以 2015年美國國防部提出的“數字工程戰略”為標志，復雜裝備正式從信息化時代跨越到數字化時代。隨著時代發展及戰場環境變化，原本基于文檔的裝備研發生產模式（Document-based Systems Engineering，DBSE）存在設計語言差異大、異構模型難集成、接口定義難統一、知識成果難復用、設計狀態難追溯等一系列技術管理痛點問題，嚴重制約了裝備研制生產效率，已不在滿足實際業務需要，研發模式亟待變革。基于模型的系統工程（Model-based Systems Engineering）是一種“模型驅動”為核心的系統工程方法。由模型替代技術文件成為研發活動的管控對象和協同載體，能夠快速響應需求變更，通過各類模型間信息的繼承、關聯、傳遞實現復雜系統研制全生命周期的設計、制造、試驗、驗證、維修保障等研發過程的無縫銜接和活動的高效協同，以模型為紐帶進行資源和知識的共享和重用，以數字樣機為載體替代實物樣機進行試驗驗證，縮短系統工程中的試驗驗證周期和成本。

MBSE 模式下復雜裝備數字化轉型強調使用模型來執行系統工程活動，能很好解決設計更改、專業協同、知識集成等問題，因而引領了未來裝備研發的時代潮流。全面推進基于模型的研制生產數字化轉型，模型是基礎與核心，根據研究領域的不同可以將模型分為邏輯模型及專業模型。邏輯模型用來描述組成系統的元素間以及系統與環境間關系的描述，如產品分解結構（PBS）、內部接口、活動圖等。專業模型用來從不同領域對具體存在物及其行為進行描述，如結構設計領域的三維模型、Simulink 模型、力學分析的有限元模型等。當前國內航天領域針對模型的設計管理等方面還缺乏相關標準規范，各工業部門結合自身業務場景參照國外 Harmony、OOSEM、State Analysis Method、Vitech Method、MagicGrid 等建模方法開展相關工程實踐，缺乏成體系的數字化標準規范，由此產生了各單位建模粒度不統一、模型管理不受控、模型協同難開展、模型成果難復用等一系列問題，嚴重影響了復雜裝備數字化轉型效果，因此構建一套行之有效成體系的裝備數字化標準體系顯得十分重要。

本文以傳統裝備制造企業數字化轉型為背景，在充分識別已有標準的可延續性基礎條件下，結合業務需求和先進經驗，統籌規劃了 MBSE 研發模式下覆蓋裝備設計研發、生產制造、試驗、交付、保障、管理等全壽期活動的數字化研發標準建設體系，并結合企業實際業務需求對數字化標準成果進行應用，通過理論指導實踐推動數字化標準快速落地。

1 裝備數字化標準體系整體框架

開展基于模型的復雜裝備數字化標準體系研究，通過理論攻關，指導實踐應用，形成頂層要求，全面推動創新型裝備數字化研發模式落地。數字化標準整體架構如圖 1 所示。

圖 1 復雜裝備數字化標準體系規劃

復雜裝備數字化標準體系包含 7 類，各類標準內涵如下：

數字化頂層通用技術標準：結合各型裝備實際數字化業務場景用以規范工作目標、工作項目和工作要求的相關指導性文件；

數字化設計標準：用以指導需求模型/ 數字樣機 1.0 構建、數字化協同設計等活動的相關文件；

數字化制造標準：用以指導數字樣機2.0 構建、工藝 / 生產 / 制造管理流程等活動的相關文件；

數字化試驗標準：用以指導數字化試驗設計分析、流程管理等活動的相關文件；

數字化交付標準：用以指導數字樣機3.0 構建、數字化交付流程管理等活動的相關文件；

數字化保障標準：用以指導數字裝備構建，數字化保障管理等活動的相關文件；

數字化管理標準：用以指導全壽期數據 / 模型技術狀態管理活動的相關文件。

2 典型裝備數字化標準研究與制定

2.1 復雜裝備數字化頂層通用技術標準

以典型裝備研制階段數字化業務需求為牽引，對裝備數字化相關工作進行頂層策劃，制定《XX 裝備數字化大綱》《XX裝備 MBSE 總要求》，在裝備頂層通用技術標準中提出了基于模型的系統工程相關術語定義、崗位要求，面向裝備設計、工藝、生產等階段，明確了系統、分系統、單機等多級模型的設計要求、實施步驟、工作方法、交付物，為實施基于模型的系統工程模式提供頂層指導。

2.2 數字化設計標準

數字化設計標準主要用以指導需求模型 / 數字樣機 1.0（面向裝備論證設計過程，構建的反映裝備組成構造、功能原理、性能特性的一類模型）構建、數字化協同設計等相關活動。數字化設計標準在沿用已有的《Q/QJB239 結構虛擬樣機通用要求》《QJ20349 多學科虛擬樣機協同建模要求》基礎上，結合典型復雜裝備 MBSE工程實踐，目前已形成了《導彈武器系統需求結構化定義及管理規范》《導彈武器系統架構模型建模要求》《基于統一語言的系統多領域建模技術要求》《虛擬樣機評審與驗收工作要求》等相關標準，此外，國軍標、航天行業標、科工集團企業標等數字化設計標準已在同步規劃過程中，待上級標準正式發布后將進行同步修改完善，與其內容保持協調一致。

2.3 數字化制造標準

數字化制造標準用以指導數字樣機2.0（面向裝備研發生產制造過程，構建的反映裝備產品組成、電氣連接關系、軟件功能的一類模型）構建、工藝 / 生產 /制造管理流程等活動，基于 MBD 的數字化生產制造已在復雜裝備領域推廣多年，并積累了一系列相關標準，因此該領域將沿用已有的《Q/QJB 240 基于 MBD 的工藝設計規范》《QJ 20835 航天產品數字化設計與制造 PBOM 通用要求》《QJ 20836 航天產品數字化設計與制造 MBOM 通用要求》等相關系列標準。

2.4 數字化試驗標準

數字化試驗標準用以指導數字化試驗設計分析、試驗流程管理等活動，相關標準在沿用已有的《GJB6091 彈道導彈導引雷達抗干擾內場仿真試驗方法》《QJ2046 戰術導彈虛擬裝配通用要求》等專業仿真試驗標準基礎上，針對新型復雜裝備數字化試驗實際需要，規劃了《虛擬風洞驗證規范》《武器系統總體性能仿真驗證規范》等相關標準，并同步修正現有試驗辦法，將數字化試驗納入裝備研發管理流程。

2.5 數字化交付標準

數字化交付用以指導數字樣機 3.0（面向裝備定型交付階段試驗鑒定過程，構建的能反映裝備交付狀態、保障要求、運用方式、操作流程、維修特性的一類模型）構建、數字化交付流程管理等活動，針對數字化交付，規劃了《復雜裝備產品數字履歷規范》相關標準，打通總體單位 - 總裝廠 - 單機廠商履歷數據通路，推動“一物一碼，一套數據”新型數字化交付模式轉變。

2.6 數字化保障標準

數字化保障標準用以指導數字裝備（在數字樣機 3.0 基礎上，添加數字履歷要素，采集實時狀態信息，形成數字裝備）構建，數字化保障管理等活動，目前行業內已積累了相關標準規范，如《GJB 9223訓練模擬系統通用要求》《GJB 8069 武器裝備仿真訓練軟件通用要求》等。后續主要面向裝備作戰運用、服務保障各環節，在沿用已有標準的基礎上規劃制定面向使用培訓、健康管理、作戰使用等不同場景的數字模型建模標準。

2.7 數字化管理標準

數字化管理標準用以指導全壽期數據/ 模型技術狀態管理活動，目前行業內已經積累了相關數字化標準，如《Q/QJB203 基于 PLM 系統的企業間型號全生命周期數據管理》《Q/QJB200 試驗數據管理規范》等，后續將結合試點型號的業務需求，在沿用已有標準的基礎上規劃制定《型號全級次 BOM 技術狀態信息管理要求》，對裝備全級次 BOM 構建、信息管理、歸集交付、技術狀態基線管理等具體要求進行了規范性說明。

3 基于典型裝備的數字化標準成果實踐

為積極落實數字化建設要求，保障數字化轉型實施效果，以典型裝備研制任務為背景配套制定了一系列相關技術要求和規范，形成如下建設成果。

圖 3 基于 SysML 活動圖的飛行時序建模效果示意圖

3.1 系統設計階段，打造基于模型的方案快速迭代設計模式

3.1.1 基于模型的需求分解與閉環管理

發布了《導彈武器系統需求結構化定義及管理規范》，通過增加合適的需求屬性項來豐富每一條需求條目的表達內容，形成標準的需求屬性模板。需求條目按照一定的規則進行架構組織，實現了武器系統、系統、分系統、重要單機的需求結構化構建，建立一級戰標 200 余項、二級指標 5700 余項、三級指標近萬項，在統一建模標準下完成了貫穿總體所、分系統所、單機所的需求規范下發與模型集成。通過戰技指標的橫向、縱向多維追溯，快速分析變更影響，宏觀微觀相結合把控技術狀態。

圖 4 基于統一語言的復雜裝備多領域耦合建模效果示意圖

3.1.2 基于模型的系統方案設計與驗證

形成了《導彈武器系統架構模型建模要求》，在統一的建模標準下構建系統方案模型，對系統功能（設備）組成、功能原理、邏輯時序、內外部接口等進行模型化表達，形成了武器系統、系統、典型分系統等不同層級的系統架構多精度模型 100 余項，將傳統的基于文檔的方案描述方式，轉型為基于模型的方案描述方式，結構化、標準化程度高，利于協同設計。同時開展了武器系統發射流程、裝備飛行過程、關鍵性能參數（射程、質量、可靠性等）的仿真閉環驗證，通過仿真，提前發現時序不協調、接口不匹配、功能不合理等問題，輔助方案改進。

3.1.3 復雜裝備多學科耦合設計與驗證

針對復雜裝備飛行過程中熱環境與燒蝕、燒蝕與氣動、氣動與控制相互耦合的問題，研究基于統一語言多領域耦合建模方法，通過氣動 / 熱環境 / 燒蝕 / 控制集成仿真驗證，實現對復雜裝備飛行過程的精細化預示，有效提高裝備氣動力設計、姿態預示精度，支撐了方案精細化設計與飛行性能精細化評估。

3.2 研制生產階段，打造基于模型的研 /試 / 產一體化精益研發模式

3.2.1 裝備全三維設計

全面推行三維數字化設計，打造數字化裝備設計模式，實現基于模型參數驅動的總體設計、結構設計、生產制造的數字化裝備結構方案，最大程度發揮知識復用、數據驅動等優勢，大幅提升新一代復雜裝備結構的設計效率。

3.2.2 基于模型設計、工藝、生產、交付一體化

基于 EBOM 數字化模型，實現裝備三維設計、工藝、生產、交付全周期一體化協同（跨專業、跨單位、跨地域）。通過裝備設計、生產模式向數字化轉型，提升產品質量，加快研制及生產效率，降低變更成本。

3.2.3 數字化試驗

完成復雜裝備虛擬模裝，全數字仿真模擬裝配過程，提前發現結構干涉、線纜干涉、裝配可達性等問題，支撐設計優化，減少實物模裝。構建全系統級電磁兼容數字化仿真系統，建立系統結構、材料、線纜、天線級顆粒度的電磁模型，開展關鍵分系統電磁兼容性驗證，提前發現薄弱環節并采取加固措施。

3.2.4 三維下廠

實現全三維模型下廠，將裝備全三維模型下發給總裝廠，直接用于指導后續的工藝設計、數控加工、部裝總裝，確保更快速度、更低成本、更高質量交裝。

3.2.5 研制數據管理

基于 PDM 構建裝備系統級的產品結構樹（RBOM、EBOM），實現需求、設計全過程數據的技術狀態管控。構建技術狀態基線管理，面向需求和轉階段等里程碑節點，提供里程碑節點的技術狀態快照。實現產品履歷管理，通過構建物料統一編碼與交付規范，貫通了總體單位 - 總裝廠 - 單機廠商履歷數據通路，實現了總裝廠與單機廠商產品履歷數據隨產品直接交付總體單位。強化數據資源建設，匯集擾動引力、垂線偏差、大氣密度等全球環境數據，擬合構建數字化飛行環境。

3.3 聚焦后續作戰使用模式轉型，探索數字孿生技術在裝備領域應用

3.3.1 數字裝備交付

將裝備研制過程中的軍地協同模式，由傳統基于文檔、會議的“離線”協同模式轉型升級為基于模型、數據的“在線”協同模式。通過數字裝備交付，帶動裝備戰標論證、研制、試驗、生產、保障全業務環節數字化深入應用，牽引工業部門形成模型驅動的數字化研制能力轉型升級。

3.3.2 變革裝備作戰訓練和使用模式

將裝備作戰訓練和使用模式，由傳統基于“實裝 + 說明文檔”的靜態模式變革為基于“實裝 + 孿生裝備 + 數據驅動”的動態模式。面向作戰訓練，構建更為豐富多樣的訓練場景，輔助作戰部隊更快更全面的掌握裝備作戰使用方法；面向演習訓練，將實裝使用過程中采集到的狀態數據加載到孿生模型中，實現作戰演習過程快速復盤，輔助后續作戰策略優化；面向實戰運用，可通過仿真推演，快速評估作戰效能，支撐作戰決策。

3.3.3 變革裝備在役服務保障模式

將裝備在役服務保障模式，由傳統“健康信息人工分析、服務保障文檔支撐”的模式轉型為“健康狀態孿生預測、維護維修在線支持”的模式。通過采集實物裝備的各項健康狀態數據，在孿生模型中實時監測裝備健康態勢，輔助維護維修。在此基礎上，隨著裝備積累的實測數據大量增加，運用大數據技術，反向優化裝備健康態勢分析和保障策略優化算法，逐步形成自學習、自成長的智能服務能力。

4 總結

本文結合實際裝備研發工作特點，提出了一套 MBSE 研發模式下覆蓋裝備頂層通用技術、設計研發、生產制造、試驗、交付、保障、管理等全壽期活動的數字化研發標準建設體系，并結合典型裝備實際業務場景開展實踐應用。通過數字化標準的相關試點與研究形成可推廣可復用的知識，為數字化條件下對模型、數據等非實物設計輸出的標準化管理積累經驗，為后續裝備標準化工作進行有益的探索。

作者：北京機電工程總體設計部 呂恒星 韓喜 楊翼 楊子昭 王勝