MBSE 發(fā)展趨勢(shì)與中國(guó)探月工程并行協(xié)同論證*

關(guān)鋒 葛平 周國(guó)棟 康焱 任俊杰 節(jié)德剛

(中國(guó)國(guó)家航天局 探月與航天工程中心 北京 100190)

0 引言

由于月球探測(cè)任務(wù)的長(zhǎng)期性、合作模式的協(xié)同性、探測(cè)工程系統(tǒng)的復(fù)雜性，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式越來越難以適應(yīng)型號(hào)研制的需要，迫切需要采用新方法、新手段進(jìn)行研制模式轉(zhuǎn)型?；谀Ｐ偷南到y(tǒng)工程（Model-Based System Engineering，MBSE）是解決這一問題的重要手段和方法[1]，通過需求驅(qū)動(dòng)、架構(gòu)主導(dǎo)、模型支撐、持續(xù)驗(yàn)證，完成復(fù)雜工程系統(tǒng)的建模、設(shè)計(jì)、仿真、論證和優(yōu)化等工作，顯著增強(qiáng)了對(duì)于月球探測(cè)復(fù)雜系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)能力。

本文面向中國(guó)探月工程未來任務(wù)挑戰(zhàn)與數(shù)字化研制需求，從流程、方法、工具、應(yīng)用等方面深入分析國(guó)內(nèi)外航天領(lǐng)域MBSE 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)，提出基于模型的并行協(xié)同技術(shù)與中國(guó)探月工程任務(wù)融合的建議，為后續(xù)開展月球探測(cè)數(shù)字化研制體系構(gòu)建與研制模式轉(zhuǎn)型升級(jí)提供參考。

1 探月工程數(shù)字化研制需求

進(jìn)入21 世紀(jì)以來，月球在人類開發(fā)利用太空和進(jìn)軍深空中的地位日益凸顯，正在成為航天大國(guó)戰(zhàn)略角逐的制高點(diǎn)。月球探測(cè)呈現(xiàn)以下趨勢(shì)[2]：探測(cè)重點(diǎn)從掌握技術(shù)逐步轉(zhuǎn)向科學(xué)探測(cè)和資源探查與開發(fā)利用；探測(cè)模式從單次任務(wù)短期探測(cè)向建設(shè)月面基礎(chǔ)設(shè)施開展長(zhǎng)期探測(cè)轉(zhuǎn)變；探測(cè)區(qū)域逐漸聚焦于資源富集的月球南極，尤其是位于南極的富含水冰的永久陰影區(qū)；由于月球探測(cè)技術(shù)難度大、風(fēng)險(xiǎn)高、投入大，需要通過國(guó)際合作分擔(dān)經(jīng)費(fèi)和風(fēng)險(xiǎn)，共享成果和發(fā)展。因此，國(guó)際合作將是月球探測(cè)的必然趨勢(shì)。

中國(guó)探月工程“繞落回”三步走戰(zhàn)略圓滿完成。嫦娥一號(hào)實(shí)現(xiàn)繞月飛行探測(cè)；嫦娥二號(hào)實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)多天體探測(cè)；嫦娥三號(hào)實(shí)現(xiàn)月面軟著陸和巡視探測(cè)；月地高速再入返回飛行試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)第二宇宙速度半彈道跳躍式月地高速安全返回；嫦娥四號(hào)在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)月球背面軟著陸和巡視探測(cè)；嫦娥五號(hào)實(shí)現(xiàn)月面無人自主采樣返回，開展月球樣品分析研究。

在完成“繞落回”三步走之后，即將實(shí)施的探月工程四期計(jì)劃在月球極區(qū)開展嫦娥六號(hào)采樣返回、嫦娥七號(hào)極區(qū)綜合勘查、嫦娥八號(hào)月球科研站關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證等三次任務(wù)，形成長(zhǎng)時(shí)段、復(fù)雜環(huán)境下的月球探測(cè)能力。月球探測(cè)正在從掌握技術(shù)向科學(xué)探測(cè)和資源探查與開發(fā)利用轉(zhuǎn)變，更好地服務(wù)于空間科學(xué)和空間應(yīng)用成為月球探測(cè)下一步主要目標(biāo)，將面臨以下主要挑戰(zhàn)與需求。

探月工程任務(wù)整體復(fù)雜性強(qiáng)，迫切需要研究新一代基于模型的任務(wù)體系數(shù)字化研制模式與方法，顯著提升研制效率與效益。由于月球探測(cè)的復(fù)雜性，難以人為構(gòu)造開展實(shí)物驗(yàn)證，需要加強(qiáng)仿真驗(yàn)證在各層級(jí)的應(yīng)用。采用新一代數(shù)字化研制模式，在方案論證階段，開展深入的協(xié)同設(shè)計(jì)分析和仿真驗(yàn)證，系統(tǒng)識(shí)別環(huán)境影響因素及其不確定性，實(shí)現(xiàn)“設(shè)計(jì)即正確”，減少研制階段工作反復(fù)，利用虛擬驗(yàn)證減少實(shí)物驗(yàn)證，縮短研制周期并減低研制成本，具有重要科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

由于月球探測(cè)任務(wù)需求多樣化，需要加強(qiáng)頂層需求分析與綜合論證評(píng)估手段，從而提升工程總體的技術(shù)把控與科學(xué)決策能力。月球探測(cè)任務(wù)從任務(wù)能力型向科學(xué)牽引型發(fā)展，要求探月工程也要向體系化發(fā)展。探月工程體系設(shè)計(jì)需要滿足多種目標(biāo)和要求（可用性、可靠性、集成性），受多種因素制約（經(jīng)費(fèi)、進(jìn)度、技術(shù)水平等），同時(shí)實(shí)現(xiàn)科學(xué)與工程交叉融合，因此對(duì)于科學(xué)決策、全局統(tǒng)籌提出了更高要求。解決上述問題的關(guān)鍵在于加強(qiáng)頂層需求分析與綜合論證評(píng)估，確保工作目標(biāo)與運(yùn)載器、探測(cè)器、測(cè)控等系統(tǒng)需求和指標(biāo)分析清晰、完整、準(zhǔn)確，通過建立需求之間的追溯關(guān)系，實(shí)現(xiàn)需求變更影響域的快速分析，并建立目標(biāo)與需求及測(cè)試驗(yàn)證項(xiàng)目的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試覆蓋性分析與早期的驗(yàn)證規(guī)劃。

任務(wù)協(xié)同場(chǎng)景復(fù)雜，需要構(gòu)建自主開放的一體化集成設(shè)計(jì)環(huán)境，支撐跨組織、跨層級(jí)及跨國(guó)別的協(xié)同。月球探測(cè)任務(wù)后續(xù)將進(jìn)一步加強(qiáng)國(guó)際間的聯(lián)合論證、技術(shù)合作，整合優(yōu)勢(shì)技術(shù)和數(shù)據(jù)資源，從而大幅提高投資效益，降低實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)集同開會(huì)的協(xié)作模式，其協(xié)調(diào)效率低，系統(tǒng)性及完備性差，因此亟需建立標(biāo)準(zhǔn)、開放、協(xié)同、自主的一體化集成設(shè)計(jì)環(huán)境，用于支持與國(guó)際機(jī)構(gòu)協(xié)同開展論證、方案設(shè)計(jì)及驗(yàn)證，有助于中國(guó)牽頭和主導(dǎo)國(guó)際化合作。

由于任務(wù)難度大、周期長(zhǎng)，需要建立統(tǒng)一的知識(shí)模型體系，實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域內(nèi)知識(shí)的數(shù)字化積累。探月工程積累了豐富的型號(hào)研制經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，為型號(hào)研制成功奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。但是后續(xù)開展人機(jī)聯(lián)合探測(cè)，對(duì)于型號(hào)間知識(shí)積累和重用的要求也越來越高。傳統(tǒng)基于文檔表達(dá)的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)缺乏結(jié)構(gòu)化關(guān)聯(lián)，難以被技術(shù)人員和應(yīng)用工具有效重用，給跨型號(hào)溝通與協(xié)同、知識(shí)繼承與創(chuàng)新等帶來困難。因此，需要建立統(tǒng)一的知識(shí)模型體系，對(duì)已有型號(hào)成果與項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行封裝、固化，實(shí)現(xiàn)更高效的重用。

2 MBSE 發(fā)展趨勢(shì)

作為解決工程復(fù)雜性的有效方法，自MBSE 概念提出以來，美國(guó)、歐洲以及中國(guó)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)對(duì)其流程、方法、工具和應(yīng)用等問題進(jìn)行了深入的研究，具體如下。

（1）流程上，從系統(tǒng)向體系拓展，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工程系統(tǒng)的全流程建模。國(guó)際系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)（INCOSE）在2015年發(fā)布了《系統(tǒng)工程手冊(cè)4.0》[3]。與《系統(tǒng)工程手冊(cè)3.0》相比，其技術(shù)流程從之前的11 個(gè)增加到14 個(gè)，主要變化在概念定義和系統(tǒng)定義階段。增加了業(yè)務(wù)/任務(wù)分析流程，使得系統(tǒng)工程的起點(diǎn)從利益相關(guān)方的需求定義向前推進(jìn)一步，系統(tǒng)工程師需要在系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境中分析運(yùn)行概念（OpsCon）下需要的系統(tǒng)能力以及用戶運(yùn)行活動(dòng)、場(chǎng)景等。這要求MBSE 不僅要對(duì)系統(tǒng)建模，還要對(duì)系統(tǒng)及運(yùn)行環(huán)境中其他組成體系（SoS）進(jìn)行建模。

（2）方法上，從通用到具體化轉(zhuǎn)變，結(jié)合實(shí)際業(yè)務(wù)流程完成MBSE 方法的“內(nèi)化”。目前通用的MBSE 方法有INCOSE 的OOSEM 方法、達(dá)索的MagicGrid 方法、IBM 的HarmonySE方法等。國(guó)際先進(jìn)宇航單位在MBSE 落地實(shí)踐中結(jié)合自身數(shù)據(jù)及研制流程特點(diǎn)，形成了自己的方法論。Arcadia 方法[4]是Thales 結(jié)合自身數(shù)據(jù)特點(diǎn)，融合了多套方法體系與框架形成的“架構(gòu)中心、模型驅(qū)動(dòng)”的方法論。與其他方法論相比，Arcadia 方法不僅能夠開展復(fù)雜系統(tǒng)建模，還能完成SoS 建模。NASA 在火星車2030 任務(wù)中，針對(duì)復(fù)雜的多任務(wù)智能化需求，采用集成化MBSE 方法（iMBSE）對(duì)任務(wù)進(jìn)行全系統(tǒng)多結(jié)構(gòu)多層級(jí)的持續(xù)定義和開發(fā)。

（3）工具上，從單點(diǎn)向協(xié)同發(fā)展，構(gòu)建形成支持跨層級(jí)、學(xué)科、地域之間的協(xié)同建模與仿真平臺(tái)。MBSE 工具通常針對(duì)系統(tǒng)工程活動(dòng)中如需求分析、功能/行為分析、架構(gòu)綜合、設(shè)計(jì)確認(rèn)和驗(yàn)證某一環(huán)節(jié)而開發(fā)，形成了相應(yīng)的需求管理、功能分析與架構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)建模與聯(lián)合仿真、模型協(xié)同與管理等類型工具。目前國(guó)際上在單點(diǎn)工具的應(yīng)用方面已經(jīng)較為成熟，NASA 和ESA 等機(jī)構(gòu)結(jié)合前期的工程實(shí)踐，提出在單點(diǎn)工具基礎(chǔ)上，構(gòu)建支持網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同的MBSE一體化集成環(huán)境，以解決目前各類工具間數(shù)據(jù)交換不通暢、上下游協(xié)同困難、模型一致性/完整性/有效性難以保障等問題。自2017年起，NASA JPL 開始打造OpenCAE/ OpenMBEE[5]平臺(tái)，旨在構(gòu)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的工程環(huán)境，實(shí)現(xiàn)以工具為中心向以模型為中心的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變。ESA 開展了虛擬航天器項(xiàng)目（Virtual Spacecraft Design，VSD），以改善系統(tǒng)級(jí)工程數(shù)據(jù)的組織，并允許在不同工程領(lǐng)域之間更流暢地交換關(guān)鍵工程參數(shù)及其模型。Valispace 面向數(shù)據(jù)硬件系統(tǒng)支持多文檔、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的協(xié)同管理，已應(yīng)用于ESA、空客等機(jī)構(gòu)的復(fù)雜工程系統(tǒng)研發(fā)。

（4）應(yīng)用上，從局部到整體邁進(jìn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全生命周期完整MBSE 應(yīng)用。MBSE 自提出以來，引起了廣泛的研究關(guān)注，NASA、ESA、美國(guó)國(guó)防工業(yè)協(xié)會(huì)（NDIA）、美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局（DARPA）、洛克希德·馬丁公司（Lockheed Martin）、波音公司（Boeing）等均開展了MBSE 技術(shù)的型號(hào)應(yīng)用[6-10]。NASA從2012年開始MBSE試點(diǎn)應(yīng)用，布局了20個(gè)涉及不同子系統(tǒng)不同階段的點(diǎn)式開發(fā)任務(wù)。截至2016年已有7 個(gè)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了全生命周期應(yīng)用[11]，在縮短研發(fā)周期、降低成本和提高質(zhì)量等方面取得了很好的效果。NASA 已經(jīng)過“能力建設(shè)”和“可演示MBSE”階段，正處于“完整MBSE”應(yīng)用階段。ESA 在歐幾里得等任務(wù)中，運(yùn)用MBSE 方法和工具，建立了需求、架構(gòu)、驗(yàn)證、行為等模型，有效解決了歐幾里得任務(wù)面臨的問題。此外，ESA 應(yīng)用Modelica開展衛(wèi)星等航天數(shù)據(jù)建模，應(yīng)用范圍從體系結(jié)構(gòu)模型覆蓋詳細(xì)系統(tǒng)模型，建設(shè)了多專業(yè)空間系統(tǒng)、可視化場(chǎng) 景、空間環(huán)境等多組Modelica 航天系統(tǒng)模型庫(kù)。

3 探月工程基于模型的并行協(xié)同論證框架與技術(shù)

在廣泛調(diào)研MBSE 技術(shù)研究與工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上，針對(duì)探月工程數(shù)字化協(xié)同研制中存在的航天任務(wù)體系MBSE 方法缺乏、工程總體數(shù)字化論證手段缺乏、工程總體與系統(tǒng)總體數(shù)字化割裂以及缺少一體化集成平臺(tái)等問題，結(jié)合中國(guó)深空探測(cè)領(lǐng)域已有的技術(shù)基礎(chǔ)，開展了探月工程基于模型的并行協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)研 究與實(shí)踐。

3.1 基于模型的探月工程并行協(xié)同論證框架

基于模型的探月工程并行協(xié)同設(shè)計(jì)框架如圖1所示，其由協(xié)同團(tuán)隊(duì)、協(xié)同論證環(huán)境、系統(tǒng)模型體系以及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范四部分組成，支持探月工程論證階段的使命任務(wù)定義與需求分析、概念架構(gòu)定義與可行性論證、聯(lián)合方案設(shè)計(jì)與綜合評(píng)估三個(gè)階段的論證活動(dòng)。協(xié)同團(tuán)隊(duì)主要指探月工程任務(wù)中的科學(xué)、工程等團(tuán)隊(duì)，協(xié)同完成項(xiàng)目的論證、建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)等工作。系統(tǒng)模型體系包括任務(wù)論證與協(xié)同方案設(shè)計(jì)中產(chǎn)生的各類需求、架構(gòu)、仿真以及可視化模型，覆蓋環(huán)境、任務(wù)、場(chǎng)景、功能、物理、成本、可靠性等多個(gè)維度。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范用于約束各流程階段的業(yè)務(wù)行為、建模方式、接口以及驗(yàn)證等具體要求，用以保證團(tuán)隊(duì)協(xié)同條件下模型數(shù)據(jù)的規(guī)范性、一致性和可信性。協(xié)同論證環(huán)境指協(xié)同團(tuán)隊(duì)完成任務(wù)協(xié)同論證工作的軟件環(huán)境，包含任務(wù)論證、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、方案與技術(shù)路線驗(yàn)證等專業(yè)工具，以及面向多團(tuán)隊(duì)協(xié)同的模型管理與協(xié)同建模工具。

圖1 基于模型的探月工程并行協(xié)同論證框架Fig.1 Model-based demonstration framework for concurrent and collaborative design

通過該框架，定義多專業(yè)國(guó)際化聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在不同流程的業(yè)務(wù)活動(dòng)以及模型傳遞關(guān)系；基于多領(lǐng)域、多層級(jí)統(tǒng)一模型庫(kù)，描述系統(tǒng)任務(wù)、需求、功能、架構(gòu)等元素，支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)積累；通過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范約束建模或論證過程的輸入、輸出、邊界、顆粒度和方式，支持多崗位協(xié)同；通過開放的協(xié)同論證環(huán)境開展需求分析、架構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真驗(yàn)證等業(yè)務(wù)工作。

在使命任務(wù)定義與需求分析階段，以月球科學(xué)探測(cè)和資源開發(fā)利用為主要目標(biāo)，基于統(tǒng)一架構(gòu)，在工程總體視角下構(gòu)建工程總體層級(jí)的使命任務(wù)視圖、概念視圖及需求視圖，包括戰(zhàn)略使命、任務(wù)設(shè)想、外部環(huán)境、任務(wù)場(chǎng)景和體系能力需求等模型，綜合描述利益攸關(guān)方、系統(tǒng)邊界、運(yùn)行場(chǎng)景、系統(tǒng)功能指標(biāo)等多種要素，基于多視圖對(duì)使命、需求、概念進(jìn)行可視化表達(dá)與分析，實(shí)現(xiàn)探月工程使命任務(wù)、系統(tǒng)需求、技術(shù)指標(biāo)以及頂層概念的初始設(shè)計(jì)與交互驗(yàn)證。

在概念架構(gòu)定義與可行性論證階段，以工程總體技術(shù)指標(biāo)、系統(tǒng)與各模塊需求為輸入，以探月工程初始概念設(shè)計(jì)為目標(biāo)，將探月工程總體架構(gòu)分解為各系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，通過規(guī)范的需求、接口、參數(shù)、行為、約束建模過程，由各專業(yè)團(tuán)隊(duì)并行開展概念架構(gòu)設(shè)計(jì)，并行定義探測(cè)器群集、測(cè)控通信系統(tǒng)、運(yùn)載火箭系統(tǒng)、地面應(yīng)用系統(tǒng)等技術(shù)方案，集成探月工程系統(tǒng)整體模型，從成本、可行性、可靠性、安全性等方面開展分析與驗(yàn)證，形成探月工程概念架構(gòu)方案。

在聯(lián)合方案設(shè)計(jì)與綜合評(píng)估階段，以探月工程架構(gòu)方案設(shè)計(jì)為目標(biāo)，完善探測(cè)器、科學(xué)探測(cè)、能源供給、指揮控制等模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案，結(jié)合已經(jīng)建成的技術(shù)和平臺(tái)基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)探月工程的發(fā)射以及階段性運(yùn)行方案，構(gòu)建多階段探測(cè)任務(wù)與系統(tǒng)模型，開展多任務(wù)、多層級(jí)的實(shí)施方案論證、綜合評(píng)估和迭代優(yōu)化。

在以上三個(gè)階段的探月工程論證工作中，涉及的協(xié)同團(tuán)隊(duì)、系統(tǒng)模型、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范以及基本的需求分析、需求管理、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證等專業(yè)工具，均已在現(xiàn)有的任務(wù)過程中完成或者基本完成相關(guān)建設(shè)工作，目前的核心難點(diǎn)在于如何通過網(wǎng)絡(luò)化的模型管理、數(shù)據(jù)同步以及并行協(xié)同環(huán)境建設(shè)，支持跨專業(yè)、層級(jí)、地 域的并行協(xié)同工作。

3.2 跨專業(yè)、層級(jí)、地域的模型一致性維護(hù)

探月工程系統(tǒng)各域設(shè)計(jì)模型間相互高度依賴，并且存在非設(shè)計(jì)要求的隱含耦合，任何一方的變化均極易引起多方?jīng)_突。多人協(xié)同設(shè)計(jì)過程中，由于設(shè)計(jì)需求可能不斷變化，不同專業(yè)模型如機(jī)械、控制、電氣等模型在設(shè)計(jì)過程中均可能發(fā)生變化，一個(gè)模型的變化必然引起其他模型變化，以確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型的一致性。不同于已有的CAD 協(xié)同建模，多領(lǐng)域模型中約束異常復(fù)雜，因此，如何關(guān)聯(lián)、協(xié)調(diào)各域設(shè)計(jì)從而達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果的性能最優(yōu)是必須解決的問題。

本文提出基于依賴圖的模型變動(dòng)識(shí)別、傳播與同步更新技術(shù)，首先構(gòu)造跨地域跨專業(yè)關(guān)聯(lián)的模型依賴圖，基于有向圖比較和路徑查詢等算法自動(dòng)識(shí)別和傳播設(shè)計(jì)變更，通過版本一致性維護(hù)算法實(shí)現(xiàn)同步更新。

為了維護(hù)模型多域表示之間的關(guān)聯(lián)，引入多域無關(guān)的標(biāo)識(shí)符（ID）對(duì)模型進(jìn)行標(biāo)識(shí)。模型初始化后，該模型ID 屬性將保持不變。在設(shè)計(jì)過程中，該ID 值不隨模型屬性的改變而改變，從而維持模型之間穩(wěn)定的映射關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，采用如圖2 所示層級(jí)式模型結(jié)構(gòu)樹。其中，模型結(jié)構(gòu)層以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型M為根節(jié)點(diǎn)，維護(hù)多域模型的層級(jí)結(jié)構(gòu)；關(guān)系模型層用于維護(hù)多域模型間的關(guān)系，包含了n種不同類型的關(guān)系模型，每種類型的關(guān)系模型可有若干關(guān)系實(shí)例。圖中r11,···,r1i表示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型M定義的i個(gè)類型1的關(guān)系實(shí)例。

圖2 層級(jí)模型結(jié)構(gòu)樹Fig.2 Tree-structured Hierchical model

該層級(jí)式模型結(jié)構(gòu)樹中的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如圖3 所示。圖3 中ModelProp 類型的ID 屬性為前述的模型關(guān)聯(lián)標(biāo)識(shí)符。對(duì)于設(shè)計(jì)時(shí)的模型實(shí)例，存在相應(yīng)的模型類型定義。這兩種不同類型的屬性分別由TypeParamList 和InstanceParamList 表示。此外，模型還應(yīng)包括父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)指針。模型狀態(tài)類型StateMode 定義了四種狀態(tài)，用于表示自上一次設(shè)計(jì)同步以來該模型可能出現(xiàn)的狀態(tài)。ModelProp 是表示所有設(shè)計(jì)模型屬性結(jié)構(gòu)的抽象類。特定領(lǐng)域的設(shè)計(jì)模型應(yīng)繼承ModelProp 類，并定義相應(yīng)的模型類型 參數(shù)和模型實(shí)例參數(shù)列表。

圖3 層級(jí)式模型結(jié)構(gòu)樹中節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.3 Data structure of classifier in tree-structured hierchical model

3.3 面向服務(wù)的開放式協(xié)同論證環(huán)境構(gòu)建

針對(duì)目前各類工具間的信息流、數(shù)據(jù)流互聯(lián)互通問題，研究抽象MBSE 工具各模塊級(jí)可提供的功能，形成微服務(wù)組件庫(kù)（包括建模服務(wù)、異構(gòu)模型集成服務(wù)、模型管理服務(wù)、編譯器服務(wù)、求解器服務(wù)等服務(wù)組件），進(jìn)行組織和管理，對(duì)外提供服務(wù)調(diào)用。計(jì)劃采用面向生命周期協(xié)作的開放服務(wù)OSLC（Open Service for Lifecycle Collaboration）[11]實(shí)現(xiàn)組件的服務(wù)化，形成云端建模仿真微服務(wù)組件體系。OSLC API 與傳統(tǒng)的Web 服務(wù)RESTful API 相比，具有基于標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)健全、應(yīng)用高效等特點(diǎn)，其核心服務(wù)包括發(fā)現(xiàn)、查詢、存儲(chǔ)、協(xié)同、數(shù)據(jù)入庫(kù)、附加服務(wù)等。

根據(jù)OSLC 規(guī)范要求，需要同時(shí)有服務(wù)提供者和服務(wù)消費(fèi)者才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。為了集成實(shí)現(xiàn)OSLC規(guī)范的所有軟件開發(fā)管理工具，服務(wù)提供者須向服務(wù)消費(fèi)者注冊(cè)才能完成數(shù)據(jù)的交換。

基于OSLC 規(guī)范，對(duì)MBSE 工具中的各模塊進(jìn)行服務(wù)化封裝，形成組件資源。一個(gè)組件可以包含若干個(gè)服務(wù)，通過服務(wù)接口調(diào)用的形式，快速為用戶提供ILRS 任務(wù)建模、可行性分析、可視化模擬、多角色協(xié)同等功能，支持多種形式的單機(jī)或網(wǎng)絡(luò)化調(diào)用。具體可分為協(xié)同即服務(wù)、建模即服務(wù)、分析即服務(wù)、可視化即服務(wù)和模型管理服務(wù)等幾大類別，同時(shí)提供如下服務(wù)管理功能。

更新提示服務(wù)用于管理更新提示資源。當(dāng)工具中已被連接的數(shù)據(jù)發(fā)生變更時(shí)，更新提示資源被發(fā)送至異構(gòu)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)框架，框架再將其發(fā)送至所有已訂閱該服務(wù)的工具。

用戶提示服務(wù)用于管理用戶提示資源。當(dāng)用戶想發(fā)送提示到其他工具時(shí)，先要將用戶提示資源格式化并發(fā)送至異構(gòu)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)框架。其包含一個(gè)名為“目的地”的屬性，框架根據(jù)該屬性將消息發(fā)往相關(guān)的工具。工具接收消息并在工具端做相應(yīng)處理。一個(gè)提示資源中通常包括屬性、描述、標(biāo)識(shí)等信息。

服務(wù)注冊(cè)用于管理服務(wù)注冊(cè)資源。工具端的服務(wù)注冊(cè)服務(wù)使得異構(gòu)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)框架能將服務(wù)目錄發(fā)送到工具中。服務(wù)目錄是一個(gè)服務(wù)注冊(cè)資源列表。異構(gòu)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)框架采用HTTP POST 方法發(fā)送這些資 源到工具。

3.4 應(yīng)用實(shí)踐

面向國(guó)際月球科研站（ILRS）方案論證需求，對(duì)本文提出的并行協(xié)同論證框架及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了初步的演示驗(yàn)證，建立國(guó)際月球科研站并行協(xié)同論證環(huán)境，形成網(wǎng)絡(luò)化、分布式的協(xié)同建模、設(shè)計(jì)、論證與仿真能力。其功能架構(gòu)由基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、協(xié)同層和應(yīng)用層組成，如圖4 所示。

圖4 ILRS 并行協(xié)同論證環(huán)境的功能架構(gòu)Fig.4 Functional Architecture of the ILRS demonstration process for concurrent and collaborative design

針對(duì)科學(xué)試驗(yàn)任務(wù)的系統(tǒng)工程大總體和探測(cè)器、運(yùn)載火箭、地面測(cè)控等系統(tǒng)架構(gòu)組成，綜合各領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)與模型積累，面向使命任務(wù)定義與需求分析、概念架構(gòu)定義與可行性論證、聯(lián)合方案設(shè)計(jì)與綜合評(píng)估等不同階段流程，開展國(guó)際月球科研站系統(tǒng)方案論證，形成一套ILRS 協(xié)同論證的多要素模型。

面向國(guó)際月球科研站論證階段任務(wù)，基于本文論述建設(shè)的軟件環(huán)境，實(shí)現(xiàn)多專業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、多領(lǐng)域系統(tǒng)仿真的同步進(jìn)行。相比傳統(tǒng)的各專業(yè)獨(dú)立工作模式，協(xié)同論證環(huán)境能夠明顯提高設(shè)計(jì)效率，保證模型、數(shù)據(jù)的一致性，目前已實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)模型的構(gòu)建。通過國(guó)際月球科研站并行協(xié)同環(huán)境集成系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、多領(lǐng)域仿真等工具，能夠支持不低于20 個(gè)崗位角色的協(xié)同論證，支持模型數(shù)據(jù)版本管理、用戶權(quán)限管理、任務(wù)流程建模、多工具集成、沖突檢查與差異合并等功能，滿足工程總體、探測(cè)器、運(yùn)載火箭、測(cè)控系統(tǒng)、地面應(yīng)用等系統(tǒng)總體的協(xié)同建模要求，在主頻2.60 GHz 雙核CPU、16 Gbit 內(nèi)存的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行流暢，模型完全同步時(shí)間小于1 min，Web 界面響應(yīng)時(shí) 間小于0.5 s。

4 結(jié)論與展望

針對(duì)探月工程數(shù)字化研制需求，從流程、方法、工具及應(yīng)用層面歸納分析了MBSE 國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)。提出了基于模型的探月工程并行協(xié)同設(shè)計(jì)框架，分析了該框架中的并行協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)，包括：針對(duì)跨專業(yè)、層級(jí)、地域的模型一致性維護(hù)技術(shù)，提出基于依賴圖的模型變動(dòng)識(shí)別、傳播與同步更新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)并行協(xié)同的高響應(yīng)性和高并發(fā)性；針對(duì)一體化協(xié)同論證環(huán)境的構(gòu)建技術(shù)，提出基于OSLC 的組件服務(wù)化封裝集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工具鏈的細(xì)粒度互聯(lián)互通。

研究成果為探月工程協(xié)同論證的并行協(xié)同環(huán)境建設(shè)提供了可行的解決方案。面向未來探月以及深空探測(cè)等重大型號(hào)工程研制過程中跨層級(jí)、領(lǐng)域、工具以及團(tuán)隊(duì)的協(xié)作，將繼續(xù)在MBSE 方法本土化、設(shè)計(jì)一體化、驗(yàn)證協(xié)同化、工具集成化和應(yīng)用體系化等方面繼續(xù)開展深入研究與實(shí)踐，具體如下。

構(gòu)建基于模型的月球探測(cè)任務(wù)跨層級(jí)協(xié)同研制方法體系，實(shí)現(xiàn)MBSE 方法本土化。結(jié)合探月領(lǐng)域的系統(tǒng)工程過程進(jìn)行分析，形成本地化的深空探測(cè)任務(wù)MBSE 方法論。

打通總體與系統(tǒng)間的模型傳遞和集成鏈路，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)一體化、驗(yàn)證協(xié)同化。重點(diǎn)研究基于模型的工程總體設(shè)計(jì)與驗(yàn)證技術(shù)，提升上下游需求模型協(xié)同、系統(tǒng)架構(gòu)與專業(yè)模型協(xié)同、設(shè)計(jì)與仿真模型協(xié)同。

打造自主可控的并行協(xié)同環(huán)境，實(shí)現(xiàn)MBSE 工具集成化。在方法與技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮中國(guó)在MBSE 軟件方面的技術(shù)能力，構(gòu)建自主可控的月球探測(cè)任務(wù)體系設(shè)計(jì)及驗(yàn)證集成環(huán)境。

由重大型號(hào)任務(wù)牽引，工程總體推動(dòng)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用體系化。通過在工程總體以及探測(cè)器、運(yùn)載器系統(tǒng)開展MBSE 數(shù)字樣機(jī)構(gòu)建，對(duì)其流程、方法、技術(shù)、平臺(tái)進(jìn)行充分驗(yàn)證，將基于模型的并行協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)推廣應(yīng)用于其他深空探測(cè)領(lǐng)域。