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气候系统模式CESM的耦合通信建模及资源分配算法研究

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气候系统模式CESM的耦合通信建模及资源分配算法研究

作者：韦召成吉林大学

学位级别：硕士

社区地球气候系统（CESM,Community earth system model）是一个多物理场耦合的全球气候模型,可以模拟全球大尺度范围的气象与环境变化,并以此对气候进行有效的预测。在气候领域CESM是非常重要的气候研究工具,具有广泛商用价值。CESM的... 详细信息

社区地球气候系统（CESM,Community earth system model）是一个多物理场耦合的全球气候模型,可以模拟全球大尺度范围的气象与环境变化,并以此对气候进行有效的预测。在气候领域CESM是非常重要的气候研究工具,具有广泛商用价值。CESM的主体框架采用开源的高性能软件架构CCSM（The Community Climate System Model）。以CCSM框架为基础,全球科研机构开发出众多带有耦合结构的气候预测软件,该框架包含大气、海洋、陆地、海冰等多个物理分量以及一个用来实现数据交换的耦合器CPL（Coupler）,通过CPL分量与其他物理分量进行微分方程边界数据交换实现边界值的耦合计算。CESM模式的每个分量都包含着复杂的物理化学过程,通过对全球范围内收集的气候数据进行动力学计算,进而模拟全球范围内的气候变化。CESM计算过程复杂,计算所需数据数量庞大,是非常典型的高性能计算应用程序。由于气候系统模式CESM对计算资源高度依赖,所以科研活动经常将其部署到高性能集群上。在模式内部,各分量相互之间有着复杂的耦合计算模式,所以对计算平台的通信、访存和计算性能都带来了巨大的压力,这些因素都影响着整个地球系统模式CESM的运行性能。目前对于CESM的研究工作重点,研究人员多聚焦于对CESM中的某一个气候分量的物理动力学模型的改进或是对某种新的分量的研发,单分量的技术进步明显,但多分量耦合成为了整个程序的性能瓶颈。并且由于高性能集群中通信环境复杂、通信函数并发,难以对通信部分进行建模,所以考虑CPL的通信开销的工作目前几乎没有。因此对于多分量的资源分配优化问题,现有研究多面向各个子分量的资源划分,对于承担重要的计算通信任务的耦合器CPL却鲜有人问津。本文的主要工作包含:（1）通信性能作为影响地球系统模式CESM运行优化的重要参量,本文对耦合器与其他分量的通信行为进行了深度剖析,并通过本文提出的混合多元回归分析模型对整体的耦合器和其他分量通信性能进行了性能建模;（2）在通信性能较为理想的情况下,通信速度受到网络带宽等影响,平台的计算速度障碍成为整个程序的计算性能瓶颈,因此本文提出耦合器独立执行的协同调度方法CPSAS。本文为负责气候系统模式分量通信的耦合器分量分配更多的资源,即将所有的可分配资源固定分配给耦合器CPL,剩下的分量参与调度分配,整个耦合器与其他分量的通信时间累加到地球系统模型软件的整体执行时间中;（3）针对较差的网络通信环境,此时平台的通信性能成为整个地球系统模式的计算性能瓶颈,本文提出耦合器参与排布的协同调度方法CPSAI,选择将耦合器参与到与其他分量的排布策略中,当其他分量与耦合器CPL并行执行时,各分量与耦合器的通信时间将会被隐藏在各个分量的计算时间中,从而优化整个程序。本文的主要贡献包括:（1）本文对CESM中CPL分量与其他分量间通信进行了通信性能建模,能很好的描述各分量与耦合器CPL的通信性能代价,拟合的最低均方差达到0.743;（2）本文所提出的CPSAS算法,在IB网环境中,相比默认模型取得41.35%的性能提升,相比CPSA算法提升7.7%。本文所提出的CPSAI算法可在以太网环境中相比默认模型提升32.43%的性能。（3）本文对比分析了文中提出的耦合器独立执行的协同调度方法CPSAS和耦合器参与排布的协同调度方法CPSAI在实际应用于气候系统模式的实例。

关键词：气候系统模式通信建模资源分配与调度高性能计算

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孕育希望:宏观代际流动性对生育意愿的影响

社会 2024年第1期44卷 178-212页

作者：蔡韦成谢宇北京大学光华管理学院社会研究中心美国普林斯顿大学社会学系

当今中国,子女在家庭中仍处于中心位置,父母对子女福祉的重视会影响其生育决策。本文使用中国综合社会调查(CGSS)2010—2018年数据,考察了宏观社会流动性对生育意愿的影响。研究结果表明,相对流动性与期望子女数显著正相关,主观态度是... 详细信息

当今中国,子女在家庭中仍处于中心位置,父母对子女福祉的重视会影响其生育决策。本文使用中国综合社会调查(CGSS)2010—2018年数据,考察了宏观社会流动性对生育意愿的影响。研究结果表明,相对流动性与期望子女数显著正相关,主观态度是重要的中介影响机制。从子代地位预期与抚育成本预期的视角出发,相对流动性的影响呈负社会经济梯度,但流动性的提升不会抑制高社会阶层的生育意愿;性别差异在社会化视角中被强调,男性受流动性的影响更强,并且流动性与期望男孩数关联更加密切。本研究从宏观层面丰富了对低生育率现象的理解,对从微观层面分析流动效应的研究也有借鉴意义。本文认为,机会公平政策应当作为当下中国生育促进政策的一个重要构成。

关键词：生育意愿代际流动相对流动子女中心主义

基于生成对抗网络的重叠验证码分割与识别方法研究

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基于生成对抗网络的重叠验证码分割与识别方法研究

作者：韦家成北京石油化工学院

学位级别：硕士

验证码,作为实施图灵测试的一种手段,主要目的在于区分用户是人类还是自动化脚本。这一机制在账户的注册、登录及身份验证环节扮演着核心角色,是确保数字互动安全不可或缺的一环。特别是,字符型验证码,以其简便的生成过程及低成本的维... 详细信息

验证码,作为实施图灵测试的一种手段,主要目的在于区分用户是人类还是自动化脚本。这一机制在账户的注册、登录及身份验证环节扮演着核心角色,是确保数字互动安全不可或缺的一环。特别是,字符型验证码,以其简便的生成过程及低成本的维护优势,占据了验证码应用的主流地位。目前,粘连字符验证码,因其字符之间的重叠和粘连,给自动识别带来了显著的难度。然而,随着计算机视觉和图像处理技术的进步,传统的验证码系统面临着越来越大的挑战。近年来随着生成对抗网络的提出,各种复杂的图像处理任务都找到了新思路。通过深入研究字符验证码的识别技术,不仅可以揭示其设计中潜在的弱点,而且能够为提升验证码系统的复杂性和安全性提供指导,进一步筑牢网络空间的防线,为用户构建一个更加安全的在线环境。因此,本文针对重叠字符验证码的分割与识别展开研究。主要的研究内容如下:(1)针对字符验证码中存在的重叠数字与现有的重叠数字分割方法在数字高度重叠的情况下分割精度差的问题,提出了一种能够精确分割的方法——基于生成对抗网络的重叠数字方法。通过引入自注意力机制,让网络学习到图像特征的长距离相关性、更有效地提取图像特征。在训练阶段,使用判别器网络模型对数字相互独立的样本进行学习;将数字重叠的样本作为生成器模型的输入,并使用判别器网络和生成样本与对应标签的误差实现生成器网络的优化。方法的核心在于让生成器学到从数字重叠到数字相互独立的映射关系。实验结果表明,所提出方法在分割重叠数字图像的主客观评价指标均在较高的水平。(2)为了进一步探索验证码重叠字符的高精度分割方法,提出了一种基于生成对抗网络的重叠字母分割方法。其中,引入Inception结构来构建判别器网络模型,引入U-Net结构来构建生成器网络模型。使用多种字母数据集合成重叠字母数据集训练网络。实验结果表明,相比于普通卷积结构,Inception结构引入判别器网络和U-Net结构引入生成器网络,能够进一步提高重叠字母分割精度。(3)与实际应用相结合,将基于生成对抗网络的重叠字符分割方法应用到验证码重叠字符的分割上。由于重叠模式的激增,一些生成对抗网络的分割精度不高。因此,基于Cycle GAN来分割验证码的重叠字符。首先对判别器和生成器的结构进行改进,分别提高判别器的判别能力和生成器的分割能力。其次通过循环一致的思路来训练生成器,学习两种验证码数据的分布。最后利用生成器将带有干扰噪声且存在字符重叠的验证码图片映射成不带干扰噪声且字符相互独立的验证码图片,达到分割验证码重叠字符的目的。实验结果表明,所提出方法可以较好地分割验证码重叠字符,分割图像的主客观评价指标均在较高的水平。

关键词：深度学习生成对抗网络图像处理重叠字符分割字符识别

单层空间网格结构刚性节点的衍生式生成方法研究

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建筑结构学报 2024年第6期45卷 203-212页

作者：刘峰成冯若强吕召能王琨杨洋居永军扬州大学建筑科学与工程学院江苏扬州225127 东南大学混凝土与预应力混凝土结构教育部重点实验室江苏南京211189 江苏扬建集团有限公司江苏扬州225002

单层空间网格结构节点是结构中受力最集中的部位,应具有合理的结构形式和良好的力学性能。目前,国内现有的刚性节点,其种类单一,自重较大,且易出现应力集中,节点品质参差不齐。针对这些问题提出了一种衍生式生成方法,介绍衍生式生成方... 详细信息

单层空间网格结构节点是结构中受力最集中的部位,应具有合理的结构形式和良好的力学性能。目前,国内现有的刚性节点,其种类单一,自重较大,且易出现应力集中,节点品质参差不齐。针对这些问题提出了一种衍生式生成方法,介绍衍生式生成方法的基本原理,给出了其数学模型;基于衍生式生成方法得到了在不同保留质量、施加环向对称约束以及改变保留几何图元种类后的单层空间网格结构刚性节点构型的设计结果;并将所得到的刚性节点构型与传统焊接空心球节点进行静力性能对比分析。结果表明:衍生式生成方法具有较强的探索能力,其所得到的刚性节点造型新颖独特、体态轻盈美观,相比传统焊接空心球节点,质量最大可减少57.1%,最大等效应力最高可下降29.13%,最大位移最多可减少36.36%,可实现单层空间网格结构刚性节点轻质高强、安全美观的多样化设计。

关键词：空间网格结构刚性节点衍生式设计拓扑优化刚性连接

沃柑种植中水肥一体化技术应用推广的实证分析——以广西田东县百城村为例

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数字农业与智能农机 2024年第7期 88-90页

作者：韦召功田东县农业农村局广西百色531500

以广西田东县百城村为例,深入探讨了沃柑种植中水肥一体化技术的应用与推广情况。通过对百城村沃柑种植园区的实地调查与数据分析,发现水肥一体化技术在提高沃柑产量、优化果实品质、减少水资源浪费和降低化肥使用量等方面具有显著效果... 详细信息

以广西田东县百城村为例,深入探讨了沃柑种植中水肥一体化技术的应用与推广情况。通过对百城村沃柑种植园区的实地调查与数据分析,发现水肥一体化技术在提高沃柑产量、优化果实品质、减少水资源浪费和降低化肥使用量等方面具有显著效果。同时,详细阐述了水肥一体化技术在沃柑种植中的具体应用方法,包括灌溉系统的设计、肥料的科学配比与施用等,并分析了该技术在实际操作中的优缺点。研究结果表明,水肥一体化技术在沃柑种植中具有广阔的推广前景,对于促进农业可持续发展、提高农民收入具有积极意义。最后,提出了进一步推广水肥一体化技术的建议,包括加强技术培训、完善政策支持、建立示范园区等。

关键词：水肥一体化沃柑种植技术推广策略种植方式

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对宇宙线能谱变硬现象的研究

天文学报 2024年第5期65卷 37-47页

作者：龙韦成胡皓然吴娟中国地质大学数学与物理学院武汉430074

近年来,随着宇宙线探测技术的不断提高,各空间探测实验对宇宙线粒子进行了高精度测量.其中,在宇宙线原初粒子和次级粒子能谱中,均发现在几百GV处存在能谱变硬特征.特别是,阿尔法磁谱仪2(Alpha Magnetic Spectrometer 2,AMS-2)实验发现... 详细信息

近年来,随着宇宙线探测技术的不断提高,各空间探测实验对宇宙线粒子进行了高精度测量.其中,在宇宙线原初粒子和次级粒子能谱中,均发现在几百GV处存在能谱变硬特征.特别是,阿尔法磁谱仪2(Alpha Magnetic Spectrometer 2,AMS-2)实验发现次级粒子相较原初粒子能谱变硬程度更为显著.目前,导致这一现象的原因还尚未有定论.论文利用AMS-2、反物质探测和轻核天体物理载荷(Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics,PAMELA)、先进成分探测器(Advanced Composition Explorer,ACE)中的宇宙线同位素光谱仪(Cosmic Ray Isotope Spectrometer,CRIS)(ACE-CRIS)以及旅行者1号(Voyager-1)探测器的最新实验数据对这一问题进行了研究.数据包括质子(p)和碳核(C)两种类型的原初粒子能谱以及锂碳比(Li/C)、铍碳比(Be/C)和硼碳比(B/C)3种类型的次级粒子原初粒子能谱比.论文分别假定高能区变硬现象是由发射谱拐折或是扩散拐折两种不同因素所导致,在此基础上对扩散-重加速(diffusionreacceleration,DR)以及扩散-对流(diffusion-convection,DC)两种不同的模型框架进行分析.在各模型框架下,计算结果显示:在低-中能区,各模型扩散指数δ_(L)的最佳估算值在0.41-0.48之间.其中,DR模型所需的δ_(L)值要比DC模型低0.06左右,这说明相较于对流,重加速机制会导致(Li,Be,B)/C在1至几百GeV/n之间的形状变陡.因此,拟合同样的(Li,Be,B)/C数据,DR模型所需的扩散指数更小.在高能区,结合暗物质探测卫星实验(the Dark Matter Particle Explorer,DAMPE)测量的B/C数据,我们发现相较于注入谱的高能拐折效应,DAMPE观测到的B/C高能区硬化现象更倾向于用扩散指数的变化来解释.不管是DR还是DC模型,得到的扩散指数拐折参数△δ都约为-0.19.

关键词：星际介质:宇宙线扩散对流湍流

基于CEEMDAN-VSSLMS的滚动轴承故障诊断

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计算机集成制造系统 2024年第3期30卷 1138-1148页

作者：江莉向世召西安建筑科技大学信息与控制工程学院陕西西安710055

针对传统机械轴承故障诊断模型易受系统噪声干扰、特征识别效率低等问题,提出一种基于信号固有模式深度建模分析的轴承故障诊断方法。首先,将采集到的轴承振动信号进行噪声自适应完全经验模态分解(CEEMDAN),获得不同时间尺度的局部特征... 详细信息

针对传统机械轴承故障诊断模型易受系统噪声干扰、特征识别效率低等问题,提出一种基于信号固有模式深度建模分析的轴承故障诊断方法。首先,将采集到的轴承振动信号进行噪声自适应完全经验模态分解(CEEMDAN),获得不同时间尺度的局部特征信号,使用相关系数判别并去除虚假模态分量,再利用可变步长最小均方算法(VSSLMS)对剩余IMF分量降噪并进行重构;然后,将降噪后的振动信号进行离散小波变换(DWT)得到时频谱图,并利用形态学开运算进行特征增强;最后利用改进GoogLeNet网络模型对特征图进行训练,通过Softmax分类器完成特征归类,从而实现轴承故障诊断。将提出的故障诊断方法应用于不同工况下的轴承故障数据集,试验结果表明,所提方法在噪声干扰下具有较高的诊断精度。

关键词：轴承故障诊断经验模态分解最小均方算法离散小波变换 GoogLeNet模型

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基于空间属性特征的毫米波雷达身体干扰识别

系统工程与电子技术 2024年第10期46卷 3365-3374页

作者：蔡嘉怡初萍庄伦涛阳召成深圳大学电子与信息工程学院广东深圳518000

手势识别中,身体的移动容易被误判为手势动作,对手势识别造成干扰。因此,针对存在的身体干扰问题,提出了基于空间属性特征的身体干扰识别算法。在对毫米波雷达接收信号进行预处理后,首先分别对一维距离像和二维距离角度谱提取一维潜在... 详细信息

手势识别中,身体的移动容易被误判为手势动作,对手势识别造成干扰。因此,针对存在的身体干扰问题,提出了基于空间属性特征的身体干扰识别算法。在对毫米波雷达接收信号进行预处理后,首先分别对一维距离像和二维距离角度谱提取一维潜在目标和二维潜在目标,并对二维潜在目标进行连通域标记。然后,基于潜在目标及连通域提取出用于区分身体干扰和手势目标的空间属性特征。最后,采用支持向量机(support vector machine,SVM)分类器进行身体干扰识别。实验结果表明,所提方法能有效区分身体干扰和手势目标,单帧预测下准确率为97.3%,多帧预测下准确率为98.94%。

关键词：毫米波雷达手势识别身体干扰空间属性特征特征提取

锦屏一级水电站近坝边坡深部裂缝成因及对边坡长期变形的影响

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清华大学学报(自然科学版) 2024年

作者：韦成耀庄文宇王涛高辰锋刘耀儒杨强清华大学水利水电工程系

近坝边坡的稳定性对大坝和水电站运行安全至关重要,锦屏一级水电站投入运行近10年,左岸近坝边坡部分区域变形仍未收敛,其变形机理尚未完全明确。锦屏左岸的深部裂缝对水电站设计期拱坝轴线选择影响较大,而研究深部裂缝成因及对边坡变形... 详细信息

近坝边坡的稳定性对大坝和水电站运行安全至关重要,锦屏一级水电站投入运行近10年,左岸近坝边坡部分区域变形仍未收敛,其变形机理尚未完全明确。锦屏左岸的深部裂缝对水电站设计期拱坝轴线选择影响较大,而研究深部裂缝成因及对边坡变形的影响对边坡和拱坝安全具有重要意义。该文通过数值模拟分析锦屏河谷演化过程中地应力的变化特征,研究深部裂缝形成的影响因素和力学机制。研究结果表明:深部裂缝的形成与河谷下切、左岸边坡复杂地质条件、构造应力密切相关。受上述因素影响,高高程岩体向深部卸荷,在河谷下切后期发生应变能快速释放现象,造成深部岩体发生卸荷破坏形成深部裂缝;低高程岩体虽仅在表层发生卸荷破坏,但随深度增加,主压应力σ1与主拉应力σ3比值减小,且主压应力σ1保持较高量值,使深部岩体发生压剪破坏形成深部裂缝。该文通过分析边坡变形监测资料和河谷演化蠕变计算,研究了深部裂缝与边坡运行期持续变形之间的关系。分析监测资料表明:煌斑岩脉和断层等软弱带是产生边坡运行期变形的主要因素,深部裂缝和构造应力对边坡变形的影响较小。

关键词：锦屏一级岩质边坡深部裂缝河谷演化蠕变