Modelook多學(xué)科聯(lián)合仿真解決方案初探

Modelook多學(xué)科聯(lián)合仿真解決方案初探引言飛機(jī)、衛(wèi)星、汽車等復(fù)雜系統(tǒng)普遍是機(jī)械、電子、控制、液壓、軟件等多專業(yè)耦合系統(tǒng)。在復(fù)雜系統(tǒng)的研制過程中，從系統(tǒng)頂層到各細(xì)分專業(yè)會(huì)創(chuàng)建一系列的數(shù)字模型，目前單專業(yè)的數(shù)字仿真越來越成熟，應(yīng)用也非常廣泛，但是如何在早期階段有效的集成和調(diào)度各專業(yè)模型形成系統(tǒng)級(jí)模型進(jìn)行聯(lián)合仿真還鮮有實(shí)際應(yīng)用，是現(xiàn)在亟需要去解決的問題。近些年來，隨著MBSE、MBD等技術(shù)快速發(fā)展，國(guó)外已有相關(guān)方向的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，Modelook作為國(guó)產(chǎn)工程系統(tǒng)建模仿真工具也做了相應(yīng)的探索，嘗試建立以SysML模型為核心，集成和調(diào)度多專業(yè)模型的聯(lián)合仿真方案。解決方案在基于模型的復(fù)雜系統(tǒng)研制過程中，在系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)階段基于SysML模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模描述，在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段各專業(yè)進(jìn)行各自專業(yè)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)建模。Modelook嘗試通過統(tǒng)一仿真平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)多專業(yè)模型的集成、封裝及仿真運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)多學(xué)科聯(lián)合仿真達(dá)到在設(shè)計(jì)早期進(jìn)行聯(lián)合仿真驗(yàn)證的目的。圖1

多學(xué)科聯(lián)合仿真在V字形系統(tǒng)工程中的位置以下會(huì)從多專業(yè)模型集成、模型封裝及仿真執(zhí)行三個(gè)方面對(duì)方案進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。模型集成SysML作為系統(tǒng)級(jí)建模語(yǔ)言，可以有效的對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的架構(gòu)、邏輯及參數(shù)進(jìn)行建模。以SysML模型為基礎(chǔ)可以進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)的組件進(jìn)行多領(lǐng)域?qū)I(yè)建模，在統(tǒng)一平臺(tái)下構(gòu)建系統(tǒng)整體功能模型，并集成各子系統(tǒng)專業(yè)工程模型，實(shí)現(xiàn)以系統(tǒng)級(jí)視角對(duì)系統(tǒng)的完整模型描述。圖2

基于SysML系統(tǒng)模型的多專業(yè)模型集成示意圖以模型的方式進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)字化表達(dá)，定義系統(tǒng)的需求、功能、邏輯和物理模型；關(guān)聯(lián)系統(tǒng)全生命周期的數(shù)字化模型，構(gòu)建自頂向下的多專業(yè)聯(lián)合設(shè)計(jì)；通過系統(tǒng)模型對(duì)專業(yè)模型的集成，實(shí)現(xiàn)從系統(tǒng)到專業(yè)領(lǐng)域的聯(lián)合數(shù)字模型描述。模型封裝基于統(tǒng)一的軟件平臺(tái)對(duì)各專業(yè)模型進(jìn)行封裝，打通系統(tǒng)級(jí)模型及機(jī)械、電子、液壓、控制、軟件等專業(yè)模型間的數(shù)據(jù)接口，從而實(shí)現(xiàn)自頂向下的系統(tǒng)數(shù)字化模型互聯(lián)互通及統(tǒng)一調(diào)度。通過模型封裝，支持以插件形式管理各專業(yè)模型，用戶可通過拖拽形式完成模型的動(dòng)態(tài)配置與管理，可以在某一仿真場(chǎng)景中圖形化引用UI模型、系統(tǒng)模型、專業(yè)模型并創(chuàng)建模型間的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系，并通過統(tǒng)一調(diào)度機(jī)制支持多專業(yè)模型的聯(lián)合仿真運(yùn)行。圖3

多專業(yè)模型封裝示意圖針對(duì)各專業(yè)工具定制開發(fā)可用于數(shù)據(jù)模型封裝運(yùn)行引擎插件，例如STK、Matlab封裝插件；基于參數(shù)化對(duì)各專業(yè)工具的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行輸入、輸出標(biāo)準(zhǔn)格式的參數(shù)封裝；基于各工具數(shù)據(jù)的參數(shù)模型，在仿真場(chǎng)景中進(jìn)行參數(shù)模型間的值傳遞關(guān)系及調(diào)度控制關(guān)系的定義配置；基于統(tǒng)一仿真平臺(tái)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)各專業(yè)工具的聯(lián)合仿真。仿真執(zhí)行系統(tǒng)級(jí)創(chuàng)建的SysML模型為進(jìn)行多專業(yè)的聯(lián)合仿真提供了一種可行的解決方案。以SysML模型作為集成框架，在統(tǒng)一的仿真平臺(tái)環(huán)境中直接或借助其他工具模型接口來驅(qū)動(dòng)多專業(yè)模型執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)面向多領(lǐng)域全生命周期的異構(gòu)模型(SysML,Modelica,Simulink等)仿真分析。圖4

基于SysML模型的多專業(yè)模型聯(lián)合仿真示意圖目前，Modelook正在探索以下三種聯(lián)合仿真場(chǎng)景：場(chǎng)景一狀態(tài)圖作為系統(tǒng)整體運(yùn)行邏輯的描述，可以有效的響應(yīng)外部觸發(fā)事件對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的影響，并傳遞給各分析模型，各分析模型將執(zhí)行狀態(tài)及結(jié)果再反饋給狀態(tài)圖進(jìn)行同步顯示。在某案例中，通過集成系統(tǒng)的運(yùn)行邏輯模型、數(shù)學(xué)模型和任務(wù)場(chǎng)景可視化模型，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)運(yùn)行邏輯及場(chǎng)景的可視化，使客戶對(duì)所設(shè)想產(chǎn)品進(jìn)行最快和直觀的認(rèn)識(shí)，而又不丟失產(chǎn)品信息的準(zhǔn)確性。該案例的具體內(nèi)容見“案例探索”章節(jié)。圖5

基于狀態(tài)圖的聯(lián)合仿真示例場(chǎng)景二活動(dòng)圖聚焦于描述系統(tǒng)行為，對(duì)動(dòng)作和流（控制流、對(duì)象流）等進(jìn)行建模，活動(dòng)圖通過描述動(dòng)作執(zhí)行的順序來描述系統(tǒng)的運(yùn)行邏輯。因此活動(dòng)圖可用來模擬與時(shí)間相關(guān)的活動(dòng)，并通過集成專業(yè)邏輯模型進(jìn)行聯(lián)合仿真執(zhí)行。在下圖展示的案例中，實(shí)現(xiàn)了SysML活動(dòng)圖模型與外部可執(zhí)行模型（Matlab、VC等）的集成應(yīng)用，活動(dòng)圖模型用來描述系統(tǒng)功能邏輯，外部分析模型描述算法的具體實(shí)現(xiàn)，將活動(dòng)圖中的動(dòng)作與外部分析模型進(jìn)行綁定，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為模型和數(shù)學(xué)模型的聯(lián)合仿真，實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)早期，對(duì)功能和性能指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。圖6

基于活動(dòng)圖的聯(lián)合仿真示例場(chǎng)景三參數(shù)圖提供了將系統(tǒng)的參數(shù)約束模型與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、行為模型整合的方法，借助參數(shù)圖模型可以和專業(yè)分析模型打通數(shù)據(jù)接口，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的非功能需求驗(yàn)證、權(quán)衡對(duì)比分析、自動(dòng)設(shè)計(jì)優(yōu)化等功能。如下圖所示，通過將SysML中的參數(shù)模型與工程分析模型進(jìn)行數(shù)據(jù)集成，更好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)多學(xué)科聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用專業(yè)模型對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)模型中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體完成如下內(nèi)容：明確參數(shù)分析要達(dá)到的目標(biāo)，使用需求圖構(gòu)建參數(shù)指標(biāo)，如重量、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；構(gòu)建參數(shù)分析模塊，并定義分析參數(shù)，使用BDD圖定義系統(tǒng)的邏輯模塊組成及約束組成；定義表示參數(shù)分析方程的約束模塊，使用參數(shù)圖建立各約束模塊與參數(shù)之間的綁定關(guān)系，從而建立各參數(shù)之間的約束關(guān)系；導(dǎo)出SysML參數(shù)模型到多學(xué)科優(yōu)化平臺(tái)或計(jì)算平臺(tái)（CATIA、Nastran、Matlab等）用于做指標(biāo)分析，并根據(jù)多學(xué)科優(yōu)化仿真結(jié)果，驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型指標(biāo)的正確性，以及對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化迭代。圖7

基于參數(shù)圖的聯(lián)合仿真示例案例探索在某無人機(jī)的的研制過程中,杉石團(tuán)隊(duì)與某研究所機(jī)構(gòu)共同嘗試借助SysML系統(tǒng)建模系統(tǒng)、可視化場(chǎng)景建模和數(shù)學(xué)建模對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行邏輯進(jìn)行可視化仿真，從而以直觀的可視化仿真結(jié)果驗(yàn)證無人機(jī)運(yùn)行邏輯設(shè)計(jì)的有效性。借助Modelook、STK、Matlab三個(gè)軟件及數(shù)據(jù)接口的二次開發(fā)，在工具鏈中實(shí)現(xiàn)了本案例的設(shè)想。圖8

無人機(jī)系統(tǒng)聯(lián)合仿真示意圖如上圖所示，通過軟件工具實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)裝備模型的聯(lián)合仿真，使用Modelook狀態(tài)圖模型來描述無人機(jī)在任務(wù)階段、返航階段的飛行狀態(tài)和行為，使用Matlab數(shù)學(xué)模型定義無人機(jī)在飛行過程中的航路軌跡，使用STK可視化場(chǎng)景模型定義無人機(jī)裝備與其他作戰(zhàn)裝備之間的的交戰(zhàn)情況，通過打通工具之間的業(yè)務(wù)接口，實(shí)現(xiàn)了基于Modelook完成對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)控制，向Matlab數(shù)學(xué)模型實(shí)時(shí)發(fā)送狀態(tài)控制指令，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)無人機(jī)在STK可視化模型中的運(yùn)動(dòng)控制，最終在Modelook中實(shí)時(shí)生成作