多领域建模理论与方法

XXX理工大学

CHANGSHA UNIVERSITY OF TECHNOLOGY&TECHNOLGY

题目：多领域建模理论与方法

学院： XXX

学生： XXX

学号: XXX

指导教师： XXX

2015年7月2日

多领域建模理论和方法

The theories and methods of Multi-domain Modeling

Student:XXX Teacher:XXX

摘要

建模理论和方法是推动仿真技术进步和发展的重要因素，也是系统仿真可持续发展的基础[1]文中综述了多领域建模主要采用的四种方法，并重点对基于云制造的多领域建模和仿真进行了叙述，并对其发展进行了展望。

关键词：多领域建模仿真；云制造；展望

Abstract：The theory and method of system model building is not only the key factor to stimulate the development and improvement of simulation technique but also the base of system simulation. This paper analysis four prevails way in Multi-domain Modeling, especially to the Multi-domain Modeling and Simulation in cloud manufacturing environment. We give a detail on its development and future.

Keywords: Multi-domain Modeling and simulation; Cloud manufacturing; Future development

一引言

随着科学技术的发展进步和产品的升级需求，对产品提出了更高的要求，使得建模对象的组成更加复杂，涉及到各个学科、进程的复杂性以及设计方法的多元化。这些需求都是以前单领域建模方案无法满足的，因此，必须建立一个建模方式在设计过程中完成对繁杂目标的多领域建模、结构仿真、多元化分析等。

多领域建模是将机械、控制、电子等不同学科领域的模型“组装”成一个更大的模型进行仿真。根据需要的不同，实际建模过程中，可以将模型层层分解。将不同领域的仿真模型“零件”组装成“部件”，“子系统”则是由不同学科下的部件装配而成，与此同时装配完成的不同学科的分子系统还能再装配成为一个全面仿真模型，称之为“系统”，由此可见多领域建模技术在繁杂产品设计过程中具有出众的优势。

本文对多领域建模常用的四种方法：基于各领域商用仿真软件接口的建模方法；基于高层体系结构的建模方法；基于统一建模语言的多领域建模方法和基于云制造环境下多领域建模的方法进行了分析并对基于云制造环境下多领域建模方法进行了展望。

二多领域建模方法的研究现状

2.1 基于各领域商用仿真软件接口的建模方法

基于各领域商用仿真软件接口的建模方法是目前广泛使用的方法[2]。该方法的建模与仿真技术是在已有的各商用仿真软件软件中构建各自的领域模型，然后利用各不同商用仿真软件之间的接口实现多领域建模。因此这种方法的前提是各商用仿真软件提供或开发相应的接口。在实现仿真时，利用各领域软件提供的协同仿真功能，在各自求解的环境下进行求解，通过多进程或者分布式网络间的通信实现接口之间的数据交换，从而实现不同领域之间的协同仿真。如典型的机械多动体力学仿真软件ADAMS提供与控制系统仿真软件MATLAB、Easy5的接口通过该接口从而实现机械多体动力学与控制的多领域建模[3]。仿真软件必须提供相应的接口以实现多领域建模。如果某个软件没有提供相应的接口，那么它们就不能实现多领域建模，当采用商用软件的数目超过三个时，理论上要求的相应的接口数目将变得非常庞大，复杂度也会增大。

2.2基于高层体系结构的多领域建模方法

1996年美国国防部发布了针对建模仿真领域的通用技术框架HAL。HAL通过运行支撑环境(Run-time infrastructure RTI),提供通用的、相对独立的支撑服务程序,将仿真应用同底层的支撑环境分开,即将具体的仿真功能实现、仿真运行管理和底层通信传输三者分离,从而使各部分可以相对独立地进行开发,并能充分利用各自领域的先进技术[4]。HAL中描述了一定功能的仿真过程称为HAL的一个联邦成员(Federate),简称邦员。为实现某种特定的仿真进而交互连接起来的若干邦员的集合,称为联邦(Feration)。图1所示为基于HAL的仿真系统结构图。

图1基于HLA的仿真系统结构图

基于HLA的方法同样需要集成各领域的商用仿真软件，以我完成系统的构件，但它克服了基于接口的方法开放性差、无统一标准、难以扩充等缺点。仿真系统可以将HLA 作为其“总线”，而不同的仿真软件则成为不同的邦元，欲将这些邦元集成起来进行协同仿真，只需开与其各领域的商用仿真软件之间的接口即可。

2.3 基于统一建模语言的多领域建模方法

基于统一建模语言的多领域建模方法具有与领域无关的通用模型描述能力，对于任何确定了的领域，都可以实现统一的建模。由于采用相同的模型描述形式。因此基于统一建模语言的方法能够实现不同领域子系统模型间的无缝集成。统一模型建模的研究来源自HildingElmqvisyt的论文，他提出通过设计Dyloma模型平台建立物理系统仿真的方法。自此以后，出现了一大批有类似设计思想的统一建模语言。面对这种混乱的局面。欧洲仿真协会组织专家对下一代多领域、连续-离散混合物理建模语言Molelica展开研究。Molelica语言用数学方程描述不同学科的物理规律，以系统的拓扑结构为基础，联合基于语言在内的组件连接机制来建造模型并进行集成，再通过求解微分方程或代数方程描述的问题进行建模和仿真[5]。

利用Molelica语言进行建模十分方便，因为多领域兼容的模型库有利于复杂系统高置信度模型的建立。Molelica语言具有面向对象和非因果联系的特点，因此模型可重用性得到了较大的提升。以前的建模语言只能做到在某一系统内拥有较强的建模能力。但是Molelica语言可以很好的完成不同系统之间的模型转换问题。同时，基于Molelica 语言的建模方法所使用的模型库还具有开放且不断增长的特点，用户可以自主开发或者在已有的基础上进行改进以满足自身建模的需求。目前。较为成熟的基于Molelica语言的商用多领域建模仿真工具有两个Dyloma和MathMolelica。Dyloma(dynamic modeinglabortary)即动力学建模实验室，是第一个支持Molelica语言的建模仿真软件。Dyloma具备一个强大的图形编辑器用于构建模型，可以用Molelica语言进行开发。同时，也可以将其它数据和图形文件导入其中。Dyloma的符号编辑器可以将用Molelica 语言编写的程序转化为C语言的程序并导出到Simulink或者硬件回路上进行仿真。Dyloma软件的构架如图2

图2 Dyloma软件的构架

MathMolelica软件则是为完成面向对象的系统建模与仿真而开发的一个集成的交互式的开发环境。他集成了基于Molelica语言的图形建模与仿真，先进的脚本工具，集成的程序代码，测试用例，图形，文档，数学排版以及提供的MathMolelica公式符号处理。MathMolelica软件在建模与仿真时需要切换界面，因为各个模块没有集成于统一界面之中。在国内，华中科技大学研发的基于Molelica语言的多领域物理系统建模与仿真平台MWorks也取得了一定的成果。该平台的主要内容包括：面向功能单元、基于Molelica的可视化建模环境、多领域物理模型解析系统和面向多领域物理系统Molelica 模型的求解引擎。其系统实现了数据、接口与功能的分层，为了使系统实现高可扩展和

重用性，子系统的构建利用了基于面向对象的组件技术[6]其系统框架结构如图3

图3 Mworks系统框架结构

基于统一建模语言的多领域建模仿真方法实现了各领域之间建模仿真的集成。特别是Molelica语言的发展凸显出基于统一建模语言的多领域建模仿真方法的可重用性和可扩展性优势，使得其成为多领域建模仿真方法的主流方法。

2.4 基于云制造环境下多领域建模方法

云制造是将云计算[7]的思想和理念拓展至制造行业，它是指一种利用网络和互联网平台，在先进的信息技术，制造技术以及新兴的物联网技术的支持下，按用户需求组织网上制造资源，为用户提供各类按需制造服务的一种网络化制造模式[8]。云制造环境下多领域建模方法主要包括云制造的基本体系结构、云制造开发环境平台、设计软件的虚拟化、设计软件的服务化等过程。

2.4.1 云制造的基本体系结构

云制造涵盖制造过程的全生命周期，包括设计、生产加工、实验、仿真、经营管理和集成等相关方面的内容。根据系统的功能可以将云制造的结构框架大致分为四个层次：基础资源层。虚拟封装层、平台服务层和应用层。此外，云制造还同时融合了包括虚拟化技术、面向服务技术、物联网技术、智能化制造技术、大规模运算技术等高科技含量的信息化技术[9]。以上组成了云制造服务模式得以实现的技术支撑，使云制造的模式变得现实可行性。

2.4.2 云制造的开发环境平台

目前还没有一款真正意义上的云制造开发按软件平台投入使用，但是云制造的理念

是由云计算的思想衍生出来的，而云计算的开发平台已基本实现了商业化，因此目前在建模过程中云制造平台的选取可以建立在云计算平台的基础之上。云制造环境下的多领域建模首先要结合云制造自身的属性分别为软件资源虚拟化和服务化功能的实现选择相应的开发环境，从而为软件资源的虚拟化和服务化打下基础。

2.4.3 设计软件的虚拟化

软件资源通过虚拟化可以解决如软件对计算机运行环境要求的差异性，所有软件存在于运资源池中，软件资源可以随意的调度和使用，同时云池中软件可以以多样化的服务形式对使用者提供服务。软件资源虚拟化的主要方法有：基于Web服务模式的如软件资源虚拟化、基于服务器虚拟化形式的软件资源虚拟化、基于远程调用的软件虚拟化和基于虚拟桌面形式的软件资源虚拟化等。

2.4.4设计软件的服务化

软件资源服务化使得大规模的制造资源池诚为可能，用户只需要向云制造服务平台提出要求就可以由云平台去组织制造资源与制造能力来完成设计、加工、生产、协作等订单。软件资源虚拟化的主要方法有：基于WSDL（web service description language,web 服务描述语言）的资源服务化策略、基于WSRF（web service resource framework）的资源服务化策略和基于ontology的资源服务化。最后利用以上的描述，在业务流程执行流程语言的基础上可以进行多领域的建模仿真。业务流程执行语言（Business Process Execution Language,BPEL）是WEB服务的业务流程执行语言的简称。它基于XML技术，以一种类似编程语言的形式对整合Web服务的业务流程进行描述。BPEL可以实现多个服务的调用和发布，从而实现云制造下的多领域建模和仿真。目前基于云制造的多领域建模和仿真研究的还比较少，还内有具体的应用实例，但是国内外学者在云制造下建模仿真以及机床制造方面还取得了许多成果，比如重庆大学机械传动国家重点实验室开展了面向中小企业云制造服务平台共性关键技术、面向新产品开发的云制造服务资源组合优选模型、云制造资源发现机制、外协加工资源语义描述、面向机床及加工过程的云制造平台的研究[10]；西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室研究了云加工能力的形式化建模方法[11]，设计了一种基于语义的云设计服务平台[12]，德国应用科技大K.Nagomy 等提出了一种基于IEC62264L2标准的自动化制造服务云[13]。目前华南理工大学的研究人员已经利用BPEL将ProE建模服务、Adams运动仿真服务、Dymola电机伺服系统仿真服务以及Matlab联合仿真进行编排，并且部署于对应服务器上，运行和测试了BPEL 服务，得到了预期效果初步完成了云制造环境下多领域建模仿真服务的实例化。

三结论

随着科学技术的迅速发展，工程领域需要分析愈来愈复杂的，包含不同领域的元件系统，这就使得多领域的建模仿真更加重要[14]。本文就多领域建模的方法进行了综述，将其分为基于各领域商用仿真软件接口的建模方法、基于高层体系结构的建模方法、基于统一建模语言的多领域建模方法和基于云制造环境下多领域建模的方法。并且认为虽然目前针对基于云制造环境下多领域建模的方法研究还比较少，还处于理论阶段但是其具有良好的发展前景。

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