基于知識(shí)的航天運(yùn)載器協(xié)同設(shè)計(jì)方法研究

/中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心

航天運(yùn)載器的研制是一項(xiàng)極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)、動(dòng)力、電磁、仿真等若干子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)分屬于不同的研究機(jī)構(gòu)，而每個(gè)研究機(jī)構(gòu)又依托于多個(gè)協(xié)助單位的支撐。如此浩大的全國(guó)性工程，需要開展大規(guī)模的跨地域、跨部門協(xié)作。航天運(yùn)載器總體設(shè)計(jì)就是根據(jù)總體要求和各項(xiàng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)運(yùn)載器及其各系統(tǒng)進(jìn)行綜合、協(xié)調(diào)、研究和設(shè)計(jì)的過程，經(jīng)過多次迭代而得到綜合性能最佳的總體方案。

隨著型號(hào)任務(wù)的增加，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)平臺(tái)已不能滿足現(xiàn)有的設(shè)計(jì)要求，需要結(jié)合航天運(yùn)載器的研制流程和知識(shí)管理平臺(tái)，開發(fā)可支撐預(yù)先研究、總體設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造等具體應(yīng)用的工程系統(tǒng)。同時(shí)，建設(shè)以型號(hào)研討廳、任務(wù)、流程、指標(biāo)管理為代表的交流環(huán)境，通過技術(shù)人員的碰撞與交鋒促進(jìn)思想的創(chuàng)新，推進(jìn)知識(shí)管理與業(yè)務(wù)流程的融合，支撐新一代航天運(yùn)載器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和總體設(shè)計(jì)。

一、需求分析

為實(shí)現(xiàn)航天運(yùn)載器的總體協(xié)同快速設(shè)計(jì)和優(yōu)化，此系統(tǒng)需滿足以下4項(xiàng)主要功能要求。

一是基于知識(shí)的任務(wù)管理。在任務(wù)管理過程中，可以通過知識(shí)資源復(fù)用技術(shù)，依據(jù)設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)流程將知識(shí)庫中相似任務(wù)，流程及相關(guān)知識(shí)資源推送到任務(wù)流程各節(jié)點(diǎn)中。

二是多源知識(shí)獲取技術(shù)。多源工程知識(shí)可以分為文檔、文本類、模型類、經(jīng)驗(yàn)類及工具類等，針對(duì)多源工程知識(shí)的分布與組成特征，采用不同的知識(shí)獲取方式，并將知識(shí)資源封裝成為統(tǒng)一的知識(shí)模型存儲(chǔ)到知識(shí)庫中。

三是基于知識(shí)的設(shè)計(jì)過程管理。主要通過知識(shí)發(fā)現(xiàn)、知識(shí)組織、知識(shí)萃取及知識(shí)模型庫構(gòu)建等相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程知識(shí)的沉淀。同時(shí)，也可以管理設(shè)計(jì)循環(huán)迭代過程中生成的設(shè)計(jì)/仿真數(shù)據(jù)和資源；促進(jìn)設(shè)計(jì)理念、知識(shí)、規(guī)范的積累、繼承、復(fù)用和驅(qū)動(dòng)，并借助知識(shí)模型存儲(chǔ)到相應(yīng)的知識(shí)庫中（包括知識(shí)庫、元知識(shí)庫、模型庫及流程庫等）。

四是基于設(shè)計(jì)活動(dòng)的知識(shí)關(guān)聯(lián)技術(shù)。在設(shè)計(jì)過程中，借助知識(shí)推送技術(shù)將知識(shí)庫相關(guān)知識(shí)資源推送至設(shè)計(jì)人員的工作環(huán)境中，并可對(duì)設(shè)計(jì)過程的進(jìn)展情況進(jìn)行監(jiān)控。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

面向航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程，以系統(tǒng)工程和知識(shí)工程方法論為基礎(chǔ)，構(gòu)建協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架，實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)的協(xié)同設(shè)計(jì)。以協(xié)同設(shè)計(jì)為核心，以知識(shí)管理為驅(qū)動(dòng)，建設(shè)現(xiàn)代化、智能化、一體化的航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)體系和能力，滿足航天產(chǎn)品全生命周期協(xié)同化、精細(xì)化、知識(shí)化管理的需求，顯著提升航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力。

1.總體架構(gòu)

基于知識(shí)的航天運(yùn)載器總體協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)架構(gòu)由應(yīng)用層、功能層、支撐層和數(shù)據(jù)層組成，如圖1所示。

應(yīng)用層面向使用系統(tǒng)的各類用戶，包括任務(wù)規(guī)劃人員、協(xié)同設(shè)計(jì)過程監(jiān)控人員、總體部門人員、知識(shí)管理人員、平臺(tái)維護(hù)與管理人員等。用戶通過統(tǒng)一設(shè)計(jì)門戶進(jìn)入系統(tǒng)，根據(jù)各自從事的項(xiàng)目和技術(shù)角色權(quán)限使用設(shè)計(jì)平臺(tái)的各功能系統(tǒng)，開展相關(guān)工作。

功能層是系統(tǒng)的核心，通過項(xiàng)目管理、指標(biāo)體系、知識(shí)管理（包括知識(shí)社區(qū)）及集成模塊等為應(yīng)用層的不同設(shè)計(jì)人員提供相關(guān)功能支撐。

支撐層是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包括大數(shù)據(jù)處理本體技術(shù)，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，流程引擎，數(shù)據(jù)管理、人員角色管理、全生命周期管理及擴(kuò)展接口管理等功能。

數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)的資源池，為各類用戶提供協(xié)同設(shè)計(jì)過程中需要的知識(shí)、數(shù)據(jù)和文件，包括模型、規(guī)則庫、知識(shí)庫、元知識(shí)庫、專家?guī)臁⒘鞒處旒氨倔w庫等。

2.技術(shù)架構(gòu)

技術(shù)架構(gòu)是功能架構(gòu)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式。本系統(tǒng)將基于大數(shù)據(jù)技術(shù)、知識(shí)推送及本體技術(shù)實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)的協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)。技術(shù)架構(gòu)主要通過知識(shí)發(fā)現(xiàn)（知識(shí)萃取）、知識(shí)管理（知識(shí)存儲(chǔ)）及知識(shí)服務(wù)（知識(shí)推送）等技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)知識(shí)產(chǎn)生、知識(shí)組織、知識(shí)利用的迭代過程，其系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

知識(shí)發(fā)現(xiàn)。在型號(hào)研討廳，通過開展“知識(shí)白板”形式時(shí)刻記錄討論過程中的想法、意見及解決辦法，實(shí)現(xiàn)討論過程的隱性知識(shí)挖掘。在任務(wù)、需求、指標(biāo)及流程管理過程中，通過開展產(chǎn)品需求和指標(biāo)分析過程，將整個(gè)過程使用支撐資源、約束資源進(jìn)行存儲(chǔ)。通過知識(shí)萃取技術(shù)將知識(shí)資源進(jìn)行梳理，實(shí)現(xiàn)隱性知識(shí)顯性化。

知識(shí)管理。為了實(shí)現(xiàn)多源工程知識(shí)的統(tǒng)一交互、存儲(chǔ)，便于后續(xù)基于知識(shí)的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)對(duì)知識(shí)庫的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)，需要建立應(yīng)用于多源工程知識(shí)獲取的統(tǒng)一知識(shí)模型UKM，即是對(duì)知識(shí)資源、知識(shí)來源、業(yè)務(wù)流程、上傳者及環(huán)境等知識(shí)元數(shù)據(jù)按一定的邏輯規(guī)則統(tǒng)一組織而成的模型，它可以實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)資源、知識(shí)來源、業(yè)務(wù)流程及人員角色等元素的視圖自由轉(zhuǎn)換。UKM保證了模型類、文檔及文本類、經(jīng)驗(yàn)類以及工具類知識(shí)資源的統(tǒng)一描述，同時(shí)確保了不同類型知識(shí)資源擁有對(duì)應(yīng)的視圖。

知識(shí)服務(wù)。在任務(wù)需求管理與指標(biāo)分解階段，通過知識(shí)挖掘與推送技術(shù)，在需求指標(biāo)管理、映射、追溯等過程中，根據(jù)項(xiàng)目名稱、型號(hào)內(nèi)容、需求指標(biāo)及其內(nèi)容，從知識(shí)庫中推送需求指標(biāo)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、方法，幫助用戶完成需求管理與指標(biāo)分解。

3.關(guān)鍵技術(shù)

圖2 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

一是基于設(shè)計(jì)過程的知識(shí)庫建設(shè)方法。航天運(yùn)載器研制過程涉及大量的知識(shí)協(xié)同、共享和創(chuàng)新，而知識(shí)散落在設(shè)計(jì)過程的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，具有不同的類別和格式。筆者將基于設(shè)計(jì)全流程，研究異構(gòu)知識(shí)的獲取方法；基于統(tǒng)一的知識(shí)組織體系模型，從復(fù)用的角度整合企業(yè)分散的知識(shí)資源，通過合理組織和封裝形成邏輯上統(tǒng)一的、結(jié)構(gòu)化的知識(shí)庫，使知識(shí)達(dá)到有序、可控、可利用狀態(tài)。

針對(duì)概念論證、需求分析、總體方案設(shè)計(jì)、多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證等設(shè)計(jì)全流程，實(shí)現(xiàn)流程類、模型類、工具類、數(shù)據(jù)類及文檔類等知識(shí)的提煉與固化，如圖3所示。

對(duì)于流程類知識(shí)，通過記錄、分析及比較不同的業(yè)務(wù)活動(dòng)信息，提煉出不同產(chǎn)品、不同專業(yè)及不同階段可分別借鑒的通用化的業(yè)務(wù)活動(dòng)流程；對(duì)于模型類知識(shí)，通過分析不同組件的設(shè)計(jì)參數(shù)及展示外形，提煉形成典型產(chǎn)品組件庫；對(duì)于工具類知識(shí)，在分析用戶行為基礎(chǔ)上，按產(chǎn)品、階段、專業(yè)提煉出典型軟件工具、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及操作規(guī)程；對(duì)于數(shù)據(jù)類知識(shí)，獲取不同數(shù)據(jù)的類別、作用及關(guān)聯(lián)關(guān)系；對(duì)于文檔類知識(shí)，分別從研究論文、發(fā)明專利、經(jīng)驗(yàn)禁忌及最佳實(shí)踐等維度建設(shè)不同的知識(shí)模版，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目成果的積淀。

二是基于設(shè)計(jì)活動(dòng)的知識(shí)關(guān)聯(lián)技術(shù)。航天運(yùn)載器協(xié)同設(shè)計(jì)過程中包含多系統(tǒng)、多專業(yè)、多學(xué)科，通過多輪次反復(fù)迭代論證實(shí)現(xiàn)總體方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化。對(duì)于運(yùn)載器總體設(shè)計(jì)這類復(fù)雜系統(tǒng)工程，會(huì)涉及大量知識(shí)。因此，在協(xié)同設(shè)計(jì)過程中，分析設(shè)計(jì)知識(shí)與設(shè)計(jì)活動(dòng)的特點(diǎn)和工作情景，借助知識(shí)推送技術(shù)將知識(shí)庫中的知識(shí)資源推送到設(shè)計(jì)環(huán)境中。通過在已建立的設(shè)計(jì)知識(shí)與航天器協(xié)同設(shè)計(jì)活動(dòng)之間進(jìn)行關(guān)聯(lián)，采用特征索引匹配進(jìn)行設(shè)計(jì)知識(shí)與設(shè)計(jì)過程的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，以支撐航天器協(xié)同設(shè)計(jì)活動(dòng)，為航天器協(xié)同設(shè)計(jì)活動(dòng)的知識(shí)導(dǎo)航奠定基礎(chǔ)。

三是基于設(shè)計(jì)結(jié)果的知識(shí)量化技術(shù)。面向航天運(yùn)載器設(shè)計(jì)結(jié)果，開展關(guān)鍵知識(shí)資源識(shí)別、萃取及表達(dá)方法研究，依托所開展項(xiàng)目梳理關(guān)鍵知識(shí)資源，形成較為清晰、完善的知識(shí)展示原型系統(tǒng)的構(gòu)建思路，并梳理形成通用的關(guān)鍵知識(shí)萃取及表達(dá)方法。以梳理出的知識(shí)為評(píng)估對(duì)象，開展知識(shí)資源評(píng)價(jià)方法研究，綜合考慮知識(shí)自身因素、知識(shí)被應(yīng)用因素、知識(shí)創(chuàng)造的貢獻(xiàn)因素等，構(gòu)建知識(shí)資源量化評(píng)價(jià)模型，包括指標(biāo)體系組成及指標(biāo)權(quán)重設(shè)置。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究知識(shí)資源價(jià)值評(píng)估模型，包括模型要素、評(píng)估組織及具體評(píng)估方法，促進(jìn)高價(jià)值知識(shí)資源的量化評(píng)價(jià)及固化、共享、復(fù)用。

筆者從航天系統(tǒng)工程和知識(shí)工程角度，分析對(duì)航天運(yùn)載器協(xié)同設(shè)計(jì)過程的知識(shí)支持。通過需求分析提出了基于知識(shí)的航天運(yùn)載器協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體架構(gòu)，描述了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)。后續(xù)，根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展需求還將進(jìn)一步完善系統(tǒng)的相關(guān)功能，為新一代航天運(yùn)載器協(xié)同設(shè)計(jì)提供更好的平臺(tái)。▲

圖3 知識(shí)庫構(gòu)建流程