基于模型的載人航天器研制方法研究與實踐

張柏楠，戚發軔，邢濤，劉洋，王為

1. 北京航空航天大學 宇航學院，北京 100083 2. 中國空間技術研究院 載人航天總體部，北京 100094 3. 南京航空航天大學 航空學院，南京 210016

20世紀60年代以來，國內外航天和國防領域一直采用系統工程作為研制管理方法[1-2]。近年來，隨著航天器系統規模及復雜度急劇提升，傳統的以文檔為核心的系統工程方法已經無法有效滿足研制需求[3-5]。與以往航天任務相比，以載人飛船、空間站為代表的載人航天器型號在系統規模、技術難度、可靠性安全性要求、研制周期與成本要求等方面都對航天系統的研制能力提出了更高的要求。傳統的以文檔為核心的系統工程方法存在的問題主要體現在：眾多信息分散于各個文檔，難以保證完整性和一致性；對復雜的、動態交互性強的活動難以描述，表達力不足，有時會產生歧義；技術狀態控制困難，工作量大，維護困難；缺少早期驗證手段，主要依靠后期的實物驗證，代價大、周期長。

為應對上述挑戰，基于模型的系統工程(Model-Based System Engineering, MBSE)應運而生[6]。MBSE的概念源自美國，主要由國際系統工程學會(Internal Council of System Engineering, INCOSE)倡導和推進。2007年INCOSE在《系統工程2025年愿景》中給出了基于模型的系統工程的定義：基于模型的系統工程是對系統工程活動中建模方法應用的正式認同，以使建模方法支持系統要求、設計、分析、驗證和確認等活動，這些活動從概念性設計階段開始，持續貫穿到設計開發以及后來的所有的生命周期階段。以標準系統建模語言SysML為基礎，MBSE利用形式化的模型實現從概念設計、方案設計、試驗驗證到工程實施的全過程管理，核心是建立起以數據為中心的系統工程管理系統，相比于基于文檔的系統設計方法，它具有知識表示無二義性、溝通交流效率高、可實現系統設計一體化、知識獲取和可重用能力強、可進行多角度分析等顯著優點[7-11]。

與無人航天器相比，載人航天器具有系統規模大、技術難度高、單件小批量、無法通過多次飛行持續完善設計、可靠性要求高等特點。如何針對上述特點，形成面向載人航天器的MBSE研制方法，并將之進行應用實踐，從而充分體現上述MBSE的優點，則是一個充滿挑戰的問題。本文在分析載人航天器研制模式的基礎上，針對其研制特點，提出面向載人航天器研制的模型體系及其間相互關系，并進行實踐探索。

1 載人航天器MBSE研制模式

1.1 MBSE研制需求

航天工業尤其是載人航天器研制領域，與航空、汽車等行業相比，對研制流程前端設計“一次正確”的要求更高，對通過早期虛擬驗證發現問題的需求更為迫切。目前，在航天器研制的各環節，已開展了大量的數字化工作，但仍存在以下不足：

1) 參數化、模型化程度不高

如表1所示，通過對某型號航天器研制中232項工作和XX搭載任務研制中106項工作的數字化程度進行分析，發現研制流程中紙質文檔、電子化數據比例較高，參數化、模型化程度較低。

表1 航天器研制任務數字化程度分析

2) 基于模型的系統綜合仿真驗證不足

某型號航天器方案階段研制文檔為613份，初樣階段為4 492份，初樣實物試驗驗證工作量巨大。在仿真驗證過程中，更多的是采用專業仿真驗證，而多學科集成綜合仿真、系統級仿真驗證及優化較少，仿真驗證的系統性不強。另外，試驗和飛行數據的利用程度不高，沒有充分利用數據修正仿真模型，模型重用性不強，知識積累較為薄弱。

3) 研制各環節缺乏數字化集成

系統設計、驗證、制造與集成測試各環節的數字化工作缺乏基于模型的端到端集成。因此，研制過程可追溯性差，設計更改的影響分析手段不足，更改分析不徹底帶來的質量問題突出。

工藝設計與分析介入產品研發較晚，無法在設計早期進行可制造性的分析，優化產品設計的制造性能。現場的產品實際加工和測試信息不能及時反饋綜合到系統設計，往往到產品實物集成、甚至飛行試驗時才能暴露問題，導致質量和效率不高。

綜合以上分析，有必要在調研國內外基于模型的系統工程研究與應用先進經驗的基礎上，總結中國載人航天領域的研制流程與方法，探索面向實際需求的基于模型的載人航天器研制模式。

1.2 載人航天器全生命周期模型的定義

載人航天器研制全生命周期中的模型包括需求模型、功能模型、產品模型、工程模型、制造模型、實做模型等6類模型。各類模型的定義如下：

1) 需求模型：描述需求條目、圖形化系統邏輯架構和運行方案的模型，可全面、準確、結構化地反映用戶需求及系統設計，并作為詳細設計的實施依據。

2) 功能模型：描述系統機械、控制、能源、信息和熱管理等功能性能的模型，可對系統功能性能進行多學科綜合仿真驗證，提前驗證并優化設計。

3) 產品模型：描述產品結構、電路等詳細設計的模型，將機、電、熱等各類信息以三維模型或結構化數據形式進行集成或關聯，作為工程分析和產品制造的基礎。

4) 工程模型：描述產品專業特性，基于產品模型建立的空間環境、電磁兼容、力熱分析、可靠性安全性等模型，作為工程專業分析和設計的依據。

5) 制造模型：描述產品生產、裝配等工藝設計的模型，基于產品模型建立，附加了工藝要求、工裝、設備等工藝設計相關信息，可作為生產制造的依據。

6) 實做模型：描述產品制造、測試等環節實測數據的模型，反映產品生產制造的真實狀態，作為產品驗收、設計改進與后期追溯的依據。

通過以上6類模型驅動研制流程，可以打通產品研制全過程的數據鏈路，實現產品設計、集成驗證、產品實現過程的模型化，逐步構建基于數字化、網絡化、智能化的系統工程研制模式。

1.3 基于模型的載人航天器研制流程

針對載人航天器研制“單件小批量，對早期虛擬驗證的需求更為迫切”的特點，基于模型的載人航天器研制模式與其他行業的MBSE方法論相比，更加側重于驗證。在載人航天器研制全周期中，共有系統設計閉環驗證、產品設計閉環驗證、實做產品閉環驗證3個驗證環節，如圖1所示。

圖1 載人航天器研制過程中的3大閉環驗證Fig.1 Three closed-loop verifications in development of manned spacecraft

在載人航天器研制全流程的各環節中，以模型作為研制數據承載于傳遞的載體，各類模型在各研制環節所應用的軟件平臺中產生、傳遞和分析應用，從而驅動型號的系統工程研制過程。圖2 給出了全生命周期中6類模型和相關數據在各軟件平臺間的具體傳遞和交互關系。

圖2 業務模塊間模型交互關系Fig.2 Model interaction among business modules

1.3.1 需求模型的產生、傳遞和使用

需求模型產生于需求建模系統和任務規劃系統，傳遞于基于統一數據源的協同設計系統、技術狀態管理系統和集成仿真驗證系統。

最頂層的需求模型為工程總體技術要求需求模型，是整個型號研制的輸入。任務規劃系統根據工程總體技術要求進行頂層任務分析與規劃，得到型號系統的具體任務需求模型。需求建模系統根據工程總體要求和任務規劃需求模型進行系統需求分解，得到產品設計、實現和驗證詳細需求模型，包括艙段技術要求、總體對分系統技術要求、分系統對單機技術要求、總體/分系統對總裝技術要求、總體/分系統對測試技術要求、集成與測試試驗(Assembly, Integration and Test, AIT)各階段技術狀態要求等。

需求模型分解過程中利用集成仿真驗證系統進行系統功能性能仿真分析。基于統一數據源的協同設計系統根據詳細設計需求模型開展產品詳細設計。技術狀態管理以詳細需求模型作為技術狀態控制的依據，例如以AIT各階段技術狀態要求控制AIT各階段技術狀態。

1.3.2 功能模型的產生、傳遞和使用

功能模型產生于集成仿真驗證系統，傳遞于在軌數據分析及健康管理系統、自動化測試系統和半物理測試系統。

集成仿真驗證系統建立多學科系統功能模型，用于對系統功能性能設計的綜合仿真驗證。系統功能模型產生的仿真數據可作為半物理測試系統和自動化測試系統的測試激勵數據，用于支持系統動態功能性能的測試驗證，另一方面測試數據也可用于對功能模型進行修正。

功能模型可用于輔助在軌數據分析及健康管理系統進行在軌狀態的分析，例如故障仿真模擬。同時，在軌數據也可用于對功能模型進行修正。

1.3.3 產品模型的產生、傳遞和使用

產品模型產生于基于統一數據源的協同設計系統，傳遞于智能制造系統、智能總裝系統、技術狀態管理系統、專業分析工具集、在軌維修仿真系統、自動化測試系統和半物理測試系統。

基于統一數據源的協同設計系統開展產品詳細方案設計，得到表征產品詳細設計信息的產品模型，例如表征產品機械設計信息的三維產品模型，表征產品電氣設計信息的供配電大圖、信息大圖、接點表、指令參數表、飛行程序等電氣設計產品模型。

三維產品模型傳遞至智能制造系統，作為結構制造模型建立的輸入；傳遞至智能總裝系統，作為總裝集成制造模型的輸入；傳遞至技術狀態管理系統，作為技術狀態控制的設計基線；傳遞至專業分析工具集，作為專業分析工程模型建模的輸入；傳遞至在軌維修仿真系統，作為維修性仿真分析工程模型的建模輸入；傳遞至自動化測試系統、半物理測試系統作為開展測試驗證的輸入。

1.3.4 工程模型的產生、傳遞和使用

工程模型產生于專業分析工具集和在軌維修仿真系統，傳遞于數字化試驗系統。

專業分析工具集建立產品力、熱、可靠性等專業工程模型，用于產品力、熱、可靠性等專業性能仿真分析。在軌維修仿真系統建立產品維修性仿真分析工程模型，進行產品維修性設計仿真驗證。

專業分析工具集建立的產品力、熱等專業工程模型傳遞給數字化試驗系統，作為開展虛擬大型試驗、大型試驗數據分析的依據。另一方面，大型試驗結果數據可用于修正相應專業的工程模型。

1.3.5 制造模型的產生、傳遞和使用

制造模型產生于智能制造系統和智能總裝系統。智能制造系統建立結構制造工藝模型，用于結構的數字化制造與檢驗。智能總裝系統建立總裝制造模型，用于數字化總裝集成。

1.3.6 實做模型的產生、傳遞和使用

實做模型產生于半物理測試系統、自動化測試系統、數字化試驗系統、在軌數據分析及健康管理系統和空間應用保障系統，傳遞于技術狀態管理系統、集成仿真驗證系統和專業分析工具集。

智能制造系統和智能總裝系統對產品制造和集成過程的實做數據進行收集，建立產品制造集成實做模型，該模型傳遞至技術狀態管理系統后與代表設計基線的產品模型和AIT各階段技術狀態需求模型進行比較分析，從而對產品技術狀態進行確認。

半物理測試系統根據測試結果數據建立測試實做模型，該模型傳遞至技術狀態管理系統與測試需求模型進行比較分析，對測試狀態進行確認。另外，該模型傳遞給仿真驗證系統，用于功能模型的修正。技術狀態管理系統為半物理測試系統提供設備數據包實做模型，作為開展半物理測試的輸入。

自動化測試系統根據測試結果數據建立測試實做模型，該模型傳遞至技術狀態管理系統與測試需求模型進行比較分析，對測試狀態進行確認。另外該模型傳遞給仿真驗證系統，用于功能模型的修正。技術狀態管理系統為自動化測試系統提供集成狀態實做模型，作為開展自動化測試的輸入。

數字化試驗系統根據試驗結果數據建立試驗實做模型，該模型傳遞至技術狀態管理系統用于試驗狀態的確認。

在軌數據分析及健康管理系統根據在軌數據建立平臺在軌狀態實做模型，用于在軌狀態的管理。該模型可傳遞給仿真驗證系統，用于功能模型的修正，還可傳遞給空間應用保障系統，輔助應用數據的分析。

在軌物資管理系統根據在軌物資狀態建立在軌物資實做模型，用于在軌物資管理和運營支持。空間應用保障系統根據在軌應用數據建立應用數據實做模型，開展應用數據管理、分析與綜合利用。

2 載人航天器MBSE應用實踐

2.1 需求管理與系統設計(需求模型)

在某載人航天器型號中開展了數字化需求管理的應用，采用商用軟件Cradle完成了系統需求管理基礎環境設施的建設，結合型號應用完成了型號項目定制化開發，并開展了需求建模應用，建立了總體-艙段-分系統3級需求體系。

在建立需求體系后，建立了各級技術要求的數字化關聯關系，在此基礎上開展了下級技術要求條目對上級技術要求條目的覆蓋性分析工作，對技術要求分解的完備性進行了檢查。

最后，基于MagicDraw、M-Design軟件、Sysml語言開展了頂層系統方案邏輯建模方法初步應用，建立了包含需求圖、用例圖、活動圖、狀態基圖、塊定義圖的頂層系統方案的局部模型，對系統方案邏輯建模方法進行了初步探索，如圖3所示。

圖3 型號頂層系統的用例圖Fig.3 Case diagram of top-level system

基于需求模型，開展數字化需求管理與系統設計，建立了5 000余條需求條目，實現了總體-艙段-分系統-單機各級關鍵功能性能指標的100%數字化傳遞、關聯與追溯。

2.2 多學科系統仿真(功能模型)

基于MathWorks軟件，采用Modelica語言建立了動力學與控制、能源、環境/熱控、信息、推進等5個專業的功能模型，積累形成了載人航天器基礎功能模型庫、XXX等型號功能模型庫。針對每個模型編寫了相應的建模說明文檔，明確了模型原理、模型參數、模型輸入輸出接口。通過對各專業學科功能仿真模型的綜合集成，構建了包含218臺關鍵單機設備、約20萬個方程組成的三艙系統多學科集成仿真模型，開展了飛行方案系統綜合仿真工作，驗證了型號總體方案設計的正確性，如圖4所示。

圖4 基于Modelica的功能模型圖Fig.4 Functional model diagram based on Modelica

基于Modelica功能模型和FMI(Functional Mock-up Interface)模型接口技術，開展了艙段轉位方案跨廠所聯合仿真工作，將GNC(Guidance, Navigation and Control)分系統控制功能模型、機械臂功能模型、轉位與對接機構分系統轉位機構功能模型集成到總體功能模型中，開展了轉位方案綜合驗證，解決了轉位工況無法完全通過實物手段進行驗證的問題。

2.3 全三維協同設計(產品模型)

以產品模型為主線，將結構設計、熱設計、總裝設計以及所有單機模型納入到統一模型架構下進行多專業協同設計，在保證機械接口設計正確性的同時，向上貫通系統設計(需求模型)與多學科仿真(功能模型)，橫向貫通相關專業設計驗證(產品模型)，向下貫通集成制造(制造模型)，實現了全三維設計、全三維下廠工作模式，如圖5所示。

圖5 三維產品模型示意圖Fig.5 Schematic diagram of 3D product model

2.4 專業仿真(工程模型)

面向載人航天器各專項方案仿真需求，開展了信息流仿真、電磁兼容性仿真、羽流仿真、熱管理仿真、噪聲仿真、照明仿真等多項仿真分析，驗證了各專項設計方案的正確性，如圖6所示。

圖6 各類工程仿真模型Fig.6 Various engineering simulation models

2.5 數字化制造總裝(制造模型)

利用制造模型，實現了基于統一數據源的三維模型會簽、三維模型導入、三維工藝編制、數控編程、數控加工仿真、三維工藝審簽，如圖7所示，極大地提高了生產制造及總裝測試的效率及正確性，部件研制效率提高一倍以上。

圖7 數字化制造模型Fig.7 Digital manufacturing model

2.6 產品電子數據包管理(實做模型)

通過產品電子數據包管理系統建設實現了以型號配套體系為依據，單機產品電子數據包的統一采集與驗收過程管理，如圖8所示。系統已在該載人航天型號中開展了應用，應用于各分系統單機產品數據包采集與驗收工作，實現了數據包的電子化采集與驗收在線協同，避免了紙質文件的提交和傳閱，總體AIT過程管理效率提升40%以上。

圖8 實做模型Fig.8 Real model

3 結論與展望

本文針對載人航天器研制特點與難點，在引入MBSE的基礎上，提出了基于模型的載人航天器研制流程，提出了面向載人航天器全生命周期、包含6大類模型的模型體系，貫穿了載人航天器全生命周期。通過某載人航天器型號的應用與分析表明，采用本文提出的基于模型的系統工程方法，達到了以下指標：

1) 實現了總體-艙段-分系統-單機各級關鍵功能性能指標的100%數字化傳遞、關聯與追溯。

2) 實現了全三維設計、全三維下廠工作模式。

3) 提高了生產制造及總裝測試的效率及正確性，部件研制效率提高一倍以上。

4) 總體AIT過程管理效率提升40%以上。

未來將在進一步探索面向載人航天器正樣研制及在軌運營階段需求的基礎上，開展數字航天器建設。與真實航天器、地面電性伴飛航天器共同構成“三孿生體”。同時，為應對載人月球探測工程研制高復雜度的挑戰，將進一步探索推進MBSE研發方法在載人月球探測工程任務中的應用。