導航式設計模式在彈道專業(yè)的探索

◎北京宇航系統(tǒng)工程研究所 何兆偉 陳風雨 陳海鵬 馬英

導航式設計模式在彈道專業(yè)的探索

◎北京宇航系統(tǒng)工程研究所 何兆偉 陳風雨 陳海鵬 馬英

航天工程設計是典型的復雜大系統(tǒng)設計，而彈道專業(yè)作為運載火箭論證的先行專業(yè)，又具有設計模型復雜度高、技術元素多樣、參數(shù)交叉廣泛等特點。在系統(tǒng)耦合度越來越高、專業(yè)間接口越來越復雜的形勢下，如何確保設計的正確性、合理性，以及專業(yè)間接口的規(guī)范性成為專業(yè)內(nèi)部不得不面對的問題?？v觀當前的設計模式，還存在諸如產(chǎn)品設計“個人色彩”濃重、專業(yè)建設各自為陣、研制流程脫節(jié)、技術知識缺乏有效的固化傳承手段等問題。

一、現(xiàn)有設計知識梳理

過去幾十年，中國運載火箭技術研究院采用行政單位和型號項目兩條線的模式共同完成型號的研制任務，在專業(yè)建設方面逐步加大投入，各主要專業(yè)已形成了較為完備的理論基礎和設計流程，并以設計標準、規(guī)范等形式予以固化，完成了設計師手冊編制。但這些內(nèi)容目前只作為設計參考，沒有基于設計流程無縫結合到設計師的設計工作中，易出現(xiàn)設計過程不規(guī)范、觸發(fā)設計禁忌的風險。

1．研制流程

研制流程規(guī)定了設計的研制階段劃分、基本要求、各階段的任務、主要工作和完成標志、研制流程和輸出文件。研制流程對每個研制階段分別進行定義，各階段的研制流程有一定相似性，同時隨著工程研制的深入逐步細化。圖1給出了方案階段研制流程的示例。

2．設計師手冊

在設計師手冊中首先按研制階段劃分詳述了各階段的研制流程，對其中的研制活動和涉及的知識進行了細化闡述。除此之外，還包含設計禁忌和準則等補充性、約束性知識。

3．技術樹

技術樹對設計知識的分類比較全面，按技術相關度逐層分類，利于查找，適合作為本專業(yè)所有知識的提綱或一個結構維度，對知識的結構化整理有較大幫助。

二、當前設計模式的不足

“行政單位研制產(chǎn)品，型號選產(chǎn)品”是研究院產(chǎn)品化建設和發(fā)展的重要思路，也描繪了研究院當前型號研制的基本模式。行政單位獲得上級部門在預研、技改等方面的支持，通過加強自身的專業(yè)建設，實現(xiàn)了技術從無到有及能力水平的不斷提升。型號項目隊伍在各系統(tǒng)負責單位的技術基礎上開展技術集成工作，重點關注流程和技術接口的正確性，以實現(xiàn)型號產(chǎn)品的研制。縱觀當前的設計模式，存在以下幾個方面的不足:

1．缺乏對專業(yè)建設的評價度量

預研和技改工作主要由行政單位提出，瞄準未來的型號發(fā)展提前研究、儲備技術和能力，但對工作開展到什么程度算到位，缺乏統(tǒng)一標準；調(diào)研報告、專題分析、樣機等分屬不同實現(xiàn)層級，到底需要完善到哪個層級，沒有統(tǒng)一評價準則；工程組的專業(yè)組長作為專業(yè)建設的第一責任人，在牽頭完成專業(yè)發(fā)展規(guī)劃、共性技術提煉和建設中究竟按照標準、規(guī)范、設計師手冊、設計要素中的哪個層級來進行建設，沒有統(tǒng)一標準；現(xiàn)實工作中，部分工程組長忙于型號，對專業(yè)建設投入少，把關和引領作用發(fā)揮不夠，加之對年輕設計人員的培訓不足，產(chǎn)品個性化設計情況較為突出。

2．缺乏對產(chǎn)品成熟度和經(jīng)濟性等關鍵要素的把控

長期以來，研究院的產(chǎn)品化建設工作主要瞄準實物產(chǎn)品來開展，但對于總體室來說，大部分專業(yè)不直接管理單機產(chǎn)品，因此對產(chǎn)品化理念理解不深刻。在專業(yè)建設方面投入不少，但是效果有時不理想，如預研類的技術，有時由于技術成熟度不足，導致對后期型號研制支撐不夠；技改類的技術，有時由于共性技術總結提煉不足，導致對各型號保障不到位；對于共性專業(yè)技術，有時由于總結凝練不及時、不到位，導致人員流動后“失傳”，需要重新積累；對于型號設計，由于沒有考慮技術經(jīng)濟性原因，導致總經(jīng)費嚴重超標。總之，由于在專業(yè)建設中沒有考慮上述關鍵要素，為型號產(chǎn)品的快速、可靠研制埋下隱憂。

3．缺乏標準規(guī)范真正落地的好途徑

回顧型號項目研制和專業(yè)建設，整體上感覺存在“兩層皮”現(xiàn)象。專業(yè)建設雖轟轟烈烈，投入多、產(chǎn)出不少，完成了大量標準、規(guī)范、設計師手冊、設計要素、三級審簽要點、工作手冊等成果，但由于目前專業(yè)建設缺乏統(tǒng)一標準和體系梳理，使得各成果基本處于各自為戰(zhàn)的情況，很多知識點相互重復，耗費了精力，而且各成果以文本形式管理，及時統(tǒng)一更新也較為困難。在具體型號設計過程中，設計人員基本按照“先學后用”的模式來開展工作，需要理解和掌握的知識點很多，設計中常常出現(xiàn)顧此失彼、掛一漏萬的情況。因此，專業(yè)建設成果在一線人員設計中能否有效踐行還需要足夠的時間去“熬”，有章不循的現(xiàn)象比較普遍。

三、導航式設計模式探索

1．導航式設計概念的提出

彈道設計專業(yè)經(jīng)過數(shù)十年的探索與發(fā)展，目前形成了成熟、完備的理論基礎，針對不同的型號形成了較為成熟的設計流程。這些基礎理論和設計流程以設計工具、設計標準等形式予以固化，同時還以個人經(jīng)驗、設計禁忌等形式固化在設計師手冊、甚至隱性存在于設計師的大腦中。這些要素本質(zhì)上是離散的，如在設計工具中固化了理論模型，但沒有包含設計流程信息，也不會提示設計師相關的禁忌。設計標準與手冊等內(nèi)容可能包含設計流程及禁忌等信息，但這樣的要素一般只能作為設計過程中的參考，即作為設計流程的外圍信息，沒有無縫結合到設計師的設計活動中。

這樣的情況實際上會造成整個彈道設計過程具有較濃厚的設計師個人色彩。對于經(jīng)驗豐富的設計師而言，這種“個人色彩”是值得鼓勵的，但對年輕設計師而言，這就是造成設計過程不規(guī)范、易觸發(fā)設計禁忌的主要風險。因此，應當在設計工具中增加流程管理的功能，對設計師擬采用的設計技術和流程進行規(guī)范，同時開展先期提示及后期檢驗相關設計禁忌，將設計標準或設計手冊中的經(jīng)驗無縫集成到設計活動中，從而達到規(guī)范設計流程的目的，其本質(zhì)實際上是嵌入崗位流程的設計標準實施。

2．導航式設計的實現(xiàn)構想

導航式設計軟件是實現(xiàn)導航式設計的落腳點，是將設計標準、流程甚至禁忌經(jīng)驗與傳統(tǒng)設計工具結合的最終體現(xiàn)。完善的導航式設計軟件應該具備以下幾個特點:

一是可定制的流程管理功能。

設計流程管理是導航式設計軟件最顯著的特點之一，是其區(qū)別于傳統(tǒng)設計工具的明顯特征。設計師可以對設計活動進行建模，并根據(jù)設計師選擇的設計活動類型推薦出較合適的、符合規(guī)范的設計流程，為每個設計步驟推薦設計方法甚至設計工具。設計師可以接受推薦的流程，也可以根據(jù)任務的特殊性有針對性地進行調(diào)整。

二是設計前的技術評價與審核功能。設計師定制好擬采用的設計活動流程后，就進入了評價與審核階段。系統(tǒng)根據(jù)任務類型對選用的技術進行成熟度等級評價，審核者重點針對成熟度較低的技術進行把關與審核，并對全流程環(huán)節(jié)是否有重大缺項等給予把關。

三是設計過程中的實時指導與約束檢查功能。設計開始后，每個模型的輸入、輸出參數(shù)都將通過設計標準、規(guī)范、禁忌等信息實時進行檢驗，若發(fā)現(xiàn)有違反的情況，則在設計流程中提示設計師參數(shù)使用有問題，從而讓設計師及時調(diào)整使用參數(shù)。

四是設計后的方案評價功能。

設計完成后，通過以上流程的實施能使設計結果基本規(guī)范，不會出現(xiàn)嚴重違反設計禁忌的情況，但在設計優(yōu)化程度上還沒有進行評價。當設計方案定型后，導航式設計軟件可以根據(jù)數(shù)據(jù)庫中類似的設計流程，提供設計結果對比，為設計師評估設計結果是否已達到較優(yōu)的水平提供參考。

3．智能導航設計規(guī)劃

導航式設計的初衷是讓常規(guī)的設計工作脫離“紙質(zhì)地圖”時代，讓各種集成于“紙質(zhì)地圖”中的技術知識實現(xiàn)有規(guī)則的離散化、數(shù)據(jù)庫式存儲化，并嵌入可定制、可升級的設計流程，甚至設計工具的開發(fā)流程，自動推送、自動提醒，以達到專業(yè)知識完備化傳承、新人員邊設計邊學習、最大可能減少質(zhì)量問題發(fā)生的目的，變“老帶新”為智能導航設計。

導航式設計的實現(xiàn)可以催生數(shù)據(jù)累積型與導航規(guī)劃型2類智能設計。

以彈道設計崗位中的加注量計算工作為例說明數(shù)據(jù)累積型智能設計。發(fā)射場加注量計算工作中有一個很重要的環(huán)節(jié)為推進劑調(diào)溫，推進劑調(diào)溫結果直接決定著火箭發(fā)射時刻的推進劑工況，進而有可能影響火箭發(fā)射的成敗。在調(diào)溫計算的過程中，設計工具可以依據(jù)大量積累的以往所有發(fā)次的既有數(shù)據(jù)智能地給出設計建議，再由崗位人員進行精細化設計；同時，在崗位人員提交最終結果后，設計工具可以依據(jù)累積數(shù)據(jù)智能地進行包絡分析和約束分析。當設計工具可以將大量的累積數(shù)據(jù)智能參與到設計過程中時，就實現(xiàn)了以機器經(jīng)驗替代人員經(jīng)驗的轉(zhuǎn)換。

導航規(guī)劃型智能設計是當接到新任務后，以任務屬性、技術指標等為輸入，在構建好學習地圖的基礎上自行以技術成熟度、經(jīng)濟性等為約束條件，規(guī)劃可行的技術路徑及流程，引導設計人員按照既定選擇的節(jié)點方案完成設計，并檢查指標的符合性。智能導航設計一旦實現(xiàn)，將是對當前設計模式的一場新變革，對專業(yè)建設水平提升、設計質(zhì)量保證、設計效率提高和技術經(jīng)濟性提升均有重要意義。

筆者以彈道專業(yè)為試點開展了導航式設計模式的思考，以“技術樹+研制流程=學習地圖”為思路、以專用導航工具與設計工具相分離為原則，進行導航式設計的原理性驗證，形成了彈道專業(yè)學習地圖框架、技術節(jié)點知識體系等內(nèi)容，并向著過程規(guī)劃與數(shù)據(jù)累積等方向深入摸索前進。可以預期的是，導航式設計一旦實現(xiàn)，對設計水平、設計效率、設計質(zhì)量等將產(chǎn)生變革性的影響?！?/p>