航天工程多態全息模型及應用

劉繼忠，裴照宇，于國斌，康 焱,2，王 倩，龐涪川，盧亮亮，楊瑞洪

(1.國家國防科技工業局探月與航天工程中心，北京 100190；2.中國空間技術研究院載人航天總體部，北京 100094)

0 引 言

以月球探測為代表的航天工程是一個集需求分析、總體設計、產品研制、試驗測試、在軌探測于一體的復雜系統工程，具有產品耦合關系緊密、逐層分級分解與集成、過程數據量大且數據源各異、多種狀態并行等特點[1-2]，如圖1所示。如何解決需求、設計、研制、在軌等全生命周期模型的完備性、可追溯性和演化問題，機、電、熱、磁、軟等多學科間的數據融合問題，以及數據/模型的產生和演化中的關聯性和有效性等數據關系問題，確保技術狀態有效可控已成為制約我國航天工程高效發展的一個突出問題。迫切需要從工程全局出發，建立面向全生命周期、全系統的完整全息模型及其動態衍化關系和傳遞共享機制。

圖1 航天工程研制模式和特點Fig.1 The model and characteristics of the space engineering

產品模型的發展經歷了從簡單到復雜、從單一到全局、從靜態到動態的過程[3-4]。馬興瑞等[5]提出針對航天器單一力學環境分析的高精度有限元建模和模型修正技術；舒啟林等[6]采用系統演化的思想，提出了產品全生命周期信息模型框架，將各階段的產品模型有機集成起來；黃雙喜等[7]提出了集成化的產品生命周期體系，從生命周期維、視圖模型維和應用領域維對產品生命周期模型的建模方法做了描述；袁家軍[8]從系統工程的角度出發，提出了航天工程管理要素體系；楊軍等[9]提出了數字航天的概念，基于統一的數據模型，實現運載火箭電器系統的集成化設計；王宗彥等[10]從產品全生命周期的角度出發，提出了動態全息模型的概念，使產品各設計階段的各類不同信息進行動態交互，保證模型能夠全面、動態地反映產品的結構特性與設計過程。這些模型體系直接應用到航天工程中時仍存在一些問題，主要表現為：不能完全滿足航天工程對數據信息的全面性要求，尤其缺少結構化的電性能、指令參數、飛行方案等信息；不能完全滿足航天工程動態信息在集成和邏輯兩個維度的時序化要求，缺少支持航天工程以技術流程和飛行程序為主線的地面和在軌的過程管理；不能完全滿足航天工程研制模式中逐層分級分解與集成的要求。

本文提出了一種面向航天工程全生命周期、全系統的多態全息模型，實現了包含全要素信息的完整產品數字化定義，并以此為載體，開發了設計系統，并開展了工程型號實踐。

1 航天工程數據體系和多態全息模型

結合我國航天工程的研制模式、研制流程和研制特點，按照系統工程方法論中的霍爾三維結構，以靜態的產品結構、動態的產品技術流程和數字化產品保證體系作為三個維度，提出了如圖2所示航天工程數據體系，該體系橫向覆蓋航天工程的全生命周期，縱向包括了以組成航天工程的五大系統(探測器系統、運載火箭系統、測控通信系統、發射場系統、地面應用系統)為核心的全系統和全要素。

以該數據體系為基礎，用于描述航天工程全周期和全系統的定義數據、研制狀態，以及應用環境定義數據的模型稱為航天工程多態全息模型，具體包括靜態的需求模型、功能模型和集成模型以及動態的時序模型、邏輯模型、工藝模型和實做模型，各類模型的定義和說明如表1所示。該模型將作為唯一的產品定義，承載了航天工程傳遞到下游生產活動和在軌探測所需的全部信息，可服務于從設計到工藝、到制造、到總裝、到檢驗、到在軌的全生命周期。

在航天工程多態全息模型中，需求模型是開展工程詳細設計、產品研制和在軌探測的設計輸入和目標。

需求模型和功能模型從功能維度組織數據，其模型的框架體系基本一致，現以功能模型為例介紹。功能模型的三級體系結構分為任務層、系統層、功能層，如圖2所示。各層通過參數與模型集、子對象類型集和子對象集三部分組織與其相關的配套及特性信息。功能層以功能分解出來的單機設備為對象組織數據。單機設備及子對象產品是系統功能分解的最小單元。單機設備下的子對象類型層可依據學科類型分為機械子對象、電路子對象、熱控子對象等；子對象層以子對象產品為單位組織數據，如機械子對象下的子對象包括代號為QJ2582 M4x12的緊固件產品和代號為TGB310-RGA1的管接頭產品，如圖3所示。圖4是在某型號中形成的具體的功能模型示例。

集成模型以三維模型為載體，以三維空間為維度組織數據，其中，艙段層一般以三維模型體系為數據組織的基礎，把產品研制過程中機、電、熱等各類關系信息都附著在產品的三維模型中，實現模型和數據的關聯。安裝關系層同時表達產品的安裝位置關系和裝配關系，由次結構層和單機設備層兩部分組成；電纜連接關系層同時表達集成設計中的電纜配套信息和單機設備間的電連接關系，由電纜類型層、電纜產品層和單機設備電連接器層三部分組成，如低頻電纜下有代號為TZWZ1_1的低頻電纜，代號為TZWZ1_1的低頻電纜把單機設備TZB405通過電連接器X1與單機設備TZB401的電連接器X4連接在一起，實現指令和參數的傳遞；管路連接關系層同時表達集成設計中的管路系統配套信息和單機設備的管路連接關系，由管路類型層、管路組件產品層和單機設備管接頭層三部分組成。

圖2 航天工程全周期數據體系Fig.2 A data system covering the whole period of space engineering

表1 航天工程多態全息模型組成Table 1 The composition of space engineering multi-state holographic model

圖3 功能維度的功能模型和空間維度的集成模型的數據結構和數據關系Fig.3 The data structure and data relations of functional model and integration model

圖4 功能模型包含的信息要素示例Fig.4 Examples of information elements contained in functional models

時序模型和邏輯模型以時間為維度組織數據信息，分別是兩類靜態模型(集成模型和功能模型)在全生命周期任務剖面的實例化。工藝模型和實做模型與時序模型和邏輯模型一一對應。

2 航天工程全周期模型體系及演化過程

在航天工程研制過程中，產品的功能、性能以及物理產品的形成是一個從無到有、由粗到細的迭代演化過程。研制技術流程和飛行序列是這種迭代和演化過程的主線，是航天工程過程精細化管理和質量控制的重要手段，從數字化的角度看，是功能模型和集成模型在時間維度的時序化和實例化過程。因此，航天工程全周期模型也是一個以技術流程或飛行序列為主線，逐步成熟與演進的過程，可構建如圖5所示的模型體系與該研制模式相匹配。

在圖6的全周期多態全息模型體系中，形成的航天工程自頂向下的全周期信息要素關系，體系化地表達了航天工程在任務層、系統層和功能層各類數據的產生和演化過程，以及相互之間的耦合關系和隨研過程遞進的螺旋式迭代關系，為工程任務不同階段、不同單位、不同現場、不同狀態的模型構建了統一的體系和集成環境。圖5具體給出了探測器集成模型在研制技術流程“著陸艙總裝”任務剖面時的兩實例化模型：時序模型和實作模型，其中，編號為T_B10的時序模型中給出了該任務剖面對單機設備TZB405的安裝狀態要求，包括：要求臨時安裝結構熱控件、緊固件擰緊力矩、涂MS膠等具體設計要求；與之對應的編號為AS_B10的實做模型表達了物理產品在該時刻的真實物理狀態。

圖5 航天工程全周期多態全息模型體系Fig.5 The space engineering multi-state holographic model system

圖6 模型間的數據演化關系示例Fig.6 Examples of data evolution relationships between models

3 航天工程多態全息模型集成系統

航天工程大總體協同系統(Space engineering overall collaboration system，SPOCS)以統一的數據標準和本文提出的航天工程全周期多態全息模型體系為基礎，采用面向服務架構(Service oriented architecture，SOA)，構建了航天工程領域統一的業務流程、統一的數據源、統一的接口和航天工程多態全息模型的統一集成環境。

SPOCS提供了三種基本接口類型，包括：同構系統的多站點協同接口、異構系統的Web Services接口和脫機數據導入導出接口。異構系統信息傳遞具體采用中間數據表和SFTP傳文件的方式，中間數據包由數據規格描述文件等六部分組成。不聯網的域外系統通過脫機數據包進行集同，通過統一的脫機版數據采集系統實現脫機模型的導入、導出和版本控制。

SPOCS已應用在某航天型號。它以全周期多態全息模型為載體，初步形成了初樣階段架構驅動的協同仿真模式和正樣階段數據驅動的產品狀態管理模式，實現了該型號全系統和全要素從需求定義、指標分解、總體設計、產品實現到在軌探測等全過程不同數據源間和同一數據源內部數據的元數據信息及演化關系，確保了數據的唯一性、有效性、關聯性、可追溯性、完備性和可持續性，圖7為產品物理參數(集成模型)、邏輯參數(邏輯模型)和電性能參數(功能模型)的數據關系；形成全周期完整的總體需求、功能、指標和要求的分解、傳遞、分配、跟蹤和閉環追溯，實現了從最初需求到最終交付產品的全過程閉環管理，圖8為基于即時實做模型形成的型號現場技術狀態管理示例。

4 結 論

本文提出的面向航天工程的多態全息模型完善了現有模型中結構化技術流程信息、飛行方案、FPGA以及指令參數等電性能信息的缺失，實現了包含全要素信息的完整產品數字化定義；針對我國航天工程研制模式和特點，形成了航天工程全周期模型體系和要素關系，體系化地表達了多態全息模型在任務層、系統層和功能層隨時間的動態演化過程，以及相互耦合關系；開發的航天工程大總體協同系統為航天工程多態全息模型提供了統一集成環境，可用于追蹤全系統和全要素從需求定義、指標分解、總體設計、產品實現到在軌探測等全過程不同數據源間和同一數據源內部數據的元數據信息及演化關系，提升了研制效率效益。后續通過在型號中的全面應用，將進一步深化以多態全息模型為載體，形成的架構驅動的協同研制方法和數據驅動的產品狀態管理方法。

圖7 多態全息模型間的數據關系Fig.7 Data relations between space engineering multi-state holographic models

圖8 基于即時實做模型的型號現場技術狀態管理示例Fig.8 An example of model field technical status management based on real-time implementation model