中航工業(yè)信息技術(shù)中心

金航數(shù)碼科技有限責任公司 許鴻杰 沈 波

飛機研制是一個涉及多專業(yè)、多學科的復(fù)雜系統(tǒng)工程，為了滿足其苛刻的性能要求，需在較短的研發(fā)周期內(nèi)嚴格控制成本及協(xié)調(diào)眾多參研單位，采用系統(tǒng)工程已經(jīng)成為確保飛機研制成功的有效方法[1]。隨著氣動、結(jié)構(gòu)、控制等多個專業(yè)的仿真技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛和深入，仿真已成為了貫穿整個研制過程、驗證飛機性能、提升品質(zhì)的重要手段[2]。由于研制過程使用的仿真軟件多樣、產(chǎn)生的數(shù)據(jù)異構(gòu)、協(xié)同的部門眾多、跨越階段較長，如何對研制過程中的仿真進行有效的管理，是確保研制順利進行的基礎(chǔ)[3]。

仿真數(shù)據(jù)管理是仿真管理的基礎(chǔ)，但是僅對仿真的數(shù)據(jù)進行版本、權(quán)限、存儲及檢索等基本的管理不能滿足飛機研究過程中復(fù)雜的仿真管理要求，因而，如何進行仿真生命周期管理（Simulation Lifecycle Management，SLM）成為飛機研制過程中仿真管理的重要問題[4]。仿真生命周期管理是指仿真部門內(nèi)部以及協(xié)作部門及企業(yè)之間，支持仿真全生命周期信息的創(chuàng)建、管理、分發(fā)和應(yīng)用等一系列應(yīng)用的解決方案，它需要集成與仿真相關(guān)的人力資源、流程、應(yīng)用系統(tǒng)和信息，主要包括基礎(chǔ)技術(shù)和標準（如仿真的可視化、仿真協(xié)同、仿真工具集成等）、仿真分析的工具（如 Abaqus、Ansys、Nastran、Matlab等）、核心功能（例如仿真數(shù)據(jù)管理、仿真流程管理及仿真任務(wù)管理等）。

本文通過分析在飛機研制過程中的系統(tǒng)工程模型，以面向多專業(yè)耦合協(xié)同仿真及設(shè)計、仿真、驗證一體化，實現(xiàn)飛機研制的多學科優(yōu)化設(shè)計為目標，研究系統(tǒng)工程方法對研制過程中仿真生命周期的有效管理。并在該理論基礎(chǔ)上，實施構(gòu)建基于系統(tǒng)工程的仿真生命周期管理系統(tǒng)，從而確保研制過程中仿真的可靠性、可控性及協(xié)同性，以達到縮短研制周期、控制研制成本及保證研制質(zhì)量的目的[5]。

飛機研制過程中仿真生命周期管理的核心問題

在研制階段綜合運用數(shù)字化設(shè)計、仿真分析和試驗技術(shù)進行多學科設(shè)計與評估是研制過程中系統(tǒng)工程的總體要求。但是，由于飛機系統(tǒng)的復(fù)雜性及仿真的學科性等特點，仿真在研制過程中仍然存在著眾多問題。在協(xié)同研制過程中，仿真生命周期管理的核心問題及其相互關(guān)系如圖1所示。

圖1 飛機研制過程中仿真的核心問題

（1）多學科耦合及優(yōu)化設(shè)計問題。飛機研制包含了總體氣動、結(jié)構(gòu)強度、飛控、航電、液壓、環(huán)控、燃油、電氣等眾多專業(yè)，涵蓋了流體力學、結(jié)構(gòu)力學以及熱力學、聲學、光學、電磁學等學科。這些學科之間的耦合關(guān)系非常復(fù)雜。在進行系統(tǒng)仿真時，需考慮各系統(tǒng)、各學科之間相互聯(lián)系，相互制約的關(guān)系，以提高多學科耦合仿真及優(yōu)化設(shè)計技術(shù)的綜合運用能力。

（2）軟件集成及異構(gòu)數(shù)據(jù)的管理。目前各類分析仿真軟件分散使用，各專業(yè)之間獨立分析，它們之間的數(shù)據(jù)傳遞、模型轉(zhuǎn)換依靠人工進行，不但效率低，而且易出錯。同時，由于研制過程中不同專業(yè)領(lǐng)域采用的仿真軟件也不同，從而導(dǎo)致了仿真數(shù)據(jù)的異構(gòu)性。如何整理異構(gòu)數(shù)據(jù)，是實現(xiàn)多學科耦合及優(yōu)化的前提條件。

（3）仿真標準化及流程管理。仿真分析流程因為工具應(yīng)用和個人分析的差異，導(dǎo)致了分析結(jié)果的多樣性，制約了產(chǎn)品性能的順利驗證。如何在研制過程中建立仿真規(guī)范和統(tǒng)一的仿真分析流程，是保證驗證結(jié)果的可信度與統(tǒng)一性的途徑。

（4）仿真數(shù)據(jù)的有效管理。仿真所采用的工具及產(chǎn)生的數(shù)據(jù)分散在每個工程師的自身工作空間，沒有進行統(tǒng)一的規(guī)劃與管理，形成了數(shù)據(jù)的孤島，這對飛機性能數(shù)據(jù)的追溯、查詢以及隨后的適航認證均產(chǎn)生了較大的障礙，不符合飛機研制的系統(tǒng)工程的要求。

研制過程中仿真生命周期管理的系統(tǒng)工程模型

1 仿真的五維系統(tǒng)工程模型

圖2 飛機研制過程中五維系統(tǒng)工程模型

根據(jù)系統(tǒng)工程的要求，在飛機研制過程中仿真工作需要實現(xiàn)系統(tǒng)化、綜合化、程序化、最優(yōu)化及標準化[6]。依據(jù)霍爾三維系統(tǒng)工程模型可以把飛機研制中的仿真分為時間維、邏輯維及知識維[7]。時間維是指研制過程中仿真經(jīng)歷的階段；邏輯維是指仿真在研制過程中主要思路和方法；知識維指飛機研制過程中涉及到的專業(yè)學科和基礎(chǔ)理論[8]。

然而，在飛機實際研制過程中，霍爾三維系統(tǒng)工程模型難以完整地描述仿真生命周期管理的各個方面。因而在霍爾三維模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合飛機研制過程中仿真的特點，建立五維仿真分析的系統(tǒng)工程模型，如圖2所示。

（1）時間維。飛機在研制過程中仿真的時間跨度，一般包括性能需求階段、方案設(shè)計階段、初步設(shè)計階段、詳細設(shè)計階段、試驗設(shè)計階段。在仿真生命周期管理過程中，時間維主要表現(xiàn)為在研制過程中仿真貫穿的階段及仿真生命周期管理的成熟度（例如仿真活動的創(chuàng)建、使用及廢棄）。

（2）知識維。飛機在研制過程中仿真涉及到的氣動、結(jié)構(gòu)強度、飛控、航電、液壓、環(huán)控、燃油、電氣、成本等專業(yè)學科。在仿真生命周期管理過程中，知識維主要表現(xiàn)為集成各類仿真軟件。

（3）尺度維。飛機在研制過程中涉及到的仿真對象的尺度，可分為零件仿真、子系統(tǒng)仿真、系統(tǒng)仿真、整機仿真。在仿真生命周期管理過程中，尺度維主要表現(xiàn)為仿真人員、仿真部門及部門外部之間的協(xié)同關(guān)系。

（4）邏輯維。飛機研制過程中仿真的系統(tǒng)設(shè)計目標、系統(tǒng)綜合方案、仿真模型、最優(yōu)化、決策支持等理論方法。在仿真生命周期管理過程中，邏輯維主要表現(xiàn)為多學科之間的耦合問題及多學科優(yōu)化設(shè)計的策略問題。

（5）管理維。飛機在研制過程中仿真產(chǎn)生的需求管理、數(shù)據(jù)管理、工具集成管理、仿真流程管理、計算資源分配管理、項目管理等，為仿真生命周期管理過程的核心功能。

因而采用系統(tǒng)工程方法對研制中的仿真進行管理，可以仿真需求管理為出發(fā)點，以仿真數(shù)據(jù)管理為支撐，以仿真流程管理為根本，通過與相關(guān)專業(yè)分析工具的集成實現(xiàn)多學科優(yōu)化設(shè)計的目標，達到對仿真過程中人員、計算資源以及各個專業(yè)之間的協(xié)同管理。

2 基于系統(tǒng)工程建設(shè)仿真生命周期管理系統(tǒng)的思路

通過分析仿真生命周期管理的核心問題，提出了五維系統(tǒng)工程模型。構(gòu)建研制過程中的仿真生命周期管理系統(tǒng)，需要從管理維出發(fā)，考慮如何實現(xiàn)研制過程中仿真的需求管理、數(shù)據(jù)管理、仿真工具管理、仿真流程管理、計算資源分配管理及仿真項目管理功能，以滿足知識維和邏輯維的考量目標，考慮如何實現(xiàn)各仿真軟件的軟件集成、多學科之間的耦合及多學科優(yōu)化設(shè)計。仿真管理在時間維上需貫穿整個研發(fā)階段，并實現(xiàn)仿真成熟度的管理，實現(xiàn)仿真人員及部門的協(xié)同工作（尺度維）?；谏鲜鱿到y(tǒng)工程方法的仿真生命周期管理系統(tǒng)的框架如圖3所示。

仿真生命周期管理系統(tǒng)需是一個開放式的平臺架構(gòu)，才能實現(xiàn)系統(tǒng)之間的無縫集成，達到在項目管理驅(qū)動下實現(xiàn)設(shè)計、仿真、試驗的統(tǒng)一管理。仿真系統(tǒng)集成高性能計算機環(huán)境可管理整個計算資源的作業(yè)，平衡調(diào)度計算資源，能確保在項目控制的時間節(jié)點完成相應(yīng)的仿真工作。

仿真生命周期管理的工程應(yīng)用案例分析

1 實施SLM仿真生命周期管理平臺

某單位在某型號研制過程中需要進行總體氣動、結(jié)構(gòu)強度、飛控、液壓、環(huán)控等專業(yè)的仿真工作。在仿真中需考慮各系統(tǒng)之間的相互作用及各人員之間協(xié)同工作，達到在多學科耦合仿真分析情況下，實現(xiàn)型號優(yōu)化設(shè)計的目標。通過實施建立了基于系統(tǒng)工程的仿真生命周期管理SLM平臺，其構(gòu)架如圖4所示。

通過實施SLM平臺，以系統(tǒng)工程仿真需求為出發(fā)點，對研制過程中的仿真進行項目管理，實現(xiàn)仿真人員的集成及資源合理分配；以多專業(yè)協(xié)同仿真及多學科優(yōu)化設(shè)計為建設(shè)目標，通過整合仿真流程及仿真數(shù)據(jù)、規(guī)范仿真的技術(shù)手段，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)與工具軟件、高性能計算機以及其他系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)集成與交互，全面形成仿真生命周期管理的有效系統(tǒng)框架。

圖3 飛機研制過程中仿真生命周期管理系統(tǒng)的構(gòu)架

圖4 實施SLM仿真生命周期管理平臺的構(gòu)架

在實施SLM平臺中，首先通過總結(jié)和梳理項目研制中的仿真流程，確定仿真活動之間的數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系及影響關(guān)系，統(tǒng)一仿真分析的工具，確定共享仿真流程所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，將仿真流程標準化、規(guī)劃化，進行有效的推廣利用。

通過管理仿真流程，消除了由人為因素導(dǎo)致的產(chǎn)品性能驗證方法的差異，形成可靠統(tǒng)一的仿真操作，積累了寶貴的仿真經(jīng)驗，提高了仿真效率。SLM平臺在仿真流程管理中通過對仿真工具、仿真流程、仿真活動、仿真文檔等創(chuàng)建、發(fā)布、應(yīng)用、完成、廢棄等成熟度管理，實現(xiàn)對仿真全生命周期管理。

SLM平臺上的仿真流程管理，通過集成仿真工具來關(guān)聯(lián)仿真活動，啟動仿真活動就可以進行相應(yīng)的仿真工作。完成分析后產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)可以按規(guī)則自動進入系統(tǒng)進行管理，從而保證了不同的專業(yè)及學科之間可以進行協(xié)同仿真。

在SLM平臺上，將多學科優(yōu)化分析的參數(shù)輸入及結(jié)果輸出在平臺中進行有效管理與協(xié)同，使多各學科仿真可以采用相對獨立但又互相關(guān)聯(lián)協(xié)同的方式進行。通過SLM全面引入多學科優(yōu)化策略擴大了設(shè)計的探索空間，平衡各專業(yè)之間設(shè)計需求，獲得相對優(yōu)化的設(shè)計，保證了多學科優(yōu)化與整個系統(tǒng)仿真流程管理及仿真數(shù)據(jù)管理功能之間的集成與交互，實現(xiàn)了仿真部門與設(shè)計部門的協(xié)同。

在SLM平臺實現(xiàn)了各個專業(yè)在共有數(shù)據(jù)上的協(xié)同仿真，所有的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的版本、權(quán)限管理，進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)一更改與維護，實現(xiàn)了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的協(xié)同。數(shù)據(jù)庫以管理整個仿真分析產(chǎn)生和需要的相關(guān)數(shù)據(jù)為主，其管理的數(shù)據(jù)包含仿真基本信息、模型信息、項目信息以及IT信息等。仿真生命周期管理平臺不但具有仿真數(shù)據(jù)檢入檢出、查詢與對比、權(quán)限控制、數(shù)據(jù)追溯、基線控制等仿真數(shù)據(jù)管理的基本功能，還實現(xiàn)了仿真與試驗數(shù)據(jù)庫之間的協(xié)同與共享，能對兩種結(jié)果數(shù)據(jù)進行比較分析。

2 實施SLM仿真生命周期管理平臺的優(yōu)點

該單位通過采用SLM系統(tǒng)對飛機研制過程中的仿真進行管理，以多專業(yè)協(xié)同仿真及多學科優(yōu)化設(shè)計建設(shè)為目標，在型號研制的不同階段對各系統(tǒng)級對象進行氣動、結(jié)構(gòu)強度等專業(yè)的仿真，從而實現(xiàn)對仿真需求、仿真數(shù)據(jù)、工具集成、仿真流程、計算資源分配以及仿真項目的統(tǒng)一管理。

通過采用SLM平臺對研制過程中仿真進行管理，實現(xiàn)了仿真在研制階段的需求、功能、邏輯、產(chǎn)品、仿真、試驗等的完整追溯，為研制過程中仿真數(shù)據(jù)協(xié)同提供堅實基礎(chǔ)，確保仿真數(shù)據(jù)的一致性、可靠性、準確性。在集成環(huán)境下基于統(tǒng)一關(guān)聯(lián)的需求模型進行系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)性能仿真、驗證、確認、權(quán)衡分析等工作，實現(xiàn)設(shè)計方案的快速仿真評估。其優(yōu)點主要表現(xiàn)在以下方面：

（1）基于統(tǒng)一的仿真生命周期管理協(xié)同平臺，集成各類專業(yè)仿真軟件，整合異制異構(gòu)數(shù)據(jù)，為協(xié)同研制提供堅實基礎(chǔ)，確保數(shù)據(jù)的一致性、可靠性、準確性。

（2）對仿真過程中需求的性能指標分析、模型定義、任務(wù)分解、任務(wù)分配、仿真實現(xiàn)及試驗驗證等全過程進行追蹤追溯，對仿真進行了充分論證，避免設(shè)計返工導(dǎo)致研制周期延誤。

（3）提供協(xié)同仿真優(yōu)化設(shè)計環(huán)境，使得多專業(yè)的設(shè)計仿真工具能夠有效的銜接、整合，發(fā)揮工具之間的協(xié)同效應(yīng)。

（4）將分散在研制部門之間的仿真設(shè)計進行集成，通過快速有效的檢索手段，達到知識共享的目的，使得仿真知識能夠在研發(fā)過程或不同型號之間知識進行積累和重用。

（5）建立統(tǒng)一協(xié)同的工作環(huán)境，通過該環(huán)境建立不同角色人員對系統(tǒng)的統(tǒng)一認識，消除不同人員對系統(tǒng)的理解產(chǎn)生的仿真偏差，在不同專業(yè)之間實現(xiàn)高效、順暢的協(xié)同工作和數(shù)據(jù)共享。

結(jié)束語

通過實施SLM平臺，建立以多專業(yè)協(xié)同仿真及多學科優(yōu)化設(shè)計為目標的仿真生命周期管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)多專業(yè)協(xié)同分析，較方便集成項目管理系統(tǒng)、需求管理系統(tǒng)、試驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、產(chǎn)品管理系統(tǒng)以及高性能計算機環(huán)境。在系統(tǒng)工程思想的要求下進行設(shè)計、仿真、試驗工作，實現(xiàn)仿真中軟件、硬件、項目、數(shù)據(jù)的有效管理，達到產(chǎn)品最優(yōu)化設(shè)計目標，從而提高仿真的可靠性和可控性，縮短研制周期，保證研制質(zhì)量。

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