在晶体表面寻找最佳吸附位点的高通量算法

在研究原子在晶体表面的吸附现象时,研究者们往往需要依赖已有的经验与知识寻找出所有可能的吸附位点,再通过运行基于密度泛函理论 (DFT) 的第一性原理计算模拟软件最终找到最佳吸附位点,这是较为浪费时间的。借助于材料基因组计划 (MGI) 中的高通量筛选这一概念,本文提出了一个寻找晶体表面最佳吸附位点的自动化的高通量计算方法。本文主要阐述了该高通量方法中的一个重要的算法,即如何自动寻找所有可能吸附位点的算法,然后将该算法与第一性原理计算模拟软件整合,它们一起构成了寻找最佳吸附位点的高通量方法。该高通量方法的创新之处在于能够在不依赖于研究者经验与知识的前提下,自动地找出所有可能的吸附位点,并利用第一性原理计算模拟引擎,最终找到最佳吸附位点。此外,这个方法被应用于 MatCloud 平台。MatCloud 平台是一个高通量材料计算平台,它使得整个寻找最佳吸附位点的流程自动化。     

SQS二元合金设计的高通量方法和技术研究

自2011年6月美国提出"材料基因组计划"以来,构建集成的高通量材料计算平台和数据库平台以加快新材料的研发已成为重要的基础性工作。高通量材料计算平台MatCloud提供了一个集成的材料自动流程计算框架,旨在为新材料的设计和计算提供一套通用的方法和技术。二元合金设计涉及到批量结构建模、结构筛选和性质计算问题,为了支持目前在合金设计中应用较广的特殊准随机结构SQS方法,研发了支持基于SQS二元合金设计的高通量自动流程计算相关算法和插件,并在MatCloud平台上进行了实现。该插件支持基于SQS的二元合金结构建模,高通量筛选和性质计算。实现了ZrxTi(1-x)合金弹性模量的自动流程计算,取得了预先设定的效果,提升了计算性能,从而帮助加快二元合金设计。     

基于 Web 的二元化合物结构推演自动流程实现

结构原型是通过任一定义的具有代表性的条件筛选出来的具有相同条件的结构类型。结构推演是一种理论上预测新化合物的方法。首先用特定元素替换大量的结构原型中的元素,得到很多化合物结构;然后,利用第一性原理对这些结构进行结构优化和能量计算,得到每个结构的能量值、形成焓等物理量;最终以形成焓为依据预测这些结构是否有可能形成稳定化合物。这一系列的处理和计算就是一次结构推演。结构推演是一种典型的高通量筛选,涉及到多通道,多任务,高并发的计算。MatCloud 材料计算平台是一个国内自主研发的高通量材料计算平台,其中一个主要功能就是实现了这些多通道,多任务,高并发作业的自动计算流程。为了更为有效及高效地开展结构推演,本论文的工作是在 MatCloud 材料计算平台已有的工作基础上,开发出一个基于 Web 的结构推演自动流程计算模块。     

基于声子晶体的层叠式方柱型减振结构设计

基于声子晶体特性提出一种层叠式方柱型声子晶体单胞结构,通过冲击响应谱分析和随机振动分析考察其周期性结构减振特性,并与相应非周期结构对比.计算结果表明该声子晶体周期性结构对于冲击载荷和随机振动载荷均有较好的减振特性.在三组分材料参数中影响单胞带隙特性的主要因素是外层材料密度和中间层材料弹性模量.声子晶体结构的减振效果随周期数的增加而愈加明显.组分材料力学性能参数和周期型结构周期数是声子晶体结构减振设计的主要因素.     

面向晶体结构预测的深度学习方法

晶体结构研究是研究固体材料物理化学性质的基础,而筛选晶体结构通常基于能量最低原理,采用密度泛函理论计算结构能量需要大量计算资源及服务时间.为此本文提出了面向材料结构预测的深度学习方法,加快材料晶体结构的预测.本文从数据集优化、模型训练策略、算法优化等方面进行了深入研究,确定了应用于材料结构预测中深度学习的网络参数和优化算法.将确定的深度学习框架用于寻找Si单晶、TiO2和CaTiO3化合物的基态稳定结构,实验结果表明,利用本研究提出的深度学习方法预测的晶体结构与实验室制备材料结构相吻合.     

羧基与钙离子吸附机理的密度泛函的仿真研究

运用CASTEP模块对柠檬酸吸附于石膏晶体表面的空间结构、电子结构、络合吸附机理进行了理论探索,基于密度泛函理论的第一性原理优化了Ca SO4(010)晶面结构,计算了晶面与柠檬酸反应吸附能。通过对柠檬酸吸附方式的假设和计算,发现最佳吸附方式为柠檬酸羧基结构中的H原子被晶面(010)上的钙原子的垂直吸附。吸附机理主要表现为柠檬酸中羧基的H原子1s轨道中的电子向晶体表面(010)上Ca原子的3d轨道发生了转移,从而形成杂化轨道。     

一种基于轮廓线的三维表面模型的快速切割算法

在科学计算可视化的领域中,医学图象数据的三维重构和手术模拟是一个研究热点。该文设计并实现了一个基于轮廓线的三维表面模型的快速切割算法,称为“双面切割算法”。该算法充分利用了原始数据的几何及拓扑信息,将三维表面模型的切割操作转化到二维空间中,从而避免了一般三维物体切割算法中三角面片直接求交的大量运算。双面切割算法在进行切割运算时,同时得到切割后的模型及它们的交集模型,并维持了物体数据结构的完整性。     

基于Petri网的柔性制造系统调度控制模型

给出了自顶向下构造柔性制造系统(FMS)Petri网模型的方法,提出了随机创建指定数目满足指定条件的测试模型的算法,并给出程序仿真运行的演算规则。在此基础上实现了基于Petri网FMS分析与调度仿真软件平台,该平台可配置性强,容易维护,降低了柔性制造系统方针研究的复杂性。最后给出了该模型实现的模块结构。     

基于稳态逼近算法的光学双稳态现象研究

光子晶体的双稳态现象是光子晶体制作光限幅器和光开关的理论基础,研究具有低阈值的双稳态系统对大规模集成光路具有非常重要的意义。本文采用有限元方法和稳态算法对含有缺陷的一维光子晶体结构中的双稳态效应现象进行了理论推导和数值分析。在频域上,一维双稳态效应问题可化为非线性亥姆霍兹方程的两点边值问题。本文基于非线性亥姆霍兹方程建立了有限元数学模型,构造了基于有限元方法和稳态迭代算法的数值求解算法。研究算例结果表明该数值算法能有效地模拟含有缺陷的一维光子晶体结构中双稳态效应现象,并能推广到高维问题的研究。本文还利用该模型算法进一步研究了结构参数对双稳态效应的影响,当选择非线性强度大的材料,或者增强入射场强度,或增加中间层厚度时可以降低双稳态效应发生的阈值。     

基于三维表面模型的任意切割算法*

通过对三维表面模型进行切割,人们可以方便地观察物体的内部结构。针对三维表面模型,提出了一种任意切割算法。任意切割过程首先是交互生成切割曲线,生成切割面;然后通过切割面对表面模型进行切割,在切割面上生成交线序列;再由交线序列与切割面边界生成封闭的边界轮廓,确定各边界轮廓间的包含关系;最后对边界轮廓包围的截面区域进行Delaunay三角剖分并着色,得到完整的剖面。实验结果证明了该算法的有效性和可行性。     

基于高通量计算平台的过渡态搜索算法及自动流程实现

本文针对寻找反应过程中过渡态结构的问题,基于高通量计算平台设计并实现了一种过渡态搜索算法及其自动计算流程。实现了包括中间结构自动产生功能在内的过渡态搜索的自动流程计算,具体包括计算的准备文件产生、结构筛选、结果后处理等各个流程。同时,在整个自动计算过程中还引入自动纠错机制,可以实现自动根据错误类型实现对错误的恢复与处理功能,以提高过渡态搜索计算的可靠性。最后,本文进行了 H 原子在 Mg 晶体表面扩散的研究,将计算结果与文献数据进行了对照,以验证计算结果的合理性。     

基于嵌入式系统的e_slab研究与实现

为降低嵌入式系统的内存管理开销,提升内存分配效率,详细分析了slab分配器机制并指出其不足,给出相应的改进措施,提出了基于e_slab算法的内存分配器。实验表明,e_slab算法不仅简化了内存管理结构,而且提高了内存分配效率。     

基于粒子群算法求解区间值板坯设计优化问题

为了适应大规模定制对连铸计划的新要求,提出了在板坯设计阶段固定板坯重量的策略,以减少过度追求生产柔性造成的高成本。建立了考虑工艺限制的区间值板坯设计模型,该模型是以最小化板坯数量和总盈余量为优化目标的多目标整数规划模型。结合问题的特点,采用模糊决策方法对多目标函数进行集成,提出了符合板坯设计的粒子群编码规则,并利用粒子群算法对模型进行了求解,最后通过实例验证了算法的可行性,并与该问题的下界进行比较,表明了算法的有效性和稳定性。     

Topological optimization of continuum structures with design-dependent surface loading – Part II: algorithm and examples for 3D problems

The problem of topology optimization of 3D structures with design-dependent loading is considered. An algorithm for generating the valid loading surface of the 3D structure is presented, constituting an extension of the algorithm for 2D structures developed in Part I of this paper on the basis of a modified isoline technique. In this way the complicated calculation of the fit of the loading surface of a 3D structure may be avoided. Since the finite element mesh is fixed in the admissible 3D design domain during the period of topology evolution, the design-dependent loading surface may intersect the elements as the design changes. Independent interpolation functions are introduced along the loading surface so that the surface integral for generating the loading on the surface of the 3D structure can be performed more efficiently and simply. The bilinear 4-node serendipity surface element is constructed to describe the variable loading surface, and this matches well with the 8-node isoparametric 3D elements which have been used for the discretization of the 3D design domain. The validity of the algorithm is verified by numerical examples for 3D problems. Results of designing with design-dependent loads and with corresponding fixed loads are presented, and some important features of the computational results are discussed.     

基于多尺度轻量化注意力的钢材缺陷检测

针对当前YOLOv5算法检测钢材表面缺陷精度不高、速度慢等问题,提出一种基于多尺度轻量化注意力的YOLO-Steel钢材表面缺陷检测方法.首先,提出一种轻型通道注意力模块,仅需少量计算成本即可有效关注重要通道;然后,利用空洞卷积扩大感受提出一种轻型空间注意力模块,能够在空间维度上提取有价值信息;接着,提出金字塔注意力结构,利用多级池化放缩特征图在不同分辨率特征图上使用空间注意力模块学习其空间依赖信息,对多级特征图使用通道注意力模块重构其通道相关信息,改善检测效果.实验结果表明,YOLO-Steel在钢材表面缺陷数据集上平均精度均值(mAP)可达77.2%,比YOLOv5s算法提高1.8%,模型时间、空间复杂度与YOLOv5s基本持平,在保证检测速度的基础上能够有效提高精确度.     

热轧实施计划中最优倒垛问题的整数规划模型及遗传算法

对钢铁企业板坯库中的最优倒垛问题建立了0和1整数规划模型.这一模型是一个 二次规划模型,且目标函数的系数与变量的取值相关联,属于NP-难问题,获得较大规模的最 优解是不可能或非常困难.为了求解此问题,本文构造了改进遗传算法:(1)提出了适合于最 优倒垛问题的遗传编码,运用此编码,不但能够产生可行的初始染色体,而且能够保证在交叉 和变异操作后的染色体仍然可行;(2)改进了遗传算法结构,在新的结构中,增加了一个培育 操作,改进了交叉操作.通过精选随机产生的问题例子的实验显示出,提出的算法的性能明显 好于原系统的启发式算法,最好的改进率达到7.04％.     

Adaptive algorithm for sparse signal recovery

The development of compressive sensing in recent years has given much attention to sparse signal recovery. In sparse signal recovery, spike and slab priors are playing a key role in inducing sparsity. The use of such priors, however, results in non-convex and mixed integer programming problems. Most of the existing algorithms to solve non-convex and mixed integer programming problems involve either simplifying assumptions, relaxations or high computational expenses. In this paper, we propose a new adaptive alternating direction method of multipliers (AADMM) algorithm to directly solve the suggested non-convex and mixed integer programming problem. The algorithm is based on the one-to-one mapping property of the support and non-zero element of the signal. At each step of the algorithm, we update the support by either adding an index to it or removing an index from it and use the alternating direction method of multipliers to recover the signal corresponding to the updated support. Moreover, as opposed to the competing “adaptive sparsity matching pursuit” and “alternating direction method of multipliers” methods our algorithm can solve non-convex problems directly. Experiments on synthetic data and real-world images demonstrated that the proposed AADMM algorithm provides superior performance and is computationally cheaper than the recently developed iterative convex refinement (ICR) and adaptive matching pursuit (AMP) algorithms.     

周期纹理背景中的表面缺陷检测技术

基于机器视觉原理的自动光学表面缺陷检测技术是当今工业生产中在线检测表面缺陷的一种新的技术方法,是精密制造与组装工业过程中保证零部件表面质量的重要检测手段.以液晶面板TFT阵列表面缺陷自动光学检测为例,介绍了表面缺陷自动光学检测的基本组成原理,阐述了周期纹理背景表面上的表面缺陷检测方法、缺陷信息处理的基本过程与实用算法.针对表面缺陷检测图像处理技术难题,详细论述了表面缺陷扫描图像中的周期纹理背景傅里叶变换频域滤波方法、缺陷分割双阈值统计控制法,并用实验结果给出了例证.     

基于列生成算法求解动态库存板坯分配问题

针对钢铁企业中遇到的动态库存板坯分配问题进行了研究。建立了一个0-1整数规划数学模型,该模型的目标是最小化板坯与合同规格差异费用以及板坯在库停留所产生的库存成本费用之和。根据问题特点,使用Danzig-Wolfe策略将这个模型分解为一个带有集划分约束的主问题和一个具有背包特征约束的价格子问题,开发了分支价格算法进行求解。计算结果表明所开发的分支价格算法能够最优求解生产实际问题。