孫霄劍，羅明強(qiáng),*，張馳，關(guān)若曦，劉虎

1. 北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083 2. 中國商飛北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心，北京 102211 3. 清華大學(xué) 工業(yè)工程系，北京 100084

預(yù)研論證是飛機(jī)設(shè)計的初始階段，該過程涉及氣動、結(jié)構(gòu)、航電、動力、控制等眾多學(xué)科，同時也涉及到制造、試飛等環(huán)節(jié)，是一個涉及多學(xué)科耦合、多方案并行、多輪次迭代的設(shè)計制造過程，可以認(rèn)為是立項型號任務(wù)的縮影[1]。民用飛機(jī)作為特殊的商品，除了設(shè)計和制造需滿足相應(yīng)適航標(biāo)準(zhǔn)外，根據(jù)用途和使用環(huán)境，其運(yùn)行和維修還要滿足相應(yīng)運(yùn)行規(guī)章的要求，以保證持續(xù)飛行安全的要求[2-3]。

目前飛行器尤其是民用飛機(jī)研制主要基于系統(tǒng)工程的思想[4-6]。近年來，基于模型的系統(tǒng)工程(Model-Based Systems Engineering, MBSE)[7-8]在系統(tǒng)工程領(lǐng)域得到越來越廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，美國國家航空航天局[9-12]、空客和波音[13-15]均已在多個項目中成功應(yīng)用了MBSE方法。MBSE強(qiáng)調(diào)形式化建模，較為復(fù)雜，缺少靈活性，且培訓(xùn)周期長，實(shí)施起來較為困難。權(quán)威真相源由MBSE中的統(tǒng)一模型和數(shù)據(jù)構(gòu)成，可以實(shí)現(xiàn)對模型的管理，能夠增強(qiáng)知識獲取和信息重用，通過提供結(jié)構(gòu)化和相互關(guān)聯(lián)的表示方式，保持全生命周期各專業(yè)模型的一致性，是實(shí)現(xiàn)基于模型的關(guān)鍵一步，也是MBSE逐步落地的堅實(shí)基礎(chǔ)。

作為MBSE實(shí)施的核心要素，同時也是美國國防部“數(shù)字工程戰(zhàn)略”的五大目標(biāo)之一。2018年，美國國防部正式對外發(fā)布“數(shù)字工程戰(zhàn)略”[16-18]，其中提出權(quán)威真相源，數(shù)字工程戰(zhàn)略的目標(biāo)是推進(jìn)數(shù)字工程轉(zhuǎn)型，將以往以文檔為中心的線性采辦流程轉(zhuǎn)變?yōu)橐詳?shù)字模型為中心的動態(tài)數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)?！皵?shù)字工程戰(zhàn)略”認(rèn)為，權(quán)威真相源是整個生命周期中模型和數(shù)據(jù)的中心參考點(diǎn)。

國外權(quán)威真相源的研究工作尚處于起步狀態(tài)，其概念和內(nèi)涵尚未統(tǒng)一，系統(tǒng)工程研究中心(Systems Engineering Research Center)[19]利用JPL(Jet Propulsion Laboratory)開源的OpenMBEE構(gòu)建了權(quán)威真相源環(huán)境。Alexander等[20]總結(jié)了權(quán)威真相源需要滿足的4個 條件：① 來源于被管理實(shí)體認(rèn)可的記錄系統(tǒng)；② 大多數(shù)專家接受其可信度和準(zhǔn)確性；③ 大多數(shù)專家認(rèn)為來源合法；④ 能夠保持完整性，并具有增強(qiáng)能力。

國內(nèi)的MBSE推進(jìn)工作剛剛起步，權(quán)威真相源的構(gòu)建尚未被廣泛專注，吳光輝等[21]將信息化技術(shù)融入民用飛機(jī)研制過程，提出了民用飛機(jī)信息化研制支撐體系和總體架構(gòu)。馬小駿和彭煥春[3]對系統(tǒng)工程在民用飛機(jī)運(yùn)行支持系統(tǒng)的研制應(yīng)用做了綜述文章，將商用飛機(jī)系統(tǒng)思想應(yīng)用于產(chǎn)品運(yùn)行支持系統(tǒng)研制中，完整地分析了產(chǎn)品運(yùn)行支持系統(tǒng)研制的全過程。羅冬毅[22]研究了民用飛機(jī)研制中的知識管理，著重說明知識管理中的知識庫、知識場景化在民用飛機(jī)研制中的應(yīng)用研究。

目前，中國民用飛機(jī)的研制與國際高水平之間尚存在一定差距，MBSE的應(yīng)用廣度與深度也存在一定差距。主要體現(xiàn)在系統(tǒng)工程推進(jìn)程度、模型構(gòu)建研究、支持技術(shù)研究等方面。構(gòu)建民用飛機(jī)預(yù)研論證權(quán)威真相源存在以下亟待解決的問題：尚未形成權(quán)威真相源的組成定義、構(gòu)建目標(biāo)和構(gòu)建原則，權(quán)威真相源的架構(gòu)和業(yè)務(wù)流程尚未形成，需要對構(gòu)建過程中涉及的支持技術(shù)進(jìn)行研究，權(quán)威真相源中包含的數(shù)據(jù)和模型需要統(tǒng)一定義。

本文針對民用飛機(jī)的預(yù)研論證過程和權(quán)威真相源目前存在的痛點(diǎn)問題，首先提出了權(quán)威真相源的定義，并設(shè)計了權(quán)威真相源構(gòu)建目標(biāo)和原則，構(gòu)建了權(quán)威真相源的架構(gòu)和業(yè)務(wù)流程，對民用飛機(jī)預(yù)研論證階段權(quán)威真相源所需的支持技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了一套完整的權(quán)威真相源構(gòu)建方式，該構(gòu)建方式不僅可應(yīng)用于民用飛機(jī)預(yù)研論證過程，而且可應(yīng)用于其他飛行器設(shè)計。其次從預(yù)研論證的生命周期出發(fā)，梳理業(yè)務(wù)流程，構(gòu)建預(yù)研論證模型。最后通過驗證機(jī)的案例研究表明，本文構(gòu)建的權(quán)威真相源可以支撐民用飛機(jī)預(yù)研論證流程，達(dá)到提高協(xié)同效率、縮短預(yù)研周期、降低預(yù)研成本的目的。

1 權(quán)威真相源及其構(gòu)建目標(biāo)和構(gòu)建原則

權(quán)威真相源是一個模型和數(shù)據(jù)庫，能夠存儲系統(tǒng)全生命周期中所有版本的規(guī)范化建模的模型和標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)，能夠支撐設(shè)計過程中數(shù)據(jù)和模型的提取并保證一致性，能夠進(jìn)行跟蹤與追溯、驗證與確認(rèn)、可視化顯示和報告自動生成，從而利用模型和數(shù)據(jù)對系統(tǒng)持續(xù)進(jìn)行全面的數(shù)字化表達(dá)和全生命周期的追溯，提升協(xié)同工作效率，縮短研制時間，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

在權(quán)威真相源中，權(quán)威代表獨(dú)一無二，在系統(tǒng)工程實(shí)施過程中，權(quán)威真相源中的數(shù)據(jù)和模型具有支配能力，能夠?qū)ο到y(tǒng)其他部分產(chǎn)生影響，系統(tǒng)其他部分服從于權(quán)威真相源。真相代表確定無誤，權(quán)威真相源中的數(shù)據(jù)和模型必須正確、有效、無歧義，既能保證其權(quán)威性，也能保證系統(tǒng)工程實(shí)施的正確性。源表示源頭，權(quán)威真相源中的數(shù)據(jù)和模型是系統(tǒng)工程實(shí)施過程中設(shè)計、計算、分析的源頭，數(shù)據(jù)和模型來源于權(quán)威真相源，設(shè)計和論證分析過程中數(shù)據(jù)和模型又再次匯聚回權(quán)威真相源之中。

權(quán)威真相源包括模型和數(shù)據(jù)，如圖1所示。模型是對所關(guān)注系統(tǒng)、實(shí)體、現(xiàn)象或流程的抽象或表達(dá)[23-24]。系統(tǒng)的模型包括技術(shù)結(jié)構(gòu)模型和項目管理模型，其中技術(shù)結(jié)構(gòu)模型包括組件模型、關(guān)系模型、接口模型、架構(gòu)模型、系統(tǒng)行為模型、任務(wù)和場景模型等。項目管理模型包括團(tuán)隊模型、職責(zé)模型、所有權(quán)模型、風(fēng)險模型、進(jìn)度模型、預(yù)算模型和成本模型。

權(quán)威真相源中的數(shù)據(jù)是系統(tǒng)工程實(shí)施過程中全生命周期依賴和產(chǎn)生的準(zhǔn)確的、實(shí)時的數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)包括設(shè)計數(shù)據(jù)、運(yùn)營數(shù)據(jù)、維修保障數(shù)據(jù)、分析與報告數(shù)據(jù)、參考數(shù)據(jù)等。其中設(shè)計數(shù)據(jù)有設(shè)計依賴數(shù)據(jù)和設(shè)計過程數(shù)據(jù)；運(yùn)營數(shù)據(jù)有運(yùn)營記錄數(shù)據(jù)和運(yùn)營反饋數(shù)據(jù)；維修保障數(shù)據(jù)有維修數(shù)據(jù)、保障數(shù)據(jù)和維修保障反饋數(shù)據(jù)；分析與報告數(shù)據(jù)包括技術(shù)分析數(shù)據(jù)、系統(tǒng)權(quán)衡分析數(shù)據(jù)和報告；參考數(shù)據(jù)有同類項目數(shù)據(jù)、軟件庫和參考文檔庫。

1.1 權(quán)威真相源的構(gòu)建目標(biāo)

權(quán)威真相源是實(shí)施基于模型的系統(tǒng)工程的基礎(chǔ)，隨著系統(tǒng)的發(fā)展，權(quán)威真相源可以提供可追溯性，能夠記錄歷史知識，連接模型和數(shù)據(jù)的權(quán)威版本，對權(quán)威真相源的更改將在整個數(shù)字模型中傳播到所有受影響的系統(tǒng)和功能。

構(gòu)建權(quán)威真相源，其總目標(biāo)是：在正確的時間，將正確的模型和數(shù)據(jù)提供給正確的使用者，以完成正確的系統(tǒng)工程實(shí)踐。需要滿足以下目標(biāo)：① 促進(jìn)建模實(shí)踐，通過模型和數(shù)據(jù)給利益攸關(guān)方提供更準(zhǔn)確的行為描述；② 提升工程的系統(tǒng)組織性，減少系統(tǒng)工程實(shí)施中的復(fù)雜度，更好地管理不斷增長的系統(tǒng)復(fù)雜度；③ 通過權(quán)威信息共享，記錄已經(jīng)做出的分析和決策，增強(qiáng)項目技術(shù)管理；④ 提 高系統(tǒng)設(shè)計的重用性，消除項目生命周期各個階段知識和投資流失的情況，縮小開發(fā)成本。

1.2 權(quán)威真相源的構(gòu)建原則

利用權(quán)威真相源，可以幫助利益攸關(guān)方了解系統(tǒng)的重要方面，組織和傳達(dá)系統(tǒng)組件的所有權(quán)和成熟度，幫助架構(gòu)師交流系統(tǒng)架構(gòu)，協(xié)助設(shè)計者解決利益攸關(guān)方的關(guān)注與約束，并且能夠記錄已經(jīng)做出的分析和決策，通過權(quán)衡分析和不斷發(fā)展的設(shè)計流程來保持系統(tǒng)設(shè)計的完整性。因此，構(gòu)建權(quán)威真相源應(yīng)當(dāng)遵循以下原則:① 采用基于模型的方法；盡可能明確地捕獲信息，模型和數(shù)據(jù)含義能被明確理解，具有可復(fù)制性，并且不應(yīng)隱含任何假設(shè)；② 采用面向?qū)ο蟮姆椒?；模型和?shù)據(jù)具有抽象性、動態(tài)性、多態(tài)性，具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性。能夠適應(yīng)行業(yè)的飛速發(fā)展，持續(xù)提供全生命周期的支持服務(wù)；③ 采用正規(guī)化方法；保持與行業(yè)和機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)的良好一致性。例如確保模式遵循建模語言(例如SysML)和其他相關(guān)的正確語法，提供與信息在相關(guān)學(xué)科中通常的表述方式相對應(yīng)的描述，避免使用冗余信息。

2 權(quán)威真相源架構(gòu)與業(yè)務(wù)流程設(shè)計

2.1 權(quán)威真相源架構(gòu)

架構(gòu)指的是系統(tǒng)的基本組織，包含其功能、組成和關(guān)系。設(shè)計的權(quán)威真相源架構(gòu)如圖2所示，架構(gòu)之中包含觀點(diǎn)、數(shù)據(jù)、模型、元素、原則、關(guān)系、屬性等要素。

圖2 權(quán)威真相源架構(gòu)Fig.2 Architecture of authoritative source of truth

在權(quán)威真相源中設(shè)計了“觀點(diǎn)”這一概念，觀點(diǎn)表示某一設(shè)計參與者或某一設(shè)計方面對權(quán)威真相源的認(rèn)識與解構(gòu)。權(quán)威真相源由觀點(diǎn)組成，各觀點(diǎn)之間交叉融合。所有觀點(diǎn)共同組成了權(quán)威真相源，是權(quán)威真相源架構(gòu)的最高級組成部分，如圖3所示，透過不同觀點(diǎn)，具有不同出發(fā)點(diǎn)的利益攸關(guān)者可以將權(quán)威真相源解構(gòu)為各自特有的視圖。

模型和數(shù)據(jù)是觀點(diǎn)的組成部分，模型和元素來源于全生命周期相關(guān)過程，其包含內(nèi)容如圖1所示，是權(quán)威真相源架構(gòu)中次一級組成部分。

元素由模型和數(shù)據(jù)打散重組而成，權(quán)威真相源中所有模型和數(shù)據(jù)以元素之間有機(jī)結(jié)合的形式存在，元素是權(quán)威真相源架構(gòu)的底層組成部分。

原則是構(gòu)建觀點(diǎn)、模型、數(shù)據(jù)和元素必須遵循的規(guī)則和理論，觀點(diǎn)、模型、數(shù)據(jù)、元素兩兩之間以及內(nèi)部均存在關(guān)系，模型、數(shù)據(jù)和元素均具有屬性。

圖3 觀點(diǎn)與權(quán)威真相源Fig.3 Viewpoint and authoritative source oftruth

2.2 權(quán)威真相源業(yè)務(wù)流程設(shè)計

根據(jù)架構(gòu)，可以設(shè)計權(quán)威真相源的業(yè)務(wù)流程。業(yè)務(wù)流程從系統(tǒng)工程V字模型發(fā)展而來，如圖4所示。權(quán)威真相源為系統(tǒng)的全生命周期提供模型和數(shù)據(jù)支持，按照生命周期流程形成觀點(diǎn)，觀點(diǎn)之中包含數(shù)據(jù)和類型，觀點(diǎn)之間可能存在交叉。系統(tǒng)工程的全生命周期中，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和模型分門別類，按照生命周期的流程存儲在權(quán)威真相源中，存儲之后打散成元素。根據(jù)此業(yè)務(wù)流程，權(quán)威真相源中的所有數(shù)據(jù)和模型將以項目——觀點(diǎn)——模型/數(shù)據(jù)——元素的形式分類分層存放，該結(jié)構(gòu)可以保證數(shù)據(jù)快速抽取，并進(jìn)行個性化可視化展示。

以圖4 中專業(yè)設(shè)計觀點(diǎn)為例，飛機(jī)設(shè)計過程中，權(quán)威真相源根據(jù)設(shè)計過程形成總體專業(yè)設(shè)計觀點(diǎn)、氣動專業(yè)設(shè)計觀點(diǎn)、結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計觀點(diǎn)等觀點(diǎn)，氣動、結(jié)構(gòu)專業(yè)詳細(xì)設(shè)計產(chǎn)生的幾何模型、結(jié)構(gòu)模型、氣動數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)分析數(shù)據(jù)和報告等存儲在權(quán)威數(shù)據(jù)源中時，將根據(jù)各觀點(diǎn)進(jìn)行存儲，總體專業(yè)設(shè)計觀點(diǎn)將包含氣動數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)分析數(shù)據(jù)和報告，氣動和結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計觀點(diǎn)將包含各自專業(yè)的設(shè)計模型、數(shù)據(jù)和報告，所有模型和數(shù)據(jù)被打散成最小存儲單位——元素。

3 權(quán)威真相源支持技術(shù)

權(quán)威真相源架構(gòu)中，所有數(shù)據(jù)和模型以項目——觀點(diǎn)——模型/數(shù)據(jù)——元素的形式分類分層存放。相對應(yīng)地，在權(quán)威真相源支持系統(tǒng)構(gòu)建中，以項目——數(shù)據(jù)包——數(shù)據(jù)項——元素的形式存放。項目即構(gòu)建當(dāng)前權(quán)威真相源時工作所處的項目，代表了預(yù)研論證過程中的某一型號任務(wù)。數(shù)據(jù)包是上傳提交權(quán)威真相源的最小單元，每次可在支持系統(tǒng)中上傳一個數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包與觀點(diǎn)對應(yīng)，可包含一個或多個內(nèi)容相互交叉的觀點(diǎn)，是項目中某一工作流程的上傳文件，是項目中某些設(shè)計模型和數(shù)據(jù)的集合，是設(shè)計過程中某一項設(shè)計工作相關(guān)的設(shè)計輸入、輸出。數(shù)據(jù)項是數(shù)據(jù)包的下一級組成部分，是數(shù)據(jù)包中包含的模型和數(shù)據(jù)，是描述設(shè)計方案的基本元素。

圖4 權(quán)威真相源業(yè)務(wù)流程Fig.4 Operating process of authoritative source of truth

構(gòu)建民用飛機(jī)預(yù)研論證權(quán)威真相源，不僅需要構(gòu)建權(quán)威真相源架構(gòu)，還需要對支持技術(shù)進(jìn)行研究。權(quán)威真相源支持技術(shù)包括構(gòu)建流程、管理技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)。

3.1 權(quán)威真相源構(gòu)建流程

權(quán)威真相源的構(gòu)建過程與業(yè)務(wù)活動和業(yè)務(wù)執(zhí)行環(huán)境緊密結(jié)合，通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)形式完成構(gòu)建。構(gòu)建邏輯包括：統(tǒng)一接口定義、適配器鏈接、編輯與提交。權(quán)威真相源中涉及到多個學(xué)科，各學(xué)科之間設(shè)計和計算的方法不一致，設(shè)計工具多樣化，設(shè)計模型多元化，因此需要定義權(quán)威真相源的統(tǒng)一接口。權(quán)威真相源與項目的業(yè)務(wù)環(huán)境緊密相連，需要通過適配器實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)環(huán)境數(shù)據(jù)和權(quán)威真相源的鏈接。圖5 為權(quán)威真相源的構(gòu)建流程。

3.2 權(quán)威真相源管理技術(shù)

3.2.1 管理技術(shù)架構(gòu)

權(quán)威真相源采用先進(jìn)的分布式架構(gòu)進(jìn)行管理，需要從基礎(chǔ)支持層、服務(wù)層和應(yīng)用層入手。

圖5 權(quán)威真相源構(gòu)建流程Fig.5 Building process of authoritative source of truth

基礎(chǔ)支持層指的是操作系統(tǒng)，服務(wù)層包含中間件支持層、服務(wù)構(gòu)建層和服務(wù)接口，權(quán)威真相源的數(shù)據(jù)和模型存儲于服務(wù)層，與外界交互于應(yīng)用層。利用管理技術(shù)，可以對管理項目的結(jié)構(gòu)樹進(jìn)行管理，進(jìn)而管理整個項目中所有的模型和數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖6 管理技術(shù)架構(gòu)Fig.6 Architecture of management technology

3.2.2 版本管理

版本管理指的是對權(quán)威真相源中數(shù)據(jù)和模型的變更情況進(jìn)行記錄、跟蹤和控制的過程。版本管理的內(nèi)容有項目基線管理、數(shù)據(jù)包版本管理、數(shù)據(jù)項版本管理，如圖7所示。

可以在權(quán)威真相源中建立項目，通過不同的項目名稱進(jìn)行區(qū)別和管理，項目內(nèi)部可以形成項目基線，代表了不同時期項目的發(fā)展演化情況，每一個項目基線中保留了基線保存時數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)項的版本。

圖7 權(quán)威真相源版本管理Fig.7 Version management of authoritative source of truth

數(shù)據(jù)包可根據(jù)全生命周期發(fā)展動態(tài)變化，每一個數(shù)據(jù)包集中管理并生成獨(dú)一無二的版本號，數(shù)據(jù)包每上傳一次，其版本更新一次。數(shù)據(jù)包的版本信息包含版本號、完成人、完成時間、數(shù)據(jù)包備注及附件等信息。

與數(shù)據(jù)包相同，每一個數(shù)據(jù)項也存在唯一的版本標(biāo)識，每更新一次數(shù)據(jù)包，系統(tǒng)自動比對數(shù)據(jù)項之間的差異，對發(fā)生變化的數(shù)據(jù)項自動生成獨(dú)一無二的版本號。

利用版本管理，可以進(jìn)行權(quán)威真相源的追溯管理。即追溯任意數(shù)據(jù)的來源與去向，包括數(shù)據(jù)包的上游追溯，數(shù)據(jù)包自身發(fā)展的基準(zhǔn)追溯，如圖8所示。

3.2.3 關(guān)系管理

權(quán)威真相源系統(tǒng)不僅存在數(shù)據(jù)包關(guān)系和數(shù)據(jù)項關(guān)系，2種關(guān)系之間還存在耦合作用。系統(tǒng)設(shè)計了引用和追溯響應(yīng)2種方式表達(dá)關(guān)系。

引用關(guān)系代表數(shù)據(jù)包或數(shù)據(jù)項引用了另一數(shù)據(jù)包或數(shù)據(jù)項的內(nèi)容，為弱關(guān)系，僅代表兩者之間具有關(guān)聯(lián)作用。追溯響應(yīng)的耦合關(guān)系更強(qiáng)，代表數(shù)據(jù)包或數(shù)據(jù)項可以追溯并響應(yīng)到另一個數(shù)據(jù)包或數(shù)據(jù)項，兩者之間具有強(qiáng)關(guān)系，需要建立跟蹤兩者的變化并記錄，例如需求之間的追溯響應(yīng)，如圖9所示。

圖9 關(guān)系管理Fig.9 Relationship management

3.2.4 多方案管理

民用飛機(jī)預(yù)研論證具有多方案并行的特點(diǎn)，因此構(gòu)建權(quán)威真相源需要能夠正確管理項目中多方案并行的情況。

多方案管理采用演變與衍生相結(jié)合的方式進(jìn)行，同一個方案內(nèi)部不斷發(fā)生演變，向前迭代，與此同時，其并行方案從基準(zhǔn)方案衍生出分支，進(jìn)行演變。如圖10所示，方案A不斷演變迭代，已迭代至A.3版本；方案B以方案A的A.1版本為基準(zhǔn)版本，衍生出分支，演變迭代至B.3版本；方案C以方案A的A.2版本為基準(zhǔn)版本，衍生出分支，繼續(xù)演變迭代至C.2版本；方案D以方案B的B.2版本為基準(zhǔn)版本，衍生出分支D.1版本。

圖10 多方案管理Fig.10 Multi-projects management

3.2.5 多學(xué)科管理

多學(xué)科耦合是預(yù)研論證乃至飛行器設(shè)計的特點(diǎn)之一，一般而言，涉及到的學(xué)科有：總體、氣動、載荷、強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)、重量、性能等學(xué)科。不同學(xué)科之間差異性較大，需要采用統(tǒng)一接口和適配器將其與權(quán)威真相源鏈接起來，如圖11所示。

圖11 多學(xué)科管理Fig.11 Multidisciplinary management

3.2.6 多輪次迭代管理

預(yù)研論證具有迭代次數(shù)多的特點(diǎn)，權(quán)威真相源采用數(shù)據(jù)包關(guān)系支持正向迭代、采用訂閱形式支持下游反饋，以松耦合形式支持多輪次迭代管理。訂閱即上游數(shù)據(jù)包可以訂閱下游數(shù)據(jù)包狀態(tài)變化情況，一旦下游數(shù)據(jù)包更新，將會立即發(fā)送消息給訂閱方，如圖12所示。

3.3 權(quán)威真相源應(yīng)用技術(shù)

3.3.1 可視化展示技術(shù)

可視化展示技術(shù)目的在于針對民用飛機(jī)預(yù)研論證流程中特定基礎(chǔ)模型，借助圖形化手段，清晰有效直觀地傳達(dá)與溝通信息，減少操作復(fù)雜度，提升協(xié)同工作效率，輔助民用飛機(jī)預(yù)研論證。

圖12 多輪次迭代管理Fig.12 Multi-iterations management

可視化展示技術(shù)以權(quán)威真相源中的觀點(diǎn)為基礎(chǔ)，對模型和數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取，并將其中的元素進(jìn)行展示。觀點(diǎn)可根據(jù)需要展示的模型和數(shù)據(jù)進(jìn)行自定義，去除冗余信息，保證觀感清晰明確。直接在權(quán)威真相源系統(tǒng)中展示，可減少下載后本地打開的操作復(fù)雜度，保持模型一致性，降低因個人工作環(huán)境不同造成的錯誤展示頻次，提升協(xié)同工作效率。

根據(jù)預(yù)研論證流程需要，權(quán)威真相源系統(tǒng)支持多元的可視化展示，其中元素有：圖片、音頻、視頻、曲線、時序數(shù)據(jù)、CAD模型、CAE模型。

由于數(shù)字樣機(jī)具有真實(shí)性，多學(xué)科交叉性，并且面向產(chǎn)品全生命周期，權(quán)威真相源的可視化技術(shù)可以用來展示產(chǎn)品的數(shù)字樣機(jī)。同時可將數(shù)字樣機(jī)與產(chǎn)品的性能數(shù)據(jù)有機(jī)鏈接成權(quán)威真相源的關(guān)聯(lián)可視化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)性能數(shù)據(jù)觸手可得，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)和模型的唯一性，可以隨意展示可視化元素，如圖13所示。

圖13 關(guān)聯(lián)可視化技術(shù)Fig.13 Association visualization technology

可視化展示同時可以用于決策支持，構(gòu)建決策面板。在決策面板(圖14)中，可根據(jù)需要增刪決策參數(shù)和面板個數(shù)，利用多種樣式的圖表輔助決策，提升協(xié)同效率。

3.3.2 比對分析技術(shù)

民用飛機(jī)預(yù)研論證具有多學(xué)科耦合、多方案并行、多輪次迭代的特點(diǎn)，需要不斷比對各方案、各版本之間的差異性，因此需要多層次比對分析技術(shù)。權(quán)威真相源的比對分析包括項目基線比對、數(shù)據(jù)包比對、數(shù)據(jù)項比對?；€、數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)項所有版本之間以元素為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)對比，通過對比獲得版本之間差異。圖15為基線、數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)項版本之間的對比圖，構(gòu)建權(quán)威真相源，需要快速從海量數(shù)據(jù)中對比其中某一個數(shù)據(jù)的差異。

圖15 比對分析技術(shù)Fig.15 Comparison analysis technology

3.3.3 數(shù)據(jù)檢索與提取技術(shù)

權(quán)威真相源中存儲海量數(shù)據(jù)，如何快速從中檢索和提取關(guān)鍵數(shù)據(jù)，是構(gòu)建權(quán)威真相源的關(guān)鍵技術(shù)之一。

在權(quán)威真相源中構(gòu)建數(shù)據(jù)中心(圖16)，構(gòu)建鏈接以索引權(quán)威真相源中所有數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)以項目、數(shù)據(jù)包、數(shù)據(jù)項為單位進(jìn)行索引，構(gòu)建智能檢索方式，用戶進(jìn)行智能檢索的方式有：① 通過基線、數(shù)據(jù)包、數(shù)據(jù)項進(jìn)行智能檢索；② 通過元素的類型進(jìn)行檢索；③ 通過完成人與完成時間進(jìn)行檢索；④ 通過權(quán)威真相源構(gòu)建過程中手動形成的標(biāo)簽進(jìn)行檢索；⑤ 通過已構(gòu)建的知識圖譜進(jìn)行智能檢索。

采用自定義視圖的方式，可以快速定位數(shù)據(jù)，視圖的定義取決于觀點(diǎn)，不同的觀點(diǎn)可以將數(shù)據(jù)包構(gòu)建成不同視圖。針對同一個數(shù)據(jù)包，不同設(shè)計人員關(guān)心的數(shù)據(jù)不同，根據(jù)其各自觀點(diǎn)，事先從數(shù)據(jù)包中選取，即可構(gòu)建其關(guān)注數(shù)據(jù)的模板——視圖。利用視圖，可在權(quán)威真相源中快捷抽取數(shù)據(jù)。權(quán)威真相源系統(tǒng)支持用戶導(dǎo)出視圖中包含模型和數(shù)據(jù)，便于線下工作。

3.3.4 報告自動生成技術(shù)

報告自動生成技術(shù)是權(quán)威真相源構(gòu)建的外延技術(shù)。MBSE的一大特點(diǎn)即為能夠利用模型進(jìn)行自動報告生成，節(jié)省設(shè)計人員時間，提高協(xié)同效率。

利用觀點(diǎn)生成的自定義視圖，可以快速進(jìn)行報告生成。觀點(diǎn)提供報告生成范圍，不同觀點(diǎn)囊括的模型和數(shù)據(jù)不同，通過個性化定制觀點(diǎn)，可以個性化設(shè)計報告的范圍。模型和數(shù)據(jù)負(fù)責(zé)構(gòu)建報告的骨架，即定制報告的各級標(biāo)題。元素是報告的血肉，將元素根據(jù)報告模板的需要填充進(jìn)不同的位置，通過可視化展示技術(shù)自動生成精美圖片插入報告，即可形成一份定制化的設(shè)計報告。

自動化生成的報告能夠自動調(diào)整格式，并根據(jù)需要設(shè)計模板，更換封面，自動添加頁眉頁腳，如圖17所示。

圖17 報告自動生成技術(shù)Fig.17 Automated report generation technology

4 民用飛機(jī)預(yù)研論證模型與案例

民用飛機(jī)的預(yù)研論證模型分為型號——任務(wù)/子任務(wù)——專業(yè)模型——基礎(chǔ)模型四級，與權(quán)威真相源中項目——觀點(diǎn)——模型/數(shù)據(jù)——元素、支持系統(tǒng)中項目——數(shù)據(jù)包——數(shù)據(jù)項——元素相對應(yīng)。型號對應(yīng)于項目，是預(yù)研論證權(quán)威真相源的頂層結(jié)構(gòu)；任務(wù)/子任務(wù)對應(yīng)于觀點(diǎn)，是民用飛機(jī)預(yù)研論證權(quán)威真相源構(gòu)建中的中層結(jié)構(gòu)；專業(yè)模型對應(yīng)于模型/數(shù)據(jù)，是預(yù)研論證的生成模型；基礎(chǔ)模型對應(yīng)于元素，是預(yù)研論證權(quán)威真相源的最小顆粒組成部分。民用飛機(jī)業(yè)務(wù)流程和權(quán)威真相源業(yè)務(wù)流程、支持系統(tǒng)之間關(guān)系如圖18所示。

圖18 關(guān)系對比模型Fig.18 Model of relationship comparison

4.1 民用飛機(jī)預(yù)研論證權(quán)威真相源系統(tǒng)

民用飛機(jī)預(yù)研論證權(quán)威真相源系統(tǒng)是進(jìn)行民用飛機(jī)預(yù)研論證的使用場景，也是權(quán)威真相源構(gòu)建技術(shù)的落地實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)由首頁、項目策劃、協(xié)同工作、數(shù)據(jù)中心、個人中心、數(shù)據(jù)維護(hù)、系統(tǒng)管理、知識庫等組成，如圖19所示。

圖19 權(quán)威真相源系統(tǒng)組成及使用流程Fig.19 Composition and usage process of authoritative source of truth system

首頁的功能為信息綜合顯示，分為四部分：顯示待辦事項、待審批事項、當(dāng)前項目和消息通知。數(shù)據(jù)維護(hù)是對項目工作中涉及到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)，例如設(shè)置單位制。個人中心可集中顯示、操作項目中涉及到個人的待辦、待審批事項。系統(tǒng)管理為整個系統(tǒng)提供基礎(chǔ)，各管理人力資源、項目進(jìn)度。

項目策劃利用管理技術(shù)，用于對項目進(jìn)行策劃、構(gòu)建、分配人力資源、權(quán)限。協(xié)同工作功能為項目參與人員提交審核數(shù)據(jù)和模型，是構(gòu)建權(quán)威真相源的重要操作。數(shù)據(jù)中心用于集中展示具有查看權(quán)限的項目，進(jìn)而進(jìn)行進(jìn)一步展示與操作，其中包含的數(shù)據(jù)即為權(quán)威真相數(shù)據(jù)和模型。

知識庫中存儲有大量飛機(jī)及與飛機(jī)有關(guān)等裝備的詳細(xì)信息，并且可不斷擴(kuò)充，為項目的設(shè)計提供參考。

權(quán)威真相源系統(tǒng)的使用如圖19 中箭頭所示。在系統(tǒng)管理中構(gòu)建人力資源信息，進(jìn)行人員角色維護(hù)與管理；在項目策劃中構(gòu)建項目，通過協(xié)同工作開展項目工作，利用數(shù)據(jù)中心查看數(shù)據(jù)；項目進(jìn)行過程中利用知識庫、首頁、數(shù)據(jù)維護(hù)和個人中心進(jìn)行輔助操作。

4.2 預(yù)研論證業(yè)務(wù)流程

民用飛機(jī)的預(yù)研論證從規(guī)模上而言小于真實(shí)民用飛機(jī)的設(shè)計制造，但是兩者流程具有一致性。預(yù)研論證業(yè)務(wù)流程分為3個階段13個任務(wù)，如圖20所示。

圖20 民用飛機(jī)預(yù)研論證業(yè)務(wù)流程Fig.20 Operating process of pre-research of civil aircraft

目標(biāo)定義階段的作用是梳理任務(wù)目標(biāo)和需求、確立任務(wù)場景，形成概念草圖。包含4個任務(wù)：目標(biāo)和任務(wù)、任務(wù)場景、概念草圖、飛機(jī)級需求。

設(shè)計分解階段的作用是對目標(biāo)進(jìn)行分解設(shè)計，形成設(shè)計方案，閉環(huán)設(shè)計需求，包含5個任務(wù)。計算機(jī)輔助設(shè)計與制造利用計算機(jī)輔助設(shè)計(Computer Aided Design，CAD)技術(shù)進(jìn)行總體布置、結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)布置與安裝，并計算質(zhì)量特性。氣動分析即利用計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamic，CFD)和風(fēng)洞技術(shù)分析民用飛機(jī)氣動狀態(tài)。結(jié)構(gòu)分析利用計算機(jī)輔助工程(Computer Aided Engineerin，CAE)等方法進(jìn)行載荷、強(qiáng)度、氣彈分析。系統(tǒng)設(shè)計和分析主要分析系統(tǒng)功能需求，形成系統(tǒng)組成架構(gòu)。飛行與系統(tǒng)仿真進(jìn)行性能操穩(wěn)分析，指定測試計劃，建立系統(tǒng)模型，進(jìn)行虛擬飛行。

制造與集成階段的作用是進(jìn)行系統(tǒng)制造、集成，進(jìn)行飛行計劃，完成飛行報告，對設(shè)計目標(biāo)和任務(wù)進(jìn)行閉合，主要包括4個任務(wù)。制造和裝配利用圖紙進(jìn)行部件制造、系統(tǒng)裝配，檢查質(zhì)量與慣量，進(jìn)行靜載試驗。系統(tǒng)集成主要進(jìn)行功能、性能、環(huán)境和集成測試。飛機(jī)計劃子任務(wù)主要完成原型機(jī)的飛行測試任務(wù)。最終，根據(jù)上述所有階段內(nèi)容，形成統(tǒng)一的預(yù)研論證報告。

4.3 預(yù)研論證專業(yè)模型

根據(jù)民用飛機(jī)預(yù)研論證的業(yè)務(wù)流程中的13個任務(wù)，可以梳理出預(yù)研論證的專業(yè)模型，專業(yè)模型是對任務(wù)及其子任務(wù)的進(jìn)一步細(xì)化，是權(quán)威真相源的輸入與輸出。如圖21所示，展示了13個任務(wù)分別包含的專業(yè)模型。

預(yù)研論證的專業(yè)模型一般包括：預(yù)研論證過程中產(chǎn)生的各類電子文檔、電子表格，民用飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)模型，系統(tǒng)的SysML模型，CAD模型，CAE模型，CFD模型，CFD和風(fēng)洞試驗產(chǎn)生的氣動數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)分析數(shù)據(jù)，民用飛機(jī)測試模型，測試數(shù)據(jù)，測試曲線數(shù)據(jù)，飛行時序數(shù)據(jù)，電子設(shè)計圖紙、各類分析結(jié)果和現(xiàn)場照片形成的圖片，預(yù)研論證過程音視頻文件。

4.4 預(yù)研論證基礎(chǔ)模型

預(yù)研論證基礎(chǔ)模型由專業(yè)模型細(xì)化而來，與權(quán)威真相源的元素相對應(yīng)。如圖21所示，展示了專業(yè)模型打散重組為基礎(chǔ)模型的過程?；A(chǔ)模型和元素在權(quán)威真相源中可以任意重組，根據(jù)不同的觀點(diǎn)組成不同的模型和數(shù)據(jù)，解決系統(tǒng)工程的涌現(xiàn)效應(yīng)。

圖21 預(yù)研論證模型Fig.21 Model of pre-research

預(yù)研論證基礎(chǔ)模型有：由文檔和表格離散而成的文本、數(shù)值、表格、富文本模型，輕量化的CAD模型和CAE模型，由測試數(shù)據(jù)等離散成的曲線和時序數(shù)據(jù)模型，用于引用參考數(shù)據(jù)的引用類型，用于引用網(wǎng)頁和SysML模型的網(wǎng)頁類型，根據(jù)系統(tǒng)工程特點(diǎn)形成的需求類型，用于記錄預(yù)研論證過程的圖片、音頻、視頻流程，存儲專業(yè)數(shù)據(jù)源文件的附件類型。

4.5 民用飛機(jī)預(yù)研論證案例研制模型

“靈雀B”(LQ-B)是中國商飛北研中心制造的用于驗證新一代民機(jī)氣動布局的噴氣式縮比飛行驗證機(jī)，采用大邊條翼融合布局和可收放起落架，機(jī)身大量運(yùn)用復(fù)合材料，次承力部件和起落架均采用了先進(jìn)的 3D 打印技術(shù)。

該驗證機(jī)旨在圍繞未來民用飛機(jī)先進(jìn)技術(shù)開展縮比飛行驗證，特別是先進(jìn)氣動布局和飛行控制等領(lǐng)域的預(yù)先研究，希望通過一系列試飛驗證翼身融合氣動布局客機(jī)的低速氣動特性、操縱性和穩(wěn)定性，為未來民機(jī)總體設(shè)計方案提供可靠技術(shù)支持。

根據(jù)圖20所示民用飛機(jī)預(yù)研論證業(yè)務(wù)流程，參照實(shí)際驗證機(jī)工作流程，對任務(wù)進(jìn)行細(xì)化設(shè)計，梳理該驗證機(jī)研制模型如圖22所示。

4.6 協(xié)同預(yù)研論證案例

在權(quán)威真相源中對驗證機(jī)的預(yù)研論證建立項目，根據(jù)驗證機(jī)任務(wù)模型設(shè)計觀點(diǎn)，上傳數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)包。論證案例如圖10、圖11、圖13、圖15、圖19所示。其中，圖19為論證案例在權(quán)威真相源中的使用流程，圖10為論證案例的多方案發(fā)展情況，圖11為論證案例中涉及的多學(xué)科及其管理，圖13可視化展示了論證案例中部分學(xué)科的方案內(nèi)容，圖15展示了論證案例的項目基線、數(shù)據(jù)包、數(shù)據(jù)項之間的比對工作，可以幫助權(quán)衡分析論證案例的多方案和多輪次迭代結(jié)果。

權(quán)威真相源支持多人協(xié)同工作，每個數(shù)據(jù)包均可以設(shè)置負(fù)責(zé)人，負(fù)責(zé)人的職能是進(jìn)行數(shù)據(jù)包維護(hù)與更新。每個數(shù)據(jù)包可以進(jìn)行版本管理，并根據(jù)數(shù)據(jù)包的上下游關(guān)系對協(xié)同設(shè)計者進(jìn)行消息提醒。同時，根據(jù)上下游關(guān)系，可對所有數(shù)據(jù)包版本的可更新狀態(tài)進(jìn)行控制。數(shù)據(jù)包的可更新狀態(tài)有已更新、待更新和等待中，不同的狀態(tài)通過不同顏色表示，幫助項目和數(shù)據(jù)包負(fù)責(zé)人快速定位狀態(tài)。

利用權(quán)威真相源系統(tǒng)，促進(jìn)了民用飛機(jī)預(yù)研論文的協(xié)同設(shè)計工作，利用視圖和觀點(diǎn)相結(jié)合的方式，各學(xué)科專業(yè)之間權(quán)責(zé)清晰，只需從權(quán)威真相源中獲取模型/數(shù)據(jù)，無需相互傳遞，縮短了研制周期，有效解決了多學(xué)科耦合問題。同時由于在項目中采用了權(quán)威的模型和數(shù)據(jù)源，有效管理了預(yù)研論證中出現(xiàn)的多方案并行問題，各方案之間數(shù)據(jù)界限清晰，保證版本不會發(fā)生錯亂。利用模型和數(shù)據(jù)的權(quán)威性和真實(shí)性，多輪次迭代能夠向著正向優(yōu)化的方向行進(jìn)。綜述所述，采用權(quán)威真相源系統(tǒng)，預(yù)期能夠縮短預(yù)研論證周期，并提高預(yù)研論證質(zhì)量。

圖22 預(yù)研論證驗證機(jī)研制模型Fig.22 Design model of pre-research airline

5 結(jié) 語

通過確立權(quán)威真相源的構(gòu)建目標(biāo)和原則，設(shè)計權(quán)威真相源的方法架構(gòu)，設(shè)計權(quán)威真相源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，研究權(quán)威真相源支持技術(shù)，并梳理民用飛機(jī)預(yù)研論證模型，完整地對民用飛機(jī)預(yù)研論證權(quán)威真相源構(gòu)建技術(shù)進(jìn)行了研究，最后通過預(yù)研論證驗證機(jī)的案例研究，證實(shí)權(quán)威真相源構(gòu)建技術(shù)的可行性。民用飛機(jī)預(yù)研論證權(quán)威真相源能夠提升工程的系統(tǒng)組織性，提升協(xié)同設(shè)計效率，通過權(quán)威信息共享，提高模型和系統(tǒng)設(shè)計的重用性，有效減少系統(tǒng)工程實(shí)施中的復(fù)雜度，縮小開發(fā)成本，達(dá)到了預(yù)期的構(gòu)建目標(biāo)。

權(quán)威真相源的構(gòu)建技術(shù)不僅適用于民用飛機(jī)預(yù)研論證過程，也適用于飛行器設(shè)計、制造、運(yùn)行、維護(hù)的全生命周期，是彌補(bǔ)傳統(tǒng)基于文檔的系統(tǒng)工程和基于模型的系統(tǒng)工程之間差距的關(guān)鍵一步，有利于熟悉并熟練進(jìn)行形式化建模，推動基于模型的系統(tǒng)工程與數(shù)字工程戰(zhàn)略逐步應(yīng)用。

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