CALYPSO结构预测方法的探索与改进

【摘要】结构是深入理解物质物理和化学性质的基础，是凝聚态物理和材料设计等领域无法回避的重要研究问题。目前实验上常用的物质结构测定手段是X-射线衍射和中子散射，其技术发展较为完善。但仅通过实验测量来确定物质的结构往往面临诸多问题与挑战。例如，由于受实验设备及技术水平、待测样品的纯度、实验所测信号的强弱及环境等影响，可能无法正确解析物质结构。而理论结构预测通常具有高效准确的优势，成为确定物质结构的重要途径。此外，理论结构预测方法不仅可以辅助实验确定物质的结构，而且可以先于实验预测出具有潜在的优良性质的功能材料，对实验合成具有重要的指导意义。在给定物质化学组分的情况下，从理论上预测物质的结构，是国际学术界近些年重点关注的热点问题。国内外多个研究组基于群体智能、遗传算法等全局优化算法发展了一些结构预测方法和软件。其中我们研究组基于粒子群优化算法研发的全局结构搜索软件卡里普索（CALYPSO），凭借其高效的搜索效率脱颖而出，成为众多结构预测软件中杰出典范，被国内外多个研究组广泛应用，备受关注，已成为结构预测领域最为重要的方法之一。本论文基于CALYPSO结构预测方法及程序框架，通过引入新的结构操作和算法来进一步提高CALYPSO程序搜索的效率。具体内容包括：1.对于胞内包含原子数目较多的体系，由于完全随机产生的结构原子分布不均，导致产生物理上合理的初始结构通常效率不高。为了解决这一问题，本文通过将大体系结构划分为若干较小结构单元并利用对称性独立地产生各个小单元的结构，再通过不同的小单元组合得到大体系的结构。测试表明该方法的引入，明显改善了随机产生合理大体系结构效率，该方法产生的结构通过局域优化后更容易过渡到物理上更优的结构，从而提高了CALYPSO结构预测方法搜索到全局最优结构的效率。2.全局粒子群优化算法跨越势垒能力强，收敛快，但由于整个种群在同一最优粒子的引导下，容易出现群集现象，从而导致算法易早熟，搜索精度低的问题；局域粒子群优化算法搜索精度高，但跨越势垒能力相对较弱，收敛慢。综合考虑全局与局域粒子群优化算法的各自优点，引入全局与局域相结合的联合算法（UnifiedPSO）。该算法充分利用全局与局域粒子群优化算法的各自优点，易于保持种群多样性且克服势垒能力强，兼具搜索精度高、算法收敛速度相对较快等优点。3.人工蜂群算法(ArtificialBeeColony,ABC)是近年来新兴的群智能算法，KarabogaD成功将其应用于函数的数值优化问题。即便提出时间短，但ABC算法却被国内外众多学者广泛研究与发展，在仿真及组合优化等众多领域有着广泛而重要的应用。本文在卡里普索（CALYPSO）整体框架基础上，将人工蜂群（ABC）算法引入到结构预测领域。相关测试结果表明，ABC算法在结构预测方面具有出色的效率。
【作者】崔岩；
【导师】马琰铭；王彦超；
【作者基本信息】吉林大学，凝聚态物理，2014，硕士
【关键词】CALYPSO；结构预测；粒子群优化算法；人工蜂群算法；

【参考文献】
[1]上海博科资讯股份有限公司通用产品事业部总经理赵敏.重启商业智能[N].计算机世界,2003/10/27F21.
[2]姚德益.基于等级保护的银行核心网络系统安全防护体系的研究与设计[D].东华大学,计算机技术（专业学位）,2014,硕士.
[3]刘磊.华北地区农村住宅节能保温调查研究[D].燕山大学,建筑与土木工程,2013,硕士.
[4]胡公才.井下炸药库抗冲击波活门和密闭门的设计和应用[J].煤炭科学技术.1991(04)
[5]郝玉伟,王喜莲.开关磁阻电动机转子偏心特性分析[J].微特电机,2014,12:5-8.
[6]杨骏.钢管活性粉末混凝土长柱轴心受压性能研究[D].北京交通大学,桥梁与隧道工程,2013,硕士.
[7]安定宇.国标《石油化工企业设计防火规范》局部修订综述[J].石油化工安全技术.1999(03)
[8]张兴华.基于CBR的硬盘数据恢复咨询式专家系统[D].武汉理工大学,机械工程,2003,硕士.
[9]闵玉婷.马克思产权理论与科斯产权理论比较研究[D].扬州大学,马克思主义基本原理,2012,硕士.
[10]张建宇,叶长青.“教育超市”的个性化授导——基于web的数据挖掘在远程教育中的应用[J].中国教育网络,2005,11:48-50.
[11]徐良明.既有混凝土简支梁桥的加固改造[D].西南交通大学,建筑与土木工程,2013,硕士.
[12]肖艳玲.贵州城镇化与生态环境耦合发展模式研究[D].贵州财经大学,产业经济学,2013,硕士.
[13]翁宇庆.1996年我国炼铁技术进展与1997年的展望[J].钢铁.1997(05)
[14]杜欣.锦州新玛特大型超级市场营销策略研究[D].吉林大学,项目管理,2013,硕士.
[15]张卫玲.中国货币政策的房价传导机制分析[D].宁波大学,金融学,2013,硕士.
[16]陈宽.基于社会建构主义模式的当代大学生外语学习焦虑研究[D].成都理工大学,外国语言学及应用语言学,2013,硕士.
[17]孙立民.我国男装品牌发展策略研究[D].北京交通大学,2013.
[18]黄小龙.古今医家诊治胸痹经验初探[D].北京中医药大学,中医临床基础,2013,硕士.
[19]李群.风险资本对中国中小企业板上市公司作用的研究[D].复旦大学,企业管理,2012,硕士.
[20]张北平.兴业银行零售理财业务发展的现状及建议[D].西南交通大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[21]苏伟.隐身约束的多目标气动外形优化设计[D].西北工业大学,飞行器设计,2004,硕士.
[22]李明新,卫汗青,李希凡,蔡义江,杜春耕,张宝章,沈望舒,段启明,张书才,金元浦,严宽,黄亦工,彭哲愚.“将曹雪芹纪念馆列入人文奥运项目”研讨会[J].红楼梦学刊.2006(03)
[23]狄贵娟.198例弥漫大B细胞淋巴瘤的临床特征及预后分析[D].吉林大学,内科学（专业学位）,2014,硕士.
[24]方丽佳.DHA对2型糖尿病大鼠心肌氧化应激的影响[D].河北医科大学,生物化学与分子生物学,2013,硕士.
[25]秦飞,汪荣贵,梁启香,张冬梅,李想.基于关键特征点的改进TLD目标跟踪算法研究[J].计算机工程与应用.
[26]徐铭杰.基于支持向量机的字符识别系统的研究与实现[D].浙江工业大学,2007.
[27]李斌.二极管泵浦Nd:YVO_4固体激光器谐振腔及耦合系统的研究[D].华中科技大学,光学工程,2013,硕士.
[28]赵贤慧.厌氧水解—生物接触氧化工艺处理低浓度城市污水试验研究[D].武汉科技大学,环境工程,2003,硕士.
[29]刘剑利.聚类分析和主成分回归在工业统计数据中的应用[D].吉林大学,软件工程,2014,硕士.
[30]高鸽.房地产开发企业税务筹划研究[D].吉林大学,会计学,2013,硕士.
[31]毛丽.财产保险中保险标的转让之研究[D].南京大学,民商法,2013,硕士.
[32]陈慧.城市化：产业结构与产业集聚关系研究[D].天津商业大学,政治经济学,2013,硕士.
[33]朱迎红.杭州钱江经济开发区地下空间控制性详细规划研究[D].浙江大学,建筑与土木工程（专业学位）,2012,硕士.
[34]王海伟.齿轮系统自适应多自由度动态特性及结构分析的研究[D].西北工业大学,机械设计及理论,2004,硕士.
[35]赵保安.死缓适用问题研究[D].贵州民族大学,法律,2014,硕士.
[36]丛昕.我国高等教育质量标准体系框架的构建[D].大连理工大学,教育经济与管理,2013,硕士.
[37]谈世栋.机械振动对液态金属表面张力的影响[D].重庆大学,材料加工工程,2014,硕士.
[38]王月梅.视觉语法与关联理论视角下的讽刺漫画寓意解读[D].四川外国语大学,英语语言文学,2014,硕士.
[39]周保刚.压实试验的土槽设计及其应用[D].长安大学,机械工程（专业学位）,2014,硕士.
[40]张建国.基于层次分析法的地铁隧道防排水型式及地铁隧道涌水量预测研究[D].北京交通大学,隧道工程（专业学位）,2013,硕士.
[41]陈林.农村被征用土地和拆迁房屋评估方法比较研究[D].山东大学,资产评估（专业学位）,2013,硕士.
[42]冯雪松.中药指纹图谱模式识别技术的研究[D].沈阳药科大学,2003.
[43]关宇.复合开挖扰动下边坡稳定性评价方法的研究[D].北方工业大学,岩土工程,2013,硕士.
[44]王春霞.黑龙江省农机服务对农民收入影响的研究[D].黑龙江八一农垦大学,农村与区域发展,2014,硕士.
[45]丁瑜.去乙酰化酶3在胃癌中的表达及其临床意义[D].遵义医学院,内科学（专业学位）,2014,硕士.
[46]林世杰.柱面近场天线快速测量系统的研究[D].西安电子科技大学,电磁场与微波技术,2012,硕士.
[47]刘林.现代汉语焦点标记词研究[D].复旦大学,现代汉语语言学,2013,博士.
[48]蒋建华.论民事执行难的原因与对策[D].湖南师范大学,法律（专业学位）,2014,硕士.
[49]周寒筠.伊秉绶书法研究[D].中国美术学院,美术学,2014,博士.
[50]边金霖.产地与加工过程中绿茶香气物质的变化规律研究[D].浙江大学,茶学,2012,硕士.