MBSE技術(shù)在我國(guó)載人航天器研制中的應(yīng)用

王為 彭坤

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

我國(guó)載人航天事業(yè)經(jīng)過(guò)30年的持續(xù)發(fā)展，形成了具有中國(guó)特色的載人航天器系統(tǒng)工程方法與理念，對(duì)載人航天事業(yè)的健康發(fā)展提供了有力支撐。目前，我國(guó)載人航天系統(tǒng)工程研制模式多是以傳統(tǒng)基于文檔的工作方式進(jìn)行，系統(tǒng)建模與管理主要依靠研制人員的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性驗(yàn)證主要依靠實(shí)物測(cè)試。這種方式系統(tǒng)性不強(qiáng)，可追溯性差，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，已無(wú)法滿足我國(guó)復(fù)雜航天器和未來(lái)重大航天工程專項(xiàng)的研發(fā)需求。因此，在我國(guó)載人航天器研制中探索開(kāi)展了基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)技術(shù)的應(yīng)用，取得了一定的應(yīng)用實(shí)踐成效，有力支持了相關(guān)載人航天器研制工作[1-3]。

本文對(duì)我國(guó)載人航天器研制面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了分析，闡述了MBSE技術(shù)在我國(guó)載人航天器研制中的應(yīng)用思路，對(duì)MBSE技術(shù)在天宮空間站和載人月球探測(cè)任務(wù)中的應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹。

1 研制面臨的挑戰(zhàn)

在我國(guó)載人航天器研制中，傳統(tǒng)基于文檔系統(tǒng)工程方法主要面臨如下4個(gè)方面的挑戰(zhàn)。

(1)系統(tǒng)的需求越來(lái)越復(fù)雜，需求的定義、分解、落實(shí)管控困難。隨著系統(tǒng)規(guī)模的增大及專業(yè)學(xué)科間耦合復(fù)雜度的提升，系統(tǒng)需求的全面準(zhǔn)確定義、合理充分分解和最終在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的落實(shí)和驗(yàn)證，給傳統(tǒng)的以文檔為基礎(chǔ)的需求管控模式帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)，需求定義的不明確、分解不合理、設(shè)計(jì)漏項(xiàng)、驗(yàn)證不充分的風(fēng)險(xiǎn)越來(lái)越大。

(2)系統(tǒng)間設(shè)計(jì)深度耦合，驗(yàn)證難度大，設(shè)計(jì)問(wèn)題暴露晚。隨著任務(wù)要求越來(lái)越復(fù)雜，各系統(tǒng)間、專業(yè)間的方案設(shè)計(jì)耦合程度加深，目前單一系統(tǒng)、專業(yè)獨(dú)立開(kāi)展的仿真、試驗(yàn)及評(píng)審等手段難以保證系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)的正確性，特別是系統(tǒng)接口、分系統(tǒng)接口、學(xué)科專業(yè)接口方面的問(wèn)題，無(wú)法在早期充分暴露。

(3)實(shí)物驗(yàn)證周期長(zhǎng)、成本高，且難以覆蓋全工況。系統(tǒng)研制大量的設(shè)計(jì)驗(yàn)證主要依靠實(shí)物產(chǎn)品進(jìn)行，驗(yàn)證周期長(zhǎng)，成本高。空間站等復(fù)雜組合體航天器難以在地面進(jìn)行全工況試驗(yàn)驗(yàn)證，天地差異也造成一些地面試驗(yàn)的驗(yàn)證有效性難以保證，特別是對(duì)于故障模式及對(duì)策的驗(yàn)證，依靠實(shí)物試驗(yàn)很難全面覆蓋。

(4)在軌時(shí)間長(zhǎng)，任務(wù)多樣，運(yùn)行支持難度大。以空間站為例，建造完成后將在軌不間斷載人運(yùn)行10年以上，需要開(kāi)展交會(huì)對(duì)接、軌道維持、維修維護(hù)、在軌補(bǔ)加、科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)等多種多樣的任務(wù)，對(duì)地面運(yùn)行支持在任務(wù)規(guī)劃、狀態(tài)監(jiān)控、應(yīng)急處置、人員保障等方面提出了很高的要求，亟待提高自動(dòng)化程度。

2 MBSE技術(shù)應(yīng)用思路

面對(duì)上述挑戰(zhàn)，有必要探索通過(guò)模型的應(yīng)用來(lái)提升研制質(zhì)量和效率，積極開(kāi)展MBSE技術(shù)在我國(guó)載人航天器研制中的探索應(yīng)用，基本思想是按系統(tǒng)工程的V字形研制流程，建立一套同源數(shù)字化模型，貫穿航天器全生命周期，實(shí)現(xiàn)信息無(wú)縫傳遞、研制高效協(xié)同和全面閉環(huán)驗(yàn)證。

2.1 模型分類

在航天器研制中，模型主要有承載研制信息與執(zhí)行仿真驗(yàn)證兩方面的用途。傳統(tǒng)航天器研發(fā)模式中，文檔通過(guò)自然語(yǔ)言來(lái)承載研制信息，這些信息只有人能理解，計(jì)算機(jī)無(wú)法理解。模型則是通過(guò)計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字化的方式承載研制信息，只有計(jì)算機(jī)“認(rèn)識(shí)”這些信息，才能幫助研制人員管理信息，模型化是自動(dòng)化和智能化的基礎(chǔ)。模型在承載研制信息的同時(shí)，通過(guò)相關(guān)算法能夠?qū)ζ涑休d信息的正確性、匹配性進(jìn)行仿真驗(yàn)證。根據(jù)航天器研制全流程信息承載和仿真驗(yàn)證對(duì)模型的需求分析，本文將研制過(guò)程需要用到的模型分為6類，分別是需求模型、功能模型、產(chǎn)品模型、工程模型、制造模型、實(shí)做模型，這6類模型的定義和主要的建模方法如表1所示。

表1 模型分類Table 1 Model classification

基于模型驅(qū)動(dòng)的研制模式的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)，是可通過(guò)模型實(shí)現(xiàn)研制數(shù)據(jù)源的統(tǒng)一，上述覆蓋航天器研制過(guò)程全周期的6類模型與網(wǎng)絡(luò)協(xié)同技術(shù)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)航天器產(chǎn)品全生命周期的高效協(xié)同研制能力。例如，通過(guò)需求模型實(shí)現(xiàn)需求分析分解過(guò)程的協(xié)同設(shè)計(jì)，通過(guò)功能模型實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的多學(xué)科協(xié)同仿真驗(yàn)證，通過(guò)產(chǎn)品模型實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品并行協(xié)同設(shè)計(jì)，通過(guò)工程模型實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的聯(lián)合仿真驗(yàn)證，通過(guò)制造模型實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造協(xié)同，通過(guò)實(shí)做模型實(shí)現(xiàn)協(xié)同實(shí)做技術(shù)狀態(tài)管理。此外，模型在作為研制信息載體的同時(shí)也是研制知識(shí)的載體，利用實(shí)際產(chǎn)品、試驗(yàn)和飛行數(shù)據(jù)不斷修正模型，可有效實(shí)現(xiàn)研制知識(shí)的有效積累[4]。

2.2 基于模型的研制閉環(huán)驗(yàn)證方法

當(dāng)前，基于文檔的航天器研制過(guò)程主要的設(shè)計(jì)驗(yàn)證閉環(huán)是依賴初樣和正樣階段的實(shí)物試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)方案設(shè)計(jì)的全面閉環(huán)驗(yàn)證。雖然研制過(guò)程也開(kāi)展部分仿真驗(yàn)證工作，但仿真驗(yàn)證工作的系統(tǒng)性不強(qiáng)，主要針對(duì)專業(yè)局部方案分別開(kāi)展，難以起到對(duì)系統(tǒng)方案的綜合閉環(huán)驗(yàn)證作用。這樣造成的后果就是很多設(shè)計(jì)問(wèn)題需要等到實(shí)物研制階段才能通過(guò)實(shí)物試驗(yàn)閉環(huán)驗(yàn)證手段發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致研制過(guò)程的較大反復(fù)，帶來(lái)進(jìn)度、質(zhì)量和經(jīng)費(fèi)方面的巨大損失。而且，隨著航天器任務(wù)功能的多樣化發(fā)展和系統(tǒng)復(fù)雜度提升，越來(lái)越多的設(shè)計(jì)方案無(wú)法通過(guò)實(shí)物試驗(yàn)在地面實(shí)現(xiàn)1∶1的全面驗(yàn)證。例如，由于地面重力的影響，空間機(jī)械臂操控功能無(wú)法在地面進(jìn)行真實(shí)的實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證。這使得僅依靠實(shí)物驗(yàn)證閉環(huán)對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行全面把關(guān)面臨越來(lái)越大的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)于基于模型的研制模式，由于模型具有虛擬仿真驗(yàn)證的功能，因此可以在實(shí)物產(chǎn)品投產(chǎn)前先通過(guò)模型虛擬仿真對(duì)方案設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合閉環(huán)驗(yàn)證，提前暴露設(shè)計(jì)問(wèn)題，避免研制過(guò)程的反復(fù)，實(shí)現(xiàn)“構(gòu)造即正確”。為此，本文提出在載人航天器研制過(guò)程中通過(guò)模型進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)閉環(huán)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)閉環(huán)和實(shí)做產(chǎn)品閉環(huán)3個(gè)綜合閉環(huán)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)對(duì)載人航天器設(shè)計(jì)盡早、盡可能全面的驗(yàn)證。圖1展現(xiàn)了在系統(tǒng)工程V字形研制過(guò)程中3個(gè)閉環(huán)所處的位置，下面分別對(duì)3個(gè)綜合閉環(huán)驗(yàn)證進(jìn)行闡述。

(1)系統(tǒng)設(shè)計(jì)閉環(huán)驗(yàn)證。它是研制過(guò)程最早期的閉環(huán)綜合驗(yàn)證，主要目的是通過(guò)模型虛擬仿真手段對(duì)系統(tǒng)功能性能設(shè)計(jì)進(jìn)行全面仿真驗(yàn)證，確保系統(tǒng)功能性能設(shè)計(jì)的正確性，作為研制過(guò)程由系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)向產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的依據(jù)。

(2)產(chǎn)品設(shè)計(jì)閉環(huán)驗(yàn)證。它的主要目的是通過(guò)模型虛擬仿真驗(yàn)證對(duì)產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)進(jìn)行多專業(yè)綜合仿真驗(yàn)證，確保產(chǎn)品工程設(shè)計(jì)的正確性，作為研制過(guò)程由產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)向產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)的依據(jù)。

(3)實(shí)做設(shè)計(jì)閉環(huán)驗(yàn)證。它包括以下內(nèi)容：①通過(guò)實(shí)物產(chǎn)品的驗(yàn)收、試驗(yàn)和測(cè)試對(duì)方案設(shè)計(jì)和產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證；②通過(guò)產(chǎn)品實(shí)做狀態(tài)構(gòu)造實(shí)做模型，通過(guò)實(shí)做模型的仿真分析驗(yàn)證方案設(shè)計(jì)和產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)結(jié)果是否滿足設(shè)計(jì)要求。在當(dāng)前載人航天器的研制中，實(shí)物研制環(huán)節(jié)包括初樣和正樣兩個(gè)階段，這兩個(gè)階段的實(shí)做產(chǎn)品閉環(huán)驗(yàn)證目的有所區(qū)別。初樣階段的目的是驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的正確性，正樣階段的目的是驗(yàn)證正樣產(chǎn)品實(shí)做狀態(tài)是否滿足設(shè)計(jì)要求。

注：1為系統(tǒng)設(shè)計(jì)閉環(huán)確認(rèn)；2為產(chǎn)品設(shè)計(jì)閉環(huán)確認(rèn)；3為實(shí)做設(shè)計(jì)閉環(huán)確認(rèn)。圖1 3個(gè)研制閉環(huán)驗(yàn)證過(guò)程Fig.1 Three closed loop verification processes for development

相對(duì)傳統(tǒng)的研制模式，本文提出的基于模型的研制方法由于增加了前期的閉環(huán)過(guò)程，因此會(huì)帶來(lái)研制前期工作量的較大增加。但是，由于航天器研制必須確保任務(wù)一次成功的特點(diǎn)，增加前期基于模型的閉環(huán)過(guò)程對(duì)降低任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)非常有利，因此是符合航天器研制需求的。另外，研制前期增加的閉環(huán)過(guò)程將降低帶入實(shí)物研制階段的設(shè)計(jì)問(wèn)題數(shù)量，避免設(shè)計(jì)反復(fù)造成實(shí)物研制階段工作量的巨大增加，綜合來(lái)看，對(duì)提高研制全流程的研制效率是有利的，只是使研制的重心前移了。

3 天宮空間站研制與運(yùn)行應(yīng)用

天宮空間站研制階段，以在軌飛行為目標(biāo)，每個(gè)環(huán)節(jié)都同步構(gòu)建數(shù)字化模型，以實(shí)物數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，以模型結(jié)果驗(yàn)證實(shí)物，模型與實(shí)物同建設(shè)、同交付、同更新、同傳遞，將模型與實(shí)物的關(guān)聯(lián)關(guān)系作為研制管理提升的信息化抓手。在軌運(yùn)行階段，以研制階段構(gòu)建的模型為基礎(chǔ)，構(gòu)建作為空間站數(shù)字孿生體的數(shù)字空間站，為空間站長(zhǎng)期在軌運(yùn)行提供仿真驗(yàn)證支持。

3.1 研制階段應(yīng)用

3.1.1 系統(tǒng)需求管理(需求模型)

前期載人航天器研制技術(shù)要求主要依賴文檔形式管理,技術(shù)要求文檔內(nèi)容多，文檔間技術(shù)狀態(tài)一致性難以保證，要借助新的數(shù)字化技術(shù)手段建立需求管理系統(tǒng)，為載人航天器研制提供條目化的技術(shù)要求管理環(huán)境，確保數(shù)據(jù)狀態(tài)一致性，提高總體精細(xì)化管控水平。在天宮空間站研制過(guò)程中，完成了系統(tǒng)需求管理基礎(chǔ)環(huán)境設(shè)施建設(shè)，結(jié)合空間站應(yīng)用完成項(xiàng)目定制化開(kāi)發(fā)，并開(kāi)展空間站需求建模應(yīng)用，建立空間站總體-艙段-分系統(tǒng)-單機(jī)4級(jí)條目化需求模型體系。需求管理系統(tǒng)解決了空間站研制技術(shù)要求條目化統(tǒng)一管控問(wèn)題，確保了技術(shù)要求數(shù)據(jù)一致性，避免多方傳遞差錯(cuò)，提升了技術(shù)要求狀態(tài)管控能力，形成了條目化的技術(shù)要求管控模式。圖2為天宮空間站需求模型。

圖2 天宮空間站需求模型Fig.2 Requirement model of Tiangong space station

3.1.2 多學(xué)科系統(tǒng)集成仿真(功能模型)

空間站方案設(shè)計(jì)各專業(yè)間耦合關(guān)系復(fù)雜，例如艙段轉(zhuǎn)位過(guò)程涉及動(dòng)力學(xué)、機(jī)械臂、控制、能源、測(cè)控通信等多個(gè)學(xué)科，且無(wú)法在地面進(jìn)行完全真實(shí)的實(shí)物驗(yàn)證，需要開(kāi)展多學(xué)科集成仿真，確保系統(tǒng)方案的正確性。為此，在天宮空間站研制過(guò)程中，利用Modelica圖形化建模語(yǔ)言構(gòu)建了包含動(dòng)力學(xué)與控制、能源、環(huán)熱控、信息、推進(jìn)5個(gè)專業(yè)約200個(gè)模型的載人航天功能仿真模型庫(kù)，提升總體數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證能力，實(shí)現(xiàn)了載人航天器專業(yè)設(shè)計(jì)仿真基于模型的知識(shí)積累[5]。通過(guò)對(duì)各專業(yè)學(xué)科功能仿真模型的綜合集成，構(gòu)建了包含218臺(tái)關(guān)鍵單機(jī)設(shè)備約20萬(wàn)個(gè)方程組成的空間站3艙系統(tǒng)多學(xué)科集成仿真功能模型，開(kāi)展了空間站飛行方案系統(tǒng)綜合仿真工作，驗(yàn)證了空間站總體方案設(shè)計(jì)的正確性。圖3為天宮空間站功能模型。

圖3 天宮空間站功能模型Fig.3 Function model of Tiangong space station

3.1.3 產(chǎn)品全三維協(xié)同設(shè)計(jì)(產(chǎn)品模型)

載人空間站工程任務(wù)趨于復(fù)雜，系統(tǒng)規(guī)模持續(xù)增大，工作模式亟需由單一航天器向多航天器并行協(xié)同的模式轉(zhuǎn)變。多航天器在軌組合的復(fù)雜工程，要求在進(jìn)行總體構(gòu)型布局、總裝集成設(shè)計(jì)時(shí)具備復(fù)雜接口匹配設(shè)計(jì)和管理的能力。開(kāi)展空間站任務(wù)三維模型的機(jī)械系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)工程化工作，全面、系統(tǒng)地抓實(shí)系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)、提升設(shè)計(jì)-制造一體化水平，是保證空間站工程順利推進(jìn)的關(guān)鍵。面向空間站研制產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)需求，建立了以可視化為典型特征的三維數(shù)字化產(chǎn)品模型體系，橫向?qū)崿F(xiàn)了基于三維模型的跨部門、跨專業(yè)、跨地域快速協(xié)同設(shè)計(jì)，縱向?qū)崿F(xiàn)了設(shè)計(jì)、制造、總裝、仿真和試驗(yàn)全流程打通。建立基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源三維產(chǎn)品模型的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，將系統(tǒng)總體、分系統(tǒng)、單機(jī)、總裝單位統(tǒng)一在同一個(gè)三維模型下開(kāi)展協(xié)同設(shè)計(jì)，形成從整器構(gòu)型設(shè)計(jì)、布局設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到總裝詳細(xì)設(shè)計(jì)的4層三維產(chǎn)品模型體系。通過(guò)三維產(chǎn)品模型直接下廠制造，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造一體化。以規(guī)范定義的三維模型為標(biāo)準(zhǔn)，將機(jī)械總體設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以軟件模塊形式固化到三維設(shè)計(jì)軟件中，形成知識(shí)固化體系。以參數(shù)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，引入智能化算法開(kāi)展電纜、管路、熱控多層組件、加熱片的三維自動(dòng)化布局設(shè)計(jì)，顯著提升布局設(shè)計(jì)效率和優(yōu)化程度。圖4為天宮空間站產(chǎn)品模型。

圖4 天宮空間站產(chǎn)品模型Fig.4 Product model of Tiangong space station

3.1.4 產(chǎn)品專業(yè)工程性能仿真(工程模型)

以統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的三維產(chǎn)品模型為基礎(chǔ)，構(gòu)建各專業(yè)工程模型，開(kāi)展產(chǎn)品各專業(yè)詳細(xì)性能仿真分析。力學(xué)性能仿真、熱控性能仿真、電磁兼容性仿真、羽流仿真、噪聲仿真、照明仿真等多項(xiàng)仿真分析，驗(yàn)證了產(chǎn)品各專業(yè)工程設(shè)計(jì)方案的正確性。圖5為天宮空間站工程模型。

圖5 天宮空間站工程模型Fig.5 Engineering model of Tiangong space station

3.1.5 數(shù)字化制造(制造模型)

基于TeamCenter軟件的快速工藝設(shè)計(jì)驗(yàn)證系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)以數(shù)字工藝制造模型為數(shù)據(jù)源的工藝快速規(guī)劃、仿真分析、物料配套，通過(guò)快速組配實(shí)現(xiàn)工藝文件快速組織，并發(fā)放到制造執(zhí)行系統(tǒng)。針對(duì)空間站后端框、壁板、儀器板等復(fù)雜件，確定建模、模型標(biāo)注、屬性定義等規(guī)范；基于三維設(shè)計(jì)模型的輕量化工序過(guò)程模型重構(gòu)、過(guò)程模型標(biāo)注、數(shù)控仿真與編程等技術(shù)得到應(yīng)用，形成結(jié)構(gòu)件三維工藝編制相關(guān)規(guī)范。圖6為天宮空間站制造模型。

圖6 天宮空間站制造模型Fig.6 Manufacture model of Tiangong space station

3.1.6 數(shù)字化產(chǎn)品驗(yàn)收管理(實(shí)做模型)

第二、白銀的避邪之說(shuō)。明中后期以來(lái)，在古東洋地區(qū)的村落流傳著白銀避邪功效的說(shuō)法。據(jù)村中老人的說(shuō)法，白銀潔白無(wú)瑕，是污穢之物的克星，所以，那是，一般送葬人口袋里會(huì)放一塊銀元、銀角或者佩戴銀飾，以避污穢。因?yàn)轱L(fēng)水之故，一些死者之墓要重新處理，于是開(kāi)館收骨，陪葬的銀飾即被收回，并且被名稱“穢銀”。活人佩戴“穢銀”可以嚇走妖魔鬼怪。

空間站三艙單機(jī)產(chǎn)品數(shù)量達(dá)到3000余臺(tái)，為實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品制造與集成過(guò)程狀態(tài)的精細(xì)化管控，建設(shè)了產(chǎn)品電子數(shù)據(jù)包管理系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)過(guò)程各方面數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化形成了產(chǎn)品實(shí)做模型，實(shí)現(xiàn)了以航天器配套體系為依據(jù)的單機(jī)產(chǎn)品電子數(shù)據(jù)包的統(tǒng)一采集與驗(yàn)收過(guò)程管理。圖7為天宮空間站實(shí)做模型。

圖7 天宮空間站實(shí)做模型Fig.7 Implementation model of Tiangong space station

3.2 在軌應(yīng)用

3.2.1 數(shù)字空間站構(gòu)建

在軌運(yùn)行階段，以研制階段構(gòu)建的模型為基礎(chǔ)，構(gòu)建作為空間站數(shù)字孿生體的數(shù)字空間站，在遙測(cè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下，天地同步、虛實(shí)映射。將數(shù)字空間站與在軌空間站、地面電性空間站共同構(gòu)成“三個(gè)空間站”運(yùn)行體系，為空間站運(yùn)行任務(wù)提供任務(wù)前的仿真預(yù)示、任務(wù)中的數(shù)字伴飛、任務(wù)后的狀態(tài)評(píng)估等仿真驗(yàn)證支持。在系統(tǒng)仿真模型建設(shè)方面，完成了包含能源、環(huán)熱控、動(dòng)力學(xué)與控制、信息4個(gè)專業(yè)，熱控、機(jī)械臂、總體電路、數(shù)管、測(cè)控、控制、推進(jìn)、電源、環(huán)控等9個(gè)分系統(tǒng)，共1600余臺(tái)關(guān)鍵設(shè)備的空間站多學(xué)科仿真模型建造，模型規(guī)模達(dá)到150萬(wàn)個(gè)方程組。模型按照顆粒度分為多學(xué)科集成模型、專業(yè)功能模型和簡(jiǎn)單邏輯模型3級(jí)，模型狀態(tài)經(jīng)正樣測(cè)試試驗(yàn)及在軌數(shù)據(jù)校正。圖8為“三個(gè)空間站”運(yùn)行體系。

3.2.2 應(yīng)用效果

我國(guó)天宮空間站天和核心艙發(fā)射后，數(shù)字空間站作為飛控任務(wù)實(shí)施的重要環(huán)節(jié)，在機(jī)械臂巡檢、天地通話、推進(jìn)劑補(bǔ)加、太陽(yáng)翼辨識(shí)、航天員出艙、艙段轉(zhuǎn)位等關(guān)鍵任務(wù)中開(kāi)展了任務(wù)前的能量平衡、散熱能力、測(cè)控條件、動(dòng)力學(xué)等多學(xué)科集成分析，以及任務(wù)中的實(shí)時(shí)伴飛監(jiān)視和任務(wù)后的綜合效能評(píng)估，為重大任務(wù)成功提供有力保障。

4 載人月球探測(cè)航天器研制應(yīng)用

載人月球探測(cè)工程是完成載人航天工程“三步走”任務(wù)后的又一載人航天領(lǐng)域國(guó)家重大工程，將是我國(guó)實(shí)現(xiàn)航天強(qiáng)國(guó)的重要標(biāo)志。其任務(wù)特點(diǎn)包括：任務(wù)安全性要求高；飛行過(guò)程復(fù)雜、狀態(tài)多；航天器技術(shù)指標(biāo)高；新技術(shù)、新材料、新器件多；研制周期短和研制經(jīng)費(fèi)有限。載人月球探測(cè)論證工作為提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，按照正向設(shè)計(jì)，開(kāi)展MBSE技術(shù)全面試點(diǎn)應(yīng)用，主要進(jìn)行需求模型和功能模型的建模，并形成載人月球探測(cè)航天器MBSE設(shè)計(jì)流程，見(jiàn)圖9[6-7]。

(1)需求分析(需求模型)。將工程總體下發(fā)的飛行器技術(shù)要求、飛行任務(wù)規(guī)劃作為頂層輸入，進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分解，開(kāi)展需求分析，形成需求模型。

(2)系統(tǒng)行為分析(基于SysML的功能模型)。根據(jù)飛行任務(wù)規(guī)劃要求的23個(gè)0級(jí)飛行階段，基于SysML對(duì)飛船、著陸器進(jìn)行行為分析，分解出A級(jí)飛行子階段模型100個(gè)，B級(jí)事件模型309個(gè)，C級(jí)動(dòng)作模型1113個(gè)。按照“同規(guī)劃、同設(shè)計(jì)”的思路，在正常飛行模式分解的同時(shí)，開(kāi)展故障模式和應(yīng)急救生方案設(shè)計(jì)。

(3)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)(基于SysML的功能模型)。基于SysML從系統(tǒng)行為模型梳理出各飛行器完整的功能，從功能確定對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)飛行器系統(tǒng)正向的一體化設(shè)計(jì)。定義架構(gòu)中各系統(tǒng)間電氣、熱流、信息、氣液等接口，初步形成接口數(shù)據(jù)單(IDS)；對(duì)技術(shù)要求中的參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行分解，仿真計(jì)算指標(biāo)閉合情況。

(4)系統(tǒng)仿真驗(yàn)證(基于Modelica的功能模型)。依據(jù)SysML模型，搭建Modelica仿真體系，對(duì)飛行器系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，確保參數(shù)合理、方案可行。各分系統(tǒng)初步完成了單機(jī)多學(xué)科建模、被控對(duì)象建模和分系統(tǒng)級(jí)模型集成，共計(jì)單機(jī)模型700余臺(tái)，模型方程數(shù)超過(guò)80萬(wàn)。

(5)技術(shù)要求分解(需求模型)。經(jīng)仿真確認(rèn)后，將功能、性能參數(shù)進(jìn)行條目化分解，形成總體對(duì)分系統(tǒng)的需求，構(gòu)建系統(tǒng)需求模型，共分解出1543條需求模型，并建立從用戶-系統(tǒng)-分系統(tǒng)-單機(jī)的需求追溯關(guān)系。

圖9 載人月球探測(cè)航天器MBSE設(shè)計(jì)流程Fig.9 MBSE design process of manned lunar exploration spacecraft

5 結(jié)束語(yǔ)

面對(duì)系統(tǒng)的規(guī)模快速擴(kuò)大和學(xué)科專業(yè)耦合交叉帶來(lái)的復(fù)雜度急劇增加等挑戰(zhàn)，在我國(guó)載人航天器研制中開(kāi)展了MBSE技術(shù)的應(yīng)用，通過(guò)貫穿航天器研制全生命周期的需求、功能、產(chǎn)品、工程、制造、實(shí)做6類模型的應(yīng)用方案，實(shí)現(xiàn)模型驅(qū)動(dòng)研制進(jìn)程，提升研制效率與質(zhì)量。在我國(guó)天宮空間站和載人月球探測(cè)航天器研制任務(wù)中應(yīng)用MBSE技術(shù)，初步探索形成了符合我國(guó)載人航天研制特點(diǎn)的MBSE技術(shù)應(yīng)用途徑。隨著我國(guó)載人航天工程的深入發(fā)展，將進(jìn)一步深入開(kāi)展MBSE技術(shù)在航天器研制中有效應(yīng)用的實(shí)踐探索，為工程研制模式的轉(zhuǎn)型升級(jí)提供有力支撐。

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