2017年, 第57卷, 第12期　
刊出日期：2017-12-15

  

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计算机科学与技术
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  基于域间二维路由的流量工程模型

  徐明伟, 高冰洁

  清华大学学报（自然科学版）. 2017, 57(12): 1233-1238. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.21.022

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  流量工程是网络资源优化配置的重要手段，域间流量工程是针对自治系统（autonomous system，AS）间链路的负载均衡及利用率优化。目前，互联网的路由都是按照报文目的地址进行的，这使得基于边界网关协议（border gateway protocol，BGP）的域间流量工程在网络拥塞时的调整能力有限。该文在分析了域间流量工程典型场景和需求的基础上，提出了基于二维路由的域间流量工程模型，并提出了域间二维路由流量工程场景下流量放置问题和源地址块切分问题的启发式算法来求解。仿真结果表明：基于域间二维路由的流量工程能够成功解决流量细分问题，并在吞吐量、路径稳定性等指标上均优于基于BGP的流量工程方案。
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  基于链路通断预测的飞行器多路径传输优化

  江卓, 吴茜, 李贺武, 吴建平

  清华大学学报（自然科学版）. 2017, 57(12): 1239-1244. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.21.021

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  为各类飞行器提供互联网接入的主要技术方案可以分为卫星通信和地空宽带2种。当飞行器处于两者的重叠覆盖区域，采用多路径进行数据通信将有可能极大改善传输性能。针对上述飞行器多接入场景，该文提出了一种多路径传输优化方案DMPTCP （dynamic multipath transmission control protocol）。针对链路通断情况发现缓慢、数据分配效率低的问题，结合飞行轨迹可预测的特点，设计了一种基于链路通断状态预测的数据分配算法；并针对链路时延和丢包率差异大所导致的接收方乱序情况严重的问题，通过接收方同时在多条子流回复连接层否定确认信息，使得发送方能够快速获得接收方总体乱序情况并对丢包进行重传。仿真实验表明： DMPTCP在聚合带宽和接收方总体乱序情况两方面均明显优于现有多路径传输机制。
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  在线社会网络中面向节点影响力的信息传播阻断模型

  赵宇, 黄开枝, 郭云飞, 赵星

  清华大学学报（自然科学版）. 2017, 57(12): 1245-1253. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.25.061

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  目前信息传播阻断模型是在网络中选择并删除l个最佳节点（边）使信息传播到的节点数量最小，该模型未考虑信息传播节点的影响力，导致选择的l个最佳节点（边）并不准确，阻断有效性较差。针对此问题，该文提出一种面向节点影响力的信息传播阻断模型，并设计了一种基于采样平均近似的求解方法。模型以网络中节点的影响力为有效性依据，通过选择并删除l个最佳节点来改变网络结构，使信息传播到的目标节点影响力之和最小；该模型为随机优化问题，首先利用采样平均近似将目标函数转化为确定性问题，其次进一步编码为混合整数规划问题，最后采用一种量子遗传算法解决该问题得到l个最佳节点并将其删除。仿真结果表明：相比于传统模型，通过本模型选择的l个最佳节点能够将信息传播的影响力控制在更小的范围，且处理时间更短。
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  维吾尔语感叹句语调起伏度

  哈妮克孜·伊拉洪, 古力米热·依玛木, 玛依努尔·阿吾力提甫, 姑丽加玛丽·麦麦提艾力, 艾斯卡尔·艾木都拉

  清华大学学报（自然科学版）. 2017, 57(12): 1254-1258. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.21.025

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  该文利用COOL EDIT PRO2.0和PRAAT等语音分析软件，采用起伏度的计算方法，对4位维吾尔族发音人的感叹句语料进行了定量分析，考察语句调域和调群调域的音高表现。结果表明：维吾尔语感叹句的语句调域从句首到句末有明显台阶式下降特点，但句末会出现略上升现象，成为了维吾尔语感叹句语调音高表现的特征。
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  维吾尔语韵律建模

  古力米热·依玛木, 姑丽加玛丽·麦麦提艾力, 玛依努尔·阿吾力提甫, 艾斯卡尔·艾木都拉

  清华大学学报（自然科学版）. 2017, 57(12): 1259-1264. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.21.026

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  对维吾尔语的韵律结构进行了全面的研究，从维吾尔语语音合成（text to speech，TTS）语音库中提取了音节的时长、能量、基频均值、最大值、最小值和基频范围等韵律特征参数，分析了其在音节处于不同韵律层次时的变化规律。提取了语音数据中韵律边界前后的音节延长量、音高重置和无声段等声学特征参数，并对它们的分布规律进行了统计分析。实验结果表明：不同韵律层级之间时长延长量和音高差值随着边界层级的提高而增加；韵律词边界之间没有显著地停顿，韵律短语和语调短语层级边界之间的平均停顿时长分别是154.2和212.8 ms。
自动化
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  连续分片线性规划问题的山顶投影穿山法

  续志明, 刘匡宇, 白宇, 王书宁

  清华大学学报（自然科学版）. 2017, 57(12): 1265-1271. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.25.059

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  连续分片线性规划是一类应用广泛的重要规划，寻找连续分片线性规划的全局最优解是研究这类规划的重点和难点。该文研究的是一种对此类规划进行全局寻优的确定性启发式算法。由于此类规划问题可以转化为凸多面体上的凹优化问题进行求解，因此利用凹函数的上水平集的凸性，该文提出可以通过直接穿透目标函数上水平集在其等值面上进行搜索，以逃离当前局部最优解进行全局寻优。该方法中每次逃离的搜索方向都通过山形凹目标函数的顶点投影来确定，因此称为山顶投影穿山法。在数值实验中，将所提出的山顶投影穿山法与CPLEX以及绕山法进行了比较，结果表明该算法在计算速度与全局寻优能力上性能优越。
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  基于能量平衡的暖通空调系统故障检测方法

  杨文, 赵千川

  清华大学学报（自然科学版）. 2017, 57(12): 1272-1279. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.25.058

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  暖通空调在长期运行过程中，设备和传感器故障时有发生，不仅给暖通系统的运行带来安全风险，也是导致建筑能源浪费的主要原因之一。该文针对建筑暖通空调系统故障检测问题，分析了暖通空调系统能量传输和变换的主要环节，建立了建筑暖通空调能量网络模型。在此基础上，利用能量守恒这一基本物理定律，给出了基于能量平衡的故障检测方法。该方法利用暖通空调系统能量的传递和变换过程，建立起跨多个系统的传感器数据关联关系，将空气处理环节、水处理环节以及配电系统的测量数据有效整合，充分利用全局性的冗余信息，进而能同时针对空调设备故障、传感器故障以及涉及配电等跨系统传播的故障进行检测。实例验证表明：该方法建模简单、计算简便、易于工程实现。
汽车工程
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  基于MPC的多车纵向协同避撞算法

  胡满江, 徐彪, 秦洪懋, 徐成, 丁可, 王建强

  清华大学学报（自然科学版）. 2017, 57(12): 1280-1286. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.21.032

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  车辆防撞预警系统在近年得到快速发展，有效提升了道路交通的安全性。然而现有避撞算法大多考虑相邻两车间的安全关系，并未涉及前车行为对连续后车造成的不利影响。该文提出一种基于模型预测控制（model predictive control，MPC）的多车纵向协同避撞算法，通过综合考虑队列运动学关系，基于模型预测控制，以总相对动能密度最小作为优化目标，将连续时间优化问题离散化为二次规划的数值计算，以避免或减少队列整体的碰撞损失。最后通过MATLAB进行数值仿真，验证了所提方法的有效性。
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  基于超声波传感器阵列的车辆周围目标物识别

  辛喆, 邹若冰, 李升波, 俞佳莹, 戴一凡, 陈海亮

  清华大学学报（自然科学版）. 2017, 57(12): 1287-1295. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.21.033

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  为了对车辆环境信息进行探测与识别，提高道路交通安全，该文研究了利用超声波传感器阵列识别车辆环境目标类型的方法：以分类器为核心，搭载目标物区分算法，实现对目标物的实时探测与区分。首先根据车辆周围环境信息提取了具有一定形状特征的典型目标物，分别为平板、圆柱和角形3种类型，以支持向量机（support vector machine，SVM）为分类器建立分类模型，根据目标物形状不同构造与优选分类特征指标集；依托分类结果建立目标物的类型区分算法，得到每一时刻各类目标物的概率值。仿真结果表明：分类模型的分类准确率达到91.5%；同时该方法对各种类型的目标物进行区分时，均达到较好的识别效果。在实际道路试验中，采集了汽车、行人和自行车3类目标物，采用该方法达到了良好的识别效果，具有可行性。
电子工程
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  终端直接通信中基于统计QoS保证的资源优化

  米翔, 赵明, 许希斌, 王京

  清华大学学报（自然科学版）. 2017, 57(12): 1296-1302. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.21.028

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  终端直通（device-to-device，D2D）通信技术已成为第五代移动通信（5G）中的关键技术。资源分配直接关系着D2D通信的质量，是D2D通信中的重要研究内容。该文研究了正交频分多址接入（orthogonal frequency division multiple access，OFDMA）蜂窝网络中的D2D通信，用统计服务质量（quality-of-service，QoS）保证来刻画用户的时延需求，在保证蜂窝用户的干扰门限要求下，以最大化统计带QoS保证的系统吞吐量为目标，提出了有效的资源分配算法。通过Lagrange方法求解原始优化问题，提出了交替式优化算法和渐进凸近似算法。仿真表明，所提方案能有效提升系统性能。
  
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  基于水域跟踪的极化SAR图像桥梁检测

  刘春, 杨健, 徐丰, 范一大

  清华大学学报（自然科学版）. 2017, 57(12): 1303-1309. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.25.057

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  从精确的分割和连通桥梁跨越水域角度出发，该文提出一种基于水域跟踪的极化合成孔径雷达（polarimetric synthetic aperture radar，POL-SAR）图像桥梁检测方法。该方法首先使用极化SAR水平集分割方法实现精确的水陆分割，然后通过分支水域扫描及跟踪实现与桥梁检测相关各分支水域的连接，最后提取水域轮廓特征点确定桥梁端点，进而根据桥梁端点确定桥体区域实现桥梁检测。使用新加坡地区和中国海南陵水地区RADARSAT-2极化SAR数据进行实验，实验结果表明：该算法检测正确率高，且在大场景范围内实现了极短桥梁检测。
精密仪器与机械学
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  用于MEMS陀螺的PCIe实时测控平台设计

  周斌, 邱志昌

  清华大学学报（自然科学版）. 2017, 57(12): 1310-1316. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.21.036

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  该文提出了一种用于微机电（micro electro mechanical system，MEMS）陀螺的PCIe （PCI express）实时测控平台。系统通过对PCIe和现场可编程门阵列（field programmable gate array，FPGA）驱动以及延时环节进行加速优化，实现了陀螺驱动频率闭环和驱动幅度闭环控制，使线振动陀螺工作在谐振频率上且幅值稳定。针对测控系统的实时性和稳定性特性，从硬件和软件两个层面进行了分析。首先在PCIe总线方面，优化了FPGA硬件，对总线传输控制和PCIe IP核接口控制进行了加速处理，将单次读数耗时降至1.8 μs；其次在系统软件方面，完成对底层驱动和算法的精简，减少内核层和用户层之间的数据传输延时，并通过制定高效的数据时序控制方案，实现数据稳定传输，最终将系统的采样频率稳定在100 kHz。
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  3自由度并联主轴头的动力学建模及动态特性

  于广, 王立平, 吴军, 王冬

  清华大学学报（自然科学版）. 2017, 57(12): 1317-1323. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.25.062

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  机床的动态特性可以衡量机床抵抗动载荷的能力，对机床切削性能有着重要影响。该文以一种具有平行四边形结构的3自由度并联主轴头为研究对象，研究其动力学建模方法及其分析动态特性。该主轴头运动学支链中的杆件具有变截面特点，基于有限元思想该文提出了一种求解变截面杆件质量矩阵的方法，并考虑铰链的影响，建立了铰链的质量矩阵，进一步推导了并联主轴头的动力学模型。基于动力学模型，研究了并联主轴头在工作空间内的固有频率分布规律及其振型。通过在并联主轴头样机上的实验，验证了动力学模型和动态特性分析的准确性和有效性，为并联主轴头的工程应用奠定了坚实基础。
热能工程
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  可燃固体废弃物热转化特性的基元表征方法

  龙艳秋, 李清海, 周会, 蒙爱红, 张衍国

  清华大学学报（自然科学版）. 2017, 57(12): 1324-1330. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.25.056

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  随着社会经济发展，中国可燃固体废弃物产量逐年增加，采用热转化技术可有效处理可燃固废。在进行热转化处理时需要获取可燃固废的热值、挥发分等热转化特性。该文建立了一种以纤维素、半纤维素、木质素、淀粉、聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等9种物质为基元预测可燃固废热转化特性的方法。通过对可燃固废进行TGA热解实验，采用多元线性回归，以灰色关联度为判据，用基元的失重曲线拟合获得了可燃固废的失重曲线，拟合系数即为该可燃固废的基元表征系数。利用基元表征系数，结合基元数据，通过线性加权计算表征了可燃固废的热转化特性，其中挥发分表征误差在5%以内，热值误差在10%以内。该研究为热转化特性计算提供了一个简洁有效的路径，可作为工程设计参考。
土木工程
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  村镇建筑群火灾蔓延模拟与案例

  曾翔, 杨哲飚, 许镇, 陆新征

  清华大学学报（自然科学版）. 2017, 57(12): 1331-1337. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.25.060

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水利水电工程
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  基于加速度传感器的建筑工人施工行为识别方法

  强茂山, 张东成, 江汉臣

  清华大学学报（自然科学版）. 2017, 57(12): 1338-1344. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.25.055

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  对建筑工人施工行为的自动化识别是建设施工质量安全以及工作效率实时管理的核心方法，需要建筑、信息、管理等多领域交叉集成。该文以钢筋工为例，利用加速度传感器在工地现场采集钢筋工施工过程中手腕处运动的加速度数据，将钢筋工的所有行为分为3类。从加速度数据中提取特征值，应用分类器进行机器学习实验并进行精度对比，得出最佳分类器和最佳特征值。实验结果表明：最佳特征值与数据片段长度有关；在一定范围内，数据片段越长，识别精度越高；识别精度最高达到了85.9%，与以往研究相比，对工人行为的分类更细致且达到的精度更高。该研究为工程现场典型工种的动作识别提供了方法，为建筑工人行为的自动化实时监控、施工质量安全和效率管理奠定了基础。