一種基于UPDM 的載人月面活動(dòng)體系架構(gòu)建模研究

趙志萍, 袁家駿, 陳宇薇, 閆雪嬌, 王翊時(shí), 許惟揚(yáng), 卜劭華, 王 乾

(1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所, 上海 201109; 2.中國(guó)航空研究院, 北京 100029)

1 引言

體系架構(gòu)建模是基于模型開展體系開發(fā)的重要內(nèi)容。復(fù)雜體系是由多個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)共同的目標(biāo)而形成的集合和網(wǎng)絡(luò)[1]。體系架構(gòu)(Architecture)與所分析的具體對(duì)象如復(fù)雜組織體、飛機(jī)、系統(tǒng)、設(shè)備、軟件等相關(guān)。架構(gòu)模型從不同的視角對(duì)體系架構(gòu)進(jìn)行描述,形成一系列視圖。體系架構(gòu)框架定義了標(biāo)準(zhǔn)的視角,為架構(gòu)建模提供了參考。為更好地使用體系架構(gòu)描述特定領(lǐng)域的信息,2003 年美國(guó)國(guó)防部基于C4ISR 體系架構(gòu)框架,發(fā)布了可應(yīng)用于所有任務(wù)領(lǐng)域的國(guó)防部體系架構(gòu)框架( DoD Architecture Framework,DoDAF),并在實(shí)踐中不斷完善其視角、視圖和元模型,于2010 年修改完善至2.02 版。目前,DoDAF 共劃分為包含能力視角、作戰(zhàn)視角、系統(tǒng)視角、服務(wù)視角、全景視角、數(shù)據(jù)視角、項(xiàng)目視角等在內(nèi)的8 個(gè)視角和52 個(gè)視圖規(guī)范。英國(guó)基于DoDAF 1.0 版,開發(fā)出英國(guó)的國(guó)防部體系架構(gòu)框架(British Ministry of Defence Architecture Framework, MoDAF),在DoDAF 的基礎(chǔ)上剪裁了能力視角、數(shù)據(jù)視角,增設(shè)戰(zhàn)略視角和采辦視角,以適配其業(yè)務(wù)特點(diǎn)。

2005 年,國(guó)際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)組織之一的對(duì)象管理組織(Object Management Group, OMG) 整 合DoDAF、MoDAF 等體系架構(gòu)框架的元模型、視圖和視角,基于UML 建模語(yǔ)言,構(gòu)建最大通用核心元模型集和最小DoDAF、MoDAF 元模型集,開發(fā)DoDAF 與MoDAF 統(tǒng)一配置文件(Unified Profile for DoDAF and MoDAF, UPDM)[2-3],從而在英、美以及北約之間形成統(tǒng)一的體系架構(gòu)建模規(guī)范,擴(kuò)大其模型應(yīng)用范圍[4]。隨著DoDAF 與MoDAF的更新,UPDM 不斷迭代完善,并于2013 年更新發(fā)布UPDM 2.1 版本。

此外,國(guó)外多家軍事及工業(yè)部門(雷神、洛克希德、格魯曼公司等)均運(yùn)用UPDM 進(jìn)行武器裝備體系及武器平臺(tái)的論證[3],國(guó)內(nèi)研究人員也將UPDM 建模方法應(yīng)用于協(xié)同作戰(zhàn)體系[5-6]、武器裝備體系[7]等建模分析中。

隨著人類航天技術(shù)的發(fā)展,通過(guò)持續(xù)月球探測(cè),開發(fā)利用月球資源,最終在月面建立可持續(xù)發(fā)展的科研站成為各航天大國(guó)的載人月球探測(cè)目標(biāo)。月面活動(dòng)是探月任務(wù)體現(xiàn)能力、保障安全、提升效益的重要組成部分,也是載人月球探測(cè)的亮點(diǎn)[8]。未來(lái)月面活動(dòng)涉及實(shí)施登月階段、月球科研站階段、月球基地階段等多階段[8],月面探測(cè)、月面服務(wù)、月面作業(yè)等多場(chǎng)景[9],月球車、機(jī)器人、可移動(dòng)月面實(shí)驗(yàn)室等多飛行器協(xié)同工作模式[8-11],是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。

建模語(yǔ)言、方法和工具是基于模型系統(tǒng)工程的三大基石[12]。體系架構(gòu)框架為體系架構(gòu)建模提供了語(yǔ)言和模型的規(guī)范,但還需要建模方法的指導(dǎo)。采用基于模型的方法開展月面活動(dòng)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)將有利于系統(tǒng)梳理月面活動(dòng)任務(wù)設(shè)計(jì)目標(biāo)、任務(wù)組成設(shè)施、任務(wù)活動(dòng)流程及基于模型開展相關(guān)仿真分析。然而,在實(shí)際工程中,除了選擇合適的體系架構(gòu)框架外,還要根據(jù)工程需求對(duì)架構(gòu)框架進(jìn)行靈活的剪裁使用。同時(shí),還應(yīng)設(shè)計(jì)詳細(xì)的基于模型的架構(gòu)建模與分析方法,建立建模規(guī)范,說(shuō)明具體的建模流程和基于模型的設(shè)計(jì)和分析方法。

本文針對(duì)月面活動(dòng)體系架構(gòu)設(shè)計(jì),應(yīng)用UPDM2.1,定義了詳細(xì)的建模方法,為未來(lái)的月面活動(dòng)任務(wù)設(shè)計(jì)提供支持。

2 UPDM 建模方法

采用UPDM 進(jìn)行載人月面活動(dòng)體系架構(gòu)建?？梢栽谌蝿?wù)初期更好地研究月面活動(dòng)場(chǎng)景,優(yōu)化月面活動(dòng)流程和飛行器配置,使得月面活動(dòng)設(shè)計(jì)更具靈活性。

實(shí)際建模時(shí),UPDM 能夠支持包含硬件、軟件、數(shù)據(jù)、人員和設(shè)施等元素的復(fù)雜系統(tǒng)的模型化表達(dá),可覆蓋從體系級(jí)到各低層級(jí)的設(shè)計(jì)和實(shí)施,以支持復(fù)雜系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。同時(shí),在具體應(yīng)用領(lǐng)域中,UPDM 可以對(duì)運(yùn)行能力、服務(wù)、系統(tǒng)活動(dòng)、節(jié)點(diǎn)、系統(tǒng)功能、接口、端口、交互、效能、物理特性以及測(cè)量指標(biāo)等元素進(jìn)行建模[13]。

UPDM2.1 共有8 個(gè)視角,分別為能力視角、項(xiàng)目視角、服務(wù)視角、運(yùn)行視角、自定義視角、全景視角、系統(tǒng)視角和技術(shù)視角。在體系模型構(gòu)建時(shí),通常根據(jù)實(shí)際需求對(duì)所需視角進(jìn)行剪裁使用。本文主要使用能力視角、運(yùn)行視角和系統(tǒng)視角中的部分視圖。

2.1 架構(gòu)模型視角的選擇

2.1.1 能力視角

能力視角(Capability Viewpoint, CV)用以支撐基于組織戰(zhàn)略意圖分析并優(yōu)化能力交付的流程。CV 通過(guò)戰(zhàn)略分析梳理出能力概念,并按照一定的規(guī)則將其分解為不同種類的子能力,同時(shí)根據(jù)體系任務(wù)要求,為各能力設(shè)定相應(yīng)的指標(biāo)(Measure of Effectiveness, MOE),以支撐后續(xù)對(duì)能力的審查及能力差距分析等活動(dòng)。

1)CV-1 提供了體系能力的戰(zhàn)略背景,同時(shí)圈定了架構(gòu)的高階范圍。由于CV-1 用于與各利益攸關(guān)方溝通體系戰(zhàn)略愿景中的能力演進(jìn)問(wèn)題,在本視圖中通常使用通識(shí)化而非技術(shù)專業(yè)的語(yǔ)言描述。

2)CV-2 主要描述了體系中能力的分類、分級(jí)情況。在本視圖中,需要識(shí)別體系為完成任務(wù)需要具備的能力,并根據(jù)以往或新定義的類別,對(duì)能力進(jìn)行逐級(jí)分解,同時(shí),需要將CV-1、OV-1 中的體系任務(wù)目標(biāo)分解為能力的指標(biāo),為后續(xù)能力審查、能力差距分析等活動(dòng)提供重要輸入。

3)CV-6 展示了體系各項(xiàng)能力與為獲取能力所需執(zhí)行活動(dòng)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,用以檢查是否有缺少能力但需執(zhí)行的活動(dòng)或設(shè)計(jì)了對(duì)能力實(shí)現(xiàn)無(wú)貢獻(xiàn)的多余活動(dòng)。

2.1.2 運(yùn)行視角

運(yùn)行視角(Operational Viewpoint, OV)描述了體系的任務(wù)、活動(dòng)、運(yùn)行單元及運(yùn)行所需的資源和資源間的流轉(zhuǎn)等信息,通常不包含具體系統(tǒng)或軟件的信息。

1)OV-1 表述了任務(wù)的高階全景圖,是對(duì)體系所參與的任務(wù)、任務(wù)類型或場(chǎng)景的描述。OV-1 定義體系任務(wù)的邊界、確定運(yùn)行任務(wù)、明確運(yùn)行節(jié)點(diǎn),同時(shí)將運(yùn)行節(jié)點(diǎn)與使命任務(wù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

2)OV-2 主要用以描述運(yùn)行資源及資源的流轉(zhuǎn),包括信息流、資金流、人員和物資流等。在此視圖中,可以識(shí)別體系中的運(yùn)行節(jié)點(diǎn),梳理運(yùn)行節(jié)點(diǎn)間的信息或資源的交互,并在此基礎(chǔ)上識(shí)別各節(jié)點(diǎn)的接口需求。

3)OV-5 描述了為實(shí)現(xiàn)體系任務(wù)或業(yè)務(wù)目標(biāo),體系各節(jié)點(diǎn)執(zhí)行的活動(dòng)、輸入/輸出、與架構(gòu)范圍外的活動(dòng)交互等。

2.1.3 系統(tǒng)視角

系統(tǒng)視角(Systems Viewpoint,SV)表述了由哪些資源來(lái)實(shí)現(xiàn)體系所需的能力,包含各資源功能、資源間的交互、資源間的接口等信息。SV 可以提供OV 中各活動(dòng)具體實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)解決方案,也可以單純地向邏輯架構(gòu)提供更多的細(xì)節(jié)信息。SV 將牽引出可滿足用戶需求的系統(tǒng)解決方案,同時(shí)根據(jù)CV 和OV 中的各項(xiàng)需求,分析提出各類系統(tǒng)所需的性能指標(biāo)參數(shù),從而支撐后續(xù)的采辦項(xiàng)目管理。

1)SV-1 描述了體系系統(tǒng)解決方案中各系統(tǒng)的組成及相互間的交互。該視圖是對(duì)OV-2 中運(yùn)行資源的系統(tǒng)層面的實(shí)現(xiàn),在體系設(shè)計(jì)中,由于存在多種系統(tǒng)解決方案,故可能會(huì)有多個(gè)備選的SV-1 視圖。

2)SV-4 描述每個(gè)資源輸入(消耗)和輸出(產(chǎn)生)的數(shù)據(jù)流,以及為實(shí)現(xiàn)OV 中活動(dòng)所需的功能及資源的分配,同時(shí)包含對(duì)系統(tǒng)功能邏輯的描述,是OV-5 在系統(tǒng)層級(jí)的表述和實(shí)現(xiàn)方案的詳細(xì)說(shuō)明。同時(shí),該視圖可用以梳理出構(gòu)成體系的各系統(tǒng)需求。

3)SV-5 以表格的形式表述OV 中的運(yùn)行活動(dòng)與SV 中功能的映射關(guān)系,表示活動(dòng)在系統(tǒng)層級(jí)是否具備解決方案。該視圖用以追蹤系統(tǒng)需求與體系任務(wù)需求的關(guān)聯(lián)關(guān)系,同時(shí)識(shí)別系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的冗余或缺失。

2.2 基于UPDM 的體系架構(gòu)建模流程

基于UPDM 的體系架構(gòu)建模流程是根據(jù)工程中體系架構(gòu)開發(fā)的過(guò)程,對(duì)UPMD 中的相關(guān)視圖模型進(jìn)行構(gòu)建的工作流程。在實(shí)際工程項(xiàng)目中,視圖模型之間往往需要持續(xù)迭代,本文列出的流程為主要工作流階段。在該流程中,首先分析體系所需能力,而后識(shí)別、開發(fā)能力所需要的任務(wù)及活動(dòng),將各活動(dòng)分配至實(shí)際系統(tǒng),最終得出滿足體系能力需求的系統(tǒng)解決方案。本文體系建模流程如圖1 所示。

1)提出總體構(gòu)想(CV-1)。根據(jù)輸入的用戶需求,識(shí)別并定義體系全生命周期的規(guī)劃愿景,并識(shí)別體系將遇到的約束條件。針對(duì)項(xiàng)目的愿景開展階段劃分,分析并定義各階段的愿景與目標(biāo)。

2)執(zhí)行能力分解(CV-2)。根據(jù)各階段愿景,識(shí)別體系執(zhí)行基本任務(wù)所需的能力,并將愿景和目標(biāo)分解至能力的指標(biāo)需求。根據(jù)業(yè)務(wù)實(shí)際相關(guān)性,對(duì)能力進(jìn)行分類、分解,同時(shí)將上層級(jí)的指標(biāo)需求量化至末級(jí)能力。

3)構(gòu)建高階運(yùn)行場(chǎng)景(OV-1)。根據(jù)所需的能力,完善體系運(yùn)行概念,界定使命任務(wù)的范圍,確定體系運(yùn)行的高階場(chǎng)景,包括運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行任務(wù)、運(yùn)行節(jié)點(diǎn)等。該步驟的場(chǎng)景通常使用圖形進(jìn)行描述,以便與高層利益攸關(guān)者確認(rèn)體系的運(yùn)行概念與需求。

4)識(shí)別運(yùn)行資源流信息(OV-2)。識(shí)別并細(xì)化高階運(yùn)行場(chǎng)景中的各運(yùn)行節(jié)點(diǎn),梳理運(yùn)行節(jié)點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,包括各類資源、信息、數(shù)據(jù)流向,同時(shí)根據(jù)各類信息交互,識(shí)別各運(yùn)行節(jié)點(diǎn)的交互接口。

5)設(shè)計(jì)運(yùn)行活動(dòng)流程(OV-5)。細(xì)化場(chǎng)景和各節(jié)點(diǎn)的資源流,識(shí)別各節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行活動(dòng),基于場(chǎng)景梳理活動(dòng)的前后邏輯順序,將活動(dòng)、輸入/輸出、運(yùn)行節(jié)點(diǎn)與邏輯順序關(guān)聯(lián),設(shè)計(jì)體系中運(yùn)行活動(dòng)的流程。

6)關(guān)聯(lián)能力與活動(dòng)(CV-6)。將OV-5 中識(shí)別出的活動(dòng)與CV-2 中識(shí)別出的末級(jí)能力相關(guān)聯(lián),檢查未被活動(dòng)滿足的能力缺口。根據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系,將能力的指標(biāo)需求轉(zhuǎn)化為活動(dòng)的指標(biāo)需求。

7)設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能流程(SV-4)。根據(jù)OV-5 所識(shí)別的運(yùn)行活動(dòng)流程,設(shè)計(jì)在系統(tǒng)層面能夠?qū)崿F(xiàn)的系統(tǒng)功能流程。同時(shí),根據(jù)OV-5 中的運(yùn)行節(jié)點(diǎn),初步設(shè)計(jì)執(zhí)行功能的各項(xiàng)系統(tǒng)。

8)關(guān)聯(lián)活動(dòng)與系統(tǒng)功能(SV-5)。將OV-5 中識(shí)別的運(yùn)行活動(dòng)與系統(tǒng)功能進(jìn)行映射關(guān)聯(lián),檢查系統(tǒng)功能是否覆蓋所有的運(yùn)行活動(dòng)。而后將活動(dòng)的指標(biāo)需求轉(zhuǎn)化至功能的指標(biāo)需求。

9)設(shè)計(jì)系統(tǒng)解決方案(SV-1)。根據(jù)系統(tǒng)功能及實(shí)際的實(shí)現(xiàn)能力,設(shè)計(jì)體系的系統(tǒng)級(jí)解決方案。將功能所涉及的性能指標(biāo)轉(zhuǎn)化、關(guān)聯(lián)至所分配的系統(tǒng),生成系統(tǒng)的性能指標(biāo)參數(shù)需求。

3 基于UPDM 的月面活動(dòng)體系架構(gòu)建模

3.1 定義月面活動(dòng)體系總體構(gòu)想

使用CV-1 視圖建立月面活動(dòng)體系的總體構(gòu)想模型,如圖2 所示,載人月球探測(cè)工程的總體愿景為探索建造月球科研站,支持實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期多次載人進(jìn)駐的月面探測(cè)活動(dòng),并分2 個(gè)階段達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。第一階段(2020—2030 年),實(shí)現(xiàn)載人登陸月球和開展月面探測(cè)與科學(xué)試驗(yàn);第二階段(2030—2040 年),實(shí)現(xiàn)建造月球科研站、人類地外長(zhǎng)期生存與工作和開發(fā)利用月球資源。其中,2個(gè)階段均需要的核心體系能力包括:

圖2 CV-1 月面活動(dòng)體系總體構(gòu)想Fig.2 Overall concept of CV-1 Lunar surface activities architecture

1)月面系統(tǒng)部署能力;

2)生命保障能力;

3)月面作業(yè)能力;

4)月面乘員運(yùn)輸能力;

5)月面設(shè)施及樣本運(yùn)輸能力;

6)為實(shí)現(xiàn)第二階段目標(biāo),還需要體系具備原位資源利用能力。

3.2 建立月面活動(dòng)體系能力譜系

利用CV-2 視圖建立月面能力譜系,圖3 顯示了一級(jí)能力譜系,包括月面系統(tǒng)部署、生命保障、通信、信息處理、導(dǎo)航、熱量管理等。圖2 中的核心能力對(duì)能力譜系中的部分能力進(jìn)行了展示。例如,月面乘員運(yùn)輸能力和月面設(shè)施及樣本運(yùn)輸能力是月面移動(dòng)能力的子能力。

圖3 CV-2 月面活動(dòng)體系一級(jí)能力譜系Fig.3 Level 1 capabilities of CV-2 Lunar surface activities architecture

3.3 構(gòu)建月面活動(dòng)體系高階運(yùn)行概念

使用OV-1 視圖初步描繪月面活動(dòng)體系的運(yùn)行概念,如圖4 所示。月面活動(dòng)體系通過(guò)測(cè)控通信系統(tǒng)與地面指揮站進(jìn)行通信,載人飛船在環(huán)月軌道上運(yùn)行,并通過(guò)月面著陸器向月面往返運(yùn)輸航天員和載荷,月面著陸器、月面活動(dòng)系統(tǒng)、航天員系統(tǒng)和科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)共同完成在月面的作業(yè)任務(wù)。

圖4 OV-1 月面活動(dòng)體系高階運(yùn)行概念Fig.4 High level operational concept of OV-1 Lunar surface activities architecture

3.4 分析月面活動(dòng)體系運(yùn)行活動(dòng)

使用OV-5a 和OV-5b 對(duì)月面活動(dòng)體系的運(yùn)行活動(dòng)進(jìn)行建模。其中OV-5a 對(duì)運(yùn)行活動(dòng)進(jìn)行分層與分類,形成運(yùn)行活動(dòng)樹,為具體的運(yùn)行場(chǎng)景提供可復(fù)用的模型元素;OV-5b 表達(dá)具體的運(yùn)行場(chǎng)景,從高階的活動(dòng)流程開始逐層細(xì)化分解,直至完整表達(dá)月面活動(dòng)體系的運(yùn)行活動(dòng)邏輯。圖5 表達(dá)了月面活動(dòng)體系從著陸月面開始到航天員離開月面的高階活動(dòng)流程,其中每個(gè)活動(dòng)都將進(jìn)一步開展分析其下級(jí)子活動(dòng),圖6 顯示為執(zhí)行月面探測(cè)任務(wù)的子活動(dòng)。

圖5 OV-5b 月面活動(dòng)體系頂層運(yùn)行活動(dòng)Fig.5 Top level operational activities of OV-5b Lunar surface activities architecture

圖6 OV-5b 執(zhí)行月面探測(cè)任務(wù)活動(dòng)Fig.6 OV-5b Lunar surface exp loration activities

3.5 月面活動(dòng)體系能力與活動(dòng)關(guān)聯(lián)分析

使用CV-6 的能力與運(yùn)行活動(dòng)關(guān)聯(lián)矩陣,將月面活動(dòng)體系能力與月面運(yùn)行活動(dòng)建立追溯關(guān)聯(lián),從而確保經(jīng)過(guò)充分的運(yùn)行活動(dòng)分析,完整梳理出實(shí)現(xiàn)體系能力的相關(guān)活動(dòng)需求。圖7 顯示了5個(gè)關(guān)鍵的體系能力與高階月面運(yùn)行活動(dòng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。在建模過(guò)程中,所有CV-2 中的子能力均通過(guò)該方法與使用OV-5 視圖梳理出的運(yùn)行活動(dòng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析,經(jīng)過(guò)多輪反復(fù)迭代,確認(rèn)最終的能力譜系和運(yùn)行活動(dòng)。

圖7 CV-6 月面活動(dòng)體系能力與運(yùn)行活動(dòng)關(guān)聯(lián)Fig.7 Correlation of CV-6 Lunar surface activities architecture capability with operational activities

3.6 定義月面活動(dòng)體系能力解決方案

利用SV-1 視圖定義月面活動(dòng)體系能力解決方案,明確構(gòu)成體系的具體系統(tǒng)。圖8 中針對(duì)OV-1 中的月面活動(dòng)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)(執(zhí)行月面活動(dòng)相關(guān)運(yùn)行活動(dòng)的月面設(shè)施,不包含測(cè)控通信、航天員系統(tǒng)等),定義了2 個(gè)可選解決方案,方案權(quán)衡分析具體在第4 節(jié)說(shuō)明。

圖8 SV-1 月面活動(dòng)體系能力解決方案定義Fig.8 Definition of capability solution in SV-1 Lunar surface activities architecture

3.7 詳細(xì)梳理月面系統(tǒng)功能需求

根據(jù)體系能力解決方案,對(duì)應(yīng)OV-5 中定義的運(yùn)行活動(dòng),詳細(xì)梳理系統(tǒng)的功能需求,從而確保所有運(yùn)行活動(dòng)均得到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。圖9 分析了生命保障與移動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)活動(dòng)的系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)方式。為了實(shí)現(xiàn)構(gòu)建生命保障環(huán)境活動(dòng),需要月面著陸器、航天員系統(tǒng)具備構(gòu)建生命保障環(huán)境的功能;為了實(shí)現(xiàn)移動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)(月面兩點(diǎn)之間的移動(dòng))活動(dòng),根據(jù)實(shí)際運(yùn)行場(chǎng)景分別需要4 種實(shí)現(xiàn)方式,即航天員徒步移動(dòng)、月面實(shí)驗(yàn)室在測(cè)控通信系統(tǒng)指揮下的遙操作移動(dòng)、可移動(dòng)月面實(shí)驗(yàn)室和月球車均具備的自主移動(dòng)和航天員進(jìn)行駕駛移動(dòng)。

圖9 SV-4 系統(tǒng)功能描述Fig.9 Description of SV-4 systems functionality

對(duì)所有運(yùn)行活動(dòng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn),并對(duì)所有定義的運(yùn)行場(chǎng)景使用帶泳道的活動(dòng)圖對(duì)系統(tǒng)功能的順序進(jìn)行編排,從而確保系統(tǒng)的功能需求分析充分。圖10 為開展月面探測(cè)活動(dòng)的泳道圖。

圖10 月面探測(cè)系統(tǒng)功能流圖Fig.10 Flowchart of Lunar surface exp loration systems functionality

本文使用SV-5 的關(guān)系矩陣,對(duì)運(yùn)行活動(dòng)與不同解決方案下的系統(tǒng)功能建立了實(shí)現(xiàn)的追溯關(guān)系矩陣,通過(guò)充分分析和反復(fù)迭代,最終確認(rèn)了功能分析的完整性。該過(guò)程與CV-6 的分析過(guò)程類似。同時(shí),可以構(gòu)建月面活動(dòng)體系能力-活動(dòng)-功能追溯關(guān)系圖(圖11),對(duì)體系能力整體情況進(jìn)行追溯管理。

圖11 能力-活動(dòng)-功能追溯關(guān)系圖Fig.11 Relationships among capability, operational activity and function traceability

4 月面活動(dòng)配置權(quán)衡與優(yōu)化

4.1 月面活動(dòng)體系架構(gòu)方案權(quán)衡

本文月面活動(dòng)體系均包含月球車、機(jī)器人和輔助設(shè)施,差別在于增加了可移動(dòng)月面實(shí)驗(yàn)室。在體系架構(gòu)模型基礎(chǔ)上,進(jìn)一步使用SysML 參數(shù)圖建立分析模型,選擇對(duì)目標(biāo)興趣點(diǎn)的最大探測(cè)時(shí)間、安全探測(cè)并返回的概率以及成本作為目標(biāo),對(duì)2 個(gè)解決方案的表現(xiàn)進(jìn)行權(quán)衡分析。

為簡(jiǎn)化分析模型,假設(shè)月面活動(dòng)體系的任務(wù)為對(duì)距離月面著陸器d處的單一興趣點(diǎn)進(jìn)行探測(cè)。方案1,航天員從月面著陸器出艙后駕駛月球車移動(dòng)到興趣點(diǎn),執(zhí)行探測(cè)后回到月面著陸器;方案2,航天員從月面著陸器出艙后進(jìn)入可移動(dòng)月面實(shí)驗(yàn)室,駕駛實(shí)驗(yàn)室移動(dòng)到興趣點(diǎn),再?gòu)膶?shí)驗(yàn)室出艙,執(zhí)行探測(cè)后回到實(shí)驗(yàn)室,駕駛實(shí)驗(yàn)室回到著陸器。分析所用的其他系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)見表1,建立的參數(shù)圖模型見圖12、圖13。

表1 方案權(quán)衡分析參數(shù)說(shuō)明Table 1 Parameters in solution tradeoff analysis

圖12 方案1 權(quán)衡分析參數(shù)圖Fig.12 Parameter diagram of solution 1 tradeoff analysis

圖13 方案2 權(quán)衡分析參數(shù)圖Fig.13 Param eter diagram of solution 2 tradeoff analysis

通過(guò)對(duì)參數(shù)圖的仿真,輸入探測(cè)距離d,可以自動(dòng)計(jì)算得到2 個(gè)方案的興趣點(diǎn)最大探測(cè)時(shí)間tmax和安全探測(cè)并返回概率P,匯總結(jié)果到表2。從表中可以看出,加入可移動(dòng)月面實(shí)驗(yàn)室可有效拓展安全探測(cè)區(qū)域,增加探測(cè)時(shí)間。但實(shí)際工程中還應(yīng)考慮增加飛行器帶來(lái)的體系開發(fā)和運(yùn)行成本以及技術(shù)實(shí)現(xiàn)性。

表2 方案權(quán)衡分析結(jié)果Table 2 Results of solution tradeoff analysis

從上述分析可以看出,將體系架構(gòu)模型與參數(shù)圖分析模型關(guān)聯(lián)是權(quán)衡分析的有效手段。2 個(gè)方案最終的權(quán)衡選擇需要結(jié)合具體的探測(cè)任務(wù)情況(興趣點(diǎn)的數(shù)量和分布)以及成本預(yù)算確定。系統(tǒng)采用模塊化構(gòu)成,可快速重新定義新方案的架構(gòu)和參數(shù),從而有效提升權(quán)衡分析的效率。特別是當(dāng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)發(fā)生變化后,可快速通過(guò)參數(shù)圖的仿真,得到新結(jié)果。如假設(shè)本文研究中的探測(cè)任務(wù)為距離著陸點(diǎn)5 km 范圍內(nèi)的少數(shù)興趣點(diǎn),通過(guò)權(quán)衡分析可知采用方案1(即不含可移動(dòng)月面實(shí)驗(yàn)室)更合適。

4.2 月面艙外探測(cè)任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)分析與優(yōu)化

通過(guò)對(duì)月面艙外探測(cè)任務(wù)航天員安全返回月面著陸器的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析,從而對(duì)方案1 的進(jìn)一步優(yōu)化提供基礎(chǔ)。考慮航天員在月面活動(dòng)能否安全返回月面著陸器與月面移動(dòng)方式和出艙任務(wù)時(shí)間有關(guān),分析月面艙外探測(cè)任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)。

設(shè)登月服艙外生命保障最大支持時(shí)間為te,異常應(yīng)急條件下登月服可維持時(shí)間為tm,航天員月面徒步移動(dòng)速度為Vc,月球車月面平均移動(dòng)速度為Vv,登月服可靠性為Rc,月球車可靠性為Rv,艙外活動(dòng)經(jīng)過(guò)探測(cè)點(diǎn)1 和探測(cè)點(diǎn)2。以航天員出艙為起始時(shí)間,航天員在月面艙外活動(dòng)時(shí)間t時(shí)刻,航天員距月面著陸器的距離為d,假設(shè)航天員可以最短直線距離行駛,考慮航天員可以安全返回著陸器的概率P。登月服和月球車分別處于正常工作狀態(tài)和異常工作狀態(tài)組合的4 種情況下,航天員可安全返回月面著陸器的條件如下:

1)登月服和月球車均處于正常工作狀態(tài),航天員可乘坐月球車返回著陸器,故應(yīng)滿足式(1)。

2)登月服出現(xiàn)異常,月球車均處于正常工作狀態(tài),航天員可乘坐月球車,在登月服應(yīng)急保障時(shí)間內(nèi)返回著陸器,故除式(1)約束外,應(yīng)同時(shí)滿足式(2)。

3)登月服處于正常工作狀態(tài),但月球車異常,航天員可徒步返回著陸器,故應(yīng)滿足式(3)。

4)登月服和月球車均發(fā)生異常,航天員應(yīng)在登月服應(yīng)急保障時(shí)間內(nèi)徒步返回著陸器,故除約束式(3)外,應(yīng)同時(shí)滿足約束式(4)。

對(duì)上述4 種條件,按照條件概率計(jì)算方法可以得到航天員安全返回著陸器的概率P,如式(5)～(10)所示。

式中,

根據(jù)上述計(jì)算方法,建立系統(tǒng)參數(shù)與風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算間的約束關(guān)系,構(gòu)建參數(shù)圖如圖14 所示。根據(jù)表1 參數(shù),計(jì)算得到航天員安全返回著陸器的概率分布,結(jié)果如圖15 所示?；诤教靻T可安全返回著陸器的概率區(qū)域分布,可支持優(yōu)化月面艙外探測(cè)任務(wù)規(guī)劃,輔助分析給定可接受艙外活動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)條件下,探測(cè)點(diǎn)距離著陸器的位置選擇及在探測(cè)點(diǎn)允許的工作時(shí)間。相應(yīng)可形成任務(wù)剖線,如圖15 中折線所示,在任務(wù)規(guī)劃中使任務(wù)剖線始終保持在風(fēng)險(xiǎn)可接受的區(qū)域中。同時(shí),可通過(guò)調(diào)整月面活動(dòng)體系中系統(tǒng)參數(shù)改變風(fēng)險(xiǎn)概率分布,以滿足給定任務(wù)對(duì)月面艙外活動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)要求。

圖14 月面艙外探測(cè)活動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)分析參數(shù)圖Fig.14 Parameter diagram of Lunar surface EVA risk analysis

圖15 月面艙外探測(cè)風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果圖Fig.15 Results of Lunar surface EVA risk analysis

5 結(jié)論

1)根據(jù)載人月面活動(dòng)體系的特點(diǎn),探索研究了適用的體系建模流程,其流程、架構(gòu)和活動(dòng)模型均可拓展應(yīng)用于后續(xù)載人火星探測(cè)、載人地外行星基地建設(shè)等工程項(xiàng)目。

2)應(yīng)用建立的體系架構(gòu)模型開展了月面活動(dòng)配置權(quán)衡與優(yōu)化分析,針對(duì)不同的月面活動(dòng)方案,可通過(guò)架構(gòu)和參數(shù)快速重定義,提升多方案權(quán)衡分析的效率;針對(duì)具體方案,可開展基于參數(shù)的方案優(yōu)化設(shè)計(jì)。