了得網計算機/網絡_創建虛擬原型軟件項目：方法與實踐

編輯推薦

本書可以幫助讀者：
?規劃和管理從物理原型到虛擬原型的範式轉變。
?建立、執行和開發虛擬原型軟件的敏捷過程。
?了解並實施虛擬原型工具和工作的流程。
?驗證和確認原型繫統，以確保其準確性和實用性。
?招聘和留住專業員工，為用戶提供培訓和支持。
?探索虛擬原型的其他新興角色。

內容簡介

本書闡述了計算工程和科學的要點以及虛擬原型的關鍵作用，包括：規劃和管理從物理原型到虛擬原型的範式轉換，建立、執行和發展用於開發虛擬原型軟件的敏捷過程，了解並實施虛擬樣機工具和工作流程，以及驗證原型繫統以確保準確性和實用性。

目錄
譯者序
前言
第1章虛擬原型範式1
1.1新產品開發範式1
1.2計算工程和虛擬原型2
1.3計算科學和數字代理6
1.4計算生態繫統9
1.5高性能計算機：使能技術11
1.6全功能虛擬原型12
1.7繫統體繫虛擬原型的優勢13
1.8虛擬原型：成功的產品開發和科學研究範式16
1.9歷史視角18
第2章計算生態繫統20目錄
譯者序
前言
第1章虛擬原型範式1
1.1新產品開發範式1
1.2計算工程和虛擬原型2
1.3計算科學和數字代理6
1.4計算生態繫統9
1.5高性能計算機：使能技術11
1.6全功能虛擬原型12
1.7繫統體繫虛擬原型的優勢13
1.8虛擬原型：成功的產品開發和科學研究範式16
1.9歷史視角18
第2章計算生態繫統20
2.1引言20
2.2通用組件20
2.3獨特組件21
2.3.1經驗豐富、技術熟練的專業人員的重要作用21
2.3.2測試的重要性和挑戰23
2.3.3基於科學的軟件是關鍵25
2.4不一樣的軟件開發26
第3章獲取正確的虛擬原型軟件30
3.1引言30
3.2重要權衡31
3.2.1商業軟件31
3.2.2開源軟件33
3.2.3其他技術組織提供的免費技術軟件35
3.2.4外部承包商開發軟件36
3.2.5內部開發軟件37
3.3虛擬原型軟件項目CREATE概覽38
3.4知識產權管理42
3.5選擇軟件時考慮的因素42
3.6軟件質量屬性43
3.7影響內部軟件開發的因素47
第4章虛擬原型軟件工具50
4.1引言50
4.2實現產品虛擬原型的軟件工具鏈51
4.3工作流程61
第5章虛擬原型軟件項目的價值衡量64
5.1引言64
5.2虛擬原型軟件項目價值65
5.3虛擬原型軟件項目價值的案例研究68
5.4投資回報率71
5.5計算科學研究的例子：天氣預報74
5.6CREATE項目軟件的應用76
5.6.1CREATE-AV（飛行器）76
5.6.2CREATE-船舶78
5.6.3CREATE-RF（射頻）79
5.6.4CREATE-FT（基礎技術）80
5.6.5CREATE-GV（地面車輛）80
5.7總結80
第6章建立虛擬原型軟件項目的提案81
6.1引言81
6.2建立提案的步驟82
6.3執行提案開發階段的工作83
6.3.1制訂計劃84
6.3.2研究提案86
6.3.3準備和營銷提案93
6.4總結97
第7章創建虛擬原型軟件項目98
7.1引言98
7.2啟動和建立虛擬原型軟件項目的步驟98
7.2.1開始99
7.2.2確定項目重點100
7.2.3建立核心項目101
7.2.4建立計算生態繫統106
7.2.5制定政策和進行實踐108
7.3虛擬原型軟件項目的組織結構110
7.4虛擬原型軟件項目的進度跟蹤112
7.5虛擬原型軟件項目的開發周期114
7.6總結114
第8章虛擬原型軟件項目的風險管理116
8.1引言116
8.2程序性風險117
8.3風險管理118
8.3.1項目管理策略118
8.3.2CREATE軟件項目的風險管理119
8.3.3降低風險的項目管理實踐120
8.4總結124
第9章執行虛擬原型軟件項目125
9.1引言125
9.2執行風險125
9.2.1項目啟動階段的執行風險125
9.2.2執行風險的管理方法127
9.3降低執行風險的項目實踐129
9.4敏捷工作流程管理134
9.5工作流程管理文檔和產品文檔135
9.6總結138
第10章驗證和確認基於科學的軟件139
10.1引言139
10.2CREATE項目中的測試140
10.3自動化測試140
10.4CREATE項目測試方法與實踐141
10.4.1驗證方法與實踐142
10.4.2確認方法與實踐146
10.4.3不確定性量化的實踐149
10.5應用CREATE項目測試的例子150
10.6總結151
第11章虛擬原型軟件項目團隊152
11.1引言152
11.2知識型工作者的特點153
11.3激勵知識型工作者的因素154
11.4知識型工作者應具備的能力和知識155
11.5知識型工作者團隊及其重要性155
11.6知識產權和法律問題158
11.7虛擬原型工具對團隊的作用159
11.8總結160
第12章虛擬原型的機會和挑戰161
12.1引言161
12.2虛擬原型的機會162
12.3虛擬原型的挑戰165
12.3.1摩爾定律165
12.3.2未來的計算機167
12.3.3虛擬原型範式的未來應用167
12.4全書總結169
參考文獻173

前言

為什麼寫這本書
本書的目的是為那些希望獲得或開發軟件的工程師和科研人員提供指導，以通過虛擬原型提高其工程和科學研究組織的競爭力。在產品開發過程中，虛擬原型取代了物理原型。它是計算機輔助設計的延伸，使產品開發人員不僅能夠可視化產品設計，而且能夠在產品制造之前，使用基於物理學的軟件工具準確預測其性能。當應用於天氣等自然繫統時，它可以使行為預測達到前所未有的精度。
工程設計和科學研究總是涉及對新產品或研究目標的抽像工作。對於復雜產品的開發來說，抽像可能始於對新產品的心理想像，然後轉化為圖紙或物理模型。對於科學研究來說，抽像可能是對實驗結果的期望或對自然現像的觀察。隨著科學和技術從古至今的發展，抽像概念的作用已經大大增加。
在過去50年左右的時間裡，這一進展急劇加快。計算能力從第二次世界大戰結束時的1FLOPS激增到今天的1017FLOPS。這幾乎與計算能力的驚人增長一樣引人注目。現在可以使用計算機來設計和準確預測復雜產品（如超音速噴氣式飛機）的行為，並準確預測復雜自然現像（如天氣）的變化。為什麼寫這本書
本書的目的是為那些希望獲得或開發軟件的工程師和科研人員提供指導，以通過虛擬原型提高其工程和科學研究組織的競爭力。在產品開發過程中，虛擬原型取代了物理原型。它是計算機輔助設計的延伸，使產品開發人員不僅能夠可視化產品設計，而且能夠在產品制造之前，使用基於物理學的軟件工具準確預測其性能。當應用於天氣等自然繫統時，它可以使行為預測達到前所未有的精度。
工程設計和科學研究總是涉及對新產品或研究目標的抽像工作。對於復雜產品的開發來說，抽像可能始於對新產品的心理想像，然後轉化為圖紙或物理模型。對於科學研究來說，抽像可能是對實驗結果的期望或對自然現像的觀察。隨著科學和技術從古至今的發展，抽像概念的作用已經大大增加。
在過去50年左右的時間裡，這一進展急劇加快。計算能力從第二次世界大戰結束時的1FLOPS激增到今天的1017FLOPS。這幾乎與計算能力的驚人增長一樣引人注目。現在可以使用計算機來設計和準確預測復雜產品（如超音速噴氣式飛機）的行為，並準確預測復雜自然現像（如天氣）的變化。
盡管幾十年來計算機在產品設計中發揮了重要作用，尤其是在微電子領域，但當前的工程設計方法仍然主要依賴於基於實驗的“設計、構建、測試”範式。科學和工程研究是基於理論研究、物理模型和實驗的，從桌面規模到超大型實驗設施（如高能加速器、大型地面和衛星望遠鏡）。為了提高組織的競爭力，工程師和研究人員越來越多地轉向用計算方法來分析和預測新產品的性能，並進行科學研究。由於引入了多物理場建模軟件和高性能計算，這已經變得非常有用。在虛擬原型中，這兩種技術的結合使得準確預測全尺寸繫統性能成為可能。對於許多應用來說，即使在21世紀初，情況也並非如此。這種計算產品開發模式比基於實驗的方法更快、更便宜、更靈活。
計算科學與工程文獻中涉及很多術語，包括虛擬原型、數字代理、數字孿生、鏡像、模擬和各種同義詞。這些術語背後的概念大致相當。我們使用它們來表示物理對像或自然物理繫統的基於物理學的數學表示（通常稱為模型），這些物理對像或繫統以數字形式被捕捉，可以幫助預測它們的行為或狀態。根據上下文，我們在本書中使用了所有這些術語。例如，虛擬原型化是開發虛擬原型並使用它來研究感興趣的繫統的過程。數字代理是特定產品或自然繫統的計算機模型，就像虛擬原型一樣。數字代理一詞通常比虛擬原型一詞更具持久性。數字孿生是與感興趣的產品或繫統的特定實例相關聯的數字代理，它貫穿於產品或繫統的整個生命周期。雖然我們沒有詳細討論這些概念，但有人已經將它們擴展到了生物繫統，包括人類社會、微生物集合和自然生態繫統中的捕食行為。
歷史的視角
雖然實用電子計算機的出現隻是近代（自第二次世界大戰以來）纔發生的，但使用繫統的數學抽像來進行設計和預測有很長的歷史，可以追溯到巴比倫尼亞的天文學前80前400年）。
巴比倫尼亞的天文學家使用基於經驗的數學模型以及他們400年來對月亮和行星運動的天文測量來預測天文事件（如日食和行星運動）。類似於現代的數字代理，他們的“模型”被其數據驗證。然而，與希臘人不同，巴比倫尼亞人沒有關於天體的一般模型的概念。他們的方法純粹是一種經驗性的數學練習，用來預測日食、月相和其他對他們的占星術很重要的事件。他們和許多古代人一樣，相信天上的事件是來自神靈的線索，預示著未來地球上的事件。
希臘天文學家克羅狄斯·托勒密（Claudius Ptolemaeus）在埃及亞歷山大開發了一個以地球為中心的天空模型（150~170年）。這是古代虛擬原型非常常見的例子之一：字典意義上的虛擬，捕捉繫統的本質，但不是繫統的外觀。大多數字典現在也把數字列為虛擬的另一種含義。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，球形地球是靜止的，固定的恆星、行星、月亮和太陽以各種復雜的軌道（本輪）圍繞地球旋轉。這是一個非常復雜的模型，也是當時天空最精確的數學模型。直到16世紀，隨著行星和天文觀測的改進，托勒密地心模型變得越來越笨拙。然而，它持續了1400多年，直到哥白尼革命（大約1540年），尼古拉·哥白尼發表了日心天體模型。他的繼任者（伽利略、開普勒、牛頓、高斯等）點燃了科學革命之火。牛頓是最早認識到物理定律普遍性的人之一。牛頓將他的三個運動定律和萬有引力定律應用於天空與微積分（他為此發明了微積分）來預測行星的運動。
在接下來的幾個世紀裡，其他數學家和科學家開發了基於物理學的數學模型來解釋電磁學、流體流動和無數其他物理現像。這些模型的預測最初是通過手工計算的，這嚴重限制了其準確性和範圍。為了進行行星軌道的計算，高斯記住了一個四位數的對數表。在計算機出現之前，計算真實的幾何圖形和材料的問題對於普通人來說是非常困難的。
雖然天氣預報的發展比計算行星運動的方法晚了一點，但到1910年，天氣預報的數學計算已相當可靠。高精度的實際天氣預報需要計算機的支持，而計算機是20世紀40年代纔出現的。數字意義上的虛擬原型在曼哈頓項目和氫彈項目中發揮了重要作用，兩者都是（並且仍然是）高性

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