基于模型的船體性能數(shù)值模擬系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)集構(gòu)建方法研究

關(guān)鍵詞：船體性能，標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)配置模型，標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)模型

0 引言

隨著裝備數(shù)字化研發(fā)水平的不斷提升，各類以計(jì)算科學(xué)為核心的船體性能優(yōu)化與驗(yàn)證軟件正高密度融入裝備的研發(fā)過(guò)程。通過(guò)對(duì)船體性能的體系化梳理并形成相應(yīng)的應(yīng)用軟件（App）進(jìn)行船體性能預(yù)報(bào)、評(píng)價(jià)、優(yōu)化的工作模式，具有周期短、成本低、效能高、可與設(shè)計(jì)無(wú)縫高效融合等優(yōu)點(diǎn)，推動(dòng)船體性能研發(fā)模式的變革[1]。傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作模式下，雖然有標(biāo)準(zhǔn)體系的頂層設(shè)計(jì)，但表現(xiàn)形式為孤立維度的標(biāo)準(zhǔn)體系框圖+明細(xì)表[2]，難以展現(xiàn)各類標(biāo)準(zhǔn)與上述復(fù)雜軟件系統(tǒng)的功能、組成、生命周期過(guò)程等多個(gè)維度的模型化關(guān)聯(lián)，有必要引入架構(gòu)建模方法，通過(guò)開展系統(tǒng)視圖模型和標(biāo)準(zhǔn)視圖模型等的構(gòu)建，形成能夠支撐船體性能數(shù)值模擬系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用的各類現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)和缺項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的集合（即現(xiàn)行有效標(biāo)準(zhǔn)集和缺項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)集），各類標(biāo)準(zhǔn)集聚合形成完整的標(biāo)準(zhǔn)體系，提升標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建過(guò)程的科學(xué)性與模型化水平。

1 架構(gòu)建模方法解析

美國(guó)國(guó)防部架構(gòu)框架（DoDAF 2.0）中規(guī)定的8類視圖，及其在復(fù)雜系統(tǒng)研發(fā)過(guò)程中的應(yīng)用如圖1所示。其中的標(biāo)準(zhǔn)視圖模型共兩種：標(biāo)準(zhǔn)配置（StdV-1）和標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)（StdV-2）。StdV-1定義了適用于復(fù)雜系統(tǒng)研發(fā)的各類現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)及其與各類架構(gòu)元素的關(guān)聯(lián)關(guān)系；StdV-2描述在未來(lái)一定時(shí)間段內(nèi)需要新研發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)及其對(duì)當(dāng)前架構(gòu)元素產(chǎn)生的潛在影響。集成StdV-1和StdV-2，即為支撐復(fù)雜軟件系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)體系[3-5]。

船體性能數(shù)值模擬系統(tǒng)涉及開發(fā)內(nèi)容多，系統(tǒng)接口定義復(fù)雜，安全管理、運(yùn)營(yíng)管理等領(lǐng)域的缺項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)較多，而且各類APP的開發(fā)涉及多學(xué)科，有必要開展基于架構(gòu)建模的標(biāo)準(zhǔn)體系研究，全面支撐應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)，以及各類App的協(xié)同開發(fā)與集成應(yīng)用。

2 船體性能數(shù)值模擬系統(tǒng)簡(jiǎn)介

船體性能數(shù)值模擬系統(tǒng)的功能模塊包括：工具集成模塊、流程控制模塊、人機(jī)交互模塊和數(shù)據(jù)管理模塊等，如圖2所示。

工具集成模塊用于確定船體性能虛擬試驗(yàn)過(guò)程中使用的試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃腿舾蓚€(gè)命令執(zhí)行組件，每個(gè)命令執(zhí)行組件分別是對(duì)船體性能虛擬試驗(yàn)過(guò)程中使用到的處理程序進(jìn)行封裝編譯后生成的組件，以App的形式進(jìn)行集成。人機(jī)交互模塊用于獲取試驗(yàn)?zāi)Ｐ?、試?yàn)環(huán)境、試驗(yàn)工況等輸入?yún)?shù)，接受用戶指令開展虛擬試驗(yàn)，流程控制模塊用于對(duì)各個(gè)命令執(zhí)行組件配置形成虛擬試驗(yàn)執(zhí)行流程，數(shù)據(jù)管理模塊用于將船體性能虛擬試驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)添加到對(duì)應(yīng)的報(bào)告模板中形成船體性能預(yù)報(bào)結(jié)果，模板管理模塊用于將配置形成的虛擬試驗(yàn)執(zhí)行流程發(fā)布并保存為流程模板。

3 基于架構(gòu)建模的復(fù)雜軟件系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)集構(gòu)建技術(shù)路徑

船體性能數(shù)值模擬系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)集構(gòu)建應(yīng)針對(duì)系統(tǒng)開發(fā)需求，分析系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用場(chǎng)景，明確其功能分解和組成模塊，分析形成標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)，在此基礎(chǔ)上開展標(biāo)準(zhǔn)適用性分析和缺項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)分析，構(gòu)建與系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用場(chǎng)景，以及系統(tǒng)視圖模型相關(guān)聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)視圖模型，包括標(biāo)準(zhǔn)配置模型（StdV-1）和標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)模型（StdV-2），完成船體性能數(shù)值模擬系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)集的構(gòu)建。具體流程如圖3所示，該方法同樣適用于其他復(fù)雜軟硬件系統(tǒng)的研制，可以向其他領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

4 系統(tǒng)開發(fā)需求分析與場(chǎng)景建模

該軟件系統(tǒng)的開發(fā)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)船體性能的虛擬試驗(yàn)，降低對(duì)工程師的經(jīng)驗(yàn)?zāi)芰σ?，且自?dòng)化程度和規(guī)范化效果好。

負(fù)責(zé)船體性能虛擬試驗(yàn)的科研人員可以根據(jù)自己的工作需求，從系統(tǒng)中選擇自己所需的App或選擇預(yù)設(shè)的App組合，通過(guò)輸入有關(guān)數(shù)據(jù)及調(diào)用系統(tǒng)中已儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)，運(yùn)行App或App組合完成虛擬試驗(yàn)工作。此外，App還應(yīng)具有知識(shí)學(xué)習(xí)、專家咨詢等功能，滿足相關(guān)科研人員的“一站式”工作需求。系統(tǒng)管理員負(fù)責(zé)系統(tǒng)更新維護(hù)、用戶身份和權(quán)限的授權(quán)、App上架下架及更新維護(hù)、知識(shí)庫(kù)內(nèi)容的更新維護(hù)、數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容的更新維護(hù)等。

該軟件系統(tǒng)的開發(fā)與集成過(guò)程包括系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、App開發(fā)、軟件自測(cè)試、App封裝、數(shù)據(jù)傳輸及接口設(shè)計(jì)、App柔性應(yīng)用、系統(tǒng)集成測(cè)試等環(huán)節(jié)，以及相關(guān)的軟件開發(fā)文檔編制、軟件開發(fā)過(guò)程質(zhì)量保證等活動(dòng)。

以App封裝為例，業(yè)務(wù)場(chǎng)景如圖4所示，描述了利用App封裝環(huán)境封裝App的整個(gè)過(guò)程，包括啟動(dòng)軟件amp;創(chuàng)建新的App工程、拖拉拽工具組件完成App的設(shè)計(jì)、配置App I/O、配置App執(zhí)行程序、配置報(bào)告自動(dòng)生成、配置控制流及數(shù)據(jù)流、配置App交互界面、發(fā)布App等步驟，能夠?yàn)锳pp開發(fā)者提供低代碼APP封裝環(huán)境，讓App開發(fā)更高效。

5 系統(tǒng)視圖構(gòu)建

對(duì)于使用該系統(tǒng)的科研人員，系統(tǒng)的主要功能包括：用戶與該系統(tǒng)的交互功能，App的存儲(chǔ)、管理和運(yùn)行功能，數(shù)據(jù)和知識(shí)的存儲(chǔ)和調(diào)用功能等。對(duì)于系統(tǒng)管理員，系統(tǒng)的主要功能包括：管理員與該系統(tǒng)的交互功能和系統(tǒng)的管理維護(hù)功能等。

基于功能分析，確定該軟件的系統(tǒng)架構(gòu)和外部接口關(guān)系，如圖5所示。主要包括：基礎(chǔ)系統(tǒng)、App群、App、數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)、資源庫(kù)。面向管理員操作，還需要對(duì)應(yīng)的管理系統(tǒng)。

基礎(chǔ)系統(tǒng)作為用戶使用時(shí)的主運(yùn)行環(huán)境，功能與操作系統(tǒng)近似，可完成與用戶或管理員的交互操作，支持App的調(diào)用運(yùn)行，管理數(shù)據(jù)的調(diào)用分配等。

App群是可在系統(tǒng)平臺(tái)上兼容運(yùn)行的具備一定功能的工具軟件庫(kù)，群中的App為在系統(tǒng)平臺(tái)上運(yùn)行的軟件，僅可以由使用人員通過(guò)接口在系統(tǒng)上運(yùn)行并通過(guò)系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行調(diào)用，不能單獨(dú)運(yùn)行。

數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括資源庫(kù)和知識(shí)庫(kù)。資源庫(kù)主要用于存儲(chǔ)和管理App中預(yù)設(shè)的有關(guān)數(shù)據(jù)、為支持用戶工作進(jìn)行提前存儲(chǔ)的有關(guān)數(shù)據(jù)或用戶在使用App過(guò)程中通過(guò)計(jì)算等工作產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)等。知識(shí)庫(kù)主要用于存儲(chǔ)和管理標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)、經(jīng)驗(yàn)指南等各類知識(shí)。

管理系統(tǒng)主要作為管理員對(duì)系統(tǒng)管理與維護(hù)使用。主要包括對(duì)系統(tǒng)、App和數(shù)據(jù)庫(kù)的測(cè)試、管理、維護(hù)與更新，系統(tǒng)的安全管理，App的準(zhǔn)入與測(cè)試，用戶的權(quán)限管理等。

6 標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用場(chǎng)景和系統(tǒng)視圖，綜合考慮系統(tǒng)生命周期、功能實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)組成等不同維度，開展標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖6所示。

在生命周期維度，按照系統(tǒng)開發(fā)、集成、服務(wù)、應(yīng)用的全過(guò)程，分析各個(gè)環(huán)節(jié)應(yīng)遵循的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)和缺項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)；在功能實(shí)現(xiàn)維度，依據(jù)該軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的水動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)安全、振動(dòng)噪聲等總體性能預(yù)估功能，分別布局相應(yīng)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，以及相關(guān)的總體性能預(yù)報(bào)和智能應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)；在系統(tǒng)組成維度，針對(duì)基礎(chǔ)系統(tǒng)、管理系統(tǒng)、App、數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)、資源庫(kù)等組成模塊，分別規(guī)劃相應(yīng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)、接口、安全等方面的標(biāo)準(zhǔn)。其中App又分為基于物理試驗(yàn)大數(shù)據(jù)的總體性能快速預(yù)報(bào)App、已有商用軟件二次開發(fā)的總體性能預(yù)報(bào)App、自研軟件的總體性能預(yù)報(bào)App，分別開展App準(zhǔn)入流程與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分析。具體如下：

（1）開發(fā)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

主要包括：系統(tǒng)軟件開發(fā)過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)、App軟件開發(fā)過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)、軟件開發(fā)文檔標(biāo)準(zhǔn)、軟件開發(fā)質(zhì)量保證標(biāo)準(zhǔn)、軟件自測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

（2）系統(tǒng)集成標(biāo)準(zhǔn)

主要包括：系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)、App封裝標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸及接口標(biāo)準(zhǔn)、App柔性應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)集成測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

（3）系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)和資源庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)主要包括：系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)資源庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)。

（4）系統(tǒng)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

主要包括：水動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、船體振動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、船體結(jié)構(gòu)安全數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

（5）App準(zhǔn)入流程與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

主要包括：基于物理試驗(yàn)大數(shù)據(jù)的總體性能快速預(yù)報(bào)App準(zhǔn)入流程和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、已有商用軟件二次開發(fā)的總體性能預(yù)報(bào)App準(zhǔn)入流程和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、自研軟件的總體性能預(yù)報(bào)App準(zhǔn)入流程和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

（6）系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)

主要包括：系統(tǒng)軟硬件及接口安全標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)運(yùn)行與訪問安全標(biāo)準(zhǔn)、面向云端的智能運(yùn)行安全標(biāo)準(zhǔn)。

（7）系統(tǒng)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)

主要包括：面向云端的智能應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、總體性能預(yù)報(bào)與評(píng)估應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、總體性能優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)應(yīng)用成熟度標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)應(yīng)用改進(jìn)完善標(biāo)準(zhǔn)。

7 標(biāo)準(zhǔn)視圖模型建模

依據(jù)上述分析形成的標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)，以及DoDAF 2.0中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)視圖模型與場(chǎng)景模型、系統(tǒng)視圖模型間的信息交互，建立標(biāo)準(zhǔn)與業(yè)務(wù)活動(dòng)、系統(tǒng)組成等架構(gòu)元素間的數(shù)據(jù)關(guān)系。

對(duì)象管理組織（Object Ma na gement Group，OMG）發(fā)布的統(tǒng)一架構(gòu)框架（UAF）中規(guī)定了采用SysML塊定義圖建立標(biāo)準(zhǔn)與其他架構(gòu)元素的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)[7]，如圖7所示。DoDAF 2.0中的各類模型可以用UAF中規(guī)定的各類SysML圖進(jìn)行模型表達(dá)。

利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型將系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)化要素和標(biāo)準(zhǔn)三者進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，是實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化研究從項(xiàng)目跟隨到體系引領(lǐng)、從定性分析到定量分析、從單項(xiàng)評(píng)審到系統(tǒng)驗(yàn)證轉(zhuǎn)變的基本手段，也是標(biāo)準(zhǔn)化工作在系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)用中的創(chuàng)新和探索[8]。

以船體性能數(shù)值模擬系統(tǒng)全生命周期質(zhì)量保證過(guò)程為例，開展各環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)適用性與缺項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)分析，如圖8所示。質(zhì)量管理人員依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)總體開發(fā)流程、關(guān)鍵控制點(diǎn)的活動(dòng)和工作產(chǎn)品（技術(shù)文檔與部分代碼）進(jìn)行質(zhì)量審查，對(duì)存在的主要不符合項(xiàng)進(jìn)行督促整改，促使開發(fā)人員對(duì)整個(gè)應(yīng)用方案的理解與執(zhí)行到位。針對(duì)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)不適用的情況，結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)，研制相關(guān)項(xiàng)目專用標(biāo)準(zhǔn)。

D oDAF 2 .0采用多維表格的形式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)視圖模型的可視化展現(xiàn)，研究形成的標(biāo)準(zhǔn)配置模型（StdV-1）的示例見表1，標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)模型（StdV-2）的示例見表2，分別構(gòu)成支撐系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用的現(xiàn)行有效標(biāo)準(zhǔn)集和缺項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)集。

8 結(jié)論

本文分析了基于模型的船體性能數(shù)值模擬系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)集構(gòu)建的技術(shù)路徑，開展了系統(tǒng)開發(fā)需求分析與場(chǎng)景建模，以及系統(tǒng)視圖構(gòu)建，在此基礎(chǔ)上綜合考慮系統(tǒng)生命周期、功能實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)組成等不同維度，分析形成了該系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)，開展了標(biāo)準(zhǔn)適用性分析和缺項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)分析，分別構(gòu)建了標(biāo)準(zhǔn)配置模型（StdV-1）和標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)模型（StdV-2），驗(yàn)證了基于模型的船體性能數(shù)值模擬系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)集構(gòu)建方法的可行性，形成了能夠支撐系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)集。