基于模型和数据驱动的系统工程是航天企业数字化转型的必由之路

◎中国运载火箭技术研究院 张旭 李坤远

一、引言

目前航天企业两化融合程度不深，还不能有效支撑科研生产和综合管理高质量高效率运行。信息化在协同设计、试验仿真、智能制造等方面的支撑力度还较弱。在此背景下，对国外现代企业质量保证、工程数字化管理等技术进行了深入调研，国外装备研制企业在由传统的基于文档、基于静态设计的研制管理模式向基于模型、基于数据驱动的研制管理模式转型的实践经验，以及支撑研制全流程的数字化、专业化的测试系统极具借鉴和应用价值。

为满足项目研制的迫切需求，航天企业提出设计、制造一体化的产品研制模式，将厂所分离的串行研制向并行研制转变，合理运用协同管理，让制造提前介入设计，及时知悉设计意图，甚至直接参与设计，打通了上、下游信息沟通链条，有效减少了设计与制造反复迭代，设计、制造“互不买账、互相埋怨”等问题，形成了以研制项目为依托的协同管理模式，同时在面向制造的三维建模、三维图纸到现场等信息化技术领域也积累了较为丰富的经验，但这只是基于几何模

型的三维数字化实践，而基于性能样机的、面向模型和数据驱动的工程研制管理以及系统化测试流程是航天企业项目研制领域的洼地。

二、航天企业研制模式变革趋势分析

基于近些年的工作实践和基于模型的系统工程发展趋势，我们认为，航天企业研制模式变革有以下发展趋势。

（一）网络化支撑、数字化研制和信息化管理的技术升级和模式转型是提升项目产品精细化设计的重要途径和有效手段

通过网络化、信息化和数字化手段将基于模型的系统工程（MBSE）理念和方法应用到产品的研制需求、设计方案、详细设计、制造工艺以及性能评价等全生命周期。以产品数字化模型为基础，以需求工程作为研制牵引，通过对需求、方案、产品、工艺、试验等环节的模型不断迭代验证，使产品在正式投产前能够得到充分的验证，将设计缺陷尽可能多的在早期暴露和消除。实现MBSE方法与航天项目研制模式的融合，需要项目研制各环节采用标准化建模工具，将研制需求、系统架构、性能指标、工艺过程等以模型进行表达，形成需求分析、系统方案论证、产品详细设计、制造工艺设计、试验测试评估等各研制环节所需的模型体系，构建各环节之间的模型关联与转化关系，形成产品全生命周期内的设计信息/数据的一致性传递。

信息与数据的一致性传递与追溯是高质量开展项目产品精细化设计的基础，其核心是将模型和数据应用于产品研制全生命周期，实现模型定义系统、数据驱动流程、知识保证质量。通过网络化、数字化、信息化、标准化实现产品研制的技术升级，对航天产品过程监控、结果预示、质量评价、故障定位、优化改进和管理决策等环节具有重要意义。因此，基于模型的系统工程和流程再造是深度推进信息化、数字化工程的基础和前提，也是优化科研生产流程、有效实施流程岗位标准化的基础，同时还是实现并行工程、提高研制效率的有效手段。

（二）将标准、规范、知识等嵌入到基于模型的研制流程是实现管理升级的重要方法和有效措施

标准、规范和知识对产品质量管控至关重要，而基于模型和数据来实现标准、规范和知识嵌入流程并用信息化手段固化，通过强化执行和持续改进是实现质量管理能力升级的未来发展趋势。

基于文档传递的传统研制模式与基于模型的数字化研制模式有较大差异。以某火箭飞行失利为例，在故障分析过程中，暴露出的关键环节质量数据缺失、大量数据未实现电子化等问题，产品数据在其生命周期内不连续，导致无法通过“用数据说话”的方式来解决产品质量的问题。产品设计环节的主要产出物为标准化模型，传统的任务书、图纸的设计流程驱动方式被模型驱动所替代，过程质量控制的对象从传统面向文档、图纸、实物产品，转向面向模型和实物产品。通过在统一的平台架构下实现对产品数据全生命周期管控，其产品模型体系随着产品生命周期不断推演和完善，在模型体系形成过程中，通过数据的映射来建立模型之间的关联，从而形成模型之间的相互驱动，通过模型和数据实现质量管控的闭环。

目前，项目研制过程存在标准、规范与流程的结合不充分的问题，工作效率不高、有效性不强。由于缺乏数据的连续积累，当前的质量管理还存在经验式管理的情况，质量数据的管理更多是片段式的，如何将经验变为知识，基于信息化手段实现单一数据源的质量可靠性数据采集、分析是关键，有必要开展质量数据采集、存储、管理的标准化研究，建立模型库、数据库和知识库，实现基于模型的关键特性识别、分解、传递、验证链条，实现基于数据的产品质量可靠性评价和单位质量管理绩效评价。

（三）基于模型的系统集成测试模式是实现一体化集成测试的全新理念和方法

在集成测试领域针对MBSE的V字模型的各个环节，建立完整的、统一的、协调的数字化工具体系，实现数据和模型在统一平台下的数据驱动和仿真测试。基于模型的系统研发环境设计技术有效实现由传统的研发流程向基于模型的通用研发测试平台的转变，其核心因素在于将测试流程各层级的需求确认均基于模型实现。在开展集成测试前能够通过数字化软件平台对测试方案、测试流程和测试设备的功能性进行全面验证，同时各类测试设备可以以数字模拟和实物接入的方式开展实际测试前的虚拟测试，这样可以提前暴露和有效规避实际测试过程中的风险。因此基于模型的系统集成测试模式具有很好的借鉴意义，后续可以考虑开展自主可控的基于模型的系统集成测试技术和平台的研究。

三、体系化推动基于模型的系统工程助力航天研制模式转型

体系化推动基于模型的系统工程是实现航天研制模式转型的有效举措。基于MBSE的项目研制模式转型是“一把手”工程，要在企业的统一指导下，采取项目牵引、统一推进的策略，制定切实可行的实施路线，从组织建设、理论与方法导入、项目应用和知识体系建设等方面体系化推进。

（一）建立统一协调机制与支撑机构

MBSE方法在项目全生命周期的贯穿应用，将涉及企业下属多个设计生产厂所，需要建立统一的协调机制来部署推进，需要专门的支撑机构实施推动，集中力量研究标准化模型体系和数字化研发流程规范，推动形成代表知识积累的数字化模型资产库，推动厂所间基于模型的数字化协同设计及制造的协调发展。

（二）开展体系化的MBSE理论与方法导入

企业要推动MBSE的方法研究和应用。一方面需要体系化的推进理论与方法导入，对总体、分系统等不同专业的设计人员和项目管理人员进行系统培训，掌握MBSE方法，并将其运用至项目研制过程中；另一方面，有必要与国内外该领域的知名咨询公司或团队联合，共同探索企业基于模型的系统工程研发模式转型策略与解决方案，充分学习国内外复杂系统工程数字化研制案例，通过与专业团队的长期合作不断提升试点项目的整体数字化研发能力，使得试点项目的技术队伍掌握基于MBSE的研发模式落地实施方法。

（三）项目应用与知识体系升级

基于模型的系统工程方法落地应用，必然对现有研制模式产生冲击和影响，将发生设计流程变化、工作界面重新界定等众多难以预先克服或避免的问题。因此，应采取试点应用，由点及面的推广应用模式，选择典型项目或分系统，开展基于MBSE的项目研制模式应用论证。先期可选择预研背景项目开展试点应用验证，提炼并掌握研制需求、系统方案、详细设计、工艺及制造、测试试验的模型标准与建模方法，逐步提炼形成应用模式、流程及标准规范，推动知识体系升级，为MBSE技术体系向其他项目和企业推广应用奠定基础。

四、结束语

建设数字航天，推动基于模型和数据驱动的系统工程是航天企业数字化转型的必由之路。信息化、数字化手段对于实现高质量地保成功、高效率地完成任务、高效益地推进航天强国建设具有重要推动作用。