Интеграция модельно-ориентированной инженерии систем и управления отказами для обеспечения автономных космических миссий

Для полностью автономных космических миссий необходима возможность обнаруживать сбои и компенсировать их без вмешательства человека. Для решения этой задачи и обеспечения модельной поддержки проектирования и эксплуатации систем важно связать управление отказами (FM) и модельно-ориентированную инженерию систем (MBSE). Этот подход был успешно продемонстрирован путем модельной генерации анализа видов и последствий отказов (FMEA) и деревьев отказов с использованием ранних проектных данных миссии NASA HelioSwarm.

По мере того как NASA расширяет границы космических полетов с программой Artemis и предстоящими глубококосмическими научными миссиями, повышенная автономия и устойчивость систем неизбежно становятся ключевыми технологическими потребностями. Автономные операции требуют программного обеспечения для управления отказами (FM), способного автоматически обнаруживать и устранять возникающие в космосе проблемы без участия человека. Разработка автономных миссий требует междисциплинарного подхода, который связывает FM с модельно-ориентированным подходом к системной инженерии (MBSE), используемым при проектировании миссий, чтобы гарантировать, что устойчивые, отказоустойчивые системы будут разработаны, смоделированы и интегрированы на этапе проектирования.

Для удовлетворения этой потребности NASA заключило контракт в рамках программы Small Business Innovation Research (SBIR) фазы II с компанией Qualtech Systems Inc. (QSI) на разработку функциональных возможностей FM и усовершенствование ее коммерчески доступного набора инструментов TEAMS® (продукт, ставший результатом коммерциализации предыдущих работ компании, спонсируемых NASA по программе SBIR) для поддержки миссии HelioSwarm и других гелиофизических миссий NASA.

Подход QSI

Одной из наиболее важных задач в рамках этой работы было установление связи между управлением состоянием системы (SHM) и FM с процессом системной инженерии (SE). Вместе SHM/FM представляет собой набор механизмов, которые обеспечивают достижение целей миссии путем предотвращения сбоев, их обнаружения и последующего устранения. Процесс SE координирует, перекрестно проверяет и интегрирует элементы системы для достижения целей миссии и является неотъемлемой частью процесса проектирования, спецификации, верификации и валидации (V&V) систем. NASA часто использует модельный подход для своего процесса SE, используя Systems Modeling Language (SysML) в качестве основы.

Несмотря на их тесную связь с SE на практике, методы SHM/FM обычно не были тесно интегрированы с SE. Часто SHM/FM включается только после проектирования номинальной системы, что по сути делает SHM/FM "заплаткой" для решения проблем после их возникновения, без учета того, как их можно было бы предотвратить. Кроме того, SE и SHM/FM часто включают отдельные группы экспертов с изолированными репозиториями знаний. Такая ситуация может привести к использованию методологий моделирования и процессов анализа, дающих противоречивые результаты, и потенциально привести к неэффективности на протяжении всего жизненного цикла миссии.

Подход команды QSI, финансируемый NASA, интегрирует SHM/FM непосредственно в процесс MBSE с самого начала проекта. Этот метод позволяет оценивать дизайн FM в операционном контексте, показывая, как схемы SHM/FM смягчают последствия имитируемых физических и функциональных отказов на уровне компонентов. Этот метод также облегчает проведение сравнительных исследований для оценки преимуществ различных архитектур FM на этапе проектирования.

В рамках этой инициативы SBIR QSI сотрудничала с SysML v2 Submission Team (SST) — разнородной группой конечных пользователей, поставщиков, ученых и правительственных представителей, занимающихся разработкой спецификаций для SysML v2, последней итерации SysML. Команда QSI интегрировала концепции FM и стандарты моделирования в SysML v2, а затем продемонстрировала, как модели SysML v2 могут быть преобразованы в модели пространства отказов, создаваемые инструментарием QSI.

Эта возможность позволяет системным инженерам использовать коммерческий набор инструментов моделирования QSI и анализировать аспекты FM проектного решения, представленного в SysML v2. Захватывая причины и последствия отказов, инструментарий QSI позволяет разработчикам миссий выполнять анализ видов, последствий и критичности отказов (FMECAs) и анализ деревьев отказов (FTAs) для анализа, количественной оценки и улучшения диагностики и доступности системы. Кроме того, инструментарий рекомендует улучшения дизайна (например, оптимальное расположение датчиков на борту космического аппарата) на основе результатов таких анализов и предоставляет эти рекомендации в стандартных отраслевых форматах, которые легко понять и включить в дизайн.

В ходе этой инициативы SBIR инструментарий QSI также был усовершенствован для взаимодействия с фреймворком MBSE и облегчения создания, оценки и выбора концепций FM для проектного решения миссии. Инструментарий теперь позволяет тестировать концепции FM на ранних стадиях процесса проектирования, чтобы адекватное обнаружение и диагностика могли быть встроены в проект системы, что потенциально может снизить общую стоимость разработки, улучшить коммуникацию и координацию между членами команды миссии и снизить риски разработки (стоимость и график).

Демонстрация HelioSwarm

HelioSwarm трансформирует наше понимание турбулентности в солнечном ветре и связанной с ним системы Солнце-Земля. Миссия использует созвездие, или "рой", из одного центрального и восьми совместно вращающихся малых спутников для выполнения первых одновременных, многомасштабных измерений флуктуаций магнитного поля и потоков протонов в динамичной окололунной космической среде. Поскольку плазменная турбулентность переносит энергию через множество масштабов, от движений на уровне жидкости до кинетической динамики частиц, ее невозможно полностью понять по одной точке измерения или измерениям только на одном масштабе. Спутники HelioSwarm будут летать с разнесением от десятков до тысяч километров, что позволит ученым реконструировать трехмерную структуру и динамику турбулентной космической плазмы. Эти наблюдения раскроют, как энергия перемещается через солнечный ветер, трансформируя наше понимание фундаментальных плазменных процессов, которые действуют вблизи Земли, вокруг Солнца и во всей Вселенной.

Плазменная турбулентность — это процесс, посредством которого энергия, содержащаяся в флуктуирующих магнитных полях и движении плазмы, каскадируется от больших к меньшим пространственным масштабам. Когда каскад приближается к малым пространственным масштабам, связанным с кинетическим рассеянием, энергия передается в тепло частиц. Без турбулентных каскадов в космической плазме большая часть Вселенной была бы намного холоднее, чем наблюдается. Учитывая фундаментальную термодинамическую роль, которую она играет в жидкостях, включая космическую плазму, многие утверждают, что турбулентные жидкости являются самой важной нерешенной проблемой классической физики.

Команда QSI создала модель дизайна HelioSwarm в SysML v2, включающую подсистемы и требования к миссии верхнего уровня, отражая поток от целей миссии к дизайну. Затем команда использовала свой усовершенствованный инструментарий для преобразования модели HelioSwarm в SysML v2 в модель FM. Модели HelioSwarm включают ключевые подсистемы центрального космического аппарата и восьми узловых спутников, включая подсистемы обработки команд и данных; электропитания; управления ориентацией; двигательной установки, термического управления, датчиков полезной нагрузки и аппаратуры разделения; а также наземной и космической связи. Используя инструментарий QSI, разработчики миссий затем сгенерировали FMECA и FTA, которые были преобразованы в стандартизированный отчет SysML. Кроме того, эти анализы FM сгенерировали рекомендации (например, по размещению датчиков), которые были представлены в виде предлагаемых обновлений к проектному решению системы. Этот процесс будет поддерживать проектирование малых роевых космических аппаратов с внутренней избыточностью для улучшения научных наблюдений и других целей NASA, таких как поддержка миссий для операций на поверхности Луны.

Актуальность для будущих миссий NASA и не-NASA приложений

Технология, разработанная в рамках этой последней инициативы SBIR, может иметь высокую ценность для будущих миссий NASA — особенно тех, которые требуют автономной работы. Инструментарий QSI TEAMS® был принят за основу для функций управления системами транспортных средств в проекте Gateway NASA и сохраняет применимость для будущих космических аппаратов с экипажем. Инженеры-проектировщики систем могли бы использовать эту технологию для интеграции стратегий смягчения последствий отказов для улучшения дизайна с дополнительным пониманием общей устойчивости системы — непосредственно на начальном этапе проектирования.

Эта технология также может иметь применение за пределами NASA. Комплексные и эффективные анализы FM и сравнительные исследования архитектур имеют критическое значение для сложных и дорогостоящих военных систем, таких как самолеты, надводные корабли, подводные лодки и даже современные наземные боевые машины. Кроме того, эта технология может быть применима к новым коммерческим космическим системам, гражданской авиации и морским системам, транспорту, а также к оборудованию для производства и распределения электроэнергии.