应用科学学报

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2023, 41(4): 1-0.

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基于区块链的公平和可验证电子投票智能合约

刘红, 张靖宇, 雷梦婷, 肖云鹏

2023, 41(4): 541-562. doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2023.04.001

摘要 ( 474 )

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针对等权投票机制中存在的公平性缺陷和重放攻击问题，提出一种基于区块链的加密证明方案。首先，将投票流程和规则写入智能合约，包括时间戳和财务激励，以保证投票按时进行。规定每个投票者负责自己的地址密钥生成，构建基于地址公钥的Merkle树来证明投票者身份的合法性且保证交易数据不被篡改。同时利用哈希函数生成随机序列预防重复投票。其次，考虑到最终目的是得到求和结果，利用区块链公告板和Paillier算法加密存储选票，在克服公平性缺陷的同时提升加解密效率。最后，考虑到交易合法性和计算结果准确性问题，利用区块链的不可篡改特性，构造基于zk-SNARK的零知识证明。将需要证明的现实问题转化为特定输出的计算问题，将加密算法从零知识证明电路中抽离，不会泄露验证数据的信息。理论分析和实验结果表明，所提出的方案与已有方案相比显著提高了投票的安全和隐私，且具有更低的时间开销和成本消耗。

基于多链融合的粮食供应链溯源系统

曹浩浩, 刘扬, 李向阳, 刘鑫磊, 王耀启, 张元

2023, 41(4): 563-576. doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2023.04.002

摘要 ( 447 )

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区块链因具有不可篡改、群体共识、全程可追溯等特点而广泛应用于存证确权、商品溯源、协同共享等应用场景。基于区块链的粮食溯源难点在于粮食从种植、收储、加工、物流所涉及的供应链条比较长，追溯困难，并且同一供应链上企业之间的企业资源计划（enterpriseresource planning,ERP）系统并不互通，企业自治ERP系统难以与区块链对接。本文基于联盟链与私有链融合提出了一种多链粮食供应链溯源系统（multi-blockchain food supply chaintraceability,MBFST），企业间通过联盟链开展业务协作，企业内部基于私有链记录信息流转；设计了私有链与联盟链的跨链交互协议，根据溯源ID实现联盟链与私有链的交互与映射；通过私有数据集合等数据隔离机制，确保供应链企业私有数据的隐私保护。通过对原型系统的设计与实现，结果显示，MBFST能够实现粮食供应链企业间的全链条精准溯源，确保链上链下溯源信息的全程可追溯；通过Hyperledger Fabric的Node-SDK对系统的性能和吞吐量进行测试，实验结果显示，MBFST在压力测试中查询每秒事务处理量（transaction persecond,TPS）最高可达1 000以上，使用溯源ID的富查询TPS可达200以上，信息上链时延测试中平均时延稳定在0.2～0.3 s。对比现有的基于区块链的商品溯源系统，MBFST在溯源信息的追溯能力、链上信息的隐私性和追溯效率等方面都更具优势。

一种面向联盟链优化的PBFT共识算法

王微渊, 毕远伟, 陈霄汉, 李传彪

2023, 41(4): 577-589. doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2023.04.003

摘要 ( 368 )

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针对在联盟链中实用拜占庭容错（practical Byzantine fault tolerance,PBFT）算法所存在的通信开销过大、节点信誉度无法保证、算法无法动态地增删节点等问题，提出了基于决策树改进的PBFT（decision tree Byzantine fault tolerance,DTBFT）算法。首先，针对联盟链的应用场景，简化了PBFT算法的一致性协议，降低了通信开销；其次，考虑到系统安全性的问题，引入信誉积分机制，增加决策树分类算法，在每轮共识完成后，统计节点行为，对节点分类，使得系统可以动态地剔除拜占庭节点，提高系统的安全性；最后，为了防止拜占庭节点当选主节点，视图频繁切换，导致系统运行效率低的问题，改进了视图切换协议，将主节点的选取范围缩小到节点信誉好的高级节点，保证主节点的可信度。实验表明，DTBFT算法在吞吐量、算法安全性等方面较PBFT算法具有一定的提升。

基于区块链智能合约的动态频谱共享

潘亮, 陈彬, 代明军, 王滔滔, 张胜利

2023, 41(4): 590-600. doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2023.04.004

摘要 ( 370 )

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针对集中式动态频谱共享存在的频谱资源数据安全威胁、管理成本高、扩展性低等问题，利用区块链技术的去中心化、数据不可篡改等特性，提出了一个基于区块链智能合约的动态频谱共享方案。首先，利用区块链ERC4907协议设计了频谱券，保证频谱资源的唯一性标识并可租赁；其次，利用区块链预言机来实时更新空闲频谱资源数据，实现频谱数据的上链；再次，通过基于智能合约的拍卖算法以及Vue框架实现在前端页面对空闲频谱资源所对应的频谱券租赁期限的拍卖。实验结果表明，提出的基于区块链智能合约技术的动态频谱共享方案能够满足用户安全有效地进行动态频谱共享，具有可行性。

面向复杂应用场景的联盟链多链协同方案

张勇, 姚中原, 王超, 郭尚坤, 郭晓涵, 斯雪明

2023, 41(4): 601-613. doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2023.04.005

摘要 ( 376 )

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针对联盟链在复杂应用场景下权限管理分散、业务扩展困难、读写集中和多合约间弱事务性的缺点，提出了一种面向复杂应用场景的联盟链多链协同方案。该方案利用区块链网关统一管理用户访问权限，避免了访问权限管理的分散；提出支持逻辑链动态伸缩的链间路由机制，简化逻辑链的管理，降低业务扩展难度；设计读写分离机制，提升逻辑链的读写性能；构造基于TCC的事务方案，满足多业务合约之间的事务性操作。实验和分析结果表明，该方案有效提高了交易吞吐量，且在业务动态扩展和多合约间事务性方面有较好的支持。

面向超级账本Fabric的多通道分片技术研究

刘洋, 林致远, 张玉玺, 蒋琳, 吴宇琳

2023, 41(4): 614-625. doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2023.04.006

摘要 ( 337 )

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区块链技术被广泛运用在物联网、金融、供应链等领域。Hyperledger Fabric是目前主流的企业级许可区块链系统，该系统允许事务并发的执行与验证。然而，在高并发场景下其吞吐量的限制却制约了该系统更大范围的应用。分片技术是现有解决区块链性能问题的方案之一，可同时满足低延迟和高吞吐量的目标，大多数现有分片方案只是针对非许可区块链加密货币的应用，而针对许可区块链的分片研究方案却很少。面向超级账本平台，本文提出了一种多通道交互的分片方案。首先根据客户端事务发送的速率，对当前交易通道进行动态复制，进行并行背书；然后将在排序节点对复制的通道所背书的事务进行合并，生成新的区块；最后并行地在多通道内将新区块分发给各个节点，并整合在主账本内，确保节点之间账本的一致性，并更新世界状态。实验表明，提出的新方法能够在高并发的情况下显著提高事务吞吐量，相对原有的交易流程，吞吐量可提升3倍以上。

面向5G蜂窝物联网的大规模设备接入算法

张子扬, 赵军辉, 马小婷

2023, 41(4): 626-635. doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2023.04.007

摘要 ( 268 )

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大规模机器通信（massive machine type communication,mMTC）是5G网络的主要应用场景之一，各式各样物理设备连接互通的时代将要来临。在5G mMTC场景中常会遇到大规模设备同时请求接入网络，造成网络拥塞、影响系统通信性能的问题。针对这一问题，文章对5G蜂窝物联网中大规模设备接入算法进行研究，提出一种基于对蜂窝物联网终端数据和网络资源信息进行分析的设备接入算法。通过考虑场景中的设备终端相关信息以及网络资源，结合聚类分析的方法对终端进行聚类划分，并映射至空闲的网络资源块中，实现高效的蜂窝物联网设备接入，使其适用于当前mMTC场景，为目前5G蜂窝物联网设备提供一种有效的接入网络方法。

存在共道干扰时多用户协作网络的中断概率

黄海燕, 师玉洁, 张学军, 王春丽, 李新颖

2023, 41(4): 636-645. doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2023.04.008

摘要 ( 256 )

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针对共道干扰的多源多中继无线协作网络，提出一种基于信号干扰噪声比（signalto interference plus noise ratio,SINR）的最佳“源-中继”选择方案，联合优化协作分集和多用户分集。根据多个源节点与目的节点之间的接收信号，选择具有最大SINR的源节点广播信号至多个中继节点，中继节点采用选择协作解码转发协议通过最佳中继节点将解码后的源节点信号转发至目的节点，目的节点采用最大比合并对协作传输中两跳接收到的信号进行合并。考虑多个共道干扰引起的SINR之间的相关性，推导出在瑞利衰落环境下系统中断概率精确的表达式。实验结果表明，存在共道干扰时多源多中继协作无线网络可以获得分集增益，且增加源节点和中继节点的数目可以弥补由于共道干扰造成的损失，降低中断概率，提高系统性能。

基于VPN通道下的加密流量分类算法

魏洁玲, 马秀丽, 金彦亮, 王瑞

2023, 41(4): 646-656. doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2023.04.009

摘要 ( 447 )

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为了改善网络管理水平、加强网络安全监督，针对虚拟专用网络（virtual privatenetwork,VPN）通道下流量加密性强、不透明度高的特点，设计了加密流量数据的新构图方式，提出了基于变体ResNet18网络的加密流量分类算法。为了验证算法有效性，采集真实VPN通道下的热门app流量，成功实现了多VPN通道下的多应用流量分类。所提算法最终在公有数据集与真实采集数据集上的分类准确率分别达到98.1%和96.0%。实验结果表明，该算法具有通用性且具有一定的实际价值。

基于非平衡问题的高斯混合模型卷积神经网络

徐红, 矫桂娥, 张文俊

2023, 41(4): 657-668. doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2023.04.010

摘要 ( 265 )

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为了提升分类模型对非平衡数据的分类性能，提出一种EMWRS（expectationmaximization weighted resampling）抽样算法和WCELoss（weighted cross entropy lossfunction）损失函数，在数据预处理阶段采用高斯混合模型得知数据分布特点，根据其聚类结果分析每个聚类簇中样本权重，以及样本分布和对应权重对数据进行采样，降低数据集不平衡程度；再依据样本比例权重对少数类和多数类赋予不同的代价损失，构建卷积神经网络模型，提高非平衡数据集的分类准确性。构建的卷积神经网络以F1和G-mean为评价指标，在UCI（university of California irvine）公共数据集adult上与SMOTE（synthetic minorityover-sampling technique）和ADASYN（adaptive synthetic sampling）等多种经典算法进行比较，结果显示在这两种评价指标中所提模型均为第一，这表明改进后的卷积神经网络模型能够很好地提高少数类分类正确率。

基于颜色通道特征融合的环境声音分类方法

董绍江, 夏蒸富, 方能炜, 邢镔, 胡小林

2023, 41(4): 669-681. doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2023.04.011

摘要 ( 257 )

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针对传统神经网络提取的复杂环境声音特征微弱，导致分类准确率低的问题，提出了一种基于颜色通道特征融合的环境声音分类方法。首先，从原始音频数据中提取出三种声音特征，即对数梅尔频谱图（log-Mel spectrogram,LMS）、梅尔倒谱系数（Mel-scale frequencycepstral coefficients,MFCC）以及能量谱图（energy spectrum,ES）；其次，分别将以上三者作为RGB颜色通道分量进行特征融合，形成包含更多特征信息的声谱图，更全面表征环境声音；再次，为了避免由于数据集较少导致所训练的模型泛化能力较差，对预训练模型VGG-16采用微调方法进行训练；最后，在两个广泛使用的环境声音分类数据集以及实际场景采集的音频上验证本文所提方法的有效性，并与其他模型的准确率进行对比。结果表明，本文所提方法在ESC-10以及ESC-50数据集上的准确率分别能够达到88.2%和65.2%，并且能提高实际场景采集的音频分类效果。

基于差分隐私保护的服务机器人视觉图像发布算法

焦合军, 周万春, 施进发, 刘晟源

2023, 41(4): 682-691. doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2023.04.012

摘要 ( 261 )

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为保护服务机器人视觉图像中的敏感个人信息，提出了一种基于离散余弦变换与差分隐私技术相结合的服务机器人图像发布算法。首先，利用离散余弦变换压缩图像，为均衡相关噪声误差和重构误差，引入一种基于随机梯度下降算法的系数选择方法，从而在相应的系数空间中选择出合适的系数来压缩图像；其次，对系数空间添加拉普拉斯噪声来满足ε-差分隐私需求；再次，基于4种真实的室内图像数据集采用小波包变换和最小二乘支持向量机分类技术从算法的查准率等指标上衡量算法。实验结果表明，所提出的图像发布算法有较好的鲁棒性。

基于VMD-BO-BiLSTM的猪肉价格预测模型

胡春安, 江维

2023, 41(4): 692-704. doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2023.04.013

摘要 ( 275 )

PDF (806KB) ( 263 )

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基于猪肉价格的非线性与波动性特性，提出一种基于变分模态分解（variationalmodal decomposition,VMD）和贝叶斯优化（Bayesian optimization,BO）的双向长短时记忆（bidirectional long short-term memory,BiLSTM）网络的猪肉价格预测方法。首先采用变分模态分解对数据进行预处理，将数据分解为具有相对简单波动的子序列；然后通过贝叶斯算法对双向长短时记忆网络模型的第1、2隐含层神经元数目、学习率和批次大小进行寻优，根据寻优的结果建立预测模型。实验结果表明： VMD-BO-BiLSTM方法的平均绝对误差、均方根误差、平均绝对百分比误差和确定系数分别为1.101 214、1.466 100、0.040 631、0.987 760，相比传统单一的LSTM，BiLSTM模型精确度更高，有更高的适用性，适合对猪肉价格预测。

低延迟低抖动的FAST解码器设计与实现

张曦煌, 丁楠, 柴志雷, 冯一飞, 叶钧超

2023, 41(4): 705-717. doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2023.04.014

摘要 ( 332 )

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为了解决金融FAST (financial information exchange adapted for streaming)协议面临的纯软件解码延迟高，FPGA (field programmable gate array)硬件解码开发周期长、更新困难的问题，提出了基于OpenCL和HLS的硬件解码模式。通过对FAST数据解码的标记、切分、合并、解码模块进行流水优化，对切分和字段解码进行并行操作，将数据的输入输出改为流式接口减少I/O口的延时以及对切分数组进行分割映射等优化方式实现了解码过程低延迟、低抖动。实验结果表明，相比纯软件解码，本文提出的解码器处理速度提升了11倍，解码延迟缩短至1/6，抖动幅度控制在10 ns之内。相比传统HDL方式的FPGA定制硬件开发，开发效率可提升3～4倍，从而更好地满足产品更新换代的需求。

基于神经网络PID的SMA丝恒输出力控制方法

王奔, 吕佩伦, 王扬威

2023, 41(4): 718-726. doi:10.3969/j.issn.0255-8297.2023.04.015

摘要 ( 268 )

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为了实现形状记忆合金（shape memory alloys,SMA）丝的恒输出力控制，提出了一种基于粒子群优化神经网络比例积分微分（proportion integral differential,PID）的恒输出力控制方法，在研究SMA丝自感知电阻阻值和输出力、SMA丝温度对应关系的基础上，采用SMA丝电阻作为系统反馈，利用粒子群算法和神经网络算法对PID的参数进行优化，实现了SMA丝的恒输出力精确控制，与传统PID控制相比，降低了超调量，提高了响应速度。

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