大型复杂卫星实施基于模型的系统工程研制的研究与思考

蒋小勇 葛兴涛 沈毅奔 胡楠楠



大型复杂卫星实施基于模型的系统工程研制的研究与思考

蒋小勇 葛兴涛 沈毅奔 胡楠楠

（中国空间技术研究院通信卫星事业部，北京100094）

分析了国内外相关行业的基于模型的系统工程研制情况及应用效果，对航天产品的数字化研制现状进行了对标，提出了卫星基于模型的系统工程研制实施路线图，对后续大型复杂航天产品推行基于模型的系统工程研制模式提出了建议，以进一步提升航天型号产品数字化智造水平。

数字化；模型；系统工程；MBSE

1 引言

21世纪是信息时代，为抢占新一轮科技革命的先机，美国、德国等发达国家相继出台了“再工业化”、“工业4.0”等措施，我国提出了中国制造2025等发展战略，推进智能制造重大工程，加强信息化与工业化的深度融合，数字化、信息化、智能化成为制造业新的发展趋势。随着型号项目任务快速增长，任务的技术难度、系统复杂度及集成度越来越大，传统基于文档的研制模式难以支撑任务需求，设计数据同源、信息可追溯性、早期仿真验证及知识复用性不足等问题与当前卫星研制的高要求越来越不相适应，而基于模型的系统工程（Model-Based Systems Engineering, MBSE）方法是数字化技术的最新发展，为大型复杂航天产品研制提供了有效解决方案，将推动数字化工作和型号研制流程的融合，提升航天产品智能制造水平，助推航天产品研制模式转型。

2 国内外先进制造模式对标

当前，国际先进航天机构与公司均采用基于模型的数字化协同制造技术开展复杂航天产品研制工作，NASA、ESA均建立了相应协同设计环境支撑产品全数字化研制模式，如NASA的兰利中心的协同设计中心、ESA 的CDF协同设计工作室，对支持航天器系统的高效协同设计和综合优化发挥了重要作用，促进了航天器总体设计能力提升；洛马公司的F35战斗机、A2100平台卫星、空客公司的A380飞机、Astrium公司的卫星产品在研制过程通过建立全数字化研制体系、搭建数字化协同设计平台，实现了基于统一模型的协同设计与分析，做到了多单位、多专业基于同一模型开展设计、仿真及工艺协同，实现了产品的全数字化与产品全周期数据管理和信息共享。数字化研制已成为国外先进宇航企业提升产品质量技术保障的核心手段。

国内航空航天行业的数字化水平近年来取得了长足发展，有力支撑了重大型号研制。航空工业将MBSE方法作为一套解决大型复杂航空系统设计研发问题的科学方法，以实现更高的效率、更低的成本确保最终交付的飞机有更好的性能、更高的质量。中航工业第一飞机设计研究院在大型运输机研制中实现了基于三维模型、异地跨单位的协同关联设计和生产制造，同时作为MBSE应用的领先单位，在某型号机电系统和航电系统基于MBSE研制应用中取得成功，掌握了MBSE的设计流程、建模方法和仿真工具，构建了基于模型的系统工程研发体系，实现了飞机设计研发核心技术能力的跃升；成都飞机设计所建立了产品数字化协同设计平台，实现了飞机数字化协同、虚拟现实仿真验证、人机工程及全周期数据管理等；C919大型客机研制过程利用数字化集成管理平台，实现全型号的协同研制。运载火箭技术研究院建立了基于IPT的设计与工艺协同工作模式，长征五号、长征七号新一代运载火箭实现了数字化仿真与全三维数字化研制。

通过对国内外先进制造模式调研分析，可以发现国内外先进的制造机构或企业，其数字化程度也处于领先水平，信息化能力已经成为企业核心竞争力的重要体现；数字化、信息化、智能化有效提升了复杂产品设计、制造能力及提高产品质量与研制效率；基于模型的研制模式是解决数据同源设计，实现早期仿真验证、信息可追溯及知识可复用的有效方法[1~3]。

3 航天产品研制现状分析

传统航天产品研制大多为“基于文档、人工协同、经验定标、实物验证”模式，即通过分发纸质文档或电子邮件传递上下游间的设计、工艺和测试报告，不但准备工作量庞大，且无法保证报告中数据的有效性以及与设计数据状态的一致性；用户与总体、总体与分系统及单机间的设计迭代频繁、流程复杂，且过程数据手工传递，缺乏有效的流程控制和版本控制；多学科多专业的联合仿真手段相对缺乏，对早期的需求仿真、设计仿真及工艺虚拟验证较为困难。随着航天产品系统的复杂性及集成难度越来越高，通过经验分解指标变得更加困难，基于文件、手工协同模式不能满足频繁迭代、更新方案的需求，仿真验证手段的缺乏对于满足用户需求分析的准确性、方案设计的最优性、制造装配工艺的合理性都提出了较大挑战。通过与国内外先进企业的制造模式对比，航天产品的研制水平有待进一步提升。

通信卫星实施数字化研制相对较早，近年来通过与欧洲先进卫星制造商的合作，进一步深入应用数字化技术和工具，随着越来越多型号进行数字化研制，通信卫星数字化研制工作从面向制造的数字化设计正在向数字化设计和仿真、数字化制造和一体化测试拓展融合。但与国内外领先企业相比，当前通信卫星的研制存在任务需求分析工作有待规范，数字化建模与分析仿真能力有待加强、基于模型的系统工程研制体系有待健全等问题，后续需对标国际先进水平持续提升数字化研制能力。

4 卫星基于模型的系统工程研制实施路线

数字化技术作为先进设计制造技术的基础核心，国外自20世纪70年代以来，经历了从数字化单技术应用（点）→型号研制全过程数字化（线）→数子化企业（面）的发展，切实推动了世界经济和相关技术的发展。以通信卫星数字化研制实践为例，型号研制从基于文档的研制模式到基于模型的数字化研制模式（MBSE）的转型，一般要经过方法研究与探索、数字化规划与研制流程再造、搭建数字化平台、试点实施及推广应用等过程。实施路线具体分为四个阶段，即：研究探索阶段：开展基于模型的方法研究与探索，包括模型体系、建模方法、设计工具等；夯实基础阶段：全面梳理基于模型研制模式下的卫星研制流程，实施的流程再造，打通数据接口，实现型号数字化同源协同研制；实施应用阶段：选取试点型号实施基于模型驱动的研制，建立并完善卫星研制模型体系和工具手段；智能制造阶段：形成基于模型驱动、知识复用、智能研制模式，实现卫星智能制造。

4.1 基于模型的系统工程方法的研究分析

表1 现有文件体系与MBSE模型的对应关系

最早提出MBSE概念的是国际系统工程学会（International Council on Systems Engineering, INCOSE），给出了如下定义：“基于模型的系统工程是通过形式化的建模手段，从概念设计阶段开始就能够支持系统需求、设计、分析、验证和确认等活动，并持续贯穿整个开发过程和后续的生命周期阶段”。MBSE带来的转变是将以前“基于文档”研制转型为“基于模型”研制，因此也带来工作模式变革和流程再造；MBSE能够用于复杂系统的需求、功能、逻辑和物理设计、仿真和验证，通过数字化模型集成与多学科联合仿真等虚拟手段实现方案的快速设计与优化。MBSE是传统基于文档的系统工程的升级跨代，是提升产品设计质量与效率提升的有效途径，INCOSE已将MBSE定位为系统工程未来的发展方向[4]。在业界对MBSE的研究中，法国达索公司提出的R/F/L/P模型（需求模型/功能模型/逻辑模型/功能模型）得到较为广泛的认可，在具体卫星型号研制中，上述四类模型与型号研制流程的对应关系见表1。

4.2 基于模型的研制规划与流程再造

通信卫星基于模型的数字化研制规划：健全基于模型的数字化研制方法体系，建成统一的数字化研制平台、信息管理平台，实现型号研制模型驱动、协同研制、流程再造、知识复用和全生命周期数据管理，全面提升卫星基于模型的智能制造水平。

型号过程从立项论证开始，一般经过方案初步设计、方案详细设计、制造装配集成、综合测试、环境试验、发射飞控、在轨管理、卫星应用等阶段[5]。而基于模型驱动与仿真验证的研制过程重点是建立模型体系、模型驱动、多专业协同，各研制阶段开展仿真验证：体系仿真与效能评估、系统设计与仿真、分系统设计与仿真、单机设计与仿真、工艺工装设计与仿真、虚拟测试、虚拟试验、在轨健康评估与仿真、应用服务规划仿真等，通过“设计→仿真评估→再设计→再仿真评估”的方式进行迭代循环，确保最优方案设计、实物研制一次成功、在轨稳定运行并提供更好地卫星应用服务。基于模型的研制流程详见图1。

图1 基于模型的卫星研制流程

基于模型的研制流程重点是：坚持系统工程思想、数据同源研制、模型驱动设计与仿真、多学科集成优化研制，在体系仿真与效能评估阶段，建立多层级的迭代性设计与仿真验证模式，实现天地一体化体系架构与效能最优；在需求分析阶段，建立需求模型对用户需求进行分解、仿真验证，确保技术指标的准确性；在方案设计阶段，总体与分系统、单机单位建立功能模型、逻辑模型及产品模型等，对产品的功能、性能、物理特性等进行全面仿真，以研制技术流程为牵引，驱动信息交互和数据打通，使得产品在实际制造、装配及试验之前通过数字样机的充分虚拟验证，减少对实物样机的依赖，尽可能在早期发现并解决设计的错误与问题，确认系统方案设计正确性；在制造集成阶段，开展对工艺与工装的设计与仿真，确保产品制造、装配的成功率；在测试试验阶段，利用虚拟样机预先开展虚拟测试试验，确保测试试验方案满足实物验证需求。同时，利用测试试验和在轨飞行数据的积累分析对系统仿真模型进行修正完善，进一步提高系统仿真的可信度，更好地支撑后续研制工作。

4.3 建立一体化的数字化设计管理平台

开展基于模型的卫星数字化研制工作，首先要打通各专业间、上下游间的业务系统的接口，消除信息孤岛，统一卫星研制过程的数据源，并建立优化方法库，支持系统级、分系统级多专业协同仿真和多学科优化设计。因此，需要建立一体化的数字化设计管理平台[6]。通信卫星数字化协同设计包含：总体与用户间协同、总体与大系统间协同、总体与分系统及单机间的协同、总体与制造及装配单位的协同，面对上下纵横间的复杂的研制关系，建立产品全生命周期一体化设计管理平台，实现任务管理、计划进度、产品保证、产品数据、知识经验等各类管理数据的互联互通，实现全周期数字化研制与管理高度匹配一致，基本实现了通信卫星研制全流程的协同、科研生产任务计划流程一体化管控、风险预警与决策支持，构建统一的数据库、知识库，整合分散的卫星设计数据、知识、标准规范、研制经验，形成交互式的知识智能推送，确保产品研制过程规范、可控。

4.4 基于模型的数字化研制工作实践

通信卫星的数字化研制实施是由单机、分系统到系统多专业协同，由某一研制阶段到全流程贯通，由基于经验的制造向基于知识的智造逐步转型升级的过程。

a. 形成多专业协同工作机制。通信卫星在结构分系统及总体总装中全面开展基于三维数字化模型协同研制，建立了三维数字化模型库和标准规范体系，一套数字化模型代替了传统几十套图纸，研制效率提高50%以上；数字化信息流、数字化能源流、数字化测试模式全面在型号协同研制中推广应用，工作效率提高60%。在此基础上，建立了机、电、热、磁等多专业数字化协同，卫星总体与用户、卫星大系统、卫星总体与分系统间的研制模式，实施同源数字化研制，进一步提升了协同工作质量。同时，积极开展基于MBSE的研制，初步建立了模型体系，制定了模型交互接口标准规范，基本形成了基于模型的多专业联合仿真与协同优化设计模式。

b. 实现全流程数据贯通。建立了一套模型交互与信息传递标准，支撑基于统一数据源开展数字化研制，立项论证阶段建立需求模型和初步功能模型，开展体系仿真与效能评估工作，确保论证方案充分满足用户需求；方案设计阶段进一步细化需求模型和功能模型，并建立逻辑模型和产品模型，通过多专业联合仿真实现整星的最优设计；制造集成阶段将产品模型与制造工艺、工装模型进行仿真验证，确保产品制造工艺、工装最优设计和可制造、可装配性；测试试验阶段将产品测试模型作为虚拟测试试验的输入，实施虚拟测试试验，验证测试试验方案的正确性和最优化；在轨管理阶段的依托各类产品模型开展任务规划仿真和故障处置预案仿真，实现卫星在轨稳定运行；同时通过在轨数据的分析，进一步完善产品模型，提升卫星的好用易用性。

c. 实施卫星智能制造模式。深入推动基于模型的卫星数字化研制的基础上，积极探索基于模型和知识的研制模式，完成了卫星研制标准与规范、手册指南、经验与禁忌、工具方法等梳理，并形成了研制知识平台，具备了知识收集、知识复用、智能推送、智能实施与分析等功能，推动卫星研制由数字化、信息化向智能制造模式转型。

5 结束语

基于MBSE的方法提供了一种以用户为中心、符合系统工程研制规律的正向研制方法，是应对大型复杂航天产品研制的大势所趋，实施基于模型的系统工程，建议做好以下方面工作：

一是建立数字化推进组织，实施流程再造工程。推行基于模型的系统工程的研制模式，需要培养一批即懂技术又懂管理且对数字化有着深入研究的“明白人”，由专业化专职队伍负责研究、实施和推广应用工作。基于模型的系统工程研制模式是从用户需求开始直到产品交付、全生命周期维修保障的正向研制模式，需对传统研制模式进行流程再造、优化，应以产业链梳理为出发点、以数字化为手段，结合科研生产的组织模式、产品特征深入研究各类产品的流程再造，实现工业化与信息化、数字化融合发展。

二是研究建立模型体系，加强对建模仿真方法研究。从产品、逻辑、流程等维度开展模型体系的研究，在产品维度，包括对体系、系统、分系统、单机等层面系统梳理数字化逻辑关系、模型需求，明确模型的颗粒度与接口关系；在逻辑维度，开展需求、功能、逻辑、产品等建模方法的研究，形成统一的建模规范；在流程维度，结合需求仿真、设计仿真、工艺仿真、测试试验仿真、运行维护等不同阶段的对模型的需求，研究建立相应的模型库。同时，从总体层面开展体系仿真与效能评估方法、系统集成优化方法等研究，从分系统层面开展能源、信息、动力、控制、热控等专业仿真方法研究，通过在体系、系统、专业几个层面联动开展基于统一的数据源的协同仿真研究，确保体系最优，系统指标分解正确合理、可实施。

三是建立与实施MBSE相配套的平台与工具。实施MBSE需健全的信息化基础设施，以协同管理平台（包括任务管理、流程管理、计划管理、质量管理等功能）、建模仿真工具集（包括体系建模、需求建模、功能建模、逻辑建模、产品建模、工艺建模、试验建模等工具）、全生命周期管理平台（包括数据管理、模型管理、知识管理等功能）、基础数据库为支撑，加强制造技术、管理技术与信息化数字化技术的融合，构建基于模型的企业级的系统工程研制管理一体化平台，全面提升产品全生命周期的数字化研制能力和市场响应能力。

四是把握好试点应用与推广应用关系。MBSE方法是近年来系统工程方法与数字化技术相结合解决大型复杂产品研制的新方法，其理论方法、工具手段都在快速发展中，国内外的实践经验表明，应用MBSE方法应遵循先打好基础、再应用实施，把握先开展试点、再推广应用的原则，为了保证型号应用效果，建议选取以典型型号为试点，同时及时总结试点经验，待成熟后逐步推广到其他型号、产品，最终形成基于模型的系统工程研制模式，全面提升产品研制能力和水平，提高产品的综合竞争力和效益。

1 陈绍文. 由数字制造引发对精益的再思考[J]. 航空制造技术，2014(4)：58～61

2 陈海东. 航天数字化应用技术的发展与趋势[J]. 导弹与航天运载技术，2008(3)：1～4

3 肖肖. 运载火箭数字化研制技术的现状与趋势[J]. 导弹与航天运载技术，2014(5)：34～38

4 韩凤宇. 基于模型的系统工程在航天器研制中的研究与实践[J]. 航天器工程，2014(6)：119～125

5 王礼恒. 中国航天系统工程[J]. 航天工业管理，2008(10)：60～64

6 安士亚太. 基于精益研发的飞机综合设计平台[J]. 航空制造技术，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

蒋小勇（1981），高级工程师，宇航制造工程专业；研究方向：系统工程与项目管理、数字化研制管理。

2017-09-04