卫星型号研制的系统状态管理方法研究.pdf

摘要摘要卫星型号研制是一项巨大的复杂系统工程，研制周期长、收益大、高投入、高风险，需要利用系统工程的思想对卫星型号研制进行管理。随着系统工程理论 与方法的发展及其广泛应用，有关新理论和新方法的出现为系统工程在卫星型号 研制管理中的应用提供了新思路。目前对于卫星型号研制的管理方法集中在各个 子系统内的管理，而子系统之间的协调缺乏总体考虑，从而限制了卫星型号研制 的整体效率，同时也限制了型号研制管理方法的应用和有效性。因此，本文以系 统状态为切入点，从系统整体的角度来研究卫星型号研制管理。本文阐述了卫星型号研制的系统观和系统工程体系，说明了系统状态概念在 落实系统观和构建系统工程体系中的作用和重要性。为研究卫星型号研制的系统 状态，采用综合微观分析方法和从定性到定量综合集成研讨厅体系，提出了卫星 型号研制的系统分析任务和系统分析类型，提出了采用平行系统方法作为卫星型 号研制的系统分析一重构方法的技术路线。在系统分析和综合的前提下，在卫星 型号研制系统状态的数学表达上，构造了状态的程度公式和状态间的相互作用公 式。根据卫星型号研制系统的特征，提出了卫星型号研制的系统状态管理理念。在系统状态管理理念的指导下，本文针对卫星型号研制管理的系统状态识别 与评估问题，论述了卫星型号研制管理中的节点及其设置的必要性，结合卫星型 号研制管理的系统状态识别与评估的特点以及现有方法的不足建立了基于逻辑 数据分析(Logical Analysis of Data,LAD)的卫星型号研制管理的系统状态识别 模型与基于贝叶斯网络的卫星型号研制管理的系统状态评估模型，并给出了相应 的算法。节点的定义解决了卫星型号研制管理的系统状态识别与评估中点的选择 问题，通过节点的设置加强了对卫星型号研制管理过程的关键部分和全过程的控 制。利用逻辑数据分析技术建立的卫星型号研制管理的系统状态识别模型，能够 得出在不同节点处卫星型号研制管理的系统状态受到哪些因素的影响。提出了基 于贝叶斯网络的卫星型号研制管理系统状态评估模型对系统状态进行评估，通过 概率表达与推理使评估活动更为有效、合理。本文针对卫星型号研制管理的系统状态优化与控制问题，基于对卫星型号研 制管理的系统状态的混杂性及不确定性的认识，构建了一个系统状态优化与控制 的模型结构体系，用一个多层次结构反映了多个系统在多个节点间的状态变化过-I-哈尔滨工业大学管理学博士学位论文程。构建了在混杂系统中的各子系统系统状态变化的分段微分方程及其优化控制 模型，其目的是寻找每一个子系统在状态变化中可能的最优路径，通过对各种管 理要素的控制减少系统状态变换过程中各种资源的使用（可用代价函数表示），同时达到系统整体的最终目的。针对卫星型号研制管理的系统状态不确定性问 题，本文给出了“。c控制的基本模型及“。c控制的机理，应用空制找到最优策 略，减少策略反应时间，从而提升了工程的整体研制管理水平。本文将系统状态管理思想应用于“嫦娥一号”卫星的研制管理中，并且应用 所构造的系统状态识别与评估模型及系统状态优化与控制模型，以“嫦娥一号”的“正样阶段”的研制管理为例阐述其具体计算过程。根据计算结果，提出了“嫦 娥一号”卫星在转正样节点上所应采取的合理优化措施计划，提出了在正样过程 中所应采取的多种控制措施，使系统状态在满足资源约束的同时达到了预期的目 标，并有效的减少了不确定因素对整体系统状态的影响。关键词 卫星型号研制；系统工程；系统状态；状态评估；状态控制-II-AbstractAbstractThe development of satellite type(DST)is a huge and complicated system engineering with characters of long development cycle,great risk,large investment and high venture.The process need to be managed by the thinkthought of system engineering.As the development and comprehensive application of the theory and method of the systems engineering,some new theories and methods appears to support the application of systems engineering in the DST management.Nowadays,the methods of DST management focus inner of subsystems.But the ignorance of the relations of the subsystems limits the whole efficiency of DST,and the application and validity of the methods of DST too.Therefore,systemic state is used as the incisive point in this thesis which research the DST management from the angle of whole system.This thesis expounds systemic concept and systems engineering of DST,and emphasize the importance of systemic state in fulfillment of the systemic concept and the construction of the systems engineering.In order to research the systemic state of DST,integrated and microcosmic analytical method and the hall for workshop of meta-synthetic engineering are used.The thesis also brings forward the systems analysis assignment and types of DST,and adopts the parallel systemic method as the systems analytic technical route of DST.Under the systems analysis and integrative precondition,it structures the postural degree formula and reciprocity formula using the mathematic expression of systemic state.According to the characteristics of DST system,it brings forward the theory of systemic postural administrant of DST.Under the guidance of the systemic postural administrant theory,the thesis,the thesis discusses the necessity of the nodes and its setting according to the identification and evaluation of DST.Combining the characters of identification and evaluation of systemic state,and the lack of the existing method,system state discriminating model of the study on satellite type which bases on LAD and system state evaluating model of the study on satellite type which bases on Bayes network are proposed.So does the corresponding arithmetic.The definition of the nodes solves the problem how to decide the time to identify and evaluate the systemic state of DST.And the control of the pivotal and total proportion of DST is also strengthened by the setting of nodes.The discriminating model of systemic state of DST established by LAD technology can educe the factors which influence the-in-哈尔滨工业大学管理学博士学位论文systemic state of the DST in different nodes.The thesis has brought forward the evaluating model of systemic state of DST bases on Bayes network to evaluate the systemic state.And the evaluation will be more effective and reasonable by using probability expression and ratiocination.Facing the optimization and controlling problems of the systemic state of DST,the thesis proposed a systemic model based on the knowledge to the systemic postural farrago and the uncertain cognition of the DST.The model uses a more hiberarchy to reflect the state changing process of the multi-system in multi-node.In order to find the possible optimization route of each subsystem in the changing of the systemic state,the thesis proposes a optimization control model and a subsection differential equation reflecting systemic state changing process.The way can achieve the final aim of the system by reducing the resource used in the process of changing of the systemic state(it also can be expressed by cost function).According to uncertain of the systemic state of DST,the thesis proposes the basal model and the mechanism of the control.By using the control to educe the strategys reactive time,the whole level of DST can be improved.The idea of systemic state management has been used in the CE-1 satellite.The thesis uses the identification and evaluation models of systemic state,the optimization and controlling models of systemic state in the“flight model phase”of“CE-1 as the example to expound the idiographic calculational process.According to the calculational results,a logical and optimum strategy has been brought forward when CE-1 is in the flight model nodes.And many adoptive and controlling strategies in the flight model phase also proposes to make the systemic state achieve the anticipative aim and satisfies the restricted resource,and effectively reduce the uncertain factors effecting the whole systemic state.Keyword:Development of Satellite Type;System Engineering;Systemic State;State Evaluating;State Controlling-IV-目录目录摘要.IAbstract.Ill第1章绪论.11.1 研究背景和意义.11.1.1 研究背景.11.1.2 研究目的和意义.31.2 国内外研究现状.41.2.1 国外研究现状.41.2.2 国内研究现状.111.2.3 研究现状评价.151.3 研究内容和技术路线.161.3.1 研究对象.161.3.2 研究内容.171.3.3 技术路线.18第2章 卫星型号研制系统状态管理的理论基础.192.1 卫星型号研制的系统观与系统状态.192.1.1 卫星型号研制的系统观.192.1.2 卫星型号研制的系统工程体系.212.1.3 卫星型号研制的系统状态概念与内涵.242.2 卫星型号研制的系统分析与系统状态数学表达.282.2.1 卫星型号研制的系统状态与系统分析.282.2.2 卫星型号研制的系统状态与模型化.312.2.3 卫星型号研制系统状态的数学表达方法.322.3 卫星型号研制的系统状态管理理念.342.3.1 卫星型号研制的系统状态管理内涵.342.3.2 卫星型号研制的系统状态管理目标.362.3.3 卫星型号研制的系统状态管理过程.372.3.4 卫星型号研制的系统状态管理手段.38-I-哈尔滨工业大学管理学博士学位论文2.4 本章小结.39第3章 卫星型号研制管理的系统状态识别与评估.403.1节点的界定.403.1.1 节点及其必要性分析.403.1.2 节点的划分.403.2 卫星型号研制管理的系统状态识别.413.2.1 系统状态识别模型的构建原理.413.2.2 基于逻辑数据分析的系统状态识别模型.413.2.3 基于逻辑数据分析的系统状态识别模型的算法.443.3 卫星型号研制管理的系统状态评估.473.3.1 系统状态评估问题描述.473.3.2 贝叶斯网络模型.473.3.3 基于贝叶斯网络的卫星型号研制系统状态评估的模型.503.3.4 基于贝叶斯网络的卫星型号研制系统状态评估模型算法.543.4 本章小结.54第4章 卫星型号研制管理的系统状态优化与控制.564.1 卫星型号研制管理的系统状态优化与控制问题分析.564.1.1 卫星型号研制管理的系统状态描述及方法选择.564.1.2 卫星型号研制管理的系统状态优化与控制问题模型结构.584.2 基于混杂系统的卫星型号研制管理的系统状态优化.594.2.1 卫星型号研制管理系统状态的混杂系统模型.594.2.2 卫星型号研制管理系统状态的混杂系统优化控制.604.2.3 卫星型号研制管理系统状态的混杂系统动态规划方法.604.3 卫星型号研制管理的系统状态不确定性的空制.624.3.1 基本模型.624.3.2 卫星型号研制管理的系统状态不稳性的”/空制.654.4 本章小结.68第5章“嫦娥一号”卫星研制的系统状态管理.705.1“嫦娥一号”卫星研制的系统状态描述.705.1.1“嫦娥一号”卫星研制的背景.705.1.2“嫦娥一号”卫星研制阶段的系统状态分析.70-II-目录5.2“嫦娥一号”卫星正样阶段系统状态识别与评估.735.2.1“嫦娥一号”卫星正样阶段系统状态识别.735.2.2“嫦娥一号”卫星型号管理的系统状态评估.795.3“嫦娥一号”卫星正样阶段系统状态优化与控制.875.3.1“嫦娥一号”卫星正样阶段系统状态优化.875.3.2“嫦娥一号”卫星正样阶段系统状态控制.925.3.3“嫦娥一号”卫星正样阶段的系统状态.1005.4 本章小结.101结论.103参考文献.105攻读博士学位期间发表的论文及其它成果.113哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明.114哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书.114致谢.115个人简历.116-Hi-ContentContentAbstract(in Chinese).IAbstract(in English).HIChapter 1 Introduction.11.1 Research Background and Significance.11.1.1 Research Background.11.1.2 Research Purpose and significance.31.2 Domestic and Foreign Research.41.2.1 Foreign Research.41.2.2 Domestic Research.111.2.3 Evaluation on Domestic and Foreign Research.151.3 Research Contents and Subjects and Technology Route.161.3.1 Research Subjects.161.3.2 Research Contents.161.3.3 Technology Route.18Chapter 2 The systemic state management theory of DST.192.1 Systemic notion and systemic state of DST.192.1.1 Systemic notion of DST.192.1.2 Systems engineering system of DST.212.1.3 Conception and connotation of the systemic state.242.2 The mathematic expression of systemic state and analysis of DST.282.2.1 Systemic state and systems analysis of DST.282.2.2 Systemic state and its model of DST.312.2.3 Mathematic expressive of DSTs systemic state.322.3 The systemic state management theory of DST.342.3.1 Connotation of the systemic state management theory.342.3.2 Systemic state management goals of DST.362.3.3 Systemic state management process of DST.372.3.4 Systemic state management measures of DST.382.4 Summary.39Chapter 3 The systemic state identification and evaluation of DST40-i-哈尔滨工业大学管理学博士学位论文3.1 Confirmation of the node.403.1.1 Analysis of node and its necessary.403.1.2 Plotting the node.403.2 The systemic state identification of DST.413.2.1 Tectonic elements of the systemic state identification model.413.2.2 Systemic state identification model based on LAD.413.2.3 Algorithm of the systemic state identification model.443.3 The systemic state evaluation of DST.473.3.1 Description of the systemic state evaluating problem.473.3.2 The model of the Bayes network.473.3.3 Systemic state evaluation of DST based on Bayes network.503.3.4 Algorithm of the systemic state evaluation model of DST.543.4 Summary.54Chapter 4 The optimization and control of the systemic state of DST.564.1 The analysis of optimization and control problem of the systemic state 564.1.1 Optimization and control methods of the systemic state.564.1.2 Model structure of the optimization and control methods.584.2 Systemic state optimization of DST based on farraginous system.594.2.1 Farraginous system model of systemic state of DST.594.2.2 Farraginous system optimization of systemic state of DST.604.2.3 Dynamic programming method of systemic state of DST.604.3 The uncertain 7/control of the systemic state of DST.624.3.1 Basal model.624.3.2 control of the systemic state of DST.654.4 Summary.68Chapter 5 The systemic state management of CE-155 satellite.705.1 The systemic state description of the DST of CE-1 satellite.705.1.1 The background of“CE-1 satellite.705.1.2 The systemic state analysis of CE-1 satellite phase.705.2 The identification and evaluation of CE-1 satellite.735.2.1 Systemic state identification of CE-1 satellite.735.2.2 Systemic state evaluation of CE-1 satellite.795.3 The optimizaiton and control of systemic state of CE-1 satellite.875.3.1 Systemic state optimization of CE-1 satellite.875.3.2 Systemic state control of“CE-1 satellite.92-ii-Content5.3.3 Systemic state of CE-1 satellite in the flight model phase.1005.4 Summary.101Conclusion.103References.105Papers published in the period of Ph.D.education.113Statement of Copyright.114Letter of authorization.114Acknowlegment.115Resume.116-hi-第1章绪论第1章绪论1.1研究背景和意义1.1.1 研究背景卫星型号研制是一项巨大的复杂系统工程，卫星型号的研制不同于其他大型 项目的研制，卫星型号研制具有一次性、阶段性、具有明确的目标和约束条件及 高投入、高风险、高收益等特点1;而且卫星的研制属于多品种少量生产的产品 开发、研制，同时每颗卫星的研制都有其独特的地方，因而这就使得卫星型号的 研制工程必须单颗进行或少量进行，还由于卫星研制周期长的特点。在此情况下，卫星型号研制时间、周期的长短就在很大程度上体现了卫星研制的能力的高低，同时还在很大程度上决定着卫星研制技术的高低。因而，如何在这些约束条件下 通过系统工程管理完成卫星的研制工作实现预期目标，决定着卫星研制的经济效 益和社会效益。目前，世界上许多没有能力研制卫星的国家通过租星、与其他有研制能力的 国家进行合作研制卫星等政策来发展本国的卫星产业，因此卫星的需求量不断增 加的同时也造成了世界一些有能力研制卫星的国家之间竞争的日益激烈。提 高本国卫星的研制能力，增强本国卫星的国际竞争力是个主要卫星研制国卫星产 业的主要目标。由于卫星的研制周期长、收益大、高投入、高风险，卫星的研 制时间和周期在很大程度上体现着一个国家的卫星研制能力，目前我国卫星研制 能力还比较弱，其空间技术与美国、欧洲、日本等发达国家相比还存在一定的差 距。如何加强管理提高我国卫星研制能力，使我国卫星在国际市场上占据一定 的份额，提高其竞争力，同样是我国卫星研制管理者目前急需要解决的重大问题。目前对于卫星型号研制的管理方法集中在各个子系统内的管理，而子系统之 间的协调缺乏系统性，从而限制了卫星型号研制的整体效率，同时也限制了型号 研制管理方法的应用和有效性，因此需要从系统整体的角度来研究型号研制管 理。随着系统工程理论与方法的发展及其广泛应用，为系统工程在卫星型号研制 管理中的应用提供了理论与经验支持。目前我国已发射了 50多余颗不同类型的人造卫星，飞行成功率达90%以上,-1-哈尔滨工业大学管理学博士学位论文并且形成了四个卫星系列：返同式遥感卫星系列、东方红通信广播卫星系列、风 云气象卫星系列和实践科学探测和技术试验卫星系列。地球资源卫星系列和北斗 导航定位卫星系列也即将形成。我国研制和发射的卫星已广泛应用于经济、科技、文化和国防建设等各个领域，取得了显著的社会效益和经济效益。卫星工程的发 展成为我国国民经济、国防建设、文化教育和科学研究做出了重大贡献，而且增 强了民族凝聚力，大大提高了我国在世界上的政治地位。21世纪，空间技术、空间应用和空间科学将对国民经济的发展起到越来越 重要的作用。国内各领域，特别是民用领域，对空间技术的需求极为强烈。入世 后，国内各需求主体将按WTO的基本规则开展经济活动。我国卫星企业面临着 研制生产能力低与客观需求大的矛盾。例如，我国的固定通信中，由于国内卫星 研制生产能力的限制，除东方红3号卫星外，大量使用亚洲2号、亚洲13S、亚 太1号、亚太1A、亚太2R、中卫1号和鑫诺1号等，除此之外，国际空间技术 市场的竞争从技术开发为主转向扩大市场份额为主。空间大国努力扩大市场份 额，越来越多的发展中国家成为拥有空间技术的国家，卫星企业的竞争日趋激烈。国外通信卫星已占领我国大部分国内市场，遥感图像、导航服务等市场也正在受 到外星的巨大冲击。如何构建起机制灵活、集约高效的中国卫星企业群体，巩固、扩大国产卫星市场占有率，并打入国际卫星市场，是我国卫星企业面临的战略性 重要课题。一般来讲，卫星型号是一个多阶段的研制过程，主要包括：方案设计阶段；初样研制阶段；正样研制阶段；发射准备阶段；发射与运行阶段。这五个阶段构 成一个环状的工程周期。这些阶段之间不是相互分离的，恰恰相反，项目的各个 阶段之间有着复杂的相互关系。这就要求在研制过程中，不需考虑周全，细分深 化全过程、全系统、全要素，综合权衡进度、质量、范围、成本等多种指标。既 要考虑按照业务流程串起各个系统协同工作，也要在全寿命周期内围绕质量、成 本和工期三大要素目标进行集成管理，同时还要考虑风险、资源、环境等其他因 素。研制过程的启动、计划、实施、控制、收尾及阶段的转换，都应严格按照预 先制定好的研制计划执行，如需变更则需通盘考虑。因此，卫星型号研制是一个 牵一发而动全身的复杂系统工程。卫星型号研制作为一项复杂高技术集成的系统工程，涉及多个学科的交叉，工程中紧密联系并相互作用的各部门具有不同的层次结构和功能结构，在研制过 程中存在不确定性，与外部环境有物质、能量及信息交换，需要决策者根据实际-2-第1章绪论情况进行调整，不断地适应外部环境的发展变化。上述卫星型号研制所体现的开 放式复杂系统特征决定了任何局部的、单一学科的研究理念都无法对复杂的社会 现实形成清晰的认识和理解，要求研究活动必须基于系统整体的观点，运用开放 式复杂系统的研究方法来认识和把握复杂的社会现实。通过有效地控制与优化卫 星型号研制过程中的状态，来提高我国卫星型号研制能力，从而提高我国卫星产 业在国际市场上的竞争能力。1.1.2 研究目的和意义本文的研究在理论上具有如下的目的和意义：(1)针对卫星型号研制的特点，通过对型号系统状态的描述，形成复杂系 统的状态管理理念。(2)提出卫星型号研制管理的系统状态识别和评估方法，使综合集成分析 具有可行性。(3)提出卫星型号研制管理的系统状态控制与优化方法，形成复杂系统的 有效状态管理手段。(4)建立卫星型号研制的系统状态评估、优化和控制的理论与方法体系，有助于提高系统工程理论与方法在航天系统管理中的可操作性，并为在其他大型 工程项目中的应用提供理论借鉴。本文的研究在时间上具有如下的目的和意义：(1)利用系统工程的思想研究卫星型号研制管理过程，根据卫星研制管理 的系统目标与要求建立或选择相应的研制管理方式，从系统的角度优化卫星型号 研制过程，保证质量、进度和成本管理目标的实现。(2)利用系统工程的理论与方法分析卫星型号研制的目标，并根据目标建 立相应的研制管理方法与手段，有助于建立能够实现整体最优的卫星型号研制管 理模式，降低风险，提高效益，促进我国卫星产业竞争能力的培育与提高，提高 卫星产业在国民经济中的带动作用。(3)将系统工程理论与方法应用到卫星型号研制过程中，进一步降低研制 风险、缩短研制周期、降低研制费用、提高研制质量，从而提高我国卫星研制水 平，缩小与卫星研制发达国家之间的水平。(4)在复杂系统的状态管理理念的指导下，推进“嫦娥一号”卫星型号研 制的顺利开展，为我国月球探测工程(二、三期)及其他航天项目研制和运行提-3-哈尔滨工业大学管理学博士学位论文 供管理理论支持和典型范例。1.2国内外研究现状1.2.1 国外研究现状1.2.1.1 系统工程的研究现状 系统工程在系统科学结构体系中，属于工程技术 类，它是一门新兴的学科，1975年美国科学技术辞典对于系统工程论述为：“系 统工程师研究复杂系统设计的科学，该系统由许多相互联系的元素所组成，设计 该负责系统时，应有明确的预定功能及目标，并协调各元素之间及元素和整体之 间的有机联系，以使系统能从总体上达到最优目标。在设计系统试，要同时考虑 到参与系统活动的人的因素极其作用。”国际系统工程协会的系统工程手册中对于系统工程的定义是：“完成指定目 标要素的综合系统。”该手册认为这些要素包括硬件、软件、固件、人、信息、技术、设施、服务和其他的支持因素。Sage和Rouse(1999)进一步定义了系统 工程为：“一个能够成功实现各学科间系统整合的方法与手段。Buede(2000)描述了系统工程设计过程：“设计问题的需求、陈述和系统构建、功能及自然表 现的分解与定义网美国国防部为系统工程下的定义为：“系统工程师对科学的和工程的成果的 应用，以做到通过利用反复迭代的定义、综合、分析、设计、试验和鉴定等过程 将作战上的需求转换成队系统性能参数和系统技术状态的描述；综合起相关的技 术参数并保证所有物理的、功能的和设计的接口间具有相容性，以便优化整个系 统的界限和设计方案；将可靠性、维修性、安全性、生存性、人的因素以及其它 有关因素综合到整个工程成果中去，以达到费用、进度和技术性能方面的目标 9，O系统工程的方法论是指在更高的层次上，指导人们正确地应用系统工程思 想、方法和各种准则去处理问题。Hall提出了三维结构体系，该体系是由时间维、逻辑维和知识维构成，时间维反映了系统实现的过程，可以分为7个阶段：规划 阶段一按设计要求提出体系目标，制定规划；拟定方案阶段一进行初步设计；系 统开发设计和研制阶段；投入生产或施工阶段；安装阶段；运行阶段一要考虑消 耗和折旧；更新阶段。逻辑维表示了用系统工程方法解决问题的步骤，也分为7 步：明确问题；搜集相关信息；系统指标设计；系统综合一拟定需要采取的策略-4-第1章绪论和方案；系统分析；系统方案的优化选择；实施计划。知识维表示了系统是各综 合的交叉学科，在上述各阶段中，执行任一个步骤都会涉及多种专业技术，因此 系统分析这需要不断地扩大知识面。Hall的三维结构体系形象地描述了系统工程 的研究框架，对其中任何一个阶段和每一个步骤有可以进一步细化，形成了多层 次的树状体系口叫20世纪60年代以来，许多学者对系统工程解决问题、处理问题的方法进行 大量研究。Hall在1969年提出了系统工程的三维结构，其特点是强调明确目标，认为对任何现实问题都必须而且可能弄清楚其需求，其核心内容是最优化，Hall 认为现实问题都可以归结为工程问题，从而可以应用定量分析方法求得最有的系 统方案，该方法论适应了 60年代系统工程的应用需要。从20世纪70年代开始，系统工程已逐步应用于研究社会经济系统的发展问 题，所涉及的社会因素非常复杂，存在着大量无法量化