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An effective genetic algorithm to VDA with discontinuous “on-off” switches

Science China Earth Sciences 2012年第3期55卷 1345-1357页

作者： ZHENG Qin sha jianxin FANG ChangLuan Institute of Science PLA University of Science and TechnologyNanjing 211101China State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics(LASG)Institute of Atmospheric Physics Chinese Academy of SciencesBeijing 100029China Oceanic Hydrometeorological Center of the South Sea Navy Fleet Zhanjiang 524001China

With more and more improvements of atmosphere or ocean models,a growing number of physical processes in the form of parameterization are incorporated into the models,which,on the one hand,makes the models capable of describing the at-mospheric or oceanic movement more precisely,and on the other hand,introduces non-smoothness in the form of "on-off" switches into the models."On-off" switches enhance the nonlinearity of the models and finally result in the loss of the effec-tiveness of variational data assimilation(VDA) based on the conventional adjoint method(ADJ).This study,in virtue of the optimization ability of a genetic algorithm(GA) for non-smooth problems,presents a new GA(referred to as GA NEW) to solve the problems of the VDA with discontinuous "on-off" *** the GA-NEW,adaptive selection and mutation oper-ators,blend crossover operator,and elitist strategy are combined in *** order to verify the effectiveness and feasi-bility of the GA NEW in VDA,an idealized model of partial differential equation with discontinuous "on-off" switches in the forcing term is adopted as the governing *** comparison with the ADJ,it is shown that the GA NEW in VDA is more effective and can yield better assimilation *** addition,VDA experiments demonstrate that the performance of a GA is greatly related to the configuration of genetic operators(selection,crossover and mutation operators) and much better results may be attained with more proper genetic ***,the robustness of the GA NEW to observational noise,model errors and observation density is investigated,and the results show that the GA NEW has stronger robustness than the ADJ with respect to all the three observation noises,model errors,and sparse observation.

关键词： variational data assimilation "on-off" switches genetic algorithm

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A Variant Constrained Genetic Algorithm for Solving Conditional Nonlinear Optimal Perturbations

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Advances in Atmospheric Sciences 2014年第1期31卷 219-229页

作者： ZHENG Qin sha jianxin SHU Hang LU Xiaoqing Institute of Science PLA University of Science and Technology State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics Institute of Atmospheric Physics Chinese Academy of Sciences Troop 94906 People's Liberation Army

A variant constrained genetic algorithm （VCGA） for effective tracking of conditional nonlinear optimal perturbations （CNOPs） is presented. Compared with traditional constraint handling methods, the treatment of the constraint condition in VCGA is relatively easy to implement. Moreover, it does not require adjustments to indefinite pararneters. Using a hybrid crossover operator and the newly developed multi-ply mutation operator, VCGA improves the performance of GAs. To demonstrate the capability of VCGA to catch CNOPS in non-smooth cases, a partial differential equation, which has ＂on off＂ switches in its forcing term, is employed as the nonlinear model. To search global CNOPs of the nonlinear model, numerical experiments using VCGA, the traditional gradient descent algorithm based on the adjoint method （ADJ）, and a GA using tournament selection operation and the niching technique （GA-DEB） were performed. The results with various initial reference states showed that, in smooth cases, all three optimization methods are able to catch global CNOPs. Nevertheless, in non-smooth situations, a large proportion of CNOPs captured by the ADJ are local. Compared with ADJ, the performance of GA-DEB shows considerable improvement, but it is far below VCGA. Further, the impacts of population sizes on both VCGA and GA-DEB were investigated. The results were used to estimate the computation time of ~CGA and GA-DEB in obtaining CNOPs. The computational costs for VCGA, GA-DEB and ADJ to catch CNOPs of the nonlinear model are also compared.

关键词： genetic algorithm conditional nonlinear optimal perturbation "on-off" switch adjoint rrtethod

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On the Application of a Genetic Algorithm to the Predictability Problems Involving "On-Off" Switches

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Advances in Atmospheric Sciences 2012年第2期29卷 422-434页

作者： ZHENG Qin DAI Yi ZHANG Lu sha jianxin LU Xiaoqing Institute of Science PLA University of Science and TechnologyNanjing 211101 State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics Institute of Atmospheric PhysicsChinese Academy of SciencesBeijing 100029

The lower bound of maximum predictable time can be formulated into a constrained nonlinear opti- mization problem, and the traditional solutions to this problem are the filtering method and the conditional nonlinear optimal perturbation （CNOP） method. Usually, the CNOP method is implemented with the help of a gradient descent algorithm based on the adjoint method, which is named the ADJ-CNOP. However, with the increasing improvement of actual prediction models, more and more physical processes are taken into consideration in models in the form of parameterization, thus giving rise to the on–off switch problem, which tremendously affects the effectiveness of the conventional gradient descent algorithm based on the ad- joint method. In this study, we attempted to apply a genetic algorithm （GA） to the CNOP method, named GA-CNOP, to solve the predictability problems involving on–off switches. As the precision of the filtering method depends uniquely on the division of the constraint region, its results were taken as benchmarks, and a series of comparisons between the ADJ-CNOP and the GA-CNOP were performed for the modified Lorenz equation. Results show that the GA-CNOP can always determine the accurate lower bound of maximum predictable time, even in non-smooth cases, while the ADJ-CNOP, owing to the effect of on–off switches, often yields the incorrect lower bound of maximum predictable time. Therefore, in non-smooth cases, using GAs to solve predictability problems is more effective than using the conventional optimization algorithm based on gradients, as long as genetic operators in GAs are properly configured.

关键词： predictability on–off switch conditional nonlinear optimal perturbation (CNOP) genetic al- gorithm (GA)

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条件非线性最优扰动和繁殖向量相结合的一种集合预报方法

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科学通报 2017年第21期62卷 2392-2398页

作者：周仕政郑琴沙建新解放军理工大学理学院解放军94906部队

集合初始扰动的好坏对集合预报效果有着至关重要的影响.为了产生能够捕捉到初始场不确定性的初始扰动,在不考虑模式误差的情况下,用Lorenz-96模式探讨了条件非线性最优扰动(conditional nonlinear optimal perturbation,CNOP)在集合预... 详细信息

集合初始扰动的好坏对集合预报效果有着至关重要的影响.为了产生能够捕捉到初始场不确定性的初始扰动,在不考虑模式误差的情况下,用Lorenz-96模式探讨了条件非线性最优扰动(conditional nonlinear optimal perturbation,CNOP)在集合预报中的应用,并与传统的增长繁殖模方法(breeding of growing mode,BGM)进行了比较.发现用CNOPs代替2L范数较大的繁殖向量(breeding vectors,BVs)的集合预报技巧明显高于BGM方法.在分析误差是快速增长型扰动的条件下,新方法对预报结果的改善幅度随预报时间的延长而增大,特别是在中期预报范围(6~14 d)内,改善效果更加明显.按照通常距平相关系数(ACC)不小于0.6则视为有效预报的标准,新方法和BGM方法得到的集合预报相对于参照预报而言,都能够将有效预报时间延长4 d左右.

关键词：集合预报条件非线性最优扰动繁殖向量预报技巧

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几种约束优化算法求解含“开关”过程的条件非线性最优扰动的比较

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大气科学学报 2017年第2期40卷 273-279页

作者：郑琴叶飞辉沙建新李能海解放军理工大学理学院辽宁大连93392部队江苏苏州94906部队

求解条件非线性最优扰动(Conditional Nonlinear Optimal Perturbation,CNOP)属约束最优化问题,一般采用基于伴随模式提供梯度信息的约束优化算法(简称ADJ)进行求解。当优化问题涉及不连续的"开关"过程时,传统优化算法的寻优能力会受到... 详细信息

求解条件非线性最优扰动(Conditional Nonlinear Optimal Perturbation,CNOP)属约束最优化问题,一般采用基于伴随模式提供梯度信息的约束优化算法(简称ADJ)进行求解。当优化问题涉及不连续的"开关"过程时,传统优化算法的寻优能力会受到较大的影响。近年来遗传算法(Genetic Algorithm,GA)因其在非光滑优化问题中的鲁棒性备受关注,但GA的性能不仅与优化问题有关,还取决于遗传算子的配置。本文将一种新的约束GA(GA1)用于求解CNOP,并对GA1,ADJ及具有不同遗传算子配置的约束GA(GA2)求解含"开关"过程的CNOP时的性能进行了比较。数值试验结果显示,GA1和GA2的全局寻优能力明显优于ADJ,后者易于陷入局部最优;对于不同的初猜值(不同的初始种群),GA1求解的CNOP能够保持一个较为一致的空间结构,ADJ求解的CNOP呈现了明显的两种结构,一种代表的是全局CNOP,一种是局部CNOP。通过验证不同遗传策略对优化结果的影响发现,对不同的优化问题,采用合适的遗传策略以及合适的参数设置是获取更好优化结果的一种有效途径。

关键词：遗传算法条件非线性最优扰动 “开关”过程

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动态权重粒子群算法在含“开关”过程四维变分资料同化中的有效应用

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气象科技 2013年第2期41卷 286-293页

作者：郑琴叶飞辉沙建新王勇解放军理工大学理学院解放军93392部队解放军94906部队

粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO)由于其编码简单,易于实施而发展迅速,PSO的性能取决于两个重要因素:惯性权重和学习因子。通过合理设计这两个参数,将动态权重的PSO应用于含有不连续"开关"过程的变分资料同化。为检验... 详细信息

粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO)由于其编码简单,易于实施而发展迅速,PSO的性能取决于两个重要因素:惯性权重和学习因子。通过合理设计这两个参数,将动态权重的PSO应用于含有不连续"开关"过程的变分资料同化。为检验算法的有效性,针对一个简化的含不连续开关过程的偏微分方程,操作了3种比较同化数值试验,即基于传统伴随方法,遗传算法(GA)和动态权重的PSO的变分同化。结果显示,当控制方程含有开关时,使用PSO的变分同化结果的质量上明显优于其他两种方法,且PSO的性能更加稳定。对观测误差及模式误差的敏感性试验结果显示PSO方法具有更强的鲁棒性。PSO同化的效果与算法中参数的选取有关,采用好的参数设置能获得更好的同化结果。

关键词：资料同化粒子群优化算法 “开关”

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一种新的遗传策略在含“开关”过程的集合预报中的有效应用

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江南大学学报（自然科学版） 2014年第1期13卷 49-54页

作者：叶飞辉沙建新李能海杨嵩解放军93392部队解放军94906部队

针对初值及模式的不确定性,进行了初值扰动集合预报和模式扰动集合预报。在初值扰动集合预报中,将一种新的遗传策略用于四维变分资料同化生成集合预报的分析场,求解条件非线性最优扰动,并结合第二、第三主奇异向量(SVs)生成集合预报的... 详细信息

针对初值及模式的不确定性,进行了初值扰动集合预报和模式扰动集合预报。在初值扰动集合预报中,将一种新的遗传策略用于四维变分资料同化生成集合预报的分析场,求解条件非线性最优扰动,并结合第二、第三主奇异向量(SVs)生成集合预报的初始扰动。为了检验该方法的有效性,采用一个含"开关"过程的偏微分方程的预报模式,设计了3种比较数值试验方案。结果表明:采用第3方案的集合预报在预报技巧上明显高于其他两种方案。第2方案和第1方案相比,由于"开关"的影响,集合预报技巧提高并不明显。在模式扰动集合预报数值实验中,为了模拟模式的不确定性,在控制方程右端添加6个随机的误差项模拟由于物理参数化方案的不同而带来的模式扰动,采用新的遗传策略在扰动模式中同化出6个对应于扰动模式的分析场后进行集合预报,并与基于伴随技术的方法进行比较。结果表明,基于遗传算法的扰动模式集合预报的预报技巧明显优于伴随方法,且这种优势随着预报时间的增加愈发明显。

关键词：条件非线性最优扰动集合预报奇异向量

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空化水喷丸表面改性技术研究进展综述

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航空制造技术 2024年第9期67卷 51-61页

作者：罗健鑫王彦菊崔敏超姚倡锋沙爱学张定华西北工业大学航空发动机高性能制造工业和信息化部重点实验室西安710072 中国航发北京航空材料研究院应用评价中心北京100095

空化水喷丸是一种利用空化现象产生的巨大能量冲击材料表面,对零件进行强化的表面改性技术。因其对诸多金属材料都具有强化作用,而被广泛应用于改善零件的表面状态,形成残余压应力层,延长零件的疲劳寿命。主要从基本原理、试验设备和研... 详细信息

空化水喷丸是一种利用空化现象产生的巨大能量冲击材料表面,对零件进行强化的表面改性技术。因其对诸多金属材料都具有强化作用,而被广泛应用于改善零件的表面状态,形成残余压应力层,延长零件的疲劳寿命。主要从基本原理、试验设备和研究现状3个方面对水射流空化喷丸(WJCP)、超声空化喷丸(UCP)和激光空化喷丸(LCP)进行了介绍,并从理论和试验等方面总结了不同类型金属材料进行空化水喷丸后其残余压应力、粗糙度和疲劳寿命等方面的变化情况。在上述研究内容的基础上,结合空化水喷丸技术的优势,对空化水喷丸今后的发展方向和应用前景进行了展望。研究表明,空化水喷丸技术作为一种新型的表面强化技术,具有独特的优势和广阔的发展前景。

关键词：空化现象喷丸水射流空化超声空化激光空化

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Preparation of New Cementitious System using Fly Ash and Dehydrated Autoclaved Aerated Concrete

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Journal of Wuhan University of Technology(Materials Science) 2014年第4期29卷 726-732页

作者：水中和 LU jianxin TIAN Sufang SHEN Peiliang DING sha State Key Laboratory of Silicate Materials for Architectures Wuhan University of Technology School of Materials Science and Engineering Wuhan University of Technology

We experimentally studied the interaction between pozzolanic material（fly ash） and dehydrated autoclaved aerated concrete（DAAC）. The DAAC powder was obtained by grinding aerated concrete waste to particles fi ner than 75μm and was then heated to temperatures up to 900 ℃. New cementitious material was prepared by proportioning fly ash and DAAC, named as AF. X-ray diffraction（XRD） was employed to identify the crystalline phases of DAAC before and after rehydration. The hydration process of AF was analyzed by the heat of hydration and non-evaporable water content（Wn）. The experimental results show that the highest reactivity of DAAC can be obtained by calcining the powder at 700 ℃ and the dehydrated products are mainly β-C2 S and CaO. The cumulative heat of hydration and Wn was found to be strongly dependent on the replacement level of fl y ash, increasing the replacement level of fl y ash lowered them in AF. The strength contribution rates on pozzolanic effect of fl y ash in AF are always negative, showing a contrary tendency of that of cement-fl y ash system.

关键词： dehydrated autoclaved aerated concrete pozzolanic reaction heat of hydration nonevaporable water content strength contribution rate

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张家口崇礼区森林生物多样性及其垂直分布格局

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中南民族大学学报（自然科学版） 2024年第3期43卷 326-331页

作者：冯舒芮成莉莉张珊珊石莎夏建新中央民族大学生命与环境科学学院北京100081

选择张家口崇礼区东部山林,沿海拔高度设置样地,开展森林植被组成结构调查,分析其植被特征和生物多样性沿海拔高度的垂直分布规律.结果表明:森林植被类型以白桦为优势种的落叶阔叶林为主,随着山地海拔升高,逐渐演变为以华北落叶松为优... 详细信息

选择张家口崇礼区东部山林,沿海拔高度设置样地,开展森林植被组成结构调查,分析其植被特征和生物多样性沿海拔高度的垂直分布规律.结果表明:森林植被类型以白桦为优势种的落叶阔叶林为主,随着山地海拔升高,逐渐演变为以华北落叶松为优势种的针叶林和针叶阔叶混交林.森林木本植物的物种多样性沿海拔高度呈现出先升高、后降低的变化趋势,多样性最大值区域位于海拔1900 m;森林物种丰富度主要受灌木层物种变化的影响.森林地表枯落物在海拔1500 m和1900 m样地积累较多,乔木植物对地表枯落物的贡献较大.

关键词：森林植被物种多样性生活型地表枯落物垂直分布

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