基于Gibbs抽样的马尔科夫蒙特卡罗方法在结构物理参数识别及损伤定位中的研究

通过对结构动力特征方程进行的一系列变化,得到了线性结构识别模型,并由贝叶斯更新理论得到其后验分布形式。利用结构的模态参数,并考虑其随机性,应用基于Gibbs抽样的马尔科夫蒙特卡罗方法对线性结构识别模型中各参数的条件后验分布进行了抽样,成功地实现了结构物理参数识别及损伤定位。数值算例表明:Gibbs抽样结果可以以不同的方式标识结构的损伤程度及位置且识别的误差较小。

星载微波部件微放电阈值的改进多粒子蒙特卡罗计算方法

星载微波部件的微放电效应是导致航天器谐振类设备失谐、噪声电平抬高、输出功率下降,甚至影响通信信道乃至整个微波传输系统彻底失效的瓶颈问题之一。在设计阶段对星载微波部件微放电效应进行精准的评估是减少地面反复试验,避免延误研制周期的重要手段。为了进一步改善现有蒙特卡洛方法的计算准确度问题,文中提出了一种精度更高的计算星载微波部件微放电阈值的蒙特卡罗方法,该方法对参与微放电过程的初始电子进行了动态调整,采用四阶龙格-库塔法推进微波部件中电子的运动轨迹,基于Furman模型描述电子与微波表面相互作用的二次电子发射过程,按照碰撞电子产生的实际二次电子个数及对应能量参与碰撞时刻后的微放电过程,该多粒子-多碰撞过程更加客观、准确地表征了微放电效应发生的物理过程。以平板传输线和同轴传输线为例,文中所提出的方法相对于已有的蒙特卡罗方法计算精度显著提升,同时计算效率优于商用CST的粒子模拟结果。

海平面上升对黄浦江1000年一遇高潮位影响研究——基于马尔科夫链蒙特卡罗法

为了研究海平面上升对黄浦江1000年一遇高潮位的影响,以吴淞站为代表,采用马尔科夫链蒙特卡洛法预测模拟了500组吴淞站未来30年年最高潮位序列,在序列生成过程中逐年考虑海平面上升的影响,根据生成的序列对其影响进行计算分析。结果显示,采用马尔科夫链蒙特卡洛法预测的多组吴淞站30年后1000年一遇高潮位符合P-Ⅲ分布;海平面上升能显著改变预测1000年一遇高潮位的频率分布,主要为增加较高高潮位出现的概率,降低较低高潮位出现的概率,整体上提升分布的均值。总体上,海平面上升引起吴淞站未来30年6.6 m以上1000年一遇高潮位出现的概率增加14%,1000年一遇高潮位均值抬升约4 cm。

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。

光子吸收剂量的蒙特卡罗计算方法研究

为了能够通过选择合适的计算方法对不同辐射情况的光子剂量进行准确有效的计算和评估,对比研究了蒙特卡罗模拟软件中常用的四种光子剂量计算方法:剂量转换系数法、发热数法、径迹长度能量沉积法和脉冲高度计数法,从计算原理出发结合仿真结果分析比较了这四种方法。通过模拟不同能量的单能光子束入射不同体积大小的水球,分析了用比释动能近似吸收剂量导致的误差,并且模拟分析了不同含量的高原子序数元素钆对于吸收剂量计算结果差异的影响。由于转换系数是根据参考人模计算得到的,因此剂量转换系数法只能对吸收剂量进行快速的估计计算,很难在特定情况下得到精准剂量;当高能量光子入射小体积物质时,比释动能会大于吸收剂量,使用发热数法和径迹长度能量沉积法会产生误差,采用脉冲高度计数法更加合适;在低能量和大体积时可以根据计算精度和计算机资源选择任意方法;当组成物质的高原子序数元素含量增多时,径迹长度能量沉积法和脉冲高度计数法之间的计算误差会减少。

结合源偏倚和权窗的蒙特卡罗全局减方差方法

全局计数问题在反应堆pin-by-pin模型蒙特卡罗模拟和多物理耦合计算中动态粒子输运蒙特卡罗模拟等重大研究领域中都有广泛的应用场景.大量的全局减方差算法研究立足于全局计数误差分布的展平,由此提高全局计数的整体效率.本工作针对两种高效全局减方差算法,即均匀计数密度算法(属于源偏倚算法的一种)和权窗算法的结合展开研究,提出利用均匀计数密度算法的偏倚因子调整权窗下限,由此实现两种算法的有机结合.基于Hoogenboom-Martin压水堆全堆基准题中开展了一系列对比测试,验证了混合全局减方差算法更优于单一权窗算法或均匀计数密度算法,尤其是在降低最大误差方面.同时,基于新的指标,验证了均匀计数密度算法较经典的均匀裂变源算法具有更好的表现.研究结果表明,本文提出的混合全局减方差算法能高效求解全局计数问题,进一步促进了相关领域的研究.

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。

马尔科夫链蒙特卡罗方法浅析

介绍了马尔科夫链蒙特卡罗方法的基本过程,该方法试图直接从复杂的分布中获取模拟的样本。在当前机器学习算法中具有广泛的应用。

基于故障树和蒙特卡罗方法的地铁车门可靠性分析

[目的]车门系统是车辆运行过程中使用频率最高的关键系统,故有必要对其可靠性和故障特性进行研究,以保障城市轨道交通安全运行。[方法]基于上海轨道交通2021年2月至2022年2月间各线路车门的故障状况的数据,在给定的状态转移规则下,建立了基于FTA(故障树分析)的门系统仿真模型。在此模型的基础上,采用蒙特卡罗方法对未知故障模式进行可靠性模拟:进行静态仿真,利用线性全等法产生伪随机数来代替真实随机数,计算顶事件的失败率和基本事件的重要度;进行动态仿真,通过多次分布拟合,得到其可靠性分布和各部分寿命的采样值;由仿真试验绘制出系统的密度分布曲线和可靠性曲线。[结果及结论]数值结果表明,因为服从指数分布和韦布尔分布的基本事件在某些时间区间内失效概率很高,故系统在运行到该时间区间时很可能发生故障。

蒙特卡罗程序中螺旋曲面的处理方法研究

随着反应堆的发展,核反应堆设计中的燃料元件趋于多样化。十字螺旋燃料元件便是其中一种,相较于传统的压水堆燃料元件,螺旋状结构元件能够在保证强换热能力的同时维持运行工况下的材料强度和结构完整性,从而提高反应堆安全性和经济性。为了更好描述粒子在燃料组件中的行为,就需对粒子输运方程进行求解。常见求解粒子输运方程方法有确定论和蒙特卡罗方法。相较于确定论方法,蒙特卡罗方法基本可表述任意形状几何。但在目前常见的蒙特卡罗程序中,均未发现有关螺旋曲面几何形状的研究。因此开发了蒙特卡罗程序中螺旋曲面的相关描述方法,并且提出了两种距离求解方法:逼近法和逼近法优化-固定步长调节策略。通过仿真实验比较,发现后者可有效提高计算效率。

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。

基于马尔科夫链蒙特卡洛方法的光伏电站可靠性评估

为了对大型光伏电站进行可靠性评估,首先建立了光伏电站各主要元件的可靠性评估模型,然后定义了光伏电站可靠性评价指标体系,最后采用马尔科夫链蒙特卡洛(MCMC)方法对光伏电站可靠性进行了评估。在光伏阵列建模过程中,以误差作为限制条件采用向后场景削减技术对其状态进行了削减和划分,在保证一定精度的同时简化了抽样过程。通过对某大型光伏电站可靠性评估算例,对比分析了MCMC方法和蒙特卡洛(MC)法的指标计算结果、收敛速度和稳定性,结果验证了该方法的评估结果与MC方法结果一致,在相同的收敛条件下所需抽样次数更少,速度更快。

基于马尔科夫链蒙特卡罗模拟的金融极值风险测度

2015年底,中央经济工作经济会议首次在金融领域提出了去杠杆的要求。2017年一行三会展开了对金融领域快速去杠杆的工作,影子银行与股票市场首当其冲。影子银行概念最早由美国华尔街基金经理提出,美国学术界很多观点认为次贷危机中美国影子银行与美国股市的极值风险都很显著。在新常态之前,中国的影子银行高速增长,货币超发与资金脱实向虚显著。国内学术界对中国的影子银行与股票市场的关系也进行了一定的探索,但并没有通过建模研究二者的极值风险。本文基于马尔科夫链蒙特卡罗模拟比较了两个金融时间序列的极值风险,结果发现A股市场的极值风险大于影子银行,并提出相关建议。

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。

高温热辐射输运模拟的蒙特卡罗全局降方差方法

针对隐式蒙特卡罗方法模拟高温热辐射输运问题时存在的“辐射强度计算误差时间空间分布严重不均匀”现象,通过理论分析和数值模拟手段,找到决定误差大小的主要因素为“网格内的辐射径迹长度记录数”.据此提出“隐式蒙特卡罗全局降方差方法”并推导相应的计算公式.该方法主要包含如下3个关键技术:1)针对辐射输运蒙特卡罗模拟的自适应动态分配源粒子方法;2)与自适应动态分配源粒子相匹配的动态权窗设计技术及粒子权无偏估计算法;3)辐射强度的解析估计降方差方法.针对这3个关键技术,设计蒙特卡罗数值模拟方案,编写相应的数值模拟程序模块.典型辐射输运问题模拟结果显示:隐式蒙特卡罗全局降方差方法能够使网格辐射强度计算误差在整个时空范围内分布相对比较均匀,最大误差可控,计算效率提升10倍左右.新方法在激光惯性约束聚变的黑腔辐射输运模拟应用中取得了显著效果.

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。

基于马尔科夫链蒙特卡洛的台区可靠性评估方法

随着居民生活水平的不断提高,用于居民用电服务的台区供电强度不断提高。为了实现对运行中台区的可靠性进行实时监控与评估,提出基于马尔科夫链蒙特卡洛方法的台区可靠性评估理论,该方法实现海量待处理信息下高维数据的降阶与解耦,在兼顾经济性的同时又能及时发现潜在的存在安全风险的台区并及时地安排运维人员处理,历经一年多的现场运维检验,结果证明了所提出方法的有效性与科学性。