面向復(fù)雜系統(tǒng)工程的多學(xué)科統(tǒng)一建模與聯(lián)合仿真技術(shù)研究與應(yīng)用實踐

　　多學(xué)科聯(lián)合仿真技術(shù)應(yīng)用工程背景
　　航空產(chǎn)品是涉及機械、電子、電氣、控制、液壓及軟件等多學(xué)科，可靠性、維修性和保障性等多專業(yè)工程要求的復(fù)雜系統(tǒng)，其開發(fā)模式正經(jīng)歷從基于文檔向基于模型的范式轉(zhuǎn)移。建立以基于模型的系統(tǒng)工程方法論為指導(dǎo)、以功能/性能樣機為載體，貫穿需求、功能、邏輯與物理構(gòu)建模型在環(huán)、軟件在環(huán)、硬件在環(huán)及人員在環(huán)的數(shù)字化綜合仿真環(huán)境，開展多學(xué)科統(tǒng)一建模與聯(lián)合仿真，實現(xiàn)功能/性能需求在開發(fā)早期階段的驗證與確認，基于數(shù)學(xué)模型（虛擬樣機）開展復(fù)雜系統(tǒng)架構(gòu)與方案的設(shè)計、權(quán)衡與分析優(yōu)化，縮短設(shè)計迭代周期，提升開發(fā)質(zhì)量，已成為國際航空航天和防務(wù)領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)開發(fā)的主流趨勢。當前，基于Modelica語言的系統(tǒng)仿真技術(shù)已在達索航空、德宇航和空客得以工程應(yīng)用，通過構(gòu)建由功能樣機、性能樣機和幾何樣機組成的數(shù)字樣機，可實現(xiàn)在虛擬空間下開展虛擬試驗/試飛，極大的降低物理試驗/試飛的周期與成本。
　　多學(xué)科聯(lián)合仿真技術(shù)演進歷程
　　系統(tǒng)級多學(xué)科聯(lián)合仿真主要應(yīng)用于系統(tǒng)架構(gòu)與方案權(quán)衡、功能分配、接口定義、子系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化、功能/性能早期驗證和確認等領(lǐng)域，涉及多學(xué)科的系統(tǒng)仿真技術(shù)主要經(jīng)歷了如下發(fā)展歷程。
　　（1）基于接口的多學(xué)科建模與仿真技術(shù)：該方法是由各學(xué)科相應(yīng)的商用仿真軟件提供或開發(fā)相應(yīng)的接口。其完全依賴商用軟件之間的一對一接口，這些接口往往為某些商業(yè)公司所私有，不具有標準性和開放性。
　　（2）基于高層體系結(jié)構(gòu)（HLA）：該方法克服了基于接口的諸多缺陷，較好地實現(xiàn)了多學(xué)科建模與仿真，但要求建模人員必須先熟悉HLA/RTI的各種服務(wù)協(xié)議，再編制相應(yīng)的程序代碼，并且需要人為的割裂不同學(xué)科子系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系，實質(zhì)上是一種子系統(tǒng)層次上的集成方法。
　�。�3）基于統(tǒng)一建模語言的多學(xué)科系統(tǒng)仿真技術(shù)：該方法具有與學(xué)科無關(guān)的通用模型描述能力，任何學(xué)科均可實現(xiàn)統(tǒng)一建模。由于采用相同的模型描述形式，因此基于統(tǒng)一建模語言的方法能夠?qū)崿F(xiàn)不同學(xué)科子系統(tǒng)模型之間的無縫集成。Modelica語言與FMI標準介紹
　　2000年成立非盈利性的國際開放組織——Modelica協(xié)會，定期召開Modelica學(xué)會會議，交流研討Modelica語言相關(guān)標準、工程實踐等方面的研究進展。從1997年Modelica語言1.0版本開始，目前已到3.3版本，其模型庫已覆蓋了機械、液壓、動力學(xué)、電子、電氣等不同物理領(lǐng)域1340個元模型和1000項功能。Modelica語言在復(fù)雜系統(tǒng)多學(xué)科聯(lián)合仿真領(lǐng)域具有如下特點與技術(shù)優(yōu)勢。
　　基于方程的非因果建模：Modelica語言基于方程而不是賦值語句，非因果建模可更好重用類。
　　多學(xué)科統(tǒng)一建模：Modelica語言可有效支持機械、電子、電氣、電磁、液壓、控制、流體和軟件等多學(xué)科物理模型的建模與仿真。
　　面向?qū)ο蠼�模：Modelica語言提供了面向?qū)ο蠼�模的完整語義支持，可通過類和對象表示各種模型、組件、變量及其類型，組件重用及模型擴展更容易。
　　連續(xù)離散混合建模：Modelica語言同時支持基于微分代數(shù)方程描述連續(xù)系統(tǒng)和基于離散事件驅(qū)動機制描述離散系統(tǒng)。
　　統(tǒng)一標準、開放源碼：基于Modelica語言可統(tǒng)一多學(xué)科建模標準，開展自主模型開發(fā)，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的模型庫。
　　歐洲發(fā)展信息技術(shù)計劃（ITEA2）為制定通用仿真模型的封裝接口標準，提出了Modelis項目，該項目將模型封裝接口標準稱為功能樣機接口（Functional Mockup Interface，F(xiàn)MI）。FMI標準定義了模型描述格式和數(shù)據(jù)存儲格式，解決了異構(gòu)仿真軟件由于接口技術(shù)的不統(tǒng)一帶來的諸多聯(lián)合仿真問題。基于FMI標準封裝的仿真模型稱之為功能樣機單元（Functional Mockup Unit，F(xiàn)MU），可實現(xiàn)模型知識產(chǎn)權(quán)保護�；�于Modelica語言構(gòu)建跨多學(xué)科的系統(tǒng)仿真平臺，通過FMI/FMU技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)仿真平臺與各類型工程仿真軟件的有機集成，進而形成復(fù)雜系統(tǒng)涵蓋模型在環(huán)、軟件在環(huán)、人員在環(huán)的綜合仿真環(huán)境。以達索航空為例，其依托TOICA（Thermal Overall Integrated Conception of Aircraft）項目，與利勃海爾共同合作，在飛機設(shè)計的早期引入基于Modelica語言和FMI標準對異構(gòu)和相關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)進行架構(gòu)與方案權(quán)衡。
　　基于Modelica語言的多學(xué)科聯(lián)合仿真應(yīng)用實踐
　　航空工業(yè)從2015年開始導(dǎo)入基于Modelica語言的系統(tǒng)仿真技術(shù)，已在航空運載器、航空系統(tǒng)多家單位開展了基于Modelica語言的系統(tǒng)仿真試點工作，包括洪都起落架系統(tǒng)、環(huán)控循環(huán)制冷子系統(tǒng)、靶機發(fā)射車系統(tǒng)和導(dǎo)彈舵機伺服作動系統(tǒng)、南京機電空氣渦輪起動機、電源高壓直流電機系統(tǒng)、青云電動油門剎車系統(tǒng)等多項工程應(yīng)用。
　　在南京機電空氣渦輪起動機項目實踐過程中，開展了基于Modelica語言的多學(xué)科系統(tǒng)仿真技術(shù)應(yīng)用，南京機電與信息技術(shù)中心（金航數(shù)碼）團隊一起開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的調(diào)節(jié)閥門、空氣渦輪、減速裝置、氣動管路、離合器以及離心開關(guān)等組件模型庫。通過仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)的比對分析，仿真模型準確地預(yù)估了空氣渦輪起動機在不同任務(wù)剖面下的動態(tài)特性，為空氣渦輪起動機方案權(quán)衡提供了有力支撐�？諝鉁u輪起動機仿真對象與實驗結(jié)果對比如圖所示。
　　結(jié)語
　　在航空工業(yè)基于模型的系統(tǒng)工程方法深入應(yīng)用背景下，建模與仿真技術(shù)有效支撐了復(fù)雜系統(tǒng)在概念階段需求分析、功能分析、架構(gòu)設(shè)計及功能/性能的驗證與確認，權(quán)衡分析最優(yōu)解決方案。航空工業(yè)信息技術(shù)中心（金航數(shù)碼）在充分消化吸收國際系統(tǒng)仿真領(lǐng)域先進方法與最佳實踐基礎(chǔ)上，結(jié)合航空產(chǎn)品特征，形成基于Modelica語言的系統(tǒng)仿真解決方案，助力復(fù)雜產(chǎn)品功能/性能樣機開發(fā)及虛擬試驗/試飛技術(shù)應(yīng)用，實現(xiàn)“建造前飛行”。

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