關(guān)鍵詞：MDAO系統(tǒng)、MBSE、復雜產(chǎn)品

MDAO= Multidisciplinary Design Analysis Optimization (or MDO)：多學科設(shè)計分析優(yōu)化

多學科分析與優(yōu)化(MDAO)

多學科分析與優(yōu)化(MDAO)是一種通過明確考慮學科之間重要的相互作用和協(xié)同作用來實現(xiàn)對完整系統(tǒng)分析和優(yōu)化的方法。這就產(chǎn)生了優(yōu)于傳統(tǒng)方法的設(shè)計。

MDAO成為可能，必須考慮以下幾方面內(nèi)容：

• 創(chuàng)建包含不同學科的分析工具和過程的自動化工作流。
• 重復執(zhí)行這些工作流，以快速探索和量化許多不同設(shè)計方案的性能、成本和風險。
• 執(zhí)行敏感性分析以找到最重要的變量，可視化和探索設(shè)計空間以理解關(guān)鍵關(guān)系和趨勢，問“如果……會怎樣?”的問題，并做出更好的決定。
• 運行優(yōu)化算法以找到最佳設(shè)計，并執(zhí)行概率分析以評估其設(shè)計的魯棒性和可靠性。
• 與使用傳統(tǒng)方法獲得的設(shè)計相比，這種設(shè)計更具創(chuàng)新性，具有更高的性能和更低的成本。

背景介紹

復雜航空系統(tǒng)的開發(fā)必須考慮整個航空運輸系統(tǒng)、飛機以及所有要集成的單個部件和技術(shù)的要求和限制。然而，外包的持續(xù)趨勢，加上技術(shù)責任日益向高層供應(yīng)商轉(zhuǎn)移，顯然帶來了組織、整合和溝通方面的挑戰(zhàn)。

理想情況下，在開發(fā)的每一個階段做出的每一個決定都應(yīng)該在開發(fā)中的產(chǎn)品的整個生命周期內(nèi)進行評估，并且針對每個相關(guān)的利益相關(guān)者。然而，隨著要設(shè)計的系統(tǒng)變得越來越復雜，決策過程的復雜性大大增加，在開發(fā)階段選擇設(shè)計方案變得更加困難。當前航空供應(yīng)鏈所基于的各種橫向和縱向水平的不良整合是一個重大挑戰(zhàn)，阻礙了高效和具有成本效益的發(fā)展進程的實現(xiàn)。

為了克服開發(fā)新型航空航天系統(tǒng)的挑戰(zhàn)，一個關(guān)鍵的特點是能夠在復雜的情況下做出正確的決策，并且比以往任何時候都要快。然而，識別、生成和評估新的設(shè)計解決方案是一項多學科的工作，需要敏捷性，而這一點目前還不具備。

因此，開發(fā)復雜性的管理需要采用新的復雜系統(tǒng)開發(fā)范式，并向新型設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)轉(zhuǎn)變。這種設(shè)想的下一代設(shè)計系統(tǒng)將需要利用數(shù)字設(shè)計工程原理，通過生產(chǎn)系統(tǒng)和供應(yīng)鏈的數(shù)字表示，以及跨不同學科和貫穿產(chǎn)品整個生命周期的無縫操作，無縫連接協(xié)作、跨國和跨組織開發(fā)過程中涉及的技術(shù)、技能和人員。

敏捷范式

研究和創(chuàng)新敏捷項目開發(fā)了一種方法，即所謂的敏捷范式，重點是加速協(xié)作MDAO系統(tǒng)的部署和運行，反過來可以加速復雜產(chǎn)品的開發(fā)，如新型航空航天系統(tǒng)。相對于傳統(tǒng)的MDAO方法，人們已經(jīng)證明為實現(xiàn)范例而開發(fā)的技術(shù)可以將部署和操作時間減少40%以上，但是在數(shù)字設(shè)計工程實踐中，還沒有將敏捷范例加以正式化和模型化處理。

這項工作介紹了一種新穎的方法，利用MBSE原則簡化敏捷MDAO設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)，并在MBSE和MDAO之間架起了一座橋梁。這里介紹的主要成果是MBSE驅(qū)動的所謂敏捷MDAO系統(tǒng)的模型，代表了MDAO系統(tǒng)的架構(gòu)、需求、組織方面以及在生命周期階段實施的所有交互和活動。MBSE架構(gòu)框架，定義了驅(qū)動敏捷MDAO系統(tǒng)模型開發(fā)的基本本體論概念和觀點，也被建模和呈現(xiàn)。

敏捷范式-MDAO系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

當前一代MDAO系統(tǒng)的主要障礙在很大程度上與建立復雜協(xié)作框架所需的努力有關(guān)。據(jù)Ciampa等人的研究結(jié)果表明，可能60%~80%的項目時間來設(shè)置這樣的過程。歐盟委員會資助了一個敏捷項目，于2018年結(jié)束，開發(fā)了一種名為敏捷范式的新方法，以簡化協(xié)作MDAO系統(tǒng)的設(shè)置、部署和操作。敏捷范式的核心是加速MDAO系統(tǒng)的部署和操作，反過來可以有效地利用這一點來加速復雜產(chǎn)品(例如新型飛機)的開發(fā)。為實現(xiàn)這種方法而開發(fā)的技術(shù)已經(jīng)在多個協(xié)同飛機設(shè)計和優(yōu)化應(yīng)用中得到證明，與傳統(tǒng)的MDAO方法相比，設(shè)置時間縮短了40%以上。

然而，盡管個別技術(shù)已經(jīng)以開源的方式發(fā)布，但敏捷范式還沒有通過利用數(shù)字設(shè)計工程實踐進行形式化和建模。在支持數(shù)字化設(shè)計工程轉(zhuǎn)型的使能器中，基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)在過去十年中越來越受歡迎。一些航空、汽車和國防部門已經(jīng)開始向MBSE方法過渡。MBSE實踐者提倡多重好處，如管理復雜性，確保一致性和完整性，改善溝通。因此，在產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境中，基于模型的系統(tǒng)工程和多學科設(shè)計分析優(yōu)化都旨在支持復雜系統(tǒng)(如飛機產(chǎn)品)的開發(fā)。

敏捷框架----------實現(xiàn)和支持MDAO工作流的設(shè)置和執(zhí)行的技術(shù)

開發(fā)復雜系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

1. 復雜性增長產(chǎn)生的挑戰(zhàn)

工程產(chǎn)品復雜性的一個常見度量是由組成系統(tǒng)的部件數(shù)量，以及實現(xiàn)系統(tǒng)功能所需的軟件源代碼的數(shù)量來表示的。自1960年以來，汽車、集成電路和航空航天器的復雜性急劇增加，但是航空航天器的設(shè)計、集成和測試的總時間也隨著復雜性的增加而增加，與其他行業(yè)的趨勢相反。縱觀航天飛行器復雜性的增長，我們可以觀察到不斷增加的SLOC。過去幾十年飛機駕駛艙的發(fā)展就是一個例子，軟件已經(jīng)取代了航空電子系統(tǒng)的模擬元件，向著全玻璃座艙設(shè)計發(fā)展。雖然更干凈的設(shè)計可能意味著簡化(從操作角度來說確實如此)，但它也只是阻礙了每一代產(chǎn)品所增加的功能和自動化。

2. 集成和組織方面產(chǎn)生的挑戰(zhàn)

當特定領(lǐng)域的設(shè)計（例如學科分析）是由分布在不同組織和不同國家的專家團隊提供的，集成產(chǎn)生的挑戰(zhàn)就更大。此外，開發(fā)復雜系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)往往是根據(jù)工程紀律（例如飛機制造商內(nèi)部的載荷部門）和功能（例如市場營銷、設(shè)計、制造）形成的，但它可能受到各種組織單位或合作伙伴所擁有的工作份額的影響，增加了額外的邊界和接口。

3. 溝通和社會技術(shù)方面的挑戰(zhàn)

從前面的考慮來看，可以清楚地看出，復雜系統(tǒng)的協(xié)作開發(fā)需要在整個生命周期中進行高效和有效的信息交換。特別是在人和工具之間，這種交換是正確和有意義的。在飛機開發(fā)過程中，由于對約束和需求的不同解釋，跨職能團隊之間很容易出現(xiàn)沖突，導致混亂和缺乏理解。因此，需要在多個層次上保證對信息的一致交換和解釋。在某種程度上，工程師、客戶、運營商和供應(yīng)商的心理形象必須保持一致。在另一個層面上，在開發(fā)過程中部署的異構(gòu)“設(shè)計生態(tài)系統(tǒng)”之間的互操作性需要由所有相關(guān)方來保證。在一個系統(tǒng)被開發(fā)出來之后，也可能會出現(xiàn)對互操作性的需求，例如在體系場景中。

用于復雜系統(tǒng)開發(fā)的框架

現(xiàn)代復雜系統(tǒng)的開發(fā)需要考慮到越來越多的交付能力、組織邊界、集成和通信方面的挑戰(zhàn)，以及來自產(chǎn)品生命周期的所有階段的限制。此外，正在開發(fā)的系統(tǒng)可能需要在系統(tǒng)的系統(tǒng)場景中運行，從而產(chǎn)生互操作性要求。

理想情況下，在開發(fā)的每個階段所做出的每一個決定都應(yīng)該沿著整個生命周期進行評估。對“開發(fā)復雜性”的管理需要為復雜的系統(tǒng)轉(zhuǎn)向一種新的開發(fā)范式。

最近，多個航空航天組織宣布了利用數(shù)字技術(shù)使能者的舉措，目的是簡化復雜航空航天產(chǎn)品的開發(fā)。一個例子是空客在2019年初推出的DDMS（Digital Design Manufacturing and Services：數(shù)字設(shè)計制造和服務(wù)）項目，該項目的建模技術(shù)和系統(tǒng)工程方法是下一個產(chǎn)品開發(fā)的核心。

基于模型的概念框架：將上游系統(tǒng)架構(gòu)開發(fā)階段與下游產(chǎn)品優(yōu)化階段（即MDAO）連接起來

本期引申閱讀：OpenMDAO

OpenMDAO是下一代多學科設(shè)計分析與優(yōu)化(MDAO)開源框架的初始版本。OpenMDAO是NASA開發(fā)的開源框架，可通過一個開源網(wǎng)站訪問，以覆蓋整個廣泛的MDAO社區(qū)，以促進MDAO科學的發(fā)展。MDAO涵蓋了大量的功能，包括一個靈活的框架和最新的規(guī)程代碼。這種創(chuàng)新特別涉及到框架。

OpenMDAO提供了核心軟件基礎(chǔ)設(shè)施來集成多學科可變保真度工具，并支持復雜系統(tǒng)的設(shè)計、分析和優(yōu)化。目前，OpenMDAO的功能包括組件鏈接、數(shù)據(jù)傳遞、驅(qū)動程序接口和延遲計算。在用戶集成了特定的組件代碼后，這個框架的初始基本功能足以讓他們運行和優(yōu)化分析。

隨著OpenMDAO的發(fā)展，該框架將包括以下功能:進程間通信、錯誤處理、用戶界面、幾何應(yīng)用程序程序接口(api)、插件接口、包裝工具的實用程序、版本控制和并行處理支持。需要明確的是，該框架將支持以下方面的集成，但不包括:優(yōu)化器、求解器、可視化工具、自定義數(shù)據(jù)類型、腳本組件和規(guī)程代碼。

航空航天:為了應(yīng)對當前和未來航空運輸面臨的經(jīng)濟和環(huán)境挑戰(zhàn)，航空設(shè)計必須將重點從今天的傳統(tǒng)“翼體尾”飛機擴展到更先進的飛行器。設(shè)計革命性的飛機以提高機動性和航空運輸效率的能力對國家經(jīng)濟至關(guān)重要，同時減少我們的環(huán)境影響和支持國防。這里所披露的技術(shù)包含了越來越復雜的計算模型和方法，使未來的飛機設(shè)計成為可能。

文章來源MBSE知識庫與應(yīng)用案例