ModelCenter產(chǎn)品的發(fā)展和現(xiàn)狀的闡述

本文將介紹Ansys旗下ModelCenter產(chǎn)品，Ansys ModelCenter，賦能工程師創(chuàng)建和自動(dòng)化多個(gè)工具工作流程，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并通過(guò)連接需求和工程實(shí)現(xiàn)基于模型的系統(tǒng)工程（Model-Based Systems Engineering, MBSE）。首先簡(jiǎn)單介紹多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化(Multidisciplinary Design Optimization, MDO)、基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)、數(shù)字工程戰(zhàn)略(Digital Engineering Strategy)三個(gè)概念，這有助于理解ModelCenter產(chǎn)品的應(yīng)用場(chǎng)景；隨后是對(duì)ModelCenter產(chǎn)品的發(fā)展和現(xiàn)狀的闡述。

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多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化MDO

對(duì)于類似飛行器等多學(xué)科耦合的復(fù)雜系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)而言，團(tuán)隊(duì)中的每個(gè)具有特定學(xué)科專業(yè)知識(shí)的工程師都會(huì)利用其經(jīng)驗(yàn)和判斷來(lái)開(kāi)發(fā)可行的各專業(yè)設(shè)計(jì)，例如氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、燃燒、熱力、流體、電磁、控制等，這其中涉及的多個(gè)學(xué)科之間都可能存在著非線性耦合關(guān)系，甚至也可能存在著尖銳的沖突，因此工程的整體性能不僅僅取決于各自獨(dú)立學(xué)科中的性能，也與學(xué)科間的相互作用有關(guān)，再考慮到工程設(shè)計(jì)中的迭代改進(jìn)和交付使用后的全生命周期維護(hù)等因素，這都給傳統(tǒng)工程的整體設(shè)計(jì)和權(quán)衡(Trade-off)帶來(lái)巨大的困難。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化就是專門解決這類問(wèn)題的方法。

圖表1: 飛行器設(shè)計(jì)中的多學(xué)科耦合問(wèn)題

多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的英文是Multidisciplinary Design Optimization，縮寫為MDO。

根據(jù)美國(guó)航空航天協(xié)會(huì)(AIAA: American Institute of Aeronautics and Astronautics)的多學(xué)科優(yōu)化技術(shù)委員會(huì)(MDO-TC: Technical Committee)的討論，MDO有如下三種定義。

是一種通過(guò)充分搜索和利用系統(tǒng)中相互作用的協(xié)同機(jī)制來(lái)設(shè)計(jì)復(fù)雜系統(tǒng)和子系統(tǒng)的方法論。

是指在復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須對(duì)學(xué)科(或子學(xué)科)相互作用進(jìn)行分析，并且充分利用這些相互作用進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化合成的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

是指當(dāng)設(shè)計(jì)中每個(gè)因素都影響另外的所有因素時(shí)，確定該改變哪個(gè)因素及改變到什么程度的一種設(shè)計(jì)方法。

值得一提的是，除了MDO的提法，我們也可能會(huì)看到多學(xué)科系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化(MSDO: multidisciplinary system design optimization)和多學(xué)科設(shè)計(jì)分析與優(yōu)化(MDAO: Multidisciplinary Design Analysis and Optimization)等提法，他們其實(shí)指的都是同一類概念。MDO是如何發(fā)展起來(lái)的呢？

1982年，美籍波蘭裔人Sobieszczanski-Sobieski. J在研究大型結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題求解的論文中，首次提出了MDO的概念和相關(guān)的設(shè)計(jì)方法，引起了關(guān)注, 他也成為了MDO的奠基人。

1986年，美國(guó)航空航天協(xié)會(huì)(AIAA)、美國(guó)空軍(USAF: United States Air Force)、美國(guó)航空航天局(NASA: The National Aeronautics and Space Administration)和OAI四家機(jī)構(gòu)聯(lián)合召開(kāi)了第一屆“多學(xué)科分析和優(yōu)化”專題研討會(huì)，以后每2年舉辦一次。

1989年，AIAA成立了多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)委員會(huì)MDO-TC(TC: Technical Committee)。兩年后，MDO-TC發(fā)表了“MDO研究現(xiàn)狀的白皮書”,標(biāo)志著MDO作為一個(gè)各方認(rèn)可的新興研究領(lǐng)域而正式誕生。

1994年，NASA就MDO在工業(yè)界的必要性問(wèn)題，對(duì)波音(Boeing)、洛克希德(Lockheed)等美國(guó)九個(gè)主要航空航天公司展開(kāi)調(diào)查。結(jié)果表明，業(yè)界對(duì)MDO的研究和應(yīng)用有著廣泛的興趣和支持。同年8月，NASA在其蘭利研究中心(Langley Research Center)成立了多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化部門(MDOB: MDO Branch)，專門開(kāi)展飛行器相關(guān)的MDO工作。MDOB的任務(wù)包括確認(rèn)、發(fā)展和展示MDO方法、及時(shí)地將有前景的MDO方法推廣，并促進(jìn)NASA、工業(yè)界和高校對(duì)MDO的基礎(chǔ)研究。

1995年開(kāi)始，美國(guó)在可重復(fù)使用運(yùn)載器演示驗(yàn)證機(jī)X-33、下一代運(yùn)載系統(tǒng)NGLT、高速民用飛機(jī)HSCT、高性能計(jì)算與通信計(jì)劃HPCCP等項(xiàng)目上都有MDO的成功應(yīng)用。同年ModelCenter誕生。

2000年，NASA基于ModelCenter提出了先進(jìn)工程環(huán)境項(xiàng)目AEE，用于新一代可復(fù)用空間飛行器計(jì)劃NGLT等。

2010年，美國(guó)空軍成立了多學(xué)科科學(xué)技術(shù)中心(MSTC: Multidisciplinary Science & Technology Center)和多學(xué)科科學(xué)協(xié)同中心(CCMS: Collaborative Center for Multidisciplinary Sciences.)。

根據(jù)旨在研究MDO技術(shù)應(yīng)用的歐盟“地平線2020”計(jì)劃之一AGILE項(xiàng)目的表述，迄今為止，MDO有三個(gè)發(fā)展階段。

第一代可稱為“集成MDO系統(tǒng)”，由于直接合并了多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的仿真模型，因此從運(yùn)行時(shí)的角度來(lái)看，計(jì)算效率是最高的，適用于集中開(kāi)發(fā)高效的優(yōu)化算法、增強(qiáng)解算器的能力及高效的參數(shù)化技術(shù)。主要的應(yīng)用場(chǎng)景有兩個(gè)：一是概念設(shè)計(jì)階段，此時(shí)模型相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)分析結(jié)果的精度要求較低，更多是通過(guò)MDO快速分析多種因素對(duì)設(shè)計(jì)的影響，以指導(dǎo)后續(xù)設(shè)計(jì)進(jìn)程；二是少數(shù)幾個(gè)緊耦合的物理學(xué)科領(lǐng)域的詳細(xì)設(shè)計(jì)優(yōu)化，例如流固耦合，氣動(dòng)彈性等。然而，該系統(tǒng)的架構(gòu)缺乏靈活性和可擴(kuò)展性，無(wú)法應(yīng)對(duì)系統(tǒng)模塊子集的改進(jìn)，調(diào)整和交換；當(dāng)考慮添加更多學(xué)科領(lǐng)域的影響時(shí)，就較難在當(dāng)前系統(tǒng)架構(gòu)中直接集成。

第二代可稱為“分布式MDO系統(tǒng)”，計(jì)算分析過(guò)程分發(fā)到多個(gè)專用計(jì)算設(shè)備中，通過(guò)集中的設(shè)計(jì)和優(yōu)化進(jìn)程調(diào)用專用設(shè)備計(jì)算。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)承擔(dān)過(guò)程匯總和整體優(yōu)化，專業(yè)技術(shù)專家負(fù)責(zé)各專業(yè)模塊，通過(guò)建立有效的數(shù)據(jù)管理和通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)模塊間信息交互。雖然已經(jīng)出現(xiàn)了基于知識(shí)的工程系統(tǒng)來(lái)協(xié)調(diào)各學(xué)科的分析功能，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。但由于設(shè)計(jì)流程依然是集中的，對(duì)特別復(fù)雜的系統(tǒng)，仍較難適應(yīng)。

第三代可稱為“協(xié)作式MDO系統(tǒng)”，該系統(tǒng)中的分布不僅僅是分析工作的分布，還涉及總體設(shè)計(jì)任務(wù)的分布。高度復(fù)雜的工程項(xiàng)目將由分布在多個(gè)專業(yè)組織的數(shù)百名工程師協(xié)作，通過(guò)并行工程和協(xié)同優(yōu)化等技術(shù)，將整個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)分派給不同的單位和組織。這代系統(tǒng)的目標(biāo)是提升設(shè)計(jì)人員的判斷力，減少優(yōu)化過(guò)程的復(fù)雜性。第三代MDO系統(tǒng)尚未完全實(shí)現(xiàn)，歐美各國(guó)也在探索過(guò)程中。

截止目前，由于航空航天，軍工防衛(wèi)領(lǐng)域涉及的學(xué)科最多，項(xiàng)目需求最多樣，技術(shù)難度最尖端，所以MDO的應(yīng)用也就最成熟。而隨著MDO技術(shù)的擴(kuò)散，也在包括汽車設(shè)計(jì)、建筑規(guī)劃、生物醫(yī)藥、電力電氣等復(fù)雜系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

圖表2: 歐盟“地平線2020”計(jì)劃之一AGILE項(xiàng)目對(duì)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的分代

接下來(lái)談?wù)凪DO的適用階段。研究表明，類似飛行器項(xiàng)目這種典型的軍工防衛(wèi)等復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程通常分為概念設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)三個(gè)階段。如果項(xiàng)目在前期產(chǎn)生了方案失誤，不僅可能造成研制周期的拉長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)維護(hù)成本的倍增，甚至還可能引起整個(gè)方案的方向性錯(cuò)誤，導(dǎo)致最終的失敗，所以安全關(guān)鍵系統(tǒng)相關(guān)的行業(yè)尤其注重項(xiàng)目前期的概念設(shè)計(jì)和初步設(shè)計(jì)階段中的MDO，以盡早確定最終的解決方案。

依然以飛行器設(shè)計(jì)為例，由于飛行器的論證及戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的確定過(guò)程主要集中在概念設(shè)計(jì)階段，在該階段結(jié)束時(shí)，飛行器的外形、尺寸、質(zhì)量及總體性能等均已確定。這也意味著，飛行器的好壞在該階段基本確定，因此概念設(shè)計(jì)階段在全壽命周期費(fèi)用中起著重要作用。

而在設(shè)計(jì)初期，設(shè)計(jì)師對(duì)飛行器的信息了解較少，隨著設(shè)計(jì)過(guò)程的進(jìn)行，設(shè)計(jì)師在獲得越來(lái)越多知識(shí)的同時(shí)，卻喪失了根據(jù)這些知識(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)的自由度。這樣，飛行器已知信息的積累與設(shè)計(jì)自由度的減少就成為一對(duì)矛盾，隨著應(yīng)用部門對(duì)飛行器綜合性能要求的日益提高，這對(duì)矛盾顯得愈加突出。(參考圖表3中傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程所示的兩條曲線)。

圖表3: 飛行器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程和改進(jìn)后的含MDO的設(shè)計(jì)流程

對(duì)飛行器設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，如何充分利用在早期概念階段較大的設(shè)計(jì)自由度來(lái)提高飛行器的設(shè)計(jì)質(zhì)量是十分關(guān)鍵的，其中一個(gè)很重要的手段就是充分利用各種優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行分析。按照傳統(tǒng)的飛行器設(shè)計(jì)過(guò)程，在概念設(shè)計(jì)階段的優(yōu)化往往是通過(guò)優(yōu)選少數(shù)關(guān)鍵參數(shù)，如翼載、展弦比等，來(lái)研究影響燃料和飛行性能的氣動(dòng)和推進(jìn)這兩個(gè)關(guān)鍵學(xué)科(圖表3中傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程的概念設(shè)計(jì)階段的氣動(dòng)、推進(jìn)兩個(gè)學(xué)科的柱狀條明顯長(zhǎng)于其他學(xué)科)，以獲取最小起飛質(zhì)量或最大有效載荷。

當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入到初步設(shè)計(jì)階段后，飛行器的基準(zhǔn)構(gòu)型已經(jīng)確定，開(kāi)始轉(zhuǎn)入各分系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，需要考慮強(qiáng)度、剛度方面的問(wèn)題，此時(shí)結(jié)構(gòu)學(xué)科在此階段中占據(jù)主導(dǎo)地位(圖表3中傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程初步設(shè)計(jì)階段的結(jié)構(gòu)學(xué)科柱狀條明顯長(zhǎng)于其他學(xué)科)。在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，用于改善飛行力學(xué)性能和提高質(zhì)量的控制學(xué)科的作用不斷增加，因而控制學(xué)科更為重要。最后，在產(chǎn)品進(jìn)入生產(chǎn)和制造階段后，生產(chǎn)費(fèi)用和某種程度上的可維護(hù)性成為考慮的重點(diǎn)。

從圖表3的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程可見(jiàn)，隨著飛行器設(shè)計(jì)進(jìn)程的推進(jìn)，各種信息不斷地被確定，相應(yīng)的設(shè)計(jì)自由度則不斷地減少。這種設(shè)計(jì)模式實(shí)質(zhì)上是將同時(shí)影響飛行器性能的氣動(dòng)、推進(jìn)、結(jié)構(gòu)和控制等學(xué)科人為地割裂開(kāi)來(lái)，沒(méi)有充分考慮和利用各個(gè)學(xué)科/子系統(tǒng)之間相互耦合產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)，帶來(lái)的后果是極有可能失去系統(tǒng)的整體最優(yōu)解，從而降低飛行器的總體性能。

而從圖表3中改進(jìn)后的含MDO的設(shè)計(jì)流程所示，兩條虛線是引入MDO方法后所期望達(dá)到的目標(biāo)，設(shè)計(jì)知識(shí)虛線表明，在飛行器概念設(shè)計(jì)和初步設(shè)計(jì)階段需要引入更多的知識(shí)以提出更加合理的設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)自由度的虛線反應(yīng)出要為后期升級(jí)階段保留更多的自由度，以便充分運(yùn)用在分析、實(shí)驗(yàn)后推理過(guò)程中所獲取的知識(shí)修改飛行器的設(shè)計(jì)方案。因此，圖表3中改進(jìn)后的含MDO的設(shè)計(jì)流程的概念階段，相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，使用了約雙倍的時(shí)間，設(shè)計(jì)自由度更大；詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的時(shí)間減少了約1/3，這是由于在詳細(xì)設(shè)計(jì)開(kāi)始之前得到了更加可靠的設(shè)計(jì)；在概念設(shè)計(jì)和方案設(shè)計(jì)階段，各個(gè)學(xué)科的作用分布更加趨于平均。

綜上，大型企業(yè)和科研單位中負(fù)責(zé)重大復(fù)雜系統(tǒng)工程的部門(系統(tǒng)部，總體部，規(guī)劃部，預(yù)研部等)應(yīng)該在項(xiàng)目的概念設(shè)計(jì)和初步設(shè)計(jì)階段的積極推進(jìn)MDO的應(yīng)用，確保研發(fā)的系統(tǒng)解決方案是合理的，最優(yōu)的。

這里我們還要介紹一個(gè)與MDO相關(guān)的概念，叫流程集成和設(shè)計(jì)優(yōu)化，它的英文叫PIDO，是Process Integration and Design Optimization的首字母縮寫。在復(fù)雜系統(tǒng)的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程中，工程師團(tuán)隊(duì)普遍使用各種軟件工具，需要遵循統(tǒng)一的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)研制流程，實(shí)現(xiàn)不同軟件工具間的數(shù)據(jù)傳遞，并基于統(tǒng)一平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化。由于在多學(xué)科系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中使用了許多軟件工具，因此需要進(jìn)行流程集成。而通過(guò)定義評(píng)價(jià)函數(shù)，并隨之定義可更改的參數(shù)，以適應(yīng)評(píng)價(jià)函數(shù)內(nèi)的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)最終目標(biāo)，即設(shè)計(jì)優(yōu)化。

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基于模型的系統(tǒng)工程MBSE

我們要介紹的第二個(gè)概念是基于模型的系統(tǒng)工程，英文是MBSE，即Model Based Systems Engineering首字母的縮寫。MBSE是相對(duì)于SE，即Systems Engineering而提出的，為了說(shuō)明MBSE的優(yōu)勢(shì)，需要先了解傳統(tǒng)SE的不足。SE就是系統(tǒng)工程，根據(jù)圖表4國(guó)際系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)(INCOSE: the International Council on Systems Engineering)的定義，系統(tǒng)System：是指相互作用的多個(gè)部分組成的為完成特定目的的一個(gè)整體。系統(tǒng)工程是一種使系統(tǒng)能成功實(shí)現(xiàn)的跨學(xué)科的方法和手段，“系統(tǒng)工程”工作包括：在“系統(tǒng)”開(kāi)發(fā)周期的早期階段定義客戶需求及功能，并文檔化。然后進(jìn)行設(shè)計(jì)綜合和系統(tǒng)確認(rèn)。同時(shí)考慮整個(gè)系統(tǒng)各方面的問(wèn)題，包括系統(tǒng)運(yùn)行、成本、進(jìn)度、性能、培訓(xùn)、支持、試驗(yàn)、制造和銷毀等。這里的“系統(tǒng)工程”簡(jiǎn)單說(shuō)指的是產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程的技術(shù)方法。

圖表4: 從基于文檔的系統(tǒng)工程到基于模型的系統(tǒng)工程

系統(tǒng)工程是一個(gè)有很長(zhǎng)歷史的學(xué)科了，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們所研制的工程系統(tǒng)也越加復(fù)雜。而隨著產(chǎn)品復(fù)雜程度不斷增加，傳統(tǒng)基于文本的系統(tǒng)工程方法要把散落在各個(gè)專業(yè)學(xué)科的各個(gè)階段的需求文檔，接口文檔，系統(tǒng)需求，功能分解，初步設(shè)計(jì)，測(cè)試計(jì)劃等工程信息集成在一起，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且不易追溯其更新變化，因此無(wú)法滿足現(xiàn)代各類復(fù)雜系統(tǒng)的研制需求。因此有必要從文檔為中心的系統(tǒng)工程升級(jí)到以模型為中心的系統(tǒng)工程，因此基于模型的系統(tǒng)工程應(yīng)運(yùn)而生。

圖表5是NASA的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL: Jet Propulsion Laboratory)關(guān)于SE到MBSE遷移的理解，MBSE就是通過(guò)系統(tǒng)建模語(yǔ)言構(gòu)建需求模型、學(xué)科模型、功能模型、架構(gòu)模型，子系統(tǒng)模型等，以實(shí)現(xiàn)學(xué)科、需求、功能、子系統(tǒng)到物理架構(gòu)的分解和分配；通過(guò)模型實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)需求、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)、功能邏輯的確認(rèn)和驗(yàn)證，并驅(qū)動(dòng)仿真、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、測(cè)試、運(yùn)營(yíng)、綜合等全流程環(huán)節(jié)?；谀Ｐ偷南到y(tǒng)工程是包括國(guó)防軍工等復(fù)雜系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)努力方向。

圖表5 飛行器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程和改進(jìn)后的含MDO的設(shè)計(jì)流程

MBSE發(fā)展到今天已經(jīng)形成了不少流派和體系，但在工業(yè)界真正能被廣泛接受和推廣應(yīng)用開(kāi)來(lái)的主要有基于SysML語(yǔ)言為核心和基于DSML(Domain Specific Modeling Language)語(yǔ)言為核心的兩大體系，而前者的應(yīng)用場(chǎng)景又明顯多于后者。

在2018年INCOSE MBSE工作組對(duì)用戶 (國(guó)內(nèi)用戶幾乎沒(méi)有參與) 所做的調(diào)研顯示(圖表6)，MBSE除了在傳統(tǒng)的國(guó)防(Defense)、航空(Aircraft)和航天(Space)幾個(gè)領(lǐng)域繼續(xù)保持優(yōu)勢(shì)之外，在交通(Transportation)、咨詢(Consulting)、教育(Education)、基礎(chǔ)設(shè)施(Infrastructure)、能源(Energy)、汽車(Automotive)、信息技術(shù)(IT)等領(lǐng)域的應(yīng)用也推廣開(kāi)來(lái)了。

圖表6 飛行器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程和改進(jìn)后的含MDO的設(shè)計(jì)流程

MBSE在我國(guó)也已經(jīng)推廣10年左右了，盡管不少科研單位成立了專門的部門，并在高層領(lǐng)導(dǎo)的強(qiáng)力推動(dòng)下，在樣板項(xiàng)目或者某些真實(shí)項(xiàng)目的特定階段取得了成功，但在實(shí)際應(yīng)用中，大家總覺(jué)得還是缺了些什么，還差最后那么一公里，使得MBSE沒(méi)有真正“落地”。這里面究竟缺失了什么呢？除了部分主觀的問(wèn)題(學(xué)習(xí)難度較大等)之外，主要原因還是MBSE的應(yīng)用沒(méi)有在全流程完整打通。

我們以最常用的基于SysML語(yǔ)言的系統(tǒng)架構(gòu)模型(SAM: System Architecture Model)為例來(lái)說(shuō)明情況，系統(tǒng)架構(gòu)模型是屬于圖表7所示的一種邏輯模型(Logical Model)，主要表示邏輯關(guān)系和依賴關(guān)系，例如功能、連接和可追溯性關(guān)系。而完整的項(xiàng)目除了邏輯模型，還有幾何模型(Geometric Model)、分析模型(Analytical Model)等物理層對(duì)象。由于邏輯模型不足以完成幾何模型(專注于尺寸、公差等詳細(xì)空間信息的描述性數(shù)據(jù))和分析模型(通常由一系列數(shù)學(xué)方程等定量的或計(jì)算性的函數(shù)為支撐的，表達(dá)相關(guān)參數(shù)及參數(shù)關(guān)系，以預(yù)測(cè)或評(píng)估系統(tǒng)某方面的性能)的功能，因此邏輯模型如果不打通與其他同步設(shè)計(jì)完畢的多種物理類模型之間的關(guān)聯(lián)，僅有主要用于邏輯關(guān)系信息描述的系統(tǒng)架構(gòu)模型，依然難以真正落實(shí)復(fù)雜工程的架構(gòu)設(shè)計(jì)工作，也就是沒(méi)有好的手段和方法來(lái)真正檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)架構(gòu)模型是否正確，是否安全，是否合理，是否是最優(yōu)的。

這也就是為什么部分熟練實(shí)踐MSBE方法的系統(tǒng)工程師們?cè)谛量嘣O(shè)計(jì)一大堆系統(tǒng)架構(gòu)模型后，發(fā)覺(jué)如果不做專門的定制開(kāi)發(fā)，就沒(méi)法把系統(tǒng)架構(gòu)模型的邏輯信息完整傳遞到物理設(shè)計(jì)等層面，也就無(wú)法高效進(jìn)行包括多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化、仿真驗(yàn)證或者詳細(xì)設(shè)計(jì)等方面的活動(dòng)。也因此使得部分系統(tǒng)工程師們只是 “為了建模而建?！?，系統(tǒng)架構(gòu)模型主要是用于交流展示，而不能真正使工程實(shí)踐完整落地、將項(xiàng)目開(kāi)發(fā)有效遷移到下一個(gè)階段。

圖表7 模型的分類

考察圖表8所示的完整支持分析與追溯的系統(tǒng)架構(gòu)模型框架簡(jiǎn)圖，基于SysML的系統(tǒng)模型提供了系統(tǒng)規(guī)范、設(shè)計(jì)、分析和驗(yàn)證信息的一致來(lái)源，同時(shí)保持了關(guān)鍵決策的可追溯性和基本原理。這些信息為更詳細(xì)的軟硬件設(shè)計(jì)和驗(yàn)證活動(dòng)(這些活動(dòng)也可以是基于模型的)提供了上下文和關(guān)鍵輸入。

特別是，系統(tǒng)模型將文本需求與系統(tǒng)設(shè)計(jì)聯(lián)系起來(lái)，提供支持多學(xué)科分析所需的系統(tǒng)設(shè)計(jì)信息，可作為硬件和軟件設(shè)計(jì)的規(guī)范，并給出了支持驗(yàn)證所需的測(cè)試用例和相關(guān)信息。每個(gè)學(xué)科領(lǐng)域或技術(shù)專業(yè)(包括機(jī)械、電氣、軟件和測(cè)試等)應(yīng)該體現(xiàn)出系統(tǒng)模型中包含的信息，并開(kāi)發(fā)出更詳細(xì)的規(guī)范、設(shè)計(jì)、分析和驗(yàn)證信息。

為確保系統(tǒng)的整體表達(dá)具有一致性，在更詳細(xì)的專業(yè)領(lǐng)域信息和系統(tǒng)模型中的信息之間應(yīng)該保持可追溯性。另外一方面，系統(tǒng)模型還應(yīng)當(dāng)與仿真模型關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)包括系統(tǒng)及其環(huán)境的動(dòng)態(tài)模型、初始條件、外部輸入輸出等等因素，如何隨時(shí)空函數(shù)離散或連續(xù)變化的仿真分析解決方案。仿真模型的保真度和數(shù)值精度可隨著需求和開(kāi)發(fā)階段的變化而愈加精確，相應(yīng)的，反復(fù)迭代設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)架構(gòu)模型也就會(huì)愈加完善。

圖表8 支持分析與追溯的系統(tǒng)模型框架

ModelCenter就是在業(yè)內(nèi)成功應(yīng)用多年的、專用于銜接MBSE系統(tǒng)架構(gòu)模型的商用貨架產(chǎn)品，支持將系統(tǒng)架構(gòu)模型與各類工程工具開(kāi)發(fā)的幾何模型、分析模型等物理類設(shè)計(jì)集成在一起，進(jìn)行多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)、權(quán)衡分析等活動(dòng)，形成完整的解決方案。

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數(shù)字工程戰(zhàn)略

2018年美國(guó)國(guó)防部正式發(fā)布了《數(shù)字工程戰(zhàn)略》(Digital Engineering Strategy)，由于軍工業(yè)高精尖的科技屬性和隨之而來(lái)的技術(shù)溢出，一直對(duì)其他行業(yè)有極強(qiáng)的引領(lǐng)效應(yīng)和借鑒意義，因此《數(shù)字工程戰(zhàn)略》一經(jīng)推出，便廣受關(guān)注，不僅引起了軍工業(yè)的積極響應(yīng)，對(duì)其他高端裝備制造業(yè)也帶來(lái)了極強(qiáng)的示范作用。

美國(guó)系統(tǒng)工程部門認(rèn)為第四次工業(yè)革命是數(shù)字時(shí)代，實(shí)施數(shù)字工程將成為美軍迎接數(shù)字時(shí)代、完成數(shù)字轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。美國(guó)國(guó)防部發(fā)布的《數(shù)字工程戰(zhàn)略》旨在將以往線性的、以文檔為中心的采辦流程轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)的、以數(shù)字模型為中心的數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)，使美國(guó)軍隊(duì)完成以模型為中心的范式轉(zhuǎn)型。數(shù)字工程戰(zhàn)略的五個(gè)目標(biāo)、三層數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)、數(shù)字系統(tǒng)模型(Digital System Model)、數(shù)字線索(Digital Thread)和數(shù)字孿生(Digital Twin)等信息已有諸多行業(yè)專家做出詳細(xì)論述，限于篇幅原因，本文不再展開(kāi)。

需要著重指出的是，美軍的《數(shù)字工程戰(zhàn)略》將早于其啟動(dòng)的或仍在實(shí)施的一些數(shù)字化政策、計(jì)劃、指南、框架和項(xiàng)目(比較知名的有高性能計(jì)算現(xiàn)代化計(jì)劃HPCMP中的計(jì)算研究和工程采辦工具與環(huán)境CREATE，工程強(qiáng)韌系統(tǒng)ERS等)也納入到其體系，而軍方、產(chǎn)學(xué)研不同機(jī)構(gòu)的合作伙伴也都參與到了其中。數(shù)字工程對(duì)已有的數(shù)字化概念不是替代的關(guān)系，而是對(duì)多年來(lái)數(shù)字化技術(shù)發(fā)展的融合與深化。

基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)就是數(shù)字工程的一個(gè)子集。MBSE支持需求、架構(gòu)、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和確認(rèn)的系統(tǒng)工程活動(dòng)。這些模型必須可以與其他諸如機(jī)械、電氣等工程學(xué)科的物理模型相關(guān)聯(lián)。當(dāng)前數(shù)字工程面臨的較大挑戰(zhàn)依然是MBSE與基于物理模型的集成，數(shù)字工程的基礎(chǔ)是以所有利益相關(guān)者之間可共享的格式來(lái)表示系統(tǒng)數(shù)據(jù)。已經(jīng)發(fā)布的《SysML版本2》和《系統(tǒng)工程2035愿景》都加強(qiáng)了這方面的考慮，是有望支撐數(shù)字工程的未來(lái)發(fā)展方向之一。

圖表11 SysML版本2和系統(tǒng)工程2035愿景將更有助于同其他物理模型集成等方面的功能

在實(shí)施《數(shù)字工程戰(zhàn)略》的過(guò)程中，洛馬、諾格、波音、雷神等軍工制造商都結(jié)合各自的工程背景、豐厚經(jīng)驗(yàn)和自主技術(shù)等條件，提出了不同的數(shù)字化解決方案。對(duì)于我們國(guó)內(nèi)用戶，也應(yīng)該借鑒這一數(shù)字化轉(zhuǎn)型的趨勢(shì)，并結(jié)合自身的實(shí)際，合理裁剪或擴(kuò)展，打造出可定制的數(shù)字化解決方案。

圖表12 通用的數(shù)字工程全流程，ModelCenter在多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化和權(quán)衡階段的應(yīng)用

早在2019年，Ansys已經(jīng)就數(shù)字化轉(zhuǎn)型中的仿真體系建設(shè)（①企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型中仿真的價(jià)值 | ②企業(yè)仿真體系建設(shè)的必要性 | ③仿真體系建設(shè)的要素、原則與關(guān)鍵問(wèn)題）給出了方案和建議。圖表13是從另一個(gè)角度展示了怎樣結(jié)合Ansys系列產(chǎn)品給MBSE賦能，協(xié)助用戶實(shí)現(xiàn)數(shù)字化交付的解決方案。首先可以選用第三方架構(gòu)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)的初步建模，然后可以將系統(tǒng)架構(gòu)模型導(dǎo)入Ansys medini軟件中迭代進(jìn)行功能安全分析，可靠性分析，預(yù)期功能安全分析，信息安全分析等工作。初步確定系統(tǒng)架構(gòu)模型之后，就可以將系統(tǒng)架構(gòu)模型導(dǎo)入Ansys ModelCenter軟件中與其他初步設(shè)計(jì)完畢的低保真度的物理模型進(jìn)行集成設(shè)計(jì)和多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目概念階段和初步設(shè)計(jì)階段的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化、流程集成和優(yōu)化設(shè)計(jì)、工程仿真自動(dòng)化和效果分析等活動(dòng)。

如果需要在此過(guò)程中直接進(jìn)行軍工的任務(wù)級(jí)仿真驗(yàn)證，可以橋接Ansys的STK軟件實(shí)現(xiàn)航天領(lǐng)域空間軌道業(yè)務(wù)的仿真。而如果需要在此過(guò)程中進(jìn)行數(shù)字孿生方面的仿真驗(yàn)證，也可以橋接Ansys Twin Builder軟件進(jìn)行相關(guān)領(lǐng)域的高保真度模型的仿真驗(yàn)證。如果在ModelCenter的概念階段，初步設(shè)計(jì)階段仿真分析驗(yàn)證完畢之后，需要用更高保真度的模型替換原有的低保真度的近似模型來(lái)逼近真實(shí)場(chǎng)景，可以將Ansys的流體、結(jié)構(gòu)、電磁、半導(dǎo)體、嵌入式軟件、光學(xué)等領(lǐng)域?qū)W科模型導(dǎo)入，實(shí)現(xiàn)更逼真的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化分析。Ansys也提供Minerva工具，支持仿真過(guò)程數(shù)據(jù)管理(SPDM)，提供Granta進(jìn)行可能的材料數(shù)據(jù)信息的創(chuàng)建，管理和存儲(chǔ)。上述這些活動(dòng)都可以在Ansys云平臺(tái)或高性能的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。

圖表13 通用的數(shù)字工程全流程，ModelCenter在多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化和權(quán)衡階段的應(yīng)用

以上就是了解ModelCenter產(chǎn)品前需要預(yù)先知道的背景知識(shí)，接下來(lái)我們來(lái)看看ModelCenter的起源與現(xiàn)狀吧。

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ModelCenter的起源

1990年，美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)(Virginia Tech)機(jī)械工程專業(yè)的Arvid Myklebust教授與其他人聯(lián)合創(chuàng)立了旨在為美國(guó)航空業(yè)和政府進(jìn)行飛機(jī)設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)的飛機(jī)綜合研究所，該研究所英文縮寫為ACSYNT，取自AirCraft SYNThesis中藍(lán)色大寫字母。根據(jù)美國(guó)1958年的空間法案(SAA: Space Act Agreements)，美國(guó)國(guó)家航空和航天局(NASA)可以與任何能夠履行其任務(wù)的實(shí)體合作，而ACSYNT研究所在計(jì)算機(jī)輔助飛機(jī)設(shè)計(jì)等業(yè)務(wù)上有獨(dú)到的技術(shù)，因此吸引到了包括NASA下的艾姆斯研究中心(Ames Research Center)、 格倫研究中心(Glenn Research Center)、蘭利研究中心(Langley Research Center)，美國(guó)海軍相關(guān)部門(負(fù)責(zé)海軍武器和情報(bào)業(yè)務(wù)) ，波音(Boeing) ，洛克希德(Lockheed), 諾斯魯普(Northrop), 通用電氣(GE), 麥道(McDonnell Douglas)在內(nèi)等實(shí)體的初始贊助，之后又有AmTech, 塞斯納(Cessna) ，Defense Group，Inc等加入贊助。

在1995年，Arvid Myklebust教授的兩位博士生研究生正在做課題研究，一位是Scott Woyaks，他當(dāng)時(shí)是機(jī)械工程專業(yè)的博士研究生，正在某CAD實(shí)驗(yàn)室為IBM資助的軟件集成項(xiàng)目做研究工作；另一位是Brett Malone，他當(dāng)時(shí)是航空工程專業(yè)的博士研究生，正在ACSYNT研究所為NASA做計(jì)算機(jī)輔助飛機(jī)設(shè)計(jì)方面的研究工作。在課題研究完成后，兩位博士研究生和他們的導(dǎo)師一起創(chuàng)辦了Phoenix Integration公司，該公司的旗艦產(chǎn)品就是ModelCenter。

2004年，波音旗下的鬼怪工廠(Boeing Phantom Works)將其自研的算法相關(guān)的通用優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件DesignExplorer，通過(guò)技術(shù)授權(quán)給了Phoenix Integration公司，最終融于ModelCenter產(chǎn)品中。

經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，現(xiàn)在Phoenix Integration公司總部位于美國(guó)弗吉尼亞州(Virginia)蒙特哥馬利縣(Montgomery)的布萊克斯堡(Blacksburg)，其產(chǎn)品ModelCenter是用于工程自動(dòng)化、集成和設(shè)計(jì)優(yōu)化的專業(yè)工程軟件。它使系統(tǒng)工程師能夠在產(chǎn)品研發(fā)的概念階段和初步設(shè)計(jì)階段進(jìn)行包括過(guò)程自動(dòng)化、設(shè)計(jì)探索和優(yōu)化技術(shù)，模型仿真、結(jié)果可視化和數(shù)據(jù)管理的集成等方面的工作，因此廣泛應(yīng)用于包括財(cái)富500強(qiáng)企業(yè)在內(nèi)的國(guó)防軍工大型企業(yè)，科學(xué)團(tuán)體和技術(shù)組織。美國(guó)最大的10家國(guó)防產(chǎn)品供應(yīng)商中的9家、世界最大的10家宇航公司中的5家都選擇該產(chǎn)品，用于改進(jìn)研發(fā)和決策分析，以大幅縮短了復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。

2021年5月17日Ansys公司宣布收購(gòu)Phoenix Integration公司，將 ModelCenter 添加到其龐大的產(chǎn)品組合中，支持客戶將更廣泛的仿真工具和工作流程結(jié)合在一起。此外，ModelCenter產(chǎn)品是 MBSE領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，支持使用 SysML等系統(tǒng)建模語(yǔ)言來(lái)集成工程模型，這種能力將使客戶能夠彌合系統(tǒng)工程和領(lǐng)域/學(xué)科工程，從而在開(kāi)放式的統(tǒng)一平臺(tái)真正實(shí)現(xiàn)全面而完整的MBSE。

值得一提的是，原ModelCenter產(chǎn)品的三位創(chuàng)始人中，Arvid Myklebust教授繼續(xù)在高校進(jìn)行教學(xué)工作，后期還聯(lián)合創(chuàng)辦了兩家高科技公司；Brett Malone博士出于對(duì)人類基因組圖的興趣，離開(kāi)公司，轉(zhuǎn)入了生物信息領(lǐng)域，后成為天使投資者。而Scott Woyaks博士一直留在公司擔(dān)任總裁。

我們?cè)賮?lái)看看ModelCenter的產(chǎn)品線的現(xiàn)狀。它由三個(gè)部分組成ModelCenter Integrate, ModelCenter Explore和ModelCenter MBSE。ModelCenter Integrate主要負(fù)責(zé)將不同產(chǎn)品集成到一起，建立自動(dòng)化的工作流；ModelCenter Explore負(fù)責(zé)迭代分析ModelCenter Integrate建立起來(lái)的工作流，進(jìn)行各種優(yōu)化分析的研究。ModelCenter Integrate和ModelCenter Explore兩者組成了前述的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化解決方案。第三部分是ModelCenter MBSE，可將系統(tǒng)架構(gòu)模型和領(lǐng)域?qū)I(yè)模型集成在一起，形成完整的MBSE解決方案。下章節(jié)我們將展開(kāi)介紹這三個(gè)組成部分。

圖表15 ModelCenter產(chǎn)品的三個(gè)模塊

ModelCenter主要有以下幾項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。

操作友好，界面直觀易懂，絕大部分操作僅用簡(jiǎn)單的鼠標(biāo)即可完成。

學(xué)習(xí)方便, 通常為期二天的培訓(xùn)，就可以讓絕大部分用戶使用ModelCenter創(chuàng)建任何他們想要的工作流設(shè)計(jì)。幾天就能快速上手操作，1-2周就能熟練掌握。

適用于系統(tǒng)工程師在復(fù)雜項(xiàng)目的概念階段和初步設(shè)計(jì)階段進(jìn)行專業(yè)的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化工作

獨(dú)家提供的MBSE方面的功能可作為系統(tǒng)工程專家和領(lǐng)域工程專家的橋梁，協(xié)助團(tuán)隊(duì)對(duì)復(fù)雜工程進(jìn)行無(wú)縫設(shè)計(jì)，優(yōu)化，驗(yàn)證等。如果用戶已經(jīng)創(chuàng)建有大量的MBSE模型，可能正苦于沒(méi)有商用貨架產(chǎn)品將其與物理模型關(guān)聯(lián)，以仿真驗(yàn)證這些系統(tǒng)架構(gòu)模型，建議嘗試ModelCenter來(lái)解決這個(gè)痛點(diǎn)。

ModelCenter是從NASA的業(yè)務(wù)起家，在軍工防衛(wèi)領(lǐng)域耕耘多年，后期通過(guò)技術(shù)授權(quán)吸收了波音DesignExplorer軟件中的大量算法，技術(shù)上有獨(dú)到之處，現(xiàn)在已將產(chǎn)品應(yīng)用擴(kuò)展到了其他制造業(yè)領(lǐng)域。

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ModelCenter Integrate

ModelCenter Integrate能夠使用戶以更少的時(shí)間和資源執(zhí)行更多的仿真，從而提高了研發(fā)效率。ModelCenter Integrate支持用戶：

自動(dòng)化供應(yīng)商提供的建模仿真工具

將這些工具集成在一起，創(chuàng)建可重復(fù)的仿真工作流

設(shè)置模擬參數(shù)

自動(dòng)執(zhí)行工作流

先得介紹一下ModelCenter中的自動(dòng)化概念。自動(dòng)化是指可靠地、可重復(fù)地使用軟件替換流程中手工操作的步驟；需要指出的是，如果工程師的手工操作都無(wú)法完成某個(gè)流程，那自動(dòng)化也是難以完成相關(guān)流程的；自動(dòng)化流程中涉及到工程模型和工程工具兩個(gè)概念，工程模型是某種物理或邏輯系統(tǒng)的數(shù)學(xué)表述，而工程工具是某種用于執(zhí)行或分析工程模型的軟件，兩者互是一對(duì)多的關(guān)系。我們來(lái)看圖表16，工程師們?cè)谑褂肕odelCenter中的自動(dòng)化時(shí)，有三個(gè)步驟，一，構(gòu)思模型；二，定義關(guān)鍵輸入輸出，三，探索運(yùn)行方法；其中第一步和第三步可由ModelCenter的介入從而由人工操作轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)化的軟件執(zhí)行。

ModelCenter Integrate為用戶提供了工具和方法，支持自動(dòng)執(zhí)行幾乎任何建模和仿真工具。例如：用戶創(chuàng)建的工具和腳本、傳統(tǒng)的FORTRAN/C++程序、電子表格、數(shù)學(xué)模型、數(shù)據(jù)庫(kù)，以及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)和計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)模型。ModelCenter可以自動(dòng)化在Windows、Linux和Unix上運(yùn)行的工具。用戶可在不暴露任何工程內(nèi)部細(xì)節(jié)的情況下，為同事、供應(yīng)商和客戶提供對(duì)工具的有限執(zhí)行權(quán)限。

圖表16 ModelCenter中可以的自動(dòng)化部分

ModelCenter在協(xié)助工程師將不同模型集成在一起進(jìn)行自動(dòng)化分析時(shí)，需要處理多種數(shù)據(jù)。圖表17中的PDM指產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理，SDM指仿真數(shù)據(jù)管理，兩者集成后具有一定的聯(lián)系，需要通過(guò)設(shè)計(jì)工程師和仿真工程師協(xié)同工作才能管理好。PDM是對(duì)工程數(shù)據(jù)、文檔、產(chǎn)品信息、技術(shù)信息、圖像數(shù)據(jù)等進(jìn)行管理的概括與總稱。PDM在系統(tǒng)工程思想的指導(dǎo)下，用整體優(yōu)化的概念對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行描述，規(guī)范產(chǎn)品生命周期管理，保持產(chǎn)品數(shù)據(jù)的一致性和可追蹤性。SDM側(cè)重在企業(yè)產(chǎn)品研制的概念階段，初步設(shè)計(jì)階段等的仿真相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)，支持文件級(jí)和參數(shù)級(jí)的數(shù)據(jù)追蹤，實(shí)現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)的瀏覽、檢索和管理，能夠基于仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，實(shí)現(xiàn)多方案多工況的對(duì)比、分析和報(bào)告生成，然后基于仿真數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)研發(fā)過(guò)程中相關(guān)各學(xué)科人員間的共享和協(xié)同，保證數(shù)據(jù)的安全性同時(shí)提高研制和運(yùn)行管理的工作效率。

實(shí)踐中，通常設(shè)計(jì)工程師先將各學(xué)科模型設(shè)計(jì)完畢，在PDM里面進(jìn)行歸檔。然后由仿真工程師在PDM內(nèi)獲取仿真所需的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，例如任務(wù)說(shuō)明，幾何模型和材料信息等。在仿真工作完成后，將結(jié)果數(shù)據(jù)提交回PDM平臺(tái)中，由PDM進(jìn)行審核、歸檔和發(fā)布。PDM和SDM的區(qū)別是，PDM側(cè)重標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理工作流，但不能全面管理和驅(qū)動(dòng)復(fù)雜產(chǎn)品研制的業(yè)務(wù)流程，其數(shù)據(jù)管理不能科學(xué)地容納研發(fā)階段反復(fù)迭代產(chǎn)品的多方案，多狀態(tài)計(jì)算，分析各種海量的仿真數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。由于仿真分析數(shù)據(jù)結(jié)果信息往往是海量的、參數(shù)級(jí)的，并不像文件那樣是有限的對(duì)象級(jí)的，因此PDM無(wú)法有效地挖掘、組織、展示數(shù)據(jù)及維系各種數(shù)據(jù)間的復(fù)雜關(guān)聯(lián)關(guān)系，進(jìn)而給出有意義的優(yōu)化指導(dǎo)推薦。圖表17簡(jiǎn)單列出的PDM和SDM的關(guān)鍵區(qū)別，ModelCenter在模型分析自動(dòng)化的過(guò)程中，有能力較好地同時(shí)處理PDM和SDM。

圖表17 ModelCenter可以同時(shí)處理PDM和SDM

如果軟件工具可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，用戶就可以在ModelCenter的人機(jī)界面中拖拽特定工具，組裝成一個(gè)完整的仿真工作流。仿真工作流可看作為一個(gè)流程圖，該流程圖指定了執(zhí)行自動(dòng)化工具的順序和條件。與流程圖一樣，工作流可以包含分支、if-then語(yǔ)句、循環(huán)等。ModelCenter軟件中的鏈接編輯器支持用戶指定工作流執(zhí)行時(shí)從一個(gè)工具傳輸?shù)较乱粋€(gè)工具的數(shù)據(jù)。

當(dāng)工作流運(yùn)行時(shí)，各個(gè)工具會(huì)按照工作流指定的順序自動(dòng)執(zhí)行，數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)從一個(gè)工具傳輸?shù)搅硪粋€(gè)工具(即使這些工具在不同地理位置的計(jì)算機(jī)/操作系統(tǒng)上運(yùn)行)。執(zhí)行可以采取單個(gè)工作流運(yùn)行或更復(fù)雜的多次運(yùn)行的形式。多次運(yùn)行研究包括參數(shù)研究和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)。下節(jié)介紹的ModelCenter Explore支持更高級(jí)的權(quán)衡研究，如設(shè)計(jì)優(yōu)化和蒙特卡洛分析。ModelCenter可以配置為利用現(xiàn)代多核計(jì)算機(jī)的功能，將權(quán)衡研究提交給高性能計(jì)算(HPC)或云計(jì)算資源。

圖表18 ModelCenter的工作流和鏈接編輯器中設(shè)置工作流中傳遞的數(shù)據(jù)

下面我們來(lái)看一個(gè)簡(jiǎn)易的模型自動(dòng)化的過(guò)程。這是由三個(gè)工程工具組成的自動(dòng)化工作流，先在ModelCenter內(nèi)將這三款工程軟件拼接在一起，后面如果工程師想在原有自動(dòng)化工作流前后新增模型，怎么做呢？非常容易，例如，先在NX前面添加Team Center軟件，再在Nastran工具后面添加微軟的Excel工具，用于進(jìn)行成本分析，很快就完成了。

圖表19 ModelCenter過(guò)程集成中的構(gòu)建、添加和替換操作

那如果工程師又覺(jué)得原有自動(dòng)化工作流中的某些軟件可能不太適合現(xiàn)在的應(yīng)用分析，需要替換呢？也很容易，先確定需要替換的工程工具，然后刪除它們，將再新的工程工具加上。例如將Catia工具替換NX工具，再將Ansys產(chǎn)品替換Nastran工具?？梢?jiàn)，在ModelCenter中很容易將更合適的軟件替換原有軟件。值得一提的時(shí)，如果所有ModelCenter內(nèi)置的可識(shí)別商用貨架軟件都不滿足用戶的需求，ModelCenter也支持導(dǎo)入用戶自己用腳本編寫的工程模型和工程工具來(lái)進(jìn)行自動(dòng)化工具鏈組合。腳本格式支持常用的Python，javascript等。

如果工程師還想改進(jìn)原有線型的自動(dòng)化工作流，添加一下分支判斷操作呢？也很容易，ModelCenter中內(nèi)置了常用的自動(dòng)化工作流操作項(xiàng)，例如本例中在Nastran軟件后，并行添加了Excel軟件和Matlab軟件。

圖表20 ModelCenter過(guò)程集成中的添加分支和分布式操作

實(shí)際上，只要工程師們?cè)贛odelCenter中定義好合理的自動(dòng)化工具鏈后，仿真運(yùn)行時(shí)的自動(dòng)化數(shù)據(jù)流，會(huì)自動(dòng)根據(jù)仿真運(yùn)算的先后順序，傳遞到各個(gè)工程工具中去，其中某些工程工具還可以遠(yuǎn)程部署。因?yàn)镸odelCenter工具還支持分布式計(jì)算和模型即服務(wù)功能(Maas: Model as a Service)，因此就能允許系統(tǒng)工程師在尊重每個(gè)人的知識(shí)產(chǎn)權(quán)的同時(shí)，安全地訪問(wèn)整個(gè)組織甚至公司供應(yīng)鏈中的成熟工作流。使用模型即服務(wù)功能，工作流程和工程細(xì)節(jié)就由工程專家保留并在本地運(yùn)行，ModeCenter自動(dòng)化運(yùn)行時(shí)，僅傳遞參數(shù)，并支持僅將選定的結(jié)果傳回到系統(tǒng)工程的級(jí)別。這樣，領(lǐng)域?qū)＜冶Ａ魧?duì)工程模型的控制，并可以提供約束以確保模型在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)使用。

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ModelCenter Explore

ModelCenter Explore通過(guò)讓用戶徹底探索和理解設(shè)計(jì)空間、做出更好的決策和找到最佳解決方案，推動(dòng)創(chuàng)新并提高產(chǎn)品質(zhì)量。ModelCenter Explore支持用戶：

運(yùn)行強(qiáng)大的算法和權(quán)衡研究工具

搜索、研究和理解設(shè)計(jì)空間

綜合處理多種變量(成本、性能、風(fēng)險(xiǎn)等)

結(jié)果可視化和設(shè)計(jì)變更影響的可視化

找到最佳解決方案

當(dāng)工程師在ModelCenter里將所有工程模型通過(guò)工程軟件連接完畢后，用戶就可以重復(fù)執(zhí)行該過(guò)程(支持使用并行計(jì)算資源)，每次執(zhí)行對(duì)應(yīng)于一組不同的輸入。這使用戶能夠在較短的時(shí)間內(nèi)探索和定量分析出大量不同設(shè)計(jì)方案的性能、成本、可靠性和風(fēng)險(xiǎn)，這期間用戶可以調(diào)整參數(shù)，進(jìn)行自動(dòng)化工作流的迭代修改，最終獲得項(xiàng)目的最優(yōu)設(shè)計(jì)。

在具體介紹ModelCenter Explore操作之前，我們還需要簡(jiǎn)要介紹一下多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的技術(shù)內(nèi)容。

1998年美國(guó)航空航天協(xié)會(huì)將多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的研究?jī)?nèi)容分成了4個(gè)類別16個(gè)方面，其中主要包括系統(tǒng)的分解與協(xié)調(diào)；系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模；設(shè)計(jì)空間搜索；近似方法；靈敏度分析；優(yōu)化算法等。這其中每個(gè)方面都涉及學(xué)科領(lǐng)域?qū)＜叶嗄暄芯康某晒瑢儆诠I(yè)軟件里的核心技術(shù)。用戶可以在ModelCenter的幫助文件中查閱相關(guān)技術(shù)的介紹和具體使用方法。接下來(lái)我們通過(guò)幾種典型的操作，來(lái)了解一下ModelCenter是如何實(shí)現(xiàn)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化操作中的設(shè)計(jì)探索和優(yōu)化的。

第一個(gè)操作是試驗(yàn)設(shè)計(jì)，英文通常簡(jiǎn)稱為(DOE: Design Of Experiment)。DOE可支持工程師們根據(jù)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的初步判斷，科學(xué)合理的安排實(shí)驗(yàn)，在眾多的因素中找到影響輸出的主要因素，并同時(shí)分析影響因素之間的交互作用，研究試驗(yàn)誤差的原因，提高試驗(yàn)精度，減少產(chǎn)品質(zhì)量的波動(dòng)，最終找到較優(yōu)的影響參數(shù)組合，指導(dǎo)協(xié)調(diào)優(yōu)化設(shè)計(jì)的下一步方向，以大幅縮短了產(chǎn)品的試驗(yàn)周期。此處展現(xiàn)的就是在ModelCenter中打開(kāi)DOE面板，將選定的輸入和輸出拖拽到相應(yīng)的位置，并選用特定的優(yōu)化算法進(jìn)行處理。

圖表21 ModelCenter中的DOE操作

工程師首先指定他們的目標(biāo)——希望最大化或最小化的一個(gè)或多個(gè)工作流變量。接下來(lái)指定在優(yōu)化算法搜索最符合該目標(biāo)的設(shè)計(jì)時(shí)，允許修改哪些輸入變量(設(shè)計(jì)變量)?；蛘?，工程師也可以為問(wèn)題指定一組需求(或約束)。例如，用戶可能希望最大限度地提高其設(shè)計(jì)的性能，但約束制造成本保持在指定金額以內(nèi)。

一旦指定了對(duì)象、方向和約束，工程師就可以選擇任何內(nèi)置的優(yōu)化算法來(lái)解決其問(wèn)題。有些工程師們會(huì)問(wèn)到，優(yōu)化算法何其多也，如何選取合適的優(yōu)化算法呢? ModelCenter中有專門的算法選擇向?qū)В脩糁灰鶕?jù)算法選擇向?qū)姘?，按部就班地輸入提示的?nèi)容，例如是否是單目標(biāo)的分析、是否是線性平滑的參數(shù)，是否需要運(yùn)用梯度算法或基于特定的代理模型等，就能挑選出合適的算法。ModelCenter中內(nèi)置了業(yè)界絕大部分常用的優(yōu)化算法，包括伴隨方程法，牛頓法，共軛梯度法，序列二次歸化法，模擬退火法，蟻群算法，拉丁超立方抽樣算法，響應(yīng)面方法，克里金代理模型法等超過(guò)25種算法。

圖表22 ModelCenter中算法選擇向?qū)?/p>

工程師還可以向ModelCenter添加他們自定義的算法。此時(shí)，編程是必需的(.NET或Java），但優(yōu)化軟件開(kāi)發(fā)包(SDK)提供了一套完整的說(shuō)明和示例協(xié)助用戶完成自定義算法的設(shè)計(jì)。自定義算法一旦添加成功，將與默認(rèn)算法一起在ModelCenter Explore中供用戶選擇。當(dāng)算法運(yùn)行時(shí)，它將重復(fù)執(zhí)行工作流(每次更改設(shè)計(jì)變量)，以試圖找到一個(gè)或多個(gè)最切合用戶目標(biāo)的設(shè)計(jì)，同時(shí)也滿足所有約束。工程師可以利用優(yōu)化運(yùn)行生成的圖表和報(bào)告來(lái)深入了解其設(shè)計(jì)問(wèn)題的性質(zhì)，并最終找到最優(yōu)設(shè)計(jì)。

第二個(gè)操作是參數(shù)研究和設(shè)計(jì)空間探索，支持查看DOE的優(yōu)化分析結(jié)果并進(jìn)行深度分析。ModelCenter中提供了各種式樣的圖表供用戶選擇，方便用戶從不同的角度來(lái)觀察和分析當(dāng)前的數(shù)據(jù)。

圖表23 ModelCenter中參數(shù)研究和設(shè)計(jì)空間探索

第三個(gè)操作是靈敏度分析，靈敏度分析是用于表示設(shè)計(jì)變量或固定參數(shù)的微小變化對(duì)目標(biāo)函數(shù)、約束和系統(tǒng)狀態(tài)的影響，以確定各設(shè)計(jì)變量以及參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響程度，從而指導(dǎo)優(yōu)化的設(shè)計(jì)過(guò)程或搜索算法的進(jìn)一步搜索方向。圖表24展現(xiàn)的是各種觀察圖表種類的選項(xiàng)，圖表24左側(cè)展示的是在特定約束條件下對(duì)應(yīng)于某參數(shù)變化，響應(yīng)最靈敏的變量。

圖表24 ModelCenter中靈敏度分析

第四個(gè)操作是預(yù)測(cè)分析，通過(guò)前述幾種操作選定的參數(shù)后，還可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，查看運(yùn)算結(jié)果是否符合工程師的判斷，確認(rèn)是否找到了較優(yōu)的影響參數(shù)組合。圖表25中顯示的是部分圖表組合，協(xié)助工程師們更好地查看預(yù)測(cè)結(jié)果。

圖表25 ModelCenter中預(yù)測(cè)分析

第五個(gè)操作是多目標(biāo)優(yōu)化分析，通常業(yè)界選用的是帕累托(Pareto)最優(yōu)算法，它是指資源分配的一種理想狀態(tài)，使得至少一個(gè)個(gè)體更好而沒(méi)有使任何其他個(gè)體變壞。如果是涉及兩個(gè)以上目標(biāo)的最優(yōu)選擇，一般稱為帕累托前沿、帕累托邊界或帕累托集合，即在給定的一組選擇和評(píng)價(jià)的方法中，可選的帕累托效率的集合。最優(yōu)的參數(shù)選擇可以是最大，也可以是最小等設(shè)置。圖表26就是二維，三維的帕累托最優(yōu)的結(jié)果。

圖表26 ModelCenter中的多目標(biāo)優(yōu)化分析

第六個(gè)操作是近似長(zhǎng)期分析，ModelCenter Explore允許用戶為長(zhǎng)期運(yùn)行的分析工具創(chuàng)建快速運(yùn)行的近似值(響應(yīng)面模型)。本質(zhì)上，響應(yīng)面模型是通用的多維“曲線擬合”。給定一組數(shù)據(jù)點(diǎn)(一組輸入和輸出)，ModelCenter可以生成一個(gè)快速執(zhí)行的數(shù)學(xué)模型(響應(yīng)面)，模型近似于該數(shù)據(jù)?？梢允褂脦追N不同的近似技術(shù)來(lái)找到最適合項(xiàng)目數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模型，并生成圖表和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，幫助用戶評(píng)估近似工作的質(zhì)量，并在必要時(shí)進(jìn)行改進(jìn)。一旦創(chuàng)建了響應(yīng)面，就可以將其添加回ModelCenter的工作流，在那里它可以像模型中的任何其他組件一樣操作運(yùn)行。用戶可以利用響應(yīng)面和ModelCenter的“If-Then”工作流語(yǔ)句在原始長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的組件和快速運(yùn)行的響應(yīng)面模型之間來(lái)回切換。

圖表27 ModelCenter的可視化工具支持用戶解釋和分析多次權(quán)衡研究后收集的數(shù)據(jù)

第七個(gè)操作是可靠性分析，它可用于幫助用戶訪問(wèn)和理解不確定性對(duì)其工程分析結(jié)果的影響。例如，設(shè)計(jì)師可能希望更好地了解制造公差對(duì)產(chǎn)品性能和/或故障概率的影響。ModelCenter Explore包括一個(gè)蒙特卡洛分析工具，將幫助工程師進(jìn)行這些評(píng)估。當(dāng)與優(yōu)化算法結(jié)合使用時(shí)，蒙特卡洛工具允許用戶執(zhí)行穩(wěn)健和基于可靠性的設(shè)計(jì)。精確的蒙特卡洛分析可能需要數(shù)千次工作流的執(zhí)行。如果這對(duì)于給定的工作流是不可接受的，此時(shí)則有兩種選擇：1為任何長(zhǎng)期運(yùn)行的組件創(chuàng)建響應(yīng)面模型，然后使用響應(yīng)面模型而不是實(shí)際組件運(yùn)行蒙特卡洛分析。當(dāng)然，用戶得自己確保響應(yīng)面模型的準(zhǔn)確性！2.選用ModelCenter的高級(jí)可靠性算法。

圖表28 ModelCenter的概率分析工具可用于幫助用戶探究和理解不確定性對(duì)其工程分析結(jié)果的影響

最后一個(gè)操作是權(quán)衡研究結(jié)果的獲取，通過(guò)選中優(yōu)化結(jié)果對(duì)話框的最佳設(shè)計(jì)選項(xiàng)卡，可以看到推薦的最佳設(shè)計(jì)的結(jié)果值，約束情況和參數(shù)組合值，也就是最終協(xié)助工程師們找到了最優(yōu)的影響因素組合。

圖表29 ModelCenter中的最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)果

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ModelCenter MBSE

接下來(lái)我們介紹ModelCenter產(chǎn)品線的最后一個(gè)組成部分ModelCenter MBSE。圖表30的內(nèi)容是對(duì)前述MBSE內(nèi)容的再次回顧。原先某些系統(tǒng)架構(gòu)師創(chuàng)建的一大堆系統(tǒng)架構(gòu)模型，因?yàn)闊o(wú)法與物理模型連接，進(jìn)行充分的仿真驗(yàn)證，只能流程脫節(jié)，無(wú)以為繼；而現(xiàn)在可以選擇導(dǎo)入到商用貨架產(chǎn)品ModelCenter平臺(tái)中，進(jìn)行包括結(jié)構(gòu)、電磁、流體、嵌入式軟件、安全等多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化相關(guān)的行為仿真、需求驗(yàn)證和性能權(quán)衡分析，真正驗(yàn)證當(dāng)前的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)是正確的，是安全的，合理的，而且是最優(yōu)的。

圖表30 ModelCenter的MBSE模塊支持銜接系統(tǒng)架構(gòu)相關(guān)的描述性模型和仿真分析相關(guān)的物理模型

ModelCenter支持將業(yè)界常用的第三方MBSE工具設(shè)計(jì)完畢的模型導(dǎo)入到ModelCenter中，再進(jìn)行工具鏈自動(dòng)化集成和多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化。當(dāng)前支持的第三方MBSE工具包括MagicDraw, Rhapsody, WindChill modeler和Genesys等。圖表31顯示的ModelCenter MBSE就是銜接兩者的關(guān)鍵。

圖表31 ModelCenter的MBSE模塊銜接系統(tǒng)架構(gòu)相關(guān)的描述性模型和仿真分析相關(guān)的物理模型的實(shí)例

ModelCenter MBSE也支持系統(tǒng)工程師、分析人員在最熟悉的環(huán)境中工作，可以從SysML工具中直接訪問(wèn)，并選擇一個(gè)或多個(gè)SysML圖，然后在后臺(tái)運(yùn)行ModelCenter以檢驗(yàn)需求的符合性，實(shí)現(xiàn)權(quán)衡研究，結(jié)果可視化，并最終更新SysML模型。

圖表32 ModelCenter的MBSE模塊支持用戶直接在最熟悉的環(huán)境中工作

ModelCenter MBSE支持需求一致性分析，提供用于執(zhí)行ModelCenter工作流的圖形用戶界面。分析結(jié)果可用于檢查需求符合性(未滿足的需求會(huì)自動(dòng)突出顯示)，進(jìn)行權(quán)衡研究，有效評(píng)估不同的設(shè)計(jì)配置，支持將新的設(shè)計(jì)配置回傳給系統(tǒng)架構(gòu)模型。

圖表33 ModelCenter支持用戶使用需求符合性和分析看板來(lái)觀察需求狀態(tài)

圖表34展示的是使用Magicdraw設(shè)計(jì)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)架構(gòu)設(shè)計(jì)模型，通過(guò)將Magicdraw的設(shè)計(jì)參數(shù)與ModelCenter模型中的其他葉片模型中的燃燒、氣體、風(fēng)扇、噴嘴等參數(shù)關(guān)聯(lián)，經(jīng)過(guò)ModelCenter Explore的設(shè)計(jì)探索和優(yōu)化分析后，得出一系列最優(yōu)解，并將結(jié)果反饋回Magicdraw軟件中。

圖表34 ModelCenter與MagicDraw銜接驗(yàn)證渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

審核編輯：劉清