一種基于“缺省模式”設計平臺的航天單機產品研發模式

張伶俐、王雨、趙曉嵐、柳柱、常曉紅 /北京航天自動控制研究所

“十三五”以來，航天型號任務越來越重，禹春梅等提出2018 年型號數量較2011 年增長62%；型號研制周期越來越短。據統計，“十三五”以來新立項型號任務周期比“十二五”平均壓縮50%以上；越來越多型號對成本控制更嚴格；民營航天企業雨后春筍般遍地開花，競爭越來越激烈。中國航天科技集團有限公司第七次工作會明確提出，加快推進全面深化改革，完成型號科研生產管理模式優化升級。吳燕生董事長提出 “高質量保證成功、高效率完成任務、高效益推動航天強國和國防建設”目標，因此急需實現產品快速研發，縮短產品研制周期；推動研發模式優化升級，提升新研產品質量；提高研制效率，降低研制成本；研發有據可依，人才快速成長。

一、航天型號單機“缺省模式”設計平臺的設計思路和架構

航天單機產品研制分型號作戰，各自設計，每個單機需要大量人力長周期論證；每個新設計需要經過多次驗證，避免質量問題難度大；航天型號眾多設計方案百花齊放，人才培養難度大。遂探索實施“單機方案+貨架產品+關鍵技術”的平臺化研制模式，“缺省模式”設計平臺主要包含企業知識庫、貨架產品庫、流程庫3 個部分。

企業知識庫將散落于各處的知識、關鍵技術顯性化，形成標準與模板。貨架產品庫將航天單機產品分種類設計成各種航控平臺，便于各型號借用。通過流程在線選用企業知識庫知識、關鍵技術、貨架產品；實現單機研制方案快速生成、元器件快速采購、貨架產品圖紙快速下廠、新研圖紙快速設計、文檔報告快速生成、提高航天單機產品生產研制效率；實現新研圖紙高質量設計、借沿用貨架產品的航天單機產品或者模塊圖紙零質量問題，提高產品質量；實現大批次器件、原材料快速采購，降低成本；知識、關鍵技術、平臺圖紙集中顯性化，研發有據可依，人才快速成長。通過流程、機制保障流程固化、任務自動推，實現航天型號單機產品在線協同設計。實現“高質量保證成功、高效率完成任務、高效益推動航天強國和國防建設”目標。

“缺省模式”設計平臺主要用于單機產品的缺省設計，其設計思路和架構如圖1 所示，通過調用mentor、ise、cad、pro/e、creo等現有設計及管理工具，實現任務流程數據一體化。

圖1 “缺省模式”設計平臺設計思路和架構

1.流程

流程是“缺省模式”設計平臺的靈魂，通過調用流程在線選用企業知識庫知識、關鍵技術、貨架產品,串聯航天單機產品研制全過程，實現單機快速、低成本、高質量研制，快速培養人才。

流程有無定制、半定制和全定制3 種。無定制單機研制流程中，直接借用整機貨架產品或者模塊，需要編制適應性分析報告。半定制是指整機產品中一部分部組件借用了產品庫中的模塊產品，另一部分為全新研制。半定制流程中借用部分的單板模塊需要編制適應性分析報告，整機研制仍需要參考整機研制詳細流程。全定制產品按照產品詳細研制流程進行。

無定制、半定制和全定制3種研制流程都由單機研制總流程、單板詳細設計流程、FPGA詳細設計流程、軟件詳細設計流程、結構詳細設計流程、仿真流程、單元測試儀詳細設計流程組成。圖2 所示為全定制和半定制單機研制總流程，圖3為無定制單機研制總流程，圖中每個模塊都是一個子流程。流程中 集 成mentor、ise、cad、pro/e、creo 等現有設計及管理工具。通過流程梳理和設計模板的封裝，實現設計過程數據的全面管理，并且實現已有設計的快速復用，提高設計效率；通過與AVIDM3.5 和AVIDM4.0 系統的集成，實現產品設計由任務下發到文件歸檔的全過程管理；設計模板的封裝和與工具集成，實現對工具及高性能平臺的高效、便捷應用。

圖2 全定制和半定制單機研制流程

圖3 無定制單機研制流程

2.貨架產品庫

為提高航天單機產品生產研制效率，降低成本，提高質量，設計了通用航控平臺。通過多層級產品平臺建設，實現型號產品模塊級復用率達到85%的目標。

貨架產品庫主要存放用于缺省模式設計過程中用到的貨架產品信息，由整機、模塊、軟件等組成。通過基礎信息庫中整機貨架產品圖紙，模塊貨架缺省圖紙、軟件設計、文檔調用形成整機缺省設計。基礎信息借用，促使研發有據可依，培育人才快速成長。

3.企業知識庫

零散知識、關鍵技術散落于各型號，其傳承和人才培養較為困難。企業知識庫將知識、關鍵技術積累起來，形成標準與模板，利用知識門戶的數據管理功能完成知識信息的管理和展示，將其傳遞給大家，成為共同的知識，提高設計一致性，使其具有繼承性，也便于人才培養。知識庫是研發的基石，由CBB 庫、IP 核庫、教材庫、標準庫、模板庫、質量體系庫、崗位庫組成。

（1）CBB 庫

相對獨立，經過封裝的零部件或零部組件，通常具有相對獨立的需求規格和設計規格，設計及測試過程也相對獨立。

（2）IP 核庫

在集成電路可重用設計方法學中，IP 核全稱為知識產權核（intellectual property core）,指某一方提供的、形式為邏輯單元、芯片設計的可重用模塊。IP 核分為軟核、硬核和固核。軟核通常是與工藝無關、具有寄存器傳輸級硬件描述語言描述的設計代碼，可以進行后續設計；硬核是前者通過邏輯綜合、布局、布線之后的一系列工藝文件，具有特定的工藝形式、物理實現方式；固核則通常介于上面兩者之間，它已經通過功能驗證、時序分析等過程，設計人員可以以邏輯門級網表的形式獲取。

（3）教材庫

彈上計算機作業指導書等航天單機產品設計的所有教材統一管理，便于航天單機產品設計時在線調用學習。

（4）標準庫

員工工作手冊、去型號化產品命名規則等航天單機產品設計的所有標準規范統一管理，便于航天單機產品設計時在線調用學習。

（5）模板庫

建設單機分技術條件、軟件任務書、測試儀任務書、元器件選用分析報告等文檔缺省模板。通過流程調用“缺省模板+設計結果”的方式，實現單機分技術條件、軟件任務書、測試儀任務書、元器件選用分析報告等文檔報告的快速生成，減少了60%重復的文檔工作。

（6）質量體系庫

國軍標5000A 等航天單機產品設計的所有質量體系文件統一管理，便于航天單機產品設計時在線調用學習。

（7）崗位庫

崗位配置、崗位職責等航天單機產品設計的相關崗位信息管理，便于航天單機產品設計時在線調用學習。

二、航天單機產品在“缺省模式”設計平臺的應用

區別于傳統航天單機產品研發模式，為降低重復設計、縮短設計周期、提高質量，“缺省模式”設計根據系統任務書要求，比對現有整機貨架產品和模塊貨架產品，將航天單機產品研制工作分為無定制、半定制、全定制3 種研制模式。

力推增加無定制產品，減少半定制產品，最大程度減少全定制產品的理念。通過“缺省模式”設計，采用“大量無定制+少量半定制+極少量全定制”的方式：減少重復勞動，實現產品快速研發，縮短產品研制周期；推動模式優化升級，提升新研產品質量；提高研制效率，降低研制成本 ；研發有據可依，人才快速成長。

1.無定制類航天單機產品

航天單機產品直接整機選用貨架產品，根據現有或者未來客戶需求方向設計的航控系列平臺產品。該集合以最少數目規格的產品構成，通用化、標準化和模塊化是產品平臺的核心。貨架產品主要面向用戶使用。采用“流程+貨架產品庫+企業知識庫”模式，僅需在航天單機產品設計任務開始時，調用貨架產品設計、生產圖紙和文檔，開展單機適用性分析工作，貨架產品符合客戶需求，則直接即可形成投產，形成整機缺省設計。減少95%重復勞動，將產品研制周期縮短95%，產品質量零缺陷；貨架產品大規模訂貨生產將大幅度降低研制成本。圖4 為無定制產品開發流程。

2.半定制類航天單機產品

半定制產品開發流程如圖5 所示，該類產品是根據客戶需求在整機或者貨架產品平臺上進行部分定制化設計。該類產品基礎是貨架產品航控平臺，與航控平臺共用單機架構、板卡、模塊、關鍵技術、基礎架構等；針對具體客戶需求進行部分功能定制。利用“流程+貨架產品庫+企業知識庫”，調用選用的模塊貨架產品缺省圖紙、文檔，進行適用性分析，與定制單板共同形成航天單機產品。選用的模塊貨架產品僅需完成模塊適用性分析，減少了選用模塊95%研制周期；定制化單板需要完成完整的單板設計流程，定制板卡調用企業知識庫在一定程度減少重復勞動，縮減產品研制周期，實現產品快速研發；推動模式優化升級，提升新研產品質量；提高研制效率，降低研制成本 ；研發有據可依，人才快速成長。

圖5 半定制產品開發流程

3.全定制類航天單機產品

圖6 為全定制產品開發流程，該類產品與整機或者模塊貨架產品架構、板卡等無共性，全新的個性化產品。無貨架產品圖紙、文檔可調用，需要根據客戶需求全新研制。利用“流程+貨架產品庫+企業知識庫”，部分借用企業知識庫成果，調用各項開發工具，開展全新的定制化設計。借用企業知識庫成果可以減少一定工作，相比較前兩種產品，研制周期較長，成本較高。

圖6 全定制產品開發流

三、成果

“缺省模式”設計平臺已經應用于10 多個型號的30 余臺航天單機產品，其中55%為無定制單機，減少95%重復勞動，將產品研制周期縮短95%，產品質量零缺陷，大幅度降低研制成本；35%為半定制單機，選用的模塊貨架產品僅需完成模塊適用性分析，減少了選用模塊95%研制周期，定制單板調用企業知識庫在一定程度減少重復勞動，縮減產品研制周期提升新研產品質量，降低研制成本，人才快速成長；10%為全定制單機，部分借用企業知識庫成果，調用各項開發工具，開展全新的定制化設計。借用企業知識庫成果可以減少一定工作，提高產品質量，降低研制成本，人才快速成長。

“缺省模式”設計平臺通過隱性知識顯性化，實現系統架構、貨架產品、關鍵技術在線選用，方案快速生成。通過流程、機制保障流程固化、任務自動推，實現航天單機軟硬件產品在線協同設計：由個體設計向協同設計轉變，由個人能力向組織能力轉變，由自我約束向機制約束轉變。

1.關鍵技術

建設CBB 庫、IP 核等企業知識庫，將個體知識轉化為標準企業知識。實現了知識有效繼承，人才快速成長。

2.平臺產品選用

通過“整機產品選用+模塊產品重組”，實現圖紙快速下廠，元器件快速采購。通過“共用電路+通用IP 核”，實現新研圖紙高質量設計。通過多層級產品平臺建設，實現型號產品模塊級重用率達到85%。

3.報告快速生成

通過“缺省模板+設計結果”的方式，實現單機分技術條件、軟件任務書、測試儀任務書、元器件選用分析報告等文檔報告的快速生成，減少了60%的重復文檔工作。

4.成本歸集功能

缺省模式設計平臺實現了與ALMS 的集成接口開發，設計師完成產品設計，通過調用ALMS數據，自動生成產品硬成本，通過硬成本及實際成本價格比例經驗，生成單機及方案成本。由管理人員設置型號目標成本，該目標成本納入系統方案設計模板，方案設計后生成的成本大于目標成本時，流程會回到重新設計環節，直到方案成本滿足目標要求。成本歸集流程如圖7 所示。通過該功能設置，能夠實現缺省平臺與3MT 流程相結合，支撐型號及產品研制的經營管控。

圖7 成本歸集流程圖

應用“缺省模式”設計，將單機研制由單一設計實現了由個體設計到協同設計轉變、個人能力到組織能力轉變、自我約束到組織機制約束。通過貨架產品平臺點選、調用、在線設計、自動傳遞等操作，實現系統方案的快速論證、文檔報告的缺省生成，釋放設計資源，助推航天單機的平臺化研制全面實施。后續，應逐步完善模板庫、流程、貨架產品庫、企業知識庫建設，進一步提高平臺成熟度，加快推進全面深化改革，完成型號科研生產管理模式優化升級。