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

Для реализации полностью автономных космических миссий необходимо обеспечить возможность обнаружения неисправностей и их компенсации без вмешательства человека. Для решения этой задачи и обеспечения модельно-ориентированной поддержки проектирования и эксплуатации систем важно связать управление отказами (FM) и модельно-ориентированную инженерию систем (MBSE). Этот подход был успешно продемонстрирован путем модельно-ориентированной генерации анализа видов и последствий отказов (FMECA) и деревьев отказов (FTA) на основе первоначальной информации о проектировании миссии NASA HelioSwarm.

Художественное представление будущей миссии HelioSwarm на орбите.

По мере того как NASA расширяет границы космических исследований в рамках программы "Артемида" и будущих глубококосмических научных миссий, повышение степени автономии и отказоустойчивости систем неизбежно становится ключевой технологической потребностью. Автономная эксплуатация требует наличия программного обеспечения для управления отказами (FM), способного автоматически обнаруживать возникающие в космосе проблемы и устранять их без участия человека. Проектирование автономных миссий предполагает междисциплинарный подход, связывающий FM с методом модельно-ориентированной инженерии систем (MBSE), используемым при проектировании миссий, для обеспечения того, чтобы отказоустойчивые системы разрабатывались, моделировались и интегрировались на этапе проектирования.

Для удовлетворения этой потребности NASA заключило контракт по программе Small Business Innovation Research (SBIR) Фазы II с компанией Qualtech Systems Inc. (QSI) на разработку возможностей FM и совершенствование ее коммерчески доступного набора инструментов TEAMS® (продукт, полученный в результате коммерциализации предыдущих разработок компании, спонсируемых NASA по программе SBIR) для поддержки миссии HelioSwarm и других гелиофизических миссий NASA.

Подход QSI

Одной из важнейших задач в рамках этой работы стало сопряжение управления состоянием системы (SHM) и FM с процессом системной инженерии (SE). SHM/FM в совокупности представляет собой набор механизмов, обеспечивающих достижение целей миссии путем предотвращения отказов или их обнаружения и последующего устранения. Процесс SE координирует, перекрестно проверяет и интегрирует элементы системы для достижения целей миссии и является неотъемлемой частью этапов проектирования, спецификации, верификации и валидации (V&V) систем. NASA часто использует модельный подход в рамках процесса SE, опираясь на Systems Modeling Language (SysML) в качестве основы.

Несмотря на их тесную связь с SE на практике, методы SHM/FM, как правило, не были тесно интегрированы с SE. Часто SHM/FM внедряется только после проектирования номинальной системы, что по сути делает SHM/FM "латанием дыр" для проблем, возникающих постфактум, без учета того, как эти проблемы могли быть предотвращены. Кроме того, SE и SHM/FM часто включают отдельные группы экспертов с узкоспециализированными знаниями. Такая ситуация может приводить к использованию методологий моделирования и процессов анализа, дающих противоречивые результаты, и потенциально может 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, демонстрируя, как схемы SHM/FM смягчают последствия симуляции 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, академиков 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, производимые инструментарием QSI.

Эта возможность позволяет системным инженерам использовать коммерческий набор инструментов моделирования QSI для анализа аспектов FM проектных решений, представленных в SysML v2. За счет фиксации причин и последствий отказов, инструментарий QSI позволяет разработчикам миссий проводить анализ видов, последствий и критичности отказов (FMECA) и анализ деревьев отказов (FTA) для анализа, количественной оценки и улучшения диагностики и доступности системы. Кроме того, инструментарий рекомендует улучшения дизайна (например, оптимальное размещение датчиков на борту космического аппарата) на основе результатов таких анализов и предоставляет эти рекомендации в стандартных отраслевых форматах, которые легко понять и интегрировать в дизайн.

В рамках этой инициативы SBIR инструментарий QSI также был усовершенствован для взаимодействия с фреймворком MBSE и обеспечения создания, оценки и выбора концепций FM для проектного решения миссии. Инструментарий теперь позволяет тестировать концепции FM на ранних этапах проектирования, чтобы в проект системы можно было заложить адекватное обнаружение и диагностику, что потенциально снизит общую стоимость разработки, облегчит улучшение коммуникации и координации между членами команды миссии и снизит риски разработки (по стоимости и графику).

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 проведения первых одновременных многомасштабных измерений флуктуаций магнитного поля и потоков протонов в динамичной околоземной космической среде. Поскольку плазменная турбулентность передает энергию через множество масштабов, от движений на уровне жидкости до кинетической динамики частиц, ее невозможно полностью понять по одной точке измерения или измерениям только в одном масштабе. Космические аппараты HelioSwarm будут летать с разнесением от десятков до тысяч километров, что позволит ученым реконструировать трехмерную структуру и динамику турбулентной космической плазмы. Эти наблюдения покажут, как энергия перемещается по солнечному ветру, трансформируя наше понимание фундаментальных плазменных процессов, действующих вблизи Земли, вокруг Солнца и во всей Вселенной.

Плазменная турбулентность — это процесс, посредством которого энергия, содержащаяся в флуктуирующих магнитных полях и движении плазмы, каскадирует 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. Благодаря фундаментальной термодинамической роли, которую она играет в жидкостях, включая космическую плазму, многие считают, что турбулентные жидкости являются самой важной нерешенной проблемой классической физики.

Команда QSI создала модель проектирования HelioSwarm в SysML v2 для подсистем и требований к миссии верхнего уровня, зафиксировав нисходящее наследование от целей миссии к дизайну. Затем команда использовала свой усовершенствованный инструментарий для преобразования модели HelioSwarm в SysML v2 в модель FM. Модели HelioSwarm состоят из ключевых подсистем центрального космического аппарата и восьми узловых спутников, включая подсистемы управления командами и данными; электропитания; управления ориентацией; двигательной установки, теплового управления, датчиков полезной нагрузки и бортового оборудования, 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 FM-анализы сгенерировали рекомендации (например, по размещению датчиков), которые были предоставлены в виде предлагаемых обновлений к проектному решению. Этот процесс будет поддерживать проектирование малых роевых космических аппаратов с внутренней избыточностью для улучшения научных наблюдений и достижения других целей NASA, таких как обеспечение поддержки миссий для операций на лунной поверхности.

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 для тех, которые требуют автономной работы. Инструментарий QSI TEAMS® был принят за основу для функций управления бортовыми системами в проекте NASA Gateway и сохраняет применимость для будущих пилотируемых космических аппаратов. Системные инженеры могли бы использовать эту технологию для внедрения стратегий смягчения отказов с целью улучшения дизайна за счет дополнительного понимания общей отказоустойчивости системы, начиная с самого этапа проектирования.

Эта технология также может найти применение за пределами NASA. Всесторонние и эффективные FM-анализы 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, гражданским авиационным и морским системам, транспорту, а также оборудованию для производства и распределения электроэнергии.