科技論文中模擬實(shí)驗(yàn)方法研究

夏君子

摘 要：研究者越來越關(guān)注新模擬實(shí)驗(yàn)方法的探討，旨在發(fā)現(xiàn)日益復(fù)雜的科學(xué)技術(shù)問題的新特性。本文在論述基本模擬類型的基礎(chǔ)上，以近年來航空航天技術(shù)領(lǐng)域的某些中文科技論文為案例，通過調(diào)研模擬實(shí)驗(yàn)的最新進(jìn)展，提出模擬實(shí)驗(yàn)的屬性依賴法與現(xiàn)場依賴法。所提出的方法以提取屬性信息和現(xiàn)場信息為特征，解決動(dòng)態(tài)、非線性、不確定性與多變性問題，為模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)展提供新思路。合理使用屬性依賴法與現(xiàn)場依賴法能有效地揭示研究對象的演變規(guī)律和研究成果的創(chuàng)新性。

關(guān)鍵詞：科技論文；方法論；模擬實(shí)驗(yàn)；模擬方法

中圖分類號(hào)：G304 中圖分類號(hào)：A 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：1672-8122（2016）05-0125-02

模擬實(shí)驗(yàn)是一種重要的科學(xué)技術(shù)研究方法，已廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域[1-3]。社會(huì)發(fā)展與人類進(jìn)步，迫切要求研究者日益關(guān)注新模擬實(shí)驗(yàn)方法的探討，以發(fā)現(xiàn)越來越復(fù)雜的科學(xué)技術(shù)問題的未知特性，更好地揭示其內(nèi)在運(yùn)行機(jī)制。同時(shí)，研究者在科技論文中如何有效展示其模擬實(shí)驗(yàn)方法產(chǎn)生的效果，對提升論文價(jià)值，突出研究成果的創(chuàng)新性有重要意義。為此，在論述基本模擬類型的基礎(chǔ)上，以近年來航空航天領(lǐng)域的某些中文科技論文為主要案例，探討模擬實(shí)驗(yàn)方法的最新進(jìn)展特征，提出屬性依賴法與現(xiàn)場依賴法，為解決更復(fù)雜的科學(xué)技術(shù)問題提供新思路。

一、模擬的類型

1.模擬的基本類型

模擬是以科學(xué)技術(shù)理論與實(shí)踐為基礎(chǔ)，在一定環(huán)境與條件下，將研究對象用其它手段進(jìn)行模仿的一種實(shí)驗(yàn)方法。該方法不直接涉及研究對象固有的現(xiàn)象與過程本身，而是設(shè)計(jì)一個(gè)和該現(xiàn)象與過程相似的模型，并通過該模型間接地呈現(xiàn)出該現(xiàn)象與過程。模擬實(shí)驗(yàn)的目的主要是便于經(jīng)濟(jì)地檢驗(yàn)、驗(yàn)證、再現(xiàn)、發(fā)現(xiàn)或揭示該現(xiàn)象與過程的特征、演變規(guī)律與內(nèi)在機(jī)制。

模擬的基本類型有物理模擬與計(jì)算機(jī)模擬。

物理模擬是制作和某現(xiàn)象與過程相似的物理模型，并對該模型研究，獲取該現(xiàn)象與過程的特征。

計(jì)算機(jī)模擬是利用計(jì)算機(jī)對某現(xiàn)象與過程進(jìn)行求解、分析、判斷以及圖像顯示等，得出該現(xiàn)象與過程的特征。計(jì)算機(jī)模擬有模型模擬和統(tǒng)計(jì)模擬兩種基本方法。

2.模擬實(shí)驗(yàn)方法的進(jìn)展特征

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對許多航空航天系統(tǒng)有越來越嚴(yán)格的性能要求[4-7]。為探索性能的未知特性，實(shí)時(shí)評估與預(yù)測性能退化軌跡，科學(xué)技術(shù)研究已經(jīng)從靜態(tài)發(fā)展到動(dòng)態(tài)、從線性發(fā)展到非線性、從確定性參數(shù)發(fā)展到不確定性參數(shù)、從不變性函數(shù)發(fā)展到多變性函數(shù)。面對這些新問題，現(xiàn)有研究所采用的模擬實(shí)驗(yàn)方法取得了許多進(jìn)展。

以近年來航空航天技術(shù)領(lǐng)域的某些中文科技論文為案例，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，模擬實(shí)驗(yàn)方法的最新進(jìn)展以依賴問題的屬性信息和現(xiàn)場信息為特征，旨在求解動(dòng)態(tài)、非線性、不確定性與多變性等復(fù)雜問題，根據(jù)對問題信息的依賴特征，將現(xiàn)有的模擬實(shí)驗(yàn)方法歸納為屬性依賴法與現(xiàn)場依賴法。

二、屬性依賴法

屬性依賴法是基于屬性、目標(biāo)屬性與層次屬性等3個(gè)信息要素的模擬實(shí)驗(yàn)方法。

屬性是問題的抽象刻畫，表示問題的性質(zhì)與關(guān)系。性質(zhì)表示問題的固有特征，關(guān)系表示不同問題之間的性質(zhì)傳承與影響。

目標(biāo)屬性是期望得到的對問題屬性的某種解答或認(rèn)知。

層次屬性是目標(biāo)屬性的分解，即將目標(biāo)屬性分解為若干個(gè)子屬性。若子屬性彼此獨(dú)立，則稱為同層次子屬性；否則稱為非同層次子屬性。層次按從低到高的順序分為多層，目標(biāo)屬性依賴于最高層子屬性，最高層子屬性依賴于次高層子屬性，依次類推，直到最低層子屬性。

根據(jù)目標(biāo)屬性的不同，屬性依賴法又細(xì)分為同步進(jìn)化法與層次進(jìn)化法。

1.同步進(jìn)化法

同步進(jìn)化法是將問題分解成低一層次的多個(gè)彼此獨(dú)立的子問題，用基本模擬方法逐個(gè)解決各子問題，最后融合出結(jié)果。這是一種化整為零、逐個(gè)擊破、同步進(jìn)化的方法。具體做法是，若目標(biāo)屬性是由多個(gè)低一層次的獨(dú)立子屬性綜合構(gòu)成，則可以根據(jù)各獨(dú)立子屬性的特征，進(jìn)行子屬性模擬，然后推斷各子屬性的模擬結(jié)果，使各子屬性由低層次同步進(jìn)化至高層次，獲得目標(biāo)屬性特征。

例如，揭示航空發(fā)動(dòng)機(jī)非線性動(dòng)力學(xué)特征是相關(guān)領(lǐng)域的一個(gè)重要問題。為此，文獻(xiàn)[7]綜合現(xiàn)有方法的優(yōu)點(diǎn)，提出一種振動(dòng)耦合動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算出系統(tǒng)非線性響應(yīng)，并在兩個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子模擬裝置上進(jìn)行模態(tài)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很好的吻合性。

在這個(gè)案例中，非線性響應(yīng)特征問題被分解為2個(gè)同層次的子問題，即理論建模計(jì)算與模態(tài)實(shí)驗(yàn)，2個(gè)子問題解答的融合是將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析。可以看出，解決這2個(gè)子問題的實(shí)驗(yàn)?zāi)M方法分別是物理模擬和計(jì)算機(jī)模型模擬，經(jīng)過對2種模擬結(jié)果的對比檢驗(yàn)，最終推斷出航空發(fā)動(dòng)機(jī)非線性響應(yīng)的某些特征，為探索航空發(fā)動(dòng)機(jī)非線性動(dòng)力學(xué)特征提供了新思路。

2.層次進(jìn)化法

層次進(jìn)化法是將問題按屬性層次由低到高地分解成多個(gè)前后有聯(lián)系的子問題，用基本模擬方法逐步解決各子問題，最后直接得到結(jié)果。該方法的特點(diǎn)是化整為零、逐步擊破、依次進(jìn)化。具體做法是，若目標(biāo)屬性可以分解為多個(gè)彼此低一層次的關(guān)聯(lián)子屬性，則可以根據(jù)各子屬性的特征，按照設(shè)計(jì)好的步驟，依次進(jìn)行子屬性模擬，逐步使屬性由低層次向高層次進(jìn)化，逼近目標(biāo)屬性特征。

例如，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的故障診斷技術(shù)對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的可靠性、維護(hù)性和保障性有重要影響。但是，現(xiàn)有研究主要關(guān)注故障診斷算法的有效性，尚未有效驗(yàn)證故障檢測率、定位率與虛警率等指標(biāo)，從而無法定量評價(jià)故障診斷系統(tǒng)性能。這里的問題是如何定量評價(jià)故障診斷系統(tǒng)性能？

為此，文獻(xiàn)[4]將問題分解為混合卡爾曼濾波器組故障診斷理論，發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)和故障診斷實(shí)驗(yàn)等3個(gè)不同層次的子問題。這3個(gè)層次的進(jìn)化關(guān)系為：（1）用計(jì)算機(jī)模型模擬方法構(gòu)建混合卡爾曼濾波器組，為發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)奠定理論模型基礎(chǔ)；（2）基于理論模型，針對民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)常見的4種故障，用物理模型模擬方法搭建發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)，為故障診斷實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)；（3）基于故障診斷系統(tǒng)，用統(tǒng)計(jì)模擬法評價(jià)出發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷系統(tǒng)性能的定量指標(biāo)值。

在該案例中，依次解決3個(gè)子問題的實(shí)驗(yàn)?zāi)M方法分別是計(jì)算機(jī)模型模擬、物理模型模擬和統(tǒng)計(jì)模擬，最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)故障診斷系統(tǒng)性能的定量評價(jià)，為工程實(shí)踐提供了重要依據(jù)。

三、現(xiàn)場依賴法

現(xiàn)場依賴法是基于時(shí)間序列和參數(shù)序列的模擬實(shí)驗(yàn)方法，時(shí)間序列和參數(shù)序列統(tǒng)稱為序列。時(shí)間序列是將某現(xiàn)象的某一個(gè)指標(biāo)在不同時(shí)間上的各個(gè)數(shù)值按時(shí)間先后順序排列而形成的序列，序列中的信息與時(shí)間密切相關(guān)。參數(shù)序列是由某現(xiàn)象的某些特征值構(gòu)成的序列，序列中的信息與時(shí)間沒有關(guān)系。

現(xiàn)場依賴法是指依賴于問題真實(shí)現(xiàn)場信息的一種模擬實(shí)驗(yàn)方法，其特點(diǎn)是，在模擬實(shí)驗(yàn)中有現(xiàn)場的實(shí)時(shí)信息輸入、輸出與交流，可以及時(shí)矯正評估與預(yù)測結(jié)果。按照現(xiàn)場實(shí)時(shí)信息特征，現(xiàn)場依賴法可以細(xì)分為時(shí)間序列依賴法與參數(shù)序列依賴法。

1.時(shí)間序列依賴法

時(shí)間序列依賴法是根據(jù)現(xiàn)場實(shí)時(shí)信息的輸入時(shí)間序列來實(shí)施輸出序列運(yùn)行軌跡評估與預(yù)測的一種模擬實(shí)驗(yàn)方法。

不確定性的輸入時(shí)間序列干擾會(huì)導(dǎo)致輸出時(shí)間序列運(yùn)行軌跡發(fā)生未知的非線性與多變性演化，通過將外界的真實(shí)或模擬真實(shí)的時(shí)序干擾輸入模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，獲取輸出時(shí)間序列的演化響應(yīng)機(jī)制，及時(shí)預(yù)測與矯正其運(yùn)行軌跡，可以為真實(shí)航空航天系統(tǒng)的可靠運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

例如，為揭示大氣阻力導(dǎo)致衛(wèi)星軌道衰減的機(jī)制，文獻(xiàn)[1]構(gòu)建了模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將地球扁率與大氣阻力攝動(dòng)影響作為輸入時(shí)間序列，通過模型模擬輸出軌道根數(shù)變化，獲取衛(wèi)星軌道高度衰減結(jié)果即輸出時(shí)間序列。其中，依賴的現(xiàn)場實(shí)時(shí)信息是經(jīng)模擬改進(jìn)的用某衛(wèi)星高精度加速度儀測量得到的大氣密度數(shù)據(jù)。盡管熱層大氣密度數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出明顯的動(dòng)態(tài)、非線性、不確定性與多變性時(shí)序特征，模擬軌道序列與衛(wèi)星實(shí)際軌道序列仍然保持一致，發(fā)現(xiàn)了衛(wèi)星運(yùn)行軌跡演變的新特性，研究成果具有創(chuàng)新性。

2.參數(shù)序列依賴法

參數(shù)序列依賴法是根據(jù)現(xiàn)場實(shí)時(shí)信息的輸入?yún)?shù)序列來實(shí)施輸出序列運(yùn)行軌跡評估與預(yù)測的一種模擬實(shí)驗(yàn)方法。

常見參數(shù)有剛度、阻尼、固有頻率、壓力、流量與溫度等，多種參數(shù)的組合構(gòu)成參數(shù)序列。模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的參數(shù)序列取值應(yīng)該與真實(shí)系統(tǒng)的參數(shù)序列保持一致，才能可信賴地實(shí)施輸出序列運(yùn)行軌跡評估與預(yù)測。

例如，文獻(xiàn)[8]的衛(wèi)星在軌微振動(dòng)環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)，用物理模擬方法構(gòu)建出低頻彈性支撐裝置，揭示出自由邊界條件對衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)特征的影響機(jī)制，為提高衛(wèi)星在軌微振動(dòng)地面模擬實(shí)驗(yàn)精度奠定了基礎(chǔ)。其中，依賴的現(xiàn)場實(shí)時(shí)信息是微振動(dòng)擾振，輸入?yún)?shù)序列為激振力參數(shù)，輸出序列為模擬衛(wèi)星彈性體的模態(tài)相應(yīng)。

四、結(jié) 語

基于科學(xué)技術(shù)問題的屬性信息和現(xiàn)場信息特征，提出模擬實(shí)驗(yàn)的屬性依賴法與現(xiàn)場依賴法，可以解決動(dòng)態(tài)、非線性、不確定性與多變性問題，為模擬實(shí)驗(yàn)方法的發(fā)展提供新思路。

模擬實(shí)驗(yàn)方法歸類為科學(xué)技術(shù)研究方法論，合理運(yùn)用屬性依賴法與現(xiàn)場依賴法可以有效地驗(yàn)證或再現(xiàn)研究對象的表現(xiàn)，揭示其演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)某些未知特性。

在科技論文中，將屬性依賴法與現(xiàn)場依賴法產(chǎn)生的效果充分展示出來，能更好地突出研究成果的創(chuàng)新性。

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[責(zé)任編輯：傳馨]