基于知識的航天運載器協同設計方法研究

/中國運載火箭技術研究院研究發展中心

航天運載器的研制是一項極其復雜的系統工程，涉及結構、氣動、動力、電磁、仿真等若干子系統，每個子系統分屬于不同的研究機構，而每個研究機構又依托于多個協助單位的支撐。如此浩大的全國性工程，需要開展大規模的跨地域、跨部門協作。航天運載器總體設計就是根據總體要求和各項技術發展現狀，對運載器及其各系統進行綜合、協調、研究和設計的過程，經過多次迭代而得到綜合性能最佳的總體方案。

隨著型號任務的增加，傳統的設計平臺已不能滿足現有的設計要求，需要結合航天運載器的研制流程和知識管理平臺，開發可支撐預先研究、總體設計、生產制造等具體應用的工程系統。同時，建設以型號研討廳、任務、流程、指標管理為代表的交流環境，通過技術人員的碰撞與交鋒促進思想的創新，推進知識管理與業務流程的融合，支撐新一代航天運載器的創新設計和總體設計。

一、需求分析

為實現航天運載器的總體協同快速設計和優化，此系統需滿足以下4項主要功能要求。

一是基于知識的任務管理。在任務管理過程中，可以通過知識資源復用技術，依據設計業務流程將知識庫中相似任務，流程及相關知識資源推送到任務流程各節點中。

二是多源知識獲取技術。多源工程知識可以分為文檔、文本類、模型類、經驗類及工具類等，針對多源工程知識的分布與組成特征，采用不同的知識獲取方式，并將知識資源封裝成為統一的知識模型存儲到知識庫中。

三是基于知識的設計過程管理。主要通過知識發現、知識組織、知識萃取及知識模型庫構建等相關技術實現設計過程知識的沉淀。同時，也可以管理設計循環迭代過程中生成的設計/仿真數據和資源；促進設計理念、知識、規范的積累、繼承、復用和驅動，并借助知識模型存儲到相應的知識庫中（包括知識庫、元知識庫、模型庫及流程庫等）。

四是基于設計活動的知識關聯技術。在設計過程中，借助知識推送技術將知識庫相關知識資源推送至設計人員的工作環境中，并可對設計過程的進展情況進行監控。

二、系統設計

面向航天產品設計過程，以系統工程和知識工程方法論為基礎，構建協同設計系統框架，實現基于知識的協同設計。以協同設計為核心，以知識管理為驅動，建設現代化、智能化、一體化的航天產品設計體系和能力，滿足航天產品全生命周期協同化、精細化、知識化管理的需求，顯著提升航天產品設計能力。

1.總體架構

基于知識的航天運載器總體協同設計平臺架構由應用層、功能層、支撐層和數據層組成，如圖1所示。

應用層面向使用系統的各類用戶，包括任務規劃人員、協同設計過程監控人員、總體部門人員、知識管理人員、平臺維護與管理人員等。用戶通過統一設計門戶進入系統，根據各自從事的項目和技術角色權限使用設計平臺的各功能系統，開展相關工作。

功能層是系統的核心，通過項目管理、指標體系、知識管理（包括知識社區）及集成模塊等為應用層的不同設計人員提供相關功能支撐。

支撐層是整個系統的基礎，包括大數據處理本體技術，數據挖掘技術，流程引擎，數據管理、人員角色管理、全生命周期管理及擴展接口管理等功能。

數據層是系統的資源池，為各類用戶提供協同設計過程中需要的知識、數據和文件，包括模型、規則庫、知識庫、元知識庫、專家庫、流程庫及本體庫等。

2.技術架構

技術架構是功能架構的技術實現方式。本系統將基于大數據技術、知識推送及本體技術實現基于知識的協同設計系統。技術架構主要通過知識發現（知識萃?。⒅R管理（知識存儲）及知識服務（知識推送）等技術路線實現知識產生、知識組織、知識利用的迭代過程，其系統技術架構如圖2所示。

圖1 系統總體架構

知識發現。在型號研討廳，通過開展“知識白板”形式時刻記錄討論過程中的想法、意見及解決辦法，實現討論過程的隱性知識挖掘。在任務、需求、指標及流程管理過程中，通過開展產品需求和指標分析過程，將整個過程使用支撐資源、約束資源進行存儲。通過知識萃取技術將知識資源進行梳理，實現隱性知識顯性化。

知識管理。為了實現多源工程知識的統一交互、存儲，便于后續基于知識的協同設計平臺對知識庫的應用實現，需要建立應用于多源工程知識獲取的統一知識模型UKM，即是對知識資源、知識來源、業務流程、上傳者及環境等知識元數據按一定的邏輯規則統一組織而成的模型，它可以實現基于知識資源、知識來源、業務流程及人員角色等元素的視圖自由轉換。UKM保證了模型類、文檔及文本類、經驗類以及工具類知識資源的統一描述，同時確保了不同類型知識資源擁有對應的視圖。

知識服務。在任務需求管理與指標分解階段，通過知識挖掘與推送技術，在需求指標管理、映射、追溯等過程中，根據項目名稱、型號內容、需求指標及其內容，從知識庫中推送需求指標相關標準、方法，幫助用戶完成需求管理與指標分解。

3.關鍵技術

圖2 系統技術架構

一是基于設計過程的知識庫建設方法。航天運載器研制過程涉及大量的知識協同、共享和創新，而知識散落在設計過程的各個節點，具有不同的類別和格式。筆者將基于設計全流程，研究異構知識的獲取方法；基于統一的知識組織體系模型，從復用的角度整合企業分散的知識資源，通過合理組織和封裝形成邏輯上統一的、結構化的知識庫，使知識達到有序、可控、可利用狀態。

針對概念論證、需求分析、總體方案設計、多專業協同設計及試驗驗證等設計全流程，實現流程類、模型類、工具類、數據類及文檔類等知識的提煉與固化，如圖3所示。

對于流程類知識，通過記錄、分析及比較不同的業務活動信息，提煉出不同產品、不同專業及不同階段可分別借鑒的通用化的業務活動流程；對于模型類知識，通過分析不同組件的設計參數及展示外形，提煉形成典型產品組件庫；對于工具類知識，在分析用戶行為基礎上，按產品、階段、專業提煉出典型軟件工具、標準規范及操作規程；對于數據類知識，獲取不同數據的類別、作用及關聯關系；對于文檔類知識，分別從研究論文、發明專利、經驗禁忌及最佳實踐等維度建設不同的知識模版，實現項目成果的積淀。

二是基于設計活動的知識關聯技術。航天運載器協同設計過程中包含多系統、多專業、多學科，通過多輪次反復迭代論證實現總體方案設計與優化。對于運載器總體設計這類復雜系統工程，會涉及大量知識。因此，在協同設計過程中，分析設計知識與設計活動的特點和工作情景，借助知識推送技術將知識庫中的知識資源推送到設計環境中。通過在已建立的設計知識與航天器協同設計活動之間進行關聯，采用特征索引匹配進行設計知識與設計過程的動態關聯，以支撐航天器協同設計活動，為航天器協同設計活動的知識導航奠定基礎。

三是基于設計結果的知識量化技術。面向航天運載器設計結果，開展關鍵知識資源識別、萃取及表達方法研究，依托所開展項目梳理關鍵知識資源，形成較為清晰、完善的知識展示原型系統的構建思路，并梳理形成通用的關鍵知識萃取及表達方法。以梳理出的知識為評估對象，開展知識資源評價方法研究，綜合考慮知識自身因素、知識被應用因素、知識創造的貢獻因素等，構建知識資源量化評價模型，包括指標體系組成及指標權重設置。在此基礎上，進一步研究知識資源價值評估模型，包括模型要素、評估組織及具體評估方法，促進高價值知識資源的量化評價及固化、共享、復用。

筆者從航天系統工程和知識工程角度，分析對航天運載器協同設計過程的知識支持。通過需求分析提出了基于知識的航天運載器協同設計系統總體架構，描述了系統實現的技術架構及關鍵技術。后續，根據業務發展需求還將進一步完善系統的相關功能，為新一代航天運載器協同設計提供更好的平臺?！?/p>

圖3 知識庫構建流程