航天工程多态全息模型及应用

2019-06-05刘继忠裴照宇于国斌庞涪川卢亮亮杨瑞洪

宇航学报 2019年5期

刘继忠，裴照宇，于国斌，康焱,2，王倩，庞涪川，卢亮亮，杨瑞洪

(1.国家国防科技工业局探月与航天工程中心，北京 100190；2.中国空间技术研究院载人航天总体部，北京 100094)

0 引言

以月球探测为代表的航天工程是一个集需求分析、总体设计、产品研制、试验测试、在轨探测于一体的复杂系统工程，具有产品耦合关系紧密、逐层分级分解与集成、过程数据量大且数据源各异、多种状态并行等特点[1-2]，如图1所示。如何解决需求、设计、研制、在轨等全生命周期模型的完备性、可追溯性和演化问题，机、电、热、磁、软等多学科间的数据融合问题，以及数据/模型的产生和演化中的关联性和有效性等数据关系问题，确保技术状态有效可控已成为制约我国航天工程高效发展的一个突出问题。迫切需要从工程全局出发，建立面向全生命周期、全系统的完整全息模型及其动态衍化关系和传递共享机制。

图1 航天工程研制模式和特点Fig.1 The model and characteristics of the space engineering

产品模型的发展经历了从简单到复杂、从单一到全局、从静态到动态的过程[3-4]。马兴瑞等[5]提出针对航天器单一力学环境分析的高精度有限元建模和模型修正技术；舒启林等[6]采用系统演化的思想，提出了产品全生命周期信息模型框架，将各阶段的产品模型有机集成起来；黄双喜等[7]提出了集成化的产品生命周期体系，从生命周期维、视图模型维和应用领域维对产品生命周期模型的建模方法做了描述；袁家军[8]从系统工程的角度出发，提出了航天工程管理要素体系；杨军等[9]提出了数字航天的概念，基于统一的数据模型，实现运载火箭电器系统的集成化设计；王宗彦等[10]从产品全生命周期的角度出发，提出了动态全息模型的概念，使产品各设计阶段的各类不同信息进行动态交互，保证模型能够全面、动态地反映产品的结构特性与设计过程。这些模型体系直接应用到航天工程中时仍存在一些问题，主要表现为：不能完全满足航天工程对数据信息的全面性要求，尤其缺少结构化的电性能、指令参数、飞行方案等信息；不能完全满足航天工程动态信息在集成和逻辑两个维度的时序化要求，缺少支持航天工程以技术流程和飞行程序为主线的地面和在轨的过程管理；不能完全满足航天工程研制模式中逐层分级分解与集成的要求。

本文提出了一种面向航天工程全生命周期、全系统的多态全息模型，实现了包含全要素信息的完整产品数字化定义，并以此为载体，开发了设计系统，并开展了工程型号实践。

1 航天工程数据体系和多态全息模型

结合我国航天工程的研制模式、研制流程和研制特点，按照系统工程方法论中的霍尔三维结构，以静态的产品结构、动态的产品技术流程和数字化产品保证体系作为三个维度，提出了如图2所示航天工程数据体系，该体系横向覆盖航天工程的全生命周期，纵向包括了以组成航天工程的五大系统(探测器系统、运载火箭系统、测控通信系统、发射场系统、地面应用系统)为核心的全系统和全要素。

以该数据体系为基础，用于描述航天工程全周期和全系统的定义数据、研制状态，以及应用环境定义数据的模型称为航天工程多态全息模型，具体包括静态的需求模型、功能模型和集成模型以及动态的时序模型、逻辑模型、工艺模型和实做模型，各类模型的定义和说明如表1所示。该模型将作为唯一的产品定义，承载了航天工程传递到下游生产活动和在轨探测所需的全部信息，可服务于从设计到工艺、到制造、到总装、到检验、到在轨的全生命周期。

在航天工程多态全息模型中，需求模型是开展工程详细设计、产品研制和在轨探测的设计输入和目标。

需求模型和功能模型从功能维度组织数据，其模型的框架体系基本一致，现以功能模型为例介绍。功能模型的三级体系结构分为任务层、系统层、功能层，如图2所示。各层通过参数与模型集、子对象类型集和子对象集三部分组织与其相关的配套及特性信息。功能层以功能分解出来的单机设备为对象组织数据。单机设备及子对象产品是系统功能分解的最小单元。单机设备下的子对象类型层可依据学科类型分为机械子对象、电路子对象、热控子对象等；子对象层以子对象产品为单位组织数据，如机械子对象下的子对象包括代号为QJ2582 M4x12的紧固件产品和代号为TGB310-RGA1的管接头产品，如图3所示。图4是在某型号中形成的具体的功能模型示例。

集成模型以三维模型为载体，以三维空间为维度组织数据，其中，舱段层一般以三维模型体系为数据组织的基础，把产品研制过程中机、电、热等各类关系信息都附着在产品的三维模型中，实现模型和数据的关联。安装关系层同时表达产品的安装位置关系和装配关系，由次结构层和单机设备层两部分组成；电缆连接关系层同时表达集成设计中的电缆配套信息和单机设备间的电连接关系，由电缆类型层、电缆产品层和单机设备电连接器层三部分组成，如低频电缆下有代号为TZWZ1_1的低频电缆，代号为TZWZ1_1的低频电缆把单机设备TZB405通过电连接器X1与单机设备TZB401的电连接器X4连接在一起，实现指令和参数的传递；管路连接关系层同时表达集成设计中的管路系统配套信息和单机设备的管路连接关系，由管路类型层、管路组件产品层和单机设备管接头层三部分组成。

图2 航天工程全周期数据体系Fig.2 A data system covering the whole period of space engineering

表1 航天工程多态全息模型组成Table 1 The composition of space engineering multi-state holographic model

图3 功能维度的功能模型和空间维度的集成模型的数据结构和数据关系Fig.3 The data structure and data relations of functional model and integration model

图4 功能模型包含的信息要素示例Fig.4 Examples of information elements contained in functional models

时序模型和逻辑模型以时间为维度组织数据信息，分别是两类静态模型(集成模型和功能模型)在全生命周期任务剖面的实例化。工艺模型和实做模型与时序模型和逻辑模型一一对应。

2 航天工程全周期模型体系及演化过程

在航天工程研制过程中，产品的功能、性能以及物理产品的形成是一个从无到有、由粗到细的迭代演化过程。研制技术流程和飞行序列是这种迭代和演化过程的主线，是航天工程过程精细化管理和质量控制的重要手段，从数字化的角度看，是功能模型和集成模型在时间维度的时序化和实例化过程。因此，航天工程全周期模型也是一个以技术流程或飞行序列为主线，逐步成熟与演进的过程，可构建如图5所示的模型体系与该研制模式相匹配。

在图6的全周期多态全息模型体系中，形成的航天工程自顶向下的全周期信息要素关系，体系化地表达了航天工程在任务层、系统层和功能层各类数据的产生和演化过程，以及相互之间的耦合关系和随研过程递进的螺旋式迭代关系，为工程任务不同阶段、不同单位、不同现场、不同状态的模型构建了统一的体系和集成环境。图5具体给出了探测器集成模型在研制技术流程“着陆舱总装”任务剖面时的两实例化模型：时序模型和实作模型，其中，编号为T_B10的时序模型中给出了该任务剖面对单机设备TZB405的安装状态要求，包括：要求临时安装结构热控件、紧固件拧紧力矩、涂MS胶等具体设计要求；与之对应的编号为AS_B10的实做模型表达了物理产品在该时刻的真实物理状态。

图5 航天工程全周期多态全息模型体系Fig.5 The space engineering multi-state holographic model system

图6 模型间的数据演化关系示例Fig.6 Examples of data evolution relationships between models

3 航天工程多态全息模型集成系统

航天工程大总体协同系统(Space engineering overall collaboration system，SPOCS)以统一的数据标准和本文提出的航天工程全周期多态全息模型体系为基础，采用面向服务架构(Service oriented architecture，SOA)，构建了航天工程领域统一的业务流程、统一的数据源、统一的接口和航天工程多态全息模型的统一集成环境。

SPOCS提供了三种基本接口类型，包括：同构系统的多站点协同接口、异构系统的Web Services接口和脱机数据导入导出接口。异构系统信息传递具体采用中间数据表和SFTP传文件的方式，中间数据包由数据规格描述文件等六部分组成。不联网的域外系统通过脱机数据包进行集同，通过统一的脱机版数据采集系统实现脱机模型的导入、导出和版本控制。

SPOCS已应用在某航天型号。它以全周期多态全息模型为载体，初步形成了初样阶段架构驱动的协同仿真模式和正样阶段数据驱动的产品状态管理模式，实现了该型号全系统和全要素从需求定义、指标分解、总体设计、产品实现到在轨探测等全过程不同数据源间和同一数据源内部数据的元数据信息及演化关系，确保了数据的唯一性、有效性、关联性、可追溯性、完备性和可持续性，图7为产品物理参数(集成模型)、逻辑参数(逻辑模型)和电性能参数(功能模型)的数据关系；形成全周期完整的总体需求、功能、指标和要求的分解、传递、分配、跟踪和闭环追溯，实现了从最初需求到最终交付产品的全过程闭环管理，图8为基于即时实做模型形成的型号现场技术状态管理示例。

4 结论

本文提出的面向航天工程的多态全息模型完善了现有模型中结构化技术流程信息、飞行方案、FPGA以及指令参数等电性能信息的缺失，实现了包含全要素信息的完整产品数字化定义；针对我国航天工程研制模式和特点，形成了航天工程全周期模型体系和要素关系，体系化地表达了多态全息模型在任务层、系统层和功能层随时间的动态演化过程，以及相互耦合关系；开发的航天工程大总体协同系统为航天工程多态全息模型提供了统一集成环境，可用于追踪全系统和全要素从需求定义、指标分解、总体设计、产品实现到在轨探测等全过程不同数据源间和同一数据源内部数据的元数据信息及演化关系，提升了研制效率效益。后续通过在型号中的全面应用，将进一步深化以多态全息模型为载体，形成的架构驱动的协同研制方法和数据驱动的产品状态管理方法。