GPU环境下水泥水化动力学方程快速发现
发布时间：2022-01-11 00:07
水泥是目前最常用的建筑材料之一,其物理性能会影响到建筑设施的安全。水泥的多种性能指标,如抗压强度、抗折强度、耐久性等都会直接受到水泥水化反应的影响。通过对水泥水化过程的建模仿真可以了解水泥水化过程的内在机理,从而辅助高质量水泥生产和设计。在对水泥水化过程建模的多种方法中,动力学建模是较为重要的一种手段;通过构建水化程度与时间之间的动力学方程来描述水泥水化过程,使整个过程更加简单明了易于理解。构建水泥水化的早期动力学方程,有着重要的科学价值与应用前景。材料学家们对水泥水化动力学的相关研究已经取得了大量的进展,但目前的水泥水化动力学研究还存在一些亟需解决的问题。由于水泥水化过程中大量的物理变化和化学反应使其复杂性较高,使得手动的推导水泥水化的动力学方程变得尤为困难。另外,材料学家在构建水泥水化动力学方程的过程中,为了降低研究的难度并简化动力学方程的推导过程,不得不忽略了水泥的某些特性。例如,假设水泥颗粒为球形、假定水化反应时粒子间没有相互作用等。有相关研究表明,进化计算可以从数据中萃取得到反应真实现象的自然法则或公式。Schmidt和Lipson发表在《Science》上的文章中指出可以在...
【文章来源】：济南大学山东省
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
CUDA的编程结构
济南大学硕士学位论文15钟左右便已结束。为了动力学方程可以更好的拟合水泥的水化程度，实验时间选为24小时，以一分钟为间隔测量水化放热量。通过水泥实验共获得十组水泥前24小时的水化热数据。使用公式3.1和公式3.2计算得到十个水泥水化程度时间序列数据，每个数据共有1440个时间点。十组数据如图3.1所示。在本部分工作中，从十组时间序列数据中选取八个作为训练样本，利用进化计算的方法反向萃取水泥水化的动力学方程。3.2水泥水化动力学方程的获取方法图3.2算法示意图进化计算可以从真实数据中反向萃取出自然法则或公式的能力，以及人工推导动力学方程的困难使我们尝试利用进化计算的方法得到水泥水化的动力学方程。在本工作中，选择使用GEP算法来完成动力学方程的发现工作。在进化计算方法中，基因表达式编程算法可以通过算法的进行来自动优化染色体（通常是函数表达式）；它结合了遗传算法线性编码的优点，同时避免了使用遗传编程[51,52]树结构的复杂操作，因此有较高的搜索效率。但是进化计算的方法普遍存在早熟收敛问题，解决早熟问题的一般简单办法就是增大种群规模，但是这种操作将不可避免的导致时间复杂度的增大。为了可以用较小的种群在较短的时间来得到高质量的解，在本部分工作中用相似性权重锦标赛基因表达式编程算法（SWT-GEP）以提高种群的多样性，从而避免了种群的早熟收敛。在图3.2的第三步中，计算基因表达式编程算法个体的适应值时，需要计算动力学方程数值解，数值解计算方法选择使用龙格库塔方法[53,54]（Runge-KuttaMethods）。龙格库塔算法有较高的精确度，同时它的计算过程也相对简单，没有过多求偏导的计算步骤。为了平衡计算
济南大学硕士学位论文17图3.3GEP染色体及其表达式树和K表达式基因表达式编程中的每个染色体都可以解码为一棵表达式树，对表达式树按照从上到下，从左至右的方式进行转换，得到K-表达式。图3.3展示了染色体到K-表达式的转换。图中展示的是一个单基因染色体，头部长度设为7，函数符集中的最大操作数为2，根据公式3.3计算得到其尾部长度为8，染色体的总长度为15。染色体中有编码区和非编码区两个部分。如图3.3示例的染色体中，黑色的部分为编码区域，灰色的部分为非编码区。3.2.2单基因相似性权重锦标赛算子相似性权重锦标赛算子在2015年被Wang等人[28]提出。与基因表达式编程算法中的传统选择算子不同的是，相似性权重锦标赛算子在选择个体进入竞赛时，会优先选择与历史最优解不相似的个体，从而增大了种群的多样性，避免种群会过早收敛到局部极值的问题。SWT引入概率P[i]来计算个体i被选为参赛者的概率，并且通过将该概率与个体适应值相结合来保留种群的多样性。与历史最优解相似的个体将被选为具有较低概率的参赛者，但在竞赛中具有更好适应值的个体将获得下一代的生存，在竞赛中依然延续了物竞天择适者生存的理念。
【参考文献】：
期刊论文
[1]常微分方程初值问题的高阶泰勒法与龙格-库塔法之应用对比[J]. 江山,张岩,孙美玲. 高师理科学刊. 2019(12)
[2]浅析国内外水泥发展现状及展望[J]. 田敏. 中国市场. 2017(28)
[3]四阶龙格—库塔法的原理及其应用[J]. 冯建强,孙诗一. 数学学习与研究. 2017(17)
[4]基于曲率尺度空间的角点检测图像匹配算法分析[J]. 任立胜,王立中. 电子技术应用. 2016(12)
[5]硅酸盐水泥水化动力学简化模型[J]. 姚武,王伟,魏永起. 哈尔滨工业大学学报. 2013(10)
[6]水泥水化热的测定方法[J]. 杨世平. 建筑技术开发. 2012 (04)
[7]由硅酸盐水泥的观测数据反向萃取水化早期动力学方程[J]. 王琳,杨波,赵秀阳,陈月辉,常钧. 中国科学:技术科学. 2010(05)
[8]硅酸盐水泥水化机理研究方法[J]. 武华荟,刘宝举. 粉煤灰. 2009(01)
[9]水泥基材料的水化动力学模型[J]. 阎培渝,郑峰. 硅酸盐学报. 2006(05)
[10]水泥水化程度研究方法及其进展[J]. 王培铭,丰曙霞,刘贤萍. 建筑材料学报. 2005(06)
博士论文
[1]基于计算智能的水泥水化过程建模方法与关键技术研究[D]. 王琳.山东大学 2011
硕士论文
[1]手绘草图的在线识别技术研究[D]. 王团飞.大连理工大学 2017
本文编号：3581680
【文章来源】：济南大学山东省
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
CUDA的编程结构
济南大学硕士学位论文15钟左右便已结束。为了动力学方程可以更好的拟合水泥的水化程度，实验时间选为24小时，以一分钟为间隔测量水化放热量。通过水泥实验共获得十组水泥前24小时的水化热数据。使用公式3.1和公式3.2计算得到十个水泥水化程度时间序列数据，每个数据共有1440个时间点。十组数据如图3.1所示。在本部分工作中，从十组时间序列数据中选取八个作为训练样本，利用进化计算的方法反向萃取水泥水化的动力学方程。3.2水泥水化动力学方程的获取方法图3.2算法示意图进化计算可以从真实数据中反向萃取出自然法则或公式的能力，以及人工推导动力学方程的困难使我们尝试利用进化计算的方法得到水泥水化的动力学方程。在本工作中，选择使用GEP算法来完成动力学方程的发现工作。在进化计算方法中，基因表达式编程算法可以通过算法的进行来自动优化染色体（通常是函数表达式）；它结合了遗传算法线性编码的优点，同时避免了使用遗传编程[51,52]树结构的复杂操作，因此有较高的搜索效率。但是进化计算的方法普遍存在早熟收敛问题，解决早熟问题的一般简单办法就是增大种群规模，但是这种操作将不可避免的导致时间复杂度的增大。为了可以用较小的种群在较短的时间来得到高质量的解，在本部分工作中用相似性权重锦标赛基因表达式编程算法（SWT-GEP）以提高种群的多样性，从而避免了种群的早熟收敛。在图3.2的第三步中，计算基因表达式编程算法个体的适应值时，需要计算动力学方程数值解，数值解计算方法选择使用龙格库塔方法[53,54]（Runge-KuttaMethods）。龙格库塔算法有较高的精确度，同时它的计算过程也相对简单，没有过多求偏导的计算步骤。为了平衡计算
济南大学硕士学位论文17图3.3GEP染色体及其表达式树和K表达式基因表达式编程中的每个染色体都可以解码为一棵表达式树，对表达式树按照从上到下，从左至右的方式进行转换，得到K-表达式。图3.3展示了染色体到K-表达式的转换。图中展示的是一个单基因染色体，头部长度设为7，函数符集中的最大操作数为2，根据公式3.3计算得到其尾部长度为8，染色体的总长度为15。染色体中有编码区和非编码区两个部分。如图3.3示例的染色体中，黑色的部分为编码区域，灰色的部分为非编码区。3.2.2单基因相似性权重锦标赛算子相似性权重锦标赛算子在2015年被Wang等人[28]提出。与基因表达式编程算法中的传统选择算子不同的是，相似性权重锦标赛算子在选择个体进入竞赛时，会优先选择与历史最优解不相似的个体，从而增大了种群的多样性，避免种群会过早收敛到局部极值的问题。SWT引入概率P[i]来计算个体i被选为参赛者的概率，并且通过将该概率与个体适应值相结合来保留种群的多样性。与历史最优解相似的个体将被选为具有较低概率的参赛者，但在竞赛中具有更好适应值的个体将获得下一代的生存，在竞赛中依然延续了物竞天择适者生存的理念。
【参考文献】：
期刊论文
[1]常微分方程初值问题的高阶泰勒法与龙格-库塔法之应用对比[J]. 江山,张岩,孙美玲. 高师理科学刊. 2019(12)
[2]浅析国内外水泥发展现状及展望[J]. 田敏. 中国市场. 2017(28)
[3]四阶龙格—库塔法的原理及其应用[J]. 冯建强,孙诗一. 数学学习与研究. 2017(17)
[4]基于曲率尺度空间的角点检测图像匹配算法分析[J]. 任立胜,王立中. 电子技术应用. 2016(12)
[5]硅酸盐水泥水化动力学简化模型[J]. 姚武,王伟,魏永起. 哈尔滨工业大学学报. 2013(10)
[6]水泥水化热的测定方法[J]. 杨世平. 建筑技术开发. 2012 (04)
[7]由硅酸盐水泥的观测数据反向萃取水化早期动力学方程[J]. 王琳,杨波,赵秀阳,陈月辉,常钧. 中国科学:技术科学. 2010(05)
[8]硅酸盐水泥水化机理研究方法[J]. 武华荟,刘宝举. 粉煤灰. 2009(01)
[9]水泥基材料的水化动力学模型[J]. 阎培渝,郑峰. 硅酸盐学报. 2006(05)
[10]水泥水化程度研究方法及其进展[J]. 王培铭,丰曙霞,刘贤萍. 建筑材料学报. 2005(06)
博士论文
[1]基于计算智能的水泥水化过程建模方法与关键技术研究[D]. 王琳.山东大学 2011
硕士论文
[1]手绘草图的在线识别技术研究[D]. 王团飞.大连理工大学 2017
本文编号：3581680
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