Tạm biệt Tài liệu, Xin chào các Mô hình: Cách tiếp cận dựa trên Mô hình đối với Kỹ thuật Hệ thống

Các dự án ESA được đặc trưng bởi những nỗ lực kỹ thuật nặng nề từ các nhóm phân tán về mặt địa lý trong ESA và ngành. Tính liên tục kỹ thuật số trong suốt vòng đời của dự án cho phép giảm đáng kể chi phí và nỗ lực, đồng thời sẽ rút ngắn thời gian biểu. Do đó, ESA sẽ số hóa toàn bộ hoạt động quản lý dự án của mình, cho phép phát triển cặp song sinh kỹ thuật số, cho cả kỹ thuật bằng cách sử dụng Kỹ thuật hệ thống dựa trên mô hình cũng như mua sắm và tài chính, đạt được sự liên tục hoàn toàn với ngành. – Tổng giám đốc ESA, Josef Aschbacher (Chương trình nghị sự 2025)

Thay vào đó, thông tin được thu thập và trao đổi theo truyền thống dưới dạng tài liệu và bảng Excel được thể hiện dưới dạng một tập hợp các mô hình có cấu trúc chặt chẽ, dựa trên dữ liệu. MỘT phương pháp lấy mô hình làm trung tâm để quản lý dữ liệu và thông tin cung cấp một nguồn sự thật có thẩm quyền rõ ràng, dựa trên ngôn ngữ chung và cách tiếp cận kỹ thuật số. Các mô hình dữ liệu được sử dụng để tạo ra một đại diện kỹ thuật số của các yếu tố nhiệm vụ, hệ thống con và thiết bị khác nhau của hệ thống vũ trụ, bao gồm cả các mối quan hệ liên ngành của chúng. Điều này được sử dụng để quản lý sự phức tạp ngày càng tăng của thiết kế và phát triển hệ thống, đồng thời duy trì khả năng truy xuất nguồn gốc, tính nhất quán và tối ưu hóa kiến ​​trúc nhiệm vụ – lưu giữ kiến ​​thức hệ thống, bằng cách nắm bắt các quyết định và xu hướng thiết kế.

Một số nhiệm vụ ESA hiện đã áp dụng MBSE, áp dụng phương pháp kỹ thuật số trong suốt vòng đời hệ thống cụ thể của nhiệm vụ, các quy tắc kỹ thuật và chuỗi cung ứng. Các ví dụ chọn lọc được đưa ra để làm nổi bật cách các nhiệm vụ của ESA đang sử dụng MBSE ở cấp độ nhiệm vụ hoặc hệ thống và trong suốt các giai đoạn triển khai khác nhau (bao gồm giai đoạn 0 – giai đoạn C/D).

Nhu cầu người dùng cụ thể được giải quyết là:

• Quản lý sự phức tạp ngày càng tăng của các nhiệm vụ không gian.
• Hỗ trợ tuân thủ các tiêu chuẩn ECSS và thông lệ tốt nhất; đảm bảo tính nhất quán, đầy đủ và khả thi của các yêu cầu nhiệm vụ và thiết kế (phụ) hệ thống.
• Đảm bảo các bên liên quan và người dùng không thông thạo MBSE hiểu và giao tiếp về nhiệm vụ & thiết kế hệ thống.

Ngay sau khi một bản cập nhật được thực hiện và phê duyệt trong mô hình MBSE, thay đổi đó sẽ được phổ biến trong toàn bộ các lĩnh vực kỹ thuật và mọi người có thể truy cập ngay lập tức.

ESA Cơ sở thiết kế đồng thời (CDF) sử dụng MBSE để hỗ trợ đánh giá tính khả thi của các nhiệm vụ, tải trọng hoặc khái niệm hệ thống không gian mới (đầu giai đoạn 0). Để xây dựng ngân sách kỹ thuật dùng chung, công cụ COMET được sử dụng. COMET cung cấp một mô hình dữ liệu hợp tác, tập trung cho phép các kỹ sư làm việc với sự đồng bộ hóa gần như theo thời gian thực giữa tất cả các bên liên quan.

Các nghiên cứu Giai đoạn A/B1 là các giai đoạn nghiên cứu dành riêng để xác định tính khả thi ban đầu của một nhiệm vụ ESA. Có nhiều giải pháp MBSE được sử dụng bởi các nhóm nhiệm vụ, cả ở ESA và trong ngành. Một nỗ lực đáng kể đang được dành riêng để phát triển một trung tâm kỹ thuật dựa trên mô hình, cho phép trao đổi dữ liệu và liên lạc thông suốt trong hệ sinh thái không đồng nhất này.

ESA Không Gian Sạch Office là người đầu tiên điều tra việc sử dụng MBSE trong nhiều hoạt động của mình. Tiên phong ban đầu là sứ mệnh e.Inspector – kiểm tra một vệ tinh không được kiểm soát và đánh giá khả năng tồn tại của sứ mệnh ghi nợ tiếp theo – bổ sung cho kết quả nghiên cứu CDF ban đầu với yêu cầu MBSE và mô hình chức năng. Sau đó, mô hình được cung cấp làm đầu vào cho nghiên cứu giai đoạn A với nhóm công nghiệp. Các e.Deorbit nhiệm vụ đã sử dụng MBSE rộng rãi hơn với cách tiếp cận MBSE hợp tác và tích hợp cao để lập mô hình hệ thống. e.Deorbit nhằm mục đích loại bỏ một lượng lớn các mảnh vỡ không gian của ESA khỏi quỹ đạo, cung cấp một minh chứng ban đầu về các công nghệ không gian sạch cần thiết. Mặc dù khái niệm sứ mệnh hiện đã được tái sinh thành một phương tiện phục vụ không gian được gọi là ClearSpace-1, e.Deorbit là một thành công lớn của MBSE, thể hiện những lợi ích to lớn của việc sử dụng MBSE để thiết kế các sứ mệnh trong tương lai. MBSE được sử dụng để hỗ trợ việc tạo ra các yêu cầu hệ thống và phát triển lặp lại kiến ​​trúc nhiệm vụ giai đoạn B1 và ​​ngân sách hệ thống.

SỰ THẬT, từ ESA Tổng cục quan sát trái đấtlà sứ mệnh Quan sát Trái đất đầu tiên triển khai MBSE từ giai đoạn định nghĩa.

Vệ tinh sẽ đo bức xạ tới từ Mặt trời và bức xạ phản xạ từ Trái đất, cải thiện độ tin cậy trong dự báo biến đổi khí hậu, cũng như thiết lập ‘phòng thí nghiệm đo lường trong không gian’, tạo ra bộ dữ liệu tham chiếu chính thức để hiệu chỉnh chéo các cảm biến khác và cải thiện chất lượng dữ liệu của chúng.

Trọng tâm MBSE đặc biệt giải quyết các yêu cầu kỹ thuật dựa trên mô hình, dẫn đến sự phát triển của mô hình hệ thống tích hợp kỹ thuật số cho các hoạt động của nhiệm vụ, cũng như các mô hình kiến ​​trúc vật lý và chức năng của phân khúc không gian, bao gồm các giao diện của nó với phân khúc mặt đất. Mô hình kỹ thuật số được thiết lập để trở thành điểm tham chiếu nhất quán duy nhất cho nhóm dự án, hỗ trợ hiệu quả việc trao đổi thông tin giữa tất cả các bên liên quan khác nhau. Một mô hình dữ liệu kỹ thuật duy nhất ngăn chặn sự xuất hiện của sự không nhất quán không mong muốn, đóng vai trò là đầu vào chung cho phân tích cụ thể về nguyên tắc và tạo điều kiện thuận lợi cho việc kiểm soát cấu hình và quản lý cơ sở đang diễn ra.

Sau một bài tập nội bộ ban đầu, do nhóm dự án ESA (ESTEC, ESOC, ESRIN) tiến hành ở giai đoạn đầu B1 và ​​tập trung hoàn toàn vào các yêu cầu và mô hình hóa hoạt động, TRUTHS đã tiến tới MBSE với nhà thầu chính vệ tinh Airbus Defense & Space Ltd (Stevenage, Vương quốc Anh) trong giai đoạn bắc cầu Giai đoạn B1, được hỗ trợ bởi tổ chức xuyên quốc gia về chuyển đổi kỹ thuật số của Airbus. Ngoài việc đóng vai trò là nguồn thông tin xác thực có thẩm quyền cho các bên liên quan khác nhau, MBSE được dự đoán sẽ cho phép và tạo điều kiện thuận lợi cho các phân tích ở cấp hệ thống cụ thể, từ phạm vi yêu cầu và phân tích tác động thay đổi, đến Phân tích Hiệu ứng và Chế độ Thất bại dựa trên mô hình có hệ thống (FMEA), dựa trên kiến ​​trúc chức năng của hệ thống kỹ thuật số. – Eric Joffre, Kỹ sư hệ thống

Các nhiệm vụ trong các giai đoạn B2 & C/D triển khai sau này có xu hướng áp dụng một – hoặc một tập hợp nhỏ hơn – các phương pháp tiếp cận MBSE. Nhiệm vụ Tàu quỹ đạo quay trở lại Trái đất (ERO) của ESA, trong Ban giám đốc thám hiểm con người và robot, là một yếu tố trong chiến dịch Kết hợp trả lại mẫu sao Hỏa (MSR) của ESA/NASA. MSR là một chiến dịch gồm nhiều nhiệm vụ nhằm lấy các mẫu từ sao Hỏa và mang chúng trở lại Trái đất. ERO sẽ chụp, chứa và niêm phong các mẫu sao Hỏa trên quỹ đạo, được thu thập trước đó từ NASA Perseverance Rover và đưa họ an toàn trở lại Trái đất.

Một phương pháp tiếp cận kỹ thuật hệ thống mạnh mẽ là cần thiết để đối phó với các thách thức về lập trình và kỹ thuật trong việc phát triển chiến dịch giữa các cơ quan, với sự giao tiếp hiệu quả giữa nhiều yếu tố nhiệm vụ phức tạp, nhiều bên liên quan khác nhau và các đối tác trong ngành. Phương pháp MBSE được sử dụng để kiểm soát độ phức tạp của nhiệm vụ và quản lý việc trao đổi dữ liệu trong một nhóm kỹ sư lớn, nơi thiết kế cơ sở có thể trải qua một số vòng lặp thiết kế và lặp lại ở các cấp độ khác nhau. Cùng với người đứng đầu ngành, ESA đã phát triển mô hình Hệ thống tích hợp kỹ thuật số MBSE để nắm bắt tất cả thông tin thiết kế ở cấp hệ thống. Một cơ sở dữ liệu tập trung thay thế các sản phẩm dựa trên tài liệu truyền thống. Điều này được sử dụng để duy trì tính nhất quán kỹ thuật, kiểm soát và truy xuất nguồn gốc không chỉ ngân sách hàng loạt của hệ thống mà còn cả các yêu cầu nhiệm vụ, phân tích vận hành cũng như kiến ​​trúc logic và chức năng. Duy trì ngân sách kỹ thuật là một phần không thể thiếu trong quy trình thiết kế sứ mệnh và dữ liệu chính xác nêu chi tiết thiết kế tàu vũ trụ là cần thiết để thực hiện phân tích hệ thống phụ cụ thể.

Hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu của châu Âu Galileo, từ Tổng cục điều hướng, hiện là hệ thống định vị vệ tinh dân sự hiện đại, chính xác nhất thế giới. Hai mươi tám vệ tinh hiện đang ở trong quỹ đạo cung cấp độ chính xác ở thang đo mét cho hơn bốn tỷ người dùng trên toàn cầu. Thế hệ thứ hai của Galileo sẽ cung cấp độ chính xác được cải thiện với độ chính xác trỏ đến tất cả ở thang đo decimet. Galileo là một hệ thống rất phức tạp. Chòm sao vệ tinh lớn trong Quỹ đạo Trái đất Trung bình được hỗ trợ với phân đoạn mặt đất được phân phối toàn cầu với các địa điểm nằm trên khắp thế giới, cùng với nhiều cơ sở dịch vụ Galileo chuyên dụng, nhà cung cấp bên ngoài và các bên liên quan. Ngoài ra còn có một đóng góp bảo mật đáng kể với các cấp độ khác nhau của thông tin được phân loại và dữ liệu cần biết.

Cách tiếp cận MBSE cụ thể được dẫn dắt bởi nhóm hệ thống, để kiểm soát độ phức tạp của thiết kế trong suốt chu kỳ phát triển và triển khai, từ đặc điểm kỹ thuật đến phát triển, đánh giá chất lượng và vận hành. Phương pháp lấy MBSE làm trung tâm là điều bắt buộc để đảm bảo tính nhất quán và đầy đủ của các yêu cầu từ đặc tả nhiệm vụ đến cơ sở hạ tầng được triển khai hệ thống và hệ thống con.

PLATO, từ ESA Tổng cục Khoa học sẽ tìm và nghiên cứu các hệ hành tinh ngoài hệ mặt trời, được gọi là ngoại hành tinh, trong vùng có thể ở được xung quanh các ngôi sao giống Trái đất. Cách tiếp cận MBSE được áp dụng cho nhiệm vụ này dựa trên kinh nghiệm trước đó từ Euclid và đã được kết hợp với Cơ sở dữ liệu tham số nhiệm vụ PLATO (MPDB) chuyên dụng, hoạt động như một kho lưu trữ tham chiếu duy nhất cho hệ thống nhiệm vụ PLATO. MPDB cung cấp một đại diện tập trung và được kiểm soát chính thức của các mô hình tải trọng và tàu vũ trụ, chứa tất cả thông tin về tải trọng, tàu vũ trụ, bệ phóng và các phần tử phân đoạn mặt đất. MPDB được sử dụng thường xuyên, tích hợp các nhu cầu khác nhau của các bên liên quan từ nhóm dự án ESA, các nhà khoa học, nhà điều hành trạm mặt đất và ngành công nghiệp vào một mô hình hệ thống và công cụ quản lý (yêu cầu) duy nhất.

Việc sử dụng MBSE cũng mở rộng ra ngoài các ứng dụng thiết kế kỹ thuật hệ thống thông thường. Cách tiếp cận mô hình tập trung có thể được sử dụng để cải thiện hiệu quả của thói quen hoạt động nhiệm vụ và lập kế hoạch nhiệm vụ, cung cấp hiệu suất được cải thiện tại ESA’s Trung tâm điều hành không gian châu Âu (ESOC) và tăng cường sử dụng máy học. Bằng cách nắm bắt và định cấu hình hiệu quả thông tin nhiệm vụ và mô hình tàu vũ trụ hiện có, chất lượng và hiệu quả của các hoạt động lập kế hoạch và quy trình thủ công hàng ngày có thể được cải thiện. Các phương pháp MBSE cho phép cấu hình và xác minh các mô hình hệ thống lập kế hoạch nhiệm vụ cũng như tạo và xác minh các quy trình vận hành. Khung Kỹ thuật Phân khúc Mặt đất (GSEF) mở đường cho tương lai!

Những câu chuyện thành công này làm nổi bật việc áp dụng MBSE ngày càng tăng và sự thừa nhận về khả năng cung cấp một phương pháp kỹ thuật hệ thống chung của MBSE. Hiện tại, mỗi nhiệm vụ điều chỉnh các giải pháp MBSE của riêng họ dựa trên nhu cầu, di sản, trường hợp sử dụng, tài nguyên và các bên liên quan cụ thể của nhiệm vụ.

MBSE tiếp tục được sử dụng trên khắp các ban giám đốc khác nhau tại ESA và trong ngành vũ trụ châu Âu rộng lớn hơn. Có một nỗ lực không ngừng trong việc tìm kiếm các phương pháp mới, tối ưu để tích hợp các giải pháp MBSE vào các nhiệm vụ không gian khác nhau và giữa các bên liên quan khác nhau.

Các bài học kinh nghiệm và lộ trình liên tục được cập nhật và thảo luận cùng với các Dựa trên mô hình cho Kỹ thuật hệ thống (MB4SE) nhóm cố vấn – một nhóm chuyên gia đa ngành từ ESA, các cơ quan vũ trụ quốc gia và ngành công nghiệp. MB4SE ủng hộ việc sử dụng MBSE bằng cách cung cấp nỗ lực phối hợp và xác định tầm nhìn chung về cách áp dụng thành công các giải pháp MBSE khác nhau trong lĩnh vực vũ trụ. MB4SE cũng tích cực tham gia xây dựng cộng đồng MBSE nói chung, bằng cách tổ chức hội nghị hàng năm (2020, 2021, 2022) dành riêng cho những thành tựu, thách thức và bài học kinh nghiệm của MBSE. Điều này cung cấp một diễn đàn ngưỡng thấp để trao đổi kinh nghiệm và xác định con đường hướng tới sự phát triển trong tương lai của MBSE và Số hóa.

Theo kinh nghiệm, quảng cáo kinh ngạc!