ЦИФРОВАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ КОСМИЧЕСКОЙ … day/Plenary 1/2-1...Модельно-ориентированный системный инжиниринг (MBSE),

1 1

IT

ЦИФРОВАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ

КОСМИЧЕСКОЙ ОТРАСЛИ

Романов Алексей Александрович,

Тюлин Андрей Евгеньевич

Доклад на Третьем Российском симпозиуме по

наноспутникам с международным участием

RusNanoSat-2019 26-28 июня 2019 года, Самара

2 2

IT Содержание презентации

1. Проблемные вопросы реформирования космической деятельности: четвертая

промышленная революция, эра Space 4.0 и шестой технологический уклад

2. Модельно-ориентированный системный инжиниринг (MBSE), как основа

обеспечения разработки и создания перспективных космических систем и

комплексов

3. Цифровые двойники: реформа процессов жизненного цикла разработки

космической техники и производства инновационной продукции

4. Анализ возможностей создания инновационной космической продукции с

использованием технологий шестого уклада

5. Применение технологий микроэлектроники при создании РЭА космических

систем

6. Оказание услуг многоспутниковыми группировками КА различного целевого

назначения

7. Выводы

3 3

IT

“Основа четвертой индустриальной революции, в которую мы вступили, это – искусственный интеллект, связность данных и компьютеризация. Те же, кто не

адаптируются к новым технологиям, станут лишними”. Mukesh Ambani, Reliance Industries

Этапы промышленных революций

Источник: John Irudayaraj A White paper on Industry 4.0 – A Talent Perspective, Rinalytics Advisors, 2017

4 4

IT Этапы развития космонавтики

Обеспечить переход в эру Space 4.0 посредством подхода «Взаимодействие – Инновации – Информирование –

Стимулирование»

Эволюция космического сектора в эру New Space (Space 4.0) характеризуется появлением новых возможностей, например: • На рынок выходят малые предприятия и стартапы • Возникают новые модели бизнеса • Децентрализация космической деятельности • Упрощение доступа в космос за счет появления новых РН • Создаются подрывные технологии • Цифровизация космической отрасли

Источник: Amanda Regan, Head of Φ-lab Invest Office, Earth Observation Directorate, ESA-ESTEC,

Proceedings Small Satellites, System & Services Symposium (4S) 28 May – 1 June 2018 Sorrento, Italy

Источник:Aerospace 4.0TM Hany Moustapha,

P&WC July 2016

- Цифровое проектирование, интеграция и имитационное моделирование;

- Высокопроизводительные вычисления; - 3Д принтеры, аддитивное производство; - Перспективные материалы; - Роботы и искусственный интеллект; - Большие данные и прогностическая

аналитика; - Интернет вещей; - Дополненная и виртуальная реальность; - Технологии блокчейна

5 5

IT Структура нового (VI) технологического уклада и темпы роста его составляющих

«Шестой технологический уклад характеризуется развитием робототехники, биотехнологий, основанных на достижениях

молекулярной биологии и генной инженерии, нанотехнологии, систем искусственного интеллекта, глобальных

информационных сетей, интегрированных высокоскоростных транспортных систем. Промышленное производство

будет базироваться на открытиях в биотехнологиях, генной инженерии, нанотехнологиях, в области новых

материалов, информационно-коммуникационных, когнитивных, мембранных, квантовых технологиях,

нанофотонике и молекулярной фотонике, микромеханике, робототехнике, технологиях виртуальной реальности,

термоядерной энергетике, наноматериалах и наноструктурированных покрытиях и т.д.»

Источник: Конина Н.Ю. Шестой технологический уклад и менеджмент современных компаний// Вопросы экономики и права. 2014. № 3, с.с. 43-46

6 6

IT Проблемные вопросы реформирования космической деятельности

• Сокращение сроков разработки и создания

инновационной продукции

• Переход от документо-ориентированного к модельно-

ориентированному инжинирингу

• Стандартизация и унификация перспективной бортовой

и наземной аппаратуры

• Внедрение прорывных технологий шестого

технологического уклада в КА навигации, связи и ДЗЗ

• Новая парадигма космической деятельности:

информация как услуга; платформа как услуга;

инфраструктура как услуга

7 7

IT Моделирование на многих уровнях системы

7

Главное достоинство MBSE состоит в использовании поведенческих моделей

проектируемой системы, что позволяет проводить валидацию и верификацию на этапе

виртуального интегрального анализа до завершения создания изделия, заменяя т.о.

проведение натурных испытаний при доводке продукции

Применение MBSE обеспечивает:

• Ускорение междисциплинарного взаимодействия

• Гарантирует лучшее понимание

• Поведение системы известно заранее

Программный продукт CDP4 – одно из лучших решений

для применения в процессе параллельного

проектирования Источник: Alexander Kharlan, Nikita Veliev, Nikolay Mullin, Shamil Baktimirov,

Anton Ivanov, A University - Based Facility for Evaluation and Assessment of

Space Projects, Proceedings of 69th International Astronautical Congress, Bremen,

Germany, 1-5 October 2018

8 8

IT Возможности моделирования технических систем с помощью STK

8

Программный продукт STK позволяет проводить разработку, анализ, визуализацию и оптимизацию

наземных, морских, авиационных и космических систем, создавая интегрированную модель и

содержит более 20 блоков, включающих более 120 предметно-ориентированных моделей

Источник: Denis Amandine, STK Comprehensive Training, AGI Presentation, Astrodynamics (AERO0024), TP1:Introduction, 2012

9 9

IT Сравнение существующего и перспективного подходов к

проектированию сложных систем

Syndeia (бывшая SLIM) - среда совместной разработки следующего поколения сложных систем на основе

MBSE++ с использованием языка программирования SysML. Данная платформа управляет автоматизированной

верификацией требований, имитацией составных частей системы, анализом компромиссов и оптимизацией

вариантов, анализом рисков, экспертизой этапов проектирования, верификацией и валидацией системы, а также

другими ключевыми задачами системного инжиниринга, начиная с самых ранних стадий разработки, прямо из

модели системы, заданной SysML. Т.о. Syndeia – это аналитический инструментарий, поддерживающий

мощную и бесшовную среду проектирования сложных систем, охватывающую организационную структуру,

персонал, производственные условия и другие аспекты разработки системы.

10 10

IT

Традиционный жизненный цикл разработки МКА Сокращение жизненного цикла разработки МКА за счет MOSA

Источник: Stanley O. Kennedy Jr., Alexander Dunn, New Techniques in Spacecraft Modeling and Simulation

Environments to Support Next Generation Satellite Constellations, Proceedings of 12 Symposium on Small

Satellites, Berlin, 2019, IAA - B12 - 0403

Подход модульной открытой архитектуры системы (MOSA)

Подход модульной открытой архитектуры системы (MOSA) используется для разработки среды имитационного моделирования (M&S) с целью уменьшения стоимости разработки МКА на всех этапах жизненного цикла, и в тоже время наращивания эксплуатационных возможностей миссии. Указанные цели достигаются следующими путями: 1) Применение нового оптимизированного способа ввода исходных данных о коммерчески доступных на рынке компонентах (COTS) 2) Использование моделей высококачественных шаблонов проектирования миссий (Design Reference Missions - DRMs) 3) Широкое международное сотрудничество в единых оболочках имитационного моделирования

11 11

IT

Fidelity Design Reference Missions Высококачественное проектирование миссий на основе

опорных моделей (Fidelity Design Reference Missions)

Источник: K. Kumar, A. Dunn, S. Kennedy Jr., A. Vaccarella, N. Nagendra, Improving AIT through integration

of supply chain data into early-phase concept design. Simulation and EGSE for Space Programmes

(sesp2019), The Netherlands (2019)

Последовательные стадии сборки, интеграции и испытаний, задействующие различных производителей, требуют организации непосредственного взаимодействия с самых ранних этапов от концептуального проектирования до производства. Единственным эффективным способом управления подобным взаимодействием, отличающимся от плана полной вертикальной интеграции, является вполне успешный инструмент имитационного моделирования.

12 12

IT

Globally Distributed Integration Design Environment Глобальная распределенная инфраструктура интегрированной

разработки

Источник: Stanley O. Kennedy Jr., Alexander Dunn, New Techniques in Spacecraft Modeling and Simulation

Environments to Support Next Generation Satellite Constellations, Proceedings of 12 Symposium on Small

Satellites, Berlin, 2019, IAA - B12 - 0403

Виртуальные узлы M&S позволяют

командам разработчиков,

находящихся в различных регионах,

совместно проектировать и создавать

подкластеры единой спутниковой

группировки с учетом локальных

компетенций. Технические решения,

возникающие в распределенных узлах

интегрированной среды разработки

перспективных группировок

спутников, существенно улучшает

характеристики создаваемых миссий.

При этом ранняя интеграция

подсистем и высокоуровневая

верификация значительно повышает

надежность миссии за счет того, что

инструментарий MOSA M&S

предоставляет всей глобальной

команде одинаковые возможности

13 13

IT Цифровые двойники и цифровые потоки

14 14

IT

Космическое приборостроение активно разрабатывает и внедряет:

• Микроминиатюризацию – системы на кристалле (в корпусе), обеспечивающие

малое энергопотребление, а также модернизированную аппаратную реализацию

• MEMS – сверх малые сенсоры, компоненты для оптической связи,

твердотельных гироскопов и источников питания

• Устройства прецизионного определения положения КА

• Атомные и оптические стандарты частоты нового поколения

• Съемочные камеры с улучшенными характеристиками ПН

• Приемо-передающие антенны из метаматериалов в Ка и Кu диапазонах

• Улучшенные реконфигурируемые компьютеры и дистанционное

программирование

• Методы создания кластерных группировок, реализующих подход «спутник-

прибор»

• Методологии проектирования распределенных систем

• Алгоритмы управления кластерами

• Методы искусственного интеллекта

Технологии ШТУ, необходимые для создания новых КА

15 15

IT Цифровая компания космической индустрии - основные компетенции

Для обеспечения перехода к проектам полного цифрового жизненного цикла

создания космических систем и комплексов необходимо опережающее

формирование НТЗ по всем направлениям деятельности предприятия

Источник: Paul Embry, Lockheed Martin Space Systems Company, Digital Tapestry, February 2016

16 16

IT Цифровизация космической индустрии

17 17

IT

Конкретные преимущества

включают:

- Высокую гибкость к изменениям

стандартного изделия

- Быструю интеграцию модульных компонентов

- Восприятие требований высокого качества

- Масштабируемость к более крупным

спутникам и ракетам

Перспективное цифровое производство “Industry 4.0” для систем малых спутников

Модульная архитектура

спутниковой платформы,

обеспечивающая гибкую

интеграцию в производство

Объединение людей и

роботов для эффективной

интеграции спутниковых

систем

Гибкое транспортное

перемещение материалов

между участками сборки и

испытаний

Автоматизированное

испытание

функциональности

и характеристик

спутника

Источник: Klaus Schilling, Advanced Industry 4.0 Production, IWLS-2, Japan 2018

18 18

IT

В компании OneWeb (Florida): массовое производство

мегасозвездия МКА

В центре телематики университета г. Вюрцбург (Германия):

Эффективная сборка и испытания спутника с использованием

человеко - робототехнических взаимодействий. Мобильный

транспортный робот соединяет участки сборки и испытаний

Перспективы автоматизации и производства: сборка с использованием роботов

Источник: Klaus Schilling, Advanced Industry 4.0

Production, IWLS-2, Kitakushu, Japan 2018

19 19

IT

Дополненная реальность используется для поддержки

человеко-робототехнического взаимодействия при сборке

спутников

Источник: Klaus Schilling, Advanced Industry 4.0 Production, IWLS-2, Japan 2018

Использование технологий виртуальной реальности при сборке МКА с помощью

роботов

20 20

IT Три уровня услуг на основе космических данных

Источник: Creating a European

Marketplace for Earth Observation Services//

Position Paper prepared by EARSC. 2016.

Предложенный подход заключается в создании “платформы”, объединяющей вместе множество возможностей, позволяющих обеспечить пользователю доступ к большому количеству разнородных данных и инструментов преобразования их в востребованные услуги. Подход основан на трехуровневой архитектуре (информация, платформа и инфраструктура), предоставляющей услуги конкурирующими поставщиками через уполномоченных брокеров. Конкуренция должна быть поддержана на каждом уровне во избежание любой зависимости от различающихся бизнес моделей, гарантирующей что все пользователи государственного и частного секторов получат за свои деньги услугу наилучшего качества. Все возможные инвестиции должны объединяться, побуждая участие более, чем одного игрока в каждом сегменте рынка и обеспечивая конкуренцию, сопровождаемую высоким уровнем инновационности и креативности.

21 21

IT

1. Цифровая трансформация отрасли может быть активизирована

путем внедрения технологий модельно-ориентированного

системного инжиниринга, цифровых двойников и

параллельного проектирования

2. Разработку и создание межотраслевого программного продукта

моделирования сложных технических систем, аналогичного

STK, необходимо задать в рамках ФКП России

3. Целесообразно сформировать несколько отраслевых

демонстрационных проектов, нацеленных на создание

инженерной методики формирования цифровых двойников

4. Использование робототехнических комплексов при сборке МКА

– один из наиболее эффективных путей решения проблемы

массового производства.

Выводы

22 22

IT

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!

ПРИГЛАШАЕМ К СОТРУДНИЧЕСТВУ!

Романов Алексей Александрович,

Заместитель генерального директора по науке

АО «Российские космические системы», д.т.н., профессор

E-mail: [email protected]

Тел: +7(495)6739920