復(fù)雜裝備全壽命周期模型體系及IT架構(gòu)研究

胡立臣

（中國北方車輛研究所，北京 100072）

0 引言

模型是對系統(tǒng)的描述，數(shù)字化模型是系統(tǒng)的數(shù)字化定義，反映系統(tǒng)的幾何屬性、功能屬性和性能屬性。仿真是基于模型的各種活動，即對系統(tǒng)行為的模擬。沒有模型，很難開展仿真，不能仿真則很難開展預(yù)測設(shè)計、虛擬試驗、虛擬制造以及預(yù)防維修等，因此建立復(fù)雜裝備的全壽命周期模型體系對于提升復(fù)雜裝備的設(shè)計、試驗、制造、維護與保障水平至關(guān)重要。

隨著建模與仿真技術(shù)的發(fā)展，基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）和美國國防部提出的數(shù)字工程在復(fù)雜裝備研發(fā)與保障等方面得到了廣泛的應(yīng)用[1,2]。MBSE遵循系統(tǒng)工程規(guī)范，以模型為載體，開展目標(biāo)產(chǎn)品的需求分析、功能設(shè)計、架構(gòu)優(yōu)化、驗證確認(rèn)等，實現(xiàn)了從主要基于文本到主要基于模型轉(zhuǎn)變。美國國防部提出的數(shù)字工程是一種集成的數(shù)字化方法，使用系統(tǒng)的有效模型源和數(shù)據(jù)源，以在生命周期內(nèi)可跨學(xué)科、跨領(lǐng)域連續(xù)傳遞的模型和數(shù)據(jù)，支撐系統(tǒng)從概念開發(fā)到報廢處置的所有活動。核心是跨生命周期的模型、數(shù)字線索、數(shù)字孿生，將多領(lǐng)域、多層級的分析工具集成，利用技術(shù)數(shù)據(jù)和工程知識，形成產(chǎn)品法定數(shù)字化表達(dá)，對功能、性能、成本、進度和風(fēng)險進行分析[2]。無論是MBSE還是數(shù)字工程，全壽命周期模型體系是其關(guān)鍵。

為支撐全壽命周期模型體系的有效運行，需要企業(yè)設(shè)計科學(xué)的IT架構(gòu)，這有利于避免信息孤島形成，有利于提升基于模型的復(fù)雜裝備研發(fā)及維護和保障的效率，有利于減少重復(fù)投資，提高信息化投入的效能。

1 復(fù)雜裝備全壽命周期業(yè)務(wù)活動

復(fù)雜裝備全壽命周期業(yè)務(wù)活動包括研發(fā)活動、研發(fā)管理、售后服務(wù)保障、產(chǎn)品數(shù)據(jù)和模型管理、運行大數(shù)據(jù)分析等，如圖1所示。研發(fā)活動主要包括需求分析、SOS（Systems of Systems，系統(tǒng)之系統(tǒng)）設(shè)計與仿真、系統(tǒng)功能分析與架構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)級性能分析、專業(yè)設(shè)計與仿真、結(jié)構(gòu)設(shè)計與試制、電氣系統(tǒng)/信息與控制系統(tǒng)設(shè)計與試制、組件綜合與測試、分系統(tǒng)綜合與測試、系統(tǒng)綜合與確認(rèn)等。研發(fā)管理主要包括項目管理、質(zhì)量管理、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、技術(shù)狀態(tài)管理、試驗管理、試制管理、大數(shù)據(jù)/主數(shù)據(jù)/知識管理等。售后服務(wù)保障主要包括裝備健康管理、故障診斷、預(yù)防維修、維護等。

如圖1所示，上述各種活動分別處于復(fù)雜裝備的生命周期的不同階段，活動內(nèi)部以及活動之間，需要模型和數(shù)據(jù)的交換，如何管理這些模型和數(shù)據(jù)，如何保證這些模型和數(shù)據(jù)的有效性、一致性和安全性，是基于模型的企業(yè)（Model-Based Enterprise，MBE）的重要建設(shè)內(nèi)容。

圖1 復(fù)雜裝備全壽命周期業(yè)務(wù)活動說明

2 復(fù)雜裝備全壽命周期模型構(gòu)成和作用

模型是對系統(tǒng)的描述，即數(shù)字化定義。復(fù)雜裝備全壽命周期模型指服務(wù)于產(chǎn)品研發(fā)活動和售后服務(wù)保障的，貫穿產(chǎn)品全壽命周期的，不同用途、不同粒度、不同領(lǐng)域的產(chǎn)品信息和知識的數(shù)字化表達(dá)。

如圖1所示，復(fù)雜裝備全壽命周期模型包括如下11類：

1）SOS（Systems of Systems）數(shù)字化模型（Model 1，M1）；

2）系統(tǒng)方案設(shè)計與仿真模型（Model 2，M2）；

3）關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)計算模型（Model 3，M3）；

4）機械系統(tǒng)MBD（Model Based Definition）模型（Model 4，M4）；

5）電氣系統(tǒng)數(shù)字化模型（Model 5，M5）；

6）電子系統(tǒng)數(shù)字化模型（Model 6，M6）；

7）軟件開發(fā)MBD（Model Based Design）模型（Model 7，M7）；

8）單學(xué)科及多學(xué)科仿真模型（Model 8，M8）；

9）服務(wù)保障模型（Model 9，M9）；

10）產(chǎn)品XBOM（Model 10，M10）；

11）產(chǎn)品運行大數(shù)據(jù)分析模型（Model 11，M11）。

（1）SOS數(shù)字化模型，SOS是指為了達(dá)到某一特定的目標(biāo)，由眾多分散獨立的系統(tǒng)組合而成的，SOS的功能要大于其組成系統(tǒng)功能的總和。復(fù)雜裝備，如無人車，不是獨立運行的，其運行在由多個無人車、遠(yuǎn)程控制平臺、智能道路等組成的SOS中。要研究復(fù)雜裝備，必須要研究其在SOS中的定位，因此復(fù)雜裝備研發(fā)的第一步是構(gòu)建SOS設(shè)計與仿真模型。

SOS設(shè)計與仿真，主要是通過對特定任務(wù)背景下SOS的系統(tǒng)組成和任務(wù)活動流程進行視圖描述和映射矩陣鏈接，進而對SOS的物理邏輯、動態(tài)行為和性能進行動態(tài)分析，實現(xiàn)SOS優(yōu)化設(shè)計。SOS設(shè)計與仿真模型組成包括SOS需求模型、SOS模型（包括靜態(tài)模型和可執(zhí)行模型，靜態(tài)模型是通過一系列視圖描述體系的概況、組成要素以及要素之間的關(guān)系，可執(zhí)行模型是通過建立動態(tài)視圖描述和關(guān)聯(lián)矩陣，對體系結(jié)構(gòu)進行檢驗和驗證）[3]。

（2）系統(tǒng)方案設(shè)計與仿真模型，系統(tǒng)方案設(shè)計與仿真模型服務(wù)于基于MBSE的系統(tǒng)方案設(shè)計，通常是采用SysML語言，描述系統(tǒng)的功能、邏輯和物理架構(gòu)，支持開展結(jié)構(gòu)化的利益攸關(guān)者需求捕獲、功能及架構(gòu)設(shè)計，建立系統(tǒng)需求模型、功能樣機、架構(gòu)模型，目的是在方案設(shè)計階段，通過執(zhí)行模型驗證功能邏輯，優(yōu)化系統(tǒng)功能和架構(gòu)，為后續(xù)詳細(xì)設(shè)計提供輸入。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建性能樣機進行性能仿真驗證，通常是基于Modelica語言，建立機、電、液、控、熱多專業(yè)綜合的系統(tǒng)性能樣機，支持在方案階段對產(chǎn)品整體性能進行初步的仿真驗證，支持對系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化，作為后續(xù)詳細(xì)設(shè)計輸入。

系統(tǒng)方案設(shè)計與仿真模型主要包括系統(tǒng)需求模型，系統(tǒng)功能設(shè)計模型(功能樣機)，系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計模型，系統(tǒng)性能仿真驗證模型（性能樣機）。

（3）關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)計算模型，進入系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計階段，需開展各專業(yè)的設(shè)計計算與仿真建模。專業(yè)設(shè)計計算主要包括系統(tǒng)總體、分系統(tǒng)、部件、零件等的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)計算，如，車輛總體設(shè)計中的發(fā)動機功率選擇計算、傳動系檔數(shù)及傳動比選擇計算、發(fā)動機和傳動系統(tǒng)參數(shù)匹配計算及優(yōu)化等。

（4）機械系統(tǒng)MBD（Model Based Definition）模型，基于模型的定義（MBD，Model Based Definition）的核心思想是基于產(chǎn)品的三維模型完整地表達(dá)表達(dá)工藝、制造和檢測所需的各類信息，支持設(shè)計、工藝、制造和驗證活動[4]。結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造MBD（Model Based Definition）模型包括結(jié)構(gòu)設(shè)計MBD模型，用于產(chǎn)品展示的派生模型，用于仿真分析的派生模型，用于虛擬試驗的派生模型，用于三維工藝設(shè)計的派生模型，用于試制的派生模型，用于維護與保障的派生模型等。

（5）電氣系統(tǒng)數(shù)字化模型，電氣數(shù)字化模型包括電氣系統(tǒng)布置圖、接線電路圖、線纜線束數(shù)字化模型等，這些圖和模型與數(shù)據(jù)庫結(jié)合，結(jié)構(gòu)化表達(dá)設(shè)計信息，支持設(shè)計人員并行協(xié)同及數(shù)字樣機的再利用。

（6）電子系統(tǒng)數(shù)字化模型，電子系統(tǒng)是由相互作用的基本電路和元器件構(gòu)成的能夠完成特定信息處理功能的電路整體，電子系統(tǒng)數(shù)字化模型的主要內(nèi)容是電路的數(shù)字化表達(dá)。

（7）軟件開發(fā)MBD（Model Based Design）模型，復(fù)雜裝備的信息與控制系統(tǒng)由嵌入式軟件、硬件、被控對象、伺服機構(gòu)等組成，采用基于模型的設(shè)計（MBD，Model Based Design）方法開發(fā)信息與控制系統(tǒng)軟件是提升設(shè)計效率的重要途徑。

MBD的核心過程包括可視化建模、模型自動生成代碼和持續(xù)驗證（模型與代碼結(jié)構(gòu)一致性驗證、模型與目標(biāo)碼功能一致性驗證等），實現(xiàn)MBD的關(guān)鍵是企業(yè)統(tǒng)一構(gòu)建模型庫、建模模板、建模規(guī)范、代碼生成模板、代碼和模型一致性檢查工具等。軟件開發(fā)MBD（Model Based Design）模型包括架構(gòu)模型、控制器模型、被控對象模型、信息處理模型、伺服系統(tǒng)模型、執(zhí)行機構(gòu)模型等。

（8）單學(xué)科及多學(xué)科仿真模型，仿真是基于模型的各種活動，即對系統(tǒng)行為的模擬，仿真建模主要目的是預(yù)測性能并優(yōu)化設(shè)計。仿真包括單學(xué)科仿真和多學(xué)科仿真。單學(xué)科仿真模型，如結(jié)構(gòu)強度仿真分析模型、疲勞壽命分析模型、流場的流體力學(xué)分析模型（液壓、液力等）、多體動力學(xué)分析模型、熱管理分析模型、電磁兼容分析模型、NVH性能分析模型等。多學(xué)科聯(lián)合仿真一般是通過直接解析不同模型的輸入和輸出文件進行聯(lián)合仿真，或者基于歐洲Modelisar協(xié)會的FMI標(biāo)準(zhǔn)開展聯(lián)合仿真[5]。

（9）服務(wù)保障模型，售后服務(wù)保障模型包括IETM中指導(dǎo)用戶使用的各類模型、基于虛擬現(xiàn)實應(yīng)用技術(shù)的虛擬維修模型、面向健康管理的數(shù)字孿生模型、面向故障預(yù)測的數(shù)字孿生模型等，可服務(wù)于產(chǎn)品交付后的使用與維護、健康管理、故障維修等。

（10）產(chǎn)品XBOM，BOM（Bill of Materials）即物料清單，描述產(chǎn)品組成關(guān)系及各部分配套數(shù)量及設(shè)計、工藝、制造、維護等屬性信息。產(chǎn)品XBOM包括設(shè)計BOM、工藝BOM、制造BOM、實做BOM（一種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，記錄產(chǎn)品剛制成時的信息，包括與設(shè)計的差異、序列號、批次號、生產(chǎn)日期等）、維護BOM（一種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，隨時間演變，記錄產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在試用、維修、維護、大修過程中的變化，包括替換的物料、故障、零部件壽命等）等。利用XBOM組織管理各類模型和數(shù)據(jù)，包括設(shè)計、仿真、工藝、試制、試驗、維護的模型和數(shù)據(jù)。

（11）產(chǎn)品運行大數(shù)據(jù)分析模型，產(chǎn)品交付用戶使用后會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，包括產(chǎn)品運行狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)等，基于這些數(shù)據(jù)可以構(gòu)建面向設(shè)計優(yōu)化的運行大數(shù)據(jù)分析模型、面向健康管理的運行大數(shù)據(jù)分析模型和面向故障預(yù)測的運行大數(shù)據(jù)分析模型等等。

3 復(fù)雜裝備全壽命周期模型體系

體系是指一定范圍內(nèi)或同類事物按照一定的秩序和內(nèi)部聯(lián)系組合而成的整體，是不同系統(tǒng)組成的系統(tǒng)。復(fù)雜裝備全壽命周期模型體系是將復(fù)雜裝備全壽命周期所有模型組織在一起的一個整體。表1是對復(fù)雜裝備全壽命周期模型體系的說明。

表1 復(fù)雜裝備全壽命周期模型體系說明

各類模型的信息交換可以通過三種模式：

1）讀取數(shù)據(jù)庫表的方式；

2）讀取中間文件的方式；

3）基于FMI（Functional Mockup Interface）標(biāo)準(zhǔn)生成FMU（Functional Mockup Unit，基于FMI標(biāo)準(zhǔn)封裝的仿真模型）的方式。支持FMI標(biāo)準(zhǔn)的仿真軟件，可以開展多專業(yè)聯(lián)合仿真。

4 復(fù)雜裝備全壽命周期模型體系的IT架構(gòu)

為保證復(fù)雜裝備全壽命周期模型體系的有效運行，需要暢通的網(wǎng)絡(luò)、充足的存儲、足夠的CUP算力和GPU算力的支撐。圖2是支撐復(fù)雜裝備全壽命周期模型體系運行的IT架構(gòu)，包括網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、虛擬機、云管理平臺、基礎(chǔ)軟件系統(tǒng)和模型體系工具鏈等共7層。

圖2 復(fù)雜裝備全壽命周期模型體系的IT架構(gòu)

1）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。包括企業(yè)局域網(wǎng)、與企業(yè)上下游互聯(lián)的廣域網(wǎng)、生產(chǎn)設(shè)備互聯(lián)網(wǎng)、試驗設(shè)備互聯(lián)網(wǎng)、產(chǎn)品互聯(lián)網(wǎng)等，為數(shù)據(jù)收集與流轉(zhuǎn)、基于模型的仿真計算提供網(wǎng)絡(luò)通道。

2）計算機系統(tǒng)。包括提供CPU算力的服務(wù)器、提供GPU算力的服務(wù)器、存儲、高性能計算系統(tǒng)、PC單機等，為基于模型的仿真計算提供算力支撐。

3）操作系統(tǒng)。如，Linux、Unix、Windows等。

4）虛擬機。通過利用虛擬化軟件配置虛擬機，實現(xiàn)操作系統(tǒng)級資源隔離，可以管理百臺規(guī)模的物理機，解決了物理機的時間靈活性及空間靈活性問題。

5）云管理平臺。當(dāng)物理機的規(guī)模成千上萬時，人工配置虛擬機效率太低，這時需要建立云管理平臺，更好地管理虛擬機，實現(xiàn)自動調(diào)度虛擬機。

6）基礎(chǔ)軟件系統(tǒng)。包括管理結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，管理大數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)平臺，支持SOA架構(gòu)整合新舊各種系統(tǒng)的企業(yè)服務(wù)總線（ESB），方便系統(tǒng)整體打包遷移的容器等。

7）模型體系工具鏈。上6層都是為了支撐復(fù)雜模型體系工具鏈的有效運轉(zhuǎn)。下表是某企業(yè)的模型體系工具鏈。

表2 某企業(yè)的模型體系運行工具鏈

5 結(jié)語

本文將復(fù)雜裝備全壽命周期業(yè)務(wù)活動劃分為研發(fā)活動、研發(fā)管理、售后服務(wù)保障、產(chǎn)品數(shù)據(jù)和模型管理、運行大數(shù)據(jù)分析等5類，以此為基礎(chǔ)提出了復(fù)雜裝備全壽命周期模型體系由11類模型構(gòu)成，并總結(jié)了11類模型的輸入輸出關(guān)系及模型間的信息交互模式，結(jié)合最新的IT技術(shù)，給出了復(fù)雜裝備全壽命周期模型體系的7層IT架構(gòu)以及某企業(yè)的模型體系運行工具鏈實例。本文提出的復(fù)雜裝備全壽命周期模型體系及IT架構(gòu)，具有適用性強、可操作性高的優(yōu)點，對于指導(dǎo)復(fù)雜裝備研發(fā)機構(gòu)推進基于模型的研發(fā)與保障模式具有重要參考意義。