早期船舶设计中添加仿真能力外文翻译资料

 2022-09-07 15:06:15

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早期船舶设计中添加仿真能力

Matthew Ferrante, Julie Chalfant, Chryssostomos Chryssostomidis, Massachusetts Institute of Technology Cambridge(剑桥麻省理工学院),MA(文科硕士),USA chalfant@mit.edu

Blake Langland, Roger Dougal, Department of Electrical Engineering University of South Carolina(南卡罗来纳大学电机工程系), Columbia, SC(学士), USA

摘要：

（美国）海军的早期船舶设计工具目前不包括一个固有的仿真能力。在海军工程方向，电动舰船的研究和开发联盟（ESRDC）在设计的早期阶段一直致力于开发出一个仿真工具，其可以用于确定船舶系统的功能。本文介绍了当前这一仿真工具的功能和将这一工具与海军的设计工具相结合的努力的过程和状态。

关键词：船舶设计；模拟仿真；产品元模型

1.引言

电动舰船研究和开发联盟（ESRDC），海军水面作战中心卡德洛克司部（NSWCCD）和海军研究办公室（ONR）一直在合作，共同努力去扩大海军的早期船舶设计工具的仿真能力。ESRDC正在开发一种系统仿真和分析工具——智能船舶系统设计（S3D）[1]，它可以提供固有的模拟能力，并可能提供了一个通往更高保真度的模拟。目前正在进行的工作是让S3D去存储和检索船舶设计数据流入和流出海军前缘构架原型设计系统（LEAPS）的数据库[2]，从而提供一个与海军使用的其他早期设计工具更密切的集成。本文介绍了S3D的当前能力和S3D与LEAPS集成的过程。

2.智能船舶系统设计（S3D）

ONE资助了ESRDC研究，并随后制定了一个合作——基于web环境的海军舰艇的设计。S3D是由一套支持不同工程团队的工具所组成，这一工程团队跨多个学科，有电气系统的分析与设计、机械系统、空气和液体冷却系统以及从海军建筑师的角度来看在三维空间中设备的布置。S3D本身被赋予了以下的几个目标：

·在概念设计阶段，极大地减少了时间和费用；

·降低风险和提高整体船舶的质量和效率；

·减少通常与支持、部署和维护设计和仿真软件相关联的时间和费用；

·消除障碍去合作，特别是对地理上分散的团队，允许用户有访问设计和执行模拟的能力，不管他们计算设备的选择。

在这里，我们使用术语“协同意味着环境是对多用户开放的（尚未安全）”，其目的为了使这些用户可以参与设计过程并同时交互和协作。

这里有大量可利用的商业工具，其可以提供在任何一个特定的域里深入到一个系统里设计的能力，在该域产生详细的模拟和分析。如今，现在比过去多了，至关重要的是，这样特定学科的工具能够在这些系统中与其他领域的等效同行轻松地相互影响和作用，以此达到确保正确地整合系统组件的目的。现代系统的复杂性要求在每个领域的工程师们都要有着深刻的专业知识，所有的这些都必须提供必要的信息，以此创建一个完整的和物理可实现系统模型。这里提出了几个问题，如：确定哪些信息在工具间应该共享，确保数据的完整性，确定数据的哪种格式应该被交换，并了解这样的工具如何被集成以确保解决方案收敛的所有学科。进一步复杂的事情是，这些工具需要支持一个灵活的设计环境，这种设计环境有能力吸收快速设计的变化来增强能力，并坚持合理的成本和进度的约束。该ESRDC开发了S3D环境，以解决多个模拟工具之间相互协作能力的问题，同时还提供了改进的敏捷性环境，使船舶系统设计能迅速关闭。

该S3D环境提供了一套工具，以帮助满足不同领域的工程师的需求。该环境包括一个三维可视化工具，若干模拟工具和求解器，一个设备目录，协作工具和文档共享。S3D包括特定领域的工作区以及分析，建模和可视化工具，根据各学科的设计为产品提供一个共同的愿景。该设计环境还包括一个产品信息的数据库和一个可以被用于组装复杂的电源，冷却和机械系统模型的组件模型的扩展库。

在努力减少时间，成本，和安装与维护软件在不同地区客户的复杂性时，它被决定为S3D环境会在网络上发布通过SaaS（软件即服务）模式。这种交付模式并不需要直接安装任何软件在计算设备的客户端上；因此，这种部署模式无需IT人员配置，安装或更新软件。作为新版本的S3D设计环境的开发和部署到云，所述修改是在实时面向所有客户。部署S3D到云从应用程序的开发人员的角度来看可提供额外的优点，如经由编程加成计算资源随着负载的增加而动态地调整应用程序的后端的能力。在这种情况下，基于云的装置，该系统的数据驻留在一个数据仓库，是独立的，在任一项用户自己的计算机内，对于该数据，大量的注册用户在任意的地理区域即可访问，并且计算能力是有弹性的并适应计算需求。

在设计一个船舶时，有很多机会进行各种船舶部件和子系统性能的改进，各个工程队提出的权衡相互竞争。当使用特定领域的工具时，有可能不是为了在追求一个又一个的设计，因为船舶的相对影响，其不能在单一学科内整体评估。一个集成和协同的设计环境可以提供一个更好的平台去了解如何修改一个子系统对其他所有互联系统的影响，从而帮助和指导设计进度到一个更全局的最优解。 S3D，作为它的主要功能之一的是：能够让所有的主要学科，以一个子系统在所有系统中设计，交互和实时评估变更的影响。

S3D特定学科中的工具允许工程师从学科的角度创建具体拓扑的电流设计视图，允许工程师关注最感兴趣的或有意义的设计学科的部分。每一个特定的工具会自动为一个组件带来相关的属性集，同时隐藏其他属性，这些属性从用户当前的角度来看可能不重要，这些隐藏的值可以被视为请求。这种信息隐藏带来了更好的清晰度和特定学科的聚焦度。

S3D的一个重要方面是它有能够响应由用户做出的修改和向所有参与的工程师提供适当反馈的能力。即时反馈在这些组件的界面提供给工程师在他或她的具体学科之间的连接部件，协议会强制执行在温度、压力、电压、频率、电流等性能方面。等到违反约束的边界时，内部的模型本身会发出适当的通知到所有用户上。

一种通信机制的体系结构和实施是为了确保环境能够方便地移动大量的数据，且是以一种双向的方式。S3D的并发性、协作性，即：支持分布式和大规模地并行模拟执行在最终的云基础设施的能力，和确保基于云部署模型的兼容性，导致S3D在标准HTTP协议利用网络套接字通信机制这一决定的实现。

作为一个工程师，对设计进行修改时，重要信息应传播到当前连接到3D环境的所有用户。例如，如果热工程师决定一个必要冷却泵流量的增加，并进行必要的调整时，电气工程师将立即看到一个在电机负载的泵增加时的影响。同样地，如果海军建筑师判断将电机设计耦合处从一个隔室重新安置到另一个隔室有必要，这可能会导致电缆的延长，因此，对电缆阻抗的结果需要进行修正。电力工程师可能会在总线上的模拟上会看到一个显着的电压下降。这样来说，S3D环境能让所有工程师实时在一起工作，而且能直接看到当所有船舶系统的性能设计改变时，所产生的影响和改变。

USC最初在开发3D时所采用的一个有效的哲学方法是一个工程师团队基于网络环境下协同发挥其独特的专业知识和设计经验，进行并行设计。船舶设计就是反复地改进工程师作出的一些主要决定，同时协助分析其所提供的所有工具，直到设计收敛在所有学科即满足所有学科的工程师的要求。

3.海军设计工具界面

在海军设计过程的早期设计阶段通常是在一个设计师或一个小团队里，利用一个单用户的工具。先进的船舶和潜艇评估工具（ASSET）是一个模块化的合成工具，这种工具是在用户的输入和一组参数为基础的算法的基础上产生一个低的保真度船舶设计。设计存储在领先的建筑为原型系统（LEAPS）的数据存储库，该数据库可以由海军设计工具访问，如集成流体力学设计环境（IHDE）的水动力分析和船的船型特点程序（SHCP）的稳定性。目前的船舶早期设计工具没有提供系统布局和仿真能力，海军设计团体探索和开发整合的S3D到LEAPS工具包，来使设计提供这种能力。

由于早期阶段的设计工具是在一个独立的基础上使用，并要求显著安全的分类信息，NSWCCD要求一个S3D版本，该版本将在单个用户的单个独立的计算机上运行，而且那将使用LEAPS作为本地的数据存储库。

这些工具包整合的第一步已经进行。为了使S3D环境中的解算器，模型和原理图编辑器与LEAPS工具能被利用，我们开发了一种基于Web的技术，该技术需要被删除的源代码能被移植到传统的Windows桌面应用程序。该S3D环境利用SQLServer作为其存储库，这也是利用长期期权作为仓库的船舶设计。还有就是LEAPS数据库和那些S3D环境中开发中的许多概念之间的共性，这也有助于减少缓解和整合这些工具集所需的开发时间。这里有着两个环境之间的显著差异，然而，长期期权提供了一个方便，能很好地提取对象模型，还能够捕捉和存储存在S3D环境内的元数据和关系。

这里有些特别的S3D部分已经被删除，因为这些目前不支持利用一个更加自动化的方法来进行船舶设计这一思想。特别是，协同能力，如文档共享，信息传递，和需要发送通知到多个用户之间不再是必要的。在这个整合中第一步是产生一个工具，允许用户在S3D通过ASSET打开一个船舶综合设计，ASSET储存在LEAPS数据库中，在本设计中补充更多细节为所有需要的分布式系统，以S3D进行分析，最后将设计跨越到LEAPS数据库。最终，可以预见，该S3D仿真模型能力将直接利用一个更自动化的方法，除去了更多的手工设计过程的需要。

4. 前缘构架原型设计系统（LEAPS）的集成

LEAPS是一个灵活的数据存储库，可以用在各种各样的系统中来存储数据从船舶、潜艇到飞机和自行车等各式各样的事物。LEAPS体系结构定义了一个“元模型”（ LEAPS/MM），这是一套通用的类别，来适应产品建模的复杂工程的陈述和表现。例如，这里有许多类别，几何表示，表现行为，个别部分的定义，复杂的系统定义，设计和分析过程如研究等等。元模型提供了一种正式层次的类，其允许LEAPS对象的创建和管理，这个层次如图Fig 1所示。例如，概念类过去常常收集所有的LEAPS对象去抽象和活化产品或设计的一种特别的结构形式。概念类包括和拥有LEAPS的部件、部件组、零件、系统、图表和对象的链接关系，而且还包括对象的形状和几何结构。

“元模型”（LEAPS/MM）的实现和应用可以通过C 应用程序编程借口（API），该接口为创造、存储和操控提供了结构，如提供的层次结构。由于LEAPS API和S3D是用不同语言编写的，一个集成库允许使用的C 、LEAPS API的功能，通过一个C#编码如S3D中的写代码。

LEAPS进一步定义了一个“产品元模型”，一个面向对象的图表，该图表定义了产品的具体类别。该LEAPS产品元模型（LEAPS/PMM）使数据的定义正式化，如海军水面舰艇被称为焦点这一数据定义正式化。这个PMM提供给一个水面舰艇相关对象的结构和术语，以至于储存在LEAPS中的模型借口和程序能识别、找到并以一致的方式使用数据。

为了与LEAPS充分整合，新的S3D程序必须能够利用LEAPS API，消费对象和地图在S3D 应对应相应的实体，并存储任何所需的数据在LEAPS以便使用。为了使这成为可能，一些LEAPS/PMM类别必须被扩展或重新定义以适应3D模型，而且重点模型必须被扩展到能够存储数据，这些存储数据是与LEAPS套件中的其他工具相关。

A.对象字典

我们研究了两个数据库的基线结构，包括类似数据类型的定义，单位的定义以及元模型之间的关系这种。表一列出了在两个应用之间确认的缺口。

B.数据字典

一旦基线数据类型被确认和比较，下一步是去调查这些数据的代表性和具体的例子来实现兼容性，我们进行了两个泛型类的比较，该两类组成了两个应用元模型，如表二所示。

有一个方面很重要，那就是这两个应用在那些对象上的定义的一致性，虽然一个S3D组件映射到一个LEAPS设备上可能会很明显，但与一个特定部分相关的基础数据可能在两个应用程序之间有差异。这一性质的信息有：知名数据成员的名称、定义和单位，这种数据会在焦点中被捕获。对排气管的PMM描述的一个例子如图2所示，在这个例子中，排气管的设备单元和特性包括应用、气体温度、气体浓度、流量、断面面积、设计温度。属性被定义为数据类型、单位、界和描述。

C.焦点增加

对于水面舰艇LEAPS产品的元模型（PMM），重点是定义的格式和相关的船舶数据，使软件工具能找到所需要的数据并存储数据在一个位置上。在该位置中，所有的其他软件工具与LEAPS共同操作也能找到相应的数据。满足重点模型要求的数据称为“焦点兼容”。在焦点中，我们必须形式化一个空间作为S3D的数据驻留地，这样用户利用其他工具可以安全的访问数据。

  1. 新组件类型
  2. 现有组件的新属性
  3. 工具特定的数据格式
  4. 系统定义扩展

焦点系统模型的基本原理是创建一个标准的方法来描述一个系统中任何寻求分析系统的工具，这种方法需要对任何系统的分析工具同样有用，不管保真度和分析的注意力集中程度。一般来说，焦点系统模型必须能过充分地跨多学科的系统，并且充分弹性以允许不同的弹性水平。如果需要的话，模型被设计成能够坚持多元化、多部分、多层的网络理论。网络连接两个组件的方法，使用的端口、终端、交换点、边等示意于Fig.3

5. 结论和未来的工作

在早期的设计阶段，海军早期设计工具领域渴望增加模拟能力，S3D是单独出资来提供一种模拟能力，这种模拟以一种并行、协同的方式。目前正在展开

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