基于主模型的協同設計軟件架構技術研究

肖 進，孫樹森，杜可君

(北京宇航系統工程研究所，北京 100076)

基于主模型的協同設計軟件架構技術研究

肖 進，孫樹森，杜可君

(北京宇航系統工程研究所，北京 100076)

運載火箭總體方案論證過程中，由于涉及專業多、專業間迭代交互頻繁、設計方案多變等特點，容易造成多專業協同設計時版本與技術狀態的不統一，需要研究針對運載火箭產品的通用建模方法，并開發相應的軟件系統；基于統一數據源的協同設計理念，結合運載火箭總體設計與數據模型特點，通過定義基礎信息模型、概念模型、參數模型、外部定義模型4種數據模型，提出了針對運載火箭產品的通用主模型構建方法；將此通用建模方法軟件化，搭建了基于主模型的協同設計軟件系統整體架構；此架構包含主模型管理系統、主模型建模工具及應用客戶端三部分，實現了多專業協同設計過程中數據與版本的統一管理、技術狀態一致性分析、譜系追蹤、數據展示與應用等功能；該主模型建模工具與客戶端軟件系統的實現，為運載火箭的總體協同設計提供了工具支撐。

協同設計；軟件；主模型

0 引言

隨著國際航天發射領域的商業化競爭日益加劇，數字化設計技術的不斷提升，新型號、新任務的層出不窮，在縮短研制周期、節約成本方面提出較高要求。雖然各類設計工具、軟件、系統在總體設計過程中被大量應用，對提高總體設計水平和設計質量發揮了積極作用。但由于設計過程復雜，需要使用的軟件種類和數量繁多，在現有設計體系中軟件間數據傳遞不暢、數據不具唯一性、設計數據共享性差、缺乏過程數據的管理與追溯等問題也越來越突出。需要研究基于主模型的協同設計模式，并構建相應的軟件系統。

國外相關企業已開展了統一模型技術研究并建立了相應標準規范。GE公司結合知識工程，提出一種“自頂向下”的系統建模方法,在UG環境中建立了渦輪發動機的“智能主模型”[1]；NASA在多學科先進設計環境中，基于參數化CAD接口CAPRI，建立了下一代運載器的參數化幾何模型[2]；洛馬公司與技術軟件(Technosoft)公司合作,在基于Parasolid內核的建模環境AML中,構建了交互式導彈設計模型[3]。國內起步較晚，目前主要停留在理論與學術研究層面。龔春林等人提出了一種融合各學科模型的主模型建模技術。采用結構—行為—功能三組元描述了多學科設計的概念模型,并指出MDO建模所要解決的耦合問題[4]；孫翠蓮等人建立了主模型CAD/CAE集成框架，并在該框架下進行了高速卷繞頭錠軸結構參數優化設計[5]；周高明等人建立了導彈總體結構設計的主模型和導彈參數化模型庫，創建了導彈總體結構設計的過程向導，能引導用戶按步驟完成導彈總體結構設計[6]。

為了改變傳統的“基于文檔”的多專業協同設計模式，達到規范專業間數據接口、實現協同過程技術狀態的實時監控、全過程數據的可追溯、從而達到提高協同設計效率與質量的目的，本文參考LVL的“基于統一數據源”的協同設計理念，結合運載火箭型號總體設計特點，提出了基于主模型的協同設計軟件系統架構，在有限范圍實現了統一有效的模型和數據訪問通道，支持統一的數據來源、各專業工具間數據共享和各設計活動之間的松耦合集成。

1 主模型框架設計

所謂主模型是對各專業參數數據結構的提煉，形成標準的數據結構，是總體、彈道、氣動、姿控、結構等多專業的設計信息的融合，可保證協同設計過程中的信息一致性、實現多專業協同設計的高度自動化與智能化，提升協同設計質量和設計效率。

主模型構建了一個以參數化模型為基礎、具有自動化處理數據功能、數據格式標準的“統一數據中心”，各專業設計分析系統均通過該“統一數據中心”進行數據交互，并支持設計迭代工作的開展。

基于主模型的總體協同設計應用邏輯如圖1所示。

圖1 基于主模型的總體協同設計邏輯框架

該總體邏輯主要體現以下幾點：

1)以主模型為核心，實現數據驅動的協同設計模式；

2)以各專業數據包為基本單元，實現數據譜系關聯、數據版本追溯；

3)工程師可便捷地進行個人相關信息處理、數據提取和更新；

4)通過適配器實現與設計工具的耦合集成；

5)基于完整的設計過程數據和數據邏輯關系，實現包括數據檢索、數據分析、譜系追蹤、綜合數據看板等在內的數據挖掘與應用模式。

基于以上總體邏輯，主模型協同設計系統總體框架如圖2所示。

圖2 主模型建模與管理總體框架

系統主要包括6個方面：

1)主模型建模工具。

創建主模型結構目錄，實現通用主模型創建、檢查、管理、圖形化展示等。

2)主模型策劃。

為各專業協同設計奠定基礎，主要內容包括：結合設計型號裁剪(修改、刪除、添加)及實例化主模型，建設協同設計任務并組建協同設計團隊。

3)基于主模型的總體協同設計。

實現各專業協同設計，主要內容包括：協同設計數據管理、技術狀態管理與數據集成接口。

4)集成應用客戶端。

協同設計客戶端為統一用戶接口，主要包括：實現設計信息獲取、提交、查閱等功能；實現上下游譜系傳遞消息通知功能；實現適配器等設計資源關聯集成功能。

5)數據展示與應用。

基于設計過程數據實現總體設計過程監控，主要包括：數據檢索與瀏覽、數據檢察、數據譜系追蹤視圖、數據對比分析等。

6)系統管理。

系統管理人員參與進行系統管理，包括數據管理、用戶管理、權限管理等。

2 運載火箭主模型建模方法

針對運載火箭總體設計特點，主模型可由基礎信息、概念模型、參數模型、外部定義模型4個方面組成。

2.1 基礎信息

基礎信息是對模型描述的對象進行必要說明的信息。基礎信息中包括的內容有型號的名稱、代號、技術狀態的說明、專業列表、參數數據字典的定義等。

2.2 概念模型

概念模型是代替自然語言文檔等不規范的形式，描述運載火箭設計概念的形式化模型。概念模型的組成見圖3。

圖3 概念模型的組成

主模型中至少包括表達運載火箭模塊組成的結構概念模型和表達飛行過程的使命概念模型。各專業可以擴充本專業的概念模型，比如動力專業可以定義動力系統方案設計的概念模型。

概念模型的設計要點如下。

表達方式：所有的概念模型是能用UML類圖表達的對象模型。

必備要素：結構概念模型和使命概念模型具備模塊、構型、使命這3種模型對象，它們為多構型、多使命的主模型組織結構提供頂層架構。

支持系列構型定義：結構概念模型利用模塊、構型兩種對象層次支持在一個模型中定義采用通用模塊的多個系列構型。

專業概念模型的擴充方式：專業概念模型建模時，重用結構概念模型和使命概念模型中已經定義的對象，包括但不限于模塊、構型、使命等，不能定義含義重復的對象，以消除數據冗余。

2.3 參數模型

參數模型用于描述“參數專業”產生的設計數據，這些數據以0維、1維參數為主。參數化的設計數據與概念模型統一描述運載火箭設計方案，二者關系密切。從建模角度，將參數模型獨立建模的主要考慮是為了滿足較大數據量，多維度的參數數據的標準交換格式以及統一檢索、對比方法的問題。

參數模型設計要點如下。

維度：維度的定義為：0維參數的值是一個數值，1維參數的值是1維數組，2維參數的值是二維數組，以此類推。1維參數的典型例子是隨時間變化的時變參數，如彈道數據中的位置、速度等。2維參數的典型例子是隨攻角、馬赫數變化的氣動參數，如升力系數等。參數模型的設計應至少允許實現3維參數。

參數組：在模型的組織形式方面，將緊密關聯，總是一同產生、使用的參數組織成參數組。參數組中的各參數共享統一的維度定義。如彈道參數組中的各參數共享一致的時間維度。

參數字典：除定義參數模型數據結構外，還需要給出實際使用的參數組的實例，規定參數的標準名稱和定義，起到參數數據標準化的作用。這種標準化的參數組實例稱為參數字典。

表1 參數組定義(參數字典)的數據結構

表2 參數組實例的數據結構

2.4 概念模型與參數模型的關聯

概念模型與參數模型的關聯，即概念模型中的設計對象與參數組之間的一對多關聯，一個設計對象可以關聯多個參數組，一個參數組只能關聯一個設計對象。

概念模型都是對象模型。設計對象即概念模型中定義的類的對象。

表3 參數模型與概念模型關聯示例

在參數模型的具體實現中，應要求為每個參數組實例指定其所屬的概念模型對象。

2.5 外部定義模型及其與概念模型的關聯

主模型對外部定義模型的文件格式不作限制，只考慮如何將外部定義模型中的實體與主模型中的概念模型進行關聯。外部定義模型中實體與概念模型的關聯方式與參數模型中參數組與概念模型的關聯方式類似，是設計對象與外部模型實體的一對多關聯。目前設想實現這種關聯有兩種方式，如圖4所示。

圖4 概念模型與外部定義模型的兩種關聯方式

3 協同設計軟件系統實現

3.1 主模型建模工具實現

主模型建模工具主要完成典型運載火箭主模型的結構及數據譜系關系建立，相關建模結果將作為后續協同設計實例初始化使用。建模工具的核心是對運載火箭通用主模型的數據結構定義及邏輯關系描述。

主模型建模工具表現為單機版工具，輸出結果為XML形式的主模型組織結構，該結構可以被主模型管理系統讀取。主要包括以下幾方面內容：

在綠色思維下，可以反映出設計師的很多設計要點，在綠色理念下，以“綠色”作為設計的出發點，在這個點的基礎上，設計師們進行頭腦風暴，將自己的新奇創意與簡潔構想表現出來。一個好的綠色設計，除了之前提到的設計點，還要注重人性化設計，即注重產品能更好的滿足個人的需要，包括功能更加完善，使用起來更加安全、舒適，外觀更加美觀等。

3.1.1 運載火箭構型建模向導

運載火箭構型建模向導的主要目的是根據用戶輸入的運載火箭構型參數，自動生成表達一系列運載火箭構型的主模型目錄結構。該向導適用于芯級任意級數，最多帶兩種助推器的運載火箭設計概念。

運載火箭構型建模向導的基本邏輯如圖5所示。

圖5 運載火箭構型建模向導基本邏輯

運載火箭構型建模向導的輸入輸出如下：

1)輸入：運載火箭構型選擇及構型設計參數；

2)輸出：主模型數據包(不含)以上主目錄結構；

3)構型指定的輸入內容包括：

b)芯級各級之間有無級間段，級間段是否二次分離；

c)助推器種類數量和每種個數；

d)助推器是否分離，是否同時分離；

e)有無整流罩/頭罩，整流罩/頭罩分離后的片數；

f)整流罩/頭罩在哪一級工作時分離；

g)有無末修艙/分導艙/上面級；

h)載荷是否為分導彈頭，如是，給出彈頭數量。

本向導根據上述輸入，自動生成運載火箭主模型中的模塊和模塊組合子目錄，模塊組合包括飛行全過程所有階段的主體和主要殘骸。

數據包目錄結構樹構建基本界面如圖6所示。

圖6 目錄結構樹構建基本界面

3.1.2 專業數據包填充向導

通過專業數據包與所屬對象的映射關系，自動生成空白的專業數據包，實現運載火箭方案論證階段專業數據包的填充功能。

輸入：1)運載火箭主模型目錄結構；2)專業數據包所屬對象映射規則；

輸出：包含空白專業數據包的主模型結構。

根據專業數據包映射規則，自動生成包含專業映射的專業數據包，同時支持自由編輯數據包條目。

典型專業數據包及其所屬對象如表4所示。

在選定參與的專業范圍以后，系統自動根據以上規則將各數據包構建在所在的對象下。

表4 專業數據包所屬對象映射關系

數據包構建的基本界面如圖7所示。

圖7 數據包構建示意界面

3.2 主模型客戶端實現

主模型客戶端的用戶是設計工程師，其在多專業協同設計過程中應具備如下特征：

1)減少對現有工作方式的沖擊，達到“日用而不自知”效果；

2)盡量少的處理工作量，將大量數據和邏輯處理工作放到后臺。

主模型客戶端的主要功能有：通知與消息、數據提取、數據展示與應用。

3.2.1 通知與消息

協同設計消息提示來自于主模型驅動。在客戶端用戶可接收相關信息所發送的通知及消息，并可以通過簡單方式進行回復反饋。具體的通知及消息來源包括但不限于：

1)協同數據管理員對協同數據區的處理(啟動、撤銷、關閉等)；

2)上游數據包更新通知；

3)用戶訂閱的數據包更新消息；

用戶收到的通知及消息可鏈接到數據包信息。通知與消息的關閉在用戶做出適當響應的情況下關閉，如鼠標點擊或更新自身數據版本后。

3.2.2 數據提取與應用

數據提取基于可自定義配置的數據提取模板實現。其中，數據提取模板具有如下特點：

1)數據提取模板采用文件模板解析模式或解析程序模式；

2)模板與專業相關；

3)部分導出結果可直接應用于專業工具的計算。

數據提取與應用具有如下特點：1)自動提取。

依照模板自動從統一數據看板中提取設計所需的數據；

2)缺省模板。

專業人員使用數據提取功能時，可配置缺省模板，每次提取時無需額外操作；

3)模板選擇。

可依照不同的設計需求，選擇不同的數據提取模板進行數據提取；

模板設計：

可自定義配置數據提取模板，滿足不同設計人員的數據提取需求。

3.2.3 數據展示與應用

數據的展示與應用是通過統一數據看板來實現，統一數據看板的核心內容是以主模型為基礎形成的方案快照，用于集中展示方案技術狀態。

方案快照是指主模型各數據包某版本下的集合，該集合描述了所對應主模型的技術狀態。如果集合中所有數據包版本的譜系關系均完整，則構成一個方案快照。方案快照的獲取方式基于數據包、數據包的結構化數據表單和數據包譜系關系，可自動抽取，如圖8所示。

圖8 方案快照抽取邏輯

4 結論

本文基于統一數據源的協同設計理念，結合運載火箭型號總體設計與數據模型特點，提出了基于主模型的協同設計軟件系統整體架構，系統包括主模型建模工具與主模型應用客戶端兩部分，具有運載火箭構型建模向導、數據包填充向導、消息與通知、數據提取、數據展示等主要功能，并給出了各功能模塊示意圖，可為運載火箭的總體協同設計提供工具支撐。

[1] Peter, Raymond M, Kolonay, Rohinton K, Irani, et al. A Federated Integrated Intelligent Product Environment[R]. AIAA-2000-4902, NewYork, NY, USA: AIAA, 2000.

[2] Manning T A, Gage P J, Nguyen J M, et al. ComGeom2: A Geometry Tool for Multidisciplinary Analysis and Data Sharing[R]. AIAA-2004-4303, NewYork, NY, USA: AIAA, 2004.

[3] Zwber J V, Kabis H. Towards an Integrated Modeling Environment for Hypersonic Vehicle Design and Synthesis[R]. AIAA-2002-5172, NewYork, NY, USA: AIAA, 2002.

[4] 龔春林,等.面向飛行器多學科設計優化的主模型技術[J].宇航學報,2009,30(3):914-918.

[5] 孫翠蓮,等.基于主模型CAD/CAE集成的卷繞錠軸結構參數優化[J].系統仿真學報，2010,22(11):2622-2626.

[6] 周高明,等.導彈總體結構設計主模型技術的研究與實現[J].機械工程師，2011(2):35-38.

Research on Software Architecture of Collaborative Design Based on Master Model

Xiao Jin, Sun Shusen, Du Kejun

(Beijing Institute of Aerospace Systems Engineering, Beijing 100076,China)

In process of launch vehicle overall project conceptual design, due to the characteristics such as multidisciplinary collaboration, frequent iteration and cross disciplinary interaction, and changeable design, the inconsistency between version and technical states among always happen. A general modeling method for launch vehicle is necessary and corresponding software system is desired. Based on the concept of uniform data source collaborative design, combined with the characteristic of launch vehicle system design and data model, through the definition of four kinds of model which included base information model, concept model, parameter model and external definition model, a modeling method of launch vehicle general master model construction is proposed. Further, by developing software to implement the modeling method, a general collaborative software system architecture based on master model is constructed, which included master model management system, master model modeling tool and the application client. It could achieve the version management, the technology consistency analysis, the data lineage tracing and data showing and application, etc. The implementation of modeling tool for master model and the client software system provides tool support for launch vehicle system design.

collaborative design; software; master model

2016-12-24；

2017-02-06。

肖 進(1983-)，男，湖南常德人，博士，主要從事運載火箭數字化系統設計方向的研究。

1671-4598(2017)07-0146-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.07.037

TP3

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