黃磊

摘??要：面向數(shù)字化工程生態(tài)中產(chǎn)品數(shù)字化與過程數(shù)字化的需求，針對模型建設(shè)方面標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、粒度不匹配、專業(yè)難集成，模型評價方面要求不明確、標(biāo)定工作量大、評價缺乏體系，模型管理方面缺乏協(xié)同環(huán)境、版本控制、權(quán)限控制，模型應(yīng)用方面仿真任務(wù)、應(yīng)用流程與型號未貼合等問題，提出了模型“建評管用”數(shù)字化交付模式方法。主要內(nèi)容包括多專業(yè)多層級模型構(gòu)建方法、多維度多階段模型評價方法、跨組織跨地域模型管理方法和多場景多模式模型應(yīng)用方法，以模型為載體，以“建評管用”為循環(huán)回路，以數(shù)字化交付為抓手，推動復(fù)雜裝備研制模式變革。

關(guān)鍵詞：模型構(gòu)建??模型評價??模型管理??模型應(yīng)用??數(shù)字化交付

中圖分類號：V46

Research?on?the?Method?for?the?Digital?Delivery?Mode?of?Model?“Construction，?Evaluation，?Management?and?Application”

HUANG?Lei

Suzhou?Tongyuan?Software&Control?Technology?Co.，?Ltd.，?Suzhou，?Jiangsu?Province，?215000?China

Abstract：?In?the?face?of?the?needs?of?digital?products?and?processes?in?the?digital?engineering?ecosystem，?in?order?to?address?issues?such?as?inconsistent?standards，?mismatched?granularity?and?difficult?disciplinary?integration?in?model?construction，?unclear?requirements，?large?calibration?workload?and?the?lack?of?an?evaluation?system?in?model?evaluation，?the?lack?of?the?collaborative?environment，?version?control?and?permission?control?in?model?management，?and?the?inconsistency?of?simulation?tasks，?application?processes?and?types?in?model?application，?the?article?proposes?a?method?for?the?digital?delivery?mode?of?model?"construction，?evaluation，?management?and?application"，?which?mainly?includes?a?multi-disciplinary?and?multi-level?model?construction?method，?a?multi-dimensional?and?multi-stage?model?evaluation?method，?a?cross-organizational?and?cross-regional?model?management?method，?and?a?multi-scenario?and?multi-mode?model?application?method.?The?method?takes?a?model?as?a?carrier，?its?"construction，?evaluation，?management?and?application"?as?a?cyclic?loop?and?its?digital?delivery?as?a?starting?point?to?promote?the?transformation?of?the?development?mode?of?complex?equipment.

Key?Words：?Model?construction;?Model?evaluation;?Model?management;?Model?application;?Digital?delivery

隨著現(xiàn)代裝備的系統(tǒng)規(guī)模和技術(shù)難度不斷增大，傳統(tǒng)的以文檔為基礎(chǔ)的裝備研制模型已不能滿足發(fā)展需求[1]。美國國防部于2018年正式對外發(fā)布“國防部數(shù)字工程戰(zhàn)略”，將國防工業(yè)體系從以文檔為中心的線性采辦向以數(shù)字模型為中心的數(shù)字工程轉(zhuǎn)變。我國于2021年也正式發(fā)布“裝備數(shù)字化工程”，其核心是基于模型的數(shù)字化研制與數(shù)字化交付。因此，模型是數(shù)字化變革的核心載體，模型的構(gòu)建、評價、管理、應(yīng)用方法研究具有重要價值。

1??模型數(shù)字化應(yīng)用概述

1.1??模型應(yīng)用現(xiàn)狀分析

國內(nèi)外在裝備研制中已經(jīng)開展了圍繞模型的數(shù)字化應(yīng)用，并初步取得成果[2]。模型構(gòu)建方面，宋研等人[3]針對系統(tǒng)性驗(yàn)證問題，基于Modelica語言構(gòu)建了航天器系統(tǒng)多學(xué)科系統(tǒng)模型，并深入研究了專業(yè)建模特征。Luis?I等人[4]針對電動汽車多領(lǐng)域仿真需求，基于鍵合圖構(gòu)建了包含鉛酸電池動力學(xué)的電動汽車多領(lǐng)域模型。模型評價方面，李偉等人[5]針對高度復(fù)雜模型驗(yàn)證挑戰(zhàn)，總結(jié)了現(xiàn)有模型驗(yàn)證方法并提出了新方法。Sargent?R?G[6]描述了確定模型有效性的三種方法，并提出了模型驗(yàn)證的推薦步驟。模型管理方面，張佳朋等人[7]結(jié)合裝配流程特點(diǎn)，給出了面向航天器裝配質(zhì)量的數(shù)字孿生建模方法與模型管理方法。陶飛等人[8]探索建立了一套數(shù)字孿生模型構(gòu)建理論體系，并給出了模型管理的定義。模型應(yīng)用方面，劉治鋼等人[9]基于型號應(yīng)用需求提出了航天器供配電數(shù)字伴飛系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于模型的測試和飛行狀態(tài)監(jiān)測。李濤等人[10]實(shí)現(xiàn)了航天器全階段模型應(yīng)用，基于模型開展研制中的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證工作。應(yīng)用綜上，以往的數(shù)字化研究主要針對模型構(gòu)建、評價、管理或應(yīng)用等單一環(huán)節(jié)提出了針對性的數(shù)字化方法。

1.2?模型應(yīng)用差距分析

面向裝備數(shù)字化工程的模型需求，現(xiàn)階段的數(shù)字化交付模式在模型的構(gòu)建、評價、管理、應(yīng)用4個方面均存在不足之處。

（1）模型構(gòu)建方面，各專業(yè)建模工具不統(tǒng)一，模型粒度與研制階段不匹配，各層級單位建模標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。

（2）模型評價方面，總體單位難以提出明確的建模要求，設(shè)計(jì)參數(shù)過多導(dǎo)致模型標(biāo)定工作量大，缺乏合理的模型評價體系。

（3）模型管理方面，模型缺乏共享，建模與仿真工作缺乏協(xié)同，模型技術(shù)狀態(tài)難控制，缺乏保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)手段。

（4）模型應(yīng)用方面，仿真任務(wù)與型號任務(wù)貼合不夠，模型流轉(zhuǎn)與型號流程結(jié)合不夠，模型數(shù)據(jù)與型號數(shù)據(jù)融合不夠。

本文針對上述問題提出了模型“建評管用”數(shù)字化交付模式方法，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化交付中的模型循環(huán)回路，形成統(tǒng)一的模型構(gòu)建、評價、管理、應(yīng)用范式，為復(fù)雜裝備研制模式變革提供借鑒。

2??模型“建評管用”流程

模型“建評管用”的數(shù)字化交付模式方法流程如圖?1所示，主要包含模型構(gòu)建、模型評價、模型管理、模型應(yīng)用4個階段。各階段的定義具體如下。

2.1?多專業(yè)多層級模型構(gòu)建

基于Modelica[11]開展機(jī)械、電氣、流體、控制、熱等多專業(yè)模型構(gòu)建，基于自頂向下的分解與自底向上的集成實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)、分系統(tǒng)、單機(jī)不同層級模型構(gòu)建與基于FMI[12]標(biāo)準(zhǔn)的集成，得到多專業(yè)多層級模型體系。

2.2?多維度多階段模型評價

對模型精度與模型置信度多維度進(jìn)行標(biāo)定與評價，實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)階段、試驗(yàn)階段、運(yùn)維階段等多階段持續(xù)保證模型與系統(tǒng)的狀態(tài)一致性。

2.3?跨組織跨地域模型管理

實(shí)現(xiàn)跨組織模型體系的版本管理與權(quán)限控制，以及跨地域的協(xié)同建模與協(xié)同仿真，為模型的流轉(zhuǎn)提供協(xié)同管理環(huán)境，保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)的同時提升數(shù)字化工作效率。

2.4?多場景多模式模型應(yīng)用

實(shí)現(xiàn)基于模型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、基于模型的虛擬試驗(yàn)、基于模型的運(yùn)行維護(hù)等多場景應(yīng)用，支持白盒、灰盒、黑盒不同可見度，同構(gòu)與異構(gòu)等不同構(gòu)造方式，集中式與分布式等不同仿真架構(gòu)，實(shí)時、超實(shí)時、欠實(shí)時等不同實(shí)時性的模型應(yīng)用，以多場景多模式按需支撐型號應(yīng)用。

3?多專業(yè)多層級模型構(gòu)建

以型號研制要求為依據(jù)，制定模型研制要求，模型特性要求是通過系統(tǒng)仿真任務(wù)分解出分系統(tǒng)仿真任務(wù)而制定分系統(tǒng)的特性要求，模型通用要求是面向各分系統(tǒng)的共性要求，依據(jù)模型研制要求開展多專業(yè)多層級模型構(gòu)建。

3.1?多專業(yè)模型構(gòu)建

多專業(yè)模型構(gòu)建通過Modelica多專業(yè)建模機(jī)制實(shí)現(xiàn)，首先對各層級模型的工作原理進(jìn)行描述，包含機(jī)械原理、電氣原理、流體原理、傳熱學(xué)原理、控制原理，考慮各專業(yè)之間的耦合特性，形成統(tǒng)一的工程物理系統(tǒng)原理。然后采用多領(lǐng)域物理統(tǒng)一建模語言Modelica統(tǒng)一描述各專業(yè)工作原理，形成機(jī)械專業(yè)模型、電氣專業(yè)模型、流體模型、傳熱模型、控制模型等。最后將各專業(yè)模型在統(tǒng)一建模環(huán)境中融合為多領(lǐng)域物理系統(tǒng)模型，包括模型方程的耦合、模型接口的交互、模型參數(shù)的耦合。

3.2?多層級模型構(gòu)建

多層級模型構(gòu)建的方法包括模型架構(gòu)設(shè)計(jì)、模型編碼實(shí)現(xiàn)、模型系統(tǒng)集成。首先開展模型架構(gòu)設(shè)計(jì)，依據(jù)模型研制要求，開展模型架構(gòu)設(shè)計(jì)，得到需要構(gòu)建的單機(jī)模型列表與單機(jī)模型建模要素。后開展模型編碼實(shí)現(xiàn)，依據(jù)單機(jī)模型的工作原理基于Modelica語言開展多種方式的模型構(gòu)建：（1）對于理論公式清晰的單機(jī)，直接依據(jù)理論公式進(jìn)行方程建模；（2）對于理論公式不清晰經(jīng)驗(yàn)公式明確的單機(jī)，可以依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行模擬建模；（3）對于理論公式與經(jīng)驗(yàn)公式都不太清晰但有充足實(shí)測數(shù)據(jù)的單機(jī)，可以通過數(shù)據(jù)擬合構(gòu)建代理模型。最后開展模型系統(tǒng)集成，依據(jù)單機(jī)與單機(jī)之間的接口交互關(guān)系，調(diào)用單機(jī)模型庫中的模型集成為分系統(tǒng)模型；依據(jù)分系統(tǒng)與分系統(tǒng)之間的接口交互關(guān)系，調(diào)用分系統(tǒng)模型庫中的模型集成為系統(tǒng)模型。

4?多維度多階段模型評價

模型評價從模型精度標(biāo)定、模型置信度分析等不同維度，覆蓋設(shè)計(jì)階段、試驗(yàn)階段、運(yùn)維階段等不同階段，最終目的是得到高精度與高置信度的模型體系，用于提升模型的應(yīng)用效果。

4.1?多維度模型評價

模型評價維度涉及精度與置信度等不同的維度，重點(diǎn)以模型與評價標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)為輸入，實(shí)現(xiàn)模型標(biāo)定與模型置信度分析，形成高精度、高置信度的模型。模型標(biāo)定通過模型運(yùn)行的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對參數(shù)相關(guān)性和失效概率進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)參數(shù)靈敏度分析，得到敏感參數(shù)序列；通過對模型仿真結(jié)果與標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果匹配度分析，進(jìn)行模型參數(shù)校正，完成模型參數(shù)標(biāo)定，得到最優(yōu)參數(shù)集。模型置信度分析開展指標(biāo)分析與權(quán)重分配，選擇合適的置信度評價算法進(jìn)行評估計(jì)算，完成置信度統(tǒng)計(jì)與置信度分析，輸出模型的評價與驗(yàn)證報(bào)告，以及高置信度的模型。

4.2?多階段模型評價

面向不同階段的模型使用需求，實(shí)現(xiàn)多階段的模型評價。面向設(shè)計(jì)階段基于模型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證需求，以設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)（方案指標(biāo)、歷史型號數(shù)據(jù)、歷史仿真數(shù)據(jù)）為標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)模型的標(biāo)定，使得模型可以承擔(dān)對設(shè)計(jì)方案的全面表達(dá)能力。面向試驗(yàn)階段基于模型的全數(shù)字虛擬試驗(yàn)、半實(shí)物試驗(yàn)、虛實(shí)交互試驗(yàn)等需求，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)模型的標(biāo)定，使得模型可以代替實(shí)物作為試驗(yàn)的部分對象。面向運(yùn)維階段基于模型的全面監(jiān)測、狀態(tài)評估、快速預(yù)示等需求，實(shí)現(xiàn)模型的標(biāo)定，使得模型狀態(tài)與實(shí)物運(yùn)行狀態(tài)保持一致，可支撐數(shù)字孿生應(yīng)用。

5??跨組織跨地域模型管理

模型跨組織跨地域管理重點(diǎn)解決多人協(xié)同建模與仿真問題、版本與權(quán)限管理問題，模型版本控制保證模型狀態(tài)與研制狀態(tài)的一致性，模型權(quán)限控制保護(hù)各組織的知識產(chǎn)權(quán)，協(xié)同建模實(shí)現(xiàn)跨地域的大規(guī)模模型并行構(gòu)建，協(xié)同仿真實(shí)現(xiàn)基于通信的分布式驗(yàn)證。

5.1??跨組織模型管理

跨組織模型管理重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)不同組織的模型權(quán)限管理以及不同階段的版本管理，模型權(quán)限管理需實(shí)現(xiàn)三員管理、用戶管理、角色管理、權(quán)限控制。三員管理是企業(yè)數(shù)據(jù)安全的重要機(jī)制，三類管理員協(xié)同工作且相互監(jiān)督，共同維護(hù)企業(yè)數(shù)據(jù)安全。用戶管理對系統(tǒng)內(nèi)的部門組織架構(gòu)根據(jù)職能和責(zé)權(quán)劃分進(jìn)行統(tǒng)一管理，通過分配角色、分配權(quán)限和目錄控制來約束用戶對模型、數(shù)據(jù)和目錄的訪問。角色管理通過賦予角色一定的權(quán)限來定義用戶對系統(tǒng)內(nèi)的模型、數(shù)據(jù)和目錄享有哪些操作權(quán)利。權(quán)限控制定義系統(tǒng)中不同角色的權(quán)限，各角色對公有倉庫分類目錄的控制權(quán)限不同。

5.2??跨地域模型管理

跨地域模型管理重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)跨地域協(xié)同建模與跨地域協(xié)同仿真?？绲赜騾f(xié)同建模實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)模型的協(xié)同構(gòu)建，基于網(wǎng)絡(luò)工作環(huán)境，以面向模型的方式支持模型提交、模型還原、模型推送、模型版本跳轉(zhuǎn)、模型拉取等。跨地域協(xié)同仿真實(shí)現(xiàn)通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器就能完成在線仿真運(yùn)行、仿真結(jié)果管理和仿真任務(wù)管理，提供一個便利、高效的仿真環(huán)境。

6?多場景多模式模型應(yīng)用

多專業(yè)多層級模型構(gòu)建、多維度多階段模型評價、跨組織跨地域模型管理，都將支撐模型應(yīng)用，面向多場景需求、適應(yīng)多應(yīng)用模式的模型應(yīng)用，使得模型最終在型號中發(fā)揮數(shù)字化價值。

6.1?多場景模型應(yīng)用

多場景模型應(yīng)用主要面向基于模型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)場景、基于模型的虛擬試驗(yàn)場景、基于模型的運(yùn)行維護(hù)場景?；谀Ｐ偷南到y(tǒng)設(shè)計(jì)場景，在方案論證中支撐需求分析與快速論證，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中支撐正向設(shè)計(jì)與選型設(shè)計(jì)，在分系統(tǒng)設(shè)計(jì)中支撐精細(xì)化設(shè)計(jì)驗(yàn)證。基于模型的虛擬試驗(yàn)場景，支撐基于模型的專項(xiàng)虛擬測試、專項(xiàng)半實(shí)物測試、系統(tǒng)虛擬測試、系統(tǒng)半實(shí)物測試、模型標(biāo)定與參數(shù)辨識?；谀Ｐ偷倪\(yùn)行維護(hù)場景，支撐數(shù)字模擬、全面監(jiān)測、狀態(tài)評估、快速預(yù)示、策略優(yōu)化、虛實(shí)控制。

6.2?多模式模型應(yīng)用

多模式模型應(yīng)用支撐不同可見度、不同構(gòu)造方式、不同仿真架構(gòu)、不同實(shí)時性要求的模型仿真應(yīng)用，根據(jù)不同研制階段的仿真需求提供合適的仿真模式?？梢姸确矫?，根據(jù)數(shù)字化交付情況以及本單位的數(shù)字化積累情況，支持基于白盒模型、灰盒模型、黑盒模型的仿真應(yīng)用。構(gòu)造方式方面，根據(jù)交付模型的類別以及本單位積累的模型類別，支持多領(lǐng)域模型統(tǒng)一仿真求解，也支持多源異構(gòu)模型的聯(lián)合仿真求解。仿真架構(gòu)方面，根據(jù)模型部署需求和仿真效率需求，支持系統(tǒng)集成式仿真求解，也支持分布式協(xié)同仿真求解。實(shí)時性要求方面，根據(jù)模型應(yīng)用的業(yè)務(wù)需求，支持實(shí)時、超實(shí)時、欠實(shí)時等不同仿真求解模式。基于精度、效率、場景等綜合需求適配合理的仿真模式，更好、更快、更準(zhǔn)地支撐型號應(yīng)用。

7?結(jié)論與展望

本文提出模型“建評管用”數(shù)字化交付模式方法，實(shí)現(xiàn)模型的全生命周期管理，在以下4個層面提出了面向數(shù)字化交付模式的方法，為數(shù)字化研制與數(shù)字化交付的模型回路提供了理論指導(dǎo)。

（1）模型構(gòu)建層面，提出了系統(tǒng)、分系統(tǒng)、單機(jī)多層級，機(jī)、電、液、控、熱多專業(yè)的模型構(gòu)建方法，支撐系統(tǒng)全面的模型化表達(dá)。

（2）模型評價層面，提出了精度修正與置信度評估多維度，設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、運(yùn)維多階段的模型評價方法，保證模型與系統(tǒng)狀態(tài)的一致性。

（3）模型管理層面，提出了跨組織的模型版本管理與權(quán)限管理，跨地域的協(xié)同建模與協(xié)同仿真方法，為數(shù)字化研制與數(shù)字化交付提供協(xié)同環(huán)境。

（4）模型應(yīng)用層面，提出了面向基于模型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、基于模型的虛擬試驗(yàn)、基于模型的運(yùn)行維護(hù)多場景應(yīng)用方法，通過數(shù)字化手段切實(shí)提升型號研制能力。

數(shù)字化實(shí)踐是一個從方法到標(biāo)準(zhǔn)、模型、工具不同層面的體系性工作，在本文提出的“建評管用”方法之后，未來仍需在幾個方面持續(xù)推進(jìn)研究：標(biāo)準(zhǔn)層面，需要建立模型構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)、模型管理流程、模型評價體系、模型應(yīng)用指南等；模型層面，需要以型號牽引通用模型庫建設(shè)，以通用模型庫支撐型號應(yīng)用并迭代；工具層面，需建設(shè)完全自主可控的建評管用一體化平臺，以數(shù)字化手段推進(jìn)研制模式變革。

參考文獻(xiàn)

• 周書華，曹悅，張政，等.基于SysML和Modelica的復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真集成[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2018，30（4）：728-738.
• 張柏楠，戚發(fā)軔，邢濤，等基于模型的載人航天器研制方法研究與實(shí)踐[J].航空學(xué)報(bào)，2020，41（7）：023967.
• 宋研，邢濤，鞏朝陽.基于Modelica的載人航天器多學(xué)科集成建模仿真[J].載人航天，2019，25（3）：397-402.
• Luis?I，Pablo?M，Cristian?H，et?al.Multi-Domain?Modeling?of?Electric?Vehicles?Including?Lead-Acid?Battery?Dynamics[J].IFAC?Proceedings?Volumes，2012，45（21）：447-453．
• 李偉，周玉臣，林圣琳，等.仿真模型驗(yàn)證方法綜述[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2019，31（7）：1249-1256.
• Sargent?R?G.Verification?and?validation?of?simulation?models[J].Journal?of?Simulation，2013，7（1）：12-24.
• 張佳朋，劉檢華，龔康，等.基于數(shù)字孿生的航天器裝配質(zhì)量監(jiān)控與預(yù)測技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2021，27（2）：605-616.
• 陶飛，張賀，戚慶林，等.數(shù)字孿生模型構(gòu)建理論及應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2021，27（1）：1-15.
• 劉治鋼，夏寧，杜青.航天器供配電系統(tǒng)數(shù)字伴飛技術(shù)應(yīng)用研究[J].航天器工程，2020，29（5）：135-141.
• 李濤，敬錚，王為，等.載人航天器數(shù)字化研制方法與應(yīng)用[J].載人航天，2023，29（4）：513-520.
• 趙建軍，丁建完，周凡利，等.?Modelica語言及其多領(lǐng)域統(tǒng)一建模與仿真機(jī)理[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006，18（z2）：570-573.
• 陸冠華，郝