基于SysML的多学科设计建模与优化_张强.pdf

第 44 卷 第 8 期 包 装 工 程 2023 年 4 月 PACKAGING ENGINEERING 37 收稿日期：20221113 作者简介：张强（1997），男，博士生，主要研究方向为基于模型的系统工程（MBSE）、数字主线。通信作者：刘继红（1966），男，博士，教授，主要研究方向为复杂产品数字化设计与制造、知识工程与知识管理、智能制造与工业互联网。基于 SysML 的多学科设计建模与优化 张强，刘继红（北京航空航天大学 机械工程及自动化学院，北京 100191）摘要：目的目的 基于系统建模语言 SysML，分析多学科设计建模与优化过程，在理解多学科设计与优化数学模型的基础上，构建系统设计优化模型。方法方法 通过分析多学科设计优化的数学模型，利用 SysML 语言对多学科优化对象模型进行元模型表征，将生成的 SysML 模型进行模型转化，转换成 XML 格式以便优化求解器进行求解。结论结论 提出了一种用于多学科设计建模与优化的 SysML 扩展优化建模方法。通过SysML 系统建模语言的扩展版型，添加多学科优化相关的优化目标、优化约束、优化变量等优化元素的模型内容。提出了 SysML 优化信息的提取方法，以 XML 为中间格式，将提取的优化模型与优化求解器进行集成。通过系统设计与系统优化的集成求解为产品系统架构设计人员提供有效的决策支撑。关键词：基于模型的系统工程（MBSE）；SysML；多学科设计优化；优化模型构建 中图分类号：TB472 文献标识码：A 文章编号：1001-3563(2023)08-0037-11 DOI：10.19554/ki.1001-3563.2023.08.004 Modeling and Optimization of Multidisciplinary Design Based on SysML ZHANG Qiang,LIU Ji-hong(School of Mechanical Engineering&Automation-BUAA,Beijing 100191,China)ABSTRACT:The work aims to analyze the modeling and optimization process of multidisciplinary design based on sys-tem modeling language SysML,and build a design and optimization model of system based on the understanding the ma-thematical model of multidisciplinary design and optimization.By analyzing the mathematical model of multi-disciplinary design and optimization,the meta-model of multi-disciplinary optimization object model was characterized by SysML language,and the generated SysML model was transformed into XML format to be solved by the optimized solver.A SysML-extended optimization modeling method for multidisciplinary design modeling and optimization is put forward.Through the extended version of SysML system modeling language,model contents about optimization elements such as optimization objectives,optimization constraints and optimization variables related to multidisciplinary optimization are added.An extraction method of SysML optimization information is proposed.With XML as the intermediate format,the extracted optimization model is integrated with the optimization solver.The integrated solution of system design and system optimization provides effective decision support for product system architecture designers.KEY WORDS:model-based systems engineering(MBSE);SysML;multidisciplinary design and optimization;optimiza-tion model building 随着科技水平的不断进步和经济的发展需求，工程系统的复杂性不断增大。复杂工程系统的设计与开发不仅涉及多个学科，并且不同学科间存在着不同程度的耦合。多学科设计优化（Multidisciplinary Design Optimization，MDO）旨在充分考虑各学科间的相互影响与耦合作用，采用适当的优化方法和策略以及分布式计算等技术，组织和管理整个系统的设计过程，实现设计阶段各个学科间的平衡，通过深入分析各学38 包 装 工 程 2023 年 4 月 科之间的耦合关系和协同效应，获得系统的整体最优解，实现复杂工程系统性能的提高、设计成本的降低与研发周期的缩短，是一种解决复杂工程系统优化问题的有效方法1。另一方面，在解决不同学科领域间相互耦合的复杂性问题时，基于文档的系统工程已无法满足当前的研发需求，因此，采用基于模型的系统工程进行研发成为必然趋势。基于模型的系统工程（Model-Based Systems Engineering，MBSE）是指不同学科（包括机械、电气和软件）采用以模型为中心的方法，将各种模型集成到系统工程过程中，实现模型驱动的产品系统研发乃至全生命周期一体化，有望取代以往以文档为中心的方法2。MBSE 通过形式化的建模来支持全生命周期的系统工程活动，实现复杂系统的信息统一管理和全生命周期可追溯管控。目前航空航天、车辆、船舶等复杂产品制造领域都在积极探索和应用 MBSE 技术进行产品的研发3-5。但是，目前复杂产品的系统设计与系统优化是两个相对独立的过程，需要在不同的软件或者平台中实现，涉及复杂的数据转换过程。而应用多学科设计优化的思想对系统进行优化验证时往往需要对优化对象进行重新建模，费时费力且容错性极低。本文提出一种基于 SysML 的多学科设计建模与优化方法。通过分析多学科设计优化的定义和数学模型，基于 SysML 扩展机制实现基于 SysML 的 MDO优化模型表征，同时基于 XML 格式实现优化信息的抽取，实现多学科设计建模与优化的集成。1 系统设计与优化集成相关研究 基于模型是系统设计的手段，系统优化才是设计的最终目的。如图 1 所示，复杂产品的研制是设计方案不断迭代优化的过程。先进的系统设计方法和优化手段也一直是推动复杂产品创新研制的重要推动力。系统设计与系统优化的高效集成与应用对提高复杂产品的设计效率意义重大6。系统设计与系统优化集成的研究可以从应用平台和理论研究两个方面进行阐述。图 1 系统设计与系统优化的关系 Fig.1 Relationship between system design and system optimization 1.1 系统设计与优化集成应用平台 在设计与优化的集成平台方面，国外研究较早，形成了一批面向多学科设计分析优化的商业工具，主要有达索公司的 Isight和 Phoenix公司的 ModelCenter等。针对复杂产品的概念设计与优化集成，佐治亚理工的 R.Peak 等基于 SysML 建模工具的 MagicDraw 软件（达索公司）开发了 ParaMagic 插件7，可以在建模工具中进行系统设计并调用外部的数值计算工具进行优化求解分析。国内关于系统设计优化工具方面的相关研究较少，其中，北京航空航天大学的韩明红等提出了面向卫星等大型复杂产品的系统设计优化集成环境（SDOF），邓家提团队研制开发了产品协同设计优化平台（CLOVE），浙江大学刘玉生团队提出了 基 于SysML的 系 统 设 计 与 优 化 集 成 平 台（OptiMatic），航天三院三部开发了 SysDeSim 国产系统建模软件8。虽然这些工具都能在一定程度上支持系统的设计与优化，但是本质上这些工具只是从数据层面实现了设计与优化的关联，并没有实现系统设计到系统优化的无缝集成。1.2 系统设计与优化集成理论研究 系统设计与系统优化集成相关的理论研究主要有两个方向。一是通过扩展 SysML 语言，实现设计和优化模型的一体化表达，如 NASA 的喷气推进实验室（JPL）探索了基于 MBSE 的航天器任务操作系统设计，提高了对整体系统进行权衡和优化分析的能力9。JPL 在小卫星的设计过程中扩展了 SysML 的元模型，通过设计方案权衡的元模型来支持方案的权衡分析10。Leserf 等11提出了一种基于可变性的 SysML优化模型构建求解方法，通过在系统模型中添加扩展的可变性元素来定义系统设计模型变量，并根据优化上下文和模型可变性生成 PyOpt 优化框架下的优化问题描述文件。刘玉生和袁文强等提出了一种基于模式的系统设计与系统优化集成方法，通过 SysML 元模型扩展定义系统优化模型，并使用包含基本信息、问题描述、解决方案、影响等属性的模式信息，通过语义匹配寻找优化问题的解决方式。系统设计与系统第 44 卷 第 8 期 张强，等：基于 SysML 的多学科设计建模与优化 39 优化的另一种解决方案是对数值计算程序与系统概念设计建模工具加以集成，以实现系统设计的分析和优化。例如，SysML 建模工具与 MDAO 分析优化决策工具的集成12、SysML 与权衡分析工具的集成、SysML 与 MATLAB 工具的集成13等。系统设计和系统优化是复杂产品研制的重要环节，且面向系统设计和系统优化的理论和技术都已相对成熟。但是，目前复杂产品的系统设计与系统优化往往需要在不同的软件或者平台中实现，无法实现即时的系统设计方案优化分析和信息反馈。基于建模语言对系统设计和系统优化进行建模，可以提高设计优化分析的效率和容错性。2 多学科设计优化理论 2.1 多学科设计优化的定义 迄今为止，多学科设计优化（MDO）已经历了近 50 年的发展历程，然而，国际上对 MDO 的定义尚未有统一的认识。美国航空航天学会（AIAA，American Institute of Aeronautics and Astronautics）的多学科设计优化技术委员会给出了以下三种定义14：定义 1：MDO 是一种通过充分探索和利用系统中相互作用的协同机制来设计复杂系统和子系统的方法论。定义 2：MDO 是一种在复杂工程系统的设计中，必须对学科（或子系统）间的相互作用进行分析，并且充分利用这些相互作用进行系统优化合成的设计优化方法。定义 3：MDO 是一种当设计中每个因素都影响另外的因素时，确定应该改变哪个因素以及改变到什么程度的设计方法。虽然上述三种定义互不相同，但所共同强调的MDO 的主要特点如下：1）本质：设计方法论。2）研究对象：复杂产品设计过程。3）研究范围：产品设计全生命周期。4）基本思想：通过分析多学科之间