通信学报

矿山物联网人-机-环状态感知关键技术研究

袁亮, 俞啸, 丁恩杰, 赵小虎, 冯仕民, 张达, 刘统玉, 王卫东, 黄艳秋

2020, 41(2): 1-12. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2020036

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物联网技术的多学科交叉融合特性为解决矿山安全生产问题提供了全新的途径，矿山“人-机-环”状态信息的实时精准感知是矿山物联网应用的基础。分析了矿山安全生产物联网技术体系架构，围绕矿山物联网感知理论、智能传感技术、标准化方法、大数据分析服务几个关键问题，建立了基于信息物理系统和数字孪生的虚实融合感知理论模型，提出了矿山“人-机-环”信息统一描述方法，研究了矿用光学等多参数传感与能量自动捕获技术，规范了矿山物联网编码与交互协议标准，设计了矿山物联网融合通信网络服务架构，构建了矿山物联网大数据高效接入与深度分析应用服务体系，实现矿山安全生产状态信息的全面精准感知、实时高效交互与智能分析应用。为提升矿山安全预防准备、监测预警、态势预判、综合保障技术水平，提高矿山安全生产效率提供有力的科技支撑。

基于压缩感知的设备多源信息传输与分类算法

赵小虎,王刚,宋泊明,于嘉成

2020, 41(2): 13-24. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2020040

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针对选煤厂设备种类繁多、监测点分散的特点，提出了一种基于压缩感知的设备多源信息无线传输与分类算法。通过构建一种多跳信息传输模型，将信息传输问题转换为多路测量信号的压缩感知问题，将测量矩阵获取问题转化为多跳信息传输模型的路由问题。针对所获得的测量矩阵存在较大相干性、影响信号重构效果问题，将随机路由的思想引入路由构建当中，提出了一种随机动态自组织路由算法。为了解决重构后的信号时域特征难以对故障类型进行精确分类的问题，针对重构信号，引入了一种新的时域特征——振动信号的全变分，并通过补偿距离评估算法（CDET）验证了引入指标的优越性。通过选煤厂实测数据分析表明，所提多源信息传输与分类算法在提高监测数据实时传输效率情况下，能够有效提高故障识别精度。

基于流量预测的物联网卫星节点动态缓存分配路由策略

王卫东,王程,王慧文,徐玭

2020, 41(2): 25-35. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2020038

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针对低轨物联网卫星系统的路由问题，提出了基于流量预测的物联网卫星节点动态缓存分配路由策略。首先，分析低轨卫星覆盖区域内业务分布的时空特性，提出了端到端流量预测方法。然后，根据流量预测结果，提出了动态缓存分配路由策略。卫星节点通过对星间链路的流量负载进行周期性监测，动态分配与邻居节点间各条星间链路的缓存资源，分为初始化和系统运行2个阶段。同时，提出了节点拥塞时的业务分流及数据分组转发策略，通过比较排队时延和转发时延的大小，决定数据分组是否需要进行重路由。仿真结果表明，所提路由策略有效地降低了分组丢失率及平均端到端时延，改善了业务在全网的分布情况。

基于多维度和多模态信息的视频描述方法

丁恩杰,刘忠育,刘亚峰,郁万里

2020, 41(2): 36-43. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2020037

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针对视频自动描述任务中的复杂信息表征问题，提出一种多维度和多模态视觉特征的提取和融合方法。首先通过迁移学习提取视频序列的静态和动态等多维度特征，并采用图像描述算法提取视频关键帧的语义信息，完成视频信息的特征表征；然后采用多层长短期记忆网络融合多维度和多模态信息，最终生成视频内容的语言描述。实验仿真表明，所提方法与目前已有方法相比，在视频自动描述任务中取得了较好的效果。

矿山微功耗安全监测物联网系统的研究与应用

张达,王济农,冀虎,纪浩,赵云峰

2020, 41(2): 44-57. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2020034

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针对矿山企业安全监测系统存在的可靠性差、覆盖面小、成本高昂、维护不力、预警不准等突出问题，提出了一种新的矿山微功耗安全监测物联网系统，可为矿山的生产作业安全提供有效的技术支撑。所提系统突破了微功耗信息采集、故障诊断与自愈、无线网络节能通信和在线智能分析预警等关键技术，并在矿山企业的尾矿库在线监测、边坡监测和地压监测等典型业务中成功应用。现场实践表明，所提系统相对于现有常规安全监测系统更加适合矿山作业条件，智能传感器信噪比提升1.4倍，综合能耗降低10%，可实现在线智能分析与快速预警。

掘进机精准定位方法与掘进机器人系统

卢新明,闫长青,袁照平

2020, 41(2): 58-65. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2020042

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针对目前井下定位存在的问题，设计了由多种传感设备、测绘设备和工控机组成的掘进机器人物联网，发展了一种新的井下定位方法，并据此构建了面向无人工作面的掘进机器人系统，应用所提机器人系统进行了实际作业实验。实验结果和系统持续运行表明，所提定位方法实现了精确可靠的实时定位，均方根误差控制在5 cm以内。基于所提定位方法的掘进机器人实现了对周围环境的实时精确感知和与周围环境的精准交互，从而实现了安全高效高精度的井下掘进，以及综掘面无人化。

光纤多参数传感器研究

刘统玉,李振,孟祥军,赵林,王富奇,董果凤,王纪强

2020, 41(2): 66-73. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2020039

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基于光纤Bragg光栅（FBG）检测原理，研发了适用于地下空间安全监测应用的光纤风速、温度、湿度等多参数传感器。光纤风速传感器基于激光致热光纤热线式流量检测原理，对于低风速有较高的灵敏度，风速从0变化到0.5 m/s时，FBG波长变化量为800 pm，采用解调精度为1 pm的光纤光栅解调仪，风速分辨率为0.7 mm/s。光纤湿度传感器通过在 FBG 光栅表面均匀涂覆湿度敏感的聚酰亚胺溶液，湿度变化导致光纤应变变化进而实现湿度测量。对新型光纤光栅温湿度传感器的性能参数进行测试，实验测试结果显示，传感器监测灵敏度为 4.2 pm/%RH ，检测精度小于±3%RH。

网络空间信息系统模型与应用

王继龙,庄姝颖,缪葱葱,安常青

2020, 41(2): 74-83. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2020018

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针对网络空间可视化往往还在使用传统的地理信息系统，难以真正展现网络空间特点和规律的问题，提出了多尺度、多维度、多视图的网络空间信息系统模型，将网络空间信息系统定位为与地理信息系统相平行的概念，即地理信息系统支持以地理坐标系为基础的可视化表达，网络空间信息系统支持基于网络空间自身坐标系的可视化表达。同时定义了网络空间信息系统的基本概念模型，为之后的研究奠定理论基础，并阐述了网络空间信息系统关键技术，以及部分关于坐标系、比例尺、多维度表达模型等探索性研究工作和应用案例。研发的原型效果表明，网络空间信息系统更便于网络空间事务的展现和处理。

基于动态伪装网络的主动欺骗防御方法

王硕,王建华,裴庆祺,汤光明,王洋,刘小虎

2020, 41(2): 97-111. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2020026

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针对现有蜜罐易被攻击者识破而导致其抵御渗透攻击时经常失效的问题，提出一种基于动态伪装网络的主动欺骗防御方法。首先，给出动态伪装网络定义并描述基于动态伴随网络的主动欺骗攻防场景；然后，在分析攻防交互过程的基础上，构建信号博弈模型来指导最优欺骗策略选取；进一步，设计基于双层威胁渗透图的攻防策略收益量化方法；最后，提出一种统一纯策略与混策略的博弈均衡求解方法。实验结果表明，基于动态伪装网络，精炼贝叶斯均衡能够为防御者实施最优防御策略提供有效指导，实现防御者收益最大化。此外，还总结了利用动态伪装网络进行主动欺骗防御的特点与规律。

基于属性轻量级可重构的访问控制策略

谢绒娜,李晖,史国振,郭云川

2020, 41(2): 112-122. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2020035

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针对复杂网络环境下访问控制策略冗余与冲突检测、访问控制策略评估的效率面临的严峻挑战，提出了基于属性轻量级可重构的访问控制策略。以基于属性的访问控制策略为范例，根据访问控制策略中的操作类型、主体属性、客体属性和环境属性将基于属性的访问控制策略划分为多个不相交的原子访问控制规则，并通过与、或等逻辑关系构成的代数表达式，将原子访问控制规则重构出复杂访问控制策略；提出原子访问控制规则冗余与冲突检测方法，将复杂访问控制策略分解为等效的原子访问控制规则和代数表达式，通过对等效的原子访问控制规则和代数表达式进行冗余与冲突检测实现对复杂访问控制策略进行冗余与冲突检测；从时间复杂度和空间复杂度2个不同角度对等效转化的访问控制策略进行评估。结果表明，所提方法大大降低了访问控制策略的长度、数量和复杂度，提高了访问控制策略冗余与冲突检测的效率以及访问控制策略评估的效率。

无人机三维空地信道模型的空间特性研究

张治,熊天波,陈建侨,马楠

2020, 41(2): 123-130. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2020043

摘要 ( 523 )

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针对现有无人机（UAV）空地信道几何统计模型（GBSM）对信号到达角和出射角分布的假设过于理想，无法准确描述UAV空地传播环境的空间统计特性，影响建模准确性的问题，面向基于圆柱散射体的UAV三维空地信道模型，从俯仰面和水平面详细分析了到达角和出射角对应散射区域的空间几何特征，进而推导得到角度分布的概率密度函数。通过仿真研究了信道模型的多种参数对概率密度函数的影响，证明了所提成果能够准确地刻画UAV空地信道到达角和出射角的分布，可为空地通信信道的准确建模提供支撑。

基于最小代价路径的交换机迁移方法研究

赖英旭,蒲叶玮,刘静

2020, 41(2): 131-142. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2020030

摘要 ( 304 )

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针对如何保护控制器，尤其是骨干控制器免受安全威胁与攻击，提高 SDN 控制平面的安全性，提出一种基于最小代价路径的交换机迁移算法。在迁移模型中加入负载预测模块，预测模块执行控制器负载预测算法，得到负载预测矩阵，然后根据负载预测矩阵确定迁出、目标控制器集合。利用改进的迪杰斯特拉算法确定最小代价路径，根据控制器的负载状态和待迁移交换机的流量优先级，在最小代价路径中确定最优迁移交换机集合，同时针对迁移过程中可能产生的孤立节点问题给出了解决方案。实验结果表明，所提算法确定的迁移触发时机、迁出控制器和目标控制器更加合理，减少了迁移次数和代价，增强了控制器的安全性，提高了控制器性能。

基于无监督多源数据特征解析的网络威胁态势评估

杨宏宇,王峰岩

2020, 41(2): 143-154. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2020015

摘要 ( 341 )

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针对监督式神经网络测试网络威胁时需根据数据类别标记进行建模的局限性，提出了一种基于无监督多源数据特征解析的网络威胁态势评估方法。首先，设计了一个面向安全威胁评估的变分自动编码器-生成式对抗网络（V-G），将只包含正常网络流量的训练数据集输入V-G的网络集合层进行模型训练，并计算各层网络输出的重构误差。然后，通过输出层的三层变分自动编码器重构误差学习并获取训练异常阈值，使用包含异常网络流量的测试数据集测试分组威胁并统计每组测试的威胁发生概率。最后，根据威胁发生概率确定网络安全威胁严重度，结合威胁影响度计算威胁态势值以获取网络威胁态势。仿真实验结果表明，所提方法对网络威胁具有较强的表征能力，能够有效直观地评估网络威胁的整体态势。

Android设备中基于流量特征的隐私泄露评估方案

王竹,贺坤,王新宇,牛犇,李凤华

2020, 41(2): 155-164. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2020020

摘要 ( 420 )

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针对Android操作系统App内第三方域名采集用户信息造成的隐私泄露问题，基于TF-IDF模型和层次聚类方法提出了移动设备中的隐私泄露评估方案HostRisk。TF-IDF模型通过App内域名的行为特征计算域名与App的业务相关性，对于未能表现出App业务相关性行为特征的业务相关域名通过平均连接的凝聚型层次聚类方法进行调整优化，最终根据App内所有域名的排名计算其隐私泄露危害程度。实验结果验证了所提方案的有效性和效率。

信息安全领域内实体共指消解技术研究

张晗,胡永进,郭渊博,陈吉成

2020, 41(2): 165-175. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2020033

摘要 ( 325 )

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针对信息安全领域内的共指消解问题，提出了一个混合型方法。该方法在原来BiLSTM-attention-CRF模型的基础上引入领域词典匹配机制，将其与文档层面的注意力机制相结合，作为一种新的基于字典的注意力机制，来解决从文本中提取候选词时对稀有实体以及长度较长的实体识别能力稍弱的问题，并通过总结领域文本特征，将提取出的待消解候选词根据词性分别采用规则与机器学习的方式进行消解，以提高准确性。通过在安全领域数据集的实验，分别从共指消解以及提取候选词并分类2个方面证明了方法的优越性。

基于迭代联合传输的超密集网络动态干扰协调方案

李晓娜,王中方,程谦,付婧雯,张顺亮

2020, 41(2): 176-186. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2020032

摘要 ( 268 )

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鉴于超密集网络中急剧增长的小区和用户数量，研究了如何通过合理地选择联合传输用户来实现动态干扰协调，以此提高小区边缘用户频谱效率。通过动态协作簇划分和动态联合静默传输2种手段，将所有用户分类；再利用迭代优化算法进一步提高系统性能，同时解决了联合传输用户的数量选择问题。仿真结果表明，与传统的协作多点方案相比，所提方案在不损失小区平均频谱效率的前提下，在小区边缘频谱效率方面存在显著的性能增益。

基于区块链且支持验证的属性基搜索加密方案

闫玺玺,原笑含,汤永利,陈艳丽

2020, 41(2): 187-198. doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2020011

摘要 ( 646 )

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针对一对多搜索模型下共享解密密钥缺乏细粒度访问控制且搜索结果缺乏正确性验证的问题，提出了一种基于区块链且支持验证的属性基搜索加密方案。通过对共享密钥采用密文策略属性加密机制，实现细粒度访问控制。结合以太坊区块链技术，解决半诚实且好奇的云服务器模型下返回搜索结果不正确的问题，在按需付费的云环境下，实现用户和云服务器之间服务-支付公平，使各方诚实地按照合约规则执行。另外，依据区块链的不可篡改性，保证云服务器得到服务费，用户得到正确的检索结果，而不需要额外验证，减少用户计算开销。安全性分析表明，所提方案满足自适应选择关键词语义安全，能很好地保护用户的隐私以及数据的安全。性能对比及实验结果表明，所提方案在安全索引产生、搜索令牌生成、检索效率以及交易数量方面有一定的优化，更加适用于智慧医疗等一对多搜索场景。

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