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2017年高性能科学计算基础算法与可计算建模重大
日期:2017-05-30 浏览量:

  原标题:高性能科学计算的基础算法与可计算建模重大研究计划2017年度项目指南

  本重大研究计划以实际需求为牵引,从基础研究入手,加强科学计算领域的重要基础科学问题研究,设计高效基础算法,建立满足实际精度要求的可计算模型,提高利用计算机解决科学与工程问题的能力,为前沿科学研究和重大需求提供进一步的科学计算支撑,有力地促进科学计算硬件、软件协调发展,促进数学与其他学科的交叉融合,推动科学计算乃至科学技术的跨越发展。

  一、科学目标

  本重大研究计划围绕基础算法与可计算建模这一主线,开展科学计算的共性高效算法、基于机理与数据的可计算建模和问题驱动的高性能计算与算法评价研究,推动我国高性能科学计算的发展,为解决科学前沿和国家需求中的瓶颈问题提供关键的数值模拟技术和方法支撑。

  二、核心科学问题

  (一) 数值计算的共性高效算法。

  1.微分方程高效高精度的格式构造与分析;

  2.复杂数据处理的快速方法;

  3.不确定与复杂目标函数的优化方法。

  (二)基于机理与数据的可计算建模。

  1.典型物理模型的耦合与分析;

  2.超高维数据的稀疏表达;

  3.机理与数据的混合建模。

  (三)问题驱动的高性能计算与算法评价。

  1.多物理过程耦合条件下的数值模拟与算法评价;

  2.基于数据提取和分析的计算与算法评价;

  3.模型和数据互补的计算与算法评价。

  三、2017年度重点资助研究方向

  2017年度是本重大研究计划实施的第7年,根据前期资助布局和整体发展的需要进入集成升华阶段,主要以集成项目予以资助。集成项目将在前期资助的培育项目和重点支持项目中,从有突破苗头的研究方向中遴选出优秀项目进行整合,为重大研究计划后期的总体集成服务。本年度计划资助的集成方向如下:

  1.细胞异常增殖早期信号的可计算建模

  集成细胞周期的分子调控网络构建、生物分子网络标记物识别、多细胞体系动力学可计算建模、细胞生长代谢与竞争调控机制的研究成果,以模型驱动和数据驱动的研究方式,开展基于细胞生长调控的分子机制与宏观动力学的多尺度计算建模的研究,揭示异常增长早期信号的量化特征,并通过实验数据等验证建模和算法的置信度。

  2.非线性特征值计算的方法与应用

  针对微观物质结构数值模拟中的非线性偏微分算子特征值问题,发展适应E级计算机的高可扩展自适应计算方法和高效非线性迭代法,研究其可靠性与有效性的数学理论,为微观物质结构模拟软件提供新型高效算法,并通过典型问题(如钚表面氧化老化问题)的求解验证算法的有效性。

  3.致密油气储层地球物理表征与甜点检测

  针对致密油气储层的地震波响应与甜点(sweet spot)检测等科学问题,建立具有强间断面、强空间非均质性等特点的致密油气储层中地震波的控制方程,并提出高效高精度数值求解方法,解决致密油气储层甜点的地球物理参数表征、储层空间展布与岩性物性反演、地震数据表示与特征提取、波场/地震数据的稀疏表示与重建等问题,选择我国典型目标区进行应用验证,使甜点预测的成功率显著提高。

  4.高维数据中的非线性分类与降维

  针对高维数据中线性不可分的分类问题及非线性降维问题,探索迹比率优化方法在分类问题中的应用,研究非线性低维流形的识别及建模方法,发展求解相关非线性特征值问题、谱聚类稀疏模型的高效算法,结合实际数据验证模型与算法的有效性。

  5.大气科学中数据同化的数学理论与方法

  针对大气预报微分方程模式(型)中给定测量数据不足和噪声扰动的困难,研究基于预测和分析的数据同化的数学理论与方法。围绕背景场协方差矩阵的构造与高效计算,解决变分资料同化中罚项权重的有效选取、多参数优化和非光滑参数重建等问题。结合观测偏差订正和观测误差优化等关键问题,验证算法的有效性,提高从卫星遥感数据中反演的温度和湿度参数精度,改进数值天气预报的准确性。

  6.飞机优化设计的基础算法及其验证

  针对飞机结构十万量级以上设计变量优化敏度分析中导致的大型稀疏代数系统,发展高效的并行求解方法,大幅提升敏度解析分析的计算效率;针对全机弹性气动力及平衡载荷的静气动弹性耦合系统,研究基于气动高阶面元法的三维气动/结构直接耦合的高效算法,显著提高弹性气动力和弹性载荷计算精度和效率;结合大展弦比飞机型架外形设计对上述算法进行应用验证。

  四、2017年度资助计划

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