创建虚拟原型软件项目：方法与实践

本书阐述了计算工程和科学的要点以及虚拟原型的关键作用，包括：规划和管理从物理原型到虚拟原型的范式转换，建立、执行和发展用于开发虚拟原型软件的敏捷过程，了解并实施虚拟样机工具和工作流程，以及验证原型系统以确保准确性和实用性。

适读人群 ：从事研发开发、部署和维护高性能虚拟样机的工程师。
本书可以帮助读者：
?规划和管理从物理原型到虚拟原型的范式转变。
?建立、执行和开发虚拟原型软件的敏捷过程。
?了解并实施虚拟原型工具和工作的流程。
?验证和确认原型系统，以确保其准确性和实用性。
?招聘和留住专业员工，为用户提供培训和支持。
?探索虚拟原型的其他新兴角色。

为什么写这本书
本书的目的是为那些希望获得或开发软件的工程师和科研人员提供指导，以通过虚拟原型提高其工程和科学研究组织的竞争力。在产品开发过程中，虚拟原型取代了物理原型。它是计算机辅助设计的延伸，使产品开发人员不仅能够可视化产品设计，而且能够在产品制造之前，使用基于物理学的软件工具准确预测其性能。当应用于天气等自然系统时，它可以使行为预测达到前所未有的精度。
工程设计和科学研究总是涉及对新产品或研究目标的抽象工作。对于复杂产品的开发来说，抽象可能始于对新产品的心理想象，然后转化为图纸或物理模型。对于科学研究来说，抽象可能是对实验结果的期望或对自然现象的观察。随着科学和技术从古至今的发展，抽象概念的作用已经大大增加。
在过去50年左右的时间里，这一进展急剧加快。计算能力从第二次世界大战结束时的1FLOPS激增到今天的1017FLOPS。这几乎与计算能力的惊人增长一样引人注目。现在可以使用计算机来设计和准确预测复杂产品（如超音速喷气式飞机）的行为，并准确预测复杂自然现象（如天气）的变化。
尽管几十年来计算机在产品设计中发挥了重要作用，尤其是在微电子领域，但当前的工程设计方法仍然主要依赖于基于实验的“设计、构建、测试”范式。科学和工程研究是基于理论研究、物理模型和实验的，从桌面规模到超大型实验设施（如高能加速器、大型地面和卫星望远镜）。为了提高组织的竞争力，工程师和研究人员越来越多地转向用计算方法来分析和预测新产品的性能，并进行科学研究。由于引入了多物理场建模软件和高性能计算，这已经变得非常有用。在虚拟原型中，这两种技术的结合使得准确预测全尺寸系统性能成为可能。对于许多应用来说，即使在21世纪初，情况也并非如此。这种计算产品开发模式比基于实验的方法更快、更便宜、更灵活。
计算科学与工程文献中涉及很多术语，包括虚拟原型、数字代理、数字孪生、镜像、模拟和各种同义词。这些术语背后的概念大致相当。我们使用它们来表示物理对象或自然物理系统的基于物理学的数学表示（通常称为模型），这些物理对象或系统以数字形式被捕捉，可以帮助预测它们的行为或状态。根据上下文，我们在本书中使用了所有这些术语。例如，虚拟原型化是开发虚拟原型并使用它来研究感兴趣的系统的过程。数字代理是特定产品或自然系统的计算机模型，就像虚拟原型一样。数字代理一词通常比虚拟原型一词更具持久性。数字孪生是与感兴趣的产品或系统的特定实例相关联的数字代理，它贯穿于产品或系统的整个生命周期。虽然我们没有详细讨论这些概念，但有人已经将它们扩展到了生物系统，包括人类社会、微生物集合和自然生态系统中的捕食行为。
历史的视角
虽然实用电子计算机的出现只是近代（自第二次世界大战以来）才发生的，但使用系统的数学抽象来进行设计和预测有很长的历史，可以追溯到巴比伦尼亚的天文学家（公元前800~公元前400年）。
巴比伦尼亚的天文学家使用基于经验的数学模型以及他们400年来对月亮和行星运动的天文测量来预测天文事件（如日食和行星运动）。类似于现代的数字代理，他们的“模型”被其数据验证。然而，与希腊人不同，巴比伦尼亚人没有关于天体的一般模型的概念。他们的方法纯粹是一种经验性的数学练习，用来预测日食、月相和其他对他们的占星术很重要的事件。他们和许多古代人一样，相信天上的事件是来自神灵的线索，预示着未来地球上的事件。
希腊天文学家克罗狄斯·托勒密（Claudius Ptolemaeus）在埃及亚历山大开发了一个以地球为中心的天空模型（150~170年）。这是古代虚拟原型非常常见的例子之一：字典意义上的虚拟，捕捉系统的本质，但不是系统的外观。大多数字典现在也把数字列为虚拟的另一种含义。托勒密的模型在他的手稿The Almagest中有描述。在托勒密地心模型中，球形地球是静止的，固定的恒星、行星、月亮和太阳以各种复杂的轨道（本轮）围绕地球旋转。这是一个非常复杂的模型，也是当时天空最精确的数学模型。直到16世纪，随着行星和天文观测的改进，托勒密地心模型变得越来越笨拙。然而，它持续了1400多年，直到哥白尼革命（大约1540年），尼古拉·哥白尼发表了日心天体模型。他的继任者（伽利略、开普勒、牛顿、高斯等）点燃了科学革命之火。牛顿是最早认识到物理定律普遍性的人之一。牛顿将他的三个运动定律和万有引力定律应用于天空与微积分（他为此发明了微积分）来预测行星的运动。
在接下来的几个世纪里，其他数学家和科学家开发了基于物理学的数学模型来解释电磁学、流体流动和无数其他物理现象。这些模型的预测最初是通过手工计算的，这严重限制了其准确性和范围。为了进行行星轨道的计算，高斯记住了一个四位数的对数表。在计算机出现之前，计算真实的几何图形和材料的问题对于普通人来说是非常困难的。
虽然天气预报的发展比计算行星运动的方法晚了一点，但到1910年，天气预报的数学计算已相当可靠。高精度的实际天气预报需要计算机的支持，而计算机是20世纪40年代才出现的。数字意义上的虚拟原型在曼哈顿项目和氢弹项目中发挥了重要作用，两者都是（并且仍然是）高性

目　　录
译者序
前言
第1章　虚拟原型范式　1
1.1　新产品开发范式　1
1.2　计算工程和虚拟原型　2
1.3　计算科学和数字代理　6
1.4　计算生态系统　9
1.5　高性能计算机：使能技术　11
1.6　全功能虚拟原型　12
1.7　系统体系虚拟原型的优势　13
1.8　虚拟原型：成功的产品开发和科学研究范式　16
1.9　历史视角　18
第2章　计算生态系统　20
2.1　引言　20
2.2　通用组件　20
2.3　独特组件　21
2.3.1　经验丰富、技术熟练的专业人员的重要作用　21
2.3.2　测试的重要性和挑战　23
2.3.3　基于科学的软件是关键　25
2.4　不一样的软件开发　26
第3章　获取正确的虚拟原型软件　30
3.1　引言　30
3.2　重要权衡　31
3.2.1　商业软件　31
3.2.2　开源软件　33
3.2.3　其他技术组织提供的免费技术软件　35
3.2.4　外部承包商开发软件　36
3.2.5　内部开发软件　37
3.3　虚拟原型软件项目CREATE概览　38
3.4　知识产权管理　42
3.5　选择软件时考虑的因素　42
3.6　软件质量属性　43
3.7　影响内部软件开发的因素　47
第4章　虚拟原型软件工具　50
4.1　引言　50
4.2　实现产品虚拟原型的软件工具链　51
4.3　工作流程　61
第5章　虚拟原型软件项目的价值衡量　64
5.1　引言　64
5.2　虚拟原型软件项目价值　65
5.3　虚拟原型软件项目价值的案例研究　68
5.4　投资回报率　71
5.5　计算科学研究的例子：天气预报　74
5.6　CREATE项目软件的应用　76
5.6.1　CREATE-AV（飞行器）　76
5.6.2　CREATE-船舶　78
5.6.3　CREATE-RF（射频）　79
5.6.4　CREATE-FT（基础技术）　80
5.6.5　CREATE-GV（地面车辆）　80
5.7　总结　80
第6章　建立虚拟原型软件项目的提案　81
6.1　引言　81
6.2　建立提案的步骤　82
6.3　执行提案开发阶段的工作　83
6.3.1　制订计划　84
6.3.2　研究提案　86
6.3.3　准备和营销提案　93
6.4　总结　97
第7章　创建虚拟原型软件项目　98
7.1　引言　98
7.2　启动和建立虚拟原型软件项目的步骤　98
7.2.1　开始　99
7.2.2　确定项目重点　100
7.2.3　建立核心项目　101
7.2.4　建立计算生态系统　106
7.2.5　制定政策和进行实践　108
7.3　虚拟原型软件项目的组织结构　110
7.4　虚拟原型软件项目的进度跟踪　112
7.5　虚拟原型软件项目的开发周期　114
7.6　总结　114
第8章　虚拟原型软件项目的风险管理　116
8.1　引言　116
8.2　程序性风险　117
8.3　风险管理　118
8.3.1　项目管理策略　118
8.3.2　CREATE软件项目的风险管理　119
8.3.3　降低风险的项目管理实践　120
8.4　总结　124
第9章　执行虚拟原型软件项目　125
9.1　引言　125
9.2　执行风险　125
9.2.1　项目启动阶段的执行风险　125
9.2.2　执行风险的管理方法　127
9.3　降低执行风险的项目实践　129
9.4　敏捷工作流程管理　134
9.5　工作流程管理文档和产品文档　135
9.6　总结　138
第10章　验证和确认基于科学的软件　139
10.1　引言　139
10.2　CREATE项目中的测试　140
10.3　自动化测试　140
10.4　CREATE项目测试方法与实践　141
10.4.1　验证方法与实践　142
10.4.2　确认方法与实践　146
10.4.3　不确定性量化的实践　149
10.5　应用CREATE项目测试的例子　150
10.6　总结　151
第11章　虚拟原型软件项目团队　152
11.1　引言　152
11.2　知识型工作者的特点　153
11.3　激励知识型工作者的因素　154
11.4　知识型工作者应具备的能力和知识　155
11.5　知识型工作者团队及其重要性　155
11.6　知识产权和法律问题　158
11.7　虚拟原型工具对团队的作用　159
11.8　总结　160
第12章　虚拟原型的机会和挑战　161
12.1　引言　161
12.2　虚拟原型的机会　162
12.3　虚拟原型的挑战　165
12.3.1　摩尔定律　165
12.3.2　未来的计算机　167
12.3.3　虚拟原型范式的未来应用　167
12.4　全书总结　169
参考文献　173