航天器信息流数字化协同设计方法

郭坚 李瑞军 范延芳 史向东

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

随着航天技术的不断发展和经验的积累，航天器研制手段不断丰富，航天器系统功能、逻辑、信息流、软件协议、接口越来越复杂，传统手工撰写、公文传递或者各分系统研制单位按实现流程串行完成整星设计、制造、验证的研制模式不但造成大量重复工作，且存在严重的信息传递二义性问题，越来越不能满足现代化工业制造对高可靠、高效率、高集成度的需求。

利用网络资源，实施跨平台、跨地域、多方协同的航天器产品研制模式能够快速验证航天产品的有效性和可靠性，支持产品设计、研制、验证的并行实施，已成为当代航天器研制的趋势[1-4]。航天器机械、热、电气接口设计数字化平台接口数据表单(IDS)历经近10年发展，从以往手工独立设计，到采用专用软件工具独立开发设计，终于利用网络资源初步实现多方协同设计的目标。

信息流设计是航天器总体设计的重要组成之一，是一项涉及多学科、多领域、多单位、跨地域融合的系统工程，研制过程对产品全局状态的掌控具有极高要求[5]。国内、外均陆续开展了相关标准研究，其中比较权威的有空间数据系统咨询委员会(CCSDS)提出的星载接口服务电子数据表单(SOIS Electronic Data Sheets，SEDS)协议和基于XML的遥测遥控交互接口(XML Telemetric and Command Exchange，XTCE)协议，前者着重描述星载信息流的数据交互接口定义，后者着重描述星地之间信息流数据交互接口定义，本文在信息流建模过程中极大程度的借鉴了二标准定义的规范。

本文结合已在机械设计领域得到广泛研究和应用的基于模型的系统工程(MBSE)实施方法[6-7]，提出了适用于我国航天器信息流研制流程的基于网络协同的信息流数字化设计方法，即信息流协同设计模式。该设计模式不但基于国内、外同行业设计标准实现，而且通过统一数据源，确保网络数据安全，明确定义航天器研制各方职、权、责等方法，实现了信息流设计关键环节的专业需求和管理需求融合。在设计模式实现层面，将上述知识和经验固化在网络协同数字化平台上，并尝试为多领域、多型号的航天器信息流研制任务提供服务。

1 星载网络协同信息流数字化设计平台方法

1.1 星载网络协同信息流数字化设计平台需求分解

网络协同信息流数字化设计平台(EDS)为航天器信息流设计、仿真验证提供信息采集、格式化、永久化、共享、变更管理等功能，同时为信息设计、仿真数据产品提供第三方应用接口，包括航天器软件研制、地面测试和在轨运行提供数据及对外接口等。结合航天器研制流程，在平台系统规划中根据从全局规划到细节分析、从整星研制流程到单机开发时机的确认，逐层剖析，需要依次解决以下问题。

(1)明确与已有在用IDS系统的使用流程关系和数据流转关系。

(2)采用结构化数据描述模型表示所有单机、软件、分系统、整星的信息流设计和应用；抽象出航天器信息流协议通用化描述标准，采用统一标准采集、传递、更新、下发使用相关数据；通过网络协同信息流数字化设计平台，单机、软件、分系统、总体多方开展协同设计，能够根据平台权限管理规定，实现设计信息网络共享，减少点对点的单方设计协调，提高生产研制效率。

(3)航天器建造过程中所有信息流设计迭代数据按版本保存，设计产品更动自动推送利益相关方，依赖数据之间具备自动关联、版本比对、合法性校验等，支持自动生成符合软件能力成熟度模型(CMM)软件工程化标准的文档，支持自动生成基于XML语言的信息流交互接口文件。

(4)支持航天器产品研制全生命周期的可视化监督和信息流、数据产品版本追溯功能。

(5)除满足航天器建造环节的需求外，基于网络的信息流协同设计平台生成的设计数据交互接口文件应满足整星组装测试和在轨运维需求[8]。

(6)EDS将支持航天器信息流仿真验证提供实施，面向信息流仿真、体系效能仿真等仿真的需求，提供相关的接口模型、数据结构和解析处理方法等星上的真实信息流模型，为信息流设计提供可行性分析和可靠性评估。

1.2 跨网络协同方案

为了实现跨网络多方协同工作，即实现多地、多角色、多权限、多任务的协同和控制，需要针对系统权限管理、数据共享管理、仿真验证应用管理和第三方服务管理等，提出合理化解决方案，跨网络协同设计平台系统架构如图1所示。

图1 跨网络协同设计平台系统架构Fig.1 System structure of cross-network collaborative design

结合航天器建造工程实践的权限管理设计：明确基于网络协同设计过程中单机、软件、分系统、总体、整星、飞控等各系统人员在平台中应担任的角色、职责、权限；明确各方介入时机，对各利益相关方的依赖关系给出指导性意见，促使产品质量控制前移。

实现跨网络数据共享，根据本行业特点，针对部分参与设计单位由于网络物理隔离造成无法在线设计的问题，设计了“两级协同工作机制”。针对在线用户，提供基于网络服务的数字化信息流设计、管理平台，提供协同设计服务，其使用场景示意如图2所示，针对网络物理断开的用户，提供离线信息流协同设计工具，允许其离线完成信息流设计工作，并依据航天器建造规范和流程，将设计结果融合到在线系统中。但审批流程仅允许通过在线工具实现，在解决平台使用各方基础设施条件不一致，物理链路不畅通的问题的同时，确保了所收集信息的有效性和完整性。

图2 信息流系统设计工作机制示意图Fig.2 Illustration of information flow system design working mechanism

仿真验证应用管理和第三方服务管理通过对第三方程序模块提供数据交互接口实现。该数据交互接口依据1.3节创建的信息流数字化模型定义。

1.3 基于EDS的星载信息流数字化建模

信息流是具有规定流动方向和格式的信息从信源向信宿传递的过程[9]。实现基于网络的信息流协同设计，基于网络的信息流数字化设计平台支持外仅仅提供了一个手段，其核心是需要通过标准化建模实现航天器信息流的准确、完整、可灵活扩展的描述。建模的步骤是：先自顶向下的分解各领域型号信息流设计需求，再自下向上的形成信息流采集、处理、组织、转发产品模块的领域模型。建模过程中需紧密结合型号应用场景，确保所建模型确实满足完整、准确表达信息流设计需求，且描述简洁、高效，无二义性的目的。

信息流设计建模覆盖航天器星地、星内、星间链路层到应用层协议的所有信息，采用分层定义的方法，从最底层链路层到网路层，再到应用层，最顶层为参数描述层，逐层分解，逐项展开，每一层定义且仅定义本层信息流相关属性。基于信息流数字化模型的EDS表单描述如图3所示，EDS平台根据信息流设计模式，采用最恰当的方式获取设计数据，并将数据填入模型相应位置存储。

图3 基于信息流数字化模型的EDS表单描述Fig.3 Information flow model described by EDS data sheet

针对遥测流，除了与硬件设备接口密切相关的数据采集层定义由IDS系统实现外，其他信息流相关的设计方案及数据均由EDS平台的表单系统采集获得。EDS平台自动从IDS系统中导入硬件采集数据，包括硬件设备驱动服务类型描述，采集遥测参数的输入、输出类型、正常值范围、物理意义、单位、处理方法、校准公式等；与亚网层信息流建模相关的设计数据包括总线通信协议格式描述、数据包长度、传输周期、传输方式、通信握手协议等；与网络层和应用层信息流建模相关的设计数据包括参数位长、参数波道定义、显示要求、传输路径、传输方法、显示要求等。针对遥控流，将通过EDS平台的表单采集遥控指令从地面控制系统发出到星载计算机的路径、解析方法、转换公式、使用条件及判读准则等设计信息。

采用分层次、接口标准化的方法建模的优点在于：模型具有通用性特点，建模过程与型号、领域无关；模型的物理含义与信息流传输的网络分层概念完全一致，易于理解，涵盖全面，符合面向对象的计算机编程理念；最后，此建模方法具有可扩展性特点，符合CCSDS提出的航天器在轨业务接口业务架构(Space Onboard Interface Services,SOIS)，可实现星载设备“即插即用”的设计需求，便于后续灵活扩展航天器信息流设计的新业务模式和新应用。

1.4 网络协同信息流数字化设计平台实现

鉴于在产品的研制流程中，各环节数字化制造技术的应用程序很大程度由信息载体的形式所决定[10]，EDS将信息流模型内涵通过格式化表单的方式体现出来。设计师通过分布式填写表单将各自的信息流设计理念记录在数据库中，同时系统为设计师提供统一的设计信息管理、存储、更新、共享机制，确保所有设计师看到的设计数据都是统一的、准确的、版本明确的设计结果。

EDS系统的协同设计体现总体与分系统、分系统与单机两个维度的协同。

总体与分系统维度，支持通过中国空间技术研究院内部办公网络在线访问软件平台，平台采用面向网络切面的编程(WAOP)架构，PHP脚本语言开发，部署在Windows环境中，通过Apache服务器对外提供Web服务。平台数据采用Oracle数据库存储。平台架构采用成熟的业务逻辑、数据、界面显示分离的软件架构(MVC)，对数据、业务逻辑、界面交互进行分层隔离处理，实现了表单间的低耦合性与处理流程的高重用性。网络协同信息流研制数字化平台架构如图4所示。

图4 网络协同信息流设计数字化平台软件架构Fig.4 Software architecture of information flow design digital platform

分系统与单机维度，采用开源浏览器内核webkit与JavaScript脚本运行环境Node.js相结合的Node-Webkit技术，将在线网页封装为不依赖服务器的可执行程序，即离线工具。此方案不但解决了在线表单离线模式下打开、编辑不一致的问题，同时还解决了关联数据及其约束信息离线传递困难的问题，在保证线下设计正确性的同时，还为离线填报模式提供了与线上填报完全一致的数据关联、查找、变更提醒推送等辅助支持功能。另外，离线工具提供与在线填报完全一致的软件界面和使用模式，确保实现用户线上、线下的无差异体验，大大提升了软件平台的好用、易用效果。

2 网络协同信息流数字化设计平台的应用

中国空间技术研究院于2017年12月发布了EDS系统1.0版，并通过《系统使用说明》对网络协同信息流设计相关的术语给出了定义，明确了EDS系统信息流设计方法及范围，并明确规定以下内容。

(1)针对信息流数字建模，采用定义电子表单样式的方法体现信息流建模设计。共优化总结出20种处理公式；10余类表单和8份报告文档模板，全部在EDS系统中得以推广应用；在此应用过程中，积累了大量信息流需求分析、网络结构、软、硬件接口、数据处理方法及信息流仿真验证相关的知识和经验，为行业标准的制定提供了必要的理论依据，同时通过实践验证，确保相关建模理论的准确性和可行性。

(2)针对网络协同数字化研制方案，验证设计相关方角色、权限及人员与角色、权限之间的对应关系的正确性。

(3)针对网络协同数字化设计，为了验证协同设计工作流程、流程中关键节点的任务、时机、主要参与人员和角色等信息管理技术实现的正确性，设计过程如图5所示。

图5 信息流协同设计流程示意图Fig.5 Flow chart of information flow collaborative design

经多个实际型号的信息流协同设计实践证明，在EDS平台应用的信息流协同设计流程、关键要素、信息流组织模型，等要素符合型号研制实际情况及习惯；航天器信息流通用化模型，除了能够满足航天器建造过程中所有标准协议的设计方案描述及持久化外，还能够为整星测试和运维方提供统一的、通用的、基于国际标准XML描述语言定义的信息流数据交互接口。

对型号实践数据统计分析后证明：从航天器建造角度，采用有效的在线数据采集、变更自动推送利益相关方等互联网技术，基于网络的信息流协同设计方法确实能够显著提升信息流设计和应用效率，大幅降低人工核对信息流协议设计文档和电话协调的工作量；从航天器后期飞控、运维角度，为了便于实现跨地域、跨平台、跨部门全生命周期的协同设计和系统验证，达到设计、建造、仿真验证、运维状态统一目的，采用标准化通用计算机交互语言XML实现设计数据交互接口定义，为测试方和运维方提供整器最全面、最可靠的整器建造数据。效率提升方面，电测准备时间由传统方式约20人·日的工作量转变为采用XML格式文件导入方式约仅2人·日工作量；飞控准备时间从传统方式约20人·日的工作量转变为采用XML格式文件导入方式约仅1人·日工作量；质量提升方面，由于EDS平台提供的上述数据均已通过反复迭代的方式得到了整星建造期间各阶段测试的验证，并通过信息化网络管理技术确保了所有可用数据的有效性和真实性，因此具有更高的质量保证，降低了人工数据转换的错误风险。

3 启示与建议

为了最大程度发挥网络协同数字化信息流设计优势，未来还需要在以下几个方面开展工作。

(1)加强辅助设计，提升专业技术水平。做好与现有辅助设计工具的衔接，避免“信息孤岛”的存在，杜绝由于系统割裂而造成的重复工作，最大化的展现数字化共享的优势，例如，自主任务分析工具、信息流资源统计、分析工具、指令生成工具、指令反解工具、整星测试工具、航天器运行、维护、管理系统等。

(2)加强网络协同数字化研制系统的仿真、验证及演示能力。一方面，用于验证前期的信息流数字化设计工作的正确性，包括需求符合性和需求冲突检查，将制造风险尽可能早的暴露出来，为产品提高质量，降低成本打下坚实的基础；另一方面，用于对前期设计工作的可视化展示，例如以信息流图的方式进行动态演示和模拟，在尽可能展现产品能力的同时，使用户可以尽早的对自己的产品有直观认识和感受，降低需求沟通的成本和误差。

(3)进一步梳理、完善标准化规范和技术标准。主要包括4类规范，一是与仿真、设计、验证相关的技术标准；二是在业务领域建立起统一、系统的数据字典；三是建立信息流协同设计与其他系统交互的接口规范，对标CCSDS的SEDS标准；四是本系统在型号推广应用中的科研生产规范，通过此类规范的定义，能够实现通过科研生产标准提升信息流数字化系统在工程实践中应用的地位，达到推动信息流数字化研制模式在科研生产中广泛应用的目的。

4 结束语

本文从航天器传统研制模式面临的问题和需求出发，给出了基于EDS的网络协同数字化信息流研制模式的思路和目标，探讨了网络协同数字化系统的架构和软件实现的关键技术，对在推进数字化工作中的关键环节及实现方法做了深入分析。对EDS系统近一年在实际型号中推广、应用情况进行总结，表明：本文提出的基于网络的数字化研制模式带来了设计模式、研制模式、管理模式3个方面的转变。设计模式转变实现了从单机/ 软件、分系统、总体各方独立设计，分头交流的模式，到跨网络协同设计的模式；研制模式转变通过创建数字化信息流模型实现了用户需求描述数字化、设计方案落实数字化、研制实施、流程管控数字化，打通产品设计、生产、测试、运维全过程信息流，实现了低成本、高效率、少缺陷的网络协同大型工程产品研制平台；管理模式转变通过跨地域、跨部门制定众多航天器参与制造单位的介入时机、及其职、权、责分工的方法，实现质量控制前移，为过程监督和问题追溯提供便利。

综上所述，本文提出的基于网络协同的数字化设计方法理论与系统工程方法论要求相吻合，其在科研生产中的应用能够涵盖大部分日常生产需要，切实为航天器设计、研制和管理模式转型提供了一定的理论支撑和实践验证数据。