生成式人工智能（AI）技術(shù)的突破性發(fā)展為航空發(fā)動(dòng)機(jī)這一復(fù)雜工業(yè)領(lǐng)域的智能化轉(zhuǎn)型提供了新的技術(shù)范式。本文系統(tǒng)闡述了生成式AI技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)仿真領(lǐng)域的研究進(jìn)展與應(yīng)用實(shí)踐。首先，梳理了生成式AI技術(shù)的演進(jìn)脈絡(luò)，從早期的概率模型到當(dāng)前的擴(kuò)散模型與Transformer架構(gòu)，分析了技術(shù)發(fā)展的內(nèi)在邏輯。其次，深入探討了生成式AI的核心技術(shù)框架，包括輸入表示、潛在空間壓縮、生成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、物理約束融合以及設(shè)計(jì)優(yōu)化流程等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)論述了生成式AI在航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)、葉輪機(jī)械氣動(dòng)設(shè)計(jì)、燃燒室燃燒仿真、多場(chǎng)耦合快速設(shè)計(jì)以及燃油潤滑冷卻系統(tǒng)等領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀與典型案例。針對(duì)工程化應(yīng)用中面臨的泛化能力不足、小樣本學(xué)習(xí)困境以及多模態(tài)數(shù)據(jù)失衡等挑戰(zhàn)，提出了相應(yīng)的解決思路。最后，展望了多物理場(chǎng)耦合生成式設(shè)計(jì)、多智能體協(xié)同框架以及物理信息生成模型等未來發(fā)展方向。研究表明，生成式AI技術(shù)正在推動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)范式從“計(jì)算機(jī)輔助人”向“人輔助計(jì)算機(jī)”的深刻轉(zhuǎn)變，為提升設(shè)計(jì)效率、探索創(chuàng)新構(gòu)型提供了有力支撐。

一、生成式AI技術(shù)趨勢(shì)與戰(zhàn)略意義

1.1 生成式AI技術(shù)的時(shí)代背景與發(fā)展趨勢(shì)

人工智能技術(shù)正經(jīng)歷著從感知智能向生成智能、再向代理智能與物理智能演進(jìn)的深刻變革。在這一進(jìn)程中，生成式AI技術(shù)的突破性發(fā)展尤為引人矚目，其不僅能夠在自然語言處理和計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域生成高度逼真的文本與圖像，更開始向工業(yè)制造、科學(xué)研究等實(shí)體經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域深度滲透。當(dāng)前，生成式AI已從單純的概念驗(yàn)證走向?qū)嶋H應(yīng)用，成為各類工業(yè)軟件的重要組成部分，幾乎所有頭部工業(yè)軟件廠商都在其產(chǎn)品組合中集成了生成式AI能力。這一趨勢(shì)標(biāo)志著AI技術(shù)正在從“感知和理解”向“創(chuàng)造和設(shè)計(jì)”的能級(jí)躍遷。

在工業(yè)領(lǐng)域，生成式AI的應(yīng)用呈現(xiàn)出明顯的“雙曲線”特征：小模型憑借其準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可解釋性優(yōu)勢(shì)，率先在制造執(zhí)行、過程控制等場(chǎng)景落地；而大模型則更適合開放性和創(chuàng)新性要求較高的研發(fā)設(shè)計(jì)與銷售服務(wù)場(chǎng)景，如代碼生成、知識(shí)問答、智能客服等?？梢灶A(yù)見，大小模型將在工業(yè)領(lǐng)域長(zhǎng)期共存、相互促進(jìn)，共同推動(dòng)工業(yè)智能化水平的提升。展望2035年，工業(yè)智能將在與人類對(duì)齊、與機(jī)器共融、與生產(chǎn)協(xié)同優(yōu)化、與工業(yè)知識(shí)共智、與物理世界交互等五個(gè)維度取得長(zhǎng)足進(jìn)步，工業(yè)軟件將從計(jì)算機(jī)輔助人（CAx）模式向人輔助計(jì)算機(jī)（HAx）模式轉(zhuǎn)變。

1.2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域引入生成式AI的戰(zhàn)略意義

航空發(fā)動(dòng)機(jī)被譽(yù)為“工業(yè)皇冠上的明珠”，是衡量一個(gè)國家科技實(shí)力和工業(yè)水平的重要標(biāo)志。其研發(fā)過程涉及氣動(dòng)熱力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料科學(xué)、燃燒學(xué)、傳熱學(xué)等多個(gè)學(xué)科的高度耦合，設(shè)計(jì)空間廣闊、約束條件復(fù)雜、迭代周期漫長(zhǎng)。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法高度依賴工程師的經(jīng)驗(yàn)積累和大量的物理試驗(yàn)，不僅成本高昂，而且難以突破既有設(shè)計(jì)范式的局限。

生成式AI技術(shù)的引入為破解上述困境提供了新的可能。通過深度學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)，生成式AI能夠模擬并優(yōu)化航空發(fā)動(dòng)機(jī)的各種設(shè)計(jì)參數(shù)，在保障安全性的前提下探索更高效的能源轉(zhuǎn)換路徑。同時(shí)，生成式AI的預(yù)測(cè)能力也為發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)與健康管理提供了新的視角，有助于提前識(shí)別潛在故障、延長(zhǎng)使用壽命、降低運(yùn)營成本。具體而言，生成式AI能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同物理場(chǎng)指標(biāo)性能的快速計(jì)算和預(yù)測(cè)，輔助工程師快速完成部件的生成設(shè)計(jì)和性能評(píng)估，顯著提升分析和設(shè)計(jì)的效率，避免重復(fù)性勞動(dòng)。

從更宏觀的視角來看，生成式AI與航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的深度融合，不僅是技術(shù)進(jìn)步的必然趨勢(shì)，更是推動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)智能化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵引擎。這一融合將重塑傳統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)流程，構(gòu)建起數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與物理機(jī)理深度融合的新型研發(fā)范式，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能躍升和自主創(chuàng)新提供強(qiáng)大動(dòng)能。

二、生成式AI技術(shù)的背景與發(fā)展

2.1 傳統(tǒng)AI技術(shù)與生成式AI技術(shù)的分野

傳統(tǒng)人工智能技術(shù)主要基于預(yù)設(shè)規(guī)則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并輸出相應(yīng)的決策結(jié)果。這類技術(shù)在特定應(yīng)用場(chǎng)景及目標(biāo)明確的任務(wù)中，能夠通過預(yù)先設(shè)計(jì)的程序從結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)中提取相關(guān)模式，從而提高數(shù)據(jù)分析和自動(dòng)化處理的效率。其主要應(yīng)用于分類、回歸、目標(biāo)檢測(cè)等任務(wù)，在自動(dòng)分析現(xiàn)有數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)化任務(wù)中表現(xiàn)出較高的準(zhǔn)確性和可靠性。然而，傳統(tǒng)AI技術(shù)在處理模糊信息和創(chuàng)造性決策方面仍相對(duì)不足，其本質(zhì)是對(duì)已有知識(shí)的應(yīng)用而非新知識(shí)的創(chuàng)造。

生成式AI技術(shù)的興起填補(bǔ)了這一空白。該技術(shù)采用深度學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，結(jié)合概率方法，能夠根據(jù)輸入的提示生成真實(shí)且語境相符的文本、圖像、視頻、3D形狀、代碼等內(nèi)容。與適用于固定框架的傳統(tǒng)AI技術(shù)不同，生成式AI技術(shù)通過自監(jiān)督機(jī)制不斷進(jìn)行自我優(yōu)化和學(xué)習(xí)，能夠處理多模態(tài)的非結(jié)構(gòu)化信息，其核心在于對(duì)數(shù)據(jù)潛在分布的建模和采樣。這一差異決定了生成式AI在航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件結(jié)構(gòu)的3D生成和設(shè)計(jì)參數(shù)生成方面具有重要應(yīng)用價(jià)值，能夠?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)的智能設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供有力支撐。

從認(rèn)知維度來看，傳統(tǒng)AI側(cè)重于“是什么”的判斷，而生成式AI則關(guān)注“可能是什麼”的探索。后者通過學(xué)習(xí)海量數(shù)據(jù)的潛在分布，能夠在設(shè)計(jì)空間中生成符合約束條件且具有創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)方案，這對(duì)于突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思維定式、探索非常規(guī)構(gòu)型具有獨(dú)特價(jià)值。

2.2 生成式AI技術(shù)的演進(jìn)脈絡(luò)

生成式AI技術(shù)的起源可追溯至20世紀(jì)50年代，其早期代表技術(shù)包括隱馬爾可夫模型和高斯混合模型。這些模型主要應(yīng)用于生成語音和時(shí)間序列數(shù)據(jù)，但生成效果并不理想，受限于模型容量和計(jì)算能力，難以捕捉高維數(shù)據(jù)的復(fù)雜分布。

在自然語言處理領(lǐng)域，傳統(tǒng)的句子生成方法主要依賴于人工設(shè)定的語法規(guī)則，或者采用N-gram算法學(xué)習(xí)單詞的分布并據(jù)此選擇最優(yōu)的序列組合。然而，這一文本生成方式在生成復(fù)雜長(zhǎng)句方面存在固有局限，難以處理長(zhǎng)距離依賴關(guān)系。循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）及其變體（包括長(zhǎng)短時(shí)記憶網(wǎng)絡(luò)LSTM和門控循環(huán)單元GRU）通過引入門控機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了記憶與遺忘的功能，有效捕捉序列數(shù)據(jù)中的長(zhǎng)距離依賴關(guān)系，顯著推動(dòng)了語言模型的發(fā)展。

在計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域，傳統(tǒng)的圖像生成算法主要依賴于手工設(shè)定的特征進(jìn)行紋理合成，其在生成多樣化和復(fù)雜圖像方面同樣存在局限。隨著變分自編碼器（VAE）和生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)（GANs）的提出，圖像生成質(zhì)量得到了明顯提升。VAE通過編碼器-解碼器結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的潛在表示，GANs則通過生成器與判別器的博弈對(duì)抗實(shí)現(xiàn)逼真圖像的合成。隨后，流模型（Flow）和擴(kuò)散模型等方法能夠更精細(xì)地控制圖像生成過程，進(jìn)一步提升了高質(zhì)量圖像的生成能力。

一個(gè)具有劃時(shí)代意義的架構(gòu)——Transformer架構(gòu)的提出，徹底改變了生成式AI的技術(shù)格局。該架構(gòu)完全基于自注意力機(jī)制構(gòu)建，具有極高的并行化處理能力，顯著提升了生成性能。Transformer的出現(xiàn)標(biāo)志著生成模型的發(fā)展達(dá)到了一個(gè)新的交匯點(diǎn)，其在處理海量數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)知識(shí)融合方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，不僅顯著提高了生成內(nèi)容的質(zhì)量，還促進(jìn)了不同領(lǐng)域之間的交叉融合，實(shí)現(xiàn)了多模態(tài)內(nèi)容的生成。

當(dāng)前，生成式AI技術(shù)正從單一領(lǐng)域的突破轉(zhuǎn)向智能系統(tǒng)的集成應(yīng)用，在更多領(lǐng)域（如工業(yè)設(shè)計(jì)、視頻生成等）展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。從技術(shù)演進(jìn)趨勢(shì)來看，生成式AI正朝著模態(tài)融合、系統(tǒng)協(xié)同、場(chǎng)景深耕的新階段邁進(jìn)，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)等復(fù)雜工業(yè)產(chǎn)品的智能化設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

三、生成式AI技術(shù)框架

3.1 輸入表示與數(shù)據(jù)編碼策略

生成式AI技術(shù)構(gòu)筑于概率建模與表示學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)之上，其核心在于對(duì)輸入數(shù)據(jù)潛在分布的建模，并通過學(xué)習(xí)近似分布來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采樣與生成。不同的輸入數(shù)據(jù)表示策略對(duì)生成結(jié)果的質(zhì)量具有顯著影響，這一環(huán)節(jié)是生成式AI技術(shù)框架的基石。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，輸入數(shù)據(jù)呈現(xiàn)高度多樣化的特征，包括幾何模型、網(wǎng)格數(shù)據(jù)、流場(chǎng)分布、性能參數(shù)等。以3D幾何生成為例，點(diǎn)云、體素、網(wǎng)格、隱式表示等不同方法對(duì)原始3D形狀特征的描述各有側(cè)重，導(dǎo)致生成結(jié)果在全局結(jié)構(gòu)與局部細(xì)節(jié)上表現(xiàn)出顯著差異。點(diǎn)云表示能夠保留幾何細(xì)節(jié)但缺乏拓?fù)溥B接信息，體素表示易于處理但內(nèi)存消耗大，網(wǎng)格表示精確但數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，隱式表示（如符號(hào)距離函數(shù)）則能夠以連續(xù)函數(shù)形式表達(dá)復(fù)雜幾何，近年來受到廣泛關(guān)注。研究表明，隱式神經(jīng)表示（INR）將數(shù)據(jù)表示為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的連續(xù)函數(shù)，能夠有效編碼數(shù)據(jù)信息，為構(gòu)建可泛化的生成模型提供了新的思路。

此外，針對(duì)不同的生成模型，輸入數(shù)據(jù)的處理方式亦需相應(yīng)調(diào)整。例如，自回歸生成模型要求將數(shù)據(jù)劃分為具有先后順序的序列塊，適用于語言生成或時(shí)序預(yù)測(cè)；而擴(kuò)散模型則更適合處理連續(xù)空間的數(shù)據(jù)分布。在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，無論是直接構(gòu)建3D模型還是生成設(shè)計(jì)參數(shù)，所涉及的均為高維數(shù)據(jù)集，如何對(duì)其進(jìn)行有效編碼是決定生成質(zhì)量的關(guān)鍵。

3.2 潛在空間壓縮表示

高維數(shù)據(jù)的直接處理往往面臨維度災(zāi)難和計(jì)算復(fù)雜度高的問題。為提升生成模型的訓(xùn)練效率，通常需要壓縮輸入數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)緊湊的表征。潛在空間壓縮的核心思想是將原始高維數(shù)據(jù)映射到低維流形上，在保留關(guān)鍵特征的同時(shí)降低數(shù)據(jù)維度。

目前，主流的技術(shù)手段是利用變分自編碼器（VAE），將高維數(shù)據(jù)X通過編碼器映射至潛在變量Z的分布，進(jìn)而將其轉(zhuǎn)換至維度較低的潛在空間。這一過程不僅保留了原始數(shù)據(jù)的特征信息，而且還能夠使?jié)撛谧兞縕學(xué)習(xí)到原始數(shù)據(jù)的抽象語義維度。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)場(chǎng)景中，這種抽象語義可能對(duì)應(yīng)于幾何的宏觀拓?fù)涮卣鳎ㄈ缛~片的扭轉(zhuǎn)角、掠角）或性能的關(guān)鍵影響因素，使得設(shè)計(jì)者能夠在語義層面操控生成過程。

潛在空間亦可作為不同模態(tài)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一表征平臺(tái)，以支持多模態(tài)數(shù)據(jù)的對(duì)齊與跨模態(tài)數(shù)據(jù)的生成任務(wù)。例如，在文本到3D模型的生成任務(wù)中，可以將文本描述和3D幾何分別編碼到同一潛在空間，通過學(xué)習(xí)兩者之間的映射關(guān)系實(shí)現(xiàn)跨模態(tài)生成。潛在分區(qū)網(wǎng)絡(luò)（LZN）的提出進(jìn)一步推動(dòng)了這一方向的發(fā)展，該網(wǎng)絡(luò)通過為不同數(shù)據(jù)類型創(chuàng)建共享的潛在空間，統(tǒng)一了生成建模、表示學(xué)習(xí)和分類三大核心任務(wù)。對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)這類涉及多學(xué)科、多物理場(chǎng)的復(fù)雜系統(tǒng)，統(tǒng)一的潛在表征有助于實(shí)現(xiàn)跨領(lǐng)域知識(shí)的融合與遷移。

3.3 生成網(wǎng)絡(luò)與解碼機(jī)制

生成網(wǎng)絡(luò)在構(gòu)建多樣化且語境適宜的樣本生成方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。當(dāng)前，擴(kuò)散模型與自回歸模型是該領(lǐng)域的兩大主流技術(shù)，兩者各具特色且在不同應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

擴(kuò)散模型采用兩階段的擴(kuò)散機(jī)制來學(xué)習(xí)潛在變量的分布特性。在正向擴(kuò)散階段，模型逐步向潛在變量中注入噪聲，直至其分布轉(zhuǎn)變?yōu)榧冊(cè)肼暦植迹辉诜聪驍U(kuò)散階段，模型則從純?cè)肼暊顟B(tài)出發(fā)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逐步預(yù)測(cè)并去除噪聲，直至恢復(fù)出真實(shí)數(shù)據(jù)的分布。完成噪聲網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后，通過隨機(jī)采樣一個(gè)高斯噪聲，并通過多次噪聲預(yù)測(cè)迭代，將其還原為潛在變量，最終利用解碼器將潛在變量轉(zhuǎn)換為原始輸入數(shù)據(jù)。解碼器的作用與編碼器相對(duì)，其目的在于將潛在變量映射回原始數(shù)據(jù)空間。擴(kuò)散模型的優(yōu)勢(shì)在于生成質(zhì)量高、模式覆蓋廣，在圖像生成和3D形狀生成任務(wù)中取得了顯著成效。

自回歸模型則將潛在變量劃分為一系列有序的序列塊，并通過將潛在變量的聯(lián)合分布轉(zhuǎn)化為學(xué)習(xí)序列間條件依賴關(guān)系的分布，實(shí)現(xiàn)逐塊預(yù)測(cè)后續(xù)序列塊的目標(biāo)。模型訓(xùn)練完成后，從一個(gè)隨機(jī)采樣的起始序列開始，逐個(gè)預(yù)測(cè)序列塊，直至生成目標(biāo)潛在變量序列，并最終借助解碼器將其轉(zhuǎn)換為原始數(shù)據(jù)。自回歸模型的優(yōu)勢(shì)在于能夠精確建模序列間的依賴關(guān)系，適用于語言生成和時(shí)序預(yù)測(cè)等任務(wù)。

在工業(yè)智能設(shè)計(jì)領(lǐng)域，對(duì)生成樣本的性能指標(biāo)與工藝參數(shù)等物理約束的考量不可或缺。這些約束條件可被整合至生成過程中，以引導(dǎo)生成模型產(chǎn)生符合特定條件的輸出結(jié)果。在這一過程中，損失函數(shù)能夠指導(dǎo)模型修正方向。具體而言，在擴(kuò)散模型中，條件向量C與潛在變量Z的融合被用來表達(dá)兩者之間的相關(guān)性；而在自回歸生成模型中，條件向量C作為核心上下文輸入，其引入方式主要包括兩種：①將條件向量直接拼接至生成序列的起始端，作為引導(dǎo)信號(hào)；②先將條件向量編碼為嵌入向量，再與Transformer的位置編碼相加，進(jìn)而將條件控制信息融入到每一層的注意力計(jì)算中，實(shí)現(xiàn)對(duì)序列生成過程的有效指導(dǎo)。

3.4 損失函數(shù)與物理約束融合

生成式AI模型的訓(xùn)練依賴于損失函數(shù)的設(shè)計(jì)，損失函數(shù)定義了模型優(yōu)化方向和學(xué)習(xí)目標(biāo)。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)這類對(duì)物理一致性要求極高的領(lǐng)域，單純依靠數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的損失函數(shù)往往難以保證生成結(jié)果的物理可解釋性和工程可行性。因此，將物理規(guī)律以損失函數(shù)形式融入生成模型，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（PINN）的開創(chuàng)性工作為這一方向奠定了基礎(chǔ)。PINN的核心思想是將物理控制方程（如偏微分方程）的殘差項(xiàng)作為損失函數(shù)的一部分，與數(shù)據(jù)擬合損失共同優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。這使得模型不僅能夠擬合觀測(cè)數(shù)據(jù)，還能滿足潛在的物理規(guī)律。在生成式AI框架中，這一思想可以進(jìn)一步拓展：生成模型不僅要生成符合數(shù)據(jù)分布的設(shè)計(jì)方案，還要保證這些方案滿足納維-斯托克斯方程、連續(xù)方程、能量方程等物理定律。

具體實(shí)現(xiàn)路徑主要有兩種：一是在損失函數(shù)中引入物理守恒項(xiàng)，使生成樣本自動(dòng)滿足控制方程；二是構(gòu)建物理編碼器-解碼器架構(gòu)，將偏微分方程離散化為可微算子嵌入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。典型代表包括物理信息生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)（Physics-informed GAN）和物理約束擴(kuò)散模型（Physics-constrained Diffusion Models）。這些模型通過融合數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)與物理先驗(yàn)知識(shí)，顯著提升了生成樣本的物理可信度。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，該方法在結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)、材料設(shè)計(jì)等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，不僅能夠緩解純數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型的過擬合問題，還能降低對(duì)大規(guī)模標(biāo)注數(shù)據(jù)的依賴，為科學(xué)計(jì)算與工程優(yōu)化提供了新的范式。

3.5 設(shè)計(jì)優(yōu)化流程

生成模型的輸出結(jié)果通常無法直接達(dá)到最優(yōu)解。因此，進(jìn)一步的優(yōu)化過程成為必要，其核心目標(biāo)是在生成設(shè)計(jì)空間內(nèi)尋找滿足特定性能指標(biāo)的最優(yōu)方案。這一過程融合了生成模型與預(yù)測(cè)模型的協(xié)同作用：生成模型負(fù)責(zé)根據(jù)潛在空間的樣本值生成新的設(shè)計(jì)方案，而預(yù)測(cè)模型旨在以較低成本實(shí)現(xiàn)從輸入到性能指標(biāo)的映射，替代昂貴的高保真仿真或物理試驗(yàn)。

目前存在兩種主要的優(yōu)化方法：迭代優(yōu)化和生成優(yōu)化。

迭代優(yōu)化將生成模型與預(yù)測(cè)模型串聯(lián)起來，利用傳統(tǒng)優(yōu)化算法（如遺傳算法、粒子群算法或貝葉斯優(yōu)化）尋找與目標(biāo)性能差異最小的潛在變量，并將其輸入生成模型以獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。這一方法的優(yōu)勢(shì)在于可以利用成熟的優(yōu)化算法，且對(duì)生成模型和預(yù)測(cè)模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)無特殊要求，但迭代過程可能需要多次調(diào)用生成模型和預(yù)測(cè)模型，計(jì)算成本相對(duì)較高。

生成優(yōu)化則將預(yù)測(cè)模型作為物理約束條件，這些條件在生成器的訓(xùn)練過程中得到應(yīng)用，無需單獨(dú)的迭代過程，只需輸入性能指標(biāo)即可直接獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。這一方法的代表是條件可逆神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（cINN）和基于梯度的端到端優(yōu)化框架。例如，GHOSH等提出的PMI框架訓(xùn)練條件可逆神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)從性能指標(biāo)到設(shè)計(jì)參數(shù)的逆向映射，對(duì)于給定的性能指標(biāo)，通過cINN進(jìn)行顯式采樣生成多種潛在的設(shè)計(jì)方案。生成優(yōu)化的優(yōu)勢(shì)在于響應(yīng)速度快、能夠一次生成多個(gè)候選方案，但對(duì)訓(xùn)練數(shù)據(jù)的質(zhì)量和覆蓋范圍要求較高。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)踐中，兩種方法往往結(jié)合使用：生成優(yōu)化用于快速生成初始設(shè)計(jì)方案庫，迭代優(yōu)化則對(duì)庫中的優(yōu)選方案進(jìn)行精細(xì)化調(diào)優(yōu)，兼顧效率與精度。

四、生成式AI技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

4.1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)仿真

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)流程中，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)仿真對(duì)于確保其安全性和可靠性至關(guān)重要。該過程涵蓋了模型構(gòu)建、載荷映射、材料本構(gòu)關(guān)系以及分析評(píng)估等多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)在極端工況下的結(jié)構(gòu)完整性和疲勞壽命。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往采用參數(shù)化建模與有限元分析相結(jié)合的迭代搜索方法，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、效率低下，且容易受限于初始設(shè)計(jì)空間的覆蓋范圍。

近年來，生成式AI技術(shù)為航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)領(lǐng)域帶來了創(chuàng)新動(dòng)力，有效克服了傳統(tǒng)方法的局限性，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了重要的參考依據(jù)。CHEN和RAMAMURTHY提出了一種創(chuàng)新的生成模型——FFD-GAN（Free-Form Deformation Generative Adversarial Network）。該模型結(jié)合了自由形變層與生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)，能夠直接根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)生成滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的渦輪葉片等部件的3D模型。該模型的核心創(chuàng)新在于將葉片的高維設(shè)計(jì)參數(shù)空間壓縮至低維潛在空間，并從輸入數(shù)據(jù)的復(fù)雜分布中學(xué)習(xí)到有用的緊湊表示。

FFD-GAN模型以最少的設(shè)計(jì)變量覆蓋了足夠的設(shè)計(jì)空間，并排除了無用的設(shè)計(jì)參數(shù)，顯著提高了設(shè)計(jì)空間的探索效率。為確保生成的3D模型具有光滑連續(xù)的表面，研發(fā)人員創(chuàng)新性地引入了自由形變層作為解碼器，從潛在表示中恢復(fù)3D表面點(diǎn)，與真實(shí)表面點(diǎn)一同作為判別器的輸入，實(shí)現(xiàn)了端到端的生成流程。通過機(jī)翼設(shè)計(jì)實(shí)例驗(yàn)證，F(xiàn)FD-GAN模型在緊湊表示效果和設(shè)計(jì)空間覆蓋效果方面顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的FFD和B樣條曲面參數(shù)化方法。該模型在實(shí)現(xiàn)幾何形狀緊湊表示的同時(shí)，還能夠充分覆蓋設(shè)計(jì)空間，確保結(jié)構(gòu)形狀達(dá)到最優(yōu)的理論上限。其壓縮的潛在空間使得每個(gè)維度對(duì)應(yīng)特定的屬性（如機(jī)翼的扭轉(zhuǎn)和上反角），為部件設(shè)計(jì)空間的解構(gòu)提供了明確方向。

除渦輪葉片外，生成式AI技術(shù)在壓氣機(jī)盤、渦輪盤、機(jī)匣等關(guān)鍵轉(zhuǎn)動(dòng)部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化中也展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。通過學(xué)習(xí)歷史設(shè)計(jì)案例和仿真數(shù)據(jù)，生成模型能夠提出滿足強(qiáng)度、剛度及壽命要求的創(chuàng)新構(gòu)型，有效支撐航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)。

4.2 葉輪機(jī)械氣動(dòng)設(shè)計(jì)仿真

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)過程中，葉輪機(jī)械的氣動(dòng)設(shè)計(jì)仿真占據(jù)核心地位，其主要功能在于對(duì)壓氣機(jī)和渦輪等關(guān)鍵部件進(jìn)行氣動(dòng)設(shè)計(jì)和性能評(píng)估。壓氣機(jī)和渦輪的葉片排布、葉型設(shè)計(jì)、端壁造型等因素直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和穩(wěn)定性。傳統(tǒng)氣動(dòng)設(shè)計(jì)依賴大量的CFD計(jì)算和風(fēng)洞試驗(yàn)，計(jì)算成本高、設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，且對(duì)設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)要求極高。

生成式AI技術(shù)能夠通過多層次結(jié)構(gòu)自動(dòng)提取多尺度特征，對(duì)描述激波、渦流以及非定常流動(dòng)等復(fù)雜現(xiàn)象具有顯著優(yōu)勢(shì)，且已在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪流體性能預(yù)測(cè)領(lǐng)域展現(xiàn)出其應(yīng)用價(jià)值。目前，研究人員正致力于利用物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（PINN）以及改進(jìn)的VAE架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全流場(chǎng)數(shù)據(jù)分布的高分辨率生成預(yù)測(cè)。

EIVAZI等在缺乏高分辨率參考數(shù)據(jù)的情況下，運(yùn)用PINN從一組有限的噪聲測(cè)量數(shù)據(jù)中提取了時(shí)間和空間上的超分辨率流場(chǎng)信息。通過伯格斯方程、圓柱繞流的二維渦脫落以及最小湍流通道流動(dòng)三個(gè)典型案例，驗(yàn)證了PINN在時(shí)間和空間上的超分辨率數(shù)據(jù)適用性。該研究以粗糙湍流邊界層中的平均應(yīng)力和雷諾應(yīng)力測(cè)量值數(shù)據(jù)集為例，采用無黏性項(xiàng)的二維雷諾平均方程構(gòu)建無監(jiān)督損失函數(shù)，并與網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)及已知參考值進(jìn)行對(duì)比獲得監(jiān)督損失。將無監(jiān)督損失與監(jiān)督損失相結(jié)合形成總損失函數(shù)，指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行迭代訓(xùn)練。這一方法對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部復(fù)雜湍流場(chǎng)的高分辨率重構(gòu)具有重要意義，可在有限測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上還原全場(chǎng)流動(dòng)細(xì)節(jié)。

劉恭言提出了一種名為AEpre的新型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，專為航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件的流場(chǎng)預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)，可高效且精確地預(yù)測(cè)全3D和準(zhǔn)3D流場(chǎng)，且已在大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件及核心機(jī)的性能預(yù)測(cè)場(chǎng)景中得到驗(yàn)證。該架構(gòu)結(jié)合了顯式特征表示的計(jì)算參數(shù)設(shè)置與隱式特征表示的復(fù)雜信息描述，將流場(chǎng)信息直接嵌入特征空間，優(yōu)化了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在特征提取時(shí)對(duì)復(fù)雜特征的注意力分配，進(jìn)而增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，AEpre能夠基于有限的數(shù)據(jù)集有效提取葉輪機(jī)械流場(chǎng)中不同尺度的流動(dòng)特征，并在工況點(diǎn)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度流場(chǎng)預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)誤差可控制在2%以內(nèi)。

值得注意的是，LEAP 71公司于2024年成功實(shí)現(xiàn)了完全由生成式AI設(shè)計(jì)的航空錐塞式火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的熱試車。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用低溫液氧和煤油作為推進(jìn)劑，產(chǎn)生5000牛頓推力。其設(shè)計(jì)由大型計(jì)算工程模型Noyron自主完成，發(fā)動(dòng)機(jī)以整體式銅合金通過工業(yè)3D打印制造，并在首次試車中取得成功。這一突破性進(jìn)展驗(yàn)證了生成式AI在復(fù)雜熱力部件氣動(dòng)設(shè)計(jì)中的可行性，展示了從設(shè)計(jì)生成到物理制造的全流程自動(dòng)化潛力。

4.3 燃燒室燃燒設(shè)計(jì)仿真

燃燒室燃燒仿真過程具有極高的復(fù)雜性，涵蓋了湍流、多相流、化學(xué)反應(yīng)與熱傳遞的強(qiáng)耦合效應(yīng)，這對(duì)計(jì)算的精確度和成本提出了嚴(yán)格的要求。高保真燃燒仿真（如大渦模擬LES）能夠提供精細(xì)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)信息，但計(jì)算成本極高，難以在設(shè)計(jì)迭代中頻繁使用。因此，發(fā)展快速且準(zhǔn)確的燃燒室性能預(yù)測(cè)方法成為迫切需求。

目前，研究人員已將各種生成式AI技術(shù)模型引入燃燒室領(lǐng)域進(jìn)行了初步的應(yīng)用探索，以期尋找相關(guān)問題的解決策略?，F(xiàn)有關(guān)于燃燒室性能的生成式預(yù)測(cè)研究，主要為利用卷積-反卷積技術(shù)或注意力機(jī)制來預(yù)測(cè)燃燒室出口溫度分布，而關(guān)于全場(chǎng)預(yù)測(cè)的研究相對(duì)較少。

鄭前鋼等提出了一種具備預(yù)測(cè)燃燒室出口溫度分布功能的部件級(jí)模型構(gòu)建方法。該方法基于Inception-反卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了燃燒室出口溫度分布場(chǎng)的部件級(jí)代理模型，以及一個(gè)針對(duì)燃燒室3D仿真計(jì)算的二維局部代理模型。在獲取燃燒室出口溫度分布數(shù)據(jù)集的過程中，為適應(yīng)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的處理需求，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了關(guān)鍵的預(yù)處理步驟：將仿真得到的扇形區(qū)域數(shù)據(jù)通過分塊平均方法進(jìn)行插值處理，轉(zhuǎn)換為規(guī)則的方形區(qū)域陣列數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，所構(gòu)建的部件級(jí)模型預(yù)測(cè)的溫度分布與CFD仿真得到的基本一致，驗(yàn)證了生成式方法在燃燒室出口溫度場(chǎng)快速預(yù)測(cè)中的有效性。

王瑄等提出了一種基于深度學(xué)習(xí)方法的航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室溫度場(chǎng)快速預(yù)測(cè)方案。該方案采用了一個(gè)包含注意力機(jī)制的雙分支網(wǎng)絡(luò)模型，以增強(qiáng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸入數(shù)據(jù)的聚焦能力。此外，所采用的雙分支網(wǎng)絡(luò)模型引入了物理損失函數(shù)項(xiàng)（燃油輸入預(yù)估的溫度場(chǎng)平均溫度），以促進(jìn)模型的快速收斂并提升其可解釋性。結(jié)果表明，該模型實(shí)現(xiàn)了通過入口流動(dòng)參數(shù)對(duì)燃燒室各個(gè)截面溫度場(chǎng)的快速預(yù)測(cè)。與傳統(tǒng)的全連接網(wǎng)絡(luò)模型和卷積網(wǎng)絡(luò)模型相比，該模型的性能得到了顯著提升：溫度場(chǎng)相對(duì)誤差平均值減小了48.4%，截面均溫相對(duì)偏差減小了57.3%。這一研究充分體現(xiàn)了物理信息融合在提升生成模型性能方面的價(jià)值。

燃燒室設(shè)計(jì)的另一個(gè)難點(diǎn)在于污染物排放預(yù)測(cè)和燃燒不穩(wěn)定性分析。生成式AI技術(shù)通過學(xué)習(xí)歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)，有望建立輸入工況與排放指標(biāo)、振蕩特性之間的映射關(guān)系，為低排放、高穩(wěn)定性燃燒室設(shè)計(jì)提供支持。

4.4 融合生成式AI技術(shù)與多場(chǎng)耦合的快速設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)渦輪系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，系統(tǒng)級(jí)與部件級(jí)的迭代次數(shù)眾多，且必須先進(jìn)行氣動(dòng)仿真評(píng)估，隨后才能依次進(jìn)行傳熱仿真評(píng)估和機(jī)械仿真評(píng)估。在這一過程中，不同階段之間以及各階段內(nèi)部均需進(jìn)行循環(huán)優(yōu)化，這種串行設(shè)計(jì)模式導(dǎo)致信息傳遞延遲和設(shè)計(jì)周期延長(zhǎng)。生成式AI技術(shù)與仿真降階代理模型的結(jié)合為解決這一問題提供了有效途徑。目前，通過學(xué)習(xí)3D渦輪葉片性能指標(biāo)與設(shè)計(jì)變量之間的分布關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)的逆向生成，從而確定可選的設(shè)計(jì)參數(shù)。

GHOSH等提出了一種PMI（Performance-driven Manufacturing Inverse design）框架。該框架結(jié)合了仿真代理模型，能夠直接根據(jù)目標(biāo)性能生成多組滿足要求的渦輪機(jī)械部件設(shè)計(jì)參數(shù)，從而顯著縮短設(shè)計(jì)周期。該框架由正向建模和逆向建模兩部分組成。正向建模采用GE貝葉斯混合建模方法，構(gòu)建了從設(shè)計(jì)參數(shù)到仿真性能的概率多保真度高斯過程代理模型，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)參數(shù)與仿真性能之間的概率性映射，并跳過了耗時(shí)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)步驟。同時(shí)，該模型利用多保真度自適應(yīng)采樣技術(shù)，自適應(yīng)地確定了提升仿真性能所需的實(shí)驗(yàn)及保真度水平。

從訓(xùn)練好的正向模型中采樣，得到多組設(shè)計(jì)參數(shù)和仿真性能數(shù)據(jù)，作為逆向建模的輸入。逆向建模訓(xùn)練了一個(gè)深度生成模型，采用條件可逆神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（cINN）學(xué)習(xí)將性能指標(biāo)的簡(jiǎn)單分布映射到設(shè)計(jì)參數(shù)的復(fù)雜分布，對(duì)于給定的性能指標(biāo)，通過cINN進(jìn)行顯式采樣生成多種潛在的設(shè)計(jì)方案。

在3D渦輪葉片的氣動(dòng)設(shè)計(jì)中對(duì)上述設(shè)計(jì)方案的效果進(jìn)行了驗(yàn)證。具體而言，使用85個(gè)參數(shù)定義3D翼型的連續(xù)表示，并選用氣動(dòng)效率、反動(dòng)度或偽反動(dòng)度作為仿真標(biāo)量性能指標(biāo)，同時(shí)選用壓力、流角等流動(dòng)參數(shù)的徑向分布作為仿真向量性能指標(biāo)。通過多保真度自適應(yīng)采樣方案選擇初始數(shù)據(jù)進(jìn)行正向模型訓(xùn)練，在保證高精度的同時(shí)節(jié)省了至少35%的計(jì)算成本。利用正向模型生成的60000個(gè)樣本訓(xùn)練條件可逆神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，學(xué)習(xí)從觀測(cè)到的仿真性能指標(biāo)到設(shè)計(jì)參數(shù)的關(guān)系。訓(xùn)練完成后，將一組目標(biāo)性能指標(biāo)輸入PMI，生成一系列的可行性設(shè)計(jì)，設(shè)置幾何約束篩選出指定范圍內(nèi)的設(shè)計(jì)方案。CFD建模分析驗(yàn)證，所有方案的效率均處于期望值范圍內(nèi)，不確定性約為0.2%。

該框架能夠生成高質(zhì)量的設(shè)計(jì)參數(shù)-性能指標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)，替代了昂貴的仿真流程，同時(shí)能夠處理仿真的標(biāo)量和矢量等復(fù)雜且?guī)в性肼暤男阅苤笜?biāo)，生成準(zhǔn)確度較高的多種設(shè)計(jì)方案。未來，該框架有望被運(yùn)用于多學(xué)科和氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域設(shè)計(jì)，以及各種航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件的結(jié)構(gòu)、模態(tài)和顫振分析，真正實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)耦合的快速閉環(huán)設(shè)計(jì)。

4.5 航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油潤滑冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真

燃油、潤滑和冷卻系統(tǒng)是保障航空發(fā)動(dòng)機(jī)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵輔助系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)涉及復(fù)雜的流體網(wǎng)絡(luò)、熱交換器、泵、閥門等部件，同樣面臨著設(shè)計(jì)空間廣、耦合因素多的挑戰(zhàn)。雖然目前公開發(fā)表的關(guān)于生成式AI應(yīng)用于燃油潤滑冷卻系統(tǒng)的研究相對(duì)較少，但相關(guān)技術(shù)框架具有顯著的應(yīng)用潛力。

在燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，生成式AI可用于燃油分布器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過生成多種幾何構(gòu)型并快速預(yù)測(cè)其流量分配特性和霧化效果，輔助設(shè)計(jì)人員探索最優(yōu)的燃油噴射方案。在潤滑系統(tǒng)中，軸承腔內(nèi)的油氣兩相流動(dòng)極為復(fù)雜，生成式模型可學(xué)習(xí)不同供油參數(shù)和腔體結(jié)構(gòu)下的滑油分布和溫升特性，實(shí)現(xiàn)潤滑系統(tǒng)的快速設(shè)計(jì)迭代。在冷卻系統(tǒng)中，渦輪葉片內(nèi)部復(fù)雜冷卻通道的設(shè)計(jì)是典型的高維度優(yōu)化問題，生成式AI能夠生成滿足流動(dòng)和傳熱約束的冷卻通道構(gòu)型，顯著提升冷卻效率。

多場(chǎng)耦合效應(yīng)在輔助系統(tǒng)中尤為突出：燃油系統(tǒng)的流量分配受熱負(fù)荷影響，潤滑系統(tǒng)的滑油特性隨溫度變化，冷卻系統(tǒng)的冷卻效果與主流燃?xì)鉁囟让芮邢嚓P(guān)。生成式AI技術(shù)有望通過構(gòu)建端到端的映射模型，同時(shí)考慮流體、熱和結(jié)構(gòu)的耦合效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)輔助系統(tǒng)的整體協(xié)同優(yōu)化。

五、生成式AI技術(shù)面臨的問題及解決思路

盡管生成式AI技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)仿真領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著的應(yīng)用潛力，但將其從實(shí)驗(yàn)室推向?qū)嶋H工程應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)涉及算法泛化能力、數(shù)據(jù)稀缺性、多模態(tài)信息處理等多個(gè)維度，需要系統(tǒng)性的解決方案。

5.1 泛化能力問題及解決思路

現(xiàn)有訓(xùn)練模型相對(duì)較弱的遷移能力限制了生成式AI應(yīng)用的廣泛擴(kuò)展。當(dāng)在特定場(chǎng)景下生成的AI模型被遷移到其他場(chǎng)景問題或環(huán)境時(shí)，其預(yù)測(cè)或設(shè)計(jì)的精度通常會(huì)顯著下降。例如，針對(duì)某型高壓壓氣機(jī)設(shè)計(jì)的生成模型，在應(yīng)用于低壓壓氣機(jī)或不同轉(zhuǎn)速范圍時(shí)，生成的葉型可能不再滿足氣動(dòng)性能要求。此時(shí)需要對(duì)模型進(jìn)行重新訓(xùn)練，導(dǎo)致已有經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的復(fù)用效率低下，顯著降低工程應(yīng)用效率。

該問題的核心原因涉及多個(gè)方面：算法框架對(duì)不同物理場(chǎng)景的適應(yīng)性差，訓(xùn)練數(shù)據(jù)未能充分覆蓋目標(biāo)域的分布范圍，訓(xùn)練過程中出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象，以及缺乏有效的物理引導(dǎo)機(jī)制來約束模型在不同工況下的行為。

針對(duì)上述問題，當(dāng)前眾多研究者主要通過以下途徑尋求突破：

第一，數(shù)據(jù)增強(qiáng)與多樣性提升。通過引入更多的工況點(diǎn)、幾何變型和邊界條件，豐富訓(xùn)練數(shù)據(jù)的覆蓋范圍，增強(qiáng)模型對(duì)未見場(chǎng)景的適應(yīng)能力。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，可利用低保真度CFD計(jì)算生成大量樣本，結(jié)合少量高保真度仿真或試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行遷移學(xué)習(xí)。

第二，算法框架創(chuàng)新。Mamba模型等新型序列建模方法在一定程度上能夠提升模型的訓(xùn)練效率和遷移能力。此外，元學(xué)習(xí)（meta-learning）框架的引入使模型能夠在多個(gè)相關(guān)任務(wù)上學(xué)習(xí)通用的初始化參數(shù)，在新任務(wù)上僅需少量樣本即可快速適應(yīng)。

第三，物理知識(shí)嵌入。將物理守恒定律以軟約束形式融入模型訓(xùn)練過程，使生成結(jié)果即使在訓(xùn)練數(shù)據(jù)覆蓋不足的區(qū)域也能滿足基本物理規(guī)律，從而提升泛化能力。物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)踐表明，物理約束的引入能夠顯著改善模型的外推性能。

隨著對(duì)更多模型框架的探索與優(yōu)化，生成式AI技術(shù)的泛化能力有望得到進(jìn)一步提升，從而促進(jìn)其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

5.2 小樣本問題及解決思路

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)仿真的實(shí)際工程應(yīng)用過程中，通常難以積累大量有效的樣本數(shù)據(jù)。這一方面源于新型號(hào)、新構(gòu)型的設(shè)計(jì)往往缺乏歷史數(shù)據(jù)支撐；另一方面，高保真度仿真和物理試驗(yàn)的成本極高，難以獲得大規(guī)模標(biāo)注數(shù)據(jù)集。這要求生成式AI技術(shù)必須具備應(yīng)對(duì)小樣本學(xué)習(xí)的能力。

在小樣本學(xué)習(xí)場(chǎng)景下，生成式AI技術(shù)面臨多個(gè)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：①數(shù)據(jù)稀缺導(dǎo)致模型難以準(zhǔn)確捕捉真實(shí)數(shù)據(jù)分布，容易出現(xiàn)過擬合或模式坍塌現(xiàn)象，生成重復(fù)或低多樣性的樣本；②訓(xùn)練樣本不足導(dǎo)致生成式模型的潛在空間表征能力受限，可能產(chǎn)生偏離真實(shí)特征的無效輸出；③小樣本條件下模型的泛化能力較弱，難以適應(yīng)數(shù)據(jù)分布的細(xì)微變化。這些問題嚴(yán)重制約了生成式AI技術(shù)在數(shù)據(jù)獲取成本較高的航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

目前，部分學(xué)者針對(duì)性地提出了一些解決方向：

數(shù)據(jù)增強(qiáng)與合成是直接的解決思路。通過元學(xué)習(xí)或基于預(yù)訓(xùn)練模型的跨模態(tài)引導(dǎo)，生成多樣化的樣本數(shù)據(jù)以擴(kuò)充訓(xùn)練集。例如，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片異常檢測(cè)任務(wù)中，研究人員利用視覺-語言多模態(tài)大模型CLIP，結(jié)合領(lǐng)域特定的提示模板和特征適配模塊，實(shí)現(xiàn)了在僅有1個(gè)、5個(gè)或10個(gè)樣本情況下的優(yōu)異檢測(cè)性能。這一方法充分利用了大規(guī)模預(yù)訓(xùn)練模型從海量數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)到的通用視覺知識(shí)，再通過少量領(lǐng)域樣本進(jìn)行知識(shí)遷移。

隱空間約束能夠通過原型網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)有限樣本間的共性特征。通過引入先驗(yàn)分布假設(shè)或利用變分推斷，對(duì)潛在空間施加結(jié)構(gòu)性約束，確保即使在小樣本條件下，潛在表征仍能保持有意義的語義結(jié)構(gòu)。

模型架構(gòu)改進(jìn)通過設(shè)計(jì)輕量化模塊或增量學(xué)習(xí)策略，減少參數(shù)依賴。例如，采用條件生成模型，將物理參數(shù)作為條件輸入，降低模型對(duì)海量訓(xùn)練數(shù)據(jù)的需求。在實(shí)際應(yīng)用中，往往需要多種策略的組合，如預(yù)訓(xùn)練-微調(diào)范式、數(shù)據(jù)增強(qiáng)與物理約束相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)更低成本和更優(yōu)效果的生成式AI應(yīng)用。

5.3 多模態(tài)中模態(tài)失衡問題及解決思路

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)仿真領(lǐng)域，文本（設(shè)計(jì)說明書、試驗(yàn)報(bào)告）、圖像（幾何模型、流場(chǎng)云圖）、數(shù)值（性能參數(shù)、測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)）以及3D模型等多模態(tài)數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用對(duì)于提升生成式AI技術(shù)的精確度和泛化能力至關(guān)重要。不同模態(tài)的數(shù)據(jù)從各自角度描述同一物理對(duì)象，相互補(bǔ)充、相互印證。

然而，在多模態(tài)生成式AI技術(shù)中，模態(tài)間不平衡現(xiàn)象成為亟待解決的難題。該問題主要表現(xiàn)為不同模態(tài)數(shù)據(jù)在質(zhì)量、規(guī)模或特征表達(dá)上不均衡，進(jìn)而導(dǎo)致模型在學(xué)習(xí)過程中對(duì)主導(dǎo)模態(tài)過度依賴，從而忽略次要模態(tài)。以文本與圖像的聯(lián)合生成任務(wù)為例，文本數(shù)據(jù)往往具有高度的結(jié)構(gòu)化特征和豐富的標(biāo)注信息，而圖像數(shù)據(jù)可能由于標(biāo)注的稀疏性或噪聲干擾，生成的圖像質(zhì)量波動(dòng)較大。這種模態(tài)間的不平衡現(xiàn)象將導(dǎo)致生成結(jié)果出現(xiàn)偏差，例如生成的3D模型可能與文本描述不符，或生成的流場(chǎng)分布與幾何輸入不一致。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)場(chǎng)景中，模態(tài)失衡問題尤為突出：設(shè)計(jì)圖紙（圖像模態(tài)）和性能參數(shù)（數(shù)值模態(tài)）往往容易獲取，而詳細(xì)的物理試驗(yàn)描述（文本模態(tài)）可能不夠完備；幾何模型（3D模態(tài)）通常精確，但與之對(duì)應(yīng)的流場(chǎng)分布（場(chǎng)數(shù)據(jù)模態(tài)）可能稀疏。這要求多模態(tài)生成模型具備處理不完整、不均衡輸入的能力。

在多模態(tài)生成式AI技術(shù)的學(xué)習(xí)與訓(xùn)練過程中，研究者通常采用以下策略緩解模態(tài)不平衡帶來的影響：

數(shù)據(jù)增強(qiáng)與權(quán)重調(diào)整是直接的應(yīng)對(duì)手段。通過對(duì)弱模態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行過采樣、變換增強(qiáng)或利用強(qiáng)模態(tài)生成偽弱模態(tài)樣本，提升弱模態(tài)數(shù)據(jù)的比例和多樣性。同時(shí)，在損失函數(shù)中為不同模態(tài)賦予自適應(yīng)權(quán)重，使模型更加關(guān)注學(xué)習(xí)效果較差的模態(tài)。

模態(tài)對(duì)齊與表征均衡是更深層次的解決方案。該策略通過對(duì)比學(xué)習(xí)方法和引入模態(tài)特定的歸一化層，強(qiáng)制模型學(xué)習(xí)不同模態(tài)間的對(duì)齊表征，并有效處理模態(tài)間的分布差異。潛在分區(qū)網(wǎng)絡(luò)（LZN）的提出為多模態(tài)統(tǒng)一表征提供了新的思路，該網(wǎng)絡(luò)為每種數(shù)據(jù)類型配備專用的編碼器和解碼器，同時(shí)在共享的潛在空間中進(jìn)行對(duì)齊，實(shí)現(xiàn)了跨模態(tài)任務(wù)的有效支持。

跨模態(tài)注意力機(jī)制使模型能夠在生成過程中動(dòng)態(tài)關(guān)注不同模態(tài)的信息，當(dāng)某個(gè)模態(tài)信息不足時(shí)，通過注意力權(quán)重調(diào)整減少其對(duì)生成結(jié)果的影響，從而提升生成結(jié)果的魯棒性。

六、未來展望與趨勢(shì)

生成式AI技術(shù)作為工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的前沿方向，將在未來占據(jù)重要地位。將物理先驗(yàn)知識(shí)與最新理念整合進(jìn)生成式AI技術(shù)的理論框架，以增強(qiáng)其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用效能、學(xué)習(xí)能力及多智能體設(shè)計(jì)能力，將是未來研究的關(guān)鍵方向。

6.1 多物理場(chǎng)耦合的生成式設(shè)計(jì)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)分析是一個(gè)涉及多場(chǎng)、多學(xué)科的應(yīng)用過程，流-熱-固耦合效應(yīng)決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和可靠性。當(dāng)前，將多物理場(chǎng)耦合分析與生成式AI技術(shù)相結(jié)合，有望增強(qiáng)生成式AI技術(shù)在處理相互作用的復(fù)雜工程設(shè)計(jì)問題中的應(yīng)用能力。

物理信息嵌入的生成模型是一種新興范式，其核心理念在于將物理規(guī)律直接整合到生成式AI架構(gòu)中。這類模型通過物理方程約束引導(dǎo)生成過程，以確保輸出結(jié)果既符合數(shù)據(jù)分布又滿足物理一致性。未來，這一范式將進(jìn)一步拓展至多物理場(chǎng)耦合場(chǎng)景：生成模型不僅需要滿足單個(gè)物理場(chǎng)的控制方程，還需滿足流-固耦合交界面上的位移協(xié)調(diào)和力平衡條件、熱-流耦合的熱流連續(xù)條件等。這將催生新一代的多物理場(chǎng)生成模型，能夠直接生成滿足多學(xué)科設(shè)計(jì)要求的一體化設(shè)計(jì)方案。

在具體實(shí)現(xiàn)路徑上，有兩種方向值得關(guān)注：①在損失函數(shù)中引入多物理場(chǎng)耦合殘差項(xiàng)，使生成樣本自動(dòng)滿足耦合界面的協(xié)調(diào)條件；②構(gòu)建多物理場(chǎng)編碼器-解碼器架構(gòu)，將不同物理場(chǎng)的控制方程離散化為可微算子，嵌入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的各層之中。典型代表包括物理信息生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)和物理約束擴(kuò)散模型的耦合版本。這些方法在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)等耦合設(shè)計(jì)中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，不僅能夠緩解純數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型的過擬合問題，還能降低對(duì)大規(guī)模標(biāo)注數(shù)據(jù)的依賴，為高精度科學(xué)計(jì)算與工程優(yōu)化提供新的范式。

6.2 多智能體系統(tǒng)框架的生成式應(yīng)用

航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)作為一項(xiàng)復(fù)雜的精密工程，其設(shè)計(jì)仿真的實(shí)現(xiàn)依賴于跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)的緊密合作。不同專業(yè)背景的工程師（氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、傳熱、燃燒、控制等）需要密切協(xié)作，共同完成從總體方案到零部件詳細(xì)設(shè)計(jì)的全過程。多智能體系統(tǒng)框架作為分布式AI構(gòu)建的核心范式，其目標(biāo)在于通過多個(gè)自主生成式智能體之間的交互與協(xié)作，解決在復(fù)雜環(huán)境下面臨的決策與控制難題。

在多智能體系統(tǒng)框架中，開發(fā)者能夠定義生成式AI代理的行為模式，并在任務(wù)執(zhí)行過程中實(shí)現(xiàn)智能體間的對(duì)話交接，進(jìn)而達(dá)成對(duì)復(fù)雜任務(wù)的模塊化拆解與高效調(diào)度。例如，F(xiàn)eaGPT框架已實(shí)現(xiàn)了通過自然語言交互完成從幾何建模、網(wǎng)格劃分、仿真計(jì)算到結(jié)果分析的完整有限元分析流程，展示了多智能體協(xié)同在工程仿真中的應(yīng)用潛力。類似地，OpenFOAMGPT采用檢索增強(qiáng)生成和多代理協(xié)作架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算流體力學(xué)的全自動(dòng)化端到端執(zhí)行，在復(fù)雜流動(dòng)問題求解中取得了100%的成功率。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)仿真領(lǐng)域，未來可以構(gòu)建包含氣動(dòng)設(shè)計(jì)智能體、結(jié)構(gòu)分析智能體、燃燒仿真智能體、冷卻系統(tǒng)智能體的多智能體協(xié)同框架。這些智能體共享統(tǒng)一的潛在空間表征，能夠理解彼此的設(shè)計(jì)意圖和約束條件，通過協(xié)商達(dá)成全局最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。該框架下的生成式應(yīng)用不僅增強(qiáng)了對(duì)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)需求的適應(yīng)能力，而且為航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)仿真提供了分布式智能協(xié)同的可能，從而提升了系統(tǒng)運(yùn)作的效率，促進(jìn)了跨領(lǐng)域知識(shí)的融合。盡管目前該框架仍處于實(shí)驗(yàn)階段，但其為研究多代理系統(tǒng)的靈活性提供了寶貴的探索機(jī)會(huì)。

6.3 生成式AI技術(shù)與工業(yè)軟件深度融合

當(dāng)前，生成式AI已開始嵌入各類工業(yè)軟件，成為各大領(lǐng)先軟件廠商產(chǎn)品組合中的標(biāo)配功能。盡管目前仍以簡(jiǎn)化代碼編寫、數(shù)據(jù)分析及用戶支持為主的聊天機(jī)器人和智能副駕為主，但隨著技術(shù)的成熟，生成式AI將與CAD/CAE/CAM軟件深度融合，重塑工程設(shè)計(jì)的工作模式。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，這種融合將體現(xiàn)在三個(gè)層面：一是智能輔助層，生成式AI作為工程師的智能助手，能夠理解自然語言指令，自動(dòng)完成模型參數(shù)化、網(wǎng)格劃分、工況設(shè)置等重復(fù)性工作；二是協(xié)同設(shè)計(jì)層，生成式AI能夠根據(jù)給定的性能指標(biāo)和約束條件，自主生成多種設(shè)計(jì)方案供工程師評(píng)估選擇；三是創(chuàng)新探索層，生成式AI能夠在廣闊的設(shè)計(jì)空間中探索非常規(guī)構(gòu)型，突破人類經(jīng)驗(yàn)思維的局限，發(fā)現(xiàn)全新的設(shè)計(jì)解決方案。

隨著代理型AI（Agentic AI）和物理AI（Physical AI）的發(fā)展，未來的生成式AI將不僅停留在數(shù)字空間，還將與物理世界深度交互。數(shù)字孿生將進(jìn)化為實(shí)時(shí)的"工業(yè)副駕"，能夠根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)計(jì)模型，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)-制造-運(yùn)維的全生命周期閉環(huán)優(yōu)化。在這一變革中，人類角色向更高階的提出問題和監(jiān)督執(zhí)行轉(zhuǎn)變，大多數(shù)重復(fù)性設(shè)計(jì)工作將由生成式AI完成，人類與AI將形成新型的協(xié)作關(guān)系。

6.4 技術(shù)成熟度提升與工程化路徑

展望未來，生成式AI技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的工程化應(yīng)用將沿著以下路徑逐步推進(jìn)：

短期（1-3年）重點(diǎn)發(fā)展專用生成模型。針對(duì)特定部件和特定物理場(chǎng)，開發(fā)經(jīng)過驗(yàn)證的生成式設(shè)計(jì)工具，如渦輪葉片氣動(dòng)生成設(shè)計(jì)、燃燒室出口溫度場(chǎng)快速預(yù)測(cè)等。這些工具將以輔助角色融入現(xiàn)有設(shè)計(jì)流程，在人工監(jiān)督下提供初始設(shè)計(jì)方案或快速性能評(píng)估，積累工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

中期（3-5年）實(shí)現(xiàn)多學(xué)科協(xié)同生成。打通氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、傳熱等不同專業(yè)的生成模型，建立統(tǒng)一的潛在空間表征，實(shí)現(xiàn)考慮多場(chǎng)耦合的協(xié)同生成設(shè)計(jì)。同時(shí)，發(fā)展小樣本學(xué)習(xí)和遷移學(xué)習(xí)技術(shù)，降低對(duì)大規(guī)模標(biāo)注數(shù)據(jù)的依賴，提升模型的泛化能力和工程適應(yīng)性。

長(zhǎng)期（5-10年）構(gòu)建完整的生成式設(shè)計(jì)體系。形成覆蓋發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期、全學(xué)科的生成式AI設(shè)計(jì)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)從概念設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)再到制造運(yùn)維的端到端智能化。物理信息融合、多智能體協(xié)同、人機(jī)協(xié)作等關(guān)鍵技術(shù)趨于成熟，生成式AI從輔助工具演變?yōu)樵O(shè)計(jì)流程的核心引擎，推動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)范式實(shí)現(xiàn)根本性變革。

&注：此文章內(nèi)使用的圖片部分來源于公開網(wǎng)絡(luò)獲取，僅供參考使用，配圖作用于文章整體美觀度，如侵權(quán)可聯(lián)系我們刪除，如需進(jìn)一步了解公司產(chǎn)品及商務(wù)合作，請(qǐng)與我們聯(lián)系！！

湖南泰德航空技術(shù)有限公司于2012年成立，多年來持續(xù)學(xué)習(xí)與創(chuàng)新，成長(zhǎng)為行業(yè)內(nèi)有影響力的高新技術(shù)企業(yè)。公司聚焦高品質(zhì)航空航天流體控制元件及系統(tǒng)研發(fā)，深度布局航空航天、船舶兵器、低空經(jīng)濟(jì)等高科技領(lǐng)域，在航空航天燃/滑油泵、閥元件、流體控制系統(tǒng)及航空測(cè)試設(shè)備的研發(fā)上投入大量精力持續(xù)研發(fā)，為提升公司整體競(jìng)爭(zhēng)力提供堅(jiān)實(shí)支撐。

公司總部位于長(zhǎng)沙市雨花區(qū)同升街道匯金路877號(hào)，株洲市天元區(qū)動(dòng)力谷作為現(xiàn)代化生產(chǎn)基地，構(gòu)建起集研發(fā)、生產(chǎn)、檢測(cè)、測(cè)試于一體的全鏈條產(chǎn)業(yè)體系。經(jīng)過十余年穩(wěn)步發(fā)展，成功實(shí)現(xiàn)從貿(mào)易和航空非標(biāo)測(cè)試設(shè)備研制邁向航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)、無人機(jī)、靶機(jī)、eVTOL等飛行器燃油、潤滑、冷卻系統(tǒng)的創(chuàng)新研發(fā)轉(zhuǎn)型，不斷提升技術(shù)實(shí)力。

公司已通過 GB/T 19001-2016/ISO 9001:2015質(zhì)量管理體系認(rèn)證，以嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)保障產(chǎn)品質(zhì)量。公司注重知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)和利用，積極申請(qǐng)發(fā)明專利、實(shí)用新型專利和軟著，目前累計(jì)獲得的知識(shí)產(chǎn)權(quán)已經(jīng)有10多項(xiàng)。湖南泰德航空以客戶需求為導(dǎo)向，積極拓展核心業(yè)務(wù)，與國內(nèi)頂尖科研單位達(dá)成深度戰(zhàn)略合作，整合優(yōu)勢(shì)資源，攻克多項(xiàng)技術(shù)難題，為進(jìn)一步的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

湖南泰德航空始終堅(jiān)持創(chuàng)新，建立健全供應(yīng)鏈和銷售服務(wù)體系、堅(jiān)持質(zhì)量管理的目標(biāo)，不斷提高自身核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，為客戶提供更經(jīng)濟(jì)、更高效的飛行器動(dòng)力、潤滑、冷卻系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)等解決方案。