飛行器總體設計是一項“高精尖”的復雜系統(tǒng)工程，包括總體、分系統(tǒng)和部件多個層次，涉及到氣動、結構、控制、經(jīng)濟性等多個學科，需要根據(jù)各系統(tǒng)、各學科之間相互聯(lián)系、相互制約的關系，進行大量的方案對比，進行多輪從簡至繁的設計循環(huán)，最終完成設計過程。飛行器總體設計是飛行器系統(tǒng)研制和應用的“龍頭”，飛行器總體設計水平不僅決定了飛行器系統(tǒng)的整體性能，而且決定了其費效比，是飛行器研制最為基礎、也最為重要的關鍵技術。
目前我們的設計方式還是離散的、孤立的、不系統(tǒng)的，設計過程不規(guī)范，工具軟件沒有集成，數(shù)據(jù)流沒有打通，而且沒有設計規(guī)則和方法庫引導各個設計環(huán)節(jié)的工作，造成設計過程的人工重復性勞動較多，設計過程效率低，設計周期長，費用高，質量卻不高，非常不適應當前任務量密集、研制進度緊迫的任務要求。
一、案例概況
通過飛行器總體設計平臺的建立，可以縮短飛機總體設計的周期，降低設計的復雜程度，提高飛機的設計效率和質量。在確保數(shù)據(jù)完整的情況下，避免數(shù)據(jù)的重復，節(jié)省系統(tǒng)資源，實現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)管理，使設計工具和設計技術靈活地適應產(chǎn)品研制的不同變化，為設計人員提供方便的設計工具，從而加快新產(chǎn)品的研發(fā)速度，提高產(chǎn)品品質，獲取產(chǎn)品的競爭優(yōu)勢。
該系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：
采用高度集成化的設計工具，實現(xiàn)工作效率的提高；
規(guī)范設計流程，提高設計能力；
集成現(xiàn)有分析軟件和工具，實現(xiàn)資源共享；
實現(xiàn)初步設計到詳細設計的數(shù)據(jù)無縫過渡；
采用數(shù)據(jù)中心，加強了設計過程與數(shù)據(jù)、功能模塊與數(shù)據(jù)之間的關聯(lián)性和統(tǒng)一性，打通各專業(yè)與數(shù)據(jù)資源中心的數(shù)據(jù)關聯(lián)。
1. 項目背景
XX研究院是XX的設計研發(fā)中心，承擔著我國擁有自主知識產(chǎn)權的XX，以及國家重大專項目和科技工程的設計、試驗、預研及關鍵技術攻關等歷史使命。在過去幾十年的發(fā)展歷程中，研發(fā)中心也把研發(fā)與加強能力建設有機結合起來，實現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展，并取得了一定的信息化成果。后續(xù)研發(fā)中心迫切需要從戰(zhàn)略高度，對部門信息化建設進行統(tǒng)一規(guī)劃與部署，集中力量建設集成設計信息化統(tǒng)一基礎平臺。
2. 預期目標
總體目標是在高度開放、靈活、可配置和可擴展的平臺框架上，針對飛行器集成設計的特點集成相應設計分析模塊，實現(xiàn)對飛行器總體設計項目流程的管控，數(shù)據(jù)的集成，知識的共享，減少研制過程中的人工重復勞動，提高工作效率和設計質量，縮短產(chǎn)品研制周期。
二、項目實施
1. 場景特征
飛行器總體集成設計平臺，緊密圍繞總體快速設計的研制主線，集成指標輸入設計，飛行剖面輔助設計、總體參數(shù)輔助設計、氣動外形輔助設計、氣動特性快速估算輔助設計、方案彈道設計、發(fā)動機輔助設計等六個專業(yè)設計模塊，并增加數(shù)據(jù)中心，打通各專業(yè)與數(shù)據(jù)資源中心的數(shù)據(jù)關聯(lián)，有效解決分布式異構數(shù)據(jù)的存儲、管理與檢索，實現(xiàn)設計過程中的數(shù)據(jù)共享。
基于“平臺+APP”模式和工程中間件思想的統(tǒng)一基礎平臺，在統(tǒng)一IT架構下，在總體、氣動、結構、強度等飛行器研發(fā)學科領域進行信息化專業(yè)系統(tǒng)技術研究和應用推進，面向業(yè)務需求，開發(fā)通用業(yè)務組件和共性功能模塊，與各類專業(yè)研究與設計、仿真分析、數(shù)據(jù)管理和項目管理系統(tǒng)集成，構建支持產(chǎn)品快速設計迭代、綜合集成的、具備自主知識產(chǎn)權的各個專業(yè)應用系統(tǒng)，促進研發(fā)中心集成化、數(shù)字化、協(xié)同化的研發(fā)體系的形成。
2 模式路徑
SYSWARE平臺目前已集成300多個工業(yè)軟件商業(yè)版本，同時可以將工業(yè)設備數(shù)據(jù)、工業(yè)基礎知識數(shù)據(jù)以及第三方服務商和供應商接入到平臺，即SYSWARE平臺是一個工業(yè)資源匯聚的平臺，平臺對匯聚的資源具有管理和優(yōu)化的功能，并在此基礎上不斷形成新的技術APP，去支持工業(yè)中的研發(fā)設計和生產(chǎn)制造，進而服務于具體的工業(yè)業(yè)務需求，從而實現(xiàn)工業(yè)數(shù)字化，智能化。
3. 技術實現(xiàn)
（1）技術架構
飛行器總體集成設計平臺技術架構，主要由數(shù)據(jù)層、工具層、平臺層、應用層等組成，其體系架構如圖5所示。
數(shù)據(jù)層，管理和存儲飛行器集成設計過程中各模塊產(chǎn)生的輸入、輸出數(shù)據(jù)，為飛行器集成設計的技術狀態(tài)確定和工程研制提供了數(shù)據(jù)基礎；
工具層，依托SYSWARE工具層，提供飛行器集成設計過程中涉及的各類商用和自研軟件API接口，供集成設計平臺調(diào)用，主要包括Matlab、C/C++、ProE、UG、Ansys、Fluent等；
平臺層，SYSWARE平臺層是飛行器集成設計軟件的核心，可以保證各個階段、各個專業(yè)模型之間的緊密關聯(lián)，實現(xiàn)多學科關聯(lián)設計和優(yōu)化，使飛行器集成設計系統(tǒng)繼承了平臺良好的交互性、開放性、兼容性、可拓展性；
應用層，結合飛行器總體設計的實際研制流程，在SYSWARE平臺上完成工具軟件封裝，并將總體方案快速設計涉及的專業(yè)設計和分析工具進行集成，集成封裝組件和可視化控件，輔助飛行器總體設計人員完成飛行器總體設計，快速形成初步的總體設計方案。
圖 5飛行器集成設計平臺體系架構
（2）功能介紹
1）數(shù)據(jù)中心
飛行器總體設計過程中，各個功能模塊之間會產(chǎn)生設計數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)、方案數(shù)據(jù)以及技術指標等大量數(shù)據(jù)交互，各個功能模塊之間數(shù)據(jù)自動交互。
圖 6數(shù)據(jù)中心功能結構示意圖
與傳統(tǒng)采用PDM、TDM和SDM系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)管理相比，本平臺采用的數(shù)據(jù)中心加強了設計過程與數(shù)據(jù)、功能模塊與數(shù)據(jù)之間的關聯(lián)性和統(tǒng)一性，打通各專業(yè)與數(shù)據(jù)資源中心的數(shù)據(jù)關聯(lián)，有效解決了分布式異構數(shù)據(jù)的存儲、管理與檢索，實現(xiàn)設計過程中的數(shù)據(jù)共享。
圖 7數(shù)據(jù)中心可視化展示
2）指標輸入
指標是開展飛行器總體快速設計的依據(jù)，指標確定了飛行器射程、精度、系統(tǒng)可靠性等關鍵指標，協(xié)同設計平臺首先自動將指標相關參數(shù)進行結構化處理，并自動導入。根據(jù)指標輸入，開展飛行剖面設計，平臺根據(jù)工程經(jīng)驗給出初步設計參數(shù)，并完成助推段航程、滑翔航程以及下壓段航程等飛行剖面初步劃分。
圖 8指標輸入模塊功能
3）氣動外形設計
氣動外形設計，是飛行器總體設計中的重要組成部分，也是評定方案設計優(yōu)劣的一個重要方面。氣動外形設計模塊，封裝了氣動外形工程設計方法，根據(jù)飛行性能指標要求以及已確定的飛行剖面設計結果，完成卡門頭部外形、身部長徑比、飛行器全長、翼展等氣動特征參數(shù)設計，氣動、控制、穩(wěn)定等特性。理論外形確定后，系統(tǒng)可驅動平臺所封裝的三維CAD軟件完成飛行器氣動外形參數(shù)化建模（本案例封裝Proe）。
圖 10氣動外形設計模塊功能
4）氣動特性估算
氣動特性估算專業(yè)模塊，根據(jù)氣動外形設計模塊確定的飛行器氣動外形，完成氣動數(shù)據(jù)計算以及氣動特性分析。
模塊集成了工程計算程序，可用于飛行器概念設計階段的氣動特性初步估算或是用于對試驗、計算結果的參照和比對。模塊作為專業(yè)組件，可以與其他飛行器設計模塊進行組合和關聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動獲取、求解和反饋。
圖 12氣動特性曲線展示
5）動力系統(tǒng)
動力系統(tǒng)模塊，主要用于完成飛行器助推段火箭發(fā)動機的輔助設計，集成了初始技術指標、推進劑選擇、殼體設計、藥型、噴管設計、校核、發(fā)動機內(nèi)彈道計算等功能，可以覆蓋固體發(fā)動機全設計過程，模塊內(nèi)部集成算法為工程部門實際采用的主流設計方法和經(jīng)驗公式。
圖 13動力系統(tǒng)輔助設計模塊功能演示
6）飛行方案設計
飛行方案設計模塊，主要用于完成飛行器飛行方案的輔助設計，集成了氣動數(shù)據(jù)導入、初始狀態(tài)設置、動力系統(tǒng)設置、飛行指令設置等功能，可覆蓋飛行方案設計全剖面，模塊內(nèi)部集成的運動學、動力學模型以及龍格庫塔積分方法已經(jīng)經(jīng)過實際型號研制部門驗證，飛行方案計算精度可滿足飛行器概要設計階段工程部門研制需求。
4. 項目亮點
（1）實現(xiàn)模塊化智能設計
通過APP實現(xiàn)數(shù)據(jù)接口的標準化，并可運用組件“搭積木”式地進行設計、建模、仿真、分析和優(yōu)化，實現(xiàn)設計靈活性和重用性。通過定義各個APP之間的數(shù)據(jù)流和控制流，逐步形成統(tǒng)一關聯(lián)模型，實現(xiàn)設計方案關聯(lián)更改，提高設計循環(huán)效率，進一步實現(xiàn)多學科優(yōu)化。
（2）實現(xiàn)資源的集成、共享和挖掘
傳統(tǒng)設計過程的設計結果嚴重依賴個人經(jīng)驗和水平，需要大量的手工操作。將設計過程所需的基本規(guī)范、資源、規(guī)則和方法封裝為模板后，在后臺驅動各種軟件完成建模、計算、分析、數(shù)據(jù)處理等軟件操作過程，減少繁瑣的手工操作，提高工作效率。通過APP的封裝實現(xiàn)知識的積累和重用，降低人員技術門檻。
（3）實現(xiàn)知識驅動的設計
飛行器總體設計系統(tǒng)的各種APP中封裝的是開展飛行器總體設計不同環(huán)節(jié)的設計知識，通過這些組件的人機交互運行，可以驅動平臺所封裝的工業(yè)軟件完成飛行器總體設計與建模，實現(xiàn)了知識驅動的設計。
三、價值成效
1. 平臺價值
（1）智能設計協(xié)同設計及流程優(yōu)化
通過搭建飛行器系統(tǒng)的總體多學科協(xié)同設計系統(tǒng)，實現(xiàn)對于飛行器設計流程的有效管理和控制，預計將產(chǎn)生以下積極的效果：
建立任務流程一體化、分工明確、協(xié)作有序的研制項目管理系統(tǒng)；
逐級細化、協(xié)同編制的WBS分解策略；
項目管理與流程管理的緊密集成；
以數(shù)據(jù)驅動的設計模式提高團隊協(xié)同能力；
明確數(shù)據(jù)流向的任務數(shù)據(jù)定義及管理機制。
（2）智能設計
通過搭建飛行器總體集成設計平臺，實現(xiàn)對總體設計過程的有效管理和控制；通過集成化、模塊化設計，減少總體設計過程中的人工重復勞動，實現(xiàn)總體方案的快速設計，提高工作效率；通過多方案對比和多學科優(yōu)化提高總體方案的設計質量；為飛行器系統(tǒng)的設計奠定堅實的數(shù)字化支撐環(huán)境，縮短飛行器系統(tǒng)的研制周期。預計將產(chǎn)生以下積極的效果：
建模方式的改進；
提高數(shù)據(jù)流處理的效率；
實現(xiàn)多專業(yè)關聯(lián)設計；
實現(xiàn)知識管理；
提高綜合設計的效率。
2. 應用成效
飛行器總體集成設計平臺有效縮短總體方案迭代優(yōu)化分析周期，提高快速總體方案論證能力，將傳統(tǒng)總體方案迭代優(yōu)化分析周期的30天縮短到18天以內(nèi)；集成設計平臺的專業(yè)設計工具集成大大提升了總體方案論證及優(yōu)化設計的自動化水平，解放了總體設計人員的勞動力，提高了設計質量，減少了人為失誤。計算精度誤差小于5%，飛行器集成設計平臺以伊斯坎德爾為設計原型，形成快速總體設計方案與原型設計方案誤差小于3%。
四、其他案例
SYSWARE平臺在不同領域有很多高價值、高通用性的應用案例，例如在機械行業(yè)普遍存在的工裝快速設計問題，SYSWARE平臺能夠有效地幫助企業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化工裝快速設計。
數(shù)字化工裝快速設計系統(tǒng)基于SYSWARE平臺，與西門子Teamcenter平臺協(xié)同，將工裝三維模型、JT文件、圖片、工裝屬性信息、經(jīng)驗知識等數(shù)據(jù)有效地管理起來，以便于工裝知識的積累和共享，以及對工裝模型等資源的調(diào)用等。系統(tǒng)預期目標主要有以下四點：
沉淀數(shù)據(jù)
沉淀有價值寶貴數(shù)據(jù)資源，實現(xiàn)工裝業(yè)務知識的共享；
集中管理
集中管理工裝設計數(shù)據(jù)和工裝設計知識，實現(xiàn)工裝業(yè)務流程的規(guī)范化；
高效利用
方便用戶查詢并充分利用企業(yè)既有的經(jīng)驗知識和數(shù)據(jù)；
快速設計
能夠基于現(xiàn)有工裝三維模型、典型工裝，提高工裝設計效率，縮短設計周期。
以設計某工裝模型為例，如上圖所示，傳統(tǒng)設計改工裝模型至少需要12個小時，而利用現(xiàn)在的SYSWARE平臺和工裝快速設計APP，現(xiàn)在只需要2個小時不到，結合工裝設計流程，具體設計任務包括以下幾方面：
1）存在可借鑒的歷史模型；
2）可從四個模型中抽取同樣的組件；
3）需要替換氣缸、角座以及部分標準件共計16個零件；
4）裝配22個螺釘和銷并配打螺紋孔和銷孔；
5）需要刪除增高座等共計5個零件；
6）需要修改模型設計參數(shù)5-10個；
7）需要對新模型包括子零件重新命名，約96個，并同步TC。
圖 17工裝模型設計效率對比
上圖詳細對比了設計過程中各個環(huán)節(jié)所需工時情況，工時數(shù)據(jù)為用戶實際驗證給出，此簡單工裝設計案例反應出基于SYSWARE平臺定制開發(fā)的快速工裝設計APP給企業(yè)帶來的較大的應用價值。該項目實施至今已過3年，據(jù)用戶反應，以往公司全年的工裝設計任務需要至少20人并且經(jīng)常加班加點才能完成，而現(xiàn)在只需要5-6個人，很少加班就可以完成，既提高了了工裝設計效率，又壓縮了人力成本，同時統(tǒng)一標準化的工裝模型也保證了產(chǎn)品的設計質量。
五、下一步實施計劃
索為致力于研發(fā)連接、驅動工業(yè)軟件的工程中間件（類似于工業(yè)軟件操作系統(tǒng)），并通過知識組件模型，基于知識自動化的理念，建立了大量工程技術系統(tǒng)，如飛機總體設計、發(fā)動機集成設計系統(tǒng)、裝甲車輛總體設計系統(tǒng)、工藝集成研發(fā)系統(tǒng)等，實現(xiàn)知識工程化，大幅縮短設計周期和提高設計質量。
索為下一步計劃將注重在工業(yè)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)和工業(yè)數(shù)據(jù)建模分析兩個領域的進一步發(fā)展，即聚焦于工業(yè)數(shù)據(jù)的清洗、管理、分析、可視化等，以及機器的自動化建模和機器學習。