夏君子

摘 要：研究者越來越關(guān)注新模擬實驗方法的探討，旨在發(fā)現(xiàn)日益復(fù)雜的科學技術(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)研模擬實驗的最新進展，提出模擬實驗的屬性依賴法與現(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，解決動態(tài)、非線性、不確定性與多變性問題，為模擬實驗發(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；模擬實驗；模擬方法

中圖分類號：G304 中圖分類號：A 文獻標識碼：1672-8122（2016）05-0125-02

模擬實驗是一種重要的科學技術(shù)研究方法，已廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域[1-3]。社會發(fā)展與人類進步，迫切要求研究者日益關(guān)注新模擬實驗方法的探討，以發(fā)現(xiàn)越來越復(fù)雜的科學技術(shù)問題的未知特性，更好地揭示其內(nèi)在運行機制。同時，研究者在科技論文中如何有效展示其模擬實驗方法產(chǎn)生的效果，對提升論文價值，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，探討模擬實驗方法的最新進展特征，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

模擬是以科學技術(shù)理論與實踐為基礎(chǔ)，在一定環(huán)境與條件下，將研究對象用其它手段進行模仿的一種實驗方法。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)計一個和該現(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。模擬實驗的目的主要是便于經(jīng)濟地檢驗、驗證、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)在機制。

模擬的基本類型有物理模擬與計算機模擬。

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。

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

2.模擬實驗方法的進展特征

科學技術(shù)的發(fā)展，對許多航空航天系統(tǒng)有越來越嚴格的性能要求[4-7]。為探索性能的未知特性，實時評估與預(yù)測性能退化軌跡，科學技術(shù)研究已經(jīng)從靜態(tài)發(fā)展到動態(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驗方法取得了許多進展。

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)，模擬實驗方法的最新進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)有的模擬實驗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、目標屬性與層次屬性等3個信息要素的模擬實驗方法。

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。

目標屬性是期望得到的對問題屬性的某種解答或認知。

層次屬性是目標屬性的分解，即將目標屬性分解為若干個子屬性。若子屬性彼此獨立，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)目標屬性的不同，屬性依賴法又細分為同步進化法與層次進化法。

1.同步進化法

同步進化法是將問題分解成低一層次的多個彼此獨立的子問題，用基本模擬方法逐個解決各子問題，最后融合出結(jié)果。這是一種化整為零、逐個擊破、同步進化的方法。具體做法是，若目標屬性是由多個低一層次的獨立子屬性綜合構(gòu)成，則可以根據(jù)各獨立子屬性的特征，進行子屬性模擬，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化至高層次，獲得目標屬性特征。

例如，揭示航空發(fā)動機非線性動力學特征是相關(guān)領(lǐng)域的一個重要問題。為此，文獻[7]綜合現(xiàn)有方法的優(yōu)點，提出一種振動耦合動力學模型，計算出系統(tǒng)非線性響應(yīng)，并在兩個航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子模擬裝置上進行模態(tài)實驗，發(fā)現(xiàn)計算結(jié)果與實驗結(jié)果有很好的吻合性。

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

2.層次進化法

層次進化法是將問題按屬性層次由低到高地分解成多個前后有聯(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。該方法的特點是化整為零、逐步擊破、依次進化。具體做法是，若目標屬性可以分解為多個彼此低一層次的關(guān)聯(lián)子屬性，則可以根據(jù)各子屬性的特征，按照設(shè)計好的步驟，依次進行子屬性模擬，逐步使屬性由低層次向高層次進化，逼近目標屬性特征。

例如，航空發(fā)動機的故障診斷技術(shù)對發(fā)動機性能的可靠性、維護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，尚未有效驗證故障檢測率、定位率與虛警率等指標，從而無法定量評價故障診斷系統(tǒng)性能。這里的問題是如何定量評價故障診斷系統(tǒng)性能？

為此，文獻[4]將問題分解為混合卡爾曼濾波器組故障診斷理論，發(fā)動機故障診斷系統(tǒng)和故障診斷實驗等3個不同層次的子問題。這3個層次的進化關(guān)系為：（1）用計算機模型模擬方法構(gòu)建混合卡爾曼濾波器組，為發(fā)動機故障診斷系統(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)動機常見的4種故障，用物理模型模擬方法搭建發(fā)動機故障診斷系統(tǒng)，為故障診斷實驗奠定基礎(chǔ)；（3）基于故障診斷系統(tǒng)，用統(tǒng)計模擬法評價出發(fā)動機故障診斷系統(tǒng)性能的定量指標值。

在該案例中，依次解決3個子問題的實驗?zāi)M方法分別是計算機模型模擬、物理模型模擬和統(tǒng)計模擬，最終目標是實現(xiàn)故障診斷系統(tǒng)性能的定量評價，為工程實踐提供了重要依據(jù)。

三、現(xiàn)場依賴法

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

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

1.時間序列依賴法

時間序列依賴法是根據(jù)現(xiàn)場實時信息的輸入時間序列來實施輸出序列運行軌跡評估與預(yù)測的一種模擬實驗方法。

不確定性的輸入時間序列干擾會導(dǎo)致輸出時間序列運行軌跡發(fā)生未知的非線性與多變性演化，通過將外界的真實或模擬真實的時序干擾輸入模擬實驗系統(tǒng)，獲取輸出時間序列的演化響應(yīng)機制，及時預(yù)測與矯正其運行軌跡，可以為真實航空航天系統(tǒng)的可靠運行奠定基礎(chǔ)。

例如，為揭示大氣阻力導(dǎo)致衛(wèi)星軌道衰減的機制，文獻[1]構(gòu)建了模擬實驗系統(tǒng)，將地球扁率與大氣阻力攝動影響作為輸入時間序列，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)果即輸出時間序列。其中，依賴的現(xiàn)場實時信息是經(jīng)模擬改進的用某衛(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)出明顯的動態(tài)、非線性、不確定性與多變性時序特征，模擬軌道序列與衛(wèi)星實際軌道序列仍然保持一致，發(fā)現(xiàn)了衛(wèi)星運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)場實時信息的輸入?yún)?shù)序列來實施輸出序列運行軌跡評估與預(yù)測的一種模擬實驗方法。

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。模擬實驗系統(tǒng)的參數(shù)序列取值應(yīng)該與真實系統(tǒng)的參數(shù)序列保持一致，才能可信賴地實施輸出序列運行軌跡評估與預(yù)測。

例如，文獻[8]的衛(wèi)星在軌微振動環(huán)境模擬實驗，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)星動力學特征的影響機制，為提高衛(wèi)星在軌微振動地面模擬實驗精度奠定了基礎(chǔ)。其中，依賴的現(xiàn)場實時信息是微振動擾振，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

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

模擬實驗方法歸類為科學技術(shù)研究方法論，合理運用屬性依賴法與現(xiàn)場依賴法可以有效地驗證或再現(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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[責任編輯：傳馨]