郭堅 李瑞軍 范延芳 史向東
(北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)
隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展和經(jīng)驗的積累,航天器研制手段不斷豐富,航天器系統(tǒng)功能、邏輯、信息流、軟件協(xié)議、接口越來越復(fù)雜,傳統(tǒng)手工撰寫、公文傳遞或者各分系統(tǒng)研制單位按實現(xiàn)流程串行完成整星設(shè)計、制造、驗證的研制模式不但造成大量重復(fù)工作,且存在嚴(yán)重的信息傳遞二義性問題,越來越不能滿足現(xiàn)代化工業(yè)制造對高可靠、高效率、高集成度的需求。
利用網(wǎng)絡(luò)資源,實施跨平臺、跨地域、多方協(xié)同的航天器產(chǎn)品研制模式能夠快速驗證航天產(chǎn)品的有效性和可靠性,支持產(chǎn)品設(shè)計、研制、驗證的并行實施,已成為當(dāng)代航天器研制的趨勢[1-4]。航天器機械、熱、電氣接口設(shè)計數(shù)字化平臺接口數(shù)據(jù)表單(IDS)歷經(jīng)近10年發(fā)展,從以往手工獨立設(shè)計,到采用專用軟件工具獨立開發(fā)設(shè)計,終于利用網(wǎng)絡(luò)資源初步實現(xiàn)多方協(xié)同設(shè)計的目標(biāo)。
信息流設(shè)計是航天器總體設(shè)計的重要組成之一,是一項涉及多學(xué)科、多領(lǐng)域、多單位、跨地域融合的系統(tǒng)工程,研制過程對產(chǎn)品全局狀態(tài)的掌控具有極高要求[5]。國內(nèi)、外均陸續(xù)開展了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究,其中比較權(quán)威的有空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)提出的星載接口服務(wù)電子數(shù)據(jù)表單(SOIS Electronic Data Sheets,SEDS)協(xié)議和基于XML的遙測遙控交互接口(XML Telemetric and Command Exchange,XTCE)協(xié)議,前者著重描述星載信息流的數(shù)據(jù)交互接口定義,后者著重描述星地之間信息流數(shù)據(jù)交互接口定義,本文在信息流建模過程中極大程度的借鑒了二標(biāo)準(zhǔn)定義的規(guī)范。
本文結(jié)合已在機械設(shè)計領(lǐng)域得到廣泛研究和應(yīng)用的基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)實施方法[6-7],提出了適用于我國航天器信息流研制流程的基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)同的信息流數(shù)字化設(shè)計方法,即信息流協(xié)同設(shè)計模式。該設(shè)計模式不但基于國內(nèi)、外同行業(yè)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn),而且通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)源,確保網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全,明確定義航天器研制各方職、權(quán)、責(zé)等方法,實現(xiàn)了信息流設(shè)計關(guān)鍵環(huán)節(jié)的專業(yè)需求和管理需求融合。在設(shè)計模式實現(xiàn)層面,將上述知識和經(jīng)驗固化在網(wǎng)絡(luò)協(xié)同數(shù)字化平臺上,并嘗試為多領(lǐng)域、多型號的航天器信息流研制任務(wù)提供服務(wù)。
網(wǎng)絡(luò)協(xié)同信息流數(shù)字化設(shè)計平臺(EDS)為航天器信息流設(shè)計、仿真驗證提供信息采集、格式化、永久化、共享、變更管理等功能,同時為信息設(shè)計、仿真數(shù)據(jù)產(chǎn)品提供第三方應(yīng)用接口,包括航天器軟件研制、地面測試和在軌運行提供數(shù)據(jù)及對外接口等。結(jié)合航天器研制流程,在平臺系統(tǒng)規(guī)劃中根據(jù)從全局規(guī)劃到細(xì)節(jié)分析、從整星研制流程到單機開發(fā)時機的確認(rèn),逐層剖析,需要依次解決以下問題。
(1)明確與已有在用IDS系統(tǒng)的使用流程關(guān)系和數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)關(guān)系。
(2)采用結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)描述模型表示所有單機、軟件、分系統(tǒng)、整星的信息流設(shè)計和應(yīng)用;抽象出航天器信息流協(xié)議通用化描述標(biāo)準(zhǔn),采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)采集、傳遞、更新、下發(fā)使用相關(guān)數(shù)據(jù);通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)同信息流數(shù)字化設(shè)計平臺,單機、軟件、分系統(tǒng)、總體多方開展協(xié)同設(shè)計,能夠根據(jù)平臺權(quán)限管理規(guī)定,實現(xiàn)設(shè)計信息網(wǎng)絡(luò)共享,減少點對點的單方設(shè)計協(xié)調(diào),提高生產(chǎn)研制效率。
(3)航天器建造過程中所有信息流設(shè)計迭代數(shù)據(jù)按版本保存,設(shè)計產(chǎn)品更動自動推送利益相關(guān)方,依賴數(shù)據(jù)之間具備自動關(guān)聯(lián)、版本比對、合法性校驗等,支持自動生成符合軟件能力成熟度模型(CMM)軟件工程化標(biāo)準(zhǔn)的文檔,支持自動生成基于XML語言的信息流交互接口文件。
(4)支持航天器產(chǎn)品研制全生命周期的可視化監(jiān)督和信息流、數(shù)據(jù)產(chǎn)品版本追溯功能。
(5)除滿足航天器建造環(huán)節(jié)的需求外,基于網(wǎng)絡(luò)的信息流協(xié)同設(shè)計平臺生成的設(shè)計數(shù)據(jù)交互接口文件應(yīng)滿足整星組裝測試和在軌運維需求[8]。
(6)EDS將支持航天器信息流仿真驗證提供實施,面向信息流仿真、體系效能仿真等仿真的需求,提供相關(guān)的接口模型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和解析處理方法等星上的真實信息流模型,為信息流設(shè)計提供可行性分析和可靠性評估。
為了實現(xiàn)跨網(wǎng)絡(luò)多方協(xié)同工作,即實現(xiàn)多地、多角色、多權(quán)限、多任務(wù)的協(xié)同和控制,需要針對系統(tǒng)權(quán)限管理、數(shù)據(jù)共享管理、仿真驗證應(yīng)用管理和第三方服務(wù)管理等,提出合理化解決方案,跨網(wǎng)絡(luò)協(xié)同設(shè)計平臺系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。
圖1 跨網(wǎng)絡(luò)協(xié)同設(shè)計平臺系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 System structure of cross-network collaborative design
結(jié)合航天器建造工程實踐的權(quán)限管理設(shè)計:明確基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)同設(shè)計過程中單機、軟件、分系統(tǒng)、總體、整星、飛控等各系統(tǒng)人員在平臺中應(yīng)擔(dān)任的角色、職責(zé)、權(quán)限;明確各方介入時機,對各利益相關(guān)方的依賴關(guān)系給出指導(dǎo)性意見,促使產(chǎn)品質(zhì)量控制前移。
實現(xiàn)跨網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享,根據(jù)本行業(yè)特點,針對部分參與設(shè)計單位由于網(wǎng)絡(luò)物理隔離造成無法在線設(shè)計的問題,設(shè)計了“兩級協(xié)同工作機制”。針對在線用戶,提供基于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的數(shù)字化信息流設(shè)計、管理平臺,提供協(xié)同設(shè)計服務(wù),其使用場景示意如圖2所示,針對網(wǎng)絡(luò)物理斷開的用戶,提供離線信息流協(xié)同設(shè)計工具,允許其離線完成信息流設(shè)計工作,并依據(jù)航天器建造規(guī)范和流程,將設(shè)計結(jié)果融合到在線系統(tǒng)中。但審批流程僅允許通過在線工具實現(xiàn),在解決平臺使用各方基礎(chǔ)設(shè)施條件不一致,物理鏈路不暢通的問題的同時,確保了所收集信息的有效性和完整性。
圖2 信息流系統(tǒng)設(shè)計工作機制示意圖Fig.2 Illustration of information flow system design working mechanism
仿真驗證應(yīng)用管理和第三方服務(wù)管理通過對第三方程序模塊提供數(shù)據(jù)交互接口實現(xiàn)。該數(shù)據(jù)交互接口依據(jù)1.3節(jié)創(chuàng)建的信息流數(shù)字化模型定義。
信息流是具有規(guī)定流動方向和格式的信息從信源向信宿傳遞的過程[9]。實現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的信息流協(xié)同設(shè)計,基于網(wǎng)絡(luò)的信息流數(shù)字化設(shè)計平臺支持外僅僅提供了一個手段,其核心是需要通過標(biāo)準(zhǔn)化建模實現(xiàn)航天器信息流的準(zhǔn)確、完整、可靈活擴展的描述。建模的步驟是:先自頂向下的分解各領(lǐng)域型號信息流設(shè)計需求,再自下向上的形成信息流采集、處理、組織、轉(zhuǎn)發(fā)產(chǎn)品模塊的領(lǐng)域模型。建模過程中需緊密結(jié)合型號應(yīng)用場景,確保所建模型確實滿足完整、準(zhǔn)確表達(dá)信息流設(shè)計需求,且描述簡潔、高效,無二義性的目的。
信息流設(shè)計建模覆蓋航天器星地、星內(nèi)、星間鏈路層到應(yīng)用層協(xié)議的所有信息,采用分層定義的方法,從最底層鏈路層到網(wǎng)路層,再到應(yīng)用層,最頂層為參數(shù)描述層,逐層分解,逐項展開,每一層定義且僅定義本層信息流相關(guān)屬性?;谛畔⒘鲾?shù)字化模型的EDS表單描述如圖3所示,EDS平臺根據(jù)信息流設(shè)計模式,采用最恰當(dāng)?shù)姆绞将@取設(shè)計數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)填入模型相應(yīng)位置存儲。
圖3 基于信息流數(shù)字化模型的EDS表單描述Fig.3 Information flow model described by EDS data sheet
針對遙測流,除了與硬件設(shè)備接口密切相關(guān)的數(shù)據(jù)采集層定義由IDS系統(tǒng)實現(xiàn)外,其他信息流相關(guān)的設(shè)計方案及數(shù)據(jù)均由EDS平臺的表單系統(tǒng)采集獲得。EDS平臺自動從IDS系統(tǒng)中導(dǎo)入硬件采集數(shù)據(jù),包括硬件設(shè)備驅(qū)動服務(wù)類型描述,采集遙測參數(shù)的輸入、輸出類型、正常值范圍、物理意義、單位、處理方法、校準(zhǔn)公式等;與亞網(wǎng)層信息流建模相關(guān)的設(shè)計數(shù)據(jù)包括總線通信協(xié)議格式描述、數(shù)據(jù)包長度、傳輸周期、傳輸方式、通信握手協(xié)議等;與網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層信息流建模相關(guān)的設(shè)計數(shù)據(jù)包括參數(shù)位長、參數(shù)波道定義、顯示要求、傳輸路徑、傳輸方法、顯示要求等。針對遙控流,將通過EDS平臺的表單采集遙控指令從地面控制系統(tǒng)發(fā)出到星載計算機的路徑、解析方法、轉(zhuǎn)換公式、使用條件及判讀準(zhǔn)則等設(shè)計信息。
采用分層次、接口標(biāo)準(zhǔn)化的方法建模的優(yōu)點在于:模型具有通用性特點,建模過程與型號、領(lǐng)域無關(guān);模型的物理含義與信息流傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)分層概念完全一致,易于理解,涵蓋全面,符合面向?qū)ο蟮挠嬎銠C編程理念;最后,此建模方法具有可擴展性特點,符合CCSDS提出的航天器在軌業(yè)務(wù)接口業(yè)務(wù)架構(gòu)(Space Onboard Interface Services,SOIS),可實現(xiàn)星載設(shè)備“即插即用”的設(shè)計需求,便于后續(xù)靈活擴展航天器信息流設(shè)計的新業(yè)務(wù)模式和新應(yīng)用。
鑒于在產(chǎn)品的研制流程中,各環(huán)節(jié)數(shù)字化制造技術(shù)的應(yīng)用程序很大程度由信息載體的形式所決定[10],EDS將信息流模型內(nèi)涵通過格式化表單的方式體現(xiàn)出來。設(shè)計師通過分布式填寫表單將各自的信息流設(shè)計理念記錄在數(shù)據(jù)庫中,同時系統(tǒng)為設(shè)計師提供統(tǒng)一的設(shè)計信息管理、存儲、更新、共享機制,確保所有設(shè)計師看到的設(shè)計數(shù)據(jù)都是統(tǒng)一的、準(zhǔn)確的、版本明確的設(shè)計結(jié)果。
EDS系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計體現(xiàn)總體與分系統(tǒng)、分系統(tǒng)與單機兩個維度的協(xié)同。
總體與分系統(tǒng)維度,支持通過中國空間技術(shù)研究院內(nèi)部辦公網(wǎng)絡(luò)在線訪問軟件平臺,平臺采用面向網(wǎng)絡(luò)切面的編程(WAOP)架構(gòu),PHP腳本語言開發(fā),部署在Windows環(huán)境中,通過Apache服務(wù)器對外提供Web服務(wù)。平臺數(shù)據(jù)采用Oracle數(shù)據(jù)庫存儲。平臺架構(gòu)采用成熟的業(yè)務(wù)邏輯、數(shù)據(jù)、界面顯示分離的軟件架構(gòu)(MVC),對數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)邏輯、界面交互進行分層隔離處理,實現(xiàn)了表單間的低耦合性與處理流程的高重用性。網(wǎng)絡(luò)協(xié)同信息流研制數(shù)字化平臺架構(gòu)如圖4所示。
圖4 網(wǎng)絡(luò)協(xié)同信息流設(shè)計數(shù)字化平臺軟件架構(gòu)Fig.4 Software architecture of information flow design digital platform
分系統(tǒng)與單機維度,采用開源瀏覽器內(nèi)核webkit與JavaScript腳本運行環(huán)境Node.js相結(jié)合的Node-Webkit技術(shù),將在線網(wǎng)頁封裝為不依賴服務(wù)器的可執(zhí)行程序,即離線工具。此方案不但解決了在線表單離線模式下打開、編輯不一致的問題,同時還解決了關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)及其約束信息離線傳遞困難的問題,在保證線下設(shè)計正確性的同時,還為離線填報模式提供了與線上填報完全一致的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、查找、變更提醒推送等輔助支持功能。另外,離線工具提供與在線填報完全一致的軟件界面和使用模式,確保實現(xiàn)用戶線上、線下的無差異體驗,大大提升了軟件平臺的好用、易用效果。
中國空間技術(shù)研究院于2017年12月發(fā)布了EDS系統(tǒng)1.0版,并通過《系統(tǒng)使用說明》對網(wǎng)絡(luò)協(xié)同信息流設(shè)計相關(guān)的術(shù)語給出了定義,明確了EDS系統(tǒng)信息流設(shè)計方法及范圍,并明確規(guī)定以下內(nèi)容。
(1)針對信息流數(shù)字建模,采用定義電子表單樣式的方法體現(xiàn)信息流建模設(shè)計。共優(yōu)化總結(jié)出20種處理公式;10余類表單和8份報告文檔模板,全部在EDS系統(tǒng)中得以推廣應(yīng)用;在此應(yīng)用過程中,積累了大量信息流需求分析、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、軟、硬件接口、數(shù)據(jù)處理方法及信息流仿真驗證相關(guān)的知識和經(jīng)驗,為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了必要的理論依據(jù),同時通過實踐驗證,確保相關(guān)建模理論的準(zhǔn)確性和可行性。
(2)針對網(wǎng)絡(luò)協(xié)同數(shù)字化研制方案,驗證設(shè)計相關(guān)方角色、權(quán)限及人員與角色、權(quán)限之間的對應(yīng)關(guān)系的正確性。
(3)針對網(wǎng)絡(luò)協(xié)同數(shù)字化設(shè)計,為了驗證協(xié)同設(shè)計工作流程、流程中關(guān)鍵節(jié)點的任務(wù)、時機、主要參與人員和角色等信息管理技術(shù)實現(xiàn)的正確性,設(shè)計過程如圖5所示。
圖5 信息流協(xié)同設(shè)計流程示意圖Fig.5 Flow chart of information flow collaborative design
經(jīng)多個實際型號的信息流協(xié)同設(shè)計實踐證明,在EDS平臺應(yīng)用的信息流協(xié)同設(shè)計流程、關(guān)鍵要素、信息流組織模型,等要素符合型號研制實際情況及習(xí)慣;航天器信息流通用化模型,除了能夠滿足航天器建造過程中所有標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的設(shè)計方案描述及持久化外,還能夠為整星測試和運維方提供統(tǒng)一的、通用的、基于國際標(biāo)準(zhǔn)XML描述語言定義的信息流數(shù)據(jù)交互接口。
對型號實踐數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析后證明:從航天器建造角度,采用有效的在線數(shù)據(jù)采集、變更自動推送利益相關(guān)方等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),基于網(wǎng)絡(luò)的信息流協(xié)同設(shè)計方法確實能夠顯著提升信息流設(shè)計和應(yīng)用效率,大幅降低人工核對信息流協(xié)議設(shè)計文檔和電話協(xié)調(diào)的工作量;從航天器后期飛控、運維角度,為了便于實現(xiàn)跨地域、跨平臺、跨部門全生命周期的協(xié)同設(shè)計和系統(tǒng)驗證,達(dá)到設(shè)計、建造、仿真驗證、運維狀態(tài)統(tǒng)一目的,采用標(biāo)準(zhǔn)化通用計算機交互語言XML實現(xiàn)設(shè)計數(shù)據(jù)交互接口定義,為測試方和運維方提供整器最全面、最可靠的整器建造數(shù)據(jù)。效率提升方面,電測準(zhǔn)備時間由傳統(tǒng)方式約20人·日的工作量轉(zhuǎn)變?yōu)椴捎肵ML格式文件導(dǎo)入方式約僅2人·日工作量;飛控準(zhǔn)備時間從傳統(tǒng)方式約20人·日的工作量轉(zhuǎn)變?yōu)椴捎肵ML格式文件導(dǎo)入方式約僅1人·日工作量;質(zhì)量提升方面,由于EDS平臺提供的上述數(shù)據(jù)均已通過反復(fù)迭代的方式得到了整星建造期間各階段測試的驗證,并通過信息化網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)確保了所有可用數(shù)據(jù)的有效性和真實性,因此具有更高的質(zhì)量保證,降低了人工數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的錯誤風(fēng)險。
為了最大程度發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)協(xié)同數(shù)字化信息流設(shè)計優(yōu)勢,未來還需要在以下幾個方面開展工作。
(1)加強輔助設(shè)計,提升專業(yè)技術(shù)水平。做好與現(xiàn)有輔助設(shè)計工具的銜接,避免“信息孤島”的存在,杜絕由于系統(tǒng)割裂而造成的重復(fù)工作,最大化的展現(xiàn)數(shù)字化共享的優(yōu)勢,例如,自主任務(wù)分析工具、信息流資源統(tǒng)計、分析工具、指令生成工具、指令反解工具、整星測試工具、航天器運行、維護、管理系統(tǒng)等。
(2)加強網(wǎng)絡(luò)協(xié)同數(shù)字化研制系統(tǒng)的仿真、驗證及演示能力。一方面,用于驗證前期的信息流數(shù)字化設(shè)計工作的正確性,包括需求符合性和需求沖突檢查,將制造風(fēng)險盡可能早的暴露出來,為產(chǎn)品提高質(zhì)量,降低成本打下堅實的基礎(chǔ);另一方面,用于對前期設(shè)計工作的可視化展示,例如以信息流圖的方式進行動態(tài)演示和模擬,在盡可能展現(xiàn)產(chǎn)品能力的同時,使用戶可以盡早的對自己的產(chǎn)品有直觀認(rèn)識和感受,降低需求溝通的成本和誤差。
(3)進一步梳理、完善標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。主要包括4類規(guī)范,一是與仿真、設(shè)計、驗證相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn);二是在業(yè)務(wù)領(lǐng)域建立起統(tǒng)一、系統(tǒng)的數(shù)據(jù)字典;三是建立信息流協(xié)同設(shè)計與其他系統(tǒng)交互的接口規(guī)范,對標(biāo)CCSDS的SEDS標(biāo)準(zhǔn);四是本系統(tǒng)在型號推廣應(yīng)用中的科研生產(chǎn)規(guī)范,通過此類規(guī)范的定義,能夠?qū)崿F(xiàn)通過科研生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)提升信息流數(shù)字化系統(tǒng)在工程實踐中應(yīng)用的地位,達(dá)到推動信息流數(shù)字化研制模式在科研生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的目的。
本文從航天器傳統(tǒng)研制模式面臨的問題和需求出發(fā),給出了基于EDS的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同數(shù)字化信息流研制模式的思路和目標(biāo),探討了網(wǎng)絡(luò)協(xié)同數(shù)字化系統(tǒng)的架構(gòu)和軟件實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù),對在推進數(shù)字化工作中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)及實現(xiàn)方法做了深入分析。對EDS系統(tǒng)近一年在實際型號中推廣、應(yīng)用情況進行總結(jié),表明:本文提出的基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化研制模式帶來了設(shè)計模式、研制模式、管理模式3個方面的轉(zhuǎn)變。設(shè)計模式轉(zhuǎn)變實現(xiàn)了從單機/ 軟件、分系統(tǒng)、總體各方獨立設(shè)計,分頭交流的模式,到跨網(wǎng)絡(luò)協(xié)同設(shè)計的模式;研制模式轉(zhuǎn)變通過創(chuàng)建數(shù)字化信息流模型實現(xiàn)了用戶需求描述數(shù)字化、設(shè)計方案落實數(shù)字化、研制實施、流程管控數(shù)字化,打通產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)、測試、運維全過程信息流,實現(xiàn)了低成本、高效率、少缺陷的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同大型工程產(chǎn)品研制平臺;管理模式轉(zhuǎn)變通過跨地域、跨部門制定眾多航天器參與制造單位的介入時機、及其職、權(quán)、責(zé)分工的方法,實現(xiàn)質(zhì)量控制前移,為過程監(jiān)督和問題追溯提供便利。
綜上所述,本文提出的基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)同的數(shù)字化設(shè)計方法理論與系統(tǒng)工程方法論要求相吻合,其在科研生產(chǎn)中的應(yīng)用能夠涵蓋大部分日常生產(chǎn)需要,切實為航天器設(shè)計、研制和管理模式轉(zhuǎn)型提供了一定的理論支撐和實踐驗證數(shù)據(jù)。