大型風洞設備的數(shù)智化初步研究

廖達雄，孫運強，吳靜怡，彭磊

1.上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240

2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心 設備設計與測試技術(shù)研究所，綿陽 621000

0 引 言

風洞作為空氣動力學研究的重要地面試驗設備，在先進飛行器研制和基礎空氣動力學問題研究中發(fā)揮了不可替代的作用。根據(jù)AIAA數(shù)據(jù)顯示，未來一架典型軍用飛機的風洞試驗量約為35 000～45 000 h，而現(xiàn)代亞聲速運輸機的風洞試驗量約為15 000～20 000 h。因此在相當長的一段時間內(nèi)，通過各種風洞試驗來獲得最終的氣動力數(shù)據(jù)仍然是飛行器研發(fā)的主要和最終手段。

隨著先進飛行器的性能及設計精細化程度不斷提高，科研人員對風洞試驗和設備提出的要求也變得更高：不僅需要模擬更加精細、模擬能力更強的大尺寸風洞和高雷諾數(shù)風洞，還需要具有特殊試驗模擬能力的特種風洞，以滿足推進系統(tǒng)試驗、氣動彈性試驗（如飛行器的顫振、抖振等）的特殊要求。與此同時，氣動試驗對風洞流場品質(zhì)也提出了很高的要求：滿足邊界層轉(zhuǎn)捩、減阻流動控制、非定常氣動力、噪聲控制等研究條件，滿足流場參數(shù)精細化和全場測量的試驗需求，以實現(xiàn)對流場的無干擾多點和全場測量，進而為增強流體動力學物理現(xiàn)象和機理理解奠定基礎。除此之外，在風洞設計建設過程中，還要考慮提高風洞運行的生產(chǎn)率、經(jīng)濟性和可靠性，滿足現(xiàn)代飛行器研制對縮短風洞試驗周期和降低試驗成本的需求。這就要求開展風洞可靠性、維修性、保障性設計，建設智能風洞健康管理系統(tǒng)，提升風洞試驗運行綜合效能。

大型風洞設備是一種多學科高度融合，先進制造、先進測試、智能運行、科學管理綜合集成的大科學裝置。作為一個系統(tǒng)型設備，大型風洞設備設計和試驗技術(shù)性能的提升，離不開計算機一體化網(wǎng)絡技術(shù)與人工智能的有機結(jié)合。為成功建設試驗能力強、流場品質(zhì)優(yōu)、運行經(jīng)濟高效的大型風洞設備，需要充分發(fā)揮多學科融合的數(shù)智化技術(shù)優(yōu)勢，著力突破現(xiàn)代風洞設計的關(guān)鍵技術(shù)問題。

本文在梳理國內(nèi)外大型風洞數(shù)智化技術(shù)問題的基礎上，分析了數(shù)智化技術(shù)在風洞設計建設及運行過程中的技術(shù)需求和發(fā)展趨勢，可為下一步大型風洞設備的設計建設及高效運行提供參考。

1 數(shù)智化風洞系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

數(shù)智化風洞系統(tǒng)是現(xiàn)代信息技術(shù)與風洞設計技術(shù)的深度融合，貫穿于風洞設備的設計、制造、試驗運行、數(shù)據(jù)服務等各個環(huán)節(jié)。數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化是數(shù)智化風洞系統(tǒng)的基本要素。其中，數(shù)字化技術(shù)是數(shù)智化風洞系統(tǒng)的基礎，基于計算機的網(wǎng)絡化技術(shù)是數(shù)智化風洞系統(tǒng)的核心要素，智能化技術(shù)是數(shù)智化風洞系統(tǒng)的根本。

數(shù)字化技術(shù)通過對設備設計信息、測控儀器信息及其他資源信息進行數(shù)字化描述、分析、決策和控制，生成滿足要求的數(shù)據(jù)及決策。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)在風洞設計建設中的應用也越來越廣泛，涉及到風洞數(shù)字化設計、建模仿真、數(shù)字化測控設備、信息化管理等多個方面，在實現(xiàn)風洞設備功能的各過程和環(huán)節(jié)受到廣泛關(guān)注。

在風洞氣動設計過程中，基于計算機輔助的氣動設計、數(shù)值仿真、性能分析等數(shù)字化技術(shù)已成為重要的設計手段。在跨聲速風洞的槽壁試驗段、大開角擴散段以及二喉道設計中，數(shù)值模擬手段得到廣泛應用，并取得了一系列研究成果。如圖1所示的跨聲速風洞槽壁試驗段流場模擬，就是借助數(shù)值模擬結(jié)果開展優(yōu)化設計的典型案例。其研究結(jié)果對槽壁試驗段內(nèi)流特性的理解和槽壁設計具有重要指導意義。

圖1 跨聲速風洞槽壁試驗段流場分布圖[12]Fig.1 Test section flow distribution of transonic wind tunnel[12]

在風洞結(jié)構(gòu)設計中，基于計算機輔助設計的數(shù)字化技術(shù)也日趨成熟，諸如CAD、CAE、UG等軟件已成為風洞結(jié)構(gòu)設計的主流軟件，尤其是隨著大型低溫、高溫風洞中氣動條件對結(jié)構(gòu)性能的要求不斷提高，流固熱耦合、流致振動等結(jié)構(gòu)性能參數(shù)分析對數(shù)字化技術(shù)的依賴程度也逐漸增強。

在風洞控制技術(shù)研究中，數(shù)字化技術(shù)的應用也比較普遍，從控制軟件編寫、測控數(shù)據(jù)的編譯傳輸、控制指令的發(fā)放到控制策略的優(yōu)化，風洞數(shù)字化技術(shù)都發(fā)揮著重要作用。風洞馬赫數(shù)控制中的全數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)和迎角、轉(zhuǎn)盤角、壁板等位置控制系統(tǒng)，都是通過數(shù)字化控制技術(shù)來實現(xiàn)的。

在風洞試驗測試技術(shù)領(lǐng)域，與試驗測試設備及數(shù)據(jù)采集相關(guān)的數(shù)字化技術(shù)體現(xiàn)得更為明顯。在天平測力、非接觸測量等風洞試驗過程中測量的物理量較多，這些物理量通過各種傳感器進行記錄，并將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進行存儲和處理。大量風洞設計和試驗數(shù)據(jù)實時高效的采集、傳輸和數(shù)據(jù)處理，為風洞和試驗模型優(yōu)化設計分析提供了第一手寶貴資料。同時，風洞數(shù)字化技術(shù)中大量數(shù)據(jù)的傳輸、共享以及處理，又促進了數(shù)智化風洞網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展。尤其是隨著網(wǎng)絡技術(shù)的普及和Internet的日益發(fā)展，風洞模型試驗硬件、軟件平臺的網(wǎng)絡控制技術(shù)正在不斷更新，網(wǎng)絡互聯(lián)技術(shù)在風洞設計和風洞試驗現(xiàn)場的應用也日趨廣泛。

在8 m×6 m風洞系統(tǒng)的改造中，為克服風洞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、改造難度大、各子系統(tǒng)間開發(fā)平臺不一致等技術(shù)難題，通過系統(tǒng)網(wǎng)絡通訊技術(shù)對其進行設計改造，實現(xiàn)了中心機Alpha工作站與其他子系統(tǒng)的網(wǎng)絡通訊，其測控系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 測控系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)圖[25]Fig.2 Network topology of measurement and control system[25]

為提高風洞試驗過程中測控系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的效率和可靠性，張軍等通過對風洞現(xiàn)場總線測控系統(tǒng)中幾種關(guān)鍵技術(shù)的分析，采用客戶機+服務器的以太網(wǎng)通訊工作模式，設計出了一套基于以太網(wǎng)的風洞現(xiàn)場總線方案，實現(xiàn)了現(xiàn)場總線控制在風洞中的應用，風洞現(xiàn)場總線測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，其研究成果對提高風洞試驗效率、降低試驗成本有非常重要的意義。

圖3 風洞現(xiàn)場總線測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖[26]Fig.3 Structure diagram of field bus in wind tunnel[26]

大型跨、超聲速風洞設備的規(guī)模較大、控制系統(tǒng)復雜、子系統(tǒng)多，各系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)復雜，對數(shù)據(jù)傳輸要求較高，測控通信網(wǎng)絡所起到的作用尤為重要。在某大型高速風洞設計中，為滿足“分散控制、集中管理”的設計原則，控制系統(tǒng)采用分布式集散控制結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了一套基于光纖環(huán)網(wǎng)的測控系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)?？刂葡到y(tǒng)負責構(gòu)建主干光纖環(huán)網(wǎng)，控制系統(tǒng)的若干位置分散子系統(tǒng)控制器，均就近通過子交換機接入光纖環(huán)網(wǎng)；位于光纖環(huán)網(wǎng)上的網(wǎng)絡節(jié)點之間支持實時工業(yè)以太網(wǎng)絡通信，網(wǎng)絡傳輸?shù)拇_定性、快速性都大大增強，同時冗余環(huán)網(wǎng)的配置可增加網(wǎng)絡通信的可靠性。

隨著風洞數(shù)字化和網(wǎng)絡化的發(fā)展以及各種設備設計效率和試驗需求的不斷提升，基于先驗知識的風洞智能化設計和試驗技術(shù)也有了較快的發(fā)展。

智能化是指試驗設備在計算機網(wǎng)絡、大數(shù)據(jù)處理、人工智能等技術(shù)的支持下，所具備的能滿足人們各種設計和試驗需求的屬性。大型風洞系統(tǒng)比較復雜，輔助系統(tǒng)也較多，建造及運行成本高昂，設計過程中的氣動、結(jié)構(gòu)、測控等技術(shù)相互融合，流體、機械、電氣等多物理場互相耦合，因此運行過程中的動態(tài)特性非常復雜?；谟嬎銠C網(wǎng)絡、大數(shù)據(jù)處理及人工智能等智能化技術(shù)的廣泛應用，對大型風洞整體性能和試驗能力的提升都有非常重要的意義。

近年來，隨著測控理論和技術(shù)的飛速發(fā)展，智能控制技術(shù)在風洞中的應用也逐漸增多。適用于風洞參數(shù)控制的智能控制主要包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、專家系統(tǒng)等。

模糊控制主要是指控制過程中對反饋信息的模糊處理，并依據(jù)模糊規(guī)則做出相應控制輸出，因此，模糊控制對那些不能用數(shù)學函數(shù)精確表達的控制對象效果明顯。針對增壓連續(xù)式跨聲速翼型風洞，竹朝霞等提出了基于虛擬儀器和人工智能的風洞測量和控制系統(tǒng)的設計思路。從壓縮機狀態(tài)監(jiān)控、風洞測量、狀態(tài)管理、計算和試驗一體化等方面分析了人工智能的作用及效果，風洞壓縮機狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)如圖4所示。竹朝霞等的研究結(jié)果表明：采用虛擬儀器技術(shù)不僅可以改造現(xiàn)有儀器設備，以滿足當前的氣動試驗要求，而且使系統(tǒng)在可視化、操作便捷性、測控能力、測試精度及可靠性等方面也有較大提高。

圖4 NF-6風洞壓縮機狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)[28]Fig.4 Condition monitoring system of NF-6 wind tunnel compressor[28]

神經(jīng)網(wǎng)絡控制是神經(jīng)系統(tǒng)對外界信息進行并行處理的過程，可以模擬人的學習。通過對一個事物進行反復學習，就可以復現(xiàn)、模仿該事物，然后根據(jù)設定的目標，使該事物朝著既定目標發(fā)展。因此，根據(jù)給定的目標函數(shù)，神經(jīng)網(wǎng)絡可以利用其自學習的特點，使被控制對象達到最佳的狀態(tài)。神經(jīng)網(wǎng)絡控制在國內(nèi)外風洞中已有比較廣泛的應用。

專家系統(tǒng)主要是借助已有的專業(yè)知識和經(jīng)驗，運用人工智能，模擬人類專家的思維過程，解決某些需要專家決定的復雜問題。對于風洞工況帶來的參數(shù)變化、控制參數(shù)的選擇、吹風過程中的事故判斷和處理等，專家系統(tǒng)是非常有用的。2.4 m跨聲速風洞智能運行控制系統(tǒng)就是利用已有試驗數(shù)據(jù)，構(gòu)建包含特征參數(shù)、原始及精選數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，成功實現(xiàn)開車參數(shù)的自動生成，有效提高了風洞試驗運行效率。

智能控制常與PID控制組合使用，即利用智能控制算法，整定適合的PID參數(shù)，再利用PID調(diào)節(jié)器對風洞馬赫數(shù)或者穩(wěn)定段總壓實現(xiàn)最終的控制。為滿足暫沖式跨、超聲速風洞運行工況復雜且馬赫數(shù)變化范圍寬的實際需求，研究人員采用智能多模態(tài)控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PID控制，有效改善了風洞控制系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能指標。為有效克服跨聲速風洞中電液伺服控制器可靠性低、調(diào)試維護和使用困難等技術(shù)問題，杜寧等將HNC100智能控制器技術(shù)成功應用于跨聲速風洞控制系統(tǒng)，有效改善了閥門的控制精度和執(zhí)行機構(gòu)的運行特性，風洞總壓及馬赫數(shù)的控制精度也有較大提高?；贖NC100的伺服控制模式原理如圖5所示。

圖5 基于HNC100的伺服控制模式原理圖[37]Fig.5 Schematic diagram of servo control mode based on HNC100[37]

大型風洞試驗設備是智能測控系統(tǒng)應用的理想場所。20世紀90年代，美國NASA阿姆斯研究中心和美國空軍阿諾德工程發(fā)展中心就已經(jīng)對風洞設計以及試驗過程中的數(shù)值計算、智能系統(tǒng)、專家系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理及融合等數(shù)智化技術(shù)開展了很多探索性研究工作，并取得了很好的效果。歐洲在ETW風洞設計建設及試驗過程中，基于數(shù)值模擬、網(wǎng)絡集成和專家系統(tǒng)的數(shù)字化、網(wǎng)絡化以及智能化技術(shù)也開展了大量的應用研究。

從國內(nèi)外風洞設計運行現(xiàn)狀看，以數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化為代表的數(shù)智化設計技術(shù)在風洞設計建設中已經(jīng)得到了一定的應用，并取得了較大技術(shù)進步。但國內(nèi)的數(shù)智化風洞設計技術(shù)起步較晚，尤其是在智能制造與裝配技術(shù)、控制系統(tǒng)智能化、智能機器人技術(shù)、智能健康管理等風洞設計技術(shù)領(lǐng)域，數(shù)智化技術(shù)還有待進一步加強和提高。

2 數(shù)智化風洞技術(shù)需求及發(fā)展趨勢

近年來，隨著大數(shù)據(jù)分析、虛擬現(xiàn)實、互聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)智化已成為我國未來高端裝備發(fā)展建設的重要趨勢，也為大型風洞設備向數(shù)智化方向轉(zhuǎn)變提供了契機。為此，通過分析梳理大型風洞設計建設過程中面臨的數(shù)智化技術(shù)問題和發(fā)展趨勢，提出構(gòu)建數(shù)智化風洞系統(tǒng)的設計建議，為提升我國大型風洞設備的綜合能力和服務水平提供技術(shù)儲備。

2.1 數(shù)字化風洞系統(tǒng)發(fā)展趨勢及研究建議

數(shù)字化通過對產(chǎn)品、工藝和資源信息進行數(shù)字化描述、分析和控制，快速生成滿足要求的產(chǎn)品，是實現(xiàn)數(shù)智化風洞的基礎要素，廣泛應用于氣動分析、建模仿真、數(shù)字化設備、信息化管理等風洞設計各過程和環(huán)節(jié)的集成優(yōu)化。未來數(shù)字化風洞系統(tǒng)研究的重點將集中在以下幾方面：

1）風洞數(shù)字化協(xié)同仿真平臺建設。主要是開展風洞氣動、洞體結(jié)構(gòu)、測控系統(tǒng)數(shù)字化設計和仿真計算分析，構(gòu)建數(shù)字化、模塊化、參數(shù)化的風洞數(shù)字樣機“虛擬風洞”。虛擬樣機不僅包括風洞的幾何模型、風洞的功能和性能仿真模型，還包括風洞的制造模型、操作維護模型以及環(huán)境模型等的有機融合，以實現(xiàn)風洞的設計優(yōu)化和運行流程及控制優(yōu)化。并基于仿真計算結(jié)果，對風洞復雜物理過程以及關(guān)鍵參數(shù)的相應特性進行三維可視化展示。

學生在練習紙上，按要求畫出符合題意的圖形，由于按習題要求，只需分成兩個周長相等的圖形即可，所以方法是多樣的，結(jié)果也是多樣的，比如下面這些不同的畫法：

2）三維流場精細化、可視化測量體系研究。主要是發(fā)展高精度的數(shù)字化傳感器、天平技術(shù)、非接觸測量和流動顯示技術(shù)，實現(xiàn)對流場的無干擾全場測量，增強對流動物理現(xiàn)象和機理的深入了解。發(fā)展基于視頻的模型姿態(tài)和變形測量系統(tǒng)、PIV流場三維顯示系統(tǒng)、高速氣流湍流度熱線測量和數(shù)據(jù)處理技術(shù)、復雜運行環(huán)境下的壓敏漆及溫敏漆測量技術(shù)等。穩(wěn)步推進流動顯示測試向定量化、精細化發(fā)展，促進多物理場的同步測量和集成融合技術(shù)。如圖6所示的PIV流場測試系統(tǒng)在亞跨超聲速風洞以及超燃等流場測試及診斷領(lǐng)域都已得到廣泛應用。

圖6 PIV流場測試系統(tǒng)[18]Fig.6 Flow field measurement system of PIV[18]

3）風洞運行試驗數(shù)據(jù)分析管理研究。主要是運用大數(shù)據(jù)技術(shù)開發(fā)風洞試驗全域全過程數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)分析，采用數(shù)據(jù)采集新方法，得到試驗過程全部宏觀、細節(jié)、時頻域信息，為大數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)支持。開發(fā)大數(shù)據(jù)多樣化處理和可視化分析方法，實現(xiàn)各種試驗數(shù)據(jù)宏觀規(guī)律現(xiàn)象快速精準分析和精細化微觀現(xiàn)象的深入分析，并為試驗問題、故障的準確定位提供支持。利用CFD技術(shù)和輔助測試手段，建立參數(shù)化的風洞試驗數(shù)據(jù)修正通用模塊和專家?guī)煜到y(tǒng)，實現(xiàn)洞壁及支架干擾修正、彈性角修正等快速精準分析，為工程師和用戶的數(shù)據(jù)后處理分析及時提供原始試驗數(shù)據(jù)和無干擾數(shù)據(jù)。

2.2 網(wǎng)絡化風洞系統(tǒng)發(fā)展趨勢及研究建議

互聯(lián)網(wǎng)將人、數(shù)據(jù)和事物連接在一起，通過企業(yè)內(nèi)、企業(yè)間的協(xié)同和資源共享，重塑產(chǎn)業(yè)的價值鏈，推動產(chǎn)業(yè)向數(shù)字化、網(wǎng)絡化轉(zhuǎn)變，大幅提高產(chǎn)業(yè)效能并創(chuàng)造新的產(chǎn)業(yè)。網(wǎng)絡化是數(shù)智化風洞系統(tǒng)的核心要素，有助于實現(xiàn)設備設計、研發(fā)及制造的協(xié)同與共享，有助于實現(xiàn)橫向、縱向和端到端的集成，為打通整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流、信息流提供保障。風洞試驗與型號用戶單位通過網(wǎng)絡實現(xiàn)交互，風洞試驗開始從以試驗數(shù)據(jù)提供為中心向以用戶服務和解決氣動力問題為中心轉(zhuǎn)型。從目前掌握的技術(shù)資料看，網(wǎng)絡化風洞系統(tǒng)研究重點主要集中在以下幾方面：

1）風洞設備設計、制造、安裝調(diào)試、試驗運行的數(shù)字化、網(wǎng)絡化、模塊化協(xié)同創(chuàng)新體系。風洞設備系統(tǒng)多、技術(shù)復雜，需要眾多的設計單位、研究單位、制造安裝單位等協(xié)同集成，才能高質(zhì)量地完成風洞設備的設計建設。通過互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，不僅要實現(xiàn)風洞數(shù)字化設計研究、數(shù)字化制造、數(shù)字化安裝調(diào)試等縱向集成，也要實現(xiàn)設計單位之間、制造單位之間、安裝調(diào)試單位之間以及設計、試驗運行、型號用戶之間的端到端集成，形成一個高效的風洞業(yè)態(tài)系統(tǒng)有機整體。一方面，風洞協(xié)同創(chuàng)新體系是一個開放型、合作式的創(chuàng)新平臺，風洞建設的整個價值環(huán)節(jié)采用競爭參與、合作共享模式，要求設計研發(fā)、加工制造、安裝調(diào)試的企業(yè)機構(gòu)實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡化轉(zhuǎn)型，具有定制化、柔性化、模塊化的產(chǎn)品設計、生產(chǎn)能力。另一方面，風洞協(xié)同創(chuàng)新體系能夠?qū)崿F(xiàn)設計端對風洞產(chǎn)品的洞察，通過物聯(lián)網(wǎng)與風洞運行保持聯(lián)系，收集風洞運行的動態(tài)數(shù)據(jù)，持續(xù)地分析風洞運行使用情況，為改進風洞設計、開發(fā)新技術(shù)和服務提供依據(jù)。

2）風洞試驗、數(shù)值仿真、模型自由飛三大手段之間的數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)融合。針對CFD計算方法和軟件，建立基本的驗證和確認方法，確定規(guī)范化步驟，收集整理國內(nèi)外已有的可用于CFD確認的標?；駼enchmark實驗數(shù)據(jù)。選定有代表性的標模實驗模型和流動狀態(tài)，開展數(shù)值計算和風洞實驗的相互對比研究，進行氣動參數(shù)辨識結(jié)果的不確定度研究。根據(jù)數(shù)據(jù)融合理論和方法，通過對三種不同來源氣動數(shù)據(jù)進行充分利用和合理支配，借助數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、估計、判斷、推理、綜合等手段，將這些互補和冗余信息依據(jù)某種準則綜合起來，獲得精準度更高的氣動數(shù)據(jù)，并建立氣動力數(shù)據(jù)庫共享平臺，用于氣動力數(shù)據(jù)的分析、確認和評估，三種手段融合式發(fā)展模式的概念圖如圖7所示。近幾年，國內(nèi)開展的國家數(shù)值風洞（NNW）工程項目在突破國外長期數(shù)值風洞技術(shù)壟斷、彌補與國外技術(shù)差距方面取得了很大的進步，也是國內(nèi)數(shù)智化風洞技術(shù)發(fā)展的重要一環(huán)。

圖7 三種手段融合式發(fā)展Fig.7 Integrated development of three means

3）試驗單位與用戶間的遠程交互和數(shù)據(jù)共享。通過網(wǎng)絡平臺將風洞試驗現(xiàn)場、試驗分析站、用戶單位構(gòu)成有機整體，實現(xiàn)試驗單位與型號用戶單位的遠程交互和數(shù)據(jù)共享。試驗單位參與型號模型的設計和制造過程，針對特定的氣動力問題和風洞特點，制定個性化的試驗方案和試驗大綱。用戶單位參與試驗、氣動數(shù)據(jù)的問題分析等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，加強對試驗數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，根據(jù)試驗過程形勢變化進行試驗項目內(nèi)容和計劃動態(tài)調(diào)整，優(yōu)化試驗流程和組織。實現(xiàn)型號試驗從數(shù)據(jù)提供向用戶服務和問題解決轉(zhuǎn)變。開展風洞與模型自由飛試驗數(shù)據(jù)的相關(guān)性研究，在數(shù)字化基礎上建立數(shù)據(jù)共享的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，及時優(yōu)化各種風洞試驗數(shù)據(jù)修正方法，提供更為精準可靠的數(shù)據(jù)服務。

2.3 智能化風洞系統(tǒng)發(fā)展趨勢及研究建議

近年來，人工智能技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，人工智能技術(shù)與先進制造技術(shù)的深度融合又為新一代智能制造創(chuàng)造了條件。新一代智能制造將重塑產(chǎn)品設計、制造、服務等各個環(huán)節(jié)，催生一系列新技術(shù)，進而改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式和思維模式。智能化是數(shù)智化風洞系統(tǒng)的根本要素，其主要特征表現(xiàn)為風洞系統(tǒng)在數(shù)字化、網(wǎng)絡化的基礎上具備了學習能力。通過人工智能等技術(shù)的應用，深度處理和利用信息，使目標對象具有一定自主學習、分析、決策和控制執(zhí)行能力，能主動適應環(huán)境的變化，使知識的獲取及應用發(fā)生根本性改變，顯著提高整個系統(tǒng)的效能和服務質(zhì)量。未來智能化風洞系統(tǒng)研究重點將主要集中在以下幾方面：

1）智能制造與裝配技術(shù)體系建設。大型風洞設備設計建設中面臨諸多問題，如系統(tǒng)復雜、結(jié)構(gòu)尺寸大、精度要求高等，這對工藝水平和加工制造能力提出了更高要求。為提高設備的加工精度和質(zhì)量，需要構(gòu)建滿足設備現(xiàn)場加工的智能系統(tǒng)，通過先進制造及智能技術(shù)的深度融合，研發(fā)集感知、決策、執(zhí)行于一體的智能裝備。需要開展包含風洞大尺度結(jié)構(gòu)部件的虛擬裝配問題研究，包括三維數(shù)字建模技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)以及裝配工藝虛擬仿真技術(shù)等，從而為高精度裝配提供技術(shù)支撐。以專家知識庫、過程監(jiān)控、在線檢驗、虛擬裝配等智能化技術(shù)為建設內(nèi)容，通過改變傳統(tǒng)制造模式，大型風洞設備的智能制造可顯著提升產(chǎn)品質(zhì)量和制造效率。目前，基于智能系統(tǒng)的虛擬制造與裝配技術(shù)（圖8）在航空發(fā)動機、整機裝配等領(lǐng)域都已得到廣泛應用。

圖8 虛擬制造與裝配[51]Fig.8 Virtual manufacturing and assembly[51]

2）風洞運行控制的智能化技術(shù)開發(fā)。大型風洞設備一般包含多個子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制比較復雜。氣動、結(jié)構(gòu)、測控多系統(tǒng)耦合調(diào)試過程中的復雜動態(tài)特性對風洞測控系統(tǒng)提出了更加嚴苛的要求，因此在風洞控制系統(tǒng)中采用自主調(diào)節(jié)、智能決策等技術(shù)實現(xiàn)風洞的安全高效運行將是風洞測控系統(tǒng)的一個重要趨勢。從現(xiàn)有風洞的實際應用需求看，大型風洞智能控制系統(tǒng)可以在自適應、神經(jīng)網(wǎng)絡、智能優(yōu)化等方面開展研究。

圖9 NFT智能溫度調(diào)節(jié)控制Fig.9 Intelligent temperature control of NTF

3）風洞智能化健康管理系統(tǒng)構(gòu)建。大型風洞設備健康管理系統(tǒng)是設備安全穩(wěn)定運行的重要保障，為實現(xiàn)健康管理系統(tǒng)的智能化，應借助機器學習、數(shù)

據(jù)挖掘等手段，完善健康管理系統(tǒng)的感知、維修、自主學習等功能。初步構(gòu)建的風洞智能狀態(tài)監(jiān)測及健康管理系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖10所示，風洞設備的主要參數(shù)信號不僅數(shù)據(jù)量大、種類繁多，而且特征各異。開展健康管理系統(tǒng)構(gòu)建，需要借助風洞數(shù)字化的數(shù)據(jù)融合技術(shù)，從海量數(shù)據(jù)中提取出高價值知識。然后，依據(jù)待預測對象特征參數(shù)、運行環(huán)境及歷史數(shù)據(jù)，運用智能算法對設備可能出現(xiàn)的故障進行預測、分析，進而提出預防改進措辭。在此基礎上，采用已有的專家?guī)爝M行故障識別，運用模糊學、神經(jīng)網(wǎng)絡等智能化技術(shù)進行故障診斷，確保設備正常穩(wěn)定運行，同時將識別的故障錄入專家?guī)?，以備后續(xù)調(diào)用。

圖10 風洞智能狀態(tài)監(jiān)測及健康管理系統(tǒng)總體架構(gòu)[12]Fig.10 Overall structure of intelligent state detection and health management in wind tunnel[12]

4）風洞智能機器人研發(fā)。某些大型風洞內(nèi)部環(huán)境特殊，如NTF風洞為低溫環(huán)境（溫度可達–160 ℃），人員無法直接進入洞體內(nèi)部維護。在更換試驗模型的過程中，必須借助模型車將模型移出洞體進行置換，嚴重影響了試驗的效率。借助智能機器人開展洞體檢測、維修以及試驗模型更換，不僅可以提高試驗效率，降低運行成本，還可以縮短試驗周期，提高風洞試驗的安全性。當前，隨著智能機器人在工業(yè)生產(chǎn)、生活服務等諸多領(lǐng)域的廣泛應用，智能機器人技術(shù)已得到了飛速發(fā)展，如圖11所示的特殊環(huán)境智能機器人技術(shù)已成功應用于生物醫(yī)藥、化工等行業(yè)。然而，每個應用領(lǐng)域都有自身的特點和技術(shù)需求。風洞智能機器人的研發(fā)和應用，應結(jié)合風洞實際運行中寬溫域、變壓力等特點，發(fā)展特殊環(huán)境智能機器人技術(shù)，實現(xiàn)特定工況下風洞檢修、模型更換、實時檢測等功能。

圖11 特殊環(huán)境中的智能機器人技術(shù)[52]Fig.11 Intelligent robot technology in special environment[52]

數(shù)智化風洞系統(tǒng)中的數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化三個基本要素體現(xiàn)了未來風洞設備的發(fā)展趨勢，三個要素各有特點、規(guī)律和重點需要解決的問題。數(shù)字化技術(shù)是數(shù)智化風洞系統(tǒng)的基礎要素，是實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)化到數(shù)字化轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵；網(wǎng)絡化技術(shù)是數(shù)智化風洞系統(tǒng)的核心要素，是實現(xiàn)網(wǎng)絡互聯(lián)和跨平臺人機交互的重要一環(huán)；而智能化技術(shù)則是數(shù)智化風洞系統(tǒng)的根本，是風洞系統(tǒng)自動化、智能化水平的綜合體現(xiàn)。三個基本要素在技術(shù)上和時間上不是孤立的，而是相互交織、相互集成的，體現(xiàn)著數(shù)智化風洞系統(tǒng)融合發(fā)展的基本特征。

3 總結(jié)與展望

風洞是研制飛行器和地面交通工具的重要基礎設施，其性能和試驗能力直接影響到先進氣動設備的研發(fā)進程。本文對國內(nèi)外大型風洞設計建設過程中應用到的數(shù)字化、網(wǎng)絡化以及智能化技術(shù)問題進行了總結(jié)分析，指出數(shù)字化技術(shù)是實現(xiàn)數(shù)智化風洞系統(tǒng)的基礎和前提，網(wǎng)絡化是實現(xiàn)數(shù)智化風洞系統(tǒng)的核心，而智能化技術(shù)是實現(xiàn)數(shù)智化風洞系統(tǒng)的根本要素，三者是相互補充、互為促進的關(guān)系。在總結(jié)已有數(shù)智化風洞技術(shù)基礎上，針對風洞設計建設及運行過程中的技術(shù)需求和發(fā)展趨勢，從智能制造與裝配技術(shù)、智能化運行控制技術(shù)、智能化健康管理系統(tǒng)構(gòu)建以及風洞智能機器人研發(fā)幾個方面，提出了關(guān)于構(gòu)建數(shù)智化風洞系統(tǒng)的設計建議，希望能為下一步大型風洞的設計建設及高效運行提供參考。未來的風洞設計和運行模式，將更注重先進設計、試驗、數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域信息技術(shù)與風洞設備的深度融合，以滿足風洞便捷、高效、可靠的試驗需求，使得試驗型風洞與數(shù)值風洞的結(jié)合更加緊密。