肖 進，孫樹森，杜可君

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

基于主模型的協(xié)同設計軟件架構技術研究

肖 進，孫樹森，杜可君

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

運載火箭總體方案論證過程中，由于涉及專業(yè)多、專業(yè)間迭代交互頻繁、設計方案多變等特點，容易造成多專業(yè)協(xié)同設計時版本與技術狀態(tài)的不統(tǒng)一，需要研究針對運載火箭產(chǎn)品的通用建模方法，并開發(fā)相應的軟件系統(tǒng)；基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的協(xié)同設計理念，結合運載火箭總體設計與數(shù)據(jù)模型特點，通過定義基礎信息模型、概念模型、參數(shù)模型、外部定義模型4種數(shù)據(jù)模型，提出了針對運載火箭產(chǎn)品的通用主模型構建方法；將此通用建模方法軟件化，搭建了基于主模型的協(xié)同設計軟件系統(tǒng)整體架構；此架構包含主模型管理系統(tǒng)、主模型建模工具及應用客戶端三部分，實現(xiàn)了多專業(yè)協(xié)同設計過程中數(shù)據(jù)與版本的統(tǒng)一管理、技術狀態(tài)一致性分析、譜系追蹤、數(shù)據(jù)展示與應用等功能；該主模型建模工具與客戶端軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)，為運載火箭的總體協(xié)同設計提供了工具支撐。

協(xié)同設計；軟件；主模型

0 引言

隨著國際航天發(fā)射領域的商業(yè)化競爭日益加劇，數(shù)字化設計技術的不斷提升，新型號、新任務的層出不窮，在縮短研制周期、節(jié)約成本方面提出較高要求。雖然各類設計工具、軟件、系統(tǒng)在總體設計過程中被大量應用，對提高總體設計水平和設計質(zhì)量發(fā)揮了積極作用。但由于設計過程復雜，需要使用的軟件種類和數(shù)量繁多，在現(xiàn)有設計體系中軟件間數(shù)據(jù)傳遞不暢、數(shù)據(jù)不具唯一性、設計數(shù)據(jù)共享性差、缺乏過程數(shù)據(jù)的管理與追溯等問題也越來越突出。需要研究基于主模型的協(xié)同設計模式，并構建相應的軟件系統(tǒng)。

國外相關企業(yè)已開展了統(tǒng)一模型技術研究并建立了相應標準規(guī)范。GE公司結合知識工程，提出一種“自頂向下”的系統(tǒng)建模方法,在UG環(huán)境中建立了渦輪發(fā)動機的“智能主模型”[1]；NASA在多學科先進設計環(huán)境中，基于參數(shù)化CAD接口CAPRI，建立了下一代運載器的參數(shù)化幾何模型[2]；洛馬公司與技術軟件(Technosoft)公司合作,在基于Parasolid內(nèi)核的建模環(huán)境AML中,構建了交互式導彈設計模型[3]。國內(nèi)起步較晚，目前主要停留在理論與學術研究層面。龔春林等人提出了一種融合各學科模型的主模型建模技術。采用結構—行為—功能三組元描述了多學科設計的概念模型,并指出MDO建模所要解決的耦合問題[4]；孫翠蓮等人建立了主模型CAD/CAE集成框架，并在該框架下進行了高速卷繞頭錠軸結構參數(shù)優(yōu)化設計[5]；周高明等人建立了導彈總體結構設計的主模型和導彈參數(shù)化模型庫，創(chuàng)建了導彈總體結構設計的過程向?qū)В芤龑в脩舭床襟E完成導彈總體結構設計[6]。

為了改變傳統(tǒng)的“基于文檔”的多專業(yè)協(xié)同設計模式，達到規(guī)范專業(yè)間數(shù)據(jù)接口、實現(xiàn)協(xié)同過程技術狀態(tài)的實時監(jiān)控、全過程數(shù)據(jù)的可追溯、從而達到提高協(xié)同設計效率與質(zhì)量的目的，本文參考LVL的“基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源”的協(xié)同設計理念，結合運載火箭型號總體設計特點，提出了基于主模型的協(xié)同設計軟件系統(tǒng)架構，在有限范圍實現(xiàn)了統(tǒng)一有效的模型和數(shù)據(jù)訪問通道，支持統(tǒng)一的數(shù)據(jù)來源、各專業(yè)工具間數(shù)據(jù)共享和各設計活動之間的松耦合集成。

1 主模型框架設計

所謂主模型是對各專業(yè)參數(shù)數(shù)據(jù)結構的提煉，形成標準的數(shù)據(jù)結構，是總體、彈道、氣動、姿控、結構等多專業(yè)的設計信息的融合，可保證協(xié)同設計過程中的信息一致性、實現(xiàn)多專業(yè)協(xié)同設計的高度自動化與智能化，提升協(xié)同設計質(zhì)量和設計效率。

主模型構建了一個以參數(shù)化模型為基礎、具有自動化處理數(shù)據(jù)功能、數(shù)據(jù)格式標準的“統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心”，各專業(yè)設計分析系統(tǒng)均通過該“統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心”進行數(shù)據(jù)交互，并支持設計迭代工作的開展。

基于主模型的總體協(xié)同設計應用邏輯如圖1所示。

圖1 基于主模型的總體協(xié)同設計邏輯框架

該總體邏輯主要體現(xiàn)以下幾點：

1)以主模型為核心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的協(xié)同設計模式；

2)以各專業(yè)數(shù)據(jù)包為基本單元，實現(xiàn)數(shù)據(jù)譜系關聯(lián)、數(shù)據(jù)版本追溯；

3)工程師可便捷地進行個人相關信息處理、數(shù)據(jù)提取和更新；

4)通過適配器實現(xiàn)與設計工具的耦合集成；

5)基于完整的設計過程數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)邏輯關系，實現(xiàn)包括數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)分析、譜系追蹤、綜合數(shù)據(jù)看板等在內(nèi)的數(shù)據(jù)挖掘與應用模式。

基于以上總體邏輯，主模型協(xié)同設計系統(tǒng)總體框架如圖2所示。

圖2 主模型建模與管理總體框架

系統(tǒng)主要包括6個方面：

1)主模型建模工具。

創(chuàng)建主模型結構目錄，實現(xiàn)通用主模型創(chuàng)建、檢查、管理、圖形化展示等。

2)主模型策劃。

為各專業(yè)協(xié)同設計奠定基礎，主要內(nèi)容包括：結合設計型號裁剪(修改、刪除、添加)及實例化主模型，建設協(xié)同設計任務并組建協(xié)同設計團隊。

3)基于主模型的總體協(xié)同設計。

實現(xiàn)各專業(yè)協(xié)同設計，主要內(nèi)容包括：協(xié)同設計數(shù)據(jù)管理、技術狀態(tài)管理與數(shù)據(jù)集成接口。

4)集成應用客戶端。

協(xié)同設計客戶端為統(tǒng)一用戶接口，主要包括：實現(xiàn)設計信息獲取、提交、查閱等功能；實現(xiàn)上下游譜系傳遞消息通知功能；實現(xiàn)適配器等設計資源關聯(lián)集成功能。

5)數(shù)據(jù)展示與應用。

基于設計過程數(shù)據(jù)實現(xiàn)總體設計過程監(jiān)控，主要包括：數(shù)據(jù)檢索與瀏覽、數(shù)據(jù)檢察、數(shù)據(jù)譜系追蹤視圖、數(shù)據(jù)對比分析等。

6)系統(tǒng)管理。

系統(tǒng)管理人員參與進行系統(tǒng)管理，包括數(shù)據(jù)管理、用戶管理、權限管理等。

2 運載火箭主模型建模方法

針對運載火箭總體設計特點，主模型可由基礎信息、概念模型、參數(shù)模型、外部定義模型4個方面組成。

2.1 基礎信息

基礎信息是對模型描述的對象進行必要說明的信息?；A信息中包括的內(nèi)容有型號的名稱、代號、技術狀態(tài)的說明、專業(yè)列表、參數(shù)數(shù)據(jù)字典的定義等。

2.2 概念模型

概念模型是代替自然語言文檔等不規(guī)范的形式，描述運載火箭設計概念的形式化模型。概念模型的組成見圖3。

圖3 概念模型的組成

主模型中至少包括表達運載火箭模塊組成的結構概念模型和表達飛行過程的使命概念模型。各專業(yè)可以擴充本專業(yè)的概念模型，比如動力專業(yè)可以定義動力系統(tǒng)方案設計的概念模型。

概念模型的設計要點如下。

表達方式：所有的概念模型是能用UML類圖表達的對象模型。

必備要素：結構概念模型和使命概念模型具備模塊、構型、使命這3種模型對象，它們?yōu)槎鄻嬓?、多使命的主模型組織結構提供頂層架構。

支持系列構型定義：結構概念模型利用模塊、構型兩種對象層次支持在一個模型中定義采用通用模塊的多個系列構型。

專業(yè)概念模型的擴充方式：專業(yè)概念模型建模時，重用結構概念模型和使命概念模型中已經(jīng)定義的對象，包括但不限于模塊、構型、使命等，不能定義含義重復的對象，以消除數(shù)據(jù)冗余。

2.3 參數(shù)模型

參數(shù)模型用于描述“參數(shù)專業(yè)”產(chǎn)生的設計數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)以0維、1維參數(shù)為主。參數(shù)化的設計數(shù)據(jù)與概念模型統(tǒng)一描述運載火箭設計方案，二者關系密切。從建模角度，將參數(shù)模型獨立建模的主要考慮是為了滿足較大數(shù)據(jù)量，多維度的參數(shù)數(shù)據(jù)的標準交換格式以及統(tǒng)一檢索、對比方法的問題。

參數(shù)模型設計要點如下。

維度：維度的定義為：0維參數(shù)的值是一個數(shù)值，1維參數(shù)的值是1維數(shù)組，2維參數(shù)的值是二維數(shù)組，以此類推。1維參數(shù)的典型例子是隨時間變化的時變參數(shù)，如彈道數(shù)據(jù)中的位置、速度等。2維參數(shù)的典型例子是隨攻角、馬赫數(shù)變化的氣動參數(shù)，如升力系數(shù)等。參數(shù)模型的設計應至少允許實現(xiàn)3維參數(shù)。

參數(shù)組：在模型的組織形式方面，將緊密關聯(lián)，總是一同產(chǎn)生、使用的參數(shù)組織成參數(shù)組。參數(shù)組中的各參數(shù)共享統(tǒng)一的維度定義。如彈道參數(shù)組中的各參數(shù)共享一致的時間維度。

參數(shù)字典：除定義參數(shù)模型數(shù)據(jù)結構外，還需要給出實際使用的參數(shù)組的實例，規(guī)定參數(shù)的標準名稱和定義，起到參數(shù)數(shù)據(jù)標準化的作用。這種標準化的參數(shù)組實例稱為參數(shù)字典。

表1 參數(shù)組定義(參數(shù)字典)的數(shù)據(jù)結構

表2 參數(shù)組實例的數(shù)據(jù)結構

2.4 概念模型與參數(shù)模型的關聯(lián)

概念模型與參數(shù)模型的關聯(lián)，即概念模型中的設計對象與參數(shù)組之間的一對多關聯(lián)，一個設計對象可以關聯(lián)多個參數(shù)組，一個參數(shù)組只能關聯(lián)一個設計對象。

概念模型都是對象模型。設計對象即概念模型中定義的類的對象。

表3 參數(shù)模型與概念模型關聯(lián)示例

在參數(shù)模型的具體實現(xiàn)中，應要求為每個參數(shù)組實例指定其所屬的概念模型對象。

2.5 外部定義模型及其與概念模型的關聯(lián)

主模型對外部定義模型的文件格式不作限制，只考慮如何將外部定義模型中的實體與主模型中的概念模型進行關聯(lián)。外部定義模型中實體與概念模型的關聯(lián)方式與參數(shù)模型中參數(shù)組與概念模型的關聯(lián)方式類似，是設計對象與外部模型實體的一對多關聯(lián)。目前設想實現(xiàn)這種關聯(lián)有兩種方式，如圖4所示。

圖4 概念模型與外部定義模型的兩種關聯(lián)方式

3 協(xié)同設計軟件系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 主模型建模工具實現(xiàn)

主模型建模工具主要完成典型運載火箭主模型的結構及數(shù)據(jù)譜系關系建立，相關建模結果將作為后續(xù)協(xié)同設計實例初始化使用。建模工具的核心是對運載火箭通用主模型的數(shù)據(jù)結構定義及邏輯關系描述。

主模型建模工具表現(xiàn)為單機版工具，輸出結果為XML形式的主模型組織結構，該結構可以被主模型管理系統(tǒng)讀取。主要包括以下幾方面內(nèi)容：

在綠色思維下，可以反映出設計師的很多設計要點，在綠色理念下，以“綠色”作為設計的出發(fā)點，在這個點的基礎上，設計師們進行頭腦風暴，將自己的新奇創(chuàng)意與簡潔構想表現(xiàn)出來。一個好的綠色設計，除了之前提到的設計點，還要注重人性化設計，即注重產(chǎn)品能更好的滿足個人的需要，包括功能更加完善，使用起來更加安全、舒適，外觀更加美觀等。

3.1.1 運載火箭構型建模向?qū)?/p>

運載火箭構型建模向?qū)У闹饕康氖歉鶕?jù)用戶輸入的運載火箭構型參數(shù)，自動生成表達一系列運載火箭構型的主模型目錄結構。該向?qū)нm用于芯級任意級數(shù)，最多帶兩種助推器的運載火箭設計概念。

運載火箭構型建模向?qū)У幕具壿嬋鐖D5所示。

圖5 運載火箭構型建模向?qū)Щ具壿?/p>

運載火箭構型建模向?qū)У妮斎胼敵鋈缦拢?/p>

1)輸入：運載火箭構型選擇及構型設計參數(shù)；

2)輸出：主模型數(shù)據(jù)包(不含)以上主目錄結構；

3)構型指定的輸入內(nèi)容包括：

b)芯級各級之間有無級間段，級間段是否二次分離；

c)助推器種類數(shù)量和每種個數(shù)；

d)助推器是否分離，是否同時分離；

e)有無整流罩/頭罩，整流罩/頭罩分離后的片數(shù)；

f)整流罩/頭罩在哪一級工作時分離；

g)有無末修艙/分導艙/上面級；

h)載荷是否為分導彈頭，如是，給出彈頭數(shù)量。

本向?qū)Ц鶕?jù)上述輸入，自動生成運載火箭主模型中的模塊和模塊組合子目錄，模塊組合包括飛行全過程所有階段的主體和主要殘骸。

數(shù)據(jù)包目錄結構樹構建基本界面如圖6所示。

圖6 目錄結構樹構建基本界面

3.1.2 專業(yè)數(shù)據(jù)包填充向?qū)?/p>

通過專業(yè)數(shù)據(jù)包與所屬對象的映射關系，自動生成空白的專業(yè)數(shù)據(jù)包，實現(xiàn)運載火箭方案論證階段專業(yè)數(shù)據(jù)包的填充功能。

輸入：1)運載火箭主模型目錄結構；2)專業(yè)數(shù)據(jù)包所屬對象映射規(guī)則；

輸出：包含空白專業(yè)數(shù)據(jù)包的主模型結構。

根據(jù)專業(yè)數(shù)據(jù)包映射規(guī)則，自動生成包含專業(yè)映射的專業(yè)數(shù)據(jù)包，同時支持自由編輯數(shù)據(jù)包條目。

典型專業(yè)數(shù)據(jù)包及其所屬對象如表4所示。

在選定參與的專業(yè)范圍以后，系統(tǒng)自動根據(jù)以上規(guī)則將各數(shù)據(jù)包構建在所在的對象下。

表4 專業(yè)數(shù)據(jù)包所屬對象映射關系

數(shù)據(jù)包構建的基本界面如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)包構建示意界面

3.2 主模型客戶端實現(xiàn)

主模型客戶端的用戶是設計工程師，其在多專業(yè)協(xié)同設計過程中應具備如下特征：

1)減少對現(xiàn)有工作方式的沖擊，達到“日用而不自知”效果；

2)盡量少的處理工作量，將大量數(shù)據(jù)和邏輯處理工作放到后臺。

主模型客戶端的主要功能有：通知與消息、數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)展示與應用。

3.2.1 通知與消息

協(xié)同設計消息提示來自于主模型驅(qū)動。在客戶端用戶可接收相關信息所發(fā)送的通知及消息，并可以通過簡單方式進行回復反饋。具體的通知及消息來源包括但不限于：

1)協(xié)同數(shù)據(jù)管理員對協(xié)同數(shù)據(jù)區(qū)的處理(啟動、撤銷、關閉等)；

2)上游數(shù)據(jù)包更新通知；

3)用戶訂閱的數(shù)據(jù)包更新消息；

用戶收到的通知及消息可鏈接到數(shù)據(jù)包信息。通知與消息的關閉在用戶做出適當響應的情況下關閉，如鼠標點擊或更新自身數(shù)據(jù)版本后。

3.2.2 數(shù)據(jù)提取與應用

數(shù)據(jù)提取基于可自定義配置的數(shù)據(jù)提取模板實現(xiàn)。其中，數(shù)據(jù)提取模板具有如下特點：

1)數(shù)據(jù)提取模板采用文件模板解析模式或解析程序模式；

2)模板與專業(yè)相關；

3)部分導出結果可直接應用于專業(yè)工具的計算。

數(shù)據(jù)提取與應用具有如下特點：1)自動提取。

依照模板自動從統(tǒng)一數(shù)據(jù)看板中提取設計所需的數(shù)據(jù)；

2)缺省模板。

專業(yè)人員使用數(shù)據(jù)提取功能時，可配置缺省模板，每次提取時無需額外操作；

3)模板選擇。

可依照不同的設計需求，選擇不同的數(shù)據(jù)提取模板進行數(shù)據(jù)提?。?/p>

模板設計：

可自定義配置數(shù)據(jù)提取模板，滿足不同設計人員的數(shù)據(jù)提取需求。

3.2.3 數(shù)據(jù)展示與應用

數(shù)據(jù)的展示與應用是通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)看板來實現(xiàn)，統(tǒng)一數(shù)據(jù)看板的核心內(nèi)容是以主模型為基礎形成的方案快照，用于集中展示方案技術狀態(tài)。

方案快照是指主模型各數(shù)據(jù)包某版本下的集合，該集合描述了所對應主模型的技術狀態(tài)。如果集合中所有數(shù)據(jù)包版本的譜系關系均完整，則構成一個方案快照。方案快照的獲取方式基于數(shù)據(jù)包、數(shù)據(jù)包的結構化數(shù)據(jù)表單和數(shù)據(jù)包譜系關系，可自動抽取，如圖8所示。

圖8 方案快照抽取邏輯

4 結論

本文基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的協(xié)同設計理念，結合運載火箭型號總體設計與數(shù)據(jù)模型特點，提出了基于主模型的協(xié)同設計軟件系統(tǒng)整體架構，系統(tǒng)包括主模型建模工具與主模型應用客戶端兩部分，具有運載火箭構型建模向?qū)?、?shù)據(jù)包填充向?qū)?、消息與通知、數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)展示等主要功能，并給出了各功能模塊示意圖，可為運載火箭的總體協(xié)同設計提供工具支撐。

[1] Peter, Raymond M, Kolonay, Rohinton K, Irani, et al. A Federated Integrated Intelligent Product Environment[R]. AIAA-2000-4902, NewYork, NY, USA: AIAA, 2000.

[2] Manning T A, Gage P J, Nguyen J M, et al. ComGeom2: A Geometry Tool for Multidisciplinary Analysis and Data Sharing[R]. AIAA-2004-4303, NewYork, NY, USA: AIAA, 2004.

[3] Zwber J V, Kabis H. Towards an Integrated Modeling Environment for Hypersonic Vehicle Design and Synthesis[R]. AIAA-2002-5172, NewYork, NY, USA: AIAA, 2002.

[4] 龔春林,等.面向飛行器多學科設計優(yōu)化的主模型技術[J].宇航學報,2009,30(3):914-918.

[5] 孫翠蓮,等.基于主模型CAD/CAE集成的卷繞錠軸結構參數(shù)優(yōu)化[J].系統(tǒng)仿真學報，2010,22(11):2622-2626.

[6] 周高明,等.導彈總體結構設計主模型技術的研究與實現(xiàn)[J].機械工程師，2011(2):35-38.

Research on Software Architecture of Collaborative Design Based on Master Model

Xiao Jin, Sun Shusen, Du Kejun

(Beijing Institute of Aerospace Systems Engineering, Beijing 100076,China)

In process of launch vehicle overall project conceptual design, due to the characteristics such as multidisciplinary collaboration, frequent iteration and cross disciplinary interaction, and changeable design, the inconsistency between version and technical states among always happen. A general modeling method for launch vehicle is necessary and corresponding software system is desired. Based on the concept of uniform data source collaborative design, combined with the characteristic of launch vehicle system design and data model, through the definition of four kinds of model which included base information model, concept model, parameter model and external definition model, a modeling method of launch vehicle general master model construction is proposed. Further, by developing software to implement the modeling method, a general collaborative software system architecture based on master model is constructed, which included master model management system, master model modeling tool and the application client. It could achieve the version management, the technology consistency analysis, the data lineage tracing and data showing and application, etc. The implementation of modeling tool for master model and the client software system provides tool support for launch vehicle system design.

collaborative design; software; master model

2016-12-24；

2017-02-06。

肖 進(1983-)，男，湖南常德人，博士，主要從事運載火箭數(shù)字化系統(tǒng)設計方向的研究。

1671-4598(2017)07-0146-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.07.037

TP3

A