收稿日期:2002 07 10基金项目:航空基础科学基金资助项目(03E09003)作者简介:王晓文(1968-),女,北京人,博士生,wangxwbuaa@.飞机环境控制系统并行设计王晓文 王 浚(北京航空航天大学航空科学与工程学院,北京100083)摘 要:基于飞机环境控制系统(ECS)的研制,分析了系统设计的结构层次,借助于近年来飞速发展的信息技术、设计技术、仿真技术,提出了基于系统管理 结构设计 系统仿真为一体的面向对象的系统并行设计框架.设计体系贯穿于飞机环境控制系统设计的全生命周期.关 键 词:环境控制;飞机;并行设计中图分类号:V 245 3文献标识码:A 文章编号:1001 5965(2003)12 1073 04Con cu rren t design of environmen tal control systems for aircraftWang Xiao wen Wang Jun(School of Aeronautics Science and Technology,Beijing Uni versity of Aeronautics and As tronautics,Beijing 100083,China)Abstract :Based on the development of the environmental control systems for aircraft,the arrangement for the structure of systems design was analyzed.To recur information technology,designing technology,imitating technolo gy,an concurrent engineering frame was proposed based on management structure design imitate.Design systemruns through the whole life of the design period of the environmental c ontrol systems for aircraft.Key words :environmental c ontrol;airplanes;concurrent engineering现代企业的设计理念已由过去单纯的针对产品的结构设计发展到今天以并行工程为代表的产品开发的过程重构和组织重组.计算机技术融入了产品开发研究和应用全过程,产品设计正从以往的详细设计阶段向需求分析和概念设计阶段转移,产品信息的管理则向产品的全生命周期扩展[1].将这样一个设计理念贯穿于飞机环境控制系统的设计中,涵盖了飞机环控系统的产品结构设计、性能分析、系统仿真、以及系统设计过程中的系统部件分类管理、产品数据管理、流程管理和组织管理等设计行为.这一设计体系的实现是基于现行信息化软件、仿真软件以及结构设计软件平台基础之上的,构筑了飞机环境控制系统的并行设计框架.该设计框架的建立,涉及环控系统仿真功能模型同CAD 系统的几何模型集成,实现飞机环控系统的产品结构设计和分析过程仿真的集成.同时,结合热能和环境控制专业,为相关系统如空调制冷系统、机车环控系统、地面环境实验系统以及热动力试验系统等等的设计,探索并行设计模式和系统设计管理方法.1 飞机环境控制系统设计分析飞机环境控制系统在现代航空技术的发展中占据日益重要的位置.按照实际飞行包线的外界环境、发动机引气状态和飞机结构、人员及设备实际工作状况,进行飞机环境控制系统及其附件的综合动态设计(即进行环控系统和其附件的多参数综合动态设计)是今后飞机环控系统的发展方向.围绕系统综合动态设计,要求设计者在设计系统状态时更多的考虑到系统综合因素的影响,产品结构设计与性能分析及仿真之间的沟通.同时,设计流程间的相互衔接,也应是设计体系完整性的一个重要表现[2].2003年12月第29卷第12期北京航空航天大学学报Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics December 2003Vol.29 No 12飞机环境控制系统是一个具有多层次、多部件的综合系统,其基本部件组成为:增压和供气设备;加温和制冷设备;调解和控制设备;安全和应急设备;指示和讯号设备等[3].同时,这些部件又构成了飞机环境控制系统中多个相关的子系统,包括:引气系统、空调系统、压力调节系统、控制系统等[3].这些子系统在设计过程中应保持内部间的相互协调,协同设计.飞机环境控制系统的设计涉及了机械设计、气动热力学、传热学、力学、自动控制、材料学和制造工程等多学科分支.系统设计按设计内容又可划分为:系统总体性能设计和参数分配;部件性能分析和结构设计;系统总体结构设计;控制系统的设计等.飞机环境控制系统作为飞机的子系统,必须符合航空产品的研制流程.航空产品的研制流程分为立项论证、方案研制、工程研制、设计定型、生产定型、批生产和使用等七个阶段,包含了产品从立项到退役的全过程.这些阶段的划分同时对应归化为现代产品设计的五大阶段,即:概念设计阶段、详细设计阶段、物理样机试制阶段、样机的测试评估阶段和定型生产阶段.飞机环境控制系统设计的不同层面的划分体现了设计者的任务的着眼点,不同的设计层面之间又是相互关联的.关联关系如图1.图1 飞机环控系统设计分析由图可以分析出飞机环境控制系统的设计应包含两层含义:系统产品的设计和系统设计流程的定制.在目前的系统产品设计中更多地注重于零件模型和装配模型的分解和研究,而现代设计理念中,产品结构划分不仅强调产品的物理结构,同时,还注重产品功能结构的分解.物理结构和功能结构是产品结构的两个不同内涵的分解方法,两者之间的分解结果又是多对多的关系.构建结构模型和功能模型之间的联系是为产品的设计和模型库的建立提供模型基础.飞机环境控制系统由多部件构成多个分系统执行多项功能,共同完成飞机对环境控制系统的要求.其简略的系统功能结构分解和物理结构分解的划分如图2所示.传统设计过程和并行设计过程的对比见图3.图2飞机环控系统结构功能图a传统设计过程b 并行设计过程图3 传统设计与并行设计过程对比1074北京航空航天大学学报 2003年传统的飞机环境控制系统的设计过程主要特点是更多地强调详细设计即方案设计阶段的设计工作,产品的设计性能的优劣则几乎完全依赖产品的测试评估阶段,需要加工出物理样机,做大量的性能校验试验,忽视了概念设计阶段即立项论证的技术设计.物理样机评估通过后转入生产,否则又返回进行新一轮的重新设计,因此,一个型号产品的设计周期相当长.以并行设计为代表的现代企业产品设计过程是一个体现预测工程基础的预测设计过程,与传统设计过程相比更多地强调产品的概念设计,强调概念设计(立项论证)阶段的技术设计与评估,充分利用了计算机技术、仿真技术、图形技术等现代化的设计技术,将传统设计的大循环转变成概念设计阶段代有预测性质的校循环,大大缩短了从产品设计到生产的周期.当设计已经基本达到设计要求时再转入通常的详细设计,这样可保证测试评估阶段的一次通过率.概念设计阶段已成为产品设计周期中相当重要的环节[4].2 环境控制系统并行设计集成框架实现并行设计的必要前提和手段是设计思想的协同和集成,协同是系统的对内开放,而集成则体现系统的整体性[5].因此,飞机环境控制系统并行设计集成框架应是基于系统信息集成平台之上的,通过系统集成,实现具有互操作的产品设计、仿真运行环境和协同工作环境,实现造型设计、产品建模、系统仿真、虚拟试验、数据管理、设计和试验的过程管理等等软件的集成,实现在产品全生命周期内的信息共享.飞机环境控制系统的并行设计框架如图4所示,该并行框架按功能作用分成三层:工作层、应用层和支撑环境层[5].工作层:作为面向用户的界面向设计者提供交互式的图形界面,方便设计者完成管理整个系统中各种对象的操作.应用层:是并行设计框架的核心体系,包括:设计应用软件,系统产品设计信息管理,系统设计工作流程管理等等.支撑环境层:是并行设计框架的基础层,包括产品数据管理和以数据库、操作系统、异构计算机、网络与通讯协议为主体的底层.该框架充分体现并行设计的内涵:飞机环境控制系统开发过程重组,即将传统的串行产品开发过程转变成集成的、并行的产品开发过程;系统设计的重构,即形成以产品为中心的多功能集成系统开发流程,形成CAX DFX工具的应用集成;形成协同工作环境,即用于支持集成产品开发和协同工作的网络与通信环境.图4 飞机环境控制系统并行设计框架通过对飞机环境控制系统的设计结构和行为的分解以及系统并行设计框架分析可知,并行设计集成系统需要重点考虑三个方面:应用软件的集成,产品数据库的集中管理,各阶段设计流程的布署和协同.ECS系统设计分析应用软件包括五类软件: ECS仿真建模软件、造型软件、文档软件、工艺分析软件、PDM管理软件.这是整个并行设计体系的核心,承担着飞机环控系统重要的设计任务.各应用软件生成不同的文件格式和数据结构,系统中各应用软件的类型及其生成数据最后统一集中到系统工程数据库中,确保了应用软件间的信息共享和设计者间的协同工作.作为ECS系统并行设计基础层的工程数据库保存着大量的环控系统设计过程中所产生的与产品相关的物理数据和文件的元数据,以及指向物理数据和文件的指针.对数据库的合理管理成为一项重要工作,成为外部应用之间的数据传递的一种安全保障的管理手段.各阶段设计流程的布署和协同是ECS系统全生命周期产品并行设计流程控制和设计过程的管理,是系统框架基本结构之一,体现系统设计的并行化管理.其主要作用是管理设计者对数据的操作,控制人与人之间或活动与活动之间的数据流向,以及在一个项目的生命周期内跟踪特定事务和活动.同时利用过程建模工具,对产品设计过程进行重组,规范具体的设计流程.ECS系统全生命周期并行设计流程控制与管理如图5所示.1075第12期 王晓文等:飞机环境控制系统并行设计图5 ECS系统全生命周期并行设计流程控制与管理3 结束语通过对飞机环境控制系统(ECS)的分析,分解了系统的设计过程,划分了系统的功能结构和物理结构,比较了传统的系统设计和并行设计流程,提出飞机环境控制系统的并行设计框架,按照需求 功能 结构 行为诸概念间的关系,提出了符合飞机环境控制系统工程实际、易于计算机实现的系统并行设计流程控制与管理框架.参考文献(References)[1]熊光楞.并行工程的理论和实践[M].北京:清华大学出版社,2000Xiong guangleng.Theory and practice of concurrent engineeri ng[M].Beijing:Tsi nghua Universi ty Press,2000(in Chinese) [2]Josef Sch 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