面向汽車安全的不確定性多元動態(tài)系統(tǒng)模型驗證理論和應用研究.pdf

1、當今全球制造企業(yè)之間的競爭越來越激烈，決定制造企業(yè)全球競爭能力的主要指標是產(chǎn)品的開發(fā)時間(Time)、質(zhì)量(Quality)、成本(Cost)以及相應的服務(Service)。為適應快速多變和個性化的市場需求，以工程產(chǎn)品數(shù)字化模型為基礎的數(shù)字制造作為全新的制造技術(shù)和制造模式，已經(jīng)在產(chǎn)品設計、協(xié)同開發(fā)、制造過程和制造模式等方面帶來一系列變革，并成為推動21世紀制造業(yè)向前發(fā)展的強大動力。然而，數(shù)字化模型只是真實物理系統(tǒng)的一個有限映像，其建模

2、過程有著各類抽象、前提假設和限制，因而其預測結(jié)果與實際物理系統(tǒng)始終有著一定的差距。如何通過模型驗證（Model Validation）分析和判斷數(shù)字化模型預測結(jié)果與實際物理系統(tǒng)的吻合程度成為數(shù)字制造發(fā)展和應用的一個關(guān)鍵問題。由于數(shù)字化模型在汽車安全設計等復雜工程領(lǐng)域的廣泛應用，對于含有不確定性多元動態(tài)響應的復雜動態(tài)系統(tǒng)的模型驗證理論和方法已成為學術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點。
　　為了研究不確定性多元動態(tài)系統(tǒng)模型驗證的通用方法，并制定汽

3、車安全領(lǐng)域模型驗證的ISO國際標準，本文作者在博士就讀期間于美國福特汽車公司北美全球研發(fā)創(chuàng)新中心的模型驗證研究組中從事了三年的相關(guān)研究工作。本文在美國福特汽車研究院大學研究計劃項目（URP）、國際標準組織（ISO）汽車安全模型驗證標準制定委員會（TC22 ISO WG4）、國家自然科學基金等項目支持下，提出了面向汽車安全的不確定性多元動態(tài)系統(tǒng)的模型驗證方法，旨在解決不確定性多元動態(tài)系統(tǒng)模型驗證中的三個關(guān)鍵技術(shù)：一元動態(tài)響應分析、多元動態(tài)

4、響應分析和不確定性分析，相關(guān)理論成果已應用于ISO TC22標準的制定，開發(fā)的模型驗證原型系統(tǒng)已成功應用于新型汽車安全設計中。本文主要研究內(nèi)容如下：
　?。?）研究了模型驗證中的一元動態(tài)響應分析方法。在對傳統(tǒng)動態(tài)響應分析方法總結(jié)的基礎上，提出了能有效分析動態(tài)響應整個時間域及各主要時間曲線特征的誤差，并能結(jié)合領(lǐng)域?qū)＜抑R和具有明確物理意義的評估方法EEARTH（Enhanced Error Assessment of Respons

5、e Time Histories），然后通過兩個實例證明EEARTH方法在綜合評價各主要時間曲線誤差的能力方面優(yōu)于現(xiàn)有各種動態(tài)響應分析方法，在時間曲線特征區(qū)分能力方面優(yōu)于CORA方法。同時該方法被應用于數(shù)字化模型參數(shù)的自動優(yōu)化過程。
　?。?）研究了模型驗證中的多元動態(tài)響應分析方法。針對多元動態(tài)系統(tǒng)驗證中的問題，提出了基于主元分析（Principal Component Analysis，PCA）和EEARTH方法的多元動態(tài)響應分

6、析方法，能有效處理多元動態(tài)響應數(shù)據(jù)的降維和數(shù)據(jù)相關(guān)性問題，解決了現(xiàn)有多元動態(tài)數(shù)據(jù)分析方法無法同時處理多元數(shù)據(jù)降維及相關(guān)性，并綜合分析多元輸出動態(tài)響應主要時間曲線特征誤差的問題。
　　（3）研究了模型驗證中的不確定分析問題。針對模型驗證過程中試驗數(shù)據(jù)、數(shù)字化仿真模型數(shù)據(jù)和多元數(shù)據(jù)降維產(chǎn)生的誤差，提出了基于統(tǒng)計主元分析（Probabilistic Principal Component Analysis，PPCA）、驗證量選取、閾值選

7、定與轉(zhuǎn)化的降維誤差分析方法，和基于貝葉斯區(qū)間假設檢驗的不確定性分析方法，并通過實例從驗證準則特性要求和精確度上證明了提出方法的優(yōu)越性。
　?。?）提出了面向不確定性多元動態(tài)系統(tǒng)的模型驗證方法。為了解決復雜系統(tǒng)驗證中的問題，本文分別采用了統(tǒng)計誤差分析、統(tǒng)計主元分析和貝葉斯區(qū)間假設檢驗等方法來處理試驗和仿真重復誤差分析，多元數(shù)據(jù)降維、相關(guān)性和降維誤差分析、以及量化模型質(zhì)量和預測能力的問題，該方法具有理論創(chuàng)新性且符合實際工程需求，在汽車