車輛總體協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)及應(yīng)用研究

李劍峰，劉 勇，蘭小平

（中國(guó)北方車輛研究所，北京 100072）

0 引言

經(jīng)過(guò)“九五”、“十五”、“十一五”期間的信息化建設(shè)，我國(guó)裝甲車輛行業(yè)已經(jīng)普遍采用了基于CAD/CAE和各種專業(yè)設(shè)計(jì)仿真工具軟件的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)和仿真技術(shù)，但隨著產(chǎn)品復(fù)雜程度的提高，如何高效的組織多學(xué)科協(xié)同工作，如何基于裝甲車輛設(shè)計(jì)知識(shí)、設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)計(jì)流程，對(duì)裝甲車輛設(shè)計(jì)方案進(jìn)行跨領(lǐng)域、多學(xué)科的綜合設(shè)計(jì)仿真和優(yōu)化，如何管理并繼承以往設(shè)計(jì)過(guò)程中的相關(guān)知識(shí)方法、工具等成為裝甲車輛總體設(shè)計(jì)水平提高所面臨的重要問(wèn)題。

多學(xué)科協(xié)同的設(shè)計(jì)系統(tǒng)即是指能夠依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范來(lái)高效組織整車設(shè)計(jì)流程、集成多種學(xué)科領(lǐng)域設(shè)計(jì)仿真工具軟件并可繼承、重用各種設(shè)計(jì)知識(shí)的集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)。在國(guó)外有諸多商業(yè)系統(tǒng)集成軟件，如Phoenix Integration公司的ModelCenter，美國(guó)Engineious公司的iSIGHT，德國(guó)航天中心的TENT等。在國(guó)內(nèi)，多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)處于研究起步狀態(tài)，清華大學(xué)CIMS工程技術(shù)中心熊光楞教授領(lǐng)導(dǎo)的研究組在支持復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)的多學(xué)科協(xié)同仿真技術(shù)方面提出了多學(xué)科仿真平臺(tái)的參考結(jié)構(gòu)[1]，相關(guān)高校和研究所還對(duì)飛機(jī)總體設(shè)計(jì)與支持技術(shù)[2]、航空發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)[3,4]、坦克裝甲車輛知識(shí)平臺(tái)進(jìn)行了探索。總體看來(lái)，國(guó)外的商業(yè)軟件相對(duì)成熟，但均為通用軟件，針對(duì)具體設(shè)計(jì)領(lǐng)域則需要進(jìn)行較多的二次開發(fā)且升級(jí)價(jià)格昂貴；國(guó)內(nèi)則大都處于理論研究階段，距離實(shí)際應(yīng)用還有一定的距離，尤其是在綜合協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)的研究和復(fù)雜系統(tǒng)的應(yīng)用方面，與國(guó)外相比有一定差距。

本文首先進(jìn)行裝甲車輛總體協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)的需求分析，在此基礎(chǔ)上提出車輛總體協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)的體系架構(gòu)并分析其關(guān)鍵技術(shù)，最后給出典型應(yīng)用實(shí)例。鑒于實(shí)際項(xiàng)目的啟動(dòng)情況和建設(shè)思路的通用性，本文后續(xù)以履帶車輛協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)為例展開分析。

1 系統(tǒng)需求分析

我所在過(guò)去幾十年的發(fā)展歷程中，把完成型號(hào)任務(wù)與加強(qiáng)能力建設(shè)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展，并取得了一定的信息化成果，采購(gòu)了一些工具軟件，已經(jīng)具備了一定的研發(fā)基礎(chǔ)，在產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中，能夠利用自編軟件、CAD工具、CAE仿真技術(shù)解決一些實(shí)際的問(wèn)題，但是隨著研制任務(wù)的增多，客戶需求的不斷提高，產(chǎn)品復(fù)雜度也越來(lái)越高，同時(shí)，更多的學(xué)科團(tuán)隊(duì)參與，對(duì)產(chǎn)品的整體性能、開發(fā)進(jìn)度、研制過(guò)程和成本的控制也變得越來(lái)越困難。因此需要構(gòu)建面向研發(fā)過(guò)程的多專業(yè)的協(xié)同車輛總體方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、方法、知識(shí)、工具軟件的集成和共享。通過(guò)該協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)的建設(shè)：

1）實(shí)現(xiàn)車輛設(shè)計(jì)過(guò)程中設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在多專業(yè)之間的高速流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科的數(shù)據(jù)流通，提高設(shè)計(jì)迭代效率，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化；

2）建立以具體設(shè)計(jì)活動(dòng)為核心的設(shè)計(jì)任務(wù)流程一體化管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)研發(fā)管理流程和專業(yè)方案設(shè)計(jì)流程顯性化、可視化執(zhí)行；

3）提供一個(gè)數(shù)字化的車輛總體方案設(shè)計(jì)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)企業(yè)設(shè)計(jì)知識(shí)、方法的有效積累，為方案設(shè)計(jì)能力的不斷提升奠定一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 履帶車輛總體方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)的體系架構(gòu)

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

履帶車輛總體方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體架構(gòu)圖如圖1所示，包括：履帶車輛總體方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)門戶、履帶車輛總體方案設(shè)計(jì)流程管理系統(tǒng)、履帶車輛總體方案設(shè)計(jì)專業(yè)系統(tǒng)、履帶車輛總體方案數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等四個(gè)部分，其中：

系統(tǒng)門戶是整個(gè)系統(tǒng)的統(tǒng)一入口，是系統(tǒng)的頂層應(yīng)用和展現(xiàn)層，通過(guò)權(quán)限和欄目設(shè)置，用戶可方便的瀏覽、查詢相關(guān)的信息和資源，同時(shí)可以進(jìn)入不同專業(yè)完成研發(fā)工作。集成門戶作為總體設(shè)計(jì)集成的組成部分，為企業(yè)的二級(jí)門戶，并可以集成企業(yè)的其他信息系統(tǒng)。

車輛總體方案設(shè)計(jì)流程管理系統(tǒng)通過(guò)將任務(wù)管理與流程管理融合為一體，將具體的產(chǎn)品開發(fā)業(yè)務(wù)過(guò)程與特定的項(xiàng)目管理相聯(lián)系，提高研發(fā)流程管理水平和項(xiàng)目管理水平，并將管理過(guò)程和設(shè)計(jì)過(guò)程流程化、顯性化，通過(guò)流程可視化執(zhí)行，數(shù)字化、規(guī)范化的指導(dǎo)、約束研發(fā)過(guò)程。

車輛總體方案設(shè)計(jì)專業(yè)系統(tǒng)通過(guò)集成設(shè)計(jì)框架提供的集成開發(fā)環(huán)境、集成設(shè)計(jì)環(huán)境，封裝專業(yè)軟件、工具、方法、知識(shí)等，開發(fā)出面向車輛總體設(shè)計(jì)的專業(yè)設(shè)計(jì)軟件包，例如總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件包、機(jī)動(dòng)性能軟件包等。為設(shè)計(jì)分析人員提供便捷、準(zhǔn)確、高效的設(shè)計(jì)手段，設(shè)計(jì)人員在軟件包下，通過(guò)“搭積木”的方式指導(dǎo)、完成設(shè)計(jì)。通過(guò)集成化設(shè)計(jì)提高設(shè)計(jì)效率，降低軟件使用門檻，減少迭代成本，提高設(shè)計(jì)仿真效率，實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)。

車輛總體方案數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要是對(duì)設(shè)計(jì)、仿真過(guò)程中設(shè)計(jì)參數(shù)、設(shè)計(jì)模型、分析模型、分析結(jié)果、設(shè)計(jì)分析報(bào)告等過(guò)程數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)以及產(chǎn)生這些數(shù)據(jù)的操作和過(guò)程進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程數(shù)據(jù)的有效追溯及過(guò)程數(shù)據(jù)的有效積累和沉淀。

3 與現(xiàn)有信息系統(tǒng)之間的關(guān)系分析

3.1 與科研項(xiàng)目管理系統(tǒng)之間的關(guān)系

作為全所的頂層項(xiàng)目管理系統(tǒng)，科研項(xiàng)目管理系統(tǒng)管理全所科研項(xiàng)目的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)及交付物，而履帶車輛總體方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)則主要關(guān)注總體設(shè)計(jì)相關(guān)科研項(xiàng)目的具體設(shè)計(jì)活動(dòng)。因此兩系統(tǒng)協(xié)同應(yīng)用場(chǎng)景為：從科研項(xiàng)目管理系統(tǒng)中派發(fā)總體設(shè)計(jì)相關(guān)項(xiàng)目至履帶車輛總體方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)，履帶車輛總體方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)完成具體的項(xiàng)目設(shè)計(jì)活動(dòng)分解，并反饋關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的交付物至科研項(xiàng)目管理系統(tǒng)中。具體關(guān)系如圖2所示。

圖2 與科研項(xiàng)目管理系統(tǒng)關(guān)系

3.2 與PDM系統(tǒng)之間的關(guān)系

PDM系統(tǒng)側(cè)重于三維模型和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的交付物管理，而履帶車輛總體方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)側(cè)重的是具體設(shè)計(jì)過(guò)程數(shù)據(jù)，其更加關(guān)注于過(guò)程和具體設(shè)計(jì)活動(dòng)之間的關(guān)系管理。履帶車輛總體方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)與PDM系統(tǒng)的典型協(xié)同場(chǎng)景如圖3所示。

圖3 履帶車輛總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)與PDM系統(tǒng)協(xié)同示意

3.3 與OA系統(tǒng)之間的關(guān)系

履帶車輛總體方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以自動(dòng)導(dǎo)入OA系統(tǒng)中設(shè)計(jì)人員信息，并可將相關(guān)設(shè)計(jì)任務(wù)信息推送至OA系統(tǒng)，提醒科研人員完成相關(guān)任務(wù)。科研人員在OA中進(jìn)行任務(wù)查看時(shí)可以查閱相關(guān)數(shù)據(jù)，但并不是把數(shù)據(jù)傳給OA，而是把數(shù)據(jù)索引傳給OA，通過(guò)索引打開履帶車輛總體方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行審閱。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 流程的動(dòng)態(tài)修改及設(shè)計(jì)模板關(guān)聯(lián)技術(shù)

履帶車輛總體方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)總體設(shè)計(jì)過(guò)程中的具體設(shè)計(jì)活動(dòng)及過(guò)程數(shù)據(jù)管理，考慮到實(shí)際研發(fā)活動(dòng)的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)流程必須能夠根據(jù)項(xiàng)目需求靈活進(jìn)行任務(wù)調(diào)整和增減，在流程執(zhí)行起來(lái)后仍可以動(dòng)態(tài)對(duì)流程進(jìn)行修改，克服傳統(tǒng)的活動(dòng)執(zhí)行引擎流程執(zhí)行起來(lái)后不能再修改等缺點(diǎn)，且上述柔性設(shè)計(jì)流程能夠方便的與專業(yè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中地設(shè)計(jì)模板進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

4.2 數(shù)據(jù)的自動(dòng)推送技術(shù)

車輛總體方案設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，設(shè)計(jì)過(guò)程中大量的數(shù)據(jù)將在多專業(yè)之間流轉(zhuǎn)，不同專業(yè)的設(shè)計(jì)人員都需要面向同一個(gè)中性的數(shù)據(jù)中間模型，該中間模型保存著不同專業(yè)設(shè)計(jì)的參數(shù)信息，當(dāng)設(shè)計(jì)過(guò)程中具體設(shè)計(jì)活動(dòng)之間的邏輯關(guān)系定義后，系統(tǒng)應(yīng)支持定義設(shè)計(jì)活動(dòng)之間的數(shù)據(jù)流，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)人員之間的自動(dòng)推送，也即上游的設(shè)計(jì)人員向系統(tǒng)提交設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)后，下游的設(shè)計(jì)人員應(yīng)能自動(dòng)獲取設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，以達(dá)到快速迭代設(shè)計(jì)的目的。

4.3 無(wú)編程的專業(yè)設(shè)計(jì)工具封裝技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)企業(yè)設(shè)計(jì)方法的不斷積累，車輛設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架軟件應(yīng)提供無(wú)需編程即可封裝各種設(shè)計(jì)和分析模板的能力。系統(tǒng)除了需要提供大量的軟件集成接口（例如通用CAX軟件接口、Office接口、MATLAB接口、動(dòng)態(tài)庫(kù)接口、EXE程序接口等），系統(tǒng)還應(yīng)提供標(biāo)準(zhǔn)的接口開發(fā)規(guī)范，用戶或者第三方按照此標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)出的軟件接口，均可以無(wú)縫集成到系統(tǒng)中，進(jìn)行軟件的集成和封裝。在簡(jiǎn)單模板的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)應(yīng)可方便地封裝組合模板實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能。

5 典型應(yīng)用案例

圖4 某型車的總體協(xié)同設(shè)計(jì)

如圖4所示為某型車的總體設(shè)計(jì)在總體協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)的實(shí)際應(yīng)用案例，在該案例中，不同設(shè)計(jì)人員登錄同一設(shè)計(jì)平臺(tái)展開協(xié)同設(shè)計(jì)。從該圖可以看出，多個(gè)學(xué)科的設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)參予具體的設(shè)計(jì)活動(dòng)，通過(guò)設(shè)計(jì)活動(dòng)之間數(shù)據(jù)流的定義，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)活動(dòng)之間數(shù)據(jù)的高速流轉(zhuǎn)，同時(shí)協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)還為不同專業(yè)設(shè)計(jì)人員提供了專業(yè)設(shè)計(jì)模板。

如圖5所示為總體協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)中封裝的整車寬度方向尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)模板，借助該模板，設(shè)計(jì)人員無(wú)需重新進(jìn)行該優(yōu)化問(wèn)題的建模及編程求解，僅需在對(duì)話框中輸入相應(yīng)設(shè)計(jì)參數(shù)及約束條件即可得到計(jì)算結(jié)果，圖6為該模板自動(dòng)調(diào)用MATLAB軟件生成的整車寬度隨履帶板寬度、L/B及接地比壓的取值情況。該類模板為企業(yè)自編程序集成的范例，可以有效實(shí)現(xiàn)企業(yè)設(shè)計(jì)方法的積累。

圖5 整車寬度方向尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)模板

圖6 整車寬度與履帶板寬度、L/B及接地比壓之間的關(guān)系

圖6中，L/B為履帶接地長(zhǎng)度與履帶中心距的比值。

如圖7所示為總體協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)中封裝的炮塔結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)模板，該模板集成了參數(shù)化的PROE模型，只需輸入火炮及炮塔結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)，該模板就可以自動(dòng)生成火炮及炮塔的原理模型，借助該模板，設(shè)計(jì)者可以方便快捷的進(jìn)行火炮后坐長(zhǎng)度、炮塔高度、射擊俯仰角度的匹配設(shè)計(jì)。

圖7 炮塔結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)模板

6 結(jié)論

本文分析了車輛協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)的建設(shè)需求以及該系統(tǒng)與現(xiàn)有信息系統(tǒng)之間的銜接關(guān)系，提出了該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，并給出了應(yīng)用案例，案例表明該協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)為總體設(shè)計(jì)能力的提升提供了有效工具。應(yīng)用效果具體表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

1）提高了協(xié)同研發(fā)的效率

目前設(shè)計(jì)過(guò)程中多專業(yè)之間的設(shè)計(jì)迭代主要依靠人工控制，方案更改、模型協(xié)調(diào)的時(shí)間代價(jià)很高，而基于協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)開展工作，學(xué)科專業(yè)之間、專業(yè)軟件之間的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)可通過(guò)數(shù)據(jù)流定義實(shí)現(xiàn)自動(dòng)傳送，大大提高了協(xié)同研發(fā)效率。

2）設(shè)計(jì)過(guò)程得以規(guī)范化

基于協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)展開設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過(guò)程由設(shè)計(jì)流程進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可以更加高效的組織多學(xué)科之間的協(xié)同設(shè)計(jì)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程的規(guī)范性、可見性、可控性和可溯性。

3）實(shí)現(xiàn)了企業(yè)設(shè)計(jì)知識(shí)的積累和重用

經(jīng)過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)方法組件化的封裝，使專業(yè)設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用門檻大大降低。企業(yè)設(shè)計(jì)知識(shí)的模板化降低了人工的重復(fù)性勞動(dòng)，使快速的設(shè)計(jì)迭代成為可能，同時(shí)也固化了企業(yè)的設(shè)計(jì)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。

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