阿波罗号使命任务的架构设计

Posted 2021-04-02 iMBSE Online

1 系统使命任务的架构设计

从系统工程到复杂系统工程，系统的复杂程度不断地在增加。复杂系统的研发要涉及多学科和可靠性、安全性等多专业协同、交叉及融合的复杂系统工程。因此，我们需要采用基于模型的系统工程（Model Based Systems Engineering，简称MBSE）的方法对系统进行建模，这样才可以在某种程度上追溯和管理系统模型的演变。在基于模型的系统工程正向设计过程中，系统架构设计是最重要的环节。因此，我们可以说系统架构设计是MBSE的重要组成部分。

系统设计的主要工作是为了实现需求（Requirement），而需求是为了满足用户的需要（Needs）或者完成使命任务（Mission）。架构设计主要探讨和研究系统的核心和内在，架构设计员在进行系统架构设计时，需要从系统的不同维度进行设计，以满足系统相关方理解系统架构的需求（以及顶层的使命任务）。当系统架构设计完成后，我们就需要对架构进行细化定义并进行选择。

创成式工程或创成式设计（Generative Engineering）是一个创新的架构设计过程。创成式工程在给定一些约束条件下，根据设计者的设计意图，通过创成式设计来产生多种可能的可行性架构设计方案，然后通过机器推理技术（Machine Reasoning）或其他技术进行综合对比，通过设计者进行最后的决策并筛选出最优设计方案。

 

图1 机器学习和机器推理

 

复杂系统的设计过程我们也可以称为创造或创新过程，因为设计过程需要极强的创造力，而创成式工程在系统架构设计过程中，完全可以帮助企业通过创成和验证满足需求的创新解决方案来有效地进行设计空间的探索，利用算法和基于知识的推理方法来自动生成选项，并且协助用户向下选择替代方案并验证最佳概念和设计，也就是说创成式工程旨在支持从产品创意到最终产品的工作流程。

 

2 阿波罗号权衡研究说明

 

在1960年代初期就开始了早期的权衡研究，以探索将宇航员送入月球并带回月球的概念性解决方案。在研究的过程中架构师需要做出两个主要决定：1. 在地球轨道（Earth orbit rendezvous，EOR）上会合和对接操作。2. 在月球轨道上会合和对接操作（Lunar orbit rendezvous，LOR） ）。本案例考虑了这些决策的三个使命任务的概念（信息来源：NASA）。直接的选项不包括会合操作，而其他选项或者包括EOR，或者包括LOR。

 

图2 阿波罗号使命任务的三个概念

 

目前，阿波罗号使命任务架构设计问题已成为复杂系统设计中正式决策问题的教科书案例。详细信息请参见Cawley，Cameron，Selva（2016年，《系统架构》皮尔逊出版公司）的著作及其参考。除了EOR和LOR选项之外，还需要确定使命任务的出发（地球/月球）和到达（月球）是在轨道阶段完成，还是直接完成。

 

图3 阿波罗号的架构决策和选项

 

其他选项包括乘员的数量（2个或3个），下降到月球的乘员数量（全部、1个、或其他选择），以及使用的燃料类型（可存储、低温））。选择某些选项会强加影响或排除其他选项。例如，如果不包括LOR，则所有机组人员都下降到月球，而在LOR选项中，下降到月球的机组成员数量小于或等于机组成员总数。

 

3       阿波罗号使命任务架构设计案例

 

系统架构设计和权衡的第一个主要步骤是系统模型定义和架构生成。我们首先定义使命任务架构问题的所有相关组件，并包括所有相关参数和考虑的变体。这些参数包括有关机组人员数量，与某些设计选项相关的风险，燃料种类，某些任务阶段的相关增量V（作为所需燃料量的度量）以及燃料燃烧次数的详细信息。与某个阶段相关联（作为与该阶段相关联的风险的度量）。某些任务阶段可以表示为具有相关配置选项（变量）的单个组件，其中包含要选择的离散参数选项。

 

上图的这些块表示起点和终点（地球）和中间停靠点（月球），以及使命任务沿途的所有相关阶段。上面的说明表达了与可行的使命任务架构相关的一些重要限制。一方面，地球轨道交会点（EOR）要求架构包含针对轨道的地球发射类型（而不是直接进入月球）。同样，月球轨道交会点（LOR）要求包含月球轨道，而不是直接到达或离开，并且到达月球的阶段的交会点也意味着在地球离开时的交会点。我们可以采用架构为中心的探索语言（ACEL：Architecture-centric explorationlanguage）在层级视图中来显示这个系统模型的定义，如下所示。

 

图4 阿波罗号系统架构的层级视图

 

通过不同的架构集合的排列组合，我们可以得到多种架构，在本案例中，我们生成的所有可行的使命任务概念，总共包括15个使命任务。也就是说通过这样一个顺序：参考架构、固定架构、以不同方式配置一种架构。

图5 通过创成式工程产生的15种架构

 

系统架构设计和权衡的第二个主要步骤是架构权衡研究。也就是说使命任务设计研究的下一步是15种架构之间的权衡分析。就像上面所说的那样，由于存在不同的参数选项，这意味着需要以最佳方式配置架构。

图6 阿波罗号架构的层级视图

 

在这里我们将研究两个性能指标：1.操作风险，是项目预期成功的指标。2.质量（到低地球轨道的初始质量，initial mass to low Earth orbit：IMLEO），使命任务成本的指标。这两个数字将通过以类似方式分析使命任务架构来计算。为了进行风险计算，将与各个使命任务步骤相关的所有风险因素相乘。对于质量来说，使命任务架构将向后移动，并且每个阶段都会导致IMLEO的质量增加，前提是前一阶段将当前阶段和未来阶段作为有效载荷。

 

这样我们需要定义两个函数来计算给定架构/配置的风险和IMLEO。两种函数都从选择地球开始，然后在更新风险（可乘性）或质量（可乘性）的同时向后遍历整个架构。对于包括LOR在内的使命任务，需要特别小心，因为分离会导致风险（主要是由于登月舱中的燃料类型不同）和质量（因为不是所有质量都朝着月球方向下降）的不同处理。

 

包括LOR在内的使命任务的一个重要限制是登月舱内宇航员的数量限制：登月舱内的宇航员人数应小于或等于机组总数（在太空中不能创造宇航员）。将在所有配置中进行检查，并且将删除不适合的配置。另外，服务舱在下降期间为空的配置（例如所有宇航员都进入登月舱）会受到0.9的风险惩罚，这与无人服务舱时的风险增加相对应。

 

系统架构设计和权衡的最后一个主要步骤是定义所有架构以及每个架构的所有配置的循环，以计算风险和IMLEO。同时还会跟踪某些类别的设计，带或不带EOR和LOR，这样我们就会得到权衡研究的结果。

 

下图显示了权衡分析的结果。具有最高成功机会（风险= 1）和最低质量（低IMLEO）的使命任务是首选，因此，乌托邦点（Utopia point）位于右下角。

 

图7 权衡研究的结果

 

[风险，IMLEO]为 [0.74，182 klbs] 的点与阿波罗的实际配置相对应：它在指令舱中有3名机组人员，在月球舱中有2名成员，并且对服务舱、登月舱都使用了存储推进剂。它表示了质量与风险之间的合理折衷（详细内容请参考系统架构书籍）。

 

4 总结

 

上述案例中采用的是创成式工程方法，使用的是以架构为中心的探索语言（ACEL：Architecture-centric explorationlanguage），通过使用西门子的Simcenter Studio工具来完成。Simcenter Studio工具支持ACEL，ACEL模型有两种表示形式：图形和文字。

 

总结来说，创成式工程通过以下步骤，来进行系统模型架构的创成和优化：

1）从业务角度出发，定义了一个设计问题。

2）提出设计问题后，可以使用领域特定的语言创建系统模型。

3）将模型转换为数学公式并求解。

4）最后进行权衡研究并找到正确的设计，为此必须进行架构的评估。

 

创成式工程是一个很好的创新设计方法，它通过生成和验证满足要求的创新解决方案来有效地探索设计空间，并且，创成式工程利用算法方法和基于知识的推理方法来自动生成选项，并且，可以协助用户向下选择替代方案并验证最佳概念和设计创成工程旨在支持从产品创意到最终产品的工作流程。

（说明：作者在Simcenter Studio工具完成了上述案例的代码和执行，如需相关资料请联系西门子工业软件iMBSE团队。）