張柏楠，戚發(fā)軔，邢濤，劉洋，王為

1. 北京航空航天大學 宇航學院，北京 100083 2. 中國空間技術研究院 載人航天總體部，北京 100094 3. 南京航空航天大學 航空學院，南京 210016

20世紀60年代以來，國內(nèi)外航天和國防領域一直采用系統(tǒng)工程作為研制管理方法[1-2]。近年來，隨著航天器系統(tǒng)規(guī)模及復雜度急劇提升，傳統(tǒng)的以文檔為核心的系統(tǒng)工程方法已經(jīng)無法有效滿足研制需求[3-5]。與以往航天任務相比，以載人飛船、空間站為代表的載人航天器型號在系統(tǒng)規(guī)模、技術難度、可靠性安全性要求、研制周期與成本要求等方面都對航天系統(tǒng)的研制能力提出了更高的要求。傳統(tǒng)的以文檔為核心的系統(tǒng)工程方法存在的問題主要體現(xiàn)在：眾多信息分散于各個文檔，難以保證完整性和一致性；對復雜的、動態(tài)交互性強的活動難以描述，表達力不足，有時會產(chǎn)生歧義；技術狀態(tài)控制困難，工作量大，維護困難；缺少早期驗證手段，主要依靠后期的實物驗證，代價大、周期長。

為應對上述挑戰(zhàn)，基于模型的系統(tǒng)工程(Model-Based System Engineering, MBSE)應運而生[6]。MBSE的概念源自美國，主要由國際系統(tǒng)工程學會(Internal Council of System Engineering, INCOSE)倡導和推進。2007年INCOSE在《系統(tǒng)工程2025年愿景》中給出了基于模型的系統(tǒng)工程的定義：基于模型的系統(tǒng)工程是對系統(tǒng)工程活動中建模方法應用的正式認同，以使建模方法支持系統(tǒng)要求、設計、分析、驗證和確認等活動，這些活動從概念性設計階段開始，持續(xù)貫穿到設計開發(fā)以及后來的所有的生命周期階段。以標準系統(tǒng)建模語言SysML為基礎，MBSE利用形式化的模型實現(xiàn)從概念設計、方案設計、試驗驗證到工程實施的全過程管理，核心是建立起以數(shù)據(jù)為中心的系統(tǒng)工程管理系統(tǒng)，相比于基于文檔的系統(tǒng)設計方法，它具有知識表示無二義性、溝通交流效率高、可實現(xiàn)系統(tǒng)設計一體化、知識獲取和可重用能力強、可進行多角度分析等顯著優(yōu)點[7-11]。

與無人航天器相比，載人航天器具有系統(tǒng)規(guī)模大、技術難度高、單件小批量、無法通過多次飛行持續(xù)完善設計、可靠性要求高等特點。如何針對上述特點，形成面向載人航天器的MBSE研制方法，并將之進行應用實踐，從而充分體現(xiàn)上述MBSE的優(yōu)點，則是一個充滿挑戰(zhàn)的問題。本文在分析載人航天器研制模式的基礎上，針對其研制特點，提出面向載人航天器研制的模型體系及其間相互關系，并進行實踐探索。

1 載人航天器MBSE研制模式

1.1 MBSE研制需求

航天工業(yè)尤其是載人航天器研制領域，與航空、汽車等行業(yè)相比，對研制流程前端設計“一次正確”的要求更高，對通過早期虛擬驗證發(fā)現(xiàn)問題的需求更為迫切。目前，在航天器研制的各環(huán)節(jié)，已開展了大量的數(shù)字化工作，但仍存在以下不足：

1) 參數(shù)化、模型化程度不高

如表1所示，通過對某型號航天器研制中232項工作和XX搭載任務研制中106項工作的數(shù)字化程度進行分析，發(fā)現(xiàn)研制流程中紙質(zhì)文檔、電子化數(shù)據(jù)比例較高，參數(shù)化、模型化程度較低。

表1 航天器研制任務數(shù)字化程度分析

2) 基于模型的系統(tǒng)綜合仿真驗證不足

某型號航天器方案階段研制文檔為613份，初樣階段為4 492份，初樣實物試驗驗證工作量巨大。在仿真驗證過程中，更多的是采用專業(yè)仿真驗證，而多學科集成綜合仿真、系統(tǒng)級仿真驗證及優(yōu)化較少，仿真驗證的系統(tǒng)性不強。另外，試驗和飛行數(shù)據(jù)的利用程度不高，沒有充分利用數(shù)據(jù)修正仿真模型，模型重用性不強，知識積累較為薄弱。

3) 研制各環(huán)節(jié)缺乏數(shù)字化集成

系統(tǒng)設計、驗證、制造與集成測試各環(huán)節(jié)的數(shù)字化工作缺乏基于模型的端到端集成。因此，研制過程可追溯性差，設計更改的影響分析手段不足，更改分析不徹底帶來的質(zhì)量問題突出。

工藝設計與分析介入產(chǎn)品研發(fā)較晚，無法在設計早期進行可制造性的分析，優(yōu)化產(chǎn)品設計的制造性能。現(xiàn)場的產(chǎn)品實際加工和測試信息不能及時反饋綜合到系統(tǒng)設計，往往到產(chǎn)品實物集成、甚至飛行試驗時才能暴露問題，導致質(zhì)量和效率不高。

綜合以上分析，有必要在調(diào)研國內(nèi)外基于模型的系統(tǒng)工程研究與應用先進經(jīng)驗的基礎上，總結(jié)中國載人航天領域的研制流程與方法，探索面向?qū)嶋H需求的基于模型的載人航天器研制模式。

1.2 載人航天器全生命周期模型的定義

載人航天器研制全生命周期中的模型包括需求模型、功能模型、產(chǎn)品模型、工程模型、制造模型、實做模型等6類模型。各類模型的定義如下：

1) 需求模型：描述需求條目、圖形化系統(tǒng)邏輯架構和運行方案的模型，可全面、準確、結(jié)構化地反映用戶需求及系統(tǒng)設計，并作為詳細設計的實施依據(jù)。

2) 功能模型：描述系統(tǒng)機械、控制、能源、信息和熱管理等功能性能的模型，可對系統(tǒng)功能性能進行多學科綜合仿真驗證，提前驗證并優(yōu)化設計。

3) 產(chǎn)品模型：描述產(chǎn)品結(jié)構、電路等詳細設計的模型，將機、電、熱等各類信息以三維模型或結(jié)構化數(shù)據(jù)形式進行集成或關聯(lián)，作為工程分析和產(chǎn)品制造的基礎。

4) 工程模型：描述產(chǎn)品專業(yè)特性，基于產(chǎn)品模型建立的空間環(huán)境、電磁兼容、力熱分析、可靠性安全性等模型，作為工程專業(yè)分析和設計的依據(jù)。

5) 制造模型：描述產(chǎn)品生產(chǎn)、裝配等工藝設計的模型，基于產(chǎn)品模型建立，附加了工藝要求、工裝、設備等工藝設計相關信息，可作為生產(chǎn)制造的依據(jù)。

6) 實做模型：描述產(chǎn)品制造、測試等環(huán)節(jié)實測數(shù)據(jù)的模型，反映產(chǎn)品生產(chǎn)制造的真實狀態(tài)，作為產(chǎn)品驗收、設計改進與后期追溯的依據(jù)。

通過以上6類模型驅(qū)動研制流程，可以打通產(chǎn)品研制全過程的數(shù)據(jù)鏈路，實現(xiàn)產(chǎn)品設計、集成驗證、產(chǎn)品實現(xiàn)過程的模型化，逐步構建基于數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化的系統(tǒng)工程研制模式。

1.3 基于模型的載人航天器研制流程

針對載人航天器研制“單件小批量，對早期虛擬驗證的需求更為迫切”的特點，基于模型的載人航天器研制模式與其他行業(yè)的MBSE方法論相比，更加側(cè)重于驗證。在載人航天器研制全周期中，共有系統(tǒng)設計閉環(huán)驗證、產(chǎn)品設計閉環(huán)驗證、實做產(chǎn)品閉環(huán)驗證3個驗證環(huán)節(jié)，如圖1所示。

圖1 載人航天器研制過程中的3大閉環(huán)驗證Fig.1 Three closed-loop verifications in development of manned spacecraft

在載人航天器研制全流程的各環(huán)節(jié)中，以模型作為研制數(shù)據(jù)承載于傳遞的載體，各類模型在各研制環(huán)節(jié)所應用的軟件平臺中產(chǎn)生、傳遞和分析應用，從而驅(qū)動型號的系統(tǒng)工程研制過程。圖2 給出了全生命周期中6類模型和相關數(shù)據(jù)在各軟件平臺間的具體傳遞和交互關系。

圖2 業(yè)務模塊間模型交互關系Fig.2 Model interaction among business modules

1.3.1 需求模型的產(chǎn)生、傳遞和使用

需求模型產(chǎn)生于需求建模系統(tǒng)和任務規(guī)劃系統(tǒng)，傳遞于基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的協(xié)同設計系統(tǒng)、技術狀態(tài)管理系統(tǒng)和集成仿真驗證系統(tǒng)。

最頂層的需求模型為工程總體技術要求需求模型，是整個型號研制的輸入。任務規(guī)劃系統(tǒng)根據(jù)工程總體技術要求進行頂層任務分析與規(guī)劃，得到型號系統(tǒng)的具體任務需求模型。需求建模系統(tǒng)根據(jù)工程總體要求和任務規(guī)劃需求模型進行系統(tǒng)需求分解，得到產(chǎn)品設計、實現(xiàn)和驗證詳細需求模型，包括艙段技術要求、總體對分系統(tǒng)技術要求、分系統(tǒng)對單機技術要求、總體/分系統(tǒng)對總裝技術要求、總體/分系統(tǒng)對測試技術要求、集成與測試試驗(Assembly, Integration and Test, AIT)各階段技術狀態(tài)要求等。

需求模型分解過程中利用集成仿真驗證系統(tǒng)進行系統(tǒng)功能性能仿真分析?；诮y(tǒng)一數(shù)據(jù)源的協(xié)同設計系統(tǒng)根據(jù)詳細設計需求模型開展產(chǎn)品詳細設計。技術狀態(tài)管理以詳細需求模型作為技術狀態(tài)控制的依據(jù)，例如以AIT各階段技術狀態(tài)要求控制AIT各階段技術狀態(tài)。

1.3.2 功能模型的產(chǎn)生、傳遞和使用

功能模型產(chǎn)生于集成仿真驗證系統(tǒng)，傳遞于在軌數(shù)據(jù)分析及健康管理系統(tǒng)、自動化測試系統(tǒng)和半物理測試系統(tǒng)。

集成仿真驗證系統(tǒng)建立多學科系統(tǒng)功能模型，用于對系統(tǒng)功能性能設計的綜合仿真驗證。系統(tǒng)功能模型產(chǎn)生的仿真數(shù)據(jù)可作為半物理測試系統(tǒng)和自動化測試系統(tǒng)的測試激勵數(shù)據(jù)，用于支持系統(tǒng)動態(tài)功能性能的測試驗證，另一方面測試數(shù)據(jù)也可用于對功能模型進行修正。

功能模型可用于輔助在軌數(shù)據(jù)分析及健康管理系統(tǒng)進行在軌狀態(tài)的分析，例如故障仿真模擬。同時，在軌數(shù)據(jù)也可用于對功能模型進行修正。

1.3.3 產(chǎn)品模型的產(chǎn)生、傳遞和使用

產(chǎn)品模型產(chǎn)生于基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的協(xié)同設計系統(tǒng)，傳遞于智能制造系統(tǒng)、智能總裝系統(tǒng)、技術狀態(tài)管理系統(tǒng)、專業(yè)分析工具集、在軌維修仿真系統(tǒng)、自動化測試系統(tǒng)和半物理測試系統(tǒng)。

基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的協(xié)同設計系統(tǒng)開展產(chǎn)品詳細方案設計，得到表征產(chǎn)品詳細設計信息的產(chǎn)品模型，例如表征產(chǎn)品機械設計信息的三維產(chǎn)品模型，表征產(chǎn)品電氣設計信息的供配電大圖、信息大圖、接點表、指令參數(shù)表、飛行程序等電氣設計產(chǎn)品模型。

三維產(chǎn)品模型傳遞至智能制造系統(tǒng)，作為結(jié)構制造模型建立的輸入；傳遞至智能總裝系統(tǒng)，作為總裝集成制造模型的輸入；傳遞至技術狀態(tài)管理系統(tǒng)，作為技術狀態(tài)控制的設計基線；傳遞至專業(yè)分析工具集，作為專業(yè)分析工程模型建模的輸入；傳遞至在軌維修仿真系統(tǒng)，作為維修性仿真分析工程模型的建模輸入；傳遞至自動化測試系統(tǒng)、半物理測試系統(tǒng)作為開展測試驗證的輸入。

1.3.4 工程模型的產(chǎn)生、傳遞和使用

工程模型產(chǎn)生于專業(yè)分析工具集和在軌維修仿真系統(tǒng)，傳遞于數(shù)字化試驗系統(tǒng)。

專業(yè)分析工具集建立產(chǎn)品力、熱、可靠性等專業(yè)工程模型，用于產(chǎn)品力、熱、可靠性等專業(yè)性能仿真分析。在軌維修仿真系統(tǒng)建立產(chǎn)品維修性仿真分析工程模型，進行產(chǎn)品維修性設計仿真驗證。

專業(yè)分析工具集建立的產(chǎn)品力、熱等專業(yè)工程模型傳遞給數(shù)字化試驗系統(tǒng)，作為開展虛擬大型試驗、大型試驗數(shù)據(jù)分析的依據(jù)。另一方面，大型試驗結(jié)果數(shù)據(jù)可用于修正相應專業(yè)的工程模型。

1.3.5 制造模型的產(chǎn)生、傳遞和使用

制造模型產(chǎn)生于智能制造系統(tǒng)和智能總裝系統(tǒng)。智能制造系統(tǒng)建立結(jié)構制造工藝模型，用于結(jié)構的數(shù)字化制造與檢驗。智能總裝系統(tǒng)建立總裝制造模型，用于數(shù)字化總裝集成。

1.3.6 實做模型的產(chǎn)生、傳遞和使用

實做模型產(chǎn)生于半物理測試系統(tǒng)、自動化測試系統(tǒng)、數(shù)字化試驗系統(tǒng)、在軌數(shù)據(jù)分析及健康管理系統(tǒng)和空間應用保障系統(tǒng)，傳遞于技術狀態(tài)管理系統(tǒng)、集成仿真驗證系統(tǒng)和專業(yè)分析工具集。

智能制造系統(tǒng)和智能總裝系統(tǒng)對產(chǎn)品制造和集成過程的實做數(shù)據(jù)進行收集，建立產(chǎn)品制造集成實做模型，該模型傳遞至技術狀態(tài)管理系統(tǒng)后與代表設計基線的產(chǎn)品模型和AIT各階段技術狀態(tài)需求模型進行比較分析，從而對產(chǎn)品技術狀態(tài)進行確認。

半物理測試系統(tǒng)根據(jù)測試結(jié)果數(shù)據(jù)建立測試實做模型，該模型傳遞至技術狀態(tài)管理系統(tǒng)與測試需求模型進行比較分析，對測試狀態(tài)進行確認。另外，該模型傳遞給仿真驗證系統(tǒng)，用于功能模型的修正。技術狀態(tài)管理系統(tǒng)為半物理測試系統(tǒng)提供設備數(shù)據(jù)包實做模型，作為開展半物理測試的輸入。

自動化測試系統(tǒng)根據(jù)測試結(jié)果數(shù)據(jù)建立測試實做模型，該模型傳遞至技術狀態(tài)管理系統(tǒng)與測試需求模型進行比較分析，對測試狀態(tài)進行確認。另外該模型傳遞給仿真驗證系統(tǒng)，用于功能模型的修正。技術狀態(tài)管理系統(tǒng)為自動化測試系統(tǒng)提供集成狀態(tài)實做模型，作為開展自動化測試的輸入。

數(shù)字化試驗系統(tǒng)根據(jù)試驗結(jié)果數(shù)據(jù)建立試驗實做模型，該模型傳遞至技術狀態(tài)管理系統(tǒng)用于試驗狀態(tài)的確認。

在軌數(shù)據(jù)分析及健康管理系統(tǒng)根據(jù)在軌數(shù)據(jù)建立平臺在軌狀態(tài)實做模型，用于在軌狀態(tài)的管理。該模型可傳遞給仿真驗證系統(tǒng)，用于功能模型的修正，還可傳遞給空間應用保障系統(tǒng)，輔助應用數(shù)據(jù)的分析。

在軌物資管理系統(tǒng)根據(jù)在軌物資狀態(tài)建立在軌物資實做模型，用于在軌物資管理和運營支持?？臻g應用保障系統(tǒng)根據(jù)在軌應用數(shù)據(jù)建立應用數(shù)據(jù)實做模型，開展應用數(shù)據(jù)管理、分析與綜合利用。

2 載人航天器MBSE應用實踐

2.1 需求管理與系統(tǒng)設計(需求模型)

在某載人航天器型號中開展了數(shù)字化需求管理的應用，采用商用軟件Cradle完成了系統(tǒng)需求管理基礎環(huán)境設施的建設，結(jié)合型號應用完成了型號項目定制化開發(fā)，并開展了需求建模應用，建立了總體-艙段-分系統(tǒng)3級需求體系。

在建立需求體系后，建立了各級技術要求的數(shù)字化關聯(lián)關系，在此基礎上開展了下級技術要求條目對上級技術要求條目的覆蓋性分析工作，對技術要求分解的完備性進行了檢查。

最后，基于MagicDraw、M-Design軟件、Sysml語言開展了頂層系統(tǒng)方案邏輯建模方法初步應用，建立了包含需求圖、用例圖、活動圖、狀態(tài)基圖、塊定義圖的頂層系統(tǒng)方案的局部模型，對系統(tǒng)方案邏輯建模方法進行了初步探索，如圖3所示。

圖3 型號頂層系統(tǒng)的用例圖Fig.3 Case diagram of top-level system

基于需求模型，開展數(shù)字化需求管理與系統(tǒng)設計，建立了5 000余條需求條目，實現(xiàn)了總體-艙段-分系統(tǒng)-單機各級關鍵功能性能指標的100%數(shù)字化傳遞、關聯(lián)與追溯。

2.2 多學科系統(tǒng)仿真(功能模型)

基于MathWorks軟件，采用Modelica語言建立了動力學與控制、能源、環(huán)境/熱控、信息、推進等5個專業(yè)的功能模型，積累形成了載人航天器基礎功能模型庫、XXX等型號功能模型庫。針對每個模型編寫了相應的建模說明文檔，明確了模型原理、模型參數(shù)、模型輸入輸出接口。通過對各專業(yè)學科功能仿真模型的綜合集成，構建了包含218臺關鍵單機設備、約20萬個方程組成的三艙系統(tǒng)多學科集成仿真模型，開展了飛行方案系統(tǒng)綜合仿真工作，驗證了型號總體方案設計的正確性，如圖4所示。

圖4 基于Modelica的功能模型圖Fig.4 Functional model diagram based on Modelica

基于Modelica功能模型和FMI(Functional Mock-up Interface)模型接口技術，開展了艙段轉(zhuǎn)位方案跨廠所聯(lián)合仿真工作，將GNC(Guidance, Navigation and Control)分系統(tǒng)控制功能模型、機械臂功能模型、轉(zhuǎn)位與對接機構分系統(tǒng)轉(zhuǎn)位機構功能模型集成到總體功能模型中，開展了轉(zhuǎn)位方案綜合驗證，解決了轉(zhuǎn)位工況無法完全通過實物手段進行驗證的問題。

2.3 全三維協(xié)同設計(產(chǎn)品模型)

以產(chǎn)品模型為主線，將結(jié)構設計、熱設計、總裝設計以及所有單機模型納入到統(tǒng)一模型架構下進行多專業(yè)協(xié)同設計，在保證機械接口設計正確性的同時，向上貫通系統(tǒng)設計(需求模型)與多學科仿真(功能模型)，橫向貫通相關專業(yè)設計驗證(產(chǎn)品模型)，向下貫通集成制造(制造模型)，實現(xiàn)了全三維設計、全三維下廠工作模式，如圖5所示。

圖5 三維產(chǎn)品模型示意圖Fig.5 Schematic diagram of 3D product model

2.4 專業(yè)仿真(工程模型)

面向載人航天器各專項方案仿真需求，開展了信息流仿真、電磁兼容性仿真、羽流仿真、熱管理仿真、噪聲仿真、照明仿真等多項仿真分析，驗證了各專項設計方案的正確性，如圖6所示。

圖6 各類工程仿真模型Fig.6 Various engineering simulation models

2.5 數(shù)字化制造總裝(制造模型)

利用制造模型，實現(xiàn)了基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的三維模型會簽、三維模型導入、三維工藝編制、數(shù)控編程、數(shù)控加工仿真、三維工藝審簽，如圖7所示，極大地提高了生產(chǎn)制造及總裝測試的效率及正確性，部件研制效率提高一倍以上。

圖7 數(shù)字化制造模型Fig.7 Digital manufacturing model

2.6 產(chǎn)品電子數(shù)據(jù)包管理(實做模型)

通過產(chǎn)品電子數(shù)據(jù)包管理系統(tǒng)建設實現(xiàn)了以型號配套體系為依據(jù)，單機產(chǎn)品電子數(shù)據(jù)包的統(tǒng)一采集與驗收過程管理，如圖8所示。系統(tǒng)已在該載人航天型號中開展了應用，應用于各分系統(tǒng)單機產(chǎn)品數(shù)據(jù)包采集與驗收工作，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)包的電子化采集與驗收在線協(xié)同，避免了紙質(zhì)文件的提交和傳閱，總體AIT過程管理效率提升40%以上。

圖8 實做模型Fig.8 Real model

3 結(jié)論與展望

本文針對載人航天器研制特點與難點，在引入MBSE的基礎上，提出了基于模型的載人航天器研制流程，提出了面向載人航天器全生命周期、包含6大類模型的模型體系，貫穿了載人航天器全生命周期。通過某載人航天器型號的應用與分析表明，采用本文提出的基于模型的系統(tǒng)工程方法，達到了以下指標：

1) 實現(xiàn)了總體-艙段-分系統(tǒng)-單機各級關鍵功能性能指標的100%數(shù)字化傳遞、關聯(lián)與追溯。

2) 實現(xiàn)了全三維設計、全三維下廠工作模式。

3) 提高了生產(chǎn)制造及總裝測試的效率及正確性，部件研制效率提高一倍以上。

4) 總體AIT過程管理效率提升40%以上。

未來將在進一步探索面向載人航天器正樣研制及在軌運營階段需求的基礎上，開展數(shù)字航天器建設。與真實航天器、地面電性伴飛航天器共同構成“三孿生體”。同時，為應對載人月球探測工程研制高復雜度的挑戰(zhàn)，將進一步探索推進MBSE研發(fā)方法在載人月球探測工程任務中的應用。