基于马氏随机场与实体纹理合成的水泥水化过程反向建模研究

Computer modeling and simulation for cement hydration and microstructure evolution have been proven to be a useful tool for understanding the chemical mechanism of cement hydration, predicting the properties of hydration process, researching the relationship between microstructure and performance and improving the design of high performance cement material. However, due to the extreme complexity of the cement hydration process, it has not been found that the real or close to the real microstructure which reflects the distibution of phases. Furthermore, pepole failed to establish the real 3D microstructure's simulation method for hydration process, and also failed to find an kinetics system aims to accurate describe the complete change of phase, strength development, evolution of various indicators and their relationship. Based on obtained data, this project will explore building a close to the real microstructure simulation system for cement hydration. First, synthesize 3D microstructure with phase distributation using solid texture synthesis. Then, analyse this microstructure using markov random field. Finally, reverse extract the kinetics of parameters of markov random field in the environment of domestic architecture based petaflop supercomputer. Taking this kinetics system as the core, build a cement hydration simulation system based on markov random field and solid texture synthesis. Simulate the phase change, produce highly realistic 3D microstructure and reflect evolution of indicators. This project will lay a theoretical foundation for the simulation and modeling of real microstructure of cement hydration process.

水泥水化过程及其微观结构演化的建模与模拟是揭示水泥水化原理、预测水化过程、研究微结构与性能之间的关系及改进高性能水泥材料设计的有效手段。然而，由于水泥水化过程的极端复杂性，人们未能建立可反映物相分布的真实或接近真实的三维微观结构，没能找到面向真实三维微观结构的水化过程模拟方法，也没能搭建一种可以完整精确的描述物相变化、强度发展和指标演化及其关系的动力系统。本课题将在先期研究已获得数据的基础上，探索建立接近真实三维微观结构演化的水化仿真系统。首先利用实体纹理合成技术合成带有物相分布的三维微元，然后采用马尔可夫随机场模型分析该微元，并在基于国产架构的千万亿次超级计算环境下反向建立起随机场参数演化关系的动力系统。以此动力系统为核心，形成一个基于马尔可夫随机场与实体纹理合成的水泥水化仿真系统，模拟物相变化，生成高度逼真的三维微观结构并反映指标演化。为水泥水化过程真实微观结构的仿真与模拟奠定基础。

水泥水化过程及其微观结构演化的建模与模拟是揭示水泥水化原理、预测水化过程、研究微结构与性能之间的关系及改进高性能水泥材料设计的有效手段。然而，由于水泥水化过程的极端复杂性，人们未能建立可反映物相分布的真实或接近真实的三维微观结构，没能找到面向真实三维微观结构的水化过程模拟方法，也没能搭建一种可以完整精确的描述物相变化、强度发展和指标演化及其关系的动力系统。本项目以水泥动态微观图像为基础，以反向建模方法为手段，从图像本身出发分析微观结构的演化过程，最终在高性能计算环境下反向建立起模型演化的动力系统。课题组成功捕获了水泥水化动态三维微观结构，这是国际上通过图像处理技术对水泥水化动态三维微观结构（四维微观结构）的首次成像；以所得数据为基础，从图像本身出发，开创性的研究了微观结构和其物理性能之间的动态关系，从一个全新的视角重新审视了水泥建模，并通过反向建模技术得到了基于图像的水泥水化演化模型；提出了一种分阶段混合演化的方法，从观测到的实验数据中反向提取出了中期水化的动力系统；为提高水泥水化反向建模算法的性能，将传统的粒子群算法由简单的二层搜索拓展为多层搜索，不同的层次分别在不同的尺度上搜索最优区域与最优解，从而提高了种群多样性及解决复杂问题时的有效性；针对水泥微结构数据呈现的非平衡特点，提出了非平衡数据引力分类器，采用放大引力系数法来解决非平衡任务难题；研究了反向建模与数据分类方法在高性能计算平台下的并行加速算法，获得了良好的加速比。在该项目的支持下，已经发表了19篇该领域的高水平学术论文，获得了1项国家发明专利授权，所发表论文被SCI索引或SCI源刊在线发表10篇，被EI索引论文7篇。课题组在水泥水化反向建模领域开始形成自己的特色，结合相关应用研究基本形成一套自己的理论和应用研究体系。