Введение к работе
Актуальность работы. Актуальность темы диссертации обусловлена необходимостью разработки методов оптимизации и систем компьютерного моделирования динамики заряженных частиц в ускоряющих и фокусирующих структурах, играющих важную роль в фундаментальной науке, промышленности, медицине, а также в ряде других отраслей. В настоящее время во всём мире уделяется большое внимание вопросам создания и проектирования электрофизической аппаратуры, использующей пучки заряженных частиц в различных целях. Задача конструирования ускорителей заряженных частиц заключается в создании ускоряющих структур с конструктивными и физическими параметрами, удовлетворяющими заданным ограничениям, и формирующих пучки, обладающие требуемыми или оптимальными в том или ином смысле характеристиками. Для решения данной задачи необходимо проведение численного моделирования и оптимизации динамики пучков, нахождение параметров (управлений) ускорителя, обеспечивающих решение поставленной задачи. Разработка методик поиска таких управлений представляет собой актуальную задачу. Следует отметить, что в настоявшее время существует много программных комплексов моделирования и расчета динамики пучков, заряженных частиц в ускорителях. Однако при решении оптимизационных задач для конкретных ускоряющих структур чаще всего не используют информацию о решении аналогичных задач. В диссертации предлагается для решения задач оптимизации использовать системный подход, основанный на накоплении знаний. Использование накопленной информации об ускоряющих структурах требует создания информационных систем, обеспечивающих расчеты большого числа версий канала ускоряющих структур с использованием распределенных вычислений на высокопроизводительных вычислительных комплексах, а также хранение и обработку большого объема информации о результатах компьютерного моделирования динамики заряженных частиц в ускоряющих структурах. Система должна обладать следующими свойствами: масштабируемость, модульность, гибкость.
Цель и задачи исследования. Целью исследования является автоматизация процесса оптимизации динамики пучков заряженных частиц с использованием высокопроизводительных вычислительных комплексов. Задачи исследования: разработка распределенной информационно-вычислительной системы для анализа динамики пучков заряженных частиц и разработка методического обеспечения для поиска допустимых управлений.
Методы исследования. Методы системного анализа, интеллектуального анализа данных, информационного поиска, построения информационных систем, теории графов, математической теории управления и оптимизации, вычислительной математики, математического моделирования.
Научная новизна. Новыми являются следующие результаты:
предложенный системный подход к задачам оптимизации динамики пучков заряженных частиц;
разработанные методики поиска управлений на основе накопленных знаний для задач оптимизации динамики пучков заряженных частиц;
на основе разработанных программных средств исследована задача оптимизации динамики пучков заряженных частиц в ускорителе с пространственно-однородной квадрупольной фокусировкой.
Практическая ценность работы. Созданная распределенная информационно-вычислительная система может быть использована для моделирования и оптимизации динамики пучков заряженных частиц в различных ускоряющих структурах.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты, представленные в диссертационной работе, используются в учебном процессе, а также при выполнении НИР по тематике диссертационной работы на факультете прикладной математики - процессов управления Санкт-Петербургского государственного университета.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях по высокопроизводительным вычислениям: IV всероссийская научно-техническая конференция «Технологии Microsoft в теории и практике программирования» (МАИ, Москва, 2007), региональная научно-техническая конференция «Применение многопроцессорных суперкомпьютеров в исследованиях, наукоемких технологиях и учебной работе» (ИГТА, Иваново, 2007); по вычислительной физике ускорителей: XV международная конференция "Beam Dynamics & Optimization" (MSU, USA 2008), XIV международная конференция "Beam Dynamics Sz Optimization" (BDO, Санкт-Петербург 2010); процессы управления и устойчивость: Конференция «Процессы управления и устойчивость» Control Processes and Stability (CPS) - 2009; Конференция «Процессы управления и устойчивость» Control Processes and Stability (CPS) - 2010; Семинар, посвященный знакомству с проектом Установки для Антипротонных и Ионных Исследований (FAIR) 2009; Всероссийская конференция «Устойчивость и процессы управления» (ISCP) им. В. И. Зубова - 2010; на научных семинарах на факультете прикладной математики - процессов управления СПбГУ (2008, 2009 и 2010 гг.).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 11 публикациях, список которых приведен в конце автореферата, в том числе 2 работы опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка литературы. Работа изложена на 124 страницах машинописного текста, содержит 42 рисунка. Библиографический список содержит 149 наименований.
Похожие диссертации на Оптимизация динамики пучков заряженных частиц с использованием высокопроизводительных вычислительных комплексов
