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欢迎进入青岛大学计算科学与工程技术研究中心
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分子科学实验室
材料科学实验室
生命科学实验室
理论/计算化学实验室
并行与分布处理技术实验室
信息科学与工程实验室
脑计算科学与工程实验室
地理信息与画像处理实验室
环境工程与生态科学实验室
流体力学与物理学实验室
 

一、分子科学实验室
      分子科学主要从事分子、分子集团、化学反应、物质结构以及相互作用等方面的研究工作。近几年由于大型计算机的问世以及先进算法的发展,使得此学科充满生机。比如利用先进的算法、模型以及计算技术现已能对四原子化学反应过程进行严格的量子力学计算,对五原子以上的反应正在探索中。本实验室将主要从事算法与理论模型的研究开发。在分子结构与动力学、分子光谱、化学反应动力学、集团分子、生物大分子等方面进行计算与理论研究。特别是在大或超大分子系统的仿真技术、原子与分子尺度上计算机辅助的材料设计与加工过程的模拟,复杂光谱数据的处理,化学反应的量子力学计算、原子分子散射过程数据的计算等当前热门领域开展工作。

二、材料科学实验室
      计算材料科学是材料科学、物理学和计算科学等学科交叉结合,相互渗透而产生的新兴学科。现代物理学(量子力学、统计物理和凝聚态物理等)广泛而深刻地渗透到材料科学的各个领域,为揭示材料的力学、物理及化学等行为的本质提供了清晰的图像,近代高性能计算技术的发展更使定量地描述多种材料物性成为可能,近年来的成就表明计算研究已成为现代材料科学的一种重要方法,将人类对材料科学的许多基本问题的认识推进到了一个新的境界。计算材料科学已发展成了一门独立学科,并正在成长为多层次材料设计的重要手段之一,因此各主要国家都把计算材料学列为重点支持的学科。
     本实验室将主要在计算的理论基础、材料物性的计算研究,计算辅助的合金设计和材料加工过程的计算机模拟等方面开展研究工作。前两方面针对了计算材料科学前沿的基本问题,这方面的突破或适当发展都会对具体材料或各种物性的计算研究产生根本性的影响。后两方面的研究侧重于理论与实际结合,国内外在这一领域的经验充分表明,计算材料科学在新材料开发中可以缩短周期,减少实验次数,节约大量人力物力,材料加工过程的计算模拟是通过对实际生产过程的模拟,找到最佳的工艺参数,从而缩短生产周期,降低成本。因而这两方面的研究均有着巨大的应用前景。

三、 生命科学实验室
     
生命科学是研究构成生物体的各种生物大分子,进而阐明生命活动的规律,揭示生命现象的本质。生命科学因其研究客体的极端复杂性和重要性,人类社会多种需求的紧迫性,将成为21世纪新的科学革命的中心。目前物理学、化学、计算机科学的发展为生命科学本身的发展提供了有力的研究手段,同时,生命科学的进步也向数学、物理学、化学以及技术科学提出许多新问题、新概念和新的研究领域,影响并带动其他学科的发展。生命科学正日益显示出成为自然科学中的带头学科的趋势。
     计算机模拟在分子生物学、药物设计等方面占有越来越重要的地位。它可以指导实验,大大地减少实验重复过程,缩短实验时间,使新药研究进入了一个革命性变化的新时期。分子生物学、分子药理学的快速发展,理论和结构生物学、信息和计算机科学与药学研究的交叉、渗透,出现了蛋白质结构预测、药物新靶点的发现、机体信息网络系统、药物作用系统以及药物设计、组合化学和高通量筛选等一些具有重大潜力的新研究领域和技术。
     目前,从蛋白质氨基酸的序列来预测它的三级结构还没有取得成功,主要困难是必须找到所有的多肽链形态以后才能找到能量最低点,这需要大量的计算时间。因此,只要能设计出好的计算法方法,这个问题是能解决的。本实验室将发展新的计算方法和计算机程序,研究开发其他新的计算技术,广泛开展与国内外的交流与合作,将本研究室建成世界一流的生物大分子模拟与药物设计实验室。

四、理论/计算化学实验室
    
计算化学是理论化学的一个分支,它的基本任务是应用量子力学的基本原理从微观角度对原子、分子和晶体的电子结构,化学键性质,分子间作用力,化学反应途径,各种光谱、波谱和电子能谱的理论以及无机和有机化合物、生物大分子和各种功能材料的结构和性能进行研究。
     近年来,随着量子化学理论及方法的完善,计算机运行速度的提高,计算化学不仅在化学各分支学科的研究中发挥着越来越大的作用,而且对相关的学科如分子物理学,生物化学、材料学和天体物理学产生了重大影响,它不仅可让人们能以较小的成本在计算机上实现高精度的计算,从而解释观察到的实验现象,补充实验条件达不到因而不能观察的一些实验结果,而且还用于预见分子的结构、过渡态和反应途径,预见分子的电学、磁学和光学性质。
时至今日,计算化学在国际和国内受到越来越广泛的重视,其应用领域正在逐渐扩大,已渗透到表面、催化、材料、纳米科学、生命科学等学科的各个方面,在解释体系微观机理、验证实验结果、预测新的性质方面起到越来越大的作用,成为化学工作者必不可少的强有力的理论工具。
本研究室方向包括
1. 有机小分子催化不对称合成的反应机理的理论模拟。
     不对称催化是获得光学活性化合物的有效手段,在医药、农药、香料以及新材料方面有着广阔的应用前景。目前有机小分子催化剂蓬勃发展,成为与金属有机催化剂以及酶并行的第三类催化剂。
量子化学计算在不对称催化反应机理的研究中扮演着重要角色,可以帮助我们从原子、分子水平上了解催化反应的机理,弥补实验数据的不足,为新型有机小分子催化剂的改良和设计提供理论依据。
2. 光催化材料的理论模拟。
     目前主要进行非金属掺杂TiO2可见光催化剂的致活机理的理论研究和非TiO2系光催化材料的研究。非金属掺杂锐钛矿型TiO2可在温和的反应条件下催化分解各种有害污染物如染料、有机卤化物、农药、NOx等。且该过程具有高活性、高稳定性及环保等优点。对TiO2晶格中掺杂元素的作用机制和对掺杂TiO2材料的可见光致活机理进行研究对太阳能充分利用和节能减排均有巨大的积极作用。

五、并行与分布处理技术实验室
     
高性能并行与分布式计算机处理技术是当代高科技领域中的一项关键技术。当代高科技领域对计算机计算能力(运行速度与内存)的要求永无止境,如地球环境、海洋、气象、生物遗传、原子分子科学技术等的科学计算与模拟仿真以及银行联网业务的大容量高速处理等均需要每秒百亿次、干亿次乃至万亿次的运算能力及配套的软硬件技术,这样的软硬件高性能并行与分布处理技术包括高性能的互联网络技术、操作系统技术、编译系统技术、系统结构技术、编程语言及环境技术等。目前从由数个计算机处理器组成的并行计算机到由数百或干个计算处理器构成的超级并行计算机系统技术已进入了较成熟的应用阶段。可以说掌握了并行与分布处理技术就相当于在应用三十年甚至半个世纪以后的计算机。本实验室着重研究高性能并行与分布式计算机系统的配管技术,主要包括高性能互联网计算机体系结构、操作系统、编译技术、软件编程环境等先端技术,并研究相应的高速计算方法,为本研究中心各学科的研究提供有关咨询服务。

六、信息科学与工程实验室
     
信息处理是信息社会的核心技术之一。浩如烟海的信息如果得不到及时的收集、适当的处理、就不能准确迅速地传到使用者手中,便会成为无用的垃圾。利用计算机对信息收集、处理、储存和传输正在发展成为一个大产业。特别是目前并行与分布处理技术以开始进入应用时期,这无疑给信息处理产业提供了斩新、高效的处理手段。本实验室的一个研究方向就是利用并行与分布处理的新技术进行信息处理系统的设计和建立,以及与网络的联结。重点应用数理统计模型,对声音及图进行模拟与解析。并应用并行与分布处理新技术,对音声及图像信息进行高效率处理。如图像清晰化处理、数据压缩、声音识别等。我们将结合我国国情与需要研究和开发信息处理技术及应用。如卫星等遥感照片的清晰化处理,影视广告、计算机游戏的画面和声音等的制作。

关于计算机视觉(Computer Vision)的研究:
     对于从事机器人研究的研究者来说,制作象卡通片主人公“铁臂阿童木”那样的智能自律型机器人,是永远不灭的梦想。计算机视觉作为实现这一梦想的重要技术之一,长期以来吸引了许多研究者精力充沛地投入到这一领域的各种问题中去。计算机视觉的主要目的在于,根据信号水平的图像数据来生成有关环境的描述。在研究的初期阶段,由于研究环境的限制,研究的对象主要局限于单张的静止图像。尽管人可以毫无困难地理解这样的静止图像,如果要机器理解仅仅一张图像的话。则需要庞大的知识库和高水准的推理能力。出于这一原因。随着研究环境的逐渐改善,计算机视觉的研究开始将着眼点放到认识时系列图像,即所谓的动图像。由于智能本身被认为产生于与环境的相互作用之中,从与环境相互作用的角度而言,时系列图像的处理将越来越显示它的重要性。我们的研究工作将主要围绕着对时刻变化的环境的理解(Understanding of Dynamic Scene)而展开。它包括以下3个基本课题:1) 运动的检出。即图像中变化部分的发现与跟踪。2)3次元环境的再构成。即根据2次元时系列图像所包含的运动信息来恢复3次元物体的3次元刚体运动。3)3次元运动的表现。即从运动与物体构造的断片信息来生成对物体运动的完整描述。除此之外,我们还根据中国的实际需求,研究和开发有关计算机视觉和机器视觉的应用技术。
      本实验室的另一个研究方向是自然过程的模拟,即仿真。仿真。简单地说就是利用计算机对自然过程(或结构)的模拟。仿真的思想由来已久,不过由于计算机运算速度等方面的限制,一直没有得到真正的发展。真正意义上的仿真则是出现在大型计算机的问世以后,并一直仅限于军事,气象等领域。近年来,由于计算机技术的高速发展,使得对复杂系统的仿真成为可能,这就使仿真发展成为一门非常重要的新兴交叉学科。可以说,一个国家仿真技术水平的高低反映着该国的科学技术水平。仿真对于人类认识自然、改造自然、造福人类有重大的意义。大的方面如对大气模型、海洋模型、宇宙模型的模拟极大地提高了对这些复杂系统的认识,工程方面利用仿真可以使设计更节省、更优良完美,可以说一切过程都可以模拟。我们将结合我国国情与需要研究和开发仿真技术及其应用。

七、脑计算科学与工程实验室
      人和其他生物的本质区别在于人具有高度的记忆、学习、思维和语言等功能。这些功能都是来源于脑。因此。要真正理解人的智能,必须对脑本身进行研究。随着分子生物学、脑科学和信息科学等学科的发展,人们不断地认识到脑是一个由大量的神经细胞的相互连接所构成的具有高度信息处理能力的网络系统。
      本实验室主要在脑功能的计算模型、超并行模块神经网络结构及学习算法、超大规模神经网络的器件化和集成化技术的开发等方面进行研究。最终目标是开发与现代的计算机系统完全不同的脑型(Brain—like)计算机系统。
本实验室旨在将现代物理学的概念和理论与科学和工程中的随机系统结合起来,主要从事计算随机力学,随机结构动力学,概率破坏和结构损伤,系统可靠性以及基于随机优化基础上的可靠性分析,随机控制和随机模拟等。由于现代科技的飞速发展,常常需要对复杂性系统(多维度,高度非线性,无序与有序的结合,非平衡和开放系统)给予精确的描述和深刻的物理解释,因此随着对复杂动力学系统的研究,将伴随产生一种新的研究方法一一物理随机系统与控制。基于这样一种认识,本实验室今后还将联合计算科学与工程研究所的有关实验室从事适合工程应用的各种类型的随机微分方程和量子随机过程的研究,在分子水平上从事与人脑的信息处理机理有关的计算神经科学的研究。
      本实验室非常注重物理随机系统与控制科学中的新算法,新方法,新思想,新概念,新理论和新领域的发展和创造。创造与贡献是本实验室的宗旨。

八、地理信息与画像处理实验室
      近年随着信息技术的迅速发展,在社会的各层都开始实行信息化及网络化,可以说高度信息通信社会时代已经到来,在高度信息通信社会里,必须把信息通信体系及机构进行有力地整理及管制。使之能有效地被利用起来。地理信息系统(GIS:Geographic Information System)是利用计算机处理系统把地理位置和与空间有关的自然、社会、经济等信息进行统一的管理、分析及处理。GIS可以应用于社会各个领域,如行政管理。观光事业,商业等,是当今世界先进各国集中精力所推进的重要课题之一。
      本实验室的研究方向是地理信息系统的设计和建立。同时利用人工智能的方法研究开发GIS的一些画像处理技术,如超分解能的实现,画像的分类及识别等。也将从事一些GIS的应用研究。

、环境工程与生态科学实验室
      环境保护是目前整个世界面临的一个重大课题。环境污染、酸雨、气候变化、及厄尔尼诺现象的发生,不仅危胁着整个自然生态系统,而且直接危胁着人类的生存与发展。随着经济的发展,由于对资源的不合理开发利用,我国的环境问题也越来越引人注目。保护环境已成为我国的一项基本国策。保持经济的持续增长与环境的稳步改善是一个急待解决的问题。
随着《联合国海洋公约》的施行,不论是从维护生态系的平衡,还是从渔业生产的观点来说,包括两百海里专属经济区在内的沿海海洋生态系的维持和管理愈来愈显得重要。尤其是中国的沿岸海域生态环境趋于恶化,海洋生物资源丰度锐减。加上环境污染加剧,海洋生物资源的合理利用面临挑战。海洋生态系是一个非常复杂的系统,从海洋环境,初级生产力,到以鱼类为代表的高次生产等的各个过程不紧相互关联。而且还受到人类活动的影响。目前,通过开发生态系模型,对海洋生态系进行科学的管理和利用正越来越受到重视。生态系模型是计算科学和海洋生态学的有机融合,其不仅有助于了解海洋生产的基础结构,而且也是评价人类活动或海洋环境变动对海洋生态系之影响的有力方法。而且对于实现渔业资源的可持续利用和渔业生产的可持续发展也具有重要的现实意义。
      遥感是近年来发展起来的一项高技术,具有广阔的发展前景和实际应用价值。尤其是近几年航天技术的飞速发展,各类传感器精度的提高,信息的内容也越来越丰富。这些信息经过适当的解译,可以广泛地应用于农林、海洋、气象以及环保等众多领域,能够完成许多从前很难或根本无法完成的王作。然而,现在存在的问题是人们如何正确而迅速地解译这些信息。对遥感信息的实际应用也正在探索中或是刚刚起步。
      本实验室将在生态系模型的开发、海洋生态系的科学管理和利用、海洋生产的基础结构、人类活动或海洋环境变动对海洋生态系之影响等方面开展研究。为我国实现渔业资源的可持续利用和渔业生产的可持续发展提供科学依据。同时本实验室将追踪国际先进的信息处理技术,结合实际调查数据,着重于对遥感信息的解译方法的开发研究以及在植被生态,环境保护等方面的应用。为我国合理而有效地利用现有资源,实现经济与环境的协调发展提供依据。

十、流体力学与物理学实验室
      物理学及相关学科是研究物质运动规律的科学。时至今日它已是相对成熟的学科,具有完整的理论体系和日渐成熟的实验方法,可以说目前在理论及实验上每前进一步都是极其困难的。然而由于计算机技术及计算科学的相对滞后,大量与计算有关的工作仍没有开展或仍处在开始阶段。近几年计算机技术取得了突飞猛进的发展,为物理学及相关学科的发展开创了新的空间。为此,我们将在深刻理解这一领域理论进展的同时,密切注视着计算机技术和计算科学的最新动向,并对应用在其它学科中的一些成型算法进行仔细考察,为这一领域找到一些有效而可靠的方法。另一方面,我们也将把这些有效方法应用到一些物理过程中去。得到可靠的数值结果,进而在计算机上再现这些过程,并尽可能地模拟出一些目前在实验上难以做到或代价太高的过程和现象。
      本实验室主要研究王程力学与流体力学过程的数值模拟,混沌及分型等非线过程的数值解法和模拟:另一个研究方向是宇宙等离子体的数值模拟。构成宇宙的90%的物质是等离子体,利用粒子模拟和广义相对论磁流体力学模拟可以研究宇宙大尺度的构造,星的生成,黑洞周围物理,河外银河射流,太阳物理以及实验室等离子体。这些研究方法和计算程序可以用来模拟海洋流体系统与海浪潮演变过程、核反应过程、大气演变过程等等。

     

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