由于空间科学任务立项论证需求越来越多,为了提高概念设计阶段空间科学任务论证的效率,协同设计思想越来越多地应用到空间科学任务的系统论证中.空间科学任务论证是设计岗位依据规范的论证流程开展协同设计的过程.以往的任务论证在数据、流程及协同方式上有如下特点:

1) 基于文档的数据管理模式.该模式导致了文档变更及版本更新时一致性差、数据提取难、方案耦合关系不可管理等问题.

2) 侧重于计划进度的流程管理模式.该模式导致了流程与数据分离,任务完成率不便于控制,论证过程不可追溯等问题.

3) 采用私下沟通和召开会议的协同模式.私下沟通的形式带来数据变更通知不及时、数据不一致等问题;会议上不能立即解决的设计问题需在会议后完成,数据变更只能等到下次会议才能通知其他设计岗位,缺乏及时的沟通和提醒也是造成论证周期长的原因之一.

因此,针对设计方案耦合关系管理难、数据一致性差、数据与流程脱节等问题,如何组织管理多岗位、多方案数据,建立数据与流程映射关系,提供高效的协同机制,一直是众多学者期望解决的关键问题.

针对空间任务的立项论证需求,国外成立了专门的协同设计中心(CDF,Concurrent Design Facility)^{[1, 2, 3, 4, 5]},提供专业设计的工具和数据协同管理软件.如美国国家航空航天局(NASA)普遍采用IceMaker工具,欧洲航天局(ESA，European Space Agency) 协同设计中心采用整合设计模型(IDM,Integrated Design Model),数据协同管理均以Excel工作表为基础.Excel对于结构化数据的统计处理有很强的优势,但数据表的形式不利于复杂数据管理、方案耦合管理、数据与流程的统一.当前,ESA正在开展开放协同设计服务(OCDS,Open Concurrent Design Server)的研究,希望升级IDM,提高数据管理能力.

面向复杂型号任务的工程总体,中国国内也开展了协同设计的相关研究.基于Web的企业级协同产品研制管理系统(AVIDM)^[6],主要面向型号任务工程大总体;以计划为核心的项目管理平台(AVPLAN)^[7],主要面向航天任务复杂型号研制过程;记录设备接口状态的接口数据单(IDS,Interface Data Sheet)系统^[8],反映卫星与分系统,以及分系统之间的接口关系;集成平台下的总体数字化设计流程^[9];面向复杂工程系统的多学科设计优化集成环境(系统综合设计优化平台，SDOF，System Design Optimization Framework)^[10]等诸多的研究^{[11, 12, 13, 14, 15, 16]}.针对空间科学任务协同设计论证,中科院空间科学与应用研究中心开展了相关的研究并建立了初级系统^[13],数据协同管理也是以Excel工作表为基础.国内的研究主要服务于复杂型号任务的工程大总体,侧重于计划进度的管理、文档数据的协同,以及多学科建模和优化研究.

因此,本文在空间科学任务协同设计论证初级系统研究的基础上,构建空间科学任务协同设计论证平台,建立任务多层数字化模型、流程与数据映射模型、设计方案合并模型,解决上述关键问题.

1 论证特点

空间科学任务是一个复杂系统,涉及若干分系统,系统层次多、分系统间耦合性强.开展空间科学任务协同设计论证,具有如下特点.

1) 论证任务具有特殊性、通用性.

每一个空间科学任务有其不同的任务目标,搭载不同的载荷设备,运行在不同的环境,采集不同的数据.同时,空间科学任务也有一定的通用性,均包含发射段、空间段、地面段.空间段包括多个航天器或单个航天器.任何一个空间科学任务的协同设计论证均需要开展任务分析、方案设计,最终确定可行性的任务总体设计方案.

2) 论证过程具有迭代性、试探性、选择性.

空间科学任务论证中各分系统设计方案耦合性强,耦合数据的细微改动可能会引起依赖方案的很大波动,论证过程是一个不断权衡利弊、不断寻优的过程,需要多次的数据迭代、数据共享.方案的设计过程又具有一定的试探性,会产生许多的数据中间版本,这些版本均需要存储供后续借鉴使用.

3) 数据海量性、耦合性.

任务论证包含诸多设计活动,每一个设计活动都有输入数据、过程数据和输出数据.输入数据既可来源于本岗位,也可来源于其他岗位,数据之间存在复杂的耦合依赖关系.

4) 设计方案多样性、依赖性.

设计岗位针对任务需求开展设计工作,可能提出一套或多套设计方案.例如:设计岗位1设计了A₁,A₂两套方案,设计岗位2设计了B₁,B₂两套方案.在协同设计论证过程中,设计岗位的方案之间存在一定的依赖性.又如,A₁方案依赖了B₁方案,A₂方案依赖了B₂方案.从任务角度,需要管理设计方案间的耦合关系,根据方案间的依赖性汇总出任务总体设计方案.

5) 数据版本一致性、可追溯性.

设计过程的迭代性、试探性和选择性也导致设计方案的数据版本更新频繁,而数据的耦合性对数据版本一致性提出了高要求.例如:设计岗位设计方案A₁数据版本发生变化时,应及时通知设计岗位设计方案B₁做相应的调整和修改.为了保证对流程的监管,需要建立数据与流程的映射关系,使得流程具有可追溯性.

6) 分布式协同工作环境.

空间科学任务协同设计论证是一个多岗位协作的过程,团队成员分布式地并行开展工作.

从上述特点可以看出,基于空间科学任务协同设计论证中数据、流程的独特性,需要从空间科学任务的数字化建模、流程—数据的映射管理、设计方案依赖性管理、数据协同交互等出发,构建一个友好的空间科学任务协同设计论证平台.

2 论证平台设计 2.1 论证平台框架

空间科学任务协同设计论证平台可分为数据资源层、应用支撑层、业务应用层和访问门户层等,其体系架构如图 1所示.

图 1 软件体系架构图 Fig. 1 Software architecture

图选项

1) 访问门户层.

访问门户层为管理员、需求提出方、设计岗位和项目负责人4类用户提供统一的登录和操作界面,确保正确的人使用正确的权限,并在平台上按照正确的流程执行正确的操作.管理员负责整个项目管理,创建论证任务、创建论证团队,配合项目负责人制定论证流程、确定数据模型和数据接口等.需求提出方提出任务需求,在整个设计过程中参与方案决策.设计岗位是分系统设计人员,如轨道岗、有效载荷岗、结构岗、姿态岗等,设计岗位负责分系统方案设计与分析.项目负责人审核其他岗位提交的设计方案,做出正确的决策,汇总所有设计人员的设计方案,形成完整的任务总体设计方案.

2) 业务应用层.

业务应用层包括多个业务模块,为不同岗位用户提供不同的应用服务.该层包含的业务模块有论证任务管理、流程管理、数据接口管理、团队管理、总体设计方案、分系统设计方案以及文件管理等.

其中,论证任务管理包括新建项目、配置方案流程、配置项目表单和配置项目用户等功能.流程管理具有设计流程、部署流程、启动流程、查看流程和删除流程等功能.数据接口管理具有设计表单、表单与岗位映射和表单与流程映射等功能.方案管理具有新建方案、编辑方案和删除方案等功能.文件管理具有导入文件、导出文件和文件查看/编辑等功能.

3) 应用支撑层.

应用支撑层提供各类支撑模块,包括系统Eclipse RCP框架、BPMN设计器、工作流引擎Activiti5、方案版本控制、协同依赖控制、方案汇总、消息总线等.同时,应用支撑层具有集成领域设计工具、领域分析工具、仿真工具和评估工具的开放接口.

4) 数据资源层.

数据资源层提供任务论证的核心数据池、资源库、知识库和模板库.私有数据池存储过程数据和结果数据;共享数据池存储审核通过的方案数据,供所有岗位查询和关联.资源库和知识库包括常用地面站、运载、卫星平台和载荷等信息.模板库提供了典型任务的论证流程模板、多层数字化模型模板及相关配置文件.

2.2 论证平台使用模式

针对空间科学任务协同设计论证平台的4类用户,其使用模式如下：

1) 管理员登录平台,创建项目,创建论证团队;然后,基于流程模板创建项目论证流程,映射流程与岗位对应关系;基于数据模板创建任务多层数字化模型,映射流程与数据对应关系;之后,启动项目论证.

2) 需求提出方登录平台,提出任务需求,审核设计方案.

3) 设计岗位登录平台,创建设计方案,岗位自动领取流程分配的设计活动;开展设计工作,提交设计方案数据,若设计方案通过项目负责人的审核,则设计活动完成,若没有通过审核,则重新开展设计.各设计岗位并行开展设计工作.

4) 项目负责人登录平台,审核提交的设计方案,做正确性决策;并根据所有岗位的分系统设计方案合并出任务总体设计方案,对多套总体设计方案进行系统级的评估优化,确定最终的任务总体设计方案.

2.3 协同交互机制

由于论证过程的试探性,论证过程中许多中间数据需要存储,而对于阶段性数据则需要提交项目负责人审核通过并让所有岗位共享.因此,将数据库区域划分为独立数据池和共享数据池.独立数据池存储设计岗位设计方案的多个版本,记录所有设计方案数据的版本变化.对于阶段性成果,由设计人员将其设计方案数据提交,项目负责人审核批准后将独立数据池的阶段性成果提交至共享数据池,共享数据池同样对提交的设计方案数据进行版本管理.以数据为核心的思想贯穿于整个论证过程,数据池中记录了数据从论证开始阶段至结束阶段的演化过程,各论证环节的前后数据具有可追溯性.

采用消息总线在岗位之间进行消息的发送和接收,包括方案提交、方案审核、版本更新和数据变更等消息.

3 关键技术 3.1 空间科学任务的多层数字化模型

空间科学任务是一个典型的复杂工程系统,由于其结构和功能的复杂性,在协同设计过程中需要对其进行分解,分配给不同的设计岗位完成.结合空间科学任务协同设计论证的实际需求,提出典型空间科学任务的多层数字化模型.

典型的空间科学任务可分为6层,如图 2所示,每一层组成要素称为系统元素.

图 2 空间科学任务多层数字化模型示意图 Fig. 2 Multi-layer digital model for space science missions

图选项

上一层系统元素包含下一层系统元素.每个系统元素有惟一的名称标识、描述和数据集.这些数据集是整个任务的核心,也是各设计领域开展协同设计的关键;既包含设计方案数据,也包含设计领域间的输入输出接口数据；既包含结构化数据,也包含非结构化数据.数据具有名称、值、版本等属性.

在空间科学任务的多层数字化模型的基础上,建立设计方案与任务多层数字化模型的映射关系,建立设计岗位与设计方案的映射关系.每个设计岗位创建本岗位设计方案,岗位与设计方案为一对一、一对多关系;每个岗位可以创建一套方案,也可创建多套方案.每套设计方案包含分配给本岗位的所有系统元素.

因此,设计方案具有名称、版本、所属岗位等属性;设计方案数据集是任务数字化多层模型的子集,具有数据名称、数据值、数据版本等属性.

通过建立空间科学任务的多层数字模型,对论证数据统一管理,解决了数据一致性差、数据变更难等问题.针对不同的空间科学任务论证任务,可以对多数字化模型进行适应性的配置修改,满足任务要求.

3.2 流程建模及与数据的映射

空间科学任务概念设计阶段的论证可划分为3个阶段:论证准备阶段、任务分析阶段和方案设计阶段.各阶段开展的具体工作见文献^[13].为解决“数据”与“流程”脱节、协同设计过程追溯等问题,对各阶段进行工作分解,确定每个阶段的所有设计活动,确定设计活动对应的岗位和数据,建立流程与数据的映射关系.

图 3为姿态岗设计流程与数据映射示意图.论证准备阶段,设计活动“明确任务需求”映射到卫星A需求数据.任务分析阶段,设计活动“姿轨控系统指标分解”映射到姿轨控系统元素,包括姿态稳定方式、姿态指向精度和姿态稳定度.方案设计阶段,姿轨控分系统方案设计包括“计算干扰力矩”“敏感器配置”“执行机构配置”“控制器配置”和“姿态指向和姿态稳定度分析”等设计活动;“计算干扰力矩”映射到卫星轨道、卫星结构等系统元素;“敏感器配置”映射到测量设备系统元素;“执行机构配置”映射到执行机构系统元素;“控制器配置”映射到控制器系统元素;“姿态指向和姿态稳定度分析”映射到姿轨控系统元素.论证流程中的设计活动可映射到多层数字化模型的每一层系统元素.

图 3 姿态岗设计流程与数据映射示意图c Fig. 3 Mapping between process and data of attitude post

图选项

采用工作流Activiti5中间件技术对任务流程建模,Activiti5使用标准的BPMN2.0(业务流程建模标注，Business Process Modeling Notation)流程定义文件来描述工作流.BPMN2.0流程定义文件包含了流程的流转序列,步骤节点以及各个节点上相关的用户、变量信息等流程元素,以图形化的方式来显示或编辑流程定义文件. 3.3 多岗位多方案的合并算法

空间科学任务论证是一个多岗位协同设计的过程,设计岗位之间必然存在方案的依赖和耦合关系;论证过程也是一个方案寻优的过程,每个岗位可能会设计多套方案,通过分析择优最终确定任务总体设计方案.

多岗位多方案依赖关系如图 4所示.图 4中岗位2有两套方案分别为B和C,其中方案B依赖了岗位1的方案A,同时方案B又被岗位3的方案D依赖;即方案A的数据是方案B的输入,方案B的数据又是方案D的输入.本文提出用方案依赖关系矩阵方法求解任务总体设计方案.

图 4 多岗位多方案依赖示意图 Fig. 4 Dependence relationship of multi-post and multi-solution

图选项

假设1 某论证任务涉及m(m≥1)个岗位,每个岗位依次有n₁,n₂,…,n_m套设计方案,设计方案编号依次为1,2,…,N.

约束1 某一岗位的某一套设计方案可依赖另一设计岗位的某一套设计方案,但仅可依赖该岗位的一套设计方案,即不能同时依赖同一岗位的多套方案.

定义1 方案依赖关系矩阵P=(p_ij)_N×N，为BOOL矩阵.其中:

通过设计方案间的耦合依赖关系,建立方案依赖关系矩阵P,求解总体设计方案关系矩阵Q,得到数据一致的总体设计方案.求解算法如下:

//追踪方案i至方案j的依赖关系

空间科学任务协同设计平台作为一个分布式平台,采用Eclipse RCP和Spring技术架构,整合了Hibernate、工作流Activiti5等中间件,提供统一门户,支持多岗位、多任务、多方案和多版本的管理能力,提供论证流程监控和数据协同交互等功能.该平台是一个通用框架,适应多任务、多专业的总体论证需求.本文以开展某项空间科学任务协同论证为例,对平台的有效性进行验证.

1) 启动任务论证.

论证开始,管理员配合项目负责人完成论证任务创建、团队创建、论证流程制定、数据部署等操作;配置完毕,启动该项任务论证工作.管理员通过统一门户登录,图形化的流程制定界面和数据映射如图 5和图 6所示.

图 5 图形化的流程制定界面 Fig. 5 Interface of graphical model of process

图选项

图 6 流程与数据映射界面 Fig. 6 Interface of process and data mapping

图选项

2) 协同设计.

各岗位设计人员依据论证流程分配的设计活动开展工作.本项目涉及科学岗(需求提出方)、任务分析岗(项目负责人)、卫星平台岗、有效载荷岗、轨道岗、姿态岗、结构岗和系统管理岗(管理员)等十余个岗位.由科学岗提出科学需求,每个设计岗位创建新方案、保存数据、提交方案;任务分析岗审核提交的设计方案,做出通过、修改或拒绝等决策.各设计岗位并行协同开展设计工作,通过协同设计区查看其他设计岗位的协同数据,如图 7所示.

图 7 协同设计工作界面 Fig. 7 Interface of collaborative design

图选项

3) 总体方案形成.

项目论证过程中,轨道岗针对科学需求提出了两套设计方案.针对这两套设计方案,数传岗、地面岗、空间环境岗针对轨道方案各提出了相应的两套设计方案.其他岗位均提交了一套方案.

任务岗根据设计方案的依赖性进行方案汇总,形成两套总体设计方案,并开展总体设计方案的评估优化,分系统设计方案评估优化与总体方案评估优化相结合,对方案进行决策,确定最终的任务总体设计方案,并自动形成论证报告.

5 结 论

1) 空间科学任务协同设计论证平台提供岗位、数据、流程的统一管理.该平台具有集成学科领域工具的开放接口,具有很好的兼容性和可扩展性.

2) 以数据为核心,支持多任务、多岗位、多方案、多种数据类型、多版本的管理;图形化的流程设计,支持流程的监控、历史的追溯;协同交互机制,提供协同数据查询、协同数据关联、数据变更提醒等功能.

3) 通过对空间科学任务论证岗位、数据、流程的统一管理,对后续形成论证的标准与规范和开展空间科学任务论证具有重要的意义.

后续应在流程建模的基础上进一步开展基于约束条件的流程规划研究;同时,应拓展数据为核心的管理模式,开展基于模型的论证平台研究.

致谢 衷心感谢中国科学院国家空间科学中心孟新、郑建华、杨震等在研究过程中给予的支持和帮助.