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毅力号成功着陆火星,MBSE功劳几分?

引言

北京时间2月19日04:55,美国“毅力号”(Perseverance)火星探测器成功着陆,即将开启它的火星之旅。作为美国火星探测计划中的一环,“毅力号”将在火星进行一系列科研活动,包括岩石采样封存、数据采集等,并为后续的火星采样返回(Mars Sample Return, MSR)做准备。“毅力号”也成为迄今为止最复杂的火星探测器。

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作为MBSE实践的先行者,NASA已经在诸多产品和项目中应用MBSE技术,此次“毅力号”探测器设计毫无疑问又是一次MBSE在火星探测任务中的成功落地。

以MSL“好奇号”探测器项目经验为基础,毅力号总结了系统工程6个方面的挑战,利用MBSE技术进行了有效应对,包含:

  • 设计文档转化为SysML模型
  • 基于模型的复杂行为分析
  • 基于模型自动生成文档,解决一致性问题
  • 评审交付物自动生成
  • 知识资产复用
  • 定制化模型信息展示
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1 毅力号系统概述

“毅力号”火星探测器是“好奇号”(Curiosity,又称Mars Science Laboratory, MSL)探测器的后续延伸计划。由于“好奇号”任务极其成功,因此“毅力号”在整体飞行系统(Flight System)的设计上很大程度上复用了MSL的设计,包含Cruise Stage、Backshell/Parachute、Descent Stage Vehicle、Heatshield,如下图所示。

此次设计最大的变更在火星车,由于需要执行的任务不同,因此火星车搭载了不同的载荷系统和样本储存系统(相比于好奇号,毅力号采集样本后会存储在火星表面供后续火星采样返回任务使用),但在飞行软件方面几乎完全复用。

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毅力号系统概览及设计复用情况

2 毅力号MBSE解决方案

2.1 设计文档转化为SysML模型

“好奇号”探测器的设计数据全部以文档形式存储,包含word、Excel或PPT等格式,且在表达方面缺乏统一标准,同一个概念可能会使用不同的“形状”表达。

“毅力号”的设计以这些文档形式的数据为基础,进行了模型化的翻译,形成了基于标准SysML语言的设计模型。以SysML设计模型为基础,继而开展了:

  1. 设计数据的正确性验证(Validation);
  2. 自动生成不同项目节点的交付物,包含web形式的报告,作为跨团队协同设计的载体;
  3. 复杂模型自动排版布局,供不同利益相关方人员查阅。
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2.2 基于模型的复杂行为分析

“毅力号”在火星上与地球通信时间每天仅5h,相对于MSL“好奇号”大为缩短,如何有效协调探测器与地面控制人员在这5h中的各种行为,分析不同行为中的角色,分析不同活动之间的信息交互、关键决策点等,是一项复杂的任务。

之前MSL项目通过PPT形式承载此类设计数据,但当分析的行为变得复杂后,PPT无法有效表达详细活动分析。为解决这一问题,“毅力号”设计过程中采用标准BPMN语言对这一活动进行了描述,实现了对复杂活动的设计分析和完整表达。

通过模型对探测器运行过程中的行为进行完整分析,也使得设计团队对设计的完整性有了更大的信心。

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2.3 基于模型自动生成文档,解决一致性问题

对于复杂系统设计,不同设计团队/领域之间的设计信息往往会出现不一致的现象,原因在于基于文档的设计方式无法实现不同文档中数据的一致性检查。

“毅力号”探测器设计中采用模型集成的方式进行一致性检查,并基于集成模型生成不同领域需要的文档、报告,确保不同文档之间数据一致性。

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2.4 评审交付物自动生成

对于项目的关键审批节点,传统设计方式下,设计人员必须停止设计工作,专心准备审批节点所必须的各类审批材料,包括各类word文档、PPT报告材料等,这类工作通常会拖后项目节点,但又是必须执行的活动,因为这些材料是最重要的项目交付物之一。

为有效解决这一问题,“毅力号”使用基于模型的设计方法,尽可能多的从模型中自动生成项目交付所需的文档,节省项目评审所需的准备时间。(但并非所有的交付物全部自动生成)

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2.5 知识资产复用

MSL“好奇号”发射完成后,大多数的设计团队成员离开投入到了其他项目中,这就导致了“好奇号”的设计信息没有人能够进行交接,所有的设计数据全部存储在前期项目的个人电脑上,这些设计信息很难进行有效复用。“毅力号”设计团队不得不花费几个月的时间理解MSL项目遗留下来的设计文档。

为避免类似的问题重复发生,Mars 2020“毅力号”在设计之初便选择了基于模型的设计方式,设计文档基于模型自动生成。

模型化的设计方式带来另外一个优势是可以对设计模型的完整性进行校核,通过模型检查规则的定制,可以实时监控模型中存在的设计问题,以及这些问题的解决情况,从而确保在设计结束时所有问题都能够得到有效解决。

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2.6 定制化模型信息展示

对设计信息进行选择性展示是设计交流过程中的必要环节,而当模型复杂度到一定程度后,SysML设计工具本身提供的排版功能就难以满足一些信息过滤和个性化展示需求了。

“毅力号”项目基于完整的SysML模型,借助第三方工具提供的数据过滤和自动排版功能完成了这一工作。

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3 小结

MBSE在“毅力号”探测器项目的成功实践是对该技术的一次有力背书,同时也意味着MBSE在NASA后续火星探测项目中更大范围的推广和应用。

值得注意的是,纵览整个“毅力号”探测器项目中的MBSE应用点,其实本身并没有特别多让人“眼前一亮”或“晦涩高深”的地方,但脚踏实地的技术落地带来的价值却是实实在在的。

MBSE说到底是个工程实践的事情,以当前我国航空、航天、汽车、核电等领域的MBSE技术投入和推广力度,只要踏实落地,相信过不了多久就能看到可喜的成果。

本文来源:数字化从业笔记,作者:邹文彬。

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