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1 中 国 工 程 科 技 论 坛 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 HɑnɡtiɑnGonɡchenɡYuFɑnɡzhenJishu

2 内 容 简 介 20! " # $ % & ' ()*+ 20!"#$, -. /01 )!"23041)!"#$ : ; #$ <0=1) 20!"#$ DE ' 041)!"#$ % FA GH); IJ KL MN O=F./PQRA,<SBC?TU V W X Y! " # $ 2 3 O WX P? Z )[B=1A\]^)_` 20?@!" # $ a b 2 3 c ; = #$ 图 书 在 版 编 目 (CIP) 数 据 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 / 中 国 工 程 院 编 著. -- 北 京 : 高 等 教 育 出 版 社, ( 工 程 科 技 论 坛 ) ISBN Ⅰ.1 航 Ⅱ.1 中 Ⅲ.1 航 天 工 程 - 仿 真 - 研 究 Ⅳ.1 V4 中 国 版 本 图 书 馆 CIP 数 据 核 字 (2013) 第 号 总 策 划 樊 代 明!"#$ %& ' (' ) )*+,-./ % mm61168mm % :8 ; <=> ?*htp://www hep edu cn htp://www hep com cn?@a htp://www landraco com htp://www landraco com cn B CDE 1 %B CDEB% FG FH IJKLMNO PQRS T UTVW X Y

3 编 辑 委 员 会 主 任 : 王 子 才 副 主 任 : 赵 沁 平 委 员 : 包 为 民 黄 培 康 李 伯 虎 刘 永 才 于 本 水 钟 山 肖 田 元 高 战 军 范 桂 梅

4 目 录 第 一 部 分 中 国 工 程 院 常 务 副 院 长 潘 云 鹤 院 士 致 辞 3 第 二 部 分 综 述 王 子 才 7 第 三 部 分 专 家 报 告 及 专 家 简 介 对 航 天 器 仿 真 技 术 发 展 的 思 考 包 为 民 17 半 实 物 仿 真 王 子 才 24 复 杂 系 统 高 效 能 仿 真 技 术 的 初 步 研 究 李 伯 虎 34 两 化 融 合 战 略 中 的 仿 真 技 术 肖 田 元 48 虚 拟 现 实 技 术 在 工 业 中 的 应 用 赵 沁 平 56 协 同 仿 真 - 智 能 专 家 系 统 技 术 研 究 与 应 用 钟 山 60 第 四 部 分 附 录 附 录 1 部 分 参 会 人 员 名 单 73 附 录 2 媒 体 报 道 75 后 记 77

5 第 一 部 分 中 国 工 程 院 常 务 副 院 长 潘 云 鹤 致 辞

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7 中 国 工 程 院 常 务 副 院 长 潘 云 鹤 院 士 致 辞 3 在 中 国 工 程 院 第 138 场 工 程 科 技 论 坛 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 上 的 致 辞 潘 云 鹤 2012 年 5 月 29 日 尊 敬 的 各 位 领 导 各 位 院 士 各 位 专 家 各 位 老 师 各 位 同 学 : 大 家 上 午 好! 今 天, 由 中 国 工 程 院 主 办, 信 息 与 电 子 工 程 学 部 中 国 系 统 仿 真 学 会 及 桂 林 航 天 工 业 学 院 共 同 承 办 的 中 国 工 程 院 第 138 场 工 程 科 技 论 坛 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 论 坛 开 幕 了 我 谨 代 表 中 国 工 程 院 向 出 席 会 议 的 院 士 专 家 学 者 国 家 有 关 部 委 的 领 导, 以 及 企 业 代 表 表 示 热 烈 欢 迎! 向 对 本 次 论 坛 给 予 大 力 支 持 的 中 国 系 统 仿 真 学 会 和 桂 林 航 天 工 业 学 院 表 示 衷 心 感 谢! 本 次 论 坛, 以 未 来 20 年 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 的 机 遇 与 挑 战 为 主 题, 将 分 析 我 国 航 天 事 业 的 发 展 对 仿 真 技 术 的 巨 大 需 求, 探 讨 航 天 工 程 仿 真 面 临 的 重 大 机 遇 和 挑 战, 研 究 应 对 挑 战 的 主 要 对 策 在 过 去 40 多 年 中, 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 发 展 迅 速, 在 中 国 和 世 界 的 航 天 事 业 发 展 中 发 挥 了 重 要 作 用 航 天 已 经 成 为 一 个 对 国 家 安 全 科 技 进 步 经 济 和 社 会 发 展 具 有 重 要 意 义 的 行 业 同 时, 它 也 需 要 高 投 入, 面 临 高 风 险 因 此, 科 学 的 系 统 的 仿 真 理 论 和 仿 真 方 法 是 航 天 工 程 重 要 的 发 展 基 础 与 动 力 除 了 航 天 之 外, 我 国 的 仿 真 技 术 在 航 空 制 造 土 木 工 程 灾 害 防 治 等 领 域 都 有 重 要 应 用 并 取 得 了 很 大 的 成 绩 如 5 月 18 日 新 闻 称 美 国 的 空 中 优 势 面 临 的 最 大 威 胁 是 中 国 研 发 了 十 分 便 宜 的 飞 行 模 拟 器, 价 格 只 有 飞 机 的 1/10, 每 年 可 运 行 6000 小 时, 训 练 高 性 能 战 机 的 飞 行 员 格 外 有 用 我 们 相 信 随 着 我 国 计 算 机 图 形 学 传 感 器 虚 拟 现 实 等 技 术 的 快 速 发 展, 仿 真 技 术 在 航 天 工 程 等 各 个 领 域 所 发 挥 的 作 用, 一 定 会 越 来 越 大 中 国 工 程 院 工 程 科 技 论 坛 自 2000 年 以 来 已 走 过 了 12 年 的 历 程, 创 造 了 自 己 的 学 术 品 牌, 在 中 国 社 会 各 界, 特 别 是 工 程 科 技 界 产 生 了 积 极 的 影 响 此 次 工 程 科 技 论 坛 为 第 138 场 我 们 将 一 如 既 往, 努 力 营 造 宽 松 自 由 的 学 术 交 流 环 境, 关 注 工 程 科 技 中 重 大 的 方 向 性 前 沿 性 问 题, 为 提 高 我 国 工 程 科 技 创 新 能 力 和 管

8 4 中 国 工 程 科 技 论 坛 : 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 理 水 平, 为 推 动 多 学 科 交 叉 新 兴 边 缘 学 科 的 发 展, 为 促 进 经 济 和 社 会 又 好 又 快 的 发 展, 为 鼓 励 优 秀 科 技 人 才 的 合 作 与 成 长, 做 出 我 们 中 国 工 程 院 应 有 的 贡 献! 此 次 工 程 科 技 论 坛 得 到 了 中 国 系 统 仿 真 学 会 的 大 力 支 持 作 为 中 国 科 学 技 术 协 会 下 属 的 一 级 学 会, 中 国 系 统 仿 真 学 会 团 结 和 组 织 我 国 广 大 系 统 仿 真 科 技 工 作 者, 为 促 进 科 学 技 术 的 繁 荣 发 展 交 流 普 及 和 推 广, 为 国 民 经 济 建 设 和 国 防 现 代 化 服 务 做 出 了 重 要 贡 献 此 次 工 程 科 技 论 坛 还 得 到 了 承 办 单 位 桂 林 航 天 工 业 学 院 的 大 力 支 持 2012 年 4 月 27 日 教 育 部 和 自 治 区 人 民 政 府 批 准 同 意 学 校 升 级 为 本 科 院 校 桂 林 航 天 工 业 学 院 是 一 所 以 工 学 为 主, 管 理 学 人 文 学 和 社 会 学 等 多 学 科 协 调 发 展, 以 培 养 应 用 型 人 才 为 特 色 的 高 等 工 程 院 校 我 们 祝 愿 桂 林 航 天 工 业 学 院 朝 着 高 水 平 研 究 型 大 学 的 办 学 目 标 胜 利 前 进! 最 后, 我 希 望 通 过 对 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 深 入 的 讨 论, 进 一 步 为 中 国 航 天 发 展 的 战 略 提 出 科 学 的 建 议 我 再 次 代 表 中 国 工 程 院 对 参 加 本 次 论 坛 的 全 体 院 士 专 家 代 表, 向 为 本 次 论 坛 付 出 辛 勤 劳 动 的 全 体 工 作 人 员 表 示 衷 心 的 感 谢! 预 祝 此 次 论 坛 取 得 圆 满 成 功! 谢 谢 大 家! 潘 云 鹤 1970 年 毕 业 于 上 海 同 济 大 学 建 筑 学 系 现 任 中 国 工 程 院 常 务 副 院 长 ( 正 部 长 级 ), 兼 任 国 务 院 学 位 委 员 会 委 员 中 国 科 学 技 术 协 会 顾 问 中 国 图 像 图 形 学 学 会 名 誉 理 事 长 等 职 中 共 中 央 十 六 届 十 七 届 候 补 委 员 是 中 国 智 能 CAD 和 计 算 机 美 术 领 域 的 开 拓 者 之 一 长 期 从 事 计 算 机 图 形 学 计 算 机 辅 助 设 计 技 术 人 工 智 能 和 工 业 设 计 的 研 究, 在 虚 拟 现 实 计 算 机 美 术 智 能 CAD 计 算 机 辅 助 产 品 创 新 数 字 文 物 保 护 和 数 字 图 书 馆 等 领 域, 承 担 过 多 个 重 要 科 研 课 题, 取 得 了 一 批 研 究 成 果, 产 生 了 良 好 的 经 济 效 益 和 社 会 效 益 发 表 有 关 论 文 多 篇, 多 次 获 得 国 家 省 部 级 科 技 奖 励 1997 年 当 选 为 中 国 工 程 院 院 士

9 第 二 部 分 综 述

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11 综 述 7 综 述 一 论 坛 背 景 2012 年 5 月 29 日, 第 138 届 中 国 工 程 院 工 程 科 技 论 坛 未 来 20 年 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 的 机 遇 与 挑 战 在 广 西 桂 林 召 开 参 会 人 员 有 : 中 国 工 程 院 潘 云 鹤 院 士 / 副 院 长 中 国 工 程 院 王 子 才 院 士 李 伯 虎 院 士 于 本 水 院 士 黄 培 康 院 士 刘 永 才 院 士 钟 山 院 士 中 国 科 学 院 包 为 民 院 士 中 国 系 统 仿 真 学 会 赵 沁 平 理 事 长 广 西 壮 族 自 治 区 和 桂 林 市 有 关 领 导 中 国 系 统 仿 真 学 会 和 桂 林 航 天 工 业 学 院 相 关 人 员, 以 及 听 众 230 余 人 在 为 期 一 天 的 论 坛 中, 共 有 8 位 院 士 和 专 家 做 了 精 彩 的 报 告, 论 坛 取 得 了 圆 满 成 功 本 次 论 坛 的 研 讨 主 题 是 未 来 20 年 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 的 机 遇 与 挑 战, 就 我 国 航 天 事 业 发 展 对 仿 真 技 术 的 需 求 进 行 了 深 入 分 析, 探 讨 了 仿 真 工 程 面 临 的 机 遇 和 主 要 挑 战, 提 出 了 应 对 挑 战 的 对 策 等 论 坛 报 告 全 面 回 顾 了 过 去 20 年 仿 真 技 术 在 航 天 工 程 中 的 应 用, 总 结 了 取 得 的 主 要 成 就 经 验 和 未 来 20 年 仿 真 技 术 发 展 的 展 望 ; 讨 论 了 航 天 工 程 的 发 展 趋 势 和 对 仿 真 的 需 求 ; 探 讨 了 仿 真 技 术 发 展 的 关 键 领 域 及 其 与 相 关 学 科 技 术 的 关 联 ; 研 讨 了 未 来 20 年 仿 真 技 术 发 展 的 主 要 方 向, 分 析 了 面 临 的 技 术 挑 战 和 难 点 ; 探 讨 了 有 利 于 仿 真 技 术 创 新 的 保 障 机 制, 提 出 了 相 关 的 措 施 和 建 议 二 整 体 情 况 仿 真 技 术 研 究 一 直 是 伴 随 航 天 系 统 工 程 发 展 起 来 的 重 要 领 域, 过 去 半 个 世 纪 以 来 为 中 国 和 世 界 的 航 天 事 业 发 展 做 出 了 重 要 贡 献 航 天 技 术 已 经 成 为 对 国 家 安 全 经 济 发 展 社 会 进 步 具 有 重 要 意 义 的 高 科 技 高 投 入 高 风 险 的 技 术 领 域, 必 须 依 赖 于 科 学 的 仿 真 理 论 仿 真 方 法 和 仿 真 实 验 结 果 的 支 持, 以 获 得 解 决 问 题 的 有 效 手 段 和 发 展 动 力 在 此 科 技 发 展 的 大 背 景 下, 论 坛 就 我 国 航 天 未 来 20 年 的 发 展 和 对 仿 真 技 术 的 要 求 进 行 了 充 分 的 研 讨 上 午 的 报 告 由 于 本 水 院 士 主 持, 中 国 科 学 院 包 为 民 院 士 中 国 工 程 院 王 子 才 院 士 和 李 伯 虎 院 士 就 航 天 器 仿 真 技 术 的 发 展 半 实 物 仿 真 技 术 和 高 效 能 仿 真 技 术 做 了 精 彩 的 演 讲, 并 回 答 了 听 众 的 提 问 下 午 的 报 告 由 李 伯 虎 院 士 主 持, 刘 永 才 院 士 肖 田 元 教 授 黄 培 康 院 士 赵 沁 平 教 授 和 钟 山 院 士 分 别 就 两 化 融 合 战 略

12 8 中 国 工 程 科 技 论 坛 : 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 中 的 仿 真 技 术 虚 拟 现 实 技 术 智 能 专 家 系 统 技 术 等 方 面 做 了 精 彩 的 演 讲 论 坛 进 行 得 紧 张 有 序, 气 氛 热 烈, 到 下 午 6 点 30 分, 第 138 届 中 国 工 程 院 工 程 科 技 论 坛 圆 满 结 束 航 天 工 程 仿 真 基 于 物 理 效 应 模 型 和 ( 或 ) 采 用 按 飞 行 器 运 动 学 空 气 动 力 学 及 轨 道 动 力 学 有 关 原 理 建 立 的 数 学 模 型, 进 行 相 关 的 模 拟 试 验 与 分 析 工 作 航 天 工 程 仿 真 是 系 统 仿 真 技 术 与 航 天 工 程 相 结 合 的 产 物, 是 现 代 仿 真 技 术 的 一 个 重 要 分 支 本 次 论 坛 围 绕 航 天 器 的 研 制 发 射 测 控 管 理 和 应 用 等 各 个 环 节, 在 系 统 全 面 分 析 方 案 设 计 与 性 能 评 估 仿 真 技 术 需 求 飞 行 器 动 态 性 能 与 检 测 等 方 面 进 行 了 充 分 研 讨, 并 指 明 了 我 国 未 来 20 年 航 天 工 程 的 发 展 方 向 和 对 仿 真 技 术 的 迫 切 需 求 三 主 要 观 点 ( 一 ) 包 为 民 院 士 包 院 士 首 先 指 出 : 航 天 仿 真 技 术 是 系 统 仿 真 技 术 与 航 天 工 程 技 术 的 结 合, 航 天 工 程 体 系 仿 真 是 分 析 验 证 航 天 工 程 体 系 综 合 性 能 及 效 能 的 一 种 重 要 手 段 航 天 器 系 统 仿 真 由 其 发 展 历 程 可 以 分 为 三 种 类 型 : 第 一 种 是 已 经 比 较 成 熟 的 系 统 级 仿 真, 第 二 种 是 近 10 年 迅 速 发 展 的 多 系 统 多 自 由 度 的 联 合 仿 真, 第 三 种 是 仍 处 于 探 索 阶 段 的 全 系 统 多 物 理 仿 真 接 下 来, 包 院 士 就 航 天 器 仿 真 技 术 体 系 的 需 求 与 构 想 做 了 深 入 分 析 主 要 从 航 天 器 性 能 仿 真 技 术 的 作 用 航 天 器 仿 真 技 术 体 系 的 需 求 航 天 器 仿 真 试 验 体 系 的 构 想 三 个 方 面 进 行 了 论 述 包 院 士 认 为 : (1) 在 航 天 器 设 计 方 案 论 证 阶 段, 航 天 器 性 能 仿 真 技 术 的 主 要 作 用 是 根 据 总 体 任 务 要 求, 分 解 各 系 统 的 指 标 要 求, 各 系 统 根 据 指 标 要 求 建 立 数 学 / 仿 真 模 型, 开 展 系 统 级 验 证 (2) 航 天 器 仿 真 技 术 主 要 包 括 分 系 统 仿 真 与 建 模 技 术 多 物 理 场 耦 合 的 总 体 仿 真 技 术 以 及 高 效 协 同 的 仿 真 技 术 我 们 应 该 在 总 结 50 年 来 航 天 仿 真 技 术 发 展 的 基 础 上, 运 用 航 天 器 仿 真 技 术, 以 高 性 能 计 算 集 群 为 基 础, 构 建 航 天 器 工 程 仿 真 体 系, 实 现 航 天 器 多 系 统 多 物 理 场 耦 合 分 布 式 异 构 集 成 协 同 仿 真 平 台 (3) 航 天 器 仿 真 试 验 需 要 进 行 四 个 方 面 的 研 究 : 一 是 研 究 分 层 逐 级 验 证 与 总 体 集 成 协 同 验 证 相 结 合 的 方 法 ; 二 是 采 用 机 理 模 型 和 专 家 经 验 相 结 合 方 法 ; 三 是 研 究 智 能 优 化 和 云 仿 真 技 术 ; 四 是 研 究 多 物 理 场 耦 合 加 载 试 验 方 法 最 后, 包 院 士 对 航 天 器 仿 真 涉 及 的 关 键 技 术 进 行 了 总 结 分 别 从 多 物 理 场

13 综 述 9 耦 合 复 杂 系 统 建 模 技 术 虚 拟 飞 行 试 验 设 计 及 验 证 技 术 仿 真 模 型 校 核 辨 识 及 修 正 技 术 和 航 天 器 仿 真 共 性 支 撑 技 术 四 个 方 面 进 行 了 论 述, 为 未 来 开 展 航 天 器 仿 真 指 明 了 方 向 ( 二 ) 王 子 才 院 士 王 子 才 院 士 承 接 包 为 民 院 士 的 关 于 航 天 工 程 对 仿 真 技 术 的 具 体 需 求, 重 点 就 半 实 物 仿 真 技 术 做 了 报 告 首 先, 对 国 内 外 仿 真 技 术 的 发 展 进 行 了 综 述, 回 顾 了 我 国 航 天 事 业 及 仿 真 技 术 的 科 研 历 程, 论 述 了 仿 真 技 术 在 航 天 航 空 航 海 电 力 核 能 反 恐 等 领 域 的 不 可 替 代 的 重 要 作 用 然 后, 王 子 才 院 士 以 美 国 国 防 部 先 进 仿 真 实 验 室 的 导 引 头 微 波 暗 室 仿 真 为 例, 介 绍 了 半 实 物 仿 真 系 统 的 组 成 和 各 项 关 键 技 术, 包 括 仿 真 模 型 仿 真 设 备 仿 真 接 口 仿 真 实 时 性 和 仿 真 可 信 度 等 在 论 述 过 程 中, 王 院 士 列 举 了 很 多 国 内 外 的 应 用 实 例, 如 飞 行 转 台 系 统 分 布 式 仿 真 网 络 美 国 SIMNET 仿 真 计 划 等 王 院 士 认 为 仿 真 可 信 度 是 非 常 关 键 的 一 环, 仿 真 系 统 的 评 估 和 管 理 人 员 逐 渐 认 识 到 仿 真 系 统 开 发 的 各 个 阶 段 都 对 仿 真 可 信 度 有 重 要 的 影 响 因 此 对 仿 真 系 统 可 信 度 评 估 是 仿 真 系 统 全 生 命 周 期 中 的 一 项 工 作 之 后, 王 子 才 院 士 重 点 论 述 了 半 实 物 仿 真 设 备 ( 转 台 ) 的 相 关 技 术 介 绍 了 转 台 系 统 的 材 料 与 结 构 支 撑 系 统 驱 动 技 术 控 制 技 术 等 内 容, 还 通 过 图 片 视 频 等 展 示 了 2 轴 3 轴 5 轴 红 外 和 水 下 等 多 种 转 台 实 物, 帮 助 听 众 直 观 地 了 解 了 半 实 物 仿 真 设 备 接 下 来, 王 子 才 院 士 就 半 实 物 仿 真 的 应 用 进 行 了 论 述 王 院 士 在 精 确 打 击 武 器 仿 真 火 星 500 项 目 模 拟 驾 驶 与 格 斗 训 练 电 站 设 备 仿 真 交 通 仿 真 等 方 面, 阐 述 了 半 实 物 仿 真 的 应 用 领 域 最 后, 王 子 才 院 士 就 未 来 20 年 的 发 展 前 景, 展 望 了 半 实 物 仿 真 技 术 的 发 展 方 向, 提 出 了 高 超 声 速 飞 行 器 仿 真 航 天 器 空 间 环 境 仿 真 航 天 人 员 的 任 务 模 拟 和 培 训 三 个 研 究 方 向 王 院 士 认 为, 未 来 20 年 半 实 物 仿 真 技 术 面 临 新 的 挑 战, 同 时 也 给 我 们 带 来 了 机 遇 相 信 20 年 后, 通 过 努 力, 我 国 仿 真 技 术 将 在 航 天 工 程 深 空 探 测 等 领 域 跻 身 世 界 前 列 ( 三 ) 李 伯 虎 院 士 李 伯 虎 院 士 论 述 了 复 杂 系 统 高 效 能 计 算 机 仿 真 技 术 首 先, 李 院 士 提 出 复 杂 系 统 高 效 能 计 算 机 仿 真 技 术 是 融 合 高 效 能 计 算 技 术 和 现 代 建 模 与 仿 真 技 术, 以 优 化 复 杂 系 统 建 模 仿 真 运 行 及 结 果 分 析 等 整 体 性 能 为 目 标 的 一 类 建 模 仿 真 技 术 进 而 从 满 足 复 杂 系 统 高 端 建 模 仿 真 及 为 海 量 用 户 按 需 提 供 云 高 效 仿 真 服

14 10 中 国 工 程 科 技 论 坛 : 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 务 两 类 用 户 及 其 三 类 仿 真 类 型 ( 数 学 人 在 回 路 硬 件 在 回 路 ) 的 角 度, 讨 论 了 发 展 复 杂 系 统 高 效 能 仿 真 技 术 的 技 术 需 求 及 简 介 了 相 关 的 技 术 概 况 接 着, 李 伯 虎 院 士 基 于 其 研 究 团 队 正 在 进 行 的 复 杂 系 统 高 效 能 计 算 机 仿 真 技 术 研 究 项 目, 从 高 效 能 仿 真 建 模 技 术 高 效 能 仿 真 计 算 机 系 统 及 支 撑 技 术 高 效 能 仿 真 应 用 工 程 技 术 等 三 个 方 面 论 述 了 有 关 的 10 类 关 键 技 术 : 在 仿 真 建 模 技 术 方 面, 重 点 介 绍 了 团 队 研 制 的 复 杂 系 统 建 模 仿 真 与 优 化 语 言 Cosim-CsMSL, 包 括 仿 真 语 言 结 构 框 架 复 杂 系 统 建 模 技 术 高 效 动 态 并 行 化 编 译 技 术 和 参 数 化 组 件 化 模 型 库 / 函 数 库 技 术 及 三 级 复 杂 系 统 高 效 能 并 行 算 法 库 技 术 等 在 仿 真 计 算 机 系 统 及 支 撑 技 术 方 面, 论 述 了 高 效 能 仿 真 系 统 体 系 结 构 ; 基 于 多 CPU/ 多 GPU 的 模 块 化 计 算 节 点, 基 于 GPU/FPGA/DSP 的 专 用 加 速 部 件, 基 于 GPU 群 的 高 速 可 视 化 子 系 统, 高 速 通 信 协 同 I/O, 半 实 物 接 口 系 统, 并 行 存 储 系 统 等 高 效 能 仿 真 计 算 机 硬 件 技 术 ; 支 持 三 级 并 行 的 并 行 操 作 系 统 技 术, 高 效 能 并 行 化 编 译 技 术, 仿 真 系 统 内 成 员 级 并 行 软 件, 高 效 能 云 仿 真 技 术 等 高 效 能 仿 真 软 件 支 撑 技 术 在 应 用 工 程 技 术 方 面, 李 院 士 就 海 量 数 据 ( 大 数 据 ) 处 理 技 术 复 杂 系 统 计 算 机 仿 真 实 验 结 果 管 理 分 析 与 评 估 技 术 等 几 个 方 面 进 行 了 阐 述 最 后, 李 伯 虎 院 士 就 计 算 机 仿 真 技 术 的 发 展 给 出 了 几 点 建 议 认 为 高 效 能 计 算 机 仿 真 技 术 是 人 类 认 识 和 改 造 世 界 的 重 要 手 段, 是 我 国 实 现 创 新 型 国 家 战 略 目 标 的 重 要 技 术, 它 的 发 展 需 要 高 效 能 建 模 与 仿 真 计 算 机 系 统 的 体 系 结 构 硬 件 软 件 算 法 和 应 用 的 综 合 推 动 ( 四 ) 刘 永 才 院 士 刘 永 才 院 士 就 航 天 工 程 信 息 化 仿 真 做 了 报 告 ( 略 ) ( 五 ) 肖 田 元 教 授 肖 田 元 教 授 就 两 化 融 合 战 略 中 的 仿 真 技 术 做 了 报 告 肖 教 授 首 先 指 出, 在 中 央 的 信 息 化 与 工 业 化 融 合 的 发 展 战 略 中, 仿 真 技 术 在 各 个 领 域 发 挥 了 重 要 作 用 肖 教 授 从 仿 真 在 两 化 融 合 中 的 作 用 虚 拟 制 造 加 速 产 品 创 新 能 力 提 升 虚 拟 制 造 加 速 产 品 创 新 案 例 和 两 化 融 合 需 要 发 展 仿 真 技 术 这 四 个 方 面 展 开 了 论 述 肖 教 授 认 为, 仿 真 技 术 在 我 国 制 造 业 发 展 过 程 中 已 经 得 到 很 多 应 用, 且 实 际 上 仿 真 技 术 是 信 息 化 与 工 业 化 融 合 的 典 型 技 术 信 息 化 与 工 业 化 融 合 就 应 该 大 力 推 广 应 用 仿 真 技 术, 全 面 系 统 地 应 用 仿 真 技 术 创 新 能 力, 就 是 对 客 观 世 界 的 新 认 识 新 发 现 的 能 力, 作 为 信 息 时 代 认 识 世 界 的 第 三 种 方 法, 仿 真 可 以 也 应 该 为 加 速 产 品 创 新 能 力 的 提 升 做 出 重 要 的 贡 献, 同 时 也 需 要 进 一 步 发 展 仿 真 技 术 来 适 应 两 化 融 合 的 需 求

15 综 述 11 肖 教 授 进 一 步 指 出, 在 两 化 融 合 阶 段, 虚 拟 制 造 成 为 人 们 关 注 的 热 点 特 别 是 对 很 多 发 达 国 家 来 说, 虚 拟 制 造 从 90 年 代 开 始 已 经 得 到 广 泛 应 用, 逐 渐 成 为 产 品 全 生 命 周 期 的 核 心 技 术 虚 拟 制 造 的 典 型 例 子 是 波 音 777 的 开 发 波 音 777 还 没 有 生 产 的 时 候, 整 个 虚 拟 样 机 及 其 制 造 过 程 已 经 在 计 算 机 上 完 成 了 所 有 虚 拟 部 件 都 进 行 了 远 距 离 实 时 集 成 测 试, 采 用 虚 拟 加 工 单 元 模 仿 制 造 过 程, 包 括 CNC 机 床 刀 位 轨 迹 铆 接 机 翼 的 机 器 人 运 动 轨 迹 等 开 发 周 期 从 过 去 8 年 缩 短 到 5 年 虚 拟 制 造 不 但 为 现 代 制 造 提 供 超 越 人 们 已 有 的 知 识 经 验 来 认 识 世 界 的 技 术 手 段, 而 且 可 实 现 产 品 的 技 术 知 识 的 沉 淀 与 积 累, 从 而 为 持 续 提 高 创 新 能 力 提 供 有 效 支 持 接 下 来, 肖 教 授 根 据 前 面 的 讲 述, 形 象 地 列 举 了 两 个 虚 拟 制 造 加 速 产 品 创 新 的 案 例 一 是 应 用 虚 拟 制 造 技 术, 突 破 逆 向 工 程 仿 制 的 思 路, 研 制 了 真 正 具 有 自 主 知 识 产 权 的 产 品 二 是 应 用 虚 拟 制 造 技 术, 在 863 计 划 的 支 持 下, 开 发 出 协 同 设 计 仿 真 优 化 一 体 化 平 台, 基 于 设 计 的 三 维 模 型, 实 现 8 节 车 体 及 其 悬 挂 系 统 一 系 二 系 的 弹 簧 阻 尼 器 钩 缓 等 进 行 多 种 工 况 下 的 协 同 仿 真, 为 我 国 的 高 铁 建 设 提 供 了 强 有 力 的 技 术 保 障 肖 教 授 认 为, 中 国 的 制 造 企 业 经 过 20 余 年 的 信 息 化 后, 许 多 企 业 可 以 而 且 应 该 广 泛 而 深 入 地 应 用 虚 拟 制 造 技 术, 以 加 速 形 成 具 有 自 主 知 识 产 权 的 高 附 加 值 的 产 品, 从 而 加 速 从 制 造 大 国 到 制 造 强 国 的 转 变 然 后, 肖 教 授 指 出 : 信 息 化 与 工 业 化 融 合 的 基 本 特 征 是 3I, 即 物 联 化 互 联 化 和 智 能 化 3I 的 支 撑 技 术 是 3C 融 合, 即 通 信 计 算 与 控 制 随 着 工 业 化 和 信 息 化 的 融 合 发 展,3C 融 合 产 生 了 一 类 新 型 系 统, 即 CPS(CyberPhysicalSystem) 2007 年, 美 国 总 统 科 学 技 术 顾 问 委 员 会 在 挑 战 下 的 领 先 竞 争 世 界 中 的 信 息 技 术 研 发 的 报 告 中 列 出 了 8 个 大 关 键 的 信 息 技 术,CPS 位 列 首 位 且 在 所 有 的 有 关 CPS 的 报 告 当 中, 几 乎 都 认 为 CPS 的 建 模 与 仿 真 技 术 是 其 研 究 与 开 发 的 关 键, 这 是 值 得 我 们 仿 真 科 技 工 作 者 关 注 的 CPS 建 模 与 仿 真 对 仿 真 技 术 提 出 了 新 的 挑 战 最 后, 肖 教 授 对 其 报 告 进 行 了 总 结 肖 教 授 认 为, 在 两 化 融 合 发 展 战 略 中, 产 品 创 新 是 我 国 制 造 业 重 要 的 发 展 战 略, 虚 拟 制 造 是 一 种 能 有 效 支 持 产 品 创 新 的 先 进 仿 真 技 术, 可 为 加 速 我 国 从 制 造 大 国 到 制 造 强 国 的 转 变 提 供 有 力 的 技 术 支 持 CPS 将 推 动 工 业 产 品 和 技 术 的 升 级 换 代, 甚 至 会 重 新 排 列 现 有 产 业 布 局, CPS 的 建 模 与 仿 真 技 术 是 其 研 究 与 开 发 的 关 键 支 撑 技 术, 也 是 仿 真 技 术 研 究 的 热 点 和 重 要 的 发 展 方 向, 值 得 关 注 ( 六 ) 黄 培 康 院 士 黄 培 康 院 士 在 雷 达 观 测 目 标 特 性 的 仿 真 方 法 研 究 方 面 做 了 报 告 ( 略 )

16 12 中 国 工 程 科 技 论 坛 : 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 ( 七 ) 赵 沁 平 教 授 赵 沁 平 教 授 就 虚 拟 现 实 技 术 在 工 业 中 的 应 用 做 了 报 告 首 先, 赵 教 授 从 两 个 方 面 说 明 了 虚 拟 现 实 的 作 用 一 是 对 计 算 机 系 统 发 展 的 贡 献, 二 是 应 用 角 度 的 贡 献 虚 拟 现 实 作 为 一 门 学 科 交 叉 的 应 用 科 学 技 术, 是 计 算 机 系 统 与 各 应 用 领 域 的 接 口, 可 以 为 各 行 业 的 规 划 决 策 设 计 评 价 和 训 练 体 验 等 提 供 新 的 平 台 和 手 段 虚 拟 现 实 对 各 应 用 领 域 的 作 用, 类 似 于 数 学 对 于 物 理 学 的 作 用 虚 拟 现 实 是 一 种 技 术, 也 是 一 种 方 法 或 技 术 路 线 由 于 其 重 要 性, 越 来 越 受 到 一 些 发 达 国 家 的 重 视 美 国 工 程 院 公 布 了 经 评 选 产 生 的 21 世 纪 人 类 在 工 程 技 术 领 域 所 面 临 的 14 个 重 大 挑 战 性 问 题, 其 中 之 一 是 提 升 虚 拟 现 实 的 逼 真 性 和 应 用 性 英 国 政 府 发 布 了 针 对 2015~2020 年 的 8 个 新 兴 科 学 技 术 集 群 的 战 略 报 告, 其 中 6 个 直 接 含 有 模 拟 建 模 仿 真 虚 拟 的 内 容 日 本 政 府 发 布 了 长 期 战 略 创 新 2025 报 告, 描 绘 了 2025 年 日 本 的 18 个 创 新 愿 景, 虚 拟 现 实 是 其 中 之 一 我 国 政 府 颁 布 的 国 家 中 长 期 科 学 和 技 术 发 展 规 划 纲 要 把 虚 拟 现 实 技 术 作 为 信 息 领 域 优 先 支 持 的 三 个 前 沿 技 术 之 一 之 后, 赵 教 授 介 绍 了 其 课 题 组 开 发 的 指 挥 模 拟 训 练 系 统 六 自 由 度 全 任 务 飞 行 模 拟 器 北 京 奥 运 会 开 幕 式 节 目 创 意 仿 真 示 例 60 周 年 国 庆 阅 兵 方 案 规 划 决 策 系 统 和 虚 拟 手 术 训 练 平 台 等, 并 播 放 了 视 频 演 示 接 下 来, 赵 教 授 重 点 讲 述 了 虚 拟 现 实 技 术 在 工 业 中 的 应 用, 包 括 众 多 知 名 汽 车 厂 商 将 虚 拟 现 实 技 术 用 于 产 品 设 计 虚 实 融 合 飞 机 驾 驶 舱 仪 表 布 局 评 估 系 统 虚 拟 维 护 工 具 和 虚 实 融 合 的 航 空 发 动 机 维 护 系 统 枪 弹 过 程 模 拟 等 同 样 的, 赵 教 授 也 播 放 了 典 型 虚 拟 现 实 应 用 的 视 频 演 示 最 后, 赵 沁 平 教 授 认 为 虚 拟 现 实 技 术 在 工 业 的 应 用 过 程 中, 存 在 如 下 几 个 必 须 重 视 解 决 的 问 题 : (1) 明 确 现 代 工 业 的 应 用 需 求 ; (2) 各 类 数 据 的 获 取 ; (3) 物 理 与 行 为 建 模 ; (4) 模 型 的 可 信 性 ; (5) 传 感 器 网 络 ; (6) 人 机 交 互 机 制 与 交 互 设 备 ; (7) 与 CAD 系 统 的 结 合 ; (8) 工 业 应 用 效 果 的 评 价

17 综 述 13 ( 八 ) 钟 山 院 士 钟 山 院 士 就 协 同 仿 真 - 智 能 专 家 系 统 技 术 的 研 究 与 应 用 做 了 报 告 首 先, 钟 院 士 指 出, 军 事 新 技 术 的 智 能 化 发 展 已 成 为 必 然 趋 势, 是 军 事 现 代 化 的 重 要 标 志 之 一 人 工 智 能 是 与 生 物 工 程 和 空 间 技 术 齐 名 的 当 今 世 界 三 大 尖 端 技 术 之 一 实 践 表 明, 利 用 人 工 智 能 技 术, 可 以 大 大 地 提 高 武 器 装 备 研 制 生 产 使 用 与 维 护 的 效 率 ; 武 器 装 备 数 字 化 自 动 化 智 能 化, 是 现 代 武 器 装 备 作 战 效 能 的 倍 增 器 之 后, 钟 山 院 士 阐 述 了 协 同 仿 真 - 智 能 专 家 系 统 平 台 的 体 系 结 构 和 应 用 模 式, 讲 解 了 平 台 的 支 撑 层 服 务 层 和 应 用 层 ( 包 括 应 用 工 具 层 和 应 用 层 ) 三 个 层 次, 以 及 实 时 在 线 模 式 离 线 模 式 和 人 机 交 互 模 式 三 个 应 用 方 式 钟 院 士 重 点 讲 述 了 协 同 仿 真 - 智 能 专 家 系 统 需 突 破 的 几 项 关 键 技 术, 包 括 知 识 获 取 技 术 不 确 定 知 识 推 理 技 术 仿 真 引 擎 与 推 理 引 擎 集 成 技 术 和 面 向 服 务 的 知 识 网 格 技 术 等 钟 院 士 认 为, 因 果 图 模 型 具 有 重 要 的 工 业 应 用 价 值,Bayes 故 障 树 推 理 机 对 知 识 推 理 研 究 具 有 促 进 作 用 等 接 下 来, 钟 院 士 讲 述 了 其 课 题 组 开 发 完 成 的 协 同 仿 真 智 能 专 家 系 统 / 工 具 集 V1.0 版 本, 包 括 交 互 式 知 识 获 取 工 具 系 统 建 模 工 具 和 通 用 的 故 障 监 控 器 演 示 了 大 量 工 具 的 运 行 情 况 和 界 面, 并 就 预 测 诊 断 评 估 这 一 典 型 应 用 流 程 讲 解 了 工 具 的 使 用 讲 述 过 程 中, 钟 院 士 引 用 了 一 个 雷 达 制 导 过 程 的 故 障 诊 断 实 例 最 后, 钟 院 士 对 智 能 专 家 系 统 的 研 究 进 行 了 展 望 钟 院 士 认 为, 下 一 步 的 主 要 工 作 包 括 : (1) 结 合 复 杂 产 品 研 制 的 特 点 和 应 用 需 求, 继 续 深 入 研 究 平 台 的 相 关 关 键 技 术, 包 括 多 模 式 智 能 化 推 理 与 融 合 算 法 ; 多 领 域 知 识 获 取 与 融 合 技 术 ; 多 领 域 知 识 统 一 建 模 与 联 合 求 解 技 术 ; 知 识 构 件 服 务 网 格 等 关 键 技 术 (2) 以 关 键 技 术 研 究 为 基 础, 进 一 步 完 善 支 持 复 杂 产 品 设 计 和 试 验 智 能 化 系 统 开 发 的 平 台 / 工 具 集 (3) 以 平 台 为 依 托, 研 究 智 能 化 设 计 和 试 验 应 用 技 术, 拓 展 平 台 在 复 杂 产 品 工 程 研 制 中 的 应 用 阶 段 和 应 用 领 域 ; 同 时 以 应 用 为 牵 引, 研 究 建 立 智 能 化 设 计 和 试 验 系 统 相 关 的 标 准 规 范 四 小 结 航 天 系 统 工 程 仿 真 是 仿 真 技 术 领 域 中 最 重 要 的 发 展 方 向 之 一, 通 过 本 次 论 坛 的 深 入 广 泛 研 讨, 凝 聚 了 航 天 大 系 统 工 程 仿 真 发 展 共 识, 提 出 了 可 行 的 航 天 大 系 统 工 程 仿 真 发 展 思 路, 形 成 了 更 加 有 利 于 航 天 系 统 工 程 仿 真 发 展 的 共 识, 将 有 力 推 动 仿 真 技 术 全 面 服 务 于 我 国 航 天 事 业 未 来 的 发 展

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19 第 三 部 分 专 家 报 告 及 专 家 简 介

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21 对 航 天 器 仿 真 技 术 发 展 的 思 考 17 对 航 天 器 仿 真 技 术 发 展 的 思 考 包 为 民 中 国 航 天 科 技 集 团 公 司 摘 要 : 航 天 仿 真 技 术 是 指 系 统 仿 真 技 术 与 航 天 工 程 技 术 的 结 合, 为 航 天 器 航 天 运 输 系 统 和 导 弹 武 器 系 统 的 综 合 性 能 效 能 评 估 体 系 对 抗 指 控 及 作 战 训 练 故 障 诊 断 运 行 管 理 等 提 供 数 学 或 半 实 物 的 验 证 手 段 和 模 拟 平 台 航 天 器 仿 真 技 术 主 要 包 括 分 系 统 仿 真 与 建 模 技 术 多 物 理 场 耦 合 的 总 体 仿 真 技 术 以 及 高 效 协 同 的 仿 真 技 术 本 文 系 统 总 结 了 航 天 器 仿 真 技 术 发 展, 基 于 对 航 天 器 仿 真 技 术 的 剖 析, 论 述 了 航 天 器 仿 真 技 术 体 系 的 需 求 与 构 想, 阐 述 了 航 天 器 仿 真 技 术 涉 及 的 关 键 技 术, 并 对 现 代 信 息 技 术 在 航 天 器 仿 真 技 术 中 的 应 用 进 行 了 展 望 一 概 述 航 天 仿 真 技 术 是 指 系 统 仿 真 技 术 与 航 天 工 程 技 术 的 结 合, 为 航 天 器 航 天 运 输 系 统 和 导 弹 武 器 系 统 的 综 合 性 能 效 能 评 估 体 系 对 抗 指 控 及 作 战 训 练 故 障 诊 断 运 行 管 理 等 提 供 数 学 或 半 实 物 的 验 证 手 段 和 模 拟 平 台 航 天 仿 真 技 术 分 为 航 天 工 程 体 系 仿 真 和 航 天 器 系 统 仿 真 两 大 类 其 中, 航 天 工 程 体 系 仿 真 是 分 析 验 证 航 天 工 程 体 系 综 合 性 能 及 效 能 的 一 种 重 要 手 段, 目 前 该 项 技 术 总 体 上 还 处 于 起 步 阶 段, 但 在 某 些 领 域 如 攻 防 对 抗 多 武 器 平 台 仿 真 中 已 经 取 得 了 一 些 阶 段 性 成 果, 并 在 武 器 系 统 定 型 中 得 到 了 初 步 的 应 用 仿 真 模 型 的 准 确 度 和 颗 粒 度 是 体 系 仿 真 面 临 的 主 要 问 题, 基 于 现 有 技 术 水 平 要 建 立 非 常 精 确 的 模 型, 难 度 是 非 常 大 的 而 航 天 器 系 统 仿 真 根 据 其 发 展 历 程 可 以 分 为 三 种 类 型 : 第 一 种 是 已 经 比 较 成 熟 的 系 统 级 仿 真, 广 泛 应 用 于 型 号 和 研 制 过 程 中, 主 要 用 来 考 核 验 证 系 统 设 计 的 准 确 性, 航 天 控 制 系 统 半 实 物 仿 真 和 数 学 仿 真 均 属 此 类 ; 第 二 种 是 近 10 年 迅 速 发 展 的 多 系 统 多 自 由 度 的 联 合 仿 真, 其 主 要 作 用 是 进 行 系 统 间 匹 配 行 为 的 验 证, 例 如 我 国 的 天 宫 一 号 与 神 舟 八 号 的 交 会 对 接 任 务 就 需 要 通 过 该 种 仿 真 进 行 系 统 匹 配 和 正 确 性 验 证 ; 第 三 种 是 仍 处 于 探 索 阶 段 的 全 系 统 多 物 理 场 仿 真, 其 主 要 作 用 是 对 全 系 统 综 合 性 能 效 能 进 行 验 证 与 评 估, 可 以 用 于 导 弹 的 总 体 性 能 的 仿 真, 但 目 前 理 论 方 法 和 应 用 技 术 都 有 很 多 问 题 需 要 解 决, 在 型 号 阶

22 18 中 国 工 程 科 技 论 坛 : 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 段 运 用 较 少 二 航 天 器 仿 真 技 术 体 系 的 需 求 与 构 想 航 天 工 程 体 系 仿 真 需 要 攻 克 的 难 题 主 要 是 模 拟 真 实 战 场 和 空 间 环 境, 为 航 天 器 导 弹 武 器 的 定 型 和 实 战 化 提 供 支 撑 由 于 缺 乏 全 面 系 统 的 规 划 和 基 础 研 究 支 持, 所 以 出 现 工 程 仿 真 技 术 孤 岛 和 关 键 技 术 攻 关 得 不 到 持 续 支 持 的 问 题 同 时 我 国 仿 真 技 术 的 研 究 与 航 天 工 程 型 号 研 制 的 结 合 不 够 紧 密, 缺 乏 协 同 发 展 全 过 程 支 撑 目 前 某 些 发 达 国 家, 如 美 国 航 天 器 仿 真 技 术 的 应 用 已 覆 盖 概 念 设 计 详 细 设 计 制 造 使 用 等 全 过 程 另 外, 传 统 的 试 验 手 段 和 能 力 已 经 不 能 满 足 航 天 器 的 发 展 对 仿 真 技 术 的 需 求, 仿 真 技 术 亟 待 创 新, 这 些 都 是 面 临 的 主 要 问 题 当 前, 需 要 研 究 的 具 体 内 容 有 : 如 何 解 决 全 过 程 多 因 素 强 耦 合 航 天 器 的 仿 真 技 术 ; 如 何 在 飞 行 子 样 受 限 的 情 况 下, 依 靠 仿 真 手 段 验 证 设 计 包 络 的 真 实 性 ; 如 何 进 行 充 分 的 地 面 仿 真 试 验, 降 低 航 天 器 飞 行 验 证 的 风 险, 同 时 通 过 飞 行 数 据 修 正 仿 真 模 型, 提 高 系 统 仿 真 的 置 信 度 (1) 航 天 器 性 能 仿 真 技 术 的 作 用 在 航 天 器 设 计 方 案 论 证 阶 段, 航 天 器 性 能 仿 真 技 术 主 要 作 用 是 根 据 总 体 任 务 要 求, 分 解 各 系 统 的 指 标 要 求, 各 系 统 根 据 指 标 要 求 建 立 数 学 / 仿 真 模 型, 并 且 开 展 系 统 级 验 证 同 时, 总 体 根 据 各 系 统 间 的 耦 合 模 型 建 立 飞 行 器 总 体 级 多 学 科 仿 真 验 证 模 型, 重 点 开 展 各 分 系 统 间 的 耦 合 性 能 验 证, 验 证 总 体 指 标 分 解 的 正 确 性, 并 评 估 飞 行 器 性 能 是 否 满 足 任 务 要 求 在 工 程 研 制 阶 段, 根 据 各 分 系 统 半 实 物 仿 真 试 验 的 结 果, 构 建 总 体 层 面 的 实 物 仿 真 验 证 平 台, 并 围 绕 飞 行 包 络 内 的 特 定 任 务, 开 展 总 体 层 面 的 全 系 统 紧 耦 合 的 仿 真 试 验, 一 方 面 可 以 检 验 各 系 统 间 的 匹 配 性 和 性 能 指 标 的 合 理 性, 另 一 方 面 也 可 以 验 证 总 体 性 能 指 标 的 可 实 现 性 如 图 1 所 示 图 1 航 天 器 性 能 仿 真 技 术 的 作 用

23 对 航 天 器 仿 真 技 术 发 展 的 思 考 19 (2) 航 天 器 仿 真 技 术 体 系 的 需 求 与 构 想 航 天 器 仿 真 技 术 主 要 包 括 分 系 统 仿 真 与 建 模 技 术 多 物 理 场 耦 合 的 总 体 仿 真 技 术 以 及 高 效 协 同 的 仿 真 技 术 其 中, 分 系 统 仿 真 与 建 模 主 要 包 括 气 动 力 仿 真 建 模 动 力 系 统 仿 真 建 模 结 构 系 统 仿 真 建 模 控 制 系 统 仿 真 建 模 和 大 气 环 境 仿 真 建 模 等 多 物 理 场 耦 合 仿 真 主 要 考 虑 了 总 体 / 气 动 布 局 / 控 制 间 耦 合 气 动 力 / 热 耦 合 气 动 力 / 热 / 结 构 耦 合 和 力 / 热 / 结 构 / 控 制 ( 伺 服 ) 耦 合 等 高 效 协 同 的 仿 真 技 术 由 快 速 并 行 计 算 技 术, 分 布 异 构 协 同 计 算 技 术, 及 耦 合 加 载 技 术 三 部 分 组 成 在 总 结 50 年 航 天 仿 真 技 术 发 展 的 基 础 上, 运 用 航 天 器 仿 真 技 术, 以 高 性 能 计 算 集 群 为 基 础, 构 建 航 天 器 工 程 仿 真 体 系, 实 现 航 天 器 多 系 统 多 物 理 场 耦 合 分 布 式 异 构 集 成 协 同 仿 真 平 台, 如 图 2 所 示 通 过 这 种 仿 真 平 台 可 以 把 各 个 分 系 统 的 仿 真 模 型 集 成 在 一 起 进 行 仿 真, 实 现 航 天 产 品 的 全 系 统 仿 真 航 天 器 运 行 出 现 故 障 时 的 远 距 离 仿 真 等, 支 撑 工 程 实 现 问 题 的 远 程 快 速 决 策 图 2 航 天 器 多 系 统 分 布 式 协 同 仿 真 平 台

24 20 中 国 工 程 科 技 论 坛 : 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 (3) 航 天 器 仿 真 试 验 体 系 的 需 求 与 构 想 从 方 法 学 的 角 度 来 看, 航 天 器 仿 真 试 验 需 要 进 行 四 个 方 面 的 研 究 : 一 是 研 究 分 层 逐 级 验 证 与 总 体 集 成 协 同 验 证 相 结 合 的 方 法, 即 分 系 统 的 验 证 及 其 与 总 体 的 结 合 ; 二 是 采 用 机 理 模 型 和 专 家 经 验 相 结 合 的 方 法, 确 定 试 验 状 态, 验 证 航 天 器 设 计 的 飞 行 包 络 ; 三 是 通 过 智 能 优 化 和 云 仿 真 技 术, 依 托 高 性 能 计 算 及 网 络 技 术 的 支 撑, 建 立 高 效 的 仿 真 试 验 调 度 方 法 ; 最 后 是 通 过 研 究 多 物 理 场 耦 合 加 载 试 验 方 法, 对 试 验 手 段 进 行 创 新 以 总 体 性 能 半 实 物 仿 真 实 验 系 统 的 构 建 为 例, 首 先 需 要 解 决 分 布 式 计 算 及 调 度 管 理 问 题, 需 要 采 用 大 型 高 性 能 计 算 系 统 的 计 算 资 源, 同 时 还 要 进 行 调 度 管 理 协 同 软 件 的 开 发 ; 其 次 是 总 体 仿 真 模 型 问 题, 如 规 划 总 体 性 能 仿 真 平 台, 建 立 多 学 科 耦 合 仿 真 模 型 ; 第 三 要 考 虑 仿 真 模 拟 设 备 的 问 题, 主 要 包 括 多 自 由 度 运 动 模 拟 装 置 目 标 及 环 境 模 拟 装 置 多 物 理 场 耦 合 模 拟 测 控 信 道 模 拟 等 ; 最 后 是 实 物 产 品 的 开 发, 主 要 由 星 / 箭 系 统 测 发 控 系 统 测 控 系 统 信 息 支 撑 等 构 成 三 航 天 器 仿 真 涉 及 的 关 键 技 术 在 航 天 器 仿 真 技 术 发 展 的 过 程 中, 涉 及 若 干 关 键 技 术 需 要 解 决, 主 要 包 括 多 物 理 场 耦 合 复 杂 系 统 建 模 技 术 虚 拟 飞 行 试 验 设 计 验 证 技 术, 仿 真 模 型 校 核 辨 识 及 修 正, 航 天 器 仿 真 共 性 支 撑 技 术 等 (1) 多 物 理 场 耦 合 复 杂 系 统 建 模 技 术 多 物 理 场 耦 合 复 杂 系 统 建 模 研 究 需 要 重 点 开 展 具 有 以 下 耦 合 特 性 的 航 天 器 建 模 技 术 的 研 究 : 即 总 体 气 动 和 控 制 耦 合, 气 动 力 / 热 耦 合, 气 动 力 / 热 / 结 构 耦 合, 力 / 热 / 结 构 / 控 制 ( 伺 服 ) 耦 合, 还 有 多 体 运 动 复 杂 结 构 的 仿 真 技 术 面 对 这 种 复 杂 的 多 物 理 场 耦 合 关 系, 需 要 通 过 建 模 来 刻 画 和 描 述 飞 行 器 实 际 飞 行 状 态, 提 高 仿 真 验 证 的 准 确 度 多 物 理 场 耦 合 关 系 如 图 3 所 示 (2) 虚 拟 飞 行 试 验 设 计 验 证 技 术 基 于 航 天 器 仿 真 试 验 平 台 进 行 航 天 器 飞 行 包 络 的 数 学 及 半 实 物 仿 真 试 验, 即 航 天 器 虚 拟 飞 行 试 验 虚 拟 飞 行 试 验 可 对 飞 行 器 性 能 技 术 指 标 和 综 合 效 能 进 行 评 估, 同 时 虚 拟 飞 行 试 验 通 过 多 学 科 多 物 理 场 耦 合 建 模 和 高 效 能 仿 真 等 技 术, 实 现 多 维 度 全 系 统 全 剖 面 全 流 程 的 飞 行 模 拟 仿 真, 并 通 过 偏 差 状 态 组 合 故 障 模 式 注 入 仿 真, 对 系 统 的 鲁 棒 性 健 壮 性 进 行 综 合 评 估, 最 大 限 度 地 在 飞 行 前 验 证 设 计 的 正 确 性, 并 挖 掘 系 统 的 潜 在 风 险 构 建 层 次 化 的 虚 拟 飞 行 试 验 应

25 对 航 天 器 仿 真 技 术 发 展 的 思 考 21 图 3 航 天 器 多 物 理 场 耦 合 系 统 用 体 系, 将 大 子 样 虚 拟 试 验 与 小 子 样 地 面 试 验 和 飞 行 试 验 等 相 结 合, 实 现 仿 真 试 验 地 面 实 物 试 验 飞 行 试 验 的 逐 级 验 证 和 修 正, 提 高 虚 拟 仿 真 实 验 的 真 实 性, 最 终 形 成 虚 实 结 合 的 航 天 器 总 体 性 能 验 证 和 评 估 体 系, 如 图 4 所 示 (3) 仿 真 模 型 校 核 辨 识 及 修 正 仿 真 模 型 校 核 辨 识 及 修 正 也 是 航 天 器 仿 真 需 要 解 决 的 关 键 技 术 之 一 要 解 决 这 个 问 题, 首 先 需 要 对 仿 真 模 型 进 行 物 理 及 数 学 层 次 的 验 模, 确 保 模 型 符 合 航 天 器 的 主 要 物 理 特 征 ; 其 次 通 过 对 实 物 产 品 地 面 试 验 数 据 的 分 析, 进 一 步 验 证 / 修 正 仿 真 模 型 的 正 确 性 ; 最 后 根 据 实 际 飞 行 试 验 数 据 进 行 分 析 对 比, 开 展 模 型 参 数 辨 识, 评 估 仿 真 模 型 的 正 确 性, 并 进 一 步 完 善 和 修 正 仿 真 模 型 通 过 这 些 手 段, 可 以 将 地 面 仿 真 的 数 据 和 飞 行 数 据 一 起 作 为 武 器 评 估 的 一 个 重 要 依 据, 从 而 减 少 飞 行 试 验 的 风 险 (4) 航 天 器 仿 真 共 性 支 撑 技 术 航 天 器 仿 真 共 性 支 撑 技 术 主 要 包 括 异 构 软 件 协 同 技 术 仿 真 环 境 支 撑 技 术 和 虚 拟 环 境 技 术 三 部 分 其 中, 异 构 软 件 协 同 技 术 主 要 研 究 多 学 科 协 同 建 模 的 方 法 异 构 软 件 和 模 型 的 协 同 技 术, 建 立 协 同 仿 真 模 型 集 成 框 架, 实 现 多 学 科 异 构 仿 真 模 型 统 一 的 多 机 并 发 协 同 仿 真 ; 仿 真 环 境 支 撑 技 术 主 要 研 究 基 于 分 布 式 计 算 环 境 高 性 能 计 算 环 境 半 实 物 仿 真 环 境 的 多 学 科 一 体 化 分 布 式 协 同 仿 真 模 型 的 运 行 支 撑 平 台 ; 虚 拟 环 境 技 术 是 指 对 自 然 环 境 和 人 为 对 抗 环 境 的 仿 真 建 模, 模 拟 环 境 效 应 的 虚 拟 现 实 可 视 化 技 术 等

26 航天工程与仿真技术 ２ 中国工程科技论坛 ２ 图 ４ 航天器总体性能验证和评估体系 此外 现代信息技术的迅猛发展也为航天器仿真提供了新的机遇和挑战 例 如基于数值算法和并行技术的高效仿真建模方法 ＧＰＵ与 ＣＰＵ异构的高性能计 算加速技术 云计算的系统仿真优化技术等方法 如图 ５所示 它们为航天器仿 真技术的迅速发展提供了可能 需要进一步的开发和探索

27 对 航 天 器 仿 真 技 术 发 展 的 思 考 23 图 5 现 代 信 息 技 术 在 航 天 器 仿 真 中 的 应 用 四 结 论 当 前, 航 天 事 业 的 发 展 对 仿 真 技 术 提 出 了 新 的 迫 切 需 求, 发 展 航 天 器 仿 真 技 术 是 提 升 航 天 系 统 工 程 设 计 验 证 能 力 的 最 有 效 手 段 之 一 ; 现 代 信 息 技 术 的 进 步 为 航 天 仿 真 技 术 发 展 奠 定 了 坚 实 的 技 术 基 础, 但 是 新 一 代 航 天 器 仿 真 技 术 的 发 展 仍 面 临 众 多 基 础 问 题 与 技 术 挑 战 突 破 航 天 仿 真 的 核 心 技 术, 实 现 仿 真 技 术 与 航 天 系 统 工 程 的 有 机 结 合, 必 将 推 动 未 来 航 天 装 备 建 设 的 大 发 展 包 为 民 1982 年 8 月 毕 业 于 西 北 电 讯 工 程 学 院, 现 任 中 国 航 天 科 技 集 团 公 司 科 技 委 主 任, 国 家 某 重 点 工 程 技 术 总 负 责 人, 兼 任 总 装 备 部 科 技 委 委 员, 是 我 国 航 天 运 载 器 总 体 及 控 制 领 域 的 学 术 带 头 人,973 首 席 专 家, 国 防 科 技 工 业 有 突 出 贡 献 中 青 年 专 家 先 后 获 国 家 科 技 进 步 奖 特 等 奖 一 等 奖, 国 防 科 技 进 步 奖 一 等 奖 二 等 奖, 获 国 防 科 技 工 业 杰 出 人 才 奖 2005 年 当 选 为 中 国 科 学 院 院 士

28 24 中 国 工 程 科 技 论 坛 : 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 半 实 物 仿 真 王 子 才 哈 尔 滨 工 业 大 学 控 制 与 仿 真 中 心 一 概 述 仿 真 技 术 是 以 相 似 原 理 模 型 理 论 系 统 技 术 信 息 技 术 以 及 仿 真 应 用 领 域 的 有 关 专 业 技 术 为 基 础, 以 计 算 机 系 统 与 应 用 有 关 的 物 理 效 应 设 备 及 仿 真 器 为 工 具, 利 用 系 统 模 型 对 实 际 的 或 设 想 的 系 统 进 行 研 究 分 析 试 验 与 运 行 的 一 门 多 学 科 的 综 合 性 技 术 由 于 仿 真 技 术 在 应 用 上 的 经 济 性 安 全 性 可 重 复 性 无 破 坏 性 不 受 气 候 条 件 限 制 不 受 场 地 空 间 限 制 等 优 点, 仿 真 技 术 被 广 泛 应 用 于 航 天 航 空 航 海 电 力 化 工 核 能 通 信 等 诸 多 领 域 以 美 国 为 代 表 的 世 界 发 达 国 家 非 常 重 视 仿 真 技 术 的 发 展 美 国 陆 军 导 弹 司 令 部 的 先 进 仿 真 中 心 为 美 国 计 划 执 行 署 和 负 责 为 美 国 陆 军 研 制 并 部 署 战 术 精 确 制 导 导 弹 和 子 弹 药 的 项 目 官 员 提 供 半 实 物 仿 真 支 持 先 进 仿 真 中 心 成 立 至 今 已 研 制 出 十 几 套 半 实 物 仿 真 设 施 这 些 设 施 包 括 由 基 于 特 征 测 量 的 数 学 模 型 作 支 持 的 专 用 信 号 生 成 设 备 和 辐 射 室 它 们 提 供 微 波 毫 米 波 红 外 和 可 见 光 频 段 内 的 目 标 特 征 干 扰 和 背 景 场 景 在 北 约 未 来 安 全 环 境 报 告 中, 仿 真 技 术 被 视 为 解 决 国 家 危 机 地 区 危 机 恐 怖 主 义 武 器 扩 散 等 安 全 问 题 的 关 键 技 术 之 一 在 我 国, 仿 真 技 术 也 受 到 越 来 越 多 的 关 注 早 在 上 世 纪 八 十 年 代 初 由 原 航 天 部 制 定 的 航 天 10 年 发 展 规 划 中, 仿 真 技 术 已 经 显 现 出 其 巨 大 的 工 程 价 值 特 别 是 1991 年 北 京 仿 真 中 心 成 立 之 后, 仿 真 技 术 开 始 大 量 应 用 于 航 天 工 程 回 顾 仿 真 技 术 的 发 展 历 程, 上 世 纪 60 年 代 仿 真 技 术 尚 处 于 萌 芽 阶 段, 之 后 步 入 快 速 发 展 阶 段,70 年 代 末 提 出 了 半 实 物 仿 真 技 术,90 年 代 初 又 提 出 了 分 布 式 仿 真 技 术 进 入 新 世 纪 以 来, 仿 真 技 术 的 发 展 速 度 明 显 加 快, 并 行 仿 真 技 术 嵌 入 式 仿 真 技 术 云 仿 真 技 术 相 继 进 入 工 程 应 用 领 域 二 半 实 物 仿 真 开 发 半 实 物 仿 真 系 统 时, 必 须 牢 牢 把 握 以 下 五 个 方 面 : 仿 真 模 型 仿 真 设 备 仿 真 接 口 仿 真 实 时 性 和 仿 真 可 信 度

29 半 实 物 仿 真 25 图 1 仿 真 技 术 的 发 展 历 程 ( 一 ) 仿 真 模 型 在 系 统 建 模 方 面, 就 半 实 物 仿 真 而 言, 包 括 物 理 模 型 和 数 学 模 型 一 般 地, 运 动 体 ( 导 弹 卫 星 鱼 类 等 ) 采 用 数 学 模 型, 运 动 体 的 制 导 与 控 制 部 分 采 用 真 实 系 统, 而 真 实 系 统 所 处 的 环 境 采 用 物 理 模 型, 再 将 各 部 分 联 成 一 个 整 体 近 年 来, 系 统 建 模 技 术 随 着 仿 真 应 用 范 围 的 拓 宽 而 不 断 发 展, 定 性 系 统 的 建 模 有 Kuiper 法 以 及 各 类 基 于 模 糊 理 论 的 方 法, 离 散 事 件 系 统 及 各 类 并 发 分 布 系 统 的 建 模 有 Petri 网 及 Bond 图 方 法, 复 杂 系 统 的 基 于 Agent 的 建 模 仿 真 方 法, 此 外 机 理 建 模 及 系 统 辨 识 法 模 糊 优 化 法 人 工 智 能 辅 助 建 模 法 及 混 合 模 式 的 建 模 法 等 无 论 采 用 何 种 建 模 方 法, 均 需 保 证 模 型 的 等 效 性 精 确 性 实 时 性 异 构 性 数 值 解 算 快 速 性 分 辨 率 适 度 性 ( 二 ) 仿 真 设 备 半 实 物 仿 真 设 备 主 要 包 括 仿 真 计 算 机 和 各 种 物 理 仿 真 装 置 仿 真 计 算 机 可 以 是 数 字 计 算 机 模 拟 计 算 机 或 数 - 模 混 合 仿 真 计 算 机 ; 物 理 仿 真 装 置 通 常 包 括 目 标 仿 真 器 负 载 力 矩 仿 真 器 和 三 轴 飞 行 转 台 等 设 备 图 2 是 常 见 的 物 理 仿 真 装 置 飞 行 转 台 ( 三 ) 仿 真 接 口 仿 真 系 统 的 接 口 包 括 设 备 接 口 和 人 - 机 接 口, 如 图 3 所 示 目 前 导 弹 和 航 天 器 仿 真 主 要 涉 及 实 物 系 统 的 连 接, 其 半 实 物 仿 真 试 验 有 两 种 情 况 : 一 种 用 于 验 证 系 统 性 能 而 尽 可 能 多 图 2 飞 行 转 台

30 26 中 国 工 程 科 技 论 坛 : 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 地 接 入 实 物 的 半 实 物 仿 真 试 验 ; 另 一 种 用 于 检 验 飞 行 软 件 而 仅 含 控 制 计 算 机 实 物 的 半 实 物 仿 真 实 验 在 进 行 仿 真 试 验 时, 涉 及 的 信 息 变 换 接 口 主 要 发 生 在 仿 真 计 算 机 的 输 入 对 于 第 一 种 情 况 的 仿 真 试 验, 仿 真 所 引 入 的 接 口 发 生 在 仿 真 计 算 机 与 导 航 制 导 设 备 的 环 境 仿 真 设 备 之 间 ; 而 对 于 后 一 种 情 况 的 仿 真 试 验, 仿 真 计 算 机 必 须 直 接 与 控 制 计 算 机 相 连 接, 需 要 模 拟 导 航 制 导 设 备 的 输 出 信 号 目 前 除 了 一 般 的 D/A A/D 接 口 之 外, 主 要 的 信 息 转 换 接 口 有 D/A( 或 D/D) 加 正 弦 调 制 D/A( 或 D/D) 加 脉 宽 调 制 D/A( 或 D/D) 加 V/f( 或 D/f) 变 换 D/A 加 V/I 变 换 D/D 变 换, 其 他 还 有 一 些 地 线 阻 抗 隔 离 电 路 和 传 输 电 缆 总 之, 接 口 连 接 中 不 应 该 引 入 干 扰 和 畸 变 图 3 接 口 装 置 仿 真 接 口 按 使 用 方 式 也 可 分 为 集 中 式 接 口 与 分 布 式 接 口, 如 图 4 所 示 集 中 式 接 口 有 非 总 线 和 总 线 两 种 工 作 模 式, 占 用 计 算 机 运 行 时 间, 并 且 I/O 处 理 影 响 模 型 解 算, 但 是 它 具 有 简 单 易 行 成 本 低 的 优 点 ; 分 布 式 接 口 有 专 门 I/O 处 理 计 算 机, 管 控 方 便 灵 活, 但 是 它 采 用 的 是 网 络 通 讯, 导 致 网 络 带 宽 影 响 实 时 性, 而 且 成 本 高 结 构 复 杂 ( 四 ) 仿 真 实 时 性 按 仿 真 时 间 和 实 际 时 间 的 比 例 关 系 分 类, 仿 真 可 分 为 实 时 仿 真 ( 仿 真 时 间 标 尺 等 于 自 然 时 间 标 尺 ) 超 实 时 仿 真 ( 仿 真 时 间 标 尺 大 于 自 然 时 间 标 尺 ) 和 亚 实 时 仿 真 ( 仿 真 时 间 标 尺 小 于 自 然 时 间 标 尺 ) 半 实 物 仿 真 属 于 实 时 仿 真 范 畴, 实 时 性 是 其 必 要 前 提 例 如 半 实 物 仿 真 系 统 SIMNET, 它 包 括 260 个 仿 真 器 9 个 训 练 场 2 个 研 究 场 所 以 及 850 个 仿 真 实 体, 所 面 临 的 实 时 性 问 题 难 度 极 大

31 半 实 物 仿 真 27 图 4 分 布 式 接 口 ( 五 ) 仿 真 可 信 度 仿 真 可 信 度 是 指 由 仿 真 系 统 与 原 型 系 统 之 间 相 似 性 决 定 的 仿 真 系 统 与 仿 真 目 的 相 适 应 的 程 度 仿 真 系 统 本 身 是 由 代 替 实 际 系 统 的 模 型 进 行 模 型 运 算 的 仿 真 软 件 产 生 物 理 效 应 的 硬 件 设 备 人 机 接 口 界 面 和 软 硬 件 接 口 通 信 软 件 以 及 开 发 与 使 用 系 统 的 人 构 成 的 复 杂 系 统 其 可 信 度 评 估 研 究 应 该 从 整 个 仿 真 系 统 角 度 出 发, 全 方 位 地 进 行 随 着 对 仿 真 可 信 度 评 估 研 究 工 作 的 不 断 深 入, 仿 真 系 统 的 评 估 和 管 理 人 员 逐 渐 认 识 到 仿 真 系 统 开 发 的 各 个 阶 段 都 对 仿 真 可 信 度 有 重 要 的 影 响, 因 此 对 仿 真 系 统 可 信 度 评 估 是 仿 真 系 统 全 生 命 周 期 中 的 一 项 非 常 重 要 的 工 作 三 半 实 物 仿 真 设 备 转 台 系 统 是 惯 性 元 器 件 和 惯 导 系 统 测 试 与 实 验 的 重 要 设 备, 也 是 半 实 物 仿 真 系 统 的 常 用 设 备 之 一, 如 图 5 所 示 转 台 系 统 主 要 由 下 述 三 个 基 本 部 分 组 成 : (1) 台 体 转 台 的 台 体 是 机 械 设 计 部 分, 包 括 基 座 和 轴 框 架 三 轴 飞 行 仿 真 转 台 有 三 个 相 对 转 动 的 框 架 ( 外 框 中 框 内 框 ), 三 个 框 架 轴 相 互 垂 直, 分 别 用 来 仿 真 飞 行 器 的 航 向 俯 仰 和 滚 动 运 动, 所 以 也 称 为 方 位 框 俯 仰 框 和 滚 转 框, 如 图 6 所 示 台 体 各 轴 上 均 装 有 减 速 齿 轮 驱 动 马 达 以 及 角 运 动 敏 感 元 件 和 高 精 度 导 电 滑 环, 被 测 试 件 装 在 与 内 框 轴 固 联 的 负 载 盘 或 支 架 上 为 了 精 确 地 测

32 航天工程与仿真技术 ２ 中国工程科技论坛 ８ 图 ５ 仿真转台系统 量转台各个轴的转角 一般都装有刻度盘 有的甚至装有游标刻度盘 为了防止 随动系统发生故障而连续旋 转 撞 坏 被 试 部 件 各 轴 装 有 限 制 转 角 的 限 位 装 置 减速齿轮装有消除间隙的装置 各种引线通过各轴的中心孔以避免框架转动时 发生交叉和牵缠 图 ６ 仿真转台的支撑系统 ２ 控制柜 控制柜内 是 转 台 主 控 装 置 用 来 控 制 转 台 台 体 的 运 动 控 制 柜内放置转台的控制器 监 控 装 置 和 控 制 计 算 机 等 部 件 控 制 计 算 机 集 中 控 制 各个相互独立的轴通道 实现转台所有的控制功能

33 半 实 物 仿 真 29 (3) 动 力 系 统 动 力 系 统 是 提 供 台 体 伺 服 系 统 专 用 的 动 力 装 置, 有 两 大 类 : 一 类 是 电 动 机 伺 服 驱 动 ; 一 类 是 液 压 伺 服 驱 动 电 动 机 驱 动 的 优 点 是 : 电 动 机 可 实 现 连 续 回 转, 而 摆 动 式 液 压 马 达 则 不 能 ; 液 压 驱 动 需 要 设 置 液 压 油 源, 而 电 动 机 驱 动 则 不 必 液 压 系 统 的 优 点 是 : 液 压 马 达 输 出 力 矩 大 且 功 率 密 度 高, 在 同 样 功 率 条 件 下, 液 压 马 达 的 体 积 和 重 量 仅 为 电 动 机 的 12% ~20% 左 右, 所 以 适 用 于 大 负 载 仿 真 转 台 和 小 负 载 但 通 频 带 很 宽 的 高 频 响 仿 真 转 台 并 且 液 压 马 达 的 调 速 范 围 大, 可 以 从 最 低 角 速 度 /s 无 级 调 到 300 /s, 其 速 比 范 围 超 过 50 万 倍 因 此, 对 于 小 负 载 低 频 响 的 转 台, 采 用 电 机 驱 动 方 案 较 佳 ; 而 对 那 些 大 负 载 高 频 响 的 仿 真 转 台, 采 用 液 压 驱 动 为 宜 图 7 电 动 伺 服 驱 动 四 半 实 物 仿 真 的 应 用 ( 一 ) 精 确 打 击 武 器 仿 真 为 了 响 应 美 国 陆 军 导 弹 司 令 部 关 于 全 陆 军 在 大 规 模 导 引 头 半 实 物 仿 真 方 面 的 经 验 和 能 力 来 源 的 要 求, 各 种 规 模 的 全 数 字 混 合 导 引 头 半 实 物 和 人 在 回 路 中 的 仿 真 系 统 应 运 而 生 仿 真 靠 单 一 或 组 合 利 用 先 进 的 仿 真 处 理 器 组 合 体 红 外 仿 真 系 统 光 电 仿 真 系 统 和 射 频 仿 真 系 统 在 实 时 的 动 态 环 境 中 完 成 红 外 仿 真 系 统 为 用 于 面 对 空 空 对 空 和 空 对 面 导 弹 的 红 外 传 感 器 系 统 的 设 计 研 制 和 鉴 定 提 供 一 种 仿 真 手 段, 工 作 在 0.2~0.4μm 和 1.0~1.5μm 波 段 的 传 感 器 在 目 标 截 获 程 序 中 的 六 自 由 度 由 混 合 计 算 机 控 制 光 电 仿 真 系 统 为 各 种 各 样 的 紫 外 线 可 见 光 和 近 红 外 传 感 器 系 统 的 无 损 仿 真 提 供 真 实 和 精 确 可 控 的 环 境 在 搜 索 室 内 可 控 照 度 等 级 和 室 外 环 境 条 件 下 的 目 标 时, 实 际 传 感 器 的 六 自 由 度 由 混 合 计 算 机 控 制 光 电 仿 真 系 统 还 具 有 一 个 热 的 地 形 模 型, 它 适 应 2~14μm 的 红 外 频 谱 区 射 频 仿 真 系 统 提 供 在 面 对 空 空 对 空 空 对 面 和 面 对 面 作 战 中 的 被 动 半 主 动 相 干 的 和 非 相 干 的 主 动 指 令 驾 束 成 像 以 及 对 导 弹

34 30 中 国 工 程 科 技 论 坛 : 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 跟 踪 的 导 弹 系 统 的 导 引 头 半 实 物 仿 真 ( 二 ) 火 星 500 项 目 火 星 500(MARS500) 是 由 俄 罗 斯 组 织 多 国 参 与 的 国 际 大 型 试 验 项 目, 模 拟 从 飞 船 发 射 飞 向 火 星 登 陆 火 星 到 返 回 地 球 的 全 过 程 该 项 目 的 主 要 目 的 是 探 索 人 与 环 境 相 互 作 用, 了 解 长 期 密 闭 环 境 下 乘 组 健 康 状 态 及 工 作 能 力 状 况 特 别 是 获 取 超 长 时 间 飞 行 无 安 全 自 主 控 制 资 源 有 限 无 法 实 施 身 体 及 心 理 特 殊 治 疗 完 成 火 星 表 面 出 舱 活 动 等 条 件 下 的 相 关 数 据 试 验 开 始 于 北 京 时 间 2010 年 6 月 3 日, 结 束 于 北 京 时 间 2011 年 11 月 4 日 试 验 设 计 时 间 520 天, 前 250 天 模 拟 飞 往 火 星 中 间 30 天 登 陆 火 星 最 后 240 天 返 回 地 球 进 入 模 拟 试 验 舱 后, 所 有 生 活 用 品 人 员 将 彻 底 与 外 界 隔 绝 参 加 试 验 的 乘 组 由 5 名 男 性 和 1 名 女 性 志 愿 者 组 成 实 验 设 施 位 于 莫 斯 科 俄 罗 斯 科 学 院 生 物 医 学 问 题 研 究 所 (IBMP) 实 验 舱 的 设 计 充 分 考 虑 到 乘 组 在 长 期 狭 小 环 境 中 工 作 生 活 及 安 全 保 障 的 需 求, 共 计 550 平 方 米, 由 生 活 舱 医 疗 舱 公 共 活 动 舱 火 星 着 陆 舱 模 拟 器 轻 型 充 气 火 星 表 面 模 拟 舱 等 五 部 分 组 成, 如 图 8 所 示 图 8 火 星 500 项 目 ( 三 ) 模 拟 驾 驶 与 格 斗 培 训 一 般 来 说, 飞 行 模 拟 器 由 如 下 几 个 部 分 组 成 : 主 计 算 机 系 统 视 景 系 统 运 动 与 操 纵 负 荷 系 统 仪 表 系 统 和 音 响 系 统 等, 如 图 9 所 示 飞 行 模 拟 器 力 求 实 现 一 种 与 真 实 飞 行 完 全 一 样 的 环 境, 其 座 舱 的 布 局 及 其 中 的 仪 表 设 备 与 真 实 飞 机 驾 驶 舱 内 部 严 格 一 致, 运 动 系 统 用 于 产 生 加 速 度 颠 簸 等 感 觉, 透 过 座 舱 前 的 风 挡 玻 璃, 飞 行 员 可 以 看 到 模 拟 器 视 景 系 统 实 时 地 生 成 蓝 天 白 云 山 川 机 场 跑 道 等 景 物, 音 响 系 统 伴 随 着 当 时 的 飞 行 情 况 准 确 地 模 拟 出 各 种 音 响 效 果, 飞 行 员 通 过 驾 驶 杆 方 向 舵 及 其 他 设 备 的 输 入 均 可 得 到 与 操 纵 真 实 飞 机 一 样 的 力 反 馈, 使 飞 行 员 产 生 高 度 的 沉 浸 感, 从 而 达 到 良 好 的 训 练 效 果 飞 行 模 拟 器 不 仅 可 以 使 飞 行 员 做 正 常 飞 行 程 序 的 训 练, 更 为 重 要 的 是, 它 可

35 半 实 物 仿 真 31 以 真 实 地 模 拟 发 动 机 空 中 失 火 控 制 飞 行 操 纵 系 统 失 效 落 地 时 轮 胎 爆 裂 等 特 殊 情 况 飞 行 员 可 以 在 模 拟 器 上 训 练, 果 断 正 确 地 处 理 以 上 这 些 用 传 统 飞 行 训 练 难 以 或 根 本 无 法 实 现 的 但 真 实 飞 行 中 又 很 可 能 发 生 的 特 殊 情 况 不 但 如 此, 用 飞 行 模 拟 器 对 飞 行 员 训 练 完 全 在 室 内 进 行, 不 受 场 地 气 候 等 条 件 的 限 制, 大 大 降 低 了 飞 行 训 练 的 人 力 物 力 消 耗, 有 很 高 的 安 全 性 因 此, 飞 行 模 拟 器 已 经 成 为 当 今 飞 行 员 训 练 不 可 替 代 的 高 效 手 段 图 9 飞 行 模 拟 器 ( 四 ) 电 站 设 备 仿 真 电 站 发 电 机 组 的 设 备 庞 大, 系 统 复 杂 因 此 对 设 备 研 究 系 统 试 验 参 数 校 正 运 行 安 全 性 与 经 济 性 分 析 运 行 值 班 员 培 训 等 在 实 际 发 电 机 组 上 直 接 进 行, 或 是 很 困 难, 或 根 本 不 可 能 利 用 仿 真 技 术 的 特 点, 在 模 型 上 进 行 试 验 研 究, 在 仿 真 机 上 培 训 运 行 值 班 员, 则 上 述 问 题 可 迎 刃 而 解 电 站 仿 真 机 从 使 用 目 的 和 仿 真 范 围 考 虑, 可 分 为 6 种 类 型 : 部 分 任 务 型 仿 真 机 基 本 原 理 型 仿 真 机 通 用 型 仿 真 机 全 范 围 仿 真 机 精 确 复 制 型 仿 真 机 和 基 于 CRT 的 仿 真 机 电 站 仿 真 机 提 供 了 一 个 连 续 的 实 时 运 行 环 境 它 真 实 地 仿 真 了

36 32 中 国 工 程 科 技 论 坛 : 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 整 个 电 站 的 运 行 工 况, 如 图 10 所 示 实 现 在 多 种 工 况 下 的 机 组 启 动 停 机 和 正 常 运 行 的 监 视 及 操 作 全 部 操 作 结 果 ( 无 论 是 正 确 操 作 还 是 错 误 操 作 ) 都 与 实 际 电 站 的 反 应 一 致 图 10 电 站 仿 真 机 正 常 或 异 常 状 态 下 的 全 部 参 数 在 相 应 的 仪 表 CRT 及 记 录 仪 表 等 设 备 上 显 示 和 记 录 当 参 数 达 到 或 超 过 极 限 时, 与 实 际 电 站 一 样, 报 警 或 逻 辑 联 锁 保 护 动 作 提 供 机 组 在 不 同 运 行 条 件 下, 分 析 和 改 进 操 作 方 式 并 进 行 优 化 的 试 验 条 件 提 供 正 确 的 故 障 事 故 现 象 仿 真, 以 提 高 机 组 运 行 人 员 正 确 判 断 处 理 各 种 故 障 及 事 故 的 应 急 能 力, 并 为 进 一 步 改 进 操 作 方 式 和 制 定 反 事 故 对 策 提 供 手 段 对 机 组 的 控 制 系 统 进 行 仿 真 试 验 和 控 制 系 统 的 参 数 设 定 对 岗 位 运 行 人 员 技 术 管 理 人 员 定 期 轮 训 上 岗 或 晋 升 前 考 核, 提 供 反 映 运 行 人 员 实 际 操 作 能 力 和 分 析 判 断 能 力 的 手 段 五 半 实 物 仿 真 的 未 来 半 实 物 仿 真 系 统 伴 随 着 科 技 的 飞 速 发 展 和 人 们 对 其 认 识 的 不 断 深 入, 其 软 硬 件 水 平 将 进 一 步 提 高, 从 而 在 航 天 航 空 等 领 域 发 挥 更 大 作 用 例 如, 在 飞 行 器 处 于 高 超 声 速 飞 行 状 态 时, 其 结 构 飞 行 特 性 控 制 特 性 等 都 会 发 生 巨 大 变 化, 这 些 变 化 极 大 地 阻 碍 了 高 超 声 速 飞 行 器 的 研 制, 利 用 半 实 物 仿 真 技 术 对 高 超 飞 行 器 的 上 述 特 性 进 行 模 拟, 将 有 利 于 加 快 高 超 飞 行 器 的 研 制 速 度 ; 至 少 50% 的 航 天 器 故 障 66% 的 火 星 探 测 器 失 败 以 及 部 分 月 球 探 测 器 失 败 是 由 于 空 间 环 境 对 航 天 器 各 种 电 磁 干 扰 造 成 的, 利 用 半 实 物 仿 真 技 术, 可 以 在 地 面 对 航 天 器 在 空 间 环 境 中 的 运 行 状 态 进 行 测 试, 尽 可 能 消 除 航 天 器 存 在 的 隐 患 ; 载 人 航 天 工 程 要 求 航 天 员 能 够 在 失 重 环 境 下 进 行 外 太 空 科 学 试 验 航 天 器 操 控 等, 利 用 半 实 物 仿 真 技 术, 可 以 在 地 面 对 航 天 器 的 整 个 飞 行 过 程 进 行 模 拟, 从 而 对 航 天 员 进 行 各 种 针 对 性 训 练

37 半 实 物 仿 真 33 图 11 半 实 物 仿 真 技 术 的 未 来 应 用 未 来 20 年, 半 实 物 仿 真 技 术 面 临 着 新 的 挑 战, 同 时 也 给 我 们 带 来 了 机 遇 相 信 20 年 后, 我 国 仿 真 技 术 将 在 航 天 工 程 深 空 探 测 等 领 域 跻 身 世 界 前 列 王 子 才 1957 年 毕 业 于 哈 尔 滨 工 业 大 学, 现 任 哈 尔 滨 工 业 大 学 控 制 与 仿 真 中 心 教 授 博 士 生 导 师 是 我 国 控 制 与 仿 真 系 统 领 域 的 专 家, 先 后 荣 获 国 家 科 技 进 步 二 等 奖 三 等 奖 及 省 部 一 等 奖 ; 发 表 论 文 110 余 篇 著 作 6 部 ; 为 我 国 航 天 领 域 培 养 了 一 大 批 优 秀 的 博 士 和 硕 士 研 究 生 2001 年 当 选 为 中 国 工 程 院 院 士

38 34 中 国 工 程 科 技 论 坛 : 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 复 杂 系 统 高 效 能 仿 真 技 术 初 步 研 究 李 伯 虎 航 天 科 工 集 团 二 院 摘 要 : 本 文 首 先 给 出 了 复 杂 系 统 高 效 能 仿 真 技 术 的 含 义 重 要 作 用 和 研 究 内 容, 并 从 满 足 复 杂 系 统 高 端 建 模 仿 真 及 为 海 量 用 户 按 需 提 供 云 高 效 仿 真 服 务 两 类 用 户 及 其 三 类 仿 真 类 型 ( 数 学 人 在 回 路 硬 件 在 回 路 ) 的 角 度, 讨 论 了 发 展 复 杂 系 统 高 效 能 仿 真 技 术 的 技 术 需 求 并 简 介 了 相 关 的 技 术 概 况 接 着, 从 高 效 能 仿 真 建 模 技 术 高 效 能 仿 真 系 统 及 支 撑 技 术 高 效 能 仿 真 应 用 工 程 技 术 等 三 个 方 面 论 述 了 当 前 复 杂 系 统 高 效 能 仿 真 技 术 研 究 中 值 得 关 注 的 10 类 技 术 :1) 复 杂 系 统 高 效 能 仿 真 语 言 ;2) 复 杂 系 统 高 效 能 仿 真 算 法 ;3) 高 效 能 仿 真 系 统 体 系 结 构 ;4) 高 效 能 仿 真 硬 件 实 现 技 术 ;5) 高 效 能 仿 真 软 件 支 撑 技 术 ;6) 高 效 能 仿 真 可 视 化 技 术 ; 7) 高 效 能 云 仿 真 技 术 ;8) 复 杂 系 统 高 效 能 仿 真 系 统 VV&A 技 术 ;9) 海 量 数 据 管 理 技 术 ;10) 复 杂 系 统 仿 真 实 验 及 结 果 分 析 与 评 估 技 术 等 技 术, 包 括 其 研 究 内 容 和 作 者 所 在 团 队 的 研 究 成 果 与 进 一 步 的 研 究 方 向 最 后 给 出 几 点 结 论 与 建 议 关 键 词 : 复 杂 系 统 ; 高 效 能 仿 真 ; 高 端 建 模 仿 真 ; 云 仿 真 一 引 言 复 杂 系 统, 指 的 是 一 类 具 有 系 统 组 成 关 系 复 杂 系 统 机 理 复 杂 系 统 的 子 系 统 间 以 及 系 统 与 其 环 境 之 间 交 互 关 系 复 杂 和 能 量 交 换 复 杂 总 体 行 为 具 有 涌 现 非 线 性, 以 及 自 组 织 混 沌 博 弈 等 特 点 的 系 统 典 型 的 复 杂 系 统 包 括 航 空 航 天 核 工 程 系 统 等 复 杂 工 程 系 统 ; 经 济 规 划 等 复 杂 社 会 系 统 ; 人 动 物 植 物 等 复 杂 生 命 系 统 ; 气 候 电 磁 等 复 杂 环 境 系 统 ;C4ISR 攻 防 体 系 等 复 杂 军 事 系 统 ; 及 互 联 网 物 联 网 等 复 杂 网 络 系 统 等 复 杂 系 统 的 研 究 与 实 施 对 促 进 国 家 社 会 经 济 发 展 巩 固 加 强 国 防 建 设 提 高 人 民 生 活 质 量 有 着 十 分 重 大 的 意 义 目 前, 复 杂 系 统 的 有 效 研 究 实 验 手 段 主 要 包 括 建 模 与 仿 真 技 术 以 及 高 性 能 计 算 机 技 术 等 在 本 文 中, 作 者 提 出 复 杂 系 统 高 效 能 仿 真 技 术 概 念, 它 是 融 合 高 效 能 计 算 技 术 和 现 代 建 模 与 仿 真 技 术, 以 优 化 复 杂 系 统 建 模 仿 真 运 行 及 结 果 分 析 等 整 体 性 能 为 目 标 的 一 类 建 模 仿 真 技 术 复 杂 系 统 高 效 能 仿 真 技 术 正 成 为 现 代 建 模

39 复 杂 系 统 高 效 能 仿 真 技 术 的 初 步 研 究 35 与 仿 真 技 术 的 一 个 研 究 热 点 它 正 成 为 国 民 经 济 国 防 建 设 自 然 科 学 社 会 科 学 等 各 个 领 域 的 复 杂 系 统 论 证 试 验 设 计 分 析 运 行 维 护 人 员 训 练 等 应 用 层 次 的 不 可 或 缺 的 重 要 科 学 技 术, 也 正 逐 步 成 为 计 算 科 学 的 重 要 组 成 部 分 ( 很 多 人 认 为 : 计 算 科 学 是 与 理 论 研 究 实 验 研 究 并 列 的 第 三 种 认 识 与 改 造 世 界 的 重 要 科 学 研 究 手 段 ) 本 文 以 作 者 所 在 团 队 的 近 期 研 究 成 果 为 基 础, 讨 论 了 发 展 复 杂 系 统 高 效 能 仿 真 技 术 的 技 术 需 求 ; 并 详 细 论 述 了 当 前 复 杂 系 统 高 效 能 仿 真 技 术 研 究 中 值 得 关 注 的 10 类 技 术 最 后 给 出 复 杂 系 统 高 效 能 仿 真 技 术 发 展 的 几 点 建 议 二 复 杂 系 统 高 效 能 仿 真 技 术 发 展 的 需 求 复 杂 系 统 高 效 能 仿 真 技 术 的 发 展 由 应 用 需 求 牵 引 和 相 关 技 术 推 动 复 杂 系 统 高 效 能 仿 真 技 术 的 应 用 需 求 主 要 源 自 于 能 支 持 数 学 人 在 回 路 硬 件 在 回 路 等 三 类 仿 真, 及 复 杂 系 统 高 端 建 模 仿 真 及 按 需 提 供 仿 真 服 务 等 二 类 用 户 的 应 用 需 求 上 述 两 类 用 户 对 发 展 复 杂 系 统 高 效 能 仿 真 技 术 提 出 了 许 多 具 体 的 技 术 需 求, 下 面 将 展 开 讨 论 ( 一 ) 复 杂 系 统 高 端 建 模 仿 真 技 术 需 求 随 着 各 领 域 复 杂 工 程 系 统 相 关 学 科 技 术 的 快 速 发 展 专 业 计 算 和 仿 真 软 件 复 杂 度 的 提 高 复 杂 工 程 仿 真 和 计 算 规 模 的 增 大, 这 些 对 复 杂 系 统 高 端 建 模 仿 真 技 术 提 出 了 更 高 的 技 术 需 求, 包 括 以 下 12 个 方 面 : 1) 高 计 算 能 力 ; 2) 高 效 高 带 宽 低 延 迟 的 同 步 通 信 网 络 ; 3) 高 性 能 高 容 量 高 可 伸 缩 性 的 并 行 I/O 系 统 ; 4) 友 好 的 复 杂 系 统 模 型 开 发 环 境 ; 5) 多 尺 度 多 学 科 异 构 系 统 协 同 运 行 ; 6) 仿 真 系 统 多 样 本 并 行 运 行 ( 作 业 级 并 行 ) 仿 真 系 统 ( 联 邦 ) 内 成 员 间 并 行 ( 成 员 级 并 行 ) 以 及 成 员 模 型 解 算 的 并 行 ( 线 程 级 并 行 ) 的 三 级 并 行 ; 7) 海 量 数 据 的 存 储 与 管 理 ; 8) 仿 真 实 验 可 信 性 与 结 果 的 分 析 评 估 ; 9) 仿 真 结 果 智 能 化 分 析 评 估 ; 10) 高 性 能 计 算 机 低 功 耗 ; 11) 高 性 能 计 算 机 系 统 的 高 可 靠 性 ; 12) 高 性 能 计 算 机 系 统 的 安 全 性

40 36 中 国 工 程 科 技 论 坛 : 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 ( 二 ) 高 效 能 云 仿 真 中 心 ( 服 务 ) 的 技 术 需 求 高 效 能 云 仿 真 中 心 ( 服 务 ) 要 为 海 量 用 户 按 需 提 供 在 线 高 效 能 仿 真 云 服 务, 其 技 术 需 求 包 括 :1) 高 效 能 仿 真 资 源 虚 拟 化 与 服 务 化 ;2) 为 用 户 提 供 按 需 动 态 组 合 的 多 类 高 效 能 仿 真 服 务 环 境 ;3) 呈 现 给 用 户 的 是 一 个 虚 拟 化 的 高 效 能 安 全 可 靠 的 协 同 仿 真 运 行 环 境 ;4) 提 供 用 户 为 中 心 的 分 布 协 同 交 互 的 仿 真 工 作 模 式, 如 图 1 所 示 图 1 用 户 通 过 各 种 网 络 得 到 所 需 的 高 效 能 仿 真 服 务 ( 三 ) 相 关 技 术 的 推 动 1 建 模 与 仿 真 技 术 (1) 建 模 与 仿 真 技 术 是 以 相 似 原 理 模 型 理 论 系 统 技 术 信 息 技 术 以 及 建 模 与 仿 真 应 用 领 域 的 有 关 专 业 技 术 为 基 础, 以 计 算 机 系 统 与 应 用 相 关 的 物 理 效 应 设 备 及 仿 真 器 为 工 具, 根 据 研 究 目 标, 建 立 并 运 行 仿 真 模 型, 对 研 究 对 象 进 行 认 识 与 改 造 的 一 门 综 合 性 交 叉 性 技 术 (2) 建 模 与 仿 真 技 术 已 成 为 人 类 认 识 与 改 造 客 观 世 界 的 重 要 方 法, 成 功 地 用 于 航 空 航 天 生 物 材 料 能 源 等 高 新 技 术 领 域 和 工 业 农 业 国 防 商 业 经 济 教 育 社 会 服 务 和 娱 乐 等 众 多 领 域 的 系 统 论 证 试 验 分 析 维 护 运 行 辅 助 决 策 及 人 员 训 练 等 (3) 现 代 建 模 与 仿 真 技 术 正 向 网 络 化 服 务 化 高 效 化 协 同 化 智 能 化 普 适 化 的 现 代 化 方 向 发 展 (4) 现 代 建 模 与 仿 真 技 术 的 研 究 热 点 : 基 于 网 络 技 术 和 云 计 算 的 建 模 与 仿 真 技 术, 智 能 系 统 建 模 与 仿 真 技 术, 复 杂 环 境 ( 自 然 / 人 工 干 扰 ) 的 建 模 与 仿 真 技 术, 复 杂 系 统 / 开 放 复 杂 巨 系 统 的 建 模 / 仿 真 技 术 及 虚 拟 样 机 工 程 等

41 复 杂 系 统 高 效 能 仿 真 技 术 的 初 步 研 究 37 2 高 性 能 能 计 算 技 术 (1) 高 性 能 计 算 技 术 是 一 类 具 有 超 高 计 算 能 力 存 储 能 力 交 互 能 力 的 计 算 技 术 它 包 含 : 高 性 能 处 理 器 ; 并 行 高 效 计 算 机 系 统 ; 相 关 并 行 算 法 及 相 关 领 域 大 型 并 行 应 用 软 件 等 技 术 目 前 在 高 计 算 能 力 高 速 通 讯 能 力 ( 内 部 ) 并 行 计 算 算 法 与 软 件 低 功 耗 高 可 靠 性 等 方 面 已 取 得 较 大 进 展 高 效 能 计 算 的 峰 值 浮 点 运 算 能 力 超 过 1000 万 亿 次 / 秒, 正 积 极 研 制 万 万 亿 次 / 秒 的 超 级 计 算 机 (2) 高 性 能 计 算 技 术 已 在 工 程 领 域 国 防 安 全 科 学 研 究 国 民 经 济 社 会 问 题 中 的 复 杂 系 统 高 端 数 学 仿 真 中 得 到 成 功 应 用 (3) 高 性 能 计 算 机 技 术 正 向 高 性 能 高 可 靠 高 节 能 高 可 用 的 高 效 能 方 向 发 展 (4) 当 前 高 效 能 计 算 的 研 究 热 点 包 括 采 用 多 核 (mulicore) 众 核 (many core) GPU 和 专 用 加 速 硬 件 提 高 应 用 系 统 的 性 能 和 降 低 功 耗, 可 伸 缩 的 全 局 并 行 I/O 处 理 系 统, 高 效 能 的 编 译 系 统 和 高 效 能 的 并 行 计 算 环 境, 以 及 面 向 领 域 的 应 用 支 撑 软 件 系 统 等 3 要 重 视 研 究 复 杂 系 统 高 效 能 建 模 仿 真 技 术 值 得 指 出, 现 有 的 高 性 能 计 算 机 技 术 与 建 模 与 仿 真 技 术 融 合 得 还 不 够, 因 此, 现 有 的 计 算 机 系 统 还 不 能 良 好 地 满 足 复 杂 系 统 高 效 能 建 模 仿 真 的 应 用 需 求, 例 如 : (1) 在 体 系 结 构 方 面 : 现 有 高 性 能 计 算 机 系 统 架 构 难 以 支 持 半 实 物 ( 硬 件 在 回 路 ) 仿 真 嵌 入 式 仿 真 系 统 及 人 在 回 路 等 的 适 时 处 理 ; (2) 在 硬 件 技 术 方 面 : 缺 少 面 向 仿 真 问 题 求 解 及 可 视 化 特 定 需 求 的 高 性 能 硬 件, 难 以 实 现 高 效 仿 真 运 行 与 显 示 结 果 ; (3) 在 算 法 与 软 件 技 术 方 面 : 在 许 多 领 域, 缺 少 面 向 用 户 的 充 分 挖 掘 仿 真 问 题 潜 在 并 行 性 并 充 分 利 用 高 性 能 计 算 系 统 能 力 的 支 撑 算 法 与 友 好 的 软 件 总 体 而 言, 还 未 见 能 支 持 数 学 人 在 回 路 硬 件 在 回 路 三 类 仿 真, 二 类 仿 真 用 户 的 一 体 化 的 计 算 机 系 统 因 此, 需 要 研 制 一 种 将 现 有 的 高 性 能 计 算 机 技 术 与 建 模 与 仿 真 技 术 深 度 融 合 的 复 杂 系 统 高 效 能 建 模 与 仿 真 系 统, 包 括 研 究 其 体 系 结 构 硬 件 软 件 算 法 和 应 用 三 复 杂 系 统 高 效 能 仿 真 关 键 技 术 的 研 究 ( 一 ) 高 效 能 仿 真 建 模 技 术 方 面 1 复 杂 系 统 高 效 能 仿 真 语 言 复 杂 系 统 高 效 能 仿 真 语 言 是 一 种 面 向 复 杂 系 统 建 模 仿 真 问 题 的 高 效 能 仿 真

42 航天工程与仿真技术 ３ 中国工程科技论坛 ８ 软件系统 它使系统研究人员 专 注 于 复 杂 系 统 仿 真 问 题 本 身 大 大 减 少 了 建 模 仿真和高效能计算技术相关的软件编制和调试工作 基于该语言能进一步开发 面向各类专用领 域 如 体 系 对 抗 多 学 科 虚 拟 样 机 仿 真 等 领 域 的 高 级 仿 真 语 ｓ ｉ ｍ Ｃｓ ＭＳＬ为 言 下面以本团队正在进行的 复 杂 系 统 建 模 仿 真 与 优 化 语 言 Ｃｏ 例来讨论复杂系统建模仿真语言的主要研究内容 １ 仿真语言体系结构 高效能仿真语言通常由模型与实验描述语言 翻译 编译程序 模型库 算法 库 函数库 运行控制仿真引擎及结果后处理软件等组成 如图 ２所示 图 ２ 复杂系统建模仿真语言体系结构 ２ 仿真语言中模型与实验的描述语言 仿真语言面向三类仿真 采 用 组 件 式 的 可 扩 展 语 言 结 构 由 初 始 块 模 型 块 和实验块三大部分组成 其中 初 始 块 主 要 包 括 各 种 变 量 参 数 初 始 值 及 算 法 相 关设置语句 模型 块 包 括 描 述 三 类 仿 真 的 静 态 动 态 描 述 语 句 及 语 法 包 括 数 学

43 复 杂 系 统 高 效 能 仿 真 技 术 的 初 步 研 究 39 ( 连 续 离 散 ) 人 在 回 路 ( 定 性 随 机 ) 以 及 硬 件 在 回 路 (AD/DA 转 换 实 时 控 制 ) 等 ; 实 验 块 包 含 描 述 实 验 操 作 的 各 种 语 句 ( 如 加 初 始 值 运 行 停 止 画 图 等 实 验 ) 及 其 流 程 (3) 复 杂 系 统 仿 真 建 模 技 术 复 杂 系 统 多 表 现 为 连 续 离 散 混 合 定 性 定 量 混 合 的 系 统, 由 于 其 规 模 大 构 成 和 行 为 复 杂 相 关 知 识 不 完 善, 行 为 具 有 模 糊 性 不 确 定 性 难 以 量 化 自 适 应 混 沌 涌 现 博 弈 等 特 点, 因 此 它 对 传 统 的 建 模 仿 真 理 论 方 法 与 平 台 技 术 提 出 了 新 的 挑 战 值 得 关 注 的 复 杂 系 统 仿 真 建 模 技 术 问 题 主 要 包 括 : 定 性 定 量 混 合 系 统 仿 真 建 模 技 术, 基 于 复 杂 自 适 应 系 统 (ComplexAdaptiveSystem,CAS) 的 仿 真 建 模 技 术 以 及 基 于 复 杂 网 络 理 论 与 方 法 的 复 杂 系 统 仿 真 建 模 技 术 本 团 队 主 要 开 展 了 定 性 定 量 混 合 系 统 的 仿 真 建 模 技 术 研 究, 其 主 要 研 究 成 果 包 括 以 下 三 个 方 面 :1) 定 性 定 量 统 一 建 模 方 法, 包 括 基 于 复 杂 系 统 顶 层 元 建 模 框 架 M2F(Meta -ModelingFramework) 的 系 统 顶 层 描 述 方 法, 以 及 基 于 Quan-Rule( 定 量 - 规 则 ) 和 Quan-Agent( 定 量 -Agent) 的 层 次 化 领 域 建 模 规 范 描 述 ;2) 定 量 定 性 交 互 接 口 建 模, 包 括 基 于 模 糊 因 果 导 向 图 FuzzyCDG 的 定 量 模 型 与 随 机 性 模 糊 化 定 性 知 识 模 型 的 交 互 接 口 图 形 化 建 模 ;3) 定 量 定 性 时 间 推 进 机 制, 包 括 QR( 定 量 - 规 则 )-QA( 定 量 -Agent) 混 合 时 间 推 进 方 法 (4) 高 效 动 态 并 行 化 编 译 技 术 高 效 动 态 并 行 化 编 译 技 术 主 要 包 括 仿 真 语 言 的 词 法 语 法 分 析 复 杂 系 统 问 题 并 行 性 分 析 以 及 目 标 代 码 的 动 态 并 行 化 编 译 其 核 心 功 能 是 实 现 面 向 高 效 能 并 行 计 算 环 境 的 仿 真 语 言 编 译 器, 能 够 自 动 将 仿 真 描 述 的 问 题 分 解 和 并 行 化, 并 链 接 相 应 的 函 数 库 模 型 库 和 算 法 库 本 团 队 采 用 的 方 法 是 通 过 分 析 目 标 机 体 系 结 构 ( 向 量 机 / 并 行 多 处 理 机 ) 以 及 问 题 的 内 在 特 性 ( 依 赖 关 系 / 循 环 等 价 变 换 等 ), 基 于 C++ 文 件 流 操 作 和 string 类 实 现 文 本 转 换, 基 于 OpenMP/TBB 编 译 指 导 语 句 和 VC 实 现 并 行 计 算 本 团 队 研 究 突 破 了 复 杂 仿 真 系 统 顶 层 建 模 描 述 语 言 向 DAG 图 的 自 动 转 换 方 法, 通 过 自 动 化 分 析 仿 真 模 型 中 的 计 算 与 通 讯 开 销 得 到 仿 真 任 务 并 行 度, 从 而 实 现 复 杂 仿 真 问 题 的 成 员 级 自 动 化 并 行 (5) 参 数 化 组 件 化 仿 真 模 型 库 / 函 数 库 技 术 丰 富 的 模 型 库 / 函 数 库 是 复 杂 系 统 高 效 能 仿 真 语 言 的 重 要 组 成 部 分 建 立 面 向 各 领 域 各 层 次 的 参 数 化 组 件 化 通 用 化 的 仿 真 实 体 与 其 环 境 的 模 型 库 / 函 数 库 研 究 已 成 为 仿 真 建 模 技 术 的 研 究 热 点 国 外 的 产 品 如 Qualnet Modelica 等 仿 真 软 件 中 的 模 型 库 / 函 数 库 本 团 队 重 点 研 究 仿 真 模 型 库 / 函 数 库 的 高 效 化 技 术, 已 研 究 实 现 了 适 用 于 高 效 能 计 算 环 境 的 对 抗 仿 真 系 统 参 数 化 / 组 件 化 模 型 库

44 40 中 国 工 程 科 技 论 坛 : 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 2 复 杂 系 统 高 效 能 仿 真 算 法 复 杂 系 统 高 效 能 仿 真 算 法 的 研 究 内 容 主 要 包 括 三 级 并 行 方 法 设 计, 包 括 : 1) 设 计 大 规 模 仿 真 问 题 的 作 业 级 并 行 方 法, 包 括 根 据 样 本 特 征 进 行 并 行 划 分 的 方 法 以 及 优 化 系 统 并 行 仿 真 算 法, 例 如 本 团 队 研 究 提 出 的 QMAEA 量 子 多 智 能 进 化 算 法 ADCPQG 自 调 节 双 链 量 子 二 级 并 行 遗 传 算 法 文 化 遗 传 算 法 以 及 CS DE 融 合 杜 鹃 搜 索 的 多 种 群 并 行 差 分 进 化 算 法 ;2) 设 计 仿 真 系 统 内 成 员 间 任 务 级 并 行 方 法, 包 括 基 于 功 能 划 分 和 数 据 通 信 的 配 置 规 则 设 计 基 于 优 化 调 度 和 拓 扑 结 构 的 配 置 算 法 设 计 以 及 配 置 算 法 并 行 化 设 计 本 团 队 研 究 成 果 主 要 包 括 : 基 于 RTI 的 任 务 级 并 行 方 法 ( 见 后 节 高 效 能 仿 真 软 件 支 撑 技 术 ) 以 及 基 于 事 件 表 的 任 务 级 并 行 方 法 ( 基 于 乐 观 方 法 的 并 行 算 法 );3) 设 计 基 于 复 杂 模 型 解 算 的 线 程 级 并 行 方 法, 包 括 线 程 级 划 分 规 则 以 及 线 程 级 分 解 与 执 行, 如 本 团 队 研 究 提 出 的 基 于 右 函 数 负 载 均 衡 SMPS 的 连 续 系 统 常 微 分 方 程 组 并 行 算 法, 以 及 GA-BHTR: 基 于 TransitiveReduction 和 二 叉 堆 维 护 的 GA 算 法 高 效 仿 真 算 法 进 一 步 研 究 的 焦 点 是 围 绕 提 高 并 行 仿 真 算 法 的 效 率, 保 持 仿 真 算 法 的 可 伸 缩 性, 实 现 动 态 负 载 平 衡, 减 少 并 行 计 算 中 协 同 所 需 的 通 信 量, 同 时 兼 顾 可 扩 展 可 移 植 的 大 粒 度 任 务 级 并 行 和 在 每 个 进 程 中 组 织 便 于 发 挥 单 机 性 能 的 合 理 数 据 结 构 程 序 设 计 和 通 信 方 式 ( 二 ) 高 效 能 仿 真 系 统 及 支 撑 技 术 方 面 1 高 效 能 仿 真 系 统 体 系 结 构 本 团 队 研 究 提 出 的 高 效 能 仿 真 系 统 体 系 结 构 主 要 由 硬 件 系 统 层 并 行 操 作 系 统 层 并 行 编 译 系 统 层 仿 真 服 务 层 和 仿 真 门 户 层 组 成, 而 相 关 的 标 准 规 范 协 议 和 安 全 机 制 贯 穿 所 有 层 次 其 主 要 特 点 包 括 : 高 端 仿 真 与 云 仿 真 一 体 化 体 系 结 构 ; 数 学 人 在 回 路 硬 件 在 回 路 一 体 化 集 成 体 系 结 构 如 图 3 所 示 上 述 高 效 能 仿 真 系 统 体 系 结 构 是 一 种 网 络 化 智 能 化 服 务 化 的 一 体 化 仿 真 支 撑 平 台 体 系 结 构, 其 硬 件 系 统 包 括 基 于 多 CPU/ 多 GPU 的 模 块 化 计 算 节 点 基 于 GPU/FPGA/DSP 的 专 用 加 速 部 件 硬 件 在 回 路 的 仿 真 接 口 设 备 基 于 GPU 的 高 速 可 视 化 子 系 统 以 及 高 速 通 信 协 同 I/O, 如 图 4 所 示 软 件 系 统 能 够 支 持 实 时 仿 真 的 并 行 操 作 系 统, 提 供 支 持 高 端 和 云 仿 真 二 类 用 户 的 各 类 仿 真 服 务 以 及 面 向 问 题 用 户 友 好 的 仿 真 语 言 系 统, 并 且 有 丰 富 的 支 持 并 行 运 行 的 模 型 库 仿 真 算 法 库 为 底 层 支 撑 2 高 效 能 仿 真 硬 件 实 现 技 术 目 前, 高 效 能 仿 真 硬 件 正 向 以 FPGA GPU 及 定 制 专 用 加 速 部 件 通 用 商 品 化 多 核 / 众 核 处 理 器 为 主 导, 通 专 结 合 局 部 定 制 针 对 性 优 化 的 高 效 节 能 方 向 发

45 复杂系统高效能仿真技术的初步研究 ４１ 图 ３ 高效能仿真系统体系结构 图 ４ 高效能仿真系统的硬件系统结构

46 42 中 国 工 程 科 技 论 坛 : 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 展 高 效 能 仿 真 硬 件 实 现 技 术 主 要 针 对 复 杂 系 统 仿 真 的 特 点 和 需 求, 在 硬 件 方 面 进 行 针 对 性 优 化 设 计 与 实 现, 其 主 要 研 究 内 容 包 括 :1) 基 于 CPU+GPU 的 异 构 高 性 能 计 算 系 统 技 术 ;2) 面 向 应 用 的 高 带 宽 低 延 迟 内 部 互 连 网 络 技 术 本 团 队 研 究 成 果 :Syscache 存 储 加 速 卡 设 备 以 及 InfinibandFDR 网 络 ;3) 大 容 量 可 伸 缩 的 全 局 并 行 I/O 系 统 技 术 本 团 队 研 究 成 果 : 曙 光 并 行 存 储 系 统 Paras tor;4) 高 性 能 芯 片 技 术 ( 多 核 / 众 核 技 术 ) 本 团 队 研 究 成 果 : 龙 芯 3A 刀 片 服 务 系 统 值 得 提 出, 江 南 计 算 所 研 制 成 功 的 我 国 第 一 款 自 主 研 制 的 64 位 通 用 16 核 处 理 器 申 威 1600 已 成 功 地 用 于 峰 值 千 万 亿 次 / 秒 的 神 威 蓝 光 高 性 能 计 算 机 系 统 3 高 效 能 仿 真 软 件 支 撑 技 术 高 效 能 仿 真 软 件 支 撑 技 术 主 要 针 对 复 杂 系 统 仿 真 的 特 点 和 需 求, 在 软 件 平 台 方 面 进 行 针 对 性 设 计 ; 目 前, 高 效 能 仿 真 软 件 向 组 件 化, 自 动 并 行 化 方 向 发 展 高 效 能 仿 真 软 件 支 撑 技 术 的 主 要 研 究 内 容 包 括 :1) 支 持 三 级 并 行 的 并 行 操 作 系 统 技 术 本 团 队 研 究 成 果 包 括 : 高 速 通 信 系 统, 成 功 开 发 Infiniband 通 讯 协 议, 支 持 刀 片 服 务 器 间 的 高 效 内 部 通 信 ; 全 局 并 行 文 件 系 统 Parastor, 在 先 进 集 群 存 储 系 统 中 应 用 开 放 体 系 架 构 ; 以 及 Cloudview 云 计 算 操 作 系 统, 提 供 IP 管 理 节 点 管 理 进 程 管 理 并 行 指 令 服 务 管 理 时 钟 管 理, 以 及 虚 拟 化 管 理 项 目 管 理 资 源 管 理 资 源 状 态 监 控 等 其 他 功 能 ;2) 高 效 能 并 行 化 编 译 技 术 本 团 队 研 究 成 果 :UPCH 编 译 系 统, 成 功 应 用 于 数 据 并 行 与 SIMD 编 程 ;3) 仿 真 系 统 内 成 员 间 的 任 务 级 并 行 软 件 : 高 性 能 机 上 RTI 本 团 队 研 究 成 果 : 基 于 共 享 内 存 的 高 性 能 机 上 RTI, 提 高 了 实 时 性 可 扩 展 性 和 吞 吐 量, 适 合 于 SMP 服 务 器 与 多 核 机 器 ; 4)OpenMP/MPI 的 实 现 技 术 ;5) 高 效 能 建 模 仿 真 语 言 技 术 ( 见 前 节 复 杂 系 统 高 效 能 建 模 仿 真 语 言 );6) 高 性 能 并 行 算 法 库 技 术 ( 见 前 节 复 杂 系 统 高 效 能 仿 真 算 法 );7) 高 效 能 云 仿 真 技 术 ( 见 后 节 高 效 能 云 仿 真 技 术 ) 4 高 效 能 仿 真 可 视 化 技 术 本 团 队 在 高 效 能 仿 真 可 视 化 技 术 方 面 重 点 研 究 了 基 于 CPU+GPU 的 并 行 计 算 框 架 的 高 效 能 可 视 化 技 术, 如 图 5 所 示 基 于 CPU+GPU 的 并 行 可 视 化 系 统, 根 据 任 务 分 配 和 交 互 控 制, 进 行 场 景 的 整 体 划 分 和 分 块 描 述, 各 分 块 场 景 交 由 多 个 GPU 进 行 并 行 绘 制, 经 图 像 合 成 后 输 出 高 分 辨 率 图 像 高 效 能 仿 真 可 视 化 技 术 的 主 要 研 究 内 容 包 括 :1) 大 规 模 虚 拟 场 景 的 数 据 组 织 调 度 技 术 ;2) 基 于 多 机 多 核 技 术 的 两 级 并 行 绘 制 ;3) 环 境 中 不 定 形 物 高 效 可 视 化 技 术 ;4) 实 时 动 态 全 局 光 照 等 5 高 效 能 云 仿 真 技 术 本 团 队 基 于 仿 真 网 格 的 研 究 成 果, 进 一 步 融 合 虚 拟 化 技 术 普 适 计 算 技 术 和

47 复 杂 系 统 高 效 能 仿 真 技 术 的 初 步 研 究 43 图 5 基 于 GPU( 群 组 ) 的 并 行 可 视 化 系 统 高 性 能 计 算 技 术 等, 引 入 云 计 算 理 念, 构 建 一 种 基 于 云 计 算 理 念 的 网 络 化 建 模 与 仿 真 系 统 云 仿 真 系 统, 以 加 强 网 络 化 建 模 与 仿 真 平 台 的 细 粒 度 各 类 资 源 ( 包 括 节 点 内 的 CPU 核 存 储 器 软 件 等 子 资 源 ) 按 需 共 享 能 力 ; 充 分 支 持 多 用 户 能 力 ; 协 同 能 力 ; 容 错 能 力 以 及 安 全 应 用 机 制 云 仿 真 系 统 的 关 键 技 术 体 系 如 图 6 所 示 本 团 队 重 点 研 究 攻 克 的 关 键 技 术 包 括 :1) 异 构 高 效 能 仿 真 资 源 和 能 力 虚 拟 化 技 术 本 团 队 研 究 成 果 : 软 件 高 效 能 虚 拟 化 技 术 ; 异 构 互 操 作 可 重 用 仿 真 平 台 ( 如 RTI) 虚 拟 化 技 术 ; 以 及 模 型 虚 拟 化 技 术 ;2) 高 效 能 虚 拟 化 云 仿 真 环 境 构 建 技 术 本 团 队 研 究 成 果 : 根 据 仿 真 任 务 自 动 构 建 仿 真 虚 拟 化 环 境 以 及 多 用 户 仿 真 资 源 的 优 化 调 度 ;3) 高 性 能 RTI ( 见 高 效 能 仿 真 软 件 支 撑 技 术 );4) 高 效 能 虚 拟 化 云 仿 真 环 境 容 错 迁 移 技 术 本 团 队 研 究 成 果 : 基 于 虚 拟 化 技 术 的 仿 真 资 源 容 错 迁 移 基 于 关 键 技 术 的 研 究 成 果, 本 团 队 研 制 开 发 了 一 个 云 仿 真 系 统 的 原 型 CO SIM- CSP, 并 已 经 在 多 学 科 虚 拟 样 机 协 同 仿 真 大 规 模 体 系 级 协 同 仿 真 以 及 高 性 能 仿 真 等 领 域 开 展 了 初 步 应 用, 验 证 了 四 种 云 仿 真 应 用 模 式, 包 括 个 性 化 虚 拟 桌 面 模 式 批 作 业 模 式 协 同 仿 真 模 式 以 及 能 力 交 易 模 式 云 仿 真 技 术 的 进 一 步 研 究 内 容 包 括 :(1) 进 一 步 研 究 支 持 语 义 的 各 类 仿 真 资 源 和 能 力 的 服 务 化 统 一 描 述 模 型 和 共 享 机 制, 以 支 持 云 仿 真 平 台 对 各 类 仿 真 资 源 的 统 一 管 理 和 高 效 共 享 ;(2) 进 一 步 研 究 仿 真 资 源 的 高 效 虚 拟 化 及 其 协 同 技 术, 以 支 持 云 仿 真 平 台 中 虚 拟 化 仿 真 资 源 的 高 效 协 同 的 仿 真 运 行 ;(3) 进 一 步 研 究 面 向 海 量 用 户 的 仿 真 资 源 和 能 力 按 需 共 享 问 题, 支 持 云 仿 真 平 台 按 需 提 供 给 海 量 用 户 的 建 模 与 仿 真 能 力 ;(4) 进 一 步 重 视 与 加 强 高 效 云 仿 真 系 统 的 应 用 研 究

48 航天工程与仿真技术 ４ 中国工程科技论坛 ４ 图 ６ 云仿真系统关键技术 三 高效能仿真应用工程技术 １ 复杂系统高效能仿真系统 ＶＶ Ａ技术 仿真模型的 ＶＶ Ａ技术主 要 包 括 了 模 型 的 校 核 验 证 与 验 收 ＶＶ Ａ 过 程

49 复 杂 系 统 高 效 能 仿 真 技 术 的 初 步 研 究 45 贯 穿 于 建 模 与 仿 真 的 全 生 命 周 期, 包 括 全 生 命 周 期 VV&A 全 系 统 VV&A 层 次 化 VV&A 全 员 VV&A 以 及 管 理 全 方 位 VV&A 在 国 内, 哈 工 大 等 单 位 开 展 了 体 系 建 模 与 仿 真 VV&A 与 可 信 度 评 估 的 研 究 工 作, 自 主 研 制 成 功 体 系 对 抗 仿 真 系 统 可 信 度 评 估 的 工 具 集, 显 著 提 高 全 生 命 周 期 内 仿 真 系 统 的 可 信 度 建 模 与 仿 真 VV&A 未 来 发 展 的 趋 势 包 括 :(1) 深 入 的 VV&A 理 论 体 系 与 框 架 ;(2) 更 加 成 熟 的 VV&A 过 程 模 型 ;(3) 更 强 化 的 VV&A 全 生 命 周 期 多 阶 段 协 作 ;(4) 严 格 客 观 的 VV&A 方 法 与 自 动 化 工 具 ;(5) 更 具 指 导 性 的 VV&A 标 准 2 海 量 数 据 ( 大 数 据 ) 处 理 技 术 海 量 数 据 ( 大 数 据 ) 处 理 技 术 主 要 针 对 1) 数 据 量 越 来 越 大, 数 据 备 份 的 窗 口 将 很 难 保 证 ;2) 如 何 对 海 量 数 据 进 行 挖 掘 和 分 析 ; 以 及 3) 海 量 数 据 如 何 快 速 恢 复 等 问 题, 研 究 海 量 数 据 的 存 储 查 询 分 析 与 挖 掘 等 技 术 本 团 队 目 前 主 要 针 对 并 行 挖 掘 技 术 以 及 分 布 式 挖 掘 技 术 开 展 研 究, 实 现 仿 真 试 验 设 计 试 验 数 据 采 集 可 视 化 分 析 处 理 以 及 智 能 化 评 估 等 一 系 列 功 能, 为 应 用 人 员 提 供 仿 真 结 果 分 析 与 评 估 优 化 提 供 全 面 支 持, 如 图 7 所 示 海 量 数 据 ( 大 数 据 ) 处 理 技 术 进 一 步 的 发 展 方 向 主 要 包 括 海 量 数 据 挖 掘 技 术 基 于 编 程 模 型 的 技 术, 以 及 流 计 算 技 术 图 7 高 效 能 的 仿 真 试 验 设 计 与 海 量 数 据 挖 掘 处 理 3 复 杂 系 统 仿 真 实 验 结 果 管 理 分 析 与 评 估 技 术 复 杂 系 统 仿 真 实 验 及 结 果 管 理 分 析 与 评 估 技 术 主 要 研 究 内 容 包 括 : 仿 真 实 验 数 据 采 集 技 术 仿 真 实 验 数 据 分 析 处 理 技 术 仿 真 实 验 数 据 可 视 化 技 术 智 能

50 46 中 国 工 程 科 技 论 坛 : 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 化 仿 真 评 估 技 术 以 及 Benchmark 技 术 ( 含 两 类 用 户 三 类 仿 真 ) 等 以 本 团 队 研 究 的 复 杂 系 统 仿 真 评 估 器 为 例, 作 为 复 杂 系 统 仿 真 应 用 的 有 效 评 估 工 具, 该 仿 真 评 估 器 提 供 了 动 态 采 集 仿 真 数 据, 应 用 多 种 评 估 算 法 进 行 评 估, 以 及 仿 真 过 程 回 放 分 析 等 功 能, 实 现 了 复 杂 系 统 建 模 仿 真 工 程 实 施 中 对 原 型 系 统 的 评 估 未 来 复 杂 系 统 仿 真 实 验 及 结 果 分 析 与 评 估 技 术 值 得 关 注 的 发 展 方 向 包 括 复 杂 系 统 灰 色 评 估 技 术 ; 多 源 异 构 信 息 智 能 化 融 合 技 术 ; 基 于 信 念 图 / 知 识 网 络 的 智 能 分 析 评 估 技 术 以 及 拟 人 学 等 四 几 点 建 议 1 复 杂 系 统 高 效 能 仿 真 技 术 是 指 融 合 高 效 能 计 算 技 术 和 现 代 建 模 与 仿 真 技 术, 以 优 化 复 杂 系 统 建 模 仿 真 运 行 及 结 果 分 析 等 整 体 性 能 为 目 标 的 一 类 建 模 仿 真 技 术 2 复 杂 系 统 高 效 能 仿 真 技 术 是 21 世 纪 人 类 认 识 和 改 造 世 界 的 重 要 研 究 手 段, 是 我 国 实 现 创 新 型 国 家 战 略 目 标 的 重 要 科 学 技 术 3 提 高 复 杂 系 统 高 效 能 仿 真 技 术 的 作 用, 必 须 重 视 同 时 开 展 被 研 究 对 象 模 型 高 效 能 仿 真 系 统 应 用 工 程 等 三 个 方 面 的 理 论 方 法 和 技 术 的 研 究 4 本 团 队 提 出 的 面 向 两 类 用 户 三 类 仿 真 的 高 效 能 仿 真 系 统 特 点 主 要 包 括 : 1) 体 系 结 构 高 端 仿 真 与 云 仿 真 一 体 化 体 系 结 构 ; 数 学 人 在 回 路 硬 件 在 回 路 一 体 化 集 成 体 系 结 构 ( 专 用 的 高 速 I/O 与 通 信 子 系 统 等 ) 2) 硬 件 系 统 基 于 多 CPU/ 多 GPU 的 模 块 化 计 算 节 点 ; 基 于 GPU/FPGA/DSP 的 专 用 加 速 部 件 ; 基 于 GPU 的 高 速 可 视 化 子 系 统 ; 高 速 通 信 协 同 I/O 3) 软 件 系 统 支 持 实 时 仿 真 的 并 行 操 作 系 统 ; 提 供 支 持 高 端 和 云 仿 真 二 类 用 户 的 各 类 仿 真 服 务 ; 面 向 问 题 用 户 友 好 的 仿 真 语 言 系 统 4) 算 法 与 模 型 库 丰 富 的 支 持 并 行 运 行 的 高 效 组 件 化 / 参 数 化 模 型 库 ; 三 级 并 行 复 杂 系 统 仿 真 算 法 库

51 复 杂 系 统 高 效 能 仿 真 技 术 的 初 步 研 究 47 5) 应 用 技 术 复 杂 系 统 全 生 命 周 期 活 动 VV&A 技 术 ; 智 能 分 布 式 海 量 数 据 处 理 技 术 ; Benchmark 设 计 技 术 ( 略 ) 李 伯 虎 1961 年 清 华 大 学 计 算 机 专 业 毕 业, 现 任 航 天 科 工 集 团 二 院 科 技 委 常 务 副 主 任, 北 京 航 空 航 天 大 学 自 动 化 学 院 名 誉 院 长 中 国 系 统 仿 真 学 会 前 任 理 事 长 是 我 国 计 算 机 仿 真 与 制 造 业 信 息 化 领 域 的 专 家, 先 后 荣 获 国 家 科 技 进 步 一 等 奖 1 项 二 等 奖 3 项 及 部 级 科 技 进 步 奖 14 项 ; 个 人 或 合 作 发 表 论 文 270 篇 书 12 本 译 著 4 本 2012 年 获 国 际 建 模 与 仿 真 学 会 颁 发 的 终 身 成 就 奖 2001 年 当 选 为 中 国 工 程 院 院 士

52 48 中 国 工 程 科 技 论 坛 : 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 两 化 融 合 战 略 中 的 仿 真 技 术 肖 田 元 国 家 CIMS 工 程 技 术 研 究 中 心 清 华 大 学 信 息 学 院 在 中 央 的 信 息 化 与 工 业 化 融 合 的 发 展 战 略 中, 仿 真 技 术 在 各 个 领 域 发 挥 了 很 大 的 作 用, 得 到 了 越 来 越 多 的 认 同 怎 样 进 一 步 推 广 应 用 仿 真 技 术 发 展 仿 真 技 术, 我 想 从 这 两 个 方 面 来 谈 一 点 看 法, 不 对 的 地 方 请 大 家 批 评 指 正 我 的 发 言 分 为 4 个 部 分, 即 (1) 仿 真 在 两 化 融 合 中 的 作 用,(2) 虚 拟 制 造 加 速 产 品 创 新 能 力 提 升,(3) 虚 拟 制 造 加 速 产 品 创 新 案 例,(4) 两 化 融 合 需 要 发 展 仿 真 技 术 最 后 给 出 一 个 简 短 的 结 论 一 仿 真 在 两 化 融 合 中 的 作 用 中 国 是 世 界 上 第 二 制 造 大 国, 大 而 不 强 是 迫 切 需 要 解 决 的 问 题, 两 化 融 合 的 战 略 也 是 在 这 种 情 况 下 提 出 来 的 在 落 实 信 息 化 与 工 业 化 融 合 发 展 的 战 略 中, 如 何 加 速 我 国 从 制 造 大 国 走 向 制 造 强 国 的 进 程 是 一 个 大 家 关 心 的 问 题 制 造 业 的 竞 争, 归 根 到 底 取 决 于 产 品, 产 品 强 才 有 竞 争 能 力 产 品 强 就 必 须 有 创 新 能 力 如 何 提 高 我 们 国 家 的 创 新 能 力, 有 很 多 的 论 述 这 一 次 论 坛 重 点 从 仿 真 技 术 的 角 度 来 讨 论, 仿 真 技 术 在 我 国 制 造 业 发 展 过 程 中 已 经 得 到 很 多 应 用 那 么, 在 两 化 融 合 的 发 展 战 略 中, 应 该 如 何 推 广 应 用 仿 真 技 术 以 加 速 提 升 我 国 制 造 业 的 创 新 能 力 呢? 这 里, 我 想 引 用 诺 贝 尔 奖 获 得 者 哈 默 教 授 在 他 的 一 本 著 作 中 的 一 段 话 : 一 个 学 生 对 爱 因 斯 坦 教 授 说, 这 些 考 题 和 去 年 是 一 样 的 教 授 回 答 说, 噢, 是 的, 但 其 答 案 今 年 就 不 同 了 对 于 我 们 企 业 来 说, 和 去 年 一 样 的 考 题 是 什 么, 就 是 创 新 能 力 在 不 同 的 时 代, 要 提 升 创 新 能 力, 会 有 不 同 的 解 决 思 路 在 两 化 融 合 中, 如 何 认 识 和 利 用 仿 真 技 术 来 加 速 产 品 创 新 能 力, 这 是 我 发 言 内 容 的 第 一 点 多 年 来, 仿 真 技 术 在 制 造 业 的 许 多 点 上 已 经 得 到 了 应 用 但 是, 美 国 前 国 家 科 学 基 金 会 主 任 RitaColwel 说 过, 过 去 通 常 认 为 科 学 包 含 理 论 和 实 验 两 方 面, 现 在 科 学 还 包 含 第 三 方 面 的 内 容, 即 计 算 机 仿 真, 并 由 计 算 机 仿 真 将 理 论 和 实 验 两 方 面 联 接 起 来 美 国 前 能 源 部 科 学 办 公 室 主 任 RaymondL.Or bach 也 说 过, 在 21 世 纪 的 科 学 中, 仿 真 和 高 端 计 算 是 理 论 和 实 验 科 学 的 平 等 伙

53 两 化 融 合 战 略 中 的 仿 真 技 术 49 图 1 传 统 制 造 与 虚 拟 制 造 伴 仿 真 是 一 种 与 实 验 和 理 论 对 等 的 方 法 论 因 此, 可 以 说, 仿 真 已 经 成 为 人 类 认 识 世 界 的 第 三 种 方 法 在 两 化 融 合 的 时 代, 我 认 为, 需 要 把 仿 真 技 术 提 到 这 样 一 种 高 度 来 认 识 实 际 上, 我 认 为, 仿 真 技 术 是 信 息 化 与 工 业 化 融 合 的 典 型 技 术, 仿 真 不 但 要 建 模, 而 且 要 在 计 算 机 上 实 现 运 行, 这 本 身 就 是 信 息 化 的 事 情, 同 时, 还 要 进 行 模 型 校 验 确 认, 回 到 产 品 中 去, 即 融 合 到 工 业 化 中 因 此, 信 息 化 与 工 业 化 融 合 就 应 该 大 力 推 广 应 用 仿 真 技 术, 全 面 系 统 地 应 用 仿 真 技 术 刚 才 刘 永 才 院 士 的 发 言 中 介 绍 三 院 信 息 化 时, 把 仿 真 融 合 到 其 中, 也 反 映 了 这 样 一 个 思 想 创 新 能 力, 就 是 对 客 观 世 界 的 新 认 识 新 发 现 的 能 力 作 为 信 息 时 代 认 识 世 界 的 第 三 种 方 法, 仿 真 可 以 也 应 该 为 加 速 产 品 创 新 能 力 的 提 升 做 出 重 要 的 贡 献, 同 时 也 需 要 进 一 步 发 展 仿 真 技 术 来 适 应 两 化 融 合 的 需 求 二 虚 拟 制 造 加 速 产 品 创 新 能 力 提 升 我 国 企 业 信 息 化 发 展 已 经 有 20 多 年 的 历 程, 在 产 品 设 计 开 发 方 面, 有 CAX PDM VM CPC PLM 等 技 术 ; 在 管 理 方 面, 有 MRP I PCS ERP MES SCM CRM 等 技 术 这 里, 我 想 重 点 讨 论 虚 拟 制 造 (VM) 在 两 化 融 合 阶 段, 虚 拟 制 造 成 为 人 们 关 注 的 热 点 特 别 是, 在 很 多 发 达 国 家, 虚 拟 制 造 从 90 年 代 开 始 已 经 得 到 广 泛 应 用, 已 经 成 为 产 品 全 生 命 周 期 的 核 心 技 术, 这 并 不 奇 怪 虚 拟 制 造 的 典 型 例 子 是 波 音 777 开 发 新 加 坡 是 全 世 界 第 一 个 订 购 波 音 777 的, 但 是 在 新 加 坡 订 购 的 时 候, 这 个 飞 机 还 没 有 生 产 出 来, 那 么 新 加 坡 为 什 么 敢 去 订 购? 美 国 人 敢 卖? 原 因 在 于, 整 个 波 音 777 还 没 有 生 产 的 时 候, 整 个 虚 拟 样 机 及 其 制 造 过 程 已 经 在 计 算 机 上 完 成 了 所 有 虚 拟 部 件 都 进 行 了 远 距 离 实

54 50 中 国 工 程 科 技 论 坛 : 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 时 集 成 测 试, 采 用 虚 拟 加 工 单 元 模 仿 制 造 过 程, 包 括 NC 机 床 刀 位 轨 迹 铆 接 机 翼 的 机 器 人 运 动 轨 迹 等 飞 行 仿 真 器 提 供 全 天 候 飞 行 条 件, 实 时 接 收 数 据, 进 行 基 于 虚 拟 样 机 的 飞 行 控 制 器 测 试, 并 交 互 式 修 改 设 计, 最 后 对 全 部 试 飞 工 作 进 行 了 虚 拟 测 试, 而 且 可 基 于 虚 拟 现 实 进 行 飞 行 训 练 这 样, 未 生 产 物 理 样 机 就 获 得 订 货, 开 发 周 期 从 过 去 8 年 缩 短 到 5 年 其 它 的 典 型 例 子 也 很 多, 如 汽 车 行 业, 福 特 公 司 开 发 全 数 字 化 的 轿 车, 节 省 花 费 4200 万 美 元, 制 造 阶 段 节 省 费 用 10 亿 美 元, 开 发 周 期 从 36 个 月 缩 短 到 18 个 月, 甚 至 12 个 月 奔 驰 公 司, 过 去 新 车 定 型 要 进 行 150 辆 物 理 样 车 碰 撞 才 能 完 成, 现 在 只 需 要 十 分 之 一 什 么 是 虚 拟 制 造? 参 考 国 内 外 文 献, 这 里 给 出 一 个 定 义 : 虚 拟 制 造 是 实 际 制 造 过 程 在 计 算 机 上 的 本 质 实 现, 即 采 用 计 算 机 仿 真 与 虚 拟 现 实 技 术, 在 计 算 机 上 群 组 协 同 工 作, 实 现 产 品 的 设 计 工 艺 规 划 加 工 制 造 性 能 分 析 质 量 检 验 以 及 企 业 各 级 过 程 的 管 理 与 控 制 等 产 品 制 造 的 本 质 过 程, 以 增 强 制 造 过 程 各 级 的 决 策 与 控 制 能 力 相 对 于 传 统 的 制 造 ( 国 外 文 献 称 为 小 制 造 (smalmanufacturing) 的 含 义, 虚 拟 制 造 是 广 义 的 制 造, 国 外 文 献 称 为 大 制 造 (bigmanufacturing) 图 1 表 示 了 两 者 的 联 系 与 区 别 基 于 设 计 人 员 的 创 意, 传 统 的 实 际 制 造 是 面 向 企 业 资 源, 以 物 理 产 品 为 目 标, 在 制 造 过 程 中 通 过 对 物 理 样 机 的 反 复 修 改 定 型, 周 期 长 成 本 高 更 新 换 代 困 难 虚 拟 制 造 的 目 标 是 虚 拟 产 品, 在 制 造 过 程 中 是 在 计 算 机 上 对 虚 拟 样 机 进 行 迭 代 优 化, 以 得 到 最 佳 虚 拟 产 品 同 时, 虚 拟 产 品 还 用 于 对 物 理 产 品 的 修 改 和 控 制 虚 拟 制 造 不 是 CAD CAE CAPP 技 术 的 单 点 应 用, 而 是 信 息 时 代 仿 真 技 术 面 向 制 造 的 综 合 集 成 应 用, 是 一 种 通 过 产 品 模 型 仿 真 来 模 拟 和 预 测 产 品 功 能 性 能 及 可 制 造 性 等 各 方 面 可 能 存 在 的 问 题, 使 得 产 品 开 发 走 出 主 要 依 赖 于 经 验 的 狭 小 天 地, 发 展 到 全 方 位 预 测 的 新 阶 段 虚 拟 制 造 基 于 产 品 三 维 实 体 模 型 和 环 境 模 型, 在 计 算 机 仿 真 环 境 下, 通 过 三 维 动 画 和 虚 拟 现 实, 沉 浸 到 由 模 型 创 建 的 虚 拟 环 境 中, 自 由 设 置 虚 拟 传 感 器 直 接 观 察 仿 真 结 果, 并 利 用 人 本 身 的 智 能 进 行 信 息 融 合, 从 而 定 量 地 把 握 未 来 产 品 的 品 质, 对 产 品 进 行 构 思 设 计 制 造 测 试 和 分 析, 进 而 优 化 产 品 设 计 从 应 用 的 角 度 来 看, 虚 拟 制 造 可 分 为 三 类, 即 以 设 计 为 中 心 的 虚 拟 制 造 以 生 产 为 中 心 的 虚 拟 制 造 以 及 以 控 制 为 中 心 的 虚 拟 制 造 以 设 计 为 中 心 的 虚 拟 制 造 是 为 设 计 者 提 供 设 计 和 评 估 产 品 的 支 撑 环 境, 在 产 品 设 计 与 工 艺 设 计 过 程 阶 段 就 引 入 下 游 的 加 工 装 配 运 行 维 护 等 信 息, 在 计 算 机 上 仿 真 多 种 虚 拟 原 型, 在 设 计 阶 段 就 可 以 对 零 部 件 直 至 整 机 进 行 各 种 性 能 分 析, 旨 在 利 用 仿 真 来 优 化 产 品 设 计 其 局 部 目 标 是 针 对 设 计 阶 段 的 某 个 关 注 点 ( 如 产 品 结 构 可 加 工 性 可 装 配 性 等 ) 进 行 仿 真 和 评 估, 全 局 目 标 是 对 整 个

55 两 化 融 合 战 略 中 的 仿 真 技 术 51 产 品 的 各 方 面 性 能 进 行 仿 真 和 评 估, 达 到 在 实 际 产 品 开 发 出 来 之 前 就 能 了 解 设 计 出 来 的 产 品 将 会 是 什 么 样 目 前, 我 国 很 多 企 业 还 处 在 两 维 到 三 维 的 过 渡, 主 要 是 利 用 计 算 机 实 现 产 品 表 示 产 品 展 示, 也 有 局 部 利 用 仿 真 技 术 即 CAE 进 行 零 部 件 的 分 析, 但 全 面 实 现 以 设 计 为 中 心 的 虚 拟 制 造 还 有 较 长 的 路 程 要 走 以 生 产 为 中 心 的 虚 拟 制 造 的 主 要 应 用 领 域 是 工 厂 或 工 程 的 物 理 布 局 及 生 产 计 划 的 编 排, 以 解 决 这 样 组 织 生 产 是 否 合 理 的 问 题 局 部 目 标 是 针 对 生 产 中 某 些 关 注 点 ( 如 生 产 计 划 ) 进 行 仿 真 ; 全 局 目 标 是 对 整 个 生 产 过 程 进 行 仿 真, 对 各 个 生 产 计 划 进 行 评 估 它 将 仿 真 技 术 加 入 到 生 产 过 程 模 型 中, 以 此 来 方 便 和 快 捷 地 评 价 多 种 生 产 方 案, 检 验 新 工 艺 流 程 的 可 信 度 产 品 的 生 产 效 率 资 源 的 需 求 状 况, 从 而 优 化 制 造 环 境 的 配 置 和 生 产 计 划 主 要 支 持 技 术 包 括 离 散 事 件 系 统 (DEDS) 仿 真 技 术 嵌 入 式 仿 真 技 术 等 以 控 制 为 中 心 的 虚 拟 制 造 是 将 仿 真 技 术 加 入 到 控 制 模 型 和 实 际 生 产 过 程 中, 从 而 实 现 制 造 系 统 的 组 织 调 度 与 控 制 策 略 的 优 化 虚 拟 制 造 不 但 为 现 代 制 造 提 供 超 越 人 们 已 有 的 知 识 经 验 来 认 识 世 界 的 技 术 手 段, 而 且 可 实 现 产 品 的 技 术 知 识 的 沉 淀 与 积 累, 从 而 为 持 续 提 高 创 新 能 力 提 供 有 效 支 持 三 虚 拟 制 造 加 速 产 品 创 新 案 例 下 面, 我 想 通 过 两 个 实 际 的 例 子 来 说 明, 如 何 通 过 虚 拟 制 造 来 提 升 中 国 企 业 的 创 新 能 力 目 前, 我 国 大 多 数 企 业 的 产 品 都 经 历 从 引 进 到 仿 制 这 样 一 个 过 程 从 国 外 引 进 先 进 产 品 作 为 原 型, 采 用 逆 向 工 程, 对 其 进 行 测 绘 分 析 消 化, 再 根 据 我 国 市 场 的 情 况 进 行 变 型 设 计 然 而, 随 着 产 品 的 技 术 含 量 增 加, 国 外 企 业 从 保 护 知 识 产 权 出 发, 产 品 的 核 心 技 术 很 难 掌 握, 因 此, 变 型 设 计 的 产 品 难 以 与 国 外 的 产 品 竞 争 90 年 代 末, 中 国 的 纺 织 机 械 产 品 设 备 工 艺 落 后, 纺 织 产 品 竞 争 能 力 逐 年 下 降, 造 成 原 材 料 能 源 等 资 源 大 量 浪 费 中 央 经 济 工 作 会 议 决 定 把 纺 织 工 业 确 定 为 国 有 企 业 改 革 和 解 困 的 突 破 口, 进 行 产 品 结 构 调 整 根 据 国 际 市 场 的 需 求, 纺 机 产 品 结 构 调 整 任 务 是 从 主 导 的 有 梭 织 机 调 整 到 无 梭 织 机, 国 内 无 此 产 品 某 企 业 花 了 120 万 元 进 口 了 国 外 设 备, 按 照 传 统 的 逆 向 工 程 做 法, 对 该 产 品 进 行 仿 制, 未 能 成 功 这 是 一 种 无 梭 高 速 全 自 动 化 新 型 产 品, 五 大 运 动 系 统 ( 引 纬 打 纬 卷 取 送 经 开 口 ) 协 调 动 作 后 来 该 企 业 与 清 华 大 学 合 作, 采 用 了 虚 拟 制 造 技 术, 对 五 大 运 动 系 统 进 行 了 全 面 机 理 分 析, 找 到 并 解 决 了 关 键 技 术,6 个 月 生 产 了 真 正 具 有 自 主 知 识 产 权 的 产 品, 质 量 达 到 了 同 类 产 品 的 国 际 水 平, 其 振 动 噪

56 52 中 国 工 程 科 技 论 坛 : 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 声 还 低 于 当 时 国 际 同 类 最 先 进 的 产 品, 对 我 国 纺 机 行 业 的 技 术 进 步 和 产 业 结 构 优 化 升 级 产 生 了 重 大 作 用, 迫 使 国 外 该 产 品 从 120 万 元 降 到 60 万 元 后 来 该 企 业 又 在 此 基 础 上 花 了 1 年 时 间, 形 成 了 具 有 国 际 竞 争 力 的 第 2 代 产 品 这 个 例 子 说 明, 虚 拟 制 造 技 术 可 以 为 逆 向 工 程 提 供 强 有 力 的 支 持, 可 以 帮 助 消 化 核 心 技 术, 掌 握 机 理, 进 行 真 正 的 自 主 变 型 设 计, 从 而 获 得 具 有 自 主 知 识 产 权 的 产 品, 达 到 产 品 创 新 两 化 融 合 下 产 品 特 征 是 信 息 技 术 与 工 业 技 术 融 合, 从 而 产 品 就 更 为 复 杂 了 复 杂 产 品 的 虚 拟 制 造 需 要 多 学 科 协 同 仿 真 技 术 的 支 持, 以 实 现 集 成 创 新 例 如, 高 速 动 车 是 典 型 的 复 杂 产 品, 我 国 高 速 动 车 大 多 是 国 外 设 计 的, 由 我 国 相 关 企 业 制 造 企 业 提 出 引 进 消 化 硬 化 优 化 的 发 展 战 略 如 何 才 能 落 实 这 一 战 略? 特 别 是, 所 设 计 的 产 品 对 我 国 的 轨 道 气 候 的 适 应 程 度 如 何? 安 全 性 舒 适 性 能 否 保 障? 在 863 计 划 的 支 持 下, 我 们 开 发 出 协 同 设 计 仿 真 优 化 一 体 化 平 台, 基 于 设 计 的 三 维 模 型, 实 现 8 节 车 体 及 其 悬 挂 系 统 一 系 二 系 的 弹 簧 阻 尼 器 钩 缓 等 进 行 多 种 工 况 下 的 协 同 仿 真, 分 析 舒 适 性 指 标 曲 线 通 过 性 能 安 全 性 指 标 ( 包 括 脱 轨 系 数 减 载 率 轮 轨 横 向 力 轮 轴 横 向 力 倾 覆 系 数 ) 等 ; 进 行 了 动 车 组 过 曲 线 仿 真, 以 弯 道 运 行 考 察 曲 线 通 过 半 径 安 全 速 度 脱 轨 系 数 减 载 率 轮 轴 横 向 力 等 ; 还 以 转 向 架 弹 簧 刚 度 阻 尼 器 阻 尼 系 数 为 设 计 变 量, 以 临 界 速 度 舒 适 度 为 优 化 目 标 安 全 性 指 标 为 约 束 函 数, 对 悬 挂 系 统 进 行 协 同 优 化, 实 现 了 悬 挂 系 统 优 化 设 计 等 在 研 制 400 公 里 / 时 高 速 检 测 列 车 动 车 组 时, 利 用 协 同 仿 真 平 台, 实 现 不 同 仿 真 工 具 ( 如 ABAQUS ADAMS VAMPIRE MATLAB 等 ) 的 分 布 集 成 与 协 同 仿 真, 实 现 各 种 动 力 学 仿 真 软 件 的 结 果 数 据 输 出 和 分 析, 实 现 高 速 检 测 列 车 在 多 种 路 谱 工 况 下 的 列 车 性 能 分 析, 为 高 速 检 测 列 车 开 发 提 供 技 术 分 析 手 段 该 技 术 还 在 地 铁 车 等 产 品 开 发 中 得 到 了 广 泛 应 用, 提 升 了 产 品 开 发 能 力 和 产 品 技 术 水 平, 缩 短 了 产 品 开 发 周 期, 取 得 了 良 好 的 经 济 效 益 我 们 的 实 践 表 明, 中 国 的 制 造 企 业 经 过 20 余 年 的 信 息 化 后, 许 多 企 业 可 以 而 且 应 该 广 泛 而 深 入 地 应 用 虚 拟 制 造 技 术, 以 加 速 形 成 具 有 自 主 知 识 产 权 的 高 附 加 值 的 产 品, 从 而 加 速 从 制 造 大 国 到 制 造 强 国 的 转 变 四 两 化 融 合 需 要 发 展 仿 真 技 术 信 息 化 与 工 业 化 融 合 基 本 特 征 是 3I, 即 物 联 化 (Instrumented, 透 彻 感 知 ); 互 联 化 (Interconnected, 互 联 互 通 ); 智 能 化 (Inteligent, 自 动 化 ) 3I 的 支 撑 技 术 是 3C 融 合, 即 通 信 (Communication) 计 算 (Computation) 与 控 制 (Control) 通 信 不 仅 是 互 联 网 通 信, 还 要 考 虑 无 线 网 移 动 网 卫 星 网 ; 计 算 不 仅 是 一 般 编 程 计 算, 还 要 考 虑 嵌 入 式 计 算 并 行 计 算 虚 拟 计 算 ; 控 制 不 仅 是 单 机 控 制, 而 且 要 充 分 考

57 两 化 融 合 战 略 中 的 仿 真 技 术 53 虑 分 布 人 机 交 互 与 动 态 实 时 控 制 的 结 合 随 着 工 业 化 和 信 息 化 的 融 合 发 展,3C 融 合 产 生 一 类 新 型 系 统, 即 CPS(Cyber PhysicalSystem), 值 得 关 注 CPS 是 计 算 网 络 和 物 理 环 境 融 合 的 多 维 复 杂 系 统, 通 过 3C 的 有 机 融 合 与 深 度 协 作, 实 现 大 型 工 程 系 统 的 实 时 感 知 控 制 和 信 息 服 务 CPS 将 让 整 个 世 界 互 联 起 来, 如 同 互 联 网 改 变 了 人 与 人 的 互 动 一 样,CPS 将 会 改 变 我 们 与 物 理 世 界 ( 包 括 人 ) 的 互 动 计 算 机 和 网 络 实 现 功 能 扩 展 的 物 理 设 备 无 处 不 在, 并 将 推 动 工 业 产 品 和 技 术 的 升 级 换 代 人 们 认 为,CPS 不 仅 会 催 生 出 新 的 工 业, 甚 至 会 重 新 排 列 现 有 产 业 布 局 2007 年, 美 国 总 统 科 学 技 术 顾 问 委 员 会 在 挑 战 下 的 领 先 竞 争 世 界 中 的 信 息 技 术 研 发 的 报 告 中 列 出 了 8 个 大 关 键 的 信 息 技 术,CPS 位 列 首 位, 美 国 自 然 基 金 确 定 将 CPS 作 为 未 来 15 年 最 优 先 资 助 (toppriority) 的 领 域 在 欧 洲, CPS 的 术 语 是 整 体 工 程 (EnsembleEngineering), 并 作 为 未 来 15~20 年 的 主 要 研 究 方 向, 计 划 从 2007 年 到 2013 年 在 ARTMEIS 上 投 入 54 亿 欧 元 ( 超 过 70 亿 美 元 ) CPS 的 产 生 会 对 仿 真 技 术 的 发 展 产 生 什 么 影 响 呢? 在 所 有 的 有 关 CPS 的 报 告 当 中, 几 乎 都 认 为 CPS 的 建 模 与 仿 真 技 术 是 其 研 究 与 开 发 的 关 键, 这 是 值 得 我 们 仿 真 科 技 工 作 者 关 注 的 CPS 将 计 算 过 程 通 讯 过 程 和 物 理 过 程 融 合 起 来, 连 续 过 程 与 离 散 事 件 交 织, 规 模 大 小 时 空 跨 度 各 异, 系 统 通 信 和 交 互 方 式 多 变, 系 统 高 度 自 动 自 治 协 调, 规 模 可 变, 系 统 结 构 具 有 联 邦 式 分 布 式 开 放 型 可 重 构 性 等 这 些 特 点, 无 疑 对 仿 真 技 术 的 发 展 产 生 深 刻 影 响, 需 要 发 展 新 的 仿 真 技 术 以 支 持 CPS 的 发 展, 包 括 (1) 多 面 向 建 模 :CPS 物 理 部 件 具 有 带 资 源 约 束 的 信 息 处 理 能 力 系 统 或 物 理 部 件 中 嵌 入 了 软 件, 计 算 过 程 与 物 理 过 程 深 度 集 成, 且 计 算 能 力 与 网 络 带 宽 通 常 有 限, 不 同 部 件 一 般 有 不 同 的 时 空 粒 度, 严 格 地 受 到 空 间 与 实 时 能 力 的 约 束 (2) 支 持 可 伸 缩 性 : 一 个 CPS 的 传 感 器 和 致 动 器 可 能 少 则 几 十 个, 多 则 几 千 个, 而 且 这 些 实 体 之 间 是 松 耦 合 的, 可 以 自 由 地 加 入 与 退 出 系 统, 框 架 应 能 提 供 相 应 的 通 信 机 制, 保 证 在 不 同 规 模 的 情 况 下 均 能 高 效 正 确 地 进 行 仿 真, 而 性 能 不 会 有 太 多 的 影 响 (3) 支 持 可 移 动 性 : 具 有 对 移 动 性 进 行 建 模 的 能 力 ( 例 如 通 信 方 式 位 置 变 化 引 起 信 号 强 度 的 变 化 等 ) (4) 混 合 式 仿 真 :CPS 通 常 是 异 构 的, 既 包 含 有 连 续 系 统, 也 包 含 有 离 散 事 件 系 统, 而 且 两 者 必 须 协 同, 因 此 仿 真 框 架 不 但 能 支 持 DEDS 仿 真 与 CVDS 仿 真, 而 且 易 于 支 持 两 者 应 用 逻 辑 同 步 仿 真

58 54 中 国 工 程 科 技 论 坛 : 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 (5) 全 局 参 考 时 间 :CPS 通 常 由 多 种 异 构 的 系 统 组 成, 因 此 要 提 供 异 构 应 用 逻 辑 的 并 发 仿 真 能 力, 这 就 要 求 按 时 间 进 行 全 局 事 件 排 序 以 及 部 分 事 件 排 序, 全 局 参 考 时 间 是 不 可 缺 少 的 (6) 基 于 开 放 性 标 准 的 集 成 : 标 准 的 开 放 性 至 关 重 要, 包 括 协 议 基 础 设 施 与 开 发 平 台, 这 才 能 保 证 现 有 环 境 可 易 于 集 成 到 该 框 架 中 目 前, 已 有 的 框 架 有 些 采 用 将 现 有 的 仿 真 工 具 进 行 紧 密 集 成 的 模 式 典 型 的 有, 将 物 理 系 统 的 仿 真 工 具 加 以 扩 展 从 而 也 可 以 仿 真 离 散 事 件 和 网 络, 例 如 基 于 Simulink 的 原 版 TrueTime 基 于 Modelica 的 较 新 版 TrueTime, 以 及 Ptolemy 的 扩 展 VisualSense; 将 成 熟 的 网 络 仿 真 工 具 与 成 熟 的 物 理 系 统 仿 真 工 具 结 合 起 来, 例 如 ADEVS 与 ns-2 集 成 Simulink 与 ns-2 集 成 Modelica 与 ns-2 集 成, 以 及 Agent/Plant 及 其 后 续 版 本 等 另 一 种 技 术 路 线 是 在 HLA 标 准 上 继 续 发 展 有 两 种 做 法, 一 种 是 在 继 承 原 有 HLA 标 准 的 基 础 上, 进 行 改 进 例 如,IEEE 推 出 新 的 HLA evolved 标 准, 对 IEEE1516 的 多 方 面 进 行 了 扩 展, 包 括 将 FOM 模 块 化, 增 加 容 错 机 制 以 及 改 进 部 分 接 口 规 范 等 另 一 种 是 抛 开 原 有 的 HLA 标 准, 建 立 新 的 更 加 完 善 的 标 准, 典 型 的 是 XMSF 主 要 是 将 建 模 与 仿 真 的 适 用 范 围 扩 展 到 互 联 网 以 及 基 于 MDA 建 模 另 外, 还 有 Steinman 等 综 合 以 往 技 术, 提 出 普 适 的 标 准 仿 真 体 系 结 构 (StandardSimulationArchitecture,SSA) 所 有 这 些 进 展, 均 难 以 充 分 满 足 CPS 仿 真 根 本 特 征 的 需 求 因 此, 可 以 说 CPS 建 模 与 仿 真 对 仿 真 技 术 提 出 了 新 的 挑 战 今 天, 听 了 李 伯 虎 院 士 关 于 复 杂 系 统 高 效 能 建 模 仿 真 技 术 的 发 言, 期 望 李 院 士 的 高 效 能 仿 真 平 台 能 够 较 好 地 支 持 CPS 仿 真 的 需 求 最 后, 我 就 我 的 发 言 做 一 个 简 短 的 小 结 : 在 两 化 融 合 发 展 战 略 中, 产 品 创 新 是 我 国 制 造 业 重 要 的 发 展 战 略, 虚 拟 制 造 是 一 种 能 有 效 支 持 产 品 创 新 的 先 进 仿 真 技 术, 可 为 加 速 我 国 从 制 造 大 国 到 制 造 强 国 的 转 变 提 供 有 力 的 技 术 支 持 CPS 将 推 动 工 业 产 品 和 技 术 的 升 级 换 代, 甚 至 会 重 新 排 列 现 有 产 业 布 局,CPS 的 建 模 与 仿 真 技 术 是 其 研 究 与 开 发 的 关 键 支 撑 技 术, 也 是 仿 真 技 术 研 究 的 热 点 和 重 要 的 发 展 方 向, 值 得 关 注

59 两 化 融 合 战 略 中 的 仿 真 技 术 55 奖 3 项 肖 田 元 1970 年 毕 业 于 清 华 大 学, 现 任 国 家 CIMS 工 程 技 术 研 究 中 心 常 务 副 主 任, 清 华 大 学 信 息 学 院 学 术 委 员 会 副 主 任 委 员 中 国 系 统 仿 真 学 会 常 务 副 理 事 长, 中 国 自 动 化 学 会 荣 誉 理 事 系 统 仿 真 专 业 委 员 会 主 任 委 员 主 要 研 究 方 向 : 虚 拟 制 造 与 系 统 仿 真 CIMS 与 网 络 化 制 造 发 表 论 文 200 余 篇, 出 版 著 作 11 部, 获 得 省 部 级 科 技 进 步 奖 11 项, 其 中 国 家 科 技 进 步 二 等 奖 1 项, 三 等 奖 2 项, 部 级 一 等

60 56 中 国 工 程 科 技 论 坛 : 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 虚 拟 现 实 技 术 在 工 业 中 的 应 用 赵 沁 平 虚 拟 现 实 技 术 与 系 统 国 家 重 点 实 验 室 ( 北 京 航 空 航 天 大 学 ) 虚 拟 现 实 是 以 计 算 机 技 术 为 核 心, 结 合 相 关 科 学 技 术, 生 成 与 一 定 范 围 真 实 环 境 在 视 听 触 感 等 方 面 高 度 近 似 的 数 字 化 环 境, 用 户 借 助 必 要 的 装 备 与 数 字 化 环 境 中 的 对 象 进 行 交 互 作 用 相 互 影 响, 可 以 产 生 亲 临 相 应 真 实 环 境 的 感 受 和 体 验 下 面 从 两 个 方 面 说 明 虚 拟 现 实 的 作 用 一 是 对 计 算 机 系 统 发 展 的 贡 献 信 息 化 社 会 运 行 活 动 的 基 础 是 数 据 的 活 动, 数 据 活 动 主 要 包 括 三 个 方 面, 即 数 据 传 输, 包 括 通 讯 ; 数 据 处 理, 包 括 计 算 ; 还 有 数 据 运 用, 如 数 据 的 表 现 虚 拟 现 实 多 媒 体 控 制 等 数 据 活 动 的 核 心 引 擎 就 是 计 算 机 系 统 作 为 计 算 机 科 技 工 作 者, 有 三 大 永 恒 的 目 标, 就 是 如 何 使 计 算 机 系 统 更 高 效 更 聪 明 和 更 友 好 虚 拟 现 实 作 为 人 机 一 体 的 数 据 运 用 系 统, 可 以 直 接 对 第 三 个 目 标 : 人 机 友 好 和 谐 做 出 巨 大 贡 献, 同 时 间 接 地 对 第 一 二 个 目 标 产 生 重 要 的 推 动 作 用 二 是 从 应 用 的 角 度 任 何 一 项 科 学 技 术 都 有 其 适 用 的 范 围 和 作 用, 虚 拟 现 实 作 为 一 门 学 科 高 度 交 叉 的 应 用 性 科 学 技 术, 是 计 算 机 系 统 与 各 应 用 领 域 的 接 口, 可 以 为 各 行 业 的 规 划 决 策 设 计 评 价 和 训 练 体 验 等 提 供 新 的 平 台 和 手 段 可 以 说 虚 拟 现 实 对 各 应 用 领 域 的 作 用, 类 似 于 数 学 对 于 物 理 学 的 作 用 在 规 划 决 策 方 面 的 应 用, 如 新 建 设 施 或 作 业 方 案 的 规 划 演 示 体 验 评 估 决 策, 如 城 市 规 划 评 估 ; 军 事 战 役 战 术 的 规 划 演 练 与 决 策 ; 医 疗 手 术 方 案 的 设 计 预 演 评 价 等 在 设 计 评 价 方 面 的 应 用, 如 设 备 产 品 的 设 计 虚 拟 组 装 虚 拟 样 机 的 性 能 功 能 测 试 与 沉 浸 式 体 验 等 在 训 练 演 练 方 面 的 应 用, 如 各 种 危 险 环 境 ( 如 核 设 施 ) 作 业 对 象 难 以 获 得 ( 如 医 疗 手 术 航 天 器 维 修 ), 以 及 耗 资 巨 大 ( 如 军 事 演 练 ) 的 行 业 领 域 的 业 务 训 练 和 演 练 虚 拟 现 实 是 一 种 技 术, 也 是 一 种 方 法 或 技 术 路 线 由 于 其 重 要 性, 越 来 越 受 到 一 些 发 达 国 家 的 重 视 美 国 工 程 院 公 布 了 经 评 选 产 生 的 21 世 纪 人 类 在 工 程 技 术 领 域 所 面 临 的 14 个 重 大 挑 战 性 问 题 (GrandChalengesforEngineering), 其

61 虚 拟 现 实 技 术 在 工 业 中 的 应 用 57 中 之 一 是 提 升 虚 拟 现 实 的 逼 真 性 和 应 用 性 (Enhancevirtualreality) 英 国 政 府 于 2006 年 12 月, 发 布 了 针 对 2015~2020 年 的 8 个 新 兴 科 学 技 术 集 群 的 战 略 报 告, 其 中 6 个 直 接 含 有 模 拟 建 模 仿 真 虚 拟 的 内 容 日 本 政 府 2007 年 5 月 发 布 了 创 新 2025 长 期 战 略 报 告, 描 绘 了 2025 年 日 本 的 创 新 愿 景, 有 18 个 方 向, 虚 拟 现 实 是 其 中 之 一 我 国 政 府 2006 年 2 月 颁 布 的 国 家 中 长 期 科 学 和 技 术 发 展 规 划 纲 要 把 虚 拟 现 实 技 术 作 为 信 息 领 域 优 先 支 持 的 三 个 前 沿 技 术 之 一 目 前, 国 内 一 些 行 业 对 虚 拟 现 实 的 需 求 越 来 越 多, 特 别 是 军 事 航 空 航 天 装 备 制 造 城 市 规 划 医 学 教 育 文 化 娱 乐 等 领 域 视 频 1 显 示 的 是 我 们 给 某 军 区 开 发 的 指 挥 模 拟 训 练 系 统 ; 视 频 2 是 我 们 研 制 的 六 自 由 度 全 任 务 飞 行 模 拟 器 ; 视 频 3 是 我 们 开 发 的 北 京 奥 运 会 开 幕 式 节 目 创 意 仿 真 示 例 ; 视 频 4 是 我 们 开 发 的 60 周 年 国 庆 阅 兵 方 案 规 划 决 策 系 统 ; 视 频 5 是 一 个 虚 拟 手 术 训 练 平 台 下 面 重 点 讲 虚 拟 现 实 技 术 在 工 业 中 的 应 用, 包 括 : 虚 拟 设 计 虚 拟 样 机 虚 拟 维 护 过 程 模 拟 逆 向 分 析 和 企 业 及 生 产 的 可 视 化 管 理 虚 拟 现 实 技 术 给 工 业 信 息 技 术 带 来 了 如 下 几 方 面 的 变 化 : 一 是 从 数 值 仿 真 扩 展 到 图 形 仿 真, 二 是 从 CAD 扩 展 到 虚 拟 样 机 与 沉 浸 式 设 计 体 验, 三 是 生 产 加 工 过 程 的 自 动 控 制 扩 展 到 生 产 加 工 过 程 的 可 视 化 模 拟 预 测 虚 拟 设 计 与 感 知 评 价 : 一 些 公 司, 如 : 沃 尔 沃 福 特 通 用 克 莱 斯 勒 等 汽 车 公 司, 英 国 法 国 的 宇 航 公 司 波 音 公 司 等, 将 虚 拟 现 实 技 术 用 于 产 品 设 计, 包 括 外 观 组 件 布 局 产 品 组 装 生 产 流 程 用 户 体 验 等 充 分 体 现 了 多 方 面 的 优 点 : 多 人 协 同, 设 计 人 员 可 在 不 同 的 时 间 地 点 协 同 参 与 设 计 ; 沉 浸 感, 可 在 沉 浸 的 虚 拟 环 境 中 完 成 设 计, 感 知 设 计 结 果 ; 交 互 性, 可 将 工 厂 的 各 种 生 产 信 息 关 联 在 一 起 例 如 波 音 777 在 设 计 装 配 性 能 评 价, 特 别 是 管 线 布 局 与 测 试 中 采 用 虚 拟 现 实 技 术, 缩 短 研 发 周 期 50%, 降 低 设 计 研 发 成 本 约 60% 北 航 与 中 国 商 飞 等 合 作, 研 制 了 虚 实 融 合 的 飞 机 驾 驶 舱 仪 表 布 局 评 估 系 统 设 计 人 员 和 用 户 能 在 初 期 体 验 评 估 设 计 结 果, 及 早 发 现 问 题 评 估 内 容 包 括 仪

62 58 中 国 工 程 科 技 论 坛 : 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 表 布 置 合 理 性 信 息 显 示 及 颜 色 匹 配 的 适 人 性 驾 驶 舱 内 饰 与 光 学 环 境 的 适 人 性 ( 见 下 图 ) 这 是 驾 驶 舱 仪 表 布 局 评 估 系 统 视 频 ( 见 视 频 6) 和 飞 行 过 程 评 估 ( 视 频 7) 虚 拟 样 机 : 虚 拟 样 机 是 近 似 于 实 物 样 机 的 数 字 化 仿 真 样 机 虚 拟 样 机 为 设 计 - 测 试 - 评 估 提 供 了 新 的 手 段 不 必 构 造 物 理 样 机, 设 计 者 通 过 操 作 和 分 析 虚 拟 样 机, 测 试 和 评 估 产 品 设 计 的 合 理 性, 找 到 设 计 问 题 并 改 善 最 终 产 品 的 可 用 性, 节 省 成 本 和 时 间 虚 拟 拆 装 维 护 : 使 用 虚 拟 维 护 技 术 培 训 维 护 人 员, 特 别 是 危 险 环 境 下 的 设 备 维 护 训 练, 可 以 避 免 不 必 要 的 设 备 损 坏 和 降 低 风 险, 节 约 大 量 成 本 在 对 复 杂 装 备 维 护 过 程 中, 增 强 现 实 技 术 可 以 指 导 维 护 人 员 更 好 地 进 行 维 护 如 飞 机 汽 车 重 要 部 位 的 装 配 拆 卸 与 维 修 下 图 是 北 航 开 发 的 虚 拟 维 护 工 具 和 虚 实 融 合 的 航 空 发 动 机 拆 装 系 统 这 是 北 航 虚 实 融 合 的 发 动 机 拆 装 过 程 ( 见 视 频 8) 过 程 模 拟 : 北 航 的 枪 弹 过 程 模 拟 ( 见 视 频 9) 逆 向 分 析 : 通 过 对 系 统 运 行 结 果 数 据 的 可 视 动 态 分 析, 推 断 设 计 中 存 在 的 问 题 这 是 一 个 反 复 的 过 程, 也 有 个 北 航 的 示 例 ( 见 视 频 10)

63 虚 拟 现 实 技 术 在 工 业 中 的 应 用 59 企 业 及 生 产 的 可 视 化 管 理 : 这 是 北 航 开 发 的 山 西 大 运 高 速 公 路 可 视 化 信 息 管 理 系 统 最 后 谈 一 下 个 人 对 虚 拟 现 实 技 术 在 工 业 中 应 用 的 体 会 根 据 我 们 多 年 从 事 虚 拟 现 实 在 工 业 中 应 用 的 经 验, 有 如 下 几 个 必 须 重 视 解 决 的 问 题 : 明 确 现 代 工 业 的 应 用 需 求 各 类 数 据 的 获 取 物 理 与 行 为 建 模 模 型 的 可 信 性 传 感 器 网 络 人 机 交 互 机 制 与 交 互 设 备 与 CAD 系 统 的 结 合 工 业 应 用 效 果 的 评 价 赵 沁 平 1975 年 毕 业 于 太 原 理 工 大 学, 现 任 虚 拟 现 实 技 术 与 系 统 国 家 重 点 实 验 室 ( 北 京 航 空 航 天 大 学 ) 主 任 中 国 系 统 仿 真 学 会 理 事 长 是 我 国 虚 拟 现 实 技 术 领 域 的 专 家 发 表 学 术 论 文 160 余 篇, 出 版 专 著 3 部 ; 获 国 家 科 技 进 步 一 等 奖 1 项 二 等 奖 2 项 省 部 级 科 技 奖 8 项

64 60 中 国 工 程 科 技 论 坛 : 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 协 同 仿 真 - 智 能 专 家 系 统 技 术 研 究 与 应 用 钟 山 中 国 航 天 科 工 集 团 摘 要 : 本 文 阐 述 了 在 军 事 高 新 技 术 迅 速 发 展 的 背 景 下, 建 设 协 同 仿 真 - 智 能 专 家 系 统 的 重 要 性 和 必 要 性, 研 究 提 出 了 平 台 的 体 系 结 构, 应 用 模 式, 介 绍 了 平 台 核 心 服 务 层 相 关 关 键 技 术 的 初 步 研 究 成 果 平 台 实 现 和 应 用 验 证 实 例, 最 后 阐 述 了 对 平 台 建 设 的 工 作 展 望 关 键 词 : 协 同 仿 真 ; 智 能 专 家 一 引 言 军 事 高 新 技 术 的 智 能 化 发 展 已 成 为 必 然 趋 势, 是 军 事 现 代 化 的 重 要 标 志 之 一 它 对 21 世 纪 的 武 器 装 备 作 战 模 式 乃 至 战 略 战 术 都 将 产 生 重 大 而 深 刻 的 影 响 人 工 智 能 是 与 生 物 工 程 和 空 间 技 术 齐 名 的 当 今 世 界 三 大 尖 端 技 术 之 一, 是 50 年 代 以 来 由 计 算 机 科 学 控 制 论 信 息 论 神 经 生 理 学 心 理 学 等 多 门 学 科 相 互 渗 透 发 展, 以 模 仿 人 类 行 为 和 思 考 的 一 门 新 学 科 实 践 表 明, 利 用 人 工 智 能 技 术, 可 以 大 大 地 提 高 武 器 装 备 研 制 生 产 使 用 与 维 护 的 效 率 武 器 装 备 数 字 化 自 动 化 智 能 化, 是 现 代 武 器 装 备 作 战 效 能 的 倍 增 器 新 一 代 武 器 系 统 由 于 其 复 杂 性 及 尖 端 性, 其 研 制 具 有 下 述 特 点 : 涉 及 的 专 业 学 科 技 术 广 配 套 的 研 制 单 位 多 知 识 含 量 高 新 技 术 多 学 科 交 叉 多 研 制 周 期 ( 一 般 八 年 至 十 几 年 ) 和 使 用 周 期 ( 一 般 十 五 年 至 几 十 年 ) 长 等 其 研 制 过 程 已 构 成 一 个 复 杂 的 系 统 工 程, 迫 切 需 要 提 供 一 套 基 于 知 识 工 程 的 先 进 设 计 方 法 支 持 复 杂 产 品 研 制, 迫 切 需 要 规 划 技 术 体 系 对 基 于 知 识 工 程 的 设 计 提 供 理 论 方 法 基 础, 形 成 相 关 技 术 平 台 标 准 规 范 和 应 用 模 式 支 持 理 论 成 果 的 应 用 需 要 针 对 目 前 研 制 过 程 中 主 要 基 于 传 统 经 验 的 设 计, 解 决 多 领 域 设 计 知 识 的 积 累 总 结 沉 淀 不 够, 共 享 和 重 用 率 低 的 问 题 研 究 协 同 仿 真 - 智 能 专 家 系 统 技 术, 解 决 制 约 复 杂 产 品 基 于 知 识 工 程 先 进 设 计 的 一 系 列 共 性 基 础 性 问 题, 开 发 以 一 网 四

65 协 同 仿 真 - 智 能 专 家 系 统 技 术 研 究 与 应 用 61 库 两 个 引 擎 为 支 撑 的 骨 架 型 专 家 系 统 支 持 实 际 工 程 的 应 用, 形 成 相 关 标 准 规 范 和 应 用 模 式, 能 够 系 统 地 支 持 该 项 目 研 究 成 果 的 推 广 应 用, 从 而 满 足 军 工 复 杂 装 备 系 统 和 民 用 产 业 的 应 用 需 求 二 阶 段 研 究 成 果 1977 年 第 五 届 国 际 人 工 智 能 联 合 会 议 上, 美 国 斯 坦 福 大 学 计 算 机 系 教 授 费 哥 巴 姆 (Feigenbaum) 作 了 关 于 人 工 智 能 的 艺 术 (TheArtofArtificialInteli gence) 的 讲 演, 提 出 知 识 工 程 这 一 概 念, 并 指 出 知 识 工 程 是 应 用 人 工 智 能 的 原 理 与 方 法, 对 那 些 需 要 专 家 知 识 才 能 解 决 的 应 用 难 题 提 供 求 解 的 手 段 知 识 工 程 本 质 上 是 知 识 处 理 工 程 因 此, 知 识 的 获 取 知 识 的 表 示 和 知 识 的 运 用 构 成 了 知 识 工 程 的 三 大 要 素 知 识 工 程 是 伴 随 专 家 系 统 的 研 究 而 产 生 的 协 同 仿 真 - 智 能 专 家 系 统, 简 称 平 台, 是 一 个 以 知 识 工 程 为 核 心, 综 合 应 用 人 工 智 能 与 计 算 智 能 原 理 与 方 法 现 代 设 计 理 论 与 方 法 先 进 建 模 与 仿 真 技 术, 以 及 高 新 技 术 装 备 应 用 领 域 相 关 专 业 技 术 的 复 杂 装 备 系 统 智 能 化 开 发 与 应 用 的 平 台 包 括 一 网 : 一 个 面 向 智 能 专 家 系 统 的 知 识 构 件 服 务 网 格 ; 四 库 : 数 据 库 / 模 型 库 / 知 识 库 / 算 法 库 ; 和 二 个 引 擎 : 推 理 引 擎 仿 真 引 擎 以 解 决 新 一 代 高 新 技 术 装 备 和 工 程 全 生 命 周 期 对 基 于 知 识 的 智 能 化 工 程 技 术 的 迫 切 需 求, 继 承 和 重 用 已 有 的 装 备 研 制 经 验, 建 立 基 于 知 识 工 程 的 先 进 设 计 技 术 体 系, 提 高 武 器 装 备 方 案 论 证 与 总 体 设 计 水 平 ( 一 ) 体 系 结 构 协 同 仿 真 - 智 能 专 家 系 统 在 实 现 上 分 为 支 撑 层 服 务 层 和 应 用 层 ( 包 括 应 用 工 具 层 和 应 用 层 ) 三 个 层 次, 如 图 1 所 示 在 支 撑 层, 具 有 支 撑 多 学 科 协 同 设 计 与 试 验 专 家 系 统 实 现 所 需 的 各 类 数 据 知 识 算 法 和 模 型 资 源, 以 及 对 这 些 资 源 的 维 护 和 管 理 功 能 在 服 务 层, 采 用 知 识 构 件 服 务 网 格 对 分 布 式 资 源 进 行 管 理, 提 供 基 于 知 识 工 程 的 智 能 专 家 系 统 核 心 服 务, 即 基 于 知 识 的 定 性 推 理 服 务 和 基 于 模 型 的 定 量 仿 真 分 析 服 务 ; 同 时 提 供 知 识 获 取 工 具 提 供 可 视 化 的 操 作 界 面, 方 便 用 户 进 行 专 家 知 识 建 模 ; 高 层 建 模 工 具 提 供 可 视 化 的 操 作 界 面, 方 便 用 户 进 行 系 统 建 模, 封 装 了 推 理 引 擎, 用 户 可 以 摆 脱 底 层 代 码 方 便 调 用 ; 运 行 管 理 器 和 运 行 支 撑 系 统 封 装 了 仿 真 引 擎, 支 持 系 统 模 型 的 运 行 ; 故 障 监 控 器 显 示 在 线 运 行 推 理 结 果, 支 持 动 态 调 试, 如 图 2 所 示 在 应 用 层, 基 于 核 心 服 务 提 供 基 于 知 识 工 程 的 复 杂 产 品 研 制 应 用 工 具 集, 支 持 工 程 研 制 的 各 个 应 用 环 节

66 航天工程与仿真技术 ６ 中国工程科技论坛 ２ 图 １ 协同仿真 智能专家系统体系结构 图 ２ 核心服务层结构及信息流示意图

67 协 同 仿 真 - 智 能 专 家 系 统 技 术 研 究 与 应 用 63 ( 二 ) 应 用 模 式 协 同 仿 真 - 智 能 专 家 系 统 支 持 三 大 类 应 用 模 式, 包 括 实 时 在 线 模 式 : 用 于 实 时 分 析 从 现 场 和 仿 真 系 统 采 集 的 高 速 数 据, 进 行 实 时 故 障 诊 断 和 事 前 预 测 ; 离 线 模 式 : 用 于 对 现 场 获 得 的 数 据 或 现 象 进 行 事 后 处 理 评 估 或 诊 断 ; 人 机 交 互 模 式 : 用 于 以 对 话 的 方 式 在 平 台 运 行 过 程 中 获 取 用 户 知 识, 增 加 分 析 结 果 的 有 效 性 三 突 破 关 键 技 术 ( 一 ) 知 识 获 取 技 术 复 杂 产 品 具 有 涉 及 学 科 专 业 广 跨 学 科 协 同 多 专 业 耦 合 等 特 点, 使 专 家 知 识 具 有 不 确 定 性 动 态 性 正 向 成 功 知 识 为 主 的 特 点 知 识 获 取 技 术 研 究 专 家 知 识 形 式 化 表 达 描 述 管 理 及 集 成 应 用 技 术, 解 决 专 家 知 识 的 获 取 表 达 组 织 共 享 检 索 运 用 以 及 学 习 更 新 问 题 ; 研 究 建 立 图 形 化 的 知 识 描 述 子 模 块, 提 供 较 为 完 善 的 知 识 及 规 则 描 述 模 板 及 语 法, 用 于 知 识 工 程 师 对 自 然 语 言 描 述 的 专 家 领 域 知 识 及 经 验 数 据 进 行 抽 象 化 的 规 范 描 述, 并 进 一 步 转 换 为 图 形 化 的 规 则 描 述, 如 因 果 导 向 图, 从 而 实 现 由 知 识 源 到 知 识 脚 本 的 非 自 动 获 取, 如 图 3 所 示 图 3 专 家 领 域 知 识 到 图 形 化 知 识 描 述 转 化 过 程 示 意 因 果 导 向 图 是 一 种 发 现 问 题 根 本 原 因 的 方 法, 它 是 将 导 致 故 障 发 生 的 各 种 原 因 进 行 归 纳 分 析, 用 简 明 的 文 字 和 线 条 罗 列 故 障 的 原 因, 并 将 众 多 的 原 因 分 类 分 层 并 进 行 分 析 的 过 程 该 模 型 能 更 有 效 地 模 拟 客 观 世 界, 得 到 更 加 准 确 的 推 理 结 论 同 时, 因 果 图 模 型 也 是 可 能 性 传 播 图 模 型 和 故 障 影 响 传 播 图 模 型 的 基 础, 具 有 重 要 的 工 业 应 用 价 值, 如 在 线 故 障 诊 断 等 同 时 针 对 专 家 知 识 具 有 模 糊 性 的 特 点, 研 究 提 出 了 专 家 知 识 的 模 糊 表 达 应 用 的 基 本 步 骤 ( 二 ) 不 确 定 知 识 推 理 技 术 基 于 产 生 式 规 则 推 理, 结 合 计 算 智 能 推 理 应 用, 实 现 不 确 定 知 识 推 理 采 用 FuzzyClips 基 于 产 生 式 规 则 的 推 理 机 实 现 推 理 过 程, 通 过 研 究 和 应 用, 总 结 技 术

68 64 中 国 工 程 科 技 论 坛 : 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 优 势 为 采 用 高 效 的 Rete 匹 配 算 法 可 靠 的 推 理 控 制 策 略 支 持 不 确 定 性 推 理 和 模 糊 推 理 应 用 DS 证 据 理 论 通 过 对 不 确 定 信 息 的 置 信 度 进 行 段 内 和 段 间 的 加 权 推 理 ( 采 用 不 同 的 权 重 函 数 ), 成 功 地 融 合 出 每 段 内 和 整 个 试 验 过 程 的 状 态 和 概 率 也 可 研 究 和 实 现 Bayes 故 障 树 推 理 机, 在 应 用 中, 试 验 过 程 的 评 估 采 用 从 前 向 后 的 推 理 评 定, 一 旦 出 现 异 常 或 失 控, 利 用 故 障 树 从 后 向 前 的 推 理 过 程 来 定 位 故 障 图 4 智 能 化 推 理 框 架 ( 三 ) 仿 真 引 擎 与 推 理 引 擎 集 成 技 术 仿 真 引 擎 是 一 种 模 型 集 成 环 境, 动 态 载 入 不 同 仿 真 任 务 相 关 的 仿 真 模 型 后, 形 成 相 应 的 仿 真 应 用 系 统 包 含 三 个 部 分 : 连 接 管 理 调 度 管 理 和 组 件 内 部 的 一 个 事 件 列 表 连 接 管 理 实 现 多 学 科 仿 真 模 型 之 间 的 数 据 信 息 和 控 制 信 息 的 交 互 ; 调 度 管 理 和 事 件 列 表 分 别 应 用 状 态 机 理 论 和 时 间 管 理 共 同 实 现 仿 真 模 型 行 为 的 调 度 仿 真 引 擎 在 行 为 调 度 和 时 间 管 理 上 具 有 层 次 性 和 混 合 性 等 特 点, 实 现 了 基 于 组 件 构 造 复 杂 系 统 时, 其 逻 辑 结 构 和 逻 辑 行 为 与 软 件 实 现 时 的 组 件 及 其 通 讯 和 运 行 控 制 的 有 效 分 离 和 自 动 映 射, 建 立 一 种 非 编 译 的 复 杂 系 统 基 于 组 件 构 造 模 式 和 方 法 推 理 引 擎 实 现 对 知 识 加 载 对 推 理 算 法 及 其 决 策 融 合 算 法 的 调 度 与 推 理 能 够 根 据 事 件 的 类 型 特 征 等, 选 择 相 应 的 专 家 规 则 推 理 机 神 经 网 络 推 理 机 模 糊 逻 辑 推 理 机 数 据 挖 掘 算 法 等, 或 综 合 应 用 多 个 推 理 机 及 其 融 合 算 法, 快 捷 准 确 地 提 供 预 报 诊 断 和 评 估 结 果

69 协 同 仿 真 - 智 能 专 家 系 统 技 术 研 究 与 应 用 65 在 已 有 多 学 科 虚 拟 样 机 协 同 仿 真 平 台 / 工 具 集 (Cosim) 的 基 础 上, 实 现 仿 真 引 擎 与 推 理 引 擎 的 集 成 是 建 设 协 同 仿 真 - 智 能 专 家 系 统 的 关 键 集 成 结 构 主 要 包 含 三 部 分 :EED 文 件 解 析 模 块 Clips 推 理 引 擎 Cosim 端 口 注 册 模 块 三 者 的 关 系 为 :Clips 推 理 引 擎 通 过 EED 文 件 解 析 获 取 和 生 成 端 口 信 息, 利 用 这 些 端 口 信 息, 通 过 Cosim 端 口 注 册 向 Cosim 仿 真 引 擎 告 知 其 所 具 备 的 端 口 图 5 仿 真 引 擎 与 推 理 引 擎 集 成 结 构 图 (1)EED 文 件 解 析 : 该 模 块 要 实 现 从 Cosim 专 家 系 统 高 层 建 模 生 成 的 EED 文 件 中 解 析 出 在 仿 真 运 行 中 要 调 用 推 理 引 擎 所 需 要 的 端 口, 同 时 将 解 析 出 的 端 口 信 息 返 回 给 Clips 核 心 组 件 (2)Clips 核 心 组 件 : 该 模 块 通 过 将 Clips 原 代 码 嵌 入 到 Cosim 元 素 中, 该 Cosim 元 素 是 经 过 改 造 的 Cosim 元 素, 具 有 动 态 生 成 端 口 的 特 点 将 Clips 源 代 码 嵌 入 后, 该 元 素 具 有 了 Clips 的 推 理 功 能, 并 能 够 响 应 Cosim 的 数 据 事 件 输 入, 并 给 出 输 出 结 果 将 Clips 封 装 成 通 用 的 Cosim 元 素 是 集 成 的 关 键 (3)Cosim 端 口 注 册 : 从 EED 文 件 的 解 析 信 息 得 到 端 口 的 信 息 情 况, 为 了 与 Cosim 仿 真 引 擎 进 行 事 件 数 据 交 互, 需 要 动 态 生 成 相 应 的 端 口, 生 成 端 口 后 还 要 通 过 该 模 块 将 这 些 端 口 注 册 给 仿 真 引 擎, 这 样 仿 真 引 擎 才 知 道 推 理 引 擎 哪 些 端 口 是 可 以 被 调 用 的 推 理 引 擎 的 调 用 流 程 如 图 6 所 示 : (1) 在 仿 真 开 始 时 进 行 引 擎 加 载, 此 时,EED 文 件 解 析 读 取, 解 析 高 层 建 模 生 成 的 EED 文 件, 并 将 解 析 出 的 端 口 向 仿 真 引 擎 注 册 (2) 在 仿 真 运 行 时, 在 每 一 步 的 仿 真 时 刻, 仿 真 引 擎 将 推 理 的 语 句 或 数 据 通 过 端 口 传 给 推 理 引 擎, 推 理 引 擎 进 行 语 法 解 析, 并 进 行 一 系 列 的 推 理 运 算, 获 得 推 理 结 果 后 将 结 果 传 回 仿 真 引 擎, 仿 真 引 擎 获 得 结 果 后 继 续 进 行 后 续 的 调 用 ( 四 ) 面 向 服 务 的 知 识 网 格 技 术 在 协 同 仿 真 - 智 能 专 家 系 统 体 系 结 构 研 究 中, 其 核 心 服 务 层 包 含 面 向 服 务 的 知 识 网 格, 主 要 是 针 对 复 杂 产 品 设 计 与 试 验 应 用 中 涉 及 的 专 业 学 科 技 术 广, 配

70 6 中 国 工 程 科 技 论 坛 : 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 图 6 推 理 引 擎 调 用 流 程 图 套 的 研 制 单 位 分 布 各 地 的 特 点, 存 在 知 识 如 何 有 效 管 理 和 应 用 的 问 题, 提 出 利 用 面 向 服 务 的 知 识 网 格 技 术 来 解 决 这 一 问 题 面 向 服 务 的 知 识 网 格 介 于 资 源 层 与 面 向 复 杂 产 品 设 计 应 用 的 核 心 服 务 之 间, 旨 在 综 合 应 用 知 识 构 件 的 服 务 化 多 领 域 知 识 的 智 能 化 发 现 和 分 布 异 地 多 领 域 知 识 的 管 理 等 技 术, 提 供 一 个 面 向 服 务 的 分 布 式 知 识 网 格 系 统, 支 持 各 类 异 地 知 识 资 源 的 管 理 和 协 同 应 用 面 向 服 务 的 知 识 网 格 支 持 底 层 资 源 层 的 各 类 模 型 知 识 算 法 数 据 资 源 设 计 工 具 软 件 资 源 和 设 计 科 学 仪 器 资 源 的 服 务 化, 并 提 供 管 理 机 制 ; 同 时 根 据 上 层 对 资 源 的 应 用 需 求, 提 供 包 括 知 识 的 发 现 索 引 组 合 实 例 等 服 务, 为 用 户 进 行 复 杂 产 品 设 计 活 动 提 供 浏 览 器 和 桌 面 形 式 的 门 户 / 工 具, 包 括 面 向 工 程 研 制 的 协 同 可 视 化 门 户 和 知 识 网 格 通 用 门 户, 为 核 心 服 务 层 的 基 于 知 识 的 定 性 推 理 和 基 于 模 型 的 定 量 仿 真 分 析 提 供 各 类 资 源 的 动 态 集 成 和 协 同 应 用 四 平 台 实 现 及 应 用 ( 一 ) 平 台 实 现 以 关 键 技 术 为 基 础, 开 发 实 现 了 协 同 仿 真 - 智 能 专 家 系 统 / 工 具 集 V1.0 版 本, 包 括 三 大 类 核 心 工 具 交 互 式 知 识 获 取 工 具 的 开 发 支 持 带 模 糊 的 面 向 故 障

71 协 同 仿 真 - 智 能 专 家 系 统 技 术 研 究 与 应 用 67 诊 断 的 因 果 导 向 图 知 识 描 述 因 果 导 向 图 与 FZClips 的 转 换 与 映 射 和 图 形 化 知 识 建 模 系 统 建 模 工 具 支 持 图 形 化 建 模 推 理 引 擎 和 仿 真 引 擎 集 成 通 用 的 故 障 监 控 器 支 持 故 障 诊 断 过 程 和 结 果 监 视 推 理 过 程 回 显 和 应 用 系 统 的 单 步 调 试, 工 具 部 分 界 面 如 图 7 所 示 : ( 二 ) 应 用 验 证 协 同 仿 真 - 智 能 专 家 系 统 支 持 离 线 和 在 线 两 种 模 式 的 预 测 诊 断 评 估 改 进 (PDEM) 等 应 用, 即 : (1) 预 测 (P): 离 在 线 预 测, 并 确 定 系 统 在 运 行 的 过 程 中 预 先 分 析 如 规 划 计 划 预 报 预 测 训 练 仿 真 等 在 应 用 中 将 基 于 蒙 特 卡 洛 方 法 开 展 的 大 量 仿 真 与 专 家 知 识 应 用 结 合 起 来, 通 过 专 家 知 识 实 现 对 结 果 的 有 效 预 测 (2) 诊 断 (D): 确 定 故 障 的 种 类 发 生 的 原 因 程 度 大 小 以 及 发 生 的 时 间, 如 故 障 修 复 纠 错 检 测 服 务 诊 断 维 护 等 通 过 专 家 知 识 的 采 集 故 障 树 的 建 立 和 推 理 机 的 实 现, 根 据 专 家 经 验 中 间 事 件 的 概 率, 确 定 优 化 的 FTA 搜 索 路 径, 进 行 故 障 诊 断 建 立 某 控 制 面 板 故 障 树 故 障 树 推 理, 根 据 专 家 知 识 选 择 故 障 特 征 得 到 推 理 诊 断 结 果 和 概 率 根 据 推 理 结 果 查 看 维 修 措 施 和 指 导 意 见 图 7 协 同 仿 真 - 智 能 专 家 系 统 / 工 具 集 界 面 (3) 评 估 : 离 在 线 判 断 事 件 对 系 统 的 影 响 和 影 响 的 发 展 趋 势, 针 对 不 同 情 况 采 取 不 同 措 施, 让 用 户 对 事 件 进 行 科 学 有 效 的 处 理, 如 验 证 应 对 决 策 鉴 定 确 认 评 估 等 例 如 某 飞 行 试 验 采 用 分 区 分 段 分 态 的 方 法, 应 用 FZClips 和 DS 证 据 理

72 68 中 国 工 程 科 技 论 坛 : 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 图 8 雷 达 故 障 诊 断 系 统 论 对 不 确 定 信 息 进 行 推 理 和 信 息 融 合, 对 整 个 飞 行 试 验 和 各 个 阶 段 给 出 评 估 结 论 分 区 :A,B,C,D 四 区 分 段 : 初 制 导 交 班 制 导 遭 遇 拦 截 分 态 : 正 常 异 常 失 控 针 对 制 导 过 程 的 特 点, 需 要 对 制 导 过 程 的 全 过 程 的 各 个 阶 段 进 行 评 估 传 统 的 方 法 重 视 制 导 过 程 的 结 果, 缺 乏 对 过 程 的 关 注 ; 如 果 制 导 过 程 结 果 成 功, 则 忽 略 了 过 程 中 可 能 由 设 计 缺 陷 所 引 起 的 异 常 如 果 制 导 过 程 结 果 失 败, 则 需 要 人 工 查 阅 大 量 的 试 验 数 据, 找 到 异 常 发 生 的 时 刻 和 阶 段, 进 而 进 行 故 障 诊 断 本 系 统 解 决 了 传 统 方 法 对 过 程 的 忽 略, 实 时 采 集 试 验 数 据, 利 用 专 家 知 识 在 线 推 理, 给 出 各 个 阶 段 过 程 中 的 评 定 结 果 和 概 率, 并 提 供 状 态 回 放 功 能, 方 便 试 验 人 员 及 时 把 握 制 导 过 程 状 态 和 便 于 查 找 问 题 该 系 统 通 过 实 时 在 线 处 理 的 应 用 模 式, 对 制 导 过 程 中 初 制 导 段 初 制 导 交 班 制 导 段 遭 遇 段 和 遭 遇 点 给 出 评 定 结 果 和 概 率, 取 得 了 良 好 的 应 用 效 果, 如 图 9 所 示 图 9 制 导 过 程 评 定 系 统 应 用 效 果 (4) 改 进 : 针 对 系 统 ( 事 件 ) 的 评 估 或 诊 断 结 果, 通 过 专 家 知 识 分 析, 让 用 户 获 得 系 统 ( 事 件 ) 的 改 进 提 高, 如 分 析 改 善 学 习 重 构 提 升 改 进 设 计 等 在 实 际 研 制 中, 某 系 统 虽 然 试 验 成 功, 但 分 析 得 出 在 某 阶 段 的 控 制 中, 有 许

73 协 同 仿 真 - 智 能 专 家 系 统 技 术 研 究 与 应 用 69 多 步 是 异 常 的 ( 控 制 不 很 理 想 ), 这 引 起 了 控 制 领 域 专 家 的 关 注, 评 估 异 常 或 失 控 是 小 概 率 事 件 还 是 设 计 缺 陷, 对 由 设 计 缺 陷 所 引 起 的 异 常 或 失 控 必 须 进 行 改 进 同 时 也 可 在 试 验 前, 综 合 运 用 仿 真 技 术 和 人 工 智 能 技 术, 以 专 家 知 识 推 理 结 果 为 依 据, 对 仿 真 模 型 进 行 改 进 五 展 望 初 步 实 践 表 明, 协 同 仿 真 - 智 能 专 家 系 统 为 复 杂 产 品 智 能 化 设 计 和 试 验 提 供 了 一 个 有 效 的 手 段, 能 够 提 供 具 有 实 时 在 线 处 理 离 线 分 析 和 人 机 交 互 3 种 工 作 模 式, 解 决 系 统 ( 事 件 ) 过 程 中 预 测 诊 断 评 估 改 进 等 四 大 类 应 用 问 题 能 够 通 过 积 累 有 工 程 实 践 经 验 的 装 备 研 制 领 域 专 家 知 识, 实 施 人 才 战 略, 培 养 年 轻 的 设 计 师 队 伍 ; 通 过 实 现 对 多 领 域 专 家 知 识 的 高 效 获 取 有 机 融 合 有 效 管 理 和 综 合 应 用, 以 提 高 各 类 工 程 设 计 资 源 和 工 程 设 计 知 识 的 积 累 总 结 提 炼 共 享 重 用 及 智 能 化 应 用 水 平 鉴 于 协 同 仿 真 - 智 能 专 家 系 统 对 复 杂 产 品 设 计 和 试 验 的 作 用, 该 系 统 的 建 设 是 一 项 长 期 和 持 续 的 工 作, 下 一 阶 段 我 们 的 主 要 工 作 是 : (1) 结 合 复 杂 产 品 研 制 的 特 点 和 应 用 需 求, 继 续 深 入 研 究 平 台 的 相 关 关 键 技 术, 包 括 多 模 式 智 能 化 推 理 与 融 合 算 法 ; 多 领 域 知 识 获 取 与 融 合 技 术 ; 多 领 域 知 识 统 一 建 模 与 联 合 求 解 技 术 ; 知 识 构 件 服 务 网 格 等 关 键 技 术 ; (2) 以 关 键 技 术 研 究 为 基 础, 进 一 步 完 善 支 持 复 杂 产 品 设 计 和 试 验 智 能 化 系 统 开 发 的 平 台 / 工 具 集 ; (3) 以 平 台 为 依 托, 研 究 智 能 化 设 计 和 试 验 应 用 技 术, 拓 展 平 台 在 复 杂 产 品 工 程 研 制 中 的 应 用 阶 段 和 应 用 领 域 ; 同 时 以 应 用 为 牵 引, 研 究 建 立 智 能 化 设 计 和 试 验 系 统 相 关 的 标 准 规 范 钟 山 1957 年 毕 业 于 哈 尔 滨 军 事 工 程 学 院, 现 任 中 国 航 天 科 工 集 团 科 技 委 顾 问, 是 我 国 制 导 控 制 领 域 的 专 家, 在 防 空 导 弹 武 器 系 统 研 制 中, 先 后 两 次 荣 获 国 家 科 技 进 步 特 等 奖 ; 编 写 各 种 技 术 报 告 百 余 篇 ; 为 国 防 事 业 做 出 突 出 贡 献 兼 任 上 海 交 大 等 多 所 大 学 博 士 生 导 师, 空 军 科 技 发 展 和 人 才 建 设 顾 问 1999 年 当 选 为 中 国 工 程 院 院 士

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75 第 四 部 分 附 录

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77 附 录 1 部 分 参 会 人 员 名 单 73 附 录 1 部 分 参 会 人 员 名 单 中 国 工 程 院 第 138 场 工 程 科 技 论 坛 参 会 专 家 及 工 作 人 员 序 号 姓 名 性 别 工 作 单 位 职 务 / 职 称 1. 潘 云 鹤 男 中 国 工 程 院 中 国 工 程 院 常 务 副 院 长 / 院 士 2. 王 子 才 男 哈 尔 滨 工 业 大 学 工 程 科 技 论 坛 负 责 人 / 院 士 3. 包 为 民 男 中 国 航 天 科 技 集 团 公 司 院 士 4. 黄 培 康 男 中 国 航 天 科 工 集 团 公 司 二 院 院 士 5. 李 伯 虎 男 中 国 航 天 科 工 集 团 公 司 二 院 中 国 系 统 仿 真 学 会 前 任 理 事 长 / 院 士 6. 刘 永 才 男 中 国 航 天 科 工 集 团 公 司 三 院 院 士 7. 于 本 水 男 中 国 航 天 科 工 集 团 公 司 二 院 院 士 8. 钟 山 男 中 国 航 天 科 工 集 团 公 司 二 院 院 士 9. 李 仁 涵 男 中 国 工 程 院 三 局 副 局 长 10. 高 战 军 男 中 国 工 程 院 三 局 信 息 与 电 子 工 程 学 部 办 公 室 处 长 11. 刘 静 女 中 国 工 程 院 三 局 学 术 与 出 版 办 公 室 处 长 12. 王 成 俊 男 中 国 工 程 院 院 办 副 主 任 13. 范 桂 梅 女 中 国 工 程 院 三 局 信 息 与 电 子 工 程 学 部 办 公 室 主 任 科 员 14. 洪 俞 男 中 国 工 程 院 三 局 信 息 与 电 子 工 程 学 部 办 公 室 15. 赵 沁 平 男 北 京 航 空 航 天 大 学 中 国 系 统 仿 真 学 会 现 任 理 事 长 / 教 授

78 74 中 国 工 程 科 技 论 坛 : 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 续 表 序 号 姓 名 性 别 工 作 单 位 职 务 / 职 称 16. 肖 田 元 男 清 华 大 学 17. 陈 宗 基 男 北 京 航 空 航 天 大 学 中 国 系 统 仿 真 学 会 常 务 副 理 事 长 / 教 授 中 国 系 统 仿 真 学 会 荣 誉 副 理 事 长 / 教 授 18. 李 幼 平 男 桂 林 航 天 工 业 学 院 党 委 书 记 / 教 授 19. 张 昌 年 男 桂 林 航 天 工 业 学 院 校 长 / 教 授 20. 旷 永 青 男 桂 林 航 天 工 业 学 院 党 委 副 书 记 / 教 授 21. 郝 德 温 男 桂 林 航 天 工 业 学 院 副 校 长 / 教 授 22. 罗 国 湘 男 桂 林 航 天 工 业 学 院 副 校 长 / 教 授 23. 詹 皖 生 男 桂 林 航 天 工 业 学 院 副 校 长 / 副 教 授 24. 崔 黎 男 桂 林 航 天 电 子 有 限 公 司 (165 厂 ) 副 总 工 程 师 兼 主 任 / 研 究 员 25. 付 梦 印 男 北 京 理 工 大 学 院 长 26. 黄 梅 娟 女 西 安 电 子 科 技 大 学 科 长 27. 刘 昕 戈 男 北 京 理 工 大 学 副 院 长 28. 宋 建 平 男 中 国 航 天 科 工 集 团 八 一 厂 副 总 师 / 高 级 工 程 师 29. 赵 东 旭 男 中 国 工 程 科 学 杂 志 社 编 辑 30. 侯 萍 梅 女 中 国 航 天 科 工 集 团 公 司 二 院 研 究 员 31. 张 平 女 中 国 系 统 仿 真 学 会 副 秘 书 长 32. 刘 诗 璇 女 中 国 系 统 仿 真 学 会 副 秘 书 长 33. 赵 罡 男 中 国 系 统 仿 真 学 会 34. 何 红 雨 男 桂 林 航 天 工 业 学 院 教 务 处 处 长 / 教 授 35. 黄 金 盛 男 桂 林 航 天 工 业 学 院 党 委 组 织 部 部 长 / 副 教 授 36. 刘 孝 民 男 桂 林 航 天 工 业 学 院 科 研 处 处 长 / 教 授 37. 李 燕 女 桂 林 航 天 工 业 学 院 信 息 工 程 系 主 任 / 教 授 38. 张 一 纯 男 桂 林 航 天 工 业 学 院 党 办 校 办 副 主 任 / 教 授 39. 谢 雄 辉 男 桂 林 航 天 工 业 学 院 学 生 工 作 处 副 处 长

79 附 录 2 媒 体 报 道 75 附 录 2 媒 体 报 道 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 工 程 科 技 论 坛 召 开 由 中 国 工 程 院 主 办, 中 国 工 程 院 信 息 与 电 子 工 程 学 部 中 国 系 统 仿 真 学 会 及 桂 林 航 天 工 业 学 院 共 同 承 办, 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 论 坛 于 2012 年 5 月 29 日 在 桂 林 香 格 里 拉 大 酒 店 隆 重 召 开 本 次 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 论 坛 是 中 国 工 程 院 第 138 场 工 程 科 技 论 坛 航 天 已 经 成 为 一 个 对 国 家 安 全 科 技 进 步 经 济 和 社 会 发 展 具 有 重 要 意 义 的 行 业 同 时, 它 也 需 要 高 投 入, 面 临 高 风 险 因 此, 科 学 的 系 统 的 仿 真 理 论 和 仿 真 方 法 是 航 天 工 程 重 要 的 发 展 基 础 与 动 力 仿 真 技 术 在 我 国 航 天 工 程 的 应 用 中 发 展 迅 速, 并 发 挥 了 重 要 作 用 除 航 天 之 外, 仿 真 技 术 在 我 国 的 航 空 制 造 土 木 工 程 灾 害 防 治 等 领 域 都 有 重 要 应 用 并 取 得 了 很 大 的 成 绩 本 次 论 坛 以 未 来 20 年 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 的 机 遇 与 挑 战 为 主 题, 深 入 分 析 了 我 国 航 天 事 业 大 发 展 对 仿 真 技 术 的 巨 大 需 求, 探 讨 了 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 面 临 的 重 大 机 遇 和 主 要 挑 战 以 及 应 对 挑 战 的 主 要 对 策 ; 研 讨 了 未 来 20 年 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 发 展 的 总 体 框 架 主 要 方 向 以 及 与 相 关 学 科 技 术 领 域 的 互 动 关 系 工 程 院 常 务 副 院 长 潘 云 鹤 院 士 出 席 了 论 坛 并 致 开 幕 词, 王 子 才 院 士 主 持 开 幕 式,8 位 院 士 以 及 专 家 出 席 了 此 次 论 坛 参 加 论 坛 的 人 数 达 230 余 人 于 本 水 院 士 主 持 了 上 午 的 论 坛, 包 为 民 王 子 才 李 伯 虎 院 士 分 别 作 了 对 航 天 器 仿 真 技 术 发 展 的 思 考 半 实 物 仿 真 技 术 复 杂 系 统 高 效 能 建 模 仿 真 技 术 初 步 研 究 的 学 术 报 告 下 午 的 论 坛 由 李 伯 虎 院 士 主 持, 刘 永 才 黄 培 康 钟 山 院 士 及 肖 田 元 赵 沁 平 教 授 分 别 作 了 航 天 型 号 系 统 工 程 信 息 化 与 仿 真 航 天 系 统 工 程 中 目 标 环 境 和 传 感 器 的 建 模 与 仿 真 基 于 知 识 工 程 的 协 同 仿 真 与 专 家 系 统 两 化 融 合 战 略 中 仿 真 技 术 虚 拟 现 实 在 工 业 中 的 应 用 的 学 术 报 告 院 士 及 专 家 们 的 报 告 得 到 与 会 代 表 的 热 烈 反 应, 纷 纷 对 报 告 内 容 进 行 提 问 咨 询, 报 告 人 分 别 进 行 了 认 真 解 答 论 坛 上, 与 会 代 表 畅 所 欲 言, 气 氛 热 烈, 发 言 踊 跃

80 76 中 国 工 程 科 技 论 坛 : 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 论 坛 研 讨 深 入 广 泛, 提 高 了 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 发 展 的 共 识, 探 讨 了 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 的 发 展 思 路, 进 一 步 加 强 和 扩 大 了 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 的 学 术 交 流, 为 中 国 航 天 和 仿 真 技 术 的 发 展 提 出 了 科 学 的 建 议 此 次 论 坛 的 召 开, 必 将 对 促 进 中 国 未 来 20 年 航 天 工 程 与 仿 真 技 术 的 发 展 产 生 重 要 而 积 极 的 影 响

81 后 记 科 学 技 术 是 第 一 生 产 力 纵 观 历 史, 人 类 文 明 的 每 一 次 进 步 都 是 由 重 大 科 学 发 现 和 技 术 革 命 所 引 领 和 支 撑 的 进 入 21 世 纪, 科 学 技 术 日 益 成 为 经 济 社 会 发 展 的 主 要 驱 动 力 我 们 国 家 的 发 展 必 须 以 科 学 发 展 为 主 题, 以 加 快 转 变 经 济 发 展 方 式 为 主 线 而 实 现 科 学 发 展 加 快 转 变 经 济 发 展 方 式, 最 根 本 的 是 要 依 靠 科 技 的 力 量, 最 关 键 的 是 要 大 幅 提 高 自 主 创 新 能 力 党 的 十 八 大 报 告 特 别 强 调, 科 技 创 新 是 提 高 社 会 生 产 力 和 综 合 国 力 的 重 要 支 撑, 必 须 摆 在 国 家 发 展 全 局 的 核 心 位 置, 提 出 了 实 施 创 新 驱 动 发 展 战 略 面 对 未 来 发 展 之 重 任, 中 国 工 程 院 将 进 一 步 加 强 国 家 工 程 科 技 思 想 库 的 建 设, 充 分 发 挥 院 士 和 优 秀 专 家 的 集 体 智 慧, 以 前 瞻 性 战 略 性 宏 观 性 思 维 开 展 学 术 交 流 与 研 讨, 为 国 家 战 略 决 策 提 供 科 学 思 想 和 系 统 方 案, 以 科 学 咨 询 支 持 科 学 决 策, 以 科 学 决 策 引 领 科 学 发 展 工 程 院 历 来 重 视 对 前 沿 热 点 问 题 的 研 究 及 其 与 工 程 实 践 应 用 的 结 合 自 2000 年 元 月, 中 国 工 程 院 创 办 了 中 国 工 程 科 技 论 坛, 旨 在 搭 建 学 术 性 交 流 平 台, 组 织 院 士 专 家 就 工 程 科 技 领 域 的 热 点 难 点 重 点 问 题 聚 而 论 道 十 年 来, 中 国 工 程 科 技 论 坛 以 灵 活 多 样 的 组 织 形 式 和 谐 宽 松 的 学 术 氛 围, 打 造 了 一 个 百 花 齐 放 百 家 争 鸣 的 学 术 交 流 平 台, 在 活 跃 学 术 思 想 引 领 学 科 发 展 服 务 科 学 决 策 等 方 面 发 挥 着 积 极 作 用 至 2011 年, 中 国 工 程 科 技 论 坛 经 过 百 余 场 的 淬 炼, 已 成 为 中 国 工 程 院 乃 至 中 国 工 程 科 技 界 的 品 牌 学 术 活 动 中 国 工 程 院 学 术 与 出 版 委 员 会 今 后 将 论 坛 有 关 报 告 汇 编 成 书 陆 续 出 版, 愿 以 此 为 实 现 美 丽 中 国 的 永 续 发 展 贡 献 出 自 己 的 力 量 中 国 工 程 院

82 郑 重 声 明!"#$% &' ()*+,-./ &/ :; & 2 <78 =>?@ABC D? E & E FG H IJK L M 2 N 9 O 1 ) & P1Q.R STUV WXY. Z [\]^_` 2ab_` c. 反 盗 版 举 报 电 话 反 盗 版 举 报 传 真 反 盗 版 举 报 邮 箱 dd@hep com cn 通 信 地 4 邮 政 编 码