Применение высшей математики в программных средствах количественной оценки неопределенностей в сложных системах при разработке еще не построенных оборонных систем.
Параноики на окладе из заморского оборонно-исследовательского департамента продолжают будоражить мой разум своими идеями…
Например, исследователи из программы DARPA «Активация количественной оценки неопределенности в физических системах» (EQUiPS) разрабатывают теоретические основы для упрощения процессов проектирования для нетрадиционных систем защиты, где количество параметров или системных функций может составлять тысячи. Эта команда разрабатывает нетрадиционное морское судно на подводных крыльях, которое в режиме высокоскоростного движения на подводном крыле способно развивать скорость более 120 узлов в условиях спокойной морской поверхности и 60 узлов в условиях взволнованной морской поверхности — то, на что не способно пока ни одно из таких судов. А вообще в недрах помянутого департамента таких идей, как в кипящем чайнике пузырьков.
Вычислительные модели и моделирование могут быть чрезвычайно полезны при проектировании сложных военных систем, таких как новые аэрокосмические транспортные средства и двигатели, позволяя сокращать затраты и время на разработку. Тем не менее, реалистичные модели с высокой точностью требуют огромных вычислительных мощностей, чтобы иметь возможность учитывать все различные факторы, которые могут влиять на точность прогнозов. Чтобы смягчить требования к вычислительным мощностям, исследователи часто используют упрощенные модели, но эти модели содержат предположения, двусмысленности, неполную информацию и исходные данные, которые непредсказуемы. Эта проблема усугубляется, когда эти неопределенности взаимодействуют друг с другом в сложной системе. В результате инженеры, как правило, полагаются на обширное тестирование для проверки результатов моделирования — повторяющийся процесс проектирования, тестирования, проверки, повторного проектирования, повторного тестирования, повторной проверки, который может растянуться на годы и значительно увеличить стоимость итогового результата.
Программа DARPA «Активация количественной оценки неопределенности в физических системах» (EQUiPS) недавно достигла значительных успехов в решении этой проблемы путем разработки математических инструментов и методов решения задач, связанных с большими системами многих переменных, и учета неопределенности на каждом этапе моделирования и проектирования.
Для оценки точности предсказаний программа работает с областью количественной оценки неопределенности, или UQ. С помощью передовых инструментов UQ дизайнеры могут лучше понять риски осуществления ряда сложных проектов. Благодаря этой информации увеличиваются шансы, что новые проекты сложных военных транспортных средств, судов, воздушных и космических аппаратов будут работать в ходе испытаний именно так, как ожидалось, после того прототип будет впервые построен.
Много раз, в процессе разработки систем выявлялось, что исходные модели оказывались неадекватными, потому что данные могли отсутствовать или информация об условиях, в которых может работать система, оказывалась неполной. Такие неопределённости мешают предсказывать, как поведёт себя система, или насколько уверенным может быть проектировщик в ходе разработки проекта исходя из его уровня компетенций. В то время как современные вычислительные средства и улучшенные испытательные стенды, такие как специальные аэродинамические трубы или средства моделирования морского состояния, позволили инженерам разрабатывать и тестировать конструкции для существующих систем, более новые модели, рассматривающие совершенно разные режимы, не могут быть физически смоделированы. Например, гиперзвуковые воздушные скорости свыше 13 000 миль в час или морские суда, способные двигаться по поверхности воды на скорости 120 узлов, имеют множество неопределенных параметров, и поэтому для повышения качества конструкции требуются методы UQ.
«С EQUiPS мы кардинально меняем подход к моделированию процессов, происходящих в материальном мире и в спроектированных системах»,
— заявляет Фэриба Фэхру, менеджер программы DARPA.
«Мы стремимся сделать UQ доступной частью моделирования при моделировании даже для самых сложных проблем проектирования. И математические инструменты, которые мы разрабатываем, должны широко применяться в различных областях, от новых аэрокосмических структур до передовых интегральных схем».
Начатая в 2015 году программа EQUiPS завершила свою первую фазу и демонстрирует успех, принимая во внимание неопределенности, которые в противном случае могли бы помешать прогнозам рабочих характеристик для вновь создаваемых быстроходных морских судов и выхлопных сопел для сверхзвуковых авиационных двигателей.
Группа исследователей под руководством Браунского университета из состава команды EQUiPS разрабатывает теоретические основы для того, что они называют «Дизайн в условиях неопределенности» (DUU). Целью DUU является упрощение процессов проектирования для нетрадиционных систем защиты, где количество параметров или системных функций может составлять тысячи, а конструкция требует учета таких переменных, как неопределенные условия эксплуатации, новые материалы, поведение которых может быть не до конца понято, и производственные дефекты, актуальность которых еще предстоит определить. Команда проектировала нетрадиционное морское судно на подводных крыльях, которое в режиме высокоскоростного движения на подводном крыле способно развивать скорость более 120 узлов в условиях спокойной морской поверхности и 60 узлов в условиях взволнованной морской поверхности — то, на что не способно пока ни одно из таких судов. Без исторических данных для такого судна или его конструкции на подводных крыльях инженеры нуждались в модели, которая могла бы объяснить огромное количество неопределенностей. В рамках программы, разработанной в рамках этой программы, команда смогла взглянуть на весь процесс проектирования, использовать различные модели и предоставить не только лучший дизайнерский образец, но и все другие возможные варианты дизайна с предсказанными результатами.
«Одним из важнейших аспектов проектирования такого типа судов является сложная физика, связанная с суперкавитирующими подводными крыльями — составными частями судна, обеспечивающими оптимальное соотношение подёмной силы и сопротивления»,
— говорит Фахру. «
Мало экспериментальных данных доступно даже для простых суперкавитирующих крыльев, и разрешение турбулентного многофазного потока вокруг трехмерных сложных структур, подобных этим, является сложной вычислительной задачей. Основанные на EQUiPS исследования привели к разработке новых концепций моделирования с множеством способов оптимизации с учетом рисков, кратно уменьшющих затраты на моделирование и оптимизацию»
.
Массачусетский технологический институт, Виргинский политехнический университет, Калифорнийский университет, Санта-Круз и Морская школа последипломного образования работают с Браунским университетом над разработкой облика новых подводных крыльев.
Другая команда исследователей EQUiPS в Стэнфордском университете использует методы EQUiPS в исследовании, которое стремится оптимизировать конструкцию сверхзвукового сопла реактивного двигателя для обеспечения максимальной эффективности тяги. Современные передовые технологии проектирования сопел не могут учитывать большое количество переменных, включая рабочие условия и характеристики сопел, а также неопределенности, связанные с этими переменными. Сосредоточившись на модели, похожей на реальный авиационный двигатель, исследователи использовали новые инструменты математического моделирования, чтобы уменьшить число параметров до управляемого подмножества. В частности, применяя методы EQUiPS к аэротермическому структурному моделированию реактивного сопла, исследователи смогли уменьшить число параметров формы сопла, таких как размер и толщина материала, от 28 различных признаков до семи, превратив нерешаемую проектировочную проблему в систему, которая является относительно разрешимой и потенциально сокращает время цикла проектирования.
«Мы видим мир в трех измерениях, но представьте себе, насколько сложно все могло бы выглядеть, если бы оно состояло из 28 измерений, и насколько проще было бы жить, если бы мы смогли свести эти 28 измерений до семи»,
— сказал Фахру.
«Это то, что составляет огромную разницу в подходах EQUiPS».
Школа шахт Колорадо, Мичиганский университет и Сандийские национальные лаборатории работают со Стэнфордом над созданием сверхзвукового сопла.
«В конечном счете, мы хотим более высокого уровня уверенности в производительности конкретного проекта»
, — заявляет Фэхру. Мы хотим быть в состоянии повысить точность моделей и учитывать неопределенность в рабочей среде, но при меньших вычислительных затратах и времени на обработку. Исследования EQUiPS в этих различных областях позволяют создавать высокоэффективные, надежные и надежные системы, создавая технологии для управления рисками и неопределенностями на всех этапах процесса проектирования».
П.С.: Фэриба Фэхру рассказывает о своих программах, включая EQUiPS:
Источкник: http://www.darpa.mil/news-events/2017-05-17
