同元软控新一代复杂装备虚拟试验解决方案与实践

在各类复杂装备工程研制中，试验的重要性是毋庸置疑的。试验作为整个研制流程中必不可少的环节，往往是物料、时间、经济等成本消耗最大的阶段。以航空发动机为例，据统计，现代航空发动机整体研制成本中，试验及试验所需的实物制造装配成本占比已超过60%。伴随着数字化技术的持续发展，实现物理试验的数字化，通过基于模型的虚拟试验实现对传统实物试验的补充甚至替代，已成为试验技术发展的必然方向。

△ 航空发动机整机地面试验

复杂装备虚拟试验技术的实践与预期仍存在着显著差距，突出表现为流程完备性不足、适用业务范围有限。

• 实物试验的完整业务流程涵盖“试验前-试验中-试验后”等不同工作内容，当前的虚拟试验解决方案普遍只关注试验过程的模拟，严格意义上仍属于“仿真”范畴，距离试验的实际业务场景仍有落差；

△ 实物试验一般流程（以航空发动机为例）

• 基于仿真的虚拟试验，其应用领域仍以复杂装备个别零组件的功能性能测试为主，距离应用到复杂装备整体的能力鉴定仍有较大差距；这背后既有对于虚拟试验“仿而不真”的现实顾虑，也有当前仿真能力仅覆盖特定专业领域、难以兼顾仿真精度与实时性等技术局限。

新一代复杂装备虚拟试验技术以开放架构通用化软件平台为支撑，实现试验整体流程关键业务的全面覆盖，并进一步与装备研发流程的上下游阶段打通；依托新一代数字化技术，破解“仿真精度不足”、“仿真覆盖领域有限”、“仿真精度与实时性难以兼顾”等技术问题，通过持续技术演进与功能模块拓展，提升适用的业务范围，逐步实现虚拟试验在装备测试与考核鉴定领域的实践应用。

新一代复杂装备虚拟试验技术的核心特征是实现四个“数字化”，即试验对象数字化、试验条件数字化、试验过程数字化、试验结果数字化。

• 试验对象数字化：兼顾试验对象系统级行为/参数与专业领域细节的数字化表达，与试验对象的实际生产制造参数、运行状态等实现关联映射；

• 试验条件数字化：支持试验装置的物理域属性与信息域属性的一体化建模，全面覆盖相关的各种试验条件/试验工况；

• 试验过程数字化：基于开放架构的试验流程关键业务全面软件化，针对试验过程模拟提供工程可接受的高精度高效求解方案，面向试验观测与控制提供包含试验对象、试验条件、试验过程在内的充分可视化能力；

• 试验结果数字化：虚拟试验数据存储、处理、管理自动化，并支持打通已有PLM工具；数据运用支持模板化定制，并实现与上游指标的闭环。

（1）试验对象数字化关键能力需求

多专业、多层级、多尺度数学模型构建：支持试验对象机械、电气、控制、热等专业特性，系统、分系统、部件等层级对象，零维指标、一维系统功能/行为、三维性能参数的数字化表达。

△ 试验对象多专业、多层级、多尺度属性

数学模型与数据融合：模型具备与表征制造装配、使用运维因素的实测数据融合的能力，以考虑制造装配、使用运维因素的影响。

△ 数学模型与数据融合示意

（2）试验条件数字化关键能力需求

物理域属性与信息域属性一体化建模：支持试验装置的多专业、多层级物理域属性与控制、算法等信息域属性的统一模型化表达。

△ 物理域属性与信息域属性一体化建模示意

（3）试验过程数字化关键能力需求

基于开放架构的业务流程软件化：提供软件架构设计与定制开发能力，支持基于开放架构的业务软件开发。

大规模模型高精度高效率求解：支持大规模、多学科、多尺度、连续-离散混合的试验对象与试验条件数学模型的仿真求解，并兼顾仿真精度与仿真实时性。

△ 模型高精度高效率求解相关关键要素

模型与数据驱动的试验过程可视化：提供专业的二维、三维可视化能力，支持以数学模型及数据为驱动源，实现试验对象、试验条件、试验过程的可视化。

（4）试验结果数字化关键能力需求

大量虚拟试验数据存储、管理、运用：支持大体量虚拟试验数据稳定、快速存储，模板化处理与运用，安全可靠管理，并利用标准化接口打通已有PLM工具。

同元软控推出新一代虚拟试验解决方案，依托自主可控的系统仿真软件MWORKS.Sysplorer、科学计算软件MWORKS.Syslab、协同建模与模型数据管理软件MWORKS.Syslink、CAE模型降阶工具箱ROMbuilder、视景可视化工具箱PostEngineer等工具，以及完备的模型开发-集成-评价-管理-应用与软件架构设计-定制开发工程服务，实现对新一代虚拟试验关键能力的完整支撑。

△ 同元软控新一代虚拟试验技术支撑工具与工程服务

（1）基于MWORKS.Sysplorer的多专业、多层级统一建模

系统仿真软件MWORKS.Sysplorer完全支持多领域统一建模规范Modelica，支持多领域多层级系统统一建模与仿真，同时提供框图、状态机建模功能。凭借自主开发、性能领先的编译求解内核，支持百万方程规模模型高效仿真求解。

△ MWORKS.Sysplorer界面

（2）基于ROMbuilder的一维-三维模型融合

CAE模型降阶工具箱ROMbuilder提供三维性能模型仿真结果数据导入、模型训练、结果分析、模型导出与模型融合等功能，支持进行数据清洗和降阶，结合响应面、多层前馈神经网络、长短期记忆神经网络降阶算法进行训练和预测，生成代理模型。通过一维系统模型与降阶的三维性能模型融合，以较小的计算精度损失换取仿真效率的大幅度提升，从而综合系统模型的高效计算优势和多场模型的高精度仿真优势。

△ 基于ROMbuilder的一维-三维模型融合

（3）基于标准化接口模型库的模型-数据融合

MWORKS.Sysplorer提供标准化接口模型库，支持基于设备接口模型实现数字模型与物理设备信号关联，采用通讯模型封装分布式联合仿真协议实现虚实之间高实时与高准确性数据传输，进而实现模型-数据融合以及基于虚实映射的虚实互动互控。

△ MWORKS.Sysplorer标准化接口模型库

（4）基于MWORKS.Syslab的信息-物理融合建模

MWORKS.Syslab是同元软控全新推出的新一代科学计算软件，基于高性能科学计算语言Juia提供交互式编程环境的完备功能，支持多范式统一编程，简约与性能兼顾，内置通用编程、数学、符号数学、曲线拟合、信号处理、通信等函数库用于科学计算、数据分析、算法设计机器学习等领域，并通过内置丰富的图形进行数据可视化。依托与MWORKS.Sysplorer的双向深度融合，MWORKS.Syslab完整支持复杂装备信息-物理融合建模。

△ 基于MWORKS.Syslab的信息-物理融合建模示例

（5）基于MWORKS.CoSim的模型高效求解

专业级分布式仿真工具MWORKS.CoSim采用分布式架构，支持扩展MWORKS.Sysplorer的大规模模型分布式仿真能力，无缝衔接Modelica模型并兼容主流商业仿真模型及程序语言模型（如Simulink 、FMU 、C/C++、 AMESim、Flowmaster 、Flownet、 Nacelle 、Simics等），将模型分解并分布到不同的客户端上执行分布式并行求解。

△ 基于MWORKS.CoSim的模型高效求解示例

（6）基于MWORKS.Syslink的模型-数据管理

协同建模与模型数据管理软件MWORKS.Syslink提供基于云的模型-数据管理功能，采用统一数据库，支持数据导入、存储、分析、展现，为自动数据判读、自动系统评价、自动数据比对提供数据源。MWORKS.Syslink满足军工涉密应用系统安全保密要求，提供以三员、三库管理为基础的受控数据管理流程。

△ 基于MWORKS.Syslink的模型-数据管理

（7）基于PostEngineer的试验过程可视化

视景可视化工具箱PostEngineer支持扩展MWORKS.Sysplorer的仿真可视化能力，面向虚拟试验的技术状态配置、进程控制、状态监控与处置、数据与视景展示等需求，提供仿真、数据驱动，实现多重形式的二维、三维及视景可视化选项。

（8）模型开发-集成-评价-管理-应用服务

同元软控在复杂装备建模仿真项目中积累了丰富的工作经验，依托专业团队提供完备的模型构建、模型集成、模型评价、模型管理、模型应用等工程服务，为复杂装备虚拟试验提供关键支撑。

△ 模型开发-集成-评价-管理-应用服务示意

（9）软件架构设计-定制开发工程服务

同元软控面向虚拟试验整体化平台的构建、管理、应用，基于标准化、通用化、可升级、可拓展的原则，提供软件定制开发服务，支持建设行业用户专用的虚拟试验平台。

△ 基于通用标准、开放架构的软件定制开发示意

案例：热工水力系统运动条件流动特性虚拟试验平台

建设热工水力系统运动条件流动特性虚拟试验平台，支撑复杂运动条件下热工水力系统运行过程模拟，对运动条件下热工水力系统气液两相流动特性进行仿真分析与测试验证。

采用MWORKS.Sysplorer，基于统一建模语言Modelica构建了热工水力系统模型以及试验装置模型；热工水力系统模型支持两流体六方程的模型化表达，支持运动条件对气-液两相流流动传热特性影响模拟；试验装置模型包括液压驱动装置模型、机械机构模型和热工水力系统模型，支持倾斜、摇摆、起伏等单一或复合运动条件的准确模拟；虚拟试验平台支持试验条件的图形化输入，并提供完备的试验装置、试验过程与试验参数可视化展示功能。

利用虚拟试验平台，实现了热工水力系统在倾斜、摇摆、起伏等单一或复合运动条件下的运行特性模拟，虚拟试验结果用于热工水力系统在复杂场景下的运行特性研究与评价。

△ 热工水力系统运动条件流动特性虚拟试验平台示意

面向复杂装备数字化测试验证的迫切需求，同元软控提出了以“四个数字化”为主要特征的虚拟试验整体化解决方案；瞄准工程落地应用，遵循能力持续演进、国产自主可控原则，以MWORKS为虚拟试验支撑平台、凭借完备的模型开发-集成-评价-管理-应用服务与软件平台定制开发能力，为虚拟试验提供一整套覆盖完整业务流程、方法标准规范、工具自主可控的解决方案，以期进一步推动虚拟试验在复杂装备工程研制中的落地应用、发挥对复杂装备工程研制的支撑作用。 

正如其它数字化技术，虚拟试验技术同样会持续演进。未来，我们将进一步实现实物与“虚拟组件”的无缝融合，建立起虚实融合的复杂装备综合验证技术体系，并融入复杂装备数字工程，为复杂装备研制端与运用端的全面数字化提供关键支撑。