關于模型的系統(tǒng)工程在航天器研制中的研究與實踐論文
1引言
航天器研制是一項多學科、多專業(yè)相結合的大型系統(tǒng)工程，具有技術難度大、投入資金多、質(zhì)量與可靠性要求高、協(xié)作單位多、研制風險高和管理難度大等特點。我國航天工業(yè)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，逐步形成了一套獨具特色的航天器研制系統(tǒng)工程管理模式。近年來，隨著一批重大工程的啟動，航天器研制出現(xiàn)了一些新的特點：①研制數(shù)量大幅增加，研制周期不斷縮短;②性能指標要求不斷提升，新產(chǎn)品、新技術不斷涌現(xiàn);③多產(chǎn)品并舉，大規(guī)模協(xié)同，耦合關系復雜。
傳統(tǒng)的航天器研制模式都是基于文檔的，但由于航天器研制是一項涉及多學科融合的系統(tǒng)工程，不同設計人員所關注的領域不同，從文檔中讀取信息很容易產(chǎn)生理解的不一致性，在產(chǎn)品設計過程中經(jīng)常出現(xiàn)反復迭代修改等情況。雖然近年來，已從過去的紙質(zhì)形式轉(zhuǎn)換為電子形式，但并未從根本上改變這一狀況。
2MBSE的內(nèi)涵
在INCOSE發(fā)布的2020年遠景規(guī)劃中，MBSE成為系統(tǒng)工程未來發(fā)展的重要方向。根據(jù)規(guī)劃，MBSE主要經(jīng)過3個階段，2010年實現(xiàn)MBSE的標準化，2010-2020年是MBSE理論體系走向成熟化階段，在系統(tǒng)的架構模型中集成分析、仿真、可視化，并定義出完善的MBSE理論體系，到2025年，在各個領域應用MBSE方法。
最早提出MBSE概念的INCOSE給出了如下定義：
“基于模型的系統(tǒng)工程是通過形式化的建模手段，從概念設計階段開始就能夠支持系統(tǒng)需求、設計、分析、驗證和確認等活動，并持續(xù)貫穿整個開發(fā)過程和后續(xù)的生命周期階段”。
3MBSE在航天器研制中的研究與實踐
3.1航天器研制過程中對MBSE理論的創(chuàng)新與發(fā)展
在繼承國外實踐成果的基礎上，結合我國航天器研制的具體情況，對MBSE理論進行創(chuàng)新與發(fā)展。
1)通過主模型貫穿于產(chǎn)品全生命周期
雖然從定義中，指出MBSE貫穿于整個產(chǎn)品研制的全過程，但就目前而言，在國內(nèi)外的相關研究和實踐中，MBSE的應用范圍僅局限在產(chǎn)品的系統(tǒng)設計階段(即方案設計階段)。在該階段，通過系統(tǒng)建模語言(SysML)來支持產(chǎn)品設計初期階段的需求、功能和結構等過程的建模。但在后續(xù)的詳細設計階段，各個學科之間就完全割裂開來，此時SysML已無法適用。
2)融入“模型驅(qū)動”的思想
MBSE雖然是通過模型的不斷演化、迭代來實現(xiàn)產(chǎn)品設計，但MBSE仍然存在著不足：①建模工作量繁重，幾乎所有的建模過程均需要手工完成，對建模的自動化和智能化支持較少;②建模質(zhì)量無法保證，由于建模需要手工完成，建模質(zhì)量的高低依賴于設計人員的經(jīng)驗，建模質(zhì)量無法保證;③建模的效率低，尤其對于航天器這種大型復雜產(chǎn)品的建模，建模數(shù)量多，類型復雜，建模效率很低。
在現(xiàn)有的MBSE體系基礎上，融入“模型驅(qū)動”的思想，實現(xiàn)由MBSE向模型驅(qū)動的系統(tǒng)工程(Model-DrivenSystemEngineering，MDSE)轉(zhuǎn)變。兩者之間的區(qū)別為MBSE是通過“人工”驅(qū)動建模，而MDSE是通過“模型”智能化驅(qū)動建模，即利用現(xiàn)有的經(jīng)驗知識，通過有效的推理策略進行知識推理，自動化、智能化地實現(xiàn)相關模型的推理，并進一步生成模型，以達到減少大量復雜和重復的工作，更好地重用知識。這種知識隱含在現(xiàn)有的產(chǎn)品研制過程中，需要對其進行深入挖掘才能提煉出來，并且這一過程的'實現(xiàn)不是一蹴而就的，而是逐步不斷完善的過程。
3.2MBSE在航天器研制過程中的應用實踐
在對MBSE理論創(chuàng)新和發(fā)展的同時，應用MB-SE理論指導航天器研制實踐，以開創(chuàng)一條適合我國國情的航天器研制管理模式。
1)建立、健全完善的系統(tǒng)工程研制流程體系
系統(tǒng)工程活動及其流程是系統(tǒng)工程體系的核心。根據(jù)當前航天器研制任務形勢，明確系統(tǒng)工程各階段任務劃分和實施要求，對關鍵技術活動開展集中攻關，不斷開展系統(tǒng)工程流程的梳理和優(yōu)化，針對總體設計要素，提出所需的建模工具和手段，梳理建立航天器總體與結構協(xié)同設計流程、總體與熱控的協(xié)同設計流程、熱控三維設計流程、基于模型的跨專業(yè)協(xié)同設計流程、有效載荷快速設計流程、構型布局設計實現(xiàn)流程、總體總裝設計流程、結構協(xié)同設計流程等。同時，借鑒先進的信息化技術和手段，實現(xiàn)高效的信息表達、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)傳遞，為航天器研制流程的上下貫穿提供根本性保障。
2)以IDS為統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的MBSE，解決MBSE應用范圍窄的問題
結合我國航天器研制的自身特點，提出了以設備接口數(shù)據(jù)單(InterfaceDataSheet，IDS)為統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的MBSE，即在后續(xù)的設計階段，各個學科之間仍然可以通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)源IDS進行協(xié)調(diào)設計，將MBSE的適用范圍擴展到整個產(chǎn)品設計階段。
3)充分利用現(xiàn)有知識，實現(xiàn)由MBSE向MDSE的轉(zhuǎn)變
在充分借鑒信息化技術的基礎上，結合自身實際情況，充分利用現(xiàn)有的設計知識，將多年積累的經(jīng)驗和知識，如設計禁忌、設計要素、設計流程等融合到一個集成的航天器總體設計集成環(huán)境，然后，根據(jù)不同的設計階段和設計情境，通過有效的推理策略進行推理，智能化地實現(xiàn)航天器研制過程建模。
在此，開展了三維設計環(huán)境下基于IDS的設備自動建模、設備快速布局、基于衛(wèi)星電纜網(wǎng)設計系統(tǒng)(SatelliteCableDesignSystem，SCDS)數(shù)據(jù)的快速布線布纜、總裝設計等功能，從源頭上保證了設計數(shù)據(jù)的一致性，有力地提升了航天器研制的規(guī)范化、標準化、自動化程度，加強了技術狀態(tài)控制，優(yōu)化了研制流程，實現(xiàn)了真正的模型驅(qū)動。
4)基于模型的跨專業(yè)協(xié)同設計模式
MBSE概念的提出，雖然改變了原有的協(xié)同設計模式，但各學科、各專業(yè)之間的協(xié)同仍然是靠人工來協(xié)調(diào)。為此，在MBSE的基礎上，結合當前航天器研制模式，一方面，基于IDS統(tǒng)一數(shù)據(jù)源開展了總體-結構-熱控協(xié)同設計，有效解決了傳統(tǒng)模式下人工協(xié)商多、復核復算多和設計精度難以保證的問題。另一方面，建立了基于多級骨架關聯(lián)設計的并行機制，通過建立上下游專業(yè)設計對象之間、專業(yè)內(nèi)部設計對象之間的關聯(lián)關系，實現(xiàn)當上游設計發(fā)生變化時，下游設計可以自動更新，從而加快設計迭代周期，提高設計效率和質(zhì)量。
5)基于MBD的全三維數(shù)字化產(chǎn)品定義
MBSE提出將“基于模型”的思想貫穿于整個產(chǎn)品研制的全生命周期，但在產(chǎn)品設計階段，傳統(tǒng)的數(shù)字化產(chǎn)品的定義是“二維+三維”形式，即所建的三維模型僅僅作為幾何模型，而尺寸、公差、粗糙度、熱處理方法等工藝信息仍然在二維圖紙上表示，這就導致了在制造環(huán)節(jié)中仍然要以二維工程圖作為制造的唯一依據(jù)，整個的制造體系仍然為傳統(tǒng)的二維體系，這種產(chǎn)品定義模式無法保證產(chǎn)品定義唯一性。
基于模型定義(Model-BasedDefinition，MBD)的數(shù)字化設計與制造技術已經(jīng)成為制造業(yè)信息化的發(fā)展趨勢，它是將三維產(chǎn)品的制造信息與三維設計信息共同定義到產(chǎn)品的三維模型中，以改變目前三維模型和二維工程圖并存的局面，保證產(chǎn)品定義的唯一性。目前，國外MBD技術的應用已經(jīng)比較成熟，其中的杰出代表波音公司，在787型客機研制過程中，全面采用了MBD技術，并將MBD模型作為制造的唯一依據(jù)，完全拋棄了二維工程圖樣。MBD技術并不是簡單地在三維模型上進行標注，而是通過一系列規(guī)范的方法更好地表達設計思想，以此打破“設計-制造”之間的隔閡，一方面，能容易地被設計人員所理解，另一方面，又能方便地被計算機處理。
6)航天器系統(tǒng)工程標準規(guī)范體系建設
在MBSE方法中，需要一套完善的航天器系統(tǒng)工程標準規(guī)范體系作為支撐，這是MBSE實施的執(zhí)行依據(jù)。在梳理現(xiàn)有的標準規(guī)范的基礎上，重點開展了航天器系統(tǒng)工程標準規(guī)范體系框架設計，進一步消除系統(tǒng)工程標準規(guī)范體系中的薄弱環(huán)節(jié)。
通過研究國外相關標準和規(guī)范，結合航天器研制的特點，在航天器研制模式探索過程中，構建了符合自身特點的航天器數(shù)字化研制標準體系。
航天器數(shù)字化研制標準體系是由若干個相互依存、相互制約的數(shù)字化標準組成的具有特定功能的有機整體，企業(yè)綜合管理信息化標準和基礎運維標準作為整個體系的支撐標準，主要包括基礎類和應用類兩大類標準，其中基礎類標準主要為概念術語標準;應用類標準包括數(shù)字化設計、制造、裝配、試驗信息交換標準、數(shù)字化設計標準、基于數(shù)字化產(chǎn)品的制造標準、數(shù)字化測試試驗標準、數(shù)字化產(chǎn)品管理標準等，涵蓋了基礎、設計、制造、總裝、試驗、數(shù)據(jù)管理六大類別。
4結束語
MBSE代表著未來系統(tǒng)工程的最新進展和未來的發(fā)展方向。但應該指出的是，MBSE還處于探索階段，在具體的實施過程中，還會遇到各種各樣的問題。需要結合我國航天器研制特點和當前發(fā)展要求，制定出長遠的發(fā)展規(guī)劃。同時，還應密切關注國內(nèi)外研究機構在這一領域的進展，進一步吸收和消化國內(nèi)外的研究成果，形成具有我國航天特色的MBSE，提高我國航天器研制能力和航天器總體設計水平。
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