基于新工科理念的《电子系统综合设计与实践》教学改革研究——培养学生创新与探索精神

《电子系统综合设计与实践》是一门集中性实践课程,对所学的各种电路系统进行设计和实现,旨在培养和提升学生的实践能力、工匠精神、团队协作意识和创新意识等。但是传统实践课程教学方法单一,学生实践积极性不高,为此,我们遵从新工科六大理念之“问技术发展改内容”、“问学生志趣变方法”和“问国际前沿立标准”从课题内容、过程教学与管理、考核等环节进行了改进与创新,并取得了较好的效果,大大提高了学生的自主学习能力、解决问题能力和探索创新能力。

基于依赖分析的回归测试工具设计与实现

随着高性能计算共性技术发展,软件架构复杂度随之增加,交付频率不断提高,如何在确保软件测试质量的同时提升测试效率成为亟待解决的问题。面向高性能数值模拟组件的变更评估需求,设计实现基于依赖分析的回归测试工具,该工具支持自动解析组件之间复杂的逻辑关系,生成可视可感知的依赖关系树,快速评估组件变更的影响范围。针对多组件批量回归测试需求,提出基于偏序的关联任务调度算法,支持自动编排任务的先后顺序,一键式执行全部组件测试任务,大幅提高了任务并行度与测试效率。此外,提供全面的回归测试报表,展示组件整体依赖关系、执行情况及单组件详细测试报告,帮助用户快速定位缺陷,保证测试数据可回溯。

组合几何蒙特卡罗粒子输运支撑软件框架JCOGIN介绍

介绍了JCOGIN支撑软件框架层次式、模块化的体系结构及其核心数据结构。这些使得JCO-GIN软件框架能够支撑大规模复杂几何的蒙特卡罗(MC)粒子输运并行计算。同时介绍了在JCOGIN支撑软件框架下研发的JMCT程序,并进行了性能测试,在2万处理器核上模拟20亿粒子,并行效率达到70%。

组合几何Monte Carlo粒子输运支撑软件框架JCOGIN的研发

为实现核反应堆pin-by-pin精细Monte Carlo粒子输运模拟,研发了组合几何Monte Carlo粒子输运支撑软件框架JCOGIN以支撑千万个几何体、百亿个粒子的Monte Carlo粒子输运大规模并行计算。JCOGIN框架采用层次式、模块化的体系结构设计了适应现代高性能计算机体系结构特征的数据结构,在此基础上实现了对粒子并行与区域分解相耦合的两级并行计算的支撑。在JCOGIN框架下研发了JMCT程序,并进行性能测试,在2万个处理器核上并行效率达70%;基于区域分解完成了大亚湾全堆芯pin-by-pin模型模拟,几何体数达千万,粒子数达百亿。

基于计算缓存方法的分子动力学程序性能优化

分子动力学数值模拟程序在现代高性能计算机上的计算效率往往很低,只能发挥系统峰值性能的几个百分点。本文对并行分子动力学程序PMD3D在联想深腾6800超级计算机上进行性能优化。通过性能分析,我们发现粒子相互作用力计算中相互关联的浮点运算严重影响了处理器的指令级并行效率,为此我们应用计算缓存的方法,将大量不规则的浮点计算进行缓存,达到一定规模后再进行向量化计算。这样使得单机性能在优化后提升4倍多,达到处理器峰值性能5.2GFlops的32.3%。最后,在深腾6800的64个节点的256个CPU上进行了并行性能测试,达到峰值运算性能1.3万亿次的27%。

线阵近景数字测量相机的数码机背设计与实现

线阵近景测量相机以大视场、高精度和高效率等优点,在数字近景摄影测量领域得到了广泛应用。Ko-dar公司KIL-14403线阵CCD作为线阵近景测量相机的图像传感器,具有像素多、灵敏度高等特点,非常适合近景数字摄影测量相机的要求。因此,针对KIL-14403线阵CCD设计了线阵近景测量相机的数码机背电子电路,完成了原理样机研制。经过实际测试,达到了预期效果,为近景摄影测量提供了一种高效的数字摄影测量相机的关键部件。

面向情感的电影背景音乐分类方法

电影背景音乐在强化电影情感、增加情节戏剧性和渲染气氛方面有不可替代的作用。如果能对电影的背景音乐进行面向情感的自动分类,将会提高电影情感内容分析的准确率。针对此问题,构造了电影背景音乐的情感特征向量与电影背景音乐情感分类器,从而改进了背景音乐片断的情感标注。电影背景音乐特征向量由从音乐音频信号中提取的小节长度节奏模式特征、小节长度低音线特征及梅尔频率倒谱系数和音程特征组成。节奏模式和低音线特征与其它特征的不同之处在于其能够反映出电影背景音乐片段的整体节奏结构。引入了概率潜在语义分析(PLSA)方法,构造了电影背景音乐情感分类器,并将电影背景音乐依据情感分为兴奋、紧张、放松和哀伤4类。实验结果表明,构造的电影背景音乐情感特征向量和引入的PLSA分类方法较之现有文献中用到的方法提高了分类的准确率。

蒙特卡罗粒子输运程序JMCT研制

介绍了具有自主知识产权的蒙特卡罗(MC)粒子输运程序JMCT的初步研制成果。JMCT基于三维组合几何支撑软件框架JCOGIN,采用模块化,分成多层管理结构,可处理多群碰撞和连续能量碰撞,可进行粒子并行和区域分解并行两种并行方法,并具有良好的可扩展性和高速通信技术,同时配有可视化建模前处理软件。介绍了JMCT采用的多群物质碰撞机制,展示了程序模拟计算测试模型的结果,与MCNP程序计算结果一致。JMCT串行计算速度相比MCNP提高了约3倍;在20 480个处理器核上模拟2×109样本,并行效率可达70%。

JMCT蒙特卡罗中子-光子输运程序全堆芯pin-by-pin模型的模拟

几何栅元数超过千万、计数达数十亿、模拟粒子数达数百亿规模的反应堆全堆芯pin-by-pin问题是目前国际公认的挑战计算机和计算方法的难题。由于巨大的数据量已超过单核内存的极限,必须进行空间区域分解和数据分解。本文利用基于JCOGIN实体组合几何框架自主开发研制的三维中子-光子输运蒙特卡罗程序JMCT,通过空间区域分解和嵌套并行,完成了对大亚湾核电站1号机组反应堆全堆芯pin-by-pin模型的建模和模拟,计算给出了每个pin的注量率分布及其误差。

基于DEM和地物分类信息的SAR图像模拟

SAR图像模拟对于雷达系统设计、SAR图像几何及辐射校正等具有重要意义。针对正侧视SAR成像的几何特点,顾及地面坡度、地物类型、成像距离等因素对雷达波后向散射强度的影响,采用强度积分策略,设计了基于DEM和地物分类信息的SAR图像模拟方案;通过仿真实验得到了满意的SAR模拟图像,验证了该模拟方案的正确性和有效性。

BEAVRS基准模型热零功率状态的JMCT分析

使用JMCT(J Monte Carlo Transport Code)对来自MIT的全堆芯pin-by-pin精细建模的国际基准模型BEAVRS的热零功率(HZP)状态进行了模拟计算,并与测试数据进行了对比和分析.比较的物理量包括临界本征值、控制棒价值、反应性温度系数、轴向积分的全堆探测器测量值和不同位置四个组件轴向相对功率密度分布.HZP状态下不同控制棒位置插入和硼浓度的临界本征值计算,JMCT结果与理论值1.000的误差小于0.2%,控制棒价值计算结果与测量值符合.JMCT对轴向积分的探测器径向相对功率分布和四个组件的轴向归一化的探测器的计算结果与测量值进行了比较和分析,计算结果与测量值一致,同时清晰地展示了模型增加格架后,轴向功率曲线在相应位置出现下凹的现象.此外,JMCT给出了轴向积分的组件径向相对功率密度分布和轴向相对功率最大处(Z轴位置)的pin径向相对功率密度分布,并与国际知名程序MC21结果进行了对比,两个图像都符合得非常好.随着计算机与并行计算的高速发展,蒙特卡罗程序开始从传统的反应堆校验工具向反应堆设计工具转变.

蒙特卡罗区域分解并行计算中确保串并行结果一致的伪随机数应用

物理建模的精细化和三维模拟给蒙特卡罗粒子输运计算的规模成千上万倍的增加,甚至超过单核内存的最大规模,仅仅依靠传统的粒子并行蒙特卡罗计算无法实现对模型模拟,区域分解并行是可能的解决方法之一.然而区域分解带来了粒子在各区域间进行迁移,导致现有的伪随机数应用方式无法确保串行计算和并行计算的结果一致.针对这种现象,本文提出赋予粒子随机数属性和动态派生次级粒子随机数的技巧来确保区域分解并行计算的串并行结果一致.

反应堆pin-by-pin精细建模工具开发

为开展大规模(如反应堆全堆芯pin-by-pin)输运模拟计算,北京应用物理与计算数学研究所研制了中子-光子耦合输运程序JMCT和支撑框架程序JCOGIN,如何快速、方便地建立物理模型是缩短问题模拟周期的关键。目前在粒子输运领域,国内外均开展了基于CAD系统的可视建模工具的开发工作。本文介绍了基于领域的可视建模工具的开发思路,结合领域知识,开发了方便、快捷的组件;为解决大规模几何建模的存储和转换问题,实现了层次化几何树的数据结构和转换算法;并实现了自动将模型输出为JMCT计算输入文件。使用该工具建立了大亚湾全堆芯模型,并进行了计算,验证了可视建模工具输出模型的正确性。

Lidar遥感基本原理及其发展

介绍了航空激光扫描(Airborne laser scanning)或者Lidar遥感信息获取系统的基本原理、系统的组成、数据获取的方法及其步骤;对近数十年来应用激光扫描遥感信息获取地形表面模型方面取得的主要成果、应用现状做了简要回顾和评述;结合GIS和影像融合方法对Lidar遥感技术未来发展趋势进行了展望。

通用型Monte Carlo粒子输运模拟软件JMCT的计数功能设计

本文提出了一种新的延时累加算法。基于底层的JCOGIN(J combinatorial geometry Monte Carlo transport infrastructure)框架和新的延时累加算法,通用型Monte Carlo中子-光子输运模拟软件JMCT的计数能力得到了较大提高。对所考察的非重复结构的单层几何模型问题,JMCT的计数效率较MCNP 4C程序所采用的list scoring技巧高约28%;对于较复杂的重复结构几何模型问题,JMCT的大规模精细计数效率比MCNP 4C高约两个量级。JMCT目前的计数能力为反应堆物理分析及多燃耗步计算奠定了良好的基础。

基于三维结构的骨骼动画技术在二维动画中的应用

动画造型的运动控制是二维动画由传统手绘向计算机辅助制作转变过程中的重点、难点问题之一。针对这一问题,研究分析三维骨骼动画技术的数据结构和运动原理,并将其应用到二维动画制作过程中,同时结合二维动画的数据特点,提出三维骨骼和二维图形之间的绑定方法,实现基于三维骨骼的二维动画过程。应用结果表明三维结构的骨骼动画技术能够有效提高二维动画制作效率和动画质量。

少量地面控制点的遥感图像精纠正与定位技术探讨

本文主要讨论了利用空间投影一空间斜墨卡托（SOM）投影进行卫星遥感图像精纠正与定位，解决缺少控制点地区卫星遥感图像精纠正与定位问题，并根据正反算公式讨论了卫星遥感图像纠正的空间投影数学基础。

神光Ⅲ主机装置内爆中子和伽马辐射特性的数值模拟

采用三维中子-光子耦合输运蒙特卡罗程序JMCT,对神光Ⅲ主机靶场进行精细几何建模,使用该模型通过计算获得了DD内爆聚变中子及伽马射线在靶场环境的空间分布以及能谱和飞行时间谱。根据计算结果对散射中子和伽马射线的特性进行了讨论,并定量分析了散射中子噪声和伽马噪声分别对下散中子产额测量和高能X射线照相的影响。研究结果表明:必须进行有效的辐射屏蔽设计才能使下散中子产额测量和高能X射线照相的信噪比优于10。

基于JASMIN三维势场快速多极子算法的并行实现

在JASMIN上,基于进程/线程两级并行实现策略,研制三维Laplace核函数FMM(fast multipole method)的解法器模块"JASMIN-3DLapFMM".该解法器已成功应用于三维静电场远场势的并行计算.固定单机问题规模,在上万个处理器核上运行百亿粒子的大规模问题,获得进程级几乎线性的并行可扩展性.固定总的问题规模和1 024个进程,4个线程时,获得大约3倍的加速.

蒙特卡罗粒子输运软件JMCT抽样工具库设计

为通用型蒙特卡罗粒子输运程序JMCT设计了抽样工具库,通过两种技术途径提供各分布的抽样。一是针对各种常见分布提供特定抽样子程序;二是提供一个通用型的抽样子程序,可以实现任意离散分布和任意一维有限区间上连续分布的自动抽样。在设计任意一维有限区间上连续分布的自动抽样工具时利用了部分开源代码,利用其功能提供给用户最大的方便性。对抽样工具库的检验表明,其可以正确、方便地实现各种输运模拟中常见分布的抽样。