復雜裝備全壽命周期模型體系及IT架構研究

胡立臣

（中國北方車輛研究所，北京 100072）

0 引言

模型是對系統的描述，數字化模型是系統的數字化定義，反映系統的幾何屬性、功能屬性和性能屬性。仿真是基于模型的各種活動，即對系統行為的模擬。沒有模型，很難開展仿真，不能仿真則很難開展預測設計、虛擬試驗、虛擬制造以及預防維修等，因此建立復雜裝備的全壽命周期模型體系對于提升復雜裝備的設計、試驗、制造、維護與保障水平至關重要。

隨著建模與仿真技術的發展，基于模型的系統工程（MBSE）和美國國防部提出的數字工程在復雜裝備研發與保障等方面得到了廣泛的應用[1,2]。MBSE遵循系統工程規范，以模型為載體，開展目標產品的需求分析、功能設計、架構優化、驗證確認等，實現了從主要基于文本到主要基于模型轉變。美國國防部提出的數字工程是一種集成的數字化方法，使用系統的有效模型源和數據源，以在生命周期內可跨學科、跨領域連續傳遞的模型和數據，支撐系統從概念開發到報廢處置的所有活動。核心是跨生命周期的模型、數字線索、數字孿生，將多領域、多層級的分析工具集成，利用技術數據和工程知識，形成產品法定數字化表達，對功能、性能、成本、進度和風險進行分析[2]。無論是MBSE還是數字工程，全壽命周期模型體系是其關鍵。

為支撐全壽命周期模型體系的有效運行，需要企業設計科學的IT架構，這有利于避免信息孤島形成，有利于提升基于模型的復雜裝備研發及維護和保障的效率，有利于減少重復投資，提高信息化投入的效能。

1 復雜裝備全壽命周期業務活動

復雜裝備全壽命周期業務活動包括研發活動、研發管理、售后服務保障、產品數據和模型管理、運行大數據分析等，如圖1所示。研發活動主要包括需求分析、SOS（Systems of Systems，系統之系統）設計與仿真、系統功能分析與架構設計、系統級性能分析、專業設計與仿真、結構設計與試制、電氣系統/信息與控制系統設計與試制、組件綜合與測試、分系統綜合與測試、系統綜合與確認等。研發管理主要包括項目管理、質量管理、產品數據管理、技術狀態管理、試驗管理、試制管理、大數據/主數據/知識管理等。售后服務保障主要包括裝備健康管理、故障診斷、預防維修、維護等。

如圖1所示，上述各種活動分別處于復雜裝備的生命周期的不同階段，活動內部以及活動之間，需要模型和數據的交換，如何管理這些模型和數據，如何保證這些模型和數據的有效性、一致性和安全性，是基于模型的企業（Model-Based Enterprise，MBE）的重要建設內容。

圖1 復雜裝備全壽命周期業務活動說明

2 復雜裝備全壽命周期模型構成和作用

模型是對系統的描述，即數字化定義。復雜裝備全壽命周期模型指服務于產品研發活動和售后服務保障的，貫穿產品全壽命周期的，不同用途、不同粒度、不同領域的產品信息和知識的數字化表達。

如圖1所示，復雜裝備全壽命周期模型包括如下11類：

1）SOS（Systems of Systems）數字化模型（Model 1，M1）；

2）系統方案設計與仿真模型（Model 2，M2）；

3）關鍵設計參數計算模型（Model 3，M3）；

4）機械系統MBD（Model Based Definition）模型（Model 4，M4）；

5）電氣系統數字化模型（Model 5，M5）；

6）電子系統數字化模型（Model 6，M6）；

7）軟件開發MBD（Model Based Design）模型（Model 7，M7）；

8）單學科及多學科仿真模型（Model 8，M8）；

9）服務保障模型（Model 9，M9）；

10）產品XBOM（Model 10，M10）；

11）產品運行大數據分析模型（Model 11，M11）。

（1）SOS數字化模型，SOS是指為了達到某一特定的目標，由眾多分散獨立的系統組合而成的，SOS的功能要大于其組成系統功能的總和。復雜裝備，如無人車，不是獨立運行的，其運行在由多個無人車、遠程控制平臺、智能道路等組成的SOS中。要研究復雜裝備，必須要研究其在SOS中的定位，因此復雜裝備研發的第一步是構建SOS設計與仿真模型。

SOS設計與仿真，主要是通過對特定任務背景下SOS的系統組成和任務活動流程進行視圖描述和映射矩陣鏈接，進而對SOS的物理邏輯、動態行為和性能進行動態分析，實現SOS優化設計。SOS設計與仿真模型組成包括SOS需求模型、SOS模型（包括靜態模型和可執行模型，靜態模型是通過一系列視圖描述體系的概況、組成要素以及要素之間的關系，可執行模型是通過建立動態視圖描述和關聯矩陣，對體系結構進行檢驗和驗證）[3]。

（2）系統方案設計與仿真模型，系統方案設計與仿真模型服務于基于MBSE的系統方案設計，通常是采用SysML語言，描述系統的功能、邏輯和物理架構，支持開展結構化的利益攸關者需求捕獲、功能及架構設計，建立系統需求模型、功能樣機、架構模型，目的是在方案設計階段，通過執行模型驗證功能邏輯，優化系統功能和架構，為后續詳細設計提供輸入。在此基礎上構建性能樣機進行性能仿真驗證，通常是基于Modelica語言，建立機、電、液、控、熱多專業綜合的系統性能樣機，支持在方案階段對產品整體性能進行初步的仿真驗證，支持對系統的關鍵設計參數進行優化，作為后續詳細設計輸入。

系統方案設計與仿真模型主要包括系統需求模型，系統功能設計模型(功能樣機)，系統架構設計模型，系統性能仿真驗證模型（性能樣機）。

（3）關鍵設計參數計算模型，進入系統詳細設計階段，需開展各專業的設計計算與仿真建模。專業設計計算主要包括系統總體、分系統、部件、零件等的關鍵設計參數計算，如，車輛總體設計中的發動機功率選擇計算、傳動系檔數及傳動比選擇計算、發動機和傳動系統參數匹配計算及優化等。

（4）機械系統MBD（Model Based Definition）模型，基于模型的定義（MBD，Model Based Definition）的核心思想是基于產品的三維模型完整地表達表達工藝、制造和檢測所需的各類信息，支持設計、工藝、制造和驗證活動[4]。結構設計與制造MBD（Model Based Definition）模型包括結構設計MBD模型，用于產品展示的派生模型，用于仿真分析的派生模型，用于虛擬試驗的派生模型，用于三維工藝設計的派生模型，用于試制的派生模型，用于維護與保障的派生模型等。

（5）電氣系統數字化模型，電氣數字化模型包括電氣系統布置圖、接線電路圖、線纜線束數字化模型等，這些圖和模型與數據庫結合，結構化表達設計信息，支持設計人員并行協同及數字樣機的再利用。

（6）電子系統數字化模型，電子系統是由相互作用的基本電路和元器件構成的能夠完成特定信息處理功能的電路整體，電子系統數字化模型的主要內容是電路的數字化表達。

（7）軟件開發MBD（Model Based Design）模型，復雜裝備的信息與控制系統由嵌入式軟件、硬件、被控對象、伺服機構等組成，采用基于模型的設計（MBD，Model Based Design）方法開發信息與控制系統軟件是提升設計效率的重要途徑。

MBD的核心過程包括可視化建模、模型自動生成代碼和持續驗證（模型與代碼結構一致性驗證、模型與目標碼功能一致性驗證等），實現MBD的關鍵是企業統一構建模型庫、建模模板、建模規范、代碼生成模板、代碼和模型一致性檢查工具等。軟件開發MBD（Model Based Design）模型包括架構模型、控制器模型、被控對象模型、信息處理模型、伺服系統模型、執行機構模型等。

（8）單學科及多學科仿真模型，仿真是基于模型的各種活動，即對系統行為的模擬，仿真建模主要目的是預測性能并優化設計。仿真包括單學科仿真和多學科仿真。單學科仿真模型，如結構強度仿真分析模型、疲勞壽命分析模型、流場的流體力學分析模型（液壓、液力等）、多體動力學分析模型、熱管理分析模型、電磁兼容分析模型、NVH性能分析模型等。多學科聯合仿真一般是通過直接解析不同模型的輸入和輸出文件進行聯合仿真，或者基于歐洲Modelisar協會的FMI標準開展聯合仿真[5]。

（9）服務保障模型，售后服務保障模型包括IETM中指導用戶使用的各類模型、基于虛擬現實應用技術的虛擬維修模型、面向健康管理的數字孿生模型、面向故障預測的數字孿生模型等，可服務于產品交付后的使用與維護、健康管理、故障維修等。

（10）產品XBOM，BOM（Bill of Materials）即物料清單，描述產品組成關系及各部分配套數量及設計、工藝、制造、維護等屬性信息。產品XBOM包括設計BOM、工藝BOM、制造BOM、實做BOM（一種產品結構，記錄產品剛制成時的信息，包括與設計的差異、序列號、批次號、生產日期等）、維護BOM（一種產品結構，隨時間演變，記錄產品結構在試用、維修、維護、大修過程中的變化，包括替換的物料、故障、零部件壽命等）等。利用XBOM組織管理各類模型和數據，包括設計、仿真、工藝、試制、試驗、維護的模型和數據。

（11）產品運行大數據分析模型，產品交付用戶使用后會產生大量數據，包括產品運行狀態數據、故障數據等，基于這些數據可以構建面向設計優化的運行大數據分析模型、面向健康管理的運行大數據分析模型和面向故障預測的運行大數據分析模型等等。

3 復雜裝備全壽命周期模型體系

體系是指一定范圍內或同類事物按照一定的秩序和內部聯系組合而成的整體，是不同系統組成的系統。復雜裝備全壽命周期模型體系是將復雜裝備全壽命周期所有模型組織在一起的一個整體。表1是對復雜裝備全壽命周期模型體系的說明。

表1 復雜裝備全壽命周期模型體系說明

各類模型的信息交換可以通過三種模式：

1）讀取數據庫表的方式；

2）讀取中間文件的方式；

3）基于FMI（Functional Mockup Interface）標準生成FMU（Functional Mockup Unit，基于FMI標準封裝的仿真模型）的方式。支持FMI標準的仿真軟件，可以開展多專業聯合仿真。

4 復雜裝備全壽命周期模型體系的IT架構

為保證復雜裝備全壽命周期模型體系的有效運行，需要暢通的網絡、充足的存儲、足夠的CUP算力和GPU算力的支撐。圖2是支撐復雜裝備全壽命周期模型體系運行的IT架構，包括網絡系統、計算機系統、操作系統、虛擬機、云管理平臺、基礎軟件系統和模型體系工具鏈等共7層。

圖2 復雜裝備全壽命周期模型體系的IT架構

1）網絡系統。包括企業局域網、與企業上下游互聯的廣域網、生產設備互聯網、試驗設備互聯網、產品互聯網等，為數據收集與流轉、基于模型的仿真計算提供網絡通道。

2）計算機系統。包括提供CPU算力的服務器、提供GPU算力的服務器、存儲、高性能計算系統、PC單機等，為基于模型的仿真計算提供算力支撐。

3）操作系統。如，Linux、Unix、Windows等。

4）虛擬機。通過利用虛擬化軟件配置虛擬機，實現操作系統級資源隔離，可以管理百臺規模的物理機，解決了物理機的時間靈活性及空間靈活性問題。

5）云管理平臺。當物理機的規模成千上萬時，人工配置虛擬機效率太低，這時需要建立云管理平臺，更好地管理虛擬機，實現自動調度虛擬機。

6）基礎軟件系統。包括管理結構化數據的關系數據庫系統，管理大數據的大數據平臺，支持SOA架構整合新舊各種系統的企業服務總線（ESB），方便系統整體打包遷移的容器等。

7）模型體系工具鏈。上6層都是為了支撐復雜模型體系工具鏈的有效運轉。下表是某企業的模型體系工具鏈。

表2 某企業的模型體系運行工具鏈

5 結語

本文將復雜裝備全壽命周期業務活動劃分為研發活動、研發管理、售后服務保障、產品數據和模型管理、運行大數據分析等5類，以此為基礎提出了復雜裝備全壽命周期模型體系由11類模型構成，并總結了11類模型的輸入輸出關系及模型間的信息交互模式，結合最新的IT技術，給出了復雜裝備全壽命周期模型體系的7層IT架構以及某企業的模型體系運行工具鏈實例。本文提出的復雜裝備全壽命周期模型體系及IT架構，具有適用性強、可操作性高的優點，對于指導復雜裝備研發機構推進基于模型的研發與保障模式具有重要參考意義。