基于CPS的氣動試驗研究體系全鏈路數據融合研究

何 福,羅昌俊,馬永一,湯 瀑

(中國空氣動力研究與發展中心計算空氣動力研究所,四川 綿陽 621000)

0 引言

中科院何積豐院士認為信息物理系統(cyber-physical system，CPS)是一個在環境感知基礎上，深度融合計算(Computation)、通信(Communication)和控制(Control)能力的可控可信可擴展的網絡化物理設備系統。

信息物理系統正在成為全球新一輪產業變革的核心技術體系[1-2]，利用全量數據實現現實空間與虛擬空間的映射，通過數據驅動科研機構的核心競爭力，有望重構傳統的科學探索和技術創新模式。

空氣動力學是研究空氣自身運動以及空氣與物體相對運動現象和作用規律的一門學科。它是世界公認的事關國家安全與發展戰略的技術科學，是航空、航天技術發展的先行官。

風洞試驗、數值計算和模型飛行試驗是空氣動力學研究的三大手段，通過三大手段的綜合應用，形成閉環的氣動試驗研究體系。氣動試驗研究體系著眼設備發展大局和信息化發展趨勢，以CPS技術為核心，實現“人”、“信息系統”和“物理系統”的綜合集成，形成鏈路通暢、高度數字化的試驗研究環境，形成氣動數據從生產到應用生態鏈，用多維度融合賦能氣動研究創新發展，為氣動研究工作注入新的活力[3-4]。

1 國內外現狀

以云計算、物聯網、大數據、人工智能為代表的新一代信息技術以“信息”為核心，立足于信息的全面采集、自由流動、充分共享和高效利用，推動了CPS技術的快速發展。

在過去幾年中，CPS的概念已經開始廣泛影響許多國家的先進制造業和工業戰略，如美國將CPS列為未來競爭力技術的首位，德國也以CPS為核心制定了“工業4.0”國家戰略，《中國制造2025》明確將信息物理系統作為支撐信息化和工業化深度融合的綜合技術體系[5]。

CPS是一種深度融合信息空間和物理空間，能夠優化資源配置且實時高效的智能技術，未來將被應用到人類生產生活方方面面，具有廣泛的應用前景，必將大大促進國民經濟、軍事的發展。

而在氣動研究和設備試驗與評估方面，美國空軍AEDC倡導提出了一體化試驗與評估(integrated test & evaluation, IT&E)概念[6-8]，要求試驗與評估各方對各試驗階段和各試驗活動進行協同規劃和實施，實現數據共享和互聯互通。一體化試驗與評估主要體現在兩個方面：一是不同研制階段試驗一體化，即研制方和風洞機構共同編制試驗大綱，盡量避免過量重復性試驗，力爭通過一次試驗獲得多個參數，減少資源消耗，縮短研制時間。二是試驗與仿真一體化，即通過對建模與仿真、地面試驗與高性能計算、虛擬試驗和飛行試驗等各種方法手段的綜合利用，形成數字樣機模型，通過多次迭代對設計方案進行修改，可及早發現問題，有效節省研制時間、減少風險和控制成本。

隨著IT技術、建模與仿真技術、人工智能等高新技術的飛速發展，一體化試驗與評估模式已廣泛應用于美軍裝備試驗與評估領域。

2 氣動試驗研究體系的信息物理系統內涵

早在1978年錢學森同志就曾指出[9]：“要較好的解決航天器空氣動力學設計問題，必需是地面風洞模擬試驗、計算機流場數值和實際飛行試驗三種研究方法同時并舉，相互配合。”錢學森同志對氣動試驗研究體系的規劃是綜合利用風洞試驗、數值計算、模型飛行三種手段來支撐航空航天飛行器研制。

將先進的感知、計算、通信、控制等信息技術和自動控制技術應用于氣動試驗研究，構建物理風洞、數值風洞、飛行風洞與信息空間中人、機、物、環境、信息等要素相互映射、適時交互、高效協同的信息物理系統，實現氣動試驗研究資源的快速配置、運行的按需響應、對象的快速建模和方案的動態優化，從而形成支撐三大手段融合的綜合技術體系。

氣動試驗研究體系信息物理系統的核心要素是“一網、一平臺、一中心”，一網是試驗現場測控專網與辦公網的邏輯互通，保證數據鏈路的貫通，一平臺是所有系統與應用均基于一個統一應用基礎平臺研制，實現流程的貫通和數據的融合，一中心是建立一個氣動試驗研究大數據中心，通過數據驅動三種試驗手段鏈的貫通，為氣動中心開展飛行器一體化試驗與評估提供平臺，支撐氣動試驗研究體系的建設。

3 研究的必要性

空氣動力學三大研究手段綜合應用是新一代航空航天飛行器研制的必然需求，已成為美俄歐等航空航天強國在先進飛行器研制中普遍采用的研究模式。按照錢學森同志對氣動中心的規劃，經過多年發展特別是新區建設，氣動中心三大手段設備相對集中、能力日趨均衡，具備了開展三大手段綜合應用的基礎條件。但是仍然存在以下問題，制約氣動試驗研究的創新發展。

1)三個鏈路不通。包括“數據感知-安全采集-高速傳輸-分布式存儲-云計算分析-虛擬化仿真-多源模擬應用”的數據鏈；“任務接收-任務策劃-組織實施-產品交付”的流程鏈；“風洞試驗-數值計算-模型飛行試驗”的研究手段鏈。

2)體系數字化程度低。氣動中心物理設備的管理、控制、模擬、仿真的數字化程度低；試驗對象(型號、標模)缺乏全生命周期數據描述與分析；作為體系參與者，人的數字化程度低，相關信息零散，無法開展精益化管理，無法實現經驗的積累與知識的傳承；

3)數據融合利用不夠。以單個設備為中心的試驗數據管理模式造成設備體系之間、試驗手段之間的數據割裂；氣動試驗研究行為與人隔離的現象。

基于一些已有的嘗試[10-11]，信息物理系統建設是解決上述問題的有效途徑，使信息化成為氣動中心氣動研究組織、管理、決策、運行、作業的神經系統，進一步釋放Cyber空間分析、評估、優化和決策的能力，更好地服務于國家重大戰略發展需求。

4 研究目標

如圖 1所示，該研究是在現代化管理治理和標準規范體系建立的前提下，一是建立基于“一套網絡、一個中心、一個基礎應用平臺”的信息物理系統以全量數據核心；二是按業務線條開展“3+X”業務系統建設，其中“3”是聚焦氣動試驗研究體系核心的試驗手段、精益研究和氣動設備條件建設的三大中心任務，“X”是支撐中心工作高效運行的日常管理和服務保障。要打破以往按職能部門條塊劃分的業務系統建設，實現業務數據的全匯聚；三是提高兩級機關的管理流程與反饋的效率；四是基于數據中心與云計算實現知識工程化，為各專業業務領域提供全面的數據支撐。最終使得管理流、控制流、數據流在數據中心自動流轉、匯聚、抽取和交換，實現全鏈路數據融合，推動信息物理系統的實現，加快信息化向知識化、智能化的轉變，支撐氣動中心氣動試驗研究體系建設。

圖1 數據驅動的全鏈路數字化融合遠景圖

5 全鏈路數字化融合方案

5.1 總體設計

打通三個鏈路：充分利用風洞數字化和信息化已有成果，貫通“數據感知-安全采集-高速傳輸-分布式存儲-云計算分析-虛擬化仿真-多源模擬應用”的數據鏈、“預算/申請-項目管理過程-設備管理過程-試驗管理過程-知識歸檔過程”五大過程中的流程鏈、“條件建設-風洞試驗-數值計算-模型飛行試驗”的空氣動力學閉環研究手段鏈；

全面數字化：基于數字孿生技術，形成氣動中心氣動設備、試驗研究對象(型號、標模)和人的數字化描述，構建氣動中心氣動試驗研究體系的虛擬空間映射。

實現體系融合：開展信息化與業務的融合、試驗對象間的融合、試驗行為與人的融合等多融合應用，打破以往以單個設備或單種手段為中心的試驗數據割裂模式，實現設備體系之間、試驗手段之間的數據融合，推動經驗延續和知識積累。

5.2 建立開放性的“1+3+X”頂層框架

如圖2所示，結合氣動試驗研究業務和大數據的特點，設計開放性的“1+3+X”五層架構，“1+”即一套網絡基礎、一個空氣動力試驗大數據中心、一個基礎應用平臺、一個知識共享平臺；“3+X”為三大核心業務和其他支撐業務領域。

“一套網絡”是統籌規劃科研網、測控專網、物聯網等網絡基礎，邏輯上達到互聯互通，形成支撐信息物理系統的“一張網”；

“一個空氣動力試驗大數據中心”是數據云化存儲，包括通用、試驗、計算和數據交換四個分中心。通用數據中心存儲經過抽象化的共性數據，計算數據中心存儲數值計算數據，試驗數據中心(共用)存儲風洞試驗和模飛試驗數據，數據交換中心實現數據集中交換。上述數據資源在邏輯上形成國家氣動試驗研究大數據中心，為空氣動力試驗研究提供全面、高質量的數據支撐。

“一個基礎應用平臺” 統一應用基礎平臺從低到高細分為資源、共性和特性三個層級，共同支撐氣動中心各業務系統的快速開發、數據融合和無縫集成。其中：資源層包括人力、設備、通用管理等三類基礎數據和計算、存儲、網絡等基礎資源；共性層提供基礎信息服務支撐，包括基于模型服務、知識服務、統一流程服務、GIS服務、BIM服務等；特性層提供面向應用開發的集成框架，包括日常辦公協同框架、科研試驗全流程框架、風洞設計與仿真框架、CPS應用基礎框架等。

“一個知識共享平臺”是在氣動中心全部數據云化后、所有業務領域數據鏈路打通的基礎上，構建氣動試驗研究體系大數據環境，建立氣動中心統一的知識共享管理及展示平臺，實現經驗凝練傳承、知識共享協同，在對各類原始數據和信息進行收集、整理、搜索和挖掘的基礎上，提供輔助決策支持。

圖2 “1+3+X”五層架構

“3+X”為聚焦氣動試驗主責主業的三類核心業務，分別是側重質量效率的智慧風洞試驗，側重知識創新的氣動研究，側重一體化和智能化的條件建設。縱向實現試驗研究體系的一體化管控，橫向實現試驗、研究、條件建設的數據全生命周期貫通。“X”為支撐空氣動力試驗研究的其他業務領域，如日常管理、綜合服務等。

5.3 標準規范體系建設

標準規范建設氣動試驗研究信息物理系統建設的基礎制度保障，標準規范文件體系分三個層次。第一層為核心文件，主要描述是信息物理系統建設的管理機制、總體目標、組織模式等，如《氣動試驗研究體系信息物理系統建設指導意見》、《網絡安全和信息化工作管理辦法》，是建設的根本遵循；第二層次是專項制度文件，如《試驗工控網管理規定》、《統一應用基礎平臺技術規范》，是業務領域工作的規定；第三層次是作業文件，如《試驗現場物理層數據標準與接口規范》、《數據結構設計與共享規范》，用于具體的工作指導。

5.4 全鏈路數字化設計

5.4.1 數據鏈

如圖3所示，貫通式數據鏈設計從業務維度將氣動試驗研究分為日常管理、條件建設、科學研究、試驗內場、模擬計算、智慧園區和試驗外場六個領域。從數據生命周期維度分為前端采集、業務解決方案、云化存儲與數據融合、數據深度應用四個層次。數據生產環節通過標準化規范人工、智能感知設備和接口三種數據采集方式，盡可能實現全量數據采集。業務解決方案均基于同一應用基礎平臺開發，應用基礎平臺自動將數據全量匯聚到業務對應的數據分中心，實現數據的云化存儲，數據交換中心構建不同數據分中心、不同網系之間數據的共享互通，建立數據的相互關系，在邏輯上形成氣動試驗研究大數據中心，實現數據融合。各專業領域根據數據中心提供統一的數據服務開展數據挖掘，共同沉淀、梳理、抽取形成知識，知識反饋到業務領域，指導業務領域的持續改進和流程優化，形成現實物理空間數據在網絡空間的循環流動。

5.4.2 流程鏈

貫通式流程鏈設計打破系統以部門為邊界的分割模式，將氣動試驗研究所有業務歸納為五個大的階段，每個階段均有不同的業務部門參與，流程管理模式由傳統面向部門職能設計轉變為面向業務線條設計，實現部門主導流程方式向流程牽引部門工作行為的轉變，使得流程不僅在部門內高效流轉，還能夠在跨階段、跨部門間順暢銜接。貫通式流程鏈采用流程與業務分離，流程作為獨立服務實現了流程與業務的解耦，因此，模塊內的流程與模塊間的流程可以通過統一流程引擎串聯，解決了業務邊界效率問題。全部流程由統一基礎應用平臺共性層集中管理，確保流程的連貫性、一致性，實現環環相扣的業務耦合，業務模塊銜接更加順暢，確保氣動試驗研究體系計劃、組織、管理的高效協同。

圖3 氣動試驗研究體系數據鏈

圖4 氣動試驗研究手段鏈

5.4.3 氣動試驗研究手段鏈

如圖4所示，信息物理系統通過數據的貫通和業務流程貫通，風洞試驗、CFD計算、模飛試驗三種試驗手段數據與試驗設備、試驗對象、管理過程和“人”的背景數據的全連匯聚，形成氣動試驗研究大數據體系，形成氣動試驗研究的虛擬映射。一方面，為氣動試驗研究手段鏈提供數據支撐，依靠數據管理、數據融合、數據再利用技術提高數據精準度，在智慧試驗研究、數據驗證、天地相關性、試驗鑒定評估等領域實現智能化、模型化的氣動融合解決方案，通過氣動研究三種手段密切配合、優勢互補，支持針對專門氣動問題的氣動主題數據庫建設與應用，形成閉環氣動試驗研究體系，促進氣動中心一體化試驗與評估能力建設。另一方面，為氣動試驗研究提供更加高效、寬泛的仿真環境，解決真實環境和飛行環境難以測試的問題，降低成本與風險，驗證工程實用性，提高氣動研究質量效能和適用范圍，縮短研究周期。

6 應用實驗與分析

如圖5所示，氣動試驗研究體系信息物理系統的形成，信息化建設跳出局部環境和局部利益約束，從氣動試驗研究全局發揮信息化作用，通過數據驅動的方式把氣動試驗研究體系中的組織管理和三種試驗手段的深度耦合，數據組織、信息價值、管理能力三個維度均在螺旋提升。數據組織是信息數字化、結構化、知識化的變革，信息價值是從單純的試驗研究，到結構化分析、知識化挖掘的躍升，組織管理實現從松散到流程的優化與再造的轉變。

圖5 三維度螺旋驅動循環

目前，已建立了氣動試驗研究的信息物理系統頂層設計，制定了從配套的方案與標準規范體系，通過重構與擴展，“一網、一平臺、一中心”的格局已經形成，信息化逐步從“建系統向建體系”轉變，數據的共享與流程的互通日益提高，物理風洞設備的數字化也正在規劃建設，氣動試驗數據再利用工程與信息物理系統有機銜接。

7 結束語

信息物理系統是氣動試驗研究創新發展的重要驅動力，全鏈路數字化融合推動氣動試驗研究信息化、數字化能力的提升，幫助提高氣動試驗研究能力，洞察試驗研究中各類因果關系和關聯關系，構建“以數為理”的氣動試驗研究環境，更好發揮信息物理系統“能力倍增器”的效果。