2016年, 第56卷, 第3期　
刊出日期：2016-03-15

  

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计算机科学与技术
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  支持时序数据聚合函数的索引

  黄向东, 郑亮帆, 邱明明, 张金瑞, 王建民

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(3): 229-236,245. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.21.032

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  时序数据是工业新发展的关键, 其中针对时序数据的聚合操作成为主要的应用场景之一。传统关系型数据库不足以支撑海量的时序数据, 而现有的NoSQL数据库对时序数据的聚合操作显得低效耗时。该文提出了一种结合概要表和线段树思想的支持时序数据聚合操作的高效索引机制, 并实现了基于这种索引机制的查询算法。该查询算法将概要表的思想引入NoSQL中, 缩小了待查询数据集, 并通过在概要表上建立概要森林的形式, 将最坏情况下的待查询数据集进一步缩小为索引个数的lbn倍。此外, 该算法通过计算直接定位出待查询的一系列索引数据, 有效避免了一般树形结构的递归遍历操作, 减少了大量的磁盘开销。最后, 通过与一般索引机制的查询对比实验, 验证了该索引机制的可用性和高效性。
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  支持完整性检测的安全日志

  王永剑, 金波, 董健

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(3): 237-245. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.21.025

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  随着大数据处理系统日趋复杂, 软件错误、软件兼容性、管理失误甚至恶意入侵等导致的拜占庭故障对系统可用性影响日趋严重。拜占庭故障节点可能采用含糊行为欺骗正确节点, 因此检测节点是否存在含糊行为是兼顾安全性和效率的一种有效手段。该文提出了一种支持完整性检测的安全日志Log-Keeper, 通过创建完整性证据支持存在性和一致性检测, 证明状态的完整性。为了支持分布式环境下的频繁检测, 基于IndexTree实现了Log-Keeper, 支持O(lbn)规模证据。测试表明, Log-Keeper创建的证据规模是AASL(authenticated append-only skip list)的25%~50%。
  
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  基于混合式两阶段的动态部分重构FPGA软硬件划分算法

  马昱春, 张超, Luk Wayne

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(3): 246-252,261. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.21.004

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  动态部分重构的特性大大提高了硬件设计的灵活性, 但传统的软硬件划分算法不再适用于针对这类硬件的系统设计。部分研究考虑了动态部分重构的特性, 并建立了混合整数线性规划(MILP)模型进行求解。但是由于MILP自身的限制, 求解时间特别长, 只能处理规模较小的问题。为了能够处理规模较大的问题, 并且缩短求解时间, 该文对MILP方法进行了详细的分析, 并且通过启发式算法确定部分关键任务的状态, 从而减小MILP的规模, 加快求解速度。实验结果表明: 与传统的数学规划方法相比, 在求解质量不变的情况下, 该算法可以得到最高约200倍的速度提升。
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  基于开项集剪枝的常量条件函数依赖挖掘

  周金陵, 刁兴春, 曹建军

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(3): 253-261. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.21.026

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  为了减小常量条件函数依赖的搜索空间, 提高挖掘效率, 针对常量条件函数依赖挖掘算法CFDMiner, 提出了一系列剪枝优化策略。理论研究发现, CFDMiner的输入——关系数据的全部开项集和闭项集对产生有效的常量条件函数依赖仍然存在很多无效、冗余的项集。从理论上证明了通过合理剪枝, 选取开项集的子集与对应的闭项集, 能够得到与原算法一致的结果。实验表明: 相比原始算法CFDMiner, 优化后的算法搜索空间更小, 实际数据集上平均挖掘效率提高4~5倍。
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  数据中心网络多路径路由算法

  杨洋, 杨家海, 秦董洪

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(3): 262-268. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.21.031

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  数据中心网络流量分布的不均衡增加了网络拥塞产生的可能性, 由于数据中心网络的流量特性, 使得传统IP网络的流量工程方法不一定适合。该文在SDN/OF(software defined network/OpenFlow)的结构下, 提出了一种基于多路径传输的动态路由算法 (dynamic routing algorithm based on multipath propagation, Dramp)并作为SDN/OF结构中应用层的流量均衡策略。该算法在重新定义链路关键度并求解链路权值优化问题的基础上, 能充分利用数据中心网络中存在的冗余路径, 在完成细粒度流量均衡的同时, 能很好地克服控制器的计算开销, 完成路由优化的目标。通过在Mininet仿真平台中部署并进行仿真实验, 与等开销多路径路由算法ECMP(equal-cost multi-path)以及GFF(global first fit)路由算法相比较, 结果展示了Dramp的优越性能, 同时证明了在数据中心网络中采用Dramp作为流量工程的解决方案更简单、更实用。
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  融合局部特征和全局特征的视频拷贝检测

  王晶, 王昊

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(3): 269-272. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.21.021

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  近年来, 出于保护版权以及避免资源浪费等需要, 基于内容的视频拷贝检测技术成为了一大研究热点。为了克服局部特征和全局特征的缺陷, 该文提出了融合局部特征和全局特征的视频拷贝检测算法。该算法结合了分块Harris角点和分块亮度顺序, 避免了采用单一特征鲁棒性差的问题, 能够适应视频图像的重编码、亮度、局部遮挡和水平翻转等变化。此外, 该文提出了基于信息熵的关键帧提取算法, 优化了关键帧的选取; 同时结合倒排索引的技术, 极大地提高了检索效率。实验表明: 该算法能有效地提高视频拷贝检测的准确性, 同时在速度上也满足应用需要。
自动化
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  基于最优计算量分配的公路轨迹规划

  付骁鑫, 江永亨, 黄德先, 王京春, 黄开胜

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(3): 273-280. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.21.024

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  针对智能汽车的公路轨迹规划问题, 本文将最优计算量分配(OCBA)的思想引入基于候选轨迹曲线的规划算法OODE, 提出新算法OCBA_OODE。OODE通过比较各候选曲线的"粗糙"(存在偏差但计算量小)评价确定最优轨迹曲线。曲线评价随着投入计算量的增加逐渐收敛至准确值, OODE对各曲线平均分配计算量, OCBA_OODE基于曲线评价循环分配计算量进而提高算法效率。OCBA_OODE在求解质量不下降的前提下, 规划速度比OODE的快20%。
  
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  基于分布式视频网络的交叉口车辆精确定位方法

  杨德亮, 谢旭东, 李春文, 牛小铁

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(3): 281-286,293. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.21.033

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  为了对交叉口车辆的位置进行准确定位, 提出了一种分布式视频网络架构下车辆精确定位方法。在分布式视频网络中每处摄像机架设位置均设有2类摄像机: 近景摄像机和远景摄像机。首先在近景摄像机拍摄范围内, 对感兴趣区域内车辆进行身份识别, 根据车牌照平面与道路平面垂直的约束条件, 建立车牌照模型来对车辆精确定位; 接着在远景摄像机拍摄范围内, 采用融合局部二值模式(LBP)纹理特征的金字塔稀疏光流法实时跟踪车辆上局部特征点, 根据特征点运动趋势相似性获得稳态特征点, 来对车辆位置估计; 最后根据不同摄像机检测结果, 采用加权一致性信息融合算法来提高车辆定位精度。实验结果表明: 该方法能对交叉口车辆位置进行精确定位。
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  基于自然语言处理的交通拥堵程度评价

  陈洪昕, 崔健, 张佐, 姚丹亚

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(3): 287-293. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.21.034

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  近年来, 微博等社交媒体上出现了越来越多的道路交通信息。微博交通数据能够有效补充传统交通数据, 为交通分析提供一个新维度。该文以微博数据为基础, 总结了人们用自然语言表达交通拥堵程度的常用方式, 采用模糊评价方法量化不同人用自然语言描述交通拥堵时的主观感受; 采用模糊推理方法进行数据融合, 综合评价多人用自然语言描述同一路段道路通行状况时该路段的交通拥堵程度。实验选取3个路段拍摄一定时长的实际路况视频, 邀请受试者随机抽取视频片段并对该时刻的交通状况做出主观评价。实验融合评价结果与百度地图发布的实时路况具有一致性, 验证了该方法的可行性。
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  PEM老炼过程中的温度闭环控制系统

  白冰, 王伟明, 李青峰, 李路明

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(3): 294-298. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.21.020

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  当前,老炼仍被广泛应用于塑封微电路(PEM)的可靠性保证。为了解决老炼过程中存在的热失控及温度不一致的问题, 该文设计了一套温度闭环控制系统。在由老炼箱自身装置提供箱内基础温度的基础上, 设计的温度闭环控制系统以每个封装夹具内的微环境为控制对象, 采用模糊自适应算法, 最优配置比例积分(PI)控制器的控制参数, 最终驱动执行器, 对被老炼器件及时加热或散热。通过试验证实, 老炼过程中加入温度闭环控制系统后, 被测器件的温度在更短的时间内(20 min)达到稳态, 稳态精度控制在1℃以内, 且被测器件温度的差异由2℃降低到基本一致。而后, 当系统采用模糊自适应控制算法后, 系统的动态响应时间更短, 抗干扰能力更强。因此, 该系统达到了防止器件热失控及保证不同器件间温度一致的目的。
电机工程
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  面向自动需求响应的高速窄带电力线通信应用层

  刘雯静, 郭静波

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(3): 299-305. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.21.019

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  实现电力系统自动需求响应的高速窄带电力线通信(high-speed narrowband power line communication, HNPLC)系统亟需实用、高效的应用层设计来支撑各类响应服务。该文面向自动需求响应服务, 定义了双向互动的HNPLC应用层协议架构, 并结合系统的多分类服务需求, 提出一种综合考虑数据包优先级权重、数据包传输效率和服务等待时间的基于动态优先级的应用层服务响应机制。在构建的跨层HNPLC仿真平台中验证了协议架构的合理性, 且计算机仿真结果表明, 提出的基于动态优先级的服务响应机制可明显提升HNPLC传输性能, 满足自动需求响应的服务要求。
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  磁共振成像系统中梯度放大器前级电源的非线性控制

  施洪亮, 许劲, 崔彬, 蒋晓华

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(3): 306-311,317. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.21.029

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  为了实现磁共振成像系统中梯度放大器前级电源对负载电流阶跃的高速响应, 提出了一种单电压环非线性PID控制器, 该控制器的控制参数是基于误差变化的指数函数。为了进一步提高性能, 在此非线性PID控制器的基础上, 增加了一个电流内环比例控制器。在一台120 V/30 A的前级电源样机上进行了实验验证, 将这2种控制策略对负载电流阶跃时输出电压动态响应结果与系统的动态物理极限进行了对比。实验结果表明: 所设计的电压电流双闭环非线性控制器比单电压环非线性PID控制器有更好的动态响应性能, 更接近系统的动态物理极限。
核能与新能源工程
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  活性炭吸附放射性废水中U(Ⅵ)的特性研究

  于静, 王建龙, 蒋翼周

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(3): 312-317. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.21.022

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  该文研究了活性炭对放射性废水中铀的吸附特性, 所研究的影响因素包括接触时间、溶液的pH值pH_a、铀的初始浓度和实验温度。利用能谱扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线能谱(EDS)和红外光谱(FTIR)对活性炭的表面物化性质和表面功能团进行了表征。结果表明, 活性炭表面存在羟基官能团并对吸附起重要作用; 吸附反应在30 min内可以达到平衡; pH_a在3~9对吸附影响较大, 在3< pH_a< 5时吸附容量和吸附率增大, 在5< pH_a< 7时吸附容量和吸附率减小, 在7< pH_a< 9时吸附容量和吸附率上升较快; U(Ⅵ)在活性炭上的吸附反应符合Tempkin、Slip和D-R等温模型及准一级动力学方程; 吸附反应是自发放热熵增过程。饱和吸附容量为62.50 mg·g^-1, 吸附率最大为99.23%。
电子工程
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  基于极大代数的安全系统失效传播分析

  佘晓丽, 赵纪元, 杨健

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(3): 318-323. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.21.023

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  针对多个子系统协同工作的安全系统, 提出基于极大代数的失效传播分析方法。该方法分别针对失效在子系统间的传播过程和控制过程建立模型, 基于极大代数运算规则提出迭代求解公式, 并在此基础上得到失效传播导致的系统危害暴露时间(TSF)。相比其他失效传播模型, 该方法通过失效传播与控制模型的对比发现失效传播机制的非对称特性, 并给出了求解协同系统TSF的方法。通过中国列车控制系统(CTCS)实例分析表明了本方法的有效性。
精密仪器与机械学
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  用于磁罗盘罗差校正的基于Sampson距离的椭圆拟合法

  罗寿红, 张嵘, 郭美凤, 彭卓

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(3): 324-327,333. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.21.035

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  磁罗盘被广泛应用于民用和军事领域进行导航。磁罗盘使用过程中易受环境干扰磁场影响, 使输出的航向精度降低。为保证磁罗盘正常工作, 必须在应用环境中对磁罗盘进行罗差校正, 这也是提高磁罗盘航向输出精度的关键方法。该文通过分析应用环境中干扰磁场对磁罗盘输出的影响, 基于椭圆假设, 采用基于Sampson距离的椭圆拟合算法对磁罗盘原始测量值进行拟合。基于拟合结果对磁罗盘原始测量值进行校正, 从而实现对环境干扰磁场的补偿以提高磁罗盘航向输出精度。采用该方法对KVH公司制造的C100二维磁罗盘进行多位置转台实验, 校正后磁罗盘输出航向误差均值由1.51°减小到0.25°, 验证了该方法的有效性和实用性。
机械工程
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  振动研磨过程中研磨参数的定量研究

  陈恳, 阮和平, 吴丹, 刘飞

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(3): 328-333. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.21.030

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  蛋白质的提取率取决于被提取的生物组织的粉末粒度, 因而生物组织的粉碎是蛋白质提取工程中的关键技术之一。目前, 生物组织粉碎较多采用振动球磨方式, 研磨产品粒度和研磨效率与研磨过程的特征参量如碰撞频率、碰撞能量有密切关系。为了研究研磨参数对研磨特征参量的影响规律, 该文采用事件驱动法(event driven method, EDM)建立了振动球磨机构中单个磨球在研磨罐内的动力学模型, 获得了振动频率、振动幅度和研磨罐直径对碰撞频率和碰撞能量的影响规律。结果表明: 碰撞频率、碰撞能量均随着振动频率和振动幅度增大而增大; 在相同的磨腔体积即研磨罐容积下, 随着研磨罐直径的增大碰撞频率和碰撞能量减小。该结论为研磨机构设计和参数选择提供理论依据和方法。
物理与工程物理
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  应急疏散中社会关系网络与“领导-追随”行为变化

  李丽华, 马亚萍, 丁宁, 张辉, 马晔风

  清华大学学报（自然科学版）. 2016, 56(3): 334-340. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2016.21.027

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  群体动力学理论提出社会关系是影响群体行为的一个重要因素。为了研究社会关系在紧急状态下的特点和变化情况, 研究应急状态下的"领导-追随"行为, 设计并开展了6组高层建筑应急疏散演练实验。实验由包括情侣、舍友和同学关系的30名疏散者参与, 使用问卷调查与社会网络分析方法, 得到常态和紧急状态下的实验者群体的社会关系网络。对问卷、视频数据和社会关系网络图的分析表明, 紧急状态下的社会关系网络受常态中社会关系网络的影响, 但在疏散者的中心度、团体的凝聚性、疏散子群等方面又有着明显的变化。同时, 通过定义疏散者的被信任程度, 提取了常态和紧急疏散状态下的领导与追随者, 结果表明紧急状态下的领导者更可能在常态中的意见领袖和疏散中速度较快的人中间产生。