魚雷總體多學科設計優(yōu)化集成平臺及其關鍵技術

黃橋高, 潘 光, 吳琳麗

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魚雷總體多學科設計優(yōu)化集成平臺及其關鍵技術

黃橋高, 潘 光, 吳琳麗

(西北工業(yè)大學 航海學院, 陜西 西安, 710072)

分析了魚雷總體設計所面臨的技術瓶頸及多學科設計優(yōu)化的應用趨勢。基于項目管理、流程管理、數(shù)據(jù)管理、知識工程和多學科設計優(yōu)化等技術, 提出了魚雷總體多學科設計優(yōu)化集成平臺的構想, 詳細論述了該平臺的體系結構以及構建該平臺所需解決的關鍵技術。本文的工作可作為進一步深入研究及構建魚雷總體多學科設計優(yōu)化集成平臺的參考。

魚雷總體設計; 多學科設計優(yōu)化; 集成平臺; 項目管理

0 引言

魚雷總體設計是一項高度復雜的系統(tǒng)工程, 包括系統(tǒng)、分系統(tǒng)、部件等多個層次, 涉及到外形、結構、彈道、動力推進等多個學科, 需要根據(jù)各系統(tǒng)、各學科之間相互聯(lián)系、相互制約的關系, 進行大量的方案對比, 以最終確定設計方案。傳統(tǒng)的魚雷總體設計模式采取的是一種串行設計, 在不同的設計階段, 設計人員選擇不同的重點學科進行設計和優(yōu)化, 這種設計實質上是將同時影響魚雷總體性能的各子學科人為地割裂開來, 并沒有充分利用它們之間的相互耦合可能產生的協(xié)同效應。特別是進入到方案設計階段后, 各子系統(tǒng)的設計分析還有可能是不同學科領域的專家在不同地點完成的, 這也給整體綜合設計帶來了很大困難, 其后果是極有可能失去系統(tǒng)的整體最優(yōu)解, 從而降低魚雷的總體性能[1-3]。

此外, 對于這樣一種復雜的工程過程, 目前的設計方式還是非系統(tǒng)化的, 工具軟件沒有集成, 數(shù)據(jù)流沒有打通, 而且沒有設計規(guī)則和方法庫引導各個設計環(huán)節(jié), 造成設計過程的人工重復性勞動較多, 設計過程效率低, 周期長, 費用高, 質量卻不高, 非常不適應魚雷研制任務的要求。

多學科設計優(yōu)化(Multidisciplinary design op- timization, MDO)是一種通過充分探索和利用系統(tǒng)中相互作用的協(xié)同機制來設計復雜系統(tǒng)和子系統(tǒng)的方法學[4-5]。運用多學科設計優(yōu)化理念, 充分考慮各子系統(tǒng)間的相互影響, 開發(fā)魚雷總體多學科設計優(yōu)化集成平臺, 是解決上述問題的重要途徑。本文提出魚雷總體多學科設計優(yōu)化集成平臺的構想, 分析其體系結構及關鍵技術。

1 MDO集成平臺現(xiàn)狀分析

隨著MDO技術體系的發(fā)展, 開發(fā)以計算機網絡為基礎, 能夠集成多個學科分析軟件和提供MDO技術的平臺(或框架)成為必然趨勢。目前, 國內外的研究人員已開發(fā)出多款MDO集成平臺, 部分研究成果已應用于工程實踐。如美國國家航空航天局針對下一代運載技術(next generation launch technologies, NGLT), 基于ModelCenter開發(fā)了可重復使用的分布式集成設計平臺“先進工程設計系統(tǒng)”(advanced engineering environment, AEE)[6]。該平臺由3個核心組件組成: 基于PTC Windchill的產品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(product data management system, PDM), 用ModelCenter集成的運載器分析模型, 以及基于可擴展標記語言(extensible markup language, XML)的運載器語言(launch vehicle language, LVL)。PDM提供通過網頁訪問的數(shù)據(jù)庫, 用于分析數(shù)據(jù)存貯和過程控制。ModelCenter提供集成框架, 集成和封裝分析工具, 并可分布式自動運行。LVL為不同分析工具的數(shù)據(jù)交互提供統(tǒng)一的公共接口。

SYSWARE集成設計平臺[7-8], 主要由任務流程管理(P2M)、模板設計環(huán)境/模板開發(fā)環(huán)境(TDE/IDE) 和工程數(shù)據(jù)管理(EDM) 3個核心軟件構成, 實現(xiàn)了知識工程、軟件集成、模塊化建模、統(tǒng)一關聯(lián)模型、多學科優(yōu)化、數(shù)據(jù)管理和協(xié)同設計技術的融合。SYSWARE集成設計平臺能夠有效地幫助企業(yè)打通管理與工程上各節(jié)點間的關聯(lián)關系, 梳理各節(jié)點間的數(shù)據(jù)流、控制流, 維護數(shù)據(jù)的完整性、一致性, 支持工程經驗與知識的積累、共用和重用, 保障產品設計過程的規(guī)范性、高效性。

雖然MDO集成技術取得了長足的進步, 但這些研究成果大都局限于航空航天領域, 對于魚雷總體MDO集成平臺的開發(fā), 由于缺乏MDO基礎技術的前瞻性研究, 依然沒有實質性的突破。因此, 急需對魚雷總體MDO集成平臺的相關技術開展深入且系統(tǒng)的研究。

2 魚雷總體MDO集成平臺

魚雷總體MDO集成平臺通過綜合運用項目管理、流程管理、數(shù)據(jù)管理、知識工程等技術, 實現(xiàn)“工具軟件集成化、工程經驗模板化、產品設計協(xié)同化、項目流程規(guī)范化”的研發(fā)模式, 解決魚雷外形、結構、彈道、動力推進等多學科耦合問題, 實現(xiàn)魚雷總體最優(yōu)化設計。

魚雷總體MDO集成平臺主要由客戶端門戶、設計一體化管理系統(tǒng)、多學科協(xié)調用數(shù)據(jù)庫、優(yōu)化工具層和系統(tǒng)管理層5部分組成, 其體系結構如圖1所示。

1) 客戶端門戶

客戶端門戶是魚雷總體MDO集成平臺的入口, 它將各種應用資源和數(shù)據(jù)資源集成到一個信息管理平臺之上, 并以交互的界面提供給用戶, 用戶可以通過瀏覽器直接訪問。客戶端門戶的實現(xiàn)方式可以采用瀏覽器/服務器 (Browser/Server, B/S)模式, 界面的開發(fā)形式有自行開發(fā)封裝軟件和利用商業(yè)軟件定制設計任務兩類。其中, 自研軟件可采用VC++, J2EE等; 商用軟件如Phoenix的RunServer、Sightna公司的EASA等。友好、靈活的界面是集成平臺能夠為用戶所采用的重要因素之一。

2) 設計一體化管理系統(tǒng)

設計一體化管理系統(tǒng)構建在高度開放、靈活、可擴展的體系架構上, 通過統(tǒng)一任務單元信息模型, 實現(xiàn)流程管理與項目管理無縫集成, 流程定義、計劃定義、統(tǒng)計分析和人員定義等視圖的實時聯(lián)動, 可以支持復雜的項目計劃、流程管理等需求。

設計一體化管理系統(tǒng)主要包括任務管理模塊、流程管理模塊和過程數(shù)據(jù)管理模塊。

任務管理模塊主要進行項目的任務分解、任務分配、任務提交、任務通知與訂閱、任務查詢、任務報表、任務監(jiān)控和任務數(shù)據(jù)存儲等綜合管理。流程管理模塊的主要功能包括邏輯定義、數(shù)據(jù)流定義、任務驅動、流程監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲和流程轉換等。

圖1 魚雷總體多學科設計優(yōu)化集成平臺體系結構

過程數(shù)據(jù)管理模塊管理設計過程中產生的所有數(shù)據(jù), 具體功能包括數(shù)據(jù)組織、歷程管理、關聯(lián)關系管理和數(shù)據(jù)查看等。

3) 多學科協(xié)調用數(shù)據(jù)庫

多學科協(xié)調用數(shù)據(jù)庫集成魚雷總體設計階段各學科專業(yè)的建模和計算分析工具, 以及魚雷總體設計的流程、知識和經驗, 是一套基于分布式技術的、用于魚雷總體設計全過程的綜合設計系統(tǒng)。該系統(tǒng)以魚雷為設計對象, 可進行外形、結構、彈道、動力推進等學科的設計、計算及分析, 并根據(jù)各學科之間相互聯(lián)系、相互依存、相互制約的關系, 對魚雷總體設計方案進行綜合調整與綜合優(yōu)化。

多學科協(xié)調用數(shù)據(jù)庫主要包括模板開發(fā)環(huán)境、統(tǒng)一關聯(lián)模型協(xié)調環(huán)境、模板管理系統(tǒng)和工程數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

模板開發(fā)環(huán)境是設計、分析工具和知識的封裝環(huán)境。通過對各類設計、分析模型或應用軟件進行集成和封裝, 定制直接面向工程任務的人機界面, 并在后臺驅動設計、分析、仿真軟件的建模、求解和后處理過程。模板開發(fā)環(huán)境可以大大降低專業(yè)軟件的使用難度, 實現(xiàn)知識和經驗的管理, 以及提高系統(tǒng)的開放性和可擴展性。

統(tǒng)一關聯(lián)模型協(xié)調環(huán)境是多學科設計、建模、分析和優(yōu)化的一體化環(huán)境。通過調用設計、建模、分析模板和基礎數(shù)據(jù)庫, 快速建立設計對象的統(tǒng)一關聯(lián)模型, 實現(xiàn)總體設計方案的快速建模、快速分析以及快速協(xié)同更改, 并通過調用MDO軟件實現(xiàn)總體方案的多學科優(yōu)化。

模板管理系統(tǒng)運行于服務器上, 可按權限、狀態(tài)和版本管理設計、分析模板, 并可上傳模板、檢索模板以及下載模板。模板是提取設計過程中可重復進行的設計、建模、分析操作過程并封裝后形成的模塊化組件, 通過在魚雷總體方案設計中使用模板, 可以實現(xiàn)模塊化快速建模, 設計方案的快速更改, 以及調用專業(yè)軟件完成計算分析。

工程數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)運行于服務器上, 可按權限、狀態(tài)和版本管理統(tǒng)一關聯(lián)模型以及相關數(shù)據(jù), 模型和數(shù)據(jù)按過程關系和結構關系2種方式組織管理。統(tǒng)一關聯(lián)模型實質上是用數(shù)據(jù)流和控制流連接的模板對象集合, 包括所有的設計模型、分析模型、分析結果以及設計分析報告。

4) 優(yōu)化工具層

優(yōu)化工具層是系統(tǒng)在開發(fā)完成后將實現(xiàn)的設計資源整合和集中關聯(lián)的表現(xiàn), 主要包含學科專業(yè)軟件包和工具中心。

5) 系統(tǒng)管理層

系統(tǒng)管理層是魚雷總體MDO集成平臺的重要組成部分, 對系統(tǒng)進行配置和提供基礎性的服務, 主要包括機構管理、用戶管理、角色管理、權限管理、系統(tǒng)維護和信息溝通等。

魚雷總體設計過程非常復雜, 存在任務密集、參與人員眾多、組織協(xié)調機制復雜、人員溝通不暢、研制進度難以保障等問題。魚雷總體MDO集成平臺能夠使魚雷總體設計過程鏈中的每一個應用程序所產生的數(shù)據(jù)、文檔在不同的步驟間無縫傳遞, 使不同學科需要的工具、資源、人員和數(shù)據(jù)形成一個有機的整體, 打通魚雷總體設計過程中管理與工程之間的各個環(huán)節(jié), 實現(xiàn)跨部門、跨專業(yè)的分布式、協(xié)同化設計。

3 構建集成平臺所需解決的關鍵技術

魚雷總體MDO集成平臺將徹底改變傳統(tǒng)魚雷總體設計中各部分設計獨立進行, 相互間很少考慮耦合關系的狀況, 充分利用多學科的協(xié)同效應, 同時探索魚雷總體MDO與協(xié)調在IT技術方面的共性問題, 為魚雷總體MDO與協(xié)調提供實現(xiàn)方法和實施手段。構建魚雷總體MDO集成平臺, 需要解決的關鍵技術包括以下幾個方面。

1) 開發(fā)魚雷總體設計中各學科的模板庫和基礎數(shù)據(jù)庫

將魚雷總體設計中的各類分析模型、應用程序和工程經驗進行集成和封裝, 生成直接面向具體任務的應用界面。模板將在后臺驅動設計分析仿真軟件的建模、求解和后處理過程, 從而大大降低分析仿真軟件的使用難度, 減少分析仿真軟件重復使用過程中的工作量。同時也有效實現(xiàn)了軟件技巧、知識和經驗的固化與管理。

2) MDO策略架構規(guī)劃

對于每個具體的魚雷總體設計問題, 需要制定切實可行的MDO策略。在制定魚雷總體MDO策略時, 主要考慮如系統(tǒng)級優(yōu)化問題的定義、子學科的劃分、分析模型和優(yōu)化方法的選擇、全局設計變量和局部設計變量的取舍、代理模型或靈敏度分析的應用等問題。基于所需解決問題的本質, 制定出切實可行的MDO策略。

3) 各學科分析模型的自動生成技術

各學科分析模型的自動生成是指基于魚雷幾何模型自動生成流體動力分析模型、結構分析模型、操穩(wěn)性分析模型、聲學分析模型等, 其實質就是要為各學科的計算程序(軟件)自動地準備好輸入數(shù)據(jù)文件。通常將具有自動生成各學科分析模型的程序模塊稱為模型生成器, 它是實現(xiàn)魚雷總體MDO流程自動化的一個關鍵環(huán)節(jié)。模型生成器的首要條件是要保證所生成的分析模型具有足夠的可信度。應用基于知識工程的方法, 提煉各學科分析建模的經驗, 可能是提高模型生成器可信度的一條有效途徑[9]。

4) 各學科間高信息量耦合關系表示

魚雷總體MDO中各學科之間存在大量的耦合關系, 例如流體動力與結構之間存在典型的耦合關系, 流體動力的分布和大小影響結構變形的程度, 同時結構變形又影響流體動力的分布和大小。目前有效的方法是將各學科之間的耦合關系通過某些特征參數(shù)(耦合變量)體現(xiàn)出來, 從而簡化MDO的求解過程。

5) 任務管理和數(shù)據(jù)庫管理技術

魚雷總體MDO中涉及到任務分解、任務資源、任務進度、工作績效等的綜合管理, 以及各學科之間的數(shù)據(jù)交換, 因此任務管理和數(shù)據(jù)庫管理是魚雷總體MDO中的重要環(huán)節(jié)。可以建立中心數(shù)據(jù)庫, 應用工作流技術、知識工程管理技術和有效的設計協(xié)調準則組織和管理多學科綜合設計過程。

6) 分布式及并行計算技術

魚雷總體MDO在進行子學科分析及全局優(yōu)化分析時, 需要進行大量的數(shù)值模擬計算、優(yōu)化分析處理以及實時數(shù)據(jù)交換, 傳統(tǒng)的單機工作模式顯然不能滿足這種高信息量傳遞的需求。將任務分解, 分布到網絡環(huán)境中執(zhí)行, 實現(xiàn)分布式并行計算, 可以大大提高工作效率。

7) 多目標綜合優(yōu)化技術

魚雷總體設計是一個多學科、多目標的綜合優(yōu)化問題, 充分利用各個學科之間的相互作用所產生的協(xié)同效應是解決這一問題的關鍵。將多個學科的分析集成到同一個環(huán)境中, 充分考慮多個學科間的耦合、反饋和相互影響, 提高設計方案的分析精度。同時利用計算機提供的豐富的優(yōu)化策略, 自動化地在設計空間內尋找同時滿足系統(tǒng)多目標的整體最優(yōu)解。

4 結束語

本文分析了魚雷總體設計所面臨的技術瓶頸及MDO的應用趨勢, 提出了魚雷總體MDO集成平臺的構想, 詳細論述了該平臺的體系結構以及構建該平臺所需解決的關鍵技術。本文的工作可作為進一步深入研究及構建魚雷總體MDO集成平臺的參考。

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Integrated Platform and Its Key Technologies for Torpedo General Multidisciplinary Design Optimization

HUANG Qiao-gao, PAN Guang, WU Lin-li

(College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

The technical bottlenecks in torpedo general design and application trend of multidisciplinary design optimization (MDO) are analyzed. Based on the technologies about project management, process management, data management, knowledge engineering and multidisciplinary design optimization, a concept of integrated platform for torpedo general multidisciplinary design optimization is presented. The system structure and the key technologies of the platform are discussed in detail. This research may provide a reference for further study and establishment of the integrated platform for torpedo general multidisciplinary design optimization.

torpedo general design; multidisciplinary design optimization; integrated platform; project management

TJ630.2

A

1673-1948(2012)02-0081-05

2011-09-22;

2011-11-20.

教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃(NCET-09-0074).

黃橋高(1983-), 男, 在讀博士, 研究方向為水下航行器總體設計技術.

(責任編輯: 陳 曦)