航天裝備數字化建設研究與實踐

趙 民，賈長偉，張 冶

(中國運載火箭技術研究院，北京 100076)

0 引言

當前，新一輪科技革命、產業革命、軍事革命快速發展，基于模型的系統工程、數字孿生、數字主線等新型技術不斷涌現，推動復雜裝備研制從信息化時代步入到數字化時代。國外方面，波音、洛馬、美空軍、美海軍等廣泛采用基于模型的系統工程思想開展復雜裝備的研制應用，諸多突破性成果推動美軍在2018年正式啟動了數字化工程戰略[1]。該戰略的核心是將國防工業體系從以文檔為中心的線性采辦向以數字模型為中心的數字工程轉變，模型成為裝備研制應用全周期技術和管理的核心。

我國在《“十四五”數字經濟發展規劃》中提出，要深入實施智能制造工程，大力推動裝備數字化[2]。數字技術為航天裝備研制模式變革提供了全新機遇，也對裝備數字化建設的推進落地提出了巨大挑戰。本文系統分析了我國航天裝備數字化建設推進中的難點問題，提出航天裝備數字化建設框架、建模語言及模型全壽命周期演進框架，論述自主可控的數字化系統工程平臺及應用，提出裝備數字化建設生態認知域、產品域、應用域、合作域治理建議，保障裝備數字化建設。

1 航天裝備數字化建設內涵

航天裝備領域開展數字化轉型，需要厘清航天裝備數字化建設內涵，統一共識，為發展數字航天奠定基礎。賽迪智庫將裝備數字化定義為“利用智能傳感、互聯網、大數據、數字孿生、人工智能和區塊鏈等技術，提升裝備性能、效能，以及智能化水平的演進過程，旨在形成具備狀態感知、集成互聯、決策優化和自主作業等能力的智能裝備”[2]。美國國防部將數字化工程定義為“一種集成的數字方法，使用系統的權威模型和數據源，以在全生命周期內跨學科、跨領域地連續傳遞模型和數據，支撐系統從概念開發到報廢處置的所有活動，其將融入超級計算、大數據分析、人工智能、機器學習等創新技術以提升工程能力，并最終建立一個完整的數字工程生態系統”[3]。可以看出我國裝備數字化和美軍數字化工程的目標、手段基本趨同，都是利用數字化技術對工程、產品和服務的優化過程。

結合航天裝備領域特點，針對航天裝備數字化建設給出如下定義：

航天裝備數字化建設是將新型數字技術與航天裝備技術深度融合，實現航天裝備研制模式變革(新方法)、產品智能升級(新能力)和價值體系重塑(新價值)的演進過程，如圖1所示。

圖1 新型數字技術與航天裝備技術深度融合

1.1 基于新型系統工程的研制模式變革

模型與數據驅動的新型系統工程是系統工程的最新發展，其核心是通過數字系統模型支撐裝備產品數字化與研制過程數字化，實現產品數字化交付、產品全系統虛擬仿真試驗[4-6]、研制全流程數字化模型貫通，通過在數字空間開展低成本、高效率的“產品設計--虛擬試驗”多輪迭代[7]，從而高質高效地支撐裝備全流程數字化研制，實現創新、提質、增效、降本。

1.2 面向信息物理系統的產品智能升級

信息物理系統是在環境感知的基礎上，深度融合計算、通信和控制能力的可控可信可擴展的網絡化物理設備系統[8]。現代航天裝備越來越呈現信息物理融合特征，通過產品的智能升級，具有狀態感知、實時分析、科學決策、最優控制等計算，通信，自治和協作功能[8-10]。航天裝備數字化建設將人工智能、大數據、數字孿生和智能傳感等數字技術與航天裝備深度融合，構建信息物理系統[11]，進而提升航天裝備的功能、性能和效能，形成智慧火箭、智慧衛星等智能航天裝備。

1.3 圍繞模型數據資產的價值體系重塑

在研制模型變革和產品智能升級的基礎上，將重塑裝備的價值體系。航天裝備功能性能效能提升，使得裝備本體價值提升；產品智能升級后，可通過智能服務產生價值。更重要的是，航天裝備從定義、設計、制造到維護運用的全生命周期中積累的模型和數據將形成新的生產資料——數字資產，成為裝備繼產品制造之外的另一個全新的價值創造點，進而將逐步構建出完備的裝備數字資產新價值體系。

2 推進航天裝備數字化建設的難點問題研判

數字化建設的推進本身也是非常復雜的系統工程，美國國防部提出通過構建數字化工程生態，支撐數字化工程戰略。數字化建設生態包含技術流程和技術管理流程，圍繞規范模型的開發、集成與使用，持久性地提供權威事實源，將技術創新融入工程實踐的改進，構建數字工程的支撐架構和環境，完成文化與團隊的數字轉型這5大目標[12]開展建設。

近年來，我國航天、航空、核能、船舶、汽車等行業廣泛開展數字化建設方法探索和應用，在空間站、運載火箭、民用大飛機等重大型號中積累了數字化建設應用經驗[13-15]。但從數字化建設生態視角考察，數字化建設推進的完整性、系統性不強，尚未實現裝備數字化高質量發展。

解決航天領域當前及未來數字化建設實施過程中的工程實際問題，是構建航天數字化建設生態體系的直接需求和核心目的。本文從流程方法、標準規范、協同技術、工具平臺、工程應用等方面入手，通過充分調研，總結出推進航天裝備數字化建設的難點問題如下：

1)流程方法層面，尚處于跟蹤國外通用數字化工程方法的探索應用階段，缺少結合航天任務特點的數字化研制流程。

國內外在MBSE領域已經建立了多個框架及方法，比較代表性的包括DODAF、UPDM、UAF、HarmonySE、MagicGrid、ARCADIA等[16]。當前主流的方法和框架都是通用性的，沒有針對某一個特定的行業或者學科，以至于和特定行業業務之間存在鴻溝。例如MBSE在國內航天領域落地時，時常面臨不知如何開展、如何落地的情形，航天設計師不了解已有的通用MBSE建模語言，并且由于其高度抽象性難以在短時間內理解和接受；再者，已有的數字化建模工具只提供一個最底層的建模框架，離達到航天設計師便利使用還有較大差距。

2)標準規范層面，缺少與國內航天系統工程實際研制模式緊密結合，具有可操作性的標準、規范與指南作為支撐。

NASA在現有系統工程標準體系基礎上，構建了較為全面的基于MBSE的航天器設計標準體系。ESA在MBSE標準和全生命周期應用方面持續開展系統性工作，致力于裝備全生命周期數據一致性和基于模型的持續性驗證，不斷更新航天工程標準體系[17]。國內主要航天院所已開展研究SysML、Modelica、FMI等標準規范在航天MBSE中的定位及作用，初步規劃航天MBSE標準規范體系，并逐步形成所標、院標，但標準體系還不完善、研制周期中關鍵活動覆蓋度還不夠。

3)協同技術層面，尚未實現跨領域統一、跨層次集成、跨階段持續、跨地域協同的仿真驗證。

針對系統工程到各領域工程的銜接過渡，國外已實現了基于領域架構模型的自頂向下設計與各專業領域模型的自底向上的集成驗證。以系統模型中物理架構的各領域相關部分作為各領域的基礎架構，進一步定義各領域架構[18]，如機械領域架構、電氣領域架構或軟件領域架構，這些領域架構比系統層級的物理架構更加詳細，用于下一階段的各領域模型之間的集成。國內部分航天單位結合業務領域，在跨領域統一、跨層次集成的仿真驗證方面有局部的探索與實踐，但在跨階段持續、跨地域協同方面尚處于研究階段。

4)工具平臺層面，尚處于國外工具軟件的獨立應用階段，未形成一體化集成平臺。

ESA、NASA等機構開發了航天器系統設計仿真平臺，在航天器構思、設計、建設和測試、發射支持等全生命周期中得到了典型示范應用，有效牽引復雜空間任務實現跨越式發展。例如NASA開發的OpenMBEE和ESA開發的VSEE，就是典型的基于模型的航天器系統設計與驗證平臺。國內航天單位的通用工具以使用國外工具軟件為主，局部有對軟件接口進行二次開發或結合特定專業開發領域專用軟件，尚未形成整體解決方案。

5)工程應用層面，國內尚處于分系統或系統的局部試點階段，缺少立足實際航天工程型號的體系化應用。

NASA和ESA等機構已開發了基于模型的系統工程基礎架構，構建了主題的基礎元素和可重復建模模式，在多個項目和研發環節中均得到了典型應用。國內運載器、探測器單位均開展了MBSE試點應用，在需求建模、功能邏輯、物理建模、多領域仿真驗證技術的掌握和模型庫建設等方面取得了一定成果，應用的深度和廣度方面距離理想的MBSE模式還存在距離。

3 航天裝備數字化建設探索與實踐

在廣泛調研國內外裝備數字化建設技術研究與工程應用的基礎上，針對前述裝備數字化建設推進問題和難點，結合航天裝備領域已有技術基礎，系統性地開展了航天裝備數字化建設探索與實踐。

3.1 航天裝備數字化建設框架

從標準規范、模型體系、工具平臺和工程應用4方面著手，提出了航天裝備數字化建設總體框架，如圖2所示。

標準規范層，研究航天裝備建模語言CAL，從源頭解決多源模型構建與集成復雜性問題；圍繞航天裝備數字化系統模型的構建、集成、評價、管理和應用等關鍵環節，形成適用于中國航天任務體系的過程數字化統一標準規范，確保數字系統模型與真實系統保持一致且同步演進，規范模型與數據融合驅動的航天數字工程過程。

模型體系層，梳理航天型號主要流程活動的模型化需求，對模型使用場景、內容預期、擬解決的問題作研究以及規劃，建立適用于裝備全周期、全要素的模型樣機演進框架；構建覆蓋形成航天裝備主要譜系、主要階段、關鍵要素的可重用模型組件庫。

工具平臺層，打造自主可控、滿足新型系統工程范式的數字化設計與驗證平臺，具備可擴展、可組構、可伸縮的開放式軟件架構；面向航天裝備全生命周期打造總體、控制、動力、電氣、環境等應用工具集。

工程應用層，通過在總體、分系統等開展全體系、全流程數字化應用，對標準規范、模型體系、自主平臺的科學性、適應性和可操作性進行充分驗證，使得項目研究成果能推廣應用至其他航天裝備領域。

3.2 航天裝備數字化建模語言

當前總體、動力、控制、電氣等不同專業領域模型缺乏統一標準，存在大量語言體系不一、建模工具各異的遺留模型，缺乏統一語言體系造成模型的“建--集--評--管--用”在源頭上的復雜性。

綜合利用和發展國際上已形成的SysML、Modelica[19]、FMI等數字化工程領域標準規范，提出基于一致化表達的航天裝備數字化建模語言CAL，從根本上解決跨學科模型集成及跨階段信息傳遞問題。整合航天敘詞語義網CNet、航天系統對象建模語言ASML、多領域建模語言Modelica等，制定航天裝備基礎語義架構規范，該語言實現架構包括上層的模型文本、中層的編譯器以及底層的仿真求解器共3部分。上層模型文本主要是根據CAL語言語法語義規范開發的模型，以Modelica和Julia/Python[20-21]作為底層語言。中層編譯器分為兩部分，即針對Modelica語言的編譯器，以及調用Julia/Python的解釋器，兩者之間有數據通信。底層仿真求解器基于C/C++代碼，對模型代碼進行仿真求解。該建模語言框架如圖3所示。

圖3 航天裝備數字化建模語言框架

CAL支持文本建模與圖形建模，文本建模方面提供現代科學工程計算語言的優秀特性，圖形建模方面提供面向信息物理融合系統的統一建模能力；支持從0D、1D到3D的全級次建模；支持C/C++、Fortran、Matlab語言開發的模型或算法的集成，AMESim、Simulink等系統級仿真軟件的集成，以及CAD、CAE軟件的集成。

航天裝備建模語言可滿足多場景的建模仿真需求，解決模型的可重用性和可重構性差、多類模型融合困難的問題，適應面向型號數字化轉型的需求，為數字化建模仿真技術在型號中的深化應用奠定基礎。

3.3 模型全壽命周期演進框架

提出一套樣機系統模型演進框架，按照創意、論證、研制、試驗、運用的邏輯順序，將裝備系統模型劃分為6個狀態，分別是數字草圖1.0、數字草圖2.0、數字樣機1.0、數字樣機2.0、數字樣機3.0和數字裝備1.0，為各個狀態的裝備樣機系統模型傳遞、數字化交付提供統一的建模語言、方法、工具體系，有效支撐可重用、統一的裝備數字化模型體系。

3.4 自主可控的數字化系統工程平臺

在標準規范和關鍵技術研究的基礎上，充分發揮國內工業軟件技術力量，建設航天裝備數字化系統工程基礎平臺與工具應用體系，見圖4。

圖4 數字化系統工程基礎平臺

數字化系統工程基礎平臺由跨域協同設計環境、多域多場仿真環境和虛實融合驗證環境3部分組成。跨域協同設計環境綜合運用動態流程、跨域協同、即時通信等技術手段，形成便捷高效的協同設計環境；研發流程通過分發基于數據和模型的技術要求，形成高度集同的無縫協作機制。多域多場仿真環境遵循航天裝備領域建模語言(CAL)規范，基于統一仿真引擎構建多粒度可重用模型組件庫，支撐裝備全系統性能樣機的裝配構造與快速驗證；運用大數據修正、模型降階等技術，全面提升模型預示精度。虛實融合驗證環境基于開放式架構、標準化集成協議的LVC模型集成機制，形成全要素虛實融合裝備，通過虛實融合驗證方式覆蓋產品、使用、環境等多種極限狀態，驗證核心指標。

在基礎平臺之上，通過工程APP實現設計方法、設計規程的軟件化，推動共享、重用與迭代升級。面向航天裝備全生命周期的設計、驗證、優化、監測、控制、維護等環節，構建一批總體、控制、動力、電氣、環境等應用工具集。

3.5 航天裝備數字化建設全生命周期實踐

以某創新任務為對象，通過在總體、控制、動力等全層次、全鏈條、全流程體系性推進裝備數字化應用。按照專業基礎模型庫、設備單機模型庫、分系統樣機模型庫的多層級模型體系，基于物理定律、功能原理等知識，構建車輛的機械、液壓、電氣、控制、調溫的層次化模型庫，統一機械、電氣、控制、軟件等專業模型接口規范，確定主要設備、分系統模型接口形態，形成一套基于統一規范的可集成、可復用、可擴展、多層級、多場景的精細數理模型體系，實現智力資產的數字化積累與傳承，車輛性能樣機模型見圖5。

圖5 車輛性能樣機模型

3.5.1 數字化論證環節的實踐

基于精細數理模型體系，裝配式構建車輛性能樣機柔性架構，以模型組件裝配式替換、接口自動匹配方式，快速擴展生成型號性能樣機，如將車輛的機械起豎改為電動起豎等。據此，開展面向設計空間的海量方案生成、設計，評估不同構型、組成對復雜裝備性能的影響，高效進行多方案比選和方案迭代，實現總體方案全局最優，對簇式迭代裝備研制模式的推廣應用奠定扎實基礎。

3.5.2 系統級的數字化研制實踐

基于性能樣機模型，可實現機、電、液、控、熱等專業的統一建模與仿真聯動，完整地反映系統不同層次、不同設備的多學科特性，同時可反映單機多學科特性與整體多學科特性，可實現總體小回路、總體大回路、分系統小回路設計驗證閉環等。

3.5.3 整車級的數字化研制實踐

在數字車輛方面，基于底盤分系統仿真模型，開展多種地面工況下的展車機動過程仿真，分析展車輪地動力學和爬坡、越障、制動、轉彎等關鍵性能指標，驗證機動分系統設計與控制策略合理性；基于調平分系統仿真模型，開展多種地面工況下的展車調平過程仿真，分析調平耗時、支腿支撐力、展車質心偏移等關鍵指標，驗證調平分系統設計與控制策略合理性；基于起豎分系統仿真模型，開展多種地面工況下的展車起豎過程仿真，分析起豎耗時、起豎支撐力、起豎質心過載等關鍵指標，驗證起豎控制策略合理性；基于彈射分系統仿真模型，開展多種起豎角度下的展車發射過程仿真，分析發射耗時、發射藥柱推力、適配器和滑塊地面落點分布等關鍵指標，驗證發射裝置設計合理性；基于數字車輛系統性能樣機，對機動、調平、起豎、彈射等全流程仿真，驗證發射準備時間、機動回轉半徑、系統控制流程等主要指標。

3.5.4 數字化鑒定實踐

制定模型置信度等級標準，推動模型置信度從理論級、估算級，向精細級、校驗級、孿生級迭代發展；開展面向驗證空間的“虛實混合”摸邊探底試驗、地面綜合集成驗證，驗證核心指標。航天裝備數字化建設應用取得初步成效，增強型號總體數字化能力，加快裝備數字化模式的發展速度。

4 推進航天裝備數字化建設生態治理的建議

當前階段，發展航天裝備數字化建設生態體系可從以下4方面著手。

4.1 數字化建設生態認知域治理

聚焦關鍵問題，推動理論方法與工程實踐相融合，打造匹配我國裝備數字化工程規劃、建設、應用、提升的實踐方法、標準規范、工作流程；建立面向裝備全領域的認知域提升服務能力，對實踐方法、標準規范、工作流程等持續開展廣泛的培訓及推廣服務。

4.2 數字化建設生態產品域治理

面向裝備任務需求，以模型、數據為二元載體，覆蓋不同層級、不同階段、不同專業，建立產品全生命周期模型標準，規范不同階段模型與數據交互接口，形成需求下發、模型交付及產品面向需求的全過程管理及數據追溯能力；結合裝備工程產品全生命周期管理需求，推動圍繞模型的“建--集--評--管--用”能力建設；建立面向裝備領域的產品域提升服務能力，持續對裝備數字化建設的產品模型庫、產品數據庫進行治理。

4.3 數字化建設生態應用域治理

融合型號工程及數字化工程兩大體系，建立各工程《數字化研制要求》，進一步結合工作流程、標準規范等手段，細化數字化工程相關工作要求；制定數字化工程實踐評價方法及指標體系，建立服務于評價的數據自動采集能力，支持裝備承制單位數字化工程實踐評價；建立面向全裝備領域的應用域提升服務能力，持續提升裝備工程各層級參與單位的數字化工程實踐效能。

4.4 數字化建設生態合作域治理

滿足國內多任務/多目標/多主體并行等合作發展需求，建立標準統一、知識充沛、工具完備、流程規范的多方合作基礎服務平臺；建立有效的知識產權確認、保護、服務機制，形成模型與數據共建共享服務能力；建立面向全裝備領域的合作域提升服務能力，持續保證海陸空天不同領域單位能夠基于高水平統一的基礎能力平臺開展跨領域任務合作。

5 結論與展望

數字化技術由“點→線→面→體”集成化、融合化應用，工程復雜程度及技術實現難度成不斷增長。雖然，我國在數字系統模型、數字孿生、單點自主工業軟件等方面形成了基礎技術能力，并在部分型號的試點工作中進行了實踐驗證，但總體上講，我國航天裝備領域的數字化工程建設仍處于技術的融合創新實踐及集成方案探索階段，必須建設航天裝備數字化建設生態體系，才能有效賦能數字化工程的方案規劃、能力建設、應用實踐及持續改進過程，保障型號任務按規劃推進。