大型復雜衛星實施基于模型的系統工程研制的研究與思考

蔣小勇 葛興濤 沈毅奔 胡楠楠

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大型復雜衛星實施基于模型的系統工程研制的研究與思考

蔣小勇 葛興濤 沈毅奔 胡楠楠

（中國空間技術研究院通信衛星事業部，北京100094）

分析了國內外相關行業的基于模型的系統工程研制情況及應用效果，對航天產品的數字化研制現狀進行了對標，提出了衛星基于模型的系統工程研制實施路線圖，對后續大型復雜航天產品推行基于模型的系統工程研制模式提出了建議，以進一步提升航天型號產品數字化智造水平。

數字化；模型；系統工程；MBSE

1 引言

21世紀是信息時代，為搶占新一輪科技革命的先機，美國、德國等發達國家相繼出臺了“再工業化”、“工業4.0”等措施，我國提出了中國制造2025等發展戰略，推進智能制造重大工程，加強信息化與工業化的深度融合，數字化、信息化、智能化成為制造業新的發展趨勢。隨著型號項目任務快速增長，任務的技術難度、系統復雜度及集成度越來越大，傳統基于文檔的研制模式難以支撐任務需求，設計數據同源、信息可追溯性、早期仿真驗證及知識復用性不足等問題與當前衛星研制的高要求越來越不相適應，而基于模型的系統工程（Model-Based Systems Engineering, MBSE）方法是數字化技術的最新發展，為大型復雜航天產品研制提供了有效解決方案，將推動數字化工作和型號研制流程的融合，提升航天產品智能制造水平，助推航天產品研制模式轉型。

2 國內外先進制造模式對標

當前，國際先進航天機構與公司均采用基于模型的數字化協同制造技術開展復雜航天產品研制工作，NASA、ESA均建立了相應協同設計環境支撐產品全數字化研制模式，如NASA的蘭利中心的協同設計中心、ESA 的CDF協同設計工作室，對支持航天器系統的高效協同設計和綜合優化發揮了重要作用，促進了航天器總體設計能力提升；洛馬公司的F35戰斗機、A2100平臺衛星、空客公司的A380飛機、Astrium公司的衛星產品在研制過程通過建立全數字化研制體系、搭建數字化協同設計平臺，實現了基于統一模型的協同設計與分析，做到了多單位、多專業基于同一模型開展設計、仿真及工藝協同，實現了產品的全數字化與產品全周期數據管理和信息共享。數字化研制已成為國外先進宇航企業提升產品質量技術保障的核心手段。

國內航空航天行業的數字化水平近年來取得了長足發展，有力支撐了重大型號研制。航空工業將MBSE方法作為一套解決大型復雜航空系統設計研發問題的科學方法，以實現更高的效率、更低的成本確保最終交付的飛機有更好的性能、更高的質量。中航工業第一飛機設計研究院在大型運輸機研制中實現了基于三維模型、異地跨單位的協同關聯設計和生產制造，同時作為MBSE應用的領先單位，在某型號機電系統和航電系統基于MBSE研制應用中取得成功，掌握了MBSE的設計流程、建模方法和仿真工具，構建了基于模型的系統工程研發體系，實現了飛機設計研發核心技術能力的躍升；成都飛機設計所建立了產品數字化協同設計平臺，實現了飛機數字化協同、虛擬現實仿真驗證、人機工程及全周期數據管理等；C919大型客機研制過程利用數字化集成管理平臺，實現全型號的協同研制。運載火箭技術研究院建立了基于IPT的設計與工藝協同工作模式，長征五號、長征七號新一代運載火箭實現了數字化仿真與全三維數字化研制。

通過對國內外先進制造模式調研分析，可以發現國內外先進的制造機構或企業，其數字化程度也處于領先水平，信息化能力已經成為企業核心競爭力的重要體現；數字化、信息化、智能化有效提升了復雜產品設計、制造能力及提高產品質量與研制效率；基于模型的研制模式是解決數據同源設計，實現早期仿真驗證、信息可追溯及知識可復用的有效方法[1~3]。

3 航天產品研制現狀分析

傳統航天產品研制大多為“基于文檔、人工協同、經驗定標、實物驗證”模式，即通過分發紙質文檔或電子郵件傳遞上下游間的設計、工藝和測試報告，不但準備工作量龐大，且無法保證報告中數據的有效性以及與設計數據狀態的一致性；用戶與總體、總體與分系統及單機間的設計迭代頻繁、流程復雜，且過程數據手工傳遞，缺乏有效的流程控制和版本控制；多學科多專業的聯合仿真手段相對缺乏，對早期的需求仿真、設計仿真及工藝虛擬驗證較為困難。隨著航天產品系統的復雜性及集成難度越來越高，通過經驗分解指標變得更加困難，基于文件、手工協同模式不能滿足頻繁迭代、更新方案的需求，仿真驗證手段的缺乏對于滿足用戶需求分析的準確性、方案設計的最優性、制造裝配工藝的合理性都提出了較大挑戰。通過與國內外先進企業的制造模式對比，航天產品的研制水平有待進一步提升。

通信衛星實施數字化研制相對較早，近年來通過與歐洲先進衛星制造商的合作，進一步深入應用數字化技術和工具，隨著越來越多型號進行數字化研制，通信衛星數字化研制工作從面向制造的數字化設計正在向數字化設計和仿真、數字化制造和一體化測試拓展融合。但與國內外領先企業相比，當前通信衛星的研制存在任務需求分析工作有待規范，數字化建模與分析仿真能力有待加強、基于模型的系統工程研制體系有待健全等問題，后續需對標國際先進水平持續提升數字化研制能力。

4 衛星基于模型的系統工程研制實施路線

數字化技術作為先進設計制造技術的基礎核心，國外自20世紀70年代以來，經歷了從數字化單技術應用（點）→型號研制全過程數字化（線）→數子化企業（面）的發展，切實推動了世界經濟和相關技術的發展。以通信衛星數字化研制實踐為例，型號研制從基于文檔的研制模式到基于模型的數字化研制模式（MBSE）的轉型，一般要經過方法研究與探索、數字化規劃與研制流程再造、搭建數字化平臺、試點實施及推廣應用等過程。實施路線具體分為四個階段，即：研究探索階段：開展基于模型的方法研究與探索，包括模型體系、建模方法、設計工具等；夯實基礎階段：全面梳理基于模型研制模式下的衛星研制流程，實施的流程再造，打通數據接口，實現型號數字化同源協同研制；實施應用階段：選取試點型號實施基于模型驅動的研制，建立并完善衛星研制模型體系和工具手段；智能制造階段：形成基于模型驅動、知識復用、智能研制模式，實現衛星智能制造。

4.1 基于模型的系統工程方法的研究分析

表1 現有文件體系與MBSE模型的對應關系

最早提出MBSE概念的是國際系統工程學會（International Council on Systems Engineering, INCOSE），給出了如下定義：“基于模型的系統工程是通過形式化的建模手段，從概念設計階段開始就能夠支持系統需求、設計、分析、驗證和確認等活動，并持續貫穿整個開發過程和后續的生命周期階段”。MBSE帶來的轉變是將以前“基于文檔”研制轉型為“基于模型”研制，因此也帶來工作模式變革和流程再造；MBSE能夠用于復雜系統的需求、功能、邏輯和物理設計、仿真和驗證，通過數字化模型集成與多學科聯合仿真等虛擬手段實現方案的快速設計與優化。MBSE是傳統基于文檔的系統工程的升級跨代，是提升產品設計質量與效率提升的有效途徑，INCOSE已將MBSE定位為系統工程未來的發展方向[4]。在業界對MBSE的研究中，法國達索公司提出的R/F/L/P模型（需求模型/功能模型/邏輯模型/功能模型）得到較為廣泛的認可，在具體衛星型號研制中，上述四類模型與型號研制流程的對應關系見表1。

4.2 基于模型的研制規劃與流程再造

通信衛星基于模型的數字化研制規劃：健全基于模型的數字化研制方法體系，建成統一的數字化研制平臺、信息管理平臺，實現型號研制模型驅動、協同研制、流程再造、知識復用和全生命周期數據管理，全面提升衛星基于模型的智能制造水平。

型號過程從立項論證開始，一般經過方案初步設計、方案詳細設計、制造裝配集成、綜合測試、環境試驗、發射飛控、在軌管理、衛星應用等階段[5]。而基于模型驅動與仿真驗證的研制過程重點是建立模型體系、模型驅動、多專業協同，各研制階段開展仿真驗證：體系仿真與效能評估、系統設計與仿真、分系統設計與仿真、單機設計與仿真、工藝工裝設計與仿真、虛擬測試、虛擬試驗、在軌健康評估與仿真、應用服務規劃仿真等，通過“設計→仿真評估→再設計→再仿真評估”的方式進行迭代循環，確保最優方案設計、實物研制一次成功、在軌穩定運行并提供更好地衛星應用服務。基于模型的研制流程詳見圖1。

圖1 基于模型的衛星研制流程

基于模型的研制流程重點是：堅持系統工程思想、數據同源研制、模型驅動設計與仿真、多學科集成優化研制，在體系仿真與效能評估階段，建立多層級的迭代性設計與仿真驗證模式，實現天地一體化體系架構與效能最優；在需求分析階段，建立需求模型對用戶需求進行分解、仿真驗證，確保技術指標的準確性；在方案設計階段，總體與分系統、單機單位建立功能模型、邏輯模型及產品模型等，對產品的功能、性能、物理特性等進行全面仿真，以研制技術流程為牽引，驅動信息交互和數據打通，使得產品在實際制造、裝配及試驗之前通過數字樣機的充分虛擬驗證，減少對實物樣機的依賴，盡可能在早期發現并解決設計的錯誤與問題，確認系統方案設計正確性；在制造集成階段，開展對工藝與工裝的設計與仿真，確保產品制造、裝配的成功率；在測試試驗階段，利用虛擬樣機預先開展虛擬測試試驗，確保測試試驗方案滿足實物驗證需求。同時，利用測試試驗和在軌飛行數據的積累分析對系統仿真模型進行修正完善，進一步提高系統仿真的可信度，更好地支撐后續研制工作。

4.3 建立一體化的數字化設計管理平臺

開展基于模型的衛星數字化研制工作，首先要打通各專業間、上下游間的業務系統的接口，消除信息孤島，統一衛星研制過程的數據源，并建立優化方法庫，支持系統級、分系統級多專業協同仿真和多學科優化設計。因此，需要建立一體化的數字化設計管理平臺[6]。通信衛星數字化協同設計包含：總體與用戶間協同、總體與大系統間協同、總體與分系統及單機間的協同、總體與制造及裝配單位的協同，面對上下縱橫間的復雜的研制關系，建立產品全生命周期一體化設計管理平臺，實現任務管理、計劃進度、產品保證、產品數據、知識經驗等各類管理數據的互聯互通，實現全周期數字化研制與管理高度匹配一致，基本實現了通信衛星研制全流程的協同、科研生產任務計劃流程一體化管控、風險預警與決策支持，構建統一的數據庫、知識庫，整合分散的衛星設計數據、知識、標準規范、研制經驗，形成交互式的知識智能推送，確保產品研制過程規范、可控。

4.4 基于模型的數字化研制工作實踐

通信衛星的數字化研制實施是由單機、分系統到系統多專業協同，由某一研制階段到全流程貫通，由基于經驗的制造向基于知識的智造逐步轉型升級的過程。

a. 形成多專業協同工作機制。通信衛星在結構分系統及總體總裝中全面開展基于三維數字化模型協同研制，建立了三維數字化模型庫和標準規范體系，一套數字化模型代替了傳統幾十套圖紙，研制效率提高50%以上；數字化信息流、數字化能源流、數字化測試模式全面在型號協同研制中推廣應用，工作效率提高60%。在此基礎上，建立了機、電、熱、磁等多專業數字化協同，衛星總體與用戶、衛星大系統、衛星總體與分系統間的研制模式，實施同源數字化研制，進一步提升了協同工作質量。同時，積極開展基于MBSE的研制，初步建立了模型體系，制定了模型交互接口標準規范，基本形成了基于模型的多專業聯合仿真與協同優化設計模式。

b. 實現全流程數據貫通。建立了一套模型交互與信息傳遞標準，支撐基于統一數據源開展數字化研制，立項論證階段建立需求模型和初步功能模型，開展體系仿真與效能評估工作，確保論證方案充分滿足用戶需求；方案設計階段進一步細化需求模型和功能模型，并建立邏輯模型和產品模型，通過多專業聯合仿真實現整星的最優設計；制造集成階段將產品模型與制造工藝、工裝模型進行仿真驗證，確保產品制造工藝、工裝最優設計和可制造、可裝配性；測試試驗階段將產品測試模型作為虛擬測試試驗的輸入，實施虛擬測試試驗，驗證測試試驗方案的正確性和最優化；在軌管理階段的依托各類產品模型開展任務規劃仿真和故障處置預案仿真，實現衛星在軌穩定運行；同時通過在軌數據的分析，進一步完善產品模型，提升衛星的好用易用性。

c. 實施衛星智能制造模式。深入推動基于模型的衛星數字化研制的基礎上，積極探索基于模型和知識的研制模式，完成了衛星研制標準與規范、手冊指南、經驗與禁忌、工具方法等梳理，并形成了研制知識平臺，具備了知識收集、知識復用、智能推送、智能實施與分析等功能，推動衛星研制由數字化、信息化向智能制造模式轉型。

5 結束語

基于MBSE的方法提供了一種以用戶為中心、符合系統工程研制規律的正向研制方法，是應對大型復雜航天產品研制的大勢所趨，實施基于模型的系統工程，建議做好以下方面工作：

一是建立數字化推進組織，實施流程再造工程。推行基于模型的系統工程的研制模式，需要培養一批即懂技術又懂管理且對數字化有著深入研究的“明白人”，由專業化專職隊伍負責研究、實施和推廣應用工作。基于模型的系統工程研制模式是從用戶需求開始直到產品交付、全生命周期維修保障的正向研制模式，需對傳統研制模式進行流程再造、優化，應以產業鏈梳理為出發點、以數字化為手段，結合科研生產的組織模式、產品特征深入研究各類產品的流程再造，實現工業化與信息化、數字化融合發展。

二是研究建立模型體系，加強對建模仿真方法研究。從產品、邏輯、流程等維度開展模型體系的研究，在產品維度，包括對體系、系統、分系統、單機等層面系統梳理數字化邏輯關系、模型需求，明確模型的顆粒度與接口關系；在邏輯維度，開展需求、功能、邏輯、產品等建模方法的研究，形成統一的建模規范；在流程維度，結合需求仿真、設計仿真、工藝仿真、測試試驗仿真、運行維護等不同階段的對模型的需求，研究建立相應的模型庫。同時，從總體層面開展體系仿真與效能評估方法、系統集成優化方法等研究，從分系統層面開展能源、信息、動力、控制、熱控等專業仿真方法研究，通過在體系、系統、專業幾個層面聯動開展基于統一的數據源的協同仿真研究，確保體系最優，系統指標分解正確合理、可實施。

三是建立與實施MBSE相配套的平臺與工具。實施MBSE需健全的信息化基礎設施，以協同管理平臺（包括任務管理、流程管理、計劃管理、質量管理等功能）、建模仿真工具集（包括體系建模、需求建模、功能建模、邏輯建模、產品建模、工藝建模、試驗建模等工具）、全生命周期管理平臺（包括數據管理、模型管理、知識管理等功能）、基礎數據庫為支撐，加強制造技術、管理技術與信息化數字化技術的融合，構建基于模型的企業級的系統工程研制管理一體化平臺，全面提升產品全生命周期的數字化研制能力和市場響應能力。

四是把握好試點應用與推廣應用關系。MBSE方法是近年來系統工程方法與數字化技術相結合解決大型復雜產品研制的新方法，其理論方法、工具手段都在快速發展中，國內外的實踐經驗表明，應用MBSE方法應遵循先打好基礎、再應用實施，把握先開展試點、再推廣應用的原則，為了保證型號應用效果，建議選取以典型型號為試點，同時及時總結試點經驗，待成熟后逐步推廣到其他型號、產品，最終形成基于模型的系統工程研制模式，全面提升產品研制能力和水平，提高產品的綜合競爭力和效益。

1 陳紹文. 由數字制造引發對精益的再思考[J]. 航空制造技術，2014(4)：58～61

2 陳海東. 航天數字化應用技術的發展與趨勢[J]. 導彈與航天運載技術，2008(3)：1～4

3 肖肖. 運載火箭數字化研制技術的現狀與趨勢[J]. 導彈與航天運載技術，2014(5)：34～38

4 韓鳳宇. 基于模型的系統工程在航天器研制中的研究與實踐[J]. 航天器工程，2014(6)：119～125

5 王禮恒. 中國航天系統工程[J]. 航天工業管理，2008(10)：60～64

6 安士亞太. 基于精益研發的飛機綜合設計平臺[J]. 航空制造技術，2012(5)：102～103

Research and Thinking on Application of Model-Based Systems Engineering in Large and Complex Satellite Project

Jiang Xiaoyong Ge Xingtao Shen Yiben Hu Nannan

(Institute of Telecommunication Satellite, China Academy of Space Technology, Beijing 100094)

This paper introduces the development and its application of Model-Based Systems Engineering (MBSE) at home and abroad,analyzes the status of application of digital technology on aerospace products, and puts forward the MBSE implementation route of satellite project. In addition, the paper proposes some suggestions on the implementation of MBSE for large and complex aerospace products to further enhance the digital technology level of the aerospace model engineering project.

digitization；model；systems engineering；MBSE

蔣小勇（1981），高級工程師，宇航制造工程專業；研究方向：系統工程與項目管理、數字化研制管理。

2017-09-04