基于模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動的系統(tǒng)工程是航天企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的必由之路

◎中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 張旭 李坤遠(yuǎn)

一、引言

目前航天企業(yè)兩化融合程度不深，還不能有效支撐科研生產(chǎn)和綜合管理高質(zhì)量高效率運(yùn)行。信息化在協(xié)同設(shè)計、試驗仿真、智能制造等方面的支撐力度還較弱。在此背景下，對國外現(xiàn)代企業(yè)質(zhì)量保證、工程數(shù)字化管理等技術(shù)進(jìn)行了深入調(diào)研，國外裝備研制企業(yè)在由傳統(tǒng)的基于文檔、基于靜態(tài)設(shè)計的研制管理模式向基于模型、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的研制管理模式轉(zhuǎn)型的實踐經(jīng)驗，以及支撐研制全流程的數(shù)字化、專業(yè)化的測試系統(tǒng)極具借鑒和應(yīng)用價值。

為滿足項目研制的迫切需求，航天企業(yè)提出設(shè)計、制造一體化的產(chǎn)品研制模式，將廠所分離的串行研制向并行研制轉(zhuǎn)變，合理運(yùn)用協(xié)同管理，讓制造提前介入設(shè)計，及時知悉設(shè)計意圖，甚至直接參與設(shè)計，打通了上、下游信息溝通鏈條，有效減少了設(shè)計與制造反復(fù)迭代，設(shè)計、制造“互不買賬、互相埋怨”等問題，形成了以研制項目為依托的協(xié)同管理模式，同時在面向制造的三維建模、三維圖紙到現(xiàn)場等信息化技術(shù)領(lǐng)域也積累了較為豐富的經(jīng)驗，但這只是基于幾何模

型的三維數(shù)字化實踐，而基于性能樣機(jī)的、面向模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動的工程研制管理以及系統(tǒng)化測試流程是航天企業(yè)項目研制領(lǐng)域的洼地。

二、航天企業(yè)研制模式變革趨勢分析

基于近些年的工作實踐和基于模型的系統(tǒng)工程發(fā)展趨勢，我們認(rèn)為，航天企業(yè)研制模式變革有以下發(fā)展趨勢。

（一）網(wǎng)絡(luò)化支撐、數(shù)字化研制和信息化管理的技術(shù)升級和模式轉(zhuǎn)型是提升項目產(chǎn)品精細(xì)化設(shè)計的重要途徑和有效手段

通過網(wǎng)絡(luò)化、信息化和數(shù)字化手段將基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）理念和方法應(yīng)用到產(chǎn)品的研制需求、設(shè)計方案、詳細(xì)設(shè)計、制造工藝以及性能評價等全生命周期。以產(chǎn)品數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，以需求工程作為研制牽引，通過對需求、方案、產(chǎn)品、工藝、試驗等環(huán)節(jié)的模型不斷迭代驗證，使產(chǎn)品在正式投產(chǎn)前能夠得到充分的驗證，將設(shè)計缺陷盡可能多的在早期暴露和消除。實現(xiàn)MBSE方法與航天項目研制模式的融合，需要項目研制各環(huán)節(jié)采用標(biāo)準(zhǔn)化建模工具，將研制需求、系統(tǒng)架構(gòu)、性能指標(biāo)、工藝過程等以模型進(jìn)行表達(dá)，形成需求分析、系統(tǒng)方案論證、產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計、制造工藝設(shè)計、試驗測試評估等各研制環(huán)節(jié)所需的模型體系，構(gòu)建各環(huán)節(jié)之間的模型關(guān)聯(lián)與轉(zhuǎn)化關(guān)系，形成產(chǎn)品全生命周期內(nèi)的設(shè)計信息/數(shù)據(jù)的一致性傳遞。

信息與數(shù)據(jù)的一致性傳遞與追溯是高質(zhì)量開展項目產(chǎn)品精細(xì)化設(shè)計的基礎(chǔ)，其核心是將模型和數(shù)據(jù)應(yīng)用于產(chǎn)品研制全生命周期，實現(xiàn)模型定義系統(tǒng)、數(shù)據(jù)驅(qū)動流程、知識保證質(zhì)量。通過網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、信息化、標(biāo)準(zhǔn)化實現(xiàn)產(chǎn)品研制的技術(shù)升級，對航天產(chǎn)品過程監(jiān)控、結(jié)果預(yù)示、質(zhì)量評價、故障定位、優(yōu)化改進(jìn)和管理決策等環(huán)節(jié)具有重要意義。因此，基于模型的系統(tǒng)工程和流程再造是深度推進(jìn)信息化、數(shù)字化工程的基礎(chǔ)和前提，也是優(yōu)化科研生產(chǎn)流程、有效實施流程崗位標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)，同時還是實現(xiàn)并行工程、提高研制效率的有效手段。

（二）將標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、知識等嵌入到基于模型的研制流程是實現(xiàn)管理升級的重要方法和有效措施

標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和知識對產(chǎn)品質(zhì)量管控至關(guān)重要，而基于模型和數(shù)據(jù)來實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和知識嵌入流程并用信息化手段固化，通過強(qiáng)化執(zhí)行和持續(xù)改進(jìn)是實現(xiàn)質(zhì)量管理能力升級的未來發(fā)展趨勢。

基于文檔傳遞的傳統(tǒng)研制模式與基于模型的數(shù)字化研制模式有較大差異。以某火箭飛行失利為例，在故障分析過程中，暴露出的關(guān)鍵環(huán)節(jié)質(zhì)量數(shù)據(jù)缺失、大量數(shù)據(jù)未實現(xiàn)電子化等問題，產(chǎn)品數(shù)據(jù)在其生命周期內(nèi)不連續(xù)，導(dǎo)致無法通過“用數(shù)據(jù)說話”的方式來解決產(chǎn)品質(zhì)量的問題。產(chǎn)品設(shè)計環(huán)節(jié)的主要產(chǎn)出物為標(biāo)準(zhǔn)化模型，傳統(tǒng)的任務(wù)書、圖紙的設(shè)計流程驅(qū)動方式被模型驅(qū)動所替代，過程質(zhì)量控制的對象從傳統(tǒng)面向文檔、圖紙、實物產(chǎn)品，轉(zhuǎn)向面向模型和實物產(chǎn)品。通過在統(tǒng)一的平臺架構(gòu)下實現(xiàn)對產(chǎn)品數(shù)據(jù)全生命周期管控，其產(chǎn)品模型體系隨著產(chǎn)品生命周期不斷推演和完善，在模型體系形成過程中，通過數(shù)據(jù)的映射來建立模型之間的關(guān)聯(lián)，從而形成模型之間的相互驅(qū)動，通過模型和數(shù)據(jù)實現(xiàn)質(zhì)量管控的閉環(huán)。

目前，項目研制過程存在標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范與流程的結(jié)合不充分的問題，工作效率不高、有效性不強(qiáng)。由于缺乏數(shù)據(jù)的連續(xù)積累，當(dāng)前的質(zhì)量管理還存在經(jīng)驗式管理的情況，質(zhì)量數(shù)據(jù)的管理更多是片段式的，如何將經(jīng)驗變?yōu)橹R，基于信息化手段實現(xiàn)單一數(shù)據(jù)源的質(zhì)量可靠性數(shù)據(jù)采集、分析是關(guān)鍵，有必要開展質(zhì)量數(shù)據(jù)采集、存儲、管理的標(biāo)準(zhǔn)化研究，建立模型庫、數(shù)據(jù)庫和知識庫，實現(xiàn)基于模型的關(guān)鍵特性識別、分解、傳遞、驗證鏈條，實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)的產(chǎn)品質(zhì)量可靠性評價和單位質(zhì)量管理績效評價。

（三）基于模型的系統(tǒng)集成測試模式是實現(xiàn)一體化集成測試的全新理念和方法

在集成測試領(lǐng)域針對MBSE的V字模型的各個環(huán)節(jié)，建立完整的、統(tǒng)一的、協(xié)調(diào)的數(shù)字化工具體系，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和模型在統(tǒng)一平臺下的數(shù)據(jù)驅(qū)動和仿真測試?；谀Ｐ偷南到y(tǒng)研發(fā)環(huán)境設(shè)計技術(shù)有效實現(xiàn)由傳統(tǒng)的研發(fā)流程向基于模型的通用研發(fā)測試平臺的轉(zhuǎn)變，其核心因素在于將測試流程各層級的需求確認(rèn)均基于模型實現(xiàn)。在開展集成測試前能夠通過數(shù)字化軟件平臺對測試方案、測試流程和測試設(shè)備的功能性進(jìn)行全面驗證，同時各類測試設(shè)備可以以數(shù)字模擬和實物接入的方式開展實際測試前的虛擬測試，這樣可以提前暴露和有效規(guī)避實際測試過程中的風(fēng)險。因此基于模型的系統(tǒng)集成測試模式具有很好的借鑒意義，后續(xù)可以考慮開展自主可控的基于模型的系統(tǒng)集成測試技術(shù)和平臺的研究。

三、體系化推動基于模型的系統(tǒng)工程助力航天研制模式轉(zhuǎn)型

體系化推動基于模型的系統(tǒng)工程是實現(xiàn)航天研制模式轉(zhuǎn)型的有效舉措?；贛BSE的項目研制模式轉(zhuǎn)型是“一把手”工程，要在企業(yè)的統(tǒng)一指導(dǎo)下，采取項目牽引、統(tǒng)一推進(jìn)的策略，制定切實可行的實施路線，從組織建設(shè)、理論與方法導(dǎo)入、項目應(yīng)用和知識體系建設(shè)等方面體系化推進(jìn)。

（一）建立統(tǒng)一協(xié)調(diào)機(jī)制與支撐機(jī)構(gòu)

MBSE方法在項目全生命周期的貫穿應(yīng)用，將涉及企業(yè)下屬多個設(shè)計生產(chǎn)廠所，需要建立統(tǒng)一的協(xié)調(diào)機(jī)制來部署推進(jìn)，需要專門的支撐機(jī)構(gòu)實施推動，集中力量研究標(biāo)準(zhǔn)化模型體系和數(shù)字化研發(fā)流程規(guī)范，推動形成代表知識積累的數(shù)字化模型資產(chǎn)庫，推動廠所間基于模型的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計及制造的協(xié)調(diào)發(fā)展。

（二）開展體系化的MBSE理論與方法導(dǎo)入

企業(yè)要推動MBSE的方法研究和應(yīng)用。一方面需要體系化的推進(jìn)理論與方法導(dǎo)入，對總體、分系統(tǒng)等不同專業(yè)的設(shè)計人員和項目管理人員進(jìn)行系統(tǒng)培訓(xùn)，掌握MBSE方法，并將其運(yùn)用至項目研制過程中；另一方面，有必要與國內(nèi)外該領(lǐng)域的知名咨詢公司或團(tuán)隊聯(lián)合，共同探索企業(yè)基于模型的系統(tǒng)工程研發(fā)模式轉(zhuǎn)型策略與解決方案，充分學(xué)習(xí)國內(nèi)外復(fù)雜系統(tǒng)工程數(shù)字化研制案例，通過與專業(yè)團(tuán)隊的長期合作不斷提升試點(diǎn)項目的整體數(shù)字化研發(fā)能力，使得試點(diǎn)項目的技術(shù)隊伍掌握基于MBSE的研發(fā)模式落地實施方法。

（三）項目應(yīng)用與知識體系升級

基于模型的系統(tǒng)工程方法落地應(yīng)用，必然對現(xiàn)有研制模式產(chǎn)生沖擊和影響，將發(fā)生設(shè)計流程變化、工作界面重新界定等眾多難以預(yù)先克服或避免的問題。因此，應(yīng)采取試點(diǎn)應(yīng)用，由點(diǎn)及面的推廣應(yīng)用模式，選擇典型項目或分系統(tǒng)，開展基于MBSE的項目研制模式應(yīng)用論證。先期可選擇預(yù)研背景項目開展試點(diǎn)應(yīng)用驗證，提煉并掌握研制需求、系統(tǒng)方案、詳細(xì)設(shè)計、工藝及制造、測試試驗的模型標(biāo)準(zhǔn)與建模方法，逐步提煉形成應(yīng)用模式、流程及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，推動知識體系升級，為MBSE技術(shù)體系向其他項目和企業(yè)推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

四、結(jié)束語

建設(shè)數(shù)字航天，推動基于模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動的系統(tǒng)工程是航天企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的必由之路。信息化、數(shù)字化手段對于實現(xiàn)高質(zhì)量地保成功、高效率地完成任務(wù)、高效益地推進(jìn)航天強(qiáng)國建設(shè)具有重要推動作用。