2018年, 第42卷, 第5期　刊出日期：2018-10-31

  

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5G通信与传感器网络
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  M2M通信中基于多智能体强化学习的无线资源分配算法

  徐少毅，郑姗姗

  北京交通大学学报. 2018, 42(5): 1. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.2018.05.001

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  蜂窝网络因为其广覆盖、高可靠和支持高速移动等优点，是机器对机器（M2M）通信的理想载体.然而，由于机器类型通信设备具有的业务种类繁多和数量大等特点，现有的无线资源分配算法并不完全适用.为了解决这个问题，不同于传统的集中式资源分配算法，提出了基于多智能体强化学习的分布式无线资源分配算法.具有强化学习能力的机器类通信（MTC）设备可以自主选择资源块和功率等级，以达到在较低的功率消耗下得到较高的用户体验质量的目标.为了实现不同设备之间的协作，引入了多智能体强化学习，每个智能体有能力预测其他智能体的策略.仿真结果表明：本文算法在用户体验质量、功率消耗和计算复杂度方面达到了很好的性能.
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  室内大规模天线系统无线信道空间相关性分析

  李金兴，赵友平

  北京交通大学学报. 2018, 42(5): 10. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.2018.05.002

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  无线信道空间相关性直接影响大规模天线系统的实际性能.基于大型报告厅内的无线信道测量数据，分析了基站天线阵列中不同阵元之间及不同用户之间的无线信道空间相关性.首先对阵元相关系数随阵元间隔的变化进行拟合建模分析，然后研究多用户信道相关性的影响因素.提出了一种负指数衰减余弦模型对其拟合建模.研究结果表明:在水平面内，阵元相关系数随阵元间隔增加近似为负指数衰减波动较小；在垂直面内，阵元相关系数随阵元间隔增加而呈现振荡衰减，基站天线数量增加对多用户信道相关性有明显改善，基站天线数量超过30以后，改善幅度变小但是仍有较明显提升.此外，不同用户之间的大尺度衰落会降低多用户信道正交性，且水平面内用户间大尺度衰落比垂直面内严重. 但是基站阵列中不同阵元间的大尺度衰落对多用户信道正交性的影响十分微弱.
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  无源无线传感网在轨道交通车辆健康监测中的应用

  崔恩放，张宏科，杨冬

  北京交通大学学报. 2018, 42(5): 20. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.2018.05.003

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  采用无线传感器网络和云计算实现轨道交通车辆健康状况的实时自动化监测,是轨道交通智能化运营的发展趋势. 为了解决轨道交通车辆车轴健康监测场景中传感器网络寿命有限和电池更换困难的问题，本文首次提出了基于无源无线传感网的轨道交通车辆健康监测系统，设计了公网与私网两种方案，包括相应的网络拓扑、时隙分配算法与中继节点选择算法.在真实地铁环境中部署了单节点进行了数据采集和分析实验，并对较为复杂的公网方案进行了仿真实验.实验结果表明：部署传感器节点进行智能监测是可行的，使用无源无线传感网极大的延长了网络寿命，本文所提出的公网方案在地铁环境下的吞吐量为3.2 KB/s，丢包率为5%.
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  多用户大规模多天线系统中发射天线选择算法的研究

  刘凯1，陶成1,2，刘留1,2，李泳志1，卢艳萍1

  北京交通大学学报. 2018, 42(5): 28. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.2018.05.004

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  与传统的多输入多输出系统（MIMO）相比，由于大规模MIMO系统基站端配备了大量天线，其能量效率和频谱效率都有了显著的提高.然而大规模MIMO也意味着基站端需要安装大量的射频（RF）链路，从而大大提高了系统成本和系统功耗，因此天线选择技术可以成为降低大规模MIMO系统成本和功耗的潜在解决方案之一.本文研究了大规模MIMO系统中发射天线选择技术，通过结合和改进现有的两种天线选择基准的算法，在综合考虑大规模MIMO系统性能和复杂度的前提下提出了一种新型发射天线选择算法.通过分析仿真结果：可以得知提出的新型发射天线选择通过牺牲少量的复杂度，提升了多用户大规模MIMO系统的频谱效率，并可以看出，本文所提的天线选择算法更适用于低SNR的情况，更适合实际的通信系统.
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  相关衰落信道条件下大规模多天线系统传输性能研究

  韩柏涛1，陶成1,2，王凯1

  北京交通大学学报. 2018, 42(5): 34. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.2018.05.005

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  大规模多天线系统可以在多用户场景中提供大的网络容量.从理论上看，大规模多天线系统获得空间域增益的前提条件是传播环境中的各子信道满足正交条件.然而，在实际情况中，受相关衰落信道的影响，各子信道间并不完全满足两两成对正交.通过研究3种相关衰落信道条件下大规模多天线系统的信道传播特性，对比分析了其信道容量和奇异值分布.仿真结果表明:相关衰落信道条件下，在信道相关系数较小时，可以通过增大天线数目来提升信道性能；而在信道相关系数较大时，增大天线数目对于信道性能的提升缓慢.从而得出相关衰落信道条件下Massive MIMO系统性能与天线数目及其信道相关性有关.
计算机信息安全与云计算
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  基于用户与网络行为分析的主机异常检测方法

  郭志民1，彭豪辉2，牛霜霞1，邵坤3，吕卓1，王伟2

  北京交通大学学报. 2018, 42(5): 40. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.2018.05.006

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  当前针对主机的攻击手段越来越复杂，各种新型攻击出现得越来越频繁，使得针对主机的异常检测变得非常重要.异常检测可以检测未知攻击，并且可以检测内部威胁，成为了网络与系统安全研究的热点之一.已有的异常检测研究中，基于网络流量等单一的信息源进行异常检测的方法容易被攻击者所规避且检测率低.本文提出通过多种信息源建模并进行异常检测，分别对网络行为与用户行为进行分析，使用K最近邻(K-NN)分类算法得出每种行为的异常值，通过加权处理得出总体异常值并将其作为异常检测的判断标准.选取了17名用户进行实验，实验结果表明：在误报率为2.9%的情况下，利用多信息源检测模型能够检测出单一信息源检测模型未能检测出的异常，检测率达到100%.
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  云数据中心面向租户的安全功能按需服务系统

  殷明勇1，李光磊2，周华春2

  北京交通大学学报. 2018, 42(5): 47. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.2018.05.007

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  由于云数据中心为租户提供的安全服务粒度较粗，租户无法为自身深度定制和管控所需要的安全服务功能.利用云数据中心租户所租赁的基于内核的虚拟机（KVM）和基于容器的虚拟网络功能，实现虚拟嵌套，设计和实现基于容器的面向租户的安全功能按需服务系统.租户可利用软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）技术对自身的网络安全服务进行灵活动态的管控，实现按需服务.通过在私有云平台的部署和实验，验证了方案的可行性和系统的灵活性.
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  一种基于DHT的数据中心网络租户隔离技术

  孙延涛a,位月b, 耿岚岚b,贾泽群b,石贺b

  北京交通大学学报. 2018, 42(5): 55. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.2018.05.008

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  多租户技术是云计算中一种软件架构技术，旨在解决多用户环境下软、硬件资源共享的问题，并且确保各用户间数据的隔离性.目前，多租户技术在如何突破子网限制，实现虚拟机 IP 地址与所在子网位置分离、支持虚拟机迁移等方面存在诸多问题.针对上述问题，提出了一种新的面向数据中心网络的多租户隔离技术.该技术利用一致性哈希算法和分布式环形哈希表技术，将虚拟机信息保存在位置解析器上，并利用位置解析器的位置解析功能实现租户间的相互隔离、租户内虚拟机的相互通信及虚拟机的迁移.该技术与具体路由实现方式无关、对虚拟机完全透明、无需部署额外的服务器，其成本低，鲁棒性好.本文利用OPNET仿真软件对多租户隔离技术方案进行可行性验证及性能分析.仿真实验表明：该技术能够实现租户之间的通信且能够保证良好的网络性能.
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  一类伴有不匹配未知干扰的线性系统的故障检测

  韩冬1, 艾红1, 魏玲2

  北京交通大学学报. 2018, 42(5): 61. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.2018.05.009

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  针对伴有不匹配未知干扰的线性时不变系统，本文将降维观测器的设计方法和未知干扰建模技术相结合，设计出对未知干扰解耦的故障检测观测器.首先，将部分匹配未知干扰从未知干扰中分离出来，剩余的外部干扰部分即为不匹配未知干扰；然后，依据先验知识对不匹配未知干扰代数建模，构建增广系统，使得秩条件得以满足；最后，针对增广系统设计故障检测观测器,使得残差对未知干扰鲁棒，对故障敏感.通过对一个机器人子系统实例进行仿真，仿真结果表明本文所提出的方法是有效的.
电力系统控制和电路参数检测
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  基于RCM理论和重要度评价的轨道电路维修方式决策

  张友鹏，杨凯雄，石磊

  北京交通大学学报. 2018, 42(5): 67. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.2018.05.010

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  为解决轨道电路维修中存在过于依赖主观经验、没有维修侧重点而造成资源浪费问题，提出基于设备分类逻辑决断和模糊综合评判的轨道电路维修决策模型.综合考虑设备的可靠性、维修性和经济性，采用灰关联理想解法评价设备单元重要度，将设备单元按重要级别分类后进行不同故障模式下的维修方式逻辑决断.引入模糊综合评判法，建立维修方式定性决断和定量评判相结合的共决机制.结合兰新高铁故障案例,给出其轨道电路各设备单元的合理维修建议，验证了该模型可行有效，有助于实现检修精细化，指导现场设备维护工作.
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  无位置传感器内置式永磁同步电机参数的在线辨识方法

  张立伟1，佘超1，李志军2，孙铭壑1

  北京交通大学学报. 2018, 42(5): 77. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.2018.05.011

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  在传统永磁同步电机无位置传感器控制中，电机参数决定了转子位置的估计精度，而电机参数又很容易受到外部环境的变化，导致控制性能的下降.提出了一种基于内置式永磁同步电机电流状态方程的电机参数的在线辨识方法，该方法采用仿射投影算法对参数进行估计，可以准确估计定子电阻、转子磁链、直轴电感和交轴电感.由于定子电阻和转子磁链与定子电感随外界环境的变化率不同，所以采用两种不同的中断周期分别对定子电阻、交轴电感、直轴电感和转子磁链进行辨识.可以在保证辨识精度的情况下大大减少不必要的计算，提高了该算法在实际应用中的效率.针对传统的模型参考自适应算法速度估算的收敛速度较慢的缺点，提出了改进的基于电流自适应状态观测器的转子位置和速度估计方法，提高了速度辨识的收敛速度，减小了稳态误差.实验结果表明:电机参数的在线辨识方法能够对电机参数进行准确辨识，具有稳定性好和良好的动态性能.
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  一种计及饱和特性的感应电机三相不平衡稳态计算模型

  张永华1,2,杜松怀2,李建军1,2

  北京交通大学学报. 2018, 42(5): 86. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.2018.05.012

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  感应电机磁路饱和时的三相不平衡电磁暂态仿真，Simulink通常采用初始值为零的处理方法，其存在的问题是计算收敛速度比较慢.本文提出一种解决该问题的新方法，可以显著缩短感应电机电磁暂态仿真的时间.以感应电机qd模型为基础，采用拉氏变换推导感应电机的正/负序阻抗模型，该模型可计算任一频率分量的正/负序阻抗；基于多项式拟合提出感应电机的非线性饱和特性处理方法.在此基础上，建立计及饱和特性的感应电机三相不平衡稳态计算模型，将该模型的计算结果作为感应电机电磁暂态仿真的初始值.用Matlab/Simulink进行仿真，验证了所提出方法和模型的正确性和有效性.
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  基于多核学习整合GIS局部放电多类特征的分类研究

  宋人杰，杨爽，孟凡奇

  北京交通大学学报. 2018, 42(5): 93. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.2018.05.013

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  传统的单一核函数构成的支持向量机(Support Vector Machine, SVM)无法解决气体绝缘组合电器(Gas Insulated Switcher, GIS)所采集到的局部放电数据(Partial Discharge, PD)分布不规则、特征类别复杂和规模巨大等问题.针对这类问题，本文提出使用多个核的线性组合方式即简单多核学习方法（Simple Multiple Kernel Learning, SimpleMKL）对多类特征进行分类研究.通过赋予不同局部放电特征不同的核函数，以多个核函数的线性加权代替传统的单一核函数，利用梯度下降法不停迭代求解核函数的权值系数，最终达到整合局部放电多类特征并提高分类精度的目的.实验结果表明:该方法对局部放电多个特征空间具有普适性，分类精度高于单核SVM和融合SVM识别方法.
图形图像处理与模式识别
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  样本训练算法在电磁层析图像重建中的设计及应用

  刘泽，肖君，赵鹏飞，刘向龙，雷逸凡

  北京交通大学学报. 2018, 42(5): 99. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.2018.05.014

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  在电磁层析成像(EMT)领域,病态矩阵方程逆问题求解是图像重建较为重要的一步.本文对截断奇异值分解(TSVD)算法和Tikhonov正则化法求解病态矩阵方程EMT逆问题中的参数选取问题做重点讨论.提出一种新的基于样本图像相关系数最大化的参数选取算法,在与原有参数选取算法的对比中分析其可行性.并将本文提出的灵敏度矩阵包含的多样本特点,应用到L曲线法和广义交叉验证法等算法中,利用统计方法提高灵敏度矩阵方程解稳定性,在一定程度上预防单样本求解导致的偶然性误差.应用硬件成像平台展示所提算法实际成像效果，并分析奇异值抑制方式和截取方式在EMT逆问题的实际应用和参数计算中的优势和劣势.实验数据表明:本文算法在测试样本中有更好的成像效果.
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  复杂场景下基于颜色对和MSER的交通标志检测方法

  戴雪瑞1，袁雪1,2，乐国庆3，张立平3

  北京交通大学学报. 2018, 42(5): 107. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.2018.05.015

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  交通标志识别技术在室外复杂环境中，会有光照变化、标志褪色、标志倾斜和形变等不利因素的影响.目前，主流的检测算法使用颜色、形状或局部稳定特征进行交通标志的检测.但这些算法在复杂场景下检测精度低，鲁棒性差.为了达到较好的检测效果，提出一种基于颜色对和最大稳定极值区域（MSER）的交通标志检测算法.在检测过程中，为了解决不同天气情况下获取的图像亮度不同的问题，使用多组阈值；针对使用传统的颜色阈值算法得到的交通标志候选区域与颜色相似的背景粘连在一起的现象，提出一种分割算法对其进行准确分割.最后使用支持向量机（SVM）和方向梯度直方图（HOG）对得到的目标区域进行分类.尽管是在复杂的场景下，交通标志的检测率和识别率也较高.
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  基于二维不可分形态小波变换的多光谱图像全色锐化方法

  石岩

  北京交通大学学报. 2018, 42(5): 116. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.2018.05.016

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  针对全色锐化中如何有效提取高分辨率细节这一关键问题，提出了一种新的基于二维不可分形态小波变换的全色锐化方法.结合了线性小波与形态小波的各自优势，在保持小波消失矩的同时能够有效保留图像的边缘细节.实验部分采用SPOT 6与Pléiades两组遥感卫星图像数据.实验结果证实本文所提方法能够降低光谱误差，并有效提升了多光谱图像的空间分辨率，在ERGAS、Q4等评价指标方面优于当前主流全色锐化算法，同时取得了良好的视觉增强效果.
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  基于自相似性和低秩表示的有噪模糊图像盲复原算法

  王宇桐，禹晶，肖创柏

  北京交通大学学报. 2018, 42(5): 123. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.2018.05.017

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  图像盲解卷积算法指的是当点扩散函数未知时，利用模糊图像复原出原始清晰图像.图像盲复原不仅是一个典型的反问题，还是一个病态问题.本文提出一种基于自相似性和低秩表示的图像盲复原算法，该算法利用图像不同尺寸或相同尺寸间的自相似性，将图像中的非邻域相似图像块组成一个相似图像块组，对该相似图像块组进行整体的低秩表示.实验表明：该算法能够准确地估计模糊核，复原清晰图像，去除噪声，并具有很好的鲁棒性.
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  基于社会力和导航场的轨道交通人群仿真

  李园园1，张勇1,2，刘浩2，葛启彬2

  北京交通大学学报. 2018, 42(5): 130. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.2018.05.018

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  针对轨道交通内人群运动的特点，在传统社会力模型上引入导航场构建人群仿真系统.其中，社会力模型负责行人与周围行人及环境的相互作用，而导航场负责行人在轨道交通站点中的路径规划.与传统社会力模型相比，可避免因设置中间目标点不合理导致的“抖动”及局部拥堵现象.在上述基础上，研发一个面向轨道交通的人群仿真系统，并以北京市动物园地铁站作为场景进行实验.结果表明：仿真过程中，人群没有出现“抖动”或局部拥堵现象，这种方法适用于轨道交通中的人群仿真.
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  面向社交媒体图像的显著性数据集

  梁晔1,2，马楠1，郎丛妍2，于剑2

  北京交通大学学报. 2018, 42(5): 135. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.2018.05.019

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  随着显著性研究的发展，已涌现多个显著性数据集，然而目前面向社交媒体图像的显著性数据集数量非常少.为此构建此类显著性数据集，详细论述了数据集的图像来源、图像的筛选原则、图像的标注及数据集的统计分析.为了验证新建数据集的性能，与目前流行的7个显著性数据集进行性能评测，新建数据集具有显著区域尺寸丰富、与图像边界连接度高、显著区域与图像的颜色差异小的优点.实验结果表明：新建数据集中显著区域与图像边界连接的比例为17%，仅低于ECSSD数据集；其中显著区域和整幅图像的颜色差均值最小，且包含10个尺寸等级的显著区域，尺寸分布最广泛.此外，新建数据集具有标签信息，也为新的显著区域提取方法提供了实验对象.