一種用于武器系統虛擬樣機模型體系的架構設計系統與方法與流程

本發明涉及武器系統(航空、航天、船舶等)制造企業數字化協同設計與實驗驗證過程中的系統建模與仿真技術領域。更具體地，涉及一種用于武器系統虛擬樣機模型體系的架構設計系統與方法。

背景技術：

近些年，以系統建模和仿真技術為核心的虛擬樣機(virtualprototype，vp)技術迅速發展，并且以各類cax和dfx技術為代表的虛擬樣機技術已在產品開發，尤其是復雜產品開發的各個領域和不同階段取得許多研究成果與成功應用。盡管虛擬樣機(virtualprototype，vp)概念早在上世紀八十年代提出，其內涵在不斷發展，在各類文獻中的描述框架和闡述重點并不統一，尤其是以武器系統為代表的復雜產品的虛擬樣機的模型體系架構至今還沒有相對一致的設計方法。由于缺少模型體系架構，不同的專業和不同的組織與角色出于不同的工程研制目標，在不同的環境和條件下，對于同一個武器系統虛擬樣機的不同層級的產品存在不同的理解。武器系統虛擬樣機模型組成和框架是軍工集團企業實施基于虛擬樣機的工程設計與仿真工作中最為基礎的內容。

因此，需要提供一種用于武器系統虛擬樣機模型體系的架構設計系統與方法，針對各個武器系統領域的共性問題提出武器系統虛擬樣機的組成和頂層接口提出統一的相關要求。

技術實現要素：

本發明的一個目的在于提供一種用于武器系統虛擬樣機模型體系的架構設計系統與方法，對武器系統基于虛擬樣機的總體、分系統并行協同設計與試驗驗證流程的設計提出統一框架，以此作為開展虛擬樣機相關基礎研究、研制模式試點實施和標準規范制定等工作的基礎。。

為達到上述目的，本發明采用下述技術方案：

一種用于武器系統虛擬樣機模型體系的架構設計方法，所述該方法包括：

s1、將所述武器系統虛擬樣機分解為系統、分系統、設備、組件、部件 和零件各層級虛擬樣機，并針對各層級虛擬樣機對應的實物產品按工程應用情況進行數字集合描述；

s2、對所述步驟s1中的各層級虛擬樣機，進行視圖分解；

s3、對所述步驟s1中的設備級、組件級、部件級和零件級虛擬樣機，在所述步驟s2視圖分解的基礎上進行專業分解；

s4、基于所述步驟s2中視圖分解分別向總體視圖傳遞一體化定義、多粒度過程模型和關鍵性能參數，以各個虛擬樣機下的總體視圖為接口，向下游虛擬樣機總體視圖傳遞分解的指標和需求，向上游虛擬樣機總體視圖反饋設計和驗證結果，架構武器系統虛擬樣機協同體系。

優選的，所述步驟s1中所述各層級虛擬樣機對應的實物產品均由一個產品虛擬樣機與之對應；

所述產品虛擬樣機包括一個產品系統虛擬樣機和若干個產品子級虛擬樣機。

優選的，所述步驟s2中按照功能、性能和構造方面將各層虛擬樣機分解為

功能視圖，與各層級實物產品在生命周期內面臨的任務相對應，面向的是各層級實物產品生命周期的各類任務和活動；

構造視圖，與和各層級實物產品的產品物理組成或軟件邏輯組成相對應的，面向的是各層級實物產品設計和定義；

性能視圖，與各層級實物產品相關的學科、專業相對應的，面向的是各層級實物產品分析、仿真和試驗驗證。

優選的，所述

功能視圖進一步包括體系對抗子過程，操作或作戰過程，裝配過程，維修過程，保障過程；

構造視圖進一步包括機械系統結構組成和接口，電氣、電子、電路、通信、指控組成和接口，軟件組成和接口；

性能視圖進一步包括力學，電磁學、光學，信息、控制、機電液一體，系統工程、統計。

優選的，所述步驟s3中按照機械、電子和軟件三方面將虛擬樣機分解為

結構虛擬樣機，為機械專業模型集合，主要從物理實現的角度，為產品的機械設計、分析、修改協調、裝配而形成的模型集合；

電子虛擬樣機，為電子專業模型集合，主要從產品的電子、電氣、電路特 性角度出發，進行功能級、信號級模型的定義、構建和分析，反映電子線路、設備、系統組成、連接信息；

軟件虛擬樣機，為軟件專業模型集合，主要從軟件工程角度出發，用形式化的方式和標準語言描述、構建、驗證軟件產品在需求分析、初步設計、詳細設計、測試方面的模型。

一種用于武器系統虛擬樣機模型體系的架構設計系統，所述該系統包括：

武器系統虛擬樣機層級分解模塊，用于將所述武器系統虛擬樣機分解為系統、分系統、設備、組件、部件和零件各層級虛擬樣機，并針對各層級虛擬樣機對應的實物產品按工程應用情況進行數字集合描述；

武器系統虛擬樣機視圖分解模快，用于對所述各層級虛擬樣機，進行視圖分解；

武器系統虛擬樣機專業分解模塊，用于對所述設備級、組件級、部件級和零件級虛擬樣機，在視圖分解的基礎上進行專業分解；

武器系統虛擬樣機系統體系架構模塊，用于基于視圖分解分別向總體視圖傳遞一體化定義、多粒度過程模型和關鍵性能參數，以各個虛擬樣機下的總體視圖為接口，向下游虛擬樣機總體視圖傳遞分解的指標和需求，向上游虛擬樣機總體視圖反饋設計和驗證結果，架構武器系統虛擬樣機協同體系。

優選的，所述武器系統虛擬樣機層級分解模塊中所述各層級虛擬樣機對應的實物產品均由一個產品虛擬樣機與之對應；

所述產品虛擬樣機包括一個產品系統虛擬樣機和若干個產品子級虛擬樣機。

優選的，所述武器系統虛擬樣機視圖分解模快中按照功能、性能和構造方面將各層虛擬樣機分解為

功能視圖，與各層級實物產品在生命周期內面臨的任務相對應，面向的是各層級實物產品生命周期的各類任務和活動；

構造視圖，與和各層級實物產品的產品物理組成或軟件邏輯組成相對應的，面向的是各層級實物產品設計和定義；

性能視圖，與各層級實物產品相關的學科、專業相對應的，面向的是各層級實物產品分析、仿真和試驗驗證。

優選的，所述

功能視圖進一步包括體系對抗子過程，操作或作戰過程，裝配過程，維修過程，保障過程；

構造視圖進一步包括機械系統結構組成和接口，電氣、電子、電路、通信、指控組成和接口，軟件組成和接口；

性能視圖進一步包括力學，電磁學、光學，信息、控制、機電液一體，系統工程、統計。

優選的，所述武器系統虛擬樣機專業分解模塊中按照機械、電子和軟件三方面將虛擬樣機分解為

結構虛擬樣機，為機械專業模型集合，主要從物理實現的角度，為產品的機械設計、分析、修改協調、裝配而形成的模型集合；

電子虛擬樣機，為電子專業模型集合，主要從產品的電子、電氣、電路特性角度出發，進行功能級、信號級模型的定義、構建和分析，反映電子線路、設備、系統組成、連接信息；

軟件虛擬樣機，為軟件專業模型集合，主要從軟件工程角度出發，用形式化的方式和標準語言描述、構建、驗證軟件產品在需求分析、初步設計、詳細設計、測試方面的模型。

本發明的有益效果如下：

本發明提供了一種用于武器系統虛擬樣機模型體系的架構設計系統與方法，與現有技術相比本發明的技術優勢和應用方向表現在以下幾個方面：

1)虛擬樣機模型體系架構的設計直接提升虛擬樣機在型號數字化應用中的工程化程度、系統性和可操作性；

2)虛擬樣機模型體系架構直接支持虛擬樣機相關模型在武器系統研制企業范圍內的共享、推廣和后續的數字化研制標準制定工作；

3)虛擬樣機模型體系架構中描述的數據結構和參考模型，直接牽引武器系統工程數字化應用平臺和工具軟件的需求分析、系統構建和應用實施工作。

附圖說明

下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步詳細的說明。

圖1示出本發明實施例中一種用于武器系統虛擬樣機模型體系的武器系統虛擬樣機組成圖；

圖2示出本發明實施例中一種武器系統虛擬樣機模型體系的武器系統虛擬樣機的視圖組成圖；

圖3示出本發明實施例中一種武器系統虛擬樣機模型體系的基于總體視 圖的武器系統虛擬樣機的協同圖。

具體實施方式

為了更清楚地說明本發明，下面結合優選實施例和附圖對本發明做進一步的說明。附圖中相似的部件以相同的附圖標記進行表示。本領域技術人員應當理解，下面所具體描述的內容是說明性的而非限制性的，不應以此限制本發明的保護范圍。

如圖1所示，本發明公開了一種用于武器系統虛擬樣機模型體系的架構設計方法，該方法的核心是將武器系統下任意層級實物產品按照工程應用情況均可將其對應的虛擬樣機作為一個模型集合進行描述，并且按照不同視圖，通過對比實物樣機及其現有研制模式的方式去組織、分析和闡述模型結合，實現統一體系架構下的虛擬樣機模型體系設計。

通過模型體系架構來表征武器系統虛擬樣機的如下特點，武器系統虛擬樣機是與武器系統實物產品相對應的數字模型集合，一般包括系統、分系統、設備等層級。它從構造、功能和性能等方面定義、模擬、試驗驗證和評估實物產品，是實物產品全生命周期內各項活動的主要依據。

該方法包括：

s1、將所述武器系統虛擬樣機分解為系統、分系統、設備、組件、部件和零件各個層級的虛擬樣機；

s2、對所述步驟s1中的各層級虛擬樣機，從功能、性能和構造三個視圖方式進行視圖分解；

s3、對所述步驟s1中的設備級、組件級、部件級和零件級虛擬樣機，在步驟s2視圖分解的基礎上從機械、電子和軟件三個產品專業進行專業分解；

s4、總體視圖對方案階段的虛擬樣機成熟度進行控制，并協同、綜合、權衡和優化各視圖間的設計與分析結果，使得各類模型在模型集合中的一致性、重用性和模型接口的協調性，架構武器系統虛擬樣機協同體系。

步驟s1中，按照《產品層次、產品互換性、樣機及有關術語》，從簡單到復雜的縱向排列，產品層次包括零件、部件、組件、單元件、機組、裝置、分系統、系統。本發明將武器系統虛擬樣機分為系統、分系統、設備、組件、部件和零件等層級。

對于武器系統下任意層級的虛擬樣機，任意層級均是圍繞實物產品的基本組成，按照工程應用情況將其對應的虛擬樣機作為一個模型集合進行描述。 按照武器系統虛擬樣機模型體系架構的武器系統虛擬樣機組成圖，實現統一體系架構下的虛擬樣機模型體系設計。

如圖1所示，將虛擬樣機作為一個模型集合，對于不同層級的實物產品，均由一個且唯一一個產品虛擬樣機與之對應，產品虛擬樣機內部包括一個產品系統虛擬樣機和若干個產品子級虛擬樣機，產品系統虛擬樣機和產品子級虛擬樣機都由若干個數字模型組成。總之，產品虛擬樣機是一個數字模型集合，具體可以區分為系統、分系統、設備、組件、部件和零件等層級的虛擬樣機。

步驟s2中，由于各層級的虛擬樣機是一個數字模型集合，則需要進一步按照視圖分解的方式對模型集合進行分解。如圖2和圖3所示，圍繞武器系統的功能特性和物理特性，按照功能、性能、構造和總體四個視圖認識和提高模型集合描述、構建和應用的完整性和關聯性。

(1)功能視圖

功能視圖是與各層級實物產品在生命周期內面臨的任務相對應的，是面向生命周期的各類任務和活動，也是虛擬樣機構建和應用所支撐的主要目標之一，主要包括兩方面：一方面是產品需要滿足的作戰功能和任務，包括體系對抗子過程和作戰(操作)過程；另一方面是在產品裝配、維護、使用、訓練和保障過程中需要實現的功能或者完成的任務，包括裝配過程、維修過程和保障過程。兩方面都表現為具體任務的實施過程，以及實施過程中的邏輯/時序、工況/條件和邊界/環境/干擾等等。

(2)構造視圖

構造視圖，與各層級實物產品的產品物理(機械、電子)組成或軟件邏輯組成相對應的，面向的是設計和定義。它描述了產品在機械、電子和軟件等方面的定義和設計的結果，反映了各層級產品的產品組成結構、物理屬性或邏輯屬性的定義，以及各組成之間的物理或邏輯接口關系。主要包括：機械系統結構組成和接口(幾何、非幾何；材料、工藝)；電氣(電子、電路、通信、指控)組成和接口(材料、工藝)；軟件組成和接口。

(3)性能視圖

性能視圖，與各層級實物產品相關的學科/專業相對應的，面向的是分析、仿真和試驗驗證。它面向各層級產品分析、仿真和試驗驗證的主要工作內容，是按照力、熱、光、電等物理學科、信息學科、控制學科、系統工程學科等學科對各層級產品的性能與效能、產品的可靠性、維修性、保障性等方面進 行分析和驗證，本質上是理論的、工程的方程/不等式和參數/屬性的集合。主要包括：力學(運動學、靜力學、動力學；飛行力學/彈道、流體力學/氣水動、強度、載荷等)；電磁學、光學；信息、控制(機電液一體)、系統工程、統計。

(4)總體視圖

總體視圖，面向虛擬樣機自身的簡化、邊界和包絡的描述和與其他虛擬樣機之間的協同，是對虛擬樣機的技術狀態和成熟度進行辨識和控制，本質上是多學科集成/優化設計模型、與實物試驗融合的綜合仿真/試驗設計模型和虛擬樣機的定義和控制模型。總體視圖的主要功能包括：簡化、邊界、包絡；技術狀態/成熟度辨識和控制；多學科集成/優化設計；與實物試驗融合的綜合仿真/試驗設計；一體化模型的定義和控制。

此外，功能視圖向性能視圖傳遞任務要求/工況、邊界條件/環境/干擾等信息，性能視圖向功能視圖傳遞性能、效能、可維修性、可靠性等信息；構造視圖向性能視圖傳遞物理/邏輯的組成、定義和接口等信息，性能視圖向構造視圖傳遞空間、布局、兼容性、匹配性、協調性等信息；功能視圖向構造視圖傳遞動態行為/時序、邊界、環境等信息，構造視圖向功能視圖傳遞靜態結構的定義和接口等信息。

步驟s3中，武器系統虛擬樣機專業分解重點針對的是設備級、組件級、部件級和零件等層級的產品，構造、功能和性能視圖下的具體模型通常體現在機械、電子和軟件等專業上，這些專業具有相對獨立的上下游技術要求、研制任務(例如機械產品的方案設計、技術設計、生產性設計)和數字化研制模式的基礎研究內容。依據虛擬樣機應用需求，對于設備級、部件級或組件級等層級產品，在虛擬樣機的模型組成上，除了各級產品都需要的產品系統虛擬樣機，對于產品子級虛擬樣機，從機械、電子和軟件三個產品專業對步驟s2中按照視圖分解的方式對模型集合進行分解所得到的一般的構造、功能和性能視圖下的模型集合進行專業分解和重新組合，形成機械、電子和軟件等專業相關的模型結合。

結構虛擬樣機：機械專業模型集合主要從產品物理實現的角度，為產品的機械設計、分析、修改協調、裝配而形成的模型集合，能夠反映產品的結構形式、幾何尺寸、重量、質心位置、轉動慣量、關鍵性間隙尺寸、結構相對位置關系、處于的工作狀態等信息，支持物理產品的空間裝配協調和工程分析。并且，現階段，機械專業模型主要整合產品的產品定義(即構造視圖 的內容)和結構工程分析與設計優化(即性能視圖的內容)，通過多輪迭代和成熟度的不斷提升，滿足該產品系統虛擬樣機對于質量、空間、載荷、強度等功能和性能方面的設計要求，并且向下游的工藝設計、工裝設計、產品維修、使用等環節傳遞產品的結構信息。

電子虛擬樣機：電子專業模型集合主要從產品的電子、電氣、電路特性角度出發，進行功能級、信號級模型的定義、構建和分析，反映電子線路、設備、系統組成、連接等信息，滿足該產品系統虛擬樣機對于精度、頻率、空間覆蓋范圍等電氣功能和性能方面的設計要求，并且向下游傳遞電子產品的制造信息。

軟件虛擬樣機：軟件專業模型集合主要從軟件工程角度出發，用形式化的方式和標準語言描述、構建、驗證軟件產品在需求分析、初步設計、詳細設計、測試等方面的模型，實現基于模型的軟件開發模式，提高軟件的重用性，支持軟件產品的需求分解、功能驗證、設計分析和代碼生成，典型的包括飛控、測發控、指控等型號軟件。

步驟s4中，基于步驟s2中的各個視圖中的模型通過定義、構建、仿真和驗證，可以向其他視圖輸出要求或者接收其他視圖反饋的結果。總體視圖對方案階段的虛擬樣機成熟度進行控制，并協同、綜合、權衡和優化各個視圖之間的設計與分析結果，保證各類模型在虛擬樣機的模型集合中的一致性、重用性和模型接口的協調性。

進一步，由于武器系統各層產品包括系統、分系統、設備、組件、部件、零件等虛擬樣機之間是技術指標的逐級向下分解和產品的逐級向上集成與驗證的過程，其內部是總體與各專業、各組成之間的迭代設計與驗證過程。即，各個產品組成之間的虛擬樣機關聯表現為總體視圖之間的上下游協同關系，如圖3所示，協同的過程是構造視圖、功能視圖、性能視圖分別向總體視圖傳遞一體化定義、多粒度過程模型和關鍵性能參數，進一步，以各個虛擬樣機下的總體視圖為接口，向下游虛擬樣機總體視圖傳遞分解的指標和需求，向上游虛擬樣機總體視圖反饋設計和驗證結果。

本發明還公開了一種用于武器系統虛擬樣機模型體系的架構設計系統，該系統包括武器系統虛擬樣機層級分解模塊，用于將所述武器系統虛擬樣機分解為系統、分系統、設備、組件、部件和零件各層級虛擬樣機，并針對各層級虛擬樣機對應的實物產品按工程應用情況進行數字集合描述；武器系統虛擬樣機視圖分解模快，用于對所述各層級虛擬樣機，進行視圖分解；武器系統 虛擬樣機專業分解模塊，用于對所述設備級、組件級、部件級和零件級虛擬樣機，在視圖分解的基礎上進行專業分解；武器系統虛擬樣機系統體系架構模塊，用于基于視圖分解分別向總體視圖傳遞一體化定義、多粒度過程模型和關鍵性能參數，以各個虛擬樣機下的總體視圖為接口，向下游虛擬樣機總體視圖傳遞分解的指標和需求，向上游虛擬樣機總體視圖反饋設計和驗證結果，架構武器系統虛擬樣機協同體系。

武器系統虛擬樣機層級分解模塊中所述各層級虛擬樣機對應的實物產品均由一個產品虛擬樣機與之對應；所述產品虛擬樣機包括一個產品系統虛擬樣機和若干個產品子級虛擬樣機。

武器系統虛擬樣機視圖分解模快中按照功能、性能和構造方面將各層虛擬樣機分解為：

(1)功能視圖，與各層級實物產品在生命周期內面臨的任務相對應，面向的是各層級實物產品生命周期的各類任務和活動；功能視圖進一步包括體系對抗子過程，操作或作戰過程，裝配過程，維修過程，保障過程；

(2)構造視圖，與和各層級實物產品的產品物理組成或軟件邏輯組成相對應的，面向的是各層級實物產品設計和定義；構造視圖進一步包括機械系統結構組成和接口，電氣、電子、電路、通信、指控組成和接口，軟件組成和接口；

(3)性能視圖，與各層級實物產品相關的學科、專業相對應的，面向的是各層級實物產品分析、仿真和試驗驗證。性能視圖進一步包括力學，電磁學、光學，信息、控制、機電液一體，系統工程、統計。

武器系統虛擬樣機專業分解模塊中按照機械、電子和軟件三方面將虛擬樣機分解為：

(1)結構虛擬樣機，為機械專業模型集合，主要從物理實現的角度，為產品的機械設計、分析、修改協調、裝配而形成的模型集合；

(2)電子虛擬樣機，為電子專業模型集合，主要從產品的電子、電氣、電路特性角度出發，進行功能級、信號級模型的定義、構建和分析，反映電子線路、設備、系統組成、連接信息；

(3)軟件虛擬樣機，為軟件專業模型集合，主要從軟件工程角度出發，用形式化的方式和標準語言描述、構建、驗證軟件產品在需求分析、初步設計、詳細設計、測試方面的模型。

綜上所述，本發明所述技術方案通過實現了對武器系統基于虛擬樣機的 總體、分系統并行協同設計與試驗驗證流程的設計提出統一框架，并以此作為開展虛擬樣機相關基礎研究、研制模式試點實施和標準規范制定等工作的基礎。

顯然，本發明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而并非是對本發明的實施方式的限定，對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動，這里無法對所有的實施方式予以窮舉，凡是屬于本發明的技術方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發明的保護范圍之列。