航天器接口數(shù)據(jù)單映射建模與仿真研究

劉 潺，陳立平，史世杰，蔣興沛，吳義忠

（1.華中科技大學 機械科學與工程學院，湖北 武漢 430074；2.蘇州同元軟控信息技術有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引 言

在航天器工程中，數(shù)據(jù)接口的管理是一項十分復雜且重要的工作。航天器系統(tǒng)中往往擁有上百個設備，并且設備之間的接口涉及到機、電、熱等多個領域。各接口之間的相容協(xié)調(diào)工作，是航天器任務順利執(zhí)行的基礎保障。接口數(shù)據(jù)單（Interface Data Sheet，IDS）是航天器總體，以及各分系統(tǒng)，設備之間接口協(xié)調(diào)的載體和依據(jù)，能夠以表格化的形式記錄各個設備的物理屬性。文獻[2]從航天器設備接口數(shù)據(jù)安全性出發(fā)，對IDS系統(tǒng)業(yè)務流程與數(shù)據(jù)安全方面的不足進行分析，提升了設備接口數(shù)據(jù)管理的安全性。文獻[3]為了使IDS系統(tǒng)能夠滿足越來越復雜的參數(shù)采集、處理需求，在IDS系統(tǒng)中引入插件管理機制，增加了IDS系統(tǒng)的靈活性。隨著航天器系統(tǒng)工程復雜度的提高，IDS提供了接口數(shù)據(jù)的信息化、數(shù)字化管理功能，已經(jīng)在許多型號的設計、生產(chǎn)、驗證中得到了廣泛應用。

而目前國內(nèi)針對航天器供配電系統(tǒng)的設計驗證，通常是靠工程師依據(jù)IDS中的設備信息和接點分配關系，對各設備進行手工建模，然后集成各模型，進行系統(tǒng)級仿真驗證，隨著系統(tǒng)規(guī)模和復雜度的提高，設計工作量變大，且易于出錯。而隨著基于模型的系統(tǒng)工程（Model Based System Engineering，MBSE）思 想的提出，將計算機可以理解與執(zhí)行的模型作為系統(tǒng)研制基礎，通過模型貫穿型號研制的全生命周期，能夠方便地對系統(tǒng)進行設計、分析、優(yōu)化、驗證，近些年來已經(jīng)得到了國內(nèi)外的廣泛關注。

因此本文以某型號航天器供配電系統(tǒng)為研究對象，基于IDS接口數(shù)據(jù)單，提取設備電氣特性參數(shù)，分析設備間電氣傳輸路徑，并基于多領域統(tǒng)一建模語言Modelica，實現(xiàn)航天器IDS接口數(shù)據(jù)單到供配電系統(tǒng)仿真框架的自動生成轉(zhuǎn)化，能夠有效減少工作量，避免人為引入誤差，提高仿真驗證效率，具有實際工程應用價值。

1 基于接口數(shù)據(jù)單的映射建模仿真系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)基本組成與功能

電氣系統(tǒng)的仿真驗證是航天器順利運行，完成任務的基礎保障。供配電系統(tǒng)為在軌運行的航天器提供了能源供應，是設計的重中之重。而隨著航天器任務和型號的復雜多樣化，針對具體某一單一型號的設計模式已經(jīng)難以滿足工程設計需求。自動化生成模型，基礎模型的復用、擴展能夠大大減少開發(fā)設計工作，提升研發(fā)效率。通過航天器接口數(shù)據(jù)單映射建模仿真系統(tǒng)，能夠方便、快速地對不同型號的供配電系統(tǒng)進行建模仿真，并且基于生成的系統(tǒng)仿真模型框架，能夠?qū)δＰ偷膮?shù)、方程進行完善調(diào)整，對系統(tǒng)模型采用不同的仿真求解算法，進行快速設計驗證。

基于接口數(shù)據(jù)單的映射建模仿真系統(tǒng)由Modelica基礎模型庫和IDS信息提取映射生成模塊組成。系統(tǒng)工作時通過分析IDS中的數(shù)據(jù)，提取電氣對象組織關系、設備節(jié)點連接關系、電氣特性參數(shù)，并基于由多領域統(tǒng)一建模與仿真語言Modelica搭建的基礎模型庫，依據(jù)IDS與基礎模型之間的映射轉(zhuǎn)換關系，將接口數(shù)據(jù)單中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為航天器供配電系統(tǒng)模型仿真框架，其具體轉(zhuǎn)換流程示意圖如圖1所示。系統(tǒng)生成的Modelica仿真模型框架，包含了對系統(tǒng)中參數(shù)和對象的聲明，以及各個設備之間的連接關系。

圖1 基于IDS自動生成仿真模型框架的流程示意圖

1.2 基于Modelica的供配電通用模型庫

為了實現(xiàn)模型的重用與擴展，需要以層次化、結構化的思想對模型進行組織。按照自底向上的思路，可將航天器供配電系統(tǒng)中的電氣模型劃分為基礎模型庫、通用模型庫和型號模型庫，供配電系統(tǒng)模型組織結構如圖2所示。

圖2 供配電系統(tǒng)模型組織結構

1）基礎模型庫主要包含電學基礎仿真單元，包括門電路、電容、電阻、電感、二極管等數(shù)字電路或模擬電路元器件，是電學仿真的基礎。

2）通用模型庫通過基礎模型庫中的模型搭建集成，是對電氣設備中共有特性的模型描述。包括了各種接口、導線等。在供配電系統(tǒng)中，可包含各種通用的負載模型、接口電路、供電模型、配電模型等。各設備模型只描述設備的通用屬性和行為，并不涉及具體型號信息。

3）型號模型庫是對通用模型庫的進一步集成、特化，包含了具體任務型號的信息，是直接用于構建具體任務型號的仿真模型。

而在基于接口數(shù)據(jù)單的映射建模仿真系統(tǒng)中，采用Modelica語言對航天器供配電系統(tǒng)的通用模型庫進行描述，對于不同任務型號的系統(tǒng)，可通過Modelica模型的復用與擴展機制，快速實現(xiàn)系統(tǒng)的映射模型構建。Modelica是一門專門為多領域統(tǒng)一建模仿真而設計的語言，具有陳述式、非因果、面向?qū)ο蟮忍攸c，已經(jīng)在航空、航天、車輛、船舶等領域得到了廣泛的應用。對于設備之間不同領域特性的描述問題，采用Modelica語言可以進行統(tǒng)一描述，無需跨平臺聯(lián)合仿真。并且在用于不同型號時，可以基于Modelica語言的繼承、重聲明等特性，方便地實現(xiàn)模型的復用和擴展。

2 Modelica仿真框架生成關鍵技術

2.1 接口數(shù)據(jù)單與Modelica語言相互映射協(xié)議

基于接口數(shù)據(jù)單的供配電系統(tǒng)映射建模的關鍵在于確定IDS數(shù)據(jù)與Modelica語言模型之間的映射規(guī)則。IDS記錄了航天設備多個專業(yè)的表單數(shù)據(jù)信息。對于供配電系統(tǒng)而言，IDS中包括了從分系統(tǒng)、設備、電連接器到接點的各電氣對象組織關系，規(guī)定了設備所屬的系統(tǒng)和艙段信息，電連接器與連接接點的所屬關系。并且通過電源表單，對各設備的電源屬性、工作模式、功耗大小、工作電壓進行了規(guī)定。通過電連接器表單，規(guī)定了各設備上所屬的電連接器代號，電連接管腳類型（針孔）等電連接器信息。而電連接器節(jié)點分配表單則規(guī)定了電連接器中接點號、接點流向、信號類型、信號名稱等接點信息。而Modelica是一門多領域統(tǒng)一建模與仿真語言，以類和對象的方式組織模型行為，封裝模型數(shù)據(jù)。IDS中電氣特性參數(shù)與Modelica模型之間對應關系可按如下幾點確定。

1）對于航天接口數(shù)據(jù)單中的設備、電連接器等電氣對象及其組織關系，由Modelica面向?qū)ο蟮慕C制實現(xiàn)，以Modelica封裝類對象一一對應；

2）對于航天接口數(shù)據(jù)單中航天器各分系統(tǒng)，采用Modelica包結構（Package）對分系統(tǒng)中的設備進行組織管理；

3）對于航天接口數(shù)據(jù)單中各電氣對象之間的連接關系，采用Modelica中的connect方程連接機制對應；

4）對于航天接口數(shù)據(jù)單中各電氣對象的電阻、電壓、電流流向、功耗等電氣特性參數(shù)，采用Modelica語言中的相關parameter參量對應實現(xiàn)。

IDS接口數(shù)據(jù)單電氣組織結構到Modelica模型的映射關系如圖3所示。

圖3 IDS接口數(shù)據(jù)單電氣組織結構到Modelica模型的映射關系

2.2 仿真框架生成算法實現(xiàn)

依據(jù)IDS接口數(shù)據(jù)單與Modelica模型之間規(guī)定的映射關系，對仿真框架生成算法展開實現(xiàn)，以完成設備拓撲連接關系到供配電系統(tǒng)仿真框架的自動轉(zhuǎn)換。

首先構建供配電基礎模型庫，包括封裝電連接器類型、電阻類型、環(huán)境工況類型、控制開關類型等基礎類型模型，作為生成封裝類模型可調(diào)用的基礎類庫?；贗DS接口數(shù)據(jù)單轉(zhuǎn)換為供配電系統(tǒng)仿真模型框架的具體流程，如圖4所示。

圖4 接口數(shù)據(jù)單轉(zhuǎn)換為供配電系統(tǒng)仿真模型框架流程圖

1）將航天接口數(shù)據(jù)單作為轉(zhuǎn)換處理的原始輸入數(shù)據(jù)；

2）依次遍歷接口數(shù)據(jù)單文件，并判斷接口數(shù)據(jù)單是否遍歷完成，如果未完成則作為當前處理接口數(shù)據(jù)單進入下一步，否則轉(zhuǎn)入步驟7）；

3）從當前處理的航天接口數(shù)據(jù)單中提取出電氣對象信息（分系統(tǒng)、設備、電連接器等電氣對象的組織關系以及電氣特性參數(shù)等數(shù)據(jù)信息）；

4）檢索判斷模型庫的層次結構中是否存在與當前接口數(shù)據(jù)單對應的Modelica封裝類，如果不存在則轉(zhuǎn)入下一步，否則轉(zhuǎn)入步驟6）；

5）在模型庫相應層級中建立當前接口數(shù)據(jù)單對應的Modelica封裝類型，并根據(jù)2.1節(jié)中定義的映射協(xié)議，依次對電器特性參數(shù)、對外接口連接、方程框架等進行聲明；

6）在模型庫中調(diào)用封裝類型，在供配電系統(tǒng)模型框架中聲明此類型的對象實例，完成后轉(zhuǎn)入步驟2）；

7）提取IDS接口數(shù)據(jù)單中航天電連接器接點分配信息，包含接點與接點的連接關系、信號類型、線型、用線要求、電流、電壓等，轉(zhuǎn)入下一步。

8）依次遍歷接點分配關系，判斷接點分配關系是否遍歷完成，如果未完成則作為當前接點分配關系轉(zhuǎn)入下一步，否則轉(zhuǎn)入步驟10）；

9）根據(jù)接點分配關系信息，在供配電系統(tǒng)模型框架中聲明相應對象實例連接方程，完成后進入步驟8）；

10）在供配電系統(tǒng)模型框架中聲明外部輸出參數(shù)，包含母線電壓、母線電流、總負載功率、蓄電池荷電狀態(tài)等；

11）聲明系統(tǒng)模型環(huán)境參數(shù)，包含光照強度、軌道周期、太陽角等，至此供配電系統(tǒng)仿真模型框架生成完畢。

3 供配電系統(tǒng)映射建模仿真應用實例

通過前文的分析，對基于接口數(shù)據(jù)單的映射建模仿真系統(tǒng)進行了實現(xiàn)，并成功應用于某型號的航天器供配電系統(tǒng)的研制設計中。系統(tǒng)能夠自動提取IDS中的設備參數(shù)和連接信息，依據(jù)IDS與Modelica語言映射規(guī)則，映射生成供配電系統(tǒng)的Modelica模型仿真框架，并提供基礎的模型調(diào)試與仿真求解環(huán)境，提高了系統(tǒng)設計的效率。

圖5展示了接口數(shù)據(jù)單與Modelica模型的關系映射窗口，其包含了設備模型生成、刪除、調(diào)試、映射關系的添加與刪除，系統(tǒng)模型的生成與調(diào)試等功能，并給出了實際設備列表、模型列表以及設備與模型的映射連線關系。其中關系映射表中能夠展示設備的名稱、代號以及與之對應的模型名稱。接口映射表中顯示了各個設備相應的接點與信號信息，并且可以通過設備參數(shù)列表對電氣參數(shù)進行修改。

圖5 接口數(shù)據(jù)單與Modelica模型關系映射

通過生成模型功能可得到某航天器供配電系統(tǒng)模型，如圖6所示。系統(tǒng)模型包含了IDS接口信息單中各分系統(tǒng)、設備布局、電連接器間的拓撲結構，以及各設備的電氣特性參數(shù)。并且可以對映射模型中的模型源碼、參數(shù)、方程、算法進行完善調(diào)整，以更好地實現(xiàn)系統(tǒng)模型效果。

圖6 航天器供配電系統(tǒng)映射模型

圖7展示了在各負載設備總功率變化的情況下，蓄電池組荷電狀態(tài)的變化情況，可以看出供配電系統(tǒng)工作正常，能夠滿足各負載設備的工作需要。

圖7 系統(tǒng)仿真結果

4 結 語

本文基于航天接口數(shù)據(jù)單IDS與多領域統(tǒng)一建模語言Modelica，對航天器供配電系統(tǒng)映射建模仿真問題進行了研究，探討了IDS與Modelica模型之間的映射機制與算法實現(xiàn)，并在實際工程中驗證了生成模型的有效性與正確性?；诮涌跀?shù)據(jù)單的供配電系統(tǒng)映射建模與仿真系統(tǒng)，能夠提取接口數(shù)據(jù)單IDS中有效的電氣特性參數(shù)與設備間的連接關系，并基于多領域統(tǒng)一建模與仿真語言Modelica，自動生成系統(tǒng)的仿真模型框架，能夠方便快速地對不同型號系統(tǒng)展開仿真驗證，具有重要的工程價值與意義。