RF)算法因冗余决策树导致异常数据检测效率不高的问题,根据选择性集成思想,提出了一种基于变异二进制萤火虫算法(mutation binary glowworm swarm optimization,MBGSO)以及自适应更新随机森林的WSN异常数据检测算法MBGSO-ARF。该算法使用改进的BGSO算法优化RF进行选择性集成以得到最优子集成分类器,并使得检测模型随数据流的变化而自适应更新,提高了检测准确性并节省了检测时间,对优化算法MBGSO和二进制粒子群算法(binary particle swarm optimization,BPSO)进行了实验对比。仿真实验结果表明:该优化算法优于BPSO算法,MBGSO-ARF算法在准确率上较其余算法都有提升,且集成模型大小得到了压缩。以上结果证明了MBGSO-ARF算法的有效性。
2018 Vol. 12 (10): 1633-1644 [摘要] ( 8 ) [HTML 1KB] [PDF 1997KB] ( 32 )
1645 李景军,张宸,曹强
面向训练阶段的神经网络性能分析
最近,神经网络被广泛应用到许多领域。然而,随着神经网络模型越来越复杂,图形处理单元(graphics processing unit,GPU)被应用到深度学习中。GPU在加速矩阵计算方面展现出了卓越的性能,但是多样和复杂的神经网络模型导致网络训练阶段GPU的计算资源和显存并没有充分利用。对神经网络训练阶段进行细粒度的性能分析。首先从数据流的角度把训练过程分解为6个阶段,并测试每个阶段的延时;然后从GPU加速库、神经网络模型和批次三方面量化分析每一层的GPU计算效率和资源利用率;最后分析每层的参数和特征图的显存占用情况。实验发现:(1)cuDNN库卷积的计算效率是cuBLAS库的2倍。(2)卷积层的资源利用率比全连接层高50%。(3)不同层的显存利用率差异很大,整体利用率不高,最大不超过显存的20%。
2018 Vol. 12 (10): 1645-1657 [摘要] ( 7 ) [HTML 1KB] [PDF 3825KB] ( 24 )
1658 龙敏,佟越洋
应用卷积神经网络的人脸活体检测算法研究
生物特征识别系统必须拥有快速准确的分类能力。针对传统人脸活体检测方法的特征提取单一和基于深度学习的检测算法中的网络训练时间长、梯度容易消失以及过拟合等问题,提出一种新型人脸活体检测算法BM-CNN(based on mixnetwork-convolutional neural network)。算法首先采用人脸分割技术和基于曲率滤波的图像增强技术对人脸图像进行预处理,然后使用优化卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)对预处理图像进行特征提取与决策分类。对卷积神经网络,提出一种复合的并行卷积神经网络,CNN使用二均值池化策略,并综合批量归一化BN(batch normalization)方法和多类型非线性单元提高算法检测性能,通过双线并行的卷积神经网络对活体人脸进行检测。在NUAA数据库和CASIA数据库上对算法进行对比实验,实验结果显示该算法能对人脸图像进行准确的分类,并在样本数量和训练时间上有较大的提升。
2018 Vol. 12 (10): 1658-1670 [摘要] ( 10 ) [HTML 1KB] [PDF 3255KB] ( 47 )
1671 金晓民,张丽萍
混合特征与颜色矢量角度的图像哈希认证算法
为了解决当前图像哈希技术主要利用其灰度信息来生成哈希序列,忽略了图像的色彩特征,使其对感知鲁棒性与篡改检测能力不佳的问题,通过提取彩色图像的颜色信息与角度特征,设计了混合特征与颜色矢量角度的鲁棒彩色图像哈希算法。首先,引入线性插值与高斯低通滤波器,对初始图像完成预处理,增强哈希序列的对缩放、噪声等内容保留操作的鲁棒性;随后,将滤波图像分割为一系列的非重叠子块,利用奇异值分解方法处理每个子块,获取二次图像,改善其对旋转的鲁棒性;再计算二次图像的颜色矢量角度,通过设计两个鲁棒特征提取方法,确定显著性边缘像素点,获取图像的感知特征;通过将提取的两个特征进行组合,形成混合特征,利用量化方法,输出新的特征序列;并基于Logistic映射,设计加密机制,对混合特征进行混淆,获取鲁棒哈希序列。最后,利用Hamming距离,对图像内容的真伪进行检测。实验结果表明:与当前哈希技术相比,所提算法具备更高的鲁棒性与篡改检测精度。
2018 Vol. 12 (10): 1671-1683 [摘要] ( 5 ) [HTML 1KB] [PDF 5838KB] ( 20 )
理论与算法
1684 余寒
并发加权μ-演算的若干性质
最近,针对为组合性标记加权转移系统建模的需要,Larsen等人提出了并发加权逻辑。该逻辑是多模态的,包含了反映给定状态的资源总量和限制转换过程的模态词,以及能够应对组合性系统的二元模态词,可以有效地表达系统的质化、量化和模块化的性质。为了增强并发加权逻辑的表达能力,对带不动点算子的并发加权逻辑——并发加权[μ]-演算进行了研究,给出了并发加权[μ]-演算的语法和标记加权转移语义,在表达能力与复杂性之间建立了良好的平衡。研究了并发加权[μ]-演算与轮替树自动机之间的联系,构建了一种特定的用于并发加权[μ]-演算的轮替树自动机模型。该自动机模型在表达能力上与并发加权[μ]-演算互模拟等价。在此基础上,进一步证明了并发加权[μ]-演算的可判定性及小模型性。
2018 Vol. 12 (10): 1684-1690 [摘要] ( 6 ) [HTML 1KB] [PDF 1038KB] ( 21 )
1691 冯勇,徐红艳,王嵘冰,郭浩
融入项目相关性的加权Slope One算法研究
在基于项目的协同过滤推荐算法中,Slope One算法的应用较为广泛。但该算法在对项目相似度计算过程中没有考虑项目类型因素的影响,导致类型不相关的项目参与到相似度计算中而影响推荐效果,而且该算法在数据稀疏的情况下预测准确度不高。针对上述不足,考虑使用项目相关性来考量项目间的关系,提出了融入项目相关性的加权Slope One算法,该算法从项目自身的所属类型和项目的评分数据两方面来综合计算项目间的相似度关系,并在此基础上增加了项目筛选策略,达到了稳定评分差、获取局部较为密集的项目评分矩阵的目的。最后将所提算法应用在MovieLens数据集上与其他相近算法进行对比实验,实验结果显示所提算法在明显提高推荐准确度的同时也有效缓解了数据稀疏问题。
2018 Vol. 12 (10): 1691-1700 [摘要] ( 7 ) [HTML 1KB] [PDF 1731KB] ( 21 )
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