航天產品性能樣機協同設計支撐環境研究

張 峰，周 濤，徐 源，薛惠鋒，3

（1.榆林學院 信息工程學院 陜西 榆林　719000；2.西北工業大學 自動化學院，陜西 西安　710072；3.中國航天系統工程與科學研究院 北京 100048）

航天產品性能樣機協同設計支撐環境研究

張 峰1，3，周 濤2，徐 源2，薛惠鋒2，3

（1.榆林學院 信息工程學院 陜西 榆林719000；2.西北工業大學 自動化學院，陜西 西安710072；3.中國航天系統工程與科學研究院 北京 100048）

為了提高大型復雜航天產品性能樣機全生命周期的協同設計水平，在對復雜航天產品性能樣機建模與仿真綜合集成過程分析的基礎上，構建了性能樣機建模與仿真綜合集成模型和復雜航天產品設計-分析一體化建模框架，詳細分析了大型復雜航天產品數字性能樣機一體化設計仿真業務需求，從項目設計任務的并行設計度和設計周期進行系統設計任務分解，進而構建了復雜航天產品綜合集成協同設計架構。應用結果表明，所設計的協同設計支撐環境較好地解決基于多學科分布式協同與仿真的復雜航天產品開發的設計。

性能樣機；協同設計；支撐環境；航天產品；綜合集成模型

復雜航天產品性能樣機的分布式協同建模與仿真是一項復雜的系統工程，涉及諸多系統工程的理論與方法［1］。通過應用性能樣機技術來模擬物理航天產品的性能，需要對性能樣機的分階段過程進行建模和仿真，需要統一數據表達模型、統一的建模方法和統一的仿真技術，涉及領域知識共享和管理、應用開發工具集成環境、交互式界面等構成的性能樣機設計支撐開發集成環境和框架。為此，本文在對航天產品多學科領域設計過程分析的基礎上，針對航天企業的飛航武器產品多學科領域協同設計開發的需求，提出一種基于多學科分布式協同與仿真的復雜航天產品開發的設計思想，設計出性能樣機支撐開發集成環境框架和功能結構，分析了性能樣機的構建方法和設計技術。

1　性能樣機多學科協同設計過程綜合集成分析

大型復雜航天產品性能樣機是一類典型的復雜巨系統，從定量上講，復雜系統具有高維數、高階次、多輸入、多回路、多輸出等特點；從定性上講，復雜系統具有非線性、不確定性、多時空、開放性和混沌現象等特點。由于傳統的社會科學研究方法難以分析、解決復雜巨系統問題，而決策者們迫切需要一種新的思路和方法，以便處理信息、理清思路、提供多種可供選擇的方案。于是，綜合集成技術被提了出來用于解決復雜系統建模問題［2］。

綜合集成法作為一項技術又稱為綜合集成技術，是在系統工程科學方法的指導下，根據用戶需求，優選各種技術和產品，對不同學科領域所構建的模型根據層次分析法和關系矩陣進行集成，使各模型所構成的子系統在性能、完整性、可靠性和協調性等方面得到多目標最優。

綜合集成方法論采用了多層次分解系統和子系統之間的關聯關系，從定性到定量來綜合描述系統的整體性和局部性。例如，對于復雜航天產品性能樣機的建模與仿真過程中，從系統的頂層開始分解組成系統的各子系統及組成子系統的元模型，然后對組成子系統的元模型進行建模、仿真、分析、優化、運行與評估，以求得最好的或滿意的系統方案并付諸實施，再綜合集成到整體，從而實現了“1+1＞2”目標，這就是綜合集成與一般綜合分析方法的實質區別［3-4］。

由于將復雜巨系統問題分解為一個具有遞階層次結構的巨系統，系統目標和約束條件眾多，許多約束條件還可能是非線性的，因此系統綜合集成往往屬于多目標規劃問題，可用多目標規劃、層次分析法等聯合分析求解［5］。本文在層次分析法的基礎上提出了性能樣機多學科協同設計系統分解過程，如圖1所示。

圖1　性能樣機多學科協同設計系統分解過程

在本文所研究的復雜航天產品性能樣機的設計與仿真過程中，涉及到性能樣機全生命周期中所涉及到的多學科領域模型建模與集成、多學科領域知識的統一表達與共享、各模型之間的參數傳遞與數據融合都需要通過應用系統工程方法與理論來進行綜合集成研究。

2　性能樣機協同設計模型分析

2.1性能樣機建模與仿真集成模型

多學科領域一體化性能樣機建模與仿真技術是基于一體化建模語言的多學科建模與仿真集成環境，開展控制、機械、電子、軟件等多學科領域一體化建模與仿真分析，實現航天產品多學科一體化快速原型設計。按照控制、機械、電子、軟件等不同專業，建立用于多學科領域一體化功能建模與仿真分析的模型庫［6］。

復雜航天產品設計是典型的多學科、多耦合、多目標設計優化問題。傳統的設計方法難以給出最優的設計方案［7］。各學科設計需要不同的領域模型，而各種模型之間又有復雜的關聯關系，這些子模型之間需要應用系統工程的方法和技術進行綜合集成分析，然后進行多學科模型融合優化，應用綜合集成研討廳進行方案可行性評估與選優，文中提出的復雜航天產品性能樣機建模與仿真綜合集成模型如圖2所示。

正如圖2所示，復雜航天產品數字性能樣機是不同領域分析模型，涉及結構分析、流體分析、電路分析、微波分析、光路分析、電磁兼容性分析以及各類數學模型，這些模型需要有效集成與協同設計。因此實現數字性能樣機綜合集成分析方法的核心是如何對其進行一致和有效地描述、組織、管理與協同運行，通過給用戶提供一個邏輯和語義上一致的、可組織產品全生命周期相關的各類信息的數字樣機描述模型，支持各類不同模型的信息共享、集成與協同工作，實現不同層次上產品外觀、功能和在特定環境下行為的描述與模擬。

2.2性能樣機協同設計業務流程分析

在復雜航天產品性能樣機的開發過程，需要對設計過程中的技術、方法和工具進行集成，實現各學科領域知識的綜合集成［8］。盡管不同學科涉及的開發對象和領域等有所不同，但從設計和開發過程的管理角度看，都存在相同的分階段的生命周期，如分析、設計、仿真、優化、組裝和測試等階段。所以，需要開發統一的產品協同開發方法來實現全生命周期的產品開發，需要在統一的框架內研究。建模是人類對客觀世界和抽象事物之間聯系的具體描述，通過應用統一建模技術實現航天產品數字化性能樣機統一建模與設計。基于數字樣機的協同制造技術研究以型號產品生產制造流程為主線，貫穿工藝協同審查、工藝規劃、工藝設計、工裝設計、虛擬制造仿真、零部件數字化制造實現等各主要環節，以數字樣機作為產品制造依據［9］。

圖2　性能樣機建模與仿真綜合集成模型

在復雜航天產品數字性能樣機的全生命周期協同設計與制造過程中，一般以科研生產流程為主線，結合各類設計模型，需要建立滿足面向全生命周期、基于數字樣機的一體化設計工作流程和綜合集成服務平臺，以多學科協同集成設計與仿真流程，實現數字性能樣機一本化設計與仿真過程中的研討、設計、建模、優化、仿真、評審和決策，形成統一的滿足面向全生命周期、基于數字樣機數字化設計工作流程和支持總裝廠和分系統廠（所）間的協同制造應用系統，如圖3所示。

圖3　復雜航天產品設計-分析一體化建模框架

在圖3中，總體設計部進行復雜航天產品的總體設計，并形成分系統的設計任務模型，以便于各總裝廠進行工藝、工裝和產品模型的設計，應用組織建模，建立部門及人員的組織模型。提供組織管理、角色定義、職級資格定義、用戶擴展屬性定義、組織擴展屬性定義等功能。定義角色的各種與PDM中權限和任務等功能相關聯的基本屬性。應用數據建模，建立PDM中需要管理的產品數據的類型定義。提供對企業數據字典、對象類樹、對象類屬性定義及屬性項的關聯填寫方法，提供文檔模板定義及各類文檔的編輯工具、瀏覽圈閱工具，提供關聯視圖定義個性化工作界面，提供對象目錄定義動態地管理當前關注的對象集合。

3　性能樣機建模與仿真支撐環境的關鍵技術分析

3.1多學科領域協同建模技術

由于復雜航天產品是一類巨復雜系統，傳統的建模與仿真方法與過程復雜，多學科之間的協同性較差，不同學科對同一領域模型的語義含義理解不同，并不能在系統工程層次上描述復雜航天產品的整體結構和行為，已經不能滿足復雜系統的建模需求［9］。為了更好的解決復雜系統仿真平臺中的模型無縫集成和協同工作問題，元模型的建模方法與技術能夠表示所有領域內所有系統，從而較好的解決仿真中的模型集成、互操作和協同工作［10］。本體元模型是一種融合了本體與元模型特征的模型，文中主要利用本體元模型來構建復雜航天產品性能樣機綜合集成建模體系。

元模型和模型在本質上是一樣的，都是對真實世界的抽象描述，所不同的僅是在描述層次上的區別［11］。元模型比模型具有更高的層次，被作為模型的模型。相對而言，模型更能接近現實世界，是在較窄范圍內對現實世界的抽象，對模型的更高一級抽象就是元模型［12］。元模型對如何建模、模型語義、模型間集成和互操作等信息進行描述。元模型的建立通常可概括為3個過程，即仿真實驗、模擬擬合和模型評估與驗證［13］。

元模型可以支持多領域的復雜系統建模［14］。由于它與模型的本質是相同的，所以元模型建模和傳統建模是一致的活動，即凡用于傳統建模的概念都可同樣用于元模型建模。在基于元模型進行復雜系統仿真建模時，利用了兩種很重要的規范，即MOF規范和XMI規范。前者定義了描述元模型的語言，被作為開發工具去設計和實現元模型建模系統；后者用以生成使用XML語言描述的復雜系統的系統模型。在復雜系統元模型建模過程中，可將每個子系統視為相對于整個復雜系統的一個對象類，它們之間的互操作是通過信息交換來實現的［15］。按照上述規范，通常有6種元類和元關系，其定義如圖4所示，該圖還表示了在元模型和元關系基礎上，由元模型生成完整的復雜系統模型的基本原理。

一個本體一般由一組包括關系、組成關系和關系劃分等概念的層次結構組成，其中，分類層次結構如復雜航天產品系統中的子系統分類層次，軟件中的樹型結構等。

圖4　元類與元關系

本體語言的描述主要通過概念類、關系、函數、公理和實例進行［19］。可以使用五元組O=｛C，R，F，A，I｝來對本體進行表示，其中：

C：概念（Concept）的集合，本體中的概念表示的意義較為廣泛，可以表達產品設計任務、產品功能、行為關系、結構組成、邏輯推理等。在本文建模過程中，概念主要用來表達各模型，表達為一個UML類（Class）實體。

R：關系（Relation）的集合，表示概念之間的關聯關系，它主要應用于概念之間的關系定義，一組關系可以看作是n維笛卡兒積的子集：R：C1*C2*…*Cn。概念之間主要存在4種類型的關系，分別是整體與部分的關系part-of；繼承關系 kindof；概念與實例的關系instance-of；屬性關系attribute-of。

F：函數關系的集合，函數主要用來表達概念之間的復雜推理關系，通過數學函數來表達概念之間存在的多元關聯關系。一般情況下，函數關系用F：C1×C2×…×Cn-1→Cn來表示［22］。

A：謂詞邏輯的集合，表示領域內的一些永真式。

I：概念實例的集合，實例是指屬于某概念類的基本元素，即某概念類所指的具體實體。

本體的最終要通過特定的語言來描述，目前常用的描述語言包括XML、RDF（S）、OWL等。其中，OWL可以表述本體中的概念類、屬性、類的實例之間的關聯關系，提供較為全面的邏輯推理能力和語義分析方法，較RDF提供了更為全面的語義詞匯集合，因此成為當前本體研究中首選的描述語言，文中也將選用OWL作為本體元模型的描述語言。

本體元模型（Ontological Metamodel）是應用本體技術來表達元模型的構成。可以應用本體語言來描述元模型本身的組成構建，同時也可以應用本體語言來標識一個元模型。在本體元模型建模過程中，用本體中的概念來表示元模型中的元類，用本體標識的元模型直接與本體關聯，當本體模型出現演化時會引起所關聯的元模型變化。例如，圖5就是一個用本體來表達一個性能樣機中的空氣動力學的本體元模型，該 模 型 使 用 了 OWL語 言 中 的 Class、objectProperty、subClassProperty等屬性來描述性能樣機空氣動力系統中的相關模型概念。在圖5中，Wingdynamics是一個Class，它是Aerodynamics的子類。Wingdynamics的操作用Method類來描述，操作屬性用Attribute描述。

圖5　空氣動力學的本體元模型

3.2多學科優化設計技術

隨著新一代航天產品系統對精度和抗惡劣環境要求的提高，必須通過建立面向系統級的數字化性能樣機，研究航天產品系統在復雜環境下的各項功能和受控特性，實現航天產品系統的功能仿真與方案優化。需要利用系統工程的方法與技術分析組成系統的模型之間的復雜關聯關系，從而進行一體化建模與仿真。

復雜系統的分析也稱子系統分析或子空間分析。設子系統i的狀態方程為：

則子系統分析就是求解學科狀態方程：

通過設置系統的設計變量方程，實現對系統運行過程中的狀態進行求解。由于耦合效應，分析過程一般需要多次迭代才能完成，分析方程可表示為：

對于一個復雜系統，它的多學科設計優化問題，在數學形式上可簡潔地表達為：

其中f為目標函數，X為設計變量，y是狀態變量，hi（x，y）是等式約束，gi（x，y）是不等式約束。

4　性能樣機的實現關鍵技術分析

性能樣機的構建過程涉及多學科多領域的建模與設計技術，按建模過程和實現過程可分為兩個層面。其中，第一層面是底層的支持技術，包括協同建模方法、協同管理平臺、數據交換與管理方法、設計過程管理、模型庫和信息共享、協同仿真與數值計算等，本文研究的內容主要是第一層面的底層支持技術。

第二層面是頂層實現技術，主要為設計師提供一種交互式的可視化設計的頂層技術，包括三維CAD模型生成、領域仿真工具、交互式設計技術和綜合成技術等。例如，參數化的CAD三維幾何模型、基于機械特征設計的CATIA工具、機械系統多體動力學設計軟件ADAMS、線性/非線性、離散的控制系統仿真工具MATLAB/SIMULINK等。這些軟件工具都提供Java、C++等語言的接口調用方法，實現工具之間的仿真動態聯調，對性能樣機實現仿真優化

5　結　論

本文在對航天產品多學科領域設計過程分析的基礎上，針對航天企業的飛航武器產品多學科領域協同設計開發的需求，提出一種基于多學科分布式協同與仿真的復雜航天產品開發的設計思想，設計出性能樣機支撐開發集成環境框架和功能結構，分析了性能樣機的構建方法和設計技術，從項目設計任務的并行設計度和設計周期進行系統設計任務分解，進而構建了復雜航天產品綜合集成協同設計架構。

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Research on collaborative design support environment for prototype performance of aerospace products

ZHANG Feng1，3，ZHOU Tao2，XU Yuan2，XUE Hui-Feng2，3
（1.School of Information Engineering，Yulin University，Yulin 719000，China；2.School of automation，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China；3.China Academy of Aerospace Systems Science and Engineering Beijing 100048，China）

In order to improve the level of collaborative design for the whole life cycle for aerospace product performance prototype，the integrated modeling and simulation model of performance prototype and the integrated modeling framework for complex aerospace product design and analysis are built based on the analysis of complex aerospace product performance prototype modeling and Simulation on the integrated process.Detailed analysis of the large scale complex aerospace product digital performance prototype integrated design and simulation business requirements.System design task decomposition is carried out from the concurrent design and design cycle of the project design task，and then the integrated collaborative design architecture of complex aerospace product is constructed.The application results show that the design of collaborative design support environment solve complex aerospace design product development based on distributed collaborative and multidisciplinary simulation.

performance digital Mock-Up；collaborative design；support environment；aerospace products；comprehensive integration model

TN391

A

1674－6236（2016）09-0019-05

2015-12-30稿件編號：201512318

國防基礎科研重大項目（A0420131501）；陜西省教育廳科技項目基金（2013JK1167）

張峰（1980—），男，陜西榆林人，博士，副教授。研究方向：云集成制造與大數據處理技術，超聲速飛航武器性能分析與建模。