现代设计大型应用软件的可信性研究Word格式文档下载.docx
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1、几何运算中的误差精度控制
本项目将几何运算分解成为底层的单元几何运算和高层次的特征几何运算。
研究从单元几何运算到高层次特征几何运算的误差传播机制，设法统一同一阶段的不同单元几何运算的误差精度控制方法，设法统一不同阶段的单元几何运算的误差精度控制方法。
研究在产品设计过程中统一的几何运算误差精度控制理论和方法。
2、设计过程误差精度统一表示
本项目将分析在产品设计周期中从产品概念设计、几何设计到结构设计及其迭代分析过程中各种相关数据之间的对应关系，对精度的要求，以及在实际操作过程中所能达到的误差精度。
同时将分析和总结在产品设计周期中所涉及到的误差种类。
在此基础上，将形成产品设计过程的误差精度统一表示理论和方法，研究误差动态控制理论和技术，以适应在产品设计周期中各个阶段以及迭代过程的误差不断积累及动态发生变化的情况。
由此进一步规范产品设计的实现手段，形成与其相适应的理论和方法。
本项目将研究产品设计数据的轻量化表示方法及其精度保持的策略。
还将研究有损精度和无损精度的多种数据压缩理论和策略，进一步控制几何和非几何数据的规模。
将进一步研究各多层次模型之间的精度度量理论和策略。
2.1.2面向产品设计全生命周期的数据模型和设计过程的一致性度量
本项目将研究复杂产品设计手段可达性，研究产品数据模型的结构特征的语义表示方法，研究产品迭代设计过程中数据模型修改中的结构特征约束方法，研究产品结构特征模型的可重用度量方法，研究产品全生命周期的设计迭代交互过程中的数据模型统一表示（研究异构系统或者设计流程各设计环节之间的数字模型数据转换机制）和研究产品全设计流程的数据表示完整性。
1、产品设计过程的数据模型表示一致性
产品设计过程中，从CAD的部件设计到CAE有限元优化设计，再回到CAD数据模型设计，设计过程迭代反复修改，但是整个设计过程需要考虑产品设计手段是否能够满足设计全过程的要求，也就是需要考虑设计全过程的设计手段的可达性，同时也需要考虑产品模型的覆盖域和产品表示的完备性，使得产品设计过程方便快速，产品数据模型表示一致和完备。
同时将考虑产品模型中的各种特征的提取方法和特征与产品模型之间的约束关系及其度量方法，在产品迭代修改过程中，产品模型中的结构特征必须与数据模型保持相对应的约束关系，产品特征在设计修改过程中具有特征的一贯性和连续性，同时还研究异构系统中模型数据之间的数据转换机制，考虑模型特征的连贯性，产品特征的可重用性，以保证模型数据的一致性，为此将研究可重用特征的设计逻辑一致性和可重用的度量方法。
2、基于设计时序关系和逻辑关系的设计迭代求精
从时序性关系角度，产品设计流程与规范可以被描述为一系列时间节点所构成的子任务行为及其迭代的集合。
“逻辑关系”是设计流程与规范间的一种抽象，这种抽象的关系主要体现在设计主体对设计目标及设计系统认知的深度及抽象性上。
逻辑关系在更深的层次上揭示了产品特征设计和数据流的相互作用和结构关系的相互制约，包括设计目标的表征、设计特征提取及语义化描述；
设计过程中语义演化及物理造型属性的迭代过程。
建立符合人的预期的产品设计迭代求精机制，为基于领域知识的复杂产品设计迭代模型和领域任务的一致性和可度量性奠定基础。
2.2支持产品全生命周期的交互设计系统的可验证理论
2.2.1产品设计系统的程序代码可验证理论
研究产品数据模型中几何算法和几何操作的程序自动验证方法，研究产品设计系统构件及其组装的程序健壮性和可靠性。
1、程序代码与规约说明的一致性验证
现代设计软件中包含了大量的算法及其实现代码。
如何对算法进行形式化规约说明，如何保证代码的最终实现与算法的规约说明一致，是本项目要研究的重要内容，为此，将研究基于类型论的命令式程序表示方法和算法的模块化规范描述和证明等问题。
2、基于模型检测的程序验证技术
在大型设计软件的编码过程中，除了由于代码实现与规约说明不一致而造成的逻辑错误之外，还存在大量由于编码人员的熟练程度和编码水平而产生的代码缺陷。
本项目拟研究将模型检测应用于现代设计软件核心代码的自动验证，通过谓词抽象等方法缩减状态空间和映射无穷域，避免状态空间爆炸。
另一方面，考虑到现代设计软件程序中涉及大量有关数组、向量、矩阵等的数值操作，我们也将研究针对这些特定数据结构的程序验证方法学。
2.2.2.按需组装的产品全设计流程的一致性验证
产品设计的可信性包括产品全生命周期的可维护性和可靠性，产品全生命周期从需求分析、概念设计、概要设计和详细设计，再到产品的具体设计过程的几何设计、结构设计到CAE仿真模拟，再到产品制造销售、产品使用维护乃至产品回收处理等全过程，因此产品可信性设计不仅需要考虑产品具体的产品设计流程及其迭代设计，而且还需要考虑产品全生命周期的全过程质量控制和管理。
本项目的主要研究内容包括产品设计全流程质量控制机制、产品数据模型表示全流程一致性等内容，基于产品全流程的产品设计系统主要包括软件系统的设计、构件集成再到交互操作和产品统一数据表示模型、复杂产品交互设计系统的可用性和易用性度量等。
同时将研究产品迭代设计过程中的需求一致性问题，解决设计系统过程中的功能需求的迷路问题，解决产品设计和验证的信息孤岛问题，
本项目将研究产品设计中的数据安全问题等。
研究产品设计数据自保护安全信任模型,数据存储、处理、传输的机密性和完整性等保护，研究产品设计数据内核级自保护技术，研究设计数据安全访问许可策略及多约束力的使用许可协议。
2.3产品功能和性能高效仿真优化理论和方法
2.3.1产品功能设计的仿真计算方法
研究基于产品CAD模型的仿真方法，研究产品几何设计与功能设计迭代优化仿真方法。
研究基于线性插值单元理论的高精度仿真计算方法，建立自主开发而且具有较强工程应用能力的仿真软件。
研究基于产品CAD模型的仿真计算理论与方法，研究基于GPU的计算方法，利用图形卡的并行性能和高密集的运算性能，来实现一般意义上的计算，针对大规模数值计算部分进行GPU并行化。
2.3.2复杂产品结构组合的高效仿真计算与优化
研究多领域多学科产品优化计算及其并行仿真可视化方法，研究基于GPU集群的复杂产品系统性能优化设计方法。
通过建立高效的优化设计模块，建立自主研发的复杂产品设计优化平台。
建立基于GPU构架的并行优化程序，解决复杂性中等的实际工程问题，研究基于GPU构架的并行智能布点技术，研究混合近似模型技术，通过不同方法近似模型的组合，加强近似模型的鲁棒性和精度。
并行仿真模拟计算得到的大规模数据，通过有效的可视化显示，可以更有效地对产品设计功能性能进行分析验证，本项目将研究基于特征分析的高质量大规模数据可视化算法，研究面向多核、分布式集群、GPU、GPU集群以及网格环境的大规模仿真数据并行可视化算法。
二、预期目标
3.1总体目标
本项目旨在面向重大制造装备和复杂产品设计等重要应用领域展开CAD/CAE大型应用软件的可信性研究，建立重大制造装备和复杂产品模型的统一数据表示，保证几何设计、结构设计、模型分析和仿真验证等各环节迭代求精和分析在产品设计生命周期中的一致性，提供系统构件之间的可验证机理，建立数据和模型的多级安全动态保护理论和策略，给出应用软件的可信度分析方法，为提高我国汽车、重大制造装备等复杂产品的国际竞争力，提供其自主创新的理论和技术支撑。
本项目总体研究水平力求进入国际先进行列，力争在以下三个方面取得创新突破：
产品数字模型表示的误差控制和一致性理论与技术；
设计系统程序代码的正确性验证理论与方法；
产品功能和性能的仿真优化设计理论与技术。
以期在国产品牌汽车和重大装备制造的创新设计与仿真优化中得到成功应用。
项目拟完成15-20项有自主知识产权的核心算法或软件技术（包括技术专利和版权登记）。
本项目拟在国内外核心刊物和国际会议上发表论文30-50篇/年，其中国际刊物与国际会议论文集的论文发表12-18篇/年；
学术著作3部，技术报告平均10篇/年；
博士论文平均12篇/年。
力争本项目80％以上的研究成果、技术标准、规范和专利等被转化到国家863计划或科技支撑计划，为我国现代设计大型应用软件的研究开发与应用提供高效可靠的技术支撑，在汽车和IC装备复杂机械部件的设计与制造领域实际应用，产生明显的经济和社会效益。
3.2五年预期目标
上述目标将分阶段分步实施。
根据目前的工作基础、未来五年的研究目标大致可分为以下三部分，具体叙述如下。
3.2.1产品设计数据表示模型和设计系统的可信性度量理论
将研究以下关键内容并取得重要进展：
1、复杂产品数据模型的高精度数据表示及其误差控制；
2、面向产品设计全生命周期的产品数据和设计过程的一致性度量；
3、产品设计系统的程序代码可验证理论；
4、按需组装的产品全设计流程的一致性验证。
3.2.2产品数据模型的一致性验证及产品功能与性能的高效仿真模拟
1、产品数据模型功能设计的仿真优化；
2、复杂产品结构组合的高效仿真计算。
同时，将研究开发一个用户设计复杂产品及其功能与性能仿真模拟的大型设计软件平台，集成上述各关键科学问题的研究成果，确保设计数据处理的灵活性和可扩展性；
克服数据本身的异构性和系统的异构性引起的不协调性，即时审计入侵等不安全因素，使该核心平台安全、可靠、实用。
3.2.3集成应用检验
结合汽车和IC装备等复杂机械部件在现代设计方面的实际需求，研究开发现代设计大型应用软件系统，并在实际应用中取得经济和社会效益。
这部分工作实际上是对前两部分研究成果的集成和实际应用检验。
三、研究方案
4.1总体思路
项目将围绕总体研究目标和主要研究内容，结合以汽车设计为应用背景组织实施研究技术方案，项目的总体研究思路和总体设计方案框架如图1所示。
图1.现代设计大型应用软件系统可信核心平台框架
本项目在技术途径方面拟考虑以下几点：
（1）
可信性基础与系统仿真和验证平台同步研究
把握对现代设计大型应用软件有重要影响的可信性理论集中力量优先突破，并持之以恒，毫不动摇，本项目列出的三个关键科学问题均属此列。
在进行共性基础研究的同时，从顶层着手现代设计大型应用软件平台与系统的设计与研发，因为这个平台是单元设计行为和设计过程可信性研究的集成试验床，不尽早拿出这个平台，各关键技术的测试与试运行就难以进行。
相反，可信性理论与验证和仿真系统平台同步研究，双方还有相互促进，相互补充的作用。
（2）
理论研究与实践检验相结合
本项目的可信性理论具有鲜明的实践性，无论是产品数据模型的高精度表示模型，还是产品设计过程的一致性表示，既具有深奥的理论又贴近实践。
理论行不行，好不好，完全要用实践来检验，而实践中发生的问题又推动理论研究更加深入，更加全面。
因此，本项目具有理论与实践紧密结合，理论指导实践，实践提出问题与需求，促进理论的深入与发展的特点。
（3）
既注意独立开发，有自主知识产权，又注意学习国外先进内容，洋为中用，走引进、吸收、消化、创新之路，切实贯彻有所为、有所不为，但一定要有所作为。
（4）
在注意建立自己的技术标准和规范的同时，更要认真学习，贯彻执行国际相关标准，积极参加国际相关的技术规范联盟，如：
OMG、XML、RIG、STEP等。
4.2技术路线
整个项目的技术路线围绕着本项目的三个科学问题展开的，具体落实到本项目的五个课题分解进行:
1.针对复杂产品数据模型精度可控性理论和方法的研究，其中的技术路线为：
●分析并建立多精度层次的数据模型及其映射关系，形成产品设计周期中误差类型及其传播和扩散机制。
●针对汽车和重大制造装备等产品的设计全生命周期，分析产品各种数据表示及其关联关系，研究各种数据的异构和同构属性，形成设计全生命周期的产品数据误差统一表示理论和方法。
●基于国内外行业和企业标准，采用优化方法，建立统一产品数据模型的轻量化表示理论和方法，降低数据的冗余程度，提高模型数据的应用效率。
首先将研究在单元几何运算中的误差精度控制理论和方法，研究在曲线曲面求交、延伸、拟合等运算中的误差精度控制机理，分析其误差产生机理和误差可控类型。
在此基础上，研究拉伸、抽壳和拔模等高层次的几何特征操作。
本项目将利用区间理论及其运算方法记录并分析在产品设计周期中误差的传播和扩散机制，从而进一步挖掘误差调控机理，进而提高设计和分析精度，分析和总结在产品设计周期中所涉及到的误差种类。
明确各类误差的含义，确定它们之间的关联，形成相应的误差精度统一表示理论和方法。
从而，采用迭代的策略，重新将其应用于产品设计周期中概念设计、几何设计、结构设计和优化设计以及迭代分析过程中，跟踪、记录和分析在产品设计周期中误差的传播和扩散机制，从而进一步修正误差精度统一表示理论和方法。
2.针对产品设计全流程一致性理论和方法的研究，其中的技术路线为：
●利用数据模型在设计制造全流程中的表示差异性，确保模型格式转换的精度保持，使得迭代设计可反馈可验证，保证模型表示的完备性，提高设计制造效率。
●采用数据模型特征的提取方法，通过探索异构环境下各种特征的语义表示方法，确保特征在整个设计流程的一致性表述。
●通过数据模型的语义特征，在模型编辑功能中实现特征可复用。
产品设计与制造涉及产品设计、功能验证和制造各个环节，为此需要研究建立产品设计全生命周期的产品数据统一表示理论和方法，统一不同阶段不同环节的产品数据，可以减少因为数据不统一所造成的产品表达不一致性，从而为整个设计过程具有高效性、可维护性、可拓展性提供统一数据表示。
如果简单地将各种数据叠加在一起，一方面会造成数据的大量冗余并容易造成数据的不一致性，另一方面会造成数据非常庞大，从而实际上会增加产品设计的复杂程度并降低产品设计的规模。
为此，将针对汽车和重大制造装备等产品的设计全生命周期，分析产品几何设计、结构设计、优化设计以及迭代过程等所需要的各种数据表示，以及这些数据之间的关联关系，研究各种数据的异构和同构属性，形成设计全生命周期的产品数据统一表示理论和方法。
同时还研究统一产品数据模型的数据轻量化表示理论和方法，尽可能降低数据的冗余程度，提高数据的应用效率。
在统一产品数据的数据轻量化过程中，将建立有效的属性继承和传播机制，从而尽可能让数据在产品设计全生命周期中不丢失、能演化、能自动关联。
因此，我们还将研究数据的交换和转化理论和方法，从而进一步减少产品核心数据模型的数据量，便于不同的设计过程或阶段获取与其相适应的数据。
3.针对产品设计软件系统的程序代码可验证性理论的研究，其中的技术路线为：
●分析产品设计软件算法的领域特征，兼顾可验证的需求，设计算法规范说明语言。
●基于高阶逻辑和定理证明系统，构建算法规约说明推理系统，提供算法层面上的正确性验证框架。
●利用模型检测技术，采用谓词抽象和可满足性模理论，实现代码层面的程序验证框架。
算法关注于解决问题的方法和逻辑。
为算法提供一种形式化描述语言是对其正确性进行检验的前提基础。
为此，需要根据现代设计软件中核心算法的特点，研究适合于此类应用的形式化描述语言。
我们将在分析现有算法说明语言的基础之上，基于一阶逻辑和集合论，针对现代设计软件常用的一些复杂数据结构及其操作，设计算法规范说明语言。
命令式程序的表示关键是对内存模型的描述。
我们将采用最弱前置条件和函数式语言解释等方法，设计一个新的更低层次的内存模型。
该内存模型在逻辑层次上考虑，而命令式语言的各种成分可以在该模型下进行解释。
应用模型检测进行验证的最大困难来自于状态空间爆炸问题。
我们将研究如何将谓词抽象技术与反例导向的抽象精化技术结合。
为得到精确的程序抽象模型,重点研究谓词发现和冗余谓词消去技术。
传统的模型检测技术只能在布尔逻辑框架下应用。
为了提高模型检测技术在程序验证中的能力，需要研究可满足性模理论（SatisifiabilityModuloTheory,SMT）。
我们将递进式的研究带入多个公理域的逻辑公式可满足性判定理论，重点研究线性不等式、数组、向量等理论域的判定算法。
4.针对产品设计流程可信保障机理的研究，其中的技术路线为：
●采用基于WBS的流程建模方法，并内嵌元数据规则管理器，实现流程约束、规则约束和资源约束。
●采用基于刻面的需求工程（AOSD）来消除需求衰减和需求歧义。
●采用着色Petri网和模型检测等形式化工具来保障设计流程中的各种一致性验证。
●采用面向虚拟组织的复杂访问控制机制来支持跨自治域的协同数据访问控制。
针对设计流程建模及资源约束机制的研究，将在模型驱动理论的基础上，重点解决以WBS为核心的设计过程统一视图问题及设计资源元数据的统一标准问题。
在WBS模型的基础上，引入资源元数据模型，支持动态资源映射和评估分析；
引入扩展流程模型，支持动态的设计过程建模及监控；
引入时序约束，保证设计过程的可信性和执行的准确性。
针对产品设计及流程的安全保障机制，将根据设计过程中的安全需求，在通用安全基础设施的基础上，重点解决设计过程的实体识别、基于信任的访问控制机制、数据保护等问题。
此外，针对现代协同设计的特点，还将解决跨自治域的复杂访问控制、协同环境下的数据分发及协同设计过程中的隐私保护等问题，并最终为总课题的应用提供安全保障。
5.针对产品功能和性能高效仿真优化理论与方法的研究，其中的技术路线为：
●采用光滑单元理论，提高线性插值单元的计算精度，实现低阶单元网格的自适应分割，提升数据模型的网格生成质量和生成速度。
●以Cg和CUDA为手段，建立基于GPU集群的高效求解体系，实现廉价的快速仿真计算。
●探索基于GPU、多核CPU以及分布式集群间任务高效划分和实时调度方法，大幅度提高交互可视化呈现速度。
●对优化领域中的多目标、多目标、多学科、多参数、不确定性这几方面的技术瓶颈进行研究，结合GPU技术，研发具有能处理实际工程问题的优化软件平台。
●将仿真分析、优化算法进行整合，构建一个高可信、全构件的设计仿真优化集成应用平台。
本项目建立的复杂产品设计平台是传统CAE软件应用的提升，简单封闭的前处理体系，基于GPU的高效求解体系以及自主研发的近似模型优化体系是该系统性能和实用性的保证。
通过提出新型单元理论，并采用基于GPU的求解技术，以解决复杂产品功能和性能仿真优化中的效率和可靠性两大瓶颈问题，在此基础上，形成一个具有重大创新和实用价值的仿真模拟和优化设计平台，并在我国的汽车设计制造中得到成功应用。
四、年度计划
年度
研究内容
预期目标
第
一
年
1.精确浮点数运算算法及新的实数表示方法研究。
2.调研并分析产品数据模型的表示格式类型、标准及其特征表示。
3.研究NURBS与离散网格之间的模型格式转换，保持产品设计转移过程的误差要求。
4.算法规约说明语言、谓词抽象计算方法研究
5.现代设计流程及设计资源配置情况调研
6.支持可信设计过程的动态WBS的建模方法和理论、基于元数据的编码及规则控制方法研究。
7.支持可信设计过程的安全保障体系研究。
8.研究基于线性插值单元理论的高精度仿真计算方法。
9.研究基于新型单元和GPU的显式有限元程序开发、实时计算
1.给出公式化得到浮点数特性的方法，提出全新的基于Sierpinski三角形坐标表示实数的方法。
2.提交至少一种数据模型格式转换模块并可演示。
3.明确算法规约说明语言的语法和语义；
提出适用于此类程序的谓词计算方法。
4.形成针对汽车、轨道交通等特定行业设计流程及设计资源配置的研究报告。
5.提出支持可信设计过程的动态WBS的建模理论、基于元数据的编码及规则控制理论。
6.提出可信设计过程的安全保障体系理论。
7.建立精度级别达到四边形和六面体单元的新型单元模型，开发出基于新型三角形、四面体单元和GPU的显式有限元程序。
8.开发出基于GPU的薄板成形及结构碰撞过程的计算机仿真软件系统
二
1.新实数表示下的各种复杂的精确实数运算算法、高精度的单元几何运算以及误差控制研究。
2.研究常见的产品数据模型的表示格式类型及标准、特征抽取及表示。
3.算法说明语言的推理证明、向量理论域的可判定理论研究。
4.自动定理证明工具扩展
5.研究资源统一标准的管理方法
6.构建资源标准建模体系、资源元数据建模工具集。
7.研究资源统一标识和多视图理论
8.研究面向协同设计的访问控制机制、面向协同设计的数据分发及隐私保护机制。
9.研究基于产品CAD模型的仿真计算理论与方法、基于实时计算的并行优化设计技术、混合近似模型技术。
1.新算法在曲线曲面求交、延伸、拟合等运算中的取得高精度结果以及可控的误差。
2.研制的特征提取和复用的原型系统可演示。
3.提出算法规约说明的推理证明系统，并在产品设计软件的算法程序中进行实例分析。
4.在FOPIC基础之上，对向量数据类型进行扩展，支持对向量数据类型的自动定理证明。
5.构建资源元数据建模工具集。
6.实现CAD和CAE系统的无缝连接和计算分析的自动化，开发基于GPU构架的并行优化程序。
三
1.研究高精度高层次的特征几何运算以及误差控制、区间运算理论与算法。
2.研究CAD格式IGES和STEP等标准格式，研究离散模型表示格式
3.研究模型的特征表示复用方法及其度量方法
4.研究基于类型论的命令式程序表示方法
5.数组理论域的可判定理论研究
6.自动定理证明工具扩展
7.研究基于WBS的流程构建方法及工具
8.研发基于透明加解密的设计文档保护系统。
9.研究基于GPU构架的并行智能布点技术，研发复杂产品优化设计平台。
1.对拉伸、抽壳和拔模等高层次的几何特征操作中取得高精度结果以及可控的误差，找到统一的误差表示模型。
2.完成至少3种常用数据模型格式的转换工具并可演示。
3.基于COQ工具，提出对命令式程序的一般性表示方法。
4.在FOPIC基础之上，对数组数据类型进行扩展，支持对数组数据类型的自动定理证明。
5.提出基于WBS和工作流的动态WBS理论，构建基于WBS的流程建模工具集
6.开发基于透明加解密的设计文档保护原型系统。
7.针对不同优化对象，构
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