CN114818134A - 基于cps的舰船动力系统数字化全流程设计环境构建方法 - Google Patents

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赵观辉
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赵会晶
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Abstract

本发明涉及舰船动力系统设计技术领域，尤其涉及一种基于CPS的舰船动力系统数字化全流程设计环境构建方法。提供一种基于CPS的水面舰船动力系统数字化全流程设计总体环境构建方法，为水面舰船动力系统数字化全流程设计平台开发提供参考，能够指导构建舰船动力系统数字化平台环境开发，提高舰船动力系统研制效率；实现设计过程与试验过程的交互，利用设计过程模型指导实物试验，缩短实物系统试验周期；实现实物试验数据动态校正设计模型，构建高精度数字样机，指导动力系统的维修、保障等虚拟分析。

Description

基于CPS的舰船动力系统数字化全流程设计环境构建方法
技术领域
本发明涉及舰船动力系统设计技术领域，尤其涉及一种基于CPS的舰船动力系统数字化全流程设计环境构建方法。
背景技术
舰船动力系统组成复杂、涉及到的子系统多、设备多。尽管动力系统设计过程已经部分采用数字化手段，但主要为分属不同异构环境下的软件工具。各软件工具相互独立，未形成基于统一平台体系的数字化协同设计能力。不同设计阶段、不同学科专业之间的工作仍以分散、割裂的方式进行，设计工作协同难、设计成果关联弱，本质上未突破传统人工设计的局限。动力系统设计方面取得一定成果，然而本质上仍依赖文档驱动、人工衡准，设计文件成果、交流协调载体均以文档为主，随着系统规模与复杂性的日渐提高，基于文档的工作模式导致的技术状态一致性差、协调工作效率低等问题日趋严重。与国外模型驱动、数字评估的先进水平之间存在很大差距。此外传统舰船动力系统主要以实物台架试验开展系统的验证，试验成本高、周期长。且试验得到的知识难以指导新型号产品的设计工作。因此舰船动力领域亟需一种融合实物试验和设计模型的全流程设计环境。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于CPS的舰船动力系统数字化全流程设计环境构建方法，能够为水面舰船动力系统数字化全流程设计平台开发提供指导，缩短实物试验周期，提高舰船动力系统研制效率。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于CPS的舰船动力系统数字化全流程设计环境构建方法，其特征在于，所述构建方法由虚拟空间和物理空间两部分组成，舰船动力系统的方案论证、方案设计、技术设计及施工设计四个阶段在所述的虚拟空间中实现，舰船动力系统的综合试验、施工建造、系泊试验、航行试验和交付使用五个阶段在所述的物理空间中实现，所述虚拟空间和物理空间通过CPS接口工具实现设计模型数据与试验数据之间的数据交互，所述虚拟空间采用需求管理-功能分析-逻辑架构的螺旋迭代设计方式，对方案论证和方案设计阶段进行小回路设计闭环验证，对技术设计和施工设计阶段进行大回路设计闭环验证，并根据设计模型数据指导指导舰船动力系统实物试验分析。
进一步的，所述基于CPS的舰船动力系统数字化全流程设计环境构建方法，具体流程如下：
S1、在方案论证、方案设计和技术设计阶段采用构型设计工具进行基于模型的数字化构型设计；
S2、在施工设计阶段，根据所述最终系统方案，在仿真工具中构建舰船动力系统的结构样机、性能样机；
S3、对方案论证和方案设计阶段进行小回路设计闭环验证；
S4、对技术设计和施工设计阶段进行大回路设计闭环验证；
S5、构建CPS接口工具，连接仿真工具与实物系统，实现设计模型数据与试验数据之间的数据交互；
S6、根据设计模型数据指导指导舰船动力系统实物试验分析。
进一步的，所述数字化构型设计具体包括：
S1，根据用户需求，进行方案论证阶段需求管理、方案论证阶段功能分析和方案论证阶段逻辑架构，输出概念方案；
S2，分解方案论证阶段逻辑架构，进行方案设计阶段需求管理、方案设计阶段功能分析和方案设计阶段逻辑架构，输出初步方案；
S3，分解方案设计阶段逻辑架构，进行技术设计阶段需求管理、技术设计阶段功能分析和技术设计阶段逻辑架构，输出最终系统方案。
进一步的，所述技术设计和所述施工设计基于统一物理建模语言进行建模仿真。
进一步的，所述小回路设计闭环验证具体为通过对舰船动力系统需求分析、功能分解，快速构建舰船动力系统功能模型，通过所述功能模型的运行分析，验证方案论证和方案设计阶段的需求符合性。
进一步的，所述大回路设计闭环验证具体为通过仿真工具对舰船动力系统的结构样机和性能样机进行仿真分析，验证舰船动力系统整体需求的符合性，保证设计的正确。
进一步的，所述实物系统具体包括舰船动力系统综合试验、系泊试验和航行试验。
一种采用如上所述构建方法的舰船动力系统设计平台，所述设计平台包括基础资源层、数据管理层、功能应用层以及管理层四层结构。
进一步的，所述基础资源层由软件资源和硬件资源组成；所述数据管理层由设计模型数据和试验数据组成；所述功能应用层由构型设计工具、仿真工具和CPS接口工具组成；所述管理层由门户管理和交互界面两部分组成。
进一步的，所述设计模型数据包含舰船动力系统功能模型分析数据和结构样机、性能样机的仿真数据；所述试验数据包括包含舰船动力系统综合试验、系泊试验和航行试验的试验数据。
本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：
1、所发明的一种基于CPS的水面舰船动力系统数字化全流程设计总体环境构建方法能够指导构建舰船动力系统数字化平台环境开发，提高舰船动力系统研制效率；
2、所发明的一种基于CPS的水面舰船动力系统数字化全流程设计总体环境构建方法能够实现设计过程与试验过程的交互，利用设计过程模型指导实物试验，缩短实物系统试验周期；
3、所发明的一种基于CPS的水面舰船动力系统数字化全流程设计总体环境构建方法可以实现实物试验数据动态校正设计模型，构建高精度数字样机，指导动力系统的维修、保障等虚拟分析。
附图说明
图1为本发明实施例的整体流程示意图；
图2为本发明实施例的数字化构型设计流程示意图；
图3为本发明实施例的多回路验证流程示意图；
图4为本发明实施例的CPS接口工具示意图；
图5为本发明实施例的设计平台的基础架构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
根据系统数字化设计需求，基于模型系统工程(MBSE)方法，结合动力系统设计基本方法、融合高精度设备建模分析以及CPS(信息物理系统)理念形成一套完整的基于CPS的水面舰船动力系统数字化全流程设计总体环境构建方法。
本发明实施的一种基于CPS的舰船动力系统数字化全流程设计环境构建方法，如图1所示，包含虚拟空间和物理空间两部分。其中虚拟空间内包含舰船动力系统的方案论证、方案设计、技术设计及施工设计环节。物理空间包含舰船动力系统的综合试验、施工建造、系泊航行试验及交付使用环节；虚拟空间和物理空间通过CPS技术实现虚实交互。
舰船动力系统组成设备多、涉及专业面广，设计接口多，因此在系统设计过程中来回迭代次数多。同时舰船应用的场景复杂，针对舰船动力系统的需求多，在设计过程中存在设计需求变化，因此舰船动力系统的设计过程需要面对设计需求的变更。
针对在舰船动力系统整个设计过程中存在的以上问题，本专利提出的设计流程通过采用需求管理-功能分析-逻辑架构的螺旋迭代过程，对舰船动力系统设计流程中的方案论证、方案设计、技术设计和施工设计阶段采取多回路验证，保证在整个设计流程中设计结果与设计需求相匹配；同时在方案论证、方案设计和技术设计阶段对模型颗粒度不断细化，通过上一层级的模型驱动下一层级模型细化分解，在数字化构型设计中实现不同层级模型的迭代细化。
具体的，在方案论证、方案设计和技术设计阶段采用构型设计工具进行基于模型的数字化构型设计，如图2所示，所述数字化构型设计包括：
S1，根据用户需求，进行方案论证阶段需求管理、方案论证阶段功能分析和方案论证阶段逻辑架构，输出概念方案；
S2，分解方案论证阶段逻辑架构，进行方案设计阶段需求管理、方案设计阶段功能分析和方案设计阶段逻辑架构，输出初步方案；
S3，分解方案设计阶段逻辑架构，进行技术设计阶段需求管理、技术设计阶段功能分析和技术设计阶段逻辑架构，输出最终系统方案。
进一步的，所述技术设计阶段与所述施工设计阶段基于统一物理建模语言进行建模仿真，根据所述最终系统方案，在仿真工具中构建舰船动力系统的结构样机、性能样机。
进一步的，如图3所示，所述方案论证和方案设计阶段基于功能模型开展小回路设计验证闭环；
具体为，在舰船动力系统方案论证阶段和方案设计通过对舰船动力系统需求分析、功能分解，快速构建舰船动力系统功能模型，基于可执行的功能模型开展舰船动力系统的小回路设计通过对功能模型的运行分析，验证方案论证和方案设计阶段的需求符合性。
进一步的，所述技术设计阶段与所述施工设计阶段通过多学科优化手段实现大回路设计验证闭环；
具体为，通过仿真工具对舰船动力系统的结构样机和性能样机进行仿真分析，验证舰船动力系统整体需求的符合性，保证设计的正确。
如图4所示，在舰船动力系统整个设计过程中，从需求模型、功能模型、逻辑架构模型以及物理仿真模型中均构建了CPS接口工具，连接仿真工具(包含舰船动力系统功能模型、结构样机和性能样机的仿真模型)与实物系统(包含舰船动力系统综合试验、系泊试验和航行试验的试验数据，所述试验数据均存入试验数据库中)，实现设计模型数据与试验数据交互的通道。通过CPS接口能够实现设计环境与外部试验数据之间的数据交互，提高设计模型的准确性，同时可以利用设计模型指导实物试验分析。
如图5所示，整个舰船动力系统设计平台基础架构分为基础资源层、数据管理层、功能应用层以及管理层四层结构，共同构成设计平台基础；所述舰船动力系统的设计流程在平台上进行实现。
其中，所述基础资源层包括软件资源(具体为相关的设计软件和仿真建模软件)和硬件资源(具体为搭载软件资源的硬件设备、试验平台和施工设备)；所述数据管理层包括设计模型数据和试验数据；所述功能应用层包括构型设计工具、仿真工具和CPS接口工具；所述管理层包括门户管理和交互界面两部分。
综上所述，采用本发明的一种基于CPS的舰船动力系统数字化全流程设计环境构建方法：
1、所发明的一种基于CPS的水面舰船动力系统数字化全流程设计总体环境构建方法能够指导构建舰船动力系统数字化平台环境开发，提高舰船动力系统研制效率；
2、所发明的一种基于CPS的水面舰船动力系统数字化全流程设计总体环境构建方法能够实现设计过程与试验过程的交互，利用设计过程模型指导实物试验，缩短实物系统试验周期；
3、所发明的一种基于CPS的水面舰船动力系统数字化全流程设计总体环境构建方法可以实现实物试验数据动态校正设计模型，构建高精度数字样机，指导动力系统的维修、保障等虚拟分析。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于CPS的舰船动力系统数字化全流程设计环境构建方法，其特征在于，所述构建方法由虚拟空间和物理空间两部分组成，在所述虚拟空间中实现舰船动力系统的方案论证、方案设计、技术设计及施工设计四个阶段，在所述物理空间中实现舰船动力系统的综合试验、施工建造、系泊试验、航行试验和交付使用五个阶段，所述虚拟空间和物理空间通过CPS接口工具实现设计模型数据与试验数据之间的数据交互，所述虚拟空间采用需求管理-功能分析-逻辑架构的螺旋迭代设计方式，对方案论证和方案设计阶段进行小回路设计闭环验证，对技术设计和施工设计阶段进行大回路设计闭环验证，并根据设计模型数据指导指导舰船动力系统实物试验分析。
2.根据权利要求1所述的基于CPS的舰船动力系统数字化全流程设计环境构建方法，其特征在于，具体流程如下：
S1、在方案论证、方案设计和技术设计阶段采用构型设计工具进行基于模型的数字化构型设计；
S2、在施工设计阶段，根据所述最终系统方案，在仿真工具中构建舰船动力系统的结构样机、性能样机；
S3、对方案论证和方案设计阶段进行小回路设计闭环验证；
S4、对技术设计和施工设计阶段进行大回路设计闭环验证；
S5、构建CPS接口工具，连接仿真工具与实物系统，实现设计模型数据与试验数据之间的数据交互；
S6、根据设计模型数据指导指导舰船动力系统实物试验分析。
3.根据权利要求2所述的基于CPS的舰船动力系统数字化全流程设计环境构建方法，其特征在于，所述数字化构型设计具体包括：
S1，根据用户需求，进行方案论证阶段需求管理、方案论证阶段功能分析和方案论证阶段逻辑架构，输出概念方案；
S2，分解方案论证阶段逻辑架构，进行方案设计阶段需求管理、方案设计阶段功能分析和方案设计阶段逻辑架构，输出初步方案；
S3，分解方案设计阶段逻辑架构，进行技术设计阶段需求管理、技术设计阶段功能分析和技术设计阶段逻辑架构，输出最终系统方案。
4.根据权利要求2所述的基于CPS的舰船动力系统数字化全流程设计环境构建方法，其特征在于，所述技术设计和所述施工设计基于统一物理建模语言进行建模仿真。
5.根据权利要求2所述的基于CPS的舰船动力系统数字化全流程设计环境构建方法，其特征在于，所述小回路设计闭环验证具体为通过对舰船动力系统需求分析、功能分解，快速构建舰船动力系统功能模型，通过所述功能模型的运行分析，验证方案论证和方案设计阶段的需求符合性。
6.根据权利要求2所述的基于CPS的舰船动力系统数字化全流程设计环境构建方法，其特征在于，所述大回路设计闭环验证具体为通过仿真工具对舰船动力系统的结构样机和性能样机进行仿真分析，验证舰船动力系统整体需求的符合性，保证设计的正确。
7.根据权利要求2所述的基于CPS的舰船动力系统数字化全流程设计环境构建方法，其特征在于，所述实物系统具体包括舰船动力系统综合试验、系泊试验和航行试验。
8.一种采用如权利要求1～7任一项所述构建方法的舰船动力系统设计平台，其特征在于，所述设计平台包括基础资源层、数据管理层、功能应用层以及管理层四层结构。
9.根据权利要求8所述的设计平台，其特征在于，所述基础资源层由软件资源和硬件资源组成；所述数据管理层由设计模型数据和试验数据组成；所述功能应用层由构型设计工具、仿真工具和CPS接口工具组成；所述管理层由门户管理和交互界面两部分组成。
10.根据权利要求9所述的设计平台，其特征在于，所述设计模型数据包含舰船动力系统功能模型分析数据和结构样机、性能样机的仿真数据；所述试验数据包括包含舰船动力系统综合试验、系泊试验和航行试验的试验数据。
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