基于模型的集成研發(fā)系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用

■ 賀穎 陳健輝 陳代勝 賴翔 閆麗君 / 中國航發(fā)動研所

中國航發(fā)動研所構(gòu)建的基于模型的航空發(fā)動機(jī)集成研發(fā)系統(tǒng)，可用于支撐航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)品的研發(fā)迭代過程，形成航空發(fā)動機(jī)多學(xué)科關(guān)聯(lián)的數(shù)字化方案，促進(jìn)航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的知識積累、共享和傳承。

航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)品研制需要多個專業(yè)協(xié)同工作，歷經(jīng)方案設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)等多個可能反復(fù)迭代的設(shè)計(jì)階段，需要綜合使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）等軟件以及大量專業(yè)設(shè)計(jì)、計(jì)算和仿真軟件，執(zhí)行大量復(fù)雜而專業(yè)性強(qiáng)的、反復(fù)迭代的業(yè)務(wù)流程，并在設(shè)計(jì)迭代過程中的多種專業(yè)設(shè)計(jì)、計(jì)算、仿真軟件之間傳遞數(shù)據(jù)，不斷積累知識和經(jīng)驗(yàn)。傳統(tǒng)的研發(fā)模式很難支撐航空發(fā)動機(jī)自主研發(fā)能力的持續(xù)提升，難以適應(yīng)新一代航空發(fā)動機(jī)自主研制的要求。中國航發(fā)動研所多年來一直致力于研發(fā)流程、研發(fā)數(shù)據(jù)、研發(fā)要素管理方式的探索，構(gòu)建了基于模型的集成研發(fā)系統(tǒng)。

系統(tǒng)架構(gòu)及功能

中國航發(fā)動研所的集成研發(fā)系統(tǒng)基于多層分布式體系架構(gòu)，包括分布式硬件資源層、數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)訪問層、基礎(chǔ)邏輯層、核心邏輯和基礎(chǔ)界面層、應(yīng)用管理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換層以及專業(yè)應(yīng)用軟件層等7個層次[1-2]，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示?；谠摷軜?gòu)的集成研發(fā)平臺可提供產(chǎn)品的多學(xué)科關(guān)聯(lián)對象建模，基于產(chǎn)品的多類對象模型，通過各類資源庫、流程管理、數(shù)據(jù)管理、工具管理的功能模塊，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要素的有效管理。

圖1 動研所集成研發(fā)系統(tǒng)架構(gòu)

關(guān)鍵技術(shù)

動研所集成研發(fā)系統(tǒng)采用了先進(jìn)的IT基礎(chǔ)技術(shù)，如多層架構(gòu)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（WebService）技術(shù)、XML技術(shù)等。同時，采用了獨(dú)特的多學(xué)科關(guān)聯(lián)產(chǎn)品對象建模技術(shù)等核心技術(shù)，是多領(lǐng)域技術(shù)綜合體。其中，多學(xué)科關(guān)聯(lián)建模技術(shù)和基于對象模型的過程數(shù)據(jù)管理技術(shù)是較為關(guān)鍵的兩項(xiàng)技術(shù)。

多學(xué)科關(guān)聯(lián)建模技術(shù)

多學(xué)科關(guān)聯(lián)建模技術(shù)首先將研發(fā)產(chǎn)品不同專業(yè)、不同學(xué)科的研發(fā)模型組合為相互關(guān)聯(lián)的參數(shù)化模型，再基于產(chǎn)品參數(shù)級多學(xué)科關(guān)聯(lián)對象模型進(jìn)行參數(shù)解析與文件重構(gòu)，形成不同活動間的參數(shù)，進(jìn)一步構(gòu)造參數(shù)級的多學(xué)科關(guān)聯(lián)對象模型。在此基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)基于產(chǎn)品參數(shù)級多學(xué)科關(guān)聯(lián)對象模型和多維度數(shù)據(jù)管理架構(gòu)的設(shè)計(jì)迭代數(shù)據(jù)實(shí)時管理、依賴性自動追溯和設(shè)計(jì)方案自動提取。對象模型可以與流程、規(guī)范、工具等多類研發(fā)要素相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)模型與要素的關(guān)聯(lián)管理。

多學(xué)科關(guān)聯(lián)建模技術(shù)的實(shí)現(xiàn)效果是基于設(shè)計(jì)對象[3]、對象層次關(guān)系、設(shè)計(jì)對象技術(shù)狀態(tài)/版本、流程、工況、應(yīng)用程序及其迭代調(diào)用次數(shù)等維度，在研發(fā)活動執(zhí)行過程中，對研發(fā)迭代過程數(shù)據(jù)（文件/參數(shù)）進(jìn)行實(shí)時自動管理，并保持其關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而形成可以體現(xiàn)設(shè)計(jì)迭代過程的多學(xué)科關(guān)聯(lián)產(chǎn)品數(shù)字化模型[4-5]。

基于原理對象建模和結(jié)構(gòu)對象建模技術(shù)的關(guān)聯(lián)使用，可以將原理對象和結(jié)構(gòu)對象相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。結(jié)構(gòu)對象可以將建模工具生成的結(jié)構(gòu)方案模型及其物理屬性、設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)，自動提交到結(jié)構(gòu)對象管理器，進(jìn)行實(shí)時自動管理；將部件模型裝配層次關(guān)系自動提交到結(jié)構(gòu)對象管理器，實(shí)現(xiàn)對設(shè)計(jì)物料清單（BOM）的實(shí)時自動匯總，并通過結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的檢入檢出機(jī)制實(shí)現(xiàn)模型自動更新與推送，從而支持團(tuán)隊(duì)協(xié)同結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)和迭代，其應(yīng)用方式如圖2所示。

圖2 性能、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度多專業(yè)模型的關(guān)聯(lián)管理

基于對象模型的過程數(shù)據(jù)管理技術(shù)

動研所集成研發(fā)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理機(jī)制是實(shí)時數(shù)據(jù)管理技術(shù)[6]，會自動檢入檢出，數(shù)據(jù)通過流程、活動關(guān)聯(lián)到對象模型上。針對每一個工程項(xiàng)目實(shí)例，首先可以基于對象模型與參數(shù)體系庫，逐步建立產(chǎn)品的原理設(shè)計(jì)對象組成層次；每一個原理設(shè)計(jì)對象均有自己的技術(shù)狀態(tài)隊(duì)列，上級對象的技術(shù)狀態(tài)為所有下級對象的特定技術(shù)狀態(tài)的組合。對于每一個原理設(shè)計(jì)對象模型，基于其特定的技術(shù)狀態(tài)，關(guān)聯(lián)一個或多個原理研發(fā)流程；每個研發(fā)流程執(zhí)行時，均可以基于不同的工況，調(diào)用一個或多個自研程序和商業(yè)化的原理研發(fā)工具軟件；針對每一個工具軟件所生成的原理研發(fā)模型文件和解析提取出的計(jì)算結(jié)果參數(shù)，區(qū)分其迭代調(diào)用的次數(shù)。

基于原理設(shè)計(jì)對象模型，可以創(chuàng)建與其關(guān)聯(lián)的參數(shù)級結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對象模型；與原理設(shè)計(jì)對象模型一樣，針對每一個結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對象模型的特定技術(shù)狀態(tài)，也可以關(guān)聯(lián)一個或多個“基于結(jié)構(gòu)模型的研發(fā)流程”；每個流程執(zhí)行時，均可以基于不同的工況，調(diào)用一個或多個自研程序和商業(yè)化仿真軟件，并能夠自動獲取結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對象所關(guān)聯(lián)的三維結(jié)構(gòu)方案模型，以及所需要的研發(fā)數(shù)據(jù)，作為輸入數(shù)據(jù)；同時，針對每一個活動所生成的結(jié)構(gòu)模型和解析提取出的計(jì)算結(jié)果參數(shù)，區(qū)分其迭代調(diào)用的次數(shù)。

基于多維度關(guān)聯(lián)的迭代數(shù)據(jù)管理架構(gòu)[7]，針對每一個對象模型，均可以基于其迭代流程中的輸入輸出數(shù)據(jù)流關(guān)系，自動逆向追溯出有效的方案數(shù)據(jù)；基于不同對象模型之間發(fā)布、接收的數(shù)據(jù)流關(guān)系，方案數(shù)據(jù)管理視圖可以自動維系發(fā)動機(jī)的不同層次設(shè)計(jì)對象的方案之間的映射關(guān)系，形成完整的發(fā)動機(jī)方案數(shù)據(jù)視圖。

典型應(yīng)用場景

集成研發(fā)系統(tǒng)中開展研發(fā)工作涉及到項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、科研部項(xiàng)目主管、各個專業(yè)的各級設(shè)計(jì)師，不同角色人員負(fù)責(zé)不同的工作。

科研部項(xiàng)目主管負(fù)責(zé)在集成研發(fā)系統(tǒng)中創(chuàng)建項(xiàng)目、選擇項(xiàng)目類型，填寫項(xiàng)目的基本信息，并定義項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員及其權(quán)限。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé)進(jìn)行產(chǎn)品的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、定義主要設(shè)計(jì)指標(biāo)，完成設(shè)計(jì)對象建模。各專業(yè)的主任設(shè)計(jì)師在其專業(yè)對象下新建研發(fā)流程，定義本專業(yè)的不同活動執(zhí)行人，并實(shí)現(xiàn)本專業(yè)活動任務(wù)的下發(fā)。不同對象模型之間的數(shù)據(jù)傳遞通過跨對象間的數(shù)據(jù)發(fā)布與接收實(shí)現(xiàn)，圖3給出了一個較為完整的典型應(yīng)用場景。

圖3 集成研發(fā)系統(tǒng)典型應(yīng)用場景

結(jié)束語

動研所經(jīng)過十多年的集成研發(fā)平臺建設(shè)，逐步實(shí)現(xiàn)了研發(fā)要素和研發(fā)過程數(shù)據(jù)的管理，通過流程的約束實(shí)現(xiàn)了不同型號按同一套流程開展工作，但在不同型號應(yīng)用過程中也發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品構(gòu)型和要素的改變會帶來部分設(shè)計(jì)內(nèi)容的更改。隨著應(yīng)用規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大，集成研發(fā)系統(tǒng)的運(yùn)行效率問題急需解決。后續(xù)，集成研發(fā)平臺應(yīng)用需要在流程主干剛性、末端靈活的原則下，不斷按實(shí)際情況對應(yīng)用方式和平臺運(yùn)行效率進(jìn)行優(yōu)化。