面向復雜系統工程的多學科統一建模與聯合仿真技術研究與應用實踐

郄永軍

多學科聯合仿真技術應用工程背景

航空產品是涉及機械、電子、電氣、控制、液壓及軟件等多學科，可靠性、維修性和保障性等多專業工程要求的復雜系統，其開發模式正經歷從基于文檔向基于模型的范式轉移。建立以基于模型的系統工程方法論為指導、以功能/性能樣機為載體，貫穿需求、功能、邏輯與物理構建模型在環、軟件在環、硬件在環及人員在環的數字化綜合仿真環境，開展多學科統一建模與聯合仿真，實現功能/性能需求在開發早期階段的驗證與確認，基于數學模型（虛擬樣機）開展復雜系統架構與方案的設計、權衡與分析優化，縮短設計迭代周期，提升開發質量，已成為國際航空航天和防務領域復雜系統開發的主流趨勢。當前，基于Modelica語言的系統仿真技術已在達索航空、德宇航和空客得以工程應用，通過構建由功能樣機、性能樣機和幾何樣機組成的數字樣機，可實現在虛擬空間下開展虛擬試驗/試飛，極大的降低物理試驗/試飛的周期與成本。

多學科聯合仿真技術演進歷程

系統級多學科聯合仿真主要應用于系統架構與方案權衡、功能分配、接口定義、子系統參數優化、功能/性能早期驗證和確認等領域，涉及多學科的系統仿真技術主要經歷了如下發展歷程。

（1）基于接口的多學科建模與仿真技術：該方法是由各學科相應的商用仿真軟件提供或開發相應的接口。其完全依賴商用軟件之間的一對一接口，這些接口往往為某些商業公司所私有，不具有標準性和開放性。

（2）基于高層體系結構（HLA）：該方法克服了基于接口的諸多缺陷，較好地實現了多學科建模與仿真，但要求建模人員必須先熟悉HLA/RTI的各種服務協議，再編制相應的程序代碼，并且需要人為的割裂不同學科子系統之間的耦合關系，實質上是一種子系統層次上的集成方法。

（3）基于統一建模語言的多學科系統仿真技術：該方法具有與學科無關的通用模型描述能力，任何學科均可實現統一建模。由于采用相同的模型描述形式，因此基于統一建模語言的方法能夠實現不同學科子系統模型之間的無縫集成。Modelica語言與FMI標準介紹

2000年成立非盈利性的國際開放組織——Modelica協會，定期召開Modelica學會會議，交流研討Modelica語言相關標準、工程實踐等方面的研究進展。從1997年Modelica語言1.0版本開始，目前已到3.3版本，其模型庫已覆蓋了機械、液壓、動力學、電子、電氣等不同物理領域1340個元模型和1000項功能。Modelica語言在復雜系統多學科聯合仿真領域具有如下特點與技術優勢。

基于方程的非因果建模：Modelica語言基于方程而不是賦值語句，非因果建模可更好重用類。

多學科統一建模：Modelica語言可有效支持機械、電子、電氣、電磁、液壓、控制、流體和軟件等多學科物理模型的建模與仿真。

面向對象建模：Modelica語言提供了面向對象建模的完整語義支持，可通過類和對象表示各種模型、組件、變量及其類型，組件重用及模型擴展更容易。

連續離散混合建模：Modelica語言同時支持基于微分代數方程描述連續系統和基于離散事件驅動機制描述離散系統。

統一標準、開放源碼：基于Modelica語言可統一多學科建模標準，開展自主模型開發，形成具有自主知識產權的模型庫。

歐洲發展信息技術計劃（ITEA2）為制定通用仿真模型的封裝接口標準，提出了Modelis項目，該項目將模型封裝接口標準稱為功能樣機接口（Functional Mockup Interface，FMI）。FMI標準定義了模型描述格式和數據存儲格式，解決了異構仿真軟件由于接口技術的不統一帶來的諸多聯合仿真問題。基于FMI標準封裝的仿真模型稱之為功能樣機單元（Functional Mockup Unit，FMU），可實現模型知識產權保護。基于Modelica語言構建跨多學科的系統仿真平臺，通過FMI/FMU技術實現系統仿真平臺與各類型工程仿真軟件的有機集成，進而形成復雜系統涵蓋模型在環、軟件在環、人員在環的綜合仿真環境。以達索航空為例，其依托TOICA（Thermal Overall Integrated Conception of Aircraft）項目，與利勃海爾共同合作，在飛機設計的早期引入基于Modelica語言和FMI標準對異構和相關聯的子系統進行架構與方案權衡。

基于Modelica語言的多學科聯合仿真應用實踐

航空工業從2015年開始導入基于Modelica語言的系統仿真技術，已在航空運載器、航空系統多家單位開展了基于Modelica語言的系統仿真試點工作，包括洪都起落架系統、環控循環制冷子系統、靶機發射車系統和導彈舵機伺服作動系統、南京機電空氣渦輪起動機、電源高壓直流電機系統、青云電動油門剎車系統等多項工程應用。

在南京機電空氣渦輪起動機項目實踐過程中，開展了基于Modelica語言的多學科系統仿真技術應用，南京機電與信息技術中心（金航數碼）團隊一起開發了具有自主知識產權的調節閥門、空氣渦輪、減速裝置、氣動管路、離合器以及離心開關等組件模型庫。通過仿真結果與試驗數據的比對分析，仿真模型準確地預估了空氣渦輪起動機在不同任務剖面下的動態特性，為空氣渦輪起動機方案權衡提供了有力支撐。空氣渦輪起動機仿真對象與實驗結果對比如圖所示。

結語

在航空工業基于模型的系統工程方法深入應用背景下，建模與仿真技術有效支撐了復雜系統在概念階段需求分析、功能分析、架構設計及功能/性能的驗證與確認，權衡分析最優解決方案。航空工業信息技術中心（金航數碼）在充分消化吸收國際系統仿真領域先進方法與最佳實踐基礎上，結合航空產品特征，形成基于Modelica語言的系統仿真解決方案，助力復雜產品功能/性能樣機開發及虛擬試驗/試飛技術應用，實現“建造前飛行”。endprint