华为发布工业软件五大难题之基于结构刚度矩阵的迭代法预处理AI优化融合技术

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信息来源：

中国科学院数学与系统科学研究院—华为 π实验室

技术背景

1. 结构大型稀疏刚度矩阵求解，尤其是结构自由度超过600W以上，直接法存在舍入误差、内存和硬盘开销过大及计算时间过长等致命缺点，迭代法的研制和开发成为另外一个重要选择。

2. 对于迭代法，迭代矩阵的选取具有决定作用。只有选取的迭代矩阵谱半径小于1才能保持迭代法收敛。在迭代矩阵谱半径小于1的情况下，值越小收敛速度越快。为加速求解原线性方程组的收敛速度问题，常用方法是对系数矩阵进行预处理，基于不同的迭代法，有不同的预处理技术，包括：小带宽部分处理、分解、分裂、多项式构造、重排序、子结构、区域分裂、多重网格等。

3. 不同的结构特点、网格和有限元模型建模方式不同，所产生方程组的系数矩阵的特性差异较大，目前无法使用一种通用的方法或理论进行预处理而只能根据各自矩阵的特性采取适当的预处理方法，包括相应的设置参数。

4. 对各自工业实际场景产生的不同的系数矩阵和迭代法选择、预处理方法选择、最优参数构建机器学习或强化算法和策略、通过优化损失函数进行组合训练，通过评估后，提供用户基于各自矩阵特性，较优的自动化适配选择预处理方法和参数，保障迭代求解器的稳健性、稳定性和减少迭代时间。

5. 可行性分析：结构系数刚度矩阵的来源能够得到保障；迭代法和预处理已有成果基础；GNN图神经网格算法的成熟和不断应用，也非常适合稀疏矩阵特点；国产数值计算引擎+ 机器学习能力+麒麟欧拉的性能；国内CAE厂商对结构求解器的理解、结构仿真经验和工程场景基础；MIT CSAIL、Tsinghua University、Shanghai Qi Zhi Institute发表过Learning Preconditioners for Conjugate Gradient PDE Solvers，已经开展了不错工作，达成了较好效果

技术挑战

1. 结构系数刚度矩阵的特征描述和指标、分类和归类；

2. 结构系数刚度矩阵较多输入来源；

3. CG迭代法不同的预处理方法、预处理参数梳理和研制；

4. AI技术路线的选择，合适算法及学习路线；

5. 使用的校核、验证和优化技术

技术路线和达成指标

1. 结构系数刚度矩阵的特征描述和指标、分类和归类，保障结构系数刚度矩阵的数据输入；

2. 结构系数刚度矩阵输入、种类、指标参数：CG迭代法不同预处理方法、预处理参数的个数；

3. 机器学习或强化学习技术路线、算法和策略的选择；

4. 使用的损失函数优化、校核、验证和评估技术实现；

5. 可编译、运行适配麒麟处理器和欧拉系统；

6. 相比主流商软的预处理迭代法，在100个各类系数矩阵输入情况下，通过串行、SMP和DMP，达成计算精度相当，迭代步数和总体时间减少20%，稳健性、稳定性保障提升20%；

7. 虽然直接法具有稳定、通用和精度高，但内存开销高，数千万规模矩阵，直接法需数百G内存，如果AI优化融合的预处理矩阵合理，谱半径远小于1，迭代法仍然有求解速度高、精度能够满足数值计算精度要求的优势。

参考文献

来源：山涧果子

中船重工GT-25000 燃气轮机技术与性能

GT-25000是由中国船舶重工集团公司（CSIC）的子公司CSIC龙江GH燃气轮机有限公司生产的工业和船用燃气轮机。GT25000燃气轮机,CGT25-D燃气轮机是由703所自主研发的工业型燃气轮机，该机型基于上世纪90年代由国外技术引进的母型机基础经自主研发及大量设计改进发展而成，目前已完全实现国产化，用于工业驱动领域。该机型的额定功率达到26.7MW，效率达36.5%，可使用柴油或天然气作为燃料，技术成熟，维护简单，变工况性能好。1.发展1993年中乌签订UGT-25000燃气轮机生产许可证和单机销售合同。根据合同，乌克兰将向中国出售10台DA80（出口型号为UGT25000）燃气轮机，并转让相关技术和技术文件。来自中国的资金以换取技术转让阻止了该项目被乌克兰取消。它们计划用于解放军海军未来的军舰，例如052B和052C驱逐舰。然而，他们有叶片问题，江南造船厂建造的最后两艘 052C、512 和 513 船体在码头搁置了两年多，没有被中国海军接受。1998年，燃气轮机的国产化进程开始，涉及三个单位：中国船舶重工集团公司（CSIC）下属的第703研究所以及西安航空发动机公司和哈尔滨汽轮机公司。由703研究所监制，其采购的技术图纸与西安航空发动机公司共享。2004年，第一台国产车型完成，命名为GT-25000。它实现了 60% 的本地化，并具有与 DA80 相当的性能。到2011年，国产化率达到98.1%。完成本地化后，GT-25000 的可靠性比原来的 DA80 有所提高。QC-280/QD-280后来，同样参与了GT-25000国产化进程的西安航空发动机公司，想从中船重工的GT-25000手中接过军用市场，推出了QC-280/QD-280系列。与 GT-25000 具有基本相同的性能，但由于 IP 原因而命名不同。最终，解放军海军选择坚持使用 CSIC 的 GT-25000 作为其军舰。2.设计额定功率：26.7 MW - 30 MW（估计）效率：36.5%燃料类型：气体排气温度：480℃排气流量：89 kg/s输出转速：3270~5000 rpm3.衍生型号（变体）UGT-25000 / DA80：Zorya-Mashproekt生产的乌克兰变体GT-25000：中船重工国产化模型CGT25-D：GT-25000 的变体，具有 30MW 功率，用于工业用途。2021年出口俄罗斯。GT-25000 SS 循环：升级到 33MW 功率，在乌克兰工程师的协助下设计GT-25000IC：开发中，目标功率为40MW，采用中冷工艺QC-280/QD-280：由西安航空发动机公司按照原厂国产化工艺生产的变体。4.用户1993年，中乌双方签署《UGT-25000燃气轮机生产许可证及单机销售合同》，根据协议，乌克兰将向中国出口10台UGT-25000燃气轮机，并转让相关技术，中国对其进行了国产化形成了自己的舰用燃气轮机GT25000/QC-280（中船和西飞对国产化燃气轮机的不同的型号命名），使得中国成为英美+苏联之后全球第四个掌握舰用燃气轮机技术的国家，值得一提的是这个世界上能造大功率舰用燃气轮机的国家不多这个大功率舰用燃气轮机技术的掌握对于我国意义重大，在此之前我国只会制造蒸汽轮机，这在西方是已经淘汰的技术，英国最后一艘蒸汽轮机的军舰在1993年就退役了，因为燃气轮机跟蒸汽轮机相比同样的重量下动力更强劲。大家还记得中国第二代导弹驱逐舰052型的两艘军舰，1994年服役的112号舰哈尔滨舰和1996年服役的113号舰青岛舰吧? 这两艘装备的是从美国引进的LM2500燃气轮机，当时八十年代还是中美蜜月期，因此在建造这两艘军舰时我们还能引进美国的东西。于是三年后在1999年服役的167深圳舰，我国又只能为其装备蒸汽轮机了，因为美国人断供了中国海军再一次服役国产驱逐舰要到2004年了，这一年服役了052B型的168号和169号舰，装备了从乌克兰引进的UGT-25000燃气轮机，后来我国搞出了国产仿制型号，并且进行了替换验证，网上说是先把169号的其中一台燃气轮机换成国产型号，然后在亚丁湾护航进行了远洋验证。总之我国解决了燃气轮机这个军舰的心脏问题，才得以大规模的造军舰“下饺子”。052C驱逐舰052D型驱逐舰055型驱逐舰乌克兰“曙光”机械设计科研生产联合体成立于1954年，该企业的产品装备了约 65%的原苏联海军舰船，并广泛应用于印度、德国、波兰、美国和我国等国舰船，占世界燃气轮机舰船数的 29%和总装机功率的 33%。5. UGT15000燃气轮机技术性能UGT15000燃气轮机是轴流式三轴燃气轮机，功率18~20MW，用于大型高速渡船、客轮和海军舰艇、机械推进和发电。UGT15000从1971年开始研制，1984年研制成功，1988年开始批产。与上一代燃机相比，这型燃机的涡轮进口温度提高了200~250℃，增压比提高了近一倍。UGT15000使用喇叭形进气口，轴向进气。低压压气机为9级轴流式，高压压气机为10级轴流式。燃烧室为回流环管型，有16个火焰筒、16个喷油嘴和2个点火器。可使用多种燃油和气体燃料。高压涡轮为单级轴流式，导向叶片和转子叶片均对流气冷。根据动力涡轮类型的差异有DA90和DO90两种型号，其中DA90动力涡轮为4级，可制成左转或右转；DO90动力涡轮为3级，用于舰船时通过换向机构可直接倒车。正车运行时，所有的排气流经动力涡轮，倒车时，排气中有25%~30%的燃气被分出（由一环形分流阀控制），流经外部环形通道而使动力涡轮倒转。全正车至全倒车的换向时间共40s。6.UGT25000型燃气轮机技术性能UGT25000燃气轮机是在UGT15000舰用燃机基础上研制，通过对UGT15000燃机的压气机增加了零级，将燃机涡轮进口温度提高到了1250℃。1995年开始研制，2002年用于陆上管路压缩机机械传动。在舰船推进方面，主要用于大型客运船、集装箱船和海军各种舰艇。UGT25000采用轴向进气，9级轴流低压压气机，前3级导向叶片可调，9级轴流高压压气机，压比为 20。燃烧室结构为逆流环管干式低排放型，有16个火焰筒，互相连接可交叉点火。其中4个火焰筒装有启动点火器。高压涡轮和低压涡轮机均为单级轴流式，采用空气对流冷却。机组额定功率为 26.7MW，效率36.5%。来源：山涧果子