袁義 范立佳 薛宏偉 朱位 宋文龍 魏平 張亮

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094) (2 中國空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部，北京 100094)

總裝是航天產(chǎn)品制造的最后階段，只有經(jīng)過了正確的裝配、精確的檢測和合理的調(diào)整，才能使航天產(chǎn)品的質(zhì)量滿足設(shè)計要求和用戶需求[1]。航天器總裝流程一般包括設(shè)備入庫/出庫、機械安裝、電氣裝聯(lián)、管路焊接、檢測調(diào)整、航天器運輸和發(fā)射場裝配等[2]，伴隨整星總裝、測試與試驗(AIT)全過程，與各項測試、試驗高度耦合，設(shè)備配套、裝星狀態(tài)始終處于動態(tài)變化過程中，技術(shù)狀態(tài)控制十分復(fù)雜?，F(xiàn)行的研制模式下，航天器設(shè)計與總裝相對獨立。在設(shè)計環(huán)節(jié)，各分系統(tǒng)分別按照總體設(shè)計分解的指標開展產(chǎn)品設(shè)計工作；總體設(shè)計在各專業(yè)設(shè)計的基礎(chǔ)上，按照測試、試驗要求明確AIT各階段設(shè)備配套，制定總裝技術(shù)流程。在總裝環(huán)節(jié)，總裝工藝涉及大量的總體設(shè)計、分系統(tǒng)設(shè)計、工藝要素、現(xiàn)場實施等多個維度的數(shù)據(jù)信息，可以理解為總體設(shè)計信息的再設(shè)計，任何數(shù)據(jù)信息的傳遞失真都會導(dǎo)致嚴重的后果[3]。然而目前設(shè)計對總裝的技術(shù)要求一般以文件、表格、圖紙、模型的形式下發(fā),數(shù)據(jù)源頭眾多，載體形式多樣，各類輸入物僅存在邏輯上的關(guān)聯(lián)性，針對同一對象的描述可能因人而異。上述信息傳遞到總裝環(huán)節(jié)后，總裝工藝人員需要從實施角度進行信息的二次提取，通過重構(gòu)物料清單(Bill of Material，BOM)來構(gòu)建工藝數(shù)字樣機[4]，并將緊固件等以產(chǎn)品參數(shù)形式存在的產(chǎn)品對象進行實例化處理，構(gòu)建各類裝配對象之間的強關(guān)聯(lián)，不可避免涉及到信息的二次加工，再次放大了設(shè)計、工藝針對同一對象描述的差異。由此造成的結(jié)果是，設(shè)計和總裝分別從各自視角維護一套結(jié)果，相互之間在邏輯層面存在關(guān)聯(lián)，在數(shù)據(jù)層面無法聯(lián)動，設(shè)計的結(jié)果無法直接在下游使用，總裝工藝要處理的信息量大，實施結(jié)果也無法直接向上游反饋，設(shè)計部門要想了解實際進度只能現(xiàn)場跟產(chǎn)。

要解決上述問題，需要站在全流程的角度綜合考慮，在設(shè)計信息發(fā)布前充分兼顧總裝工藝對輸入的要求，圍繞核心產(chǎn)品構(gòu)建面向總裝的結(jié)構(gòu)化數(shù)字模型，并以該模型替代各類文件作為銜接設(shè)計、總裝的橋梁，在此基礎(chǔ)上開展總裝過程數(shù)字化定義，以實施結(jié)果反向驅(qū)動設(shè)計模型，實現(xiàn)數(shù)據(jù)下得去，狀態(tài)回的來。

1 現(xiàn)行航天器總裝技術(shù)狀態(tài)管理模式

航天器系統(tǒng)總裝項目多，總裝狀態(tài)隨測試、試驗狀態(tài)的設(shè)置不斷變化[5]?？傃b技術(shù)狀態(tài)是開展總裝實施工作的基線，總裝開始前必須明確要實現(xiàn)的狀態(tài)，一般應(yīng)在總裝技術(shù)狀態(tài)文件中加以規(guī)定和明確[3]，自上而下分為流程階段定義、階段內(nèi)工序定義、工序內(nèi)容定義3個層面(見圖1)。

圖1 現(xiàn)行航天器總裝技術(shù)狀態(tài)管理流程Fig.1 Traditional spacecraft assembly technical status management process

流程階段定義指將測試、試驗過程按照階段性目標進行分解，每個階段工作開展前艙段、艙板、大部件、設(shè)備、纜線等硬件配套需要達到指定的裝星狀態(tài)；階段內(nèi)工序定義指通過制定合理的步驟完成指定艙段艙板開合、單機設(shè)備拆裝、纜線插拔等一系列工作；工序內(nèi)容定義明確了每一步的工作內(nèi)容，是開展具體工藝設(shè)計與實施工作的依據(jù)。

在當前的產(chǎn)保體系下，上述3個層面工作均通過面向?qū)ｍ棞y試、試驗的總裝技術(shù)狀態(tài)流程文件進行描述，在內(nèi)容上實現(xiàn)了對總裝工作的覆蓋。但是問題也很突出，首先文件作為信息傳遞的載體信息量太大、顆粒度太粗，有效數(shù)據(jù)不能直接被識別和利用；其次各個分系統(tǒng)都站在自身角度對總裝提要求，每個系統(tǒng)僅針對自身的信息產(chǎn)生過程和具體業(yè)務(wù)過程進行支持，難以從產(chǎn)品數(shù)據(jù)總體的角度，進行數(shù)據(jù)的歸集、匯總、處理和輸出[6]，信息分散零碎不成體系，堆積在下游依賴工藝設(shè)計消化整理?？梢哉f現(xiàn)有總裝技術(shù)狀態(tài)的管控是建立在航天強大的管理體系基礎(chǔ)上，管理的強勢掩蓋了數(shù)據(jù)、流程存在的短板。

2 基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的總裝技術(shù)狀態(tài)管控模式

解決現(xiàn)有總裝技術(shù)狀態(tài)管理問題需要從流程優(yōu)化和數(shù)據(jù)治理兩方面入手。流程優(yōu)化是指將紙面上的流程變成數(shù)據(jù)驅(qū)動的流程，流程中每個節(jié)點的輸入輸出要可量化，節(jié)點狀態(tài)的變化要隨輸入條件的變化自動更新盡可能減少人工干預(yù)。數(shù)據(jù)治理是指在設(shè)計環(huán)節(jié)充分考慮工藝設(shè)計的需要，圍繞核心產(chǎn)品構(gòu)造面向裝配的數(shù)字模型，該模型不僅包含產(chǎn)品本身的設(shè)計要素，同時包含對裝配工藝設(shè)計約束，即將文件中針對核心產(chǎn)品安裝、插接等附加性要求通過模型屬性的方式進行表達?？傃b工藝開展工藝設(shè)計時，選擇到該產(chǎn)品后即可關(guān)聯(lián)獲取與該產(chǎn)品相關(guān)的所有的附加屬性并直接復(fù)用，以此降低總裝工藝設(shè)計的難度，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在上下游的一致和貫通。

圖2表達了優(yōu)化后的總裝技術(shù)狀態(tài)管理流程，與傳統(tǒng)管理模式相比，設(shè)計數(shù)據(jù)經(jīng)過匯聚、整合后以統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的形式作為總體總裝設(shè)計、總裝工藝設(shè)計與實施的唯一輸入；基于流程引擎構(gòu)建了階段定義、工序定義、工序內(nèi)容定義三級流程，自上而下進行工序的分解，自下而上反饋執(zhí)行的進度，層級之間具有相互驅(qū)動關(guān)系；同時以階段性目標狀態(tài)和實做狀態(tài)反向驅(qū)動三維模型，直觀的展現(xiàn)工作進展。

圖2 基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的總裝技術(shù)狀態(tài)管理流程Fig.2 Management process of spacecraft assembly technical status based on unified data source

2.1 統(tǒng)一數(shù)據(jù)源

設(shè)計與工藝的工作目標與看問題的角度存在較大差異，航天器設(shè)計是按專業(yè)并行開展的，雖然可以證明其設(shè)計的合理性，但不能完全覆蓋工藝上的可操作性和空間可達性[7]，而總裝工作則從實物維度出發(fā)，通過合理的流程將各專業(yè)的硬件產(chǎn)品串行安裝在指定位置，并滿足設(shè)計所要求的機、電、熱特性。

一顆普通衛(wèi)星約有20塊結(jié)構(gòu)板，部署約150臺設(shè)備，每臺設(shè)備大約有10個電連接器，每個電連接器的插接要求、保護要求不同；每臺設(shè)備大約有6個安裝耳片，需要6套緊固件進行固定，每臺設(shè)備的擰緊力矩、打保險要求各異；同時需要根據(jù)設(shè)備布局位置、設(shè)備在不同工況下的發(fā)熱量，加裝加熱片、涂抹導(dǎo)熱硅脂、安裝擴熱板進行加熱保護或散熱處理。需要維護的總裝對象大約有15類5000余條，每條對象還需要維護10到20個安裝屬性。

雖然總裝硬件配套繁多，但是大部分硬件配套設(shè)施都是為了核心產(chǎn)品的正確裝配、使用服務(wù)的，所以面向總裝的統(tǒng)一數(shù)據(jù)源構(gòu)建，關(guān)鍵是抓住單機、載荷等核心產(chǎn)品，將機、電、熱相關(guān)措施作為核心產(chǎn)品的附件，統(tǒng)一構(gòu)成面向工藝的裝配數(shù)據(jù)單元。圖3以單機數(shù)據(jù)單元為例進行了說明，除了單機本身存在安裝技術(shù)要求，還包括直屬件、接地、保護件、警示件等機械附件；熱敏電阻、加熱片、擴熱板、熱包覆等熱控附件；電連接器、高頻電纜等電附件。各類附件的規(guī)格、數(shù)量、安裝技術(shù)要求存在于接口數(shù)據(jù)單、專業(yè)技術(shù)文件和三維模型中，信息的組織需要采用系統(tǒng)集成、模型解析和人工提取多種方式。

中國空間技術(shù)研究院通過多年的發(fā)展，廣泛開展了基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的航天器總體設(shè)計[8]，形成了以航天器接口數(shù)據(jù)單(Interface Data Sheet，IDS)為統(tǒng)一數(shù)據(jù)源，以三維模型為信息載體的協(xié)同設(shè)計模式，建立了面向機、電、熱多個專業(yè)的專家系統(tǒng)，能夠通過系統(tǒng)接口獲取需要的設(shè)計要素，具備了構(gòu)建“設(shè)計-總裝”統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的基礎(chǔ)條件。圖4描述的是部分星上產(chǎn)品提交給總裝工藝的設(shè)計輸入，“√”表示與該產(chǎn)品相關(guān)的對總裝工藝設(shè)計有約束指導(dǎo)意義的附加屬性，其中的大部分由各專業(yè)設(shè)計模型直接抽取，通過信息重組后可作為工藝設(shè)計的直接依據(jù)。

注：OSR為光學太陽發(fā)射器。圖3 面向工藝的單機裝配數(shù)據(jù)單元Fig.3 Equipment data unit for process design

圖4 部分星上產(chǎn)品提交給總裝工藝的設(shè)計輸入Fig.4 Design data of some on-board products submitted to assembly process

2.2 總裝過程建模

總裝過程建模是傳統(tǒng)總裝工作流程和內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化，從層級上自上而下依然分為流程階段定義、階段工序定義和工序內(nèi)容定義三部分。采用結(jié)構(gòu)化建模后，各個層級之間、層級和配套之間建立了強關(guān)聯(lián)，上一層級的狀態(tài)可根據(jù)下一級的變化動態(tài)更新，實時反映AIT全過程狀態(tài)。

2.2.1 流程階段定義

1)硬件配套和投產(chǎn)矩陣結(jié)構(gòu)化建模

建立起面向總裝過程的統(tǒng)一數(shù)據(jù)源后，可以通過設(shè)備選用的方式建立硬件配套和流程階段的直接關(guān)聯(lián)。設(shè)備被選用后，與該設(shè)備相關(guān)的接口特性、安裝技術(shù)要求、機/電/熱附件同步帶入，與流程階段產(chǎn)生間接關(guān)聯(lián)。通過上述方式將隱含在文件之間的隱性關(guān)聯(lián)關(guān)系顯性化，形成了以階段為干、配套為枝、各類附件和技術(shù)要求為葉的完整數(shù)據(jù)鏈。

在總裝各階段，出于滿足測試試驗要求、縮短時間周期、節(jié)約成本多重因素考慮，上星的設(shè)備有可能不是真正上天的最終產(chǎn)品，而是在某一方面的功能、性能滿足測試試驗需要的最終實物的衍生品，如用于微振動試驗、熱穩(wěn)定性試驗的結(jié)構(gòu)熱控件，用于電性能測試的電性件，用于單機性能驗證的鑒定件。上述器件與最終發(fā)射產(chǎn)品在邏輯上同屬一個設(shè)備，在物理上又是實際存在的多個實體，作為多個獨立的個體進行出/入庫、上/下星管理。在硬件配套、構(gòu)建投產(chǎn)矩陣結(jié)構(gòu)化建模時，需要增加“目標用途類型”屬性，根據(jù)階段要求設(shè)定硬件狀態(tài)，實現(xiàn)與實物的正確對應(yīng)。

投產(chǎn)矩陣及裝星設(shè)備技術(shù)狀態(tài)配置示例如圖5所示。

圖5 投產(chǎn)矩陣技術(shù)狀態(tài)配置示例Fig.5 Configuration example of technical status of production matrix

2)目標狀態(tài)建模

完成硬件配套的選配后，需要為階段設(shè)定目標狀態(tài)，即開展該階段工作的初始條件。對于典型的衛(wèi)星而言，初始狀態(tài)一般需要對艙段的分/合、艙板的開/合、設(shè)備和電纜束的裝/卸、電連接器的通/斷、電纜分支的插/拔進行描述。

目標狀態(tài)建模時，針對每一類硬件建立了初始狀態(tài)字典庫，并通過配置的方式建立狀態(tài)與硬件類型之間的關(guān)聯(lián)。針對有連接關(guān)系的對象如電連接器，構(gòu)建了連接對象類型字典，用于區(qū)分連接的是星船電纜還是地面工藝電纜；對于電纜分支需從階段硬件配套中選擇連接的始端和終端物理對象。硬件類型和狀態(tài)字典的匹配關(guān)系見表1。

表1 硬件類型和狀態(tài)字典的匹配關(guān)系示例Table 1 Example of matching relationship between hardware type and status dictionary

2.2.2 階段內(nèi)工序和工序內(nèi)容結(jié)構(gòu)化定義

在建立了階段配套的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建結(jié)構(gòu)化工序流程，將配套進一步細化分解到工序的每一步，作為工序內(nèi)容定義中物料信息、資源保障(工裝、設(shè)施)的直接輸入。

在工序內(nèi)容定義的工作內(nèi)容部分采用了“動作+實物對象”的結(jié)構(gòu)化定義方式，動作部分將面向設(shè)備的“安裝”、“拆卸”，面向纜線的“插”、“拔”等動作封裝為行為字典，實物對象部分則從分配到該工序的硬件配套中直接選用。上述過程規(guī)范了對工藝操作的描述，同時將統(tǒng)一數(shù)據(jù)源貫穿到每一個工步，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)層面自上而下的統(tǒng)一。結(jié)構(gòu)化工序流程及工序內(nèi)容結(jié)構(gòu)化定義的示例如圖6所示。

圖6 結(jié)構(gòu)化工序流程及工序內(nèi)容結(jié)構(gòu)化定義Fig.6 Structured process route and structure definition of process content

2.3 現(xiàn)場狀態(tài)可視化反饋

設(shè)計部門需要實時掌握總裝工藝實施過程中設(shè)備出入庫、整星狀態(tài)的變化，現(xiàn)行管理模式下，總體設(shè)計人員只能通過跟產(chǎn)的方式現(xiàn)場追蹤，時效性差且不直觀，無法滿足各層級人員對AIT技術(shù)狀態(tài)控制的需要。

以統(tǒng)一數(shù)據(jù)源作為總裝工藝文件編制的直接輸入，從根本上保證了設(shè)計與工藝信息的同源，掃除現(xiàn)場實物狀態(tài)反向驅(qū)動三維展示模型的最大障礙。通過與庫房系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System，MES)集成，利用設(shè)備的庫房狀態(tài)驅(qū)動階段內(nèi)設(shè)備配套屬性變化，直觀反映設(shè)備的到貨情況；利用MES中的執(zhí)行記錄驅(qū)動設(shè)備、電纜等實物對象三維模型在整星總裝模型上的顯示或者隱藏，直觀反映總裝實施進度，設(shè)備的入庫狀態(tài)和總裝實施進度可作為AIT工作計劃調(diào)整的直接依據(jù)，建立起供應(yīng)鏈與總裝過程的橋接，實現(xiàn)全流程信息透明。圖7以看板的形式展示指定階段設(shè)備的目標狀態(tài)和實際裝配狀態(tài)，圖8是狀態(tài)的三維可視化。

圖7 實施過程在線看板Fig.7 Online display panel of implementation status

圖8 實施過程可視化驅(qū)動Fig.8 3D visualization of implementation process

3 應(yīng)用效果

根據(jù)本文建設(shè)的AIT技術(shù)狀態(tài)管理系統(tǒng)，在高分多模衛(wèi)星研制過程中開展了應(yīng)用，在業(yè)務(wù)層面帶來以下改變。

(1)總體設(shè)計部門給總裝部門的提交物由文件變?yōu)椤敖Y(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)+描述性文件”，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)以裝配對象為核心建立裝配數(shù)據(jù)單元，描述性文件用于對實施方法等不可量化內(nèi)容的描述。結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)需要從各類系統(tǒng)中抽取，無法抽取的數(shù)據(jù)由人工補錄，與傳統(tǒng)寫文件的方式相比，工作量大致相同，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)通過AIT技術(shù)狀態(tài)管理系統(tǒng)進行技術(shù)狀態(tài)控制。

(2)總裝部門的輸入由單一文件變?yōu)椤敖Y(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)+描述性文件”，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)作為總裝工藝設(shè)計、設(shè)備庫房管理、總裝現(xiàn)場執(zhí)行的統(tǒng)一源頭，數(shù)據(jù)導(dǎo)入通過系統(tǒng)間接口自動實現(xiàn)，節(jié)省總裝工藝設(shè)計人員約2周左右的數(shù)據(jù)錄入、校核工作，人為原因造成的錯誤減少為零。

(3)設(shè)計人員通過AIT技術(shù)狀態(tài)管理系統(tǒng)實時查看設(shè)備出入庫情況，通過現(xiàn)場實施數(shù)據(jù)反向驅(qū)動的三維模型查看總裝進度，即使坐在辦公室也能掌握現(xiàn)場情況，減少了50%左右現(xiàn)場跟產(chǎn)時間。

4 結(jié)束語

本文在深入了解航天器總裝工作基礎(chǔ)上，開展面向總裝工藝的總裝技術(shù)狀態(tài)管理模式研究與實踐。通過對整星配套、研制數(shù)據(jù)、技術(shù)要求的整合，按照總裝工藝設(shè)計需要進行結(jié)構(gòu)化重組，構(gòu)建面向“設(shè)計-工藝”統(tǒng)一數(shù)據(jù)源，實現(xiàn)自上而下數(shù)據(jù)層面的貫通；開展總裝過程結(jié)構(gòu)化建模，建立階段、流程、執(zhí)行不同層級之間的信息流，實現(xiàn)狀態(tài)信息的雙向驅(qū)動；開展與總裝工藝系統(tǒng)、庫房系統(tǒng)集成，實時獲取設(shè)備庫房狀態(tài)、總裝實施狀態(tài)，通過三維模型顯性表達，為后續(xù)工作提供直觀依據(jù)。工程實踐的結(jié)果驗證了基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的航天器總裝技術(shù)狀態(tài)管理模式的可行性與系統(tǒng)的可用性，為后續(xù)全面推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。