【導(dǎo)讀】體計算應(yīng)有的特征，凝煉出以下三個科學(xué)問題。──如何符合媒體認(rèn)知的特點？Marr理論認(rèn)為，人類認(rèn)知可分為底層特征、幾何模型、語義描述等三層，具有鮮明的層次性。在微觀方面，神經(jīng)生物學(xué)發(fā)現(xiàn)從初級視覺皮層到高級視覺。始逐步特征化、抽象化。然而，媒體理解所涉及的層次化描述與表征、結(jié)構(gòu)化。分析方法等方面研究不足，需要進(jìn)一步深化。Gestalt心理學(xué)理論在宏觀上強(qiáng)調(diào)知覺組織的整體化效應(yīng)。息處理過程的調(diào)整與結(jié)果的整合。目前涌現(xiàn)出來了一批新型光學(xué)成像技術(shù)，能夠?qū)崟r地研究大范圍、因此，當(dāng)前是推進(jìn)層次性與整體性結(jié)合研究的良好時機(jī)。──如何反映媒體對象的特性？根本障礙，而其根源之一是媒體對象本身所固有的多義性。在用戶面前，但不同用戶對其語義的理解會不同。互補(bǔ)性將有助于澄清僅考慮單模態(tài)所難以明辨的語義。對多模態(tài)信息加以關(guān)聯(lián)利用，是一個尚未解決的難題。──如何滿足媒體計算的需求？協(xié)同機(jī)制，建立媒體對象多義性和多態(tài)性的有效表示體系。

　　

【正文】 重大制造裝備等復(fù)雜產(chǎn)品的國際競爭力，提供其自主 創(chuàng)新的理論和技術(shù)支撐。 本項目總體研究水平力求進(jìn)入國際先進(jìn)行列，力爭在以下三個方面取得創(chuàng)新突破：產(chǎn)品數(shù)字模型表示的誤差控制和一致性理論與技術(shù)；設(shè)計系統(tǒng)程序代碼的正確性驗證理論與方法；產(chǎn)品功能和性能的仿真優(yōu)化設(shè)計理論與技術(shù)。以期在國產(chǎn)品牌汽車和重大裝備制造的創(chuàng)新設(shè)計與仿真優(yōu)化中得到成功應(yīng)用。項目擬完成1520 項有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心算法或軟件技術(shù)（包括技術(shù)專利和版權(quán)登記）。本項目擬在國內(nèi)外核心刊物和國際會議上發(fā)表論文 3050 篇 /年，其中國際刊物與國際會議論文集的論文發(fā)表 1218 篇 /年；學(xué)術(shù)著作 3 部，技術(shù)報 告平均 10 篇 /年；博士論文平均 12 篇 /年。力爭本項目 80％以上的研究成果、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和專利等被轉(zhuǎn)化到國家 863 計劃或科技支撐計劃，為我國現(xiàn)代設(shè)計大型應(yīng)用軟件的研究開發(fā)與應(yīng)用提供高效可靠的技術(shù)支撐，在汽車和 IC 裝備復(fù)雜機(jī)械部件的設(shè)計與制造領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用，產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)和社會效益。 五年預(yù)期目標(biāo) 上述目標(biāo)將分階段分步實施。根據(jù)目前的工作基礎(chǔ)、未來五年的研究目標(biāo)大致可分為以下三部分，具體敘述如下。 產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)表示模型和設(shè)計系統(tǒng)的可信性度量理論 將研究以下關(guān)鍵內(nèi)容并取得重要進(jìn)展： 復(fù)雜產(chǎn)品數(shù) 據(jù)模型的高精度數(shù)據(jù)表示及其誤差控制； 面向產(chǎn)品設(shè)計全生命周期的產(chǎn)品數(shù)據(jù)和設(shè)計過程的一致性度量； 產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)的程序代碼可驗證理論； 按需組裝的產(chǎn)品全設(shè)計流程的一致性驗證。 產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型的一致性驗證及產(chǎn)品功能與性能的高效仿真模擬 將研究以下關(guān)鍵內(nèi)容并取得重要進(jìn)展： 產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型功能設(shè)計的仿真優(yōu)化； 復(fù)雜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組合的高效仿真計算。 同時，將研究開發(fā)一個用戶設(shè)計復(fù)雜產(chǎn)品及其功能與性能仿真模擬的大型設(shè)計軟件平臺，集成上述各關(guān)鍵科學(xué)問題的研究成果，確保設(shè)計數(shù)據(jù)處理的靈活性和可擴(kuò)展性；克服數(shù)據(jù)本身的異構(gòu)性 和系統(tǒng)的異構(gòu)性引起的不協(xié)調(diào)性，即時審計入侵等不安全因素，使該核心平臺安全、可靠、實用。 集成應(yīng)用檢驗 結(jié)合汽車和 IC 裝備等復(fù)雜機(jī)械部件在現(xiàn)代設(shè)計方面的實際需求，研究開發(fā)現(xiàn)代設(shè)計大型應(yīng)用軟件系統(tǒng)，并在實際應(yīng)用中取得經(jīng)濟(jì)和社會效益。這部分工作實際上是對前兩部分研究成果的集成和實際應(yīng)用檢驗。 三、研究方案 總體思路 項目將圍繞總體研究目標(biāo) 和 主要研究內(nèi)容 ，結(jié)合以汽車設(shè)計為 應(yīng)用背景組織實施研究技術(shù)方案，項目的總體研究思路和總體設(shè)計方案框架如圖 1 所示。 圖 1. 現(xiàn)代設(shè)計大型應(yīng)用軟件系統(tǒng)可信核 心平臺框架 本項目在技術(shù)途徑方面 擬考慮 以下幾點： （ 1） 可信性基礎(chǔ)與系統(tǒng)仿真和驗證平臺同步研究 把握對現(xiàn)代設(shè)計大型應(yīng)用軟件有重要影響的可信性理論集中力量優(yōu)先突破，并持之以恒，毫不動搖，本項目列出的三個關(guān)鍵科學(xué)問題均屬此列。在進(jìn)行共性基礎(chǔ)研究的同時，從頂層著手現(xiàn)代設(shè)計大型應(yīng)用軟件平臺與系統(tǒng)的設(shè)計與研發(fā)，因為這個平臺是單元設(shè)計行為和設(shè)計過程可信性研究的集成試驗床，不盡早拿出這個平臺，各關(guān)鍵技術(shù)的測試與試運行就難以進(jìn)行。相反，可信性理論與驗證和仿真系統(tǒng)平臺同步研究，雙方還有相互促進(jìn)，相互補(bǔ)充的作用。 （ 2） 理論研究與實踐檢驗相結(jié)合 本項目的可信性理論具有鮮明的實踐性，無論是產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型的高精度表示模型，還是產(chǎn)品設(shè)計過程的一致性表示，既具有深奧的理論又貼近實踐。理論行不行，好不好，完全要用實踐來檢驗，而實踐中發(fā)生的問題又推動理論研究更加深入，更加全面。因此，本項目具有理論與實踐緊密結(jié)合，理論指導(dǎo)實踐，實踐提出問題與需求，促進(jìn)理論的深入與發(fā)展的特點。 （ 3） 既注意獨立開發(fā)，有自主知識產(chǎn)權(quán)，又注意學(xué)習(xí)國外先進(jìn)內(nèi)容，洋為中用，走引進(jìn)、吸收、消化、創(chuàng)新之路，切實貫徹有所為、有所不為，但一定要有所作為。 （ 4） 在注意 建立自己的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的同時，更要認(rèn)真學(xué)習(xí)，貫徹執(zhí)行國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，積極參加國際相關(guān)的技術(shù)規(guī)范聯(lián)盟，如： OMG、 XML、 RIG、 STEP等。 技術(shù)路線 整個項目的技術(shù)路線圍繞著本項目的三個科學(xué)問題展開的，具體落實到本項目的五個課題分解進(jìn)行 : 1. 針對 復(fù)雜產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型精度可控性理論和方法的研究，其中的技術(shù)路線為： ? 分析并建立多精度層次的數(shù)據(jù)模型及其映射關(guān)系，形成產(chǎn)品設(shè)計周期中誤差類型及其傳播和擴(kuò)散機(jī)制。 ? 針對汽車和重大制造裝備等產(chǎn)品的設(shè)計全生命周期，分析產(chǎn)品各種數(shù)據(jù)表示及其關(guān)聯(lián)關(guān)系，研究各種數(shù)據(jù) 的異構(gòu)和同構(gòu)屬性，形成設(shè)計全生命周期的產(chǎn)品數(shù)據(jù)誤差統(tǒng)一表示理論和方法。 ? 基于國內(nèi)外行業(yè)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，采用優(yōu)化方法，建立統(tǒng)一產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型的輕量化表示理論和方法，降低數(shù)據(jù)的冗余程度，提高模型數(shù)據(jù)的應(yīng)用效率。 首先將研究在單元幾何運算中的誤差精度控制理論和方法，研究在曲線曲面求交、延伸、擬合等運算中的誤差精度控制機(jī)理，分析其誤差產(chǎn)生機(jī)理和誤差可控類型。在此基礎(chǔ)上，研究拉伸、抽殼和拔模等高層次的幾何特征操作。 本項目將利用區(qū)間理論及其運算方法記錄并分析在產(chǎn)品設(shè)計周期中誤差的傳播和擴(kuò)散機(jī)制，從而進(jìn)一步挖掘誤差調(diào)控機(jī)理 ，進(jìn)而提高設(shè)計和分析精度，分析和總結(jié)在產(chǎn)品設(shè)計周期中所涉及到的誤差種類。明確各類誤差的含義，確定它們之間的關(guān)聯(lián)，形成相應(yīng)的誤差精度統(tǒng)一表示理論和方法。從而，采用迭代的策略，重新將其應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計周期中概念設(shè)計、幾何設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計以及迭代分析過程中，跟蹤、記錄和分析在產(chǎn)品設(shè)計周期中誤差的傳播和擴(kuò)散機(jī)制，從而進(jìn)一步修正誤差精度統(tǒng)一表示理論和方法。 2. 針對產(chǎn)品設(shè)計全流程一致性理論和方法的研究 ，其中的技術(shù)路線為： ? 利用數(shù)據(jù)模型在設(shè)計制造全流程中的表示差異性，確保模型格式轉(zhuǎn)換的精度保持，使得迭代設(shè)計可 反饋可驗證，保證模型表示的完備性，提高設(shè)計制造效率。 ? 采用數(shù)據(jù)模型特征的提取方法，通過探索異構(gòu)環(huán)境下各種特征的語義表示方法，確保特征在整個設(shè)計流程的一致性表述。 ? 通過數(shù)據(jù)模型的語義特征，在模型編輯功能中實現(xiàn)特征可復(fù)用。 產(chǎn)品設(shè)計與制造涉及產(chǎn)品設(shè)計、功能驗證和制造各個環(huán)節(jié)，為此需要研究建立產(chǎn)品設(shè)計全生命周期的產(chǎn)品數(shù)據(jù)統(tǒng)一表示理論和方法，統(tǒng)一不同階段不同環(huán)節(jié)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，可以減少因為數(shù)據(jù)不統(tǒng)一所造成的產(chǎn)品表達(dá)不一致性，從而為整個設(shè)計過程具有高效性、可維護(hù)性、可拓展性提供統(tǒng)一數(shù)據(jù)表示。如果簡單地將各種數(shù)據(jù)疊加在一 起，一方面會造成數(shù)據(jù)的大量冗余并容易造成數(shù)據(jù)的不一致性，另一方面會造成數(shù)據(jù)非常龐大，從而實際上會增加產(chǎn)品設(shè)計的復(fù)雜程度并降低產(chǎn)品設(shè)計的規(guī)模。 為此，將針對汽車和重大制造裝備等產(chǎn)品的設(shè)計全生命周期，分析產(chǎn)品幾何設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計以及迭代過程等所需要的各種數(shù)據(jù)表示，以及這些數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，研究各種數(shù)據(jù)的異構(gòu)和同構(gòu)屬性，形 成設(shè)計全生命周期的產(chǎn)品數(shù)據(jù)統(tǒng)一表示理論和方法。同時還研究統(tǒng)一產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)輕量化表示理論和方法，盡可能降低數(shù)據(jù)的冗余程度，提高數(shù)據(jù)的應(yīng)用效率。在統(tǒng)一產(chǎn)品數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)輕量化過程中，將建立有效的屬性繼承和傳播機(jī)制，從而盡可能讓數(shù)據(jù)在產(chǎn)品設(shè)計全生命周期中不丟失、能演化、能自動關(guān)聯(lián)。因此，我們還將研究數(shù)據(jù)的交換和轉(zhuǎn)化理論和方法，從而進(jìn)一步減少產(chǎn)品核心數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)量，便于不同的設(shè)計過程或階段獲取與其相適應(yīng)的數(shù)據(jù)。 3. 針對產(chǎn)品設(shè)計軟件系統(tǒng)的程序代碼可驗證性理論的研究，其中的技術(shù)路線為： ? 分析產(chǎn)品設(shè)計軟件算法的 領(lǐng)域特征，兼顧可驗證的需求， 設(shè)計 算法 規(guī)范說明語言。 ? 基于高階邏輯和定理證明系統(tǒng)，構(gòu)建算法規(guī)約說明推理系統(tǒng)，提供算法層面上的正確性驗證框架。 ? 利用模型檢測技術(shù)，采用謂詞抽象和可滿足性模理論，實現(xiàn)代碼層面的程序驗證框架。 算法關(guān)注于解決問題的方法和邏輯。為算法提供一種形式化描述語言是對其正確性進(jìn)行檢驗的前提基礎(chǔ)。為此，需要根據(jù)現(xiàn)代設(shè)計軟件中核心算法的特點，研究適合于此類應(yīng)用的形式化描述語言。我們將在分析現(xiàn)有算法說明語言的基礎(chǔ)之上，基于一階邏輯和集合論，針對現(xiàn)代設(shè)計軟件常用的一些復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其操作，設(shè)計算法規(guī)范 說明語言。命令式程序的表示關(guān)鍵是對內(nèi)存模型的描述。我們將采用 最弱前置條件和函數(shù)式語言解釋 等方法 ， 設(shè)計一個新的更低層次的內(nèi)存模型。該內(nèi)存模型在邏輯層次上考慮，而命令式語言的各種成分可以在該模型下進(jìn)行解釋。 應(yīng)用模型檢測進(jìn)行驗證的最大困難來自于狀態(tài)空間爆炸問題。 我們將 研究如何將謂詞抽象技術(shù)與反例導(dǎo)向的抽象精化技術(shù)結(jié)合。為得到精確的程序抽象模型 ,重點研究 謂詞發(fā)現(xiàn) 和 冗余謂詞 消去技術(shù)。傳統(tǒng)的模型檢測技術(shù)只能在布爾邏輯框架下應(yīng)用。為了提高模型檢測技術(shù)在程序驗證中的能力，需要研究可滿足性模理論（ Satisifiability Modulo Theory, SMT）。 我們將遞進(jìn)式的研究帶入多個公理域的邏輯公式可滿足性判定 理論，重點研究線性不等式、數(shù)組、向量等理論域的判定算法。 4. 針對產(chǎn)品設(shè)計流程可信保障機(jī)理的研究，其中的技術(shù)路線為： ? 采用基于 WBS 的流程建模方法，并內(nèi)嵌元數(shù)據(jù)規(guī)則管理器，實現(xiàn)流程約束、規(guī)則約束和資源約束。 ? 采用基于刻面的需求工程（ AOSD）來消除需求衰減和需求歧義。 ? 采用著色 Petri 網(wǎng)和模型檢測等形式化工具來保障設(shè)計流程中的各種一致性驗證。 ? 采用面向虛擬組織的復(fù)雜訪問控制機(jī)制來支持跨自治域的協(xié)同數(shù)據(jù)訪 問控制。 針對設(shè)計流程建模及資源約束機(jī)制的研究， 將 在模型驅(qū)動理論的基礎(chǔ)上，重點解決以 WBS 為核心的設(shè)計過程統(tǒng)一視圖問題及設(shè)計資源元數(shù)據(jù)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)問題。在 WBS 模型的基礎(chǔ)上，引入資源元數(shù)據(jù)模型，支持動態(tài)資源映射和評估分析；引入擴(kuò)展流程模型，支持動態(tài)的設(shè)計過程建模及監(jiān)控；引入時序約束，保證設(shè)計過程的可信性和執(zhí)行的準(zhǔn)確性。 針對產(chǎn)品設(shè)計及流程的安全保障機(jī)制，將根據(jù)設(shè)計過程中的安全需求，在通用安全基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)上，重點解決設(shè)計過程的實體識別、基于信任的訪問控制機(jī)制、數(shù)據(jù)保護(hù)等問題。此外，針對現(xiàn)代協(xié)同設(shè)計的特點，還將 解決跨自治域的復(fù)雜訪問控制、協(xié)同環(huán)境下的數(shù)據(jù)分發(fā)及協(xié)同設(shè)計過程中的隱私保護(hù)等問題，并最終為總課題的應(yīng)用提供安全保障。 5. 針對產(chǎn)品功能和性能高效仿真優(yōu)化理論與方法的研究，其中的技術(shù)路線為： ? 采用光滑單元理論，提高線性插值單元的計算精度，實現(xiàn)低階單元網(wǎng)格的自適應(yīng)分割，提升數(shù)據(jù)模型的網(wǎng)格生成質(zhì)量和生成速度。 ? 以 Cg 和 CUDA 為手段，建立基于 GPU 集群的高效求解體系，實現(xiàn)廉價的快速仿真計算。 ? 探索基于 GPU、多核 CPU 以及分布式集群間任務(wù)高效劃分和實時調(diào)度方法，大幅度提高交互可視化呈現(xiàn)速度。 ? 對優(yōu)化領(lǐng)域中的多 目標(biāo)、多目標(biāo)、多學(xué)科、多參數(shù)、不確定性這幾方面的技術(shù)瓶頸進(jìn)行研究，結(jié)合 GPU 技術(shù)，研發(fā)具有能處理實際工程問題的優(yōu)化軟件平臺。 ? 將仿真分析、優(yōu)化算法進(jìn)行整合，構(gòu)建一個高可信、全構(gòu)件的設(shè)計仿真優(yōu)化集成應(yīng)用平臺。 本 項目 建立的復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計平臺是傳統(tǒng) CAE 軟件應(yīng)用的提升，簡單封閉的前處理體系，基于 GPU 的高效求解體系以及自主研發(fā)的近似模型優(yōu)化體系是該系統(tǒng)性能和實用性的保證 。通過提出新型單元理論，并采用基于 GPU 的求解技術(shù)，以解決復(fù)雜產(chǎn)品功能和性能仿真優(yōu)化中的效率和可靠性兩大瓶頸問題，在此基礎(chǔ)上， 形成一個具有重大創(chuàng)新 和實用價值的仿真模擬和優(yōu)化設(shè)計平臺 ，并在我國的汽車設(shè)計制造中得到成功應(yīng)用。 四、年度計劃 年度 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 一 年 1. 精確浮點數(shù)運算算法 及 新的實數(shù)表示方法 研究。 2. 調(diào)研并分析產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型的表示格式類型 、 標(biāo)準(zhǔn) 及其特征表示。 3. 研究 NURBS與離散網(wǎng)格之間的模型格式轉(zhuǎn)換，保持產(chǎn)品設(shè)計轉(zhuǎn)移過程的誤差要求 。 4. 算法規(guī)約說明語言 、 謂詞 抽象計算方法研究 5. 現(xiàn)代設(shè)計流程及設(shè)計資源配置情況調(diào)研 6. 支持可信設(shè)計過程的動態(tài) WBS的建模方法和理論 、 基于元數(shù)據(jù)的編碼及規(guī)則控制方法 研究。 7. 支持可信設(shè)計過程的安全保障體系 研究 。 8. 研究 基于線性插值單元理論的高精度仿真計算方法 。 9. 研究基于新型 單元和 GPU 的顯式有限元程序 開發(fā)、 實時計算 1. 給出公式化得到浮點數(shù)特性的方法 ， 提出全新的基于 Sierpinski 三角形坐標(biāo)表示實數(shù)的方法 。 2. 提交至少一種數(shù)據(jù)模型格式轉(zhuǎn)換模塊并可演示 。 3. 明確算法規(guī)約說明語言的語法和語義； 提出 適用于此類程序的謂詞計算方法 。 4. 形成針對汽車、軌道交通等特 定 行業(yè)設(shè)計流程及設(shè)計資源配置的 研究報告 。 5. 提出支持可信設(shè)計過程的動態(tài) WBS的建模理論 、 基于元數(shù)據(jù)的編碼及規(guī)則控制理論 。 6. 提出可信設(shè)計過程的安全保障體系理論 。 7. 建立精度級 別達(dá)到四邊形和六面體單元的新型單元模型 ， 開發(fā) 出 基于新型三角形 、四面體 單元和 GPU 的顯式有限元程序 。 8. 開發(fā)出基于 GPU的薄板成形及結(jié)構(gòu)碰撞過程的計算機(jī)仿真軟件系統(tǒng) 第 二 年 1. 新實數(shù)表示下的各種復(fù)雜的精確實數(shù)運算算法 、 高精度的單元幾何運算以及誤差控制 研究。 2. 研究常見的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型的表示格式類型及標(biāo)