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期刊信息/Journal information
中国科学（物理学 力学 天文学）
中国科学（物理学 力学 天文学）

王鼎盛 张杰

月刊

1674-7275

Physics@scichina.org

010-64015835

100717

北京东黄城根北街16号

中国科学（物理学 力学 天文学）/Journal SCIENTIA SINICA Physica,Mechanica & AstronomicaCSCD北大核心CSTPCD
查看更多>>《中国科学》是中国科学院主办、中国科学杂志社出版的自然科学专业性学术刊物。《中国科学》任务是反映中国自然科学各学科中的最新科研成果，以促进国内外的学术交流。《中国科学》以论文形式报道中国基础研究和应用研究方面具有创造性的、高水平的和有重要意义的科研成果。在国际学术界，《中国科学》作为代表中国最高水平的学术刊物也受到高度重视。国际上最具有权威的检索刊物SCI，多年来一直收录《中国科学》的论文。1999年《中国科学》夺得国家期刊奖的第一名。
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    SKA区域中心数据处理系统和科学应用专题·编者按

    安涛
    1页
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    中国SKA区域中心跨洲际高速数据传输进展及展望

    郭绍光安涛徐志骏劳保强...
    2-16页
    查看更多>>摘要：平方公里阵列(Square Kilometre Array,SKA)作为最大的射电望远镜,其观测产生的数据将首先由澳大利亚和南非两个台址传输到几百公里以外的科学数据处理中心,然后通过跨洲际高速互联网分发到上万公里距离的全球各个SKA区域中心(SKA Regional Centre,SRC).在SKA第一阶段,每年预计有710 PB的数据需要通过至少100Gbps的网络分发到各个SRC,如此高的网络带宽和数据规模对数据的传输与分发带来极大挑战.本文通过对TCP/UDP/HTTP等多种网络协议的分析,使用当前射电天文领域不同的软件测试研究了当前10 Gbps网络基础设施下的最佳传输方案参数,讨论了影响高速传输的因素,提出了相应的性能优化策略.这将为中国在SKA第一阶段正式观测前的网络建设和布局提供技术基础,也是未来SKA区域中心全球联网运行的技术积累.本文所描述的技术细节和方法对依赖大数据量跨国际节点交互的相关科学应用至关重要.

    平方公里阵列SKA区域中心高速网络数据传输

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    SKA低频成像管线并行优化

    韦建文张晨飞劳保强林新华...
    17-31页
    查看更多>>摘要：平方公里阵列(Square Kilometre Array,SKA)射电望远镜的数据处理是通过管线方式进行的,管线的执行效率是SKA区域中心考虑的重要因素.连续谱成像观测是SKA的主要观测模式之一,也是许多科学工作的基础.本文以SKA低频先导设备(Murchison Widefield Array,MWA)的成像管线为例,在中国SKA区域中心原型机(China SKA Regional Centre Prototype,CSRC-P)上进行并行处理管线优化.以往的优化方案都集中在少数性能热点,缺乏对整体管线的系统优化,导致整体加速比相对较低.针对这一问题,本文提出一种全局优化方案,针对管线使用多种编程语言和图像数据可独立处理的特点,综合使用C++多线程、Python多进程和Shell多任务并行等优化方法,并验证了优化结果的准确性.实验表明,优化后的代码在CSRC-P的x86节点和ARM(Advanced RISC Machine)节点上分别获得了2.7和2.4倍加速,运行时间分别从7479和9666 s,降低为2759和4061 s.ARM计算节点展现出对SKA应用良好的适应性.本文的优化策略和方法也适用于其他SKA科学应用,对SKA先导望远镜的科学运行和未来的运行也有帮助.

    平方公里阵列低频成像高性能计算并行优化

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    面向SKA1时代的科学数据流及阵列模拟分析

    郭绍光陆扬安涛劳保强...
    32-43页
    查看更多>>摘要：作为下一代射电望远镜,平方公里阵列望远镜(Square Kilometre Array,SKA)经过多年的筹备,第一阶段(SKA Phase 1,SKA1)已经在2021年7月开工建设,SKA1正式运行后预计每年将产生710 PB的科学归档数据,这些数据将存储在世界各地的SKA区域中心供科研工作者使用.本文将SKA观测台站、中央信号处理器、科学数据处理及区域中心等各个阶段的模型进行量化分析,以SKA1的高优先级科学观测为主要依据,得出每个阶段的数据流评估情况,以及对科学数据处理算力的需求.以当前SKA1-low和SKA1-mid的阵列为例,总结了包括分辨率、灵敏度和UV(Ultraviolet)覆盖等影响干涉阵列布局的关键因素;最后使用OSKAR(Oxford SKA Radio Telescope Simulator)进行干涉阵列的数据模拟,通过对SKA1-mid的模拟得出系统的可扩展性和稳定性,通过对SKA1-low在CSRC-P上的模拟,可以看出中国SKA区域中心原型机设计经过了充分的论证和优化,并得出了详细的算力需求以及数据量的详细信息.SKA对数据处理、计算和存储等的需求,将需要电子、通信、信息、计算机等技术和交叉学科的联合推动.

    平方公里阵列数据模拟综合孔径数据格式

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    一个面向原始数据搜寻的快速射电暴数据集

    徐志骏安涛郭绍光劳保强...
    44-55页
    查看更多>>摘要：快速射电暴是目前国际天文学新兴前沿热点,随着海量观测数据带来的处理和分析的挑战,亟需开展快速射电暴信号智能搜寻和甄别的研究.为了加速快速射电暴搜寻研究,开发了 一套基于机器学习的快速射电暴数据集,它可以训练机器学习算法以搜寻原始数据中的快速射电暴.目前数据集有8020个快速射电暴、4010个背景噪声和4010个射频干扰仿真图像,这些图像是根据开放的快速射电暴观测结果构建的,并可根据需要扩展数量.本研究旨在为最先进的人工智能算法提供开源数据集,以测试和比较快速射电暴识别算法.该数据集为卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)和经典机器学习算法提供图像和numpy格式的文件.数据集可以实现快速射电暴和非快速射电暴分类,或快速射电暴、射频干扰和背景噪声分类.在本例中,使用有预训练模型的31种经典CNN算法.在快速射电暴/非快速射电暴分类中,第一个历元训练中达到90％以上的准确率,在真实数据测试中达到99.8％的最大准确率.

    快速射电暴机器学习数据集卷积神经网络射频干扰

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    射电脉冲星搜索的优化方法

    韦建文张晨飞张仲莉余婷...
    56-71页
    查看更多>>摘要：天文学计算通常具有数据量大、计算量多的特点.平方公里阵列射电望远镜(Square Kilometre Array,SKA)等装置的建设和高性能计算平台的发展促进了天文学与高性能计算之间的联系.脉冲星搜索是SKA的主要科学方向之一.本文介绍了 一种基于OpenMP多线程和Multiprocessing多进程技术加速脉冲星搜索管线的方案,提出了 一种解决负载不平衡问题的方法,并成功地将优化后的管线安装于中国SKA区域中心原型机的x86和ARM计算节点.在默奇森大视场阵列望远镜(Murchison Widefield Array,MWA)的3个脉冲星搜索样例上的测试显示,与原始单核心管线相比,优化后的管线在x86和ARM节点上分别获得10.4-12.2倍和24.5-25.8倍的加速,并行效率达到37.1％-43.6％和24.5％-26.9％.并且ARM节点比x86节点的计算快1.1-1.3倍,显示出国产计算设备在SKA数据处理方面的巨大潜力.这项应用优化成果,近期将用于加速MWA南天快速两米巡天(Southern-sky MWA Rapid Two-metre,SMART)项目的脉冲星搜寻工作.

    平方公里阵列脉冲星脉冲星搜索高性能计算并行优化

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    中国SKA区域中心原型系统——软件平台

    劳保强张迎康安涛徐志骏...
    72-89页
    查看更多>>摘要：平方公里阵列(Square Kilometre Array,SKA)射电望远镜将在多个科学方向取得革命性的突破,而SKA软件系统是影响科学产品的关键因素之一.SKA区域中心是天文学家进行SKA数据分析、科学研究和学术交流的平台.处理SKA科学数据的软件环境需要具备通用性、灵活性和高适应性.中国科学家已经建成了中国SKA区域中心原型机,部署了被大型超级计算机广泛使用的作业调度系统,并安装了能够处理当前主流射电望远镜观测数据的天文软件,还部署了多个科学数据处理管线,以方便不同科学方向的观测数据的自动化并行处理.本文介绍了中国SKA区域中心原型机的软件平台和处理SKA先导望远镜数据的管线,包括低频连续谱成像管线、谱线成像管线以及甚长基线干涉测量数据处理管线.国内外用户已经基于该平台成功开展了SKA相关科学研究.该平台的建设和运行为未来全面建设中国SKA区域中心提供了宝贵的实践经验.

    平方公里阵列区域中心软件平台科学数据处理管线

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    基于两光子偏振-空间模超纠缠态的高容量的量子秘密共享协议

    刘锋杨宇光
    90-96页
    查看更多>>摘要：基于两光子偏振-空间模超纠缠态,本文提出了一种可行的高容量三方量子秘密共享协议.秘密所有者Alice制备偏振-空间模超纠缠光子对并分别分发给两个代理人Bob和Charlie.两个代理人利用空间模纠缠辅助的非局域完全Bell态分析技术,通过协作可以明确区分Alice的偏振Bell态.仅需线性光学元件来构造代理人的测量设备,这使得该协议在实验实现时更可行.与现有基于两光子纠缠的量子秘密共享协议相比,本方案不需要双向量子通信,且由于一个偏振-空间模超纠缠光子对可传输两个比特的信息,因此具有更高的容量.纠错和秘密放大技术保证了所提出的量子秘密共享协议是安全和可靠的.

    量子密码学量子秘密共享超纠缠偏振-空间模

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    超临界CO2渗流的流-固-热多场耦合机理研究

    白冰陈勉金衍
    97-109页
    查看更多>>摘要：页岩地层遇水易发生黏土矿物膨胀、分散等水化现象,导致常规水基钻井液、压裂液作用下易发生井壁失稳或压裂增产效果差等难题.超临界CO2可以有效避免黏土矿物水化和地层物性损伤,基于此,学者们开展了利用超临界CO2开发页岩油气资源的基础研究.超临界CO2的物性随温度、压力变化较大,描述水基流体渗流过程中的多物理场耦合模型不适用于描述超临界CO2渗流.为建立适用于描述超临界CO2开发油气资源过程中的多物理场耦合特征模型,本文在考虑CO2的运移特性和热力学特性的基础上,结合超临界CO2对页岩力学特性影响规律,构建了超临界CO2渗流条件下的流-固-热多场耦合模型,基于有限元数值计算方法研究了超临界CO2渗流条件下的地层温度、孔隙压力和地层应力的时空分布规律,同时与水基钻井液渗流条件下的多物理场进行了对比分析.计算结果表明:在相同时间和井周方位的情况下,相比于水渗流,超临界CO2渗流条件下的地层温度变化更大,孔隙压力更低,最小水平地应力方向的井周应力差更大,最大水平地应力方向的周向应力更小.该研究可为开展超临界CO2钻井的井壁稳定性分析、超临界CO2压裂设计和评价提供理论基础.

    页岩超临界CO2流-固-热多场耦合应力分布

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    主小行星带对火星轨道长期动力学影响评估

    刘山洪吴正楷曹建峰鄢建国...
    110-118页
    查看更多>>摘要："天问一号"任务的成功实施标志着我国正迈向月球以外更远的深空,面临着更为复杂的空间动力学环境,探测难度将不断增大.小行星带毗邻火星,不完全考虑其产生的摄动会严重影响火星轨道动力学参数解算精度,进而间接影响太阳系历表构建和高精度火星探测任务实施.为研究主带小行星动力学影响,本文先分析了主带小行星的分布特性,建立了太阳系动力学积分环境,结果表明:除火星外的内太阳系行星轨道积分10年与DE421的差异小于15 m,火星轨道积分差异约百米量级.基于点质量模型、单环模型和最新六环模型估算了其对火星轨道的影响,积分10年误差分别约为2km,31.3 m,2m.最后讨论了环模型与太阳系行星轨道参数共同解算情况,证实了环模型参数修正后火星距离观测量残差理论上可进一步降低至亚米级,同时发现仅利用距离观测量行星初始轨道根数在Z轴方向上解算误差较大.

    主带小行星火星历表太阳系动力学模型

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