◎北京宇航系統(tǒng)工程研究所 何兆偉 陳風(fēng)雨 陳海鵬 馬英

導(dǎo)航式設(shè)計模式在彈道專業(yè)的探索

◎北京宇航系統(tǒng)工程研究所 何兆偉 陳風(fēng)雨 陳海鵬 馬英

航天工程設(shè)計是典型的復(fù)雜大系統(tǒng)設(shè)計，而彈道專業(yè)作為運載火箭論證的先行專業(yè)，又具有設(shè)計模型復(fù)雜度高、技術(shù)元素多樣、參數(shù)交叉廣泛等特點。在系統(tǒng)耦合度越來越高、專業(yè)間接口越來越復(fù)雜的形勢下，如何確保設(shè)計的正確性、合理性，以及專業(yè)間接口的規(guī)范性成為專業(yè)內(nèi)部不得不面對的問題。縱觀當(dāng)前的設(shè)計模式，還存在諸如產(chǎn)品設(shè)計“個人色彩”濃重、專業(yè)建設(shè)各自為陣、研制流程脫節(jié)、技術(shù)知識缺乏有效的固化傳承手段等問題。

一、現(xiàn)有設(shè)計知識梳理

過去幾十年，中國運載火箭技術(shù)研究院采用行政單位和型號項目兩條線的模式共同完成型號的研制任務(wù)，在專業(yè)建設(shè)方面逐步加大投入，各主要專業(yè)已形成了較為完備的理論基礎(chǔ)和設(shè)計流程，并以設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等形式予以固化，完成了設(shè)計師手冊編制。但這些內(nèi)容目前只作為設(shè)計參考，沒有基于設(shè)計流程無縫結(jié)合到設(shè)計師的設(shè)計工作中，易出現(xiàn)設(shè)計過程不規(guī)范、觸發(fā)設(shè)計禁忌的風(fēng)險。

1．研制流程

研制流程規(guī)定了設(shè)計的研制階段劃分、基本要求、各階段的任務(wù)、主要工作和完成標(biāo)志、研制流程和輸出文件。研制流程對每個研制階段分別進行定義，各階段的研制流程有一定相似性，同時隨著工程研制的深入逐步細化。圖1給出了方案階段研制流程的示例。

2．設(shè)計師手冊

在設(shè)計師手冊中首先按研制階段劃分詳述了各階段的研制流程，對其中的研制活動和涉及的知識進行了細化闡述。除此之外，還包含設(shè)計禁忌和準(zhǔn)則等補充性、約束性知識。

3．技術(shù)樹

技術(shù)樹對設(shè)計知識的分類比較全面，按技術(shù)相關(guān)度逐層分類，利于查找，適合作為本專業(yè)所有知識的提綱或一個結(jié)構(gòu)維度，對知識的結(jié)構(gòu)化整理有較大幫助。

二、當(dāng)前設(shè)計模式的不足

“行政單位研制產(chǎn)品，型號選產(chǎn)品”是研究院產(chǎn)品化建設(shè)和發(fā)展的重要思路，也描繪了研究院當(dāng)前型號研制的基本模式。行政單位獲得上級部門在預(yù)研、技改等方面的支持，通過加強自身的專業(yè)建設(shè)，實現(xiàn)了技術(shù)從無到有及能力水平的不斷提升。型號項目隊伍在各系統(tǒng)負責(zé)單位的技術(shù)基礎(chǔ)上開展技術(shù)集成工作，重點關(guān)注流程和技術(shù)接口的正確性，以實現(xiàn)型號產(chǎn)品的研制?？v觀當(dāng)前的設(shè)計模式，存在以下幾個方面的不足:

1．缺乏對專業(yè)建設(shè)的評價度量

預(yù)研和技改工作主要由行政單位提出，瞄準(zhǔn)未來的型號發(fā)展提前研究、儲備技術(shù)和能力，但對工作開展到什么程度算到位，缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)；調(diào)研報告、專題分析、樣機等分屬不同實現(xiàn)層級，到底需要完善到哪個層級，沒有統(tǒng)一評價準(zhǔn)則；工程組的專業(yè)組長作為專業(yè)建設(shè)的第一責(zé)任人，在牽頭完成專業(yè)發(fā)展規(guī)劃、共性技術(shù)提煉和建設(shè)中究竟按照標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、設(shè)計師手冊、設(shè)計要素中的哪個層級來進行建設(shè)，沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)；現(xiàn)實工作中，部分工程組長忙于型號，對專業(yè)建設(shè)投入少，把關(guān)和引領(lǐng)作用發(fā)揮不夠，加之對年輕設(shè)計人員的培訓(xùn)不足，產(chǎn)品個性化設(shè)計情況較為突出。

2．缺乏對產(chǎn)品成熟度和經(jīng)濟性等關(guān)鍵要素的把控

長期以來，研究院的產(chǎn)品化建設(shè)工作主要瞄準(zhǔn)實物產(chǎn)品來開展，但對于總體室來說，大部分專業(yè)不直接管理單機產(chǎn)品，因此對產(chǎn)品化理念理解不深刻。在專業(yè)建設(shè)方面投入不少，但是效果有時不理想，如預(yù)研類的技術(shù)，有時由于技術(shù)成熟度不足，導(dǎo)致對后期型號研制支撐不夠；技改類的技術(shù)，有時由于共性技術(shù)總結(jié)提煉不足，導(dǎo)致對各型號保障不到位；對于共性專業(yè)技術(shù)，有時由于總結(jié)凝練不及時、不到位，導(dǎo)致人員流動后“失傳”，需要重新積累；對于型號設(shè)計，由于沒有考慮技術(shù)經(jīng)濟性原因，導(dǎo)致總經(jīng)費嚴(yán)重超標(biāo)?？傊?，由于在專業(yè)建設(shè)中沒有考慮上述關(guān)鍵要素，為型號產(chǎn)品的快速、可靠研制埋下隱憂。

3．缺乏標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范真正落地的好途徑

回顧型號項目研制和專業(yè)建設(shè)，整體上感覺存在“兩層皮”現(xiàn)象。專業(yè)建設(shè)雖轟轟烈烈，投入多、產(chǎn)出不少，完成了大量標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、設(shè)計師手冊、設(shè)計要素、三級審簽要點、工作手冊等成果，但由于目前專業(yè)建設(shè)缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和體系梳理，使得各成果基本處于各自為戰(zhàn)的情況，很多知識點相互重復(fù)，耗費了精力，而且各成果以文本形式管理，及時統(tǒng)一更新也較為困難。在具體型號設(shè)計過程中，設(shè)計人員基本按照“先學(xué)后用”的模式來開展工作，需要理解和掌握的知識點很多，設(shè)計中常常出現(xiàn)顧此失彼、掛一漏萬的情況。因此，專業(yè)建設(shè)成果在一線人員設(shè)計中能否有效踐行還需要足夠的時間去“熬”，有章不循的現(xiàn)象比較普遍。

三、導(dǎo)航式設(shè)計模式探索

1．導(dǎo)航式設(shè)計概念的提出

彈道設(shè)計專業(yè)經(jīng)過數(shù)十年的探索與發(fā)展，目前形成了成熟、完備的理論基礎(chǔ)，針對不同的型號形成了較為成熟的設(shè)計流程。這些基礎(chǔ)理論和設(shè)計流程以設(shè)計工具、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)等形式予以固化，同時還以個人經(jīng)驗、設(shè)計禁忌等形式固化在設(shè)計師手冊、甚至隱性存在于設(shè)計師的大腦中。這些要素本質(zhì)上是離散的，如在設(shè)計工具中固化了理論模型，但沒有包含設(shè)計流程信息，也不會提示設(shè)計師相關(guān)的禁忌。設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與手冊等內(nèi)容可能包含設(shè)計流程及禁忌等信息，但這樣的要素一般只能作為設(shè)計過程中的參考，即作為設(shè)計流程的外圍信息，沒有無縫結(jié)合到設(shè)計師的設(shè)計活動中。

這樣的情況實際上會造成整個彈道設(shè)計過程具有較濃厚的設(shè)計師個人色彩。對于經(jīng)驗豐富的設(shè)計師而言，這種“個人色彩”是值得鼓勵的，但對年輕設(shè)計師而言，這就是造成設(shè)計過程不規(guī)范、易觸發(fā)設(shè)計禁忌的主要風(fēng)險。因此，應(yīng)當(dāng)在設(shè)計工具中增加流程管理的功能，對設(shè)計師擬采用的設(shè)計技術(shù)和流程進行規(guī)范，同時開展先期提示及后期檢驗相關(guān)設(shè)計禁忌，將設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)計手冊中的經(jīng)驗無縫集成到設(shè)計活動中，從而達到規(guī)范設(shè)計流程的目的，其本質(zhì)實際上是嵌入崗位流程的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)實施。

2．導(dǎo)航式設(shè)計的實現(xiàn)構(gòu)想

導(dǎo)航式設(shè)計軟件是實現(xiàn)導(dǎo)航式設(shè)計的落腳點，是將設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、流程甚至禁忌經(jīng)驗與傳統(tǒng)設(shè)計工具結(jié)合的最終體現(xiàn)。完善的導(dǎo)航式設(shè)計軟件應(yīng)該具備以下幾個特點:

一是可定制的流程管理功能。

設(shè)計流程管理是導(dǎo)航式設(shè)計軟件最顯著的特點之一，是其區(qū)別于傳統(tǒng)設(shè)計工具的明顯特征。設(shè)計師可以對設(shè)計活動進行建模，并根據(jù)設(shè)計師選擇的設(shè)計活動類型推薦出較合適的、符合規(guī)范的設(shè)計流程，為每個設(shè)計步驟推薦設(shè)計方法甚至設(shè)計工具。設(shè)計師可以接受推薦的流程，也可以根據(jù)任務(wù)的特殊性有針對性地進行調(diào)整。

二是設(shè)計前的技術(shù)評價與審核功能。設(shè)計師定制好擬采用的設(shè)計活動流程后，就進入了評價與審核階段。系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)類型對選用的技術(shù)進行成熟度等級評價，審核者重點針對成熟度較低的技術(shù)進行把關(guān)與審核，并對全流程環(huán)節(jié)是否有重大缺項等給予把關(guān)。

三是設(shè)計過程中的實時指導(dǎo)與約束檢查功能。設(shè)計開始后，每個模型的輸入、輸出參數(shù)都將通過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、禁忌等信息實時進行檢驗，若發(fā)現(xiàn)有違反的情況，則在設(shè)計流程中提示設(shè)計師參數(shù)使用有問題，從而讓設(shè)計師及時調(diào)整使用參數(shù)。

四是設(shè)計后的方案評價功能。

設(shè)計完成后，通過以上流程的實施能使設(shè)計結(jié)果基本規(guī)范，不會出現(xiàn)嚴(yán)重違反設(shè)計禁忌的情況，但在設(shè)計優(yōu)化程度上還沒有進行評價。當(dāng)設(shè)計方案定型后，導(dǎo)航式設(shè)計軟件可以根據(jù)數(shù)據(jù)庫中類似的設(shè)計流程，提供設(shè)計結(jié)果對比，為設(shè)計師評估設(shè)計結(jié)果是否已達到較優(yōu)的水平提供參考。

3．智能導(dǎo)航設(shè)計規(guī)劃

導(dǎo)航式設(shè)計的初衷是讓常規(guī)的設(shè)計工作脫離“紙質(zhì)地圖”時代，讓各種集成于“紙質(zhì)地圖”中的技術(shù)知識實現(xiàn)有規(guī)則的離散化、數(shù)據(jù)庫式存儲化，并嵌入可定制、可升級的設(shè)計流程，甚至設(shè)計工具的開發(fā)流程，自動推送、自動提醒，以達到專業(yè)知識完備化傳承、新人員邊設(shè)計邊學(xué)習(xí)、最大可能減少質(zhì)量問題發(fā)生的目的，變“老帶新”為智能導(dǎo)航設(shè)計。

導(dǎo)航式設(shè)計的實現(xiàn)可以催生數(shù)據(jù)累積型與導(dǎo)航規(guī)劃型2類智能設(shè)計。

以彈道設(shè)計崗位中的加注量計算工作為例說明數(shù)據(jù)累積型智能設(shè)計。發(fā)射場加注量計算工作中有一個很重要的環(huán)節(jié)為推進劑調(diào)溫，推進劑調(diào)溫結(jié)果直接決定著火箭發(fā)射時刻的推進劑工況，進而有可能影響火箭發(fā)射的成敗。在調(diào)溫計算的過程中，設(shè)計工具可以依據(jù)大量積累的以往所有發(fā)次的既有數(shù)據(jù)智能地給出設(shè)計建議，再由崗位人員進行精細化設(shè)計；同時，在崗位人員提交最終結(jié)果后，設(shè)計工具可以依據(jù)累積數(shù)據(jù)智能地進行包絡(luò)分析和約束分析。當(dāng)設(shè)計工具可以將大量的累積數(shù)據(jù)智能參與到設(shè)計過程中時，就實現(xiàn)了以機器經(jīng)驗替代人員經(jīng)驗的轉(zhuǎn)換。

導(dǎo)航規(guī)劃型智能設(shè)計是當(dāng)接到新任務(wù)后，以任務(wù)屬性、技術(shù)指標(biāo)等為輸入，在構(gòu)建好學(xué)習(xí)地圖的基礎(chǔ)上自行以技術(shù)成熟度、經(jīng)濟性等為約束條件，規(guī)劃可行的技術(shù)路徑及流程，引導(dǎo)設(shè)計人員按照既定選擇的節(jié)點方案完成設(shè)計，并檢查指標(biāo)的符合性。智能導(dǎo)航設(shè)計一旦實現(xiàn)，將是對當(dāng)前設(shè)計模式的一場新變革，對專業(yè)建設(shè)水平提升、設(shè)計質(zhì)量保證、設(shè)計效率提高和技術(shù)經(jīng)濟性提升均有重要意義。

筆者以彈道專業(yè)為試點開展了導(dǎo)航式設(shè)計模式的思考，以“技術(shù)樹+研制流程=學(xué)習(xí)地圖”為思路、以專用導(dǎo)航工具與設(shè)計工具相分離為原則，進行導(dǎo)航式設(shè)計的原理性驗證，形成了彈道專業(yè)學(xué)習(xí)地圖框架、技術(shù)節(jié)點知識體系等內(nèi)容，并向著過程規(guī)劃與數(shù)據(jù)累積等方向深入摸索前進?？梢灶A(yù)期的是，導(dǎo)航式設(shè)計一旦實現(xiàn)，對設(shè)計水平、設(shè)計效率、設(shè)計質(zhì)量等將產(chǎn)生變革性的影響。▲