基于模型的載人航天器研制方法研究與實(shí)踐

張柏楠，戚發(fā)軔，邢濤，劉洋，王為

1. 北京航空航天大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 100083 2. 中國(guó)空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094 3. 南京航空航天大學(xué) 航空學(xué)院，南京 210016

20世紀(jì)60年代以來，國(guó)內(nèi)外航天和國(guó)防領(lǐng)域一直采用系統(tǒng)工程作為研制管理方法[1-2]。近年來，隨著航天器系統(tǒng)規(guī)模及復(fù)雜度急劇提升，傳統(tǒng)的以文檔為核心的系統(tǒng)工程方法已經(jīng)無法有效滿足研制需求[3-5]。與以往航天任務(wù)相比，以載人飛船、空間站為代表的載人航天器型號(hào)在系統(tǒng)規(guī)模、技術(shù)難度、可靠性安全性要求、研制周期與成本要求等方面都對(duì)航天系統(tǒng)的研制能力提出了更高的要求。傳統(tǒng)的以文檔為核心的系統(tǒng)工程方法存在的問題主要體現(xiàn)在：眾多信息分散于各個(gè)文檔，難以保證完整性和一致性；對(duì)復(fù)雜的、動(dòng)態(tài)交互性強(qiáng)的活動(dòng)難以描述，表達(dá)力不足，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生歧義；技術(shù)狀態(tài)控制困難，工作量大，維護(hù)困難；缺少早期驗(yàn)證手段，主要依靠后期的實(shí)物驗(yàn)證，代價(jià)大、周期長(zhǎng)。

為應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，基于模型的系統(tǒng)工程(Model-Based System Engineering, MBSE)應(yīng)運(yùn)而生[6]。MBSE的概念源自美國(guó)，主要由國(guó)際系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)(Internal Council of System Engineering, INCOSE)倡導(dǎo)和推進(jìn)。2007年INCOSE在《系統(tǒng)工程2025年愿景》中給出了基于模型的系統(tǒng)工程的定義：基于模型的系統(tǒng)工程是對(duì)系統(tǒng)工程活動(dòng)中建模方法應(yīng)用的正式認(rèn)同，以使建模方法支持系統(tǒng)要求、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證和確認(rèn)等活動(dòng)，這些活動(dòng)從概念性設(shè)計(jì)階段開始，持續(xù)貫穿到設(shè)計(jì)開發(fā)以及后來的所有的生命周期階段。以標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)建模語言SysML為基礎(chǔ)，MBSE利用形式化的模型實(shí)現(xiàn)從概念設(shè)計(jì)、方案設(shè)計(jì)、試驗(yàn)驗(yàn)證到工程實(shí)施的全過程管理，核心是建立起以數(shù)據(jù)為中心的系統(tǒng)工程管理系統(tǒng)，相比于基于文檔的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，它具有知識(shí)表示無二義性、溝通交流效率高、可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一體化、知識(shí)獲取和可重用能力強(qiáng)、可進(jìn)行多角度分析等顯著優(yōu)點(diǎn)[7-11]。

與無人航天器相比，載人航天器具有系統(tǒng)規(guī)模大、技術(shù)難度高、單件小批量、無法通過多次飛行持續(xù)完善設(shè)計(jì)、可靠性要求高等特點(diǎn)。如何針對(duì)上述特點(diǎn)，形成面向載人航天器的MBSE研制方法，并將之進(jìn)行應(yīng)用實(shí)踐，從而充分體現(xiàn)上述MBSE的優(yōu)點(diǎn)，則是一個(gè)充滿挑戰(zhàn)的問題。本文在分析載人航天器研制模式的基礎(chǔ)上，針對(duì)其研制特點(diǎn)，提出面向載人航天器研制的模型體系及其間相互關(guān)系，并進(jìn)行實(shí)踐探索。

1 載人航天器MBSE研制模式

1.1 MBSE研制需求

航天工業(yè)尤其是載人航天器研制領(lǐng)域，與航空、汽車等行業(yè)相比，對(duì)研制流程前端設(shè)計(jì)“一次正確”的要求更高，對(duì)通過早期虛擬驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)問題的需求更為迫切。目前，在航天器研制的各環(huán)節(jié)，已開展了大量的數(shù)字化工作，但仍存在以下不足：

1) 參數(shù)化、模型化程度不高

如表1所示，通過對(duì)某型號(hào)航天器研制中232項(xiàng)工作和XX搭載任務(wù)研制中106項(xiàng)工作的數(shù)字化程度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)研制流程中紙質(zhì)文檔、電子化數(shù)據(jù)比例較高，參數(shù)化、模型化程度較低。

表1 航天器研制任務(wù)數(shù)字化程度分析

2) 基于模型的系統(tǒng)綜合仿真驗(yàn)證不足

某型號(hào)航天器方案階段研制文檔為613份，初樣階段為4 492份，初樣實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證工作量巨大。在仿真驗(yàn)證過程中，更多的是采用專業(yè)仿真驗(yàn)證，而多學(xué)科集成綜合仿真、系統(tǒng)級(jí)仿真驗(yàn)證及優(yōu)化較少，仿真驗(yàn)證的系統(tǒng)性不強(qiáng)。另外，試驗(yàn)和飛行數(shù)據(jù)的利用程度不高，沒有充分利用數(shù)據(jù)修正仿真模型，模型重用性不強(qiáng)，知識(shí)積累較為薄弱。

3) 研制各環(huán)節(jié)缺乏數(shù)字化集成

系統(tǒng)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、制造與集成測(cè)試各環(huán)節(jié)的數(shù)字化工作缺乏基于模型的端到端集成。因此，研制過程可追溯性差，設(shè)計(jì)更改的影響分析手段不足，更改分析不徹底帶來的質(zhì)量問題突出。

工藝設(shè)計(jì)與分析介入產(chǎn)品研發(fā)較晚，無法在設(shè)計(jì)早期進(jìn)行可制造性的分析，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的制造性能?，F(xiàn)場(chǎng)的產(chǎn)品實(shí)際加工和測(cè)試信息不能及時(shí)反饋綜合到系統(tǒng)設(shè)計(jì)，往往到產(chǎn)品實(shí)物集成、甚至飛行試驗(yàn)時(shí)才能暴露問題，導(dǎo)致質(zhì)量和效率不高。

綜合以上分析，有必要在調(diào)研國(guó)內(nèi)外基于模型的系統(tǒng)工程研究與應(yīng)用先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)中國(guó)載人航天領(lǐng)域的研制流程與方法，探索面向?qū)嶋H需求的基于模型的載人航天器研制模式。

1.2 載人航天器全生命周期模型的定義

載人航天器研制全生命周期中的模型包括需求模型、功能模型、產(chǎn)品模型、工程模型、制造模型、實(shí)做模型等6類模型。各類模型的定義如下：

1) 需求模型：描述需求條目、圖形化系統(tǒng)邏輯架構(gòu)和運(yùn)行方案的模型，可全面、準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)化地反映用戶需求及系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并作為詳細(xì)設(shè)計(jì)的實(shí)施依據(jù)。

2) 功能模型：描述系統(tǒng)機(jī)械、控制、能源、信息和熱管理等功能性能的模型，可對(duì)系統(tǒng)功能性能進(jìn)行多學(xué)科綜合仿真驗(yàn)證，提前驗(yàn)證并優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3) 產(chǎn)品模型：描述產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、電路等詳細(xì)設(shè)計(jì)的模型，將機(jī)、電、熱等各類信息以三維模型或結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)形式進(jìn)行集成或關(guān)聯(lián)，作為工程分析和產(chǎn)品制造的基礎(chǔ)。

4) 工程模型：描述產(chǎn)品專業(yè)特性，基于產(chǎn)品模型建立的空間環(huán)境、電磁兼容、力熱分析、可靠性安全性等模型，作為工程專業(yè)分析和設(shè)計(jì)的依據(jù)。

5) 制造模型：描述產(chǎn)品生產(chǎn)、裝配等工藝設(shè)計(jì)的模型，基于產(chǎn)品模型建立，附加了工藝要求、工裝、設(shè)備等工藝設(shè)計(jì)相關(guān)信息，可作為生產(chǎn)制造的依據(jù)。

6) 實(shí)做模型：描述產(chǎn)品制造、測(cè)試等環(huán)節(jié)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的模型，反映產(chǎn)品生產(chǎn)制造的真實(shí)狀態(tài)，作為產(chǎn)品驗(yàn)收、設(shè)計(jì)改進(jìn)與后期追溯的依據(jù)。

通過以上6類模型驅(qū)動(dòng)研制流程，可以打通產(chǎn)品研制全過程的數(shù)據(jù)鏈路，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、集成驗(yàn)證、產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)過程的模型化，逐步構(gòu)建基于數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的系統(tǒng)工程研制模式。

1.3 基于模型的載人航天器研制流程

針對(duì)載人航天器研制“單件小批量，對(duì)早期虛擬驗(yàn)證的需求更為迫切”的特點(diǎn)，基于模型的載人航天器研制模式與其他行業(yè)的MBSE方法論相比，更加側(cè)重于驗(yàn)證。在載人航天器研制全周期中，共有系統(tǒng)設(shè)計(jì)閉環(huán)驗(yàn)證、產(chǎn)品設(shè)計(jì)閉環(huán)驗(yàn)證、實(shí)做產(chǎn)品閉環(huán)驗(yàn)證3個(gè)驗(yàn)證環(huán)節(jié)，如圖1所示。

圖1 載人航天器研制過程中的3大閉環(huán)驗(yàn)證Fig.1 Three closed-loop verifications in development of manned spacecraft

在載人航天器研制全流程的各環(huán)節(jié)中，以模型作為研制數(shù)據(jù)承載于傳遞的載體，各類模型在各研制環(huán)節(jié)所應(yīng)用的軟件平臺(tái)中產(chǎn)生、傳遞和分析應(yīng)用，從而驅(qū)動(dòng)型號(hào)的系統(tǒng)工程研制過程。圖2 給出了全生命周期中6類模型和相關(guān)數(shù)據(jù)在各軟件平臺(tái)間的具體傳遞和交互關(guān)系。

圖2 業(yè)務(wù)模塊間模型交互關(guān)系Fig.2 Model interaction among business modules

1.3.1 需求模型的產(chǎn)生、傳遞和使用

需求模型產(chǎn)生于需求建模系統(tǒng)和任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)，傳遞于基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)、技術(shù)狀態(tài)管理系統(tǒng)和集成仿真驗(yàn)證系統(tǒng)。

最頂層的需求模型為工程總體技術(shù)要求需求模型，是整個(gè)型號(hào)研制的輸入。任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)根據(jù)工程總體技術(shù)要求進(jìn)行頂層任務(wù)分析與規(guī)劃，得到型號(hào)系統(tǒng)的具體任務(wù)需求模型。需求建模系統(tǒng)根據(jù)工程總體要求和任務(wù)規(guī)劃需求模型進(jìn)行系統(tǒng)需求分解，得到產(chǎn)品設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證詳細(xì)需求模型，包括艙段技術(shù)要求、總體對(duì)分系統(tǒng)技術(shù)要求、分系統(tǒng)對(duì)單機(jī)技術(shù)要求、總體/分系統(tǒng)對(duì)總裝技術(shù)要求、總體/分系統(tǒng)對(duì)測(cè)試技術(shù)要求、集成與測(cè)試試驗(yàn)(Assembly, Integration and Test, AIT)各階段技術(shù)狀態(tài)要求等。

需求模型分解過程中利用集成仿真驗(yàn)證系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)功能性能仿真分析。基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)根據(jù)詳細(xì)設(shè)計(jì)需求模型開展產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)。技術(shù)狀態(tài)管理以詳細(xì)需求模型作為技術(shù)狀態(tài)控制的依據(jù)，例如以AIT各階段技術(shù)狀態(tài)要求控制AIT各階段技術(shù)狀態(tài)。

1.3.2 功能模型的產(chǎn)生、傳遞和使用

功能模型產(chǎn)生于集成仿真驗(yàn)證系統(tǒng)，傳遞于在軌數(shù)據(jù)分析及健康管理系統(tǒng)、自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)和半物理測(cè)試系統(tǒng)。

集成仿真驗(yàn)證系統(tǒng)建立多學(xué)科系統(tǒng)功能模型，用于對(duì)系統(tǒng)功能性能設(shè)計(jì)的綜合仿真驗(yàn)證。系統(tǒng)功能模型產(chǎn)生的仿真數(shù)據(jù)可作為半物理測(cè)試系統(tǒng)和自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試激勵(lì)數(shù)據(jù)，用于支持系統(tǒng)動(dòng)態(tài)功能性能的測(cè)試驗(yàn)證，另一方面測(cè)試數(shù)據(jù)也可用于對(duì)功能模型進(jìn)行修正。

功能模型可用于輔助在軌數(shù)據(jù)分析及健康管理系統(tǒng)進(jìn)行在軌狀態(tài)的分析，例如故障仿真模擬。同時(shí)，在軌數(shù)據(jù)也可用于對(duì)功能模型進(jìn)行修正。

1.3.3 產(chǎn)品模型的產(chǎn)生、傳遞和使用

產(chǎn)品模型產(chǎn)生于基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)，傳遞于智能制造系統(tǒng)、智能總裝系統(tǒng)、技術(shù)狀態(tài)管理系統(tǒng)、專業(yè)分析工具集、在軌維修仿真系統(tǒng)、自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)和半物理測(cè)試系統(tǒng)。

基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)開展產(chǎn)品詳細(xì)方案設(shè)計(jì)，得到表征產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)信息的產(chǎn)品模型，例如表征產(chǎn)品機(jī)械設(shè)計(jì)信息的三維產(chǎn)品模型，表征產(chǎn)品電氣設(shè)計(jì)信息的供配電大圖、信息大圖、接點(diǎn)表、指令參數(shù)表、飛行程序等電氣設(shè)計(jì)產(chǎn)品模型。

三維產(chǎn)品模型傳遞至智能制造系統(tǒng)，作為結(jié)構(gòu)制造模型建立的輸入；傳遞至智能總裝系統(tǒng)，作為總裝集成制造模型的輸入；傳遞至技術(shù)狀態(tài)管理系統(tǒng)，作為技術(shù)狀態(tài)控制的設(shè)計(jì)基線；傳遞至專業(yè)分析工具集，作為專業(yè)分析工程模型建模的輸入；傳遞至在軌維修仿真系統(tǒng)，作為維修性仿真分析工程模型的建模輸入；傳遞至自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)、半物理測(cè)試系統(tǒng)作為開展測(cè)試驗(yàn)證的輸入。

1.3.4 工程模型的產(chǎn)生、傳遞和使用

工程模型產(chǎn)生于專業(yè)分析工具集和在軌維修仿真系統(tǒng)，傳遞于數(shù)字化試驗(yàn)系統(tǒng)。

專業(yè)分析工具集建立產(chǎn)品力、熱、可靠性等專業(yè)工程模型，用于產(chǎn)品力、熱、可靠性等專業(yè)性能仿真分析。在軌維修仿真系統(tǒng)建立產(chǎn)品維修性仿真分析工程模型，進(jìn)行產(chǎn)品維修性設(shè)計(jì)仿真驗(yàn)證。

專業(yè)分析工具集建立的產(chǎn)品力、熱等專業(yè)工程模型傳遞給數(shù)字化試驗(yàn)系統(tǒng)，作為開展虛擬大型試驗(yàn)、大型試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的依據(jù)。另一方面，大型試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)可用于修正相應(yīng)專業(yè)的工程模型。

1.3.5 制造模型的產(chǎn)生、傳遞和使用

制造模型產(chǎn)生于智能制造系統(tǒng)和智能總裝系統(tǒng)。智能制造系統(tǒng)建立結(jié)構(gòu)制造工藝模型，用于結(jié)構(gòu)的數(shù)字化制造與檢驗(yàn)。智能總裝系統(tǒng)建立總裝制造模型，用于數(shù)字化總裝集成。

1.3.6 實(shí)做模型的產(chǎn)生、傳遞和使用

實(shí)做模型產(chǎn)生于半物理測(cè)試系統(tǒng)、自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)、數(shù)字化試驗(yàn)系統(tǒng)、在軌數(shù)據(jù)分析及健康管理系統(tǒng)和空間應(yīng)用保障系統(tǒng)，傳遞于技術(shù)狀態(tài)管理系統(tǒng)、集成仿真驗(yàn)證系統(tǒng)和專業(yè)分析工具集。

智能制造系統(tǒng)和智能總裝系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品制造和集成過程的實(shí)做數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，建立產(chǎn)品制造集成實(shí)做模型，該模型傳遞至技術(shù)狀態(tài)管理系統(tǒng)后與代表設(shè)計(jì)基線的產(chǎn)品模型和AIT各階段技術(shù)狀態(tài)需求模型進(jìn)行比較分析，從而對(duì)產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)。

半物理測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)建立測(cè)試實(shí)做模型，該模型傳遞至技術(shù)狀態(tài)管理系統(tǒng)與測(cè)試需求模型進(jìn)行比較分析，對(duì)測(cè)試狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)。另外，該模型傳遞給仿真驗(yàn)證系統(tǒng)，用于功能模型的修正。技術(shù)狀態(tài)管理系統(tǒng)為半物理測(cè)試系統(tǒng)提供設(shè)備數(shù)據(jù)包實(shí)做模型，作為開展半物理測(cè)試的輸入。

自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)建立測(cè)試實(shí)做模型，該模型傳遞至技術(shù)狀態(tài)管理系統(tǒng)與測(cè)試需求模型進(jìn)行比較分析，對(duì)測(cè)試狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)。另外該模型傳遞給仿真驗(yàn)證系統(tǒng)，用于功能模型的修正。技術(shù)狀態(tài)管理系統(tǒng)為自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)提供集成狀態(tài)實(shí)做模型，作為開展自動(dòng)化測(cè)試的輸入。

數(shù)字化試驗(yàn)系統(tǒng)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)建立試驗(yàn)實(shí)做模型，該模型傳遞至技術(shù)狀態(tài)管理系統(tǒng)用于試驗(yàn)狀態(tài)的確認(rèn)。

在軌數(shù)據(jù)分析及健康管理系統(tǒng)根據(jù)在軌數(shù)據(jù)建立平臺(tái)在軌狀態(tài)實(shí)做模型，用于在軌狀態(tài)的管理。該模型可傳遞給仿真驗(yàn)證系統(tǒng)，用于功能模型的修正，還可傳遞給空間應(yīng)用保障系統(tǒng)，輔助應(yīng)用數(shù)據(jù)的分析。

在軌物資管理系統(tǒng)根據(jù)在軌物資狀態(tài)建立在軌物資實(shí)做模型，用于在軌物資管理和運(yùn)營(yíng)支持?？臻g應(yīng)用保障系統(tǒng)根據(jù)在軌應(yīng)用數(shù)據(jù)建立應(yīng)用數(shù)據(jù)實(shí)做模型，開展應(yīng)用數(shù)據(jù)管理、分析與綜合利用。

2 載人航天器MBSE應(yīng)用實(shí)踐

2.1 需求管理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)(需求模型)

在某載人航天器型號(hào)中開展了數(shù)字化需求管理的應(yīng)用，采用商用軟件Cradle完成了系統(tǒng)需求管理基礎(chǔ)環(huán)境設(shè)施的建設(shè)，結(jié)合型號(hào)應(yīng)用完成了型號(hào)項(xiàng)目定制化開發(fā)，并開展了需求建模應(yīng)用，建立了總體-艙段-分系統(tǒng)3級(jí)需求體系。

在建立需求體系后，建立了各級(jí)技術(shù)要求的數(shù)字化關(guān)聯(lián)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上開展了下級(jí)技術(shù)要求條目對(duì)上級(jí)技術(shù)要求條目的覆蓋性分析工作，對(duì)技術(shù)要求分解的完備性進(jìn)行了檢查。

最后，基于MagicDraw、M-Design軟件、Sysml語言開展了頂層系統(tǒng)方案邏輯建模方法初步應(yīng)用，建立了包含需求圖、用例圖、活動(dòng)圖、狀態(tài)基圖、塊定義圖的頂層系統(tǒng)方案的局部模型，對(duì)系統(tǒng)方案邏輯建模方法進(jìn)行了初步探索，如圖3所示。

圖3 型號(hào)頂層系統(tǒng)的用例圖Fig.3 Case diagram of top-level system

基于需求模型，開展數(shù)字化需求管理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)，建立了5 000余條需求條目，實(shí)現(xiàn)了總體-艙段-分系統(tǒng)-單機(jī)各級(jí)關(guān)鍵功能性能指標(biāo)的100%數(shù)字化傳遞、關(guān)聯(lián)與追溯。

2.2 多學(xué)科系統(tǒng)仿真(功能模型)

基于MathWorks軟件，采用Modelica語言建立了動(dòng)力學(xué)與控制、能源、環(huán)境/熱控、信息、推進(jìn)等5個(gè)專業(yè)的功能模型，積累形成了載人航天器基礎(chǔ)功能模型庫(kù)、XXX等型號(hào)功能模型庫(kù)。針對(duì)每個(gè)模型編寫了相應(yīng)的建模說明文檔，明確了模型原理、模型參數(shù)、模型輸入輸出接口。通過對(duì)各專業(yè)學(xué)科功能仿真模型的綜合集成，構(gòu)建了包含218臺(tái)關(guān)鍵單機(jī)設(shè)備、約20萬個(gè)方程組成的三艙系統(tǒng)多學(xué)科集成仿真模型，開展了飛行方案系統(tǒng)綜合仿真工作，驗(yàn)證了型號(hào)總體方案設(shè)計(jì)的正確性，如圖4所示。

圖4 基于Modelica的功能模型圖Fig.4 Functional model diagram based on Modelica

基于Modelica功能模型和FMI(Functional Mock-up Interface)模型接口技術(shù)，開展了艙段轉(zhuǎn)位方案跨廠所聯(lián)合仿真工作，將GNC(Guidance, Navigation and Control)分系統(tǒng)控制功能模型、機(jī)械臂功能模型、轉(zhuǎn)位與對(duì)接機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)功能模型集成到總體功能模型中，開展了轉(zhuǎn)位方案綜合驗(yàn)證，解決了轉(zhuǎn)位工況無法完全通過實(shí)物手段進(jìn)行驗(yàn)證的問題。

2.3 全三維協(xié)同設(shè)計(jì)(產(chǎn)品模型)

以產(chǎn)品模型為主線，將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、總裝設(shè)計(jì)以及所有單機(jī)模型納入到統(tǒng)一模型架構(gòu)下進(jìn)行多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，在保證機(jī)械接口設(shè)計(jì)正確性的同時(shí)，向上貫通系統(tǒng)設(shè)計(jì)(需求模型)與多學(xué)科仿真(功能模型)，橫向貫通相關(guān)專業(yè)設(shè)計(jì)驗(yàn)證(產(chǎn)品模型)，向下貫通集成制造(制造模型)，實(shí)現(xiàn)了全三維設(shè)計(jì)、全三維下廠工作模式，如圖5所示。

圖5 三維產(chǎn)品模型示意圖Fig.5 Schematic diagram of 3D product model

2.4 專業(yè)仿真(工程模型)

面向載人航天器各專項(xiàng)方案仿真需求，開展了信息流仿真、電磁兼容性仿真、羽流仿真、熱管理仿真、噪聲仿真、照明仿真等多項(xiàng)仿真分析，驗(yàn)證了各專項(xiàng)設(shè)計(jì)方案的正確性，如圖6所示。

圖6 各類工程仿真模型Fig.6 Various engineering simulation models

2.5 數(shù)字化制造總裝(制造模型)

利用制造模型，實(shí)現(xiàn)了基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的三維模型會(huì)簽、三維模型導(dǎo)入、三維工藝編制、數(shù)控編程、數(shù)控加工仿真、三維工藝審簽，如圖7所示，極大地提高了生產(chǎn)制造及總裝測(cè)試的效率及正確性，部件研制效率提高一倍以上。

圖7 數(shù)字化制造模型Fig.7 Digital manufacturing model

2.6 產(chǎn)品電子數(shù)據(jù)包管理(實(shí)做模型)

通過產(chǎn)品電子數(shù)據(jù)包管理系統(tǒng)建設(shè)實(shí)現(xiàn)了以型號(hào)配套體系為依據(jù)，單機(jī)產(chǎn)品電子數(shù)據(jù)包的統(tǒng)一采集與驗(yàn)收過程管理，如圖8所示。系統(tǒng)已在該載人航天型號(hào)中開展了應(yīng)用，應(yīng)用于各分系統(tǒng)單機(jī)產(chǎn)品數(shù)據(jù)包采集與驗(yàn)收工作，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)包的電子化采集與驗(yàn)收在線協(xié)同，避免了紙質(zhì)文件的提交和傳閱，總體AIT過程管理效率提升40%以上。

圖8 實(shí)做模型Fig.8 Real model

3 結(jié)論與展望

本文針對(duì)載人航天器研制特點(diǎn)與難點(diǎn)，在引入MBSE的基礎(chǔ)上，提出了基于模型的載人航天器研制流程，提出了面向載人航天器全生命周期、包含6大類模型的模型體系，貫穿了載人航天器全生命周期。通過某載人航天器型號(hào)的應(yīng)用與分析表明，采用本文提出的基于模型的系統(tǒng)工程方法，達(dá)到了以下指標(biāo)：

1) 實(shí)現(xiàn)了總體-艙段-分系統(tǒng)-單機(jī)各級(jí)關(guān)鍵功能性能指標(biāo)的100%數(shù)字化傳遞、關(guān)聯(lián)與追溯。

2) 實(shí)現(xiàn)了全三維設(shè)計(jì)、全三維下廠工作模式。

3) 提高了生產(chǎn)制造及總裝測(cè)試的效率及正確性，部件研制效率提高一倍以上。

4) 總體AIT過程管理效率提升40%以上。

未來將在進(jìn)一步探索面向載人航天器正樣研制及在軌運(yùn)營(yíng)階段需求的基礎(chǔ)上，開展數(shù)字航天器建設(shè)。與真實(shí)航天器、地面電性伴飛航天器共同構(gòu)成“三孿生體”。同時(shí)，為應(yīng)對(duì)載人月球探測(cè)工程研制高復(fù)雜度的挑戰(zhàn)，將進(jìn)一步探索推進(jìn)MBSE研發(fā)方法在載人月球探測(cè)工程任務(wù)中的應(yīng)用。