科学计算程序验证与确认模型及置信度评估

"科学计算程序的验证和确认是评估工程应用程序研制及预测能力的重要过程，它基于软件开发的生命周期，并结合物理建模和数值模拟。本文提出了一种科学计算程序的验证与确认（V&V）模型，探讨了V&V在科学计算中的角色和方法，为提高程序的可信度提供了评估手段。该研究受到国家自然科学基金和计算物理重点实验室基金的支持。作者来自北京应用物理与计算数学研究所。" 在科学计算领域，程序的验证与确认（V&V）是确保计算结果准确性和可靠性的关键步骤。验证主要关注程序是否正确实现了设计的目标，即检查代码是否准确地反映了数学模型或物理模型；而确认则关注程序在实际应用中的表现，即验证程序的预测结果是否与实验数据或现实情况一致。 王瑞利、林忠和袁国兴的研究中，他们提出的V&V模型结合了应用程序开发的全过程和软件生命周期，旨在更系统地评估科学计算程序的性能。物理建模是科学计算的基础，它将实际问题转化为数学模型；数值模拟则是将这些模型转化为可计算的形式，通过计算机求解。V&V过程在这两者之间起着桥梁作用，确保从物理模型到计算结果的转化是正确无误的。 在验证阶段，可能包括单元测试、集成测试等，确保每个模块和整个程序都能按照预期工作。而在确认阶段，通常需要与实验数据进行对比，或者对多个独立的模拟结果进行比较，以验证程序的稳定性和一致性。此外，对于科学计算程序，还需要考虑其对输入参数的敏感性，以及在不同边界条件下的行为。 为了提供置信度评估，研究者可能采用统计方法来量化程序的不确定性和误差，比如通过误差分析确定模拟结果的精度和不确定性范围。这种置信度评估对于科学计算的应用至关重要，特别是在工程决策和科学研究中，因为这些领域的决策往往依赖于计算结果。 科学计算程序的验证和确认是保证计算结果质量和科学可靠性的核心环节，涉及物理模型的构建、数值方法的选择、程序实现的检查和结果的比较等多个层面。这一过程不仅需要深入理解所研究的物理现象，也需要掌握数值计算方法和软件工程实践，以确保计算程序在解决复杂问题时能提供准确且可信的结果。