仿真服务
某大型跨国企业仿真管理平台设计说明
某企业定制化仿真管理平台设计说明
1、仿真管理平台总体规划
仿真管理平台为光学产品的设计仿真提供一体化集成应用平台，实现光学产品设计所需的多学科仿真工具的集成和基于流程、参数关联的联合仿真优化，并构建仿真平台管理功能，实现光学产品设计过程中需要用到的材料、模型、工艺特性、工具和资料的统一管理。
图1. 仿真管理平台功能示意图
仿真管理平台的构建分为以下几个部分，各个部分的关系如下图所示。
构建专业仿真子系统，通过相关仿真工具集成，调用相关数据库，形成仿真流程。
构建基础数据库，包括材料库、模型库、工艺特性库、工具库和资料库，构建统一集成应用模式。
2.专业仿真子系统
专业仿真系统基础支撑框架实现对光学设计相关仿真工具软件的封装与集成，并在此基础之上，根据各个专业/学科的实际业务特点及需求，实现多学科联合设计仿真过程流程的灵活构建，驱动各工具软件之间自动化的数据流转，减少研发人员多工具联合设计仿真过程中数据导入导出时间，缩短多轮迭代设计时间，搭建的联合仿真流程为多学科优化提供基础，进而提高多学科联合研发工作效率，以仿真驱动设计和验证设计，达到整个设计过程的闭环。通过客户端入口程序，用户能够进入专业仿真子系统，并自动完成预先定义的流程搭建。专业仿真子系统入口界面如图所示。
图2. 专业仿真子系统入口示意图
2.1 基础支撑框架
组件封装在系统中首先进行软件的封装集成，形成特定的组件。每个组件包括两部分内容，一是组件的执行代码，如将软件相关的启动命令、计算脚本、数据接口等进行封装，当组件运行时调用这些封装的信息执行相关的功能。一是组件的输入、输出数据，这些数据作为组件执行的数据来源和执行结果（如下图所示）。
流程执行
当组件封装完成后即可在系统中运行，每个组件的运行在系统中由流程控制总线和参数控制总线进行驱动。流程控制总线决定组件运行的逻辑管理，如流程的分支、循环、条件等执行顺序。同时流程控制总线也驱动组件的功能代码执行，进行启动软件、执行脚本、数据转换等。参数控制总线负责组件参数的统一调度，当流程控制总线发出驱动组件运行的指令后，参数控制总线将组件的输入参数发送给组件，当组件执行完相关功能生成输出数据后，参数控制总线将输出参数取回，若该参数是其他组件的输入参数，再由参数控制总线将此参数发送至其他组件。由于系统的流程控制总线和参数控制总线，决定了系统可以进行复杂仿真流程的执行，以及优化算法的反复迭代运算。
图3.联合仿真框架意图
2.2 基础数据库接口组件
平台提供与基础数据库的接口，通过组件的形式仿真数据库，并将相关数据下载到本地用于仿真计算，从而实现仿真数据的一致性。模型库接口组件
模型库接口组件主要完成从模型库中抽取仿真模型和相关参数到专业仿真子系统中，用户通过子系统提供的参数树，
实现对仿真参数的修改，通过运行组件，实现数据库中仿真模型下载到本地化，用于后续仿真计算。
仿真模型和参数文件下载到本地，模型库接口组件会识别下载的仿真模型，并将路径保存在参数“模型文件”中，
后续个关联工具组件中的仿真模型，实现数据的自动传递。
材料库接口组件
材料库组件主要完成从材料库中抽取相关材料数据到专业仿真子系统中，从材料库中抽取的材料数据以文件的形式保存在本地。
结合其他仿真工具组件使用，材料库组件能够将选择的材料数据自动转化成下游仿真工具所识别的文件格式，
下游仿真工具自动将相关材料参数导入到工具软件内部，用于材料参数设置。
在专业仿真子系统中拖入“材料库接口组件”，通过组件菜单进入材料选择界面，将相关材料数据以文件的形式抽取到仿真系统中，
下游节点自动将通用格式的材料数据文件转化成对应工具的材料数据文件，用于下游工具材料设置。
后续仿真组件使用材料文件时，只需要将该材料参数文件与仿真组件本身的材料参数文件进行参数关联，就能够实现材料的统一。
2.3 常用计算工具组件
常用计算工具组件主要包括仿真工具软件以及企业自研程序与算法。封装好的设计/仿真组件在系统中作为组件被管理，并被研发/仿真流程及过程调用，通过联合仿真模块封装技术，可以实现对设计仿真工具软件进行封装与集成，
将各类设计仿真工具封装后形成的工作组件统一纳入平台进行管理，便于联合设计仿真过程调用。
平台提供丰富的工具封装组件，能够快速封装exe程序、脚本、数据库、COM组件等。现已封装的工具涵盖大部分仿真设计CAD、CAE工具。
封装工具不仅仅局限于单个工具的启动，需考虑后续工具与工具之间的接口，即考虑联合仿真流程中数据的自动传递。
对于封装好的工具，用户只用在工具组件库中通过拖拽封装的工具组件就能够完成相关仿真设计工作。
专业仿真子系统建设中主要完成相关光学仿真工具的封装，如ZEMAX、RSoft等仿真工具。
通过封装相关光学仿真工具，建立光学仿真组件库，便于平台统一管理。
后续可根据实际需求封装热学仿真组件库、电学仿真组件库等，从而实现多学科、多工具之间的联合仿真。
图4. 工具组件封装示意图
仿真组件封装与配置
仿真组件封装主要完成相关仿真工具能够在平台上运行，封装工具的启动命令等。
用户可通过配置实现多版本的仿真工具的驱动，如下图所示。
仿真组件封装主要完成相关仿真工具能够在平台上运行，封装工具的启动命令等。
用户可通过配置实现多版本的仿真工具的驱动，如下图所示。
图5. 仿真组件封装与配置示意图
仿真工具组件参数接口
多学科联合仿真的关键在于不同工具之间的参数传递，平台基础框架已经提供参数与参数之间的关联机制，
所以如何抽取各个工具组件中的输入输出参数到平台框架中成为一大难点。
平台通过通用参数抽取技术结合仿真工具二次开发技术，开发出仿真工具参数与平台参数树之间的接口，多学科联合仿真的关键在于不同工具之间的参数传递，平台基础框架已经提供参数与参数之间的关联机制，
所以如何抽取各个工具组件中的输入输出参数到平台框架中成为一大难点。
用户通过在仿真工具中定义输入输出参数，通过启动接口程序实现仿真参数自动抽取到平台中，
从而为后续参数关联和参数驱动仿真做准备。当组件运行时，仿真系统根据当前组件的输入参数值对仿真模型
进行参数修改和仿真计算，并对得到的输出结果进行参数抽取，从而实现将模型变成“黑盒”，基于参数进行仿真驱动。
图6. 参数接口开发示意图
若用户需要对参数进行筛选、描述(中文化)等操作，平台可通过配置文件来实现参数的配置。
图7.组件参数抽取配置示意图
仿真工具组件与模型库接口
仿真工具组件通过参数关联系统实现与模型库接口组件下载下来的模型文件进行模型文件关联，从而从而实现模型文件的统一。
工具组件会自动抽取从模型库中下载下来的模型文件中的参数(通过同时下载下来的参数配置文件)，从而实现基于参数的仿真驱动。
仿真工具组件通过参数关联系统实现与模型库接口组件下载下来的模型文件进行模型文件关联，从而从而实现模型文件的统一。
工具组件会自动抽取从模型库中下载下来的模型文件中的参数(通过同时下载下来的参数配置文件)，从而实现基于参数的仿真驱动。
图8.与模型库文件关联示意图
仿真工具组件可实现对仿真工具模型的参数抽取和参数驱动仿真，针对用户认为比较成熟的仿真模型，
仿真工具组件提供将当前仿真模型打包存入模型库的功能，从而实现对仿真模型数据库的扩充。
如下图所示，通过对已经完成的仿真工具组件选择菜单“导入到模型库”，系统会自动根据当前工具组件的类型、
相关输入输出参数、仿真模型文件等信息，自动形成配置文件，并自动导入到模型库中，用于后续仿真人员的使用。
仿真工具组件提供将当前仿真模型打包存入模型库的功能，从而实现对仿真模型数据库的扩充。
如下图所示，通过对已经完成的仿真工具组件选择菜单“导入到模型库”，系统会自动根据当前工具组件的类型、
相关输入输出参数、仿真模型文件等信息，自动形成配置文件，并自动导入到模型库中，用于后续仿真人员的使用。
图9. 仿真工具组件与模型库接口
仿真工具组件与资料库接口
仿真工具组件可实现对计算过程进行自动仿真报告的生成，并将生成报告自动上传到资料库中，从而实现与资料库的接口。
如下图所示，通过对已经完成的仿真工具组件选择菜单“生成报告并导入资料库”，系统会自动根据当前相关输入输出参数
等信息和模板报告文件，自动形成仿真计算报告，并自动导入到资料库中，用于后续仿真人员的参考。
结合工具封装与集成，平台提供了一个类似“流程图”的联合仿真过程构建环境，在该环境之中，支持研发或管理人员通过可视化方式建立各设计仿真工具组件之间的联合工作过程，并定义各工具组件之间的数据传递关系，进而实现多学科之间的联合仿真以及多学科优化设计，减少多轮迭代设计周期，提升研发效率。
平台支持专业仿真人员在工具封装与集成的基础之上，结合不同的专业仿真需求，选取相应的设计分析工具组件通过可视化形式快速构建相应的专业联合仿真分析过程，并支持用户灵活定义各工具组件之间的数据输入输出关系，流程全局参数、边界条件设置参数、外部输入文件与参数等信息，并可将搭建好的联合仿真流程固化，形成标准流程。
平台提供丰富的流程驱动组件，任何复杂的流程都能够通过提供的流程驱动组件组装工具组件来完成仿真流程搭建。提供的流程驱动组件包括：
装配驱动组件：将相关联的组件组合成一个装配组件。
序列驱动组件：按照先后循序执行内部工具组件。
分支驱动组件：按照给定条件执行分支上的某个工具组件。
并行驱动组件：并行依次执行内部工具组件。
总线驱动组件：按照给定条件循环执行内部工具组件。
循环驱动组件：按照循环次数依次循环执行内部工具组件。
为实现基于各个专业室的联合仿真流程，需要梳理仿真过程中所用到的仿真工具、工具与工具之间传递的数据，使得仿真工具自动串接，仿真数据自动传递，仿真流程显性化。用户可基于平台提供的组件完成容差分析、工具之间数据自动传递(如RSoft多个方法仿真流程、RSoft结果作为ZEMAX输入等)，如下图所示。
图12. 容差分析流程示意图
优化参数的设定
优化过程涉及的三要素包括设计变量、约束和目标。
设计变量——设计中可以改变的输入参数
约束——设置有约束范围的输出参数
目标变量——表征优化目标的输出参数
在系统中可以进行多设计变量、多约束以及多目标的设计优化。
图14. 优化参数设置
图15.优化结果查看
材料数据库主要管理光学仿真材料参数。主要包括新建材料、数据显示、修改数据、删除数据和导出数据功能。
图17. 新建仿真材料数据
在仿真材料新建页面，填写完材料的各项属性信息后，点击【保存】按钮，完成材料的新建过程，系统自动弹出保存成功页面，如下图所示：
系统抽取文件内容文件，创建材料数据条目。
数据列表展示指将所有数据条目进行集中展示，如下所示。用户可在集中展示界面进行数据的批量修改。
点击“仿真材料数据”页签，点击需要修改的仿真材料后面“删除”链接，如下图所示：
图25. 删除仿真材料数据
仿真工具组件可实现对计算过程进行自动仿真报告的生成，并将生成报告自动上传到资料库中，从而实现与资料库的接口。
如下图所示，通过对已经完成的仿真工具组件选择菜单“生成报告并导入资料库”，系统会自动根据当前相关输入输出参数
等信息和模板报告文件，自动形成仿真计算报告，并自动导入到资料库中，用于后续仿真人员的参考。
2.4 仿真流程搭建
结合工具封装与集成，平台提供了一个类似“流程图”的联合仿真过程构建环境，在该环境之中，支持研发或管理人员通过可视化方式建立各设计仿真工具组件之间的联合工作过程，并定义各工具组件之间的数据传递关系，进而实现多学科之间的联合仿真以及多学科优化设计，减少多轮迭代设计周期，提升研发效率。平台支持专业仿真人员在工具封装与集成的基础之上，结合不同的专业仿真需求，选取相应的设计分析工具组件通过可视化形式快速构建相应的专业联合仿真分析过程，并支持用户灵活定义各工具组件之间的数据输入输出关系，流程全局参数、边界条件设置参数、外部输入文件与参数等信息，并可将搭建好的联合仿真流程固化，形成标准流程。
平台提供丰富的流程驱动组件，任何复杂的流程都能够通过提供的流程驱动组件组装工具组件来完成仿真流程搭建。提供的流程驱动组件包括：
装配驱动组件：将相关联的组件组合成一个装配组件。
序列驱动组件：按照先后循序执行内部工具组件。
分支驱动组件：按照给定条件执行分支上的某个工具组件。
并行驱动组件：并行依次执行内部工具组件。
总线驱动组件：按照给定条件循环执行内部工具组件。
循环驱动组件：按照循环次数依次循环执行内部工具组件。
图10. 流程搭建示意图
为实现基于各个专业室的联合仿真流程，需要梳理仿真过程中所用到的仿真工具、工具与工具之间传递的数据，使得仿真工具自动串接，仿真数据自动传递，仿真流程显性化。用户可基于平台提供的组件完成容差分析、工具之间数据自动传递(如RSoft多个方法仿真流程、RSoft结果作为ZEMAX输入等)，如下图所示。
图11. Rsoft多方法仿真流程示意图
基于平台的循环计算功能，将多仿真模型中的某个参数进行循环计算，以实现容差分析。如下图所示。
图12. 容差分析流程示意图
2.5 基于参数的优化
在联合仿真系统支持多学科优化功能。多学科优化是通过探索和利用系统中相互作用的协同机制，利用多目标策略和计算机辅助技术来设计复杂系统及子系统，可以有效缩短设计周期，获取系统整体最优性能。优化过程首先在集成设计环境中将封装的组件搭建成为分析流程，并设定初始设计变量的参数。系统中的优化分析模块自动驱动分析流程的运行，并根据优化模块中的分析准则对计算结果中的相关输出变量进行评估，如满足优化条件则认定该结果为最优解。如不满足，则优化模块自动调整设计变量数值，重新计算并评估，直到找到最优解为止。
图13. 优化示意图
优化参数的设定
优化过程涉及的三要素包括设计变量、约束和目标。
设计变量——设计中可以改变的输入参数
约束——设置有约束范围的输出参数
目标变量——表征优化目标的输出参数
在系统中可以进行多设计变量、多约束以及多目标的设计优化。
图14. 优化参数设置
优化结果展示
对于优化分析过程的寻优路径可通过三维曲面图的方式进行插卡，用户可直观看出在整个优化历史过程中的数据变化过程。以及整个优化空间，设计变量和目标变量的分布关系。
对于优化分析过程的寻优路径可通过三维曲面图的方式进行插卡，用户可直观看出在整个优化历史过程中的数据变化过程。以及整个优化空间，设计变量和目标变量的分布关系。
图15.优化结果查看
3.基础数据库子系统
基础数据库子系统是整个平台的数据基础，主要用于构建平台中常用的相关数据库，如材料库、模型库、工具库、资料库、工艺数据库等。扩充开发，实现光学产品设计过程中需要用到的材料、模型、工艺特性、工具和资料的统一管理，构建材料库、模型库、工艺特性库、工具库和资料库。并基于应用构建集成应用界面，实现更佳便捷的操作和数据获取。通过客户端，用户能够轻松访问相关数据，通过权限管理，用户能够对相关数据库中的数据进行增加、删除、修改等操作。基础数据库子系统的入口界面如下图所示，通过该入口，可实现对相关数据库的访问。
图16. 基础数据库子系统入口示意图
3.1 材料库
材料库用于保存用户常用材料属性，包括：材料名称、材料类别、材料编号、力学物性参数和热物性参数，材料会按照名称和编号分类保存到材料库中。材料库中数据以不同材料类型进行分类存储，如金属、半导体、气体等分类。材料库为用户提供新建、批量导入或导出、删除、修改材料属性的功能。材料数据库主要管理光学仿真材料参数。主要包括新建材料、数据显示、修改数据、删除数据和导出数据功能。
3.1.1 新建
3.1.1.1 单条数据新建
点击“仿真材料数据”页签，下点击“新建”链接进行仿真材料数据的新建，如下图所示：图17. 新建仿真材料数据
图18. 新建仿真材料数据
提示新建成功后窗口3秒后自动关闭。3.1.1.2 批量导入
用户选择“导入”按钮，弹出导入材料文件对话框，用户选择材料数据文件（其中包含多种材料数据），系统抽取文件内容文件，创建材料数据条目。
图19.批量导入示意图
3.1.2.1 数据列表展示数据列表展示指将所有数据条目进行集中展示，如下所示。用户可在集中展示界面进行数据的批量修改。
图20. 数据列表展示示意图
3.1.2.2 单项数据展示
单项数据展示界面如下所示，用户在材料结构树中选择材料，右侧视图显示材料纤详细数据和数据曲线图。
曲线图可根据不同的方式进行变换。如（N,KLogx等）。具体参照http://refractiveindex.info/。
下图中的波长参数为可输入参数，用户在输入框内输入波长，其他参数如折射系数等根据已有数据自动插值。
曲线图可根据不同的方式进行变换。如（N,KLogx等）。具体参照http://refractiveindex.info/。
下图中的波长参数为可输入参数，用户在输入框内输入波长，其他参数如折射系数等根据已有数据自动插值。
图21. 单项数据展示示意图
3.1.3修改
点击“仿真材料数据”页签，点击需要修改的仿真材料后面“修改”链接，如下图所示：
图22. 修改仿真材料数据
软件弹出仿真材料的修改页面，如下图所示：
图23. 修改仿真材料数据
在仿真材料修改页面，修改完材料的各项属性信息后，点击【修改】按钮，完成材料的修改过程，系统自动弹出修改成功页面，如下图所示：
图24. 修改仿真材料数据
提示修改成功后窗口3秒后自动关闭。
3.1.4 删除
点击“仿真材料数据”页签，点击需要修改的仿真材料后面“删除”链接，如下图所示：
图25. 删除仿真材料数据
软件弹出是否进行删除的确认页面，选择“确定”继续删除操作，删除成功；选择“取消”按钮则中断此次删除操作，如下图所示：
图26.删除仿真材料数据
3.1.5导出
3.1.5.1 导出excel
点击“仿真材料数据”页签，勾选需要导出的数据，并点击“导出”链接，进行仿真材料数据的导出操作，如果没有勾选，则导出所有数据。如下图所示：
图27. 导出仿真材料数据
软件弹出文件下载页面，选择“打开”将打开下载文件；选择“保存”将导出的文件保存到本地；选择“取消”则中断此次导出操作，如下图所示：
图28. 导出仿真材料数据
软件弹出文件下载页面，选择“打开”将打开下载文件；选择“保存”将导出的文件保存到本地；选择“取消”则中断此次导出操作，如下图所示：
图28. 导出仿真材料数据
3.1.5.1 导出Rsoft
按Rsoft固定txt格式进行导出，如果有选中数据则导出选择的数据，否则导出当前分类下面的所有数据材料数据。如下图所示：
图29. 导出Rsoft材料数据
3.1.6查询
软件提供根据输入条件进行仿真材料查询，如下图所示：
图30. 查询仿真材料数据
3.1.7 设置模板
模板用于公共参数模板的集中管理，在每个子分类都可以继承使用，可以根据不同类型材料数据配置个性化的参数，子数据直接引用父节点模板参数。3.2 模型库
模型库是基础数据库中用于管理光学器件性能数据，用于支撑设计中各专业任务的执行。通过对成熟仿真模型进行输入、输出参数的抽取，将仿真过程封装成“黑盒”，用户只用修改相关输入参数，从而实现仿真过程的自动执行。模型库将每个光学模型封装成模型单元，通过配置各个模型在仿真过程中需要用到的设置参数，如波长、光栅周期、光栅占空比、光栅长度等，结合专业仿真子系统中的工具封装和参数驱动功能，实现基于参数驱动的仿真自动化。结合专业仿真子系统中流程控制组件，可实现多个模型单元的数据串接。
用户通过模型库网页界面还能够实现基于当前模型的仿真计算，实现自动将当前模型下载到本地，并启动HySim完成仿真计算。
通过专业仿真子系统中的“模型库组件”，可以在仿真流程环境下直接仿真模型数据库中的相关模型参数(具体见“模型库组件”一节)。
3.3 工具库
工具库管理现有的计算工具软件的统一管理和调用，包括商用软件和各类自研程序。工具库开放、可扩展的，用户可以将本专业的专业分析算法增加到工具库中。用户可根据仿真业务需求从工具库中选择仿真过程中需要用到的仿真工具，通过与专业子系统的联合实现工具下载到本地使用。工具库采用插件技术实现工具的封装，方便后续用户扩展。
3.4 资料库
资料库主要管理仿真过程中所需要用到和生成的文档资料，如仿真工具使用说明书、某产品仿真计算报告等。用于通过入口界面可直接访问相关资料库，从中找到需要的资料文档。对于仿真工具组件中，能够自动将生成的仿真报告上传到资料库中。
3.5工艺数据库
工艺数据库主要管理各厂家生产产品的工艺精度资料，用户能够通过工艺数据库完成不同厂家工艺精度对比，从而找到适合的厂家进行产品加工。工艺数据库中的数据还能够用于容差分析。主界面包括供应列表和内容显示两部分。供应列表显示相关供应商的名称，内容显示视图展示供应商的具体信息。
供应商信息展示。根据客户需求，工艺数据库主要管理的各供应商资料，包括供应商介绍、工艺能力和技术服务三部分。每个部分对应相应的一段材料，材料包括文字、图片、表格。
供应内容编辑。要求能够对视图区内的内容能够进行在线编辑。包括文字、图片、表格。
ANSYS软件,MENTOR软件,MSC软件,仿真培训及咨询----武汉恩硕科技有限公司 服务热线：400- 6600- 365
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