复杂系统管理中的仿真方法研究：挑战与机遇

近年来,随着工业技术和社会生产力的发展,很多系统呈现出复杂性和不确定性两个显著的特征,其中复杂性可以进一步刻画为大规模、网络化和动态性等。计算机仿真是这类复杂系统建模的重要工具,可以用来解决复杂系统管理中的很多问题。系统的复杂性和不确定性也给现今的仿真工具带来了很多挑战,在建模、预测和优化领域都有很多问题亟待解决。包括高性能计算、大数据和人工智能技术在内的很多新兴技术则为解决这些挑战带来了机遇,这些技术与仿真工具的深度融合将是下一代仿真工具研发的关键。     

一个用于反导作战建模与仿真的智能集成模型

基于分布对象技术和HLA技术规范，提出了一个用于反导作战仿真的智能集成模型，探讨了有关作战仿真智能集成的模型结构，系统特性，基本建模服务，带有学习特性的建模机制，仿真运行机制等问题，智能集成模型是一个由多个服务器和多个客户机组成的既可以用于建模，又可以用于仿真运行的分布网络，基于反导作战仿真需求分析和设计，可以建立反导作战仿真的基本模型组件和工具，这些组件和工具构成了反导作战仿真的基本建模服务，其它模型的建立是在基本建模服务的服务下进行的，模型的建模机制保证了一个新的模型或工具可以成为建模服务中的一个组件或工具，模型的仿真运行机制保证了整个仿真系统协调一致地运行。     

基于SMP2的复杂系统生成式仿真建模方法

复杂系统仿真迫切需要能够同时支持多领域分别独立针对性建模和全系统统一集成仿真的方法. 将当前用于复杂系统仿真的建模方法分为统一型、组合型和生成式三大类, 分析指出生成式建模方法具有较之其它方法的独特优势, 有望解决复杂系统仿真建模面临的问题. 研究了当前仿真领域应用的各类生成式建模方法存在的不足. 提出了以仿真模型可移植性标准(SMP2)为基础, 综合利用生成式建模方法的两大流派-模型驱动架构(MDA)和模型集成计算(MIC)-的先进技术和规范, 构建复杂系统生成式仿真建模方法的研究思路. 分析了其中的多领域生成式仿真模型公共表示规范、各类仿真形式体系到SMP2的映射与模型变换以及面向领域的仿真建模工具的自动生成等三大关键技术问题. 设计了生成式仿真建模一体化支撑环境的体系结构, 介绍了其中已经完成的工作和下一步的重点.     

基于先验知识和神经网络的非线性建模与预测控制

神经网络模型是模拟非线性系统的有力工具，它的缺陷是难以利用已有的先验知识。利用通用学习网络的建模方法，提出了一种利用先验知识和神经网络建立非线性系统模型的方法，具有简化神经网络结构、减小计算量的优点。基于这种模型利用改进的遗传算法进行优化计算，从而实现了基于先验知识和神经网络的非线性建模和预测控制。对一个悬吊系统的仿真实验说明了该算法的有效性。     

虚拟样机协同建模环境中建模工具的集成与应用

针对虚拟样机协同建模环境对建模仿真工具集成的需求，对典型建模工具MATLAB的应用方法进行研究，提出在虚拟样机协同建模环境中仿真模型的建立、验证以及仿真应用软件开发各个阶段中MATLAB的集成与应用方法。并且结合一类武器系统虚拟样机的开发实例详细介绍了MATLAB工具的应用和集成。     

面向复杂仿真因果追溯的行为建模方法

基于行为建模的因果追溯方法是解决复杂仿真分析中因果关系追溯问题的一种思想。该思想依据仿真系统运行结果数据,重新构建描述因果关系的行为模型,并基于这些行为模型进行因果追溯。为了建立良好有效的行为模型支持追溯,首先介绍了因果关系的概念及其结构描述;然后将追溯划分为三个层次:系统表层、系统深层以及组合层,最后选取事件图行为模型为基本模型,按照这些层次分别对其进行扩展,从而获得不同层次的行为建模方法支持因果关系的描述和建模。     

水利水电工程三维动态可视化仿真技术与应用

提出了基于地理信息系统（GIS）的水利水电工程三维动态可视化仿真技术，实现图形辅助仿真建模、全过程动态仿真计算和基于GIS的仿真可视化。图形辅助建模采用层次化和模块化建模思想，通过组合图形元素建立模型，有效地降低了建模的复杂性。全过程动态仿真采用“双仿真钟”模式，兼顾了仿真的整体性和细节性，对整个施工动态过程进行仿真。用GIS实现仿真的三维可视化改变传统的仿真结果的表现模式，为施工系统分析和管理提供了一个有力的工具。实际工程应用证明了该方法的有效性。     

石油井下工具虚拟设计仿真平台的实现

通过研究石油井下工具生产工艺和结构特点,提出了面向对象,特征化、参数化、模块化的数字模型建立方法.结合三维造型软件SolidWorks和可视化的编程工具Visual Basic 6.0,开发了"石油井下工具虚拟设计仿真平台",提供了井下工具的模型建立,模型装配、有限元分析、仿真等基本操作和计算.将程序的集中控制能力、数据库的集成管理能力和三维虚拟设计仿真相结合,实现了井下工具初步设计阶段产品模型的信息化集成设计与管理.     

基于多过程仿真的多级库存系统性能优化

为解决供应链多级库存系统中多级决策的选择、匹配和系统性能优化问题,提出了一种基于多过程仿真的性能优化与多级决策选择匹配方法(MPSM).从多过程交互的角度,提出了基于物理层、社会层和知识层的集成了仿真结构性建模、定量建模和实施建模的多过程仿真建模方法;分析了多级库存的拓扑结构模型、多级策略匹配模型,建立了多因素、多指标的性能仿真优化模型;基于Arena仿真工具的具体应用案例表明,MPSM可以建模和优化更真实、更复杂的多级库存系统,并确定相应的最优多级控制策略方案.     

开关电容Σ-ΔADC的噪声分析与建模

针对电路噪声对开关电容Σ-ΔADC性能的限制,分析了开关电容Σ-ΔADC电路噪声的特征和计算噪声的算法,提出了在时域建立ADC电路噪声模型的建模方法,并采用Simulink仿真工具建立了噪声行为模型。建立了一个三阶四位量化器的开关电容Σ-ΔADC的噪声行为仿真模型,对仿真和测量结果进行了分析与比较,验证了时域模型的有效性。     

冷弯成形过程的样条有限条方法仿真与应用

为了实现金属冷弯成形过程这一复杂的几何与材料双重非线性问题的数值仿真,在有限元方法与传统的有限条方法基础上,针对位移函数、位移-应变关系和坐标转换矩阵等基本列式进行了改进,建立了基于修正的拉格朗日方法的弹塑性大变形样条有限条方法,较好地处理了边界条件、不同构形下场量转换等问题.建立的对象模型与理论计算列式有效结合,成功实现了冷弯成形的全过程模拟.通过实例计算与分析,表明仿真结果可以表征成形过程中相关因素的影响程度,可为辊型设计提供一定的理论依据.     

手术模拟中软组织变形的实时有限元新算法

提出了一种模拟软组织变形的实时有限元新算法。该算法成功地扩展了实时有限元法,这能够处理手术中经常发生的软组织非线性变形和拓扑变化,从而为手术模拟提供了更好的物理真上分手术区域和非手术区域,在其中分别采用不同的有限元模型,同时利用预处理方法,使混合模型的有限元方程的阶数大数降低,,以至可做时处理。本文给出该算法二维情况下的应实用例,验玉的算法的有效性。     

分流组合模挤压过程的有限元分步模拟

基于刚粘塑性有限元法,在模拟过程中采用分步模拟的方法,对有限元网格进行分步重划分和步长的分步设置,并提出了解决体积损失问题的补偿方法,在Deform-3D有限元软件上实现了薄壁复杂截面铝型材的分流组合模挤压成形过程的三维数值模拟。分析了铝合金口琴管挤压过程中的金属的流动和变形行为,获得了速度场、温度场、应力场和应变场的分布图,数值模拟结果与理论分析结果吻合较好。结果表明:采用有限元分步模拟可以在保证模拟精度的前提下大幅缩短模拟运算时间,是模拟薄壁复杂截面铝合金空心型材挤压成形过程的有效方法。     

基于B样条小波有限元IMU结构的模态分析

给出了一种惯性测量单元(IMU)系统结构,建立了整个模型B样条小波有限元模型;研究了一类新的有限元空间,它以B样条小波函数作为有限等参元的形状函数;建立了IMU模型的B样条小波有限元序列,利用B样条小波函数的变尺度特性在不改变网格的剖分下提高分辨率,因此在处理局部应力集中,曲率分布突变边界等应用中具有一定的优势,其结果更接近于实际;最后对系统模型进行了仿真,给出了各个阶次模态值,通过与传统有限元比较发现,小波有限元具有收敛性好、求解迅速和网格划分灵活等优点。     

离心力—振动复合动力学环境的仿真

在建立离心机和振动台系统组成的复合动力学环境数学模型的基础上,提出了一种将结构动力学、有限元分析和可视化技术相结合的方法,对离心力－振动复合动力学环境进行计算机仿真。文中首先讨论了仿真软件的设计思想,介绍了振动和离心力复合动力学环境仿真软件CDE＿VISM的结构,讨论了将图形技术的数据场可视化、动态数据场显示技术应用于有限元计算后处理的方法及CDE＿VSIM与MATLAB的接口方法。最后通过对在离心力作用下振动台运动的仿真和实验结果比较,验证了所建立的离心机和振动台系统组成的复合动力学环境数学模型的正确性。     

二维金属切削过程的数值模拟

本文基于数值模拟技术,借助于有限元软件成功地模拟了二维金属切削过程中切屑形成及切削区应力、应变变化的过程,计算出了剪切角及切削起始阶段切削力的变化,并通过实验验证了这一规律的正确性。该方法新颖、独特,从而为金属切削理论研究和刀具产品开发领域中提出一种更为有效、更为可靠的研究方法。     

大功率重载荷瞬间动作机构CAE建模与故障仿真

针对断路器这类瞬间动作机构铰链间隙、结构弹性等真实因素诱发机械故障问题, 建立了一种考虑实际工况的高压断路器有限元模型,分析大功率脉冲载荷作用下断路器工作特性,预测弹簧刚度、尺寸偏差对其运动特性的影响, 揭示极限参数、设计缺陷等潜在故障导致断路器机械特性变化规律。该方法克服了试验成本高、工作量大、分析效率低的缺点;弥补了传统断路器故障样本参数单一,难以系统分析故障产生原因的缺陷;对提高断路器故障诊断水平有重要意义。     

基于ALE-FEM法的微切削刀刃钝圆效应的仿真研究

为了研究微切削中刀刃的钝圆效应,提出了一种新的有效前角模型,模型中考虑到刀刃前的材料分离点(停滞点);并基于任意拉格朗日-欧拉(ALE)法和大变形有限元法,建立了热-机耦合的正交切削有限元模型,仿真中钝圆刀刃前的材料流动出现了停滞点,而锋利刀刃却没有;结果表明,当刀刃圆弧半径一定时,切削深度的改变不影响停滞点的位置;而当切削深度不变时,刀刃圆弧半径越大,停滞点就越明显。     

大数据下仿真筛选实验及误差控制模型和应用

针对"大数据+仿真模型+后仿真分析"这一新型研究范式,提出基于基效应估计(EE),Bootstrap假设检验以及伪发现率误差控制(FDR)的"后仿真分析"筛选实验设计方法(简称BFEE).BFEE用于识别对仿真模型所感兴趣的响应起到最重要主效应/交互效应作用的少量关键因子.相比传统EE,BFEE保证了信息识别的统计精度和效力.与现有的仿真实验的序贯分支筛选法(SB)相比,BFEE无需任何模型假设,从而更容易适应大数据背景下的复杂数据特征.蒙特卡罗仿真的三种方法对比实验表明,BFEE在不需任何假设的条件下即可获得理想的实验效率和效力,在降低计算实验成本同时,保证了识别重要效应的精度.基于实际背景仿真案例的应用显示BFEE具有良好的实际应用价值.     

基于Apriori算法的作战仿真探索实验控制

Apriori算法可用于从作战仿真实验数据中挖掘作战规律,但通常需要以大量实验数据为支撑。为减少规律发现的成本,提出一种边实验边挖掘的序贯探索方法,及时发现并确认低支持度、高置信度的“潜在规则”,再利用规则库避免重复探索,最终提高规律发现的效率。概述了Apriori算法的原理及其在作战仿真实验中的应用;介绍了利用Apriori算法对探索实验进行序贯控制的思路流程及关键技术;最后通过蒙特卡罗仿真验证了该方法的有效性。为开展规律发现型作战仿真实验提供了新思路。