科学计算语言Julia及MWORKS实践 课件 1-科学计算与系统建模仿真应用场景

一、Julia语言及MWORKS简介1.1科学计算与系统建模仿真应用场景1.2MWORKS平台简介1.3MWORKS.Syslab功能简介1.4MWORKS.Sysplorer功能简介1.5Julia语言简介1.1、科学计算与系统建模仿真应用场景现代复杂工程系统示例——飞机航空产品系统规模与复杂性变化趋势早期的飞机可将其归类为“ComplicatedSystem”，即可以进行分解的复杂系统；现代的飞机越来越复杂，飞机系统及系统内部的深度交联，航空产品从一个“ComplicatedSystem”逐渐向“ComplexSystem”转变，即由可分解的复杂系统向不可分解的复杂系统转变。1.1、科学计算与系统建模仿真应用场景为实现长期载人可靠飞行并开展有人参与的多领域空间科学实验与技术试验，中国空间站全系统以“1=1+1+1”

的方式构建，即整站功能被系统分解至3个舱段。两个实验舱分别位于天和核心舱左右两侧，共同形成对称的“T”字构型。天和核心舱：负责空间站平台的统一管理和控制，并作为目标飞行器支持来访飞行器交会对接、转位与停泊。问天实验舱：可以对天和核心舱平台功能进行系统级备份，能够在应急情况下“整体接管”空间站。梦天实验舱：具备平台重要功能和关键设备的备份能力，可以为航天员在密封舱内工作、开展舱内及舱外空间实（试）验提供保障条件。现代复杂工程系统示例——空间站1.1、科学计算与系统建模仿真应用场景现代复杂工程系统示例——空间站空间站系统复杂度高，涉及到能源、环境、控制、信息、推进等多学科、多系统。它的复杂还在于，一个专业设计如果发生了调整变化，会带来一系列的对周边系统的影响。五院空间站系统总指挥王翔举了一个简单的例子：“比如说空间站最终在天上组装建造完成，有一个很重要的动作就是要转位。整个空间站几个舱的动力学模型分别出自不同的单位，我们有负责结构设计的单位，有负责大帆板研制的单位。那么转位又要用转位臂进行平面转位的操作。在转位的过程中姿态变了，帆板受太阳的照射就变了，可能发电的性能和最后的供电的输出就全变了。”从航天器的整理功能和性能出发，需要把握各分系统之间的相互联系，各专业之间的耦合关系越来越紧密。1.1、科学计算与系统建模仿真应用场景现代复杂工程系统示例——深空探测10AU火星44次土星5次118次月球金星41次地球成功66次成功率57%深空探测：240余次。月球是太阳系探测的试验场,是迈向更远深空的中转站；月球科学研究对推动空间科学发展具有重要作用；月球资源开发利用对人类的可持续发展具有重要意义。月球作为地球唯一的卫星和最近的地外天体，在人类空间探索中的地位独一无二。1.1、科学计算与系统建模仿真应用场景现代复杂工程系统示例——深空探测ISECG全球探索路线图(2018)月球火星美国深空之门中国国际月球科研站发展态势：近地轨道

地月空间

火星美、俄、中；欧、日、印、以、英、韩……首要目标：月球探测探测重点：掌握技术探测模式：单点短期

长期可持续国际合作：分担经费与风险，共享成果与发展探测区域：逐渐聚焦资源富集的月球南极科学研究、资源开发俄罗斯欧空局月球村倡议2036-2040年建成月球基地2024年前11次任务8次2次美国深空之门载人登月月球基地1次2027年前，4次任务进入新世纪以来，月球正成为航天大国战略角逐的制高点。1.1、科学计算与系统建模仿真应用场景现代复杂工程系统示例——深空探测探月工程二期落探月工程三期回人机联合探测机器人月球探测载人月球探测

-科学探测-技术试验-资源开发利用-……-载人往返技术-再生生保技术-出舱技术-……-能源保障-通信保障-生命保障-运输保障-运营保障-……

探月工程四期……我国嫦娥系列任务五战五捷，基本具备从跟跑向领跑转变的能力。探月工程一期绕国际月球科研站大科学工程持续开展技术突破1.1、科学计算与系统建模仿真应用场景现代复杂工程系统示例——深空探测定位：月面基础设施和共享平台。建设思路：中国牵头，多国参与。特点：多学科、多目标、多主体；可扩展、可维护。设计理念：功能模块化、接口标准化、设计数字化。国际月球科研站(InternationalLunarResearchStation,ILRS)多领域耦合更强技术难度更大任务周期更长运营维护更难协同挑战更多ILRS已成为我国首批大科学工程培育项目。1.1、科学计算与系统建模仿真应用场景现代复杂工程系统示例——深空探测多领域耦合更强复杂程度更高技术难度更大任务周期更长协同挑战更多中国如何牵头组织迫切需要解决，大型复杂系统工程的：

跨领域统一、跨层次集成、跨阶段持续、跨地域协同。1.1、科学计算与系统建模仿真应用场景现代复杂工程系统特点全流程统一多领域统一信息物理融合复杂性高成本高需要高可靠性多系统交联多层次结构多学科耦合多团队协作知识密集大量先进材料大量试验活动大量维护活动研制周期长制造费用高运行环境多样安全性与可靠性设计难度大规范性要求高适航要求高统一标准体系统一系统架构原理转换传递接口互联互通多领域耦合跨专业集成多层次集成求解高效实时虚实交互反馈数据融合分析决策迭代优化机理数据混合系统特点需要做到1.1、科学计算与系统建模仿真应用场景现代复杂工程系统演变趋势第一次工业革命第二次工业革命第三次工业革命第四次工业革命数字化智能化信息化电气化网络化机械化复杂装备数字研发、交付和运维1.1、科学计算与系统建模仿真应用场景现代复杂工程系统研制方法理论分析试制试验系统理论分析系统仿真物理试验可操纵性差难以观测试验成本高危险性较高试验要求高......可操纵性强可观测性经济性好可预测性扩大试验范围......1.1、科学计算与系统建模仿真应用场景现代复杂工程系统研制方法物理空间数字世界模型虚拟设计交付系统需求研制要求初步设计详细设计产品实现系统集成产品测试产品验证交付确认服务维护虚拟确认虚拟维护虚拟运行虚拟集成虚拟验证需求建模虚拟实现设计建模架构建模仿真建模数字主线设计物理1.1、科学计算与系统建模仿真应用场景现代复杂工程系统研制方法信息物理融合系统(Cyber-PhysicalSystems，CPS)：由一些能够相互通讯的计算机设备组成，这些计算机设备能够通过传感器和作动器与物理世界实现反馈闭环式交互。信息域物理域网络计算软件物理组件环境模型机械电气