关于模型的系统工程在航天器研制中的研究与实践

　　1引言
　　航天器研制是一项多学科、多专业相结合的大型系统工程，具有技术难度大、投入资金多、质量与可靠性要求高、协作单位多、研制风险高和管理难度大等特点。我国航天工业经过几十年的发展，逐步形成了一套独具特色的航天器研制系统工程管理模式。近年来，随着一批重大工程的启动，航天器研制出现了一些新的特点：①研制数量大幅增加，研制周期不断缩短;②性能指标要求不断提升，新产品、新技术不断涌现;③多产品并举，大规模协同，耦合关系复杂。
　　传统的航天器研制模式都是基于文档的，但由于航天器研制是一项涉及多学科融合的系统工程，不同设计人员所关注的领域不同，从文档中读取信息很容易产生理解的不一致性，在产品设计过程中经常出现反复迭代修改等情况。虽然近年来，已从过去的纸质形式转换为电子形式，但并未从根本上改变这一状况。
　　2MBSE的内涵
　　在INCOSE发布的2020年远景规划中，MBSE成为系统工程未来发展的重要方向。根据规划，MBSE主要经过3个阶段，2010年实现MBSE的标准化，2010-2020年是MBSE理论体系走向成熟化阶段，在系统的架构模型中集成分析、仿真、可视化，并定义出完善的MBSE理论体系，到2025年，在各个领域应用MBSE方法。
　　最早提出MBSE概念的INCOSE给出了如下定义：
　　基于模型的系统工程是通过形式化的建模手段，从概念设计阶段开始就能够支持系统需求、设计、分析、验证和确认等活动，并持续贯穿整个开发过程和后续的生命周期阶段。
　　3MBSE在航天器研制中的研究与实践
　　3.1航天器研制过程中对MBSE理论的创新与发展
　　在继承国外实践成果的基础上，结合我国航天器研制的具体情况，对MBSE理论进行创新与发展。
　　1)通过主模型贯穿于产品全生命周期
　　虽然从定义中，指出MBSE贯穿于整个产品研制的全过程，但就目前而言，在国内外的相关研究和实践中，MBSE的应用范围仅局限在产品的系统设计阶段(即方案设计阶段)。在该阶段，通过系统建模语言(SysML)来支持产品设计初期阶段的需求、功能和结构等过程的建模。但在后续的详细设计阶段，各个学科之间就完全割裂开来，此时SysML已无法适用。
　　2)融入模型驱动的思想
　　MBSE虽然是通过模型的不断演化、迭代来实现产品设计，但MBSE仍然存在着不足：①建模工作量繁重，几乎所有的建模过程均需要手工完成，对建模的自动化和智能化支持较少;②建模质量无法保证，由于建模需要手工完成，建模质量的高低依赖于设计人员的经验，建模质量无法保证;③建模的效率低，尤其对于航天器这种大型复杂产品的建模，建模数量多，类型复杂，建模效率很低。
　　在现有的MBSE体系基础上，融入模型驱动的思想，实现由MBSE向模型驱动的系统工程(Model-DrivenSystemEngineering，MDSE)转变。两者之间的区别为MBSE是通过人工驱动建模，而MDSE是通过模型智能化驱动建模，即利用现有的经验知识，通过有效的推理策略进行知识推理，自动化、智能化地实现相关模型的推理，并进一步生成模型，以达到减少大量复杂和重复的工作，更好地重用知识。这种知识隐含在现有的产品研制过程中，需要对其进行深入挖掘才能提炼出来，并且这一过程的实现不是一蹴而就的，而是逐步不断完善的过程。
　　3.2MBSE在航天器研制过程中的应用实践
　　在对MBSE理论创新和发展的同时，应用MB-SE理论指导航天器研制实践，以开创一条适合我国国情的航天器研制管理模式。
　　1)建立、健全完善的系统工程研制流程体系
　　系统工程活动及其流程是系统工程体系的核心。根据当前航天器研制任务形势，明确系统工程各阶段任务划分和实施要求，对关键技术活动开展集中攻关，不断开展系统工程流程的梳理和优化，针对总体设计要素，提出所需的建模工具和手段，梳理建立航天器总体与结构协同设计流程、总体与热控的协同设计流程、热控三维设计流程、基于模型的跨专业协同设计流程、有效载荷快速设计流程、构型布局设计实现流程、总体总装设计流程、结构协同设计流程等。同时，借鉴先进的信息化技术和手段，实现高效的信息表达、数据管理、数据传递，为航天器研制流程的上下贯穿提供根本性保障。
　　2)以IDS为统一数据源的MBSE，解决MBSE应用范围窄的问题
　　结合我国航天器研制的自身特点，提出了以设备接口数据单(InterfaceDataSheet，IDS)为统一数据源的MBSE，即在后续的设计阶段，各个学科之间仍然可以通过统一数据源IDS进行协调设计，将MBSE的适用范围扩展到整个产品设计阶段。
　　3)充分利用现有知识，实现由MBSE向MDSE的转变
　　在充分借鉴信息化技术的基础上，结合自身实际情况，充分利用现有的设计知识，将多年积累的经验和知识，如设计禁忌、设计要素、设计流程等融合到一个集成的航天器总体设计集成环境，然后，根据不同的设计阶段和设计情境，通过有效的推理策略进行推理，智能化地实现航天器研制过程建模。
　　在此，开展了三维设计环境下基于IDS的设备自动建模、设备快速布局、基于卫星电缆网设计系统(SatelliteCableDesignSystem，SCDS)数据的快速布线布缆、总装设计等功能，从源头上保证了设计数据的一致性，有力地提升了航天器研制的规范化、标准化、自动化程度，加强了技术状态控制，优化了研制流程，实现了真正的模型驱动。
　　4)基于模型的跨专业协同设计模式
　　MBSE概念的提出，虽然改变了原有的协同设计模式，但各学科、各专业之间的协同仍然是靠人工来协调。为此，在MBSE的基础上，结合当前航天器研制模式，一方面，基于IDS统一数据源开展了总体-结构-热控协同设计，有效解决了传统模式下人工协商多、复核复算多和设计精度难以保证的问题。另一方面，建立了基于多级骨架关联设计的并行机制，通过建立上下游专业设计对象之间、专业内部设计对象之间的关联关系，实现当上游设计发生变化时，下游设计可以自动更新，从而加快设计迭代周期，提高设计效率和质量。
　　5)基于MBD的全三维数字化产品定义
　　MBSE提出将基于模型的思想贯穿于整个产品研制的全生命周期，但在产品设计阶段，传统的数字化产品的定义是二维+三维形式，即所建的三维模型仅仅作为几何模型，而尺寸、公差、粗糙度、热处理方法等工艺信息仍然在二维图纸上表示，这就导致了在制造环节中仍然要以二维工程图作为制造的唯一依据，整个的制造体系仍然为传统的二维体系，这种产品定义模式无法保证产品定义唯一性。
　　基于模型定义(Model-BasedDefinition，MBD)的数字化设计与制造技术已经成为制造业信息化的发展趋势，它是将三维产品的制造信息与三维设计信息共同定义到产品的三维模型中，以改变目前三维模型和二维工程图并存的局面，保证产品定义的唯一性。目前，国外MBD技术的应用已经比较成熟，其中的杰出代表波音公司，在787型客机研制过程中，全面采用了MBD技术，并将MBD模型作为制造的唯一依据，完全抛弃了二维工程图样。MBD技术并不是简单地在三维模型上进行标注，而是通过一系列规范的方法更好地表达设计思想，以此打破设计-制造之间的隔阂，一方面，能容易地被设计人员所理解，另一方面，又能方便地被计算机处理。
　　6)航天器系统工程标准规范体系建设
　　在MBSE方法中，需要一套完善的航天器系统工程标准规范体系作为支撑，这是MBSE实施的执行依据。在梳理现有的标准规范的基础上，重点开展了航天器系统工程标准规范体系框架设计，进一步消除系统工程标准规范体系中的薄弱环节。
　　通过研究国外相关标准和规范，结合航天器研制的特点，在航天器研制模式探索过程中，构建了符合自身特点的航天器数字化研制标准体系。
　　航天器数字化研制标准体系是由若干个相互依存、相互制约的数字化标准组成的具有特定功能的有机整体，企业综合管理信息化标准和基础运维标准作为整个体系的支撑标准，主要包括基础类和应用类两大类标准，其中基础类标准主要为概念术语标准;应用类标准包括数字化设计、制造、装配、试验信息交换标准、数字化设计标准、基于数字化产品的制造标准、数字化测试试验标准、数字化产品管理标准等，涵盖了基础、设计、制造、总装、试验、数据管理六大类别。
　　4结束语
　　MBSE代表着未来系统工程的最新进展和未来的发展方向。但应该指出的是，MBSE还处于探索阶段，在具体的实施过程中，还会遇到各种各样的问题。需要结合我国航天器研制特点和当前发展要求，制定出长远的发展规划。同时，还应密切关注国内外研究机构在这一领域的进展，进一步吸收和消化国内外的研究成果，形成具有我国航天特色的MBSE，提高我国航天器研制能力和航天器总体设计水平。