基于蒙特卡罗方法的煤矿爆破作业风险评估

为量化分析煤矿爆破作业各作业步骤造成的风险以及全面客观地对其进行风险评估,借助蒙特卡罗方法建立煤矿爆破作业步骤风险评估模型,对作业流程的行为风险后果值进行累积概率分布,最终依据蒙特卡罗方法模拟的均值结果和作业流程总体风险结果判定各作业步骤的风险大小和风险等级,并提出控制此类不安全行为发生的措施。结果表明:爆破作业流程风险大小顺序依次为清退物品入库、装药、连线、警戒、起爆后安全检查、领取并检查爆破物品、起爆、运送爆破物品、接受爆破任务、作业前安全检查、起爆前安全检查、封孔。

基于蒙特卡罗方法的混凝土屋面工程防水失效概率算法

工程防水适合采用失效概率作为量化指标,以科学选材,判断构造的合理性和适应性。结合工程防水中材料变形量计算的可行性,变形区间、协同作用的不确定性,引入蒙特卡罗方法建立的防水失效概率计算方法,可建立相对客观的算法,在此基础上对量化结果进行对比,可得出相对客观的结论。

应用蒙特卡罗方法研究医用加速器光子能谱分布

目的研究医用直线加速器在等中心平面的光子能谱分布和次级准直器对光子能谱的影响。方法使用BEAMnrc程序模拟5 cm×5 cm、10 cm×10 cm、15 cm×15 cm和20 cm×20 cm射野下,能量为6 MeV电子和光子在加速器治疗头中的输运行为,在等中心平面处设置相空间记录文件,以记录经过此平面的粒子信息。然后利用BEAMdp程序对相空间文件进行分析,从而获得在等中心平面的光子能谱分布及次级准直器对光子能谱的影响。结果通过分析标称能量为6 MV的医用直线加速器的光子能谱,发现次级准直器对光子能谱影响很小;不同射野具有不同的光子能谱分布;同一射野不同中心区域的光子能谱具有相同的归一化分布。结论在放射治疗的剂量计算中,应仔细考虑光子能谱的影响。

蒙特卡罗方法在核测井中的应用

蒙特卡罗方法在医学、高能物理、核物理、加速器物理、耦合中子/光子/电子输运问题等方面具有广泛的应用,常用的蒙特卡洛数值模拟软件有Geant4(欧洲)、FLUKA(欧洲)、MCNP(美国)、EGSnrc(加拿大)、SuperMC(中国)。以中海油服自主研发的新一代过套管剩余油气饱和度测井仪器RET为例,建立蒙特卡罗数值模拟模型,通过仪器测量适用性范围和sigma拖尾现象分析,认为RET仪器在印尼某油田C/O模式下孔隙度下限为18%,sigma拖尾为岩性导致而非孔隙含气,以此展示蒙特卡洛方法在核测井领域的应用。

基于蒙特卡罗方法的激光消融仿真模型研究

目的设计一种激光消融数值仿真模型,确定针对脑肿瘤的激光消融治疗方案,以及确定消融时间、激光功率和金纳米颗粒水溶液对激光消融的效果影响。方法建立简化的脑肿瘤几何模型,通过蒙特卡罗计算方法模拟脑组织中的光子分布,确定激光能量沉积;再用Pennes生物传热模型计算嵌入在圆柱体人脑组织中球体肿瘤的温度升高过程;将Arrhenius积分与传热模型相结合,计算组织的热损伤,确定激光消融方案。在热损伤范围超出肿瘤体积的模型中引入金纳米颗粒,探究金纳米颗粒对减小周围健康组织损伤的可行性。结果增大激光功率或消融时间升高了消融过程中的最高温度且增大了热损伤范围。对于本研究假定的直径为10 mm的球体脑肿瘤,当消融时间为300 s、激光功率为3 W以及消融时间为180 s、激光功率为5 W时球体肿瘤被完全消融。在肿瘤中注射金纳米颗粒,假设金纳米颗粒在肿瘤中均匀分布,选取消融时间为180 s、激光功率5 W的消融组合且不添加金纳米颗粒时,热损伤的体积为1.98 cm^(3),对周围健康组织的损伤率为2.96%;同样的组合添加金纳米颗粒后的热损伤体积为0.95 cm^(3),对周围健康组织的损伤率为0.88%。结论本研究建立的数值仿真模型对确定激光消融参数具有一定参考价值。激光功率和消融时间的增加可以增大热损伤体积,提高消融的最高温度,同时,添加金纳米颗粒可以减少对健康组织的热损伤。

蒙特卡罗方法模拟公路自行车运动员的功率及速度分布

近些年来,公路自行车赛引起众多关注,如何使运动员在比赛中获得更好的成绩成为众多研究的目标。为给出自行车运动员在比赛过程中功率分配方案,本文首先建立了公路自行车赛车手的功率曲线模型,然后分析对比了不同赛车选手的特点;再通过分析赛车手的在不同性质路段的动力学模型,获得运动员经过具体赛段的时间和速度随功率的变化。我们运用蒙特卡罗方法得到了不同赛车手在不同路段最佳的功率和速度分配曲线,并将模型应用于2021公路自行车UCI世锦赛,得到不同类型运动员具体功率和速度曲线在路程中的分布。通过这一模型我们可以得知,赛车手在赛程中尽力保持匀速状态并在擅长的路段进行一定的加速可以得到最佳的比赛结果。最后我们分析了该方法得到的结果的稳定性。

蒙特卡罗方法在核爆辐射环境模拟中的应用与发展

核爆炸释放的中子、γ射线、X射线及带电粒子等在大气等介质中输运形成核辐射场,并产生核电磁脉冲、附加电离层和人工辐射带等次级辐射环境。蒙特卡罗方法能模拟计算射线粒子与物质的相互作用过程,是核爆辐射环境数值模拟研究最常用的方法。本文介绍了作者团队在大气层和高空核爆炸辐射环境模拟中采用蒙特卡罗方法面临的一系列难点问题及突破的关键技术。在大气层核爆炸方面,建立了用于大气层核辐射深穿透问题的权窗逼近方法、传输介质变化条件下缓发γ辐射输运自适应建模方法、大规模复杂城市建模与基于网格的权窗减方差方法、基于伴随输运的核辐射环境场模拟方法和用于大空间辐射场计算的全局减方差方法,实现了复杂条件下大气层核爆炸瞬发和缓发辐射环境的高效高精度数值模拟。在高空核爆炸方面,建立了考虑裸核区的X射线输运模型、附加电离源建模及在非均匀大气中的输运模型、基于蒙特卡罗与带电粒子推进相结合的人工辐射带注入模型和基于蒙特卡罗模拟的高空核电磁脉冲源项计算方法,基于蒙特卡罗方法实现了高空核爆炸X射线、附加电离层、人工辐射带和核电磁脉冲等辐射环境数值模拟。

基于蒙特卡罗方法的钢渣混凝土的中子屏蔽性能模拟

基于蒙特卡罗方法,采用FLUKA软件建立了中子源散射球壳和质子源入射水靶球壳数值模型,分析了不同厚度钢渣混凝土对不同能量等级和不同屏蔽角度中子射线的屏蔽能力,并与普通混凝土进行了对比。结果表明:随着屏蔽厚度的增加,混凝土对中子射线的屏蔽能力不断提升;混凝土对慢中子射线和中能中子射线的屏蔽效果优于快中子射线;钢渣混凝土对中子射线的屏蔽效果优于普通混凝土;屏蔽角度越大,使关注点剂量当量率满足规范要求的混凝土屏蔽厚度越小;用钢渣混凝土取代普通混凝土可显著减小材料的屏蔽厚度。

基于自适应蒙特卡罗方法的输电线路损耗计算

输电线路损耗计算除了受线路负载和其他外部输入量(如大气条件)等因素的影响外,还跟测量不确定度密切相关。测量不确定度的常见计算方法有两种,即基于测量不确定度表示指南(GUM)的传统方法和自适应蒙特卡罗(AMC)方法。迄今为止,GUM方法被认为是最准确的方法。揭示了GUM方法计算线损的主要缺点,使用AMC方法可以成功地克服GUM方法的缺点。以电网110kV输电线路为例,对两种方法进行了比较,结果表明,GUM方法电阻和线损计算结果方差较大,AMC法更适合于输电线路电阻和损耗的计算。

利用蒙特卡罗方法求解数值积分

本文介绍了蒙特卡罗方法的主要思想和理论基础,以一维定积分与二维定积分为例,应用蒙特卡罗方法借助R语言模拟计算定积分的值,并给出结果的相对误差与样本量的关系.

辅助场量子蒙特卡罗方法的Python实现及应用

辅助场量子蒙特卡罗方法是强关联电子体系常用的数值计算方法.使用Python语言,实现了单带Hubbard模型的辅助场量子蒙特卡罗数值计算的图形用户界面程序,并利用该程序计算了二维四方格子的基态能量.所实现的程序可以作为下一步开发的基础,解决其他强关联问题.

基于蒙特卡罗方法的粗纱机可靠性预测

为提高粗纱机生产效率及可靠性、降低维护成本,增加企业经济效益,课题组提出了一种粗纱机可靠性预测模型。该模型利用故障模式及影响和危害性分析(failure mode, effects and criticality analysis, FMECA)识别粗纱机的关键部件及其故障模式;将基于蒙特卡罗方法得到的寿命模拟值进行数据拟合,确定粗纱机的初选寿命分布类型;通过皮尔逊χ~2检验统计量检验证明分布的有效性,然后采用最大似然函数求解可靠性函数;最后以JWF1418A型自动落纱粗纱机为例进行可靠性预测。研究结果表明:链条和链轮对JWF1418A型自动落纱粗纱机可靠性影响较大,其寿命服从威布尔分布。该模型可推广应用至其他纺织机械设备中,为进一步进行粗纱机维护研究提供参考。

基于蒙特卡罗方法的飞行过载超越数模拟技术

过载超越数曲线是疲劳载荷谱编制的基础,依据指定过载下超越数分布规律及超越数曲线概率密度函数,建立了一种飞行过载超越数曲线族的蒙特卡罗抽样模型。通过特征参数的选取和设定,可由此模型抽样得到过载数据。对抽样产生的过载数据的分析表明,其统计特征与模型设定值一致性良好,说明该模型能够较真实地模拟飞行过载数据。

蒙特卡罗方法在求解定积分中的应用研究

随着计算机和机器学习的发展,蒙特卡罗方法(Monte–Carlo,简称MC)逐渐成为用于近似计算的重要统计抽样理论。本文主要研究了蒙特卡罗方法在求解定积分中的应用,基于Matlab软件实现了一些定积分的蒙特卡罗方法求解。将蒙特卡罗方法求解得到的近似解与传统方法求解得到的准确值作对比,验证了蒙特卡罗方法求解定积分的可行性和优越性。同时,分析了蒙特卡罗方法求解定积分误差产生的原因,并提出了增加样本量、选择抽样方法、调整随机数生成函数等改进措施,以提高算法的计算精度。

基于拟蒙特卡罗方法的测量不确定度评定

测量不确定度是表征测量结果可靠性的一个重要参数。针对蒙特卡罗方法在测量不确定度评定时存在的收敛速度较慢以及仿真结果不稳定的不足,利用拟蒙特卡罗方法进行测量不确定度的评定。拟蒙特卡罗方法使用拟随机数进行仿真计算。在测量不确定度的评定中,先基于Halton序列产生分布较为均匀的随机数,再利用数学变换转换成服从相应概率分布的随机数进行仿真评定计算。对圆柱体积测量不确定度的模拟评定结果表明,拟蒙特卡罗方法收敛速度快,计算结果较为稳定,可以简单高效地用于测量不确定度的评定。

求解中子动力学方程的加权蒙特卡罗方法

为了实现基于蒙特卡罗方法的中子动力学计算,在传统的直接蒙特卡罗动力学方法的基础上,提出了一种加权蒙特卡罗动力学方法。该方法通过引入粒子权重的概念,隐式考虑中子俘获反应和裂变反应过程中中子数目的变化,避免了模拟粒子的数目随时间的变化,降低了统计偏差,消除了程序计算过程中粒子的存库操作,提高了计算精度。基于单能点堆模型,开发了中子动力学计算程序NECP-Dandi,进行了大量数值验证与分析,包括无缓发中子、单组缓发中子、六组缓发中子、正阶跃反应性引入、负阶跃反应性引入、正脉冲反应性、负脉冲反应性和正线性反应性引入等情况。数值结果表明,相比于直接蒙特卡罗动力学方法,加权蒙特卡罗动力学方法在计算结果的精度和计算效率上有较为明显的改进,程序结构更为简洁。

基于拟蒙特卡罗方法的虚拟仪器不确定度评定

针对蒙特卡罗方法在虚拟仪器不确定度评定时存在收敛速度慢、计算结果不稳定、评定效果受仿真次数影响的缺陷,该文提出使用拟蒙特卡罗方法替代蒙特卡罗方法进行虚拟仪器的不确定评定。其核心是产生低偏差数列,通过转换成与虚拟仪器不确定度源相同的概率分布,进行仿真模拟。文中以数字称重传感系统为例,介绍了具体的评定步骤与流程。通过与GUM方法、蒙特卡罗方法的比较,验证了该方法的可取得较好的评定效果,可广泛应用了虚拟仪器的不确定度评定。

基于蒙特卡罗方法的风电场有功出力的概率性评估

风电具有随机性和间歇性的特点,常规确定性方法已无法准确评估风电场有功出力情况。为了解决此问题,引入概率性方法对风电场出力进行评估。考虑运行、停运和降额状态,建立了风电机组的多状态故障模型。在此基础上,考虑风速的随机性、风电场尾流效应建立了风电场的可靠性模型。基于此模型,应用蒙特卡罗方法给出了风电场有功出力概率评估的方法和流程。在Matlab中编写了相关程序,并对风电场的有功出力进行了概率评估,分析了不同可靠性参数和模型参数对评估结果的影响,从中可以看出风速模型中形状参数和尺度参数对评估结果影响较大。

蒙特卡罗方法在复杂模型测量不确定度评定中的应用

《测量不确定度表示指南》(简称GUM)提供的评定方法基于不确定度传播律,主要适用于线性模型,在评定复杂模型时,由于灵敏系数、输入量间的相关系数以及有效自由度难以确定,这种方法存在很大的局限性。针对复杂模型的评定问题,《测量不确定度表示指南》补充文件1给出了用蒙特卡罗数值模拟方法通过分布传播评定测量不确定度的指南。本文参照补充文件1的要求,给出了用蒙特卡罗数值模拟方法评定复杂模型测量不确定度的原理和评定步骤,并用实例对上述两种评定方法进行对比。