本文關(guān)鍵詞：航天產(chǎn)品性能樣機(jī)分布式協(xié)同建模與仿真技術(shù)研究

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【摘要】：大型復(fù)雜航天產(chǎn)品性能樣機(jī)技術(shù)是當(dāng)前具有挑戰(zhàn)性和高難度的研究課題,成為工業(yè)和學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。它的設(shè)計(jì)通常由幾百個單位參與論證、設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、使用、保障和管理。目前,由于性能樣機(jī)的定量描述和建模理論與技術(shù)尚不成熟,以超聲速飛航武器為代表的大型復(fù)雜航天產(chǎn)品面臨著地面實(shí)驗(yàn)條件模擬難、指標(biāo)要求高、綜合集成性差、建模與仿真難度大、多類目標(biāo)制導(dǎo)控制一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)等一系列關(guān)鍵技術(shù)需要解決。航天產(chǎn)品性能樣機(jī)的研制是個多階段全生命周期的設(shè)計(jì)過程,包含產(chǎn)品全生命周期內(nèi)零部件及其設(shè)備的完整數(shù)字信息模型。而在現(xiàn)有環(huán)境條件下,不同子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)建模、仿真與優(yōu)化采用不同的設(shè)計(jì)方法,各學(xué)科領(lǐng)域模型之間具有不同的依賴關(guān)系,不同信息模型在語義層面需要一致表達(dá)方法。因此,本文重點(diǎn)研究復(fù)雜航天產(chǎn)品性能樣機(jī)的分布式協(xié)同建模方法、協(xié)同仿真方法、協(xié)同仿真模型庫的構(gòu)建方法和協(xié)同仿真優(yōu)化方法,并應(yīng)用云計(jì)算等現(xiàn)代信息化綜合集成技術(shù),實(shí)現(xiàn)性能樣機(jī)的分布式協(xié)同建模與仿真統(tǒng)一管理。主要體現(xiàn)在:(1)針對航天產(chǎn)品性能樣機(jī)的定量描述和建模理論與技術(shù)尚不成熟等問題,系統(tǒng)性地提出了UMSLO(Unified-Modeling-Simulation-Library-Optimization)概念模型,并在UMSLO模型的基礎(chǔ)上提出了四級性能樣機(jī)的設(shè)計(jì)過程和協(xié)同建模方法。首先,在對性能樣機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)仿真業(yè)務(wù)需求分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合本體建模方法,提出了一種基于本體元模型的性能樣機(jī)協(xié)同概念建模方法。其次,根據(jù)所研究的基于本體的性能樣機(jī)建模方法,給出了性能樣機(jī)協(xié)同概念建模案例,并采用Protégé工具構(gòu)建了性能樣機(jī)的本體元模型庫。最后,在分析性能樣機(jī)協(xié)同建模流程的基礎(chǔ)上,提出了一種基于對象Petri網(wǎng)的性能樣機(jī)協(xié)同建模過程動態(tài)建模方法。給出了性能樣機(jī)協(xié)同建模工作流模型的形式化定義以及協(xié)同概念建模、功能建模、仿真建模和優(yōu)化建模設(shè)計(jì)單元的對象Petri網(wǎng)元模型。通過元模型輸入輸出接口動態(tài)描述性能樣機(jī)協(xié)同建模與仿真過程。所構(gòu)建的性能樣機(jī)本體元模型庫較好的解決了多學(xué)科產(chǎn)品模型的輸出缺失和冗余信息的問題,可以顯式地表達(dá)領(lǐng)域知識并促進(jìn)不同領(lǐng)域之間概念的語義一致性,實(shí)現(xiàn)了UMSLO中的M子模型。(2)針對性能樣機(jī)仿真系統(tǒng)中多領(lǐng)域元模型統(tǒng)一集成轉(zhuǎn)換問題,在性能樣機(jī)協(xié)同建模方法的基礎(chǔ)上,提出了基于HLA(High Level Architecture)的數(shù)字性能樣機(jī)協(xié)同仿真模型。首先,分析了領(lǐng)域本體元模型與聯(lián)邦模型的映射方法。然后,對所構(gòu)建的不同學(xué)科領(lǐng)域的本體元模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換與集成,提出了本體元模型與HLA對象模型的轉(zhuǎn)換方法。再次,在本體元模型集成方法的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了本體元模型與HLA對象模型的轉(zhuǎn)換方法,通過本體元模型集成與轉(zhuǎn)換案例分析了各學(xué)科領(lǐng)域本體概念匹配過程。最后,以所構(gòu)建的性能樣機(jī)模型為對象,將其六自由度元模型作為復(fù)雜系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例,進(jìn)行超聲速飛行器性能樣機(jī)(Performance Digital Mock-Up of Hypersonic Vehicle,HV-PDMU)的建模,提出了HV-PDMU模型整體結(jié)構(gòu)和HV-PDMU聯(lián)邦仿真實(shí)現(xiàn)過程,并設(shè)計(jì)基于Pertri網(wǎng)的HLA仿真模型。所研究的模型減少了HLA仿真模型中冗余的數(shù)據(jù)傳輸、提高模型運(yùn)行速度,解決了HLA仿真系統(tǒng)中多領(lǐng)域元模型統(tǒng)一集成轉(zhuǎn)換問題,實(shí)現(xiàn)了UMSLO模型中的S子模型。(3)為了實(shí)現(xiàn)各學(xué)科仿真模型的有效積累和重用,運(yùn)用數(shù)據(jù)庫和元模型共享技術(shù),建立可重用的仿真模型庫,分析了性能樣機(jī)協(xié)同仿真模型庫的層次框架,劃分為頂層系統(tǒng)仿真模型、領(lǐng)域主模型和元模型,并給出了性能樣機(jī)協(xié)同仿真全生命周期數(shù)據(jù)共享技術(shù),實(shí)現(xiàn)了UMSLO模型中的L子模型。(4)針對性能樣機(jī)協(xié)同建模與仿真過程中的多學(xué)科耦合與多目標(biāo)優(yōu)化問題,引入混合軟計(jì)算方法,提出了性能樣機(jī)多學(xué)科協(xié)同仿真優(yōu)化模型。首先,在分析了性能樣機(jī)多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)與優(yōu)化建模方法的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了超聲速飛行器性能樣機(jī)不同學(xué)科之間的數(shù)據(jù)分析關(guān)系與耦合關(guān)系表達(dá)模型。然后,在多目標(biāo)優(yōu)化遺傳算法和粒子群算法的基礎(chǔ)上,提出了多目標(biāo)粒子群遺傳混合優(yōu)化算法(Multi-objective Particle Swarm Optimization-Genetic Algorithm,MOPSOGA),在構(gòu)建的性能樣機(jī)模型和HV-PDMU模型的基礎(chǔ)上,應(yīng)用MOPSOGA算法,對性能樣機(jī)氣動推進(jìn)一體化、外形氣動一體化以及HLA仿真系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)分配進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。所提出的算法能夠在設(shè)計(jì)候選解中求得Pareto優(yōu)化解,較好的實(shí)現(xiàn)了性能樣機(jī)多學(xué)科中的元模型性能目標(biāo)綜合優(yōu)化與方案評價(jià),實(shí)現(xiàn)了UMSLO中的O子模型。(5)針對性能樣機(jī)全生命周期協(xié)同建模與仿真過程中管理系統(tǒng)綜合集成性差的問題,構(gòu)建了性能樣機(jī)協(xié)同建模與仿真原型系統(tǒng)。首先,在分析系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,對建模任務(wù)管理功能需求、建模流程管理功能需求、模型設(shè)計(jì)管理功能需求、產(chǎn)品本體庫管理功能需求、協(xié)同仿真管理功能需求和協(xié)同建模系統(tǒng)平臺管理功能需求進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)。然后,建立了原型系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫概念模型和物理模型。所構(gòu)建的平臺較好地解決了性能樣機(jī)全生命周期統(tǒng)一建模與仿真以及不同人員、不同工具、不同算法、不同描述語言下的耦合建模、聯(lián)合仿真問題,實(shí)現(xiàn)了UMSLO中的U子模型。以上所提方法的有效性均通過winged-cone高超聲速概念飛行器應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證。
【關(guān)鍵詞】：性能樣機(jī) 協(xié)同建模與仿真 仿真模型庫 航天產(chǎn)品 協(xié)同優(yōu)化 多目標(biāo)優(yōu)化 協(xié)同集成
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V42;TP391.9
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-16
• 第1章 緒論16-30
• 1.1 研究背景及意義16-18
• 1.2 國內(nèi)外研究綜述18-26
• 1.2.1 性能樣機(jī)技術(shù)研究文獻(xiàn)綜述18-22
• 1.2.2 性能樣機(jī)協(xié)同建模與仿真方法綜述22-24
• 1.2.3 性能樣機(jī)多學(xué)科優(yōu)化方法綜述24-25
• 1.2.4 存在的主要問題25-26
• 1.3 課題來源26
• 1.4 本文主要工作26-30
• 1.4.1 研究內(nèi)容及方法26-28
• 1.4.2 全文章節(jié)安排及內(nèi)容概要28-30
• 第2章 航天產(chǎn)品性能樣機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)支撐環(huán)境分析30-46
• 2.1 性能樣機(jī)多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)過程綜合集成分析30-31
• 2.2 性能樣機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)模型分析31-34
• 2.2.1 性能樣機(jī)建模與仿真集成模型31-32
• 2.2.2 性能樣機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)流程分析32-34
• 2.3 性能樣機(jī)多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)與建模過程34-36
• 2.4 性能樣機(jī)建模與仿真支撐環(huán)境的關(guān)鍵技術(shù)分析36-42
• 2.4.1 多學(xué)科領(lǐng)域協(xié)同建模技術(shù)36-39
• 2.4.2 系統(tǒng)工程領(lǐng)域建模語言技術(shù)39
• 2.4.3 多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)39-40
• 2.4.4 性能樣機(jī)高層建模與仿真技術(shù)40-41
• 2.4.5 分布式協(xié)同仿真技術(shù)41-42
• 2.5 性能樣機(jī)的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)分析42-43
• 2.6 本章總結(jié)43-46
• 第3章 航天產(chǎn)品性能樣機(jī)多學(xué)科協(xié)同建模46-88
• 3.1 性能樣機(jī)功能的劃分及設(shè)計(jì)流程分析46-47
• 3.2 基于本體的性能樣機(jī)協(xié)同建模47-52
• 3.2.1 性能樣機(jī)技術(shù)對建模語言的基本要求48
• 3.2.2 本體建模的構(gòu)建方法48-50
• 3.2.3 本體元模型的分析過程50
• 3.2.4 本體元模型建模語言50-52
• 3.3 基于本體元模型的性能樣機(jī)協(xié)同概念建模52-55
• 3.3.1 基于本體元模型的復(fù)雜系統(tǒng)建模52-53
• 3.3.2 本體元模型的構(gòu)建53-55
• 3.4 基于本體元模型的性能樣機(jī)協(xié)同概念建模案例55-65
• 3.4.1 性能樣機(jī)領(lǐng)域本體的規(guī)劃55-56
• 3.4.2 性能樣機(jī)領(lǐng)域本體的設(shè)計(jì)56-60
• 3.4.3 性能樣機(jī)領(lǐng)域本體的實(shí)現(xiàn)60-62
• 3.4.4 高超聲速飛行器本體OWL描述62-65
• 3.5 性能樣機(jī)本體庫的構(gòu)建65-66
• 3.5.1 性能樣機(jī)本體庫存儲方法65-66
• 3.5.2 性能樣機(jī)關(guān)系數(shù)據(jù)庫建模66
• 3.6 基于Petri網(wǎng)的性能樣機(jī)協(xié)同動態(tài)建模過程66-83
• 3.6.1 過程建模方法Petri網(wǎng)分析67-70
• 3.6.2 性能樣機(jī)協(xié)同建模工作流模型的形式化定義70-73
• 3.6.3 性能樣機(jī)協(xié)同概念建模設(shè)計(jì)單元的對象Petri網(wǎng)元模型定義73-74
• 3.6.4 性能樣機(jī)協(xié)同功能建模設(shè)計(jì)單元的對象Petri網(wǎng)元模型定義74-79
• 3.6.5 性能樣機(jī)協(xié)同HLA仿真建模設(shè)計(jì)單元的對象Petri網(wǎng)元模型定義79-80
• 3.6.6 性能樣機(jī)多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化建模設(shè)計(jì)單元的對象Petri網(wǎng)元模型定義80-83
• 3.7 基于有色Petri網(wǎng)的性能樣機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)案例83-86
• 3.7.1 有色Petri網(wǎng)的建模過程83-84
• 3.7.2 基于有色Petri網(wǎng)的性能樣機(jī)協(xié)同建模84-86
• 3.8 本章總結(jié)86-88
• 第4章 航天產(chǎn)品性能樣機(jī)多學(xué)科協(xié)同仿真88-120
• 4.1 分布式協(xié)同仿真本體元模型與聯(lián)邦模型的映射88
• 4.2 分布式協(xié)同仿真統(tǒng)一建模過程分析88-90
• 4.3 協(xié)同仿真對象模型90-92
• 4.3.1 分布式協(xié)同仿真對象模型90-92
• 4.3.2 分布式協(xié)同仿真對象模型的組成92
• 4.4 基于本體的協(xié)同仿真對象模型92-95
• 4.5 分布式協(xié)同仿真本體元模型轉(zhuǎn)換與集成95-102
• 4.5.1 本體元模型的轉(zhuǎn)換方法95-96
• 4.5.2 本體元模型的本體集成規(guī)則96-97
• 4.5.3 本體模型集成混合算法97-101
• 4.5.4 本體模型集成應(yīng)用實(shí)例101-102
• 4.6 本體元模型與分布式協(xié)同仿真對象模型的轉(zhuǎn)換102-105
• 4.6.1 本體元模型與FOM的轉(zhuǎn)換規(guī)則102-103
• 4.6.2 本體元模型集成與轉(zhuǎn)換案例103-105
• 4.7 基于Pertri網(wǎng)的分布式協(xié)同仿真控制模型設(shè)計(jì)105-108
• 4.7.1 基于Petri網(wǎng)的分布式協(xié)同仿真中的事件定義105
• 4.7.2 基于Petri網(wǎng)的分布式協(xié)同仿真聯(lián)邦仿真模型105-108
• 4.8 性能樣機(jī)分布式協(xié)同仿真模型的實(shí)現(xiàn)108-119
• 4.8.1 性能樣機(jī)分布式協(xié)同仿真模型結(jié)構(gòu)108-111
• 4.8.2 分布式協(xié)同仿真聯(lián)邦服務(wù)的定義111
• 4.8.3 分布式協(xié)同仿真聯(lián)邦對象模型的構(gòu)建111-113
• 4.8.4 分布式協(xié)同仿真聯(lián)邦成員數(shù)據(jù)交互模型113
• 4.8.5 分布式協(xié)同仿真聯(lián)邦執(zhí)行數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)113-114
• 4.8.6 分布式協(xié)同仿真聯(lián)邦對象類的發(fā)布與訂閱114-117
• 4.8.7 分布式協(xié)同仿真實(shí)現(xiàn)117-119
• 4.9 本章總結(jié)119-120
• 第5章 某航天器性能樣機(jī)建模及協(xié)同仿真模型庫的構(gòu)建120-144
• 5.1 構(gòu)建協(xié)同仿真模型庫的作用與意義120
• 5.2 性能樣機(jī)仿真模型的定義120-124
• 5.3 性能樣機(jī)元模型仿真庫的構(gòu)建124-136
• 5.3.1 性能樣機(jī)系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)分析124-126
• 5.3.2 性能樣機(jī)六自由度仿真元模型的構(gòu)建126-130
• 5.3.3 性能樣機(jī)氣動力系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算仿真模型130-132
• 5.3.4 性能樣機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算仿真模型132
• 5.3.5 性能樣機(jī)控制系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算仿真模型132-134
• 5.3.6 性能樣機(jī)氣動熱參數(shù)計(jì)算仿真模型134-135
• 5.3.7 性能樣機(jī)彈道與控制參數(shù)計(jì)算仿真模型135-136
• 5.4 性能樣機(jī)仿真模型庫數(shù)據(jù)集成管理方法136-141
• 5.4.1 性能樣機(jī)協(xié)同仿真模型庫的層次框架分析136-137
• 5.4.2 性能樣機(jī)協(xié)同仿真數(shù)據(jù)集成研究137-138
• 5.4.3 性能樣機(jī)協(xié)同仿真全生命周期數(shù)據(jù)共享技術(shù)138-141
• 5.5 本章總結(jié)141-144
• 第6章 航天產(chǎn)品性能樣機(jī)協(xié)同建模與仿真優(yōu)化144-172
• 6.1 性能樣機(jī)多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化建模144-146
• 6.1.1 多學(xué)科耦合系統(tǒng)144
• 6.1.2 多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化算法144-146
• 6.1.3 性能樣機(jī)MDO協(xié)同建模146
• 6.2 性能樣機(jī)多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化算法146-158
• 6.2.1 多目標(biāo)優(yōu)化分析146-151
• 6.2.2 多目標(biāo)優(yōu)化遺傳算法151
• 6.2.3 粒子群算法151-153
• 6.2.4 基于PSO-GA的多目標(biāo)優(yōu)化混合軟計(jì)算模型153-157
• 6.2.5 MOPSOGA算法性能測試及分析157-158
• 6.3 某航天器性能樣機(jī)氣動推進(jìn)一體化多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)158-164
• 6.3.1 多目標(biāo)模型設(shè)計(jì)158
• 6.3.2 多目標(biāo)優(yōu)化模型設(shè)計(jì)158-159
• 6.3.3 多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果分析159-164
• 6.4 某航天器性能樣機(jī)性能樣機(jī)外形氣動一體化多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)164-167
• 6.4.1 多目標(biāo)模型設(shè)計(jì)164
• 6.4.2 多目標(biāo)優(yōu)化模型設(shè)計(jì)164
• 6.4.3 多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果分析164-167
• 6.5 性能樣機(jī)協(xié)同仿真系統(tǒng)可靠性指標(biāo)分配優(yōu)化167-170
• 6.5.1 復(fù)雜系統(tǒng)可靠性指標(biāo)分配理論167
• 6.5.2 分布式協(xié)同仿真系統(tǒng)可靠性指標(biāo)分配方法167-168
• 6.5.3 基于MOPSOGA的性能樣機(jī)系統(tǒng)可靠性分配多目標(biāo)優(yōu)化168-170
• 6.6 本章總結(jié)170-172
• 第7章 航天產(chǎn)品性能樣機(jī)協(xié)同建模與仿真平臺架構(gòu)172-206
• 7.1 復(fù)雜航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)單位組織機(jī)構(gòu)分析172-173
• 7.2 性能樣機(jī)協(xié)同建模與仿真平臺基礎(chǔ)框架173-175
• 7.2.1 基于云計(jì)算的信息化管理發(fā)展架構(gòu)分析173-174
• 7.2.2 云服務(wù)模式分析174-175
• 7.3 性能樣機(jī)協(xié)同建模與仿真系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)175-180
• 7.3.1 性能樣機(jī)協(xié)同建模與仿真平臺架構(gòu)175-178
• 7.3.2 系統(tǒng)物理平臺架構(gòu)的設(shè)計(jì)178
• 7.3.3 系統(tǒng)集成開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)178-180
• 7.4 性能樣機(jī)協(xié)同建模與仿真系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)180-195
• 7.4.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及需求分析180-182
• 7.4.2 建模任務(wù)管理功能需求分析與設(shè)計(jì)182-185
• 7.4.3 建模流程管理功能需求分析與設(shè)計(jì)185-187
• 7.4.4 模型設(shè)計(jì)管理功能需求分析與設(shè)計(jì)187-189
• 7.4.5 產(chǎn)品本體庫管理功能需求分析與設(shè)計(jì)189-191
• 7.4.6 協(xié)同仿真管理功能需求分析與設(shè)計(jì)191-193
• 7.4.7 協(xié)同建模系統(tǒng)平臺管理功能需求分析與設(shè)計(jì)193-195
• 7.5 性能樣機(jī)協(xié)同建模與仿真平臺數(shù)據(jù)庫建模與設(shè)計(jì)195-198
• 7.5.1 性能樣機(jī)協(xié)同建模與仿真平臺數(shù)據(jù)庫概念模型設(shè)計(jì)195-196
• 7.5.2 性能樣機(jī)協(xié)同建模與仿真平臺數(shù)據(jù)庫物理模型設(shè)計(jì)196-198
• 7.6 性能樣機(jī)協(xié)同建模與仿真平臺的實(shí)現(xiàn)198-205
• 7.6.1 系統(tǒng)集成開發(fā)應(yīng)用案例198-203
• 7.6.2 性能樣機(jī)綜合集成建模與仿真203-205
• 7.6.3 應(yīng)用效果分析205
• 7.7 本章總結(jié)205-206
• 第8章 總結(jié)與展望206-210
• 8.1 全文總結(jié)206-207
• 8.2 主要創(chuàng)新點(diǎn)207-208
• 8.3 研究展望208-210
• 參考文獻(xiàn)210-226
• 致謝226-228
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文和參加科研情況228-230
• 1.攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論著228-229
• 2.攻讀博士學(xué)位期間的主要科研情況229
• 3.攻讀博士學(xué)位期間的獲獎情況229-230
• 附錄230-242
• 附錄 1：航天產(chǎn)品性能樣機(jī)頂層系統(tǒng)的OWL形式化代碼230-232
• 附錄 2：用于HV-PDMU聯(lián)邦的FED文件代碼232-234
• 附錄 3：MOPSOGA算法Matlab實(shí)現(xiàn)代碼234-242

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本文編號：622676