基于模型的协同设计技术应用
1前言 航空产品研制是一项复杂系统工程，涉及多专业、多学科领域之间的协同。尤其是随着机械、电子、电气、流体等多学科领域在航空产品开发过程中的深入应用及跨地域、多厂所联合协同模式的推广[1]，传统相对独立、封闭的设计模式已经不足以应对市场的快速发展和快速响应用户需求。尤其在飞机产品反复迭代，不断创新的研制过程中，各个专业使用的设计、仿真分析工具种类繁多，这些工具软件产生的多源异构数据给专业之间带来了数据传递、共享困难。 另外飞机产品设计过程中由于专业设计知识、经验、流程、方法未固化，易随人员流动流失，不利于经验传承；尤其是飞机方案设计阶段由于仍采用传统的人工迭代计算和分析的方式，导致方案设计阶段飞机设计快速迭代效率低，给设计带来了极大的不便利。亟需要信息化手段实现这些成熟技术的集成化管理，通过固化重用的方式发挥其更大的价值。 本文提出的基于模型的协同设计技术，就是从系统工程正向设计角度出发，以固化知识、重用设计成熟技术为目标，剖析产品研发数据、流程以及与之相关的活动要素，梳理研发数据，提炼知识资源，以活动要素为核心，将影响活动的输入、输出数据、使能数据以及控制数据构建统一模型，通过集成研发平台完成这些模型的集成封装，来实现对模型的集成管理，实现设计知识和成熟技术的复用，完成飞机研发资源的重用和共享以及专业协同设计过程。 2现状分析 自2013年，国内外已经陆续开展类似基于模型的协同设计环境建设及技术研究工作，欧洲的空客公司以AIMS综合管理系统为基础，通过对全公司业务部门内部、跨部门、跨专业、跨国家、跨项目的流程重新定义和设计，形成了262个职能部门项目和8个跨部门合作项目，覆盖了空客公司的全部流程，实现了公司的整体协同。国内以航空工业为代表的中航商发，结合研发体系流程和研发集成平台，实现对发动机研制过程的任务、流程、软件工具、数据和相关联的工程数据库建设，实现发动机研发流程向数字化流程体系的升级以及发动机研制过程可控、可追溯以及研发方法可重用。航空工业一飞院在自主平台框架的基础上提出数据架构，通过大量二次开发，形成了目前以数据为主的总体协同设计系统。同时开发了大量的专业模块，实现了设计知识的有效积累。重用率达到了60%以上。该系统软件目前在一飞院已经经过了多型号、多机种的验证和应用。 总体来看，国内外企业基本上实现了对设计经验、规则、软件工具等研发数据资源的统一管理和重用，但是这些资源仍处在由不同系统分类管理阶段，设计文档、产品模型、参数数据、知识以及软件工具等仍分散在不同的系统中管理，尚未建立统一的研发数据模型，缺乏对研发数据资源的集成化管理。在研发数据资源共享与知识再利用方面，由于缺乏统一管理平台，使得这些知识、经验和方法的共享和重用受到极大的限制。 因而，目前飞机设计、分析、优化工作方式很难与当前的“设计问题越来越深入复杂、设计要求越来越高而设计周期越来越短”的新形势相适应。如何将孤立的专业软件工具集中管理，实现数据源的统一管理和专业间的数据共享；如何有效实现飞机产品研制过程中多专业数据源的流通和传递；如何实现飞机产品研制过程中总体、结构、强度等多专业的协同设计，成为企业信息化发展中亟待解决的首要问题。 3关键技术研究 基于模型的协同设计技术主要是将产品研制过程中各专业用到的知识（包括流程、方法、经验等）、模型、工具（CAD、CAE、EDA等）以及数据通过统一的表达方式集中管理起来，将其有机的进行集成封装，形成自包含的、可测试、可管理、可重用的软件体即知识组件，并将这些知识组件与产品研发流程构建关联模型，以此关联模型为核心，通过流程驱动，实现专业设计过程中基于统一数据模型的多专业间的数据传递和有效共享，从而实现专业之间并行协同设计。 3.1多源异构数据的统一建模技术研究 模型是对实际数据对象（如参数数据、文档、报告等）的一种描述，通过对数据结构的属性特征、动态定义，数据对象父子关系约束、数据映射以及数据展示形式的自定义等方式构建统一数据模型。通过数据模型实现对数据对象的数据组成、数据展现、数据之间的关系、数据的操作规则等的统一管理，如图1所示。 图1统一数据模型 3.2基于统一模型的研发流程建模技术研究 以统一数据模型为基础，研究基于统一数据模型的研发流程建模工具和方法，首先分析飞机产品研制各阶段飞机设计和分析流程和特点，梳理型号研制中工作单元对数据模型的需求，并将飞机设计过程中的最小工作单元作为一个工作项，构建统一研发活动模型（如图2所示），确定研发活动与经验、方法以及约束规则等研发知识资源、研发活动相关的输入、输出数据模型等的关联关系。 图2研发活动模型 以飞机产品研发活动模型为最小组件单元，构建统一流程模型，明确研发活动串、并行顺序，活动间执行的前提条件以及前后置关系等等，并将高内聚、标准化、能力集中的子流程或过程定义为模块化流程，实现研制流程的快速调用、变更和替换等等。流程实例模型,见图3。 图3统一流程模型 3.3基于模型的组件封装技术研究 组件封装是将产品研制过程中各专业用到的知识（包括流程、方法、规则、手册、经验等）、模型、工具（CAD、CAE、EDA等）以及研发数据通过接口有机的进行集成封装，形成知识组件模型（如图4所示），并将这些知识组件与产品研发流程构建关联模型。 图4知识组件封装 3.3.1不同专业软件工具集成接口开发技术研究 软件工具集成接口开发（如图5所示），一方面是将研发设计知识经验方法程序化的过程，把公式算法和约束规则通过各种程序代码（如Python语言、VBA等）打包成不同程序的接口组件，把工具软件封装成计算流程节点，通过输入、输出数据、接口组件以及流程节点有机的关联，形成可执行、可重用的知识组件模型。运行知识组件模型时，通过接口调用工具软件从系统中获得输入数据，通过流程节点进行计算后，把输出数据返回到系统中。整个运行过程对用户来讲工具软件也就是一个“黑盒”。 图5组件接口封装原理图 另一方面也是不同类型工具软件输出数据融合的过程，在飞机产品设计、分析过程中往往涉及到多个类别的数字化工具，工具间存在着数据传递，尤其是现有大量的设计分析工作过程中CAD和CAE产生的数据衔接很不通畅，CAD模型导入CAE软件后需要进行大量修补和整合操作，导致CAD—>CAE设计循环的效率十分低下。通过对程序接口组件的封装，实现CAD向CAE模型的自动化生成。一方面使平台的设计模板和分析模板规范化，另一方面增加了工具之间接口的匹配和相容性，以更好地实现设计分析一体化衔接，其融合过程如图6所示。 图6异构多源数据融合过程 3.3.2基于工具适配器的工具与流程模型关联技术研究 飞机设计过程中各个专业用到不同的软件工具，不同软件工具接口的二次开发语言也不尽相同，为了实现不同工具在设计流程中的传递，结合不同工具的二次开发接口使用不同语言的特点，引入了工具适配器。通过工具适配器将不同的工具与流程模板关联，实现流程在执行过程中对工具及工具中的数据进行自动调用和迭代（如图7所示），一方面避免了设计分析人员的大量重复工作，另一方面也是对知识的沉淀和积累，能够避免企业知识的流失。 另外通过工具适配器将不同工具中的接口调用语言和数据传递格式进行统一，并与流程中的数据传递进行配置和绑定，从而实现各工具之间的数据交互，打通不同工具中的数据在流程中传递的壁垒。 图7工具适配器 4技术应用案例 运用多源异构数据统一建模技术构建数据模型，运用研发流程构建技术构建活动模型及流程模型，运用组件封装技术集成封装知识组件模型，以这些模型为核心，将流程实例化任务，通过流程模型驱动，实现专业内以及专业间设计定义过程的自动化，实现专业间的数据传递、知识共享以及协同设计，具体详情见图8所示： 图8技术应用思路 4.1应用场景 集成总体、结构、强度专业设计组件，构建统一的专业集成研发平台，以某型机机翼方案设计为例针对总体结构强度专业（业务流程如下图），开展专业协同设计场景应用验证。 依托专业集成研发平台构建机翼方案设计研发流程模型，通过流程驱动，验证三个专业间任务的并行协同，同时以专业组件为牵引验证总体结构强度在数据传递的并行协同。具体应用场景如图9所示： 图9专业集成研发平台功能应用场景 4.2构建数据模型库 基于企业统一业务模型构建机翼外形参数库，见图10： 图10机翼外形参数模型库 界面设计主要是对输入、输出参数的前端展示，建立与参数模型库的关联关系，如图11所示。 图11机翼外形设计交互界面 4.3构建研发流程模型库 根据图12所示的总体、结构、强度专业机翼方案设计的业务流程，应用多源异构数据的统一建模技术构建研发流程模型，如图13所示。 图12总体结构强度专业业务流程 图13研发流程模型库 4.4构建知识组件模型 将机翼外形设计过程中不同环节所运用到的知识、经验、方法、公式算法等封装为不同的知识组件，确定组件与组件之间的输入输出数据传递关系以及控制逻辑节点、流程执行的顺序以及迭代机制，如图14所示： 图14机翼外形知识组件 4.5基于研发流程模型分解任务 研发流程模型逐级实例化为所计划、部门计划以及室计划，每级研发流程对应一条相应级别的计划，实例化后的计划继承任务模型中的属性信息，研发流程模型及计划分解的映射图如下； 图15基于流程模型的任务分解 4.6专业设计组件的调用 总体结构强度专业在执行任务的过程中通过组件调用，并行开展协同工作，其过程如图16所示：…