JMP幫助美國佐治亞理工學(xué)院空間系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室(ASDL)進(jìn)行尖端技術(shù)研發(fā)

佐治亞科技面前正展現(xiàn)出一副廣闊的藍(lán)圖：在制造新一代火箭、飛機(jī)、潛艇和其它復(fù)雜工程項(xiàng)目領(lǐng)域，利用JMP軟件，ASDL(空間系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室)的研發(fā)工程師們正迎接挑戰(zhàn)，探尋著各種可能的機(jī)會空間。
重返月球、火星，甚至是更遠(yuǎn)的空間，美國國會如何才能夠制訂相應(yīng)的項(xiàng)目預(yù)算?航空航天公司如何利用最新技術(shù)開發(fā)商用超音速客機(jī)?如何才能夠使下一代美國軍用戰(zhàn)斗機(jī)負(fù)重最小、速度最快、航程最遠(yuǎn)?
美國佐治亞理工學(xué)院空間系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室(ASDL: Aerospace Systems Design Laboratory)幫助使這些夢想成真。為了實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)安全、減少環(huán)境影響、降低采購和運(yùn)營成本的最終目標(biāo)，研究所總監(jiān)Dimitri Mavris、Michelle Kirby和其它研發(fā)工程師們在各種試驗(yàn)設(shè)置中使用頂級軟件JMP，幫助工業(yè)界、軍方以及政府部門的組織機(jī)構(gòu)，進(jìn)行著世界上最先進(jìn)最成熟的工程設(shè)計(jì)。在這里，所有項(xiàng)目都非常復(fù)雜，大部分與航空航天相關(guān)。“系統(tǒng)設(shè)計(jì)是分別獨(dú)立的，所以，與其它工程學(xué)科相比，協(xié)同計(jì)劃在這里更重要。”Kirby說，“對于航空航天學(xué)來說，協(xié)同合作是關(guān)鍵。”ASDL正是為完成這樣的工作而設(shè)，Mavris說到，“在系統(tǒng)系統(tǒng)化領(lǐng)域，ASDL是最先進(jìn)的機(jī)構(gòu)，處于尖端。” Mavris解釋說，在ASDL出現(xiàn)之前，當(dāng)工業(yè)界領(lǐng)袖尋求合格雇員時(shí)，大學(xué)教育提供的畢業(yè)生往往缺乏特定技能。Mavris試圖縮小教育與用工企業(yè)之間的缺口，在1992年創(chuàng)辦了ASDL，以聯(lián)結(jié)教育界與工業(yè)界、設(shè)計(jì)與制造、科技與工程之間的跨越。“學(xué)生們在的時(shí)候，作為熟練的專家推動項(xiàng)目，離開的時(shí)候，成為更有價(jià)值的系統(tǒng)整合專家。”Mavris說。盡管政府和工業(yè)界一年在ASDL試驗(yàn)室投入800萬美元，“但是我們的目的不是賺取利潤，我們的目標(biāo)是培養(yǎng)新一代的工程專家。”Mavris說。Mavris和他的25名員工在培養(yǎng)本科生、研究生的同時(shí)，這兩百多名學(xué)生也為工業(yè)界和政府部門創(chuàng)造了新一代的適用且高質(zhì)量的系統(tǒng)。
1994年，Mavirs發(fā)現(xiàn)了SAS旗下的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)軟件JMP，決定將它作為工具應(yīng)用于他的實(shí)驗(yàn)室。當(dāng)他看到JMP在生命科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用案例時(shí)，他知道這個(gè)軟件能夠幫助他的團(tuán)隊(duì)完成真實(shí)的實(shí)驗(yàn)。他回憶到：“我看到的是在老鼠身上做試驗(yàn)，但是我想到的卻是將它應(yīng)用在火箭上。”很快，他發(fā)現(xiàn)JMP有互動分析和數(shù)據(jù)可視化功能，而這些功能是設(shè)計(jì)最佳系統(tǒng)所必須的。“發(fā)明可視化功能的那個(gè)人真是個(gè)天才，”Mavris說。 “我們不再需要自已設(shè)計(jì)工具，”他說。“我們需要的是一個(gè)一體化工具包，這正是JMP所提供的。它是一個(gè)為工程師所設(shè)計(jì)的強(qiáng)大的工具。JMP使你能夠不受資源限制地完成工作。”隨著JMP在實(shí)驗(yàn)室的推廣應(yīng)用，現(xiàn)在幾乎每一個(gè)就讀碩士學(xué)位的學(xué)生都在使用它。
協(xié)同可視化環(huán)境
僅僅將JMP應(yīng)用于傳統(tǒng)方式是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，這款交互軟件能夠?qū)崿F(xiàn)特殊環(huán)境，Mavris說。“我們希望建立一個(gè)不同于其它任何實(shí)體的組織。”他做到了，這個(gè)新產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)室稱為“協(xié)同可視化環(huán)境”，即COVE，它由12塊屏幕組成一個(gè)10英尺高、18英尺寬的多媒體墻面。“它創(chuàng)建了一個(gè)信息匯總系統(tǒng)，能夠顯示所有的數(shù)據(jù)。”
多媒體墻面如此之大的原因是運(yùn)算變量太多，模型數(shù)量龐大。巨大的顯示墻面使各協(xié)同參與者能夠清楚地觀測、理解系統(tǒng)模型。在使用COVE之前，只能使用翻頁來顯示JMP圖形分析，影響展示效果。“總是翻頁，多幾次觀眾就會不耐煩了。”Mavris說。但是這種情況在COVE中不會發(fā)生，Mavris說，“對觀眾來說，所見即所得。每件產(chǎn)品的突破幾乎都在JMP中體現(xiàn)了。”
交互式地探索可選方案
一些基于物理意義的計(jì)算動態(tài)模型，比如NASA的那些模型，運(yùn)營成本非常高昂，且無法實(shí)時(shí)運(yùn)行假設(shè)分析，而實(shí)際的決策依賴于實(shí)時(shí)模型。Mavris面臨著挑戰(zhàn)是：對于物理模型運(yùn)行單個(gè)設(shè)計(jì)已經(jīng)需時(shí)頗久，他的團(tuán)隊(duì)如何才能交互式地探測各種選擇方案?答案很簡單：使用替代模型。如其名所示，替代統(tǒng)計(jì)模型能夠扮演昂貴物理模型、專利數(shù)學(xué)模型或者計(jì)算密集型模擬模型的角色。
ASDL承接的巨型項(xiàng)目，其中有些需要保密，大部分都有競爭對手，對于這些項(xiàng)目來說，替代模型成為實(shí)際的溝通工具。如果工程師們要求使用真實(shí)參數(shù)，供應(yīng)商或者研發(fā)合作者將不得不被迫共享專利信息;出于競爭因素的考慮，共享是困難的，Mavris說。“所以，替代模型是共享假設(shè)信息的安全途徑，不需要擔(dān)心真實(shí)信息泄露。這些模型是無法倒推演算的，所以我們避開了政治壁壘和各機(jī)構(gòu)間的競爭壁壘。”
從事一些在數(shù)年內(nèi)都不會進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)的工作，工程師們不應(yīng)該囿于現(xiàn)有參數(shù)的束縛，一旦進(jìn)入生產(chǎn)程序，這些參數(shù)可能會變得過時(shí)。與此恰恰相反，合作各方可以以變量來代替常量來開展當(dāng)前的工作，設(shè)計(jì)者無須擔(dān)心將來會發(fā)生什么，所有的設(shè)計(jì)計(jì)劃都可以基于不同的假設(shè)和條件運(yùn)行，Mavris說。 “面對如此巨量的數(shù)據(jù)和變量，替代模型使我們能夠批量處理數(shù)據(jù)，而不是糾纏于數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)，”Mavris說。“數(shù)據(jù)模型加快了處理速度。”相同規(guī)模的數(shù)學(xué)模型太過龐大，無法快速有效地運(yùn)行假設(shè)環(huán)境。首先由替代模型進(jìn)行演算，再由昂貴的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行精確演算。這些替代模型運(yùn)行在一臺戴爾超級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上，這個(gè)系統(tǒng)與佐治亞科技物理學(xué)部門的另一臺相仿的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一起，提供1024個(gè)中央處理器的并行運(yùn)算。
蒙特卡洛篩選
在ASDL，另一個(gè)建模的重要方法是蒙特卡洛模擬。研究生學(xué)者Pat Biltgen演示了JMP如何應(yīng)用于與空軍戰(zhàn)斗機(jī)和防空防御相關(guān)的軍用目標(biāo)模擬。模擬的目的是探測什么樣的武器系統(tǒng)能夠擊中目標(biāo)，這些武器系統(tǒng)具有什么樣的特征。這項(xiàng)研究面臨的主要科技方面的挑戰(zhàn)，是如何執(zhí)行概率分析，以及如何將復(fù)雜的多維運(yùn)算結(jié)果可視化。
利用替代模型，執(zhí)行基于物理意義的設(shè)計(jì)工具的精確相似，可以快速得到符合要求的要點(diǎn)設(shè)計(jì)。替代模型能夠即時(shí)運(yùn)行蒙特卡洛模擬，這兩項(xiàng)技術(shù)相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行能力設(shè)計(jì)以及技術(shù)探測。使用子系統(tǒng)層次輸入?yún)?shù)的一致分布，能夠快速評估一個(gè)在“系統(tǒng)系統(tǒng)化”層面的特定解決方案的有效性。蒙特卡洛過濾技術(shù)將成百上千的解決方案過濾、減少至少數(shù)幾個(gè)，這是通過應(yīng)用最高層級的常量，以及在系統(tǒng)和子系統(tǒng)連續(xù)確認(rèn)剩余的解決方案來實(shí)現(xiàn)的。這樣，工作的重點(diǎn)由探測復(fù)雜的多維數(shù)學(xué)空間轉(zhuǎn)移到快速排查某個(gè)數(shù)據(jù)庫模擬。即使樣本點(diǎn)眾多，工程師們也可以用散點(diǎn)圖矩陣多方向、圖形化表現(xiàn)所有的可能性。隨后他們可以深入分析樣本點(diǎn)，選擇出他們想要的樣本點(diǎn)，或者選擇出想要刪除的不可行樣本點(diǎn)，直到剩下的樣本點(diǎn)能夠定義他們所需要的機(jī)會空間。普通圖表只能顯示三維，而蒙特卡洛過濾可以在更多維度上顯示概率。每一個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)可能性探測，用所設(shè)條件篩選，剩余下來的點(diǎn)可以用來做進(jìn)一步的篩選。工程師們所尋求的正是選擇的多樣性。一個(gè)數(shù)學(xué)優(yōu)化只能得到一個(gè)解決方案，而蒙特卡洛過濾可以得到所有滿足條件的解決方案集合。蒙特卡洛過濾提供了選擇的多樣性。眾所周知，達(dá)到同一個(gè)目標(biāo)可能有多種方法。[!--empirenews.page--]
此過程中使用的另一項(xiàng)技術(shù)是表面輪廓特征，這個(gè)特征可以形成執(zhí)行(替代模型捕捉到的)參數(shù)曲面的三維立方體。Biltgen描述了64種不相關(guān)聯(lián)的空軍模擬運(yùn)行狀態(tài)，他說：“我們可以得到八個(gè)立方體，當(dāng)參數(shù)滑桿移動，這些立方體就相應(yīng)地隨之發(fā)生變化。”“這個(gè)功能太神奇了!”根據(jù)Biltgen的描述，可以用圖形化的方式來同時(shí)排查多個(gè)復(fù)雜的多維空間，使基于運(yùn)算能力的設(shè)計(jì)成為可能。“我們面臨的首要問題是我們可以做出成百上千個(gè)設(shè)計(jì)，但是決策者們可不想看那么多方案，”Biltgen說。“JMP的可視化功能使決策者們能夠了解排查過程，得到大量信息，除了可視化功能，這些信息不可能用別的方法來表達(dá)。”他說。
“神奇”這兩個(gè)字應(yīng)該也可以用來形容下一代商用噴氣式飛機(jī) — ASDL的另一個(gè)項(xiàng)目。工程師們在設(shè)計(jì)初期就開始分析各種性能的權(quán)衡，考慮與噪音限制要求、排放量標(biāo)準(zhǔn)和燃料消耗控制相關(guān)的各種變量。“這個(gè)方法將各種特性用圖形表達(dá)出來，形成整個(gè)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，有效地檢測所有設(shè)計(jì)方案。”在《使用響應(yīng)面方法分析超音速靜音飛機(jī)發(fā)動機(jī)性能平衡》一文中，Simon Briceno和Mavris寫道。“這個(gè)方法可以在設(shè)計(jì)方案集合內(nèi)分析所有可以辨識的方案。”使用此方法，可以設(shè)計(jì)出符合所有要求且成本最優(yōu)的超音速靜音飛機(jī)發(fā)動機(jī)。“此方法使決策者們可以在設(shè)計(jì)的最初階段嘗試各種假設(shè)，權(quán)衡利弊，在整個(gè)系統(tǒng)層面考察各種權(quán)衡的結(jié)果。此外，設(shè)計(jì)者們也可以深入了解不同參數(shù)可能對整個(gè)設(shè)計(jì)帶來的巨大影響。”
在一篇為世界航空航天大會撰寫的論文中，ASDL的Peter Hollingsworth和Mavris描述了可以實(shí)際運(yùn)用于極超音速戰(zhàn)斗機(jī)的假設(shè)分析方法。極超音速戰(zhàn)斗機(jī)可以達(dá)到超過音速五倍的速度。在開放且不斷演進(jìn)的需求中，可以探測不同的概念。比如，一個(gè)假設(shè)問題可以是：如果極超音速飛機(jī)不但要能夠在陸地上起降，而且要能夠在航母上起降，該如何設(shè)計(jì)?
“在最初的戰(zhàn)斗機(jī)設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)者們很有可能永遠(yuǎn)不會考慮到陸地、航母雙起降功能技術(shù)，也不會執(zhí)行相關(guān)的模塊。正因?yàn)槿绱?，如?在后期)再要求添加航母起降兼容功能，可能會造成整個(gè)系統(tǒng)不可行。”
任何人都不想造成極超音速飛機(jī)、超音速飛機(jī)，或者其它任何復(fù)雜系統(tǒng)不可行的局面，Kirby說，如果各種假設(shè)能夠運(yùn)行，各種利弊可以權(quán)衡，最好在設(shè)計(jì)的初期階段就考慮到各種可能性。“JMP是這一切的核心，它是一切的關(guān)鍵，”Kirby說到，“要知道，我們是JMP的重量級用戶。”