基于可视图与改进遗传算法的机器人平滑路径规划

针对传统遗传算法在路径规划中存在收敛速度慢、易早熟和路径质量差等缺点,提出一种基于可视图与改进遗传算法的路径规划算法。首先,利用可视图法压缩地图信息,减少搜索节点;然后,对路径个体采用浮点数编码,引入模拟二进制交叉(simulated binary crossover,SBX)算子和多项式变异算子,并采用精英保留策略和轮盘赌相结合的选择算子以防止优质个体丢失;之后,将贝塞尔(Bezier)算子引入遗传算法,改善路径的平滑性;最后,分段优化贝塞尔控制节点,防止优化路径与障碍物碰撞。在仿真地图中进行测试,实验结果表明,所提算法相比于其他算法可以规划出一条更平滑、更短的路径。将算法应用在康复助行机器人中进行测试,实验结果表明,所提算法能有效解决机器人的全局路径规划问题,提升全局路径规划的效率。

国产SW26010-Pro处理器上3级BLAS函数众核并行优化

BLAS(basic linear algebra subprograms)是最基本、最重要的底层数学库之一.在一个标准的BLAS库中,BLAS 3级函数涵盖的矩阵-矩阵运算尤为重要,在许多大规模科学与工程计算应用中被广泛调用.另外,BLAS 3级属于计算密集型函数,对充分发挥处理器的计算性能有至关重要的作用.针对国产SW26010-Pro处理器研究BLAS 3级函数的众核并行优化技术.具体而言,根据SW26010-Pro的存储层次结构,设计多级分块算法,挖掘矩阵运算的并行性.在此基础上,基于远程内存访问(remote memory access,RMA)机制设计数据共享策略,提高从核间的数据传输效率.进一步地,采用三缓冲、参数调优等方法对算法进行全面优化,隐藏直接内存访问(direct memory access,DMA)访存开销和RMA通信开销.此外,利用SW26010-Pro的两条硬件流水线和若干向量化计算/访存指令,还对BLAS 3级函数的矩阵-矩阵乘法、矩阵方程组求解、矩阵转置操作等若干运算进行手工汇编优化,提高了函数的浮点计算效率.实验结果显示,所提出的并行优化技术在SW26010-Pro处理器上为BLAS 3级函数带来了明显的性能提升,单核组BLAS 3级函数的浮点计算性能最高可达峰值性能的92%,多核组BLAS 3级函数的浮点计算性能最高可达峰值性能的88%.

一种基于浮点误差分析的混合精度鲁棒性提升方法

浮点运算是高性能计算的典型数值求解模式。混合精度优化通过降低程序中浮点变量的精度来提高性能和降低能耗。然而,现有混合精度自动优化技术受限于鲁棒性低的问题,即优化后程序不满足给定输入的结果精度约束。为此,提出了一种基于浮点误差分析的混合精度鲁棒性提升方法。首先,基于浮点误差分析获取能够触发程序不精确计算的输入;然后,基于误差触发输入评估精度配置,引导搜索获取鲁棒性高的混合精度配置。实验结果表明,针对典型浮点应用,该方法能够将混合精度优化的鲁棒性平均提升62%。

基于多类型计算重写的浮点表达式精度优化方法

表达式重写是精度优化领域的新兴方法,其核心思想是在不改变表达式精度类型的前提下,将其变换为语义上等价的表达式以尝试提升精度。然而,面对庞大的变换规则和变换空间,如何选取合适的变换策略成为了重写方法的问题所在。针对上述问题,提出了一个基于多类型计算重写的浮点表达式精度优化方法,支持包括函数计算、四则运算的表达式,并实现了表达式重写工具exprAuto。区别于其他精度优化工具侧重于对子表达式的替换,exprAuto更注重对表达式运算顺序的变换。exprAuto在对表达式化简和数学变换后,通过多项式变换获取不同的计算顺序,并尝试减少运算次数以提升精度,最终生成一个包含不同计算顺序的等价表达式集合,通过排序筛选和误差检测从中选出最终的精度优化结果。文中选取41个FPBench标准集中的表达式和18个常见数学函数的近似多项式作为测试用例,在经exprAuto优化后,所提方法相比原式最大误差降低了45.92%,平均误差降低了34.98%;针对其中的18个近似多项式,相比原式最大误差降低了58.35%,平均误差降低了43.73%。实验结果表明,exprAuto可以有效提升表达式尤其是多项式的精度。

深水海上浮式生产储油轮内转塔单点系泊系统柔性立管通道与悬挂结构设计

深水油气开采中带内转塔单点系泊系统的海上浮式生产储油轮(FPSO)占据主导地位。以1艘深水FPSO内转塔单点系泊系统为例,介绍了柔性立管通道的总体布置原则、通道与悬挂相关的设计要点,考虑了百年一遇在位的极端环境和海上临时悬挂安装的设计工况,依据法国BV船级社规范进行了立管通道和悬挂结构的计算分析,给出内转塔单点系统立管通道的相关设计方法和流程。

基于FPGA误差可控的浮点运算加速器研究

浮点运算是高性能计算(HPC)领域的基础运算。在大数据与云计算的背景下,高性能计算平台需要处理的数据量与日俱增,而且浮点数的舍入误差在大规模、长时程的运算中会产生累积,因此,在提升浮点运算性能的同时保证计算结果的可靠性非常重要。利用现场可编程门阵列(FPGA)可编程、低功耗、灵活性强的特点,针对含复杂单项运算的浮点多项式设计一种浮点运算加速器。基于无误差变换的思想,通过计算得出舍入误差值,将其补偿到浮点数值上,从而实现误差可控。采用异步并行的方式实现运算加速,并通过构建CPU-FPGA平台最大化地利用计算资源,保证计算任务执行的高效性。数据测试结果表明:在不限制对称性下的数值相对论模拟运算中,该加速器在200 MHz的主频下可达到91.85 MFLOPs的峰值性能;与Intel i76700K CPU运行最大线程数的性能相比,该加速器实现了50.54的加速比,并在该条件下获得了平均53.6%的精确结果百分比以及更低的相对误差,表明其具备较高的可靠性。

动态牵伸过程中浮游纤维变速点分布模拟

为研究牵伸条件的变化对牵伸过程的影响,通过建立动态牵伸模型,仿真浮游纤维在动态牵伸过程中受到摩擦力作用的加速过程,得到动态牵伸过程中浮游纤维变速点分布。纤维的牵伸过程被细化为后纤维、慢浮游纤维、快浮游纤维和前纤维4种纤维运动状态变化的过程。通过记录纤维在牵伸过程中速度和位置的变化,计算得到纤维保持每种状态的时间。模拟过程中,通过获取纤维在牵伸过程中速度和位置的变化,得到每根纤维在牵伸区内分别维持4种运动状态的时间,从而建立动态的牵伸模型。此外,通过确定浮游纤维与快速纤维和慢速纤维相互接触的长度,计算浮游纤维在动态牵伸过程中受到的控制力与引导力,模拟浮游纤维在动态牵伸过程中的加速过程。同时计算简单罗拉牵伸的摩擦力界分布,通过改变牵伸模型的牵伸倍数和纤维长度,模拟不同牵伸条件下浮游纤维变速点分布。结果表明:仿真得到的变速点分布近似于正态分布,与实际牵伸过程中变速点分布形态接近;牵伸倍数越大,纤维的长度越长,变速点分布越接近前罗拉,并且变速点分布范围越小。

基于浮点计算程序的复合蜕变测试方法研究

IEEE754标准下的浮点数在计算时总是伴随着舍入,增加了浮点计算结果不精确甚至出现异常的可能性,并且在实际应用中,无论采用什么样的计算方法、设置多高的精度,都无法完全避免浮点计算异常对计算结果的干扰。论文提出用蜕变测试技术来测试遥测数据处理程序中遇到的这种不可测的FPC程序,针对这类FPC程序的特征构造复合蜕变关系来缓解Oracle问题,以此提高浮点计算的准确性,进一步确保软件的可靠性。

基于混合基的类浮点可变点FFT处理器的ASIC实现

为了对数字信号处理领域中的核心算法快速傅里叶变换(FFT)进行加速,需要设计专门的FFT处理器。由于在数字信号处理领域经常使用不同点数的FFT,提出一种采用基2-基4混合基的点数可配置的FFT处理器实现方案。同时,为了提高运算精度且不增加硬件资源与实现复杂度,首次提出类浮点数据格式。该类浮点数据格式采用浮点数据的设计思想表示整数型数据,使得在运算过程中低位数据得到有效利用,提高了运算精度和数据的动态范围。实验结果表明,该类浮点FFT处理器比传统pipelined FFT处理器以及经典块浮点FFT处理器具有更优的PPA性能。与经典块浮点FFT进行精度比较,对于小数值输入数据二者精度一致,对于大数值输入数据,类浮点FFT处理器比块浮点FFT处理器有更高的精度,因此是实现FFT处理器的一种有效方案。

基于QEMU的SIMD指令替换浮点指令框架

现在,几乎每个处理器架构都已经加入了对SIMD(single instruction multiple data)指令的支持,SIMD指令能同时对一组数据执行相同的操作,通过数据并行来提高处理器的处理性能.但是大部分动态二进制翻译器忽略了本地SIMD指令的利用,而是以软件语言实现来模拟浮点计算.本文提出了一种基于QEMU翻译系统的FP-QEMU框架,FP-QEMU框架采用SIMD指令来优化替换浮点计算指令,并在X86和ARM平台上完成了完整的浮点实现.该框架可以识别动态二进制翻译系统中的浮点计算优化机会并利用SIMD指令来提升系统翻译的性能.采用SPEC 2006作为测试基准,实验表明相比QEMU,FP-QEMU跨平台的ARM应用在X86计算机上运行的最高加速比可达51.5%,平均加速比达到37.42%.

Modbus-RTU协议的浮点数传输设计

为解决Modbus-RTU通信协议中保持寄存器不能直接传递高精度浮点数的问题,设计了一种共用体数据结构,定义联合变量,将浮点数和对应的存储数组共享同一内存空间,发送端用浮点数二进制码的方式传输浮点数,接收端再用浮点数的格式读取这4个字节内的数值,实现Modbus-RTU协议的浮点数传输设计。该方法经多次数据传输测试,可同时发送多个不同精度的浮点数,数据传输简单、高效。该方法可应用于需要采用Modbus-RTU协议进行多个浮点数数据传输且精度不同的通信系统中。

面向SPICE仿真的专用浮点计算单元研究

稀疏矩阵求解是SPICE仿真的重要部分,目前求解所使用的算子通常为通用浮点计算单元,运算速度受限。本文通过改进通用浮点算子中加/减和乘单元,使其在SPICE仿真专用背景下能实现更快的求解速度。对传统加减单元使用舍入并行延时优化算法和双路径设计方案,利用香农扩展、非精确前导零补偿等手段优化了电路的关键路径延时。对传统乘单元通过改变传统压缩拓扑层结构、优化注入值算法中舍入进位等逻辑改善了相关延时。最终,在TSMC 28 nm工艺下对双精度浮点求解速度分别为0.46 ns和0.79 ns,对比Synopsys公司的DW库单元延时分别减小33.4%和7.1%,面积分别减小4.62%和1.6%。实验结果表明,改进后浮点单元能有效降低矩阵单次求解步骤的时间,在一定程度上加速瞬态仿真整体速度。

基于TLP浮式风机的分块垂荡点吸式波浪能装置的实验研究

面对海洋中庞大的波浪能资源,如何对其高效利用是目前仍需解决的一大难题。针对中国南海海域周期短、波高小的海况特点,本文提出一种与张力腿式平台(TLP)相结合的分块垂荡点吸收式波浪能装置模型。通过物理水池试验,测量分析分块浮子的水动力特性和波能捕获效率,同时与传统浮子的性能进行对比,探讨浮子分块后波浪能装置获能的优化效果。结果表明,分块浮子呈现出新的水动力特性,在低海况下装置对短周期波的能量捕获效率得到大幅提升,但在特定浪向角下会显著增大依附平台的纵摇运动,需要进一步优化张紧式系泊系统。

基于抗浮锚杆技术在筏板基础中的应用

随着城市建设的不断发展,地下空间的开发利用日益广泛,建筑物的抗浮问题越发受到重视。为解决建筑物抗浮能力不足的问题,抗浮锚杆技术被广泛应用到工程领域。现结合具体工程实例,对PSB精轧螺纹钢预应力施工工艺流程、施工要点、质量要求等方面进行分析探讨,并提出抗浮锚杆在施工过程中的质量要求和注意事项。实践结果表明,抗浮锚杆技术能够显著提高建筑物的抗浮能力,确保筏板基础的稳定性。

五电平ANPC变换器多目标优化调制技术研究

针对五电平有源钳位型变换器现有的调制策略存在SPWM直流侧电压利用率低,中点电压控制的计算复杂,SVPWM数字化实现难度大等问题,研究了一种操作简单,满足电压利用率高、中点电位平衡、悬浮电容电压稳定、共模电压较小等多目标优化的五电平新型SPWM调制算法。首先通过研究SVPWM与SPWM的本质联系,将SVPWM等效至PD-SPWM,其次分析不影响中点电位平衡的共模电压抑制边界,重构五电平低幅值共模电压矢量空间,并采用注入零序电压自由选择开关序列、实时切换等效PD-SPWM种类等方法实现多目标优化。最后搭建了实验样机,应用仿真和实验等手段对多目标优化算法进行了验证,试验结果表明在保证中点电压平衡、悬浮电容电压稳定可控的同时,共模电压幅值减小约32.8%,表明了优化的有效性。

华能德州水上漂浮式光伏发电项目施工难点解决方案浅析

国内外的水上漂浮式光伏电站大多是规模小、环境条件简单的项目,因此其已有的项目经验不足以为大规模同类项目提供参考。详细介绍了华能德州丁庄水库光伏发电项目的设计和实施过程,总结并提炼了同类型光伏电站的设计经验及要点,完善了相关设计细节,探明了大型水上漂浮式光伏电站的施工难点,提供了解决方案,并进行了验证。结果显示:所提供的方案极大地提升了漂浮式光伏方阵尺寸的上限,减少了对水体环境的影响,节约了投资成本,为水上漂浮式光伏电站的未来发展提供了宝贵的经验和参考。

浮针结合SET技术治疗腰背肌筋膜炎临床观察

目的:观察浮针结合SET技术(悬吊运动)治疗腰背肌筋膜炎疗效并探究其作用机理。方法:选取腰背肌筋膜炎患者90例,应用随机数字表法随机分为治疗组和对照组(各45例),治疗组应用浮针结合SET技术进行治疗;对照组单纯采用浮针治疗,于治疗前、后,采用简化McGill量表和功能障碍评价量表(Roland-Morris)对两组进行评定比较,并于1月后回访患者统计复发率。结果:治疗2周后,两组的疼痛及功能障碍评分较治疗前均有改善(P<0.05),且治疗组优于对照组(P<0.05);治疗组和对照组的有效率分别为93.33%和88.89%,治疗组优于对照组;整个研究期间,90例患者均未出现不良反应。结论:浮针结合SET技术可显著改善腰背肌筋膜炎患者的疼痛及功能障碍,疗效优于对照组,并可显著降低本病的复发率。

基于混沌浮点运算的医学图像加密方法与FPGA实现

针对医学图像数据在互联网传输中的高机密性需求,提出一种基于Logistic混沌浮点数运算的加密方法用于医学图像加密。在该加密方法中,结合双精度浮点运算设计了基于Logistic混沌的伪随机数序列发生器(PRNG),并采用硬件描述语言Verilog对PRNG进行了硬件描述。在Altera公司Cyclone Ⅳ系列DE2-115开发平台上实现了加密方法综合设计。从密钥敏感性测试、直方图分析、相关性检验、信息熵处理等密码学角度分析了加密算法的安全性。通过将文中提出的图像加密算法与现有的一些图像加密算法进行比较,发现经过该加密算法加密后图像具有对密钥敏感、相关系数小、信息熵高等特点。此外,基于FPGA的硬件加密系统加密稳定性高,实时性好。

基于SystemVerilog的浮点数约束生成器的研究与实现

SystemVerilog是专用于FPGA验证的语言,它的约束随机机制是支持FPGA随机测试的关键。然而,SystemVerilog语言仅提供了对整数类型的约束随机机制,这大大限制了需要使用浮点数随机激励的验证。文中设计了一种基于SystemVerilog的浮点数约束生成器,它通过转换机制,实现对浮点数的约束随机生成,从而将SystemVerilog的约束随机机制扩大到浮点数据类型,有效扩大了SystemVerilog约束随机验证的支持范围。

浮针“腰痛五穴”配合推拿治疗腰肌劳损穴位下筋膜观察及对复发的预防作用

目的:探讨浮针“腰痛五穴”配合推拿治疗腰肌劳损(Lumbar muscle strain,LMS)的穴位下筋膜观察及对复发的预防作用。方法:选取江阴市中医院2018年1月~2021年1月收治的102例LMS患者,随机数字表法分为对照组和研究组,各51例。两组均行推拿法,对照组在此基础上行常规保守治疗,研究组在此基础上行浮针“腰痛五穴”治疗,均治疗3个月,评估并比较两组临床效果、腰部功能、腰椎关节活动范围、穴位下筋膜厚度变化。随访6个月,记录两组复发情况。结果:治疗后,研究组临床有效率为96.08%,高于对照组的82.36%,差异有统计学意义(P<0.05);两组日本矫形协会腰痛评分标准(JOA)评分均升高,且研究组JOA评分高于对照组(P<0.05);两组腰椎关节前屈、后伸、旋转活动范围均增加,且研究组腰椎关节前屈、后伸、旋转活动范围大于对照组(P<0.05);两组“腰痛五穴”穴位下筋膜厚度均变薄,且研究组五枢穴、箕门穴、胃俞穴穴位下筋膜厚度较对照组薄(P<0.05),外陵穴、带脉穴穴位下筋膜厚度无显著差异(P>0.05)。随访期间,研究组复发率(3.57%)低于对照组(22.73%)(P<0.05)。结论:浮针“腰痛五穴”配合推拿治疗腰肌劳损,临床效果显著,可扩增LMS患者腰椎关节活动范围,削减穴位下筋膜厚度,有助于患者腰部功能早日恢复,对患者远期预后有积极作用。