大型復(fù)雜衛(wèi)星實施基于模型的系統(tǒng)工程研制的研究與思考

蔣小勇 葛興濤 沈毅奔 胡楠楠

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大型復(fù)雜衛(wèi)星實施基于模型的系統(tǒng)工程研制的研究與思考

蔣小勇 葛興濤 沈毅奔 胡楠楠

（中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京100094）

分析了國內(nèi)外相關(guān)行業(yè)的基于模型的系統(tǒng)工程研制情況及應(yīng)用效果，對航天產(chǎn)品的數(shù)字化研制現(xiàn)狀進行了對標(biāo)，提出了衛(wèi)星基于模型的系統(tǒng)工程研制實施路線圖，對后續(xù)大型復(fù)雜航天產(chǎn)品推行基于模型的系統(tǒng)工程研制模式提出了建議，以進一步提升航天型號產(chǎn)品數(shù)字化智造水平。

數(shù)字化；模型；系統(tǒng)工程；MBSE

1 引言

21世紀(jì)是信息時代，為搶占新一輪科技革命的先機，美國、德國等發(fā)達國家相繼出臺了“再工業(yè)化”、“工業(yè)4.0”等措施，我國提出了中國制造2025等發(fā)展戰(zhàn)略，推進智能制造重大工程，加強信息化與工業(yè)化的深度融合，數(shù)字化、信息化、智能化成為制造業(yè)新的發(fā)展趨勢。隨著型號項目任務(wù)快速增長，任務(wù)的技術(shù)難度、系統(tǒng)復(fù)雜度及集成度越來越大，傳統(tǒng)基于文檔的研制模式難以支撐任務(wù)需求，設(shè)計數(shù)據(jù)同源、信息可追溯性、早期仿真驗證及知識復(fù)用性不足等問題與當(dāng)前衛(wèi)星研制的高要求越來越不相適應(yīng)，而基于模型的系統(tǒng)工程（Model-Based Systems Engineering, MBSE）方法是數(shù)字化技術(shù)的最新發(fā)展，為大型復(fù)雜航天產(chǎn)品研制提供了有效解決方案，將推動數(shù)字化工作和型號研制流程的融合，提升航天產(chǎn)品智能制造水平，助推航天產(chǎn)品研制模式轉(zhuǎn)型。

2 國內(nèi)外先進制造模式對標(biāo)

當(dāng)前，國際先進航天機構(gòu)與公司均采用基于模型的數(shù)字化協(xié)同制造技術(shù)開展復(fù)雜航天產(chǎn)品研制工作，NASA、ESA均建立了相應(yīng)協(xié)同設(shè)計環(huán)境支撐產(chǎn)品全數(shù)字化研制模式，如NASA的蘭利中心的協(xié)同設(shè)計中心、ESA 的CDF協(xié)同設(shè)計工作室，對支持航天器系統(tǒng)的高效協(xié)同設(shè)計和綜合優(yōu)化發(fā)揮了重要作用，促進了航天器總體設(shè)計能力提升；洛馬公司的F35戰(zhàn)斗機、A2100平臺衛(wèi)星、空客公司的A380飛機、Astrium公司的衛(wèi)星產(chǎn)品在研制過程通過建立全數(shù)字化研制體系、搭建數(shù)字化協(xié)同設(shè)計平臺，實現(xiàn)了基于統(tǒng)一模型的協(xié)同設(shè)計與分析，做到了多單位、多專業(yè)基于同一模型開展設(shè)計、仿真及工藝協(xié)同，實現(xiàn)了產(chǎn)品的全數(shù)字化與產(chǎn)品全周期數(shù)據(jù)管理和信息共享。數(shù)字化研制已成為國外先進宇航企業(yè)提升產(chǎn)品質(zhì)量技術(shù)保障的核心手段。

國內(nèi)航空航天行業(yè)的數(shù)字化水平近年來取得了長足發(fā)展，有力支撐了重大型號研制。航空工業(yè)將MBSE方法作為一套解決大型復(fù)雜航空系統(tǒng)設(shè)計研發(fā)問題的科學(xué)方法，以實現(xiàn)更高的效率、更低的成本確保最終交付的飛機有更好的性能、更高的質(zhì)量。中航工業(yè)第一飛機設(shè)計研究院在大型運輸機研制中實現(xiàn)了基于三維模型、異地跨單位的協(xié)同關(guān)聯(lián)設(shè)計和生產(chǎn)制造，同時作為MBSE應(yīng)用的領(lǐng)先單位，在某型號機電系統(tǒng)和航電系統(tǒng)基于MBSE研制應(yīng)用中取得成功，掌握了MBSE的設(shè)計流程、建模方法和仿真工具，構(gòu)建了基于模型的系統(tǒng)工程研發(fā)體系，實現(xiàn)了飛機設(shè)計研發(fā)核心技術(shù)能力的躍升；成都飛機設(shè)計所建立了產(chǎn)品數(shù)字化協(xié)同設(shè)計平臺，實現(xiàn)了飛機數(shù)字化協(xié)同、虛擬現(xiàn)實仿真驗證、人機工程及全周期數(shù)據(jù)管理等；C919大型客機研制過程利用數(shù)字化集成管理平臺，實現(xiàn)全型號的協(xié)同研制。運載火箭技術(shù)研究院建立了基于IPT的設(shè)計與工藝協(xié)同工作模式，長征五號、長征七號新一代運載火箭實現(xiàn)了數(shù)字化仿真與全三維數(shù)字化研制。

通過對國內(nèi)外先進制造模式調(diào)研分析，可以發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外先進的制造機構(gòu)或企業(yè)，其數(shù)字化程度也處于領(lǐng)先水平，信息化能力已經(jīng)成為企業(yè)核心競爭力的重要體現(xiàn)；數(shù)字化、信息化、智能化有效提升了復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計、制造能力及提高產(chǎn)品質(zhì)量與研制效率；基于模型的研制模式是解決數(shù)據(jù)同源設(shè)計，實現(xiàn)早期仿真驗證、信息可追溯及知識可復(fù)用的有效方法[1~3]。

3 航天產(chǎn)品研制現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)航天產(chǎn)品研制大多為“基于文檔、人工協(xié)同、經(jīng)驗定標(biāo)、實物驗證”模式，即通過分發(fā)紙質(zhì)文檔或電子郵件傳遞上下游間的設(shè)計、工藝和測試報告，不但準(zhǔn)備工作量龐大，且無法保證報告中數(shù)據(jù)的有效性以及與設(shè)計數(shù)據(jù)狀態(tài)的一致性；用戶與總體、總體與分系統(tǒng)及單機間的設(shè)計迭代頻繁、流程復(fù)雜，且過程數(shù)據(jù)手工傳遞，缺乏有效的流程控制和版本控制；多學(xué)科多專業(yè)的聯(lián)合仿真手段相對缺乏，對早期的需求仿真、設(shè)計仿真及工藝虛擬驗證較為困難。隨著航天產(chǎn)品系統(tǒng)的復(fù)雜性及集成難度越來越高，通過經(jīng)驗分解指標(biāo)變得更加困難，基于文件、手工協(xié)同模式不能滿足頻繁迭代、更新方案的需求，仿真驗證手段的缺乏對于滿足用戶需求分析的準(zhǔn)確性、方案設(shè)計的最優(yōu)性、制造裝配工藝的合理性都提出了較大挑戰(zhàn)。通過與國內(nèi)外先進企業(yè)的制造模式對比，航天產(chǎn)品的研制水平有待進一步提升。

通信衛(wèi)星實施數(shù)字化研制相對較早，近年來通過與歐洲先進衛(wèi)星制造商的合作，進一步深入應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)和工具，隨著越來越多型號進行數(shù)字化研制，通信衛(wèi)星數(shù)字化研制工作從面向制造的數(shù)字化設(shè)計正在向數(shù)字化設(shè)計和仿真、數(shù)字化制造和一體化測試拓展融合。但與國內(nèi)外領(lǐng)先企業(yè)相比，當(dāng)前通信衛(wèi)星的研制存在任務(wù)需求分析工作有待規(guī)范，數(shù)字化建模與分析仿真能力有待加強、基于模型的系統(tǒng)工程研制體系有待健全等問題，后續(xù)需對標(biāo)國際先進水平持續(xù)提升數(shù)字化研制能力。

4 衛(wèi)星基于模型的系統(tǒng)工程研制實施路線

數(shù)字化技術(shù)作為先進設(shè)計制造技術(shù)的基礎(chǔ)核心，國外自20世紀(jì)70年代以來，經(jīng)歷了從數(shù)字化單技術(shù)應(yīng)用（點）→型號研制全過程數(shù)字化（線）→數(shù)子化企業(yè)（面）的發(fā)展，切實推動了世界經(jīng)濟和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。以通信衛(wèi)星數(shù)字化研制實踐為例，型號研制從基于文檔的研制模式到基于模型的數(shù)字化研制模式（MBSE）的轉(zhuǎn)型，一般要經(jīng)過方法研究與探索、數(shù)字化規(guī)劃與研制流程再造、搭建數(shù)字化平臺、試點實施及推廣應(yīng)用等過程。實施路線具體分為四個階段，即：研究探索階段：開展基于模型的方法研究與探索，包括模型體系、建模方法、設(shè)計工具等；夯實基礎(chǔ)階段：全面梳理基于模型研制模式下的衛(wèi)星研制流程，實施的流程再造，打通數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)型號數(shù)字化同源協(xié)同研制；實施應(yīng)用階段：選取試點型號實施基于模型驅(qū)動的研制，建立并完善衛(wèi)星研制模型體系和工具手段；智能制造階段：形成基于模型驅(qū)動、知識復(fù)用、智能研制模式，實現(xiàn)衛(wèi)星智能制造。

4.1 基于模型的系統(tǒng)工程方法的研究分析

表1 現(xiàn)有文件體系與MBSE模型的對應(yīng)關(guān)系

最早提出MBSE概念的是國際系統(tǒng)工程學(xué)會（International Council on Systems Engineering, INCOSE），給出了如下定義：“基于模型的系統(tǒng)工程是通過形式化的建模手段，從概念設(shè)計階段開始就能夠支持系統(tǒng)需求、設(shè)計、分析、驗證和確認(rèn)等活動，并持續(xù)貫穿整個開發(fā)過程和后續(xù)的生命周期階段”。MBSE帶來的轉(zhuǎn)變是將以前“基于文檔”研制轉(zhuǎn)型為“基于模型”研制，因此也帶來工作模式變革和流程再造；MBSE能夠用于復(fù)雜系統(tǒng)的需求、功能、邏輯和物理設(shè)計、仿真和驗證，通過數(shù)字化模型集成與多學(xué)科聯(lián)合仿真等虛擬手段實現(xiàn)方案的快速設(shè)計與優(yōu)化。MBSE是傳統(tǒng)基于文檔的系統(tǒng)工程的升級跨代，是提升產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量與效率提升的有效途徑，INCOSE已將MBSE定位為系統(tǒng)工程未來的發(fā)展方向[4]。在業(yè)界對MBSE的研究中，法國達索公司提出的R/F/L/P模型（需求模型/功能模型/邏輯模型/功能模型）得到較為廣泛的認(rèn)可，在具體衛(wèi)星型號研制中，上述四類模型與型號研制流程的對應(yīng)關(guān)系見表1。

4.2 基于模型的研制規(guī)劃與流程再造

通信衛(wèi)星基于模型的數(shù)字化研制規(guī)劃：健全基于模型的數(shù)字化研制方法體系，建成統(tǒng)一的數(shù)字化研制平臺、信息管理平臺，實現(xiàn)型號研制模型驅(qū)動、協(xié)同研制、流程再造、知識復(fù)用和全生命周期數(shù)據(jù)管理，全面提升衛(wèi)星基于模型的智能制造水平。

型號過程從立項論證開始，一般經(jīng)過方案初步設(shè)計、方案詳細設(shè)計、制造裝配集成、綜合測試、環(huán)境試驗、發(fā)射飛控、在軌管理、衛(wèi)星應(yīng)用等階段[5]。而基于模型驅(qū)動與仿真驗證的研制過程重點是建立模型體系、模型驅(qū)動、多專業(yè)協(xié)同，各研制階段開展仿真驗證：體系仿真與效能評估、系統(tǒng)設(shè)計與仿真、分系統(tǒng)設(shè)計與仿真、單機設(shè)計與仿真、工藝工裝設(shè)計與仿真、虛擬測試、虛擬試驗、在軌健康評估與仿真、應(yīng)用服務(wù)規(guī)劃仿真等，通過“設(shè)計→仿真評估→再設(shè)計→再仿真評估”的方式進行迭代循環(huán)，確保最優(yōu)方案設(shè)計、實物研制一次成功、在軌穩(wěn)定運行并提供更好地衛(wèi)星應(yīng)用服務(wù)。基于模型的研制流程詳見圖1。

圖1 基于模型的衛(wèi)星研制流程

基于模型的研制流程重點是：堅持系統(tǒng)工程思想、數(shù)據(jù)同源研制、模型驅(qū)動設(shè)計與仿真、多學(xué)科集成優(yōu)化研制，在體系仿真與效能評估階段，建立多層級的迭代性設(shè)計與仿真驗證模式，實現(xiàn)天地一體化體系架構(gòu)與效能最優(yōu)；在需求分析階段，建立需求模型對用戶需求進行分解、仿真驗證，確保技術(shù)指標(biāo)的準(zhǔn)確性；在方案設(shè)計階段，總體與分系統(tǒng)、單機單位建立功能模型、邏輯模型及產(chǎn)品模型等，對產(chǎn)品的功能、性能、物理特性等進行全面仿真，以研制技術(shù)流程為牽引，驅(qū)動信息交互和數(shù)據(jù)打通，使得產(chǎn)品在實際制造、裝配及試驗之前通過數(shù)字樣機的充分虛擬驗證，減少對實物樣機的依賴，盡可能在早期發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)計的錯誤與問題，確認(rèn)系統(tǒng)方案設(shè)計正確性；在制造集成階段，開展對工藝與工裝的設(shè)計與仿真，確保產(chǎn)品制造、裝配的成功率；在測試試驗階段，利用虛擬樣機預(yù)先開展虛擬測試試驗，確保測試試驗方案滿足實物驗證需求。同時，利用測試試驗和在軌飛行數(shù)據(jù)的積累分析對系統(tǒng)仿真模型進行修正完善，進一步提高系統(tǒng)仿真的可信度，更好地支撐后續(xù)研制工作。

4.3 建立一體化的數(shù)字化設(shè)計管理平臺

開展基于模型的衛(wèi)星數(shù)字化研制工作，首先要打通各專業(yè)間、上下游間的業(yè)務(wù)系統(tǒng)的接口，消除信息孤島，統(tǒng)一衛(wèi)星研制過程的數(shù)據(jù)源，并建立優(yōu)化方法庫，支持系統(tǒng)級、分系統(tǒng)級多專業(yè)協(xié)同仿真和多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計。因此，需要建立一體化的數(shù)字化設(shè)計管理平臺[6]。通信衛(wèi)星數(shù)字化協(xié)同設(shè)計包含：總體與用戶間協(xié)同、總體與大系統(tǒng)間協(xié)同、總體與分系統(tǒng)及單機間的協(xié)同、總體與制造及裝配單位的協(xié)同，面對上下縱橫間的復(fù)雜的研制關(guān)系，建立產(chǎn)品全生命周期一體化設(shè)計管理平臺，實現(xiàn)任務(wù)管理、計劃進度、產(chǎn)品保證、產(chǎn)品數(shù)據(jù)、知識經(jīng)驗等各類管理數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，實現(xiàn)全周期數(shù)字化研制與管理高度匹配一致，基本實現(xiàn)了通信衛(wèi)星研制全流程的協(xié)同、科研生產(chǎn)任務(wù)計劃流程一體化管控、風(fēng)險預(yù)警與決策支持，構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫、知識庫，整合分散的衛(wèi)星設(shè)計數(shù)據(jù)、知識、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、研制經(jīng)驗，形成交互式的知識智能推送，確保產(chǎn)品研制過程規(guī)范、可控。

4.4 基于模型的數(shù)字化研制工作實踐

通信衛(wèi)星的數(shù)字化研制實施是由單機、分系統(tǒng)到系統(tǒng)多專業(yè)協(xié)同，由某一研制階段到全流程貫通，由基于經(jīng)驗的制造向基于知識的智造逐步轉(zhuǎn)型升級的過程。

a. 形成多專業(yè)協(xié)同工作機制。通信衛(wèi)星在結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)及總體總裝中全面開展基于三維數(shù)字化模型協(xié)同研制，建立了三維數(shù)字化模型庫和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，一套數(shù)字化模型代替了傳統(tǒng)幾十套圖紙，研制效率提高50%以上；數(shù)字化信息流、數(shù)字化能源流、數(shù)字化測試模式全面在型號協(xié)同研制中推廣應(yīng)用，工作效率提高60%。在此基礎(chǔ)上，建立了機、電、熱、磁等多專業(yè)數(shù)字化協(xié)同，衛(wèi)星總體與用戶、衛(wèi)星大系統(tǒng)、衛(wèi)星總體與分系統(tǒng)間的研制模式，實施同源數(shù)字化研制，進一步提升了協(xié)同工作質(zhì)量。同時，積極開展基于MBSE的研制，初步建立了模型體系，制定了模型交互接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，基本形成了基于模型的多專業(yè)聯(lián)合仿真與協(xié)同優(yōu)化設(shè)計模式。

b. 實現(xiàn)全流程數(shù)據(jù)貫通。建立了一套模型交互與信息傳遞標(biāo)準(zhǔn)，支撐基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源開展數(shù)字化研制，立項論證階段建立需求模型和初步功能模型，開展體系仿真與效能評估工作，確保論證方案充分滿足用戶需求；方案設(shè)計階段進一步細化需求模型和功能模型，并建立邏輯模型和產(chǎn)品模型，通過多專業(yè)聯(lián)合仿真實現(xiàn)整星的最優(yōu)設(shè)計；制造集成階段將產(chǎn)品模型與制造工藝、工裝模型進行仿真驗證，確保產(chǎn)品制造工藝、工裝最優(yōu)設(shè)計和可制造、可裝配性；測試試驗階段將產(chǎn)品測試模型作為虛擬測試試驗的輸入，實施虛擬測試試驗，驗證測試試驗方案的正確性和最優(yōu)化；在軌管理階段的依托各類產(chǎn)品模型開展任務(wù)規(guī)劃仿真和故障處置預(yù)案仿真，實現(xiàn)衛(wèi)星在軌穩(wěn)定運行；同時通過在軌數(shù)據(jù)的分析，進一步完善產(chǎn)品模型，提升衛(wèi)星的好用易用性。

c. 實施衛(wèi)星智能制造模式。深入推動基于模型的衛(wèi)星數(shù)字化研制的基礎(chǔ)上，積極探索基于模型和知識的研制模式，完成了衛(wèi)星研制標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范、手冊指南、經(jīng)驗與禁忌、工具方法等梳理，并形成了研制知識平臺，具備了知識收集、知識復(fù)用、智能推送、智能實施與分析等功能，推動衛(wèi)星研制由數(shù)字化、信息化向智能制造模式轉(zhuǎn)型。

5 結(jié)束語

基于MBSE的方法提供了一種以用戶為中心、符合系統(tǒng)工程研制規(guī)律的正向研制方法，是應(yīng)對大型復(fù)雜航天產(chǎn)品研制的大勢所趨，實施基于模型的系統(tǒng)工程，建議做好以下方面工作：

一是建立數(shù)字化推進組織，實施流程再造工程。推行基于模型的系統(tǒng)工程的研制模式，需要培養(yǎng)一批即懂技術(shù)又懂管理且對數(shù)字化有著深入研究的“明白人”，由專業(yè)化專職隊伍負責(zé)研究、實施和推廣應(yīng)用工作。基于模型的系統(tǒng)工程研制模式是從用戶需求開始直到產(chǎn)品交付、全生命周期維修保障的正向研制模式，需對傳統(tǒng)研制模式進行流程再造、優(yōu)化，應(yīng)以產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)崂頌槌霭l(fā)點、以數(shù)字化為手段，結(jié)合科研生產(chǎn)的組織模式、產(chǎn)品特征深入研究各類產(chǎn)品的流程再造，實現(xiàn)工業(yè)化與信息化、數(shù)字化融合發(fā)展。

二是研究建立模型體系，加強對建模仿真方法研究。從產(chǎn)品、邏輯、流程等維度開展模型體系的研究，在產(chǎn)品維度，包括對體系、系統(tǒng)、分系統(tǒng)、單機等層面系統(tǒng)梳理數(shù)字化邏輯關(guān)系、模型需求，明確模型的顆粒度與接口關(guān)系；在邏輯維度，開展需求、功能、邏輯、產(chǎn)品等建模方法的研究，形成統(tǒng)一的建模規(guī)范；在流程維度，結(jié)合需求仿真、設(shè)計仿真、工藝仿真、測試試驗仿真、運行維護等不同階段的對模型的需求，研究建立相應(yīng)的模型庫。同時，從總體層面開展體系仿真與效能評估方法、系統(tǒng)集成優(yōu)化方法等研究，從分系統(tǒng)層面開展能源、信息、動力、控制、熱控等專業(yè)仿真方法研究，通過在體系、系統(tǒng)、專業(yè)幾個層面聯(lián)動開展基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源的協(xié)同仿真研究，確保體系最優(yōu)，系統(tǒng)指標(biāo)分解正確合理、可實施。

三是建立與實施MBSE相配套的平臺與工具。實施MBSE需健全的信息化基礎(chǔ)設(shè)施，以協(xié)同管理平臺（包括任務(wù)管理、流程管理、計劃管理、質(zhì)量管理等功能）、建模仿真工具集（包括體系建模、需求建模、功能建模、邏輯建模、產(chǎn)品建模、工藝建模、試驗建模等工具）、全生命周期管理平臺（包括數(shù)據(jù)管理、模型管理、知識管理等功能）、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫為支撐，加強制造技術(shù)、管理技術(shù)與信息化數(shù)字化技術(shù)的融合，構(gòu)建基于模型的企業(yè)級的系統(tǒng)工程研制管理一體化平臺，全面提升產(chǎn)品全生命周期的數(shù)字化研制能力和市場響應(yīng)能力。

四是把握好試點應(yīng)用與推廣應(yīng)用關(guān)系。MBSE方法是近年來系統(tǒng)工程方法與數(shù)字化技術(shù)相結(jié)合解決大型復(fù)雜產(chǎn)品研制的新方法，其理論方法、工具手段都在快速發(fā)展中，國內(nèi)外的實踐經(jīng)驗表明，應(yīng)用MBSE方法應(yīng)遵循先打好基礎(chǔ)、再應(yīng)用實施，把握先開展試點、再推廣應(yīng)用的原則，為了保證型號應(yīng)用效果，建議選取以典型型號為試點，同時及時總結(jié)試點經(jīng)驗，待成熟后逐步推廣到其他型號、產(chǎn)品，最終形成基于模型的系統(tǒng)工程研制模式，全面提升產(chǎn)品研制能力和水平，提高產(chǎn)品的綜合競爭力和效益。

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Research and Thinking on Application of Model-Based Systems Engineering in Large and Complex Satellite Project

Jiang Xiaoyong Ge Xingtao Shen Yiben Hu Nannan

(Institute of Telecommunication Satellite, China Academy of Space Technology, Beijing 100094)

This paper introduces the development and its application of Model-Based Systems Engineering (MBSE) at home and abroad,analyzes the status of application of digital technology on aerospace products, and puts forward the MBSE implementation route of satellite project. In addition, the paper proposes some suggestions on the implementation of MBSE for large and complex aerospace products to further enhance the digital technology level of the aerospace model engineering project.

digitization；model；systems engineering；MBSE

蔣小勇（1981），高級工程師，宇航制造工程專業(yè)；研究方向：系統(tǒng)工程與項目管理、數(shù)字化研制管理。

2017-09-04