深空探測任務(wù)協(xié)同的系統(tǒng)工程方法應(yīng)用及趨勢

于國斌

（1. 北京航空航天大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 100191；2. 國家國防科技工業(yè)局，北京 100048）

引 言

基于模型的系統(tǒng)工程（Model-Based Systems Engineering，MBSE）逐漸成為復(fù)雜工程系統(tǒng)創(chuàng)新研制的指導(dǎo)性方法技術(shù)體系，經(jīng)歷了30年的持續(xù)發(fā)展。1990年，系統(tǒng)工程國際委員會（INternational COuncil on Systems Engineering，INCOSE）成立，致力于研究MBSE；2007年，INCOSE發(fā)布“系統(tǒng)工程愿景2020”[1]，給出了MBSE的完整定義，發(fā)布了SysML 1.0版本，MBSE開始進(jìn)入國際工業(yè)界視野；2014年，INCOSE發(fā)布“系統(tǒng)工程愿景2025”[2]，MBSE開始在國內(nèi)外引起工業(yè)界廣泛關(guān)注，紛紛進(jìn)行實(shí)踐探索，普遍認(rèn)為MBSE是新世紀(jì)裝備產(chǎn)品研制的創(chuàng)新性方法論和技術(shù)體系；2018年，美國國防部發(fā)布“數(shù)字工程戰(zhàn)略”[3]，將MBSE推進(jìn)到了數(shù)字化工程生態(tài)的新階段。

鑒于MBSE對于復(fù)雜裝備研制的有效性，國內(nèi)外紛紛開展研究探索與實(shí)踐應(yīng)用。國外方面，美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）開發(fā)了MBSE的工程基礎(chǔ)構(gòu)架，歐洲航天局（European Space Agency，ESA）在虛擬航天器工程中使用了MBSE，美國國防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）在自適應(yīng)車輛試驗(yàn)項(xiàng)目AVM中使用系統(tǒng)級設(shè)計與仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)“構(gòu)造即正確”。洛克希德·馬?。↙ockheed-Martin）公司[4]、噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）[5-6]、波音（Boeing）公司[7-8]等國外大型機(jī)構(gòu)也在系統(tǒng)研發(fā)中開始使用MBSE技術(shù)。國內(nèi)MBSE研究實(shí)踐起步相對較晚，從2013年開始航空、航天先后開始MBSE探索和實(shí)踐[9]，在MBSE概念普及、需求工程與系統(tǒng)設(shè)計、模型體系定義、大系統(tǒng)建模仿真[10]等方面取得顯著成果，并且對于MBSE的應(yīng)用研究從系統(tǒng)發(fā)展到分系統(tǒng)，如航天控制系統(tǒng)、飛機(jī)航電系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)等[11-15]。

MBSE以架構(gòu)為中心，以需求為出發(fā)點(diǎn)，以設(shè)計和驗(yàn)證的對偶貫穿研制全流程。目前需求建模和架構(gòu)設(shè)計普遍采用系統(tǒng)建模語言SysML作為統(tǒng)一表達(dá)，驗(yàn)證則以基于模型的仿真為主，Modelica是系統(tǒng)仿真驗(yàn)證的事實(shí)規(guī)范。SysML是基于軟件領(lǐng)域統(tǒng)一建模語言（Unified Modeling Language，UML）面向系統(tǒng)工程領(lǐng)域的擴(kuò)充，是面向系統(tǒng)需求與架構(gòu)設(shè)計的建模語言[16]。Modelica規(guī)范是源于歐洲的多領(lǐng)域物理統(tǒng)一建模規(guī)范，1997年9月發(fā)布了第1版，它綜合多種建模語言優(yōu)點(diǎn)，從原理上統(tǒng)一了之前的各種多領(lǐng)域建模機(jī)制。Modelica的誕生，為產(chǎn)品系統(tǒng)不同領(lǐng)域的行為、功能及性能的統(tǒng)一表述以及領(lǐng)域互聯(lián)提供了標(biāo)準(zhǔn)，能夠有效地支持系統(tǒng)級建模、仿真、分析、優(yōu)化以及軟件自動生成[17-18]。

與以往航天任務(wù)相比，深空探測在系統(tǒng)規(guī)模、技術(shù)難度、可靠性安全性要求、研制周期與成本要求等方面都對航天系統(tǒng)的研制能力提出了更高的要求。傳統(tǒng)的以文檔為核心的系統(tǒng)工程方法已經(jīng)無法有效滿足研制需求[19]。傳統(tǒng)的以文檔為核心的系統(tǒng)工程方法存在的問題主要體現(xiàn)在：眾多信息分散于各個文檔，難以保證完整性和一致性；對復(fù)雜的、動態(tài)交互性強(qiáng)的活動難以描述，表達(dá)力不足，有時會產(chǎn)生歧義；技術(shù)狀態(tài)控制困難，工作量大，維護(hù)困難；缺少早期驗(yàn)證手段，主要依靠后期的實(shí)物驗(yàn)證，代價大，周期長。

中國航天系統(tǒng)發(fā)展正從試驗(yàn)應(yīng)用型向業(yè)務(wù)服務(wù)型邁進(jìn)。深空探測任務(wù)具有多領(lǐng)域耦合更強(qiáng)、技術(shù)難度更大、任務(wù)周期更長、運(yùn)營維護(hù)更難、協(xié)調(diào)挑戰(zhàn)更大的特點(diǎn)。這一形勢對航天研制方法、研制手段、研制流程提出了新的要求。另一方面，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化已經(jīng)從2015年提出的技術(shù)方向發(fā)展為實(shí)踐落地的手段，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化為特征的信息技術(shù)革命新階段已經(jīng)來臨。本文旨在面向航天深空探測任務(wù)型號研制需求，以MBSE為方法手段，從宏觀上探討航天系統(tǒng)工程的方法與趨勢，共同推進(jìn)航天技術(shù)新發(fā)展。

1 面向深空探測的航天MBSE研制模式分析

1.1 深空探測航天系統(tǒng)工程現(xiàn)狀與問題

中國航天工程經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已建立了完整獨(dú)立的工業(yè)體系，取得了大量理論突破與實(shí)踐成果。載人航天、月球工程等重大航天工程的實(shí)施取得了舉世矚目的成就，中國航天工程已經(jīng)具有完整的理論體系與知識產(chǎn)權(quán)積累。深空探測作為中國航天工程新興方向，充分采用了仿真分析等數(shù)字化手段，形成了數(shù)字化設(shè)計與制造的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和質(zhì)量管控體系。但在新一代工業(yè)革命的背景下，以深空探測為代表的航天工程目前仍存在以下問題：

1）專業(yè)仿真驗(yàn)證較多，多學(xué)科集成綜合仿真、系統(tǒng)級仿真驗(yàn)證及優(yōu)化較少，仿真驗(yàn)證的系統(tǒng)性不強(qiáng)；

2）試驗(yàn)和運(yùn)行數(shù)據(jù)的利用程度不高，沒有充分利用數(shù)據(jù)修正仿真模型，模型重用性不強(qiáng)，知識積累較為薄弱；

3）系統(tǒng)設(shè)計、驗(yàn)證、制造與集成測試各環(huán)節(jié)分別開展了數(shù)字化工作，但環(huán)節(jié)間缺乏基于模型的端到端集成；

4）研制過程可追溯性差，設(shè)計更改需要很大精力進(jìn)行影響分析，影響域分析手段不足，更改分析不徹底，帶來的問題較多；

5）現(xiàn)場的產(chǎn)品實(shí)際加工和測試信息不能及時反饋綜合到系統(tǒng)設(shè)計，往往到產(chǎn)品實(shí)物集成、甚至飛行試驗(yàn)時才能暴露問題，質(zhì)量和效率不高。

綜合以上分析，有必要在調(diào)研國內(nèi)外基于模型的系統(tǒng)工程研究成果以及航天系統(tǒng)工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)中國深空探測領(lǐng)域的研制流程與方法，探索面向?qū)嶋H需求的基于模型的深空探測MBSE研制模式。

1.2 深空探測航天MBSE現(xiàn)狀與問題

1）MBSE研制模式尚處于起步階段，尚未形成統(tǒng)一模式

國內(nèi)以深空探測為代表的航天系統(tǒng)僅在部分新型號中開展了基于統(tǒng)一模型的三維幾何數(shù)字樣機(jī)的設(shè)計和結(jié)構(gòu)分析以及數(shù)字功能樣機(jī)系統(tǒng)仿真驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上突破了基于三維幾何數(shù)字樣機(jī)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、強(qiáng)度結(jié)構(gòu)分析、數(shù)字模裝驗(yàn)證、流程仿真驗(yàn)證、虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)以及基于系統(tǒng)功能樣機(jī)的多專業(yè)統(tǒng)一仿真驗(yàn)證、數(shù)字伴飛等一系列數(shù)字化設(shè)計制造運(yùn)維技術(shù)。面向產(chǎn)品全生命周期的性能樣機(jī)、制造樣機(jī)、維修保障樣機(jī)等工作基本處于起步階段，基于模型的設(shè)計制造未能完全實(shí)現(xiàn)，大部分型號研制仍處于基于文檔的協(xié)同研制階段，導(dǎo)入的圖紙仍是二維電子圖紙和紙質(zhì)圖紙，還沒有形成貫穿產(chǎn)品設(shè)計到工藝設(shè)計、生產(chǎn)制造、試驗(yàn)驗(yàn)證、綜合保障的全生命周期基于統(tǒng)一模型的系統(tǒng)工程研制模式。

2）基于模型的設(shè)計仿真手段缺乏，任務(wù)全周期技術(shù)狀態(tài)管理能力不足

面向未來MBSE研制模式轉(zhuǎn)變，結(jié)合深空探測航天領(lǐng)域型號研制需求，需要進(jìn)一步加強(qiáng)系統(tǒng)頂層設(shè)計與多學(xué)科協(xié)同驗(yàn)證工具手段建設(shè)，提升全系統(tǒng)的基于模型的設(shè)計仿真能力；面向航天領(lǐng)域復(fù)雜、多狀態(tài)的技術(shù)狀態(tài)管理，現(xiàn)有產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)功能需要進(jìn)一步升級，前段延伸到需求分析、規(guī)劃論證和仿真驗(yàn)證管理，后端延伸到在軌數(shù)據(jù)、科學(xué)數(shù)據(jù)的管理，構(gòu)建任務(wù)全周期技術(shù)狀態(tài)管理能力，進(jìn)一步提升知識管理、知識重用和大數(shù)據(jù)分析能力。

3）型號應(yīng)用方面存在較大差距，基于模型的設(shè)計仿真尚未全面進(jìn)入流程

雖然“十二五”至今已打下了很好的硬件基礎(chǔ)，但在型號應(yīng)用方面還存在較大不足。一是在業(yè)務(wù)推動方面，各業(yè)務(wù)領(lǐng)域?qū)ν七M(jìn)數(shù)字化的主動性不一，在部分項(xiàng)目建設(shè)中，仍然存在信息化條線為主體、業(yè)務(wù)部門配合的情況，容易出現(xiàn)業(yè)務(wù)部門與數(shù)字化脫離的“兩張皮”現(xiàn)象，造成部分系統(tǒng)落地效果不佳。二是在一體化意識方面，跨單位的模型和數(shù)據(jù)的共享推進(jìn)存在困難，單位間存在利益沖突，往往會以知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)等為由在周期和質(zhì)量上打折扣，造成模型和數(shù)據(jù)無法有效及時共享。

4）MBSE軟件對外依賴大，自主軟件少而不強(qiáng)

CAD、CAE、PLM、ERP、數(shù)據(jù)庫、操作系統(tǒng)基本采用進(jìn)口，且主要集中在美國、德國和法國。國內(nèi)主要工業(yè)軟件基礎(chǔ)薄弱，短期不具備全面替代性。目前受限于國內(nèi)工業(yè)軟件基礎(chǔ)薄弱、成熟度不高、通用性不足，且工業(yè)軟件在研發(fā)過程中與應(yīng)用單位結(jié)合不夠。進(jìn)口軟件存在禁運(yùn)風(fēng)險，且軟件產(chǎn)品線不確定性強(qiáng)。受國際政治形勢和貿(mào)易環(huán)境的影響，西方國家加大對中國的封鎖和管制，面臨禁售、禁運(yùn)而停產(chǎn)的風(fēng)險。受國外大型軟件公司發(fā)展戰(zhàn)略調(diào)整的影響，進(jìn)口軟件的采購、應(yīng)用、二次開發(fā)和維護(hù)升級等工作都存在較大的不確定性和制約。

1.3 深空探測任務(wù)特點(diǎn)與需求

深空探測是國際科學(xué)與技術(shù)前沿領(lǐng)域，具有多學(xué)科交叉、多部門協(xié)同的特點(diǎn)，是當(dāng)今最困難的空間探測任務(wù)之一。截至2020年12月，人類共實(shí)施了246次深空探測活動，其中成功143次，成功率約為58.9%?！版隙鹞逄枴比蝿?wù)的圓滿成功與“天問一號”火星探測器成功著陸，推動中國深空探測進(jìn)入新的發(fā)展階段。

中國深空探測任務(wù)在新時代面臨全新的挑戰(zhàn)：①從地月空間邁向行星際空間，探測對象多樣化，探測任務(wù)規(guī)?；?，探測環(huán)境復(fù)雜多變；②從技術(shù)實(shí)現(xiàn)逐漸轉(zhuǎn)向科學(xué)牽引，任務(wù)目標(biāo)更加多元，探測模式更加復(fù)雜，實(shí)施保障要求更高；③從獨(dú)立自主走向自立自強(qiáng)、開放合作，國際合作的范圍更廣、層次更深[20]；④從人機(jī)探測獨(dú)立發(fā)展向人機(jī)聯(lián)合探測，對風(fēng)險管理和知識重用要求更高。這些挑戰(zhàn)對于數(shù)字化系統(tǒng)工程提出了全新的要求，迫切需要面向深空探測任務(wù)探索新一代基于模型的數(shù)字化系統(tǒng)工程方法技術(shù)體系。

2 深空探測任務(wù)協(xié)同的系統(tǒng)工程方法與框架

2.1 深空探測數(shù)字化工程生態(tài)

深空探測任務(wù)的復(fù)雜性、多元性、協(xié)同性、自主性等特性決定了其數(shù)字化系統(tǒng)工程是一個工程生態(tài)。深空探測數(shù)字化工程生態(tài)是面向型號任務(wù)全流程，由系統(tǒng)模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動，以數(shù)字化工具鏈平臺為支撐，為實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計、數(shù)字化驗(yàn)證、數(shù)字化交付及全流程數(shù)字化流轉(zhuǎn)而形成的深空探測數(shù)字化工程生態(tài)圈。數(shù)字化工程生態(tài)的關(guān)鍵是產(chǎn)品數(shù)字化和過程數(shù)字化[3]。產(chǎn)品數(shù)字化是指從工程總體、系統(tǒng)總體、分系統(tǒng)總體到單機(jī)，自上而下提出數(shù)字化模型要求，自下而上交付裝備產(chǎn)品的同時交付對應(yīng)的數(shù)字化模型；過程數(shù)字化是指數(shù)字工程貫穿概念論證、系統(tǒng)設(shè)計、工程實(shí)現(xiàn)、產(chǎn)品制造、測試試驗(yàn)、運(yùn)行維護(hù)等產(chǎn)品全生命周期，并且實(shí)現(xiàn)不同階段之間數(shù)字模型的貫通與流轉(zhuǎn)。

具體地，數(shù)字化工程生態(tài)包括流程與標(biāo)準(zhǔn)、模型與數(shù)據(jù)、工具鏈、人才隊(duì)伍4個要素。流程與標(biāo)準(zhǔn)遵循深空探測研制流程，包括方案論證、系統(tǒng)設(shè)計、集成測試、運(yùn)行維護(hù)等階段的基礎(chǔ)規(guī)范、模型規(guī)范、接口規(guī)范、應(yīng)用規(guī)范等。模型體系包括需求模型、系統(tǒng)模型、工程模型、產(chǎn)品模型、制造模型、孿生模型等全流程模型[10]，數(shù)據(jù)包括需求數(shù)據(jù)、設(shè)計數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、遙測數(shù)據(jù)等。工具鏈體系包括協(xié)同管理類工具、系統(tǒng)設(shè)計類工具、仿真分析類工具、試驗(yàn)優(yōu)化類工具、健康管理類工具、集成接口類工具等。人才隊(duì)伍包括從工程總體到單機(jī)的上下游產(chǎn)業(yè)鏈內(nèi)的型號研制人員與數(shù)字化規(guī)劃實(shí)施人員，以及提供規(guī)范、模型、工具支撐的供應(yīng)商與科研院所。

進(jìn)一步地，本文針對深空探測流程提出了新一代航天系統(tǒng)工程“4個閉環(huán)迭代”方法論，給出了適應(yīng)深空探測對象環(huán)境多樣多變的MBSE模型體系以及工具鏈支撐平臺要求；針對深空探測自立自強(qiáng)、開放合作需求，探討了基于Modelica的深空探測協(xié)同設(shè)計與持續(xù)驗(yàn)證技術(shù)；針對實(shí)施保障、風(fēng)險管理要求，討論了深空探測基于MBSE的質(zhì)量控制體系。

2.2 深空探測任務(wù)數(shù)字化系統(tǒng)工程方法

結(jié)合深空探測系統(tǒng)的研制流程，實(shí)現(xiàn)其系統(tǒng)工程的核心是落實(shí)4個閉環(huán)：總體小閉環(huán)驗(yàn)證、系統(tǒng)大閉環(huán)集成、數(shù)字實(shí)物虛實(shí)閉環(huán)映射以及數(shù)字主線閉環(huán)管理，如圖1所示。在設(shè)計階段基于數(shù)字化系統(tǒng)模型通過總體小閉環(huán)和系統(tǒng)大閉環(huán)兩個層次設(shè)計–驗(yàn)證的數(shù)字化迭代，實(shí)現(xiàn)“設(shè)計即正確”；在測試驗(yàn)證階段和運(yùn)行維護(hù)階段，建立數(shù)字孿生系統(tǒng)模型，通過數(shù)字實(shí)物虛實(shí)閉環(huán)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化模型精準(zhǔn)校驗(yàn)以及數(shù)字化測試與運(yùn)維；在研制全流程通過數(shù)字主線實(shí)現(xiàn)閉環(huán)管理。

圖1 深空探測系統(tǒng)工程4個閉環(huán)Fig. 1 “Four closed loop iteration” process of deep space exploration MBSE

1）總體小閉環(huán)驗(yàn)證

根據(jù)系統(tǒng)需求，調(diào)用系統(tǒng)架構(gòu)模板或者重新設(shè)計，構(gòu)建系統(tǒng)架構(gòu)模型；基于系統(tǒng)架構(gòu)模型快速形成系統(tǒng)總體框架；基于系統(tǒng)架構(gòu)模型實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)指標(biāo)分解與分系統(tǒng)指標(biāo)定義；基于系統(tǒng)架構(gòu)模型完成分系統(tǒng)功能要求定義；基于系統(tǒng)架構(gòu)模型完成分系統(tǒng)接口要求定義；基于分系統(tǒng)指標(biāo)、功能、接口定義構(gòu)建系統(tǒng)模型；基于系統(tǒng)模型完成分系統(tǒng)指標(biāo)、功能、接口的匹配性驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)總體小回路驗(yàn)證。

2）系統(tǒng)大閉環(huán)集成

根據(jù)單機(jī)需求，調(diào)用單機(jī)模板或者重新設(shè)計，構(gòu)建單機(jī)綜合模型；基于單機(jī)綜合模型，完成單機(jī)內(nèi)部機(jī)、電、液、控、熱各特性指標(biāo)的分解與定義；基于單機(jī)綜合模型，完成單機(jī)內(nèi)部機(jī)、電、液、控、熱各特性指標(biāo)的匹配性驗(yàn)證；將細(xì)化的單機(jī)模型迭代更新到分系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)分系統(tǒng)小回路詳細(xì)驗(yàn)證；將細(xì)化的單機(jī)模型與分系統(tǒng)模型迭代更新到系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總體大回路驗(yàn)證。

3）數(shù)字實(shí)物虛實(shí)閉環(huán)

通過在系統(tǒng)設(shè)計階段、測試驗(yàn)證階段和運(yùn)行維護(hù)階段建立航天器多領(lǐng)域、多層次的全系統(tǒng)數(shù)字化模型和綜合性數(shù)字樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)不同研制階段航天器數(shù)字化系統(tǒng)模型或數(shù)字化樣機(jī)與航天器實(shí)物的映射關(guān)聯(lián)，支持航天器模型驗(yàn)證、虛擬試驗(yàn)、故障分析、數(shù)字伴飛、故障預(yù)測、飛行預(yù)案等應(yīng)用場景。

4）數(shù)字主線閉環(huán)管理

基于模型，實(shí)現(xiàn)任務(wù)分析、方案論證、系統(tǒng)設(shè)計、集成測試、運(yùn)行維護(hù)階段的模型關(guān)聯(lián)和工具接口打通，從而實(shí)現(xiàn)全流程一致化設(shè)計、仿真、測試及運(yùn)維，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品型號全流程閉環(huán)管理。

2.3 深空探測MBSE系統(tǒng)模型體系與模型庫

全生命周期模型體系與模型庫是實(shí)現(xiàn)深空探測MBSE的關(guān)鍵。從MBSE標(biāo)準(zhǔn)流程來講，模型體系包括需求模型、功能模型、邏輯模型及物理模型，從探測任務(wù)全生命周期模型體系來講，其模型體系包括需求模型、系統(tǒng)模型、工程模型、產(chǎn)品模型、制造模型、孿生模型等全流程模型，各模型具體涵義請參見文獻(xiàn)[9]，這兩者是可以對應(yīng)的。模型體系可以進(jìn)一步從3個維度進(jìn)行劃分，從生命周期階段維度，包括方案論證、系統(tǒng)設(shè)計、生產(chǎn)制造、測試驗(yàn)證、運(yùn)行維護(hù)等階段模型；從專業(yè)維度，包括姿軌控、能源、推進(jìn)、環(huán)熱控、信息等專業(yè)模型；從層次維度，包括系統(tǒng)、子系統(tǒng)、單機(jī)、元器件等層次模型。

在深空探測模型體系中，多專業(yè)統(tǒng)一的系統(tǒng)模型占據(jù)樞紐地位，是裝備數(shù)字化的核心模型，也是數(shù)字化交付的關(guān)鍵內(nèi)容，用于航天器的功能和邏輯設(shè)計以及多層次、多專業(yè)集成仿真驗(yàn)證，主要采用多專業(yè)統(tǒng)一物理建模語言Modelica構(gòu)建和管理。系統(tǒng)模型從內(nèi)容上覆蓋功能模型與邏輯模型，支持專業(yè)維度統(tǒng)一模型集成，可以將姿軌控專業(yè)模型、能源專業(yè)模型、推進(jìn)專業(yè)模型、環(huán)熱控專業(yè)模型、信息專業(yè)模型集成為多專業(yè)統(tǒng)一的系統(tǒng)模型；也支持層次維度數(shù)字化交付組裝集成，可以由元器件模型組裝為單機(jī)模型，由單機(jī)模型組裝為子系統(tǒng)模型，由子系統(tǒng)模型組裝為系統(tǒng)模型，最終形成多層級多專業(yè)系統(tǒng)模型。系統(tǒng)模型在流程上可以支持方案論證、系統(tǒng)設(shè)計、測試驗(yàn)證、運(yùn)行維護(hù)等階段的集成仿真驗(yàn)證。

需求模型、系統(tǒng)模型、工程模型、產(chǎn)品模型、制造模型、孿生模型等全流程模型可以相互轉(zhuǎn)換，不同類型模型之間的轉(zhuǎn)換已經(jīng)被越來越多的方法和工具所支持，例如SysML、Modelica到Simulink、STK、VHDL、SystemC以及SysML與Modelica之間的轉(zhuǎn)換[21-26]。通過這些轉(zhuǎn)換工具，可以把系統(tǒng)模型作為一個模型中心，并從系統(tǒng)模型直接生成特定領(lǐng)域模型，支持全流程模型貫通與流轉(zhuǎn)。

2.4 深空探測MBSE系統(tǒng)工具鏈平臺

MBSE工具鏈根據(jù)研制流程和應(yīng)用場景可以分為研發(fā)設(shè)計類、生產(chǎn)控制類、經(jīng)營管理類以及系統(tǒng)運(yùn)行嵌入式類。研發(fā)設(shè)計類軟件具體包括CAD /CAPP/CAM、CAE（結(jié)構(gòu)/熱/電磁/流體/多物理場等場分析軟件）、專業(yè)設(shè)計仿真軟件（EDA/機(jī)械/控制/液壓等專業(yè)軟件）、系統(tǒng)設(shè)計仿真軟件（需求/系統(tǒng)設(shè)計/系統(tǒng)仿真等軟件）以及優(yōu)化設(shè)計、協(xié)同集成等軟件，PLM /PDM /SDM /TDM 等軟件主要用于研發(fā)管理，有時也被歸入研發(fā)設(shè)計類軟件。

在研發(fā)設(shè)計類軟件中，CAD（二維和三維結(jié)構(gòu)設(shè)計）、CAE（有限元場分析仿真）、專業(yè)設(shè)計仿真、系統(tǒng)設(shè)計仿真及優(yōu)化軟件是產(chǎn)品研發(fā)的主要工具軟件，可以稱之為設(shè)計仿真類軟件。設(shè)計仿真類軟件是航天產(chǎn)品創(chuàng)新的支撐和航天產(chǎn)品研制的保障，也是航天系統(tǒng)工程中的核心，其研制要求高、難度大、周期長。典型的航天MBSE工具鏈如圖2所示。

圖2 深空探測MBSE工具體系Fig. 2 Tool chain of deep space exploration MBSE

設(shè)計仿真類軟件中，從國際上技術(shù)發(fā)展來看，CAD、CAE、專業(yè)設(shè)計仿真已經(jīng)比較成熟，MBSE的關(guān)鍵在于系統(tǒng)級設(shè)計與仿真技術(shù)與軟件。系統(tǒng)級設(shè)計與仿真也是裝備產(chǎn)品全數(shù)字化設(shè)計的核心技術(shù)，歐美近10年正在爭相布局并形成新一代數(shù)字化工業(yè)軟件，美國IBM公司、法國達(dá)索（Abaqus）公司、德國西門子（Siemens）公司紛紛提出支持MBSE的軟件平臺[27-30]。但一味的模仿替代無法真正形成自主的先進(jìn)工業(yè)軟件，把握工業(yè)軟件國際發(fā)展趨勢、立足中國工業(yè)創(chuàng)新需求、面向工程迭代創(chuàng)新才能形成中國工業(yè)軟件。系統(tǒng)級設(shè)計與仿真技術(shù)就是這樣一次歷史機(jī)遇，是數(shù)字化技術(shù)革命的制高點(diǎn)。系統(tǒng)級設(shè)計仿真技術(shù)與軟件的突破，不僅可以掌握MBSE的樞紐、占據(jù)數(shù)字化技術(shù)革命的制高點(diǎn)，而且可以向下輻射替代一系列專業(yè)仿真軟件，與行業(yè)融合形成自主行業(yè)軟件，這是中國工業(yè)軟件與航天行業(yè)數(shù)字化支撐軟件后來居上的歷史機(jī)遇。

深空探測作為國際科學(xué)技術(shù)前沿領(lǐng)域與航天發(fā)展新興方向，有條件提供中國新一代工業(yè)軟件發(fā)展土壤，有責(zé)任推動新興數(shù)字化工業(yè)軟件發(fā)展。深空探測MBSE工具鏈需要在MBSE通用平臺基礎(chǔ)上，針對國際開放合作提供協(xié)同設(shè)計與持續(xù)驗(yàn)證工具，針對風(fēng)險控制與質(zhì)量管理提供安全性可靠性質(zhì)量設(shè)計與技術(shù)狀態(tài)控制工具。

2.5 基于Modelica的深空探測協(xié)同設(shè)計與持續(xù)驗(yàn)證

深空探測任務(wù)具有系統(tǒng)復(fù)雜、耗時長、協(xié)作單位多的特點(diǎn)，任務(wù)全程涉及多專業(yè)、多層級、多階段、多地域協(xié)作。深空探測任務(wù)MBSE數(shù)字化的核心在于實(shí)現(xiàn)跨專業(yè)、跨層級、跨階段、跨地域的協(xié)同設(shè)計與持續(xù)驗(yàn)證。

目前系統(tǒng)建模標(biāo)記語言SysML提供了系統(tǒng)需求建模與系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，為協(xié)同設(shè)計奠定了規(guī)范基礎(chǔ)[22]?；贛odelica的系統(tǒng)建模仿真技術(shù)歸納統(tǒng)一機(jī)、電、液、控、熱等各單學(xué)科原理的工程物理系統(tǒng)統(tǒng)一原理，使得不同學(xué)科可以采用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)表達(dá)、統(tǒng)一的模型描述、統(tǒng)一的建模模式來實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一物理建模與仿真驗(yàn)證。在數(shù)學(xué)上，Modelica統(tǒng)一為連續(xù)–離散混合、微分–代數(shù)耦合系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)方程系統(tǒng)；模型表達(dá)上，Modelica通過廣義基爾霍夫定律和面向組件建模實(shí)現(xiàn)多學(xué)科統(tǒng)一建模。進(jìn)一步通過Modelica統(tǒng)一的編譯映射機(jī)制和符號歸約分析可以實(shí)現(xiàn)知識模型的統(tǒng)一仿真求解，生成仿真C代碼，形成可執(zhí)行的模型。兩者結(jié)合即實(shí)現(xiàn)了“畫出拓?fù)?、即刻仿真”，即畫出系統(tǒng)的拓?fù)湓韴D，即刻自動生成程序進(jìn)行動態(tài)仿真。Modelica[18]據(jù)此成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代工業(yè)知識統(tǒng)一表達(dá)和工業(yè)模型互聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)，為跨專業(yè)與跨層級的系統(tǒng)級仿真驗(yàn)證奠定了基礎(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)MBSE的模型統(tǒng)一表達(dá)與工業(yè)互聯(lián)以及跨專業(yè)與跨層級的系統(tǒng)級仿真。

1）跨專業(yè)與跨層級系統(tǒng)設(shè)計及仿真驗(yàn)證

包括基于多領(lǐng)域統(tǒng)一建模語言解決控制專業(yè)、能源專業(yè)、環(huán)熱控專業(yè)、信息專業(yè)的設(shè)計與仿真驗(yàn)證；基于多層次建模解決工程總體、系統(tǒng)總體、專業(yè)總體、分系統(tǒng)、設(shè)備、組件的集成設(shè)計驗(yàn)證。

2）跨流程全生命周期持續(xù)驗(yàn)證

包括基于需求模型支撐方案論證階段的任務(wù)分析、功能分析、邏輯設(shè)計、指標(biāo)分解；基于功能模型與幾何模型支撐系統(tǒng)設(shè)計階段的總體設(shè)計驗(yàn)證、專項(xiàng)設(shè)計驗(yàn)證、設(shè)計綜合驗(yàn)證、方案評估優(yōu)化；基于性能模型支撐詳細(xì)設(shè)計階段的結(jié)構(gòu)/電氣/動力/控制等性能分析；基于制造模型支撐生產(chǎn)制造階段的3D工藝、數(shù)控加工、自動裝配驗(yàn)證；基于孿生模型支撐集成測試階段的試驗(yàn)設(shè)計、虛擬試驗(yàn)、半物理試驗(yàn)、模型驗(yàn)證；基于孿生模型支撐支行維護(hù)階段的數(shù)字伴飛、任務(wù)規(guī)劃、健康管理、故障預(yù)測。

3）跨地域協(xié)同設(shè)計與仿真

通過基于網(wǎng)絡(luò)的模型協(xié)同管理實(shí)現(xiàn)跨地域設(shè)計與建模，并提供版本管理、角色管理、權(quán)限控制；通過分布式仿真實(shí)現(xiàn)跨地域協(xié)同仿真，并基于模型的自動劃分或者手工劃分方式，提升復(fù)雜大規(guī)劃系統(tǒng)模型的仿真效率。

2.6 深空探測MBSE質(zhì)量設(shè)計控制體系

1）基于模型的六性設(shè)計驗(yàn)證分析

深空探測六性設(shè)計驗(yàn)證分析包括系統(tǒng)可靠性設(shè)計與仿真驗(yàn)證、系統(tǒng)維修性設(shè)計與仿真驗(yàn)證、系統(tǒng)保障性設(shè)計與仿真驗(yàn)證、系統(tǒng)安全性設(shè)計與仿真驗(yàn)證、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性驗(yàn)證分析以及系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證分析。通過對深空探測六性的設(shè)計與仿真驗(yàn)證，全面分析驗(yàn)證六性指標(biāo)設(shè)計的合理性，輔助提高型號六性指標(biāo)，可以減少故障發(fā)生次數(shù)，縮短設(shè)備維修和故障恢復(fù)時間，減少維修備件以及保障設(shè)備需求，降低維修人力和維修技能需求，保持良好的系統(tǒng)可靠性，從而提高任務(wù)執(zhí)行能力，降低使用保障費(fèi)用。

2）基于模型的安全性可靠性質(zhì)量設(shè)計

基于模型的安全性與可靠性分析是近幾年研究熱點(diǎn)[31]?；谀Ｐ烷_展可靠性仿真分析，對各種可能的風(fēng)險進(jìn)行評價、分析，以消除風(fēng)險或?qū)L(fēng)險減小到可接受的水平，輔助提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。一個典型的可靠性仿真分析包括以下內(nèi)容：①快速構(gòu)建故障模型：基于正常的功能模型通過交互方式能夠快速自動化演變?yōu)閷?yīng)的故障模型，提高故障模型開發(fā)效率；②故障模式管理：對于系統(tǒng)型號中遇到的單點(diǎn)失效模式進(jìn)行統(tǒng)一集中量化管理，保證數(shù)據(jù)源一致性，有利于不同設(shè)計師對故障模式的維護(hù)與調(diào)用；③量化故障后果：通過故障模式注入、故障模擬、故障傳遞，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)失效模式對于其它設(shè)備、子系統(tǒng)、系統(tǒng)的整體影響，評估單點(diǎn)失效模式的嚴(yán)重程度與影響范圍，可指導(dǎo)系統(tǒng)可靠性設(shè)計；④可靠性驗(yàn)證：通過故障仿真，對系統(tǒng)典型故障工況的現(xiàn)象進(jìn)行仿真與驗(yàn)證，對未知的故障工況進(jìn)行模擬與探索。

3）基于模型的技術(shù)狀態(tài)控制

隨著MBSE應(yīng)用的不斷深入，模型逐漸取代文檔成為系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)的核心載體，傳統(tǒng)以文檔為中心的技術(shù)狀態(tài)管理模式難以適應(yīng)，針對MBSE體系下系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)管理需求，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真模型數(shù)據(jù)譜系化存儲、系統(tǒng)仿真模型數(shù)據(jù)細(xì)粒度版本管理、系統(tǒng)仿真模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化比較、基于Web的系統(tǒng)仿真模型數(shù)據(jù)可視化，實(shí)現(xiàn)對深空探測產(chǎn)品全生命周期過程中系統(tǒng)仿真模型生成、更改、傳遞、保存等一系列活動的管理與控制，確保系統(tǒng)仿真模型數(shù)據(jù)的有效性、準(zhǔn)確性、一致性、完整性和可追溯性。

3 結(jié)束語

深空探測作為國際科學(xué)技術(shù)前沿領(lǐng)域與航天發(fā)展新興方向，在新時代面臨全新的挑戰(zhàn)，任務(wù)與環(huán)境的復(fù)雜多變、任務(wù)目標(biāo)與模式的多元化、任務(wù)形式的國際開放合作以及任務(wù)智能化與可靠性的要求，迫切需要面向深空探測任務(wù)研究探索新一代基于模型的數(shù)字化系統(tǒng)工程方法技術(shù)體系。本文在國內(nèi)外MBSE技術(shù)發(fā)展綜述基礎(chǔ)上，分析了目前深空探測系統(tǒng)工程與MBSE的現(xiàn)狀問題及發(fā)展的挑戰(zhàn)與需求，指出構(gòu)建數(shù)字化工程生態(tài)是新一代深空探測MBSE的發(fā)展方向，從深空探測MBSE流程方法、模型庫體系、平臺工具鏈以及上下游人才隊(duì)伍4個要素對深空探測數(shù)字化工程生態(tài)進(jìn)行了分析。提出了由總體小閉環(huán)驗(yàn)證、系統(tǒng)大閉環(huán)集成、數(shù)字實(shí)物虛實(shí)閉環(huán)映射、數(shù)字主線閉環(huán)管理的“4個閉環(huán)迭代”流程方法，綜合了由需求模型、系統(tǒng)模型、工程模型、產(chǎn)品模型、制造模型、孿生模型組成的系統(tǒng)模型體系，歸納了專業(yè)設(shè)計仿真與系統(tǒng)設(shè)計仿真兩級工具鏈組成的支撐平臺軟件。

數(shù)字化是新興的技術(shù)變革，深空探測是航天新興的發(fā)展方向，MBSE是數(shù)字化的有效方法，我們需要構(gòu)建新一代完全自主的深空探測數(shù)字化工程生態(tài)，支撐中國深空探測任務(wù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)深空探測任務(wù)的數(shù)字化研發(fā)。通過深空探測、數(shù)字化及MBSE的結(jié)合，可以圍繞以下重點(diǎn)趨勢方向，實(shí)現(xiàn)航天新興型號與數(shù)字化新興技術(shù)的融合發(fā)展：

1）自主、開放的工具鏈平臺是深空探測MBSE的支點(diǎn)

以系統(tǒng)級設(shè)計與仿真工業(yè)軟件的創(chuàng)新發(fā)展為契機(jī)，以深空探測任務(wù)型號的數(shù)字化為土壤，建設(shè)發(fā)展自主可控、先進(jìn)開放的深空探測數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計與仿真驗(yàn)證平臺。

2）跨專業(yè)、跨層級、跨階段、跨地域協(xié)同設(shè)計與持續(xù)驗(yàn)證是深空探測MBSE的核心

深空探測任務(wù)覆蓋制導(dǎo) 、 導(dǎo)航與控制（Guidance，Navigation and Control，GNC）、能源、推進(jìn)、環(huán)熱、信息等多個專業(yè)，跨越工程總體、系統(tǒng)總體、分系統(tǒng)、單機(jī)等多個層級，涵蓋論證、設(shè)計、制造、測試、運(yùn)維等多個階段，支持不同地域單位乃至不同國家分工協(xié)作，系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計與持續(xù)仿真驗(yàn)證是數(shù)字化核心。

3）多專業(yè)統(tǒng)一的系統(tǒng)模型體系與模型庫建設(shè)是深空探測MBSE的關(guān)鍵

深空探測模型是覆蓋需求、設(shè)計、仿真、制造、運(yùn)維的模型體系，其中基于統(tǒng)一規(guī)范、多專業(yè)統(tǒng)一的系統(tǒng)模型是關(guān)鍵，系統(tǒng)模型支持與其它不同類型模型的轉(zhuǎn)換與集成?；诮y(tǒng)一建模規(guī)范構(gòu)建覆蓋不同專業(yè)、不同層次、不同階段且經(jīng)過標(biāo)定確認(rèn)的深空探測型號模型庫，是實(shí)現(xiàn)深空探測數(shù)字化的基礎(chǔ)與關(guān)鍵。

4）基于模型的安全性可靠性質(zhì)量管理與技術(shù)狀態(tài)控制是深空探測MBSE的抓手

MBSE與數(shù)字化為傳統(tǒng)的六性分析與技術(shù)狀態(tài)控制管理提供了全新的方式與手段，基于模型和仿真實(shí)現(xiàn)安全性可靠性質(zhì)量管理與技術(shù)狀態(tài)控制是深空探測MBSE最重要、最易出成效的抓手。