参考现代设计大型应用软件的可信性研究

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1、1项目名称： 现代设计大型应用软件的可信性研究现代设计大型应用软件的可信性研究首席科学家： 孙家广孙家广 清华大学清华大学起止年限： 20102010 年年 1 1 月月-2014-2014 年年 8 8 月月依托部门： 教育部教育部2一、研究内容在现代制造业，随着产品设计规模和设计难度的增加，设计系统和产品设 计过程的复杂性越来越高，个性化设计需求越来越强烈，设计活动越来越突出 地体现了知识密集性和通讯密集性的特点。本项目将围绕三个科学问题，对产 品设计过程和设计模型的可用性、安全性、可靠性和可验证性等可信性内容进 行深入研究。主要研究内容有以下几个方面：产品模型数据表示和计算误差可控性以及

2、模型表示的一致性，以提高设计 过程中数据表示可信性；设计系统程序代码与规约说明的一致性验证，以提高设计系统程序代码的 正确性；产品设计流程的可信保障机制，以解决产品数据模型在全生命周期的一致 性；基于 GPU 集群的数字模型仿真优化计算，以保证产品交互设计的一致性 和高效性；构建产品设计与仿真优化交互设计平台，以增强产品功能和性能仿真优化 设计的实用性和可靠性。 2.1 产品数据模型表示的一致性及其误差控制理论产品数据模型表示的一致性及其误差控制理论2.1.1 复杂产品数据模型的高精度表示及其误差控制复杂产品数据模型的高精度表示及其误差控制研究表示复杂产品的新型数据结构，研究产品数字模型中几何

3、操作的误差 精度控制方法，研究设计过程误差精度统一表示（研究产品设计误差以及各设 计环节的误差关联约束）和产品数据表示误差和设计过程误差的约束、传播和 扩散机制，研究产品设计轻量化表示中的精度保持方法。 1、几何运算中的误差精度控制、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设计过程误差精度统一

4、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3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

5、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、产品设计过程的数据模型表示一致性 产品设计过程

6、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

7、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

8、。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。41、程序代码与规约说明的一致性验证、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

9、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、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

10、致性验证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

11、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

12、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5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

13、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。6二、预期目标3.1 总体目标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

14、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

15、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

16、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将研究以下关键内容并取得重要进展：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7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