航天器MBSE 應用與標準化實踐

范海濤 吳紫薇 張亮 劉霞

（北京空間飛行器總體設計部，北京，100094）

引言

我國航天事業經過近幾十年的發展，形成了一套獨具特色的航天器系統工程研制模式，有力地保障了研制任務的圓滿完成。隨著宇航型號研制任務迅猛增長，航天器系統的規模和復雜度不斷提升，傳統基于文檔的系統工程越來越難以適應后續任務的需求，迫切需要建立一種新的研制模式，即以模型為載體和依據，用計算機可理解和執行的模型來描述復雜系統的設計過程，解決傳統基于文檔的研制模式所帶來的問題，由此，基于模型的系統工程（Model-Based Systems Engineering,MBSE）理念應運而生。

國際系統工程協會（INCOSE）對MBSE 給出的定義[1-2]：“基于模型的系統工程是指通過形式化的建模手段，建立數字模型，支持系統需求分析、設計、驗證和確認等活動，覆蓋概念設計階段，并持續貫穿于整個開發過程和后續的生命周期階段”。與文檔相比，由于模型在表達與處理、信息傳遞、早期驗證、知識重用等方面具有突出的優勢，因此近年來正成為系統工程界研究與應用的熱點和重點，代表著系統工程的未來發展方向。與此同時，隨著MBSE 應用的不斷深入，與MBSE 相關的標準體系亟需建立，用于進一步指導MBSE 的實踐。

以下從航天器MBSE 應用實踐情況，構建航天器MBSE 標準體系，開展航天器MBSE 標準制定，對航天器MBSE 應用與標準化實踐進行總結，并對后續工作的開展提出建議。

1 航天器MBSE 應用實踐

為提升系統工程能力，航天五院總體設計部重點圍繞MBSE 應用環境建設、語言工具培訓、型號試點應用、建模方法與規范研究等4 個方面開展工作，通過建立應用環境、統一理解和認知、形成典型應用案例實踐和總結方法與規范，有效提升了航天器MBSE 應用水平。

1.1 構筑MBSE 軟件平臺，進一步提升MBSE工程環境支撐能力

在型號應用需求的牽引下，開展了基于模型的系統設計與仿真驗證（MBSE）平臺規劃[3]，完成了需求管理、系統設計、系統仿真驗證等軟件工具建設，為MBSE 在型號中的應用提供了符合航天器研制特點的高效、穩定的設計環境。

為了實現知識經驗的積累和重用，在MBSE平臺基礎上，開展了面向系統設計的航天器元模型和基礎模型庫、面向系統仿真的航天器系統驗證通用模型庫建設，總結形成了相關的建模要求、模型庫應用與管理規范等成果，為支撐載人、深空探測等領域型號的仿真驗證奠定了基礎。

1.2 組織MBSE 培訓，進一步提升設計師的MBSE 理解和認知能力

為推進MBSE 工程應用，通過線上、線下等多種途徑舉辦了“MBSE 語言方法工具系列培訓”。所有試點型號的骨干人員均參加了培訓，并發布了網上在線學習課程。設計師可利用空閑時間進行學習，通過培訓，從概念、語言、方法、工具等方面統一了設計師的理解和認識。

同時，為了提升設計師的軟件操作水平，自2019 年開始連續舉辦了3 屆“逐夢杯”MBSE 建模大賽，目的是培養“具有系統思維、懂得兩種語言、掌握兩類工具、具備系統設計與仿真驗證能力”的下一代系統工程師。建模大賽的成功舉辦，有效提升了設計師的軟件操作水平，強化了系統設計與仿真驗證能力，營造了推行MBSE 的良好氛圍和企業文化，取得了較好地效果。

1.3 推動試點應用，進一步提升型號“設計—仿真”閉環驗證能力

近年來，通過在多個型號的不同階段進行MBSE 技術探索與實踐，進一步提升了型號“設計—仿真”閉環驗證能力。

1.3.1 載人月球探測任務研制中MBSE 應用實踐

圍繞型號任務場景和飛行階段，通過利用分層建模思路，對各飛行階段進行層層分解，確定系統的功能和各系統間的關系，構建飛行方案模型。同時，采用基于SysML 模型開展飛行方案評審，專家可直接查看網頁形式的飛行方案模型并進行審查和意見批注。通過評審對深入開展MBSE 應用進行有益嘗試，為載人月球探測任務“關深”階段完成基于模型的設計仿真閉環驗證奠定了基礎。

1.3.2 小天體探測器研制中MBSE 應用實踐

小天體探測器在方案設計階段，以系統建模流程為主線，針對需求分析與管理、系統功能與架構設計、系統仿真驗證等方面進行應用實踐，初步形成了基于模型的航天器系統設計方法。探索了模型驅動的可視化仿真驗證模式，為實現飛行過程由“推演”到“可見”的轉變提供了有益的實踐經驗。

1.3.3 空間站系統（運營階段）MBSE 應用實踐

利用前期基于Modelica 語言建立的系統仿真驗證模型，構建面向系統級的涵蓋動力學與控制、能源、環熱控、信息和推進專業的多學科耦合“數字空間站”，具備任務前仿真預示、任務中數字伴飛、故障時快速驗證能力，在組合體對接、機械臂巡檢、航天員出艙等環節中發揮了重要支撐作用。

1.3.4 嫦娥五號研制中MBSE 應用實踐

嫦娥五號在軌飛行階段，針對能源分系統，通過在軌飛行數據進行驅動，實現靜態供配電大圖設計和動態仿真驗證，為飛行程序優化、在軌狀態預示、能量平衡分析、故障預案制定提供了手段。

1.3.5 開展建模方法研究，進一步提升系統工程理論和方法水平

通過制定MBSE 技術能力發展與應用規劃，明確了MBSE 能力建設發展方向、建設目標、主要措施等。聚焦航天器研制前端的可行性論證和方案設計階段的系統設計與驗證工作，牽頭制定并發布了 《五院航天器MBSE 工作指南》。該工作指南從系統頂層規定了航天器研制流程中MBSE 工作項目與基本要求，用于指導型號開展MBSE 方法應用。在國外主流MBSE 建模方法基礎上，通過型號的不斷實踐，提出航天器MBSE系統建?？蚣芘c流程，初步形成基于MBSE 的航天器系統建模方法。此外，組織開展基于MBSE的協同建模與模型管理技術探索，為開展MBSE實踐提供理論和方法指導。

2 構建航天器MBSE 標準體系

為了確保標準切實可行、與時俱進，一方面立足MBSE 工程實踐，提煉總結相關成果和經驗；另一方面應緊密跟蹤先進技術進展，對MBSE 標準體系和標準內容進行動態修訂完善。目前，總體設計部在原有的航天器數字化設計標準體系基礎上[4]，分3 個階段開展了MBSE 標準體系建設實施工作。

2.1 第一階段：構建航天器研制MBSE 標準體系框架

以《國家智能制造標準體系建設指南》的系統架構要素為基礎，結合集團公司“十三五”“十四五”信息化發展總體規劃與集團標準體系建設規劃，從型號研制的實際需求出發，結合MBSE 實踐情況，適時總結工程實踐成果和經驗，形成指導航天器MBSE 應用的標準體系框架，滿足航天器數字化研制工作全面、順利開展的需要。整個航天器MBSE 標準體系框架如圖1 所示，包括6 類標準：通用標準、建模標準、協同設計標準、仿真驗證標準、模型管理標準、產品保證標準。

圖1 航天器研制MBSE 標準體系框架

通用類標準是MBSE 標準體系的基礎。建模、協同設計和仿真驗證類標準是指圍繞MBSE 過程，開展MBSE 建模、協同設計、仿真驗證所需要遵循的標準，是MBSE 標準體系的核心。模型管理類標準是指模型技術狀態管控所需要遵循的標準；產品保證類標準是指圍繞MBSE 過程制定的質量管理體系標準，這2 類是MBSE 標準體系的重要支撐。

2.2 第二階段：確定航天器MBSE 標準體系明細表

為解決實際工程問題，立足航天器MBSE 應用過程中型號工程應用現狀，通過深入分析現行研制模式，在原有的航天器數字化研制標準體系基礎上進行了擴充，涵蓋MBSE 通用要求、建模、協同設計、模型與數據管理等領域，擴展形成了MBSE 標準體系明細表，見表1?？茖W界定了航天器MBSE應用標準化的內涵和外延，有效識別了現有和缺失的標準，充分展示了現有標準間的交叉重疊關系。

表1 航天器MBSE 標準體系明細表

2.3 第三階段：開展航天器MBSE 標準制定

遵循“繼承性、系統性、先進性、開放性、協調性”原則，對于現行標準中缺少的、型號工程研制亟需的、能夠促進行業基礎能力提升的MBSE 標準，優先納入標準體系并組織技術專家開展標準制定工作。

為支撐型號應用，按照“急用先行”原則，完成了 《五院航天器MBSE 模型體系（2021版）》《航天器需求模型建模規范》《航天器系統多學科集成仿真模型建模規范》的編制并進行了發布。在此基礎上，開展了 《航天器MBSE 需求模型建模要求》《航天器MBSE 系統設計模型建模要求》《航天器MBSE 系統驗證模型建模要求》等3 項集團標準的制定。

a）航天器MBSE 需求模型建模要求：通過規定需求的描述語法、描述規則、基本屬性定義等內容，將用戶意圖和技術要求條目化、結構化，支持精細地需求定義、分解、跟蹤、追溯及變更控制等，用于替代技術要求文檔。

b）航天器MBSE 系統設計模型建模要求：通過規定航天器系統設計建模流程，采用圖形化的建模語言對系統設計內在邏輯進行描述，構建任務功能、系統組成與接口、飛行模式與時序等設計邏輯關系，用于替代各類方案報告。

c）航天器MBSE 系統驗證模型建模要求：通過規定航天器架構、外部接口、部件建模要求等內容，采用多學科統一建模語言對系統方案進行多學科建模與集成，對系統方案或飛行過程關鍵環節進行早期仿真驗證。

這3 項集團公司標準將成為推進航天器MBSE 應用的頂層規范，為加速推進MBSE 方法在航天器各領域型號中的落地應用、提升型號研制能力提供有力保障。

3 總結

MBSE 是有效解決系統復雜性、提高系統整體質量、縮短研制周期的重要手段，更是研制模式的變革。MBSE 的核心是要用統一的系統模型來實現與各專業學科的集成，基于統一數據源的全三維設計制造、信息流設計、能源流設計等數字化成果，應推進MBSE 實現與現有數字化成果的互聯互通，推進研制過程中數字量的連續傳遞。另外，有效推動航天器MBSE 的應用實踐，需要組織層面提供從上到下的組織和管理支持，統一思想和行動，還需通過專門團隊負責總結、制定通用建模規范，形成共性能力，為各型號試點應用提供可操作過程依據、方法依據和工具支撐和指導。

后續，將圍繞以下幾個方面進一步深入開展航天器MBSE 應用與標準化實踐：①加快MBSE相關標準規范建設，提升模型的質量和規范性，促進模型的開放共享；②完善推進MBSE 相配套的管理機制、管理模式，持續提升MBSE 應用能力和水平，為“數字化轉型”提供支撐保障；③多種方式培養MBSE 復合型人才；④堅持軟件自主發展，打造“好用、易用”的航天器設計品牌軟件；⑤推進MBSE 的“產、學、研”環境構建，探索文化觀念、組織與配套制度的轉變。

通過持續深入開展MBSE 工程實踐，扎實推進，堅持不懈，構建符合航天器型號數字化研制特點的MBSE 方法與標準規范體系，推進航天器數字化轉型升級，支撐“三高”（高質量、高效率、高效益）發展。