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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2024-05-11 11:20
航天裝備未來(lái)需要面向復(fù)雜任務(wù)模式、復(fù)雜飛行特性和極端飛行環(huán)境，裝備總體集成設(shè)計(jì)具有任務(wù)需求復(fù)雜、系統(tǒng)耦合深入、研制難度大等綜合復(fù)雜特點(diǎn)，需要根據(jù)各系統(tǒng)、各學(xué)科之間相互聯(lián)系、相互制約的關(guān)系，進(jìn)行大量的方案對(duì)比和多輪從簡(jiǎn)至繁的設(shè)計(jì)循環(huán)。但這也是全面提升總體設(shè)計(jì)水平、消除安全隱患的必由之路，其本質(zhì)在于通過(guò)對(duì)各系統(tǒng)設(shè)計(jì)裕度的共同掌握，開(kāi)展全系統(tǒng)總體級(jí)的迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)，以獲取總體性能最優(yōu)的可行設(shè)計(jì)方案。本文即是在分析國(guó)內(nèi)外總體集成設(shè)計(jì)技術(shù)研究工作的基礎(chǔ)上，探討航天復(fù)雜裝備總體集成設(shè)計(jì)的智慧研發(fā)模式的構(gòu)建手段，以期為驅(qū)動(dòng)未來(lái)裝備發(fā)展提出相關(guān)建議。
一、研究現(xiàn)狀
早在 20 世紀(jì) 80 年代，美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家就意識(shí)到傳統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方法的問(wèn)題，并提出了一種新的設(shè)計(jì)方法——集成化設(shè)計(jì)。其主要思想是在設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程中集成各學(xué)科 / 子系統(tǒng)的知識(shí)，應(yīng)用有效的設(shè)計(jì) / 多學(xué)科優(yōu)化策略和分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組織和管理飛行器設(shè)計(jì)過(guò)程，即通過(guò)充分利用各個(gè)學(xué)科之間的耦合所產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)，獲得系統(tǒng)的整體最優(yōu)解，并通過(guò)實(shí)現(xiàn)并行設(shè)計(jì)來(lái)縮短設(shè)計(jì)周期。與傳統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方法相比，這種新的設(shè)計(jì)方法更加符合系統(tǒng)工程思想，并被視為解決現(xiàn)有問(wèn)題、全面提升飛行器總體設(shè)計(jì)水平的有效手段。目前，集成設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)在航天器總體設(shè)計(jì)特別是新型飛行器的總體設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)揮了重大作用。
以美國(guó)為例，最典型的例子是由美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）和多個(gè)部門(mén)合作開(kāi)展的高速民機(jī)（HSCT）總體設(shè)計(jì)。該項(xiàng)目由旨在提高飛行器總體設(shè)計(jì)與計(jì)算水平的HPCCP計(jì)劃支持，目標(biāo)是對(duì)整個(gè)飛行器構(gòu)型同時(shí)進(jìn)行多學(xué)科的外形和尺寸優(yōu)化，它采用高精度有限元進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，采用高精度計(jì)算流體力學(xué)（CFD）進(jìn)行氣動(dòng)分析、全任務(wù)性能計(jì)算以及預(yù)想的 HSCT 外形設(shè)計(jì)，須優(yōu)化的問(wèn)題是使飛行器總的起飛重量最小，使其在NASA高速研究計(jì)劃（HSR）中支持構(gòu)型決策。其模型最初只考慮5個(gè)設(shè)計(jì)變量、6個(gè)約束、采用簡(jiǎn)化模型，且每輪只循環(huán)約10min。發(fā)展到今天，該模型已考慮了271個(gè)設(shè)計(jì)變量、31868個(gè)約束、采用精確分析模型，且每輪循環(huán)約 3d 時(shí)間。目前，圍繞這一項(xiàng)目已經(jīng)形成了系統(tǒng)的總體集成設(shè)計(jì)體系，以及FIDO、CJOpt 等集成設(shè)計(jì)軟件框架。集成設(shè)計(jì)在HSCT設(shè)計(jì)中的成功促使了 NASA 大力推廣這一新型總體設(shè)計(jì)方法。目前，集成設(shè)計(jì)的應(yīng)用對(duì)象已經(jīng)包括混合翼體飛行器（BWB）、支架翼飛行器、太空望遠(yuǎn)鏡（NGST）、X-33、X-43A、F/A-18E/F、F-22 等各類(lèi)新型飛行器。如今，在 NASA，基于集成設(shè)計(jì)的飛行器總體設(shè)計(jì)已經(jīng)形成了標(biāo)準(zhǔn)的流程，產(chǎn)生了相應(yīng)的設(shè)計(jì)環(huán)境，如HOLIST等。宣布，將把集成設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到未來(lái)的所有飛行器總體設(shè)計(jì)過(guò)程中。
NASA 在2015年技術(shù)路線圖中明確指出，NASA 未來(lái)的基礎(chǔ)研究技術(shù)目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)“支撐飛行器建模、仿真、大數(shù)據(jù)處理、機(jī)器智能研究工作的跨界融合計(jì)算能力，形成包括云計(jì)算、量子計(jì)算與認(rèn)知計(jì)算能力的高性能工業(yè)設(shè)計(jì)軟件能力”。NASA 認(rèn)為，高端的航天工業(yè)設(shè)計(jì)軟件意味著創(chuàng)新能力和領(lǐng)導(dǎo)地位。由于AMES、Langley、JPL 等研究中心的研究工作更加依賴(lài)航天工業(yè)設(shè)計(jì)軟件，新一代飛行器研制工作也趨向多學(xué)科精細(xì)化設(shè)計(jì)、多領(lǐng)域協(xié)同研制、大數(shù)據(jù)處理云端化，主要體現(xiàn)在：
（1）計(jì)算模型的復(fù)雜度和規(guī)模增大。計(jì)算模型從過(guò)去簡(jiǎn)單的單一尺度低階計(jì)算精度模型到現(xiàn)今逐漸采用復(fù)雜的多尺度高階計(jì)算精度模型，從過(guò)去一維的個(gè)位數(shù)自由度模型到三維上萬(wàn)自由度的模型。
（2）形成多學(xué)科的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)從過(guò)去的單學(xué)科優(yōu)化到現(xiàn)在的氣動(dòng)力、載荷、結(jié)構(gòu)等多個(gè)學(xué)科的綜合應(yīng)用。由此，需優(yōu)化設(shè)計(jì)的變量也在增加，從過(guò)去的十幾個(gè)設(shè)計(jì)變量、簡(jiǎn)單約束問(wèn)題，到現(xiàn)在十萬(wàn)個(gè)變量的規(guī)模。
（3）數(shù)據(jù)處理手段智能化。數(shù)據(jù)處理從依賴(lài)人力完成統(tǒng)計(jì)分析，到引入認(rèn)知計(jì)算（cognition computing）進(jìn)行系統(tǒng)不確定度分析、可靠性分析、故障模式及風(fēng)險(xiǎn)分析、決策的協(xié)同優(yōu)化分析等覆蓋產(chǎn)品全生命周期和制造全業(yè)務(wù)活動(dòng)的工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用。
歐空局認(rèn)為航天航空工業(yè)集成化設(shè)計(jì)是關(guān)鍵的使能基礎(chǔ)技術(shù)，已在 2020 年完整實(shí)現(xiàn)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化，擬在 2030 年以后通過(guò)高性能計(jì)算實(shí)現(xiàn)整機(jī)基于數(shù)值模擬技術(shù)的虛擬飛行驗(yàn)證?；趯?duì)航天航空工業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)架構(gòu)的 穩(wěn)定性、自主可控性和可持續(xù)發(fā)展性考慮，歐空局于 2007 年啟動(dòng)了 C2A2S2E計(jì)劃（Center for Computer Applications in Aero-Space Science and Engineering），如圖 1 所示，最終目標(biāo)是以航天總體技術(shù)為基礎(chǔ)，融入相關(guān)多學(xué)科的設(shè)計(jì)、仿真軟件，實(shí)現(xiàn)航天裝備的虛擬飛行測(cè)試，通過(guò)跨學(xué)科研究，充分利用預(yù)期高性能計(jì)算能力的增長(zhǎng)、新軟件工具和新技術(shù)的開(kāi)發(fā)使用以及新的工作方式，顯著提高工程研制速度?，F(xiàn)階段，得益于此項(xiàng)計(jì)劃的研究成果，以德國(guó)宇航院 DLR 為代表的歐空局研究院所，形成并部署 了近萬(wàn)套各種專(zhuān)業(yè)應(yīng)用軟件在內(nèi)的設(shè)計(jì)工具集，包括總體協(xié)同設(shè)計(jì)、計(jì)算流體力學(xué)、計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、控制系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)分析軟件，應(yīng)用于選型及預(yù)研的設(shè)計(jì)計(jì)算能力在過(guò)去的10年中提高了2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。過(guò)去許多仿真試驗(yàn)需要數(shù)周才能完成 1 次，現(xiàn)在1個(gè)晚上可以完成20~30次，增強(qiáng)了設(shè)計(jì)及驗(yàn)證結(jié)論反饋的及時(shí)性，降低了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本，縮短了研制周期，提升了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)水平。
圖 1 歐空局 C2A2S2E 航空航天科學(xué)與工程應(yīng)用計(jì)劃框架
從航天企業(yè)未來(lái)發(fā)展來(lái)看，飛行試驗(yàn)和大型地面試驗(yàn)成本很高，適宜對(duì)特定狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)也由于試驗(yàn)本身的技術(shù)局限性，存在更多難以得到考核驗(yàn)證的高超聲速飛行狀態(tài)。從探路者號(hào)火星探測(cè)器到各種類(lèi)型的導(dǎo)彈、飛行器，NASA 通過(guò)飛行系統(tǒng)驗(yàn)證平臺(tái)（flight system testbed，F(xiàn)ST）與仿真器（spacecraft simulator，SPASIM）以虛擬飛行驗(yàn)證作為彌補(bǔ)飛行試驗(yàn)的主要技術(shù)途徑，帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)、軍事效益。在航天器虛擬試驗(yàn)領(lǐng)域，NASA 進(jìn)一步發(fā)展了半實(shí)物的數(shù)字孿生技術(shù)，用于訓(xùn)練演習(xí)和輔助在線決策。
在面對(duì)裝備研制領(lǐng)域中學(xué)科應(yīng)用領(lǐng)域與計(jì)算應(yīng)用規(guī)模需求增長(zhǎng)的背景下，國(guó)內(nèi)航天領(lǐng)域的總體集成設(shè)計(jì)研究也得到了國(guó)家戰(zhàn)略層次的支持?！秶?guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略綱要》明確了數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化作為提升產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)基點(diǎn)。推進(jìn)航天領(lǐng)域的智慧研發(fā)，亟須推動(dòng)航天產(chǎn)品研制的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，建立飛行器數(shù)值裝置原型系統(tǒng)一虛擬飛行試驗(yàn)系統(tǒng)作為飛行器測(cè)試臺(tái)。由此可以預(yù)見(jiàn)，總體集成設(shè)計(jì)及其相關(guān)學(xué)科發(fā)展，在未來(lái)裝備研制過(guò)程中將具有越來(lái)越明顯的作用和優(yōu)勢(shì)，在相關(guān)項(xiàng)目前期方案論證、設(shè)計(jì)和分析優(yōu)化中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。
從國(guó)內(nèi)外飛行器相關(guān)技術(shù)的發(fā)展歷程和趨勢(shì)來(lái)看，現(xiàn)階段雖取得了一些進(jìn)展，但總體集成設(shè)計(jì)的各研制階段涉及專(zhuān)業(yè)多且極為復(fù)雜，各專(zhuān)業(yè)各階段的設(shè)計(jì)、分析過(guò)程并沒(méi)有進(jìn)行規(guī)范化、模板化，尚未形成標(biāo)準(zhǔn)化的知識(shí)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)果較多依賴(lài)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和水平，造成設(shè)計(jì)效率低、迭代設(shè)計(jì)過(guò)程周期長(zhǎng)。同時(shí)，歷史研制過(guò)程積累了大量仿真試驗(yàn)、地面試驗(yàn)、飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)，但由于數(shù)據(jù)收集、存儲(chǔ)和挖掘分析的制約，難以發(fā)揮其技術(shù)價(jià)值。因此，為航天復(fù)雜裝備總體集成設(shè)計(jì)工作提供總體集成環(huán)境或平臺(tái)作為知識(shí)、模型、規(guī)則、算法等載體來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)展，是未來(lái)飛行器發(fā)展的關(guān)鍵要素和主要方向之一。
二、當(dāng)前航天總體研制的難點(diǎn)與需求
傳統(tǒng)的航天總體研制流程及設(shè)計(jì)模式如圖 2~3 所示，目前已經(jīng)難以適用現(xiàn)代航天復(fù)雜裝備的研制，其主要研發(fā)難點(diǎn)與需求如下。
圖 2 傳統(tǒng)的航天總體研制流程
圖 3 傳統(tǒng)的航天總體設(shè)計(jì)模式
（一）研究領(lǐng)域新，自主創(chuàng)新要求高
現(xiàn)代航天復(fù)雜裝備基于飛行任務(wù)負(fù)載和包絡(luò)拓展的研制需求，對(duì)飛行器自身性能和環(huán)境適應(yīng)性提出了跨代研制要求，研發(fā)過(guò)程中遇到的氣動(dòng)、控制、防隔熱、電磁、博弈對(duì)抗等技術(shù)難題都是世界前沿問(wèn)題，可借鑒的理論基礎(chǔ)較少，需要依靠自身研發(fā)力量組織基礎(chǔ)理論研究和專(zhuān)業(yè)技術(shù)攻關(guān)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行摸索和解決，攻關(guān)難度較大。因此需要通過(guò)自主創(chuàng)新，形成現(xiàn)代航天復(fù)雜裝備研制理論體系、標(biāo)準(zhǔn)體系、研發(fā)流程和研發(fā)手段。
（二）多學(xué)科、多專(zhuān)業(yè)緊耦合的總體設(shè)計(jì)亟須研發(fā)手段創(chuàng)新
現(xiàn)代航天復(fù)雜裝備的飛行環(huán)境復(fù)雜，各系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的交聯(lián)耦合關(guān)系（如氣動(dòng)、控制和結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的耦合效應(yīng)），設(shè)計(jì)空間高度非線性，導(dǎo)致傳統(tǒng)的單一系統(tǒng)驗(yàn)證已不能真實(shí)反映復(fù)雜的耦合關(guān)系，難以有效地獲得最佳的系統(tǒng)方案 。多專(zhuān)業(yè)強(qiáng)耦合的總體設(shè)計(jì)需要根據(jù)各系統(tǒng)、各學(xué)科之間相互聯(lián)系、相互制約的關(guān)系，進(jìn)行大量的方案對(duì)比和多輪從簡(jiǎn)至繁的設(shè)計(jì)循環(huán)。
（三）對(duì)海量數(shù)據(jù)、知識(shí)管理要求高
由于現(xiàn)代航天復(fù)雜裝備研制過(guò)程復(fù)雜、各學(xué)科耦合性強(qiáng)，需要經(jīng)過(guò)大量的仿真試驗(yàn)、地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)，因此積累了海量的知識(shí)數(shù)據(jù)資源，引發(fā)了數(shù)據(jù)的爆炸性增長(zhǎng)。但因數(shù)據(jù)的巨型規(guī)模、類(lèi)型多樣化、來(lái)源多樣化的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集、存儲(chǔ)和挖掘分析技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)有數(shù)據(jù)的處理需求，現(xiàn)有大數(shù)據(jù)資源無(wú)法發(fā)揮其技術(shù)價(jià)值，亟須引進(jìn)高可靠性、高可擴(kuò)展性、高處理性能的大數(shù)據(jù)分析框架，滿足現(xiàn)代航天復(fù)雜裝備海量多源強(qiáng)耦合異構(gòu)數(shù)據(jù)處理分析的需求。同時(shí)，傳統(tǒng)基于文檔的數(shù)據(jù)管理與傳遞模式將產(chǎn)生大量不同類(lèi)型的文檔，具有信息表達(dá)不完備、易產(chǎn)生歧義、難以實(shí)現(xiàn)變更追溯、難以實(shí)現(xiàn)“需求—設(shè)計(jì)”“需求— 驗(yàn)證”過(guò)程的追蹤等缺點(diǎn)。現(xiàn)代航天復(fù)雜裝備 高效研制流程對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、生產(chǎn)等過(guò)程中產(chǎn)生的各類(lèi)數(shù)據(jù)及相關(guān)知識(shí)的管理提出了更高、更新的要求，導(dǎo)致傳統(tǒng)知識(shí)管理體系已無(wú)法適應(yīng)其發(fā)展，需要采用創(chuàng)新的手段建立基于模型的系統(tǒng)工程，實(shí)現(xiàn)基于參數(shù)的多學(xué)科數(shù)據(jù)傳遞與控制。
（四）研發(fā)過(guò)程復(fù)雜，管理模式需要?jiǎng)?chuàng)新
臨近空間飛行器研發(fā)采取的是多單位、多專(zhuān)業(yè)、多學(xué)科緊耦合的研發(fā)模式，存在領(lǐng)域多、專(zhuān)業(yè)面廣、創(chuàng)新性強(qiáng)、技術(shù)難度大等特點(diǎn)，需要充分發(fā)揮全國(guó)各專(zhuān)業(yè)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。在產(chǎn)品研制過(guò)程中，協(xié)作單位多，異地協(xié)同開(kāi)發(fā)特點(diǎn)突出，質(zhì)量與可靠性要求高，研制風(fēng)險(xiǎn)高，研制流程管理難度大。因此，相關(guān)人員需要在管理模式上進(jìn)行創(chuàng)新，改變?cè)械馁|(zhì)量管理、項(xiàng)目管理等與研發(fā)過(guò)程脫節(jié)的現(xiàn)狀，將質(zhì)量管理、物資供應(yīng)、項(xiàng)目計(jì)劃、人員經(jīng)費(fèi)等要素融入產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)研發(fā)流程的管控，實(shí)現(xiàn)對(duì)質(zhì)量、人員、經(jīng)費(fèi)、進(jìn)度等內(nèi)容的實(shí)時(shí)掌控與動(dòng)態(tài)管理。
三、航天總體智慧研發(fā)賦能過(guò)程
裝備數(shù)字化是指針對(duì)裝備建設(shè)的體系復(fù)雜性、快速演進(jìn)性和博弈對(duì)抗性，對(duì)裝備實(shí)體、管理活動(dòng)和外部空間進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)，構(gòu)建以裝備體系、裝備需求、數(shù)字樣機(jī)、數(shù)字裝備為核心的數(shù)字模型體系，在數(shù)字空間開(kāi)展戰(zhàn)略籌劃、裝備論證、研制生產(chǎn)、試驗(yàn)鑒定和運(yùn)用保障等裝備全壽命周期建設(shè)管理活動(dòng)，建立虛實(shí)互動(dòng)的裝備建設(shè)新范式，大幅提升裝備建設(shè)發(fā)展效益。隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)賦予了智慧新的含義。“互聯(lián)網(wǎng)+”“中國(guó)制造 2025”國(guó)家戰(zhàn)略規(guī)劃下，數(shù)字化的智能應(yīng)用特指全面透徹的感知、高速的數(shù)據(jù)互聯(lián)、智能融合的應(yīng)用以及“以人為本”的可持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展。“智能化”已與“數(shù)字化”“網(wǎng)絡(luò)化”一起成為信息社會(huì)發(fā)展的新方向。
航天復(fù)雜裝備總體集成設(shè)計(jì)的智慧研發(fā)模式是一種由智能研發(fā)系統(tǒng)和人類(lèi)專(zhuān)家共同組成的一體化智慧研發(fā)組織模式，在產(chǎn)品過(guò)程中能進(jìn)行知識(shí)積累、知識(shí)應(yīng)用、知識(shí)生產(chǎn)等的智慧活動(dòng)。本文對(duì)此類(lèi)生產(chǎn)關(guān)系定義，如圖 4 所示。
圖 4 航天復(fù)雜裝備總體設(shè)計(jì)的智慧研發(fā)模式
航天復(fù)雜裝備總體集成設(shè)計(jì)的智慧研發(fā)模式是工業(yè)技術(shù)、信息技術(shù)、運(yùn)營(yíng)技術(shù)以及創(chuàng)新型組織體系的集成，具有 7 個(gè)特征。
（1）需求的定制化：根據(jù)用戶個(gè)性化需求，提前進(jìn)行系列化產(chǎn)品規(guī)劃，適應(yīng)客戶未來(lái)定制需求。
（2）研發(fā)的模型化：采用基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）方法進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。
（3）協(xié)同的多維化：研制過(guò)程是系統(tǒng)上下游跨組織的、跨專(zhuān)業(yè)的協(xié)同研發(fā)管理模式。
（4） 驗(yàn)證的虛擬化：利用虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）從實(shí)物或半實(shí)物仿真到全系 統(tǒng)的虛擬仿真驗(yàn)證。
（5）知識(shí)的智慧化：自動(dòng)完成知識(shí)收集、整理、應(yīng)用，利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)實(shí)現(xiàn)基于海量知識(shí)數(shù)據(jù)的創(chuàng)新，推進(jìn)智慧組織的成長(zhǎng)。知識(shí)的智慧化是智慧研究的本質(zhì)。
（6）運(yùn)營(yíng)決策的智慧化：利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的有效融合以及科研和管理的智能決策。
（7）IT 基礎(chǔ)架構(gòu)的集約化：利用云計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速部署和按需柔性分配 IT 資源，為智慧組織提供高效的信息化基礎(chǔ)環(huán)境。
這種研發(fā)模式的核心在于建立基于模型的全系統(tǒng)、全流程一體化智慧研發(fā)體系。智慧研發(fā)體系以數(shù)字化的科研流程為牽引，整合現(xiàn)有分散的軟件工具、業(yè)務(wù)系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、知識(shí)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與研制流程深度融合，形成基于模型和流程的跨專(zhuān)業(yè)、跨學(xué)科、跨平臺(tái)的協(xié)同研制能力，支撐航天復(fù)雜裝備的研發(fā)工作。
現(xiàn)有的研發(fā)設(shè)計(jì)體系雖然實(shí)現(xiàn)了紙質(zhì)文檔圖紙的電子化，但整個(gè)研發(fā)過(guò)程依舊是電子文檔與實(shí)物模型的迭代，依舊存在更改單過(guò)多、迭代不充分等問(wèn)題，從而導(dǎo)致型號(hào)研制成本高、研發(fā)設(shè)計(jì)周期難控制。同時(shí)，研發(fā)流程與科研計(jì)劃狀態(tài)和目標(biāo)不一致，缺乏動(dòng)態(tài)反饋和聯(lián)動(dòng)。如圖 5 所示，為了解決該弊端，在研制過(guò)程中引入賽博 - 物理系統(tǒng)（cyber-physical systems，CPS）理論，將整個(gè)智慧研發(fā)體系轉(zhuǎn)化成一個(gè)賽博 - 物理系統(tǒng)，將現(xiàn)有的電子文檔與實(shí)物的迭代過(guò)程轉(zhuǎn)變成賽博 - 物理空間內(nèi)基于系統(tǒng)工程模型的迭代，通過(guò) CPS 系統(tǒng)實(shí)時(shí)感知研發(fā)流程和計(jì)劃管理的每個(gè)狀態(tài)和進(jìn)度信息，通過(guò)計(jì)算資源和物理資源深度融合并實(shí)時(shí)交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)科研狀態(tài)的實(shí)時(shí)管控。在賽博空間中基于各類(lèi)模型的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證得到充分迭代，因此能夠確保實(shí)物樣機(jī)在物理空間的一次試驗(yàn)成功。
圖 5 基于 CPS 系統(tǒng)的總體集成設(shè)計(jì)智慧研發(fā)
四、航天總體智慧研發(fā)實(shí)施途徑
為使航天復(fù)雜裝備總體集成設(shè)計(jì)的智慧研發(fā)模式落地，需要結(jié)合裝備研制生命周期維度進(jìn)行生產(chǎn)關(guān)系與技術(shù)脈絡(luò)變更。研制模式的核心是服務(wù)航天復(fù)雜裝備全生命周期，以科研流程為驅(qū)動(dòng)，基于模型的設(shè)計(jì)、仿真、驗(yàn)證一體化的研發(fā)體系。該體系包括 1 套體系（基于模型的系統(tǒng)工程體系）、2 個(gè)轉(zhuǎn)段（虛擬設(shè)計(jì)向?qū)?物產(chǎn)品轉(zhuǎn)段、實(shí)物產(chǎn)品向飛行試驗(yàn)轉(zhuǎn)段）、3 個(gè)階段（虛擬設(shè)計(jì)與研制階段、地面驗(yàn)證階段、飛行驗(yàn)證階段）、4 類(lèi)模型（需求模型、數(shù)字模型、評(píng)價(jià)模型、環(huán)境模型）以及 6 個(gè)“V”型子階段（方案論證、方案設(shè)計(jì)、方案詳細(xì)設(shè)計(jì)、智能制造設(shè)計(jì)、地面驗(yàn)證、飛行驗(yàn)證）。
（一）航天總體設(shè)計(jì)模型體系
構(gòu)建基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）體系。該體系首先構(gòu)建系統(tǒng)的需求模型，用于指導(dǎo)裝 備數(shù)字模型、評(píng)價(jià)模型、環(huán)境模型等的構(gòu)建，并按照事先制定好的邏輯規(guī)則建立模型間的關(guān)系，通過(guò)對(duì)客戶需求的分析建立效能評(píng)價(jià)模型，并依靠模型間的關(guān)系實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、仿真、效能評(píng)估過(guò)程中的關(guān)聯(lián)性分析、數(shù)據(jù)分析、需求指標(biāo)評(píng)定等工作。
（1）需求模型：通過(guò)對(duì)客戶需求的分析，在賽博空間構(gòu)建從總體到分系統(tǒng)再到單機(jī)層面的概念模型，完成初步方案的論證和各項(xiàng)指標(biāo)分解。
（2）數(shù)字模型：在對(duì)客戶需求進(jìn)一步分析的基礎(chǔ)上，形成單機(jī)、分系統(tǒng)和總體方案和數(shù)字仿真模型，完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)及虛擬裝配模型。
（3）環(huán)境模型：包括預(yù)示飛行環(huán)境模型、地面試驗(yàn)環(huán)境模型、實(shí)際飛行環(huán)境模型等，環(huán)境模型用于仿真試驗(yàn)、地面試驗(yàn)以及飛行試驗(yàn)中臨近空間飛行過(guò)程中各類(lèi)環(huán)境的模擬和驗(yàn)證。
（4）評(píng)價(jià)模型：包括性能評(píng)價(jià)模型和效能評(píng)價(jià)模型。性能評(píng)價(jià)模型在數(shù)字模型的基礎(chǔ)上增加性能指標(biāo)評(píng)估，用于單機(jī)、分系統(tǒng)和總體對(duì)各類(lèi)指標(biāo)的驗(yàn)證與評(píng)估；效能評(píng)價(jià)模型根據(jù)客戶需求的各類(lèi)技術(shù)指標(biāo)，建立體系化的效能評(píng)估方法和模型，用于評(píng)估總體設(shè)計(jì)對(duì)客戶需求滿足情況。
（二）智能化總體設(shè)計(jì)流程
通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的方案論證、方案設(shè)計(jì)、初樣、試樣階段進(jìn)行重新劃分，形成了 3 個(gè)階段、2 次轉(zhuǎn)段。同時(shí)，在 6“V”科研流程中，研制流程與項(xiàng)目管理進(jìn)行動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，通過(guò) CPS 實(shí)現(xiàn)對(duì)任務(wù)的動(dòng)態(tài)感知和有效管控。如圖 6 所示，虛擬設(shè)計(jì)與研制階段是在賽博空間內(nèi)完成，包括傳統(tǒng)研制流程中的方案設(shè)計(jì)和初樣階段中的設(shè)計(jì)仿真工作；地面驗(yàn)證階段包括傳統(tǒng)研制流程中的初樣階段產(chǎn)品總裝、測(cè)試、系統(tǒng)試驗(yàn)及試樣階段中的大型總體地面試驗(yàn)；飛行驗(yàn)證階段包 括傳統(tǒng)研制流程中的試樣階段飛行試驗(yàn)、定型階段飛行試驗(yàn)以及指標(biāo)考核地面試驗(yàn)。
圖 6 數(shù)字化賦能的多“V”智慧研制流程
第一階段，虛擬設(shè)計(jì)與研制階段：包括方案論證、方案設(shè)計(jì)、方案詳細(xì)設(shè)計(jì) 3 個(gè)子階段。該階段將在賽博空間完成裝備數(shù)字模型和性能模型，完成產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)，并通過(guò)虛擬裝配對(duì)設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性進(jìn)行檢驗(yàn)，通過(guò)虛擬飛行試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)方案、性能模型進(jìn)行考核，對(duì)總體性能進(jìn)行評(píng)估，并通過(guò)設(shè)計(jì)評(píng)審，使技術(shù)成熟度達(dá)到 4～5 級(jí)，完成數(shù)字模型、性能模型的數(shù)字轉(zhuǎn)段，轉(zhuǎn)入地面試驗(yàn)階段。
第二階段，地面驗(yàn)證階段：完成產(chǎn)品的生產(chǎn)，分別對(duì)單機(jī)、分析系統(tǒng)、總體開(kāi)展地面試驗(yàn)，通過(guò)體系效能評(píng)估驗(yàn)證裝備設(shè)計(jì)方案的正確性和對(duì)客戶需求的滿足情況，并通過(guò)轉(zhuǎn)段評(píng)審，使技術(shù)成熟度達(dá)到5～6級(jí)，完成數(shù)字轉(zhuǎn)段，轉(zhuǎn)入飛行驗(yàn)證階段。
第三階段，飛行驗(yàn)證階段：主要包括設(shè)計(jì)性飛行試驗(yàn)、定型飛行試驗(yàn)以及飛行試驗(yàn)仿真驗(yàn)證等。通過(guò)該階段工作，驗(yàn)證飛行器對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)和各類(lèi)技術(shù)指標(biāo)的滿足情況，并通過(guò)對(duì)各類(lèi)仿真、地面試驗(yàn)飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的挖掘，獲取裝備總體性能和對(duì)客戶需求的滿足情況，使技術(shù)成熟度達(dá)到6～7級(jí)，完成裝備的數(shù)字定型。
綜上，在航天復(fù)雜裝備總體集成設(shè)計(jì)的智慧研發(fā)模式中，通過(guò)賽博空間和物理空間多維度的仿真驗(yàn)證迭代過(guò)程，不斷修正模型，最終實(shí)現(xiàn)一次設(shè)計(jì)成功、一次制造成功、一次試驗(yàn)成功。
（三）航天總體智慧研發(fā)支撐平臺(tái)
根據(jù)航天復(fù)雜裝備總體集成設(shè)計(jì)過(guò)程中的模型體系及研制流程需求，需將整個(gè)智慧研發(fā)體系轉(zhuǎn)化成賽博 - 物理系統(tǒng)落地，即知識(shí)驅(qū)動(dòng)的總體設(shè)計(jì)智慧研發(fā)平臺(tái)，如圖 7 所示。該平臺(tái)由總體集成設(shè)計(jì)流程軟件、多學(xué)科設(shè)計(jì)仿真軟件群、大數(shù)據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)、知識(shí)驅(qū)動(dòng)的總體優(yōu)化設(shè)計(jì)工具、虛擬飛行試驗(yàn)系統(tǒng)組成。
圖 7 航天總體設(shè)計(jì)的智慧研發(fā)支撐平臺(tái)架構(gòu)
知識(shí)驅(qū)動(dòng)的總體優(yōu)化設(shè)計(jì)工具以軟件打通飛行器總體設(shè)計(jì)流程，實(shí)現(xiàn)裝備總體設(shè)計(jì)過(guò)程的參數(shù)化與數(shù)據(jù)化，以總體設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)、模型庫(kù)實(shí)現(xiàn)裝備總體方案的智能優(yōu)化與總體設(shè)計(jì)的輔助決策支持。大數(shù)據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)對(duì)航天裝備設(shè)計(jì)、計(jì)算、地面試驗(yàn)與飛行試驗(yàn)的海量歷史數(shù)據(jù)基于大數(shù)據(jù)技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行處理、集成與智能學(xué)習(xí)和知識(shí)挖掘，為總體優(yōu)化設(shè)計(jì)提供知識(shí)驅(qū)動(dòng)與案例學(xué)習(xí)，為虛擬試驗(yàn)與評(píng)估提供智能模型與智能推理，為多學(xué)科設(shè)計(jì)仿真軟件系統(tǒng)提供知識(shí)融入與驗(yàn)證確認(rèn)。多學(xué)科設(shè)計(jì)仿真軟件群為航天裝備總體設(shè)計(jì)提供相關(guān)的各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)仿真軟件，用于裝備總體方案詳細(xì)設(shè)計(jì)與高效并行計(jì)算分析。虛擬飛行試驗(yàn)系統(tǒng)形成模型與數(shù)據(jù)混合驅(qū)動(dòng)的智能仿真方法，實(shí)現(xiàn)高精度、高效率、大子樣的多學(xué)科耦合虛擬試驗(yàn)，融合有限狀態(tài)的地面、飛行試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)大型地面試驗(yàn)與飛行試驗(yàn)的數(shù)字孿生，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)融合的全剖面飛行性能鑒定與評(píng)估?？傮w集成設(shè)計(jì)流程軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)裝備設(shè)計(jì)任務(wù)與設(shè)計(jì)流程的管理與規(guī)劃，對(duì)裝備設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行跟蹤與控制，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)流程接口的標(biāo)準(zhǔn)化與統(tǒng)一化設(shè)計(jì)過(guò)程數(shù)據(jù)的統(tǒng)一化管理，實(shí)現(xiàn)虛擬飛行試驗(yàn)系統(tǒng)研制過(guò)程與試驗(yàn)運(yùn)行的自動(dòng)化、敏捷化、可視化。
智慧研發(fā)支撐平臺(tái)通過(guò)知識(shí)驅(qū)動(dòng)的總體優(yōu)化設(shè)計(jì)工具、虛擬飛行試驗(yàn)系統(tǒng)和多學(xué)科設(shè)計(jì)仿真軟件群研制設(shè)計(jì)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)總體方案初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證評(píng)估的軟件自主可控和軟件驅(qū)動(dòng)發(fā)展。平臺(tái)以大數(shù)據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)基于設(shè)計(jì)、試驗(yàn)的不同類(lèi)型海量歷史數(shù)據(jù)和知識(shí)進(jìn)行智能學(xué)習(xí)與重用，將知識(shí)融入總體優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)、虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)和多學(xué)科設(shè)計(jì)仿真軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能化的航天裝備總體設(shè)計(jì)、驗(yàn)證。以總體集成設(shè)計(jì)流程軟件實(shí)現(xiàn)總體設(shè)計(jì)、驗(yàn)證全過(guò)程的流程驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)管理、試驗(yàn)支撐，形成協(xié)同化、系統(tǒng)化的多專(zhuān)業(yè)強(qiáng)耦合設(shè)計(jì)構(gòu)建總體集成設(shè)計(jì)的智慧研發(fā)支撐。
如圖 8 所示，面向總體方案驗(yàn)證和總體性能鑒定，虛擬飛行試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多學(xué)科、全系統(tǒng)耦合高效并行仿真，并基于大數(shù)據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)和智能仿真建模軟件建立補(bǔ)償精度損失的智能模型和自學(xué)習(xí)算法，從而滿足仿真驗(yàn)證精 度和效率需求，通過(guò)多狀態(tài)、大子樣虛擬試驗(yàn)補(bǔ)充大型地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)融合的飛行性能驗(yàn)證與評(píng)估、鑒定。面向多專(zhuān)業(yè)強(qiáng)耦合的總體方案設(shè)計(jì)、驗(yàn)證全流程，以總體集成設(shè)計(jì)流程系統(tǒng)支撐敏捷化、可視化的研制過(guò)程和運(yùn)行過(guò)程，實(shí)現(xiàn)流程和數(shù)據(jù)的自動(dòng)化管理、任務(wù)和軟件的協(xié)同運(yùn)行。同時(shí)，以大數(shù)據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)將積累的經(jīng)驗(yàn)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為智能模型與案例，提供航天裝備總體設(shè)計(jì)、驗(yàn)證，從而使總體設(shè)計(jì)能力得到提升。
圖 8 智慧研發(fā)支撐平臺(tái)應(yīng)用效果示意
五、小結(jié)
探索航天復(fù)雜裝備總體集成設(shè)計(jì)研制模式，是一種在“對(duì)”的領(lǐng)域、“對(duì)”的時(shí)間，自動(dòng)運(yùn)用“對(duì)”的知識(shí)，自動(dòng)匹配應(yīng)用“對(duì)”的方法，完成“對(duì)”的航天裝備的新型研發(fā)手段。堅(jiān)持體系化、集約化、專(zhuān)業(yè)化、數(shù)字化建設(shè)思路，推動(dòng)建設(shè)模式向體系效能轉(zhuǎn)變，是提升航天復(fù)雜裝備研制能力的重要目標(biāo)，對(duì)于提升企業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)力具有深遠(yuǎn)意義的影響。
來(lái)源：新型工業(yè)化
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