【正文】 （ 11）提出非均衡樣本的有效處理方法。 （ 12）提出本征屬性分析方法，實(shí)現(xiàn)高維異構(gòu)特征流形嵌入和降維； （ 13）利用同種媒體各層次特征間的聯(lián)系，建立高維異構(gòu)媒體特征的結(jié)構(gòu)化表示； ? （ 14） 建立媒體對象之間的上下文關(guān)系網(wǎng)絡(luò)表示； （ 15） 基于遷移學(xué)習(xí)和組合學(xué)習(xí)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)跨媒體多模態(tài)特征融合； （ 16）形成可初步實(shí)用的數(shù)字媒體理解算法性能測試、分析比較和可視化展現(xiàn)應(yīng)用工具，并整合到數(shù)字媒體理解算法測試驗(yàn)證平臺中； （ 17）提出超分辨率視頻圖像復(fù)原與增強(qiáng)、自適應(yīng)視頻監(jiān)控目標(biāo)分類與識 別等新算法； （ 18）形成可初步實(shí)用的電視節(jié)目結(jié)構(gòu)分析、語義分析工具，并整合到網(wǎng)絡(luò)互動電視搜索應(yīng)用示范系統(tǒng)中 。 （ 6） 進(jìn)行視頻序列時間層次性顯著性分析 ； （ 7） 提出圖像在不同層次下的物體模型 ； （ 8） 研究譜圖理論在顯著性分析中的作用； （ 9）對典型的多義性對象學(xué)習(xí)方法進(jìn)行理論分析； （ 10）研究有效利用多視圖特性的學(xué)習(xí)方法； （ 11）利用隨機(jī)文法和條件隨機(jī)場，研究降維后全局和局部特征的建模； （ 12）研究全局和局部特征的高效索引機(jī)制； （ 13）研究結(jié)合高效索引機(jī)制的特征組合利用方法。 分析、電視節(jié)目話題檢測、于語義的搜索和個性化推薦工具，并整合到網(wǎng)絡(luò)互動電視搜索應(yīng)用示范系統(tǒng)中。 （ 15）對各課題的理論研究成果進(jìn)行系統(tǒng)性分析，進(jìn)一步完善理論體系；（ 16）對有關(guān)算法進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn) 綜合測試，提高算法的準(zhǔn)確性和運(yùn)算速度； （ 17）通過多方面的測試，完善測試驗(yàn)證平臺，通過多種應(yīng)用測試完善應(yīng)用驗(yàn)證平臺； （ 18）撰寫有關(guān)報告，準(zhǔn)備各課題和項目的驗(yàn)收。 （ 13）在理論上，建立層次性與整體性結(jié)合的計算理論與模型，多義性與多態(tài)性的有效表示體系和機(jī)器學(xué)習(xí)方法； （ 14）突破全局和局部特征的提取、上下文關(guān)聯(lián)的特 征融合、底層特征與高層語義的多粒度映射、跨媒體的層次化語義分析等一批關(guān)鍵技術(shù)； （ 15）建成媒體理解算法測試驗(yàn)證平臺，建立智能視頻監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)互動電視應(yīng)用示范系統(tǒng)； （ 16）完成本項目的總結(jié)與驗(yàn)收。 項目名稱： 現(xiàn)代設(shè)計大型應(yīng)用軟件的可信性研究 首席科學(xué)家： 孫家廣 清華大學(xué) 起止年限： 2020 年 1 月 2020 年 8 月 依托部門： 教育部 一、研究內(nèi)容 在現(xiàn)代制造業(yè)，隨著產(chǎn)品設(shè)計規(guī)模和設(shè)計難度的增加，設(shè)計系統(tǒng)和產(chǎn)品設(shè)計過程的復(fù)雜性越來越高，個性化設(shè)計需求越來越強(qiáng)烈，設(shè)計活動越來越突出地體現(xiàn)了知識密集性和通訊密集性的特點(diǎn)。主要研究內(nèi)容有以下幾個方面： ? 產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)表示和計算誤差可控性以及模型表示的一致性，以提高設(shè)計過程中數(shù)據(jù)表示可信性； ? 設(shè)計系統(tǒng)程序代碼與規(guī)約說明的一致性驗(yàn)證，以提高設(shè)計系統(tǒng) 程序代碼的正確性； ? 產(chǎn)品設(shè)計流程的可信保障機(jī)制，以解決產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型在全生命周期的一致性； ? 基于 GPU 集群的數(shù)字模型仿真優(yōu)化計算，以保證產(chǎn)品交互設(shè)計的一致性和高效性； ? 構(gòu)建產(chǎn)品設(shè)計與仿真優(yōu)化交互設(shè)計平臺，以增強(qiáng)產(chǎn)品功能和性能仿真優(yōu)化設(shè)計的實(shí)用性和可靠性。 幾何運(yùn)算中的誤差精度控制 本項目將幾何運(yùn)算分解成為底層的單元幾何運(yùn)算和高層次的特征幾何運(yùn)算。研究在產(chǎn)品設(shè)計過程中統(tǒng)一的幾何運(yùn)算誤差精度控制理論和方法。同時將分析和總結(jié)在產(chǎn)品設(shè)計周期中所涉及到的誤差種類。由此進(jìn)一步規(guī)范產(chǎn)品設(shè)計的實(shí)現(xiàn)手段，形成與其相適應(yīng)的理論和方法。還將研究有損精度和無損精度的多種數(shù)據(jù)壓縮理論和策略，進(jìn)一步控制幾何和非幾何數(shù)據(jù)的規(guī)模。 面向產(chǎn)品設(shè)計全生命周期的數(shù)據(jù)模型和設(shè)計過程的一致性度量 本項目將研究復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計手段可達(dá)性，研究產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型的結(jié)構(gòu)特征的語義表示方法，研究產(chǎn)品迭代設(shè)計過程中數(shù)據(jù)模型修改中的結(jié)構(gòu)特征約束方法，研究產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征模型的可重用度量方法，研究產(chǎn)品全生命周期的設(shè)計迭代交互過程中的數(shù)據(jù)模型統(tǒng)一表示（研究異構(gòu)系統(tǒng)或者設(shè)計流程各設(shè)計環(huán)節(jié)之間的數(shù)字模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換機(jī)制）和研究產(chǎn)品全設(shè)計流程的數(shù)據(jù)表示完整性。同時將考慮產(chǎn)品模型中的各種特征的提取方法和特征與產(chǎn)品模型之間的約束關(guān)系及其度量方法，在產(chǎn)品迭代修改過程中，產(chǎn)品模型中的結(jié)構(gòu)特征必須與數(shù)據(jù)模型保持相對應(yīng)的約束關(guān)系，產(chǎn)品特征在設(shè)計修改過程中具有特征的一貫性 和連續(xù)性，同時還研究異構(gòu)系統(tǒng)中模型數(shù)據(jù)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換機(jī)制，考慮模型特征的連貫性，產(chǎn)品特征的可重用性，以保證模型數(shù)據(jù)的一致性，為此將研究可重用特征的設(shè)計邏輯一致性和可重用的度量方法。 “邏輯關(guān)系 ”是設(shè)計流程與規(guī)范間的一種抽象，這種抽象的關(guān)系主要體現(xiàn)在設(shè)計主體對設(shè)計目標(biāo)及設(shè)計系統(tǒng)認(rèn)知的深度及抽象性上。建立符合人的預(yù)期的產(chǎn)品設(shè)計迭代求精機(jī)制，為基于領(lǐng)域知識的復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計迭代模型和領(lǐng)域任務(wù)的一致性和可度量性奠定基礎(chǔ)。 程序代碼與規(guī)約說明的一致性驗(yàn)證 現(xiàn)代設(shè)計軟件中包含了大量的算法及其實(shí)現(xiàn)代碼。 基于模型檢測的程序驗(yàn)證技術(shù) 在大型設(shè)計軟件的編碼過程中，除了由于代碼實(shí)現(xiàn)與規(guī)約說明不一致而造成的邏輯錯誤之外，還存在大量由于編碼人員的熟練程度和編碼水平而產(chǎn)生的代碼缺陷。另一方面，考慮到現(xiàn)代設(shè)計軟件程序中涉及大量有關(guān) 數(shù)組、向量、矩陣等的數(shù)值操作，我們也將研究針對這些特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的程序驗(yàn)證方法學(xué)。 本項目的主要研究內(nèi)容包括產(chǎn)品設(shè)計全 流程質(zhì)量控制機(jī)制、產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型表示全流程一致性等內(nèi)容，基于產(chǎn)品全流程的產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)主要包括軟件系統(tǒng)的設(shè)計、構(gòu)件集成再到交互操作和產(chǎn)品統(tǒng)一數(shù)據(jù)表示模型、復(fù)雜產(chǎn)品交互設(shè)計系統(tǒng)的可用性和易用性度量等。研究產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)自保護(hù)安全信任模型 ,數(shù)據(jù)存儲、處理、傳輸?shù)臋C(jī)密性和完整性等保護(hù)，研究產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)內(nèi)核級自保護(hù)技術(shù)，研究設(shè)計數(shù)據(jù)安全訪問許可策略及多約束力的使 用許可協(xié)議。研究基于線性插值單元理論的高精度仿真計算方法，建立自主開發(fā)而且具有較強(qiáng)工程應(yīng)用能力的仿真軟件。 復(fù)雜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組合的高效仿真計算與優(yōu)化 研究多領(lǐng)域 多學(xué)科產(chǎn)品優(yōu)化計算及其并行仿真可視化方法，研究基于 GPU集群的復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)性能優(yōu)化設(shè)計方法。建立基于 GPU 構(gòu)架的并行優(yōu)化程序，解決復(fù)雜性中等的實(shí)際工程問題，研究基于 GPU 構(gòu)架的并行智能布點(diǎn)技術(shù)，研究混合近似模型技術(shù)，通過不同方法近似模型的組合，加強(qiáng)近似模型的魯棒性和精度。 二、預(yù)期目標(biāo) 總體目標(biāo) 本項目旨在面向重大制造裝備和復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計等重要應(yīng)用領(lǐng)域展開CAD/CAE 大型應(yīng)用軟件的可信性研究，建立重大制造裝備和復(fù)雜產(chǎn)品模型的統(tǒng)一數(shù)據(jù)表示，保證幾何設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、模型分析和仿真驗(yàn)證等各環(huán)節(jié)迭代求精和分析在產(chǎn)品設(shè)計生命周期中的一致性，提供系統(tǒng)構(gòu)件之間的可驗(yàn)證機(jī)理，建立數(shù)據(jù)和模型的多級安全動態(tài)保護(hù)理論和策略，給出應(yīng)用軟件的可信度分析方法，為提高我國汽車、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。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。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。 五年預(yù)期目標(biāo) 上述目標(biāo)將分階段分步實(shí)施。 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(yàn)證理論； 按需組裝的產(chǎn)品全設(shè)計流程的一致性驗(yàn)證。 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(shí)用。這部分工作實(shí)際上是對前兩部分研究成果的集成和實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn)。 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(diǎn)： （ 1） 可信性基礎(chǔ)與系統(tǒng)仿真和驗(yàn)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。相反，可信性理論與驗(yàn)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。理論行不行，好不好，完全要用實(shí)踐來檢驗(yàn)，而實(shí)踐中發(fā)生的問題又推動理論研究更加深入，更加全面。 （ 3） 既注意獨(dú)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(shí)貫徹有所為、有所不為，但一定要有所作為。 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(shí)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。 ? 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。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。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。 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(yàn)證，保證模型表示的完備性，提高設(shè)計制造效率。 ? 通過數(shù)據(jù)模型的語義特征，在模型編輯功能中實(shí)現(xiàn)特征可復(fù)用。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(shí)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。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。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)。 ? 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(yàn)證框架。 算法關(guān)注于解決問題的方法和邏輯。為此，需要根據(jù)現(xiàn)代設(shè)計軟件中核心算法的特點(diǎn)，研究適合于此類應(yīng)用的形式化描述語言。命令式程序的表示關(guān)鍵是對內(nèi)存模型的描述。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。 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。傳統(tǒng)的模型檢測技術(shù)只能在布爾邏輯框架下應(yīng)用。 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(diǎn)研究線性不等式、數(shù)組、向量等理論域的判定算法。 ? 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。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。此外，針對現(xiàn)代協(xié)同設(shè)計的特點(diǎn)，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。 ? 以 Cg 和 CUDA 為手段，建立基于 GPU 集群的高效求解體系，實(shí)現(xiàn)廉價的快速仿真計算。 ? 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(shí)際工程問題的優(yōu)化軟件平臺。 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(shí)用性的保證 。 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(diǎn)數(shù)運(yùn)算算法 及 新的實(shí)數(shù)表示方法 研究。 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 。 7. 支持可信設(shè)計過程的安全保障體系 研究 。 9. 研究基于新型 單元和 GPU 的顯式有限元程序 開發(fā)、 實(shí)時計算 1. 給出公式化得到浮點(diǎn)數(shù)特性的方法 ， 提出全新的基于 Sierpinski 三角形坐標(biāo)表示實(shí)數(shù)的方法 。 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 。 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 。 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 。 2. 研究常見的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型的表示格式類型