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作者：陈富冰浙江大学

学位级别：硕士

随着工业互联网技术在工业控制领域的应用和发展,打破了传统工业以太网封闭运行的模式,增加了工业控制系统被外部攻击的风险。在目前的工业以太网中,数据以明文的方式进行传输和存储,存在泄露和被篡改的风险。为了提高数据传输的机密性... 详细信息

随着工业互联网技术在工业控制领域的应用和发展,打破了传统工业以太网封闭运行的模式,增加了工业控制系统被外部攻击的风险。在目前的工业以太网中,数据以明文的方式进行传输和存储,存在泄露和被篡改的风险。为了提高数据传输的机密性、完整性和可用性,引入了密码学技术。但是在数据传输安全提高的同时,数据传输的耗时也会随之增加,特别是在对大规模时序性数据进行加解密时,会严重影响到工业数据传输的实时性。本文针对以上问题,研究并设计了工业控制系统数据加解密架构和轻量化的加解密方案,并基于此架构对加密算法的并行计算和CPU-GPU异构系统的数据加解密协同计算等技术进行了研究。论文主要研究内容如下:(1)为了满足工业控制系统数据传输的安全性和实时性需求,设计了工业控制系统的加解密架构;分析和对比了各种加解密算法,选择与场景最为契合的加解密算法作为实际应用的算法,设计了基于SM3和SM4算法的轻量化数据传输加密方案和基于非对称加密和共享算法的对称密钥更新方案,并提出了基于轮密钥的密钥扩展共享算法。(2)为了满足控制中心处理大规模时序性数据加解密的需求,基于分组思想修改了SM3杂凑算法,将原本只适合串行的消息摘要算法进行修改,实现分组迭代计算,有利于并行计算的实现,提高计算效率,并在修改后对算法的安全性进行检验。针对可并行的SM3和SM4算法的结构特点,实现了对算法的可并行分解,设计了可并行的SM3和SM4算法的并行方案。(3)针对GPU主运行时CPU利用率不高的问题,本文设计了基于改进的遗传算法的CPU-GPU异构系统协同计算方案,进一步提高系统的并行计算能力。并针对重归划问题对算法进行了改进,提高了算法的收敛性。求解产生的方案进一步提高了CPU的利用率,提高了系统的并行效率。本文搭建了工控系统上下位机的模拟测试环境,将加解密算法部署在嵌入式环境和PC机中。测试了本文加解密算法并行计算方案的相关性能,相比于传统的CPU串行解密,GPU并行方案最高可以获得49.46的加速比,最终在本文的基于CUDA的加密算法并行计算方案中,处理1M数据的加解密运算需要13.384ms。在使用协同计算方案后,处理1M数据需要9.13ms,吞吐量可以达到0.86Gbps。相比于没有使用协同运算方法效率提高了31.76%,整体效率是串行计算的72.5。结果表明,加解密方案和相关技术的应用,在功能和实时性上满足工业控制场景的需求。

关键词：工业控制系统数据传输加密轮密钥分组思想并行计算方案改进遗传算法

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基于遗传算法的复杂集装箱装载问题研究

基于遗传算法的复杂集装箱装载问题研究

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作者：樊云飞北京化工大学

学位级别：硕士

集装箱装载问题是典型的NP问题,在全球物流和供应链中都具有重要的工业和商业应用价值。作为一个基本的优化问题,将一组给定的对象尽可能多的打包到集装箱中的问题在算法和运筹学中具有重要的理论意义。同时,在当下主要依靠人工经验进... 详细信息

集装箱装载问题是典型的NP问题,在全球物流和供应链中都具有重要的工业和商业应用价值。作为一个基本的优化问题,将一组给定的对象尽可能多的打包到集装箱中的问题在算法和运筹学中具有重要的理论意义。同时,在当下主要依靠人工经验进行装载的物流环境下,一个高效的装箱方案对于提高装载效率,降低物流成本有着直接的作用。因此,对复杂集装箱装载问题的研究有着十分重要的理论意义和实际意义。本文针对集装箱装载问题,在一维装箱和三维装箱问题上都进行了深入的研究。首先,对于一维装箱问题,引入分组思想,提出一种改进分组遗传算法来解决一维装箱问题。在编码方面,该算法将每一个箱子看作一个小组,货物和小组分别编码并且相互对应。针对编码的特点构造了新的交叉算子,并且设计了一种替换插入法来改进突变操作,替换插入法弥补了算法易陷入局部最优的缺陷,提高了染色体中最佳个体的传递速度。对经典实例进行了实验并与其它算法做了对比,分析了本文算法在解决一维装箱问题上的可行性和有效性。然后,对于三维装箱问题,本文从构造型启发式算法和遗传算法两方面展开研究。在启发式算法方面,描述了装箱问题和启发式算法的分类,构建出相应的数学模型,考虑了空间、放置方向、支撑区域、稳定性等约束。设计了一个基于空间三分割和合并的启发式算法,在满足各项约束的基础上,最大程度实现细小空间合并再利用。结合复合块生成和最大支撑区域连接等操作,依据左下优先原则给出了启发式装载算法步骤。在遗传算法方面,引入分组思想,针对三维装箱问题设计了分组编码方式,提出将货物装载顺序和摆放方式分组编码,降低了编码的冗余性,使得每个结果都是可行解;选择算子使用精英保留策略;引入有偏随机秘钥机制进行交叉和变异操作。在实验部分,对Loh&Nee系列经典算例和Bischoff&Ratcliff系列基准问题进行仿真实验,将上述两种算法结合生成的混合遗传算法与其它先进算法作对比分析,验证本文算法的可行性和实用性。

关键词：装箱问题遗传算法分组思想装载算法空间合并

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