民用飛機預研論證權威真相源構建技術

孫霄劍，羅明強,*，張馳，關若曦，劉虎

1. 北京航空航天大學 航空科學與工程學院，北京 100083 2. 中國商飛北京民用飛機技術研究中心，北京 102211 3. 清華大學 工業(yè)工程系，北京 100084

預研論證是飛機設計的初始階段，該過程涉及氣動、結構、航電、動力、控制等眾多學科，同時也涉及到制造、試飛等環(huán)節(jié)，是一個涉及多學科耦合、多方案并行、多輪次迭代的設計制造過程，可以認為是立項型號任務的縮影[1]。民用飛機作為特殊的商品，除了設計和制造需滿足相應適航標準外，根據(jù)用途和使用環(huán)境，其運行和維修還要滿足相應運行規(guī)章的要求，以保證持續(xù)飛行安全的要求[2-3]。

目前飛行器尤其是民用飛機研制主要基于系統(tǒng)工程的思想[4-6]。近年來，基于模型的系統(tǒng)工程(Model-Based Systems Engineering, MBSE)[7-8]在系統(tǒng)工程領域得到越來越廣泛的關注和應用，美國國家航空航天局[9-12]、空客和波音[13-15]均已在多個項目中成功應用了MBSE方法。MBSE強調形式化建模，較為復雜，缺少靈活性，且培訓周期長，實施起來較為困難。權威真相源由MBSE中的統(tǒng)一模型和數(shù)據(jù)構成，可以實現(xiàn)對模型的管理，能夠增強知識獲取和信息重用，通過提供結構化和相互關聯(lián)的表示方式，保持全生命周期各專業(yè)模型的一致性，是實現(xiàn)基于模型的關鍵一步，也是MBSE逐步落地的堅實基礎。

作為MBSE實施的核心要素，同時也是美國國防部“數(shù)字工程戰(zhàn)略”的五大目標之一。2018年，美國國防部正式對外發(fā)布“數(shù)字工程戰(zhàn)略”[16-18]，其中提出權威真相源，數(shù)字工程戰(zhàn)略的目標是推進數(shù)字工程轉型，將以往以文檔為中心的線性采辦流程轉變?yōu)橐詳?shù)字模型為中心的動態(tài)數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)?！皵?shù)字工程戰(zhàn)略”認為，權威真相源是整個生命周期中模型和數(shù)據(jù)的中心參考點。

國外權威真相源的研究工作尚處于起步狀態(tài)，其概念和內涵尚未統(tǒng)一，系統(tǒng)工程研究中心(Systems Engineering Research Center)[19]利用JPL(Jet Propulsion Laboratory)開源的OpenMBEE構建了權威真相源環(huán)境。Alexander等[20]總結了權威真相源需要滿足的4個 條件：① 來源于被管理實體認可的記錄系統(tǒng)；② 大多數(shù)專家接受其可信度和準確性；③ 大多數(shù)專家認為來源合法；④ 能夠保持完整性，并具有增強能力。

國內的MBSE推進工作剛剛起步，權威真相源的構建尚未被廣泛專注，吳光輝等[21]將信息化技術融入民用飛機研制過程，提出了民用飛機信息化研制支撐體系和總體架構。馬小駿和彭煥春[3]對系統(tǒng)工程在民用飛機運行支持系統(tǒng)的研制應用做了綜述文章，將商用飛機系統(tǒng)思想應用于產(chǎn)品運行支持系統(tǒng)研制中，完整地分析了產(chǎn)品運行支持系統(tǒng)研制的全過程。羅冬毅[22]研究了民用飛機研制中的知識管理，著重說明知識管理中的知識庫、知識場景化在民用飛機研制中的應用研究。

目前，中國民用飛機的研制與國際高水平之間尚存在一定差距，MBSE的應用廣度與深度也存在一定差距。主要體現(xiàn)在系統(tǒng)工程推進程度、模型構建研究、支持技術研究等方面。構建民用飛機預研論證權威真相源存在以下亟待解決的問題：尚未形成權威真相源的組成定義、構建目標和構建原則，權威真相源的架構和業(yè)務流程尚未形成，需要對構建過程中涉及的支持技術進行研究，權威真相源中包含的數(shù)據(jù)和模型需要統(tǒng)一定義。

本文針對民用飛機的預研論證過程和權威真相源目前存在的痛點問題，首先提出了權威真相源的定義，并設計了權威真相源構建目標和原則，構建了權威真相源的架構和業(yè)務流程，對民用飛機預研論證階段權威真相源所需的支持技術進行了研究，提出了一套完整的權威真相源構建方式，該構建方式不僅可應用于民用飛機預研論證過程，而且可應用于其他飛行器設計。其次從預研論證的生命周期出發(fā)，梳理業(yè)務流程，構建預研論證模型。最后通過驗證機的案例研究表明，本文構建的權威真相源可以支撐民用飛機預研論證流程，達到提高協(xié)同效率、縮短預研周期、降低預研成本的目的。

1 權威真相源及其構建目標和構建原則

權威真相源是一個模型和數(shù)據(jù)庫，能夠存儲系統(tǒng)全生命周期中所有版本的規(guī)范化建模的模型和標準化的數(shù)據(jù)，能夠支撐設計過程中數(shù)據(jù)和模型的提取并保證一致性，能夠進行跟蹤與追溯、驗證與確認、可視化顯示和報告自動生成，從而利用模型和數(shù)據(jù)對系統(tǒng)持續(xù)進行全面的數(shù)字化表達和全生命周期的追溯，提升協(xié)同工作效率，縮短研制時間，提高產(chǎn)品質量。

在權威真相源中，權威代表獨一無二，在系統(tǒng)工程實施過程中，權威真相源中的數(shù)據(jù)和模型具有支配能力，能夠對系統(tǒng)其他部分產(chǎn)生影響，系統(tǒng)其他部分服從于權威真相源。真相代表確定無誤，權威真相源中的數(shù)據(jù)和模型必須正確、有效、無歧義，既能保證其權威性，也能保證系統(tǒng)工程實施的正確性。源表示源頭，權威真相源中的數(shù)據(jù)和模型是系統(tǒng)工程實施過程中設計、計算、分析的源頭，數(shù)據(jù)和模型來源于權威真相源，設計和論證分析過程中數(shù)據(jù)和模型又再次匯聚回權威真相源之中。

權威真相源包括模型和數(shù)據(jù)，如圖1所示。模型是對所關注系統(tǒng)、實體、現(xiàn)象或流程的抽象或表達[23-24]。系統(tǒng)的模型包括技術結構模型和項目管理模型，其中技術結構模型包括組件模型、關系模型、接口模型、架構模型、系統(tǒng)行為模型、任務和場景模型等。項目管理模型包括團隊模型、職責模型、所有權模型、風險模型、進度模型、預算模型和成本模型。

權威真相源中的數(shù)據(jù)是系統(tǒng)工程實施過程中全生命周期依賴和產(chǎn)生的準確的、實時的數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)包括設計數(shù)據(jù)、運營數(shù)據(jù)、維修保障數(shù)據(jù)、分析與報告數(shù)據(jù)、參考數(shù)據(jù)等。其中設計數(shù)據(jù)有設計依賴數(shù)據(jù)和設計過程數(shù)據(jù)；運營數(shù)據(jù)有運營記錄數(shù)據(jù)和運營反饋數(shù)據(jù)；維修保障數(shù)據(jù)有維修數(shù)據(jù)、保障數(shù)據(jù)和維修保障反饋數(shù)據(jù)；分析與報告數(shù)據(jù)包括技術分析數(shù)據(jù)、系統(tǒng)權衡分析數(shù)據(jù)和報告；參考數(shù)據(jù)有同類項目數(shù)據(jù)、軟件庫和參考文檔庫。

1.1 權威真相源的構建目標

權威真相源是實施基于模型的系統(tǒng)工程的基礎，隨著系統(tǒng)的發(fā)展，權威真相源可以提供可追溯性，能夠記錄歷史知識，連接模型和數(shù)據(jù)的權威版本，對權威真相源的更改將在整個數(shù)字模型中傳播到所有受影響的系統(tǒng)和功能。

構建權威真相源，其總目標是：在正確的時間，將正確的模型和數(shù)據(jù)提供給正確的使用者，以完成正確的系統(tǒng)工程實踐。需要滿足以下目標：① 促進建模實踐，通過模型和數(shù)據(jù)給利益攸關方提供更準確的行為描述；② 提升工程的系統(tǒng)組織性，減少系統(tǒng)工程實施中的復雜度，更好地管理不斷增長的系統(tǒng)復雜度；③ 通過權威信息共享，記錄已經(jīng)做出的分析和決策，增強項目技術管理；④ 提 高系統(tǒng)設計的重用性，消除項目生命周期各個階段知識和投資流失的情況，縮小開發(fā)成本。

1.2 權威真相源的構建原則

利用權威真相源，可以幫助利益攸關方了解系統(tǒng)的重要方面，組織和傳達系統(tǒng)組件的所有權和成熟度，幫助架構師交流系統(tǒng)架構，協(xié)助設計者解決利益攸關方的關注與約束，并且能夠記錄已經(jīng)做出的分析和決策，通過權衡分析和不斷發(fā)展的設計流程來保持系統(tǒng)設計的完整性。因此，構建權威真相源應當遵循以下原則:① 采用基于模型的方法；盡可能明確地捕獲信息，模型和數(shù)據(jù)含義能被明確理解，具有可復制性，并且不應隱含任何假設；② 采用面向對象的方法；模型和數(shù)據(jù)具有抽象性、動態(tài)性、多態(tài)性，具有較強的擴展性。能夠適應行業(yè)的飛速發(fā)展，持續(xù)提供全生命周期的支持服務；③ 采用正規(guī)化方法；保持與行業(yè)和機構標準的良好一致性。例如確保模式遵循建模語言(例如SysML)和其他相關的正確語法，提供與信息在相關學科中通常的表述方式相對應的描述，避免使用冗余信息。

2 權威真相源架構與業(yè)務流程設計

2.1 權威真相源架構

架構指的是系統(tǒng)的基本組織，包含其功能、組成和關系。設計的權威真相源架構如圖2所示，架構之中包含觀點、數(shù)據(jù)、模型、元素、原則、關系、屬性等要素。

圖2 權威真相源架構Fig.2 Architecture of authoritative source of truth

在權威真相源中設計了“觀點”這一概念，觀點表示某一設計參與者或某一設計方面對權威真相源的認識與解構。權威真相源由觀點組成，各觀點之間交叉融合。所有觀點共同組成了權威真相源，是權威真相源架構的最高級組成部分，如圖3所示，透過不同觀點，具有不同出發(fā)點的利益攸關者可以將權威真相源解構為各自特有的視圖。

模型和數(shù)據(jù)是觀點的組成部分，模型和元素來源于全生命周期相關過程，其包含內容如圖1所示，是權威真相源架構中次一級組成部分。

元素由模型和數(shù)據(jù)打散重組而成，權威真相源中所有模型和數(shù)據(jù)以元素之間有機結合的形式存在，元素是權威真相源架構的底層組成部分。

原則是構建觀點、模型、數(shù)據(jù)和元素必須遵循的規(guī)則和理論，觀點、模型、數(shù)據(jù)、元素兩兩之間以及內部均存在關系，模型、數(shù)據(jù)和元素均具有屬性。

圖3 觀點與權威真相源Fig.3 Viewpoint and authoritative source oftruth

2.2 權威真相源業(yè)務流程設計

根據(jù)架構，可以設計權威真相源的業(yè)務流程。業(yè)務流程從系統(tǒng)工程V字模型發(fā)展而來，如圖4所示。權威真相源為系統(tǒng)的全生命周期提供模型和數(shù)據(jù)支持，按照生命周期流程形成觀點，觀點之中包含數(shù)據(jù)和類型，觀點之間可能存在交叉。系統(tǒng)工程的全生命周期中，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和模型分門別類，按照生命周期的流程存儲在權威真相源中，存儲之后打散成元素。根據(jù)此業(yè)務流程，權威真相源中的所有數(shù)據(jù)和模型將以項目——觀點——模型/數(shù)據(jù)——元素的形式分類分層存放，該結構可以保證數(shù)據(jù)快速抽取，并進行個性化可視化展示。

以圖4 中專業(yè)設計觀點為例，飛機設計過程中，權威真相源根據(jù)設計過程形成總體專業(yè)設計觀點、氣動專業(yè)設計觀點、結構專業(yè)設計觀點等觀點，氣動、結構專業(yè)詳細設計產(chǎn)生的幾何模型、結構模型、氣動數(shù)據(jù)、結構分析數(shù)據(jù)和報告等存儲在權威數(shù)據(jù)源中時，將根據(jù)各觀點進行存儲，總體專業(yè)設計觀點將包含氣動數(shù)據(jù)、結構分析數(shù)據(jù)和報告，氣動和結構專業(yè)設計觀點將包含各自專業(yè)的設計模型、數(shù)據(jù)和報告，所有模型和數(shù)據(jù)被打散成最小存儲單位——元素。

3 權威真相源支持技術

權威真相源架構中，所有數(shù)據(jù)和模型以項目——觀點——模型/數(shù)據(jù)——元素的形式分類分層存放。相對應地，在權威真相源支持系統(tǒng)構建中，以項目——數(shù)據(jù)包——數(shù)據(jù)項——元素的形式存放。項目即構建當前權威真相源時工作所處的項目，代表了預研論證過程中的某一型號任務。數(shù)據(jù)包是上傳提交權威真相源的最小單元，每次可在支持系統(tǒng)中上傳一個數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包與觀點對應，可包含一個或多個內容相互交叉的觀點，是項目中某一工作流程的上傳文件，是項目中某些設計模型和數(shù)據(jù)的集合，是設計過程中某一項設計工作相關的設計輸入、輸出。數(shù)據(jù)項是數(shù)據(jù)包的下一級組成部分，是數(shù)據(jù)包中包含的模型和數(shù)據(jù)，是描述設計方案的基本元素。

圖4 權威真相源業(yè)務流程Fig.4 Operating process of authoritative source of truth

構建民用飛機預研論證權威真相源，不僅需要構建權威真相源架構，還需要對支持技術進行研究。權威真相源支持技術包括構建流程、管理技術和應用技術。

3.1 權威真相源構建流程

權威真相源的構建過程與業(yè)務活動和業(yè)務執(zhí)行環(huán)境緊密結合，通過標準數(shù)據(jù)形式完成構建。構建邏輯包括：統(tǒng)一接口定義、適配器鏈接、編輯與提交。權威真相源中涉及到多個學科，各學科之間設計和計算的方法不一致，設計工具多樣化，設計模型多元化，因此需要定義權威真相源的統(tǒng)一接口。權威真相源與項目的業(yè)務環(huán)境緊密相連，需要通過適配器實現(xiàn)業(yè)務環(huán)境數(shù)據(jù)和權威真相源的鏈接。圖5 為權威真相源的構建流程。

3.2 權威真相源管理技術

3.2.1 管理技術架構

權威真相源采用先進的分布式架構進行管理，需要從基礎支持層、服務層和應用層入手。

圖5 權威真相源構建流程Fig.5 Building process of authoritative source of truth

基礎支持層指的是操作系統(tǒng)，服務層包含中間件支持層、服務構建層和服務接口，權威真相源的數(shù)據(jù)和模型存儲于服務層，與外界交互于應用層。利用管理技術，可以對管理項目的結構樹進行管理，進而管理整個項目中所有的模型和數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖6 管理技術架構Fig.6 Architecture of management technology

3.2.2 版本管理

版本管理指的是對權威真相源中數(shù)據(jù)和模型的變更情況進行記錄、跟蹤和控制的過程。版本管理的內容有項目基線管理、數(shù)據(jù)包版本管理、數(shù)據(jù)項版本管理，如圖7所示。

可以在權威真相源中建立項目，通過不同的項目名稱進行區(qū)別和管理，項目內部可以形成項目基線，代表了不同時期項目的發(fā)展演化情況，每一個項目基線中保留了基線保存時數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)項的版本。

圖7 權威真相源版本管理Fig.7 Version management of authoritative source of truth

數(shù)據(jù)包可根據(jù)全生命周期發(fā)展動態(tài)變化，每一個數(shù)據(jù)包集中管理并生成獨一無二的版本號，數(shù)據(jù)包每上傳一次，其版本更新一次。數(shù)據(jù)包的版本信息包含版本號、完成人、完成時間、數(shù)據(jù)包備注及附件等信息。

與數(shù)據(jù)包相同，每一個數(shù)據(jù)項也存在唯一的版本標識，每更新一次數(shù)據(jù)包，系統(tǒng)自動比對數(shù)據(jù)項之間的差異，對發(fā)生變化的數(shù)據(jù)項自動生成獨一無二的版本號。

利用版本管理，可以進行權威真相源的追溯管理。即追溯任意數(shù)據(jù)的來源與去向，包括數(shù)據(jù)包的上游追溯，數(shù)據(jù)包自身發(fā)展的基準追溯，如圖8所示。

3.2.3 關系管理

權威真相源系統(tǒng)不僅存在數(shù)據(jù)包關系和數(shù)據(jù)項關系，2種關系之間還存在耦合作用。系統(tǒng)設計了引用和追溯響應2種方式表達關系。

引用關系代表數(shù)據(jù)包或數(shù)據(jù)項引用了另一數(shù)據(jù)包或數(shù)據(jù)項的內容，為弱關系，僅代表兩者之間具有關聯(lián)作用。追溯響應的耦合關系更強，代表數(shù)據(jù)包或數(shù)據(jù)項可以追溯并響應到另一個數(shù)據(jù)包或數(shù)據(jù)項，兩者之間具有強關系，需要建立跟蹤兩者的變化并記錄，例如需求之間的追溯響應，如圖9所示。

圖9 關系管理Fig.9 Relationship management

3.2.4 多方案管理

民用飛機預研論證具有多方案并行的特點，因此構建權威真相源需要能夠正確管理項目中多方案并行的情況。

多方案管理采用演變與衍生相結合的方式進行，同一個方案內部不斷發(fā)生演變，向前迭代，與此同時，其并行方案從基準方案衍生出分支，進行演變。如圖10所示，方案A不斷演變迭代，已迭代至A.3版本；方案B以方案A的A.1版本為基準版本，衍生出分支，演變迭代至B.3版本；方案C以方案A的A.2版本為基準版本，衍生出分支，繼續(xù)演變迭代至C.2版本；方案D以方案B的B.2版本為基準版本，衍生出分支D.1版本。

圖10 多方案管理Fig.10 Multi-projects management

3.2.5 多學科管理

多學科耦合是預研論證乃至飛行器設計的特點之一，一般而言，涉及到的學科有：總體、氣動、載荷、強度、結構、重量、性能等學科。不同學科之間差異性較大，需要采用統(tǒng)一接口和適配器將其與權威真相源鏈接起來，如圖11所示。

圖11 多學科管理Fig.11 Multidisciplinary management

3.2.6 多輪次迭代管理

預研論證具有迭代次數(shù)多的特點，權威真相源采用數(shù)據(jù)包關系支持正向迭代、采用訂閱形式支持下游反饋，以松耦合形式支持多輪次迭代管理。訂閱即上游數(shù)據(jù)包可以訂閱下游數(shù)據(jù)包狀態(tài)變化情況，一旦下游數(shù)據(jù)包更新，將會立即發(fā)送消息給訂閱方，如圖12所示。

3.3 權威真相源應用技術

3.3.1 可視化展示技術

可視化展示技術目的在于針對民用飛機預研論證流程中特定基礎模型，借助圖形化手段，清晰有效直觀地傳達與溝通信息，減少操作復雜度，提升協(xié)同工作效率，輔助民用飛機預研論證。

圖12 多輪次迭代管理Fig.12 Multi-iterations management

可視化展示技術以權威真相源中的觀點為基礎，對模型和數(shù)據(jù)進行抽取，并將其中的元素進行展示。觀點可根據(jù)需要展示的模型和數(shù)據(jù)進行自定義，去除冗余信息，保證觀感清晰明確。直接在權威真相源系統(tǒng)中展示，可減少下載后本地打開的操作復雜度，保持模型一致性，降低因個人工作環(huán)境不同造成的錯誤展示頻次，提升協(xié)同工作效率。

根據(jù)預研論證流程需要，權威真相源系統(tǒng)支持多元的可視化展示，其中元素有：圖片、音頻、視頻、曲線、時序數(shù)據(jù)、CAD模型、CAE模型。

由于數(shù)字樣機具有真實性，多學科交叉性，并且面向產(chǎn)品全生命周期，權威真相源的可視化技術可以用來展示產(chǎn)品的數(shù)字樣機。同時可將數(shù)字樣機與產(chǎn)品的性能數(shù)據(jù)有機鏈接成權威真相源的關聯(lián)可視化技術，實現(xiàn)性能數(shù)據(jù)觸手可得，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)和模型的唯一性，可以隨意展示可視化元素，如圖13所示。

圖13 關聯(lián)可視化技術Fig.13 Association visualization technology

可視化展示同時可以用于決策支持，構建決策面板。在決策面板(圖14)中，可根據(jù)需要增刪決策參數(shù)和面板個數(shù)，利用多種樣式的圖表輔助決策，提升協(xié)同效率。

3.3.2 比對分析技術

民用飛機預研論證具有多學科耦合、多方案并行、多輪次迭代的特點，需要不斷比對各方案、各版本之間的差異性，因此需要多層次比對分析技術。權威真相源的比對分析包括項目基線比對、數(shù)據(jù)包比對、數(shù)據(jù)項比對?；€、數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)項所有版本之間以元素為單位進行數(shù)據(jù)對比，通過對比獲得版本之間差異。圖15為基線、數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)項版本之間的對比圖，構建權威真相源，需要快速從海量數(shù)據(jù)中對比其中某一個數(shù)據(jù)的差異。

圖15 比對分析技術Fig.15 Comparison analysis technology

3.3.3 數(shù)據(jù)檢索與提取技術

權威真相源中存儲海量數(shù)據(jù)，如何快速從中檢索和提取關鍵數(shù)據(jù)，是構建權威真相源的關鍵技術之一。

在權威真相源中構建數(shù)據(jù)中心(圖16)，構建鏈接以索引權威真相源中所有數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)以項目、數(shù)據(jù)包、數(shù)據(jù)項為單位進行索引，構建智能檢索方式，用戶進行智能檢索的方式有：① 通過基線、數(shù)據(jù)包、數(shù)據(jù)項進行智能檢索；② 通過元素的類型進行檢索；③ 通過完成人與完成時間進行檢索；④ 通過權威真相源構建過程中手動形成的標簽進行檢索；⑤ 通過已構建的知識圖譜進行智能檢索。

采用自定義視圖的方式，可以快速定位數(shù)據(jù)，視圖的定義取決于觀點，不同的觀點可以將數(shù)據(jù)包構建成不同視圖。針對同一個數(shù)據(jù)包，不同設計人員關心的數(shù)據(jù)不同，根據(jù)其各自觀點，事先從數(shù)據(jù)包中選取，即可構建其關注數(shù)據(jù)的模板——視圖。利用視圖，可在權威真相源中快捷抽取數(shù)據(jù)。權威真相源系統(tǒng)支持用戶導出視圖中包含模型和數(shù)據(jù)，便于線下工作。

3.3.4 報告自動生成技術

報告自動生成技術是權威真相源構建的外延技術。MBSE的一大特點即為能夠利用模型進行自動報告生成，節(jié)省設計人員時間，提高協(xié)同效率。

利用觀點生成的自定義視圖，可以快速進行報告生成。觀點提供報告生成范圍，不同觀點囊括的模型和數(shù)據(jù)不同，通過個性化定制觀點，可以個性化設計報告的范圍。模型和數(shù)據(jù)負責構建報告的骨架，即定制報告的各級標題。元素是報告的血肉，將元素根據(jù)報告模板的需要填充進不同的位置，通過可視化展示技術自動生成精美圖片插入報告，即可形成一份定制化的設計報告。

自動化生成的報告能夠自動調整格式，并根據(jù)需要設計模板，更換封面，自動添加頁眉頁腳，如圖17所示。

圖17 報告自動生成技術Fig.17 Automated report generation technology

4 民用飛機預研論證模型與案例

民用飛機的預研論證模型分為型號——任務/子任務——專業(yè)模型——基礎模型四級，與權威真相源中項目——觀點——模型/數(shù)據(jù)——元素、支持系統(tǒng)中項目——數(shù)據(jù)包——數(shù)據(jù)項——元素相對應。型號對應于項目，是預研論證權威真相源的頂層結構；任務/子任務對應于觀點，是民用飛機預研論證權威真相源構建中的中層結構；專業(yè)模型對應于模型/數(shù)據(jù)，是預研論證的生成模型；基礎模型對應于元素，是預研論證權威真相源的最小顆粒組成部分。民用飛機業(yè)務流程和權威真相源業(yè)務流程、支持系統(tǒng)之間關系如圖18所示。

圖18 關系對比模型Fig.18 Model of relationship comparison

4.1 民用飛機預研論證權威真相源系統(tǒng)

民用飛機預研論證權威真相源系統(tǒng)是進行民用飛機預研論證的使用場景，也是權威真相源構建技術的落地實現(xiàn)。系統(tǒng)由首頁、項目策劃、協(xié)同工作、數(shù)據(jù)中心、個人中心、數(shù)據(jù)維護、系統(tǒng)管理、知識庫等組成，如圖19所示。

圖19 權威真相源系統(tǒng)組成及使用流程Fig.19 Composition and usage process of authoritative source of truth system

首頁的功能為信息綜合顯示，分為四部分：顯示待辦事項、待審批事項、當前項目和消息通知。數(shù)據(jù)維護是對項目工作中涉及到的基礎數(shù)據(jù)進行維護，例如設置單位制。個人中心可集中顯示、操作項目中涉及到個人的待辦、待審批事項。系統(tǒng)管理為整個系統(tǒng)提供基礎，各管理人力資源、項目進度。

項目策劃利用管理技術，用于對項目進行策劃、構建、分配人力資源、權限。協(xié)同工作功能為項目參與人員提交審核數(shù)據(jù)和模型，是構建權威真相源的重要操作。數(shù)據(jù)中心用于集中展示具有查看權限的項目，進而進行進一步展示與操作，其中包含的數(shù)據(jù)即為權威真相數(shù)據(jù)和模型。

知識庫中存儲有大量飛機及與飛機有關等裝備的詳細信息，并且可不斷擴充，為項目的設計提供參考。

權威真相源系統(tǒng)的使用如圖19 中箭頭所示。在系統(tǒng)管理中構建人力資源信息，進行人員角色維護與管理；在項目策劃中構建項目，通過協(xié)同工作開展項目工作，利用數(shù)據(jù)中心查看數(shù)據(jù)；項目進行過程中利用知識庫、首頁、數(shù)據(jù)維護和個人中心進行輔助操作。

4.2 預研論證業(yè)務流程

民用飛機的預研論證從規(guī)模上而言小于真實民用飛機的設計制造，但是兩者流程具有一致性。預研論證業(yè)務流程分為3個階段13個任務，如圖20所示。

圖20 民用飛機預研論證業(yè)務流程Fig.20 Operating process of pre-research of civil aircraft

目標定義階段的作用是梳理任務目標和需求、確立任務場景，形成概念草圖。包含4個任務：目標和任務、任務場景、概念草圖、飛機級需求。

設計分解階段的作用是對目標進行分解設計，形成設計方案，閉環(huán)設計需求，包含5個任務。計算機輔助設計與制造利用計算機輔助設計(Computer Aided Design，CAD)技術進行總體布置、結構設計、系統(tǒng)布置與安裝，并計算質量特性。氣動分析即利用計算流體力學(Computational Fluid Dynamic，CFD)和風洞技術分析民用飛機氣動狀態(tài)。結構分析利用計算機輔助工程(Computer Aided Engineerin，CAE)等方法進行載荷、強度、氣彈分析。系統(tǒng)設計和分析主要分析系統(tǒng)功能需求，形成系統(tǒng)組成架構。飛行與系統(tǒng)仿真進行性能操穩(wěn)分析，指定測試計劃，建立系統(tǒng)模型，進行虛擬飛行。

制造與集成階段的作用是進行系統(tǒng)制造、集成，進行飛行計劃，完成飛行報告，對設計目標和任務進行閉合，主要包括4個任務。制造和裝配利用圖紙進行部件制造、系統(tǒng)裝配，檢查質量與慣量，進行靜載試驗。系統(tǒng)集成主要進行功能、性能、環(huán)境和集成測試。飛機計劃子任務主要完成原型機的飛行測試任務。最終，根據(jù)上述所有階段內容，形成統(tǒng)一的預研論證報告。

4.3 預研論證專業(yè)模型

根據(jù)民用飛機預研論證的業(yè)務流程中的13個任務，可以梳理出預研論證的專業(yè)模型，專業(yè)模型是對任務及其子任務的進一步細化，是權威真相源的輸入與輸出。如圖21所示，展示了13個任務分別包含的專業(yè)模型。

預研論證的專業(yè)模型一般包括：預研論證過程中產(chǎn)生的各類電子文檔、電子表格，民用飛機系統(tǒng)架構模型，系統(tǒng)的SysML模型，CAD模型，CAE模型，CFD模型，CFD和風洞試驗產(chǎn)生的氣動數(shù)據(jù)，結構分析數(shù)據(jù)，民用飛機測試模型，測試數(shù)據(jù)，測試曲線數(shù)據(jù)，飛行時序數(shù)據(jù)，電子設計圖紙、各類分析結果和現(xiàn)場照片形成的圖片，預研論證過程音視頻文件。

4.4 預研論證基礎模型

預研論證基礎模型由專業(yè)模型細化而來，與權威真相源的元素相對應。如圖21所示，展示了專業(yè)模型打散重組為基礎模型的過程?；A模型和元素在權威真相源中可以任意重組，根據(jù)不同的觀點組成不同的模型和數(shù)據(jù)，解決系統(tǒng)工程的涌現(xiàn)效應。

圖21 預研論證模型Fig.21 Model of pre-research

預研論證基礎模型有：由文檔和表格離散而成的文本、數(shù)值、表格、富文本模型，輕量化的CAD模型和CAE模型，由測試數(shù)據(jù)等離散成的曲線和時序數(shù)據(jù)模型，用于引用參考數(shù)據(jù)的引用類型，用于引用網(wǎng)頁和SysML模型的網(wǎng)頁類型，根據(jù)系統(tǒng)工程特點形成的需求類型，用于記錄預研論證過程的圖片、音頻、視頻流程，存儲專業(yè)數(shù)據(jù)源文件的附件類型。

4.5 民用飛機預研論證案例研制模型

“靈雀B”(LQ-B)是中國商飛北研中心制造的用于驗證新一代民機氣動布局的噴氣式縮比飛行驗證機，采用大邊條翼融合布局和可收放起落架，機身大量運用復合材料，次承力部件和起落架均采用了先進的 3D 打印技術。

該驗證機旨在圍繞未來民用飛機先進技術開展縮比飛行驗證，特別是先進氣動布局和飛行控制等領域的預先研究，希望通過一系列試飛驗證翼身融合氣動布局客機的低速氣動特性、操縱性和穩(wěn)定性，為未來民機總體設計方案提供可靠技術支持。

根據(jù)圖20所示民用飛機預研論證業(yè)務流程，參照實際驗證機工作流程，對任務進行細化設計，梳理該驗證機研制模型如圖22所示。

4.6 協(xié)同預研論證案例

在權威真相源中對驗證機的預研論證建立項目，根據(jù)驗證機任務模型設計觀點，上傳數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)包。論證案例如圖10、圖11、圖13、圖15、圖19所示。其中，圖19為論證案例在權威真相源中的使用流程，圖10為論證案例的多方案發(fā)展情況，圖11為論證案例中涉及的多學科及其管理，圖13可視化展示了論證案例中部分學科的方案內容，圖15展示了論證案例的項目基線、數(shù)據(jù)包、數(shù)據(jù)項之間的比對工作，可以幫助權衡分析論證案例的多方案和多輪次迭代結果。

權威真相源支持多人協(xié)同工作，每個數(shù)據(jù)包均可以設置負責人，負責人的職能是進行數(shù)據(jù)包維護與更新。每個數(shù)據(jù)包可以進行版本管理，并根據(jù)數(shù)據(jù)包的上下游關系對協(xié)同設計者進行消息提醒。同時，根據(jù)上下游關系，可對所有數(shù)據(jù)包版本的可更新狀態(tài)進行控制。數(shù)據(jù)包的可更新狀態(tài)有已更新、待更新和等待中，不同的狀態(tài)通過不同顏色表示，幫助項目和數(shù)據(jù)包負責人快速定位狀態(tài)。

利用權威真相源系統(tǒng)，促進了民用飛機預研論文的協(xié)同設計工作，利用視圖和觀點相結合的方式，各學科專業(yè)之間權責清晰，只需從權威真相源中獲取模型/數(shù)據(jù)，無需相互傳遞，縮短了研制周期，有效解決了多學科耦合問題。同時由于在項目中采用了權威的模型和數(shù)據(jù)源，有效管理了預研論證中出現(xiàn)的多方案并行問題，各方案之間數(shù)據(jù)界限清晰，保證版本不會發(fā)生錯亂。利用模型和數(shù)據(jù)的權威性和真實性，多輪次迭代能夠向著正向優(yōu)化的方向行進。綜述所述，采用權威真相源系統(tǒng)，預期能夠縮短預研論證周期，并提高預研論證質量。

圖22 預研論證驗證機研制模型Fig.22 Design model of pre-research airline

5 結 語

通過確立權威真相源的構建目標和原則，設計權威真相源的方法架構，設計權威真相源系統(tǒng)的結構，研究權威真相源支持技術，并梳理民用飛機預研論證模型，完整地對民用飛機預研論證權威真相源構建技術進行了研究，最后通過預研論證驗證機的案例研究，證實權威真相源構建技術的可行性。民用飛機預研論證權威真相源能夠提升工程的系統(tǒng)組織性，提升協(xié)同設計效率，通過權威信息共享，提高模型和系統(tǒng)設計的重用性，有效減少系統(tǒng)工程實施中的復雜度，縮小開發(fā)成本，達到了預期的構建目標。

權威真相源的構建技術不僅適用于民用飛機預研論證過程，也適用于飛行器設計、制造、運行、維護的全生命周期，是彌補傳統(tǒng)基于文檔的系統(tǒng)工程和基于模型的系統(tǒng)工程之間差距的關鍵一步，有利于熟悉并熟練進行形式化建模，推動基于模型的系統(tǒng)工程與數(shù)字工程戰(zhàn)略逐步應用。

[21] 吳光輝, 陳子坤, 田永亮. 大型客機信息化研制支撐體系架構研究[J]. 航空學報, 2019, 40(1): 522736.

WU G H，CHEN Z K, TIAN Y L.Architecture of informatization support system for development of large airliners[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2019, 40(1): 522736 (in Chinese).