全生命周期智能产品与环境建模技术

智能产品及环境建模技术是一类基于模型/知识开展产品的论证、设计、试验、制造、维护等全生命周期活动所涉及的基础建模问题，面向产品的物理属性、产品性能、成本/经济可承受性、可生产性、全生命周期要求等方面，重点突破多学科复杂产品虚拟样机全生命周期建模技术、基于知识的智能产品模型和智能产品复杂环境建模技术。

1.多学科虚拟样机全生命周期建模技术

智能产品一般具有连续离散混合、定性定量混合、规模庞大、整体与局部作用复杂的特点，为了实现智能产品数字化、网络化、智能化制造全生命周期高效建模与仿真优化的应用需求，需要一类支持具有连续离散混合、定性定量集成等特点的智能产品多学科顶层建模方法，面向智能产品制造全生命周期的多域、多维、多尺度、动态演进一体化建模方法以及智能多属性、定性定量集成、多核/多机高效并行仿真理论与方法。航天科工集团北京仿真中心牵头研发的多学科虚拟样机全生命周期建模与协同仿真技术平台是国内先进的支持产品全生命周期建模仿真应用的综合平台（Li et al.，2011a，2011b），其中，建模技术包括定性定量混合系统仿真建模技术、基于复杂网络理论与方法的复杂系统仿真建模技术、复杂变结构系统的仿真建模技术以及复杂产品智能多分辨率建模技术。

（1）定性定量混合系统仿真建模技术。智能产品全生命周期建模中存在很多定性定量混合建模需求，例如人在环路的指挥控制系统建模、产品全球供应链网络优化模型等。定性定量混合系统仿真建模需要从以下3方面支持智能产品的定性定量混合建模（范帅等，2010；李潭等，2011；Lin et al.，2012）。

1）定性定量统一建模方法，包括系统顶层描述（如复杂系统顶层元模型框架M2F（Meta-Modeling Framework））和面向领域描述（如Quan-Rule（定量—规则）和Quan-Agent（定量-Agent）建模方法）的建模理论和方法，以支持定性定量混合系统的层次化建模规范描述。

2）定量定性交互接口建模，将定量定性交互数据转化为定性模型与定量模型所要求的结构和格式，形成定量定性交互接口建模语言，如定量定性仿真标记语言QQSRML、模糊因果导向图FuzzyCDG等。

3）定量定性时间推进机制，研究不同消息传递顺序、不同的时间推进方式、不同的时间管理策略、不同消息传递顺序与传递方式组合的成员间互操作，实现层次化混合时间推进方法，如QR（定性—规则）-QA（定量-Agent）混合时间推进方法。

（2）基于复杂网络理论与方法的复杂仿真系统建模技术。复杂网络是指具有自组织、自相似、吸引子、小世界、无标度等部分或全部性质的网络。智能产品本身具有复杂的部件，这些部件组成连接关系，产品制造全生命周期所涉及的各类制造服务间也具有复杂的层次关系和内在联系，因此，利用复杂网络理论与方法研究产品一体化建模和制造过程建模，将有助于实现模型驱动的智能产品研发与制造。

复杂网络的研究主要针对复杂网络拓扑结构模型（如小世界模型、无标度模型）、复杂网络的统计特性与规律（如集聚程度（clustering coefficient）、度分布特征（degree distribution））以及复杂网络的演化动力学机制（如网络同步化、非线性动态复杂网络）。

（3）复杂变结构系统的仿真建模技术。智能产品，特别是航空航天、武器装备等领域的复杂产品是一类具有“系统组成关系复杂，系统机理复杂，系统的子系统间以及系统与其环境之间交互关系复杂和能量交换复杂，总体行为具有涌现、非线性，以及自组织、混沌、博弈等特点的系统”（Yang et al.，2013a，2013b）。其中，系统的组成部分以及它们之间的输入输出及作用关系在系统运行过程中不断变化的一类系统被称为“复杂变结构系统”（见图6.5）。

图6.5　复杂变结构系统

目前，对复杂变结构系统的通用建模方法的研究大多是基于DEVS（离散事件系统描述规范）的，因为DEVS具有很坚实的理论基础和很强的描述能力以及广泛的接受程度。当前的主要研究方向是拓展DEVS规范，提高其对复杂变结构系统的描述能力，以支持：①对系统中不同类型的结构动态变化的全面建模；②对系统中混合的结构变化执行方式（自顶向下和自底向上）的描述；③对系统结构转移与状态转移的并行建模，最终支持对复杂变结构系统特性的仿真研究与分析。

（4）复杂产品智能多分辨率建模技术。产品全生命周期包含多个阶段，仿真模型也将在多个粒度维数上不断交互——从最粗粒度的概念模型细化到方案模型、详细设计模型，再进一步细化到应用模型供测试、维护，若发现问题与设计瑕疵，再回溯到某一粒度；而且模型也将依据阶段需求及特点而动态地演进及完善，形成螺旋状、迭代式的动态演进曲线（见图6.6）。面向全生命周期的多尺度、动态演进建模主要解决全生命周期中，产品模型由概念模型到详细设计模型这一由粗到细的变尺度动态演进过程。

图6.6　复杂产品智能多分辨率建模

国内外对变尺度动态演进建模的研究中具有代表性的是基本对象模型（Basic Object Model，BOM）（李元等，2009），但总体而言，基于BOM的变尺度动态演进建模尚处于研究阶段，缺少成功的应用。因此，研究基于BOM的分辨率建模方法，开发一套面向全生命周期设计活动的复杂产品多分辨率模型表达和描述体系，可以实现产品全生命周期模型的粒度转换（聚合解聚）和一致性维护，支持产品在不同阶段的多粒度模型间的动态变化协调机制和全生命周期模型演化、继承、复用与映射，对智能产品设计具有重要意义。

2.基于知识的智能产品模型

智能产品研制生产过程中需要大量实验数据、管理规范等知识的支撑。基于知识的智能产品模型技术针对产品全生命周期管理的应用需求，以产品的统一数据模型和标准功能模型，以及基于知识工程的产品模型管理方法为重点，研究智能产品模型定义方法，以及基于知识工程的产品模型管理方法。主要关键分技术包括基于分析参考模型和产品模型逻辑视图的智能产品模型标准、智能产品核心模型。

（1）基于分析参考模型和产品模型逻辑视图的智能产品模型标准。为了规范智能产品单学科模型与不同学科模型关系的表述，便于不同部门以统一的方式交流和获取知识，需要一套基于分析参考模型和产品模型逻辑视图的智能产品模型标准的设计定义，用于数据描述和表示。其中，分析参考模型代表某一学科模型，是分析支撑设计信息的基础；产品模型逻辑视图主要保存与学科模型有关的逻辑联系和依赖关系、可靠性等内容。以标准设计定义的形式对产品制造各部门、各阶段的输出数据进行统一描述和表示，可以支持开发人员和评估人员利用不同类型的工具进行分析和评估。

（2）智能产品核心模型。智能产品核心模型（见图6.7）是以产品结构模型为框架，以产品主模型为基础，关联产品功能模型、产品行为模型、产品控制模型、产品资源模型的集成产品模型。(www.xing528.com)

图6.7　智能产品核心模型

1）产品结构模型是指产品构成关系的模型，它反映了产品的层次化分解，是进行产品设计、生产组织的重要依据与标准，并为产品数据的组织提供大的框架。

2）产品主模型是实现产品开发过程信息集成的共享模型的集合，由公共模型和应用特征模型组成。公共模型是产品几何表达模型的集合，主要包括产品定义数据信息；应用特征模型定义满足产品开发过程的不同应用领域信息需求的应用特征模型的集合，具有设计、制造以及产品开发过程其他环节所需的几何属性和工程属性，是实现产品信息集成的基础，如设计特征、工艺特征、工程分析特征等，是在公共模型不同应用视图的基础上结合应用领域知识定义的模型。

3）产品功能模型用来描述产品满足用户需求所应该具有的特征，是进行产品体系结构和产品结构分解的基础，同时产品功能特性与产品主模型相关联。

4）产品行为模型描述产品在外界环境下所呈现出来的行为特征，是产品主模型和环境交互的结果，同时产品行为模型受到产品功能模型的制约，满足产品功能模型所规定的各项约束。

5）产品控制模型是在具体语境下对综合智能产品核心模型施加的约束，它可以看作附加在综合智能产品核心模型的机制，以保证产品模型及其相关数据的一致性。

6）产品资源模型主要是将产品开发过程中的人员、工具等相关支撑环境进行建模，方便人员、工具等对产品数据的访问以及控制。

3.智能产品复杂环境建模技术

智能产品研制过程中需要针对复杂地理环境和气候等环境进行仿真实验，以验证产品在真实应用场景下的性能。复杂环境建模与仿真技术重点针对复杂电磁环境以及光学环境的建模与仿真。

（1）电磁环境的建模技术。目前对电磁环境建模的研究主要可以分为两个方面：一方面是对空中复杂目标的建模，计算其电磁散射特性及其电磁散射特性进行可视化。另一方面是特定的电磁波如何在复杂环境（如不规则地形、植被、大气等）中传播。复杂环境下的电磁环境研究的主要技术难点在于复杂环境本身的建模与合适电磁传播模型的获得。对于大范围电磁环境仿真而言，由于计算与数据处理属于海量级别，对算法的速度与计算环境有着相当高的要求。总之，智能产品复杂环境建模技术的未来研究热点集中在：

1）电磁散射和传播的建模研究，主要研究电磁场对武器、装备等的影响，电磁传播模型的建立与求解方法等。

2）对电磁散射和传播问题的数值求解的高性能计算框架与方法研究，包括先进计算模式和计算框架的研究和应用，对电磁散射和传播问题的数值求解方法的研究。

3）电磁环境的可视化研究，研究如何将不可见的电磁波三维可视化，研究三维（3D）和四维（4D）可视化的形式及可视化方法，其中涉及对大范围海量数据的可视化。

（2）光学环境的建模技术。目前对光学环境建模采用的技术主要是变焦结构优化和分析，环境热量分析，MTF和RMS波阵面基础公差分析，干涉和光学校正、准直，矢量衍射计算，融合光纤色散，损耗和偏振模色散，红外成像/投影，红外复合技术等。面对智能产品对环境适应性要求的提高，未来对光学环境建模技术的研究还需要进一步从以下3方面突破，包括：

1）成像制导建模技术，包括多波段视频/红外动态图像转换技术、射频成像辐射阵列源与变换技术、红外/射频CIG技术、气动光学效应建模技术、真空冷背景红外特性建模技术、空间低冷环境下红外成像制导建模技术、气动光学效应下红外成像制导建模技术等。

2）射频制导建模技术，包括高分辨率、高精度毫米波目标与背景建模技术，射频制导综合对抗仿真环境实时生成技术，宽带、闪烁、散射面目标辐射源及馈电技术，宽带目标辐射实时建模技术，极化雷达/多波束雷达建模技术等。

3）复合制导建模技术，包括毫米波制导、半主动激光制导和红外制导的三维模型半实物建模仿真技术等。