航天器MBSE 应用与标准化实践

范海涛 吴紫薇 张亮 刘霞

（北京空间飞行器总体设计部，北京，100094）

引言

我国航天事业经过近几十年的发展，形成了一套独具特色的航天器系统工程研制模式，有力地保障了研制任务的圆满完成。随着宇航型号研制任务迅猛增长，航天器系统的规模和复杂度不断提升，传统基于文档的系统工程越来越难以适应后续任务的需求，迫切需要建立一种新的研制模式，即以模型为载体和依据，用计算机可理解和执行的模型来描述复杂系统的设计过程，解决传统基于文档的研制模式所带来的问题，由此，基于模型的系统工程（Model-Based Systems Engineering,MBSE）理念应运而生。

国际系统工程协会（INCOSE）对MBSE 给出的定义[1-2]：“基于模型的系统工程是指通过形式化的建模手段，建立数字模型，支持系统需求分析、设计、验证和确认等活动，覆盖概念设计阶段，并持续贯穿于整个开发过程和后续的生命周期阶段”。与文档相比，由于模型在表达与处理、信息传递、早期验证、知识重用等方面具有突出的优势，因此近年来正成为系统工程界研究与应用的热点和重点，代表着系统工程的未来发展方向。与此同时，随着MBSE 应用的不断深入，与MBSE 相关的标准体系亟需建立，用于进一步指导MBSE 的实践。

以下从航天器MBSE 应用实践情况，构建航天器MBSE 标准体系，开展航天器MBSE 标准制定，对航天器MBSE 应用与标准化实践进行总结，并对后续工作的开展提出建议。

1 航天器MBSE 应用实践

为提升系统工程能力，航天五院总体设计部重点围绕MBSE 应用环境建设、语言工具培训、型号试点应用、建模方法与规范研究等4 个方面开展工作，通过建立应用环境、统一理解和认知、形成典型应用案例实践和总结方法与规范，有效提升了航天器MBSE 应用水平。

1.1 构筑MBSE 软件平台，进一步提升MBSE工程环境支撑能力

在型号应用需求的牵引下，开展了基于模型的系统设计与仿真验证（MBSE）平台规划[3]，完成了需求管理、系统设计、系统仿真验证等软件工具建设，为MBSE 在型号中的应用提供了符合航天器研制特点的高效、稳定的设计环境。

为了实现知识经验的积累和重用，在MBSE平台基础上，开展了面向系统设计的航天器元模型和基础模型库、面向系统仿真的航天器系统验证通用模型库建设，总结形成了相关的建模要求、模型库应用与管理规范等成果，为支撑载人、深空探测等领域型号的仿真验证奠定了基础。

1.2 组织MBSE 培训，进一步提升设计师的MBSE 理解和认知能力

为推进MBSE 工程应用，通过线上、线下等多种途径举办了“MBSE 语言方法工具系列培训”。所有试点型号的骨干人员均参加了培训，并发布了网上在线学习课程。设计师可利用空闲时间进行学习，通过培训，从概念、语言、方法、工具等方面统一了设计师的理解和认识。

同时，为了提升设计师的软件操作水平，自2019 年开始连续举办了3 届“逐梦杯”MBSE 建模大赛，目的是培养“具有系统思维、懂得两种语言、掌握两类工具、具备系统设计与仿真验证能力”的下一代系统工程师。建模大赛的成功举办，有效提升了设计师的软件操作水平，强化了系统设计与仿真验证能力，营造了推行MBSE 的良好氛围和企业文化，取得了较好地效果。

1.3 推动试点应用，进一步提升型号“设计—仿真”闭环验证能力

近年来，通过在多个型号的不同阶段进行MBSE 技术探索与实践，进一步提升了型号“设计—仿真”闭环验证能力。

1.3.1 载人月球探测任务研制中MBSE 应用实践

围绕型号任务场景和飞行阶段，通过利用分层建模思路，对各飞行阶段进行层层分解，确定系统的功能和各系统间的关系，构建飞行方案模型。同时，采用基于SysML 模型开展飞行方案评审，专家可直接查看网页形式的飞行方案模型并进行审查和意见批注。通过评审对深入开展MBSE 应用进行有益尝试，为载人月球探测任务“关深”阶段完成基于模型的设计仿真闭环验证奠定了基础。

1.3.2 小天体探测器研制中MBSE 应用实践

小天体探测器在方案设计阶段，以系统建模流程为主线，针对需求分析与管理、系统功能与架构设计、系统仿真验证等方面进行应用实践，初步形成了基于模型的航天器系统设计方法。探索了模型驱动的可视化仿真验证模式，为实现飞行过程由“推演”到“可见”的转变提供了有益的实践经验。

1.3.3 空间站系统（运营阶段）MBSE 应用实践

利用前期基于Modelica 语言建立的系统仿真验证模型，构建面向系统级的涵盖动力学与控制、能源、环热控、信息和推进专业的多学科耦合“数字空间站”，具备任务前仿真预示、任务中数字伴飞、故障时快速验证能力，在组合体对接、机械臂巡检、航天员出舱等环节中发挥了重要支撑作用。

1.3.4 嫦娥五号研制中MBSE 应用实践

嫦娥五号在轨飞行阶段，针对能源分系统，通过在轨飞行数据进行驱动，实现静态供配电大图设计和动态仿真验证，为飞行程序优化、在轨状态预示、能量平衡分析、故障预案制定提供了手段。

1.3.5 开展建模方法研究，进一步提升系统工程理论和方法水平

通过制定MBSE 技术能力发展与应用规划，明确了MBSE 能力建设发展方向、建设目标、主要措施等。聚焦航天器研制前端的可行性论证和方案设计阶段的系统设计与验证工作，牵头制定并发布了 《五院航天器MBSE 工作指南》。该工作指南从系统顶层规定了航天器研制流程中MBSE 工作项目与基本要求，用于指导型号开展MBSE 方法应用。在国外主流MBSE 建模方法基础上，通过型号的不断实践，提出航天器MBSE系统建模框架与流程，初步形成基于MBSE 的航天器系统建模方法。此外，组织开展基于MBSE的协同建模与模型管理技术探索，为开展MBSE实践提供理论和方法指导。

2 构建航天器MBSE 标准体系

为了确保标准切实可行、与时俱进，一方面立足MBSE 工程实践，提炼总结相关成果和经验；另一方面应紧密跟踪先进技术进展，对MBSE 标准体系和标准内容进行动态修订完善。目前，总体设计部在原有的航天器数字化设计标准体系基础上[4]，分3 个阶段开展了MBSE 标准体系建设实施工作。

2.1 第一阶段：构建航天器研制MBSE 标准体系框架

以《国家智能制造标准体系建设指南》的系统架构要素为基础，结合集团公司“十三五”“十四五”信息化发展总体规划与集团标准体系建设规划，从型号研制的实际需求出发，结合MBSE 实践情况，适时总结工程实践成果和经验，形成指导航天器MBSE 应用的标准体系框架，满足航天器数字化研制工作全面、顺利开展的需要。整个航天器MBSE 标准体系框架如图1 所示，包括6 类标准：通用标准、建模标准、协同设计标准、仿真验证标准、模型管理标准、产品保证标准。

图1 航天器研制MBSE 标准体系框架

通用类标准是MBSE 标准体系的基础。建模、协同设计和仿真验证类标准是指围绕MBSE 过程，开展MBSE 建模、协同设计、仿真验证所需要遵循的标准，是MBSE 标准体系的核心。模型管理类标准是指模型技术状态管控所需要遵循的标准；产品保证类标准是指围绕MBSE 过程制定的质量管理体系标准，这2 类是MBSE 标准体系的重要支撑。

2.2 第二阶段：确定航天器MBSE 标准体系明细表

为解决实际工程问题，立足航天器MBSE 应用过程中型号工程应用现状，通过深入分析现行研制模式，在原有的航天器数字化研制标准体系基础上进行了扩充，涵盖MBSE 通用要求、建模、协同设计、模型与数据管理等领域，扩展形成了MBSE 标准体系明细表，见表1。科学界定了航天器MBSE应用标准化的内涵和外延，有效识别了现有和缺失的标准，充分展示了现有标准间的交叉重叠关系。

表1 航天器MBSE 标准体系明细表

2.3 第三阶段：开展航天器MBSE 标准制定

遵循“继承性、系统性、先进性、开放性、协调性”原则，对于现行标准中缺少的、型号工程研制亟需的、能够促进行业基础能力提升的MBSE 标准，优先纳入标准体系并组织技术专家开展标准制定工作。

为支撑型号应用，按照“急用先行”原则，完成了 《五院航天器MBSE 模型体系（2021版）》《航天器需求模型建模规范》《航天器系统多学科集成仿真模型建模规范》的编制并进行了发布。在此基础上，开展了 《航天器MBSE 需求模型建模要求》《航天器MBSE 系统设计模型建模要求》《航天器MBSE 系统验证模型建模要求》等3 项集团标准的制定。

a）航天器MBSE 需求模型建模要求：通过规定需求的描述语法、描述规则、基本属性定义等内容，将用户意图和技术要求条目化、结构化，支持精细地需求定义、分解、跟踪、追溯及变更控制等，用于替代技术要求文档。

b）航天器MBSE 系统设计模型建模要求：通过规定航天器系统设计建模流程，采用图形化的建模语言对系统设计内在逻辑进行描述，构建任务功能、系统组成与接口、飞行模式与时序等设计逻辑关系，用于替代各类方案报告。

c）航天器MBSE 系统验证模型建模要求：通过规定航天器架构、外部接口、部件建模要求等内容，采用多学科统一建模语言对系统方案进行多学科建模与集成，对系统方案或飞行过程关键环节进行早期仿真验证。

这3 项集团公司标准将成为推进航天器MBSE 应用的顶层规范，为加速推进MBSE 方法在航天器各领域型号中的落地应用、提升型号研制能力提供有力保障。

3 总结

MBSE 是有效解决系统复杂性、提高系统整体质量、缩短研制周期的重要手段，更是研制模式的变革。MBSE 的核心是要用统一的系统模型来实现与各专业学科的集成，基于统一数据源的全三维设计制造、信息流设计、能源流设计等数字化成果，应推进MBSE 实现与现有数字化成果的互联互通，推进研制过程中数字量的连续传递。另外，有效推动航天器MBSE 的应用实践，需要组织层面提供从上到下的组织和管理支持，统一思想和行动，还需通过专门团队负责总结、制定通用建模规范，形成共性能力，为各型号试点应用提供可操作过程依据、方法依据和工具支撑和指导。

后续，将围绕以下几个方面进一步深入开展航天器MBSE 应用与标准化实践：①加快MBSE相关标准规范建设，提升模型的质量和规范性，促进模型的开放共享；②完善推进MBSE 相配套的管理机制、管理模式，持续提升MBSE 应用能力和水平，为“数字化转型”提供支撑保障；③多种方式培养MBSE 复合型人才；④坚持软件自主发展，打造“好用、易用”的航天器设计品牌软件；⑤推进MBSE 的“产、学、研”环境构建，探索文化观念、组织与配套制度的转变。

通过持续深入开展MBSE 工程实践，扎实推进，坚持不懈，构建符合航天器型号数字化研制特点的MBSE 方法与标准规范体系，推进航天器数字化转型升级，支撑“三高”（高质量、高效率、高效益）发展。