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

　　佐治亞科技面前正展現出一副廣闊的藍圖：在制造新一代火箭、飛機、潛艇和其它復雜工程項目領(lǐng)域，利用JMP軟件，ASDL(空間系統實(shí)驗室)的研發(fā)工程師們正迎接挑戰，探尋著(zhù)各種可能的機會(huì )空間。

　　重返月球、火星，甚至是更遠的空間，美國國會(huì )如何才能夠制訂相應的項目預算?航空航天公司如何利用最新技術(shù)開(kāi)發(fā)商用超音速客機?如何才能夠使下一代美國軍用戰斗機負重最小、速度最快、航程最遠?

　　美國佐治亞理工學(xué)院空間系統實(shí)驗室(ASDL: Aerospace Systems Design Laboratory)幫助使這些夢(mèng)想成真。為了實(shí)現加強安全、減少環(huán)境影響、降低采購和運營(yíng)成本的最終目標，研究所總監Dimitri Mavris、Michelle Kirby和其它研發(fā)工程師們在各種試驗設置中使用頂級軟件JMP，幫助工業(yè)界、軍方以及政府部門(mén)的組織機構，進(jìn)行著(zhù)世界上最先進(jìn)最成熟的工程設計。在這里，所有項目都非常復雜，大部分與航空航天相關(guān)。“系統設計是分別獨立的，所以，與其它工程學(xué)科相比，協(xié)同計劃在這里更重要。”Kirby說(shuō)，“對于航空航天學(xué)來(lái)說(shuō)，協(xié)同合作是關(guān)鍵。”ASDL正是為完成這樣的工作而設，Mavris說(shuō)到，“在系統系統化領(lǐng)域，ASDL是最先進(jìn)的機構，處于尖端。” Mavris解釋說(shuō)，在A(yíng)SDL出現之前，當工業(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)結教育界與工業(yè)界、設計與制造、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(zhuān)家推動(dòng)項目，離開(kāi)的時(shí)候，成為更有價(jià)值的系統整合專(zhuān)家。”Mavris說(shuō)。盡管政府和工業(yè)界一年在A(yíng)SDL試驗室投入800萬(wàn)美元，“但是我們的目的不是賺取利潤，我們的目標是培養新一代的工程專(zhuān)家。”Mavris說(shuō)。Mavris和他的25名員工在培養本科生、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(mén)創(chuàng )造了新一代的適用且高質(zhì)量的系統。

　　1994年，Mavirs發(fā)現了SAS旗下的統計發(fā)現軟件JMP，決定將它作為工具應用于他的實(shí)驗室。當他看到JMP在生命科學(xué)領(lǐng)域的應用案例時(shí)，他知道這個(gè)軟件能夠幫助他的團隊完成真實(shí)的實(shí)驗。他回憶到：“我看到的是在老鼠身上做試驗，但是我想到的卻是將它應用在火箭上。”很快，他發(fā)現JMP有互動(dòng)分析和數據可視化功能，而這些功能是設計最佳系統所必須的。“發(fā)明可視化功能的那個(gè)人真是個(gè)天才，”Mavris說(shuō)。 “我們不再需要自已設計工具，”他說(shuō)。“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)為工程師所設計的強大的工具。JMP使你能夠不受資源限制地完成工作。”隨著(zhù)JMP在實(shí)驗室的推廣應用，現在幾乎每一個(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應用于傳統方式是遠遠不夠的，這款交互軟件能夠實(shí)現特殊環(huán)境，Mavris說(shuō)。“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)驗室稱(chēng)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，能夠顯示所有的數據。”

　　多媒體墻面如此之大的原因是運算變量太多，模型數量龐大。巨大的顯示墻面使各協(xié)同參與者能夠清楚地觀(guān)測、理解系統模型。在使用COVE之前，只能使用翻頁(yè)來(lái)顯示JMP圖形分析，影響展示效果。“總是翻頁(yè)，多幾次觀(guān)眾就會(huì )不耐煩了。”Mavris說(shuō)。但是這種情況在COVE中不會(huì )發(fā)生，Mavris說(shuō)，“對觀(guān)眾來(lái)說(shuō)，所見(jiàn)即所得。每件產(chǎn)品的突破幾乎都在JMP中體現了。”

　　交互式地探索可選方案

　　一些基于物理意義的計算動(dòng)態(tài)模型，比如NASA的那些模型，運營(yíng)成本非常高昂，且無(wú)法實(shí)時(shí)運行假設分析，而實(shí)際的決策依賴(lài)于實(shí)時(shí)模型。Mavris面臨著(zhù)挑戰是：對于物理模型運行單個(gè)設計已經(jīng)需時(shí)頗久，他的團隊如何才能交互式地探測各種選擇方案?答案很簡(jiǎn)單：使用替代模型。如其名所示，替代統計模型能夠扮演昂貴物理模型、專(zhuān)利數學(xué)模型或者計算密集型模擬模型的角色。

　　ASDL承接的巨型項目，其中有些需要保密，大部分都有競爭對手，對于這些項目來(lái)說(shuō)，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，供應商或者研發(fā)合作者將不得不被迫共享專(zhuān)利信息;出于競爭因素的考慮，共享是困難的，Mavris說(shuō)。“所以，替代模型是共享假設信息的安全途徑，不需要擔心真實(shí)信息泄露。這些模型是無(wú)法倒推演算的，所以我們避開(kāi)了政治壁壘和各機構間的競爭壁壘。”

　　從事一些在數年內都不會(huì )進(jìn)行規?；a(chǎn)的工作，工程師們不應該囿于現有參數的束縛，一旦進(jìn)入生產(chǎn)程序，這些參數可能會(huì )變得過(guò)時(shí)。與此恰恰相反，合作各方可以以變量來(lái)代替常量來(lái)開(kāi)展當前的工作，設計者無(wú)須擔心將來(lái)會(huì )發(fā)生什么，所有的設計計劃都可以基于不同的假設和條件運行，Mavris說(shuō)。 “面對如此巨量的數據和變量，替代模型使我們能夠批量處理數據，而不是糾纏于數據細節，”Mavris說(shuō)。“數據模型加快了處理速度。”相同規模的數學(xué)模型太過(guò)龐大，無(wú)法快速有效地運行假設環(huán)境。首先由替代模型進(jìn)行演算，再由昂貴的數學(xué)模型進(jìn)行精確演算。這些替代模型運行在一臺戴爾超級計算機系統上，這個(gè)系統與佐治亞科技物理學(xué)部門(mén)的另一臺相仿的計算機系統一起，提供1024個(gè)中央處理器的并行運算。

　　蒙特卡洛篩選

　　在A(yíng)SDL，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如何應用于與空軍戰斗機和防空防御相關(guān)的軍用目標模擬。模擬的目的是探測什么樣的武器系統能夠擊中目標，這些武器系統具有什么樣的特征。這項研究面臨的主要科技方面的挑戰，是如何執行概率分析，以及如何將復雜的多維運算結果可視化。

　　利用替代模型，執行基于物理意義的設計工具的精確相似，可以快速得到符合要求的要點(diǎn)設計。替代模型能夠即時(shí)運行蒙特卡洛模擬，這兩項技術(shù)相結合可以實(shí)現運行能力設計以及技術(shù)探測。使用子系統層次輸入參數的一致分布，能夠快速評估一個(gè)在“系統系統化”層面的特定解決方案的有效性。蒙特卡洛過(guò)濾技術(shù)將成百上千的解決方案過(guò)濾、減少至少數幾個(gè)，這是通過(guò)應用最高層級的常量，以及在系統和子系統連續確認剩余的解決方案來(lái)實(shí)現的。這樣，工作的重點(diǎn)由探測復雜的多維數學(xué)空間轉移到快速排查某個(gè)數據庫模擬。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會(huì )空間。普通圖表只能顯示三維，而蒙特卡洛過(guò)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，用所設條件篩選，剩余下來(lái)的點(diǎn)可以用來(lái)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)數學(xué)優(yōu)化只能得到一個(gè)解決方案，而蒙特卡洛過(guò)濾可以得到所有滿(mǎn)足條件的解決方案集合。蒙特卡洛過(guò)濾提供了選擇的多樣性。眾所周知，達到同一個(gè)目標可能有多種方法。

　　此過(guò)程中使用的另一項技術(shù)是表面輪廓特征，這個(gè)特征可以形成執行(替代模型捕捉到的)參數曲面的三維立方體。Biltgen描述了64種不相關(guān)聯(lián)的空軍模擬運行狀態(tài)，他說(shuō)：“我們可以得到八個(gè)立方體，當參數滑桿移動(dòng)，這些立方體就相應地隨之發(fā)生變化。”“這個(gè)功能太神奇了!”根據Biltgen的描述，可以用圖形化的方式來(lái)同時(shí)排查多個(gè)復雜的多維空間，使基于運算能力的設計成為可能。“我們面臨的首要問(wèn)題是我們可以做出成百上千個(gè)設計，但是決策者們可不想看那么多方案，”Biltgen說(shuō)。“JMP的可視化功能使決策者們能夠了解排查過(guò)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(lái)表達。”他說(shuō)。

　　“神奇”這兩個(gè)字應該也可以用來(lái)形容下一代商用噴氣式飛機 — ASDL的另一個(gè)項目。工程師們在設計初期就開(kāi)始分析各種性能的權衡，考慮與噪音限制要求、排放量標準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出來(lái)，形成整個(gè)系統的標準，有效地檢測所有設計方案。”在《使用響應面方法分析超音速靜音飛機發(fā)動(dòng)機性能平衡》一文中，Simon Briceno和Mavris寫(xiě)道。“這個(gè)方法可以在設計方案集合內分析所有可以辨識的方案。”使用此方法，可以設計出符合所有要求且成本最優(yōu)的超音速靜音飛機發(fā)動(dòng)機。“此方法使決策者們可以在設計的最初階段嘗試各種假設，權衡利弊，在整個(gè)系統層面考察各種權衡的結果。此外，設計者們也可以深入了解不同參數可能對整個(gè)設計帶來(lái)的巨大影響。”

　　在一篇為世界航空航天大會(huì )撰寫(xiě)的論文中，ASDL的Peter Hollingsworth和Mavris描述了可以實(shí)際運用于極超音速戰斗機的假設分析方法。極超音速戰斗機可以達到超過(guò)音速五倍的速度。在開(kāi)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)假設問(wèn)題可以是：如果極超音速飛機不但要能夠在陸地上起降，而且要能夠在航母上起降，該如何設計?

　　“在最初的戰斗機設計階段，設計者們很有可能永遠不會(huì )考慮到陸地、航母雙起降功能技術(shù)，也不會(huì )執行相關(guān)的模塊。正因為如此，如果(在后期)再要求添加航母起降兼容功能，可能會(huì )造成整個(gè)系統不可行。”

　　任何人都不想造成極超音速飛機、超音速飛機，或者其它任何復雜系統不可行的局面，Kirby說(shuō)，如果各種假設能夠運行，各種利弊可以權衡，最好在設計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(shuō)到，“要知道，我們是JMP的重量級用戶(hù)。”