機車車輛虛擬樣機調度平臺設計與開發

摘要：簡要介紹了機車車輛虛擬樣機的發展現狀，針對機車車輛虛擬樣機系統協同設計的需求，提出了機車車輛虛擬樣機調度平臺，基于研究現狀對該平臺進行了功能的完善。按照協同的觀點規范了機車車輛虛擬樣機各部分的任務，并采用數據管理、子系統調控、文件管理、工作流管理、系統安全等技術，研究了基于產品數據管理的機車車輛虛擬樣機調度平臺的關鍵技術，開發了分布式網絡工作環境下協同的機車車輛虛擬樣機調度平臺。通過初步試運行，表明該平臺能有效地支持分布式網絡工作環境下機車車輛虛擬樣機的協同開發。

關鍵詞：虛擬樣機； 調度平臺； 協同工作； 產品數據管理

中圖分類號：TP311文獻標志碼：A

文章編號：1001－3695(2008)03－0816－04

0引言

機車車輛虛擬樣機工程是將虛擬樣機技術這種嶄新的產品開發方式應用于鐵路機車車輛這一專業領域，使設計者在虛擬樣機環境中直觀地對機車車輛虛擬原型進行設計優化、性能測試、制造仿真和使用仿真。這對啟迪設計創新、提高設計質量、減少設計錯誤、加快機車車輛開發周期具有重要意義，旨在將我國機械產品設計手段，特別是鐵路機車車輛的設計手段提高到一個新的水平。

相關文獻顯示，目前鐵路機車車輛虛擬樣機的研究集中在兩個項目：a)以清華大學、大連交通大學等校參與的“863”計劃項目“鐵路機車車輛虛擬樣機”研究[1，2] ，主要以大型軟件，如Pro2E 的PDM 工具為集成主線，結合國外的現成軟件，如Pro2E、Adams、MA T2ALB、Ansys等進行機車車輛模型樣機的分析;b)研究群體以西南交通大學為主，聯合國內在樣機模型、性能分析等方面有較強實力的單位進行聯合開發，旨在建立一個大概念的鐵路機車車輛虛擬樣機綜合分析平臺，以解決目前計算分析平臺不一致、自主研制的軟件不能相容等技術問題。鐵路行業的其他研究主要集中在企業，這些企業主要以CAD 和有限元分析為主，具有解決虛擬樣機問題的能力，主要是利用國外的軟件進行設計、分析，研究的性質較少。

盡管目前國內機車車輛虛擬樣機的研究取得了豐碩的成果，但機車車輛虛擬樣機的開發仍存在著以下問題：機車車輛虛擬樣機的協同設計通過工作組的形式來進行，這種工作方式存在著信息混亂、工作重復以及管理困難等問題；在機車車輛虛擬樣機的開發過程中，不同學科的設計人員需要利用不同的工具開發不同類型的機車車輛模型(如CAD/CAM/CAE模型、仿真模型等)，涉及到各種工具集間的協同問題；此外，在機車車輛樣機設計過程中，將產生大量的數據、文檔和模型，它們以多種格式存在，分布于產生數據的各種應用的不同領域，需要在工作組成員間進行實時的交互，實現信息和過程的集成，以保證設計的協同進行。

為解決上述問題，需要為機車車輛虛擬樣機工程提供協同的開發環境，即構建起支撐整個機車車輛虛擬樣機協同運行的調度平臺。為此，本文基于國內機車車輛虛擬樣機調度平臺的研究現狀，提出了分布式網絡環境下基于PDM及PDM擴展的機車車輛虛擬樣機調度平臺的設計思想，進一步完善了機車車輛虛擬樣機的協同開發功能。

1機車車輛虛擬樣機調度平臺設計

1．1調度平臺特點及實現方案

機車車輛虛擬樣機的開發是一項復雜的工程，涉及到多個學科領域，是集機械、控制、電子、軟件等多個學科領域交叉和協作的系統工程，需要設計、生產、維護、管理直至用戶等各類人員的協同。機車車輛虛擬樣機調度平臺的設計與開發具有如下特點：能夠提供開發機車車輛產品過程所需的各類模型、支持工具、資源和支撐系統，以實現協同工作；支持協同和并行工程學方法，具有分布式的結構。通過網絡工作交換，實現分布環境中工作組設計人員間的信息交換和共享，并完成對設計過程的動態調整和監控，實現機車車輛產品設計的多學科協作。

本文就虛擬樣機調度平臺的開發進行了深入的研究，探討了機車車輛虛擬樣機調度平臺的設計思想及實現技術，提出機車車輛虛擬樣機調度平臺的設計方案：a)研究以機車車輛的設計與性能仿真為應用背景，需要高度地集成各種應用軟件，決定產品數據的管理模式（PDM）；b)實現機車車輛設計模型與仿真分析模型的緊密集成，決定建模系統與（性能仿真）CAE系統在PDM平臺上的集成；c)機車車輛虛擬樣機系統涉及多個學科領域、多種類型的聯合仿真，決定功能和性能的進一步擴展，構成機車車輛虛擬樣機的協同、并行的開發環境。

1．2總體設計

機車車輛虛擬樣機調度平臺在自主開發的虛擬樣機工程各子系統基礎上，建立一套能夠調控這些子平臺的高級控制系統，使之能按照指定的數據流流動，解決目前計算分析平臺不一致的情況，使系統在調度平臺下有約束地并行開展各項分工。數據流動的方案如圖1所示。

圖1機車車輛虛擬樣機數據流圖

在數據流上層引入PDM系統，PDM的管理可以覆蓋整個機車車輛虛擬樣機工程中，從機車車輛產品模型方案決策、面向三維的CAX/DFX智能優化設計、各種性能分析的綜合（車輛動力學、空氣動力學、強度、疲勞可靠性等）和產品運行過程中各種行為的動態模擬的相互驗證等全生命周期的機車車輛產品信息，并使機車車輛產品數據在整個生命周期內保持一致、共享及安全。

為適應虛擬樣機這種復雜產品的設計開發，針對PDM系統在管理功能方面的不足，提出機車車輛

虛擬樣機調度平臺的功能框架，如圖2所示。機車車輛虛擬樣機調度平臺主要包括PDM及PDM功能擴展。機車車輛虛擬樣機調度平臺中的PDM系統基于傳統的PDM，根據機車車輛的產品設計需求可將其細分為項目管理、工作流管理、數據庫及模型庫管理、團隊管理、文檔管理和仿真輔助系統。通過在機車車輛系統中引入PDM，實現機車車輛建模、性能仿真等應用子系統的集成，在該框架下進行協同過程管理，使物理上分散的系統組成邏輯上的有機整體。為滿足多個學科領域、多種類型的聯合仿真的需要，對傳統的PDM進行了一定的功能擴展，構建了一個C/S模式下的仿真集成環境，實現了工作組成員間消息通信、文件資源傳輸的集成，使機車車輛虛擬樣機平臺成為既包含知識庫、方法集、工具集的分布式系統，還能支持機車車輛樣機設計、開發的協同和并行。

圖2協同虛擬樣機調度平臺功能框架

本文在調度平臺的功能框架基礎上，規劃出機車車輛虛擬樣機調度平臺的總體控制結構，如圖3所示。它體現了整個虛擬樣機調度平臺對協同運行管理的設計思想：各子系統間的信息通過系統診聽引擎的診聽發布在主控制臺的系統消息板上；主控制臺根據對象模型的信息變化判斷某一任務的運行條件是否滿足。如果相應的運行條件得到滿足，用戶便可驅動任務的進一步運行，并可通過查詢消息面板來實時地跟蹤和查詢到任務的相關信息，進行過程監控和任務調度，以保證系統的穩定運行。

圖3機車車輛虛擬樣機調度平臺總體控制結構

2機車車輛虛擬樣機調度平臺的關鍵技術

2．1調度平臺下的資源庫管理

機車車輛虛擬樣機調度平臺的PDM框架構建在數據流層之上，這些數據流產生于機車車輛樣機模型的設計和機車車輛靜力學、動力學性能分析過程，并在整個機車車輛虛擬樣機工程的各子系統間進行流通。這些數據流以文件、數據庫記錄等多種格式存在，語義豐富，并分布于產生數據的各種應用的不同領域。其中：文件是指大粒度的數據，由PDM系統進行管理；數據庫中的數據是指小粒度的數據，由數據庫管理系統進行管理。

調度平臺對數據管理的要求如下：a)全局數據共享，支持人員和仿真工具對異地異構數據的透明訪問;b)局部數據自治、局部數據的更新由產生它的應用程序執行，保護私有數據的安全;c)數據的完整性保證數據的正確性和有效性；d)數據一致性使其具有并發處理和控制功能，支持共享數據的一致性。

本文設計數據庫的體系結構如圖4所示。協同機車車輛虛擬樣機系統資源庫的管理涉及異構分布式數據庫的集成，將各個局部數據庫的信息在邏輯上集成為一個屬于單一的全局概念模式，以達到分布式信息共享的目的[3，4]。實現虛擬樣機工程中各子系統在調度平臺的設計中異構分布式數據庫的集成，采用全局概念模式從局部概念模式自底向上映射集成的方法。

2．2調度平臺下的團隊管理

PDM框架下的團隊管理實質就是PDM系統中的權限管理。團隊管理貫穿于整個樣機調度平臺。團隊管理的重要作用在于維護虛擬樣機工程的系統安全，只有授權的團隊成員才能使用相應的模塊，提取相應的內容，完成相應的工作。因此，模型庫管理系統中有三個關鍵詞:權限、角色和人員。每個角色擁有不同的權限；每個人員隸屬于一個或多個角色。

機車車輛虛擬樣機工程中，將技術人員劃分為系統管理員、項目負責人、任務主管和任務成員四級。最高層是系統管理員。系統管理員以管理員的身份在系統服務器端進行系統的初始化準備及系統環境設置工作：新建項目、填寫項目名、分配項目負責人的用戶名和密碼。項目負責人負責項目子任務的分配、人員的配置以及項目的監控，利用分配的用戶名和密碼登錄到負責的項目，為具體項目分配角色，并對角色進行權限設定，在工作人員列表中選擇人員分配角色，并提供增刪用戶、角色和權限的工具。任務主管設定任務的實施成員，對負責的子任務進行監控。在整個工程中，對所有的模型、文件操作，均按設定的權限、角色進行規范，即用戶以什么樣的角色登錄，就具有什么樣的操作權限。

2．3工作組協同設計管理

調度平臺在機車車輛虛擬樣機中構建一個C/S模式下的仿真集成環境，以實現局域網間工作組成員間的消息通信和文件資源傳輸的集成，通過工作組設計人員的異地交流、機車車輛虛擬樣機信息的發布來支持機車車輛產品的分布協同設計。

機車車輛虛擬樣機調度平臺的實現框架采取C/S邏輯結構。平臺的運作模式如圖5所示。

1）客戶端是分布于計算機網絡的機車車輛虛擬樣機協同開發節點，包括機車車輛的樣機建模、強度分析、流體分析、動力學分析、其他分析和模型評價等。客戶端采用定制的計算機輔助軟件工具開發樣機產品。

2）控制服務器作為工作組的中央管理服務器，提供模型管理、數據過濾、人員通信等服務，支持產品設計的協同。

3） 數據庫服務器是產品模型庫、仿真模型庫及產品信息的中央管理服務器，采用ADO數據訪問技術訪問數據庫。

由于傳統的PDM系統在通信手段中存在一些不足，本文對用戶間的通信手段進行了完善，包括：

a）工作組成員的異地交流。機車車輛虛擬樣機的開發人員之間可通過通信工具進行文字對話、文件傳輸等。

b）虛擬樣機信息的獲取及發布。機車車輛虛擬樣機的開發人員可通過通信工具發布任務的分配情況、項目任務的完成信息，并可上傳、下載相關的模型、仿真文件。

為滿足消息傳遞的實時性、統一性要求，在虛擬樣機工程中自主開發了一套基于VC的電子白板。管理員登錄服務器，可向工作組成員發布任務、人員分配情況、公告等；技術人員登錄客戶端，可進行相互間的交流和通信，發布項目資源的相關信息。

為滿足文檔統一管理和共享的要求，數據文檔進入到機車車輛虛擬樣機工程的全局數據庫中進行存儲、管理和共享，而機車車輛樣機其他類型的文檔要實現資源的共享則必須借助于文件傳輸。因此，機車車輛虛擬樣機工程必須為用戶提供文件的上傳和下載，從而實現文件資源的全局共享。文件傳輸是根據虛擬樣機工程的特定需求來對FTP服務器或客戶端源程序進行功能的擴展和二次開發。

3系統實現

基于上述關鍵技術，本文開發了支持協同設計的機車車輛虛擬樣機調度平臺。機車車輛虛擬樣機調度平臺的應用實例如圖6所示，體現出平臺主要具有如下功能：

a)構建了一個基于PDM系統的機車車輛虛擬樣機調度平臺，實現了CAD設計(CAXA)、仿真分析等多學科工具的集成，支持機車車輛產品快速有效的開發。

b)建立了統一的數據庫和模型庫，對各種設計模型、仿真模型及數據進行有效的管理和共享，能夠有效地支持客戶端對數據和模型的透明訪問。

圖6機車車輛虛擬樣機調度平臺應用實例

c)建立了動態的協同設計管理模式，利用系統消息板等形式動態地發布機車車輛產品的開發信息，如人員配置、任務劃分、仿真結果和數據發布、運行狀態等。

d)實現Internet環境下服務器端總控平臺對客戶端的遠程控制，能夠對各客戶端的運行過程進行監控、對各項設計任務進行調度和協調。

4結束語

本文針對機車車輛虛擬樣機系統提出了分布式環境下的PDM框架模式，并根據多學科建模與仿真工具的集成和協同支持方面的功能和性能作了進一步的擴展，開發出機車車輛虛擬樣機調度平臺。本文在機車車輛虛擬樣機調度平臺的設計開發過程中采用數據管理、子系統調控、文件管理、工作流管理、系統安全等技術，研究了分布式網絡環境下的協同設計及協同運行的管理，進行了機車車輛虛擬樣機的試運行。運行結果表明，機車車輛虛擬樣機系統能夠在所開發的機車車輛虛擬樣機調度平臺的調度下正常、完整地運行，形成一個完整意義上的機車車輛虛擬樣機系統。

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