知識驅動的飛行器快速設計平臺構建

◎北京航天長征飛行器研究所 王錦程 王剛 劉軍虎 秦緒國 閆月暉

知識驅動的飛行器快速設計平臺構建

◎北京航天長征飛行器研究所 王錦程 王剛 劉軍虎 秦緒國 閆月暉

近年來，越來越多的文獻和資料提到當前社會正由原材料與能源消耗為特點的工業經濟時代邁入以知識和信息為支撐的知識經濟時代。知識經濟以知識和信息為依托，依賴于知識與信息的生成、推廣和再應用，而新產品的核心競爭力也越來越傾向于它所擁有的知識含量。隨著市場競爭的逐漸激烈，以及制造和信息技術的高速發展，新知識、新技術與新產品的更新換代周期日益縮短，對產品的知識含量要求也日益提高。

對于傳統行業來說，飛行器的研制面臨著越來越多的競爭，需要逐步適應知識經濟時代的發展步伐。近年來，隨著知識管理工作的持續推進，知識經驗的梳理、收集與記錄越來越受到重視，在取得顯著成效的同時實現了關鍵知識的提煉與記錄。然而，結合北京航天長征飛行器研究所實際情況來看，飛行器設計的知識管理還處于將設計師腦海中的經驗固化成持久化記錄的知識的階段，尚未形成統一的研制知識管理體系。尤其在飛行器性能指標要求不斷提高、論證階段越來越短、外部競爭壓力日益增強的形勢下，若仍然不能充分發揮方法與經驗的價值，將很難滿足客戶對飛行器總體方案設計的要求。

目前，飛行器總體方案快速設計通常需要經過多個步驟，多個專業間需進行多輪次的迭代和仿真，溝通協調、參數計算量大。而當前的工作方式通常是設計師根據經驗與前置結果手動輸入/更改設計參數，手動切換多個軟件來完成方案設計工作。在計算與分析不同設計方案時，大量的時間消耗在參數的輸入、驗證和計算結果的處理與復核過程中，設計效率無法得到保證，嚴重制約了飛行器總體專業的快速設計能力。因此，從飛行器設計與知識管理的雙重角度出發，迫切地需要通過對研制過程、模型與模板規范的管理，軟件、工具和程序算法的集成，設計、仿真與優化數據的記錄，建立一個基于知識驅動的飛行器多學科方案快速設計系統。在實現知識積累到知識應用的轉變過程中，也為改進總體方案設計方式、加速總體方案設計過程、提高飛行器總體設計水平提供條件。

一、國內外應用現狀

1．國外應用現狀

國外先進企業對于知識驅動的方案設計研究由來已久，與國內大多數企業起步于仿制不同，國外先進企業非常重視知識在方案設計中的重要性，流程非常適合于創新設計。而且這些企業在前沿工程方案設計階段進行了大量的流程改進和工具集成，將新產品研發的問題盡量解決在設計前期，因此大大縮短了新產品設計周期。

2．國內應用現狀

國內軍工企業大都面臨著小批量、多批次、時間緊、任務重的型號研制情況，如何在保證戰術指標及產品質量滿足要求的情況下盡可能地縮短研制周期，成為當前面臨的主要挑戰之一。而型號的研制是一個復雜的系統，每項任務及型號的承研單位會涉及多個設計科室，管理及技術范疇上涉及多專業、多學科的各類知識，這就為型號的研制尤其是協同研發帶來了巨大挑戰。

從知識驅動的飛行器研發角度來看，目前已經形成了各獨立功能或設計部分的專用系統，在一定程度上提升了研制的水平及效率。而相對獨立的系統，使得專業間的協同或并行研發能力還沒有形成且研發流程無法在系統間連續執行，導致管理不能覆蓋研發整個流程，最終造成研發缺少知識的支持，知識管理無法與產品研發互相融合。因此，國內基于知識的多學科方案快速設計進展相對緩慢。

二、知識驅動的多學科方案快速設計系統

1．知識驅動的協同設計

知識驅動的協同設計思路脫離不了管理、工具、資源三大因素。管理分為過程管理、數據管理和知識管理三大部分。數據的管理保證企業有統一的數據源，而過程的管理則是合理規劃和控制人員在各個層次、各個階段活動之間的邏輯關系，兩者相輔相成。在知識管理方面，實現對設計經驗、方法和流程的固化，輔助設計人員進行參數的選定、流程的制定、建模和仿真分析，并將飛行器研制中各種設計規范、手冊、歷史數據等轉換為知識條目進行管理。在設計分析過程中，系統根據設計人員的設計任務主動進行知識的推送，同時設計人員又能將其設計知識、方法進行積累和沉淀，實現設計與知識的互動。在工具層面，將建模、仿真、分析及處理過程的規則和知識進行總結、提煉和固化，提高工具利用效率與輸出結果的規范性。

2．系統構建

知識驅動多學科方案快速設計系統將多專業的仿真工具、流程和知識經驗進行集成與管理，為設計師提供方案階段總體方案快速論證、典型設計參數的優化與仿真驗證等功能，實現各專業設計與仿真工作的標準化、流程化與協同化。依托于系統的運行，可實現設計與仿真工作中模型、算法、參數、操作等過程及結果數據的積累和沉淀，為逐步提煉形成設計和仿真知識庫提供條件。系統由門戶、研發知識管理、協同研發過程管理、協同研發專業管理、多學科設計優化、研發數據管理和集成接口等7個子系統組成，各子系統互相支撐協作，具體如圖1所示。

一是門戶系統。門戶系統是整個系統的統一入口，基于B/S架構提供單點登陸、任務看板、流程處理、統一數據視圖與工具箱等上層應用功能。通過對底層工具與功能的封裝、抽象和調用，為不同角色用戶呈現互相獨立的個人工作處理臺面，實現對多學科方案快速設計系統各功能模塊的使用。

二是研發知識管理。研發知識管理能夠收集、保存、轉換、傳遞、更新和維護整個產品研發過程中的大量知識、經驗、數據等信息，為產品研制過程中的決策服務。同時，知識管理與具體的研發活動相結合，設計人員在設計過程中能夠方便的把設計人員的經驗、知識封裝到系統中，也可以根據當前的工作語境主動、智能地推送滿足符合度的設計知識，使知識與設計形成良好互動，實現知識共享、分發，真正做到知識驅動產品研發的整個過程，使企業的設計能力可以持續積累、提高。

三是協同研發過程管理。協同研發過程管理是“數據總線”，對研發過程中的數據流和過程流進行傳遞與管理，以更好地實現研發任務的管理和執行控制。協同研發過程管理以研發任務為核心，以時間、邏輯、數據與消息等多種因素作為研發流程的驅動機制，實現任務的自動下發與反饋、任務的動態調整、任務多種觸發因素的動態配置等功能，從而提高對研發任務的管控效率，加強研發任務協同處理能力。

四是協同研發專業管理。協同研發專業管理把設計和仿真過程中的工具、方法與知識進行集成和封裝，形成一系列標準化可復用的基礎組件，并以此為基礎構建面向飛行器研發的工程模板，如總體布局設計、氣動外形設計、飛行力學仿真等。通過協同研發專業管理的集成化設計思路，提高飛行器研發效率，降低軟件和工具使用門檻，并將經驗知識融入到工程模板中，實現研發過程中的知識積累、工具封裝以及復用，逐步構建研發知識庫，實現研發過程的可重復性、可追溯性和可擴展性。

五是多學科優化設計。多學科優化設計包括多學科集成及自動優化、試驗設計及響應面建模、可靠性和魯棒性分析、優化設計、參數標定和并行優化等功能。集成多學科優化設計工具，提供多學科自動優化的功能，并通過其數據管理與流程管理的功能支持，為學科間數據傳遞提供便利，有效提高快速方案設計的效率。

六是研發數據管理。研發數據管理主要對工程研發過程中設計參數、設計模型、分析模型、分析結果、報告等過程數據以及產生這些數據的操作和過程進行管理，并建立設計需求、設計指標、設計數據、分析數據、試驗數據之間的統一關聯關系。

七是應用集成接口。多學科方案快速設計系統的使用需要一定程度上與已有的系統進行對接，如計劃層面與AVPLAN的對接、三維設計模型與AVIDM4.0的連接文檔管理與AVIDM3.5的連接，基礎試驗數據來源于試驗數據綜合管理系統，單點登錄集成與門戶系統等，可通過應用集成接口實現與這類外部系統的知識調用?！?/p>