范海濤 吳紫薇 張亮 劉霞

（北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京，100094）

引言

我國航天事業(yè)經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，形成了一套獨具特色的航天器系統(tǒng)工程研制模式，有力地保障了研制任務的圓滿完成。隨著宇航型號研制任務迅猛增長，航天器系統(tǒng)的規(guī)模和復雜度不斷提升，傳統(tǒng)基于文檔的系統(tǒng)工程越來越難以適應后續(xù)任務的需求，迫切需要建立一種新的研制模式，即以模型為載體和依據(jù)，用計算機可理解和執(zhí)行的模型來描述復雜系統(tǒng)的設(shè)計過程，解決傳統(tǒng)基于文檔的研制模式所帶來的問題，由此，基于模型的系統(tǒng)工程（Model-Based Systems Engineering,MBSE）理念應運而生。

國際系統(tǒng)工程協(xié)會（INCOSE）對MBSE 給出的定義[1-2]：“基于模型的系統(tǒng)工程是指通過形式化的建模手段，建立數(shù)字模型，支持系統(tǒng)需求分析、設(shè)計、驗證和確認等活動，覆蓋概念設(shè)計階段，并持續(xù)貫穿于整個開發(fā)過程和后續(xù)的生命周期階段”。與文檔相比，由于模型在表達與處理、信息傳遞、早期驗證、知識重用等方面具有突出的優(yōu)勢，因此近年來正成為系統(tǒng)工程界研究與應用的熱點和重點，代表著系統(tǒng)工程的未來發(fā)展方向。與此同時，隨著MBSE 應用的不斷深入，與MBSE 相關(guān)的標準體系亟需建立，用于進一步指導MBSE 的實踐。

以下從航天器MBSE 應用實踐情況，構(gòu)建航天器MBSE 標準體系，開展航天器MBSE 標準制定，對航天器MBSE 應用與標準化實踐進行總結(jié)，并對后續(xù)工作的開展提出建議。

1 航天器MBSE 應用實踐

為提升系統(tǒng)工程能力，航天五院總體設(shè)計部重點圍繞MBSE 應用環(huán)境建設(shè)、語言工具培訓、型號試點應用、建模方法與規(guī)范研究等4 個方面開展工作，通過建立應用環(huán)境、統(tǒng)一理解和認知、形成典型應用案例實踐和總結(jié)方法與規(guī)范，有效提升了航天器MBSE 應用水平。

1.1 構(gòu)筑MBSE 軟件平臺，進一步提升MBSE工程環(huán)境支撐能力

在型號應用需求的牽引下，開展了基于模型的系統(tǒng)設(shè)計與仿真驗證（MBSE）平臺規(guī)劃[3]，完成了需求管理、系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)仿真驗證等軟件工具建設(shè)，為MBSE 在型號中的應用提供了符合航天器研制特點的高效、穩(wěn)定的設(shè)計環(huán)境。

為了實現(xiàn)知識經(jīng)驗的積累和重用，在MBSE平臺基礎(chǔ)上，開展了面向系統(tǒng)設(shè)計的航天器元模型和基礎(chǔ)模型庫、面向系統(tǒng)仿真的航天器系統(tǒng)驗證通用模型庫建設(shè)，總結(jié)形成了相關(guān)的建模要求、模型庫應用與管理規(guī)范等成果，為支撐載人、深空探測等領(lǐng)域型號的仿真驗證奠定了基礎(chǔ)。

1.2 組織MBSE 培訓，進一步提升設(shè)計師的MBSE 理解和認知能力

為推進MBSE 工程應用，通過線上、線下等多種途徑舉辦了“MBSE 語言方法工具系列培訓”。所有試點型號的骨干人員均參加了培訓，并發(fā)布了網(wǎng)上在線學習課程。設(shè)計師可利用空閑時間進行學習，通過培訓，從概念、語言、方法、工具等方面統(tǒng)一了設(shè)計師的理解和認識。

同時，為了提升設(shè)計師的軟件操作水平，自2019 年開始連續(xù)舉辦了3 屆“逐夢杯”MBSE 建模大賽，目的是培養(yǎng)“具有系統(tǒng)思維、懂得兩種語言、掌握兩類工具、具備系統(tǒng)設(shè)計與仿真驗證能力”的下一代系統(tǒng)工程師。建模大賽的成功舉辦，有效提升了設(shè)計師的軟件操作水平，強化了系統(tǒng)設(shè)計與仿真驗證能力，營造了推行MBSE 的良好氛圍和企業(yè)文化，取得了較好地效果。

1.3 推動試點應用，進一步提升型號“設(shè)計—仿真”閉環(huán)驗證能力

近年來，通過在多個型號的不同階段進行MBSE 技術(shù)探索與實踐，進一步提升了型號“設(shè)計—仿真”閉環(huán)驗證能力。

1.3.1 載人月球探測任務研制中MBSE 應用實踐

圍繞型號任務場景和飛行階段，通過利用分層建模思路，對各飛行階段進行層層分解，確定系統(tǒng)的功能和各系統(tǒng)間的關(guān)系，構(gòu)建飛行方案模型。同時，采用基于SysML 模型開展飛行方案評審，專家可直接查看網(wǎng)頁形式的飛行方案模型并進行審查和意見批注。通過評審對深入開展MBSE 應用進行有益嘗試，為載人月球探測任務“關(guān)深”階段完成基于模型的設(shè)計仿真閉環(huán)驗證奠定了基礎(chǔ)。

1.3.2 小天體探測器研制中MBSE 應用實踐

小天體探測器在方案設(shè)計階段，以系統(tǒng)建模流程為主線，針對需求分析與管理、系統(tǒng)功能與架構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)仿真驗證等方面進行應用實踐，初步形成了基于模型的航天器系統(tǒng)設(shè)計方法。探索了模型驅(qū)動的可視化仿真驗證模式，為實現(xiàn)飛行過程由“推演”到“可見”的轉(zhuǎn)變提供了有益的實踐經(jīng)驗。

1.3.3 空間站系統(tǒng)（運營階段）MBSE 應用實踐

利用前期基于Modelica 語言建立的系統(tǒng)仿真驗證模型，構(gòu)建面向系統(tǒng)級的涵蓋動力學與控制、能源、環(huán)熱控、信息和推進專業(yè)的多學科耦合“數(shù)字空間站”，具備任務前仿真預示、任務中數(shù)字伴飛、故障時快速驗證能力，在組合體對接、機械臂巡檢、航天員出艙等環(huán)節(jié)中發(fā)揮了重要支撐作用。

1.3.4 嫦娥五號研制中MBSE 應用實踐

嫦娥五號在軌飛行階段，針對能源分系統(tǒng)，通過在軌飛行數(shù)據(jù)進行驅(qū)動，實現(xiàn)靜態(tài)供配電大圖設(shè)計和動態(tài)仿真驗證，為飛行程序優(yōu)化、在軌狀態(tài)預示、能量平衡分析、故障預案制定提供了手段。

1.3.5 開展建模方法研究，進一步提升系統(tǒng)工程理論和方法水平

通過制定MBSE 技術(shù)能力發(fā)展與應用規(guī)劃，明確了MBSE 能力建設(shè)發(fā)展方向、建設(shè)目標、主要措施等。聚焦航天器研制前端的可行性論證和方案設(shè)計階段的系統(tǒng)設(shè)計與驗證工作，牽頭制定并發(fā)布了 《五院航天器MBSE 工作指南》。該工作指南從系統(tǒng)頂層規(guī)定了航天器研制流程中MBSE 工作項目與基本要求，用于指導型號開展MBSE 方法應用。在國外主流MBSE 建模方法基礎(chǔ)上，通過型號的不斷實踐，提出航天器MBSE系統(tǒng)建?？蚣芘c流程，初步形成基于MBSE 的航天器系統(tǒng)建模方法。此外，組織開展基于MBSE的協(xié)同建模與模型管理技術(shù)探索，為開展MBSE實踐提供理論和方法指導。

2 構(gòu)建航天器MBSE 標準體系

為了確保標準切實可行、與時俱進，一方面立足MBSE 工程實踐，提煉總結(jié)相關(guān)成果和經(jīng)驗；另一方面應緊密跟蹤先進技術(shù)進展，對MBSE 標準體系和標準內(nèi)容進行動態(tài)修訂完善。目前，總體設(shè)計部在原有的航天器數(shù)字化設(shè)計標準體系基礎(chǔ)上[4]，分3 個階段開展了MBSE 標準體系建設(shè)實施工作。

2.1 第一階段：構(gòu)建航天器研制MBSE 標準體系框架

以《國家智能制造標準體系建設(shè)指南》的系統(tǒng)架構(gòu)要素為基礎(chǔ)，結(jié)合集團公司“十三五”“十四五”信息化發(fā)展總體規(guī)劃與集團標準體系建設(shè)規(guī)劃，從型號研制的實際需求出發(fā)，結(jié)合MBSE 實踐情況，適時總結(jié)工程實踐成果和經(jīng)驗，形成指導航天器MBSE 應用的標準體系框架，滿足航天器數(shù)字化研制工作全面、順利開展的需要。整個航天器MBSE 標準體系框架如圖1 所示，包括6 類標準：通用標準、建模標準、協(xié)同設(shè)計標準、仿真驗證標準、模型管理標準、產(chǎn)品保證標準。

圖1 航天器研制MBSE 標準體系框架

通用類標準是MBSE 標準體系的基礎(chǔ)。建模、協(xié)同設(shè)計和仿真驗證類標準是指圍繞MBSE 過程，開展MBSE 建模、協(xié)同設(shè)計、仿真驗證所需要遵循的標準，是MBSE 標準體系的核心。模型管理類標準是指模型技術(shù)狀態(tài)管控所需要遵循的標準；產(chǎn)品保證類標準是指圍繞MBSE 過程制定的質(zhì)量管理體系標準，這2 類是MBSE 標準體系的重要支撐。

2.2 第二階段：確定航天器MBSE 標準體系明細表

為解決實際工程問題，立足航天器MBSE 應用過程中型號工程應用現(xiàn)狀，通過深入分析現(xiàn)行研制模式，在原有的航天器數(shù)字化研制標準體系基礎(chǔ)上進行了擴充，涵蓋MBSE 通用要求、建模、協(xié)同設(shè)計、模型與數(shù)據(jù)管理等領(lǐng)域，擴展形成了MBSE 標準體系明細表，見表1?？茖W界定了航天器MBSE應用標準化的內(nèi)涵和外延，有效識別了現(xiàn)有和缺失的標準，充分展示了現(xiàn)有標準間的交叉重疊關(guān)系。

表1 航天器MBSE 標準體系明細表

2.3 第三階段：開展航天器MBSE 標準制定

遵循“繼承性、系統(tǒng)性、先進性、開放性、協(xié)調(diào)性”原則，對于現(xiàn)行標準中缺少的、型號工程研制亟需的、能夠促進行業(yè)基礎(chǔ)能力提升的MBSE 標準，優(yōu)先納入標準體系并組織技術(shù)專家開展標準制定工作。

為支撐型號應用，按照“急用先行”原則，完成了 《五院航天器MBSE 模型體系（2021版）》《航天器需求模型建模規(guī)范》《航天器系統(tǒng)多學科集成仿真模型建模規(guī)范》的編制并進行了發(fā)布。在此基礎(chǔ)上，開展了 《航天器MBSE 需求模型建模要求》《航天器MBSE 系統(tǒng)設(shè)計模型建模要求》《航天器MBSE 系統(tǒng)驗證模型建模要求》等3 項集團標準的制定。

a）航天器MBSE 需求模型建模要求：通過規(guī)定需求的描述語法、描述規(guī)則、基本屬性定義等內(nèi)容，將用戶意圖和技術(shù)要求條目化、結(jié)構(gòu)化，支持精細地需求定義、分解、跟蹤、追溯及變更控制等，用于替代技術(shù)要求文檔。

b）航天器MBSE 系統(tǒng)設(shè)計模型建模要求：通過規(guī)定航天器系統(tǒng)設(shè)計建模流程，采用圖形化的建模語言對系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)在邏輯進行描述，構(gòu)建任務功能、系統(tǒng)組成與接口、飛行模式與時序等設(shè)計邏輯關(guān)系，用于替代各類方案報告。

c）航天器MBSE 系統(tǒng)驗證模型建模要求：通過規(guī)定航天器架構(gòu)、外部接口、部件建模要求等內(nèi)容，采用多學科統(tǒng)一建模語言對系統(tǒng)方案進行多學科建模與集成，對系統(tǒng)方案或飛行過程關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行早期仿真驗證。

這3 項集團公司標準將成為推進航天器MBSE 應用的頂層規(guī)范，為加速推進MBSE 方法在航天器各領(lǐng)域型號中的落地應用、提升型號研制能力提供有力保障。

3 總結(jié)

MBSE 是有效解決系統(tǒng)復雜性、提高系統(tǒng)整體質(zhì)量、縮短研制周期的重要手段，更是研制模式的變革。MBSE 的核心是要用統(tǒng)一的系統(tǒng)模型來實現(xiàn)與各專業(yè)學科的集成，基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的全三維設(shè)計制造、信息流設(shè)計、能源流設(shè)計等數(shù)字化成果，應推進MBSE 實現(xiàn)與現(xiàn)有數(shù)字化成果的互聯(lián)互通，推進研制過程中數(shù)字量的連續(xù)傳遞。另外，有效推動航天器MBSE 的應用實踐，需要組織層面提供從上到下的組織和管理支持，統(tǒng)一思想和行動，還需通過專門團隊負責總結(jié)、制定通用建模規(guī)范，形成共性能力，為各型號試點應用提供可操作過程依據(jù)、方法依據(jù)和工具支撐和指導。

后續(xù)，將圍繞以下幾個方面進一步深入開展航天器MBSE 應用與標準化實踐：①加快MBSE相關(guān)標準規(guī)范建設(shè)，提升模型的質(zhì)量和規(guī)范性，促進模型的開放共享；②完善推進MBSE 相配套的管理機制、管理模式，持續(xù)提升MBSE 應用能力和水平，為“數(shù)字化轉(zhuǎn)型”提供支撐保障；③多種方式培養(yǎng)MBSE 復合型人才；④堅持軟件自主發(fā)展，打造“好用、易用”的航天器設(shè)計品牌軟件；⑤推進MBSE 的“產(chǎn)、學、研”環(huán)境構(gòu)建，探索文化觀念、組織與配套制度的轉(zhuǎn)變。

通過持續(xù)深入開展MBSE 工程實踐，扎實推進，堅持不懈，構(gòu)建符合航天器型號數(shù)字化研制特點的MBSE 方法與標準規(guī)范體系，推進航天器數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級，支撐“三高”（高質(zhì)量、高效率、高效益）發(fā)展。