應用有向圖的航天器信息流設計方法

馬玉偉 邢卓異 白崇延 盛瑞卿 朱舜杰 張伍

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

隨著我國航天事業(yè)的快速發(fā)展，航天器系統(tǒng)功能日趨復雜，對承擔著航天器“神經(jīng)系統(tǒng)”任務的信息流提出了越來越高的設計要求。尤其是面向多任務、多艙段、任務時序不可逆的復雜航天任務時，信息流的可靠性、魯棒性和健壯性直接影響任務成敗。目前國內(nèi)航天器信息流設計主要采用基于文檔驅(qū)動的工作方式，存在數(shù)據(jù)源不統(tǒng)一、迭代傳遞不規(guī)范、錯誤率高、資源占用多效率低等問題，同時國內(nèi)對于航天器信息流設計的研究主要集中在拓撲結(jié)構(gòu)設計[1-2]、總線信息流設計[3]、遙控遙測標準的應用[4]等方面，但未見航天器信息流設計的數(shù)字化建模設計方面研究。

本文應用圖論理論，提出了一種通用的基于有向圖的航天器信息流設計方法，實現(xiàn)信息流的數(shù)字化建模，并應用該方法建立了數(shù)據(jù)管理模塊和制導導航與控制模塊間遙控遙測信息流的數(shù)學模型。該方法具有通用性、可擴展性、可復用性和可視化等特點，并已應用于航天器信息流設計的工程實踐，可為后續(xù)復雜航天器信息流設計和航天器信息流自主健康診斷等提供參考。

1 應用有向圖的信息流設計需求分析

1.1 航天器信息流設計現(xiàn)狀

航天器信息流設計過程包括信息流需求分析、設計、實現(xiàn)以及驗證等幾個環(huán)節(jié)，存在3方面的特點：①信息流設計分層分級?？傮w設計師對系統(tǒng)級信息流進行設計，分系統(tǒng)設計師對分系統(tǒng)級以及單機級信息流進行設計，各個層級設計人員表現(xiàn)手段多樣，難以有效協(xié)同；同時設計與驗證不能閉環(huán)反饋，需要投入大量人力物力開展協(xié)同工作；②對于航天器信息總體設計，信息流的設計方法主要是基于非結(jié)構(gòu)文檔驅(qū)動的工作方式，由于人員、傳遞鏈條、時間進度、溝通方式、審批流程和能力差異等因素會使信息流設計結(jié)果的傳遞出現(xiàn)時間、空間的延遲，最新的設計變化不能正確且及時的反饋到相關(guān)技術(shù)環(huán)節(jié)和設計人員；③傳統(tǒng)信息流設計過程中，產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)分散在多層級的報告里，設計師在數(shù)據(jù)信息接口、遙控遙測分配、資源計算等事項的設計及協(xié)調(diào)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性差，數(shù)據(jù)的價值也未能充分利用。

1.2 信息流設計模型需求分析

-隨著航天事業(yè)的不斷發(fā)展，航天器研制模式轉(zhuǎn)型進入深水區(qū)，對于模型化、數(shù)字化、可視化的要求越來越高，也是航天器設計從量變到質(zhì)變的必由之路。為了減少傳遞鏈條，提高溝通效率，最新的設計變化正確且及時傳遞到位，保障新型復雜航天器的研制質(zhì)量及進度，信息流設計急需從基于文檔驅(qū)動方式向基于數(shù)字化模型的設計方式轉(zhuǎn)變，建立信息流設計的數(shù)字化模型并通過數(shù)字化模型開展設計是非常必要和緊迫的。航天器信息流設計的建模需要考慮信息流正向設計的方便性、簡潔性和可擴展性，同時需要考慮自主健康診斷等需求。

復雜適應性系統(tǒng)理論認為，信息流中的流是以{節(jié)點，連接者，資源}的組合方式存在于系統(tǒng)中，資源就是信息。流，就是在組元之間發(fā)生，并把組元連接起來，構(gòu)成一定功能、目標和結(jié)構(gòu)的，并具有流動和傳遞特性的客體[6]。而對于這種{節(jié)點，連接者，資源}的描述，圖論是很好的描述方法。圖論以圖為其研究對象，圖論中的圖是由若干個給定的點以及一些連接點的邊所構(gòu)成的圖形，這種圖形不計點和邊的幾何性質(zhì)，而著重通過點與點的連通來描述事物之間的某種特定關(guān)系，即用點來代表事物，用連接兩點的邊表示相應兩個事物之間具有這種關(guān)系[7]。其中，圖論中有向圖[7]的優(yōu)點是可根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、邏輯關(guān)系和專家經(jīng)驗來系統(tǒng)建模，具有簡潔明確、可擴展等特點。

針對復雜航天器信息流設計的數(shù)字化建模需求，本文應用有向圖的設計理論，開展基于有向圖的信息流設計方法研究。對于復雜航天器而言，其設備繁多且相互關(guān)系復雜，如直接將航天器設備定義為有向圖中的頂點集合，不但建模難度極大，而且航天器的信息流有向圖將變得非常繁雜且可讀性極差，違背使用有向圖的初衷。因此本文應用系統(tǒng)工程的設計思想，采用分層的設計理念，研究一種分層的基于有向圖的信息流設計方法，并應用此方法建立數(shù)學模型。

2 應用有向圖的信息流設計方法

依據(jù)應用系統(tǒng)工程分級的設計理念將航天器信息流設計劃分為三個層次，分別為系統(tǒng)架構(gòu)層、功能模塊層以及設備節(jié)點層，在每個層級中應用有向圖設計理論開展信息流設計。系統(tǒng)架構(gòu)層從航天器系統(tǒng)角度定義系統(tǒng)級信息拓撲，開展航天器器間或者艙段間信息拓撲結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)交互信息流設計；功能模塊層從分系統(tǒng)級角度，按照功能模塊分別定義不同信息流種類的分系統(tǒng)級信息拓撲，開展航天器分系統(tǒng)間信息拓撲結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)交互信息流設計；設備節(jié)點層從航天器設備角度分別定義設備級信息拓撲，開展分系統(tǒng)內(nèi)部設備間信息拓撲結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)交互信息流設計。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)層有向圖設計方法

目前國內(nèi)外航天器廣泛采用1553B總線、RS422串行數(shù)據(jù)接口等信息接口形式，作為艙段間的信息接口。圖1給出了一種以應用有向圖為表達信息接口的某四艙段航天器的信息流設計，其中艙段1數(shù)據(jù)管理部分(VSC1-DH)與艙段3數(shù)據(jù)管理部分(VSC3-DH)、艙段1數(shù)據(jù)管理部分與艙段2數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)(VSC2-DH)、艙段2數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)與艙段3數(shù)據(jù)管理部分需開展1553B總線信息流設計；艙段1的導航制導與控制部分(VSC1-GNC)和艙段2的導航制導與控制部分(VSC2-GNC)間有信息交互，接口形式為RS422總線接口；艙段2和艙段3間有信息交互，接口形式為空空鏈路，均需系統(tǒng)架構(gòu)層級的信息流設計。

圖1 系統(tǒng)級信息拓撲層有向圖Fig.1 System-level information topology layer directed graph

定義有向圖中的頂點集合V(X)為器間或艙段間有硬件接口的分系統(tǒng)集合，邊集合E(X)為艙段間存在的硬件接口集合，權(quán)重集合W(X)為存在邊的一個頂點到另一個頂點硬件接口的描述集合,系統(tǒng)架構(gòu)層有向圖為G(V,E)。

系統(tǒng)架構(gòu)層有向圖G(V,E)如圖1所示，其數(shù)學模型見式(1)～式(5)。

為數(shù)學模型表述方便，定義如下內(nèi)容：

(1)定義艙段1數(shù)管部分為頂點VSC1-DH，艙段2數(shù)管部分為頂點VSC2-DH，艙段3數(shù)管部分為頂點VSC3-DH，艙段4數(shù)管部分為頂點VSC4-DH，艙段1導航制導與控制部分為頂點VSC1-GNC，艙段2導航制導與控制部分為頂點VSC2-GNC，艙段3導航制導與控制部分為頂點VSC3-GNC；賦值VSC1-DH=1，VSC2-DH=2，VSC3-DH=3，VSC4-DH=4，VSC1-GNC=5，VSC2-GNC=6，VSC3-GNC=7；

圖1中的所有頂點構(gòu)成頂點集合：

V(X)={1,2,3,4,5,6,7}

(1)

(2)定義元素〈u,v〉為一對頂點構(gòu)成的有序?qū)Γ硎卷旤cu到頂點v的有向邊，其中u是這條有向邊的起始節(jié)點，v是這條有向邊的終止節(jié)點，這條邊有特定的方向，由u指向v。圖1中系統(tǒng)級信息拓撲圖中的有向邊集合E(X)為：

E(X)={〈1,2〉,〈2,1〉,〈2,3〉,〈3,2〉,

〈3,4〉,〈4,3〉,〈5,6〉,〈6,5〉,〈7,5〉}

(2)

以1553B總線為例進行說明，該總線為異步串行總線，各頂點均可收發(fā)信息，所有邊集合E(X)存在頂點1到頂點2的信息流有向邊〈1,2〉,同時存在頂點2到頂點1的信息流有向邊〈2,1〉，其他有向邊同理。

(3)每條有向邊均定義權(quán)重，用于表示每兩個頂點間信息流接口內(nèi)容。在航天器設計中常用的信息流接口中選擇了7種常用的信息接口，每條有向邊權(quán)重定義為帶有7個元素的一維數(shù)組S，如式(3)所示。式(3)中元素a表示模擬量接口，b表示1553B總線接口，c表示指令接口，d表示低電壓差分信號(LVDS)接口，e表示CAN總線接口，f表示RS422接口，g表示空空通信接口。如果兩個頂點對應邊有圖中所示的信息接口關(guān)系，相應元素位置置為1；如果沒有該類信息接口關(guān)系，則元素位置置為0；圖1中系統(tǒng)級信息拓撲圖中的權(quán)重用7×7矩陣表示，如式(4)所示。

S=(a,b,c,d,e,f,g)

(3)

對式(3)進行舉例說明，SE〈1,2〉為VSC1-DH指向VSC2-DH的權(quán)重，根據(jù)圖1，VSC1-DH存在傳輸給VSC2-DH的總線數(shù)據(jù)，所以WE〈1,2〉的7維數(shù)組的1553B總線相應位置為1。WE〈2,1〉為VSC2-DH指向VSC1-DH的權(quán)重，根據(jù)圖1中的VSC2-DH同樣存在傳輸給VSC1-DH的總線數(shù)據(jù)，所以WE〈2,1〉7維數(shù)組的1553B總線相應位置為1。其他權(quán)重定義同理，不再贅述。

(4)

式中：SE〈u,v〉為有向邊〈u,v〉的權(quán)重，定義見式(3)。圖1中系統(tǒng)級信息拓撲圖中的權(quán)重為

(5)

2.2 功能模塊層有向圖設計方法

按照功能模塊的劃分，對航天器的信息流進行了如下分類：①遙控和遙測信息流；②時統(tǒng)信息流；③載荷信息流；④工程參數(shù)信息流；⑤圖像信息流；⑥內(nèi)存信息流；⑦器間/艙段間/設備間信息同步信息流；⑧其他信息流。

航天器功能模塊級有向圖需對上述8項的所有信息流種類開展。限于篇幅限制，本文僅以數(shù)據(jù)管理模塊和制導導航與控制模塊之間的遙控遙測信息流為例描述方法和模型：數(shù)據(jù)管理部分通過1553B總線向制導導航與控制部分發(fā)送遙控數(shù)據(jù)注入指令并通過1553B總線接收數(shù)字量遙測數(shù)據(jù)、通過集電極開路(OC)門接口發(fā)送遙控指令、通過模擬量接口采集遙測狀態(tài)。

定義有向圖中的頂點集合V(X)為航天器功能模塊集合，邊集合E(X)為功能模塊間存在硬件接口集合，權(quán)重S(X)為存在邊的一個頂點到另一個頂點硬件接口的描述集合。對于功能模塊間存在多種類型接口的，其邊集合中邊的方向性可以根據(jù)圖2中權(quán)重集合定義和邊集合定義體現(xiàn)。

功能模塊層有向圖G(V,E)如圖2所示，其數(shù)學模型見式(6)～式(11)。

(1)根據(jù)2.1節(jié)定義，賦值VSC1-DH=1,VSC2-DH=2,VSC3-DH=3,VSC4-DH=4,VSC2-GNC=5,VSC1-GNC=6,VSC3-GNC=7,VSC4-GNC=8；圖2中的所有頂點構(gòu)成頂點集合：

V(X)={1,2,3,4,5,6,7,8}

(6)

(2)圖3中所示的功能模塊間的遙測遙控信息流有向圖有向邊集合為：

E(X)={〈1,2〉,〈1,6〉,〈2,1〉,〈2,3〉,〈2,5〉,

〈3,2〉,〈3,4〉,〈3,7〉,〈4,3〉,〈4,8〉,

〈5,2〉,〈6,1〉,〈7,3〉,〈8,4〉}

(7)

(3)圖3中功能模塊遙控遙測信息流有向圖中的權(quán)重用8×8矩陣表示。每條有向邊權(quán)重定義見式(3)，是一種帶有7個元素的一維數(shù)組。

圖2 功能模塊層遙控遙測信息流有向圖Fig.2 Sub-system layer remote telemetry and control information flow directed graph

(8)

例如艙段1數(shù)據(jù)管理模塊與GNC通過總線通信是雙向通信、指令是艙段1數(shù)據(jù)管理模塊單向發(fā)送至艙段1的GNC、遙測是由艙段1的GNC提供單向由艙段1數(shù)據(jù)管理模塊，如式(9)、(10)所示。

其他權(quán)重同理，不再贅述。

SE〈1,6〉=(0,1,1,0,0,0,0)

(9)

SE〈6,1〉=(1,1,0,0,0,0,0)

(10)

其中，

(11)

2.3 設備節(jié)點層有向圖設計方法

設備節(jié)點層可以具體為某功能模塊內(nèi)部的各個設備或者單機內(nèi)部各板卡之間的信息流設計，圖3給出了設備節(jié)點層常見的一種星形信息流結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)常應用于航天器上導航制導與控制模塊，可以用有向圖的數(shù)學模型進行建模。

定義有向圖中各個設備節(jié)點為集合V(X)，邊集合E(X)為接點間存在硬件接口集合，權(quán)重集合W(X)為有向邊硬件接口的描述矩陣。

為數(shù)學模型表述方便，設備節(jié)點層有向圖為G(V,E)，如圖3所示，其數(shù)學模型見式(12)～式(16)。定義如下：

(1)定義頂點V1為中心控制單元，頂點為V2星敏感器，頂點V3為陀螺，頂點V4為加速度計，頂點為V5太陽敏感器，頂點V6為微波雷達。

賦值V1=1，V2=11，V3=12，V4=13，V5=14，V6=15，圖4中的所有頂點構(gòu)成頂點集合：

V(X)={1,11,12,13,14,15}

(12)

(2)圖3中所示的設備頂點層信息流有向圖有向邊集合E(X)為

E(X)={〈1,11〉,〈1,51〉,〈11,1〉,〈11,12〉,

〈11,14〉,〈12,11〉,〈12,13〉,〈12,16〉,〈13,12〉,

〈13,17〉,〈14,11〉,〈15,1〉,〈16,12〉,〈17,13〉}

(13)

(3)圖3中有向邊權(quán)重用6×6矩陣W(X)表示，如式(14)所示，每條有向邊權(quán)重定義見式(3)，是帶有7個元素的一維數(shù)組。

圖3 設備接點層信息流有向圖Fig.3 Directed graph of information flow for device node layer

(14)

例如，V1與V2總線通信是RS422接口、指令接口、遙測接口雙向通信、如式(15)所示。其他權(quán)重同理，不再贅述。

SE〈1,11〉=SE〈11,1〉=(1,0,1,0,0,1,0)

(15)

其中

(16)

3 設計實例

3.1 典型場景

本文所述的航天器信息流設計方法，已有工程研發(fā)及應用實現(xiàn)，具備了工程實踐的可行性。通過結(jié)合具體設計要求，可構(gòu)成信息流系統(tǒng)。為了更加直觀的描述本文所述方法，下文以某重大專項任務的航天器信息流設計為例進行說明。

1)應用文檔式的信息流設計方案

(1)艙段1和艙段2數(shù)管計算機通過遙控視頻信號和遙測視頻信號實現(xiàn)對地通信；

(2)艙段1和艙段2通過1553B總線進行信息交互(遙控遙測信息流、時統(tǒng)信息流、內(nèi)存信息流)；

(3)艙段1數(shù)管通過1553B總線實現(xiàn)與GNC和推進分系統(tǒng)的信息交互；艙段2數(shù)管通過1553B總線實現(xiàn)與GNC分系統(tǒng)的信息交互；

(4)艙段1、艙段2數(shù)管通過遙控指令和遙測參數(shù)采集完成指令發(fā)送和狀態(tài)遙測采集；

(5)艙段1的數(shù)管通過LVDS接口與監(jiān)視相機實現(xiàn)信息交互；

(6)艙段1的GNC分系統(tǒng)通過RS422、指令和遙測的接口方式實現(xiàn)與測量設備進行信息交互；艙段2的GNC分系統(tǒng)通過RS422、指令和遙測的接口方式實現(xiàn)與測量設備進行信息交互；

(7)艙段1的GNC分系統(tǒng)通過RS422總線實現(xiàn)與推進分系統(tǒng)信息交互；

(8)艙段1的推進分系統(tǒng)通過指令和模擬量的接口方式實現(xiàn)對推力器的控制；艙段2的GNC分系統(tǒng)通過指令和模擬量的接口方式實現(xiàn)對推力器的控制。

2)具體過程

采用本文所述的分層式的有向圖設計方法，其設計過程如下所述，具體過程詳見圖4。

(1)建立系統(tǒng)級架構(gòu)層，并根據(jù)定義頂點集{1,2}和有向邊集E(X)={〈1,2〉,〈2,1〉}；

(2)建立功能模塊層，并根據(jù)式(6)定義頂點集{1,2,3,4,5,6,7,8}和有向邊集E(X)={〈1,3〉,〈1,4〉,〈1,5〉,〈1,6〉,〈2,7〉,〈2,8〉,〈3,1〉,〈4,1〉,〈5,1〉,〈6,1〉,〈7,2〉,〈8,2〉}；

(3)建立設備層有向圖，并根據(jù)式(12)定義頂點集；

(4)將設備節(jié)點層有向圖嵌套至功能模塊層，然后再嵌套至系統(tǒng)架構(gòu)層，就可得到航天器的信息流有向圖，如圖4所示。

圖4 某航天器基于有向圖的信息流設計實例Fig.4 An example of a spacecraft design based on directed graph information flow

在系統(tǒng)架構(gòu)層，V1表示艙段1數(shù)據(jù)管理模塊，V2表示艙段2數(shù)據(jù)管理模塊；在功能模塊層，V1表示艙段1數(shù)管分系統(tǒng)，V2表示艙段2數(shù)管分系統(tǒng)，V3表示艙段1推進分系統(tǒng)，V4表示艙段1工參分系統(tǒng)，V5表示艙段1測控分系統(tǒng)，V6表示艙段1GNC分系統(tǒng)，V7表示艙段2GNC分系統(tǒng)，V8表示艙段2測控分系統(tǒng)；在設備節(jié)點層，V6表示中心控制單元，V61表示陀螺，V62表示加速度計，V63表示星敏感器，V64表示太敏，V65表示交會對接敏感器1，V66表示交會對接敏感器2；V3表示推進計算機，V31表示自鎖閥，V32表示壓力傳感器，V33表示發(fā)動機。

3.2 特點及優(yōu)勢分析

對比傳統(tǒng)文檔式的航天器信息流設計方法，本文采用基于有向圖的復雜航天器信息流設計方法具有如下優(yōu)勢：

(1)信息流設計的所關(guān)心的設備間拓撲架構(gòu)、接口關(guān)系、信息流向和設備間連接關(guān)系實現(xiàn)了100%數(shù)字化建模；建立信息流設計的數(shù)字化模型在總體、分系統(tǒng)和單機之間進行傳遞，杜絕了二義性，可以有效避免設計結(jié)果由于人員和中間環(huán)節(jié)丟失重要信息。

(2)分層開展的有向圖設計理念，不但具有非常直觀、清晰的設計過程和設計結(jié)果，而且符合典型的“V”字型航天器系統(tǒng)工程的設計理念。不同的層級由總體、分系統(tǒng)和單機分別開展設計，與現(xiàn)行的航天器設計流程和方式一致，具有良好的工程推廣特性和工程可實現(xiàn)性。

(3)建立航天信息流設計的數(shù)學模型可有效提高工作效率。通過有向圖建立的航天器信息流模型，可以利用圖形顯示驅(qū)動技術(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)架構(gòu)層到設備節(jié)點層不同層級架構(gòu)間的無級縮放瀏覽，從而實現(xiàn)從宏觀到微觀，全面展示航天器信息系統(tǒng)信息。同時結(jié)合設計需要，還可提取總線拓撲、上行鏈路拓撲等專項的信息拓撲結(jié)構(gòu)，為航天器精細化設計奠定基礎。

(4)設計過程和設計結(jié)果均具有良好的可擴展性，后續(xù)在進行技術(shù)狀態(tài)更改、故障診斷和自主健康管理時，均可應用本文所建立的數(shù)學模型。

4 結(jié)束語

本文分析了非結(jié)構(gòu)化文檔信息流設計模式的不足，在此基礎上應用圖論理論，提出了一種基于有向圖的多艙段復雜航天器信息流設計方法，并建立了典型信息接口信息流的數(shù)學模型，通過理論與實例相結(jié)合的方式分析驗證了該模型的可行性?；谟邢驁D的多艙段復雜航天器信息流設計方法的提出可為航天器信息流設計及自主健康診斷提供直觀高效的數(shù)字化模型。

該模型具有一定的通用性、可擴展性和可復用性，有助于開展基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的數(shù)字化協(xié)同設計。為航天器信息流設計由文檔驅(qū)動向數(shù)字化模型驅(qū)動轉(zhuǎn)變奠定了良好的技術(shù)基礎，提高工作效率和質(zhì)量，并且有效地提高了設計人員的工作效率，設計過程和設計結(jié)果均具有良好的可擴展性，可為后續(xù)開展基于模型的系統(tǒng)工程建設(MBSE)提供借鑒。