基于云平台的MBSE协同研制模式研究
摘要：近年来，航天科研院所逐步推广基于模型的系统工程（MBSE）方法。随着应用的深入，逐渐暴露出三方面的问题，一是存在信息壁垒和架构差异，数字化模型尚未覆盖研制全流程；二是已建系统缺少有效集成，不足以支持全生命周期协同管理；三是研制数据分散，信息集成与共享能力较低。本文以云平台为底座，构建覆盖复杂系统全生命周期活动要素的系统工程协同云平台。横向打通全系统、全过程的数据链，纵向打通各层级产品间设计与验证，促进系统工程的数据、模型积累，优化产品研制数字化协同机制，从而助力航天科研院所向具有航天特色的模型、数据、流程驱动的MBSE协同研制模式转型跨越。
关键词：云平台 MBSE 协同 研制模式
一、引言
航天产品研制是一个复杂的系统工程，涉及多个学科领域，受多个相关方约束，参与人员众多，设计团队分散，设计信息庞杂，系统各部分耦合关联，协调难度大。近年来高复杂度、高性能、高集成度航天产品快速发展，多品种、小批量、短周期、高质量成为产品研制生产的典型特征，对研制能力提出了更高的要求，迫切需要将数字化工作与航天产品研制流程融合，构建数据、模型驱动的协同研制模式。
二、研究背景
十二五、十三五期间，航天科研院所数字化核心能力在顶层设计、模式构建、应用推进和能力建设方面开展了大量工作，取得了明显进展。近年来，航天科研院所逐步推广基于模型的系统工程（MBSE）方法，并通过先试点、再应用推广的方式，在实践中探索前行。
MBSE方法的引入，为各单位的产品创新注入了新的动力。对产品在体系中的运行使用场景进行建模和分析，是从根本上对产品概念进行创新，是产生颠覆性创新的源泉。在航天科研院所中，已经有专业技术人员在进行此方面的研究，并采用SysML方法对产品所运行的体系进行建模分析。通过MBSE的参数模型，可以在设计过程中通过多学科优化寻找最优解，还可以引入跨领域的成熟技术，从而产生突破性跃迁的产品设计方案。
随着基于模型的系统工程方法应用的深入，逐渐暴露出三方面的问题：一是各科研院所内部虽然逐步开始建立了系统模型，但是单位间、项目间、专业间仍存在信息壁垒和架构差异。数字化研制工具的应用深度广度有限，跨专业、跨学科协同仿真应用不足，数字化模型尚未全面覆盖研制全流程。二是各科研院所已建设的研制和数据管理系统缺少与各应用系统有效集成，不足以支持以统一产品结构为核心的流程、数据等全生命周期协同管理，围绕跨单位协同，尚未实现技术状态全贯通和闭环管控。三是缺乏面向航天产品研制基础数据的研究，标准规范体系不健全，研制数据分散，信息集成与共享能力较低。
图1 传统方法过渡到MBSE方法
三、研究目标
为解决以上问题，以云平台为底座，构建覆盖复杂系统全生命周期活动要素的系统工程协同云平台。通过该平台，打通全系统、全过程的数据链，实现研制数据的横向贯通；促进各层级产品间设计与验证的纵向打通；促进系统工程的数据、模型积累，提升创新研制能力；优化产品研制数字化协同机制，从而助力航天科研院所向具有航天特色的模型、数据、流程驱动的MBSE协同研制模式转型跨越。
㈠基于模型的系统工程协同云平台构建
以系统工程方法论为指导，以云平台为底座，构建协同研制数据中台及协同研制流程中台，打造基于模型的协同研制支撑环境。面向航天产品需求设计、研制设计、生产验证、综合保障等提供一体化支撑平台。
㈡推动需求管理、系统建模工具集在系统工程协同云平台上的部署与应用
在基于模型的系统工程推进过程中，要打通系统建模工具和需求管理工具、联合仿真框架之间的业务链条，使之融为一体。逐步实现基于模型的跨单位快速协同设计、协同制造、协同验证。推动相关单位将现有的研制模式向基于模型的系统工程研制模式迁移。
㈢建设基于云平台的航天产品研制系统工程标准规范体系框架
目前，军工领域还没有基于云平台的MBSE体系的标准框架和解决方案。要大力推动系统工程协同云平台的研究，根据航天产品特点，结合云“五层两域”标准规范，针对性地构建协同云平台标准体系框架。
四、研究结果
㈠基于云平台的MBSE协同研制平台构建
基于云平台的MBSE协同研制模式架构，采用分层设计，自底向上，主要包含云平台底座、协同研制数据中台与协同研制流程中台、系统研制工具集、MBSE协同研制模式综合应用。
1.云平台底座功能实现
数据存储管理底座，云平台提供关系型数据库、NoSQL数据库、分布式文件系统等并结合数据中台相关组件实现数据的存储管理。信息获取与交换底座，云平台提供定制化的数据集成交换共享系统，跨网跨域多渠道获取数据，数据标准化，结合数据中台及业务中台，实现数据获取与信息交换。数据服务与能力构建底座，云平台利用数据中台及业务中台为数据资源服务、流程服务及前端可视化看板提供基础技术支撑。安全可信底座，云平台完成了设备、操作系统、数据库及中间件的适配，利用安全中台实现数据安全、网络安全及应用安全。
2.协同研制数据中台构建
为高效满足前台数据分析和应用，构建规范定义的数据资源中心，涵盖数据资产、数据管理模型、数据服务等方面。利用ETL工具、统一数据调用接口、手工填报等方式从各协作单位获取各类研制数据，对各类数据进行数据清洗、格式转换、数据加工处理等操作，并建立协同研制数据主题库，将处理完成的数据加载到主题库中存储管理。通过协同研制数据中台，提供基础的元数据管理、数据标准、数据治理等共性数据定义和管理能力，构建统一的数据架构、数据交换管理标准进行共享。
3.协同研制流程中台构建
涵盖需求、方案、设计以及总体与分系统协同的流程，具备通用协同研制、管理流程服务能力。可提供统一应用模式的业务流程申请、业务流程服务、业务流程监控、流程统一服务接口及调用管理功能。并提供全局共性业务中心，包括用户中心、检索中心、协同中心、流程中心等共性支撑，具备流程全局打通实现能力。
㈡推动需求管理、系统建模工具集在系统工程协同云平台上的部署与应用
1.协同研制工具集云平台部署
按照各协作单位现有信息技术基础能力，在平台上部署以系统产品研制流程为主线的数据产生工具集，包括建模、设计、仿真、数字工艺等工具软件，以及生产设备、检测设备、装调设备等数字化工艺设备和库房管理系统软件；部署以产品研制计划、产品质量等管理为主线的衍生数据的生成与管理工具集，包括研制任务分解与管理，计划与决策的管理，质量管理等。
2.基于模型的全级次跨专业协同设计模式
在MBSE的基础上，结合当前航天产品研制模式，面向数字化协同研制模式，形成典型的协同业务流程模型。重点围绕跨单位的需求协同设计、总体与分系统协同设计、基于设计物料和模型的设计与工艺协同、技术状态协同管控四个协同研制流程。在研制方案阶段，开展各级需求定义，总体下发，分系统和单机进行需求分解协调，并上传总体闭环，形成完整需求树。总体构建产品结构树，自上而下进行产品结构分解，经多次协调迭代发放给分系统和单机，分系统和单机按要求开展模型设计后，提交总体进行集成验证，经多次协调迭代后，确定产品状态。设计单位向制造单位发出技术文件、设计物料、模型，制造单位按要求进行加工制造和总装测试。全级次技术状态以基线形式进行归集，重大研制活动前建立基线，确保状态受控可追溯。通过协同并行机制的建立，从而加快设计迭代周期，提高设计效率和质量。
3.协同研制综合管理应用
协同研制综合管理应用，覆盖典型的科研生产看板、项目调度规划、考核等方面的综合应用。结合项目研制的全生命周期管理，对立项、方案、研制、鉴定、生产、交付等阶段进行横向管理，包含协同研制过程中的需求管理、方案设计管理、集成、需求验证等应用，对相关模型、数据、实物进行多维管理。
㈢建设基于云平台的航天产品研制系统工程标准规范体系框架
在MBSE方法中，需要一套完善的航天产品系统工程标准规范体系作为支撑。在梳理现有的标准规范的基础上，结合各个研制单位的产品研制、制造和管理要求，重点开展航天产品系统工程标准规范体系框架设计，构建符合自身特点的基于协同云的航天产品MBSE研制标准体系。标准规范体系框架包括3个体系和6个标准，3个体系包括架构与接口管理体系、数据资产管理体系、流程管理体系；6个标准包括：主数据标准体系、数据资源编目规范、数据共享管理规范、数据安全管理规范、数据质量管理规范、数据仓库建设规范。
五、预期效益分析
应用MBSE理论指导航天产品研制实践，基于协同设计和并行工程的理念，构建适用于复杂系统各研制阶段，支持多学科、多专业的研制环境——系统工程协同云平台。其云架构服务化的特点，可快速响应业务需求的变化，快速形成产品研制产业链，为研制模式转变提供平台支撑。
协同研制数据中台和流程中台作为协同中枢，横向贯通立项、方案、研制、鉴定、生产、交付全生命周期业务的数据链；纵向打通总体、分系统与单机各层级产品之间的壁垒，实现各级产品之间数据和模型的交互，面向系统工程研制全过程提供数据共享协同的全新解决方案。
(航天科工网络信息发展有限公司，中国长峰机电技术研究设计院:滕海、李田、韩彬、陈真)
文章来源：航天科研管理
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