跨尺度光电混合集成协同仿真设计技术

创新之路打开光电领域科技创新的“总开关”——记华中科技大学光电学院教授、博士生导师陈云天　张 闻 谢更好 如果说基础研究是科技创新的“总开关”，那么光学基础研究就是那个打开光电领域科技创新的“总开关”。

对华中科技大学光电学院教授，武汉光电国家研究中心及华中科技大学集成电路学院双聘教授陈云天来说，要打开光电领域科技创新的“总开关”，就需要将光学基础理论及计算光学的核心算法和我国光电产业的技术需求紧密结合，在其中的痛点、难点及前沿热点问题的研究上取得突破。

瞄准行业亟须解决的“卡脖子”问题，近年来，陈云天带领计算物理光学团队围绕复杂介质光传输的光学基础理论和底层数值算法的研究，在复杂介质光传输领域提出了一系列创新性理论和计算方法，为发展跨尺度光学系统的底层算法打下基础，并取得了多项突破，包括利用几何光学与波动光学融合的思想，借助数值计算工具，首次揭示了复杂介质光传输的非阿贝尔规范场效应及隐藏对称性；将对称性/变分原理及格林函数传播子技术等基本数学物理方法应用到光学数值计算中，发展了一系列原创性光学仿真算法与技术，在某些点技术工具上突破了光电领域常规商用仿真设计软件的底层限制等。

“年轻的研究者需要培养自己的学术品位，在‘能做什么’和‘想做什么’中做出独立的价值判断，进而在坚持不懈的研究中实现创新。

”认清自己，瞄准远方，脚踏实地，埋首前行，陈云天和他的研究团队继续前行在突破光电领域重要关卡的攻关征程上。

揭秘微妙的“隐藏对称性”对称性原理是现代物理学发展的基石，在人们揭示自然规律和建立物理定律的过程中起到了关键作用。

而光学作为物理学的一个重要分支，对称性之于物理学的重要性同样适用于光学体系。

近期研究发现，光学体系存在微妙的隐藏对称性，导致了空间群无法解释的简并度和奇异的光传输现象。

光学隐藏对称性涉及奇异光学、手征光学与拓扑光子学等多个前沿交叉领域，含有丰富的物理内涵和广阔的应用前景。

鉴于对称性在物理学的各个领域（包括光学领域）的重要性和支配地位，系统性地研究光学体系的隐藏对称性的原理及构造方法，不仅进一步丰富甚至反哺物理学中隐藏对称性的研究手段和方法，还对增强光学与物质相互作用、奇异光学、拓扑光子学、光场调控都有十分重要的意义。

基于多物理场耦合计算的仿真软件开发目录一、项目概述 (2)1. 项目背景介绍 (2)2. 研究目的与意义 (3)3. 项目目标及预期成果 (5)二、理论基础与相关技术 (6)1. 多物理场耦合理论基础 (7)1.1 物理场概念及分类 (8)1.2 耦合计算原理与方法 (9)1.3 数值计算理论 (11)2. 仿真软件设计技术 (12)2.1 仿真软件架构设计 (14)2.2 仿真算法选择与优化 (15)2.3 图形界面设计技术 (17)2.4 数据处理与可视化技术 (18)三、系统需求分析 (19)1. 功能需求分析 (21)1.1 多物理场建模功能需求 (22)1.2 计算分析功能需求 (23)1.3 结果展示与输出需求 (24)2. 性能需求分析 (26)2.1 计算精度要求 (27)2.2 运行效率要求 (28)2.3 稳定性需求 (29)四、仿真软件开发与实施计划 (30)一、项目概述随着科学技术的不断发展，多物理场耦合计算在工程领域中的应用越来越广泛，涉及航空航天、车辆工程、电子封装等多个领域。

为了提高多物理场耦合计算的准确性和效率，本项目旨在开发一款基于多物理场耦合计算的仿真软件。

该仿真软件将涵盖多个物理场，包括流体动力学、结构力学、热传导、电磁场等。

通过集成多物理场耦合算法，实现对复杂工程问题的高效、精确求解。

软件将提供友好的用户界面和丰富的接口，方便用户进行二次开发和应用。

本项目的目标是打破现有仿真软件在多物理场耦合计算方面的局限性，开发出一款具有高度灵活性和可扩展性的仿真平台。

通过该平台，用户可以方便地构建各种复杂的工程模型，进行多物理场耦合分析，从而提高产品设计质量，降低研发成本，缩短产品上市时间。

在项目实施过程中，我们将采用先进的计算机技术和算法，确保仿真软件的高效性和准确性。

我们将密切关注行业发展趋势和技术动态，不断优化和完善仿真软件的功能和性能。

1. 项目背景介绍随着科学技术的不断发展，多物理场耦合计算在工程领域中的应用越来越广泛。

跨尺度建模在多尺度材料结构设计中的应用随着科学技术的不断发展，材料工程领域的研究也得到了极大的推动。

多尺度材料结构设计是一种综合运用多个尺度的建模方法，以实现材料属性和性能的优化。

跨尺度建模技术的应用在多尺度材料结构设计中发挥着重要的作用，能够为工程界的材料设计提供有效的解决方案。

所谓跨尺度建模，即是将多个不同的尺度层次进行耦合分析，从宏观到微观，从宏观物体整体到微观细节部分进行综合考量，使得材料结构的设计能够更加精确和准确。

它通过对不同尺度下材料性质和行为的建模，标志着将原子、晶体、微观、宏观等各个层次进行统一、一体化的方法和理论。

这种综合性的建模方法可以充分考虑到材料的整体性和层次性，有助于优化设计和改进材料性能。

多尺度材料结构设计是一个综合性的工程问题，需要对材料的结构和性能进行全面的分析和理解。

传统的试验方法往往只能获取到有限的数据，而跨尺度建模技术可以通过数值模拟和计算来获取更详细、更全面的信息。

例如，通过分子动力学模拟可以研究材料的原子间相互作用和热力学性质，而通过有限元方法可以模拟材料的宏观机械行为。

这些跨尺度的建模方法相互补充，使得我们能够更好地理解材料在不同尺度下的行为，并为结构设计提供准确的指导。

跨尺度建模技术在多尺度材料结构设计中起到了重要的作用。

首先，它能够帮助科学家们深入了解材料的微观结构和特性。

通过建立精确的原子和晶体模型，可以模拟材料的晶体结构和缺陷行为，从而揭示材料的内在机理。

其次，跨尺度建模技术可以用于预测材料的性能和行为。

通过建立全面的材料模型，可以预测材料的强度、刚度、热膨胀系数等物理性质，为材料设计提供指导。

最后，跨尺度建模技术还可以用于优化材料的结构设计。

通过结合多个尺度的建模结果，可以优化材料的结构，提高其性能和可靠性。

在实际应用中，跨尺度建模技术已经取得了一些重要的成果。

例如，在材料强度和韧性方面的研究中，研究人员可以通过原子尺度模拟和连续介质力学模型的结合，对材料的断裂行为进行研究，并对其破坏机理进行解释。

苏州市科学技术局关于征集2022年市级科技发展计划（产业前瞻与关键核心技术）项目指南建议的通知文章属性•【制定机关】苏州市科学技术局•【公布日期】2022.05.24•【字号】•【施行日期】2022.05.24•【效力等级】地方规范性文件•【时效性】现行有效•【主题分类】科学技术其他规定正文苏州市科学技术局关于征集2022年市级科技发展计划（产业前瞻与关键核心技术）项目指南建议的通知各市、区科技局、各有关单位：为认真贯彻落实《中共苏州市委苏州市人民政府关于苏州市推进数字经济时代产业创新集群发展的指导意见》，深入实施创新驱动发展战略，高水平构建一批具有苏州特色的产业创新集群，着力加强未来前沿领域的产业前瞻性技术研发和关键必争领域的重大核心技术攻关，为打造具有全球影响力的综合性产业创新中心提供有力支撑，拟开展2022年度产业前瞻与关键核心技术项目申报工作，现征集项目指南建议，有关事项通知如下：一、总体要求2022年度苏州市产业前瞻与关键核心技术项目以形成具有自主知识产权的重大创新性技术为目标，开展产业前瞻性技术研发、重大关键核心技术攻关，抢占产业技术竞争制高点，为加快构建自主可控现代产业体系提供科技支撑。

二、征集要求聚焦我市重点发展的主导产业或特色产业领域，进一步凝练需求、突出重点，对《2022年苏州市产业前瞻与关键核心技术项目指南（征求意见稿）》（见附件1）进行修改完善，征集具体意见建议，包括：（1）“产业前瞻技术研发”重点增加我市有基础及优势进行布局，有望在近年内获得重大突破，引领未来产业发展，且现有指南未涵盖的前瞻技术方向。

（2）聚焦地方优势产业整体提升及产业转型升级要求，“关键核心技术研发”重点增加完善我市产业发展亟需突破的关键核心技术方向，提高指南技术方向和与我市产业发展需求的契合度，强化科技对产业高端攀升的支撑作用。

对新增的技术方向，需另附说明材料，格式见附件2。

（3）对关键难题已攻克的或与目前产业发展趋势明显不匹配的技术方向进行删除或调整建议，并简要说明理由。

基于CSCW 的测绘专业虚拟仿真系统群设计与应用苏群 谢智颖 何原荣*吴芸 于鹏厦门理工学院计算机与信息工程学院 福建厦门 361024摘要： 为提升测绘专业的教学水平和虚拟仿真教学系统的开发效率，一种基于计算机支持协同工作（Computer Supported Cooperative Work ，CSCW ）机制的共享数字孪生组件的虚拟仿真系统群的设计方法应运而生，应用于测绘专业的自然资源相关领域的教学。

通过对这一领域的教学问题进行汇总分析，研究其内容和相关特点，考虑对接国家实验平台的统一接口的需要，确定仿真群的可共享的基础数字孪生组件和软件基础功能组件，然后采用CSCW 机制实现组件粒度的信息协同，用SCM 进行软件架构的管理，促进自然资源的多个领域上的监管仿真教学平台的创建和升级。

在实际教学工作的应用中，与传统单个仿真项目开发方式相比，仿真系统群的方法平均开发效率提升22.22%，项目质量提升15.3%，教学效率也得到提升。

关键词： 虚拟仿真 计算机支持协同工作 数字孪生 软件配置管理中图分类号： TP311文献标识码： A文章编号： 1672-3791(2024)02-0210-04Design and Application of the Virtual System Group in theSurveying and Mapping Major Based on CSCWSU Qun XIE Zhiying HE Yuanrong *WU Yun YU PengCollege of Computer and Information Engineering, Xiamen University of Technology, Xiamen, Fujian Province,361024 ChinaAbstract: In order to improve the teaching efficiency of the surveying and mapping major and the development efficiency of the virtual simulation teaching system, this paper proposes a design method of the virtual simulation system group based on the CSCW mechanism withshared digital twin components, and applies it to the teaching of the field related to natural resources in this major. This paper first summarizes and analyzes the teaching problems in this field, studies their content and related characteristics, considers the need for a unified interface to connect with the national experimental platform, and determines theshareable basic digital twin components of the simulation group and the basic functional components of the software. Then, it uses the CSCW mechanism to realize the in‐formation collaboration of component granularity, uses SCM to manage the software architecture, and promotes the creation and upgrading of the regulatory simulation teaching platform of the multiple fields of natural resources. InDOI： 10.16661/ki.1672-3791.2309-5042-8482基金项目： 教育部高校学生司供需对接就业育人项目（项目编号：20230110191）；福建省本科高校教育教学改革研究项目（项目编号：FBJG20210081）；厦门理工学院教育教学改革与建设项目（项目编号：JG2021008）；厦门理工学院教育教学改革与建设项目（项目编号：JG2022-0122547）。

跨尺度矢量光场时空调控验证装置概算1. 简介跨尺度矢量光场时空调控验证装置是一种用于验证光场在时间和空间上的调控能力的设备。

它能够实现对光波在不同时间和空间尺度上的精确控制，以验证新型光学器件或技术在实际应用中的性能和可行性。

2. 设备原理该装置主要基于矢量光学原理，通过对光波进行相位和幅度的调控，实现对光波在时间和空间上的精确控制。

它包括以下几个关键组件：2.1 光源系统光源系统是该装置的核心部分，用于提供稳定、高亮度、宽谱范围的光源。

可以选择合适的激光器或白光源作为光源，并根据实验需求进行定制。

2.2 空间调制器件空间调制器件主要用于对入射光波进行空间上的调制，可以采用液晶空间光调制器（LC-SLM）、微镜阵列（DMD）等设备。

这些设备能够根据输入的控制信号，改变光波的相位和幅度分布，实现对光波的空间调控。

2.3 时间调制器件时间调制器件主要用于对入射光波进行时间上的调制，可以采用可调谐脉冲压缩器、电光调制器等设备。

这些设备能够根据输入的控制信号，改变光波的时间延迟和脉冲形状，实现对光波的时间调控。

2.4 光学检测系统光学检测系统用于对经过空间和时间调制后的光波进行测量和分析。

可以选择合适的检测器、成像系统等设备，并根据实验需求进行定制。

3. 概算预算根据以上设备原理和所需组件，初步估计跨尺度矢量光场时空调控验证装置的概算预算如下：部件数量单价（人民币）总价（人民币）光源系统 1 100,000 100,000空间调制器件 1 50,000 50,000时间调制器件 1 50,000 50,000部件数量单价（人民币）总价（人民币）光学检测系统 1 80,000 80,000辅助设备和材料- 20,000 20,000总计- - 300,000注：以上价格仅为初步估算，实际预算可能会有所变动，具体价格取决于所选设备的品牌、型号和功能要求。

4. 应用领域跨尺度矢量光场时空调控验证装置在以下领域具有广泛的应用前景：4.1 光学通信通过对光波进行时空调控，可以提高光纤通信中的传输带宽和容量。

难变形材料复杂构件成形多场耦合多尺度全过程建模与
仿真
首先，建立基于场耦合多尺度的模型和仿真技术，来表征难变形材料的性能特点。

其次，利用模型从而增强数值模拟的能力，来筛选材料特性和实验参数，预测材料的行为规律，比如温度和力学变化。

最后，建立一个弹性有限元加载算法，用于分析复杂构件的组装过程和设计调试，以及反映其变形行为。

同时，对于复杂构件形状复杂的成形过程，还必须考虑材料冷喷成型或机械拉拔成型过程中的物理变形机理，如温度场、应力场和变形场的演变，以及难变形材料的微观结构变化，如金属流变破坏、机械耦合模型、显微结构分析和拉拔等，对其进行建模、仿真和分析。

此外，为了确保难变形材料复杂构件成形的准确性，还需要对各过程参数进行精细的校正和反馈，采用可视化技术，例如建立三维动态仿真系统。

多尺度建模与仿真的应用在当代科技发展中，多尺度建模与仿真技术已经成为了一项非常重要的技术手段，被广泛应用于各种工程领域。

不同尺度下的物理特性有很大差异，因此我们需要使用不同的方法和技术手段对这些物理特性进行建模和仿真。

多尺度建模与仿真技术正是应对这一挑战而出现的。

多尺度建模与仿真技术的基本原理是通过将原本复杂的物理系统分解为多个不同尺度的子系统，并对每个子系统进行相应的建模和仿真，最终通过多个子系统之间的交互来模拟整个复杂系统的行为。

这种方法不仅能够有效地减少模型的规模和复杂度，还能够提高模拟结果的准确性和可靠性。

在工程领域中，多尺度建模与仿真技术的应用非常广泛。

例如，在材料科学领域中，我们可以通过多尺度模拟来预测和研究材料的力学性质、热学性质、电学性质等各种特性。

在集成电路设计领域中，我们可以通过多尺度仿真来评估芯片的可靠性和性能，从而优化设计方案。

在流体力学领域中，我们可以利用多尺度建模与仿真技术来研究气体和液体的流动特性，并优化流动控制方案。

除了工程领域外，多尺度建模与仿真技术还可以应用于许多其他领域，例如生物医学、计算化学、计算物理等。

在生物医学领域中，我们可以利用多尺度建模与仿真技术来研究蛋白质、DNA、细胞等生物体系的结构和功能，以及疾病的发病机制和药物的作用机制。

在计算化学领域中，我们可以通过多尺度建模与仿真技术来预测化学反应的速率和产物，以及研究材料的电子结构等。

总的来说，多尺度建模与仿真技术是一种非常有前景的技术手段。

随着计算机硬件和软件技术的不断发展，多尺度建模与仿真技术将会在越来越多的领域得到应用，并为我们解决许多实际问题提供强有力的支持。