美國航空航天中的產(chǎn)品研發(fā)和質(zhì)量管理

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"我們的每一個(gè)產(chǎn)品（導(dǎo)彈，戰(zhàn)斗機(jī)等），其突破性進(jìn)展都是在JMP的幫助下實(shí)現(xiàn)的。"——Dimitri Mavris 宇航系統(tǒng)研發(fā)實(shí)驗(yàn)室（ASDL） 喬治亞科技中心總監(jiān)
　　通過交互分析找到關(guān)鍵因素(Exploring options interactively)
　　在NASA, 一些基于物理學(xué)的計(jì)算方法還不錯(cuò)，但是那些方法一來運(yùn)行費(fèi)用很昂貴，二來沒法在實(shí)時(shí)環(huán)境里面運(yùn)行。然而高效的研發(fā)要求人們必須工具實(shí)時(shí)（檢驗(yàn)或者生產(chǎn)）建模的結(jié)果作出快速?zèng)Q策。 那么Mavris的挑戰(zhàn)就是，他的團(tuán)隊(duì)如何通過交互分析找到關(guān)鍵因素呢？尤其當(dāng)運(yùn)行一個(gè)設(shè)計(jì)假設(shè)需要好幾個(gè)小時(shí)的時(shí)候？ 答案是：Surrogate Modeling(替代建模). 正如字面所揭示的那樣，替代建模可以描述昂貴的物理建模、專有數(shù)學(xué)模型以及高強(qiáng)度的模擬仿真。
　　替代建模實(shí)際上已經(jīng)成為ASDL在大型項(xiàng)目、保密項(xiàng)目中的標(biāo)準(zhǔn)溝通語言。如果工程師分析所有實(shí)時(shí)參數(shù)，那么所有供應(yīng)商和研發(fā)合作機(jī)構(gòu)就不得不彼此分享他們的專利/產(chǎn)權(quán)信息：而這些是大多數(shù)公司所不愿意提供的。這樣的背景下，替代建模是一個(gè)安全的共享信息的方法，同時(shí)又不必?fù)?dān)心關(guān)鍵信息泄漏：因?yàn)檫@些模型沒法被反向破解。
　　想象一下一個(gè)大型開發(fā)項(xiàng)目，政府投入了巨額資金，但是好多年過去了仍然沒有成品……這樣的研發(fā)最頭疼。 工程師不應(yīng)該被目前的參數(shù)所限制，而且，這些“當(dāng)前參數(shù)”很容易被生產(chǎn)線迅速更新，而變成“過期參數(shù)”。研發(fā)人員應(yīng)該更多使用變量而非常量去對產(chǎn)品的特性進(jìn)行考察。因此，變量的多少和變量的代表性對產(chǎn)品研發(fā)大有影響。 Mavris說，“通常我們需要處理的變量非常多。大量變量組成了巨大的數(shù)據(jù)集。JMP的替代建模方法可以輕易處理大批量數(shù)據(jù)，找到規(guī)律性的模型，大大加速了數(shù)據(jù)分析的效率”
　　采用過濾型蒙特卡洛(Filtered Monte Carlo in action)
　　ASDL的另一種重要的建模方式：過濾型蒙特卡洛。高級研究員Pat Biltgen演示了將JMP應(yīng)用于包括空襲飛行器和防空掩護(hù)在內(nèi)的軍事目標(biāo)模擬。這樣做的目的是了解武器系統(tǒng)是如何瞄準(zhǔn)目標(biāo)，成功系統(tǒng)的特質(zhì)又是如何。此項(xiàng)研究的技術(shù)核心問題是需要快速地執(zhí)行概率分析和將復(fù)雜的大型分析結(jié)果可視化可視化。
　　在替代建模的理念指導(dǎo)下，應(yīng)用基于物理學(xué)高度近似的設(shè)計(jì)工具能夠迅速地創(chuàng)建出要點(diǎn)設(shè)計(jì)方案。替代建模還能夠使高速運(yùn)作的蒙特卡洛模擬幾乎同步進(jìn)行。這兩項(xiàng)技術(shù)的整合使基于能力的設(shè)計(jì)和技術(shù)探索成為可能。使用子系統(tǒng)層面的輸入?yún)?shù)的均勻分布，使得計(jì)劃設(shè)計(jì)方案在整個(gè)系統(tǒng)層面上的效率可以得到快速評估。 然后，通過添加最高層面的限制條件和識別系統(tǒng)、子系統(tǒng)等各層面的遺留方案，過濾型蒙特卡洛技術(shù)被用于“過濾”或減少成百上千的解決方案的數(shù)量。
現(xiàn)在，這個(gè)工作已從探索一個(gè)復(fù)雜的多維數(shù)學(xué)空間轉(zhuǎn)變?yōu)楸憬菘焖俚哪M數(shù)據(jù)庫查詢。即使存在數(shù)十萬級的點(diǎn)，工程師們也可以從各個(gè)方向用圖形的方式，如散點(diǎn)圖矩陣，觀察到所有的可能性。之后，他們開始處理這些點(diǎn)，選中合適的，排除不合適的，直到圈定點(diǎn)所組成的機(jī)會(huì)空間滿足他們的要求。
　　普通的描述一般至多只能在同一時(shí)刻展示三維變量，而過濾型蒙特卡洛展示了更多維度的機(jī)會(huì)。每一個(gè)點(diǎn)就象一個(gè)探針，沒有被現(xiàn)有限制條件排斥在外的各個(gè)保留點(diǎn)都會(huì)有進(jìn)一步的定義機(jī)會(huì)。這正是ASDL研發(fā)工程師們所追尋的功能。數(shù)據(jù)優(yōu)化只能找到一種解決方案，但過濾型蒙特卡洛會(huì)找到高度可行的整合方案。它會(huì)提供多種選擇，因?yàn)楫吘勾嬖诙喾N方式去實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。
　　在這類研究中的另一項(xiàng)技術(shù)是曲面刻畫特征，它能夠生成一個(gè)三維“立方體”，演繹由替代模型捕獲的參數(shù)曲面。談起在空軍模擬中團(tuán)隊(duì)所展現(xiàn)的64種離散行為，Biltgen興奮地說：“我們通過JMP軟件生成了有八個(gè)立方體圖形，當(dāng)參數(shù)的滑動(dòng)條移動(dòng)時(shí)，所有的立方體開始進(jìn)行相應(yīng)的變化，好像當(dāng)場跳起了‘霹靂舞’。這實(shí)在是個(gè)了不起的功能！”在圖形的狀態(tài)下同時(shí)查詢復(fù)雜多維空間的能力使用戶可以進(jìn)行基于能力的設(shè)計(jì)。Biltgen還說到：“我們的主要問題是我們生成了數(shù)十萬以上的設(shè)計(jì)，但沒有人能夠看清楚這么多的設(shè)計(jì)。JMP的可視化功能將決策融入了過程之中，使他/她能夠看到用其他方式無法解釋的大量信息?？荚嚧缶庉嬚?BR>　　“在航天航空產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)中，分析工具的交互性是最最關(guān)鍵的?！报CMichelle Kirby
　　在ADSL的另一個(gè)項(xiàng)目中，可以用“可怕的”來形容下一代的商務(wù)飛機(jī)。工程師們在設(shè)計(jì)的早期階段權(quán)衡地分析各項(xiàng)性能，包括低噪音要求，環(huán)境排放標(biāo)準(zhǔn)和燃料消耗目標(biāo)等。“這種方法論描繪了整個(gè)系統(tǒng)指標(biāo)的推進(jìn)特征，整個(gè)設(shè)計(jì)空間也因此得到了有效檢驗(yàn)?！?Simon Briceno和Mavris在利用JMP的響應(yīng)曲面方法進(jìn)行靜音型超聲波飛機(jī)引擎性能綜合分析的項(xiàng)目中這樣寫道。這個(gè)設(shè)計(jì)的核心是一種分析手段，在設(shè)計(jì)空間中檢驗(yàn)每一個(gè)備選方案。
　　項(xiàng)目的結(jié)果是：靜音型超聲波飛機(jī)引擎的性能達(dá)到了各項(xiàng)指標(biāo)，而且成本很低?！八麄兪箾Q策者在設(shè)計(jì)早期就能夠權(quán)衡利弊，預(yù)知權(quán)衡后在系統(tǒng)側(cè)面上的后果。同時(shí)，設(shè)計(jì)者也可以知道不同的設(shè)計(jì)參數(shù)會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)變量出現(xiàn)怎樣的變化?！?
　　在一篇為世界航空大會(huì)（World Aviation Conference）所寫的文章中，ASDL’s Peter Hollingsworth和Mavris看到了超高音速戰(zhàn)斗機(jī)的實(shí)際場景。戰(zhàn)斗機(jī)將比音速快五倍。他們還在開放和展開的要求下進(jìn)行了概念探索。有這樣一個(gè)假象問題：如果他們將超高音速飛機(jī)從機(jī)場起飛變?yōu)榕炤d，會(huì)發(fā)生怎樣的情形？文章中這樣寫道：設(shè)計(jì)人員很可能在初始設(shè)計(jì)中從未考慮過艦載而必須實(shí)施的模塊化和技術(shù)。正是由于這點(diǎn)，突然增加的艦載要求會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)。超高音速戰(zhàn)斗機(jī)，超音速噴氣飛機(jī)，或者其他復(fù)雜系統(tǒng)的無法實(shí)現(xiàn)是任何人都不愿看到的。Kirby說：“最好在設(shè)計(jì)的初級階段就權(quán)衡地考慮所有要求，假想場景能夠被真實(shí)顯現(xiàn)，許多相互矛盾的地方被充分考慮。這一點(diǎn)很重要，而JMP正好善于此道。幸好，我們也是JMP的超級用戶?！?