飛機研制過程中仿真生命周期管理的研究

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。

[1] 范文慧,葛正宇,何山.產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)實施方法學.系統(tǒng)工程理論與實踐,2003, 3(3):81-86.

[2] 陸海燕.航空工業(yè)仿真數(shù)據(jù)管理解決方案.航空工程進展，2012,3(4):511-514.

[3] 丁鼎.基于模型的系統(tǒng)工程在民機領(lǐng)域的應(yīng)用.沈陽航空航天大學學報， 2012,29(8):47-51.

[4] 季建琴.民用飛機需求管理技術(shù)研究與應(yīng)用.科教視界, 2012, 25(9):54-58.

[5] 余修端,孫秀霞,秦碩.全數(shù)字通用飛行仿真平臺的設(shè)計與實現(xiàn).計算機工程，2008, 34(17):263-265.

[6] 劉菊紅,袁紅艷.飛機飛行控制系統(tǒng)仿真平臺建設(shè).測控技術(shù), 2013,32(3):193-196.

[7] 汪應(yīng)洛.系統(tǒng)工程.北京：機械工程出版社，1986:30-44.

[8] 李為吉.飛機總體設(shè)計.西安:西北工業(yè)大學出版社, 2005:21-60.