高分多模衛星基于統一數據源總裝技術狀態管控

袁義 范立佳 薛宏偉 朱位 宋文龍 魏平 張亮

(1 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094) (2 中國空間技術研究院遙感衛星總體部，北京 100094)

總裝是航天產品制造的最后階段，只有經過了正確的裝配、精確的檢測和合理的調整，才能使航天產品的質量滿足設計要求和用戶需求[1]。航天器總裝流程一般包括設備入庫/出庫、機械安裝、電氣裝聯、管路焊接、檢測調整、航天器運輸和發射場裝配等[2]，伴隨整星總裝、測試與試驗(AIT)全過程，與各項測試、試驗高度耦合，設備配套、裝星狀態始終處于動態變化過程中，技術狀態控制十分復雜。現行的研制模式下，航天器設計與總裝相對獨立。在設計環節，各分系統分別按照總體設計分解的指標開展產品設計工作；總體設計在各專業設計的基礎上，按照測試、試驗要求明確AIT各階段設備配套，制定總裝技術流程。在總裝環節，總裝工藝涉及大量的總體設計、分系統設計、工藝要素、現場實施等多個維度的數據信息，可以理解為總體設計信息的再設計，任何數據信息的傳遞失真都會導致嚴重的后果[3]。然而目前設計對總裝的技術要求一般以文件、表格、圖紙、模型的形式下發,數據源頭眾多，載體形式多樣，各類輸入物僅存在邏輯上的關聯性，針對同一對象的描述可能因人而異。上述信息傳遞到總裝環節后，總裝工藝人員需要從實施角度進行信息的二次提取，通過重構物料清單(Bill of Material，BOM)來構建工藝數字樣機[4]，并將緊固件等以產品參數形式存在的產品對象進行實例化處理，構建各類裝配對象之間的強關聯，不可避免涉及到信息的二次加工，再次放大了設計、工藝針對同一對象描述的差異。由此造成的結果是，設計和總裝分別從各自視角維護一套結果，相互之間在邏輯層面存在關聯，在數據層面無法聯動，設計的結果無法直接在下游使用，總裝工藝要處理的信息量大，實施結果也無法直接向上游反饋，設計部門要想了解實際進度只能現場跟產。

要解決上述問題，需要站在全流程的角度綜合考慮，在設計信息發布前充分兼顧總裝工藝對輸入的要求，圍繞核心產品構建面向總裝的結構化數字模型，并以該模型替代各類文件作為銜接設計、總裝的橋梁，在此基礎上開展總裝過程數字化定義，以實施結果反向驅動設計模型，實現數據下得去，狀態回的來。

1 現行航天器總裝技術狀態管理模式

航天器系統總裝項目多，總裝狀態隨測試、試驗狀態的設置不斷變化[5]。總裝技術狀態是開展總裝實施工作的基線，總裝開始前必須明確要實現的狀態，一般應在總裝技術狀態文件中加以規定和明確[3]，自上而下分為流程階段定義、階段內工序定義、工序內容定義3個層面(見圖1)。

圖1 現行航天器總裝技術狀態管理流程Fig.1 Traditional spacecraft assembly technical status management process

流程階段定義指將測試、試驗過程按照階段性目標進行分解，每個階段工作開展前艙段、艙板、大部件、設備、纜線等硬件配套需要達到指定的裝星狀態；階段內工序定義指通過制定合理的步驟完成指定艙段艙板開合、單機設備拆裝、纜線插拔等一系列工作；工序內容定義明確了每一步的工作內容，是開展具體工藝設計與實施工作的依據。

在當前的產保體系下，上述3個層面工作均通過面向專項測試、試驗的總裝技術狀態流程文件進行描述，在內容上實現了對總裝工作的覆蓋。但是問題也很突出，首先文件作為信息傳遞的載體信息量太大、顆粒度太粗，有效數據不能直接被識別和利用；其次各個分系統都站在自身角度對總裝提要求，每個系統僅針對自身的信息產生過程和具體業務過程進行支持，難以從產品數據總體的角度，進行數據的歸集、匯總、處理和輸出[6]，信息分散零碎不成體系，堆積在下游依賴工藝設計消化整理。可以說現有總裝技術狀態的管控是建立在航天強大的管理體系基礎上，管理的強勢掩蓋了數據、流程存在的短板。

2 基于統一數據源的總裝技術狀態管控模式

解決現有總裝技術狀態管理問題需要從流程優化和數據治理兩方面入手。流程優化是指將紙面上的流程變成數據驅動的流程，流程中每個節點的輸入輸出要可量化，節點狀態的變化要隨輸入條件的變化自動更新盡可能減少人工干預。數據治理是指在設計環節充分考慮工藝設計的需要，圍繞核心產品構造面向裝配的數字模型，該模型不僅包含產品本身的設計要素，同時包含對裝配工藝設計約束，即將文件中針對核心產品安裝、插接等附加性要求通過模型屬性的方式進行表達。總裝工藝開展工藝設計時，選擇到該產品后即可關聯獲取與該產品相關的所有的附加屬性并直接復用，以此降低總裝工藝設計的難度，實現數據在上下游的一致和貫通。

圖2表達了優化后的總裝技術狀態管理流程，與傳統管理模式相比，設計數據經過匯聚、整合后以統一數據源的形式作為總體總裝設計、總裝工藝設計與實施的唯一輸入；基于流程引擎構建了階段定義、工序定義、工序內容定義三級流程，自上而下進行工序的分解，自下而上反饋執行的進度，層級之間具有相互驅動關系；同時以階段性目標狀態和實做狀態反向驅動三維模型，直觀的展現工作進展。

圖2 基于統一數據源的總裝技術狀態管理流程Fig.2 Management process of spacecraft assembly technical status based on unified data source

2.1 統一數據源

設計與工藝的工作目標與看問題的角度存在較大差異，航天器設計是按專業并行開展的，雖然可以證明其設計的合理性，但不能完全覆蓋工藝上的可操作性和空間可達性[7]，而總裝工作則從實物維度出發，通過合理的流程將各專業的硬件產品串行安裝在指定位置，并滿足設計所要求的機、電、熱特性。

一顆普通衛星約有20塊結構板，部署約150臺設備，每臺設備大約有10個電連接器，每個電連接器的插接要求、保護要求不同；每臺設備大約有6個安裝耳片，需要6套緊固件進行固定，每臺設備的擰緊力矩、打保險要求各異；同時需要根據設備布局位置、設備在不同工況下的發熱量，加裝加熱片、涂抹導熱硅脂、安裝擴熱板進行加熱保護或散熱處理。需要維護的總裝對象大約有15類5000余條，每條對象還需要維護10到20個安裝屬性。

雖然總裝硬件配套繁多，但是大部分硬件配套設施都是為了核心產品的正確裝配、使用服務的，所以面向總裝的統一數據源構建，關鍵是抓住單機、載荷等核心產品，將機、電、熱相關措施作為核心產品的附件，統一構成面向工藝的裝配數據單元。圖3以單機數據單元為例進行了說明，除了單機本身存在安裝技術要求，還包括直屬件、接地、保護件、警示件等機械附件；熱敏電阻、加熱片、擴熱板、熱包覆等熱控附件；電連接器、高頻電纜等電附件。各類附件的規格、數量、安裝技術要求存在于接口數據單、專業技術文件和三維模型中，信息的組織需要采用系統集成、模型解析和人工提取多種方式。

中國空間技術研究院通過多年的發展，廣泛開展了基于統一數據源的航天器總體設計[8]，形成了以航天器接口數據單(Interface Data Sheet，IDS)為統一數據源，以三維模型為信息載體的協同設計模式，建立了面向機、電、熱多個專業的專家系統，能夠通過系統接口獲取需要的設計要素，具備了構建“設計-總裝”統一數據源的基礎條件。圖4描述的是部分星上產品提交給總裝工藝的設計輸入，“√”表示與該產品相關的對總裝工藝設計有約束指導意義的附加屬性，其中的大部分由各專業設計模型直接抽取，通過信息重組后可作為工藝設計的直接依據。

注：OSR為光學太陽發射器。圖3 面向工藝的單機裝配數據單元Fig.3 Equipment data unit for process design

圖4 部分星上產品提交給總裝工藝的設計輸入Fig.4 Design data of some on-board products submitted to assembly process

2.2 總裝過程建模

總裝過程建模是傳統總裝工作流程和內容的結構化，從層級上自上而下依然分為流程階段定義、階段工序定義和工序內容定義三部分。采用結構化建模后，各個層級之間、層級和配套之間建立了強關聯，上一層級的狀態可根據下一級的變化動態更新，實時反映AIT全過程狀態。

2.2.1 流程階段定義

1)硬件配套和投產矩陣結構化建模

建立起面向總裝過程的統一數據源后，可以通過設備選用的方式建立硬件配套和流程階段的直接關聯。設備被選用后，與該設備相關的接口特性、安裝技術要求、機/電/熱附件同步帶入，與流程階段產生間接關聯。通過上述方式將隱含在文件之間的隱性關聯關系顯性化，形成了以階段為干、配套為枝、各類附件和技術要求為葉的完整數據鏈。

在總裝各階段，出于滿足測試試驗要求、縮短時間周期、節約成本多重因素考慮，上星的設備有可能不是真正上天的最終產品，而是在某一方面的功能、性能滿足測試試驗需要的最終實物的衍生品，如用于微振動試驗、熱穩定性試驗的結構熱控件，用于電性能測試的電性件，用于單機性能驗證的鑒定件。上述器件與最終發射產品在邏輯上同屬一個設備，在物理上又是實際存在的多個實體，作為多個獨立的個體進行出/入庫、上/下星管理。在硬件配套、構建投產矩陣結構化建模時，需要增加“目標用途類型”屬性，根據階段要求設定硬件狀態，實現與實物的正確對應。

投產矩陣及裝星設備技術狀態配置示例如圖5所示。

圖5 投產矩陣技術狀態配置示例Fig.5 Configuration example of technical status of production matrix

2)目標狀態建模

完成硬件配套的選配后，需要為階段設定目標狀態，即開展該階段工作的初始條件。對于典型的衛星而言，初始狀態一般需要對艙段的分/合、艙板的開/合、設備和電纜束的裝/卸、電連接器的通/斷、電纜分支的插/拔進行描述。

目標狀態建模時，針對每一類硬件建立了初始狀態字典庫，并通過配置的方式建立狀態與硬件類型之間的關聯。針對有連接關系的對象如電連接器，構建了連接對象類型字典，用于區分連接的是星船電纜還是地面工藝電纜；對于電纜分支需從階段硬件配套中選擇連接的始端和終端物理對象。硬件類型和狀態字典的匹配關系見表1。

表1 硬件類型和狀態字典的匹配關系示例Table 1 Example of matching relationship between hardware type and status dictionary

2.2.2 階段內工序和工序內容結構化定義

在建立了階段配套的基礎上，通過構建結構化工序流程，將配套進一步細化分解到工序的每一步，作為工序內容定義中物料信息、資源保障(工裝、設施)的直接輸入。

在工序內容定義的工作內容部分采用了“動作+實物對象”的結構化定義方式，動作部分將面向設備的“安裝”、“拆卸”，面向纜線的“插”、“拔”等動作封裝為行為字典，實物對象部分則從分配到該工序的硬件配套中直接選用。上述過程規范了對工藝操作的描述，同時將統一數據源貫穿到每一個工步，實現了數據層面自上而下的統一。結構化工序流程及工序內容結構化定義的示例如圖6所示。

圖6 結構化工序流程及工序內容結構化定義Fig.6 Structured process route and structure definition of process content

2.3 現場狀態可視化反饋

設計部門需要實時掌握總裝工藝實施過程中設備出入庫、整星狀態的變化，現行管理模式下，總體設計人員只能通過跟產的方式現場追蹤，時效性差且不直觀，無法滿足各層級人員對AIT技術狀態控制的需要。

以統一數據源作為總裝工藝文件編制的直接輸入，從根本上保證了設計與工藝信息的同源，掃除現場實物狀態反向驅動三維展示模型的最大障礙。通過與庫房系統、制造執行系統(Manufacturing Execution System，MES)集成，利用設備的庫房狀態驅動階段內設備配套屬性變化，直觀反映設備的到貨情況；利用MES中的執行記錄驅動設備、電纜等實物對象三維模型在整星總裝模型上的顯示或者隱藏，直觀反映總裝實施進度，設備的入庫狀態和總裝實施進度可作為AIT工作計劃調整的直接依據，建立起供應鏈與總裝過程的橋接，實現全流程信息透明。圖7以看板的形式展示指定階段設備的目標狀態和實際裝配狀態，圖8是狀態的三維可視化。

圖7 實施過程在線看板Fig.7 Online display panel of implementation status

圖8 實施過程可視化驅動Fig.8 3D visualization of implementation process

3 應用效果

根據本文建設的AIT技術狀態管理系統，在高分多模衛星研制過程中開展了應用，在業務層面帶來以下改變。

(1)總體設計部門給總裝部門的提交物由文件變為“結構化數據+描述性文件”，結構化數據以裝配對象為核心建立裝配數據單元，描述性文件用于對實施方法等不可量化內容的描述。結構化數據需要從各類系統中抽取，無法抽取的數據由人工補錄，與傳統寫文件的方式相比，工作量大致相同，結構化數據通過AIT技術狀態管理系統進行技術狀態控制。

(2)總裝部門的輸入由單一文件變為“結構化數據+描述性文件”，結構化數據作為總裝工藝設計、設備庫房管理、總裝現場執行的統一源頭，數據導入通過系統間接口自動實現，節省總裝工藝設計人員約2周左右的數據錄入、校核工作，人為原因造成的錯誤減少為零。

(3)設計人員通過AIT技術狀態管理系統實時查看設備出入庫情況，通過現場實施數據反向驅動的三維模型查看總裝進度，即使坐在辦公室也能掌握現場情況，減少了50%左右現場跟產時間。

4 結束語

本文在深入了解航天器總裝工作基礎上，開展面向總裝工藝的總裝技術狀態管理模式研究與實踐。通過對整星配套、研制數據、技術要求的整合，按照總裝工藝設計需要進行結構化重組，構建面向“設計-工藝”統一數據源，實現自上而下數據層面的貫通；開展總裝過程結構化建模，建立階段、流程、執行不同層級之間的信息流，實現狀態信息的雙向驅動；開展與總裝工藝系統、庫房系統集成，實時獲取設備庫房狀態、總裝實施狀態，通過三維模型顯性表達，為后續工作提供直觀依據。工程實踐的結果驗證了基于統一數據源的航天器總裝技術狀態管理模式的可行性與系統的可用性，為后續全面推廣應用奠定了基礎。