胡 浩，劉 昱，劉 蕊

（中車工業(yè)研究院有限公司，北京100070）

0 引言

產(chǎn)品研發(fā)能力是裝備制造業(yè)企業(yè)的核心競爭力，傳統(tǒng)研發(fā)模式采用的是理論計算、設(shè)計、投產(chǎn)、調(diào)試、改進設(shè)計、再投產(chǎn)的循環(huán)模式，這種模式不但研發(fā)周期長，而且給企業(yè)造成巨大的研發(fā)成本負擔，隨著裝備產(chǎn)品的復(fù)雜度和集成度越來越高，這樣一種研發(fā)模式愈發(fā)不適合企業(yè)快速發(fā)展的需求。

仿真技術(shù)是20世紀60年代興起的一種利用計算機技術(shù)輔助研發(fā)設(shè)計的工具，它通過數(shù)值模擬產(chǎn)品的計算模型，獲取傳統(tǒng)研發(fā)方式無法分析的復(fù)雜問題的結(jié)果，使產(chǎn)品研發(fā)周期和成本大幅降低。目前，仿真技術(shù)已從單一學科仿真向基于仿真的虛擬設(shè)計、虛擬生產(chǎn)、虛擬測試的產(chǎn)品研發(fā)全生命周期過程邁進，仿真技術(shù)在企業(yè)的應(yīng)用得到前所未有的發(fā)展。

隨著仿真技術(shù)在企業(yè)應(yīng)用的深度和廣度不斷拓展，研發(fā)仿真數(shù)據(jù)產(chǎn)生大量的積累，仿真數(shù)據(jù)的管理和復(fù)用成為企業(yè)研發(fā)體系建設(shè)的一個新的發(fā)展趨勢。此外，隨著 PDM（Product Data Management，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)）和TDM（Test Data Management，試驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)）[1]等研發(fā)管理平臺在企業(yè)的深入應(yīng)用，如何將構(gòu)建的SDM系統(tǒng)（Simulation Data Management，仿真數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)）同這些研發(fā)管理平臺進行有效銜接，構(gòu)建高效協(xié)同的研發(fā)全生命周期體系，也成為裝備制造業(yè)企業(yè)的新關(guān)注重點?；谶@些需求，一種基于企業(yè)仿真知識復(fù)用和研發(fā)過程協(xié)同的仿真數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)亟需建立。

1 企業(yè)仿真數(shù)據(jù)管理需求

隨著仿真技術(shù)在裝備制造業(yè)企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)過程中扮演的角色越來越重要，企業(yè)投入大量資源建設(shè)支撐自身的仿真能力建設(shè)，包括仿真硬件資源、仿真軟件資源以及大量專業(yè)的仿真技術(shù)人員。隨著企業(yè)仿真能力不斷提升，一些新問題的出現(xiàn)對企業(yè)仿真能力建設(shè)提出了新要求，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）仿真數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象嚴重[2]。在產(chǎn)品研制任務(wù)的牽引下，各專業(yè)部門采用各自主流仿真軟件完成仿真模型的建模、驗?zāi)?，形成了眾多的仿真模型和?jīng)驗信息，但產(chǎn)品仿真信息缺乏良好的共享機制，不同專業(yè)之間采用不同的仿真軟件進行仿真工作，缺乏很好的數(shù)據(jù)互換性，形成了一個個“仿真數(shù)據(jù)孤島”，在專業(yè)間，甚至專業(yè)內(nèi)都不能高效利用仿真經(jīng)驗信息。

（2）仿真數(shù)據(jù)缺乏管理導(dǎo)致重復(fù)工作。目前企業(yè)大部分仿真項目管理只注重對仿真報告的管理，不重視對仿真模型、仿真過程的控制，存在許多本可以避免的重復(fù)建模，造成仿真效率不高，又增加了人力成本的問題。

（3）仿真人員流動造成企業(yè)仿真知識流失。企業(yè)人員升遷、離職不可避免，如何實時地了解每個人員的工作狀況、管理他們的工作結(jié)果、客觀地評價他們的工作成績、通過知識重用保留他們的工作經(jīng)驗、降低人員流動對企業(yè)仿真正常工作的影響，是擺在企業(yè)管理需面對和解決的重要問題。

（4）仿真任務(wù)管理效率低下。仿真人員和部門眾多，大多都是部門垂直管理，部門和部門之間缺乏有效的協(xié)同機制和方法，導(dǎo)致仿真任務(wù)管理效率低下，急需建立一套仿真項目和流程管理體系對仿真任務(wù)進行高效有序管理。

2 仿真數(shù)據(jù)管理平臺

針對以上提出的企業(yè)仿真方面的問題和需求，需要建立一種仿真數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)對企業(yè)仿真體系進行重構(gòu)和管理，通過對仿真工作進行統(tǒng)一的過程及數(shù)據(jù)管理，訂制仿真模板，標準化仿真流程，規(guī)范化仿真工作，提供仿真工作的查詢、優(yōu)化與提高，實現(xiàn)企業(yè)研發(fā)多領(lǐng)域多專業(yè)有效協(xié)同，實現(xiàn)推動企業(yè)仿真知識積累，提升產(chǎn)品研制能力，推動企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。這里仿真數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的“數(shù)據(jù)”是一個廣義的概念，包含仿真流程、仿真工具、仿真資源、仿真模型、仿真結(jié)果等計算機系統(tǒng)可管理的數(shù)據(jù)。

SDM系統(tǒng)的設(shè)計具體包括以下幾個部分的內(nèi)容：仿真流程搭建、數(shù)據(jù)管理、模版庫管理、仿真過程管理幾個部分內(nèi)容，如圖1所示，以下分別介紹。

圖1 SDM功能架構(gòu)圖

2.1 仿真過程管理

仿真過程管理是通過將仿真項目（任務(wù)）分解到具體可執(zhí)行的單學科仿真任務(wù)單元，并對仿真人員、仿真資源、任務(wù)周期進行分配和管理，實現(xiàn)仿真項目（任務(wù)）過程的可控，具體包括仿真項目管理、仿真流程管理和流程模板庫等部分。

仿真項目管理包括構(gòu)建WBS（Work Breakdown Structure，工作分解結(jié)構(gòu)）[3]任務(wù)流、設(shè)置任務(wù)間的依賴關(guān)系、觸發(fā)機制、控制機制、任務(wù)交付物等。構(gòu)建WBS任務(wù)流是將仿真項目按仿真學科和依賴關(guān)系分解成相互獨立的任務(wù)單元，將它們作為項目的計劃、實施、控制和信息傳遞等一系列項目管理工作對象，通過項目管理將所有的項目單元合并成一個工作整體，以達到綜合的計劃和控制要求。在這里，設(shè)定清晰的仿真任務(wù)之間的依賴關(guān)系十分重要，如任務(wù)起點、任務(wù)終點、串行執(zhí)行及并行執(zhí)行等，通過依賴關(guān)系的確定實現(xiàn)上下游任務(wù)單元的間的自動觸發(fā)和仿真數(shù)據(jù)的自動傳遞，確保項目整體運行的高效有序。

仿真流程管理包括流程的分類管理、流程創(chuàng)建、流程發(fā)布及流程模板屬性編輯、狀態(tài)標志等，支持在項目任務(wù)的執(zhí)行過程中的實例化流程模板，配以項目任務(wù)單元的數(shù)據(jù)進行流程執(zhí)行，如自動實現(xiàn)如導(dǎo)入幾何模型、建立仿真模型、設(shè)定載荷和邊界條件、啟動求解器進行分析、生成報告等。

流程模板的建立是根據(jù)企業(yè)產(chǎn)品研究特點，經(jīng)過長期仿真任務(wù)積累提煉出適合某一仿真環(huán)節(jié)最佳實踐的抽象。仿真流程模板庫可以實現(xiàn)項目流程的規(guī)范管理與快速復(fù)用，對加強項目研發(fā)的質(zhì)量、進度、成本等控制有重要意義。流程模板庫包括模板構(gòu)建、版本控制、流程發(fā)布、權(quán)限設(shè)置等方面內(nèi)容。

2.2 仿真數(shù)據(jù)管理

產(chǎn)品研發(fā)仿真中產(chǎn)生的大量由不同仿真軟件產(chǎn)生的異構(gòu)數(shù)據(jù)，通常由不同仿真業(yè)務(wù)部門自行存儲和管理，由于缺乏統(tǒng)一管理，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)遺失和難以查詢追溯等問題。SDM系統(tǒng)要實現(xiàn)對這些數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理需要實現(xiàn)包括數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)追溯和查詢，仿真知識管理等幾個方面的功能。

數(shù)據(jù)存儲主要解決仿真任務(wù)中產(chǎn)生的大量仿真數(shù)據(jù)的無序存儲問題，通過合理規(guī)劃建立統(tǒng)一的存儲體系。數(shù)據(jù)存儲模塊將仿真數(shù)據(jù)按照項目、學科等分類進行分層分級存儲，同時利用數(shù)據(jù)庫、分布式文件存儲系統(tǒng)等手段支撐結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)等不同格式的仿真數(shù)據(jù)的存儲。

數(shù)據(jù)追溯實現(xiàn)數(shù)據(jù)的譜系追蹤功能，通過數(shù)據(jù)譜系圖形的方式記錄仿真分析的流程與仿真的數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。通過構(gòu)建數(shù)據(jù)譜系圖，為操作者顯示某一個仿真業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與其相關(guān)的數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并可以查看數(shù)據(jù)的詳細信息，如果上游數(shù)據(jù)發(fā)生變更，會自動傳遞給下游，并實現(xiàn)對數(shù)據(jù)負責人的變更提醒。數(shù)據(jù)查詢對項目、數(shù)據(jù)、文件等資源實現(xiàn)多關(guān)鍵字組合查詢、多層次查詢和多條件模糊查詢，能夠保存搜索結(jié)果，對于任務(wù)、模板、文檔、屬性組以及應(yīng)用程序接口進行專業(yè)搜索。

數(shù)據(jù)挖掘與分析可以對多種方案的參數(shù)化結(jié)果進行比較，了解輸入?yún)?shù)對輸出參數(shù)的影響關(guān)系，具備敏度分析功能，具有數(shù)據(jù)權(quán)衡分析功能，了解不同方案針對不同設(shè)計目標的差異。

2.3 仿真模板庫管理

仿真分析模板是一套計算機程序，它將某類型的仿真分析流程以及相關(guān)規(guī)范和標準固化在程序中，用戶只需要進行少量的必要輸入，就可以完成標準化的仿真分析過程和多次迭代，得到具有可比性的仿真分析結(jié)果。程序參照標準數(shù)據(jù)對仿真分析結(jié)果進行評價，得到明確的分析結(jié)論。如強度仿真模板，可基于Classic Ansys進行快速模板的開發(fā)，采用Classic Ansys自身支撐的Tcl/Tk語言定制界面，并通過APDL語言進行后臺功能封裝[4]。

在SDM系統(tǒng)中，即仿真活動和仿真工作流均可以保存為模板，作為企業(yè)的知識庫積累下來，在定義新的仿真活動或仿真工作流時，就可以通過實例化仿真模板來實現(xiàn)，仿真模板可以在服務(wù)器上發(fā)布，提供給企業(yè)中的其它仿真工作人員。

2.4 仿真知識管理

企業(yè)在以往的仿真過程中積累了大量具備高度可復(fù)用性的仿真知識，包括指南、手冊、標準、腳本、模型、材料屬性、流程等，高效進行仿真知識的復(fù)用可有效提升企業(yè)的仿真研發(fā)效率。仿真知識管理包括結(jié)構(gòu)化知識、半結(jié)構(gòu)化知識、非結(jié)構(gòu)化知識等類型眾多的知識的管理。其中結(jié)構(gòu)化知識包括材料屬性、結(jié)構(gòu)參數(shù)、流程信息、基于模板的仿真經(jīng)驗等；半結(jié)構(gòu)化知識包括系統(tǒng)映射配置文件、流程文件等；非結(jié)構(gòu)化知識包括數(shù)據(jù)文件、圖片、標準規(guī)則文檔等知識。通過內(nèi)容庫、知識庫、數(shù)據(jù)庫等環(huán)境構(gòu)建組成，可為仿真用戶提供知識的存儲、查詢、復(fù)用等。

2.5 多學科仿真流程搭建

現(xiàn)代裝備的研發(fā)涉及多學科多領(lǐng)域的數(shù)字樣機建模及仿真，包含機械、控制、電子、網(wǎng)絡(luò)、電磁等方面，傳統(tǒng)仿真研發(fā)手段因技術(shù)條件限制只能通過仿真報告的形式實現(xiàn)本學科的仿真模型和關(guān)鍵數(shù)據(jù)的傳遞，造成仿真數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)的效率低下和數(shù)據(jù)傳遞失真。SDM系統(tǒng)需要將各專業(yè)的仿真分析流程進行有效銜接，打破傳統(tǒng)的“仿真信息孤島”，構(gòu)建基于產(chǎn)品研發(fā)任務(wù)的仿真全過程信息流，具體包含工作流、數(shù)據(jù)流和控制流等幾個方面的構(gòu)建。

其中工作流是根據(jù)具體產(chǎn)品仿真任務(wù)，將仿真分析涉及的多學科專業(yè)按照一定的步驟進行編排設(shè)計。相鄰步驟之間通過仿真接口進行相應(yīng)的文件或者數(shù)據(jù)的傳遞，以實現(xiàn)步驟之間的有效連接。這里的仿真接口主要指各學科商業(yè)仿真提供的數(shù)據(jù)接口，也可以通過統(tǒng)一建模語言的方式實現(xiàn)不同學科仿真數(shù)據(jù)的交互[5]。工作流可根據(jù)仿真任務(wù)的具體情況進行串行和并行多學科流程編排。圖2展示了一個典型的仿真工作流。

圖2 仿真多學科工作流實例

數(shù)據(jù)流是將各仿真學科間所需的大量參數(shù)按照具體需求，形成數(shù)據(jù)映射傳遞關(guān)系，通過系統(tǒng)將各參數(shù)自動傳遞，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在工作流中的自動流轉(zhuǎn)。

控制流實現(xiàn)多學科流程控制功能，具體包括活動運行過程中啟動、暫停、終止、繼續(xù)等內(nèi)容。

3 基于SDM的企業(yè)研發(fā)系統(tǒng)協(xié)同

完整的產(chǎn)品開發(fā)過程通常由設(shè)計、仿真和試驗三個階段的工作構(gòu)成。不同的產(chǎn)品研發(fā)階段，對應(yīng)有相應(yīng)的工具軟件對該階段龐大的數(shù)據(jù)量進行管理，如對產(chǎn)品的設(shè)計數(shù)據(jù)和流程加以管理，如PDM、SDM、TDM分別管理產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)。為實現(xiàn)企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)過程全生命周期協(xié)同，SDM系統(tǒng)需要實現(xiàn)對PDM、TDM系統(tǒng)進行集成，調(diào)用相關(guān)的設(shè)計與仿真工具，結(jié)合各類軟、硬件資源，形成數(shù)字化研發(fā)體系，其構(gòu)成如圖3所示。

圖3 多系統(tǒng)集成的數(shù)字化研發(fā)體體系架構(gòu)

各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互可以基于ESB（Enterprise Service Bus，企業(yè)服務(wù)總線）技術(shù)實現(xiàn)。ESB是中間件技術(shù)與Web服務(wù)等技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物[6]，它包含JMS消息服務(wù)中間件、流程處理引擎、Web Services/SOAP代理服務(wù)和UDDI注冊服務(wù)功能，并支持基于內(nèi)容的路由和過濾，具備了復(fù)雜數(shù)據(jù)的傳輸能力，并可以提供一系列的標準接口。ESB技術(shù)的出現(xiàn)為企業(yè)內(nèi)外部之間的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和事件消息的通信提供可靠的傳遞保證，通過構(gòu)建不同應(yīng)用系統(tǒng)之間的通信渠道，可實現(xiàn)企業(yè)對已建和新建的異構(gòu)系統(tǒng)的有效整合，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)機制

4 應(yīng)用案例

以企業(yè)某型轉(zhuǎn)向架研發(fā)為例，基于企業(yè)內(nèi)部建設(shè)的仿真數(shù)據(jù)管理平臺，可以實現(xiàn)多部門仿真協(xié)同，將產(chǎn)品多學科仿真任務(wù)根據(jù)企業(yè)各部門的專業(yè)特點進行分派，實現(xiàn)更為高效的跨部門、跨專業(yè)學科協(xié)同仿真。基于仿真數(shù)據(jù)管理平臺的某轉(zhuǎn)向架研發(fā)業(yè)務(wù)流程如圖5所示。

圖5 基于仿真數(shù)據(jù)管理平臺的某轉(zhuǎn)向架研發(fā)業(yè)務(wù)流程

首先，總體負責人登陸仿真數(shù)據(jù)管理平臺，基于平臺的項目管理功能，創(chuàng)建轉(zhuǎn)向架總體仿真任務(wù)，并創(chuàng)建各專業(yè)學科的仿真任務(wù)，指派給各仿真部門工程師。仿真工程師利用平的軟、硬件仿真資源，調(diào)取平臺儲存的專業(yè)仿真流程和仿真知識進行仿真作業(yè)。

在平臺中進行的所有活動都是由同源數(shù)據(jù)驅(qū)動的，仿真數(shù)據(jù)管理平臺的數(shù)據(jù)均儲存在數(shù)據(jù)庫中進行統(tǒng)一管理，從而保證了仿真過程中數(shù)據(jù)的一致性與規(guī)范性。不同的仿真任務(wù)之間可以通過數(shù)據(jù)的搜索、上傳與下載，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在平臺內(nèi)的交互與協(xié)同。

仿真任務(wù)完成后，工程師可以將仿真結(jié)果數(shù)據(jù)和仿真報告文件上傳到仿真數(shù)據(jù)管理平臺，以任務(wù)交付物的形式提交給上級任務(wù)，供上級負責人進行匯總和審核，實現(xiàn)研發(fā)項目和任務(wù)的協(xié)同。

在整個仿真過程中，所需的CAD模型均可以通過系統(tǒng)之間的接口從PDM系統(tǒng)傳遞到SDM系統(tǒng)，試驗相關(guān)的數(shù)據(jù)也可以在TDM系統(tǒng)和SDM系統(tǒng)中實現(xiàn)無縫傳遞和管理，供相關(guān)設(shè)計人員調(diào)取使用。研發(fā)過程中的數(shù)據(jù)安全性可以通過仿真數(shù)據(jù)管理平臺的人員角色和權(quán)限管理機制予以保障。

5 結(jié)束語

基于仿真數(shù)據(jù)管理平臺，企業(yè)可以實現(xiàn)仿真過程、數(shù)據(jù)、模板、知識等資源的統(tǒng)一管理和共享，解決各單個仿真工具應(yīng)用形成的數(shù)據(jù)孤島問題，形成基于知識、流程化的產(chǎn)品多學科協(xié)同仿真、優(yōu)化與驗證能力。通過基于企業(yè)總線構(gòu)建的企業(yè)研發(fā)系統(tǒng)多平臺協(xié)同，全面打通企業(yè)研發(fā)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)企業(yè)研發(fā)向產(chǎn)品設(shè)計、仿真分析、試驗驗證、知識工程的良性循環(huán)邁進。