模型驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)構(gòu)建

馬洪波，王 艷

（航空工業(yè)信息技術(shù)中心，北京100028）

1 引言

飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)提供飛機(jī)運(yùn)行、設(shè)備/人員工作環(huán)境、機(jī)構(gòu)作動(dòng)等諸多保障功能，涉及動(dòng)力、液壓、環(huán)控、供電、燃油、生保、救生等多個(gè)專業(yè)[1]，涵蓋機(jī)、電、液、氣、熱等眾多領(lǐng)域，其每個(gè)學(xué)科、專業(yè)之間均存在復(fù)雜的耦合關(guān)系，系統(tǒng)的研制和試驗(yàn)是一個(gè)典型多物理域協(xié)同過程。傳統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程多依照V模型進(jìn)行，其中需求定義、需求分析、架構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、組件設(shè)計(jì)線性執(zhí)行，各設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)只具備輸入輸出關(guān)系，節(jié)點(diǎn)間耦合度不高，前序設(shè)計(jì)無法結(jié)合后續(xù)過程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行。

基于以上問題，本文通過研究，構(gòu)建出基于模型驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，解決了目前復(fù)雜系統(tǒng)研制過程中面臨的設(shè)計(jì)過程相對(duì)孤立、無法由模型驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，以及當(dāng)前型號(hào)設(shè)計(jì)中知識(shí)轉(zhuǎn)化和重用度不夠的問題[2]，從而提升研制各過程的相互關(guān)聯(lián)性，實(shí)現(xiàn)由模型驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，以規(guī)范的知識(shí)指導(dǎo)設(shè)計(jì)的過程。

在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程基礎(chǔ)上，通過引入模型庫、知識(shí)及語義庫、判據(jù)庫等協(xié)同設(shè)計(jì)理論與方法，從需求出發(fā)，以需求驅(qū)動(dòng)[3]、語義及知識(shí)支撐、模型互動(dòng)的方式確定復(fù)雜系統(tǒng)的備選架構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)需求的輸入到自動(dòng)匹配架構(gòu)過程中需求與架構(gòu)的高度耦合，并結(jié)合軟件調(diào)度手段實(shí)現(xiàn)仿真驗(yàn)證過程的分布式調(diào)度[4]，從而實(shí)現(xiàn)方案的快速驗(yàn)證和對(duì)比。結(jié)合多方案優(yōu)化方法對(duì)比和選擇最優(yōu)方案，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的快速研制要求，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)智能協(xié)同設(shè)計(jì)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，設(shè)計(jì)框如圖1所示。

2 基本原理

基于模型的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)以模型為基礎(chǔ)，以“協(xié)同”為核心，模型驅(qū)動(dòng)協(xié)同，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)與業(yè)務(wù)之間的協(xié)同過程。

圖1 設(shè)計(jì)框圖

2.1 業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)協(xié)同

協(xié)同設(shè)計(jì)過程包括業(yè)務(wù)的協(xié)同和數(shù)據(jù)的協(xié)同，業(yè)務(wù)協(xié)同過程按照設(shè)計(jì)角色及其權(quán)限進(jìn)行過程控制，利用流程執(zhí)行引擎嚴(yán)格按照指定上下游關(guān)系進(jìn)行任務(wù)驅(qū)動(dòng)。伴隨著任務(wù)的執(zhí)行和提交，任務(wù)狀態(tài)實(shí)時(shí)更新，數(shù)據(jù)也同步進(jìn)行流轉(zhuǎn)，在多次執(zhí)行任務(wù)時(shí)可進(jìn)行數(shù)據(jù)版本控制和下游數(shù)據(jù)更新，過程描述如圖2所示。

圖2 協(xié)同過程描述

通過對(duì)研發(fā)流程控制模型的研究，建立了完善的流程控制、數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)規(guī)則，以及流程中的任務(wù)分發(fā)機(jī)制、推送機(jī)制等。飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)的流程控制包括邏輯、時(shí)間、數(shù)據(jù)等幾種常用方法，涉及多學(xué)科設(shè)計(jì)流程建模和驅(qū)動(dòng)技術(shù)、統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理技術(shù)，支持多種數(shù)據(jù)交互方式，實(shí)現(xiàn)了同構(gòu)/異構(gòu)數(shù)據(jù)之間的數(shù)據(jù)抽取、格式轉(zhuǎn)換、內(nèi)容過濾和可視化監(jiān)控等功能。

2.2 整體協(xié)同原理

傳統(tǒng)飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)在上下游部門之間主要通過文檔交互來開展工作，在需求分析至系統(tǒng)設(shè)計(jì)，再到系統(tǒng)仿真驗(yàn)證、系統(tǒng)優(yōu)化，缺乏基于模型的數(shù)字化支撐手段，效率低下，雖然采用了部分專用工具軟件開展工作，但未能結(jié)合各專業(yè)及上下游部門，導(dǎo)致需求模型、功能模型到系統(tǒng)模型之間交互環(huán)節(jié)缺失。

集模型、知識(shí)及語義為一體的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)整體協(xié)同過程如圖3所示。以基于語義的復(fù)雜系統(tǒng)自適應(yīng)設(shè)計(jì)技術(shù)作為關(guān)鍵技術(shù)，從頂層需求出發(fā)，在功能語義庫基礎(chǔ)上將需求提煉成計(jì)算機(jī)可識(shí)別的語義規(guī)則，得到具體設(shè)計(jì)需求對(duì)應(yīng)的指標(biāo)數(shù)據(jù)；依此結(jié)合語義庫和判據(jù)庫進(jìn)行指標(biāo)語義解析，根據(jù)判據(jù)庫提供的判定條件實(shí)現(xiàn)架構(gòu)的推送和方案設(shè)計(jì)，形成備選的多種方案；備選方案通過調(diào)度軟件進(jìn)行工具軟件的調(diào)度，結(jié)合知識(shí)組件庫和建模工具在工具軟件進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)的調(diào)整和布置；設(shè)計(jì)好的架構(gòu)再次通過調(diào)度軟件的接口映射關(guān)系驅(qū)動(dòng)物理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)；詳細(xì)設(shè)計(jì)結(jié)果由調(diào)度軟件驅(qū)動(dòng)仿真工具進(jìn)行仿真；最后通過多學(xué)科優(yōu)化分析功能對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析和優(yōu)化，從而在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程的前期將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程后期出現(xiàn)的問題得以規(guī)避，并實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)。

圖3 整體執(zhí)行過程

3 過程實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)庫的管理和應(yīng)用

協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)提供需求庫、語義庫、模型庫、判據(jù)庫的維護(hù)和管理功能，以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫作為任務(wù)執(zhí)行的依據(jù)，使設(shè)計(jì)過程規(guī)范化，并通過標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)描述來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)指標(biāo)、參數(shù)的快速識(shí)別和判定。

協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)所有數(shù)據(jù)庫均統(tǒng)一由數(shù)據(jù)庫管理員對(duì)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行增、刪、改操作，并為需求建立語義關(guān)系、關(guān)聯(lián)模型和建立模型判定條件，以此為模型的推送提供依據(jù)，如圖4所示。

圖4 協(xié)作平臺(tái)數(shù)據(jù)庫構(gòu)成

管理復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)關(guān)于動(dòng)力/輔助動(dòng)力、作動(dòng)、環(huán)控、供電和燃油的設(shè)計(jì)需求，為復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的需求條目設(shè)計(jì)提供統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的引用依據(jù)。需求庫條目可關(guān)聯(lián)多條需求語義，通過語義的關(guān)聯(lián)可建立語義關(guān)系地圖，為需求的解析提供依據(jù)。

語義庫管理需求模型相關(guān)語義條目，并將語義進(jìn)行科學(xué)整合，形成專業(yè)語義網(wǎng)，在定義需求模型時(shí)應(yīng)用專業(yè)語義網(wǎng)對(duì)需求進(jìn)行語義解析，實(shí)現(xiàn)需求模型的語義關(guān)聯(lián)。通過對(duì)功能要求的語義分解可完成功能指標(biāo)確認(rèn)，并實(shí)現(xiàn)需求模型的設(shè)計(jì)，將需求方以往基于文本的功能需求和非功能需求提煉成計(jì)算機(jī)可識(shí)別的語義規(guī)則，通過語義網(wǎng)和語義解析規(guī)則進(jìn)行需求條目設(shè)計(jì)。

模型庫也叫知識(shí)組件庫，按照動(dòng)力/輔助動(dòng)力、作動(dòng)、環(huán)控、供電、燃油等系統(tǒng)進(jìn)行分類和梳理，以具備多屬性字段的表單進(jìn)行庫創(chuàng)建，包括動(dòng)力/輔助動(dòng)力模型庫、作動(dòng)模型庫、環(huán)控模型庫、供電模型庫和燃油模型庫，并結(jié)合判據(jù)庫為各模型關(guān)聯(lián)需求，設(shè)置需求判定條件，為模型的檢索和推送提供依據(jù)。

提供需求、語義與模型的關(guān)聯(lián)，是實(shí)現(xiàn)需求到模型的橋梁。判據(jù)庫管理架構(gòu)模型推送的依據(jù)，通過同步獲取架構(gòu)模型庫模型列表，判據(jù)庫為各架構(gòu)模型關(guān)聯(lián)需求指標(biāo)，并設(shè)置每條指標(biāo)的判定規(guī)則，依據(jù)同一需求指標(biāo)庫的需求輸入和架構(gòu)判定，提高架構(gòu)判定準(zhǔn)確程度。

3.2 協(xié)同設(shè)計(jì)與仿真過程

基于模型的多領(lǐng)域協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境突破以任務(wù)為核心的項(xiàng)目和流程一體化管理技術(shù)，以數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)主要因素，以角色為任務(wù)執(zhí)行主體，按照需求設(shè)計(jì)、需求指標(biāo)編輯、需求判定、架構(gòu)擇優(yōu)、架構(gòu)調(diào)整、架構(gòu)仿真等過程進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，需求設(shè)計(jì)如圖5所示。整個(gè)協(xié)同過程通過模型進(jìn)行有序管理和充分驗(yàn)證，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，從而提高設(shè)計(jì)研發(fā)效率。統(tǒng)要素，還包括經(jīng)濟(jì)性、生命周期費(fèi)用等系統(tǒng)工程元素。通過對(duì)這些影響參量進(jìn)行歸一化，將其轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)層的影響，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)總體效能的對(duì)比分析，將單個(gè)影響參量變化對(duì)總體效能的影響進(jìn)行評(píng)估[6]。

圖5 需求設(shè)計(jì)

在協(xié)同設(shè)計(jì)過程中，通過協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)提供的數(shù)據(jù)配置功能，可從仿真軟總線采集并存儲(chǔ)仿真過程數(shù)據(jù)，并存放于數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)文件中，同時(shí)可確保數(shù)據(jù)采集模塊不影響仿真系統(tǒng)、數(shù)據(jù)不丟幀、數(shù)據(jù)格式正確。反之，協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)能采集仿真總線數(shù)據(jù)并推送到模型組件，由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型組件進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。

各角色設(shè)計(jì)任務(wù)執(zhí)行過程描述如下。

總體設(shè)計(jì)師接收任務(wù)書，結(jié)合語義分析技術(shù)，通過語義分析引用、搜索需求庫完成與任務(wù)書要求匹配的需求指標(biāo)設(shè)計(jì)，并將需求設(shè)計(jì)結(jié)果通過發(fā)布方式下發(fā)到各系統(tǒng)設(shè)計(jì)師進(jìn)行具體指標(biāo)值的確定。

各系統(tǒng)設(shè)計(jì)師接收總體設(shè)計(jì)師需求，結(jié)合相關(guān)知識(shí)進(jìn)行各自系統(tǒng)的需求指標(biāo)值錄入，此時(shí)系統(tǒng)將根據(jù)各系統(tǒng)設(shè)計(jì)師權(quán)限進(jìn)行可見內(nèi)容控制，確保各系統(tǒng)設(shè)計(jì)師只可見自己系統(tǒng)的需求指標(biāo)編輯界面。平臺(tái)提供反饋機(jī)制，若系統(tǒng)設(shè)計(jì)師對(duì)總體設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)需求有異議，可通過反饋方式將問題反饋到總體設(shè)計(jì)師；若無異議，則填充完成提交審簽。

審簽員接收各系統(tǒng)設(shè)計(jì)師需求指標(biāo)并進(jìn)行審簽，審簽通過，依據(jù)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)關(guān)系自動(dòng)將指標(biāo)推送到需求判定員處，否則流程返回各系統(tǒng)設(shè)計(jì)師或總體設(shè)計(jì)師。

需求判定員接收審簽員審簽后需求，平臺(tái)利用判據(jù)庫對(duì)需求進(jìn)行判定，自動(dòng)推送滿足需求的架構(gòu)備選模型，判定員對(duì)平臺(tái)篩選后的架構(gòu)模型進(jìn)行預(yù)覽和選擇，擇優(yōu)作為系統(tǒng)架構(gòu)，推送至調(diào)度工具。

調(diào)度工具通過工具軟件接口驅(qū)動(dòng)工具加載模型[5]，通過定制化開發(fā)使工具將系統(tǒng)架構(gòu)模型整合并加載，供架構(gòu)設(shè)計(jì)師完成架構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)；架構(gòu)設(shè)計(jì)過程中可關(guān)聯(lián)知識(shí)組件和通用模型，設(shè)計(jì)完成由調(diào)度工具驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)知識(shí)組件及通用模型軟件進(jìn)行分布式仿真。調(diào)度工具對(duì)仿真軟件的狀態(tài)、進(jìn)度等進(jìn)行監(jiān)控和及時(shí)處理，并根據(jù)仿真任務(wù)情況和系統(tǒng)內(nèi)存情況合理安排仿真工作執(zhí)行方式。架構(gòu)判定與選擇如圖6所示。調(diào)度軟件驅(qū)動(dòng)模式如圖7所示。

3.3 多目標(biāo)優(yōu)化的設(shè)計(jì)決策支持

飛機(jī)系統(tǒng)的效能影響參量既包括功率、重量、體積等系統(tǒng)性能參數(shù)，又包括可靠性、維修性、安全性、保障性等系

圖6 架構(gòu)判定與選擇

圖7 調(diào)度軟件驅(qū)動(dòng)模式

對(duì)所有模型設(shè)置重要度、隸屬度、輸入?yún)?shù)等值后可進(jìn)行目標(biāo)的綜合計(jì)算，該計(jì)算值為指標(biāo)體系的目標(biāo)綜合指標(biāo)數(shù)值。而指標(biāo)的權(quán)重是從最高級(jí)開始，逐級(jí)往下遞推計(jì)算得到的，該權(quán)重與上一級(jí)指標(biāo)的組合權(quán)重的乘積作為當(dāng)前指標(biāo)的組合權(quán)重。因此，權(quán)衡分析和決策支持需首先應(yīng)建立飛機(jī)系統(tǒng)綜合效能評(píng)估多級(jí)層次結(jié)構(gòu)，進(jìn)而結(jié)合先進(jìn)理念和計(jì)算方法，開展飛機(jī)系統(tǒng)各類單元級(jí)與系統(tǒng)級(jí)效能研究，最終得到飛機(jī)系統(tǒng)效能評(píng)估準(zhǔn)則、評(píng)估參數(shù)獲取方法、評(píng)估算法。

4 結(jié)論

針對(duì)機(jī)、電、液、氣多領(lǐng)域多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，以基于模型的系統(tǒng)工程方法為基礎(chǔ)，圍繞功能語義分解、多領(lǐng)域協(xié)同設(shè)計(jì)與仿真等關(guān)鍵技術(shù)，開展基于模型的多物理域協(xié)同設(shè)計(jì)、基于語義的自適應(yīng)設(shè)計(jì)、通用模型組件設(shè)計(jì)方法等技術(shù)研究，可解決復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)研制方案階段存在的總體設(shè)計(jì)能力不足、多專業(yè)協(xié)同仿真水平不高、設(shè)計(jì)知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)難以有效積累與重用等問題。通過構(gòu)建基于模型驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，可形成專業(yè)領(lǐng)域通用模型庫和專業(yè)語義網(wǎng)。

通過多方測(cè)試，目前平臺(tái)已具備需求、模型、語義和判據(jù)管理能力，可實(shí)現(xiàn)需求到模型的精確匹配，匹配度可達(dá)到100%，為使平臺(tái)能滿足設(shè)計(jì)過程中更高的要求，后續(xù)需進(jìn)一步完善模糊匹配功能。