《电子技术应用》杂志2024年第11期-AET-电子技术应用

2024年第11期

刊出日期：2024-11-06

邮发代号：2-889

上一期

技术专栏-高性能计算

基于GPU的稀疏矩阵压缩存储格式研究

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.245825

作者：陈闽昊，边浩东

作者单位：青海大学计算机技术与应用学院

摘要：稀疏矩阵向量乘法（Sparse Matrix-Vector Multiplication，SpMV）是矩阵数值计算领域重要的线性代数子程序。通过对SpMV算法的负载均衡以及访存频度这两个关键性能瓶颈的研究，提出了一种VCSR（Vectorized Compressed Sparse Row）稀疏矩阵压缩存储格式。该格式根据各行非零元素分布的统计特性调整各个线程的数据负载来防止线程发散的问题，并且基于快速分段求和的策略以及使用矢量化的方法来提高SpMV流程的计算性能。通过使用佛罗里达大学的稀疏矩阵作为测试集，在GPU上进行性能测试，获得了相较CSR5（Compressed Sparse Row 5）格式平均10%到30%，最高50%的性能提升。

关键词：
稀疏矩阵向量乘

负载均衡

存储格式

分段求和

浮点运算

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基于电路切割方法的并行量子模拟方法

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.245854

作者：周予恺1，彭世昕1，颜峻2，蒋金虎1

作者单位：1.复旦大学大数据研究院；2.信息工程大学教研保障中心

摘要：量子计算在解决传统计算难题方面展现了巨大潜力，但由于其高错误率和噪声问题，经典模拟成为验证其性能的重要手段。然而，量子的叠加和纠缠特性带来了模拟上的巨大挑战，尤其是在内存受限的情况下。尽管电路切割方法能够将大规模量子电路分解为更小的计算任务，减轻计算压力，先前的研究主要关注其在量子计算机上的应用，未充分考虑其在量子电路模拟中的效果。论文研究填补了这一空白，提出了基于启发式切割算法和子电路状态向量复用的优化方案，以应对模拟中的内存限制。通过引入全局计算成本的考量和整数规划模型，提出的启发式方法不仅优化了切割过程，还结合了子电路状态向量复用技术，以减少重复计算和内存占用。实验结果显示，与当前流行的电路切割方法相比，所提出方法在提升模拟速度的同时显著降低了内存需求，有效应对了量子电路模拟中的挑战。在经典量子电路的测试中总体平均加速达到了46%。

关键词：
量子计算

量子模拟器

量子电路

电路切割

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一种基于Yarn云平台的基因启发式多序列比对算法

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.245448

作者：杨波1，徐胜超1，周继鹏2，王志坚1

作者单位：1.广州华商学院人工智能学院；2.暨南大学信息科学技术学院

摘要：提出一种基于Yarn云平台的基因启发式多序列比对算法。建立核酸替换等价矩阵作为基因启发式数学模型，构建Yarn云平台逻辑架构，通过对基因数据预处理、基因数据存储、基因序列比对、基因数据管理、基因数据分析等步骤，对数据分类保存，划分错误率较高的长序列，得到多个较短的基因片段。对不同片段实施定位，将其中的变长种子生成，进行骨架构建和孔隙填补，可以实现基因启发式多序列比对。结果表明，设计的算法在不同数据集下处理时间缩短，多序列比对SP（Sum of Pairs）的分值较高，实验验证了该多序列比对方法具有很好的应用价值。

关键词：
生物数据

并行计算

分布式计算架构

分布式数据库系统

大数据处理平台

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稀疏矩阵在C66x上的应用及优化

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.244858

作者：黄旭东，洪泽，陈振娇

作者单位：中国电子科技集团公司第五十八研究所

摘要：随着大数据的爆炸式发展，稀疏矩阵已经成为机器学习和边缘计算的重要一环。在机器学习领域，数据集的稀疏矩阵化既可以保存信息又可以节省内存，已成为不可避免的趋势。SpMV（稀疏矩阵向量乘）作为稀疏矩阵计算中的核心，其迭代求解过程的空间复杂度和时间复杂度具有重要研究意义。分析稀疏矩阵C00、CSR、ELLPACK和DIA压缩格式，改变稀疏矩阵的稀疏度和非零元素的分布，得出COO读取数据、CSR进行计算的SpMV通用性更强。利用C66x的VLIW指令构架，采用软件流水的方式对SpMV_CSR算法进行指令并行优化，利用SIMD单指令多数据指令集对SpMV_CSR算法完成数据并行优化。实验结果表明，优化后的SpMV_CSR算法相较于优化前的加速比平均达到5倍以上。

关键词：
稀疏矩阵

SpMV

CSR

C66x

软件流水

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人工智能

基于Transformer残差网络的事件重建算法

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.245292

作者：王立喜1，刘云平1，汤琴琴2，李家豪1

作者单位：1.南京信息工程大学自动化学院；2.无锡学院轨道交通学院

摘要：目前的人工视觉系统仍然无法处理一些涉及高速运动场景和高动态范围的真实世界场景。事件相机因其低延迟和高动态范围捕捉高速运动的优势具有消除上述问题的能力。然而，由于事件数据的高度稀疏和变化性质，在保证其快速性的同时将事件重建为视频仍然具有挑战性。因此提出了一种基于Transformer残差网络和光流估计的事件流重建算法，通过光流估计和事件重建的联合训练，实现自监督的重建过程，并引入去模糊预处理和亚像素上采样模块来提高重建质量。实验结果表明，在公开数据集上，提出的方法可以有效提高事件流的重建效果。

关键词：
事件相机

视频重建

深度学习

光流估计

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计及可再生能源接入配电网的负荷预测和优化

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.245284

作者：翟哲1，余杰文2，杜洋3，曹泽江4

作者单位：1.中国南方电网电力调度控制中心；2.南方电网人工智能科技有限公司； 3.深圳市法本信息技术股份有限公司；4.南方电网数字电网科技（广东）有限公司

摘要：目前，可再生能源大量接入配电网，但是太阳能、风能、光伏及风电等可再生能源的间歇性和随机性不可避免地会造成配电网的波动。考虑电网内可再生能源发电功率与用电负荷随时间变化的特点，提出一种基于小波变换和神经网络的可再生能源接入配电网的负荷预测和优化方法。首先采集配电网的发电与负荷数据，利用小波变换处理收集到的数据，得到局部尺度和频率分解的特征参数，建立神经网络预测模型；然后，对经过小波变换后得到的特征参数进行训练，根据预测负荷对可再生能源的发电量进行调节，保持配电网供需侧的动态平衡。结果表明，所提方法能够对负荷进行有效预测，通过提前预测负荷量，保证配电网用电稳定性的同时，最大化利用可再生能源。

关键词：
云技术

神经网络

小波变换

风光发电

负荷预测

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基于改进AlexNet卷积神经网络人脸识别的研究

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.245086

作者：蔡靖，谷承睿，刘光达，孙慧慧

作者单位：吉林大学仪器科学与电气工程学院

摘要：近期，人脸识别技术在社会上广受关注，其非接触式的识别特性相较于指纹等传统接触式识别方法展现出明显优势。在深度学习领域，由于传统卷积神经网络在人脸识别任务上的准确性和速度尚有提升空间，因此提出采用改进的AlexNet卷积神经网络进行人脸识别。通过实验验证，与传统卷积网络相比，改进后的AlexNet在人脸识别上不仅准确度更高，而且识别过程更为稳定。

关键词：
深度学习

卷积神经网络

人脸识别

AlexNet

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微电子技术

基于ARM 架构的安全总线桥设计与实现

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.245185

作者：刘梦影，王芬芬，冯海英

作者单位：中科芯集成电路有限公司

摘要：为提高SoC（System-On-Chip）系统安全性能，设计了一种基于ARM（Advanced RISC Machine）架构的安全总线桥电路。该电路设计了一个桥接模块和一个访问控制功能模块。仿真表明，该电路能够在任意倍频的AHB（Advanced High-Performance Bus）和APB（Advanced Peripheral Bus）时钟频率下完成AHB传输协议向APB传输协议的转换，同时支持灵活配置主从设备的访问权限和保护模式，防止外设寄存器数据被非法访问和恶意篡改，提高了系统的安全性能和适用性。

关键词：
ARM

AHB

APB

安全

访问控制

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某型接收机中放大器自激机理分析与预防措施

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.245673

作者：余小辉，麻泽龙

作者单位：中国电子科技集团公司第十三研究所

摘要：对某型接收机中频噪底升高故障进行了分析处理，分析结果表明射频模块腔体内存在个体差异，导致本振放大器在脉冲工作条件下产生自激，通过对放大器自激机理的分析给出了相应的预防措施，在射频小盒侧壁中粘贴吸波材料，可以有效消除自激。论文对今后腔体自激问题的处理分析具有参考价值。

关键词：
放大器

自激机理

吸波材料

预防措施

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测控技术与仪器仪表

圆形阵列式霍尔电流传感器抗磁干扰算法研究

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.245475

作者：权硕1，唐玥1，2，褚子扬1，沈悦1

作者单位：1.南京信息工程大学自动化学院；2.无锡学院物联网工程学院

摘要：阵列式霍尔电流传感器是电力电子领域中的一个研究热点，特别是在直流电测量方面，它具有线性度高、动态范围大、体积小、功耗低等优点，是对铁磁磁芯的电流传感器的改进。然而，由于没有铁芯聚磁，在汽车电子、配电系统等场所内，导体排布密集，外部磁场很容易进入磁传感器，从而影响测量精度。因此，提出了一种抗磁干扰算法来解决这一问题，采用构造超越方程的方法，不仅可以计算被测电流，还可以计算任意位置的干扰电流，并通过数值模拟、有限元分析和室内实验对该算法进行验证。实验结果表明，在受到强干扰电流的影响下，误差在3.5%以内，验证了构造的圆形传感器阵列及抗磁干扰算法的有效性。

关键词：
圆形阵列

霍尔电流传感器

电流测量

抗磁干扰算法

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基于残差注意力自适应去噪网络和Stacking集成学习的局部放电故障诊断

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.245495

作者：廖晓青1，陈历1，许建远1，金宝权1，姜自超1，刘俊峰2

作者单位：1.广东电网有限责任公司茂名供电局；2.华南理工大学自动化科学与工程学院

摘要：针对传统局部放电（Partial Discharge， PD）故障诊断方法在处理复杂含噪PD信号存在局限性并依赖于人工去噪和专家经验，难以学习到PD特征多样化表达等问题，分别提出残差注意力自适应去噪网络（Residual Attention Adaptive Denoising Network， RAADNet）和基于Stacking集成学习的PD故障诊断模型。RAADNet基于残差网络结构设计，通过集成CAM注意力机制和软阈值函数实现自适应去噪；Stacking集成模型的基学习器分别由基于卷积神经网络的RAADNet、基于多头自注意力机制的Transformer以及基于Boosting集成策略的XGBoost多个差异化模型共同构建构成。实验结果表明，提出的RAADNet优于其他先进方法，识别准确率达到93.99%，Stacking集成模型则通过学习多样化特征表达，进一步提高模型性能，达到96.79%识别准确率。

关键词：
气体绝缘开关柜

局部放电

Stacking集成学习

卷积神经网络

Transformer

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通信与网络

TSN交换机PSFP方法设计

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.245540

作者：石环环，冯睦睦

作者单位：中国电子科技集团公司第五十八研究所

摘要：时间敏感网络（Time Sensitive Network，TSN）将传统以太网“Best Effor”传输方式所具备的灵活性与时间敏感网络的实时性、确定性等特点相结合，具有支持不同类型应用的能力。TSN的逐流过滤和监管（Per-Stream Filtering and Policing， PSFP）协议通过提供策略，可阻止非法报文的攻击及流量过载。基于该协议的工作原理，对流过滤、流门控和流测量功能进行了研究，同时提出一种PSFP的实现方法，并在TSN交换机上设计网络拓扑及实验进行了验证。结果表明，该方法可根据报文特征自动识别满足一定规则的异常报文，并按照要求进行阻断或限流操作，验证了合理性。该方法不受限于硬件或软件实现的TSN，对TSN在工业、车载等行业的应用有一定的参考价值。

关键词：
时间敏感网络

逐流过滤和监管

流过滤

流门控

流测量

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基于自动编码器和随机树的智能电网FDI检测

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.245197

作者：景峰

作者单位：国网山西省电力公司信息通信分公司

摘要：为应对智能电网系统可能受到的新型网络攻击（如虚假数据注入攻击），提出了一种基于机器学习的入侵检测方法。该方法采用自动编码器进行数据降维，并使用极端随机树分类器检测潜在攻击。在IEEE标准电力系统数据的基础上，测试了该方法在不同系统规模和攻击程度下的性能。实验结果显示，在IEEE 118节点系统中，该方法的检测准确率高达99.76%，即使在仅有0.1%攻击测量值的情况下，F1值也达到了99.77%，远超其他算法。该方法不仅能有效检测智能电网中的入侵行为，而且具有较高的计算效率。

关键词：
攻击检测

自动编码器

网络攻击

极端随机树

虚假数据注入

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计算机技术与应用

ßFA：一种基于向量指令集的高性能数据处理算法

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.245114

作者：杨嘉佳，关健，李正，于增明，姚旺君

作者单位：中国电子信息产业集团有限公司第六研究所

摘要：正则表达式匹配技术在数据清洗、解析提取等数据处理任务方面发挥重大作用。然而，由于匹配过程中存在数据强依赖关系和内存访问不可预测等问题，造成匹配性能较低。针对此问题，提出一种基于向量指令集的高性能正则表达式数据处理算法，称之为ßFA：通过向量指令一次性从内存读出若干连续字符，并与最常被访问状态对应的非信任字符集进行向量匹配，利用内置函数定位首个非信任字符的位置，获得可直接跳过的字符数，从而实现匹配性能的加速。实验结果表明，ßFA算法的吞吐率优于原始DFA算法和αFA算法，是原始DFA算法的4.67~60倍以及ɑFA算法的4.37~7.82倍。

关键词：
正则表达式匹配

向量指令集

高性能数据处理

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智慧农业下基于联邦学习的水稻病虫害分类研究

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.245131

作者：黄炯炯

作者单位：浙江农林大学数学与计算机科学学院

摘要：在农业发展过程中，农作物的健康问题一直是一个重要的研究课题。面向这一课题探讨智能化农业种植过程中的水稻病虫害分类问题。在智能化农业种植场景下，为了提高设备对病虫害的分类准确性，同时保护各设备的数据隐私，提出使用联邦学习来解决各设备间的数据孤岛问题。实验选取了七个预训练模型来提取特征，使用四个指标（准确率、召回率、损失函数和F1分数）来评估不同模型上的性能。实验结果表明，在独立同分布（IID）和非独立同分布（Non-IID）数据下模型VGG19的准确率分别为99.05%和98.48%，表现出较高的鲁棒性和准确率。通过几种实验和指标对比发现，联邦学习的应用提升了设备4.36％的准确率，图像分类模型的收敛时间受到联邦学习轮数round和每轮联邦学习中训练集的训练epoch数的共同影响，并且模型的稳定性随着参与联邦学习的设备数量增加而提高。

关键词：
智慧农业

联邦学习

图像分类

预训练模型

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基于区块链和神经模糊系统的边缘计算移动接入网络安全增强框架

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.244934

作者：张子健，张靖，徐道磊，唐轶轩

作者单位：国网安徽省电力有限公司信息通信分公司

摘要：为了提高车联网的安全性，提出了基于神经模糊系统和区块链的移动边缘计算网络安全增强框架。该框架结合了批量认证、密钥交换等技术，将区块链与移动边缘计算相结合，架构上分为感知层、边缘计算层、服务层三层，感知层通过区块链确保数据安全，边缘计算层提供资源，服务层采用区块链技术保护数据。仿真表明，结合区块链和移动边缘计算能有效提高车联网安全性。

关键词：
区块链

VANET

神经模糊系统

边缘计算

6G

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电路与系统

基于先进工艺技术的机电控制SiP电路的设计与测试

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.245167

作者：许文运，张明，郑利华

作者单位：中国电子科技集团公司第五十八研究所

摘要：机电控制系统包含多款芯片，其小型化、轻量化的需求日益迫切，系统级封装（System in Package）技术作为一种先进封装手段能够将多款不同类型的芯片集成于更小的空间中。基于系统级封装技术，并结合TSV与FanOUT技术设计了一款机电控制SiP电路，该电路包括顶层DSP信号控制单元和底层FPGA信号处理单元，两者通过PoP（Package on Package）形式堆叠构成SiP电路，相比于常规分立器件所搭建的机电控制系统，该SiP体积缩小70%以上，重量减轻80%以上。针对该款SiP电路设计了相应的测试系统，且对内部的ADC及DAC等芯片提出了一种回环测试的方法，能够提高测试效率。测试结果表明，该电路满足设计要求，在机电控制领域具有一定的应用前景。

关键词：
机电控制

系统级封装

PoP

高集成

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一种宽输入范围高效率宇航二次电源的设计

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.245193

作者：李双刚，徐欢，曹佳君

作者单位：上海空间电源研究所

摘要：提出一种宽输入电压、高效率100 W宇航二次电源的设计方法。输入电压范围达到20 V~50 V，可覆盖星上28 V母线、42 V母线电压范围。峰值效率达到90%以上，具有体积小、功率密度高的特点。采用单端反激电路拓扑，通过加入斜坡补偿技术，使得反激变换器的占空比工作在60%以上，拓宽了输入电压范围。同时采用平面变压器技术，降低变压器漏感，提高效率并减小尺寸。

关键词：
二次电源

反激

斜坡补偿

平面变压器

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基于频差的卫星通信互调干扰源定位方法研究

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.245134

作者：李合金，王泽森，杨凌波，潘雷

作者单位：中国人民解放军63751部队

摘要：针对卫星通信系统频带内互调干扰的定位问题进行研究，分析互调干扰产生机理，并给出系统内互调干扰定位方法。定量分析互调干扰频谱特性，并结合频谱管控站分配各站频率，建立系统内各站频率及频差动态数据库，设计基于频差的卫星通信互调干扰源定位方法，精确定位干扰站。仿真结果验证了该方案在互调干扰定位过程的可行性，有效降低了干扰定位时间并提升了准确定位干扰站的概率，为卫星通信系统面临此类干扰时的快速定位提供解决方法，对卫星通信网的稳定运行具有较大实际意义。