应用有向图的航天器信息流设计方法

马玉伟 邢卓异 白崇延 盛瑞卿 朱舜杰 张伍

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

随着我国航天事业的快速发展，航天器系统功能日趋复杂，对承担着航天器“神经系统”任务的信息流提出了越来越高的设计要求。尤其是面向多任务、多舱段、任务时序不可逆的复杂航天任务时，信息流的可靠性、鲁棒性和健壮性直接影响任务成败。目前国内航天器信息流设计主要采用基于文档驱动的工作方式，存在数据源不统一、迭代传递不规范、错误率高、资源占用多效率低等问题，同时国内对于航天器信息流设计的研究主要集中在拓扑结构设计[1-2]、总线信息流设计[3]、遥控遥测标准的应用[4]等方面，但未见航天器信息流设计的数字化建模设计方面研究。

本文应用图论理论，提出了一种通用的基于有向图的航天器信息流设计方法，实现信息流的数字化建模，并应用该方法建立了数据管理模块和制导导航与控制模块间遥控遥测信息流的数学模型。该方法具有通用性、可扩展性、可复用性和可视化等特点，并已应用于航天器信息流设计的工程实践，可为后续复杂航天器信息流设计和航天器信息流自主健康诊断等提供参考。

1 应用有向图的信息流设计需求分析

1.1 航天器信息流设计现状

航天器信息流设计过程包括信息流需求分析、设计、实现以及验证等几个环节，存在3方面的特点：①信息流设计分层分级。总体设计师对系统级信息流进行设计，分系统设计师对分系统级以及单机级信息流进行设计，各个层级设计人员表现手段多样，难以有效协同；同时设计与验证不能闭环反馈，需要投入大量人力物力开展协同工作；②对于航天器信息总体设计，信息流的设计方法主要是基于非结构文档驱动的工作方式，由于人员、传递链条、时间进度、沟通方式、审批流程和能力差异等因素会使信息流设计结果的传递出现时间、空间的延迟，最新的设计变化不能正确且及时的反馈到相关技术环节和设计人员；③传统信息流设计过程中，产生的海量数据分散在多层级的报告里，设计师在数据信息接口、遥控遥测分配、资源计算等事项的设计及协调中产生的数据关联性差，数据的价值也未能充分利用。

1.2 信息流设计模型需求分析

-随着航天事业的不断发展，航天器研制模式转型进入深水区，对于模型化、数字化、可视化的要求越来越高，也是航天器设计从量变到质变的必由之路。为了减少传递链条，提高沟通效率，最新的设计变化正确且及时传递到位，保障新型复杂航天器的研制质量及进度，信息流设计急需从基于文档驱动方式向基于数字化模型的设计方式转变，建立信息流设计的数字化模型并通过数字化模型开展设计是非常必要和紧迫的。航天器信息流设计的建模需要考虑信息流正向设计的方便性、简洁性和可扩展性，同时需要考虑自主健康诊断等需求。

复杂适应性系统理论认为，信息流中的流是以{节点，连接者，资源}的组合方式存在于系统中，资源就是信息。流，就是在组元之间发生，并把组元连接起来，构成一定功能、目标和结构的，并具有流动和传递特性的客体[6]。而对于这种{节点，连接者，资源}的描述，图论是很好的描述方法。图论以图为其研究对象，图论中的图是由若干个给定的点以及一些连接点的边所构成的图形，这种图形不计点和边的几何性质，而着重通过点与点的连通来描述事物之间的某种特定关系，即用点来代表事物，用连接两点的边表示相应两个事物之间具有这种关系[7]。其中，图论中有向图[7]的优点是可根据系统的结构、功能、逻辑关系和专家经验来系统建模，具有简洁明确、可扩展等特点。

针对复杂航天器信息流设计的数字化建模需求，本文应用有向图的设计理论，开展基于有向图的信息流设计方法研究。对于复杂航天器而言，其设备繁多且相互关系复杂，如直接将航天器设备定义为有向图中的顶点集合，不但建模难度极大，而且航天器的信息流有向图将变得非常繁杂且可读性极差，违背使用有向图的初衷。因此本文应用系统工程的设计思想，采用分层的设计理念，研究一种分层的基于有向图的信息流设计方法，并应用此方法建立数学模型。

2 应用有向图的信息流设计方法

依据应用系统工程分级的设计理念将航天器信息流设计划分为三个层次，分别为系统架构层、功能模块层以及设备节点层，在每个层级中应用有向图设计理论开展信息流设计。系统架构层从航天器系统角度定义系统级信息拓扑，开展航天器器间或者舱段间信息拓扑结构和数据交互信息流设计；功能模块层从分系统级角度，按照功能模块分别定义不同信息流种类的分系统级信息拓扑，开展航天器分系统间信息拓扑结构和数据交互信息流设计；设备节点层从航天器设备角度分别定义设备级信息拓扑，开展分系统内部设备间信息拓扑结构和数据交互信息流设计。

2.1 系统架构层有向图设计方法

目前国内外航天器广泛采用1553B总线、RS422串行数据接口等信息接口形式，作为舱段间的信息接口。图1给出了一种以应用有向图为表达信息接口的某四舱段航天器的信息流设计，其中舱段1数据管理部分(VSC1-DH)与舱段3数据管理部分(VSC3-DH)、舱段1数据管理部分与舱段2数据管理分系统(VSC2-DH)、舱段2数据管理分系统与舱段3数据管理部分需开展1553B总线信息流设计；舱段1的导航制导与控制部分(VSC1-GNC)和舱段2的导航制导与控制部分(VSC2-GNC)间有信息交互，接口形式为RS422总线接口；舱段2和舱段3间有信息交互，接口形式为空空链路，均需系统架构层级的信息流设计。

图1 系统级信息拓扑层有向图Fig.1 System-level information topology layer directed graph

定义有向图中的顶点集合V(X)为器间或舱段间有硬件接口的分系统集合，边集合E(X)为舱段间存在的硬件接口集合，权重集合W(X)为存在边的一个顶点到另一个顶点硬件接口的描述集合,系统架构层有向图为G(V,E)。

系统架构层有向图G(V,E)如图1所示，其数学模型见式(1)～式(5)。

为数学模型表述方便，定义如下内容：

(1)定义舱段1数管部分为顶点VSC1-DH，舱段2数管部分为顶点VSC2-DH，舱段3数管部分为顶点VSC3-DH，舱段4数管部分为顶点VSC4-DH，舱段1导航制导与控制部分为顶点VSC1-GNC，舱段2导航制导与控制部分为顶点VSC2-GNC，舱段3导航制导与控制部分为顶点VSC3-GNC；赋值VSC1-DH=1，VSC2-DH=2，VSC3-DH=3，VSC4-DH=4，VSC1-GNC=5，VSC2-GNC=6，VSC3-GNC=7；

图1中的所有顶点构成顶点集合：

V(X)={1,2,3,4,5,6,7}

(1)

(2)定义元素〈u,v〉为一对顶点构成的有序对，表示顶点u到顶点v的有向边，其中u是这条有向边的起始节点，v是这条有向边的终止节点，这条边有特定的方向，由u指向v。图1中系统级信息拓扑图中的有向边集合E(X)为：

E(X)={〈1,2〉,〈2,1〉,〈2,3〉,〈3,2〉,

〈3,4〉,〈4,3〉,〈5,6〉,〈6,5〉,〈7,5〉}

(2)

以1553B总线为例进行说明，该总线为异步串行总线，各顶点均可收发信息，所有边集合E(X)存在顶点1到顶点2的信息流有向边〈1,2〉,同时存在顶点2到顶点1的信息流有向边〈2,1〉，其他有向边同理。

(3)每条有向边均定义权重，用于表示每两个顶点间信息流接口内容。在航天器设计中常用的信息流接口中选择了7种常用的信息接口，每条有向边权重定义为带有7个元素的一维数组S，如式(3)所示。式(3)中元素a表示模拟量接口，b表示1553B总线接口，c表示指令接口，d表示低电压差分信号(LVDS)接口，e表示CAN总线接口，f表示RS422接口，g表示空空通信接口。如果两个顶点对应边有图中所示的信息接口关系，相应元素位置置为1；如果没有该类信息接口关系，则元素位置置为0；图1中系统级信息拓扑图中的权重用7×7矩阵表示，如式(4)所示。

S=(a,b,c,d,e,f,g)

(3)

对式(3)进行举例说明，SE〈1,2〉为VSC1-DH指向VSC2-DH的权重，根据图1，VSC1-DH存在传输给VSC2-DH的总线数据，所以WE〈1,2〉的7维数组的1553B总线相应位置为1。WE〈2,1〉为VSC2-DH指向VSC1-DH的权重，根据图1中的VSC2-DH同样存在传输给VSC1-DH的总线数据，所以WE〈2,1〉7维数组的1553B总线相应位置为1。其他权重定义同理，不再赘述。

(4)

式中：SE〈u,v〉为有向边〈u,v〉的权重，定义见式(3)。图1中系统级信息拓扑图中的权重为

(5)

2.2 功能模块层有向图设计方法

按照功能模块的划分，对航天器的信息流进行了如下分类：①遥控和遥测信息流；②时统信息流；③载荷信息流；④工程参数信息流；⑤图像信息流；⑥内存信息流；⑦器间/舱段间/设备间信息同步信息流；⑧其他信息流。

航天器功能模块级有向图需对上述8项的所有信息流种类开展。限于篇幅限制，本文仅以数据管理模块和制导导航与控制模块之间的遥控遥测信息流为例描述方法和模型：数据管理部分通过1553B总线向制导导航与控制部分发送遥控数据注入指令并通过1553B总线接收数字量遥测数据、通过集电极开路(OC)门接口发送遥控指令、通过模拟量接口采集遥测状态。

定义有向图中的顶点集合V(X)为航天器功能模块集合，边集合E(X)为功能模块间存在硬件接口集合，权重S(X)为存在边的一个顶点到另一个顶点硬件接口的描述集合。对于功能模块间存在多种类型接口的，其边集合中边的方向性可以根据图2中权重集合定义和边集合定义体现。

功能模块层有向图G(V,E)如图2所示，其数学模型见式(6)～式(11)。

(1)根据2.1节定义，赋值VSC1-DH=1,VSC2-DH=2,VSC3-DH=3,VSC4-DH=4,VSC2-GNC=5,VSC1-GNC=6,VSC3-GNC=7,VSC4-GNC=8；图2中的所有顶点构成顶点集合：

V(X)={1,2,3,4,5,6,7,8}

(6)

(2)图3中所示的功能模块间的遥测遥控信息流有向图有向边集合为：

E(X)={〈1,2〉,〈1,6〉,〈2,1〉,〈2,3〉,〈2,5〉,

〈3,2〉,〈3,4〉,〈3,7〉,〈4,3〉,〈4,8〉,

〈5,2〉,〈6,1〉,〈7,3〉,〈8,4〉}

(7)

(3)图3中功能模块遥控遥测信息流有向图中的权重用8×8矩阵表示。每条有向边权重定义见式(3)，是一种带有7个元素的一维数组。

图2 功能模块层遥控遥测信息流有向图Fig.2 Sub-system layer remote telemetry and control information flow directed graph

(8)

例如舱段1数据管理模块与GNC通过总线通信是双向通信、指令是舱段1数据管理模块单向发送至舱段1的GNC、遥测是由舱段1的GNC提供单向由舱段1数据管理模块，如式(9)、(10)所示。

其他权重同理，不再赘述。

SE〈1,6〉=(0,1,1,0,0,0,0)

(9)

SE〈6,1〉=(1,1,0,0,0,0,0)

(10)

其中，

(11)

2.3 设备节点层有向图设计方法

设备节点层可以具体为某功能模块内部的各个设备或者单机内部各板卡之间的信息流设计，图3给出了设备节点层常见的一种星形信息流结构，该结构常应用于航天器上导航制导与控制模块，可以用有向图的数学模型进行建模。

定义有向图中各个设备节点为集合V(X)，边集合E(X)为接点间存在硬件接口集合，权重集合W(X)为有向边硬件接口的描述矩阵。

为数学模型表述方便，设备节点层有向图为G(V,E)，如图3所示，其数学模型见式(12)～式(16)。定义如下：

(1)定义顶点V1为中心控制单元，顶点为V2星敏感器，顶点V3为陀螺，顶点V4为加速度计，顶点为V5太阳敏感器，顶点V6为微波雷达。

赋值V1=1，V2=11，V3=12，V4=13，V5=14，V6=15，图4中的所有顶点构成顶点集合：

V(X)={1,11,12,13,14,15}

(12)

(2)图3中所示的设备顶点层信息流有向图有向边集合E(X)为

E(X)={〈1,11〉,〈1,51〉,〈11,1〉,〈11,12〉,

〈11,14〉,〈12,11〉,〈12,13〉,〈12,16〉,〈13,12〉,

〈13,17〉,〈14,11〉,〈15,1〉,〈16,12〉,〈17,13〉}

(13)

(3)图3中有向边权重用6×6矩阵W(X)表示，如式(14)所示，每条有向边权重定义见式(3)，是带有7个元素的一维数组。

图3 设备接点层信息流有向图Fig.3 Directed graph of information flow for device node layer

(14)

例如，V1与V2总线通信是RS422接口、指令接口、遥测接口双向通信、如式(15)所示。其他权重同理，不再赘述。

SE〈1,11〉=SE〈11,1〉=(1,0,1,0,0,1,0)

(15)

其中

(16)

3 设计实例

3.1 典型场景

本文所述的航天器信息流设计方法，已有工程研发及应用实现，具备了工程实践的可行性。通过结合具体设计要求，可构成信息流系统。为了更加直观的描述本文所述方法，下文以某重大专项任务的航天器信息流设计为例进行说明。

1)应用文档式的信息流设计方案

(1)舱段1和舱段2数管计算机通过遥控视频信号和遥测视频信号实现对地通信；

(2)舱段1和舱段2通过1553B总线进行信息交互(遥控遥测信息流、时统信息流、内存信息流)；

(3)舱段1数管通过1553B总线实现与GNC和推进分系统的信息交互；舱段2数管通过1553B总线实现与GNC分系统的信息交互；

(4)舱段1、舱段2数管通过遥控指令和遥测参数采集完成指令发送和状态遥测采集；

(5)舱段1的数管通过LVDS接口与监视相机实现信息交互；

(6)舱段1的GNC分系统通过RS422、指令和遥测的接口方式实现与测量设备进行信息交互；舱段2的GNC分系统通过RS422、指令和遥测的接口方式实现与测量设备进行信息交互；

(7)舱段1的GNC分系统通过RS422总线实现与推进分系统信息交互；

(8)舱段1的推进分系统通过指令和模拟量的接口方式实现对推力器的控制；舱段2的GNC分系统通过指令和模拟量的接口方式实现对推力器的控制。

2)具体过程

采用本文所述的分层式的有向图设计方法，其设计过程如下所述，具体过程详见图4。

(1)建立系统级架构层，并根据定义顶点集{1,2}和有向边集E(X)={〈1,2〉,〈2,1〉}；

(2)建立功能模块层，并根据式(6)定义顶点集{1,2,3,4,5,6,7,8}和有向边集E(X)={〈1,3〉,〈1,4〉,〈1,5〉,〈1,6〉,〈2,7〉,〈2,8〉,〈3,1〉,〈4,1〉,〈5,1〉,〈6,1〉,〈7,2〉,〈8,2〉}；

(3)建立设备层有向图，并根据式(12)定义顶点集；

(4)将设备节点层有向图嵌套至功能模块层，然后再嵌套至系统架构层，就可得到航天器的信息流有向图，如图4所示。

图4 某航天器基于有向图的信息流设计实例Fig.4 An example of a spacecraft design based on directed graph information flow

在系统架构层，V1表示舱段1数据管理模块，V2表示舱段2数据管理模块；在功能模块层，V1表示舱段1数管分系统，V2表示舱段2数管分系统，V3表示舱段1推进分系统，V4表示舱段1工参分系统，V5表示舱段1测控分系统，V6表示舱段1GNC分系统，V7表示舱段2GNC分系统，V8表示舱段2测控分系统；在设备节点层，V6表示中心控制单元，V61表示陀螺，V62表示加速度计，V63表示星敏感器，V64表示太敏，V65表示交会对接敏感器1，V66表示交会对接敏感器2；V3表示推进计算机，V31表示自锁阀，V32表示压力传感器，V33表示发动机。

3.2 特点及优势分析

对比传统文档式的航天器信息流设计方法，本文采用基于有向图的复杂航天器信息流设计方法具有如下优势：

(1)信息流设计的所关心的设备间拓扑架构、接口关系、信息流向和设备间连接关系实现了100%数字化建模；建立信息流设计的数字化模型在总体、分系统和单机之间进行传递，杜绝了二义性，可以有效避免设计结果由于人员和中间环节丢失重要信息。

(2)分层开展的有向图设计理念，不但具有非常直观、清晰的设计过程和设计结果，而且符合典型的“V”字型航天器系统工程的设计理念。不同的层级由总体、分系统和单机分别开展设计，与现行的航天器设计流程和方式一致，具有良好的工程推广特性和工程可实现性。

(3)建立航天信息流设计的数学模型可有效提高工作效率。通过有向图建立的航天器信息流模型，可以利用图形显示驱动技术，实现系统架构层到设备节点层不同层级架构间的无级缩放浏览，从而实现从宏观到微观，全面展示航天器信息系统信息。同时结合设计需要，还可提取总线拓扑、上行链路拓扑等专项的信息拓扑结构，为航天器精细化设计奠定基础。

(4)设计过程和设计结果均具有良好的可扩展性，后续在进行技术状态更改、故障诊断和自主健康管理时，均可应用本文所建立的数学模型。

4 结束语

本文分析了非结构化文档信息流设计模式的不足，在此基础上应用图论理论，提出了一种基于有向图的多舱段复杂航天器信息流设计方法，并建立了典型信息接口信息流的数学模型，通过理论与实例相结合的方式分析验证了该模型的可行性。基于有向图的多舱段复杂航天器信息流设计方法的提出可为航天器信息流设计及自主健康诊断提供直观高效的数字化模型。

该模型具有一定的通用性、可扩展性和可复用性，有助于开展基于统一数据源的数字化协同设计。为航天器信息流设计由文档驱动向数字化模型驱动转变奠定了良好的技术基础，提高工作效率和质量，并且有效地提高了设计人员的工作效率，设计过程和设计结果均具有良好的可扩展性，可为后续开展基于模型的系统工程建设(MBSE)提供借鉴。