三维粒子模拟并行化技术研究

自行研制的三维并行全电磁PIC模拟软件UNIPIC-3D具有模拟高功率微波器件的能力。软件实现了并行的三维FDTD、粒子推进算法以及边界条件处理。软件通过读入输入文件进行规则与不规则两种区域划分方式,电磁场和粒子的并行化采用MPI机制,让粒子和电磁场的计算与通信同步,在高性能并行计算机上对软件的并行效率进行了测试。通过与2.5维UNIPIC软件的结果比较,验证了UNIPIC-3D软件并行模块的正确性。     

基于结构网格的大规模并行计算研究

通过求解RANS方程和Menter's k-Omega SST两方程湍流模型,以及采用多重网格加速收敛技术、基于多块结构网格的通用数据传输方法和区域分解负载平衡技术,实现CFD软件的并行计算。在国家超算长沙中心的"天河"系统上完成了软件的移植、测试,并实现翼身组合体外形的2048处理器核数、网格规模上亿单元的大规模并行计算,并行效率达到48%,较大幅度地缩短了计算周期,提高了工作效率。通过对DLR-F6的模拟,在气动力系数精确求解、超大规模网格模拟的快速收敛和网格收敛性研究等方面取得了初步结果,为下一步大规模工程实际应用打下了坚实基础。     

GPU加速的高精度数字地面模型建模方法

以曲面轮为基础发展的高精度曲面建模方法（HASM）可以建立具有高精度的数字高程模型,但使用该方法需要求解偏微分方程离散产生的大规模线性方程组,计算量巨大,严重制约了对大规模数据的模拟应用;而现代GPU技术的发展使GPU越来越广泛地应用于通用计算加速。为了提高HASM方法的模拟速度,把高精度曲面模拟与GPU通用技术相结合,提出了GPU加速的高精度曲面建模方法。把HASM模拟过程中的有限差分离散、离散后的大规模线性系统求解分别使用GPU进行分解,使用共轭梯度（CG）和预处理共轭梯度方法（PCG）将求解任务分解为可以并行处理的独立的多任务,使得计算任务并行化,同时并行运行大规模线程,每个线程执行一个独立的任务,充分利用了现代GPU强大的通用计算能力,并行处理以获得加速。利用并行化加速的高精度曲面建模算法使用英伟达公司的统一计算开发架构（CUDA）编程实现,GPU采用该公司的Quadro 2000。分别应用该算法进行了数值实验和实际项目区数字高程模型（DEM）模拟实验。实验结果表明,充分利用GPU的并行处理能力加速后的HASM方法,在保证达到相同曲面模拟的精度条件下,和传统的CPU方法相比,算法可以获得超过一个数量级的加速。     

基于PC的高速数据采集VCL组件的设计与实现

基于VCL组件的体系构架,提出一种面向高速数据采集的VCL组件模型.采用"组件类"以属性、方法和事件的形式对数据采集的硬件资源与软件操作进行封装,并通过"监视线程类"监视采集状态以激发数据处理事件,从而实现高速数据采集与处理的并行.该VCL组件的应用有助于实现数据采集软件的快速、可靠及可视化设计.     

计算机指令级并行模拟研究

本文通过揭示指令级串行模拟中存在的困难,提出了采用并行模拟方法的解决方法。文中引入了子指令等概念并着重论论了指令流水线技术的软件实现及其实现的效果。文中还提出了一种自顶向下设计并行模拟系统的方法。最后,对全面进行以操作系统为核心的整个运行系统的模拟提出了一个方案。     

基于RapidIO的宽带实时频谱分析

研究了宽带实时频谱分析技术的实现方法,详述了硬件实现的两项关键技术:采用RapidIO互连技术解决了高速数据传输和大容量的数据缓存;采用并行流水线结构的实时信号处理器实现了有限硬件资源及处理能力下的实时高精度频谱分析。经测试,系统能够实现分析带宽80 MHz、捕获数据容量为512 MB的高精度实时频谱分析,主要性能指标接近国外最新仪器的水平,并已在部分型号的雷达和通信设备中得到了应用。     

一种适于黑油模型并行的快速新解法--改进的GMRES算法

本文应用区域分解算法进行油藏模拟的并行计算研究,寻求可高效并行求解三维三相数值模拟问题的最优算法。在对流行的预处理共轭梯度算法及GMRES算法进行对比研究的基础上,提出了改进的GMRES算法,这种算法具有迭代参数不需优化、收敛快、可得到较精确解等优点。应用该解法对三维三相黑油模型软件进行并行化改造。通过模型及实际油藏计算,比软件原算法及GMRES算法的计算速度得到大幅度提高。并行效率较高,并行化后的模拟软件可以有效地解决大型整装构造油藏的数值模拟问题。     

面向非结构网格应用并行程序的编程工具

面向高性能数值模拟,分析了基于并行应用编程框架快速研发并行数值模拟软件存在的挑战。在此基础上,以JAUMIN(J adaptive unstructured mesh application infrastructure)框架的应用为例,设计并实现了一种面向非结构网格数值模拟应用并行程序的图形化编程工具。该编程工具采用基于结构化流程图的图形化编程方式,屏蔽JAUMIN框架的编程接口,帮助用户在不学习编程框架的基础上快速开发基于编程框架的并行应用程序。实际应用表明,该工具可以显著提升并行应用软件的研发效率,降低用户编写并行数值模拟程序的难度。由于编程工具生成的代码规范统一,系统的维护效率也得以大幅度提高。     

基于Fluent的全机数值模拟及并行计算

利用CFD商用软件Fluent对亚声速飞行飞机的三维绕流流场进行了数值模拟以及并行计算，得到了飞机附近的流场，实现了此软件在高性能并行计算机上的并行；并且通过对不同数量网格在不同结点数目机群上的计算结果进行分析比较，验证了此商用软件在并行平台上应用的有效性，也为进行大规模科学工程计算提供了技术参照。     

面向超大规模并行模拟的LBM计算流体力学软件

格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)是一种基于介观模拟尺度的计算流体力学方法,已被广泛用于理论研究和工程领域。提高LBM计算流体软件的并行模拟能力,是高性能计算及应用研究中的一项重要内容。该研究基于“神威·太湖之光”超级计算系统,设计并实现了一套高效扩展的LBM计算流体力学软件。针对国产众核处理器SW26010的架构,文中设计了以下几种提高SWLBM方针速度和可扩展性的多级并行技术,包括面向19点stencil的数据复用、碰撞过程向量化、主从异步并行通信计算隐藏等。基于以上并行优化方案,文中测试了高达56000亿网格的数值模拟,SWLBM软件持续浮点计算性能达到4.7 PFlops,软件模拟速度提高了172倍。相比百万核心10000*10000*5000网格风场模拟,SWLBM整机千万核心的并行效率可达87%。测试结果表明,SWLBM有能力为工业应用提供实用的大规模并行模拟解决方案。     

Freestream and vortex preservation properties of high-order WENO and WCNS on curvilinear grids

Freestream and vortex preservation properties of a weighted essentially nonoscillatory scheme (WENO) and a weighted compact nonlinear scheme (WCNS) on curvilinear grids are investigated. While the numerical technique used for the compact difference scheme can be applied to WCNS, applying it to WENO is difficult. This difference is caused by difference in the formulation of numerical fluxes. WENO computed in the generalized coordinate system does not work well for either freestream or vortex preservation, whereas WENO computed in the Cartesian coordinate system works well for both freestream and vortex preservation, but its resolution is lower than that of WCNS. In addition, WENO in the Cartesian coordinate system costs three times as much as WENO or WCNS in the generalized coordinate system. Therefore, WENO in the Cartesian coordinate system is not suitable for solving Euler equations on a curvilinear grid. On the other hand, WCNS computed in the generalized coordinate system works well for freestream and vortex preservation when used with the numerical technique proposed for the compact difference scheme. The results show that WCNS with this numerical technique can be used for an arbitrary grid system. In this paper, the excellent freestream and vortex preservation properties of WCNS when used with the numerical technique, compared with those of WENO, are shown for the first time.     

大型结构并行有限元分析软件研究

有限元分析在很多领域得到了应用,但其较大的计算规模对使用造成了限制,对复杂对象的分析难以在单台计算机上完成。提出并实现了一种并行化有限元软件的开发模式,在保留成熟的商业性有限元分析软件各种优点的情况下对关键计算进行了并行化开发,以较少投入成功实现了应用于大型结构分析的并行有限元分析系统。完成了数据在分布存储计算环境下的有效存储、高效的大型稀疏矩阵的并行算法,通过试验验证系统有良好的分析精度和扩展性。     

高阶终端滑模控制在稳定平台中的应用

针对稳定平台伺服系统中干扰对跟踪精度的影响,提出一种高阶终端滑模控制算法。首先,提出一种基于super-twisting算法的高阶滑模干扰观测器的设计方法,实现对系统中干扰的快速估计与实时补偿。其次,提出一种基于Lyapunov函数的高阶终端滑模控制器,由到达条件推导而得,高阶终端滑模控制将不连续的切换项作用于变量的高阶微分,使系统在保持滑模控制强鲁棒性的同时又能较大程度地削弱滑模控制中的抖振,实现对未估计干扰的精细化补偿。通过Lyapunov稳定理论证明了系统的稳定性。仿真结果表明了控制策略的有效性。     

A Cost Calculus for Parallel Functional Programming

Building a cost calculus for a parallel program development environment is difficult because of the many degrees of freedom available in parallel implementations and because of difficulties with compositionality. We present a strategy for building cost calculi for skeleton-based programming languages which can be used for derivational software development and which deals in a pragmatic way with the difficulties of composition. The approach is illustrated for the Bird-Meertens theory of lists, a parallel functional language with an associated equational transformation system.     

基于高阶滑模观测器的自适应时变滑模再入姿态控制

针对再入飞行器鲁棒姿态控制问题, 提出一种基于高阶滑模观测器的自适应时变滑模控制器设计方法. 首先, 设计了一种时变滑模面, 并在此基础上推导了相应的时变滑模控制律, 其中滑模控制中切换增益通过一种自适应算法获得, 消除了控制器设计过程中对系统不确定性上界已知的要求; 然后, 利用高阶滑模观测器对控制器设计过程中用到的姿态角导数信息进行观测, 同时能够获得系统扰动估计值, 从而构造一种基于观测器的控制器形式; 最后, 通过仿真验证了所提出的控制算法在提高再入飞行器姿态控制精度以及系统鲁棒性方面的有效性.     

Differential evolution based high-order peak filter design with application to compensation of contact-induced vibration in HDD servo systems

Sensitivity loop shaping using add-on peak filters is a simple and effective method to reject narrow-band disturbances in hard disk drive (HDD) servo systems. The parallel peak filter is introduced to provide high-gain magnitude in the concerned frequency range of open-loop transfer function. Different from almost all the known peak filters that possess second-order structures, we explore in this paper how high-order peak filters can be designed to improve the loop shaping performance. The main idea is to replace some of the constant coefficients of common second-order peak filter by frequency-related transfer functions, and then differential evolution (DE) algorithm is adopted to perform optimal design. We creatively introduce chromosome coding and fitness function design, which are original and the key steps that lead to the success of DE applications in control system design. In other words, DE is modified to achieve a novel design for hard disk drive control. Owing to the remarkable searching ability of DE, the expected shape of sensitivity function can be achieved by incorporating the resultant high-order peak filter in parallel with baseline feedback controller. As a result, a seventh-order peak filter is designed to compensate for contact-induced vibration in a high-density HDD servo system, where the benefits of high-order filter are clearly demonstrated.     

并联式混合动力汽车双模糊控制能量管理策略研究

针对单模糊控制策略下再生制动能量不能得到充分回收,提出了一种并联式混合动力汽车的双模糊控制能量管理策略.分别设计了驱动和制动工况下相应的模糊控制器,简化了控制系统设计的复杂度.最后,在Matlab中利用Advisor软件对所设计的双模糊控制策略进行了仿真.结果表明,与电辅助控制策略和单模糊控制策略相比,所设计的双模糊控制能量管理策略,在有效提高燃油经济性和制动工作效率的同时,极大地降低了废气排放.     

Parallel implementation of a high-order implicit collocation method for the heat equation

We combine a high-order compact finite difference approximation and collocation techniques to numerically solve the two-dimensional heat equation. The resulting method is implicit and can be parallelized with a strategy that allows parallelization across both time and space. We compare the parallel implementation of the new method with a classical implicit method, namely the Crank–Nicolson method, where the parallelization is done across space only. We find the set of conditions for which each method is more advantageous than the other. Numerical experiments are carried out on the SGI Origin 2000.     

透射率全局估计航空影像去雾算法

针对雾霾天气会导致航空影像的色彩失真、信息损失，对影像的后期处理和判读造成了负面影响，以暗原色先验为理论基础，结合航空影像的成像特点和景物内容特点提出一种针对航空影像的去雾算法。首先，获取航空影像透射率图并对其自动分割；其次，对影像透射率全局估计和局部优化；最后，根据大气物理模型对影像恢复处理。选取了山区、村镇、城市等各种场景近20组航空影像进行试验，从主观和客观两方面对算法效果进行评价，结果表明该算法具有处理效果稳定、鲁棒性强的特点。