装备数字样机研发管理平台解决方案
2025-05-06
1、必要性
在装备研发加速数字化转型的时代背景下，数字样机交付成为装备研发领域的显著趋势。早在2018年，美国国防部就发布了《数字工程（Digital Engineering）战略》，要求所属单位交付数字化样机，从而降低研发成本，提升研发效率。数字样机凭借数字化模型替代传统实物样机，在装备从设计到维护的全生命周期中，提供了高效、精准的验证与优化路径。
搭建数字样机平台，不仅能满足JF对数字样机在不同阶段的交付要求，保障数字样机的交付质量，助力装备研发向数字化、智能化转型，推动装备建设高质量发展，而且对装备研制单位自身而言，数字样机交付能降低实物样机的制造成本，在装备定型前通过虚拟验证提前发现并解决设计问题。装备研制单位搭建数字样机平台，是满足 JF 交付标准，确保数字样机具备高置信度与完整性的关键举措，更是顺应装备研发数字化转型的必然选择。
在嵌入式系统研发过程中，其涉及多学科知识深度融合以及复杂系统的高度集成，传统研发模式沟通成本高、数据流通不畅，已难以满足当下对高效协同研发的迫切需求。数字样机平台集成了丰富的仿真工具、降阶模型和完备的模型库管理系统，可对不同类型的仿真工具和数据进行有效整合。借助这一平台，来自机械、电子、控制等不同学科的研发人员，能够打破专业壁垒，在同一数字环境下开展联合仿真工作，彻底解决以往因仿真工具不兼容导致的研发效率低下问题。此外，构建平台强大的分布式联合仿真能力，能够突破地域限制，支持身处不同地区的团队同时参与研发。例如，位于国内的设计团队和远在海外的测试团队，可实时共享数据、协同操作，对研发方案进行同步优化，进一步提升研发效率，显著缩短嵌入式系统的研发周期。
数字样机平台如同一条无形的纽带，贯穿嵌入式系统从需求分析到退役处置的全生命周期。从需求样机出发，精准捕捉用户对嵌入式系统的功能和性能期望，再到功能样机对系统基本功能的初步构建，性能样机对系统性能的深度优化，制造样机指导产品的生产制造，最后到运维样机助力系统在服役期间的维护管理。通过数字主线，平台实现各阶段模型的无缝关联与统一管控。这不仅在嵌入式系统研制过程中，保证了数据的一致性和准确性，减少因数据不一致导致的错误和返工，还为后续嵌入式系统的运维提供了可靠的数字孪生基础。运维人员可基于数字孪生模型，实时模拟系统运行状态，提前预测故障，制定科学合理的维护策略，极大提升系统运维的效率和质量。
数字样机平台配备了专业的模型鉴定工具和先进的管理应用系统，对嵌入式系统数字样机的置信度进行全面、深入的评估。以结构静力学、动力学、传热及流体模型等关键模型为例，平台不仅能对其进行精准鉴定，还可借助降阶模型，在保证模型精度的前提下，实现高效仿真，确保模型在复杂运算场景下仍具备实时响应能力。通过严格的鉴定和优化，确保交付的数字样机具备高保真度和可靠性，满足JF对数字样机交付质量的严苛要求，为嵌入式系统的实际应用提供坚实的技术保障。
数字样机平台具备强大的数字样机打包、校验和交付管理功能，严格遵循行业标准和规范，确保交付过程的标准化和规范化。该平台支持多种格式的模型导入与导出，无论是常见的结构力学模型、传热模型、流体仿真模型，还是系统性能模型，都能实现无障碍导入与可视化展示。这使得我院能够将内部分散的设计和仿真资源进行有效整合，形成统一、规范的数字样机模型。例如，我院不同部门使用不同设计软件产生的模型，都可通过平台进行格式转换和数据融合，打破工具之间的数据壁垒，实现数据的无缝流动，为数字样机的交付奠定坚实的技术基础。
综上所述，建设数字样机平台是顺应装备研发数字化转型的必然趋势。它不仅能够满足JF对数字样机交付的高标准要求，还能从多个维度提升装备研发效能。通过构建仿真集成功能、分布式联合仿真能力和数字样机管理及交付等功能，为国产嵌入式系统的研发提供全方位、强大的技术支撑，推动嵌入式系统研发向更高水平迈进，助力我国装备研发行业在全球数字化浪潮中占据领先地位。
2、工作原理及用途
嵌入式系统数字样机综合管理平台通过构建一个高度集成的数字化环境，实现了从需求到设计、从仿真到验证的全流程贯通。数字样机平台以模型为基础，打通上下游数据链，实现基于模型的数据传递和需求分解与闭环管理。
数字样机研发管理平台的工作原理围绕着各功能模块的协同运作展开。在协同平台基础能力方面，基础管理功能起到保障系统安全与有序运行的作用。人员、角色、权限管理严格界定不同用户的操作权限，防止非法访问与越权操作。对象管理、变更管理和配置管理则专注于对平台内各类对象及其状态变化进行把控，确保系统稳定。消息管理、日志管理和分类检索方便用户获取信息和追溯操作记录，提升用户操作的便利性与可追溯性。数据管理功能对业务、设计、仿真等多类型数据进行全面管理，通过文档管理、知识管理和数据挖掘，实现数据的有序存储与深度利用，为平台运行提供坚实的数据支撑。
数字样机平台一项至关重要的工作是对各类专业工具进行集成。体系建模工具可构建系统整体架构模型，从宏观视角对系统架构展开分析与设计；需求分析工具能抓取用户需求，并将其转化为可执行的需求模型，为后续设计筑牢根基；系统仿真工具用于对系统开展一般性模拟仿真，多学科仿真工具则整合多学科知识，对系统进行复杂的仿真分析，二者皆为验证系统性能服务；试验数据管理工具可实现对试验数据的高效管理，助力精准分析试验结果；故障诊断工具能够排查系统潜在故障；运用保障工具则为系统在运用和保障阶段提供支撑 。
数字样机平台首先是模型驱动引擎，平台的核心是模型驱动引擎，它负责将需求转化为可执行的数字模型。通过模型驱动引擎，平台能够将需求管理平台中的需求数据转化为系统设计平台的输入，实现需求的自动分解和传递。这种基于模型的驱动方式，不仅提高了需求分解的效率，还确保了需求在设计过程中的准确性和一致性。
数字样机平台其次是数据链路层，数据链路层负责打通上下游数据链，实现各平台之间的数据无缝流动。通过数据链路层，平台能够将需求管理平台、系统设计平台和多学科仿真平台的数据进行整合，确保数据的一致性和实时性。这种数据链路的打通，使得基于模型的数据传递成为可能，为需求分解与闭环管理提供了坚实的基础。
数字样机平台核心多学科协同建模及联合仿真，平台支持多学科协同仿真，通过集成不同学科的仿真工具，实现复杂系统的多学科耦合设计与验证。例如，在嵌入式系统研发中，平台能够将结构力学、流体力学、热力学和控制系统等多个学科的仿真结果进行整合，为系统设计提供全面的性能评估。这种多学科协同建模与联合仿真能力，不仅提高了设计的准确性，还缩短了设计周期。
平台拟采用分布式仿真架构，支持跨专业的协同研发。通过分布式仿真，平台能够将不同的仿真资源进行整合，实现高效的协同仿真。
嵌入式系统数字样机综合管理平台在装备研发的各个阶段具有广泛的应用。平台通过提供高效的数字化工具和协同机制，支持从系统设计到交付的全流程管理。以下是平台用途的详细阐述：
系统设计阶段，平台支持基于模型的方案快速迭代设计模式。通过模型驱动引擎，平台能够将需求自动转化为设计输入，实现需求的快速分解和传递。这种基于模型的设计方式，不仅提高了设计效率，还确保了设计的准确性和一致性。
在研制生产阶段，平台通过全周期一体化协同，实现装备三维设计、工艺、生产和交付的全流程管理。平台能够将三维设计工具、仿真工具和工艺仿真工具进行整合，实现设计、工艺和生产的无缝衔接。
在交付阶段，平台支持装备的数字化交付，通过数字孪生技术为装备的后续使用和维护提供支持。平台能够将数字样机与物理装备进行绑定，为用户提供更直观的装备使用指南和维护建议。为JF提供装备的实时运行状态和维护建议，提升装备的使用效率和可靠性。
综上所述，数字样机研发管理平台通过构建一个高度集成的数字化环境，实现了从需求到设计、从仿真到验证的全流程贯通。平台在装备研发的各个阶段具有广泛的应用，能够显著提高我院的研发效率和产品质量，为装备的数字化交付和全生命周期管理提供有力支持。
3、组成、功能、性能指标
数字样机研发管理平台功能组成涵盖了装备论证、研制、交付、运用各阶段各专业。其中数字样机平台基础平台提供数字装备研制过程中人员、角色、权限等管理功能，保障系统有序运行。数字样机工具集成汇聚体系建模、专业仿真等各类工具，为研发提供支撑；数字样机流程管理涉及流程规划、任务执行等环节，确保研发流程规范；数字样机数据管理对业务、设计等多源数据进行处理。
数字样机平台主要支撑的APP包含MBSE协同建模、集成研发等模块，实现需求管理、仿真计算等功能。数字样机构建包括体系、需求等模型构建及集成，涉及任务分析、功能建模等操作。交付环节分为存管和交付两部分，存管有需求验证、模型管理等，交付含数字样机模型等。最终，数字样机在体系论证分析、方案设计迭代等典型应用场景中发挥作用。
数字样机业务协同建模模块是确保数字样机研发顺利进行和取得预期成果的关键。基于数字样机业务协同模块，可以实现数字样机研发项目的全流程管理，确保项目的高效、有序进行。
数字样机集成建模模块，涵盖数字样机研制过程中的体系分析、需求定义、系统设计、工艺制造、试验鉴定等全生命周期各类数字样机模型的构建。通过数字样机协同研发平台与不同专业、不同领域的设计建模、仿真分析等工具的集成，实现在统一平台上对数字样机的体系模型、需求模型、系统模型、物理模型、工艺制造模型等各类数字模型的构建。
数字样机存储与管理模块，主要针对数字样机研制过程中产生的各类需求模型、设计模型、仿真模型、工艺制造模型、虚拟试验模型和各类数据进行统一的存储和管理，实现数字样机研制过程中数据源的统一，包括数字样机的需求验证、数字样机的置信度评估、数字样机模型管理和数字样机评审入库等内容。
数字样机交付与展示模块，主要是对构建的各类数字样机模型（如需求模型、功能模型、性能模型、几何模型、降阶模型）等，以及集成后的数字样机模型和参数等打包为标准交付物形式。
数字样机基础管理模块是支撑数字样机研发平台开展数字样机业务协同、数字样机模型构建、数字样机数据管理以及数字样机交付和展示等功能的基础环境。主要包括数字样机研发过程中的人员管理、角色管理、权限管理、对象管理、分类管理、变更管理、配置管理、消息管理、日志管理、检入/检出等内容。
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