劉 潺，陳立平，史世杰，蔣興沛，吳義忠

（1.華中科技大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.蘇州同元軟控信息技術(shù)有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引 言

在航天器工程中，數(shù)據(jù)接口的管理是一項十分復(fù)雜且重要的工作。航天器系統(tǒng)中往往擁有上百個設(shè)備，并且設(shè)備之間的接口涉及到機、電、熱等多個領(lǐng)域。各接口之間的相容協(xié)調(diào)工作，是航天器任務(wù)順利執(zhí)行的基礎(chǔ)保障。接口數(shù)據(jù)單（Interface Data Sheet，IDS）是航天器總體，以及各分系統(tǒng)，設(shè)備之間接口協(xié)調(diào)的載體和依據(jù)，能夠以表格化的形式記錄各個設(shè)備的物理屬性。文獻(xiàn)[2]從航天器設(shè)備接口數(shù)據(jù)安全性出發(fā)，對IDS系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程與數(shù)據(jù)安全方面的不足進(jìn)行分析，提升了設(shè)備接口數(shù)據(jù)管理的安全性。文獻(xiàn)[3]為了使IDS系統(tǒng)能夠滿足越來越復(fù)雜的參數(shù)采集、處理需求，在IDS系統(tǒng)中引入插件管理機制，增加了IDS系統(tǒng)的靈活性。隨著航天器系統(tǒng)工程復(fù)雜度的提高，IDS提供了接口數(shù)據(jù)的信息化、數(shù)字化管理功能，已經(jīng)在許多型號的設(shè)計、生產(chǎn)、驗證中得到了廣泛應(yīng)用。

而目前國內(nèi)針對航天器供配電系統(tǒng)的設(shè)計驗證，通常是靠工程師依據(jù)IDS中的設(shè)備信息和接點分配關(guān)系，對各設(shè)備進(jìn)行手工建模，然后集成各模型，進(jìn)行系統(tǒng)級仿真驗證，隨著系統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜度的提高，設(shè)計工作量變大，且易于出錯。而隨著基于模型的系統(tǒng)工程（Model Based System Engineering，MBSE）思 想的提出，將計算機可以理解與執(zhí)行的模型作為系統(tǒng)研制基礎(chǔ)，通過模型貫穿型號研制的全生命周期，能夠方便地對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計、分析、優(yōu)化、驗證，近些年來已經(jīng)得到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。

因此本文以某型號航天器供配電系統(tǒng)為研究對象，基于IDS接口數(shù)據(jù)單，提取設(shè)備電氣特性參數(shù)，分析設(shè)備間電氣傳輸路徑，并基于多領(lǐng)域統(tǒng)一建模語言Modelica，實現(xiàn)航天器IDS接口數(shù)據(jù)單到供配電系統(tǒng)仿真框架的自動生成轉(zhuǎn)化，能夠有效減少工作量，避免人為引入誤差，提高仿真驗證效率，具有實際工程應(yīng)用價值。

1 基于接口數(shù)據(jù)單的映射建模仿真系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)基本組成與功能

電氣系統(tǒng)的仿真驗證是航天器順利運行，完成任務(wù)的基礎(chǔ)保障。供配電系統(tǒng)為在軌運行的航天器提供了能源供應(yīng)，是設(shè)計的重中之重。而隨著航天器任務(wù)和型號的復(fù)雜多樣化，針對具體某一單一型號的設(shè)計模式已經(jīng)難以滿足工程設(shè)計需求。自動化生成模型，基礎(chǔ)模型的復(fù)用、擴展能夠大大減少開發(fā)設(shè)計工作，提升研發(fā)效率。通過航天器接口數(shù)據(jù)單映射建模仿真系統(tǒng)，能夠方便、快速地對不同型號的供配電系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，并且基于生成的系統(tǒng)仿真模型框架，能夠?qū)δＰ偷膮?shù)、方程進(jìn)行完善調(diào)整，對系統(tǒng)模型采用不同的仿真求解算法，進(jìn)行快速設(shè)計驗證。

基于接口數(shù)據(jù)單的映射建模仿真系統(tǒng)由Modelica基礎(chǔ)模型庫和IDS信息提取映射生成模塊組成。系統(tǒng)工作時通過分析IDS中的數(shù)據(jù)，提取電氣對象組織關(guān)系、設(shè)備節(jié)點連接關(guān)系、電氣特性參數(shù)，并基于由多領(lǐng)域統(tǒng)一建模與仿真語言Modelica搭建的基礎(chǔ)模型庫，依據(jù)IDS與基礎(chǔ)模型之間的映射轉(zhuǎn)換關(guān)系，將接口數(shù)據(jù)單中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為航天器供配電系統(tǒng)模型仿真框架，其具體轉(zhuǎn)換流程示意圖如圖1所示。系統(tǒng)生成的Modelica仿真模型框架，包含了對系統(tǒng)中參數(shù)和對象的聲明，以及各個設(shè)備之間的連接關(guān)系。

圖1 基于IDS自動生成仿真模型框架的流程示意圖

1.2 基于Modelica的供配電通用模型庫

為了實現(xiàn)模型的重用與擴展，需要以層次化、結(jié)構(gòu)化的思想對模型進(jìn)行組織。按照自底向上的思路，可將航天器供配電系統(tǒng)中的電氣模型劃分為基礎(chǔ)模型庫、通用模型庫和型號模型庫，供配電系統(tǒng)模型組織結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 供配電系統(tǒng)模型組織結(jié)構(gòu)

1）基礎(chǔ)模型庫主要包含電學(xué)基礎(chǔ)仿真單元，包括門電路、電容、電阻、電感、二極管等數(shù)字電路或模擬電路元器件，是電學(xué)仿真的基礎(chǔ)。

2）通用模型庫通過基礎(chǔ)模型庫中的模型搭建集成，是對電氣設(shè)備中共有特性的模型描述。包括了各種接口、導(dǎo)線等。在供配電系統(tǒng)中，可包含各種通用的負(fù)載模型、接口電路、供電模型、配電模型等。各設(shè)備模型只描述設(shè)備的通用屬性和行為，并不涉及具體型號信息。

3）型號模型庫是對通用模型庫的進(jìn)一步集成、特化，包含了具體任務(wù)型號的信息，是直接用于構(gòu)建具體任務(wù)型號的仿真模型。

而在基于接口數(shù)據(jù)單的映射建模仿真系統(tǒng)中，采用Modelica語言對航天器供配電系統(tǒng)的通用模型庫進(jìn)行描述，對于不同任務(wù)型號的系統(tǒng)，可通過Modelica模型的復(fù)用與擴展機制，快速實現(xiàn)系統(tǒng)的映射模型構(gòu)建。Modelica是一門專門為多領(lǐng)域統(tǒng)一建模仿真而設(shè)計的語言，具有陳述式、非因果、面向?qū)ο蟮忍攸c，已經(jīng)在航空、航天、車輛、船舶等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。對于設(shè)備之間不同領(lǐng)域特性的描述問題，采用Modelica語言可以進(jìn)行統(tǒng)一描述，無需跨平臺聯(lián)合仿真。并且在用于不同型號時，可以基于Modelica語言的繼承、重聲明等特性，方便地實現(xiàn)模型的復(fù)用和擴展。

2 Modelica仿真框架生成關(guān)鍵技術(shù)

2.1 接口數(shù)據(jù)單與Modelica語言相互映射協(xié)議

基于接口數(shù)據(jù)單的供配電系統(tǒng)映射建模的關(guān)鍵在于確定IDS數(shù)據(jù)與Modelica語言模型之間的映射規(guī)則。IDS記錄了航天設(shè)備多個專業(yè)的表單數(shù)據(jù)信息。對于供配電系統(tǒng)而言，IDS中包括了從分系統(tǒng)、設(shè)備、電連接器到接點的各電氣對象組織關(guān)系，規(guī)定了設(shè)備所屬的系統(tǒng)和艙段信息，電連接器與連接接點的所屬關(guān)系。并且通過電源表單，對各設(shè)備的電源屬性、工作模式、功耗大小、工作電壓進(jìn)行了規(guī)定。通過電連接器表單，規(guī)定了各設(shè)備上所屬的電連接器代號，電連接管腳類型（針孔）等電連接器信息。而電連接器節(jié)點分配表單則規(guī)定了電連接器中接點號、接點流向、信號類型、信號名稱等接點信息。而Modelica是一門多領(lǐng)域統(tǒng)一建模與仿真語言，以類和對象的方式組織模型行為，封裝模型數(shù)據(jù)。IDS中電氣特性參數(shù)與Modelica模型之間對應(yīng)關(guān)系可按如下幾點確定。

1）對于航天接口數(shù)據(jù)單中的設(shè)備、電連接器等電氣對象及其組織關(guān)系，由Modelica面向?qū)ο蟮慕C制實現(xiàn)，以Modelica封裝類對象一一對應(yīng)；

2）對于航天接口數(shù)據(jù)單中航天器各分系統(tǒng)，采用Modelica包結(jié)構(gòu)（Package）對分系統(tǒng)中的設(shè)備進(jìn)行組織管理；

3）對于航天接口數(shù)據(jù)單中各電氣對象之間的連接關(guān)系，采用Modelica中的connect方程連接機制對應(yīng)；

4）對于航天接口數(shù)據(jù)單中各電氣對象的電阻、電壓、電流流向、功耗等電氣特性參數(shù)，采用Modelica語言中的相關(guān)parameter參量對應(yīng)實現(xiàn)。

IDS接口數(shù)據(jù)單電氣組織結(jié)構(gòu)到Modelica模型的映射關(guān)系如圖3所示。

圖3 IDS接口數(shù)據(jù)單電氣組織結(jié)構(gòu)到Modelica模型的映射關(guān)系

2.2 仿真框架生成算法實現(xiàn)

依據(jù)IDS接口數(shù)據(jù)單與Modelica模型之間規(guī)定的映射關(guān)系，對仿真框架生成算法展開實現(xiàn)，以完成設(shè)備拓?fù)溥B接關(guān)系到供配電系統(tǒng)仿真框架的自動轉(zhuǎn)換。

首先構(gòu)建供配電基礎(chǔ)模型庫，包括封裝電連接器類型、電阻類型、環(huán)境工況類型、控制開關(guān)類型等基礎(chǔ)類型模型，作為生成封裝類模型可調(diào)用的基礎(chǔ)類庫。基于IDS接口數(shù)據(jù)單轉(zhuǎn)換為供配電系統(tǒng)仿真模型框架的具體流程，如圖4所示。

圖4 接口數(shù)據(jù)單轉(zhuǎn)換為供配電系統(tǒng)仿真模型框架流程圖

1）將航天接口數(shù)據(jù)單作為轉(zhuǎn)換處理的原始輸入數(shù)據(jù)；

2）依次遍歷接口數(shù)據(jù)單文件，并判斷接口數(shù)據(jù)單是否遍歷完成，如果未完成則作為當(dāng)前處理接口數(shù)據(jù)單進(jìn)入下一步，否則轉(zhuǎn)入步驟7）；

3）從當(dāng)前處理的航天接口數(shù)據(jù)單中提取出電氣對象信息（分系統(tǒng)、設(shè)備、電連接器等電氣對象的組織關(guān)系以及電氣特性參數(shù)等數(shù)據(jù)信息）；

4）檢索判斷模型庫的層次結(jié)構(gòu)中是否存在與當(dāng)前接口數(shù)據(jù)單對應(yīng)的Modelica封裝類，如果不存在則轉(zhuǎn)入下一步，否則轉(zhuǎn)入步驟6）；

5）在模型庫相應(yīng)層級中建立當(dāng)前接口數(shù)據(jù)單對應(yīng)的Modelica封裝類型，并根據(jù)2.1節(jié)中定義的映射協(xié)議，依次對電器特性參數(shù)、對外接口連接、方程框架等進(jìn)行聲明；

6）在模型庫中調(diào)用封裝類型，在供配電系統(tǒng)模型框架中聲明此類型的對象實例，完成后轉(zhuǎn)入步驟2）；

7）提取IDS接口數(shù)據(jù)單中航天電連接器接點分配信息，包含接點與接點的連接關(guān)系、信號類型、線型、用線要求、電流、電壓等，轉(zhuǎn)入下一步。

8）依次遍歷接點分配關(guān)系，判斷接點分配關(guān)系是否遍歷完成，如果未完成則作為當(dāng)前接點分配關(guān)系轉(zhuǎn)入下一步，否則轉(zhuǎn)入步驟10）；

9）根據(jù)接點分配關(guān)系信息，在供配電系統(tǒng)模型框架中聲明相應(yīng)對象實例連接方程，完成后進(jìn)入步驟8）；

10）在供配電系統(tǒng)模型框架中聲明外部輸出參數(shù)，包含母線電壓、母線電流、總負(fù)載功率、蓄電池荷電狀態(tài)等；

11）聲明系統(tǒng)模型環(huán)境參數(shù)，包含光照強度、軌道周期、太陽角等，至此供配電系統(tǒng)仿真模型框架生成完畢。

3 供配電系統(tǒng)映射建模仿真應(yīng)用實例

通過前文的分析，對基于接口數(shù)據(jù)單的映射建模仿真系統(tǒng)進(jìn)行了實現(xiàn)，并成功應(yīng)用于某型號的航天器供配電系統(tǒng)的研制設(shè)計中。系統(tǒng)能夠自動提取IDS中的設(shè)備參數(shù)和連接信息，依據(jù)IDS與Modelica語言映射規(guī)則，映射生成供配電系統(tǒng)的Modelica模型仿真框架，并提供基礎(chǔ)的模型調(diào)試與仿真求解環(huán)境，提高了系統(tǒng)設(shè)計的效率。

圖5展示了接口數(shù)據(jù)單與Modelica模型的關(guān)系映射窗口，其包含了設(shè)備模型生成、刪除、調(diào)試、映射關(guān)系的添加與刪除，系統(tǒng)模型的生成與調(diào)試等功能，并給出了實際設(shè)備列表、模型列表以及設(shè)備與模型的映射連線關(guān)系。其中關(guān)系映射表中能夠展示設(shè)備的名稱、代號以及與之對應(yīng)的模型名稱。接口映射表中顯示了各個設(shè)備相應(yīng)的接點與信號信息，并且可以通過設(shè)備參數(shù)列表對電氣參數(shù)進(jìn)行修改。

圖5 接口數(shù)據(jù)單與Modelica模型關(guān)系映射

通過生成模型功能可得到某航天器供配電系統(tǒng)模型，如圖6所示。系統(tǒng)模型包含了IDS接口信息單中各分系統(tǒng)、設(shè)備布局、電連接器間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及各設(shè)備的電氣特性參數(shù)。并且可以對映射模型中的模型源碼、參數(shù)、方程、算法進(jìn)行完善調(diào)整，以更好地實現(xiàn)系統(tǒng)模型效果。

圖6 航天器供配電系統(tǒng)映射模型

圖7展示了在各負(fù)載設(shè)備總功率變化的情況下，蓄電池組荷電狀態(tài)的變化情況，可以看出供配電系統(tǒng)工作正常，能夠滿足各負(fù)載設(shè)備的工作需要。

圖7 系統(tǒng)仿真結(jié)果

4 結(jié) 語

本文基于航天接口數(shù)據(jù)單IDS與多領(lǐng)域統(tǒng)一建模語言Modelica，對航天器供配電系統(tǒng)映射建模仿真問題進(jìn)行了研究，探討了IDS與Modelica模型之間的映射機制與算法實現(xiàn)，并在實際工程中驗證了生成模型的有效性與正確性。基于接口數(shù)據(jù)單的供配電系統(tǒng)映射建模與仿真系統(tǒng)，能夠提取接口數(shù)據(jù)單IDS中有效的電氣特性參數(shù)與設(shè)備間的連接關(guān)系，并基于多領(lǐng)域統(tǒng)一建模與仿真語言Modelica，自動生成系統(tǒng)的仿真模型框架，能夠方便快速地對不同型號系統(tǒng)展開仿真驗證，具有重要的工程價值與意義。