基于模型的系統工程在航天器研制中的研究與實踐

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

1 引言

航天器研制是一項多學科、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、研制風險高和管理難度大等特點［1-4］。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制系統工程管理模式。近年來，隨著一批重大工程的啟動，航天器研制出現了一些新的特點：①研制數量大幅增加，研制周期不斷縮短；②性能指標要求不斷提升，新產品、新技術不斷涌現；③多產品并舉，大規模協同，耦合關系復雜。

傳統的航天器研制模式都是基于文檔的［5］，但由于航天器研制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復迭代修改等情況。雖然近年來，已從過去的紙質形式轉換為電子形式，但并未從根本上改變這一狀況。

基于模型的系統工程（Model-Based Systems Engineering，MBSE）是這些問題的有效解決方案［6］。它從需求階段開始即通過模型（而非文檔）的不斷演化、迭代遞增而實現產品的系統設計，通過模型的結構化定義可以清晰地表達產品設計初期各方面的需求，在設計初期就能通過仿真發現大量不合理的設計方案。同時，由于模型的唯一性，還為各方提供了一個統一的、無二義性的設計信息交流工具。為了支持MBSE，國際系統工程學會（International Council on Systems Engineering，INCOSE）和對象管理組織（Object Management Group，OMG）提出了一種新的系統建模語言（Systems Modeling Language，SysML）。

目前，國內外學者對MBSE 理論及建模方法進行了深入研究［7-8］；軟件提供商都在積極開發相關的支撐平臺，如IBM 公司開發了Rational Rhapsody集成開發環境［9］，LMS公司開發了“虛擬鐵鳥”實驗環境和仿真平臺［10］。同時，NASA、美國國防部、歐洲航天局都在積極地應用MBSE 方法，并取得了一些成果［11-12］。MBSE已成為近幾年來系統工程界研究和應用的熱點［5］。

本文首先根據MBSE 的定義，概括其內涵；然后，在繼承國外實踐成果的基礎上，對MBSE 理論進行創新與發展，并結合我國航天器研制過程中的特點，從流程體系、協同設計模式及標準體系建設等6個方面論述了MBSE 在航天器研制中的應用實踐；最后，對本文進行總結。

2 MBSE的內涵

在INCOSE發布的2020年遠景規劃中，MBSE成為系統工程未來發展的重要方向，如圖1所示［13］。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，并定義出完善的MBSE 理論體系，到2025年，在各個領域應用MBSE方法。

圖1 INCOSE發布的MBSE遠景規劃Fig.1 INCOS MBSE roadmap

最早提出MBSE概念的INCOSE給出了如下定義：

“基于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，并持續貫穿整個開發過程和后續的生命周期階段”。

從定義可以看出，MBSE 是在系統工程領域發展的一種基于模型表示的方法，旨在通過一種形式化的建模手段來實現產品的研制過程。MBSE重點強調了以下兩點：

1）建模方法的應用問題

MBSE和傳統系統工程最大的區別就是采用建模的方法進行產品設計。建模是運用某種建模語言和建模工具，通過抽象、簡化建立能近似刻畫并“解決”實際問題的一種方法。系統工程從原來的“基于文檔”轉向為“基于模型”，并由此帶來整個工作模式、設計流程的變革，如圖2所示［13］。

2）MBSE貫穿于整個產品研制的全生命周期

系統工程技術活動涵蓋了系統定義、目標確定、需求分析、系統方案設計、產品制造、總裝集成、測試驗證、產品驗收、評估交付、運行維護、系統處置等11個過程［1］，這也就決定了MBSE并不是局限于產品研制的某一個階段，而是貫穿于整個產品研制的全生命周期中的各個階段。因此，這里的“模型”并不是唯一的，在不同的設計階段和領域，其“模型”具有不同的含義［14］。例如，對于系統設計人員，MBSE指的是通過圖形化的系統建模語言（如SysML）而建立的模型；對于產品結構設計人員，MBSE指的是通過CAD 軟件建立的三維模型；對于仿真控制設計人員，其MBSE 指的是通過Matlab／Simulink等工具構建的模型。

圖2 從“基于文檔”向“基于模型”轉變Fig.2 Moving from document centric to model centric

3 MBSE在航天器研制中的研究與實踐

3.1 航天器研制過程中對MBSE理論的創新與發展

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

1）通過主模型貫穿于產品全生命周期

雖然從定義中，指出MBSE 貫穿于整個產品研制的全過程，但就目前而言，在國內外的相關研究和實踐中，MBSE 的應用范圍僅局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。但在后續的詳細設計階段，各個學科之間就完全割裂開來，此時SysML 已無法適用。

在傳統的研制模式下，文檔是各學科專業信息集成的紐帶，貫穿于始終。在MBSE 中，應當通過一個主模型，貫穿于整個產品的全生命周期。主模型為各學科專業模型提供信息交互的接口，以支持各學科專業模型之間的協同，應具備以下特點：①主體性：主模型是整個產品研制過程中的基礎模型，應作為各學科專業模型分析的主要依據；②完備性：主模型作為產品研制過程的統一數據源，應提供完備的數據信息（包括總體、結構、熱控等信息）；③協調性：即主模型與各專業模型通過參數映射關聯在一起，當主模型發生改變時，信息能及時傳遞、更新。

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 仍然存在著不足：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，由于建模需要手工完成，建模質量的高低依賴于設計人員的經驗，建模質量無法保證；③建模的效率低，尤其對于航天器這種大型復雜產品的建模，建模數量多，類型復雜，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-Driven System Engineering，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，并進一步生成模型，以達到減少大量復雜和重復的工作，更好地重用知識。這種知識隱含在現有的產品研制過程中，需要對其進行深入挖掘才能提煉出來，并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。

3.2 MBSE在航天器研制過程中的應用實踐

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

1）建立、健全完善的系統工程研制流程體系

系統工程活動及其流程是系統工程體系的核心［1］。根據當前航天器研制任務形勢，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、基于模型的跨專業協同設計流程、有效載荷快速設計流程、構型布局設計實現流程、總體總裝設計流程、結構協同設計流程等。同時，借鑒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，為航天器研制流程的上下貫穿提供根本性保障。

基于協同設計和并行工程的理念，建立起適用于航天器復雜產品各研制階段，支持多學科、多專業綜合集成的設計環境——協同設計中心，并成立了由總體、結構、熱控、結構工藝、總裝工藝等相關技術人員組成的集成產品開發團隊（Integrated Product Team，IPT），通過協同設計中心開展航天器協同研制，提高產品研制效率和質量。

2）以IDS為統一數據源的MBSE，解決MBSE應用范圍窄的問題

結合我國航天器研制的自身特點，提出了以設備接口數據單（Interface Data Sheet，IDS）為統一數據源的MBSE，如圖3所示，即在后續的設計階段，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的適用范圍擴展到整個產品設計階段。

圖3 以IDS為統一數據源的MBSEFig.3 MBSE of IDS as unified data source

IDS是航天器設計的數據源頭。IDS中的機械接口、熱接口、電接口、遙測參數、遙控指令等數據可應用于航天器總體、電纜網等設計，對分系統和單機的研制具有指導作用。早期IDS依靠文件傳遞，需要多次反饋、協調完成，接口數據難以控制，查詢困難。為了解決IDS數據的管理瓶頸，建立了統一的IDS數據管理平臺，為后續開展機、電、熱跨專業協同奠定了基礎。IDS 數據管理系統經過多年完善，已成為航天器研制工作重要的工具，全面管理了各航天器的單機接口信息。

3）充分利用現有知識，實現由MBSE向MDSE的轉變

在充分借鑒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，然后，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制過程建模。

在此，開展了三維設計環境下基于IDS的設備自動建模、設備快速布局、基于衛星電纜網設計系統（Satellite Cable Design System，SCDS）數據的快速布線布纜、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制的規范化、標準化、自動化程度，加強了技術狀態控制，優化了研制流程，實現了真正的模型驅動。

4）基于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，結合當前航天器研制模式，一方面，基于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、復核復算多和設計精度難以保證的問題。另一方面，建立了基于多級骨架關聯設計的并行機制，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系，實現當上游設計發生變化時，下游設計可以自動更新，從而加快設計迭代周期，提高設計效率和質量，如圖4所示。

圖4 基于模型的跨專業協同設計模式Fig.4 Interdisciplinary collaborative design mode based on model

此外，在基于模型的跨專業協同設計模式基礎上，提出了通過構建模型信息規范化發布接口，將設計參數、三維模型、分析模型、控制接口、加工工藝等信息進行發布的跨專業協同設計工具集成模式，并基于該模式開發新工具、整合現有工具，形成協同模式下的總體總裝／結構／熱控／總體電路設計工具集，形成與工藝設計協同的信息接口，通過搭建協同數據庫，實現協同模式下跨專業模型的統一管理。

5）基于MBD 的全三維數字化產品定義

MBSE提出將“基于模型”的思想貫穿于整個產品研制的全生命周期，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，這就導致了在制造環節中仍然要以二維工程圖作為制造的唯一依據，整個的制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。

基于模型定義（Model-Based Definition，MBD）的數字化設計與制造技術已經成為制造業信息化的發展趨勢，它是將三維產品的制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并存的局面，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，其中的杰出代表波音公司，在787型客機研制過程中，全面采用了MBD 技術，并將MBD 模型作為制造的唯一依據，完全拋棄了二維工程圖樣。

MBD 技術并不是簡單地在三維模型上進行標注，而是通過一系列規范的方法更好地表達設計思想，以此打破“設計-制造”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。

目前，在航天器研制過程中全面開展了全三維技術的應用，實現了從傳統的二維加三維的數字化產品定義到基于MBD 的全三維數字化產品定義方式轉變，如圖5所示。結合某遙感衛星研制，實現了結構板、總裝直屬件、電纜網三維模型下廠，為其他航天器研制積累了寶貴的實踐經驗。

圖5 航天器研制所經歷的4個階段Fig.5 Four stages of spacecraft development

6）航天器系統工程標準規范體系建設

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

通過研究國外相關標準和規范，結合航天器研制的特點，在航天器研制模式探索過程中，構建了符合自身特點的航天器數字化研制標準體系，如圖6所示。

航天器數字化研制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、制造、裝配、試驗信息交換標準、數字化設計標準、基于數字化產品的制造標準、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、制造、總裝、試驗、數據管理六大類別。

隨著技術的不斷發展，原有的標準規范會需要進一步完善和修改，因此，這是一項長期的工作。

圖6 航天器數字化研制標準體系框架Fig.6 Digital standard frame of spacecraft development

4 結束語

MBSE代表著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 還處于探索階段，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制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，提高我國航天器研制能力和航天器總體設計水平。

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