知识驱动的飞行器快速设计平台构建

◎北京航天长征飞行器研究所 王锦程 王刚 刘军虎 秦绪国 闫月晖

知识驱动的飞行器快速设计平台构建

◎北京航天长征飞行器研究所 王锦程 王刚 刘军虎 秦绪国 闫月晖

近年来，越来越多的文献和资料提到当前社会正由原材料与能源消耗为特点的工业经济时代迈入以知识和信息为支撑的知识经济时代。知识经济以知识和信息为依托，依赖于知识与信息的生成、推广和再应用，而新产品的核心竞争力也越来越倾向于它所拥有的知识含量。随着市场竞争的逐渐激烈，以及制造和信息技术的高速发展，新知识、新技术与新产品的更新换代周期日益缩短，对产品的知识含量要求也日益提高。

对于传统行业来说，飞行器的研制面临着越来越多的竞争，需要逐步适应知识经济时代的发展步伐。近年来，随着知识管理工作的持续推进，知识经验的梳理、收集与记录越来越受到重视，在取得显著成效的同时实现了关键知识的提炼与记录。然而，结合北京航天长征飞行器研究所实际情况来看，飞行器设计的知识管理还处于将设计师脑海中的经验固化成持久化记录的知识的阶段，尚未形成统一的研制知识管理体系。尤其在飞行器性能指标要求不断提高、论证阶段越来越短、外部竞争压力日益增强的形势下，若仍然不能充分发挥方法与经验的价值，将很难满足客户对飞行器总体方案设计的要求。

目前，飞行器总体方案快速设计通常需要经过多个步骤，多个专业间需进行多轮次的迭代和仿真，沟通协调、参数计算量大。而当前的工作方式通常是设计师根据经验与前置结果手动输入/更改设计参数，手动切换多个软件来完成方案设计工作。在计算与分析不同设计方案时，大量的时间消耗在参数的输入、验证和计算结果的处理与复核过程中，设计效率无法得到保证，严重制约了飞行器总体专业的快速设计能力。因此，从飞行器设计与知识管理的双重角度出发，迫切地需要通过对研制过程、模型与模板规范的管理，软件、工具和程序算法的集成，设计、仿真与优化数据的记录，建立一个基于知识驱动的飞行器多学科方案快速设计系统。在实现知识积累到知识应用的转变过程中，也为改进总体方案设计方式、加速总体方案设计过程、提高飞行器总体设计水平提供条件。

一、国内外应用现状

1．国外应用现状

国外先进企业对于知识驱动的方案设计研究由来已久，与国内大多数企业起步于仿制不同，国外先进企业非常重视知识在方案设计中的重要性，流程非常适合于创新设计。而且这些企业在前沿工程方案设计阶段进行了大量的流程改进和工具集成，将新产品研发的问题尽量解决在设计前期，因此大大缩短了新产品设计周期。

2．国内应用现状

国内军工企业大都面临着小批量、多批次、时间紧、任务重的型号研制情况，如何在保证战术指标及产品质量满足要求的情况下尽可能地缩短研制周期，成为当前面临的主要挑战之一。而型号的研制是一个复杂的系统，每项任务及型号的承研单位会涉及多个设计科室，管理及技术范畴上涉及多专业、多学科的各类知识，这就为型号的研制尤其是协同研发带来了巨大挑战。

从知识驱动的飞行器研发角度来看，目前已经形成了各独立功能或设计部分的专用系统，在一定程度上提升了研制的水平及效率。而相对独立的系统，使得专业间的协同或并行研发能力还没有形成且研发流程无法在系统间连续执行，导致管理不能覆盖研发整个流程，最终造成研发缺少知识的支持，知识管理无法与产品研发互相融合。因此，国内基于知识的多学科方案快速设计进展相对缓慢。

二、知识驱动的多学科方案快速设计系统

1．知识驱动的协同设计

知识驱动的协同设计思路脱离不了管理、工具、资源三大因素。管理分为过程管理、数据管理和知识管理三大部分。数据的管理保证企业有统一的数据源，而过程的管理则是合理规划和控制人员在各个层次、各个阶段活动之间的逻辑关系，两者相辅相成。在知识管理方面，实现对设计经验、方法和流程的固化，辅助设计人员进行参数的选定、流程的制定、建模和仿真分析，并将飞行器研制中各种设计规范、手册、历史数据等转换为知识条目进行管理。在设计分析过程中，系统根据设计人员的设计任务主动进行知识的推送，同时设计人员又能将其设计知识、方法进行积累和沉淀，实现设计与知识的互动。在工具层面，将建模、仿真、分析及处理过程的规则和知识进行总结、提炼和固化，提高工具利用效率与输出结果的规范性。

2．系统构建

知识驱动多学科方案快速设计系统将多专业的仿真工具、流程和知识经验进行集成与管理，为设计师提供方案阶段总体方案快速论证、典型设计参数的优化与仿真验证等功能，实现各专业设计与仿真工作的标准化、流程化与协同化。依托于系统的运行，可实现设计与仿真工作中模型、算法、参数、操作等过程及结果数据的积累和沉淀，为逐步提炼形成设计和仿真知识库提供条件。系统由门户、研发知识管理、协同研发过程管理、协同研发专业管理、多学科设计优化、研发数据管理和集成接口等7个子系统组成，各子系统互相支撑协作，具体如图1所示。

一是门户系统。门户系统是整个系统的统一入口，基于B/S架构提供单点登陆、任务看板、流程处理、统一数据视图与工具箱等上层应用功能。通过对底层工具与功能的封装、抽象和调用，为不同角色用户呈现互相独立的个人工作处理台面，实现对多学科方案快速设计系统各功能模块的使用。

二是研发知识管理。研发知识管理能够收集、保存、转换、传递、更新和维护整个产品研发过程中的大量知识、经验、数据等信息，为产品研制过程中的决策服务。同时，知识管理与具体的研发活动相结合，设计人员在设计过程中能够方便的把设计人员的经验、知识封装到系统中，也可以根据当前的工作语境主动、智能地推送满足符合度的设计知识，使知识与设计形成良好互动，实现知识共享、分发，真正做到知识驱动产品研发的整个过程，使企业的设计能力可以持续积累、提高。

三是协同研发过程管理。协同研发过程管理是“数据总线”，对研发过程中的数据流和过程流进行传递与管理，以更好地实现研发任务的管理和执行控制。协同研发过程管理以研发任务为核心，以时间、逻辑、数据与消息等多种因素作为研发流程的驱动机制，实现任务的自动下发与反馈、任务的动态调整、任务多种触发因素的动态配置等功能，从而提高对研发任务的管控效率，加强研发任务协同处理能力。

四是协同研发专业管理。协同研发专业管理把设计和仿真过程中的工具、方法与知识进行集成和封装，形成一系列标准化可复用的基础组件，并以此为基础构建面向飞行器研发的工程模板，如总体布局设计、气动外形设计、飞行力学仿真等。通过协同研发专业管理的集成化设计思路，提高飞行器研发效率，降低软件和工具使用门槛，并将经验知识融入到工程模板中，实现研发过程中的知识积累、工具封装以及复用，逐步构建研发知识库，实现研发过程的可重复性、可追溯性和可扩展性。

五是多学科优化设计。多学科优化设计包括多学科集成及自动优化、试验设计及响应面建模、可靠性和鲁棒性分析、优化设计、参数标定和并行优化等功能。集成多学科优化设计工具，提供多学科自动优化的功能，并通过其数据管理与流程管理的功能支持，为学科间数据传递提供便利，有效提高快速方案设计的效率。

六是研发数据管理。研发数据管理主要对工程研发过程中设计参数、设计模型、分析模型、分析结果、报告等过程数据以及产生这些数据的操作和过程进行管理，并建立设计需求、设计指标、设计数据、分析数据、试验数据之间的统一关联关系。

七是应用集成接口。多学科方案快速设计系统的使用需要一定程度上与已有的系统进行对接，如计划层面与AVPLAN的对接、三维设计模型与AVIDM4.0的连接文档管理与AVIDM3.5的连接，基础试验数据来源于试验数据综合管理系统，单点登录集成与门户系统等，可通过应用集成接口实现与这类外部系统的知识调用。▲