协同优化方法与并行子空间方法的评估与比较

多学科优化设计技术是航空航天领域内近年来发展起来的一种新的总体优化设计技术,致力于解决复杂系统的耦合设计问题,以获得系统的整体最优.协同优化方法和并行子空间方法是多学科优化设计技术中的2种主要方法,本文从计算效率、计算精度、学科自治、工程实用性等方面,结合3个实例,对2种方法进行深入的分析与评估.分析结果表明：并行子空间方法在计算效率、学科自治以及工程实用性方面比协同优化方法略胜一筹.     

基于 FPGA的高速雷达信号实时处理

介绍了一种实现高速雷达信号实时处理的 IP核的实现方法.将采样率为4G/S的雷达采样信号分为16路采样频率为250M/S的信号并行输入给 FPGA芯片.然后,在芯片内对这16路信号进行并行处理,完成采样信号与特征库信号的相关计算.首先介绍了快速相关计算的方法和重叠相加法的原理,给出了用 FPGA实现快速实时相关计算框图.通过平台测试和仿真计算,结果表明,设计满足资源、时序以及精度等各方面要求     

斜向波与任意多个长水平圆柱的相互作用

采用多极子展开法对有限水深下线性斜向波与任意多个完全淹没的长水平圆柱相互作用的散射和辐射问题进行了研究. 首先建立由多极子线性组合表示的散射势和辐射势的级数形式的解析表达式, 然后利用Bessel函数的加法定理和物面边界条件来确定该级数表达式中的未知系数, 在此基础上, 导出了波浪力、附加质量和透反射系数的解析表达式. 采用边界元方法对本文的解析解进行了验证, 同时利用本文的解析方法研究了3种不同工况的线性斜向波与多个水平圆柱的相互作用问题. 结果表明, 圆柱个数、排列方式及其间距对波浪力、水动力学系数以及透反射系数有显著影响, 并在数值实验中发现了一些重要而有趣的物理现象.     

启发式极性决策算法解SAT问题

提出了一种启发式极性决策的可满足性问题（SAT）新算法.该算法继承了当前SAT解决器的许多策略：快速BCP、子句记录、重启动搜索等.同时,该算法通过预先根据Karnaugh图的覆盖分布计算变量极性,将其加入到DPLL的决策过程中,大大降低了搜索过程中的冲突次数.实验表明采用该算法的解决器——DiffSat,能够解决许多目前最有效的解决器Zchaff和MiniSat所不能解决的实例.尤其是对于Bart基准系列中的每个实例,DiffSat都能够在0.03s内解决,而Zchaff和MiniSat在给定的900s内不能够解决大部分实例.而且,DiffSat解决器在某些实例上的特性远远优于具有代表性的基于不完全随机算法的解决器DLM.     

对称核算子方程的迭代Lavrentiev正则化方法及其应用

对称核算子方程广泛应用于数学物理、工程计算以及遥感科学领域.而这些问题通常是不适定的,也就是即使它的解是唯一存在的,但这个解也不一定连续地依赖于输入数据的变化.解决这一问题通常是把Tikhonov正则化方法应用于对称核算子方程,通常这种方法亦叫做Lavrentiev正则化方法.通常业已知道Tikhonov正则化方法的迭代执行可以提高算法的收敛速度.因此,文中将用类似的技巧来研究迭代Lavrentiev正则化方法.在数字图像信息处理领域,比如说数字图像恢复问题,也经常遇到对称核算子方程,将把这种方法应用到求解该类问题上.首先证明了算法的收敛性,然后应用Morozov偏差原则(MDP)证明了算法的正则性.而这种方法在数字图像恢复中的数值实现则更加验证了这些理论.     

一种面向深度数据包检测的索引拆分Bloom过滤器

高速数据包处理迫切需要时空高效的深度数据包检测(DPI),满足其线速处理和低存储空间需求.Trie位图内容分析器(TriBiCa)采用片上位图Trie树来实现元素的最小完美Hash;但是,TriBiCa存在更新开销高和假阳性访问次数多等问题.共享节点快速Hash表(SFHT)采用片上计数Bloom过滤器(CBF)来实现硬件Hash表的快速查找;但是,SFHT存在更新开销高和存储空间需求大等问题.文中提出了一种索引拆分Bloom过滤器(ISBF).ISBF是由片上多组并行CBF和片外元素集构成,其核心思想是:元素的片外索引值被拆分成多组比特,每组比特采用多个片上并行CBF表示元素集;当查询元素时,每组并行CBF产生多个比特值,并合成候选元素的片外索引值.为了降低ISBF的更新开销,文中又提出了懒惰删除(lazyd eletion)算法和空缺插入(vacant insertion)算法,即采用一个片上删除位图,仅在片上并行CBF中删除或插入元素,而不需要调整其他元素的片外索引值.ISBF是一种时空高效的数据结构,其插入、删除和查询操作的平均片外存储器访问次数均为O(1);与TriBiCa和SFHT相比,ISBF在片上存储空间大小上分别减少2b倍和b倍,其中b为索引拆分的比特位数.实验结果表明,ISBF支持快速和存储高效的查找,即显著地减少片外存储器访问次数、处理时间以及片上和片外存储空间需求.     

应用于热光伏电池的一维Si/SiO_2光子晶体滤光器研究

光谱控制方法被广泛应用于热光伏系统以提高系统的热电转换效率.针对锑化镓(GaSb)电池热光伏系统的光谱控制要求,选用Si和SiO2设计了8层一维光子晶体滤光器结构;重点结合滤光器与高温辐射源辐射光谱功率分布和GaSb电池量子效率的匹配,对设计结构加以改进优化得到最佳匹配滤光器结构;采用光学镀膜技术加工了滤光器结构,并测试其光谱特性,根据测试结果计算滤光器的光谱控制效率、系统转化效率和能量密度.最后,测试了滤光器的抗高温性能.     

月地高速再入返回飞行器信息系统设计与实现

探月三期月地高速再入返回飞行器由服务舱和返回器2个舱段组成,信息系统复杂,首先对信息系统的任务进行了分析,在此基础上提出了2层拓扑总线的互联方案、器内多子网自识别路由设计方案、链路层分层方案,脉冲调制编码(PCM)数据体制与高级在轨系统(AOS)数据体制统一设计方案,实现了多信源、多舱段信息管理与融合,提高了上行带宽利用率、器内数据路由和下行遥测灵活性和易扩展性,满足了飞行任务复杂工作模式下的需求,在轨飞行结果表明信息系统满足需求.     

一种面向高性能计算的自主众核处理器结构

随着半导体技术进步,众核处理器已广泛应用于高性能计算领域.近年来,在国家"863"计划、"核高基"重大专项等项目的支持下,我国高性能众核CPU的研发水平也取得了长足进步.本文介绍一种面向高性能计算的国产片上异构众核处理器结构,通过统一指令系统、统一执行模型和支持一致性的主存共享,实现异构核心的深度融合.本文主要介绍了该处理器面向"存储墙"、"功耗墙"和"可靠性墙"的优化技术体系.该处理器已完成集成了256个运算核心和4个管理核心的原型芯片设计,峰值性能超过1 TFlops.     

基于OpenMP的磁壳参数L值并行计算研究

辐射带研究中(L, B)坐标系把三维问题降为二维问题,大大提升了辐射带三维空间有限观测数据的利用率.L值是其中重要的参量之一,在粒子特性分析、航天器轨道辐射环境描述以及辐射带建模等研究领域应用十分广泛. L值由磁力线追踪积分计算而得,但地球磁场位型的复杂性导致磁力线追踪步长严格受限,造成单次追踪计算步数多.此外,不同空间位置处磁力线追踪路径和追踪距离随时空变化差异显著,造成多次L值计算之间相互独立、复杂度不一且无法简并,计算速度慢、效率低.为了提高L值的计算效率,本文采用OpenMP对目前广泛应用的L值计算程序实现单机多线程并行化,并分析了并行程序的加速比和效率.结果表明,并行后L值计算效率明显提高,当线程数量设置与系统最大线程数相等时(本文所用计算机系统线程数最大为8),并行效果最优,加速比范围为1.57～2.81,并行效率范围为19.63%～35.13%.计算过程中发现,线程间负载不平衡是影响并行效果的主要因素.为了提高并行加速比和效率,本文提出了一种表征L值计算复杂度的排序因子,并基于此提出了排序和重分配("sort"和"S"分配)的优化负载算法,对dynamic, sort+"S", sort+dynamic, sort+"S"+dynamic四种方式优化负载不平衡的效果进行了比对分析,结果表明sort+dynamic的效果最优,加速比范围为2.33～3.30,效率为29.13%～41.25%,优化效率提升了6.12%～9.50%.本文研究表明, OpenMP可以成功实现L值计算程序的并行计算,并提高L值的计算效率,针对负载不平衡的问题,采用sort+dynamic方式调节可获得最好的并行加速比和效率,为空间物理或其他领域类似大数据分析研究中效率提升提供了有益探索.     

人工智能领域关键技术挖掘分析

人工智能已成为引领新一轮科技革命和产业变革的重要驱动力量和战略性技术。本文采用无监督聚类、复杂网络结构洞和突发检测算法对人工智能高水平会议论文进行深度挖掘分析,梳理人工智能领域的关键技术,全面刻画人工智能领域整体技术结构,洞悉关键技术分布和研发态势,明确人工智能领域代表性国家与机构。研究发现:人工智能领域共包含14个大类、132项热点技术,主要分布在机器学习、自然语言处理、计算机视觉和机器人等子领域,如一眼模仿学习、智能自动问答、光度立体视觉、多传感器融合等;共性技术则主要分布在机器学习子领域,分类、回归、搜索等基础算法以及优化理论方法等共性技术为其他子领域研究实践奠定坚实基础;新兴技术主要集中在深度学习方面,生成对抗网络和注意力机制是其中的典型代表,此外还包括强化学习、自主代理和多代理系统等。在人工智能领域代表性国家与机构方面,美国在各热点技术大类下的发文量均位居全球首位,中国整体仅次于美国,但在强化学习、机器人、智能多代理系统研究方面发文量排名相对靠后;国内机构中,中国科学院在多个热点技术大类下的发文量均位居全球前列。     

水稻控制灌溉对稻田N_2O排放的影响机理研究

为了揭示水稻控制灌溉对稻田N2O排放的影响机理,采用静态暗箱-气相色谱法对控制灌溉稻田N2O排放进行原位观测,同时观测土壤水分状况、表层土温和土壤氧化还原电位(Eh)等影响因子,分析控制灌溉稻田N2O排放通量与影响因子间的定量关系.结果表明,与常规灌溉稻田相比,控制灌溉稻田土壤脱水促进了稻田N2O排放,而复水则导致N2O排放通量迅速减小;控制灌溉稻田N2O排放通量的峰值均出现在肥后8~10 d土壤脱水至土壤充水孔隙度WFPS为78.1%~85.3%时;表层土温不是控制灌溉稻田N2O排放的决定性因素,两者之间无显著相关关系(p0.05);控制灌溉稻田N2O排放通量的峰值主要出现在土壤Eh为+207.5~+275.2m V,低于+120或高于+300 m V时没有明显的N2O排放.将施肥后控制灌溉稻田的WFPS保持在85.3%以上能有效地减少其N2O排放,从而降低其温室效应.     

梯度功能材料结构的广义当量反对称弯曲理论

根据结构与材料的特性, 将梯度功能材料(FGM)结构定义为一个广义当量反对称结构, 这是为将成熟的板壳理论和复合材料层合理论应用于FGM结构而提出的一种新概念和新思想. 在此基础上, 提出一种用于梯度功能材料结构特性分析的新理论——广义当量反对称弯曲理论, 结合广义双重Fourier级数解法, 对有着实际应用背景的FGM结构进行具体的分析计算, 并与现有的理论和实验进行对比.     

Ⅱ-Ⅴ族半导体纳米晶的研究进展

Ⅱ-Ⅴ族半导体是由第二副族元素(Zn,Cd)与第五主族元素(N,P,As等)形成的化合物.Ⅱ-Ⅴ半导体纳米晶(亦称量子点)具有禁带窄、Bohr半径大、电子有效质量小、通过改变量子点尺寸,能够实现宽波段发光,较Ⅱ-Ⅵ材料,其具有更多的共价键成分,性质稳定等优点,是应用于太阳能电池、生物标记及LED的理想材料.本文综述了近年来在Ⅱ-Ⅴ半导体纳米晶的研究中取得的进展,侧重介绍量子点的合成、表征、吸收光谱、光致发光谱及荧光寿命测定等领域内的最新成果,并对其发展方向进行了展望.     

ISAF重构算法密度函数快速计算模型

球坐标系下的ISAF算法是一种新的20面体分子三维重构方法,该方法精度优于传统柱坐标系下的Fourier-Beseel算法,但其执行速度远低于Fourier-Bessel算法,严重制约了ISAF算法的实际应用.分析发现,在ISAF算法中密度函数计算是影响重构速度的主要瓶颈之一.针对上述问题,文中提出一种密度函数快速计算模型,该模型包括三个组成部分:球坐标系网格点密度函数快速计算方法、"球坐标系—直角坐标系"网格点密度函数转换方法、基于两阶段映射法的快速对称映射方法.该模型可以将密度函数计算阶段的时间复杂度由O[(LM)8]降低到O[(LM)7].采用Psv-F病毒数据进行实验,结果表明,在保证精度的前提下,该模型可以将密度函数的计算速度提高2个数量级,将三维重构整体速度提高30倍左右,并且随着数据规模的增大、重构精度的提高,该模型带来的加速比将进一步增大.     

一种集成通用高超声速飞行器气动工程预测系统

本文建立了一种面向高超声速飞行器的集成通用气动预测系统.通过引入CAD/CG建模技术实现了复杂飞行器3D几何模型的快速准确建模,并可以利用网络上的共享模型资源直接计算.引入FEM技术和自由网格生成算法,实现了复杂飞行器模型的快速网格生成.设计并开发了通用面元几何分析程序,建立了外法线快速矫正方法.基于面元气动分析理论开发了面元气动分析求解器,实现了面元气动计算和整机气动参数整合,能计算飞行器的气动力、力矩和气动导数.通过软件集成调用技术,将几何建模、面元划分、面元分析、面元气动计算以及后处理集成在统一的软件系统中,实现了高超声速飞行器气动参数的全自动计算与分析.HTV-2和航天飞机的仿真计算结果表明了该系统的有效性.     

面向分布式存储系统结构的OpenMP编译系统

OpenMP是目前面向共享存储系统结构的工业标准.与面向分布式存储系统结构的消息传递标准MPI相比,OpenMP规范具有易编程和支持增量并行等优点.如何有效地将OpenMP扩展到分布式存储系统结构且具有高性能是一直关注的热点.文中介绍一个面向分布式存储系统结构的OpenMP编译系统——KLCoMP.基于"部分数组共享"存储模型,为该编译器研发了基于过程间分析的共享数组识别算法、基于生产者/消费者关系的优化技术和针对非线性引用的通信生成技术.实验采用9个标准测试用例并覆盖计算流体力学、整数排序、分子动力学、地震模拟和计算化学等多个领域.通过与MPI版本进行对比表明KLCoMP版本具有与其相当的可扩展性.另外通过与国际同类编译器Omni+SCASH、LLCoMP和OpenMP(Purdue)翻译后程序进行性能对比表明,KLCoMP版本特别是对于非规则应用能够获得更高的效率.     

梯级水电站群长期发电优化调度多核并行随机动态规划方法

随机动态规划求解水电站群长期发电优化调度易产生"维数灾"问题,导致计算耗时急剧增加,求解效率降低.如何缓解维数灾和提高计算效率,一直是水库优化调度致力于研究的难点问题.在随机动态规划的并行性分析基础上,提出了基于Fork/Join并行框架的多核并行随机动态规划方法.该方法将单个时段内所有变量组合状态下的计算任务作为父任务,通过分治法递归分解为多个子任务,并平均分配到不同的内核同时计算实现细粒度并行求解.以澜沧江下游梯级水电站群为研究实例,建立了3个变量离散数不同的调度方案,并在多核环境下验证该方法的计算效率.结果表明,在2和4核环境下,该方法的计算耗时与串行方法相比,分别节省了约50%和70%,大幅度缩减计算耗时,可充分利用多核资源;同时,计算任务的规模越大,并行计算的耗时缩减幅度越大.因此,此方法为大规模水电系统优化调度提供了一种可行途径,其并行原理可为其他应用所借鉴.     

热压烧结Ti_3AIC_2材料在空气中的恒温氧化行为

研究了热压烧结的Ti3AlC2(含有2.8%(质量分数)的TiC)在900~1300℃空气中的恒温氧化行为.结果表明,该材料具有良好的抗高温氧化性能,其氧化行为遵循抛物线规律.随着温度升高,氧化抛物线速率常数kp从900℃的1.39×10?10增大到1300℃的5.56×10?9kg2·m?4·s?1,计算得到的氧化活化能为136.45kJ/mol.在900~1100℃时,氧化产物为α-Al2O3和TiO2;当温度达到1200℃时,TiO2开始部分地转变为Al2TiO5;氧化温度升高到1300℃,Ti在氧化层中完全以Al2TiO5的形式存在.氧化过程由Al3 和Ti4 的向外扩散和O2?的向内扩散控制.Al3 和Ti4 的快速向外扩散在基体与氧化层界面处导致大量的缺陷的形成.     

人工微结构材料与热的调控

人类目前利用能源的效率还很低,大量的能源以废热的形式被浪费掉了,因此对废热的处理和利用是关系到国民经济和环境保护的重大问题.通过人工微纳结构材料实现热能的转换及控制是近年来兴起的一个交叉领域,它涵盖了物理学、化学、材料科学、工程等诸多学科.本文综述了该领域的最新发展情况:包括微纳米结构对热电材料的热电优值的提升,声子晶体中热导率的急剧减小,热二极管等声子热能器件对热能的调控、以及热学隐身衣等热超构材料的理论设想和实验实现.最后,总结了中国在这个领域的研究现状,并展望了未来的发展方向和趋势.