多专业联合仿真平台技术研究

刘佳晨

摘要：航空发动机研制过程是一项跨学科的高度协同的复杂工程，随着型号任务的不断加剧，需要信息化的方法辅助协同设计。本文阐述了基于模型的系统工程方法，并借助此方法研究了多专业集成仿真平台的体系架构以及其技术路线，通过FMI标准接口，实现多专业联合仿真，实现项目、流程、数据、知识等研发要素的一体化管理，用以支撑发动机的研制，提高研制精度和效率。

关键词：航空发动机 系统工程 集成平台 仿真 FMI

1 引言

航空发动机研制是我国发动机行业面临的重大战略任务，其研制过程是一项跨学科的高度协同的复杂工程。具有高技术、长周期、投入大的特点，随着型号任务的启动发动机研制出现了一些新的特点：①研制数量大幅增加研制周期不断缩短;②性能指标要求不断提升;③多产品并举大规模协同。虽然近年来已从过去的纸质形式转换为电子形式，但并未从根本上改变这一状况。因此需要先进的工程思想和方法，有效管控发动机研制的全生命周期，建立一体化的仿真工作平台，最大限度满足客户需求的同时减少后续发动机部件或整机试验等研制环节的迭代过程，经济高效地研制出高质量的航空发动机，提升研制能力，缩短研制周期。本文基于系统工程的思想和方法，阐述了基于系统工程的多专业集成仿真平台技术，实现了对航空发动机研制过程的有效管控。

2 联合仿真平台技术架构

整合已有的工具软件、信息系统、设计方法、软硬件资源，构建出适合发动机的一体化仿真平台体系。平台总体架构如上图所示，平台主要包括以下部分：

（1）工程门户

即工程研发活动的门户系统，研发人员从事研发设计活动时的统一工作入口，前端展现为“个人工作台”形式，基本功能包括：工程看板、数据视图、应用集成、知识资源、沟通协作等。工程门户是集成仿真平台的顶层应用和展现层，通过严格的权限设置，不同的角色可以方便地进入自己相关的业务系统，通过灵活的栏目设置和信息推送功能，使每一个操作用户都可以方便及时地看到自己工作内容相关的综合信息，同时可以进入业务系统完成相关的工作。

（2）协同研发过程管理系统

将任务管理与流程管理融合为一体，建立统一的任务单元模型，将具体的产品开发业务过程与特定的活动/任务联系，并将管理过程和设计过程流程化、显性化，通过流程可视化执行和规范化的指导，使得研发过程有序进行。

（3）研发工具系统

构建面向发动机研发的具体业务系统，融合了设计工具、方法、知识等。包括专业设计系统及工程模板库。通过构建专业的设计系统，使得设计人员在该环境下，能够更加关注和关心产品产品整体性能设计优化及创新设计。通过IT技术将其封装固化形成规范和可执行的标准工程应用模板，按照不同专业及类型进行划分管理，形成对各专业系统支持的模板集，该模板同时支撑仿真流程。

（4）知识管理系统：

建立协同研发知识管理系统，为协同研发过程提供必要的知识支撑，通过框架提供的数据挖掘和知识主动推入技术，实现基于知识的设计。知识管理系统提供一套开放的可扩展的框架，进行知识的不断补充、丰富。

3 基于模型的集成仿真

想要进行基于模型的多学科联合集成和仿真，需要对工具、仿真系统进行接口方面的要求。联合仿真平台必须满足多专业计算模型的集成，通过模型的标准化使多专业的联合仿真成为可能，从而进一步验证需求模型，通过对需求的变更跟踪，掌控研发的进程。

3.1 标准化接口

为了实现联合仿真平台系统的通用性，采用了最为先进的FMI（Functional Mock-up Interface）标准化接口。FMI是Modelisar项目中的一部分，主要涉及汽车设计和仿真领域，已经实现了工业化应用。FMI的目标是定义一个开放的接口，从而让不同软件系统的动态系统模型能够实现软件/模型/硬件的联合仿真。因此，FMI 接口对于现有的主流商业仿真软件和程序语言有良好的兼容性。FMI标准接口包含模型描述文件和仿真程序代码两个部分。

3.2 联合仿真平台设计

不同的仿真模型和模型数量组成特定的仿真流程，通过选择所需流程模板或者现场搭建仿真流程，創建仿真任务，对仿真任务下的专业模型进行参数配置，生产仿真实例，然后即可对仿真实例进行计算，实现联合仿真。然后通过过程数据管理系统将仿真过程和结果数据进行管理和追溯，形成完整的研发过程管理体系。

3.3 提供一个仿真IDE（Integrated Design Environment）

仿真IDE包括几个核心组件，模型编辑器、编译器、调试器和图形用户界面。集成了模型编辑、编译、仿真和调试等一体化的仿真服务集。左侧的的树状资源视图主要展现系统的模型，针对左侧模型的编辑器在右侧上半区，可以运用图形化的编辑工具对模型进行修改，而修改后，可以对模型进行仿真，仿真就是对系统模型的设计工作进行验证的过程，对编译后的模型进行仿真类似于对编写的程序进行“运行”。其可以对其“运行”状态进行测试，例如可以给不同的输入查看其结果;并且可以进行“调试”，就是运用各种例如断点等手段，对模型进行差错和排错的过程。仿真和调试过程中，可以对仿真的结果进行分析和比较，可以查询某个历史状态的模型仿真结果，也可以对同版本的模型进行不同输入状态的仿真，目的是在IDE环境中对模型进行筛选和优化。

4 结束语

本文对多专业集成仿真平台技术进行了深入研究，并运用先进技术实现集成仿真平台的架构设计，讨论了关键技术环节。在研究过程中，对于基于模型的系统仿真及仿真流程、仿真数据的管理都有系统的考虑。多学科集成仿真平台本身也是一个系统工程，从需求分析，到开发并走向成熟应用需要漫长的多专业协调，需要投入大量的人力物力来完成，针对平台中的每个技术环节加以深入调研并开发实现。

参考文献

[1]董亮，刘俊堂，张永辉.飞机研制需求管理技术研究.航空科学技术.2014.2.