摘要：近年來，航天科研院所逐步推廣基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）方法。隨著應用的深入，逐漸暴露出三方面的問題，一是存在信息壁壘和架構差異，數(shù)字化模型尚未覆蓋研制全流程；二是已建系統(tǒng)缺少有效集成，不足以支持全生命周期協(xié)同管理；三是研制數(shù)據(jù)分散，信息集成與共享能力較低。本文以云平臺為底座，構建覆蓋復雜系統(tǒng)全生命周期活動要素的系統(tǒng)工程協(xié)同云平臺。橫向打通全系統(tǒng)、全過程的數(shù)據(jù)鏈，縱向打通各層級產(chǎn)品間設計與驗證，促進系統(tǒng)工程的數(shù)據(jù)、模型積累，優(yōu)化產(chǎn)品研制數(shù)字化協(xié)同機制，從而助力航天科研院所向具有航天特色的模型、數(shù)據(jù)、流程驅動的MBSE協(xié)同研制模式轉型跨越。

關鍵詞：云平臺 MBSE 協(xié)同 研制模式

一、引言

航天產(chǎn)品研制是一個復雜的系統(tǒng)工程，涉及多個學科領域，受多個相關方約束，參與人員眾多，設計團隊分散，設計信息龐雜，系統(tǒng)各部分耦合關聯(lián)，協(xié)調難度大。近年來高復雜度、高性能、高集成度航天產(chǎn)品快速發(fā)展，多品種、小批量、短周期、高質量成為產(chǎn)品研制生產(chǎn)的典型特征，對研制能力提出了更高的要求，迫切需要將數(shù)字化工作與航天產(chǎn)品研制流程融合，構建數(shù)據(jù)、模型驅動的協(xié)同研制模式。

二、研究背景

十二五、十三五期間，航天科研院所數(shù)字化核心能力在頂層設計、模式構建、應用推進和能力建設方面開展了大量工作，取得了明顯進展。近年來，航天科研院所逐步推廣基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）方法，并通過先試點、再應用推廣的方式，在實踐中探索前行。

MBSE方法的引入，為各單位的產(chǎn)品創(chuàng)新注入了新的動力。對產(chǎn)品在體系中的運行使用場景進行建模和分析，是從根本上對產(chǎn)品概念進行創(chuàng)新，是產(chǎn)生顛覆性創(chuàng)新的源泉。在航天科研院所中，已經(jīng)有專業(yè)技術人員在進行此方面的研究，并采用SysML方法對產(chǎn)品所運行的體系進行建模分析。通過MBSE的參數(shù)模型，可以在設計過程中通過多學科優(yōu)化尋找最優(yōu)解，還可以引入跨領域的成熟技術，從而產(chǎn)生突破性躍遷的產(chǎn)品設計方案。

隨著基于模型的系統(tǒng)工程方法應用的深入，逐漸暴露出三方面的問題：一是各科研院所內(nèi)部雖然逐步開始建立了系統(tǒng)模型，但是單位間、項目間、專業(yè)間仍存在信息壁壘和架構差異。數(shù)字化研制工具的應用深度廣度有限，跨專業(yè)、跨學科協(xié)同仿真應用不足，數(shù)字化模型尚未全面覆蓋研制全流程。二是各科研院所已建設的研制和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)缺少與各應用系統(tǒng)有效集成，不足以支持以統(tǒng)一產(chǎn)品結構為核心的流程、數(shù)據(jù)等全生命周期協(xié)同管理，圍繞跨單位協(xié)同，尚未實現(xiàn)技術狀態(tài)全貫通和閉環(huán)管控。三是缺乏面向航天產(chǎn)品研制基礎數(shù)據(jù)的研究，標準規(guī)范體系不健全，研制數(shù)據(jù)分散，信息集成與共享能力較低。

圖1  傳統(tǒng)方法過渡到MBSE方法

三、研究目標

為解決以上問題，以云平臺為底座，構建覆蓋復雜系統(tǒng)全生命周期活動要素的系統(tǒng)工程協(xié)同云平臺。通過該平臺，打通全系統(tǒng)、全過程的數(shù)據(jù)鏈，實現(xiàn)研制數(shù)據(jù)的橫向貫通；促進各層級產(chǎn)品間設計與驗證的縱向打通；促進系統(tǒng)工程的數(shù)據(jù)、模型積累，提升創(chuàng)新研制能力；優(yōu)化產(chǎn)品研制數(shù)字化協(xié)同機制，從而助力航天科研院所向具有航天特色的模型、數(shù)據(jù)、流程驅動的MBSE協(xié)同研制模式轉型跨越。

㈠基于模型的系統(tǒng)工程協(xié)同云平臺構建

以系統(tǒng)工程方法論為指導，以云平臺為底座，構建協(xié)同研制數(shù)據(jù)中臺及協(xié)同研制流程中臺，打造基于模型的協(xié)同研制支撐環(huán)境。面向航天產(chǎn)品需求設計、研制設計、生產(chǎn)驗證、綜合保障等提供一體化支撐平臺。

㈡推動需求管理、系統(tǒng)建模工具集在系統(tǒng)工程協(xié)同云平臺上的部署與應用

在基于模型的系統(tǒng)工程推進過程中，要打通系統(tǒng)建模工具和需求管理工具、聯(lián)合仿真框架之間的業(yè)務鏈條，使之融為一體。逐步實現(xiàn)基于模型的跨單位快速協(xié)同設計、協(xié)同制造、協(xié)同驗證。推動相關單位將現(xiàn)有的研制模式向基于模型的系統(tǒng)工程研制模式遷移。

㈢建設基于云平臺的航天產(chǎn)品研制系統(tǒng)工程標準規(guī)范體系框架

目前，軍工領域還沒有基于云平臺的MBSE體系的標準框架和解決方案。要大力推動系統(tǒng)工程協(xié)同云平臺的研究，根據(jù)航天產(chǎn)品特點，結合云“五層兩域”標準規(guī)范，針對性地構建協(xié)同云平臺標準體系框架。

四、研究結果

㈠基于云平臺的MBSE協(xié)同研制平臺構建

基于云平臺的MBSE協(xié)同研制模式架構，采用分層設計，自底向上，主要包含云平臺底座、協(xié)同研制數(shù)據(jù)中臺與協(xié)同研制流程中臺、系統(tǒng)研制工具集、MBSE協(xié)同研制模式綜合應用。

圖2  基于云平臺的MBSE協(xié)同研制模式架構圖

1.云平臺底座功能實現(xiàn)

數(shù)據(jù)存儲管理底座，云平臺提供關系型數(shù)據(jù)庫、NoSQL數(shù)據(jù)庫、分布式文件系統(tǒng)等并結合數(shù)據(jù)中臺相關組件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲管理。信息獲取與交換底座，云平臺提供定制化的數(shù)據(jù)集成交換共享系統(tǒng)，跨網(wǎng)跨域多渠道獲取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)標準化，結合數(shù)據(jù)中臺及業(yè)務中臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取與信息交換。數(shù)據(jù)服務與能力構建底座，云平臺利用數(shù)據(jù)中臺及業(yè)務中臺為數(shù)據(jù)資源服務、流程服務及前端可視化看板提供基礎技術支撐。安全可信底座，云平臺完成了設備、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫及中間件的適配，利用安全中臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)安全、網(wǎng)絡安全及應用安全。

2.協(xié)同研制數(shù)據(jù)中臺構建

為高效滿足前臺數(shù)據(jù)分析和應用，構建規(guī)范定義的數(shù)據(jù)資源中心，涵蓋數(shù)據(jù)資產(chǎn)、數(shù)據(jù)管理模型、數(shù)據(jù)服務等方面。利用ETL工具、統(tǒng)一數(shù)據(jù)調用接口、手工填報等方式從各協(xié)作單位獲取各類研制數(shù)據(jù)，對各類數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)清洗、格式轉換、數(shù)據(jù)加工處理等操作，并建立協(xié)同研制數(shù)據(jù)主題庫，將處理完成的數(shù)據(jù)加載到主題庫中存儲管理。通過協(xié)同研制數(shù)據(jù)中臺，提供基礎的元數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)標準、數(shù)據(jù)治理等共性數(shù)據(jù)定義和管理能力，構建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)架構、數(shù)據(jù)交換管理標準進行共享。

3.協(xié)同研制流程中臺構建

涵蓋需求、方案、設計以及總體與分系統(tǒng)協(xié)同的流程，具備通用協(xié)同研制、管理流程服務能力。可提供統(tǒng)一應用模式的業(yè)務流程申請、業(yè)務流程服務、業(yè)務流程監(jiān)控、流程統(tǒng)一服務接口及調用管理功能。并提供全局共性業(yè)務中心，包括用戶中心、檢索中心、協(xié)同中心、流程中心等共性支撐，具備流程全局打通實現(xiàn)能力。

㈡推動需求管理、系統(tǒng)建模工具集在系統(tǒng)工程協(xié)同云平臺上的部署與應用

1.協(xié)同研制工具集云平臺部署

按照各協(xié)作單位現(xiàn)有信息技術基礎能力，在平臺上部署以系統(tǒng)產(chǎn)品研制流程為主線的數(shù)據(jù)產(chǎn)生工具集，包括建模、設計、仿真、數(shù)字工藝等工具軟件，以及生產(chǎn)設備、檢測設備、裝調設備等數(shù)字化工藝設備和庫房管理系統(tǒng)軟件；部署以產(chǎn)品研制計劃、產(chǎn)品質量等管理為主線的衍生數(shù)據(jù)的生成與管理工具集，包括研制任務分解與管理，計劃與決策的管理，質量管理等。

2.基于模型的全級次跨專業(yè)協(xié)同設計模式

在MBSE的基礎上，結合當前航天產(chǎn)品研制模式，面向數(shù)字化協(xié)同研制模式，形成典型的協(xié)同業(yè)務流程模型。重點圍繞跨單位的需求協(xié)同設計、總體與分系統(tǒng)協(xié)同設計、基于設計物料和模型的設計與工藝協(xié)同、技術狀態(tài)協(xié)同管控四個協(xié)同研制流程。在研制方案階段，開展各級需求定義，總體下發(fā)，分系統(tǒng)和單機進行需求分解協(xié)調，并上傳總體閉環(huán)，形成完整需求樹。總體構建產(chǎn)品結構樹，自上而下進行產(chǎn)品結構分解，經(jīng)多次協(xié)調迭代發(fā)放給分系統(tǒng)和單機，分系統(tǒng)和單機按要求開展模型設計后，提交總體進行集成驗證，經(jīng)多次協(xié)調迭代后，確定產(chǎn)品狀態(tài)。設計單位向制造單位發(fā)出技術文件、設計物料、模型，制造單位按要求進行加工制造和總裝測試。全級次技術狀態(tài)以基線形式進行歸集，重大研制活動前建立基線，確保狀態(tài)受控可追溯。通過協(xié)同并行機制的建立，從而加快設計迭代周期，提高設計效率和質量。

3.協(xié)同研制綜合管理應用

協(xié)同研制綜合管理應用，覆蓋典型的科研生產(chǎn)看板、項目調度規(guī)劃、考核等方面的綜合應用。結合項目研制的全生命周期管理，對立項、方案、研制、鑒定、生產(chǎn)、交付等階段進行橫向管理，包含協(xié)同研制過程中的需求管理、方案設計管理、集成、需求驗證等應用，對相關模型、數(shù)據(jù)、實物進行多維管理。

㈢建設基于云平臺的航天產(chǎn)品研制系統(tǒng)工程標準規(guī)范體系框架

在MBSE方法中，需要一套完善的航天產(chǎn)品系統(tǒng)工程標準規(guī)范體系作為支撐。在梳理現(xiàn)有的標準規(guī)范的基礎上，結合各個研制單位的產(chǎn)品研制、制造和管理要求，重點開展航天產(chǎn)品系統(tǒng)工程標準規(guī)范體系框架設計，構建符合自身特點的基于協(xié)同云的航天產(chǎn)品MBSE研制標準體系。標準規(guī)范體系框架包括3個體系和6個標準，3個體系包括架構與接口管理體系、數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理體系、流程管理體系；6個標準包括：主數(shù)據(jù)標準體系、數(shù)據(jù)資源編目規(guī)范、數(shù)據(jù)共享管理規(guī)范、數(shù)據(jù)安全管理規(guī)范、數(shù)據(jù)質量管理規(guī)范、數(shù)據(jù)倉庫建設規(guī)范。

五、預期效益分析

應用MBSE理論指導航天產(chǎn)品研制實踐，基于協(xié)同設計和并行工程的理念，構建適用于復雜系統(tǒng)各研制階段，支持多學科、多專業(yè)的研制環(huán)境——系統(tǒng)工程協(xié)同云平臺。其云架構服務化的特點，可快速響應業(yè)務需求的變化，快速形成產(chǎn)品研制產(chǎn)業(yè)鏈，為研制模式轉變提供平臺支撐。

協(xié)同研制數(shù)據(jù)中臺和流程中臺作為協(xié)同中樞，橫向貫通立項、方案、研制、鑒定、生產(chǎn)、交付全生命周期業(yè)務的數(shù)據(jù)鏈；縱向打通總體、分系統(tǒng)與單機各層級產(chǎn)品之間的壁壘，實現(xiàn)各級產(chǎn)品之間數(shù)據(jù)和模型的交互，面向系統(tǒng)工程研制全過程提供數(shù)據(jù)共享協(xié)同的全新解決方案。

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(航天科工網(wǎng)絡信息發(fā)展有限公司，中國長峰機電技術研究設計院:滕海、李田、韓彬、陳真)

文章來源：航天科研管理