DARPA“量化物理系统的不确定性”项目取得重大进展

近期，DARPA“量化物理系统的不确定性”（EQUiPS）项目取得重大进展，这些研究有助于实现军用复杂系统的高效、稳健和可靠性设计。

项目背景

在设计新型航空航天器和发动机等军用复杂系统时，计算模型与仿真可大大降低设计人员的开发成本和时间周期。但高保真仿真模型需要大量的计算才能容纳所有可能影响预测精度的不同因素。

为了降低计算成本，研究人员经常使用简化模型，但这些模型包含诸多不确定因素，这些不确定性因素在复杂系统中相互影响时，使问题会变得更加严重。

因此，工程师一般依靠大量的测试来验证建模结果。这是一个设计、试验、验证、再设计、再测试、再验证的重复过程，可使开发过程延长数年，并使成本大幅增加。

EQUiPS 项目进展及意义

DARPA的EQUiPS项目近期取得重要进展，该项目通过开发数学工具及方法来解决与多变量系统相关的挑战，并对建模和设计过程中每个步骤的不确定性进行了验证。

该项目正在推动不确定性量化（UQ）领域的发展，其重点在预测准确度的方法。使用先进的UQ工具，设计人员可以更好地了解某些设计的风险。利用这种方法，复杂军用车辆、舰船、航空器及航天器的新型设计将会提高原型在首次制造和测试时成功操作的机会。

DARPA项目经理表示，通过EQUiPS项目，DARPA正在彻底改变模拟、仿真物理世界及工程系统的方式。DARPA的目标是使UQ成为模拟和建模的一个易处理的部分，即使是最复杂的设计问题也能使用，且正在开发的数学工具可广泛应用于新的航空航天结构和前沿集成电路等领域。

第一阶段成果

EQUiPS项目在2015年启动，已经完成了第一阶段，能够证明干扰先进舰船和高超声速飞机发动机排气喷嘴性能预测的不确定因素。

布朗大学率领的一支EQUiPS研究团队正在为所谓的“不确定性条件下的设计”（DUU）开发理论基础。DUU旨在简化非常规防御系统的设计过程，其参数或系统特征的数量达数千个，且设计需要考虑到不确定的操作条件、新材料以及加工误差等变量。参与这项研究设计的除了布朗大学，还包括马萨诸塞理工学院、弗吉尼亚理工学院、加利福尼亚大学圣克鲁斯分校和海军研究生院。

该团队一直在设计一种非常规的水翼船，在水翼航行模式下，舰船的速度在平静海域可超过222千米/小时，在极端条件下可达到111千米/小时，这是目前任何同类船舶都无法比拟的。设计这种船舶的一个关键方面是与超空泡水翼有关的复杂物理学，这种结构组件可实现最佳的升阻比。由于缺乏这种船只和水翼设计的历史数据，工程师需要开发一个绝大多数不确定参数的模型。通过EQUiPS项目开发的框架，利用不同的模型，不仅能够提供最佳设计候选方案，还能提供所有其他可能的设计。

斯坦福大学率领的另一支研究团队也在使用EQUiPS方法。这项研究旨在优化高超声速喷气发动机排气喷嘴设计，以确保产生最大推力和效率。现有的喷嘴设计方法无法考虑与操作条件和喷嘴特性等相关变量及其不确定性。研究人员将EQUiPS方法应用于喷嘴的航空热结构建模，把喷嘴形状参数（如尺寸和材料厚度等）从28个减少到7个，从而降低了设计问题的难度，并能减少设计周期。参与这项工作的还包括科罗拉多矿业学院、密歇根大学和桑迪亚国家实验室。

EQUiPS项目最终目的是提高特定设计性能的可靠性。DARPA希望提高模型的保真度，证明操作环境的不确定性，同时减少计算成本和周期。