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)和判斷來開發(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題的方法。

圖表1: 飛行器設(shè)計(jì)中的多學(xué)科耦合問題

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。

是一種通過充分搜索和利用系統(tǒng)中相互作用的協(xié)同機(jī)制來設(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)的角度來看，計(jì)算效率是最高的，適用于集中開發(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)算分析過程分發(fā)到多個(gè)專用計(jì)算設(shè)備中，通過集中的設(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)過程的進(jìn)行，設(shè)計(jì)師在獲得越來越多知識(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)來說，如何充分利用在早期概念階段較大的設(shè)計(jì)自由度來提高飛行器的設(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)過程，在概念設(shè)計(jì)階段的優(yōu)化往往是通過優(yōu)選少數(shù)關(guān)鍵參數(shù)，如翼載、展弦比等，來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，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)科人為地割裂開來，沒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)單說指的是產(chǎn)品研發(fā)過程的技術(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)用開來的主要有基于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)用也推廣開來了。

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，大家總覺得還是缺了些什么，還差最后那么一公里，使得MBSE沒有真正“落地”。這里面究竟缺失了什么呢？除了部分主觀的問題(學(xué)習(xí)難度較大等)之外，主要原因還是MBSE的應(yīng)用沒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)為例來說明情況，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，也就是沒有好的手段和方法來真正檢驗(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)覺如果不做專門的定制開發(fā)，就沒法把系統(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，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。

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)，接下來我們來看看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，通過技術(shù)授權(quán)給了Phoenix Integration公司，最終融于ModelCenter產(chǎn)品中。

經(jīng)過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)賮砜纯碝odelCenter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)

下面我們來看一個(gè)簡(jiǎn)易的模型自動(dòng)化的過程。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過程集成中的構(gòu)建、添加和替換操作

那如果工程師又覺得原有自動(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?？梢姡贛odelCenter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工程軟件連接完畢后，用戶就可以重復(fù)執(zhí)行該過程(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?，屬于工業(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。接下來我們通過幾種典型的操作，來了解一下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)化算法來解決其問題。有些工程師們會(huì)問到，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)化軟件開發(fā)包(SDK)提供了一套完整的說明和示例協(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)告來深入了解其設(shè)計(jì)問題的性質(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，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