装备数字化标准体系规划与实践
致力于数字孪生体技术的研究与发展
通过解决方案和工程化应用造福人类
来源：新工业网
作者：吕恒星 韩喜等
以 2015年美国国防部提出的“数字工程战略”为标志，复杂装备正式从信息化时代跨越到数字化时代。随着时代发展及战场环境变化，原本基于文档的装备研发生产模式（Document-based Systems Engineering，DBSE）存在设计语言差异大、异构模型难集成、接口定义难统一、知识成果难复用、设计状态难追溯等一系列技术管理痛点问题，严重制约了装备研制生产效率，已不在满足实际业务需要，研发模式亟待变革。基于模型的系统工程（Model-based Systems Engineering）是一种“模型驱动”为核心的系统工程方法。由模型替代技术文件成为研发活动的管控对象和协同载体，能够快速响应需求变更，通过各类模型间信息的继承、关联、传递实现复杂系统研制全生命周期的设计、制造、试验、验证、维修保障等研发过程的无缝衔接和活动的高效协同，以模型为纽带进行资源和知识的共享和重用，以数字样机为载体替代实物样机进行试验验证，缩短系统工程中的试验验证周期和成本。
MBSE 模式下复杂装备数字化转型强调使用模型来执行系统工程活动，能很好解决设计更改、专业协同、知识集成等问题，因而引领了未来装备研发的时代潮流。全面推进基于模型的研制生产数字化转型，模型是基础与核心，根据研究领域的不同可以将模型分为逻辑模型及专业模型。逻辑模型用来描述组成系统的元素间以及系统与环境间关系的描述，如产品分解结构（PBS）、内部接口、活动图等。专业模型用来从不同领域对具体存在物及其行为进行描述，如结构设计领域的三维模型、Simulink 模型、力学分析的有限元模型等。当前国内航天领域针对模型的设计管理等方面还缺乏相关标准规范，各工业部门结合自身业务场景参照国外 Harmony、OOSEM、State Analysis Method、Vitech Method、MagicGrid 等建模方法开展相关工程实践，缺乏成体系的数字化标准规范，由此产生了各单位建模粒度不统一、模型管理不受控、模型协同难开展、模型成果难复用等一系列问题，严重影响了复杂装备数字化转型效果，因此构建一套行之有效成体系的装备数字化标准体系显得十分重要。
本文以传统装备制造企业数字化转型为背景，在充分识别已有标准的可延续性基础条件下，结合业务需求和先进经验，统筹规划了 MBSE 研发模式下覆盖装备设计研发、生产制造、试验、交付、保障、管理等全寿期活动的数字化研发标准建设体系，并结合企业实际业务需求对数字化标准成果进行应用，通过理论指导实践推动数字化标准快速落地。
1 装备数字化标准体系整体框架
开展基于模型的复杂装备数字化标准体系研究，通过理论攻关，指导实践应用，形成顶层要求，全面推动创新型装备数字化研发模式落地。数字化标准整体架构如图 1 所示。
复杂装备数字化标准体系包含 7 类，各类标准内涵如下：
数字化顶层通用技术标准：结合各型装备实际数字化业务场景用以规范工作目标、工作项目和工作要求的相关指导性文件；
数字化设计标准：用以指导需求模型/ 数字样机 1.0 构建、数字化协同设计等活动的相关文件；
数字化制造标准：用以指导数字样机2.0 构建、工艺 / 生产 / 制造管理流程等活动的相关文件；
数字化试验标准：用以指导数字化试验设计分析、流程管理等活动的相关文件；
数字化交付标准：用以指导数字样机3.0 构建、数字化交付流程管理等活动的相关文件；
数字化保障标准：用以指导数字装备构建，数字化保障管理等活动的相关文件；
数字化管理标准：用以指导全寿期数据 / 模型技术状态管理活动的相关文件。
2 典型装备数字化标准研究与制定
2.1 复杂装备数字化顶层通用技术标准
以典型装备研制阶段数字化业务需求为牵引，对装备数字化相关工作进行顶层策划，制定《XX 装备数字化大纲》《XX装备 MBSE 总要求》，在装备顶层通用技术标准中提出了基于模型的系统工程相关术语定义、岗位要求，面向装备设计、工艺、生产等阶段，明确了系统、分系统、单机等多级模型的设计要求、实施步骤、工作方法、交付物，为实施基于模型的系统工程模式提供顶层指导。
2.2 数字化设计标准
数字化设计标准主要用以指导需求模型 / 数字样机 1.0（面向装备论证设计过程，构建的反映装备组成构造、功能原理、性能特性的一类模型）构建、数字化协同设计等相关活动。数字化设计标准在沿用已有的《Q/QJB239 结构虚拟样机通用要求》《QJ20349 多学科虚拟样机协同建模要求》基础上，结合典型复杂装备 MBSE工程实践，目前已形成了《导弹武器系统需求结构化定义及管理规范》《导弹武器系统架构模型建模要求》《基于统一语言的系统多领域建模技术要求》《虚拟样机评审与验收工作要求》等相关标准，此外，国军标、航天行业标、科工集团企业标等数字化设计标准已在同步规划过程中，待上级标准正式发布后将进行同步修改完善，与其内容保持协调一致。
2.3 数字化制造标准
数字化制造标准用以指导数字样机2.0（面向装备研发生产制造过程，构建的反映装备产品组成、电气连接关系、软件功能的一类模型）构建、工艺 / 生产 /制造管理流程等活动，基于 MBD 的数字化生产制造已在复杂装备领域推广多年，并积累了一系列相关标准，因此该领域将沿用已有的《Q/QJB 240 基于 MBD 的工艺设计规范》《QJ 20835 航天产品数字化设计与制造 PBOM 通用要求》《QJ 20836 航天产品数字化设计与制造 MBOM 通用要求》等相关系列标准。
2.4 数字化试验标准
数字化试验标准用以指导数字化试验设计分析、试验流程管理等活动，相关标准在沿用已有的《GJB6091 弹道导弹导引雷达抗干扰内场仿真试验方法》《QJ2046 战术导弹虚拟装配通用要求》等专业仿真试验标准基础上，针对新型复杂装备数字化试验实际需要，规划了《虚拟风洞验证规范》《武器系统总体性能仿真验证规范》等相关标准，并同步修正现有试验办法，将数字化试验纳入装备研发管理流程。
2.5 数字化交付标准
数字化交付用以指导数字样机 3.0（面向装备定型交付阶段试验鉴定过程，构建的能反映装备交付状态、保障要求、运用方式、操作流程、维修特性的一类模型）构建、数字化交付流程管理等活动，针对数字化交付，规划了《复杂装备产品数字履历规范》相关标准，打通总体单位 - 总装厂 - 单机厂商履历数据通路，推动“一物一码，一套数据”新型数字化交付模式转变。
2.6 数字化保障标准
数字化保障标准用以指导数字装备（在数字样机 3.0 基础上，添加数字履历要素，采集实时状态信息，形成数字装备）构建，数字化保障管理等活动，目前行业内已积累了相关标准规范，如《GJB 9223训练模拟系统通用要求》《GJB 8069 武器装备仿真训练软件通用要求》等。后续主要面向装备作战运用、服务保障各环节，在沿用已有标准的基础上规划制定面向使用培训、健康管理、作战使用等不同场景的数字模型建模标准。
2.7 数字化管理标准
数字化管理标准用以指导全寿期数据/ 模型技术状态管理活动，目前行业内已经积累了相关数字化标准，如《Q/QJB203 基于 PLM 系统的企业间型号全生命周期数据管理》《Q/QJB200 试验数据管理规范》等，后续将结合试点型号的业务需求，在沿用已有标准的基础上规划制定《型号全级次 BOM 技术状态信息管理要求》，对装备全级次 BOM 构建、信息管理、归集交付、技术状态基线管理等具体要求进行了规范性说明。
3 基于典型装备的数字化标准成果实践
为积极落实数字化建设要求，保障数字化转型实施效果，以典型装备研制任务为背景配套制定了一系列相关技术要求和规范，形成如下建设成果。
3.1.1 基于模型的需求分解与闭环管理
发布了《导弹武器系统需求结构化定义及管理规范》，通过增加合适的需求属性项来丰富每一条需求条目的表达内容，形成标准的需求属性模板。需求条目按照一定的规则进行架构组织，实现了武器系统、系统、分系统、重要单机的需求结构化构建，建立一级战标 200 余项、二级指标 5700 余项、三级指标近万项，在统一建模标准下完成了贯穿总体所、分系统所、单机所的需求规范下发与模型集成。通过战技指标的横向、纵向多维追溯，快速分析变更影响，宏观微观相结合把控技术状态。
3.1.2 基于模型的系统方案设计与验证
形成了《导弹武器系统架构模型建模要求》，在统一的建模标准下构建系统方案模型，对系统功能（设备）组成、功能原理、逻辑时序、内外部接口等进行模型化表达，形成了武器系统、系统、典型分系统等不同层级的系统架构多精度模型 100 余项，将传统的基于文档的方案描述方式，转型为基于模型的方案描述方式，结构化、标准化程度高，利于协同设计。同时开展了武器系统发射流程、装备飞行过程、关键性能参数（射程、质量、可靠性等）的仿真闭环验证，通过仿真，提前发现时序不协调、接口不匹配、功能不合理等问题，辅助方案改进。
3.1.3 复杂装备多学科耦合设计与验证
针对复杂装备飞行过程中热环境与烧蚀、烧蚀与气动、气动与控制相互耦合的问题，研究基于统一语言多领域耦合建模方法，通过气动 / 热环境 / 烧蚀 / 控制集成仿真验证，实现对复杂装备飞行过程的精细化预示，有效提高装备气动力设计、姿态预示精度，支撑了方案精细化设计与飞行性能精细化评估。
3.2.1 装备全三维设计
全面推行三维数字化设计，打造数字化装备设计模式，实现基于模型参数驱动的总体设计、结构设计、生产制造的数字化装备结构方案，最大程度发挥知识复用、数据驱动等优势，大幅提升新一代复杂装备结构的设计效率。
3.2.2 基于模型设计、工艺、生产、交付一体化
基于 EBOM 数字化模型，实现装备三维设计、工艺、生产、交付全周期一体化协同（跨专业、跨单位、跨地域）。通过装备设计、生产模式向数字化转型，提升产品质量，加快研制及生产效率，降低变更成本。
3.2.3 数字化试验
完成复杂装备虚拟模装，全数字仿真模拟装配过程，提前发现结构干涉、线缆干涉、装配可达性等问题，支撑设计优化，减少实物模装。构建全系统级电磁兼容数字化仿真系统，建立系统结构、材料、线缆、天线级颗粒度的电磁模型，开展关键分系统电磁兼容性验证，提前发现薄弱环节并采取加固措施。
3.2.4 三维下厂
实现全三维模型下厂，将装备全三维模型下发给总装厂，直接用于指导后续的工艺设计、数控加工、部装总装，确保更快速度、更低成本、更高质量交装。
3.2.5 研制数据管理
基于 PDM 构建装备系统级的产品结构树（RBOM、EBOM），实现需求、设计全过程数据的技术状态管控。构建技术状态基线管理，面向需求和转阶段等里程碑节点，提供里程碑节点的技术状态快照。实现产品履历管理，通过构建物料统一编码与交付规范，贯通了总体单位 - 总装厂 - 单机厂商履历数据通路，实现了总装厂与单机厂商产品履历数据随产品直接交付总体单位。强化数据资源建设，汇集扰动引力、垂线偏差、大气密度等全球环境数据，拟合构建数字化飞行环境。
3.3.1 数字装备交付
将装备研制过程中的军地协同模式，由传统基于文档、会议的“离线”协同模式转型升级为基于模型、数据的“在线”协同模式。通过数字装备交付，带动装备战标论证、研制、试验、生产、保障全业务环节数字化深入应用，牵引工业部门形成模型驱动的数字化研制能力转型升级。
3.3.2 变革装备作战训练和使用模式
将装备作战训练和使用模式，由传统基于“实装 + 说明文档”的静态模式变革为基于“实装 + 孪生装备 + 数据驱动”的动态模式。面向作战训练，构建更为丰富多样的训练场景，辅助作战部队更快更全面的掌握装备作战使用方法；面向演习训练，将实装使用过程中采集到的状态数据加载到孪生模型中，实现作战演习过程快速复盘，辅助后续作战策略优化；面向实战运用，可通过仿真推演，快速评估作战效能，支撑作战决策。
3.3.3 变革装备在役服务保障模式
将装备在役服务保障模式，由传统“健康信息人工分析、服务保障文档支撑”的模式转型为“健康状态孪生预测、维护维修在线支持”的模式。通过采集实物装备的各项健康状态数据，在孪生模型中实时监测装备健康态势，辅助维护维修。在此基础上，随着装备积累的实测数据大量增加，运用大数据技术，反向优化装备健康态势分析和保障策略优化算法，逐步形成自学习、自成长的智能服务能力。
4 总 结
本文结合实际装备研发工作特点，提出了一套 MBSE 研发模式下覆盖装备顶层通用技术、设计研发、生产制造、试验、交付、保障、管理等全寿期活动的数字化研发标准建设体系，并结合典型装备实际业务场景开展实践应用。通过数字化标准的相关试点与研究形成可推广可复用的知识，为数字化条件下对模型、数据等非实物设计输出的标准化管理积累经验，为后续装备标准化工作进行有益的探索。
