空间站结构数字化协同设计中的计划管理

张 帅林星翰

(1.北京空间飞行器总体设计部,北京100094；2.北京医学院附属中学,北京100191)

1 引言

基于模型定义(Model-Based Definition,MBD)的数字化协同设计技术广泛应用于我国空间站结构的研制中,基于传统二维图纸的研制模式正在向基于三维数字化模型的研制模式转变[1-2]。传统的研制管理模式已无法胜任诸如空间站这种研制周期紧张、协作范围广、结构难度大的超大型复杂航天器工程任务的进度需求。因此,开展空间站结构数字化协同设计中的计划管理研究具有重要意义。

我国空间站结构研制首次采用全数字化协同设计的模式,国内卫星的数字化协同已深入应用[3],但并未提及如何进行计划管控。载人航天器的数字化协同仅有局部案例的尝试经验[4],对结构协同设计管理并未深入探讨。这些研究对于解决我国空间站结构数字化协同设计中的计划管理具有一定的借鉴意义。而对于国外数字化协同设计的计划管理经验,特别是针对诸如空间站的复杂载人航天器,尚未见到公开发表的文献。

传统的航天器结构研制计划管理模式是基于二维图纸和文档的管理[5-6],当前我国空间站的数字化协同研制进程中主要存在3个方面的不足：①传统对二维图纸和文档的计划管理方式,难以及时把握模型设计的中间设计环节和上下游间设计状态变化、更改与落实,往往由于设计输入的更改造成计划延误的情况；②传统的二维结构研制计划评估机制难以准确地估算各模型设计工作量,使得项目初期制定的研制计划与实际执行偏差较大；③传统的调度集同协调会的方式虽能解决主要问题,但人力物力投入高,且信息传递和转化效率低。

本文针对上述问题,基于对空间站数字化结构协同设计特点的分析,提出一种适用于三维数字化协同设计、技术流程逐层解耦的管理方法,建立一套基于模糊统计和平衡线调度原理的三维模型投产计划评估机制,并优化沟通管理模式,从而高效完成空间站结构三维协同设计任务。

2 空间站数字化协同设计的特点

空间站三维协同设计采用的是自顶而下的方式进行,结构模型架构采用4层模型架构,即构型层、舱段层、表达层和设计层。总体模型也采用类似的4层模型体系,各层级与结构模型一一对应。某舱体的三维设计模型架构层次及信息交互过程如图1所示,图中的箭头表示三维协同各模型层级的信息交互过程。

图1 三维协同设计模型架构层次及信息交互Fig.1 Model architecture and information interaction based on 3D collaborative design

结构通过引入总体构型层的已发布的几何信息形成构型层模型,然后根据构型层信息和总体舱段层的大开口信息在舱段层开展结构方案设计,确定主结构参数、次结构形式及其结构参数。表达层是结构协同设计的核心层,根据结构舱段层发布的几何信息和总体布局层发布的几何信息在该层开展详细结构设计。第4层设计层模型则是表达各零部件的详细设计信息及下发到生产厂家的生产信息,是面向制造的模型。

各层级间交互的信息主要分为总体对结构的输入信息、结构对总体的输出信息和结构内部的接口信息,以及面向生产的制造信息。可以看出,空间站数字化协同设计的特点是自顶向下的设计过程,各层级间模型架构清晰,协同设计过程的核心是各层级间的信息交互。因此,如何有效控制设计双方信息交互效率和正确性是确保高效完成数字协同任务的关键所在。

3 基于技术流程逐层解耦的管理方法

传统的文档式结构设计都是总体输入到位后,才展开航天器整器结构设计及力学分析,总体可能根据结构初步设计结果会更改输入。当出现这种迭代设计时,设计过程需重新开始,结构设计师根据更改后的输入再进行新一轮详细设计。当设计得到确认后,再集中将图纸下发到生产厂家开始投产,如图2所示。

在上述过程中,信息接收和转化效率低,局部更改周期冗长,与缩短研制周期的航天发展趋势不相适应。为有效提高研制效率、缩短设计周期,计划管控首先从设计流程入手,将结构与总装之间的迭代设计过程划分为4个阶段,并对每个阶段的设计变量进行固化和控制,特别是在划分舱段层和表达层内容时,将信息分层次解耦。以三维模型作为信息载体,确保各阶段间不发生耦合,使各部组件、零部件相互间解耦,从而实现串行向并行研制的转变。这样就可以确保设计迭代只发生在表达层,设计师仅针对需更改的局部零件重新进行详细设计。当设计得到确认后,将设计层模型下发到生产厂家进行投产。这种优化后的结构三维协同设计流程如图3所示。

图2 传统的航天器结构设计流程Fig.2 Traditionalspacecraftstructuraldesign process

图3 优化后的航天器结构三维协同设计流程Fig.3 Optimized spacecraft structural design process based on 3D collaborative design

由图3可见,当设计层的单个零部件(如结构框、壁板、舱内仪器板和梁系等)的结构设计发生变化时,仅需在表达层调整输入和局部更改设计,不会影响到舱段层模型的整体接口状态。各零部件的设计在时空上是彼此独立的。这样,只要某个零部件状态确定,就可以安排设计投产,从而实现零部件的动态并行设计。因此,通过对技术流程的逐层解耦,局部的更改不会影响其它结构的设计和投产,提升了研制效率。

4 三维模型投产计划评估模型

当进入表达层开始结构模型的详细设计时,需要建立1套有效的计划评估机制,能够准确估算各模型设计的工作量,能够准确和高效地衔接设计部门与生产厂家的计划,这对空间站这样的大型复杂载人航天器结构研制显得尤为重要。

在三维协同设计初期,根据模型复杂程度和设计人员的经验,依据模糊统计原理[7-8]对各类结构模型设计工作量的实际取样,得到不同结构类型模型的设计工作完成时间及难度系数,如表1所示。表中D0表示基准模型的难度因子,α0为基准模型设计的典型工作量。

表1 不同结构类型模型的设计工作完成时间及难度系数Table 1 Production cycles and difficulty coefficients for model design with different structure types

取仪器板(结构板)完成时间作为计划评估的基准模型,设D0=1,对应的α0=5,其它结构类型模型根据工作量评估的大小,分别量化得到不同的难度系数。

在制定结构投产计划时,由于各零部件的技术状态已经确定,可将每个结构模型的详细设计的管理过程近似为重复性的模块化管理。假设某个模型的计划完成时间为G,则依据平衡线调度原理得到不同模型的计划评估模型[9-12]为式(1)。

式中,D为难度因子,表示不同模型的难度系数。β为设计过程本身消耗的时间(β≥0,一般取0.5的倍数),与设计工具、初始建模、基线控制、协同迭代等因素相关,对于成熟的模型设计,该部分时间可忽略不计。

根据工程项目的学习效应[13-14]对进度的影响,认为某个零部件的更改设计由于个人设计经验的增加和设计工具的改进,该模型设计所需要的时间会随着设计次数的增加而逐步减少。因此,对于更改模型或相似度很高的模型,其评估模型可近似变形为式(2)。

其中,A为模型累计设计次数,n为学习系数(n≤0)。 当A=1,n=0时,G1=G,表示该模型首次设计所需要的典型设计工作完成时间。当学习效应一定时,同一模型更改次数越多,模型设计所需要的时间越短。

当空间站下达结构投产任务时,首先由图3的表达层分析识别出投产结构的种类(如结构框、壁板、舱内仪器板、舱内梁系等),从表1中根据各模型的复杂程度确定不同结构的难度因子D的系数,然后将式(1)带入式(2)中,由式(2)得到不同类型结构的设计工作完成时间,再根据不同投产结构的数量,求和得到投产任务的总工作量。最后,根据当前型号任务需求的紧迫性和计划节点,动态均衡地调配设计人员投入,制定出有效准确的投产计划。当计划出现较大偏差时,根据剩余工作量可以短时间内加大设计人员投入,确保按期完成任务。

5 基于模型层次化的信息沟通模式

为合理调配资源,确保研制进度的有效实施,在三维协同初期就开始调整信息交互双方的沟通模式。根据空间站三维协同设计的特点,将结构与总体之间的三维协同按照构型层、舱段层、表达层和设计层4个层次逐层展开。首先,从顶层接口协同开始就约定以模型控制文件的形式明确和规范各层次结构设计输入信息的表达方式、参数类型和变化范围等。其次,设计输入信息以层次化的形式从4个阶段逐层分解协同,从系统、分系统、部组件、零部件自顶向下的逐级传递。最后,在表达层,针对不能短期落实设计输入的局部结构,逐层解耦后纳入专项风险管理,待输入明确及时落实设计任务。

这种基于模型层次化的沟通模式具有目标明确、层次清晰和迭代可控的特点。这种沟通模式一方面使原有形式自由、无统一标准的协同方式转变成分层次的、可量化的、精细化的信息传递协同方式,减少了调度会式协同,从而降低了人力、物力的过多投入,使有限资源更多地投入到设计重点、难点中去；另一方面避免了在设计输入条件反复更改以及输入不及时、不能一次到位带来的设计被动,而是形成主动控制,及时调整输入变化而带来的结构设计变化和风险,提高了整个结构设计的信息转化效率。

6 应用案例

与载人飞船和天宫一号相比,空间站结构研制周期相对缩短了30%以上,对型号研制进度起到重大促进作用。载人飞船和天宫一号结构均采用传统的二维设计研制模式,其研制周期为8个月,而空间站结构的研制工作量约为载人飞船和天宫一号的3倍。空间站的天和一号、问天和梦天3个航天器的结构研制分别历时1年零6个月、1年零2个月和1年零4个月,采用上述空间站结构数字化协同设计中的计划管理方式,大大短于研制周期的预期。载人飞船和天宫一号结构研制持续投入设计人员15人,而空间站天和一号结构研制动态调配设计人员11人,人员减少4人；问天和梦天结构三维协同设计借鉴天和一号的研制经验,不断优化和提升协同效率,分别动态投入7.5人就完成了全研制任务,其人力资源较天和一号又释放了近1/3。

7 结论

1)所提出和实施的基于技术流程逐层解耦的管理方法,可全面掌握结构各零部件的动态设计过程,实现对结构研制的全过程管理,有效地控制和缩短设计周期。

2)建立的三维模型投产计划评估机制,在面向生产模型下发到生产厂家任务分解时,根据计划评估方法得到不同类型结构的投产周期,合理调配人力资源投入,使得项目初期制定的研制计划与实际执行高度匹配。

3)优化的沟通管理模式,从顶层接口协同开始分层次规范和约束设计输入,主动识别输入变化而带来的结构设计变化和风险,及时解决了因输入条件反复和更改带来的设计变化。

4)所提出的结构数字化协同设计的计划管理方法已在空间站的结构研制中得到全面验证和实践。空间站结构与我国载人飞船和天宫一号相比,其研制周期相对缩短了30%左右,人力资源释放了近1/3,对复杂航天器结构数字化协同设计管理提供了良好的借鉴。