基于模型的國際月球科研站協同論證方法

裴照宇，康焱,*，馬繼楠，趙晨，馬曉珊

1. 中國國家航天局 探月與航天工程中心，北京 100190

2. 深空探測實驗室，北京 100190

3. 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094

4. 中國航天科技集團有限公司第八研究院，上海 201108

5. 中國科學院 國家空間科學中心，北京 100190

月球作為地球唯一的天然衛星，因其獨一無二的位置資源、極具特點的環境資源、豐富的物質資源，是人類進行空間探測和開發利用太空的首選目標。月球科學研究對推動空間科學發展具有重要作用。月球資源開發利用對人類的可持續發展具有重要意義[1]。

近年來，中國月球探測取得了舉世矚目的成就，嫦娥一號、嫦娥二號、嫦娥三號、再入返回飛行試驗、嫦娥四號、嫦娥五號“六戰六捷”，圓滿實現“繞、落、回”三步走戰略目標，初步具備從跟跑向并跑、領跑轉變的能力。從2016年起，中國在與國外航天機構會談時即開始宣介月球科研站，倡議共建國際月球科研站(International Lunar Research Station，ILRS)。ILRS是指由多國參與，按照“共商共建共享”的原則，在月面建設和運營的科學實驗設施，支持開展長期、較大規模的月球軌道與月面探測、天文與對地觀測、基礎科學實驗、資源開發利用和技術驗證等[1]。

當前，ILRS已成為中國首批國際大科學工程培育項目。2021年3月，中俄兩國政府簽署了《關于合作建設國際月球科研站的諒解備忘錄》[2]，啟動國際月球科研站的合作；4月，中俄雙方發布《中國國家航天局和俄羅斯國家航天集團公司關于合作建設國際月球科研站的聯合聲明》，發布ILRS合作伙伴指南。中俄將與國際其他伙伴聯合開展科學目標研究、工程可行性論證和聯合方案設計，提出組織管理模式和運行機制等，共商共建共享ILRS[1]。

ILRS作為建設在月面的支持長期、可持續的月球探測和月球資源開發利用的基礎設施和共享平臺，較之單次探測方式，技術難度更大、任務周期更長，科學與工程迭代和耦合度更高。以外太空領域國際規則和技術標準為基礎，探索完整、先進的大型國際空間探測復雜系統工程的協同論證技術體系，定義模塊化、標準化、可擴展的ILRS實施方案，是將ILRS打造成國際先進、技術可行、分工合理的國際大科學工程的關鍵，面臨如下挑戰：

1) ILRS任務以月球科學探測與資源開發利用為牽引，兼顧月球地質探測、空間物理與環境探測、資源原位利用等多方面科學和工程目標，任務持續性、平臺擴展性要求高，具有“多目標”特點，需通過構建模型驅動的協同論證方法，強化ILRS的體系效能，提升工程總體的技術把控與科學決策能力。

2) ILRS任務要求在大動態復雜月球環境下開展多項科學研究和多樣化作業活動，在日地月耦合空間復雜環境內執行月球表面發射、月球表面運輸等復雜任務，涉及到軌道力學、空間通信、發射動力學、機構動力學、控制與流熱等多專業機理知識，具有“多學科”特點，需要通過統一建模實現交叉領域機理的描述和全面驗證。

3) ILRS任務涉及多個國家或組織的任務目標、優勢技術和產品資源的協同，由運載火箭、發射場、遙測系統、地面應用和探測器等5大系統協同建設，具有“多主體”特點，協同方式復雜、模型接口形式多樣，需構建統一的標準規范體系和開放、自主的協同論證環境，支撐跨國團隊的開放協同。

4) 面向ILRS全生命周期的任務要求，要求多專業團隊協同開展論證工作，構建多層級復雜系統的需求、架構和仿真模型，大型團隊協同、全生命周期持續驗證對模型的表達、傳遞、應用提出了嚴格要求，需要建立長周期、大規模系統的模型傳遞與應用機制。

面對ILRS的上述特點和挑戰，傳統的設計模式已經難以滿足系統論證研制需求，迫切需要新方法、新手段進行研制模式轉型。基于模型的系統工程(Model Based System Engineering, MBSE)是解決這一問題的重要手段和方法[3-5]。

美國、歐洲以及國內相關研究機構對MBSE的流程、方法、工具和應用等問題進行了深入的研究和探索，國際系統工程學會(the International Council on Systems Engineering, INCOSE)在2015年發布了《系統工程手冊4.0》[6]，將系統工程的技術流程歸類為14個流程，目前國際上已經形成INCOSE的面向對象的系統工程(Object-Oriented Systems Engineering Method， OOSEM)方法[7]、達索的MagicGrid方法[8]、IBM的HarmonySE方法[9]等通用MBSE方法。面對復雜航天任務MBSE實踐過程中的多團隊協同難題，美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration， NASA)、歐洲空間局(The European Space Agency， ESA)等機構結合前期的工程實踐，提出在單點工具基礎上，構建支持網絡化協同的MBSE一體化集成環境，以解決各類工具間數據交換、上下游協同等難題。自2017年起，NASA的噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory, JPL)開始打造OpenCAE[10]/OpenMBEE[11]平臺，通過建設廣泛的工具接口，打通航天系統研發過程中的工具鏈，實現多平臺的異步協同。ESA開展了虛擬航天器項目(Virtual Spacecraft Design，VSD)[12]，建設統一的系統論證共享數據源，實現多用戶對系統各類參數的快速讀寫訪問和權限控制，以支持多專業系統論證過程的異步、并行協同。

通過以上MBSE方法研究與工程實踐工作，國內外研究機構已經積累了MBSE的通用標準、方法、規范、工具，并在航天領域開展了具體的應用實踐，能夠為ILRS的設計論證提供系統工程方法基礎。然而，現有的MBSE方法、工具難以有效支撐ILRS的多目標、平臺化、長周期的國際協同論證、設計與運營，亟需建設新一代國際月球科研站協同論證體系。

本文針對上述挑戰，提出方法、模型、標準、工具相結合的國際月球科研站協同論證體系，以方法為路徑，描述論證過程不同階段過程的建模任務以及工具需求；以模型為基礎，通過多階段、多層級系統模型支撐任務、需求、功能、架構等多維度的系統設計和驗證；以工具為支撐，打通設計、仿真、需求、管理等工具間接口，支持跨團隊跨平臺的協同建模工作；以規范為指導，形成面向ILRS多團隊、多專業協同過程的標準規范要求，從而保證系統模型接口的規范性、架構的一致性、機理的準確性和驗證的持續性，為ILRS建設提供協同設計、驗證與評估手段和決策依據，支持ILRS國際團隊的共商共建共享。

本文闡述ILRS數字化協同論證方法以及ILRS論證階段活動劃分以及各階段中的模型和輸出物要求；提出ILRS系統多領域全息模型體系，論述多層級、多領域、多階段模型的建模與應用方法；介紹ILRS協同論證標準規范，并解釋協同論證過程中的標準規范建設內容與作用；論述ILRS協同論證環境的工具鏈、接口等技術框架及其工程應用的技術路線與實踐情況。

1 ILRS數字化協同論證方法

如圖1所示，ILRS的協同論證可以分為使命任務定義與需求分析、概念架構定義與可行性論證、聯合實施方案與綜合評估等3個階段6過程，各階段過程之間具有明確的傳遞順序，每個流程階段對模型、文件的粒度都有具體要求，每個流程階段起始、終止時刻建立評審節點，支持流程內部或者流程間的反饋迭代。可行性論證、聯合方案設計2個階段終止節點設置評審門，根據評審結果能夠返回到使命與任務定義、任務需求分析、系統概念研究3個階段，綜合評估階段結束后，根據評審結果，能夠返回到聯合方案設計或者可行性論證階段。

圖2所示的ILRS協同論證體系以模型為基礎，定義了多專業國際化聯合團隊在不同流程的業務活動，結合國際化的標準建模語言構建多領域、多層級統一模型庫，描述系統任務、需求、功能、架構等元素，支撐系統設計驗證，實現知識積累；通過標準規范約束建模或論證過程的輸入、輸出、邊界、顆粒度和方式，支持滿足多階段間、多工具間、多團隊間的模型傳遞與協同；通過開放自主的軟件工具開展需求分析、架構設計、仿真驗證等業務工作，打通工具間的模型接口，實現并行協同論證軟件環境的開發構建，支持國際化大型團隊的協同論證。

1.1 ILRS使命任務定義與需求分析

在使命任務定義與需求分析分析階段，以ILRS系統月球科學探測和資源開發利用為主要目標，基于統一架構、面向工程總體視角，構建工程總體層級的使命任務視圖、概念視圖、需求視圖，包括戰略使命、任務設想、外部環境、任務場景和體系能力需求等模型，綜合描述利益攸關方、系統邊界、運行場景、系統功能指標等多種內外部要素，基于多視圖對使命、需求、概念進行可視化表達與分析，實現ILRS使命任務、系統需求、技術指標以及頂層概念的初始設計與交互驗證如圖3所示。

1) 構建ILRS體系使命任務視圖。從科學和工程2個維度的不同視角，構建空間科學探測、月球資源開發利用、技術試驗、系統運行維護等4類使命任務模型，初步定義建設位置、連續運行時間、壽命、總有效載荷以及總經費預算等相關參數或頂層約束，支持ILRS任務體系的使命分析、需求定義和初始概念設計。

2) 構建ILRS體系需求視圖。從使命任務視圖識別出的利益攸關方出發，首先將使命任務分析結果轉化為利益相關方要求，根據需求建模和條目化描述規范，結合需求模型與使命任務視圖之間的迭代與追溯關系，將利益相關方需求轉化為系統需求，完整地描述任務過程、運載能力、月球表面采集和探測能力、運輸能力等技術指標要求，開展需求覆蓋完整性與追溯性分析。

3) 構建ILRS體系概念視圖。定義能源供給與存儲、通信與導航、地月往返轉移、科學探測、資源開發與利用等功能區的初步參數或技術指標，以及任務執行過程中系統與外部環境之間的能源、信息、物流交互接口，描述ILRS系統的任務執行能力、狀態變化以及行為邏輯，支持任務邏輯仿真并初步分析ILRS概念架構與使命、需求之間的覆蓋性與滿足性。

4) 通過資源視圖表達已有技術基礎、成本預算、時間周期等項目基礎資源或約束條件，描述使命任務、概念、需求模型之間的能力支持、能力需求、任務實現、任務滿足等關系，并通過公式計算或邏輯仿真的形式進行約束檢查，確認使命任務分析、需求定義的合理性和可實現性。

圖2 ILRS數字化協同論證體系架構

圖3 ILRS任務使命定義與需求分析流程

Fig.3 ILRS mission definition and demand analysisprocess

1.2 ILRS概念架構定義與可行性論證

在概念架構定義與可行性論證階段，以工程總體技術指標、系統與各模塊需求為輸入，以ILRS系統初始概念設計為目標，將ILRS總體架構分解為各系統結構設計要求，通過規范的需求、接口、參數、行為、約束建模過程，由各專業團隊并行開展概念架構設計工作，并行定義探測器群集、測控通信系統、運載火箭系統、地面應用系統等技術方案，集成為ILRS系統整體模型，從成本、可行性、可靠性、安全性等維度開展可行性分析與驗證，形成ILRS概念架構方案。各層級、專業團隊的并行關系如圖4所示。

1) 擴展ILRS體系概念架構視圖。建設可擴展、可重構、可伸縮的設計仿真模型框架，工程總體架構模型按照系統架構、任務場景、研制階段可以繼續拆分為大量可復用的業務模型，包括：科學探測、月面通信、月地輸運等任務模型，探測器群集、測控通信系統、運載火箭系統、地面應用系統等系統模型，光照、軌道、地形、溫度等環境模型。基于統一模型框架，構建體系架構模型接口與多粒度系統架構接口的映射關系，將建模任務分配到探測器群集、運載火箭系統、發射場系統、測控系統和地面應用系統等，實現各層級模型的快速替換與復用，在系統論證的不同節點，基于不同系統或設備選型方式可以生成多組探測任務方案模型，以支持后續的可行性論證、方案權衡等工作。

圖4 ILRS概念架構定義并行流程

2) 構建接口模型譜系。建設基于統一架構模型的可配置接口體系，構建多類型、多層級、多粒度的架構接口模型，支持體系架構模型的參數化配置。定義ILRS各系統或功能區(模塊)之間的信息、能量、物質等幾大類接口類型，包含類型、單位、長度變量等信息，以及輸入、輸出、輸入輸出、連接等不同的接口方式，實現基于類型的接口模型聲明和復用。與ILRS協同論證標準規范相結合，構建標準化、系列化的結構、電氣、信息等接口模型譜系，滿足ILRS各層級模型傳遞、擴展、重構、復用等要求，支持更加全面的系統分析與評估。

3) 構建分系統架構視圖。構建設計、仿真等多種任務階段公用的概念抽象模型，描述關鍵參數、技術指標、輸入輸出接口、系統行為等各種模型共用的系統要素，通過統一的數據結構描述ILRS任務的需求、功能、架構、接口，實現底層參數的一致性，支持ILRS系統架構模型向各功能區或分系統模型的并行擴展。在抽象模型基礎上，可以增加探測器群集、測控通信系統、運載火箭系統、地面應用系統等系統或功能區的外廓、載荷、重心等結構信息，擴展其架構信息，形成架構設計與仿真建模，實現多系統國際聯合團隊的并行設計與論證。

4) 構建可行性論證視圖。工程總體根據ILRS概念架構的需求、參數和接口模型，將技術指標要求分配到各分系統，各分系統并行開展設計、分析與論證，完成分系統功能效能分析與評價，驗證各個分系統的可行性，并將設計論證結果返回到系統和工程總體。基于各個分系統之間的能量、信息等接口關系，集成構建多領域統一的工程總體和系統分析模型，結合多領域集成仿真，描述各分系統之間的相互作用機理以及資源分配與任務協同機制，針對功能、成本、風險、可靠性、安全性等多種量化指標，實現成本、風險、可靠性等可行性評估工作。

1.3 ILRS聯合方案設計與綜合評估

在聯合方案設計與綜合評估階段，以ILRS架構方案設計為目標，首先開展工程總體概念設計，并行論證探測器、運載火箭、地面應用系統、測控系統、月面系統等詳細設計方案，結合已經建成的技術和平臺基礎，設計ILRS的發射以及階段性運行方案，構建多階段ILRS任務與系統模型，開展多任務、多層級的總體可行性論證，最終輸出可行性方案，如圖5所示。

圖5 ILRS聯合方案設計與綜合評估流程

1) 構建ILRS實施方案視圖。面向科學與工程目標，基于ILRS概念架構方案，建立ILRS系統建設的多階段發射和運行模型，探測器群集、測控通信系統、運載火箭系統、地面應用系統等系統分別開展方案設計工作，各分系統與模塊團隊并行開展建設、運行方案設計，并由工程總體進行模型集成，支持實施方案的論證與評估。

2) 開展多方案分析權衡。根據工程總體使命任務、需求定義以及各系統功能要求，構建全任務場景的測試案例與評估方法，描述月面起飛與著陸、地月往返轉移、科學探測、ILRS中轉等過程的目標、環境、過程、指令、參數以及對應的系統響應情況，定義工程總體功能效能的評估標準與方法，基于系統總體的功能邏輯模型、多領域仿真模型，通過仿真結果與技術指標的相互驗證，開展多方案驗證評估與權衡。

3) 確定分系統的評估標準與方法，以總體和系統架構確定系統上下文和功能要求為輸入，定義探測器系統的目標位置、軌道參數、環境參數、通信接口協議、帶寬等指標，描述系統驗證指標與工程總體指標之間的關系，基于分系統的多領域模型、專業詳細模型進行虛擬仿真驗證，開展各分系統或模塊的方案驗證與評估。

4) 面向使命任務和系統需求和技術指標，根據ILRS架構方案與實施方案，編制項目任務的工作分解結構(Work Breakdown Structure， WBS)，定義詳細設計、制造實現、測試驗證、任務發射、運行維護、科學探測等技術活動，識別能源長期供給、探測器全自主運行、大型設施的月面布設與組裝、大沖量沖擊著陸緩沖、月基引導精準著陸等關鍵技術，并制定保障計劃，為任務實施、技術狀態等管理活動提供基線。

2 ILRS系統多領域全息模型體系

ILRS論證方案的描述、驗證、評估需要以多領域模型為基礎，各層級、各團隊之間的數據傳遞也是以模塊化模型為載體，需要覆蓋階段、層級、專業3個維度。階段維度主要是指ILRS系統論證的階段過程，根據論證過程實現模型流轉、傳遞與迭代；層級維度是指系統組成結構層級，任務、系統、模塊、組件間的需求、指標逐級分解，設計與仿真模型自底向上集成，具有復雜系統的涌現特性，滿足設計過程的可追溯性、完整性和正確性；專業層級則指ILRS任務運行過程中能源、通信、測控、熱控等多領域的協同特性。

本論文面向ILRS的研制流程、組成架構與技術特點，參照霍爾三維系統模型結構[13-14]，定義覆蓋環境、指標、架構、接口、功能、機理相融合的統一數據結構，開發如圖6所示的多層次、多專業、多階段的多領域全息模型體系，實現對ILRS系統多階段、多任務、多層級協同論證過程提供完整的數字模型支持，保證跨專業、跨團隊協同論證過程的數據模型一致性和互操作性。

圖6 基于霍爾三維結構的ILRS全息模型體系

2.1 ILRS多層級模型結構

建設科學與工程任務、運行環境、航天器系統、分系統與單機模塊等多層次的統一模型架構，覆蓋任務、系統、模塊和通用組件等多個模型層級，同時要兼顧環境類模型，支持科學目標、工程目標、系統運行效能、分系統功能性能等不同流程階段、不同層次的設計與分析工作，各流程階段所需建設的模型內容如圖7所示。

圖7 面向研制流程的模型結構

在任務層級，建立載荷發射、軌道飛行、著陸位置選取、科學探測、運行維護等任務模型，定義任務執行參數與剖面，針對性的開展分析與驗證。建立日照、軌道、導航、溫度、地形等環境參數模型，用于描述任務執行過程中由于空間位置、環境變化導致的模型參數變化。在系統層級，建立運載火箭、探測器、有效載荷等系統模型，用于描述火箭和探測器的推進、軌道控制、姿態保持等功能以及各系統的結構組成和接口，支持系統設計與驗證。在模塊層級建立敏感器、控制器、執行器、通信模組等功能模塊模型，支持各專業設計知識的復用。在通用組件層級，建立多領域接口模型、邏輯運算與數學模型、控制和電氣等元件模型等基礎組件模型，為各層級建模提供更豐富的補充。

多層級ILRS模型體系滿足建模標準規范的要求，通過可復用的接口組件進行連接，與全局統一的模型架構相匹配，支持多任務并行的模型傳遞、集成、擴展與持續驗證要求。

2.2 ILRS多領域統一模型

本論文面向月球表面科學探測、資源采集、技術試驗等科學目標，面向指揮中樞、通信、能源供給等多個功能模塊，覆蓋通信、能源、測控、導航、熱控等多個專業領域，建設包括結構、參數、行為、接口在內的完整的系統設計與仿真模型，如圖8所示。

圖8 ILRS系統多領域統一模型

ILRS系統各層級的模型庫，具有高度的模塊化特點，可以通過理論分析、同類模型對比、試驗數據對比驗證、相近系統實測數據標定等形式開展模型驗證，提高仿真結果的可靠性。進一步建設運載火箭、探測器、有效載荷、軌道環境等多系統異構集成的任務級模型，針對星箭分離等具體應用場景的多種任務執行情況和調整方案，面向軌道動力學、空間通信等專業，基于設計模型和仿真數據開展較為詳細的分析，從而支持不同載荷條件下對載荷發射能力、環月軌道載荷到達能力等技術指標的驗證與評估。

2.3 ILRS數據模型傳遞與協同

科學、工程各團隊開展協同論證工作時，需要頻繁進行數據模型的傳遞、同步與集成應用，如前文所述，多層次、多領域模型之間可以通過統一的模型架構和規范的模型接口實現關聯、重構。與之同理，進一步建立統一的數據模型協同總線，基于架構模型構建系統基線，基于接口模型實現多層級多領域模型的關聯與集成，從而支持ILRS協同論證，如圖9所示。結合模型格式轉換工具，能夠支持包含數據文件在內的更加廣泛的集散式數據應用與管理，支持跨平臺工具的協同，保證數據應用的規范性和一致性，支持工程總體、科學總體、國際團隊、系統工程師、專業分析等多角色跨團隊并行協同。

圖9 ILRS模型數據的協同方式

3 ILRS協同論證標準規范

本論文面向協同論證活動通用流程，制定如表1所示的ILRS協同論證技術體系的標準規范體系，約定系統之間、專業之間、團隊之間的活動、模型、文件和數據接口，打通系統大總體與探測器、運載火箭、科學研究、測控系統等多分系統之間的結構與技術接口。國際化團隊之間遵從標準規范與接口要求，能夠實現不同工具、不同建模習慣背景下的模型傳遞、交換與集成，同時還能夠保證相關知識產權的保護，保證國際團隊合作的高效協同與互信。

1) 基于模型的深空探測任務設計與驗證標準規范體系框架，形成層次清晰、結構合理的標準規范頂層架構。

2) 面向協同流程的通用模型標準規范，形成ILRS多領域多層級建模的基本術語、語言規范、代碼編寫、驗證、確認與保證(Verification, Validation, and Authentication)等基礎標準規范。

3) 面向協同流程的通用工具標準規范，形成ILRS多專業多平臺工具的功能、語言、通信和應用程序接口(Application Programming Interface, API)、文件格式等通用要求。

4) 面向ILRS任務論證的過程活動標準，形成滿足ILRS不同論證階段活動的特定應用的技術和管理規范。

基于表1所述的標準規范體系，通過多維度、面向流程的標準規范，通過對建模工具、建模語言、建模方法、模型形式的要求，保證建模過程的可控性；通過對模型驗證、技術方案驗證的規范要求，保證模型的正確性、可信性以及ILRS設計方案的合理性、可靠性以及可行性驗證的充分性。

表1 協同設計論證標準規范

4 ILRS協同論證環境

ILRS等復雜工程系統論證過程需要描述日地月耦合空間環境、月面發射、探測、通信、運輸等復雜任務場景和多層次、多領域系統機理，要求建設如圖10所示的滿足ILRS任務整體復雜性要求的完整工具鏈，同時面對多團隊的協同，需要建設網絡化并行協同管理工具，實現不同角色、不同工具之間的模型數據共享，滿足數據快速更新、共享、集成應用的需要，從而支持科學團隊、工程團隊開展并行論證工作。

圖10 ILRS協同設計驗證工具體系

本論文構建通用軟件平臺促進科研創新、任務開展、知識積累，通過軟件工具的標準性保證組織間高效高質量協作、通過開放性保證國際團隊協同的擴展性、通過自主性保證技術安全。建設設計、仿真、驗證、協同、管理相集成的復雜系統設計論證工具體系，滿足國際月球空間站等復雜系統的協同論證與技術管理需求。

1) 在工程總體層面，建設使命任務分析、需求分析、架構設計、任務仿真評估、方案權衡等工具軟件，開展多種科學探測任務、資源采集返回任務的建模描述與評估，實現技術指標定義、系統需求分解與分配、實施路線的定義與優化等。

2) 在系統總體層面，部署系統架構分析、需求管理、系統仿真驗證等軟件，開展探測器、運載火箭、發射場系統、測控系統、地面應用等系統的設計論證工作。

3) 在專業技術層面，開展工程平臺、各系統的能源、控制、運輸等專項任務設計與分系統設計，構建專業詳細設計和仿真模型，開展成本、風險以及可靠性等指標驗證評估，建設專業設計仿真軟件和各類系統分析軟件，支持各專業層級的任務分析與系統評估。

4) 建設多專業、多層級的并行協同環境，建立面向多層級、多學科工具的API接口體系，基于通用數據和模型接口，支持跨系統、跨平臺的協同論證，實現模型數據傳遞、共享、應用、驗證，并保證模型的一致性和規范性。

5 工程應用實踐

面向ILRS以及其他復雜航天系統方案協同論證階段的具體應用，本論文基于當前階段的國際月球科研站建設方案，構建國際月球科研站協同論證的多要素模型，針對科學試驗任務，以及系統工程大總體，探測器系統、運載火箭系統、地面測控系統等系統架構組成，綜合多專業知識與模型積累，面向使命任務分析、場景定義、技術方案論證、可行性設計等不同階段流程，以網絡化、分布式的協同建模、設計、論證與仿真為手段，基于多領域系統建模與應用，開展平臺方案的協同論證。以ILRS任務方案論證為例，按照如圖11所示的協同論證過程開展工作，已經實現了ILRS任務場景、系統架構、功能的設計，能夠完整地描述系統平臺邏輯與結構、科學探測和技術驗證的各項任務過程，滿足各階段任務要求。

圖11 ILRS平臺方案的協同論證過程

1) 月球探測使命任務定義與需求分析。從月球起源理論、空間物理、化學、資源探測與采集等科學目標出發，建立使命任務、需求、概念、資源4類共12個模型圖，描述系統頂層任務、定義系統運行場景，提煉出國際月球科研站的使命級目標和試驗級目標，通過如圖12所示的多種視圖模型的相互關聯與驗證，實現ILRS使命任務分析、各系統需求和技術指標定義。

具體包括：① 通過需求樹、需求表定義科學探測、技術試驗等科學目標作為ILRS的核心使命任務，針對每一條使命任務建立一個用例圖，識別地質探測與采集、月面運輸等行為與月面地形和物質的交互關系。② 通過內部模塊圖、模塊定義圖等架構設計模型定義ILRS系統的初始概念架構，描述其與環境的接口和交互關系，包括引力與加速度、輻射、干擾、光照等。③ 描述ILRS空間探測、運行時間、載荷采樣返回等能力需求以及行為的邏輯過程，定義能力需求和技術指標。④ 通過系統參數、指標以及約束模型定義ILRS任務的資源視圖，描述經費、周期、可復用軟硬件資源等任務資源或約束條件。⑤ ILRS使命任務、各系統技術指標、頂層參數設計、能力要求以及資源約束通過參數進行定義，與資源視圖中的約束模型相關聯，通過資源視圖，初步確認系統頂層概念的合理性。

圖12 ILRS使命任務定義與需求分析

2) ILRS概念架構定義與可行性論證。從ILRS系統初始的頂層概念設計出發，建立并細化如圖13所示的ILRS整體和各個系統的多層級架構方案模型，通過設計仿真模型結合的形式，開展虛擬仿真驗證，并結合成本、可靠性分析實現對ILRS概念架構的可行性驗證。

圖13 ILRS多層級架構模型

具體包括：① 基于內部模塊圖(Internal Block Diagram， IBD)和塊定義圖(Block Definition Diagram， BDD)，進行ILRS功能與邏輯架構模型的分析、分解與定義，進一步完善各模塊間的接口、參數輸入輸出關系、各項系統功能或能力的參數指標；② 從能源保障能力、通信與導航能力、交通運輸能力、運營管理能力、防護保護能力5個方面建立系統各專業模型，從不同專業的維度，開展ILRS平臺方案的設計，定義各系統、各專業的技術方案與技術參數；③ 通過狀態圖、時序圖等白盒行為圖描述科學探測、系統運行維護的任務的運行邏輯，豐富ILRS各系統的狀態與事件響應機制，實現對平臺技術方案的細化設計；④ 基于系統架構、各專業的設計模型，建立ILRS各個關鍵任務剖面以及各個系統的仿真模型，通過仿真模型驗證各項任務過程的可實現性、技術可行性，進一步開展成本與可靠性分析，完成系統概念架構的可行性論證。

3) ILRS聯合方案設計與綜合評估。根據ILRS預期的科學和工程探測任務，對聯合科學探測、聯合技術驗證的實施方式、約束條件和可行性進行分析，建立任務功能模塊與接口以及系統機理與任務場景模型，開展ILRS系統綜合評估，全面分析約束條件、外部接口、技術指標要求、任務可行性、經濟可行性、可靠性安全性、風險與系統功能性能等，從而確定ILRS系統的建設路線與運行方案。

具體包括：① 根據ILRS系統概念架構，確定各模塊對應的發射載荷，并確定各系統模塊部署的依賴關系，描述為ILRS發射任務與實施方案的任務需求；② 結合使命任務定義與需求分析階段的資源視圖，前期探月工程設備的可復用情況，通過架構視圖建立初始階段的架構模型，作為實施方案的初始模型；③ 根據平臺方案的載荷要求，基于運載火箭、發射場系統、測控系統等多領域模型，建設多次發射任務的任務方案和發射系統架構模型；④ 結合系統能力以及資金預算的資源約束條件，規劃各系統模塊發射的先后順序以及時間窗口，通過時序圖建立實施路線模型；⑤ 根據實施路線模型的幾次發射窗口，基于模塊定義圖和內部模塊圖，建立各個階段的ILRS架構模型，生成如圖14所示的白盒活動圖，從而確定各階段ILRS系統的任務執行能力；⑥ 面向不同任務要求、不同實施階段，建立如圖15所示的系統發射任務和平臺運行的仿真模型，將仿真結果與技術指標、使命任務要求、資源約束進行對比分析，從而實現對聯合實施方案的綜合評估。

圖14 ILRS建設路線模型

圖15 發射與飛行過程仿真

6 結 論

ILRS國際合作范圍廣、科學領域多、體系復雜、任務周期長，構建科學合理的全生命周期模型體系和基于模型、架構驅動的國際性航天工程數字化協同論證體系是有效開展國際間的聯合論證、協同設計與聯合探測的關鍵。ILRS的實施以及國際化系統設計論證系統的研發，將進一步推動MBSE、系統協同建模與仿真驗證、并行工程等技術和方法研究，大幅提升我國基礎研發能力水平，自主突破和掌握新一代數字化仿真軟件的核心技術，大幅提升自主創新能力與水平。

1) 方法層面，形成了跨領域、跨層級、跨階段和跨團隊的數字化協同論證方法總體框架，針對使命任務分析、需求定義、概念設計、可行性論證等不同流程階段，規定所需的系統設計要素和分析、驗證工作，完成多個流程階段的設計驗證閉環，實現流程階段間的模型交付、確認，支持多系統、多專業團隊協同參與，根據專業、角色、崗位、權限、國別等差異，開展任務分工與協作。針對ILRS工程目標與科學目標并重、多系統協同、多團隊協作的特點，在標準規范、協同環境的支持下，實現專業、團隊間的多方案并行定義、集成、管理、評價和論證。

2) 模型層面，從層次、專業、階段3個維度建立了ILRS工程多領域全息模型，覆蓋任務、功能、架構、機理等類型的系統模型，在不同工具、專業、團隊之間，遵循國際通用的設計、仿真語言規范，以及面向國際合作的模型傳遞與接口規范，用面向對象的、圖形化、可視化的系統建模語言描述系統多層級元素，基于模型實現任務分解、分配、傳遞與集成驗證，與傳統的基于文件的協作方式相結合，支持復雜系統協同論證的全流程活動和知識積累與應用。

3) 標準層面，建立多層級、多階段的ILRS協同論證標準規范體系，從面向ILRS平臺論證任務應用標準和MBSE活動通用標準兩方面，研究與任務實際研制流程緊密結合的、具有可操作性的標準、規范與指南。通過規范的系統論證活動約束保證論證過程質量，通過系統建模語言和應用規范保證聯合團隊多專業模型的一致性和匹配性，通過系統及模型的參數接口規范保證跨地域團隊技術方案的集成性，促進國際聯合團隊共商、共建、共享。

4) 工具層面，建立了跨崗位、跨階段的ILRS系統協同論證環境，針對使命任務與需求分析、概念架構定義、協同論證與綜合評估等具體環節建設相應的需求管理類工具、功能分析與架構設計類工具、系統建模與聯合仿真類工具、模型協同與管理類工具，定義多種工具之間的數據和模型轉換接口，開發統一數據源和模型架構和模型數據協同管理模塊，實現多平臺、多崗位間的模型數據同步和管理，解決ILRS協同論證中的工具間數據交換、上下游協同、模型一致性/完整性/有效性保障等問題。