模型“建评管用”数字化交付模式方法研究

黄磊

摘  要：面向数字化工程生态中产品数字化与过程数字化的需求，针对模型建设方面标准不统一、粒度不匹配、专业难集成，模型评价方面要求不明确、标定工作量大、评价缺乏体系，模型管理方面缺乏协同环境、版本控制、权限控制，模型应用方面仿真任务、应用流程与型号未贴合等问题，提出了模型“建评管用”数字化交付模式方法。主要内容包括多专业多层级模型构建方法、多维度多阶段模型评价方法、跨组织跨地域模型管理方法和多场景多模式模型应用方法，以模型为载体，以“建评管用”为循环回路，以数字化交付为抓手，推动复杂装备研制模式变革。

关键词：模型构建  模型评价  模型管理  模型应用  数字化交付

中图分类号：V46

Research on the Method for the Digital Delivery Mode of Model “Construction， Evaluation， Management and Application”

HUANG Lei

Suzhou Tongyuan Software&Control Technology Co.， Ltd.， Suzhou， Jiangsu Province， 215000 China

Abstract： In the face of the needs of digital products and processes in the digital engineering ecosystem， in order to address issues such as inconsistent standards， mismatched granularity and difficult disciplinary integration in model construction， unclear requirements， large calibration workload and the lack of an evaluation system in model evaluation， the lack of the collaborative environment， version control and permission control in model management， and the inconsistency of simulation tasks， application processes and types in model application， the article proposes a method for the digital delivery mode of model "construction， evaluation， management and application"， which mainly includes a multi-disciplinary and multi-level model construction method， a multi-dimensional and multi-stage model evaluation method， a cross-organizational and cross-regional model management method， and a multi-scenario and multi-mode model application method. The method takes a model as a carrier， its "construction， evaluation， management and application" as a cyclic loop and its digital delivery as a starting point to promote the transformation of the development mode of complex equipment.

Key Words： Model construction; Model evaluation; Model management; Model application; Digital delivery

随着现代装备的系统规模和技术难度不断增大，传统的以文档为基础的装备研制模型已不能满足发展需求[1]。美国国防部于2018年正式对外发布“国防部数字工程战略”，将国防工业体系从以文档为中心的线性采办向以数字模型为中心的数字工程转变。我国于2021年也正式发布“装备数字化工程”，其核心是基于模型的数字化研制与数字化交付。因此，模型是数字化变革的核心载体，模型的构建、评价、管理、应用方法研究具有重要价值。

1  模型数字化应用概述

1.1  模型应用现状分析

国内外在装备研制中已经开展了围绕模型的数字化应用，并初步取得成果[2]。模型构建方面，宋研等人[3]针对系统性验证问题，基于Modelica语言构建了航天器系统多学科系统模型，并深入研究了专业建模特征。Luis I等人[4]针对电动汽车多领域仿真需求，基于键合图构建了包含铅酸电池动力学的电动汽车多领域模型。模型评价方面，李伟等人[5]针对高度复杂模型验证挑战，总结了现有模型验证方法并提出了新方法。Sargent R G[6]描述了确定模型有效性的三种方法，并提出了模型验证的推荐步骤。模型管理方面，张佳朋等人[7]结合装配流程特点，给出了面向航天器装配质量的数字孪生建模方法与模型管理方法。陶飞等人[8]探索建立了一套数字孪生模型构建理论体系，并给出了模型管理的定义。模型应用方面，刘治钢等人[9]基于型号应用需求提出了航天器供配电数字伴飞系统，实现了基于模型的测试和飞行状态监测。李涛等人[10]实现了航天器全阶段模型应用，基于模型开展研制中的设计与验证工作。应用综上，以往的数字化研究主要针对模型构建、评价、管理或应用等单一环节提出了针对性的数字化方法。

1.2 模型应用差距分析

面向装备数字化工程的模型需求，现阶段的数字化交付模式在模型的构建、评价、管理、应用4个方面均存在不足之处。

（1）模型构建方面，各专业建模工具不统一，模型粒度与研制阶段不匹配，各层级单位建模标准不统一。

（2）模型评价方面，总体单位难以提出明确的建模要求，设计参数过多导致模型标定工作量大，缺乏合理的模型评价体系。

（3）模型管理方面，模型缺乏共享，建模与仿真工作缺乏协同，模型技术状态难控制，缺乏保护知识产权手段。

（4）模型应用方面，仿真任务与型号任务贴合不够，模型流转与型号流程结合不够，模型数据与型号数据融合不够。

本文针对上述问题提出了模型“建评管用”数字化交付模式方法，实现了数字化交付中的模型循环回路，形成统一的模型构建、评价、管理、应用范式，为复杂装备研制模式变革提供借鉴。

2  模型“建评管用”流程

模型“建评管用”的数字化交付模式方法流程如图 1所示，主要包含模型构建、模型评价、模型管理、模型应用4个阶段。各阶段的定义具体如下。

2.1 多专业多层级模型构建

基于Modelica[11]开展机械、电气、流体、控制、热等多专业模型构建，基于自顶向下的分解与自底向上的集成实现系统、分系统、单机不同层级模型构建与基于FMI[12]标准的集成，得到多专业多层级模型体系。

2.2 多维度多阶段模型评价

对模型精度与模型置信度多维度进行标定与评价，实现在设计阶段、试验阶段、运维阶段等多阶段持续保证模型与系统的状态一致性。

2.3 跨组织跨地域模型管理

实现跨组织模型体系的版本管理与权限控制，以及跨地域的协同建模与协同仿真，为模型的流转提供协同管理环境，保护知识产权的同时提升数字化工作效率。

2.4 多场景多模式模型应用

实现基于模型的系统设计、基于模型的虚拟试验、基于模型的运行维护等多场景应用，支持白盒、灰盒、黑盒不同可见度，同构与异构等不同构造方式，集中式与分布式等不同仿真架构，实时、超实时、欠实时等不同实时性的模型应用，以多场景多模式按需支撑型号应用。

3 多专业多层级模型构建

以型号研制要求为依据，制定模型研制要求，模型特性要求是通过系统仿真任务分解出分系统仿真任务而制定分系统的特性要求，模型通用要求是面向各分系统的共性要求，依据模型研制要求开展多专业多层级模型构建。

3.1 多专业模型构建

多专业模型构建通过Modelica多专业建模机制实现，首先对各层级模型的工作原理进行描述，包含机械原理、电气原理、流体原理、传热学原理、控制原理，考虑各专业之间的耦合特性，形成统一的工程物理系统原理。然后采用多领域物理统一建模语言Modelica统一描述各专业工作原理，形成机械专业模型、电气专业模型、流体模型、传热模型、控制模型等。最后将各专业模型在统一建模环境中融合为多领域物理系统模型，包括模型方程的耦合、模型接口的交互、模型参数的耦合。

3.2 多层级模型构建

多层级模型构建的方法包括模型架构设计、模型编码实现、模型系统集成。首先开展模型架构设计，依据模型研制要求，开展模型架构设计，得到需要构建的单机模型列表与单机模型建模要素。后开展模型编码实现，依据单机模型的工作原理基于Modelica语言开展多种方式的模型构建：（1）对于理论公式清晰的单机，直接依据理论公式进行方程建模；（2）对于理论公式不清晰经验公式明确的单机，可以依据经验公式进行模拟建模；（3）对于理论公式与经验公式都不太清晰但有充足实测数据的单机，可以通过数据拟合构建代理模型。最后开展模型系统集成，依据单机与单机之间的接口交互关系，调用单机模型库中的模型集成为分系统模型；依据分系统与分系统之间的接口交互关系，调用分系统模型库中的模型集成为系统模型。

4 多维度多阶段模型评价

模型评价从模型精度标定、模型置信度分析等不同维度，覆盖设计阶段、试验阶段、运维阶段等不同阶段，最终目的是得到高精度与高置信度的模型体系，用于提升模型的应用效果。

4.1 多维度模型评价

模型评价维度涉及精度与置信度等不同的维度，重点以模型与评价标准数据为输入，实现模型标定与模型置信度分析，形成高精度、高置信度的模型。模型标定通过模型运行的试验设计，对参数相关性和失效概率进行分析，实现参数灵敏度分析，得到敏感参数序列；通过对模型仿真结果与标定数据进行结果匹配度分析，进行模型参数校正，完成模型参数标定，得到最优参数集。模型置信度分析开展指标分析与权重分配，选择合适的置信度评价算法进行评估计算，完成置信度统计与置信度分析，输出模型的评价与验证报告，以及高置信度的模型。

4.2 多阶段模型评价

面向不同阶段的模型使用需求，实现多阶段的模型评价。面向设计阶段基于模型的系统设计与验证需求，以设计数据（方案指标、历史型号数据、历史仿真数据）为标准，实现模型的标定，使得模型可以承担对设计方案的全面表达能力。面向试验阶段基于模型的全数字虚拟试验、半实物试验、虚实交互试验等需求，以试验数据为标准，实现模型的标定，使得模型可以代替实物作为试验的部分对象。面向运维阶段基于模型的全面监测、状态评估、快速预示等需求，实现模型的标定，使得模型状态与实物运行状态保持一致，可支撑数字孪生应用。

5  跨组织跨地域模型管理

模型跨组织跨地域管理重点解决多人协同建模与仿真问题、版本与权限管理问题，模型版本控制保证模型状态与研制状态的一致性，模型权限控制保护各组织的知识产权，协同建模实现跨地域的大规模模型并行构建，协同仿真实现基于通信的分布式验证。

5.1  跨组织模型管理

跨组织模型管理重点是实现不同组织的模型权限管理以及不同阶段的版本管理，模型权限管理需实现三员管理、用户管理、角色管理、权限控制。三员管理是企业数据安全的重要机制，三类管理员协同工作且相互监督，共同维护企业数据安全。用户管理对系统内的部门组织架构根据职能和责权划分进行统一管理，通过分配角色、分配权限和目录控制来约束用户对模型、数据和目录的访问。角色管理通过赋予角色一定的权限来定义用户对系统内的模型、数据和目录享有哪些操作权利。权限控制定义系统中不同角色的权限，各角色对公有仓库分类目录的控制权限不同。

5.2  跨地域模型管理

跨地域模型管理重点是实现跨地域协同建模与跨地域协同仿真。跨地域协同建模实现复杂系统模型的协同构建，基于网络工作环境，以面向模型的方式支持模型提交、模型还原、模型推送、模型版本跳转、模型拉取等。跨地域协同仿真实现通过网络浏览器就能完成在线仿真运行、仿真结果管理和仿真任务管理，提供一个便利、高效的仿真环境。

6 多场景多模式模型应用

多专业多层级模型构建、多维度多阶段模型评价、跨组织跨地域模型管理，都将支撑模型应用，面向多场景需求、适应多应用模式的模型应用，使得模型最终在型号中发挥数字化价值。

6.1 多场景模型应用

多场景模型应用主要面向基于模型的系统设计场景、基于模型的虚拟试验场景、基于模型的运行维护场景。基于模型的系统设计场景，在方案论证中支撑需求分析与快速论证，在系统设计中支撑正向设计与选型设计，在分系统设计中支撑精细化设计验证。基于模型的虚拟试验场景，支撑基于模型的专项虚拟测试、专项半实物测试、系统虚拟测试、系统半实物测试、模型标定与参数辨识。基于模型的运行维护场景，支撑数字模拟、全面监测、状态评估、快速预示、策略优化、虚实控制。

6.2 多模式模型应用

多模式模型应用支撑不同可见度、不同构造方式、不同仿真架构、不同实时性要求的模型仿真应用，根据不同研制阶段的仿真需求提供合适的仿真模式。可见度方面，根据数字化交付情况以及本单位的数字化积累情况，支持基于白盒模型、灰盒模型、黑盒模型的仿真应用。构造方式方面，根据交付模型的类别以及本单位积累的模型类别，支持多领域模型统一仿真求解，也支持多源异构模型的联合仿真求解。仿真架构方面，根据模型部署需求和仿真效率需求，支持系统集成式仿真求解，也支持分布式协同仿真求解。实时性要求方面，根据模型应用的业务需求，支持实时、超实时、欠实时等不同仿真求解模式。基于精度、效率、场景等综合需求适配合理的仿真模式，更好、更快、更准地支撑型号应用。

7 结论与展望

本文提出模型“建评管用”数字化交付模式方法，实现模型的全生命周期管理，在以下4个层面提出了面向数字化交付模式的方法，为数字化研制与数字化交付的模型回路提供了理论指导。

（1）模型构建层面，提出了系统、分系统、单机多层级，机、电、液、控、热多专业的模型构建方法，支撑系统全面的模型化表达。

（2）模型评价层面，提出了精度修正与置信度评估多维度，设计、试验、运维多阶段的模型评价方法，保证模型与系统状态的一致性。

（3）模型管理层面，提出了跨组织的模型版本管理与权限管理，跨地域的协同建模与协同仿真方法，为数字化研制与数字化交付提供协同环境。

（4）模型应用层面，提出了面向基于模型的系统设计、基于模型的虚拟试验、基于模型的运行维护多场景应用方法，通过数字化手段切实提升型号研制能力。

数字化实践是一个从方法到标准、模型、工具不同层面的体系性工作，在本文提出的“建评管用”方法之后，未来仍需在几个方面持续推进研究：标准层面，需要建立模型构建标准、模型管理流程、模型评价体系、模型应用指南等；模型层面，需要以型号牵引通用模型库建设，以通用模型库支撑型号应用并迭代；工具层面，需建设完全自主可控的建评管用一体化平台，以数字化手段推进研制模式变革。

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