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2022年, 第39卷, 第2期 上一期    下一期
前沿创新
钯催化α,β-不饱和酰氯与炔烃合成环戊烯酮模块化策略机理的密度泛函理论计算(英文)
钟亮, 赵瑞华, 汪志祥
2022, 39 (2): 145-153.  DOI: 10.7523/j.ucas.2021.0046
摘要 ( 340 ) HTML ( ) PDF (8789KB) ( 156 )
环戊烯酮是重要的有机合成原料,也是生物活性化合物和天然产物构建模块。采用密度泛函理论计算,本文研究以硅烷为氢源,钯催化α,β-不饱和酰氯与炔烃合成环戊烯酮的模块化策略的机理。研究表明该反应经下面过程顺序进行:钯催化剂拆分酰氯成烯基、羰基和氯单元;一氧化碳释放;炔烃与烯基偶联;一氧化碳重新配位和迁移插入形成另一个C—C键;经C=C双键迁移插入关环,与氢硅烷发生转金属反应,C,H-还原消除释放产物。该机理与实验工作者提出的机理不同,羰基通过在溶剂笼中释放和重新配位参与反应,而不是一直与钯配位。转金属H/Cl交换发生在反应后期,是反应的瓶颈过程, 而不是发生在前期的酰氯拆分。
综述
脱水诱导基因RD特性及功能
龚束芳, 初明洋, 杨雅涵, 乔坤, 王金刚
2022, 39 (2): 154-164.  DOI: 10.7523/j.ucas.2020.0054
摘要 ( 221 ) HTML ( ) PDF (5200KB) ( 229 )
脱水诱导基因(Responsive to Dehydration,RD)是一类能够调节植物脱水的基因,对植物脱水胁迫具有一定耐受性,有些成员还对低温、高盐等非生物胁迫具有不同程度的响应。RD成员分属于不同家族,在结构和功能方面存在差异。归纳不同RD的结构组成、蛋白保守基序、调控机理以及应对生物以及非生物胁迫时的功能, 以及RD基因启动子区域中不同的顺式作用元件在基因应对非生物胁迫时发挥的作用,可为今后对RD基因的研究提供相关参考。
物理
对线性幺正光学加密系统的选择明文攻击
苗栋, 马锐, 孙鑫凯, 史祎诗
2022, 39 (2): 165-171.  DOI: 10.7523/j.ucas.2020.0025
摘要 ( 203 ) HTML ( ) PDF (5543KB) ( 191 )
光学加密是现代数字光学的一大重要分支。基于4F系统的双随机相位加密和菲涅尔域的双随机加密是最有代表性的两大经典系统。虽然这2个系统均为线性加密系统,但是目前对于这2个系统的攻击基本上是依靠相位恢复的迭代算法去尝试破解系统密钥从而攻破系统,对利用线性性质直接重构置乱映射的攻击方式鲜有报道。这是由于这两大加密系统除具有线性性质外还具有另外一个被人们忽视的更重要的性质——幺正性。有了幺正性的条件,光学攻击理论可以脱离传统的基于Kerckhoff假设的框架,即原本在攻击中极为重要的公钥信息将成为无关变量,且系统的结构复杂度也不会对算法所需要的算力或者攻击结果产生任何影响,这在传统的迭代算法或者直接计算密钥的攻击方法中是难以实现的。利用两大加密系统的线性和幺正性,从矩阵代数出发,引入量子狄拉克符号以及表象理论,给出对于一般线性幺正系统的子空间投影选择明文攻击方案。以上述两大加密系统作为范例进行阐释,原则上方法适用于已经存在和以后将会出现的任意线性幺正加密系统。
环境科学与地理学
长江水系湖泊型流域生态用地长时间序列时空变化分析
陈忠媛, 高永年
2022, 39 (2): 172-184.  DOI: 10.7523/j.ucas.2021.0045
摘要 ( 358 ) HTML ( ) PDF (16565KB) ( 364 )
湖泊型流域在长江流域的面积占比超30%,其生态用地的变化对长江水生态环境具有重要的调节作用。基于长江水系229个湖泊型流域1980—2015年7期土地利用数据,采用生态用地面积及其占比、改进的综合动态度、转移矩阵和空间运算等方法,分析近几十年长江水系湖泊型流域生态用地的时空变化特征。结果表明:湖泊型流域生态用地变化呈现"先逐步上升—后波动稳定—再快速下降"3阶段趋势;林地和草地呈现下降趋势,湿地呈现上升趋势;湖泊型流域内生态用地综合动态度总体呈现"波浪式振动"状态。从湖泊大小等级分类角度来看,4个等级类型湖泊型流域生态用地的面积总量相差较大,小型湖泊对应的流域生态用地最少,其次是大型和中型,特大型湖泊数量少但对应的流域生态用地面积最大;且不同类型的湖泊型流域内生态用地变化趋势尽管都是先上升后下降,但对应的转折点年份不同。从长江水系不同分区的角度来看,相较于1980年,2015年源区、中游和下游湖泊型流域的生态用地增加,上游湖泊型流域的生态用地减少;生态用地内部的相互转移量最少,而生态用地和非生态用地之间的转移量及非生态用地内部的相互转移量各占总转移量的42 % 以上;生态用地在中游的转移最为剧烈和复杂,其次是下游,源区和上游则较为平缓与简单。2000年之前生态用地发生变化的原因主要为采伐树木、开发农牧业和围湖造田等,2000年之后的原因主要为退耕还林、修建水库等。对于大多数湖泊型流域来说,建设用地的增加,即城镇的扩张是2010—2015年期间生态用地减少的主要原因之一。
高寒草原矮火绒草和紫花针茅微斑块对Rb+的吸收距离
孔倩, 牛海山
2022, 39 (2): 185-192.  DOI: 10.7523/j.ucas.2020.0039
摘要 ( 258 ) HTML ( ) PDF (1275KB) ( 119 )
植物微斑块是草原植被基本的空间分布形式,空白裸地上的土壤养分资源在多远距离上能够被植物吸收是一个重要问题。利用稀有元素铷(Rb)示踪方法,通过分析Rb+的吸收量和吸收距离,探讨青藏高原高寒草原群落群落优势种紫花针茅(Stipa purpurea)和伴生种(同时也是退化草地常见种)矮火绒草(Leontopodium nanum)对土壤养分和水分资源的吸收范围。结果表明:紫花针茅斑块对Rb+的平均最大吸收距离(5.6cm)约等于平均斑块间距(5.7cm),而矮火绒草斑块平均最大吸收距离(34.2cm)远大于紫花针茅和平均斑块间距;2个物种对Rb+的吸收量都与斑块大小(生物量)呈极显著正相关(P<0.001);无论吸收量还是吸收距离,矮火绒草均大于紫花针茅。这说明裸地土壤中的养分资源可以被植物微斑块吸收利用,而且大斑块对资源占有的能力也越强。
NO在赤铁矿(0001)表面吸附的第一性原理计算(英文)
吴翠霞, 孙涛, FABRIS Stefano, 杜林
2022, 39 (2): 193-200.  DOI: 10.7523/j.ucas.2020.0041
摘要 ( 298 ) HTML ( ) PDF (4596KB) ( 115 )
氮氧化物NOx(NO,NO2)是对人类健康有严重危害的大气污染物。近年来研究表明赤铁矿(α-Fe2O3)可作为高效光催化剂去除大气中NOx,但NOx气体在赤铁矿表面的吸附特性还未明确,阻碍了对其催化机理的进一步认识。基于密度泛函理论,采用包括电子强关联效应的PBE+U以及色散力修正的方法,对NO气体分子在α-Fe2O3 (0001)晶面的吸附行为进行深入研究,发现基于PBE+U方法获得的吸附能(Ead=-0.64eV)比PBE获得的Ead(-1.31eV)低近50%。这是由于电子强关联项U的引入降低了表面铁原子d轨道对价带顶的贡献,抑制了其化学活性,而NO具有一个未成对的π*轨道电子,使得其对吸附基体的电子结构格外敏感。与+U不同,色散力修正不会显著改变体系的电子结构,只是使Ead略有增加(-0.18 eV)。采用统计力学的Langmuir公式计算NO在α-Fe2O3 (0001)表面的热力学平衡占据数,发现基于+U的吸附能得到的平衡占据数与实验观测更为一致。这些结果揭示了电子强关联效应在α-Fe2O3表面化学中的重要作用,并为进一步研究NOx在α-Fe2O3表面的光催化反应机理奠定了基础。
电子信息与计算机科学
基于B/S架构的激光雷达电力巡线可视化管理与分析系统
梁磊, 习晓环, 王成, 王金亮, 黄友菊
2022, 39 (2): 201-207.  DOI: 10.7523/j.ucas.2020.0044
摘要 ( 300 ) HTML ( ) PDF (12077KB) ( 334 )
激光雷达已被广泛应用于高压/超高压输电线路的设计施工、数字化管理以及线路的安全巡检等方面,其中电力巡线软件的可视化管理是激光雷达巡检业务化应用的重要内容。提出基于B/S架构的激光雷达电力巡线可视化管理与分析系统的总体设计方案;基于WebGL等开发了输电走廊点云数据可视化管理与分析系统,采用改进的可修改的嵌套八叉树存储和索引点云数据,以及多细节层次等多模式渲染点云,实现输电线路三维场景交互、电力要素数据高效管理与调度、点云属性编辑与三维量测、剪裁、生成剖面图等实用工具与数据分析功能。实验结果表明激光雷达电力巡线软件在Web端的高效和可行性,应用前景广阔。
基于低秩和一维稀疏矩阵分解的多通道SAR-GMTI方法
郑慧敏, 郑明洁, 张振宁, 申晓天
2022, 39 (2): 208-216.  DOI: 10.7523/j.ucas.2020.0003
摘要 ( 199 ) HTML ( ) PDF (8828KB) ( 85 )
多通道合成孔径雷达地面运行目标指示(synthetic aperture radar-ground moving target indicator,SAR-GMTI)系统的数据按一定方式重组并处理后,可认为是由表示地杂波的低秩矩阵、表示运动目标的稀疏矩阵和表示噪声的矩阵这3部分组成。但已有的基于矩阵分解的GMTI方法,对于强杂波和慢速目标会产生较大误差,并且也未根据实际应用情况而重新定义优化模型中的加权参数。针对这些问题,设计一个自适应加权参数和矩阵分解模型,进而提出一种新的基于低秩和一维稀疏矩阵分解的多通道SAR-GMTI方法,以提高矩阵分解的精确度。基于仿真数据和高分三号SAR卫星数据的实验结果表明,该方法可将运动目标准确提取且不包含杂波与噪声分量,在慢速运动目标提取和强杂波抑制方面也具有更好的性能。
基于核相关滤波视觉检测的多旋翼无人机对地目标跟踪与逼近
王贺, 卜智勇, 谭冲
2022, 39 (2): 217-223.  DOI: 10.7523/j.ucas.2020.0002
摘要 ( 182 ) HTML ( ) PDF (7308KB) ( 171 )
当前,无人机的对地目标跟踪和逼近是军民领域的研究热点之一。针对基于无人机平台对地目标跟踪与逼近中的相对运动、导引控制等问题,选用大疆多旋翼飞行器平台,设计基于Android的地面站系统。该系统使用改进的核相关滤波视觉检测算法完成对地目标跟踪与位置锁定,利用无人机与目标的距离作为尺度因子,实现多尺度跟踪,融合FHOG+Lab+LBP特征表征目标以增加跟踪器的鲁棒性。采用比例导引律控制多旋翼飞行器,完成对地目标跟踪与逼近任务。实验表明,改进的算法相比原算法在成功率和精确度上均有提高,同时验证比例导引能够控制多旋翼无人机完成跟踪与逼近任务。
基于分层网络的中心化和去中心化编码缓存方案
汪科, 陈家慧, 吴幼龙
2022, 39 (2): 224-231.  DOI: 10.7523/j.ucas.2020.0017
摘要 ( 147 ) HTML ( ) PDF (4012KB) ( 84 )
针对包含服务器、中继以及用户的分层网络,研究如何利用缓存降低传输延迟的问题。通过结合传统缓存和网络编码技术,提出新型的中心化和去中心化编码缓存方案。其中,中心化的方案根据中继、用户的数量以及缓存大小,对文件布置和发送策略进行优化设计,在满足用户文件请求的同时,实现数据的高效传输;去中心化的方案以牺牲少量性能为代价,支持用户数量变化和网络环境切换,拥有更高的灵活性。两种方案均充分利用中继的缓存资源,实现服务器和中继的并行传输,并根据用户的文件请求进行编码后发送,获得传统缓存方案所不具有的多播增益。仿真结果表明,本文的方案能够满足用户任意的文件请求,在不增加缓存大小的情况下,明显降低系统的传输延迟。
基于改进灰狼算法优化BP神经网络的无线传感器网络数据融合算法
曹轲, 谭冲, 刘洪, 郑敏
2022, 39 (2): 232-239.  DOI: 10.7523/j.ucas.2020.0004
摘要 ( 249 ) HTML ( ) PDF (1215KB) ( 139 )
为提高无线传感器网络数据融合精度,降低网络能耗,延长网络生存时间,提出基于改进灰狼算法优化BP神经网络的无线传感器网络数据融合算法(IGWOBPDA)。首先为平衡灰狼算法全局与局部搜索能力提出改进控制参数和动态权重更新位置的改进灰狼方案,利用改进灰狼算法对BP神经网络初始阈值和初始权值进行优化以解决数据融合中BP神经网络对初值敏感、易陷入局部最优的问题;其次考虑到无线传感网实际传输节点能耗和分簇情况,提出基于节点剩余能量参数和节点密度参数的分簇方案,通过调整参数的权重因子来适应网络数据融合传输过程中的实际情况。仿真实验结果表明,对比BPNDA算法和GAPSOBP算法,IGWOBPDA算法在不同数据集下有更好的数据融合精度和更快的收敛速度,并且能有效地减少数据传输量,降低节点能耗,延长网络生存时间,在不同网络规模下保持稳定性。
一种新的基于深度学习的重叠关系联合抽取模型(英文)
赵敏钧, 赵亚伟, 赵雅捷, 罗刚
2022, 39 (2): 240-251.  DOI: 10.7523/j.ucas.2020.0026
摘要 ( 490 ) HTML ( ) PDF (4199KB) ( 158 )
随着互联网技术的快速发展和移动设备的普及,我们每时每刻都被各种各样的信息包围着。如何从海量的数据中挖掘出具有价值的信息一直是国内外研究的热点。其中,关系抽取是信息抽取的一个重要子任务,目的是从文本中识别出实体之间的关系,从而挖掘出文本中的结构化信息,即事实三元组。在文本中,实体重叠和关系重叠是非常普遍的现象,但是现有的联合抽取模型不能够有效地解决这类问题,因此提出一种新的联合抽取模型,将关系抽取任务看作由2个子任务实体识别和关系识别组成,并分别使用序列标注的方法和多分类方法进行识别。在联合抽取过程中,为充分挖掘文本语义信息,在模型的输入层添加词性(POS)和句法依存关系(Deprel)特征,同时为消除随着句子长度增加带来的长距离依赖问题,在模型中引入注意力机制。最后,论文在NYT数据集和WebNLG数据集上进行关系抽取实验,结果表明论文提出的模型能够有效地解决关系重叠的问题,并取得最佳抽取效果。
毫米波网络非正交多址接入的新型用户配对方案
鲁晓琳, 周勇
2022, 39 (2): 252-259.  DOI: 10.7523/j.ucas.2020.0016
摘要 ( 126 ) HTML ( ) PDF (2583KB) ( 64 )
面对5G毫米波网络中多用户的高速率需求,为进一步加强毫米波网络中的下行链路非正交多址接入传输,提出一种基于角度和距离联合的新型用户配对方案。该方案充分考虑了天线阵列形成波束的高定向性和用户的随机性。基站根据用户之间的瞬时空间角度差和距离基站的位置信息来选择配对用户,并将适时地选择启用非正交多址接入方案。通过使用随机几何的方法,得出用户遍历总速率理论值。仿真结果表明,该方案得到的遍历总速率高于另外4种常见的用户配对方案,且存在距离阈值的最优值,该值使遍历总速率最大化。
雾计算网络中计算节点的最优布局
李炫锋, 罗喜良
2022, 39 (2): 260-266.  DOI: 10.7523/j.ucas.2020.0028
摘要 ( 198 ) HTML ( ) PDF (1564KB) ( 103 )
雾计算是实现物联网中的计算密集型和时延关键型应用一种很有前景的解决方案。考虑到计算节点的布局会直接影响雾计算网络中任务卸载的性能,旨在解决雾计算网络中计算节点的最优布局问题。通过同时考虑计算节点的通信覆盖和计算能力,该问题可以建模为一个NP难的p中心问题。为解决这个问题,首先给出所需布局的计算节点数量的下界,然后提出2种有效的启发式算法以较低的复杂度对计算节点进行布局。数值结果验证了所提算法的性能和优点。
移动边缘计算中的在线任务卸载方法
刘婷, 罗喜良
2022, 39 (2): 267-274.  DOI: 10.7523/j.ucas.2020.0012
摘要 ( 174 ) HTML ( ) PDF (1329KB) ( 57 )
为减少移动边缘计算(mobile edge computing, MEC)网络中移动用户的长期任务开销,利用强化学习的马尔科夫决策过程,将用户的移动性与系统的动态信息建模为随机优化问题。依据系统信息的状态,将问题分为系统信息已知、系统信息未知2种情况。在系统信息已知时,提供了问题的最优解;系统信息未知时,基于在线学习提出2个任务卸载策略。一个策略能够收敛到系统最优解,但收敛速度较慢;另一个策略能以更快的收敛速度,达到接近最优解的表现,可用于更复杂的系统。最后在仿真中展示算法的有效性。
用户态并行文件系统性能优化
邓通亮, 陈宸, 殷树
2022, 39 (2): 275-282.  DOI: 10.7523/j.ucas.2020.0027
摘要 ( 275 ) HTML ( ) PDF (1178KB) ( 292 )
用户态文件系统框架(filesystem in user space,FUSE)因其相对简单快捷的开发特性被广泛应用于新型文件系统的开发过程中。但是FUSE框架在处理应用的I/O请求时存在多次用户态和内核态切换、上下文切换以及额外的内存拷贝操作,造成一定的性能开销。为减小FUSE对I/O性能的影响,提出一种绕过FUSE的方案。该方案利用动态链接技术,通过将I/O请求的接收和转发功能实现在用户空间的方式消除FUSE框架的接入。该方案针对并行日志文件系统进行了应用实现和测试,结果表明,该方案对于大块读操作的性能提升最大可达131%,对小块写操作的性能最大提升5倍左右。
简报
一种使用相位合成结构的多相位输出全数字DLL电路
孙昊鑫, 洪钦智, 管武, 梁利平
2022, 39 (2): 283-288.  DOI: 10.7523/j.ucas.2020.0010
摘要 ( 177 ) HTML ( ) PDF (1771KB) ( 86 )
针对传统多相位DLL(delay locked loop, DLL)电路存在的大面积、高功耗、设计周期长、不便于移植到其他工艺等缺点,提出一种产生多时钟相位输出的全数字延迟锁相环(all-digital delay locked loop,ADDLL)电路。该电路在SMIC 55nm CMOS标准工艺下基于标准单元设计实现。使用相位合成模块产生多相位输出,可以通过级联更多相位合成模块产生更多输出相位。与传统多相位DLL电路相比,ADDLL电路面积更小、功耗更低,且采用标准单元设计,可以减少设计周期。后仿真测试结果表明,该DLL能够产生21个不同相位的输出信号,工作频率范围为860MHz~1.04GHz,面积为0.0017mm2,供电电压为1.2V时功耗为2.66mW,分辨率为13ps。