以 2015年美國國防部提出的“數(shù)字工程戰(zhàn)略”為標志，復(fù)雜裝備正式從信息化時代跨越到數(shù)字化時代。隨著時代發(fā)展及戰(zhàn)場環(huán)境變化，原本基于文檔的裝備研發(fā)生產(chǎn)模式（Document-based Systems Engineering，DBSE）存在設(shè)計語言差異大、異構(gòu)模型難集成、接口定義難統(tǒng)一、知識成果難復(fù)用、設(shè)計狀態(tài)難追溯等一系列技術(shù)管理痛點問題，嚴重制約了裝備研制生產(chǎn)效率，已不在滿足實際業(yè)務(wù)需要，研發(fā)模式亟待變革。基于模型的系統(tǒng)工程（Model-based Systems Engineering）是一種“模型驅(qū)動”為核心的系統(tǒng)工程方法。由模型替代技術(shù)文件成為研發(fā)活動的管控對象和協(xié)同載體，能夠快速響應(yīng)需求變更，通過各類模型間信息的繼承、關(guān)聯(lián)、傳遞實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)研制全生命周期的設(shè)計、制造、試驗、驗證、維修保障等研發(fā)過程的無縫銜接和活動的高效協(xié)同，以模型為紐帶進行資源和知識的共享和重用，以數(shù)字樣機為載體替代實物樣機進行試驗驗證，縮短系統(tǒng)工程中的試驗驗證周期和成本。

MBSE 模式下復(fù)雜裝備數(shù)字化轉(zhuǎn)型強調(diào)使用模型來執(zhí)行系統(tǒng)工程活動，能很好解決設(shè)計更改、專業(yè)協(xié)同、知識集成等問題，因而引領(lǐng)了未來裝備研發(fā)的時代潮流。全面推進基于模型的研制生產(chǎn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，模型是基礎(chǔ)與核心，根據(jù)研究領(lǐng)域的不同可以將模型分為邏輯模型及專業(yè)模型。邏輯模型用來描述組成系統(tǒng)的元素間以及系統(tǒng)與環(huán)境間關(guān)系的描述，如產(chǎn)品分解結(jié)構(gòu)（PBS）、內(nèi)部接口、活動圖等。專業(yè)模型用來從不同領(lǐng)域?qū)唧w存在物及其行為進行描述，如結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域的三維模型、Simulink 模型、力學(xué)分析的有限元模型等。當前國內(nèi)航天領(lǐng)域針對模型的設(shè)計管理等方面還缺乏相關(guān)標準規(guī)范，各工業(yè)部門結(jié)合自身業(yè)務(wù)場景參照國外 Harmony、OOSEM、State Analysis Method、Vitech Method、MagicGrid 等建模方法開展相關(guān)工程實踐，缺乏成體系的數(shù)字化標準規(guī)范，由此產(chǎn)生了各單位建模粒度不統(tǒng)一、模型管理不受控、模型協(xié)同難開展、模型成果難復(fù)用等一系列問題，嚴重影響了復(fù)雜裝備數(shù)字化轉(zhuǎn)型效果，因此構(gòu)建一套行之有效成體系的裝備數(shù)字化標準體系顯得十分重要。

本文以傳統(tǒng)裝備制造企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型為背景，在充分識別已有標準的可延續(xù)性基礎(chǔ)條件下，結(jié)合業(yè)務(wù)需求和先進經(jīng)驗，統(tǒng)籌規(guī)劃了 MBSE 研發(fā)模式下覆蓋裝備設(shè)計研發(fā)、生產(chǎn)制造、試驗、交付、保障、管理等全壽期活動的數(shù)字化研發(fā)標準建設(shè)體系，并結(jié)合企業(yè)實際業(yè)務(wù)需求對數(shù)字化標準成果進行應(yīng)用，通過理論指導(dǎo)實踐推動數(shù)字化標準快速落地。

1 裝備數(shù)字化標準體系整體框架

開展基于模型的復(fù)雜裝備數(shù)字化標準體系研究，通過理論攻關(guān)，指導(dǎo)實踐應(yīng)用，形成頂層要求，全面推動創(chuàng)新型裝備數(shù)字化研發(fā)模式落地。數(shù)字化標準整體架構(gòu)如圖 1 所示。

圖 1 復(fù)雜裝備數(shù)字化標準體系規(guī)劃

復(fù)雜裝備數(shù)字化標準體系包含 7 類，各類標準內(nèi)涵如下：

數(shù)字化頂層通用技術(shù)標準：結(jié)合各型裝備實際數(shù)字化業(yè)務(wù)場景用以規(guī)范工作目標、工作項目和工作要求的相關(guān)指導(dǎo)性文件；

數(shù)字化設(shè)計標準：用以指導(dǎo)需求模型/ 數(shù)字樣機 1.0 構(gòu)建、數(shù)字化協(xié)同設(shè)計等活動的相關(guān)文件；

數(shù)字化制造標準：用以指導(dǎo)數(shù)字樣機2.0 構(gòu)建、工藝 / 生產(chǎn) / 制造管理流程等活動的相關(guān)文件；

數(shù)字化試驗標準：用以指導(dǎo)數(shù)字化試驗設(shè)計分析、流程管理等活動的相關(guān)文件；

數(shù)字化交付標準：用以指導(dǎo)數(shù)字樣機3.0 構(gòu)建、數(shù)字化交付流程管理等活動的相關(guān)文件；

數(shù)字化保障標準：用以指導(dǎo)數(shù)字裝備構(gòu)建，數(shù)字化保障管理等活動的相關(guān)文件；

數(shù)字化管理標準：用以指導(dǎo)全壽期數(shù)據(jù) / 模型技術(shù)狀態(tài)管理活動的相關(guān)文件。

2 典型裝備數(shù)字化標準研究與制定

2.1 復(fù)雜裝備數(shù)字化頂層通用技術(shù)標準

以典型裝備研制階段數(shù)字化業(yè)務(wù)需求為牽引，對裝備數(shù)字化相關(guān)工作進行頂層策劃，制定《XX 裝備數(shù)字化大綱》《XX裝備 MBSE 總要求》，在裝備頂層通用技術(shù)標準中提出了基于模型的系統(tǒng)工程相關(guān)術(shù)語定義、崗位要求，面向裝備設(shè)計、工藝、生產(chǎn)等階段，明確了系統(tǒng)、分系統(tǒng)、單機等多級模型的設(shè)計要求、實施步驟、工作方法、交付物，為實施基于模型的系統(tǒng)工程模式提供頂層指導(dǎo)。

2.2 數(shù)字化設(shè)計標準

數(shù)字化設(shè)計標準主要用以指導(dǎo)需求模型 / 數(shù)字樣機 1.0（面向裝備論證設(shè)計過程，構(gòu)建的反映裝備組成構(gòu)造、功能原理、性能特性的一類模型）構(gòu)建、數(shù)字化協(xié)同設(shè)計等相關(guān)活動。數(shù)字化設(shè)計標準在沿用已有的《Q/QJB239 結(jié)構(gòu)虛擬樣機通用要求》《QJ20349 多學(xué)科虛擬樣機協(xié)同建模要求》基礎(chǔ)上，結(jié)合典型復(fù)雜裝備 MBSE工程實踐，目前已形成了《導(dǎo)彈武器系統(tǒng)需求結(jié)構(gòu)化定義及管理規(guī)范》《導(dǎo)彈武器系統(tǒng)架構(gòu)模型建模要求》《基于統(tǒng)一語言的系統(tǒng)多領(lǐng)域建模技術(shù)要求》《虛擬樣機評審與驗收工作要求》等相關(guān)標準，此外，國軍標、航天行業(yè)標、科工集團企業(yè)標等數(shù)字化設(shè)計標準已在同步規(guī)劃過程中，待上級標準正式發(fā)布后將進行同步修改完善，與其內(nèi)容保持協(xié)調(diào)一致。

2.3 數(shù)字化制造標準

數(shù)字化制造標準用以指導(dǎo)數(shù)字樣機2.0（面向裝備研發(fā)生產(chǎn)制造過程，構(gòu)建的反映裝備產(chǎn)品組成、電氣連接關(guān)系、軟件功能的一類模型）構(gòu)建、工藝 / 生產(chǎn) /制造管理流程等活動，基于 MBD 的數(shù)字化生產(chǎn)制造已在復(fù)雜裝備領(lǐng)域推廣多年，并積累了一系列相關(guān)標準，因此該領(lǐng)域?qū)⒀赜靡延械摹禥/QJB 240 基于 MBD 的工藝設(shè)計規(guī)范》《QJ 20835 航天產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計與制造 PBOM 通用要求》《QJ 20836 航天產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計與制造 MBOM 通用要求》等相關(guān)系列標準。

2.4 數(shù)字化試驗標準

數(shù)字化試驗標準用以指導(dǎo)數(shù)字化試驗設(shè)計分析、試驗流程管理等活動，相關(guān)標準在沿用已有的《GJB6091 彈道導(dǎo)彈導(dǎo)引雷達抗干擾內(nèi)場仿真試驗方法》《QJ2046 戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈虛擬裝配通用要求》等專業(yè)仿真試驗標準基礎(chǔ)上，針對新型復(fù)雜裝備數(shù)字化試驗實際需要，規(guī)劃了《虛擬風洞驗證規(guī)范》《武器系統(tǒng)總體性能仿真驗證規(guī)范》等相關(guān)標準，并同步修正現(xiàn)有試驗辦法，將數(shù)字化試驗納入裝備研發(fā)管理流程。

2.5 數(shù)字化交付標準

數(shù)字化交付用以指導(dǎo)數(shù)字樣機 3.0（面向裝備定型交付階段試驗鑒定過程，構(gòu)建的能反映裝備交付狀態(tài)、保障要求、運用方式、操作流程、維修特性的一類模型）構(gòu)建、數(shù)字化交付流程管理等活動，針對數(shù)字化交付，規(guī)劃了《復(fù)雜裝備產(chǎn)品數(shù)字履歷規(guī)范》相關(guān)標準，打通總體單位 - 總裝廠 - 單機廠商履歷數(shù)據(jù)通路，推動“一物一碼，一套數(shù)據(jù)”新型數(shù)字化交付模式轉(zhuǎn)變。

2.6 數(shù)字化保障標準

數(shù)字化保障標準用以指導(dǎo)數(shù)字裝備（在數(shù)字樣機 3.0 基礎(chǔ)上，添加數(shù)字履歷要素，采集實時狀態(tài)信息，形成數(shù)字裝備）構(gòu)建，數(shù)字化保障管理等活動，目前行業(yè)內(nèi)已積累了相關(guān)標準規(guī)范，如《GJB 9223訓(xùn)練模擬系統(tǒng)通用要求》《GJB 8069 武器裝備仿真訓(xùn)練軟件通用要求》等。后續(xù)主要面向裝備作戰(zhàn)運用、服務(wù)保障各環(huán)節(jié)，在沿用已有標準的基礎(chǔ)上規(guī)劃制定面向使用培訓(xùn)、健康管理、作戰(zhàn)使用等不同場景的數(shù)字模型建模標準。

2.7 數(shù)字化管理標準

數(shù)字化管理標準用以指導(dǎo)全壽期數(shù)據(jù)/ 模型技術(shù)狀態(tài)管理活動，目前行業(yè)內(nèi)已經(jīng)積累了相關(guān)數(shù)字化標準，如《Q/QJB203 基于 PLM 系統(tǒng)的企業(yè)間型號全生命周期數(shù)據(jù)管理》《Q/QJB200 試驗數(shù)據(jù)管理規(guī)范》等，后續(xù)將結(jié)合試點型號的業(yè)務(wù)需求，在沿用已有標準的基礎(chǔ)上規(guī)劃制定《型號全級次 BOM 技術(shù)狀態(tài)信息管理要求》，對裝備全級次 BOM 構(gòu)建、信息管理、歸集交付、技術(shù)狀態(tài)基線管理等具體要求進行了規(guī)范性說明。

3 基于典型裝備的數(shù)字化標準成果實踐

為積極落實數(shù)字化建設(shè)要求，保障數(shù)字化轉(zhuǎn)型實施效果，以典型裝備研制任務(wù)為背景配套制定了一系列相關(guān)技術(shù)要求和規(guī)范，形成如下建設(shè)成果。

圖 3 基于 SysML 活動圖的飛行時序建模效果示意圖

3.1 系統(tǒng)設(shè)計階段，打造基于模型的方案快速迭代設(shè)計模式

3.1.1 基于模型的需求分解與閉環(huán)管理

發(fā)布了《導(dǎo)彈武器系統(tǒng)需求結(jié)構(gòu)化定義及管理規(guī)范》，通過增加合適的需求屬性項來豐富每一條需求條目的表達內(nèi)容，形成標準的需求屬性模板。需求條目按照一定的規(guī)則進行架構(gòu)組織，實現(xiàn)了武器系統(tǒng)、系統(tǒng)、分系統(tǒng)、重要單機的需求結(jié)構(gòu)化構(gòu)建，建立一級戰(zhàn)標 200 余項、二級指標 5700 余項、三級指標近萬項，在統(tǒng)一建模標準下完成了貫穿總體所、分系統(tǒng)所、單機所的需求規(guī)范下發(fā)與模型集成。通過戰(zhàn)技指標的橫向、縱向多維追溯，快速分析變更影響，宏觀微觀相結(jié)合把控技術(shù)狀態(tài)。

圖 4 基于統(tǒng)一語言的復(fù)雜裝備多領(lǐng)域耦合建模效果示意圖

3.1.2 基于模型的系統(tǒng)方案設(shè)計與驗證

形成了《導(dǎo)彈武器系統(tǒng)架構(gòu)模型建模要求》，在統(tǒng)一的建模標準下構(gòu)建系統(tǒng)方案模型，對系統(tǒng)功能（設(shè)備）組成、功能原理、邏輯時序、內(nèi)外部接口等進行模型化表達，形成了武器系統(tǒng)、系統(tǒng)、典型分系統(tǒng)等不同層級的系統(tǒng)架構(gòu)多精度模型 100 余項，將傳統(tǒng)的基于文檔的方案描述方式，轉(zhuǎn)型為基于模型的方案描述方式，結(jié)構(gòu)化、標準化程度高，利于協(xié)同設(shè)計。同時開展了武器系統(tǒng)發(fā)射流程、裝備飛行過程、關(guān)鍵性能參數(shù)（射程、質(zhì)量、可靠性等）的仿真閉環(huán)驗證，通過仿真，提前發(fā)現(xiàn)時序不協(xié)調(diào)、接口不匹配、功能不合理等問題，輔助方案改進。

3.1.3 復(fù)雜裝備多學(xué)科耦合設(shè)計與驗證

針對復(fù)雜裝備飛行過程中熱環(huán)境與燒蝕、燒蝕與氣動、氣動與控制相互耦合的問題，研究基于統(tǒng)一語言多領(lǐng)域耦合建模方法，通過氣動 / 熱環(huán)境 / 燒蝕 / 控制集成仿真驗證，實現(xiàn)對復(fù)雜裝備飛行過程的精細化預(yù)示，有效提高裝備氣動力設(shè)計、姿態(tài)預(yù)示精度，支撐了方案精細化設(shè)計與飛行性能精細化評估。

3.2 研制生產(chǎn)階段，打造基于模型的研 /試 / 產(chǎn)一體化精益研發(fā)模式

3.2.1 裝備全三維設(shè)計

全面推行三維數(shù)字化設(shè)計，打造數(shù)字化裝備設(shè)計模式，實現(xiàn)基于模型參數(shù)驅(qū)動的總體設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、生產(chǎn)制造的數(shù)字化裝備結(jié)構(gòu)方案，最大程度發(fā)揮知識復(fù)用、數(shù)據(jù)驅(qū)動等優(yōu)勢，大幅提升新一代復(fù)雜裝備結(jié)構(gòu)的設(shè)計效率。

3.2.2 基于模型設(shè)計、工藝、生產(chǎn)、交付一體化

基于 EBOM 數(shù)字化模型，實現(xiàn)裝備三維設(shè)計、工藝、生產(chǎn)、交付全周期一體化協(xié)同（跨專業(yè)、跨單位、跨地域）。通過裝備設(shè)計、生產(chǎn)模式向數(shù)字化轉(zhuǎn)型，提升產(chǎn)品質(zhì)量，加快研制及生產(chǎn)效率，降低變更成本。

3.2.3 數(shù)字化試驗

完成復(fù)雜裝備虛擬模裝，全數(shù)字仿真模擬裝配過程，提前發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)干涉、線纜干涉、裝配可達性等問題，支撐設(shè)計優(yōu)化，減少實物模裝。構(gòu)建全系統(tǒng)級電磁兼容數(shù)字化仿真系統(tǒng)，建立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、材料、線纜、天線級顆粒度的電磁模型，開展關(guān)鍵分系統(tǒng)電磁兼容性驗證，提前發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)并采取加固措施。

3.2.4 三維下廠

實現(xiàn)全三維模型下廠，將裝備全三維模型下發(fā)給總裝廠，直接用于指導(dǎo)后續(xù)的工藝設(shè)計、數(shù)控加工、部裝總裝，確保更快速度、更低成本、更高質(zhì)量交裝。

3.2.5 研制數(shù)據(jù)管理

基于 PDM 構(gòu)建裝備系統(tǒng)級的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹（RBOM、EBOM），實現(xiàn)需求、設(shè)計全過程數(shù)據(jù)的技術(shù)狀態(tài)管控。構(gòu)建技術(shù)狀態(tài)基線管理，面向需求和轉(zhuǎn)階段等里程碑節(jié)點，提供里程碑節(jié)點的技術(shù)狀態(tài)快照。實現(xiàn)產(chǎn)品履歷管理，通過構(gòu)建物料統(tǒng)一編碼與交付規(guī)范，貫通了總體單位 - 總裝廠 - 單機廠商履歷數(shù)據(jù)通路，實現(xiàn)了總裝廠與單機廠商產(chǎn)品履歷數(shù)據(jù)隨產(chǎn)品直接交付總體單位。強化數(shù)據(jù)資源建設(shè)，匯集擾動引力、垂線偏差、大氣密度等全球環(huán)境數(shù)據(jù)，擬合構(gòu)建數(shù)字化飛行環(huán)境。

3.3 聚焦后續(xù)作戰(zhàn)使用模式轉(zhuǎn)型，探索數(shù)字孿生技術(shù)在裝備領(lǐng)域應(yīng)用

3.3.1 數(shù)字裝備交付

將裝備研制過程中的軍地協(xié)同模式，由傳統(tǒng)基于文檔、會議的“離線”協(xié)同模式轉(zhuǎn)型升級為基于模型、數(shù)據(jù)的“在線”協(xié)同模式。通過數(shù)字裝備交付，帶動裝備戰(zhàn)標論證、研制、試驗、生產(chǎn)、保障全業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)數(shù)字化深入應(yīng)用，牽引工業(yè)部門形成模型驅(qū)動的數(shù)字化研制能力轉(zhuǎn)型升級。

3.3.2 變革裝備作戰(zhàn)訓(xùn)練和使用模式

將裝備作戰(zhàn)訓(xùn)練和使用模式，由傳統(tǒng)基于“實裝 + 說明文檔”的靜態(tài)模式變革為基于“實裝 + 孿生裝備 + 數(shù)據(jù)驅(qū)動”的動態(tài)模式。面向作戰(zhàn)訓(xùn)練，構(gòu)建更為豐富多樣的訓(xùn)練場景，輔助作戰(zhàn)部隊更快更全面的掌握裝備作戰(zhàn)使用方法；面向演習訓(xùn)練，將實裝使用過程中采集到的狀態(tài)數(shù)據(jù)加載到孿生模型中，實現(xiàn)作戰(zhàn)演習過程快速復(fù)盤，輔助后續(xù)作戰(zhàn)策略優(yōu)化；面向?qū)崙?zhàn)運用，可通過仿真推演，快速評估作戰(zhàn)效能，支撐作戰(zhàn)決策。

3.3.3 變革裝備在役服務(wù)保障模式

將裝備在役服務(wù)保障模式，由傳統(tǒng)“健康信息人工分析、服務(wù)保障文檔支撐”的模式轉(zhuǎn)型為“健康狀態(tài)孿生預(yù)測、維護維修在線支持”的模式。通過采集實物裝備的各項健康狀態(tài)數(shù)據(jù)，在孿生模型中實時監(jiān)測裝備健康態(tài)勢，輔助維護維修。在此基礎(chǔ)上，隨著裝備積累的實測數(shù)據(jù)大量增加，運用大數(shù)據(jù)技術(shù)，反向優(yōu)化裝備健康態(tài)勢分析和保障策略優(yōu)化算法，逐步形成自學(xué)習、自成長的智能服務(wù)能力。

4 總結(jié)

本文結(jié)合實際裝備研發(fā)工作特點，提出了一套 MBSE 研發(fā)模式下覆蓋裝備頂層通用技術(shù)、設(shè)計研發(fā)、生產(chǎn)制造、試驗、交付、保障、管理等全壽期活動的數(shù)字化研發(fā)標準建設(shè)體系，并結(jié)合典型裝備實際業(yè)務(wù)場景開展實踐應(yīng)用。通過數(shù)字化標準的相關(guān)試點與研究形成可推廣可復(fù)用的知識，為數(shù)字化條件下對模型、數(shù)據(jù)等非實物設(shè)計輸出的標準化管理積累經(jīng)驗，為后續(xù)裝備標準化工作進行有益的探索。

作者：北京機電工程總體設(shè)計部 呂恒星 韓喜 楊翼 楊子昭 王勝