复杂线缆网络串扰不确定性问题的高效分析方法研究

The application of a large number of electrical and electronic equipments has led to the formation of complex cable network in aircraft, ships, cars and other large systems. In reality, crosstalk in cable harness is one of the primary prediction goals of system electromagnetic compatibility design. And because of the influence of geometric dimensions, installation location, terminal components of cable harness and other related factors , crosstalk in cable harness has become uncertain, which seriously affects the electromagnetic compatibility of the large systems. Therefore, this project will solve the existing problems of uncertainty analysis methods which are used for crosstalk calculation in cable harness, such as the scope of application, evaluation and consideration on the relevant factors, calculation accuracy and computational efficiency,and a new efficient analysis method based on the non-intrusive polynomial chaos expansion method is innovatively proposed to solve the uncertainty problems of crosstalk in complex cable network. With this method, not only the statistical characteristics of the uncertainty of crosstalk in the complex cable network and can be calculated efficiently，but also the global sensitivity analysis of related factors causing the uncertainty of crosstalk in cable network can be achieved.Therefore, the achievemens of this project can provide a theoretical basis for the electromagnetic compatibility design and the selection and optimization of complex cable network in aircraft, ships, cars and other large systems.

大量电气电子设备的应用，使飞机、舰船和汽车等大型系统中形成了复杂的线缆网络。而现实情况中，作为系统电磁兼容设计首要预测目标之一的串扰，由于线缆几何尺寸、安装位置、端接元件等方面的相关因素影响而具有不确定性问题，严重威胁着系统电磁兼容性能。因此，本项目针对现有线缆串扰不确定性问题分析方法在适用范围、相关影响因素的考虑和评价，以及计算精度和效率等方面存在的问题，创新性的提出一种基于非嵌入式混沌多项式展开（Non-Intrusive Polynomial Chaos Expansion,NIPCE）法的复杂线缆网络串扰不确定性问题高效分析方法，能够实现表征复杂线缆网络串扰不确定性的相关统计特征参数的高效计算，以及对造成线缆网络串扰不确定性的相关因素进行全局敏感度分析。从而为飞机、舰船和汽车等大型系统中复杂线缆网络的电磁兼容预测和优化设计提供理论依据，更好的保障大型系统的电磁兼容性能。

大量电气电子设备的应用，使飞机、舰船和汽车等大型系统中形成了复杂的线缆网络。而现实情况中，作为系统电磁兼容设计首要预测目标之一的串扰，由于线缆几何尺寸、安装位置、端接元件等方面的相关因素影响而具有不确定性问题，严重威胁着系统电磁兼容性能。因此，本项目针对现有线缆串扰不确定性问题分析方法在适用范围、相关影响因素的考虑和评价，以及计算精度和效率等方面存在的问题，首先结合电磁拓扑学和多导体传输线理论实现了复杂线缆网络串扰模型的构建和求解，然后创新性的提出一种基于非嵌入式混沌多项式展开法，利用NIPCE法中的随机响应面法、加权随机响应面法和基于Galerkin投影法等具体方法，结合避免“维数灾难”问题的稀疏网格数值积分法等，对复杂线缆网络串扰不确定性问题实现了高效分析，能够获得表征复杂线缆网络串扰不确定性的相关统计特征参数（包括均值、标准差等统计矩和概率密度分布情况等）的高效计算，以及对造成线缆网络串扰不确定性的相关因素进行全局敏感度分析（包括一阶灵敏度指标和总灵敏度指标），获得关心频点或某一频段的相关因素影响程度的量化指标。上述不确定性问题分析方法与传统的蒙特卡洛法相比能够在保证计算精度的前提下将计算效率大幅提升（以某一具体线缆网络算例进行验证，本项目所提出方法的计算时间仅为传统蒙特卡洛法的3.71~6.06%，而结合了避免维数灾难问题的稀疏网格数值积分方法后，计算时间更是达到了传统的蒙特卡洛法的1.47%）。本项目所提出的相关方法为飞机、舰船和汽车等大型系统中复杂线缆网络的电磁兼容预测和优化设计提供理论依据，更好的保障大型系统的电磁兼容性能。