2017年, 第57卷, 第6期　
刊出日期：2017-06-15

  

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计算机科学与技术
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  基于语法推导的溯源依赖关系路径模式挖掘算法

  裴继升, 叶晓俊

  清华大学学报（自然科学版）. 2017, 57(6): 561-568. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.26.019

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  溯源依赖关系路径模式是基于溯源数据的云数据服务安全策略的重要基础。该文阐述了依赖关系路径模式挖掘的重要意义，提出一种对数据溯源图进行预处理的线性排序算法，使利用自动机模型对溯源数据进行语法推导及解析成为可能；给出了基于自动机语法推导及解析的依赖关系路径间相似度的定义和计算方法；提出一种通用的依赖关系路径模式挖掘算法，在降低领域先验知识要求的前提下，支持溯源规则的自动学习。通过实例研究，验证了该算法在现实应用中的可行性。
  
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  分布式环境下业务模型的数据存储及访问框架

  蔡鸿明, 姜祖海, 姜丽红

  清华大学学报（自然科学版）. 2017, 57(6): 569-574. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.26.020

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  构造业务模型以支持应用系统开发是基于模型驱动架构实现云服务系统快速开发及有效运维的重要途径。然而，云平台下的海量异构模型的统一管理并不容易。该文提出一个分布式环境下的业务模型数据存储访问框架，以支持业务建模、服务转换、服务配置、服务部署、服务监控等服务生命周期。将关系数据库及NoSQL数据库结合以存储和管理结构化数据；采用基于Hadoop构建的文件库以实现非结构化的业务模型管理，从而构造一个综合的数据管理模型，实现了业务模型统一存储和管理；并根据业务模型中的资源描述，生成相应RESTful服务供应用系统调用；构建一个基于云平台的业务模型库软件平台以开展应用验证。结果表明：该框架不仅对云服务应用系统提供了高效的数据存储访问方式，也降低了应用服务的开发及维护成本，具有较高工程价值。
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  面向高考阅读理解的句子语义相关度

  郭少茹, 张虎, 钱揖丽, 李茹, 杨陟卓, 顾兆军, 马淑晖

  清华大学学报（自然科学版）. 2017, 57(6): 575-579,585. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.26.021

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  高考阅读理解选择题是基于背景材料，通过对材料的“理解”从多个选项中选出最佳选项。由于提供的背景材料相对较短且关键信息极具隐藏性，答案可能无法在背景材料中直接找到，因此从背景材料中挖掘信息并与选项进行相关性分析是解答该类问题的关键，而句子级的语义相关性分析是背景材料与选项相关性分析的基础。该文通过对大量高考科技文文意理解类选择题进行分析，提出基于多维度投票算法的句子语义相关度计算方法。该方法将不同维度的语义相关性作为度量标准，运用投票算法的思想，选取问题的最佳选项。在近十年北京市高考真题上进行测试，解答准确率为53.84%，验证了该方法的有效性。
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  改进的无线性对固定轮数无证书群组密钥协商协议

  单纯, 胡康文, 薛静锋, 胡昌振, 赵小林

  清华大学学报（自然科学版）. 2017, 57(6): 580-585. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.26.022

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  针对现有无证书群组密钥协商协议无法在敌手具有替换用户公钥或获知私钥生成中心（key generation center，KGC）主秘密密钥2类攻击能力下满足安全性，该文提出一种显式认证的无证书群组密钥协商协议。该协议通过在第二轮中添加签名消息、签名与群组用户身份集合、第一轮所有广播消息、第二轮用户发送的消息，保证了消息的新鲜性和身份的认证；对协议第二轮消息进行改进，使得敌手无法利用邻居节点进行攻击。分析结果表明：与其他无证书群组密钥协商协议相比，本协议可抗具有2类攻击能力的敌手，且计算量更小。
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  适用于海量数据应用的多维Hash表结构

  吴泉源, 彭灿, 郑毅, 卜俊丽

  清华大学学报（自然科学版）. 2017, 57(6): 586-590. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.26.023

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  传统的Hash表通过对目标数据进行Hash计算，可以实现数据的快速存取与检索。为了保持较好的存储性能，需要使整个Hash表保持疏松的状态，从而牺牲掉10%~25%的空间。这对于海量数据存储而言，是一种巨大的空间浪费。该文提出一种多维Hash表结构，通过增加Hash表在逻辑上的维度，大大降低了Hash表的冲突率，实现了在较高的填充率下获得较满意的性能。实验结果表明：在千万的数据量级上，二维Hash表的冲突率比传统Hash表的减小2~4个数量级，总体性能则提升了1个数量级。该文还在原有填充率的基础上，提出失效率的概念，进一步完善和统一了Hash表性能评价指标。
机械工程
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  铝合金叠层板钻削层间毛刺高度预测模型

  吴丹, 黄诗剑, 高雨浩, 董云飞, 马信国

  清华大学学报（自然科学版）. 2017, 57(6): 591-596,603. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.26.024

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  叠层构件制孔容易生成层间毛刺，严重影响加工质量和效率。为了探究层间毛刺生成过程，预测毛刺高度，提出有效控制层间毛刺的工艺方法，该文首先通过实验建立钻削轴向力经验公式，然后采用有限元方法计算单层板在理论钻削力下的变形量，进而预测层间毛刺生成初始位置，最后运用能量法建立叠层钻削层间毛刺高度理论模型。应用硬质合金麻花钻在铝合金叠层试件上开展钻削实验，结果表明：理论模型能够有效地预测层间毛刺高度，揭示进给量和层间间隙对层间毛刺的影响规律，有助于优化叠层钻削工艺参数。
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  用于截瘫患者康复训练的足底轮式驱动外骨骼

  马青川, 季林红, 王人成, 李伟

  清华大学学报（自然科学版）. 2017, 57(6): 597-603. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.26.025

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  截瘫患者必须依赖辅具才能保证正常生活，而站立和行走是他们最迫切的需求。该文介绍了一种采用机械结构设计的动力下肢外骨骼，旨在帮助截瘫患者实现交替行走并提高其在康复训练中的参与度。该系统主要包括足底轮式驱动外骨骼和无线控制肘拐2部分。其中外骨骼由置于足底的定制轮毂电机驱动，而肘拐作为辅助器件主要用于保证行走平衡并通过内嵌的无线控制器控制外骨骼行走状态。交替按压左右肘拐上的控制按键可以实现连续行走，而整个行走过程可以完全由使用者实时地掌控。该外骨骼同时设计了电子刹车和最大步长机械限位用以保证使用安全。由一位健康受试者在三维步态分析系统中完成了穿外骨骼和不穿外骨骼情况下的运动对比实验。步态时空参数和运动学曲线表明：该外骨骼可辅助使用者安全而平稳地完成直立行走。
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  锯齿形超声相控阵声场特性

  邹诚, 蔡栋, 孙振国, 张文增, 陈强

  清华大学学报（自然科学版）. 2017, 57(6): 604-608. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.26.026

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  针对空心轴类零件的外表面纵向裂纹，该文提出采用锯齿形超声相控阵换能器进行电子旋转扫查检测的方法。为研究锯齿形超声相控阵探头的聚焦声场特性，首先根据射线声学原理，研究该换能器在圆弧形分界面条件下的延迟法则计算方法；其次采用有限元仿真方法分析该换能器超声声场的聚焦声场特性，结合动态光弹实验方法，对聚焦声场进行观测实验；最后在含有人工缺陷试块中进行检测实验。实验结果表明：通过设计相应的聚焦法则，可以实现电子控制声场周向扫查，在聚焦点附近声场能量增大，在远离聚焦点处声场能量减弱，瞬态观测实验声场聚焦效果与仿真结果相符，检测实验缺陷信号明显，无底波干扰。
  
物理与工程物理
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  基于博弈论的天然气管网恐怖袭击脆弱性分析

  黄丽达, 陈建国, 袁宏永, 王岩

  清华大学学报（自然科学版）. 2017, 57(6): 609-613. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.26.027

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  近年来，全球范围内的恐怖袭击事件愈演愈烈，恐怖势力开始蔓延至各个国家的中心城市。天然气管网作为城市中承载危险品的运输网络，极易成为袭击目标。基于此，该文对天然气管网的恐怖袭击脆弱性进行研究。为描述恐怖袭击事件中袭击者和防御者之间的对抗关系，以某市天然气管网为例，基于博弈理论和网络的最大流模型，建立天然气网络的攻防博弈模型，求解博弈双方策略的Nash均衡解，分析双方的最优策略选择。通过Monte Carlo模拟，分析随机攻击和最优策略攻击的差异。结果表明：对于最优策略攻击，攻击管道数目不同时最优攻击目标也不同，因此无法简单地给出各条管道受到恐怖袭击威胁的优先级，此外，绝大多数随机攻击对系统造成的损失很小。该研究可以为政府部门防范恐怖袭击提供决策支持。
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  中国成年男性精细眼模型

  朱红玉, 邱睿, 李君利, 任丽, 刘欢, 李春艳, 武桢

  清华大学学报（自然科学版）. 2017, 57(6): 614-619. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.26.028

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  人眼晶状体是一种辐射敏感器官，建立精细的人眼模型对于精确评估晶状体的受照剂量及辐射风险非常重要。该文基于中国成年男性眼睛的特征参数建立了精细眼模型，该模型包含眼睑、巩膜、脉络膜、视网膜、晶状体、虹膜、角膜、玻璃体和房水9个主要结构。在此精细眼模型的基础上，利用MCNP模拟程序计算多种照射情形下晶状体的电子剂量转换系数，并与相关文献中的结果进行对比。结果表明：当电子能量在0.6~1.2 MeV之间时，计算结果与其他文献中的结果差异较大，相对偏差最高可达98%，该模型为准确评估中国成年男性晶状体剂量提供了参考。
电子工程
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  基于层次聚类的虚假用户检测

  方勇, 刘道胜, 黄诚

  清华大学学报（自然科学版）. 2017, 57(6): 620-624. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.26.029

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  互联网上充斥着大量恶意用户，而互联网服务提供商通常有海量的注册用户，使得系统难以从中发现虚假账户。针对海量注册数据中，恶意用户批量注册的虚假账户通常具有相似性的特点。该文提出海量数据中定位虚假账户的系统模型，利用用户名字符串组成模式对海量数据进行预分类，进而对每个分类中元素计算字符串相似度，即计算字符串Levenshtein距离。设置合适的阈值，进行层次聚类分析，从而定位藏匿在海量注册数据中的成组的虚假账户。实验结果表明：该系统模型有效，与现有的模型相比，该系统对数据维度、数据特性依赖较小。
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  昆曲闺门旦颤音的嗓音特征

  董理, 孔江平

  清华大学学报（自然科学版）. 2017, 57(6): 625-630. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.26.030

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  为揭示昆曲闺门旦演唱颤音的波动特征以及发声方式的变化规律，该文对2名专业的昆曲闺门旦演员演唱颤音时的喉头仪信号进行分析，从颤音周期、幅度、发声类型、生理动作等角度研究该行当颤音的特性。结果表明：闺门旦的颤音基频波动频率较低、幅度较小，颤音波动周期中伴随着一定程度的嗓音发声变化；在大部分颤音片段中，颤音接触商变化频率、颤音速度商变化频率与颤音基频变化频率一致，相位相同或相反，各参数周期变化的相位关系与嗓音类型有关；颤音的产生伴随着喉头的上下抖动。该研究揭示了闺门旦颤音的产生有其独特的发声规律。
自动化
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  基于外扰观测器的双通道航天器姿态控制方法

  徐利民, 张涛

  清华大学学报（自然科学版）. 2017, 57(6): 631-636. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.26.031

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  该文提出一种基于外扰状态观测器的航天器姿态控制方法。该方法基于航天器姿态控制模型的线性形式，利用双通道控制原理，分别设计镇定补偿器和伺服补偿器解决恒值调节和随动跟踪问题，通过状态反馈实现极点配置，使系统满足给定的动态和静态指标，同时用外扰状态观测器获取干扰量估计并通过补偿通道对干扰进行抑制和消除。仿真结果表明：该系统具有良好的静态和动态特性，同时具有较强的抗干扰能力和一定的工程应用价值。
电机工程
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  并网功率变换器的电网电压同步算法

  文武松, 张颖超, 王璐, 赵争鸣, 聂金铜

  清华大学学报（自然科学版）. 2017, 57(6): 637-643. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.26.032

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  快速准确获取电网电压幅值、频率和相位信息，是确保各种并网功率变换器的稳态、动态性能的关键。通过对电网电压同步算法进行分类，综述已有典型锁相环算法，指出其应用过程中存在的频率波动、谐波和三相不平衡、直流偏置以及相角突跳变等突出问题，并给出了相应的抑制方法。结果表明：基于同步参考坐标系和谐振控制器的锁相环是目前2种主流的电压同步方法；采用多通道解耦能有效抑制谐波和频率波动，单相系统可等效成三相系统处理；同时，电网电压同步技术正在向着准确性高、响应速度快、鲁棒性强的方向发展。
水利水电工程
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  基于伙伴关系的国际EPC项目接口管理

  沈文欣, 唐文哲, 张清振, 王姝力

  清华大学学报（自然科学版）. 2017, 57(6): 644-650. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.26.033

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  提高国际设计-采购-施工（engineering-procurement-construction，EPC）项目的接口管理能力有利于实现项目目标，提升中国承包商在国际工程中的履约能力和核心竞争力。该文采用问卷调研、访谈、案例和社会网络分析等方法，构建并验证了基于伙伴关系的EPC总承包项目接口管理模型，揭示了总包与各接口方之间的信任、信息共享、沟通与接口管理表现的相互作用关系。结果表明：总包-设计方的接口管理表现最好；接口方之间的信任和有效沟通可直接提高接口管理绩效。信任关系还可通过提高信息共享程度来提升沟通效率，最终对接口管理产生积极影响；社会网络分析和案例分析证实了设计方和供应商在总包方社会网络中的重要地位。
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  利用激光扫描共聚焦显微镜研究叶绿体自发荧光

  冯倩倩, 王文娟, 李海冬, 潘勋

  清华大学学报（自然科学版）. 2017, 57(6): 651-654,660. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.26.034

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  该文利用激光扫描共聚焦显微镜研究烟草叶片叶绿体自发荧光，为叶绿体研究提供理论和实验依据。首先，利用不同波长激发光的光谱扫描功能分别激发烟草叶片叶绿体，得到叶绿体自发荧光光谱；其次，利用不同激发光激发烟草叶片叶绿体，获取叶绿体自发荧光图像，并对荧光强度进行定量分析比较；最后，利用488 nm激发光漂白烟草叶片叶绿体，观察自发荧光的稳定性。实验结果显示： 488 nm激光对叶绿体的激发效率最高，561 nm激光的激发效率最低；发射光谱集中在大于637 nm的波段，峰值在681 nm处；且叶绿体自发荧光非常稳定。激光扫描共聚焦显微镜能够准确研究叶绿体自发荧光，对研究植物组织成像提供重要帮助，也对叶绿体基因工程研究有深远影响。
环境科学与工程
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  京津冀协同视阈下河北省碳排放和碳交易

  黄晟, 李兴国

  清华大学学报（自然科学版）. 2017, 57(6): 655-660. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.26.035

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  为研究跨省域的碳排放和碳交易市场建设的模式，该文根据碳排放计算公式对京津冀地区的碳排放情况进行核算后发现，河北省碳排放占据京津冀地区排放总量的70%以上，且比重还在增加。通过对河北钢铁产业的碳排放能力核算表明，仅河北钢铁行业就占据了京津冀碳排放总量的20%以上。因此，加快建设河北省乃至京津冀全域的碳交易市场，制定碳金融市场发展战略规划、创新丰富多样的碳金融产品、培养高素质的碳金融专业人才、建立完善的碳交易监管体系，才能实现京津冀地区的产业转型升级，降低减排成本。
建设管理
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  收费公路PPP项目最低收入担保机制设计

  刘婷, 王守清, 冯珂

  清华大学学报（自然科学版）. 2017, 57(6): 661-666. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.26.036

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  该文研究收费公路政府与社会资本合作（public-private partnerships，PPP）项目中最低收入担保机制的设计原则和方法，以改善收入风险的分担。基于文献综述提出了最低收入担保机制设计的5个原则，建立符合以上原则的随机模型以求解最低收入担保机制的收入下限和上限，利用案例展示了所提出方法的应用，并通过数值模拟验证了该方法的有效性。研究表明：根据目标资本结构来确定最低收入担保水平，有助于大幅减小项目公司的破产风险；根据目标投资回报结合竞标的方式来确定超额收入阈值，从而实现超额收入分享，能有效避免企业通过PPP项目获得超额回报。该方法使得最低收入担保与超额收入分享机制对PPP项目财务状况的改善和为政府带来的或有债务可以测算，能为项目方案评审、财务测算和财政承受能力评估等提供量化依据，并改善政府对PPP项目的支付预算管理。
经济与公共管理
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  出口与企业避税

  王瑞, 陆瑶, 施新政

  清华大学学报（自然科学版）. 2017, 57(6): 667-672. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.25.020

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  该文将1997年亚洲金融危机看作自然实验，利用外生的汇率冲击探讨了出口对企业避税行为的影响。构造了企业层面的汇率冲击指数作为企业出口的工具变量，并且同时控制了企业在金融危机之前（1995年工业普查）的企业特征，有效地避免了出口内生性问题。实证研究表明：相比出口到货币贬值程度较轻国家的企业而言，出口目的国是货币贬值程度更重国家时，企业的出口增长会相对较慢，从而导致企业的避税行为增加。该文同时还论证了出口到欠发达地区，较弱的国际监督会促使企业采取更多的避税行为。