載人航天器系統管理模式魯棒優化研究

胡海勇等＊ /錢學森空間技術實驗室

20世紀四五十年代，在第二次世界大戰的推動下，美國通過“曼哈頓”計劃下重大武器系統的項目管理實踐，創立了計劃評審技術（PERT）、關鍵路徑法（CPM）等系統工程理論，建立了項目管理知識體系（PMBOK）、項目組織管理成熟度模型（OPM3）等方法工具。我國自載人航天工程批復立項以來，通過項目管理實踐，摸索出了一系列適合我國國情的載人航天項目管理經驗，袁家軍在《神舟飛船系統工程管理》一書中提出了以完整的計劃流程保證并行工程和目標管理的實施方法，規范了質量問題歸零“雙五條”標準和技術狀態更改控制五條標準，提煉形成了“神舟”飛船項目管理成熟度模型等；楊保華在《神舟七號飛船項目管理》一書中深入研究了基于系統原理的項目管理策劃，基于權變理論的柔性項目組織管理，基于關鍵鏈理論的項目進度管理，基于統籌優化思想的項目試驗管理等；尚志研究了“神舟”載人飛船的關鍵鏈，并基于貝葉斯網絡技術，建立了“神舟”載人飛船貝葉斯網絡的關鍵鏈項目管理模型；金勇從“神舟”載人飛船項目進度短線問題識別角度，基于計劃評審技術，建立了涵蓋貝葉斯網絡、重要度分析、計劃執行不確定性、計劃評審技術的研究路線。

一、載人航天工程特征分析

1.系統規模龐大，多項目并行

載人航天由最初的載人飛船逐步擴展到了空間實驗室、貨運飛船、“天和”一號、“問天”、“夢天”、“巡天”和新一代載人飛船共8個類型飛行器，設備由初期載人飛船的600多臺設備，擴展到空間站的1400多臺設備，管路、電連接器、軟件量均翻番，要求每臺設備、每個焊點、每個接插件、每行軟件代碼都可檢測，確保不出差錯，系統工作量成幾何倍數增長，并伴隨載人月球探測任務的拓展，系統規模將不斷擴大。

2.專業技術復雜，工程實現難

載人航天工程是我國航天領域工程實現最復雜的項目，技術狀態新，接口關系復雜，系統驗證繁瑣。當前空間站工程建造任務共包含10個大系統150余個分系統，技術范圍涉及熱控、機械、電子、信息、微波、光學、力學、醫學、貨物、可靠性、安全性、動力學、空間環境、生命科學、人機工效等30余個學科專業，需要深厚的專業技術儲備、雄厚的專業技術人才力量。

3.配套單位眾多，跨地域協作

載人航天器的設計、研制、生產、組裝、試驗及發射等工作由中國空間技術研究院抓總負責，中國航天科技集團有限公司內相關分系統和單機院所、直屬公司承研，同時還涉及中國航天科工集團有限公司、中國航空工業集團有限公司及民營公司等眾多外協配套單位，全國34個省級行政區約4700多家單位協同參與任務。其中載人航天器的系統總裝廠由位于北京、酒泉2個城市，擴展到了北京、天津、上海、酒泉、文昌共5個城市。

4.進度要求緊張，質量要求高

從1992年9月立項到1999年11月“神舟”一號飛船發射，用時7年；如今新一代載人飛船僅用3年的時間便完成了方案設計、產品研制、整船總裝、綜合測試、大型試驗及發射回收?？臻g站建造階段將迎來最高一年發射5艘3個類型載人航天器的任務，進度極為緊迫。高可靠性、安全性是載人航天器有別于無人航天器的顯著特點，除了保障在軌正常運行、圓滿完成規定任務外，必須在發射、運行、在軌駐留、返回、著陸等各個環節確保航天員安全。

二、魯棒優化管理研究

魯棒優化的思想最早由Soyster于1973年提出，用于解決不確定問題。2004年，Ben-Tal等提出了可調整魯棒的概念，同年，Bertsimas等提出了區間不確定的參數可調整的魯棒優化方法。黃娟對船舶建造生產計劃魯棒化調度進行了研究，將魯棒優化調度應用到船舶建造計劃中；陳美蓉以動態魯棒進化優化方法為研究方向，建立了動態多目標魯棒進化優化框架，并給出了解決方案；黎靜華等提出了一種基于“魯棒調度計劃”+“魯棒運行區域”的多時間尺度滾動調度模式，用于應對大規模新能源并網下電力系統的多種隨機因素；姜鳳珍等通過對沖突事件的網絡結構進行魯棒性分析，考察員工之間沖突行為的穩定性，建立了員工與組織對抗的博弈演化模型；周伊佳等以多階段生產與庫存問題為研究對象，建立了更符合實際意義的共享不確定性參數魯棒優化模型，給出了更為合理的生產和庫存方案。當前魯棒優化方法已廣泛應用到工程管理、財經管控、交通物流、自然科學等各個領域，解決不確定性問題，其方法實施的關鍵是對于包含不確定數據的問題產生一個易于求解的魯棒對應模型。

三、載人航天器系統管理魯棒優化模塊設置

我國載人航天事業已經全面邁進空間站工程建造階段，系統的組成越來越復雜，關鍵技術的難度不斷加大，協作單位的范圍不斷拓展，高強度、多航天器并行工作漸成常態。而且每個載人航天型號的開始都伴隨著各種干擾的開始，一旦干擾發生，就會導致型號項目的技術狀態、進度、質量、風險控制等偏離策劃，2020年的新冠肺炎疫情給人員集中程度要求高、進度緊張的型號研制工作帶來了很大挑戰。確保員工健康安全和科研生產任務有序推進，堅決打贏疫情防控阻擊戰和科研生產任務攻堅戰，高質量、高效率、高效益完成型號工作成為亟待解決的問題。縱觀型號研制的全流程，載人航天器的總裝、測試、對外協作貫穿著型號研制的全周期，如何提高這3個過程的魯棒性，將很大程度上提高型號研制過程的抗外界干擾能力。

1.總裝過程數字化

通過制定統一規范，建立型號內跨部門、跨專業、跨地域的統一規范并行快速協同設計平臺（見圖1），將設計、制造、總裝、仿真和試驗過程數據連通，在型號研制全周期內實現載人航天器研制過程機械總體技術狀態數據化、結構化和標準化的閉環管理。建立起一套面向設計、制造、總裝全過程多專業、強耦合的并行協同設計體系，形成基于統一三維模型的各專業全流程并行協同設計解決方案，研制效率大幅提升。

在全三維航天器研制過程結構化、標準化信息的基礎上，自主開發基于歷史設計經驗的總裝智能設計軟件，將知識和參數驅動集成應用實現總裝集成智能設計，提高設計效率，提升產品設計質量。

通過建立自上而下、組件化、結構化、全要素通用三維協同設計體系，實現設計協同、加工制造、總裝集成、仿真結果等設計信息的受控管理。

2.測試模式遠程化

伴隨空間站建造工程的深入推進，多地并行測試已成常態化，遠程測試模式亟待進一步完善和推廣應用，遠程測試可分為遠程監測模式和遠程指控模式。遠程監測模式下，后方只對測試數據進行監視和判讀，不具備獨立測試能力；遠程指控模式下，后方可發送測試指令，遙控地面設備并控制測試狀態，從而獨立完成測試。

圖1 基于全三維模型的載人航天器數字化協同設計平臺

作為本地測試模式的延伸，遠程監測測試模式（見圖2）可有效減少前方人員數量，但后方作為前方的輔助，不具備獨立測試能力，測試重心仍在前方。遠程指控測試模式（見圖3）可實現后方對前方的實時監視、指揮和控制，做到“看得見、夠得著、管得住”；可實現后方測試專家團隊的動態共享，為并行測試的多艘航天器把脈問診；可大幅減少測試人團隊往返兩地的次數，有效釋放測試隊伍的精力，全身心地投入到型號測試工作中，高效率、高質量地完成測試任務，同時可兼顧照顧家人，平衡好工作和生活，保證測試隊伍的穩定性。

3.測試過程自動化

自上而下按照階段將載人航天器復雜的測試過程進行分解，分解后再次組合子項目，使其覆蓋型號各階段的測試要求，建立全周期自動化測試系統（見圖4），該系統可通過自動化執行程序提升測試效率，通過主動式和被動式數據判讀相結合的方式保障數據判讀的質量，由主觀工作轉變為客觀判據，將人的經驗固化，降低人為控制風險，有效釋放員工壓力，實現高質量、高效率、高效益的“三高”測試目標。

構建主動判讀和被動判讀相結合的機器判讀機制。被動判讀機制實現遙測數據和載荷數據的全周期不間斷判讀。遙測判讀采用有限狀態機模型引入判讀語法體系和推理機制，建立支持復雜判據編寫、預報錯機制、分級報錯的參數數據判讀模型，實現參數邏輯復雜、耦合性高條件下的逐幀精細化判讀。通過音視頻閉環測試系統，實現音視頻載荷數據連續性和時延的不間斷自動精確測量，取代耳聽目視的方式，確保不漏判不錯判。主動判讀機制側重于航天器對激勵的響應及關鍵事件進行判讀，對飛行程序的執行情況進行判讀。判讀事件發生時的航天器相關狀態如船箭分離、對接完成等關鍵事件是否正常；判讀激勵是否按照既定的時序關系正常發出，狀態是否按照既定的時序安排轉換。

圖2 遠程監測模式

圖3 遠程指控模式

全包絡、全周期的數據自動判讀機制可保證機器判讀的可靠性，使機器主導的測試結果值得信賴。新模式可解決“測試過程控制以人控為主、人工干預和操作多、數據判讀以人工判讀為主要方式，測試質量與人員數量和素質耦合性高”等問題。高質量的前提下實現高效率的測試，使該模式真正令人“放心”。

4.運營模式國際化

圖4 全周期自動化測試系統

“國際空間站”是迄今世界上建造規模最大、運營周期最長、涉及國家最多的空間國際合作項目，建造和運營管理期間涉及16個國家，包含俄羅斯、美國、日本、歐洲、加拿大等，預算投資630億美元，目前實際花費超1000億美元，任何國家獨自承擔都充滿壓力。相比于總質量超過400t的“國際空間站”，我國空間站規模適度，將以較小的規模實現科學實驗支持能力的最大化，并具有突出的中國特色和核心內涵，服務于新時代國家戰略。

按照美國和俄羅斯當前規劃，“國際空間站”計劃于2024年退役，屆時我國空間站很可能成為唯一在軌的長期有人照料的空間站。中國空間站設計壽命10年，建成后面臨著長期的運營和擴展任務，將持續消耗大量資金成本。協作模式的國際化將推進加速創新引領，進一步夯實建設航天強國的技術基礎；同時，可以牽引國際載人航天發展、節約擴展及運營成本，高質量、高效率、高效益地推動航天強國建設，為建設世界一流宇航企業奠定堅實的基礎。

本文在載人航天工程二步二階段圓滿收官的項目管理實踐成果基礎上，提出了基于數字化總裝、遠程化測試、自動化測試、國際化協作的型號項目研制管理模式，可有效提高載人航天工程研制的生產效率和風險防范能力，為載人航天第三步空間站建造和運營任務、載人月球探測任務提供了一個健康的管理模式，為型號項目的順利研制、成功發射、穩定運行提供堅強的保障。后續，載人航天工程將通過建立可測量、可控制的數學模型，持續改進項目管理模式的智能性和自適應性，提高其魯棒能力?！ㄘ熑尉庉?徐菁）