复杂系统数字孪生：复杂系统研发模式变革.docx

复杂系统研发模式变革 工程产品的复杂性在增加 从18世纪60年代中期到21世纪的今天，人类共发生了四次工业革命。在这四次工业革命中，工程产品学科发生了巨大变化，从机械化、电气化、信息化到数字化实现了从单学科的机械传动到多学科耦合的智能控制。这在最开始工程产品产生时的命名就可以看出，如蒸汽机、轧棉机、缝纫机、珍妮纺织机、拖拉机等，这里的“机”就是机械的意思，用机械化代替手工劳动。而现在的工程产品称为“赛博物理系统”，这里的“赛博”是指数字化的智能控制，而“物理”部分也由之前的机械、液压扩展到机械、液压、气动、电子、电气、电磁多学科耦合。从对工程产品的设计人员的技能要求来看，之前的设计人员多为机械工程师，而现在的设计人员通过要求要懂多种学科，如掌握机、电、液、软多种学科的复合型人才等。 近些年随着科技的不断发展，工程产品的复杂性在增加，产品开发的难度越来越大，主要体现在以下几个方面：1)系统组成元素较多，组成元素间的交互多；2) 涉及的学科较多，且各学科强耦合；3) 软件代码行数成倍增加；4) 设计约束增多，设计方案空间减少。 系统组成元素较多，组成元素间的交互多 一台波音747飞机有400万个零部件，由分布在65个大企业和15000多家中、小企业协同生成制造。空客380的机体由多个零部件组成，如 REF _Re\h 图1- 1所示，其中机头、中机身、扰流板和副翼由空客法国公司生产制造，前机身、后机身、缝翼和部分尾翼由空客德国公司生产制造，两侧的机翼由空客英国公司生产制造，下机身、升降舵、方向舵和部分尾翼由空客西班牙公司生产制造，而前缘襟翼由空客比利时公司生产制造，这些零件需要组成在一起才形成飞机的机体整体。 图1- SEQ 图1- \* ARABIC 1 空客380机体由多个零部件组成 不仅系统组成元素增多，产品复杂性增加，而且组件元素间的交互增多，也会让产品变得更复杂。如一个由5个组成元素构成的系统，其两两交互的方式由10种，而由这10种两两交互方式配置出整个系统的交互方式，则理想情况下存在210种配置方案。而如果系统的组成元素增加到30个，其两两交互的方式由435种，而由这435种两两交互方式配置出整个系统的交互方式，则理想情况下存在2435种配置方案。这种交互方式的增加，对系统的复杂性的影响是巨大的。 图1- SEQ 图1- \* ARABIC 2 组成元素的交互增加产品的复杂性 涉及的学科较多，且各学科强耦合 现在先进的工程产品通常涉及多学科，如航空航天飞行器设计涉及到的学科包括：结构设计、复合材料设计与分析、固体力学、结构强度、气动外形设计、流体力学、飞行力学、飞行器性能计算与分析、自动控制理论、软件开发、机电一体化、液压伺服技术、电气控制、通信导航、综合显示、试验技术等，这些学科互相耦合，才能实现飞行器的总体功能、行为和性能。 飞机设计是一个多学科间不断权衡迭代的过程，如 REF _Re\h 图1- 3所示，从单学科出发设计出来的“理想飞机”，如机身部门希望飞机机身越大越好，电气部门希望飞机全部作动用电气实现，液压部门希望飞机全部作动用液压实现，动力部门希望发动机动力十足，气动部门希望飞机机身机翼流线型要好，制造部门希望飞机结构都是方方正正的，强度部门希望机身结构越结实越好，如果这些部门只考虑自己负责的学科，不考虑其他学科，这样设计出来的飞机是没办法做到各学科协同最优的。 图1- SEQ 图1- \* ARABIC 3 从单学科角度设计出来的“理想飞机” 飞机机电系统包括电源、燃油、液压、第二动力、机轮刹车、环境控制和生命保障等学科，这些学科从独立运行到系统能量、功能、物理和控制方面的综合，机电系统的交联关系越来越多，从量变到质变的转换。如INVENT计划原型机的机电系统多学科交互如 REF _Re\h 图1- 4所示，该飞机由发动机、燃油与热管理系统、鲁棒电源系统、自适应动力与热管理系统、高性能机电作动系统和航电系统，并定义了这些组成子系统间传递的热能、机械能和电能信号等 REF _Re\r \h [1]。 图1- SEQ 图1- \* ARABIC 4 INVENT计划原型机的多学科交互 软件代码行数成倍增加 随着工程产品的智能化程度增加，软件已经成为复杂工程系统的主要组成部分，出现了“软件定义功能”的新设计思想。根据SAVI项目中的统计，如 REF _Re\h 图1- 5所示，波音和空客公司的飞机中软件的代码行数在逐年递增，目前几乎达到每四年就翻倍。软件代码行数的增加会导致开发难度和开发成本的急剧增加，目前估计可接受的最高行数为2700万行，开发成本达到78亿美元，如果再继续增加，企