模型驱动的汽车被动安全系统设计架构及方法研究

摘要

工程数字化设计能力的提升对实现国家工业结构转型有重要意义，而基于模型的设计技术是实现数字化设计的基础。以汽车被动安全系统为代表，现代工程系统经历了以经验为主到计算机模型与经验相结合的设计模式转变。基于计算机辅助工程模型的设计在各个工业领域逐步得到了成熟的应用。利用模型代替物理样机对产品进行设计、测试和评估，能够有效减少物理样机的构建次数，缩短产品的开发周期。然而，从数字化设计的角度来看，计算机辅助工程模型仍然存在设计灵活性不足、设计置信度不理想、领域知识利用率不高等缺陷。计算机辅助工程模型是领域知识和信息的载体。数字化设计的实现要求设计人员对模型所承载的知识有效地挖掘、传递、集成和利用。本文面向复杂工程系统，以汽车被动安全系统为应用对象，立足“模型-数据-知识”的设计逻辑，开展了模型驱动的数字化设计优化架构及方法的研究。研究内容如下： ①通过对汽车被动安全系统设计过程需求的探讨及关键问题的分析，构建基于“模型-数据-知识”模式的设计体系和架构。该架构由模型确认和设计优化两个子模块构成，涵盖了包括CAE模型评估、CAE模型决策、近似模型更新及设计域识别在内的四个方法策略。可信的模型确认过程是准确设计的基础保障，而准确优良的设计是模型确认的效果反馈。模型确认和设计优化相辅相成，构成了所提设计架构的理论基础。 ②针对CAE模型评估，从工程系统响应特性和理想确认度量属性出发，提出基于时频域变换的模型确认度量方法。通过试验和仿真函数型响应的深度刻画、非参数化重构以及误差特征解耦，实现幅值、相位及形态特征下的模型误差/仿真度综合评估。 ③针对CAE模型决策，从复杂工程系统响应量的非线性相关特性出发，提出基于响应数据归约及假设检验的统计决策方法。通过核主元投影技术以及贝叶斯分类算法，在不同层次上进行高维数据的维度缩减，探索综合考虑定性和定量信息的模型决策机制。 ④针对近似模型更新，从工程数字化设计对高精度近似模型的需求出发，提出基于模型选择以及偏差修正的近似模型更新策略。基于相似度理论以及贝叶斯外推技术，通过近似模型的偏差修正，实现不确定性下优化设计解可靠性及可信度的提升。 ⑤针对设计域识别，从工程数字化设计对优化效率的要求出发，提出基于根源分析方法的设计域预识别策略。基于决策树理论以及统计主元分析，探索设计域可行性/稳健性的分类和识别机制。基于层次化的根源分析技术，实现设计域的良好划分以及优化效率的提升。 所开展的研究以工程设计数字化为导向，工程模型为驱动，从以汽车被动安全系统为代表的现代工程系统特点出发，建立模型驱动下的设计架构和方法。方法的提出有利于充分利用已有工程模型，深度挖掘模型所承载的知识和信息，构造有效的数字化模型参与系统设计，为提升我国基于数字化模型的创新设计架构提供理论和技术支持。

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