1 引言
技術狀態管理是保證將用戶對產品的功能、物理等特性的要求,反應到設計、生產中,并最終實現用戶要求的一種管理技術和方法。50多年來,我國航天科技工業已經基本形成了“兩條指揮線”、“全過程受控”、“產品數據包”等一整套具有中國特色的型號研制技術狀態管理的做法和經驗,保障了“兩彈一星”、“載人航天”、“探月”工程等重點型號和重大工程的成功,對型號研制工作發揮著基礎保障作用。
技術狀態管理需要保證從產品研制與設計開始,并在產品的整個壽命周期內所需的全部技術文件現行有效、正確無誤,使管理者清楚地掌握這些技術文件與產品狀態的一致性。然而,針對航天產品研制新形勢下型號研制數量大、周期短;新產品、新技術、新方法不斷涌現;型號系列化研制成為常態,耦合關系愈加密切,產品化趨勢明顯;協作面廣的特點。傳統的以“技術文件”為核心的技術狀態管理方法在管理粒度、系統性、連續性和多型號適應性方面存在不足,技術狀態管理所期望的完整性、一致性和可追溯能力尚未全面具備,迫切需要技術狀態管理方法在繼承優秀傳統的基礎上實現新的跨越發展。
綜上所述,本文提出模型驅動的航天型號技術狀態管理方法。首先給出型號技術狀態管理的內涵和需求;然后詳細闡述模型驅動的思想以及該思想的引入對技術狀態管理能力提升帶來的巨大作用;最后對模型驅動的技術狀態管理方法及其所包含的關鍵技術進行了說明,并分析了模型驅動的技術狀態管理方法的特點。
2 航天型號技術狀態管理內涵
技術狀態是指在技術文件中規定的,并且在產品(硬件、軟件)中達到的功能特性(Function Characteristics)和物理特性(Physical Characteristics)。通常情況下,技術狀態包含兩個方面的內涵,一是某個具體產品所具有的功能特性和物理特征,二是同一產品在其生命周期不同階段所達到的功能特性和物理特征。前者是一種靜態的體現,描述產品在生命周期某個時間點的技術狀態;后者是一種動態的體現,描述產品技術狀態在生命周期中的演化過程。可見,技術狀態具有兩個關鍵特性:技術狀態是產品達到的或預期達到的特性的綜合,通過全套技術文件來表征的;技術狀態不是一成不變的,其演化過程清晰地再現了從用戶需求到產品實現的全過程。
在數字化環境下,航天型號的技術狀態管理通過對標識、紀實、審核等過程的管理,實現了對全生命周期中任何產品功能、性能和物理特性的控制。從技術角度看,型號技術狀態管理是對產品全生命周期過程中數據的生成、更改、傳遞、保存等一系列活動進行的處理與控制,其實質上是一種面向型號全生命周期,通過對產品數據在靜態和動態兩個層面進行定義和控制的管理技術。其目的是保證產品技術狀態在其生命周期內得到控制和保持,確保數據的有效性、準確性、一致性、完整性和可追溯性。
a.技術狀態管理是型號系統工程管理的重要組成部分。系統工程的核心是按照事物本身的系統性來分析和認識問題,以期達到系統的整體最優化。技術狀態管理通過技術狀態標識、技術狀態控制、技術狀態紀實、技術狀態審核等活動實現了對系統的定義和控制,對大型復雜產品或系統的研制起到了重要的管控作用,是保證系統成功研制的重要手段。
b.技術狀態管理的范圍覆蓋型號研制全生命周期。技術狀態管理涵蓋了從產品規劃到產品消亡的整個生命周期過程,包含了產品設計、制造、試驗、測試、總裝等業務過程。
c.技術狀態管理的任務是對產品數據在靜態和動態兩個層面進行定義和控制。在靜態上,建立產品數據的組織方式、描述方式,維護生命周期中的全部產品數據,能夠清晰地反應產品在某一生命周期時間點的技術狀態;在動態上,建立產品數據的內在關聯關系,包括生命周期過程關聯和產品數據之間的關聯,能夠清晰記錄完整的演化過程,確保技術狀態的全生命周期可追溯。
3 航天型號技術狀態管理的新需求
3.1 靜態組織:建立統一的技術狀態全局描述模型
隨著型號研制數量的不斷增加、技戰術指標的不斷提升,對技術狀態管理的要求也在發生重大變化。單型號環境下,各自為政,只需關注本型號內部的技術狀態即可。對于多型號而言,由于系列設計、借用設計、通用化設計等方法和手段的大量采用,型號與型號之間不可避免地存在內在關聯,只有建立統一的技術狀態描述標準,才能夠在全局層面管控多型號技術狀態,實現技術狀態的可重用、可復現。但是,由于當前的技術狀態管理模式圍繞技術文件展開,大量的狀態信息隱含在文件內部,管理粒度粗放,技術狀態信息離散分布,割裂了內在關聯,在這種情況下,難以通過抽象和提煉發現型號技術狀態管理的深層次共性特征,進而形成統一的技術狀態描述標準。因此,必須轉變當前的管理模式,將管理粒度進一步精細化,獲取隱含于技術文件內部的關鍵技術狀態信息及其關聯關系,并通過建模的方式進行固化,從而在全局角度形成統一的精細化技術狀態描述模型,進而驅動技術狀態管理過程。
3.2 動態機制:建立連續、一致、可追溯的技術狀態演化控制機制
技術狀態管理覆蓋從用戶需求到產品實現的全生命周期,其目的是從用戶任務的需求和上層的系統要求出發,在預算、進度和其他限制條件下,研制一個整體性能優化的系統。傳統的技術狀態演化過程采用提交數據包的方式進行記錄,往往是在轉階段、產品驗收等關鍵時間點進行,一方面收集整理周期長,另一方面連續性、一致性、可追溯性難以保障,技術狀態變更和控制過程過多依賴人為判斷,難以保證控制的完備性、全面性和系統性。因此,需要轉變現有的管理方式,利用統一技術狀態模型,形成技術狀態的描述標準,規范技術狀態要素之間的關聯關系,進一步建立面向全生命周期的連續、一致、可追溯的技術狀態演化控制機制,從用戶需求開始全面記錄和系統化管理,直到最終完成型號實物產品研制,以及成功發射、在軌測試并交付的全過程技術狀態。
4 模型驅動的技術狀態管理方法核心思想
為了滿足航天型號技術狀態管理在靜態組織和動態控制方面的新要求,需要將當前的基于系統工程的技術狀態管理思想進行延伸與創新,建立模型驅動的技術狀態管理新思路。
將系統工程與模型相結合的思想目前已成為系統工程發展的最新方向,基于模型的系統工程(Model-Based System Engineering MBSE)的目的是推動航天型號研制從基于文檔的系統工程(Document-Based System Engmeermg)向基于模型的系統工程轉變。能夠在客戶問題空間(Customer Problem Space)和設計求解空間(Designer Solution Space)之間架起溝通的橋梁。MBSE的思想是使用模型來貫穿研制全過程,將蘊涵于文檔內部的技術狀態信息顯性化。MBSE以需求捕獲、確認和分配為源頭,以功能和物理實現為方式,利用模型定義消息,規范整個系統的接口,最終達到全生命周期可追溯的目的。MBSE是一種系統工程的實現途徑,通過對研制各階段的主要活動進行模型化,例如任務模型、需求模型、功能模型、物理模型、驗證模型等,確保產品研制全過程的完整性、一致性、連續性、可追溯性。
從以上分析可以看出,模型驅動的系統工程管理思想能夠將隱含于文檔內部的管理要素和管理思想通過模型的方式進行顯性化、固化、持久化,能夠更好地將產品研制過程中的經驗、知識復用于新的產品研制過程,實現一種精細化、連續可追溯的工程管理過程。因此,將該思想引入技術狀態管理過程,有助于解決技術狀態管理在動態和靜態兩個層面提出的新需求。本文提出模型驅動的航天型號技術狀態管理方法,其核心思想如下(見圖1)。
圖1 模型驅動的技術狀態管理原理
“以動靜耦合的技術狀態模型為基礎,以面向要素層面的細粒度技術狀態靜態描述為核心,以系統的、連續的技術狀態動態演化和追溯為手段”,實現航天型號技術狀態的全周期、細粒度、精細化管理:
a.產品研制過程中產生的大量技術文件是技術狀態管理的主要對象,技術狀態信息隱含在文件內部,因此,首先需要面向產品全生命周期,通過收集、整理、抽象和提煉的方式發現型號技術狀態管理的深層次共性特征,即獲取隱含于文件內部的技術狀態要素、關聯關系及其演化原理,并通過建模的方式進行固化,從而在要素層面形成統一的技術狀態模型,進而在靜態的精細化描述和動態的關聯演化兩個維度驅動整個技術狀態管理過程。
b.通過技術狀態模型在產品對象的各個生命周期階段的映射,形成能夠表征各個階段技術狀態特征的要素集合,同時建立要素之間的關聯關系,形成技術狀態因果鏈路,實現以技術狀態要素為最小管理單元,要素之間關聯關系完整的精細化技術狀態描述,支撐后續的具備系統性和連續性的技術狀態動態演化和追溯。
c.利用技術狀態靜態描述結果,進行面向要素層面的演化過程控制與分析,以及面向全生命周期的多維度、細粒度的技術狀態追溯。在研制全生命周期內,建立連續、一致、可追溯的技術狀態演化控制機制,從用戶需求開始全面記錄和系統化管理,直到最終型號實物產品研制完成,以及成功發射、在軌測試并交付的全過程技術狀態,實現技術狀態管理過程在型號研制全生命周期的可控演化,保持各個階段產品研制技術狀態的完整、一致、可追溯。
模型驅動的技術狀態管理思想在現有的技術狀態管理體系的基礎上,通過在精細化和連續性方面的提升,獲得技術狀態管理能力的提升,在運作過程中,不斷地完善模型體系,豐富模型內容,挖掘出隱含于技術狀態管理工作中的隱含要素,變“知其然”為“知其所以然”,變依賴于經驗、知識的技術狀態管理為依賴流程、規范的技術狀態管理。同時,需要指出的是,這種管理思想的實現不是一蹴而就的,必然是不斷完善、充實的過程。
5 模型驅動的航天型號技術狀態管理方法
基于核心思想的闡述,模型驅動的航天型號技術狀態管理方法可以表述如下:模型驅動的航天型號技術狀態管理方法圍繞統一參考模型(“動靜”耦合的技術狀態模型)展開,依據模型驅動的思想,整個方法的核心活動均受控于模型,從模型初始化開始(建立統一的技術狀態模型),經歷實例化(技術狀態模型在產品對象的各個生命周期階段的映射),實例化模型的調整(生命周期階段模型的演化過程控制)和應用(完整、一致、連續、可追溯的技術狀態應用),以及對初始化模型的不斷完善,從而形成一種完整的循環體系,如圖2所示。
圖2 模型驅動的技術狀態管理方法
5.1 技術狀態模型的構建方法
該方法是模型驅動的技術狀態管理方法體系的核心方法,用以產生“動靜”耦合的技術狀態模型,是建立模型驅動的技術狀態管理機制的前提。該方法針對航天型號的特點,提出基于“動靜”耦合的技術狀態模型,從當前航天型號系列化研制的共性特征出發,在靜態組織和動態演化機制兩個維度對模型進行詳細描述,在靜態組織層面,通過挖掘、提煉和抽象技術狀態管理中的最本質共性要素,建立統一的技術狀態要素模型;在動態演化方面,立足于靜態要素模型,面向產品全生命周期,遵循系統工程的演化過程,將技術狀態管理要素與產品生命周期中的各個階段的相關產品數據有序捆綁,從而清晰地控制、捕獲、記錄產品技術狀態的演化過程。
5.2 模型驅動的技術狀態描述方法
技術狀態模型在動靜兩個層面建立了技術狀態要素的統一描述標準。模型驅動的技術狀態描述方法通過建立技術狀態要素與具體產品對象在產品研制不同階段的技術狀態信息之間的關聯關系,實現實際技術狀態信息的模型化描述,從而建立模型與技術狀態數據之間的語義描述關系,形成模型驅動的技術狀態信息管理機制的基礎。由于技術狀態管理所關注的要素隱含于型號產品數據中,該方法需要針對產品生命周期階段所產生的各類產品數據,以語義發現的方式,獲取蘊涵于產品數據中的技術狀態要素,通過語義標注的方式實現技術狀態信息內容與所蘊含技術狀態要素進行語義關聯,最后,面向全生命周期的技術狀態演化,利用基于數據挖掘的演化關系建立方法,形成可追溯的技術狀態因果鏈。
5.3 模型驅動的技術狀態演化與追溯方法
技術狀態的演化過程就是從型號產品研制開始,直到最終完成型號實物產品研制,并成功發射、在軌測試并交付的全過程中技術狀態的演進過程。模型驅動的技術狀態描述方法用以建立技術狀態數據與模型之間的語義描述關系,實現實際技術狀態數據基于模型的語義描述和精細化組織。在此基礎上,需要捕捉技術狀態的演變過程,要做好技術狀態控制,需要完成精細化的技術狀態影響分析。通過變更分析、變更傳播范圍確定、變更實施等方式,計算波動范圍,確定受影響對象,精確定位、及時處理,完成閉環模式下的更改過程,確保技術狀態控制全面有效。同樣,技術狀態的追溯依舊立足于精細化的技術狀態描述基礎上,利用技術狀態演化模型,實現覆蓋全生命周期、多維度、細粒度、完整一致的技術狀態追溯,更好地支持技術狀態問題的準確定位、快速發現、及時解決。從而有效地縮短研制周期、降低成本,更好地確保產品的質量和可靠性。
方法的一個重要特性是具備系統性、連續性、可追溯性的技術狀態管理能力,這種能力建立在詳實的數據記錄和完備的數據組織的基礎上。如圖3所示。
圖3 系統性、連續性、可追溯性的技術狀態管理機制
以型號研制過程為主線,針對產品設計、工藝、制造、裝配、測試試驗、驗收、出廠等生命周期階段所產生的產品數據的特點,以統一的參考模型為依據,以產品結構層次關系為基礎,實現產品研制過程中技術狀態信息的結構化管理,形成可追溯的技術狀態因果鏈。
產品生命周期維是時間域上的概念,將產品研制的全部過程活動在時間軸上進行投影形成。通過將技術狀態管理要素映射到不同的研制階段,將不同階段的技術狀態管理活動所關注的要點關聯起來,并保持其連續性和可追溯性。
系統維是型號產品對象在空間上的投影,其載體是產品結構。隨著產品從概念到實物,產品技術狀態信息也同步形成,產品結構的每個節點關聯了各種技術狀態信息,包括設計、工藝、制造等過程數據信息,以及數據版本、有效性、基線、變更等管理信息。
從系統維度做切面,將獲得某個具體的產品對象在整個生命周期內的技術狀態演化情況;從產品生命周期維做切面,將獲得任意時間節點上所有相關產品對象的技術狀態,也就是一個基于產品結構的描述集合。橫縱軸交點即為某一產品對象在某一時間點上的技術狀態信息。
這種多維度耦合的技術狀態描述和組織方式,能夠在要素層面精細化地全面反映從用戶需求到最后航天器出廠的各個環節所產生的技術狀態信息,并且以樹形結構層次化地有機地組織起來,在型號產品任一生命周期時間點做到技術狀態有源可尋。同時,可以按照時間維度、系統維度和要素維度對型號技術狀態進行全面完備的管理和控制,全面提高技術狀態管理的系統性、連續性和可追溯性。
6 結束語
模型驅動的航天型號技術狀態管理方法立足于對航天型號技術狀態管理的內涵和需求的分析,結合模型驅動的系統工程思想,通過建立統一的技術狀態全局描述模型,驅動技術狀態的演化過程,實現一種精細化、連續可追溯的技術狀態管理模式。將技術狀態管理從“知其然”轉變為“知其所以然”,從依賴于“經驗和判斷”轉變為依賴于“流程和方法”。
隨著航天研制工作量的增加,模型驅動的航天型號技術狀態管理方法有助于航天企業建立一種全新的技術狀態管控模式,實現一種精細化、連續可追溯的技術狀態管理過程,有力地支撐產品研制質量保障和可靠性需求。
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