[發明專利]一種并行回火算法的參數優化方法

在審

• 申請號: 201610084539.9
• 申請日: 2016-02-14
• 公開（公告）號: CN105787257A
• 公開（公告）日: 2016-07-20
• 發明（設計）人: 遲鵬;段長莎
• 申請（專利權）人: 北京仿真中心
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 北京正理專利代理有限公司 11257
• 代理人: 李彥波;付生輝

技術領域

本發明涉及并行回火算法技術領域。更具體地，涉及一種并行回火算法 的參數優化方法。

背景技術

對于多自由度體系的優化問題，優化方法的各態歷經特性往往影響到模 擬的質量。對于結構或者相互作用復雜的被優化體系來講，傳統的模擬方法 常常不能對體系進行有效地采樣。其根本原因在于自由能曲面上有很多對應 于熱學上的亞穩態的能量的局部極小值。這些勢阱往往被一些高能勢壘所分 開，傳統的模擬方法很難有效地跨越這些勢壘進行有效采樣，這就是模擬中 各態歷經問題的原因。此外，有些體系雖然在普通條件下(常溫、常壓)勢阱間 的勢壘也許不難逾越，但是當外界條件變化的時候，尤其是在一些極端條件 下，如極低溫，模擬中的各態歷經問題就會變得不可忽視。這種情況在研究 體系相圖的過程中常常遇到，因為我們需要在很廣的實驗條件范圍內研究體 系的性質。在實際模擬中，傳統的蒙特卡羅方法無可避免地存在一定程度的 非各態歷經性，某些時候還會相當嚴重。首先，體系結構的復雜程度是一個 很重要的影響因素，體系需要很長的時間或大量嘗試才能有效地完成構型的 轉變。另外一個影響各態歷經的因素是體系內相互作用的復雜度。對于簡單 的體系，蒙特卡羅能進行高效模擬，但是對于相互作用特別復雜的體系，這 些傳統的模擬方法就不再高效。雖然現在計算機和并行計算技術有著飛快的 發展，但相互作用復雜的系統對模擬工作來說仍是很大的挑戰。

廣義系綜是解決上述問題的一種方法，而并行回火就是一種最廣泛使用 的廣義系綜方法，如果需要體系在不同溫度下的性質，該方法通過一次計算 就可以提供我們所有不同溫度的數據。

回火一詞是冶金學里熱處理的一種方式，指將已經淬火的鋼材又重新加 熱到一定溫度，再進行冷卻，以改善淬火時產生的內應力并優化材料力學性 能。與此相似，在分子模擬中當體系的溫度較低時，體系的構型常常會受限 于由較高能量位壘分隔的能量極小，模擬中無法探索到全局最低的能量構型， 抽樣也就不能代表體系的真實構型分布，因此造成統計誤差。相反地，體系 在較高溫度下卻有足夠的能力來克服能量位壘，往往能夠得到很好的抽樣效 率。

并行回火方法采用類似于回火升溫的辦法，允許低溫構型和高溫構型之 間進行交換，來改善統計抽樣的。并行回火方法又被叫作副本交換(replica exchange)方法，顧名思義，此方法能夠在不同條件下運行多個副本。對于正 則系綜，我們一般選擇溫度作為不同副本間的變化條件，使得一系列副本運 行于不同的溫度條件下，然后在這不同的溫度條件下進行并行的正則系綜模 擬。在模擬進行一段時間間隔以后，我們能夠設計一個蒙特卡羅過程，根據 一定的概率嘗試交換選中的一對相鄰溫度構型。如果交換成功，這一對新構 型將分別運行于新溫度條件下；如果交換失敗，這一對構型則保持原來的溫 度。每隔固定的嘗試交換間隔，重復這個過程到模擬結束。最初，并行回火 方法在1986年由Swendsen等人提出。該方法具有天然的并行性，可以方便 快捷的并行化。比如，我們能夠讓一個并行計算資源(節點、處理器或線程等 等)運行一個系綜條件下的模擬，然后定時嘗試交換溫度或構型，對于現有的 代碼和算法并不需要很大的二次開發工作。

從并行回火方法的實現中可以看出，算法溫度范圍、副本數量、溫度分 配、副本嘗試交換間隔、副本配對策略和副本嘗試交換數量等是并行回火方 法實現時需要解決的問題。雖然并行回火方法在原理上很成熟，但這些具體 實現尚沒有完整的方法將上述參數進行優化。

因此，需要提供一種并行回火算法的參數優化方法。

發明內容

本發明的目的在于提供一種并行回火算法的參數優化方法。

為達到上述目的，本發明采用下述技術方案：

一種并行回火算法的參數優化方法，該參數優化方法包括如下步驟：

S1：選取副本數量；

S2：選取并行回火溫度范圍；

S3：選取副本配對策略；

S4：選取溫度分配策略；

S5：選取副本嘗試交換間隔。

優選地，所述步驟S1中，局域加速作用和回火加速作用的效果均與副本 數量成正比，并且每一個副本的統計抽樣效率與副本數量成正比，副本數量 越大，統計效率越高，因此選取副本數量為用戶并行計算允許的最大值。