段 娜，朱子環(huán)，于海磊，張黎輝

（1.北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京100074；2.北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院，北京100191）

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，為滿足航天產(chǎn)品的研制需求，產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的數(shù)字化已被廣泛應(yīng)用，例如波音-777和俄RD170等航天產(chǎn)品的研制都大量應(yīng)用了數(shù)字化技術(shù)并取得了很好的效果，縮短了產(chǎn)品研制周期，降低了研制成本和風(fēng)險(xiǎn)。虛擬試驗(yàn)是產(chǎn)品數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用之一，它的定義是：在構(gòu)建的虛擬環(huán)境中采用數(shù)值仿真技術(shù)建立“試驗(yàn)對(duì)象”和“試驗(yàn)設(shè)備”，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的試驗(yàn)流程管理，完成對(duì)“試驗(yàn)對(duì)象”的操作流程，對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，“采集”試驗(yàn)結(jié)果，最后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算。數(shù)字化試驗(yàn)流程管理可以用來實(shí)現(xiàn)虛擬試驗(yàn)過程的跟蹤、調(diào)度、監(jiān)測(cè)和修正等功能，集成并統(tǒng)一管理試驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)和信息，為試驗(yàn)人員提供操作指導(dǎo)及預(yù)警，同時(shí)對(duì)人員物資進(jìn)行優(yōu)化配置。因此，數(shù)字化流程管理是液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬試驗(yàn)研究中最關(guān)鍵的部分。

在傳統(tǒng)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，存在著大量需要憑經(jīng)驗(yàn)做決策的現(xiàn)象，造成較大人力和物力的浪費(fèi)。目前關(guān)于試驗(yàn)臺(tái)仿真研究多集中在連續(xù)系統(tǒng)仿真方面，沒有通過離散仿真研究對(duì)試驗(yàn)操作過程進(jìn)行解析，對(duì)業(yè)務(wù)缺乏描述能力。文獻(xiàn)[8]只側(cè)重于試驗(yàn)數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)管理，文獻(xiàn) [9]和 [10]論述了流程管理，但是構(gòu)造的是一個(gè)軟件設(shè)計(jì)環(huán)境，對(duì)交互操作沒有有效的控制機(jī)制。

為了滿足液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)流程仿真的要求，基于對(duì)以上文獻(xiàn)的研究并結(jié)合其虛擬試驗(yàn)的特點(diǎn)，本文提出了基于工作流的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化試驗(yàn)流程管理的體系結(jié)構(gòu)（Digital test process management system，DTPMS），DTPMS是一種以信息系統(tǒng)為支撐，借助于集成化和系統(tǒng)化的管理思想，以操作工序管理為基礎(chǔ)，以動(dòng)態(tài)提供試驗(yàn)進(jìn)度和資源耗費(fèi)情況信息為主要目標(biāo)，以優(yōu)化資源配置和節(jié)能降耗為根本宗旨，實(shí)現(xiàn)虛擬試驗(yàn)流程自動(dòng)化的系統(tǒng)管理模式。

1 虛擬試驗(yàn)流程管理系統(tǒng)

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)（以下簡(jiǎn)稱“液發(fā)試驗(yàn)”）過程的復(fù)雜性決定了其虛擬試驗(yàn)流程管理同樣具有復(fù)雜性的特點(diǎn)，具體表現(xiàn)在：物理操作與化學(xué)反應(yīng)同時(shí)存在于試驗(yàn)過程中；操作工序繁雜，需要多部門有序配合；試驗(yàn)場(chǎng)地與控制場(chǎng)地分散。所以，亟需建立一個(gè)集成化和系統(tǒng)化的液發(fā)試驗(yàn)流程管理平臺(tái)。

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)流程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，要提高對(duì)這個(gè)動(dòng)態(tài)過程的仿真可信度，其前提條件是建立準(zhǔn)確的、完備的液發(fā)試驗(yàn)操作流程的物理模型。下面通過分析一般常溫推進(jìn)劑液發(fā)試驗(yàn)操作流程的特點(diǎn)，提出管理系統(tǒng)的模型體系并具體闡述該體系的構(gòu)成。

1.1 試驗(yàn)流程分析

一個(gè)典型的虛擬液發(fā)試驗(yàn)的全生命周期操作流程包括以下5個(gè)部分：①制定虛擬試驗(yàn)方案；②搭建虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)；③虛擬試驗(yàn)準(zhǔn)備階段；④虛擬試驗(yàn)過程階段；⑤虛擬試驗(yàn)后處理階段。全部流程如圖1所示。從圖中可以看出，這5個(gè)部分的內(nèi)容具有如下特點(diǎn)：

1）離散與連續(xù)事件仿真混雜。虛擬試驗(yàn)中，試驗(yàn)準(zhǔn)備階段和試驗(yàn)過程階段中的每一個(gè)子過程的表示過程都是連續(xù)仿真，但是相互之間又是一個(gè)離散事件仿真。

2）多部件耦合。當(dāng)試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)中任一部件的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)影響其他部件，使其他部件的狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)移。

3）狀態(tài)唯一性。試驗(yàn)臺(tái)任意部件在任一時(shí)刻的狀態(tài)是唯一的，不可能同時(shí)處于2個(gè)狀態(tài)內(nèi)。

4） 流程復(fù)雜性。基本試驗(yàn)過程存在順序結(jié)構(gòu)、分支結(jié)構(gòu)和合并結(jié)構(gòu)且線路長(zhǎng)、工序多。

圖1 中，每一個(gè)試驗(yàn)操作動(dòng)作由一個(gè)活動(dòng)塊表示，相互之間全都是不連續(xù)的，每次試驗(yàn)過程都由一連串試驗(yàn)操作動(dòng)作連貫執(zhí)行構(gòu)成。所以，“過程性”成為這一體系的最大特征。同時(shí)，整個(gè)操作流程中既有連續(xù)型的特征又有離散型的特征，是一種半離散半連續(xù)型過程，對(duì)這類業(yè)務(wù)的仿真不僅僅要考慮離散事件間的數(shù)據(jù)傳遞與存儲(chǔ)，還要提供完整的流程觸發(fā)機(jī)制。

1.2 試驗(yàn)流程管理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述分析，選擇工作流模型詮釋這一動(dòng)態(tài)過程。工作流模型是對(duì)試驗(yàn)過程的抽象表示，它以過程模型為核心，包含了工作流執(zhí)行所需要的所有信息。工作流模型仿真就是利用離散事件驅(qū)動(dòng)的仿真引擎模擬執(zhí)行工作流模型中的各項(xiàng)活動(dòng)，自動(dòng)推進(jìn)工作流實(shí)例。工作流管理模型建立階段的功能主要是完成試驗(yàn)操作過程的計(jì)算機(jī)化的定義，也就是完成該過程建模的任務(wù)。

在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬試驗(yàn)中，數(shù)據(jù)分為2種類型：靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。靜態(tài)數(shù)據(jù)包括：試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)連接關(guān)系、結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能設(shè)計(jì)參數(shù)等；動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)包括操作動(dòng)作序列和狀態(tài)參數(shù)等。根據(jù)數(shù)據(jù)分類，提出基于工作流的數(shù)字化試驗(yàn)流程管理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)（DTPMS），見圖2。

DTPMS系統(tǒng)采用了3層結(jié)構(gòu)：

靜態(tài)實(shí)體層（Ⅰ） 負(fù)責(zé)搭建虛擬試驗(yàn)平臺(tái)的靜態(tài)連接結(jié)構(gòu)并賦予其實(shí)體特征；

動(dòng)態(tài)行為層（Ⅱ） 即工作流引擎，用于建立與管理虛擬試驗(yàn)流程的運(yùn)行，負(fù)責(zé)搭建試驗(yàn)的操作流程，生成消息隊(duì)列并對(duì)其進(jìn)行語(yǔ)義解析，完成如初始條件、仿真周期、運(yùn)行時(shí)間等參數(shù)的設(shè)置與修改以及一些管理功能如啟動(dòng)、運(yùn)行、暫停、繼續(xù)、終止、調(diào)速和恢復(fù)等;

客戶端（Ⅲ） 操作人員監(jiān)控、交互控制和終端顯示。

因?yàn)闋顟B(tài)具有耦合性，試驗(yàn)臺(tái)整個(gè)體系在每個(gè)過程中成為不可分割的整體。本文建立的工作流模型是單一對(duì)象對(duì)多種狀態(tài)形式的，可表示為：Model=W(A,B,C)，其中，A代表靜態(tài)模型，B代表動(dòng)態(tài)模型，C代表控制模型。

2 虛擬試驗(yàn)流程管理系統(tǒng)集成應(yīng)用

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬試驗(yàn)管理系統(tǒng)的集成應(yīng)用就是要實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)理論階段、試驗(yàn)準(zhǔn)備階段、試驗(yàn)進(jìn)行階段和試驗(yàn)總結(jié)階段的各種業(yè)務(wù)流程的部分工作或全部工作的集成管理，并提供流程設(shè)計(jì)、運(yùn)行控制和監(jiān)督功能，其中的核心內(nèi)容是工作流引擎的設(shè)計(jì)。

2.1 集成策略

為實(shí)現(xiàn)連續(xù)和離散事件混雜系統(tǒng)管理，試驗(yàn)操作進(jìn)程采用事件驅(qū)動(dòng)的方式。因?yàn)槭翘摂M試驗(yàn)，所以只關(guān)注對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有影響的事件。事件圖采用圖形化的方式表示事件間的調(diào)度關(guān)系，一個(gè)事件得到處理后會(huì)在條件滿足時(shí)調(diào)度發(fā)生在未來的另一事件。每個(gè)操作動(dòng)作程序都是一個(gè)沒有載入對(duì)象和狀態(tài)的通用程序，保證了操作程序的可重用性。每一次的操作，例如執(zhí)行程序、數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷冀凶鲆粋€(gè)任務(wù)，由活動(dòng)塊表示。一系列連鎖的活動(dòng)塊就表示為試驗(yàn)流程，活動(dòng)塊之間通過邊界數(shù)據(jù)單元進(jìn)行狀態(tài)更新。另外，連續(xù)系統(tǒng)仿真是為得到狀態(tài)變量動(dòng)態(tài)變化過程并由此分析系統(tǒng)性能。離散系統(tǒng)的仿真目的不是得到這些狀態(tài)的具體變化，而是得到系統(tǒng)中有關(guān)變量的統(tǒng)計(jì)信息，因此需要有統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)部件。

試驗(yàn)實(shí)例搭建的主要部分是工作流引擎，工作流引擎的業(yè)務(wù)流程分為執(zhí)行和監(jiān)控2個(gè)部分，見圖3所示。

執(zhí)行部分的工作是：遍歷每個(gè)狀態(tài)活動(dòng)圖，運(yùn)行它，當(dāng)滿足當(dāng)前狀態(tài)活動(dòng)圖的結(jié)束條件時(shí)，依照遍歷次序，運(yùn)行下一部件，直到結(jié)束試驗(yàn)流程。與此同時(shí)，所有這些操作的進(jìn)程都要以消息的形式實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到msgList列表中，供監(jiān)控使用。監(jiān)控部分的工作是：實(shí)時(shí)讀取msgList列表中的內(nèi)容，及時(shí)顯示到平臺(tái)表層，使虛擬試驗(yàn)操作人員能實(shí)時(shí)監(jiān)視到執(zhí)行進(jìn)程的狀態(tài)。

實(shí)現(xiàn)上述集成策略，在保證試驗(yàn)過程的高效運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)能夠最大程度上實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)操作過程的重用，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)操作過程邏輯與包含在部件單元應(yīng)用中任務(wù)邏輯之間的分離，這種分離使得兩種邏輯可以各自獨(dú)立修改，而且同一個(gè)任務(wù)邏輯也能夠在不同的過程邏輯中實(shí)現(xiàn)重用。

2.2 算例

如圖4所示，以虛擬試驗(yàn)準(zhǔn)備階段為例，應(yīng)用上述策略創(chuàng)建試驗(yàn)實(shí)例?？傉{(diào)度界面主要包括：虛擬試驗(yàn)操作流程樹區(qū)；虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)搭建區(qū)；數(shù)據(jù)庫(kù)顯示區(qū)和試驗(yàn)流程實(shí)例區(qū)共4個(gè)區(qū)域。

首先，通過圖形化的方法調(diào)用模塊化部件模型實(shí)體，搭建仿真試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)；其次，調(diào)用圖形化的試驗(yàn)臺(tái)所處的每個(gè)不同狀態(tài)的仿真模型，在本例中有氣瓶充氣、艙內(nèi)外吹除、貯箱加注和貯箱增壓；再設(shè)置工作流引擎和控制參數(shù)，調(diào)試并監(jiān)控；最后，得到仿真結(jié)果與時(shí)間特征集。

圖4 準(zhǔn)備階段的實(shí)施流程Fig.4 Implement flow of preparatory stage

圖5 試驗(yàn)和仿真中用氣量和時(shí)間對(duì)比Fig.5 Comparison of consumption of gas and time in simulation and test

通過數(shù)值計(jì)算對(duì)傳統(tǒng)流程準(zhǔn)備階段的用氣量進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果如圖5所示。圖5數(shù)據(jù)顯示，通過試驗(yàn)操作流程的仿真，由統(tǒng)計(jì)部件數(shù)可知需要比原本憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)少得多的用氣量，同時(shí)節(jié)省了時(shí)間，證明本研究所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性和實(shí)用性。

3 結(jié)論

確立了進(jìn)行液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬試驗(yàn)的一般流程，將工作流的概念引入到虛擬試驗(yàn)流程管理中。采用以信息系統(tǒng)支撐的試驗(yàn)業(yè)務(wù)流程管理方式開發(fā)了基于圖形的數(shù)字化試驗(yàn)管理系統(tǒng)DTPMS，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)流程的部分或整體在計(jì)算機(jī)應(yīng)用環(huán)境下的自動(dòng)化，使試驗(yàn)過程的內(nèi)容、程序、方式與工作模式更加規(guī)范，加強(qiáng)了試驗(yàn)過程的管理、協(xié)調(diào)和監(jiān)控，優(yōu)化物資配置、節(jié)能降耗，為傳統(tǒng)試驗(yàn)的改進(jìn)提供了理論依據(jù)。另外，整個(gè)流程管理體系具有普適性，可以應(yīng)用于其他領(lǐng)域的離散與連續(xù)事件混雜的仿真系統(tǒng)。

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