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基于模型的试验验证分析

【工业软件学习营】第一期第2讲

【工业软件学习营】总第52讲,于2021年3月12日如期举行,本期讲师是瑞风协同副总经理南福春,他在试验验证工业软件的设计、研发、管理领域具有20年的实践经验,他主持制定TODS试验数据开放服务国家标准,带队研发的数字化试验业务平台TDM3000®,取得5项发明专利授权,荣获国家重点新产品、火炬计划、北京市科技进步奖,在航空、航天、船舶、电子、汽车等领域数百家企业得到成功应用。

本期课程重点分为以下四个方面:MBSE及试验验证发展趋势、基于模型的试验验证总体思路、典型模型应用案例分享、基于模型设计的益处。

 

一、MBSE及试验验证发展趋势

1、系统复杂度不断提高

随着装备系统的复杂度不断提升,逐渐由传统系统逐步向复杂系统和复杂组织体系统方面发展,尤其是在工业革命之后,系统复杂度空前提高。现在的系统是由软件、电子、机械和物质实体组成的“异度物理系统”。

  

 

2、MBSE(基于模型的系统工程)的产生

系统复杂度的不断增加,导致整个研发过程的复杂度不断增加。在这个过程中,系统研制的方法和手段也在不断的改进。从传统系统工程逐步向流程结构化、工具信息化、知识模型化方向发展。

基于模型的系统工程的产生过程为:传统系统工程→流程结构化→工具信息化→知识模型化。传统系统工程主要关注力学和机械原理,没有工艺的系统工程和流程。流程结构化系统包含数字式处理器和嵌入式软件,并且由NASA、IEEE提出了系统工程流程标准。工具信息化系统是多重的、混合的和分布式的系统;在IT工具的支持下,系统工程向着数字化、大系统集成、最优能力集成转变。知识模型化主要以文本为主、发展为主、模型为主;开发过程中,传递的是包含需求、结构、行为和参数等动态知识信息的模型;多V模型,在各个阶段都能进行验证。

3、MBSE的基本定义和愿景规划

2007年,INCOSE和OMG对MBSE的定义是:对系统工程活动中建模方法应用的正式认同,以建模方法支持系统需求设计、分析、验证和确认等活动,这些活动从概念性设计阶段开始,持续贯穿到设计、开发、试验以及后来的所有寿命周期阶段。

与传统系统工程相比,基于模型的系统工程充分发挥了模型的优势,提高了系统全周期信息表示的一致性,增强了系统功能、性能的预验证和多学科协同优化设计能力。MBSE强调面向系统工程过程的建模,并形成系统需求、系统分析、系统设计、系统验证和其他过程中所涉及的分析元素的关系,以再展示系统演示和设计思想,并在整个系统的全生命周期中保持系统信息的一致性和可追溯性。

十几年来,MBSE的发展为:MBSE的标准不断涌现→成熟的MBSE方法和度量指标,集成的系统硬件/软件模型→架构模型与仿真、分析和可视化集成起来→经过明确定义的MBSE理论、本体论和形式体系→分布式的、安全的、横跨多个领域的模型库。

  

 

4、MBSE在复杂系统工程领域的应用

近十几年来,MBSE得到快速的发展,明确定义了MBSE的理论、方法、工具,并在很多领域中得到广泛的应用。NASA开发了基于模型的系统工程基础架构,并在实际工程系统的各种项目和活动中应用MBSE。JPL已大概有20个开发任务将MBSE应用于系统全生命周期。

  

 

5、装备试验—传统试验模式

传统的装备试验是以产品型号为对象、单项装备技术性能指标考核为主的试验模式,包括以技术性能、体制和方案验证为目的的性能验证试验以及以性能鉴定为目的的性能鉴定试验。

6、装备试验趋势—三个环路

近几年,我国装备试验鉴定领域发生了重大的调整和变化,建立了新的装备试验鉴定体制。按照新的体制,新装备在全寿命周期的试验分为:性能试验、作战试验和在役考核三种类型。

新装备在全寿命周期的试验鉴定工作划分为三个环路:

(1)性能试验->状态鉴定

(2)作战试验->列装定型

(3)在役考核->改进升级

7、装备试验趋势—向一体化试验方向发展

随着基于信息系统的装备体系建设步伐的加速和新型装备的不断发展,装备体系试验与装备作战试验已经成为战斗力生成的一种重要模式。装备试验体系包括:装备试验理论体系、装备试验法规体系、装备试验管理体系、装备试验指挥体系、装备试验技术体系、装备试验靶场体系和装备试验人才体系。

8、装备试验趋势—一体化试验理念

随着装备试验体系的发展,逐步形成一体化试验理念,并对装备全生命周期各阶段的试验进行统筹的规划和设计;使各阶段、各类型试验鉴定有机结合与相互衔接,实现试验信息与试验资源高效利用,确保装备试验验证的连续性、充分性与全面性;实现试验鉴定目标由完成装备定型、尽快列装,向全过程参与装备研制、全方位考核装备性能、全寿命跟踪装备使用转变。

 

二、基于模型的试验验证总体思路

1、装备试验验证顶层三维模型

试验验证是对装备战技指标进行全面考核与验证,涉及多个指标、多个阶段和多个装备层次。结合装备试验验证的特点与需求,从寿命周期维、评价指标维和装备层次维三个角度,构建装备试验验证的霍尔三维结构模型(HMTE)。

  

 

2、试验三维模型

试验计划给定指标、阶段、装备层次后,进行试验专业、试验验证方法、分析评估方法等设计、试验实施、数据分析及试验评估;同时,记录所有的试验数据。采用专业、试验方法、试验过程构建试验三维模型。

  

 

3、试验数据模型

建立试验数据模型的过程包括:型号、阶段、版本、试验件、专业、试验和试验任务等信息。在这个过程当中,还包括过程数据、专业数据、试验信息和试验资源。要使用什么样的人员、使用什么样的设备、使用什么样的材料、遵循什么样的法规以及在什么环境、什么试验工况下来进行的试验,这些相关数据都要进行完整的数据采集。

  

 

4、装备试验验证业务过程

装备试验验证业务过程为:

(1)试验验证需求

顶层指标

指标分解

建立指标体系

(2)试验验证设计

试验验证规划

试验验证流程设计

测试软件设计

(3)试验实施

虚拟试验

半实物试验

实物试验

(4)试验数据融合

常态化数采

试验数据存储

试验数据管理

试验数据应用

(5)试验数据分析

通用数据分析

专业数据分析

(6)虚实对比与试验评估

虚实数据比对

试验验证评估

5、基于MBSE的试验验证的设计

从装备试验验证的全过程当中,可以看到其中涉及到很多特点:

(1)需求复杂

多指标

多阶段

多层次

(2)过程复杂

多专业

多方法

全过程

(3)数据复杂

全数据

被试

参试

(4)协调复杂

周期长

部门多

资源多

用数字化模型表示试验验证中的各种元素,包括:指标、阶段、装备层次、结构、专业、过程、数据、分析方法等。

6、相关模型分类

模型分类包括以下几个方面:

(1)数据模型:描述所有相关信息及数据

(2)过程模型:描述试验流程、活动、约束

(3)需求模型:描述指标、分解、及关系

(4)结构模型:描述结构,用于仿真、试验设计、虚拟试验等

(5)逻辑模型:描述机理、程序等

(6)分析模型:描述分析处理过程及运算

(7)故障模型:描述故障模式

(8)评估模型:描述评估过程、算法及运行

(9)验证模型:描述验证的输入、过程、方法

 

三、典型模型应用案例分享

1、数据模型

可以在TODS基础上扩展设计出新的数据模型,描述全数据信息,包括:装备、零部件、阶段、状态、指标、指标关系、试验、试验过程、测试数据以及人机料法环等。数据模型主要用于信息及数据的描述、存储、交换。

2、过程模型

描述试验输入、流程、活动、顺序,每个活动的输入、输出,过程中引用的标准、使用的工具。

3、需求模型

(1)需求及总体功能分析

需求定义/分解

应用场景建模

系统行为定义

模拟/仿真系统集成

(2)系统功能分析

 系统功能分解

系统接口定义

系统/分系统验证

(3)单元级设计验证

单元接口定义IDD

基础设计/试验验证

设计调整/迭代

  

 

4、结构模型

基于飞机结构模型,通过虚拟试验的方法研究结构在静载荷作用下的静强度特性,检验结构承受极限外载荷的能力,测试工程结构在静载荷作用下的强度、刚度和稳定性等静强度特性。

  

 

5、逻辑模型

飞行模态逻辑模型是一种基于离散事件的模型,其控制逻辑功能包括:

(1)接收飞行状态参数和控制命令参数

(2)不同控制状态之间的切换

(3)调用不同飞行模态控制律,控制逻辑类型

(4)离散类型制导命令引起的状态切换

(5)满足飞行条件或其它条件的状态切换

Sys ML状态图是一种对基于离散事件的系统进行动态行为建模的图形化语言,可以详细的对飞控系统复杂模态逻辑进行建模。

6、分析模型

分析模型是对实际问题分析的方法,可以是一组用于分析问题的数学模型加上图形、图表等软件工具,也可以是某个分析问题的方法、思路、工具和经验等,能够对飞机性能试验中的测试数据进行特征值提取、比对分析、数据深度挖掘等。

7、故障模型

故障模型在试验验证的过程当中,也是可以提炼的。通过对于故障报告、故障分析以及纠正措施等来进行分析总结,然后提炼出故障模式。

以起落架系统安全性验证为例:

关注于主起子系统或前起子系统减摆器的正常抑或失效状态。一般来说,减摆器安装在上下扭力臂之间的点。减摆器的目的是减弱下部部件(车轮、轮胎、制动器、滑动管等)与上部部件(主配件等)的震动,并且在滑行、起飞和着陆期间,当轮胎引入扰动时为起落架减震支柱提供阻尼。

接着进行功能危险分析,识别并评价系统中每一个功能的潜在危险及故障状态,形成故障状态清单。

  

 

四、基于模型设计的益处

基于模型设计的益处:

(1)准确描述:通过数据模型、数字化标准化数据信息的描述,改变以文本为基础的系统描述,提高效率,极大地节省试验工程师的时间

(2)自动验证:通过分析模型或验证模型,描述量化参数之间的关系及约束,可自动校验

(3)标准格式:便于协同,包括不同人员、组织之间的传递和不同软件之间的传递

(4)易于重用:标准化的模型方便复制、编辑

(5)追溯关系:通过关系模型建立数据、信息的关系,可以追本溯源

(6)模型复用:极大提高效率和准确性

 

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文章部分图片来源于网络

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