王小軍
(中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院,北京,100076)
中國航天事業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展機(jī)制、發(fā)展模式隨著航天重大工程的持續(xù)推進(jìn)不斷豐富健全完善。錢學(xué)森[1]的中國航天系統(tǒng)工程思想融合了控制論、系統(tǒng)論和方法論,并隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步提出了大成智慧工程的思想:“首先,將計算機(jī)信息技術(shù)作為核心,與人的思想相結(jié)合,對事情做出正確且科學(xué)精準(zhǔn)的判斷;其次,根據(jù)所得經(jīng)驗開展系統(tǒng)的模擬實驗,經(jīng)過多次實驗形成進(jìn)一步的判斷,總結(jié)其經(jīng)驗規(guī)律;最后,在實踐中不斷檢驗對復(fù)雜系統(tǒng)的認(rèn)識,通過激發(fā)大家思想、集智慧之大成,從整體上找出解決問題根本的辦法?!边@種思想從理論高度指明了數(shù)字信息技術(shù)與系統(tǒng)工程相結(jié)合的根本方向。
當(dāng)前世界新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命深入發(fā)展,世界各國競相利用數(shù)字化技術(shù)推進(jìn)裝備建設(shè)轉(zhuǎn)型,提升系統(tǒng)工程能力,加速搶占數(shù)字變革的主動權(quán)。美國發(fā)布“數(shù)字工程”、“數(shù)字化百系列”計劃,聚焦構(gòu)造裝備開放式架構(gòu)和敏捷開發(fā)模式,通過高精度模型在數(shù)字空間進(jìn)行簇式大規(guī)模迭代,大幅度壓縮研制周期,進(jìn)一步鞏固其裝備研制能力體系優(yōu)勢。
中國很早就認(rèn)識到數(shù)字工程是未來復(fù)雜系統(tǒng)研制模式升級換代的重要方向。近年來,圍繞數(shù)字樣機(jī)工程的協(xié)同設(shè)計、樣機(jī)構(gòu)建、技術(shù)管理等方面開展了大量的實踐工作[2],同時結(jié)合基于模型的系統(tǒng)工程(Model-Based Systems Engineering,MBSE),在基于模型的需求分析、系統(tǒng)設(shè)計和仿真驗證開展了深入研究,也為后續(xù)推廣應(yīng)用打下了較好的技術(shù)基礎(chǔ)。
本文從系統(tǒng)工程的本質(zhì)問題出發(fā),分析了當(dāng)前基于模型的系統(tǒng)工程在推進(jìn)中所面臨的問題,提出了基于樣機(jī)與模型的系統(tǒng)工程方法,通過整合多領(lǐng)域建模語言和對象模型建模語言,實現(xiàn)統(tǒng)一建模與集成驗證的應(yīng)用,基于統(tǒng)一建模語言Modelica開展多專業(yè)耦合仿真,通過模型適配器開展基于樣機(jī)的集成與驗證,推進(jìn)系統(tǒng)工程在虛擬設(shè)計與仿真驗證的實踐應(yīng)用。
“系統(tǒng)工程”是組織管理“系統(tǒng)”的規(guī)劃、研究、設(shè)計、制造、試驗和使用的科學(xué)方法[3]。系統(tǒng)工程的核心問題是工程師群體通過思考與實踐,構(gòu)建針對工程對象的集體認(rèn)知,并基于這種認(rèn)知在客觀世界實現(xiàn)工程對象,即認(rèn)識世界、改造世界的過程。
系統(tǒng)工程認(rèn)知包括工程對象的狀態(tài)、行為、使用模式、可靠性等一系列非常廣泛的信息,然后通過實踐不斷進(jìn)行校正和接近客觀實際。不同的觀察者對客觀存在的工程對象進(jìn)行觀測時,可以獲得不同的現(xiàn)象,這些現(xiàn)象在本質(zhì)上必然能夠歸納得到共同的特征,這是我們能夠獲得共同認(rèn)知的基礎(chǔ)。
系統(tǒng)工程構(gòu)建認(rèn)知的信息載體是一系列基于自然語言的文檔,比如用戶的需求、設(shè)計方案等。在這種模式下,信息集成工作費(fèi)時費(fèi)力且容易出錯。隨著互聯(lián)網(wǎng)革命造成的計算機(jī)技術(shù)普及,在市場的牽引下,信息技術(shù)按照摩爾定律指數(shù)發(fā)展,國際系統(tǒng)工程學(xué)會(INCOSE)在《系統(tǒng)工程2020年愿景》中,正式提出了MBSE的定義,把MBSE作為建模方法的形式化應(yīng)用,支持系統(tǒng)需求、設(shè)計、分析、驗證和確認(rèn)等活動。相對于傳統(tǒng)基于文檔的系統(tǒng)設(shè)計,MBSE用數(shù)字化建模代替寫文檔進(jìn)行系統(tǒng)方案設(shè)計,把設(shè)計文檔中描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、性能、規(guī)格需求的名詞、動詞、形容詞、參數(shù)全部轉(zhuǎn)化為數(shù)字化模型表達(dá)。因此數(shù)字工程成為一種系統(tǒng)工程集成的數(shù)字化方法,使用系統(tǒng)的權(quán)威模型源和數(shù)據(jù)源,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。逐步形成了一種以MBSE思想為基礎(chǔ)的系統(tǒng)工程數(shù)字化趨勢。
MBSE工程師在實踐遇到了一系列生產(chǎn)力和生產(chǎn)關(guān)系障礙,其原因復(fù)雜而深刻。
a)系統(tǒng)建模是一個認(rèn)識不斷迭代的過程。
著名物理學(xué)家楊振寧先生曾經(jīng)將經(jīng)典力學(xué)的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展過程總結(jié)為試驗、唯象定律、理論架構(gòu)和微分方程4個階段。人類研究工程對象并形成知識的思維過程可以概括為4個階段:
第1階段,發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象,即通過客觀對象獲得信息。
第2階段,歸納規(guī)律,把現(xiàn)象歸納起來形成規(guī)律,即唯象定律,例如相關(guān)性關(guān)系和工程經(jīng)驗。
第3階段,構(gòu)建模型,把唯象定律進(jìn)行抽象歸納,形成一個閉環(huán)自洽的規(guī)律體系。
第4階段,實踐校正,對基于固化規(guī)律體系形成的數(shù)學(xué)模型,開展演繹分析和結(jié)果預(yù)測;并通過試驗數(shù)據(jù)結(jié)果對模型進(jìn)行校正完善。
這4個階段是循序漸進(jìn)、迭代提升的過程。
因此,構(gòu)建的模型經(jīng)過不斷迭代演化,形成一個與實物產(chǎn)品一致且經(jīng)過系統(tǒng)工程驗證的權(quán)威化數(shù)字模型。而在開展系統(tǒng)驗證的實際工作中,由于認(rèn)知的不完善,在建模的過程中經(jīng)常會把其他系統(tǒng)的歷史經(jīng)驗補(bǔ)充進(jìn)當(dāng)前的規(guī)律體系中,人為引入了影響模型自洽和工程創(chuàng)新的因素。這些不完善的認(rèn)知固化在模型的代碼中,會在系統(tǒng)工程全生命周期產(chǎn)生負(fù)面影響。
b)系統(tǒng)建模與驗證的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化程度不足。
MBSE方法能夠發(fā)揮系統(tǒng)性優(yōu)勢和效果的前提是,要將MBSE涉及的系統(tǒng)工程規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)平臺、工具和人員等要素集成為相互連通、邏輯閉合的整體,但這也是推廣實施MBSE過程中的問題和難點(diǎn),系統(tǒng)工程標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化的不足是制約MBSE實施的重要瓶頸。
復(fù)雜系統(tǒng)的研制涉及到的研發(fā)機(jī)構(gòu)眾多,如果使用MBSE技術(shù)支持全流程、全要素、全周期的統(tǒng)一表達(dá),需要將各個部門的所有設(shè)計信息進(jìn)行統(tǒng)一,并對所有的設(shè)計人員進(jìn)行大規(guī)模培訓(xùn)。目前可查閱的MBSE案例絕大多數(shù)是在某些產(chǎn)品、某些專業(yè)、某些階段上的單點(diǎn)式應(yīng)用,很難見到關(guān)于MBSE方法在整個項目、全專業(yè)范圍、全生命周期的完整應(yīng)用,現(xiàn)有案例尚無法具象化呈現(xiàn)全流程MBSE綜合優(yōu)勢。
c)缺乏一套覆蓋全部工程學(xué)科建模技術(shù)體系。
復(fù)雜系統(tǒng)的多領(lǐng)域多專業(yè)缺乏統(tǒng)一的模型設(shè)計語言和具備互操作能力的平臺。系統(tǒng)工程中的模型成為了相互之間難以聯(lián)通的“模型孤島”,不同學(xué)科之間的模型交互需要大量輔助工作。在建模語言方面,CAD、CAE、SYSML等建模語言之間缺乏統(tǒng)一的語義和語 境[4]。在建模范式方面,存在基于幾何特征、基于微分方程、基于系統(tǒng)關(guān)系等多種建模范式,對模型本身狀態(tài)和交互的描述方式不具備互操作性。同時不同的建模軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)差異極大,相互轉(zhuǎn)換受到數(shù)據(jù)解析、知識產(chǎn)權(quán)、數(shù)據(jù)表示方式等多種差異的阻礙,模型之間難以集成為完整的系統(tǒng)。
發(fā)達(dá)國家具有大型工業(yè)軟件的技術(shù)優(yōu)勢[5],因此可以通過MBSE工具與CAD、CAE等專業(yè)工具進(jìn)行深度集成,解決工具之間數(shù)據(jù)交換通暢性和一致性問題。中國正在加強(qiáng)復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字化總體框架研究、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定以及工業(yè)軟件自主可控等的工作,通過規(guī)范工程建模技術(shù)體系,加強(qiáng)工業(yè)基礎(chǔ)軟件研究投入,制定統(tǒng)一的建模、接口開發(fā)、模型集成和應(yīng)用規(guī)范,明確模型的種類、逼真度和使用場景等具體要求,為復(fù)雜系統(tǒng)全壽命周期各階段推行數(shù)字工程奠定基礎(chǔ)。
樣機(jī)是客觀存在的系統(tǒng)工程對象,它只能通過現(xiàn)象被人類所認(rèn)知,而人類對客觀存在的認(rèn)知是不完備的。模型是人類認(rèn)知的系統(tǒng)工程對象,由工程人員對現(xiàn)象進(jìn)行歸納總結(jié)、實踐檢驗而形成。當(dāng)前部分學(xué)科的數(shù)字化模型具有足夠高的置信度,其模型水平足以作為系統(tǒng)工程認(rèn)知的載體。但對于一些耦合性強(qiáng)的工程領(lǐng)域,其數(shù)字化模型不能包含足夠充分的信息,不足以作為系統(tǒng)工程認(rèn)知的載體,樣機(jī)就是傳遞工程共識的關(guān)鍵手段。比如伺服系統(tǒng)樣機(jī)除了幾何信息之外,還包含機(jī)電液熱等其他工程信息,這些信息可以通過相應(yīng)的觀測手段從樣機(jī)中提取出來,使工程師獲得共同的工程認(rèn)知。因此在系統(tǒng)工程中充分利用樣機(jī),對樣機(jī)測量結(jié)果進(jìn)行數(shù)字化封裝,補(bǔ)充模型描述中不完備不準(zhǔn)確的內(nèi)容,是構(gòu)建完備共同認(rèn)知的一個重要途徑。
樣機(jī)與模型的系統(tǒng)工程根本目標(biāo)是尋求一種技術(shù)途徑,使研制全生命周期產(chǎn)生的樣機(jī)與模型具有跨階段、跨虛實的集成、演繹、驗證的能力,同時樣機(jī)與模型需要集成為一個完整系統(tǒng),以支撐開展演繹分析。對于原本就在設(shè)計過程中完成了模型化過程的工程步驟,可以沿用其設(shè)計模型成果;對于難以形成模型的工程步驟,跳過建模過程直接使用封裝后的樣機(jī)。樣機(jī)與模型系統(tǒng)工程方法要符合系統(tǒng)工程過程的認(rèn)知規(guī)律,從模糊到清晰、從未知到已知、從具象到抽象、從試錯到推理,需要適應(yīng)認(rèn)知水平的提升過程,要使樣機(jī)對象的粒度具備逐步深化并且全生命周期可用的能力。
樣機(jī)與模型分別是客觀存在的工程對象和人類認(rèn)識的工程對象??陀^存在的樣機(jī)基于其自身的實物形態(tài)與其它樣機(jī)和自然環(huán)境實現(xiàn)相互作用;模型通過數(shù)字虛擬化的方式與其它模型及虛擬環(huán)境實現(xiàn)相互作用。為在樣機(jī)和模型之間建立互操作,需要一個能夠?qū)訖C(jī)進(jìn)行數(shù)字化封裝的基本技術(shù)架構(gòu),如圖1所示。
圖1 樣機(jī)與模型的雙向回路 Fig.1 Bidirectional Mapping of Model and Prototype
按照現(xiàn)代基礎(chǔ)物理理論,物體的狀態(tài)決定其產(chǎn)生的場,場決定物體狀態(tài)的動力學(xué)演化。為了描述一個系統(tǒng)的動力學(xué)過程需要定義其狀態(tài)和相互作用。模型通過交互仿真計算得到其產(chǎn)生的相互作用,相互作用通過環(huán)境模擬施加于樣機(jī),樣機(jī)通過試驗運(yùn)行在模擬相互作用的環(huán)境中運(yùn)行,其運(yùn)行狀態(tài)通過觀測轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)并作用于模型。
在數(shù)字化集成互操作環(huán)境下,可以采用對象模型對各類樣機(jī)、數(shù)據(jù)和模型進(jìn)行封裝。使用“虛擬交互對象(Virtual Interaction Object,VIO)”描述系統(tǒng)對象的全部狀態(tài)參量,用“方法(Method)”描述系統(tǒng)之間的演化過程和交互行為的參量映射關(guān)系。
全周期全要素演進(jìn)框架為系統(tǒng)模型提供統(tǒng)一的建模范式、建模語言、建模工具體系,以便確保全生命周期的模型具有足夠的繼承性和互操作性。其系統(tǒng)模型按照研制歷程可以分為數(shù)字草圖、數(shù)字性能樣機(jī)、數(shù)字結(jié)構(gòu)樣機(jī)、虛實融合樣機(jī)和數(shù)字交付樣機(jī)等幾個狀態(tài),如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)樣機(jī)與模型演進(jìn)框架 Fig.2 System Model and Prototype Evolution Framework
數(shù)字草圖是系統(tǒng)工程的起點(diǎn),可以來源于一個復(fù)雜系統(tǒng)的概念或想法。開展基于模型使命分析與運(yùn)用構(gòu)想設(shè)計,支撐基于模型的采辦模式。更進(jìn)一步,數(shù)字草圖要具備復(fù)雜系統(tǒng)的初始完備性,可以支撐性能指標(biāo)分析、體系貢獻(xiàn)度分析,完成系統(tǒng)方案優(yōu)選與優(yōu)化等,初步具備支撐方案競爭擇優(yōu)能力。
數(shù)字性能樣機(jī)重點(diǎn)表達(dá)完備的系統(tǒng)功能與性能要素,開展部分關(guān)鍵技術(shù)驗證試驗,支撐在數(shù)字域開展總體/分系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計與性能仿真驗證,具備初步的數(shù)字化交付能力。
數(shù)字結(jié)構(gòu)樣機(jī)表達(dá)產(chǎn)品的實際模型,包括基于制造BOM的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝仿真、數(shù)字化制造,支撐開展大型結(jié)構(gòu)力學(xué)環(huán)境仿真試驗。
虛實融合樣機(jī)包含產(chǎn)品經(jīng)過校驗的功能、性能、結(jié)構(gòu)等權(quán)威數(shù)據(jù)與模型,其系統(tǒng)的全部設(shè)計通過驗證確認(rèn),具備提交用戶檢驗的條件。
數(shù)字交付樣機(jī)是在虛實融合樣機(jī)的基礎(chǔ)上,增加數(shù)字履歷要素,采集實時狀態(tài)信息,實施“實裝—虛裝”狀態(tài)映射與標(biāo)定,構(gòu)造數(shù)字孿生體,支撐交付后的試驗鑒定、健康管理、維護(hù)保障、改進(jìn)升級等。
航天裝備建模語言通過規(guī)范基礎(chǔ)語義架構(gòu),整合多領(lǐng)域建模語言和對象建模語言,實現(xiàn)統(tǒng)一建模與集成應(yīng)用,如圖3所示。
圖3 航天裝備建模語言 Fig.3 Aerospace Modeling Language
針對領(lǐng)域統(tǒng)一建模語言特性,設(shè)計統(tǒng)一的形式化表征,使得能夠在統(tǒng)一環(huán)境中建立科學(xué)計算編程、框圖式數(shù)學(xué)建模、狀態(tài)機(jī)建模、連接圖物理建模等多范式計算模型,如圖4所示;為領(lǐng)域統(tǒng)一建模語言定義精確的詞法、語法和語義,將以Modelica語言在機(jī)電液熱等物理域的建模表達(dá)為基礎(chǔ),引入Julia對Modelica技術(shù)體系進(jìn)行拓展,形成強(qiáng)大的函數(shù)、算法等信息域建模能力,并實現(xiàn)兩者的無縫融合。Julia以及Modelica實現(xiàn)從對工程應(yīng)用軟件API調(diào)用、多粒度數(shù)學(xué)建模、語言編制規(guī)范等的無縫融合,支持命令編程、函數(shù)編程、對象編程等模式,形成對過程驅(qū)動、事件驅(qū)動、狀態(tài)陳述等各類工程問題表達(dá)能力。
圖4 領(lǐng)域建模語言 Fig.4 Aerospace Modeling Language
在通用基礎(chǔ)環(huán)境之上,構(gòu)建各類建模、仿真、驗證與優(yōu)化工具。通過多領(lǐng)域模型降階及融合仿真,實現(xiàn)一維功能模型與三維性能模型的融合;通過異構(gòu)模型集成及聯(lián)合仿真,實現(xiàn)各類一維異構(gòu)模型的融合;通過試驗數(shù)據(jù)與機(jī)理模型融合仿真,實現(xiàn)機(jī)理模型與數(shù)據(jù)模型的融合;通過虛擬試驗?zāi)P托:伺c驗證,實現(xiàn)模型與試驗的雙向驗證。
對象模型建模語言基于開放式架構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)化集成協(xié)議的LVC(Live,Virtual,Constructive,即實裝、虛擬和構(gòu)造)模型集成機(jī)制,以跨域異構(gòu)集成通信支撐環(huán)境為基礎(chǔ),構(gòu)建跨域異構(gòu)、混合實時、容錯恢復(fù)、國產(chǎn)環(huán)境等基礎(chǔ)能力,為樣機(jī)和對象模型提供一個跨域異構(gòu)集成通信支撐環(huán)境,支撐開展系統(tǒng)級集成試驗、條件邊界適應(yīng)性試驗等的驗證。
應(yīng)用對象模型建模封裝,建立各個分系統(tǒng)的對象模型;應(yīng)用模型適配器建立實物樣機(jī)、數(shù)字模型、試驗數(shù)據(jù)等異構(gòu)試驗對象與對象模型之間的映射。所謂模型適配器是總體與分系統(tǒng)之間、分系統(tǒng)與單機(jī)之間的協(xié)作橋梁,如圖5所示。在研制過程中,從總體角度,模型適配器是分系統(tǒng)的代理;從分系統(tǒng)角度,模型適配器是總體的代理?;跇訖C(jī)的協(xié)作模式就是通過適配器下發(fā)總體技術(shù)要求,各分系統(tǒng)開展設(shè)計、自閉環(huán)仿真和基于總體約束的工況驗證,分系統(tǒng)經(jīng)過驗證的設(shè)計結(jié)果以代理模型的形式參與總體集成驗證。
圖5 基于模型適配器的集成方案 Fig.5 Integration Scheme base on Model Adapter
針對樣機(jī)與模型系統(tǒng)工程范式的特征,建立以數(shù)字化虛擬化封裝樣機(jī)為系統(tǒng)工程認(rèn)知傳遞手段的協(xié)作模式,按照“重應(yīng)用、微服務(wù)、低耦合”原則,在當(dāng)前已有的數(shù)字化能力條件的基礎(chǔ)上,通過采用虛擬化、數(shù)字化和動態(tài)仿真等先進(jìn)設(shè)計手段,以及基于APP云服務(wù)的微應(yīng)用、即時協(xié)作等先進(jìn)信息技術(shù),構(gòu)建一套設(shè)計驗證數(shù)字化協(xié)同研發(fā)平臺,框架如圖6所示,支撐開展需求分析與架構(gòu)設(shè)計、跨域樣機(jī)協(xié)同設(shè)計、虛擬試驗與多場仿真、性能與效能評估等的應(yīng)用,實現(xiàn)串行設(shè)計向并行協(xié)同設(shè)計轉(zhuǎn)變、單學(xué)科分立仿真向多領(lǐng)域多場耦合仿真轉(zhuǎn)變、以實物驗證為主向虛實融合驗證轉(zhuǎn)變,支撐航天裝備的敏捷設(shè)計和高效研發(fā)。
圖6 數(shù)字化設(shè)計驗證平臺建設(shè)思路 Fig.6 Digital Design and Test Platform
通過開展基于自主可控的數(shù)字化設(shè)計驗證平臺的建設(shè),加強(qiáng)數(shù)字化關(guān)鍵要素與裝備研制全周期的深度融合,構(gòu)建適用于航天裝備研制的數(shù)字工程生態(tài)。在研制各環(huán)節(jié),基于樣機(jī)與模型的系統(tǒng)工程理念重構(gòu)研制流程,采用開放式架構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)化建模規(guī)范,形成各研制環(huán)節(jié)所需的數(shù)據(jù)、模型和知識資源體系,協(xié)調(diào)各環(huán)節(jié)之間的模型關(guān)聯(lián)與轉(zhuǎn)化關(guān)系,形成產(chǎn)品全生命周期內(nèi)的設(shè)計信息一致性傳遞與追溯的數(shù)字化基礎(chǔ)表達(dá),推動建立裝備全生命周期的數(shù)字化研制能力體系。
數(shù)字工程作為一種集成多學(xué)科手段和先進(jìn)技術(shù)的數(shù)字化方法,將是推進(jìn)中國航天重大工程研制模式升級換代的重要方向?;跇訖C(jī)與模型的系統(tǒng)工程提出了一種符合中國國情的系統(tǒng)工程數(shù)字化發(fā)展模式,通過工程對象互操作框架、全周期全要素工程演進(jìn)框架、航天裝備建模語言和數(shù)字化設(shè)計驗證平臺的研究,探索應(yīng)用于航天裝備研制的工程實踐,支撐航天數(shù)字化設(shè)計與仿真驗證的研發(fā)能力不斷提升。