復雜機電系統(tǒng)多學科設計與仿真集成框架

第20卷第12期系統(tǒng)仿真學報?Vol.20No.122008年6月JournalofSystemSimulationJun.,2008復雜機電系統(tǒng)多學科設計與仿真集成框架畢魯雁,焦宗夏,范圣韜(北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院,北京100083摘要:為實現(xiàn)復雜機電系統(tǒng)的設計與仿真中多學科應用的集成以及信息的交流與共享,提出了一種復雜機電系統(tǒng)多學科設計與仿真集成框架,并給出了集成框架的參考模型。該集成框架采用了有利于實現(xiàn)設計與仿真應用程序“即插即用”的組件結(jié)構(gòu),并建立了機電系統(tǒng)設計與仿真公共信息模型和標準應用組件接口。復雜機電系統(tǒng)多學科設計與仿真集成框架以多學科綜合設計與仿真為核心,以公共信息模型為基礎,通過標準化應用組件接口實現(xiàn)不同工程領(lǐng)域的設計與仿真工具的集成以及設計和仿真信息交流與共享,從而支持多學科團隊間的協(xié)同工作。關(guān)鍵詞:機電系統(tǒng);多學科設計;公共信息模型;組件接口;集成框架中圖分類號:TP391文獻標識碼:A文章編號:1004-731X(200812-3265-05ComprehensiveElectromechanicalSystemsMulti-disciplinaryDesignandSimulationIntegratedFrameworkBILu-yan,JIAOZong-xia,FANSheng-tao(SchoolofAutomationScienceandElectricalEngineering,BeihangUniversity,Beijing100083,ChinaAbstract:Toimplementtheintegrationofmulti-disciplinaryapplicationsandsharingofinformation,anintegratedframeworkofcomprehensiveelectromechanicalsystemsmulti-disciplinarydesignandsimulationwasproposed.Areferencemodeloftheintegratedframeworkwasalsopresented.Thisintegratedframeworkadoptedcomponent-basedarchitecturewhichfacilitatedthedesignandsimulationapplicationsplugandplayintheframework.Notonlytheelectromechanicalsystemmulti-disciplinarydesignandsimulationcommoninformationmodelwasdefined,butalsothestandardapplicationcomponentinterfaceswasspecified.Basedonthecommoninformationmodel,theintegratedframeworkcarriedouttheintegrationofmulti-disciplinaryapplicationsandinformationexchangeandsharingofthembyusingstandardapplicationcomponentinterfaceswhichsupportedtheinteroperableworkofmulti-disciplinaryteamsinElectromechanicalsystemsdesignandsimulation.Keywords:electromechanicalsystem;multi-disciplinarydesign;commoninformationmodel;componentinterface;integratedframework引言復雜機電系統(tǒng)開發(fā)是機械、電子、控制等多學科交叉和協(xié)作的系統(tǒng)工程。在復雜機電系統(tǒng)的多學科協(xié)作開發(fā)過程中,多學科領(lǐng)域的設計人員使用不同專業(yè)領(lǐng)域的設計與仿真工具在分布式環(huán)境下分工合作,為了使設計和仿真任務能夠協(xié)調(diào)進行,需要消除設計過程中的信息“孤島”,保證設計過程中多學科設計和仿真信息的交換與共享,提高不同領(lǐng)域設計工具之間的互操作性。機電系統(tǒng)多學科設計與仿真中不同工具的信息模型是專有的,缺乏公共、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型;各個工具訪問信息的機制也是專有的,缺乏標準的數(shù)據(jù)接口規(guī)范,這成為實現(xiàn)多學科設計和仿真信息交換與共享的最大障礙。本文所提出的復雜機電系統(tǒng)多學科設計與仿真集成框架以機電系統(tǒng)設計與仿真的公共信息模型為基礎,采用組件化技術(shù),定義標準的抽象組件接口實現(xiàn)各建模與仿真工具之間的集成和信息共享,并保證了集成框架的通用型和可擴展性。收稿日期:2007-03-18修回日期:2007-06-17基金項目:985二期項目航空航天復雜產(chǎn)品先進制造系統(tǒng)創(chuàng)新平臺作者簡介:畢魯雁(1981-,女,山東菏澤人,博士生,研究方向為復雜產(chǎn)品建模,機電系統(tǒng)多學科設計;焦宗夏(1963-,遼寧沈陽人,博導,研究方向為機電控制、系統(tǒng)仿真等;范圣韜(1981-,男,山東菏澤人,博士生,研究方向為機電一體化設計,電氣化鐵路故障檢測等。1集成框架的功能分析及設計思路1.1集成框架的功能分析建立復雜機電系統(tǒng)多學科設計與仿真集成框架的目的是對多學科領(lǐng)域的設計和仿真工具進行集成,實現(xiàn)信息的交換與共享。其集成不僅應該具備一般系統(tǒng)中信息集成的共性,而且應該具備以下特征:i.異構(gòu)信息處理:能夠處理機電系統(tǒng)多學科設計與仿真的多個工具的異構(gòu)信息模型,進行模型間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換;ii.多粒度數(shù)據(jù)訪問:集成框架中應該能允許設計與仿真工具進行多種粒度數(shù)據(jù)的訪問,如單個實體對象或者對象的某個屬性信息;iii.數(shù)據(jù)更新的實時性(實時性數(shù)據(jù)訪問:集成框架中設計與仿真工具對數(shù)據(jù)的更新能及時在存儲系統(tǒng)中得到反映,并可以及時地通知其它關(guān)心此改變的應用系統(tǒng)。ⅳ.多學科設計與仿真工具之間的互操作:集成框架能夠為分布于不同地理位置的多學科設計人員提供一種分布式的交互方式及信息共享機制;能夠支持各種工具之間的互操作。1.2集成框架的設計思路為了描述所處理的現(xiàn)實和虛擬世界中的對象,各種設計和仿真工具不可避免地要建立相應的信息模型,而這些設計2008年6月系統(tǒng)仿真學報Jun.,2008和仿真工具所采用的信息模型往往是不同的,這給信息的交換和共享帶來了很大的困難。產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標準(STEP:StandardfortheExchangeofProductModelData是在上世紀80年代發(fā)展起來的關(guān)于產(chǎn)品數(shù)據(jù)表達和交換的國際標準,在CAD/CAM/CIMS等領(lǐng)域中應用比較多,然而STEP標準不適合用于復雜機電系統(tǒng)多學科設計與仿真集成。(1EXPRESS語言過于復雜;STEP的描述語言EXPRESS是一種形式化信息建模語言。雖然其描述能力強大,但是為了表達復雜的產(chǎn)品對象,EXPRESS語言包括了很多具有復雜語義的功能單元,這使得EXPRESS語言的計算機可操作性變得極差[1]。(2STEP對于組件化的支持不夠,不利于軟件的集成。按照分布式計算(ODP:OpenDistributedProcessing的觀點,STEP主要關(guān)注的是信息視角(InformationViewpoint,即交換和處理的共享信息的語義;計算視角關(guān)注的是如何把系統(tǒng)描述成一組通過接口交互的軟件組件,STEP在這方面的關(guān)注不夠[2]。然而,軟件工業(yè)已經(jīng)經(jīng)歷了一場軟件設計概念方面的革命,從至上而下的面向過程的軟件設計方法發(fā)展到面向?qū)ο蟮能浖O計方法,直到最近的基于組件的架構(gòu)方法,這種面向組件的方法更有利于方便地集成多種軟件以及整合不同的系統(tǒng)[3]。國際電工委員會(IEC:InternationalElectrotechnicalCommission的61970標準和分布式管理任務組(DMTF:DistributedManagementTaskForce都使用了公共信息模型(CIM:CommonObjectModel的概念。IEC61970中的CIM是代表電力企業(yè)所有主要對象的抽象模型,包括這些對象的公用類和屬性以及它們之間的關(guān)系,為實現(xiàn)能量管理系統(tǒng)(EMS:EnergyManagementSystem中不同開發(fā)商開發(fā)的應用系統(tǒng)的集成和互操作提供了便利[4]。DMTF是領(lǐng)導面向企業(yè)和Internet環(huán)境的管理標準和集成技術(shù)的行業(yè)組織,它的CIM描述一個組織中所有的計算和網(wǎng)絡環(huán)境(包括硬件、軟件和服務[5]。將這種為所研究的領(lǐng)域中涉及的所有對象建立統(tǒng)一的公共信息模型的方法應用于復雜機電系統(tǒng)的多學科設計和仿真,同樣有助于多學科設計和仿真信息的交換與共享。為了滿足復雜機電系統(tǒng)多學科綜合設計與仿真的特點以及集成框架的功能需求,同時保證集成框架的通用性,本文所提出的集成框架主要規(guī)定了機電系統(tǒng)多學科綜合設計與仿真中具有共性的部分,主要包含兩個方面的內(nèi)容:(1定義統(tǒng)一的機電系統(tǒng)多學科設計與仿真的公共信息模型:公共信息模型描述機電系統(tǒng)多學科設計與仿真中所涉及到的主要對象,提供一種用對象類和屬性及它們之間的關(guān)系來表示機電系統(tǒng)多學科設計與仿真資源的方法,便于多學科工具間的信息共享和交互。(2定義標準的抽象應用組件接口:使用組件技術(shù)是分布計算系統(tǒng)設計的趨勢,有利于實現(xiàn)上層設計與仿真工具在集成框架中的“即插即用”,統(tǒng)一的應用組件接口能夠以一種標準方式和其他的組件(或應用程序交換信息和訪問數(shù)據(jù)。為了進一步增加框架的通用性,集成框架盡量采用一些中性的標準和技術(shù),盡量采用主流的技術(shù)從而可以獲得廣泛的工具支持。2集成框架的參考模型參考模型主要是用來展示機電系統(tǒng)多學科設計與仿真集成框架中的不同部分彼此之間是如何聯(lián)系的,它描述了在不同的情況下,系統(tǒng)的不同組件如何進行集成;它的設計參考了IEC61970標準的EMSAPI參考模型[3],集成框架的參考模型如圖1所示。圖1機電系統(tǒng)多學科設計與仿真集成框架參考模型集成框架的參考模型包含三個部分:機電系統(tǒng)設計與仿真應用組件、組件適配器、組件執(zhí)行系統(tǒng)。(1組件執(zhí)行系統(tǒng):包含參考模型中從組件容器層往下的所有內(nèi)容,包括組件容器、操作系統(tǒng)、硬件設備等,它為應用程序(或組件提供必要的運行服務如:數(shù)據(jù)存儲、網(wǎng)絡通信等。組件在組件容器中運行,組件容器為一個或多個組件提供管理和控制服務。當客戶機請求一個服務器組件時,這個容器可以自動分配一個進程或線程并初始化該組件。組件容器管理組件所使用的所有資源,而且還管理該組件和各個外部系統(tǒng)之間的所有交互。除此之外,組件執(zhí)行系統(tǒng)還為組件提供一些常用的服務,這些服務包括命名、事件、事務、安全和持久等。典型情況下組件容器由系統(tǒng)提供者作為組件執(zhí)行系統(tǒng)的一部分提供。(2組件適配器:為某類特定的執(zhí)行系統(tǒng)或環(huán)境開發(fā)的組件通常不能夠直接移植到一個其它類的執(zhí)行環(huán)境中,所以為了保證框架的通用性,實現(xiàn)對多執(zhí)行系統(tǒng)的即插即用,除了組件所被設計的執(zhí)行系統(tǒng),對每一個其它的執(zhí)行系統(tǒng),都2008年6月畢魯雁,等:復雜機電系統(tǒng)多學科設計與仿真集成框架Jun.,2008需要有一個組件適配器。它是處于應用程序(或組件和組件容器及集成基礎結(jié)構(gòu)之間的軟件,能夠屏蔽組件接口和所選擇的執(zhí)行系統(tǒng)環(huán)境及容器技術(shù)之間的差別。(3機電系統(tǒng)設計與仿真應用組件:組件是預先構(gòu)建的一段封裝起來的應用程序代碼,它可以獨立地進行開發(fā),也能夠和其他的組件和代碼組合成一個新的組件。通過組件的接口,其它的組件能夠以統(tǒng)一的方式訪問和操作其內(nèi)部數(shù)據(jù)。各個組件的粒度是不同的,可以很小,如一個簡單的用戶界面,也可以很大,如一個功能完善的設計或仿真工具。一個應用組件可以包含在給定領(lǐng)域內(nèi)完成一定業(yè)務功能的一個或多個組件,它往往由不同的領(lǐng)域?qū)I(yè)開發(fā)商開發(fā)。集成框架中集成的應用組件主要包括兩種類型:遺留應用程序以及專門為機電系統(tǒng)多學科設計與仿真集成框架開發(fā)的應用組件。要將遺留應用程序集成到框架中,由于其不符合組件接口標準,必須對遺留應用程序進行封裝。這是由遺留封套來完成的,它的主要功能是實現(xiàn)內(nèi)部的數(shù)據(jù)模型和公共信息模型的映射,完成私有輸入/輸出接口和標準組件接口之間的轉(zhuǎn)換,使遺留的應用程序能夠在一個基于組件的集成框架中參與信息交換,這樣就能夠使遺留應用程序或系統(tǒng)也能夠通過集成框架與其它即插即用組件一樣地工作。機電系統(tǒng)多學科綜合設計中所使用的很多應用程序都屬于此類遺留應用程序,包括不同軟件開發(fā)商開發(fā)的不同專業(yè)領(lǐng)域的設計及仿真工具如Matlab,Pro/E等。而對于新開發(fā)的應用組件其內(nèi)部數(shù)據(jù)的信息模型則采用公共信息模型,并且符合標準的組件接口,從而可以方便地實現(xiàn)即插即用。3集成框架的主要組成部分的設計3.1機電系統(tǒng)多學科設計與仿真公共信息模型機電系統(tǒng)多學科設計與仿真公共信息模型提供了機電系統(tǒng)多學科設計與仿真信息的一個綜合的邏輯視圖。它是一個抽象模型,包含了機電系統(tǒng)多學科設計與仿真中涉及的所有主要對象。機電系統(tǒng)多學科設計與仿真公共信息模型使用面向?qū)ο蟮慕７椒?面向?qū)ο蠓椒ò褑栴}域(現(xiàn)實世界中的事物抽象地表示為系統(tǒng)中的對象;并提供了封裝、繼承、對象標識、多態(tài)等特性,能夠描述事物間的復雜關(guān)系,更加適合于工程等非商務領(lǐng)域[6]。在公共信息中模型中,一個類是對現(xiàn)實世界中發(fā)現(xiàn)的一種對象的表示,而現(xiàn)實世界中的事物之間的關(guān)系則是通過類之間的關(guān)系來描述的。機電系統(tǒng)多學科設計與仿真公共信息模型采用統(tǒng)一建模語言(UML的表示方法。UML是可視化、規(guī)范定義、構(gòu)造和文檔化的建模語言。它吸收了面向?qū)ο蠹夹g(shù)領(lǐng)域其他流派的優(yōu)點,是一種先進實用并被廣泛應用標準建模語言。對象管理組織(OMG:ObjectManagementGroup已經(jīng)將UML作為行業(yè)標準[7,8],因而其獲得了眾多的建模工具的支持,如RationalROSE。使用類似于數(shù)據(jù)庫的三級模式結(jié)構(gòu)(外模式,概念模式和內(nèi)模式,機電系統(tǒng)多學科設計與仿真公共信息模型被分為三層:1核心模型(CoreModel層:該層提供了一個基本的詞匯表,作為設計通用模型的起點,核心模型定義了領(lǐng)域無關(guān)的術(shù)語,提供滿足所有領(lǐng)域的部分通用類集,是一系列類、連接和屬性的集合。2通用模型(CommonModel層:該層是從實際應用抽象出來,并與具體應用無關(guān)的一個層次,它定義了一系列的基本類來擴展到不同的專業(yè)領(lǐng)域。3應用模型(ApplicationModel層:該層是面向特定應用,與具體應用相關(guān)的一個層次,是通用模型在特定專業(yè)領(lǐng)域的擴展。由于每一層的規(guī)模比較大,機電系統(tǒng)多學科設計與仿真公共信息模型還通過包將每一層從邏輯上劃分為一組包,每一個包包含一個或多個對象類,可以使模型更易于設計、理解和查看。實體可以具有越過包邊界的關(guān)聯(lián),每個應用也可以使用多個包中所表示的信息。3.2標準應用組件接口標準應用組件接口規(guī)定了一個組件要成為集成框架中的一個即插即用的組件所要實現(xiàn)的一些接口,其它的組件可以通過這些接口以標準的方式訪問公共數(shù)據(jù)、交換信息,而不用關(guān)心信息在這個組件內(nèi)部是如何表達的。不同的組件可以有各自的信息描述,但只要在接口語義級上基于公共信息模型,組件就可以以同樣的方式訪問公共數(shù)據(jù),實現(xiàn)應用組件間的互操作和插件兼容。標準應用組件接口包含了為了達到此目標需要使用到的方法、事件和屬性。對于基于消息機制的交互,應用組件接口只是指定了在組件間交換的消息的內(nèi)容以及傳送消息所使用的服務。這些接口通過使用文字、UML和接口定義語言(IDL:InterfaceDefinitionLanguage的形式描述;同時在可能的情況下,標準應用組件接口最大程度地利用已有的國際標準或者工業(yè)標準。標準應用組件接口被分為兩大部分:(1通用服務接口,這些接口定義的通用服務可以被任意的應用組件用來與其它的組件交換信息或用來訪問公共數(shù)據(jù)。例如,通用數(shù)據(jù)訪問(GDA:GenericDataAccess包括訪問基于公共信息模型(CIM層次結(jié)構(gòu)信息的公共數(shù)據(jù)所需要的API服務。在不了解另一個組件內(nèi)部存儲數(shù)據(jù)的邏輯模式時,它允許一個組件訪問另一個組件(可以是一個應用程序或數(shù)據(jù)庫或系統(tǒng)所擁有的數(shù)據(jù)。GDA使用了IEC61970的通用數(shù)據(jù)訪問接口和OMG的公共事業(yè)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)訪問設施(UtilityManagementSystemDataAccessFacility[9.10]作為機電系統(tǒng)多學科設計與仿真框架中的面向請求/應答的數(shù)據(jù)訪問機制。2008年6月系統(tǒng)仿真學報Jun.,2008(2機電系統(tǒng)多學科設計與仿真典型應用組件接口,這部分規(guī)定機電系統(tǒng)多學科設計與仿真中一些常用的應用組件的接口。例如產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM:ProductDataManagement是機電系統(tǒng)多學科設計與仿真系統(tǒng)通常都會具有的功能,為了能夠以標準通用的方式訪問此模塊提供的服務,需要規(guī)定它用來提供服務的接口;作為采用組件化結(jié)構(gòu)的一個優(yōu)點,機電系統(tǒng)多學科設計與仿真框架的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理組件的接口采用OMG的產(chǎn)品生命周期管理(PLM:ProductLifecycleManagement中有關(guān)PDM規(guī)定的接口[11]。4集成框架應用示例圖2展示了采用機電系統(tǒng)多學科設計與仿真集成框架的一個示例。示例采用了CORBA組件執(zhí)行系統(tǒng),應用組件“插接”在組件執(zhí)行系統(tǒng)之上,通過組件執(zhí)行系統(tǒng)相互連接起來,組件執(zhí)行系統(tǒng)為組件提供交互和訪問公共信息的基礎服務。圖中的公共數(shù)據(jù)表示的是采用機電系統(tǒng)多學科設計與仿真公共信息模型的數(shù)據(jù)。組件A組件B圖2集成框架應用示例圖組件A是提供公共數(shù)據(jù)存儲服務的組件,它內(nèi)部的信息模型采用公共信息模型,其他的組件可以通過通用數(shù)據(jù)訪問(GDA接口從中讀出和寫入數(shù)據(jù),GDA中的通知服務接口還可以在數(shù)據(jù)發(fā)生變化的時候使用消息機制通知關(guān)心此變化的其它組件。組件B利用組件A提供的公共數(shù)據(jù)服務實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的功能,并通過標準PDM應用組件接口為其它需要產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理服務的組件提供服務。組件C是在對工具Pro/E進行二次開發(fā)的基礎上得到的一個可以進行機械系統(tǒng)設計的組件,由于Pro/E不符合組件接口標準,而且其內(nèi)部所采用的信息模型也不是公共信息模型,需要使用程序封套實現(xiàn)Pro/E內(nèi)部的數(shù)據(jù)模型和公共信息模型的映射并完成私有輸入/輸出接口和標準組件接口之間的轉(zhuǎn)換,使經(jīng)過封裝后的Pro/E能跟其它即插即用的組件一樣地工作。組件D可以進行電磁暫態(tài)的仿真計算,它內(nèi)部的數(shù)據(jù)模型雖然采用了公共信息模型,其接口也是標準的應用組件接口,但是它是為COM/DCOM組件執(zhí)行系統(tǒng)設計的,因此需要一個組件適配器來屏蔽COM/DCOM組件接口和CORBA執(zhí)行系統(tǒng)之間的差異。組件E和組件F分別具有液壓系統(tǒng)設計和仿真的功能,它們從最初的開發(fā)開始,內(nèi)部使用的信息模型就采用了機電系統(tǒng)多學科設計與仿真公共信息模型,并具有符合CORBA組件模型標準的應用組件接口,因而可以直接插入CORBA執(zhí)行系統(tǒng)中使用。5實驗用例在機電系統(tǒng)多學科設計與仿真中,需要描述實體的三維幾何形狀信息,因此機電系統(tǒng)多學科設計與仿真公共信息模型中包含用于描述三維幾何形狀信息的模型。使用擴展邊界圖3用于三維幾何形狀信息的類圖組件A組件B2008年6月畢魯雁,等:復雜機電系統(tǒng)多學科設計與仿真集成框架Jun.,2008表示法[12]描述三維幾何形狀信息是在實際應用中采用較多的一種方法。擴展邊界表示法使用體、面、邊、頂點、環(huán)和殼定義實體的尺寸和形狀。使用UML描述的類圖如圖3所示,由于涉及的類較多,圖中僅顯示了部分類。圖3中體(manifold_solid_brep、幾何曲面(face、幾何曲線(curve和幾何點(point為幾何實體,其它的是拓撲實體。一個體(manifold_solid_brep由殼(closed_shell圍成,一個體有且只有一個外殼,零到多個內(nèi)殼。而一個殼由多個面(face組成,一個面則由一個幾何曲面(surface和多個邊界(face_bound來定義,其中至少一個外邊界。一個面邊界由一個環(huán)(loop來定義。一個環(huán)由多條邊(edge首尾相連得到。一條邊則由一條幾何曲線(curve和兩個頂點(point來定義。一個頂點由它內(nèi)含的幾何點(point來確定。使用圖3定義的公共信息模型,通過對Pro/E進行二次開發(fā),就可以利用GDA接口在CIMServer中寫入和讀取三維幾何實體的形狀信息。圖4是使用Pro/E應用組件從CIMServer中讀出的三維零件實例的顯示結(jié)果。圖4通過GDA讀出并顯示的零件實例6結(jié)論為了滿足機電系統(tǒng)多學科設計和仿真要求,本文提出了一種的基于組件的開放式復雜機電系統(tǒng)多學科設計與仿真集成框架,該集成框架以機電系統(tǒng)多學科設計與仿真公共信息模型CIM和標準的組件接口為基礎,能夠?qū)崿F(xiàn)設計與仿真應用程序在集成框架中的“即插即用”,實現(xiàn)不同工程領(lǐng)域的設計與仿真工具的集成以及設計和仿真信息的交流與共享,促進多學科團隊的協(xié)同工作,提高設計與仿真的性能和效率。參考文獻:[1]楊子江,李善平.兩種Express數(shù)據(jù)模型的轉(zhuǎn)換方法[J].計算機工程,2000,26(1:63-70.[2]STARZYKD.STEPandOMGProductDataManagementSpecifications-AGuideforDecisionMakers[EB/OL].(1999-09-23[2006-12-01]./files/step-and-omg.pdf.[3]IEC61970-1Ed.1,EnergyManagementSystemApplicationProgramInterface(EMS-API–Part1:GuidelinesandGeneralRequirements,2003[S].[4]IEC61970-301Ed.1,EnergyManagementSystemApplicationProgramInterface(EMS-API–Part301:CommonInterfaceModelBase,2003[S].[5]DMTFOrganization.DMTFOrganization