机电一体化系统多能量域集成产品建模与仿真技术

复杂机电一体化系统（如飞机、汽车、加工中心、机器人等）的研发过程越来越表现为基于网络的分布、并行、同、虚拟、智能、集成的网络设计与制造，机电一体化系统集成产品建模问题已成为国际上CAD领域的一大研究热点与难点。本文从系统换角度出发,根据各类工具系统之间的相似性，提出基于端口的多能量域集成组件模型并进行形式化描述。以此为基础提出了机电一体化系统多能量或集成产品建模与仿真框架，可以较好的支持机电一体化系统异地设计的演化过程。     

面向MBSE的复杂系统研发模型追溯管理方法

针对采用基于模型的系统工程(MBSE)实现复杂系统研发中存在的数据资源集成与互操作困难、可追溯性差等问题,提出一种基于数字总线的系统追溯管理方法支持系统研发流程中工具集成、追溯性管理及复杂度管理.首先采用系统思维方法定义系统元素及其关联;随后分别通过需求规约方法、基于系统建模语言KARMA的多架构建模方法和Simulink建模规范支持需求分析、架构设计和仿真验证过程的形式化表达;同时采用生命周期协作开放服务(OSLC)规范构建统一数据源的数字总线,通过开发服务管理工具原型及领域工具内插件实现系统设计资源的追溯性管理及总线可视化;最后通过一个自动刹车系统设计的案例研究验证了所提出方法的可行性和有效性.     

基于体系结构设计的空战系统任务元模型建模

作战体系结构设计可以解决由于空战系统本身的复杂性和涌现性导致难以建模描述的问题, 随着未来空战新概念发展, 需要从基于模型的系统工程思想角度, 在统一的结构框架下构建空战系统任务元模型以适应体系架构的更迭变化。首先, 描述了任务元模型内涵。然后, 提出了一种基于体系结构设计的任务元模型构建方法, 根据该方法选取并设计美国国防部体系结构框架的视图产品。最后, 选取超视距(beyond visual range, BVR)空战想定进行作战体系结构建模, 根据标准语义关系抽取描述任务关键特征的BVR空战系统任务元模型数据组, 生成任务元模型数据库。结果表明, 所提方法能够实现作战概念需求引导下作战任务模型架构的快速组合、验证和复用。     

基于DoDAF的载人登月体系结构建模

针对传统文本模式存在的需求域与设计域之间信息离散、关联性差、不易追溯等问题，采用基于模型的系统工程(model-based systems engineering, MBSE)方法开展载人登月系统设计。引入美国国防部架构框架(Department of Defense Architecture Framework, DoDAF),提出载人登月总体设计体系结构可执行模型的流程和方法；采用系统建模语言(system modeling language, SysML)建立了视图模型，描述了系统架构、需求模型和逻辑接口。并开展了初步逻辑仿真验证，可为载人登月系统设计和MBSE方法应用提供参考。     

复杂政务信息系统的组织与授权管理

针对电子政务中复杂信息系统的组织与授权管理这一热点问题，本文首先给出了面向组织内不同业务领域应用系统集成的角色网络模型（SODB-RNM）。然后，基于此模型，进一步提出了复杂政务信息系统组织与授权管理的体系架构，并具体给出了该架构的关键技术、授权管理的工作过程和用户登录验证流程。最后，给出了该体系架构的实际应用案例。实践表明，基于SODB—RNM的复杂政务信息系统组织与授权管理体系架构能够有效地解决组织与授权相分离的难题，减少了授权管理的复杂度，更加符合政府管理的体制，并具有广阔的应用前景。     

基于MBSE的民机系统功能建模方法

针对传统系统工程存在的迭代周期长、开发效率低、模型二义性等问题, 结合基于模型的系统工程理念, 将敏捷系统工程概念引入到民机研制过程中, 并利用系统建模语言定义了基于场景的功能建模方法, 详细分析了民机自动飞行控制系统高度控制用例的顶层功能愿景, 建立了对应的功能模型和接口描述视图。该方法以迭代的形式展开系统功能建模, 能够充分保证需求和功能模型紧密结合, 正向构建满足民机系统以需求为导向的功能建模方法, 为民机系统的架构设计工作提供基础。     

一种协同建模与仿真平台及其关键技术研究

针对现代复杂装备仿真系统规模大、耦合紧、交互多、演化性强等特点,开发了一套支持对复杂装备进行协同建模与仿真的平台.从平台的总体组成、功能特征、应用模式出发,重点对支撑该平台协同性、敏捷性、适应性、灵活性的关键技术进行了讨论.提出了多视图协同建模方法并在平台开发中得到应用,该方法在对系统进行多视图分解基础上再进行关联、映射与融合,有效地支持多用户、多阶段、多模式的协同建模.设计了基于桥接器模式的仿真引擎体系结构,使得底层协议从核心服务中分离出来,为其支持多种底层协议提供了有力的支持.基于反射的对象树结构显式地描述了系统整体组织结构,使体系结构特征可观可控,提高仿真引擎的动态演化能力.     

基于DoDAF的民机MBSE研制方法

针对传统的民机研制方法中面临的设计需求不完整、难以保证设计与需求一致性、设计方案难以更改等一系列问题, 结合美国国防部架构框架(Department of Defense Architecture Framework, DoDAF)的多个视角, 提出基于DoDAF的民机基于模型的系统工程研制方法。该方法参考DoDAF中不同的视点从多角度对民机研制要求进行分解与细化, 生成资源流动模型、活动模型以及系统接口模型等, 开发出信息更加立体的飞机能力模型, 指导民用飞机的设计, 证明了基于DoDAF的民机研制方法能够从多视角的角度完整、全面地分解飞机能力要求，并将其转化为具体的设计要求, 从而更好地指导民机研制, 提高民机研制效率。     

基于多保真度代理模型的装备系统参数估计方法

系统参数估计是武器装备系统设计研制中的关键一环。针对复杂系统设计中逐渐突显的系统复杂性激增、需求动态性变化、响应的快速性、缺乏高精度数据等问题,提出一种基于多保真度代理模型的单装备系统参数估计方法。首先,该方法基于传统Kriging模型对低保真度数据建立代理模型。然后,将该模型作为全局趋势模型,插入高保真度数据建立多保真度代理模型,得到同时满足高精度和高效率双重要求的参数估计方法。最后,以飞机机翼系统设计中的最大升力系数参数估计问题为例,验证了所提方法在装备设计研制中的可行性和有效性,作为设计人员的决策支撑。     

基于MBSE的民机功能需求辨识与确认

为构建与飞行任务需求匹配的飞机系统功能架构,在民机系统概念设计阶段引入基于模型的系统工程(model-based systems engineering,MBSE)的改进方法,明确了MBSE的民机系统关键功能架构的正向设计过程。以民机典型任务场景“应急复飞”作为研究案例。通过辨识典型民机的功能需求,构建基于人机联合仿真实验的功能需求架构,记录需求的确认过程,实现捕获需求的功能黑盒解白,并利用MBSE架构中功能状态机仿真验证需求的完备性与合理性,最终确保功能设计阶段捕获功能需求过程的可追溯性。可应用于以航空器为代表的复杂系统,能将客户的模糊需求转化为可应用工程实践方法加以验证的具体功能,完善系统功能架构,满足高层级的技术需求。     

民用飞机高度控制系统MBSE建模方法

针对传统基于文本的系统工程方法中存在设计文档变更难度大、工程模型可读性差、模型复用性不强等问题,提出了基于美国国防部体系架构(department of defense architecture framework,DoDAF)的基于模型的系统工程(model-based systems engineering,MBS...     

基于X语言的起飞场景民机协同设计与仿真一体化方法

针对大型复杂产品,传统基于模型的系统工程（model-based system engineering, MBSE）方法存在系统设计和仿真验证的多语言、多平台集成实现,难以保证高效、准确地反馈系统设计的缺陷,无法达到快速优化设计目的等问题,提出采用基于面向复杂系统支持MBSE的新一代一体化建模仿真语言—X语言实现面向起飞场景的民机跨域子系统的一体化建模仿真。从民机起飞过程需求分析出发,建立了起飞场景的系统级模型和物理级模型,并在X语言的建模仿真软件—XLab进行统一的建模仿真验证,给出了基于X语言面向复杂产品协同设计与仿真一体化方法,为不同领域的设计人员实现复杂产品设计的协同与优化提供了全新的理论与方法参考。     

基于MBSE的民机研制过程管理

为保证在基于模型的系统工程(model-based systems engineering, MBSE)背景下民机研制的高效过程管理, 分析了当前民机研制的过程特征与面临的挑战, 在此基础上规划了基于模型的民用飞机研制整体框架与基于模型的过程全寿命周期管理(model-based process lifecycle management, MBPLM)概念。基于过程模型及其语义结构和类的定义, 提出了广泛适用于民机研制全过程的MBPLM方法, 并设计相应的并行架构。最后，为提升可操作性, 在典型系统民机舱内压力控制系统设计中演示了系统建模过程的管理时序、过程分析评估与异同构模型管理。所提方法可应用于以民用飞机为代表的复杂系统研制, 能够在MBSE背景下实现模型开发与过程管理关联与协同, 统筹管理研制全寿命周期过程。     

基于本体的飞机舵面结构故障诊断方法

从系统工程的角度分析了飞机系统的复杂性,将飞机族的概念引入到飞机的本体建模中,并以舵面故障诊断过程为研究对象, 首先用Protégé建立了飞机本体的领域知识模型,然后将单故障和组合故障的诊断知识列为本体中的SWRL规则,最后利用 JESS推理出 新知识得出诊断结果,实现了用本体来选择修复方案的过程.该方法能够实现复杂系统的建模及故障诊断 方案的准确选择,并可通过增加新的诊断知识来完善故障诊断知识库.     

基于PDM Enablers的飞行器并行设计文档管理扩展模型研究

并行工程对飞行器设计的重要性不言而喻,产品数据管理(PDM) 是并行工程的支撑技术,文档管理作为PDM系统的基础及核心模块,在飞行器并行设计中起着重要作用.以PDM国际规范"PDM Enablers"为依据,就支持飞行器并行设计的文档管理模型展开研究.在深入研究PDM Enablers的基础上,构建了飞行器并行工程环境体系结构;提出了一种基于PDM Enablers并支持飞行器并行设计的文档管理扩展模型,并着重对其中的文档分类浏览模式、文档状态变迁模型及支持飞行器并行设计的文档信息存储模式进行研究;最后给出了其应用实例,应用表明,所提出的模型可行、有效,能很好地支持飞行器的协同设计.     

倾转旋翼飞行器无模型自适应姿态控制

采用余弦加权分配法克服了控制操纵冗余问题,采用内/外回路控制结构解决了通道间耦合问题,实现了不同飞行模式下飞行控制系统统一建模。针对无人倾转旋翼飞行器动力学模型难于准确建立问题,引入伪梯度向量和伪阶数,应用无模型自适应飞行控制策略,使飞行控制系统对存在动力学特性非线性、时变性和未建模部分的被控对象具有更强的自适应性和鲁棒性。仿真验证了无模型自适应控制器的自适应性和鲁棒性优于比例〖CD*2〗积分〖CD*2〗微分控制器,给出了倾转旋翼飞行器由直升机模式到过渡模式再到飞机模式的全过程仿真,验证了无模型自适应控制器能够应用于倾转旋翼飞行器飞行控制系统设计,为无人倾转旋翼飞行器飞行控制系统设计,提供了一套新的控制系统设计方法,便于工程实现。     

基于AADL体系结构模型的构件系统可靠性评估

为了支持新一代航电系统在体系结构设计阶段进行系统可靠性分析和评估,对复杂嵌入式系统利用体系结构分析与设计语言(architecture analysis and design language, AADL)进行系统的建模。提出了一种基于AADL系统体系结构模型的可靠性建模方法,设计出一套转换规则,对AADL体系结构模型的软硬件构件进行模型转换,实现从AADL系统体系结构可靠性模型到系统体系结构广义随机Petri网(system architecture general stochastic Petri net,SAGSPN)的转换,并基于加权的SAGSPN可靠性计算模型对系统进行可靠性评估。最后通过对某飞控系统进行可靠性评估,验证了方法的有效性,证明该方法对航电系统的体系结构设计提供了支持。     

基于粒计算的武器装备体系结构超网络模型

利用超网络建模体系结构是体系网络化描述、评估和演化性探索的一种重要发展趋势。目前提出的超网络模型仍然处于概念探索阶段,在体系结构的复杂关系描述、体系属性信息和拓扑结构之间互影响机理挖掘等方面问题的研究存在局限性。梳理了体系结构超网络建模研究现状,提出基于粒计算的装备体系结构超网络建模方法,采用四元组粒模型的形式化描述将装备体系的拓扑信息与属性信息结合起来。利用超网络构建体系结构的复杂关系模型,实现了系统、功能、活动、行为与能力等体系要素之间的层次关联。通过超边机制将粒模型与超网络模型较好地联系起来。