關(guān)于模型的系統工程在航天器研制中的研究與實(shí)踐論文
1引言
航天器研制是一項多學(xué)科、多專(zhuān)業(yè)相結合的大型系統工程，具有技術(shù)難度大、投入資金多、質(zhì)量與可靠性要求高、協(xié)作單位多、研制風(fēng)險高和管理難度大等特點(diǎn)。我國航天工業(yè)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，逐步形成了一套獨具特色的航天器研制系統工程管理模式。近年來(lái)，隨著(zhù)一批重大工程的啟動(dòng)，航天器研制出現了一些新的特點(diǎn)：①研制數量大幅增加，研制周期不斷縮短;②性能指標要求不斷提升，新產(chǎn)品、新技術(shù)不斷涌現;③多產(chǎn)品并舉，大規模協(xié)同，耦合關(guān)系復雜。
傳統的航天器研制模式都是基于文檔的，但由于航天器研制是一項涉及多學(xué)科融合的系統工程，不同設計人員所關(guān)注的領(lǐng)域不同，從文檔中讀取信息很容易產(chǎn)生理解的不一致性，在產(chǎn)品設計過(guò)程中經(jīng)常出現反復迭代修改等情況。雖然近年來(lái)，已從過(guò)去的紙質(zhì)形式轉換為電子形式，但并未從根本上改變這一狀況。
2MBSE的內涵
在INCOSE發(fā)布的2020年遠景規劃中，MBSE成為系統工程未來(lái)發(fā)展的重要方向。根據規劃，MBSE主要經(jīng)過(guò)3個(gè)階段，2010年實(shí)現MBSE的標準化，2010-2020年是MBSE理論體系走向成熟化階段，在系統的架構模型中集成分析、仿真、可視化，并定義出完善的MBSE理論體系，到2025年，在各個(gè)領(lǐng)域應用MBSE方法。
最早提出MBSE概念的INCOSE給出了如下定義：
“基于模型的系統工程是通過(guò)形式化的建模手段，從概念設計階段開(kāi)始就能夠支持系統需求、設計、分析、驗證和確認等活動(dòng)，并持續貫穿整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程和后續的生命周期階段”。
3MBSE在航天器研制中的研究與實(shí)踐
3.1航天器研制過(guò)程中對MBSE理論的創(chuàng )新與發(fā)展
在繼承國外實(shí)踐成果的基礎上，結合我國航天器研制的具體情況，對MBSE理論進(jìn)行創(chuàng )新與發(fā)展。
1)通過(guò)主模型貫穿于產(chǎn)品全生命周期
雖然從定義中，指出MBSE貫穿于整個(gè)產(chǎn)品研制的全過(guò)程，但就目前而言，在國內外的相關(guān)研究和實(shí)踐中，MBSE的應用范圍僅局限在產(chǎn)品的系統設計階段(即方案設計階段)。在該階段，通過(guò)系統建模語(yǔ)言(SysML)來(lái)支持產(chǎn)品設計初期階段的需求、功能和結構等過(guò)程的建模。但在后續的詳細設計階段，各個(gè)學(xué)科之間就完全割裂開(kāi)來(lái)，此時(shí)SysML已無(wú)法適用。
2)融入“模型驅動(dòng)”的思想
MBSE雖然是通過(guò)模型的不斷演化、迭代來(lái)實(shí)現產(chǎn)品設計，但MBSE仍然存在著(zhù)不足：①建模工作量繁重，幾乎所有的建模過(guò)程均需要手工完成，對建模的自動(dòng)化和智能化支持較少;②建模質(zhì)量無(wú)法保證，由于建模需要手工完成，建模質(zhì)量的高低依賴(lài)于設計人員的經(jīng)驗，建模質(zhì)量無(wú)法保證;③建模的效率低，尤其對于航天器這種大型復雜產(chǎn)品的建模，建模數量多，類(lèi)型復雜，建模效率很低。
在現有的MBSE體系基礎上，融入“模型驅動(dòng)”的思想，實(shí)現由MBSE向模型驅動(dòng)的系統工程(Model-DrivenSystemEngineering，MDSE)轉變。兩者之間的區別為MBSE是通過(guò)“人工”驅動(dòng)建模，而MDSE是通過(guò)“模型”智能化驅動(dòng)建模，即利用現有的經(jīng)驗知識，通過(guò)有效的推理策略進(jìn)行知識推理，自動(dòng)化、智能化地實(shí)現相關(guān)模型的推理，并進(jìn)一步生成模型，以達到減少大量復雜和重復的工作，更好地重用知識。這種知識隱含在現有的產(chǎn)品研制過(guò)程中，需要對其進(jìn)行深入挖掘才能提煉出來(lái)，并且這一過(guò)程的'實(shí)現不是一蹴而就的，而是逐步不斷完善的過(guò)程。
3.2MBSE在航天器研制過(guò)程中的應用實(shí)踐
在對MBSE理論創(chuàng )新和發(fā)展的同時(shí)，應用MB-SE理論指導航天器研制實(shí)踐，以開(kāi)創(chuàng )一條適合我國國情的航天器研制管理模式。
1)建立、健全完善的系統工程研制流程體系
系統工程活動(dòng)及其流程是系統工程體系的核心。根據當前航天器研制任務(wù)形勢，明確系統工程各階段任務(wù)劃分和實(shí)施要求，對關(guān)鍵技術(shù)活動(dòng)開(kāi)展集中攻關(guān)，不斷開(kāi)展系統工程流程的梳理和優(yōu)化，針對總體設計要素，提出所需的建模工具和手段，梳理建立航天器總體與結構協(xié)同設計流程、總體與熱控的協(xié)同設計流程、熱控三維設計流程、基于模型的跨專(zhuān)業(yè)協(xié)同設計流程、有效載荷快速設計流程、構型布局設計實(shí)現流程、總體總裝設計流程、結構協(xié)同設計流程等。同時(shí)，借鑒先進(jìn)的信息化技術(shù)和手段，實(shí)現高效的信息表達、數據管理、數據傳遞，為航天器研制流程的上下貫穿提供根本性保障。
2)以IDS為統一數據源的MBSE，解決MBSE應用范圍窄的問(wèn)題
結合我國航天器研制的自身特點(diǎn)，提出了以設備接口數據單(InterfaceDataSheet，IDS)為統一數據源的MBSE，即在后續的設計階段，各個(gè)學(xué)科之間仍然可以通過(guò)統一數據源IDS進(jìn)行協(xié)調設計，將MBSE的適用范圍擴展到整個(gè)產(chǎn)品設計階段。
3)充分利用現有知識，實(shí)現由MBSE向MDSE的轉變
在充分借鑒信息化技術(shù)的基礎上，結合自身實(shí)際情況，充分利用現有的設計知識，將多年積累的經(jīng)驗和知識，如設計禁忌、設計要素、設計流程等融合到一個(gè)集成的航天器總體設計集成環(huán)境，然后，根據不同的設計階段和設計情境，通過(guò)有效的推理策略進(jìn)行推理，智能化地實(shí)現航天器研制過(guò)程建模。
在此，開(kāi)展了三維設計環(huán)境下基于IDS的設備自動(dòng)建模、設備快速布局、基于衛星電纜網(wǎng)設計系統(SatelliteCableDesignSystem，SCDS)數據的快速布線(xiàn)布纜、總裝設計等功能，從源頭上保證了設計數據的一致性，有力地提升了航天器研制的規范化、標準化、自動(dòng)化程度，加強了技術(shù)狀態(tài)控制，優(yōu)化了研制流程，實(shí)現了真正的模型驅動(dòng)。
4)基于模型的跨專(zhuān)業(yè)協(xié)同設計模式
MBSE概念的提出，雖然改變了原有的協(xié)同設計模式，但各學(xué)科、各專(zhuān)業(yè)之間的協(xié)同仍然是靠人工來(lái)協(xié)調。為此，在MBSE的基礎上，結合當前航天器研制模式，一方面，基于IDS統一數據源開(kāi)展了總體-結構-熱控協(xié)同設計，有效解決了傳統模式下人工協(xié)商多、復核復算多和設計精度難以保證的問(wèn)題。另一方面，建立了基于多級骨架關(guān)聯(lián)設計的并行機制，通過(guò)建立上下游專(zhuān)業(yè)設計對象之間、專(zhuān)業(yè)內部設計對象之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現當上游設計發(fā)生變化時(shí)，下游設計可以自動(dòng)更新，從而加快設計迭代周期，提高設計效率和質(zhì)量。
5)基于MBD的全三維數字化產(chǎn)品定義
MBSE提出將“基于模型”的思想貫穿于整個(gè)產(chǎn)品研制的全生命周期，但在產(chǎn)品設計階段，傳統的數字化產(chǎn)品的定義是“二維+三維”形式，即所建的三維模型僅僅作為幾何模型，而尺寸、公差、粗糙度、熱處理方法等工藝信息仍然在二維圖紙上表示，這就導致了在制造環(huán)節中仍然要以二維工程圖作為制造的唯一依據，整個(gè)的制造體系仍然為傳統的二維體系，這種產(chǎn)品定義模式無(wú)法保證產(chǎn)品定義唯一性。
基于模型定義(Model-BasedDefinition，MBD)的數字化設計與制造技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)信息化的發(fā)展趨勢，它是將三維產(chǎn)品的制造信息與三維設計信息共同定義到產(chǎn)品的三維模型中，以改變目前三維模型和二維工程圖并存的局面，保證產(chǎn)品定義的唯一性。目前，國外MBD技術(shù)的應用已經(jīng)比較成熟，其中的杰出代表波音公司，在787型客機研制過(guò)程中，全面采用了MBD技術(shù)，并將MBD模型作為制造的唯一依據，完全拋棄了二維工程圖樣。MBD技術(shù)并不是簡(jiǎn)單地在三維模型上進(jìn)行標注，而是通過(guò)一系列規范的方法更好地表達設計思想，以此打破“設計-制造”之間的隔閡，一方面，能容易地被設計人員所理解，另一方面，又能方便地被計算機處理。
6)航天器系統工程標準規范體系建設
在MBSE方法中，需要一套完善的航天器系統工程標準規范體系作為支撐，這是MBSE實(shí)施的執行依據。在梳理現有的標準規范的基礎上，重點(diǎn)開(kāi)展了航天器系統工程標準規范體系框架設計，進(jìn)一步消除系統工程標準規范體系中的薄弱環(huán)節。
通過(guò)研究國外相關(guān)標準和規范，結合航天器研制的特點(diǎn)，在航天器研制模式探索過(guò)程中，構建了符合自身特點(diǎn)的航天器數字化研制標準體系。
航天器數字化研制標準體系是由若干個(gè)相互依存、相互制約的數字化標準組成的具有特定功能的有機整體，企業(yè)綜合管理信息化標準和基礎運維標準作為整個(gè)體系的支撐標準，主要包括基礎類(lèi)和應用類(lèi)兩大類(lèi)標準，其中基礎類(lèi)標準主要為概念術(shù)語(yǔ)標準;應用類(lèi)標準包括數字化設計、制造、裝配、試驗信息交換標準、數字化設計標準、基于數字化產(chǎn)品的制造標準、數字化測試試驗標準、數字化產(chǎn)品管理標準等，涵蓋了基礎、設計、制造、總裝、試驗、數據管理六大類(lèi)別。
4結束語(yǔ)
MBSE代表著(zhù)未來(lái)系統工程的最新進(jìn)展和未來(lái)的發(fā)展方向。但應該指出的是，MBSE還處于探索階段，在具體的實(shí)施過(guò)程中，還會(huì )遇到各種各樣的問(wèn)題。需要結合我國航天器研制特點(diǎn)和當前發(fā)展要求，制定出長(cháng)遠的發(fā)展規劃。同時(shí)，還應密切關(guān)注國內外研究機構在這一領(lǐng)域的進(jìn)展，進(jìn)一步吸收和消化國內外的研究成果，形成具有我國航天特色的MBSE，提高我國航天器研制能力和航天器總體設計水平。
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