物理場的團(tuán)簇識別與分析技術(shù)

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1、中國科學(xué):物理學(xué)力學(xué)天文學(xué)2010年第40卷第8期:992~1000《中國科學(xué)》雜志社SCIENTIASINICAPhys,Mech&Astronwww.scichina.comphys.scichina.comSCIENCECHINAPRESS論文物理場的團(tuán)簇識別與分析技術(shù)*張廣財,許愛國,盧果,莫則堯北京應(yīng)用物理與計算數(shù)學(xué)研究所國家級計算物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100088*E-mail:zhang_guangcai@iapcm.ac.cn收稿日期:2009-11-15;接受日期:2010-03-01國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號:10102010,10775018

2、)、中國工程物理研究院發(fā)展基金(編號:2009A0102005,2009B0101012)和實(shí)驗(yàn)室基金資助項目摘要復(fù)雜構(gòu)型和物理場的理解與規(guī)律提取一直是個難點(diǎn).該文提供了一種團(tuán)簇識別和分析技術(shù),用于各類實(shí)驗(yàn)或模擬研究中的數(shù)據(jù)處理和分析.主要算法如下:采用離散點(diǎn)構(gòu)造面元或體元以分割粒子所在空間;根據(jù)物理場的特征合并相同或相似性質(zhì)的元,從而獲得反映物理場特征的團(tuán)簇結(jié)構(gòu).在算法中,對空間物體(點(diǎn)、線、面、體、團(tuán)簇等)統(tǒng)一采用分級樹數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了對空間物體的兩種快速搜索,搜索算法復(fù)雜性約化到.空間多級樹的建立方法及快速搜索算法是通用的,不依賴于空間維數(shù),可以方便

3、地推廣應(yīng)用于其他領(lǐng)域.作為應(yīng)用實(shí)例,我們將該方法應(yīng)用到二維和三維隨機(jī)數(shù)據(jù)處理,驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性和可靠性.關(guān)鍵詞空間多級樹,快速搜索,復(fù)雜構(gòu)型,動態(tài)物理場,團(tuán)簇識別PACS:05.90.+m,07.05.Kf,07.05.Rm復(fù)雜構(gòu)型和動態(tài)物理場在武器物理、天體物理、性等,在模擬研究中對它們的識別和分析一直是個等離子體物理、材料物理等領(lǐng)域廣泛存在.這些結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié),多年來進(jìn)展緩慢.和場的特性與演化模式?jīng)Q定著相應(yīng)物理系統(tǒng)的各種現(xiàn)有的復(fù)雜構(gòu)型與動態(tài)物理場特征分析方法主性能.例如,界面不穩(wěn)定性極大地限制著慣性約束聚要有均勻物理場背景下小擾動場的線性分析、簡單空[1

4、]變(InerticalConfinementFusion,ICF)裝置的設(shè)計;間分布物理場(如一維不定常流)的特征分析(如特征[2]沖擊波和射流等現(xiàn)象在高能物理是常見的運(yùn)動模線方法、沖擊波結(jié)構(gòu)和射流結(jié)構(gòu)等)以及對粒子模擬[3~5]式;云團(tuán)、星云的分布等是天體物理非常關(guān)注的結(jié)果的物理圖像觀察等.由于這些方法對特征物理問題;在強(qiáng)激光與等離子體相互作用過程中存在著區(qū)的大小、形狀、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、流通量、物理量積分等[6]成團(tuán)、成絲等現(xiàn)象;金屬材料塑性變形過程中位錯特征量缺乏定量計算,所以特征結(jié)構(gòu)區(qū)域的演變過[7]聚集形成的位錯帶結(jié)構(gòu)決定著材料的軟化性.這些程得不到有效追

5、蹤,難以把握特征區(qū)域之間,特征區(qū)結(jié)構(gòu)特征也是理解多尺度物理過程的關(guān)鍵:小尺度與其背景間的消長、轉(zhuǎn)化關(guān)系.的物理規(guī)律決定較大尺度穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的生長、變化及結(jié)特征分析方法的難點(diǎn)集中在兩點(diǎn):(1)如何定義構(gòu)間的相互作用;穩(wěn)定結(jié)構(gòu)演化規(guī)律的描述為更大和描述特征區(qū),(2)如何界定特征區(qū)的空間結(jié)構(gòu).前尺度上的物理建模提供本構(gòu)關(guān)系.由于這些結(jié)構(gòu)的者涉及具體物理系統(tǒng)的演化方式(基本運(yùn)動方程);后特征缺乏周期性、對稱性、空間均勻性和明顯的關(guān)聯(lián)者涉及離散點(diǎn)的幾何結(jié)構(gòu)(區(qū)域的體和邊界).近年來引用格式:張廣財,許愛國,盧果,等.物理場的團(tuán)簇識別與分析技術(shù).中國科學(xué):物理學(xué)力學(xué)天文學(xué),2

6、010,40:992~1000中國科學(xué):物理學(xué)力學(xué)天文學(xué)2010年第40卷第8期[8,9]數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)中聚團(tuán)分析技術(shù)在目標(biāo)識別、規(guī)律“枝”,將此物體放入此枝中;若不能,將邊長持續(xù)加總結(jié)方面有很好的應(yīng)用,其主要關(guān)心的是數(shù)據(jù)集中倍,直到能夠放下此物體為止,這時產(chǎn)生一個“枝”,的目標(biāo)歸類問題.相對來說,物理系統(tǒng)中更關(guān)心團(tuán)簇的將物體放入.到這里,已建立起一棵只包含一個“枝”區(qū)域結(jié)構(gòu)性質(zhì).特征區(qū)域構(gòu)造可以歸結(jié)為空間幾何的“樹”,“樹”上只包含了一個“物體”.圖3以二維空結(jié)構(gòu)的構(gòu)造,其中的關(guān)鍵問題是離散點(diǎn)的連接方式.間中的一個三角形物體為例,給出了原始樹的構(gòu)造[10,11

7、]Delaunay網(wǎng)格具有優(yōu)良的空間近鄰關(guān)系,本工過程.作中,采用Delaunay三角形或四面體作為幾何單元.[12,13]數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計和快速搜索算法是當(dāng)今計算機(jī)軟件工程中的核心問題.用樹結(jié)構(gòu)管理空間分散數(shù)據(jù)在內(nèi)存和快速搜索方面有明顯優(yōu)勢.在天體演化及星系形成研究領(lǐng)域,空間多級樹廣泛用來管理[14,15]空間的質(zhì)量顆粒,實(shí)現(xiàn)顆粒受力的快速計算和星系質(zhì)量分布分析.在本工作中,我們采用空間多級“樹”管理n維空間中的物體,提出了適應(yīng)給定搜索條件的兩種快速搜索算法,在二維和三維空間上實(shí)現(xiàn)了Delaunay空間劃分和團(tuán)簇構(gòu)造.1空間多級樹管理結(jié)構(gòu)圖1二維離散點(diǎn)的多級樹結(jié)

8、構(gòu)的管理區(qū)域空間多級樹已經(jīng)成功應(yīng)用于空