基于知识的航天运载器协同设计方法研究

/中国运载火箭技术研究院研究发展中心

航天运载器的研制是一项极其复杂的系统工程，涉及结构、气动、动力、电磁、仿真等若干子系统，每个子系统分属于不同的研究机构，而每个研究机构又依托于多个协助单位的支撑。如此浩大的全国性工程，需要开展大规模的跨地域、跨部门协作。航天运载器总体设计就是根据总体要求和各项技术发展现状，对运载器及其各系统进行综合、协调、研究和设计的过程，经过多次迭代而得到综合性能最佳的总体方案。

随着型号任务的增加，传统的设计平台已不能满足现有的设计要求，需要结合航天运载器的研制流程和知识管理平台，开发可支撑预先研究、总体设计、生产制造等具体应用的工程系统。同时，建设以型号研讨厅、任务、流程、指标管理为代表的交流环境，通过技术人员的碰撞与交锋促进思想的创新，推进知识管理与业务流程的融合，支撑新一代航天运载器的创新设计和总体设计。

一、需求分析

为实现航天运载器的总体协同快速设计和优化，此系统需满足以下4项主要功能要求。

一是基于知识的任务管理。在任务管理过程中，可以通过知识资源复用技术，依据设计业务流程将知识库中相似任务，流程及相关知识资源推送到任务流程各节点中。

二是多源知识获取技术。多源工程知识可以分为文档、文本类、模型类、经验类及工具类等，针对多源工程知识的分布与组成特征，采用不同的知识获取方式，并将知识资源封装成为统一的知识模型存储到知识库中。

三是基于知识的设计过程管理。主要通过知识发现、知识组织、知识萃取及知识模型库构建等相关技术实现设计过程知识的沉淀。同时，也可以管理设计循环迭代过程中生成的设计/仿真数据和资源；促进设计理念、知识、规范的积累、继承、复用和驱动，并借助知识模型存储到相应的知识库中（包括知识库、元知识库、模型库及流程库等）。

四是基于设计活动的知识关联技术。在设计过程中，借助知识推送技术将知识库相关知识资源推送至设计人员的工作环境中，并可对设计过程的进展情况进行监控。

二、系统设计

面向航天产品设计过程，以系统工程和知识工程方法论为基础，构建协同设计系统框架，实现基于知识的协同设计。以协同设计为核心，以知识管理为驱动，建设现代化、智能化、一体化的航天产品设计体系和能力，满足航天产品全生命周期协同化、精细化、知识化管理的需求，显著提升航天产品设计能力。

1.总体架构

基于知识的航天运载器总体协同设计平台架构由应用层、功能层、支撑层和数据层组成，如图1所示。

应用层面向使用系统的各类用户，包括任务规划人员、协同设计过程监控人员、总体部门人员、知识管理人员、平台维护与管理人员等。用户通过统一设计门户进入系统，根据各自从事的项目和技术角色权限使用设计平台的各功能系统，开展相关工作。

功能层是系统的核心，通过项目管理、指标体系、知识管理（包括知识社区）及集成模块等为应用层的不同设计人员提供相关功能支撑。

支撑层是整个系统的基础，包括大数据处理本体技术，数据挖掘技术，流程引擎，数据管理、人员角色管理、全生命周期管理及扩展接口管理等功能。

数据层是系统的资源池，为各类用户提供协同设计过程中需要的知识、数据和文件，包括模型、规则库、知识库、元知识库、专家库、流程库及本体库等。

2.技术架构

技术架构是功能架构的技术实现方式。本系统将基于大数据技术、知识推送及本体技术实现基于知识的协同设计系统。技术架构主要通过知识发现（知识萃取）、知识管理（知识存储）及知识服务（知识推送）等技术路线实现知识产生、知识组织、知识利用的迭代过程，其系统技术架构如图2所示。

图1 系统总体架构

知识发现。在型号研讨厅，通过开展“知识白板”形式时刻记录讨论过程中的想法、意见及解决办法，实现讨论过程的隐性知识挖掘。在任务、需求、指标及流程管理过程中，通过开展产品需求和指标分析过程，将整个过程使用支撑资源、约束资源进行存储。通过知识萃取技术将知识资源进行梳理，实现隐性知识显性化。

知识管理。为了实现多源工程知识的统一交互、存储，便于后续基于知识的协同设计平台对知识库的应用实现，需要建立应用于多源工程知识获取的统一知识模型UKM，即是对知识资源、知识来源、业务流程、上传者及环境等知识元数据按一定的逻辑规则统一组织而成的模型，它可以实现基于知识资源、知识来源、业务流程及人员角色等元素的视图自由转换。UKM保证了模型类、文档及文本类、经验类以及工具类知识资源的统一描述，同时确保了不同类型知识资源拥有对应的视图。

知识服务。在任务需求管理与指标分解阶段，通过知识挖掘与推送技术，在需求指标管理、映射、追溯等过程中，根据项目名称、型号内容、需求指标及其内容，从知识库中推送需求指标相关标准、方法，帮助用户完成需求管理与指标分解。

3.关键技术

图2 系统技术架构

一是基于设计过程的知识库建设方法。航天运载器研制过程涉及大量的知识协同、共享和创新，而知识散落在设计过程的各个节点，具有不同的类别和格式。笔者将基于设计全流程，研究异构知识的获取方法；基于统一的知识组织体系模型，从复用的角度整合企业分散的知识资源，通过合理组织和封装形成逻辑上统一的、结构化的知识库，使知识达到有序、可控、可利用状态。

针对概念论证、需求分析、总体方案设计、多专业协同设计及试验验证等设计全流程，实现流程类、模型类、工具类、数据类及文档类等知识的提炼与固化，如图3所示。

对于流程类知识，通过记录、分析及比较不同的业务活动信息，提炼出不同产品、不同专业及不同阶段可分别借鉴的通用化的业务活动流程；对于模型类知识，通过分析不同组件的设计参数及展示外形，提炼形成典型产品组件库；对于工具类知识，在分析用户行为基础上，按产品、阶段、专业提炼出典型软件工具、标准规范及操作规程；对于数据类知识，获取不同数据的类别、作用及关联关系；对于文档类知识，分别从研究论文、发明专利、经验禁忌及最佳实践等维度建设不同的知识模版，实现项目成果的积淀。

二是基于设计活动的知识关联技术。航天运载器协同设计过程中包含多系统、多专业、多学科，通过多轮次反复迭代论证实现总体方案设计与优化。对于运载器总体设计这类复杂系统工程，会涉及大量知识。因此，在协同设计过程中，分析设计知识与设计活动的特点和工作情景，借助知识推送技术将知识库中的知识资源推送到设计环境中。通过在已建立的设计知识与航天器协同设计活动之间进行关联，采用特征索引匹配进行设计知识与设计过程的动态关联，以支撑航天器协同设计活动，为航天器协同设计活动的知识导航奠定基础。

三是基于设计结果的知识量化技术。面向航天运载器设计结果，开展关键知识资源识别、萃取及表达方法研究，依托所开展项目梳理关键知识资源，形成较为清晰、完善的知识展示原型系统的构建思路，并梳理形成通用的关键知识萃取及表达方法。以梳理出的知识为评估对象，开展知识资源评价方法研究，综合考虑知识自身因素、知识被应用因素、知识创造的贡献因素等，构建知识资源量化评价模型，包括指标体系组成及指标权重设置。在此基础上，进一步研究知识资源价值评估模型，包括模型要素、评估组织及具体评估方法，促进高价值知识资源的量化评价及固化、共享、复用。

笔者从航天系统工程和知识工程角度，分析对航天运载器协同设计过程的知识支持。通过需求分析提出了基于知识的航天运载器协同设计系统总体架构，描述了系统实现的技术架构及关键技术。后续，根据业务发展需求还将进一步完善系统的相关功能，为新一代航天运载器协同设计提供更好的平台。▲

图3 知识库构建流程