運用MBSE理論和方法實現航天器創新研發

◎ 北京空間飛行器總體設計部 范海濤 劉霞 趙伶豐 陳向東 魏平

當前，基于模型的系統工程理論在國內外受到廣泛關注，航天五院圍繞型號研制過程深入開展了MBSE探索與實踐。本文探討了基于模型的系統工程定義與內涵，提出了基于模型的航天器創新研發模式，分析了基于模型的航天器創新研發環境建設思路，并結合相關探索和應用實踐提出了MBSE實施的難點和未來發展趨勢。

一、引言

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型號研制管理方法。我國航天工業經過近幾十年的發展，逐步形成了一套獨具特色的航天器系統工程研制模式，有力地保障了航天器研制任務的圓滿完成[1][2]。當前，宇航型號研制任務迅猛增長，航天器系統的規模和復雜度不斷提高，傳統的基于文檔的系統工程越來越難以滿足后續任務需求，迫切需要建立一種新的研制模式，即以模型為唯一載體和依據，用計算機可理解和執行的模型來描述復雜系統的設計過程，解決傳統基于文檔的研制模式所帶來的問題，由此，基于模型的系統工程（Model-Based System Engineering）理念應運而生。

國際系統工程協會（INCOSE）結合新一代信息技術發展的最新成果，于2007 年正式提出了基于模型的系統工程概念，并成為系統工程未來發展的重要方向，已成為最近幾年系統工程界研究與應用的重點[3][4]。國外的NASA、波音、ESA 等企業均開展了MBSE 研究與實踐，其中NASA下屬的JPL（噴氣推進實驗室）在研究和應用MBSE上行動較為積極，具有代表性。其自2009年開始規劃實施了“集成的、以模型為核心的工程-IMCE”，目前已在木衛二、火星探測等20 多個任務中開展應用，并提出了基于模型的產品研發環境，該環境包括OpenMBSE 和OpenCAE 兩個部分，其中OpenMBSE 主要通過集成客戶端建模工具、Web 程序和模型數據庫MMS，實現了模型數據的統一存儲、管理；在OpenCAE 中，重點解決了系統模型與多學科模型之間的數據集成問題[5-7]。國內航天、航空、兵器、船舶、核工業、電子等軍工行業，以及軍隊、政府、石油等相關行業，都在積極展開MBSE 的技術研究與應用[8]，但仍處于探索階段，尚未打通基于模型的協同設計流程，沒有形成可供設計師參考的建模方法和規范，缺乏集成化的建模仿真平臺和開發環境。

本文探討了基于模型的系統工程定義與內涵，結合航天器特點，提出了基于模型的航天器創新研發模式，論述了基于模型的航天器創新研發環境建設思路，并結合航天領域MBSE 實踐，總結國內MBSE 實施面臨的問題和挑戰，最后，對MBSE 在航天器研制中的探索和應用進行了總結和展望。

二、基于模型的系統工程定義與內涵

國際系統工程學會給出的“基于模型的系統工程”定義如下：

“基于模型的系統工程本質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?！?/p>

為了支持MBSE，INCOSE 和對象管理組織（O MG）提出了一種新的圖形化系統建模語言——SysML 語言，SysML 是在UML 的基礎上繼承和發展起來的，共有九類圖。但需注意的是，SysML 和MBSE 這兩個概念是不同的，即開展MBSE，不一定非要用SysML 語言，這只是INCOSE 提出的一種規范而已，類似于國際社會將英語指定為國際交流的通用語言，但國際交流的語言也可以是漢語、法語、日語等。這些視圖只是表達設計師的設計意圖，雖然在傳統的設計模式中亦可以通過Visio、Word等工具來描述系統的活動和狀態，但這些圖是靜止的，無法進行驗證，一旦發生變更，難以進行關聯性分析。

同時，MBSE 并不是要拋棄各專業學科原來所使用的模型[3]，而是要用統一的系統建模語言SysML 來集成各專業學科、專業工程。MBSE 構建的系統模型是連接各專業模型的集線器，相當于人的“神經中樞”和“大腦”，專業模型類似于人的“四肢”，專業模型通過計算、分析，將計算結果反饋給系統模型，系統模型接收數據，并對其進行邏輯判斷，并將邏輯判斷結果傳遞給分析工具，從而實現系統設計與仿真驗證的協調、統一。

三、基于模型的航天器創新研發

航天型號研制是一項復雜的系統工程。近 年來，航天型號正朝著多樣化、體系化、智能化方向發展，型號研制呈現出“多、快、好、高”等特點，即：1）型號任務“多”，從原來的每年研制幾顆星到現在每年的幾十顆星，任務總量和年均發射數量均大幅增長；2）研制周期“快”，在任務量大幅提升的同時，研制周期不斷縮短；3）性能指標“好”，隨著國家經濟實力的不斷進步，各種新產品、新技術不斷涌現，用戶的指標需求不斷提升；4）質量要求“高”，航天器性能不斷提升，對其本身質量要求越來越高。

隨著載人航天、深空探測等領域的不斷拓展，航天型號研制又呈現出新任務技術難度大、創新要求高等新特點。在早期論證階段，需求迭代十分頻繁，對設計數據的一致性要求越來越高。且航天器面臨的環境條件和系統行為日趨復雜，其運行的功能邏輯已經難以用文檔來梳理清楚，早期驗證手段不足，只能依賴于系統集成后的物理驗證，因此，傳統的研制模式越來越“力不從心”。而MBSE 的應用價值在于，它提供了一套有效的方法和手段，以模型的方式“自頂向下”描述復雜系統的研發過程，強調的是系統工程過程中信息傳遞的模型化，為不同專業設計師提供了一種高效、準確的交流方式，保證了設計結果的一致性、可追溯性，并且通過與各專業模型進行集成，實現設計-仿真的閉環驗證，做到“知其然”且“知其所以然”，從而能夠支持航天器的創新研發。

圖1 基于模型的航天器創新研發模式

（一）基于模型的航天器創新研發模式

據統計，80%以上的創新是產品概念形成階段完成的，而這一階段目前是較為薄弱的環節，設計師缺乏有效的數字化手段，主要以文檔的形式對設計過程進行描述[9]。與傳統的基于文檔的研發模式相比，基于模型的創新研發模式是以模型為核心，圍繞飛行任務和工作場景，通過基于模型的航天器系統需求分析、功能分解和架構設計，實現需求、功能向架構的分解、分配，利用結構化的需求追蹤矩陣和模型連續傳遞鏈路，能夠支持需求和架構的驗證與確認。通過系統模型與專業分析模型的集成，實現航天器多學科、多層級的性能/功能仿真驗證。最終建立“多級需求可追溯、系統功能早驗證、信息傳遞無二義、數字模型貫全程”的研發新模式。

（二）基于模型的航天器創新研發環境建設

在基于模型的航天器創新研發環境建設方面，本文在參考JPL 的基礎上，提出從軟件工具、設計過程、標準規范（知識庫）等內容開展協同設計環境建設。

1、軟件工具構成

軟件工具是構建基于模型的航天器創新研發環境的重要基礎。結合航天器研制特點，提出所需的軟件工具應包含以下幾個部分：

（1）系統建模工具

系統建模工具以需求為輸入，根據航天器任務場景，重點對行為、結構、參數進行圖形化建模，通過模型的運行，支持動態的功能邏輯驗證。

（2）需求管理工具

需求管理工具是對需求分析的結果進行管理，重點包括需求鏈接關系建立、需求基線管理、需求變更管理和多視圖管理等內容。

（3）多學科集成分析工具

多學科集成分析工具用來實現系統建模工具與各專業工具（如CAD、Matlab 等工具）的集成，通過功能邏輯的運行，可實現系統級任務仿真。

（4）多物理仿真工具

多物理仿真工具用來支持系統的物理域仿真，主要是基于Modelica 語言，實現機械、控制、能源等多領域的功能仿真驗證。

（5）仿真可視化演示工具

仿真可視化演示工具用來對任務飛行過程和仿真結果進行可視化展示，以可視化（三維、曲線等）的方式直觀、清晰地展示系統仿真驗證過程。

圖2 基于模型的航天器創新研發環境組成

圖3 軟件工具構成

（6）報告自動生成工具

報告自動生成工具用來實現報告生成，通過定義報告生成模板，支持基于各類模型的報告自動生成，用來歸檔、查閱等。

（7）模型管理工具

模型管理工具用來對系統模型進行管理，支持基于Web 網頁的模型文檔生成，重點包括模型的統一存儲、版本管理、流程管理、模型查看、模型評審等內容。

2、基于模型的航天器系統設計過程

基于模型的航天器創新研發過程如下：以用戶需求為輸入，開展任務邊界定義，定義大系統組成及與航天器之間的接口；基于航天器任務場景，定義航天器任務運行的階段和用例，通過對任務過程進行層層分解，最終建立航天器功能樹；根據功能分析的結果，定義系統/分系統級組成，將功能活動分配到各分系統/單機中，定義各分系統/單機之間的接口；在功能分析和架構設計基礎上，明確航天器指標體系，定義功能、性能、約束、接口等各類指標，并基于該指標，開展各類工程分析和仿真驗證，最終形成下一階段的技術要求（需求）。在整個設計過程中，始終圍繞“需求進、需求出”的原則，利用模型的一致性和關聯矩陣，確保設計結果的一致、可追溯。整個研發過程如上圖所示。

在建模過程中，為了確保模型構建準確、顆粒度合理，圍繞需求、功能、架構、參數等四個方面，提出了一套模型的判定標準，如表1 所示，同時，也可以作為后續模型評審的參考依據。

3、標準規范、知識庫

航天器創新研發環境建設，離不開標準規范、知識庫的支撐。在標準規范方面，需要建立MBSE 模型體系，包括需求/功能/架構/物理等建模規范、MBSE 模型命名規范、MBSE 模型管理規范、MBSE 模型檢查規范等。在知識庫方面，包括構建本體庫、模型庫，支持語義的統一和模型重用，另外，還需要進行插件的定制開發，實現知識經驗的固化。

圖4 基于模型的航天器系統設計過程

四、工程實踐案例

航天五院依托“宇航智造工程”的實施，圍繞型號研制過程中的“痛點”和“癢點”，選取了多個試點型號開展了MBSE 探索與實踐。其中比較有代表性的案例有：

（1）案例1

面臨問題：傳統模式的方案論證過程中，對需求的分析過程以及需求的上下追溯關系均隱藏在人腦中，文檔只反映最終結果，隨著論證的不斷深化和迭代，易出現需求缺失、需求冗余、需求不合理等問題。

工程實踐：提出了一種基于模型的航天器系統設計方法，用戶需求為輸入，圍繞飛行過程、工作模式對模型進行層層分解，利用模型之間的關聯關系，即使發生需求變更，也能確保設計信息的一致性，能夠快速實現需求自頂向下的追溯，確保需求捕捉合理、準確，同時可以支持后期的測試覆蓋性分析。

（2）案例2

面臨問題：傳統模式下FMEA 分析過程中，存在數據追溯困難、一致性難以保證、故障影響分析難以覆蓋全面等問題。

工程實踐：提出了一種基于模型的FMEA 分析方法，對航天器單機故障行為進行建模，在飛行任務運行中，通過故障注入等手段，準確地描述系統的狀態轉移變化，進而快速地進行故障影響分析。

表1 模型構建判定標準

五、總結與展望

MBSE 實施與傳統以往的數字化實施不同，傳統的數字化實施多是以提高效率為主，其模式和流程并未改變，這是設計師樂于接受的。但MBSE實施是以提升能力為主，其模式和流程和傳統相比，存在較大差異，這需要在總結中去探索、完善，對設計師能力水平要求越來越高，從而導致設計師剛開始了解和實施時是有抵觸的?？偨Y起來，MBSE 實施面臨的難點主要有以下方面：1）MBSE 學習成本較高，需要投入很大精力去學習;2）M BSE 實施需要設計師深度參與，需要持續推進;3）MBSE 建模工作量大，需要有計劃有步驟地組織實施。

MBSE 是解決航天器復雜度不斷提升的重要方法和手段，更是航天器研制模式的變革，它代表著系統工程方法的最新進展和未來發展方向，是未來的發展趨勢。需要指出的是，MBSE 的實施本身也是一項復雜的系統工程，在實施過程中，不能為了MBSE 而MBSE，更重要的是在企業中要形成MBSE 的理念和文化，要與型號研制流程相結合，聚焦研制過程中的“痛點”和“癢點”，它的實施是一項長期工作，需要堅持不懈，一步一個腳印。