复杂产品虚拟样机全生命周期管理系统研究

作者：宋晓 李伯虎 柴旭东

欢迎访问e展厅 展厅 8 CAD硬件/先进制造技术展厅 图形工作站, 绘图仪/大幅面打印机, 3D控制器/3D鼠标, ... 引言 复杂产品虚拟样机的组成、功能和行为复杂，涉及多学科知识的协同与交互，关于它的开发工作已成为一个系统工程--"复杂产品虚拟样机工程(CPVPE) "。基于CPVPE的复杂产品虚拟样机(CPVP)全生命周期管理主要包括过程管理和信息管理。尽管PDM C Product Data Management产品数据管理)或PLM (Product Lifecycle Management)从概念上包括了产品全生命周期的过程和信息管理，但是作为应用系统，PLM系统还远远谈不上成熟。本文认为，PLM其实是一种新的管理理念，是一种企业的信息与业务管理策略，目前PLM尚处在市场培育、概念推)和示范应用的阶段，国内外软件厂商提供的PLM软件还处于发展过程之中，并不具备PLM理念中所应当具备的所有功能。 一般地，CPVP生命周期可以从时间和空间两个方面来描述: 从时间上看，CPVP生命周期可以划分为需求定义、概念设计、详细设计、生产计划、制造装配、销售服务、运行维护等若干阶段。为了加强不同阶段开发者的协作与信息流动，必须对CPVP全生命周期信息进行统一的形式化表达和描述。 从空间上看，贯穿于CPVP全生命周期的各个阶段均由信息、过程等相互作用和关联的基本要素组成。 1 复杂产品虚拟样机全生命周期管理（CPVPLM)的概念及需求 基于以上分析，本文首先给出如下复杂产品虚拟样机全生命周期管理(CPVPLM)的概念: CPVPLM是一种CPVPE的支撑环境技术，是一种支持CPVP生命周期不同阶段、不同领域内容共亨和交换的方法，它提供了组服务来支持CPVP从概念到消亡整个生命周期中内容的创建、管理、分发和使用。 在这个概念中，"内容"指的是CPVP全生命周期中的一切数字化资源和非数字化资源，它包括CPVP生命周期各阶段的模型、数据、过程、资源、工具等信息以及这些信息之间的有机关联。 要在CPVPE中实现CPVPLM，必须在PDM/PLM技术和规范的基础上补充和完善如下功能以实现对CPVP全生命周期的信息管理和过程管理: （1）对CPVP模型的动态信息的管理和维护:CPVP模型信息包括静态信息和动态信息。静态信息是指CPVP模型的结构组成和基本属性等信息，动态信息是指CPVP模型的运行环境信息、交互信息和行为信息等。CPVP不能离开某个环境而存在，它的仿真运行一定是依托于某个环境模型的，CPV PLM需要维护模型的环境信息，保证模型能在相应的虚拟环境中正确运行。就日前已实现的功能来讲，PLM主要是实现了PDM的功能，它无法管理CPV的动态信息，无法保证CPVP模型在相应的虚拟环境中能够正确地运行，即无法实现刘CPVP模型行为信息、交互信息、语义信息和环境信息的动态管理和维护。本文认为，CPVPLM可通过引入内容管理技术，对CPVP模型信息进行全面的管理和维护，以建立面向全生命周期CPVP的信息管理和过程管理。 (2)对CPVP全生命周期中不同领域和不同阶段CPVP信息的统一的定义和表达:在CPVPLM中，完整的CPVP的信息应该包括CPVP各生命周期阶段相关数据、过程、资源、工具等信息以及这些信息之间的有机关联。因此CPVPLM要求建立一个跨领域和跨阶段的全局CPVP视图或者模型，以实现对CPVP信息的统一而全面的描述和管理。 (3)使进化信息具备更好的可追溯性:应在建立面向全生命周期CPVP统一视图的基础上，建立CPVP全生命周期进化过程的形式化描述以实现对CPVP全生命周期不同阶段CPVP产品模型与项目/仟务/组织/人员之间进化信息的描述，进而使CPVP的各种进化信息具备可追溯性; (4)面向服务的实现:CPVPE中的内容分布在异地，因此，要实现其局域网和广域网范围内的管理和协同，可以采用基于面向服务的思想和技术保证其高效安全的共享与优化。 2 面向全生命周期CPVP的三维视图 面向全生命周期CPVP的三维视图为CPVP生命周期中所有活动提供一个统一和完整的协同操作对象。所有人员都以这个三维视图模型为对象进行工作。建立这个三维视图需要考虑到两方面因素:一方面虚拟样机生命周期是极其复杂的，其中的内容是将虚拟样机生命周期的各种信息经过一系列处理后变成数字形式存于计算机中，人们希望虚拟样机个生命周期内容包含充足的数据，另一方面义期望从中能方便、快速地选择所需要的数据而撇开其它兴趣不大的数据。这就要求建立一种高效的视图体系，将两方面的要求兼顾，既尽可能地包含可能和可以用的信息，又要能方便快速地获取信息。 文献给出一种面向全生命周期虚拟产品模型的定义，并通过一个三维视图来描述面向全生命周期虚拟产品模型的体系结构。文献给出一个集成化产品生命周期模型的概念，从生命周期维、样机视图维和应用领域维对产品生周期模型的建模方法和内容进行描述。本文在阅读、分析和总结国内外相关文献的基础上，参考制造业产品生命周期的管理技术，引入三维视图空间来组织面向全生命周期虚拟样机的内容，这个三维视图是由正交的生命周期维、样机视图维和任务视图维组成，如图1所示。下面将分别阐述和定义这个二维空间。 (1)样机视图维:样机视图维主要描述不同生命周期阶段CPVP所对应的结构/组成，同时也包含与任务视图维/生命周期维的联系。 CPVP结构描述的是所有CPVP产品模型之间的层次构成关系，包含CPVP生命周期不同阶段的组成结构信息、功能信息和相关文档，它由虚拟样机结构树和模型/文档组成，是虚拟样机产品信息的综合体现。 样机视图是面向个生命周期虚拟样机的基础，CPVP生命周期中的任一阶段中的任务视图都和样机视图有一定的映射关系。这也决定了三维视图中生命周期维、任务视图维和样机视图维的逻辑联系，即:CPVP结构和任务结构之间的关系是不同的，CPVP结构描述的是所有CPVP产品模型之间的层次构成关系，它只与CPVP产品所需实现的功能有关，与实现的过程无关，是一种静态的描述;而任务结构关系表示的是任务之间的时序关系，通过逐步完成不同的任务来实现CPVP产品结构。不同的任务结构关系对于不同的实现CPVP产品结构的办法，在实现过程中所消耗的资源、时间、人力等也都不同。 (2)任务视图维:任务视图维主要是描述内容产生的项目和过程背景，即说明该内容由哪个任务对应，该任务属于哪个项目，对应哪个过程。一般任务必须由一定的组织中的人员来完成，因此任务应对应组织。组织是描述内容产生的组织背景，即说明是谁创建或修改的内容，作者隶属于组织的哪个部门。同时CPVP产品模型和文档也往往是任务的输入或输出，因此任务也对应CPVP产品模型和文档. (3)生命视图维:CPVP的生命周期一般划分为不同阶段。生命周期阶段之间的时序关系有"先于"、"重合"、"同时开始"、"同时结束"等，对生命周期阶段的关系解释如下: 先于:是指一阶段先于另一阶段开始; 重合:CPVP全生命周期的进度安排要纠正传统的CPVP开发过程顺序的、长周期迭代的弊端，在早期就考虑后续阶段可能出现的问题，尽量将长周期的迭代转化为短周期的反馈。从CPVP全生命周期的观点来看，CPVP开发各阶段以及阶段内的活动并不是简单衔接，而是互相作用、互相制约的，按照实际情况引入信息预发布机制，在原来单一串行顺序中加入并行协同工作，即在上游阶段未完全结束时即开始下游阶段的工作，这样，有利于将跨阶段长周期的迭代转化为短周期阶段内的反馈。信息预发布机制的引入，使得阶段间发生重叠。可以减少CPVP开发的总时间。 同时开始:两阶段的开始时间相同。 同时结束:两阶段的结束时间相同。 连接:一阶段的结束是另一阶段的开始。 交叠:一阶段的执行中另一阶段开始。 包含:一阶段的开始、结束发生于另一阶段执行中。 3 CPVPLM的体系结构 为了具有良好的可扩展性、可维护性和支持广一域网的操作，CPVPLM系统的设计实现基于SOA C Service-Oriented Architecture,面向服务的体系结构)的思想，采用三层体系结构，即应用层一服务层一支撑环境层，这样的分层结构使得系统的灵活性、开放性、可维护性得到提高，从而能达到降低系统的开发和维护费用的目的。 如图2所示，逻辑上三层结构中的服务层又可分为基础服务层、应用服务层和服务发布/注册层，各层的特点和功能如下: (1)应用层:支持Windows界面(Windows UserInterface, GUI)和浏览器（Web）界面。这两种应用界面方式各有千秋，前者一般用在用户与服务端的交互非常频繁和复杂的情况，这时系统变为广义上的客户端用/服务提供层/服务端二层结构;后者一般用在用户与服务端交互不多、操作简单的情况，优点是可以在不安装任何客户端软件的情况下访问服务端，这时系统变为广义上的浏览器端/服务提供层/服务端。 基于SOA思想的CPVPLM引入了服务层，应用层通过访问服务注册中心的注册服务来实现应用功能，而不是调用应用程序或组件程序，这其中的区别在于服务发布是而向广域网的，可以实现系统基于广域网的扩展，而组件程序一般是面间局域网的。 (2)服务发布/注册层:包括UDDI注册中心和服务中介两部分。UDD1注册中心为各地的开发小组注册各自的Web服务以及为服务访问接口查找和绑定Web服务。 (3)应用服务层:包括内容管理、项目管理、工作流管理和生命周期管理四大块服务。其中内容管理包括内容的创建与捕获(Create, Capture )、管理(Manage，索引与分类)、发布与分发(Publish, Distribute)。生命周期管理基于关联超图网理论，包括超图顶点和边的管理。项目管理包括进度管理、成木管理和资源管理等。工作流管理包括审批流程管理和更改流程管理等。 (4)基础服务层:包括CPVPLM Base Service(基本服务包)、CPVPLMFoundationService(基础服务包)、CPVPLMFrameService(框架服务包)、统一用户权限控制和统一数据访问接口。其中，CPVPLMBaseService定义了基本管理服务、属性服务以及对象关系管理基类;CPVPLM Foundation Service定义了可标识、可管理等基本类;CPVPLMFrameService分为实体模型和关系模型服务包，分别定义实体对象和关系对象管理的基本类;统一用户权限控制是在数据访问接口之上的用户权限(安全)管理，控制用户的访问，以免无权限的用户因为误操作而破坏数据库等;统一数据访问接口封装了对底层数据库的操作，包括数据的增、删、改、查、备份等操作以及二进制大文件的存取。 (5)资源层:包括结构化内容库和非结构化内容库，二者可以提供CPVP工程中的一切内容的存储维护机制，实现对CPVP工程中所有有用信息的管理。 4 应用验证 以某导弹型号CPVP演示系统的CPVPLM原型系统实现为例详细介绍CPVPLM在虚拟样机工程中的应用方法。CPVPLM系统管理的资源包括:①基本的仿真资源数据:各类元素、组件和成员及其相关的属性信息和文档;各类环境模型、数据;②与具体仿真项目相关的资源、数据:涉及的元素、组件、成员及其关键参数;涉及的三维几何实体模型、环境模型及评估模型等;与项目的安排规划等相关的文档:仿真过程中产生的文档及仿真结果数据。 在国家A63计划项目复杂产品虚拟样机工具集的应用演不中，某研究所研制的某型号导弹由导引头、动力系统、制导控制装置、本体结构等组成。在总体设计阶段，主要是以导弹总体、结构系统设计、控制仿真系统为对象，以并行工作和协同仿真为主线，展开并行化产品开发的工作。 本案例中建立的集成产品开发团（IPT )如下图所示。 对导弹进行协同设计和动力学仿真分析的工作流程如下:第一步进行导弹外形与布局设计，导弹结构总体参数设计，部件重量、尺寸分配、部位安排及其精度分配，质量、质心与转动惯量计算，从而建立导弹参数化三维实体模型，然后提交到CPVPLM内容库，同时基于本体描述模型的语义并记录模型的生命周期信息。第二步机械工程师启动Patran工具，从内容库导入样机参数化实体模型，对其进行有限元网格的划分、定义零部件材料的性质;再启动Nastran工具，对模型进行解算处理，求得样机的整机固有频率与主振型，并向内容库提交分析文件。第三步仿真人员启动Adams工具，从内容库导入样机壳体模型，并在其基础上加入样机壳体内导引头、控制台等刚体部件，完成多体(刚柔混合)建模，同时定义与Matlab交互仿真所用的变量，最后将新模型提交到内容库。第四步将导弹的多体动力学模型(Adams模型)和控制系统模型(Matlab模型)用COSIM}6}中的高层建模工具封装为符合COSIM规范的组件模型，把组件模型映射为E},Matlab和Adams的交互仿真功能，进行数据交换，实现对样机的控制。其中Matlab负责模型控制系统的解算，Adams负责模型动力学的解算。同时将实时的态势通过RT发布到可视化平台，进行实时显示。从而测试导弹的各种参数、功能和性能对导弹的设计与制造给出评价与建议。 在整个CPVP的开发过程中建模人员以如图4所示的CPVP维视图为协同依据，根据仿真任务建立仿真系统的模型，并导入CPVPLM系统;仿真运行时，仿真系统的模型从CPVPLM系统中导出并加入协同仿真平台运行。在此应用案例中，CPVPLM实现了设计组内的信息共享，使整个工作流程能顺利地在异地协同完成。 5 结论 本文对面向全生命周期复杂产品虚拟样机的概念、理论、实现方法以及应用进行了一些分析、探讨和研究。面向全生命周期虚拟样机管理的内容非常丰富，是复杂产品虚拟样机工程解决方案、支撑平台l工具集等的关键技术，如何建立完善的、得到大家公认的面向全生命周期的CPVP模型，把面向全生命周期复杂产品虚拟样机管理更深入地应用到产品设计创新、制造改良中需要进一步研究。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/7/2008)