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基于智能建模与仿真的系统架构虚拟集成技术研究

复杂工程系统的进化特质

当前,航空复杂系统的工程开发活动基本都是直接从产品的仿制和模仿开始,难以顾及运用架构的方法来推导从系统需求到系统运行、从系统行为分析到结构分解、从系统逻辑架构到物理实现的正向设计过程,从而造成产品直到后端环节,如制造、集成、测试和运行等,各种问题层出不穷。究其原因,就是在系统工程早期阶段中利益攸关方诉求和系统开发规范之间的固有差异,未能得到有效的权衡和确认。随着航空工业形态正向着更高阶段跃升,创新驱动和自主创新将成为时代的主基调,尤其应对如航空与防务领域中复杂系统的开发,其所处环境对应的“系统之系统”中各个系统交替演进带来各自功能以及交联关系的动态变化,表现出系统需求的多变性和设计方案权衡因素的不确定性。

智能建模与仿真的典型特征

系统智能建模与仿真作为实现复杂工程系统功能-行为-结构(抽象-符号-具体)逻辑思维的重要方法,是人类知识的积累、应用和创造的过程。它通过在基于统一语义参考框架定义的、用于信息存储和分析的数据结构基础上,支持网络搜索引擎关于知识的认知、检索与提取,解决模型互换问题。由基于模型的系统工程范式跃升的关键是模型驱动,其实践过程可归纳为:由实现独立于解决方案的需求入手,开展独立于设计的解决方案到独立于实现的设计,最后完成特定的物理实现。因此,在开发早期就对复杂工程系统进行以架构为中心的虚拟综合,在开发每一步骤都进行基于智能建模与仿真的证实,这样既可以减少后续物理层面的问题,又可确保按这个架构开发的工程系统各层级的供应商都能够提供符合客户需要的产品。

系统架构虚拟综合项目及关键技术

系统架构虚拟综合(Systems Architecture Virtual Integration,SAVI)项目是一个包括美国、欧洲和日本的政府部门、知名跨国企业在内的全球性合作组织——国际航空航天运载器系统研究机构(Aerospace Vehicle Systems Institute,AVSI)于2009年组织发起,由国际性航空航天系统研制利益攸关方共同协作,旨在解决当前航空航天与防务领域等工程(从系统之系统、系统到子系统)的规模和复杂性指数性增长的问题。

SAVI项目针对复杂系统开发过程中一系列不同领域和维度的假设失配情况,通过引入基于模型的系统工程的方法论,一方面构建基于国际标准语言的系统/子系统的统一建模表达方法和有序的开发过程,并使用相应的软件工具来构造系统/子系统动态行为和定义内外部元素之间的交互接口。另一方面在系统工程开发早期的系统分析环节就要开展基于知识-技术-过程集成的虚拟仿真与测试验证,形成以模型为核心的、支持完整模型集的一致性表达、传递以及连续验证/确认的递进式开发使能技术,最终实现以架构为中心的,涵盖工程、制造、生产和维护等系统工程各业务活动的协同过程。其关键技术主要包括:

1、单一真相源

通过构建包括一个以架构为中心的、多重视角的模型库作为“单一真相源”,提供基于单一源注释的架构模型及自动生成的分析模型,实现对数据质量可用性/可靠性、安全性、实时性能和资源消耗等模型的统一管理。特别是按照这个架构制定的相关开发、质量等标准,可确保开发过程中系统各层级的供应商都能够提供符合要求的产品。

2、模型总线

模型总线是在已定义用于信息存储和分析的数据结构(数据库)基础上,经过不同模型间的语义提取,实现的一种基于自然语言识别与处理的信息交换和知识解析方法。它不但解决了不同来源的模型以及解决工具间的互换问题,而且在架构指导下,能支持网络搜索引擎关于知识的检索与提取,提高工程系统基于规则和证据的认知能力。

3、基于模型和基于证实的工程

通过实施一个基于组件的架构,以支持基于模型和基于证实的工程。它是在基于模型的开发基础上,通过模型库和模型总线技术,结合智能建模与虚拟仿真技术在工程系统开发每一步都进行验证和确认。而不是传统的把设计、制造做完后,到综合测试阶段通过做试验去证明,当在数字领域完成这些工程协同,后续物理层面问题就会大大减少。从而达到缩短开发周期,保证开发质量的目的。

4、以架构为中心的基于模型的工程协同

架构方法从顶层视角描述并指导不同类型/层级系统的设计与演进路径,在嵌入式系统的开发中表现为在系统层面使用UML和SysML;而在控制等嵌入式系统开发中使用AADL开展跨学科/专业的协同,在计算机建造前就能协调控制等指令信息在CPU中的排序活动等问题;其后,在采用正规化的脚本语言描述复杂逻辑与数据驱动接口的设计方式等,并由上述模型自动生成软件代码;计算机硬件采用VHDL进行描述,而不再是直接就进入传统的数字/模拟电路设计和分析的基于模型驱动和连续传递的工程协同过程。

从2009年到2016年,SAVI项目在SAVI1.0中实现了完整的系统工程的流程集成,并在SAVI1.0A版本中聚焦了全面安全性分析及其用例,在SAVI1.0B版本中聚焦了全面行为分析及其用例,在SAVI1.0C版本中聚焦了兼容性问题及其用例,在SAVI1.0D版本中聚焦了可靠性分析及其用例,并期望具有中等成熟度的虚拟集成流程在项目结束的时候能达到技术成熟度4.5级。

结束语

面对复杂航空系统开发由传统设计、试验、再设计、再试验向建造前飞行的验证与确认模式转变的业务战略需求,必须以架构为中心持续推进系统工程深入应用的业务架构新模型,实现基于复杂组织体架构的各种视角与复杂工程系统业务流程精准映射,并以基于智能建模与仿真的系统架构虚拟集成技术为抓手,促进系统架构设计与具体业务流程有机集成,强化在虚拟空间对产品性能、功能和行为的评价和优化,提升集成化电子/软件等的综合仿真验证应用能力,使其成为基于模型的系统工程和基于架构的复杂组织体二者融合发展的新目标和新动能。


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