成功案例
加速工程及科技創(chuàng)新，讓智能裝備的設(shè)計研發(fā)更簡單高效
基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）在水下航行器設(shè)計及陸地試驗(yàn)過程中的典型應(yīng)用
水下航行器是一個復(fù)雜的多學(xué)科交叉耦合系統(tǒng)，設(shè)計過程涉及多個學(xué)科領(lǐng)域的知識和技術(shù)難點(diǎn)，如水下環(huán)境、水動力學(xué)、導(dǎo)航和定位、通信和數(shù)據(jù)傳輸、能源管理、自主性和智能化，以及可靠性和安全性等。解決這些難點(diǎn)需要跨學(xué)科的合作和創(chuàng)新思維，結(jié)合機(jī)械工程、電子工程、控制工程、材料科學(xué)、海洋科學(xué)和計算機(jī)科學(xué)等多個領(lǐng)域的知識和技術(shù)。
基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）作為一種先進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計方法論，可利用計算機(jī)模型和仿真技術(shù)來指導(dǎo)和優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計過程。在水下航行器的設(shè)計過程中，MBSE可以發(fā)揮重要的作用，幫助設(shè)計師理解系統(tǒng)的行為、性能和相互關(guān)系，并優(yōu)化設(shè)計方案。
以下是基于模型的系統(tǒng)工程在水下航行器設(shè)計中的一般步驟：
定義需求：明確水下航行器的功能和性能需求。這些需求可能包括航行速度、潛水深度、載荷能力、能源消耗等。
建立系統(tǒng)模型：利用計算機(jī)軟件或仿真工具建立水下航行器的系統(tǒng)模型。模型可以包括船體結(jié)構(gòu)、推進(jìn)系統(tǒng)、導(dǎo)航和控制系統(tǒng)等各個組成部分。
驗(yàn)證和測試：基于模型設(shè)計的水下航行器原型進(jìn)行驗(yàn)證測試，驗(yàn)證系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性和可靠性。根據(jù)測試結(jié)果對模型進(jìn)行校準(zhǔn)和調(diào)整。
優(yōu)化和迭代：根據(jù)驗(yàn)證測試的結(jié)果，對系統(tǒng)模型進(jìn)行優(yōu)化和迭代，進(jìn)一步改進(jìn)水下航行器的設(shè)計。這可能涉及到組件替換、參數(shù)調(diào)整或系統(tǒng)配置的更改等。
強(qiáng)化學(xué)習(xí)和自適應(yīng)控制：基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)可以結(jié)合強(qiáng)化學(xué)習(xí)和自適應(yīng)控制算法來改善水下航行器的控制性能。通過模型預(yù)測和反饋控制，可以實(shí)現(xiàn)對航行器的自適應(yīng)調(diào)整和優(yōu)化，以適應(yīng)不同的水下環(huán)境和任務(wù)需求。
故障模擬和容錯設(shè)計：系統(tǒng)模型可以用于故障模擬和容錯設(shè)計，通過模擬不同故障場景，評估水下航行器在故障情況下的性能和安全性。基于模型的容錯設(shè)計可以提高水下航行器的可靠性和穩(wěn)定性，并在故障發(fā)生時采取適當(dāng)?shù)拇胧┍ＷC任務(wù)的完成。
跨學(xué)科優(yōu)化：水下航行器的設(shè)計需要涉及多個學(xué)科領(lǐng)域，如流體力學(xué)、材料科學(xué)、控制工程等。基于模型的系統(tǒng)工程可以促進(jìn)不同學(xué)科之間的合作和交流，通過模型集成和多學(xué)科優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)水下航行器設(shè)計的綜合優(yōu)化。
集成測試和驗(yàn)證：系統(tǒng)模型可以用于水下航行器的集成測試和驗(yàn)證。通過模型模擬航行器與其他設(shè)備、傳感器和通信系統(tǒng)的集成，評估整個系統(tǒng)的性能和兼容性。這有助于發(fā)現(xiàn)和解決潛在的集成問題，提高系統(tǒng)的可靠性和一體化程度。
綜上所述，MBSE在水下航行器設(shè)計過程中具有重要的作用。它可以提供全面的設(shè)計優(yōu)化和評估手段，促進(jìn)不同學(xué)科領(lǐng)域的合作，提高水下航行器的性能、可靠性和安全性。這種方法有助于推動水下航行器技術(shù)的發(fā)展，并應(yīng)用于海洋勘探、海洋科學(xué)研究、水下救援等領(lǐng)域。
二、面臨挑戰(zhàn)
MBSE在水下航行器設(shè)計過程中進(jìn)行廣泛應(yīng)用可能會面臨一些挑戰(zhàn)和困難。
1）多學(xué)科耦合：水下航行器是一個多學(xué)科交叉耦合的系統(tǒng)，涉及船體結(jié)構(gòu)、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電子設(shè)備等多個方面。設(shè)計團(tuán)隊(duì)可能使用多種建模軟件來支持不同方面的設(shè)計和仿真。如控制系統(tǒng)用的比較多的是Matlab/Simulink、動力學(xué)系統(tǒng)可能用Adams或者Simpack、液壓領(lǐng)域則是AMESim最為優(yōu)秀、發(fā)動機(jī)模型可能會用到Wave-RT 或者GTPower、空調(diào)系統(tǒng)會采用Dymola、此外還有很多與復(fù)雜系統(tǒng)建模相關(guān)的工具例如MapleSim和SimulationX、甚至是C/C++、Fortran 模型等，在進(jìn)行仿真測試時，需要綜合考慮各個方面的相互影響和交互作用。建立準(zhǔn)確的多學(xué)科耦合模型并進(jìn)行仿真是具有挑戰(zhàn)性的。
2）復(fù)雜性和精確性：水下航行器系統(tǒng)具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和功能，需要考慮多種因素和物理現(xiàn)象。為了獲得準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，需要建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，并使用精確的物理參數(shù)和假設(shè)。這需要大量的計算資源和時間。
3）仿真測試一體化：現(xiàn)代V字形產(chǎn)品開發(fā)流程強(qiáng)調(diào)從需求、到設(shè)計、仿真、測試、集成、聯(lián)調(diào)的連貫性。這個過程是一個按照VV&A的原則反復(fù)迭代的過程，并且非常注重應(yīng)用基于模型的設(shè)計理念。然而，當(dāng)前大部分企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)仍處于設(shè)計仿真和集成測試脫節(jié)的狀態(tài)。研發(fā)工程師有能力建立模型，但是不具備測試的手段，仿真僅僅局限于數(shù)學(xué)層面；測試工程師擁有測試設(shè)備，但是所開展的基本上都是全物理測試，不具備在產(chǎn)品生產(chǎn)出來之前開展硬件在環(huán)測試的仿真模型。這非常不利于現(xiàn)在V 模式產(chǎn)品開發(fā)流程所要求的設(shè)計、測試一點(diǎn)的原則。
4）實(shí)時性和復(fù)雜度：水下航行器系統(tǒng)的仿真涉及大量的計算和復(fù)雜的數(shù)值算法。如何保證這些精確但復(fù)雜的各類模型在規(guī)定的毫秒甚至微秒級的步長內(nèi)實(shí)時解算完畢，并與外部硬件進(jìn)行高效的通訊，對實(shí)時仿真測試平臺的性能提出了一個嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
此外，參與復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)時仿真的各個模型，因?yàn)樗枋龅奈锢韺ο蟛煌枰圆煌姆抡娌介L運(yùn)行，但都必須要求擁有一個精確一致的時間，使不同的模型在相同的時間節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行相互作用。因此，實(shí)時仿真測試各成員的時鐘同步和方式、模型間的數(shù)據(jù)通訊和方式，也是必須要解決的關(guān)鍵問題。
三、解決方案
基于MBSE的Links-XIL智能裝備仿真測試一體化數(shù)字孿生平臺，是靈思創(chuàng)奇在實(shí)時領(lǐng)域積累工作經(jīng)驗(yàn)的結(jié)晶，是在眾多應(yīng)用案例的基礎(chǔ)上，為了應(yīng)對上述挑戰(zhàn)而推出的。該解決方案可以導(dǎo)入各類模型，并使其在硬件時鐘的精確調(diào)度下各自按照指定的速率在高性能多 CPU 架構(gòu)下實(shí)時求解、交換數(shù)據(jù)、并與外部硬件進(jìn)行高效的通訊，具備強(qiáng)實(shí)時、多用戶、多任務(wù)、多學(xué)科、多模型、多速率、多I/O、多處理器的等特點(diǎn)。
該解決方案可以通過其開放的接口與各類測試系統(tǒng)進(jìn)行集成，其功能覆蓋V 模式現(xiàn)代開發(fā)流程中數(shù)學(xué)仿真、快速原型、硬件在環(huán)、系統(tǒng)集成、聯(lián)調(diào)測試與故障注入的各個階段的任務(wù)，以及不同階段的快速迭代轉(zhuǎn)換，是產(chǎn)品從以往面向功能實(shí)現(xiàn)、到當(dāng)前著重系統(tǒng)性能飛躍的高品質(zhì)設(shè)計、開發(fā)和驗(yàn)證的理想平臺。
四、項(xiàng)目應(yīng)用
基于Links-XIL智能裝備仿真測試一體化數(shù)字孿生平臺在某型號水下航行器研制項(xiàng)目中成功搭建了半實(shí)物仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室，提供水下航行器半物理仿真模塊庫，該模塊庫根據(jù)模塊化、通用化思想，合理劃分功能模塊，完成動力學(xué)、環(huán)境、傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)模擬器等模塊；將典型水下航行器分布式半物理仿真實(shí)驗(yàn)流程形成較為完善的試驗(yàn)指導(dǎo)書，能夠達(dá)到新入所人員獨(dú)立學(xué)習(xí)掌握，幫助客戶建立一支良好的半物理仿真測試隊(duì)伍。
本平臺包括9個主控機(jī)節(jié)點(diǎn)、兩套實(shí)時仿真機(jī)柜，并通過以太網(wǎng)和反射內(nèi)存網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與已有系統(tǒng)的互聯(lián)互通，協(xié)同工作。
以均衡系統(tǒng)為例，本項(xiàng)目采用SimScape進(jìn)行建模。SimScape產(chǎn)品提供了一個自然、高效方法來構(gòu)造物理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。通過物理連接來創(chuàng)建多域原理圖，具體特性如下：
1) 與Simulink?控制算法在同一環(huán)境下仿真多域物理系統(tǒng)
2) 物理建模模塊，涵蓋 10 個以上物理域，包括機(jī)械、電氣、液壓和兩相流
3) 基于MATLAB?的Simscape?語言，支持使用文本定義物理建模組件、域和庫
4) 符號方程降階以及適用于微分代數(shù)方程(DAE)組的求解技術(shù)，包括事件處理
5) 用于實(shí)時仿真和硬件在環(huán)(HIL)測試的專業(yè)求解方法
6) 參數(shù)和變量都有物理單位，并自動進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換
7) （利用 Simulink Coder?）支持生成C代碼
圖1 SimScape液壓模型庫
圖2 注水模型
圖3 水下航行器運(yùn)動姿態(tài)三維展示
四、總結(jié)
本實(shí)驗(yàn)室可以提供準(zhǔn)確、可重復(fù)的測試環(huán)境，幫助設(shè)計團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證系統(tǒng)性能、優(yōu)化控制策略、評估人機(jī)交互性、驗(yàn)證系統(tǒng)安全性、提前發(fā)現(xiàn)問題，同時還可以優(yōu)化交互與反饋、評估效能、進(jìn)行系統(tǒng)集成與驗(yàn)證，以及增強(qiáng)培訓(xùn)和操作準(zhǔn)備。這些方面的優(yōu)化和改進(jìn)可以提高水下航行器控制系統(tǒng)的可靠性、效能和安全性。