王為 彭坤
(北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)
我國載人航天事業(yè)經(jīng)過30年的持續(xù)發(fā)展,形成了具有中國特色的載人航天器系統(tǒng)工程方法與理念,對載人航天事業(yè)的健康發(fā)展提供了有力支撐。目前,我國載人航天系統(tǒng)工程研制模式多是以傳統(tǒng)基于文檔的工作方式進行,系統(tǒng)建模與管理主要依靠研制人員的經(jīng)驗,對設(shè)計的系統(tǒng)性驗證主要依靠實物測試。這種方式系統(tǒng)性不強,可追溯性差,且費時費力,已無法滿足我國復(fù)雜航天器和未來重大航天工程專項的研發(fā)需求。因此,在我國載人航天器研制中探索開展了基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)技術(shù)的應(yīng)用,取得了一定的應(yīng)用實踐成效,有力支持了相關(guān)載人航天器研制工作[1-3]。
本文對我國載人航天器研制面臨的挑戰(zhàn)進行了分析,闡述了MBSE技術(shù)在我國載人航天器研制中的應(yīng)用思路,對MBSE技術(shù)在天宮空間站和載人月球探測任務(wù)中的應(yīng)用情況進行了介紹。
在我國載人航天器研制中,傳統(tǒng)基于文檔系統(tǒng)工程方法主要面臨如下4個方面的挑戰(zhàn)。
(1)系統(tǒng)的需求越來越復(fù)雜,需求的定義、分解、落實管控困難。隨著系統(tǒng)規(guī)模的增大及專業(yè)學(xué)科間耦合復(fù)雜度的提升,系統(tǒng)需求的全面準確定義、合理充分分解和最終在產(chǎn)品設(shè)計中的落實和驗證,給傳統(tǒng)的以文檔為基礎(chǔ)的需求管控模式帶來巨大的挑戰(zhàn),需求定義的不明確、分解不合理、設(shè)計漏項、驗證不充分的風(fēng)險越來越大。
(2)系統(tǒng)間設(shè)計深度耦合,驗證難度大,設(shè)計問題暴露晚。隨著任務(wù)要求越來越復(fù)雜,各系統(tǒng)間、專業(yè)間的方案設(shè)計耦合程度加深,目前單一系統(tǒng)、專業(yè)獨立開展的仿真、試驗及評審等手段難以保證系統(tǒng)整體設(shè)計的正確性,特別是系統(tǒng)接口、分系統(tǒng)接口、學(xué)科專業(yè)接口方面的問題,無法在早期充分暴露。
(3)實物驗證周期長、成本高,且難以覆蓋全工況。系統(tǒng)研制大量的設(shè)計驗證主要依靠實物產(chǎn)品進行,驗證周期長,成本高??臻g站等復(fù)雜組合體航天器難以在地面進行全工況試驗驗證,天地差異也造成一些地面試驗的驗證有效性難以保證,特別是對于故障模式及對策的驗證,依靠實物試驗很難全面覆蓋。
(4)在軌時間長,任務(wù)多樣,運行支持難度大。以空間站為例,建造完成后將在軌不間斷載人運行10年以上,需要開展交會對接、軌道維持、維修維護、在軌補加、科學(xué)技術(shù)試驗等多種多樣的任務(wù),對地面運行支持在任務(wù)規(guī)劃、狀態(tài)監(jiān)控、應(yīng)急處置、人員保障等方面提出了很高的要求,亟待提高自動化程度。
面對上述挑戰(zhàn),有必要探索通過模型的應(yīng)用來提升研制質(zhì)量和效率,積極開展MBSE技術(shù)在我國載人航天器研制中的探索應(yīng)用,基本思想是按系統(tǒng)工程的V字形研制流程,建立一套同源數(shù)字化模型,貫穿航天器全生命周期,實現(xiàn)信息無縫傳遞、研制高效協(xié)同和全面閉環(huán)驗證。
在航天器研制中,模型主要有承載研制信息與執(zhí)行仿真驗證兩方面的用途。傳統(tǒng)航天器研發(fā)模式中,文檔通過自然語言來承載研制信息,這些信息只有人能理解,計算機無法理解。模型則是通過計算機能夠識別的數(shù)字化的方式承載研制信息,只有計算機“認識”這些信息,才能幫助研制人員管理信息,模型化是自動化和智能化的基礎(chǔ)。模型在承載研制信息的同時,通過相關(guān)算法能夠?qū)ζ涑休d信息的正確性、匹配性進行仿真驗證。根據(jù)航天器研制全流程信息承載和仿真驗證對模型的需求分析,本文將研制過程需要用到的模型分為6類,分別是需求模型、功能模型、產(chǎn)品模型、工程模型、制造模型、實做模型,這6類模型的定義和主要的建模方法如表1所示。
表1 模型分類Table 1 Model classification
基于模型驅(qū)動的研制模式的一個重要優(yōu)勢,是可通過模型實現(xiàn)研制數(shù)據(jù)源的統(tǒng)一,上述覆蓋航天器研制過程全周期的6類模型與網(wǎng)絡(luò)協(xié)同技術(shù)結(jié)合,可實現(xiàn)航天器產(chǎn)品全生命周期的高效協(xié)同研制能力。例如,通過需求模型實現(xiàn)需求分析分解過程的協(xié)同設(shè)計,通過功能模型實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計的多學(xué)科協(xié)同仿真驗證,通過產(chǎn)品模型實現(xiàn)產(chǎn)品并行協(xié)同設(shè)計,通過工程模型實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計的聯(lián)合仿真驗證,通過制造模型實現(xiàn)設(shè)計制造協(xié)同,通過實做模型實現(xiàn)協(xié)同實做技術(shù)狀態(tài)管理。此外,模型在作為研制信息載體的同時也是研制知識的載體,利用實際產(chǎn)品、試驗和飛行數(shù)據(jù)不斷修正模型,可有效實現(xiàn)研制知識的有效積累[4]。
當(dāng)前,基于文檔的航天器研制過程主要的設(shè)計驗證閉環(huán)是依賴初樣和正樣階段的實物試驗,實現(xiàn)對方案設(shè)計的全面閉環(huán)驗證。雖然研制過程也開展部分仿真驗證工作,但仿真驗證工作的系統(tǒng)性不強,主要針對專業(yè)局部方案分別開展,難以起到對系統(tǒng)方案的綜合閉環(huán)驗證作用。這樣造成的后果就是很多設(shè)計問題需要等到實物研制階段才能通過實物試驗閉環(huán)驗證手段發(fā)現(xiàn),導(dǎo)致研制過程的較大反復(fù),帶來進度、質(zhì)量和經(jīng)費方面的巨大損失。而且,隨著航天器任務(wù)功能的多樣化發(fā)展和系統(tǒng)復(fù)雜度提升,越來越多的設(shè)計方案無法通過實物試驗在地面實現(xiàn)1∶1的全面驗證。例如,由于地面重力的影響,空間機械臂操控功能無法在地面進行真實的實物試驗驗證。這使得僅依靠實物驗證閉環(huán)對系統(tǒng)設(shè)計進行全面把關(guān)面臨越來越大的質(zhì)量風(fēng)險。
對于基于模型的研制模式,由于模型具有虛擬仿真驗證的功能,因此可以在實物產(chǎn)品投產(chǎn)前先通過模型虛擬仿真對方案設(shè)計進行綜合閉環(huán)驗證,提前暴露設(shè)計問題,避免研制過程的反復(fù),實現(xiàn)“構(gòu)造即正確”。為此,本文提出在載人航天器研制過程中通過模型進行系統(tǒng)設(shè)計閉環(huán)、產(chǎn)品設(shè)計閉環(huán)和實做產(chǎn)品閉環(huán)3個綜合閉環(huán)驗證,實現(xiàn)對載人航天器設(shè)計盡早、盡可能全面的驗證。圖1展現(xiàn)了在系統(tǒng)工程V字形研制過程中3個閉環(huán)所處的位置,下面分別對3個綜合閉環(huán)驗證進行闡述。
(1)系統(tǒng)設(shè)計閉環(huán)驗證。它是研制過程最早期的閉環(huán)綜合驗證,主要目的是通過模型虛擬仿真手段對系統(tǒng)功能性能設(shè)計進行全面仿真驗證,確保系統(tǒng)功能性能設(shè)計的正確性,作為研制過程由系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)向產(chǎn)品設(shè)計環(huán)節(jié)的依據(jù)。
(2)產(chǎn)品設(shè)計閉環(huán)驗證。它的主要目的是通過模型虛擬仿真驗證對產(chǎn)品詳細設(shè)計進行多專業(yè)綜合仿真驗證,確保產(chǎn)品工程設(shè)計的正確性,作為研制過程由產(chǎn)品設(shè)計環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)向產(chǎn)品實現(xiàn)環(huán)節(jié)的依據(jù)。
(3)實做設(shè)計閉環(huán)驗證。它包括以下內(nèi)容:①通過實物產(chǎn)品的驗收、試驗和測試對方案設(shè)計和產(chǎn)品實現(xiàn)結(jié)果進行驗證;②通過產(chǎn)品實做狀態(tài)構(gòu)造實做模型,通過實做模型的仿真分析驗證方案設(shè)計和產(chǎn)品實現(xiàn)結(jié)果是否滿足設(shè)計要求。在當(dāng)前載人航天器的研制中,實物研制環(huán)節(jié)包括初樣和正樣兩個階段,這兩個階段的實做產(chǎn)品閉環(huán)驗證目的有所區(qū)別。初樣階段的目的是驗證設(shè)計方案的正確性,正樣階段的目的是驗證正樣產(chǎn)品實做狀態(tài)是否滿足設(shè)計要求。
注:1為系統(tǒng)設(shè)計閉環(huán)確認;2為產(chǎn)品設(shè)計閉環(huán)確認;3為實做設(shè)計閉環(huán)確認。圖1 3個研制閉環(huán)驗證過程Fig.1 Three closed loop verification processes for development
相對傳統(tǒng)的研制模式,本文提出的基于模型的研制方法由于增加了前期的閉環(huán)過程,因此會帶來研制前期工作量的較大增加。但是,由于航天器研制必須確保任務(wù)一次成功的特點,增加前期基于模型的閉環(huán)過程對降低任務(wù)風(fēng)險非常有利,因此是符合航天器研制需求的。另外,研制前期增加的閉環(huán)過程將降低帶入實物研制階段的設(shè)計問題數(shù)量,避免設(shè)計反復(fù)造成實物研制階段工作量的巨大增加,綜合來看,對提高研制全流程的研制效率是有利的,只是使研制的重心前移了。
天宮空間站研制階段,以在軌飛行為目標(biāo),每個環(huán)節(jié)都同步構(gòu)建數(shù)字化模型,以實物數(shù)據(jù)驅(qū)動模型,以模型結(jié)果驗證實物,模型與實物同建設(shè)、同交付、同更新、同傳遞,將模型與實物的關(guān)聯(lián)關(guān)系作為研制管理提升的信息化抓手。在軌運行階段,以研制階段構(gòu)建的模型為基礎(chǔ),構(gòu)建作為空間站數(shù)字孿生體的數(shù)字空間站,為空間站長期在軌運行提供仿真驗證支持。
3.1.1 系統(tǒng)需求管理(需求模型)
前期載人航天器研制技術(shù)要求主要依賴文檔形式管理,技術(shù)要求文檔內(nèi)容多,文檔間技術(shù)狀態(tài)一致性難以保證,要借助新的數(shù)字化技術(shù)手段建立需求管理系統(tǒng),為載人航天器研制提供條目化的技術(shù)要求管理環(huán)境,確保數(shù)據(jù)狀態(tài)一致性,提高總體精細化管控水平。在天宮空間站研制過程中,完成了系統(tǒng)需求管理基礎(chǔ)環(huán)境設(shè)施建設(shè),結(jié)合空間站應(yīng)用完成項目定制化開發(fā),并開展空間站需求建模應(yīng)用,建立空間站總體-艙段-分系統(tǒng)-單機4級條目化需求模型體系。需求管理系統(tǒng)解決了空間站研制技術(shù)要求條目化統(tǒng)一管控問題,確保了技術(shù)要求數(shù)據(jù)一致性,避免多方傳遞差錯,提升了技術(shù)要求狀態(tài)管控能力,形成了條目化的技術(shù)要求管控模式。圖2為天宮空間站需求模型。
圖2 天宮空間站需求模型Fig.2 Requirement model of Tiangong space station
3.1.2 多學(xué)科系統(tǒng)集成仿真(功能模型)
空間站方案設(shè)計各專業(yè)間耦合關(guān)系復(fù)雜,例如艙段轉(zhuǎn)位過程涉及動力學(xué)、機械臂、控制、能源、測控通信等多個學(xué)科,且無法在地面進行完全真實的實物驗證,需要開展多學(xué)科集成仿真,確保系統(tǒng)方案的正確性。為此,在天宮空間站研制過程中,利用Modelica圖形化建模語言構(gòu)建了包含動力學(xué)與控制、能源、環(huán)熱控、信息、推進5個專業(yè)約200個模型的載人航天功能仿真模型庫,提升總體數(shù)字化設(shè)計與仿真驗證能力,實現(xiàn)了載人航天器專業(yè)設(shè)計仿真基于模型的知識積累[5]。通過對各專業(yè)學(xué)科功能仿真模型的綜合集成,構(gòu)建了包含218臺關(guān)鍵單機設(shè)備約20萬個方程組成的空間站3艙系統(tǒng)多學(xué)科集成仿真功能模型,開展了空間站飛行方案系統(tǒng)綜合仿真工作,驗證了空間站總體方案設(shè)計的正確性。圖3為天宮空間站功能模型。
圖3 天宮空間站功能模型Fig.3 Function model of Tiangong space station
3.1.3 產(chǎn)品全三維協(xié)同設(shè)計(產(chǎn)品模型)
載人空間站工程任務(wù)趨于復(fù)雜,系統(tǒng)規(guī)模持續(xù)增大,工作模式亟需由單一航天器向多航天器并行協(xié)同的模式轉(zhuǎn)變。多航天器在軌組合的復(fù)雜工程,要求在進行總體構(gòu)型布局、總裝集成設(shè)計時具備復(fù)雜接口匹配設(shè)計和管理的能力。開展空間站任務(wù)三維模型的機械系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計工程化工作,全面、系統(tǒng)地抓實系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計、提升設(shè)計-制造一體化水平,是保證空間站工程順利推進的關(guān)鍵。面向空間站研制產(chǎn)品詳細設(shè)計需求,建立了以可視化為典型特征的三維數(shù)字化產(chǎn)品模型體系,橫向?qū)崿F(xiàn)了基于三維模型的跨部門、跨專業(yè)、跨地域快速協(xié)同設(shè)計,縱向?qū)崿F(xiàn)了設(shè)計、制造、總裝、仿真和試驗全流程打通。建立基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源三維產(chǎn)品模型的協(xié)同設(shè)計平臺,將系統(tǒng)總體、分系統(tǒng)、單機、總裝單位統(tǒng)一在同一個三維模型下開展協(xié)同設(shè)計,形成從整器構(gòu)型設(shè)計、布局設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計到總裝詳細設(shè)計的4層三維產(chǎn)品模型體系。通過三維產(chǎn)品模型直接下廠制造,實現(xiàn)設(shè)計制造一體化。以規(guī)范定義的三維模型為標(biāo)準,將機械總體設(shè)計經(jīng)驗以軟件模塊形式固化到三維設(shè)計軟件中,形成知識固化體系。以參數(shù)設(shè)計為基礎(chǔ),引入智能化算法開展電纜、管路、熱控多層組件、加熱片的三維自動化布局設(shè)計,顯著提升布局設(shè)計效率和優(yōu)化程度。圖4為天宮空間站產(chǎn)品模型。
圖4 天宮空間站產(chǎn)品模型Fig.4 Product model of Tiangong space station
3.1.4 產(chǎn)品專業(yè)工程性能仿真(工程模型)
以統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的三維產(chǎn)品模型為基礎(chǔ),構(gòu)建各專業(yè)工程模型,開展產(chǎn)品各專業(yè)詳細性能仿真分析。力學(xué)性能仿真、熱控性能仿真、電磁兼容性仿真、羽流仿真、噪聲仿真、照明仿真等多項仿真分析,驗證了產(chǎn)品各專業(yè)工程設(shè)計方案的正確性。圖5為天宮空間站工程模型。
圖5 天宮空間站工程模型Fig.5 Engineering model of Tiangong space station
3.1.5 數(shù)字化制造(制造模型)
基于TeamCenter軟件的快速工藝設(shè)計驗證系統(tǒng),實現(xiàn)以數(shù)字工藝制造模型為數(shù)據(jù)源的工藝快速規(guī)劃、仿真分析、物料配套,通過快速組配實現(xiàn)工藝文件快速組織,并發(fā)放到制造執(zhí)行系統(tǒng)。針對空間站后端框、壁板、儀器板等復(fù)雜件,確定建模、模型標(biāo)注、屬性定義等規(guī)范;基于三維設(shè)計模型的輕量化工序過程模型重構(gòu)、過程模型標(biāo)注、數(shù)控仿真與編程等技術(shù)得到應(yīng)用,形成結(jié)構(gòu)件三維工藝編制相關(guān)規(guī)范。圖6為天宮空間站制造模型。
圖6 天宮空間站制造模型Fig.6 Manufacture model of Tiangong space station
3.1.6 數(shù)字化產(chǎn)品驗收管理(實做模型)
第二、白銀的避邪之說。明中后期以來,在古東洋地區(qū)的村落流傳著白銀避邪功效的說法。據(jù)村中老人的說法,白銀潔白無瑕,是污穢之物的克星,所以,那是,一般送葬人口袋里會放一塊銀元、銀角或者佩戴銀飾,以避污穢。因為風(fēng)水之故,一些死者之墓要重新處理,于是開館收骨,陪葬的銀飾即被收回,并且被名稱“穢銀”。活人佩戴“穢銀”可以嚇走妖魔鬼怪。
空間站三艙單機產(chǎn)品數(shù)量達到3000余臺,為實現(xiàn)對產(chǎn)品制造與集成過程狀態(tài)的精細化管控,建設(shè)了產(chǎn)品電子數(shù)據(jù)包管理系統(tǒng),通過對產(chǎn)品實現(xiàn)過程各方面數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化形成了產(chǎn)品實做模型,實現(xiàn)了以航天器配套體系為依據(jù)的單機產(chǎn)品電子數(shù)據(jù)包的統(tǒng)一采集與驗收過程管理。圖7為天宮空間站實做模型。
圖7 天宮空間站實做模型Fig.7 Implementation model of Tiangong space station
3.2.1 數(shù)字空間站構(gòu)建
在軌運行階段,以研制階段構(gòu)建的模型為基礎(chǔ),構(gòu)建作為空間站數(shù)字孿生體的數(shù)字空間站,在遙測數(shù)據(jù)驅(qū)動下,天地同步、虛實映射。將數(shù)字空間站與在軌空間站、地面電性空間站共同構(gòu)成“三個空間站”運行體系,為空間站運行任務(wù)提供任務(wù)前的仿真預(yù)示、任務(wù)中的數(shù)字伴飛、任務(wù)后的狀態(tài)評估等仿真驗證支持。在系統(tǒng)仿真模型建設(shè)方面,完成了包含能源、環(huán)熱控、動力學(xué)與控制、信息4個專業(yè),熱控、機械臂、總體電路、數(shù)管、測控、控制、推進、電源、環(huán)控等9個分系統(tǒng),共1600余臺關(guān)鍵設(shè)備的空間站多學(xué)科仿真模型建造,模型規(guī)模達到150萬個方程組。模型按照顆粒度分為多學(xué)科集成模型、專業(yè)功能模型和簡單邏輯模型3級,模型狀態(tài)經(jīng)正樣測試試驗及在軌數(shù)據(jù)校正。圖8為“三個空間站”運行體系。
3.2.2 應(yīng)用效果
我國天宮空間站天和核心艙發(fā)射后,數(shù)字空間站作為飛控任務(wù)實施的重要環(huán)節(jié),在機械臂巡檢、天地通話、推進劑補加、太陽翼辨識、航天員出艙、艙段轉(zhuǎn)位等關(guān)鍵任務(wù)中開展了任務(wù)前的能量平衡、散熱能力、測控條件、動力學(xué)等多學(xué)科集成分析,以及任務(wù)中的實時伴飛監(jiān)視和任務(wù)后的綜合效能評估,為重大任務(wù)成功提供有力保障。
載人月球探測工程是完成載人航天工程“三步走”任務(wù)后的又一載人航天領(lǐng)域國家重大工程,將是我國實現(xiàn)航天強國的重要標(biāo)志。其任務(wù)特點包括:任務(wù)安全性要求高;飛行過程復(fù)雜、狀態(tài)多;航天器技術(shù)指標(biāo)高;新技術(shù)、新材料、新器件多;研制周期短和研制經(jīng)費有限。載人月球探測論證工作為提高設(shè)計質(zhì)量和效率,按照正向設(shè)計,開展MBSE技術(shù)全面試點應(yīng)用,主要進行需求模型和功能模型的建模,并形成載人月球探測航天器MBSE設(shè)計流程,見圖9[6-7]。
(1)需求分析(需求模型)。將工程總體下發(fā)的飛行器技術(shù)要求、飛行任務(wù)規(guī)劃作為頂層輸入,進行結(jié)構(gòu)化分解,開展需求分析,形成需求模型。
(2)系統(tǒng)行為分析(基于SysML的功能模型)。根據(jù)飛行任務(wù)規(guī)劃要求的23個0級飛行階段,基于SysML對飛船、著陸器進行行為分析,分解出A級飛行子階段模型100個,B級事件模型309個,C級動作模型1113個。按照“同規(guī)劃、同設(shè)計”的思路,在正常飛行模式分解的同時,開展故障模式和應(yīng)急救生方案設(shè)計。
(3)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(基于SysML的功能模型)?;赟ysML從系統(tǒng)行為模型梳理出各飛行器完整的功能,從功能確定對應(yīng)的系統(tǒng)架構(gòu),實現(xiàn)飛行器系統(tǒng)正向的一體化設(shè)計。定義架構(gòu)中各系統(tǒng)間電氣、熱流、信息、氣液等接口,初步形成接口數(shù)據(jù)單(IDS);對技術(shù)要求中的參數(shù)指標(biāo)進行分解,仿真計算指標(biāo)閉合情況。
(4)系統(tǒng)仿真驗證(基于Modelica的功能模型)。依據(jù)SysML模型,搭建Modelica仿真體系,對飛行器系統(tǒng)的參數(shù)進行仿真驗證,確保參數(shù)合理、方案可行。各分系統(tǒng)初步完成了單機多學(xué)科建模、被控對象建模和分系統(tǒng)級模型集成,共計單機模型700余臺,模型方程數(shù)超過80萬。
(5)技術(shù)要求分解(需求模型)。經(jīng)仿真確認后,將功能、性能參數(shù)進行條目化分解,形成總體對分系統(tǒng)的需求,構(gòu)建系統(tǒng)需求模型,共分解出1543條需求模型,并建立從用戶-系統(tǒng)-分系統(tǒng)-單機的需求追溯關(guān)系。
圖9 載人月球探測航天器MBSE設(shè)計流程Fig.9 MBSE design process of manned lunar exploration spacecraft
面對系統(tǒng)的規(guī)??焖贁U大和學(xué)科專業(yè)耦合交叉帶來的復(fù)雜度急劇增加等挑戰(zhàn),在我國載人航天器研制中開展了MBSE技術(shù)的應(yīng)用,通過貫穿航天器研制全生命周期的需求、功能、產(chǎn)品、工程、制造、實做6類模型的應(yīng)用方案,實現(xiàn)模型驅(qū)動研制進程,提升研制效率與質(zhì)量。在我國天宮空間站和載人月球探測航天器研制任務(wù)中應(yīng)用MBSE技術(shù),初步探索形成了符合我國載人航天研制特點的MBSE技術(shù)應(yīng)用途徑。隨著我國載人航天工程的深入發(fā)展,將進一步深入開展MBSE技術(shù)在航天器研制中有效應(yīng)用的實踐探索,為工程研制模式的轉(zhuǎn)型升級提供有力支撐。
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