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ISSN 1000-0054
CN 11-2223/N
创刊于 1915 年 (月刊)
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  • 清华大学学报(自然科学版)
      2021年, 第61卷, 第11期 上一期    下一期
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    漏洞分析与风险评估
    exLCL:一种针对spectre攻击的防御方法  收藏
    王少清, 赵有健, 吕志远
    清华大学学报(自然科学版). 2021, 61 (11): 1221-1227.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.22.040
    摘要 ( 1 )   HTML    PDF (1172KB)
    新近发现的spectre攻击对计算机安全提出了严峻挑战。该攻击利用处理器推测执行过程中留下的不可消除的微架构(如缓存)状态变化,结合侧信道技术,泄露私密数据。该文首先研究spectre攻击的指令执行流程,提出阶段模型并深入分析利用漏洞所需满足的竞争条件,随后提出一种旨在避免攻击者满足竞争条件的防御方案,即exLCL。基于gem5的模拟实验证明了exLCL的有效性和可行性。与现有防御方案相比,exLCL处理逻辑更简单。
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    基于语义的多用户高效搜索方案  收藏
    曹来成, 吴琪瑞, 王娅菲, 吴蓉, 郭显
    清华大学学报(自然科学版). 2021, 61 (11): 1228-1233.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.22.45
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (1860KB)
    针对当前可搜索加密云存储技术主要侧重于多关键词、多用户可搜索云存储机制的研究,而忽略了语义对用户搜索结果的作用,提出一种基于语义的多用户高效搜索(ESBMS)方案:选用2个不同的云服务器,其中一个用于存储加密的数据文档,而另一个用于存储语义树密文,并为请求搜索的数据用户产生陷门和进行陷门匹配计算;通过向采用陷门策略的云服务器发送语义树进行搜索来减少服务器负载,而语义树在发送时已被加密,以确保其关键信息安全。结果表明:该方案具有完备性、语义隐私性和抗共谋攻击能力。与目前相关方案相比,该方案具有高效性。
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    信息物理系统的攻击检测与安全状态估计  收藏
    高洋, 任望, 吴润浦, 王卫苹, 伊胜伟, 韩白静
    清华大学学报(自然科学版). 2021, 61 (11): 1234-1239.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.21.008
    摘要 ( 3 )   HTML    PDF (1777KB)
    在工业4.0的时代背景下,信息物理系统(CPS)需要慎重考虑安全性、可控性问题。该文基于受到执行器攻击的信息物理系统模型,研究攻击检测与安全状态估计。针对攻击检测问题,设计了一种有限时间异常检测器,可确保系统受到的攻击在预设的有限时间之内被准确检测出来。在此基础上设计了一种观测器对系统的状态进行安全估计。理论分析表明,该观测器可以保证在检测到攻击时立即调整系统,确保系统达到一个安全稳定的状态。最后,通过实验仿真验证了所提方法的有效性。
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    源代码缺陷检测数据生成及标注方法  收藏
    管志斌, 王晓萌, 辛伟, 王嘉捷
    清华大学学报(自然科学版). 2021, 61 (11): 1240-1245.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.21.005
    摘要 ( 3 )   HTML    PDF (2493KB)
    在已有的基于深度学习的源代码缺陷检测方法中,所使用的训练数据和测试数据大多来源于仅供学术研究的测试源码,无法为深度学习模型的训练提供足够的数据支撑。因此,该文提出了一种源代码缺陷检测数据生成及标注方法。该方法在提取源代码控制流关系的基础上,应用已训练的深度学习模型和商业工具来完成源代码切片数据的标注。使用公开数据集SARD、NVD及开源软件Ffmpeg等进行验证,结果表明通过该方法能够生成直接用于深度学习的源代码缺陷检测数据集,为基于深度学习的源代码缺陷检测方法提供了数据支撑。
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    车联网中移动边缘计算的安全高效节能卸载策略  收藏
    宋宇波, 金星妤, 燕锋, 胡爱群
    清华大学学报(自然科学版). 2021, 61 (11): 1246-1253.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.25.005
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (1649KB)
    该文针对车联网移动边缘计算环境下,车辆在快速移动和切换时与多个边缘服务器间的任务卸载协商所面临的安全性能和系统能耗问题,提出了一个基于边缘服务器和车载服务器协同工作的任务卸载策略安全协商机制,描述了车辆移动时的安全切换交互协议,讨论了其基于边缘服务器覆盖范围的任务分配协商算法及其约束条件。仿真结果表明:该方案可以有效保证通信时的安全性能,同时其卸载能耗及卸载时间与现有方案相比分别减少了58%和17%。
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    基于跨域资源访问的浏览器用户追踪  收藏
    宋宇波, 吴天琦, 胡爱群, 高尚
    清华大学学报(自然科学版). 2021, 61 (11): 1254-1259.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.25.003
    摘要 ( 1 )   HTML    PDF (2713KB)
    近年来,点击欺诈给广告商造成了巨大的经济损失,迫使广告商支付高额费用。为了应对点击欺诈,广告商通常使用用户配置文件来识别用户身份。但是,攻击者可以轻松构建独特的虚拟操作环境,干扰身份的识别。该文提出了PingLoc机制,一种基于跨域资源访问的定位方案,可检测点击欺诈来源。该方案从ping响应延迟序列提取特征构建用户指纹。测试表明,PingLoc所收集的延迟特征是稳定的,用户定位指纹的准确性高达98%。
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    5G网络认证及密钥协商协议的安全性分析  收藏
    贾凡, 严妍, 袁开国, 赵璐婧
    清华大学学报(自然科学版). 2021, 61 (11): 1260-1266.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.26.001
    摘要 ( 1 )   HTML    PDF (1352KB)
    5G网络发展迅速,作为系统安全基础的认证和密钥协商协议,其安全性是5G安全的核心问题。该文借助TAMARIN证明程序对5G网络中的EAP-AKA'协议进行建模分析。通过分析协议规范将安全性需求归纳为保密属性和认证属性两种安全属性,利用TAMARIN建立模型来验证不同安全属性的满足程度。根据TAMARIN证明程序返回的验证结果,该文发现了SEAF与AUSF间关于SNID的单射一致性违反以及锚定密钥KSEAF前向保密性的违反,从而发现了重放攻击、身份验证同步失败攻击以及锚定密钥KSEAF泄露攻击,并针对这些攻击提出了相应的安全加固方法,最后对方法进行理论分析和实验验证。
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    基于深度卷积神经网络的源代码缺陷检测方法  收藏
    王晓萌, 管志斌, 辛伟, 王嘉捷
    清华大学学报(自然科学版). 2021, 61 (11): 1267-1272.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.26.042
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (1152KB)
    基于深度神经网络的源代码缺陷检测方法通常将源代码作为文本数据,采用卷积网络学习代码的单一空间特征,或者利用LSTM、BiLSTM源代码样本的时序特征,并未在源代码数据的多特征融合方面进行深入研究。为探索验证源代码的多种特征在缺陷检测方面的应用效果,该文基于卷积神经网络在图像领域的多通道学习策略,融合word2vec、fasttext等词嵌套技术的词向量表达,创建源代码的综合向量表征;利用深度卷积神经网络学习源代码缺陷数据中蕴含的缺陷模式,形成源代码缺陷分类器,实现多类代码缺陷检测。将该方法与已有的单通道神经网络源代码缺陷检测方法通过SARD数据集和开源软件源代码进行验证,结果表明:该方法在精确度、召回率、F1等方面测试平均结果分别为95.3%、84.7%、89.7%,与已有方法相比,有不同幅度的提升。
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    机械工程
    多层多道CrMoV钢埋弧焊焊缝金属冲击韧性波动  收藏
    田宏伟, 鲁立, 赵重阳, 石祥文, 李克俭
    清华大学学报(自然科学版). 2021, 61 (11): 1273-1280.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.22.004
    摘要 ( 2 )   HTML    PDF (24731KB)
    采用多层多道埋弧焊工艺制备的CrMoV低合金钢焊缝金属在经焊后热处理后,室温冲击韧性波动较大。该文利用光学显微镜和扫描电镜对焊缝金属及裂纹扩展路径进行观察和分析,并利用扫描电镜对冲击断口形貌进行表征,采用Auger纳米探针对微观组织中的碳化物进行成分分析。结果表明:焊缝金属层间再热粗晶区是冲击韧性的薄弱环节,项链状分布的Fe3C碳化物和非金属夹杂物会导致裂纹起裂;冲击试样V形缺口在焊缝金属的位置是决定冲击吸收功高低的关键因素;在沿着裂纹扩展路径的方向上,V形缺口距层间再热粗晶区的距离越远,其冲击韧性越高。
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    基于时序数据库的产品数字孪生模型海量动态数据建模方法  收藏
    郑孟蕾, 田凌
    清华大学学报(自然科学版). 2021, 61 (11): 1281-1288.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.26.006
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (1298KB)
    海量动态数据的集成建模是产品数字孪生技术亟待解决的重要基础问题之一。该文通过分析产品数字孪生模型的数据特征,明确动态数据的建模目标。研究对比各类数据存储模式的特点,提出基于时序数据库的产品数字孪生模型海量动态数据建模方法,结合产品动态数据的结构、属性和规模特征,发挥数据库面向时序数据存储和处理的优势。运用该方法基于轴承振动信号数据集进行建模分析,测试结果表明:相比于基于关系型数据库的传统方案,该方法在海量动态数据条件下有效提升了数据的导入、存储和分析性能。
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    基于最大熵方法分析轮旋压设备旋轮座可靠性  收藏
    郑宏伟, 孟广伟, 李锋, 黄涛, 郭亚明, 宣默涵
    清华大学学报(自然科学版). 2021, 61 (11): 1289-1294.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.26.031
    摘要 ( 2 )   HTML    PDF (10157KB)
    基于最大熵方法,该文提出一种对轮旋压设备旋轮座结构可靠性分析模型。采用最大熵方法得到功能函数的概率密度函数表达式,利用Taylor展开方法与调用有限元程序相结合得到功能函数前四阶中心矩,然后将功能函数标准化变换得到四阶原点矩,基于四阶原点矩,采用MATLAB函数求解最大熵方法约束条件表达式,得到最大熵概率密度函数所需的参数,然后拟合概率密度曲线,最后采用积分求解功能函数的失效概率,计算结果与MCS (Monte Carlo simulation)方法对比,相对误差为1.61%,验证了该方法的正确性和可行性。此外,还改进设计了旋轮座基体结构,结果表明:改进后的失效概率比改进前降低了11.42%,提高了结构的可靠性。
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    核能与新能源工程
    核动力对无人航空飞行器续航能力提升研究  收藏
    朱炳聿, 丁青青
    清华大学学报(自然科学版). 2021, 61 (11): 1295-1300.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.26.030
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (2156KB)
    续航能力是飞行器性能的重要指标。核能以其能量密度极高的显著优势,有望对无人航空飞行器续航能力带来巨大的提升。该文以国际上某型号无人航空飞行器为原型,通过分析比较核热推进堆芯方案,设计出适用于该无人航空飞行器的核能动力系统核心模块的堆芯方案,用以替代原动力系统发动机中的核心模块燃烧室,并对发动机核心模块装备核动力的可行性、核动力驱动的无人航空飞行器续航能力的提升进行分析研究。结果表明,核动力堆芯重1 504.75 kg,需要3%富集度UC 119 kg,燃料工作温度低于2 500 K,符合反应堆物理、热工的可行性要求,最终续航时间达近170 d,能够显著提升无人航空飞行器的续航能力。
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    HTR-10超高温运行堆芯温度场分析  收藏
    孙世妍, 张佑杰, 郑艳华, 夏冰
    清华大学学报(自然科学版). 2021, 61 (11): 1301-1307.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.22.036
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (4237KB)
    10 MW高温气冷实验堆(HTR-10)在额定工况下满功率稳态运行时,燃料的温度裕度较大,存在将冷却剂出口温度在700℃的基础上进一步提升的潜力,对实现球床式高温气冷堆超高温运行具有重要意义。该文根据堆芯发热功率和冷却剂载出热量之间的平衡关系,为HTR-10设计了多个稳态超高温运行工况,运用改进的热工模型分析了初装堆芯下各工况的堆芯温度场,给出其分布特征,并讨论了燃料分布不均匀性对堆芯最高温度的影响。结果表明:当堆芯出口冷却剂温度达到1 000℃,且假设最高温度区燃料球和石墨球分布的不均匀程度达到极限时,堆芯最高温度仍未达到燃料温度限值。
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    基于径向基神经网络仿真γ能谱模板库的核素识别方法  收藏
    杜晓闯, 涂红兵, 黎岢, 张洁, 王康, 刘鹤敏, 梁漫春, 汪向伟
    清华大学学报(自然科学版). 2021, 61 (11): 1308-1315.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.22.033
    摘要 ( 1 )   HTML    PDF (4987KB)
    传统的γ能谱分析方法存在计算复杂、耗时较长等问题。该文通过Geant4软件模拟生成26种放射性核素γ能谱,并基于径向基神经网络进行拟合,建立γ能谱模板库。针对未知γ能谱,利用最小二乘法、非线性规划算法在模板库中寻找放射性核素的最优组合,利用集成学习的思想,集成两种算法计算结果,并建立客观的识别标准。运用所提方法识别单核素γ能谱、双核素混合γ能谱以及三核素混合γ能谱,识别结果表明该方法识别核素种类的准确率较高,具有可行性与有效性。
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    土木工程
    三维线激光国际平整度指数计算原理及测试评估  收藏
    呙润华, 徐粒, 彭慧婷, 曹志坚, 耿靖杰
    清华大学学报(自然科学版). 2021, 61 (11): 1316-1324.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.26.041
    摘要 ( 1 )   HTML    PDF (11749KB)
    该文介绍了三维线激光轮廓仪纵向布置架构及工作原理,开发了基于线激光的移动参考算法,可用于20~100 km/h时速下连续获取道面纵向轮廓线,设备布置于左右轮迹带,线激光调查长度为270 mm,垂直精度达0.01 mm。通过该调查系统获取了2段不同质量状况沥青路面轮廓高程并用于计算10、100 m步距国际平整度指数(international roughness index,IRI),测试结果表明:变速情况下获取的IRI值与手动测量相对误差不超过3%,低速情况下的左、右轮廓仪标准差不超过0.3,变速情况下不超过0.6;数字检测车在快速启动过程中导致的悬架上移以及受黄金车1/4车动力学响应模型初值影响,起始段约50 m的数据会出现失真现象,剔除起始段前50 m低质量数据后,右轮廓仪91.4%的数据变异系数小于5%,8.6%的数据变异系数小于15%,左轮廓仪94.2%的数据变异系数小于5%,5.8%的数据变异系数小于10%。其中1号和2号站点路段调查的IRI评价结果符合实际路面服役状况。综合测试结果表明:开发的动态检测系统在低速和变速情况下采集IRI数据质量良好,预计未来可以为区域化的网级路面服役状况评估提供有效技术支撑。
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    水利水电工程
    前缘空化对弹性水翼振动特性影响数值模拟  收藏
    姚志峰, 赖桂桦, 刘婧, 曾永顺
    清华大学学报(自然科学版). 2021, 61 (11): 1325-1333.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.22.043
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (9600KB)
    水力机械偏离设计工况运行时,前缘空化将显著改变流场,进而改变流场与叶片结构之间的流固耦合效应,导致叶片振动特性发生改变。该文以NACA0009弹性水翼为研究对象,采用基于剪应力输运(SST)k-ω湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri (ZGB)空化模型的三维Reynold平均数值模拟方法预测流场特性,利用分离式双向迭代的流固耦合方法计算空化条件下水翼的预设激振响应,获得了弹性水翼水中固有频率与附加阻尼比。通过实验数据验证了数值计算结果的可靠性。计算结果表明:随着空化数的降低,水翼前缘空化长度、厚度和边界层厚度均增大。随着空化区域长度的增加,水翼尾部脱落涡频率降低。空化系数变化对弯曲振动振型影响较小,但对扭转振动振型的影响较大。随着前缘空化区域的增大,弹性水翼弯曲模态与扭转模态的固有频率变化趋势一致,但附加阻尼比的变化依赖于振型。当弹性水翼在攻角2°、流速14 m/s的工况运行时,前缘空化出现后,弯曲振型下固有频率的最大增幅为2.25%,附加阻尼比减小9.00%,扭转振型下固有频率的最大增幅为20.12%,附加阻尼比增大165.70%。
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    环境科学与工程
    降雨情况下散射计洋面风速的误差分析与改进  收藏
    姜祝辉, 张伟
    清华大学学报(自然科学版). 2021, 61 (11): 1334-1340.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.26.033
    摘要 ( 1 )   HTML    PDF (1522KB)
    针对降雨导致散射计洋面风速反演精度低的问题,利用ASCAT和QUIKSCAT散射计洋面风速数据和浮标数据,引入降雨率参数,首先开展晴空条件下浮标风速与散射计洋面风速空间配准分析,研究了不同空间窗口散射计洋面风速配准误差分布规律,给出了最优空间配准参数;然后分析了特定降雨率条件下不同频段散射计洋面风速误差;最后利用最优空间配准参数获取的训练数据集和测试数据集,构建了降雨情况下洋面风速精度改进模型。结果表明: ASCAT风速误差由2.5 m/s降到1.4 m/s,QUIKSCAT风速误差由4.3 m/s降到2.2 m/s。
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