多專業(yè)聯(lián)合仿真平臺技術研究

劉佳晨

摘要：航空發(fā)動機研制過程是一項跨學科的高度協(xié)同的復雜工程，隨著型號任務的不斷加劇，需要信息化的方法輔助協(xié)同設計。本文闡述了基于模型的系統(tǒng)工程方法，并借助此方法研究了多專業(yè)集成仿真平臺的體系架構以及其技術路線，通過FMI標準接口，實現(xiàn)多專業(yè)聯(lián)合仿真，實現(xiàn)項目、流程、數(shù)據(jù)、知識等研發(fā)要素的一體化管理，用以支撐發(fā)動機的研制，提高研制精度和效率。

關鍵詞：航空發(fā)動機 系統(tǒng)工程 集成平臺 仿真 FMI

1 引言

航空發(fā)動機研制是我國發(fā)動機行業(yè)面臨的重大戰(zhàn)略任務，其研制過程是一項跨學科的高度協(xié)同的復雜工程。具有高技術、長周期、投入大的特點，隨著型號任務的啟動發(fā)動機研制出現(xiàn)了一些新的特點：①研制數(shù)量大幅增加研制周期不斷縮短;②性能指標要求不斷提升;③多產品并舉大規(guī)模協(xié)同。雖然近年來已從過去的紙質形式轉換為電子形式，但并未從根本上改變這一狀況。因此需要先進的工程思想和方法，有效管控發(fā)動機研制的全生命周期，建立一體化的仿真工作平臺，最大限度滿足客戶需求的同時減少后續(xù)發(fā)動機部件或整機試驗等研制環(huán)節(jié)的迭代過程，經濟高效地研制出高質量的航空發(fā)動機，提升研制能力，縮短研制周期。本文基于系統(tǒng)工程的思想和方法，闡述了基于系統(tǒng)工程的多專業(yè)集成仿真平臺技術，實現(xiàn)了對航空發(fā)動機研制過程的有效管控。

2 聯(lián)合仿真平臺技術架構

整合已有的工具軟件、信息系統(tǒng)、設計方法、軟硬件資源，構建出適合發(fā)動機的一體化仿真平臺體系。平臺總體架構如上圖所示，平臺主要包括以下部分：

（1）工程門戶

即工程研發(fā)活動的門戶系統(tǒng)，研發(fā)人員從事研發(fā)設計活動時的統(tǒng)一工作入口，前端展現(xiàn)為“個人工作臺”形式，基本功能包括：工程看板、數(shù)據(jù)視圖、應用集成、知識資源、溝通協(xié)作等。工程門戶是集成仿真平臺的頂層應用和展現(xiàn)層，通過嚴格的權限設置，不同的角色可以方便地進入自己相關的業(yè)務系統(tǒng)，通過靈活的欄目設置和信息推送功能，使每一個操作用戶都可以方便及時地看到自己工作內容相關的綜合信息，同時可以進入業(yè)務系統(tǒng)完成相關的工作。

（2）協(xié)同研發(fā)過程管理系統(tǒng)

將任務管理與流程管理融合為一體，建立統(tǒng)一的任務單元模型，將具體的產品開發(fā)業(yè)務過程與特定的活動/任務聯(lián)系，并將管理過程和設計過程流程化、顯性化，通過流程可視化執(zhí)行和規(guī)范化的指導，使得研發(fā)過程有序進行。

（3）研發(fā)工具系統(tǒng)

構建面向發(fā)動機研發(fā)的具體業(yè)務系統(tǒng)，融合了設計工具、方法、知識等。包括專業(yè)設計系統(tǒng)及工程模板庫。通過構建專業(yè)的設計系統(tǒng)，使得設計人員在該環(huán)境下，能夠更加關注和關心產品產品整體性能設計優(yōu)化及創(chuàng)新設計。通過IT技術將其封裝固化形成規(guī)范和可執(zhí)行的標準工程應用模板，按照不同專業(yè)及類型進行劃分管理，形成對各專業(yè)系統(tǒng)支持的模板集，該模板同時支撐仿真流程。

（4）知識管理系統(tǒng)：

建立協(xié)同研發(fā)知識管理系統(tǒng)，為協(xié)同研發(fā)過程提供必要的知識支撐，通過框架提供的數(shù)據(jù)挖掘和知識主動推入技術，實現(xiàn)基于知識的設計。知識管理系統(tǒng)提供一套開放的可擴展的框架，進行知識的不斷補充、豐富。

3 基于模型的集成仿真

想要進行基于模型的多學科聯(lián)合集成和仿真，需要對工具、仿真系統(tǒng)進行接口方面的要求。聯(lián)合仿真平臺必須滿足多專業(yè)計算模型的集成，通過模型的標準化使多專業(yè)的聯(lián)合仿真成為可能，從而進一步驗證需求模型，通過對需求的變更跟蹤，掌控研發(fā)的進程。

3.1 標準化接口

為了實現(xiàn)聯(lián)合仿真平臺系統(tǒng)的通用性，采用了最為先進的FMI（Functional Mock-up Interface）標準化接口。FMI是Modelisar項目中的一部分，主要涉及汽車設計和仿真領域，已經實現(xiàn)了工業(yè)化應用。FMI的目標是定義一個開放的接口，從而讓不同軟件系統(tǒng)的動態(tài)系統(tǒng)模型能夠實現(xiàn)軟件/模型/硬件的聯(lián)合仿真。因此，F(xiàn)MI 接口對于現(xiàn)有的主流商業(yè)仿真軟件和程序語言有良好的兼容性。FMI標準接口包含模型描述文件和仿真程序代碼兩個部分。

3.2 聯(lián)合仿真平臺設計

不同的仿真模型和模型數(shù)量組成特定的仿真流程，通過選擇所需流程模板或者現(xiàn)場搭建仿真流程，創(chuàng)建仿真任務，對仿真任務下的專業(yè)模型進行參數(shù)配置，生產仿真實例，然后即可對仿真實例進行計算，實現(xiàn)聯(lián)合仿真。然后通過過程數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)將仿真過程和結果數(shù)據(jù)進行管理和追溯，形成完整的研發(fā)過程管理體系。

3.3 提供一個仿真IDE（Integrated Design Environment）

仿真IDE包括幾個核心組件，模型編輯器、編譯器、調試器和圖形用戶界面。集成了模型編輯、編譯、仿真和調試等一體化的仿真服務集。左側的的樹狀資源視圖主要展現(xiàn)系統(tǒng)的模型，針對左側模型的編輯器在右側上半?yún)^(qū)，可以運用圖形化的編輯工具對模型進行修改，而修改后，可以對模型進行仿真，仿真就是對系統(tǒng)模型的設計工作進行驗證的過程，對編譯后的模型進行仿真類似于對編寫的程序進行“運行”。其可以對其“運行”狀態(tài)進行測試，例如可以給不同的輸入查看其結果;并且可以進行“調試”，就是運用各種例如斷點等手段，對模型進行差錯和排錯的過程。仿真和調試過程中，可以對仿真的結果進行分析和比較，可以查詢某個歷史狀態(tài)的模型仿真結果，也可以對同版本的模型進行不同輸入狀態(tài)的仿真，目的是在IDE環(huán)境中對模型進行篩選和優(yōu)化。

4 結束語

本文對多專業(yè)集成仿真平臺技術進行了深入研究，并運用先進技術實現(xiàn)集成仿真平臺的架構設計，討論了關鍵技術環(huán)節(jié)。在研究過程中，對于基于模型的系統(tǒng)仿真及仿真流程、仿真數(shù)據(jù)的管理都有系統(tǒng)的考慮。多學科集成仿真平臺本身也是一個系統(tǒng)工程，從需求分析，到開發(fā)并走向成熟應用需要漫長的多專業(yè)協(xié)調，需要投入大量的人力物力來完成，針對平臺中的每個技術環(huán)節(jié)加以深入調研并開發(fā)實現(xiàn)。

參考文獻

[1]董亮，劉俊堂，張永輝.飛機研制需求管理技術研究.航空科學技術.2014.2.