鐵鳴 張星 許靖堯 徐聰

（北京臨近空間飛行器系統(tǒng)工程研究所空間物理重點實驗室，北京 100076）

航天裝備未來需要面向復(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，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)行大量的方案對比和多輪從簡至繁的設(shè)計循環(huán)。但這也是全面提升總體設(shè)計水平、消除安全隱患的必由之路，其本質(zhì)在于通過對各系統(tǒng)設(shè)計裕度的共同掌握，開展全系統(tǒng)總體級的迭代優(yōu)化設(shè)計，以獲取總體性能最優(yōu)的可行設(shè)計方案[1]。本文即是在分析國內(nèi)外總體集成設(shè)計技術(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)計的智慧研發(fā)模式的構(gòu)建手段，以期為驅(qū)動未來裝備發(fā)展提出相關(guān)建議。

一、研究現(xiàn)狀

早在20 世紀(jì)80 年代，美國等發(fā)達(dá)國家就意識到傳統(tǒng)總體設(shè)計方法的問題，并提出了一種新的設(shè)計方法——集成化設(shè)計。其主要思想是在設(shè)計的整個過程中集成各學(xué)科/子系統(tǒng)的知識，應(yīng)用有效的設(shè)計/多學(xué)科優(yōu)化策略和分布式計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組織和管理飛行器設(shè)計過程，即通過充分利用各個學(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，并通過實現(xiàn)并行設(shè)計來縮短設(shè)計周期。與傳統(tǒng)的總體設(shè)計方法相比，這種新的設(shè)計方法更加符合系統(tǒng)工程思想，并被視為解決現(xiàn)有問題、全面提升飛行器總體設(shè)計水平的有效手段。目前，集成設(shè)計技術(shù)已經(jīng)在航天器總體設(shè)計特別是新型飛行器的總體設(shè)計過程中發(fā)揮了重大作用[2-3]。

以美國為例，最典型的例子是由美國國家航空航天局（NASA）和多個部門合作開展的高速民機（HSCT）總體設(shè)計。該項目由旨在提高飛行器總體設(shè)計與計算水平的HPCCP 計劃支持，目標(biāo)是對整個飛行器構(gòu)型同時進(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，采用高精度計算流體力學(xué)（CFD）進(jìn)行氣動分析、全任務(wù)性能計算以及預(yù)想的HSCT 外形設(shè)計，須優(yōu)化的問題是使飛行器總的起飛重量最小，使其在NASA 高速研究計劃（HSR）中支持構(gòu)型決策。其模型最初只考慮5 個設(shè)計變量、6 個約束、采用簡化模型，且每輪只循環(huán)約10min。發(fā)展到今天，該模型已考慮了271 個設(shè)計變量、31868 個約束、采用精確分析模型，且每輪循環(huán)約3d 時間。目前，圍繞這一項目已經(jīng)形成了系統(tǒng)的總體集成設(shè)計體系，以及FIDO、CJOpt 等集成設(shè)計軟件框架。集成設(shè)計在HSCT設(shè)計中的成功促使了NASA 大力推廣這一新型總體設(shè)計方法。目前，集成設(shè)計的應(yīng)用對象已經(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 等各類新型飛行器。如今，在NASA，基于集成設(shè)計的飛行器總體設(shè)計已經(jīng)形成了標(biāo)準(zhǔn)的流程，產(chǎn)生了相應(yīng)的設(shè)計環(huán)境，如HOLIST等。宣布，將把集成設(shè)計方法應(yīng)用到未來的所有飛行器總體設(shè)計過程中。

NASA 在2015 年技術(shù)路線圖中明確指出，NASA 未來的基礎(chǔ)研究技術(shù)目標(biāo)在于實現(xiàn)“支撐飛行器建模、仿真、大數(shù)據(jù)處理、機器智能研究工作的跨界融合計算能力，形成包括云計算、量子計算與認(rèn)知計算能力的高性能工業(yè)設(shè)計軟件能力”[4]。NASA 認(rèn)為，高端的航天工業(yè)設(shè)計軟件意味著創(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航天工業(yè)設(shè)計軟件，新一代飛行器研制工作也趨向多學(xué)科精細(xì)化設(shè)計、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）計算模型的復(fù)雜度和規(guī)模增大。計算模型從過去簡單的單一尺度低階計算精度模型到現(xiàn)今逐漸采用復(fù)雜的多尺度高階計算精度模型，從過去一維的個位數(shù)自由度模型到三維上萬自由度的模型。

（2）形成多學(xué)科的綜合優(yōu)化設(shè)計。設(shè)計從過去的單學(xué)科優(yōu)化到現(xiàn)在的氣動力、載荷、結(jié)構(gòu)等多個學(xué)科的綜合應(yīng)用。由此，需優(yōu)化設(shè)計的變量也在增加，從過去的十幾個設(shè)計變量、簡單約束問題，到現(xiàn)在十萬個變量的規(guī)模。

（3）數(shù)據(jù)處理手段智能化。數(shù)據(jù)處理從依賴人力完成統(tǒng)計分析，到引入認(rèn)知計算（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)計是關(guān)鍵的使能基礎(chǔ)技術(shù)，已在2020 年完整實現(xiàn)多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化，擬在2030 年以后通過高性能計算實現(xiàn)整機基于數(shù)值模擬技術(shù)的虛擬飛行驗證。基于對航天航空工業(yè)設(shè)計技術(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 年啟動了C2A2S2E 計劃（Center for Computer Applications in Aero-Space Science and Engineering）[5]，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、仿真軟件，實現(xiàn)航天裝備的虛擬飛行測試，通過跨學(xué)科研究，充分利用預(yù)期高性能計算能力的增長、新軟件工具和新技術(shù)的開發(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，得益于此項計劃的研究成果，以德國宇航院DLR 為代表的歐空局研究院所，形成并部署了近萬套各種專業(yè)應(yīng)用軟件在內(nèi)的設(shè)計工具集，包括總體協(xié)同設(shè)計、計算流體力學(xué)、計算結(jié)構(gòu)力學(xué)、空氣動力學(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)計計算能力在過去的10年中提高了2～3 個數(shù)量級。過去許多仿真試驗需要數(shù)周才能完成1 次，現(xiàn)在1 個晚上可以完成20～30 次，增強了設(shè)計及驗證結(jié)論反饋的及時性，降低了產(chǎn)品開發(fā)成本，縮短了研制周期，提升了系統(tǒng)的總體設(shè)計水平。

從航天企業(yè)未來發(fā)展來看，飛行試驗和大型地面試驗成本很高，適宜對特定狀態(tài)進(jìn)行驗證，同時也由于試驗本身的技術(shù)局限性，存在更多難以得到考核驗證的高超聲速飛行狀態(tài)。從探路者號火星探測器到各種類型的導(dǎo)彈、飛行器，NASA 通過飛行系統(tǒng)驗證平臺（flight system testbed，F(xiàn)ST）與仿真器（spacecraft simulator，SPASIM）以虛擬飛行驗證作為彌補飛行試驗的主要技術(shù)途徑，帶來了可觀的經(jīng)濟、軍事效益。在航天器虛擬試驗領(lǐng)域，NASA 進(jìn)一步發(fā)展了半實物的數(shù)字孿生技術(shù)，用于訓(xùn)練演習(xí)和輔助在線決策。

在面對裝備研制領(lǐng)域中學(xué)科應(yīng)用領(lǐng)域與計算應(yīng)用規(guī)模需求增長的背景下，國內(nèi)航天領(lǐng)域的總體集成設(shè)計研究也得到了國家戰(zhàn)略層次的支持。《國家創(chuàng)新驅(qū)動發(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)競爭力的技術(shù)基點。推進(jìn)航天領(lǐng)域的智慧研發(fā)，亟須推動航天產(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)一虛擬飛行試驗系統(tǒng)作為飛行器測試臺。由此可以預(yù)見，總體集成設(shè)計及其相關(guān)學(xué)科發(fā)展，在未來裝備研制過程中將具有越來越明顯的作用和優(yōu)勢，在相關(guān)項目前期方案論證、設(shè)計和分析優(yōu)化中發(fā)揮越來越重要的作用。

從國內(nèi)外飛行器相關(guān)技術(shù)的發(fā)展歷程和趨勢來看，現(xiàn)階段雖取得了一些進(jìn)展，但總體集成設(shè)計的各研制階段涉及專業(yè)多且極為復(fù)雜，各專業(yè)各階段的設(shè)計、分析過程并沒有進(jìn)行規(guī)范化、模板化，尚未形成標(biāo)準(zhǔn)化的知識，導(dǎo)致設(shè)計結(jié)果較多依賴個人經(jīng)驗和水平，造成設(shè)計效率低、迭代設(shè)計過程周期長。同時，歷史研制過程積累了大量仿真試驗、地面試驗、飛行試驗數(shù)據(jù)，但由于數(shù)據(jù)收集、存儲和挖掘分析的制約，難以發(fā)揮其技術(shù)價值。因此，為航天復(fù)雜裝備總體集成設(shè)計工作提供總體集成環(huán)境或平臺作為知識、模型、規(guī)則、算法等載體來驅(qū)動發(fā)展，是未來飛行器發(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與需求

傳統(tǒng)的航天總體研制流程及設(shè)計模式如圖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)過程中遇到的氣動、控制、防隔熱、電磁、博弈對抗等技術(shù)難題都是世界前沿問題，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)理論研究和專業(yè)技術(shù)攻關(guān)對問題進(jìn)行摸索和解決，攻關(guān)難度較大。因此需要通過自主創(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、多專業(yè)緊耦合的總體設(shè)計亟須研發(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)會產(chǎn)生復(fù)雜的交聯(lián)耦合關(guān)系（如氣動、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)計空間高度非線性，導(dǎo)致傳統(tǒng)的單一系統(tǒng)驗證已不能真實反映復(fù)雜的耦合關(guān)系，難以有效地獲得最佳的系統(tǒng)方案[6]。多專業(yè)強耦合的總體設(shè)計需要根據(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)行大量的方案對比和多輪從簡至繁的設(shè)計循環(huán)。

（三）對海量數(shù)據(jù)、知識管理要求高

由于現(xiàn)代航天復(fù)雜裝備研制過程復(fù)雜、各學(xué)科耦合性強，需要經(jīng)過大量的仿真試驗、地面試驗和飛行試驗，因此積累了海量的知識數(shù)據(jù)資源，引發(fā)了數(shù)據(jù)的爆炸性增長。但因數(shù)據(jù)的巨型規(guī)模、類型多樣化、來源多樣化的特點，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集、存儲和挖掘分析技術(shù)已經(jīng)無法滿足現(xiàn)有數(shù)據(jù)的處理需求，現(xiàn)有大數(shù)據(jù)資源無法發(fā)揮其技術(shù)價值，亟須引進(jìn)高可靠性、高可擴展性、高處理性能的大數(shù)據(jù)分析框架，滿足現(xiàn)代航天復(fù)雜裝備海量多源強耦合異構(gòu)數(shù)據(jù)處理分析的需求。同時，傳統(tǒng)基于文檔的數(shù)據(jù)管理與傳遞模式將產(chǎn)生大量不同類型的文檔，具有信息表達(dá)不完備、易產(chǎn)生歧義、難以實現(xiàn)變更追溯、難以實現(xiàn)“需求—設(shè)計”“需求—驗證”過程的追蹤等缺點[7]。現(xiàn)代航天復(fù)雜裝備高效研制流程對產(chǎn)品設(shè)計、試驗、生產(chǎn)等過程中產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)及相關(guān)知識的管理提出了更高、更新的要求，導(dǎo)致傳統(tǒng)知識管理體系已無法適應(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)過程復(fù)雜，管理模式需要創(chuàng)新

臨近空間飛行器研發(fā)采取的是多單位、多專業(yè)、多學(xué)科緊耦合的研發(fā)模式，存在領(lǐng)域多、專業(yè)面廣、創(chuàng)新性強、技術(shù)難度大等特點[7-8]，需要充分發(fā)揮全國各專業(yè)的技術(shù)優(yōu)勢。在產(chǎn)品研制過程中，協(xié)作單位多，異地協(xié)同開發(fā)特點突出，質(zhì)量與可靠性要求高，研制風(fēng)險高，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，改變原有的質(zhì)量管理、項目管理等與研發(fā)過程脫節(jié)的現(xiàn)狀，將質(zhì)量管理、物資供應(yīng)、項目計劃、人員經(jīng)費等要素融入產(chǎn)品研發(fā)過程中，通過對研發(fā)流程的管控，實現(xiàn)對質(zhì)量、人員、經(jīng)費、進(jìn)度等內(nèi)容的實時掌控與動態(tài)管理。

三、航天總體智慧研發(fā)賦能過程

裝備數(shù)字化是指針對裝備建設(shè)的體系復(fù)雜性、快速演進(jìn)性和博弈對抗性，對裝備實體、管理活動和外部空間進(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、數(shù)字裝備為核心的數(shù)字模型體系，在數(shù)字空間開展戰(zhàn)略籌劃、裝備論證、研制生產(chǎn)、試驗鑒定和運用保障等裝備全壽命周期建設(shè)管理活動，建立虛實互動的裝備建設(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?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”“中國制造2025”國家戰(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?！爸悄芑币雅c“數(shù)字化”“網(wǎng)絡(luò)化”一起成為信息社會發(fā)展的新方向[9]。

航天復(fù)雜裝備總體集成設(shè)計的智慧研發(fā)模式是一種由智能研發(fā)系統(tǒng)和人類專家共同組成的一體化智慧研發(fā)組織模式，在產(chǎn)品過程中能進(jìn)行知識積累、知識應(yīng)用、知識生產(chǎn)等的智慧活動。本文對此類生產(chǎn)關(guān)系定義，如圖4 所示。

圖4 航天復(fù)雜裝備總體設(shè)計的智慧研發(fā)模式

航天復(fù)雜裝備總體集成設(shè)計的智慧研發(fā)模式是工業(yè)技術(shù)、信息技術(shù)、運營技術(shù)以及創(chuàng)新型組織體系的集成，具有7 個特征。

（1）需求的定制化：根據(jù)用戶個性化需求，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)計開發(fā)。

（3）協(xié)同的多維化：研制過程是系統(tǒng)上下游跨組織的、跨專業(yè)的協(xié)同研發(fā)管理模式。

（4）驗證的虛擬化：利用虛擬現(xiàn)實（VR）和增強現(xiàn)實（AR）從實物或半實物仿真到全系統(tǒng)的虛擬仿真驗證。

（5）知識的智慧化：自動完成知識收集、整理、應(yīng)用，利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)實現(xiàn)基于海量知識數(shù)據(jù)的創(chuàng)新，推進(jìn)智慧組織的成長。知識的智慧化是智慧研究的本質(zhì)。

（6）運營決策的智慧化：利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實現(xiàn)各項業(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：利用云計算技術(shù)實現(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、知識系統(tǒng)，實現(xiàn)與研制流程深度融合，形成基于模型和流程的跨專業(yè)、跨學(xué)科、跨平臺的協(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)計體系雖然實現(xiàn)了紙質(zhì)文檔圖紙的電子化，但整個研發(fā)過程依舊是電子文檔與實物模型的迭代，依舊存在更改單過多、迭代不充分等問題，從而導(dǎo)致型號研制成本高、研發(fā)設(shè)計周期難控制。同時，研發(fā)流程與科研計劃狀態(tài)和目標(biāo)不一致，缺乏動態(tài)反饋和聯(lián)動。如圖5 所示，為了解決該弊端，在研制過程中引入賽博-物理系統(tǒng)（cyber-physical systems，CPS）理論，將整個智慧研發(fā)體系轉(zhuǎn)化成一個賽博-物理系統(tǒng)，將現(xiàn)有的電子文檔與實物的迭代過程轉(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CPS 系統(tǒng)實時感知研發(fā)流程和計劃管理的每個狀態(tài)和進(jìn)度信息，通過計算資源和物理資源深度融合并實時交互，實現(xiàn)對科研狀態(tài)的實時管控。在賽博空間中基于各類模型的設(shè)計和驗證得到充分迭代，因此能夠確保實物樣機在物理空間的一次試驗成功。

圖5 基于CPS 系統(tǒng)的總體集成設(shè)計智慧研發(fā)

四、航天總體智慧研發(fā)實施途徑

為使航天復(fù)雜裝備總體集成設(shè)計的智慧研發(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，基于模型的設(shè)計、仿真、驗證一體化的研發(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 個轉(zhuǎn)段（虛擬設(shè)計向?qū)嵨锂a(chǎn)品轉(zhuǎn)段、實物產(chǎn)品向飛行試驗轉(zhuǎn)段）、3 個階段（虛擬設(shè)計與研制階段、地面驗證階段、飛行驗證階段）、4 類模型（需求模型、數(shù)字模型、評價模型、環(huán)境模型）以及6 個“V”型子階段（方案論證、方案設(shè)計、方案詳細(xì)設(shè)計、智能制造設(shè)計、地面驗證、飛行驗證）。

（一）航天總體設(shè)計模型體系

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、評價模型、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，通過對客戶需求的分析建立效能評價模型，并依靠模型間的關(guān)系實現(xiàn)設(shè)計、仿真、效能評估過程中的關(guān)聯(lián)性分析、數(shù)據(jù)分析、需求指標(biāo)評定等工作。

（1）需求模型：通過對客戶需求的分析，在賽博空間構(gòu)建從總體到分系統(tǒng)再到單機層面的概念模型，完成初步方案的論證和各項指標(biāo)分解。

（2）數(shù)字模型：在對客戶需求進(jìn)一步分析的基礎(chǔ)上，形成單機、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、地面試驗環(huán)境模型、實際飛行環(huán)境模型等，環(huán)境模型用于仿真試驗、地面試驗以及飛行試驗中臨近空間飛行過程中各類環(huán)境的模擬和驗證。

（4）評價模型：包括性能評價模型和效能評價模型。性能評價模型在數(shù)字模型的基礎(chǔ)上增加性能指標(biāo)評估，用于單機、分系統(tǒng)和總體對各類指標(biāo)的驗證與評估；效能評價模型根據(jù)客戶需求的各類技術(shù)指標(biāo)，建立體系化的效能評估方法和模型，用于評估總體設(shè)計對客戶需求滿足情況。

（二）智能化總體設(shè)計流程

通過對傳統(tǒng)的方案論證、方案設(shè)計、初樣、試樣階段進(jìn)行重新劃分，形成了3 個階段、2 次轉(zhuǎn)段。同時，在6“V”科研流程中，研制流程與項目管理進(jìn)行動態(tài)關(guān)聯(lián)，通過CPS 實現(xiàn)對任務(wù)的動態(tài)感知和有效管控。如圖6 所示，虛擬設(shè)計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)計和初樣階段中的設(shè)計仿真工作；地面驗證階段包括傳統(tǒng)研制流程中的初樣階段產(chǎn)品總裝、測試、系統(tǒng)試驗及試樣階段中的大型總體地面試驗；飛行驗證階段包括傳統(tǒng)研制流程中的試樣階段飛行試驗、定型階段飛行試驗以及指標(biāo)考核地面試驗。

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)計與研制階段：包括方案論證、方案設(shè)計、方案詳細(xì)設(shè)計3 個子階段。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，并通過虛擬裝配對設(shè)計準(zhǔn)確性進(jìn)行檢驗，通過虛擬飛行試驗對設(shè)計方案、性能模型進(jìn)行考核，對總體性能進(jìn)行評估，并通過設(shè)計評審，使技術(shù)成熟度達(dá)到4～5 級，完成數(shù)字模型、性能模型的數(shù)字轉(zhuǎn)段，轉(zhuǎn)入地面試驗階段。

第二階段，地面驗證階段：完成產(chǎn)品的生產(chǎn)，分別對單機、分析系統(tǒng)、總體開展地面試驗，通過體系效能評估驗證裝備設(shè)計方案的正確性和對客戶需求的滿足情況，并通過轉(zhuǎn)段評審，使技術(shù)成熟度達(dá)到5～6 級，完成數(shù)字轉(zhuǎn)段，轉(zhuǎn)入飛行驗證階段。

第三階段，飛行驗證階段：主要包括設(shè)計性飛行試驗、定型飛行試驗以及飛行試驗仿真驗證等。通過該階段工作，驗證飛行器對設(shè)計指標(biāo)和各類技術(shù)指標(biāo)的滿足情況，并通過對各類仿真、地面試驗飛行試驗數(shù)據(jù)的挖掘，獲取裝備總體性能和對客戶需求的滿足情況，使技術(shù)成熟度達(dá)到6～7 級，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)計的智慧研發(fā)模式中，通過賽博空間和物理空間多維度的仿真驗證迭代過程，不斷修正模型，最終實現(xiàn)一次設(shè)計成功、一次制造成功、一次試驗成功。

（三）航天總體智慧研發(fā)支撐平臺

根據(jù)航天復(fù)雜裝備總體集成設(shè)計過程中的模型體系及研制流程需求，需將整個智慧研發(fā)體系轉(zhuǎn)化成賽博-物理系統(tǒng)落地，即知識驅(qū)動的總體設(shè)計智慧研發(fā)平臺，如圖7 所示。該平臺由總體集成設(shè)計流程軟件、多學(xué)科設(shè)計仿真軟件群、大數(shù)據(jù)機器學(xué)習(xí)系統(tǒng)、知識驅(qū)動的總體優(yōu)化設(shè)計工具、虛擬飛行試驗系統(tǒng)組成。

圖7 航天總體設(shè)計的智慧研發(fā)支撐平臺架構(gòu)

知識驅(qū)動的總體優(yōu)化設(shè)計工具以軟件打通飛行器總體設(shè)計流程，實現(xiàn)裝備總體設(shè)計過程的參數(shù)化與數(shù)據(jù)化，以總體設(shè)計知識庫、模型庫實現(xiàn)裝備總體方案的智能優(yōu)化與總體設(shè)計的輔助決策支持。大數(shù)據(jù)機器學(xué)習(xí)系統(tǒng)對航天裝備設(shè)計、計算、地面試驗與飛行試驗的海量歷史數(shù)據(jù)基于大數(shù)據(jù)技術(shù)、機器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行處理、集成與智能學(xué)習(xí)和知識挖掘，為總體優(yōu)化設(shè)計提供知識驅(qū)動與案例學(xué)習(xí)，為虛擬試驗與評估提供智能模型與智能推理，為多學(xué)科設(shè)計仿真軟件系統(tǒng)提供知識融入與驗證確認(rèn)。多學(xué)科設(shè)計仿真軟件群為航天裝備總體設(shè)計提供相關(guān)的各專業(yè)設(shè)計仿真軟件，用于裝備總體方案詳細(xì)設(shè)計與高效并行計算分析。虛擬飛行試驗系統(tǒng)形成模型與數(shù)據(jù)混合驅(qū)動的智能仿真方法，實現(xiàn)高精度、高效率、大子樣的多學(xué)科耦合虛擬試驗，融合有限狀態(tài)的地面、飛行試驗，實現(xiàn)大型地面試驗與飛行試驗的數(shù)字孿生，實現(xiàn)虛實融合的全剖面飛行性能鑒定與評估[10]?？傮w集成設(shè)計流程軟件實現(xiàn)對裝備設(shè)計任務(wù)與設(shè)計流程的管理與規(guī)劃，對裝備設(shè)計過程進(jìn)行跟蹤與控制，實現(xiàn)設(shè)計流程接口的標(biāo)準(zhǔn)化與統(tǒng)一化設(shè)計過程數(shù)據(jù)的統(tǒng)一化管理，實現(xiàn)虛擬飛行試驗系統(tǒng)研制過程與試驗運行的自動化、敏捷化、可視化。

智慧研發(fā)支撐平臺通過知識驅(qū)動的總體優(yōu)化設(shè)計工具、虛擬飛行試驗系統(tǒng)和多學(xué)科設(shè)計仿真軟件群研制設(shè)計環(huán)境，實現(xiàn)總體方案初步設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計和驗證評估的軟件自主可控和軟件驅(qū)動發(fā)展。平臺以大數(shù)據(jù)機器學(xué)習(xí)系統(tǒng)基于設(shè)計、試驗的不同類型海量歷史數(shù)據(jù)和知識進(jìn)行智能學(xué)習(xí)與重用，將知識融入總體優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)、虛擬試驗系統(tǒng)和多學(xué)科設(shè)計仿真軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)智能化的航天裝備總體設(shè)計、驗證。以總體集成設(shè)計流程軟件實現(xiàn)總體設(shè)計、驗證全過程的流程驅(qū)動、數(shù)據(jù)管理、試驗支撐，形成協(xié)同化、系統(tǒng)化的多專業(yè)強耦合設(shè)計構(gòu)建總體集成設(shè)計的智慧研發(fā)支撐。

如圖8 所示，面向總體方案驗證和總體性能鑒定，虛擬飛行試驗系統(tǒng)實現(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)機器學(xué)習(xí)系統(tǒng)和智能仿真建模軟件建立補償精度損失的智能模型和自學(xué)習(xí)算法，從而滿足仿真驗證精度和效率需求，通過多狀態(tài)、大子樣虛擬試驗補充大型地面試驗和飛行試驗，實現(xiàn)虛實融合的飛行性能驗證與評估、鑒定。面向多專業(yè)強耦合的總體方案設(shè)計、驗證全流程，以總體集成設(shè)計流程系統(tǒng)支撐敏捷化、可視化的研制過程和運行過程，實現(xiàn)流程和數(shù)據(jù)的自動化管理、任務(wù)和軟件的協(xié)同運行。同時，以大數(shù)據(jù)機器學(xué)習(xí)系統(tǒng)將積累的經(jīng)驗、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、驗證，從而使總體設(shè)計能力得到提升。

圖8 智慧研發(fā)支撐平臺應(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)計研制模式，是一種在“對”的領(lǐng)域、“對”的時間，自動運用“對”的知識，自動匹配應(yīng)用“對”的方法，完成“對”的航天裝備的新型研發(fā)手段。堅持體系化、集約化、專業(yè)化、數(shù)字化建設(shè)思路，推動建設(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)，對于提升企業(yè)綜合競爭力具有深遠(yuǎn)意義的影響。