關於模型的系統工程在航天器研製中的研究與實踐論文

1引言

航天器研製是一項多學科、多專業相結合的大型系統工程，具有技術難度大、投入資金多、質量與可靠性要求高、協作單位多、研製風險高和管理難度大等特點。我國航天工業經過幾十年的發展，逐步形成了一套獨具特色的航天器研製系統工程管理模式。近年來，隨着一批重大工程的啟動，航天器研製出現了一些新的特點：①研製數量大幅增加，研製週期不斷縮短;②性能指標要求不斷提升，新產品、新技術不斷湧現;③多產品並舉，大規模協同，耦合關係複雜。

傳統的航天器研製模式都是基於文檔的，但由於航天器研製是一項涉及多學科融合的系統工程，不同設計人員所關注的領域不同，從文檔中讀取信息很容易產生理解的不一致性，在產品設計過程中經常出現反覆迭代修改等情況。雖然近年來，已從過去的紙質形式轉換為電子形式，但並未從根本上改變這一狀況。

2MBSE的內涵

在INCOSE發佈的2020年遠景規劃中，MBSE成為系統工程未來發展的重要方向。根據規劃，MBSE主要經過3個階段，2010年實現MBSE的標準化，2010-2020年是MBSE理論體系走向成熟化階段，在系統的架構模型中集成分析、仿真、可視化，並定義出完善的MBSE理論體系，到2025年，在各個領域應用MBSE方法。

最早提出MBSE概念的INCOSE給出瞭如下定義：

“基於模型的系統工程是通過形式化的建模手段，從概念設計階段開始就能夠支持系統需求、設計、分析、驗證和確認等活動，並持續貫穿整個開發過程和後續的生命週期階段”。

3MBSE在航天器研製中的研究與實踐

3.1航天器研製過程中對MBSE理論的創新與發展

在繼承國外實踐成果的基礎上，結合我國航天器研製的具體情況，對MBSE理論進行創新與發展。

1)通過主模型貫穿於產品全生命週期

雖然從定義中，指出MBSE貫穿於整個產品研製的全過程，但就目前而言，在國內外的相關研究和實踐中，MBSE的應用範圍僅侷限在產品的系統設計階段(即方案設計階段)。在該階段，通過系統建模語言(SysML)來支持產品設計初期階段的需求、功能和結構等過程的建模。但在後續的詳細設計階段，各個學科之間就完全割裂開來，此時SysML已無法適用。

2)融入“模型驅動”的思想

MBSE雖然是通過模型的不斷演化、迭代來實現產品設計，但MBSE仍然存在着不足：①建模工作量繁重，幾乎所有的建模過程均需要手工完成，對建模的自動化和智能化支持較少;②建模質量無法保證，由於建模需要手工完成，建模質量的高低依賴於設計人員的經驗，建模質量無法保證;③建模的效率低，尤其對於航天器這種大型複雜產品的建模，建模數量多，類型複雜，建模效率很低。

在現有的MBSE體系基礎上，融入“模型驅動”的思想，實現由MBSE向模型驅動的系統工程(Model-DrivenSystemEngineering，MDSE)轉變。兩者之間的區別為MBSE是通過“人工”驅動建模，而MDSE是通過“模型”智能化驅動建模，即利用現有的經驗知識，通過有效的推理策略進行知識推理，自動化、智能化地實現相關模型的推理，並進一步生成模型，以達到減少大量複雜和重複的工作，更好地重用知識。這種知識隱含在現有的產品研製過程中，需要對其進行深入挖掘才能提煉出來，並且這一過程的'實現不是一蹴而就的，而是逐步不斷完善的過程。

3.2MBSE在航天器研製過程中的應用實踐

在對MBSE理論創新和發展的同時，應用MB-SE理論指導航天器研製實踐，以開創一條適合我國國情的航天器研製管理模式。

1)建立、健全完善的系統工程研製流程體系

系統工程活動及其流程是系統工程體系的核心。根據當前航天器研製任務形勢，明確系統工程各階段任務劃分和實施要求，對關鍵技術活動開展集中攻關，不斷開展系統工程流程的梳理和優化，針對總體設計要素，提出所需的建模工具和手段，梳理建立航天器總體與結構協同設計流程、總體與熱控的協同設計流程、熱控三維設計流程、基於模型的跨專業協同設計流程、有效載荷快速設計流程、構型佈局設計實現流程、總體總裝設計流程、結構協同設計流程等。同時，借鑑先進的信息化技術和手段，實現高效的信息表達、數據管理、數據傳遞，為航天器研製流程的上下貫穿提供根本性保障。

2)以IDS為統一數據源的MBSE，解決MBSE應用範圍窄的問題

結合我國航天器研製的自身特點，提出了以設備接口數據單(InterfaceDataSheet，IDS)為統一數據源的MBSE，即在後續的設計階段，各個學科之間仍然可以通過統一數據源IDS進行協調設計，將MBSE的適用範圍擴展到整個產品設計階段。

3)充分利用現有知識，實現由MBSE向MDSE的轉變

在充分借鑑信息化技術的基礎上，結合自身實際情況，充分利用現有的設計知識，將多年積累的經驗和知識，如設計禁忌、設計要素、設計流程等融合到一個集成的航天器總體設計集成環境，然後，根據不同的設計階段和設計情境，通過有效的推理策略進行推理，智能化地實現航天器研製過程建模。

在此，開展了三維設計環境下基於IDS的設備自動建模、設備快速佈局、基於衞星電纜網設計系統(SatelliteCableDesignSystem，SCDS)數據的快速佈線布纜、總裝設計等功能，從源頭上保證了設計數據的一致性，有力地提升了航天器研製的規範化、標準化、自動化程度，加強了技術狀態控制，優化了研製流程，實現了真正的模型驅動。

4)基於模型的跨專業協同設計模式

MBSE概念的提出，雖然改變了原有的協同設計模式，但各學科、各專業之間的協同仍然是靠人工來協調。為此，在MBSE的基礎上，結合當前航天器研製模式，一方面，基於IDS統一數據源開展了總體-結構-熱控協同設計，有效解決了傳統模式下人工協商多、複核復算多和設計精度難以保證的問題。另一方面，建立了基於多級骨架關聯設計的並行機制，通過建立上下游專業設計對象之間、專業內部設計對象之間的關聯關係，實現當上遊設計發生變化時，下游設計可以自動更新，從而加快設計迭代週期，提高設計效率和質量。

5)基於MBD的全三維數字化產品定義

MBSE提出將“基於模型”的思想貫穿於整個產品研製的全生命週期，但在產品設計階段，傳統的數字化產品的定義是“二維+三維”形式，即所建的三維模型僅僅作為幾何模型，而尺寸、公差、粗糙度、熱處理方法等工藝信息仍然在二維圖紙上表示，這就導致了在製造環節中仍然要以二維工程圖作為製造的唯一依據，整個的製造體系仍然為傳統的二維體系，這種產品定義模式無法保證產品定義唯一性。

基於模型定義(Model-BasedDefinition，MBD)的數字化設計與製造技術已經成為製造業信息化的發展趨勢，它是將三維產品的製造信息與三維設計信息共同定義到產品的三維模型中，以改變目前三維模型和二維工程圖並存的局面，保證產品定義的唯一性。目前，國外MBD技術的應用已經比較成熟，其中的傑出代表波音公司，在787型客機研製過程中，全面採用了MBD技術，並將MBD模型作為製造的唯一依據，完全拋棄了二維工程圖樣。MBD技術並不是簡單地在三維模型上進行標註，而是通過一系列規範的方法更好地表達設計思想，以此打破“設計-製造”之間的隔閡，一方面，能容易地被設計人員所理解，另一方面，又能方便地被計算機處理。

6)航天器系統工程標準規範體系建設

在MBSE方法中，需要一套完善的航天器系統工程標準規範體系作為支撐，這是MBSE實施的執行依據。在梳理現有的標準規範的基礎上，重點開展了航天器系統工程標準規範體系框架設計，進一步消除系統工程標準規範體系中的薄弱環節。

通過研究國外相關標準和規範，結合航天器研製的特點，在航天器研製模式探索過程中，構建了符合自身特點的航天器數字化研製標準體系。

航天器數字化研製標準體系是由若干個相互依存、相互制約的數字化標準組成的具有特定功能的有機整體，企業綜合管理信息化標準和基礎運維標準作為整個體系的支撐標準，主要包括基礎類和應用類兩大類標準，其中基礎類標準主要為概念術語標準;應用類標準包括數字化設計、製造、裝配、試驗信息交換標準、數字化設計標準、基於數字化產品的製造標準、數字化測試試驗標準、數字化產品管理標準等，涵蓋了基礎、設計、製造、總裝、試驗、數據管理六大類別。

4結束語

MBSE代表着未來系統工程的最新進展和未來的發展方向。但應該指出的是，MBSE還處於探索階段，在具體的實施過程中，還會遇到各種各樣的問題。需要結合我國航天器研製特點和當前發展要求，制定出長遠的發展規劃。同時，還應密切關注國內外研究機構在這一領域的進展，進一步吸收和消化國內外的研究成果，形成具有我國航天特色的MBSE，提高我國航天器研製能力和航天器總體設計水平。