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Journal of Zhejiang University SCIENCE C

ISSN 1869-1951(Print), 1869-196x(Online), Monthly

2016 Vol.17 No.8 P.717-840

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Regular Papers

Dolphin swarm algorithm

Tian-qi Wu, Min Yao, Jian-hua Yang

DOI: 10.1631/FITEE.1500287 Downloaded: 3855 Clicked: 7618 Cited: 2 Commented: 0(p.717-729) <Full Text><PPT> 2151

Chinese summary   <104>  海豚群算法

概要：群体智能算法采取分布式解决问题的策略，已成功应用于很多传统算法难以解决的优化问题。目前已有粒子群算法、遗传算法、蜂群算法、蚁群算法等已经成功实现且效果良好的算法，但在优化对象日益复杂的今天，这些算法越来越难以满足人们对精度和时间的要求，而改进这些算法所带来的收益也越来越低。在这种情况下，设计一种新的算法来更好地解决优化问题变得越来越有意义。海豚有很多值得关注的生物特性和生活习性，如回声定位、信息交流、合作分工等。通过将这些生物特性和生活习性与群体智能的思想结合起来，引入优化问题中，我们提出了一种新的算法——海豚群算法，并给出了算法的相关定义，详细阐述了算法中搜寻、呼叫、接受、捕猎四个关键阶段。为了验证海豚群算法的效果，使用了10个性质各异的基准函数对海豚群算法以及粒子群算法、遗传算法、蜂群算法进行实验，并将4个函数的收敛速度和基准函数结果进行比较。实验结果表明，海豚群算法在大多数情况下，特别是在低维单峰函数、高维多峰函数、步长函数、带随机变量的函数中表现良好，具有收敛速度先慢后快、阶段性收敛、不易陷入局部最优、对基准函数具体性质没有要求等特点，尤其适用于适应度函数调用次数较多、使用个体较少的优化问题。

关键词组：群体智能；仿生算法；海豚；优化

Performance analysis of visual markers for indoor navigation systems

Gaetano C. La Delfa, Salvatore Monteleone, Vincenzo Catania, Juan F. De Paz, Javier Bajo

DOI: 10.1631/FITEE.1500324 Downloaded: 3331 Clicked: 7380 Cited: 0 Commented: 0(p.730-740) <Full Text><PPT> 1956

Chinese summary   <36>  室内导航系统视觉标记性能分析

概要：智能手机大规模普及，人们对可穿戴设备和物联网兴趣倍增，以及定位服务指数级增长，使得室内定位导航成为近年来最重要的技术挑战之一。室内定位系统不仅在零售行业及定向推送广告行业有着巨大的市场，同时，它还可以部署在医院、机场、博物馆等公共建筑中，成为提升人们生活质量的基础性配置。甚至，在紧急情况下，是否部署室内定位系统，会造成生死之别。文献中已报道多种方法。近年来，得益于智能手机相机性能的大幅提升，无标记点和有标记点的计算机视觉方法得到开发。在之前的研究中，我们提出了一种利用低功耗蓝牙和嵌入地面的2D视觉标记系统进行室内定位导航的技术。在本文中，我们对3种可服务于实时应用的2D视觉标记（Vuforia，ArUco标记和AprilTag）进行了定性的性能评估。本文重点研究了附于地表瓷砖的3种视觉标记在特定情况下的表现，提出了最优视觉标记的甄选原则，为我们提出的室内定位导航技术提供技术支撑。

关键词组：室内定位；视觉标记；计算机视觉

Segmentation and focus-point location based on boundary analysis in forest canopy hemispherical photography

Jia-yin Song, Wen-long Song, Jian-ping Huang, Liang-kuan Zhu

DOI: 10.1631/FITEE.1601169 Downloaded: 2577 Clicked: 7160 Cited: 0 Commented: 0(p.741-749) <Full Text><PPT> 1805

Chinese summary   <31>  基于边界分析的森林冠层半球图像中心点定位与分割

概要：分析森林半球图像是测定森林冠层结构参数的重要方法之一。本文主要研究半球图像中圆形区域的分割方法，这是分析半球图像的基础。通过直方图、矩形度和傅里叶描述子进行森林半球图像边界的分析，得到边界特性如下：(1)边缘模型包含三种，分别是台阶、斜坡和屋顶边缘模型；(2)边界点离散；(3)边缘存在线性分布离散点。在此基础上我们提出了森林半球图像圆形区域的分割方法，拟合圆形边界线，同时用最小二乘法计算圆心点坐标及半径。该方法与获取图像的硬件设备参数无关，因此为引入参数自动调整的高性能设备获取森林半球图像奠定了基础。

关键词组：鱼眼镜头；最小二乘法；图像分割；生态学图像处理；半球图像

RePizer: a framework for prioritization of software requirements

Saif Ur Rehman Khan, Sai Peck Lee, Mohammad Dabbagh, Muhammad Tahir, Muzafar Khan, Muhammad Arif

DOI: 10.1631/FITEE.1500162 Downloaded: 2778 Clicked: 6789 Cited: 0 Commented: 0(p.750-765) <Full Text><PPT> 1685

Chinese summary   <31>  RePizer：一种软件需求排序架构

概要：标准的软件开发周期很大程度上取决于利益相关方的需求。软件开发全程围绕需求设计和管理。考虑到时间和资源的限制，必须分清哪些是必须首先考虑的高优先级需求。已有的需求排序架构缺少对历史数据的记录，而这些历史数据有助于从类似项目中方便地选取最适合的需求排序技术。本文中，我们提出一种名为RePizer的软件需求排序架构，该架构与一种选定的需求排序技术联合使用，可以基于给定标准(如开发成本)，为软件需求优先级排序。RePizer通过从需求库提取历史数据，为软件需求工程师决策提供协助。此外，RePizer提供了对整个项目的全景式视角，以确保对资源的审慎使用。基于RePizer架构，采用已有的两种需求排序技术：计划博弈(planning game, PG)和层级分析(analytical hierarchy process, AHP)，分别比较各自的预期准确度和易用程度。结果表明，采用计划博弈时，RePizer性能更佳。

关键词组：软件需求；需求排序技术；排序架构；计划博弈；层级分析

Pegasus: a distributed and load-balancing fingerprint identification system

Yun-xiang Zhao, Wan-xin Zhang, Dong-sheng LI, Zhen Huang, Min-ne Li, Xi-cheng Lu

DOI: 10.1631/FITEE.1500487 Downloaded: 3243 Clicked: 6538 Cited: 0 Commented: 0(p.766-780) <Full Text><PPT> 2147

Chinese summary   <38>  负载均衡的分布式指纹识别系统

概要：指纹的唯一性和不变性使得它在各类生物识别系统中得到了广泛的应用。随着指纹识别技术的发展，大规模的指纹存储和系统高并发的需求给指纹识别系统带来了新的挑战。面对这种挑战，我们设计并实现了一个负载均衡的分布式指纹识别系统，它包括分布式指纹特征提取子系统和分布式指纹特征存储子系统两部分。在指纹特征提取的过程中，特征提取与Hadoop图片处理接口（HIPI）的结合使得特征提取的效率得到大幅度提升；特征存储子系统对MongoDB默认的负载均衡策略进行了优化，使得鲁棒性得到了明显提高。相关的试验和模拟表明，相比于Hadoop默认的小文件处理机制，我们的系统可以在指纹特征提取的过程中减少约70%的处理时间；优化后的MongoDB负载均衡策略可以将分布式MongoDB系统的前端mongos负载差距控制在5%以下，基于操作负载（增、删、改、查）的后端数据存储负载均衡策略将由数据迁移带来的时间开销降低了约40%。

关键词组：分布式指纹识别系统；分布式MongoDB；负载均衡

Efficient hierarchical identity based encryption scheme in the standard model over lattices

Feng-he Wang, Chun-xiao Wang, Zhen-hua Liu

DOI: 10.1631/FITEE.1500219 Downloaded: 2788 Clicked: 6891 Cited: 0 Commented: 0(p.781-791) <Full Text><PPT> 1897

Chinese summary   <29>  标准模型下基于高效分级身份的格上加密方案

概要：本文在标准模型下，利用固定维数的格基代理算法提出了一种高效的格基分级身份加密方案。其公钥尺寸仅为(dm2+mn)logq比特，而消息-密文扩展因子仅为logq，其中d为最大分级深度，(n,m,q)为公开参数。本文构造了一种新的公钥赋值算法，将1个随机、公开的矩阵平均赋值为两个身份比特，从而仅仅需要d个公开矩阵来构造标准模型下的HIBE方案；与之相比，Crypto 2010所提出的HIBE方案中需要2d个同样尺寸的矩阵，公钥尺寸达到(2dm2+mn+m)logq。为了将该方案的消息-密文扩展因子压缩到logq，本文基于Gentry的加密方案建立了一种基础加密算法，一次加密操作中能够加密m2比特明文并得到m2logq比特密文。因此，文中所提方案在公钥尺寸、消息-密文扩展因子等方面具有一定的优势。基于差错学习问题的困难性，我们证明该方案在选择身份、选择明文攻击下是安全的。

关键词组：分级身份加密；格密码；标准模型；差错学习问题；高斯

Human hip joint center analysis for biomechanical design of a hip joint exoskeleton

Wei Yang, Can-jun Yang, Ting Xu

DOI: 10.1631/FITEE.1500286 Downloaded: 2943 Clicked: 7501 Cited: 0 Commented: 0(p.792-802) <Full Text><PPT> 2000

Chinese summary   <34>  基于人体髋关节转动中心分析的髋关节外骨骼仿生设计

概要：为了改善外骨骼穿戴舒适性，本文提出了一种基于人机物理交互优化的外骨骼设计方法。该方法通过设计外骨骼髋关节，使其保证人体髋关节运动时外骨骼髋关节转动中心能跟随人体髋关节转动中心的运动轨迹。当人体髋关节运动时，通过实验测量和计算可以得到其转动中心轨迹。本文设计的外骨骼髋关节运动机构能在人体髋关节屈曲/伸展和外展/内收时，保证转动中心都能够包容人体髋关节转动中心运动范围。同时，所设计的外骨骼髋关节被应用到下肢步行康复训练外骨骼中。通过人机接触力实验可知，与传统设计外骨骼髋关节进行相比，本文设计的仿生髋关节外骨骼在髋关节屈曲/伸展和内收/外展时分别可以减小24.1%和76.0%的人机接触力。这一结果证明仿生设计髋关节外骨骼更具穿戴舒适性，更符合人机工程学的设计要求。最后，本文通过建立人机闭式链模型进一步分析了仿生设计对于人体髋关节内力的影响，并验证该设计能减少关节内力作用。

关键词组：髋关节外骨骼；髋关节中心；柔顺关节；人机交互力

Initial position estimation strategy for a surface permanent magnet synchronous motor used in hybrid electric vehicles

Bing Tian, Qun-tao An, Li Sun, Dong-yang Sun, Jian-dong Duan

DOI: 10.1631/FITEE.1500298 Downloaded: 3250 Clicked: 7679 Cited: 0 Commented: 0(p.803-813) <Full Text><PPT> 1982

Chinese summary   <31>  适用于混合动力汽车的表贴式永磁同步电机初始位置估算

目的：混合动力汽车采用表贴式永磁同步电机作为辅助动力，并采用价格低廉且性能可靠的开关霍尔位置传感器提供转子角度信息。然而，霍尔开关位置传感器初始位置测量精度为±30°（电角度），使得永磁同步电机在汽车启动阶段提供的最大电磁转矩受到限制。因此，本文对表贴式永磁同步电机非线性（磁饱和）模型进行了研究，并依据非线性模型进行较准确的初始位置估算。
创新点：1.采用新颖的永磁同步电机非线性数学模型，推导出磁饱和特征函数以及转子位置信息；2.采用混合注入法（注入高频电压矢量和直流电压矢量）估算转子位置，其中直流电压用于改变铁芯饱和度，而铁芯饱和度又将调制高频电流响应。结合一种特殊的解调算法便可从高频电流响应中获得磁饱和特征函数以及转子位置信息。
方法：1.研究了表贴式永磁同步电机的磁饱和数学模型，并采用Ansoft/Maxwell软件对其进行了验证；2.根据磁饱和模型提取出磁饱和特征函数fsat，并初步用于估算磁极位置（误差±25°）；3.在估算的转子磁极方向上注入直流激磁电流，使铁芯更加饱和，呈现凸极效应（Lqq/Ldd>1）；4.由于铁芯更加饱和，可采用位置观测器获得较精确的转子位置；5.通过MATLAB/simulink和实验进行了转子位置估算。
结论：1.在定子绕组中注入直流激磁电流，营造磁饱和效应；2.采用解调算法（2个二阶带通滤波器和3个一阶惯性滤波器）可提取饱和度特征函数和转子位置信息；3.本位置估算实施简单，提高了表贴式永磁同步电机初始位置检测精度。

关键词组：表贴式永磁同步电机；初始位置估算；非线性模型；混合注入法；位置观测器

Torque characteristics in a large permanent magnet synchronous generator with stator radial ventilating air ducts

He Hao, Wei-zhong Fei, Dong-min Miao, Meng-jia Jin, Jian-xin Shen

DOI: 10.1631/FITEE.1500238 Downloaded: 4274 Clicked: 7660 Cited: 0 Commented: 0(p.814-824) <Full Text><PPT> 2155

Chinese summary   <30>  有定子径向通风孔的大型永磁同步发电机的转矩特性

目的：针对应用于海上风电的大型低速直驱型永磁同步发电机，研究具有径向通风风道定子和分段斜极的转子对于电机转矩特性的影响。
创新点：利用二维和三维有限元分析，得到定子通风孔的存在对于电机转矩特性的影响，并且通过对永磁体结构和转子分段斜极的优化，得到其对电机转矩特性的影响，提高电机转矩性能，降低了对机械齿轮的要求。
方法：首先，考虑到大型直驱型永磁同步发电机采用的机械齿轮的机械忍耐性受到限制，因此减少电机的转矩脉动具有非常重要的意义，对于海上工作的风力发电机来说尤为如此。接着，针对现有风力发电机，在具有定子通风孔条件下提出了对于电机永磁体形状的优化，并通过二维和三维的有限云分析，得到了其对电机转矩特性的影响。然后，通过提出对电机转子的分段斜极的优化，同样利用二维和三维的有限元分析得到不同转子结构对电机转矩特性的影响。最后，通过分析比较得到不同结构对电机平均转矩、转矩脉动等的影响。
结论：针对大容量永磁同步发电机，我们发现定子通风孔不仅会降低电机的平均转矩，还会增加电机的转矩脉动，且电枢电流和转子分段斜极对减少电机的转矩脉动具有非常大的影响。

关键词组：永磁同步发电机；径向通风孔；转矩脉动；分段斜极；磁体形状优化；有限元分析；风电

A novel resource optimization scheme for multi-cell OFDMA relay network

Ning Du, Fa-sheng Liu

DOI: 10.1631/FITEE.1500294 Downloaded: 2377 Clicked: 7385 Cited: 1 Commented: 0(p.825-833) <Full Text><PPT> 1685

Chinese summary   <28>  一种新颖的多小区正交频分多址中继网络资源优化分配算法

概要：在蜂窝网络中，用户通过各自的基站相互通信，且通常位于不同的小区内。对于用户来说，基站相当于一个解码转发中继节点。除了这种传统的用户之外，我们认为相互之间需要通信的用户还可以位于同一小区内，由此产生小区内通信。在这种情况下，基站可作为双向中继取代传统的解码转发中继，实现信息交换。多小区正交频分多址网络同时包含了这两种类型的用户。其中，资源优化分配是我们的研究重点。特别地，我们联合优化子载波分配、子载波成对和功率分配，从而最大化加权速率。通过拉格朗日对偶分解近似求解在用户功率固定的情况下基站资源的最优化问题。仿真结果表明，本文提出的策略优于现有的策略。

关键词组：小区内通信；双向中继；子载波分配；子载波成对

Filtering and tracking with trinion-valued adaptive algorithms

Xiao-ming Gou, Zhi-wen Liu, Wei Liu, You-gen Xu

DOI: 10.1631/FITEE.1601164 Downloaded: 2641 Clicked: 6602 Cited: 1 Commented: 0(p.834-840) <Full Text><PPT> 1721

Chinese summary   <31>  三元数域自适应滤波与跟踪算法

概要：本文首次提出了一种基于三元数代数的三维过程新模型。与纯四元数模型相比，三元数模型更加紧凑，计算量更小，同时在自适应线性滤波方面具有类似或者可比的性能。此外，三元数模型可以有效表征卡尔曼滤波中状态转移的一般性关系，而纯四元数模型则无法对此进行表征。基于实测风力数据和合成数据集的仿真实验验证了这一新建模方法的潜能。

关键词组：三维过程；三元数；最小均方；卡尔曼滤波器

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