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双月刊,创刊于1980年
主管单位:中国科学技术协会
主办单位:中国图学学会
编辑出版:《图学学报》编辑部
主  编:汪国平
编辑部主任:侯晓红
ISSN 2095-302X
CN 10-1034/T
当期目录
2024年, 第45卷, 第2期 刊出日期:2024-04-30 上一期   
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封面
2024年第2期封面
2024, 45(2): 1. 
PDF 58     46
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目次
2024年第2期目次
2024, 45(2): 2. 
PDF 35     14
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序言
专刊编辑序
2024, 45(2): 3. 
PDF 16     5
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数字化设计与制造专刊
数字孪生在航空航天结构设计、制造和运维中的应用与展望
黄文恺, 梁智洪, 王明华, 张文丰, 王奕首
2024, 45(2): 241-249.  DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2024020241
HTML    PDF 66     64

数字孪生技术应用于航空航天领域是当前和未来的重要发展趋势,采取虚实结合方式模拟航空航天结构在不同工作状态下的行为和性能演化,可为结构的优化设计、高效率制造和低成本维护提供全方位的支持。综述了数字孪生在航空航天结构全生命周期管理中的应用现状,总结了航空航天结构数字孪生存在的问题、挑战和发展趋势。

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基于力位感知技能学习的轴孔柔顺装配方法
路龙飞, 王峻峰, 赵世闻, 李广, 丁鑫涛
2024, 45(2): 250-258.  DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2024020250
HTML    PDF 38     19

针对传统机器人轴孔装配方法建立精确几何接触模型难、学习方法需要样本大和初始姿态偏差大且成功率低的问题,提出了一种基于力位感知装配技能学习的机器人轴孔柔顺装配方法。在搜孔阶段均匀采集轴未入孔的力和力矩样本数据,构建力-动作数据集,搭建多层感知机(MLP)和注意力模块网络进行监督学习、生成力-动作映射判别模型,根据装配过程中的六维力信号预测下一步装配动作,减小轴中心线与孔中心线的夹角和距离,完成轴孔对准操作;在插孔阶段设计了一种以位置控制为内环的柔顺控制算法,通过设置轴端面的期望接触力,在六维力传感器数据反馈的作用下以主动顺应方式实时调整轴的位置和方向。以最小间隙为0.1 mm的单轴孔为对象,设计了100组装配实验,在平均时间为15.1 s内的装配成功率为94%。通过与其他装配方法比较,提高了轴孔装配的效率和成功率。

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基于MBSE的空间引力波探测系统指标管理及其探测灵敏度分析
朱伊明, 张玉珠, 陈斌, 彭晓东, 高辰, 刘宇, 唐文林, 强丽娥, 徐鹏, 罗子人
2024, 45(2): 259-267.  DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2024020259
HTML    PDF 29     23

为了将空间引力波探测系统论证过程中顶层指标分解与系统级性能分析过程动态关联,提供对空间科学任务全生命周期信息的管理与应用分析能力,提出了基于模型的系统工程(MBSE)的空间引力波探测系统指标管理及其探测灵敏度分析方法。通过系统建模语言(SysML)构建空间引力波探测系统指标参数模型,并解析模型内容,筛选和记录指标参数,最后,通过探测灵敏度这一评价空间引力波探测系统探测能力的主要标准,实现空间引力波探测系统对不同科学目标的探测性能分析。结果表明,该方法可统一管理和追溯所有指标内容,为空间引力波探测系统顶层指标论证和系统级性能评价提供了支持。

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基于MBSE的地空导弹总体方案设计
粟华, 方施喆, 田昆效, 龚春林
2024, 45(2): 268-276.  DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2024020268
HTML    PDF 38     31

为了适应未来大型复杂系统设计与功能分析需求,在导弹设计中引入基于模型的系统工程(MBSE)思想,提出了基于MBSE的地空导弹总体设计流程。首先,明确地空导弹利益相关者的需求,定义导弹任务场景;基于设计需求开展功能分析,利用导弹任务场景进行功能分解,完成需求到功能的转化;根据导弹的系统功能映射出导弹架构组成,开展地空导弹系统的逻辑架构设计和物理架构设计,最终得到导弹总体设计方案,并针对导弹方案进行验证及优化,初步实现了地空导弹的总体设计过程。

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基于SysML的民机系统功能设计方法及应用
闫佳宁, 张安, 黄湛钧, 王逸鸣
2024, 45(2): 277-283.  DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2024020277
HTML    PDF 26     18

针对当前民机系统功能设计过程中缺乏形式化描述、模型复用性不强与动态模型建立不足等问题,将基于模型的系统工程(MBSE)理念引入民机系统设计过程中,提出了一套基于系统建模语言(SysML)的民机系统功能设计方法。首先定义用例模型,抽象出系统的顶层功能愿景,进而开展功能的分解分配与系统静态功能模型的构建;接着建立系统的功能流模型,然后进行功能泳道划分与功能交互序列构建,从多角度分析系统的行为特性,在此过程中结合活动图、泳道图和序列图构建系统的动态功能模型;最后给出系统的结构接口实现,形成一套逻辑性强的完备的功能设计方案。以民机航电系统为例进行功能设计,结合SysML建立航电系统的功能模型,验证了该方法的可行性与有效性,适用于民机系统的功能设计。

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场景导向的雷达系统模型设计与仿真方法研究
张然, 李源, 王昊, 孙照强, 赵媛媛
2024, 45(2): 284-291.  DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2024020284
HTML    PDF 25     19

由于雷达系统工作过程、接口交互目前主要采用文本的形式进行描述,导致了系统的整体验证过度依赖实物,因而带来了验证周期长、设计修正成本高等问题。针对研制过程中存在的问题,采用MBSE思想,开展了以雷达场景为导向的需求分析,并根据雷达系统功能成熟度、复杂度等特点,详细阐述了适用于不同雷达的功能分析方法,重点介绍了雷达系统与分系统的架构设计和三层仿真验证方法,将系统调试阶段的部分验证环节提前到系统设计初期,解决了过度依赖实物的痛点问题,对雷达系统新研制模式的应用具有积极的意义。

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航空动力装备顶层功能分解分配建模方法研究
贺文虎, 刘伟, 王酉龙, 蔡珲
2024, 45(2): 292-299.  DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2024020292
HTML    PDF 26     22

聚焦航空动力装备顶层功能分解分配过于依赖经验、功能界面划分不合理、子系统承接功能不清晰等问题,通过研究MBSE建模方法、系统建模语言(SysML)的特点和优势,将行为图、结构图、矩阵视图等融入功能设计活动,提出了基于模型的航空动力装备功能分析方法。首先通过环境背景图建模识别航空动力装备系统边界与交互信息;其次通过用例图分析系统顶层功能,每项顶层功能通过用例自动生成关联活动图进行建模分析,通过概念方案论证实现功能的初步分解,并与系统架构建模、功能危害性评估(FHA)迭代,完成单项功能详细分解;最后通过分配矩阵和分配视图得到子系统的功能清单,以作为子系统功能分析的输入。研究表明,基于模型的方法可以有效解决航空动力装备领域功能分解分配不清晰的问题,构建的功能模型典型案例,可为后续航空动力装备数字样机1.0建设提供技术路径。

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基于知识图谱的航空多模态数据组织与知识发现技术研究
何柳, 安然, 刘姝妍, 李润岐, 陶剑, 曾照洋
2024, 45(2): 300-307.  DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2024020300
HTML    PDF 33     51

航空产品在研制使用生命周期过程中产生的数据呈现出多源多模态的特性,面向此类数据进行知识工程建设时,传统基于关键词的文本检索方式已经无法满足科研人员在科研过程中对知识的获取需求。知识图谱作为当前人工智能领域对知识表示的一种方式,可以对知识单元以及数据之间的体系性和关系性进行充分表达和规范化存储,是垂直领域数据组织与知识发现服务的一种有效途径。因此提出以知识图谱作为航空领域知识表达模型,以标准知识单元作为数据载体,对科研人员的业务思维进行建模,同时利用深度神经网络作为多模态数据的特征编码器,构建适合机器理解与计算的特征向量,结合两者的特点构建面向多模态数据的搜索、推荐引擎。在此技术基础上设计系统架构并实现知识发现平台,将多模态数据在知识层面进行组织索引,满足航空科研人员的多模态知识检索需求。

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面向民用飞机需求验证的自动化测试技术研究
汪澔, 武仲芝, 唐剑
2024, 45(2): 308-316.  DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2024020308
HTML    PDF 20     25

在商用飞机全生命周期的研制过程中,需求与概念论证环节作为商用飞机研制的早期环节,将极大地影响整个商用飞机的全生命周期成本。其中功能定义作为需求与概念论证阶段的核心产物之一,以一种统一化、标准化的描述了目标产品一系列的预期行为表达。功能性需求作为功能定义的重点输出产物,决定了商用飞机的核心产品竞争力。基于功能仿真的需求验证作为一种常用的需求质量评价手段,通过建立飞机的测试模型,仿真模拟特定场景下飞机的运行行为,以结果为评判依据确认早期方案设计是否满足需求。然而,在实际面向需求的仿真测试过程中,碍于场景外部环境的多变性,往往会出现“组合爆炸式”的测试用例,极大地增加了测试的规模和成本。为解决上述问题,提出基于模型的测试(MBT)方法,通过基于系统建模语言(SysML)模型自动化生成测试用例,缩短验证过程的周期并保证需求验证的可追溯性。

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地铁列车IPIS系统设计建模方法
黄庭莉, 王保民, 王海芳, 赵家豪, 周璐婕, 官琳
2024, 45(2): 317-324.  DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2024020317
HTML    PDF 13     10

针对基于文档(TBSE)方法在设计地铁列车乘客信息系统(PIS)时所面临的设计集成度低、开发效率低、功能之间的联系性差及可追溯性差等问题,将PIS的3个主要功能进行模块化处理,提出智慧乘客信息系统(IPIS),并运用基于模型的系统工程(MBSE)思想对系统进行设计建模。提出了IPIS系统从黑盒到白盒的设计建模方法,涵盖了利益相关方分析、涉众需求分析、用例和用例场景分析、黑盒活动分析、白盒活动分析、功能分析、系统需求分析、系统架构设计8个阶段,并利用系统建模语言(SysML)构建IPIS系统功能元模型,以提高模型重用率。通过一个IPIS系统设计实例验证该方法的有效性和可行性。

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电磁域平行系统架构与模型构建方法研究
于翔, 邹本振
2024, 45(2): 325-331.  DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2024020325
HTML    PDF 16     14

为了研究电磁域平行系统架构和模型体系构建问题,分析了数字平行的概念内涵,提出了数字平行系统与物理环境之间是互驱、共生、平等的双向演进关系的论点,基于平行系统对物理环境可以泛化模拟等4个要点、以及大小平行闭环的方法论,提出了典型LVC (构造的、虚拟的和真实的)系统架构,并基于模型体系的定义与分类,从模型共性和个性边界、跨层级仿真模型校验等方面,给出了模型的传递逻辑和构建方法。以平行仿真环境构建和自适应调零下导航干扰建模为例,分析了本文提出的平行系统架构和模型构建方法的可行性。本研究旨在更清晰准确得对平行系统的概念和边界进行剖析,在此基础上给出电磁域平行系统的理论构建方法,可为后续类似平行系统及模型构建的具体实施提供参考。

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基于数字孪生技术的航天器机构生产线平衡研究
庞博, 杨辉, 于荣荣, 张浩月, 罗强
2024, 45(2): 332-338.  DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2024020332
HTML    PDF 11     9

随着航天强国建设进一步推进,航天器发射数量不断增加,作为航天器机构重要产品的形状记忆合金压紧释放装置需求量不断增长,亟需建立符合航天产品生产特点的数字化、智能化生产线。针对航天器形状记忆合金压紧释放装置生产特点,提出了航天器机构制造过程中产品数字孪生模型、设备数字孪生模型和制造过程数字孪生模型共3种数字孪生信息模型,设计了数字孪生生产线功能模块,提出了基于工业工程(IE)方法与遗传算法的生产线工艺平衡方法,研发了基于数字孪生的信息集成与应用原型系统,开发了数字孪生服务接口与人机界面,形成了自动化、数字化和智能化生产线,实现了航天器机构产品、设备、过程数字孪生的信息集成应用,实现了虚实生产线的同步运行与实时交互,并显著提升了航天器形状记忆合金压紧释放装置生产能力。

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基于DoDAF的动车组MBSE的研制方法
王海芳, 张雷, 刘慧军, 卢益明, 孙铭桧
2024, 45(2): 339-346.  DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2024020339
HTML    PDF 12     11

动车组设计的创新过程需要综合考虑多个因素,包括与风竞速、陆地飞行等多元化运营体系的适配。该设计过程设计分析运行环境、运行状况、弓网关系和信号传输等因素,并以动车组能力为基础,构建体系级框架进行结构建模。借鉴美国国防部体系架构模型框架(DoDAF),采用场景建模和需求捕获方法,结合面向DoDAF建模框架应用定制的视图描述语言UPDM,形成了一种基于体系结构的设计思路。通过UPDM语言的的增强性,如块图和活动图,加强了结构设计。本文以动车组的“发车场景”为例,全面描述了其运营过程,将需求分析、功能分解和系统集成相融合,构建了以行为驱动功能为核心的系统工程研制方法。

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基于正向设计的动车组牵引系统建模与实现
王海芳, 张雷, 王鑫, 孙铭桧, 薛莲敏
2024, 45(2): 347-354.  DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2024020347
HTML    PDF 15     10

随着轨道交通产品复杂程度的提高、智能水平的发展,动车组牵引系统的设计需要更有效的需求分析手段、更可靠的建模分析方法、正向可追溯的设计手段以及高质量的实现形式。以动车组牵引系统为研究对象,通过基于系统建模语言(SysML)的需求分析模型,结合基于标准需求-功能-架构-物理(RFLP)的建模分析方法,从牵引系统的设计需求出发,进行完整的用例分析,创建包含架构模型和状态机模型的牵引系统功能模型,通过块定义图和内部块图展示牵引系统与外部系统以及牵引内部各子系统之间的交互信息,通过用户界面(UI)实现牵引系统运营场景的操作,展示牵引系统在运行过程中的状态变化,实现牵引系统功能逻辑仿真,形成正向可追溯的牵引系统设计实现方案。将基于模型的系统工程(MBSE)的设计手段落地应用于动车组设计过程中,为动车组的设计提供正向设计指导。

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基于MBSE的柴油机系统设计建模方法
马彦丽, 张继忠, 郝冀斌, 梁巍, 李秀春
2024, 45(2): 355-362.  DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2024020355
HTML    PDF 14     14

随着国防武器装备对动力要求越来越高,柴油机系统复杂度急剧提升,传统的以文档为核心的系统工程方法已经无法有效满足柴油机高效、准确、可靠的研制需求,为此,在柴油机研发过程中引入基于模型的系统工程(MBSE)方法。提出了基于RFLP的MBSE的柴油机系统建模流程,及支撑该流程运行的柴油机模型体系,在此基础上,以柴油机某研制任务为例,以模型为核心,给出了基于MBSE系统建模过程及模型实例,对柴油机需求分析建模、柴油机功能建模、柴油机系统架构分析与综合进行了阐述,体现了基于模型的设计方法在柴油机研制过程需求早期验证、功能快速仿真、数据可追溯方面的优势,从而有效提高研发设计效率。

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面向系统工程的无人机自主定位系统研究
卢元杰, 陈星伊, 苏大林, 孙唯
2024, 45(2): 363-368.  DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2024020363
HTML    PDF 25     11

系统工程是沟通各工程学科的桥梁,旨在设计和实现复杂系统时优化各个子系统以获得更好的系统行为能力,对无人机系统的设计研发具有重要的指导作用。在无人机系统的众多子系统当中,定位系统为无人机提供准确的位置信息,是后续实现导航和避障功能的基础。面向无人机系统工程,设计一种自主定位系统,包括多传感器系统建模、前端视觉惯性里程计、紧耦合后端优化算法和系统定位结果及环境地图输出4部分,实现在复杂环境下的无人机自主定位,并设计试验验证平台,验证定位系统精度和鲁棒性。实验结果表明,该无人机自主定位系统平均定位误差小于0.07 m,满足无人机系统工程设计需求。

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基于模型的虚实结合多机协同鉴定性试验技术
王艳会, 卢元杰, 伊文卿, 于涛, 宛旭
2024, 45(2): 369-373.  DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2024020369
HTML    PDF 21     15

针对地面试验环境下多机协同鉴定性试验的多机联合运行、虚实结合的特点,提出一种基于模型的虚实结合多机协同鉴定性试验技术。采用虚实结合技术进行试验验证环境架构设计,由半物理飞机(机载设备、少量辅助仿真模型)、核心机飞机(机载系统计算机类设备、补充仿真模型)、数字飞机(任务系统模型、飞行仿真模型)作为验证对象,通过“模型在环”和“以实补虚”的方式,采用鉴定性试验采信流程,结合虚实接口适配技术,克服机载设备或机载系统的缺失或功能不完善影响全系统综合试验开展困难,解决传统的接口级仿真无法在时序、功能逻辑上满足全系统综合试验的需求等问题。实现全流程快速仿真迭代验证,提前发现系统涌现性,给出系统设计优劣的决策判据,支撑系统设计的快速迭代优化,缩减研制周期和成本。

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基于自定义规则的SysML用例自动生成方法研究
刘蒙, 耿施展, 丁国辉
2024, 45(2): 374-382.  DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2024020374
HTML    PDF 24     23

现代系统越来越复杂,传统的工程方法往往难以处理这些复杂问题。基于模型的系统工程(MBSE)可以通过建立系统模型、对系统进行分析和仿真等方式来快速、准确地掌握系统的行为和性能,从而有效地解决复杂性问题。系统建模语言(SysML)可以帮助人们清晰地理解和描述系统。以往基于自然语言的系统描述方法很容易出现理解歧义以及表达不准确等问题,因此,基于自然语言处理(NLP)技术的SysML图自动生成是目前极具学术价值的研究领域,然而目前关于此方面的研究仍相对有限。本文提出了一种名为NLP驱动的用例图自动生成方法,简称为NLUCD。首先使用事先制定的语言规则对输入文本进行预处理;然后使用NLP工具进行文本分割、词干提取与词形还原等操作;接着使用微调过的BERT模型进行命名实体识别和句法依赖分析;随后,定义了3组规则来提取用例图中的参与者、用例和关系,与用例图中的元素及其关系相对应;最后,绘图工具完成了对SysML用例图的生成。虽然该方法目前主要适用于英文文本,但该方法为系统设计领域的自动化和智能化提供了新思路和新视角,具有一定的理论和实践价值。

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基于系统工程的民用飞机系统接口设计与控制方法研究
张昭, 唐剑, 汪澔, 王世元
2024, 45(2): 383-387.  DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2024020383
HTML    PDF 18     11

民用飞机系统的接口承接了功能、性能和物理空间的需求。系统接口的设计与控制是民用飞机机载系统、子系统和设备的重要设计工作之一。基于系统工程思想,以机载系统、子系统及设备接口定义和设计的相关需求为输入,以机载系统研制阶段为基础,提出了一种基于接口设计需求、层级化的接口定义与设计方法,以及同层级、上下层级间接口的控制策略。结合某民用大气数据子系统,以电气接口的设计及控制为典型案例,介绍了接口设计与控制的具体实践,为民用飞机机载系统、子系统及设备多种类型接口的设计与控制提供了工程实践性参考。

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稀疏监测样本下的复合材料固化过程热源分布动态估计
王士心, 许可
2024, 45(2): 388-398.  DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2024020388
HTML    PDF 18     7

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有优异的综合性能,已成为航空航天高端装备减重增效的优选材料。固化是实现复材构件成形承载的关键工艺环节,固化过程中的构件温度场直接决定了构件的成形质量与力学性能,如何精确、动态的反求复材构件表面的热源分布,是实现温度场精准调控的基础。然而实际的固化工艺需在构件表面贴附透气毡、真空袋等辅助材料,难以直接监测构件表面的温度场,仅能引入若干个光纤测温点获取稀疏的温度样本,给热源分布这一高维标量场的重构带来挑战。为此,提出一种基于高斯混合分布模型(GMM)的固化过程热源分布动态估计方法,引入高斯模糊与面内热扩散等效性这一物理先验,建立了基于高斯模糊的温度场演变模型,进而利用GMM中的多个高斯分布表征固化过程中的热源分布,将高维场重构难题转化为若干高斯分布参数的优化求解问题。通过仿真实验验证了本文方法的可行性与有效性,能够实现固化过程中热源分布的精确动态估计。

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零件加工隐性工艺知识获取方法研究
张一鸣, 刘金锋, 陈亚杰, 瞿鹏飞, 景旭文, 刘晓军
2024, 45(2): 399-408.  DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2024020399
HTML    PDF 23     12

随着制造业数字化工艺的深入应用,如何高效利用积累的工艺知识,已成为提升工艺设计效率与质量的关键,然而隐性工艺知识却存在难以获取、描述与转化的技术瓶颈,严重阻碍智能化工艺设计模式推广。为此,提出了一种复杂零件加工的隐性工艺知识获取方法。首先,利用等宽法对结构化工艺数据进行离散化处理,构建基于文本挖掘的隐性工艺知识获取流程,并通过产生式规则对隐性工艺知识表达;然后,基于案例推理和规则推理融合的知识推理方法,并采用最近邻算法实现隐性工艺知识的识别;最后,以船用柴油机缸盖类复杂加工零件为验证对象,对加工隐性工艺知识获取方法进行了有效验证。

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本期样刊
2024年第2期样刊
2024, 45(2): 409. 
PDF 21     12
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