航天器信息流數字化協同設計方法

郭堅 李瑞軍 范延芳 史向東

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

隨著航天技術的不斷發展和經驗的積累，航天器研制手段不斷豐富，航天器系統功能、邏輯、信息流、軟件協議、接口越來越復雜，傳統手工撰寫、公文傳遞或者各分系統研制單位按實現流程串行完成整星設計、制造、驗證的研制模式不但造成大量重復工作，且存在嚴重的信息傳遞二義性問題，越來越不能滿足現代化工業制造對高可靠、高效率、高集成度的需求。

利用網絡資源，實施跨平臺、跨地域、多方協同的航天器產品研制模式能夠快速驗證航天產品的有效性和可靠性，支持產品設計、研制、驗證的并行實施，已成為當代航天器研制的趨勢[1-4]。航天器機械、熱、電氣接口設計數字化平臺接口數據表單(IDS)歷經近10年發展，從以往手工獨立設計，到采用專用軟件工具獨立開發設計，終于利用網絡資源初步實現多方協同設計的目標。

信息流設計是航天器總體設計的重要組成之一，是一項涉及多學科、多領域、多單位、跨地域融合的系統工程，研制過程對產品全局狀態的掌控具有極高要求[5]。國內、外均陸續開展了相關標準研究，其中比較權威的有空間數據系統咨詢委員會(CCSDS)提出的星載接口服務電子數據表單(SOIS Electronic Data Sheets，SEDS)協議和基于XML的遙測遙控交互接口(XML Telemetric and Command Exchange，XTCE)協議，前者著重描述星載信息流的數據交互接口定義，后者著重描述星地之間信息流數據交互接口定義，本文在信息流建模過程中極大程度的借鑒了二標準定義的規范。

本文結合已在機械設計領域得到廣泛研究和應用的基于模型的系統工程(MBSE)實施方法[6-7]，提出了適用于我國航天器信息流研制流程的基于網絡協同的信息流數字化設計方法，即信息流協同設計模式。該設計模式不但基于國內、外同行業設計標準實現，而且通過統一數據源，確保網絡數據安全，明確定義航天器研制各方職、權、責等方法，實現了信息流設計關鍵環節的專業需求和管理需求融合。在設計模式實現層面，將上述知識和經驗固化在網絡協同數字化平臺上，并嘗試為多領域、多型號的航天器信息流研制任務提供服務。

1 星載網絡協同信息流數字化設計平臺方法

1.1 星載網絡協同信息流數字化設計平臺需求分解

網絡協同信息流數字化設計平臺(EDS)為航天器信息流設計、仿真驗證提供信息采集、格式化、永久化、共享、變更管理等功能，同時為信息設計、仿真數據產品提供第三方應用接口，包括航天器軟件研制、地面測試和在軌運行提供數據及對外接口等。結合航天器研制流程，在平臺系統規劃中根據從全局規劃到細節分析、從整星研制流程到單機開發時機的確認，逐層剖析，需要依次解決以下問題。

(1)明確與已有在用IDS系統的使用流程關系和數據流轉關系。

(2)采用結構化數據描述模型表示所有單機、軟件、分系統、整星的信息流設計和應用；抽象出航天器信息流協議通用化描述標準，采用統一標準采集、傳遞、更新、下發使用相關數據；通過網絡協同信息流數字化設計平臺，單機、軟件、分系統、總體多方開展協同設計，能夠根據平臺權限管理規定，實現設計信息網絡共享，減少點對點的單方設計協調，提高生產研制效率。

(3)航天器建造過程中所有信息流設計迭代數據按版本保存，設計產品更動自動推送利益相關方，依賴數據之間具備自動關聯、版本比對、合法性校驗等，支持自動生成符合軟件能力成熟度模型(CMM)軟件工程化標準的文檔，支持自動生成基于XML語言的信息流交互接口文件。

(4)支持航天器產品研制全生命周期的可視化監督和信息流、數據產品版本追溯功能。

(5)除滿足航天器建造環節的需求外，基于網絡的信息流協同設計平臺生成的設計數據交互接口文件應滿足整星組裝測試和在軌運維需求[8]。

(6)EDS將支持航天器信息流仿真驗證提供實施，面向信息流仿真、體系效能仿真等仿真的需求，提供相關的接口模型、數據結構和解析處理方法等星上的真實信息流模型，為信息流設計提供可行性分析和可靠性評估。

1.2 跨網絡協同方案

為了實現跨網絡多方協同工作，即實現多地、多角色、多權限、多任務的協同和控制，需要針對系統權限管理、數據共享管理、仿真驗證應用管理和第三方服務管理等，提出合理化解決方案，跨網絡協同設計平臺系統架構如圖1所示。

圖1 跨網絡協同設計平臺系統架構Fig.1 System structure of cross-network collaborative design

結合航天器建造工程實踐的權限管理設計：明確基于網絡協同設計過程中單機、軟件、分系統、總體、整星、飛控等各系統人員在平臺中應擔任的角色、職責、權限；明確各方介入時機，對各利益相關方的依賴關系給出指導性意見，促使產品質量控制前移。

實現跨網絡數據共享，根據本行業特點，針對部分參與設計單位由于網絡物理隔離造成無法在線設計的問題，設計了“兩級協同工作機制”。針對在線用戶，提供基于網絡服務的數字化信息流設計、管理平臺，提供協同設計服務，其使用場景示意如圖2所示，針對網絡物理斷開的用戶，提供離線信息流協同設計工具，允許其離線完成信息流設計工作，并依據航天器建造規范和流程，將設計結果融合到在線系統中。但審批流程僅允許通過在線工具實現，在解決平臺使用各方基礎設施條件不一致，物理鏈路不暢通的問題的同時，確保了所收集信息的有效性和完整性。

圖2 信息流系統設計工作機制示意圖Fig.2 Illustration of information flow system design working mechanism

仿真驗證應用管理和第三方服務管理通過對第三方程序模塊提供數據交互接口實現。該數據交互接口依據1.3節創建的信息流數字化模型定義。

1.3 基于EDS的星載信息流數字化建模

信息流是具有規定流動方向和格式的信息從信源向信宿傳遞的過程[9]。實現基于網絡的信息流協同設計，基于網絡的信息流數字化設計平臺支持外僅僅提供了一個手段，其核心是需要通過標準化建模實現航天器信息流的準確、完整、可靈活擴展的描述。建模的步驟是：先自頂向下的分解各領域型號信息流設計需求，再自下向上的形成信息流采集、處理、組織、轉發產品模塊的領域模型。建模過程中需緊密結合型號應用場景，確保所建模型確實滿足完整、準確表達信息流設計需求，且描述簡潔、高效，無二義性的目的。

信息流設計建模覆蓋航天器星地、星內、星間鏈路層到應用層協議的所有信息，采用分層定義的方法，從最底層鏈路層到網路層，再到應用層，最頂層為參數描述層，逐層分解，逐項展開，每一層定義且僅定義本層信息流相關屬性?；谛畔⒘鲾底只Ｐ偷腅DS表單描述如圖3所示，EDS平臺根據信息流設計模式，采用最恰當的方式獲取設計數據，并將數據填入模型相應位置存儲。

圖3 基于信息流數字化模型的EDS表單描述Fig.3 Information flow model described by EDS data sheet

針對遙測流，除了與硬件設備接口密切相關的數據采集層定義由IDS系統實現外，其他信息流相關的設計方案及數據均由EDS平臺的表單系統采集獲得。EDS平臺自動從IDS系統中導入硬件采集數據，包括硬件設備驅動服務類型描述，采集遙測參數的輸入、輸出類型、正常值范圍、物理意義、單位、處理方法、校準公式等；與亞網層信息流建模相關的設計數據包括總線通信協議格式描述、數據包長度、傳輸周期、傳輸方式、通信握手協議等；與網絡層和應用層信息流建模相關的設計數據包括參數位長、參數波道定義、顯示要求、傳輸路徑、傳輸方法、顯示要求等。針對遙控流，將通過EDS平臺的表單采集遙控指令從地面控制系統發出到星載計算機的路徑、解析方法、轉換公式、使用條件及判讀準則等設計信息。

采用分層次、接口標準化的方法建模的優點在于：模型具有通用性特點，建模過程與型號、領域無關；模型的物理含義與信息流傳輸的網絡分層概念完全一致，易于理解，涵蓋全面，符合面向對象的計算機編程理念；最后，此建模方法具有可擴展性特點，符合CCSDS提出的航天器在軌業務接口業務架構(Space Onboard Interface Services,SOIS)，可實現星載設備“即插即用”的設計需求，便于后續靈活擴展航天器信息流設計的新業務模式和新應用。

1.4 網絡協同信息流數字化設計平臺實現

鑒于在產品的研制流程中，各環節數字化制造技術的應用程序很大程度由信息載體的形式所決定[10]，EDS將信息流模型內涵通過格式化表單的方式體現出來。設計師通過分布式填寫表單將各自的信息流設計理念記錄在數據庫中，同時系統為設計師提供統一的設計信息管理、存儲、更新、共享機制，確保所有設計師看到的設計數據都是統一的、準確的、版本明確的設計結果。

EDS系統的協同設計體現總體與分系統、分系統與單機兩個維度的協同。

總體與分系統維度，支持通過中國空間技術研究院內部辦公網絡在線訪問軟件平臺，平臺采用面向網絡切面的編程(WAOP)架構，PHP腳本語言開發，部署在Windows環境中，通過Apache服務器對外提供Web服務。平臺數據采用Oracle數據庫存儲。平臺架構采用成熟的業務邏輯、數據、界面顯示分離的軟件架構(MVC)，對數據、業務邏輯、界面交互進行分層隔離處理，實現了表單間的低耦合性與處理流程的高重用性。網絡協同信息流研制數字化平臺架構如圖4所示。

圖4 網絡協同信息流設計數字化平臺軟件架構Fig.4 Software architecture of information flow design digital platform

分系統與單機維度，采用開源瀏覽器內核webkit與JavaScript腳本運行環境Node.js相結合的Node-Webkit技術，將在線網頁封裝為不依賴服務器的可執行程序，即離線工具。此方案不但解決了在線表單離線模式下打開、編輯不一致的問題，同時還解決了關聯數據及其約束信息離線傳遞困難的問題，在保證線下設計正確性的同時，還為離線填報模式提供了與線上填報完全一致的數據關聯、查找、變更提醒推送等輔助支持功能。另外，離線工具提供與在線填報完全一致的軟件界面和使用模式，確保實現用戶線上、線下的無差異體驗，大大提升了軟件平臺的好用、易用效果。

2 網絡協同信息流數字化設計平臺的應用

中國空間技術研究院于2017年12月發布了EDS系統1.0版，并通過《系統使用說明》對網絡協同信息流設計相關的術語給出了定義，明確了EDS系統信息流設計方法及范圍，并明確規定以下內容。

(1)針對信息流數字建模，采用定義電子表單樣式的方法體現信息流建模設計。共優化總結出20種處理公式；10余類表單和8份報告文檔模板，全部在EDS系統中得以推廣應用；在此應用過程中，積累了大量信息流需求分析、網絡結構、軟、硬件接口、數據處理方法及信息流仿真驗證相關的知識和經驗，為行業標準的制定提供了必要的理論依據，同時通過實踐驗證，確保相關建模理論的準確性和可行性。

(2)針對網絡協同數字化研制方案，驗證設計相關方角色、權限及人員與角色、權限之間的對應關系的正確性。

(3)針對網絡協同數字化設計，為了驗證協同設計工作流程、流程中關鍵節點的任務、時機、主要參與人員和角色等信息管理技術實現的正確性，設計過程如圖5所示。

圖5 信息流協同設計流程示意圖Fig.5 Flow chart of information flow collaborative design

經多個實際型號的信息流協同設計實踐證明，在EDS平臺應用的信息流協同設計流程、關鍵要素、信息流組織模型，等要素符合型號研制實際情況及習慣；航天器信息流通用化模型，除了能夠滿足航天器建造過程中所有標準協議的設計方案描述及持久化外，還能夠為整星測試和運維方提供統一的、通用的、基于國際標準XML描述語言定義的信息流數據交互接口。

對型號實踐數據統計分析后證明：從航天器建造角度，采用有效的在線數據采集、變更自動推送利益相關方等互聯網技術，基于網絡的信息流協同設計方法確實能夠顯著提升信息流設計和應用效率，大幅降低人工核對信息流協議設計文檔和電話協調的工作量；從航天器后期飛控、運維角度，為了便于實現跨地域、跨平臺、跨部門全生命周期的協同設計和系統驗證，達到設計、建造、仿真驗證、運維狀態統一目的，采用標準化通用計算機交互語言XML實現設計數據交互接口定義，為測試方和運維方提供整器最全面、最可靠的整器建造數據。效率提升方面，電測準備時間由傳統方式約20人·日的工作量轉變為采用XML格式文件導入方式約僅2人·日工作量；飛控準備時間從傳統方式約20人·日的工作量轉變為采用XML格式文件導入方式約僅1人·日工作量；質量提升方面，由于EDS平臺提供的上述數據均已通過反復迭代的方式得到了整星建造期間各階段測試的驗證，并通過信息化網絡管理技術確保了所有可用數據的有效性和真實性，因此具有更高的質量保證，降低了人工數據轉換的錯誤風險。

3 啟示與建議

為了最大程度發揮網絡協同數字化信息流設計優勢，未來還需要在以下幾個方面開展工作。

(1)加強輔助設計，提升專業技術水平。做好與現有輔助設計工具的銜接，避免“信息孤島”的存在，杜絕由于系統割裂而造成的重復工作，最大化的展現數字化共享的優勢，例如，自主任務分析工具、信息流資源統計、分析工具、指令生成工具、指令反解工具、整星測試工具、航天器運行、維護、管理系統等。

(2)加強網絡協同數字化研制系統的仿真、驗證及演示能力。一方面，用于驗證前期的信息流數字化設計工作的正確性，包括需求符合性和需求沖突檢查，將制造風險盡可能早的暴露出來，為產品提高質量，降低成本打下堅實的基礎；另一方面，用于對前期設計工作的可視化展示，例如以信息流圖的方式進行動態演示和模擬，在盡可能展現產品能力的同時，使用戶可以盡早的對自己的產品有直觀認識和感受，降低需求溝通的成本和誤差。

(3)進一步梳理、完善標準化規范和技術標準。主要包括4類規范，一是與仿真、設計、驗證相關的技術標準；二是在業務領域建立起統一、系統的數據字典；三是建立信息流協同設計與其他系統交互的接口規范，對標CCSDS的SEDS標準；四是本系統在型號推廣應用中的科研生產規范，通過此類規范的定義，能夠實現通過科研生產標準提升信息流數字化系統在工程實踐中應用的地位，達到推動信息流數字化研制模式在科研生產中廣泛應用的目的。

4 結束語

本文從航天器傳統研制模式面臨的問題和需求出發，給出了基于EDS的網絡協同數字化信息流研制模式的思路和目標，探討了網絡協同數字化系統的架構和軟件實現的關鍵技術，對在推進數字化工作中的關鍵環節及實現方法做了深入分析。對EDS系統近一年在實際型號中推廣、應用情況進行總結，表明：本文提出的基于網絡的數字化研制模式帶來了設計模式、研制模式、管理模式3個方面的轉變。設計模式轉變實現了從單機/ 軟件、分系統、總體各方獨立設計，分頭交流的模式，到跨網絡協同設計的模式；研制模式轉變通過創建數字化信息流模型實現了用戶需求描述數字化、設計方案落實數字化、研制實施、流程管控數字化，打通產品設計、生產、測試、運維全過程信息流，實現了低成本、高效率、少缺陷的網絡協同大型工程產品研制平臺；管理模式轉變通過跨地域、跨部門制定眾多航天器參與制造單位的介入時機、及其職、權、責分工的方法，實現質量控制前移，為過程監督和問題追溯提供便利。

綜上所述，本文提出的基于網絡協同的數字化設計方法理論與系統工程方法論要求相吻合，其在科研生產中的應用能夠涵蓋大部分日常生產需要，切實為航天器設計、研制和管理模式轉型提供了一定的理論支撐和實踐驗證數據。