【深度】特种飞机任务系统协同研发能力
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今日荐文的作者为中国电子科学研究院专家刘树立，蔡爱华，陈竹梅。本篇节选自论文《特种飞机任务系统协同研发能力建设与研究》，发表于《中国电子科学研究院学报》第14卷第7期。
摘 要：任务系统是特种飞机完成作战使命与任务的关键系统，其复杂程度和系统集成度日益增加，但传统的基于文档、分立的装备研发模式越来越难以满足任务系统全寿命周期协同研发的需要。本文描述了特种飞机任务系统研制过程中面临的挑战，给出了任务系统协同研发平台的组成体系，指出了平台各组成部分的工作机制与主要建设内容。本文对任务系统协同研发能力建设的思考与研究，可为军事电子信息装备科研单位建设协同研发平台提供参考。
关键词: 任务系统；协同研发；产品数据管理；基于模型的系统工程
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论文全文摘编如下
仅供学术交流与参考
引 言
特种飞机一般指执行特殊作战任务的飞机，常见的有预警机、反潜机、侦察机、战场指挥机等，任务系统是执行预警探测、指挥控制、战场侦察、通信中继以及自卫干扰等作战任务的各种软硬件设备的集合，是特种飞机遂行作战使命的核心系统。随着军事科技的发展与进步，特种飞机任务系统向小型化、现代化、平台多样化、一体化发展与演变，而传统的基于文档、分立的装备研发模式越来越难以满足任务系统全寿命周期协同研发的需要。
为了应对这种变化，许多武器装备研制从业人员提出了一系列新的工程方法来实现大型复杂军事电子装备研制过程中的快速迭代、开发与验证，以提升装备质量，降低项目研制周期与成本。例如：
蔡爱华、范强从系统能力设计、使用环境考虑和资源综合运用三个方面,阐述了机载任务电子系统一体化设计思想，提出了一体化设计思路下，扁平化矩阵式管理是适应该设计的必由之选[1]；
汪志华研究了数字化协同设计平台和多学科仿真数据管理平台，探索了综合集成协同设计仿真的方案，为设计仿真人员学习多学科协同设计仿真提供了参考[2]；
薛威，贾超群等人应用基于模型的系统工程(MBSE)方法，通过需求分析、功能分析和设计综合依次建立了需求模型、功能模型和物理架构模型，保证了数据的可追溯性，提高了设计效率，降低了设计风险[3]。
本文在综合上述研究成果的基础上，融合体系作战、多专业协同设计、产品数据管理、项目管理等不同维度的工程解决方案，构建一个高效的协同研发平台，提高研发过程中的协作效率，逐步建立完善以数字化、网络化、智能化为特征的军工智能制造能力体系。
1 任务系统研制面临的挑战
随着战略定位、军事需求、作战环境的深刻变化，特种飞机任务系统越来越关注体系作战效能，要求从体系作战需求牵引任务系统功能设计，要求采取综合一体化、开放式架构、智能自动化、自主可控等手段，满足更小环境，更低功耗、更高能力要求。这些要求对任务系统的研制开发、生产与使用提出了严峻的挑战：
1) 随着客户作战需求的提升，系统复杂性也随之增加，系统之间的交互关系越来越复杂，依靠单个系统的研制模式已经无法满足当前需求，这就要求在产品研发过程中，必须要考虑到每个系统之间的互相耦合和兼容，最终纳入体系形成作战能力；
2) 根据作战环境的变化，客户将不断提出新的需求，任务系统研制单位需要针对需求的变化快速进行影响性（可行性、成本、周期）分析，从而快速响应客户需求；
3) 任务系统总体单位对外协单位质量及设计变更的控制程度不够，容易延期，这就要求任务系统应具备开放、协同的设计环境，所有研制单位基于单一数据源的同一平台，快速实现数据的共享协同，从而对任务系统的质量及设计变更进行有效控制。
4) 由于缺乏基于系统工程的协同设计、仿真平台，即使每个分系统能满足内部功能性能要求，但是各分系统集成协同还是会出现各种设计缺陷，而这类设计缺陷的发生往往在后期的物理试验中才能被发现，这将导致研制成本增加，研制周期延长；
5) 客户对任务系统的交付时间和成本要求越来越严格，这就要求在任务系统的研制过程中，一定要有完整的信息化管理，实现并行的协同设计和协同仿真，保证产品按预算、按时间、按质量交付。
为了解决以上问题与挑战，任务系统研制单位应首先开展支撑企业跨地域、跨专业、跨平台的协同研发能力建设，通过集成专业化设计、分析工具，重点满足任务系统研制单位在三维数字样机、复杂型号技术状态、机电软设计协同、跨部门跨地域协同研制等方面的需求，形成满足任务系统机、电、热、磁、软件数据管理、三维数模精细化管理、机电软协同设计、复杂技术状态管理、跨部门跨地域协同管理等业务需求的协同研发平台。
2 协同研发平台组成体系
任务系统协同研发平台贯穿立项论证、方案设计、工程设计、分析仿真、工艺设计、生产制造、售后保障等各个环节，协同总体、电讯、软件、结构、工艺、综保等不同专业，联合行政管理、项目经理、设计师、质量师等不同角色，一般可考虑由体系作战推演系统、需求指标管理系统、多专业协同设计与仿真系统、试验数据管理系统、生产制造系统、售后服务系统、产品数据管理系统、知识管理系统、项目管理系统、综合门户和信息化基础资源等部分组成，总体架构见图1。
图1 协同研发平台总体架构
2.1 体系作战推演系统
作战体系推演系统主要开展与敌方进行体系对抗的作战设计，通过相关对弈平台验证对抗条件下任务系统功能执行的准确度和可信度，以拥有完整作战体系的对手为假想敌，同步设计与之匹配的体系装备并生成作战能力。其组成与原理框图见图2，主要包括作战设计及场景生成系统、作战体系仿真系统、红方兵力生成管理系统、蓝方兵力生成管理系统。
图2 体系作战推演系统组成框图
作战设计及场景生成系统是用直观的方式提供给设计师和用户进行高级作战概念设计，设计师和用户可设计的对象包括特定打击链体系包含的平台、战术、作战准则、空间布阵、时序等。作战体系仿真系统建立自主可控、功能完善、技术先进的一体化计算机生成兵力仿真支撑平台，可进行多层次的平台体系设计、计算机生成兵力仿真实体/行为的规范化建模、仿真应用构建。
红方兵力生成管理系统提供红方舰船、战斗机、特种飞机等各类装备的建模与实时解算。
蓝方兵力生成管理系统提供蓝方舰船、战斗机、特种飞机等各类装备的建模与实时解算。
2.2 需求指标管理系统
需求指标管理系统主要用来帮助设计师实现全程实时、动态监控产品研发过程中的指标状态。该系统可以处理体系顶层作战概念设计平台的高级作战概念，并将其转化为体系性的需求。需求的范围包括装备的能力需求、作战需求、系统需求、技术需求、项目需求等，以及整个系统研究、设计、开发、验证、测试、作战使用过程中所涉及的各类需求。该系统应将需求从文档管理细化到条目管理，建立需求条目之间的层次关系和交联关系，建立需求与设计模型、测试案例和其它相关文档之间的跟踪链接，实现高效的需求变更管理和变更影响分析，达到需求驱动武器装备系统整个研制过程的目标。
2.3 多专业协同设计与仿真系统
特种飞机任务系统是一种融合射频、微波、高速信号检测处理、结构等多专业领域的复杂系统，在选择系统工程方法时，必须考虑该方法是否擅长支持电子系统多专业间的协同设计和集成。另外，基于模型的系统设计方式相对于基于文档的系统设计方式有明显的优势，因此，考虑从采用基于模型的系统工程方式的系统工程方法中进行选择[4]。
多专业协同设计与仿真系统采用基于模型的系统工程方法，构建基于模型的协同设计仿真平台，实现各种相关设计过程协同与真实设计数据及信息的关联、综合评估与反馈。借助该平台，任务系统研制单位将实现从基于文件到基于模型的转变，把架构作为系统工具，把作战活动映射到系统功能，驱动系统交互性的设计与测试。
多专业协同设计与仿真系统将协助任务系统实现完整的V型系统工程流程，如图3所示。系统通过项目计划、研发流程、专业流程、工作任务的有效衔接，并集成输入/输出、资源、工具、质量、知识等工作要素，驱动研发工作有序、规范、高效地开展。系统以模型树的方式全面管理型号产品研发过程中的各类协同数据（包括需求数据、设计模型数据、仿真模型数据等），并建立协同数据之间的关联关系，便于型号研制过程中的技术状态管控、追踪追溯以及影响分析。
系统将驱动不同专业的设计师，按照系统工程的方法，逐步形成并管理需求（R）、功能（F）、逻辑（L）、物理（P）各设计阶段的模型，实现从论证到研发过阶段的设计需求，并提供将体系功能根据八级产品研发体系逐级分解，并以物理部件（LRU）、功能部件（LRS）、信息部件（LRD）的设计输出向下级传递的能力。
图3 任务系统V型系统工程流程
2.4 试验数据管理系统
系统应基于成熟系统框架和应用环境开发，能帮助和支撑设计师完成地面联试、机上联试、空中试飞等不同阶段的联试与调试工作，系统应自动将所有的试验结果与内容存储在产品数据管理系统中，可以便利地实现检入、检出、查询、重用等操作。试验数据管理系统以试验项目的全过程管控为业务主线，各业务子功能模块围绕该业务主线来布局和建设。整个系统一般分为试验需求管理、试验过程规划、试验计划监控、试验数据管理、试验报表分析、异地协同管理、试验器材库管理、试验变更管理和系统管理等九个部分建设，系统框架见图4。此外，系统还应通过通过标准接口或定制开发接口，能够实现与武器装备研制单位现有的管理系统或相关工具软件的集成。
图4 试验数据管理系统框架图
2.5 产品数据管理系统
产品数据管理系统作为协同研发平台统一的信息中枢和集成框架，支持设计师对型号研制过程中涉及到产品数据的相关过程进行管理，确保数据的完整性、一致性、有效性和可追溯性。系统主要包括外部系统集成、产品结构管理、设计任务分发、图文档管理、设计变更管理、电子签名管理、库管理等业务类型，涵盖了产品设计从搭建产品结构、到下达设计任务、最终设计数据归档的全过程，系统架构见图5。产品数据管理系统可构建以BOM为核心的产品数据管理体系，为后续研制环节提供精准数据来源；通过对产品研发数据进行统一的定义、组织和管理，打通基于BOM的数据链；建立设计发布电子化签审，提高产品研发工作效率，缩短产品研制周期；建立更改闭环控制流程，实现设计更改过程可控、可查、可追踪，加强更改落实执行效率；建立电子签审流程模板库和基础模型库，梳理相应的签审流程、基础模型、设计成果等，将其固化在产品数据管理系统中提供重用。
图5 产品数据管理系统架构示意图
2.6 知识管理系统
知识管理系统将各个应用系统的知识资源抽取到知识库系统内，进行各知识对象的统一管理，通过服务端、客户端方式提供丰富的知识应用，最后通过知识反馈进行评估和改进，形成闭环的过程和持续改进提升。知识管理系统总体架构可分为单点知识库集、知识条目管理、知识管理引擎、知识管理前台四层架构，见图6。单点知识库集主要通过规定的数据接口获取各个离散、无体系的知识，例如：标准规范、技术成果，材料器件、软件算法等；知识条目管理则是对知识进行分类与条目化管理，建立知识间的关联，辅助以必要的描述，同时制定知识的检索、推送规则；知识管理引擎实现三种引擎：推送引擎、检索引擎以及工作流引擎；知识管理前台建立统一的知识门户，使其成为企业知识的统一展现平台，方便地指引用户获取知识和操作，并在该门户中提供丰富知识动态界面。
图6 知识管理系统架构示意图
2.7 生产制造系统
特种飞机任务系统产量通常较少，一般是依据设计定型的技术状态和工艺规定，按照客户订单组织生产。生产制造系统需要对任务系统从采购原材料开始，到产品生产测试完毕准备交付用户使用的全过程进行调度与控制，同时与产品数据管理系统、售后服务系统、项目管理系统进行集成。对于任务系统总体单位，生产制造系统应包含生产调度、自制件管理、外购件管理、外协件管理、入院验收、集成调试、封装与贮存、包装与运输等功能模块，并特别注意提高外购件、外协件的跟产与管理能力。
2.8 售后服务系统
售后服务信息系统一般分前台服务软件、后台管理软件两部分建设，可提供军地信息传递、在线故障诊断、远程故障排除、数据统计、新闻通知发布、资料查询、服务管理、软件下载等主要功能，实现研制单位、全国各个外场及保障基地的信息共享，实现故障的实时解决以提升故障解决效率；加强技术状态管理，使得产品状态随时可查、方便查询；完善备件管理，对备件软件版本以及状态可控，实现快速查询。
2.9 项目管理系统
项目管理系统设计开发的目的是为了提高装备研制单位的整体科研水平，合理配置本单位的实际各类资源，促进单位科研工作科学、高效、规范化运行，方便科研人员和管理人员实现资源共享，结合单位实际存在的一些业务需求上的问题，建立一套科学的工作流程，以解决实际一些问题[5]。考虑武器装备研制项目的科研管理流程，结合各装备研制单位的信息化建设程度，一般采用利用客户端/服务器模式，将组成项目管理系统的预算管理模块、计划管理模块、采购管理模块、评审管理模块、质量管理模块等每个功能具体分配到客户端和服务器端分别进行处理，在单位局域网内部实现远程的科研项目的申报、立项、跟踪管理、成果申报等管理。
2.10 综合门户
利用主流的门户技术，满足不同角色人员的个性化需要，实现统一风格界面，提供一致的用户体验，提高系统使用效率和用户黏着度。通过综合门户的建设，形成研发工作统一应用的访问入口，为用户提供便捷的业务、信息与数据的访问渠道，提供一站式服务；打造设计师统一研发门户，提升设计师工作效率。主要根据访问用户的不同角色和应用建立相应设计信息展示区域，使得各相关角色的用户能够通过不同的门户快速获取所需要的信息，查看和接收所有需要处理的任务，在系统中开展相应的协同工作。支持任务提示、状态监控、提前预警和逾期预警等功能。
2.11 信息化基础资源
信息化基础资源主要包括系统综合设计环境中通用的计算机资源与数据库资源，该部分设备通用性高，应总体规划，统一建设，节约成本，提高效能，主要包括以下资源：
1) 服务器集群：组建云平台，供科学计算、部署数据库与应用软件；
2) 存储集群：存储各类知识、仿真结果、设计结果等数据；
3) 客户端设备：组建电讯、软件、结构、六性、电磁等专业设计环境；
4) 网络设施：主要包含网络交换机、网线等设备；
5) 综合监控设备：对网络设备、应用平台、应用系统、备份系统进行监控和管理。
3 平台建设中应注意的问题
任务系统协同研发平台的建设与实施是一项非常复杂、耗资巨大的系统工程，其涵盖任务系统全生命周期的所有阶段和活动，将改变特种飞机任务系统现有基于文档、分立的装备研发模式，这需要任务系统研制单位投入大量的人力物力，并重点关注以下问题：
2) 统一协同研发平台的模型和数据源：协同研发平台首先解决的就是数据、模型的一致性，在任务系统的研制过程中，因为模型、数据的非同源、不一致导致设计与生产反复的情况时有发生，在协同研发平台的建设过程中，一定要确保数据、模型的唯一来源就是产品数据管理系统，该系统是连接所有其他功能模块的桥梁和准则。
3) 严格数据导入导出的质量和规范性：协同研发平台运行过程中，各个功能模块之间的数据交互极为频繁，这就需要各个功能模块明确和产品数据管理系统之间模型与数据的接口定义，努力提高数据导入导出的质量和规范性，为研发平台发挥作用奠定数据支撑。
4) 注重与单位已有系统的对接与集成：协同研发平台虽然主要关注于型号项目全寿命周期的协同设计、生产与管理，但其不是一个孤立的平台，需要与单位OA系统、档案系统、人力资源系统等发生信息交互，在协同研发平台建立之初，应仔细调研、决策研发平台与前期已有系统的信息交互类型与接口。
5) 重视平台上线后的宣贯与培训工作：新的研发平台上线，在提高研发能力的同时，也将带来工作方式的较大变化，不同的人员角色对于协同研发平台的接受程度肯定不一致，这需要装备研制单位高度重视研发平台上线后的宣贯与培训工作，平台的推广使用必须具有强制性，同时协同研发平台设计时也要考虑使用人员的使用习惯，提高平台的自动化智能化程度，在不增加使用人员工作量的同时提高装备研制单位的协同研发能力。
结 语
特种飞机任务系统研制过程对于跨部门、跨地域、多专业协同的要求程度非常高，而协同研发平台的建立可以有效地打通管理与工程上各节点间的关联关系，保障产品数据的一致性、关联性，提高产品研发过程的规范性、高效性[6]。国内已有装备研制单位对基于多专业协同、多领域共享的军品研发管理体系进行了研究与实践，其统计数据表明，新项目研制周期平均缩短了约15%，项目研制人力资源投入平均减少了约30%，项目成本降低了40%以上[7]。
但整体而言，国内复杂电子信息系统装备的协同研发与设计能力距国际先进水平尚有较大差距，侧重点在于单项装备的生产制造与集成联试，在体系作战推演、需求指标管理、多专业协同等方面能力较弱，而且不同单位或部门之间缺少统一模型与数据作为设计支撑，容易造成设计反复与成本上升。
本文结合作者从事协同研发平台建设时的思考与想法，所提出的的协同研发平台组成体系基本能满足特种飞机任务系统总体单位在型号研制项目全寿命周期内关于协同设计所需要的能力需求，但不一定适合分系统、设备、元器件类研制单位。各类装备研制单位应以世界上相对成熟的协同研发基础平台与方法论为基础，并根据单位实际科研业务特征进行深度定制，最终构建适合本单位的协同研发平台，以推进本单位协同研发能力的跨越式提升。
【参考文献】
[1] 蔡爱华 范强. 下一代机载任务电子系统总体设计思考[J]. 中国电子科学研究院学报，2016，第2期：111-114.[2] 汪志华. 多学科协同设计仿真工具研究[J]. 计算机与网络，2018，第13期：60-61.[3] 薛威，贾超群，李雯，史岩. 基于MBSE在航空电子通信系统中的应用[J]. 电子科技，2016，第29卷第5期：45-48.[4] 卜伟. 基于模型的系统工程方法在电子系统中的应用[J]. 电子信息对抗技术，2017，第32卷第3期：32-36.[5] 耿业仙. 基于C/S模式的科研项目管理系统设计与实现[D]. 成都：电子科技大学，2012年11月.[6] 平丽浩. 基于“三统一”体系的雷达产品协同研发平台[J]. 现代雷达，2011年3月，第33卷第3期：1-4.[7] 赵晓虎. 基于多专业协同、多领域共享的军品研发管理体系[J]. 项目管理技术，2018年7月，第16卷第7期：95-100.
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