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ISSN 1000-1239 CN 11-1777/TP

当期目录

2020年 第57卷 第5期    出版日期:2020-05-01
综述
算礼:探索计算系统的可分析抽象
徐志伟, 王一帆, 赵永威, 李春典
2020, 57(5):  897-905.  doi:10.7544/issn1000-1239.2020.20200058
摘要 ( 1045 )   HTML ( 25)   PDF (1539KB) ( 421 )  
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计算机系统结构研究正在进入多样性时代.同时,以原型系统构建和基准程序测试为主要特征的计算系统研究方法,使得计算系统的研究成本依然居高不下,难以应对多样性挑战.这个矛盾呼唤新的可分析计算系统学术抽象,其主要特征是研究某个新系统时,在原型系统实现和基准程序测试之前,就能够分析出该系统的主要性质,进而筛掉不合适的候选系统,大幅度降低研究成本.这正是作为计算机应用抽象的算法概念所具有的特征:在算法实现和基准测试之前就基本可以分析出该算法的时间复杂度和空间复杂度等主要性质.首先,归纳了算法抽象的7条优点,指出最值得计算系统研究学习的是可分析抽象.其次,回顾了系统抽象的相关工作和历史经验,并提出了一个初步候选,称为算礼(computation protocol).最后,讨论了算礼的通用定义、黑箱表示和白箱表示,并用初步的实例指出,算礼思想有助于在计算系统领域提出系统猜想、分析新的并行计算模型、拓展现有架构、启发新的系统评价方法.
图灵测试的明与暗
于剑
2020, 57(5):  906-911.  doi:10.7544/issn1000-1239.2020.20190794
摘要 ( 1183 )   HTML ( 37)   PDF (441KB) ( 533 )  
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讨论图灵测试及其变形,分析图灵测试的理论可能性和工程可行性,简要综述图灵测试的进展.首次揭示概念经典定义的预设,因此说明了图灵测试的基本假设,并明确指出:图灵测试的基本假设不仅与人类的生活经验不符,也与社会科学不合.这给人工智能的研究和实现带来很大的理论挑战.
安全持久性内存存储研究综述
杨帆, 李飞, 舒继武
2020, 57(5):  912-927.  doi:10.7544/issn1000-1239.2020.20190820
摘要 ( 1223 )   HTML ( 29)   PDF (1616KB) ( 437 )  
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在计算机技术和互联网技术飞速发展的进程中,计算机安全防护和数据机密性保护一直是学术界和工业界关注的焦点.主流的内存安全机制通过提供硬件辅助的机密性与完整性验证,确保选定的代码在运行时的内存可信,达到数据保护、防止泄漏和遭篡改的目的.新型持久性内存可像DRAM一样放置在内存总线上,通过处理器load和store指令进行访问,此外,持久性内存能够提供大容量和数据持久性支持,具有高带宽和低延迟的数据访问特性.然而,由于介质特性上的差异,面向DRAM的内存安全机制无法在持久性内存上高效运行,甚至存在可用性问题.因此,构建基于持久性内存的安全内存存储系统将为大数据的安全高效存储带来新的机遇.首先,针对持久性内存的写特性,分析了将面向传统易失内存的安全防护措施应用于持久性内存会引起额外开销的原因,并介绍相关降低开销的研究工作.其次,针对持久性内存的非易失性,分析了为保障持久性内存在其生命周期内的安全性所面临的问题与挑战,并介绍了数据及其安全元数据的一致性管理相关研究工作.最后,总结了构建面向持久性内存的安全存储系统面临的挑战,对相关工作进行综合比较,并提出下一步研究展望.
人工智能
单声道语音降噪与去混响研究综述
蓝天, 彭川, 李森, 叶文政, 李萌, 惠国强, 吕忆蓝, 钱宇欣, 刘峤
2020, 57(5):  928-953.  doi:10.7544/issn1000-1239.2020.20190306
摘要 ( 1032 )   HTML ( 22)   PDF (2215KB) ( 911 )  
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语音增强是提高语音质量与可懂度的关键技术,在语音识别、语音通话、电话会议和听力辅助等领域具有广泛应用前景与重要研究价值.从模型方法、数据集、特征、评估指标等方面,对单声道语音增强研究工作的发展现状进行了全面调研和深入分析.1)对传统的与基于机器学习的单声道语音降噪以及语音去混响的已有研究工作进行了梳理分类,简要介绍了典型方法的研究思路,并对不同方法的实验结果进行了综合比较;2)对在实验与结果评估过程中所涉及到的常用数据集、常见特征、学习目标与评估指标等进行了整理与介绍;3)对目前单声道语音增强仍然面临的主要问题与挑战进行了总结.
融合多元信息的多关系社交网络节点重要性研究
罗浩, 闫光辉, 张萌, 包峻波, 李俊成, 刘婷, 杨波, 魏军
2020, 57(5):  954-970.  doi:10.7544/issn1000-1239.2020.20190331
摘要 ( 600 )   HTML ( 11)   PDF (6032KB) ( 354 )  
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识别重要节点是社会网络分析领域的重要任务之一,也是理解复杂网络结构和动力学特性的有效方式,迄今发展起来的节点重要性分析框架主要面向单关系网络.多关系网络作为准确刻画现实世界复杂系统的典型建模形式,已成为当前网络科学领域研究的热点,但对于多关系网络的节点重要性研究尚缺乏系统性的研究成果.针对多关系社交网络节点重要性研究问题,通过构建有向多重网络模型和基于张量代数的数学框架对其进行建模和分析,将中心性、声望和传递性作为影响社交网络节点重要性的关键因素,提出了一种面向多关系社交网络的节点重要性度量指标,并针对其存在不足引入D-S(Dempster-Shafer)证据理论进行改进,进一步提出了IOMEC(in-degree out-degree multiplex evidential centrality)节点重要性度量方法.在4个真实网络上的实验结果表明:采取信息融合的方法可以有效消除多关系网络耦合信息和传递机制对节点重要性评测造成的影响,提出的IOMEC方法能够更准确地对节点重要性进行度量,并且具有较低的时间复杂度,在论证节点中心性和声望是衡量节点重要程度主要因素的同时,说明了综合考虑节点传递性的必要性.所做工作为多关系网络节点重要性研究提供新的思路方法的同时,进一步拓展了信息融合技术的应用场景.
一种基于OPRA\-4方向关系推理定性距离变化的方法
董轶群, 刘建东, 徐文星, 王淑鸿
2020, 57(5):  971-983.  doi:10.7544/issn1000-1239.2020.20190442
摘要 ( 540 )   HTML ( 5)   PDF (1500KB) ( 167 )  
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空间信息包含方向、拓扑、形状、距离等多种关系.定性空间关系表示与推理是人工智能的重要研究子域,在空间信息系统、机器人导航、自然语言理解、智能交通等领域有着广泛的应用.以往研究多面向静态空间对象,侧重单一空间关系,对不同空间关系间的约束研究不够深入,难以基于一种空间关系对另一种空间关系的演变做出有效推理.针对移动空间对象之间定性方向关系与定性距离变化的结合推理问题,利用射线与圆之间位置关系的组合来描述2个空间对象之间的相对移动方向;分别研究并证明该位置关系的组合对定性距离变化的约束作用、该位置关系的组合与粒度为4的有向点方向代数(oriented point algebra with granularity of 4, OPRA\-4)间的对应关系,进而建立起OPRA\-4方向关系与定性距离变化之间的内在联系;提出一种基于基本OPRA\-4方向关系推理定性距离变化的方法,并结合交通领域中的连续k近邻查询实例说明该方法的正确性和有效性.
基于多级注意力机制网络的app流行度预测
张艺璇, 郭斌, 刘佳琪, 欧阳逸, 於志文
2020, 57(5):  984-995.  doi:10.7544/issn1000-1239.2020.20190672
摘要 ( 687 )   HTML ( 11)   PDF (2747KB) ( 328 )  
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移动app流行度预测从运营策略优化到短期广告投资都具有重要意义.利用应用市场提供的丰富数据,挖掘不同特征指标与流行度之间的动态关联,从而预测未来一段时间内app的流行度变化过程及其原因,对于开发者、投资商和应用市场三方都具有应用价值.然而,app流行度高度动态变化,其影响因素十分复杂,包括app自身迭代演化、用户反馈、同类产品的市场竞争等.目前,针对app流行度建模与预测的研究工作相对较少,大多通过构造人工特征并构建与流行度的关联来进行预测,在模型的计算性能、预测精度和结果可解释性等方面存在可提升的空间.因此针对app流行度建模与预测提出一种基于注意力机制的深度神经网络模型DeePOP,并针对复杂影响因素进行分级建模.通过时间级自序列模块捕获对历史流行度的长期依赖,利用局部、全局特征层级模块构建影响特征与流行度的非线性关系.同时,注意力机制为不同模块提供自适应能力,以捕获与流行度变化最相关的历史状态并针对预测结果提供一定的解释.实验结果表明:与现有流行度预测方法相比,DeePOP能够快速高效地进行app流行度建模与预测,预测均方根误差为0.089.
基于多粒度特征的行人跟踪检测结合算法
王子晔, 苗夺谦, 赵才荣, 罗晟, 卫志华
2020, 57(5):  996-1002.  doi:10.7544/issn1000-1239.2020.20190280
摘要 ( 729 )   HTML ( 17)   PDF (1972KB) ( 411 )  
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对于一些较为流行的应用,例如视频场景监控,对行人的长期有效跟踪是应用的基础.尽管对目标检测与跟踪的相关技术研究已经有了很长的历史,但是如何实时并较为准确地实现目标行人跟踪目前仍然是一个活跃的研究领域.基于多粒度的思想,提出了一种改进的行人跟踪算法,将卷积特征与底层颜色特征结合,对基于深度学习的跟踪算法GOTURN(generic object tracking using regression networks)得到的跟踪结果进行判断决策,结合目标检测对跟踪结果进行修正.实验结果表明:与单一的跟踪算法相比,多粒度决策的跟踪算法能够更加准确地对目标行人进行跟踪,可以显著提高跟踪精度.
生物特征识别模板保护综述
王会勇, 唐士杰, 丁勇, 王玉珏, 李佳慧
2020, 57(5):  1003-1021.  doi:10.7544/issn1000-1239.2020.20190371
摘要 ( 831 )   HTML ( 23)   PDF (4239KB) ( 378 )  
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生物特征识别(biometric authentication, BA)已经成为一种重要的身份鉴别手段,但当前部署的很多BA系统在保护用户生物特征数据的安全性和隐私性方面考虑不足,成为阻碍BA技术推广应用的一个关键障碍.BA系统可能面临来自软件和硬件的多种攻击,针对生物特征模板的攻击是其中最常见的一种.已经有很多技术文献致力于应对这种类型的攻击,但现有的综述性文献存在论述不全面或内容冲突等问题.为系统总结针对生物特征模板的攻击与保护技术,首先介绍了BA系统的相关概念、体系架构以及安全性与隐私性的内涵,然后阐述了BA系统面临的典型模板攻击方法.随后,将BA系统模板保护技术归纳为基于变换的方法和基于加密的方法2个类别,阐述并分析了每个类别中的经典方法与新兴技术.最后,指出了构建安全BA系统可能面临的几个主要困难与可能的解决思路.
基于三尺度嵌套残差结构的交通标志快速检测算法
李旭东, 张建明, 谢志鹏, 王进
2020, 57(5):  1022-1036.  doi:10.7544/issn1000-1239.2020.20190445
摘要 ( 707 )   HTML ( 31)   PDF (4085KB) ( 425 )  
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智能驾驶对交通标志自动检测的实时性及鲁棒性有着极高要求.目标检测中YOLOv3-tiny检测算法是轻量网络,实时性好、但准确率不高.将YOLOv3-tiny检测算法作为基础网络,提出了一种三尺度嵌套残差结构的交通标志快速检测算法.首先,在基础网络上采用逐像素相加的跨层连接,并未增加特征图的通道数,同时网络中形成1个小残差结构.其次,通过同样的跨层连接方式,增加了1层空间分辨率更高的预测输出,使得该尺度输出包含更丰富的空间信息,进而构成大残差结构.最终,将2个残差结构进行嵌套,形成了1个三尺度预测的嵌套残差网络模型,使得Tiny检测算法的部分主网络位于这2个残差结构中,起到3次调参的作用.实验结果表明:提出的算法能够快速鲁棒地检测真实场景中的交通标志.在德国交通标志检测数据集(German traffic sign detection benchmark, GTSDB)上交通标志总F\-1值为91.77%、检测时间为5ms;在长沙理工大学中国交通标志检测数据集(CSUST Chinese traffic sign detection benchmark, CCTSDB)上指示、禁令、警告三大类交通标志F\-1值分别为92.41%,93.91%,92.03%,检测时间为5ms.
基于多模态知识感知注意力机制的问答方法
张莹莹, 钱胜胜, 方全, 徐常胜
2020, 57(5):  1037-1045.  doi:10.7544/issn1000-1239.2020.20190474
摘要 ( 986 )   HTML ( 23)   PDF (1982KB) ( 743 )  
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随着网络的普及,越来越多人遇到身体不适时,会选择在网站上搜索相关症状.随着在线医疗问答网站的出现,如春雨医生、寻医问药等,患者可以便捷地医生交流.现有的问答系统方法,聚焦于词级别的交互与语义信息,却很少考虑在回答问题时,回答者还利用了与问答本身无直接联系的常识.在实际生活中,除了病人的表述,医生还需要额外知识来诊断病人.提出了一个基于多模态知识感知注意力机制的医疗问答方法,它可以有效地利用多模态医疗知识图谱来构建基于知识图谱的问答对之间的交互.该模型首先学习知识图谱中实体的多模态表示;然后从多模态知识图谱中与问答对相关联的实体的路径来推测出回答该问题时的逻辑,并刻画问答对之间的交互关系.此外,该模型还提出了一种注意力机制来判别连接问答对的不同路径之间的重要性.构建了一个大规模的多模态医疗知识图谱和一个医疗问答数据集,实验结果表明:该方法比当前最好的方法准确度提升了2%以上.
信息安全
分布式监测系统中的重复元素检测机制
陆乐, 孙玉娥, 黄河, 汪润枝, 曹振
2020, 57(5):  1046-1056.  doi:10.7544/issn1000-1239.2020.20190287
摘要 ( 446 )   HTML ( 17)   PDF (1079KB) ( 144 )  
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重复元素检测在分布式入侵检测、公众兴趣发掘以及交通状况估计等领域有着重要的应用.现有的检测模型存在误报漏报、通信开销大和局限性大等问题,难以满足分布式应用场景的需要.针对这些问题,以最小化通信开销为目标,设计了一个适用于分布式监测系统的重复元素检测机制.首先,机制主要通过监测器与协调器间多轮次的压缩数据传输筛去了大量无关元素,从而降低了整体通信开销;接着,借助理论推导调整参数保证每一轮筛选的必要性及效果的最优化,并结合了可扩展布隆过滤器和持续流量估计等技术,使机制在面对不同的元素分布状况时,都可以取得良好效果;最后,通过仿真实验结果验证了所设计机制的有效性.
支持用户权限动态变更的可更新属性加密方案
严新成, 陈越, 巴阳, 贾洪勇, 王仲辉
2020, 57(5):  1057-1069.  doi:10.7544/issn1000-1239.2020.20190254
摘要 ( 581 )   HTML ( 13)   PDF (2306KB) ( 190 )  
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属性加密在实现云数据细粒度安全共享方面具有较大优势.由于云存储中用户访问权限动态变化,当属性或用户私钥撤销时,数据重加密是保证密文前向安全性的有效方法,但相应的计算开销及数据上传下载的通信开销过大.针对上述问题,提出一种支持用户权限动态变更的可更新属性加密方案(updatable attribute-based encryption scheme supporting dynamic change of user rights, SDCUR-UABE).通过在密文策略属性加密中构造属性及用户版本密钥,在撤销用户属性时只需更新用户私钥对应的转换密钥构件;撤销系统属性时需要更新属性版本密钥来实现对密文密钥部分构件的可替换更新;撤销用户私钥时只需更新用户版本密钥.由此避免了基于数据重加密实现密文更新带来的巨大计算开销及通信开销.此外,在方案构造中利用密钥分割实现数据解密外包来降低用户的解密开销.理论分析及实验验证表明:在保证密文前向安全性的前提下,该方案能够有效解决云存储系统中用户权限动态变更时密文更新的计算效率与通信开销问题,同时减轻了用户解密的计算量.
移动医疗中一种匿名代理可追踪隐私保护方案
罗恩韬, 段国云, 周雷, 朱小玉
2020, 57(5):  1070-1079.  doi:10.7544/issn1000-1239.2020.20190307
摘要 ( 552 )   HTML ( 16)   PDF (3938KB) ( 240 )  
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针对移动医疗高峰情况下医生的服务瓶颈,提出利用医生授权代理计算医疗用户的实时隐私数据,从而减轻医生的负担和提高服务的灵活性,运用属性加密技术对医疗数据进行加密,代理属性满足授权者设置的访问策略时才能正确解密密文,获得代理签名权,从而对医疗用户提供医疗服务.该方案不仅能够缓解移动医疗高峰情况下医生的服务瓶颈,也可以解决医生因为特殊情况不在岗位的授权问题,同时可以做到对代理的工作进行回溯追踪,做到了对代理问责以及避免代理越权操作.方案利用可信授权中心进行匹配计算,降低了授权医生对医疗用户的验证计算开销,性能较以往明显提高,同时利用人数预期模型与提供计算资源预期模型,对有效参与人数和协作计算能力进行了估计,为有效缓解计算高峰时的计算瓶颈问题提供了借鉴意义.
系统结构
边缘计算可信协同服务策略建模
乐光学, 戴亚盛, 杨晓慧, 刘建华, 游真旭, 朱友康
2020, 57(5):  1080-1102.  doi:10.7544/issn1000-1239.2020.20190077
摘要 ( 628 )   HTML ( 16)   PDF (7223KB) ( 244 )  
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随着物联网、4G/5G无线网络技术的发展和普及应用,万物互联已成为现实.移动计算、智能手机、Pad和可穿戴等智能终端设备大量接入使网络边缘设备数量迅速增加,边缘设备所产生的数据呈指数增长.边缘计算面临大吞吐量、频繁交互、位置和延迟敏感等特征的实时业务服务需求挑战.充分发挥边缘计算节点智能、多样和灵活等特点,通过局部汇聚计算、存储、网络服务等共享方式实现边缘计算资源快速融合,构建可信协同服务系统是保障边缘计算QoS的一种有效方法.为了快速发现、动态组织、自主融合边缘节点进行协同服务,提出一种基于盟主的边缘计算协同服务(trust cooperative services for edge computing, TCSEC)模型.该模型基于信任度、影响力、容量、带宽、链路质量等表征节点特征属性,以任务驱动方式,由盟主节点根据策略和边缘节点的特征属性选择协同服务节点集,实现资源快速融合与计算迁移,为计算请求节点提供及时响应和可靠服务.仿真实验表明:TCSEC能有效提高边缘计算协同服务能力和服务质量.
软件技术
微服务技术发展的现状与展望
冯志勇, 徐砚伟, 薛霄, 陈世展
2020, 57(5):  1103-1122.  doi:10.7544/issn1000-1239.2020.20190460
摘要 ( 3230 )   HTML ( 171)   PDF (3960KB) ( 1811 )  
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随着云计算、物联网等技术迅速发展,用户对软件系统的需求趋于多样化,面向服务的体系架构(service oriented architecture, SOA)需要在服务稳定集成与需求灵活适配之间寻求平衡.基于此,拥有独立进程、具备独立部署能力的微服务技术应运而生,它具有分布式存储、高可用性、可伸缩性、运维智能化等优势,能够弥补传统SOA的缺陷.首先,从系统集成角度的出发,阐述微服务出现的应用背景,利用微服务的核心组件、软件技术发展、架构演化等基础技术,以保证微服务基础设施的可用性;其次,基于微服务体系架构在实际应用中的问题,从分布式通信、分布式数据存储、分布式调用链、测试的复杂性等方面,分析微服务体系架构具体应用中采用的关键技术,并给出具体应用案例,以保证微服务的技术可行性;最后,从基础设施、信息交互、数据安全与网络安全等方面探寻微服务所面临的诸多挑战,并分析未来发展趋势分析,以期为微服务未来的创新和发展提供有价值的理论与技术参考.