典型异常扩散网格蒙特卡洛仿真算法及精度分析

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61673388
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    61.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F03.自动化
  • 结题年份:
    2020
  • 批准年份:
    2016
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2017-01-01 至2020-12-31

项目摘要

Anomalous diffusion observed in numerous physical, chemical and biological systems in recent years turns out to be quite ubiquitous which is characterized by a nonlinear behavior for the mean square displacement as a function of time. For anomalous diffusion described by fractional partial differential equation, lattice Monte Carlo (LMC) simulation is an important and effective method when it is difficult to get analytical solutions or necessary to track the trajectory of particles. This proposal suggests to study three typical anomalous diffusions which are widely used in real applications, i.e., the Galilei-invariant fractional diffusion-drift equation, the Galilei-variant fractional diffusion-drift equation, and the modified fractional diffusion equation with two time scales. The first task is to derive the analytical solutions with different initial and boundary conditions, the first passage time distributions (FPT) and the corresponding Laplace transforms. Then the LMC simulation algorithms can be designed and developed based on the theory of continuous time random walk (CTRW). The study attempts to determine if there exists a separable CTRW model with a fixed lattice step in its structure function that is equivalent to the anomalous diffusion distribution in the sense of finite order moments or discrete integral transformations. Both the macroscopic and the microscopic accuracy of the LMC simulation algorithm will be analyzed and verified quantitatively by means of the difference between the higher order moments and the distribution functions respectively with the help of stochastic simulation and numerical calculation. The goal is to reveal partly the microscopic mathematical and physical mechanism and the very nature of the typical anomalous diffusion as well as to provide rigorous mathematical theory and core algorithm for the application of stochastic simulation with high accuracy.
近年来在众多物理、化学、生物系统中观察到的异常扩散已相当普遍,其特征是一个随时间非线性变化的均方位移。对于分数偏微分方程描述的异常扩散,当难以解析求解或明确需要进行粒子追踪时,网格蒙特卡洛仿真就成了一种重要而有效的方法。项目以Galilei可变分数扩散-漂移方程、Galilei不变分数扩散-漂移方程、双时间尺度改进分数扩散方程三种应用较为广泛的典型异常扩散为研究对象,推导不同初始边界条件下的解析解和首次通过时间分布及Laplace变换,基于连续时间随机游走理论设计网格蒙特卡洛仿真算法,探索解决与异常扩散分布的有限阶矩或离散积分变换等价的具有固定网格步长结构函数的可分连续时间随机游走模型的存在判定问题,结合随机仿真和数值计算,通过高阶矩和分布函数差异从宏观和微观上定量分析验证算法精度,从一定程度上揭示典型异常扩散的微观数学物理机制和规律,为高精度随机仿真应用提供严格数学理论和核心算法支持。

结项摘要

本项目以三种典型异常扩散的网格蒙特卡洛仿真算法设计和精度分析为目标,具体开展异常有偏扩散首次通过时间分布的Laplace变换和解析解、基于Galilei分数扩散-漂移方程的异常扩散网格蒙特卡洛仿真算法设计、基于五转移概率的固定时间网格蒙特卡洛算法设计、网格蒙特卡洛仿真算法精度、以及异常扩散网格蒙特卡洛算法在核生化扩散中的应用等几个方面的研究工作。.采用分离变量法和H函数推导得出基于Galilei分数扩散-反映方程的异常扩散首次通过时间分布的Laplace变换和解析解。研究发现单边和双边吸收边界条件下异常扩散的首次通过时间分布之间的关系决定了首次通过时间条件分布。而且,首次通过时间条件分布的比例取决于Péclet数。根据求出的异常扩散首次通过时间分布Laplace变换和解析解,设计了网格蒙特卡洛仿真算法,很好地复现粒子扩散的平均位移和均方位移。研究发现二项运动位移导致的误差呈现一种幂律分布的变化形式。为提高网格蒙特卡洛仿真算法精度,设计了基于五个转移概率的网格蒙特卡洛仿真算法,推导出了转移概率的解析表达式。研究发现五个转移概率的网格蒙特卡洛仿真算法能够准确地复现扩散的前三阶矩。提出了使用偏度来测量网格蒙特卡洛仿真算法精度的方法。研究发现偏度与仿真步长的平方根成反比,并且第一个步长误差取决于Péclet数。.项目研究形成的算法和模型应用于核生化扩散仿真中,有效支撑核生化扩散应急管理与控制研究。

项目成果

期刊论文数量(23)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(4)
专利数量(0)
基于粒子滤波技术的欺骗路径识别研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    系统工程与电子技术
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    蔡子民;鞠儒生;谢旭;王松
  • 通讯作者:
    王松
A hybrid strategy on combining different optimization algorithms for hazardous gas source term estimation in field cases
现场案例中组合不同优化算法的危险气体源项估计的混合策略
  • DOI:
    10.1016/j.psep.2020.02.029
  • 发表时间:
    2020-06
  • 期刊:
    Process Safety and Environmental Protection
  • 影响因子:
    7.8
  • 作者:
    Wang Yiduo;Chen Bin;Zhu Zhengqiu;Wang Rongxiao;Chen Feiran;Zhao Yong;Zhang Laobing
  • 通讯作者:
    Zhang Laobing
基于博弈论的化工园区合作巡逻策略研究
  • DOI:
    10.16182/j.issn1004731x.joss.20-fz0475
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    系统仿真学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    陈斐然;陈彬;朱正秋;邱晓刚;王一多;赵勇
  • 通讯作者:
    赵勇
面向公共卫生的人类空间移动与接触行为模型
  • DOI:
    10.16182/j.issn1004731x.joss.19-0516
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    系统仿真学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    段伟;郭刚;陈彬;段红
  • 通讯作者:
    段红
A Two-Tier Partition Algorithm for the Optimization of the Large-Scale Simulation of Information Diffusion in Social Networks
社交网络信息扩散大规模模拟优化的两层划分算法
  • DOI:
    10.3390/sym12050843
  • 发表时间:
    2020-05
  • 期刊:
    Symmetry-Basel
  • 影响因子:
    2.7
  • 作者:
    Chen Bin;Chen Hailiang;Ning D;an;Zhu Mengna;Ai Chuan;Qiu Xiaogang;Dai Weihui
  • 通讯作者:
    Dai Weihui

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其他文献

2-甲基丁酸对犊牛小肠酶活及葡萄糖转运载体基因表达的影响
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    中国农业科学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王永新;郭刚;霍文婕;张拴林
  • 通讯作者:
    张拴林
作战仿真技术综述
  • DOI:
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  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    系统仿真学报,2004.9
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    黄柯棣;刘宝宏;尹全军;郭刚
  • 通讯作者:
    郭刚
结晶温度对聚乳酸晶体改性和结晶行为的影响
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2012
  • 期刊:
    功能材料
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    徐阳;孙志丹;陈晓浪;郭刚;张志斌;胡书春
  • 通讯作者:
    胡书春
温度感知的MapReduce节能任务调度策略
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    通信学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    于炯;刘继;尹路通;郭刚
  • 通讯作者:
    郭刚
西湖凹陷始新世平湖运动的地质表征及其油气地质意义
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    现代地质
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    祁鹏;郭刚;任亚平;崔敏;王欣
  • 通讯作者:
    王欣

其他文献

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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