模型驅動的復雜系統協同設計平臺構建

馬洪波，王 艷

（航空工業信息技術中心，北京100028）

1 引言

飛機機電系統提供飛機運行、設備/人員工作環境、機構作動等諸多保障功能，涉及動力、液壓、環控、供電、燃油、生保、救生等多個專業[1]，涵蓋機、電、液、氣、熱等眾多領域，其每個學科、專業之間均存在復雜的耦合關系，系統的研制和試驗是一個典型多物理域協同過程。傳統機電系統設計過程多依照V模型進行，其中需求定義、需求分析、架構設計、系統設計、組件設計線性執行，各設計節點只具備輸入輸出關系，節點間耦合度不高，前序設計無法結合后續過程經驗進行。

基于以上問題，本文通過研究，構建出基于模型驅動的復雜機電系統協同設計平臺，解決了目前復雜系統研制過程中面臨的設計過程相對孤立、無法由模型驅動設計，以及當前型號設計中知識轉化和重用度不夠的問題[2]，從而提升研制各過程的相互關聯性，實現由模型驅動設計，以規范的知識指導設計的過程。

在傳統設計過程基礎上，通過引入模型庫、知識及語義庫、判據庫等協同設計理論與方法，從需求出發，以需求驅動[3]、語義及知識支撐、模型互動的方式確定復雜系統的備選架構模型，實現需求的輸入到自動匹配架構過程中需求與架構的高度耦合，并結合軟件調度手段實現仿真驗證過程的分布式調度[4]，從而實現方案的快速驗證和對比。結合多方案優化方法對比和選擇最優方案，實現復雜系統的快速研制要求，從而實現復雜系統智能協同設計的數字化、網絡化、智能化，設計框如圖1所示。

2 基本原理

基于模型的協同設計平臺以模型為基礎，以“協同”為核心，模型驅動協同，實現業務與數據、業務與業務之間的協同過程。

圖1 設計框圖

2.1 業務與數據協同

協同設計過程包括業務的協同和數據的協同，業務協同過程按照設計角色及其權限進行過程控制，利用流程執行引擎嚴格按照指定上下游關系進行任務驅動。伴隨著任務的執行和提交，任務狀態實時更新，數據也同步進行流轉，在多次執行任務時可進行數據版本控制和下游數據更新，過程描述如圖2所示。

圖2 協同過程描述

通過對研發流程控制模型的研究，建立了完善的流程控制、數據流轉規則，以及流程中的任務分發機制、推送機制等。飛機機電系統的流程控制包括邏輯、時間、數據等幾種常用方法，涉及多學科設計流程建模和驅動技術、統一數據管理技術，支持多種數據交互方式，實現了同構/異構數據之間的數據抽取、格式轉換、內容過濾和可視化監控等功能。

2.2 整體協同原理

傳統飛機機電系統設計在上下游部門之間主要通過文檔交互來開展工作，在需求分析至系統設計，再到系統仿真驗證、系統優化，缺乏基于模型的數字化支撐手段，效率低下，雖然采用了部分專用工具軟件開展工作，但未能結合各專業及上下游部門，導致需求模型、功能模型到系統模型之間交互環節缺失。

集模型、知識及語義為一體的協同設計平臺整體協同過程如圖3所示。以基于語義的復雜系統自適應設計技術作為關鍵技術，從頂層需求出發，在功能語義庫基礎上將需求提煉成計算機可識別的語義規則，得到具體設計需求對應的指標數據；依此結合語義庫和判據庫進行指標語義解析，根據判據庫提供的判定條件實現架構的推送和方案設計，形成備選的多種方案；備選方案通過調度軟件進行工具軟件的調度，結合知識組件庫和建模工具在工具軟件進行系統架構的調整和布置；設計好的架構再次通過調度軟件的接口映射關系驅動物理系統和控制系統進行架構的詳細設計；詳細設計結果由調度軟件驅動仿真工具進行仿真；最后通過多學科優化分析功能對仿真結果進行分析和優化，從而在系統設計過程的前期將傳統設計過程后期出現的問題得以規避，并實現快速設計。

圖3 整體執行過程

3 過程實現

3.1 數據庫的管理和應用

協同設計平臺提供需求庫、語義庫、模型庫、判據庫的維護和管理功能，以標準數據庫作為任務執行的依據，使設計過程規范化，并通過標準化數據描述來實現設計指標、參數的快速識別和判定。

協同設計平臺所有數據庫均統一由數據庫管理員對庫數據進行增、刪、改操作，并為需求建立語義關系、關聯模型和建立模型判定條件，以此為模型的推送提供依據，如圖4所示。

圖4 協作平臺數據庫構成

管理復雜機電系統關于動力/輔助動力、作動、環控、供電和燃油的設計需求，為復雜機電系統的需求條目設計提供統一、標準的引用依據。需求庫條目可關聯多條需求語義，通過語義的關聯可建立語義關系地圖，為需求的解析提供依據。

語義庫管理需求模型相關語義條目，并將語義進行科學整合，形成專業語義網，在定義需求模型時應用專業語義網對需求進行語義解析，實現需求模型的語義關聯。通過對功能要求的語義分解可完成功能指標確認，并實現需求模型的設計，將需求方以往基于文本的功能需求和非功能需求提煉成計算機可識別的語義規則，通過語義網和語義解析規則進行需求條目設計。

模型庫也叫知識組件庫，按照動力/輔助動力、作動、環控、供電、燃油等系統進行分類和梳理，以具備多屬性字段的表單進行庫創建，包括動力/輔助動力模型庫、作動模型庫、環控模型庫、供電模型庫和燃油模型庫，并結合判據庫為各模型關聯需求，設置需求判定條件，為模型的檢索和推送提供依據。

提供需求、語義與模型的關聯，是實現需求到模型的橋梁。判據庫管理架構模型推送的依據，通過同步獲取架構模型庫模型列表，判據庫為各架構模型關聯需求指標，并設置每條指標的判定規則，依據同一需求指標庫的需求輸入和架構判定，提高架構判定準確程度。

3.2 協同設計與仿真過程

基于模型的多領域協同設計環境突破以任務為核心的項目和流程一體化管理技術，以數據為驅動主要因素，以角色為任務執行主體，按照需求設計、需求指標編輯、需求判定、架構擇優、架構調整、架構仿真等過程進行協同設計，需求設計如圖5所示。整個協同過程通過模型進行有序管理和充分驗證，提前發現設計缺陷，從而提高設計研發效率。統要素，還包括經濟性、生命周期費用等系統工程元素。通過對這些影響參量進行歸一化，將其轉換為系統層的影響，從而實現對總體效能的對比分析，將單個影響參量變化對總體效能的影響進行評估[6]。

圖5 需求設計

在協同設計過程中，通過協同設計平臺提供的數據配置功能，可從仿真軟總線采集并存儲仿真過程數據，并存放于數據庫或數據文件中，同時可確保數據采集模塊不影響仿真系統、數據不丟幀、數據格式正確。反之，協同設計平臺能采集仿真總線數據并推送到模型組件，由數據驅動模型組件進行動態顯示。

各角色設計任務執行過程描述如下。

總體設計師接收任務書，結合語義分析技術，通過語義分析引用、搜索需求庫完成與任務書要求匹配的需求指標設計，并將需求設計結果通過發布方式下發到各系統設計師進行具體指標值的確定。

各系統設計師接收總體設計師需求，結合相關知識進行各自系統的需求指標值錄入，此時系統將根據各系統設計師權限進行可見內容控制，確保各系統設計師只可見自己系統的需求指標編輯界面。平臺提供反饋機制，若系統設計師對總體設計師設計需求有異議，可通過反饋方式將問題反饋到總體設計師；若無異議，則填充完成提交審簽。

審簽員接收各系統設計師需求指標并進行審簽，審簽通過，依據數據流轉關系自動將指標推送到需求判定員處，否則流程返回各系統設計師或總體設計師。

需求判定員接收審簽員審簽后需求，平臺利用判據庫對需求進行判定，自動推送滿足需求的架構備選模型，判定員對平臺篩選后的架構模型進行預覽和選擇，擇優作為系統架構，推送至調度工具。

調度工具通過工具軟件接口驅動工具加載模型[5]，通過定制化開發使工具將系統架構模型整合并加載，供架構設計師完成架構的詳細設計；架構設計過程中可關聯知識組件和通用模型，設計完成由調度工具驅動對應知識組件及通用模型軟件進行分布式仿真。調度工具對仿真軟件的狀態、進度等進行監控和及時處理，并根據仿真任務情況和系統內存情況合理安排仿真工作執行方式。架構判定與選擇如圖6所示。調度軟件驅動模式如圖7所示。

3.3 多目標優化的設計決策支持

飛機系統的效能影響參量既包括功率、重量、體積等系統性能參數，又包括可靠性、維修性、安全性、保障性等系

圖6 架構判定與選擇

圖7 調度軟件驅動模式

對所有模型設置重要度、隸屬度、輸入參數等值后可進行目標的綜合計算，該計算值為指標體系的目標綜合指標數值。而指標的權重是從最高級開始，逐級往下遞推計算得到的，該權重與上一級指標的組合權重的乘積作為當前指標的組合權重。因此，權衡分析和決策支持需首先應建立飛機系統綜合效能評估多級層次結構，進而結合先進理念和計算方法，開展飛機系統各類單元級與系統級效能研究，最終得到飛機系統效能評估準則、評估參數獲取方法、評估算法。

4 結論

針對機、電、液、氣多領域多專業協同設計的特點，以基于模型的系統工程方法為基礎，圍繞功能語義分解、多領域協同設計與仿真等關鍵技術，開展基于模型的多物理域協同設計、基于語義的自適應設計、通用模型組件設計方法等技術研究，可解決復雜機電系統研制方案階段存在的總體設計能力不足、多專業協同仿真水平不高、設計知識與經驗難以有效積累與重用等問題。通過構建基于模型驅動的復雜機電系統協同設計平臺，可形成專業領域通用模型庫和專業語義網。

通過多方測試，目前平臺已具備需求、模型、語義和判據管理能力，可實現需求到模型的精確匹配，匹配度可達到100%，為使平臺能滿足設計過程中更高的要求，后續需進一步完善模糊匹配功能。