本文是一篇电气自动化论文，本文提出基于混沌多项式和贝叶斯优化的混合不确定性量化方法，对汽车线束电磁耦合效应进行不确定性分析，计算得到关注频点上的概率盒模型，并对不确定性模型进行灵敏度分析和可信度评价。
第1章 绪论
1.1 研究背景与意义
随着汽车和电气行业的高速发展，越来越多的电气电子设备被装载在汽车上，极大地丰富了汽车功能的多样性，例如辅助驾驶、定位导航和影音娱乐等。近年来，装配车载电气电子设备的成本占汽车总生产成本的比例大幅度增加，这一现象在高端车型中尤为明显，同时由于人们对汽车功能的需求越来越高，部分低端车型的生产环节中也逐渐显现出上述趋势[1]。车载电气电子设备按照功能主要可以分为传动、安全、行驶、通信和车身等，而随着近年来新能源汽车领域的迅猛发展，大量电气电子设备也被应用到了汽车电源、电机以及控制系统等方面[2]。车载电气电子设备的应用极大地提高了汽车驾驶的安全性和舒适性，也同时为汽车电磁兼容问题带来了新的问题。随着电气行业的发展，汽车行驶过程中面临的电磁干扰问题愈发复杂，汽车电磁兼容问题已经被视为第三大汽车污染问题[3]。
汽车电磁兼容指的是汽车整车及其各零部件、子系统均能够在复杂的电磁环境中符合要求的运行，并且不会对其工作环境中其他电子设备产生影响其功能的电磁干扰的能力。在汽车行驶过程中，有许多由于汽车电磁兼容性能不佳而造成事故的案例，某型小型汽车在行驶时受外界电磁干扰影响致其安全气囊误触发[4]；某型客车在其雨刮器电机产生的电磁干扰下错误开启电控门[5]；某型货车在途径一信号塔时，受电磁干扰影响自动熄火后无法再次启动，而当货车远离信号塔后，其驾驶性能恢复正常[6]。针对汽车由电磁兼容问题造成的安全隐患，欧美各国和日本等汽车强国针对汽车行业制定了电磁兼容相关的测试标准，随后我国相继出台了关于汽车零部件和整车的国家标准[7-9]。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 汽车电磁兼容研究现状
上世纪初，国外研究人员无意发现汽车在启动时会对周围的无线广播通信设备产生干扰，发现这是由点火系统启动瞬间产生的强烈电磁脉冲造成的，并由此开始了汽车电磁兼容问题的相关研究。1934年，相关学者在法国巴黎召开会议，为建立统一的电磁兼容相关标准，创设无线电干扰特别委员会(CISPR)。随着汽车电磁兼容研究的深入，欧美和日本各国及相关国际组织相继出台了相关汽车电磁干扰测试标准[13]。上世纪六十年代以来，为了在不断拓展产品功能的同时保证汽车电磁安全，各知名汽车厂商着手建设汽车电磁兼容实验室，如德国大众、日本丰田及法国标志雪铁龙等。图1.4为汽车电磁兼容检测暗室内部构造。
然而，汽车电磁兼容实验室的建设和维护所需的时间和经济成本较高，且解决电磁兼容问题的难度随着汽车研发进程的推进逐步提高，研究人员试图结合相关理论发展经济高效的汽车电磁兼容建模与仿真技术方法。上世纪末，I. E. Noble 教授将汽车电磁兼容问题归纳为传导干扰、辐射干扰、传导敏感度和辐射敏感度四类[14]。Hussein等人建立汽车天线模型，并应用时域有限差分(FDTD)法仿真分析了天线的电磁效应[15]。Ruddle等人采用TLM-FDTD混合算法快速计算在电磁干扰下汽车内电磁场的分布情况，并将结果与实验结果对比验证了混合算法的有效性[16]。Frei 等人针对汽车驱动系统开展了零部件级别电磁兼容预测分析的相关研究[17]。国外研究人员分别针对汽车的电机[18]、驱动系统[19-20]、DC-DC变换器[21-22]和供电系统[23]等关键零部件进行电磁兼容性能进行分析。德国的CST公司基于有限元法开发了时频域三维电磁仿真软件CST Microwave，此外，国外软件公司开发的商用电磁仿真软件还有EMC Sutdio、FEKO 和 EMA 3D等。
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第2章 汽车线束多导体传输线方程推导及分布参数计算
2.2 多导体传输线方程推导
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本文的研究对象是无限大地面上多导体传输线模型的电磁耦合效应，实际上，多导体传输线的串扰问题可以视为辐射敏感度问题入射场辐射为零的特殊情形，因此本节将仅对辐射敏感度问题的传输线方程进行推导。n+1根线束的多导体传输线系统及入射场如图2.1所示，线束均平行于z轴，并选取编号为0的线束作为参考线束。
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2.3 线束单位长度分布参数的计算
在2.2中推导了多导体传输线方程，获得了线束电磁耦合效应产生的感应电流和感应电压的计算方法。而在实际汽车线束电磁耦合问题分析过程中，汽车传输线系统的单位长度分布矩阵计算是十分重要的，由于汽车线束的横截面尺寸在所关心频段内为电小尺寸，则TEM传播模式下的汽车线束具有唯一确定分布参数。考虑到汽车线束具有极佳的导电性，因而需要对单位长度电容、电感参数矩阵进行求解。现有方法中能够用于计算线束单位长度参数的主要有矩量法[77]、有限元法[78]以及解析法[79]等。同时，许多研究机构结合不同理论算法推出了能够提取传输线单位长度参数的软件，如Ansys Q3D，EMC Studio，FastCap等。由于汽车线束通常处于非均匀介质中，通常应用数值模拟法计算其单位长度分布参数。本小节将对应用广泛的有限元法和解析法的原理分别进行介绍，并结合算例实验，采用基于有限元法的Ansys Q3D软件和解析法分别计算汽车线束单位长度分布参数。
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第3章 汽车线束电磁耦合混合不确定性量化分析 ............................ 27
3.1 引言 .................................... 27
3.2 混合不确定性量化分析方法 ........................ 27
第4章 汽车线束电磁耦合仿真模型可信度评价方法研究 ................ 50
4.1 引言 ........................ 50
4.2 模型可信度评价的意义....................... 50
第5章 总结与展望 ............................... 62
5.1 总结 .............................................. 62
5.2 展望 .................................. 63
第4章 汽车线束电磁耦合仿真模型可信度评价方法研究
4.2 模型可信度评价的意义
系统仿真分析过程是结合所研究领域的相关理论知识，在计算机系统平台上，对实际研究系统或现象的机理进行分析，建立尽可能与实际系统一致的仿真模型。而针对研究对象开展的相关调研、机理分析以及模型的测试和运行的过程即为系统建模仿真。然而，由于所关注的研究问题复杂程度较高，以及系统建模过程中计算方法或技术等局限性，系统仿真模型只是一个性质和功能与实际系统具有一定程度一致性的模型，仿真模型与实际系统之间是存在差异的。此时，则需要对仿真模型与实际系统的一致性程度进行研究。若仿真模型的可信度较低，仿真模型在运行时则可能会产生不准确甚至错误的结果，此时仿真模型则无法有效的代替实际系统进行仿真测试实验。此外，所研究科学问题的复杂程度不仅会使建立仿真模型的过程难度提高，同时也会为仿真模型的可信度评价造成困难。因此，仿真模型可信度评价方法的研究对于选取适当的仿真模型进而解决科学问题具有重要的意义。
（1）降低仿真系统的研究成本
系统仿真的过程是一个多层次，并且内部各参数错综复杂的过程。在整个仿真系统的研发过程中，通常需要不断评价当前系统的可信度，以验证仿真系统的正确性和有效性，进而保证仿真系统的整体研发进程，有效地降低系统研发的时间和经济成本。 （2）保证模型在实际应用中的安全性能
仿真系统通常内部参数关系密切且复杂程度较高，这使得仿真系统在研发过程中，其内部的缺陷或问题难以被发现并得以解决，从而导致仿真模型投入实际研究或生产过程中存在着风险和隐患，严重时甚至会造成难以挽回的错误和损失。因此，在整个仿真系统的研发过程中应用可信度评价方法，能够密切的关注仿真模型的正确性，解决仿真系统中的安全隐患。保证仿真模型的可信度，有利于提高其在实际应用中的安全性能。
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第5章 总结与展望
5.1 总结
本文开展了汽车线束电磁耦合效应的混合不确定性量化分析的相关研究，主要包括以下工作：
（1）考虑到汽车线束的良好特性，首先将汽车线束视为理想无耗的传输线系统，以经典电磁学原理为基础，结合多导体传输线理论，利用链参数矩阵和戴维南定理对多导体传输线的第一、第二方程求解方法进行推导。其次，详细介绍了镜像解析法以及有限元法和矩量法两类数值法，并建立汽车线束模型，应用解析法求解模型的单位长度分布参数，并将Ansys Q3D软件的仿真结果作为参考，验证了解析法的正确性。最后采用多导体传输线方程，对串扰和辐射敏感度模型中线束的感应电流进行频域分析，并将其与专业仿真软件CST获得的结果进行对比，验证所建立模型的准确性。
（2）为了对线束电磁耦合效应进行混合不确定性量化分析，采用可能性理论表示认知不确定性参数，并介绍了传统的基于MC和GS的混合不确定性量化框架。然而，通过大量抽样和函数调用的求解方法计算成本昂贵，计算效率较低。为了提高计算效率，提出基于PC和BO的混合不确定性量化方法，对汽车线束电磁耦合效应进行混合不确定性量化，分别对PC和BO的原理和计算流程进行介绍，并介绍了基于Sobol法的灵敏度分析方法。采用汽车线束算例，将线束上的感应电流作为模型输出响应，将线束串扰和辐射敏感度模型的部分输入参数设置成随机和认知不确定性变量，并对模型进行混合不确定性量化，获得了线束感应电流在关注频点处概率盒模型，以及频段内均值、标准差的区间边界，并利用MC和GS获得的结果作为参考，验证了所提出方法的有效性。结合Sobol灵敏度指标，定量计算各模型输入参数对模型输出响应的影响程度，为汽车线束的设计优化提供参考依据。
参考文献（略）