張 帥林星翰

(1.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京100094；2.北京醫(yī)學(xué)院附屬中學(xué),北京100191)

1 引言

基于模型定義(Model-Based Definition,MBD)的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)廣泛應(yīng)用于我國(guó)空間站結(jié)構(gòu)的研制中,基于傳統(tǒng)二維圖紙的研制模式正在向基于三維數(shù)字化模型的研制模式轉(zhuǎn)變[1-2]。傳統(tǒng)的研制管理模式已無(wú)法勝任諸如空間站這種研制周期緊張、協(xié)作范圍廣、結(jié)構(gòu)難度大的超大型復(fù)雜航天器工程任務(wù)的進(jìn)度需求。因此,開展空間站結(jié)構(gòu)數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)中的計(jì)劃管理研究具有重要意義。

我國(guó)空間站結(jié)構(gòu)研制首次采用全數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)的模式,國(guó)內(nèi)衛(wèi)星的數(shù)字化協(xié)同已深入應(yīng)用[3],但并未提及如何進(jìn)行計(jì)劃管控。載人航天器的數(shù)字化協(xié)同僅有局部案例的嘗試經(jīng)驗(yàn)[4],對(duì)結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)管理并未深入探討。這些研究對(duì)于解決我國(guó)空間站結(jié)構(gòu)數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)中的計(jì)劃管理具有一定的借鑒意義。而對(duì)于國(guó)外數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)的計(jì)劃管理經(jīng)驗(yàn),特別是針對(duì)諸如空間站的復(fù)雜載人航天器,尚未見到公開發(fā)表的文獻(xiàn)。

傳統(tǒng)的航天器結(jié)構(gòu)研制計(jì)劃管理模式是基于二維圖紙和文檔的管理[5-6],當(dāng)前我國(guó)空間站的數(shù)字化協(xié)同研制進(jìn)程中主要存在3個(gè)方面的不足：①傳統(tǒng)對(duì)二維圖紙和文檔的計(jì)劃管理方式,難以及時(shí)把握模型設(shè)計(jì)的中間設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)和上下游間設(shè)計(jì)狀態(tài)變化、更改與落實(shí),往往由于設(shè)計(jì)輸入的更改造成計(jì)劃延誤的情況；②傳統(tǒng)的二維結(jié)構(gòu)研制計(jì)劃評(píng)估機(jī)制難以準(zhǔn)確地估算各模型設(shè)計(jì)工作量,使得項(xiàng)目初期制定的研制計(jì)劃與實(shí)際執(zhí)行偏差較大；③傳統(tǒng)的調(diào)度集同協(xié)調(diào)會(huì)的方式雖能解決主要問題,但人力物力投入高,且信息傳遞和轉(zhuǎn)化效率低。

本文針對(duì)上述問題,基于對(duì)空間站數(shù)字化結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)特點(diǎn)的分析,提出一種適用于三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)、技術(shù)流程逐層解耦的管理方法,建立一套基于模糊統(tǒng)計(jì)和平衡線調(diào)度原理的三維模型投產(chǎn)計(jì)劃評(píng)估機(jī)制,并優(yōu)化溝通管理模式,從而高效完成空間站結(jié)構(gòu)三維協(xié)同設(shè)計(jì)任務(wù)。

2 空間站數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

空間站三維協(xié)同設(shè)計(jì)采用的是自頂而下的方式進(jìn)行,結(jié)構(gòu)模型架構(gòu)采用4層模型架構(gòu),即構(gòu)型層、艙段層、表達(dá)層和設(shè)計(jì)層?？傮w模型也采用類似的4層模型體系,各層級(jí)與結(jié)構(gòu)模型一一對(duì)應(yīng)。某艙體的三維設(shè)計(jì)模型架構(gòu)層次及信息交互過程如圖1所示,圖中的箭頭表示三維協(xié)同各模型層級(jí)的信息交互過程。

圖1 三維協(xié)同設(shè)計(jì)模型架構(gòu)層次及信息交互Fig.1 Model architecture and information interaction based on 3D collaborative design

結(jié)構(gòu)通過引入總體構(gòu)型層的已發(fā)布的幾何信息形成構(gòu)型層模型,然后根據(jù)構(gòu)型層信息和總體艙段層的大開口信息在艙段層開展結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì),確定主結(jié)構(gòu)參數(shù)、次結(jié)構(gòu)形式及其結(jié)構(gòu)參數(shù)。表達(dá)層是結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)的核心層,根據(jù)結(jié)構(gòu)艙段層發(fā)布的幾何信息和總體布局層發(fā)布的幾何信息在該層開展詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。第4層設(shè)計(jì)層模型則是表達(dá)各零部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)信息及下發(fā)到生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)信息,是面向制造的模型。

各層級(jí)間交互的信息主要分為總體對(duì)結(jié)構(gòu)的輸入信息、結(jié)構(gòu)對(duì)總體的輸出信息和結(jié)構(gòu)內(nèi)部的接口信息,以及面向生產(chǎn)的制造信息?？梢钥闯?空間站數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是自頂向下的設(shè)計(jì)過程,各層級(jí)間模型架構(gòu)清晰,協(xié)同設(shè)計(jì)過程的核心是各層級(jí)間的信息交互。因此,如何有效控制設(shè)計(jì)雙方信息交互效率和正確性是確保高效完成數(shù)字協(xié)同任務(wù)的關(guān)鍵所在。

3 基于技術(shù)流程逐層解耦的管理方法

傳統(tǒng)的文檔式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都是總體輸入到位后,才展開航天器整器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及力學(xué)分析,總體可能根據(jù)結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)結(jié)果會(huì)更改輸入。當(dāng)出現(xiàn)這種迭代設(shè)計(jì)時(shí),設(shè)計(jì)過程需重新開始,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師根據(jù)更改后的輸入再進(jìn)行新一輪詳細(xì)設(shè)計(jì)。當(dāng)設(shè)計(jì)得到確認(rèn)后,再集中將圖紙下發(fā)到生產(chǎn)廠家開始投產(chǎn),如圖2所示。

在上述過程中,信息接收和轉(zhuǎn)化效率低,局部更改周期冗長(zhǎng),與縮短研制周期的航天發(fā)展趨勢(shì)不相適應(yīng)。為有效提高研制效率、縮短設(shè)計(jì)周期,計(jì)劃管控首先從設(shè)計(jì)流程入手,將結(jié)構(gòu)與總裝之間的迭代設(shè)計(jì)過程劃分為4個(gè)階段,并對(duì)每個(gè)階段的設(shè)計(jì)變量進(jìn)行固化和控制,特別是在劃分艙段層和表達(dá)層內(nèi)容時(shí),將信息分層次解耦。以三維模型作為信息載體,確保各階段間不發(fā)生耦合,使各部組件、零部件相互間解耦,從而實(shí)現(xiàn)串行向并行研制的轉(zhuǎn)變。這樣就可以確保設(shè)計(jì)迭代只發(fā)生在表達(dá)層,設(shè)計(jì)師僅針對(duì)需更改的局部零件重新進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。當(dāng)設(shè)計(jì)得到確認(rèn)后,將設(shè)計(jì)層模型下發(fā)到生產(chǎn)廠家進(jìn)行投產(chǎn)。這種優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)三維協(xié)同設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖2 傳統(tǒng)的航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程Fig.2 Traditionalspacecraftstructuraldesign process

圖3 優(yōu)化后的航天器結(jié)構(gòu)三維協(xié)同設(shè)計(jì)流程Fig.3 Optimized spacecraft structural design process based on 3D collaborative design

由圖3可見,當(dāng)設(shè)計(jì)層的單個(gè)零部件(如結(jié)構(gòu)框、壁板、艙內(nèi)儀器板和梁系等)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)生變化時(shí),僅需在表達(dá)層調(diào)整輸入和局部更改設(shè)計(jì),不會(huì)影響到艙段層模型的整體接口狀態(tài)。各零部件的設(shè)計(jì)在時(shí)空上是彼此獨(dú)立的。這樣,只要某個(gè)零部件狀態(tài)確定,就可以安排設(shè)計(jì)投產(chǎn),從而實(shí)現(xiàn)零部件的動(dòng)態(tài)并行設(shè)計(jì)。因此,通過對(duì)技術(shù)流程的逐層解耦,局部的更改不會(huì)影響其它結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和投產(chǎn),提升了研制效率。

4 三維模型投產(chǎn)計(jì)劃評(píng)估模型

當(dāng)進(jìn)入表達(dá)層開始結(jié)構(gòu)模型的詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí),需要建立1套有效的計(jì)劃評(píng)估機(jī)制,能夠準(zhǔn)確估算各模型設(shè)計(jì)的工作量,能夠準(zhǔn)確和高效地銜接設(shè)計(jì)部門與生產(chǎn)廠家的計(jì)劃,這對(duì)空間站這樣的大型復(fù)雜載人航天器結(jié)構(gòu)研制顯得尤為重要。

在三維協(xié)同設(shè)計(jì)初期,根據(jù)模型復(fù)雜程度和設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn),依據(jù)模糊統(tǒng)計(jì)原理[7-8]對(duì)各類結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)工作量的實(shí)際取樣,得到不同結(jié)構(gòu)類型模型的設(shè)計(jì)工作完成時(shí)間及難度系數(shù),如表1所示。表中D0表示基準(zhǔn)模型的難度因子,α0為基準(zhǔn)模型設(shè)計(jì)的典型工作量。

表1 不同結(jié)構(gòu)類型模型的設(shè)計(jì)工作完成時(shí)間及難度系數(shù)Table 1 Production cycles and difficulty coefficients for model design with different structure types

取儀器板(結(jié)構(gòu)板)完成時(shí)間作為計(jì)劃評(píng)估的基準(zhǔn)模型,設(shè)D0=1,對(duì)應(yīng)的α0=5,其它結(jié)構(gòu)類型模型根據(jù)工作量評(píng)估的大小,分別量化得到不同的難度系數(shù)。

在制定結(jié)構(gòu)投產(chǎn)計(jì)劃時(shí),由于各零部件的技術(shù)狀態(tài)已經(jīng)確定,可將每個(gè)結(jié)構(gòu)模型的詳細(xì)設(shè)計(jì)的管理過程近似為重復(fù)性的模塊化管理。假設(shè)某個(gè)模型的計(jì)劃完成時(shí)間為G,則依據(jù)平衡線調(diào)度原理得到不同模型的計(jì)劃評(píng)估模型[9-12]為式(1)。

式中,D為難度因子,表示不同模型的難度系數(shù)。β為設(shè)計(jì)過程本身消耗的時(shí)間(β≥0,一般取0.5的倍數(shù)),與設(shè)計(jì)工具、初始建模、基線控制、協(xié)同迭代等因素相關(guān),對(duì)于成熟的模型設(shè)計(jì),該部分時(shí)間可忽略不計(jì)。

根據(jù)工程項(xiàng)目的學(xué)習(xí)效應(yīng)[13-14]對(duì)進(jìn)度的影響,認(rèn)為某個(gè)零部件的更改設(shè)計(jì)由于個(gè)人設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的增加和設(shè)計(jì)工具的改進(jìn),該模型設(shè)計(jì)所需要的時(shí)間會(huì)隨著設(shè)計(jì)次數(shù)的增加而逐步減少。因此,對(duì)于更改模型或相似度很高的模型,其評(píng)估模型可近似變形為式(2)。

其中,A為模型累計(jì)設(shè)計(jì)次數(shù),n為學(xué)習(xí)系數(shù)(n≤0)。 當(dāng)A=1,n=0時(shí),G1=G,表示該模型首次設(shè)計(jì)所需要的典型設(shè)計(jì)工作完成時(shí)間。當(dāng)學(xué)習(xí)效應(yīng)一定時(shí),同一模型更改次數(shù)越多,模型設(shè)計(jì)所需要的時(shí)間越短。

當(dāng)空間站下達(dá)結(jié)構(gòu)投產(chǎn)任務(wù)時(shí),首先由圖3的表達(dá)層分析識(shí)別出投產(chǎn)結(jié)構(gòu)的種類(如結(jié)構(gòu)框、壁板、艙內(nèi)儀器板、艙內(nèi)梁系等),從表1中根據(jù)各模型的復(fù)雜程度確定不同結(jié)構(gòu)的難度因子D的系數(shù),然后將式(1)帶入式(2)中,由式(2)得到不同類型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作完成時(shí)間,再根據(jù)不同投產(chǎn)結(jié)構(gòu)的數(shù)量,求和得到投產(chǎn)任務(wù)的總工作量。最后,根據(jù)當(dāng)前型號(hào)任務(wù)需求的緊迫性和計(jì)劃節(jié)點(diǎn),動(dòng)態(tài)均衡地調(diào)配設(shè)計(jì)人員投入,制定出有效準(zhǔn)確的投產(chǎn)計(jì)劃。當(dāng)計(jì)劃出現(xiàn)較大偏差時(shí),根據(jù)剩余工作量可以短時(shí)間內(nèi)加大設(shè)計(jì)人員投入,確保按期完成任務(wù)。

5 基于模型層次化的信息溝通模式

為合理調(diào)配資源,確保研制進(jìn)度的有效實(shí)施,在三維協(xié)同初期就開始調(diào)整信息交互雙方的溝通模式。根據(jù)空間站三維協(xié)同設(shè)計(jì)的特點(diǎn),將結(jié)構(gòu)與總體之間的三維協(xié)同按照構(gòu)型層、艙段層、表達(dá)層和設(shè)計(jì)層4個(gè)層次逐層展開。首先,從頂層接口協(xié)同開始就約定以模型控制文件的形式明確和規(guī)范各層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輸入信息的表達(dá)方式、參數(shù)類型和變化范圍等。其次,設(shè)計(jì)輸入信息以層次化的形式從4個(gè)階段逐層分解協(xié)同,從系統(tǒng)、分系統(tǒng)、部組件、零部件自頂向下的逐級(jí)傳遞。最后,在表達(dá)層,針對(duì)不能短期落實(shí)設(shè)計(jì)輸入的局部結(jié)構(gòu),逐層解耦后納入專項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)管理,待輸入明確及時(shí)落實(shí)設(shè)計(jì)任務(wù)。

這種基于模型層次化的溝通模式具有目標(biāo)明確、層次清晰和迭代可控的特點(diǎn)。這種溝通模式一方面使原有形式自由、無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)同方式轉(zhuǎn)變成分層次的、可量化的、精細(xì)化的信息傳遞協(xié)同方式,減少了調(diào)度會(huì)式協(xié)同,從而降低了人力、物力的過多投入,使有限資源更多地投入到設(shè)計(jì)重點(diǎn)、難點(diǎn)中去；另一方面避免了在設(shè)計(jì)輸入條件反復(fù)更改以及輸入不及時(shí)、不能一次到位帶來的設(shè)計(jì)被動(dòng),而是形成主動(dòng)控制,及時(shí)調(diào)整輸入變化而帶來的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變化和風(fēng)險(xiǎn),提高了整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的信息轉(zhuǎn)化效率。

6 應(yīng)用案例

與載人飛船和天宮一號(hào)相比,空間站結(jié)構(gòu)研制周期相對(duì)縮短了30%以上,對(duì)型號(hào)研制進(jìn)度起到重大促進(jìn)作用。載人飛船和天宮一號(hào)結(jié)構(gòu)均采用傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)研制模式,其研制周期為8個(gè)月,而空間站結(jié)構(gòu)的研制工作量約為載人飛船和天宮一號(hào)的3倍?？臻g站的天和一號(hào)、問天和夢(mèng)天3個(gè)航天器的結(jié)構(gòu)研制分別歷時(shí)1年零6個(gè)月、1年零2個(gè)月和1年零4個(gè)月,采用上述空間站結(jié)構(gòu)數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)中的計(jì)劃管理方式,大大短于研制周期的預(yù)期。載人飛船和天宮一號(hào)結(jié)構(gòu)研制持續(xù)投入設(shè)計(jì)人員15人,而空間站天和一號(hào)結(jié)構(gòu)研制動(dòng)態(tài)調(diào)配設(shè)計(jì)人員11人,人員減少4人；問天和夢(mèng)天結(jié)構(gòu)三維協(xié)同設(shè)計(jì)借鑒天和一號(hào)的研制經(jīng)驗(yàn),不斷優(yōu)化和提升協(xié)同效率,分別動(dòng)態(tài)投入7.5人就完成了全研制任務(wù),其人力資源較天和一號(hào)又釋放了近1/3。

7 結(jié)論

1)所提出和實(shí)施的基于技術(shù)流程逐層解耦的管理方法,可全面掌握結(jié)構(gòu)各零部件的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)過程,實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)研制的全過程管理,有效地控制和縮短設(shè)計(jì)周期。

2)建立的三維模型投產(chǎn)計(jì)劃評(píng)估機(jī)制,在面向生產(chǎn)模型下發(fā)到生產(chǎn)廠家任務(wù)分解時(shí),根據(jù)計(jì)劃評(píng)估方法得到不同類型結(jié)構(gòu)的投產(chǎn)周期,合理調(diào)配人力資源投入,使得項(xiàng)目初期制定的研制計(jì)劃與實(shí)際執(zhí)行高度匹配。

3)優(yōu)化的溝通管理模式,從頂層接口協(xié)同開始分層次規(guī)范和約束設(shè)計(jì)輸入,主動(dòng)識(shí)別輸入變化而帶來的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變化和風(fēng)險(xiǎn),及時(shí)解決了因輸入條件反復(fù)和更改帶來的設(shè)計(jì)變化。

4)所提出的結(jié)構(gòu)數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)的計(jì)劃管理方法已在空間站的結(jié)構(gòu)研制中得到全面驗(yàn)證和實(shí)踐?？臻g站結(jié)構(gòu)與我國(guó)載人飛船和天宮一號(hào)相比,其研制周期相對(duì)縮短了30%左右,人力資源釋放了近1/3,對(duì)復(fù)雜航天器結(jié)構(gòu)數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)管理提供了良好的借鑒。