导航式设计模式在弹道专业的探索

◎北京宇航系统工程研究所 何兆伟 陈风雨 陈海鹏 马英

导航式设计模式在弹道专业的探索

◎北京宇航系统工程研究所 何兆伟 陈风雨 陈海鹏 马英

航天工程设计是典型的复杂大系统设计，而弹道专业作为运载火箭论证的先行专业，又具有设计模型复杂度高、技术元素多样、参数交叉广泛等特点。在系统耦合度越来越高、专业间接口越来越复杂的形势下，如何确保设计的正确性、合理性，以及专业间接口的规范性成为专业内部不得不面对的问题。纵观当前的设计模式，还存在诸如产品设计“个人色彩”浓重、专业建设各自为阵、研制流程脱节、技术知识缺乏有效的固化传承手段等问题。

一、现有设计知识梳理

过去几十年，中国运载火箭技术研究院采用行政单位和型号项目两条线的模式共同完成型号的研制任务，在专业建设方面逐步加大投入，各主要专业已形成了较为完备的理论基础和设计流程，并以设计标准、规范等形式予以固化，完成了设计师手册编制。但这些内容目前只作为设计参考，没有基于设计流程无缝结合到设计师的设计工作中，易出现设计过程不规范、触发设计禁忌的风险。

1．研制流程

研制流程规定了设计的研制阶段划分、基本要求、各阶段的任务、主要工作和完成标志、研制流程和输出文件。研制流程对每个研制阶段分别进行定义，各阶段的研制流程有一定相似性，同时随着工程研制的深入逐步细化。图1给出了方案阶段研制流程的示例。

2．设计师手册

在设计师手册中首先按研制阶段划分详述了各阶段的研制流程，对其中的研制活动和涉及的知识进行了细化阐述。除此之外，还包含设计禁忌和准则等补充性、约束性知识。

3．技术树

技术树对设计知识的分类比较全面，按技术相关度逐层分类，利于查找，适合作为本专业所有知识的提纲或一个结构维度，对知识的结构化整理有较大帮助。

二、当前设计模式的不足

“行政单位研制产品，型号选产品”是研究院产品化建设和发展的重要思路，也描绘了研究院当前型号研制的基本模式。行政单位获得上级部门在预研、技改等方面的支持，通过加强自身的专业建设，实现了技术从无到有及能力水平的不断提升。型号项目队伍在各系统负责单位的技术基础上开展技术集成工作，重点关注流程和技术接口的正确性，以实现型号产品的研制。纵观当前的设计模式，存在以下几个方面的不足:

1．缺乏对专业建设的评价度量

预研和技改工作主要由行政单位提出，瞄准未来的型号发展提前研究、储备技术和能力，但对工作开展到什么程度算到位，缺乏统一标准；调研报告、专题分析、样机等分属不同实现层级，到底需要完善到哪个层级，没有统一评价准则；工程组的专业组长作为专业建设的第一责任人，在牵头完成专业发展规划、共性技术提炼和建设中究竟按照标准、规范、设计师手册、设计要素中的哪个层级来进行建设，没有统一标准；现实工作中，部分工程组长忙于型号，对专业建设投入少，把关和引领作用发挥不够，加之对年轻设计人员的培训不足，产品个性化设计情况较为突出。

2．缺乏对产品成熟度和经济性等关键要素的把控

长期以来，研究院的产品化建设工作主要瞄准实物产品来开展，但对于总体室来说，大部分专业不直接管理单机产品，因此对产品化理念理解不深刻。在专业建设方面投入不少，但是效果有时不理想，如预研类的技术，有时由于技术成熟度不足，导致对后期型号研制支撑不够；技改类的技术，有时由于共性技术总结提炼不足，导致对各型号保障不到位；对于共性专业技术，有时由于总结凝练不及时、不到位，导致人员流动后“失传”，需要重新积累；对于型号设计，由于没有考虑技术经济性原因，导致总经费严重超标。总之，由于在专业建设中没有考虑上述关键要素，为型号产品的快速、可靠研制埋下隐忧。

3．缺乏标准规范真正落地的好途径

回顾型号项目研制和专业建设，整体上感觉存在“两层皮”现象。专业建设虽轰轰烈烈，投入多、产出不少，完成了大量标准、规范、设计师手册、设计要素、三级审签要点、工作手册等成果，但由于目前专业建设缺乏统一标准和体系梳理，使得各成果基本处于各自为战的情况，很多知识点相互重复，耗费了精力，而且各成果以文本形式管理，及时统一更新也较为困难。在具体型号设计过程中，设计人员基本按照“先学后用”的模式来开展工作，需要理解和掌握的知识点很多，设计中常常出现顾此失彼、挂一漏万的情况。因此，专业建设成果在一线人员设计中能否有效践行还需要足够的时间去“熬”，有章不循的现象比较普遍。

三、导航式设计模式探索

1．导航式设计概念的提出

弹道设计专业经过数十年的探索与发展，目前形成了成熟、完备的理论基础，针对不同的型号形成了较为成熟的设计流程。这些基础理论和设计流程以设计工具、设计标准等形式予以固化，同时还以个人经验、设计禁忌等形式固化在设计师手册、甚至隐性存在于设计师的大脑中。这些要素本质上是离散的，如在设计工具中固化了理论模型，但没有包含设计流程信息，也不会提示设计师相关的禁忌。设计标准与手册等内容可能包含设计流程及禁忌等信息，但这样的要素一般只能作为设计过程中的参考，即作为设计流程的外围信息，没有无缝结合到设计师的设计活动中。

这样的情况实际上会造成整个弹道设计过程具有较浓厚的设计师个人色彩。对于经验丰富的设计师而言，这种“个人色彩”是值得鼓励的，但对年轻设计师而言，这就是造成设计过程不规范、易触发设计禁忌的主要风险。因此，应当在设计工具中增加流程管理的功能，对设计师拟采用的设计技术和流程进行规范，同时开展先期提示及后期检验相关设计禁忌，将设计标准或设计手册中的经验无缝集成到设计活动中，从而达到规范设计流程的目的，其本质实际上是嵌入岗位流程的设计标准实施。

2．导航式设计的实现构想

导航式设计软件是实现导航式设计的落脚点，是将设计标准、流程甚至禁忌经验与传统设计工具结合的最终体现。完善的导航式设计软件应该具备以下几个特点:

一是可定制的流程管理功能。

设计流程管理是导航式设计软件最显著的特点之一，是其区别于传统设计工具的明显特征。设计师可以对设计活动进行建模，并根据设计师选择的设计活动类型推荐出较合适的、符合规范的设计流程，为每个设计步骤推荐设计方法甚至设计工具。设计师可以接受推荐的流程，也可以根据任务的特殊性有针对性地进行调整。

二是设计前的技术评价与审核功能。设计师定制好拟采用的设计活动流程后，就进入了评价与审核阶段。系统根据任务类型对选用的技术进行成熟度等级评价，审核者重点针对成熟度较低的技术进行把关与审核，并对全流程环节是否有重大缺项等给予把关。

三是设计过程中的实时指导与约束检查功能。设计开始后，每个模型的输入、输出参数都将通过设计标准、规范、禁忌等信息实时进行检验，若发现有违反的情况，则在设计流程中提示设计师参数使用有问题，从而让设计师及时调整使用参数。

四是设计后的方案评价功能。

设计完成后，通过以上流程的实施能使设计结果基本规范，不会出现严重违反设计禁忌的情况，但在设计优化程度上还没有进行评价。当设计方案定型后，导航式设计软件可以根据数据库中类似的设计流程，提供设计结果对比，为设计师评估设计结果是否已达到较优的水平提供参考。

3．智能导航设计规划

导航式设计的初衷是让常规的设计工作脱离“纸质地图”时代，让各种集成于“纸质地图”中的技术知识实现有规则的离散化、数据库式存储化，并嵌入可定制、可升级的设计流程，甚至设计工具的开发流程，自动推送、自动提醒，以达到专业知识完备化传承、新人员边设计边学习、最大可能减少质量问题发生的目的，变“老带新”为智能导航设计。

导航式设计的实现可以催生数据累积型与导航规划型2类智能设计。

以弹道设计岗位中的加注量计算工作为例说明数据累积型智能设计。发射场加注量计算工作中有一个很重要的环节为推进剂调温，推进剂调温结果直接决定着火箭发射时刻的推进剂工况，进而有可能影响火箭发射的成败。在调温计算的过程中，设计工具可以依据大量积累的以往所有发次的既有数据智能地给出设计建议，再由岗位人员进行精细化设计；同时，在岗位人员提交最终结果后，设计工具可以依据累积数据智能地进行包络分析和约束分析。当设计工具可以将大量的累积数据智能参与到设计过程中时，就实现了以机器经验替代人员经验的转换。

导航规划型智能设计是当接到新任务后，以任务属性、技术指标等为输入，在构建好学习地图的基础上自行以技术成熟度、经济性等为约束条件，规划可行的技术路径及流程，引导设计人员按照既定选择的节点方案完成设计，并检查指标的符合性。智能导航设计一旦实现，将是对当前设计模式的一场新变革，对专业建设水平提升、设计质量保证、设计效率提高和技术经济性提升均有重要意义。

笔者以弹道专业为试点开展了导航式设计模式的思考，以“技术树+研制流程=学习地图”为思路、以专用导航工具与设计工具相分离为原则，进行导航式设计的原理性验证，形成了弹道专业学习地图框架、技术节点知识体系等内容，并向着过程规划与数据累积等方向深入摸索前进。可以预期的是，导航式设计一旦实现，对设计水平、设计效率、设计质量等将产生变革性的影响。▲