中国指挥与控制学会会刊 
航天产品具有涵盖范围广、专业跨度大、技术迭代快、自动化程度高、配套批量小等特点,在对其开展试验考核时,不同产品类型的试验总体设计方式方法均有不同,配套试验环境、配套试验设备也不尽相同,并涉及组织管理结构、论证总体单位、承试单位、研制单位、用户单位等多主体协同工作,且流程之间存在上下游依赖关系。因此,航天产品的试验设计是一项复杂的系统工程。当前以传统的基于文档的系统工程思维开展试验总体设计时,因为载体是自然语言为主的文档,所以试验设计要素描述不准确、信息传递不一致的情况时有发生,这已经逐渐成为航天产品试验总体设计有效运转的主要制约因素。因此,航天行业亟须开展数字化总体设计建模工作,基于模型的系统思想(Model-Based Systems Engineering,MBSE),以模型为设计要素的载体进行表达与传递,从而确保信息的准确与一致。
1 研究现状
1.1 体系建模研究现状
2009年,国际系统工程协会(INCOSE)对MBSE给出的定义[1],“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。”与自然语言相比,模型在知识表达与处理、信息传递、知识重用等方面具有突出的优势,因此MBSE比DBSE更适合复杂系统工程的应用。Dori D等人在MBSE基础上提出了基于模型的体系工程方法(Model-Based System of System Engineering,MBSoSE)[2],该方法可以高效准确地描述和分析体系中各个组件系统及其耦合关系,主要由体系架构框架、建模语言和建模工具组成。
体系架构框架对体系涉及的各个方面进行组织描述,常用的有美国国防部体系架构框架(Department of Defense Architecture Framework,DoDAF)[3],英军的国防部体系架构框架(Ministry of Defense Architecture Framework,MoDAF)[4],北大西洋公约组织(NATO)的架构框架(NATO Architecture Framework,NAF)[5]等,其中DoDAF架构应用范围最广。该架构是由美国防部提出的一种通用的体系结构设计、开发和集成的系统工程方法,通过多视图方法论的思想统一了系统描述格式,保证了复杂系统开发的规范性。2009年,正式发布DoDAF2.0 版本,提出了以数据为中心的思想,共设计8种视图、52个模型[6]。本文也基于DoDAF体系架构开展航天产品试验数字化总体设计。
1.2 航天产品试验总体设计现状
2 航天产品试验数字化总体设计
航天产品试验总体设计数字化架构是试验总体设计顶层的概念框架,用于指导航天产品试验设计建模,提升试验设计的效率。基于DoDAF框架,航天产品试验总体设计数字化框架应当包含视角、视图、模型元素、建模流程等要素。
2.1 试验总体设计对象
航天产品试验总体设计的对象,是为考核航天产品能力而构建的试验体系。包括被试产品、配套试验系统、试验设计、组织关系、试验流程等需表达的试验设计要素,其中各设计要素又可进一步细化,如表1所示。
表1 航天产品试验总体设计对象Tab.1 The overall design object of aerospace products testing |
| 设计 对象 | 设计要素 | |
|---|---|---|
| 试验 体系 | 被试产品 | 名称、任务使命、系统组成、研制信息、功能性能指标要求等 |
| 配试系统 | 名称、配套数量、所属方、参试环节等 | |
| 试验设计 | 评估指标体系、试验流程、试验活动(试验想定、数据采集、评判准则)、试验环境、试验安排等 | |
| 组织关系 | 试验相关方等 | |
2.2 数字化总体设计体系框架
航天产品试验数字化总体设计体系框架基于DoDAF体系架构进行构建,主要包括视角、视图、模型等要素。
2.2.1 视角构建
参考DoDAF的8种视图,航天产品试验数字化总体设计主要涉及全局视角(AV)、标准视角(StdV)、项目视角(PV)、数据和信息视角(DIV)、系统视角(SV)、作战视角(OV)和能力视角(CV),为贴合具体业务,视角名称有所调整,具体描述情况见表2。
表2 视角及其描述Tab.2 View points and description |
| 视角 | 信息描述 |
|---|---|
| 全局视角 (AV) | 描述任务来源、适用范围、时间进度安排、组织人员等信息。 |
| 标准视角 (StdV) | 描述批复/呈报文件、标准规范的名称、时间、单位、文号等信息。 |
| 项目视角 (PV) | 描述产品主要研制工作的时间进度、里程碑节点,以及试验考核的时间进度和经费安排。 |
| 数据和信息 视角(DIV) | 描述系统数据概念及其关系,即元数据与元数据之间的关系。平时对用户透明,在需扩展新视图时,可通过底层数据结构可视化与编辑功能实现自定义视图。 |
| 产品视角 (SV) | 描述产品的系统组成、技术机制、主要功能、内外部接口等信息。 |
| 能力指标 视角(CV) | 描述产品结合其自身功能、性能而分解出的考核指标情况。 |
| 试验活动 视角(OV) | 描述试验考核活动的总体安排,具体科目设计,以及时序安排、相关方等信息。 |
表3 全局视角模型构成Tab.3 Global view points composition |
| 视图模型 | 表达 方式 | 模型描述 | 基本 要素 |
|---|---|---|---|
| 目的背景 (AV-1) | 列表 | 描述任务来源、适用范围、时间进度安排、组织人员等信息。 | 表格、富文本、图片 |
表4 标准视角模型构成Tab.4 Standard view points composition |
| 视图模型 | 表达 方式 | 模型描述 | 基本 要素 |
|---|---|---|---|
| 编制依据 (StdV-1) | 列表 | 描述批复/呈报文件、标准规范的名称、时间、单位、文号等信息。 | 表格、文本 |
表5 项目视角模型构成Tab.5 Production view points composition |
| 视图模型 | 表达 方式 | 模型描述 | 基本 要素 |
|---|---|---|---|
| 产品研制进 度安排 (PV-2) | 描述产品主要研制工作的时间进度,以及关键的里程碑节点。 | ||
| 试验进度 安排(PV-2) | 列表 | 描述试验任务的持续时间和关键节点。 | 表格、文本 |
| 试验经费 (PV-1) | 列表 | 描述试验经费概算信息。 | 表格、文本 |
表6 数据和信息视角及其描述Tab.6 Data and information view points composition |
| 视图模型 | 表达 方式 | 模型描述 | 基本 要素 |
|---|---|---|---|
| 概念数据模 型(DIV-1) | 结构图 | 描述系统数据概念及其关系,即元数据与元数据之间的关系。 | 类、组合连接线 |
表7 产品视角及其描述Tab.7 Production view points composition |
| 视图模型 | 表达 方式 | 模型描述 | 基本 要素 |
|---|---|---|---|
| 系统组成 结构(SV-2) | 结构 图 | 描述产品组成结构。 | 类、组合连接线、聚合连接线 |
| 图片、 文本 | 富文本 | ||
| 系统组成与 能力映射 (SV-5a) | 矩阵 | 描述产品组成结构与产品能力之间的映射关系。 | 表格、文本 |
| 系统接口视 图(SV-1) | 活动 图 | 描述产品与配试设备/系统的接口关系及信息流向。 | 活动、组合连接线 |
| 实现途径及 技术体制 (SV-4) | 文本 | 描述产品实现途径及技术体制。 | 富文本 |
表8 能力指标视角及其描述Tab.8 Capacity view points composition |
| 视图模型 | 表达 方式 | 模型描述 | 基本 要素 |
|---|---|---|---|
| 产品使命任 务及部署方 案(CV-1) | 图片 | 通过示意图与文字相结合的方式,对产品的部署方案、使命任务、使用流程等进行整体、直观的描述。 | 图片 |
| 文本 | 富文本 | ||
| 任务剖面 (CV-2) | 结构 图 | 以树状图的形式,描述产品使命到任务剖面的分解与映射。 | 类、组合连接线 |
| 文本 | 以文本的形式,描述产品使命到任务剖面的分解与映射。 | 文本 | |
| 能力指标 (CV-2) | 结构图 | 描述产品功能、性能、接口、通用质量特性等试验考核指标要求。 | 类、组合连接线 |
| 能力指标- 任务映射 (CV-6) | 矩阵 | 描述产品任务剖面、能力、指标要求之间的映射关系。 | 表格、文本 |
表9 试验活动视角模型构成Tab.9 Operational view points model composition |
| 视图模型 | 表达 方式 | 模型描述 | 基本 要素 |
|---|---|---|---|
| 试验总 体设计 (OV-5b) | 泳道 图 | 描述试验活动具体信息,如试验流程、试验方法、试验开始或结束条件等。 | 泳道、活动、聚合连接线、开始、结束、中断、逻辑判断 |
| 文本 | 文本 | ||
| 结构 图 | 类、组合连接线 | ||
| 试验想定 (OV-1) | 图片 | 描述试验任务想定。 | 图片、富文本 |
| 文本 | 文本 | ||
| 试验资源 (OV-2) | 状态图 | 描述试验资源在试验科目或试验阶段的流转关系。 | 活动、组合连接线 |
| 组织结构 (OV-4) | 结构图 | 以树状图的形式,描述试验所涉及组织或人员。 | 类、组合连接线 |
| 试验时序 (OV-6c) | 时序图 | 描述试验阶段和试验活动的时序关系、持续时间和触发条件。 | 节点、事件、文本 |
全局视角包含目的背景(AV-1)视图模型,主要通过支持基于操作系统自带日历表起止时间的字段录入,支持通过下拉菜单方式进行组织人员录入,支持表格中已选字段跳转至其他相关视图的自定义扩展等功能,实现试验考核任务来源的总体描述。
标准视角包含编制依据(StdV-1)视图模型,主要通过构建标准规范的名称、时间、单位、文号等信息的素材库,并支持素材库分类管理等功能,实现标准规范的自定义描述。
项目视角包含产品研制进度安排(PV-2)、试验进度安排(PV-2)、试验经费(PV-1)等视图模型,主要功能是为表格和文本形式描述提供进度安排及经费安排等信息。
需要说明的是,产品试验考核阶段与被试产品相关的模型(包括使命任务、系统组成、研制进度安排、实现途径及技术机制、使命任务及部署方案、任务剖面等),应从产品论证、设计、研制等上游环节流转过来,在此仅进行模型的接收、加载与解析,不再另行构建。但由于目前尚未形成产品全生命周期的数字化设计建模规范,为便于表达,本文对被试产品相关的模型也一并进行了设计。
数据和信息视角包含概念数据模型(DIV-1)视图模型,主要通过预制与总体设计相关的数据和信息,在用户需扩展新视图时,提供底层数据结构可视化与编辑功能,支持自定义视图模型构建。
产品视角包含系统组成结构(SV-2)、系统组成与能力映射(SV-5a)、系统接口视图(SV-1)、实现途径及技术机制(SV-4)等视图模型。模型主要实现基于上游流转模型的加载与解析,在当前无上游数据流转的情况下,通过提供结构图和活动图等方式完成相关资源要素的数字化描述。此外,模型支持产品系统组成与主要能力之间的映射,最终实现以能力指标为主线的一致性表达与传递,并为逻辑验证提供系统组成与能力指标之间冗余或缺失信息的验证要素。
能力指标视角包含产品使命任务及部署方案(CV-1)、任务剖面(CV-2)、能力指标(CV-2)、能力指标-任务映射(CV-6)等视图模型。模型主要进行产品使命任务-能力-指标之间的分解与映射关系描述,最终实现以能力指标为主线的一致性表达与传递,并为逻辑验证提供任务剖面与能力指标之间冗余或缺失信息的验证要素。
试验活动视角包含试验总体设计(OV-5b)、试验活动(OV-5a)、试验想定(OV-1)、试验资源(OV-2)、组织结构(OV-4)、试验时序(OV-6c)等视图模型。该视角是航天产品数字化设计的核心视角,主要实现对试验内容、试验资源、组织结构、试验时序等试验活动描述要素的多维表达,同时通过能力指标将各表达要素进行底层关联,并基于能力指标支持相关视图模型的互相切换,确保相关表达要素模型传递的一致性,方便用户进行试验活动设计,并为后续逻辑验证提供试验活动、能力指标、资源要素、组织之间冗余或缺失信息的验证要素。
2.2.2 模型基本要素释义
模型是对建模规则的抽象,包含模型构建的数据和规则。基本要素是能够表达视图模型的最小组成单元,所有模型均通过一定的基本要素进行逻辑表达。航天产品试验数字化总体设计架构参考了DoDAF框架基本要素、SysML语言、UML语言,结合试验设计实际需求,选取构建的基本要素及释义见表10。
表10 基本要素释义Tab.10 Definition of basic elements |
| 基本要素 | 释义及功能 |
|---|---|
| 文本 | 进行文字编辑的功能区域,在模型中为其他元素提供信息补充。 |
| 富文本 | 进行文字编辑的功能区域,比文本功能更强大。支持插入和展现文字、颜色、字体、图片等丰富的格式和内容;支持插入超链接,链接到特定模型/模型中特定元素功能;可单独作为元素展现,也可嵌入到表格元素中展现。 |
| 表格 | 以二维矩阵的形式展现数据的元素。 |
| 类 | 描述一个实体或概念。 |
| 节点 | 时序图中表示参与交互的实体,由对象和生命线组成。 |
| 事件 | 时序图中表示触发节点转移的事件。 |
| 活动 | 活动图/泳道图中表示一个操作或一组操作的执行。 |
| 泳道 | 泳道图中用垂直或水平的矩形表示,将试验活动划分到不同的试验阶段。 |
| 组合连 接线 | 描述类或活动之间从属、分支、汇总等关系的有向线段。 |
| 聚合连 接线 | 描述活动之间兼容与、并行等逻辑表达的有向线段。 |
| 开始 | 描述试验活动流程开始的元素。 |
| 结束 | 描述试验活动流程结束的元素。 |
| 中断 | 描述试验活动流程中断的元素。 |
| 逻辑判断- 决策 | 描述试验活动通过决策进入不同分支的元素。 |
| 逻辑判断- 与 | 描述试验活动不同分支需同时完成才能继续执行的元素。 |
| 逻辑判断- 并行 | 描述试验活动不同分支并行执行,无相互依赖关系的元素。 |
2.2.3 试验总体设计过程
根据实际工作经验,航天产品试验总体设计流程包括以下4个阶段。
阶段1:接受试验考核任务,根据被试产品系统组成、功能性能指标要求等,构建试验考核指标体系。
阶段2:选取试验考核模式,明确试验阶段,确定试验内容,并与考核指标关联。
阶段3:根据试验内容,确定配套试验系统,分析试验资源和环境需求,确定试验相关方,规划试验周期等。
阶段4:将试验内容细化为试验科目,包括试验想定、试验流程、考核指标、数据采集、评判准则等。
2.2.4 数字化总体设计流程
航天产品试验数字化总体设计流程,主要用以指导开展基于实际试验考核任务的数字化总体设计模型构建。根据试验总体设计过程,试验数字化总体设计流程主要包括以下4个步骤。
步骤1:全局信息表达。基于全局视角、标准视角和项目视角,对本次试验考核活动进行总体描述。
步骤2:试验产品表达。基于产品视角,对被试产品、配套试验系统、试验设计、试验相关方等试验体系相关要素进行描述。
步骤3:试验活动设计表达。基于能力指标视角和作战活动视角对试验内容相关要素进行表达,并将试验内容与考核指标、试验相关方进行多维度关联,确定试验数据需求和流转过程。
步骤4:对数字化总体设计结果进行逻辑验证,检验总体设计结果的逻辑正确性。
3 案例分析与逻辑验证
3.1 案例分析
结合某航天产品(××数字试验运行平台)试验考核任务,对其试验总体设计进行数字化建模。该产品为复杂软件系统,主要为行业内相关产品构建数字试验运行平台。平台的功能、性能、研制节点等信息均从上游研制单位流转至试验总体设计人员。试验总体设计人员基于自主研发的体系建模工具,按照上述提及的数字化试验总体设计步骤对试验过程的主要表达要素进行建模,包括试验活动、试验时序、组织结构等。试验活动可进行所有活动的全局表达,也可逐层拆解,进行单一试验活动全过程表达。××数字试验运行平台试验数字化总体设计的典型视图模型如图1~6所示。此外,所有试验活动和系统能力等设计要素通过能力指标相关联,从而实现多维索引及数据传递,也为后续逻辑验证提供验证要素,如图7所示。
3.2 逻辑验证
4 结束语
本文采用基于模型的系统工程思想(MBSE),参考美国国防部体系架构框架(DoDAF),提出了包括视角、视图、模型、基本要素在内的航天产品试验数字化总体设计框架,并完成了试验数字化总体设计步骤。根据该框架和设计步骤,可完成试验数字化总体设计工作。最后借助某体系设计工具,以航天某产品为例,开展了试验数字化总体设计,并完成了设计的逻辑验证。后续将结合智能化手段,完成数字化设计结果的文本化自动生成,从而辅助试验总体设计人员完成试验方案的高效拟制。
结果表明,相较于DBSE,基于MBSE的试验总体设计优势如下:通过统一的建模语言进行表达,有效减少了自然语言导致的沟通中歧义的产生;通过模型约束确保了信息传递的一致性和准确性;通过模型和基本要素的复用设计,提高了试验总体设计人员的工作效率;通过模型逻辑验证,可完成试验设计结果的逻辑检查,提前发现逻辑问题。
综上所述,航天产品试验数字化总体设计,本质上是将总体设计思维模式,从以自然语言为载体向以模型为载体的认知模式上的转变。虽然基于MBSE的总体设计能够更好地进行相关要素的一致性和准确性表达,从而提高工作效率,但由于其表达模式更为抽象,并要求有建模基础,这对试验总体设计人员也提出了更高的专业素养要求。
试验数字化总体设计工程实现后,将解锁模型驱动的试验方法构建新模式,实现航天产品试验考核各个阶段的数字化表达,进而实现数字空间中航天产品试验考核与产品论证、设计、研发等上游环节,以及使用、维护等下游环节的有效衔接。