聚焦｜基于模型的航天器数字化研制模式构建与
作者： 马楠、王耀东 来源：钱学森智库
航天器具有系统复杂、在轨不可维修、产品研制必须一次到位的特点。近年来，载人航天、月球探测、北斗导航、高分专项等国家重大专项工程全面实施，使得中国空间技术研究院宇航业务得到快速增长，但也面临着用户要求高、复杂型号多、任务周期短、高强密度发射常态化等严峻挑战。而传统的以文件为型号信息传递载体、以实物验证为主要验证方式的航天器研制模式和管理体系存在的潜在问题正在日益突显，因此迫切需要创新研制工具手段和方式方法，以数字化、网络化、智能化等新技术促进型号研制模式的转型升级。
一、面临的主要问题
1．复杂航天器系统研制能力需要进一步提升
航天器研制是一个复杂的系统工程。近年来，航天器系统设计的复杂度大幅增加，一方面，空间系统建设正在从单星向系列、系列向体系进行转变，体系化设计需求日益迫切，传统的侧重于单星设计、经验设计的工作模式相对粗放，已难以满足用户的需求；另一方面，单一型号的系统复杂度也在大幅增加，传统以实物验证为主的研制模式存在的验证周期长、问题暴露晚等弊端正在逐步显现，导致部分在轨工况无法在地面得到充分验证。因此，必须建立并规范开展基于模型的设计验证工作，以实现型号研制重心前移，减少产品生产制造阶段的工作反复。
2．全产业链优势缺乏充分挖掘和展示
对于传统的航天器研制，各单位在技术指标分配、研制周期等方面都留有余量，通常形成局部最优但整体不优的情况，近年来的能力建设（包括信息化建设）也主要在各单位内部实施，但全型号、跨单位、跨专业的应用效果并不明显，覆盖航天器研制全业务、全周期的产业链优势没有得到充分发挥。因此，必须要通过系统的组织管理，并依托先进的数字化技术，实现多专业并行协同设计，以及设计成果的上下游快速传递和有效复用，进而提升航天器的研制水平和效益。
3．航天器研制信息传递载体有待优化
航天器研制过程中会产生海量的具有复杂关联关系的信息，目前这些信息主要是以图文档的形式进行存储与管理，各个存档文件相互独立，出现问题时很难进行关联性分析，而且技术状态不同步的问题也时常出现，导致不同专业的设计人员在研制过程中需要不断沟通、确认和迭代，影响工作效率。因此，必须要通过系统的组织管理，逐步实现模型对文档的替代使用，并基于统一数据源进行型号研制信息的传递和应用，以实现多专业设计人员之间的高效、准确沟通，减少无效、低效劳动。
4．航天器研制工程知识需进一步固化
研究院在长期的航天器研制过程中形成了大量的工程经验、方法、禁忌和知识，目前很多都散落在设计师个人手里，有些虽然进行了总结提炼，但大部分成果仍以纸质文件的形式存在，与型号研制过程结合不紧密，知识利用率不高，不利于企业软实力的提升。因此，必须通过系统的组织管理，以软件工具为载体逐步实现知识的提炼、固化、共享和复用，实现知识的主动推送，进而提升企业核心竞争力。
二、航天器数字化研制模式的
构建过程
1．总体思路
面对新形势下的要求与挑战，研究院创新性地将基于模型的系统工程理论方法与航天器项目研制“V”字流程相结合，围绕“实现基于模型的航天器数字化研制”的管理目标，以模型驱动和仿真验证为核心，系统组织梳理、优化航天器研制生产全周期的业务流程和工作方法。
按照“抓组织队伍建设、抓管理机制建设、抓实施重点”的管理思路，研究院实施了责任分工调整，明确由院所两级正职挂帅、牵头部门为科研生产管理部门，解决了宇航型号研制与信息化“两化”融合不足的问题；依托各项数字化工作的推进，培养了一支深刻理解“两化”融合内涵的骨干队伍。形成了顶层总体方案，建立了正职主抓的统一调度推进机制；实施了统一软件、统一标准、具体项目全周期管理等一系列管理创新工作，建立了全方位的数字化工作管理机制。通过空间站示范项目和航天器设计横向协同、产品实现过程纵向贯通两条主线工作的探索实践，建立了多类模型在航天器研制生产过程中的应用模式，逐步实现了各单位业务的深度融合和知识成果的统筹共享，促使航天器研制程序、研制方法、验证手段、工作模式产生了根本性变化。
2．主要做法
（1）建立数字化工作组织队伍体系
针对传统信息化业务管理中存在的全员参与不够、部分建设成果实际应用效果不理想等问题，为做好数字化研制模式转型升级的战略创新工作，研究院在启动专项工程之前，首先开展了组织队伍体系的优化和调整，调整后的组织体系架构如图 1 所示。
图1 宇航智造工程组织体系架构
一是明确专项工程由院所两级行政正职负责。由于航天器数字化研制模式的建立将贯穿型号研制的全流程，涉及型号、技术、管理等多个方面，所以明确了由院所两级单位行政正职牵头主抓数字化工作的责任体系，由各级行政正职负责组织管理数字化工作在本单位的规划与落实，同时充分调动本单位内部人、财、物等资源，以全力保障数字化工作的顺利实施。
二是明确专项工程牵头部门为科研生产管理部门。在传统工作模式中，由信息化部门统一负责组织开展业务需求梳理、系统建设与应用，但这种模式存在信息化建设和型号应用“两张皮”的现象。为解决此问题，研究院创新性地将专项工程的牵头部门确定为科研生产管理部门，建立了建用协同的“两化”融合组织管理体系，由业务主管部门组织各岗位一线人员梳理需求和基于模型的业务流程，信息化部门负责软件工具建设和统筹管理，而业务部门负责组织应用和持续改进。
三是培养一支具有“两化”融合思想的骨干队伍。数字化工作的顺利实施需要一支对型号研制程序和方法有深刻认识的队伍，一方面按专业组建了 12个跨单位的数字化工作小组，通过共同研究、梳理基于各类模型的工作流程和应用模式，提高骨干人员对数字化工作的认识和理解；另一方面，不断地通过各项数字化具体工作的推进统一全员思想，培养和提升一线骨干人员基于模型开展航天器研制工作的能力和水平。
（2）建立全方位的数字化工作管理机制
一是结合 MBSE 理论方法和航天器项目研制“V”字流程，构建顶层整体框架。研究院业务覆盖载人航天、深空探测等六大领域，包括航天器总体、核心分系统、核心单机产品的研制生产。基于管理对象的复杂性，要实现基于模型的航天器研制全产业链业务的深度协同，必须要从顶层进行系统规划，一方面通过系统规划统一全院思想、更新观念，另一方面通过系统规划理清思路、明确实施内容和途径，进而形成统一的整体框架，全员一盘棋地开展后续工作。同时，按照航天器系统工程“V”流程，研究院共规划实施体系论证、设计验证、制造集成、测试试验、在轨管理 5 个关键环节的数字化研制管理工作，覆盖航天器研制全周期和系统、分系统、单机 3 个层级。
二是建立了院所两级正职主抓的统一调度推进机制。在研究院层面，由院长亲自主抓专项工程，依托院长任组长的宇航任务领导小组进行数字化战略事项决策，确定数字化工作方针、目标，审定顶层规划方案，研究决策数字化工作推进过程中遇到的重大共性问题；依托院长主持、各单位行政正职参加的宇航能力工程建设专题会进行统一调度推进，每季度由研究院科研生产部进行专题汇报、各单位行政正职进行主题发言，研讨解决宇航智造工程推进过程中遇到的困难和问题。在总体单位和专业单位层面，形成与院级类似的数字化工作决策机制和过程管理机制，由单位行政正职负责主抓此项工作。
三是建立了软件工具统筹管理机制。软件工具是航天器数字化研制管理的重要组成部分，在专项工程推进过程中，为避免因不同单位软件建设经费重复投入，导致跨单位数字化协同工作难度加大，数字化成果无法充分共享，研究院建立了以“宇航产品数字化研制工程软件目录”为核心的软件工具“强管理”工作机制，并发布了相关的管理办法，明确了关于商业软件选型升级、版本控制以及自研软件开发的管理要求，如图 2 所示。
图2 软件工具选型管理工作流程
同时，为了更好地支持多单位通用数字化项目的建设与应用，固化企业知识成果，研究院设置了宇航智造工程专项经费，并针对梳理出的数字化共性项目，采用“一家牵头建设，成果全院共享”的管理方式，以实现在经费和资源上给予倾斜与支持。
四是建立了数字化标准规范体系与管理机制。标准规范是推广应用数字化成果的基础，更是一线人员规范开展基于模型的航天器研制工作的依据，因此研究院在启动专项工程之初就同步启动了数字化标准规范体系的研究工作，建立了覆盖基础、技术、管理 3 个维度，以及院级、部所厂级、研究室 ( 车间 ) 级 3个层级的数字化标准规范体系（见图 3），并结合对数字化工作认识的逐步深入，按年度对体系进行优化与调整。
图3 数字化标准规范体系
在数字化标准规范体系框架的指导下，研究院按照“试点先行、成熟一个、固化一个、推广一个”的管理原则，在数字化工作试点结束后及时组织制定标准规范，以改善标准制定周期较长的现状。为满足型号应用过程中面临的迫切需求，研究院明确了“规范先行，标准跟进”的工作思路，并通过型号实际应用不断完善规范体系，最终固化形成统一标准。
五是健全数字化工作全周期管理机制。为确保各项数字化工作的落地实施并持续优化改进，研究院将 PDCA 管理方法与数字化管理工作具体实践相结合，逐步形成了方案论证、系统建设、试点应用、成果固化、全面推广、持续改进 6 个环节的全周期管理工作机制（见图 4），旨在从顶层确定工作目标和活动计划，并对全周期管理活动进行控制。
图4 数字化工作全周期管理机制
在方案论证阶段，重点把握数字化项目实施的必要性和跨领域的通用性，组织做好数字化研制流程的梳理；在系统建设阶段，重点把握软件开发方案的可行性和可拓展性，避免出现反复；在试点应用阶段，重点关注软件好用易用性问题和管理程序问题；在成果固化阶段，重点关注软件工具已识别问题的闭环管理，并制定数字化标准规范；在全面推广阶段，重点组织做好员工软件工具和标准规范的培训，狠抓应用考核管理；在持续改进阶段，重点是要形成长效机制，定期收集一线应用存在的问题，并持续对数字化应用模式和配套软件工具进行完善。
（3）推动实践航天器研制核心业务环节的模型驱动模式
按照“全面推进、突出重点”的管理原则，研究院重点组织开展了空间站一个示范项目和航天器设计横向协同、产品实现过程纵向贯通两条主线工作。通过空间站复杂系统的应用，形成具有示范效用的基于模型的型号全流程数字化研制模式；通过两条主线数字化工作的实施，对不同领域航天器多专业数字化协同工作方法进行实践，旨在改进产品制造集成过程低效率环节的工作模式，以点带面、以面筑体，快速提升研究院宇航产业核心竞争力。
一是面向复杂型号任务，建立基于模型的数字化研制新模式。空间站系统是目前在研的超大型载人航天器，具有系统庞大、技术难度大、研制进度紧张等特点，按照传统的型号研制模式难以实现，因此需要在型号立项之初明确设立空间站数字化示范项目，明确空间站型号“一支队伍，两个职能”工作模式，以及明确型号总设计师为示范项目数字化责任人，并由总体单位和专业单位组建以一线设计师为主体的专业队伍，探索实践出一种新的数字化研制工作模式。目前，该数字化工作已经取得了阶段性成果，有力支撑了型号任务的顺利实施。
针对基于模型的型号需求精细化管理与控制，研究院组织开展了条目化需求模型逐级建模方法、建模规范、管控要求的研究与实践，明确了需求条目集应具备的必要性、完整性、清晰性、唯一性、可验证性、与实现方法无关性等特性要求，完成了空间站系统“工程总体—舱段—分系统—典型单机”4 级需求模型的建立与关联，为空间站技术要求分解覆盖性分析提供了强有力的支持；针对基于模型的多专业集成仿真，研究院提出了“黑盒、白盒、灰盒”3 种联合仿真工作模式并在型号中实施应用。通过总体、控制、机械臂等多专业集成仿真，对空间站各舱段转位方案正确性、转位时序正确性、接口匹配性等进行了系统综合验证，解决了空间站舱段转位等在轨工况无法在地面通过实物进行充分验 证 的 难 题；针对基于模型的技术状态管控，以及型号产品配套管理、单机产品验收管理、AIT 过程状态管理，研究院组织形成了一系列的技术状态管理要求模板，并固化到相应的信息系统中，实现了单机产品数据包的结构化提交与审查，实现了型号AIT 现场执行记录的自动反馈与技术状态快速确认。
二是基于模型驱动，开展航天器设计横向协同实践。 工程设计是航天器研制全链条过程中最重要的工作环节，据统计，80% 以上的产品质量问题均由设计阶段引入，因此在基于模型的航天器数字化研制管理创新实践过程中，设计工作也是重中之重。按照航天器研制业务流程，研究院重点围绕基于模型的航天器机热系统协同设计、信息系统协同设计、能源系统协同设计 3 条子线组织开展数字化研制管理工作，其管理核心在于协同流程的构建和接口信息的规范。
针对基于模型的航天器机热系统协同，研究院组织开展了基于统一三维模型的协同工作流程和工作方法的研究与实践工作，规范了总体、结构、热控、载荷等专业相互交互的接口信息内容和格式，并在院内六大领域新研型号中开展全面应用，实现了设计变更的即时通知和快速传递，有效避免了设计干涉问题，设计协调时间与原有模式相比减少40%。针对基于模型的航天器信息系统协同，组织规范了不同领域型号的信息模板和交互流程，基于统一数据源实现了多专业的遥测遥控等设计信息的快速交互和向下游传递，典型环节设计效率提升 30% 以上；下游综合测试、测控对接遥测数据准备时间由十几天缩短至 1 天；针对基于模型的航天器能源系统协同，组织规范了单机接口电路原理图、电缆网接点表等供配电大图绘制的输入条件形式，梳理了供配电大图绘制和使用流程，并借鉴谷歌地图的思路开发了相关软件，实现了航天器供配电大图的自动生成，型号供配电大图绘图时间减少了 50%~70%，可实现在型号综合测试和在轨飞行阶段为供配电链路的故障定位排查提供支持。
三是基于模型驱动，航天器产品实现过程纵向贯通。三维模型替代二维图纸下厂，是研究院较早前组织开展的数字化工作，在航天器主结构制造和总装过程中已初步实现了基于三维模型的工艺设计、局部仿真和数控加工，但随着复杂航天器研制和发射任务的逐年增加，进一步缩短实物产品研制周期、提高产品质量稳定性和可靠性的需求日益迫切，因此如何解决研制与生产并行、多型号交叉并行、单件与组批混合的难题是研究院面临的突出问题。在此背景下，研究院重点组织开展了三维设计模型在产品实现过程中的深入应用，其管理核心在于低效率环节的工作模式改变。
针对基于统一模型的设计与工艺协同，通过三维模型的成熟度定义与提前发布共享，改变了传统的设计与制造、设计与总装串行的工作模式，下游制造和总装工艺人员可基于三维模型提前开展复杂工艺可行性验证和工装设计，新模式下的现场设计更改单平均减少了 20%~30%，工装设计对型号研制主线的占用时间大幅压缩。针对基于模型的自动化装备推广应用，组织以统一的三维模型传递为主线，重组了工艺流程和生产制造流程，在实物产品制造集成前强化工艺仿真，逐步推动自动化装备，如管路自动弯管机、电缆网自动下线机、总装机器人、自动调平吊具、三维扫描检测设备等在各领域航天器制造集成过程的应用，宇航产品制造集成的典型环节工作效率平均提升 30%~50%。
三、实施效果
一是数字化工作组织队伍体系和管理模式有效建立，支撑了数字化研制模式的持续优化创新。
通过持续的创新实践，基于模型的航天器研制工作理念已在全院范围内达成共识。在组织队伍体系方面，研究院有效运行实施院所两级行政正职主抓、科研生产部门牵头、信息化部门配合的组织管理体系，同时依托各项数字化工作的推进，培养了一支深刻理解“两化”融合内涵的骨干队伍。在管理机制方面，研究院按照目标导向和问题导向建立了正职主抓的统一调度推进机制，形成了软件工具统筹管理、数字化标准规范体系建设与管理、数字化具体工作全周期管理等全方位的管理机制。组织队伍体系和管理模式的有效建立，为研究院后续航天器数字化研制模式的持续优化与转型升级奠定了坚实基础。
二是数字化成果的有效应用，进一步推进了全产业链的深度协同。
通过 3 年多的探索实践，研究院组织形成了基于模型的需求管理协同、系统级集成仿真协同、总体—结构—热控三维协同、信息流协同、供配电协同、设计—工艺协同等深度协同工作流程和方法，形成了 100 余个具有自主知识产权的软件工具、200 余份数字化标准规范和 600 余份数字化三层次文件，初步打造了航天器协同研制环境，目前数字化工作成果的应用范围已覆盖全院 18 家成员单位，并进一步向外协配套单位进行拓展。通过使用数字化方法和工具，航天器系统协同研制能力大幅提升，型号研制信息传递的准确性和及时性显著增强。
三是基于模型的航天器研制模式初步建立，促进了型号研制能力和效率、效益的大幅提升。
数字化工作系统实施后，研究院航天器研制模式产生了根本性变化。例如，设计验证的手段从实物验证为主向仿真验证与实物验证并重转变，逐步实现了设计验证重心的前移，型号通过前期的仿真验证可将潜在风险进行有效化解和控制，大幅减少了后期实物研制阶段的进度和质量风险。目前，研究院已初步形成了系统级多学科集成仿真能力，并在型号设计阶段广泛开展了控制、推进、能源、动力学等各类专业仿真验证工作，有效支撑了以空间站、“嫦娥”五号为代表的国家重大工程任务的技术方案验证与实施，支撑解决了复杂航天器在轨工况无法在地面进行充分验证的难题。
同时，通过模型驱动的跨单位、跨专业协同研制流程的建立和配套软件工具的深化应用，在硬件设施和科研生产队伍“零增长”的前提下，研究院航天器研制效率实现了大幅提升，质量问题得到有效减少。根据 2013 年和 2016 年的数据对比分析，航天器设计周期平均减少10%~20%，在研型号正样 AIT质量问题发生率同比下降 10%，研究院航天器产业化研制能力同比提高 33% 以上。
