面向卫星总体总装信息的多层级融合模型与管理

王自军，王新翔，王一全，赵佩麟

(中国空间技术研究院 通信与导航卫星总体部，北京 100094)

0 引言

卫星总体总装是卫星从设计到实物、从单机到分系统再到整星[1]，多环节交叉融合的集成过程，其贯穿于卫星的整个研制流程，具有协调和对接环节多、过程繁复控制点多、人工参与度高、难以标准化等特点，卫星产品的质量和研制周期与总体总装过程密切相关[2-3]。

卫星总体总装信息的高效定义、传递、共享利用和管理直接影响卫星总装的进程，以及卫星总装过程能否快速衔接和准确实施，从而保证总装结果满足设计要求的功能特性和物理特性[4]。目前，卫星总体总装信息主要采用非结构化文档定义、传递和共享，其数据分散、标准化程度低，多部门之间的交互、协同、融合和应用主要依靠人工进行数据查询、分离、提取和重组，总装执行结果依靠人工逐项判读，卫星总体总装信息这种定义、传递、应用、检查和控制管理模式，直接导致卫星总体总装信息数据难以便利化共享利用和协同交互，人工重复工作量大，而且数据的一致性存在很大风险。

近年来，对复杂装备尤其是航天器总装信息化的研究持续推进并不断深入。刘博等[5]研究了基于工作流理念组织生产工艺准备过程的建模和数据管理方法；孙惠斌等[6]提出一种装配执行过程Petri网模型和装配执行状态的数据管理及监控方法；孙刚等[7]提出航天器总装工艺的数据结构化方案，并研究了结构化工艺数据的集成应用技术；李曼丽等[8]研究了航天器总装看板管理系统的原理和应用；王建军等[9]构建了航天器系统工程工作流、工作包和产品包的数据模型，研究并建立了航天器系统工程研制管理平台。从这些研究可以看出，总装信息化研究多集中于总装工艺或总装执行信息，而卫星总体总装则涵盖卫星总体总装设计和卫星总装执行，虽可参考但无法完全覆盖。

目前卫星研制正向全流程数据驱动的智能制造快速发展，而且任务多、周期短、工作繁重、技术难度高，现有的卫星总体总装信息管理模式完全无法应对，亟需针对卫星总体总装信息管理模式中存在的问题和难点，对卫星总体总装信息进行结构化描述，构建面向卫星总体总装信息的多层级集成融合模型，基于此开展信息化管理方法研究，实现卫星总体总装从设计到生产的结构化数据流无缝连接，为实现全流程数据流转和驱动的卫星智能制造打下基础。同时，近年来数字孪生逐渐成为复杂装备尤其是航天器智能制造研究的热点[10]，数字卫星即为卫星的数字孪生体，其模型构建和集成应用研究已经开展得如火如荼，本文构建的卫星总体总装多层级融合模型则可作为数字卫星的构成部分，为开展基于数字孪生的卫星智能制造打下基础。

1 卫星总体总装

1.1 卫星总体总装概述

卫星总体总装是多环节串并行交叉、繁复迭代滚动推进和闭环状态控制的过程[1]，如图1所示。卫星总体总装分为总体总装设计、总体总装过程定义和总装现场执行3个阶段，其中总体总装过程定义是对卫星总体总装设计结果，以及后续总装现场执行过程中涉及的“人、机、料、法、环、测”对象及其保障、输入、操作、输出和进度安排等信息进行定义，是卫星总体总装信息的主要形成阶段；下游卫星总装现场执行阶段按照定义的总体总装过程信息进行细化并完成现场操作，而后逐项对照检验，如果与总体总装定义信息偏离，则需要更改总装技术，并同步修改总体总装定义的相应信息。

1.2 当前卫星总体总装信息的构成

按照图1所示的卫星总体总装业务过程，经过总体总装设计信息定义、总装执行、设计和执行结果闭环对照检查以及总装过程中的技术更改，逐步形成卫星总体总装的定义、更改、执行相结合的信息集合，各环节信息输出如图2所示，其中总体总装过程定义是将总体总装设计结果通过不同数据组织样式描述定义，形成总装配套及技术指标、总装技术条件、总装阶段技术状态和总装技术流程信息，即卫星总装的对象、检验标准和实施流程，是下游卫星总装生产的标准和依据；总装现场执行和总装检验测试是在细化总体总装过程定义信息的基础上进行总装操作并形成操作记录、专项状态记录、检验记录和固化状态图像等信息，即按卫星总体总装过程定义结果进行实际操作执行，总装执行结果依据卫星总体总装过程定义信息进行正确性对照检查；技术更改是对总装现场执行中出现的各类技术问题提出相应的更改措施，形成技术更改记录和更改执行记录等信息，是随卫星总装执行过程对卫星总体总装定义的动态修正。

2 卫星总体总装信息多层级融合模型

卫星总体总装信息的构成要素在卫星总装业务中的作用分类如图3所示，即装配对象配套和技术指标等的静态基础信息、总装操作的动态过程信息、总装现场执行的结果信息、面向总体总装各环节技术更改的控制信息。

2.1 卫星总体总装信息的数学表达

S=A∪Pi。

(1)

式中Pi⊂P，Pi是不属于某个舱段ai的独立整星级零件集合。某个舱段ai可以表示为

ai=Bj∪Pj。

(2)

bj=Uk∪Pk。

(3)

(4)

式中pl∈P，0≤w1≤wl≤w。

ti=Ci∪DEi∪STi。

(5)

卫星总装操作的动态过程信息包括总装技术状态和总装技术流程信息，总装技术状态是预先设定的总装过程阶段性节点，总装技术流程是总装过程的业务工作集合，设TS={ts1,…,tsi-1,tsi}为i(i>0)个总装技术状态的集合，某个技术状态tsj定义为

tsj={Tj∪TPj,ej}。

(6)

式中：Tj为tsj配套零件的静态基础信息集合；TPj为达到tsj阶段要求所需完成的技术流程集合；ej为tsj的说明信息。总装技术状态TS包含的所有总装技术流程即为卫星的总装技术流程集合TP，

(7)

卫星总装执行结果信息包括卫星总装执行数据及其与卫星总装操作的动态过程信息对照检查的结果数据，设卫星总装执行结果信息集合为TR，

(8)

式中TRi为某个总装技术状态的总装执行结果信息集，

(9)

(10)

Ruk为某个零件或设备的装配结果及检测指标信息集合，

Ruk={ruk;dek}，

(11)

ruk为装配结果信息，dek为检测指标信息。

卫星总体总装信息的更改控制是对静态基础信息、动态设计信息和总装执行超差的技术调整或协调，是卫星总装过程中技术变更所需的必要管理手段，同时记录了卫星总装实际的技术流程，为后续卫星生产任务的总体总装设计积累具有验证性的技术经验。设TC为卫星总体总装的更改控制信息集，

(12)

式中tci为某个技术更改控制信息，

tci={obi;ri;cni}，

(13)

obi为技术更改的对象，如静态基础信息ti、技术状态节点tsi和技术流程节点tpi，ri为技术更改原因，cni为技术更改的内容。

综上所述，设SIn为卫星总体总装信息，

SIn=T∪TS∪TR∪TC，

(14)

则卫星总体总装信息是由多个层面和过程数据构成的融合数据集。

2.2 卫星总体总装信息多层级融合模型结构

基于卫星总体总装信息的数学表达采用面向对象和面向过程混合建模方式的多层级建模方法[11-12]，可以构建涵盖卫星总体总装信息的多层级融合模型，如图4所示。和平面建模方法不同，多层级建模的模型结构是三维立体的，其中涵盖T的基础层、TS的设计层、TR的执行层和TC的更改控制层，每个层面均为面向对象的建模，不同层模型之间的相互关联关系则是面向过程的建模。

3 基于多层级融合模型的卫星总体总装信息管理方法

图5所示为信息化条件下基于多层级融合模型的卫星总体总装信息管理方法流程，本文以卫星总体总装信息的多层级融合模型为核心和基础研发建立信息化条件下卫星总体总装信息管理方法，来替代以非结构化文档为载体和核心的传统卫星总体总装信息管理方法，对卫星总体总装信息的数据组织形式和管理模式进行变革，实现从卫星总体总装过程定义到总装现场执行闭环的结构化数据无缝衔接和协同利用，其中主要环节如下：

3.1 卫星总体总装信息定义

卫星总体总装信息定义是基于多层级融合模型的卫星总体总装信息管理的开始，也是卫星总体总装多层级融合模型主体数据的形成环节，包括全部配套的静态基础信息T的定义，以及所有卫星总体总装过程动态设计信息TS和TP的定义。

图6所示为定义静态基础信息T的流程，其中卫星静态基础数据的构成对象来自卫星的工艺物料清单(Process Bill of Material, PBOM)[13-14]，如果与计算机辅助设计(Computer Aided Design, CAD)系统协同获得卫星的PBOM，则可以直接导入PBOM并补充定义，即获得卫星静态基础信息数据T；如果不具有卫星PBOM，则需全新定义卫星的配套对象ti，待所有静态基础信息完成定义并固化后，将其导出作为卫星PBOM构建的基础。

图7所示为定义动态设计信息TS的流程，其中卫星技术状态的配套设备信息来自图6中定义的卫星静态基础信息T，而每个总装技术状态tsj所包含的技术流程TPj定义的操作对象则来自tsj的配套信息Tj；同时，对卫星总装技术状态所属的技术流程分别进行固化，即卫星静态基础信息T为整体固化，而卫星总装技术流程信息TPj为单个节点固化，待TPj全部固化后，其所属的卫星总装技术状态tsj自动固化。

3.2 卫星总装执行信息协同

完成卫星总体总装信息定义并固化后即发布进入下游卫星总装生产执行阶段。卫星总装现场执行过程以卫星总体总装定义信息TS和TP为依据，产生的卫星总装执行数据TR与TP相互对应并自动进行符合性检查，以显示实际的卫星总装执行进程和执行结果的正确性。图8所示为卫星总装执行信息协同流程，其中卫星总装执行结果数据从下游制造执行系统(Manufacturing Execution System, MES)的数据库中直接获取，根据总装动态设计信息TP数据匹配执行数据的对应项，并将执行结果的实测数据与TP链接的静态基础信息T中的总装指标数据ST进行符合性检查，以判断总装执行结果是否满足设计要求。

3.3 卫星总体总装技术更改

卫星总体总装技术更改在卫星总体总装信息定义和卫星总装执行过程中都存在，是按照总装实际执行情况对总体总装设计结果的技术修正，其信息TC会作为修正静态基础信息T、动态设计信息TS和TP以及总装执行信息TR的记录。图9所示为卫星总体总装技术的更改流程，其中技术更改对象直接从静态基础信息ti、动态设计信息tsi和tpi以及总装执行信息tri中选择并形成链接关系，更改原因从更改原因字典库中匹配获取，更改项则直接与需要更改的数据项形成链接关系，以便于追溯更改数据。

4 系统实现

利用上述研究成果，本文基于Java 2平台企业版(Java 2 platform Enterprise Edition，J2EE)标准应用方案在Spring boot框架[15]上开发了浏览器/服务器(Browser/Server，B/S)架构的卫星总体总装过程信息管理系统。该系统包括总体总装新信息定义、总装执行信息协同、技术更改和审批控制等核心功能模块，各功能模块以图4中的多层级融合模型为数据源，通过图5中的数据获取和集成接口进行数据交互协同，下面以某型号卫星总体总装为例进行说明。

图10a所示为该系统的静态基础信息界面，其中静态基础信息结构树可以由卫星产品的PBOM导入形成，也可以由逐个节点新建形成，图中右侧为以某电爆阀为例的静态基础信息面向对象定义界面，包括某电爆阀的基本信息、装配关系和性能指标信息。图10b所示为该系统的动态设计信息定义界面，其中动态设计信息结构树由卫星总体总装技术状态和技术流程节点构成，图10b以移植中板管路技术流程为例显示面向对象的总装技术流程定义的各个项目，包括工作内容、输入条件、操作内容、输出成果、保障条件等，其中项目“操作内容”定义了包括某电爆阀在内的多个总装操作对象和相应的操作动作，而且定义的总装操作对象能够直接链接图10a中定义的相应的静态基础信息。

图11所示为该系统总装执行信息的协同界面，其中图11a为从MES数据库中获取卫星总装执行结果信息并根据卫星总体总装设计信息进行数据匹配和指标自动符合性检查，图中以移植中板管路技术流程总装执行结果为例，可见某电爆阀安装到位，符合总装动态设计的要求；图11b为选中的卫星总体总装技术流程节点已完成的总装结果的三维模型展示，即采用三维模型直观展示该节点及前序过程中已完成总装操作的设备和零件。图11中的总装动态信息结构树和对象信息均为链接图10b中定义的总装动态设计信息结构树和对象信息。

图12所示为该系统的技术更改界面，用以对卫星总体总装信息进行技术更改控制。图中以某电爆阀静态基础信息技术更改为例，可见技术更改是信息面向对象的定义，其中更改对象自动链接到某电爆阀的静态基础信息对象，更改原因数据项为标准化的定制字段。

5 结束语

本文通过对当前的卫星总体总装过程及其涉及的主要信息构成进行梳理，构建了能准确表达卫星总体总装信息的数学模型和适应信息化数据传递的多层级融合数据模型，研发了基于卫星总体总装多层级融合模型的、具有实用操作性的信息管理方法。所有研究成果均在卫星总装过程信息管理系统中开发实现，并试用于多个卫星任务型号，表明其能够满足现阶段卫星总体总装信息的信息化管理要求，然而试用过程中也发现在数据协同、数据颗粒度和数据覆盖度等方面还存在不足，需要进一步深入研究并不断向数字卫星集成应用推进。