基于精益协同思想的航天器系统工程研制管理平台

王建军, 向永清, 赵 宁

(北京空间飞行器总体设计部, 北京 100094)

0 引 言

以载人航天、月球探测、北斗卫星导航系统、高分辨率对地观测系统等为代表的我国航天事业取得了巨大的成就,其成功的基石是航天器系统工程,航天器系统工程研制管理作为航天器系统工程的重要组成部分,对航天器型号任务的顺利完成起决定性作用[1]。

当前面临以空间基础设施、深空探测和空间实验室等为代表的国家重大航天工程责任重、多型号并举任务重、型号质量要求高、研制周期缩短等形势;为提升精细化管理水平,保证型号任务圆满成功,近年来全面实施产品保证工作,大力建设协同设计系统;《中国制造2025》《国家信息化发展战略纲要》和《2016中国的航天》白皮书都不同程度提出“质量为先”,加快推进航天工业化与信息化的深度融合,实现产品全生命周期各环节全要素的精益协同管理。这些因素使得航天器系统工程研制管理实践方法需要进一步提高。

新一轮科技革命和产业变革与我国加快转变经济发展方式、全面推动航天工业能力转型升级形成历史性交汇,蓬勃发展的航天事业应当抓住这一重大历史机遇,从航天器系统工程研制管理特点和难点出发明确需求,借鉴当前先进的管理理念,建立适宜的航天器系统工程研制管理平台,将航天器系统工程研制管理理论、产品保证管理体系与信息化技术相结合,提升航天器系统工程研制管理的精益和协同能力。

1 航天器系统工程研制管理难点、现状及需求

航天器系统工程具有高科技、多学科、高可靠性、高风险、周期长、规模大、系统性强、协作面广等特性,导致了航天器系统工程研制管理难点以及当前存在的不足主要表现在3个方面[2]。

(1) 研制流程复杂,过程监控难。航天器按照系统工程思想进行研制,工作流程环节多,多线并行,多流程综合,局部流程迭代递归更增加了研制流程复杂性。而目前航天器研制还未能实现全流程精细化、数字化和集成化管理,缺乏引导和约束,不便于研制全过程监控,协同工作机制不足。

(2) 产品结构复杂,研制信息量大。航天器系统工程自顶向下结构分解,一直分解到可制造、购买或使用的底层产品;每个产品都要产生大量信息,航天器系统工程研制管理就是要围绕着这些信息进行科学严密的评价和决策。而目前大量产品数据以静态报告为主,基本上还是靠人工统计和跟踪,缺乏数据的统一管理和综合利用,不便于研制全过程和全要素管理和监控。

(3) 专业知识广，质量要求高。航天器研制涉及到机、电、热、可靠性和总体等多种学科,专业知识面广;“保成功”是航天器研制的重要目标。而目前产品研制伴随的知识、工具、产品保证要求等没有充分融入到研制工作中,更多依靠个人经验和产品保证人员的督促检查,对研制工作的支撑作用不足,存在质量隐患。

因此,如图1所示,需要一个数字化、网络化的航天器系统工程研制管理平台,既可智能运行,又可人工干预,将流程、知识、产品保证要求、工具、研制信息等融为一体,实现跨组织、复杂过程、多人员、多学科知识、多种工具、精细产品保证要求、多源海量数据等要素的交融与精益协同,以及设计、试验、生产、制造等整个系统工程研制全过程和全要素管理和监控的智能化。

图1 需求分析Fig.1 Analysis of requirements

2 航天器系统工程研制管理的精益协同思想

2.1 总体思想

系统工程实施过程就是识别并制定活动流程,然后在系统工程专业技术、标准规范及工具方法等要素的支持下,开展全寿命周期活动的过程,流程是系统工程体系的核心,要素是系统工程活动的重要支撑[3]。国际领先宇航公司在宇航系统研制中都制定并基于研制流程开展工作[4],为提高研制效率而加速业务流程并行能力建设,如喷气推进实验室的产品设计中心、ESA的并行设计机构以及波音公司的并行集成工程实验室等。以德国“工业4.0”、美国国防部“数字设计与制造创新机构”、GE公司“工业互联网”等为代表的智能制造动向在全球引起了巨大反响,并在宇航系统得以实践,其核心是倡导利用先进信息系统引入增材制造、虚拟现实、信息物理等功能,实现产品需求、设计、物料配套和制造等全周期全要素的精益、协同和无缝连接[5]。当前，获得各国青睐并在西门子、福特汽车等大型跨国企业和美国国家航空航天局(national aeronautics and space administration,NASA)、欧洲航天局(European space agency,ESA)等国外宇航系统研制中得到关注的基于模型定义(model based definition, MBD)的数字化设计与制造技术的核心思想是融入了知识工程和产品标准规范等要素的、基于统一模型的业务过程驱动[6-8]。航空、航天、核和国防等工业领域需要覆盖业务范围的工作流管理系统,以实现高度跨组织协同、精益的数字化流程、管理层和生产之间不断增长的合作和可视性,从而提高沟通、效率、可量化、可视化以及员工积极性,减少错误,精简流程,提供优越的控制、可扩展性、灵活性、一体化和实时报告[9]。基于云技术的计算机辅助设计和制造使得协同设计过程更加精细便捷[10-11]。NASA通过“先进工程环境(advanced engineering environment,AEE)”项目实现各中心数据、工具和流程等的管理、集成和执行,实现协同研制目的[12]。在我国,《精益研发2.0》总结了当前系统工程项目研制存在的问题,基于系统工程方法提出了将流程、知识、质量相结合的精益协同研发管理模式,并在航空工业中进行了实践和应用,取得了良好效果[13];为解决无人潜水器复杂系统工程研制管理难题采用了可视化流程协同设计平台[14];海尔集团等企业智能制造示范表明,智能制造需要建设覆盖企业全业务的流程体系,实现系统功能、资源要素、生命周期的互联和信息的统一与融合[15]。

从上述可以看出,新一轮科技革命和产业变革就是要实现工业化与信息化的深度融合,加快科研手段数字化、网络化和智能化进程,实现产品全生命周期各环节全要素的精益协同智能管理。航天器系统工程研制管理需要借鉴并应用国内外先进的管理思想和信息技术,建设数字化、网络化和智能化的一体管控平台,实现航天器研制全周期全要素的精益协同和智能管控。基于此,针对航天器系统工程研制管理需求,分析航天器系统工程研制过程和产品保证要求,制定融入产品保证工作的研制流程模型,实现航天器系统工程研制过程的精细化和规范化以及真正意义上的过程质量管理;分析航天器系统工程研制管理要素,构建研制工作包,实现各项研制要素的有机融合;分解航天器产品结构,构建产品信息包,实现各级产品信息的综合管理;充分利用信息化技术,以研制流程为根本,以工作包为核心,以产品结构为纽带,将有关工作和信息充分融合和利用,提供一个集成的航天器系统工程研制管理平台,实现组织、过程、人才、知识、工具、产品保证要求、数据等要素的精益协同,实现覆盖航天器研制全过程、全要素的智能管控。如图2所示,系统分为3个维度:全生命周期是时间维,划分为方案、初样和正样等研制阶段;产品结构是系统维,划分为系统、分系统和单机等层级;研制要素是要素维,包括过程、知识、产品保证、工具和信息等要素。

图2 系统维度架构Fig.2 Architecture of system dimension

2.2 研制流程

航天器系统工程研制管理平台提供研制流程范本,并实现研制流程编辑、生成、显示、执行监控和范本生成等功能。研制流程创建完毕并启动后,流程中的所有工作项目都处于并行运行状态,自动判断是满足运行条件,运行条件满足后则处于运行状态,否则处于等待状态;某个工作项目完成并提交输出物后自动处于完成状态,并自动启动与其相关的下一个工作项目。整个系统处于自主智能运行状态,可全过程监控,也可人为干预。通过智能化运行的研制流程实现跨组织、跨地域、跨学科的业务活动工作协同,保证流程控制一致,实现设计、试验、生产、制造等研制全过程的精益协同。全面梳理航天器系统工程研制程序和方案论证、系统设计、验证确认、生产制造、系统集成、测试和试验等方面工作,分析研制过程中每项具体活动和关键活动以及知识、产品保证要求和工具,参考GB/T 29072-2012《航天器研制技术流程编写规则》要求绘制研制流程,如图3所示,并编写工作项目说明(与工作包匹配),严格按照研制流程控制研制活动。流程的最小颗粒度定位于每一项研制活动,充分考虑并行流程。研制流程按照3个阶段划分为方案、初样、正样;结合产品结构按照3个层次划分为系统、分系统、单机层。每项研制活动可细化分解生成一级子流程、二级子流程等,并允许伴随研制进展不断完善。对于标准的流程模块固化封装形成标准模块,便于反复调用;同时对其进行重组可以构建新型的研制流程,实现工作的超柔性。

图3 研制流程示意Fig.3 Develop flow instance

2.3 工作包

航天器系统工程研制管理平台对研制流程中的每个工作项目生成详细工作包,并提供工作包范本,实现工作包编辑、分派、监控等功能。采用云计算、大数据、集成封装技术将航天器系统工程研制所需要的过程、知识、产品保证、工具等存储、集成、共享、封装起来,通过工作包实现关联和调用,形成资源集中管理和分散应用的协同模式,解决全过程各要素之间的耦合交互与协同。航天器系统工程研制关键支撑要素包括:过程、知识、产品保证、工具、信息和人才等,其中过程将航天器系统工程的其他要素联系在一起[16]。对航天器协同研制要素进行梳理,定义工作包模型如图4所示。

其中,包括基本信息(含工作包编号、工作包名称、产品、工作包状态(未下发、分解中、进行中、完成等))、起止时间、工作内容说明、责任部门/责任人、输入、输出、知识(含标准规范、经验指南、设计禁忌、通用产品模板、文件模板、工作演示向导)、工具、产品保证(含任务确认检查单)等。

图4 工作包模型Fig.4 Model of working package

2.4 产品信息包

航天器系统工程研制管理是围绕着信息进行科学严密的评价和决策的。航天器系统工程研制管理平台基于MBD技术实现多源海量数据的统一以及多领域多学科综合优化设计,通过信息物理系统(cyber-physical systems,CPS)感知、汇聚航天器系统工程研制产生的大量数据,提高不同维度空间和异步时间信息记录的准确性、完整性和可追溯性,利用云计算和大数据技术进行数据处理、存储、应用和挖掘,供研制者共享和协同使用、严密评价和科学决策,支持产品的不断改进,实现感知与执行的融合。航天器产品结构为典型的树状结构,定义产品信息包如图5所示,通过产品结构实现基本属性信息、技术状态信息、物资配套信息、计划进度信息、产品保证信息等信息的综合。

图5 产品信息包Fig.5 Product information package

2.5 数据结构

在航天器系统工程研制管理平台中,如图6所示构建研制流程、工作包、产品信息包、知识、工具、产品保证等实体的数据结构,图中体现了实体之间1对1(1-1)、1对N(1-N)和N对1(N-1)的调用关系。

图6 数据结构Fig.6 Data structure

3 航天器系统工程研制管理平台设计与实现

3.1 系统架构

借鉴其他行业已有信息系统[17-20],基于企业服务总线(enterprise service bus,ESB)构建了航天器系统工程研制管理平台,其架构如图7所示。

航天器系统工程研制管理平台充分考虑运用已有信息化建设成果,实现无缝集成与功能整合,降低各系统之间的耦合度;具有高度的开放性和扩展性,方便新的信息系统的接入,也方便系统的升级和扩展;具有高度的灵活性,实现基础功能模块的有效编排与组合,以满足新业务需求;具有高度的可靠性,既可智能运行,又可人工干预,以满足航天器系统工程研制需求;既能共享资源和信息,又便于实时交流;能实现组织、人才、过程、知识、工具、数据等要素的精益协同。

航天器系统工程研制管理平台由基础支撑层、资源层、服务层、ESB层、应用层等组成,其中基础支撑层和现有业务系统均属于现有信息化建设成果,资源层中需要在原有信息化建设成果的基础上增加研制流程库、工作包库和产品保证库,服务层、ESB层及应用层均属于新增。

(1) 资源层:该层属于资源中心,实现复杂研制流程、精益工作包、多学科专家知识、精细的产品保证要求、多种工具集和产品数据等资源的存储。

(2) 服务层:该层属于服务中心,对资源层的资源进行添加、修改、删除、查询等操作,同时与现有业务系统进行交互,为航天器系统工程研制管理提供各种基础服务。

(3) ESB层:该层属于中间件,是服务层和应用层的桥梁,为服务层提供服务注册功能,为应用层提供服务管理、消息管理、通信、路由及安全控制等功能。通过ESB可以有效降低各系统之间的耦合、促进资源在各业务系统之间的充分共享。

图7 系统架构Fig.7 Architecture of platform

(4) 应用层:该层提供航天器系统工程研制管理所需要的业务应用。通过研制流程管理实现研制流程编辑、生成、显示、执行监控和范本生成等功能;通过研制信息管理与产品数据管理系统交互实现产品结构和产品信息导入、编辑、生成、维护、统计分析等功能;通过研制队伍管理实现队伍配置、角色定义、权限授予等功能;通过产品保证管理实现产品保证规划、过程检查、监控和要求推送等功能;通过研制任务管理与项目管理系统交互实现任务提取、编辑、分派、监控等功能;通过设计开发管理与设计开发系统交互实现任务分解和执行;通过知识管理与知识管理系统交互实现知识导航、推送、检索等功能;另外还可以根据需要接入其他已有系统(如航天器装配、集成、测试(assembly, integration, testing,AIT)系统),实现更多管理功能。

3.2 资源层实现

基于大数据技术构建的资源层存储了航天器系统工程研制产生的各种数据,与信息物理系统互联,实现分散多源海量数据的有效收集、组织、集成、统一与共享,是航天器系统工程研制与研制管理智能化的基础。资源层结构如图8所示,主要由数据库实现航天器系统工程研制有关资源存储及管理服务,为了支持结构化、半结构化和非结构化等不同数据类型资源,综合使用关系型和非关系型数据库。为了降低数据库的访问压力,提高数据资源的访问速度,在数据库上设置了一个缓存层,Web服务将数据请求发送给缓存层,如数据在缓存层中则响应用户的数据请求;否则缓存层向数据库发送数据更新请求,数据库查询到相应数据后对缓存层中的数据资源进行更新,同时将查询到的数据发送给Web服务[21]。

图8 资源层结构示意图Fig.8 Architecture of source layer

3.3 服务层实现

服务层通过与资源层以及现有业务系统交互,运用各种数据处理、分析和应用手段,打通复杂过程、多学科知识、多种工具、精细产品保证要求、多源海量数据等要素之间的通道,为应用层提供各要素相互交融与精益协同的智能化服务,是航天器系统工程研制与研制管理智能化的核心所在。服务层由Web Service技术实现。Web Service是由统一资源标识符(uniform resource identifier,URI)来识别确定的一个服务,其函数接口的定义、描述和发现都是由标准XML语言实现,并且支持使用简单对象访问协议 (simple object access protocol,SOAP)消息、通过网络协议与其他服务以及上层应用系统进行交互,其组成结构如图9所示,由请求接收层、服务运行层和服务调用层相互配合完成[22]。

(1) 请求接收层:接收来自不同应用系统不同网络协议的服务请求,从中分离出SOAP消息,并按照服务运行层的要求进行转换和封装;

(2) 服务运行层:通过服务管理器查询用户请求的服务是否存在,若不存在则返回错误信息;否则将Web Service实现在内存中映射成Web Service Object,完成SOAP报文解析,SOAP签名验证以及服务访问控制;

(3) 服务调用层:通过统一服务调用接口,实现对不同Web Service的统一调用。

图9 Web Service组成结构图Fig.9 Architecture of Web Service

3.4 ESB层实现

通过ESB层提供的统一接口实现航天器系统工程研制与研制管理网络化,各用户终端随时方便接入,实现跨异地组织、跨业务部门、众多分散人才、复杂过程的精益协同。ESB层的结构示意如图10所示。ESB是业务应用和Web服务之间的连接纽带,为业务应用和Web服务之间提供消息通信、消息处理、消息路由、安全控制、服务注册、服务查找、异常处理以及管理自治等功能,业务应用和Web服务之间通过标准的SOAP消息进行交互[23-24]。

3.5 应用层实现

应用层为航天器系统工程研制与研制管理提供了灵活、友好、便捷和丰富的各类应用,利用向导的方式快速配置系统运行所需初始信息,同时提供系统自主智能运行全过程全要素的实时监控。应用层位于航天器系统工程研制平台的顶层,工程研制人员通过应用层各业务系统来完成不同研制业务的管理,由于应用层直接与用户交互,应用层实现充分考虑系统运行的稳定性、安全性以及交互性,充分提高系统的用户体验。一般而言,应用系统的表现形式有桌面应用、Web应用和移动类应用,各类应用系统的主要实现技术如表1所示。

图10 ESB层结构示意图Fig.10 Architecture of ESB

序号应用系统分类主要技术运行环境1桌面应用C#/C++/Java桌面操作系统2Web应用HTML5/JavaScrip/CSSPHP/JSP/ASPX浏览器3移动应用Android系统开发技术IOS系统开发技术HTML5混合式开发技术手机/移动设备/平板电脑等移动操作系统

4 航天器系统工程研制管理平台应用示例

航天器系统工程研制管理平台基本应用示例场景如图11所示。

(1) 航天器系统工程研制初始,主任设计师和产品保证人员搭建航天器产品结构,基于平台提供的研制流程范本创建生成包含数百个工作项目的系统级研制流程;构型布局设计作为系统级研制流程中的重要工作项目之一,平台提供了将其细分为包含数十个工作项目的一级子流程,可直接调用;推力器羽流分析作为构型布局设计一级子流程中需要开展的十余项分析工作中的一个重点项目,平台提供了将其细化后的二级子流程,可直接调用。

(2) 项目管理人员配置研制队伍,基于研制流程提取工作项目,结合项目管理系统中的工作分解结构对工作项目进行起始时间配置等深入策划和维护,形成任务包并分派下发,对任务包执行情况进行监控。如平台提供了羽流分析二级子流程中每个工作项目的任务包范本,可直接调用,由项目管理人员配置时间要求后分派下发。

(3) 业务部门研制管理人员领取任务包后,关联知识和工具,补充定义为具体工作包后分派给具体任务执行人,对分派的具体工作包进行监控。如仿真分析中心研制管理员领取到推力器羽流分析计算任务包后,关联常用推力器几何参数、燃烧室条件、燃料反应方程、羽流分析计算方法等知识,以及羽流分析专用工具,分派下发给具体任务执行人。

(4) 业务部门设计师领取工作包,使用工作包关联的输入信息、知识、产品保证要求和工具等信息开展工作,工作完成后提交输出物,结束该任务,根据输出信息更新产品信息包。如分配的推力器羽流分析计算人员领取到推力器羽流分析计算工作包后,按照工作包要求开展推力器羽流分析计算,生成推力器羽流分析计算报告。

(5) 产品保证人员对任务执行情况进行产品保证过程检查监控。如产品保证人员设置羽流效应影响确认表,分配相关人员对推力器羽流分析计算结果开展力、热、污染等方面的检查确认。

(6) 流程启动后处于自动智能运行状态,所有工作项目自动判断是满足运行条件,运行条件满足后则处于运行状态;某个工作项目完成并提交输出物后自动启动与其相关的下一个工作项目;如编制推力羽流分析技术要求工作项目完成后,自动启动推力器羽流分析计算工作项目;推力器羽流分析计算工作项目完成后,自动启动下一个工作项目(推力器羽流分析计算报告评审)。

(7) 各类用户通过门户和客户端登入平台,在权限允许的范围内使用软件功能和数据。研制人员使用客户端接收消息,进行任务查看、任务领取、开展研制工作,各级管理人员通过看板对项目执行情况和技术实现情况进行监控、调整和综合管理,保障项目健康、有序开展。

图11 应用示例场景Fig.11 Scene of platform application

5 结 论

无论是以产品保证为代表的航天器系统工程精细化管理需要,还是以德国“工业4.0”、美国“工业互联网”和中国制造《2025》等为代表的信息化技术的发展,都给航天器系统工程研制管理实践方法带来了很大的挑战和机遇。应当以系统工程理论为基础,积极研究当前世界先进管理理念,充分运用云计算、工业互联网、大数据等先进信息化技术,探索航天器系统工程研制管理新方法,建设航天器系统工程研制管理新工具,实现航天器系统工程研制管理的数字化、网络化、系统化,朝着更加精益协同智能的方向发展,从而推动我国航天工业化与信息化的深度融合。

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