運載火箭基于模型的系統(tǒng)工程研究

楊小龍，聶蓉梅

(1. 中國運載火箭技術研究院，北京 100076；2. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

系統(tǒng)工程是保證復雜系統(tǒng)研制成功的重要思想和方法。國內最早關于系統(tǒng)工程的論述出現(xiàn)在錢學森撰寫的《組織管理的技術——系統(tǒng)工程》一文中。他指出系統(tǒng)是由相互作用和相互依賴的若干組成部分結合成的具有特定功能的有機整體，而且這個系統(tǒng)本身又是它從屬的一個更大系統(tǒng)的組成部分。系統(tǒng)工程是組織管理系統(tǒng)的規(guī)劃、研究、設計、制造、試驗和使用的科學方法，是一種對所有系統(tǒng)都具有普遍意義的科學方法[1]。欒恩杰所著的《航天系統(tǒng)工程運行》中，關于系統(tǒng)工程的定義為：系統(tǒng)工程不是工程系統(tǒng)本身，而是對工程系統(tǒng)所要達到的目標及實現(xiàn)該目標的措施進行整體研究，并對工程系統(tǒng)進行建造及運營的過程[2]。《中國大百科全書·自動控制與系統(tǒng)工程卷》中關于系統(tǒng)工程的定義為：系統(tǒng)工程是從整體出發(fā)合理開發(fā)、設計、實施和運用系統(tǒng)的工程技術。它是系統(tǒng)科學中直接改造世界的工程技術[3]。《美國科學技術詞典》中系統(tǒng)工程的定義為：系統(tǒng)工程是研究彼此密切聯(lián)系的許多要素所構成的復雜系統(tǒng)的設計的科學[4]。美國國防部系統(tǒng)管理學院的《系統(tǒng)工程原理》中系統(tǒng)工程的定義為：系統(tǒng)工程由兩個要素部分組成，即系統(tǒng)工程運行的技術知識領域和系統(tǒng)工程管理[4]。《NASA系統(tǒng)工程手冊》中提出系統(tǒng)工程是一門綜合的、整體的學科，通過相互比較來評價和權衡各學科的貢獻，形成一致的不被單一學科觀點左右的系統(tǒng)整體[5]。

由上述國內外權威論述可見：系統(tǒng)工程是構建系統(tǒng)的科學方法，是在多種約束下獲得系統(tǒng)最優(yōu)設計的科學方法，是保證系統(tǒng)能夠得以工程實現(xiàn)的科學方法。運載火箭的系統(tǒng)工程也基本源于以上的系統(tǒng)工程思想，運載火箭系統(tǒng)工程組織模式由兩條線構成：行政線(由總指揮牽頭)以計劃、調度和管理為中心；技術線(由總設計師牽頭)以學術研究、系統(tǒng)設計與驗證、技術協(xié)調為中心，實行總指揮負責制。在新的歷史條件下，如何進一步優(yōu)化這一模式，進一步提升研制效率、研制質量和研制效益是新一代航天人需要深入思考的問題。

1 MBSE綜述

基于模型的系統(tǒng)工程(Model Based Systems Engineering，MBSE)是由國際系統(tǒng)工程咨詢委員會(Internal Concil of System Engineering，INCOSE)提出的概念。2007年INCOSE在《系統(tǒng)工程2020年愿景》中給出了定義：MBSE是對系統(tǒng)工程活動中建模方法應用的正式認同，以使建模方法支持系統(tǒng)要求、設計、分析、驗證和確認等活動，這些活動從概念性設計階段開始，持續(xù)貫穿設計開發(fā)以及后來的所有生命周期階段[6-7]。MBSE方法論被定義為彼此關聯(lián)的流程、方法和工具的集合。流程定義“做什么”，方法定義“如何做”，工具支持“做什么”和“如何做”的實現(xiàn)。INCOSE MBSE倡導團隊的主要成員多數(shù)是從事復雜系統(tǒng)嵌入式軟件開發(fā)的人員，其最初的理論多聚焦于嵌入式系統(tǒng)和軟件密集型系統(tǒng)，后來逐步延伸到其他軟件占重要地位的系統(tǒng)，其倡導的系統(tǒng)建模語言SysML也來源于軟件建模語言UML。其推薦的主要方法論包括：IBM Telelo-gic的Harmony-SE，主要針對嵌入式系統(tǒng)綜合設計和軟件開發(fā)；OOSEM面向對象的系統(tǒng)工程方法，來源于洛克希德-馬丁公司的軟件生產(chǎn)聯(lián)盟，主要應用于洛克希德-馬丁公司的大型分布式信息系統(tǒng)設計與開發(fā)；IBM的MDSD方法論主要用于軟件開發(fā)的RUP規(guī)程，最佳實踐應用于應對系統(tǒng)的規(guī)范、分析、設計和開發(fā)所面臨的挑戰(zhàn)；Vitech的MBSE方法論強調以系統(tǒng)定義語言(SDL)來管理模型制品，需要一個經(jīng)商定的、以架構或本體形式表達的信息模型，用于管理模型制品的句法和語義，作為需求分析人員、系統(tǒng)設計人員和開發(fā)人員的一種技術溝通途徑，并為圖形化視圖生成程序、生成程序腳本和一致性檢查程序提供一個結構；JPL的狀態(tài)分析(SA)方法論是一個基于模型和狀態(tài)控制的架構，用于描述系統(tǒng)狀態(tài)是如何演進的；Dori的OPM方法論，結合了正規(guī)的但簡單的可視化模型(OPD)與受限的自然語言語句(OPL)，以便在一個綜合的、單一的模型中表達系統(tǒng)的功能、結構和行為，OPL是一種同時面向人和機器的雙重目的語言[6]。

最近幾年，隨著國外商業(yè)軟件在中國的推廣，MBSE方法論受到廣泛關注，并掀起了應用研究熱潮。人們對于應用國外商業(yè)MBSE工具解決其面臨的問題給予了很高的期望，近幾年有大量相關論文發(fā)表，在知網(wǎng)上可以檢索到的最近3年(2020—2023年)的相關期刊論文有百篇以上，本文僅列出了一些比較有代表的論文[7-16]，其中大部分為基于國外商業(yè)MBSE工具的應用研究[7-10]。以電子科技大學夏韜凌的論文為例，其主要是對現(xiàn)有商業(yè)MBSE工具的比較，并選取一種適合其研究對象的工具進行應用研究和實踐[8]。另一類是基于INCOSE 的MBSE概念，提出了某領域MBSE設想或框架體系，以及需要解決的關鍵問題[11-16]。本文屬于后一種類型。

綜上所述，INCOSE 提出的MBSE概念比較寬泛，涉及復雜系統(tǒng)的各個方面和全生命周期，但其倡導團隊提出的主要方法論多數(shù)局限于系統(tǒng)的需求和設計描述。在具體實踐方面多以軟件密集型系統(tǒng)為主。在系統(tǒng)上下貫通方面主要論述了從需求分析、系統(tǒng)架構設計到系統(tǒng)功能邏輯描述方面的內容，其系統(tǒng)建模主要是指對系統(tǒng)架構進行建模，包括系統(tǒng)的組成、關系和運行邏輯，以及系統(tǒng)狀態(tài)變化的描述。在系統(tǒng)性能仿真方面主要借助Modelica語言或與其他通用系統(tǒng)仿真工具打通的方式來實現(xiàn)。INCOSE提出的MBSE概念具有前瞻性，在新的技術條件下，這一概念具有發(fā)展的價值和實現(xiàn)的可能，但其主要倡導成員提出的具體方法目前主要聚焦于系統(tǒng)架構設計信息描述的范疇，Modelica語言有其自身的局限性，不能覆蓋所有的系統(tǒng)性能仿真。最初各大商業(yè)軟件廠商推出的MBSE概念與INCOSE的定義范疇有較大差距，不能覆蓋系統(tǒng)工程的全部內涵，目前也在逐步轉向系統(tǒng)工程的全生命周期方向。

2 運載火箭MBSE設想

運載火箭是一個典型的復雜系統(tǒng)，其研制過程遵循系統(tǒng)工程方法。首先進行總體方案論證與設計；然后進行分系統(tǒng)功能、性能指標及結構的分解與分配；再進行分系統(tǒng)論證、設計和驗證，單機論證、設計和驗證，機、電、軟產(chǎn)品設計生產(chǎn)；最后進行產(chǎn)品集成形成完成的系統(tǒng)，并通過各種實物試驗來驗證系統(tǒng)性能是否達到設計要求。在這個過程中可能需要在某個層級或幾個層級之間經(jīng)過多輪次迭代，才能獲得整體性能優(yōu)、技術合理、經(jīng)濟性好的系統(tǒng)方案。傳統(tǒng)上這種迭代主要是基于文檔和會議協(xié)調開展，新型號的研制周期為10年左右。傳統(tǒng)的研制流程如圖1所示。

圖1 運載火箭傳統(tǒng)系統(tǒng)工程流程Fig.1 Traditional work flow of systems engineering for launch vehicle

INCOSE關于MBSE的定義，主要思想是在系統(tǒng)工程實踐中引入模型，“以使建模方法支持系統(tǒng)要求、設計、分析、驗證和確認等活動[6-7]”，但其提出的具體方法對系統(tǒng)工程全過程覆蓋不足，為彌補這一缺陷，需要將模型的范疇進行擴展。不僅包含系統(tǒng)需求信息數(shù)字化模型、架構數(shù)字化模型，還應包含系統(tǒng)產(chǎn)品三維數(shù)字化模型、性能預測仿真模型等。并且對這些建模方法進行正式的認證或確認，以支持各專業(yè)各參研單位高效高質量設計及基于模型的協(xié)同，從傳統(tǒng)的基于文檔的協(xié)同走向基于模型的協(xié)同，并充分利用信息化系統(tǒng)管理和傳遞數(shù)據(jù)，使設計協(xié)同從線下走向線上，以加快設計迭代。同時在研制早期通過跨專業(yè)跨單位的模型集成實現(xiàn)更精細化的聯(lián)合仿真，為提前發(fā)現(xiàn)風險，實現(xiàn)更大范圍、更深層次的設計優(yōu)化提供條件。將設計模型和仿真模型貫穿產(chǎn)品全生命周期，充分發(fā)揮模型的復用價值，構建數(shù)字孿生系統(tǒng)，促進傳統(tǒng)生產(chǎn)模式向智能化生產(chǎn)模式轉型，從完全依靠實物試驗驗證向虛實結合試驗驗證轉型。最終為提升研制質量、加快研制進程、降低研制成本、提升研制效益提供助力。引入經(jīng)認證或確認的建模方法后，運載火箭的MBSE設想如圖2所示。

圖2 運載火箭的MBSE設想Fig.2 An image of model based systems engineering for launch vehicle

圖2在原有系統(tǒng)工程流程中引入了基于模型的設計定義與要求下發(fā)、基于模型集成的虛擬試驗、數(shù)字孿生系統(tǒng)構建與應用、基于模型的虛實結合試驗、模型修正與評估以及數(shù)字主線，從而體現(xiàn)了新技術對傳統(tǒng)系統(tǒng)工程方法的支持與改進。傳統(tǒng)上是用設計文件來定義系統(tǒng)并下發(fā)任務書，在新技術條件下，可以采用數(shù)字化信息模型來定義系統(tǒng)，這樣便于計算機進行自動化處理，并可以實現(xiàn)上下游數(shù)字化信息的關聯(lián)。對于復雜系統(tǒng)來說，這種關聯(lián)將有助于發(fā)現(xiàn)可能引發(fā)“蝴蝶效應”的問題。將數(shù)字化信息模型與系統(tǒng)性能仿真模型結合，實現(xiàn)系統(tǒng)設計仿真一體化貫通，實現(xiàn)總體與分系統(tǒng)模型集成，從而可以實現(xiàn)更廣泛、更深層次的設計優(yōu)化，獲得更優(yōu)的系統(tǒng)設計方案。將動力學仿真模型與精細化的幾何模型、有限元仿真代理模型聯(lián)合，可實現(xiàn)基于多學科模型集成的虛擬試驗，提前發(fā)現(xiàn)各層級設計不協(xié)調問題，在研制早期以最小的代價優(yōu)化設計、防范風險。數(shù)字孿生系統(tǒng)的構建與應用將有助于利用已構建的精細化設計模型和仿真模型，促進生產(chǎn)過程的智能化，實現(xiàn)基于模型的虛實結合試驗、模型修正與評估，在更多狀態(tài)下實現(xiàn)對系統(tǒng)的行為和性能的驗證與準確預測。數(shù)字主線將實現(xiàn)對系統(tǒng)模型和數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管控，充分利用大數(shù)據(jù)管理技術和AI技術，實現(xiàn)對復雜系統(tǒng)技術狀態(tài)變化的精細化管理和風險控制。

3 關鍵技術分析

實現(xiàn)運載火箭的基于模型的系統(tǒng)工程，涉及6大關鍵技術，分別是：設計信息統(tǒng)一化建模技術、異構仿真模型集成技術、數(shù)字孿生系統(tǒng)構建技術、虛實結合試驗與評估技術、跨域異構信息系統(tǒng)集成技術以及基礎軟硬件安全互聯(lián)技術。

3.1 設計信息統(tǒng)一化建模技術

對設計信息模型盡最大可能實現(xiàn)統(tǒng)一化建模，設計信息可以分為兩大類。一是設計要求和約束，二是方案描述和設計圖紙。設計要求和約束包括但不限于系統(tǒng)性能要求、系統(tǒng)幾何約束、質量約束、環(huán)境條件等。方案描述和圖紙一般包括系統(tǒng)組成、結構尺寸、系統(tǒng)接口(包括機、電、軟件接口)、系統(tǒng)運行邏輯、結構設計圖、電氣設計圖和軟件設計文檔等。統(tǒng)一化建模技術已在結構三維設計、電氣原理圖設計、電纜網(wǎng)設計等方面取得突破，初步實現(xiàn)了工程數(shù)字樣機的成功構建[17]。基于SysML的系統(tǒng)架構統(tǒng)一化建模技術的研究與應用也已取得初步進展，并可支持實現(xiàn)軟件設計從基于文檔的設計向基于模型的設計轉變，為構建更真實的體現(xiàn)產(chǎn)品實際運行過程的數(shù)字樣機奠定基礎。未來需要解決的問題是如何將這幾種技術進行融合集成，在工程上能夠更快速方便地構建出體現(xiàn)產(chǎn)品全部設計信息的完整數(shù)字樣機，并增進其易讀性和自動化處理能力。

3.2 異構仿真模型集成技術

系統(tǒng)性能建模與仿真是專業(yè)性很強的領域，不同的學科有不同的建模方法，不同的建模方法有其特定的優(yōu)勢，目前還不能夠找到一種普適的方法。異構性能仿真模型的集成是必須要解決的問題。目前主要的性能仿真模型可分為基于數(shù)學代數(shù)方程或常微分方程的性能仿真模型、基于有限元或有限體積法的性能仿真模型。針對不同的學科，其具體的數(shù)學方程表達形式有較大差別，并取決于各學科專家對本學科客觀規(guī)律的認識程度，因而對同一問題可能產(chǎn)生很多種數(shù)學模型，并且適用情況也可能不同，因此對各類數(shù)學模型進行正式認證或確認是十分必要的，有利于把適合的方法用于適合的場景，也有利于仿真模型被正確地建立和使用，同時可以避免大量重復的復核復算工作，提高設計質量的同時也有利于提高工作效率。

運載火箭在實際飛行中是一個多物理場相互作用的過程，為了便于研究，人為地把不同現(xiàn)象劃分為不同的學科進行研究，集成多學科異構模型進行仿真對了解和研究多物理場耦合作用對運載火箭實際飛行的影響是必要的。同時多學科異構模型的集成又是復雜的、不同形式的數(shù)學方程，求解的方法不同，運算效率也有較大的差異，采用多種方法構造有足夠精度的代理模型進行集成仿真已被證明是可行之路。同時計算軟硬件技術的發(fā)展，也為集成和運算更復雜的仿真模型奠定了基礎。

3.3 數(shù)字孿生系統(tǒng)構建技術

數(shù)字孿生技術是近幾年研究比較火熱的方向。數(shù)字孿生這個概念早在2003年就提出了[18]，直到近幾年才得到廣泛的重視，其重要原因在于6大技術的發(fā)展：精細化建模與仿真技術、高性能計算軟硬件技術、基于信息物理系統(tǒng)(Cyber-Physical Systems，CPS)的數(shù)據(jù)實時采集技術、虛實融合可視化技術、大數(shù)據(jù)管理技術和AI技術。這些技術的發(fā)展為數(shù)字孿生系統(tǒng)的構建奠定了基礎。精細化建模與仿真包括了上面提到的設計信息統(tǒng)一化建模和性能仿真建模，是構建數(shù)字孿生系統(tǒng)的核心。高性能計算軟硬件技術是支撐精細化仿真模型運行的平臺。CPS是數(shù)字模型與真實物理世界關聯(lián)的紐帶。虛實融合可視化技術是數(shù)字模型與物理模型融合展示的手段。大數(shù)據(jù)管理技術是實現(xiàn)對數(shù)字模型及其相關數(shù)據(jù)進行高效管理的基礎。AI技術有益于實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)的預測與監(jiān)控。數(shù)字孿生系統(tǒng)可以廣泛地在產(chǎn)品生產(chǎn)、試驗和發(fā)射服務階段被構建，以支持設計模型的改進、優(yōu)化，對實物系統(tǒng)運行過程的預測與監(jiān)控[19]。

3.4 虛實結合試驗與評估技術

完整數(shù)字樣機的構建為開展更準確的虛實結合試驗奠定了基礎。在傳統(tǒng)系統(tǒng)工程中，實物產(chǎn)品的性能大多依靠實物試驗進行驗證和評估。實物由于生產(chǎn)周期長，試驗準備時間長，是復雜產(chǎn)品研制中最耗時的工作，也是研制成本的主要體現(xiàn)。更精細化的數(shù)字仿真模型可以使設計人員在研制初期進行更精細化的設計確認和優(yōu)化，在研制后期可以結合實物試驗，對數(shù)字仿真模型進行修正，從而獲得更準確的仿真結果。通過實物試驗和仿真試驗的結合，更科學合理地對產(chǎn)品的性能進行評估。同時利用數(shù)字孿生系統(tǒng)，對實物試驗過程進行實時監(jiān)控，可以在不破壞產(chǎn)品的情況下達到最佳的試驗效果，并可以增強產(chǎn)品的可復用性，從而進一步節(jié)約研制成本。實現(xiàn)虛實結合試驗與評估的關鍵技術是基于數(shù)據(jù)對多領域模型進行實時修正和優(yōu)化，以及基于神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法、強化學習等生成結構、流體、多物理場等代理模型，實現(xiàn)與實物試驗的實時融合[20-22]。

3.5 跨域異構信息系統(tǒng)集成技術

運載火箭是巨復雜系統(tǒng)的典型代表，涉及的專業(yè)門類多，產(chǎn)品數(shù)量多，產(chǎn)品關聯(lián)復雜，在研制過程中涉及的技術狀態(tài)變化復雜，傳統(tǒng)上都是依靠設計文件來定義產(chǎn)品的狀態(tài)，文件之間的一致性依靠人工保證。隨著信息系統(tǒng)開發(fā)技術和數(shù)據(jù)庫技術的發(fā)展，建立貫通產(chǎn)品全生命周期的信息系統(tǒng)已成為可能。但由于復雜產(chǎn)品涉及參研單位多，各自的歷史環(huán)境不同，全部使用同一個信息系統(tǒng)實踐上可能存在較大的困難，需要解決跨域異構信息系統(tǒng)集成的問題。其關鍵是數(shù)據(jù)表達模式的統(tǒng)一，建立相應的標準規(guī)范是必由之路。除了業(yè)務層面的數(shù)據(jù)統(tǒng)一化表達標準，還包括系統(tǒng)底層的信息交換格式標準及系統(tǒng)通信接口標準等。

3.6 基礎軟硬件安全互聯(lián)技術

數(shù)字主線以產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)管理(Pro-duct Life Management，PLM)平臺為基礎，形成產(chǎn)品信息集成主線，使所有與產(chǎn)品相關的數(shù)據(jù)高度集成、協(xié)調、共享。目前基于PLM的技術主要包括應用軟件集成的面向對象的嵌入與連接技術、支持產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)建模與管理的對象建模技術、數(shù)據(jù)集成、決策的數(shù)據(jù)倉儲管理技術和成組技術等[23]。PLM的底層是互聯(lián)網(wǎng)技術，安全互聯(lián)是必須要考慮的問題。安全互聯(lián)技術是指對產(chǎn)品模型和數(shù)據(jù)的完整性、有效性和保密性進行安全防護、防篡改的技術。當前的研究主要包括對于模型和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可能遭受的攻擊進行預測并獲得最優(yōu)防御策略，基于區(qū)塊鏈技術組織和確保模型和數(shù)據(jù)不可篡改、可追蹤、可追溯等[24-25]。

4 結束語

基于模型的系統(tǒng)工程的發(fā)展不僅會為傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程增彩添色，也將成為破解目前困境的一條有效途徑。但也面臨許多需要解決的問題與挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在以下6個方面。

1)各專業(yè)建模工具的規(guī)范化和標準化，只有通過正式認證或確認的建模工具才能進入系統(tǒng)工程的研制程序，這需要開展大量的專業(yè)建模方法梳理、整理、分析和確認工作，甚至需要開發(fā)新的專業(yè)建模方法和工具。

2)同類學科建模工具的統(tǒng)一化，這將有助于增強基于模型的設計協(xié)同，減少分歧，加快協(xié)調進度，提升設計質量。但由于復雜系統(tǒng)參研單位較多，對不同學科建模工具的統(tǒng)一極具挑戰(zhàn)性。

3)大規(guī)模的多學科模型集成技術難度大，協(xié)調難度更大。在傳統(tǒng)模式下，往往采用模型簡化的方式，以達到可以運算的程度，但也犧牲了很多細節(jié)，而這些細節(jié)中有可能存在決定成敗的因素。在新模式下，雖然計算機計算能力已經(jīng)比過去有了幾十倍甚至上百倍的提升，為復雜大模型運行提供了更好的基礎環(huán)境，但大規(guī)模多學科模型的集成和協(xié)調運行仍然是需要解決的問題。

4)基于模型的系統(tǒng)工程新工具與新平臺的研制。目前的商用軟件只能覆蓋本文設想模式的部分功能，并且商業(yè)公司技術體系的相對封閉性，也會給模型集成帶來困難。發(fā)展自主可控的工具和平臺是必須要走的一條道路，對人員和技術都是新的挑戰(zhàn)。

5)從傳統(tǒng)的依托文件進行設計轉向依托模型進行設計，對設計習慣也是巨大的挑戰(zhàn)。需要學習用結構化信息模型來表達設計意圖，就像從二維設計轉向三維設計，過程會比較痛苦，先期工作量大。

6)生產(chǎn)環(huán)節(jié)如何充分利用基于模型的設計結果提升生產(chǎn)效率，需要有主動求變的精神。只有順應模式的轉型，才能最大限度地從轉型中獲得效益，而不是用增加更多的工作來保持原有的工作習慣，否則近期看似受益，實則損及長遠。

基于模型的系統(tǒng)工程的發(fā)展與實踐可以使設計更加規(guī)范，迭代更加快速，優(yōu)化更加深入，協(xié)同更加便捷，試驗更加全面，生產(chǎn)更加智能，產(chǎn)品更加好用，成本更加可控，將使得系統(tǒng)的研制更加高效，更快地研制出用戶需求的產(chǎn)品。系統(tǒng)的利益相關方更容易參與到產(chǎn)品的研制中，理解產(chǎn)品的功能，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品研制和使用中的問題，從而降低復雜產(chǎn)品的研制風險和成本超預算風險。