模型“建評管用”數(shù)字化交付模式方法研究

黃磊

摘??要：面向數(shù)字化工程生態(tài)中產(chǎn)品數(shù)字化與過程數(shù)字化的需求，針對模型建設方面標準不統(tǒng)一、粒度不匹配、專業(yè)難集成，模型評價方面要求不明確、標定工作量大、評價缺乏體系，模型管理方面缺乏協(xié)同環(huán)境、版本控制、權限控制，模型應用方面仿真任務、應用流程與型號未貼合等問題，提出了模型“建評管用”數(shù)字化交付模式方法。主要內(nèi)容包括多專業(yè)多層級模型構建方法、多維度多階段模型評價方法、跨組織跨地域模型管理方法和多場景多模式模型應用方法，以模型為載體，以“建評管用”為循環(huán)回路，以數(shù)字化交付為抓手，推動復雜裝備研制模式變革。

關鍵詞：模型構建??模型評價??模型管理??模型應用??數(shù)字化交付

中圖分類號：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

隨著現(xiàn)代裝備的系統(tǒng)規(guī)模和技術難度不斷增大，傳統(tǒng)的以文檔為基礎的裝備研制模型已不能滿足發(fā)展需求[1]。美國國防部于2018年正式對外發(fā)布“國防部數(shù)字工程戰(zhàn)略”，將國防工業(yè)體系從以文檔為中心的線性采辦向以數(shù)字模型為中心的數(shù)字工程轉(zhuǎn)變。我國于2021年也正式發(fā)布“裝備數(shù)字化工程”，其核心是基于模型的數(shù)字化研制與數(shù)字化交付。因此，模型是數(shù)字化變革的核心載體，模型的構建、評價、管理、應用方法研究具有重要價值。

1??模型數(shù)字化應用概述

1.1??模型應用現(xiàn)狀分析

國內(nèi)外在裝備研制中已經(jīng)開展了圍繞模型的數(shù)字化應用，并初步取得成果[2]。模型構建方面，宋研等人[3]針對系統(tǒng)性驗證問題，基于Modelica語言構建了航天器系統(tǒng)多學科系統(tǒng)模型，并深入研究了專業(yè)建模特征。Luis?I等人[4]針對電動汽車多領域仿真需求，基于鍵合圖構建了包含鉛酸電池動力學的電動汽車多領域模型。模型評價方面，李偉等人[5]針對高度復雜模型驗證挑戰(zhàn)，總結(jié)了現(xiàn)有模型驗證方法并提出了新方法。Sargent?R?G[6]描述了確定模型有效性的三種方法，并提出了模型驗證的推薦步驟。模型管理方面，張佳朋等人[7]結(jié)合裝配流程特點，給出了面向航天器裝配質(zhì)量的數(shù)字孿生建模方法與模型管理方法。陶飛等人[8]探索建立了一套數(shù)字孿生模型構建理論體系，并給出了模型管理的定義。模型應用方面，劉治鋼等人[9]基于型號應用需求提出了航天器供配電數(shù)字伴飛系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于模型的測試和飛行狀態(tài)監(jiān)測。李濤等人[10]實現(xiàn)了航天器全階段模型應用，基于模型開展研制中的設計與驗證工作。應用綜上，以往的數(shù)字化研究主要針對模型構建、評價、管理或應用等單一環(huán)節(jié)提出了針對性的數(shù)字化方法。

1.2?模型應用差距分析

面向裝備數(shù)字化工程的模型需求，現(xiàn)階段的數(shù)字化交付模式在模型的構建、評價、管理、應用4個方面均存在不足之處。

（1）模型構建方面，各專業(yè)建模工具不統(tǒng)一，模型粒度與研制階段不匹配，各層級單位建模標準不統(tǒng)一。

（2）模型評價方面，總體單位難以提出明確的建模要求，設計參數(shù)過多導致模型標定工作量大，缺乏合理的模型評價體系。

（3）模型管理方面，模型缺乏共享，建模與仿真工作缺乏協(xié)同，模型技術狀態(tài)難控制，缺乏保護知識產(chǎn)權手段。

（4）模型應用方面，仿真任務與型號任務貼合不夠，模型流轉(zhuǎn)與型號流程結(jié)合不夠，模型數(shù)據(jù)與型號數(shù)據(jù)融合不夠。

本文針對上述問題提出了模型“建評管用”數(shù)字化交付模式方法，實現(xiàn)了數(shù)字化交付中的模型循環(huán)回路，形成統(tǒng)一的模型構建、評價、管理、應用范式，為復雜裝備研制模式變革提供借鑒。

2??模型“建評管用”流程

模型“建評管用”的數(shù)字化交付模式方法流程如圖?1所示，主要包含模型構建、模型評價、模型管理、模型應用4個階段。各階段的定義具體如下。

2.1?多專業(yè)多層級模型構建

基于Modelica[11]開展機械、電氣、流體、控制、熱等多專業(yè)模型構建，基于自頂向下的分解與自底向上的集成實現(xiàn)系統(tǒng)、分系統(tǒng)、單機不同層級模型構建與基于FMI[12]標準的集成，得到多專業(yè)多層級模型體系。

2.2?多維度多階段模型評價

對模型精度與模型置信度多維度進行標定與評價，實現(xiàn)在設計階段、試驗階段、運維階段等多階段持續(xù)保證模型與系統(tǒng)的狀態(tài)一致性。

2.3?跨組織跨地域模型管理

實現(xiàn)跨組織模型體系的版本管理與權限控制，以及跨地域的協(xié)同建模與協(xié)同仿真，為模型的流轉(zhuǎn)提供協(xié)同管理環(huán)境，保護知識產(chǎn)權的同時提升數(shù)字化工作效率。

2.4?多場景多模式模型應用

實現(xiàn)基于模型的系統(tǒng)設計、基于模型的虛擬試驗、基于模型的運行維護等多場景應用，支持白盒、灰盒、黑盒不同可見度，同構與異構等不同構造方式，集中式與分布式等不同仿真架構，實時、超實時、欠實時等不同實時性的模型應用，以多場景多模式按需支撐型號應用。

3?多專業(yè)多層級模型構建

以型號研制要求為依據(jù)，制定模型研制要求，模型特性要求是通過系統(tǒng)仿真任務分解出分系統(tǒng)仿真任務而制定分系統(tǒng)的特性要求，模型通用要求是面向各分系統(tǒng)的共性要求，依據(jù)模型研制要求開展多專業(yè)多層級模型構建。

3.1?多專業(yè)模型構建

多專業(yè)模型構建通過Modelica多專業(yè)建模機制實現(xiàn)，首先對各層級模型的工作原理進行描述，包含機械原理、電氣原理、流體原理、傳熱學原理、控制原理，考慮各專業(yè)之間的耦合特性，形成統(tǒng)一的工程物理系統(tǒng)原理。然后采用多領域物理統(tǒng)一建模語言Modelica統(tǒng)一描述各專業(yè)工作原理，形成機械專業(yè)模型、電氣專業(yè)模型、流體模型、傳熱模型、控制模型等。最后將各專業(yè)模型在統(tǒng)一建模環(huán)境中融合為多領域物理系統(tǒng)模型，包括模型方程的耦合、模型接口的交互、模型參數(shù)的耦合。

3.2?多層級模型構建

多層級模型構建的方法包括模型架構設計、模型編碼實現(xiàn)、模型系統(tǒng)集成。首先開展模型架構設計，依據(jù)模型研制要求，開展模型架構設計，得到需要構建的單機模型列表與單機模型建模要素。后開展模型編碼實現(xiàn)，依據(jù)單機模型的工作原理基于Modelica語言開展多種方式的模型構建：（1）對于理論公式清晰的單機，直接依據(jù)理論公式進行方程建模；（2）對于理論公式不清晰經(jīng)驗公式明確的單機，可以依據(jù)經(jīng)驗公式進行模擬建模；（3）對于理論公式與經(jīng)驗公式都不太清晰但有充足實測數(shù)據(jù)的單機，可以通過數(shù)據(jù)擬合構建代理模型。最后開展模型系統(tǒng)集成，依據(jù)單機與單機之間的接口交互關系，調(diào)用單機模型庫中的模型集成為分系統(tǒng)模型；依據(jù)分系統(tǒng)與分系統(tǒng)之間的接口交互關系，調(diào)用分系統(tǒng)模型庫中的模型集成為系統(tǒng)模型。

4?多維度多階段模型評價

模型評價從模型精度標定、模型置信度分析等不同維度，覆蓋設計階段、試驗階段、運維階段等不同階段，最終目的是得到高精度與高置信度的模型體系，用于提升模型的應用效果。

4.1?多維度模型評價

模型評價維度涉及精度與置信度等不同的維度，重點以模型與評價標準數(shù)據(jù)為輸入，實現(xiàn)模型標定與模型置信度分析，形成高精度、高置信度的模型。模型標定通過模型運行的試驗設計，對參數(shù)相關性和失效概率進行分析，實現(xiàn)參數(shù)靈敏度分析，得到敏感參數(shù)序列；通過對模型仿真結(jié)果與標定數(shù)據(jù)進行結(jié)果匹配度分析，進行模型參數(shù)校正，完成模型參數(shù)標定，得到最優(yōu)參數(shù)集。模型置信度分析開展指標分析與權重分配，選擇合適的置信度評價算法進行評估計算，完成置信度統(tǒng)計與置信度分析，輸出模型的評價與驗證報告，以及高置信度的模型。

4.2?多階段模型評價

面向不同階段的模型使用需求，實現(xiàn)多階段的模型評價。面向設計階段基于模型的系統(tǒng)設計與驗證需求，以設計數(shù)據(jù)（方案指標、歷史型號數(shù)據(jù)、歷史仿真數(shù)據(jù)）為標準，實現(xiàn)模型的標定，使得模型可以承擔對設計方案的全面表達能力。面向試驗階段基于模型的全數(shù)字虛擬試驗、半實物試驗、虛實交互試驗等需求，以試驗數(shù)據(jù)為標準，實現(xiàn)模型的標定，使得模型可以代替實物作為試驗的部分對象。面向運維階段基于模型的全面監(jiān)測、狀態(tài)評估、快速預示等需求，實現(xiàn)模型的標定，使得模型狀態(tài)與實物運行狀態(tài)保持一致，可支撐數(shù)字孿生應用。

5??跨組織跨地域模型管理

模型跨組織跨地域管理重點解決多人協(xié)同建模與仿真問題、版本與權限管理問題，模型版本控制保證模型狀態(tài)與研制狀態(tài)的一致性，模型權限控制保護各組織的知識產(chǎn)權，協(xié)同建模實現(xiàn)跨地域的大規(guī)模模型并行構建，協(xié)同仿真實現(xiàn)基于通信的分布式驗證。

5.1??跨組織模型管理

跨組織模型管理重點是實現(xiàn)不同組織的模型權限管理以及不同階段的版本管理，模型權限管理需實現(xiàn)三員管理、用戶管理、角色管理、權限控制。三員管理是企業(yè)數(shù)據(jù)安全的重要機制，三類管理員協(xié)同工作且相互監(jiān)督，共同維護企業(yè)數(shù)據(jù)安全。用戶管理對系統(tǒng)內(nèi)的部門組織架構根據(jù)職能和責權劃分進行統(tǒng)一管理，通過分配角色、分配權限和目錄控制來約束用戶對模型、數(shù)據(jù)和目錄的訪問。角色管理通過賦予角色一定的權限來定義用戶對系統(tǒng)內(nèi)的模型、數(shù)據(jù)和目錄享有哪些操作權利。權限控制定義系統(tǒng)中不同角色的權限，各角色對公有倉庫分類目錄的控制權限不同。

5.2??跨地域模型管理

跨地域模型管理重點是實現(xiàn)跨地域協(xié)同建模與跨地域協(xié)同仿真。跨地域協(xié)同建模實現(xiàn)復雜系統(tǒng)模型的協(xié)同構建，基于網(wǎng)絡工作環(huán)境，以面向模型的方式支持模型提交、模型還原、模型推送、模型版本跳轉(zhuǎn)、模型拉取等。跨地域協(xié)同仿真實現(xiàn)通過網(wǎng)絡瀏覽器就能完成在線仿真運行、仿真結(jié)果管理和仿真任務管理，提供一個便利、高效的仿真環(huán)境。

6?多場景多模式模型應用

多專業(yè)多層級模型構建、多維度多階段模型評價、跨組織跨地域模型管理，都將支撐模型應用，面向多場景需求、適應多應用模式的模型應用，使得模型最終在型號中發(fā)揮數(shù)字化價值。

6.1?多場景模型應用

多場景模型應用主要面向基于模型的系統(tǒng)設計場景、基于模型的虛擬試驗場景、基于模型的運行維護場景。基于模型的系統(tǒng)設計場景，在方案論證中支撐需求分析與快速論證，在系統(tǒng)設計中支撐正向設計與選型設計，在分系統(tǒng)設計中支撐精細化設計驗證。基于模型的虛擬試驗場景，支撐基于模型的專項虛擬測試、專項半實物測試、系統(tǒng)虛擬測試、系統(tǒng)半實物測試、模型標定與參數(shù)辨識。基于模型的運行維護場景，支撐數(shù)字模擬、全面監(jiān)測、狀態(tài)評估、快速預示、策略優(yōu)化、虛實控制。

6.2?多模式模型應用

多模式模型應用支撐不同可見度、不同構造方式、不同仿真架構、不同實時性要求的模型仿真應用，根據(jù)不同研制階段的仿真需求提供合適的仿真模式。可見度方面，根據(jù)數(shù)字化交付情況以及本單位的數(shù)字化積累情況，支持基于白盒模型、灰盒模型、黑盒模型的仿真應用。構造方式方面，根據(jù)交付模型的類別以及本單位積累的模型類別，支持多領域模型統(tǒng)一仿真求解，也支持多源異構模型的聯(lián)合仿真求解。仿真架構方面，根據(jù)模型部署需求和仿真效率需求，支持系統(tǒng)集成式仿真求解，也支持分布式協(xié)同仿真求解。實時性要求方面，根據(jù)模型應用的業(yè)務需求，支持實時、超實時、欠實時等不同仿真求解模式。基于精度、效率、場景等綜合需求適配合理的仿真模式，更好、更快、更準地支撐型號應用。

7?結(jié)論與展望

本文提出模型“建評管用”數(shù)字化交付模式方法，實現(xiàn)模型的全生命周期管理，在以下4個層面提出了面向數(shù)字化交付模式的方法，為數(shù)字化研制與數(shù)字化交付的模型回路提供了理論指導。

（1）模型構建層面，提出了系統(tǒng)、分系統(tǒng)、單機多層級，機、電、液、控、熱多專業(yè)的模型構建方法，支撐系統(tǒng)全面的模型化表達。

（2）模型評價層面，提出了精度修正與置信度評估多維度，設計、試驗、運維多階段的模型評價方法，保證模型與系統(tǒng)狀態(tài)的一致性。

（3）模型管理層面，提出了跨組織的模型版本管理與權限管理，跨地域的協(xié)同建模與協(xié)同仿真方法，為數(shù)字化研制與數(shù)字化交付提供協(xié)同環(huán)境。

（4）模型應用層面，提出了面向基于模型的系統(tǒng)設計、基于模型的虛擬試驗、基于模型的運行維護多場景應用方法，通過數(shù)字化手段切實提升型號研制能力。

數(shù)字化實踐是一個從方法到標準、模型、工具不同層面的體系性工作，在本文提出的“建評管用”方法之后，未來仍需在幾個方面持續(xù)推進研究：標準層面，需要建立模型構建標準、模型管理流程、模型評價體系、模型應用指南等；模型層面，需要以型號牽引通用模型庫建設，以通用模型庫支撐型號應用并迭代；工具層面，需建設完全自主可控的建評管用一體化平臺，以數(shù)字化手段推進研制模式變革。

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