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    模型“建評(píng)管用”數(shù)字化交付模式方法研究

    2024-06-24 02:48:35黃磊
    科技資訊 2024年7期
    關(guān)鍵詞:模型構(gòu)建

    黃磊

    摘??要:面向數(shù)字化工程生態(tài)中產(chǎn)品數(shù)字化與過(guò)程數(shù)字化的需求,針對(duì)模型建設(shè)方面標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、粒度不匹配、專業(yè)難集成,模型評(píng)價(jià)方面要求不明確、標(biāo)定工作量大、評(píng)價(jià)缺乏體系,模型管理方面缺乏協(xié)同環(huán)境、版本控制、權(quán)限控制,模型應(yīng)用方面仿真任務(wù)、應(yīng)用流程與型號(hào)未貼合等問(wèn)題,提出了模型“建評(píng)管用”數(shù)字化交付模式方法。主要內(nèi)容包括多專業(yè)多層級(jí)模型構(gòu)建方法、多維度多階段模型評(píng)價(jià)方法、跨組織跨地域模型管理方法和多場(chǎng)景多模式模型應(yīng)用方法,以模型為載體,以“建評(píng)管用”為循環(huán)回路,以數(shù)字化交付為抓手,推動(dòng)復(fù)雜裝備研制模式變革。

    關(guān)鍵詞:模型構(gòu)建??模型評(píng)價(jià)??模型管理??模型應(yīng)用??數(shù)字化交付

    中圖分類號(hào):V46

    Research?on?the?Method?for?the?Digital?Delivery?Mode?of?Model?“Construction,?Evaluation,?Management?and?Application”

    HUANG?Lei

    Suzhou?Tongyuan?Software&Control?Technology?Co.,?Ltd.,?Suzhou,?Jiangsu?Province,?215000?China

    Abstract:?In?the?face?of?the?needs?of?digital?products?and?processes?in?the?digital?engineering?ecosystem,?in?order?to?address?issues?such?as?inconsistent?standards,?mismatched?granularity?and?difficult?disciplinary?integration?in?model?construction,?unclear?requirements,?large?calibration?workload?and?the?lack?of?an?evaluation?system?in?model?evaluation,?the?lack?of?the?collaborative?environment,?version?control?and?permission?control?in?model?management,?and?the?inconsistency?of?simulation?tasks,?application?processes?and?types?in?model?application,?the?article?proposes?a?method?for?the?digital?delivery?mode?of?model?"construction,?evaluation,?management?and?application",?which?mainly?includes?a?multi-disciplinary?and?multi-level?model?construction?method,?a?multi-dimensional?and?multi-stage?model?evaluation?method,?a?cross-organizational?and?cross-regional?model?management?method,?and?a?multi-scenario?and?multi-mode?model?application?method.?The?method?takes?a?model?as?a?carrier,?its?"construction,?evaluation,?management?and?application"?as?a?cyclic?loop?and?its?digital?delivery?as?a?starting?point?to?promote?the?transformation?of?the?development?mode?of?complex?equipment.

    Key?Words:?Model?construction;?Model?evaluation;?Model?management;?Model?application;?Digital?delivery

    隨著現(xiàn)代裝備的系統(tǒng)規(guī)模和技術(shù)難度不斷增大,傳統(tǒng)的以文檔為基礎(chǔ)的裝備研制模型已不能滿足發(fā)展需求[1]。美國(guó)國(guó)防部于2018年正式對(duì)外發(fā)布“國(guó)防部數(shù)字工程戰(zhàn)略”,將國(guó)防工業(yè)體系從以文檔為中心的線性采辦向以數(shù)字模型為中心的數(shù)字工程轉(zhuǎn)變。我國(guó)于2021年也正式發(fā)布“裝備數(shù)字化工程”,其核心是基于模型的數(shù)字化研制與數(shù)字化交付。因此,模型是數(shù)字化變革的核心載體,模型的構(gòu)建、評(píng)價(jià)、管理、應(yīng)用方法研究具有重要價(jià)值。

    1??模型數(shù)字化應(yīng)用概述

    1.1??模型應(yīng)用現(xiàn)狀分析

    國(guó)內(nèi)外在裝備研制中已經(jīng)開(kāi)展了圍繞模型的數(shù)字化應(yīng)用,并初步取得成果[2]。模型構(gòu)建方面,宋研等人[3]針對(duì)系統(tǒng)性驗(yàn)證問(wèn)題,基于Modelica語(yǔ)言構(gòu)建了航天器系統(tǒng)多學(xué)科系統(tǒng)模型,并深入研究了專業(yè)建模特征。Luis?I等人[4]針對(duì)電動(dòng)汽車多領(lǐng)域仿真需求,基于鍵合圖構(gòu)建了包含鉛酸電池動(dòng)力學(xué)的電動(dòng)汽車多領(lǐng)域模型。模型評(píng)價(jià)方面,李偉等人[5]針對(duì)高度復(fù)雜模型驗(yàn)證挑戰(zhàn),總結(jié)了現(xiàn)有模型驗(yàn)證方法并提出了新方法。Sargent?R?G[6]描述了確定模型有效性的三種方法,并提出了模型驗(yàn)證的推薦步驟。模型管理方面,張佳朋等人[7]結(jié)合裝配流程特點(diǎn),給出了面向航天器裝配質(zhì)量的數(shù)字孿生建模方法與模型管理方法。陶飛等人[8]探索建立了一套數(shù)字孿生模型構(gòu)建理論體系,并給出了模型管理的定義。模型應(yīng)用方面,劉治鋼等人[9]基于型號(hào)應(yīng)用需求提出了航天器供配電數(shù)字伴飛系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了基于模型的測(cè)試和飛行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。李濤等人[10]實(shí)現(xiàn)了航天器全階段模型應(yīng)用,基于模型開(kāi)展研制中的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證工作。應(yīng)用綜上,以往的數(shù)字化研究主要針對(duì)模型構(gòu)建、評(píng)價(jià)、管理或應(yīng)用等單一環(huán)節(jié)提出了針對(duì)性的數(shù)字化方法。

    1.2?模型應(yīng)用差距分析

    面向裝備數(shù)字化工程的模型需求,現(xiàn)階段的數(shù)字化交付模式在模型的構(gòu)建、評(píng)價(jià)、管理、應(yīng)用4個(gè)方面均存在不足之處。

    (1)模型構(gòu)建方面,各專業(yè)建模工具不統(tǒng)一,模型粒度與研制階段不匹配,各層級(jí)單位建模標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。

    (2)模型評(píng)價(jià)方面,總體單位難以提出明確的建模要求,設(shè)計(jì)參數(shù)過(guò)多導(dǎo)致模型標(biāo)定工作量大,缺乏合理的模型評(píng)價(jià)體系。

    (3)模型管理方面,模型缺乏共享,建模與仿真工作缺乏協(xié)同,模型技術(shù)狀態(tài)難控制,缺乏保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)手段。

    (4)模型應(yīng)用方面,仿真任務(wù)與型號(hào)任務(wù)貼合不夠,模型流轉(zhuǎn)與型號(hào)流程結(jié)合不夠,模型數(shù)據(jù)與型號(hào)數(shù)據(jù)融合不夠。

    本文針對(duì)上述問(wèn)題提出了模型“建評(píng)管用”數(shù)字化交付模式方法,實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化交付中的模型循環(huán)回路,形成統(tǒng)一的模型構(gòu)建、評(píng)價(jià)、管理、應(yīng)用范式,為復(fù)雜裝備研制模式變革提供借鑒。

    2??模型“建評(píng)管用”流程

    模型“建評(píng)管用”的數(shù)字化交付模式方法流程如圖?1所示,主要包含模型構(gòu)建、模型評(píng)價(jià)、模型管理、模型應(yīng)用4個(gè)階段。各階段的定義具體如下。

    2.1?多專業(yè)多層級(jí)模型構(gòu)建

    基于Modelica[11]開(kāi)展機(jī)械、電氣、流體、控制、熱等多專業(yè)模型構(gòu)建,基于自頂向下的分解與自底向上的集成實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)、分系統(tǒng)、單機(jī)不同層級(jí)模型構(gòu)建與基于FMI[12]標(biāo)準(zhǔn)的集成,得到多專業(yè)多層級(jí)模型體系。

    2.2?多維度多階段模型評(píng)價(jià)

    對(duì)模型精度與模型置信度多維度進(jìn)行標(biāo)定與評(píng)價(jià),實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)階段、試驗(yàn)階段、運(yùn)維階段等多階段持續(xù)保證模型與系統(tǒng)的狀態(tài)一致性。

    2.3?跨組織跨地域模型管理

    實(shí)現(xiàn)跨組織模型體系的版本管理與權(quán)限控制,以及跨地域的協(xié)同建模與協(xié)同仿真,為模型的流轉(zhuǎn)提供協(xié)同管理環(huán)境,保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的同時(shí)提升數(shù)字化工作效率。

    2.4?多場(chǎng)景多模式模型應(yīng)用

    實(shí)現(xiàn)基于模型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、基于模型的虛擬試驗(yàn)、基于模型的運(yùn)行維護(hù)等多場(chǎng)景應(yīng)用,支持白盒、灰盒、黑盒不同可見(jiàn)度,同構(gòu)與異構(gòu)等不同構(gòu)造方式,集中式與分布式等不同仿真架構(gòu),實(shí)時(shí)、超實(shí)時(shí)、欠實(shí)時(shí)等不同實(shí)時(shí)性的模型應(yīng)用,以多場(chǎng)景多模式按需支撐型號(hào)應(yīng)用。

    3?多專業(yè)多層級(jí)模型構(gòu)建

    以型號(hào)研制要求為依據(jù),制定模型研制要求,模型特性要求是通過(guò)系統(tǒng)仿真任務(wù)分解出分系統(tǒng)仿真任務(wù)而制定分系統(tǒng)的特性要求,模型通用要求是面向各分系統(tǒng)的共性要求,依據(jù)模型研制要求開(kāi)展多專業(yè)多層級(jí)模型構(gòu)建。

    3.1?多專業(yè)模型構(gòu)建

    多專業(yè)模型構(gòu)建通過(guò)Modelica多專業(yè)建模機(jī)制實(shí)現(xiàn),首先對(duì)各層級(jí)模型的工作原理進(jìn)行描述,包含機(jī)械原理、電氣原理、流體原理、傳熱學(xué)原理、控制原理,考慮各專業(yè)之間的耦合特性,形成統(tǒng)一的工程物理系統(tǒng)原理。然后采用多領(lǐng)域物理統(tǒng)一建模語(yǔ)言Modelica統(tǒng)一描述各專業(yè)工作原理,形成機(jī)械專業(yè)模型、電氣專業(yè)模型、流體模型、傳熱模型、控制模型等。最后將各專業(yè)模型在統(tǒng)一建模環(huán)境中融合為多領(lǐng)域物理系統(tǒng)模型,包括模型方程的耦合、模型接口的交互、模型參數(shù)的耦合。

    3.2?多層級(jí)模型構(gòu)建

    多層級(jí)模型構(gòu)建的方法包括模型架構(gòu)設(shè)計(jì)、模型編碼實(shí)現(xiàn)、模型系統(tǒng)集成。首先開(kāi)展模型架構(gòu)設(shè)計(jì),依據(jù)模型研制要求,開(kāi)展模型架構(gòu)設(shè)計(jì),得到需要構(gòu)建的單機(jī)模型列表與單機(jī)模型建模要素。后開(kāi)展模型編碼實(shí)現(xiàn),依據(jù)單機(jī)模型的工作原理基于Modelica語(yǔ)言開(kāi)展多種方式的模型構(gòu)建:(1)對(duì)于理論公式清晰的單機(jī),直接依據(jù)理論公式進(jìn)行方程建模;(2)對(duì)于理論公式不清晰經(jīng)驗(yàn)公式明確的單機(jī),可以依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行模擬建模;(3)對(duì)于理論公式與經(jīng)驗(yàn)公式都不太清晰但有充足實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的單機(jī),可以通過(guò)數(shù)據(jù)擬合構(gòu)建代理模型。最后開(kāi)展模型系統(tǒng)集成,依據(jù)單機(jī)與單機(jī)之間的接口交互關(guān)系,調(diào)用單機(jī)模型庫(kù)中的模型集成為分系統(tǒng)模型;依據(jù)分系統(tǒng)與分系統(tǒng)之間的接口交互關(guān)系,調(diào)用分系統(tǒng)模型庫(kù)中的模型集成為系統(tǒng)模型。

    4?多維度多階段模型評(píng)價(jià)

    模型評(píng)價(jià)從模型精度標(biāo)定、模型置信度分析等不同維度,覆蓋設(shè)計(jì)階段、試驗(yàn)階段、運(yùn)維階段等不同階段,最終目的是得到高精度與高置信度的模型體系,用于提升模型的應(yīng)用效果。

    4.1?多維度模型評(píng)價(jià)

    模型評(píng)價(jià)維度涉及精度與置信度等不同的維度,重點(diǎn)以模型與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)為輸入,實(shí)現(xiàn)模型標(biāo)定與模型置信度分析,形成高精度、高置信度的模型。模型標(biāo)定通過(guò)模型運(yùn)行的試驗(yàn)設(shè)計(jì),對(duì)參數(shù)相關(guān)性和失效概率進(jìn)行分析,實(shí)現(xiàn)參數(shù)靈敏度分析,得到敏感參數(shù)序列;通過(guò)對(duì)模型仿真結(jié)果與標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果匹配度分析,進(jìn)行模型參數(shù)校正,完成模型參數(shù)標(biāo)定,得到最優(yōu)參數(shù)集。模型置信度分析開(kāi)展指標(biāo)分析與權(quán)重分配,選擇合適的置信度評(píng)價(jià)算法進(jìn)行評(píng)估計(jì)算,完成置信度統(tǒng)計(jì)與置信度分析,輸出模型的評(píng)價(jià)與驗(yàn)證報(bào)告,以及高置信度的模型。

    4.2?多階段模型評(píng)價(jià)

    面向不同階段的模型使用需求,實(shí)現(xiàn)多階段的模型評(píng)價(jià)。面向設(shè)計(jì)階段基于模型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證需求,以設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)(方案指標(biāo)、歷史型號(hào)數(shù)據(jù)、歷史仿真數(shù)據(jù))為標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)模型的標(biāo)定,使得模型可以承擔(dān)對(duì)設(shè)計(jì)方案的全面表達(dá)能力。面向試驗(yàn)階段基于模型的全數(shù)字虛擬試驗(yàn)、半實(shí)物試驗(yàn)、虛實(shí)交互試驗(yàn)等需求,以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)模型的標(biāo)定,使得模型可以代替實(shí)物作為試驗(yàn)的部分對(duì)象。面向運(yùn)維階段基于模型的全面監(jiān)測(cè)、狀態(tài)評(píng)估、快速預(yù)示等需求,實(shí)現(xiàn)模型的標(biāo)定,使得模型狀態(tài)與實(shí)物運(yùn)行狀態(tài)保持一致,可支撐數(shù)字孿生應(yīng)用。

    5??跨組織跨地域模型管理

    模型跨組織跨地域管理重點(diǎn)解決多人協(xié)同建模與仿真問(wèn)題、版本與權(quán)限管理問(wèn)題,模型版本控制保證模型狀態(tài)與研制狀態(tài)的一致性,模型權(quán)限控制保護(hù)各組織的知識(shí)產(chǎn)權(quán),協(xié)同建模實(shí)現(xiàn)跨地域的大規(guī)模模型并行構(gòu)建,協(xié)同仿真實(shí)現(xiàn)基于通信的分布式驗(yàn)證。

    5.1??跨組織模型管理

    跨組織模型管理重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)不同組織的模型權(quán)限管理以及不同階段的版本管理,模型權(quán)限管理需實(shí)現(xiàn)三員管理、用戶管理、角色管理、權(quán)限控制。三員管理是企業(yè)數(shù)據(jù)安全的重要機(jī)制,三類管理員協(xié)同工作且相互監(jiān)督,共同維護(hù)企業(yè)數(shù)據(jù)安全。用戶管理對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的部門組織架構(gòu)根據(jù)職能和責(zé)權(quán)劃分進(jìn)行統(tǒng)一管理,通過(guò)分配角色、分配權(quán)限和目錄控制來(lái)約束用戶對(duì)模型、數(shù)據(jù)和目錄的訪問(wèn)。角色管理通過(guò)賦予角色一定的權(quán)限來(lái)定義用戶對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的模型、數(shù)據(jù)和目錄享有哪些操作權(quán)利。權(quán)限控制定義系統(tǒng)中不同角色的權(quán)限,各角色對(duì)公有倉(cāng)庫(kù)分類目錄的控制權(quán)限不同。

    5.2??跨地域模型管理

    跨地域模型管理重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)跨地域協(xié)同建模與跨地域協(xié)同仿真??绲赜騾f(xié)同建模實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)模型的協(xié)同構(gòu)建,基于網(wǎng)絡(luò)工作環(huán)境,以面向模型的方式支持模型提交、模型還原、模型推送、模型版本跳轉(zhuǎn)、模型拉取等。跨地域協(xié)同仿真實(shí)現(xiàn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器就能完成在線仿真運(yùn)行、仿真結(jié)果管理和仿真任務(wù)管理,提供一個(gè)便利、高效的仿真環(huán)境。

    6?多場(chǎng)景多模式模型應(yīng)用

    多專業(yè)多層級(jí)模型構(gòu)建、多維度多階段模型評(píng)價(jià)、跨組織跨地域模型管理,都將支撐模型應(yīng)用,面向多場(chǎng)景需求、適應(yīng)多應(yīng)用模式的模型應(yīng)用,使得模型最終在型號(hào)中發(fā)揮數(shù)字化價(jià)值。

    6.1?多場(chǎng)景模型應(yīng)用

    多場(chǎng)景模型應(yīng)用主要面向基于模型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)場(chǎng)景、基于模型的虛擬試驗(yàn)場(chǎng)景、基于模型的運(yùn)行維護(hù)場(chǎng)景?;谀P偷南到y(tǒng)設(shè)計(jì)場(chǎng)景,在方案論證中支撐需求分析與快速論證,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中支撐正向設(shè)計(jì)與選型設(shè)計(jì),在分系統(tǒng)設(shè)計(jì)中支撐精細(xì)化設(shè)計(jì)驗(yàn)證?;谀P偷奶摂M試驗(yàn)場(chǎng)景,支撐基于模型的專項(xiàng)虛擬測(cè)試、專項(xiàng)半實(shí)物測(cè)試、系統(tǒng)虛擬測(cè)試、系統(tǒng)半實(shí)物測(cè)試、模型標(biāo)定與參數(shù)辨識(shí)?;谀P偷倪\(yùn)行維護(hù)場(chǎng)景,支撐數(shù)字模擬、全面監(jiān)測(cè)、狀態(tài)評(píng)估、快速預(yù)示、策略優(yōu)化、虛實(shí)控制。

    6.2?多模式模型應(yīng)用

    多模式模型應(yīng)用支撐不同可見(jiàn)度、不同構(gòu)造方式、不同仿真架構(gòu)、不同實(shí)時(shí)性要求的模型仿真應(yīng)用,根據(jù)不同研制階段的仿真需求提供合適的仿真模式??梢?jiàn)度方面,根據(jù)數(shù)字化交付情況以及本單位的數(shù)字化積累情況,支持基于白盒模型、灰盒模型、黑盒模型的仿真應(yīng)用。構(gòu)造方式方面,根據(jù)交付模型的類別以及本單位積累的模型類別,支持多領(lǐng)域模型統(tǒng)一仿真求解,也支持多源異構(gòu)模型的聯(lián)合仿真求解。仿真架構(gòu)方面,根據(jù)模型部署需求和仿真效率需求,支持系統(tǒng)集成式仿真求解,也支持分布式協(xié)同仿真求解。實(shí)時(shí)性要求方面,根據(jù)模型應(yīng)用的業(yè)務(wù)需求,支持實(shí)時(shí)、超實(shí)時(shí)、欠實(shí)時(shí)等不同仿真求解模式?;诰取⑿?、場(chǎng)景等綜合需求適配合理的仿真模式,更好、更快、更準(zhǔn)地支撐型號(hào)應(yīng)用。

    7?結(jié)論與展望

    本文提出模型“建評(píng)管用”數(shù)字化交付模式方法,實(shí)現(xiàn)模型的全生命周期管理,在以下4個(gè)層面提出了面向數(shù)字化交付模式的方法,為數(shù)字化研制與數(shù)字化交付的模型回路提供了理論指導(dǎo)。

    (1)模型構(gòu)建層面,提出了系統(tǒng)、分系統(tǒng)、單機(jī)多層級(jí),機(jī)、電、液、控、熱多專業(yè)的模型構(gòu)建方法,支撐系統(tǒng)全面的模型化表達(dá)。

    (2)模型評(píng)價(jià)層面,提出了精度修正與置信度評(píng)估多維度,設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、運(yùn)維多階段的模型評(píng)價(jià)方法,保證模型與系統(tǒng)狀態(tài)的一致性。

    (3)模型管理層面,提出了跨組織的模型版本管理與權(quán)限管理,跨地域的協(xié)同建模與協(xié)同仿真方法,為數(shù)字化研制與數(shù)字化交付提供協(xié)同環(huán)境。

    (4)模型應(yīng)用層面,提出了面向基于模型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、基于模型的虛擬試驗(yàn)、基于模型的運(yùn)行維護(hù)多場(chǎng)景應(yīng)用方法,通過(guò)數(shù)字化手段切實(shí)提升型號(hào)研制能力。

    數(shù)字化實(shí)踐是一個(gè)從方法到標(biāo)準(zhǔn)、模型、工具不同層面的體系性工作,在本文提出的“建評(píng)管用”方法之后,未來(lái)仍需在幾個(gè)方面持續(xù)推進(jìn)研究:標(biāo)準(zhǔn)層面,需要建立模型構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)、模型管理流程、模型評(píng)價(jià)體系、模型應(yīng)用指南等;模型層面,需要以型號(hào)牽引通用模型庫(kù)建設(shè),以通用模型庫(kù)支撐型號(hào)應(yīng)用并迭代;工具層面,需建設(shè)完全自主可控的建評(píng)管用一體化平臺(tái),以數(shù)字化手段推進(jìn)研制模式變革。

    參考文獻(xiàn)

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