知識(shí)驅(qū)動(dòng)的飛行器快速設(shè)計(jì)平臺(tái)構(gòu)建

◎北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所 王錦程 王剛 劉軍虎 秦緒國(guó) 閆月暉

知識(shí)驅(qū)動(dòng)的飛行器快速設(shè)計(jì)平臺(tái)構(gòu)建

◎北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所 王錦程 王剛 劉軍虎 秦緒國(guó) 閆月暉

近年來，越來越多的文獻(xiàn)和資料提到當(dāng)前社會(huì)正由原材料與能源消耗為特點(diǎn)的工業(yè)經(jīng)濟(jì)時(shí)代邁入以知識(shí)和信息為支撐的知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代。知識(shí)經(jīng)濟(jì)以知識(shí)和信息為依托，依賴于知識(shí)與信息的生成、推廣和再應(yīng)用，而新產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力也越來越傾向于它所擁有的知識(shí)含量。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的逐漸激烈，以及制造和信息技術(shù)的高速發(fā)展，新知識(shí)、新技術(shù)與新產(chǎn)品的更新?lián)Q代周期日益縮短，對(duì)產(chǎn)品的知識(shí)含量要求也日益提高。

對(duì)于傳統(tǒng)行業(yè)來說，飛行器的研制面臨著越來越多的競(jìng)爭(zhēng)，需要逐步適應(yīng)知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代的發(fā)展步伐。近年來，隨著知識(shí)管理工作的持續(xù)推進(jìn)，知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的梳理、收集與記錄越來越受到重視，在取得顯著成效的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵知識(shí)的提煉與記錄。然而，結(jié)合北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所實(shí)際情況來看，飛行器設(shè)計(jì)的知識(shí)管理還處于將設(shè)計(jì)師腦海中的經(jīng)驗(yàn)固化成持久化記錄的知識(shí)的階段，尚未形成統(tǒng)一的研制知識(shí)管理體系。尤其在飛行器性能指標(biāo)要求不斷提高、論證階段越來越短、外部競(jìng)爭(zhēng)壓力日益增強(qiáng)的形勢(shì)下，若仍然不能充分發(fā)揮方法與經(jīng)驗(yàn)的價(jià)值，將很難滿足客戶對(duì)飛行器總體方案設(shè)計(jì)的要求。

目前，飛行器總體方案快速設(shè)計(jì)通常需要經(jīng)過多個(gè)步驟，多個(gè)專業(yè)間需進(jìn)行多輪次的迭代和仿真，溝通協(xié)調(diào)、參數(shù)計(jì)算量大。而當(dāng)前的工作方式通常是設(shè)計(jì)師根據(jù)經(jīng)驗(yàn)與前置結(jié)果手動(dòng)輸入/更改設(shè)計(jì)參數(shù)，手動(dòng)切換多個(gè)軟件來完成方案設(shè)計(jì)工作。在計(jì)算與分析不同設(shè)計(jì)方案時(shí)，大量的時(shí)間消耗在參數(shù)的輸入、驗(yàn)證和計(jì)算結(jié)果的處理與復(fù)核過程中，設(shè)計(jì)效率無法得到保證，嚴(yán)重制約了飛行器總體專業(yè)的快速設(shè)計(jì)能力。因此，從飛行器設(shè)計(jì)與知識(shí)管理的雙重角度出發(fā)，迫切地需要通過對(duì)研制過程、模型與模板規(guī)范的管理，軟件、工具和程序算法的集成，設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化數(shù)據(jù)的記錄，建立一個(gè)基于知識(shí)驅(qū)動(dòng)的飛行器多學(xué)科方案快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)。在實(shí)現(xiàn)知識(shí)積累到知識(shí)應(yīng)用的轉(zhuǎn)變過程中，也為改進(jìn)總體方案設(shè)計(jì)方式、加速總體方案設(shè)計(jì)過程、提高飛行器總體設(shè)計(jì)水平提供條件。

一、國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

1．國(guó)外應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)外先進(jìn)企業(yè)對(duì)于知識(shí)驅(qū)動(dòng)的方案設(shè)計(jì)研究由來已久，與國(guó)內(nèi)大多數(shù)企業(yè)起步于仿制不同，國(guó)外先進(jìn)企業(yè)非常重視知識(shí)在方案設(shè)計(jì)中的重要性，流程非常適合于創(chuàng)新設(shè)計(jì)。而且這些企業(yè)在前沿工程方案設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了大量的流程改進(jìn)和工具集成，將新產(chǎn)品研發(fā)的問題盡量解決在設(shè)計(jì)前期，因此大大縮短了新產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。

2．國(guó)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)軍工企業(yè)大都面臨著小批量、多批次、時(shí)間緊、任務(wù)重的型號(hào)研制情況，如何在保證戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)及產(chǎn)品質(zhì)量滿足要求的情況下盡可能地縮短研制周期，成為當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)之一。而型號(hào)的研制是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，每項(xiàng)任務(wù)及型號(hào)的承研單位會(huì)涉及多個(gè)設(shè)計(jì)科室，管理及技術(shù)范疇上涉及多專業(yè)、多學(xué)科的各類知識(shí)，這就為型號(hào)的研制尤其是協(xié)同研發(fā)帶來了巨大挑戰(zhàn)。

從知識(shí)驅(qū)動(dòng)的飛行器研發(fā)角度來看，目前已經(jīng)形成了各獨(dú)立功能或設(shè)計(jì)部分的專用系統(tǒng)，在一定程度上提升了研制的水平及效率。而相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，使得專業(yè)間的協(xié)同或并行研發(fā)能力還沒有形成且研發(fā)流程無法在系統(tǒng)間連續(xù)執(zhí)行，導(dǎo)致管理不能覆蓋研發(fā)整個(gè)流程，最終造成研發(fā)缺少知識(shí)的支持，知識(shí)管理無法與產(chǎn)品研發(fā)互相融合。因此，國(guó)內(nèi)基于知識(shí)的多學(xué)科方案快速設(shè)計(jì)進(jìn)展相對(duì)緩慢。

二、知識(shí)驅(qū)動(dòng)的多學(xué)科方案快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)

1．知識(shí)驅(qū)動(dòng)的協(xié)同設(shè)計(jì)

知識(shí)驅(qū)動(dòng)的協(xié)同設(shè)計(jì)思路脫離不了管理、工具、資源三大因素。管理分為過程管理、數(shù)據(jù)管理和知識(shí)管理三大部分。數(shù)據(jù)的管理保證企業(yè)有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源，而過程的管理則是合理規(guī)劃和控制人員在各個(gè)層次、各個(gè)階段活動(dòng)之間的邏輯關(guān)系，兩者相輔相成。在知識(shí)管理方面，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、方法和流程的固化，輔助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行參數(shù)的選定、流程的制定、建模和仿真分析，并將飛行器研制中各種設(shè)計(jì)規(guī)范、手冊(cè)、歷史數(shù)據(jù)等轉(zhuǎn)換為知識(shí)條目進(jìn)行管理。在設(shè)計(jì)分析過程中，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)任務(wù)主動(dòng)進(jìn)行知識(shí)的推送，同時(shí)設(shè)計(jì)人員又能將其設(shè)計(jì)知識(shí)、方法進(jìn)行積累和沉淀，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與知識(shí)的互動(dòng)。在工具層面，將建模、仿真、分析及處理過程的規(guī)則和知識(shí)進(jìn)行總結(jié)、提煉和固化，提高工具利用效率與輸出結(jié)果的規(guī)范性。

2．系統(tǒng)構(gòu)建

知識(shí)驅(qū)動(dòng)多學(xué)科方案快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)將多專業(yè)的仿真工具、流程和知識(shí)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行集成與管理，為設(shè)計(jì)師提供方案階段總體方案快速論證、典型設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化與仿真驗(yàn)證等功能，實(shí)現(xiàn)各專業(yè)設(shè)計(jì)與仿真工作的標(biāo)準(zhǔn)化、流程化與協(xié)同化。依托于系統(tǒng)的運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與仿真工作中模型、算法、參數(shù)、操作等過程及結(jié)果數(shù)據(jù)的積累和沉淀，為逐步提煉形成設(shè)計(jì)和仿真知識(shí)庫提供條件。系統(tǒng)由門戶、研發(fā)知識(shí)管理、協(xié)同研發(fā)過程管理、協(xié)同研發(fā)專業(yè)管理、多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化、研發(fā)數(shù)據(jù)管理和集成接口等7個(gè)子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)互相支撐協(xié)作，具體如圖1所示。

一是門戶系統(tǒng)。門戶系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的統(tǒng)一入口，基于B/S架構(gòu)提供單點(diǎn)登陸、任務(wù)看板、流程處理、統(tǒng)一數(shù)據(jù)視圖與工具箱等上層應(yīng)用功能。通過對(duì)底層工具與功能的封裝、抽象和調(diào)用，為不同角色用戶呈現(xiàn)互相獨(dú)立的個(gè)人工作處理臺(tái)面，實(shí)現(xiàn)對(duì)多學(xué)科方案快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)各功能模塊的使用。

二是研發(fā)知識(shí)管理。研發(fā)知識(shí)管理能夠收集、保存、轉(zhuǎn)換、傳遞、更新和維護(hù)整個(gè)產(chǎn)品研發(fā)過程中的大量知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)、數(shù)據(jù)等信息，為產(chǎn)品研制過程中的決策服務(wù)。同時(shí)，知識(shí)管理與具體的研發(fā)活動(dòng)相結(jié)合，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中能夠方便的把設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)封裝到系統(tǒng)中，也可以根據(jù)當(dāng)前的工作語境主動(dòng)、智能地推送滿足符合度的設(shè)計(jì)知識(shí)，使知識(shí)與設(shè)計(jì)形成良好互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)共享、分發(fā)，真正做到知識(shí)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品研發(fā)的整個(gè)過程，使企業(yè)的設(shè)計(jì)能力可以持續(xù)積累、提高。

三是協(xié)同研發(fā)過程管理。協(xié)同研發(fā)過程管理是“數(shù)據(jù)總線”，對(duì)研發(fā)過程中的數(shù)據(jù)流和過程流進(jìn)行傳遞與管理，以更好地實(shí)現(xiàn)研發(fā)任務(wù)的管理和執(zhí)行控制。協(xié)同研發(fā)過程管理以研發(fā)任務(wù)為核心，以時(shí)間、邏輯、數(shù)據(jù)與消息等多種因素作為研發(fā)流程的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)任務(wù)的自動(dòng)下發(fā)與反饋、任務(wù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整、任務(wù)多種觸發(fā)因素的動(dòng)態(tài)配置等功能，從而提高對(duì)研發(fā)任務(wù)的管控效率，加強(qiáng)研發(fā)任務(wù)協(xié)同處理能力。

四是協(xié)同研發(fā)專業(yè)管理。協(xié)同研發(fā)專業(yè)管理把設(shè)計(jì)和仿真過程中的工具、方法與知識(shí)進(jìn)行集成和封裝，形成一系列標(biāo)準(zhǔn)化可復(fù)用的基礎(chǔ)組件，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建面向飛行器研發(fā)的工程模板，如總體布局設(shè)計(jì)、氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)、飛行力學(xué)仿真等。通過協(xié)同研發(fā)專業(yè)管理的集成化設(shè)計(jì)思路，提高飛行器研發(fā)效率，降低軟件和工具使用門檻，并將經(jīng)驗(yàn)知識(shí)融入到工程模板中，實(shí)現(xiàn)研發(fā)過程中的知識(shí)積累、工具封裝以及復(fù)用，逐步構(gòu)建研發(fā)知識(shí)庫，實(shí)現(xiàn)研發(fā)過程的可重復(fù)性、可追溯性和可擴(kuò)展性。

五是多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)。多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)包括多學(xué)科集成及自動(dòng)優(yōu)化、試驗(yàn)設(shè)計(jì)及響應(yīng)面建模、可靠性和魯棒性分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、參數(shù)標(biāo)定和并行優(yōu)化等功能。集成多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)工具，提供多學(xué)科自動(dòng)優(yōu)化的功能，并通過其數(shù)據(jù)管理與流程管理的功能支持，為學(xué)科間數(shù)據(jù)傳遞提供便利，有效提高快速方案設(shè)計(jì)的效率。

六是研發(fā)數(shù)據(jù)管理。研發(fā)數(shù)據(jù)管理主要對(duì)工程研發(fā)過程中設(shè)計(jì)參數(shù)、設(shè)計(jì)模型、分析模型、分析結(jié)果、報(bào)告等過程數(shù)據(jù)以及產(chǎn)生這些數(shù)據(jù)的操作和過程進(jìn)行管理，并建立設(shè)計(jì)需求、設(shè)計(jì)指標(biāo)、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的統(tǒng)一關(guān)聯(lián)關(guān)系。

七是應(yīng)用集成接口。多學(xué)科方案快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的使用需要一定程度上與已有的系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接，如計(jì)劃層面與AVPLAN的對(duì)接、三維設(shè)計(jì)模型與AVIDM4.0的連接文檔管理與AVIDM3.5的連接，基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于試驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合管理系統(tǒng)，單點(diǎn)登錄集成與門戶系統(tǒng)等，可通過應(yīng)用集成接口實(shí)現(xiàn)與這類外部系統(tǒng)的知識(shí)調(diào)用。▲