楊小龍，聶蓉梅

(1. 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076；2. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

系統(tǒng)工程是保證復(fù)雜系統(tǒng)研制成功的重要思想和方法。國(guó)內(nèi)最早關(guān)于系統(tǒng)工程的論述出現(xiàn)在錢學(xué)森撰寫(xiě)的《組織管理的技術(shù)——系統(tǒng)工程》一文中。他指出系統(tǒng)是由相互作用和相互依賴的若干組成部分結(jié)合成的具有特定功能的有機(jī)整體，而且這個(gè)系統(tǒng)本身又是它從屬的一個(gè)更大系統(tǒng)的組成部分。系統(tǒng)工程是組織管理系統(tǒng)的規(guī)劃、研究、設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和使用的科學(xué)方法，是一種對(duì)所有系統(tǒng)都具有普遍意義的科學(xué)方法[1]。欒恩杰所著的《航天系統(tǒng)工程運(yùn)行》中，關(guān)于系統(tǒng)工程的定義為：系統(tǒng)工程不是工程系統(tǒng)本身，而是對(duì)工程系統(tǒng)所要達(dá)到的目標(biāo)及實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的措施進(jìn)行整體研究，并對(duì)工程系統(tǒng)進(jìn)行建造及運(yùn)營(yíng)的過(guò)程[2]?！吨袊?guó)大百科全書(shū)·自動(dòng)控制與系統(tǒng)工程卷》中關(guān)于系統(tǒng)工程的定義為：系統(tǒng)工程是從整體出發(fā)合理開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)用系統(tǒng)的工程技術(shù)。它是系統(tǒng)科學(xué)中直接改造世界的工程技術(shù)[3]?！睹绹?guó)科學(xué)技術(shù)詞典》中系統(tǒng)工程的定義為：系統(tǒng)工程是研究彼此密切聯(lián)系的許多要素所構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的科學(xué)[4]。美國(guó)國(guó)防部系統(tǒng)管理學(xué)院的《系統(tǒng)工程原理》中系統(tǒng)工程的定義為：系統(tǒng)工程由兩個(gè)要素部分組成，即系統(tǒng)工程運(yùn)行的技術(shù)知識(shí)領(lǐng)域和系統(tǒng)工程管理[4]。《NASA系統(tǒng)工程手冊(cè)》中提出系統(tǒng)工程是一門(mén)綜合的、整體的學(xué)科，通過(guò)相互比較來(lái)評(píng)價(jià)和權(quán)衡各學(xué)科的貢獻(xiàn)，形成一致的不被單一學(xué)科觀點(diǎn)左右的系統(tǒng)整體[5]。

由上述國(guó)內(nèi)外權(quán)威論述可見(jiàn)：系統(tǒng)工程是構(gòu)建系統(tǒng)的科學(xué)方法，是在多種約束下獲得系統(tǒng)最優(yōu)設(shè)計(jì)的科學(xué)方法，是保證系統(tǒng)能夠得以工程實(shí)現(xiàn)的科學(xué)方法。運(yùn)載火箭的系統(tǒng)工程也基本源于以上的系統(tǒng)工程思想，運(yùn)載火箭系統(tǒng)工程組織模式由兩條線構(gòu)成：行政線(由總指揮牽頭)以計(jì)劃、調(diào)度和管理為中心；技術(shù)線(由總設(shè)計(jì)師牽頭)以學(xué)術(shù)研究、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證、技術(shù)協(xié)調(diào)為中心，實(shí)行總指揮負(fù)責(zé)制。在新的歷史條件下，如何進(jìn)一步優(yōu)化這一模式，進(jìn)一步提升研制效率、研制質(zhì)量和研制效益是新一代航天人需要深入思考的問(wèn)題。

1 MBSE綜述

基于模型的系統(tǒng)工程(Model Based Systems Engineering，MBSE)是由國(guó)際系統(tǒng)工程咨詢委員會(huì)(Internal Concil of System Engineering，INCOSE)提出的概念。2007年INCOSE在《系統(tǒng)工程2020年愿景》中給出了定義：MBSE是對(duì)系統(tǒng)工程活動(dòng)中建模方法應(yīng)用的正式認(rèn)同，以使建模方法支持系統(tǒng)要求、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證和確認(rèn)等活動(dòng)，這些活動(dòng)從概念性設(shè)計(jì)階段開(kāi)始，持續(xù)貫穿設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)以及后來(lái)的所有生命周期階段[6-7]。MBSE方法論被定義為彼此關(guān)聯(lián)的流程、方法和工具的集合。流程定義“做什么”，方法定義“如何做”，工具支持“做什么”和“如何做”的實(shí)現(xiàn)。INCOSE MBSE倡導(dǎo)團(tuán)隊(duì)的主要成員多數(shù)是從事復(fù)雜系統(tǒng)嵌入式軟件開(kāi)發(fā)的人員，其最初的理論多聚焦于嵌入式系統(tǒng)和軟件密集型系統(tǒng)，后來(lái)逐步延伸到其他軟件占重要地位的系統(tǒng)，其倡導(dǎo)的系統(tǒng)建模語(yǔ)言SysML也來(lái)源于軟件建模語(yǔ)言UML。其推薦的主要方法論包括：IBM Telelo-gic的Harmony-SE，主要針對(duì)嵌入式系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)；OOSEM面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)工程方法，來(lái)源于洛克希德-馬丁公司的軟件生產(chǎn)聯(lián)盟，主要應(yīng)用于洛克希德-馬丁公司的大型分布式信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)；IBM的MDSD方法論主要用于軟件開(kāi)發(fā)的RUP規(guī)程，最佳實(shí)踐應(yīng)用于應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的規(guī)范、分析、設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)所面臨的挑戰(zhàn)；Vitech的MBSE方法論強(qiáng)調(diào)以系統(tǒng)定義語(yǔ)言(SDL)來(lái)管理模型制品，需要一個(gè)經(jīng)商定的、以架構(gòu)或本體形式表達(dá)的信息模型，用于管理模型制品的句法和語(yǔ)義，作為需求分析人員、系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員和開(kāi)發(fā)人員的一種技術(shù)溝通途徑，并為圖形化視圖生成程序、生成程序腳本和一致性檢查程序提供一個(gè)結(jié)構(gòu)；JPL的狀態(tài)分析(SA)方法論是一個(gè)基于模型和狀態(tài)控制的架構(gòu)，用于描述系統(tǒng)狀態(tài)是如何演進(jìn)的；Dori的OPM方法論，結(jié)合了正規(guī)的但簡(jiǎn)單的可視化模型(OPD)與受限的自然語(yǔ)言語(yǔ)句(OPL)，以便在一個(gè)綜合的、單一的模型中表達(dá)系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)和行為，OPL是一種同時(shí)面向人和機(jī)器的雙重目的語(yǔ)言[6]。

最近幾年，隨著國(guó)外商業(yè)軟件在中國(guó)的推廣，MBSE方法論受到廣泛關(guān)注，并掀起了應(yīng)用研究熱潮。人們對(duì)于應(yīng)用國(guó)外商業(yè)MBSE工具解決其面臨的問(wèn)題給予了很高的期望，近幾年有大量相關(guān)論文發(fā)表，在知網(wǎng)上可以檢索到的最近3年(2020—2023年)的相關(guān)期刊論文有百篇以上，本文僅列出了一些比較有代表的論文[7-16]，其中大部分為基于國(guó)外商業(yè)MBSE工具的應(yīng)用研究[7-10]。以電子科技大學(xué)夏韜凌的論文為例，其主要是對(duì)現(xiàn)有商業(yè)MBSE工具的比較，并選取一種適合其研究對(duì)象的工具進(jìn)行應(yīng)用研究和實(shí)踐[8]。另一類是基于INCOSE 的MBSE概念，提出了某領(lǐng)域MBSE設(shè)想或框架體系，以及需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題[11-16]。本文屬于后一種類型。

綜上所述，INCOSE 提出的MBSE概念比較寬泛，涉及復(fù)雜系統(tǒng)的各個(gè)方面和全生命周期，但其倡導(dǎo)團(tuán)隊(duì)提出的主要方法論多數(shù)局限于系統(tǒng)的需求和設(shè)計(jì)描述。在具體實(shí)踐方面多以軟件密集型系統(tǒng)為主。在系統(tǒng)上下貫通方面主要論述了從需求分析、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)到系統(tǒng)功能邏輯描述方面的內(nèi)容，其系統(tǒng)建模主要是指對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行建模，包括系統(tǒng)的組成、關(guān)系和運(yùn)行邏輯，以及系統(tǒng)狀態(tài)變化的描述。在系統(tǒng)性能仿真方面主要借助Modelica語(yǔ)言或與其他通用系統(tǒng)仿真工具打通的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。INCOSE提出的MBSE概念具有前瞻性，在新的技術(shù)條件下，這一概念具有發(fā)展的價(jià)值和實(shí)現(xiàn)的可能，但其主要倡導(dǎo)成員提出的具體方法目前主要聚焦于系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)信息描述的范疇，Modelica語(yǔ)言有其自身的局限性，不能覆蓋所有的系統(tǒng)性能仿真。最初各大商業(yè)軟件廠商推出的MBSE概念與INCOSE的定義范疇有較大差距，不能覆蓋系統(tǒng)工程的全部?jī)?nèi)涵，目前也在逐步轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工程的全生命周期方向。

2 運(yùn)載火箭MBSE設(shè)想

運(yùn)載火箭是一個(gè)典型的復(fù)雜系統(tǒng)，其研制過(guò)程遵循系統(tǒng)工程方法。首先進(jìn)行總體方案論證與設(shè)計(jì)；然后進(jìn)行分系統(tǒng)功能、性能指標(biāo)及結(jié)構(gòu)的分解與分配；再進(jìn)行分系統(tǒng)論證、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，單機(jī)論證、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，機(jī)、電、軟產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)；最后進(jìn)行產(chǎn)品集成形成完成的系統(tǒng)，并通過(guò)各種實(shí)物試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)性能是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在這個(gè)過(guò)程中可能需要在某個(gè)層級(jí)或幾個(gè)層級(jí)之間經(jīng)過(guò)多輪次迭代，才能獲得整體性能優(yōu)、技術(shù)合理、經(jīng)濟(jì)性好的系統(tǒng)方案。傳統(tǒng)上這種迭代主要是基于文檔和會(huì)議協(xié)調(diào)開(kāi)展，新型號(hào)的研制周期為10年左右。傳統(tǒng)的研制流程如圖1所示。

圖1 運(yùn)載火箭傳統(tǒng)系統(tǒng)工程流程Fig.1 Traditional work flow of systems engineering for launch vehicle

INCOSE關(guān)于MBSE的定義，主要思想是在系統(tǒng)工程實(shí)踐中引入模型，“以使建模方法支持系統(tǒng)要求、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證和確認(rèn)等活動(dòng)[6-7]”，但其提出的具體方法對(duì)系統(tǒng)工程全過(guò)程覆蓋不足，為彌補(bǔ)這一缺陷，需要將模型的范疇進(jìn)行擴(kuò)展。不僅包含系統(tǒng)需求信息數(shù)字化模型、架構(gòu)數(shù)字化模型，還應(yīng)包含系統(tǒng)產(chǎn)品三維數(shù)字化模型、性能預(yù)測(cè)仿真模型等。并且對(duì)這些建模方法進(jìn)行正式的認(rèn)證或確認(rèn)，以支持各專業(yè)各參研單位高效高質(zhì)量設(shè)計(jì)及基于模型的協(xié)同，從傳統(tǒng)的基于文檔的協(xié)同走向基于模型的協(xié)同，并充分利用信息化系統(tǒng)管理和傳遞數(shù)據(jù)，使設(shè)計(jì)協(xié)同從線下走向線上，以加快設(shè)計(jì)迭代。同時(shí)在研制早期通過(guò)跨專業(yè)跨單位的模型集成實(shí)現(xiàn)更精細(xì)化的聯(lián)合仿真，為提前發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)更大范圍、更深層次的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供條件。將設(shè)計(jì)模型和仿真模型貫穿產(chǎn)品全生命周期，充分發(fā)揮模型的復(fù)用價(jià)值，構(gòu)建數(shù)字孿生系統(tǒng)，促進(jìn)傳統(tǒng)生產(chǎn)模式向智能化生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型，從完全依靠實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證向虛實(shí)結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證轉(zhuǎn)型。最終為提升研制質(zhì)量、加快研制進(jìn)程、降低研制成本、提升研制效益提供助力。引入經(jīng)認(rèn)證或確認(rèn)的建模方法后，運(yùn)載火箭的MBSE設(shè)想如圖2所示。

圖2 運(yùn)載火箭的MBSE設(shè)想Fig.2 An image of model based systems engineering for launch vehicle

圖2在原有系統(tǒng)工程流程中引入了基于模型的設(shè)計(jì)定義與要求下發(fā)、基于模型集成的虛擬試驗(yàn)、數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建與應(yīng)用、基于模型的虛實(shí)結(jié)合試驗(yàn)、模型修正與評(píng)估以及數(shù)字主線，從而體現(xiàn)了新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)工程方法的支持與改進(jìn)。傳統(tǒng)上是用設(shè)計(jì)文件來(lái)定義系統(tǒng)并下發(fā)任務(wù)書(shū)，在新技術(shù)條件下，可以采用數(shù)字化信息模型來(lái)定義系統(tǒng)，這樣便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化處理，并可以實(shí)現(xiàn)上下游數(shù)字化信息的關(guān)聯(lián)。對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這種關(guān)聯(lián)將有助于發(fā)現(xiàn)可能引發(fā)“蝴蝶效應(yīng)”的問(wèn)題。將數(shù)字化信息模型與系統(tǒng)性能仿真模型結(jié)合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真一體化貫通，實(shí)現(xiàn)總體與分系統(tǒng)模型集成，從而可以實(shí)現(xiàn)更廣泛、更深層次的設(shè)計(jì)優(yōu)化，獲得更優(yōu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。將動(dòng)力學(xué)仿真模型與精細(xì)化的幾何模型、有限元仿真代理模型聯(lián)合，可實(shí)現(xiàn)基于多學(xué)科模型集成的虛擬試驗(yàn)，提前發(fā)現(xiàn)各層級(jí)設(shè)計(jì)不協(xié)調(diào)問(wèn)題，在研制早期以最小的代價(jià)優(yōu)化設(shè)計(jì)、防范風(fēng)險(xiǎn)。數(shù)字孿生系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用將有助于利用已構(gòu)建的精細(xì)化設(shè)計(jì)模型和仿真模型，促進(jìn)生產(chǎn)過(guò)程的智能化，實(shí)現(xiàn)基于模型的虛實(shí)結(jié)合試驗(yàn)、模型修正與評(píng)估，在更多狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的行為和性能的驗(yàn)證與準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。數(shù)字主線將實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)模型和數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管控，充分利用大數(shù)據(jù)管理技術(shù)和AI技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)變化的精細(xì)化管理和風(fēng)險(xiǎn)控制。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭的基于模型的系統(tǒng)工程，涉及6大關(guān)鍵技術(shù)，分別是：設(shè)計(jì)信息統(tǒng)一化建模技術(shù)、異構(gòu)仿真模型集成技術(shù)、數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)、虛實(shí)結(jié)合試驗(yàn)與評(píng)估技術(shù)、跨域異構(gòu)信息系統(tǒng)集成技術(shù)以及基礎(chǔ)軟硬件安全互聯(lián)技術(shù)。

3.1 設(shè)計(jì)信息統(tǒng)一化建模技術(shù)

對(duì)設(shè)計(jì)信息模型盡最大可能實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一化建模，設(shè)計(jì)信息可以分為兩大類。一是設(shè)計(jì)要求和約束，二是方案描述和設(shè)計(jì)圖紙。設(shè)計(jì)要求和約束包括但不限于系統(tǒng)性能要求、系統(tǒng)幾何約束、質(zhì)量約束、環(huán)境條件等。方案描述和圖紙一般包括系統(tǒng)組成、結(jié)構(gòu)尺寸、系統(tǒng)接口(包括機(jī)、電、軟件接口)、系統(tǒng)運(yùn)行邏輯、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖、電氣設(shè)計(jì)圖和軟件設(shè)計(jì)文檔等。統(tǒng)一化建模技術(shù)已在結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)、電氣原理圖設(shè)計(jì)、電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)等方面取得突破，初步實(shí)現(xiàn)了工程數(shù)字樣機(jī)的成功構(gòu)建[17]?；赟ysML的系統(tǒng)架構(gòu)統(tǒng)一化建模技術(shù)的研究與應(yīng)用也已取得初步進(jìn)展，并可支持實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)從基于文檔的設(shè)計(jì)向基于模型的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變，為構(gòu)建更真實(shí)的體現(xiàn)產(chǎn)品實(shí)際運(yùn)行過(guò)程的數(shù)字樣機(jī)奠定基礎(chǔ)。未來(lái)需要解決的問(wèn)題是如何將這幾種技術(shù)進(jìn)行融合集成，在工程上能夠更快速方便地構(gòu)建出體現(xiàn)產(chǎn)品全部設(shè)計(jì)信息的完整數(shù)字樣機(jī)，并增進(jìn)其易讀性和自動(dòng)化處理能力。

3.2 異構(gòu)仿真模型集成技術(shù)

系統(tǒng)性能建模與仿真是專業(yè)性很強(qiáng)的領(lǐng)域，不同的學(xué)科有不同的建模方法，不同的建模方法有其特定的優(yōu)勢(shì)，目前還不能夠找到一種普適的方法。異構(gòu)性能仿真模型的集成是必須要解決的問(wèn)題。目前主要的性能仿真模型可分為基于數(shù)學(xué)代數(shù)方程或常微分方程的性能仿真模型、基于有限元或有限體積法的性能仿真模型。針對(duì)不同的學(xué)科，其具體的數(shù)學(xué)方程表達(dá)形式有較大差別，并取決于各學(xué)科專家對(duì)本學(xué)科客觀規(guī)律的認(rèn)識(shí)程度，因而對(duì)同一問(wèn)題可能產(chǎn)生很多種數(shù)學(xué)模型，并且適用情況也可能不同，因此對(duì)各類數(shù)學(xué)模型進(jìn)行正式認(rèn)證或確認(rèn)是十分必要的，有利于把適合的方法用于適合的場(chǎng)景，也有利于仿真模型被正確地建立和使用，同時(shí)可以避免大量重復(fù)的復(fù)核復(fù)算工作，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量的同時(shí)也有利于提高工作效率。

運(yùn)載火箭在實(shí)際飛行中是一個(gè)多物理場(chǎng)相互作用的過(guò)程，為了便于研究，人為地把不同現(xiàn)象劃分為不同的學(xué)科進(jìn)行研究，集成多學(xué)科異構(gòu)模型進(jìn)行仿真對(duì)了解和研究多物理場(chǎng)耦合作用對(duì)運(yùn)載火箭實(shí)際飛行的影響是必要的。同時(shí)多學(xué)科異構(gòu)模型的集成又是復(fù)雜的、不同形式的數(shù)學(xué)方程，求解的方法不同，運(yùn)算效率也有較大的差異，采用多種方法構(gòu)造有足夠精度的代理模型進(jìn)行集成仿真已被證明是可行之路。同時(shí)計(jì)算軟硬件技術(shù)的發(fā)展，也為集成和運(yùn)算更復(fù)雜的仿真模型奠定了基礎(chǔ)。

3.3 數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)

數(shù)字孿生技術(shù)是近幾年研究比較火熱的方向。數(shù)字孿生這個(gè)概念早在2003年就提出了[18]，直到近幾年才得到廣泛的重視，其重要原因在于6大技術(shù)的發(fā)展：精細(xì)化建模與仿真技術(shù)、高性能計(jì)算軟硬件技術(shù)、基于信息物理系統(tǒng)(Cyber-Physical Systems，CPS)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集技術(shù)、虛實(shí)融合可視化技術(shù)、大數(shù)據(jù)管理技術(shù)和AI技術(shù)。這些技術(shù)的發(fā)展為數(shù)字孿生系統(tǒng)的構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)。精細(xì)化建模與仿真包括了上面提到的設(shè)計(jì)信息統(tǒng)一化建模和性能仿真建模，是構(gòu)建數(shù)字孿生系統(tǒng)的核心。高性能計(jì)算軟硬件技術(shù)是支撐精細(xì)化仿真模型運(yùn)行的平臺(tái)。CPS是數(shù)字模型與真實(shí)物理世界關(guān)聯(lián)的紐帶。虛實(shí)融合可視化技術(shù)是數(shù)字模型與物理模型融合展示的手段。大數(shù)據(jù)管理技術(shù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字模型及其相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效管理的基礎(chǔ)。AI技術(shù)有益于實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)與監(jiān)控。數(shù)字孿生系統(tǒng)可以廣泛地在產(chǎn)品生產(chǎn)、試驗(yàn)和發(fā)射服務(wù)階段被構(gòu)建，以支持設(shè)計(jì)模型的改進(jìn)、優(yōu)化，對(duì)實(shí)物系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的預(yù)測(cè)與監(jiān)控[19]。

3.4 虛實(shí)結(jié)合試驗(yàn)與評(píng)估技術(shù)

完整數(shù)字樣機(jī)的構(gòu)建為開(kāi)展更準(zhǔn)確的虛實(shí)結(jié)合試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。在傳統(tǒng)系統(tǒng)工程中，實(shí)物產(chǎn)品的性能大多依靠實(shí)物試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)估。實(shí)物由于生產(chǎn)周期長(zhǎng)，試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，是復(fù)雜產(chǎn)品研制中最耗時(shí)的工作，也是研制成本的主要體現(xiàn)。更精細(xì)化的數(shù)字仿真模型可以使設(shè)計(jì)人員在研制初期進(jìn)行更精細(xì)化的設(shè)計(jì)確認(rèn)和優(yōu)化，在研制后期可以結(jié)合實(shí)物試驗(yàn)，對(duì)數(shù)字仿真模型進(jìn)行修正，從而獲得更準(zhǔn)確的仿真結(jié)果。通過(guò)實(shí)物試驗(yàn)和仿真試驗(yàn)的結(jié)合，更科學(xué)合理地對(duì)產(chǎn)品的性能進(jìn)行評(píng)估。同時(shí)利用數(shù)字孿生系統(tǒng)，對(duì)實(shí)物試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以在不破壞產(chǎn)品的情況下達(dá)到最佳的試驗(yàn)效果，并可以增強(qiáng)產(chǎn)品的可復(fù)用性，從而進(jìn)一步節(jié)約研制成本。實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合試驗(yàn)與評(píng)估的關(guān)鍵技術(shù)是基于數(shù)據(jù)對(duì)多領(lǐng)域模型進(jìn)行實(shí)時(shí)修正和優(yōu)化，以及基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等生成結(jié)構(gòu)、流體、多物理場(chǎng)等代理模型，實(shí)現(xiàn)與實(shí)物試驗(yàn)的實(shí)時(shí)融合[20-22]。

3.5 跨域異構(gòu)信息系統(tǒng)集成技術(shù)

運(yùn)載火箭是巨復(fù)雜系統(tǒng)的典型代表，涉及的專業(yè)門(mén)類多，產(chǎn)品數(shù)量多，產(chǎn)品關(guān)聯(lián)復(fù)雜，在研制過(guò)程中涉及的技術(shù)狀態(tài)變化復(fù)雜，傳統(tǒng)上都是依靠設(shè)計(jì)文件來(lái)定義產(chǎn)品的狀態(tài)，文件之間的一致性依靠人工保證。隨著信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的發(fā)展，建立貫通產(chǎn)品全生命周期的信息系統(tǒng)已成為可能。但由于復(fù)雜產(chǎn)品涉及參研單位多，各自的歷史環(huán)境不同，全部使用同一個(gè)信息系統(tǒng)實(shí)踐上可能存在較大的困難，需要解決跨域異構(gòu)信息系統(tǒng)集成的問(wèn)題。其關(guān)鍵是數(shù)據(jù)表達(dá)模式的統(tǒng)一，建立相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是必由之路。除了業(yè)務(wù)層面的數(shù)據(jù)統(tǒng)一化表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)，還包括系統(tǒng)底層的信息交換格式標(biāo)準(zhǔn)及系統(tǒng)通信接口標(biāo)準(zhǔn)等。

3.6 基礎(chǔ)軟硬件安全互聯(lián)技術(shù)

數(shù)字主線以產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)管理(Pro-duct Life Management，PLM)平臺(tái)為基礎(chǔ)，形成產(chǎn)品信息集成主線，使所有與產(chǎn)品相關(guān)的數(shù)據(jù)高度集成、協(xié)調(diào)、共享。目前基于PLM的技術(shù)主要包括應(yīng)用軟件集成的面向?qū)ο蟮那度肱c連接技術(shù)、支持產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)建模與管理的對(duì)象建模技術(shù)、數(shù)據(jù)集成、決策的數(shù)據(jù)倉(cāng)儲(chǔ)管理技術(shù)和成組技術(shù)等[23]。PLM的底層是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，安全互聯(lián)是必須要考慮的問(wèn)題。安全互聯(lián)技術(shù)是指對(duì)產(chǎn)品模型和數(shù)據(jù)的完整性、有效性和保密性進(jìn)行安全防護(hù)、防篡改的技術(shù)。當(dāng)前的研究主要包括對(duì)于模型和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可能遭受的攻擊進(jìn)行預(yù)測(cè)并獲得最優(yōu)防御策略，基于區(qū)塊鏈技術(shù)組織和確保模型和數(shù)據(jù)不可篡改、可追蹤、可追溯等[24-25]。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于模型的系統(tǒng)工程的發(fā)展不僅會(huì)為傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程增彩添色，也將成為破解目前困境的一條有效途徑。但也面臨許多需要解決的問(wèn)題與挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在以下6個(gè)方面。

1)各專業(yè)建模工具的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，只有通過(guò)正式認(rèn)證或確認(rèn)的建模工具才能進(jìn)入系統(tǒng)工程的研制程序，這需要開(kāi)展大量的專業(yè)建模方法梳理、整理、分析和確認(rèn)工作，甚至需要開(kāi)發(fā)新的專業(yè)建模方法和工具。

2)同類學(xué)科建模工具的統(tǒng)一化，這將有助于增強(qiáng)基于模型的設(shè)計(jì)協(xié)同，減少分歧，加快協(xié)調(diào)進(jìn)度，提升設(shè)計(jì)質(zhì)量。但由于復(fù)雜系統(tǒng)參研單位較多，對(duì)不同學(xué)科建模工具的統(tǒng)一極具挑戰(zhàn)性。

3)大規(guī)模的多學(xué)科模型集成技術(shù)難度大，協(xié)調(diào)難度更大。在傳統(tǒng)模式下，往往采用模型簡(jiǎn)化的方式，以達(dá)到可以運(yùn)算的程度，但也犧牲了很多細(xì)節(jié)，而這些細(xì)節(jié)中有可能存在決定成敗的因素。在新模式下，雖然計(jì)算機(jī)計(jì)算能力已經(jīng)比過(guò)去有了幾十倍甚至上百倍的提升，為復(fù)雜大模型運(yùn)行提供了更好的基礎(chǔ)環(huán)境，但大規(guī)模多學(xué)科模型的集成和協(xié)調(diào)運(yùn)行仍然是需要解決的問(wèn)題。

4)基于模型的系統(tǒng)工程新工具與新平臺(tái)的研制。目前的商用軟件只能覆蓋本文設(shè)想模式的部分功能，并且商業(yè)公司技術(shù)體系的相對(duì)封閉性，也會(huì)給模型集成帶來(lái)困難。發(fā)展自主可控的工具和平臺(tái)是必須要走的一條道路，對(duì)人員和技術(shù)都是新的挑戰(zhàn)。

5)從傳統(tǒng)的依托文件進(jìn)行設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向依托模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)計(jì)習(xí)慣也是巨大的挑戰(zhàn)。需要學(xué)習(xí)用結(jié)構(gòu)化信息模型來(lái)表達(dá)設(shè)計(jì)意圖，就像從二維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向三維設(shè)計(jì)，過(guò)程會(huì)比較痛苦，先期工作量大。

6)生產(chǎn)環(huán)節(jié)如何充分利用基于模型的設(shè)計(jì)結(jié)果提升生產(chǎn)效率，需要有主動(dòng)求變的精神。只有順應(yīng)模式的轉(zhuǎn)型，才能最大限度地從轉(zhuǎn)型中獲得效益，而不是用增加更多的工作來(lái)保持原有的工作習(xí)慣，否則近期看似受益，實(shí)則損及長(zhǎng)遠(yuǎn)。

基于模型的系統(tǒng)工程的發(fā)展與實(shí)踐可以使設(shè)計(jì)更加規(guī)范，迭代更加快速，優(yōu)化更加深入，協(xié)同更加便捷，試驗(yàn)更加全面，生產(chǎn)更加智能，產(chǎn)品更加好用，成本更加可控，將使得系統(tǒng)的研制更加高效，更快地研制出用戶需求的產(chǎn)品。系統(tǒng)的利益相關(guān)方更容易參與到產(chǎn)品的研制中，理解產(chǎn)品的功能，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品研制和使用中的問(wèn)題，從而降低復(fù)雜產(chǎn)品的研制風(fēng)險(xiǎn)和成本超預(yù)算風(fēng)險(xiǎn)。